某稀土工业废水余热回收利用及效益分析①

周荣超 乔玲敏* 口妍君 张静峰 刘纯

（1.烟台大学 山东烟台 264000；2.烟台艾克伦特新能源科技有限公司 山东烟台 264000）

1 废水处理概况

该稀土工厂原废水处理方案及各工艺段参数[1]：

（1）各车间工艺废水（34℃）经过混水池混合后，产生约为46℃的混合废水；

（2）混合废水经混合中转罐加入石灰，在反应罐内反应产出62℃的混合废水；

（3）62℃混合废水经进料泵打入到曝气塔。为去除废水中的有害物质，需将废水用1.25MPa的蒸汽加热。曝气塔加热处理后的高温废水（98℃，36m3/h）进入3个串联的方形曝气箱；

（4）经过曝气箱的废水温度由98℃降为53℃；

（5）排出的53℃废水进入降温池，通过加注自来水降温至40℃以下，最后排放。

2 热能回收改造技术方案

通过对稀土工厂废水处理工艺的分析，并结合吸收式热泵的工作原理和目前废水余热回收技术的应用情况，设计采用溴化锂吸收式热泵，以蒸汽作为吸收式热泵的驱动热源，对53℃废水中的热能进行回收利用[2]，同时将20℃自来水加热到90℃。经过吸收式热泵加热后的自来水作为锅炉补水，经水泵加压输送到燃气蒸汽锅炉，生产1.25MPa的蒸汽。设计方案如图1所示。

图1 余热回收设计方案

表1 吸收式热泵设备技术参数

该技术方案工作原理为：

（1）余热回收过程：53℃的废热水，通过废水过滤器，在蒸发器内被冷剂水吸收热量，降温至35℃后排入市政管网。冷剂水吸收废水的热量蒸发为冷剂蒸汽，进入吸收器；

（2）自来水首次加热：在吸收器内，来自蒸发器的冷剂蒸汽被溴化锂浓溶液吸收，浓溶液转化成稀溶液，同时释放热量加热20℃的自来水；

（3）驱动过程：吸收器内产生的溴化锂稀溶液经溶液泵送往发生器，在发生器利用0.5MPa驱动蒸汽的热量对溴化锂稀溶液加热浓缩，产生浓溶液和冷剂蒸汽，浓溶液被送回吸收器；

（4）自来水二次加热：在驱动过程中产生的冷剂蒸汽被送到冷凝器内，对来自吸收器的自来水进行二次加热，热水达到90℃后被送到储热水箱；同时冷剂蒸汽冷凝，通过节流装置后进入蒸发器[3]；

（5）自来水三次加热：储热水箱内90℃热水通过软化处理后，由水泵泵送到燃气锅炉，在锅炉内水从90℃加热为1.25MPa的饱和蒸汽。

3 技术方案效益分析

3.1 方案分析

36m3/h、62℃的工艺废水进入到曝气塔内，由蒸汽加热到98℃，此处所需蒸汽加热热量Q2为：

忽略中间蒸汽损耗，蒸汽冷凝后温度按95℃计算，得到蒸汽量：

表2 改造前后经济效益变化

表3 污染物减排量

式中：q1为曝气塔生产所需蒸汽流量，kg/h；h1为1.25MPa蒸汽焓值，2788kJ/kg；h2为95℃冷凝水焓值，400kJ/kg。

根据上述36m3/h的废水流量与计算所得蒸汽量，本方案采用的吸收式热泵[4]各项技术参数如表1所示。

由于吸收式热泵提取废水中的热量可以生产14.25m3/h的90℃热水，曝气塔处与热泵发生器共需约2900kg/h的蒸汽，约剩余11.35m3/h热水。此热水符合洗浴标准，可以将过剩热水出售给洗浴中心使用。

3.2 效益分析

（1）原工艺蒸汽量换算。

原工厂采用1.25MPa燃煤蒸汽锅炉生产蒸汽，锅炉进水温度为20℃，蒸汽量为2300kg/h，经计算，原工艺每天（24h）生产蒸汽所需热量及耗煤量：

此热量折合二类标煤8.32t。

式中：Q3为生产蒸汽所消耗的热量，kJ；q2为改造前所需蒸汽质量流量，kg/h；h1为1.25MPa蒸汽的焓值，2788kJ/kg；h3为20℃水的焓值，84.5kJ/kg；η1为燃煤效率，78%；二类标煤价格800元/t。

（2）改造后燃料消耗量计算。

改造后分为两部分计算：

①第一部分为2.9m3/h的水通过吸收式热泵加热到90℃后进入新增燃气锅炉[5]生产蒸汽，其中生产的2300kg/h蒸汽用于曝气塔处理废水，600kg/h的蒸汽通过减压阀降压后进入吸收式热泵发生器内作驱动热源。同式（3），生产2900kg/h的蒸汽所消耗热量为Q4=179144348kJ。此热量消耗天然气5012Nm3，折合人民币15036元(天然气热值为8550kcal/m3，天然气价格为3元/m3)，折合二类标煤7.79t。

②第二部分为11.35m3/h的90℃热水，自吸收式热泵进入储热水箱，通过运输水车送往洗浴中心（参考当地市场行情，按35元/m3热水费进行计算，不同地区略有差别）。出售该部分热水每天所获收益：

式中：Y为每天出售热水所获收益，元；q4为水体积流量，m3/h；Y1为热水价格，元；Y2为自来水价格，按当地价格2.3元/m3。

具体改造前后对比计算结果见表2。

工业燃煤锅炉每燃烧一吨标准煤,将产生2620kg二氧化碳、8.5kg二氧化硫、7.4kg氮氧化物[6]。燃气锅炉每消耗一方天然气产生1.76kg二氧化碳。表3为系统改造前后主要污染物排放情况。

计算比较后发现，该方案将每年节约投入资金16.5万元，减少二氧化碳排放量4025t，在节能减排方面有显著改善。

（3）系统改造投资静态回收周期。

本项目改造初期投资为吸收式热泵、燃气蒸汽锅炉、安装费用及其他费用合计71万元，该项目改造静态回收周期为：