蒸汽喷射器废热资源化技术及其在工业节能中的应用(1)

一、目前供热系统状况及存在的问题

1. 目前供热系统状况

目前，在工业生产中，普遍采用阀门进行节流减压，将高压（高品位）蒸汽节流减压至生产所需压力（低品位）后，向工业生产中的用热部位供汽。换热设备换热后的蒸汽冷凝水通过疏水系统排水，蒸汽冷凝水系统产生的二次蒸发气及疏水系统产生的泄漏蒸汽对空排放或进行简单的热回收。

2. 常规热力系统存在的问题

常规的阀门节流减压造成了能量的无效贬值，使高品位（压力）的蒸汽在没有对外做功的情况下转化为低品位（压力）的蒸汽，这属于用能质量上的浪费。供热系统产生的二次蒸发气（或副产蒸汽）以及疏水系统产生的泄漏蒸汽，通常直接对空排放，或者没有进行合理的回收利用，这属于用能数量上的浪费。 字串7

常规的阀门节流减压供热系统从用能质量和用能数量上，都存在着用能不合理和不能综合利用能量的问题。同时在工业生产中，冷凝水的排放主要是依靠蒸汽冷凝后造成的压力差为排放动力，由于排水压差通常不大，经常造成换热设备积存冷凝水，导致换热设备换热效率下降，也造成影响设备的生产能力的问题。

二、蒸汽喷射器废热资源化技术概述

蒸汽喷射器废热资源化技术，利用热平衡、火用平衡和能级平衡理论，主要研究在工业生产中，利用新型的蒸汽喷射器供热系统替代常规的阀门节流减压供热系统，使蒸汽中的能量在品位和数量上都能够得到充分合理的使用。 字串9

利用蒸汽喷射器对高品位蒸汽进行引射式减压替代传统的阀门节流减压，向热力系统提供所需要品位和数量的蒸汽，即可以实现蒸汽无损耗减压，又可以利用高品位蒸汽减压前后的压力差为动力，回收工业废热蒸汽（或冷凝水系统产生的二次蒸发汽或副产低品位蒸汽）并回用到工业生产，从而实现热力系统用汽数量上和质量上的平衡，达到优化工业生产用热网络，实现能源梯级利用、实现废热资源化，提高能源利用率、降低单位产品能耗、节约能源、保护自然环境的目的。 字串8

蒸汽喷射器是一种没有运转部件和不需要额外能量输入的热力压缩机，它以工作蒸汽节流减压前后的能量差为动力，提高低品位废热蒸汽（或冷凝水系统产生的二次蒸发汽或副产蒸汽）压力后再供生产使用，是一种高效节能设备。其结构与原理详见后续论述。 字串3

三、能量的品位及节流减压过程中的能量损失

1. 能量的品位

能量是物质的基本特性参数，它表示物质所具有的做功能力，热力学第一定律指出不同形式的能量可以相互转换，在转换的过程中数量守恒。热力学第二定律指出能量除了有数量上的多少外，还有品位的高低，不同品位的能量转变为功的能力不同。物质的总能量中，可用能所占的比例代表了能量的品质，能量中可转变为技术功的部分称为火用（Exergic）。 字串8

火用表示热力系中的物质在任意状态下，相对于环境零态（dead state）所具有的最大做功能力。火用是衡量蒸汽品位和蒸汽对外作功能力的重要参数，对于开口系统而言，物质所具有的比火用为：

e = h – h₀ –T₀（s – s₀）

火用即可以表示能量的数量，又可以表示能量的品位及能量的可利用程度，火用的单位与焓的单位相同。 

2. 节流减压过程中的能量损失 字串4

蒸汽截流减压通常是利用阀门的阻力特性，控制阀后蒸汽压力，达到蒸汽减压的目的。这种减压方式，是对外界不作功的等焓熵增过程，是典型的不可逆过程。蒸汽在截流减压过程中，由于摩擦、涡流等，使大量有规则热运动的分子转变为无序运动，产生耗散功，导致在没有对外作功的情况下产生熵的增加，降低了蒸汽对外作功的能力，致使蒸汽产生了无形的能量损失。

假定蒸汽在绝热状态下进行截流减压，则流入系统1kg流体稳定流动的能量方程为： 字串4

q = h₂ – h₁ + （C₂² – C₁²）/2 + g（Z₂ – Z₁）+ W_sh 字串4

由于是绝热截流减压过程，所以热流q = 0 ；截流前后适当距离处的截面流速基本不变，并且蒸汽动能与焓值相比甚小，所以速度方差可忽略，即（C₂²-C₁²）= 0；高度没有显著变化，所以（Z₂ – Z₁）= 0。由此得出蒸汽截流减压前后的焓值相等，即蒸汽截流减压过程的能量方程式： 字串5

h₂ = h₁ 字串1

蒸汽节流减压前后的焓值相等，从热力学第一定律来看，反映不出能量的损失。但是，熵的增加反映了在孤立系统中，能量产生了质变，可以转变为可用功的能力减少了，即产生了火用损失，无疑这是能量的无效贬值和浪费。蒸汽节流减压前后的火用损失可以表示为：

e_x1 – e_x2 = T₀（S₂ – S₁）

以下面实例1，将P₁ = 0.80MPa，t₁ = 210℃ 的蒸汽节流减压到P₂ = 0.20MPa，来说明蒸汽节流减压过程中的火用损失。

通过计算P₁ = 0.80MPa，t₁ = 210℃ 的蒸汽的火用值为864.57KJ/Kg，P₂ = 0.20MPa，t₂ = 196℃ 的蒸汽的火用值为721.53KJ/Kg，蒸汽的火用损失为143.04 KJ/Kg，占减压前蒸汽总可用能的16.55%。可见节流减压这种减压方式，在无形中造成了比较大的能量损失。 字串6

3. 替代节流减压回收节流减压能量损失的方法

常规的蒸汽减压方式有三种，阀门节流减压、回转式减压、引射式减压。其中阀门节流减压是典型的不可逆过程，属于能量损失最大的减压方式。

回转式减压，是采用汽轮机拖动发电机组，实现热电联产或者拖动工艺生产中的旋转设备，来对外作功实现蒸汽减压的方式。高参数的蒸汽进入汽轮机，由于蒸汽拖动发电机组对外作功产生电能，或者拖动工艺设备转化为机械功，形成蒸汽减压，减压后的蒸汽进入热力管网供给热用户使用。这种减压方式将减压的压力损失转化为电能或机械能输出，避免了节流减压的节流损失，但由于工业汽轮机不能普遍的应用于热力系统中，它受到流量、压力等级匹配等具体条件的限制，致使这种减压方式不能广泛的应用于工业企业生产过程中。另外，更为重要的是采用回转式减压方式，无法对产生的低品废热蒸汽进行回收利用。

引射式减压，是利用蒸汽喷射器组成引射式减压系统，将蒸汽喷射器作为引射减压设备，利用蒸汽减压前后的能量差为动力，提升低品位蒸汽的火用值，将高品位蒸汽和低品位蒸汽在蒸汽喷射器内部进行速度均衡和能量均衡，扩压后进入热力管网供热用户使用。采用蒸汽喷射器引射式减压系统，可以避免蒸汽节流减压过程中产生的火用值损失，同时利用蒸汽减压前后的能量差作为动力，提升低品位蒸汽的压力等级，在避免蒸汽减压损失的同时，实现对低品位蒸汽的回收利用，实现对能量从数量和质量上都进行充分和合理的使用。

四、蒸汽喷射器供热系统的基本流程

1. 喷射器工作机理

蒸汽喷射器由喷嘴、接受室、混合室和扩压室共四个部分组成，高品位蒸汽称为工作蒸汽P_P，低品位蒸汽称为引射蒸汽P_H，混合后的蒸汽称为压缩蒸汽P_C。

工作蒸汽在喷嘴内，由于流通截面逐渐变小，工作蒸汽流速逐渐增加，蒸汽的压力势能逐渐转化为动能，压力逐渐降低。当工作蒸汽通过喷嘴后，在喷嘴出口达到极高的速度（超音速），大部分压力势能转化为动能，使蒸汽压力降低到引射蒸汽压力以下，形成局部相对负压，将引射蒸汽抽吸到接受室。两股共轴流体在混合室内进行充分混合和速度与能量均衡，在混合室的出口截面，建立起均匀的速度场和能量场，形成稳定均一的高速度蒸汽流，蒸汽流进入扩压室后，随着流通截面面积的逐渐扩大，蒸汽流速逐渐降低，蒸汽动能逐渐转化为势能，压力逐渐得到恢复，当达到扩压室末端时，压力得到完全恢复，达到工艺所要求的压力，供工业生产中的换热设备使用。

在蒸汽喷射器工作的过程中，工作流体进行的是降压增熵过程，引射蒸汽进行的是增压升火用过程。根据质量守恒定律，压缩蒸汽的质量等于工作蒸汽和引射蒸汽质量的和，即： 字串5

G_C = G_P + G_H 字串8

工作蒸汽对引射蒸汽的引射能力用引射系数u表示，

u = G_H / G_P 字串4

蒸汽喷射器的引射系数越大，说明工作蒸汽回收引射蒸汽的能力越强，说明蒸汽能量从质量上的利用越充分。

2. 蒸汽喷射器供热系统的基本流程

基本的蒸汽喷射器供热系统由蒸汽喷射器、高效扩容闪蒸罐、压差疏水器、换热器、自动控制系统等组成。以下以典型实例2详细说明。 字串5

某石油化工企业硫铵车间的蒸发工序，采用单效减压蒸发，以己内酰胺生产的副产硫铵母液为原料，将硫铵母液浓度由30-33%蒸发浓缩到70%，经过蒸发、结晶、搅拌、离心分离和干燥等工序，得到颗粒状固体硫铵化肥产品。产品能源消耗中，蒸汽占95%，电力占3.9%，可见对蒸汽进行合理和充分的利用，是实现节能降耗的根本所在。

蒸发工序中，外来蒸汽参数为P₁ = 0.88MPa，t₁ = 240℃，原来采用阀门节流减压方式进行减压，将蒸汽压力减压到P₂ = 0.24MPa，供生产使用。蒸汽节流减压造成很大的能量无效贬值，形成用能质量上的巨大浪费。同时，工序中疏水系统产生大量的低品位废热蒸汽，排放到环境当中，形成了用能数量上的浪费和对环境的污染。采用阀门节流减压，由于阀门内部产生的涡流和摩擦，形成了很大的噪声，达到104分贝，严重恶化了生产环境。 通过采用如下工艺流程，对该蒸发工序进行供热系统改造