印染廢水余熱回收分析

靳 行 狄育慧 郝振東

（1.西安工程大學城市規(guī)劃與市政工程學院 西安 710600；2.西安工程大學柯橋紡織產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院 紹興 312030）

0 引言

印染行業(yè)作為消耗能源大戶，在生產(chǎn)過程中，需要消耗大量的能源，同時會排放出大量的廢水和廢氣，這些廢水和廢氣中存在大量的熱能。印染行業(yè)是用水量較大的工業(yè)行業(yè)，水參與到印染工藝的大部分過程中，而水再紡織印染產(chǎn)品中所占價值又很低，生產(chǎn)中不太注意節(jié)約用水和回用，造成了大量的浪費。我國紡織工業(yè)用水量排在各行業(yè)第六位，而紡織工業(yè)中染整行業(yè)用水占80%，紡織行業(yè)每年的廢水排放量達20.29 億噸，其中印染廢水占總排放量的80%，印染廠水回用率僅7%，整個紡織行業(yè)回用率不足10%，是全國所有行業(yè)中水回用率最低的行業(yè)。同時，印染行業(yè)也是耗能大戶[1]，根據(jù)統(tǒng)計2018年紡織行業(yè)能源消費總量為7372 萬噸標準煤，其中煤炭消耗量為951 萬噸。我國的紡織行業(yè)能源消耗主要包括織造行業(yè)能耗、服裝行業(yè)能耗和印染行業(yè)能耗，其中印染行業(yè)能耗最大，約占整個行業(yè)的58.7%。

印染廢水是指各個工序排出來的混合廢水，排放溫度很高且不同，堿減量水洗廢水的溫度可以達到45℃，高溫廢水的溫度為80℃，一般的廢水排放溫度為40℃，一噸印染廢水所含的熱量估算為1.05×105kJ，折合標準煤當量為3.6kg 標準煤，由此可以看出印染廢水具有很大的利用價值，回收潛力巨大。

1 印染行業(yè)廢水現(xiàn)狀

1.1 印染廢水來源

印染的工序是一個復雜的過程，分為很多道工序，退漿、煮練、漂白、絲光、染色、印花、整理等過程排出大量的高溫廢水。每道工序的排放廢水溫度也不盡相同，印染廢水排放的溫度區(qū)間為40-150℃[2]，如果能將這些廢水含有的熱能利用起來，將產(chǎn)生很大的經(jīng)濟效益。漂染工藝過程中會產(chǎn)生退漿、煮練、漂白、絲光廢水等，其中退漿廢水約占印染廢水的45%左右，廢水水量大且COD 含量較高，漂白廢水污染程度低，可以直接排放或循環(huán)利用；染色、印花工藝過程中會產(chǎn)生染色、皂洗、印花等廢水；整理工藝過程會產(chǎn)生整理廢水，這部分廢水對水質水量有一定的影響。

表1 廢水主要來源[3,4]Table 1 Main sources of wastewater [3,4]

1.2 廢水水質分析

廢水水質對廢水回收利用有很大的影響，由于印染工序復雜且工序較多，造成了廢水成分比較復雜，懸浮物會造成管道的堵塞，廢水的酸堿度會對設備造成一定的腐蝕，印染污水處理廠需要對生產(chǎn)工序產(chǎn)生的廢水進行處理，達標后才能進行廢水的排放，限值如表2所示。目前環(huán)保的主要排放指標有：生化需氧量（BOD）、化學需氧量（COD）、懸浮物（SS）等，除此之外存在其他的物質。BOD指水中有機物等需氧污染物質含量的綜合指標，COD 指在一定的條件下，用一定的強氧化劑處理水樣時所消耗的氧化劑的量，SS 指懸浮在水中的物體物質。

表2 現(xiàn)有企業(yè)水污染物排放濃度限值Table 2 Existing enterprises water pollutant emission concentration limits

1.3 廢水利用現(xiàn)狀

廢水余熱回收就是用熱交換技術把廢水的熱能提取出來，使常溫的水溫度提高的技術[5]。印染過程不僅需要大量的水，而且也會排放溫度很高的廢水，為了充分利用這些廢水中的熱能，采用換熱技術將水中的熱能提取出來，轉移到干凈的冷水中，使其溫度升高，這些溫度高的水可以為生產(chǎn)提供熱水，經(jīng)過換熱后的廢水，可以排至污水處理廠。國外對廢水回收研究起步較早，已經(jīng)有實際的工程應用，國外對廢水回收的方式主要采用熱交換技術和熱泵技術。我國的印染廢水余熱回收雖然起步的晚，但經(jīng)過最近幾年的發(fā)展已經(jīng)取得了很大的進步，目前在很多工程上都有實際應用。其中主要的技術有：換熱器回收、熱泵技術回收、多級串聯(lián)換熱器回收、筒染連續(xù)套染回收[6]。換熱器回收廢水中的余熱是利用換熱設備進行熱交換，不改變余熱能量的形式，是一種直接利用的方式。常見的換熱設備有板式換熱器、管殼式換熱器、流道式換熱器、熱管式換熱器。熱泵是一種高效的能量轉換裝置，由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、節(jié)流裝置組成，依靠少量的高品位能量將能量從低溫物體傳遞給高溫物體。筒染連續(xù)套染技術，可以提高廢水余熱綜合利用能力，最大的優(yōu)點就是廢水分質收集，只處理廢水中的固體和醇類物質，在COD 存在的前提下廢水可直接回用，大大減少了染色用水的使用量。板式換熱器和熱管換熱器的回收效率一般在50%～80%，熱泵技術的回收效率一般在30%～70%。

2 余熱回收技術

2.1 污水源熱泵原理

熱泵機組是利用壓縮機的作用將能量進行轉換，通過消耗一定量的輔助能量，在壓縮機和制冷劑的作用下，由環(huán)境熱源中吸取低溫熱能，然后轉換為高溫熱能并將其輸出，從而可以達到回收低溫熱源制取高溫熱源的目的。污水源熱泵是水源熱泵的一種，工作原理是通過污水源熱泵系統(tǒng)中的壓縮機做功，消耗少量的電能，使系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)介質壓縮至高溫高壓的狀態(tài)，從而吸收低位熱源中的熱量，即將污水中的低位熱能“提取”出來。熱泵技術起源于瑞士，是由佐伊首次提出利用土壤源作為熱泵的熱源，20世紀60年代我國的熱泵技術才開始起步。熱泵技術是近年來發(fā)展最為成熟的、使用最廣泛的余熱回收技術，而且隨著技術的發(fā)展，熱源的溫度不斷降低，使得可利用低溫熱源的溫度區(qū)間變大，缺點就是污垢引起的換熱器堵塞問題，未被處理的污水中含有高濃度的污染物。圖1 是廢水余熱回收熱泵系統(tǒng)的簡易示意圖。廢水作為低品位能源，經(jīng)過水泵進入熱泵機組的蒸發(fā)器，換熱降溫后返回廢水池，而經(jīng)過熱泵產(chǎn)生的高品位能源可以供生產(chǎn)使用。

圖1 廢水余熱回收熱泵系統(tǒng)簡易示意圖Fig.1 Simple schematic diagram of waste water waste heat recovery heat pump system

2.2 熱泵技術分類

污水源熱泵按照熱源是否被處理可以分為用原水作為熱源和用污水處理廠處理過后的水或者二級出水作為熱源兩類。原水的成分比較復雜，是指直接排放出來的廢水，沒有經(jīng)過任何處理，水中的雜質和污染物較多，這種原水作為熱源會對管道和熱泵機組造成很大的影響。經(jīng)過污水處理廠處理的中水或者二級出水，可以直接作為熱泵系統(tǒng)的熱源，但是需要就近利用這部分中水，因為距離遠的時候還需要考慮管道損失和溫度降低等問題。按照污水是否經(jīng)過換熱器可以分為直接式系統(tǒng)和間接式系統(tǒng)，直接式系統(tǒng)對水質的要求比較高，因為污水直接與換熱器接觸，間接式系統(tǒng)污水的中水進入熱泵機組，對水質的要求比較低，但是中間換熱器的傳熱溫差損失比較大。兩者相比較，間接式熱泵系統(tǒng)目前應用的較多，技術較為成熟。按照換熱器的類型來分可以分為浸泡式系統(tǒng)、管殼式系統(tǒng)和淋水式系統(tǒng)，其中浸泡式系統(tǒng)的防堵塞和防腐蝕性能較好，淋水式系統(tǒng)的防結垢性能較好，而管殼式系統(tǒng)易于清洗。

2.3 污水源熱泵關鍵性技術

污水水質會對污水源熱泵系統(tǒng)中的換熱器表面阻塞和腐蝕產(chǎn)生一定的影響，污水在管道中長時間流動，容易出現(xiàn)結垢的現(xiàn)象，從而降低換熱器的換熱效果，防止污水水質對管道和設備的影響是系統(tǒng)運行良好的關鍵性技術之一。目前解決管道阻塞常用的設備有：過濾格柵、自動篩濾器、污水連續(xù)過濾再生裝置等[7]。為了解決腐蝕問題，目前應用的污水源熱泵系統(tǒng)大部分都采用間接式系統(tǒng)，針對腐蝕問題文獻[8]提出了一種塑料管間接換熱的回收方法，用來解決管道的腐蝕。

2.4 熱泵技術優(yōu)勢

采用熱泵技術回收工業(yè)廢水，可以減少一次能源使用帶來的環(huán)境污染等問題。由于取消了冷卻塔，可以減少占地面積。印染廢水的利用，可以減輕空氣污染，同時還可以減輕污水排放對水源水質和生態(tài)環(huán)境的污染，同時利用印染廢水中的熱能，可以為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。因此，有效的回收廢水，對減輕環(huán)境污染和保護環(huán)境具有重大意義。

3 余熱回收系統(tǒng)設計

3.1 工程概況

本文主要針對浙江某印染企業(yè)進行廢水余熱回收的設計，該印染廠的污水處理站只是對污水進行水質的處理，沒有對水中的熱能進行利用，處理的方法是污水直接排放至污水池中，經(jīng)過冷卻塔的降溫后排入調(diào)節(jié)池，在調(diào)節(jié)池進行pH 的調(diào)節(jié)，經(jīng)過一系列的處理后，達到污水的排放要求后，排放至污水管道，該企業(yè)的用水流程簡圖如圖2所示。這樣的處理方式有如下弊端：首先大量的高溫污水中所含有的低品位熱能沒有得到回收再利用；其次，冷卻塔將污水降溫需要消耗一定量的高品位電能，造成了企業(yè)運行成本的增加。經(jīng)過調(diào)研測試企業(yè)排放的廢水，廢水中的熱量巨大，溫度適中且相對穩(wěn)定，測試了污水水質不同的成分，主要包括pH、COD、TOC、總氮、氨氮，數(shù)據(jù)如圖3所示，通過測量該企業(yè)排放的污水量，知流量大且穩(wěn)定，約為2400t/天。

圖2 用水流程簡圖Fig.2 Sketch of water consumption flow

圖3 污水水質Fig.3 Wastewater quality

3.2 回收潛力分析

由測試數(shù)據(jù)得，企業(yè)排放的染色廢水溫度最高為50℃，最低為40℃，廢水的排放溫度會隨著企業(yè)每天的生產(chǎn)情況的不同變化，波動在10℃之間，廢水的平均溫度為45℃。如果應用換熱設備和熱泵機組將廢水的溫度降至20℃排出，則廢水可利用的溫度差為25℃，并可保證系統(tǒng)的正常運行。

廢水的余熱回收量可按照公式（1）計算得到：

式中：Q為廢水的余熱回收量，t/天；Cp為20℃時水的比熱容，取4.2×103J/kg·℃；m為企業(yè)每天的廢水排放量；ΔT為廢水經(jīng)過換熱后的溫差。

因此，可以計算廢水余熱的可回收量為Q=2400×4.2×103×25=2.52×108kJ。

如果用這些能量加熱生產(chǎn)用水，生產(chǎn)用水的溫度由15℃加熱到60℃，可產(chǎn)生的熱水量為：

式中：Gs為產(chǎn)生的熱水量，t/天；Cs為水的比熱容，取4.183×103J/kg·℃；Q為廢水的余熱回收量，kJ；t1，t2為換熱前后自來水的進出口溫度差。

因此，可得熱水量為Gs=1338.8t/天。

制備熱水需要的蒸汽量可以用公式計算得：

式中：Gz為蒸汽消耗量，t/天；k為熱媒管道熱損失附加系數(shù)，k取1.1；I1，I2為蒸汽換熱時進出口焓值，I1為2960kJ/kg，I2為252kJ/kg。

所以需要消耗蒸汽量為Gz=1.1×2.52×108/（2960-252）=102.4t，可以得出節(jié)省蒸汽量為102.4t。

3.3 余熱回收方案設計

在印染企業(yè)中，將廢水收集到廢水池，采用污水源熱泵加預熱的方式進行余熱回收；余熱廢水到蒸發(fā)器中釋放熱量，釋放的熱量被制冷劑吸收，制冷劑通過壓縮機做功，在冷凝器中把熱量傳給冷水，冷水被加熱到一定溫度即可用于生產(chǎn)。整個余熱回收系統(tǒng)是由熱泵機組裝置、熱回收換熱器、廢水池和蓄水池等部件組成的。熱泵裝置主要是由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥四個主要部分組成，但它又不同于一般的水源熱泵，整個熱泵機組是專門設計的，具有更好的效率。

文獻[9]通過對熱泵提升溫度的方案進行比較，得到了不同情況下熱泵提升溫度的經(jīng)濟結果，即采用熱泵收集45～60℃的廢水的方案，經(jīng)濟效益最大；如果采用多級熱泵來為企業(yè)生產(chǎn)高溫的工藝用水，即用熱泵將水提升至高溫，在經(jīng)濟效益上并沒有優(yōu)勢。因此對一些印染的行業(yè)采用熱泵回收廢水余熱進行水升溫時，采用高溫型熱泵是沒有必要的。企業(yè)的一般工藝用水一般在60℃以上，因此本次設計考慮采用換熱器與熱泵結合的方式將溫度升高的方案，結合上文的余熱潛力分析得熱水的出水溫度為60℃，如果需要更高溫度的工藝用水，可以將60℃的熱水與蒸汽進行換熱，提高熱水的溫度。該系統(tǒng)如圖4所示，廢水首先經(jīng)過防腐熱交換器，將自來水從15℃加熱至30℃左右，加熱后的自來水作為熱泵的熱源，熱量被傳遞給蒸發(fā)器中的制冷劑。然后，制冷劑蒸發(fā)并被壓縮機壓縮，進入冷凝器并釋放熱量。同時，冷凝測的水先經(jīng)過換熱器余熱后，將水的溫度提升至30℃，然后冷凝器中的水從30℃增加到60℃，加熱的水可用于染色工序中。染色工序排放的高溫廢水進入廢水池，通過水泵將廢水池中的高溫廢水引入余熱回收系統(tǒng)中，經(jīng)過換熱，廢水溫度降低至20℃左右排放入污水處理廠。

圖4 熱泵回收余熱系統(tǒng)Fig.4 Heat pump recovery waste heat system

3.4 節(jié)能及環(huán)保分析

如果用本文設計的系統(tǒng)，利用換熱器和熱泵結合的方式回收廢水中的熱量，取COP為5，則每天的制熱量為Q=3.15×108kJ，制熱功率為P=3.65×103。污水源熱泵回收系統(tǒng)每天工作24h，年運行300d，可以從廢水提取的熱量為Q=3.15×108×24×300=2.27×1012kJ。標準煤的發(fā)熱量為29271kJ，則該系統(tǒng)每年可以節(jié)省標煤量為77551t。原煤的低位發(fā)熱量為18828kJ，則系統(tǒng)每年可以節(jié)約原煤量為120565t。

有害氣體主要包括二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）、煙塵、煤渣等。據(jù)統(tǒng)計，煤炭的燃燒會產(chǎn)生大量的污染物，其中二氧化碳占71%，二氧化硫占87%，氮氧化物占67%，煙塵占60%，而且煤燃燒還會造成酸雨等問題。充分利用污水源熱泵系統(tǒng)可以為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益，一定程度上減少一次能源的使用，減少污染物的排放，對保護環(huán)境具有重要意義。根據(jù)查閱相關的資料顯示[10]，每千克標煤CO2的排放系數(shù)為2620g/kg，每千克標煤SO2的排放系數(shù)取8.5g/kg，每千克標煤NOx 的排放系數(shù)取7.4g/kg，每千克標煤煙塵的排放系數(shù)取2.5g/kg，每千克標煤煤渣的排放系數(shù)取328g/kg。根據(jù)此數(shù)據(jù)并結合該系統(tǒng)每年節(jié)省的標準煤數(shù)量，可以計算出每年減少的污染物的排放量，具體數(shù)值見表3，從中可以看出，污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能減排的效果顯著。

表3 每年減少的污染物排放量Table 3 Annual reduction of pollutant emissions

4 結語

在傳統(tǒng)的印染行業(yè)中，印染過程消耗了大量的熱能，造成了嚴重的熱污染和能源的浪費。本文針對具體的印染廠分析了污水的水質和熱能，通過測試和計算得出，污水中存在大量的熱能，污水源熱泵的使用可以回收這部分熱能。由以上數(shù)據(jù)可以看出，不僅可以減少能源的使用，也能減少有害氣體排放，具有明顯的節(jié)能減排效益，而且熱泵的應用對于印染廢水余熱回收利用領域具有很好的應用前景。