摘要：阐明定形机废气净化及热回收的重要性，论述了热管热交换的机理；介绍了组合式热度热回收，分散式定形机废气净化装置，三星式静电废气处理系统；推荐了一种定形机废热回用实例。
关键词：定形机；废气；热回收；净化；热管；喷淋；静电；产能；能耗；排放
1、前言
印染厂的废气主要来源于锅炉、烘干机和定形机。
锅炉尾气温度高达200℃，若直接排放，不但造成热能的浪费，而且还会对环境造成一定影响。
根据国家统计局的信息，估算全国共有定形机生产线将近10000条以上，而所有定形机工作时都有油（烟）雾挥发出来，经不完全统计10000条生产线年废气排放量达到40万吨。
烘干机和定形机是利用热空气对织物进行干燥和定形的设备，工作过程中排放出大量的废气。以定形机为例，定形机的工作温度一般在200℃，离开定形机的废气温度一般在170℃左右，废气中含有热能。经预算，织物加工定形时有效热能仅为总加热量的30%左右，散热损失占70%，其中废气排放损失占60%，设备、壁面及其它损失占10%。
拉幅定形机的热源，一般都使用导热油。过去加热导热油的热载体锅炉，大多以燃烧重油为主，由于重油的燃烧值高，调温容易，燃烧后杂质少，烟尘相对也少，对环境的污染比燃煤小，而被广泛使用。近年来，因国际原油价格居高不下，一吨重油价格一直维持在2500元左右，生产企业难以承受油价上涨带来的成本压力，纷纷改烧以燃煤为主的热煤炉。
染整行业是能源消耗较大的行业。加工1t针织成品布，约需标准燃煤1.5t，其中定形机热煤炉燃烧约占40%，资料显示：1t标准煤在燃烧过程中要排放SO220kg，CO2440kg（以碳基计算），烟尘15kg和灰渣260kg。
定形机废气中不仅含有大量纤维和粉尘，同时还含聚苯类有机物、印染助剂等多种油类成分。当废气在定型机排放口与净化装置之间进行传递以及在净化装置内移动时，这些纤尘和油污极易粘附到装置或其配辅件内部而影响净化效果，且会造成烟气堵塞、漏油、自燃自爆等现象，使定形机无法正常工作。
人长时间接触高浓度油烟气可造成肺部炎症和组织细胞损伤，肺活量下降；油烟烟气影响人体的免疫细胞、巨噬细胞功能，造成人体免疫功能下降；油烟气中的苯类等有机污染物能引起基因突变、DNA损伤、染色体损伤，具有潜在的致癌性。
废气净化、热回收是节能减排的重点之一，亦是染整企业降低生产成本，改善生产操作环境的需要。
热定形机废气问题的解决途径主要包含两方面，即废气净化与余热回收。目前热定形机废气净化方式主要为集中处理法和分散处理法，处理工艺主要有力学方式、过滤式、静电式和喷淋式，余热回收的主要方式是通过“气-气”热交换从排出的热废气中将热能回收到热定形机内。
2、热定形机废气处理
2.1 热定形机废气处理方法及特点见表1。
表1 热定形机废气处理方法与特点
| 处理方法 | 方法特点 |
| 力学方法 | 主要有重力法、惯性力法、离心力法。由于油烟粒径分布广，该方法对较细粒径烟气处理能力非常弱，净化效果低下。 |
| 过滤吸附法 | 利用某些特殊材质的滤布对油烟的吸附，达到油烟去除效果，存在过滤纸（网）要求高、更换（或清洗）频繁，系统阻力大、处理量小等缺点。 |
| 喷淋法（湿法） | 烟气经过加有洗涤液的水幕完成净化，洗涤液消耗增加了运行费用，且洗涤废液排出造成二次污染。 |
| 静电法 | 已成熟运用于除尘技术，但由于油烟的强粘性，静电式净化器运行一段时间后，电场上会粘附一层厚厚的油渍和纤维，极难清洗，阴、阳极板就会降低甚至失去吸附作用，导致油烟去除率下降。 |
2.2 定形机废气热能回收效能
定形机废气热能回收效能理论计算（以标准八箱为例）
定形机烘箱的工作温度 200℃左右
单台定形机废气总排量 约16000m3/h
排出废气温度 170℃左右
环境温度 30℃
安装余热回收器后，补入的热风温度 约120℃
补风量 约6000m3/h
每小时余热回收量为：
Q小时=VCp(t1-t2)
=6000×1.3x(120-30)
=702000KJ/h
=167143Kcal/h
（空气的比热容Cp=1.3KJ/m3；1Kcal=4.2kJ）
月回收热量为：
Q月=Q小时X20X25
=167143X20X25
=8.36X107Kcal
年回收热量为：
Q年=Q月X10
=8.36X107 X10
=8.36X108Kcal
年节约煤约：
W煤=Q年÷5000
=8.36X108÷5000
=1.674X105KG
=167吨
煤节能效益为：800×167=133600元/年
注：按每天20h，每月25天，每年10个月计算，煤发热量5000kcal/kg；每吨煤暂按800元计算
2.3 定形机组合式热管余热回收换热器
2.3.1 热管热回收机理
热管是一种具有很高导热性能，被学术界誉为超导热原件。由于热管具有传热量大、结构简单、工作可靠和无运动部件等特点，已日益引起人们的重视。
热管的工作原理与热虹吸类同，图1-（a）为虹吸的示意图。它是由管壳和工质所组成，在热虹吸管内装有一定量的工质（如水等），抽真空后将管子封口，当管子的下端被温度较高的废汽加热时，液体吸热蒸发而变成蒸汽，由于不断加热不断产生蒸汽，故蒸汽即从热端沿着中间通道流动到冷端，在冷端由于管子被温度较低的流体所冷却，蒸汽冷凝成液体，然后依靠重力作用沿管壁流回至热端。热虹吸的缺点是蒸发段必须位于最低处，使冷凝液能依靠重力从冷凝段回流到蒸发段。
| 1-加热 2-放热 3-蒸发段 4-绝热段 5-冷凝端 6-回流 7-管壳 8-吸液芯 |
| 图1 热管式热交换器工作示意图 |
热管很类似于热虹吸，不同的地方在于它的管壳内壁贴着一层多孔性物质构成的吸液芯。例如，由金属丝编织成的细小网格。图1-（b）是热管示意图。热管中冷凝液的回流方法有如下多种：
重力 热虹吸
毛细管力 标准热管
向心力 旋转热管
静电力 电流体动力学热管
磁场力 磁流体动力学热管
渗透力 渗透热管
热管的绝热段4的长度，可以根据实际需要而确定。热管内的蒸汽是靠压差流动的，由于蒸发段3至冷凝段5间的压差不大，因此温差也很小，因此一般高温热管接近于等温过程。
从传热学可知，相变传热效果较好，所以热管的导热性能很高。
2.3.2 组合式热管余热回收
定形机废气含有大量纤维、油雾，在热交换过程中极易黏附在热管表面，严重影响传热，如不及时清理，更会造成烟气堵塞，使得定形机无法正常工作。而现有的余热回收器均未考虑到这些因素，其热管固定(如焊接等)安装在壳体内，很难拆开进行快速维护保养，出现堵塞或其他故障时，维修工作量非常大，耗时长，会给使用单位的生产带来影响。
组合式热管换热器，通过将热管可拆卸的安置在壳体内，并在热管的中间部位设置同样可以从壳体内拆卸的密封体，由密封体形成密封隔离墙而将壳体分隔成两个独立的空间，并在壳体上设置有对应热管和密封体的门，当热交换过程中热管表面黏附纤维、油雾而影响传热时，可以及时开启壳体上的门，方便的将热管取出进行清理和维护，其耗时短，清理和维护工作量小，从而保证使用单位的顺利生产。
组合式热管换热器采用分散式安装方式，安装简单，安装材料少，安装费用低，安装停机时间短。
组合式热管换热器，使用铝翅片复合热管和钢翅片热管，表面黑化处理，换热效率高。
在拉幅机上采用热管式热交换器时，其效率很高，可节省16％～30％的燃料。热管式热交换器应用示例如下。
（1）在拉幅机上加工100％锦纶长丝织物，拉幅机烘房200℃，拉幅机排出170℃气体269m3/min，进入拉幅机气体141.6m3/min、27℃，烘房排出气体进入热管式热交换器170℃，空气进入热管式热交换器27℃，空气经热管加热至99℃进入烘房，烘房排出气体离开热管时77℃，回收热量740.65MJ／h，节油19.46L／h。在未装热管式热交换器前每小时消耗油为70.92L/h，安装热管式热交换器后燃烧油节约27.44％。
（2）热风循环烘燥机采用废热回收前的蒸汽耗量607kg/h，采用热管式热交换器后的蒸汽耗量513kg/h，节约15.5%。
（3）定形机烘箱的工作温度在170-180℃，单台定形机废气总排量约为：14000-20000m‑/h，排出废气温度为160℃左右。安装DF-TR-30余热回收装置后，补入的热风温度约为120℃，即补入的热风温度与排出废气温差为40℃左右，补风量约为6000-8000m3/h。
当废气温度为160℃，补入热风温度为120℃，补风量按平均值7000m3/h，则余热回收量为：Q=VCp（t1-t2）=7000×1.3×（120-30）=819000kJ/h=195933Kcal/h
按每天20小时，每年300天计算，可节约燃料见表2。 表2
| 回收热量（万Kcal/h） | 节约煤（t/a） | 节约重油（t/a） | 节约天然气（m3/a） |
| 19.6 | 231 | 115 | 135169 |
（煤发热量：5000Kcal/Kg，重油发热量：10000Kcal/Kg，天然气发热量：8700Kcal/m3）
每吨煤暂按750元计算：
节约效益为：231t/a×750元/t=173250元/a
（4）气-水热管热交换效能见表3所示。
表3 气-水热管热交换效能
| 出水温度℃ | 定形机排风温度℃ | |||||||
| 120 | 130 | 140 | 150 | 160 | 180 | 200 | ||
| 4 | 夏季出水量（t/h） | 15.3 | 16 | 16.5 | 17.5 | 18.1 | 19.5 | 21 |
| 节煤量（kg/h） | 45.5 | 7.5 | 50.1 | 52.5 | 54.5 | 58.5 | 62.5 | |
| 节汽量（t/h） | 0.38 | 0.40 | 0.42 | 0.44 | 0.45 | 0.49 | 0.52 | |
| 冬季出水量（t/h） | 8.1 | 8.3 | 8.6 | 8.93 | 9.2 | 9.8 | 10.5 | |
| 节煤量（kg/h） | 56.2 | 58.5 | 61 | 62.5 | 64.5 | 68.7 | 72.5 | |
| 节汽量（t/h） | 0.47 | 0.49 | 0.51 | 0.52 | 0.54 | 0.57 | 0.60 | |
| 60 | 夏季出水量（t/h） | 5.5 | 5.5 | 5.9 | 6.3 | 6.5 | 7.1 | 7.5 |
| 节煤量（kg/h） | 37. 5 | 39.5 | 41.5 | 43.8 | 45.6 | 49.9 | 54 | |
| 节汽量（t/h） | 0.31 | 0.33 | 0.35 | 0.36 | 0.38 | 0.42 | 0.45 | |
| 冬季出水量（t/h） | 4.3 | 4.6 | 4.5 | 5.1 | 5.2 | 5.5 | 5.9 | |
| 节煤量（kg/h） | 47.5 | 50.2 | 52 | 54.5 | 56.5 | 60.1 | 64.5 | |
| 节汽量（t/h） | 0.40 | 0.42 | 0.43 | 0.45 | 0.47 | 0.50 | 0.54 | |
| 80 | 夏季出水量（t/h） | 2.6 | 2.8 | 3 | 3.3 | 3.45 | 3.8 | 4.2 |
| 节煤量（kg/h） | 29.2 | 31.5 | 35 | 35.5 | 37.9 | 42 | 45.5 | |
| 节汽量（t/h） | 0.24 | 0.26 | 0.29 | 0.30 | 0.32 | 0.35 | 0.38 | |
| 冬季出水量（t/h） | 2.5 | 2.8 | 2.9 | 3.1 | 3.2 | 3.5 | 3.8 | |
| 节煤量（kg/h） | 39.6 | 42 | 43.5 | 45.8 | 48.1 | 52.1 | 56.2 | |
| 节汽量（t/h） | 0.33 | 0.35 | 0.36 | 0.38 | 0.40 | 0.43 | 0.47 |
注：1、以上数据均为一台定形机（两台换热器）的数据。
2、设计单台换热器的排风量为800M3/H。
3、煤的理论热值为5000Kcal/kg，未考虑锅炉效率。
4、因定形机机型、织物品种、生产工艺不同以上数据会有差异。
5、平均水温夏天为25℃，冬天为5℃。
2.4 分散式定形机废气净化装置
除处理工艺外，废气净化装置的处理效果受废气接收和处理方式的影响相当大。常见的定型机废气净化处理装置，其废气接收和处理的方式采用的是将定型机上多个废气排放口所排放的废气通过管道系统收集后，集中到一台净化装置上进行处理（即称“集中式收集和处理方式”）。其主要缺陷有：①需配套安装大量废气输送管道，废气在输送管道中移动时，废气中的纤维、粉尘和油渍极易在风管内壁积贮，造成堵尘或漏油，影响废气净化效果。②废气在管道中移动时，废气中的纤维与管道内壁摩擦后会产生静电引起火花，油污在高温废气中会气化形成压力，这些均会引起自燃或爆炸，有较大的安全隐患。③系统风阻大，需加装大功率排（引）风机，不仅增加装置的自耗能，并且因强迫性抽（引）风会破坏定型机烘箱的热风循环，打破织物定型处理过程的热平衡，有可能严重影响生产工艺。④整套装置体积庞大，造价高（30万元/台套以上），且安装难度大。
2.4.1 分散式定形机废气净化装置系统工作原理方框示意见图2所示。
| 图2 净化装置原理方框示意 |
2.4.2 分散式定形机废气净化装置工作机理：
（1）分散式定形机废气净化装置由若干个废气处理塔（根据定形机的自身风机数确定个数）、一套水循环系统（内含油水分离器）组成。废气处理塔包括壳体和壳体外的上水管、壳体内的喷淋头和防水装置。
（2）将废气处理塔直接安装于定形机自身风机废气排放口，废气一出定形机就通过进气口进入废气处理塔，上水管从循环水箱内引水，喷淋头喷水雾化，对废气进行降温和净化。经三级喷淋净化和降温，最后流经脱水叶片脱水后进入烟囱排空。
（3）喷淋头喷出的水雾被防水装置的挡板挡住后流向废气处理塔壳体的周边，不会通过进气口进入定形机废气出气口而影响定形机的正常工作。
（4）流向废气处理塔周边的废水沉积在壳体下端的凹槽内，通过排水沟流到废气处理塔外的油水分离器中，经油水分离后，洁净的水通过水循环系统被重复利用，废油分离后经处理可回用或市售。
详见图3、定形机废气净化工作原理图
图3：定形机废气净化工作原理图
2.4.3 分散式定形机废气净化装置的投资效果：
2.4.3.1 投入成本：本产品每台套的造价仅6万元。
2.4.3.2 运行成本：全年的运行成本约2.5万元，其中：
（1）水费：喷淋的洗涤水经油水分离后，其循环利用率达95%以上，每天（运行时间以24小时计）的实耗水量少于4吨，全年（按300天共7200小时运行时间计）需耗水1200吨。以水价1.6元/吨计，全年水费约2000元。
（2）电费：仅循环系统的水泵需耗电，水泵功率3KW，全年耗电约2.2万度。按平均1元/度计，全年电费计需2.2万元。
（3）人工：无需专人管理；全年仅需清理四到六次、每次一到二个普工工日即可，全年的人工费不超过1000元。
2.4.3.3 经济产出：
除减排效益外，该产品还能为使用单位带来的经济收入：
（1）毛收益：经测算，该产品每台套每天平均可回收废油110公斤，全年废油回收量约33吨。对回收后的废油通过精制工艺，65%经配制后能直接作为纺织用油剂，30%左右可用作润滑油。扣除废油提炼成本，单位产品全年回收废油的销售收入在8.5万元以上。实际上，从定型机废气上回收的废油可直接销售，价格在2500-3200元不等，如不加提炼直接销售的话，也能获得8.5万元以上的毛收益。
（2）净收益：减去上述2.5万元的运行成本，单位产品全年的净收益在6万元以上。
（3）投资回收期：产品的投资回收期最多1年。
2.5 三星式静电废气处理系统
系统由烟气结合体、热交换器、废气处理塔和油水分离器组成。
2.5.1 主要功能：
(1)烟气结合体。烟气结合体用于将定形机废气集中在一起后，导人废气处理系统，该结合体有平衡管道压降，防止烟气回流等作用，其中增设的喷淋装置用于烟气的先期降温和清洗集中器内颗粒沉淀物的作用。
(2)热交换器。将定形机废气中的热量有效地进行回收利用，防止余热排放到大气当中，变废为宝。
(3)废气处理塔。处理废气中的尘埃颗粒物、有机物、油烟、短纤维、苯类、醛类等有害成分，防止这些有害成分排放到大气当中，造成大气污染。
(4)油水分离器。将废气处理子系统生成的废水中的油以及沉淀物分离出来，使水循环利用。
2.5.2 特点主要有：将冷却、喷雾、沉降、复喷水幕过滤和填料吸附等技术融为一体；复喷水幕过滤和填料吸附设计了三层组合结构，达到最佳处理效果；设计了高效除油雾装置，处理后的气体洁净、干燥，接近常温；在设计结构及选用材料方面均充分考虑减少废气压力损失，保障在整个废气处理系统中排气畅通，不会影响定形机废气正常排放，不改变定形机工艺；YL定形机废气处理系统采用喷淋结构，污染物被喷淋水幕带走，并经过回收处理，变废为宝，不产生二次污染。
目前，国内该同类定形机废气处理系统也有采用韩国、日本进口设备，但价格昂贵，至少一套设备在人民币100万元以上，而YL定形机却只有国外的十分之一。 2.5.3 效果
(1)该系统能够有效处理废气中的尘埃颗粒物、有机物、油烟、短纤维、苯类、醛类等有害成分，除颗粒物总效率≥85％，除油烟总效率≥80％。
(2)热交换系统每小时能够回收6t热水，使一缸布从常温升至60℃用于染色，相当于每天节煤950kg。
(3)油水分离器将废气中矿物油回收超过75％，一台定形机每年可回收油近10t，节约能源价值达4万多元。同时水回用率在95％以上。
YL-B湿式静电废气处理系统原理示意见图4所示。
图4 YL-B湿苎静电废气处理系统原理
湿式静电除尘器极板表面有水膜，黏着性油脂不易积聚，当粒子到达充电区域上游，粒子通过电晕放电而被充电，充电粒子进入收集阶段，被吸引到除尘管内壁，再由除尘管上的水膜将沉降微粒物质冲刷下来。
该系统主要用在收集次微米粒子，是利用极线电晕放电，使废气中微粒在离子化气体(ioni zed gas)中因撞击离子而带有电荷，再利用静电力使微粒运动到带相反电荷的收集极板上，达到去除的目的。湿式静电除尘器本身具有收集液态粒状物和去除腐蚀性、毒性、少量臭味废气的功能，去除效率可以达到95％以上，目前对于粒径微细、黏着性废气处理有愈来愈广之势。
3. 应用实例
广东汕头市兴业染整厂针对定形机废热回用设备系统，在安装、调试应用后出现排气不畅、回烟、搭色、沾污等情况，进行改进后取得经济效益和社会效益。
3.1 废热回用流程
定形机废热→超导热交换机→引风机→导热油炉、蒸汽锅炉(热空气再供定形机)→水膜除尘→废气废热锅炉(油炉)烟囱排出。
流程说明：
定形机废热通过回收管道进入超导热交换器，一方面经过超导热交换器后的热空气由引风机送往蒸汽锅炉或导热油炉，再由蒸汽锅炉或导热油炉的鼓风供炉内燃烧；另一方面室外新鲜空气由引风机送往超导热交换器，交换后的新鲜热空气再回送定形机第1节和第9节烘箱用。废气废热最后经过水除尘由蒸汽锅炉或导热油炉烟囱排出。废热回用流程如图5所示。
图5 废热回用流程示意
3.2 废热回用设备应用特点
3.2.1 完全废除了定形机废气排放烟囱，并且有一举多得的收获。先交换新鲜热空气送回到定形机利用，定形机交换后的余热，全部回收再供给导油炉及蒸汽锅炉使用。
3.2.2 废气回收供给锅炉时，会自动将管道中废油、布毛、棉屑等杂物回收燃烧，不需要投入人工清洗。
3.2.3 回收管道中，装有自动定时管道蒸汽喷雾和灭火设施，确保系统运行安全。
3.2.4 交换后的新鲜热空气直接送还定形机的第一节和最后一节烘箱，使前后段烘箱温度明显提升，除减少能源消耗外，还有效提高了定形机速度，增加产能。
3.3 问题与改进
3.3.1 回用设备排气不畅，回烟的处理
按照废热回用设备设计的处理能力，1套该设备可以对应4台热定形机，但实际安装调试期间，回用管道存在严重排气不畅，很大部分废热废气因该系统处理不及时，受阻而倒回定形机烘箱，操作区及周边环境因烟雾影响正常工作。针对此现象分析认为，可能是4台定形机的废热废气排放量大，超导热交换器处理能力有限，来不及处理的废烟气只好倒回作业区，便尝试在超导热交换器的左边另接上一条直通管道，分流一部分废热废气，直接经过回用管送往蒸汽锅炉或导热油炉使用。这样一来，管道排气畅通了很多，因受阻而倒回的烟雾明显有好转。见图6。
图6 废热回用改进流程示意
3.3.2 搭色、沾污产生的原因及处理
废热回用设备运作一段时间后，少数机台烘箱的出入口出现红色的油污，甚至有些浅色机台在成品定形时，发现布面搭色、沾污现象，尤其是牙白色、特白色定形后有泛黄或泛红现象。经分析认为还是系统排气不畅所引起。大家知道，定形机的排风，除了排掉烘箱内的废气、废热，对一些升华牢度差的染料产生的废气也随之抽走，如果一旦排气效果差，在定形机排风管道间造成交叉感染，不能及时排走的废气会回流到工作区而带来污染。于是又在超导热交换器的右边再安装一条直通管道，彻底地解决了回用管道排气不畅、搭色、沾污的问题，见图6。
3.3.3 温控表、截止阀、隔热棉使系统更完善
为了稳定地向定形机回送新鲜的热空气，在超导热交换器前后管道出入口安装温控表，以便及时掌握温度变化，并在左右两侧另加的直通管道上各加装了一个截止阀，以控制废热废气在直通管道上流量的大小。另外，在定形机排风管道的出口加装了一截止阀，目的是当定形机停产或停机检修时可以切断排风管路，防止回流的废热废气的沾污。整套回用设备系统和送风管道，采用10 cm厚的保温棉包裹，最外层用铝皮封牢，以减少输送过程的热散发，使该废热回用设备系统更加完善，见图。
3.4 废热回用的经济效益与社会效益分析
3.4.1 经济效益
按照往年年耗煤2万t推算，每年定形机耗煤，2万tX40％，约为8 000t，初步估算，使用该回用设备后可减少煤耗10％，每年可节省燃煤800t，以目前的标煤价700元几计，全年可节省约56万元。
3.4.2 提高产能
定形机增加产能效益：2Y/min(提速)×60min×250g/Y(布质量／码)×20(时数)=600kg/天·台 600kg/天·台X30=18000kg/月·台 18000kg/月·台×12=216t/年·台。
3.4.3 环境效益
该项目已正常运行一年，每年SO2排放量可减少1.6 t，CO2排放量可减少352t，烟尘排放量可减少12t，灰渣排放量可减少208t。
4 结语
定形机废气净化热回收有效提高染整企业的产能，减少能耗，明显降低SO2、CO2的排放。“十二五”期间我国将进一步加大污染减排的工作力度，在原有化高需氧量、二氧化硫（两项约束性指标基础上为环境税征的两人个税目），增加氮氧化合物、氨氮含量考核指标，定形机采用热管热回收（亦称超导热交换器），采用喷淋法、静电法净化，产品在工艺适用性，降低保养的劳动强方面应加强研究。应用实例值得进一步探讨，在其是当定形机距离锅炉房距离远时的应对；作为一种产品开发时，对排气不畅、回烟应特别着急解决弊端。