一種蒸汽疏水回收系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.037

摘" 要：蒸汽干燥機(jī)疏水回收是貴溪冶煉廠一項(xiàng)重要節(jié)能減排項(xiàng)目。為進(jìn)一步使疏水回收系統(tǒng)滿足實(shí)際工藝需求，降低操作勞動(dòng)強(qiáng)度及其操作失誤率。針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中蒸汽干燥機(jī)的運(yùn)行及停止不同工藝情況，將疏水采用回收和外排區(qū)別處理，同時(shí)采取將手動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化為自動(dòng)閥調(diào)節(jié)控制的措施，提高回收系統(tǒng)的智能化，減少人為操作。經(jīng)過實(shí)踐運(yùn)行和統(tǒng)計(jì)調(diào)查分析，表明不同工況的疏水和自動(dòng)化控制，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響。

關(guān)鍵詞：蒸汽干燥機(jī)；疏水；回收；外排；自動(dòng)化控制；節(jié)能減排

中圖分類號(hào)：TM621" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）32-0１４９-0４

Abstract： The hydrophobic recovery of steam dryer is an important project for energy saving and emission reduction in Guixi Smelter. In order to further make the hydrophobic recovery system to meet the actual process requirements， reduce the operating labor intensity and the operation error rate. In view of the actual production of steam dryer operation and stop the different process conditions， the drainage recovery and discharge of the different treatment， while taking the manual regulation into automatic valve regulation control measures， improve the intelligence of the recycling system， reduce the artificial operation. Through practical operation and statistical investigation and analysis， it is shown that the hydrophobic and automatic control under different working conditions have a vital influence on the stable operation of the system.

Keywords： steam dryer; drainage; recovery; discharge; automatic control; energy saving and emission reduction

蒸汽作為一種熱能載體，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，一般通過用以間接或直接地對(duì)物料或者其他介質(zhì)的加熱，釋放出汽化潛熱[1]后溫度下降，部分轉(zhuǎn)化為蒸汽凝結(jié)水，并以疏水的形式從疏水器中排出。根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，這部分疏水所含的熱能占蒸汽總能量的20%～50%[2]，同時(shí)，就其本身來說，其又具有高溫、水質(zhì)好、不需軟化的優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代化工廠節(jié)約成本、降低能耗項(xiàng)目的一個(gè)重要突破口。這部分疏水若是不經(jīng)任何回收處理直接排放，不但會(huì)造成大量的高品位水的浪費(fèi)，同時(shí)在排放現(xiàn)場(chǎng)造成煙霧彌漫，伴隨著大量的噪聲，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。故為了提高全廠的蒸汽熱源的有效利用率，達(dá)到熱力循環(huán)經(jīng)濟(jì)目的，為此將熔煉車間蒸汽干燥機(jī)的疏水回收至動(dòng)力車間的除氧器中，經(jīng)除氧后再由給水泵送至相應(yīng)鍋爐中，實(shí)現(xiàn)廢熱的循環(huán)利用。

1" 蒸汽干燥機(jī)疏水回收裝置現(xiàn)狀簡(jiǎn)介

根據(jù)疏水回收系統(tǒng)是否與大氣直接相通，可以將其分為開式和閉式[3-4]2種循環(huán)回收方式。為了減少熱量損失提高廢熱利用率，目前動(dòng)力中心蒸汽疏水回收系統(tǒng)大部分采用閉式，即將疏水直接或者通過換熱器后回收至封閉軟化水水箱中作生產(chǎn)用水，或?qū)⑹杷厥罩脸跗髦凶餮a(bǔ)水和加熱蒸汽使用。其中，蒸汽干燥機(jī)的疏水回收就是廠部節(jié)能減排項(xiàng)目中一個(gè)最具有特色代表性的項(xiàng)目，其在回收過程中就是采用的第二種方式。將疏水直接回收至除氧器中作為生產(chǎn)用水使用，其不但節(jié)約了軟化水、蒸汽等能源，同時(shí)也使大量廢熱得到循環(huán)利用。

動(dòng)力的除氧器是采用熱力除氧，是為閃速爐、轉(zhuǎn)爐等鍋爐提供合乎生產(chǎn)需求鍋爐給水的配套設(shè)備，同時(shí)也是鍋爐上水系統(tǒng)中一個(gè)必不可少的設(shè)備，其主要是通過蒸汽加熱經(jīng)反滲透處理后的軟化水，降低軟化水中的含氧量，使之成為合乎鍋爐上水指標(biāo)要求的給水，避免給水溶氧量使鍋爐系統(tǒng)金屬元件在高溫下發(fā)生氧化腐蝕。而蒸汽干燥機(jī)[5]是閃速爐熔煉工序中的一個(gè)重要部分，同時(shí)也是產(chǎn)生大量高溫廢熱的一個(gè)重要設(shè)備。其主要是利用蒸汽對(duì)備料預(yù)干燥過來含水分量約8%～10%的銅精礦進(jìn)行二次干燥，最終使其含水分量小于等于0.3%。目前在閃速爐實(shí)際生產(chǎn)工藝上通常采用壓力為1.4 MPa的飽和蒸汽進(jìn)行對(duì)濕礦粉進(jìn)行加熱干燥，在工作中飽和蒸汽不斷與銅礦粉進(jìn)行熱交換，最終以疏水的形式被排出干燥機(jī)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，排出的疏水溫度高達(dá)135 ℃，疏水量約30 t/h，且其pH接近中性，完全可以替代實(shí)際生產(chǎn)中除氧器所需用的軟化水，具備直接熱能回收利用的特點(diǎn)。故此工廠為了提高蒸汽熱能循環(huán)利用率，將蒸汽干燥機(jī)的疏水進(jìn)行了回收與利用。

蒸汽干燥疏水回收工藝流程如圖1所示。蒸汽干燥機(jī)利用透平發(fā)電機(jī)發(fā)電后排出的飽和蒸汽加熱含水分的濕礦料，蒸汽釋放出汽化潛熱后，變成幾乎同溫同壓的飽和凝結(jié)水，同時(shí)凝結(jié)水在轉(zhuǎn)子離心力和蒸汽壓力雙重作用下排出蒸汽干燥機(jī)，輸送至動(dòng)力中心，經(jīng)擴(kuò)容器降壓產(chǎn)生大量二次閃蒸蒸汽[6-8]和凝結(jié)水后，輸送至工作壓力0.1 MPa除氧器，作為除氧器給水的補(bǔ)充水和加熱蒸汽，最后經(jīng)由給水泵送至閃速爐、轉(zhuǎn)爐等余熱鍋爐中產(chǎn)生蒸汽供透平發(fā)電機(jī)發(fā)電使用，進(jìn)而完成整個(gè)蒸汽干燥機(jī)疏水回收系統(tǒng)的熱力循環(huán)。

在經(jīng)過蒸汽干燥機(jī)疏水回收后，大約實(shí)現(xiàn)了30 t/h凝結(jié)水的回收及利用，同時(shí)除氧器加熱蒸汽基本上零消耗，大致上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的，為工廠創(chuàng)造了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)利益，僅每天軟化水資源節(jié)約高達(dá)720 t。

但在隨后一段時(shí)間實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)蒸汽干燥機(jī)疏水回收后，對(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行產(chǎn)生了一定的不良影響。第一，除氧器大約平均每月會(huì)出現(xiàn)5～6次溫度、壓力突然偏高的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致給水泵發(fā)生汽蝕，嚴(yán)重影響到鍋爐上水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，使后續(xù)鍋爐存在一定的安全隱患；第二，自從疏水回收系統(tǒng)投入后，鍋爐給水pH時(shí)常會(huì)間斷性出現(xiàn)pH呈酸性偏低的現(xiàn)象，完全不符合鍋爐給水要求，對(duì)后續(xù)余熱鍋爐的安全運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。

為了解決鍋爐給水呈酸性問題，對(duì)同一時(shí)間段的鍋爐給水、蒸汽干燥機(jī)疏水及軟化水等pH進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和對(duì)比發(fā)現(xiàn)：軟化水pH基本上維持不變，呈中性，控制在7～8左右，故可排除軟化水對(duì)給水的影響；而蒸汽干燥機(jī)疏水pH波動(dòng)變化較大，時(shí)而會(huì)出現(xiàn)pH為3～4的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到鍋爐給水pH。此外為了研究除氧器壓力溫度偏高的原因，對(duì)除氧器加熱蒸汽量、除氧器上水量、鍋爐給水量和蒸汽干燥機(jī)疏水量等因素進(jìn)行了大量數(shù)據(jù)對(duì)比和分析，認(rèn)為蒸汽干燥機(jī)疏水量及鍋爐給水量是導(dǎo)致壓力溫度波動(dòng)的主要因素。

在經(jīng)過一系列調(diào)查和分析后，認(rèn)為2個(gè)問題歸根結(jié)底主要應(yīng)該都是由閃速爐蒸汽干燥機(jī)運(yùn)行和停止的不同工況引起的。由于蒸汽干燥機(jī)是在高溫高壓的狀況下工作的，一旦長(zhǎng)周期不停歇運(yùn)行，可能會(huì)使干燥機(jī)內(nèi)的蒸汽盤管出現(xiàn)破裂的現(xiàn)象。因此，干燥機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間后，就需要停氣檢修，而在檢修過程中銅精礦粉末不可避免出現(xiàn)泄漏進(jìn)入蒸汽盤管，在再次投入運(yùn)行時(shí)，漏入的銅精礦粉將隨著疏水進(jìn)入回收系統(tǒng)，對(duì)疏水pH產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到鍋爐給水pH和余熱鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性；同時(shí)在蒸汽干燥機(jī)運(yùn)行和停止的過程中，不可避免對(duì)閃速爐鍋爐的上水量、蒸汽干燥機(jī)的疏水量產(chǎn)生影響，使除氧器內(nèi)的水溫、壓力產(chǎn)生波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)使余熱鍋爐給水泵出現(xiàn)汽蝕的現(xiàn)象，影響到余熱鍋爐的安全。

2" 蒸汽干燥疏水優(yōu)化

2.1" 蒸汽干燥疏水回收系統(tǒng)改造思路

基于調(diào)查研究和分析，結(jié)合崗位實(shí)際操作情況，針對(duì)存在的問題，做出相應(yīng)的優(yōu)化：第一，在蒸汽干燥疏水回收利用過程中，為了避免因除氧器內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間溫度、壓力偏高，而出現(xiàn)余熱鍋爐給水泵汽蝕的現(xiàn)象，習(xí)慣性將除氧器底部的排污閥打開，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制換水，降低內(nèi)部溫度及壓力的目的。這樣雖說可以避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，但是同樣造成了一定資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染，且除氧器液位可能出現(xiàn)波動(dòng)不易控制。為此經(jīng)過研究認(rèn)為，可以在蒸汽干燥機(jī)疏水管道上新增一旁路至軟化水水箱，并將除氧器壓力與旁路上氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥作連鎖，當(dāng)除氧器內(nèi)壓力超過規(guī)定值時(shí)連鎖自動(dòng)打開，調(diào)節(jié)閥將蒸汽干燥機(jī)疏水降壓分流回收至軟化水水箱，在其內(nèi)進(jìn)行熱交換加熱軟化水，提高除氧器上水溫度[9-11]。

第二，在停爐或檢修時(shí)，精礦粉混合蒸汽干燥疏水進(jìn)入回收管道，此時(shí)水質(zhì)pH偏于酸性，不符合回收利用上水要求。為此在遇到停爐或檢修時(shí)，需要將疏水外排，經(jīng)研究分析后認(rèn)為可采用直接由閃速爐蒸汽干燥機(jī)處外排和在進(jìn)入動(dòng)力除氧器前的蒸汽干燥機(jī)疏水回收管道上新增一旁路作為外排管2種辦法?？紤]到若是直接由閃速爐排放，由于蒸汽干燥機(jī)疏水回收管道較長(zhǎng)，當(dāng)疏水再次回收時(shí)突然大量高溫疏水經(jīng)過冷卻的管道可能出現(xiàn)水沖擊現(xiàn)象[12]，存在一定的安全隱患，于是蒸汽干燥疏水外排采用第二種方式。同時(shí)由于蒸汽干燥機(jī)疏水中含有大量熱能，若是直接外排進(jìn)入地溝，就會(huì)造成大量的熱能浪費(fèi)，不符合節(jié)能減排的目的，固考慮是否盡可能降低其溫度，充分利用廢熱后再排放。在現(xiàn)場(chǎng)勘查和分析后認(rèn)為，可將外排蒸汽疏水通過擱置的換熱器對(duì)軟化水水箱內(nèi)軟化水進(jìn)行換熱進(jìn)一步利用其廢熱后再進(jìn)行排放，這樣不但進(jìn)一步提高軟化水水箱水溫，同時(shí)減少外排時(shí)蒸汽干燥疏水熱能損失。

2.2" 蒸汽干燥回收系統(tǒng)優(yōu)化方案

在保證蒸汽干燥疏水正?；厥绽玫那闆r下，為了應(yīng)對(duì)停爐、檢修時(shí)需蒸汽干燥疏水外排的情況先后進(jìn)行了2次系統(tǒng)改造。第一次改造主要是實(shí)現(xiàn)了蒸汽干燥機(jī)疏水安全外排，避免外排時(shí)除氧器液位大幅度波動(dòng)，解決鍋爐給水pH偏低呈酸性的問題。

如圖2所示，第一次改造是在原蒸汽干燥機(jī)疏水通過擴(kuò)容器降溫降壓，由氣、水平衡管直接至除氧器的疏水回收系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。主要是分別在氣、水平衡管上增加2個(gè)截止閥作為回收閥，另水平衡管增設(shè)一旁路作為排污管，故當(dāng)儀表室接到指令后需要至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手動(dòng)外排回收切換操作。

但是每次人為外排回收切換時(shí)不但步驟繁瑣勞動(dòng)量大，且開關(guān)閥門先后順序不能亂，需要一定的操作經(jīng)驗(yàn)。否則一旦閥門切換順序錯(cuò)亂可能會(huì)出現(xiàn)因除氧器壓力高于擴(kuò)容器壓力，而導(dǎo)致除氧器液位偏低，大量水通過平衡管被排出的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致余熱鍋爐無法正常上水。同時(shí)，此時(shí)疏水溫度高達(dá)135 ℃，每次外排大約200 t，直接排入地溝造成了大量的熱能浪費(fèi)。經(jīng)過一段時(shí)間的試運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)對(duì)此改進(jìn)不太滿意，為此為了進(jìn)一步減少人為失誤，增加廢熱回收利用率和解決除氧器溫度壓力偏高的問題，對(duì)系統(tǒng)第二次進(jìn)行了優(yōu)化。

在第二次系統(tǒng)優(yōu)化改造中，主要是解決除氧器頻繁高溫高壓的問題，且盡可能地由自動(dòng)化替代以往的人工操作，降低人為影響因素。如圖3所示，在蒸汽干燥疏水進(jìn)入擴(kuò)容器的原有管道上利用增設(shè)換熱器、截止閥、止回閥、氣動(dòng)閥及進(jìn)入擴(kuò)容器前增設(shè)外排管道、至軟水水箱的蒸汽干燥疏水旁通管道等措施，完成了疏水回收系統(tǒng)的優(yōu)化。同時(shí)為了減少勞動(dòng)量提高自動(dòng)化，在控制程序上將新增疏水外排管道上的外排氣動(dòng)閥1與進(jìn)入擴(kuò)容器前增加的疏水回收氣動(dòng)閥2、除氧器壓力與新增蒸汽干燥疏水旁通管上的氣動(dòng)閥3分別作出了連鎖。正常蒸汽干燥疏水回收情況時(shí)，蒸汽干燥疏水通過止回閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥2進(jìn)入擴(kuò)容器，最終再由汽水平衡管進(jìn)入除氧器內(nèi)完成汽水循環(huán)利用[13]。此時(shí)，如果發(fā)生除氧器內(nèi)壓力超過設(shè)定值，至軟化水水箱上方的新增氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥3將會(huì)連鎖打開，蒸汽干燥疏水通過旁通管道先一步分流，進(jìn)入軟化水水箱中，穩(wěn)定蒸汽干燥疏水壓力和溫度，避免發(fā)生除氧器內(nèi)壓力溫度偏高，且軟化水水箱具有較強(qiáng)的緩沖作用，完全能夠消耗掉旁路干燥機(jī)疏水的熱量。當(dāng)蒸汽干燥疏水需要外排時(shí)，只需要在DCS上打開新增外排管道上氣動(dòng)閥閥1，進(jìn)入擴(kuò)容器的氣動(dòng)閥閥2將連鎖關(guān)閉，此時(shí)蒸汽干燥疏水將會(huì)由調(diào)節(jié)閥閥1經(jīng)廢舊老擴(kuò)容器降壓后進(jìn)入軟化水水箱中，經(jīng)過水箱內(nèi)新增的換熱器換熱后排入地溝。同時(shí)由于止回閥、壓差等因素，避免了除氧器內(nèi)壓力、水位大幅度波動(dòng)，保證了給水的安全[14]。

3" 結(jié)束語

在經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)踐，蒸汽干燥疏水回收與利用優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，且經(jīng)換熱器換熱后外排疏水溫度由原來135 ℃下降至40 ℃左右[15]，徹底消除了因蒸汽干燥疏水排放引起的熱污染。經(jīng)過調(diào)查統(tǒng)計(jì)得知，系統(tǒng)優(yōu)化后除氧器超壓、超溫的次數(shù)由原來的6次/月降低為0次/月，鍋爐給水pH也得到保證，完美解決了除氧器因疏水回收引起的一系列問題，實(shí)現(xiàn)了干燥機(jī)停機(jī)或檢修時(shí)安全外排和除氧器安全運(yùn)行的目的，同時(shí)也產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益節(jié)約了成本。

通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)得知，每次蒸汽干燥機(jī)疏水外排量大約200 t，每年至少大約需要外排60次，實(shí)際上每年則需要排放熱水至少為60×200=12 000 t，在采用回收系統(tǒng)后，這些本外排熱水大約相當(dāng)于回收了1 500 t的蒸汽，按當(dāng)前蒸汽市價(jià)240元/t計(jì)算，實(shí)際上每年僅疏水外排一項(xiàng)節(jié)約成本為1 500×240=360 000元。

綜上所述，此次優(yōu)化改造在不影響原有工藝安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，完美達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能化工廠提供了支撐。

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作者簡(jiǎn)介：巴桑次仁（1991-），男，助理工程師。研究方向?yàn)橛酂岚l(fā)電。