蒸汽冷凝水回收

更新日期:2020年12月9日

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蒸汽由水加熱而成,由於無毒又容易取得,在製造百業中廣為使用,為理想的熱源載體。

當蒸汽釋放其蒸發焓後,會冷凝回水,仍具有高溫,排棄不僅汙染環境也浪費能源。因此工廠中多會設計回收系統將蒸汽冷凝水與閃發蒸汽回收至製程中使用,或回收至鍋爐房給水槽,做循環再利用 (如下圖所示)。



冷凝水的回收價值與效益:

冷凝水為蒸汽所冷凝,本質上與蒸餾水相當,倘若未經製程或管路汙染,水質清澈無汙染物,量測時,導電值與純水相近。回收冷凝水不僅可降低水資源的消耗,亦能減少水處理費用,水處理藥劑的添加,空污處理成本以及燃料的消耗 (回收冷凝水後,給水槽每6C的增加可以減少1%的燃料成本),且能增加鍋爐供汽的穩定性跟產汽量*。


*備註: 鍋爐的額定蒸發量以供水為100C時為基準。以2T/h 鍋爐為例,當給水溫度是20C,產汽壓力為6barg時,鍋爐蒸發量會降至1684kg/h。


冷凝水的回收分開放式與閉式兩種:

1. 開放式回收:

冷凝水排放至開放性的桶槽,再經由冷凝水泵加壓送回鍋爐房給水槽。優點是不會對蒸汽系 統產生背壓,阻礙冷凝水的排放。缺點是高熱值的閃發蒸汽會逃逸到大氣中,造成熱能損失且廠區內煙霧瀰漫。

2. 閉式回收:

冷凝水進入桶槽後匯集後,加壓送回鍋爐房的閉式給水槽。優點是不會有閃發蒸汽散失的能源損失,缺點是對蒸汽系統會造成背壓,排水困難而造成系統升溫較慢,甚至溫控不佳。設置考量高於開放式回收,設置成本也較高。


冷凝水回收案例說明:

下圖為一實際設計案的P&ID圖,實際參數已經移除以保護業主設備參數跟設計智慧產權。

此案例採用閃發蒸汽回收槽,將製程區的冷凝水集中後,分離出閃發蒸汽於現場回收熱能,冷凝水部分則由壓力驅動冷凝水泵送回鍋爐房給水槽。 由於冷凝水中的閃發蒸汽已經於閃發蒸汽槽分離,冷凝水泵的集水槽雖為開放式,但不會有蒸汽四處飄逸的問題。

案例中較為特別的是增設了一只輔助泵,在不增加背壓得前提下,將位於地面高度的低壓冷凝水送到主泵集水槽。鍋爐房蒸汽分配槽下方的冷凝水由於量少但壓力高,則靠本身壓力回到給水槽即可。


冷凝水回收效益的驗證:

回收冷凝水時,最顯著的改變就是燃料消耗的減少。但由於燃料也會隨著產能的增減改變,或回收範圍與整廠規模相比無法單獨區隔回收效益時,最好的方式就是設置冷凝水回收效益監測系統 Condensate Recovery Monitoring System 或簡稱 CRMs。


CRMs的效益量測方式是藉由量測冷凝水量與水溫,利用軟體換算為熱值,再推換出燃料當量,再依設定的燃料成本,算出燃料節省效益。


CRMs 冷凝水回收效益監測系統

冷凝水水質監控:

在某些情況下,由於製程(如電鍍)可能污染到冷凝水的水質,導致回收上的疑慮時,可以在冷凝水回收迴路上設置冷凝水水質監控系統。一般的檢測參數為總溶解固形物(TDS)的電導率,但也可以加裝pH與濁度檢測器做更完整的水質檢測。當水質低於可接受的標準時,系統會自動將水排棄,符合水質標準時,切換回正常回水。冷凝水水質監測系統又稱為Condensate Contamination Detection System, CCD 如下圖。




冷凝水回收核心設備:


冷凝水回收泵的常見形式為電動式,以電動馬達帶動泵體葉片,產生吸力,將冷凝水吸入後,擠壓至揚升段。由於吸入端產生的壓降容易造成高溫水汽化,形成局部空轉,氣蝕的問題,冷凝水溫度越高,進水頭需要設置的更高。 也就是說,冷凝水在進入泵前,要處於更高的位置,施予更高的進水壓力,才能降低汽化的影響。 壓力驅動泵則無此問題,壓力驅動泵的原理是藉由液位高低的感應,切換輔助壓力源的作動,在泵高液位時,引入高壓驅動源(蒸汽或壓縮空氣),將泵內冷凝水擠壓到高揚程段。當泵內冷凝水已經排出後,驅動源會被切斷,排出泵內蓄壓,讓冷凝水再次流入。


1. 壓力驅動泵: 如下圖,多搭配開放式集水槽,需要銜接驅動壓力源如蒸汽或壓縮空氣,藉 由浮球機構組的作動,於進水/出水中切換驅動氣源的出入。沒有汽化,氣蝕的問題,因此也不需要抬高進水頭。因為不使用電力,因此也不需拉電,沒有電擊危險,也沒有軸封漏水問題。

2. 無機構壓力驅動泵:如下圖,為壓力驅動泵的衍生型,同樣需要壓力驅動源與開放性桶槽。 差別在於以液位感應取代彈簧浮球機構組,以及控制器來控制驅動壓力的進出。可以加裝計量器,異常警示,水質監測,溫度顯示等功能。成本低廉,維護容易是其優點。但同時需要電源與壓力驅動源。




3. 電動冷凝水泵: 如下圖,需要開放式集水槽,泵的開關依槽內的液位設定而定。只需電源就可以使用,冷凝水溫度越高,水槽位置要越高,泵須能承受至100c。


電動冷凝水泵

冷凝水槽/給水槽:

製程區冷凝水經冷凝水泵送回鍋爐房後,進入給水槽與補充軟水混合後,進入蒸汽鍋爐加熱再利用。倘若廠區設有閃發蒸汽回收,多餘的閃發蒸汽可回到給水槽與給水混合,盡量將熱量回收至給水,減少閃發蒸汽的排棄。給水溫度越高,水中的溶解氣體越少,可以減少脫氧劑的使用。給水溫度的提升除了回收冷凝水,閃發蒸汽以外,還可以透過鍋爐燃燒尾氣的熱回收,甚至直接將鍋爐蒸汽拉至給水槽,直接加熱。 當然,從回收效益的角度,廢熱的再利用是優先選擇。

一般鍋爐給水槽/冷凝水回收槽(如下圖),配置有給水進出口,循環水進出口,閃發蒸汽入口,冷凝水入口,液位控制插入口,液位顯示插入口,排水口,排氣口等。

為簡化冷凝水回收槽的配置,可以選用脫氧頭 (Deaerator Head,如下圖) 讓給水進水/冷凝水回水/閃發蒸汽/槽內循環水銜接在一起,充分的混合,加熱與冷凝,釋出溶解氣體。




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