機(jī)械通風(fēng)冷卻塔羽霧的形成機(jī)理及防治措施

王曉靜，馮璟，趙順安

(1.華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京市，100120;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京市，100038)

0 引言

在機(jī)械通風(fēng)冷卻塔內(nèi)冷空氣冷卻循環(huán)水的過程中，由于冷卻水的蒸發(fā)濕熱空氣帶走大量熱量和水蒸氣，使?jié)駸峥諝鉁囟群蜐穸容^高。在北方寒冷地區(qū)，機(jī)械通風(fēng)冷卻塔在冬季運(yùn)行時(shí)，濕熱空氣排出塔外與冷空氣混合，由于冷卻和凝縮形成含有許多微小液粒群的霧團(tuán)。因機(jī)械通風(fēng)冷卻塔高度較低，霧團(tuán)飄散影響了周邊居民區(qū)及交通道路的可見度，破壞了城市的景觀，造成下風(fēng)地區(qū)的濕度上升。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，機(jī)械通風(fēng)冷卻塔消除羽霧也顯得越來越重要。

1 羽霧形成機(jī)理

濕空氣的飽和含濕量與濕空氣的溫度及壓力有關(guān)，隨著溫度的降低濕空氣的飽和含濕量減小，濕空氣中的水蒸氣發(fā)生凝結(jié)。機(jī)械通風(fēng)冷卻塔中的濕熱空氣從冷卻塔中排出與大氣混合，此過程的空氣狀態(tài)可用濕空氣含濕圖來表示，如圖1所示(圖中O點(diǎn)為排氣狀態(tài)，A點(diǎn)為大氣狀態(tài)，M點(diǎn)為混合氣體狀態(tài))。塔出口濕熱空氣經(jīng)過與環(huán)境空氣混合，其狀態(tài)漸漸接近于環(huán)境空氣狀態(tài)，即:塔出口空氣狀態(tài)O點(diǎn)和環(huán)境空氣狀態(tài)A點(diǎn)為一直線，即得狀態(tài)線。在塔排氣和大氣的混合狀態(tài)中，無論混合比ω為何值，都落在OA直線上。從O點(diǎn)ω=0，沿直線OA向A方向前進(jìn)，ω隨之變大，一直到達(dá)A點(diǎn)，ω=∞。在OA線上，OA與等焓線hm相交于M點(diǎn)，M點(diǎn)表示混合狀態(tài)，其含濕量為dm，混合狀態(tài)點(diǎn)的溫度為tm。在等焓線上，如果濕飽和空氣溫度為tSAT，當(dāng)tm落在大于tSAT的區(qū)域時(shí)，混合狀態(tài)處于不飽和區(qū)，水蒸氣穩(wěn)定存在，不發(fā)生羽霧;當(dāng)tm落在小于tSAT的區(qū)域，混合狀態(tài)為過飽和狀態(tài)，水蒸氣不能穩(wěn)定存在，此時(shí)水蒸氣將發(fā)生凝結(jié)，使含濕量減少至dSAT。凝結(jié)熱被氣體所吸收，混合氣體溫度tm與tSAT相等。由于混合過程中部分水蒸氣凝結(jié)成小液滴懸浮在空氣中，于是便形成可見的羽霧。

圖1 濕空氣圖中排氣和大氣的混合狀態(tài)線Fig.1 Mixed state line of exhaust and atmosphere in moisture chart

2 羽霧消除技術(shù)

由羽霧形成的機(jī)理不難看出，在排氣與大氣相混合的過程中，只要不通過濕空氣過飽和區(qū)域和不在濕飽和空氣曲線上的狀態(tài)點(diǎn)時(shí)，均不會(huì)發(fā)生羽霧;反之，則會(huì)發(fā)生可見羽霧。此推論已被實(shí)驗(yàn)證明［1］。濕空氣的狀態(tài)與其溫度、含濕量、相對(duì)濕度、比焓、大氣壓力、水蒸氣分壓力及密度有關(guān)。其中溫度、含濕量和大氣壓力為基本參數(shù)，決定了空氣的狀態(tài)，其他參數(shù)可由此計(jì)算。大氣壓力作為環(huán)境的外界條件不能改變，但可以通過改變濕空氣的溫度及其含濕量來改變濕空氣的狀態(tài)［2］。由此可以采取以下的措施來減少和消除機(jī)械通風(fēng)冷卻塔出口羽霧。

2.1 調(diào)整運(yùn)行方式

對(duì)于北方供熱機(jī)組，冬季運(yùn)行時(shí)因需冷卻的水量較少，可將冷卻水平均分配到冷卻塔中或設(shè)置旁路系統(tǒng)，使用大量空氣，使冷卻塔出口濕空氣的溫度和含濕量減小。圖2為消除羽霧措施的原理圖，圖中O點(diǎn)為濕式冷卻系統(tǒng)排氣狀態(tài);A點(diǎn)為大氣狀態(tài);A'點(diǎn)為干式散熱器排氣狀態(tài);a點(diǎn)為干濕串聯(lián)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔排氣狀態(tài);b點(diǎn)為調(diào)整運(yùn)行方式后排氣狀態(tài);c點(diǎn)為干濕并聯(lián)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔排氣狀態(tài)。由圖2可知，當(dāng)排出的濕空氣狀態(tài)點(diǎn)達(dá)到b點(diǎn)時(shí)，此時(shí)濕空氣的含濕量為db，此點(diǎn)為AB線與濕空氣飽和曲線的切點(diǎn)，當(dāng)排出的濕空氣由b點(diǎn)達(dá)到大氣狀態(tài)點(diǎn)時(shí)不會(huì)發(fā)生羽霧。然而，考慮到冷卻塔冬季防凍的問題，濕空氣的狀態(tài)點(diǎn)很難達(dá)到b點(diǎn)，所以只能適當(dāng)減少排氣中的含濕量，減少羽霧的產(chǎn)生。

圖2 消除羽霧措施原理Fig.2 Schematic diagram of plume prevention method

2.2 采用復(fù)合型機(jī)械通風(fēng)冷卻塔

復(fù)合型機(jī)械通風(fēng)冷卻塔是將濕式冷卻系統(tǒng)與干式冷卻系統(tǒng)相結(jié)合的冷卻塔［3］。為了改善冷卻塔排氣狀態(tài)，可將濕式冷卻系統(tǒng)排出的濕空氣等濕加熱。如圖2所示，將濕空氣從O點(diǎn)水平移動(dòng)，通過AB切線至a點(diǎn)，濕空氣的溫度由to上升到ta，此時(shí)排出冷卻塔的濕空氣與大氣混合不會(huì)發(fā)生羽霧。可采用在濕式空冷塔的填料層上部加裝干式加熱裝置的方法加熱濕空氣，使空氣從濕式系統(tǒng)串聯(lián)流經(jīng)干式加熱系統(tǒng)裝置后排出。如圖3所示，此串聯(lián)式冷卻塔占地面積小，冷卻系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，不存在冷熱空氣混合不均勻問題;缺點(diǎn)是因阻力增加會(huì)加大風(fēng)機(jī)功率，濕空氣對(duì)干式加熱系統(tǒng)有一定的腐蝕性。

圖3 干濕串聯(lián)冷卻塔Fig.3 Dry-wet cascade cooling tower

另一種改善冷卻塔排氣狀態(tài)的方法是使空氣分別流過冷卻塔中濕式和干式系統(tǒng)裝置，使排氣相混合。如圖2所示，將進(jìn)入冷卻塔的一部分大氣從狀態(tài)點(diǎn)A等濕加熱至A'點(diǎn)，與濕式冷卻系統(tǒng)排出的濕空氣混合后至狀態(tài)點(diǎn)c，混合后的氣體相對(duì)濕度較低，混合氣體排出冷卻塔與大氣混合，在此過程中各狀態(tài)點(diǎn)都不通過飽和區(qū)域，因此避免了產(chǎn)生羽霧。如圖4所示，此冷卻塔是將一部分冷卻水經(jīng)濕式系統(tǒng)冷卻，另一部分冷卻水經(jīng)干式系統(tǒng)冷卻，再將分別流經(jīng)干、濕冷卻器的空氣相混合以達(dá)到除霧的目的。2種冷卻方式混合使用的系統(tǒng)較復(fù)雜，干、濕空氣需要一定的空間進(jìn)行混合增加了冷卻塔的占地面積，且干、濕空氣混合時(shí)效率偏低，需增加改善空氣混合效率的裝置。

圖4 干濕并聯(lián)冷卻塔Fig.4 Dry-wet parallel connection cooling tower

3 羽霧消除技術(shù)的應(yīng)用

國(guó)外針對(duì)冷卻塔羽霧的防治比我國(guó)起步早，干、濕空氣混合消除羽霧技術(shù)在國(guó)外已有應(yīng)用實(shí)例，但若完全利用國(guó)外技術(shù)及設(shè)備則成本較高，而且此技術(shù)較復(fù)雜，不利于大范圍的推廣應(yīng)用。因此，針對(duì)國(guó)內(nèi)目前的情況采用串聯(lián)加熱空氣的方法更簡(jiǎn)單，也更容易推廣。加熱濕空氣的熱源比較靈活，可以采用汽輪機(jī)抽汽，也可用熱水換熱器等?，F(xiàn)以某電廠為例介紹羽霧消除技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用［4-7］。

某供熱機(jī)組采用機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，冬季運(yùn)行工況下循環(huán)冷卻水量為5 300m3/h。本地區(qū)多年1月份平均氣壓為0.100 7 MPa;多年1月份平均相對(duì)濕度為43.9%;大氣干球溫度為5℃。冷卻塔尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為19m×20m×23.10m。風(fēng)機(jī)直徑為9.75m;風(fēng)機(jī)風(fēng)量為867m3/s;進(jìn)塔水溫為38.855℃。經(jīng)計(jì)算冬季工況運(yùn)行一格機(jī)械通風(fēng)冷卻塔即可滿足冷卻要求［8-10］。冷卻塔出口空氣特性如表1所示。

為消除冷卻塔出口的羽霧，在冷卻塔填料的上層加裝光管換熱器，光管中通過300℃的過熱蒸汽，如圖5所示。

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圖6顯示了一格塔運(yùn)行時(shí)冷卻塔的工作點(diǎn)，由此可知，當(dāng)排出冷卻塔的濕空氣溫度達(dá)到48℃時(shí)不會(huì)產(chǎn)生羽霧。經(jīng)計(jì)算得一格塔運(yùn)行時(shí)光管換熱器數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以看出，當(dāng)采用一格冷卻塔運(yùn)行時(shí)加熱濕空氣所需的蒸汽量很大且空氣阻力增加也較大，不利于技術(shù)措施的實(shí)現(xiàn)。

圖6 一格塔運(yùn)行時(shí)冷卻塔的工作點(diǎn)Fig.6 The operating point of cooling tower for one grid tower operation

表2 冷卻塔運(yùn)行時(shí)光管換熱器面積、蒸汽量Tab.2 Required area and quality of steam of the bare-tube heat exchanger for cooing tower

如果冬季采用二格冷卻塔運(yùn)行，二格冷卻塔的出口空氣特性如表1所示，此時(shí)冷卻塔的工作點(diǎn)如圖7所示。當(dāng)排出冷卻塔的溫度達(dá)到23℃時(shí)不會(huì)產(chǎn)生羽霧。經(jīng)計(jì)算，二格塔運(yùn)行光管換熱器數(shù)據(jù)如表2所示。

圖7 二格塔運(yùn)行時(shí)冷卻塔的工作點(diǎn)Fig.7 The operating point of cooling tower for two grids tower operation

由以上計(jì)算可以看出，采用空氣串聯(lián)干、濕聯(lián)合冷卻塔可有效地消除羽霧，當(dāng)采用二格冷卻塔時(shí)，冷卻塔出口排氣的含濕量有所降低，除霧所需換熱器的面積及蒸汽量也明顯減少。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)羽霧防治技術(shù)原理及工程應(yīng)用的可行性研究，采用干、濕聯(lián)合冷卻塔是消除機(jī)械通風(fēng)冷卻塔羽霧的有效途徑之一。針對(duì)國(guó)內(nèi)情況，空氣串聯(lián)干、濕聯(lián)合冷卻塔因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單更便于推廣應(yīng)用。然而此類冷卻塔的換熱器經(jīng)常處于濕熱環(huán)境中，對(duì)換熱器的防腐要求高，冷卻塔的阻力有所增加，因此有必要對(duì)換熱器的形式及布置作進(jìn)一步的優(yōu)化。

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