CN107192171B - 一种工业废水余热的梯级回收系统及回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业废水余热的梯级回收系统，包括换热器、蒸发器、第一压缩机，中低温废水进入蒸发器中换热，蒸发器中的工质水产生低温蒸汽，经第一压缩机压缩后通过第一阀门进入换热器中，冷凝得到的水进入储液器，换热器中有第一换热管，第一换热管的进口通过高温水泵与第二阀门连接，第一换热管的出口设有热水排水阀，高温水泵将不低于65℃的工业废水通入换热管内，吸收热量形成高温水，通过热水排水阀排出，或进入第二换热管后产生蒸汽进入第二压缩机。本发明能实现工业废水余热有效回收，且能提供可替代锅炉蒸汽的热源蒸汽和原先由蒸汽与补给水混合得到的高于90℃的高温热水，进而降低工业生产过程的能耗，提高其能源利用率。
Description
技术领域
本发明涉及工业废水余热的梯级回收系统及回收方法，属于工业余热回收与节能领域。
背景技术
随着全球经济的高速发展和人口的不断增长，能源危机也日益加剧，同时环境问题也不断得到重视。工业生产消耗着大量能源的同时，也伴随的不同温度范围、不同型式的工业余热，这些余热的排放也严重影响着周边环境，进而如何有效回收工业余热、提高工业生产的能源利用效率、减小余热排放对环境的影响一直是近年来研究的热点。
在印染等工业领域，其工业生产过程需要消耗大量的高温热源蒸汽，并利用蒸汽与补给水混合提供高温热水，通过热源蒸汽和热水满足生产过程的加热和预热需求，利用后的热源蒸汽与热水相应的变为不同温度范围的工业废水，这些废水的直接排放造成了巨大的能量流失。
除上述工业废水余热外，很多工业设备的运行都需要利用冷却水进行冷却，升温后的冷却水通常都是经冷却塔降温后继续冷却循环，因为冷却水的热量是通过冷却塔散发至环境的，其热量未能得到利用，也可称之为工业废水，其循环过程浪费大量余热的同时，还需消耗一定的泵功。
根据冷却水应用场合和工业生产过程的不同，工业废水的温度范围约 40~90℃，如何有效回收利用这些余热，同时降低工业过程供给热源蒸汽及热水的能耗至关重要。
工业废水余热的温度特点，决定了不能用 ORC、Kalina 等循环回收其余热进行发电，因为效率太低。目前能用的工业废水余热回收技术为高温热泵，但常规热泵工质（R134a，R245fa 等）使用时因其临界温度的限制，所能提供的热源温度通常不高于 90℃，并且这些热泵系统无法适用整个温度范围内的工业废水余热，往往是针对某一温度的工业废水余热回收进行设计选型，回收后的余热用来预热锅炉补给水，然后由锅炉生产热源蒸汽；当工业废水温度较低时，即热泵系统的蒸发与冷凝温度差值较大时，系统性能会明显降低；此外，热泵系统使用时还需考虑热泵工质的 GWP，ODP 对其使用年限的限制。
根据上述分析，针对目前较为普遍存在的不同温度范围的工业废水，很难有一种有效的余热回收方法，实现余热回收的同时，能很好的与工业过程相配合，提供温度足够高的热源。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种工业废水余热的梯级回收系统及回收方法，能根据工业废水（含冷却水）温度进行梯级回收利用的系统，实现工业废水余热有效回收的同时，能提供可替代锅炉蒸汽的热源蒸汽和原先由蒸汽与补给水混合得到的高于 90℃的高温热水，进而降低工业生产过程的能耗，提高其能源利用率。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种工业废水余热的梯级回收系统，包括换热器、蒸发器和第一压缩机，中低温废水进入蒸发器中换热，蒸发器中的工质水产生低温蒸汽，低温蒸汽经过经第一压缩机压缩后通过第一阀门进入到换热器中，冷凝得到的水进入储液器，换热器中有第一换热管，第一换热管的进口通过高温水泵与第二阀门连接，第一换热管的出口设有热水排水阀，换热器的底部与储液器连通，高温水泵将不低于 65℃的工业废水通入到第一换热管内，工业废水换热后吸收热量形成高温水，通过热水排水阀排出，冷凝液进入到储液器中。
作为优选，所述储液器通过第五阀门与真空泵连接。
作为优选，所述储液器通过膨胀阀与蒸发器连接。
作为优选，所述储液器通过流量调节阀和冷却器与第一压缩机连接。
作为优选，所述换热器包含冷凝室和蒸发室，第一压缩机通过第一阀门与冷凝室连接，第一压缩机通过第七阀门与蒸发室的第二换热管连接，第一换热管通过第三阀门与第一喷淋管连接，第一喷淋管位于蒸发室内，第二换热管的出口通过管道与位于冷凝室内的第二喷淋管连接。
作为优选，所述蒸发室顶部设有滤网。
作为优选，所述蒸发室的顶部通过第六阀门与真空泵连接。
作为优选，所述蒸发室的顶部通过第四阀门与第二压缩机连接。
作为优选，所述第一压缩机和第二压缩机为喷水双螺杆水蒸汽压缩机。
作为优选，所述蒸发室的底部与出水管连接，出水管上安装有第八阀门，出水管通过第九阀门与高温水泵连接。
一种工业废水余热的梯级回收系统的回收方法，包括以下步骤：
步骤一：关闭第七阀门、第三阀门、第六阀门、第四阀门、第八阀门和第九阀门；打开第一阀门和热水排出阀；
步骤二：若选择供热水循环，请进行步骤三；若选择供蒸汽循环，请选择步骤七；
步骤三：将不低于 35℃的中、低温工业废水通入蒸发器，蒸发器内的工质水吸收废水余热蒸发产生低温蒸汽，然后打开第一压缩机压缩低温蒸汽，提升其温度和压力后通过第一阀门进入冷凝室，此时冷凝室内的第二喷淋管充当折流板的作用；
步骤四：打开第一阀门和高温水泵，将不低于 65℃的高温工业废水通入冷凝室内的冷却管内，吸收冷凝室内压缩蒸汽的热量，升温后变为高温热水（可高至 99℃）通过热水排出阀排出，作为热源返回工业工程；
步骤五：冷凝室内的压缩蒸汽放热冷凝后进入储液器，储液器出来的液体水一路经膨胀阀后进入蒸发器继续吸热蒸发；另一路经流量调节阀和冷却器，调节流量与温度后喷入第一压缩机内，冷却压缩蒸汽，降低压缩机排汽温度；
步骤六：根据储液器内水温和压力，间断性打开第五阀门和真空泵，用于排出漏入系统的不凝结气体；
步骤七：打开第六阀门和真空泵对换热器上部的蒸发室进行抽真空，直至达到要求后关闭真空泵和第六阀门；
步骤八：关闭热水排出阀，打开第三阀门，使在冷却管内的升温后的高温工业废水经第一喷淋管喷入蒸发室内的第二换热管的管外；
步骤九：关闭第一阀门，打开第七阀门，使第一压缩机出来的蒸汽进入第二换热管内，释放热量使管外的喷淋水蒸发，自身冷凝成液体水后继续通过第二喷淋管进入冷凝室内预热第一换热管内的工业废水，自身过冷度增加，随后流出冷凝室进入储液器继续参与循环；
步骤十：打开第四阀门和第二压缩机，使蒸发室内产值的蒸汽进入第二压缩机压缩升温、升压后成为可替代锅炉蒸汽的热源蒸汽，继续供工业生产使用；
步骤十一：当蒸发室底部未蒸发的喷淋水液位较高时，需要打开第九阀门使部分水通过高温水泵继续参与循环；当工业废水水质不是太好时，需要打开第八阀门排出浓缩后的工业废水。
有益效果：本发明将以自然工质水为介质的热泵系统应用于工业废水余热的回收，因为水的特殊性：临界温度 374℃，能实现较高的冷凝温度，同时当蒸发温度不低于 30℃时其系统性能优越于其他工质循环，通过喷水双螺杆蒸汽压缩机等高压比蒸汽压缩机的使用，可满足较大的蒸发、冷凝温度的差值需求，并具有较高的效率；进而可以通过蒸发器回收不低于 40℃的中、低温工业废水余热，然后由冷凝器放热给不低于 65℃的高温工业废水，一方面可以使高温工业废水温度提升后，作为高温热水热源使用；另一方面也可以使高温工业废水蒸发产生蒸汽，然后再利用机械蒸汽再压缩原理，由压缩机压缩后提供可替代锅炉蒸汽的热源蒸汽，此时热泵系统内通过预热要蒸发的工业废水来增加冷凝水的过冷度，能有效提高系统性能；当所使用的喷水双螺杆蒸汽压缩机内容积比可调时，若热泵系统的蒸发及冷凝温度因工业废水温度变化，以及热源蒸汽温度需求的变化而改变时，可以通过喷水双螺杆蒸汽压缩机内容积比调节，以及喷水温度及流量调节，来保障不同工况下系统的运行效率，同时避免较高的排汽温度。通过上述方法，本发明能实现工业废水余热的梯级回收，提供余热的回收率，同时还能提供满足工业生产需求的锅炉蒸汽及高温热水热源，并且能适应较宽范围内工业废水的温度变化，是一种高效、节能、环保的工业废水余热回收系统与方法。
附图说明
图 1 为本发明的系统示意图。
其中：1—第一压缩机，2—蒸发器，3—换热器，3a—滤网，3b—第一喷淋管，3c—第二换热管，3d—第二喷淋管，3e—第一换热管，4—储液器，5—冷却器，6—第二压缩机，7—真空泵，8—高温水泵，9—膨胀阀，10—流量调节阀，11—第五阀门，12—第一阀门，13—第七阀门，14—第六阀门，15—第四阀门，16—第八阀门，17—第九阀门，18—热水排出阀，19—第三阀门，20—第二阀门。
具体实施方式
如图 1 所示，一种工业废水余热梯级回收系统，主要包括第一压缩机 1、蒸发器2、换热器 3、储液器 4、第二压缩机 6、真空泵 7 和高温水泵 8，其中换热器 3 由上部的蒸发室和下部的冷凝室组成，上部的蒸发室又包含滤网 3a、第一喷淋管 3b 和第二换热管3c，下部冷凝室包含第二喷淋管 3d 和冷却管路 3e；所述第一压缩机出口通过第一阀门12 连接冷凝室入口，冷凝室出口连入储液器 4，所述储液器出口通过膨胀阀9 连接蒸发器入口，蒸发器出口与第一压缩机入口连接；高温水泵入口设有第二阀门 20，出口与第一换热管 3e 入口连接，第一换热管 3e 第一出口通过第三阀门 19 连接第一喷淋管 3b，第二出口连接热水排出阀 18，换热器 3 顶部出口通过第四阀门 15 连入第二压缩机入口，储液器 4 和换热器 3 顶部出口又分别通过第五阀门 11 和第六阀门 14 连接真空泵 7 入口；
在本发明中，第一压缩机 1 出口还通过第七阀门 13 连接冷凝管 3c 入口，所述第二换热管 3c 出口连接第二喷淋管 3d；蒸发室底部设液体出口分别连接第八阀门 16和第九阀门 17，第九阀门 17 又与高温水泵 8 入口连接；
在本发明中：蒸发器 2、第一压缩机 1、换热器 3、储液器 4 和膨胀阀 9 组成的为热泵系统，其介质为自然工质水；蒸发器 2 为满液式蒸发器或降膜式蒸发器；第一压缩机1 和第二压缩机 6 为喷水双螺杆水蒸汽压缩机；储液器 4 出口还通过流量调节阀 10和冷却器 5 连接第一压缩机 1 的喷水冷却孔口。
上述工业废水余热梯级回收系统，具有供热水循环和供热源蒸汽循环方法：
供热水循环方法是利用水为工质的热泵系统蒸发器回收中、低温工业废水余热，然后通过冷凝器放热给较高温度的工业废水，使其温度升高至工业过程需求的热水温度，
具体步骤如下：
步骤一：关闭第七阀门 13、第三阀门 19、第六阀门 14、第四阀门 15、第八阀门16和第九阀门 17；打开第一阀门 12 和热水排出阀 18；
步骤二：将不低于 35℃的中、低温工业废水通入蒸发器 2，蒸发器 2 内的工质水吸收废水余热蒸发产生不低于 30℃的低温蒸汽，即蒸发温度不低于 30℃，然后打开第一压缩机 1 压缩低温蒸汽，提升其温度和压力后通过第一阀门 12 进入换热器 3 下方的冷凝室，此时冷凝室内的第二喷淋管 3d 充当折流板的作用；为了有效回收中、低温废水的余热产生蒸汽，蒸发器型式可选用满液式蒸发器或降膜式蒸发器；
步骤三：打开第一阀门 20 和高温水泵 8，将不低于 65℃的高温工业废水通入冷凝室内的冷却管内，吸收冷凝室内压缩蒸汽的热量，升温后变为高温热水（可高至 99℃）通过热水排出阀 18 排出，作为热源返回工业工程；需要说明的是热泵系统的蒸发温度和冷凝温度决定了第一压缩机 1 的压缩蒸汽饱和温升，从热泵系统效率和可行性出发，建议第一压缩机 1 的压缩蒸汽饱和温升不高于 60℃；
步骤四：冷凝室内的压缩蒸汽放热冷凝后进入储液器 4，储液器 4 出来的液体水一路经膨胀阀 9 后进入蒸发器 2 继续吸热蒸发，参与下一循环；另一路经流量调节阀 10和冷却器 5，调节流量与温度后喷入第一压缩机 1 内，冷却压缩蒸汽，降低压缩机排汽温度；
步骤五：以水为工质的热泵系统，因水的物性：低于 100℃时其压力低于一个大气压，负压条件下，有可能会有空气等不凝结气体泄漏进入热泵系统，所以需要根据储液器内水温和压力进行判断，不凝结气体存在于储液器中时，可打开第五阀门 11 和真空泵 7 将其排出。 若需要从供热水循环切换至供蒸汽循环，用于提供可替代原工业工程锅炉蒸汽的热源蒸汽，具体步骤如下：
步骤一：打开第六阀门 14 和真空泵 7 对换热器 3 上部的蒸发室进行抽真空，排除其内部空气，直至达到要求后关闭真空泵 7 和第六阀门 14；
步骤二：关闭热水排出阀 18，打开第三阀门 19，使在第一换热管 3e 内被预热升温后的高温工业废水经第一喷淋管 3b 喷入蒸发室内的第二换热管 3c 的管外；
步骤三：关闭第一阀门 12，打开第七阀门 13，使第一压缩机 1 出来的蒸汽进入第二换热管 3c 内，释放热量使管外由第一喷淋管 3b 喷入的喷淋水蒸发，自身冷凝成液体水，然后继续通过第二喷淋管 3d 进入冷凝室内，对第一换热管 3e 内将喷入蒸发冷凝室的较高温度工业废水进行预热，自身过冷度增加，随后流出冷凝室进入储液器 4 继续参与循环，如此有效的将冷凝器出水的过冷和要蒸发的喷淋水预热相结合，提高了各自过程的㶲效率； 步骤四：打开第四阀门 15 和第二压缩机 6，使蒸发室内产值的蒸汽（温度范围约75~95℃），经滤网 3a 滤去液滴后进入第二压缩机 6 压缩升温、升压后作为可替代锅炉蒸汽的热源蒸汽使用；
步骤五：当蒸发室底部未蒸发的喷淋水液位较高时，需要打开第九阀门 17 使部分水通过高温水泵 8 继续参与循环；当工业废水水质不是太好时，需要打开第八阀门 16排出浓缩后的工业废水，此外，还可通过科学的换热器 1 结构设计，保障能定期对蒸发室内壁进行清洗。
在本发明的上述工业废水余热梯级回收方法中，当采用的是内容积比可调的喷水双螺杆蒸汽压缩机时，可根据各自的吸、排汽压力调节第一压缩机 1 和第二压缩机 2 内容积比调节滑阀，减小因废水温度的变化及热源蒸汽温度要求的变化而导致压缩机工况变化式出现的欠压缩和过压缩损失，同时可根据排汽温度与压力调节喷水流量和温度，控制排汽过热度，进而保障整套系统能适用于较广温度范围的工业废水余热回收，同时保障较高的系统运行效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种工业废水余热的梯级回收系统，其特征在于：包括换热器、蒸发器和第一压缩机，中低温废水进入蒸发器中换热，蒸发器中的工质水产生低温蒸汽，低温蒸汽经过经第一压缩机压缩后通过第一阀门进入到换热器中，冷凝得到的水进入储液器，换热器中有第一换热管，第一换热管的进口通过高温水泵与第二阀门连接，第一换热管的出口设有热水排水阀，换热器的底部与储液器连通，高温水泵将不低于 65℃的工业废水通入到第一换热管内，工业废水换热后吸收热量形成高温水，通过热水排水阀排出，冷凝液进入到储液器中。
2.根据权利要求 1 所述的工业废水余热的梯级回收系统，其特征在于：所述储液器通过第五阀门与真空泵连接。
3.根据权利要求 1 所述的工业废水余热的梯级回收系统，其特征在于：所述储液器通过膨胀阀与蒸发器连接。
4.根据权利要求 1 所述的工业废水余热的梯级回收系统，其特征在于：所述储液器通过流量调节阀和冷却器与第一压缩机连接。
5.根据权利要求 1 所述的工业废水余热的梯级回收系统，其特征在于：所述换热器包含冷凝室和蒸发室，第一压缩机通过第一阀门与冷凝室连接，第一压缩机通过第七阀门与蒸发室的第二换热管连接，第一换热管通过第三阀门与第一喷淋管连接，第一喷淋管位于蒸发室内，第二换热管的出口通过管道与位于冷凝室内的第二喷淋管连接。
6.根据权利要求 5 所述的工业废水余热的梯级回收系统，其特征在于：所述蒸发室顶部设有滤网。
7.根据权利要求 5 所述的工业废水余热的梯级回收系统，其特征在于：所述蒸发室的顶部通过第六阀门与真空泵连接，所述蒸发室的顶部通过第四阀门与第二压缩机连接。
8.根据权利要求 7 所述的工业废水余热的梯级回收系统，其特征在于：所述第一压缩机和第二压缩机为喷水双螺杆水蒸汽压缩机。
9.根据权利要求 5 所述的工业废水余热的梯级回收系统，其特征在于：所述蒸发室的底部与出水管连接，出水管上安装有第八阀门，出水管通过第九阀门与高温水泵连接。
10.一种如权利要求 1 至 9 任一项所述的工业废水余热的梯级回收系统的回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：关闭第七阀门、第三阀门、第六阀门、第四阀门、第八阀门和第九阀门；打开第一阀门和热水排出阀；
步骤二：若选择供热水循环，请进行步骤三；若选择供蒸汽循环，请选择步骤七；
步骤三：将不低于 35℃的中、低温工业废水通入蒸发器，蒸发器内的工质水吸收废水余热蒸发产生低温蒸汽，然后打开第一压缩机压缩低温蒸汽，提升其温度和压力后通过第一阀门进入冷凝室，此时冷凝室内的第二喷淋管充当折流板的作用；
步骤四：打开第一阀门和高温水泵，将不低于 65℃的高温工业废水通入冷凝室内的冷却管内，吸收冷凝室内压缩蒸汽的热量，升温后变为高温热水通过热水排出阀排出，作为热源返回工业工程；
步骤五：冷凝室内的压缩蒸汽放热冷凝后进入储液器，储液器出来的液体水一路经膨胀阀后进入蒸发器继续吸热蒸发；另一路经流量调节阀和冷却器，调节流量与温度后喷入第一压缩机内，冷却压缩蒸汽，降低压缩机排汽温度；
步骤六：根据储液器内水温和压力，间断性打开第五阀门和真空泵，用于排出漏入系统的不凝结气体；
步骤七：打开第六阀门和真空泵对换热器上部的蒸发室进行抽真空，直至达到要求后关闭真空泵和第六阀门；
步骤八：关闭热水排出阀，打开第三阀门，使在冷却管内的升温后的高温工业废水经第一喷淋管喷入蒸发室内的第二换热管的管外；
步骤九：关闭第一阀门，打开第七阀门，使第一压缩机出来的蒸汽进入第二换热管内，释放热量使管外的喷淋水蒸发，自身冷凝成液体水后继续通过第二喷淋管进入冷凝室内预热第一换热管内的工业废水，自身过冷度增加，随后流出冷凝室进入储液器继续参与循环；
步骤十：打开第四阀门和第二压缩机，使蒸发室内产值的蒸汽进入第二压缩机压缩升温、升压后成为可替代锅炉蒸汽的热源蒸汽，继续供工业生产使用；
步骤十一：当蒸发室底部未蒸发的喷淋水液位较高时，需要打开第九阀门使部分水通过高温水泵继续参与循环；当工业废水水质不是太好时，需要打开第八阀门排出浓缩后的工业废水。
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