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清洁技术
新型无动力高效节能换热器的研制与开发技术
佚名
2021/3/25
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新型无动力高效节能换热器的研制与开发技术

一、概述

印染行业是纺织工业的重要组成部分,既是提升产品质量、提高产品附加值的关键行业,又是耗能、耗水、排污较大的行业。近年来,在纺织工业稳步、快速增长的拉动下,印染行业也得到了快速发展,与此同时,也越来越受到资源、环境的制约。节能减排是缓解资源、环境约束的重要措施,也是落实科学发展观,实现可持续发展,转变行业经济增长方式的必然途径。“十五”期间,在全行业的共同努力下,印染行业节能减排工作取得了明显的成效,但是持续的快速发展,能源消耗总量和污染物排放总量不断增加。据全国印染行业协会的统计资料显示,全国纺织行业年总耗能为6867万吨标准煤,年耗水量95.48亿吨,其中印染行业占到总能耗、排污量的80%。印染行业的能源主要以蒸汽为主,65%的为饱和蒸汽,高温排液量大,热能回收利用率只有35%左右。由于印染产品结构、生产加工模式不合理,产品缺乏原创性,来样生产的比重较大,打样、对色、多种纤维一次染色成功率低,导致了印染企业消耗过高。在我国,印染行业主要以中低档印染产品为主,为降低成本,所用纤维(主要指棉、毛、麻、丝)品质较低、含杂质高;此外,使用的染化料质量和印染用水水质差,都较大程度地增加了企业的能耗和水耗。尤其是近年来,随着原材料价格的不断上涨,印染企业的能源成本从15%-20%上升到30%-40%甚至更高,企业的生产和经营受到了很大影响。开发一种新式的余热利用装置,降低因为能源消耗带来的高成本,增加产品的附加值,以提高单位能耗的价值产出,将成为激烈的竞争环境下印染企业的必然选择。

二、国内外研究状况分析

近几年来,我国的印染和纺织行业取得了极大的发展,一直保持两位数的增长速度,但是同时由于规模急剧扩大而引起的能源消耗也在急剧增加。我国印染行业的总体取水量是国外同类产品的2-3倍,能源消耗量在3倍左右,印染环节的能源利用效率极低,印染厂用能50%为蒸汽,高温排液量大,热能利用率只有35%左右,废水排放占总用水的90%。印染企业也已经开始认识到能源增加给企业带来的高成本生产,市场竞争力下降,在节能措施上采取了许多办法,国内外许多科研机构及设备制造厂家也看准了印染企业节能降耗这个广阔的市场,针对节省蒸汽生产了许多管式、管网式、蜂式、波纹管式、容积式、浮头式等换热器,但普遍存在着易阻塞、不易清洗、占地面积大、使用需要动力、换热面积少、换热效率差、不易安装、不适用国内坯布上浆普遍使用PVA等问题。实际使用效果都不理想,回收利用率也都极低。大部分企业设备没有节能装置,因而大量的余热被排放,或者安装了换热器,因为易堵塞、清洗困难、效果有限而很快停用,造成了能源的极大浪费。印染厂蒸汽消耗主要在给水加热达到工艺温度、烘干、汽蒸三个方面,其中给水加热占到消耗量的65%以上。

三、研制过程与采取的技术措施和方案

1.设计思路

目前,印染工厂前处理退煮漂工艺、水洗工艺等大量使用地下水(约15℃)、自来水(约8℃?20℃)或江、河、湖水(约0℃~30℃)等作为水源。经蒸汽加温至95℃-98℃进入退浆、洗涤工艺,同时大量使用后带有浆料、染料等污物的高温污水被排放到污水处理站。一方面大量冷水加热到95℃-98℃的工艺温度需要大量的蒸汽热能;另一方面低温冷水喷溅到织物上对洗涤浆料等污物有不利影响;再是排放的高温污水又对现在普遍采用的生化法污水处理极为不利,需要先降温,降温又要耗费电能、水、场地、设备等资源,产生新的费用。

针对上述问题,我企业积极投入科研力量,进行了新型余热回收装置的开发。开发成功的新型无动力高效节能换热器可以有效地把排放污水中的热能置换到待用的冷水中,同时又不需要外来动力的辅助,可以极大地提高热能的利用率,降低生产成本。经试验和实际应用验证,在印染厂连续式退煮漂设备正常工艺流量(约4-8m3/小时)时,可以把15℃的地下水预热到70-80℃(排放的污水为85-90℃),再施加到印染设备上。

2.产品设计要解决的关键技术

2.1产品必须能适应印染工厂废热水通行环境,确保不阻塞、耐腐蚀、换热效率高。

针对这一问题,大家进行了多次的热污水通行管道实验,最终找出了合理的结构运行方案,很好地解决了印染污水中毛絮和PVA浆料等杂质结垢、阻塞管路的问题,非常易于维护,且维护周期长。设备外壳采用耐高温、耐腐蚀的玻璃钢或者不锈钢制造,坚固耐用,内置换热装置采用优质不锈钢制造,并经过钝化处理,耐腐蚀、不结垢、易清洗。

2.2整机使用不需动力,无任何运行费用,且故障率为零,安全性提高。

热污水利用自身高度差,实现自流排放。特殊结构的换热装置保证足够大的换热面积的同时,水阻极小,使净水利用原有管路水压,无需再加压即可顺利运行。

2.3安装方便、占地小。

考虑印染厂房、设备排列的紧凑及工作环境,设计为安装方便,占地面积小的特点。该设备的体积很小,外围尺寸为3500×650×600mm。

3.工艺流程以及基本说明

装置主要结构原理:

我企业研制生产的新型无动力高效节能换热器装置主要应用于印染领域,可对冷水进行升温,对热废水实施降温的换热装置。节省能源,热效率极高。装置主要由废热水箱体11、换热装置A、连接管件1、废热水进口4、废热水出口7、冷水进水口9、冷水出水口8组成,在废热水箱体11的两端上部和下部分别设有废热水进口4和废热水出口7,在废热水箱体11中,设有多个换热装置A,各换热装置A之间均设有与废热水箱体11连接的双层挡水板12,各换热装置A均由连接管件1贯通连接,在各换热装置A的上部和下部分别设有相同的换热腔5,所述各换热腔5均由分布均匀的换热管6贯通连接,冷水进水口9与一换热装置下部的换热腔连接,冷水出口8与一换热装置上部的换热腔连接。在废热水箱体11的一端设有与废热水出口7相连接的升降杆2,在废热水箱体11的废热水进口4端,设有废热水水位。

通过以上设置,换热装置管腔式单体构造在保证了换热面积足够大的同时,水阻力也做到了非常小;净水下进冷水,上出热水,废水上进热水,下出冷水的进出方式符合热力学原理,极好地保证了热交换效果;独特设计的双层挡水板很好地保证了废热水在每一级都做到上进热水,下出冷水的最佳热交换水流方式,确保热废水排放不短路。本研制成果可以把热污水中的热能置换到净水中去,热效率极高,经实验验证,在印染工厂的连续式退煮漂设备正常工艺流程中(约8m3/h),可以把15℃的地下水预热到70℃-80℃;再施加到设备上,在节省蒸汽的同时,缩短了再加热时间,提高了水洗效果,并且避免了冷水对织物洗涤的不良影响;同时,把90℃的高温污水降低到了35℃以下排放,又解决了污水处理中的难题。同时,本成果还具有占地极小,成本极低、无运行费用、便于清洗维护等一系列优点。

设备工作流程:

现结合图表对本装置作进一步说明。

(1)使用后的高温污水,温度一般在85-90摄氏度之间,从废热水进口4流入废热水箱体11中,废热水在双层挡水板12的作用下,依次对废热水箱体11中的换热装置进行加热,然后从废热水出口7中流出。同时,为适应不同流量工作状况,废热水出口7采用可升降排水水位的结构,保证了不同流量时可以充分利用热能:根据情况,在流量大时降低排水水位,不会让热废水溢出,损失热能;流量小时提高排水水位,增加废热水存留时间,保证充分换热。排放的污水由原来的85-90℃降低到35℃以下,不但节约了热量,而且有利于下一步污水处理的顺利运行。

(2)自来水或其它需加热水源从冷水进水口9流入,首先,冷水进入到换热装置下部的换热腔5中,然后在换热腔5中的冷水通过换热管6进入到换热装置上部的换热腔中,冷水在每个换热装置中循环加热,充分进行热交换,加热到一定温度后,从冷水出水口8排出,此时,经试验和实际应用验证,在印染厂连续式退煮漂设备正常工艺流量(约4-8m3/小时)时,可以把15℃的地下水预热到70-80℃再施加到印染设备上,节能效果极为显著。

本装置同时还带有瞬时流量、累积流量及废水进水、废水排水、净水进水、净水出水四个温度显示,方便日常管理,又对节能效果一目了然。

4.使用前后效果验证:

1.5单元退煮漂联合机使用效果:

使用本装置前:

(1)各单元水洗段加水量:

第一水洗段3t/h,第二水洗段4t/h,第三水洗段4t/h,共计11t/h。

(2)各单元水洗段蒸汽耗量

第一水洗段0.4t/h,第二水洗段0.6t/h,第三水洗段0.6t/h,共计1.6t/h。

(3)污水排放量:11t/h,污水排放温度在80℃-90℃,污水中花毛、浆料、杂物等;排入污水处理池还需降温,污水处理费用高。

使用本装置后:

(1)各单元水洗段加水量:第一水洗段2.5t/h,第二水洗段3.5t/h,第三水洗段3.5t/h,共计9.5t/h,比使用前节约1.5t/h。

(2)各单元水洗段蒸汽耗量

第一水洗段0.25t/h,第二水洗段0.4t/h,第三水洗段0.35t/h,共计1t/h,比使用前节约0.6t/h。

(3)污水排放量:9.5t/h,比使用前少排放1.5t/h污水,污水排放温度在25℃-30℃,污水中花毛、浆料、杂物少;污水不需降温,减轻了污水处理难度并减少了处理费用。年节省能源费用:[(0.6t/h×l8h×l40元/t×330天)+(1.5t/h×l8h×2.1元/t×330天)+(1.5t/h×l8h×3元/t×330天)]×2台=1088802元。

2.5单元退煮漂联合机使用效果。

使用本装置前

(1)各单元水洗段加水量:18.3t/h。

(2)污水排放量17t/h,排放温度80-90℃,污水中花毛、浆料、杂物多,排入污水处理池中还需降温。

(3)各单元蒸汽耗量:2.1t/h。

使用本装置后

(1)各单元水洗段加水量:14.8t/h,比使用前节约水3.5t/h。

(2)污水排放量14.3t/h,比使用前少排2.7t/h。

(3)各单元蒸汽耗量:1.3t/h,比使用前节汽0.8t/h。

年节约能源费用:

(0.8t/h×18h×l40元/t×330天)+(3.5t/h×l8h×2.1元/t×330天)+(2.7t/h×l8h×3元/t×330天)=757053元。

皂洗显色机使用效果

皂洗显色机(主要以节省蒸汽为主)l台,使用台数:1台。

使用该成果前蒸汽用量:1.55t/h,

使用该成果前蒸汽用量:1.05t/h,

每台设备节约蒸汽用量:0.5t/h,年节省蒸汽费用:

0.5t/h÷l6h/d×330d×l40元/t=369600元,5台该设备年节省蒸汽费用5×369600=1848000元。

洗花机(主要以节省蒸汽为主)l台,使用台数:2台。

使用该成果前蒸汽用量:1.62t/h,

使用该成果前蒸汽用量:1.04t/h,

每台设备节约蒸汽用量:0.58t/h,

年节省蒸汽费用:0.58t/h×l6h/d×330d×l40元/t=428736元。

综上所述经济效益分析可以看出,一个使用3台前处理设备配5条染色设备,1台水洗设备的印染工厂,使用该节能换热器年可节省总能源费用4122591元。

排出的污水与补充的清水等量时,污水进水温度90℃;出水温度25℃-30℃,清水进水温度15℃,出水温度70℃-80℃,热效率极高,可达90%。

通过上面的对比分析不难看出该装置具有换热面积大、换热效率高、节能效果明显等优点。同时本装置还具有安装维护方便、占地面积小,购买投资少、收回效益快、无任何运行费用等优点,经过与国外同类产品进行对比验证表明,该装置具有更高的性能价格比。因此,推广前景极为广阔。

4.“新型无动力高效节能换热器”的主要设计技术参数。

外壳

(1)外壳:长×宽×高:3500×650×600mm。

(2)外壳材质:SUS304或耐高温、耐腐蚀的优质玻璃钢。

(3)外壳壁厚:3mm。

(4)管路部分材质:SUS304。

(5)管路直径:φ108。

(6)双层挡水板:长×宽:590×4l0mm,540×440mm

(7)双层挡水板材质:SUS 304。

(8)双层挡水板厚度:2mm。

(9)排污口球阀:φ25不锈钢球阀。

(10)外壳上盖尺寸:长×宽×高:3500×650×35mm。

(11)外壳上盖材质选用SUS 304或耐高温、耐腐蚀的优质玻璃钢。

内置换热装置:

(1)材质全部选用SUS 304。

(2)尺寸:长×宽×高:480×240×380mm。

(3)换热管直径:φ10mm。

(4)换热管壁厚:0.6mm~lmm。

(5)换热管长度:320mm/根

(6)换热装置设计压力:0.1~0.3mPa。

(7)单个换热装置换热面积:3.6m2。

(8)每台10单元换热器换热面积:36m2/台。

(9)换热装置连接件:φ25不锈钢直弯头。

(10)换热装置进出水口连接:φ25不锈钢快接。

工作流量:

(1)污水流量:100~180m3/天.台。

(2)净水流量:100~180m3/天.台。

使用工艺条件。

该成果完全适于印染工厂退煮漂机、水洗机、皂洗机、染色机、卷染、溢流机等正常工艺条件。建议净水压力<0.3mPa。

5.主要技术创新点

5.1设计了一套管腔式单体构造,特殊结构的设计保证了足够大的换热面积,每台10单元换热器换热面积达36m2。换热装置管腔式单体构造做到了水阻力非常小,且易于维护。

5.2设计了独特的双层挡水版。独特设计的双层挡水板,极好地保证了热废水在每一级都能做到上进热水、下出冷水的最佳热交换水流方式,确保热废水排放不短路。

5.3净水下进冷水、上出热水,废水上进热水、下出冷水的进出方式,符合热力学原理,极好地保证了热交换效果,提高了热效率,可达到90%以上。

5.4采用废热水无动力排放,有效地防止了管路堵塞问题。

6、结论

在新型无动力高效节能换热器的研制过程中,我企业技术人员经过认真的考察研究,综合了国内外同类产品的利弊,结合印染工厂的实际情况,经反复试验,很好地解决了原有产品热效率低、运行需动力、占地面积大、节能效果差等问题。通过国内多家印染企业实际使用,认为该产品优点突出,节能效果极为显著。该产品已通过省级鉴定,经专家评审鉴定认为该产品填补了国内空白,整体技术水平达到了国内同类技术产品的领先水平。该产品的成功研发,顺应了国家倡导的节能减排形势,为印染企业继续更好地实施节能增效起到了非常积极的作用,同时,可以有效地降低我国印染制品的能源成本,减少资源浪费,具有良好的推广效果。

              

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