宋 晨 狄育慧 郝振東 沈利銘

印染廢水余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)及節(jié)能環(huán)保性分析

宋 晨1狄育慧1郝振東2沈利銘3

（1.西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院 西安 710600 2.西安工程大學(xué)柯橋紡織產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院 紹興 312030 3.浙江嘉業(yè)印染有限公司 紹興 312030）

針對(duì)某印染企業(yè)的印染廢水排放量大，溫度高等特點(diǎn)，提出了一套使用污水源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)來回收印染廢水中余熱的設(shè)計(jì)方案。對(duì)該熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能環(huán)保效益分析，結(jié)果表明使用該系統(tǒng)來回收印染廢水中的余熱，具有良好的節(jié)能環(huán)保效益。

污水源熱泵；印染廢水；余熱回收；節(jié)能環(huán)保

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，污染嚴(yán)重問題顯得尤為突出，國(guó)家也越來越重視環(huán)境保護(hù)的問題，相應(yīng)的出臺(tái)了許多政策。我國(guó)每年的污水排放量為3.9×1010t，工業(yè)廢水占總排放量的51%，并且以1%的速率遞增。我國(guó)是紡織印染工業(yè)的第一大國(guó)，紡織印染行業(yè)是廢水排放的大戶，約占整個(gè)工業(yè)廢水排放量的35%，其中印染廢水排放量約為3×106～4×106m3/d[1]。印染行業(yè)屬于高耗能，高耗水，高污染的“三高”行業(yè)。印染廢水的排放溫度較高，廢水的排放量較大，具有較大的熱能，如果不將其中的熱能加以回收再利用，將會(huì)損失大量的能源，而且溫度過高的廢水排放到環(huán)境中去，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成熱污染。

污水源熱泵是一種以污水作為直接或間接冷熱源的裝置,屬于水源熱泵的一種，主要是以生活污水、工業(yè)廢水等作為儲(chǔ)存能量的低溫冷、熱源, 通過熱泵機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)吸熱、放熱的物態(tài)循環(huán)變化，消耗少量電能或機(jī)械能，從而達(dá)到冷卻或加熱效果的一種創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)。污水源熱泵減少了燃煤、燃?xì)忮仩t的使用，減少了不可再生能源的使用，則環(huán)保效果較為顯著。污水源熱泵系統(tǒng)可供暖、供冷、供生活熱水，真正做到一機(jī)多用的效果。污水源熱泵技術(shù)對(duì)環(huán)境基本沒有污染，作為一種清潔能源技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外受到大力的發(fā)展。

1 污水源熱泵系統(tǒng)

1.1 污水源熱泵系統(tǒng)原理

污水源熱泵是一種通過消耗少量的電能或機(jī)械能實(shí)現(xiàn)從低溫向高溫輸送熱量的裝置。熱泵機(jī)組由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流裝置等主要部件構(gòu)成，低溫?zé)嵩丛谡舭l(fā)器內(nèi)與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行定壓換熱，低溫?zé)嵩捶艧岷笈懦?，而循環(huán)工質(zhì)吸熱后由液體變?yōu)檎羝徽羝M(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮，升溫升壓變成過熱蒸汽；過熱蒸汽在冷凝器內(nèi)向冷卻介質(zhì)進(jìn)行放熱，與其進(jìn)行定壓換熱，冷卻介質(zhì)吸熱后變?yōu)楦邷責(zé)嵩矗^熱蒸汽放熱后成為高壓工質(zhì)液體；工質(zhì)液體進(jìn)入節(jié)流閥后進(jìn)行降壓，成為低溫低壓的工質(zhì)液體，最后再被導(dǎo)入蒸發(fā)器內(nèi)，如此形成一個(gè)循環(huán)的過程[2]。其工作原理如圖1所示。

圖1 污水源熱泵工作原理圖

1.2 污水源熱泵系統(tǒng)分類

污水源熱泵系統(tǒng)根據(jù)污水是否與熱泵機(jī)組直接接觸可分為直接式系統(tǒng)和間接式系統(tǒng)[3]。

直接式系統(tǒng)以污水的二級(jí)出水或中水作為低溫?zé)嵩?，該系統(tǒng)的污水經(jīng)過了處理，相對(duì)于原生污水的水質(zhì)得到了很好的改善，可以與熱泵機(jī)組進(jìn)行直接接觸。但是系統(tǒng)的水溫經(jīng)過連續(xù)的處理有所降低，這會(huì)影響系統(tǒng)的傳熱效果并降低系統(tǒng)的能效比。

間接式系統(tǒng)以原生污水為低溫?zé)嵩矗撓到y(tǒng)的污水未經(jīng)過有效的處理，水質(zhì)較差，如果與熱泵機(jī)組直接進(jìn)行接觸，會(huì)對(duì)機(jī)組造成腐蝕、結(jié)垢、堵塞等影響，大大的降低了熱泵機(jī)組的壽命。所以該系統(tǒng)使用中間換熱器進(jìn)行換熱，原生污水把熱量通過中間換熱器傳遞給中介水，中介水再把吸收的熱量傳遞給熱泵機(jī)組。這樣就避免了熱泵機(jī)組與原生污水直接接觸，從而提高了熱泵機(jī)組的使用壽命。目前大多數(shù)的工程都采用間接式熱泵系統(tǒng)來進(jìn)行余熱回收。

2 印染廢水余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

本文主要針對(duì)浙江紹興某印染企業(yè)進(jìn)行廢水余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該企業(yè)是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售針織產(chǎn)品于一體的大型紡織印染公司。該企業(yè)日常的能源消耗主要以水、電、蒸汽為主，其中蒸汽所占的比重最多，占到50%以上，電和蒸汽都由附近的熱電廠輸送。企業(yè)地址位于浙江省紹興市濱海工業(yè)園區(qū)，臨近曹娥江，水資源較為豐富，所以工業(yè)園區(qū)的印染企業(yè)都以河水（地表水）作為生產(chǎn)工藝用水。河水（15℃左右）經(jīng)過簡(jiǎn)單的處理后由蒸汽換熱器進(jìn)行加熱，達(dá)到工藝生產(chǎn)的要求。根據(jù)實(shí)地的調(diào)研可知，該企業(yè)每天的廢水排放量達(dá)到2000t，廢水的溫度約為40℃左右，廢水經(jīng)過簡(jiǎn)單的處理之后，廢水中含有的雜質(zhì)較多，水質(zhì)較差，若是直接排放會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境造成嚴(yán)重的污染，所以必須排放到附近的污水處理廠進(jìn)行集中處理。

2.2 廢水余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

結(jié)合該印染企業(yè)的印染廢水排放量大、溫度高等特點(diǎn)，本文擬將采用間接式污水源熱泵系統(tǒng)對(duì)印染廢水進(jìn)行余熱回收。

如圖2所示，15℃的冷水與40℃的廢水在換熱器1中進(jìn)行換熱，冷水升溫至30℃左右，廢水降溫至25℃左右。廢水繼續(xù)排放至換熱器2內(nèi)釋放熱量，廢水溫度降至20℃左右排出，15℃左右的中間循環(huán)水在換熱器2內(nèi)吸收熱量，溫度升至20℃左右，中間循環(huán)水將吸收的熱量再釋放給熱泵機(jī)組的循環(huán)工質(zhì)。30℃的冷水在冷凝器內(nèi)吸收循環(huán)工質(zhì)釋放的熱量，升溫至60℃左右的熱水。生產(chǎn)的熱水由蒸汽加熱至工藝生產(chǎn)要求的溫度，相比于加熱15℃的冷水，該系統(tǒng)可減少蒸汽的使用量。

圖2 印染廢水余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保效益分析

3.1 節(jié)能性分析

該印染企業(yè)每天的廢水排放量為2000t（23㎏/s），忽略換熱器的熱量損失，可根據(jù)公式（1）[4]計(jì)算出熱泵機(jī)組每天制取的熱水為2000t。

式中：1為清水的質(zhì)量流量，㎏/s；1為清水的比熱容，取4.2KJ/(㎏·℃)；1,out為換熱器1清水側(cè)的出水溫度，℃；2,out為換熱器1清水側(cè)的進(jìn)水溫度，℃；2為廢水的質(zhì)量流量，㎏/s；2為廢水的比熱容，取4.2kJ/(㎏·℃)；2,in為換熱器1廢水側(cè)的進(jìn)水溫度，℃；2,out為換熱器1廢水側(cè)的出水溫度，℃。

根據(jù)公式（2）可計(jì)算出熱泵機(jī)組的制熱量為2917kW，則污水源熱泵機(jī)組選擇型號(hào)為3DHXC- HP1-800A的開利水源熱泵，該熱泵機(jī)組的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

式中：為熱泵機(jī)組的制熱量，kw；3,out為熱泵機(jī)組的出水溫度，℃；3,in為熱泵機(jī)組的進(jìn)水溫度，℃。

表1 3DHXC-HP1-800A的技術(shù)參數(shù)

該污水源熱泵機(jī)組每天制取2000t的60℃消耗的熱量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤為：

式中：1為污水源熱泵機(jī)組制熱折算成的標(biāo)煤量，㎏；為熱泵機(jī)組每天的制熱量，kJ；q為標(biāo)煤的熱值，取2.9×104KJ/㎏[5]；1為電力輸入效率，取30%[6]；為熱泵機(jī)組的能效比，取4.6。

所以1=2917×24×3600/(2.9×104×30%×4.6)=6298㎏

若是采用傳統(tǒng)的燃煤鍋爐制取同樣的熱水則需要消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤為：

式中：2為燃煤鍋爐制熱折算成的標(biāo)煤量，㎏；2為燃煤鍋爐效率（包含儲(chǔ)煤損失、輸運(yùn)損失等），取60%[7]。

所以2=2917×24×3600/(2.9×104×60%)= 14484㎏

則污水源熱泵機(jī)組每天折算的耗煤量相比于傳統(tǒng)的燃煤鍋爐減少了Δ=2-1=14484-6298= 8186㎏，而且污水源熱泵機(jī)組每天折算的耗煤量只占燃煤鍋爐的43%，節(jié)能效果顯著。

3.2 環(huán)保性分析

經(jīng)過上一節(jié)的計(jì)算得到污水源熱泵機(jī)組每天折算的耗煤量相比于傳統(tǒng)的燃煤鍋爐減少了8186㎏，則全年（按330天計(jì)算）的標(biāo)準(zhǔn)煤減少量為2701380㎏。我國(guó)污染物排放定額如表2[6]所示。

表2 我國(guó)污染物排放定額

則污水源熱泵機(jī)組全年減少的污染排放量根據(jù)公式（5）[8]計(jì)算：

所以SOX全年減少量為ΔmSOX=2701380×0.03=81041.4㎏，其余污染物全年排放減少量見表3所示。

表3 污染物全年排放減少量

4 結(jié)語

該印染企業(yè)印染廢水排放量大、溫度高，可作為污水源熱泵的熱源進(jìn)行廢水的余熱回收。所以本文采用間接式污水源熱泵系統(tǒng)來回收企業(yè)產(chǎn)生的印染廢水余熱，相比于傳統(tǒng)的燃煤鍋爐，一年可減少2.7×103t標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗，同時(shí)SOX的年減少排放量為81t，CO2的年減少排放量為7.4×103t，NOX的年減少排放量為10.8t，粉塵的年減少排放量為5.4t。

使用該熱泵系統(tǒng)來進(jìn)行廢水的余熱回收，可減少二氧化碳、硫化物等污染物的排放，減少了大氣環(huán)境的污染。同時(shí)減少了印染廢水對(duì)水資源環(huán)境的熱污染，起到了保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的，具有良好的節(jié)能環(huán)保效益。

[1] 肖永清.節(jié)能減排廢水治理開拓紡織印染企業(yè)新天地[J].染整技術(shù),2015,37(11):49-54.

[2] 李萌.基于余熱回收用的熱泵技術(shù)對(duì)比研究[D].天津:天津大學(xué),2014.

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[6] 錢劍峰,孫德興.直接式污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能與環(huán)保性能分析[C].中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2009.

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Design of Waste Heat Recovery System for Printing and Dyeing Wastewater and Analysis of Energy Saving and Environmental Protection

Song Chen1Di Yuhui1Hao Zhendong2Shen Liming3

( 1.School of Urban Planning and Municipal Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710600;2.Keqiao Textile Industry Innovation Research Institute, Xi'an University of Technology, Shaoxing, 312030;3. Zhejiang Jiaye Printing and Dyeing company limited, Shaoxing, 312030 )

Aiming at the characteristics of large discharge and high temperature of printing and dyeing wastewater of a printing and dyeing enterprise, this paper puts forward a set of design schemes to recover waste heat from printing and dyeing wastewater using a technology of sewage source heat pump system. The energy-saving and environmental-protection benefit analysis of the heat pump system is performed, and the results show that using the system to recover waste heat in printing and dyeing wastewater has good energy-saving and environmental-protection benefits.

Sewage source heat pump; printing and dyeing wastewater; waste heat recovery; energy saving and environmental protection

1671-6612（2020）06-744-04

TK11+5

A

西安工程大學(xué)（柯橋）研究生學(xué)院產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目（編號(hào)：19KQZD05）

宋 晨（1997.04-），男，碩士研究生，E-mail：781512207@qq.com

狄育慧（1964.02-），女，教授，E-mail：470836165@qq.com

2020-04-14