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蒸汽噴射器廢熱資源化技術在工業節能中的應用
發布時間:2016-5-18 12:57:22                  點擊次數:1268

      一、目前供熱系統狀況及存在的問題

      1. 目前供熱系統狀況

      目前,在工業生產中,普遍采用閥門進行節流減壓,將高壓(高品位)蒸汽節流減壓至生產所需壓力(低品位)后,向工業生產中的用熱部位供汽。換熱設備換熱后的蒸汽冷凝水通過疏水系統排水,蒸汽冷凝水系統產生的二次蒸發氣及疏水系統產生的泄漏蒸汽對空排放或進行簡單的熱回收。

       2. 常規熱力系統存在的問題

      常規的閥門節流減壓造成了能量的無效貶值,使高品位(壓力)的蒸汽在沒有對外做功的情況下轉化為低品位(壓力)的蒸汽,這屬于用能質量上的浪費。供熱系統產生的二次蒸發氣(或副產蒸汽)以及疏水系統產生的泄漏蒸汽,通常直接對空排放,或者沒有進行合理的回收利用,這屬于用能數量上的浪費。

      常規的閥門節流減壓供熱系統從用能質量和用能數量上,都存在著用能不合理和不能綜合利用能量的問題。同時在工業生產中,冷凝水的排放主要是依靠蒸汽冷凝后造成的壓力差為排放動力,由于排水壓差通常不大,經常造成換熱設備積存冷凝水,導致換熱設備換熱效率下降,也造成影響設備的生產能力的問題。


      二、蒸汽噴射器廢熱資源化技術概述

     蒸汽噴射器廢熱資源化技術,利用熱平衡、火用平衡和能級平衡理論,主要研究在工業生產中,利用新型的蒸汽噴射器供熱系統替代常規的閥門節流減壓供熱系統,使蒸汽中的能量在品位和數量上都能夠得到充分合理的使用。

     利用蒸汽噴射器對高品位蒸汽進行引射式減壓替代傳統的閥門節流減壓,向熱力系統提供所需要品位和數量的蒸汽,即可以實現蒸汽無損耗減壓,又可以利用高品位蒸汽減壓前后的壓力差為動力,回收工業廢熱蒸汽(或冷凝水系統產生的二次蒸發汽或副產低品位蒸汽)并回用到工業生產,從而實現熱力系統用汽數量上和質量上的平衡,達到優化工業生產用熱網絡,實現能源梯級利用、實現廢熱資源化,提高能源利用率、降低單位產品能耗、節約能源、保護自然環境的目的。

      蒸汽噴射器是一種沒有運轉部件和不需要額外能量輸入的熱力壓縮機,它以工作蒸汽節流減壓前后的能量差為動力,提高低品位廢熱蒸汽(或冷凝水系統產生的二次蒸發汽或副產蒸汽)壓力后再供生產使用,是一種高效節能設備。其結構與原理詳見后續論述。


      三、能量的品位及節流減壓過程中的能量損失

      1. 能量的品位

      能量是物質的基本特性參數,它表示物質所具有的做功能力,熱力學第一定律指出不同形式的能量可以相互轉換,在轉換的過程中數量守恒。熱力學第二定律指出能量除了有數量上的多少外,還有品位的高低,不同品位的能量轉變為功的能力不同。物質的總能量中,可用能所占的比例代表了能量的品質,能量中可轉變為技術功的部分稱為火用(Exergic)。火用表示熱力系中的物質在任意狀態下,相對于環境零態(dead state)所具有的最大做功能力。火用是衡量蒸汽品位和蒸汽對外作功能力的重要參數,對于開口系統而言,物質所具有的比火用為:

      e = h – h0 –T0(s – s0)

      火用即可以表示能量的數量,又可以表示能量的品位及能量的可利用程度,火用的單位與焓的單位相同。

      2. 節流減壓過程中的能量損失

      蒸汽截流減壓通常是利用閥門的阻力特性,控制閥后蒸汽壓力,達到蒸汽減壓的目的。這種減壓方式,是對外界不作功的等焓熵增過程,是典型的不可逆過程。蒸汽在截流減壓過程中,由于摩擦、渦流等,使大量有規則熱運動的分子轉變為無序運動,產生耗散功,導致在沒有對外作功的情況下產生熵的增加,降低了蒸汽對外作功的能力,致使蒸汽產生了無形的能量損失。假定蒸汽在絕熱狀態下進行截流減壓,則流入系統1kg流體穩定流動的能量方程為:

      q = h2 – h1 + (C22 – C12)/2 + g(Z2 – Z1)+ Wsh

      由于是絕熱截流減壓過程,所以熱流q = 0 ;截流前后適當距離處的截面流速基本不變,并且蒸汽動能與焓值相比甚小,所以速度方差可忽略,即(C22-C12)= 0;高度沒有顯著變化,所以(Z2 – Z1)= 0。由此得出蒸汽截流減壓前后的焓值相等,即蒸汽截流減壓過程的能量方程式:

           h2 = h1

      蒸汽節流減壓前后的焓值相等,從熱力學第一定律來看,反映不出能量的損失。但是,熵的增加反映了在孤立系統中,能量產生了質變,可以轉變為可用功的能力減少了,即產生了火用損失,無疑這是能量的無效貶值和浪費。蒸汽節流減壓前后的火用損失可以表示為:

           ex1 – ex2 = T0(S2 – S1)

      以下面實例1,將P1 = 0.80MPa,t1 = 210℃ 的蒸汽節流減壓到P2 = 0.20MPa,來說明蒸汽節流減壓過程中的火用損失。過計算P1 = 0.80MPa,t1 = 210℃ 的蒸汽的火用值為864.57KJ/Kg,P2 = 0.20MPa,t2 = 196℃ 的蒸汽的火用值為721.53KJ/Kg,蒸汽的火用損失為143.04 KJ/Kg,占減壓前蒸汽總可用能的16.55%。可見節流減壓這種減壓方式,在無形中造成了比較大的能量損失。

      3. 替代減壓回收節流減壓能量損失的方法

      常規的蒸汽減壓方式有三種,閥門節流減壓、回轉式減壓、引射式減壓。其中閥門節流減壓是典型的不可逆過程,屬于能量損失最大的減壓方式。回轉式減壓,是采用汽輪機拖動發電機組,實現熱電聯產或者拖動工藝生產中的旋轉設備,來對外作功實現蒸汽減壓的方式。高參數的蒸汽進入汽輪機,由于蒸汽拖動發電機組對外作功產生電能,或者拖動工藝設備轉化為機械功,形成蒸汽減壓,減壓后的蒸汽進入熱力管網供給熱用戶使用。這種減壓方式將減壓的壓力損失轉化為電能或機械能輸出,避免了節流減壓的節流損失,但由于工業汽輪機不能普遍的應用于熱力系統中,它受到流量、壓力等級匹配等具體條件的限制,致使這種減壓方式不能廣泛的應用于工業企業生產過程中。另外,更為重要的是采用回轉式減壓方式,無法對產生的低品廢熱蒸汽進行回收利用。

      引射式減壓,是利用蒸汽噴射器組成引射式減壓系統,將蒸汽噴射器作為引射減壓設備,利用蒸汽減壓前后的能量差為動力,提升低品位蒸汽的火用值,將高品位蒸汽和低品位蒸汽在蒸汽噴射器內部進行速度均衡和能量均衡,擴壓后進入熱力管網供熱用戶使用。采用蒸汽噴射器引射式減壓系統,可以避免蒸汽節流減壓過程中產生的火用值損失,同時利用蒸汽減壓前后的能量差作為動力,提升低品位蒸汽的壓力等級,在避免蒸汽減壓損失的同時,實現對低品位蒸汽的回收利用,實現對能量從數量和質量上都進行充分和合理的使用。


      四、蒸汽噴射器供熱系統的基本流程

      1. 噴射器工作機理

      蒸汽噴射器由噴嘴、接受室、混合室和擴壓室共四個部分組成,高品位蒸汽稱為工作蒸汽PP,低品位蒸汽稱為引射蒸汽PH,混合后的蒸汽稱為壓縮蒸汽PC。


      工作蒸汽在噴嘴內,由于流通截面逐漸變小,工作蒸汽流速逐漸增加,蒸汽的壓力勢能逐漸轉化為動能,壓力逐漸降低。當工作蒸汽通過噴嘴后,在噴嘴出口達到極高的速度(超音速),大部分壓力勢能轉化為動能,使蒸汽壓力降低到引射蒸汽壓力以下,形成局部相對負壓,將引射蒸汽抽吸到接受室。兩股共軸流體在混合室內進行充分混合和速度與能量均衡,在混合室的出口截面,建立起均勻的速度場和能量場,形成穩定均一的高速度蒸汽流,蒸汽流進入擴壓室后,隨著流通截面面積的逐漸擴大,蒸汽流速逐漸降低,蒸汽動能逐漸轉化為勢能,壓力逐漸得到恢復,當達到擴壓室末端時,壓力得到完全恢復,達到工藝所要求的壓力,供工業生產中的換熱設備使用。

      在蒸汽噴射器工作的過程中,工作流體進行的是降壓增熵過程,引射蒸汽進行的是增壓升火用過程。根據質量守恒定律,壓縮蒸汽的質量等于工作蒸汽和引射蒸汽質量的和,即:

GC = GP + GH

      工作蒸汽對引射蒸汽的引射能力用引射系數u表示,

u = GH / GP

      蒸汽噴射器的引射系數越大,說明工作蒸汽回收引射蒸汽的能力越強,說明蒸汽能量從質量上的利用越充分。

      2. 蒸汽噴射器供熱系統的基本流程

      基本的蒸汽噴射器供熱系統由蒸汽噴射器、高效擴容閃蒸罐、壓差疏水器、換熱器、自動控制系統等組成。以下以典型實例2詳細說明。某石油化工企業硫銨車間的蒸發工序,采用單效減壓蒸發,以己內酰胺生產的副產硫銨母液為原料,將硫銨母液濃度由30-33%蒸發濃縮到70%,經過蒸發、結晶、攪拌、離心分離和干燥等工序,得到顆粒狀固體硫銨化肥產品。產品能源消耗中,蒸汽占95%,電力占3.9%,可見對蒸汽進行合理和充分的利用,是實現節能降耗的根本所在。

      蒸發工序中,外來蒸汽參數為P1 = 0.88MPa,t1 = 240℃,原來采用閥門節流減壓方式進行減壓,將蒸汽壓力減壓到P2 = 0.24MPa,供生產使用。蒸汽節流減壓造成很大的能量無效貶值,形成用能質量上的巨大浪費。同時,工序中疏水系統產生大量的低品位廢熱蒸汽,排放到環境當中,形成了用能數量上的浪費和對環境的污染。采用閥門節流減壓,由于閥門內部產生的渦流和摩擦,形成了很大的噪聲,達到104分貝,嚴重惡化了生產環境。

      通過采用如下工藝流程,對該蒸發工序進行供熱系統改造:

      采用蒸汽噴射器供熱系統替代原有的閥門節流減壓供熱系統,通過噴射器對外網高壓蒸汽P1 = 0.88MPa,t1 = 240℃進行引射式減壓,將外網蒸汽作為工作蒸汽,將生產中產生的廢熱蒸汽和冷凝水二次蒸發氣作為引射蒸汽,對引射蒸汽進行廢熱回收,將低品位的引射蒸汽增壓到P2 = 0.24MPa,一并供生產使用。蒸汽冷凝水通過專用疏水器排入高效擴容閃蒸罐進行擴容閃蒸,經過閃蒸后的冷凝水通過換熱器對物料進行預熱,將冷凝水溫度降低到60℃左右,再由系統排出。疏水器泄漏的蒸汽和擴容閃蒸產生的二次蒸發氣,一并作為引射蒸汽進行回收利用。

      3. 蒸汽噴射器系統的運行及效益

      蒸汽噴射器供熱系統全部采用自動化控制技術,各壓力、溫度、液位等參數的采集均使用相應的變送傳感器,控制執行機構為氣動或電動調節閥門,控制中心為工控機或可編程控制器(PLC)。系統設定好各個參數后,自動穩定運行。

      蒸汽噴射器廢熱資源化技術可以實現:

      a. 最大限度的減少蒸汽減壓過程中的能量損失,實現蒸汽能量的梯級利用,實現對蒸汽所含火用值(即對外作功能力)進行合理和充分的使用;

      b. 可以實現對換熱后的低品位副產蒸汽和冷凝水系統產生的二次蒸發氣進行充分的回收,并回用到工業生產中,實現蒸汽能量在數量上的充分利用,以及在使用方式和部位上的最佳利用;

      c. 可以增加換熱設備的排水壓差,實現換熱設備暢通排出蒸汽冷凝水,充分挖掘換熱設備的換熱能力,提高換熱效果,以利于產品產量和生產率的提高。

      蒸汽噴射器是一種沒有運轉部件和不需要額外能量輸入的熱力壓縮機,設備運轉穩定、可靠、無需專人管理與維護。蒸汽噴射器供熱系統具有顯著的節能、環保和社會效益,投入運行后可快速回收投資(一般六個月以內),經濟效益顯著。

      上述實例1中,采用閥門節流減壓,將P1 = 0.80MPa,t1 = 210℃ 的蒸汽減壓至P2 = 0.20MPa,t2 = 196℃,導致了16.55%的火用值損失;在相同的條件下,采用引射式減壓方式,利用蒸汽噴射器供熱系統回收P3 = 0.03MPa的廢熱蒸汽,供出同樣數量的P2 = 0.20MPa,t2 = 196℃的蒸汽,通過計算,消耗的P1 = 0.80MPa,t1 = 210℃ 的蒸汽只有原來的消耗量的69.9%,相當于產生了30%的節能效果。

      上述實例2中,采用蒸汽噴射器供熱系統后,顯著提高了能量的利用率,排出的冷凝水中的焓值只占供入蒸汽焓值的8.57%,實現了對蒸汽能量從質量上和數量上都進行充分利用的目的。實測蒸汽消耗量下降了21.4%,大大降低了產品的能耗和成本,增強了產品的利潤空間和市場競爭能力。同時采用蒸汽噴射器供熱系統后,車間噪音降低到74分貝以下,大大改善了車間生產環境。

      采用蒸汽噴射器供熱系統替代原有的閥門節流減壓供熱系統,還可以促進工業生產中換熱設備換熱強度的提升,從而達到提高產量和效率的目的。工業生產中換熱設備主要依靠蒸汽冷凝前后的壓力差來實現冷凝水的排出,通常情況下,這個排水壓差比較小,實際生產中容易造成換熱器積存冷凝水,導致換熱能力和強度下降的問題。采用蒸汽噴射器供熱系統后,由于蒸汽噴射器的抽吸作用及專用疏水器的小阻力排水,冷凝水從換熱器排到高效擴容閃蒸罐的壓力差大大增大,促進了換熱器排水的暢通,形成了良性循環,從根本上解決了換熱器積存冷凝水的通病,大大提高了換熱器的換熱能力和換熱強度,從而形成了在供熱部分提高生產能力和生產效率的可能。


      五、蒸汽噴射器廢熱資源化技術在工業節能中的應用

      1. 造紙行業紙機干燥部蒸汽噴射器供熱技術

      目前國內造紙機普遍采用傳統的三段通汽供熱技術,屬于被動的蒸汽串聯供熱系統,容易造成烘缸積水、噸紙汽耗偏高。蒸汽噴射器供熱技術可用于各類造紙機干燥部供熱,屬于主動的蒸汽并聯供熱系統,便于調節各段烘缸溫度,烘缸溫升曲線合理,排水通暢,噸紙汽耗明顯降低。

      2. 化工脫水蒸發工藝蒸汽噴射器供熱技術

      蒸發過程是應用最廣泛的化工分離操作,在常規蒸發中,都是從塔底再沸器或塔釜加入較高品位的蒸汽,以使物料汽化,在塔頂冷凝器用冷卻介質轉移走物料潛熱,使其冷凝。蒸汽噴射器供熱技術根據熱力學第二定律,向系統中加入一定數量的高品位蒸汽,將塔頂排出的蒸汽的熱能品位提高后再次作為塔釜的熱源。達到合理利用能量、回收廢熱、優化生產工況的目的。

      3. 蒸餾塔釜蒸汽噴射器供熱技術

      蒸汽噴射器供熱技術替代傳統的蒸汽節流減壓向蒸餾塔釜提供所需要品位和數量的蒸汽,回收蒸汽冷凝水系統產生的二次蒸發汽,同時利用蒸汽冷凝水的余熱預熱物料,進一步達到節能降耗的目的。

      4. 啤酒生產釀化工段蒸汽噴射器供熱技術

      啤酒廠釀造車間糖化、糊化、煮沸工序用汽量約占全廠用汽量的50%以上,采用蒸汽噴射器供熱技術用于上述工序,將排出的蒸汽冷凝水產生的二次蒸發汽增壓后再回用于生產,蒸汽冷凝水的余熱用于加熱生產用水,其節能率可以達到20%以上。

      5. 酒精蒸餾蒸汽噴射器供熱技術

      在酒精生產中蒸餾工序是耗汽量大、熱效率低的工序,從酒精蒸餾塔釜排出的廢糟液帶出大量的顯熱和潛熱,目前均沒有對其進行有效回收和利用,造成大量的能源浪費。采用專門設計的高效汽水分離罐、定壓排糟汽等設備,配合蒸汽噴射器供熱技術將分離出的二次蒸發汽增壓后再用于粗餾塔塔釜加熱,利用糟液余熱加熱鍋爐給水,可使酒精生產能耗大大降低,噸產品煤耗可以下降20%以上。

      6. 焦化生產蒸汽噴射器供熱技術

      焦化生產粗苯工段預熱器、再生塔、二苯塔排出的蒸汽冷凝水經過壓差式排水器排至汽水分離罐,利用蒸汽噴射器將蒸汽冷凝水閃蒸產生的二次蒸發汽增壓后作為再生器的直接生產用汽,達到節能降耗、優化工藝條件的目的。蒸汽噴射器供熱技術同樣可以用于精苯、焦油等生產工序,實現塔系間和用汽設備的熱網絡優化和梯級供熱,充分合理利用能量和資源。

      7. 石化滌綸紡絲蒸汽噴射器供熱技術

      滌綸紡絲裝置生產工藝中需要耗用1.6MPa、1.0MPa、0.3MPa三種參數的蒸汽,通常采用對高品位蒸汽進行節流減壓的方式獲得,造成能量品位貶值,用熱不合理的情況。采用蒸汽噴射器供熱技術替代傳統的節流減壓供熱,將不同壓力等級的蒸汽冷凝水進行多級擴容閃蒸,使產生的二次蒸發器通過蒸汽噴射器增壓,再供生產使用。運行實例證明產品汽耗降低達30%以上。

      8. 毛紡印染行業蒸汽噴射器供熱技術

      染整車間干整工序主要工藝設備(拉輻烘燥機、罐蒸機、蒸呢機、熱定型機等)采用間接加熱,濕整工序主要工藝設備(平輻洗呢機、兩用煮呢機等)采用蒸汽直接加熱,在染整車間、毛條車間、條染車間均可采用蒸汽噴射器供熱技術,安耗用蒸汽的等級優化換熱網絡,可以顯著提高能量的利用率、降低產品能耗。

      9. 棉紡印染行業蒸汽噴射器供熱技術

      從練漂、染色、印花直至整理等工序,織物通常都采用不同等級的熱能脫除織物中的水分,其中熱風烘燥和烘筒烘燥均采用蒸汽為熱源,采用蒸汽噴射器供熱技術后,可以提高熱風溫度、提高烘筒表面溫度,增加產量、降低能耗。

      10. 木材及物料干燥蒸汽噴射器供熱技術

      蒸汽噴射器供熱技術可廣泛用于各種檔次木材制品的干燥工藝,采用蒸汽噴射器供熱技術,回收蒸汽冷凝水系統產生的二次蒸發汽及物料干燥脫除的水分的顯熱,提高了產品干燥質量,干燥效率顯著提高。


      六、蒸汽噴射器廢熱資源化技術的應用前景

      蒸汽噴射器廢熱資源化技術目前已經在造紙行業中全面推廣使用,并取得顯著經濟效益。在其它行業中,諸如化工、制藥、食品、制糖、淀粉、奶粉、酒精、啤酒、棉紡、木材干燥等行業均可廣泛應用。一般蒸汽經過減壓后,采用間接加熱干燥的行業,均可采用本項蒸汽噴射器供熱技術,回收由蒸餾塔、脫水塔或其它加熱設備排出的廢熱蒸汽或蒸汽冷凝水帶出的熱量,提高熱能品位后再供生產使用,從質量上和數量上實現徹底的充分利用能源。

      蒸汽噴射器廢熱資源化技術,依據熱平衡、火用平衡和能級平衡理論,巧妙的利用了能量不同形式的轉化,實現了蒸汽減壓過程中最小化的能量損失,并利用減壓前后的能量差作為動力,對工業生產中的副產或廢熱蒸汽進行高質量的回收,使之回用于生產,達到了最大程度的合理使用蒸汽中的能量。

      本技術系統各熱力單元設備均采用模塊化設計,結合不同生產工藝,進行不同模塊優化組合,熱力系統完善,技術新穎,系統及設備設計合理,通用性強,為經濟有效的利用和回收蒸汽能量開創了一條新路。系統全部采用自動化控制,各設備簡潔、運行穩定可靠,操作管理和維護都十分方便。

      蒸汽噴射器廢熱資源化技術在常規的工業生產改造應用中,平均節氣率達到20%左右,個別蒸汽能耗高的行業中,節氣率可以達到30%以上。投資回收期短,一般不超過半年,經濟效益十分顯著。通過采用蒸汽噴射器供熱系統替代傳統的閥門節流減壓供熱系統,可以充分實現提高能源利用率、廢熱資源化、優化用能結構、節能降耗、保護環境等目的,具有十分顯著的經濟效益、社會效益和環保效益。




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