一种自热回收三效蒸馏水处理系统及其工作方法

技术领域

本发明属于工业水处理及热回收技术领域，涉及一种将机械蒸汽再压缩与多效蒸发系统耦合的热泵水处理系统及其工作方法，更具体是涉及一种自热回收三效蒸馏水处理系统及其工作方法。

背景技术

目前，现有的海水淡化方法及污水处理方法主要包括多级闪蒸技术、多效蒸馏技术以及反渗透膜技术，多级闪蒸技术平均每生产1m

目前，利用机械蒸汽再压缩的方法去回收蒸汽余热的同时处理污水去实现冷凝水的回收是一个可行的方法，但是单效系统的效率较低，不能很好的提高淡水的回收率。将机械蒸汽再压缩与多效蒸发系统相耦合的方式可以有效的提高淡水的产量，但是传统的机械蒸汽再压缩系统在使用的时候，随着蒸发器效数的增加，压缩机入口的蒸汽温度和压力就越低，比容将变大，导致对于压缩机的要求就大大增加，也就是说这种方式往往需要补充额外的新鲜蒸汽来保证系统的运行。

因此亟需开发一种针对机械蒸汽再压缩与多效蒸发系统相耦合的蒸汽补偿技术，代替额外补充新鲜蒸汽的方法，解决蒸汽供应不足的问题，最好还是最大限度的回收系统本身的余热去产生足够量的高温蒸汽满足系统的运行，提高能源效率，较少系统的碳排放量。

发明内容

本发明的目的是为解决机械蒸汽再压缩与多效蒸发系统相耦合时存在的高温蒸汽供应不足的问题，在不需要额外补充新鲜蒸汽的情况下满足蒸汽供应的需求，提出一种自热回收三效蒸馏水处理系统及其工作方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种自热回收三效蒸馏水处理系统，包括：水蒸馏单元、蒸汽增压自热回收单元和热泵自热回收单元，所述水蒸馏单元包括：进料泵1、第一预热器2、第二预热器3、第三预热器4、一效蒸发器5、第一循环泵6、二效蒸发器7、第二循环泵8、三效蒸发器9；原料液经进料泵1依次连接第一预热器2和第二预热器3，第二预热器3的原料液出口接至第三预热器4的入口a1，第三预热器4的出口a2经管路连接一效蒸发器5的入口b1；一效蒸发器5底部溶液出口b6经第一循环泵6接至二效蒸发器7的入口c1，一效蒸发器5顶部蒸汽出口b4经管路接至二效蒸发器7的冷凝管入口c2；二效蒸发器7底部溶液出口c6经第二循环泵8接至三效蒸发器9的入口d3；三效蒸发器9底部浓溶液出口d6接至第二预热器3，第二预热器3的浓溶液出口经管路接入后续水处理设备；

所述蒸汽增压自热回收单元包括：第一减压阀18，第二减压阀19，闪蒸器13，第一调节阀17和蒸汽压缩机14以及一效蒸发器5和二效蒸发器7；所述闪蒸器13顶部出口f4经第一调节阀17与二效蒸发器7的顶部蒸汽出口c4共同连接至蒸汽压缩机14入口，蒸汽压缩机14出口经管路连接一效蒸发器5的冷凝管入口b3，一效蒸发器5的冷凝器出口b2经第一减压阀18接至闪蒸器13的入口f2；二效蒸发器7的冷凝管出口c3经第二减压阀19接至闪蒸器13的入口f1；

所述热泵自热回收单元包括：热泵蒸发器10；第一热泵压缩机11，第二热泵压缩机12，第三预热器4，三效蒸发器9，第一膨胀阀15，第二膨胀阀16，闪蒸器13，第三减压阀20，第一预热器2和淡水箱30；热泵蒸发器10的制冷剂换热管出口e1接至第一热泵压缩机11入口，第一热泵压缩机11出口分两路，一路经管路接至三效蒸发器9的冷凝管入口d1，另一路接至第二热泵压缩机12入口，第二热泵压缩机12出口接至第三预热器4的入口a3；三效蒸发器9的冷凝管出口d2经第一膨胀阀15与第三预热器4的出口a4经第二膨胀阀16共同接至热泵蒸发器10的制冷剂换热管入口e3；所述闪蒸器13底部冷凝水出口f3经第三减压阀20接至热泵蒸发器10的入口e4；三效蒸发器9顶部的蒸汽出口d4经管路接至热泵蒸发器10的入口e2；热泵蒸发器10的冷凝水出口e6经第一预热器2换热后接至淡水箱30。

进一步优选，一效蒸发器5上设置有第一压力控制器22，顶部出口b5连接有第二调节阀23，所述第一压力控制器22通过信号线连接第二调节阀23；所述二效蒸发器7上设置有第二压力控制器24，顶部出口c5连接有第三调节阀25，所述第二压力控制器24通过信号线连接第三调节阀25；所述三效蒸发器9上设置有第三压力控制器28，顶部出口d5连接有第四调节阀29，所述第三压力控制器28通过信号线连接第四调节阀29；所述热泵蒸发器10上设置有第四压力控制器26，顶部出口e5连接有第五调节阀27，第四压力控制器26通过信号线连接第五调节阀27；所述第二调节阀23、第三调节阀25、第四调节阀29和第五调节阀27的出口分别连接抽真空系统或设备。

进一步优选，所述闪蒸器13上设有第五压力控制器21，并通过信号线连接第一调节阀17；第五压力控制器21的设定压力与第二压力控制器24的压力设定值相同。

进一步优选，所述第一热泵压缩机11和所述第二热泵压缩机12为两台单独的压缩机，或为单台带中间抽气的压缩机，当为两台单独的压缩机时，则第二热泵压缩机12入口设置中间冷却换热器。

进一步优选，所述蒸汽压缩机14为能实现喷液冷却的螺杆压缩机或罗茨压缩机，或离心压缩机，当为离心压缩机时，压缩机出口处设置过热消除器。

上述一种自热回收的三效蒸馏水处理系统的工作方法，包括：

系统启动时：将各压力控制器设定压力设为下限值，由与抽真空系统或设备连接的各调节阀，对系统管路及设备进行抽真空，真空度满足要求后，各压力控制器压力设定值调整为系统正常运行需要的控制值；然后开启进料泵1向一效蒸发器5内注入原料液，液位到达设定高度后，开启第一循环泵6，向二效蒸发器7内注入原料液，液位到达设定高度后开启第二循环泵8，向三效蒸发器内注入原料液；然后开启蒸汽压缩机14抽取二效蒸发器7内的闪蒸汽，压缩后加热一效蒸发器5内的溶液，同时冷凝水经第一减压阀18进入闪蒸器13内，一效蒸发器5内蒸发产生的蒸汽也会进入二效蒸发器7内放热冷凝，然后经第二减压阀19进入闪蒸器13内，待闪蒸器13内液位到达设定高度后会自动经第三减压阀20进入热泵蒸发器10内，待热泵蒸发器10内压力达到设定值时再开启第一热泵压缩机11和第二热泵压缩机12，使热泵系统运行，对三效蒸发器9内原料液进行加热蒸馏和预热流入第三预热器4的原料液；然后系统各参数逐步趋于稳定，进入正常运行阶段；

系统正常运行时：可实现最优工况运行模式，即依据进料溶液的流量和温度，通过PID控制器，实时调整各压力控制器的设定值，使系统在最优能效的工况下运行；也可实现稳定工况运行，即无论进料流量与温度如何变化，各压力控制器设定压力值不变，系统运行的温度、压力参数稳定；

系统停机时：先关闭蒸汽压缩机14，然后关闭进料泵1和第一循环泵6；随后关闭的第一热泵压缩机11和第二热泵压缩机12，最后关闭第二循环泵8。

进一步优选，各蒸发器内压力低于压力控制器设定压力时，调节阀开度减小；各蒸发器内压力高于压力控制器设定压力时，调节阀开度增大。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下技术效果：

采用机械蒸汽再压缩和热泵同时与多效系统相结合的方式，前几效采用机械蒸汽再压缩的方式，而在末效则采用热泵回收的方式，利用两者的特点最大限度回收热量，另外，热泵系统也采用的是两级压缩，二级压缩后的制冷剂预热进料液，进而不需要辅助冷凝器便可以达到更好的预热效果。同时利用高温冷凝水的降压闪蒸，增加了蒸汽压缩机的吸气量，进而无需补偿新鲜蒸汽，淡水的温度也会降低，区别于传统预热换热器的回收方法。相比于还需要额外补充蒸汽的系统，本系统利用电能便可驱动运行，使系统运行费用大幅下降，经计算，与额外提供蒸汽的机械蒸汽再压缩多效水处理系统相比，在相同的条件下，生产1t淡水的成本降低了24.4％，节约了大概0.5t的蒸汽，同时，与传统的多效蒸发、多效闪蒸等污水处理方法比较，该系统又节约了大量的电能，而节约1度电又能减小二氧化碳排放1.3kg，进而本系统对“双碳”计划有很好的促进作用。

附图说明

图1为本发明系统的构造示意图

图中：1为进料泵、2为第一预热器、3为第二预热器、4为第三预热器、5为一效蒸发器、6为第一循环泵、7为二效蒸发器、8为第二循环泵、9为三效蒸发器、10为热泵蒸发器、11为第一热泵压缩机、12为第二热泵压缩机、13为闪蒸器、14为蒸汽压缩机、15为第一膨胀阀、16为第二膨胀阀、17为第一调节阀、18为第一减压阀、19为第二减压阀、20为第三减压阀、21为第五压力控制器、22为第一压力控制器、23为第二调节阀、24为第二压力控制器、25为第三调节阀、26为第四压力控制器、27为第五调节阀、28为第三压力控制器、29为第四调节阀、30为淡水箱。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的一种自热回收三效蒸馏水处理系统，包括：水蒸馏单元、蒸汽增压自热回收单元和热泵自热回收单元，所述水蒸馏单元包括：进料泵1、第一预热器2、第二预热器3、第三预热器4、一效蒸发器5、第一循环泵6、二效蒸发器7、第二循环泵8、三效蒸发器9；原料液经进料泵1依次连接第一预热器2和第二预热器3，第二预热器3的原料液出口接至第三预热器4的入口a1，第三预热器4的出口a2经管路连接一效蒸发器5的入口b1；一效蒸发器5底部溶液出口b6经第一循环泵6接至二效蒸发器7的入口c1，一效蒸发器5顶部蒸汽出口b4经管路接至二效蒸发器7的冷凝管入口c2；二效蒸发器7底部溶液出口c6经第二循环泵8接至三效蒸发器9的入口d3；三效蒸发器9底部浓溶液出口d6接至第二预热器3，第二预热器3的浓溶液出口经管路接入后续水处理设备；

所述蒸汽增压自热回收单元包括：第一减压阀18，第二减压阀19，闪蒸器13，第一调节阀17和蒸汽压缩机14以及一效蒸发器5和二效蒸发器7；所述闪蒸器13顶部出口f4经第一调节阀17与二效蒸发器7的顶部蒸汽出口c4共同连接至蒸汽压缩机14入口，蒸汽压缩机14出口经管路连接一效蒸发器5的冷凝管入口b3，一效蒸发器5的冷凝器出口b2经第一减压阀18接至闪蒸器13的入口f2；二效蒸发器7的冷凝管出口c3经第二减压阀19接至闪蒸器13的入口f1；

所述热泵自热回收单元包括：热泵蒸发器10；第一热泵压缩机11，第二热泵压缩机12，第三预热器4，三效蒸发器9，第一膨胀阀15，第二膨胀阀16，闪蒸器13，第三减压阀20，第一预热器2和淡水箱30；热泵蒸发器10的制冷剂换热管出口e1接至第一热泵压缩机11入口，第一热泵压缩机11出口分两路，一路经管路接至三效蒸发器9的冷凝管入口d1，另一路接至第二热泵压缩机12入口，第二热泵压缩机12出口接至第三预热器4的入口a3；三效蒸发器9的冷凝管出口d2经第一膨胀阀15与第三预热器4的出口a4经第二膨胀阀16共同接至热泵蒸发器10的制冷剂换热管入口e3；所述闪蒸器13底部冷凝水出口f3经第三减压阀20接至热泵蒸发器10的入口e4；三效蒸发器9顶部的蒸汽出口d4经管路接至热泵蒸发器10的入口e2；热泵蒸发器10的冷凝水出口e6经第一预热器2换热后接至淡水箱30。

所述一效蒸发器5上设置有第一压力控制器22，顶部出口b5连接有第二调节阀23，所述第一压力控制器22通过信号线连接第二调节阀23；所述二效蒸发器7上设置有第二压力控制器24，顶部出口c5连接有第三调节阀25，所述第二压力控制器24通过信号线连接第三调节阀25；所述三效蒸发器9上设置有第三压力控制器28，顶部出口d5连接有第四调节阀29，所述第三压力控制器28通过信号线连接第四调节阀29；所述热泵蒸发器10上设置有第四压力控制器26，顶部出口e5连接有第五调节阀27，第四压力控制器26通过信号线连接第五调节阀27；所述第二调节阀23、第三调节阀25、第四调节阀29和第五调节阀27的出口分别连接抽真空系统或设备。

所述闪蒸器13上设有第五压力控制器21，并通过信号线连接第一调节阀17；第五压力控制器21的设定压力与第二压力控制器24的压力设定值相同。

所述第一热泵压缩机11和所述第二热泵压缩机12为两台单独的压缩机，或为单台带中间抽气的压缩机，当为两台单独的压缩机时，则第二热泵压缩机12入口设置中间冷却换热器。

所述蒸汽压缩机14为能实现喷液冷却的螺杆压缩机或罗茨压缩机，或离心压缩机，当为离心压缩机时，则压缩机出口设置过热消除器。

本发明的一种自热回收三效蒸馏水处理系统的工作方法，包括：

系统启动时：将各压力控制器设定压力设为下限值，由与抽真空系统或设备连接的各调节阀，对系统管路及设备进行抽真空，真空度满足要求后，各压力控制器压力设定值调整为系统正常运行需要的控制值；然后开启进料泵1向一效蒸发器5内注入原料液，液位到达设定高度后，开启第一循环泵6，向二效蒸发器7内注入原料液，液位到达设定高度后开启第二循环泵8，向三效蒸发器内注入原料液；然后开启蒸汽压缩机14抽取二效蒸发器7内的闪蒸汽，压缩后加热一效蒸发器5内的溶液，同时冷凝水经第一减压阀18进入闪蒸器13内，一效蒸发器5内蒸发产生的蒸汽也会进入二效蒸发器7内放热冷凝，然后经第二减压阀19进入闪蒸器13内，待闪蒸器13内液位到达设定高度后会自动经第三减压阀20进入热泵蒸发器10内，待热泵蒸发器10内压力达到设定值时再开启第一热泵压缩机11和第二热泵压缩机12，使热泵系统运行，对三效蒸发器9内原料液进行加热蒸馏和预热流入第三预热器4的原料液；然后系统各参数逐步趋于稳定，进入正常运行阶段；

相对于于传统预热换热器的回收方法，本系统中闪蒸器13通过利用高温淡水降压闪蒸，产生的闪蒸汽被蒸汽压缩机14抽取，进而无需补充新鲜蒸汽，同时淡水温度会降低并储存在闪蒸器13的容器内；

系统正常运行时：可实现最优工况运行模式，即依据进料溶液的流量和温度，通过PID控制器，实时调整各压力控制器的设定值，使系统在最优能效的工况下运行；也可实现稳定工况运行，即无论进料流量与温度如何变化，各压力控制器设定压力值不变，系统运行的温度、压力参数稳定；

各蒸发器内压力低于压力控制器设定压力时，调节阀开度减小；各蒸发器内压力高于压力控制器设定压力时，调节阀开度增大；

系统停机时：先关闭蒸汽压缩机14，然后关闭进料泵1和第一循环泵6；随后关闭的第一热泵压缩机11和第二热泵压缩机12，最后关闭第二循环泵8。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种变更与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。