蒸汽锅炉冷凝水回用技术与经济分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：曹倩青（1987），女，汉族，河北衡水人，硕士研究生，首都航天机械有限公司，工程师，研究方向为工业锅炉水处理。-47-蒸汽锅炉冷凝水回用技术与经济分析 曹倩青 首都航天机械有限公司，北京 100076 摘要：摘要：水是人类生活和工业生产中不可缺少的资源，而蒸汽锅炉在工业领域中广泛应用。蒸汽锅炉在工作过程中会产生大量的冷凝水，且传统上通常未加以充分利用，这导致了水资源的浪费。因此，如何有效回收和利用蒸汽锅炉的冷凝水，具有重要的节能和环保意义。本文以蒸汽锅炉冷凝水回用技术与经济分析为研究课题，旨在探讨如何合理有效地回用蒸汽锅炉的冷凝水，并评估其经济性和环境效益。关键词：关键词：蒸汽锅炉；冷凝水；回收利用；技术 中图分类号：中图分类号：TK227 0 引言 蒸汽锅炉是许多工业生产过程中常用的能源设备，其使用会产生大量的冷凝水。传统上，这些冷凝水被排放或处理，造成了能源的浪费和环境的污染。近年来，随着工业生产的快速发展和水资源的日益紧缺，蒸汽锅炉冷凝水回用技术逐渐引起了人们的关注,蒸汽锅炉冷凝水回用成为一种非常具有潜力和应用前景的节水技术。冷凝水回用技术是将经过处理的冷凝水再利用于蒸汽锅炉系统中，以降低能源消耗和环境污染的技术手段。1 蒸汽锅炉冷凝水回收的意义 蒸汽作为一种能量，在各行各业中被广泛应用。石化行业的原油集输站油罐加热用的热源是由燃煤蒸汽锅炉产生的蒸汽通过盘管把热量传导给加热的介质，换热管的管壁及换热管法兰连接部位在腐蚀介质中长时间使用后经常出现石油渗漏现象，致使通过换热以后返回锅炉房的冷凝水内含有少量的石油成份和铁离子及其它固体杂质，导致大部分原油集输站现阶段没有对返回锅炉的冷凝水进行处理回收，蒸汽冷凝水跑、冒、滴、漏现象严重，既造成热污染，又可能烫伤现场操作工，冬天高峰期供汽时明显感到锅炉出力不足，冷凝水中包含的原蒸汽大约 20%的热能被白白的浪费掉，同时水资源浪费严重，蒸汽的潜能没有得到很好的利用。对于用蒸汽作为热源给集油罐提供热源加热的方式来说，蒸汽提供的热量仅仅是利用了蒸汽的潜热，而蒸汽的显热（即冷凝水里所具有的热量）几乎没有被充分利用，这是因为供暖用蒸汽放出汽化潜热以后，变成同温度同压力下的饱和冷凝水，如果没有被污染的话冷凝水就可以直接返回供给锅炉重复使用，通过相关理论计算得知，饱和冷凝水内的显能占蒸汽热能总量的大约 20%，如果能充分地利用回收的凝结水，必将获得巨大的效益。对于我国这样一个严重缺水、能源缺乏、生态环境脆弱的国家，从某种意义上来说，其节约用水、节约能源和保护环境的社会效益甚至可能要超过直接得到的经济效益。然而蒸汽品质易受污染，或用汽设备及地点较为分散，蒸汽管线较长等原因，使得蒸汽冷凝水的回收利用有一定的难度。特别是凝结水中铁离子含量较高，不但易造成锅炉结生铁垢，而且会增加锅炉的腐蚀，影响锅炉的安全运行。使很多锅炉用户将品质良好的蒸汽凝结水排至地沟而白白浪费。2 蒸汽冷凝水回收的方法选择 冷凝水的回收主要是冷凝水水质及其所含热量的回收。冷凝水用途选择，主要有两个方面的用途。一方面作为锅炉给水，另一方面作为低温热源。2.1 冷凝水作为锅炉给水 将合格的冷凝水作为锅炉给水，这样既节省了锅炉给水的制水量和水处理的费用，冷凝水是一种价值很高的资源，即使回收很少量的冷凝水在经济上也是相当可观的。高温冷凝水产生的闪蒸蒸汽除了含有热量外，冷凝后就是蒸馏水：是理想的锅炉给水，最有效的安装是收集闪蒸蒸汽进入锅炉的给水箱、除氧器中，全部回收利用处。又减少了加热补给水所需的燃料费用。这种方式中国科技期刊数据库 工业 A-48-是利用冷凝水的最有效途径之一。对于 186#锅炉房，蒸汽锅炉用水量连续、稳定。锅炉给水先储存在热力除氧水箱，利用蒸汽锅炉产生的蒸汽对其进行除氧，待除氧合格后通过增压泵进入锅炉。2.2 间接换热热源 当冷凝水受到污染无法间接利用时，考虑间接换热方式，间接换热是指换热介质之间不直接接触的一种换热形式。这种换热方式与直接换热比，不用换热前的混合和换热后的分离，从时间和工艺上节省了生产成本，提高了生产效率。从传热公式 Q=KFT 可以看出：传导必须有温差，即T0，不能等温换热，一般情况要求T20，否则温差越小，换热面积越大。此外，传热系统 K 值，如果因为表面生成 0.1 厚水垢，K 值甚至会减少几倍，换热量则也相应会减少几倍，在采暖、空调系统中用软水就是这个道理例如通过换热器与一次软化水箱的除盐软化水进行换热。2.3 混凝沉降回收利用法 原油集输站现阶段冷凝水为红褐色混浊状物，其成份复杂，含有少量的石油成份和铁离子及其它固体杂质，具有一定的腐蚀性，不可回用。需选定合理的冷凝水处理工艺，使回收处理后的冷凝水符合 GB/T 1576-2008工业锅炉水质标准之要求。（1）凝聚原理：利用冷凝水中的温差和湿度变化，使得气态颗粒物逐渐凝聚成液滴，并通过沉降作用聚集在冷凝水中。首先，蒸汽冷凝水通过板式换热机组的冷凝器，从高温高湿度的状态转变为低温低湿度的状态。在这个过程中，冷凝器表面的温度比冷凝水的温度低很多，这会引起温差。同时，冷凝器表面的冷凝水与气态颗粒物相互接触，使得气态颗粒物逐渐冷却和凝聚。温差和湿度的变化是混凝沉降回收利用法能够有效吸附和凝聚气态颗粒物的关键因素。在板式换热机组中，冷凝水流动的速度和冷凝器表面的温度梯度决定了冷凝水与气态颗粒物接触的程度。较高的流速和更大的温度梯度会增加气态颗粒物接触冷凝水的机会，从而有利于凝聚的发生。一旦气态颗粒物开始凝聚，它们会逐渐成为液滴，并通过重力作用集中沉降到冷凝水中。混凝沉降回收利用法的关键步骤是设计合适的凝聚器和沉降室，以最大限度地提高凝聚和沉降效果。凝聚器的设计通常包括使用合适的冷凝器材料和增加冷凝水与气态颗粒物接触的表面积。沉降室的设计则考虑到液滴的沉降速度和液滴与水的分离效果，以便有效地收集和回收冷凝水中的颗粒物。（2）絮凝原理：通过给水中加入絮凝剂，使得分散在水中的微小悬浮颗粒聚集成较大的团块，便于沉降和分离的过程。絮凝剂在冷却流体中起到催化剂的作用，能够有效地促进微小悬浮颗粒的聚集，并形成可沉降的絮凝物。这些絮凝物会随着冷却流体一起进入板式换热机组，并在其中沉降下来，与蒸汽冷凝水分离。絮凝原理主要涉及到三个关键步骤：聚集、沉降和分离。首先，在给水中加入絮凝剂后，絮凝剂会与水中的微小悬浮颗粒发生化学反应或物理吸附作用，使得颗粒之间产生相互吸引力。这种吸引力会导致颗粒聚集成较大的团块，从而形成絮凝物。其次，这些聚集成的絮凝物会随着冷却流体一起流动进入板式换热机组。在板式换热机组中，由于流速的减缓和温度的变化，絮凝物会逐渐沉降到冷凝水的底部。最后，通过合适的分离装置，将沉降的絮凝物与蒸汽冷凝水分离，实现絮凝物的回收利用。（3）絮凝剂和凝聚剂的相互作用：絮凝剂可以有效地促进水中微小悬浮颗粒的聚集，使它们形成较大的团块，便于沉降和分离。常见的絮凝剂包括无机盐类、有机聚合物和复合絮凝剂等。无机盐类絮凝剂通常含有金属离子，如铁离子、铝离子等，它们能与水中微小悬浮颗粒发生化学反应，形成沉淀物。有机聚合物絮凝剂是一种高分子化合物，具有吸附和脱胶作用，能够将微小悬浮颗粒聚集成较大的团块。复合絮凝剂是无机盐类和有机聚合物的复合物，综合了两者的优点，具有更好的絮凝效果。综上所述，回收利用蒸汽锅炉冷凝水就是要将其回收系统中的热量进行综合分析，使其回收利用率最高，经济效益最优。3 某锅炉房蒸汽冷凝水利用状况以及存在的问题 3.1 某锅炉房蒸汽冷凝水利用状况 车间的主要生产任务是军品生产用汽，共分 4 个管线。蒸汽锅炉产汽温约为 140，每天冷凝回水量约为 25t。四个用汽厂房均利用蒸汽管道间接加热处理槽内中国科技期刊数据库 工业 A-49-液体，促进槽内物质化学反应，加热后的冷凝回水温度在 105左右，通过管道直接输送回 186#地下冷凝回收罐。四路蒸汽冷凝回水都回收到地下室冷凝回水罐。通过液位控制，启停冷凝回水泵，使冷凝回水与一次软化水在换热器进行热交换之后排出系统。其中蒸汽冷凝回水的闪蒸汽，进入热力除氧水箱的再沸腾管道，对锅炉给水进行加热。图 1 旧蒸汽冷凝回水流程图 3.2 存在问题 蒸汽锅炉连续排污的锅水进入冷凝回水罐参与换热器的热源供应，避免锅炉连续排污水热源的浪费，同时也影响冷凝回水罐的回水水质，达不到锅炉给水要求，从而造成冷凝回水大量外排浪费。冷凝回水罐温度约为 105 摄氏度，其闪蒸汽用于热力除氧水箱的加热，但会引起水箱的撞击，影响管道和设备的使用寿命。这样蒸汽冷凝回水的热量利用率低，损失大部分热能，未能被合理利用。由于工业锅炉设计规范规定，“加热腐蚀性油槽的蒸汽冷凝水不应回收”，而公司用汽设备以腐蚀性加热槽居多，所以近些年蒸汽冷凝水即使回到锅炉房也是利用极少部分热量，大多数热量和水均直接外排。这也成为车间节能工作的痛点和难点。4 某蒸汽锅炉冷凝回水回收利用 经过车间近 3 年，对几万条检测数据的统计与分析，发现锅炉房的蒸汽冷凝回水有相当一部分是可以达到锅炉给水水质标准的，这部分冷凝水是完全可以直接回收的。为此，车间通过自主设计、施工，在充分利用现有设备的基础上，完成蒸汽冷凝水分时段、分路回收的改造，实现蒸汽冷凝水部分回收。4.1 优质冷凝水与蒸汽锅炉连续排污水分开 先将车间闲置的一个容器罐作为新冷凝回水罐，把测定合格的蒸汽冷凝回水输送到新冷凝回水罐，把测定不合格和连续排污水输送到旧冷凝回水罐，以达到优质蒸汽冷凝回水与受污染、连续排污的水分开。然后每天根据回水量，定时对新蒸汽冷凝回水罐水质进行监测，水质达到工业锅炉给水标准要求时，启泵从新冷凝回水罐输送到热力除氧水箱；水质不达标时，启泵从新冷凝回水罐输送到外排管道。这样既可以保证蒸汽冷凝回水品质，又最大程度回收优质蒸汽冷凝回水。4.2 蒸汽冷凝回水闪蒸汽回收利用 图 2 新蒸汽冷凝回水流程图 将原有蒸汽冷凝回水闪蒸汽回收至热力除氧水箱再沸腾的管道，改造为回收至热力除氧水箱脱气塔。这样可以避免管道巨大撞击，同时还可以利用闪蒸汽热量进行除氧，减少了蒸汽使用量，进而减少锅炉给水用量。4.3 经济效益分析 4.3.1 蒸汽冷凝水节能技改方案项目投资计算 新冷凝回水罐利用闲置全新容器改造而成，3#、4#水泵为原有闲置容器的冲洗水泵，管道是原设备改造遗留的完好部分，增加水箱、管道保温层费用约为0.5 万元，阀门费用约为 1.2 万元。合计改造投资约为1.7 万元。4.3.2 改造后节约价值计算 蒸汽冷凝回水量为 2t/h 全部回收利用，生产除盐软化水成本费用为 8 元/t，12 小时运行，一年按 330天计算，则节约费用为 2123308=6.34 万元。一次软化水箱水温从 40 摄氏度加热到 60 摄氏度、热力除氧水箱水温从 80 摄氏度加热到 104 摄氏度，回收余热：2000kg/h(60-40)+（104-84）4.174kJ/(kg)=333920(KJ/h)按 12 小时运行，一年 330 天计算，年可回收余热为：中国科技期刊数据库 工业 A-50-333920(KJ/h)12330=1322323200KJ 1322323200KJ4.187=315816384Kcal 按照公司蒸汽参数，蒸汽焓值 2732.5Kcal/Kg，则折合成蒸汽为 3158163842732.51000=115.58t。每吨蒸汽按 400 元计算，年节省费为 4.62 万元。经过热力除氧水箱原除氧所需蒸汽量的计算，每天需要 2 吨的蒸汽，一年共计 330 天。如果按照每吨蒸汽 400 元的价格计算，那么年节省的费用为：2吨/天 330 天 400 元=26.4 万元。当蒸汽冷凝水被回收利用后，所能实现的节约价值为：4.62 万元+6.34 万元+26.4 万元=37.36 万元/年。这是通过回收利用蒸汽冷凝水所带来的总节约价值。4.3.3 投资回收器计算 1.737.36120.6 个月 综上分析，186#蒸汽冷凝水回收利用经济效益非常客观，投资回收期短，节能效果显著。4.4 环境效益分析 冷凝水回收利用后，节约了燃料的消耗，进而减少环境污染，同时也减少了有限的非可再生资源的消耗。5 结束语 蒸汽锅炉冷凝水回用技术在成本上是可行的，并且在长期运营中可以带来明显的经济效益，可以为决策者提供实施该技术的参考和决策依据。未来的研究可以进一步深入探讨蒸汽锅炉冷凝水回用技术的可持续发展性、操作维护等方面的问题，并拓展其在不同领域和行业的应用，为水资源节约和环境保护做出更大的贡献。参考文献 1陈洪宽杨洪合蕊何兴灵张宗恒.卷烟工业中蒸汽冷凝水除铁工艺的改进探索与实践J.经济技术协作信息,2021(9):124-125.2王兆山,薛婵媛.矿山供热蒸汽冷凝水除铁及回收利用实践J.金川科技,2021(04):125-127.3殷士海,陈小元,肖松.太阳能与冷凝水耦合采暖系统经济性分析J.应用能源技术,2022(11):33-37.4尹建平,汪海位,韩忠良,等.聚氯乙烯干燥蒸汽冷凝水的回用J.聚氯乙烯,2021(12):49.5罗少良.超高层办公建筑空调冷凝水回收利用与探讨J.建材与装饰,2021(17):33-35.6周五林.燃气锅炉冷凝水处理设计实例分析J.区域供热,2022(002):000.7无.斯派莎克助力乳业公司用好蒸汽冷凝水中的热和水J.酒.饮料技术装备,2023(2):71-72.