大型循環水系統節水方案的對比分析

楊麗娜 范一丁

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075）

我國是全球人均水資源最貧乏的國家之一，尤其是西北地區氣候干旱、缺水嚴重，而同時我國西北部煤炭資源豐富，能源化工基地迅速增長，水資源已經成為制約煤化工發展的瓶頸[1]。2013 年起，陜西省實行最嚴格的水資源管理制度納入官員考核體系，明確“三條紅線”來約束水資源的開發和利用。一面是水資源接近極限，另一面是蓄勢待發的大規模能源工業，工業冷卻水的循環使用是能源化工企業節水的重要措施。同時，循環冷卻水系統的補充水又是能源化工企業用水需求的最大環節之一，其用水量占總用水量的60%以上[2]。因此，突破瓶頸，節水減排設計顯得尤為重要。

該文從設計理念、以陜西北部某地為例，在確定規模前提下，從初期投資、新鮮水消耗等方面對傳統開式循環冷卻水系統、消霧節水型循環水系統和密閉式循環冷卻水系統進行比較，并闡述消霧節水型循環水系統的應用前景。

1 設計參數

系統規模30 000 m3/h，循環給水溫度32℃，循環回水42℃，給水壓力≥0.45 MPa（裝置界區），回水壓力≥0.25 MPa（裝置界區）。

2 氣象參數

近期不少于五年的夏季超過5 d日均干球溫度：θ=28.5℃，濕球溫度：τ=22.0 ℃，多年平均氣壓682.5 mmHg。

3 系統的工作原理、工藝流程

3.1 傳統開式循環冷卻水系統

傳統開式循環水系統的應用很廣且技術非常成熟。適用于大中小各種類型循環冷卻水系統。

傳統開式循環水系統的工作原理：循環冷卻水在塔內噴淋，通過塔頂風機的強制通風，使之在填料區域內與空氣直接接觸，實現蒸發與對流傳熱，把循環水所攜帶的熱量以顯熱和潛熱的形式散發到大氣中去，從而實現降溫的過程。

傳統開式循環水系統一般由冷換設備、冷卻塔、集水池、循環水泵、循環水處理裝置（加藥、過濾等）、監測換熱器等組成。

主要設備及構筑物如下。1）傳統開式冷卻塔：處理水量5 000 m3/h，共6 臺。2）循環水泵：Q=10 800 m3/h，H=55 m ，共4 臺。3）塔下水池：122.4 m×24 m×2.5 m（h） ，共1 座。4）吸水池： 38 m×12 m×8.0 m（h），共1 座。5）旁濾器：Q=200 m3/h ，共8 臺。6）循環水處理裝置（加酸、加藥等）：共1 套。

傳統開式循環水系統的工藝流程如圖1 所示。

3.2 消霧節水型循環冷卻水系統

近幾年，消霧節水型循環水系統在西北地區應用較多。該系統的工藝流程與傳統開式循環水系統基本相同，區別在于冷卻塔采用消霧節水型冷卻塔（即在傳統開式冷卻塔頂端增加冷凝裝置）。

消霧節水型循環水系統的工作原理：循環冷卻水在塔內噴淋，通過塔頂風機的強制通風，濕熱空氣與干冷空氣，在經過冷凝換熱后，在裝置上部進行了混合，使的空氣溫度及含濕量明顯降低，達到了消霧的目的。

裝置一側為濕熱空氣，進入冷凝裝置后，首先濕熱空氣與換熱板另側的干冷空氣進行對流傳熱，此時濕熱空氣溫度降低，使水蒸汽從濕空氣中凝結析出，附著于換熱板上，集結到一定程度滴落到集水池中，從而達到節水的目的。

圖1 傳統開式循環水系統流程圖

消霧節水型循環水系統一般由冷換設備、消霧節水型冷卻塔、集水池、循環水泵、循環水處理裝置（加藥、過濾等）、監測換熱器等組成。

主要設備及構筑物如下。1）消霧節水型冷卻塔：處理水量5 000 m3/h，共6 臺。2）循環水泵：Q=10 800 m3/h，H=55 m ，共4 臺。3）塔下水池：122.4 m×24 m×2.5 m（h） ，共1 座。4）吸水池： 38 m×12 m×8.0 m（h），共1 座。5）旁濾器：Q=200 m3/h ，共8 臺。6）循環水處理裝置（加酸、加藥等）：共1 套。消霧節水型循環水系統的工藝流程如圖1 所示。

3.3 密閉式（噴淋式）循環水系統

由于水耗控制嚴格，近年來中小型冷卻塔開始陸續使用密閉式循環水系統，受單塔處理水量、占地面積及初期投資影響，在大型的循環水系統中應用較少。

密閉式循環水系統的工作原理：密閉式循環水系統是以水和空氣為冷卻介質，利用循環冷卻水的蒸發潛熱和含水蒸汽的空氣帶走被冷卻介質中的熱量。循環冷卻水由水泵送至冷卻盤管部件上部的噴淋水管中，經噴嘴均勻地噴淋在冷卻盤管的外表面，形成一層很薄的水膜。在冬季的時候由于環境溫度比較低，為了降低水的消耗并為了設備長時間的運行，可以把部分或全部噴淋水停下來，靠空氣的溫升來進行換熱，進行全部或部分的干運行，既能滿足工藝要求，又能做到節水的效果。

密閉式（噴淋式）循環水系統一般由冷換設備、空冷塔、集水設施、循環水泵、定壓補水裝置、循環水處理裝置（加藥、過濾等僅對外循環噴淋水使用）等組成。

主要設備及構筑物。1）密閉式冷卻塔：處理水量700 m3/h，共43 臺。2）噴淋水泵：Q=5 500 m3/h，H=35m ，共5 臺。3）噴淋水池：45 m×11 m×2.5 m（h） ，共1 座。4）定壓補水裝置：共1 套。5）旁濾器：Q=200 m3/h ，共5 臺。6）循環水處理裝置（加酸、加藥等）：共1 套。工藝流程如圖2 所示。

圖2 密閉式（噴淋式）循環水系統流程圖

4 對比分析

從初期投資、占地面積、補充水量、應用前景等方面綜合比較。

傳統開式循環水系統初期投資約為6 000 萬元，循環水場占地面積為140 m×80 m，補充水量560 m3/h，排污水量85 m3/h。該系統初期投資最少，但水量蒸發大，小氣候現象嚴重。影響周邊交通的可見度；冷卻塔周圍地面濕滑，給工作人員的正常巡檢、檢修帶來一定的安全隱患。技術成熟、適用于各種工況的循環水系統。

消霧節水型循環水系統初期投資約為9 000 萬元，循環水場占地面積為140m×80m，補充水量480 m3/h，排污水量65 m3/h。該系統避免了傳統的開式循環水系統的上述問題，補充水量比傳統開式循環水系統節約15%，排污水量減少23%。但投資略高，塔體高度約為25 m，土建施工成本較高。目前，已有多個大型循環水系統的成功應用案例。

密閉式循環水系統初期投資約為15 000 萬元，循環水場占地面積為210 m×60 m，補充水量255 m3h，排污水量40 m3/h。該系統節水方面較可觀，但初期投資偏高，需要設置噴淋水回收裝置，類似小的傳統開式循環水系統，比較復雜；翅片表面容易結垢，嚴重影響換熱器的使用壽命，清洗難度較大；占地面積大，設備多，不容易管理；受周圍環境溫度影響大，夏季給水溫度偏高。適用于中小型循環水系統。

5 結論

目前，密閉式循環水系統單臺塔最大處理水量較小，對于30 000 m3/h 這種大型循環冷卻水系統來說，占地面積大、冷卻塔臺數多、初期投資大及檢修困難等，閉式循環水系統顯然不是最好的選擇。

而消霧節水型循環冷卻水系統與傳統開式循環水系統相比，單塔處理水量基本相同，節約補充水、減少排污量、降低了工廠周圍的煙霧、改變了周邊的生產、生活環境，初期投資比傳統開式循環水系統稍高，但相對于產生的社會效益及節水產生的經濟效益利大于弊。在西北缺水嚴重地區且有眾多大型工業的園區中，消霧節水型循環水系統的實施將是大勢所趨。