申請日2010.07.29
公開(公告)日2015.12.16
IPC分類號C02F1/02; C02F11/16; C02F11/12
摘要
本發(fā)明涉及用于濃縮廢水的方法及液體濃縮器系統(tǒng)。所涉及的緊湊型和便攜式液體濃縮器包括氣體入口、氣體出口和將所述氣體入口和所述氣體出口連接的流過道，其中所述流過道包括縮窄部，所述縮窄部使通過流過道的氣體加速。液體入口在縮窄部之前的點(diǎn)處將液體噴射到氣流中以使氣液混合物在流過道內(nèi)充分混合，使得液體的部分被蒸發(fā)。在縮窄部下游的除霧器或流體洗滌器從氣流中去除曳出液滴并且通過再循環(huán)回路將去除的液體再循環(huán)到液體入口。待濃縮的新鮮液體也以足有抵消在流過道中蒸發(fā)的液體的量的速率被導(dǎo)入再循環(huán)回路中。
摘要附圖
權(quán)利要求書
1.一種用于濃縮廢水的方法，所述方法包括：
(a)將加熱氣體與液態(tài)廢水相結(jié)合以形成加熱氣體和曳出液 態(tài)廢水的混合物;
(a1)在步驟(a)結(jié)合的下游，將來自步驟(a)的所 述加熱氣體和所述曳出液態(tài)廢水的混合物與濃縮液態(tài)廢水相 結(jié)合;
(b)將所述曳出液態(tài)廢水分裂為微細(xì)的曳出液態(tài)廢水滴以增 加所述微細(xì)的曳出液態(tài)廢水滴和所述加熱氣體之間的界面表面區(qū) 域，從而實(shí)現(xiàn)所述微細(xì)的曳出液態(tài)廢水滴和所述加熱氣體之間的快 速的質(zhì)量和熱傳遞;
(c)將來自所述加熱氣體的熱傳遞到所述曳出液態(tài)廢水以部 分地蒸發(fā)所述曳出液態(tài)廢水，從而形成所述微細(xì)的曳出液態(tài)廢水滴 與所述加熱氣體的部分蒸發(fā)的混合物;
(d)從所述部分蒸發(fā)的混合物中去除所述微細(xì)的曳出液態(tài)廢 水滴的部分以提供經(jīng)除霧的氣體和濃縮液體;
(e)將懸浮固體與所述濃縮液體的液體部分分離;以及
(f)將來自步驟(e)的所述濃縮液體的分離的液體部分返回 到集液器，在所述集液器中所述分離的液體部分與去除的所述微細(xì) 的曳出液態(tài)廢水滴混合以進(jìn)行進(jìn)一步的濃縮。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，去除所述曳出液態(tài)廢水滴的部分 包括：使所述加熱氣體和所述曳出液態(tài)廢水滴的所述混合物經(jīng)過橫 流洗滌器。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述加熱氣體和所述曳出液態(tài)廢 水滴的所述混合物具有150°F至190°F的溫度。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述加熱氣體包括來自燃料燃燒 的廢氣。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述燃料選自由垃圾處理氣體、 從井口直接供給的天然氣、精煉的天然氣、丙烷及其組合組成的組。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述燃料為垃圾處理氣體。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述燃料為從所述井口直接供給 的所述天然氣。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述燃料為精煉的天然氣。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述加熱氣體具有900°F至1200°F 的溫度。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述廢水選自由瀝濾液、回流水、 生成的水及其組合組成的組。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述廢水為瀝濾液。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，基于所述瀝濾液的總重量，所述 廢水包括1wt.%至5wt.%的固體。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，基于所述濃縮液體的總重量，所 述濃縮液體至少包括10wt.%的固體。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，基于所述濃縮液體的總重量，所 述濃縮液體至少包括20wt.%的固體。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，基于所述濃縮液體的總重量，所 述濃縮液體至少包括30wt.%的固體。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，基于所述濃縮液體的總重量，所 述濃縮液體至少包括50wt.%的固體。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，基于所述部分蒸發(fā)的混合物的總 重量，在步驟(c)中所述部分蒸發(fā)的混合物包括5wt.%至20wt.% 的液體。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，基于所述部分蒸發(fā)的混合物的總 重量，在步驟(c)中所述部分蒸發(fā)的混合物包括10wt.%至15wt.% 的液體。
19.一種用于濃縮廢水的方法，所述方法包括：
(a)在壓力下將加熱氣體和廢水的液體流相結(jié)合以形成加熱 氣體和廢水的混合物;
(a1)在步驟(a)結(jié)合的下游，將來自步驟(a)的所 述加熱氣體和廢水的混合物與濃縮液態(tài)廢水相結(jié)合;
(b)使所述相結(jié)合的加熱氣體和廢水的液體流通過濃縮器的 混合過道以形成基于所述混合物的總重量具有5wt.%至20wt.%的 液體濃度的氣液混合物，所述混合過道具有縮窄部，當(dāng)從縮窄部的 入口穿行到縮窄部的出口時(shí)，在所述混合過道內(nèi)的氣體和液體流在 所述縮窄部中加速;
(c)將所述液體的部分與所述氣液混合物分離以提供夾帶有 液滴的氣體混合物;
(d)去除步驟(c)中獲得的所述氣體混合物中夾帶的液滴， 以便提供濃縮液體和基本無液體的氣體;
(e)將懸浮固體與所述濃縮液體的液體部分分離;以及
(f)將來自步驟(e)的所述濃縮液體的分離的液體部分返回 到集液器，在所述集液器中所述分離的液體部分與去除的所述液滴 混合以進(jìn)行進(jìn)一步的濃縮。
20.一種液體濃縮器系統(tǒng)，包括：
濃縮器部，其包括：
氣體入口，
氣體出口，
混合過道，其布置在所述氣體入口和所述氣體出口之間， 所述混合過道具有縮窄部，當(dāng)從所述氣體入口穿行到所述氣體 出口時(shí)，所述混合過道內(nèi)的氣流在所述縮窄部中加速;以及
第一液體入口，待濃縮液體通過所述第一液體入口被噴射 到所述混合過道中，所述第一液體入口布置在所述混合過道中 所述氣體入口和所述縮窄部之間;
第二液體入口，濃縮液體通過所述第二液體入口被噴射到 所述混合過道中，所述第二液體入口布置在所述第一液體入口 的下游;
除霧器，其布置在所述濃縮器部的下游，所述除霧器包括：
除霧器氣流通道，其與所述濃縮器部的所述氣體出口耦 合，
液體收集器，其布置在所述除霧器氣流通道中以便從在所 述除霧器氣流通道中流動的氣體中去除液體，以及
儲器，其收集通過所述液體收集器從在所述除霧器氣流通 道中流動的所述氣體中去除的所述液體;
扇，其與所述除霧器耦合以輔助氣流通過所述混合過道和所述 氣流通道;以及
第一再循環(huán)回路，其將濃縮液體從所述儲器傳遞到所述液體入 口以進(jìn)行進(jìn)一步濃縮;以及第二再循環(huán)回路，其將濃縮液體從所述 儲器傳遞到固體/液體分離裝置，其中將懸浮固體從所述濃縮液體中 去除而保留分離的液體部分，并且將所述分離的液體部分返回到所 述儲器，在所述儲器中所述分離的液體部分與所述濃縮液體混合以 進(jìn)行進(jìn)一步的濃縮。
21.如權(quán)利要求20所述的液體濃縮器系統(tǒng)，其中，所述儲器包括V形 底部。
22.如權(quán)利要求21所述的液體濃縮器系統(tǒng)，其中，所述V形底部從所 述儲器的一端傾斜到所述儲器的另一端。
23.如權(quán)利要求22所述的液體濃縮器系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在所述除霧器中 的清洗回路，所述清洗回路將清洗液體噴灑到所述V形底部上。
24.如權(quán)利要求23所述的液體濃縮器系統(tǒng)，其中，所述清洗液體包括濃 縮液體、未濃縮液體、和水中的一種，或者它們的任意組合。
25.如權(quán)利要求23所述的液體濃縮器系統(tǒng)，其中，所述清洗回路包括用 于將液體抽送到噴灑器的泵。
26.如權(quán)利要求20所述的液體濃縮器系統(tǒng)，其中，所述固體/液體分離 裝置為沉淀箱、振動篩、壓濾器和旋轉(zhuǎn)式真空過濾器中的一種。
27.一種用于濃縮廢水的方法，所述方法包括：
(a)在壓力下將加熱氣體和廢水的液體流相結(jié)合以形成其混 合物;
(a1)在步驟(a)結(jié)合的下游，將來自步驟(a)的所 述加熱氣體和廢水的混合物與濃縮液態(tài)廢水相結(jié)合;
(b)降低所述混合物的靜態(tài)壓力以蒸發(fā)所述混合物中所述液 體的部分，產(chǎn)生包括曳出濃縮液體的部分蒸發(fā)的混合物;
(c)從所述部分蒸發(fā)的混合物中去除所述曳出濃縮液體的部 分以提供經(jīng)除霧的氣體和濃縮液體;
(d)將懸浮固體與所述濃縮液體的液體部分分離;以及
(e)將來自步驟(d)的所述濃縮液體的分離的液體部分返回 到集液器，在所述集液器中所述分離的液體部分與來自步驟(c)的 去除的所述濃縮液體混合以進(jìn)行進(jìn)一步的濃縮。
說明書
用于濃縮廢水的方法及液體濃縮器系統(tǒng)
相關(guān)申請
本申請為于2010年2月12日提交的美國專利申請No.12/705,462的 部分繼續(xù)申請，該美國申請為于2009年9月9日提交的美國專利申請 No.12/530,484的部分繼續(xù)申請，后述美國申請為于2008年3月12日提交 的國際(PCT)專利申請No.PCT/US08/56702的美國國家階段申請并且要 求于2007年3月13日提交的美國臨時(shí)專利申請No.60/906,743的優(yōu)先權(quán) 利益。本申請還要求于2009年2月12日提交的美國臨時(shí)專利申請No. 61/152,248以及于2009年7月29日提交的美國臨時(shí)專利申請No. 61/229,650的優(yōu)先權(quán)利益。因此，申請12/530,484、60/906,743、61/152,248 和61/229,650中的每個(gè)申請的全部公開內(nèi)容通過引用明確地合并到本文 中。
技術(shù)領(lǐng)域
本申請一般涉及液體濃縮器，更具體地涉及能夠易于與廢熱源連接并 且利用廢熱源的緊湊型、便攜式、成本效益高的廢水濃縮器。
背景技術(shù)
揮發(fā)性物質(zhì)的濃縮可以為各種廢水流的處理或預(yù)處理的有效形式并 且可以在各種類型的商業(yè)處理系統(tǒng)內(nèi)實(shí)施。在高濃縮水平下，許多廢水流 可被還原成包含高溶解和懸浮水平的固體的漿液形式的殘留材料。這些經(jīng) 過濃縮的殘留物可易于通過常規(guī)技術(shù)進(jìn)行固化以便在垃圾處理場內(nèi)進(jìn)行 處置，或者根據(jù)應(yīng)用可輸送到下游處理以便于在最終處置之前進(jìn)行進(jìn)一步 的處理。濃縮廢水能大幅度降低貨運(yùn)成本以及所需的存儲容量，并且可有 益于從廢水中回收材料的下游處理。
由于產(chǎn)生廢水流的大量工業(yè)處理，使得工業(yè)廢水流的特性非常廣泛。 除了通過在工業(yè)內(nèi)受控條件下的設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的廢水之外，由于事故和自然 災(zāi)害引起的非受控事件頻繁地產(chǎn)生廢水。用于管理廢水的技術(shù)包括：直接 排放到污水處理場;排放到污水處理場之后的預(yù)處理;回收有價(jià)值成分的 廠區(qū)內(nèi)或廠區(qū)外的處理;以及僅制備用于最終處置的廢水的廠區(qū)內(nèi)或廠區(qū) 外的處理。在廢水源為非受控事件的情況下，必須包括具有這些任選項(xiàng)中 的任一項(xiàng)的有效的收容和回收技術(shù)。
廢水濃縮處理的有效性的重要措施是與進(jìn)入處理的廢水的量成比例 地生成殘留物的量。特別地，殘留物量與饋給量的低比率(高濃縮水平) 是最期望的。在廢水含有溶解和/或懸浮的非揮發(fā)性物質(zhì)的情況下，可在有 賴于揮發(fā)性物質(zhì)的蒸發(fā)的特定濃縮處理中實(shí)現(xiàn)的量減小在很大程度上受 到所選擇的將熱傳遞到處理流體的方法的限制。
通過水和其它揮發(fā)性物質(zhì)的蒸發(fā)來影響濃度的常規(guī)處理可分類為直 接式或間接式熱傳遞系統(tǒng)，這取決于將熱傳遞到進(jìn)行濃縮的液體(處理流 體)所采用的方法。間接式熱傳遞裝置通常包括收容處理流體的夾套式容 器、或者浸入處理流體內(nèi)的板、卡口式管或線圈型熱交換器。諸如蒸汽或 炙熱油等介質(zhì)通過夾套或熱交換器以便傳遞蒸發(fā)所需的熱。直接式熱傳遞 裝置實(shí)現(xiàn)如下處理：加熱介質(zhì)與處理流體形成直接接觸，這種接觸發(fā)生在 例如沉浸式燃燒氣體系統(tǒng)中。
有賴于諸如夾套、板、卡口式管或線圈等熱交換器的間接式熱傳遞系 統(tǒng)通常受到在與處理流體形成直接接觸的熱交換器的表面上固體的沉積 物集結(jié)的限制。而且，這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由于將熱能傳遞到諸如蒸汽鍋爐等 加熱介質(zhì)或諸如熱油加熱器等用于加熱其它熱傳遞流體的裝置的單獨(dú)處 理的需要而變得復(fù)雜化。這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致依賴于兩個(gè)間接式熱傳遞系統(tǒng)來支 撐濃縮處理。在經(jīng)受處理的同時(shí)在熱交換器上生成沉積物的饋給流被稱為 污垢形成流體。在饋給流含有溶解度隨著溫度升高而降低的諸如碳酸鹽等 一些化合物的情況下，由于在熱交換器的表面處的高溫，通稱為鍋爐垢的 沉積物甚至在相對低濃度下形成。此外，當(dāng)諸如氯化鈉等在高溫下具有高 溶解度的化合物存在于廢水原料中時(shí)，由于在處理流體達(dá)到高濃度時(shí)這些 化合物將沉淀而脫離溶液，這些化合物也形成沉積物。這些沉積物使得熱 交換表面清潔頻繁地循環(huán)以保持處理效率成為必然，這些沉積物可以為隨 著廢水原料被運(yùn)載到處理中的懸浮固體和沉淀而脫離處理流體的固體的 任意組合。固體在熱交換表面上的沉積的不利效果限制了在這些處理必須 停止以便進(jìn)行周期性清潔之前間接熱傳遞處理可以運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間的長度。因 此，這些不利效果對于可被有效管理、尤其當(dāng)廢水的范圍包括污垢形成流 體時(shí)的廢水的范圍施加了實(shí)際的限制。因此，有賴于間接式熱傳遞機(jī)構(gòu)的 處理通常不適于濃縮各種廢水流并且實(shí)現(xiàn)殘留物與饋給量的低比率。
通過引用并入本文的美國專利No.5,342,482公開了為沉浸式氣體處 理形式的特殊類型的直接式熱傳遞濃縮器，其中，燃燒氣體被生成并且通 過入口管輸送到沉浸在處理流體內(nèi)的傳播單元。傳播單元包括從入口管向 外徑向延伸的多個(gè)間隔開的氣體輸送管，氣體輸送管中的每個(gè)具有在氣體 輸送管的表面上的各個(gè)位置處間隔開的小孔以便遍及保持在處理容器內(nèi) 的液體的截面區(qū)域盡可能均勻地傳播作為小氣泡的燃燒氣體。根據(jù)在現(xiàn)有 技術(shù)內(nèi)的當(dāng)前理解，該設(shè)計(jì)在大的界面表面區(qū)域上方提供了液體和炙熱氣 體之間的期望的緊密接觸。在該處理中，目的在于，熱傳遞和質(zhì)量傳遞二 者均發(fā)生于由于氣相在處理流體中的傳播而形成的動態(tài)且連續(xù)更新的界 面表面區(qū)域處，而不是在會發(fā)生固體顆粒沉積的固體熱交換表面上。因此， 這種沉浸式氣體濃縮器處理提供了優(yōu)于常規(guī)的間接式熱傳遞處理的顯著 優(yōu)勢。然而，用于將熱氣體分布到美國專利No.5,342,482的裝置內(nèi)的處理 流體中的氣體輸送管中的小孔受到由污垢流體形成的固體的沉積物的阻 塞。因此，將熱氣體輸送到處理流體中的入口管遭遇到固體沉積物的集結(jié)。
此外，由于需要在連續(xù)的處理液體相中傳播大量的氣體，美國專利 No.5,342,482中的收容容器通常需要大的截面積。這種收容容器以及安裝 在這些收容容器內(nèi)的任何附屬物的內(nèi)表面統(tǒng)稱為處理的“浸濕表面”。這 些浸濕表面必須承受在系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)濃度變化的熱處理流體。對于被設(shè) 計(jì)為處理各種范圍的廢水流的系統(tǒng)，構(gòu)造浸濕表面的材料提出了與必須與 設(shè)備的成本和一定時(shí)間內(nèi)維護(hù)/更換的成本相稱的抗腐蝕和耐高溫相關(guān)的 關(guān)鍵設(shè)計(jì)決策。一般來說，通過選擇高級金屬合金或諸如用于制造玻璃纖 維容器時(shí)使用的一些工程塑料來增強(qiáng)浸濕表面的耐用性和低的維護(hù)/更換 成本。然而，采用間接式或直接式加熱系統(tǒng)的常規(guī)濃縮處理也需要用于將 熱傳遞到容器內(nèi)的流體的諸如蒸汽、熱傳遞油或氣體等炙熱介質(zhì)的裝置。 盡管各種不同的高級合金提供了與抗腐蝕和耐高溫有關(guān)的解決辦法，容器 和由容器制作的附屬物的成本通常非常高。此外，盡管工程塑料可直接用 于形成收容容器或用作浸濕表面上的涂層，耐高溫通常是多種工程塑料的 限制因素。例如，用于在美國專利No.5,342,482中使用的容器內(nèi)的熱氣體 的入口管的高表面溫度施加了這樣的限制。因此，用于這些處理的容器和 其它設(shè)備通常在制造和維護(hù)方面非常昂貴。
而且，在所有這些系統(tǒng)中，需要熱源來進(jìn)行濃縮或蒸發(fā)處理。已經(jīng)開 發(fā)出了多種系統(tǒng)來使用由各種源產(chǎn)生的熱，諸如在發(fā)動機(jī)中、燃燒室中、 氣體濃縮處理中等產(chǎn)生的熱，來作為廢水處理的熱源。在美國專利No. 7,214,290中公開了這種系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例：通過沉浸式燃燒氣體蒸發(fā)器內(nèi) 的燃燒垃圾處理氣體產(chǎn)生熱，這些熱用于處理垃圾處理場所處的瀝濾液。 美國專利No.7,416,172公開了這樣一種沉浸式氣體蒸發(fā)器：廢熱可提供給 氣體蒸發(fā)器的入口以便用于濃縮或蒸發(fā)液體。盡管廢熱通常被視為在廢水 處理操作中可有效利用的廉價(jià)能源，在很多情況下廢熱必須從廢熱源運(yùn)輸 很遠(yuǎn)的距離到達(dá)要執(zhí)行蒸發(fā)或濃縮處理的地點(diǎn)。例如，在許多情況下，垃 圾處理場的運(yùn)轉(zhuǎn)將具有發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)使用以垃圾處理氣體作為燃燒燃料 而運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)燃機(jī)。通常在容納發(fā)電機(jī)的建筑物的頂部通過消音 器或排氣煙囪與大氣連通的這些發(fā)電機(jī)或發(fā)動機(jī)的廢氣為廢熱的源。然 而，為了收集和使用這種廢熱，大量的昂貴管道和通風(fēng)管必須與排氣煙囪 耦合以便將廢熱傳遞到處理系統(tǒng)的地點(diǎn)，處理系統(tǒng)的地點(diǎn)通常在遠(yuǎn)離容納 發(fā)電機(jī)的建筑物的地面水平處。重要的是，能夠承受排氣煙囪內(nèi)的廢氣的 高溫(例如，950華氏溫度)的管道、管材和控制裝置(例如，節(jié)氣閥和 截流閥)非常昂貴并且必須絕緣以在運(yùn)輸過程中保持廢氣內(nèi)的熱。用于這 些用途的可接受的絕緣材料通常由于諸如易碎性、隨時(shí)間進(jìn)行而腐蝕的趨 勢以及熱循環(huán)的靈敏性等為設(shè)計(jì)增加復(fù)雜度的各種特性而易于故障。絕緣 還增加了管道、管材和控制裝置的重量，這也為結(jié)構(gòu)支撐要求增加了成本。
發(fā)明內(nèi)容
本文公開的緊湊型液體濃縮裝置可易于與諸如垃圾處理氣體火炬或 燃燒發(fā)動機(jī)排氣煙囪等廢熱源連接，并且利用這種廢熱來執(zhí)行直接熱傳遞 濃縮處理，而無需大且昂貴的收容容器且無需使用大量昂貴的耐高溫材 料。緊湊型液體濃縮器包括氣體入口、氣體出口和連接所述氣體入口和所 述氣體出口的混合過道或流過道，其中，所述流過道包括使通過流過道的 氣體加速的縮窄部。位于氣體入口和流過道的縮窄部之間的液體入口在縮 窄部之前的點(diǎn)處將液體噴射到氣流中，以使氣液混合物在流過道內(nèi)充分混 合，使得液體的部分被蒸發(fā)或濃縮。與氣體出口連接的位于縮窄部下游的 除霧器或流體洗滌器去除來自氣流的曳出液滴并且通過再循環(huán)回路將去 除的液體再循環(huán)到液體入口。待濃縮的新鮮液體也以足以抵消在流過道中 蒸發(fā)的液體以及從處理中取回的任何濃縮液體的組合總量的速率導(dǎo)入再 循環(huán)回路中。
本文描述的緊湊型液體濃縮器包括運(yùn)行以高成本效益濃縮具有寬范 圍特性的廢水流的多種屬性。濃縮器耐受寬范圍饋給特性上的腐蝕效應(yīng)， 具有合理的制造和運(yùn)行成本，能夠在高濃度水平下連續(xù)地運(yùn)行，并且有效 地直接利用來自各種源的熱能。而且，濃縮器足夠緊湊以便攜帶，因此可 易于運(yùn)輸?shù)酵ㄟ^非受控事件產(chǎn)生廢水的地點(diǎn)并且可安裝為與廢熱源緊相 鄰。因此，本文公開的濃縮器為成本效益好、可靠的且耐用的裝置，其運(yùn) 行以便連續(xù)地濃縮寬范圍的不同類型的廢水流，并免除了在導(dǎo)致堵塞和沉 積物集結(jié)的常規(guī)的間接式熱傳遞系統(tǒng)中找到的常規(guī)固體表面熱交換器的 使用。
