回收發(fā)酵消毒尾汽余熱用于制冷的可行性分析

1、回收發(fā)酵消毒尾汽余熱用于制冷的可行性分析提要：本文結(jié)合抗生素消費(fèi)中發(fā)酵消毒尾汽余熱的回收利用，分析討論了當(dāng)余熱蒸汽中混有不凝性氣體等雜質(zhì)以及余熱品位低，排量不穩(wěn)定時(shí)，如何把它回收并利用于對(duì)熱源參數(shù)及數(shù)量穩(wěn)定性要求較高的制冷場(chǎng)合。一、余熱排放現(xiàn)狀藥廠(chǎng)抗生素消費(fèi)要求消毒嚴(yán)格。所有管路和發(fā)酵罐等設(shè)備在裝入物料前必須用流動(dòng)的蒸汽進(jìn)展一定時(shí)間的連續(xù)消毒。因此，在消毒操作時(shí)，大量消毒尾汽排向環(huán)境。這些廢蒸汽溫度約為100130，壓力達(dá)0.120.13Pa左右。例如某車(chē)間，每天有好幾個(gè)大罐空罐消毒，加上其他設(shè)備和管道消毒，每天共排放消毒廢蒸汽約108噸，全年連續(xù)消費(fèi)排放量約8.9萬(wàn)噸，折合標(biāo)煤5070噸，能

2、源浪費(fèi)嚴(yán)重，同時(shí)還造成環(huán)境的熱污染。二、需冷與供冷分析上述抗生素的消費(fèi)中，由于菌種生長(zhǎng)環(huán)境要求恒溫在2225，而為了帶走發(fā)酵熱，原工藝采用16左右地下深井水冷卻，如上述車(chē)間每年用于此面冷卻的地下水736萬(wàn)噸，因此該廠(chǎng)所在城市地下水位逐年下降，面臨嚴(yán)重缺水的危機(jī)。這種對(duì)水資源的超采和嚴(yán)重，浪費(fèi)現(xiàn)象是不允許繼續(xù)存在下去的。為了節(jié)水，近年某些同類(lèi)車(chē)間改用循環(huán)水冷卻：即在寒冷季節(jié)用冷卻塔冷卻水，而在濕熱季節(jié)用機(jī)械壓縮式制冷水來(lái)冷卻。這樣雖可節(jié)省水資源，但制冷需耗用大量電能。采用新蒸汽驅(qū)動(dòng)的雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)制取冷水雖可節(jié)電，卻需消耗大量新蒸汽。三、廢汽余熱回收利用的困難上述方案，從能源利用的角度來(lái)

3、看顯然是不合理的。這種情況下的理想方案應(yīng)當(dāng)是，回收利用消費(fèi)工藝排放掉的蒸汽制冷取冷量，以滿(mǎn)足消費(fèi)的需求，構(gòu)成一個(gè)閉合環(huán)路。然而實(shí)際上廢汽加收利用常常存在各種困難，這些困難主要是：1廢汽中混有大量空氣實(shí)際上，工藝現(xiàn)狀是發(fā)酵用溫度較低的空氣與消毒用溫度較高的蒸汽排至同一套管道，且同時(shí)進(jìn)展發(fā)酵操作的罐數(shù)大大多于消毒操作的罐數(shù)。因此，排出的廢氣是蒸汽與大量空氣的混合物。據(jù)計(jì)算當(dāng)蒸汽溫度為120，空氣溫度30時(shí)，混合氣體含空氣量的重量百分比方表1。實(shí)測(cè)該混合氣體的溫度為4060，估計(jì)含空氣量7090%。表1含空氣的重量含空氣的重量百分比%102030405060708090混合氣體溫度120114.61

4、08.8102.395.287.378.568.657.444.7此外，由于混合氣體水蒸汽分壓低于總壓，所以蒸汽凝結(jié)溫度低于混合氣體總壓下純蒸汽的飽和溫度。據(jù)計(jì)算，當(dāng)混合氣體總壓為P=0.1961Pa，水蒸汽分壓與飽和溫度隨所含空氣量的增加而降低表2。由表可見(jiàn)，含空氣量越多，飽和溫度降低越甚。表2含空氣的重量含空氣的容積百分比%10203040506070809095水蒸汽分壓(Pa)0.19610.17650.15690.13730.11770.098070.078450.058840.039230.019610.009807飽和溫度119.6116.1112.6108.5103.899.1

5、91.884.575.459.745.5可見(jiàn)，消毒廢汽中混有大量空氣時(shí)，混合氣體溫度和其中蒸汽的凝結(jié)溫度都顯著下降。這會(huì)大大降低它的利用價(jià)值，更不能滿(mǎn)足熱驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)對(duì)熱源參數(shù)的要求。2抗生互消費(fèi)有嚴(yán)格的衛(wèi)生要求，為嚴(yán)防氣流倒灌造成穿插污染，要求排氣通暢因發(fā)酵時(shí)罐壓較低約0.035Pa，而排氣管道系統(tǒng)有阻力損失，故限制了余熱回收設(shè)備的工作壓力和阻力，決定了可利用余熱的品位很低。而且必須有可靠的平安措施，這正是本項(xiàng)余熱能否利用的必要條件之一。3消毒廢氣的排放量在一日內(nèi)有很大的波動(dòng)。例如在一個(gè)大的空罐內(nèi)消毒時(shí)蒸汽排放量可高達(dá)48t/h，而在管道內(nèi)消毒時(shí)只有0.51t/h，相差約十倍，而工藝需冷量卻要

6、求平衡不變。4廢汽中含有菌絲等雜質(zhì)，如不加處理，凝結(jié)水將因不符合回收質(zhì)量要求，而不能返回?zé)犭姀S(chǎng)，必須排放掉。由上可見(jiàn)，該余熱排汽一般無(wú)法直接利用。可以說(shuō)本項(xiàng)余熱能否回收利用的先決條件，將是能否采限取一些措施改善排汽質(zhì)量，或設(shè)法放寬余熱利用的限制條件。四、改善排汽現(xiàn)狀的措施本措施系在原排空氣管道系統(tǒng)之外，另設(shè)一套排蒸汽管道系統(tǒng)。這樣，首先可以使廢蒸汽中含空氣量大大減少，作到不超過(guò)1%，排汽的飽中溫度升高到100以上，水蒸汽分壓力0.12Pa，使余熱具備了用于制冷、供暖的根本參數(shù)要求。其次管道分設(shè)以后，只要操作得當(dāng)，排蒸汽管道系統(tǒng)的阻力不再受發(fā)酵過(guò)程排空氣時(shí)較低罐壓的限制，只受排消毒蒸汽較高罐壓約

7、0.120.13Pa的限制，故可大大放寬對(duì)熱能回收設(shè)備阻力的約束，從而進(jìn)步其入口蒸汽壓力。這樣既可以保證排汽通暢，確保消毒質(zhì)量和防止氣流倒罐造成的穿插污染，又要使利用的余熱品位升高。五、余熱利用方案根據(jù)前述詳細(xì)條件，利用該余熱制冷最適宜在濕熱季節(jié)，以向發(fā)酵操作供冷水；面臨冬季向廠(chǎng)區(qū)及生活區(qū)供暖；全年還可以提供局部生活用熱水。其中以制冷最為復(fù)雜，故本文主要討論余熱制冷方案。前述措施把排汽余熱參數(shù)進(jìn)步到可利用的程度，但從衛(wèi)生平安的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)參數(shù)還不能很高，如可限飽和溫度105，且仍具有很大波動(dòng)性和含有少量空氣。在這種條件下，余熱制冷可選擇的方案如下：方案一、直接利用廢汽作為溴化鋰吸收式制冷機(jī)的

8、熱源。這是最簡(jiǎn)單的方案，但存在以下問(wèn)題：1因廢汽中仍含有少量空氣，但存在以下問(wèn)題：空氣是難于別離的。當(dāng)空氣隨蒸汽進(jìn)入溴化鋰吸收式制冷機(jī)的發(fā)生器時(shí)，將在其傳熱管外表集聚，形成氣膜熱阻，嚴(yán)重影響換熱效果，據(jù)計(jì)算，1厚不凝性氣膜將使傳熱系數(shù)減小97%。2廢汽量波動(dòng)大，而壓力又很低的蒸汽是難于貯存的。假設(shè)按大排量設(shè)置余熱制冷機(jī)，當(dāng)排量少時(shí)得補(bǔ)充大量新蒸汽，須將0.70.9Pa的新汽節(jié)流減壓至0.2Pa以驅(qū)動(dòng)單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)熱力系數(shù)0.7，這樣會(huì)造成高品位能量低效率使用，還不如直接利用新蒸汽驅(qū)動(dòng)雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)，因其熱力系數(shù)可1.20。假設(shè)按小排量設(shè)置余熱制冷機(jī)，余熱回收量很小，當(dāng)排量大時(shí)須

9、將大量蒸汽排放掉。3余熱蒸汽參數(shù)仍低于標(biāo)準(zhǔn)蒸汽單效機(jī)對(duì)熱源參數(shù)的要求飽和溫度120。如不加大制冷機(jī)尺寸，其熱力系數(shù)和制冷量將降低。方案二、利用蒸汽噴射器提升廢汽壓力后，作為溴化鋰吸收式制冷機(jī)的熱源。利用壓力較高的新蒸汽通過(guò)噴射器引射廢汽可將其壓力升高，以改善本項(xiàng)余熱品位低的狀況。但本方案存在如下問(wèn)題：1得不償失。假設(shè)將廢汽壓力提升到0.4Pa以上，可采用雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)。但計(jì)算說(shuō)明，這時(shí)，所需消耗新蒸汽量很大。如當(dāng)工作蒸汽壓力0.8Pa。引射蒸汽廢汽壓力0.12Pa時(shí)，欲提升到0.4Pa，每提升1kg廢汽須消耗100kg新汽。顯然為進(jìn)步制冷機(jī)熱力系數(shù)所須付出的代價(jià)太大。假設(shè)將廢汽壓力提升

10、到0.16Pa，可采用單效溴化鋰吸收式制冷，但仍未到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)蒸汽單效機(jī)所要求的蒸汽參數(shù)，且每提升1kg廢汽的壓力至少需耗0.7kg新汽。而這些新汽的投入并不能改變制冷機(jī)熱力系數(shù)不高于0.7的狀況，所以說(shuō)該方案得不償失。2噴射器的特性是偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)效率急劇下降，而本余熱具有波動(dòng)大的特點(diǎn)，勢(shì)必使噴射器經(jīng)常在非設(shè)計(jì)工況下工作。假設(shè)增加噴射器數(shù)目，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)和控制復(fù)雜化。3因廢汽凝水不符合熱電廠(chǎng)回收標(biāo)準(zhǔn)，混入新汽后會(huì)使大量新汽的凝水也不能返回?zé)犭姀S(chǎng)，降低了經(jīng)濟(jì)性。4與方案一一樣，不易別離不凝氣體。方案三，利用廢汽加熱水的熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)。采用高效汽水換熱器如附圖，使廢汽與循環(huán)水直接接觸，其中蒸

11、汽冷凝而循環(huán)水被加熱，所得熱水作為熱水溴化鋰吸收式制冷機(jī)制熱源。由于廢汽量是波動(dòng)的，欲使其全部凝結(jié)，并保證熱水溫度不低于溴化鋰吸收式制冷對(duì)熱源的溫度要求，換熱器中噴淋的循環(huán)水量應(yīng)隨之變化。另一方面，工藝要求冷量穩(wěn)定，相應(yīng)要求向溴化鋰吸收式制冷機(jī)提供穩(wěn)定的熱水量作熱源。為解決這個(gè)問(wèn)題，安設(shè)了儲(chǔ)水罐制冷。制冷機(jī)容量按平均廢汽量為熱源來(lái)確定。當(dāng)廢汽量超過(guò)平均值時(shí)，加大噴水量，增開(kāi)泵2，余熱熱水量?jī)?chǔ)存于回水罐中。當(dāng)廢汽量低于平均值時(shí)，減小噴水量，翻開(kāi)伐2，制冷機(jī)回水的一局部?jī)?chǔ)存于回水罐中。控制是根據(jù)換熱器出口水溫的信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥1、閥2以及開(kāi)停泵2來(lái)實(shí)現(xiàn)。本方案的特點(diǎn)：1能在廢汽量波動(dòng)的條件下，供應(yīng)較穩(wěn)定的冷量，這就克制了由于余熱的波動(dòng)性對(duì)回收利用所造成的困難。2殘留于廢汽中的不凝性氣體，在蒸汽冷凝加熱水以后，從水中別離出來(lái)。不致因不凝性氣體