浆纱机烘筒凝结水余热回收循环利用研究

浆纱机烘筒凝结水余热回收循环利用研究浆纱机烘筒产生的凝结水标准大气下温度高达 6080，是品质优良的软化水，具有很高的回收利用价值。一般纺织企业采用无压直排技术，将烘筒凝结水全部直接排放到下水道，这既浪费了能量，又污染了环境。本文就浆纱机烘筒凝结水余热闭式回收技术进行探讨。1 余热回收技术分析目前，我国能源利用率仅为 30%，其余大多以低温蒸汽、低温烟气、汽水混合物、辐射热等工况不稳定的中低温余热形式直接对空排放，既造成能源浪费，又形成环境污染。余热按温度高低可分为三类：500以上的高温余热、200500之间的中温余热以及200以下低温余热，其中 350以下的余热占总量的 50%。目前，我国高温余热回收利用技术已经成熟，并得到广泛应用;而中、低温余热回收技术尚在发展中。1.1 凝结水余热回收方式凝结水余热回收系统按其是否与大气直接相通可分为开式系统和闭式系统两类。开式回收系统将用汽设备排放的蒸汽凝结水回收到敞口的集水箱或集水池中，由于集水器直接与大气相通，蒸汽及凝结水因压力减至常压而闪蒸形成二次蒸汽后排入大气，剩余凝结水温度降至 100 以下。为防止输送水泵汽蚀而兑入冷水，实际回收凝结水温度仅有 70左右。由于空气中的二氧化碳等气体溶入凝结水，常造成管道腐蚀。与凝结水直接排放相比，仍有一定的节能效果。闭式回收系统中凝结水在回收过程中不与大气接触，系统内凝结水压力始终高于大气压力，使凝结水温度低于该压力下的沸点，凝结水的热能可以得到充分利用。而且闭式系统的凝结水能保持蒸汽原有品质，没有增加溶解氧量，是品质良好的软化水，减少了水处理的费用，可直接用于锅炉补水。假设用汽设备内蒸汽压力为 P1，凝结水集水箱内压力为 P2，大气压力为 P0，则 P2 越接近 P1，节能效果越好;P2 越接近 P0，回收系统的密闭性越差，节能效果也越差;当 P2 等于 P0 时，实际上就相当于开式系统。闭式回收系统是目前凝结水回收的较好方式，日本普遍采用闭式凝结水回收系统，凝结水回收温度高于 100。1.2 浆纱机凝结水利用方式浆纱机烘筒凝结水中 CaCO3 含量低于十万分之一，浊度不高于 2 度，不含杂质，为优质软水; 浆纱凝结水温度在 70130 ，虽属于低品位余热，仍有较高的回收价值。目前，浆纱机烘筒凝结水的利用方式主要有以下利用方式。利用方式 1、换热余热回收最主要的技术是换热，所谓换热就是在冷热流体间进行热传递，又称热交换。凝结水余热通过热交换器加热新鲜冷水实现余热回收。通过换热器回收浆纱机凝结水余热是目前浆纱机凝结水余热回收最主要的方式。烘筒凝结水温度由 100左右降低到 68后排放，循环水温度由 18加热到 66后进行利用。可见，换热仍然有超过 50%能量和 100%的凝结水浪费，经济性差，效益不显著。2、锅炉补水近几年，一些纺织企业已探索将烘筒凝结水作为锅炉补水。主要办法是用敞口的凝结水箱收集烘筒凝结水，水箱中凝结水闪蒸产生的二次蒸汽经排汽管排入大气，凝结水则通过水泵送入锅炉回用。这种方式属于开式回收，只能回收部分显热，节能效果有限。浆纱机烘筒凝结水闭式回收技术目前尚未见报道。闭式回收系统既能充分回收凝结水余热，又能全部回收凝结水，同时避免了凝结水的污染和水处理。因此采用闭式回收系统将烘筒冷凝水回收至锅炉制成蒸汽的技术是一个值得研究的课题。3、闪蒸饱和凝结水因压力降低而再次蒸发成蒸汽的现象称为闪蒸。由于闪蒸能够吸收凝结水的热量，所以闪蒸技术也是凝结水余热回收工艺之一。但由于浆纱烘筒凝结水闪蒸汽量相对较少，这方面的使用还没看到。2 浆纱机烘筒凝结水余热回收系统2.1 浆纱机烘筒凝结水余热回收方案和设备的确定根据上述余热回收技术的探析，采用闭式凝结水回收技术方案，烘筒凝结水直接回用于锅炉补水，可以减少水处理的过程，避免余热和水的浪费，减少环境污染。凝结水的回收方式分为余压回收和加压回收两种。余压又叫做背压，是利用疏水器背压输送凝结水的一种方式，这种方式适用于蒸汽压力 200kPa 以上的用汽设备; 加压回收就是利用凝结水回收装置克服管道阻力回收凝结水的一种方式，该方式余热回收率高。具体实施方案见图 1。锅炉 2 用水经过进水管和过滤器 1 输入，锅炉 2 产生的高压蒸汽经分汽包 3 供给浆纱机烘筒 7 进行烘燥; 烘筒 7 的凝结水由疏水器 8 通过闭式管路 9 收集到集水箱 10，经离心泵 12 加压输回锅炉 2;集水箱 10 中的闪蒸汽通过喷射热泵 5 升压至蒸汽管 4 回用;烘筒内蒸汽压力为 0.35MPa，闭式管路 9 中的凝结水压力达 0.2MPa，高于大气压力，且不与外界大气接触。2.2 闭式回收系统设计的几个关键技术2.2.1 汽水共存管道的设置单位质量的物质在不发生相变和化学反应的条件下，因温度的升降而吸收或放出的热叫显热。单位质量的物质在等温等压条件下，因相变吸收或放出的热叫潜热。物质的全热等于其显热与潜热之和。图 2 为不同压力下单位质量蒸汽所含有的热量 (即蒸汽比焓)。蒸汽的热能包括显热和潜热两部分，蒸汽经用汽设备释放出潜热后生成含有显热的凝结水。以 GA308 型浆纱机为例，其烘筒允许安全工作压力为 0.35MPa，饱和蒸汽温度138.89 ，显热 584.52KJ/kg;疏水阀背压 0.2MPa，饱和蒸汽温度 120.24，显热504.84KJ/kg，蒸汽比容 0.603m3/kg，汽化潜热 2201.74KJ/kg。由图 2 可见，设备所用蒸汽压力越高，生成凝结水的热价值也就越高。经过疏水阀的饱和蒸汽如果直排大气，由于闪蒸，其温度会迅速降到 100甚至以下而增加显热的利用难度，同时部分潜热也随闪蒸汽而排放了。因此，采用闭式回收系统可以最大限度地回收余热和凝结水。同时避免凝结水的污染。闭式回收系统中疏水阀排出凝结水的闪蒸率 x=(h1-h2)/r100%=(584.52-504.84)/2201.74=3.62%。式中：h1 为闪蒸前饱和水的显热(KJ/kg)，h2 为闪蒸后饱和水的显热(KJ/kg)，r 为闪蒸压力下相应的蒸发潜热(KJ/kg) 。图 1 中从疏水器到集水箱之间的管段中为汽、水分层二相流，其中凝结水体积占总体积的 3%，闪蒸汽体积占总体积的 97%，实际上充满着蒸汽。从集水箱到锅炉的管段中为满管单相凝结水流，从集水箱到蒸汽管间的管段中为单相蒸汽流。高速流动的蒸汽推动凝结水撞击管道的现象称作水击(又叫水锤 )，水击很强时会对设备造成损伤和破坏。为了防止水击现象，应该合理选用和安装凝结水管。该段管径计算颇为困难，根据经验和每小时凝结水量可以判断凝结水管管径。现每台浆纱机烘筒凝结水流量为 0.5t/h，故可选用 25mm 管径的水管，水管安装坡度不宜小于 2/1000，最好大于4/1000，使冷凝水沿着管路坡度与闪蒸汽同向流动，避免出现积水和水击现象。2.2.2 疏水器的选择疏水阀的作用是“阻汽排水” 。疏水系统是提高蒸汽热能利用效率、有效回收凝结水的至关重要的环节。疏水阀决定着凝结水回收系统合理运行的成败。当前我国疏水阀使用状况不容乐观，正常运行(漏汽率 5%)的占 60%，严重泄露(漏汽率 10%)的占 30%。英国帝国化学公司对疏水阀泄漏检测结果见表 1。中压(1.4MPa)的热动力疏水阀、倒置桶疏水阀和压力平衡热静力疏水阀的使用寿命分别是 12 个月、5 年7 年和 6 个月。机械式疏水阀的耐背压性能最好，耐背压率达 80%，热动力式疏水阀的耐背压率为 50%，热静力式疏水阀的耐背压率为 30%。凝结水回收对疏水阀耐背压性能的要求较高，热动力式和热静力式疏水阀均不适用。对浆纱机烘筒等设备内不能积存凝结水的用汽设备，应选用可连续排放饱和凝结水的机械型蒸汽疏水阀，此处选用倒置桶疏水阀。2.2.3 凝结水泵防汽蚀采用水泵输送凝结水时，会造成叶轮入口处的压力低于凝结水饱和压力，引起大量微泡爆发性生长(闪蒸)，随后汽泡进入高压区受压而瞬时溃灭，周围的液体迅速补入，造成局部高温、高压水力冲击而剥蚀水泵，这就是被称为“泵癌”的汽蚀现象。汽蚀现象是凝结水回收的主要障碍。目前国内外闭式回收系统有两种凝结水输送方式，一种是利用高压气体驱动机械疏水阀泵输送凝结水，这种方式需要消耗高品位能的新鲜蒸汽回收低品位能的闪蒸汽，而且集水箱直通大气，实际上变为开式回收系统，适用于低温、低压、小流量凝结水的回收;另一种是利用喷射泵的引射增压原理，在离心泵的入口处形成输送凝结水的防汽蚀压头，可有效消除离心泵的汽蚀，这是利用凝结水自身的循环实现高温凝结水的回收，是低品位能间的利用，可以实现凝结水的全部回收。喷射增压水泵防汽蚀技术是当今凝结水闭式回收的前沿技术。喷射泵的工作原理是高压流体在喷嘴出口处形成低压，卷吸低压流体后经混合室，再经扩散管降速而增压。喷射泵的结构见图 3。在喷射泵的混合室进口处易形成低压区而发生汽蚀现象。将喷射泵及混合室设计成等压流线结构，最大限度减少了混合室内的闪蒸;将扩压室设计成双层结构，内层等降压扩压，外层采用微循环冷却，避免了饱和水扩压时的分层现象。通过喷射泵结构和微循环冷却技术解决了喷射泵自身汽蚀的问题。2.2.4 闪蒸汽的回用凝结水集水箱中的闪蒸汽可以利用蒸汽喷射式热泵技术进行回收。蒸汽喷射热泵的结构和工作原理与前面的喷射泵相似，采用高压蒸汽抽出低压闪蒸汽，并升压利用。2.3 效益分析2.3.1 经济效益按一台浆纱机每小时产生的烘筒凝结水量为 0.5t，平均每月回收凝结水 150t 计，自来水价格 3 元/t ，软水处理费 2 元/t，污水处理费 1.5 元/t，闭式回收时凝结水压力 0.2MPa，温度 120，则一台浆纱机一年可节水 15012=1800(t)，节约自来水费 18003=5400(元)，软水处理费 18002=3600(元 )，污水处理费 18001.5=2400(元) 。当地全年锅炉平均给水温度取为 20，标煤发热量为 29270KJ/kg，锅炉效率为 80%，标煤按 600 元/t 计算，则一台浆纱机一年回收热量 4.2103(120-20)1800103=7.56108(KJ)，可节约标煤 (7.56108)292700.8=3.229104(kg)=32.29(t)，节煤费 32.29600=19372.5(元 )。一个纺织企业以 5 台烘筒式浆纱机不间断生产计，则每年共节水 9000t，节煤(换算成标煤)161.45t，年节约费用总计 153862.5 元。2.3.2 社会效益根据国家发改委能源研究所推荐值的 CO2 排放系数 0.67t/tce，SO2 排放系数0.0165t/tce 和烟尘排放系数 0.0096t/tce，按每年节约标煤 161.45t 计，每年可减少二氧化碳排放 108.2t，减少二氧化硫排放 2.66t，减少氮氧化物排放 2.52t，减少烟尘排放 1.55t;避免污水或蒸汽排放 9000t。因此，浆纱烘筒凝结水的闭式回收具有良好的社会效益和环境效益。结束语采用闭式系统回收浆纱机凝结水用于锅炉补水，既回收了全部余热，又充分回收了凝结水，同时避免了凝结水的污染和处理，克服了开式回收系统仅能回收凝结水部分显热的不足。浆纱机烘筒凝结水闭式回收系统是利用凝结水