废热蒸汽与冷凝水的节能

作者：宝钢股份有限公司 林高平

欢迎访问e展厅 展厅 4 冷冻机/热交换设备展厅 冷却塔, 冷凝器, 冷却器, 蒸发器, 集热器, ... 摘 要：通过介绍宝钢蒸汽系统冷凝水资源的分布情况，分析了宝钢回收利用这些资源的可行性。提出对废热蒸汽资源量比 较大的区域实施废热蒸汽有组织的排放和热利用等措施，是提高蒸汽系统和水系统能源综合利用率的重要途径。低温热回收 利用的前景是广阔的，其节能效果是显著的。 关键词：废热蒸汽冷凝水 回收 节能 引言 随着世界能源危机的加剧和我国经济的迅速发展，能源问题已经成了关乎国家未来的战略问题，国际争端中国家之间的摩擦往往与能源问题有关。因此，节约能源、提高能源使用效率应该作为国家基本国策来抓。今年，国务院作出决定，2004 年至2006 年在全国范围内开展节约资源活动，全面推进资源节约和综合利用工作，这是我国在全面建设资源节约型社会进程中的一项战略性部署和重大举措。节能是节约资源的一个重要方面，也是钢铁业等能耗大户面临的最为严重的问题之一。尽管经过多年来的不懈努力，宝钢在节能工作上取得了较大的成绩，各项能耗指标均处于世界领先水平，但这只是就整体情况而言的。我们应该清醒地认识到，在某些方面，宝钢的能源利用率还是与国际、国内先进水平有差距的，能源浪费的现象依然存在。我们仍然需要持续不断地努力工作，提高各种加热炉窑的燃烧效率、回收余能余热资源、减少浪费，不断提高能源的利用率。本文简要介绍了宝钢蒸汽系统的冷凝水资源和散布于全厂的各种废热蒸汽资源，及当前回收利用这些能源、资源的技术概况，对宝钢回收利用这些能源、资源的可行性和经济效益进行了简要的分析。 1 宝钢的冷凝水资源与废热蒸汽资源 宝钢的蒸汽主要作为热源完成各种加热过程。蒸汽在用汽设备中放出汽化潜热，经疏水阀后大部分变成冷凝水，只有一小部分闪蒸成为热利用价值较小的乏汽。近几年，宝钢全厂蒸汽的年总耗量达400 万吨以上，2003年达到了430 万吨。因此，宝钢的冷凝水资源非常丰富。但是，目前各蒸汽用户区域的冷凝水除化工和冷轧有部分回收外，其它用户均没有回收利用，而是直接排向外界，既造成了资源与能源的浪费，又污染了环境。更有甚者，由于用汽设备不装疏水器或疏水器选型不当，致使部分蒸汽直排，加重了能源的浪费。另外，近两年宝钢的中、低压蒸汽主管网总的年损失量达到近20 万吨，其中有相当一部分也是以冷凝水的形式通过管网疏水阀直接向外界排放。由于目前使用的疏水阀寿命短，且检测手段有限，如果疏水阀损坏后没有得到及时处理，则大量漏气，使蒸汽系统损失量居高不下，尤其是中压蒸汽系统，年平均损失率达到20%以上。 在高炉和炼钢的渣处理作业区，产生大量四处弥散的废热污蒸汽。在宝钢厂区，还散布着多座排放废热污蒸汽的烟囱，源源不断地向大气中排放含有酸性气体的白色“烟气”。这些弥散的废热污蒸汽和袅袅“白烟”形成了环境上的视觉污染，并在上升过程中不断冷凝成水滴散落在附近的设备、管道上。冷凝下来的水滴夹带着灰尘并溶解了一定量的酸性气体，从而造成附近设备、管网的腐蚀破坏和污染。特别是，源源不断地排放这些废热蒸汽还带走了数量可观的潜热，造成了能源的浪费。 宝钢的废热蒸汽资源主要来自高炉、炼钢等生产工序。高炉工序的文氏洗涤、炼钢工序的连铸冷却，均产生大量的废热蒸汽，属于有组织地排放。二炼钢滚筒法渣处理产生的废热蒸汽也属于有组织排放，正在实施的一炼钢、电炉滚筒法渣处理技改将使得炼钢区域有组织排放的废热蒸汽量大大增加。但高炉渣处理过程产生的大量蒸汽目前还是无组织地排放。 由于上述蒸汽冷凝水和废热蒸汽的温度、压力较低，蕴含的能源品位低、回收以后很难找到合适的用户，给其回收利用带来了困难，因而往往被就地直接排放。过去，企业面临的环境保护压力不大，能源价格相对较低，水资源也是无偿取用，因此回收利用冷凝水和废热蒸汽资源及其所蕴含的能源，无论从经济上还是从环保上都不能产生明显的收益。宝钢的冷凝水资源分布在全厂各处，要全部回收利用这些冷凝水资源，其初期投资也将是很大的。另外，对于废热蒸汽来说，回收利用有组织排放的废热蒸汽相对来说简单一些，但对于那些无组织的弥散蒸汽来说，恐怕在经济上和技术上都是不可行的。因此，长期以来，这些资源和能源被白白地浪费了。 2 相关技术综述 2.1 高温冷凝水回收利用技术 密闭状态下，用汽设备排放出的是近于蒸汽压力下的饱和冷凝水，水温超过100℃。宝钢中、低压蒸汽管网的公称压力分别为4.1 MPa 和1.6 MPa，对应的饱和冷凝水温度约为250℃和200℃。对于这样高温的冷凝水，其显热利用相对来说更容易一些。但是经过疏水阀以后再排向大气的冷凝水，由于闪蒸现象，其温度会迅速降低到大气压力下的饱和温度100℃左右，这样一方面增加了冷凝水显热利用的难度；另一方面原来高温冷凝水蕴藏的大部分显热转化为闪蒸汽的汽化潜热而随闪蒸汽排向大气，因此，应该采用密闭式回收系统。采用冷凝水密闭式回收系统的另一个好处是，冷凝水的水质更容易保证，可以省去水处理设施。同时，采用密闭系统时，即使发生疏水阀泄漏等故障，蒸汽也不会直接排向外界，因而可以减少因输水阀等故障引起的泄漏损失。因此，采用密闭系统更有利于高温冷凝水资源及其显热的回收利用，有利于蒸汽系统的节能。 其次，应该尽量因地制宜，就地、就近利用高温冷凝水的显热。因为，如果不能就地或就近利用冷凝水显热的话，一方面必须对输送高温冷凝水的管网采取保温措施，加大了投资；另一方面由于冷凝水温度较高，使得在输送过程中造成更大的散热损失； 第三，应尽可能使用简单、可靠的技术装备，以减少投资和运行、维护费用。 国内外发展了许多冷凝水回收利用技术，工程案例举不胜举。总的来说，主要分为：开式回收系统、闭式回收系统；吸收式制冷系统、吸收式热泵系统，蒸汽喷射式热泵系统、机械压缩式热泵系统等。 所谓开式系统，就是和大气相通的系统。该系统存在几个不足：由于自然蒸发，系统会产生大量闪蒸汽；理论上冷凝水的回收温度约为100℃，而实际上为了防止水泵汽蚀，回收的水温一般只能控制在70℃左右；由于空气接触系统，会加速冷凝水管道的腐蚀，所以，开式回收系统已逐渐失去使用价值。 闭式回收系统，就是指整个回收过程中，冷凝水始终不与大气接触的系统，使冷凝水的热量得到比较充分的利用，而且当回收的冷凝水用于锅炉给水时，不会增加溶解氧量。闭式系统的优点在前面已经述及。 吸收式制冷系统、吸收式热泵系统、蒸汽喷射式热泵系统和机械压缩式热泵系统等，可以就近利用高温冷凝水的显热，用于区域制冷、空调、加热或取暖。完成显热利用以后的冷凝水送循环水系统或冷凝水管网。这样，既提高了高温冷凝水显热利用的效率，又可以省去高温冷凝水管网建设投资或降低管网的保温设施投资。就地利用高温冷凝水显热过程中，重要的是要求作为回收对象的热源和利用目的的用热需求之间在时间和数量上能协调一致。两者配合得越密切，项目成功的可能性越大，因而需要针对具体处理对象作具体而切合实际的考虑，为了得到满意的结果，有时需对原工艺过程做必要的调整。 从近年来冷凝水回收技术的发展和各行业的应用实绩来看，喷射增压密闭式高温冷凝水回收技术得到了普遍的应用。 2.2 废热蒸汽回收利用技术 尽管散布于宝钢厂区的废热蒸汽资源量很大，蕴含的潜热也很大，但由于其多数直接与大气相通，因而压力较低，回收利用比较困难。另外，钢铁企业中的这些废热蒸汽资源往往含有粉尘、不凝性气体、溶解了酸性或碱性的气体，冷凝以后会对管道、设备产生腐蚀、结垢、堵塞等影响。所有这些问题都限制了对其回收利用技术的研究。目前，国内外在这方面的开发研究并不多见，更是鲜有工程应用实绩。 一种可能的方案是先将废热蒸汽的压力提高，然后再利用其汽化潜热。蒸汽的压力提高以后其饱和温度也相应增加，有利于拓宽蒸汽潜热的利用场合。提高蒸汽压力的方法，常用的有蒸汽压缩机和蒸汽喷射压缩器等。前者发展比较成熟，以往应用较多，但结构复杂，运行维护工作量大；后者结构简单，管系连接简单，没有运动部件，几乎不需要维护，因而近年来得到快速发展。 蒸汽喷射压缩器，是利用较高压力的蒸汽(压力为p1)作为工作介质，经过喷嘴，产生高速汽流，从而抽吸低压蒸汽(压力为p2)，两股蒸汽混合后经扩压管产生一个中等压力p3(p2 图1 蒸汽喷射压缩器结构简图 在该装置中，低压蒸汽被压缩，提高了压力和温度，即提高了能级；而高压的工作蒸汽由于其压力、温度降低，其能级有所降低。从工程热力学的观点，可以认为装置中发生的是绝热混合过程，因此它是一个熵增过程，即能量贬值过程，但与单纯的绝热混合过程不同的是高压蒸汽在系统内作功以压缩低压蒸汽。利用这一技术可以提高废热蒸汽的压力和温度，方便其它工艺过程利用废热蒸汽的显热和潜热，从而达到节约能源的目的。 宝钢的低压蒸汽有富余，正好可以用作蒸汽喷射压缩器的工作蒸汽来回收部分放散的废热蒸汽。当废热蒸汽的温度提高到120℃以上时，就可以作为吸收式制冷或热泵过程的热源，用于区域空调或供热工程。如果能够达到更高的温度，即可直接用于其它加热过程。 综上所述，钢铁企业中的废热蒸汽往往含有粉尘、不凝性气体、溶解了酸性或碱性的气体，冷凝后会对管道、设备产生腐蚀、结垢、堵塞等影响，因而限制了其热利用技术的开发。近年来，随着换热器技术的进步，以及耐高温碳氟材料的出现，这一问题有望得到解决。 碳氟材料耐酸腐蚀能力特别强，而且用碳氟材料作换热表面的涂层时，由于其表面自由能低、摩擦系数非常小、颗粒物和冷凝的液体不会粘在壁面上而降低热交换系数。同时，水蒸汽在碳氟材料表面上呈珠状凝结，会较快地流走而不会粘在其表面。在相同的操作条件下，如果是传统的热交换器，冷凝的液体会在换热表面上形成一层水膜，这层水膜相当于热绝缘体而使热交换效率降低。因此，即使碳氟材料涂层相对于裸露的金属壁面来说是热绝缘体，但由于珠状凝结的热传递性能远远强于膜状凝结，总的来说是具备碳氟材料涂层的热交换器的传热效果更好[1]。即使在没有水凝结存在的条件下，由于碳氟材料的摩擦系数很小，降低了壁面附近边界滞留空气的厚度，因而涂覆碳氟材料的金属比裸露的金属热交换性能要好[2]。 也可以在废热污蒸汽回收系统的管道、设备内表面涂覆碳氟材料，利用其较低的表面自由能及非常小的摩擦系数，以防止管道、设备内表面的腐蚀、结垢。 另外，近年来还出现了各种全塑料换热器，它们具有抗结垢、耐腐蚀和体积小、重量轻的特点，常用的有氟塑料换热器和聚丙烯换热器。塑料换热器的出现，必将促进废热污蒸汽回收利用技术的开发。 3 低温余热应用开发 任何余热回收项目的实施，必须首先考虑好对回收后余热的用热需求。如果没有合适的余热用户，即使再好的余热回收项目也不会产生很好的经济效益。 就钢铁生产中的加热工艺来看，对热源的能级要求是比较高的，因此回收的低温位余热很难找到合适的应用场合，然而，钢铁生产过程中的部分辅助性作业及生活用能对热源温度的要求并不高，因此可以考虑在这些用能场合使用回收的余热将目前的较高温位热源顶替下来，这是低温热利用中最具吸引力的方案。 2003 年，宝钢生活用低压蒸汽（食堂、浴室、采暖等）约占全公司低压蒸汽产能的12%以上，可以使用回收的低温余热替代。这种用热的特点是随着昼夜和季节变化用热负荷也发生变化。因此在制定方案时，应考虑用热量减少时，如何保持系统平衡，取出热量。 宝钢成型煤生产过程中需要用低压蒸汽加热沥青使其熔化流动，这一过程也可以利用回收的低温热取代目 前生产中使用的低压蒸汽。该过程属于连续作业、负荷稳定的用热情况，因此在安排低温热利用方案时应优先 考虑。 回收的低温余热还可以用于预热锅炉给水、原燃料的干燥等过程。 4 效益分析 宝钢管网蒸汽经使用后仍然具有一定压力，温度也高于常压下的饱和温度100℃，不同的汽源、不同的用户、不同的生产工艺条件下排出的废热蒸汽和冷凝水的参数不同。因此，很难用统一的参数来准确测算管网蒸汽经使用后所具有的热焓。不过，仍然可以估算一下宝钢蒸汽冷凝水携带的可利用热能。 2003 年，宝钢低压蒸汽（管网公称压力1.6 MPa）发生量373 万吨，中压蒸汽（管网公称压力4.1 MPa）管网受入量60 万吨。查阅水和蒸汽热力性质表，1.6 MPa 和4.1 MPa 下饱和冷凝水的焓分别为0.858 MJ/kg 和 1.094MJ/kg。假设锅炉给水的平均温度为20℃(焓为0.084 MJ/kg)，则宝钢蒸汽冷凝水全部回收作为锅炉给水时的节能潜力为： E =373×107×(0.858-0.084)+60×107×(1.094-0.084)=349.3×107 (MJ)=11.93(万吨标煤) （1） 事实上，如上所述，宝钢不同的蒸汽用户、不同的生产工艺条件下排出冷凝水的压力参数不同。通过调查发现，几乎各用户都存在降压用汽的现象，低压蒸汽的用汽压力大都在0.5～1.0 MPa 之间，中压蒸汽的用汽压力大都在3.0～3.8 MPa 之间。考虑到如果将来建设冷凝水管网时，中、低压蒸汽冷凝水进入同一管网，则管网的公称压力应该以最低排水压力为准（采用一定的技术措施可以略高），这里不妨暂时以0.5 MPa（对应的饱和冷凝水的焓为0.640 MJ/kg）作为计算依据。同时根据我国《节水型城市目标导则》，要求蒸汽冷凝水的回收利用率不低于50%。那么，如果宝钢的冷凝水能够回收利用50%，按2003 年的生产实绩，每年可节能 El =(373+60)×107×(0.640-0.084) ×50%=120.4×107 (MJ)=4.11(万吨标煤) （2） 这相当于公司目前全年总能耗的0.53%，即回收利用50%冷凝水的热能以后可降低公司吨钢综合能耗约3.5 kg标准煤。同时，可节约260 万吨纯净的锅炉给水。 宝钢废热蒸汽所蕴含的汽化潜热能量更大。根据规划，2009 年宝钢大院内的钢产量将达到1 500 万吨以上，按照10％的造渣量考虑，每年的钢渣产量为150 万吨。宝钢炼钢系统正在全面实施滚筒法渣处理技术改造，采用该技术处理钢渣时会产生常压、100～120℃废热污蒸汽约380 kg/t 渣，该蒸汽蕴含2.257 MJ/kg 的汽化潜热。由于这种废热污蒸汽集中排放，因此通过采用一定的技术可以全部回收其显热及汽化潜热。那么，每年仅回收利用其汽化潜热的节能效果就是： Eg1 =150×104×380×2.257=128.65×107 (MJ)=4.4(万吨标煤) （3） 宝钢每年还产生大量的高温熔融高炉渣，吨铁的高炉渣产量约为250 kg。根据规划，2009 年宝钢大院内的铁产量将达到1400 万吨，则每年的高炉渣量为350 万吨。如果也用滚筒法进行处理，并回收利用渣处理过程中产生的蒸汽汽化潜热，则其节能效果约为： Eg2 =350×104×380×2.257=300×107 (MJ)=10.3(万吨标煤) （4） 采用上述方法回收利用高温熔融的钢渣和高炉渣显热，可使公司的吨钢综合能耗降低约 10 kg 标准煤。 连铸过程中产生的大量废热蒸汽属于有组织的集中排放，具有利用其汽化潜热的可能性，其节能效果也是相当可观的。 上述过程中，还可以对废热污蒸汽冷凝以后的冷凝水进行回收利用。到2009 年，仅滚筒法处理钢渣和高炉渣后可回收的冷凝水量就可达 (150+350)×0.380=190(万吨) （5） 5 结束语 本文简要介绍了宝钢蒸汽系统的冷凝水资源和散布于全厂的各种废热蒸汽资源，并概述了当前回收利用这些能源、资源的技术，从开发低温热回收技术、拓展低温热用户和节能效益等方面简单分析了宝钢回收利用这些能源、资源的可行性。 宝钢建设密闭式冷凝水管网、对废热蒸汽资源量比较大的区域实施废热蒸汽有组织排放和热利用、采用机械压缩式或蒸汽喷射式热泵技术提高废热蒸汽的能级、开发应用氟塑料换热器以回收利用废热污蒸汽潜热、拓展低温余热利用用户等，是提高蒸汽系统和水系统能源、资源综合利用效率的重要途径。 低温热回收利用是进一步深化节能的一个重要方面，就钢铁企业来说，应该关注目前被大量排放的废热蒸汽资源和高温冷凝水资源，使原来废弃不用且花费代价冷却、处理的能量发挥作用。低温热回收利用的前景是广阔的，其节能效果是显著的。 参考文献 1 Calvin R. B. Handbook of Hazardous Waste Incineration[M]. TAB Books Inc., 1988: 237-266. 2 Air Pollution Control Association. Hazardous Waste Incineration[M]. 1984:111-123. 3 谢锴. 处理高炉渣的先进方法 [J]. 冶金能源，2002, 21(1): 49-51.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/15/2011)