印染廢水余熱回收系統設計及節能環保性分析

宋 晨 狄育慧 郝振東 沈利銘

印染廢水余熱回收系統設計及節能環保性分析

宋 晨1狄育慧1郝振東2沈利銘3

（1.西安工程大學城市規劃與市政工程學院 西安 710600 2.西安工程大學柯橋紡織產業創新研究院 紹興 312030 3.浙江嘉業印染有限公司 紹興 312030）

針對某印染企業的印染廢水排放量大，溫度高等特點，提出了一套使用污水源熱泵系統的技術來回收印染廢水中余熱的設計方案。對該熱泵系統進行了節能環保效益分析，結果表明使用該系統來回收印染廢水中的余熱，具有良好的節能環保效益。

污水源熱泵；印染廢水；余熱回收；節能環保

0 前言

隨著我國經濟的飛速發展，污染嚴重問題顯得尤為突出，國家也越來越重視環境保護的問題，相應的出臺了許多政策。我國每年的污水排放量為3.9×1010t，工業廢水占總排放量的51%，并且以1%的速率遞增。我國是紡織印染工業的第一大國，紡織印染行業是廢水排放的大戶，約占整個工業廢水排放量的35%，其中印染廢水排放量約為3×106～4×106m3/d[1]。印染行業屬于高耗能，高耗水，高污染的“三高”行業。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，將會損失大量的能源，而且溫度過高的廢水排放到環境中去，將會對環境造成熱污染。

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、工業廢水等作為儲存能量的低溫冷、熱源, 通過熱泵機組系統內工質吸熱、放熱的物態循環變化，消耗少量電能或機械能，從而達到冷卻或加熱效果的一種創新節能技術。污水源熱泵減少了燃煤、燃氣鍋爐的使用，減少了不可再生能源的使用，則環保效果較為顯著。污水源熱泵系統可供暖、供冷、供生活熱水，真正做到一機多用的效果。污水源熱泵技術對環境基本沒有污染，作為一種清潔能源技術，在國內外受到大力的發展。

1 污水源熱泵系統

1.1 污水源熱泵系統原理

污水源熱泵是一種通過消耗少量的電能或機械能實現從低溫向高溫輸送熱量的裝置。熱泵機組由蒸發器、冷凝器、壓縮機、節流裝置等主要部件構成，低溫熱源在蒸發器內與循環工質進行定壓換熱，低溫熱源放熱后排出，而循環工質吸熱后由液體變為蒸汽；蒸汽進入壓縮機內被壓縮，升溫升壓變成過熱蒸汽；過熱蒸汽在冷凝器內向冷卻介質進行放熱，與其進行定壓換熱，冷卻介質吸熱后變為高溫熱源，而過熱蒸汽放熱后成為高壓工質液體；工質液體進入節流閥后進行降壓，成為低溫低壓的工質液體，最后再被導入蒸發器內，如此形成一個循環的過程[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 污水源熱泵系統分類

污水源熱泵系統根據污水是否與熱泵機組直接接觸可分為直接式系統和間接式系統[3]。

直接式系統以污水的二級出水或中水作為低溫熱源，該系統的污水經過了處理，相對于原生污水的水質得到了很好的改善，可以與熱泵機組進行直接接觸。但是系統的水溫經過連續的處理有所降低，這會影響系統的傳熱效果并降低系統的能效比。

間接式系統以原生污水為低溫熱源，該系統的污水未經過有效的處理，水質較差，如果與熱泵機組直接進行接觸，會對機組造成腐蝕、結垢、堵塞等影響，大大的降低了熱泵機組的壽命。所以該系統使用中間換熱器進行換熱，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組。這樣就避免了熱泵機組與原生污水直接接觸，從而提高了熱泵機組的使用壽命。目前大多數的工程都采用間接式熱泵系統來進行余熱回收。

2 印染廢水余熱回收系統設計

2.1 工程概況

本文主要針對浙江紹興某印染企業進行廢水余熱回收系統的設計。該企業是一家集研發、生產、銷售針織產品于一體的大型紡織印染公司。該企業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。企業地址位于浙江省紹興市濱海工業園區，臨近曹娥江，水資源較為豐富，所以工業園區的印染企業都以河水（地表水）作為生產工藝用水。河水（15℃左右）經過簡單的處理后由蒸汽換熱器進行加熱，達到工藝生產的要求。根據實地的調研可知，該企業每天的廢水排放量達到2000t，廢水的溫度約為40℃左右，廢水經過簡單的處理之后，廢水中含有的雜質較多，水質較差，若是直接排放會對當地的水環境造成嚴重的污染，所以必須排放到附近的污水處理廠進行集中處理。

2.2 廢水余熱回收系統的設計

結合該印染企業的印染廢水排放量大、溫度高等特點，本文擬將采用間接式污水源熱泵系統對印染廢水進行余熱回收。

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

圖2 印染廢水余熱回收系統設計圖

3 系統的節能環保效益分析

3.1 節能性分析

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

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

根據公式（2）可計算出熱泵機組的制熱量為2917kW，則污水源熱泵機組選擇型號為3DHXC- HP1-800A的開利水源熱泵，該熱泵機組的技術參數如表1所示。

式中：為熱泵機組的制熱量，kw；3,out為熱泵機組的出水溫度，℃；3,in為熱泵機組的進水溫度，℃。

表1 3DHXC-HP1-800A的技術參數

該污水源熱泵機組每天制取2000t的60℃消耗的熱量折算成標準煤為：

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

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

若是采用傳統的燃煤鍋爐制取同樣的熱水則需要消耗的標準煤為：

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

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

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

3.2 環保性分析

經過上一節的計算得到污水源熱泵機組每天折算的耗煤量相比于傳統的燃煤鍋爐減少了8186㎏，則全年（按330天計算）的標準煤減少量為2701380㎏。我國污染物排放定額如表2[6]所示。

表2 我國污染物排放定額

則污水源熱泵機組全年減少的污染排放量根據公式（5）[8]計算：

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 結語

該印染企業印染廢水排放量大、溫度高，可作為污水源熱泵的熱源進行廢水的余熱回收。所以本文采用間接式污水源熱泵系統來回收企業產生的印染廢水余熱，相比于傳統的燃煤鍋爐，一年可減少2.7×103t標準煤的消耗，同時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。

使用該熱泵系統來進行廢水的余熱回收，可減少二氧化碳、硫化物等污染物的排放，減少了大氣環境的污染。同時減少了印染廢水對水資源環境的熱污染，起到了保護生態環境的作用，實現了節能減排的目的，具有良好的節能環保效益。

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

[2] 李萌.基于余熱回收用的熱泵技術對比研究[D].天津:天津大學,2014.

[3] 唐安民.城市污水源熱泵在建筑節能中的應用[J].供熱制冷,2017,(11):24-27.

[4] 拓炳旭.印染廠廢水余熱回收系統研究[D].西安:西安工程大學,2017.

[5] 申傳濤,彭冬根,胡松,等.南昌市污水源熱泵系統工程實例與應用可行性分析[J].可再生能源,2014,32(10): 1510-1513.

[6] 錢劍峰,孫德興.直接式污水源熱泵系統節能與環保性能分析[C].中國制冷學會2009年學術年會論文集,2009.

[7] GB 50810-2012,煤炭工業給水排水設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2012.

[8] 楊秀娥.唐山市污水源熱泵系統的工程應用與分析[J].節能,2016,35(12):62-64.

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（柯橋）研究生學院產學研協同創新項目（編號：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