印染废水热泵余热回收系统设计及节能环保性分析

    在我国工业生产导致的工业污染已经极为严重,在国家环保要求不断提升的情况下,近年来国家通过多项政策尝试降低工业生产造成的环境污染?每年我国污水排放的总量约为3.9×10¹⁰t,其中工业生产废水总量约占废水总量51%，作为印染行业较为发达的国家,我国印染生产造成的废水约为工业生产废水总量的35%,即每日印染生产产生的废水总量约为3×10⁶m3到4X10⁶m3。印染废水当中不仅存在大量污染物质,同时印染废水温度相对较高,即废水排放能够造成热量的大量损失?为有效利用印染废水的热量,当前印染企业一般选择使用污水源热泵对废水进行再利用,污水源热泵是一种以印染废水为主要冷热源的系统,能够对废水当中的热量进行更为有效的应用,使得排放阶段的废水温度处于标准状态,即废水的能量能够得到较为有效利用的同时,废水不会由于温度过高对环境造成更为严重的影响?污水源热泵本身是一种清洁设备,该设备使用对环境不会造成任何直接的影响,因此设备使用在环保效果方面能够得到有效保障?

一、热泵系统
1.热泵系统原理
       本文所述污水源热泵是一种能够由高热量区域向低热量区域主动输送引导热量的设备,该设备系统在能量的需求方面相对较少,仅需要消耗极少的电能或机械能即能够满足长时间能量传输的各项需求?完整的热泵机组一般需要包含下述基本设备:蒸发器?压缩机?冷凝器?节流设备等?热泵设备工作过程中,处于蒸发器内部的低温热源在循环工质的作用以及影响下,能够完成定压换热,定压换热完成后蒸发器当中的低温热源则能够自然排除,而循环系统当中使用的循环工质在充分吸收热量后,能够由初始的液体状态转变为液体状态?吸热后转变为蒸汽的循环工质将进入压缩机当中,并且在压缩后成为过热蒸汽,用于下一步作业?过热蒸汽将进行冷凝器当中,冷凝器当中存在的冷却介质通过与过热蒸汽接触能够完成过热蒸汽放热,放热后的循环工质将重新成为液体状态的工质,由于工质经过压缩机的加压,因此这一阶段循环工质为高压液体工质?高压液体工质进行节流阀后,经过减压环节能够重新成为初始状态的液体循环工质?重新回归初始状态的液体工质重新被引入蒸发器当中,即能够进入下一个循环当中

该热泵系统使用过程中,不会出现直接的工质以及其他任何物质的损耗,即系统本身在节能以及环保方面能够得到较为有效的保障?另外由于该设备的循环结构相对较为简单,因此在循环过程中能够避免热量的过多损失,使得热量能够得到较为充分的利用?该设备的基本循环流程如图 1 所示?

2.热泵系统类别
       污水源热泵包括两种主要的类型,分别为污水直接接触类型的热泵,以及污水非直接接触类型的热泵?前一种热泵在使用过程中,作为热源的污水能够与热泵设备机组直接接触;后一种热泵在使用过程中,作为热源的污水不能与热泵设备机组直接接触,即污水必须与热泵机组分离?与直接接触的设备相比,非直接接触的设备可能受污水的影响?

二、余热回收系统设计
1. 工程分析
    本文以浙江某印染企业为案例对象进行分析,该印染企业为我国典型的印染生产企业,企业生产过程中必然产生大量的废水,且废水包含巨大的热量?在印染行业当中,案例企业是一家综合类型的企业,企业不仅能够进行印染生产,同时该企业能够进行印染相关的产品研发以及后续的产品生产相关工作?在能源需求方面,该企业生产过程中需要使用的能源包含水电以及蒸汽,其中蒸汽为案例企业生产过程中主要依赖的能源?对案例企业而言,蒸汽能源的使用占比已经超过50%,该企业使用的电能以及蒸汽均由附近热电厂直接提供?从案例企业所处位置来看,该企业位于曹娥江附近,企业能够利用的水资源相对较为丰富,因此该企业以及附近企业均以地表水为主要生产用水?曹娥江地表水的初始温度约为15°C左右,使用过程中地表水需要进行简单处理并使用蒸汽换热器进行加热处理,以达到印染生产的基本需求?对案例企业的实际调研结果显示,该企业每日排放的污水总量能够达到2000t左右,且排放阶段的污水温度为40°C左右。排放阶段,案例企业产生的废水已经进行了简单的处理,简单处理过后的废水虽然过滤了一定污染,但整体而言依然处于污染较为严重的状态?因此若选择直接排放,则案例企业排放的污水能够对企业所在地区环境造成较为严重的损伤?为降低污水对环境的影响,当前案例企业排放的污水经过基本处理后,运输至附近的污水处理厂进行处理,以此避免污水对所在地区环境造成损伤?

2.系统设计

对案例企业污水排放情况进行分析可知,首先该企业排放的污水总量相对较多,污水的排放本身能够对环境造成极为严重的影响?对污水处理厂而言,针对温度较高的污水同样需要对污水进行降温处理,才能够进行后续的净化以及处理?即按照当前的污水处理模式,案例企业产生污水包含的热量必然存在极为巨大的损耗,为降低热量的损耗,案例企业能够采用上述污水源热泵,对污水进行再次利用?考虑设备大量使用的需求,因此案例企业选择使用非直接接触的设备更为合理?

考虑案例企业在污水热能使用方面的需求,以及污水循环方面的基本要求,最终形成的系统基本结构如图 2 所示在换热器 1 设备当中温度为15℃的中介水与温度为40°C左右的污水实现热交换,即污水的温度能够交换至中介水当中?交换完成后,中介水的温度能够升高至30所述的左右,而污水的温度则下降至25°C左右?第一次释放热量后的污水进入换热器 2设备当中,通过再一次放热温度下降至20°C左右。而换热器2使用的中介水,温度则能够由15°C上升至20℃左右?换热器 1 以及换热器 2 当中中介水吸收热量后,能够将热量传递至循环工质,用于后续的热量循环。在系统当中,温度上升至30°C的中介水在冷凝器当中通过进一步吸收循环工质的热量,温度能够上升至60°C?该系统产生的热量能够满足印染生产过程中蒸汽使用的相关需求,且与直接加热15°C的冷水相比,采用本系统加热的能源需求能够得到显著性控制,即系统在节能方面能够表现出相对较为突出的效果?
三、 系统环保效益分析

1 .节能性分析

当前案例企业每日产生的废水总量约为2000t左右,即案例企业每秒能够产生23t废水?在忽略换热过程造成热量损失的情况下,使用上述污水源热泵系统后,能够明确热泵机组每日能够产出2000t热水?热水产出的计算公式如公式 1 所示?

公式当中,m1代表清水的质量流量,单位为㎏/s;c1代表清水的比热容,本文当中c1取值为4.2KJ/(㎏·℃);t1,......为换热器 1 出水一侧的水温,单位为℃;ct1,in为换热器 1 进水一侧的水温,单位为℃;°C代表污水的质量流量,单位为kg/s c2代表污水的比热容,本文当中c2取值为4.2KJ/(㎏·℃);t2.in为换热器 2 进水一侧的水温,单位为℃;°Ct2,out为换热器 2 出水一侧的水温,单位为c。

对热泵机组热量总量进行计算的公式为公式2?

公式当中,Q代表制热总量,单位为kW;t3,out为机组出水的温度,单位为℃;°Ct3,a为机组进水的温度,单位为c单位为℃?使用公式 2 进行计算能够明确案例企业热泵系统的制热总量能够达到2917kW,该系统需要使用800A型号的热泵,

该型号热泵参数为:理论制热总量3092kW;输入功率672kW;冷凝器热水流量532m3/h:冷凝器水压86kPa:蒸发器热源水流量254m3/h:蒸发器水压29kPa:COP4.6。

按照热泵机组每日需要将2000t生产用水温度提升至60°C,则标准煤使用量的计算公式为公式3。

公式当中,M1代表产生热量所述的标准煤总量,单位为㎏;Q代表制热的总量,单位为kW;qe为标准煤的热值,本文取值为2. 9×104KJ/kgη1为电力的输入效率,取值为30%:为该热泵组的能效比,COP本文选择系统的能效比为4.6?

最终M1的计算结果应当为6298㎏?

采用传统锅炉加热的方法同样能够使得水温提升至60°C至60℃,使用传统锅炉进行加热,则加热过程中标准煤的消耗计算公式应当为公式4?

公式当中,M2代表使用锅炉进行加热时需要使用的标准煤总量,单位为㎏;η2为锅炉的效率,本文按照60%进行计算。

按照上述公式进行计算,能够确定M2的最终数值应当为14484㎏?

       对比使用传统锅炉加热模式以及使用污水源热泵加热模式,两种模式下标准煤的用量差为8186kg,使用污水源热泵的情况下,每日标准煤的需求量仅为使用锅炉标准煤用量的43%左右,即使用污水源热泵代替原本的锅炉后,每日加热使用的标准煤总量能够降低50%以上?在节能效果方案,本文所述的污水源热泵节能效果极为突出,该系统能够极为有效降低案例印染企业加热所需的能源,真正有效降低企业生产对能源的需求?在具有相对较高的节能效果的情况下,本文所述的系统能够通过减少能源消耗使得企业生产的污染同步得到相对较为有效的控制?

2.环保性分析
    通过节能性分析能够发现,使用污水源热泵系统的情况下案例企业的能源需求总量能够得到极为有效的控制,统计分析的结果显示,与未使用该系统的情况相比使用该系统后每日燃料的需求总量能够下降约8186㎏左右?案例企业年生产总周期约330d左右,按照这一标准进行计算能够明确,采用该系统后企业节能总量能够达到2701380㎏左右?

    按照我国污染物排放的相关规定,我国污染物排放要求为:使用标准煤作为燃料的情况下,每千克标准煤产生的SOX应当控制在0.03㎏以内,CO2产生总量应当控制在2. 75kg以内,NOX产生总量应当控制在0.004kg以内,粉尘产生总量应当控制在0.02㎏以内?

  对使用污水源热泵系统后污染排放减少情况进行计算的公式,为公式 5?

公式当中,Δmw,i代表序列为i的污染物排放减少总量,单位为㎏;在本文公式当中i能够依照顺序代表SOX?CO2?NOX以及粉尘;ΔR_-i代表单位重量标准煤燃烧后产生的序列为i的污染物总量,单位为㎏·㎏ - 1?

   使用上述公式 5 计算案例企业各类污染物减少总量时,以SOX为例,SOX减少量计算方法为ΔmSOx = 2701380×0.03 = 81041.4㎏?其余污染物的计算方法与SOX相同,按照上述计算方法对其余污染物的减少总量计算结果,能够明确:采用本文所述的污水源热泵后,CO2年排放总量能够减少约7428795㎏左右,NOX年排放总量能够减少约10805.52㎏左右,粉尘年排放总量能够减少约54027.6㎏左右?计算结果显示,采用本文所述的热泵系统能够极为有效减少污染物的排放,即污水源热泵系统能够极为有效减少污染的影响,降低企业生产的污染性?

四、结语
     印染废水长期持续性排放,对环境能够造成长期的持续性影响,同时高温的污染废水同样能够长期造成能量的大量流失?因此考虑到环境保护以及能源充分利用的相关需求,一般情况下印染产生的废水需要通过回收再利用降低能量的损耗?本文所述的污水源热泵回收再利用的方法,相较传统的锅炉回收具有更好的应用效果,一方面本文所述方法每年能够减少2.7×10³t标准煤消耗,另一方面使用该种方法的情况下SOX的排放能够降低81t?CO2降低7. 4×10³t、NOX降低10.8t?粉尘降低5.4t?整体而言,本文所述的污水源热泵不仅能够显著降低生产过程中能源的消耗,同时能够大幅度减少生产造成的环境污染,即该系统在键能以及减排两个方面均能够达到相对较为突出的效果,满足印染企业清洁生产的相关需求?