循環(huán)水冷卻塔消霧節(jié)水試驗研究

繆 偉

(1.唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305;2.河北省純堿堿渣減量與資源化技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 唐山 063305)

我國是一個水資源相對貧乏的國家，水資源已成為制約經(jīng)濟發(fā)展的主要因素之一。在河北地區(qū)，隨著煤炭、鋼鐵、化工等企業(yè)規(guī)模的擴大，階梯水價的實施，導(dǎo)致工業(yè)用水成本急劇增加，大幅增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。企業(yè)用水構(gòu)成中，工業(yè)冷卻用水占到了80%以上，需水量極大。目前百萬噸級純堿企業(yè)冷卻塔年耗循環(huán)水量約十萬噸級，循環(huán)冷卻水主要消耗在冷卻塔運行過程中，循環(huán)水在塔內(nèi)部與冷空氣換熱后形成了飽和的濕熱空氣，濕熱空氣經(jīng)冷卻塔風(fēng)扇排出，造成循環(huán)水的飄滴、飄霧及蒸發(fā)損失。并且經(jīng)風(fēng)扇排出的濕熱空氣與外界冷空氣混合后冷卻、凝縮形成含有許多微小液滴的霧團，由于冷卻塔高度較低，霧團飄散、凝結(jié)還影響冷卻塔周圍環(huán)境。

本文研究了在冷卻塔內(nèi)架設(shè)高效蜂窩狀收水器、凝水除霧模塊，開展循環(huán)水冷卻塔消霧節(jié)水試驗，研究冷卻塔降低循環(huán)水消耗以及減少循環(huán)水冷卻塔飄霧(水)污染環(huán)境的技術(shù)。

1 研究方案

1.1 研究機理

1)通過更換高效蜂窩收水器，在不增加阻力的前提下有效捕集回收飄滴損失；

2)基于凝結(jié)換熱、導(dǎo)熱和對流傳熱傳質(zhì)的基本理論，設(shè)計高效換熱模塊，使冷卻塔循環(huán)水蒸發(fā)換熱后的水蒸汽，通過對流及導(dǎo)熱換熱后深度冷凝成膜，收集后循環(huán)使用，提高循環(huán)水的利用率；

3)基于干冷空氣稀釋濕熱空氣降低含濕飽和度的原理，將濕熱空氣與干冷空氣在經(jīng)過冷凝換熱后，在冷卻塔上部進行混合，使空氣溫度及含濕量明顯降低，消除了可見霧產(chǎn)生的條件，從而達(dá)到了消霧的目的。

1.2 換熱模塊設(shè)計

冷熱空氣間壁換熱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選擇方面需全方位考量。在結(jié)構(gòu)上需保證有足夠的強度及換熱面積；需保證裝置的材料親水性及導(dǎo)熱性能好，有足夠的換熱效率。基于以上兩點優(yōu)選碳素纖維作為凝水除霧模塊的主要材料，并采用蜂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)補強，外部用鍍鋅角鋼做框架加固，確保其有足夠的強度承受冷卻塔內(nèi)氣流作用。收水器選用目前高效的蜂窩狀收水器，確保收水效率。

2 冷卻塔改造方案設(shè)計

1)通過對擬改造冷卻塔上部混凝土墻開孔應(yīng)力、稱重等數(shù)據(jù)計算，對冷卻塔進行加固。

2)冷卻塔上部增加換熱模塊調(diào)節(jié)百葉窗，調(diào)節(jié)冷空氣進氣量以保證混合區(qū)內(nèi)干空氣與塔底上來的濕空氣能夠有效分混合。

3)冷卻塔下部增加進風(fēng)口調(diào)節(jié)百葉窗，確保底部進氣量的基礎(chǔ)上，使經(jīng)過換熱模塊的冷空氣最大化。兩處百葉窗均采用現(xiàn)場控制，可實現(xiàn)百葉窗葉片 0°、30°、45°、90°調(diào)整并預(yù)留信號輸出端子連接DCS系統(tǒng)進行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4)將冷卻塔原收水器更換為高效蜂窩狀收水器；收水器上方增加換熱模塊，使從上部調(diào)節(jié)百葉窗進入的冷空氣能夠與冷卻塔下方的濕熱空氣間壁式冷凝換熱，一方面冷凝濕熱空氣，另一方面將干冷空氣升溫用于在混合區(qū)進一步混合消霧；為進一步減小飄水，在模塊上方布置一層高效蜂窩狀收水器。

5)考慮受限于現(xiàn)用冷卻塔上部混合區(qū)空間高度不足會影響混合效果，換熱模塊中間區(qū)域增加調(diào)節(jié)翻板，在消霧模式下將翻板關(guān)閉，此時濕熱空氣能夠全部進入消霧模塊，降低含濕量；同時調(diào)節(jié)翻板能夠保證在風(fēng)機的高效區(qū)更多的風(fēng)量經(jīng)過冷通道，從而更好的消霧。見圖1。

圖1 換熱模塊示意圖

6)在目前冷卻塔工況下，風(fēng)機仍有較大余量，且不在風(fēng)機高效區(qū)域運行，因此可以適當(dāng)調(diào)整風(fēng)機角度提高總風(fēng)量，在消霧模式開啟時，能夠保證上部消霧模塊的冷風(fēng)量，提高消霧效果。實施原理如圖2。

圖2 消霧節(jié)水運行原理圖

3 冷卻塔的分季節(jié)操作

1)夏季最熱季節(jié)，將進風(fēng)口百葉窗裝置全部打開，上部冷凝模塊百葉窗關(guān)閉，保證夏季最熱季節(jié)最大風(fēng)量；

2)冬季最寒冷季節(jié)：為保證模塊的最大冷卻效能，同時保證冷卻塔降溫需求，將進風(fēng)口百葉窗裝置關(guān)閉，并根據(jù)降溫需求開啟上部百葉窗；

3)春秋季節(jié)，結(jié)合節(jié)水消霧需求請況，調(diào)節(jié)上部百葉窗的開啟程度。開啟的原則就是：在滿足降溫效果的前提下，達(dá)到最佳的節(jié)水消霧效果。

4 試驗效果

冷卻塔改造完成隨即投運調(diào)試并查定數(shù)據(jù)(11月至次年4月)，同時選取工況相同未改造冷卻塔進行數(shù)據(jù)對比。測試按中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《CECS118：2000冷卻塔驗收測試規(guī)程》要求進行。

逆流式機力通風(fēng)冷卻塔設(shè)計參數(shù)如下：

設(shè)計水量Q=3 000 m3/h

進出塔水溫差 Δt≥10 ℃

出塔水溫t2≤31.0 ℃

風(fēng)機直徑 8 534 mm

風(fēng)機設(shè)計風(fēng)量G=275×104m3/h

配備電機功率 160 kW

表1列出了冷卻塔運行穩(wěn)定后測試工況的運行參數(shù)，取一小時內(nèi)各次測試值的算術(shù)平均值作為測試工況參數(shù)。

表1 冷卻塔運行測試參數(shù)

模塊上部經(jīng)過換熱后的熱空氣溫度平均溫度為30.39 ℃，此時出塔曲線如圖3示(兩條線相交的部分代表羽霧的濃密程度)。

圖3 出塔空氣混合曲線

1)冷卻塔通過更換高效蜂窩狀收水器，冷卻塔飄滴損失較改造前有了明顯改善,有效的減少了冷卻塔的滴狀飄水，節(jié)水率為17.9%，對比未改造塔有了較大的改善，遠(yuǎn)低于國標(biāo)≤0.001%的規(guī)定。

2)通過架設(shè)凝水除霧模塊，對冷卻塔消霧節(jié)水存在一定的作用，但仍未能夠完全消除水霧。主要是因為在現(xiàn)有冷卻塔基礎(chǔ)上改造，受限于冷卻塔上部混合區(qū)高度限制，一方面導(dǎo)致經(jīng)過填料區(qū)換熱的濕熱空氣主要從中間布置的收水器通過，影響了消霧節(jié)水的效果；一方面空間受限導(dǎo)致冷熱空氣混合區(qū)時間較短，未充分混合即被風(fēng)機抽走，出塔空氣的濕度及溫度沒有降低到預(yù)期；另一方面空間受限導(dǎo)致上部百葉窗與風(fēng)機距離較近，阻力增大，上部百葉窗進風(fēng)量較少，不能滿足消霧需要的風(fēng)量。

為驗證改造后冷卻塔熱力性能，選取未改造冷卻塔進行數(shù)據(jù)比對，由于實際工況不同，進出水溫等參數(shù)不同，數(shù)據(jù)僅用于熱力性能評價，測試數(shù)據(jù)如表2。

表2 冷卻塔熱力性能數(shù)據(jù)

根據(jù)測試結(jié)果，按照冷卻塔水溫對比法，對冷卻塔進行熱力性能評價。將測試參數(shù)輸入到評價軟件中，經(jīng)計算，未改造塔熱力性能達(dá)到設(shè)計值76.6%，改造塔達(dá)到熱力性能值的79.9%，因此可以認(rèn)為改造塔相較于改造之前不會對冷卻塔的冷卻效果產(chǎn)生影響。