制藥企業(yè)蒸汽冷凝水回收方案的選擇

汪浩

（中建安裝工程有限公司石化工程設(shè)計院醫(yī)藥事業(yè)部，南京 210049）

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制藥企業(yè)蒸汽冷凝水回收方案的選擇

汪浩

（中建安裝工程有限公司石化工程設(shè)計院醫(yī)藥事業(yè)部，南京 210049）

摘 要對蒸汽冷凝水的回收系統(tǒng)的特點進行了相關(guān)分析，并針對制藥行業(yè)的特點，提出了企業(yè)可行的既節(jié)能環(huán)保，又具備投資經(jīng)濟性的蒸汽冷凝水回收建議。

關(guān)鍵詞蒸汽冷凝水；回收系統(tǒng)分類；蒸汽噴射壓縮器；疏水閥

蒸汽作為一種最為常用的加熱介質(zhì)，毫無疑問在工業(yè)生產(chǎn)中具有非常重要的作用。蒸汽換熱后產(chǎn)生的冷凝水含有大量可利用的熱量（一般來說，占蒸汽總熱量的20 %～30 %）。如何合理有效地利用這部分熱量，對于企業(yè)的節(jié)能增效具有重要的意義，有數(shù)據(jù)表明，冷凝水回收率每提高10 %，則系統(tǒng)熱效率提高1.5 %左右。

目前，冷凝水的回收大致分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)兩類[1]，前者指凝結(jié)水箱與大氣相通或系統(tǒng)中的某些點處于大氣壓力或真空狀態(tài)下，后者指凝結(jié)水箱不與大氣相通且凝結(jié)水回收系統(tǒng)的各點處于正壓狀態(tài)下。以下分別對兩種系統(tǒng)（特別是后者）做個介紹。

1 開式系統(tǒng)

開式系統(tǒng)比較常用的是開式背壓冷凝水回收系統(tǒng)，用汽設(shè)備（蒸汽壓力大于0.1 MPa，一般為0.3～0.6 MPa）換熱后的凝結(jié)水經(jīng)疏水閥，依靠背壓送至凝水箱。在凝結(jié)水的回收過程中，回收管路的一端是向大氣敞開的，通常是凝結(jié)水的集水箱敞開于大氣，凝結(jié)水在集水箱里蒸發(fā)并卸掉過高的壓力，從而變成穩(wěn)定的高位能的冷凝水。此回收系統(tǒng)對上游蒸汽加熱裝置的影響小，系統(tǒng)簡單，操作和控制也很方便。但由于水箱為開式，會產(chǎn)生閃蒸汽直接排入大氣，這部分的熱量未得到利用（該部分的熱量約占冷凝水總熱量的50 %）。由于此方案對凝結(jié)水熱量回收得不徹底，以及冷凝水的高含氧量對管路有腐蝕等副作用，適用于二次蒸汽量較少或無法利用二次蒸汽的場合。需要指出的是，采用這種回收方式時，要采取一些措施，如在凝水箱中裝設(shè)浮漂擋板，以減少空氣中的氧向凝結(jié)水擴散，防止管路和設(shè)備的腐蝕。

2 閉式系統(tǒng)

閉式系統(tǒng)比較常用的是閉式背壓冷凝水回收系統(tǒng)，是將各用汽設(shè)備排出的高溫凝結(jié)水利用疏水閥余壓送入凝水箱，凝水箱是封閉的，并控制保持一定的正壓。高溫凝結(jié)水進入凝水箱，經(jīng)分離后的二次蒸汽可就近引入低壓蒸汽使用設(shè)備加以利用。閉式凝結(jié)水回收系統(tǒng)的缺點在于初始投入較大、操作不方便。但其封閉設(shè)計有效的保證了水質(zhì)，減少了回收進鍋爐的水處理費。改善了凝結(jié)水回收的經(jīng)濟效益，延長了回收設(shè)備的工作壽命。制藥企業(yè)不像化工行業(yè)所使用蒸汽壓力范圍分布那么寬，制藥企業(yè)用戶蒸汽壓力一般集中在0.3～0.6 MPa的低壓段，各用汽點壓力差異不大，因此冷凝水并入總管后背壓的不同對凝結(jié)水排放的影響基本可以忽略，從而只需要考慮在車間附近設(shè)置一套集中的蒸汽冷凝水回收罐，如果廠區(qū)蒸汽為自建鍋爐房供應(yīng)，則冷凝水由于水質(zhì)好，可以直接返回鍋爐房作為軟水回收套用，從而達到節(jié)能（減少除氧器耗汽量），環(huán)保（減少鍋爐房酸堿排放，減少鍋爐煙塵和NOx及CO2的排放）的目的；如廠區(qū)蒸汽為開發(fā)區(qū)集中供應(yīng)，則不需考慮冷凝水返回鍋爐房回收套用的問題，高熱值的冷凝水可以作為工藝設(shè)備或生活用水的換熱介質(zhì)，從而達到節(jié)能（熱量逐級利用）的目的。

閉式冷凝水回收系統(tǒng)區(qū)別開式系統(tǒng)的一個重要標志就是對二次閃蒸汽的利用。制藥行業(yè)由于使用點蒸汽壓力就不高，經(jīng)過二次閃蒸后蒸汽壓力更低，為充分利用閃蒸汽熱量，減少排放損失，可采用噴射增壓技術(shù)利用較高壓力蒸汽引射閃蒸汽，使其壓力升高，供低壓用戶使用（見圖1）。

圖1 回收閃蒸汽流程Fig.1 Recovery of flash steam flow diagram

其核心部件的蒸汽噴射壓縮器是一種沒有運轉(zhuǎn)部件和不需要額外能量輸入的熱力壓縮機，具有結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、運行可靠、安裝方便、免維護等特點，并可帶全套自控裝置。它以高壓蒸汽節(jié)流減壓前后的能量差為動力，提高低品位蒸汽壓力后再供生產(chǎn)使用，是一種高效節(jié)能設(shè)備。蒸汽噴射壓縮器由噴嘴、吸收室、混合室、擴壓室等部分組成。高壓蒸汽在噴嘴內(nèi)由于流通截面逐漸變小，蒸汽流速逐漸增加，蒸汽的壓力勢能逐漸轉(zhuǎn)化為動能，壓力逐漸降低。當高壓蒸汽通過噴嘴后，在噴嘴出口達到極高的速度（超音速），大部分壓力勢能轉(zhuǎn)化為動能，使蒸汽壓力降低到低壓乏汽壓力以下，形成局部相對負壓，將低壓蒸汽抽吸到接受室。兩股共軸流體在混合室內(nèi)進行充分混合和速度與能量均衡，在混合室的出口截面，建立起均勻的速度場和能量場，形成穩(wěn)定均一的高速度蒸汽流，蒸汽流進入擴壓室后，隨著流通截面面積的逐漸擴大，蒸汽流速逐漸降低，蒸汽動能逐漸轉(zhuǎn)化為勢能，壓力逐漸得到恢復，當達到擴壓室末端時，壓力得到完全恢復，達到工藝所要求的壓力（介于兩股入口壓力之間），供生產(chǎn)中的換熱設(shè)備使用（見圖2）。

圖2 蒸汽噴射壓縮器結(jié)構(gòu)Fig.2 Steam ejector structure

需要注意的是，閉式系統(tǒng)中，對于連接用汽設(shè)備的疏水閥選型也是十分重要的，其作用是自動地排除蒸汽使用設(shè)備和管道中的冷凝水、空氣及其他不可凝結(jié)的氣體，并能防止蒸汽泄漏的管道元件。疏水閥選型合理與否以及性能的優(yōu)劣，對于蒸汽系統(tǒng)的正常運行，用汽設(shè)備熱效率的提高及能源的合理利用等方面具有至關(guān)重要的作用。以下簡要介紹一下疏水閥的設(shè)計選型方法[2]。

首先，先要確定疏水閥的形式。一般疏水器分為：熱靜力型，熱動力型和機械型。由于疏水閥工作時要承受一定的背壓，為了保證疏水器能夠正常工作，其背壓值不應(yīng)高于疏水器的最大允許背壓。三種形式的疏水閥耐受背壓性能如下：

熱靜力型：

實際最高工作背壓= 0.3×疏水閥實際工作壓力

熱動力型：

實際最高工作背壓= 0.5×疏水閥實際工作壓力

機械型：

實際最高工作背壓= 0.8×疏水閥實際工作壓力

由此可知，從閉式凝結(jié)水回收對于疏水閥耐受背壓的性能要求較高的角度看，該系統(tǒng)宜優(yōu)先采用機械型疏水閥。

其次，選定疏水閥形式之后，需要為其選擇合適的進出口管徑，在此之前應(yīng)先確定疏水閥的凝結(jié)水量和工作壓差。以蒸汽加熱反應(yīng)釜物料為例：

（1）運行時產(chǎn)生的凝結(jié)水量Q = ρVCΔT/(ΔHτ)

式中 Q—凝結(jié)水量，kg/h；

ρ—物料密度，kg/m3；

V—物料體積，m3；

C—物料比熱容，kJ/kg·℃；

ΔT—溫升，℃；

ΔH—蒸汽焓變，kJ/kg；

τ—加熱時間，h。

一般在選型時，根據(jù)蒸汽使用場合和部位，還要再乘以安全系數(shù)n，根據(jù)規(guī)范推薦值，此處n取3，即疏水閥凝結(jié)水量為3Q。

（2）工作壓差ΔP = P1- P2

P1為疏水閥入口處壓力，一般比管道內(nèi)的蒸汽壓力低0.05～0.1 MPa；

P2為疏水閥出口處壓力，通常也稱為背壓，它是由疏水閥后的系統(tǒng)壓力決定的。如凝結(jié)水不回收，就地排放，則背壓為零；如凝結(jié)水為閉式回收系統(tǒng)，則該壓力為管道系統(tǒng)壓降，疏水閥與凝結(jié)水箱的位差以及凝結(jié)水箱內(nèi)的壓力之和。

即：P2= 0.01 H + P3+ LR

式中 H—位差，m；

P3—凝結(jié)水箱內(nèi)的壓力，MPa；

L—管道及管件的當量長度，m；

R—比摩阻，MPa/m。

（3）根據(jù)1，2兩步的計算結(jié)果，結(jié)合相關(guān)樣本或手冊就可以查出疏水閥的進出口直徑。

（4）上面查得的疏水閥直徑是按其出口為大氣的情況，而閉式系統(tǒng)由于有背壓的存在，故排水量還需要進行校正。即，根據(jù)選擇的公稱直徑、工作壓差及疏水閥的凝結(jié)水排水量曲線，確定該疏水閥的最大排水量，并需滿足：

式中 Gmax—疏水閥的最大排水量，kg/h；

f— 由于背壓使得疏水閥排水量的下降率（該數(shù)據(jù)在規(guī)范GB/T 20570.21-95中查到）；

G—步驟1求得到需要的排水量，kg/h。

（5）實際中，有一些常見的設(shè)計錯誤，比如根據(jù)開式回收方法進行疏水閥選型，會導致采用閉式回收技術(shù)時，管網(wǎng)壓差減小，疏水排量下降，系統(tǒng)不能正常疏水；還有的僅根據(jù)用汽設(shè)備疏水管徑自己配置，沒有按照壓差和排量選取疏水閥排水孔直徑，造成疏水閥排量過大或過小，出現(xiàn)漏汽或開旁通管的浪費現(xiàn)象。

3 結(jié)論

制藥企業(yè)伴隨著工業(yè)蒸汽和純蒸汽的使用，會產(chǎn)生相當數(shù)量的高溫低壓的蒸汽凝結(jié)水，這部分高溫冷凝水在一般情況下，很多企業(yè)都作為廢水直接排到了室外。但是，通過疏水閥排放的這部分蒸汽凝結(jié)水處于汽水混合物狀態(tài)，仍然具有很高的熱量，直接排放，使得這部分熱量白白浪費，同時也對周圍環(huán)境造成污染。

如果是固體制劑、外用藥等車間，蒸汽的使用設(shè)備不多，用量和使用時間也比較少，采用閉式系統(tǒng)投資不太經(jīng)濟，從投資回報的性價比來看，可以考慮采用開式系統(tǒng)；但像原料藥或中藥提取車間，其合成、干燥、濃縮、溶劑回收等崗位都要使用大量的工業(yè)蒸汽，像大輸液、水針等無菌制劑車間除了生產(chǎn)中會使用蒸汽用于加熱物料和成品滅菌，在注射用水的制備過程也會用到蒸汽，管道和設(shè)備的滅菌還用到純蒸汽，此外凈化空調(diào)機組的加熱也使用較多工業(yè)蒸汽。這種類型車間的共同特點是，用汽設(shè)備較多，用汽量較大，使用時間具有一定連續(xù)性且各用汽點壓力相近（一般相差在0.3 MPa以內(nèi)），因此采用閉式系統(tǒng)是合理的方案。

參考文獻

[1]HG/T 20591—1997，化工蒸氣凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].

[2]GB/T 20570.21-95，蒸汽疏水閥的設(shè)置[S].

中圖分類號：TQ 085

文獻標識碼：A

文章編號：2095-817X（2016）02-0052-000

收稿日期：2015-10-21

作者簡介：汪浩（1974—）男，高級工程師，注冊化工工程師，從事醫(yī)藥工程工藝設(shè)計。

Selection of Steam Condensing Water Recovery Methods Used in Pharmaceutical Enterprises

Wang Hao
（CCIE Petrochemical Engineering Design Institute, Nanjing 210049）

Abstract:In this article, the design of recovery system for the condensed water produced in heating mediums with steam was analyzed. With respect to the characteristics of pharmaceutical industry, the suggestion for steam condensing water recovery, which is feasible for enterprises and will meet all the requirements in energy saving, environment protection and economical investment, was presented.

Keywords:steam condensing water; classification of recovery system; steam ejector; steam trap