直接冷冻法：高效海水淡化方法

1.概述^[66-68]

LNG冷量利用于海水淡化是属于冷冻法海水淡化的一种。其原理是:海水部分冻结时,海水中的盐分富集浓缩于未冻结的海水中,而冻结形成的冰中的含盐量大幅度减少;将冰晶洗涤、分离、融化后即可得到淡水。

冷冻法海水淡化存在一些不足之处,例如:从冷冻过程中除去热量要比加热困难;含有冰结晶的悬浮体输送、分离、洗涤困难,在输送过程中冰晶有可能长大堵塞管道;最终得到的冰晶仍然含有部分盐分,需要消耗部分产品淡水去洗涤冰晶表面的盐分。但在LNG冷量利用于海水淡化的系统中,就不存在冷量提供的问题,且由于少了传统的制冷设备,有些方式中还减少了部分换热设备,使得整个装置得到简化。

由于LNG温度较低,在常压下为-162℃,结合考虑冷冻法海水淡化中的几种形式,归结出有一定实践意义的方法如下:引入二次冷媒,使其与LNG换热,换热过程中LNG温度升高,二次冷媒温度降低,从而实现了LNG冷量的转移;之后,低温的二次冷媒与海水进行换热,使海水冻结形成冰,通过搜集、洗涤、融化等一系列过程,最终得到淡水。根据二次冷媒与海水接触形式的不同,可以分为间接法和直接法两种形式。

2.间接法

间接冷冻法海水淡化方式是利用低温二次冷媒与海水进行间接热交换,使海水冷冻结冰。间接冷冻法海水淡化流程如图7-66所示。原料海水首先经过换热器2预冷;之后进入结晶器,与二次冷媒进行间接换热,逐渐形成冰;形成的冰脱落进入储冰槽,在储冰槽经洗涤、融化后进入储水槽,其中一部分淡水作为洗涤用水而送往储冰槽,其余部分则作为产品,经换热器2后排出;而二次冷媒则在换热器1中与LNG换热。

结晶器是整个流程的关键元件,其工作过程类似于立式管壳式蒸发器,即二次冷媒在管外流动吸热,原料海水在管内流动放热结冰。这样一种结晶器可以参考目前市场上较为成熟的制冰机设备。根据制得的冰的形状不同,有管冰机、片冰机、板冰机等多种形式。根据不同情况可以选择不同制冰机种类。

间接法有以下优点:①从能耗的角度看,它与其他冷冻法海水淡化方法一样,具有低能耗、低腐蚀、轻结垢的特性;②从装置发展的角度看,在冷表面上的结冰所需的装置比较简单,且目前都有成熟产品可以应用;③从分离的角度看,从冷表面上剥离冰,比从冷溶液中分离颗粒冰要容易。

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图7-66 间接冷冻法海水淡化流程

间接法也存在一定的缺点:①由于是间接换热,换热效率不高,因而所需的换热面积大;②冷表面上开始生成冰后,会使得换热系数急剧下降,从而影响换热速度;③从表面上取下冰,易损伤冷表面。

在整个系统中,二次冷媒的选择也很重要。这里最主要还是考虑二次冷媒在与LNG换热时不会凝固。因此要选择凝固点比较低的制冷剂。

3.直接法

直接法就是不溶于水的二次冷媒与海水直接接触而使海水结冰。由于接触时比表面积大,因此传热效率很高,并且能在较低的温度下就进行热交换,减少了金属换热设备的需求。其流程如图7-67所示。二次冷媒与LNG换热后温度降低,直接喷入结晶器中的海水中,二次冷媒温度升高,蒸发气化,从而吸收海水中大量的热量,致使在喷出的液滴周围形成许多小冰晶。冰晶与部分海水以冰浆的形式被输送到洗涤罐中,洗涤过后的冰晶再进入融化器融化为淡水,其中一部分淡水就是作为洗涤用水。需要指出的是:融化器中可以采用原料海水作为热流体,这样一方面使得冰晶融化,另一方面能使原料海水进入结晶器的温度降低,若与洗涤罐中出来的低温浓海水进一步换热,原料海水的温度就降低很多,这样有利于结晶器中的结晶过程。另外,气化后的二次冷媒通过干燥器,除掉夹带的水蒸气后再次进入换热器与LNG进行换热。

图7-67 直接冷冻法海水淡化流程图

直接法有以下的优点:二次冷媒与海水直接接触换热,减少了金属换热面积,并且大大提高了换热的效率。其缺点就是二次冷媒与海水直接接触,会在产品淡水中残留少量冷媒。这样对于二次冷媒的选择就要比间接法更为严格,要求二次冷媒无毒、无味、与水不互溶,沸点接近于水的冰点。在海水淡化中使用较多的二次冷媒有异丁烷、正丁烷。需要指出的是,在这种直接接触冷冻法海水淡化方式中,除了保证二次冷媒不溶于水,还要保证二次冷媒在水中不会形成气化水合物,这是由于装置本身的构成决定的。虽然气化水合物也可以作为海水淡化的一种形式,但是其流程、提取、后处理产品淡水的方式都与上述方法不同。根据目前研究证实:正丁烷不能形成水合物;异丁烷可以形成水合物;当异丁烷和正丁烷混合时,若其中异丁烷的含量小于72%,该混合物就不会形成水合物。这对于该方法中二次冷媒的选择有一定的指导意义。