本發明涉及工業廢水余熱的梯級回收系統及回收方法，屬于工業余熱回收與節能領域。
背景技術：
隨著全球經濟的高速發展和人口的不斷增長，能源危機也日益加劇，同時環境問題也不斷得到重視。工業生產消耗著大量能源的同時，也伴隨的不同溫度范圍、不同型式的工業余熱，這些余熱的排放也嚴重影響著周邊環境，進而如何有效回收工業余熱、提高工業生產的能源利用效率、減小余熱排放對環境的影響一直是近年來研究的熱點。
在印染等工業領域，其工業生產過程需要消耗大量的高溫熱源蒸汽，并利用蒸汽與補給水混合提供高溫熱水，通過熱源蒸汽和熱水滿足生產過程的加熱和預熱需求，利用后的熱源蒸汽與熱水相應的變為不同溫度范圍的工業廢水，這些廢水的直接排放造成了巨大的能量流失。
除上述工業廢水余熱外，很多工業設備的運行都需要利用冷卻水進行冷卻，升溫后的冷卻水通常都是經冷卻塔降溫后繼續冷卻循環，因為冷卻水的熱量是通過冷卻塔散發至環境的，其熱量未能得到利用，也可稱之為工業廢水，其循環過程浪費大量余熱的同時，還需消耗一定的泵功。
根據冷卻水應用場合和工業生產過程的不同，工業廢水的溫度范圍約40～90℃，如何有效回收利用這些余熱，同時降低工業過程供給熱源蒸汽及熱水的能耗至關重要。
工業廢水余熱的溫度特點，決定了不能用orc、kalina等循環回收其余熱進行發電，因為效率太低。目前能用的工業廢水余熱回收技術為高溫熱泵，但常規熱泵工質(r134a，r245fa等)使用時因其臨界溫度的限制，所能提供的熱源溫度通常不高于90℃，并且這些熱泵系統無法適用整個溫度范圍內的工業廢水余熱，往往是針對某一溫度的工業廢水余熱回收進行設計選型，回收后的余熱用來預熱鍋爐補給水，然后由鍋爐生產熱源蒸汽；當工業廢水溫度較低時，即熱泵系統的蒸發與冷凝溫度差值較大時，系統性能會明顯降低；此外，熱泵系統使用時還需考慮熱泵工質的gwp，odp對其使用年限的限制。
根據上述分析，針對目前較為普遍存在的不同溫度范圍的工業廢水，很難有一種有效的余熱回收方法，實現余熱回收的同時，能很好的與工業過程相配合，提供溫度足夠高的熱源。
技術實現要素：
發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種工業廢水余熱的梯級回收系統及回收方法，能根據工業廢水(含冷卻水)溫度進行梯級回收利用的系統，實現工業廢水余熱有效回收的同時，能提供可替代鍋爐蒸汽的熱源蒸汽和原先由蒸汽與補給水混合得到的高于90℃的高溫熱水，進而降低工業生產過程的能耗，提高其能源利用率。
技術方案：為解決上述技術問題，本發明的一種工業廢水余熱的梯級回收系統，包括換熱器、蒸發器和第一壓縮機，中低溫廢水進入蒸發器中換熱，蒸發器中的工質水產生低溫蒸汽，低溫蒸汽經過經第一壓縮機壓縮后通過第一閥門進入到換熱器中，冷凝得到的水進入儲液器，換熱器中有第一換熱管，第一換熱管的進口通過高溫水泵與第二閥門連接，第一換熱管的出口設有熱水排水閥，換熱器的底部與儲液器連通，高溫水泵將不低于65℃的工業廢水通入到第一換熱管內，工業廢水換熱后吸收熱量形成高溫水，通過熱水排水閥排出，冷凝液進入到儲液器中。
作為優選，所述儲液器通過第五閥門與真空泵連接。
作為優選，所述儲液器通過膨脹閥與蒸發器連接。
作為優選，所述儲液器通過流量調節閥和冷卻器與第一壓縮機連接。
作為優選，所述蒸發器包含冷凝室和蒸發室，第一壓縮機分別通過第一閥門和第七閥門與冷凝室和蒸發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室內，第二換熱管的出口通過管道與位于冷凝室內的第二噴淋管連接。
作為優選，所述蒸發室頂部設有濾網。
作為優選，所述蒸發室的頂部通過第六閥門與真空泵連接。
作為優選，所述蒸發室的頂部通過第四閥門與第二壓縮機連接。
作為優選，所述第一壓縮機和第二壓縮機為噴水雙螺桿水蒸汽壓縮機。
作為優選，所述蒸發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。
一種工業廢水余熱的梯級回收系統的回收方法，包括以下步驟：
步驟一：關閉第七閥門、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，請進行步驟三；若選擇供蒸汽循環，請選擇步驟七；
步驟三：將不低于35℃的中、低溫工業廢水通入蒸發器，蒸發器內的工質水吸收廢水余熱蒸發產生低溫蒸汽，然后打開第一壓縮機壓縮低溫蒸汽，提升其溫度和壓力后通過第一閥門進入冷凝室，此時冷凝室內的第二噴淋管充當折流板的作用；
步驟四：打開第一閥門和高溫水泵，將不低于65℃的高溫工業廢水通入冷凝室內的冷卻管內，吸收冷凝室內壓縮蒸汽的熱量，升溫后變為高溫熱水(可高至99℃)通過熱水排出閥排出，作為熱源返回工業工程；
步驟五：冷凝室內的壓縮蒸汽放熱冷凝后進入儲液器，儲液器出來的液體水一路經膨脹閥后進入蒸發器繼續吸熱蒸發；另一路經流量調節閥和冷卻器，調節流量與溫度后噴入第一壓縮機內，冷卻壓縮蒸汽，降低壓縮機排汽溫度；
步驟六：根據儲液器內水溫和壓力，間斷性打開第五閥門和真空泵，用于排出漏入系統的不凝結氣體；
步驟七：打開第六閥門和真空泵對換熱器上部的蒸發室進行抽真空，直至達到要求后關閉真空泵和第六閥門；
步驟八：關閉熱水排出閥，打開第三閥門，使在冷卻管內的升溫后的高溫工業廢水經第一噴淋管噴入蒸發室內的第二換熱管的管外；
步驟九：關閉第一閥門，打開第七閥門，使第一壓縮機出來的蒸汽進入第二換熱管內，釋放熱量使管外的噴淋水蒸發，自身冷凝成液體水后繼續通過第二噴淋管進入冷凝室內預熱第一換熱管內的工業廢水，自身過冷度增加，隨后流出冷凝室進入儲液器繼續參與循環；
步驟十：打開第四閥門和第二壓縮機，使蒸發室內產值的蒸汽進入第二壓縮機壓縮升溫、升壓后成為可替代鍋爐蒸汽的熱源蒸汽，繼續供工業生產使用；
步驟十一：當蒸發室底部未蒸發的噴淋水液位較高時，需要打開第九閥門使部分水通過高溫水泵繼續參與循環；當工業廢水水質不是太好時，需要打開第八閥門排出濃縮后的工業廢水。
有益效果：本發明將以自然工質水為介質的熱泵系統應用于工業廢水余熱的回收，因為水的特殊性：臨界溫度374℃，能實現較高的冷凝溫度，同時當蒸發溫度不低于30℃時其系統性能優越于其他工質循環，通過噴水雙螺桿蒸汽壓縮機等高壓比蒸汽壓縮機的使用，可滿足較大的蒸發、冷凝溫度的差值需求，并具有較高的效率；進而可以通過蒸發器回收不低于40℃的中、低溫工業廢水余熱，然后由冷凝器放熱給不低于65℃的高溫工業廢水，一方面可以使高溫工業廢水溫度提升后，作為高溫熱水熱源使用；另一方面也可以使高溫工業廢水蒸發產生蒸汽，然后再利用機械蒸汽再壓縮原理，由壓縮機壓縮后提供可替代鍋爐蒸汽的熱源蒸汽，此時熱泵系統內通過預熱要蒸發的工業廢水來增加冷凝水的過冷度，能有效提高系統性能；當所使用的噴水雙螺桿蒸汽壓縮機內容積比可調時，若熱泵系統的蒸發及冷凝溫度因工業廢水溫度變化，以及熱源蒸汽溫度需求的變化而改變時，可以通過噴水雙螺桿蒸汽壓縮機內容積比調節，以及噴水溫度及流量調節，來保障不同工況下系統的運行效率，同時避免較高的排汽溫度。通過上述方法，本發明能實現工業廢水余熱的梯級回收，提供余熱的回收率，同時還能提供滿足工業生產需求的鍋爐蒸汽及高溫熱水熱源，并且能適應較寬范圍內工業廢水的溫度變化，是一種高效、節能、環保的工業廢水余熱回收系統與方法。
附圖說明
圖1為本發明的系統示意圖。
其中：1—第一壓縮機，2—蒸發器，3—蒸發/冷凝器，3a—濾網，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—儲液器，5—冷卻器，6—第二壓縮機，7—真空泵，8—高溫水泵，9—膨脹閥，10—流量調節閥，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。
具體實施方式
如圖1所示，一種工業廢水余熱梯級回收系統，主要包括第一壓縮機1、蒸發器2、換熱器3、儲液器4、第二壓縮機6、真空泵7和高溫水泵8，其中換熱器3由上部的蒸發/冷凝室和下部的冷凝室組織，上部的蒸發/冷凝室又包含濾網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；所述第一壓縮機出口通過第一閥門12連接冷凝室入口，冷凝室出口連入儲液器4，所述儲液器出口通過膨脹閥9連接蒸發器入口，蒸發器出口與第一壓縮機入口連接；高溫水泵入口設有第二閥門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連入第二壓縮機入口，儲液器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；
在本發明中，第一壓縮機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；蒸發室底部設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；
在本發明中：蒸發器2、第一壓縮機1、換熱器3、儲液器4和膨脹閥9組成的為熱泵系統，其介質為自然工質水；蒸發器2為滿液式蒸發器或降膜式蒸發器；第一壓縮機1和第二壓縮機6為噴水雙螺桿水蒸汽壓縮機；儲液器4出口還通過流量調節閥10和冷卻器5連接第一壓縮機1的噴水冷卻孔口。
上述工業廢水余熱梯級回收系統，具有供熱水循環和供熱源蒸汽循環方法：
供熱水循環方法是利用水為工質的熱泵系統蒸發器回收中、低溫工業廢水余熱，然后通過冷凝器放熱給較高溫度的工業廢水，使其溫度升高至工業過程需求的熱水溫度，具體步驟如下：
步驟一：關閉第七閥門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、低溫工業廢水通入蒸發器2，蒸發器2內的工質水吸收廢水余熱蒸發產生不低于30℃的低溫蒸汽，即蒸發溫度不低于30℃，然后打開第一壓縮機1壓縮低溫蒸汽，提升其溫度和壓力后通過第一閥門12進入換熱器3下方的冷凝室，此時冷凝室內的第二噴淋管3d充當折流板的作用；為了有效回收中、低溫廢水的余熱產生蒸汽，蒸發器型式可選用滿液式蒸發器或降膜式蒸發器；
步驟三：打開第一閥門20和高溫水泵8，將不低于65℃的高溫工業廢水通入冷凝室內的冷卻管內，吸收冷凝室內壓縮蒸汽的熱量，升溫后變為高溫熱水(可高至99℃)通過熱水排出閥18排出，作為熱源返回工業工程；需要說明的是熱泵系統的蒸發溫度和冷凝溫度決定了第一壓縮機1的壓縮蒸汽飽和溫升，從熱泵系統效率和可行性出發，建議第一壓縮機1的壓縮蒸汽飽和溫升不高于60℃；
步驟四：冷凝室內的壓縮蒸汽放熱冷凝后進入儲液器4，儲液器4出來的液體水一路經膨脹閥9后進入蒸發器2繼續吸熱蒸發，參與下一循環；另一路經流量調節閥10和冷卻器5，調節流量與溫度后噴入第一壓縮機1內，冷卻壓縮蒸汽，降低壓縮機排汽溫度；
步驟五：以水為工質的熱泵系統，因水的物性：低于100℃時其壓力低于一個大氣壓，負壓條件下，有可能會有空氣等不凝結氣體泄漏進入熱泵系統，所以需要根據儲液器內水溫和壓力進行判斷，不凝結氣體存在于儲液器中時，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切換至供蒸汽循環，用于提供可替代原工業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對換熱器3上部的蒸發室進行抽真空，排除其內部空氣，直至達到要求后關閉真空泵7和第六閥門14；
步驟二：關閉熱水排出閥18，打開第三閥門19，使在第一換熱管3e內被預熱升溫后的高溫工業廢水經第一噴淋管3b噴入蒸發室內的第二換熱管3c的管外；
步驟三：關閉第一閥門12，打開第七閥門13，使第一壓縮機1出來的蒸汽進入第二換熱管3c內，釋放熱量使管外由第一噴淋管3b噴入的噴淋水蒸發，自身冷凝成液體水，然后繼續通過第二噴淋管3d進入冷凝室內，對第一換熱管3e內將噴入蒸發冷凝室的較高溫度工業廢水進行預熱，自身過冷度增加，隨后流出冷凝室進入儲液器4繼續參與循環，如此有效的將冷凝器出水的過冷和要蒸發的噴淋水預熱相結合，提高了各自過程的
步驟四：打開第四閥門15和第二壓縮機6，使蒸發室內產值的蒸汽(溫度范圍約75～95℃)，經濾網3a濾去液滴后進入第二壓縮機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：當蒸發室底部未蒸發的噴淋水液位較高時，需要打開第九閥門17使部分水通過高溫水泵8繼續參與循環；當工業廢水水質不是太好時，需要打開第八閥門16排出濃縮后的工業廢水，此外，還可通過科學的換熱器1結構設計，保障能定期對蒸發室內壁進行清洗。
在本發明的上述工業廢水余熱梯級回收方法中，當采用的是內容積比可調的噴水雙螺桿蒸汽壓縮機時，可根據各自的吸、排汽壓力調節第一壓縮機1和第二壓縮機2內容積比調節滑閥，減小因廢水溫度的變化及熱源蒸汽溫度要求的變化而導致壓縮機工況變化式出現的欠壓縮和過壓縮損失，同時可根據排汽溫度與壓力調節噴水流量和溫度，控制排汽過熱度，進而保障整套系統能適用于較廣溫度范圍的工業廢水余熱回收，同時保障較高的系統運行效率。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。