基于超临界CO2多级热回收耦合低温闪蒸的废水零排放系统

867 编辑：中冶有色技术网来源：北京大学

2023-12-08 14:23:07

权利要求书： 1.一种基于超临界CO2多级热回收耦合低温闪蒸的废水零排放系统，其特征在于，该废水零排放系统包括CO2一次换热器(1)、分离器(2)、CO2二次换热器(3)、冷凝器(13)、原料液罐(7)、离心机(9)、母液槽(12)、原料液泵(6)、循环泵(10)、淡水泵(5)、出料泵(8)、母液泵(11)，其中，CO2一次换热器(1)一端通过管道与超临界CO2制冷循环系统连接，另一端连接CO2二次换热器(3)；原料液罐(7)通过管道依次连接原料液泵(6)、CO2二次换热器(3)、冷凝器(13)、CO2一次换热器(1)；CO2一次换热器(1)的原料液出口与分离器(2)相连通，分离器(2)的下端通过设有循环泵(10)的管道与CO2一次换热器(1)的原料液入口连通；分离器(2)上端通过管道与冷凝器(13)连接，冷凝器(13)再连接淡水输出管道与淡水泵(5)；分离器(2)下端通过管道依次与出料泵(8)、离心机(9)连接；离心机(9)一方面连接结晶体出口管道，另一方面通过管道连接母液槽(12)，母液槽(12)再通过管道依次与母液泵(11)、循环泵(10)连接。

2.如权利要求1所述的基于超临界CO2多级热回收耦合低温闪蒸的废水零排放系统，其特征在于，所述废水零排放系统还包括真空泵(4)，真空泵(4)通过管道分别与CO2一次换热器(1)、分离器(2)、CO2二次换热器(3)、冷凝器(13)连接。

3.如权利要求2所述的基于超临界CO2多级热回收耦合低温闪蒸的废水零排放系统，其特征在于，所述真空泵(4)为水环式真空泵，所述淡水泵(5)通过管道与真空泵(4)连接。

4.如权利要求1所述的基于超临界CO2多级热回收耦合低温闪蒸的废水零排放系统，其特征在于，所述离心机(9)为双级活塞推料离心机。

说明书：基于超临界CO2多级热回收耦合低温闪蒸的废水零排放系统技术领域[0001] 本实用新型涉及制冷和废水处理领域，特别涉及一种基于跨临界二氧化碳制冷循环的多级热回收和低温闪蒸耦合的废水零排放系统。背景技术[0002] 天然制冷剂工质二氧化碳相较于传统有机工质作为制冷/制冰系统的循环工质具有一定的优势。其作为自然工质，ODP为0且GWP为1，对臭氧层无破坏作用，其物性无毒不可燃，能够满足安全及可靠要求，在蓬勃发展的冰雪运动产业、新型的热泵空调系统以及煤矿、化工系统中均有一定的应用。[0003] 在以二氧化碳为工质的跨临界制冷循环中，其基本循环过程主要由四个部件组成：分别为压缩机、气体冷却器、膨胀阀和蒸发器。压缩机过程实现将二氧化碳工质压力从低于临界压力压缩为高于临界压力，此时二氧化碳工质同时具有较高的温度；气体冷却器过程实现将高温高压的二氧化碳工质进行冷却放热的定压过程；膨胀阀的膨胀过程实现二氧化碳工质的节流，使其成为低温低压的流体；蒸发器实现二氧化碳工质吸热制冷，再重新进入压缩机中完成整个循环。但传统的四部件循环过程难以有效提升二氧化碳制冷COP，一部分原因是，在气体冷却过程中的热量被冷却塔带走，该部分余热并未得到有效的利用。[0004] 另一方面，在废水零排放领域，前端的预处理、浓缩减量无论采用何种工艺路线，零排放的最终工艺大多采用蒸发结晶。目前普遍应用的两项蒸发结晶技术，分别为MR蒸汽机械再压缩技术和TR蒸汽热压缩技术。MR是将系统内的低温二次蒸汽经压缩机压缩，温度、压力提高，热焓增加，然后再进入系统内蒸发器的加热室当作加热蒸汽使用。整个蒸发过程中无需外供生蒸汽，但系统电耗高(压缩机耗电量占总耗电量90％)、操作温度高、腐蚀性强。TR生蒸汽(一般为0.2?0.8MPa)由蒸汽喷射器(TC)将蒸发器中产生的二次蒸汽抽吸并压缩，与生蒸汽混合从而使低品位的二次蒸汽变为高品位的加热蒸汽再次利用，降低系统生蒸汽消耗，整个蒸发过程电耗设备仅工艺流程泵，但系统需消耗高品位蒸汽，价格高(约200元/吨)。以上两种蒸发结晶技术水处理成本均在80元/吨以上。所以，现今对于废水零排放的末端处理缺少一种低成本、绿色、高效的系统及方法供其使用。实用新型内容

[0005] 本实用新型的目的是克服以上两方面现有技术中的不足，以废水零排放系统代替制冷系统的冷凝器，通过多级回收CO2余热将CO2温度降至40℃，解决高温高压的CO2工质在冷却过程中浪费掉大量余热的问题，同时解决废水蒸发结晶处理成本高、CO2大温差换热损失大、高温腐蚀等问题。[0006] 本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：[0007] 一种基于超临界CO2多级热回收耦合低温闪蒸的废水零排放系统，其特征在于，该废水零排放系统包括CO2一次换热器、分离器、CO2二次换热器、冷凝器、原料液罐、离心机、母液槽、原料液泵、循环泵、淡水泵、出料泵、母液泵，其中，CO2一次换热器一端通过管道与超临界CO2制冷循环系统连接，另一端连接CO2二次换热器；原料液罐通过管道依次连接原料液泵、CO2二次换热器、冷凝器、CO2一次换热器；CO2一次换热器的原料液出口与分离器相连通，分离器的下端通过设有循环泵的管道与CO2一次换热器的原料液入口连通；分离器上端通过管道与冷凝器连接，冷凝器再连接淡水输出管道与淡水泵；分离器下端通过管道依次与出料泵、离心机连接；离心机一方面连接结晶体出口管道，另一方面通过管道连接母液槽，母液槽再通过管道依次与母液泵、循环泵连接。[0008] 在本实用新型的废水零排放系统中，存放在原料液罐中的原料液(废水)在原料液泵的作用下依次通过CO2二次换热器、冷凝器、CO2一次换热器进行逐级换热升温，然后进入分离器。原料液在分离器中闪蒸，气液分离，气体从分离器的顶部排出，进入冷凝器中与原料液换热冷凝，冷凝形成的淡水经淡水泵排出；液体自动流到分离器底部，经循环泵进入CO2一次换热器中加热，加热后再进入分离器中闪蒸，形成内循环。经过多次循环蒸发过程，使浓缩废水达到饱和状态并开始析出晶体，有晶体析出的浓缩废水通过出料泵输送到离心机进行固液分离，分离母液经过母液槽在母液泵的作用下返回CO2一次换热器和分离器进行循环浓缩，晶体则分离出系统。[0009] 超临界CO2制冷循环系统产生的高温高压CO2依次通过CO2一次换热器和CO2二次换热器，将热量逐级传递给原料液，实现梯级冷却，冷却后的CO2又回到制冷循环系统。[0010] 进一步的，本实用新型的废水零排放系统中还配备真空系统，设置真空泵分别通过管道与CO2一次换热器、分离器、CO2二次换热器、冷凝器连接，抽取系统中的不凝气，防止不凝气对系统真空度和换热造成影响，并对废水进行低温有效闪蒸。[0011] 优选的，所述真空泵为水环式真空泵，所述淡水泵通过管道与真空泵连接，真空泵的水循环采用系统冷却后的淡水。[0012] 本实用新型提供的超临界CO2多级热回收耦合低温闪蒸的废水零排放系统，适用于制冷、废水系统的综合能量利用，能够提高能源利用效率，降低制冷能耗，降低废水零排放处理成本，减少资源浪费与碳排放量。本实用新型的优点及效果主要体现在：[0013] 1、本实用新型通过多级热回收可实现超临界CO2余热的100％回收利用，而传统技术是将余热通过冷却塔或空冷器排放至环境，造成能源浪费和环境污染；[0014] 2、本实用新型通过工艺路线创新可将CO2温度降到40℃，起到了制冷系统冷凝器的作用，因此可以替代原系统上的冷却塔或空冷器；[0015] 3、本实用新型废水零排放系统热源来自制冷压缩机出口的CO2，自带高温高压，因此回收热量的同时，无需获取热源的动力消耗，无蒸汽消耗，仅有系统内流程泵的电耗，可使零排放系统废水处理成本下降80％以上，节能效果显著；[0016] 4、本实用新型废水零排放系统中的蒸发结晶设备操作温度低(40～70℃)，相对于常规的蒸发结晶系统，低温耐腐蚀性增强，结垢倾向小，易于清洗维护。附图说明[0017] 图1是本实用新型的基于超临界CO2多级热回收耦合低温闪蒸的废水零排放系统的结构示意图，其中：1?CO2一次换热器，2?分离器，3?CO2二次换热器，4?真空泵，5?淡水泵，6?原料液泵，7?原料液罐，8?出料泵，9?离心机，10?循环泵，11?母液泵，12?母液槽，13?冷凝器。

具体实施方式[0018] 下面通过具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。[0019] 以含氯化钠废水的零排放系统为例：[0020] 在如图1所示的超临界CO2多级热回收耦合低温闪蒸的废水零排放系统中，制冷工质高温高压CO2首先依次通过CO2一次换热器1和CO2二次换热器3，分别将热量逐级传递给原料液，自身冷却后，进入制冷系统的膨胀阀。CO2的热量分成两段被回收利用的主要原因是其可回收利用的温度范围比较大，在大约120℃至大约40℃这个范围内。而原料液可利用的温度范围仅仅在大约25℃到大约50℃之间。为了不对CO2的高温段热量进行降低能量品质的利用，所以首先通过CO2二次换热器3让原料液吸收CO2低温段能量，然后再吸收冷凝器13中蒸汽的热量，最后再通过CO2一次换热器1吸收CO2的高温段热量。经过三次换热后，原料液温度分别变为大约35℃、40℃和60℃，而CO2经两次换热后，温度分别变为大约70℃和40℃，冷却后的CO2温度正是制冷系统所需工艺参数。[0021] 取TDS为100000mg/L的氯化钠废水为原料，原料液罐7中的氯化钠废水通过原料液泵6输入系统，依次进入CO2二次换热器3、冷凝器13和CO2一次换热器1预热到大约60℃，从顶部进入到分离器2，在分离器2中闪蒸，分离器2内压力控制在0.0078～0.0123MPa.a。闪蒸后剩余浓缩废水经循环泵10进入CO2一次换热器1加热，加热后再进入分离器2闪蒸。在循环蒸发过程中，补入氯化钠废水，经过多次循环后，系统中氯化钠溶液浓度达到28％以上时，形成过饱和溶液并开始析出氯化钠晶体。将有晶体析出的氯化钠浓缩废水引入离心机9进行固液分离，分离母液经过母液槽12被母液泵11再返回CO2一次换热器1和分离器2循环浓缩，氯化钠晶体分离出系统，将分离产生的氯化钠晶体烘干干燥进行包装，所得氯化钠浓度达98.5％。所述离心机9为双级活塞推料离心机。CO2一次换热器1的顶部与分离器2相连通，分离器2的底部设有管道与CO2一次换热器1底部连通，来自分离器2的浓缩氯化钠废水通过所述管道被循环泵10输送至CO2一次换热器1。高盐水在上述分离器2闪蒸后，气液分离，气体从分离器2的顶部排出，液体自动流到分离器2的底部，从该底部经循环泵10再进入CO2一次换热器1的底部，浓缩液体在该系统内形成内循环，直到形成过饱和溶液开始结晶。

[0022] 氯化钠废水进入系统经预热、加热和闪蒸后，蒸发的二次蒸汽40?50℃，将这部分二次蒸汽用于冷凝器3，与原料液换热冷凝，将氯化钠废水加热到30?40℃，而蒸汽冷凝成40?50℃热水，再过冷降温，最后淡水经淡水泵5排出，温度在20?30℃。

[0023] 系统还配备真空系统，CO2一次换热器1、分离器2、CO2二次换热器3、冷凝器13中的真空主要依靠真空泵4形成，可以对废水进行低温有效闪蒸。真空泵4主要用于抽取系统中的不凝气，防止不凝气对系统真空度和换热造成影响。所述真空泵4为水环式真空泵，真空泵的水循环采用系统冷却后的淡水。[0024] 本系统所产淡水全部回收利用，无废水排放，达到废水零排放的效果。[0025] 本系统所消耗的动力，仅为图1中所示流程泵的电力消耗，无蒸汽输入、无压缩机等大型耗电设备，节能效果显著。[0026] 本系统蒸发闪蒸操作温度40?70℃，缓解了高盐水对设备的腐蚀，可使用较低价的材料制备，节省投资。[0027] 需要注意的是，以上所述的具体实施例是示例性的，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。