步 彬
(河北大河邯鋼設計院有限公司,河北 邯鄲 056000)
摘 要:蒸汽作為鋼鐵企業的重要能源介質,在冶金生產中具有廣泛的用途,廠區內蒸汽管網排水點眾多,均為直接排放,其凝結水量和余熱量一直未能得到行業重視,不符合我國推行的節能低碳政策。因此,鋼鐵企業應根據蒸汽系統工藝特點,分別設置蒸汽凝結水回收系統,提高蒸汽凝結水和余熱的回收率,以期改善噸鋼水耗和熱能成本。
關鍵詞:蒸汽;凝結水;回收
0 背景
在大型鋼鐵企業的生產中,蒸汽作為一種重要的能源介質,被廣泛地應用于物料加熱、濾料再生、工藝取暖和生活衛生中,在廠區也會形成一個龐大的輸送網絡,并且擁有眾多的管網排水點[1]。一般來講,工藝換熱等設備用汽量相對較大,冷凝水量較多,回收效益較為明顯,企業關注度較高。相反,對于輸送管網而言,排水點雖然眾多,但是分布較為分散,單個排水點凝結水量少,回收相對困難,企業一般都會將其直接排入下水道。這樣的排放工藝,一方面會造成下水道冒汽,造成路面局部地段高溫;另一方面,企業會白白損失大量高品質的純水和余熱能,不利于鋼鐵企業低碳生產的循環經濟發展。
1 蒸汽管網冷凝水回收
蒸汽冷凝水,作為蒸汽釋放能量后的另一種液體狀態的載體,其本身仍具有蒸汽熱能的20 %~30 %[2],甚至某些設備能達到40 %[3,4],由于鋼鐵企業用的蒸汽較為干凈,其冷凝水高于軟化水,近似于純水,是一種不可多得的工業水源。
根據工程熱力學原理,水具有的熱能計算公式如下:
Q—以零度為起點水具有的熱能,kJ。
cw—水的比熱,cw=4.18 kJ/(kg•℃)
△t—水的溫升,℃。
蒸汽具有的熱能計算公式如下:
Q—以零度為起點水具有的熱能,kJ。
cs—水的比熱,cs=1.84 kJ/(kg•℃)
△t—蒸汽的溫升,℃。
2500—每千克0℃水變成0℃的水蒸氣所具需要的汽化潛熱,kJ/kg。
由工程熱力學計算公式可以看出,蒸汽所具有熱能的最大一部分是潛熱,蒸汽狀態的顯熱只是占據了少量一部分,液體狀態下的顯熱明顯高于蒸汽的顯熱,所以凝結水回收的熱量所具有的效益仍然不可低估。
1.1 蒸汽冷凝水回收系統分類
蒸汽冷凝水回收系統按照其系統的封閉性,可以劃分為開放式回收系統和閉路式回收系統[5]。
開放式回收系統,蒸汽經過換熱設備的排水器后,直接排入敞開口的收集池內,然后通過凝結水泵輸送到相應的水系統內。
圖1蒸汽凝結水開放式回收系統示意圖
Fig.1 The schematic diagram of steam condensate open recovery system
閉路式回收系統,蒸汽經過換熱設備的排水器后的管道,送至密閉的回收器皿中,當壓力過高時會通過安全閥釋放。二次閃蒸產生的乏蒸汽被引送到低壓蒸汽用戶,高溫冷凝水則會被凝結水泵直接打入鍋爐除氧器等用戶點。
圖2蒸汽凝結水閉路式回收系統示意圖
Fig.2 The schematic diagram of steam condensate closed recovery system
另外,根據蒸汽冷凝水回收動力不同,還可以分為重力回收系統、余壓回收系統和加壓回收系統[6]。
重力回收系統,利用管網地形的高度落差,依靠重力使冷凝水自行回流至收集池內。
余壓回收系統,利用疏水器背壓,通過壓降使高溫冷凝水通過管道輸送至局部收集容器內。
1.2 蒸汽冷凝水回收存在問題
雖然蒸汽冷凝水回收方式眾多,但是在實際生產應用時,均會存在一些問題。
開放式回收系統最為簡單,不會影響到用汽設備原工藝參數設置,仍可使用舊疏水器,節省了一部分閥門投資。但是,因為被送至敞開的收集池內,與大氣接觸會污染水質,另一方面由于壓力下降,凝結水會閃蒸出大量蒸汽,擴散至附近環境中,造成了熱量損失。
閉路式回收系統較為復雜,需要更換部分用汽設備的疏水器,對輸送管道的材質要求較為嚴格,投入成本相對較高。但是,因為采用閉路循環的方式,避免了與外界接觸,凝結水的品質相對較高,節省了后期再處理成本。另一方面,閉式回收系統可以利用更高溫度的凝結水和大量的余熱能,極大地提高了企業余熱回收利用率。
其次,輸送蒸汽的管道一般采用碳鋼材質,由于高溫蒸汽腐蝕,凝結水中會含有大量鐵離子,甚至經常會發生鐵銹堵塞疏水器,造成排水設施失靈,影響管網輸送蒸汽的品質。蒸汽中含有少量不凝結氣體,其中尤其以CO2和O2危害最大,它不僅與熱水混合成弱酸加快設備腐蝕,還使得回收后的凝結水PH值偏低[7],不符合鍋爐補水PH值在8~9的數值要求。下面是相關化學反應[8]:
另外,凝結水管道還容易出現水擊現象[9],這是由于高溫凝結水與管道中相對低溫水混合發生的物理反應。高溫高壓的凝結水從蒸汽疏水閥排入低壓回收系統時,由于壓力降低凝結水汽化帶來閃蒸,放出的二次蒸汽不僅會對管網造成一定的沖擊,還會帶走一部分蒸發的潛熱,降低了凝結水的可利用焓值。
1.3 蒸汽冷凝水回收解決方法
開放式回收系統會造成大量凝結水和熱能的損失,不符合國家關于工業余熱回收的政策,因此在工藝條件允許的前提下,應盡量采取閉路式回收系統對蒸汽凝結水進行再次利用。
(1)根據用汽設備疏水閥后壓力,劃分成不同壓力等級進行回收,有利于降低凝結水閃蒸釋放率,提高回收凝結水的溫度,可以實現熱能最大回收利用率。
(2)根據工藝需要更換用汽設備的疏水閥,采用余壓回水方式應盡量采用機械式疏水閥,不僅可以同時實現疏水和排出不凝結氣體,還能適應較大壓力變化,降低了漏汽率。
(3)輸送凝結水的管道不應采用碳鋼管,可以采用耐高溫不銹鋼管道,以避免高溫弱酸性的凝結水對管道的腐蝕,同時也降低了后期除鐵離子的處理成本。
(4)回收的蒸汽凝結水PH值偏低,可以根據水質化驗情況,適當通過添加氨氣等方式提高PH值,以期滿足鍋爐補給水的水質指標。
(5)對于凝結水中的鐵離子去除工藝,可以采用電磁吸附等更為環保的處理方式。
(6)回收系統中的水泵,應盡量避免采用常規電泵,一方面會增加高溫設備維護費用,另一方面需要采購防汽蝕前置設施,建議采用蒸汽或壓縮空氣作為驅動的動力型水泵。
2 結論
根據1《蒸汽供熱系統凝結水回收及蒸汽疏水閥技術管理規定》,用汽設備所產生的凝結水回收率不得小于60%[10]。然而,目前鋼鐵企業只是將大型換熱設備產生的凝結水進行了回收,對于蒸汽輸送管網疏水器排出的凝結水則直接排放掉,可使這部分疏水量占據著整個蒸汽系統熱能的5%~10%,所以冶金行業應加快蒸汽凝結水回收系統的研發,提高鋼鐵企業二次能源回收再利用率,同時還能有效地減弱鋼鐵企業周邊的城市熱島效應(Urban Heat Island effect,簡稱UHI)[11],以期實現綠色低碳化生產模式。
參考文獻:
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[4] 楊德勇, 陶浩, 馬學兵. 煙廠蒸汽凝結水的回收與利用[J]. 鄭州輕工業學院學報,2002(3):21-23.
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[10] 趙國凌,暢哲峰,高德仁. 蒸汽供熱系統凝結水回收及其效益測算[J]. 工業鍋爐,2012(4):55-59.
[11]劉勇洪,徐永明,馬京津等. 北京城市熱島的定量監測及規劃模擬研究[J]. 生態環境學報,2014,23(7): 1156-1163.