引言印染加工属于高耗能行业，会消耗大量蒸汽，向环境排放含热量巨大的废水。每加工100 m织物，平均产生3.5~5.5 t不同温度的废水[1]。“双碳”目标下，印染或纺织行业迫切需要实现节能降碳减排工作[2]，对其余热进行回收可以有效实现行业的节能降碳。热泵技术是利用和回收印染废水余热的常用技术之一。杨蕴敏[3]对常州地区的印染行业余热回收现状和潜力进行了调查，总结了较为成熟的废热回收技术。张信荣[4]等针对印染污水废热回收研发了高温热泵机组，并开展了优化和分析，开发的系统出水温度最高可以达到95 ℃。靳行[5]等对印染企业进行了调研和测试，计算污水的热能，发现废水余热具有明显的回收潜力。拓炳旭[6]等采用吸收式热泵技术对印染废水的余热进行回收，并对经济效益进行分析。宋晨[7]等提出一套间接式污水源热泵系统，并对其回收印染废水余热的过程进行节能环保效益分析。相关研究证明了印染废水余热回收具有可行性，表明印染余热回收利用的节能效果显著，具有良好的环保效益。为了进一步对印染废水余热回收系统进行优化设计，很多学者开展了相关工作。史琳[8]等以典型的印染废水为例开展了热力学理论计算，发现热泵的最佳提升温度为45~60 ℃，并对热泵的合理取水位置进行了分析。李睿芝[9]等利用太阳能作为能源驱动热泵，逐级加热获得热水。盛峰[10]等提出由直接换热器和蒸汽压缩式热泵主机组成的复合型热泵系统，以三友化纤有限公司烘干排气余热回收为例，从热力学和经济性角度对系统设计进行优化分析，从而确定最优的回收方案。通过热泵技术对印染废水中的余热进行回收和利用具有可行性和高效性。我国印染行业的大部分产热量被直接排放。主要原因为我国主要考核水污染达标排放，未考核印染行业废水余热的排放；印染污水的排放量和余热资源经常波动，不能很好地匹配工艺热水需求。大型企业或印染集中的工业园区会进行部分余热回收，大部分中小型企业很少对废水余热进行回收。印染企业每年均要花费大量的费用购买煤炭、蒸汽、电等能源，用以满足生产过程中各工艺的能量需求，印染厂具有高耗能和高碳排放特点。针对印染废水余热回收中存在的问题，设计人员开发了印染废水余热产中压高温蒸汽系统，回收废水及各个工艺、多个设备中的冷凝水余热，并直接产生匹配工艺标准的中压高温蒸汽供给印染工艺；对系统中复叠式热泵机组、闪蒸罐、蒸汽压缩机、换热器等主要设备进行计算并选型，开展综合能耗效益分析。1技术方案与系统设计根据印染废水余热特性和印染厂的蒸汽需求，设计利用印染废水余热产中压高温蒸汽系统，主要包括印染废水池、废水抽水泵、换热器Ⅰ、换热器Ⅱ、冷水输送泵、复叠式热泵机组、高温热水回收系统、热水输送泵、闪蒸罐、蒸汽压缩机、冷却污水排放池和若干管道。印染废水池收集初步过滤的印染废水，废水分别进入换热器Ⅰ和复叠式热泵机组进行热量交换，热量交换后的废水温度降至26 ℃左右，排入冷却污水排放池，经过净化和处理后统一排放。冷水输送泵输入20 ℃的水进入换热器Ⅰ，预热后进入高温热水回收池，高温热水回收池同时收集印染其他工序的热水，并通过外接电加热器维持恒定温度45~55 ℃，优选为50 ℃。50 ℃热水经过去离子化处理，通过热水输送泵进入复叠式热泵机组，与复叠式热泵机组换热，温度升至93~97 ℃，优选为95 ℃。95 ℃热水进入闪蒸罐，经过扩容、降压在罐内产生中压高温蒸汽，进入蒸汽压缩机，压缩成不同工况的蒸汽，以适应不同的工艺需求，另一部分热水变为冷凝水回流入高温热水回收系统。利用印染余热产中压高温蒸汽系统如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.018.F001图1利用印染余热产中压高温蒸汽系统系统可以充分回收利用印染工艺各个设备的余热资源，产生不同工况蒸汽以满足不同工艺需求，有效减少印染企业蒸汽消耗，减轻环境压力，提高经济效益。2系统匹配分析和热力学计算2.1换热器设计以江苏某印染厂为例，进行系统匹配分析和热力学计算。污水和自来水主要参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.018.T001表1污水和自来水主要参数参数污水自来水质量流量/(kg/h)30 00015 000温度/℃4520密度/(kg/m3)995990黏度/(Pa·s)0.000 058 40.000 056 0比热容/[kJ/(kg·℃)]0.6004.174导热系数/[W/(m·K)]5.420.64普朗特常数—4.32由于印染废水的水质较差，含有大量的絮状物和纤维织物，容易堵塞换热设备，换热器均采用污水源管壳式换热器。根据能量守恒原理，忽略换热器的热损失，根据热流体释放热量等于冷流体吸收的热量关系建立热平衡关系[11]。Q1=Q2 (1)WhCph(T1-T2)=WcCpc(t2-t1) (2)式中：Q1、Q2——分别为热流体放出热量和冷流体吸收热量，W；Wh、Wc——分别为印染废水和自来水质量流量，kg/h；Cph、Cpc——分别为印染废水和污水的比热容，J/(kg⋅℃)；T1、T2——分别为印染废水入口和出口温度，℃；t1、t2——分别为自来水入口和出口温度，℃。Q=Wh×Cph(T1-T2) (3)ΔTm=(T1-t2)-(T2-t1)lnT1-t2T2-t1 (4)A=QKΔTm (5)式中：ΔTm——对数平均温差，℃；K——传热系数，[W/(m2·℃)]；A——换热器的换热面积，m2。完成换热器的设计和计算后，对换热器进行校核。1K0'=d0αidi+Rsid0di+bd0λdm+Rs0+1α0 (6)式中：K0'——传热系数，W/(m2·℃)；αi、α0——分别为管内传热膜系数和管外传热膜系数，W/(m2·℃)；Rsi、Rs0——分别为管内污垢热阻和管外污垢热阻，(m2·℃)/W；d0、di——分别为换热管的外径、内径，m；dm——换热管的平均管径，m；b——管壁厚度，m；λ——管壁材料导热系数，W/(m2·℃)。换热器主要参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.018.T002表2换热器主要参数参数换热器Ⅰ换热器Ⅱ传热负荷/W302 615104 350平均温度差/℃12.5012.33换热器传热面积/m220.109.41热流体质量流量/(kg/s)8.332.78管内流速/(m/s)0.80.8选用换热器管子规格/mmΦ25.0×2.5Φ20.0×2.5传热管数3016单程管长/m8.69.4换热器Ⅰ的K0'K0=1 4281 200=1.19；换热器Ⅱ的K0'K0=1 086900=1.21，均符合设计要求，即K0'K0=1.15~1.25。2.2热泵系统热力学计算复叠式热泵机组包括低温级热泵和高温级热泵，均由压缩机、蒸发冷凝器、节流膨胀阀和蒸发器组成。对系统中复叠式热泵机组进行设计和热力计算，根据工作的工况，低温级和高温级热泵选用R134a为循环工质。叠式热泵机组主要设计参数如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.018.T003表3复叠式热泵机组主要参数设计名称数值备注热源温度/℃40~56—热水出水温度/℃95—循环水出水量/(t/h)514 h连续运作，60 t/h。复叠式热泵机组低温级、高温级设计lgP-h曲线分别如图2和图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.018.F002图2复叠式热泵机组低温级设计lgP-h曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.018.F003图3复叠式热泵机组低温级设计lgP-h曲线低温级、高温级热泵机组设备焓值如表4和表5所示。复叠式热泵机组热力计算结果如表6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.018.T004表4低温级热泵机组设备焓值名称对应焓值点温度/℃焓值/(kJ/kg)压缩机126417蒸发冷凝器270440节流膨胀阀370310蒸发器42631010.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.018.T005表5高温级热泵机组设备焓值名称对应焓值点温度/℃焓值/(kJ/kg)压缩机168427冷凝器298445节流膨胀阀398367蒸发冷凝器46836710.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.018.T006表6复叠式热泵机组热力计算结果参数低温级热泵高温级热泵蒸发器单位质量制热量/(kJ/kg)10760蒸发冷凝器单位热负荷/(kJ/kg)12978压缩机单位耗功率/(kJ/kg)2318理论供暖系数5.654.33根据机组参数的计算结果，对复叠式热泵机组进行选型和匹配。两级热泵机组选型如表7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.018.T007表7两级热泵机组选型设备名称功率/kW数量印染废水抽水泵2.61台热水输送泵1.31台压缩机122.58/1322台蒸发器3621台蒸发冷凝器8021台冷凝器10001台热泵机组最高日耗热量Qd为：Qd=QrCρr(tr-tL)/(24×3 600) (7)式中：Qd——最高日平均秒耗热量，kW；Qr——最高日热水量，取437 000 L/d；C——水的比热容，取4 214 J/(kg·℃)；ρr——热水密度，取0.961 9 kg/L；tr——热水设计温度，取95 ℃；tL——冷水设计温度，取30 ℃。计算得最高日平均秒耗热量为1 332.617 kW。热泵机组设计小时平均秒供热量为：Qg=24×k1Qd/T1 (8)式中：Qg——热泵机组设计小时平均秒供热量，kW；T1——热泵机组设计工作时间，设热泵机组在最不利工况下的运行时间为每天18 h；k1——安全系数，1.05~1.10，取1.10。计算可得Qg为=1 954.5 kW。由此进行机组选型配比，考虑温度及结霜的影响，取综合影响系数为0.7，则机组的名义制热量为2 792.15 kW。热泵机组选型核算时，环境温度按冬季气温5 ℃计算。在5 ℃环境温度下，机组能力衰减30%，机组的工作时间T1为14.45 h；在标准工况（环境干球温度20 ℃，湿球温度15 ℃）时机组的工作时间T1为10.82 h。因此，选型满足要求。2.3闪蒸罐设计计算闪蒸罐选型主要技术参数设计如表8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.018.T008表8闪蒸罐主要技术参数设计项目数值型号SD-SZG系列压力/MPa0.6进口温度/℃95腐蚀裕量/mm1.0最高工作压力/MPa0.2结构形式立式焊缝系数1.0闪蒸罐作为重要的节能装置，系统设计将其用作过热冷凝水的热能梯级利用。过热冷凝水沿闪蒸罐切线进入罐内扩容后压力降低，罐内产生闪蒸汽引入低压蒸汽管道或通过喷射器加压后引入中压管道，分配到不同设备中运行，产生的饱和冷凝水再次进行余热回收，形成一个或多个量级的梯级利用，提高能源利用率。2.4蒸汽压缩机设计计算选择罗茨蒸汽压缩机。罗茨蒸汽压缩机参数如表9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.018.T009表9罗茨蒸汽压缩机参数项目参数值型号FTBZ-250B流量范围/(m3/min)40~78进出口压差/kPa80转速范围/(r/min)750~1 250进出口口径/mm250蒸发处理量/(t/h)1.5功率/kW110增压比1.5~2.02.5系统选型清单对利用印染余热产生中压高温蒸汽的节能系统的设备进行选型及计算，对各项参数进行分析，由此进行系统选型与适用说明。系统主要组件及选型参数如表10所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.018.T010表10系统主要组件及选型参数设备名称主要技术参数数量备注复叠式热泵制热量2 800 kW，出水温度95 ℃1台工作压力2.0 MPa热水储水箱有效容积15 m31套满足50 min用水管壳式换热器功率300 kW2台1用1备管壳式换热器系统功率105 kW2台1用1备废水抽水泵流量40 m3/h，扬程16 m2台1用1备冷水输送泵流量25 m3/h，扬程15 m2台1用1备热水输送泵流量5 m3/h，扬程10 m2台1用1备电磁流量计无无企业自备流量调节阀无无设备附带温度传感器无无设备附带3节能效益分析以某印染车间所需蒸汽0.6 MPa为例，假定系统年运行4 800 h，蒸汽产量约1.8 t/h，则年回收蒸汽量8 640 t，蒸汽平均价格为160元/t，计算得出系统一年可节约购买蒸汽费用138.24万元；系统产生95 ℃的热水，压缩机、泵等所有设备功率为154.9 kW，电费以0.725元/kWh为例，折合电费约55.68万元，水费以4.1元/t计算，耗水约3.6万元，则年运行成本共计约59.28万元，取60万元。估算初投资，约2~3年可以回收系统初投资成本，且理论上每年可为企业节省能源费用约78万元。因此，综合能耗与效益分析，通过本系统直接产生印染工艺所需的中压高温蒸汽，极大地降低了能源消耗，减少印染废水余热对环境的影响，并且有效地减少了印染企业能源费用，满足节能和环保的双重要求，可以极大地提高企业对印染余热回收的积极性，市场前景广阔。4结语印染废水余热回收节能系统通过复叠式热泵机组、闪蒸罐等设备，产生符合标准、可直接用于工艺生产使用的中压高温蒸汽，对系统的主要设备和热力参数进行设计和计算，通过经济效益计算，每年可为企业节省能源费用约78万元。我国印染行业废水排量大，印染设备蒸汽需求量大，利用废水余热回收系统可以直接减少印染企业蒸汽量的消耗，显著降低工艺成本，解决废水余热对环境的影响，解决现有印染行业余热回收积极性不高的问题，实现行业节能降碳减排。