本發(fā)明涉及工業(yè)廢水余熱的梯級(jí)回收系統(tǒng)及回收方法，屬于工業(yè)余熱回收與節(jié)能領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口的不斷增長，能源危機(jī)也日益加劇，同時(shí)環(huán)境問題也不斷得到重視。工業(yè)生產(chǎn)消耗著大量能源的同時(shí)，也伴隨的不同溫度范圍、不同型式的工業(yè)余熱，這些余熱的排放也嚴(yán)重影響著周邊環(huán)境，進(jìn)而如何有效回收工業(yè)余熱、提高工業(yè)生產(chǎn)的能源利用效率、減小余熱排放對(duì)環(huán)境的影響一直是近年來研究的熱點(diǎn)。
在印染等工業(yè)領(lǐng)域，其工業(yè)生產(chǎn)過程需要消耗大量的高溫?zé)嵩凑羝?，并利用蒸汽與補(bǔ)給水混合提供高溫?zé)崴?，通過熱源蒸汽和熱水滿足生產(chǎn)過程的加熱和預(yù)熱需求，利用后的熱源蒸汽與熱水相應(yīng)的變?yōu)椴煌瑴囟确秶墓I(yè)廢水，這些廢水的直接排放造成了巨大的能量流失。
除上述工業(yè)廢水余熱外，很多工業(yè)設(shè)備的運(yùn)行都需要利用冷卻水進(jìn)行冷卻，升溫后的冷卻水通常都是經(jīng)冷卻塔降溫后繼續(xù)冷卻循環(huán)，因?yàn)槔鋮s水的熱量是通過冷卻塔散發(fā)至環(huán)境的，其熱量未能得到利用，也可稱之為工業(yè)廢水，其循環(huán)過程浪費(fèi)大量余熱的同時(shí)，還需消耗一定的泵功。
根據(jù)冷卻水應(yīng)用場(chǎng)合和工業(yè)生產(chǎn)過程的不同，工業(yè)廢水的溫度范圍約40～90℃，如何有效回收利用這些余熱，同時(shí)降低工業(yè)過程供給熱源蒸汽及熱水的能耗至關(guān)重要。
工業(yè)廢水余熱的溫度特點(diǎn)，決定了不能用orc、kalina等循環(huán)回收其余熱進(jìn)行發(fā)電，因?yàn)樾侍?。目前能用的工業(yè)廢水余熱回收技術(shù)為高溫?zé)岜茫Ｒ?guī)熱泵工質(zhì)(r134a，r245fa等)使用時(shí)因其臨界溫度的限制，所能提供的熱源溫度通常不高于90℃，并且這些熱泵系統(tǒng)無法適用整個(gè)溫度范圍內(nèi)的工業(yè)廢水余熱，往往是針對(duì)某一溫度的工業(yè)廢水余熱回收進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，回收后的余熱用來預(yù)熱鍋爐補(bǔ)給水，然后由鍋爐生產(chǎn)熱源蒸汽；當(dāng)工業(yè)廢水溫度較低時(shí)，即熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)與冷凝溫度差值較大時(shí)，系統(tǒng)性能會(huì)明顯降低；此外，熱泵系統(tǒng)使用時(shí)還需考慮熱泵工質(zhì)的gwp，odp對(duì)其使用年限的限制。
根據(jù)上述分析，針對(duì)目前較為普遍存在的不同溫度范圍的工業(yè)廢水，很難有一種有效的余熱回收方法，實(shí)現(xiàn)余熱回收的同時(shí)，能很好的與工業(yè)過程相配合，提供溫度足夠高的熱源。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種工業(yè)廢水余熱的梯級(jí)回收系統(tǒng)及回收方法，能根據(jù)工業(yè)廢水(含冷卻水)溫度進(jìn)行梯級(jí)回收利用的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢水余熱有效回收的同時(shí)，能提供可替代鍋爐蒸汽的熱源蒸汽和原先由蒸汽與補(bǔ)給水混合得到的高于90℃的高溫?zé)崴?，進(jìn)而降低工業(yè)生產(chǎn)過程的能耗，提高其能源利用率。
技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種工業(yè)廢水余熱的梯級(jí)回收系統(tǒng)，包括換熱器、蒸發(fā)器和第一壓縮機(jī)，中低溫廢水進(jìn)入蒸發(fā)器中換熱，蒸發(fā)器中的工質(zhì)水產(chǎn)生低溫蒸汽，低溫蒸汽經(jīng)過經(jīng)第一壓縮機(jī)壓縮后通過第一閥門進(jìn)入到換熱器中，冷凝得到的水進(jìn)入儲(chǔ)液器，換熱器中有第一換熱管，第一換熱管的進(jìn)口通過高溫水泵與第二閥門連接，第一換熱管的出口設(shè)有熱水排水閥，換熱器的底部與儲(chǔ)液器連通，高溫水泵將不低于65℃的工業(yè)廢水通入到第一換熱管內(nèi)，工業(yè)廢水換熱后吸收熱量形成高溫水，通過熱水排水閥排出，冷凝液進(jìn)入到儲(chǔ)液器中。
作為優(yōu)選，所述儲(chǔ)液器通過第五閥門與真空泵連接。
作為優(yōu)選，所述儲(chǔ)液器通過膨脹閥與蒸發(fā)器連接。
作為優(yōu)選，所述儲(chǔ)液器通過流量調(diào)節(jié)閥和冷卻器與第一壓縮機(jī)連接。
作為優(yōu)選，所述蒸發(fā)器包含冷凝室和蒸發(fā)室，第一壓縮機(jī)分別通過第一閥門和第七閥門與冷凝室和蒸發(fā)室的第二換熱管連接，第一換熱管通過第三閥門與第一噴淋管連接，第一噴淋管位于蒸發(fā)室內(nèi)，第二換熱管的出口通過管道與位于冷凝室內(nèi)的第二噴淋管連接。
作為優(yōu)選，所述蒸發(fā)室頂部設(shè)有濾網(wǎng)。
作為優(yōu)選，所述蒸發(fā)室的頂部通過第六閥門與真空泵連接。
作為優(yōu)選，所述蒸發(fā)室的頂部通過第四閥門與第二壓縮機(jī)連接。
作為優(yōu)選，所述第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)為噴水雙螺桿水蒸汽壓縮機(jī)。
作為優(yōu)選，所述蒸發(fā)室的底部與出水管連接，出水管上安裝有第八閥門，出水管通過第九閥門與高溫水泵連接。
一種工業(yè)廢水余熱的梯級(jí)回收系統(tǒng)的回收方法，包括以下步驟：
步驟一：關(guān)閉第七閥門、第三閥門、第六閥門、第四閥門、第八閥門和第九閥門；打開第一閥門和熱水排出閥；
步驟二：若選擇供熱水循環(huán)，請(qǐng)進(jìn)行步驟三；若選擇供蒸汽循環(huán)，請(qǐng)選擇步驟七；
步驟三：將不低于35℃的中、低溫工業(yè)廢水通入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器內(nèi)的工質(zhì)水吸收廢水余熱蒸發(fā)產(chǎn)生低溫蒸汽，然后打開第一壓縮機(jī)壓縮低溫蒸汽，提升其溫度和壓力后通過第一閥門進(jìn)入冷凝室，此時(shí)冷凝室內(nèi)的第二噴淋管充當(dāng)折流板的作用；
步驟四：打開第一閥門和高溫水泵，將不低于65℃的高溫工業(yè)廢水通入冷凝室內(nèi)的冷卻管內(nèi)，吸收冷凝室內(nèi)壓縮蒸汽的熱量，升溫后變?yōu)楦邷責(zé)崴?可高至99℃)通過熱水排出閥排出，作為熱源返回工業(yè)工程；
步驟五：冷凝室內(nèi)的壓縮蒸汽放熱冷凝后進(jìn)入儲(chǔ)液器，儲(chǔ)液器出來的液體水一路經(jīng)膨脹閥后進(jìn)入蒸發(fā)器繼續(xù)吸熱蒸發(fā)；另一路經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥和冷卻器，調(diào)節(jié)流量與溫度后噴入第一壓縮機(jī)內(nèi)，冷卻壓縮蒸汽，降低壓縮機(jī)排汽溫度；
步驟六：根據(jù)儲(chǔ)液器內(nèi)水溫和壓力，間斷性打開第五閥門和真空泵，用于排出漏入系統(tǒng)的不凝結(jié)氣體；
步驟七：打開第六閥門和真空泵對(duì)換熱器上部的蒸發(fā)室進(jìn)行抽真空，直至達(dá)到要求后關(guān)閉真空泵和第六閥門；
步驟八：關(guān)閉熱水排出閥，打開第三閥門，使在冷卻管內(nèi)的升溫后的高溫工業(yè)廢水經(jīng)第一噴淋管噴入蒸發(fā)室內(nèi)的第二換熱管的管外；
步驟九：關(guān)閉第一閥門，打開第七閥門，使第一壓縮機(jī)出來的蒸汽進(jìn)入第二換熱管內(nèi)，釋放熱量使管外的噴淋水蒸發(fā)，自身冷凝成液體水后繼續(xù)通過第二噴淋管進(jìn)入冷凝室內(nèi)預(yù)熱第一換熱管內(nèi)的工業(yè)廢水，自身過冷度增加，隨后流出冷凝室進(jìn)入儲(chǔ)液器繼續(xù)參與循環(huán)；
步驟十：打開第四閥門和第二壓縮機(jī)，使蒸發(fā)室內(nèi)產(chǎn)值的蒸汽進(jìn)入第二壓縮機(jī)壓縮升溫、升壓后成為可替代鍋爐蒸汽的熱源蒸汽，繼續(xù)供工業(yè)生產(chǎn)使用；
步驟十一：當(dāng)蒸發(fā)室底部未蒸發(fā)的噴淋水液位較高時(shí)，需要打開第九閥門使部分水通過高溫水泵繼續(xù)參與循環(huán)；當(dāng)工業(yè)廢水水質(zhì)不是太好時(shí)，需要打開第八閥門排出濃縮后的工業(yè)廢水。
有益效果：本發(fā)明將以自然工質(zhì)水為介質(zhì)的熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)廢水余熱的回收，因?yàn)樗奶厥庑裕号R界溫度374℃，能實(shí)現(xiàn)較高的冷凝溫度，同時(shí)當(dāng)蒸發(fā)溫度不低于30℃時(shí)其系統(tǒng)性能優(yōu)越于其他工質(zhì)循環(huán)，通過噴水雙螺桿蒸汽壓縮機(jī)等高壓比蒸汽壓縮機(jī)的使用，可滿足較大的蒸發(fā)、冷凝溫度的差值需求，并具有較高的效率；進(jìn)而可以通過蒸發(fā)器回收不低于40℃的中、低溫工業(yè)廢水余熱，然后由冷凝器放熱給不低于65℃的高溫工業(yè)廢水，一方面可以使高溫工業(yè)廢水溫度提升后，作為高溫?zé)崴疅嵩词褂?；另一方面也可以使高溫工業(yè)廢水蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽，然后再利用機(jī)械蒸汽再壓縮原理，由壓縮機(jī)壓縮后提供可替代鍋爐蒸汽的熱源蒸汽，此時(shí)熱泵系統(tǒng)內(nèi)通過預(yù)熱要蒸發(fā)的工業(yè)廢水來增加冷凝水的過冷度，能有效提高系統(tǒng)性能；當(dāng)所使用的噴水雙螺桿蒸汽壓縮機(jī)內(nèi)容積比可調(diào)時(shí)，若熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)及冷凝溫度因工業(yè)廢水溫度變化，以及熱源蒸汽溫度需求的變化而改變時(shí)，可以通過噴水雙螺桿蒸汽壓縮機(jī)內(nèi)容積比調(diào)節(jié)，以及噴水溫度及流量調(diào)節(jié)，來保障不同工況下系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時(shí)避免較高的排汽溫度。通過上述方法，本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢水余熱的梯級(jí)回收，提供余熱的回收率，同時(shí)還能提供滿足工業(yè)生產(chǎn)需求的鍋爐蒸汽及高溫?zé)崴疅嵩?，并且能適應(yīng)較寬范圍內(nèi)工業(yè)廢水的溫度變化，是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的工業(yè)廢水余熱回收系統(tǒng)與方法。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。
其中：1—第一壓縮機(jī)，2—蒸發(fā)器，3—蒸發(fā)/冷凝器，3a—濾網(wǎng)，3b—第一噴淋管，3c—第二換熱管，3d—第二噴淋管，3e—第一換熱管，4—儲(chǔ)液器，5—冷卻器，6—第二壓縮機(jī)，7—真空泵，8—高溫水泵，9—膨脹閥，10—流量調(diào)節(jié)閥，11—第五閥門，12—第一閥門，13—第七閥門，14—第六閥門，15—第四閥門，16—第八閥門，17—第九閥門，18—熱水排出閥，19—第三閥門，20—第二閥門。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，一種工業(yè)廢水余熱梯級(jí)回收系統(tǒng)，主要包括第一壓縮機(jī)1、蒸發(fā)器2、換熱器3、儲(chǔ)液器4、第二壓縮機(jī)6、真空泵7和高溫水泵8，其中換熱器3由上部的蒸發(fā)/冷凝室和下部的冷凝室組織，上部的蒸發(fā)/冷凝室又包含濾網(wǎng)3a、第一噴淋管3b和第二換熱管3c，下部冷凝室包含第二噴淋管3d和冷卻管路3e；所述第一壓縮機(jī)出口通過第一閥門12連接冷凝室入口，冷凝室出口連入儲(chǔ)液器4，所述儲(chǔ)液器出口通過膨脹閥9連接蒸發(fā)器入口，蒸發(fā)器出口與第一壓縮機(jī)入口連接；高溫水泵入口設(shè)有第二閥門20，出口與第一換熱管3e入口連接，第一換熱管3e第一出口通過第三閥門19連接第一噴淋管3b，第二出口連接熱水排出閥18，換熱器3頂部出口通過第四閥門15連入第二壓縮機(jī)入口，儲(chǔ)液器4和換熱器3頂部出口又分別通過第五閥門11和第六閥門14連接真空泵7入口；
在本發(fā)明中，第一壓縮機(jī)1出口還通過第七閥門13連接冷凝管3c入口，所述第二換熱管3c出口連接第二噴淋管3d；蒸發(fā)室底部設(shè)液體出口分別連接第八閥門16和第九閥門17，第九閥門17又與高溫水泵8入口連接；
在本發(fā)明中：蒸發(fā)器2、第一壓縮機(jī)1、換熱器3、儲(chǔ)液器4和膨脹閥9組成的為熱泵系統(tǒng)，其介質(zhì)為自然工質(zhì)水；蒸發(fā)器2為滿液式蒸發(fā)器或降膜式蒸發(fā)器；第一壓縮機(jī)1和第二壓縮機(jī)6為噴水雙螺桿水蒸汽壓縮機(jī)；儲(chǔ)液器4出口還通過流量調(diào)節(jié)閥10和冷卻器5連接第一壓縮機(jī)1的噴水冷卻孔口。
上述工業(yè)廢水余熱梯級(jí)回收系統(tǒng)，具有供熱水循環(huán)和供熱源蒸汽循環(huán)方法：
供熱水循環(huán)方法是利用水為工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器回收中、低溫工業(yè)廢水余熱，然后通過冷凝器放熱給較高溫度的工業(yè)廢水，使其溫度升高至工業(yè)過程需求的熱水溫度，具體步驟如下：
步驟一：關(guān)閉第七閥門13、第三閥門19、第六閥門14、第四閥門15、第八閥門16和第九閥門17；打開第一閥門12和熱水排出閥18；
步驟二：將不低于35℃的中、低溫工業(yè)廢水通入蒸發(fā)器2，蒸發(fā)器2內(nèi)的工質(zhì)水吸收廢水余熱蒸發(fā)產(chǎn)生不低于30℃的低溫蒸汽，即蒸發(fā)溫度不低于30℃，然后打開第一壓縮機(jī)1壓縮低溫蒸汽，提升其溫度和壓力后通過第一閥門12進(jìn)入換熱器3下方的冷凝室，此時(shí)冷凝室內(nèi)的第二噴淋管3d充當(dāng)折流板的作用；為了有效回收中、低溫廢水的余熱產(chǎn)生蒸汽，蒸發(fā)器型式可選用滿液式蒸發(fā)器或降膜式蒸發(fā)器；
步驟三：打開第一閥門20和高溫水泵8，將不低于65℃的高溫工業(yè)廢水通入冷凝室內(nèi)的冷卻管內(nèi)，吸收冷凝室內(nèi)壓縮蒸汽的熱量，升溫后變?yōu)楦邷責(zé)崴?可高至99℃)通過熱水排出閥18排出，作為熱源返回工業(yè)工程；需要說明的是熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度決定了第一壓縮機(jī)1的壓縮蒸汽飽和溫升，從熱泵系統(tǒng)效率和可行性出發(fā)，建議第一壓縮機(jī)1的壓縮蒸汽飽和溫升不高于60℃；
步驟四：冷凝室內(nèi)的壓縮蒸汽放熱冷凝后進(jìn)入儲(chǔ)液器4，儲(chǔ)液器4出來的液體水一路經(jīng)膨脹閥9后進(jìn)入蒸發(fā)器2繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，參與下一循環(huán)；另一路經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥10和冷卻器5，調(diào)節(jié)流量與溫度后噴入第一壓縮機(jī)1內(nèi)，冷卻壓縮蒸汽，降低壓縮機(jī)排汽溫度；
步驟五：以水為工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)，因水的物性：低于100℃時(shí)其壓力低于一個(gè)大氣壓，負(fù)壓條件下，有可能會(huì)有空氣等不凝結(jié)氣體泄漏進(jìn)入熱泵系統(tǒng)，所以需要根據(jù)儲(chǔ)液器內(nèi)水溫和壓力進(jìn)行判斷，不凝結(jié)氣體存在于儲(chǔ)液器中時(shí)，可打開第五閥門11和真空泵7將其排出。
若需要從供熱水循環(huán)切換至供蒸汽循環(huán)，用于提供可替代原工業(yè)工程鍋爐蒸汽的熱源蒸汽，具體步驟如下：
步驟一：打開第六閥門14和真空泵7對(duì)換熱器3上部的蒸發(fā)室進(jìn)行抽真空，排除其內(nèi)部空氣，直至達(dá)到要求后關(guān)閉真空泵7和第六閥門14；
步驟二：關(guān)閉熱水排出閥18，打開第三閥門19，使在第一換熱管3e內(nèi)被預(yù)熱升溫后的高溫工業(yè)廢水經(jīng)第一噴淋管3b噴入蒸發(fā)室內(nèi)的第二換熱管3c的管外；
步驟三：關(guān)閉第一閥門12，打開第七閥門13，使第一壓縮機(jī)1出來的蒸汽進(jìn)入第二換熱管3c內(nèi)，釋放熱量使管外由第一噴淋管3b噴入的噴淋水蒸發(fā)，自身冷凝成液體水，然后繼續(xù)通過第二噴淋管3d進(jìn)入冷凝室內(nèi)，對(duì)第一換熱管3e內(nèi)將噴入蒸發(fā)冷凝室的較高溫度工業(yè)廢水進(jìn)行預(yù)熱，自身過冷度增加，隨后流出冷凝室進(jìn)入儲(chǔ)液器4繼續(xù)參與循環(huán)，如此有效的將冷凝器出水的過冷和要蒸發(fā)的噴淋水預(yù)熱相結(jié)合，提高了各自過程的
步驟四：打開第四閥門15和第二壓縮機(jī)6，使蒸發(fā)室內(nèi)產(chǎn)值的蒸汽(溫度范圍約75～95℃)，經(jīng)濾網(wǎng)3a濾去液滴后進(jìn)入第二壓縮機(jī)6壓縮升溫、升壓后作為可替代鍋爐蒸汽的熱源蒸汽使用；
步驟五：當(dāng)蒸發(fā)室底部未蒸發(fā)的噴淋水液位較高時(shí)，需要打開第九閥門17使部分水通過高溫水泵8繼續(xù)參與循環(huán)；當(dāng)工業(yè)廢水水質(zhì)不是太好時(shí)，需要打開第八閥門16排出濃縮后的工業(yè)廢水，此外，還可通過科學(xué)的換熱器1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保障能定期對(duì)蒸發(fā)室內(nèi)壁進(jìn)行清洗。
在本發(fā)明的上述工業(yè)廢水余熱梯級(jí)回收方法中，當(dāng)采用的是內(nèi)容積比可調(diào)的噴水雙螺桿蒸汽壓縮機(jī)時(shí)，可根據(jù)各自的吸、排汽壓力調(diào)節(jié)第一壓縮機(jī)1和第二壓縮機(jī)2內(nèi)容積比調(diào)節(jié)滑閥，減小因廢水溫度的變化及熱源蒸汽溫度要求的變化而導(dǎo)致壓縮機(jī)工況變化式出現(xiàn)的欠壓縮和過壓縮損失，同時(shí)可根據(jù)排汽溫度與壓力調(diào)節(jié)噴水流量和溫度，控制排汽過熱度，進(jìn)而保障整套系統(tǒng)能適用于較廣溫度范圍的工業(yè)廢水余熱回收，同時(shí)保障較高的系統(tǒng)運(yùn)行效率。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。