印染企業(yè)廢水熱回收系統(tǒng)設(shè)計

曹浩淼 周亞素 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

鄭建范 寧波象山恒大印染新廠

據(jù)統(tǒng)計2008年，全國紡織行業(yè)廢水排放總量為 14.13 億 t，，其中印染廢水約為 11.3 億 t（占紡織印染業(yè)廢水的 80%） ，約占全國工業(yè)廢水排放量的6%[1]。回收利用這些廢熱既能使企業(yè)節(jié)省生產(chǎn)費用， 又能為社會節(jié)約資源、減少環(huán)境污染，對企業(yè)對社會都十分有益。

根據(jù)調(diào)研得知，印染企業(yè)在生產(chǎn)過程中需要大量的熱水 （60℃～95℃左右），同時漂洗等工藝產(chǎn)生溫度較高的廢熱水（30～45℃） ， 這些廢熱水通常排放至污水處理廠，經(jīng)過污水凈化處理后排放。如果回收利用印染廢水中的余熱制取生產(chǎn)所需的熱水，不僅可節(jié)省煤炭等高品位能源，提高能源的綜合利用率，并且相應(yīng)地減少污染物的排放，保護環(huán)境。

1 印染廢水余熱回收系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 工程項目概況

本文主要針對某印染企業(yè)的生產(chǎn)狀況進行系統(tǒng)設(shè)計。該企業(yè)主要從事棉、滌棉針織物漂白及染色整理，擁有染色機45臺，染整加工能力設(shè)計為50 t/d毛坯布。目前企業(yè)的生產(chǎn)用能主要是電力和熱力，其中生產(chǎn)用水由自來水經(jīng)蒸汽換熱器加熱后獲得，蒸汽由附近電廠購入，生產(chǎn)工藝用的蒸汽壓力為0.45～0.75 MPa，溫度約為150℃，企業(yè)消耗蒸汽量約100 t/d，需要生產(chǎn)用水3 000 t/d左右。根據(jù)染色工藝的不同，企業(yè)排放染色廢水量在1 800 t/d左右，廢水溫度在40℃左右，產(chǎn)生的廢水經(jīng)簡單過濾處理后流送至廠區(qū)附近的污水處理廠進行處理。該企業(yè)生產(chǎn)情況的調(diào)研結(jié)果匯總?cè)绫?。

表1 企業(yè)用能調(diào)研表

1.2 廢水余熱回收總體方案

綜合上面印染廢水水源特性，為更多的回收利用余熱，得到滿足生產(chǎn)要求的熱水（60℃左右），將余熱回收方案定為帶初級防腐熱回收的水源熱泵方案。生產(chǎn)過程中排放的廢水分成兩部分。

（1）廢水源熱泵蒸發(fā)器側(cè)，采用中水循環(huán)吸熱方式，即中間循環(huán)水先從廢水中吸收熱量， 生產(chǎn)時廢水循環(huán)泵把廢水（ 溫度 40℃左右）送到中間熱交換器中釋放熱量， 溫度降到 20℃左右排放掉， 釋放的熱量被循環(huán)中間水吸收后再釋放給制冷劑；

（2）廢水源熱泵冷凝器側(cè)，先讓冷水（15℃左右）與廢水經(jīng)過換熱器進行初次熱交換而升溫至30℃左右，再通過廢水源熱泵的冷凝器換熱提升到60℃左右。經(jīng)過換熱后的廢水降溫至25℃左右排放。產(chǎn)生的熱水可以直接入染缸使用，也可以替代冷水，經(jīng)蒸汽換熱器換熱后制備高溫染色熱水（90℃以上）。圖1為該方案系統(tǒng)圖。

圖1 廢水余熱回收系統(tǒng)圖

2 廢水換熱器的選擇與設(shè)計

本系統(tǒng)中使用兩個換熱器，這兩個換熱器可選用噴淋式換熱器、板式換熱器和管殼式換熱器。這幾種換熱器各有優(yōu)缺點，適用范圍也不同。[2]廢水換熱器的選擇原則是，在保證有一定換熱效率的前提下，盡量選用適應(yīng)力強、運行時間長、容易清洗的換熱器，進而減少印染廢水結(jié)垢和腐蝕問題。綜合考慮后，選用浮頭式管殼換熱器，換熱器材料選擇不銹鋼材料。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 浮頭式換熱器

換熱器的設(shè)計計算[3]可采用下式：

式中hw為污水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，kW/（㎡·℃）；λ1為管內(nèi)黏泥導(dǎo)熱系數(shù)，kW/（㎡·℃）；δ1為管內(nèi)黏泥厚度，m； 為換熱管厚度，m；λ2為換熱管導(dǎo)熱系數(shù)，kW/（㎡·℃）；hq為清水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)， kW/（㎡·℃）。

經(jīng)過計算及參考其他工程實際及理論研究[3]，本工程系統(tǒng)設(shè)計平均傳熱系數(shù)為650 W/（㎡·℃），通過換熱器1、換熱器2的廢水量設(shè)計為800 t/d、1 000 t/d。

（1）計算換熱器1的換熱量

計算得

（2）確定管殼式換熱器的平均溫差

φ——修正系數(shù)， 值取決于兩個無量綱參數(shù)P及R，

它們各定義為

圖3 雙殼程，管側(cè)偶數(shù)管程，φ-P關(guān)系圖

（3）計算換熱器1的面積

因此選用換熱器換熱面積為120.6 ㎡的不銹鋼浮頭式管殼式換熱器2臺，1用1備。用同樣的方法對換熱器2進行選型，換熱器1、換熱器2參數(shù)見表2所示。

表2 廢水換熱器設(shè)計參數(shù)

3 廢水源熱泵機組的選擇

間接式廢水源熱泵系統(tǒng)在熱泵機組選擇上要比直接式廢水源熱泵容易一些，對蒸發(fā)器的選擇不需要考慮太多關(guān)于廢水對蒸發(fā)器表面的破壞，只需要按照常規(guī)選擇熱泵的方式即可。企業(yè)印染廢水余熱回收系統(tǒng)，設(shè)計通過余熱回收為企業(yè)生產(chǎn)提供60℃熱水，產(chǎn)熱水量為800 t/d，負荷要求為3 489 kW，選擇制熱量為1 251 kW中高溫螺桿式水源熱泵機組3臺，熱泵機組參數(shù)見表3所示。

表3 廢水源熱泵機組參數(shù)表

4.經(jīng)濟性分析

企業(yè)當?shù)啬茉聪M參數(shù)如表4所示。

表4 經(jīng)濟性分析計算參數(shù)

（1）耗能量計算比較

企業(yè)生產(chǎn)60℃熱水所需要耗熱量和消耗的蒸汽量計算方法如公式（7）、（8）所示：

所以

通過計算可得每天產(chǎn)生800 t 60℃熱水，所需要的耗熱量為3489 kWh，如果要用蒸汽加熱產(chǎn)生熱水所需的蒸汽量為5.1 t。如果用本文設(shè)計的系統(tǒng)，利用廢水源熱泵系統(tǒng)回收熱量，假設(shè)廢水源熱泵機組的COP為3.7，每天的耗電量為935.4 kWh，加上水泵和各種輔助設(shè)備的耗電量，廢水余熱回收系統(tǒng)的總的耗電量為960 kWh。

綜上所述，企業(yè)采用廢水余熱回收系統(tǒng)每天可以為生產(chǎn)800 t熱水，耗電量為960 kWh，折合標煤313.9 kg。如果用蒸汽加熱得到這些廢水將耗蒸汽量約為5.1 t，折合標煤597 kg。所以，余熱回收系統(tǒng)每天可節(jié)省標煤283 kg。

（2）年運行費用比較

企業(yè)每年保證生產(chǎn)300 d，每天24 h工作制，廢水余熱綜合回收系統(tǒng)每年運行費用為：960× 24× 3 00× 0 .907 = 627（萬元）。加上換熱器等設(shè)備的人工清洗維護費用約1.2萬元；

如果用蒸汽加熱來獲得生產(chǎn)用熱水每年的運行費用為：5.1× 24× 300× 2 05 = 752.8（萬元）。

兩者相比較廢水余熱綜合回收系統(tǒng)每年節(jié)省運行費用124.6萬元。

（3）投資回收期分析

對于本項目，采用印染廢水熱回收熱泵需要的初投資費用包括熱泵、換熱器、水泵、水箱、電控系統(tǒng)、工程水電材料、施工安裝等費用，對本項目設(shè)計的廢水熱回收系統(tǒng)估算初投資如表5所示。

所以改造原有的蒸汽換熱器制備熱水系統(tǒng)需要增加投資約160.2萬元，年節(jié)約運行費用124.6萬元，與蒸汽換熱器系統(tǒng)相比，印染廢水余熱回收系統(tǒng)的投資回收期n為：

n=工程總投資費用/年節(jié)約運行費用=160.2/124.6≈15月

表5 廢水熱回收系統(tǒng)初投資

對于本項目而言，采用印染廢水余熱回收系統(tǒng)方案制備生產(chǎn)用熱水，經(jīng)分析投資回收期約為15個月，且每年可節(jié)省運行費用124.6萬元，經(jīng)濟效益明顯。

5 結(jié)語

印染廢水資源有很大的余熱回收潛力，如果把熱泵技術(shù)用于印染廢水熱回收，其意義不言而喻。經(jīng)分析，企業(yè)采用印染廢水余熱回收系統(tǒng)代替原有的蒸汽換熱系統(tǒng)制備生產(chǎn)熱水，相當于每天可節(jié)省283 kg標準煤，節(jié)省運行費用124.6萬元/年，使企業(yè)具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

[1]郭建強，劉潔，李越.關(guān)于印染廢水治理的幾點思考[J].中國經(jīng)濟時報.2005年8 月5日.第004版

[2]閆桂蘭.污水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計研究及污水換熱器性能的改進[D].北京工業(yè)大學(xué).2007.6

[3]錢頌文編.換熱器設(shè)計手冊.化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2002：2-17

[4]連之偉編.熱質(zhì)交換原理與設(shè)備.中國建筑工業(yè)出版社，北京，2011.6