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蒸汽喷射器废热资源化技术在工业节能中的应用
发布时间:2016-5-18 12:57:22                  点击次数:1221

      一、目前供热系统状况及存在的问题

      1. 目前供热系统状况

      目前,在工业生产中,普遍采用阀门进行节流减压,将高压(高品位)蒸汽节流减压至生产所需压力(低品位)后,向工业生产中的用热部位供汽。换热设备换热后的蒸汽冷凝水通过疏水系统排水,蒸汽冷凝水系统产生的二次蒸发气及疏水系统产生的泄漏蒸汽对空排放或进行简单的热回收。

       2. 常规热力系统存在的问题

      常规的阀门节流减压造成了能量的无效贬值,使高品位(压力)的蒸汽在没有对外做功的情况下转化为低品位(压力)的蒸汽,这属于用能质量上的浪费。供热系统产生的二次蒸发气(或副产蒸汽)以及疏水系统产生的泄漏蒸汽,通常直接对空排放,或者没有进行合理的回收利用,这属于用能数量上的浪费。

      常规的阀门节流减压供热系统从用能质量和用能数量上,都存在着用能不合理和不能综合利用能量的问题。同时在工业生产中,冷凝水的排放主要是依靠蒸汽冷凝后造成的压力差为排放动力,由于排水压差通常不大,经常造成换热设备积存冷凝水,导致换热设备换热效率下降,也造成影响设备的生产能力的问题。


      二、蒸汽喷射器废热资源化技术概述

     蒸汽喷射器废热资源化技术,利用热平衡、火用平衡和能级平衡理论,主要研究在工业生产中,利用新型的蒸汽喷射器供热系统替代常规的阀门节流减压供热系统,使蒸汽中的能量在品位和数量上都能够得到充分合理的使用。

     利用蒸汽喷射器对高品位蒸汽进行引射式减压替代传统的阀门节流减压,向热力系统提供所需要品位和数量的蒸汽,即可以实现蒸汽无损耗减压,又可以利用高品位蒸汽减压前后的压力差为动力,回收工业废热蒸汽(或冷凝水系统产生的二次蒸发汽或副产低品位蒸汽)并回用到工业生产,从而实现热力系统用汽数量上和质量上的平衡,达到优化工业生产用热网络,实现能源梯级利用、实现废热资源化,提高能源利用率、降低单位产品能耗、节约能源、保护自然环境的目的。

      蒸汽喷射器是一种没有运转部件和不需要额外能量输入的热力压缩机,它以工作蒸汽节流减压前后的能量差为动力,提高低品位废热蒸汽(或冷凝水系统产生的二次蒸发汽或副产蒸汽)压力后再供生产使用,是一种高效节能设备。其结构与原理详见后续论述。


      三、能量的品位及节流减压过程中的能量损失

      1. 能量的品位

      能量是物质的基本特性参数,它表示物质所具有的做功能力,热力学第一定律指出不同形式的能量可以相互转换,在转换的过程中数量守恒。热力学第二定律指出能量除了有数量上的多少外,还有品位的高低,不同品位的能量转变为功的能力不同。物质的总能量中,可用能所占的比例代表了能量的品质,能量中可转变为技术功的部分称为火用(Exergic)。火用表示热力系中的物质在任意状态下,相对于环境零态(dead state)所具有的最大做功能力。火用是衡量蒸汽品位和蒸汽对外作功能力的重要参数,对于开口系统而言,物质所具有的比火用为:

      e = h – h0 –T0(s – s0)

      火用即可以表示能量的数量,又可以表示能量的品位及能量的可利用程度,火用的单位与焓的单位相同。

      2. 节流减压过程中的能量损失

      蒸汽截流减压通常是利用阀门的阻力特性,控制阀后蒸汽压力,达到蒸汽减压的目的。这种减压方式,是对外界不作功的等焓熵增过程,是典型的不可逆过程。蒸汽在截流减压过程中,由于摩擦、涡流等,使大量有规则热运动的分子转变为无序运动,产生耗散功,导致在没有对外作功的情况下产生熵的增加,降低了蒸汽对外作功的能力,致使蒸汽产生了无形的能量损失。假定蒸汽在绝热状态下进行截流减压,则流入系统1kg流体稳定流动的能量方程为:

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

      由于是绝热截流减压过程,所以热流q = 0 ;截流前后适当距离处的截面流速基本不变,并且蒸汽动能与焓值相比甚小,所以速度方差可忽略,即(C22-C12)= 0;高度没有显著变化,所以(Z2 – Z1)= 0。由此得出蒸汽截流减压前后的焓值相等,即蒸汽截流减压过程的能量方程式:

           h2 = h1

      蒸汽节流减压前后的焓值相等,从热力学第一定律来看,反映不出能量的损失。但是,熵的增加反映了在孤立系统中,能量产生了质变,可以转变为可用功的能力减少了,即产生了火用损失,无疑这是能量的无效贬值和浪费。蒸汽节流减压前后的火用损失可以表示为:

           ex1 – ex2 = T0(S2 – S1)

      以下面实例1,将P1 = 0.80MPa,t1 = 210℃ 的蒸汽节流减压到P2 = 0.20MPa,来说明蒸汽节流减压过程中的火用损失。过计算P1 = 0.80MPa,t1 = 210℃ 的蒸汽的火用值为864.57KJ/Kg,P2 = 0.20MPa,t2 = 196℃ 的蒸汽的火用值为721.53KJ/Kg,蒸汽的火用损失为143.04 KJ/Kg,占减压前蒸汽总可用能的16.55%。可见节流减压这种减压方式,在无形中造成了比较大的能量损失。

      3. 替代减压回收节流减压能量损失的方法

      常规的蒸汽减压方式有三种,阀门节流减压、回转式减压、引射式减压。其中阀门节流减压是典型的不可逆过程,属于能量损失最大的减压方式。回转式减压,是采用汽轮机拖动发电机组,实现热电联产或者拖动工艺生产中的旋转设备,来对外作功实现蒸汽减压的方式。高参数的蒸汽进入汽轮机,由于蒸汽拖动发电机组对外作功产生电能,或者拖动工艺设备转化为机械功,形成蒸汽减压,减压后的蒸汽进入热力管网供给热用户使用。这种减压方式将减压的压力损失转化为电能或机械能输出,避免了节流减压的节流损失,但由于工业汽轮机不能普遍的应用于热力系统中,它受到流量、压力等级匹配等具体条件的限制,致使这种减压方式不能广泛的应用于工业企业生产过程中。另外,更为重要的是采用回转式减压方式,无法对产生的低品废热蒸汽进行回收利用。

      引射式减压,是利用蒸汽喷射器组成引射式减压系统,将蒸汽喷射器作为引射减压设备,利用蒸汽减压前后的能量差为动力,提升低品位蒸汽的火用值,将高品位蒸汽和低品位蒸汽在蒸汽喷射器内部进行速度均衡和能量均衡,扩压后进入热力管网供热用户使用。采用蒸汽喷射器引射式减压系统,可以避免蒸汽节流减压过程中产生的火用值损失,同时利用蒸汽减压前后的能量差作为动力,提升低品位蒸汽的压力等级,在避免蒸汽减压损失的同时,实现对低品位蒸汽的回收利用,实现对能量从数量和质量上都进行充分和合理的使用。


      四、蒸汽喷射器供热系统的基本流程

      1. 喷射器工作机理

      蒸汽喷射器由喷嘴、接受室、混合室和扩压室共四个部分组成,高品位蒸汽称为工作蒸汽PP,低品位蒸汽称为引射蒸汽PH,混合后的蒸汽称为压缩蒸汽PC。


      工作蒸汽在喷嘴内,由于流通截面逐渐变小,工作蒸汽流速逐渐增加,蒸汽的压力势能逐渐转化为动能,压力逐渐降低。当工作蒸汽通过喷嘴后,在喷嘴出口达到极高的速度(超音速),大部分压力势能转化为动能,使蒸汽压力降低到引射蒸汽压力以下,形成局部相对负压,将引射蒸汽抽吸到接受室。两股共轴流体在混合室内进行充分混合和速度与能量均衡,在混合室的出口截面,建立起均匀的速度场和能量场,形成稳定均一的高速度蒸汽流,蒸汽流进入扩压室后,随着流通截面面积的逐渐扩大,蒸汽流速逐渐降低,蒸汽动能逐渐转化为势能,压力逐渐得到恢复,当达到扩压室末端时,压力得到完全恢复,达到工艺所要求的压力,供工业生产中的换热设备使用。

      在蒸汽喷射器工作的过程中,工作流体进行的是降压增熵过程,引射蒸汽进行的是增压升火用过程。根据质量守恒定律,压缩蒸汽的质量等于工作蒸汽和引射蒸汽质量的和,即:

GC = GP + GH

      工作蒸汽对引射蒸汽的引射能力用引射系数u表示,

u = GH / GP

      蒸汽喷射器的引射系数越大,说明工作蒸汽回收引射蒸汽的能力越强,说明蒸汽能量从质量上的利用越充分。

      2. 蒸汽喷射器供热系统的基本流程

      基本的蒸汽喷射器供热系统由蒸汽喷射器、高效扩容闪蒸罐、压差疏水器、换热器、自动控制系统等组成。以下以典型实例2详细说明。某石油化工企业硫铵车间的蒸发工序,采用单效减压蒸发,以己内酰胺生产的副产硫铵母液为原料,将硫铵母液浓度由30-33%蒸发浓缩到70%,经过蒸发、结晶、搅拌、离心分离和干燥等工序,得到颗粒状固体硫铵化肥产品。产品能源消耗中,蒸汽占95%,电力占3.9%,可见对蒸汽进行合理和充分的利用,是实现节能降耗的根本所在。

      蒸发工序中,外来蒸汽参数为P1 = 0.88MPa,t1 = 240℃,原来采用阀门节流减压方式进行减压,将蒸汽压力减压到P2 = 0.24MPa,供生产使用。蒸汽节流减压造成很大的能量无效贬值,形成用能质量上的巨大浪费。同时,工序中疏水系统产生大量的低品位废热蒸汽,排放到环境当中,形成了用能数量上的浪费和对环境的污染。采用阀门节流减压,由于阀门内部产生的涡流和摩擦,形成了很大的噪声,达到104分贝,严重恶化了生产环境。

      通过采用如下工艺流程,对该蒸发工序进行供热系统改造:

      采用蒸汽喷射器供热系统替代原有的阀门节流减压供热系统,通过喷射器对外网高压蒸汽P1 = 0.88MPa,t1 = 240℃进行引射式减压,将外网蒸汽作为工作蒸汽,将生产中产生的废热蒸汽和冷凝水二次蒸发气作为引射蒸汽,对引射蒸汽进行废热回收,将低品位的引射蒸汽增压到P2 = 0.24MPa,一并供生产使用。蒸汽冷凝水通过专用疏水器排入高效扩容闪蒸罐进行扩容闪蒸,经过闪蒸后的冷凝水通过换热器对物料进行预热,将冷凝水温度降低到60℃左右,再由系统排出。疏水器泄漏的蒸汽和扩容闪蒸产生的二次蒸发气,一并作为引射蒸汽进行回收利用。

      3. 蒸汽喷射器系统的运行及效益

      蒸汽喷射器供热系统全部采用自动化控制技术,各压力、温度、液位等参数的采集均使用相应的变送传感器,控制执行机构为气动或电动调节阀门,控制中心为工控机或可编程控制器(PLC)。系统设定好各个参数后,自动稳定运行。

      蒸汽喷射器废热资源化技术可以实现:

      a. 最大限度的减少蒸汽减压过程中的能量损失,实现蒸汽能量的梯级利用,实现对蒸汽所含火用值(即对外作功能力)进行合理和充分的使用;

      b. 可以实现对换热后的低品位副产蒸汽和冷凝水系统产生的二次蒸发气进行充分的回收,并回用到工业生产中,实现蒸汽能量在数量上的充分利用,以及在使用方式和部位上的最佳利用;

      c. 可以增加换热设备的排水压差,实现换热设备畅通排出蒸汽冷凝水,充分挖掘换热设备的换热能力,提高换热效果,以利于产品产量和生产率的提高。

      蒸汽喷射器是一种没有运转部件和不需要额外能量输入的热力压缩机,设备运转稳定、可靠、无需专人管理与维护。蒸汽喷射器供热系统具有显著的节能、环保和社会效益,投入运行后可快速回收投资(一般六个月以内),经济效益显著。

      上述实例1中,采用阀门节流减压,将P1 = 0.80MPa,t1 = 210℃ 的蒸汽减压至P2 = 0.20MPa,t2 = 196℃,导致了16.55%的火用值损失;在相同的条件下,采用引射式减压方式,利用蒸汽喷射器供热系统回收P3 = 0.03MPa的废热蒸汽,供出同样数量的P2 = 0.20MPa,t2 = 196℃的蒸汽,通过计算,消耗的P1 = 0.80MPa,t1 = 210℃ 的蒸汽只有原来的消耗量的69.9%,相当于产生了30%的节能效果。

      上述实例2中,采用蒸汽喷射器供热系统后,显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%,实现了对蒸汽能量从质量上和数量上都进行充分利用的目的。实测蒸汽消耗量下降了21.4%,大大降低了产品的能耗和成本,增强了产品的利润空间和市场竞争能力。同时采用蒸汽喷射器供热系统后,车间噪音降低到74分贝以下,大大改善了车间生产环境。

      采用蒸汽喷射器供热系统替代原有的阀门节流减压供热系统,还可以促进工业生产中换热设备换热强度的提升,从而达到提高产量和效率的目的。工业生产中换热设备主要依靠蒸汽冷凝前后的压力差来实现冷凝水的排出,通常情况下,这个排水压差比较小,实际生产中容易造成换热器积存冷凝水,导致换热能力和强度下降的问题。采用蒸汽喷射器供热系统后,由于蒸汽喷射器的抽吸作用及专用疏水器的小阻力排水,冷凝水从换热器排到高效扩容闪蒸罐的压力差大大增大,促进了换热器排水的畅通,形成了良性循环,从根本上解决了换热器积存冷凝水的通病,大大提高了换热器的换热能力和换热强度,从而形成了在供热部分提高生产能力和生产效率的可能。


      五、蒸汽喷射器废热资源化技术在工业节能中的应用

      1. 造纸行业纸机干燥部蒸汽喷射器供热技术

      目前国内造纸机普遍采用传统的三段通汽供热技术,属于被动的蒸汽串联供热系统,容易造成烘缸积水、吨纸汽耗偏高。蒸汽喷射器供热技术可用于各类造纸机干燥部供热,属于主动的蒸汽并联供热系统,便于调节各段烘缸温度,烘缸温升曲线合理,排水通畅,吨纸汽耗明显降低。

      2. 化工脱水蒸发工艺蒸汽喷射器供热技术

      蒸发过程是应用最广泛的化工分离操作,在常规蒸发中,都是从塔底再沸器或塔釜加入较高品位的蒸汽,以使物料汽化,在塔顶冷凝器用冷却介质转移走物料潜热,使其冷凝。蒸汽喷射器供热技术根据热力学第二定律,向系统中加入一定数量的高品位蒸汽,将塔顶排出的蒸汽的热能品位提高后再次作为塔釜的热源。达到合理利用能量、回收废热、优化生产工况的目的。

      3. 蒸馏塔釜蒸汽喷射器供热技术

      蒸汽喷射器供热技术替代传统的蒸汽节流减压向蒸馏塔釜提供所需要品位和数量的蒸汽,回收蒸汽冷凝水系统产生的二次蒸发汽,同时利用蒸汽冷凝水的余热预热物料,进一步达到节能降耗的目的。

      4. 啤酒生产酿化工段蒸汽喷射器供热技术

      啤酒厂酿造车间糖化、糊化、煮沸工序用汽量约占全厂用汽量的50%以上,采用蒸汽喷射器供热技术用于上述工序,将排出的蒸汽冷凝水产生的二次蒸发汽增压后再回用于生产,蒸汽冷凝水的余热用于加热生产用水,其节能率可以达到20%以上。

      5. 酒精蒸馏蒸汽喷射器供热技术

      在酒精生产中蒸馏工序是耗汽量大、热效率低的工序,从酒精蒸馏塔釜排出的废糟液带出大量的显热和潜热,目前均没有对其进行有效回收和利用,造成大量的能源浪费。采用专门设计的高效汽水分离罐、定压排糟汽等设备,配合蒸汽喷射器供热技术将分离出的二次蒸发汽增压后再用于粗馏塔塔釜加热,利用糟液余热加热锅炉给水,可使酒精生产能耗大大降低,吨产品煤耗可以下降20%以上。

      6. 焦化生产蒸汽喷射器供热技术

      焦化生产粗苯工段预热器、再生塔、二苯塔排出的蒸汽冷凝水经过压差式排水器排至汽水分离罐,利用蒸汽喷射器将蒸汽冷凝水闪蒸产生的二次蒸发汽增压后作为再生器的直接生产用汽,达到节能降耗、优化工艺条件的目的。蒸汽喷射器供热技术同样可以用于精苯、焦油等生产工序,实现塔系间和用汽设备的热网络优化和梯级供热,充分合理利用能量和资源。

      7. 石化涤纶纺丝蒸汽喷射器供热技术

      涤纶纺丝装置生产工艺中需要耗用1.6MPa、1.0MPa、0.3MPa三种参数的蒸汽,通常采用对高品位蒸汽进行节流减压的方式获得,造成能量品位贬值,用热不合理的情况。采用蒸汽喷射器供热技术替代传统的节流减压供热,将不同压力等级的蒸汽冷凝水进行多级扩容闪蒸,使产生的二次蒸发器通过蒸汽喷射器增压,再供生产使用。运行实例证明产品汽耗降低达30%以上。

      8. 毛纺印染行业蒸汽喷射器供热技术

      染整车间干整工序主要工艺设备(拉辐烘燥机、罐蒸机、蒸呢机、热定型机等)采用间接加热,湿整工序主要工艺设备(平辐洗呢机、两用煮呢机等)采用蒸汽直接加热,在染整车间、毛条车间、条染车间均可采用蒸汽喷射器供热技术,安耗用蒸汽的等级优化换热网络,可以显著提高能量的利用率、降低产品能耗。

      9. 棉纺印染行业蒸汽喷射器供热技术

      从练漂、染色、印花直至整理等工序,织物通常都采用不同等级的热能脱除织物中的水分,其中热风烘燥和烘筒烘燥均采用蒸汽为热源,采用蒸汽喷射器供热技术后,可以提高热风温度、提高烘筒表面温度,增加产量、降低能耗。

      10. 木材及物料干燥蒸汽喷射器供热技术

      蒸汽喷射器供热技术可广泛用于各种档次木材制品的干燥工艺,采用蒸汽喷射器供热技术,回收蒸汽冷凝水系统产生的二次蒸发汽及物料干燥脱除的水分的显热,提高了产品干燥质量,干燥效率显著提高。


      六、蒸汽喷射器废热资源化技术的应用前景

      蒸汽喷射器废热资源化技术目前已经在造纸行业中全面推广使用,并取得显著经济效益。在其它行业中,诸如化工、制药、食品、制糖、淀粉、奶粉、酒精、啤酒、棉纺、木材干燥等行业均可广泛应用。一般蒸汽经过减压后,采用间接加热干燥的行业,均可采用本项蒸汽喷射器供热技术,回收由蒸馏塔、脱水塔或其它加热设备排出的废热蒸汽或蒸汽冷凝水带出的热量,提高热能品位后再供生产使用,从质量上和数量上实现彻底的充分利用能源。

      蒸汽喷射器废热资源化技术,依据热平衡、火用平衡和能级平衡理论,巧妙的利用了能量不同形式的转化,实现了蒸汽减压过程中最小化的能量损失,并利用减压前后的能量差作为动力,对工业生产中的副产或废热蒸汽进行高质量的回收,使之回用于生产,达到了最大程度的合理使用蒸汽中的能量。

      本技术系统各热力单元设备均采用模块化设计,结合不同生产工艺,进行不同模块优化组合,热力系统完善,技术新颖,系统及设备设计合理,通用性强,为经济有效的利用和回收蒸汽能量开创了一条新路。系统全部采用自动化控制,各设备简洁、运行稳定可靠,操作管理和维护都十分方便。

      蒸汽喷射器废热资源化技术在常规的工业生产改造应用中,平均节气率达到20%左右,个别蒸汽能耗高的行业中,节气率可以达到30%以上。投资回收期短,一般不超过半年,经济效益十分显著。通过采用蒸汽喷射器供热系统替代传统的阀门节流减压供热系统,可以充分实现提高能源利用率、废热资源化、优化用能结构、节能降耗、保护环境等目的,具有十分显著的经济效益、社会效益和环保效益。




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