CN104696938A - 基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***，其低压闪蒸罐将中压冷凝废水闪蒸为低压闪蒸蒸汽，高压闪蒸罐将高温高压含盐废水进行闪发，产生高压闪蒸蒸汽，离心式压缩机接收低压闪蒸蒸汽，并与其它低压蒸汽一同进行绝热压缩，生成中压饱和蒸汽，蒸汽再热器将超出该离心式压缩机额定流量的多余低压蒸汽进行加热，喷嘴可调式蒸汽喷射泵将高压闪蒸蒸汽作为动力蒸汽以引射加热后的多余低压蒸汽，生成中压饱和蒸汽。该基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***不仅实现了不同品位废热的优化梯级利用，而且对于用户负荷变动适应性较好。

Description

基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***

技术领域

本发明涉及热工领域，特别是涉及到一种基于低压蒸汽和中压冷凝水以及高温高压含盐废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***。

背景技术

目前很多工业诸如原油开采、炼油化工、纺织印染、生物制药、食品加工以及热电供暖等都需要大量不同品位的蒸汽，以满足加热、蒸馏、干燥及浓缩等工艺需求。而这些蒸汽用户同时又会产生大量的低参数蒸汽和高温高压凝结水，诸如汽轮机膨胀做功后排出的低压乏汽、负压闪蒸或节流减压产生的低压蒸汽、浓缩液加热后产生的蒸汽以及高压蒸汽换热后产生的冷凝水，该部分废汽和废水富含大量的热能资源，如果直接排放到大气中或地面及地下水体中，不仅造成热能和水资源浪费，甚至会产生严重的环境污染。目前仅工业锅炉每年就消耗5亿吨左右的原煤用于生产蒸汽，其中1/5的蒸汽潜热和废水显热未经利用而被直接排放，因此有必要将这些余热资源加以回收，以期提高能量利用率，减少能源消耗和环境污染，并带来良好的社会、经济效益。

低压废蒸汽直接利用一般难以找到相匹配的低品位热用户，又无法满足高品位热用户工业生产工况需求。而高温高压废水若直接用于加热，由于利用的是其显热，不仅投资高、占地大、能耗多，而且对于含有空气的蒸汽来说换热效果并不理想，并且造成极大的作功能力的浪费，在热力学上不符合能量利用最大化原则。基于热泵原理的压缩法是一种行之有效的蒸汽能量品位升级方法。以机械压缩热泵为例，该设备通过压缩的形式消耗机械能或电能，并将能量传递给低压蒸汽从而产生高温高压蒸汽，本质上是投入小部分高位能量提升低压蒸汽品位，从而供给中压热用户，以便使用其潜热。它可将属于低温范围的环境热量及工业上无法直接利用的余热转变为有用的能量，并提供给室内供暖或某些工艺过程，但由于机械压缩式热泵耗费的是高品位的机械能，未能充分利用高温高压废水的做功能力。因此必需考虑一种既能实现低压蒸汽增压升温，又能有效利用高品位废水热能，减少电能消耗的蒸汽压缩梯级用能方案。为此我们发明了一种新的基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***，解决了以上技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于低压蒸汽回收和中压冷凝水及高温高压含盐废水梯级利用技术的机械热力复合式蒸汽压缩***，最终在中高压废水热能充分利用的基础上实现低压蒸汽高效、低电耗、低成本回收升级，并返回热用户进行循环利用。

本发明的上述目的可通过如下技术措施来实现：基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***，该***包括低压闪蒸罐、高压闪蒸罐、喷嘴可调式蒸汽喷射泵、离心式压缩机和蒸汽再热器，该低压闪蒸罐接收中压冷凝废水，并将中压冷凝废水闪蒸为低压闪蒸蒸汽，该高压闪蒸罐接收高温高压含盐废水，并将高温高压含盐废水进行闪发，产生高压闪蒸蒸汽，该离心式压缩机连接于低压闪蒸罐，接收低压闪蒸蒸汽，并与其它低压蒸汽一同进行绝热压缩，生成中压饱和蒸汽，该蒸汽再热器连接于该离心式压缩机的出口处，并将超出该离心式压缩机额定流量的多余低压蒸汽进行加热，该喷嘴可调式蒸汽喷射泵的引射端连接于该蒸汽再热器以接收加热后的多余低压蒸汽，该喷嘴可调式蒸汽喷射泵的入口端连接于该高压闪蒸罐，以接收高压闪蒸蒸汽，该喷嘴可调式蒸汽喷射泵将高压闪蒸蒸汽作为动力蒸汽以引射加热后的多余低压蒸汽，生成中压饱和蒸汽。

本发明的上述目的还可通过如下技术措施来实现：

本发明不仅实现了不同品位废热的优化梯级利用，而且对于用户负荷变动适应性较好，由于压缩机处于额定工况，始终保持高效工作状态，节省了非额定工况运转所造成的多余功耗，同时利用高温高压余热资源来进行压缩，节省了高品位电能的消耗，由于充分利用了低压蒸汽的潜热和高压废水的内能，极大地提高了热能利用率，减少了工艺***总体热耗，降低了能耗成本。本发明可以广泛用于蒸汽加热、压缩及相关工业领域。

附图说明

图1为本发明的基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***的一具体实施案例的结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施案例1，并配合所附图式，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本发明的基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***的结构图。该基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***由低压闪蒸罐1、高压闪蒸罐2、喷嘴可调式蒸汽喷射泵3、离心式压缩机4、蒸汽再热器5和低压闪蒸罐加热器6以及凝结水泵7组成。

低压闪蒸罐1接收中压热用户产生的中压冷凝废水，并将中压冷凝废水闪蒸为低压闪蒸蒸汽，保证所产生的低压闪蒸蒸汽与低压废蒸汽压力相同，以便后续回收利用。为了增加中压冷凝水的闪蒸率，在闪蒸罐内安装低压闪蒸罐加热器6以提供更多的潜热用于闪发，闪蒸后剩余的低压冷凝水则作为锅炉给水水源、离心式压缩机4以及喷嘴可调式蒸汽喷射泵3的减温水水源。具体说来，凝结水泵7连接于低压闪蒸罐1，并将闪蒸后剩余的低压冷凝水升压后分成三股，其中一股送入锅炉作为锅炉给水，一股通入离心压缩机4的入口喷嘴提前对蒸汽进行加湿保证出口为饱和蒸汽，另一股则连接到喷嘴可调式蒸汽喷射泵3的出口端，对压缩后的过热蒸汽进行加湿减温，使其达到饱和状态。

高压闪蒸罐2接收由锅炉***来的高温高压含盐废水，并将高温高压含盐废水进行闪发，通过喷淋雾化的形式减温减压，产生的高压闪蒸蒸汽则作喷嘴可调式蒸汽喷射泵3的动力蒸汽用于引射低压蒸汽，也就是对低压蒸汽进行卷吸和压缩。高温高压含盐废水闪蒸后的冷凝水分成两股，其中一股通入低压蒸汽再热器5用以加热卷吸蒸汽以提高蒸汽喷射泵的引射系数，另一股通入低压闪蒸罐加热器6作为热源加热低压凝水从而增加低压闪蒸罐内液体的蒸发率，经过低压蒸汽再热器5换热之后的闪蒸凝水再引入含盐污水回收***以便脱盐回收再利用。

离心式压缩机4连接于低压闪蒸罐1，接收低压闪蒸罐1闪蒸的低压闪蒸蒸汽，并与其它低压蒸汽一同进行绝热压缩，生成中压饱和蒸汽。由于干饱和蒸汽绝热压缩后为过热蒸汽，不利于换热。为了防止出口蒸汽过热而影响后续流程使用，在离心式压缩机4入口处安装雾化喷嘴喷入饱和水，事先增加进口蒸汽的湿度，以降低过热蒸汽温度使蒸汽达到饱和，保证压缩机在额定工况下运行。具体说来，将低压闪蒸后的冷凝水通过凝结水泵7升压后喷入离心式压缩机4的入口喷嘴，将干饱和汽变为湿饱和蒸汽，然后通过离心式压缩机4绝热压缩的方式将能量传递给加湿后的低压蒸汽，最终出口为中压饱和蒸汽。整个压缩过程即保证了压缩终点为饱和蒸汽，又能使压缩过程始终维持一个较低的温度水平不至于因过热而导致温度升高过大而损坏叶片。

喷嘴可调式蒸汽喷射泵3通过引射端耦接于离心式压缩机4，接收超过离心式压缩机4额定流量的多余低压蒸汽，并将低压蒸汽进行热力压缩。在一实施例中，对于超出离心式压缩机4额定流量的富余低压蒸汽则引入到喷嘴可调式蒸汽喷射泵3引射端，先由连接于离心式压缩机4出口处的蒸汽再热器5对其进行加热使得低压蒸汽过热，以减小蒸汽比容，提高蒸汽焓值，提高喷射泵引射系数，进而降低压缩单位低压蒸汽所消耗的高压闪蒸蒸汽用量。喷嘴可调式蒸汽喷射泵3的入口端连接于高压闪蒸罐2，以接收高压闪蒸蒸汽，并经过内部的拉法尔喷管使蒸汽流速提高，压力降减小并低于被引射的低压蒸汽压力，从而产生一定的抽吸力。将再热后的低压过热蒸汽从喷嘴可调式蒸汽喷射泵3的卷吸口导入，低压蒸汽被抽吸进入喷嘴可调式蒸汽喷射泵3后在混合室与主蒸汽混合均匀后再经过喷嘴可调式蒸汽喷射泵3中的扩压管升压达到热用户所需要的中等压力。

在一实施例中，对于喷嘴可调式蒸汽喷射泵3，由于引射压缩后的蒸汽为过热蒸汽，不宜直接用于加热，故在喷嘴可调式蒸汽喷射泵3出口管道上安装喷嘴并直接引入升压后的低压冷凝水对该股过热蒸汽进行喷水减温，冷凝水吸收过热蒸汽的显热，本身得到气化，实现冷凝水循环再利用。而过热蒸汽由于释放显热并降温变为同等压力下的饱和蒸汽，便于后续热用户充分利用使用其潜热，提高了整体热利用率。将离心式压缩机4和喷嘴可调式蒸汽喷射泵3所产生的中压饱和蒸汽汇集之后即可送入中压蒸汽热用户以供使用。

基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***，该基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***包括高、中压废水闪蒸、低压蒸汽机械压缩、饱和蒸汽再热、蒸汽喷射泵热力压缩、饱和蒸汽加湿、过热蒸汽减温以及压缩蒸汽循环利用等工艺过程，该基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***主要通过升温增压加湿减温等热力学过程以回收低压废蒸汽潜热和中、高压废水热能。

下面对于一些特殊工况加以说明：

（1）无高压废水工况：当现场只有中压冷凝水和低压废水时，全部低压蒸汽引入离心式压缩机4以提高品位循环再利用；

（2）无低压废汽工况：当现场没有低压废汽时，将高温高压废水闪蒸到用户匹配压力后闪蒸蒸汽通过喷嘴可调式蒸汽喷射泵3旁路供给热用户；

（3）高压废水富裕工况：当现场有大量富余的高温高压废水时，压缩任务可完全由喷嘴可调式蒸汽喷射泵3来完成，即所有低压蒸汽全部通入喷嘴可调式蒸汽喷射泵3引射端进行热力压缩；

（4）低压蒸汽富裕工况：此时低压蒸汽分为两股，压缩任务主要由离心式压缩机4完成，喷嘴可调式蒸汽喷射泵3作为辅助压缩***，由高压闪蒸蒸汽作为动力完成另一部分蒸汽的压缩任务，即离心式压缩机4和喷嘴可调式蒸汽喷射泵3并联运行方式；

（5）用汽压力变化工况：当热用户蒸汽压力需求波动变化大时，若超出离心式压缩机4的压力范围对蒸汽进行压缩，不仅出口参数不达标，而且会增加单位蒸汽压缩能耗。此时应首先保证离心式压缩机4在额定的工况下运行，并将离心式压缩机4出口蒸汽直接引入到喷嘴可调式蒸汽喷射泵3的引射入口，改变喷嘴可调式蒸汽喷射泵3的喷嘴结构参数用以匹配压缩机出口蒸汽压力，由喷嘴可调式蒸汽喷射泵3完成后续的压缩工作，从而保证低压蒸汽达到指定压力时***回收能耗最低，此即为离心式压缩机4和喷嘴可调式蒸汽喷射泵3串联运行方式；

（6）不同压力同时用汽工况：当存在两种及两种以上用汽压力需求时，可以采用两台或多台喷射泵装置，根据需求调整旁路、并联及串联结构，并保证整个蒸汽压缩***内在结构合理、自动调节完善、装置相互优化匹配，使高压闪蒸汽尽可能地回收更多低压余汽，从而达到压缩***的整体优化、节能最大化、供汽合理化、工艺用汽最优化。

最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明的技术方案并不限于上述实施例1，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

在应用本发明的一具体实施例中，某联合站场建有一污水处理***。该***有一蒸发器，实际运行时需要流量为5t/h、压力为0.15MPa的干饱和蒸汽作为工艺热源，同时该***会产生压力为0.1MPa的干饱和蒸汽。该***备有一压比1.5，处理量5t/h的离心式蒸汽压缩机，额定工况耗电185kW。设备现场附近有一高干度汽水分离器，额定工况下将23t/h压力为14.2Mpa，干度为0.75的湿蒸汽分离出水后产生12t/h的高温分离废水。依据现有条件设计余热利用工艺，并计算节电量。

为了解决上述问题，首先按照图1确定余热回收和蒸汽压缩工艺。其次确定高压废水最佳闪蒸压力。考虑到高温高压闪蒸汽作为喷射泵的动力蒸汽，其利用率越高，节电量越明显。对于喷射泵其主要工作参数为：工作蒸汽压力待定，卷吸蒸汽为0.1MPa干饱和蒸汽，出口为0.15Mpa过热蒸汽，考虑到闪蒸压力越大，闪蒸率越低，动力蒸汽量越少。与此同时，闪蒸压力越大，引射系数越大。表1展示了不同闪蒸压力下的高压废水的闪蒸率和高压水闪蒸汽的引射系数，由此可确定最佳闪蒸压力为2MPa。

表 1 不同闪蒸压力下的吨水引射系数计算结果

闪蒸压力/MPa	0.2	0.6	1.0	2.0	4.0	6.0	8.0
								闪蒸率	0.49	0.44	0.41	0.36	0.29	0.23	0.18
引射系数	0.20	0.94	1.18	1.40	1.41	1.25	0.97
								综合引射系数	0.098	0.414	0.484	0.504	0.409	0.359	0.175

如果单纯使用离心压缩机进行压缩，则压缩吨汽耗电为Wm=185/5=35 kWh；

回收高温高压废水压缩蒸汽量为：23*(1-0.75)*0.504=3.025 t/h

则高温高压废水节电量为：3.025*35=105.875 kWh

即采用高温高压废水进行低压蒸汽压缩可以节省105.875 kWh的电量。

Claims (6)

1.基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***，其特征在于，该***包括低压闪蒸罐、高压闪蒸罐、喷嘴可调式蒸汽喷射泵、离心式压缩机和蒸汽再热器，该低压闪蒸罐接收中压冷凝废水，并将中压冷凝废水闪蒸为低压闪蒸蒸汽，该高压闪蒸罐接收高温高压含盐废水，并将高温高压含盐废水进行闪发，产生高压闪蒸蒸汽，该离心式压缩机连接于低压闪蒸罐，接收低压闪蒸蒸汽，并与其它低压蒸汽一同进行绝热压缩，生成中压饱和蒸汽，该蒸汽再热器连接于该离心式压缩机的出口处，并将超出该离心式压缩机额定流量的多余低压蒸汽进行加热，该喷嘴可调式蒸汽喷射泵的引射端连接于该蒸汽再热器以接收加热后的多余低压蒸汽，该喷嘴可调式蒸汽喷射泵的入口端连接于该高压闪蒸罐，以接收高压闪蒸蒸汽，该喷嘴可调式蒸汽喷射泵将高压闪蒸蒸汽作为动力蒸汽以引射加热后的多余低压蒸汽，生成中压饱和蒸汽。

2.根据权利要求1所述的基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***，其特征在于，该***还包括凝结水泵，该凝结水泵连接于该低压闪蒸罐，并将闪蒸后剩余的低压冷凝水升压后分成三股，其中一股送入锅炉作为锅炉给水，一股通入该离心压缩机的入口喷嘴对低压闪蒸蒸汽进行加湿保证出口为饱和蒸汽，另一股则连接到该喷嘴可调式蒸汽喷射泵的出口端，进行加湿减温，使引射后的多余低压蒸汽达到饱和状态，生成中压饱和蒸汽。

3.根据权利要求1所述的基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***，其特征在于，该***还包括低压闪蒸罐加热器，该低压闪蒸罐加热器安装在该低压闪蒸罐中，以提供更多的潜热用于闪发。

4.根据权利要求3所述的基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***，其特征在于，该高压闪蒸罐中的高温高压含盐废水闪蒸后的高压冷凝水分成两股，其中一股通入该低压蒸汽再热器用以加热超出该离心式压缩机额定流量的多余低压蒸汽以提高蒸汽喷射泵的引射系数，另一股通入该低压闪蒸罐加热器作为热源加热低压冷凝水从而增加该低压闪蒸罐内液体的蒸发率。

5.根据权利要求4所述的基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***，其特征在于，将经过该低压蒸汽再热器换热之后的高压冷凝水引入含盐污水回收***以便脱盐回收再利用。

6.根据权利要求1所述的基于废水综合利用的机械热力复合式蒸汽压缩***，其特征在于，该喷嘴可调式蒸汽喷射泵的内部包括拉法尔喷管和扩压管，该拉法尔喷管使蒸汽流速提高，压力降减小并低于被引射的加热后的多余低压蒸汽，从而产生一定的抽吸力，将加热后的多余低压蒸汽从该喷嘴可调式蒸汽喷射泵的卷吸口导入，加热后的多余低压蒸汽被抽吸进入该喷嘴可调式蒸汽喷射泵后在混合室与主蒸汽混合均匀后再经过该扩压管升压生成中压饱和蒸汽。