我国能源现状主要表现为储量大但人均占有量低,能源以煤炭等不可再生能源为主。另外,在工业生产过程中,热能的转换过程中产生了大量的余热 ^[1],据统计,我国燃料消耗总量的17%～67%成为余热资源,其可回收率达60%,余热利用率提升空间大,节能潜力巨大 ^[2]。因此,回收利用低品位能源成为一条适合国家能源战略和满足经济发展要求的途径 ^[3],其中,工业废水余热回收利用是该途径的一个重要方面。但是,现阶段在工业余热回收利用中应用最广泛的传统壳管式换热器在长期使用后存在一定的清洗和维修难度 ^[4]。这就需要对换热器进行创新,对于部分特殊化工行业,需根据行业需求及产品制作参数选取对应的换热器 ^[5],以应对传统壳管式换热器易结垢所造成的换热效率低下及维护管理费用高等问题。

　　 在化工工业生产过程中会产生大量的高温废水,以某稀土工业化工厂为例,生产废水达标排放需进行如下工艺:

　　 1) 各车间工艺废水经混水池混合后,产生温度约为34 ℃的混合废水;

　　 2) 34 ℃的混合废水经混合中转罐中石灰碱化后进入反应罐,产生温度为38 ℃的混合废水;

　　 3) 38 ℃的混合废水由进料泵输入到曝气塔,为去除废水中的有害物质,废水被蒸汽加热到高温状态,从曝气塔流出的高温(98 ℃)废水进入3个串联的方形曝气箱;

　　 4) 由于曝气箱箱体未保温,大量热能散失,原工艺最后排出的废水温度为68 ℃(冬季),排出的废水进入降温池,通过加注自来水降温至40 ℃以下后排放。

　　 其工艺流程如图1所示。

　　 从整个工艺流程看,该工厂工业废水处理流程存在以下问题:

　　 1) 废水经处理后温度为68 ℃,不能满足市政管网废水排放温度低于40 ℃的要求,不得不采取设降温池,并通过向降温池注入大量自来水来降低排水温度的措施。

　　 2) 为减少降温所需自来水的使用量,原水处理设备热损失比较大,曝气箱进水温度为98 ℃,出水温度为68 ℃,三级串联水箱损失了30 ℃温差。

　　 3) 该工厂采用的热回收换热设备(传统壳管式换热器)结构如图2所示,高温废水在管内流动,通过加热壳内低温软化水达到提取热量的目的。但因废水杂质较多,成分复杂,换热管结垢严重,造成换热效率很低、系统阻力较大,最终导致运行压力不稳定,影响了水处理工艺设备的正常运行,不得不停止使用,造成了大量的投资浪费。

　　 4) 为去除废水中的有害物质,工艺要求对废水进行加热,燃煤蒸汽锅炉需连续运行,提供蒸汽加热废水。

　　 为了解决上述问题,本文介绍一种可用于工业废水余热回收的新型换热器——U形换热器。

　　 该U形换热器专为某稀土工业工厂高温废水余热回收利用设计,用于加热混合中转罐及混水池中废水。其结构特征主要包括以下几个方面:进水罐和回水罐通过固定钢板连接固定,固定钢板结构见图3;两组U形换热管的管壁外侧分别设有不锈钢镜面管;U形换热管分别与进水罐和回水罐连通;进水罐连接进水管,回水罐连接回水管,进水管和回水管通过承压板连接固定,承压钢板结构见图4;挂钩下端固定连接钢丝绳,钢丝绳穿过承压板并分别与进水罐、回水罐相连。其整体结构如图5所示 ^[6]。

　　 制作材料采用316L不锈钢,该材料因为添加了钼(钼能使不锈钢的基体强化,并提高不锈钢的高温强度和蠕变性能,钼的加入使不锈钢的钝化膜稳定,能提高耐腐蚀性,特别在氯化物溶液中,钼能改善耐点腐蚀的性能,并有效抑制缝隙腐蚀),其耐蚀性和高温强度有较大的提高,可耐1 200～1 300 ℃高温,可在苛酷的条件下使用。同时,316L不锈钢具有很好的表面光亮度及防结垢性能。因此,在无缝钢管外套316L不锈钢镜面管很好地解决了换热管易腐蚀、易结垢的问题,提高了换热效率。此外,换热器管内介质采用软化水,管内不易结垢。

　　 进水罐和回水罐通过固定钢板连接固定,进水管和回水管通过承压钢板连接固定,可以提高U形循环换热器的结构稳定性,增加其使用过程中的安全性及延长其使用寿命。

　　 无缝钢管与不锈钢镜面管之间采用过盈(包括最小过盈等于零)连接。换热器工作时,在换热管中高温软化水作用下,无缝钢管膨胀,而不锈钢镜面管外露,温度较无缝钢管低,因此,2种管材始终贴合,不会脱落。

　　 单个U形换热器质量为410 kg左右,换热器顶部带有挂钩,在换热器需要清洗或换热器出现故障时,可通过起吊装置吊起进行清洗或维修。此外,由于换热器独特的镜面管结构,清洗过程较普通换热器轻松许多。

　　 相较于传统壳管式换热器,该U形换热器可直接放置于工艺槽罐内且可以数台组合使用,可以根据需求调整换热器台数,控制换热面积,提高换热效率。

　　 为了更好地利用余热资源,在混合中转罐及混水池中安装新型U形换热器,对曝气箱中高温箱及低温箱换热器提取的余热进行利用(用于曝气箱中的换热器本文不作介绍)。此外,对换热管线及曝气箱箱体用保温材料保温,防止热量自然散失。改造后的热回收系统流程见图6。

　　 相较改造前的废水处理及余热回收流程,改造后的系统最明显的特点是在未改变废水处理工艺前提下,放弃了传统壳管式换热器余热提取方式,仅在池内增设新型换热器提取余热并加以利用。整个换热过程中流通在曝气箱换热器、中转罐和混水池中换热器传递热量的介质为软化水。其中,曝气箱换热器通过高温废水加热软化水,高温软化水通过循环水泵加压送至中转罐及混水池中,并通过U形换热器利用高温软化水加热低温废水,从而达到预加热作用,以减少曝气塔中高温蒸汽用量,节约能源。整个过程通过机械循环方式实现,具体换热过程如下:

　　 1) 一级循环。混水池内设置8个U形循环换热器,均与曝气箱(低温箱)新型换热器匹配,循环水进/出水温度为58 ℃/43 ℃,废水经混水池后,温度可由34 ℃提升至46 ℃。

　　 2) 二级循环。混合中转罐内设8个新型U形换热器,每个罐内设2个,均与曝气箱(高温箱)中新型换热器匹配,循环水进/出水温度为88 ℃/73 ℃,经过中转罐的废水温度可由50 ℃(用石灰碱化后水温升至50 ℃)提高至62 ℃。

　　 经详细计算 ^[7],混水池及中转罐中单台U形换热器结构参数及性能参数分别见表1,2。

　　 本文只对一级、二级换热过程中废水从高温软化水中获得的热量进行计算,此外,由于换热器底部长期埋入废水污垢中,其传热性能不能正常发挥作用,故传热量计算只针对覆盖有316L不锈钢镜面管的部分,详细计算如下。

　　 混水池内U形换热器高温软化水进口温度t′₁=58 ℃,高温软化水出口温度t″₁=43 ℃。可提供热量按式(1)计算。

　　 $\Phi =\frac{1}{3600}V\rho c{}_p(t^{\prime }{}_1-t^{″}{}_1)(1)$

　　 式中 Φ为可提供热量,kW;V为软化水流量,36 m³/h;ρ为软化水密度,1 000 kg/m³;c_p为软化水比定压热容,4.2 kJ/(kg·℃)。

　　 计算可得Φ=630 kW。

　　 混合中转罐内U形换热器高温软化水进口温度t′₁=88 ℃,高温软化水出口温度t″₁=73 ℃。按式(1)计算,可提供热量Φ=630 kW。

　　 利用曝气箱高温段提供的高温循环热水,在中转罐中由U形换热器将送至曝气塔前的废水从50 ℃加热至62 ℃,在混水池中由U形循环换热器将废水温度从34 ℃提高到46 ℃,可以节约大量加热所需蒸汽,同时通过换热,曝气箱高温废水出水温度也会降至50 ℃左右,减少了自来水降温所需的水量,从而减少费用支出。按实际废水在中转罐中通过U形换热器的流量36 m³/h、比定压热容4.2 kJ/(kg·℃)、密度1 000 kg/m³计算,每小时废水从混水池及中转罐U形循环换热器中吸收的热量为:4.2 kJ/(kg·℃)×[(62-50)+(46-34)]℃×36 m³/h×1 000 kg/m³÷3 600 s/h=1 008 kW。

　　 若换算成蒸汽量,则每小时可以节约蒸汽1.315 t(蒸汽比焓按2 760 kJ/kg计算),每天节约蒸汽31.56 t,每t蒸汽按市价200元计算,每天可节约费用6 312元,每年按工作310 d计算,则每年可节约费用195.672万元。换热系统循环水泵电费按每天50元计算,1年电费为15 500元,则最终每年实际可节约费用约194万元。该工程改造时管材、水泵、阀门、保温材料等的总投资为31万元,投资回收期不到1 a。此外,由于U形循环换热器的结构特点,设备后期维护管理费用也较低。总体来说,此U形循环换热器在稀土工业高温废水回收利用中具有显著的节能效果,且具有非常可观的经济效益。

　　 随着我国可持续发展战略的实施,国家对单位GDP的能耗控制指标不断细化。作为重要过程设备的换热器在石油、化工、冶金、核电、建材等行业的热量回收和综合利用中发挥着越来越大的作用 ^[8]。对于稀土工业等化工行业,通过提取余热,供给各需求端,可以充分利用剩余能源,大幅度降低能耗费用。本文针对某稀土行业工厂废水余热利用改造工程采用的余热回收工艺流程,设计了新型换热设备,达到了良好的节能效果,可为其他化工行业的节能改造提供参考。