Giới thiệu về thu hồi ngưng tụ

Giới thiệu lý do thu hồi và hồi lưu ngưng tụ, bao gồm chi phí năng lượng, chi phí nước, hạn chế nước thải và chi phí xử lý nước. Bao gồm các tính toán mẫu cho tiềm năng tiết kiệm

Giới thiệu về thu hồi ngưng tụ

Hơi nước thường được tạo ra vì một trong hai lý do:

• Để sản xuất điện, ví dụ trong nhà máy điện hoặc nhà máy đồng phát.
• Để cung cấp nhiệt cho hệ thống sưởi và hệ thống quá trình. Khi một kilogram hơi nước ngưng tụ hoàn toàn, một kilogram ngưng tụ được hình thành ở cùng áp suất và nhiệt độ (Hình 14.1.1). Một hệ thống hơi nước hiệu quả sẽ tái sử dụng ngưng tụ này. Không thu hồi và tái sử dụng ngưng tụ không có ý nghĩa về tài chính, kỹ thuật hoặc môi trường.

Hơi nước bão hòa được sử dụng để sưởi giải phóng nhiệt ẩn (entanpi bay hơi), chiếm tỷ trọng lớn trong tổng nhiệt mà nó chứa. Phần còn lại của nhiệt trong hơi nước được giữ lại trong ngưng tụ dưới dạng nhiệt cảm biến (entanpi nước) (Hình 14.1.2).

Ngoài việc có hàm lượng nhiệt, ngưng tụ về cơ bản là nước cất, rất lý tưởng để sử dụng làm nước cấp lò hơi. Một hệ thống hơi nước hiệu quả sẽ thu thập ngưng tụ này và hồi lưu nó đến bộ khử khí, bể cấp lò hơi, hoặc sử dụng nó trong quá trình khác. Chỉ khi có nguy cơ thực sự bị ô nhiễm thì ngưng tụ mới không được hồi lưu về lò hơi. Ngay cả khi đó, vẫn có thể thu thập ngưng tụ và sử dụng nó làm nước quá trình nóng hoặc đưa nó qua bộ trao đổi nhiệt nơi hàm lượng nhiệt có thể được thu hồi trước khi xả khối lượng nước ra ngoài.

Ngưng tụ được xả từ thiết bị hơi và thiết bị hơi nước thông qua bẫy hơi từ áp suất cao hơn đến áp suất thấp hơn. Kết quả của sự giảm áp suất này, một phần ngưng tụ sẽ bay hơi lại thành ‘hơi nước flash’. Tỷ lệ hơi nước sẽ ‘bốc hơi’ theo cách này được xác định bởi lượng nhiệt có thể được chứa trong hơi nước và ngưng tụ. Lượng hơi nước flash từ 10% đến 15% theo khối lượng là điển hình (xem Chương 2.2). Tuy nhiên, sự thay đổi thể tích phần trăm có thể đáng kể hơn nhiều. Ngưng tụ ở 7 bar g sẽ mất khoảng 13% khối lượng khi flash sang áp suất khí quyển, nhưng hơi nước được tạo ra sẽ yêu cầu không gian lớn hơn khoảng 200 lần so với ngưng tụ từ đó nó được hình thành. Điều này có thể có tác dụng làm nghẹt đường xả bẫy hơi có kích thước nhỏ, và phải được tính đến khi tính kích thước các đường này. Ví dụ 14.1.1 Tính toán lượng hơi nước flash từ ngưng tụ Ngưng tụ nóng ở 7 bar g có hàm lượng nhiệt khoảng 721 kJ/kg. Khi nó được giải phóng ở áp suất khí quyển (0 bar g), mỗi kilogram nước chỉ có thể giữ lại khoảng 419 kJ nhiệt. Năng lượng dư thừa trong mỗi kilogram ngưng tụ do đó là 721 - 419 = 302 kJ. Năng lượng dư thừa này có sẵn để bay hơi một phần ngưng tụ thành hơi nước, lượng bay hơi được xác định bởi tỷ lệ nhiệt dư thừa so với lượng nhiệt cần thiết để bay hơi nước ở áp suất thấp hơn, trong ví dụ này là entanpi bay hơi ở áp suất khí quyển, 2258 kJ/kg.

Chủ đề hơi nước flash được xem xét sâu hơn trong Chương 2.2, ‘Hơi nước là gì?’ Một biểu đồ đơn giản (Hình 14.1.3) được sử dụng trong chương này để tính tỷ lệ hơi nước flash. Ví dụ: Tỷ lệ hơi nước flash sử dụng Hình 14.1.3: Áp suất trên bẫy hơi = 4 bar g Áp suất hơi nước flash = 0 bar g % Hơi nước flash = 10% Lượng hơi nước flash trong ống là yếu tố quan trọng nhất khi tính kích thước đường xả bẫy hơi.

Hơi nước được tạo ra trong lò hơi bằng quá trình thêm nhiệt vào nước thường được gọi là hơi nước sống. Các thuật ngữ hơi nước sống và hơi nước flash chỉ được sử dụng để phân biệt nguồn gốc của chúng. Dù hơi nước được tạo ra trong lò hơi hay từ quá trình flash tự nhiên, nó có chính xác cùng tiềm năng giải phóng nhiệt, và mỗi loại được sử dụng thành công cho mục đích này. Hơi nước flash được tạo ra từ ngưng tụ có thể chứa tới một nửa tổng năng lượng của ngưng tụ. Một hệ thống hơi nước hiệu quả sẽ thu hồi và sử dụng hơi nước flash. Ngưng tụ và hơi nước flash bị xả ra ngoài có nghĩa là nhiều nước bổ sung hơn, nhiều nhiên liệu hơn, và chi phí vận hành tăng.

Chương này sẽ xem xét hai lĩnh vực thiết yếu - quản lý ngưng tụ và thu hồi hơi nước flash. Một số lĩnh vực vấn đề rõ ràng sẽ được nêu ra và các giải pháp thực tế được đề xuất. Lưu ý: Thuật ngữ ‘bẫy’ được sử dụng để chỉ thiết bị bẫy hơi, có thể là bẫy hơi, bơm-bẫy, hoặc sự kết hợp bơm và bẫy. Khả năng của bất kỳ bẫy nào để truyền ngưng tụ phụ thuộc vào sự chênh lệch áp suất qua nó, trong khi bơm bẫy hoặc sự kết hợp bơm-bẫy sẽ có thể truyền ngưng tụ bất kể sự khác biệt về áp suất hoạt động (theo định mức áp suất thiết kế).

Hồi lưu ngưng tụ

Một hệ thống thu hồi ngưng tụ hiệu quả, thu thập ngưng tụ nóng từ các thiết bị sử dụng hơi nước và hồi lưu nó về hệ thống cấp lò hơi, có thể hoàn vốn trong thời gian rất ngắn. Hình 14.1.4 cho thấy một mạch hơi nước và ngưng tụ đơn giản, với ngưng tụ hồi lưu về bể cấp lò hơi.

Tại sao hồi lưu ngưng tụ và tái sử dụng nó?

Lý do tài chính Ngưng tụ là một tài nguyên có giá trị và ngay cả việc thu hồi số lượng nhỏ thường có thể biện minh về mặt kinh tế. Xả từ một bẫy hơi đơn lẻ thường xứng đáng để thu hồi. Ngưng tụ không được thu hồi phải được thay thế trong phòng lò hơi bằng nước bổ sung lạnh với chi phí bổ sung cho xử lý nước và nhiên liệu để làm nóng nước từ nhiệt độ thấp hơn. Chi phí nước Bất kỳ ngưng tụ nào không được hồi lưu cần được thay thế bằng nước bổ sung, phát sinh thêm chi phí nước từ nhà cung cấp nước địa phương. Hạn chế nước thải Ví dụ tại Vương quốc Anh, nước trên 43°C không thể được hồi lưu vào cống công cộng theo luật định, vì nó có hại cho môi trường và có thể làm hỏng ống đất sét. Ngưng tụ trên nhiệt độ này phải được làm mát trước khi xả, điều này có thể phát sinh thêm chi phí năng lượng. Các hạn chế tương tự áp dụng ở hầu hết các quốc gia, và phí nước thải và tiền phạt có thể được áp đặt bởi nhà cung cấp nước cho việc không tuân thủ. Tối đa hóa công suất lò hơi Nước cấp lò hơi lạnh hơn sẽ giảm tốc độ tạo hơi của lò hơi. Nhiệt độ nước cấp càng thấp, càng nhiều nhiệt, và do đó nhiên liệu cần thiết để làm nóng nước, từ đó để lại ít nhiệt hơn để tạo hơi. Chất lượng nước cấp lò hơi Ngưng tụ là nước cất, chứa hầu như không có tổng chất rắn hòa tan (TDS). Lò hơi cần được xả để giảm nồng độ chất rắn hòa tan trong nước lò hơi. Hồi lưu nhiều ngưng tụ hơn về bể cấp sẽ giảm nhu cầu xả và do đó giảm năng lượng mất từ lò hơi. Tại sao hồi lưu ngưng tụ và tái sử dụng nó?

• Tóm tắt lý do thu hồi ngưng tụ:
• Chi phí nước được giảm.
• Chi phí nước thải và chi phí làm mát có thể được giảm.
• Chi phí nhiên liệu được giảm.
• Nhiều hơi hơn có thể được tạo ra từ lò hơi.
• Xả lò hơi được giảm - ít năng lượng mất từ lò hơi.
• Xử lý hóa chất nước bổ sung thô được giảm. Hình 14.1.5 so sánh lượng năng lượng trong một kilogram hơi nước và ngưng tụ ở cùng áp suất. Phần trăm năng lượng trong ngưng tụ so với trong hơi nước có thể thay đổi từ 18% ở 1 bar g đến 30% ở 14 bar g; rõ ràng ngưng tụ lỏng xứng đáng được thu hồi.

Ví dụ sau (Ví dụ 14.1.2) chứng minh giá trị tài chính của việc hồi lưu ngưng tụ. Ví dụ 14.1.2 Một lò hơi tạo ra: 10000 kg/h hơi nước 24 giờ/ngày, 7 ngày/tuần và 50 tuần/năm (8400 giờ/năm). Nước bổ sung thô ở 10°C. Hiện tại tất cả ngưng tụ bị xả ra ngoài ở 90°C. Nước thô có giá 0.61 bảng/m3, và chi phí nước thải là 0.45 bảng/m3 Lò hơi có hiệu suất 85%, và sử dụng gas ở thuế quan có thể ngắt được tính phí 0.01 bảng/kWh (2.77 bảng/GJ). Hơi nước được tạo ra trong lò hơi bằng quá trình thêm nhiệt vào nước thường được gọi là hơi nước sống. Các thuật ngữ hơi nước sống và hơi nước flash chỉ được sử dụng để phân biệt nguồn gốc của chúng. Dù hơi nước được tạo ra trong lò hơi hay từ quá trình flash tự nhiên, nó có chính xác cùng tiềm năng giải phóng nhiệt, và mỗi loại được sử dụng thành công cho mục đích này. Hơi nước flash được tạo ra từ ngưng tụ có thể chứa tới một nửa tổng năng lượng của ngưng tụ. Một hệ thống hơi nước hiệu quả sẽ thu hồi và sử dụng hơi nước flash. Ngưng tụ và hơi nước flash bị xả ra ngoài có nghĩa là nhiều nước bổ sung hơn, nhiều nhiên liệu hơn, và chi phí vận hành tăng. Chương này sẽ xem xét hai lĩnh vực thiết yếu - quản lý ngưng tụ và thu hồi hơi nước flash. Một số lĩnh vực vấn đề rõ ràng sẽ được nêu ra và các giải pháp thực tế được đề xuất. Lưu ý: Thuật ngữ ‘bẫy’ được sử dụng để chỉ thiết bị bẫy hơi, có thể là bẫy hơi, bơm-bẫy, hoặc sự kết hợp bơm và bẫy. Khả năng của bất kỳ bẫy nào để truyền ngưng tụ phụ thuộc vào sự chênh lệch áp suất qua nó, trong khi bơm bẫy hoặc sự kết hợp bơm-bẫy sẽ có thể truyền ngưng tụ bất kể sự khác biệt về áp suất hoạt động (theo định mức áp suất thiết kế). Hồi lưu ngưng tụ Một hệ thống thu hồi ngưng tụ hiệu quả, thu thập ngưng tụ nóng từ các thiết bị sử dụng hơi nước và hồi lưu nó về hệ thống cấp lò hơi, có thể hoàn vốn trong thời gian rất ngắn. Hình 14.1.4 cho thấy một mạch hơi nước và ngưng tụ đơn giản, với ngưng tụ hồi lưu về bể cấp lò hơi.

Xác định giá trị hàng năm của việc hồi lưu ngưng tụ

Phần 1 - Xác định chi phí nhiên liệu Mỗi kilogram ngưng tụ không được hồi lưu về bể cấp lò hơi phải được thay thế bằng 1 kg nước bổ sung lạnh (10°C) phải được làm nóng đến nhiệt độ ngưng tụ 90°C. (ΔT = 80°C). Tính toán nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ 1 kg nước bổ sung lạnh lên 80°C, bằng cách sử dụng Phương trình 2.1.4.

m là đơn vị; ΔT là sự khác biệt giữa nước bổ sung lạnh và nhiệt độ ngưng tụ hồi lưu; cp là nhiệt riêng của nước ở 4.19 kJ/kg °C. 1 kg x 4.19 kJ/kg °C x 80°C = 335 kJ/kg Dựa trên tính toán với tốc độ bay hơi trung bình 10000 kg/h, cho nhà máy hoạt động 8 400 h/năm, năng lượng cần thiết để thay thế nhiệt trong nước bổ sung là: 10 000 kg/h x 335 kJ/kg x 8 400 h/năm = 28 140 GJ/năm Nếu hiệu suất lò hơi trung bình là 85%, năng lượng cung cấp để làm nóng nước bổ sung là:

Với chi phí nhiên liệu 2.77 bảng/GJ, giá trị năng lượng trong ngưng tụ là:

Chi phí nhiên liệu hàng năm = 33 106 GJ/năm x 2.77 bảng/GJ = 91 704 bảng Phần 2 - Xác định chi phí nước Nước được bán theo thể tích, và mật độ nước ở nhiệt độ môi trường bình thường là khoảng 1000 kg/m3. Tổng lượng nước cần thiết trong một năm thay thế ngưng tụ không được hồi lưu do đó là:

Nếu chi phí nước là 0.61 bảng mỗi m³, chi phí nước hàng năm là:

Chi phí nước hàng năm = 84000 m3/năm x 0.61 bảng/m3 = 51 240 bảng Phần 3 - Xác định chi phí nước thải Ngưng tụ không được thu hồi sẽ phải bị xả ra ngoài, và cũng có thể bị tính phí bởi cơ quan cấp nước. Tổng lượng nước thải trong một năm cũng bằng 84000 m³ Nếu chi phí nước thải là 0.45 bảng mỗi m³, chi phí nước thải hàng năm là: Chi phí nước thải hàng năm = 84000 m3/năm x 0.45 bảng/m3 = 37 800 bảng Phần 4 - Tổng giá trị ngưng tụ Tổng giá trị hàng năm của 10 000 kg/h ngưng tụ mất ra ngoài được thể hiện trong Bảng 14.1.1:

Bảng 14.1.1 Giá trị tiềm năng của việc hồi lưu ngưng tụ trong Ví dụ 14.1.2

Trên cơ sở này, theo đó với mỗi 1% ngưng tụ được hồi lưu trên 10 000 kg/h bay hơi như trong Ví dụ 14.1.2, tiết kiệm 1% mỗi giá trị được thể hiện trong Bảng 14.1.1 sẽ là có thể. Ví dụ 14.1.3 Nếu quyết định đầu tư 50 000 bảng vào dự án để hồi lưu 80% ngưng tụ trong nhà máy tương tự như Ví dụ 14.1.2, nhưng nơi tổng tốc độ bay hơi chỉ là 5 000 kg/h, tiết kiệm và thời gian hoàn vốn đơn giản sẽ là:

Tính toán mẫu này không bao gồm giá trị tiết kiệm do kiểm soát TDS đúng và giảm xả, điều này sẽ tiếp tục giảm tổn thất nước và chi phí hóa chất lò hơi. Những điều này có thể khác nhau đáng kể từ địa điểm này sang địa điểm khác, nhưng luôn nên được xem xét trong phân tích cuối cùng. Rõ ràng, khi đánh giá quản lý ngưng tụ cho dự án cụ thể, những khoản tiết kiệm như vậy phải được xác định và bao gồm.

Kiểm soát TDS và xử lý nước đã được thảo luận trong Khối 3. Các quy trình được nêu trong Ví dụ 14.1.2 và 14.1.3 có thể được phát triển để hình thành cơ sở cho tính toán đường dẫn bắt buộc để gán giá trị tiền tệ cho các dự án nhằm cải thiện thu hồi ngưng tụ. Phương trình 14.1.1 có thể được sử dụng để tính tiết kiệm nhiên liệu mỗi năm:

Tiết kiệm chi phí nước có thể được xác định bằng Phương trình 14.1.2:

Tiết kiệm chi phí nước thải có thể được xác định bằng Phương trình 14.1.3:

Ví dụ 14.1.4 Một dự án quản lý ngưng tụ lớn trị giá 70 000 bảng dự kiến thu hồi thêm 35% ngưng tụ được tạo ra tại nhà máy. Tốc độ tạo hơi trung bình của lò hơi là 15000 kg/h, và nhà máy hoạt động 8000 h/năm. Nhiên liệu sử dụng là gas ở thuế quan cố định 0.011 bảng/kWh, và hiệu suất lò hơi ước tính là 80%. Nhiệt độ nước bổ sung là 10°C và đường hồi ngưng tụ được cách nhiệt đảm bảo rằng ngưng tụ sẽ quay về phòng lò hơi ở 95°C. Xem xét chi phí nước là 0.70 bảng/m3 và tổng chi phí nước thải là 0.45 bảng/m3. Xác định thời gian hoàn vốn cho dự án. Phần 1 - Xác định tiết kiệm nhiên liệu Sử dụng Phương trình 14.1.1:

Phần 2 - Xác định tiết kiệm nước và nước thải

Sử dụng Phương trình 14.1.2 để tính tiết kiệm chi phí nước/năm:

Phần 3 - Xác định thời gian hoàn vốn