锅炉连排污水回收利用
摘要：蒸汽回收机 针对热电厂锅炉的连排污水造成大量水资源的浪费以及热污染的问题，分析了将连排污水用于冷暖联供的可行性，解决了热电厂连排污水回收利用的问题。 |
关键词：连排污水,蒸汽喷射,冷暖联供 |
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前言 热电厂锅炉运行时，为了维持炉水一定的碱度，必须连续将碱度大处的水排掉。由于排污水温度较高，一般将污水先排入连续排污扩容器中，由于扩容器通常与除氧器相连，压力较汽包压力低一些，使小部分污水汽化，大部分未汽化的污水温度降到连续扩容器压力下的饱和温度后，排入定排扩容器后排空。这样既造成了大量的热量（≥750KW）、水量（10t/h～13t/h）的浪费，又给环境带来了极大的热污染。另一方面，热电厂的冷暖供应一般采用低压（0.7Mpa左右）蒸汽作为热源。在冬季，蒸汽通过热交换站换热，如采用接触式热交换器，其溢流将造成水（除盐水）资源的大量浪费，非接触式的热交换器运行调节又较困难；在夏季，以蒸汽为动力驱动溴化锂制冷机来实现制冷，运行成本也很高。所以，合理地利用这部分连排水将带来很高的经济效益和社会效益。下面以4×220t/h锅炉的发电厂为例，阐述连排 污水在冷暖联供方面的回收利用设计。
2 设计研究
研究思想：回收连排污水的热量和水量。
2.1 冷暖联供系统的基本配置如下：
夏季――溴化锂吸收式制冷机（制冷量：1196kw）2台
冷冻水 进/出口温度：12/7℃ 流量：204t/h
蒸 汽 压力：0.7Mpa 温度：164.96℃ 流量：G溴化锂＝1.560t/h
冷却水 进/出口温度：32/37.6℃ 流量：340t/h
冬季――热交换站（接触式热交器）热水
供/回水温度：65/50℃ 流量：100 t/h
溴化锂制冷机的高压发生器中蒸汽的放热过程表现为管内汽液两相流动中释放潜热和显热过程，并且随着两相流流型的转变，换热机理也发生相应的变化。要将热力品质比溴化锂设计汽源低的连排水用作溴化锂制冷机的汽源，从以下几个方面以下五个方面着手分析：
2.2 连排污水对设备的腐蚀分析。通过多次的检测表明，连排水温度降到连排扩容器压力下
的饱和温度，其微弱的碱性对设备的腐蚀与饱和蒸汽相当，可忽略不计。 2.3 连排污水可用热量的确定。连排污水从连排扩容器排入定排扩容器后排空，一般在这段管线中不设测量仪表。因连扩排污门后压力降低，管内的连排污水为两相流，测量其流量较困难，其流量的确定可通过计算得到。 锅炉排污量＝锅炉蒸发量D×锅炉排污率（2％）＝4.4t/h 连排污水量G连排＝D－D 2.736t/h 4台炉总连排污水量：10.9t/h 可用热量，按连排热水温度降为90℃时可释放的热量Q连排计算 Q连排＝G连排×（ －h90℃）＝785.94 kw 2.4 连排污水经排污调整门后压力由11.28Mpa降至0.6Mpa，温度也降至0.6Mpa的饱和温度。要将其用作制冷机的热源，必须提高连排水的压力、温度。连排水与饱和蒸汽相比，比容很小。如将连排水直接引入制冷机，不能实现其在高压发生器的换热管中均匀分部，所以必须提高连排水的体积流量；现有研究表明，利用蒸汽喷射技术是合理解决上述两个问题的有效途径。蒸汽喷射器由喷嘴、吸入室和扩压管组成。依靠气流速度与压力的相互转换来达到提升连排水压力以及雾化混和的目的，使连排水达到或接近溴化锂制冷机的热 源蒸汽品质。蒸汽喷射泵的结构及压力变化如图1。
图1 蒸汽喷射泵的结构简图及压力变化图
工作蒸汽采用0.7Mpa、306℃的低压蒸汽（此品质的蒸汽在热电厂的自用蒸汽中被广泛采用），来引射锅炉连排热水，提升连排水的压力、温度、比容，以保证制冷机的出力。根据溴化锂制冷机对热源的要求，进行计算，确定喷射器各部分的尺寸，将连排水全部利用，尽量减少新蒸汽的用量。计算结果如表所示。
溴化锂制冷机所需的加热量Q溴化锂
Q溴化锂＝G溴化锂×（h”70.7Mpa－h80℃）＝1051.5 kw
原溴化锂制冷机的汽源（0.7Mpa饱和蒸汽）的体积流量V溴化锂
V溴化锂＝G×v”0.7Mpa＝0.118 m3/s
*用连排热水总流量的50％与0.7Mpa的过热蒸汽掺混（获得0.65Mpa的湿蒸汽）
0.7Mpa，306℃低压蒸汽用量Go
Go＝（Q溴化锂－0.5Q连排）/（h”0.7Mpa,306℃－h90℃）=0.244 kg/s
喷管出口质量流量Gg
Gg＝Go+ Gh＝1.786 kg/s
混和后工质0.65Mpa湿蒸汽的焓值hg
hg＝ =966.14 kJ/kg
混和后工质的温度tg
tg= ℃
混和后工质的干度xg
混和后工质的体积流量V0.65Mpa湿蒸汽
V0.65Mpa湿蒸汽＝[v’+x（v”-v’）] Gg=0.073 m3/s
可见，掺混后工质的体积流量与原溴化锂的汽源相接近，可以保证其在溴化锂制冷机的高压发生器的换热管中的均匀分布。
对蒸汽喷射器进行初步计算
喷管进口状态参数 Po=0.7Mpa ho=3043.8kJ/kg 0.37754m3/kg
喷管出口状态参数 Pp=0.6Mpa hp=3043.8kJ/kg 0.44m3/kg
喷管中蒸汽的临界状态参数 Pl=0.577Po=0.4039Mpa hl=2943.32kJ/kg
tl=240℃ 0.6m3/kg
喷射器出口状态参数 Pg=0.65Mpa
流动状态
喷射器雷达流动处于亚临界状态
由蒸汽喷射器的扬程方程
解得： 或 其中 为有效解。
喷管基本几何尺寸
临界直径 mm
出口直径 mm
扩散段长度（取 ） =34mm
圆筒混合室直径 因 d3=37.85mm
圆筒混合室长度 Lh=8d3=302.78mm
蒸汽喷射泵的性能
将以上计算结果代入喷射器的扬程方程得此喷射器的特性方程，（图2所示）的蒸汽喷射器特性曲线 。由图2可以看出当连排水的最低流量Ghmin=2.78kg/s时，需用过热蒸汽Gomax=0.259kg/s，umin=5.36；当连排水的最高流量Ghmax=3.61kg/s时，需用过热蒸汽Gomin=0.219kg/s，umax=8.23。所以当 时， ；即喷射器出口压力 在0.65Mpa附近波动。达到设计要求。实际运行中连排水到达溴化锂机热源进口处的压力接近0.7Mpa，那么喷射器出口压力将达到0.7Mpa，溴化锂的实际制冷量将达到设计值。
图2
2.5 分析连排水在换热管中的换热情况，并与蒸汽凝结放热比较。
*纯凝工况（入口处全部是蒸汽，出口处全部是凝结液，即原溴化锂制冷机的工况）
=a （0.55+ ）
其中：a =0.023 Pr
*部分凝结工况（入口处有部分液体，或出口处有部分蒸汽）
其中：
*分析：将50％流量的连排热水与0.7Mpa，306℃的过热蒸气掺混为0.65Mpa 的湿蒸汽
由上述热力计算可以看出：在满足溴化锂吸收式制冷机所需加热量的前提下，将50％流量的锅炉连排热水与0.7Mpa，306℃的过热蒸气掺混为0.65Mpa的湿蒸汽用以驱动溴化锂吸收式制冷机，在高压发生器中，管内湿蒸汽无论是流动还是换热均能满足其使用要求。
2.6 由于制冷机的热源的工质流量原来只有0.433kg/s，采用连排水后质量流量将增加到1.786kg/s，凝结水的流量也将相应增加，原来与制冷机配套的疏水器的出力将明显不足，需增设一疏水器，以保证连排水在制冷机中的换热效果。选用疏水器时，需充分考虑原疏水器的背压、疏水量以及制冷机热回收器的压降。
2.7 连排水的回收。增加一疏水器后，通过制冷机的连排水的疏水分为两路，经过制冷机热回收器的一路疏水压力很低，所以回收这部分凝结水必须提升其压力，如果选用加压泵，将会造成运行成本的增加。为此，设计选用一水喷射泵。将制冷机中放热后的连排水（温度为90℃，压力Po=0.65-0.15Mpa）作为工作流体，引射制冷机中吸热后的冷却水（温度为37℃，压力Ph=0.3-0.037=0.263Mpa），使连排水温度最终降至50℃，压力不低于0.25Mpa进入循环冷却水的回水系统。相应喷射泵的计算结果如表所示。
<<340m3/h（一台溴化锂制冷机的冷却水量）
引射系数：u＝
回收喷射器的初步计算
取回收喷射器的压降比： ，相应的截面比：
喷管出口截面积：fp= m2
喷管出口直径为： 0.0105m2=10.5mm
圆筒混合室截面积： m2
圆筒混合室直径： 0.0325m2=30.25mm
圆筒混合室长度：Lh=8d3=242mm
喷管出口截面与混合室入口截面之间的轴向距离:Lc=1.2 d3=36.3mm
扩散管出口流速取wg＝1.0m/s，则扩散管出口截面积
fg＝ m2
扩散管出口直径 0.0965m=96.5mm
取 ，扩散管长度：Lk＝ =473.7mm
由以上计算结果，得出此喷射泵的特性方程为：Pg= *此喷射泵的特性曲线如图3，从图中可以看出当引射系数 时，喷射泵的出口压力 ，可以进入循环冷却水的回水系统（0.2Mpa左右）。
图3 pg=f（u）
2.8 在冬季供暖时，利用高效板式换热器，根据冬季热负荷，采用前面计算的蒸汽喷射泵。通过调整喷射泵的蒸汽入口的流量，将喷射泵出口引入板式换热器，用于加热供暖系统中的热水。校核计算结果如表所示。
供暖热负荷（G＝27.78kg/s,t＝65/50℃）
Q总＝CM(△t)=1741.7 kw
连排热水温度由150℃降为55℃时的放热量
Q连排＝G连排（ ）=1238kw
需用过热蒸汽量G蒸汽
G蒸汽＝ =638.15 kg/h
由蒸汽喷射泵的特性曲线可知：u=17.4则 、出口压力Pg=0.6408Mpa接近设计值0.65Mpa。由热平衡方程式：
G连排 +G蒸汽 ＝G混和
得 ＝764.95 kJ/kg
tc= 161.38℃
xc= 0.04534
将喷射泵出口压力Pg=0.6408Mpa的湿蒸汽引入板式换热器，与集中空调系统内的水进行换热，达到冬季采暖的目的。传热过程如图4。
对数平均温差
KF＝ （F为板式换热器面积）
取K＝2500～3500 w/m2 ℃，则F＝22.6～16.1m2
回收放热后的连排水的校核：将在板式换热器中放热后的连排水（温度为55℃）作为工作流体，采用前面计算的水喷射泵引射循环冷却水（温度为20℃），使连排水温度最终降至10℃，压力为0.3Mpa进入循环冷却水的回水系统。
=21.247m3/h
引射系数：u=
由水喷射泵的特性曲线可知，当u=2.5时，水喷射泵的出口压力为0.282Mpa,可以顺利进入循环冷却水的回水系统。
3 回收利用的工艺流程
回收锅炉连排污水。夏季用来驱动溴化锂制冷机、冬季用来采暖，并将放热后的连排污水回收进循环冷却水系统。
图5 原则性工艺流程
夏季，运行供冷状况。阀门2、5、6、8、12c处于关闭状态，板式换热器停止工作。打开阀门1、3a/3b、4b、5a,5b、7a/7b、9a/9b、10a/10b、11a/11b、12a/12b、15、13，同时开启媒质泵及冷却水泵A、B，此时连排热水经蒸汽喷射器、阀门5a,5b、溴化锂吸收式制冷机发生器、阀门3a/3b、疏水器、回收喷射器完成放热过程，放热后的连排热水经阀门1被冷却水系统回收利用；冷却水经冷却水泵A/B、11a/11b、溴化锂吸收式制冷机的吸收器和冷凝器、阀门10a/10b、回收喷射器完成吸热过程；供冷冷水经冷水泵、阀门9a/9b、溴
化锂吸收式制冷机的吸收器及阀门7a/7b至分水器完成放热过程，此时打开各用户阀门即可向各用户供冷，供冷冷水最终回至集水器和膨胀水箱。
冬季，供暖运行状况。阀门3a/3b、13、5a/5b、7a/7b、9a/9b、10a/10b、11a/11b、12c处于关闭状态，溴化锂制冷机停止运行。打开阀门1、2、4a、5、6、8、12a/12b，同时开启媒质泵泵，此时连排水经喷射器、阀门5、板式换热器、阀门2、回收喷射器完成放热过程，放热后的连排热水经阀门1被送入冷却水系统回收利用；冷却水经阀门4、回收喷射器完成吸热过程，使经板式换热器放热后的连排水再次降温，而达到冷却水的入塔温度；供暖热水经媒质泵、阀门8、板式换热器及阀门6至分水器完成吸热过程，此时打开各用户阀门即可向各用户供暖，供暖热水最终回至集水器和膨胀水箱。
冷暖工况停运时，图中阀门12c、4开启，其余全部关闭，连排水经阀门14直接进入回收喷射器进入冷却水系统。此时只回收连排水的水量。
此外，阀门12用于控制通过喷射器加入连排热水的过热蒸汽的量。当系统停止使用时，系统各阀门处于关闭状态，各设备处于停止工作状态。
4 冷暖联供优化投资估算（按将连排水引入一台溴化锂制冷机计算）
包括：蒸汽喷射器、回收喷射器、板式换热器、疏水器 、管道施工费，合计不足10万元。
5 优化后经济效益预测（按将连排水引入一台溴化锂制冷机、标煤按280元/吨计算）
效益包括：夏季制冷减少溴化锂制冷机饱和蒸汽用量1.56t/h、冬季采暖减少过热蒸汽用量3t/h、回收连排污水热量、回收连排水量。夏季经济效益约110元/h；冬季经济效益约184元/h。按夏季运行3000小时、冬季运行3500小时计算，全年经济效益约100万元。改造后运行一个月即可回收改造的全部投资。
6 结论
这种冷暖联供的优化设计方式，改造工程量小，投资小，并且不影响制冷机的出力、又解决了回收连排水和制冷机凝结水的问题、杜绝了冬季采暖水箱的溢流问题、而且没有运行成本，可谓一举多得。对于热电厂有着普遍的意义。
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