纺织业余热回收利用研究进展

2024-05-07许文强

上海节能 2024年4期

许文强肖鑫刘洋

1.东华大学环境学院

2.上海市节能技术服务有限公司

0 引言

随着人口不断的增长、技术的更新迭代，全球工业对能源的需求也在增长。然而化石能源的开采难度越来越大［1］，能源成本越来越高，环境问题特别是气候变化，以及能源危机，都在提醒我们要更高效地利用能源，防止能源浪费。纺织行业是制造业中最复杂的行业之一［2］，而能源消耗是纺织业的主要运行成本之一，提高能源效率成为迫在眉睫的问题。据统计，中国纺织业占制造业最终能耗的4%［3］。

纺织业是一个由许多细分行业组成的部门。纺织业的产业链可分为原料加工、印染加工、纺织成品加工三个主要环节，前两个环节的能耗和排污在总的能耗排污中占比最大，其中，印染加工能耗占比达33%［4］，其中75%以上是作为热量被消耗的。节能降耗是我国纺织工业发展的一个重要阶段，是降低成本、提高效益、保护环境的重要手段［5］。纺织业排出的大量废水、废气蕴含极多的热量，不加以利用的排放将造成巨大的能源浪费。

除了能源使用效率这个问题外，化石燃料的燃烧还会产生相关的废气，如二氧化硫（SO2）和颗粒物（particulate matter，PM）等，是空气污染物的主要来源［6］。减少能源消耗或提高纺织业能源使用效率，可以有效减少空气污染，改善人类健康。将这些环境成本以货币价值进行量化，将提高新兴技术的成本效益，有助于技术的推广应用［7］。

因此，纺织企业必须做好低品位热能利用，从废水废气的余热回收入手，进行相关能效应用和效率提升的研究。本文从纺织业余热分布作为切入点，简要介绍了相关余热回收技术，并总结呈现了相关技术实际应用的案例，以及前沿技术和对未来纺织余热利用进行展望，以期对我国纺织业余热回收技术发展提供思路。

1 印染行业余热分布

纺织企业是能耗大户，印染要消耗大量的能源，主要为热能消耗。纺织印染、成品加工等过程也会排出高温废水、高温废气。印染工艺流程中退浆、煮练、漂白、丝光、染色、印花、整理等过程大多排出高温废水［8］，定形和烘干工序排出高温废气［9］。纺织生产各过程余热汇总见表1。表1数据来自常州某日排污水735 t 的印染厂［10］。其中，印染废水的排放温度大多处于40~80 ℃区间，排放量较大，废气主要为热定型废气和锅炉废气，温度多处于160~220 ℃区间。

表1 纺织生产各过程余热流量及温度[10]

1.1 废水余热简析

纺织加工中由于产品种类、染料、加工设备的不同，产生的废水种类也有较大差别。纺织工业中能源最密集的部分是湿处理。湿法工艺包括退浆、煮练、染色、漂白、洗涤工艺。这些流程中许多热水被当作废水排掉，其中的化学物质与热量没有被回收重新利用。

以棉类及其与化学纤维的混纺机织物为例，其各过程工艺温度为退浆过程水温约100 ℃（0.2 MPa）、煮练过程水温约130 ℃（0.2 MPa）、漂白过程水温约90~130 ℃（0.2 MPa）、丝光过程水温约40~50 ℃（0.1 MPa）、染色过程水温约60~65 ℃（0.1 MPa）、印花过程温度多在100 ℃以上（多大于0.1 MPa）［11］。

印染废水余热回收主要通过热泵技术［12］、热交换技术［13］。其中，热交换技术因其成本低、操作简单等特点，成为废热回收中应用较广的技术。热泵技术适用于回收低温废热［14］，完美地契合了纺织废水多为低品位热源的现状，在印染余热回收中也得到广泛的应用。热电联产技术与废水余热回收相结合也是近年来的一个研究方向［15］。

1.2 废气余热简析

在印染过程中，亦会产生废气。热定型产生的废气，温度可达160 ℃［9］。相关工艺会使用到锅炉，排放的锅炉烟气温度一般在220 ℃。

印染行业在生产过程中产生的高温废气主要是锅炉烟气和定型机油烟废气。针对不同废气，余热回收需要不同的技术。对于锅炉废气，主要通过换热器换热［16］。定型机废气有高温、高湿、含油烟杂质等特点［17］，处理主要分为余热利用和废油回收两部分，烟气余热利用主要有气/气热回收法［18］、水/气热回收法［18］。

2 余热回收技术

2.1 热交换技术应用

在余热回收中使用热交换技术是比较高效、简单的方法。其原理是冷热介质之间通过直接/间接接触进行换热，以达到传热的目的。印染行业余热回收中常用的有间壁式换热器［19］、中间载体式换热器［20］，除此之外，还包括多级串联换热器等换热器应用。因管式和板式换热器结构简单，所以其成为应用最广泛的间壁式换热器［21］。Kandilli 和Koclu［19］给出了板式换热器用于纺织业余热回收的最佳运行条件，给予了废水热回收系统的设计者们较大帮助。中间载体式换热器，冷热流体通过中间介质传热，热管式换热器为其中经典换热器。热管式换热器凭借极高的有效导热率［22］，即使传热面积很小也可以传输大量热量。而且其传热面积可控，换热表面造型可随需要设计，这使它在印染余热回收方面得到了广泛应用。多级串联换热器可以通过多次的热回收，将流体温度降低到较低的温度，达到较高的回收效率［23］。Yi 等［24］设计的两级换热器，在太原进行了热水余热回收测试，可将进口水温为72 ℃的热水降低到19.7 ℃。

2.2 高效转换技术应用

热泵机组可实现回收低温热源热量用以制取高温热源的目的。其原理为逆卡诺循环，从低温热源获取热量，并将热量传递到高温热源［25］。若使用热泵回收余热，可回收低温水源中约70%的热量［26］。污水源热泵通过热交换器从废水中提取热能给到蒸发器，压缩机压缩来自蒸发器的制冷剂以提高其温度和压力，经压缩后的高温高压制冷剂与流体交换热量将热能传递到建筑物中。

有机朗肯循环的工作原理是克劳修斯-朗肯循环，ORC 使用低沸点、高蒸汽压的有机物作为介质来发电，其流程图如图1［27］，蒸汽离开涡轮机经冷凝器降温，并对有机流体进行预热，泵加压使其成为高压过冷流体（状态点2），有机流体经过热交换器加热成为高压过热蒸汽（状态点3），带动涡轮机发电，涡轮机出口变为低压过热蒸汽（状态点4）。研究表明，使用有机流体作为介质使该系统适用于低品位热源，并且可以利用诸如地热、生物质和太阳能等能源发电［28］，而印染余热大部分都是低品位热源。在低品位热能循环中，ORC 是商业开发最多的一种，它比蒸汽朗肯循环更简单，经济上更可行［29］，更容易应用于印染余热回收中。

图1 典型有机朗肯循环[2 7]

3 余热回收技术实际应用

3.1 热交换技术应用于热回收中

织物染色需使用大量的高温热水，约为织物重量的30~150倍［30］，工厂只需配备换热器、缓冲槽和控制器，便可高效利用染色废水的热能，还可降低废水温度，便于污水处理［31］。图2（a）为染色机的热回收系统示意图［1］，预热后的自来水可存储于热水槽，可供给染色机进行染色洗涤。

图2 热交换工艺示意图

蒸汽锅炉被广泛应用于纺织业［32］。锅炉能耗占比大，其排出的锅炉烟气含有较多热量，而其本身产生的大量蒸汽冷凝水也是废热的良好来源，可通过将其转化为机械能，或通过热交换设备(热管式蒸汽发生器及省煤器［33］) 加以利用。图2（b）是冷凝水回收系统示意图［34］，纺织各流程的蒸汽通过闪蒸器回收，通过蒸汽回收泵返回水箱，使供水温度升高。染整业中常用的逆流水洗技术，也是热交换进行余热回收的最好应用体现［35］。织物的最早几道处理步骤对水质要求不高，而越往后，织物自身越发洁净，对水质要求也逐步上升。若将清水从处理工序的末端往前端送，当清水水质变差时，其也到达了处理工序的最初几道步骤，最干净的织物可以遇上最干净的水，可有效省水并节能［36］。表2是相关热交换技术用于纺织余热回收的实际案例总结。

表2 热交换技术应用实例

3.2 高效转换技术应用于热回收

许多工业过程排放的废热低于100 ℃，纺织业排放的绝大多数废热也处于这个范围。然而，一些工业过程需要更高的温度，因为热泵可将低温热源回收制取高温热源的特点，热泵与低温废热回收(wasted heat recovery，WHR) 系统具有高度契合性。Van等［41］研究证明了这一点，在45~60 ℃的热源中，热泵提供的能量几乎是同等热量输入的其它WHR 系统的2.5~11 倍。印染废水其具有热量大、稳定适中的温度、稳定较大的流量等特点［42］，印染废水反而成为较传统热源相比更加理想的热泵热源。

ORC可有效地用于废气WHR处理。在低品位热底循环中，ORC是商业开发最多的一种［43］。它比蒸汽朗肯循环更简单，经济上更可行［29］。表3是相关高效技术用于纺织余热回收的实际案例总结。

表3 高效技术应用实例

4 先进的余热回收方式

在热回收领域，有许多新兴技术出现，只不过由于效率与成本等问题暂时无法应用，如热电技术（thermoelectric generate，TEG）、热光伏(ther-mos photovoltaic，TPV) 发电技术等，但随着技术的进步，这些技术终将成为热回收领域的未来。本节对相关新兴技术进行一个简要介绍，希望能对纺织余热回收领域有所启发。

4.1 热电发电技术

热电发电系统由Thomas Johann Seebeck 于1821年发现，其工作原理为Seeback效应［49］，该效应被描述为当材料受到热源和冷源时，两个半导体之间会产生电流，但该系统的效率低，哪怕使用分段式热电系统，其效率也普遍低于20%［50-52］。在器件的两个相当薄的表面上保持大的温差并获得高的传热率是目前研究的主要问题和挑战［53］。针对这一问题，Remeli 等［54］使用热管结合热电发电机，将发电机表面的热量通过热管传递，提高温差，该方法可以进一步用于工业过程。热电设备有尺寸设计较灵活、安置较方便，可利用设备的一些边角部位进行余热回收，且较容易和各种其它热回收方式耦合等优点。表4是热电技术用于余热回收的实际案例总结。图3（a）和（b）为热电示意图［55］。

图3 热电示意图

表4 热电发电技术应用实例

4.2 热光伏发电技术

TPV 集热器是一种模块，其中光伏不仅生产电力，而且还充当热吸收器，可同时生产热和电。TPV模块原理为光伏电池利用一部分的太阳辐射来发电，而剩余热量被集热器吸收，既降低了光伏的温度，又提高了整体模块的效率，同时可获得热量［60］。目前，光伏/集热器的类型有光伏/空气集热器、光伏/水集热器和光伏/集中集热器，这些系统可能在将来成为实现废热回收的新方法。它们使用发射器、滤波器和光伏电池从热源产生电力［61］。该系统采用一个发射器，当被热源加热时，发射电磁辐射，然后光伏电池将辐射转换为电能，滤波器确保只有与光伏电池匹配的波长的辐射波通过。TPV 装置的效率范围为1%~20%，这取决于发射极辐射和传热以及发电机的布置［61］。然而，研究发现光伏电池的工作温度范围有限，效率随着电池温度的升高而降低［62］，且可承受高温的高效光伏电池价格昂贵，增加了系统成本［61］。表5 是热光伏技术用于余热回收的实际案例总结，因技术限制，用于纺织余热回收的技术较少。

表5 热光伏发电技术应用实例

4.3 热电联产技术

废水生物燃料提取技术结合热电联产技术在能源回收方面有着极大潜力。纺织业的废水平均温度约60 ℃［10］，且含有较多的有机化合物，可用于生产生物燃料。在处理纺织和染色废水时，会产生大量的纺织染色污泥（textile dyeing sludge，TDS），TDS的生产率是印染废水处理量的1%~3%［66］，这是一个较大的污水污泥转换率，这也是废水处理的主要固体废物［67］。厌氧消化（anaerobic digestion，AD）是一种有效的污泥处理过程，因为它可以稳定产生生物燃料［68］。表6是热电联产技术用于余热回收的实际案例总结。

表6 冷热电联产技术应用实例

5 夹点分析技术

上个世纪80年代，在“夹点技术”的标签下提出了优化加工厂能源的系统方法。Linnhoff 等［71］于1982年引入了过程集成的概念。过程集成可以助力系统获得最佳的能源利用，演变成过程设计的第一选择。夹点分析是对整个系统能源管理进行设计研究。

多批次多路径的热处理过程想要进行集成分析是非常复杂的，国内外更是少有利用夹点分析进行纺织印染余热集成回收的案例文献。夹点分析技术通常分为2 步，首先对不同工艺流程排放的废水进行收集，同时考虑针对各过程废水的回收方案及相关回收设备的效率，尔后对换热网络进行优化设计，针对各换热工艺的加热和冷却热流，绘制焓温图，取得最小夹点温差，最后根据焓温图得出一成本最优的废水余热回收(wasted water heat recovery，WWHR)系统［72］。Zuberi 等［73］于2020 年使用夹点分析对欧洲一家中型纺织厂的热集成进行了案例研究，建立了每天最大直接热回收潜力约85 GJ 的热交换器网络，一天的热回收可满足纺织厂热能需求的21%~43%，通过直接和间接热回收每天节省的潜在热能约100 GJ，同时可减少CO25.57 t 的排放，各项优化措施的回收期在1-5年，整个系统的回收期约为2年。Kim Y等［72］通过夹点分析技术改善WWHR系统，所提出的最佳WWHR系统分别降低了73.65%的能耗和28.64%的年总成本，最优WWHR 系统的投资回收期为4.32 年。图4［72］为场景一的热回收网络图及对应焓温图。

图4 夹点热回收流程

6 结语与展望

6.1 结语

由于纺织行业余热回收的相关综述不足，而具体的余热回收方法也较少得到归纳，难以获得对纺织余热回收领域较为全面的了解及改进措施。本文从余热的分布开始介绍，进而说明各种余热回收手段，并针对各种余热回收手段总结了纺织业这些年来使用过、正在使用、未来可能使用的相关技术案例，并尽可能地展现相关案例，说明各技术的特点。在第五节还介绍了基于全局的夹点分析技术，将各余热回收手段如何组合进行说明展现。相关结论如下：

1）现有的印染余热回收方法，主要是通过换热器回收余热。而基于热泵对低品位热源有较高的回收效率的特点，热泵技术也得到较广泛的应用。

2）关于热光伏发电技术与热电发电技术，皆借助于辐射产生电能。在许多的加工工艺中，并不缺少逸散于围护结构的辐射。印染废水中含有较多的生物质，也使得利用生物质进行热电联产成为了可能，现已有少量企业应用，未来或将得到广泛推广。

3）许多纺织企业现有的余热回收技术，都是基于某个单独的设备或环节开展设计，缺少从总体进行集成分析的概念。夹点分析因其着眼全局的特点，在将来必成为余热回收领域的主流设计方法。