一种利用低品位热源的矿井水浓缩淡化产盐的系统及方法

专利名称：一种利用低品位热源的矿井水浓缩淡化产盐的系统及方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211456879.1

专利申请（专利权）人：国能神东煤炭集团有限责任公司,北京低碳清洁能源研究院,国家能源投资集团有限责任公司
权利人地址：内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇上湾金龙路北

专利发明（设计）人：王霄,郭强,李井峰,刘兆峰,蒋斌斌,唐佳伟,李杰

专利摘要：本发明公开了一种利用低品位热源的矿井水浓缩淡化产盐的系统及方法，系统包括：热源单元，用于接收低品位热源并将其转换成一次蒸汽；蒸发结晶器单元，用于接收矿井水及一次蒸汽将两者换热并在外加晶种的存在下实现矿井水的蒸发、结晶以及结晶盐浓水浓缩，得到二次蒸汽和浓缩后的结晶盐浓水；真空单元，与所述蒸发结晶器单元连通保持其内部呈负压真空状态；冷凝单元，用于冷凝蒸发结晶器单元得到的二次蒸汽将其转化为淡水。本发明有效利用了低品位热源使其作为浓缩淡化的驱动力，且能将浓缩倍数提高到15倍以上，同时实现了高矿化度矿井水浓缩段的高倍率及低成本。

主权利要求：
1.一种利用低品位热源的矿井水浓缩淡化产盐的系统，其特征在于：包括：热源单元，用于接收低品位热源并将其转换成一次蒸汽；
蒸发结晶器单元，用于接收矿井水及一次蒸汽将两者换热并在外加晶种的存在下实现矿井水的蒸发、结晶以及结晶盐浓水浓缩，得到二次蒸汽和浓缩后的结晶盐浓水；
真空单元，与所述蒸发结晶器单元连通保持其内部呈负压真空状态；
冷凝单元，用于冷凝蒸发结晶器单元得到的二次蒸汽将其转化为淡水；
其中，所述蒸发结晶器单元由上至下依次包括蒸发区、布水区、换热区、结晶区、扰动区、沉淀区及浓缩区，所述矿井水由沉淀区进入，所述一次蒸汽由换热区进入，所述晶种投加至结晶区。
2.根据权利要求1所述的矿井水浓缩淡化产盐的系统，其特征在于：所述蒸发结晶器单元换热区出口得到一次蒸汽凝结水并返回热源单元用于再次蒸发。
3.根据权利要求1所述的矿井水浓缩淡化产盐的系统，其特征在于：所述蒸发结晶器单元包括一效或多效串联的蒸发结晶器。
4.根据权利要求3所述的矿井水浓缩淡化产盐的系统，其特征在于：当使用多效串联的蒸发结晶器时，前一效蒸发结晶器产生的二次蒸汽进入后一效蒸发结晶器的换热区作为热源，和/或，前一效蒸发结晶器浓缩区产生的结晶盐浓水进入后一效蒸发结晶器的沉淀区继续浓缩。
5.根据权利要求1所述的矿井水浓缩淡化产盐的系统，其特征在于：所述热源单元包括热水换热器和闪蒸罐，低品位热源源进入热水换热器，与闪蒸罐循环水进行热交换，热能传递给闪蒸罐循环水，低品位热源转化为冷凝水。
6.根据权利要求1所述的矿井水浓缩淡化产盐的系统，其特征在于：所述冷凝单元冷水换热器和冷冻机，二次蒸汽经冷水换热器与冷冻机产生的冷却水换热后，凝结为淡水。
7.根据权利要求3所述的矿井水浓缩淡化产盐的系统，其特征在于：所述蒸发结晶器的布水区设置布水管，所述蒸发结晶器的换热区设置换热管，所述蒸发结晶器的扰动区设置搅拌装置，所述蒸发结晶器的沉淀区设置固液分离装置，所述蒸发结晶器的浓缩区设置为锥形结构。
8.一种利用低品位热源的矿井水浓缩淡化产盐的方法，其特征在于：包括如下步骤：将低品位热源输入热源单元种转换成一次蒸汽；
采用真空单元抽真空使蒸发结晶器单元内部维持负压状态，且其内部压力高于饱和蒸汽压；
将矿井水输入蒸发结晶器单元的沉淀区，一次蒸汽输入蒸发结晶器单元的换热区，以及将外部的晶种投加至蒸发结晶器单元的结晶区，在蒸发结晶单元内部进行矿井水的蒸发、结晶以及结晶盐浓水浓缩，得到二次蒸汽和浓缩后的结晶盐浓水；
将蒸发结晶器单元出口得到的二次蒸汽冷凝转化为淡水。
9.根据权利要求8所述矿井水浓缩淡化产盐的方法，其特征在于：还包括如下步骤：所述蒸发结晶器单元换热区出口得到的一次蒸汽凝结水返回至热源单元用于再次蒸发。
10.根据权利要求8所述矿井水浓缩淡化产盐的方法，其特征在于：还包括矿井水的预处理步骤：将矿井水去除悬浮物以及调节硬度、pH值，预处理后的矿井水通入蒸发结晶器单元。 说明书 : 一种利用低品位热源的矿井水浓缩淡化产盐的系统及方法技术领域[0001] 本发明涉及矿井水资源利用技术领域，具体涉及一种利用低品位热源的矿井水浓缩淡化产盐的系统及方法。背景技术[0002] 高矿化度矿井水矿化度在3000‑10000mg/L之间，不经处理无法排放也无法利用。高矿化度矿井水处理与利用全流程中，浓缩段对于产水水质及全流程成本控制起着至关重要的影响，浓缩段浓缩倍率的提升及成本的降低是全流程优化的主要方向。常规膜法浓缩在高矿化度矿井水大规模处理时投资运行成本较高，系统的稳定性差及结垢风险限制了膜法浓缩倍率的提升。传统反渗透或电渗析等膜浓缩技术在高矿化度矿井水的大规模处理下投资运行成本较高。现行工艺主要采用双碱沉淀法、树脂交换法等去除高矿化度矿井水中钙镁离子，进一步在浓缩淡化进水前添加阻垢剂以避免钙镁结垢，这样的方式不仅导致高矿化度矿井水除硬段工艺投资运行成本较高，同时导致高矿化度矿井水浓缩倍率和水回收率难以进一步提升，并且产生的浓水量较大引起后段蒸发结晶器规模较大。例如专利CN211078771U提供了一种基于石膏晶种防结垢技术的矿井水零排放蒸发器，采用纳滤加阻垢剂的方法对矿井水进行多级浓缩，浓水进入设计的MVR蒸发结晶器并结合晶种阻垢方法最终获得一价钠盐和硫酸钙盐，期望减少预处理除硬的费用，缩短流程，但无法提升浓缩倍率。[0003] 再者，现有浓缩工艺仍依赖传统电力工艺模式，成本很难得到有效控制。我国西部矿区由许多坑口电厂和化工厂，其副产的中低温蒸汽价格便宜，仍具有很大的潜热能；同时我国西部矿区蕴藏着丰富的太阳能和地热能，但这类低品位能源利均未实现有效的利用。发明内容[0004] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种利用低品位热源的矿井水浓缩淡化产盐的系统及方法，本发明有效利用了低品位热源，且将浓缩倍数提高到15倍以上，同时实现了高矿化度矿井水浓缩段的高倍率及低成本。[0005] 为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种利用低品位热源的矿井水浓缩淡化产盐的系统，包括：[0006] 热源单元，用于接收低品位热源并将其转换成一次蒸汽；[0007] 蒸发结晶器单元，用于接收矿井水及一次蒸汽将两者换热并在外加晶种的存在下实现矿井水的蒸发、结晶以及结晶盐浓水浓缩，得到二次蒸汽和浓缩后的结晶盐浓水；[0008] 真空单元，与所述蒸发结晶器单元连通保持其内部呈负压真空状态；[0009] 冷凝单元，用于冷凝蒸发结晶器单元得到的二次蒸汽将其转化为淡水；[0010] 其中，所述蒸发结晶器单元由上至下依次包括蒸发区、布水区、换热区、结晶区、扰动区、沉淀区及浓缩区，所述矿井水由沉淀区进入，所述一次蒸汽由换热区进入，所述晶种投加至结晶区。[0011] 根据本发明的系统，所述蒸发结晶器单元换热区出口得到一次蒸汽凝结水并返回热源单元用于再次蒸发。[0012] 根据本发明的系统，所述蒸发结晶器单元包括一效或多效串联的蒸发结晶器；当使用多效串联的蒸发结晶器时，前一效蒸发结晶器产生的二次蒸汽可进入后一效蒸发结晶器的换热区作为热源，和/或，前一效蒸发结晶器浓缩区产生的结晶盐浓水可进入后一效蒸发结晶器的沉淀区继续浓缩。[0013] 本发明另一方面还提供了一种利用低品位热源的矿井水浓缩淡化产盐的方法，包括如下步骤：[0014] 将低品位热源输入热源单元中转换成一次蒸汽；[0015] 采用真空单元抽真空使蒸发结晶器单元内部维持负压状态，且其内部压力低于饱和蒸汽压；[0016] 将矿井水输入蒸发结晶器单元的沉淀区，一次蒸汽输入蒸发结晶器单元的换热区，以及将外部的晶种投加至蒸发结晶器单元的结晶区，在蒸发结晶单元内部进行矿井水的蒸发、结晶以及结晶盐浓水浓缩，得到二次蒸汽和浓缩后的结晶盐浓水；[0017] 将蒸发结晶器单元出口得到的二次蒸汽冷凝转化为淡水。[0018] 根据本发明的方法，还包括如下步骤：所述蒸发结晶器单元换热区出口得到的一次蒸汽凝结水返回至热源单元用于再次蒸发。[0019] 本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：[0020] 本发明将晶种引入蒸发浓缩段，因硫酸钙诱导结晶析出，矿井水可实现高倍率浓缩，同时得到淡水可回用；并且本发明将结晶蒸发器单元的内部由上至下设置为蒸发区、布水区、换热区、结晶区、扰动区、沉淀区及浓缩区，矿井水由沉淀区进入，由低品位热源转换提供的一次蒸汽从换热区进入，以及将外加晶种投加至结晶区，矿井水及一次蒸汽换热并在外加晶种的存在下实现了矿井水的蒸发、结晶以及结晶盐浓水浓缩，得到二次蒸汽和浓缩后的结晶盐浓水，二次蒸汽冷凝后可得到淡水，因此本发明有效利用了低品位热源使其作为浓缩淡化的驱动力，且能将浓缩倍数提高到15倍以上，同时实现了高矿化度矿井水浓缩段的高倍率及低成本，结垢物质结晶，避免设备结垢，缩短了工艺流程，产出了结晶盐产品。[0021] 本发明的其它特征和优点将通过随后的具体实施方式予以详细说明。附图说明[0022] 图1为本发明示例的一种利用低品位热源的矿井水浓缩淡化同步产盐的系统结构示意图。[0023] 图2为本发明示例的一种蒸发结晶器单元结构示意图。[0024] 附图标记说明如下：[0025] 图1中：A‑热水换热器，B‑闪蒸罐，C‑真空泵，D‑冷水换热器，E‑冷冻机，F‑蒸发结晶器，G‑凝结水箱I，H‑凝结水箱II，I‑浓水箱，J‑压滤机，K‑产水箱。[0026] 图2中：F1‑蒸发区；F2‑布水区；F3‑换热区；F4‑结晶区；F5‑扰动区；F6‑沉淀区；F7‑浓缩区。[0027] 图1中各流向物料为：介质1为闪蒸罐循环水，介质2为低品位热源源凝结水，介质3为闪蒸罐产生的一次蒸汽，介质4为一次蒸汽凝结水，介质5为矿井水预处理后出水，介质6为结晶剂，介质7为矿井水蒸发产生的淡水，介质8为结晶盐浓水混合物，介质9为浓缩后的结晶盐浓水，介质10为真空气体，介质11为冷却水，介质12为矿井水蒸发产生的二次蒸汽，介质13为结晶盐浓水。具体实施方式[0028] 下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。[0029] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。[0030] 除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0031] 本发明的主要思路在于提供了一种利用低品位热源的矿井水浓缩淡化产盐的系统，包括：[0032] 热源单元，用于接收低品位热源并将其转换成一次蒸汽；[0033] 蒸发结晶器单元，用于接收矿井水及一次蒸汽将两者换热并在外加晶种的存在下实现矿井水的蒸发、结晶以及结晶盐浓水浓缩，得到二次蒸汽和浓缩后的结晶盐浓水；[0034] 真空单元，与所述蒸发结晶器单元连通保持其内部呈负压真空状态；[0035] 冷凝单元，用于冷凝蒸发结晶器单元得到的二次蒸汽将其转化为淡水；[0036] 其中，所述蒸发结晶器单元由上至下依次包括蒸发区、布水区、换热区、结晶区、扰动区、沉淀区及浓缩区，所述矿井水由沉淀区进入，所述一次蒸汽由换热区进入，所述晶种投加至结晶区。[0037] 较佳地，所述蒸发结晶器单元换热区出口得到一次蒸汽凝结水并返回热源单元用于再次蒸发。[0038] 较佳地，所述蒸发结晶器单元包括一效或多效串联的蒸发结晶器；当使用多效串联的蒸发结晶器时，前一效蒸发结晶器产生的二次蒸汽可进入后一效蒸发结晶器的换热区作为热源，和/或，前一效蒸发结晶器浓缩区产生的结晶盐浓水可进入后一效蒸发结晶器的沉淀区继续浓缩。[0039] 以下结合附图1‑2对各单元的具体结构及工作参数详细阐述：[0040] 本文中热源单元用于将不稳定的低品位热源源转换为稳定的蒸汽，蒸汽压力与温度可控，蒸汽作为系统的热驱动，为结晶蒸发器提供持续的一次蒸汽。低品位热源可以是坑口电厂的低压蒸汽，也可以是地热蒸汽、地热采水。热源单元可采用本领域常规的设备，例如图1所示的热水换热器A和闪蒸罐B。[0041] 所述热源单元，当热源稳定时，可采用直接蒸汽供应管道将热源供应至蒸发结晶器单元，该方式的优势在于系统简单，能耗低效率高；当热源不稳定时，可采用换热器A与闪蒸罐B联用，闪蒸罐B内清水循环使用，闪蒸罐B内清水通过换热器A获取低品位热源热量后返回闪蒸罐B，在闪蒸罐B内转换为一次蒸汽，该方式的优势在于可利用极低极不稳定的热源，产生稳定高品位一次蒸汽，保证后续系统稳定，同时造水比大幅提升。可以理解的是，所述换热器A可设置与其连通的凝结水箱II(H)。[0042] 本文中真空单元使蒸发结晶器单元内部维持负压状态，且其内部压力高于饱和蒸汽压，可采用本领域常规抽真空设备，例如图1所示真空泵C。[0043] 本文中冷凝单元产生冷却水，用于将二次蒸汽转化为淡水。为进一步提高能量利用效率，淡水可与矿井水原水再次换热。在具体的一示例中采用本领域常规冷却设备，例如图1所示冷水换热器D和冷冻机E，得到的淡水进入产水箱K，可回用。[0044] 本文中蒸发结晶器单元，接收矿井水及低品位热源转换的一次蒸汽，两者在内部换热并在外加晶种的存在下实现矿井水的蒸发、结晶以及结晶盐浓水浓缩；可以理解的是，为了提高矿井水的处理效果，可预先将矿井水预处理，尤其是针对矿化度在3000‑10000mg/L之间高矿化度矿井原水，在具体的示例中，可将矿井原水去除悬浮物和调节硬度、pH值后再通入蒸发结晶器单元，例如采用本领域旋流陶瓷膜技术除掉其中的悬浮物，采用调节池调节水质，采用中和池加入碱液调节pH值，采用絮凝沉淀池加入混凝剂及絮凝剂去除矿井水中镁离子等来处理矿井原水，上述步骤无顺序限制，可按实际需求组合。[0045] 上述蒸发结晶器单元包括一效或多效串联的蒸发结晶器F，图2示例了一种蒸发结晶器单元的具体结构，该单元由上至下依次包括蒸发区F1、布水区F2、换热区F3、结晶区F4、扰动区F5、沉淀区F6及浓缩区F7，其中：[0046] 蒸发区F1：矿井水获得热量后蒸发，蒸发区设置除沫器；[0047] 布水区F2：可采用布水管或喷嘴均匀布水；[0048] 换热区F3：采用换热管进行换热，换热管可选钢、铝、钛等材质；[0049] 结晶区F4：矿井水蒸发后，结晶物过饱和，在结晶剂表面附着沉淀生长；[0050] 扰动区F5：可采用机械搅拌或水力搅拌装置，使晶体不在此区域沉淀；[0051] 沉淀区F6：沉淀区直径小于上部区域，深度根据实际情况设计；结晶盐浓水在此区域沉淀，固液分层；[0052] 浓缩区F7：浓缩区为锥形，下部缩小；晶体进一步浓缩压实。[0053] 当使用多效串联的蒸发结晶器时，如图1所示三效蒸发结晶器F，矿井水进入蒸发结晶器沉淀区与结晶盐浓水混合，一部分结晶盐浓水被泵入蒸发结晶器布水管，蒸发结晶器顶部均匀分布在换热管上，获得换热管内一次蒸汽潜热后蒸发为二次蒸汽。二次蒸汽进入下一效蒸发结晶器换热管内作为热源。一部分结晶盐浓水被泵入下一效沉淀区，继续蒸发浓缩。[0054] 可以理解的是，本发明系统还设置有与蒸发结晶器F连通的凝结水箱I(G)及浓水箱I。浓水箱I中物料进入压滤机J处理，得到浓水(去一价盐结晶系统)和产品盐。[0055] 以下结合实施例对本发明利用低品位热源的矿井水浓缩淡化产盐的系统及方法进行说明。[0056] 实施例1[0057] 参考图1和图2，本发明实施例提供利用低品位热源的矿井水浓缩淡化产盐的系统及使用方法，具体如下：[0058] 热源单元，采用热水换热器A与闪蒸罐B联用的方式，低品位热源与清水通过热水换热器A换热，清水温度升高，高温水进入闪蒸罐B闪蒸产生一次蒸汽；[0059] 蒸发结晶器单元，用于接收矿井水及一次蒸汽将两者换热并在外加晶种的存在下实现矿井水的蒸发、结晶以及结晶盐浓水浓缩，得到二次蒸汽和浓缩后的结晶盐浓水；[0060] 真空单元，与所述蒸发结晶器单元连通保持其内部呈负压真空状态；[0061] 冷凝单元，用于冷凝蒸发结晶器单元得到的二次蒸汽将其转化为淡水；[0062] 其中，所述蒸发结晶器单元由上至下依次包括蒸发区F1、布水区F2、换热区F3、结晶区F4、扰动区F5、沉淀区F6及浓缩区F7，所述矿井水由沉淀区F6进入，所述一次蒸汽由换热区F3进入，所述晶种投加至结晶区F4。[0063] 蒸发结晶器F为圆形筒体，采用2205双相不锈钢，内壁防腐蚀；[0064] 蒸发区F1设置在布水区F2上部，蒸汽经捕沫器后从管道排至下一效蒸发器蒸汽入口；[0065] 布水区F2采用喷嘴布液形式；[0066] 采用水平管方式换热，管道为钛材，内部流体为一次蒸汽，外部流体为矿井水；[0067] 原料水采用平流进料方式；[0068] 低品位热源源首先进入热水换热器A，与闪蒸罐B循环水进行热交换，热能传递给闪蒸罐B循环水，低品位热源源转化为冷凝水去到凝结水箱II。低品位热源温度为120℃，压力0.25MPa。闪蒸罐B循环水出口和进口温度分别为65℃和78℃。闪蒸罐B循环水获得热量后在闪蒸罐B内蒸发产生一次蒸汽，一次蒸汽进入第一效蒸发结晶器F，将热量传递给矿井水后冷凝进入凝结水箱I，凝结水箱I冷凝水返回闪蒸罐B。[0069] 真空泵C使蒸发结晶器F内维持负压状态，蒸发结晶器F内压力高于饱和蒸汽压。[0070] 矿井水经混凝沉淀过程去除悬浮物，之后加入稀盐酸调节pH值，出水进入蒸发结晶器沉淀区F6与结晶盐浓水混合，一部分结晶盐浓水被泵入蒸发结晶器布水管，蒸发结晶器顶部均匀分布在换热管上，获得换热管内一次蒸汽潜热后蒸发为二次蒸汽。进入蒸发结晶器矿井水水质如表1所示。二次蒸汽进入下一效蒸发结晶器换热管内作为热源。一部分结晶盐浓水被泵入下一效沉淀区F6，继续蒸发浓缩。本实施例设计三效内部结构相同的蒸发结晶器F。[0071] 外购或制备的结晶剂与结垢物质结构相似，结晶剂CaSO4·2H2O投加至各效蒸发结晶器结晶区F4，结晶剂诱导结垢物质在其表面附着沉积生长。结晶盐浓水在蒸发结晶器底部浓缩区F7进一步浓缩，由底部排出至浓水箱I，经压滤机J分离产生浓水去到一价盐结晶系统，产生产品盐外售；[0072] 蒸发结晶器F得到的二次蒸汽经冷水换热器D与冷冻机E产生的冷却水换热后，凝结为淡水，淡水去到产水箱K回用。[0073] 一效、二效、三效蒸发结晶器F中控制结晶剂摩尔浓度依次为矿井水中钙离子浓度的5倍、3倍和1倍；[0074] 一效、二效、三效蒸发结晶器F中温度依次为85℃、80℃、70℃；[0075] 矿井水原水、一效、二效、三效排出浓水TDS分别为11g/L、33g/L、82.5g/L、206.2g/L；[0076] 三效蒸发结晶器系统总造水比达到16，蒸发浓缩总高倍率达到18.75。[0077] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动均在本发明涵盖的精神范围之内。

专利地区：内蒙古

专利申请日期：2022-11-21

专利公开日期：2024-05-21

专利公告号：CN118056788A