閃發蒸汽回收-實務分享

更新日期:2020年12月9日

#閃發蒸汽 #冷凝水 #廢熱回收 #低溫熱發電


閃發蒸汽該不該回收?怎麼回收?效益怎麼量測?

設備或管線袪水器排出的蒸汽冷凝水中,閃蒸成蒸汽的比例雖僅占約10%,所含的熱值卻是冷凝水整體熱值的一半! 就回收效益來說,做冷凝水回收不回收閃發蒸汽,就等於做半套而已。


但盡管回收閃發蒸汽的效益大,業界中做得卻少,導致廠區內煙霧迷漫,高聳的煙囪不斷有大量蒸汽如白龍升天般竄入雲中。 讓工廠在環保意識抬頭的社會中,成為鄰里抗爭的對象。


那既然回收閃發蒸汽的效益高,且又能解決觀感與環保抗爭問題,為什麼還是有許多工廠依舊不做呢? 撇開"就是不想做"的理由,有個原因是閃發蒸汽回收的規畫真的不容易! 業界中許多失敗的例子讓業主裹足不前,不願承擔無效投資的結果。政府前幾年推廣ESCO模式試圖藉由讓規畫廠商承擔起投資回收風險的方式鼓勵業主執行回收項目也成效不彰。


基本上,閃發蒸汽回收的有幾個要素: 1. 有夠大的熱源消耗可以消耗所回收的熱能 2. 能耗設備的運行時間需大於廢熱產生設備的運行時間 3. 能耗設備需求變化小 4. 能耗設備與廢熱產生設備相鄰 5. 回收系統的設置不得妨礙製程的順暢 6. 能耗越大 回收效益越高!


規劃者對於業主的製程能耗需求,設備稼動狀況,特殊狀況,投資動機,政府的獎勵辦法,熱能計算,蒸汽系統規劃,回收技術運用與監測儀控等都需有完整的認知,才能設計出具回收效益又不妨礙生產效能的回收系統。


案例說明:

上圖為一實際冷凝水與閃發蒸汽規劃案的P&ID圖,為保護業主與智慧財產權,相關數據與註記均已經刪除。


客戶需求:

將廠區內設備與管線的冷凝水回收至鍋爐房,並將冷凝水中的蒸汽(含鍋爐排汙水的閃發蒸汽)從冷凝水中分離出來,收集後回收其熱能,使其冷凝以減少閃發蒸汽的排棄。此案由於製程區域的排水水頭壓力低,客戶特別要求回收設備的設置不能導致背壓升高造成製程設備冷凝水排水上的困難。 在回收效益驗證上,客戶要求須能以監測系統呈現回收系統的實質效益。


解決方案:

依客戶需求,將高壓力製程區冷凝水收集至閃發蒸汽槽後將冷凝水中的閃發蒸汽分離。 分離後的冷凝水排至冷凝水泵送回鍋爐房至給水槽的脫氧混合器。不得有背壓阻礙排水的低壓製程區的冷凝水則在分離出閃發蒸汽後,藉由兩只獨立的蒸汽驅動揚升泵提供進入較高位置的冷凝水泵集水槽內,與高壓力區冷凝成水經主泵一起送回鍋爐房。低壓區分離出的閃發蒸汽則與高壓區閃發蒸汽匯集,進入冷凝器將蒸發熱焓轉傳給製程用水,冷凝後的閃發蒸汽冷凝水進入主泵集水槽。


在鍋爐房端,鍋爐的高溫壓排汙水經由閃發蒸汽槽分離出高熱焓閃發蒸汽後,排棄。閃發蒸汽則於製程區的閃發蒸汽溢流管銜接,回到鍋爐給水槽的脫氧混合器內。 藉由混合器,進入給水槽的閃發蒸汽,冷凝水,給水與給水槽循環水可以均勻的混合冷凝與加熱,讓給水的溶解氣體驅離,降低脫氧藥劑的使用。 經過混合循環的給水槽,溫度也更均勻,較不會發生槽頂冒煙,槽底卻溫溫而已的狀況。


在效益監測部分,冷凝水泵與閃發蒸汽熱回收端均設置有熱能回收監測系統,藉由量與溫度的量測,將所回收的熱值轉換成燃料當量與對應金錢效益。


在防範設計上,當閃發蒸汽大於熱回收系統可回收時,會經溢流管釋出與鍋爐排汙水閃發蒸汽一起進入給水槽脫氧混合器,盡可能回收其熱能後才將多餘的蒸汽釋放到大氣。 而低壓冷凝水區也有手動閥,在必要時調節閃發槽內的壓力,防止不可預期的狀況造成蓄壓無法排水的問題。當泵異常時,冷凝水會溢流至污水池。 低壓區冷凝水也可以藉由旁通閥,避開回收系統排至污水槽。


解決方案的變化:

由於現場條件多變,客戶需求不同,回收的方式也可能有以下變化:

  1. 密閉回收放式: 利用給水加壓方式,讓閃發蒸汽熱能回收器的出水超過100C,增加冷凝器的吸熱能力,讓閃發蒸汽的排棄量降到零。

  2. 冷凝水水質監控系統: 於冷凝水回收管上設置可檢測TDS, 酸鹼值,濁度等檢測器即時監測回收的冷凝水水質,在有水質受汙染的疑慮時自動排棄並警示操作人員。

  3. 增設鍋爐爐水水質控制系統,減少人為排放時常見的過度排放。

  4. 系統專屬熱回收器: 熱回收設備僅回收特定設備的冷凝水/閃發蒸汽,簡化系統規模與成本。

  5. 不設置監測系統: 回收有效益是必然的,只是或多或少的問題。 倘若從金錢效益來看是有問題的,或純粹是從企業社會責任方面考量。 不設置監測系統,可簡化設置成本。

  6. 熱壓縮器: 當能耗設備需求遠大於可回收的閃發蒸汽時,可使用熱壓縮器盡量將難以回收的低壓廢蒸汽加壓到更容易輸送跟使用的中壓蒸汽。

  7. 微型發電機: 倘若廠區內有大量無處可用的低壓廢蒸汽,可以考慮設置ORC 微型發電機將廢熱轉為電能。低壓蒸汽可以藉由高揮發性媒介來推動渦輪,或若壓力足夠可以直接推動渦輪。產生的電能可以自用或賣給台電。此類設備投資金額在五百萬元以上,若加入週邊系統,會達千萬元。

  8. 增熱器: 閃發蒸汽之所以可視,是由於懸浮水滴反射光線導致。有某些大廠因觀瞻問題,藉由將閃發蒸汽加熱至過熱,讓閃發蒸汽"消失"。此類設備投資金額經常上億。

  9. 吸收式冰水機: 閃發蒸汽亦可供冰水機溴化鋰溶液的加熱。

回收效益估算:

新廠或未曾設置冷凝水/閃發蒸汽回收系統的廠區再設置回收系統後可預期燃料約可降低15%。實際效益視廠區內可回收的冷凝水與閃發蒸汽量而定,例如使用滅菌釜或蒸煮設備類的製程由於蒸汽釋放到大氣中是不可避免的,可回收的冷凝水與閃發蒸汽量會有所減少。


設計中的相關核心設備:

在冷凝水與閃發蒸汽回收的規劃中,主要設備如下! 附屬設備與閥件省略不談。

閃發蒸汽槽-分離出冷凝水中的閃發蒸汽

冷凝水回收效益監測系統: 讓回收效益看的見!
渦流式流量計: 蒸汽與水側的最佳量測儀器
冷凝水水質自動檢測系統: 降低回水污染的可能性
熱能壓縮器: 將難以回收的低壓蒸汽升壓為可用蒸汽!
Eversense: 全廠用能源監測系統 (最完整的監控方案))

與蒸汽供應管線設計,製程設備控制設計跟單純的冷凝水回收系統設計相比,閃發蒸汽的回收規劃涉及的層面更廣,更深。 依樣畫葫蘆般的設計規劃,以及未深入審視客戶提供的資訊,跟過度樂觀的回收效益都是回收規劃失敗的主要原因。


結言: 閃發蒸汽的回收該做或不做? 關鍵在於回收效益能否滿足投資的動機,防範設計能否確保回收系統對製程不會產生負面影響。


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會陸續更新貼上,讓讀者能對蒸汽冷凝水的閃發蒸汽回收有更深入或廣泛的認識。


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