葉銘強(qiáng)

(廣州白云山光華制藥股份有限公司，廣東廣州510285)

0 引言

目前，有不少企業(yè)對(duì)使用鍋爐放熱后產(chǎn)生的蒸汽冷凝水是直接排放不回收利用的。然而，鍋爐做功完成后的蒸汽冷凝水尚有一定的壓力和溫度，仍有較大的可利用清潔熱能，尤其是其閃蒸蒸汽保有較高的熱焓，若充分回收，可顯著節(jié)約鍋爐的燃料和軟水，在很大程度上有利于降低能源燃料的消耗和CO2溫室氣體的排放量，對(duì)企業(yè)和社會(huì)的發(fā)展都具有十分積極的意義。

為滿足清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排的工作要求，我公司開展了對(duì)放熱后的蒸汽冷凝水進(jìn)行回收利用的改造工作，同時(shí)也對(duì)鍋爐尾部排煙的余熱進(jìn)行了回收利用。

1 “Y”型引射混合器產(chǎn)生的背景和原理

1.1 產(chǎn)生背景

回收蒸汽冷凝水就是將高溫低壓的冷凝水收集后引入水箱，再由水泵送入鍋爐使用，若直接引入水箱，由于蒸汽冷凝水溫度較高且?guī)в幸欢ǖ臍垑?，與溫度較低的水箱水混合時(shí)會(huì)發(fā)生兩相流體反應(yīng)，當(dāng)有較多的蒸汽冷凝水進(jìn)入時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大的噪音和強(qiáng)烈的振動(dòng)，以這種方式直接回收蒸汽冷凝水是無法實(shí)施的。

因此，回收蒸汽冷凝水一般都是采用先將冷凝水收集后再用高壓水泵送入鍋爐，或采用壓縮空氣將蒸汽送入中間熱水箱，然后再由水泵送入鍋爐，這些方式除了一次性投資較大外，處理構(gòu)造也較復(fù)雜，需要消耗電力或蒸汽，造成運(yùn)行成本高的問題，而且長(zhǎng)期使用的水泵還會(huì)受到汽蝕作用，使用壽命較短，需定期更換。

一般情況下，在鍋爐的蒸汽冷凝水的熱能回收中都是只回收蒸汽冷凝水的熱量，而沒有同時(shí)回收可利用的蒸汽冷凝水，又或者將蒸汽冷凝水排到只能設(shè)置在室外空間的收集裝置，待壓力消失后再收集，收集裝置除了會(huì)冒出大量的水蒸汽，還浪費(fèi)了熱焓較高的閃蒸蒸汽，且收集后的蒸汽冷凝水溫度降低，這些都未能實(shí)現(xiàn)鍋爐能源回收的最大化。

如何實(shí)現(xiàn)鍋爐能源回收的最大化，探討既不需要額外消耗能源，又可以減少運(yùn)行成本的簡(jiǎn)單的回收方式是我們實(shí)行節(jié)能減排工作的一項(xiàng)主要內(nèi)容。

蒸汽冷凝水的回收就是把軟水送入鍋爐吸熱產(chǎn)汽，是生產(chǎn)利用放熱之后形成的冷凝水再次進(jìn)入鍋爐產(chǎn)汽循環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)。在這個(gè)循環(huán)過程中，可以發(fā)現(xiàn)鍋爐蒸汽一般不可能被全部回收，總是需要對(duì)鍋爐進(jìn)行常溫的新鮮軟水補(bǔ)充，設(shè)想將蒸汽冷凝水(熱水)和新鮮軟水(冷水)有機(jī)地混合起來，利用低溫的冷水作為冷源，將高溫低壓的冷凝水熱量(含閃蒸蒸汽)進(jìn)行吸收，使冷凝水溫度迅速降低以回收冷凝水。

最初我公司采用如圖1所示的熱水進(jìn)口方式。蒸汽冷凝水通過浸在冷水的一段蛇管排入水箱，利用水箱的常溫軟水冷卻帶有一定殘壓高溫的蒸汽冷凝水，以降低輸入的壓力，回收蒸汽冷凝水。但事實(shí)上生產(chǎn)用汽往往并不是均衡的，在高峰用汽時(shí)返回的蒸汽冷凝水較多，且水箱的水很快變成高溫水，無法降低帶有高溫蒸汽冷凝水的壓力，蒸汽冷凝水在水箱內(nèi)部排出時(shí)因兩相流體混合發(fā)生激烈反應(yīng)，使水箱出現(xiàn)較大的噪音和強(qiáng)烈的振動(dòng)。

圖1 最初的熱水進(jìn)口方式

后來我公司又采用分割排入的熱水進(jìn)口方式(圖2)，即將一股的高溫蒸汽冷凝水通過多根并列出口的蛇管排入水箱，以減少兩相流體混合的反應(yīng)強(qiáng)度，但還會(huì)出現(xiàn)較大的噪音和強(qiáng)烈的振動(dòng)。我公司還嘗試將蒸汽冷凝水輸出口做成多個(gè)小孔，由多個(gè)小孔排入的熱水進(jìn)口方式如圖3所示，希望把進(jìn)入水箱的蒸汽冷凝水切割成多股小流量的蒸汽冷凝水與水箱的低溫水進(jìn)行混合，提高水混合的面積，事實(shí)上蒸汽冷凝水并不是如愿地均衡排出，結(jié)果也同樣出現(xiàn)較大的噪音和強(qiáng)烈的振動(dòng)。

圖2 分割排入熱水進(jìn)口方式

圖3 由多個(gè)小孔排入的熱水進(jìn)口方式

通過多次的試驗(yàn)和失敗總結(jié)，我們發(fā)現(xiàn)了在水箱里只要帶有一定殘壓高溫的蒸汽冷凝水排出，兩相流體混合時(shí)必將發(fā)生振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)波及整個(gè)容器，盡管之前所做的工作使振動(dòng)有所減少，但效果都不理想。

針對(duì)這種情況，我們?cè)谡羝淠呐懦隹诎惭b了應(yīng)用了文氏定理工作原理的一種裝置——“Y”型引射混合器，圖4為“Y”型引射混合器的剖視圖。

圖4“Y”型引射混合器的剖視圖

1.2 工作原理

“Y”型引射混合器的工作原理如下：

從圖4可以看出，高溫水通道與低溫水通道及混合水通道構(gòu)成形狀如英文字母“Y”的混合器，高溫低壓的冷凝水在內(nèi)側(cè)，與混合孔直通，冷水孔與冷凝水孔以小于90°的度角交叉進(jìn)入。當(dāng)高溫低壓(殘壓一般大于0.1 MPa)的冷凝水首先進(jìn)入后，在自身壓力的作用下，高速射出混合孔。與此同時(shí)，由流體力學(xué)可知，在總壓不變的情況下，動(dòng)壓增大，靜壓必然減小，因此，在冷水孔一側(cè)的通道自然形成負(fù)壓，于是冷水被引射抽吸進(jìn)入，在交匯點(diǎn)遭遇高溫的冷凝水后，兩相流體強(qiáng)烈混合，降溫降壓，并一同噴出。由于兩相流體的瞬時(shí)結(jié)合量小，并且僅在區(qū)域很小的腔體內(nèi)發(fā)生混合，因此大大地降低了噪音和振動(dòng)的產(chǎn)生。

這樣做的好處還有：利用了冷凝水的剩余壓頭在流體通道中高速流動(dòng)形成自我卷吸的作用，與冷水自動(dòng)混合；構(gòu)造簡(jiǎn)單、緊湊，沒有活動(dòng)部件，性能可靠，無需借助額外動(dòng)力；冷凝水和熱量的回收沒有任何損失，既安全又節(jié)能。

2 鍋爐熱能回收系統(tǒng)實(shí)例簡(jiǎn)介

圖5為我公司W(wǎng)NS2.0-1.0-Y(Q)型天然氣鍋爐熱能回收系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖。其熱能回收系統(tǒng)的工作原理有：

圖5 WNS2.0-1.0-Y(Q)型天然氣鍋爐熱能回收系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

2.1 蒸汽冷凝水的回收工作原理

熱能回收系統(tǒng)在原有的軟水箱與鍋爐之間增加了一個(gè)蒸汽冷凝水箱，并由若干的構(gòu)件組成。其回收系統(tǒng)的原理如圖6所示。

圖6 蒸汽冷凝水回收系統(tǒng)原理

各用汽點(diǎn)的蒸汽冷凝水排放管道被引到一條蒸汽冷凝水排放主管上，設(shè)集水器進(jìn)行收集。冷凝水在殘壓和重力作用下，經(jīng)過一定長(zhǎng)度的管道(不銹鋼)進(jìn)入設(shè)置在鍋爐附近的蒸汽冷凝水箱內(nèi)。

蒸汽冷凝水在殘壓和重力作用下流入冷凝水箱底部的噴頭(即上述“Y”型引射混合器)，噴頭將一束高溫的水流和氣體切割成多束的水流和氣體，然后與冷凝水箱底部的較低溫水混合進(jìn)入冷凝水箱內(nèi)部，使冷凝水箱的水溫升高。冷凝水箱和軟水箱之間由于設(shè)有單向閥，冷凝水箱高溫的水不能流入較低溫的軟水箱里，因此鍋爐首先使用的是冷凝水箱的高溫水。當(dāng)冷凝水箱的水位下降時(shí)，軟水箱的水在重力下補(bǔ)充冷凝水箱的水位，軟水箱的水在浮球的控制下保持一定的水位。

在日常使用中，使用蒸汽的時(shí)段往往起伏較大。流入冷凝水箱的冷凝水經(jīng)常是不均勻的，當(dāng)處于回收高峰時(shí)，冷凝水箱的溫度會(huì)較高，冷凝水箱頂部的水會(huì)出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象，冒出水蒸汽，為此在冷凝水箱頂部設(shè)置了噴水冷卻裝置，將未經(jīng)加熱的軟水直接進(jìn)入冷凝水箱進(jìn)行降溫，避免出現(xiàn)水蒸汽冒出的現(xiàn)象，因此在系統(tǒng)上設(shè)置了有溫度控制的軟水直接加入裝置。

應(yīng)用文氏定理改裝成“Y”型引射混合器后的冷凝水回收裝置經(jīng)過近一年的運(yùn)行證實(shí)，冷凝水閃蒸蒸汽沒有蒸發(fā)流失，最大限度地回收了可利用的能源，使進(jìn)入鍋爐的補(bǔ)充水溫度維持在70～80℃左右，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)約了大量的天然氣和水資源。

2.2 鍋爐尾部排煙的余熱回收利用原理

在將節(jié)能器安裝在鍋爐尾部煙道中進(jìn)行余熱回收利用的節(jié)能方案里，考慮到鍋爐實(shí)際的排煙溫度不高(約160℃)和地方狹窄情況，選用了一種較為實(shí)用的高效低阻節(jié)能器(鍋爐煙氣—水換熱器)，它是利用場(chǎng)協(xié)同的工作原理，使冷(水)、熱(煙氣)流體始終保持高溫高壓狀態(tài)進(jìn)行熱交換。換熱時(shí)兩種流體分時(shí)通過同一換熱體表面，冷流體將上次熱流體流過時(shí)積聚的熱量吸收并帶走，兩相流體大對(duì)流、大面積地通過換熱器內(nèi)部，換熱效率高。這種余熱回收方式阻力小(60 Pa)，利用低溫?zé)崮?，只需依靠原有燃燒機(jī)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓余量和煙道壓差就足矣，不影響鍋爐的過量空氣系數(shù)(實(shí)際燃燒用風(fēng)量與理論最小配風(fēng)量之比)，而且占用的空間尺寸較小，安裝容易，維修方便。

我公司利用原有的一個(gè)4 m3的熱水罐用于鍋爐煙氣熱能的回收存放。鍋爐煙氣熱量回收系統(tǒng)原理如圖7所示，儲(chǔ)水罐里的水通過熱水泵進(jìn)入高效低阻節(jié)能器(鍋爐煙氣—水換熱器)使水溫升高，再回到儲(chǔ)水罐，如此依次循環(huán)，使得儲(chǔ)水罐里的水被加熱。當(dāng)儲(chǔ)水罐液面下降時(shí)，安裝在液面的傳感器就會(huì)發(fā)出信號(hào)，電磁閥自動(dòng)開啟，補(bǔ)充冷水進(jìn)入儲(chǔ)水罐。由于儲(chǔ)水罐足夠大，使罐里的水不斷地被加熱、不斷地流走并得到不斷地補(bǔ)充，冷熱達(dá)到基本平衡(溫度約40～55℃左右)，儲(chǔ)水罐的熱水主要用作員工下班后的洗澡用水和設(shè)備的清洗用水。

圖7 鍋爐煙氣熱量回收系統(tǒng)原理

3 結(jié)語(yǔ)

我公司通過對(duì)蒸汽冷凝水回收和鍋爐尾部排煙余熱回收等工程項(xiàng)目的前期論證、安裝和修正，投入使用近一年來取得了很好的效果?！癥”型引射混合器的應(yīng)用，既突破了工程項(xiàng)目實(shí)施的瓶頸，又極大地簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)工作的原理，開辟了一條蒸汽冷凝水回收方法的新路。同時(shí)，鍋爐能量回收裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，簡(jiǎn)單、安全、可靠，操作人員無需進(jìn)行額外的操作，實(shí)現(xiàn)了能量回收利用的最大化。冷凝水回收和節(jié)能器安裝項(xiàng)目的投入使用，不僅降低了成本，還提高了經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是取得了節(jié)能、降耗、減污、增效的社會(huì)效益。

[1]天津大學(xué)化工原理教研室編.化工原理(上)[M].天津科學(xué)技術(shù)出版社，1983