某稀土工業(yè)廢水余熱回收利用及效益分析①

周榮超 喬玲敏* 口妍君 張靜峰 劉純

（1.煙臺大學 山東煙臺 264000；2.煙臺艾克倫特新能源科技有限公司 山東煙臺 264000）

1 廢水處理概況

該稀土工廠原廢水處理方案及各工藝段參數(shù)[1]：

（1）各車間工藝廢水（34℃）經(jīng)過混水池混合后，產(chǎn)生約為46℃的混合廢水；

（2）混合廢水經(jīng)混合中轉(zhuǎn)罐加入石灰，在反應罐內(nèi)反應產(chǎn)出62℃的混合廢水；

（3）62℃混合廢水經(jīng)進料泵打入到曝氣塔。為去除廢水中的有害物質(zhì)，需將廢水用1.25MPa的蒸汽加熱。曝氣塔加熱處理后的高溫廢水（98℃，36m3/h）進入3個串聯(lián)的方形曝氣箱；

（4）經(jīng)過曝氣箱的廢水溫度由98℃降為53℃；

（5）排出的53℃廢水進入降溫池，通過加注自來水降溫至40℃以下，最后排放。

2 熱能回收改造技術方案

通過對稀土工廠廢水處理工藝的分析，并結合吸收式熱泵的工作原理和目前廢水余熱回收技術的應用情況，設計采用溴化鋰吸收式熱泵，以蒸汽作為吸收式熱泵的驅(qū)動熱源，對53℃廢水中的熱能進行回收利用[2]，同時將20℃自來水加熱到90℃。經(jīng)過吸收式熱泵加熱后的自來水作為鍋爐補水，經(jīng)水泵加壓輸送到燃氣蒸汽鍋爐，生產(chǎn)1.25MPa的蒸汽。設計方案如圖1所示。

圖1 余熱回收設計方案

表1 吸收式熱泵設備技術參數(shù)

該技術方案工作原理為：

（1）余熱回收過程：53℃的廢熱水，通過廢水過濾器，在蒸發(fā)器內(nèi)被冷劑水吸收熱量，降溫至35℃后排入市政管網(wǎng)。冷劑水吸收廢水的熱量蒸發(fā)為冷劑蒸汽，進入吸收器；

（2）自來水首次加熱：在吸收器內(nèi)，來自蒸發(fā)器的冷劑蒸汽被溴化鋰濃溶液吸收，濃溶液轉(zhuǎn)化成稀溶液，同時釋放熱量加熱20℃的自來水；

（3）驅(qū)動過程：吸收器內(nèi)產(chǎn)生的溴化鋰稀溶液經(jīng)溶液泵送往發(fā)生器，在發(fā)生器利用0.5MPa驅(qū)動蒸汽的熱量對溴化鋰稀溶液加熱濃縮，產(chǎn)生濃溶液和冷劑蒸汽，濃溶液被送回吸收器；

（4）自來水二次加熱：在驅(qū)動過程中產(chǎn)生的冷劑蒸汽被送到冷凝器內(nèi)，對來自吸收器的自來水進行二次加熱，熱水達到90℃后被送到儲熱水箱；同時冷劑蒸汽冷凝，通過節(jié)流裝置后進入蒸發(fā)器[3]；

（5）自來水三次加熱：儲熱水箱內(nèi)90℃熱水通過軟化處理后，由水泵泵送到燃氣鍋爐，在鍋爐內(nèi)水從90℃加熱為1.25MPa的飽和蒸汽。

3 技術方案效益分析

3.1 方案分析

36m3/h、62℃的工藝廢水進入到曝氣塔內(nèi)，由蒸汽加熱到98℃，此處所需蒸汽加熱熱量Q2為：

忽略中間蒸汽損耗，蒸汽冷凝后溫度按95℃計算，得到蒸汽量：

表2 改造前后經(jīng)濟效益變化

表3 污染物減排量

式中：q1為曝氣塔生產(chǎn)所需蒸汽流量，kg/h；h1為1.25MPa蒸汽焓值，2788kJ/kg；h2為95℃冷凝水焓值，400kJ/kg。

根據(jù)上述36m3/h的廢水流量與計算所得蒸汽量，本方案采用的吸收式熱泵[4]各項技術參數(shù)如表1所示。

由于吸收式熱泵提取廢水中的熱量可以生產(chǎn)14.25m3/h的90℃熱水，曝氣塔處與熱泵發(fā)生器共需約2900kg/h的蒸汽，約剩余11.35m3/h熱水。此熱水符合洗浴標準，可以將過剩熱水出售給洗浴中心使用。

3.2 效益分析

（1）原工藝蒸汽量換算。

原工廠采用1.25MPa燃煤蒸汽鍋爐生產(chǎn)蒸汽，鍋爐進水溫度為20℃，蒸汽量為2300kg/h，經(jīng)計算，原工藝每天（24h）生產(chǎn)蒸汽所需熱量及耗煤量：

此熱量折合二類標煤8.32t。

式中：Q3為生產(chǎn)蒸汽所消耗的熱量，kJ；q2為改造前所需蒸汽質(zhì)量流量，kg/h；h1為1.25MPa蒸汽的焓值，2788kJ/kg；h3為20℃水的焓值，84.5kJ/kg；η1為燃煤效率，78%；二類標煤價格800元/t。

（2）改造后燃料消耗量計算。

改造后分為兩部分計算：

①第一部分為2.9m3/h的水通過吸收式熱泵加熱到90℃后進入新增燃氣鍋爐[5]生產(chǎn)蒸汽，其中生產(chǎn)的2300kg/h蒸汽用于曝氣塔處理廢水，600kg/h的蒸汽通過減壓閥降壓后進入吸收式熱泵發(fā)生器內(nèi)作驅(qū)動熱源。同式（3），生產(chǎn)2900kg/h的蒸汽所消耗熱量為Q4=179144348kJ。此熱量消耗天然氣5012Nm3，折合人民幣15036元(天然氣熱值為8550kcal/m3，天然氣價格為3元/m3)，折合二類標煤7.79t。

②第二部分為11.35m3/h的90℃熱水，自吸收式熱泵進入儲熱水箱，通過運輸水車送往洗浴中心（參考當?shù)厥袌鲂星?，?5元/m3熱水費進行計算，不同地區(qū)略有差別）。出售該部分熱水每天所獲收益：

式中：Y為每天出售熱水所獲收益，元；q4為水體積流量，m3/h；Y1為熱水價格，元；Y2為自來水價格，按當?shù)貎r格2.3元/m3。

具體改造前后對比計算結果見表2。

工業(yè)燃煤鍋爐每燃燒一噸標準煤,將產(chǎn)生2620kg二氧化碳、8.5kg二氧化硫、7.4kg氮氧化物[6]。燃氣鍋爐每消耗一方天然氣產(chǎn)生1.76kg二氧化碳。表3為系統(tǒng)改造前后主要污染物排放情況。

計算比較后發(fā)現(xiàn)，該方案將每年節(jié)約投入資金16.5萬元，減少二氧化碳排放量4025t，在節(jié)能減排方面有顯著改善。

（3）系統(tǒng)改造投資靜態(tài)回收周期。

本項目改造初期投資為吸收式熱泵、燃氣蒸汽鍋爐、安裝費用及其他費用合計71萬元，該項目改造靜態(tài)回收周期為：