許文強 肖 鑫 劉 洋

1.東華大學(xué)環(huán)境學(xué)院

2.上海市節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司

0 引言

隨著人口不斷的增長、技術(shù)的更新迭代，全球工業(yè)對能源的需求也在增長。然而化石能源的開采難度越來越大［1］，能源成本越來越高，環(huán)境問題特別是氣候變化，以及能源危機，都在提醒我們要更高效地利用能源，防止能源浪費。紡織行業(yè)是制造業(yè)中最復(fù)雜的行業(yè)之一［2］，而能源消耗是紡織業(yè)的主要運行成本之一，提高能源效率成為迫在眉睫的問題。據(jù)統(tǒng)計，中國紡織業(yè)占制造業(yè)最終能耗的4%［3］。

紡織業(yè)是一個由許多細(xì)分行業(yè)組成的部門。紡織業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈可分為原料加工、印染加工、紡織成品加工三個主要環(huán)節(jié)，前兩個環(huán)節(jié)的能耗和排污在總的能耗排污中占比最大，其中，印染加工能耗占比達(dá)33%［4］，其中75%以上是作為熱量被消耗的。節(jié)能降耗是我國紡織工業(yè)發(fā)展的一個重要階段，是降低成本、提高效益、保護(hù)環(huán)境的重要手段［5］。紡織業(yè)排出的大量廢水、廢氣蘊含極多的熱量，不加以利用的排放將造成巨大的能源浪費。

除了能源使用效率這個問題外，化石燃料的燃燒還會產(chǎn)生相關(guān)的廢氣，如二氧化硫（SO2）和顆粒物（particulate matter，PM）等，是空氣污染物的主要來源［6］。減少能源消耗或提高紡織業(yè)能源使用效率，可以有效減少空氣污染，改善人類健康。將這些環(huán)境成本以貨幣價值進(jìn)行量化，將提高新興技術(shù)的成本效益，有助于技術(shù)的推廣應(yīng)用［7］。

因此，紡織企業(yè)必須做好低品位熱能利用，從廢水廢氣的余熱回收入手，進(jìn)行相關(guān)能效應(yīng)用和效率提升的研究。本文從紡織業(yè)余熱分布作為切入點，簡要介紹了相關(guān)余熱回收技術(shù)，并總結(jié)呈現(xiàn)了相關(guān)技術(shù)實際應(yīng)用的案例，以及前沿技術(shù)和對未來紡織余熱利用進(jìn)行展望，以期對我國紡織業(yè)余熱回收技術(shù)發(fā)展提供思路。

1 印染行業(yè)余熱分布

紡織企業(yè)是能耗大戶，印染要消耗大量的能源，主要為熱能消耗。紡織印染、成品加工等過程也會排出高溫廢水、高溫廢氣。印染工藝流程中退漿、煮練、漂白、絲光、染色、印花、整理等過程大多排出高溫廢水［8］，定形和烘干工序排出高溫廢氣［9］。紡織生產(chǎn)各過程余熱匯總見表1。表1數(shù)據(jù)來自常州某日排污水735 t 的印染廠［10］。其中，印染廢水的排放溫度大多處于40~80 ℃區(qū)間，排放量較大，廢氣主要為熱定型廢氣和鍋爐廢氣，溫度多處于160~220 ℃區(qū)間。

表1 紡織生產(chǎn)各過程余熱流量及溫度[10]

1.1 廢水余熱簡析

紡織加工中由于產(chǎn)品種類、染料、加工設(shè)備的不同，產(chǎn)生的廢水種類也有較大差別。紡織工業(yè)中能源最密集的部分是濕處理。濕法工藝包括退漿、煮練、染色、漂白、洗滌工藝。這些流程中許多熱水被當(dāng)作廢水排掉，其中的化學(xué)物質(zhì)與熱量沒有被回收重新利用。

以棉類及其與化學(xué)纖維的混紡機織物為例，其各過程工藝溫度為退漿過程水溫約100 ℃（0.2 MPa）、煮練過程水溫約130 ℃（0.2 MPa）、漂白過程水溫約90~130 ℃（0.2 MPa）、絲光過程水溫約40~50 ℃（0.1 MPa）、染色過程水溫約60~65 ℃（0.1 MPa）、印花過程溫度多在100 ℃以上（多大于0.1 MPa）［11］。

印染廢水余熱回收主要通過熱泵技術(shù)［12］、熱交換技術(shù)［13］。其中，熱交換技術(shù)因其成本低、操作簡單等特點，成為廢熱回收中應(yīng)用較廣的技術(shù)。熱泵技術(shù)適用于回收低溫廢熱［14］，完美地契合了紡織廢水多為低品位熱源的現(xiàn)狀，在印染余熱回收中也得到廣泛的應(yīng)用。熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)與廢水余熱回收相結(jié)合也是近年來的一個研究方向［15］。

1.2 廢氣余熱簡析

在印染過程中，亦會產(chǎn)生廢氣。熱定型產(chǎn)生的廢氣，溫度可達(dá)160 ℃［9］。相關(guān)工藝會使用到鍋爐，排放的鍋爐煙氣溫度一般在220 ℃。

印染行業(yè)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高溫廢氣主要是鍋爐煙氣和定型機油煙廢氣。針對不同廢氣，余熱回收需要不同的技術(shù)。對于鍋爐廢氣，主要通過換熱器換熱［16］。定型機廢氣有高溫、高濕、含油煙雜質(zhì)等特點［17］，處理主要分為余熱利用和廢油回收兩部分，煙氣余熱利用主要有氣/氣熱回收法［18］、水/氣熱回收法［18］。

2 余熱回收技術(shù)

2.1 熱交換技術(shù)應(yīng)用

在余熱回收中使用熱交換技術(shù)是比較高效、簡單的方法。其原理是冷熱介質(zhì)之間通過直接/間接接觸進(jìn)行換熱，以達(dá)到傳熱的目的。印染行業(yè)余熱回收中常用的有間壁式換熱器［19］、中間載體式換熱器［20］，除此之外，還包括多級串聯(lián)換熱器等換熱器應(yīng)用。因管式和板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，所以其成為應(yīng)用最廣泛的間壁式換熱器［21］。Kandilli 和Koclu［19］給出了板式換熱器用于紡織業(yè)余熱回收的最佳運行條件，給予了廢水熱回收系統(tǒng)的設(shè)計者們較大幫助。中間載體式換熱器，冷熱流體通過中間介質(zhì)傳熱，熱管式換熱器為其中經(jīng)典換熱器。熱管式換熱器憑借極高的有效導(dǎo)熱率［22］，即使傳熱面積很小也可以傳輸大量熱量。而且其傳熱面積可控，換熱表面造型可隨需要設(shè)計，這使它在印染余熱回收方面得到了廣泛應(yīng)用。多級串聯(lián)換熱器可以通過多次的熱回收，將流體溫度降低到較低的溫度，達(dá)到較高的回收效率［23］。Yi 等［24］設(shè)計的兩級換熱器，在太原進(jìn)行了熱水余熱回收測試，可將進(jìn)口水溫為72 ℃的熱水降低到19.7 ℃。

2.2 高效轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用

熱泵機組可實現(xiàn)回收低溫?zé)嵩礋崃坑靡灾迫「邷責(zé)嵩吹哪康?。其原理為逆卡諾循環(huán)，從低溫?zé)嵩传@取熱量，并將熱量傳遞到高溫?zé)嵩矗?5］。若使用熱泵回收余熱，可回收低溫水源中約70%的熱量［26］。污水源熱泵通過熱交換器從廢水中提取熱能給到蒸發(fā)器，壓縮機壓縮來自蒸發(fā)器的制冷劑以提高其溫度和壓力，經(jīng)壓縮后的高溫高壓制冷劑與流體交換熱量將熱能傳遞到建筑物中。

有機朗肯循環(huán)的工作原理是克勞修斯-朗肯循環(huán)，ORC 使用低沸點、高蒸汽壓的有機物作為介質(zhì)來發(fā)電，其流程圖如圖1［27］，蒸汽離開渦輪機經(jīng)冷凝器降溫，并對有機流體進(jìn)行預(yù)熱，泵加壓使其成為高壓過冷流體（狀態(tài)點2），有機流體經(jīng)過熱交換器加熱成為高壓過熱蒸汽（狀態(tài)點3），帶動渦輪機發(fā)電，渦輪機出口變?yōu)榈蛪哼^熱蒸汽（狀態(tài)點4）。研究表明，使用有機流體作為介質(zhì)使該系統(tǒng)適用于低品位熱源，并且可以利用諸如地?zé)帷⑸镔|(zhì)和太陽能等能源發(fā)電［28］，而印染余熱大部分都是低品位熱源。在低品位熱能循環(huán)中，ORC 是商業(yè)開發(fā)最多的一種，它比蒸汽朗肯循環(huán)更簡單，經(jīng)濟上更可行［29］，更容易應(yīng)用于印染余熱回收中。

圖1 典型有機朗肯循環(huán)[2 7]

3 余熱回收技術(shù)實際應(yīng)用

3.1 熱交換技術(shù)應(yīng)用于熱回收中

織物染色需使用大量的高溫?zé)崴?，約為織物重量的30~150倍［30］，工廠只需配備換熱器、緩沖槽和控制器，便可高效利用染色廢水的熱能，還可降低廢水溫度，便于污水處理［31］。圖2（a）為染色機的熱回收系統(tǒng)示意圖［1］，預(yù)熱后的自來水可存儲于熱水槽，可供給染色機進(jìn)行染色洗滌。

圖2 熱交換工藝示意圖

蒸汽鍋爐被廣泛應(yīng)用于紡織業(yè)［32］。鍋爐能耗占比大，其排出的鍋爐煙氣含有較多熱量，而其本身產(chǎn)生的大量蒸汽冷凝水也是廢熱的良好來源，可通過將其轉(zhuǎn)化為機械能，或通過熱交換設(shè)備(熱管式蒸汽發(fā)生器及省煤器［33］) 加以利用。圖2（b）是冷凝水回收系統(tǒng)示意圖［34］，紡織各流程的蒸汽通過閃蒸器回收，通過蒸汽回收泵返回水箱，使供水溫度升高。染整業(yè)中常用的逆流水洗技術(shù)，也是熱交換進(jìn)行余熱回收的最好應(yīng)用體現(xiàn)［35］?？椢锏淖钤鐜椎捞幚聿襟E對水質(zhì)要求不高，而越往后，織物自身越發(fā)潔凈，對水質(zhì)要求也逐步上升。若將清水從處理工序的末端往前端送，當(dāng)清水水質(zhì)變差時，其也到達(dá)了處理工序的最初幾道步驟，最干凈的織物可以遇上最干凈的水，可有效省水并節(jié)能［36］。表2是相關(guān)熱交換技術(shù)用于紡織余熱回收的實際案例總結(jié)。

表2 熱交換技術(shù)應(yīng)用實例

3.2 高效轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用于熱回收

許多工業(yè)過程排放的廢熱低于100 ℃，紡織業(yè)排放的絕大多數(shù)廢熱也處于這個范圍。然而，一些工業(yè)過程需要更高的溫度，因為熱泵可將低溫?zé)嵩椿厥罩迫「邷責(zé)嵩吹奶攸c，熱泵與低溫廢熱回收(wasted heat recovery，WHR) 系統(tǒng)具有高度契合性。Van等［41］研究證明了這一點，在45~60 ℃的熱源中，熱泵提供的能量幾乎是同等熱量輸入的其它WHR 系統(tǒng)的2.5~11 倍。印染廢水其具有熱量大、穩(wěn)定適中的溫度、穩(wěn)定較大的流量等特點［42］，印染廢水反而成為較傳統(tǒng)熱源相比更加理想的熱泵熱源。

ORC可有效地用于廢氣WHR處理。在低品位熱底循環(huán)中，ORC是商業(yè)開發(fā)最多的一種［43］。它比蒸汽朗肯循環(huán)更簡單，經(jīng)濟上更可行［29］。表3是相關(guān)高效技術(shù)用于紡織余熱回收的實際案例總結(jié)。

表3 高效技術(shù)應(yīng)用實例

4 先進(jìn)的余熱回收方式

在熱回收領(lǐng)域，有許多新興技術(shù)出現(xiàn)，只不過由于效率與成本等問題暫時無法應(yīng)用，如熱電技術(shù)（thermoelectric generate，TEG）、熱光伏(ther-mos photovoltaic，TPV) 發(fā)電技術(shù)等，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些技術(shù)終將成為熱回收領(lǐng)域的未來。本節(jié)對相關(guān)新興技術(shù)進(jìn)行一個簡要介紹，希望能對紡織余熱回收領(lǐng)域有所啟發(fā)。

4.1 熱電發(fā)電技術(shù)

熱電發(fā)電系統(tǒng)由Thomas Johann Seebeck 于1821年發(fā)現(xiàn)，其工作原理為Seeback效應(yīng)［49］，該效應(yīng)被描述為當(dāng)材料受到熱源和冷源時，兩個半導(dǎo)體之間會產(chǎn)生電流，但該系統(tǒng)的效率低，哪怕使用分段式熱電系統(tǒng)，其效率也普遍低于20%［50-52］。在器件的兩個相當(dāng)薄的表面上保持大的溫差并獲得高的傳熱率是目前研究的主要問題和挑戰(zhàn)［53］。針對這一問題，Remeli 等［54］使用熱管結(jié)合熱電發(fā)電機，將發(fā)電機表面的熱量通過熱管傳遞，提高溫差，該方法可以進(jìn)一步用于工業(yè)過程。熱電設(shè)備有尺寸設(shè)計較靈活、安置較方便，可利用設(shè)備的一些邊角部位進(jìn)行余熱回收，且較容易和各種其它熱回收方式耦合等優(yōu)點。表4是熱電技術(shù)用于余熱回收的實際案例總結(jié)。圖3（a）和（b）為熱電示意圖［55］。

圖3 熱電示意圖

表4 熱電發(fā)電技術(shù)應(yīng)用實例

4.2 熱光伏發(fā)電技術(shù)

TPV 集熱器是一種模塊，其中光伏不僅生產(chǎn)電力，而且還充當(dāng)熱吸收器，可同時生產(chǎn)熱和電。TPV模塊原理為光伏電池利用一部分的太陽輻射來發(fā)電，而剩余熱量被集熱器吸收，既降低了光伏的溫度，又提高了整體模塊的效率，同時可獲得熱量［60］。目前，光伏/集熱器的類型有光伏/空氣集熱器、光伏/水集熱器和光伏/集中集熱器，這些系統(tǒng)可能在將來成為實現(xiàn)廢熱回收的新方法。它們使用發(fā)射器、濾波器和光伏電池從熱源產(chǎn)生電力［61］。該系統(tǒng)采用一個發(fā)射器，當(dāng)被熱源加熱時，發(fā)射電磁輻射，然后光伏電池將輻射轉(zhuǎn)換為電能，濾波器確保只有與光伏電池匹配的波長的輻射波通過。TPV 裝置的效率范圍為1%~20%，這取決于發(fā)射極輻射和傳熱以及發(fā)電機的布置［61］。然而，研究發(fā)現(xiàn)光伏電池的工作溫度范圍有限，效率隨著電池溫度的升高而降低［62］，且可承受高溫的高效光伏電池價格昂貴，增加了系統(tǒng)成本［61］。表5 是熱光伏技術(shù)用于余熱回收的實際案例總結(jié)，因技術(shù)限制，用于紡織余熱回收的技術(shù)較少。

表5 熱光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用實例

4.3 熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

廢水生物燃料提取技術(shù)結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)在能源回收方面有著極大潛力。紡織業(yè)的廢水平均溫度約60 ℃［10］，且含有較多的有機化合物，可用于生產(chǎn)生物燃料。在處理紡織和染色廢水時，會產(chǎn)生大量的紡織染色污泥（textile dyeing sludge，TDS），TDS的生產(chǎn)率是印染廢水處理量的1%~3%［66］，這是一個較大的污水污泥轉(zhuǎn)換率，這也是廢水處理的主要固體廢物［67］。厭氧消化（anaerobic digestion，AD）是一種有效的污泥處理過程，因為它可以穩(wěn)定產(chǎn)生生物燃料［68］。表6是熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)用于余熱回收的實際案例總結(jié)。

表6 冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用實例

5 夾點分析技術(shù)

上個世紀(jì)80年代，在“夾點技術(shù)”的標(biāo)簽下提出了優(yōu)化加工廠能源的系統(tǒng)方法。Linnhoff 等［71］于1982年引入了過程集成的概念。過程集成可以助力系統(tǒng)獲得最佳的能源利用，演變成過程設(shè)計的第一選擇。夾點分析是對整個系統(tǒng)能源管理進(jìn)行設(shè)計研究。

多批次多路徑的熱處理過程想要進(jìn)行集成分析是非常復(fù)雜的，國內(nèi)外更是少有利用夾點分析進(jìn)行紡織印染余熱集成回收的案例文獻(xiàn)。夾點分析技術(shù)通常分為2 步，首先對不同工藝流程排放的廢水進(jìn)行收集，同時考慮針對各過程廢水的回收方案及相關(guān)回收設(shè)備的效率，爾后對換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，針對各換熱工藝的加熱和冷卻熱流，繪制焓溫圖，取得最小夾點溫差，最后根據(jù)焓溫圖得出一成本最優(yōu)的廢水余熱回收(wasted water heat recovery，WWHR)系統(tǒng)［72］。Zuberi 等［73］于2020 年使用夾點分析對歐洲一家中型紡織廠的熱集成進(jìn)行了案例研究，建立了每天最大直接熱回收潛力約85 GJ 的熱交換器網(wǎng)絡(luò)，一天的熱回收可滿足紡織廠熱能需求的21%~43%，通過直接和間接熱回收每天節(jié)省的潛在熱能約100 GJ，同時可減少CO25.57 t 的排放，各項優(yōu)化措施的回收期在1-5年，整個系統(tǒng)的回收期約為2年。Kim Y等［72］通過夾點分析技術(shù)改善WWHR系統(tǒng)，所提出的最佳WWHR系統(tǒng)分別降低了73.65%的能耗和28.64%的年總成本，最優(yōu)WWHR 系統(tǒng)的投資回收期為4.32 年。圖4［72］為場景一的熱回收網(wǎng)絡(luò)圖及對應(yīng)焓溫圖。

圖4 夾點熱回收流程

6 結(jié)語與展望

6.1 結(jié)語

由于紡織行業(yè)余熱回收的相關(guān)綜述不足，而具體的余熱回收方法也較少得到歸納，難以獲得對紡織余熱回收領(lǐng)域較為全面的了解及改進(jìn)措施。本文從余熱的分布開始介紹，進(jìn)而說明各種余熱回收手段，并針對各種余熱回收手段總結(jié)了紡織業(yè)這些年來使用過、正在使用、未來可能使用的相關(guān)技術(shù)案例，并盡可能地展現(xiàn)相關(guān)案例，說明各技術(shù)的特點。在第五節(jié)還介紹了基于全局的夾點分析技術(shù)，將各余熱回收手段如何組合進(jìn)行說明展現(xiàn)。相關(guān)結(jié)論如下：

1）現(xiàn)有的印染余熱回收方法，主要是通過換熱器回收余熱。而基于熱泵對低品位熱源有較高的回收效率的特點，熱泵技術(shù)也得到較廣泛的應(yīng)用。

2）關(guān)于熱光伏發(fā)電技術(shù)與熱電發(fā)電技術(shù)，皆借助于輻射產(chǎn)生電能。在許多的加工工藝中，并不缺少逸散于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的輻射。印染廢水中含有較多的生物質(zhì)，也使得利用生物質(zhì)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)成為了可能，現(xiàn)已有少量企業(yè)應(yīng)用，未來或?qū)⒌玫綇V泛推廣。

3）許多紡織企業(yè)現(xiàn)有的余熱回收技術(shù)，都是基于某個單獨的設(shè)備或環(huán)節(jié)開展設(shè)計，缺少從總體進(jìn)行集成分析的概念。夾點分析因其著眼全局的特點，在將來必成為余熱回收領(lǐng)域的主流設(shè)計方法。

6.2 展望

本文雖總結(jié)了印染余熱利用的相關(guān)技術(shù)，但其中有許多技術(shù)存在著應(yīng)用局限性。

1）許多的印染余熱回收技術(shù)，都需要較大的空間和一些輔助設(shè)備幫助運行，這雖然從長期來看是有利于降低成本，但短期內(nèi)無疑是加大了工廠的投入，而且相關(guān)技術(shù)都存在易阻塞、易腐蝕、維修困難等問題，熱泵技術(shù)還存在工作介質(zhì)的選擇問題。

2）熱光伏發(fā)電與熱電發(fā)電雖然可輔助作用于印染行業(yè)的余熱回收，但現(xiàn)因其價格與回收效率等問題，其在余熱回收領(lǐng)域推廣較困難，但若考慮環(huán)境成本等因素，其未來有極大的應(yīng)用可能。

3）由于紡織業(yè)廢熱的復(fù)雜性，開展夾點分析設(shè)計難度較高，也缺少具備相關(guān)技能的人才。