一种多效换热的增湿-除湿塔废水回收工艺及系统
阅读说明：本技术 一种多效换热的增湿-除湿塔废水回收工艺及系统 (Multi-effect heat exchange wastewater recovery process and system for humidification-dehumidification tower ) 是由 刘昌豹 李栋 李春虎 于 2021-06-08 设计创作，主要内容包括：一种多效换热的增湿-除湿塔废水回收工艺及系统,包括以下步骤：在增湿塔内部和除湿塔内部装入高比表面积亲水填料,将含盐废水换热升温后从增湿塔的顶部向增湿塔的内部喷淋；将热烟气从增湿塔的侧面注入,热烟气与含盐废水及高比表面积亲水填料在增湿塔内部十字错流接触增湿,进行等温水蒸气相变和冷却回收热烟气中的水分,得到回收水,对回收水进行冷却；将冷却后的回收水从除湿塔的顶部向除湿塔的内部喷淋,热烟气与冷却后的回收水及高比表面积亲水填料在除湿塔内部错流接触,进行降温和除湿,得到回收水和烟气,解决了传统的废水回收方法存在着因回收工艺复杂和回收能耗较高,从而导致回收效率较低的技术问题,属于废水回收再利用技术领域。(A multi-effect heat exchange wastewater recovery process and a system of a humidification-dehumidification tower comprise the following steps: filling high-specific-surface-area hydrophilic fillers into the humidifying tower and the dehumidifying tower, and spraying the salt-containing wastewater from the top of the humidifying tower to the interior of the humidifying tower after heat exchange and temperature rise; injecting hot flue gas from the side surface of the humidifying tower, contacting the hot flue gas with salt-containing wastewater and a hydrophilic filler with a high specific surface area in a cross-shaped cross flow manner in the humidifying tower for humidifying, carrying out isothermal vapor phase change and cooling to recover moisture in the hot flue gas to obtain recovered water, and cooling the recovered water; the cooled recovered water is sprayed to the inside of the dehumidification tower from the top of the dehumidification tower, the hot flue gas is in cross flow contact with the cooled recovered water and the hydrophilic filler with the high specific surface area in the dehumidification tower to carry out cooling and dehumidification to obtain the recovered water and the flue gas, the technical problem that the recovery efficiency is low due to the fact that a recovery process is complex and the recovery energy consumption is high in the traditional wastewater recovery method is solved, and the method belongs to the technical field of wastewater recovery and recycling.)
技术领域
本申请涉及废水回收再利用
技术领域
，尤其涉及一种多效换热的增湿-除湿塔废水回收工艺及系统。背景技术
水是地球上最重要的自然资源之一，是人们生活生产中不可或缺的一项重要资源，水资源是促进全社会经济可持续发展、推动工业文明进步的重要要素，然而，很不幸可供人类直接利用的地下水和淡水尚不到其总量的0.36％，中国水资源总量为2.8万亿立方米，位列世界第6位，但人均水资源量仅为世界平均水平的25％，被联合国列为世界上最贫水的13个国家之一，按照国际公认的标准，人均水资源低于3000立方米为轻度缺水；人均水资源低于2000立方米为中度缺水；人均水资源低于1000立方米为重度缺水；人均水资源低于500立方米为极度缺水。中国目前有16个省(区、市)人均水资源量(不包括过境水)低于严重缺水线，有6个省、区(宁夏、河北、山东、河南、山西、江苏)人均水资源量低于500立方米，为极度缺水地区。我国城市水资源存在极其匮乏且涉及面广的问题，全国城市每年缺水60亿立方米，每年因缺水造成的经济损失约2000-4000亿元，涉及和影响的领域包括：工业、农业、建筑业、居民生活等，严重的缺水问题导致我国城镇现代化建设进程、GDP的增长和居民生活水平的提高都受到了限制。
另一方面，随着城市规模的不断扩大和工业的飞速发展，排出的污水数量也不断增多，水质发生恶化，水体遭受污染，从而影响水资源的可持续利用。城市区域和工业污染源的特点是排放点多、排放的污水种类杂、排放强度大，流动性强、极易污染其他水资源，即使是发生局部污染，也会因水的流动性而使污染范围逐渐扩大。目前，我国工业、城市污水总的排放量中经过集中处理的占比不到一半，其余的大都直接排入江河，对于污水的排放约束力不大，导致了大量的水资源出现恶化现象。我国相关专家分析，中国2050年总需水量8000亿，比现在至少增加2400亿立方米才能保证国民经济的可持续发展。为此，我们必须大幅度节水和提高废水的回用水率。
且，海水淡化与海洋化工在沿海缺水城市和地区有得天独厚的优势，目前膜分离海水淡化技术仍是海水淡化的重要发展方向，但海水淡化的关键技术仍然需要突破，三个关键核心—能量回收、高压泵和膜材料技术和装备仍然受制于人，属于“卡脖子”技术，这就导致我国以及山东省的海水淡化技术投资高、收益低、大规模推广难，利用新型高比表面积亲水材料增湿除湿的新型海水淡化技术，即，废热利用和高效气液分离冷凝的海水淡化技术无需高压泵与膜材料，可应用于岛屿，舰船，工厂等场合。
加湿-除湿型废水回收技术被认为是具有发展前景的技术之一，目前，大多数加湿-除湿过程都是利用热源使热废水与流动烟气接触从而加湿烟气，然后通过冷却水间接冷凝湿烟气从而产生淡水，或热烟气与废水在填料塔内接触水烟气变成饱和水蒸气烟气，然后通过冷却水间接冷凝湿烟气从而产生淡水，由于加湿-除湿过程的热耗巨大，根据牛顿冷却定理，Q＝KA(T-T0),(Q为传热量；K为传热系数；A为传热面积；T-T0为传热温差)，为了提高传质和传热的效率，填料塔内的填料面积越大越好，越具有亲水性越好；填料塔的设计也极为重要，尽可能提高Re数和K；同时，回收烟气中饱和水蒸气的吸附材料也非常重要，为了提高系统的性能系数，多级多效回收热能和饱和水蒸气也是主要的手段，鉴于此，本发明基于前期研制的高比表面积规整填料、错流床填料传质与换热塔与低品位热能加热烟气的方法，设计一种增湿-除湿型含盐废水回收装置，并辅助设计其它新材料进一步提高废水回收效率。
发明内容
本申请的目的在于提供一种多效换热的增湿-除湿塔废水回收工艺及系统，旨在解决传统的废水回收方法存在着因回收工艺复杂和回收能耗较高，从而导致回收效率较低的技术问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种多效换热的增湿-除湿塔废水回收工艺，用于对含盐废水和热烟气进行回收处理，包括以下步骤：
S1、在增湿塔的内部和除湿塔的内部装入高比表面积亲水填料，将所述含盐废水升温后从增湿塔的顶部向所述增湿塔的内部喷淋；
S2、将所述热烟气从所述增湿塔的侧面注入，所述热烟气与所述含盐废水及所述高比表面积亲水填料在所述增湿塔内部十字错流接触增湿，进行等温水蒸气相变和冷却回收所述热烟气中的水分，得到回收水，对所述回收水进行冷却；
S3、将冷却后的所述回收水从所述除湿塔的顶部向所述除湿塔的内部喷淋，所述热烟气与冷却后的所述回收水及所述高比表面积亲水填料在所述除湿塔内部错流接触，进行降温和除湿，得到回收水和烟气，对回收水进行冷却。
在其中一实施例中，所述增湿塔和所述除湿塔均设置为至少两个，所述S3得到的回收水和烟气重复S1、S2、S3步骤再循环回收处理。
在其中一实施例中，所述高比表面积亲水填料为高比表面积规整填料网，所述高比表面积规整填料网的网丝直径为1mm，网目数80-120目。
在其中一实施例中，所述高比表面积规整填料网的表面涂覆有Al2O3-MnO2复合物。
在其中一实施例中，所述高比表面积亲水填料的比表面积为2500m2/m3，堆积密度为320－650kg/m3，空隙率为70－90％，F因子为1.5－3.5，波距为10－55mm，齿形角为30－80。
在其中一实施例中，所述含盐废水的升温采用换热器实现，所述含盐废水经所述换热器升温后从增湿塔的顶部向所述增湿塔的内部喷淋。
本申请实施例的第二方面提供了一种基于低品位热源的废水回收系统，包括增湿塔和除湿塔，所述增湿塔的内部和除湿塔的内部均设有高比表面积规整填料网，所述增湿塔的顶端设有废水入口，所述除湿塔的顶部设有回收水入口，所述增湿塔的底部和所述除湿塔的底部均设有回收水出口，所述增湿塔和所述除湿塔的外部设有换热器和冷却储水塔，所述换热器与所述废水入口连通，所述回收水出口与所述冷却储水塔连通。
在其中一实施例中，所述增湿塔和所述除湿塔均设置为至少两个。
在其中一实施例中，所述高比表面积规整填料网在所述增湿塔和所述除湿塔的内部倾斜45°设置。
在其中一实施例中，所述高比表面积规整填料网的表面设有降膜收集管，所述降膜收集管为直径3-4mm的聚丙烯或聚四氟乙烯等憎水材料。
本发明提供的多效换热的增湿-除湿塔废水回收工艺及系统，与传统增湿-除湿方法相比，其采用比表面积高达2500m2/m3的亲水规整催化填料，表面涂覆有亲水化合物，空隙率高、亲水浸润性好，压降小、通量大、寿命长、传质和传热快；且在含有饱和水蒸气的热烟气与除湿塔和除湿塔接触前，通过高比表面积规整填料网的等温水蒸气相变捕获水蒸气斜板，一方面回收的淡水量提高，另一方面使增湿除湿塔效率提高，增湿除湿塔采用亚克力或PPR制造，降低了增湿除湿塔制造成本，耐废水腐蚀且便于观察塔内运行状况；热烟气与含盐废水采用十字错流方式接触，降低了烟气运行的压力损耗，无需增设引风机；通过将换热器设于增湿除湿塔外部，便于检修和换热模块面积等调整；本申请的技术方案，可显著降低增湿除湿塔造价和废水回收运行成本，含盐废水回收率可达50-70％；并通过设计带水轮发电机的回收水空气冷却储水罐，补充电力消耗。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的一种多效换热的增湿-除湿塔废水回收工艺的流程示意图；
图2为本申请一实施例提供的一种多效换热的增湿-除湿塔废水回收系统的结构示意图。
图中符号说明：
1.第一增湿塔；2.第一除湿塔；3.高比表面积规整填料网；4.废水入口；5.回收水入口；6.第一回收水出口；7.第二回收水出口；8.换热器；9.冷却储水塔；10.第二增湿塔；11.第二除湿塔；12.废水泵；13.淡水泵；14.烟囱。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
传统增湿-除湿型含盐废水回收工艺通常采用的是散堆填料、金属或陶瓷规整填料；一般来讲，这些规整填料具有的最大比表面积不超过700m2/m3，也不刻意做表面亲水性修饰；根据传质理论，Q＝kda(C0-Ct)，即，在浓度差(C0-Ct)一定的情况下，传质速率与传质系数kd和填料的单位体积比表面积a成正比，也就是说，填料比表面积越高，传质速率越快；另一方面，传质系数kd与流体的Re数和Plant边界层厚度有关，而Re数又与填料表面的亲水性(持液量)密切相关，当填料有很强的亲水性时，其表面持液量大，传质快，很高的Re数也不会导致液泛的发生，使操作恶化；同时，传统填料没有亲水功能，导致热烟气与喷淋废水在填料表面的气液传质速率只取决于传质速率和气液平衡定理。
请参阅图1，为本申请一实施例提供的一种多效换热的增湿-除湿塔废水回收工艺的流程示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
在其中一实施例中，本申请的第一方面提供了一种多效换热的增湿-除湿塔废水回收工艺，用于对含盐废水和热烟气进行回收处理，包括以下步骤：
S1、在增湿塔的内部和除湿塔的内部装入高比表面积亲水填料，将含盐废水升温后从增湿塔的顶部向增湿塔的内部喷淋。
具体地，增湿塔和除湿塔均设置为至少两个，在增湿塔的内部和除湿塔的内部均装入高比表面积亲水填料，高比表面积亲水填料为高比表面积规整填料网，高比表面积规整填料网在增湿塔和除湿塔的内部倾斜45°设置，高比表面积规整填料网的长度为300mm，宽度与增湿塔和除湿塔相同，高比表面积规整填料网的网丝直径为1mm，网目数80-120目，高比表面积规整填料网的表面涂覆有Al2O3-MnO2复合物，并安装有降膜收集管和冷凝淡水管，高比表面积亲水填料的比表面积为2500m2/m3，堆积密度为320－650kg/m3，空隙率为70－90％，F因子为1.5－3.5，波距为10－55mm，齿形角为30－80；20-30℃的含盐废水经换热器升温至30-40℃后，由废水泵泵入增湿塔顶部喷淋至增湿塔的内部。
S2、将热烟气从增湿塔的侧面注入，热烟气与含盐废水及高比表面积亲水填料在增湿塔内部十字错流接触增湿，进行等温水蒸气相变和冷却回收热烟气中的水分，得到回收水，对回收水进行冷却。
具体地，热烟气一般为工厂排放的废烟气，70-130℃的热烟气从增湿塔的侧面注入到增湿塔的内部，十字错流的热烟气在增湿塔的内部与高比表面积亲水规整催化填料十字错流接触增湿，在高比表面积规整填料网的网面上进行等温水蒸气相变和冷却回收热烟气中的水分，得到淡水回收水，该回收水分降膜自由落体进入冷却储水塔，在冷却储水塔中对回收水进行冷却。
S3、将冷却后的回收水从除湿塔的顶部向除湿塔的内部喷淋，热烟气与冷却后的回收水及高比表面积亲水填料在除湿塔内部错流接触，进行降温和除湿，得到回收水和烟气，对回收水进行冷却。
具体地，冷却后的回收水经淡水泵从除湿塔的顶部向除湿塔的内部喷淋，热烟气与冷却后的回收水及高比表面积亲水填料在除湿塔内部错流接触降温除湿，此时热烟气的温度降低15-20℃，完成一个回收处理的循环(即为一效)，接着进入第二效，得到的回收水和烟气重复步骤S1、S2、S3再循环回收处理，依次类推可以进行多效，直至烟气温度降低至30℃通过烟囱排放；其中，每一效的增湿塔和除湿塔烟气温差为15℃，换热器每次对回收水降温5-10℃，可通过调节废水流量很容易实现，回收水冷却到20℃时从最后一个除湿塔上部喷淋，理论最大除湿率随温度由高到低从39％到55％不等，但绝对除湿水量则相反从高温到低温逐渐降低。
本实施例中增湿-除湿塔设计为5效，热烟气温度为100℃，每一效降温15℃，烟气25℃时排入烟囱，热烟气流量为4000Nm3/h，入塔线速度约1.1m/s；含盐废水温度为20℃，处理的废水流量为40m3/h，系统开车时可先给回收水储罐注入常温水，随后维持冷却回收水的温度不超过25℃；运行1周后，测试其运行成本(电耗)和废水回收率，结果如表1。
表1热烟气与高比表面积亲水规整填料增湿-除湿塔废水回收工艺参数
由此可知，废水回收的吨成本很低，低于4.5元/吨，且由于增湿-除湿塔常压运行，塑料制造，投资成本很低。
请参阅图2，为本申请一实施例提供的一种多效换热的增湿-除湿塔废水回收系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
本申请实施例的第二方面提供了一种多效换热的增湿-除湿塔废水回收系统，包括增湿塔和除湿塔，增湿塔的内部和除湿塔的内部均设有高比表面积规整填料网3，增湿塔的顶端设有废水入口4，除湿塔的顶部设有回收水入口5，增湿塔的底部设有第一回收水出口6，除湿塔的底部设有第二回收水出口7，增湿塔和除湿塔的外部设有换热器8和冷却储水塔9，换热器8与废水入口4连通，第一回收水出口6和第二回收水出口7均与冷却储水塔9连通。
具体地，增湿塔和除湿塔均设置为至少两个，本实施例的附图中设置两组增湿除湿塔，分别为第一增湿塔1、第一除湿塔2、第二增湿塔10和第二除湿塔11，增湿塔和除湿塔的材质采用亚克力、聚丙烯(PPR)或塑料制造，即利用了亚克力、聚丙烯(PPR)或塑料材料的强防腐蚀性，又节约了增湿-除湿塔造价，且采用亚克力制造时，由于亚克力透明，可以观察到塔内气液接触传质和传热运行情况；增湿塔和除湿塔均设计为长方形塔，尺寸为：长*宽*高＝1000*1200*1000，便于降低热烟气进入增湿塔和除湿塔的线速度，从而降低压降，无需设置引风机而直接通过烟囱排放降温除湿后的烟气。
增湿塔和除湿塔的内部均设有高比表面积规整填料网3，高比表面积规整填料网3在增湿塔和除湿塔的内部倾斜45°设置，高比表面积规整填料网3的长度为300mm，宽度与增湿塔和除湿塔相同，高比表面积规整填料网3的网丝直径为1mm，网目数80-120目，高比表面积规整填料网3的表面涂覆有Al2O3-MnO2复合物，且高比表面积规整填料网3的表面遍布安装有降膜收集管，降膜收集管为直径3-4mm的聚丙烯或聚四氟乙烯等憎水材料制作的中空管，中空管外壁设有凹槽便于水珠降膜流下，同时，降膜收集管的憎水性较好，水珠在表面为层流流体状态，换热器8安装在外部，便于维修，降膜收集管与换热器8的低温水管相连，可起到轻微降温和液封的作用，收集的回收水温度比烟气温度低3-10℃，因此，降膜收集管的设计可回收部分相变水和冷凝水，减少增湿塔的淡水喷淋量，同时，水蒸气相变热再传给热烟气，使热烟气温度基本不降低，但回收水量有所增加；高比表面积规整填料网3的表面坚硬，具有渗透性功能，当含有饱和水蒸气的热烟气经过时，在层流状态下可使水蒸气雾珠围着网丝表面旋转而凝聚，在同温度相变和低温冷凝的共同作用下，收集水分，随后再进入增湿塔或除湿塔。
含盐废水经换热器8升温后，由废水泵12从废水入口4泵入到第一增湿塔1的内部，与从侧面十字错流进入的热烟气在第一增湿塔1的内部高比表面积规整填料网3十字错流接触增湿，在高比表面积规整填料网3的网面上进行等温水蒸气相变和冷却回收烟气中的水分，得到回收水，回收水经第一回收水出口6进入冷却储水塔9中，冷却储水塔9为至少5米高度的自然空气冷却储水塔，并安装水轮机发电，可补充部分电耗，同时将回收水温降低到20℃一下，冷却储水塔9中的回收水经淡水泵13从第一除湿塔2顶部的回收水入口5向第一除湿塔2的内部喷淋，经第一增湿塔1排除的热烟气与回收水及高比表面积亲水填料在除湿塔内部错流接触，进行降温和除湿，此时热烟气的温度降低15-20℃，得到的回收水经第二回收水出口7进入换热器8中，完成一个回收处理的循环(即为一效)，接着进入第二效，即通过第二增湿塔10和第二除湿塔11重复步骤S1、S2、S3的循环处理，依次类推可以进行多效，直至烟气温度降低至30℃通过烟囱14排放。
综上所述，本发明提供的基于低品位热源的废水回收工艺及系统，与传统增湿-除湿方法相比，其采用比表面积高达2500m2/m3的亲水规整催化填料，表面涂覆有亲水化合物，空隙率高、亲水浸润性好，压降小、通量大、寿命长、传质和传热快；且在含有饱和水蒸气的热烟气与除湿塔和除湿塔接触前，通过高比表面积规整填料网的等温水蒸气相变捕获水蒸气斜板，一方面回收的淡水量提高，另一方面使增湿除湿塔效率提高，增湿除湿塔塔采用亚克力或PPR制造，降低了增湿除湿塔制造成本，耐废水腐蚀且便于观察塔内运行状况；热烟气与含盐废水采用十字错流方式接触，降低了烟气运行的压力损耗，无需增设引风机；通过将换热器设于增湿除湿塔外部，便于检修和换热模块面积等调整；本申请的技术方案，可显著降低增湿除湿塔造价和废水回收运行成本，含盐废水回收率可达50-70％，本申请提供的技术方案也可用于船舶烟气的增湿除湿海水淡化中。
在本文对各种器件、电路、装置、系统和/或方法描述了各种实施方式。阐述了很多特定的细节以提供对如在说明书中描述的和在附图中示出的实施方式的总结构、功能、制造和使用的彻底理解。然而本领域中的技术人员将理解，实施方式可在没有这样的特定细节的情况下被实施。在其它实例中，详细描述了公知的操作、部件和元件，以免使在说明书中的实施方式难以理解。本领域中的技术人员将理解，在本文和所示的实施方式是非限制性例子，且因此可认识到，在本文公开的特定的结构和功能细节可以是代表性的且并不一定限制实施方式的范围。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
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