印染廢水余熱回收利用及經(jīng)濟(jì)效益分析

拓炳旭狄育慧張亞娟

（1.西安工程大學(xué) 西安 710048；2.成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司西安分公司 西安 710068）

印染廢水余熱回收利用及經(jīng)濟(jì)效益分析

拓炳旭1狄育慧1張亞娟2

（1.西安工程大學(xué) 西安 710048；2.成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司西安分公司 西安 710068）

分析了印染行業(yè)廢水余熱主要來源、回收現(xiàn)狀及前景；介紹了吸收式熱泵的原理，并通過分析某印染廠廢水余熱的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套利用吸收式熱泵技術(shù)回收印染廢水余熱的方案。最后對(duì)該設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析，認(rèn)為該設(shè)計(jì)方案能夠回收利用印染廢水余熱，同時(shí)減少污染物的排放，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益十分可觀。

印染廢水；吸收式熱泵；余熱回收；節(jié)能減排

Emission-reduction

0 引言

我國(guó)能源消費(fèi)量占全球的23%，能源消費(fèi)凈增長(zhǎng)占全球的61%，同時(shí)，我國(guó)能源生產(chǎn)量占全球供應(yīng)量的19.1%，是世界上最大的能源消費(fèi)國(guó)、生產(chǎn)國(guó)和凈進(jìn)口國(guó)[1]。節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃是我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。到2015年，全國(guó)萬元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降到0.869噸標(biāo)準(zhǔn)煤（按2005年價(jià)格計(jì)算），比2010年的1.034噸標(biāo)準(zhǔn)煤下降16%（比2005年的1.276噸標(biāo)準(zhǔn)煤下降32%），“十二五”期間，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源6.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤[2]。印染是高耗能、高耗水、高污染的行業(yè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)具有一定生產(chǎn)規(guī)模且有統(tǒng)計(jì)資料的印染企業(yè)，每年產(chǎn)生印染廢水約16億噸，印染廢水排放量在我國(guó)工業(yè)廢水排放量中居第六位[3]。在能源緊張、水資源日益短缺和環(huán)境污染不斷惡化的嚴(yán)峻形勢(shì)下，如何抓好企業(yè)的節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)和資源的重復(fù)利用，特別是投資少、見效快的余熱利用是當(dāng)前印染行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急[4]。在眾多廢水余熱回收利用技術(shù)中，吸收式熱泵技術(shù)顯得尤為重要，該技術(shù)主要以溴化鋰-水為工質(zhì)對(duì)，無毒無污染，且具有高效節(jié)能的特點(diǎn)。

1 印染廢水余熱回收現(xiàn)狀及前景

1.1 印染廢水余熱主要來源

印染加工工序復(fù)雜，印染廢水的組成主要包括煮煉、染色、退漿、印花、絲光、漂白、整理等工序所排放的廢水[5-8]。各環(huán)節(jié)廢水溫度、用水或用蒸汽要求各不相同[9,10]。退漿工藝中以氧化劑退漿為例，退漿液溫度高達(dá)100℃左右；煮練常在高溫堿性條件下進(jìn)行，水量大、水溫高，煮布鍋煮練的溫度為130℃；漂白工藝中，棉織物的過氧化氫漂白工藝水溫可高達(dá)90～130℃；絲光廢水含堿量高，多次重復(fù)使用后排出溫度為40～50℃；染色工藝中以卷染為例，M型染料染色溫度可高達(dá)60～65℃；印花工藝中蒸化溫度多在100℃以上[11]。大量高溫廢水直接排入污水溝，造成大量的熱能浪費(fèi)，同時(shí)嚴(yán)重影響好氧生化處理。

1.2 印染廢水余熱回收現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)印染廢水余熱回收技術(shù)方面的研究起步較晚，仍處于初級(jí)階段。印染廢水具有水量大、溫度高、雜質(zhì)多、有機(jī)污染物含量高、酸堿性強(qiáng)等特點(diǎn)，給余熱回收利用帶來了很大的困難。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)紡織行業(yè)每年的廢水排放量達(dá)20.29億噸，其中印染廢水約占紡織行業(yè)廢水排放量的80%。印染廠能源以蒸汽為主，50%為飽和蒸汽，高溫排液量大，熱能利用率只有35%左右[12]。因此，有將近65%的熱能以各種形式散失到環(huán)境中，沒有得到有效的回收利用，造成能源的浪費(fèi)。

1.3 印染廢水余熱回收前景

印染廢水排放平均溫度按45℃（保守估計(jì)），自來水平均溫度按15℃計(jì)算，我國(guó)印染企業(yè)每年流失熱能約為：

注：按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1kg標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為7000kCal，1Cal=4.18J，所以1kg標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)能為7000×4.18=29260kJ。

即每年流失的能量相當(dāng)于700.6萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，根據(jù)專家統(tǒng)計(jì)，燃燒1kg標(biāo)準(zhǔn)煤會(huì)排出0.44kg二氧化碳，0.02kg二氧化硫，0.015kg煙塵，0.26kg灰渣[13]。所以，每年700.6萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒會(huì)產(chǎn)生308.264萬噸的二氧化碳。若能回收熱能的50%，每年將節(jié)約350.3萬噸的標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少154.132萬噸的二氧化碳。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，印染廢水余熱回收有著廣闊的市場(chǎng)前景，同時(shí)有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益。

2 吸收式熱泵原理及設(shè)計(jì)方案

2.1 吸收式熱泵原理

吸收式熱泵簡(jiǎn)稱AHP（Absorption Heat Pump），是一種以熱能為補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)從低溫向高溫輸送熱量的裝置。吸收式熱泵通常以高溫蒸汽為驅(qū)動(dòng)熱源，水為蒸發(fā)劑，二元溶液（如溴化鋰水溶液或氨水溶液）為吸收劑，利用水在低壓真空狀態(tài)下沸點(diǎn)低的特性，提取低位熱源的熱量，通過吸收劑回收熱量并制取高溫?zé)崴?。熱泵由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器和熱交換器等主要部件及抽氣裝置、溶液泵和冷劑泵等輔助部件組成。這種裝置對(duì)環(huán)境零污染，與當(dāng)今環(huán)境友好型，資源節(jié)約型的政策相呼應(yīng)，并且由于它具有許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，近年發(fā)展十分迅速[14]。

圖1 吸收式熱泵系統(tǒng)與外界的能量交換Fig.1 Energy exchange between the absorption heat pump system and outside world

根據(jù)熱力學(xué)第一定律得：

式中：Qg為發(fā)生器的加熱量；Qo為蒸發(fā)器的吸熱量；Wp為溶液泵的耗功率；Qa為吸收器的放熱量；Qk為冷凝器的放熱量。

若忽略泵的功率（泵的做功與以上幾種熱量相比可以不用考慮），可以得出下式：

由圖1可知吸收式熱泵的輸出熱量為Qa+Qk，其性能系數(shù)COP為：

由式（2）、（3）可得：供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量（COP＞1），根據(jù)不同的工況要求，COP值一般在1.5～2.5[15]之間。由此可見，吸收式熱泵在城市的能源優(yōu)化利用方面具有良好的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

2.2 設(shè)計(jì)方案

本文依據(jù)印染廢水余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，并以陜西某印染廠為例進(jìn)行理論方案的設(shè)計(jì)。據(jù)實(shí)際調(diào)查測(cè)試，該印染廠每天排放的印染廢水量約2000噸，廢水平均溫度達(dá)45℃。

根據(jù)該印染廠的廢水余熱現(xiàn)狀和吸收式熱泵的工作特點(diǎn)，本文從理論上提出一套設(shè)計(jì)方案（如圖2所示），即擬采用熱交換技術(shù)加溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)對(duì)該印染廠每天排放的印染廢水余熱進(jìn)行回收利用。

圖2 設(shè)計(jì)方案Fig.2 Designing program

如圖2中所示，蒸發(fā)器的輸入（30℃）輸出（20℃）與板式換熱器相連，自來水通過吸收式熱泵的蒸發(fā)器、水泵以及板式換熱器形成循環(huán)水，該循環(huán)水從板式換熱器吸熱，將熱量帶入蒸發(fā)器后釋放，然后再回到板式換熱器吸熱，如此循環(huán)將印染廢熱水的熱量作為低溫?zé)嵩催M(jìn)入吸收式熱泵機(jī)組；印染廠45℃的廢熱水進(jìn)入印染廢熱水池，變?yōu)檫B續(xù)的廢熱水，經(jīng)廢水過濾裝置濾除雜質(zhì)后，通過板式換熱器與循環(huán)水進(jìn)行熱量交換后變?yōu)?0℃的廢水排出；吸收式熱泵系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)熱源來自鍋爐蒸汽，經(jīng)發(fā)生器變?yōu)槔淠懦觯?0℃的熱水經(jīng)吸收式熱泵機(jī)組加熱至80℃左右，進(jìn)入儲(chǔ)熱水箱供至染缸，然后再由蒸汽加熱至印染工藝需要的溫度并維持相應(yīng)的溫度。

本項(xiàng)設(shè)計(jì)方案基于吸收式熱泵技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）該方案通過吸收式熱泵的熱交換方式實(shí)現(xiàn)余熱回收利用，回收印染廠非連續(xù)的廢熱水后，廢水的溫度降低，既提高了能源利用率，又降低了廢水末端治理難度；（2）利用印染廢熱水池的儲(chǔ)水功能，同時(shí)采用過濾裝置濾除廢熱水的雜質(zhì)，將印染廠的斷續(xù)工業(yè)廢水變?yōu)檫B續(xù)，提高了吸收式熱泵運(yùn)行的穩(wěn)定性；（3）該方案采用板式換熱裝置與蒸發(fā)器連接，避免了印染廢熱水與吸收式熱泵機(jī)組的直接接觸，延長(zhǎng)了吸收式熱泵機(jī)組的使用壽命。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)該印染廠每天排放的印染廢熱水量為2000噸（約84m3/h）。忽略板式換熱器的熱量損失，通過式（4）可以計(jì)算出在該設(shè)計(jì)方案中吸收式熱泵系統(tǒng)的低溫循環(huán)水流量為'm為210m3/h。該設(shè)計(jì)方案選取型號(hào)為BDS500X0.4-80/50-20/30的遠(yuǎn)大吸收式熱泵[16]，表1為該型號(hào)吸收式熱泵系統(tǒng)的重要技術(shù)參數(shù)。

式中：Φ為換熱量，W；c為水的比熱容，取c=4.2kJ/(kg·)℃；m為印染廢熱水的流量，取84m3/h；1t為印染廢熱水進(jìn)水溫度，取45℃；2t為印染廢熱水出水溫度，取20℃；'m為循環(huán)水的流量，m3/h；1't為循環(huán)水的供水溫度，取30℃；2't為循環(huán)水的回水溫度，取20℃。

表1 BDS500X0.4-80/50-20/30的技術(shù)參數(shù)Table1 Technical parameters of BDS500X0.4-80/50-20/30

若該印染廠按該設(shè)計(jì)方案回收印染廢水余熱，則節(jié)能計(jì)算如表2。

表2 節(jié)能計(jì)算Table2 Energy saving calculation

每天回收利用2000噸印染廢熱水的熱量，每年（按360天計(jì)）可節(jié)約標(biāo)煤約2401噸，表3為該設(shè)計(jì)方案條件下主要污染物的減排量。2401噸標(biāo)煤折合成熱量為5000kCal的原煤約3361.4噸，依據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，目前陜西熱量值為5000kCal的原煤價(jià)格約550元/噸（含運(yùn)費(fèi)），因此，每年為企業(yè)節(jié)約燃煤資金約184.877萬元。

表4為該設(shè)計(jì)方案的初期投資費(fèi)用。

表3 污染物減排量Table3 Pollutant emission reduction

表4 初期投資費(fèi)用Table4 Initial investment costs

設(shè)備的年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)按總投資費(fèi)用的2.5%計(jì)算，使用壽命為25年，殘值率取5%。由此可見，該設(shè)計(jì)方案每年節(jié)約資金為：

運(yùn)行年限內(nèi)可以為該企業(yè)節(jié)約資金為：

式中：0Y為每年節(jié)約資金，萬元；1Y為每年節(jié)約燃煤資金，萬元；P為初投資費(fèi)用，萬元；α為年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)系數(shù)；Y為運(yùn)行年限內(nèi)節(jié)約資金，萬元；N為運(yùn)行年限，年；β為殘值率。

由以上計(jì)算可知，該設(shè)計(jì)方案在運(yùn)行年限（25年）內(nèi)可為企業(yè)節(jié)約資金達(dá)3487.925萬元；同時(shí)減少了大量污染物的排放，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，起到節(jié)能減排的作用。

4 結(jié)束語

根據(jù)該設(shè)計(jì)方案的投資運(yùn)行情況，系統(tǒng)在運(yùn)行年限內(nèi)可為企業(yè)節(jié)約資金達(dá)3487.925萬元，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。該余熱回收利用方案為印染企業(yè)的廢水余熱回收利用提供了參考依據(jù)，并具有潛在的應(yīng)用前景，應(yīng)在有條件的印染企業(yè)大力推廣。

利用吸收式熱泵技術(shù)回收印染廠廢水余熱，是緩解能源緊張、有效實(shí)現(xiàn)印染廠節(jié)能減排和提高印染廠經(jīng)濟(jì)效益的新型技術(shù)。本文所提出的設(shè)計(jì)方案不僅回收利用了印染廠各種工藝流程所產(chǎn)生的廢水余熱資源，而且減少了燃料的消耗量，降低了二氧化碳等污染物的排放量，減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

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Analysis on Economic Benefit and Recycling of Waste Heat from Printing and Dyeing Waste Water

Tuo Bingxu1Di Yuhui1Zhang Yajuan2
( 1.Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048; 2.Chengdu JZFZ Architectural Design Co., Ltd, Xi'an branch, Xi'an, 710068 )

This paper analyzes the main source of waste heat in printing and dyeing industry, the present situation and Prospect of the waste heat recovery. Introduced the principle of absorption heat pump, and analyzes the present situation of waste heat in a dyeing factory. A scheme for recycling waste heat from printing and dyeing wastewater by absorption heat pump is designed. Finally, the economic benefit of the design is analyzed, and the design scheme can be used to recover the waste heat from the printing and dyeing wastewater, and reduce the pollutant emissions, economic and environmental benefits are considerable.

Printing and dyeing waste water; Absorption heat pump; Waste heat recovery; Energy-saving and

TK11+5

A

1671-6612（2017）01-102-05

陜西省科技廳產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目（編號(hào)：15JF017）

拓炳旭（1991.10-），男，碩士研究生，E-mail：tbx1023@163.com

狄育慧（1964.02-），女，教授

2015-12-14