定形机废气余热及油蜡回收换热装置的设计应用

0 前言 我国纺织印染工业迅速发展，所产生的废水、废气等对环境污染非常严重。目前，对于废水的处理工艺较为成熟，而定形机排放的油烟废气存在着排放量大、温度高、影响大，成分复杂等因素，使得废气的热能回收利用存在一定的困难。热定形机有机废气有强烈的刺激性，不利于人们的身体健康；单台定形机每小时耗能250.8~418万kJ，织物加工定形所消耗的热能占其29%，机体热损失约占10%，其余大量热能（60%以上）随废气排放散失到大气中。对定形机废气进行能量回收和资源回收，是印染行业可持续发展的必然要求[1]。 广州某纺织印染厂一台定形机排放的废气量约15 300m3/h。现对废气进行热回收和除油烟工程，降低烟温的同时回收油蜡，达到节能降耗的目的。 1 定形机废气的特性及余热利用方式 1.1 定形机废气特性 定形机是印染后整理的关键设备，也是纺织行业中主要耗能设备之一[6]。定形机在纺织材料整理加工过程中会排出含有机物、染料助剂的油烟，特别是纱线在织造过程中添加的润滑油剂，以及织物染色时的染料和助剂，后整理中的防水、阻燃等功能性助剂等，其成分更为复杂，有机混合物在受热后要分解、挥发，排出有机废气。当废气从排入大气到温度降至露点以下时，其中的水蒸气冷凝，高沸点的有机化合物因降温而凝聚，形成由大量微小粒径、粘稠性颗粒组成的淡蓝色烟雾，并带有难闻的气味。 2.2 余热利用方式 1. 气-气换热 气-气换热指定形机排出的废热气体经热能回收后返回定形机烘箱内的换热方式。常用换热器为热管换热器，充分利用它的高效传热性能。定形机排出的高温废烟气通过换热器的吸热侧放出热量，该热量经热管快速传递到换热器的放热侧。新鲜空气通过换热器的放热侧时吸收热量，被加热后的新鲜空气由定形机烘箱内的负压吸入烘箱内，从而实现节能目的。 2. 气-水换热 气-水换热指从定形机排出的废热气体中回收热能产生热水实现节能的换热方式，常用换热器为列管换热器。定形机排出的高温废烟气通过换热器与冷却水进行热交换，被加热后的冷却水汇入热水箱，用于生产需要。热水的热量是回收利用废烟气的热能，节约了目前加热所需的燃料（燃煤、燃气等）或电能，由此实现节能目的。 3 定形机排出废气的余热及油蜡回收方案设计 3.1热及油蜡回收工艺流程 某纺织印染厂的定形机由8个箱组成, 设有前后两条排气管。排气总量最大约15 300m3/h, 温度高达190℃，油蜡质含量高。经测试，油蜡熔点约42℃左右。 本方案采用热回收的同时进行废气中油蜡回收的方案。热回收用于空调水的加热，可产生65～85℃的空调水。 考虑到处理系统的风管内壁在运行一段时间后会积存大量油渍和纤维尘，使风管的有效直径缩小，造成排风不畅，加上纤维尘自身在流动中会摩擦带电，极易引起火灾或爆炸，故在废气进入换热设备前应设置安全装置。 含油废气首先经手动换向阀进入热回收器及旋风除油器进行冷凝和油的初步分离，换向阀可在紧急时实现烟气的对空排放。在热回收器烟气进口处设置防火门，防火门正常工作时是开启的，当有火灾出现时，防火门关闭。换热器顶部装有防爆门，以防着火时喷燃泄压。一旦有火灾出现，防火门关闭，防爆门开启，然后启动蒸汽喷淋灭火，起到双重保险作用。 含油废气进入热回收器后温度由190℃降到90℃，用来加热空调水，之后冷却的废气进入板式冷却器进一步由90℃降温到60℃，同时将常温的工业用水加热到52℃；在热回收器和板式冷却器上方设置蒸汽喷淋装置，一方面出现火灾时可以及时灭火，另一方面可以用蒸气来清洗换热设备。 油烟在热回收器和板式冷却器中被冷却到60℃左右，为保持油脂温度不低于其熔点42℃，在水侧设置温度调节装置，使进入热交换器中的油脂不至于凝结。 采用的离心式旋风除油器可将大的油滴进行分离后收集，集油装置用加热后的水来保温，便于回收的油流动。旋风油分离器出口设置温度探头，以保持烟温能降到60℃左右（此温度既不能高出油蜡的熔点42℃过多，使油气不能冷凝，也不能过低于42℃使油气凝固）。经旋风油分离器出来的烟气进入静电除油器进一步除油，吸附油雾后，经引风机排放。回收原理如图1所示。 图1 定形机热回收及油回收原理示意 3.2 定形机排出废气的热回收方案设计 定形机热能采用气/水换热回收方式，采用列管式换热器。已知排风管最大风量约为15 300 m3/h（9021 Nm3/h），温度达130~190℃。冷却水的进口温度为65℃，出口温度85℃；烟气从190℃的排气温度冷却到90℃，由热平衡计算可得出回收热量为330kW。选用φ25×2mm钢管做基管，外套铝管通过轧片机在铝管外表面直接轧制而成，翅片管外径为φ55，考虑到废气的复杂成分及防止堵塞，将列管式换热器做成U形管式结构，检修时可抽出清洗。 3.3 用于油蜡回收的冷却器方案设计 从热回收器出来的废气进入冷却器进一步冷却，温度从90℃降到60℃；冷却水进口温度20~25℃，出口温度为50℃，由热平衡计算可得换热量为130kW。考虑到油蜡的熔点为42℃左右，设计时采用回水控制，使进入换热器的水温控制在42℃左右，使油蜡保持在熔融态，不至于堵塞换热器。 该冷却器采用板式换热器，在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换热器高3~5倍，热回收效率可达90%以上。鉴于板式换热器板片间通道狭窄，容易堵塞的缺点，将烟气侧做成大通道可拆式结构，便于清洁。 4 节能量及经济效益分析 （1）该热能回收装置每小时回收的热量为（330+130）＝460 kW，取标准煤的热值29260kJ/kg进行折算，则回收的热量相当于标准煤56.5kg/h; （2）经过对定形机排出废气中含有油蜡的现场测试，其含量为50mg/Nm3，可以回收的油蜡为9 021×50×0.85×10-6=0.383 kg/h（按85%的回收率计算）取油蜡的热值为42803 kJ/kg，相当于标准煤0.56 kg/h。 定形机余热回收设备按每天运行24小时，一年运行330天计算，则节能效益如下：回收热量460×24×330=3643200kw，节约标煤451.9 t/a，节约重油316.4 t/a，节约天然气363.6 km3/a。 标煤发热量按29260kJ/kg，重油发热量按41800kJ/kg，天然气发热量按36366 kJ/m3，单台定形机每年节能效益，以燃煤来算一年可省标煤451.9t，若煤价按750元/t 计算，则一年可节约燃料费用451.9×750=33.89万元。 5 结论 （1）定形机排放的废气经两级冷却后进入旋风分油器进行油蜡回收，一级冷却为热回收可以加热空调用水，二级冷却可以加热工艺用水，节约能源。单台定形机，以燃煤来算一年可省标煤451.9t，具有较大的经济效益。 （2）定形机废气热回收及油回收的技术要点为，废气在管道内具有可燃性，设计的换热器内部要减少堵塞，防止发生火灾，保证换热设备的安全运行。 参考文献 [1]高华生，徐继荣，杨晓仙，冯辉辉.定形机废气热能回用[J].印染，2011.No.4. [2]陈立秋.染整工业节能减排技术指南[M].北京：化学工业出版社，2009.