紡織業余熱回收利用研究進展

許文強 肖 鑫 劉 洋

1.東華大學環境學院

2.上海市節能技術服務有限公司

0 引言

隨著人口不斷的增長、技術的更新迭代，全球工業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。紡織行業是制造業中最復雜的行業之一［2］，而能源消耗是紡織業的主要運行成本之一，提高能源效率成為迫在眉睫的問題。據統計，中國紡織業占制造業最終能耗的4%［3］。

紡織業是一個由許多細分行業組成的部門。紡織業的產業鏈可分為原料加工、印染加工、紡織成品加工三個主要環節，前兩個環節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33%［4］，其中75%以上是作為熱量被消耗的。節能降耗是我國紡織工業發展的一個重要階段，是降低成本、提高效益、保護環境的重要手段［5］。紡織業排出的大量廢水、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生相關的廢氣，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。將這些環境成本以貨幣價值進行量化，將提高新興技術的成本效益，有助于技術的推廣應用［7］。

因此，紡織企業必須做好低品位熱能利用，從廢水廢氣的余熱回收入手，進行相關能效應用和效率提升的研究。本文從紡織業余熱分布作為切入點，簡要介紹了相關余熱回收技術，并總結呈現了相關技術實際應用的案例，以及前沿技術和對未來紡織余熱利用進行展望，以期對我國紡織業余熱回收技術發展提供思路。

1 印染行業余熱分布

紡織企業是能耗大戶，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］。紡織生產各過程余熱匯總見表1。表1數據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 ℃區間。

表1 紡織生產各過程余熱流量及溫度[10]

1.1 廢水余熱簡析

紡織加工中由于產品種類、染料、加工設備的不同，產生的廢水種類也有較大差別。紡織工業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作廢水排掉，其中的化學物質與熱量沒有被回收重新利用。

以棉類及其與化學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［12］、熱交換技術［13］。其中，熱交換技術因其成本低、操作簡單等特點，成為廢熱回收中應用較廣的技術。熱泵技術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狀，在印染余熱回收中也得到廣泛的應用。熱電聯產技術與廢水余熱回收相結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，亦會產生廢氣。熱定型產生的廢氣，溫度可達160 ℃［9］。相關工藝會使用到鍋爐，排放的鍋爐煙氣溫度一般在220 ℃。

印染行業在生產過程中產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。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

2.1 熱交換技術應用

在余熱回收中使用熱交換技術是比較高效、簡單的方法。其原理是冷熱介質之間通過直接/間接接觸進行換熱，以達到傳熱的目的。印染行業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，還包括多級串聯換熱器等換熱器應用。因管式和板式換熱器結構簡單，所以其成為應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余熱回收的最佳運行條件，給予了廢水熱回收系統的設計者們較大幫助。中間載體式換熱器，冷熱流體通過中間介質傳熱，熱管式換熱器為其中經典換熱器。熱管式換熱器憑借極高的有效導熱率［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計，這使它在印染余熱回收方面得到了廣泛應用。多級串聯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，達到較高的回收效率［23］。Yi 等［24］設計的兩級換熱器，在太原進行了熱水余熱回收測試，可將進口水溫為72 ℃的熱水降低到19.7 ℃。

2.2 高效轉換技術應用

熱泵機組可實現回收低溫熱源熱量用以制取高溫熱源的目的。其原理為逆卡諾循環，從低溫熱源獲取熱量，并將熱量傳遞到高溫熱源［25］。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器，壓縮機壓縮來自蒸發器的制冷劑以提高其溫度和壓力，經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。

有機朗肯循環的工作原理是克勞修斯-朗肯循環，ORC 使用低沸點、高蒸汽壓的有機物作為介質來發電，其流程圖如圖1［27］，蒸汽離開渦輪機經冷凝器降溫，并對有機流體進行預熱，泵加壓使其成為高壓過冷流體（狀態點2），有機流體經過熱交換器加熱成為高壓過熱蒸汽（狀態點3），帶動渦輪機發電，渦輪機出口變為低壓過熱蒸汽（狀態點4）。研究表明，使用有機流體作為介質使該系統適用于低品位熱源，并且可以利用諸如地熱、生物質和太陽能等能源發電［28］，而印染余熱大部分都是低品位熱源。在低品位熱能循環中，ORC 是商業開發最多的一種，它比蒸汽朗肯循環更簡單，經濟上更可行［29］，更容易應用于印染余熱回收中。

圖1 典型有機朗肯循環[2 7]

3 余熱回收技術實際應用

3.1 熱交換技術應用于熱回收中

織物染色需使用大量的高溫熱水，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示意圖［1］，預熱后的自來水可存儲于熱水槽，可供給染色機進行染色洗滌。

圖2 熱交換工藝示意圖

蒸汽鍋爐被廣泛應用于紡織業［32］。鍋爐能耗占比大，其排出的鍋爐煙氣含有較多熱量，而其本身產生的大量蒸汽冷凝水也是廢熱的良好來源，可通過將其轉化為機械能，或通過熱交換設備(熱管式蒸汽發生器及省煤器［33］) 加以利用。圖2（b）是冷凝水回收系統示意圖［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。染整業中常用的逆流水洗技術，也是熱交換進行余熱回收的最好應用體現［35］。織物的最早幾道處理步驟對水質要求不高，而越往后，織物自身越發潔凈，對水質要求也逐步上升。若將清水從處理工序的末端往前端送，當清水水質變差時，其也到達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，可有效省水并節能［36］。表2是相關熱交換技術用于紡織余熱回收的實際案例總結。

表2 熱交換技術應用實例

3.2 高效轉換技術應用于熱回收

許多工業過程排放的廢熱低于100 ℃，紡織業排放的絕大多數廢熱也處于這個范圍。然而，一些工業過程需要更高的溫度，因為熱泵可將低溫熱源回收制取高溫熱源的特點，熱泵與低溫廢熱回收(wasted heat recovery，WHR) 系統具有高度契合性。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 系統的2.5~11 倍。印染廢水其具有熱量大、穩定適中的溫度、穩定較大的流量等特點［42］，印染廢水反而成為較傳統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。在低品位熱底循環中，ORC是商業開發最多的一種［43］。它比蒸汽朗肯循環更簡單，經濟上更可行［29］。表3是相關高效技術用于紡織余熱回收的實際案例總結。

表3 高效技術應用實例

4 先進的余熱回收方式

在熱回收領域，有許多新興技術出現，只不過由于效率與成本等問題暫時無法應用，如熱電技術（thermoelectric generate，TEG）、熱光伏(ther-mos photovoltaic，TPV) 發電技術等，但隨著技術的進步，這些技術終將成為熱回收領域的未來。本節對相關新興技術進行一個簡要介紹，希望能對紡織余熱回收領域有所啟發。

4.1 熱電發電技術

熱電發電系統由Thomas Johann Seebeck 于1821年發現，其工作原理為Seeback效應［49］，該效應被描述為當材料受到熱源和冷源時，兩個半導體之間會產生電流，但該系統的效率低，哪怕使用分段式熱電系統，其效率也普遍低于20%［50-52］。在器件的兩個相當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［53］。針對這一問題，Remeli 等［54］使用熱管結合熱電發電機，將發電機表面的熱量通過熱管傳遞，提高溫差，該方法可以進一步用于工業過程。熱電設備有尺寸設計較靈活、安置較方便，可利用設備的一些邊角部位進行余熱回收，且較容易和各種其它熱回收方式耦合等優點。表4是熱電技術用于余熱回收的實際案例總結。圖3（a）和（b）為熱電示意圖［55］。

圖3 熱電示意圖

表4 熱電發電技術應用實例

4.2 熱光伏發電技術

TPV 集熱器是一種模塊，其中光伏不僅生產電力，而且還充當熱吸收器，可同時生產熱和電。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，這些系統可能在將來成為實現廢熱回收的新方法。它們使用發射器、濾波器和光伏電池從熱源產生電力［61］。該系統采用一個發射器，當被熱源加熱時，發射電磁輻射，然后光伏電池將輻射轉換為電能，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%，這取決于發射極輻射和傳熱以及發電機的布置［61］。然而，研究發現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，增加了系統成本［61］。表5 是熱光伏技術用于余熱回收的實際案例總結，因技術限制，用于紡織余熱回收的技術較少。

表5 熱光伏發電技術應用實例

4.3 熱電聯產技術

廢水生物燃料提取技術結合熱電聯產技術在能源回收方面有著極大潛力。紡織業的廢水平均溫度約60 ℃［10］，且含有較多的有機化合物，可用于生產生物燃料。在處理紡織和染色廢水時，會產生大量的紡織染色污泥（textile dyeing sludge，TDS），TDS的生產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，因為它可以穩定產生生物燃料［68］。表6是熱電聯產技術用于余熱回收的實際案例總結。

表6 冷熱電聯產技術應用實例

5 夾點分析技術

上個世紀80年代，在“夾點技術”的標簽下提出了優化加工廠能源的系統方法。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獲得最佳的能源利用，演變成過程設計的第一選擇。夾點分析是對整個系統能源管理進行設計研究。

多批次多路徑的熱處理過程想要進行集成分析是非常復雜的，國內外更是少有利用夾點分析進行紡織印染余熱集成回收的案例文獻。夾點分析技術通常分為2 步，首先對不同工藝流程排放的廢水進行收集，同時考慮針對各過程廢水的回收方案及相關回收設備的效率，爾后對換熱網絡進行優化設計，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，最后根據焓溫圖得出一成本最優的廢水余熱回收(wasted water heat recovery，WWHR)系統［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 的熱交換器網絡，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省的潛在熱能約100 GJ，同時可減少CO25.57 t 的排放，各項優化措施的回收期在1-5年，整個系統的回收期約為2年。Kim Y等［72］通過夾點分析技術改善WWHR系統，所提出的最佳WWHR系統分別降低了73.65%的能耗和28.64%的年總成本，最優WWHR 系統的投資回收期為4.32 年。圖4［72］為場景一的熱回收網絡圖及對應焓溫圖。

圖4 夾點熱回收流程

6 結語與展望

6.1 結語

由于紡織行業余熱回收的相關綜述不足，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域較為全面的了解及改進措施。本文從余熱的分布開始介紹，進而說明各種余熱回收手段，并針對各種余熱回收手段總結了紡織業這些年來使用過、正在使用、未來可能使用的相關技術案例，并盡可能地展現相關案例，說明各技術的特點。在第五節還介紹了基于全局的夾點分析技術，將各余熱回收手段如何組合進行說明展現。相關結論如下：

1）現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，熱泵技術也得到較廣泛的應用。

2）關于熱光伏發電技術與熱電發電技術，皆借助于輻射產生電能。在許多的加工工藝中，并不缺少逸散于圍護結構的輻射。印染廢水中含有較多的生物質，也使得利用生物質進行熱電聯產成為了可能，現已有少量企業應用，未來或將得到廣泛推廣。

3）許多紡織企業現有的余熱回收技術，都是基于某個單獨的設備或環節開展設計，缺少從總體進行集成分析的概念。夾點分析因其著眼全局的特點，在將來必成為余熱回收領域的主流設計方法。

6.2 展望

本文雖總結了印染余熱利用的相關技術，但其中有許多技術存在著應用局限性。

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

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

3）由于紡織業廢熱的復雜性，開展夾點分析設計難度較高，也缺少具備相關技能的人才。