冷卻法用于蒸汽凝結(jié)水二次蒸汽余熱回收

王海明

（廣東中煙工業(yè)有限責任公司湛江卷煙廠，廣東湛江 524033）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和工業(yè)化的擴張，能源危機已成為全世界亟待解決、影響人類生存、制約科學發(fā)展的重大問題。因此，節(jié)能降耗也逐步成為我國的一項基本國策。在此背景下，節(jié)能降耗也成為煙草行業(yè)亟待解決的技術(shù)難題之一。

蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)是煙草的重要生產(chǎn)設備，廣泛應用于煙草生產(chǎn)企業(yè)。大部分煙草生產(chǎn)企業(yè)蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的凝結(jié)水回收系統(tǒng)沒有充分、合理地利用高溫凝結(jié)水，造成極大浪費。因此，完善和改進凝結(jié)水余熱的回收技術(shù)，開發(fā)余熱利用的新技術(shù)，可以提高這類企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 某廠蒸汽消耗及凝結(jié)水回收現(xiàn)狀

1.1 蒸汽凝結(jié)水回收系統(tǒng)概述

某廠凝結(jié)水回收系統(tǒng)為開式背壓回收系統(tǒng)（圖1）。所謂開式背壓回收系統(tǒng)是蒸汽在設備中放熱產(chǎn)生的凝結(jié)水經(jīng)疏水器直接進入凝結(jié)水管網(wǎng)，依靠疏水器的背壓將凝結(jié)水送到凝結(jié)水箱，最后用水泵將凝結(jié)水送至鍋爐給水箱的一套系統(tǒng)。這類凝結(jié)水回收系統(tǒng)的缺點是二次蒸汽直接排入大氣，熱損失大，對環(huán)境的熱污染較大。

1.2 某廠年消耗及熱能回收狀況

圖1 蒸汽凝結(jié)水回收

表1 某年度蒸汽消耗統(tǒng)計表

表1所示為某廠某年度的蒸汽消耗情況統(tǒng)計表。從表1可以計算出，車間日均蒸汽耗用量為75.3 t，最大日用汽量為96 t/d。

為進一步了解車間蒸汽耗用及冷凝水回收狀況，對某年3—6月的產(chǎn)量、冷凝水回收量等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析（表2），平均產(chǎn)量為117 310.6萬支，冷凝水回收量平均257.59 t。

表2 冷凝水回收情況表

為確認冷凝水回收的熱量，對冷凝水進行理論計算分析。

式中Q——冷凝水回收的熱量，kJ

C——水的比熱，C=4.18 kJ/（kg?℃）

M——冷凝水回收量，t

T2——冷凝水的目標溫度，℃

T1——冷凝水的起始溫度，℃

經(jīng)測量統(tǒng)計，回收的冷凝水平均溫度為95℃，4個月份的冷凝水平均回收量257.59 t，則回收熱量Q=4.18×257.59×103×95=1.023×108kJ，4個月平均產(chǎn)量117 310.6萬支，折合萬支卷煙回收熱量q=918 kJ/萬支，即蒸汽冷凝水熱能回收利用率為918 kJ/萬支。

1.3 節(jié)能潛力計算

設備平均壓力在0.7 MPa，該壓力下疏水閥蒸汽凝結(jié)水的飽和水焓721.2 kJ/kg，表壓為0 MPa時飽和水的焓是419 kJ/kg，二者相差302.2 kJ/kg。這些過剩熱焓就形成一部分凝結(jié)水蒸發(fā)成二次蒸汽的熱焓。一個標準大氣壓下蒸汽的汽化熱是2257 kJ/kg，因為有302.2 kJ/kg的熱焓可以利用，在一個大氣壓下每千克凝結(jié)水能產(chǎn)生二次蒸汽量為0.134 kg。該廠每日平均消耗蒸汽量為75.3 t，即每日產(chǎn)生二次蒸汽量約為10.09 t。

考慮到該廠回收系統(tǒng)輻射散熱損失，因此可利用的二次蒸汽損失系數(shù)取值為5%，即每日約有9.5 t二次蒸汽被浪費。

2 二次蒸汽的回收用途

二次蒸汽的回收一般有直接利用或回收利用其熱能2種方式。直接回收通常作為低壓設備用汽或一般的加熱、供暖等，但是根據(jù)該廠用汽情況及其所產(chǎn)生的二次蒸汽的量，一般的低壓設備無法用完，并且設備生產(chǎn)不連續(xù)完全限制著二次蒸汽的使用，這方面回收的意義不大。因此，在該廠中回收二次蒸汽的熱能，用以加熱低溫軟化水、節(jié)約燃料是一個理想的選項。該廠鍋爐凝結(jié)水回收如圖1所示，利用低溫軟化水冷卻二次蒸汽以后再送進除氧箱，可以大大降低燃料用量。冷卻器是利用低溫軟化水冷凝二次蒸汽的理想冷卻裝置，因此設計制作冷卻器是能否回收成功的關鍵。

2.1 冷卻器構(gòu)造工作過程與設計

二次蒸汽的冷卻有2種方式：一種是使二次蒸汽經(jīng)過浸泡在低溫軟化水中的盤管使其冷卻凝結(jié)，同時加熱軟化水。軟化水溫度越高，冷卻效果越差；另一種是使用低溫軟化水直接噴淋二次蒸汽使其凝結(jié)，然后輸送到鍋爐利用。使用盤管方式要儲蓄一定低溫軟化水，占用設備空間，因此選用噴淋方式。

噴淋冷卻就是通過向二次蒸汽直接噴射低溫水，使兩者互相親和，進行熱交換達到回收的目的。為了更好進行熱交換并方便收集冷卻水，必須在容器中進行，該容器就稱為噴淋冷卻（圖2）。冷卻器由圓筒外殼、軟水噴頭裝置、凝結(jié)水管、網(wǎng)孔板組成。噴淋冷卻器安裝在凝結(jié)水箱上面，二次蒸汽由水箱頂部進入冷卻器內(nèi)，二次蒸汽進入冷卻器后，體積膨脹，流速降低，再經(jīng)過雙層孔板之后，流速再度降低，當軟化水經(jīng)噴頭均勻地噴灑在網(wǎng)孔板上后，低壓二次蒸汽流經(jīng)后，完全被軟化水親和吸收，把熱量帶走，利用處理后的軟化水就達到利用熱能的目的。

2.2 冷卻水量計算

根據(jù)熱量守恒原理，冷卻器熱平衡公式見式（2）。

式中Gzn——二次蒸汽與軟化水的流量之和，Gzn=Gu+Gz，kg/h

Gu——軟化水的流量，kg/h

Gz——二次蒸汽的流量，kg/h

izn——二次蒸汽與軟化水混合后的熱焓，kJ/kg

iu——軟化水的熱焓，kJ/kg

iz——二次蒸汽的熱焓，kJ/kg

以鍋爐輸出瞬時流量計算，當日消耗蒸汽最大瞬時量約為 9000 kg/h（圖3）。

實際上，該廠車間蒸汽的使用分為增溫與增濕2種類型。增濕是以蒸汽直接噴射形式消耗的，因此這部分蒸汽熱能是不可回收的。加濕蒸汽消耗量統(tǒng)計見表3，各設備的加濕蒸汽流量合計2900 kg/h。因此，能回收的二次蒸汽熱能的蒸汽消耗量為6100 kg/h。

圖2 噴淋冷卻器

圖3 鍋爐輸出瞬時流量曲線

表3 該廠各設備加濕蒸汽流量統(tǒng)計kg/h

以在1個大氣壓下每千克凝結(jié)水能產(chǎn)生二次蒸汽量0.134 kg計算，即為二次蒸汽平均蒸發(fā)量Gz=6100×0.134=817.4 kg/h。經(jīng)測得二次蒸汽壓力為0.14 MPa，查表得iz為2690.8 kJ/kg，tz為109.32℃，25℃軟化水的熱焓為105.38 kJ/kg，混合成80℃水的熱焓為335.48 kJ/kg。因此需要軟化水的流量Gu=8366.96 kg/h。

2.3 傳熱面積計算

二次蒸汽與孔板上的低溫水膜接觸發(fā)生熱交換，從而使二次蒸汽被軟化水冷卻降溫，因此形成水膜網(wǎng)孔板的表面積就是所需要計算的傳熱面積。

冷卻器進出水平均溫差計算公式見式（3）。

式中tzn——二次蒸汽與軟化水混合后的溫度，取80℃

tu——軟化水的進水溫度，取25℃

tz——二次蒸汽的飽和溫度，109.32℃

則 △tm=52℃。

2.4 網(wǎng)孔板

網(wǎng)孔板既是散熱板又是二次蒸汽減壓板，在蒸汽流經(jīng)時降低蒸汽流速，在兩層孔板之間、間隔一定距離，能有效均布蒸汽。取孔徑為10 mm，孔距取 1.5倍孔徑（即15 mm），兩孔板間距離為200 mm。

根據(jù)以上計算主要數(shù)據(jù)，繪制冷卻器的樣圖（圖4）。

圖4 噴淋冷卻器設計樣

3 水泵選型與控制

3.1 水泵選型

根據(jù)計算冷水（軟化水）流量8366.96 kg/h和安裝條件，選用QDLF6-60輕型立式多級泵，揚程54 m，功率2.2 kW，流量8 m3/h，轉(zhuǎn)速 2900 r/min。

該泵的額定流量不能達到理論值，但根據(jù)車間實際生產(chǎn)情況，蒸汽耗用值達到最大時的生產(chǎn)時間比較短，為了節(jié)約電能，因此選用該型號，用變頻方式解決蒸汽耗用值達到最大時額定流量不夠的缺點。

3.2 安裝與控制

噴淋冷卻器安裝在冷凝水儲水箱頂部，二次蒸汽從儲水箱頂部輸入到噴淋冷卻器，軟化水經(jīng)水泵加壓后從噴淋冷卻器頂端灑下，混合后的熱水回收到儲水箱，用熱水泵送進鍋爐除氧箱。

控制設置遠程、本地、停止3個狀態(tài)。在遠程狀態(tài)下，鍋爐房控制站依據(jù)鍋爐運行狀態(tài)決定是否啟用。當輸出蒸汽>0.6 MPa時，鍋爐房操作工啟動制絲車間熱力站軟水水泵：制絲車間不生產(chǎn)或基本不用氣的情況下，鍋爐房操作工可停止該水泵；在本地狀態(tài)下，車間可在本地電柜上直接啟動軟水水泵；在停止狀態(tài)下，不能啟動水泵。

4 改造效果（圖6）

系統(tǒng)改造運行后，對該年11月份的冷凝混合水回收量進行統(tǒng)計（表4）。其中，6日、13日、20日、22日和 23日，由于休息沒有統(tǒng)計。這樣，11月份合計冷凝水回收量1041.41 t軟水噴淋量573.65 t。

圖5 噴淋冷卻器安裝

引進的軟化水溫度約25℃，現(xiàn)場溫度表顯示回收的冷凝水平均溫度90℃。根據(jù)熱能計算公式，11月份回收熱量 3.32×108 kJ。

查閱生產(chǎn)報表，根據(jù)11月份產(chǎn)量計算，蒸汽冷凝水熱能回收利用率從918 kJ/生產(chǎn)單位提高到2573 kJ/生產(chǎn)單位。

改造產(chǎn)生的效益主要有2個：淤直接經(jīng)濟效益。改造后該廠每年直接節(jié)約33萬元人民幣。于社會效益。該改造有效降低了企業(yè)能源消耗，是國家和行業(yè)節(jié)能減排目標、要求的積極貫徹、響應。另一方面，由于二次蒸汽得到有效回收，避免了二次蒸汽直接排入大氣，降低了環(huán)境熱污染。

圖6 改造后運行現(xiàn)場

表4 某年11月份冷凝混合水回收量統(tǒng)計 t

5 結(jié)束語

二次蒸汽回收是一個復雜的過程，受到蒸汽壓力、用汽設備性能等諸多因素的影響。通過分析某廠的用汽特點，結(jié)合自身設備特性，對開式背壓回收系統(tǒng)進行技術(shù)改造，對余熱加以利用，經(jīng)濟效益和社會效益可觀。該技術(shù)設備結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，在節(jié)能降耗方面具有推廣價值。