開式冷卻塔蒸發(fā)水汽回收技術(shù)應用

張海榮

關(guān)鍵詞：冷卻塔;蒸發(fā)水汽回收;節(jié)水

已有百年歷史的冷卻塔是人類二十世紀工業(yè)技術(shù)進步的產(chǎn)物，是現(xiàn)代化工工業(yè)的基礎(chǔ)，工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的熱量，大部分通過冷卻塔蒸發(fā)水汽帶入環(huán)境中。高能耗煤化工企業(yè)耗水指標普遍不低于5噸/噸標煤，其中開式循環(huán)水冷卻塔蒸發(fā)耗水指標占50%。這就不僅造成水資源浪費，影響工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，而且還造成安全環(huán)保問題，例如：冬季集中布置的冷卻塔周圍水霧大影響交通安全問題、蒸發(fā)水汽帶有泄漏的有機物易造成局部環(huán)境VOC超標、水蒸氣造成溫室效應等等。

為此，國家頒布“水法”，以法律形式規(guī)定，國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)劃以及城市總體規(guī)劃的編制、重大建設(shè)項目的布局，應當與當?shù)厮Y源條件要求相適應;在水資源不足的地區(qū)，應當對城市規(guī)模和建設(shè)耗水量大的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和服務業(yè)項目加以限制。2012年《國務院關(guān)于實行最嚴格水資源管理制度的意見》把水資源的利用總量和利用效率已經(jīng)放在發(fā)展各種產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)與核心位置，“十三五”規(guī)劃中明確提出煤化工行業(yè)的耗水指標，每噸標煤耗水不超過3噸。

我國資源分布相當不平衡，西北地區(qū)煤炭資源富有、雨水較少，水資源成為制約當?shù)毓I(yè)發(fā)展的主要瓶頸。以榆林為例，榆林地區(qū)煤炭儲量1400億噸以上，全國排名第二，但水資源匱乏，主要河流無定河年平均流量15億m3，占黃河流域年平均流量628億m3的2.4%，流域面積占黃河流域面積4.2%，該河徑流量比較貧乏，所以本地區(qū)水價昂貴，工業(yè)園區(qū)新鮮水價格高達11.3元/噸，榆林當?shù)啬彻狙h(huán)水冷卻塔每年蒸發(fā)損失水量約900萬噸，費用約 1億元人民幣，占全公司利潤的10%左右，與國內(nèi)同行業(yè)企業(yè)相比，水費在生產(chǎn)成本中的比例最高。因此，研究循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)水技術(shù)是非常必要的，既能保證煤化工企業(yè)耗水指標達到國家要求的先進值，節(jié)約水資源，有利于當?shù)匕l(fā)展重工業(yè)，也能降低企業(yè)生產(chǎn)成本，保證企業(yè)經(jīng)濟效益，同時，還能為環(huán)保做貢獻，實現(xiàn)綠色發(fā)展。

1 循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析

目前國內(nèi)外循環(huán)水系統(tǒng)的主要節(jié)水技術(shù)有：改變循環(huán)水系統(tǒng)補水水質(zhì)，增加緩蝕阻垢劑性能，提高循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)，降低排污水量。但這種技術(shù)節(jié)水有限，濃縮倍數(shù)達到6以上，再提高濃縮倍數(shù)腐蝕結(jié)垢風險較大，節(jié)水不明顯;循環(huán)水系統(tǒng)排水經(jīng)過零排放處理，產(chǎn)品水全部返回到新鮮水，這就實現(xiàn)了所謂循環(huán)水系統(tǒng)“零排污”，但是，這種技術(shù)水處理成本較高;“空冷+水冷”聯(lián)合冷卻閉式循環(huán)，充分利用當?shù)仫L資源，以除鹽水代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)水循環(huán)，以節(jié)水型聯(lián)合空冷器代替開式機械通風冷卻塔，除鹽水在系統(tǒng)中閉路循環(huán)，中間傳熱而本身不消耗，氣溫低時相當于空冷，工藝介質(zhì)的熱量全部由空氣帶走，環(huán)境氣溫高時，開啟噴淋水，部分熱量由空氣帶走，部分熱量由噴淋水蒸發(fā)帶走，因此大大減少蒸發(fā)損失水量，從而達到節(jié)水目的。此技術(shù)節(jié)水明顯，但投資大，是新上項目首選技術(shù)。

2 冷卻塔塔頂蒸發(fā)水汽回收技術(shù)原理

2.1 冷卻塔塔頂水汽特點

在冷卻塔內(nèi)實現(xiàn)冷卻循環(huán)水的降溫是通過水由液相轉(zhuǎn)化為氣相吸收大量的汽化熱來實現(xiàn)的。要想實現(xiàn)蒸發(fā)水汽的回收就要通過帶走水由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合喾懦龅钠療醽韺崿F(xiàn)。這是一個與冷卻塔工作相逆的一個熱交換過程。無論我們采用何種水汽回收方式，如果不能將氣相轉(zhuǎn)化為液相的汽化熱帶走，即使能回收部分水，回收的也是冷卻塔風吹損失而不是蒸發(fā)水耗。在冷卻塔正常運行過程中，從冷卻塔塔底四周抽進的塔外空氣和冷卻回水在填料層通過接觸進行熱量的交換。進塔前的空氣中的水蒸氣的含量很少，冷卻塔在運行過程中，水蒸氣的分壓力達到了當時溫度所對應的飽和壓力，這時進入冷卻塔的空氣經(jīng)過氣液兩相熱交換形成的飽和濕空氣流在塔內(nèi)上升，在上升過程中逐漸與外界冷空氣接觸，氣流溫度逐漸下降，并呈過飽和狀態(tài)，部分蒸發(fā)水汽形成液滴，在上升過程中小液滴碰撞凝結(jié)形成較大的水滴，當濕空氣溫度接近大氣溫度時，蒸汽凝結(jié)達到最大并會在塔頂形成我們看到的霧氣團。

2.2 冷卻塔塔頂蒸發(fā)水汽回收技術(shù)原理

冷卻塔塔頂蒸發(fā)水汽回收裝置技術(shù)原理就是利用環(huán)境大氣與冷卻塔塔頂飽和蒸汽的溫差，使飽和氣流在裝置內(nèi)經(jīng)過與外界環(huán)境冷空氣進行熱交換而使蒸發(fā)水汽冷凝，實現(xiàn)蒸發(fā)水汽的回收。開式冷卻塔蒸發(fā)水汽回收技術(shù)工作原理是采用冷風、熱管冷凝體、超親水材料聚結(jié)等新技術(shù)，利用環(huán)境冷風對冷卻塔收水器上部飽和濕空氣降溫凝結(jié)，實現(xiàn)部分凝結(jié)水回收。此技術(shù)主要過程如下：冷凝模塊置于冷卻塔塔頂上部，飽和水汽經(jīng)過冷凝模塊，在具有特殊結(jié)構(gòu)的冷凝模塊中利用環(huán)境空氣與飽和濕空氣的溫差，以環(huán)境大氣為冷源對飽和蒸汽進行降溫凝結(jié)，通過熱導新材料導熱高效性在環(huán)境冷風和高溫飽和濕空氣之間快速、高效地傳遞熱量，使飽和濕空氣始終保持過飽和狀態(tài)，從而在冷凝模塊中實現(xiàn)飽和蒸汽的凝結(jié)。

2.3 涉及理論公式

3 開式冷卻塔塔頂水汽回收裝置實際應用情況

冷卻塔塔頂水汽回收裝置以環(huán)境冷風為冷源，11月至次年3月份環(huán)境氣溫較低時，回收水量超過蒸發(fā)水量的20%;出塔水蒸氣溫度和環(huán)境溫度的溫度差是回收率大小的最重要因素，冷卻塔的回水溫度越高，環(huán)境溫度越低，水回收效果越好。因此，該技術(shù)在高溫塔和我國西北部寒冷地區(qū)有更良好的經(jīng)濟可行性和適應性。

當環(huán)境氣溫較高時，通過增加冷卻風量來提高蒸發(fā)水的回收率，理論計算也能回收20%，但是電耗大，不經(jīng)濟。

在原有冷卻塔基礎(chǔ)上增加水汽回收裝置，同等條件下，降低原風量、提高了出塔水溫。在水溫要求苛刻的條件下或個別用戶，比如夏季，此水汽回收裝置就不能投運，確保循環(huán)水供水水溫。

冷卻塔水汽回收裝置中冷凝模塊一直是技術(shù)發(fā)展的核心。其涉及到冷風量、換熱面積、換熱系數(shù)等影響因素。冷凝模塊不但關(guān)系到熱交換的效率還與水收集與導出能力有關(guān)，其結(jié)構(gòu)涉及到風阻和與水的收集。冷凝模塊的結(jié)構(gòu)由直板式發(fā)展到S折板式，換熱材質(zhì)由玻璃鋼、PVC到鋁箔金屬，都大大提高了冷凝模塊的換熱系數(shù)，增大了換熱面積。不但降低了熱側(cè)水蒸汽出塔風阻，還減少了冷側(cè)通風風阻，提高了冷風量。

冷卻塔塔頂水汽回收裝置回收水屬于低溫蒸發(fā)冷凝水，水質(zhì)達到軟化水指標，回收價值較高。

冷卻塔塔頂水汽回收裝置存在主要問題：系統(tǒng)密封性差、輸水效果差，冷凝下來的水到處跑冒滴漏，特別是冬季，節(jié)水效果明顯，但是冷凝水泄漏結(jié)冰嚴重，影響裝置安全生產(chǎn)，建議最好在建設(shè)冷卻塔是就考慮，將冷凝模塊布置在冷卻塔內(nèi)收水器至風機之間。