煤化工閉式循環(huán)水系統(tǒng)深度節(jié)水設(shè)計(jì)與探討

李 寧，李開建

（成都聚實(shí)節(jié)能科技有限公司，四川 成都 610066）

改革開放40年，中國經(jīng)濟(jì)總量增加80倍，石油從1968年至1993年連續(xù)25年的凈出口，巨變到2017年進(jìn)口4.195 8億t[1]。富煤地區(qū)的煤化工產(chǎn)業(yè)面臨巨大的能源需求市場，卻又受嚴(yán)重匱乏的水資源生態(tài)環(huán)保紅線制約而不能大規(guī)模發(fā)展。煤化工生產(chǎn)中的開式循環(huán)水系統(tǒng)，水資源消耗量占用水總量的70%～80%[2]，是節(jié)水技改的重點(diǎn)對象。為降低循環(huán)水系統(tǒng)對水資源的消耗，近年出現(xiàn)了多種干濕串聯(lián)的閉式循環(huán)水冷卻工藝[3-5]，此類工藝與開式循環(huán)水系統(tǒng)相比，具有循環(huán)水排污費(fèi)和藥劑費(fèi)節(jié)省，工藝換熱器腐蝕和污垢系數(shù)大幅降低，理論節(jié)水50%等優(yōu)點(diǎn)，但運(yùn)行一兩年后，干空冷段會出現(xiàn)堵塞、噴水量增加、冷卻效果下降的問題，實(shí)際節(jié)水大幅降低。

為此，成都聚實(shí)節(jié)能科技有限公司進(jìn)行了循環(huán)水系統(tǒng)深度節(jié)水設(shè)計(jì)，研發(fā)的新型循環(huán)水干濕串聯(lián)閉式冷卻工藝，可消除干空冷器的濕熱堵塞問題，提高節(jié)水效果，現(xiàn)介紹如下。

1 現(xiàn)行干濕串聯(lián)閉式循環(huán)水冷卻工藝及存在問題

現(xiàn)行循環(huán)水干濕串聯(lián)閉式冷卻系統(tǒng)冷卻原理示意圖見圖1。

圖1 現(xiàn)行循環(huán)水干濕串聯(lián)閉式冷卻系統(tǒng)冷卻原理示意圖

高溫循環(huán)水進(jìn)入冷卻塔上部的空冷翅片管束后，再進(jìn)入下方的蒸發(fā)空冷器或間壁式噴淋冷卻器，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水降溫；冷卻空氣經(jīng)下方的蒸發(fā)空冷器或間壁式水冷器，上行進(jìn)入空冷翅片管束，帶走高溫循環(huán)水熱量后排入大氣；當(dāng)氣溫高于15℃時(shí)，啟動(dòng)噴淋水泵，通過水汽蒸發(fā)帶走部分甚至大部循環(huán)水熱量。

我國北方晝夜溫差大，干濕串聯(lián)閉式冷卻工藝的風(fēng)機(jī)風(fēng)量難以同時(shí)滿足干、濕空冷器的不同需求，僅開干式空冷器時(shí)，由風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的冷卻空氣要穿過未淋水的濕冷管束及收水器，造成不必要的阻力增加。裝置投運(yùn)初期，當(dāng)氣溫≥15℃、干濕空冷器同時(shí)運(yùn)行時(shí)，尤其是每年必有的揚(yáng)塵天氣下，隨冷卻空氣帶入的塵埃、飛絮被濕冷段的水霧浸潤后，進(jìn)入干式空冷段，黏結(jié)在更高溫度的干式空冷翅片表面，導(dǎo)致?lián)Q熱效率不斷下降，且清洗困難。為保證冷卻效果，裝置投運(yùn)2～3年、氣溫≥0℃時(shí)，就必須開啟濕式冷卻器（即蒸發(fā)空冷器），長期運(yùn)行的節(jié)水率遠(yuǎn)低于50%的設(shè)計(jì)值。

2 循環(huán)水系統(tǒng)深度節(jié)水設(shè)計(jì)

成都聚實(shí)節(jié)能科技有限公司結(jié)合我國北方氣候特征，將干濕串聯(lián)的閉式冷卻工藝中的蒸發(fā)空冷（濕冷）段和干式空冷段的排氣設(shè)計(jì)為分別單獨(dú)排氣，同時(shí)充分利用其高溫時(shí)段空氣濕度低、熱容低的特點(diǎn)，在干空冷段增加等焓降溫工藝及抽風(fēng)筒[2-3]，不僅保留了原閉式循環(huán)水冷卻工藝的優(yōu)點(diǎn)，消除了干空冷段的濕熱堵塞問題，還可使節(jié)水效果大幅提高，并長期保持在75%以上。

2.1 新型循環(huán)水干濕串聯(lián)閉式冷卻工藝流程

新型循環(huán)水干濕串聯(lián)閉式冷卻工藝流程示意圖見圖2。

圖2 新型循環(huán)水干濕串聯(lián)閉式冷卻工藝流程示意圖

工藝換熱器出來的高溫循環(huán)水，依次經(jīng)過干式空冷器和單獨(dú)設(shè)立的蒸發(fā)濕冷器降溫，成為低溫循環(huán)水，再通過循環(huán)泵送回工藝換熱器；在低溫循環(huán)水溫度＞30℃（或32℃）時(shí)，啟動(dòng)蒸發(fā)濕冷器的噴淋泵及風(fēng)機(jī)，進(jìn)一步降低循環(huán)水溫度；冬季干式空冷器出口循環(huán)水溫度小于30℃時(shí)，開啟近路閥，只運(yùn)行干式空冷器，降低循環(huán)水阻力，節(jié)省循環(huán)泵動(dòng)力。

蒸發(fā)濕冷器的濕熱空氣設(shè)計(jì)為單獨(dú)排放，保證濕熱空氣夾帶的塵埃、膠體微粒不再進(jìn)入干式空冷器管束，徹底杜絕空冷翅片管束的濕熱堵塞，充分發(fā)揮以干式空冷器為主要冷卻設(shè)備的換熱功能，為干式空冷器長期高效換熱提供可靠保障。

2.2 增設(shè)抽風(fēng)筒的干式空冷器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行

增設(shè)抽風(fēng)筒的干式空冷器結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 增設(shè)抽風(fēng)筒的干式空冷器結(jié)構(gòu)示意圖

冷卻空氣經(jīng)濾網(wǎng)除飛絮，再經(jīng)逆流霧化區(qū)和順流霧化區(qū)霧化，風(fēng)機(jī)升壓，干式空冷管束換熱，溫度升高后進(jìn)入塔內(nèi)，經(jīng)抽風(fēng)筒排入大氣。低密度熱空氣在抽風(fēng)筒底部形成低壓，大幅降低干式空冷風(fēng)機(jī)電耗，在抽風(fēng)筒頂部產(chǎn)生的浮力，使熱空氣排向更高空間。抽風(fēng)筒出口高度70 m，在0℃以下氣溫時(shí)段，可依靠風(fēng)筒的自然抽風(fēng)能力實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)；夏季由于空氣經(jīng)空冷管束換熱后溫升小，風(fēng)筒抽力小，風(fēng)機(jī)主要是補(bǔ)償風(fēng)筒的抽力，與不設(shè)抽風(fēng)筒相比，根據(jù)Aspen Plus空冷模擬軟件計(jì)算，在氣溫15℃時(shí)，可節(jié)省40%的風(fēng)機(jī)電耗，全年可減少50%風(fēng)機(jī)電耗。來自工藝換熱器40℃（或42℃）的高溫循環(huán)水經(jīng)空冷器降溫后，夏季經(jīng)蒸發(fā)濕冷器進(jìn)入循環(huán)泵升壓后，送入工藝換熱器，冬季經(jīng)近路閥進(jìn)入循環(huán)泵升壓后，送入工藝換熱器。

2.3 等焓降溫工藝原理

新型循環(huán)水干濕串聯(lián)閉式冷卻工藝已獲發(fā)明專利 2項(xiàng)，專利號為 CN108088276A、CN107976088A[6-7]。采用該工藝，冷卻空氣在干式空冷器中設(shè)計(jì)溫升TΔ≥15℃，在大氣溫度T1小于15℃時(shí)，空冷器出口及抽風(fēng)筒出口溫度T2=T1+TΔ，不需噴霧，循環(huán)水的熱量Q完全由冷卻空氣帶走。

在T1大于15℃后，由DCS系統(tǒng)根據(jù)干式空冷器出口循環(huán)水溫度、T1及相對濕度，控制噴霧水量，使最終進(jìn)入干式空冷換熱管束的冷卻空氣的風(fēng)量和溫度滿足設(shè)計(jì)要求。例如T1為18℃，通過DCS控制噴霧噴頭，向穿過濾網(wǎng)的空氣噴霧增濕，進(jìn)行等焓增濕降溫至 15 ℃,即降溫tΔ=3 ℃，此時(shí)T2=T1+TΔ-3 ℃，即循環(huán)水的熱量Q由冷卻空氣帶走12/15=80%，噴霧水汽帶走3/15=20%，以此類推。在夏至（6月22日）前和白露（9月7日）后，我國北方許多地區(qū)空氣的絕熱飽和溫度通常低于17℃，因此這些地區(qū)均不需要啟動(dòng)蒸發(fā)濕冷裝置，即可將循環(huán)水溫度降到30℃。

根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，噴霧增濕等焓降溫的最大幅度通?？蛇_(dá)到當(dāng)日最大溫差的50%以上，如某地某日最低氣溫10℃，最高氣溫30℃（相對濕度≤26%），在氣溫30℃時(shí)段，噴霧增濕等焓降溫后的冷卻空氣溫度可降至20℃。該工藝干式空冷器噴霧增濕等焓降溫tΔ設(shè)計(jì)最大值為10℃，空氣在干式空冷器中的TΔ一般高于等焓增濕降溫tΔ5℃～14℃。在夏季通常絕熱飽和溫度≥17℃、氣溫≥25℃，才需啟動(dòng)蒸發(fā)濕冷器，這樣即使在氣溫較高的西安地區(qū)，全年需要運(yùn)行蒸發(fā)濕冷器的天（次）數(shù)也不會超過146 d（次）。

2.4 節(jié)水效果

以寧夏靈武地區(qū)從-25℃至38℃的氣溫分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果為依據(jù)，并以各溫度段的小時(shí)數(shù)，冷卻空氣相對濕度、流量、升溫及降溫、噴霧水量等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，寧夏某大型煤化工企業(yè)采用該設(shè)計(jì)，每年節(jié)省水資源100萬t（全年運(yùn)行8 000 h）；內(nèi)蒙古騰格里沙漠南側(cè)某企業(yè)煤化工生產(chǎn)線的45 000 t/h循環(huán)水系統(tǒng)采用該設(shè)計(jì)，每年也可節(jié)約水資源450萬t。

夏季北方部分地區(qū)也有氣溫在15℃～23℃，濕度80%甚至90%的個(gè)別時(shí)段，這些時(shí)段通常在夜間或下雨時(shí)，此時(shí)噴霧增濕降溫作用不大，可開啟蒸發(fā)濕冷器或加大風(fēng)機(jī)風(fēng)量，來保證低溫循環(huán)水溫度達(dá)到工藝指標(biāo)。

投資回收期：當(dāng)水資源價(jià)格4.7元/t、污水處理費(fèi) 8元 /t、電費(fèi) 0.3元 /（kWh），循環(huán)水藥劑費(fèi) 0.01元 /（t·h），用該工藝取代現(xiàn)行 45 000 t/h循環(huán)水規(guī)模的開式?jīng)鏊鋮s工藝，可在6 a～8 a收回投資。

3 工藝參數(shù)、用水機(jī)制與節(jié)水芻議

3.1 循環(huán)水溫差

大型煤化工項(xiàng)目循環(huán)水量及相關(guān)參數(shù)[8]見表1。由表1可知，我國大型煤化工項(xiàng)目循環(huán)水用量巨大[4]。以50萬t/a合成氨裝置為例，小時(shí)產(chǎn)氨62.5 t，而循環(huán)水量（含尿素合成）達(dá)6萬t/h～7萬t/h，動(dòng)力消耗也很大，設(shè)計(jì)中常用的循環(huán)水設(shè)計(jì)溫差為10℃，而運(yùn)行中多數(shù)情況循環(huán)水實(shí)際溫差＜10℃，噸循環(huán)水運(yùn)輸?shù)臒崃拷?jīng)常不足40 MJ，再加上公用工程必要的設(shè)計(jì)余量，其循環(huán)水系統(tǒng)的動(dòng)力消耗達(dá)到生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)力消耗的10%以上。若能將循環(huán)水設(shè)計(jì)溫差提高到20℃，則理論上循環(huán)水量可降低50%，其動(dòng)力消耗即使不考慮流體阻力與流量的關(guān)系，也可至少降低50%；循環(huán)水泵及動(dòng)力系統(tǒng)投資可降低30%左右。

表1 大型煤化工項(xiàng)目循環(huán)水量及相關(guān)參數(shù)

另外，若將循環(huán)水溫度設(shè)計(jì)從50℃降到30℃，溫差提高到20℃，在氣溫15℃時(shí)，循環(huán)水在干式空冷系統(tǒng)換熱管束中的理論對數(shù)平均溫差可由12.33℃提高到17.38℃，增加40.9%，相同的冷卻負(fù)荷，其干式空冷器的換熱面積、投資、占地均可降低相同比例。由于干式空冷裝置移出單位熱量的投資比普通煤化工的換熱器高50%以上，其占地達(dá)10倍以上，因此可以用干式空冷器減少的投資，去補(bǔ)償工藝換熱器增加的投資，且有盈余；若不降低干式空冷器的換熱面積、投資、占地，則可使噴霧等焓降溫的起始溫度由15℃提高到20℃，其節(jié)水量可進(jìn)一步提高到85%以上。

當(dāng)然，在采用該設(shè)計(jì)進(jìn)行循環(huán)水冷卻時(shí)，循環(huán)水溫差的選擇，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目工藝具體要求和氣象、水源、能源、投資、場地等條件仔細(xì)斟酌，以便為主體工藝安穩(wěn)長滿優(yōu)運(yùn)行提供最佳冷卻工程。

3.2 煤化工能源轉(zhuǎn)化效率

煤炭燃燒釋放的能源，理論上全部屬于化學(xué)有效能，受目前技術(shù)水平的限制，其轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品中只有40%～60%，平均50%左右，其余近50%被現(xiàn)行的工藝技術(shù)轉(zhuǎn)化為工藝過程的“廢熱”，并耗用大量水資源，才能排出系統(tǒng)。

降低煤化工水資源消耗最好的途徑是提高煤炭能源轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的效率。煤化工的能源轉(zhuǎn)化效率是以產(chǎn)品所需原料煤+燃料（動(dòng)力）煤的熱量為能源基數(shù)，計(jì)算進(jìn)入產(chǎn)品的熱量。若進(jìn)入產(chǎn)品的熱量為50%，則排入環(huán)境的“廢熱”即為50%；若進(jìn)入產(chǎn)品的熱量達(dá)到75%，則排入環(huán)境的“廢熱”減少為25%。為排出這25%“廢熱”所付出的代價(jià)就將減少為排出50%“廢熱”的一半，即包括生產(chǎn)線上的工藝換熱器在內(nèi)的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的投資、能耗、占地在內(nèi)的所有消耗，理論上均可減少50%。所以，提高能源轉(zhuǎn)化效率更是煤化工減少水資源消耗的重要途徑。

3.3 水資源管理機(jī)制

若沒有合理的水資源管理機(jī)制，則深度節(jié)水只有社會效益。對煤化工企業(yè)來說，增加成本，減少盈利，企業(yè)將沒有動(dòng)力采用深度節(jié)水新技術(shù)裝備；深度節(jié)水技術(shù)裝備將沒有市場需求，科技實(shí)體和技術(shù)開發(fā)人員更不可能長期深入研發(fā)深度節(jié)水新技術(shù)。因此在我國缺水的北方地區(qū)，需建立一種更合理的水資源管理機(jī)制[9]，使含地下水在內(nèi)的水資源成為與煤炭一樣的產(chǎn)品，以完全市場化的方式獲得，使水資源更好的成為煤化工企業(yè)不可或缺的利潤增長點(diǎn)。