CN104001336B - 一种蒸汽机械再压缩的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蒸汽机械再压缩的方法，其特征在于：a待压缩蒸汽进行预处理；b将待压缩蒸汽进行加热，使待压缩蒸汽成为过热蒸汽；c对加热后生成的过热蒸汽用压缩机械进行机械压缩，使其成为再压缩蒸汽。本发明消除了水蒸汽加压就液化的问题，使气态的水蒸汽变得和气态的空气一样可使用同样的空气压缩机进行压缩，可以使用现有的空气压缩机把水蒸汽压缩成为较高温度和压强的再压缩蒸汽。
Description
技术领域
本发明涉及一种水蒸汽回收利用技术，确切地说涉及一种蒸汽机械再压缩方法。
背景技术
蒸汽机械再压缩技术，是重新利用蒸汽自身产生的二次蒸汽的能量，从而减少对外界能源的需求的一项节能技术。从蒸发器出来的二次蒸汽，经压缩机压缩，压力、温度升高，热焓值增加，然后送到蒸发器的加热室当作加热蒸汽使用，使料液维持沸腾状态，而加热蒸汽本身则冷凝成水，理论上整个蒸发过程中无需生蒸汽补充。压缩蒸汽的机械，理论上可用活塞式压缩机、滑片压缩机或是螺杆压缩机，但是现有的空气压缩机，如果直接用来压缩水蒸汽，就遇到一个重大的技术难题：空气压缩之后，在相当大的压强范围内，空气只会提高压强和温度而不会凝结成为液体；而水蒸汽是水的气态聚集体，只有水蒸汽的温度高于374.2℃时，气态水才不会因为加压转化为液态水。也就是说，一般情况下，水蒸汽这种气态的水，只要加压，气态的水蒸汽就会有一部分变成液态的水，这种液态的水在空压机内就会影响空气压缩机运行。因此现有的空气压缩机是不允许压缩水蒸汽的。只有在压缩比很小、体积流量较高、水蒸汽的温升较低（5—20℃），才可用活塞式压缩机、滑片压缩机、螺杆压缩机、高压风机、透平压缩器进行压缩。即使是温升和压升这样低，这些现有的压缩机，也都需要在机体的材质上进行重大的改进，形成水蒸汽的专用压缩机械。也就是说，现有的蒸汽压缩机，虽然采用了空气压缩机的技术方法，但，还是改进了器材，以便适应压缩水蒸汽。现有的空气压缩机还是不能直接用于水蒸汽的机械压缩。现有的蒸汽压缩机造成两个缺陷：一是现有压缩机加工厂家无法直接转产水蒸汽压缩机，必须进行较大的技术改造才能转产，二是现有的国产水蒸汽压缩机虽然价格低于进口产品，但是仍然远远高于普通空气压缩机的价格。而且，国内外现有的蒸汽压缩机的温升和压升都处在较低的水平上，远远无法和空气压缩机的压升相比。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种新的水蒸汽机械再压缩的方法，可以使用常规的空压机在高温升、高压升的工况下压缩水蒸汽。
本发明所述的方法，其特征在于包括以下步骤：
a、将待压缩蒸汽进行预处理；
b、将预处理后的待压缩蒸汽进行加热，使待压缩蒸汽成为过热蒸汽；
c、对加热后生成的过热蒸汽用压缩机械进行机械压缩，使其成为再压缩蒸汽。
步骤a所述的预处理指的是待压缩蒸汽，在密闭保温状态下，使用酸、碱、盐进行洗涤净化。
所述的酸、碱、盐是无挥发性的无机酸、无机碱、无机盐或有机酸、有机碱、有机盐。
所述的无挥发性的无机酸是硫酸或磷酸，或者是两者的任意混合；无机碱是氢氧化钠或氢氧化钾，或者是两者的任意混合；无机盐是含有碳酸根的钠盐或钾盐，或含有氧化性的高锰酸的钠盐或钾盐，或者是两者的任意混合；有机酸是柠檬酸、草酸；有机碱是六次甲基四胺；有机盐是含有还原性的草酸钠盐或草酸钾盐。
步骤b所述的将待压缩蒸汽进行加热，指的是用外加热源进行间接加热。
所述的将待压缩蒸汽进行加热，指的是用外加蒸汽热源进行间接加热。
所述的将待压缩蒸汽进行加热，指的是用再压缩蒸汽作蒸汽热源进行间接加热。
步骤c所述的压缩机械是活塞式空气压缩机或螺杆式空气压缩机。
发明详述
一般情况下，压缩气态水的时候，气态水不会通过加压转化为液态水。本发明的思路就是改进水蒸汽的特性，让水蒸汽变得像空气一样，就可以使用常规的空压机压缩水蒸汽，而且可以在高温升、高压升的工况下压缩水蒸汽。
a、待压缩蒸汽进行预处理。
在现有的空气压缩状态下，空气里都含有水分，经过压缩以后，加压的空气冷却时都会冷凝出部分水分。只要这部分水分在空压机的压缩区不凝结成为大水珠，就不会影响空压机的正常运行，也就是说，空压机压缩含有水分的空气，是可以长期稳定运行的。
空压机压缩的空气，因为空气较为纯净，可以直接进行压缩，但是，如果压缩的是水蒸汽，特别是化工行业的二次蒸汽，其蒸汽中就可能含有各种挥发性的气体，因此，待压缩蒸汽在进入压缩机之前，首先要对蒸汽进行预处理。
本发明所述的的预处理采用的基本上都是化工行业成熟的气体净化方法，唯一的区别在于：使用酸、碱、盐的水溶液洗涤净化蒸汽，必须是在密闭保温状态下进行。当洗涤液的温度低于蒸汽温度时，水蒸汽要被洗涤液吸收，水蒸汽的全部热能都被用作加热洗涤液。一般情况下，每吨水蒸汽的汽化潜热可以加热5吨多的常温下的洗涤液。当洗涤液的温度达到蒸汽的温度时，进入洗涤容器的水蒸汽和离开容器的水蒸汽达到动态平衡，蒸汽在洗涤环节理论上就不会再损失热能。
为了洗涤二次蒸汽即待压缩蒸汽中各种常见的挥发性气体，本发明所述的酸是无挥发性的无机酸或有机酸；无机酸是硫酸或磷酸，或两者的任意组合，有机酸是柠檬酸或草酸；所述的碱是无机碱或有机碱，无机碱是氢氧化钠或氢氧化钾，有机碱是六次甲基四胺；盐是无机盐或有机盐，无机盐是含有碳酸根的钠盐或钾盐、或含有氧化性的高锰酸的钠盐或钾盐，有机盐含有还原性的草酸钠盐或草酸钾盐。
b、将预处理后的待压缩蒸汽进行加热，使待压缩蒸汽成为过热蒸汽。
水蒸汽是水的气态聚集体，一般情况下，水蒸汽这种气态的水，在相当宽的温度范围内只要加压，气态的水蒸汽就会液化，就会有一部分变成液态的水。只有当水蒸汽的温度高于374.2℃时，气态水加压才不会液化（此时的汽化潜热为零）。这种现象的根本原因在于饱和水蒸汽的热焓值在不同压强情况下是个变量，汽化潜热值也是一个变量。120℃的饱和蒸汽如果采用压缩方式提高50℃即升高到170℃时，汽化潜热总计仅仅降低36.3kcal/kg,汽化潜热降低的数量达不到蒸汽温度升高相应的热量，总热焓值欠缺15kcal/kg。这个欠缺的热焓，只能通过部分水蒸汽凝结成为热水、放出汽化潜热来加以补充，这就是水蒸汽加压就液化的根本原因。现有技术就是利用低压升、低温升导致很低的热焓欠缺量，使再压缩的水蒸汽只含有微小、少量的凝结水。只要凝结水的数量少到不影响压缩机正常运行就能实现水蒸汽的再压缩。
为了克服这个水蒸汽压缩就液化的难题，也就是说水蒸汽压缩之后，总热焓欠缺导致水蒸汽液化问题，本发明对水蒸汽的特性加以改进，让待压缩的水蒸汽首先补充热能，对饱和蒸汽加热生成过热蒸汽，然后再压缩这种过热蒸汽。把这种过热蒸汽压缩到一定程度使蒸汽的过热度降低而成为饱和蒸汽。只有当饱和蒸汽再继续压缩时，才可能产生液化。
由于蒸发系统在生成二次蒸汽的同时，系统自身也会因为各种原因损失热能，特别是蒸发系统的系统温度较高时，系统设备散热增大，热能损失就多，进入蒸发系统的流体与离开蒸发系统的流体虽然可以通过换热进行回收，但是现有技术无法实现完全回收，这也是系统的主要热损失。由于系统存在热损失，就必须补充这种热损失。对系统热损失的补充方式之一，是把要补充的热能通过直接加热或间接换热的方式加入到待压缩蒸汽内。优选间接换热方式，这种方式只补充热能、不增加水分。
c、对加热后生成的过热蒸汽用压缩机械进行机械压缩，使其成为再压缩蒸汽。
由于在步骤a采取了净化预处理措施可以除去各种挥发性杂质和腐蚀性杂质，压缩机的预防腐蚀问题极易解决；步骤b又把饱和蒸汽加热成为过热蒸汽，水蒸汽压缩就液化的问题也极易解决。如果使用外加热源补充蒸发系统的热损失，外加热源的增补是加热待压缩蒸汽的理想热源。但是当热损失很小的时候，增补的外加热源数量就不足，本发明优选使用压缩机出口的再压缩蒸汽。使用压缩机出口的再压缩蒸汽作为加热待压缩蒸汽的加热源时，因为出口蒸汽的温度高，采用间接加热的方式进行换热，压缩机进口和出口的质量流量是完全相等的，出口的总热能大于进口的总热能，压缩机出口有充足的可用热源。
现有的水蒸汽压缩机可以稳定地长期运行在增温20℃的工况下，也就是说，现有技术可以把进口的饱和蒸汽进行稳定地压缩到蒸汽温度增加20℃。如果把压缩机入口的蒸汽预先加热成为过热蒸汽，把过热蒸汽的温度提高10℃，使压缩机进出口的温度差变成10℃，虽然压缩机进出口的压力差没有改变，但是温度差缩小了，待压缩蒸汽在压缩机进出口的总热焓差值就大幅度地减少了，蒸汽压缩后液化的可能减少了。同理,如果进口蒸汽温度是120℃，压缩机出口温度是170℃，用170℃的饱和蒸汽加热120℃的饱和蒸汽，只要把120℃的蒸汽加热到160℃，就可以确保压缩机出口温度不低于170℃，待压缩蒸汽也不会液化了。这是因为待压缩蒸汽在压缩机进出口的热焓差值很小，没有较大的热焓差值，加压的水蒸汽是不会液化的。压缩机械进出口的温度差越小，水蒸汽加压就液化的程度就越小，与进口、出口的初始温度无关。
因此水蒸汽在加压的时候，只要不产生液化现象，水蒸汽和空气的区别就消失了。现有的空压机在压缩空气的时候，空气里面几乎都含有水分，既有气化的水分，也有液化的水雾，加压以后的压缩空气几乎都有凝结水，现有空压机在压缩含有水分的空气时，都可以长期稳定运行的。本发明消除了水蒸汽加压就液化这个问题，气态的水蒸汽和气态的空气就可以使用同样的压缩机进行压缩，这样也就可以使用现有的空气压缩机把水蒸汽压缩成为较高温度和压力的再压缩蒸汽。
本发明具有的有益效果：使用现有的压缩机（包括压缩空气的各种压缩机，如活塞式压缩机、滑片压缩机、螺杆压缩机、高压风机、透平压缩器等），把水蒸汽压缩成为较高压强和温度的再压缩蒸汽。较高压强的再压缩水蒸汽，就可以广泛地应用于现有的蒸汽热源系统，特别是在化工系统，因为压升高、温升高，用在蒸发系统就可以大幅度降低换热面积、，降低换热器造价；高温再压缩蒸汽因为温度升高，就可以蒸发高沸点无机盐；更多的含有易挥发物的溶液因为在蒸汽压缩之前进行了预处理，就可以避免腐蚀压缩机并且消除了污染环境。
附图说明
附图是本发明的流程示意图。
图中，1.蒸发系统；2.待压缩蒸汽预处理装置；3.循环水泵；4.待压缩蒸汽加热换热器；5.压缩机；6.待压缩蒸汽；7.预处理蒸汽，8.过热蒸汽；9.再压缩蒸汽；10.生蒸汽。
具体实施方式
实施例1本发明应用于氯化铵溶液的蒸发（参见附图）
由于饱和氯化铵溶液的常压沸点是115.6℃，使用本发明的方法对二次蒸汽即待压缩蒸汽进行再压缩，可以把蒸发工序设定在常压或负压状态下。本实施例按照常压蒸发进行。因为氯化铵蒸发时易挥发性的氨气要随二次蒸汽蒸出，为此，蒸汽预处理步骤使用稀磷酸脱除挥发性氨气。
a、待压缩蒸汽进行预处理：
来自于蒸发系统1（氯化铵蒸发器）的二次蒸汽即待压缩蒸汽6约115.6℃，经止回阀和水力喷射器的气体入口进入待压缩蒸汽预处理装置2，在循环水泵3的连续运行下，待压缩蒸汽预处理装置2内的含有稀磷酸的洗涤液和待压缩蒸汽6进行混合，把蒸汽中的挥发性氨气吸收脱除，得到预处理蒸汽7。
b、将待压缩蒸汽进行加热，使待压缩蒸汽成为过热蒸汽：
脱除氨气后的预处理蒸汽7约115.6℃，进入待压缩蒸汽加热换热器4的壳层，与换热器管层内的约170℃的高温蒸汽进行间接换热，预处理蒸汽7被加热到160℃，成为过热蒸汽8。
c、对加热后生成的过热蒸汽用压缩机械进行机械压缩，使其成为再压缩蒸汽：
被加热到160℃后的过热蒸汽8，进入压缩机5的吸入口，这种过热蒸汽8因为在压缩之前已经增加了热能，进入压缩机5进行压缩，就不会产生蒸汽的液化，因此，可以选用一般的无油润滑的空压机（如活塞式压缩机、滑片压缩机、螺杆压缩机、高压风机、透平压缩器等），就可以把压强大幅度提高。本实施例是按照提高温升进行控制，压缩机5出口温度控制在170℃。压缩机5出口的是再压缩蒸汽9，这种再压缩蒸汽9既可以用于蒸发系统1的热源，也可以用于待压缩蒸汽加热换热器4的热源。当待压缩蒸汽加热换热器4的热源不足时，补充生蒸汽10，从生蒸汽入口进入换热器管层。
实施例2本发明应用于硫酸铵溶液的蒸发（参见附图）
由于饱和硫酸铵溶液的常压沸点是108.2℃，使用本发明的方法对二次蒸汽即待压缩蒸汽进行再压缩，可以把蒸发工序设定在常压或负压状态下蒸发。本实施例按照常压蒸发进行。因为硫酸铵蒸发时易挥发性的氨气要随二次蒸汽蒸出，为此，蒸汽预处理步骤使用稀磷酸脱除挥发性氨气。
a、待压缩蒸汽进行预处理：
来自于蒸发系统1（硫酸铵蒸发器）的二次蒸汽约108.2℃，经止回阀和水力喷射器的气体入口进入待压缩蒸汽预处理装置2，在循环水泵3的连续运行下，待压缩蒸汽预处理装置2内的含有稀磷酸的洗涤液和待压缩蒸汽6进行混合，把蒸汽中的挥发性氨气吸收脱除，得到预处理蒸汽7。
b、将待压缩蒸汽进行加热，使待压缩蒸汽成为过热蒸汽：
脱除氨气后的预处理蒸汽7约108.2℃，进入待压缩蒸汽加热换热器4的壳层，与换热器管层内的约170℃的高温蒸汽进行间接换热，预处理蒸汽7被加热到160℃，成为过热蒸汽8。
c、对加热后生成的过热蒸汽用压缩机械进行机械压缩，使其成为再压缩蒸汽：
被加热到160℃后的过热蒸汽8，进入压缩机5吸入口，这种过热蒸汽8因为在压缩之前已经增加了热能，进入压缩机5进行压缩，就不会产生蒸汽的液化，因此，可以选用一般的无油润滑的螺杆压缩机，就可以把压强大幅度提高。本实施例是按照提高温升进行控制，压缩机5出口温度控制在170℃。从压缩机5出口的是再压缩蒸汽9，这种再压缩蒸汽9既可以用于蒸发系统1的热源，也可以用于待压缩蒸汽加热换热器4的热源。当待压缩蒸汽加热换热器4的热源不足时，补充生蒸汽10，优选从生蒸汽入口进入换热器管层。
Claims (5)
1.一种蒸汽机械再压缩的方法，其特征在于包括以下步骤：
a、将待压缩蒸汽进行预处理；所述的预处理指的是待压缩蒸汽，在密闭保温状态下，使用酸、碱、盐进行洗涤净化；
b、将预处理后的待压缩蒸汽进行加热，使待压缩蒸汽成为过热蒸汽；所述的将预处理后的待压缩蒸汽进行加热，指的是用外加热源进行间接加热；
c、对加热后生成的过热蒸汽用压缩机械进行机械压缩，使其成为再压缩蒸汽。
2.如权利要求1所述的蒸汽机械再压缩的方法，其特征在于：所述的酸、碱、盐是无挥发性的无机酸、无机碱、无机盐或有机酸、有机碱、有机盐。
3.如权利要求2所述的蒸汽机械再压缩的方法，其特征在于：所述的无挥发性的无机酸是硫酸或磷酸，或者是两者的任意混合；无机碱是氢氧化钠或氢氧化钾，或者是两者的任意混合；无机盐是含有碳酸根的钠盐或钾盐，或者，是含有高锰酸根的的钠盐或钾盐；有机酸是柠檬酸、草酸；有机碱是六次甲基四胺；有机盐是草酸钠盐或草酸钾盐。
4.如权利要求1所述的蒸汽机械再压缩的方法，其特征在于：所述的将待压缩蒸汽进行加热，指的是用再压缩蒸汽作蒸汽热源进行间接加热。
5.如权利要求1所述的蒸汽机械再压缩的方法，其特征在于：步骤c所述的压缩机械是活塞式空气压缩机或螺杆式空气压缩机。
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