步 彬
（河北大河邯鋼設(shè)計(jì)院有限公司，河北 邯鄲 056000）
摘 要：蒸汽作為鋼鐵企業(yè)的重要能源介質(zhì)，在冶金生產(chǎn)中具有廣泛的用途，廠區(qū)內(nèi)蒸汽管網(wǎng)排水點(diǎn)眾多，均為直接排放，其凝結(jié)水量和余熱量一直未能得到行業(yè)重視，不符合我國(guó)推行的節(jié)能低碳政策。因此，鋼鐵企業(yè)應(yīng)根據(jù)蒸汽系統(tǒng)工藝特點(diǎn)，分別設(shè)置蒸汽凝結(jié)水回收系統(tǒng)，提高蒸汽凝結(jié)水和余熱的回收率，以期改善噸鋼水耗和熱能成本。
關(guān)鍵詞：蒸汽；凝結(jié)水；回收
0 背景
在大型鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)中，蒸汽作為一種重要的能源介質(zhì)，被廣泛地應(yīng)用于物料加熱、濾料再生、工藝取暖和生活衛(wèi)生中，在廠區(qū)也會(huì)形成一個(gè)龐大的輸送網(wǎng)絡(luò)，并且擁有眾多的管網(wǎng)排水點(diǎn)[1]。一般來(lái)講，工藝換熱等設(shè)備用汽量相對(duì)較大，冷凝水量較多，回收效益較為明顯，企業(yè)關(guān)注度較高。相反，對(duì)于輸送管網(wǎng)而言，排水點(diǎn)雖然眾多，但是分布較為分散，單個(gè)排水點(diǎn)凝結(jié)水量少，回收相對(duì)困難，企業(yè)一般都會(huì)將其直接排入下水道。這樣的排放工藝，一方面會(huì)造成下水道冒汽，造成路面局部地段高溫；另一方面，企業(yè)會(huì)白白損失大量高品質(zhì)的純水和余熱能，不利于鋼鐵企業(yè)低碳生產(chǎn)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
1 蒸汽管網(wǎng)冷凝水回收
蒸汽冷凝水，作為蒸汽釋放能量后的另一種液體狀態(tài)的載體，其本身仍具有蒸汽熱能的20 %~30 %[2]，甚至某些設(shè)備能達(dá)到40 %[3，4]，由于鋼鐵企業(yè)用的蒸汽較為干凈，其冷凝水高于軟化水，近似于純水，是一種不可多得的工業(yè)水源。
根據(jù)工程熱力學(xué)原理，水具有的熱能計(jì)算公式如下：
Q—以零度為起點(diǎn)水具有的熱能，kJ。
cw—水的比熱，cw=4.18 kJ/(kg•℃)
△t—水的溫升，℃。
蒸汽具有的熱能計(jì)算公式如下：
Q—以零度為起點(diǎn)水具有的熱能，kJ。
cs—水的比熱，cs=1.84 kJ/(kg•℃)
△t—蒸汽的溫升，℃。
2500—每千克0℃水變成0℃的水蒸氣所具需要的汽化潛熱，kJ/kg。
由工程熱力學(xué)計(jì)算公式可以看出，蒸汽所具有熱能的最大一部分是潛熱，蒸汽狀態(tài)的顯熱只是占據(jù)了少量一部分，液體狀態(tài)下的顯熱明顯高于蒸汽的顯熱，所以凝結(jié)水回收的熱量所具有的效益仍然不可低估。
1.1 蒸汽冷凝水回收系統(tǒng)分類
蒸汽冷凝水回收系統(tǒng)按照其系統(tǒng)的封閉性，可以劃分為開(kāi)放式回收系統(tǒng)和閉路式回收系統(tǒng)[5]。
開(kāi)放式回收系統(tǒng)，蒸汽經(jīng)過(guò)換熱設(shè)備的排水器后，直接排入敞開(kāi)口的收集池內(nèi)，然后通過(guò)凝結(jié)水泵輸送到相應(yīng)的水系統(tǒng)內(nèi)。
圖1蒸汽凝結(jié)水開(kāi)放式回收系統(tǒng)示意圖
Fig.1 The schematic diagram of steam condensate open recovery system
閉路式回收系統(tǒng)，蒸汽經(jīng)過(guò)換熱設(shè)備的排水器后的管道，送至密閉的回收器皿中，當(dāng)壓力過(guò)高時(shí)會(huì)通過(guò)安全閥釋放。二次閃蒸產(chǎn)生的乏蒸汽被引送到低壓蒸汽用戶，高溫冷凝水則會(huì)被凝結(jié)水泵直接打入鍋爐除氧器等用戶點(diǎn)。
圖2蒸汽凝結(jié)水閉路式回收系統(tǒng)示意圖
Fig.2 The schematic diagram of steam condensate closed recovery system
另外，根據(jù)蒸汽冷凝水回收動(dòng)力不同，還可以分為重力回收系統(tǒng)、余壓回收系統(tǒng)和加壓回收系統(tǒng)[6]。
重力回收系統(tǒng)，利用管網(wǎng)地形的高度落差，依靠重力使冷凝水自行回流至收集池內(nèi)。
余壓回收系統(tǒng)，利用疏水器背壓，通過(guò)壓降使高溫冷凝水通過(guò)管道輸送至局部收集容器內(nèi)。
1.2 蒸汽冷凝水回收存在問(wèn)題
雖然蒸汽冷凝水回收方式眾多，但是在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)，均會(huì)存在一些問(wèn)題。
開(kāi)放式回收系統(tǒng)最為簡(jiǎn)單，不會(huì)影響到用汽設(shè)備原工藝參數(shù)設(shè)置，仍可使用舊疏水器，節(jié)省了一部分閥門投資。但是，因?yàn)楸凰椭脸ㄩ_(kāi)的收集池內(nèi)，與大氣接觸會(huì)污染水質(zhì)，另一方面由于壓力下降，凝結(jié)水會(huì)閃蒸出大量蒸汽，擴(kuò)散至附近環(huán)境中，造成了熱量損失。
閉路式回收系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要更換部分用汽設(shè)備的疏水器，對(duì)輸送管道的材質(zhì)要求較為嚴(yán)格，投入成本相對(duì)較高。但是，因?yàn)椴捎瞄]路循環(huán)的方式，避免了與外界接觸，凝結(jié)水的品質(zhì)相對(duì)較高，節(jié)省了后期再處理成本。另一方面，閉式回收系統(tǒng)可以利用更高溫度的凝結(jié)水和大量的余熱能，極大地提高了企業(yè)余熱回收利用率。
其次，輸送蒸汽的管道一般采用碳鋼材質(zhì)，由于高溫蒸汽腐蝕，凝結(jié)水中會(huì)含有大量鐵離子，甚至經(jīng)常會(huì)發(fā)生鐵銹堵塞疏水器，造成排水設(shè)施失靈，影響管網(wǎng)輸送蒸汽的品質(zhì)。蒸汽中含有少量不凝結(jié)氣體，其中尤其以CO2和O2危害最大，它不僅與熱水混合成弱酸加快設(shè)備腐蝕，還使得回收后的凝結(jié)水PH值偏低[7]，不符合鍋爐補(bǔ)水PH值在8~9的數(shù)值要求。下面是相關(guān)化學(xué)反應(yīng)[8]：
另外，凝結(jié)水管道還容易出現(xiàn)水擊現(xiàn)象[9]，這是由于高溫凝結(jié)水與管道中相對(duì)低溫水混合發(fā)生的物理反應(yīng)。高溫高壓的凝結(jié)水從蒸汽疏水閥排入低壓回收系統(tǒng)時(shí)，由于壓力降低凝結(jié)水汽化帶來(lái)閃蒸，放出的二次蒸汽不僅會(huì)對(duì)管網(wǎng)造成一定的沖擊，還會(huì)帶走一部分蒸發(fā)的潛熱，降低了凝結(jié)水的可利用焓值。
1.3 蒸汽冷凝水回收解決方法
開(kāi)放式回收系統(tǒng)會(huì)造成大量凝結(jié)水和熱能的損失，不符合國(guó)家關(guān)于工業(yè)余熱回收的政策，因此在工藝條件允許的前提下，應(yīng)盡量采取閉路式回收系統(tǒng)對(duì)蒸汽凝結(jié)水進(jìn)行再次利用。
（1）根據(jù)用汽設(shè)備疏水閥后壓力，劃分成不同壓力等級(jí)進(jìn)行回收，有利于降低凝結(jié)水閃蒸釋放率，提高回收凝結(jié)水的溫度，可以實(shí)現(xiàn)熱能最大回收利用率。
（2）根據(jù)工藝需要更換用汽設(shè)備的疏水閥，采用余壓回水方式應(yīng)盡量采用機(jī)械式疏水閥，不僅可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)疏水和排出不凝結(jié)氣體，還能適應(yīng)較大壓力變化，降低了漏汽率。
（3）輸送凝結(jié)水的管道不應(yīng)采用碳鋼管，可以采用耐高溫不銹鋼管道，以避免高溫弱酸性的凝結(jié)水對(duì)管道的腐蝕，同時(shí)也降低了后期除鐵離子的處理成本。
（4）回收的蒸汽凝結(jié)水PH值偏低，可以根據(jù)水質(zhì)化驗(yàn)情況，適當(dāng)通過(guò)添加氨氣等方式提高PH值，以期滿足鍋爐補(bǔ)給水的水質(zhì)指標(biāo)。
（5）對(duì)于凝結(jié)水中的鐵離子去除工藝，可以采用電磁吸附等更為環(huán)保的處理方式。
（6）回收系統(tǒng)中的水泵，應(yīng)盡量避免采用常規(guī)電泵，一方面會(huì)增加高溫設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，另一方面需要采購(gòu)防汽蝕前置設(shè)施，建議采用蒸汽或壓縮空氣作為驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力型水泵。
2 結(jié)論
根據(jù)1《蒸汽供熱系統(tǒng)凝結(jié)水回收及蒸汽疏水閥技術(shù)管理規(guī)定》，用汽設(shè)備所產(chǎn)生的凝結(jié)水回收率不得小于60%[10]。然而，目前鋼鐵企業(yè)只是將大型換熱設(shè)備產(chǎn)生的凝結(jié)水進(jìn)行了回收，對(duì)于蒸汽輸送管網(wǎng)疏水器排出的凝結(jié)水則直接排放掉，可使這部分疏水量占據(jù)著整個(gè)蒸汽系統(tǒng)熱能的5%~10%，所以冶金行業(yè)應(yīng)加快蒸汽凝結(jié)水回收系統(tǒng)的研發(fā)，提高鋼鐵企業(yè)二次能源回收再利用率，同時(shí)還能有效地減弱鋼鐵企業(yè)周邊的城市熱島效應(yīng)（Urban Heat Island effect，簡(jiǎn)稱UHI）[11]，以期實(shí)現(xiàn)綠色低碳化生產(chǎn)模式。
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