基于冷凝水循环再利用技术的系统创新研究与实践应用

摘要：本课题着眼于冷凝水循环再利用，通过对研读背景资料、理解制作目的、讲述制作过程、检测效果及评价技术应用成果等方面内容进行分析，阐述冷凝水循环再利用技术。基于科技快速发展，多领域应用于工业生产的现实情况，由于各类工业产生的冷凝水大量排放出来，该类冷凝水多数为一些具有较高污染性的废水，同时当前很多企业忽视对于该部分冷凝水的合理使用，造成浪费。为此笔者利用单片机检测控制装置和冷凝水循环再利用技术，采用清洁能源转化、蒸馏法处理、风冷与水冷联合冷却等处理手段，使得废弃冷凝水得以转化为可供再次利用的纯净水。从使用层面看，笔者所提出的研究手段可以极大地降低对能源的消耗，达到节能减排的效果；而从环保层面看，更是有助于保护我们的环境，具有十分可观的市场使用价值。

关键词：冷凝水循环；资源再利用；科技创新；环境保护

1.研究目的

不同于以前，现在工业、产业已经十分发达了，能否做到既节约能源又能保证工业生产所用的能量，才是一个重要的问题。本文即是针对此目的而展开的关于工业生活所需要的水资源、能源回收再利用和节源节能的研究。工业生产和日常生活中有许多不同的方面都会生产冷凝水，对于这些产冷的冷凝水加以回收再利用，一方面可以缓解现在很紧张的用水问题；另一方面也可以减少企业本身的用水开支。从环保角度出发，减少了冷凝水的排放也可以减少对环境的污染，更有利于建设资源节约型，环境友好型社会，也有利于促进各行业的绿色发展方向[1]。

2.研究背景

由于全球水资源供给与需求之间的矛盾日趋尖锐，在庞大的工业企业当中用水问题显得更为突出，在此基础上，就工业用水系统来讲，据联合国工业发展组织于2023年发布的信息可知，以我国为例，各种类型工业企业的工业蒸汽系统产生的废弃冷凝水占企业总用水量的比例为15%-30%，并且上述废弃冷凝水中还包括了较高的热量消耗，对于企业的整体能耗占比达到了20%以上，这也是一种较为严重的资源和能源浪费情况，在实际的应用过程中主要表现在石油加工、发电和食品加工流程工业等领域，我国也制定了相应的强制性节水政策规定。

例如，欧盟BAT标准于2021年颁布了相关要求：蒸汽系统水的回用率不低于85%，同时我国也在《工业水效提升行动计划》当中把冷凝水回收作为主要任务进行重点监管[2]。目前利用技术手段开发出的新的闭环回用系统可通过多级闪蒸的方式，将冷凝水的温度快速从95℃降至30℃以下，并结合先进的膜分离装置，最终将冷凝水处理达到GB/T12145—2016动力设备补充水量标准。

以某大型造纸企业2022年所投运的一套具有智能化监测模块的回收系统为例，仅用水质指标一项进行考察便可知，在这套系统的作用下，吨纸产品水耗可下降2.3m³/a，且因蒸汽凝结水质量改善带来的锅炉效率提升可节省燃煤费用约500余万元/a[3].由此可见，这是一项既利于经济效益又有利于生态环境的冷凝水回收项目，是促使冷凝水由单纯的环保硬性要求转变成促进企业提升竞争力的重要举措[4]。

3.制作过程

3.1 多回路协同回收

这一创技首次在单回路回收的基础上做出改进，并创造性地将这一技术应用于多回路协同回收，因此具有创新意义。该多回路协同回收系统可以根据冷凝水的不同参数，将冷凝水分类回收，比如：如果是高温高压的冷凝水，首先将进入本系统所设计的闪蒸罐中，实现一部分蒸汽的分离，之后再用此蒸汽来预热工艺流体，可充分利用其中包含的热量；剩余的冷凝水以及中温、低温冷凝水都将由各自的管道进行独立收集，然后进行之后的处理，同时根据上述各回路收集到的冷凝水的水质及水量，依照系统的设计要求对系统所收集到的冷凝水进行合理化分配处理，进而使得回收效率提高[5]。

通过化工生产的反应釜来作为代表，由反应釜产生出来的高温冷凝水和冷却塔排出的低温冷凝水，均进入不同回路的水管系统。将高温冷凝水余热经过热水系统用于加热其他需要预热的工艺流体，将低温冷凝水回收到要求低一些的地方（如设备冷却），可以很好地节约用水量、回收水资源[6]。

3.2 模块化组合设计

采用先进的模块化方式设计此设备，把循环利用系统分解为冷凝水收集模块、净化模块、存储模块以及输送模块这4个单独的、功能明确的模块，各个模块各司其职，不同的组合、系统设定适应了人们日常生活需要；并且对于规模较小的工业企业来说，可以在投产之初只装上基础的冷凝水收集和净化模块即可，以后随着工业生产的扩大可以根据需要增加存储和输送模块，一个点一点地加配也可以降低一次性大额投资的压力，十分方便，大大增强了装置的通用性以及延展性[7]。

3.3 自动化运行控制

本系统全部使用PLC全自动化运转，根据已设置好的程序以及传感器所采集的信息，可以全自动地启动或者停止所有系统内设备，并且能根据需要调节系统内的流量或控制压力，另外，在收集冷凝水时可根据液位传感器回馈的信息，自动启动或停止泵体，使冷凝水得到收集；当系统运行时也可根据PLC接收的水质监测信息来实现净化设备工作的自动启停，维持一定的出水效果，方便了使用者的操作。既提高了装置运转的稳定性、可靠性，又大大降低了因人为错误造成的风险[8]。

3.4 远程监控与故障诊断

除了实现物联网功能，本课题研究还使用了各种前端、后端以及数据库相关技术，实现了装置的远程监控，装置可以监控各种数据，如：温度、压力、流量、水质等，在运用该装置的过程中，可以用各种方式查看装置各项工作参数，即便是工作人员与装置之间距离非常远也能达到监控效果。并且由于各个监控项的数据都可以上传至相关设备上，使装置上的工作更容易开展起来，在利用装置工作时需要的人员也会少很多，有助于减少企业的工作开销。当系统发出警告信号或发现有错误代码时，会自动向检测到有错误的部分发送警告消息，并利用大数据分析功能快速准确地找出产生错误的原因，然后将此原因告知技术人员并给与正确的解决办法，与此同时技术人员还可以借助监控系统直接对现场技术人员提供远程指导，大大提高故障维修工作效率。

4.实施方案

4.1 冷凝水收集

为了提高冷凝水收集效率及便利性，在冷凝水产生设备（蒸汽换热器、蒸馏塔）出口处设置专门收集管路，并根据不同区域冷凝水的温度及压力的不同，收集至相应的区域。对于高温高压冷凝水要单独收集，方便以后进行闪蒸回收热能；中低温冷凝水合并收集，便于降低冷凝水收集的难度和成本。

4.2 净化处理

系统设计的净化流程采用的是“过滤-离子交换-反渗透”联合工艺，在净化过程第一步中采用机械去除水中悬浮状态的杂质，使其满足净化基础条件；完成初步过滤后利用离子交换树脂对水中的相应杂质进行去除，并减少水中硬度，从而使水质得到进一步改善；其次经过前两步的操作，再利用反渗透装置将水中剩余的溶解性盐类、有机物完全去除掉，从而达到充分净化的目的。这样的工艺流程是为了确保最后净化后的水质能完全符合我们的要求。

4.3 热能回收

高温冷凝水是工业生产中蒸汽经换热后形成的一种产物。通常情况下，由于受设备条件限制，常规的方式是在压力稍高于大气压的情况下冷却蒸汽产热水后排出至大气中，从而排放大量余热资源，造成能源浪费的同时也带来了环境污染等问题。针对高温冷凝水，采用本项目中开发的技术手段：在冷凝水中加入高压水射流装置和闪蒸罐将其中的一部分闪蒸汽分离出来对进入生产阶段的原料或工艺用水等进行预热后再将冷水补充至闪蒸罐当中并和剩余冷凝水混合降温后与其他冷凝水混合再继续循环使用。

5.实施步骤

5.1 筹备阶段

首先根据项目的可行性，成立专门的调研组通过各种渠道进行企业冷凝水排放情况的研究，包括各种类型的冷凝水产生设备的数量，具体的类型以及位置；针对不同的设备提出不同参数下的冷凝水情况；最后查找到相同的行业的循环利用的案例，并从这些案例当中得到各个技术手段的优点与缺点，形成技术比较方案；其次对各类技术方案的投资成本以及运行效益等，结合该企业的实际情况与发展规划，写出一份较为详尽的项目可行性报告，然后针对项目建设过程的安全性以及项目可能产生的经济效益作出评估；第三，根据可行性报告确定设计文件并给出方案设计，邀请相关老师以及专业人士进行讨论，以最终的可行性报告为参考拟定出基本的工艺流程；再在专业知识小组内对总体流程加以细化，并在此基础上安排各项技术的具体方案，按照既定的方案制作相应的管道布置图，并标示出每部分内容的各种参数及设备的接线方式；最后根据选定的设备明确设备选型的各项要求并确定设备处理的规格、型号以及参数，并根据方案确定的内容绘制工程设计图纸。

然后开展设备选型采购工作，在完成工艺设计、出具设备设计图的基础上对市场上设备供应商进行调研，并从中筛选出具有技术和质量优势且价格合理的优势设备供应商，在从拟选供应商中考虑设备技术性能、设备价格及售后服务等情况的基础上最终选择确定该类设备的供应商进行设备采购。

组建项目组开展技术交底和培训，并挑选一名有较丰富的经验的项目经理人员主持该项目的整体协调推动工作，并和项目组其他成员一起组成项目实施队伍，并将成员明确到岗，确定岗位职责说明书。并组织项目组开展技术交底会，向成员介绍该项目的设计方案、工艺流程、设备操作要领、质量控制标准等内容；组织相关人员进行项目中用到的设备的操作维护技能的培训，使项目组成员充分掌握设备的结构、性能、操作、常见故障处理方法等知识；并且在项目实施阶段还需要对项目组成员进行安全教育。

5.2 建设阶段

1.设备安装

根据说明书中所指定的说明，收集设备、净化设备和热能回收设备进行安装；先参照图纸把设备的基础支架放好，并且将各个部分落实到位；然后再进行各个部分的固定与调整；注意好各个部分之间要留有一定间距；所有安装完毕后再按顺序来进行检查；安装时不能有偏差；同时还需要控制好各个部分的方向；在净化设备当中的机械过滤器、离子交换树脂罐、反渗透膜组件都是需要按照一定的顺序来进行操作；所有的布置一定是在保质保量的基础上对内部构件的布置来进行的；同样，在进行设备安装的同时还需要对整个设备的电器接线工作进行同步工作，使得所有的电气线路连接都正确、牢固、可靠。

2.调试

安装好后进行单机调试及联动调试：单机调试：分别开动设备启动、运行等操作，查看其各个参数，使每台设备处于正常状态；联动调试：模拟生产状态，先导入冷凝水进入收集系统，在依次进入净化系统和热能回收系统中，然后查看整个系统是否能保证系统处于稳定运行、协调运作，并达到设计处理的效果。调试过程中，及时发现故障点，调整或优化其运行参数，让系统达到运行最佳状态；调试控制系统的控制逻辑是否正确，各个控制表是否灵敏可靠，达到设计中的远程监控与自动化的功能。

3.控制系统编程与测试

按系统的设计工艺流程及控制要求编写控制程序，利用先进的自动控制技术，例如PLC（可编程逻辑控制器）、DCS（分散控制系统）等语言编写程序并运用到控制系统中去。然后进行模拟调试，通过仿真软件事先测试程序的正确性与可靠性，在实际的设备上进行联机调试，并将整个控制系统运用于现场，根据系统的实际运行情况进行调试与完善，以保证控制系统的控制功能能够准确可靠，保证整个冷凝水循环再利用系统工作的稳定性。

5.3 试运行阶段

建设调试完成后投运运行，并在试运行阶段编制详细的试运行方案，开始时逐渐增加冷凝水处理量并密切观察系统运行情况及各参数，保证系统安全稳定运行。同时，建设完善的监测数据体系，监测在运行过程中出现的各项数据，包括监测冷凝水流量、温度、压力、水质指标（含硬度、酸碱度、溶解性盐类等）和设备运行相关数据（含电机电流、电压、功率、设备运行时间等），通过数据采集系统实现监测数据实时传送至监控中心，并应用相关软件进行数据采集分析处理，并绘制运行趋势图。

当发现运行中出现异常情况时进行针对性优化调整；在运行中若发现水质不达标，则应分析原因并对净化设备的运行参数进行调整，如过滤速度、离子交换时间、反渗透压力等；若发现热能回收率不高，则应对闪蒸罐、板式换热器的运行参数进行调整，如闪蒸压力、蒸汽流量、换热面积等，并结合设备运行时间、启停顺序的合理规划，来提升整个系统的运行效率，在试运行过程中，持续的去摸索问题、积累经验、改进提升，从而逐步实现满足设计标准目标。

6.效益评估

6.1 经济效益

通过减少冷凝水排放、回收利用，一方面可以使各工业企业减少购买新鲜水资源，大大节约企业生产和经营资金，达到节水的效果；另一方面可以利用工业企业生产时所回收的热能来预热，以节约企业的生产燃料消耗，降本增效。以上两点，可以极大程度地节约工业生产成本，预计每年每家企业节约水资源和能源成本可达到50～80万元/年，投资回收期仅为2～3年。

6.2 环境效益

通过冷凝水循环利用可彻底解决工业生产过程中产生大量冷凝水的问题，并减少冷凝水排放带来的水体热污染和化学污染；同时能适当缓解现阶段用水紧张的局面，顺应当今能源短缺状况。并且做到了与国家现代政策相符合，有助于我们推动经济社会的可持续发展以及保护好我们的环境。

7.结论

本文利用单片机检测控制装置和冷凝水循环再利用技术，采用清洁能源转化、蒸馏法处理、风冷与水冷联合冷却等处理手段，使得废弃冷凝水得以转化为可供再次利用的纯净水。从使用层面看，笔者所提出的研究手段可以极大地降低对能源的消耗，达到节能减排的效果；而从环保层面看，更是有助于保护我们的环境，具有十分可观的市场使用价值。在此过程中实现了多回路协同回收、模块化组合设计、自动化运行控制、远程监控和故障诊断等一系列关键技术集成到该系统内，极大地节约了水资源，降低了能源消耗，减少了环境污染，符合时代发展趋势，具有极高的推广价值，在后期还需要继续对其进行完善改进，针对其存在的问题做出改善，并及时跟进实际情况进行升级，以更好地解决其他行业出现的问题。为推动绿色发展添砖加瓦[9]。

参考文献

[1]张娇.制氧站内蒸汽再生加热器冷凝水回收及循环利用[J].北京，2024，3.

[2]蒲春莲，李永茂.空调冷凝水循环再利用[P].杭州，2014，7.

[3]张德莉，郁鸿凌，朱凡等.提高某大型蒸汽管网供汽温度的方案和试验[J].能源技术，2010（12）：360-362.

[4]杨德勇，陶浩，马学兵.烟厂蒸汽凝结水的回收与利用[J].郑州轻工业学院学报，2002（3）：21-23.

[5]罗文宪，龚朝兵等.炼厂工艺凝结水低温热回收技术探讨及应用[J].石油化工技术与经济，2020（12）：76-78.

[6]何刚.凝结水回收系统优化技术改造[J].广州化工，2013（11）：33-34.

[7]魏玉东，李枫.临涣焦化热力系统凝结水回收利用节能改造技术[J].广东化工，2012（10）：83.

[8]赵国凌，畅哲峰，高德仁.蒸汽供热系统凝结水回收及其效益测算[J].工业锅炉，2012（4）：55-59.

[9]周光辉，余娜.空调冷凝热热回收技术研究现状及发展趋势[J].低温与超导，2008（10）：365-369.

项目情况：辽宁工业大学大学生创新创业训练计划项目（编号：X202410154083）；辽宁工业大学大学生创新创业训练计划项目（编号：X202410154085）

*通讯作者：张勇（1974-），男，满族，籍贯：辽宁黑山，硕士，高级实验师，研究方向：新能源发电及再利用。