文氏定理在节能减排工作中的应用

叶铭强

(广州白云山光华制药股份有限公司，广东广州510285)

0 引言

目前，有不少企业对使用锅炉放热后产生的蒸汽冷凝水是直接排放不回收利用的。然而，锅炉做功完成后的蒸汽冷凝水尚有一定的压力和温度，仍有较大的可利用清洁热能，尤其是其闪蒸蒸汽保有较高的热焓，若充分回收，可显著节约锅炉的燃料和软水，在很大程度上有利于降低能源燃料的消耗和CO2温室气体的排放量，对企业和社会的发展都具有十分积极的意义。

为满足清洁生产、节能减排的工作要求，我公司开展了对放热后的蒸汽冷凝水进行回收利用的改造工作，同时也对锅炉尾部排烟的余热进行了回收利用。

1 “Y”型引射混合器产生的背景和原理

1.1 产生背景

回收蒸汽冷凝水就是将高温低压的冷凝水收集后引入水箱，再由水泵送入锅炉使用，若直接引入水箱，由于蒸汽冷凝水温度较高且带有一定的残压，与温度较低的水箱水混合时会发生两相流体反应，当有较多的蒸汽冷凝水进入时，就会产生较大的噪音和强烈的振动，以这种方式直接回收蒸汽冷凝水是无法实施的。

因此，回收蒸汽冷凝水一般都是采用先将冷凝水收集后再用高压水泵送入锅炉，或采用压缩空气将蒸汽送入中间热水箱，然后再由水泵送入锅炉，这些方式除了一次性投资较大外，处理构造也较复杂，需要消耗电力或蒸汽，造成运行成本高的问题，而且长期使用的水泵还会受到汽蚀作用，使用寿命较短，需定期更换。

一般情况下，在锅炉的蒸汽冷凝水的热能回收中都是只回收蒸汽冷凝水的热量，而没有同时回收可利用的蒸汽冷凝水，又或者将蒸汽冷凝水排到只能设置在室外空间的收集装置，待压力消失后再收集，收集装置除了会冒出大量的水蒸汽，还浪费了热焓较高的闪蒸蒸汽，且收集后的蒸汽冷凝水温度降低，这些都未能实现锅炉能源回收的最大化。

如何实现锅炉能源回收的最大化，探讨既不需要额外消耗能源，又可以减少运行成本的简单的回收方式是我们实行节能减排工作的一项主要内容。

蒸汽冷凝水的回收就是把软水送入锅炉吸热产汽，是生产利用放热之后形成的冷凝水再次进入锅炉产汽循环的一个环节。在这个循环过程中，可以发现锅炉蒸汽一般不可能被全部回收，总是需要对锅炉进行常温的新鲜软水补充，设想将蒸汽冷凝水(热水)和新鲜软水(冷水)有机地混合起来，利用低温的冷水作为冷源，将高温低压的冷凝水热量(含闪蒸蒸汽)进行吸收，使冷凝水温度迅速降低以回收冷凝水。

最初我公司采用如图1所示的热水进口方式。蒸汽冷凝水通过浸在冷水的一段蛇管排入水箱，利用水箱的常温软水冷却带有一定残压高温的蒸汽冷凝水，以降低输入的压力，回收蒸汽冷凝水。但事实上生产用汽往往并不是均衡的，在高峰用汽时返回的蒸汽冷凝水较多，且水箱的水很快变成高温水，无法降低带有高温蒸汽冷凝水的压力，蒸汽冷凝水在水箱内部排出时因两相流体混合发生激烈反应，使水箱出现较大的噪音和强烈的振动。

图1 最初的热水进口方式

后来我公司又采用分割排入的热水进口方式(图2)，即将一股的高温蒸汽冷凝水通过多根并列出口的蛇管排入水箱，以减少两相流体混合的反应强度，但还会出现较大的噪音和强烈的振动。我公司还尝试将蒸汽冷凝水输出口做成多个小孔，由多个小孔排入的热水进口方式如图3所示，希望把进入水箱的蒸汽冷凝水切割成多股小流量的蒸汽冷凝水与水箱的低温水进行混合，提高水混合的面积，事实上蒸汽冷凝水并不是如愿地均衡排出，结果也同样出现较大的噪音和强烈的振动。

图2 分割排入热水进口方式

图3 由多个小孔排入的热水进口方式

通过多次的试验和失败总结，我们发现了在水箱里只要带有一定残压高温的蒸汽冷凝水排出，两相流体混合时必将发生振动，这种振动会波及整个容器，尽管之前所做的工作使振动有所减少，但效果都不理想。

针对这种情况，我们在蒸汽冷凝水的排出口安装了应用了文氏定理工作原理的一种装置——“Y”型引射混合器，图4为“Y”型引射混合器的剖视图。

图4“Y”型引射混合器的剖视图

1.2 工作原理

“Y”型引射混合器的工作原理如下：

从图4可以看出，高温水通道与低温水通道及混合水通道构成形状如英文字母“Y”的混合器，高温低压的冷凝水在内侧，与混合孔直通，冷水孔与冷凝水孔以小于90°的度角交叉进入。当高温低压(残压一般大于0.1 MPa)的冷凝水首先进入后，在自身压力的作用下，高速射出混合孔。与此同时，由流体力学可知，在总压不变的情况下，动压增大，静压必然减小，因此，在冷水孔一侧的通道自然形成负压，于是冷水被引射抽吸进入，在交汇点遭遇高温的冷凝水后，两相流体强烈混合，降温降压，并一同喷出。由于两相流体的瞬时结合量小，并且仅在区域很小的腔体内发生混合，因此大大地降低了噪音和振动的产生。

这样做的好处还有：利用了冷凝水的剩余压头在流体通道中高速流动形成自我卷吸的作用，与冷水自动混合；构造简单、紧凑，没有活动部件，性能可靠，无需借助额外动力；冷凝水和热量的回收没有任何损失，既安全又节能。

2 锅炉热能回收系统实例简介

图5为我公司WNS2.0-1.0-Y(Q)型天然气锅炉热能回收系统的现场实物图。其热能回收系统的工作原理有：

图5 WNS2.0-1.0-Y(Q)型天然气锅炉热能回收系统的现场实物图

2.1 蒸汽冷凝水的回收工作原理

热能回收系统在原有的软水箱与锅炉之间增加了一个蒸汽冷凝水箱，并由若干的构件组成。其回收系统的原理如图6所示。

图6 蒸汽冷凝水回收系统原理

各用汽点的蒸汽冷凝水排放管道被引到一条蒸汽冷凝水排放主管上，设集水器进行收集。冷凝水在残压和重力作用下，经过一定长度的管道(不锈钢)进入设置在锅炉附近的蒸汽冷凝水箱内。

蒸汽冷凝水在残压和重力作用下流入冷凝水箱底部的喷头(即上述“Y”型引射混合器)，喷头将一束高温的水流和气体切割成多束的水流和气体，然后与冷凝水箱底部的较低温水混合进入冷凝水箱内部，使冷凝水箱的水温升高。冷凝水箱和软水箱之间由于设有单向阀，冷凝水箱高温的水不能流入较低温的软水箱里，因此锅炉首先使用的是冷凝水箱的高温水。当冷凝水箱的水位下降时，软水箱的水在重力下补充冷凝水箱的水位，软水箱的水在浮球的控制下保持一定的水位。

在日常使用中，使用蒸汽的时段往往起伏较大。流入冷凝水箱的冷凝水经常是不均匀的，当处于回收高峰时，冷凝水箱的温度会较高，冷凝水箱顶部的水会出现沸腾现象，冒出水蒸汽，为此在冷凝水箱顶部设置了喷水冷却装置，将未经加热的软水直接进入冷凝水箱进行降温，避免出现水蒸汽冒出的现象，因此在系统上设置了有温度控制的软水直接加入装置。

应用文氏定理改装成“Y”型引射混合器后的冷凝水回收装置经过近一年的运行证实，冷凝水闪蒸蒸汽没有蒸发流失，最大限度地回收了可利用的能源，使进入锅炉的补充水温度维持在70～80℃左右，运行稳定，节约了大量的天然气和水资源。

2.2 锅炉尾部排烟的余热回收利用原理

在将节能器安装在锅炉尾部烟道中进行余热回收利用的节能方案里，考虑到锅炉实际的排烟温度不高(约160℃)和地方狭窄情况，选用了一种较为实用的高效低阻节能器(锅炉烟气—水换热器)，它是利用场协同的工作原理，使冷(水)、热(烟气)流体始终保持高温高压状态进行热交换。换热时两种流体分时通过同一换热体表面，冷流体将上次热流体流过时积聚的热量吸收并带走，两相流体大对流、大面积地通过换热器内部，换热效率高。这种余热回收方式阻力小(60 Pa)，利用低温热能，只需依靠原有燃烧机风机的风压余量和烟道压差就足矣，不影响锅炉的过量空气系数(实际燃烧用风量与理论最小配风量之比)，而且占用的空间尺寸较小，安装容易，维修方便。

我公司利用原有的一个4 m3的热水罐用于锅炉烟气热能的回收存放。锅炉烟气热量回收系统原理如图7所示，储水罐里的水通过热水泵进入高效低阻节能器(锅炉烟气—水换热器)使水温升高，再回到储水罐，如此依次循环，使得储水罐里的水被加热。当储水罐液面下降时，安装在液面的传感器就会发出信号，电磁阀自动开启，补充冷水进入储水罐。由于储水罐足够大，使罐里的水不断地被加热、不断地流走并得到不断地补充，冷热达到基本平衡(温度约40～55℃左右)，储水罐的热水主要用作员工下班后的洗澡用水和设备的清洗用水。

图7 锅炉烟气热量回收系统原理

3 结语

我公司通过对蒸汽冷凝水回收和锅炉尾部排烟余热回收等工程项目的前期论证、安装和修正，投入使用近一年来取得了很好的效果。“Y”型引射混合器的应用，既突破了工程项目实施的瓶颈，又极大地简化了整个系统工作的原理，开辟了一条蒸汽冷凝水回收方法的新路。同时，锅炉能量回收装置实现了自动控制，简单、安全、可靠，操作人员无需进行额外的操作，实现了能量回收利用的最大化。冷凝水回收和节能器安装项目的投入使用，不仅降低了成本，还提高了经济效益，更重要的是取得了节能、降耗、减污、增效的社会效益。

[1]天津大学化工原理教研室编.化工原理(上)[M].天津科学技术出版社，1983