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蒸汽和冷凝水系统手册-第14章冷凝水回收.pdf

14.1.1 冷凝水回收简介章节14.1第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 14.1 冷凝水回收简介 959 冷凝水回收简介 14.1.2 章节14.1第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 冷凝水不仅含有一定的热量,而且是蒸馏水,很适合用做锅炉给水。高效的蒸汽系统将回收这些冷凝 水到除氧器、锅炉给水箱或用于其它制程。只有冷凝水污染后,水才不能回收到锅炉。即使是污染的冷凝 水,也还可以用于其它加热制程,在排放之前应充分利用其所含有的热量。 冷凝水通过疏水阀从压力相对较高的用汽设备中排出,由于疏水阀出口压力较低,一部分冷凝水 例14.1.1计算闪蒸蒸汽的量 7 bar g热的冷凝水含有721kJ/kg的热量,排放至大气环境中时(0 bar g),每千克水只能含有419kJ的 热量,多余的热量为721-419=302kJ,这部分热量就会闪蒸成蒸汽,其数量由多余的热量占低压下蒸发焓 的百分比所决定。在该例中,大气压下的蒸发焓为2258kJ/kg。 因此,在此例中,闪蒸蒸汽所占的百分比为 = 302 100% 2258 闪蒸蒸汽的量为 = 13.4% 就会闪蒸成闪蒸蒸汽(又称二次蒸汽)。闪蒸蒸汽的比例由蒸汽和冷凝水中所含有的热量决定,一般闪蒸 蒸汽的质量占高压冷凝水的10%15%(2.2节),但是闪蒸蒸汽的体积会很大,7 bar g的冷凝水排至大 气压下,其中13%会闪蒸成蒸汽,其占有的空间比冷凝水大200倍,这样疏水阀后的管道口径就需要比阀 前的管道大。 关于闪蒸蒸汽我们已在2.2节什么是蒸汽?中做了较深入的阐述。除计算方法,还可以通过常用一个简 单的曲线图(见图14.13)来确定闪蒸蒸汽的比例。 1 kg 蒸汽冷凝1 kg 冷凝水 图14.1.1 1kg的蒸汽完全冷凝成1kg的冷凝水 蒸汽 全热量 加热过程 中潜热释放 显热 冷凝水 图14.1.2 向加热制程释放出潜热后,蒸汽变成了冷凝水其中包含一部分显热 疏水阀前压力 = 4 bar g 闪蒸蒸汽压力 = 0 bar g 闪蒸蒸汽百分比 = 10% 冷凝水回收简介 使用蒸汽主要有两个目的: 产生电能,例如电站或热电联产; 为加热和制程系统提供热量。 1kg的蒸汽完全冷凝后,就会在同样的温度和压力下产生1kg的冷凝水(见图14.1.1),高效的蒸汽系 统将会重新利用这些冷凝水,如果不回收再利用这些冷凝水,即不能节约成本,同时也影响环境,整个系 统缺乏技术含量。 饱和蒸汽用于加热后,释放出潜热(蒸发焓),这是蒸汽中所蕴含的绝大部分能量。而剩余在冷凝水 中的一部分热量称作显热(水焓),见图14.1.2。 例:使用图14.1.3得出闪蒸蒸汽的比例。 960 14.1.3 冷凝水回收简介章节14.1第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 闪蒸蒸汽压力 bar g 疏水阀前蒸汽压力 (bar) 闪蒸蒸汽所占的比例 (%) 大气压力 图14.1.3 闪蒸蒸汽闪蒸数量图 闪蒸蒸汽的量是确定疏水阀出口管道的最重要因素。 水在锅炉中被加热后产生的蒸汽称为直接蒸汽,和闪蒸蒸汽相比仅在来源上有一些区分,不管是锅炉 产生的直接蒸汽,还是自然闪蒸的闪蒸蒸汽,相同压力下都含有相同的潜热。闪蒸蒸汽的热量最多可以占 整个冷凝水所含热量的一半,如果将冷凝水和闪蒸蒸汽直接排放,则意味着需要更多的补给水、燃料和运 行成本。 这节将会着重介绍两方面:冷凝水的管理和闪蒸蒸汽的回收。同时涉及到一些相关问题,并提供一些 实际的解决方案。 注:术语疏水装置是常指蒸汽系统中用于排除冷凝水的装置,可能是蒸汽疏水阀、疏水阀泵或泵阀组 合,疏水阀排放冷凝水的能力依赖于其前后压差。疏水阀泵或泵阀组合的排水量和其运行时的压力差没有 关系(但受压力等级限制)。 冷凝水回收 高效的冷凝水回收系统,可以收集蒸汽设备的冷凝水,返回锅炉给水系统,在短期内就能得到回报, 图14.1.4是一个简单的冷凝水系统,冷凝水回收到锅炉给水箱。 961 冷凝水回收简介 14.1.4 章节14.1第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 蒸汽 蒸汽 蒸锅蒸锅 制程 容器 空间加热 系统 冷凝水 冷凝水 加热槽加热槽 蒸汽 锅炉 给水泵 给水箱 补给水 图14.1.4 典型的蒸汽和冷凝水回收系统 为什么要回收冷凝水 节约成本 冷凝水是有价值的资源,即使是回收一部分也会有经济效益,仅一个疏水阀排出的冷凝水也值得回收。 如果冷凝水不能回收,就要向锅炉增加冷态补给水,需增加水处理费用、水费和燃料费用。 排放限制 坏公共排水管道,所以高于此温度的冷凝水排放前必须降温冷却,这样就会增加费用,大多数国家都有类 似的限制,如不符合规定则需要支付排放费甚至会遭到罚款。 使锅炉出力最大 低温的锅炉给水将会减少锅炉蒸汽的产出,给水温度越低,就越需要更多的热量加热给水,所以用于 产生蒸汽的热量就相应减少了。 锅炉给水的质量 水意味着排污减少,所以能量损失也会减少。 冷凝水回收的好处: 减少了水费; 减少了水排放费用和可能存在的冷凝水的冷却费用; 减少了燃料消耗; 锅炉可以产生更多的蒸汽; 减少了锅炉排污,因而也降低了能量损失; 减少了水处理费用。 例如在英国,法律规定超过43的冷凝水不能排放到公共排水系统,因为这会对环境造成破坏,损 冷凝水是蒸馏水,几乎不包含任何溶解固形物(TDS),锅炉需要排污以减少TDS,回收较多的冷凝 图14.1.5显示了1kg蒸汽和冷凝水在相同的压力下所包含的热量对比情况。蕴含在冷凝水中热量的百分 比从1 bar g下的18%升至14 bar g下的30%,这清楚的说明冷凝水是非常值得回收的资源。 962 14.1.5 冷凝水回收简介章节14.1第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 比焓 (kJ/kg) 压力 (bar g) 冷凝水中总热量 蒸汽中总热量 图 14.1.5 相同压力下饱和蒸汽和冷凝水所含的热量 下面的例子说明了冷凝水回收所带来的经济效益。 例 14.1.2 锅炉: 10000kg/h每天工作24h, 7天/周和50周/a (8400h/a)。 未净化的水费为0.61/m3,排放费用为0.45/m3。 锅炉效率为85%,使用天然气为0.01/kWh (0.77/GJ)。 注: = 英镑 未经净化的补给水约为10,而冷凝水的排放温度为90。 式中: Q = 热量 (kJ); m = 质量 (kg); cp = 比热 (kJ/(kg); T = 温升 ()。 1 kg x 4.19 kJ/(kg) x 80= 335 kJ/kg 那么一年就是10000 kg/h x 335 kJ/kg x 8 400 h/a = 28 140 GJ/a 如果锅炉的平均效率为85%, 需要加热补给水的热量为: 确定一年内冷凝水回收的价值 第2部分 - 确定水的费用 如果没有冷凝水回收则每年需要补充的水量为 公式2.1.4 28140GJ/a 0.85 = 33106GJ/a 8400h x 10000kg/h 1000kg/m3 = 84000 m3/a 燃料费用2.77/GJ,则冷凝水中所含的热量价值为: 年燃料费用=331.6GJ/a2.77/GJ=91704 如果水的费用为0.61/m3,则一年的水费为: 84000m3/年0.61/m3=51240 第1部分 - 确定燃料费用 利用公式2.1.4计算1 kg冷态补给水温升80所需要的热量。 963 冷凝水回收简介 14.1.6 章节14.1第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 式中: X = 回收的冷凝水的百分比(1-100); A = 1 GJ的燃料费用; 如果是天然气则0.01/kWh (1 kWh = 3.6 MJ) 1 GJ热量的成本 = 0.011000 = 2.77 3.6MJ 节约燃料 = 91 704 节约水 = 51 240 节约排放费用 = 37 800 公式14.1.1 表14.1.1例14.1.2中回收的冷凝水价值 由此可见,即使我们回收1%的冷凝水节省也很大。 例 14.1.3 如果决定投资50000,回收80%的冷凝水,蒸发量为5000kg/h,节约量和投资回收期为: 节约 = 180744 80 5000 100 10000 节约 = 72297/a 投资回收期 = 50000 72297/a 投资回收期 = 0.69年 (36周) 这可能会因地区差异而有很大变化,但却是成本分析时应该考虑的。很明显,当为某一特定项目评估冷凝 水管理系统时,应该包括节约的这部分费用。 关于TDS控制和水处理已在第3章中讨论过了。 例14.1.2 和 14.1.3 说明了冷凝水回收的大致计算程序,最后转变成货币价值。 公式14.1.1可用于计算每年节省的燃料费用 同样, 油的燃烧热值为42 MJ/l, 费用0.15/l 1 GJ热量的成本 = 0.151000 = 3.57 42MJ B = 每千克的锅炉给水加热到冷凝水温度后所需要的热量(kJ/kg),(由公式2.1.4确定 (Q = mcpT); C = 平均蒸发量 (kg/h); D = 每年运行的小时数 (h/a); E = 锅炉效率 (%)。 第3部分 - 确定排放费用 如果排放费用为0.45/m3,每年排放量为84000m3,则每年的排放费用为: 84000m3/年0.45/m3=37800 第4部分 - 冷凝水的总价值 见表14.1.1: 该计算还不包括TDS控制而减少的锅炉排污所节约的费用,否则将进一步降低水费和化学水处理费用, 燃料节省/年 = XABCD E106 964 14.1.7 冷凝水回收简介章节14.1第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 节约的水费由公式14.1.2确定: 公式14.1.2 节约的排放费用由公式14.1.3确定: 公式14.1.3 公式14.1.1 式中: X = 期望得到的冷凝水回收率 = 35%; X = 1 GJ 热量的成本 = 0.011 1000 = 3.055; 3.6MJ X =回收的冷凝水的百分量比(1-100); C =平均蒸发量 (kg/h); D =每年运行的小时数(h/a) 。 例 14.1.4 B=每千克的锅炉给水加热到冷凝水温度后所需要的热量(kJ/kg); 由公式2.1.4确定 (Q = m cpT) Q = m x cp x DT Q = 1 x 4.19 x (95 - 10) Q = 356.15 kJ/kg B = 2.1.4中的Q = 356.15kJ/kg; C = 平均蒸发量 = 15 000 kg/h; D = 每年工作的小时数 = 8 000 h; E = 锅炉效率 = 80%。 将数值用到公式14.1.1 节约的燃料费用/年 = 353.055356.15150008000 80106 节约的燃料费用/年 = 57122 第2部分 - 确定水费和排放费用 利用公式14.1.2计算每年节约的水费 公式14.1.2 一个耗资70000的冷凝水管理项目,希望回收35%的冷凝水,锅炉的平均蒸发量为15000kg/h,设 备每年工作8000h,燃料为天然气,费用为0.011/kWh,锅炉效率约为80%,锅炉补给水为10,冷 凝水回收管道保温良好,保证到达锅炉房后冷凝水温度为95。水费为为0.70/m3,总的排放费用为 0.45/m3。 燃料节省/年 = XABCD E106 节约的水费/年 = XCD 水费/m3 105 ( 节约的排放费用/年 = XCD 处理排放的费用/m3 105 ( 节约的水费/年 = XCD 水费/m3 105 ( 请确定投资回收期? 第1部分 - 确定节省的燃料费用 利用公式 14.1.1 965 冷凝水回收简介 14.1.8 章节14.1第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 ( ( 代入数值 节约的水费/年 = 35150008000 0.70/m3 105 节约的水费/年 =29400 利用公式14.1.2计算每年节省的排放费用: 节约的排放费用/年 = 35150008000

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