工業(yè)冷卻塔消霧節(jié)水新技術(shù)

蔡虹，吳加勝，呂尚策

（1.中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230041；2.湖南元亨科技股份有限公司，湖南 長沙 410000；3.中國人民解決軍92302部隊(duì)，遼寧 興城 125100）

工業(yè)冷卻塔消霧節(jié)水新技術(shù)

蔡虹1，吳加勝2，呂尚策3

（1.中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230041；2.湖南元亨科技股份有限公司，湖南 長沙 410000；3.中國人民解決軍92302部隊(duì)，遼寧 興城 125100）

工業(yè)用機(jī)械通風(fēng)冷卻塔運(yùn)行時(shí)羽霧擴(kuò)散直接影響了周圍區(qū)域的環(huán)境，針對(duì)冷卻塔羽霧形成機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種采用新型板式叉流氣氣換熱器冷卻塔。通過研究，冷卻塔采用新型板式叉流氣氣換熱器不僅可以有效實(shí)現(xiàn)消霧防治措施，而且在消霧過程中可以使得冷卻塔出口濕熱空氣中的水分部分凝結(jié)回塔體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)水目的。

冷卻塔；叉流氣氣換熱器；消霧；節(jié)水

目前工業(yè)冷卻塔的運(yùn)行對(duì)周圍環(huán)境造成的不良影響包括：（1）冷卻過程水耗非常大；（2）冷卻塔排出的濕熱空氣在低溫或高濕的環(huán)境中，水蒸氣會(huì)發(fā)生冷凝而形成白霧，白霧降低了能見度、含有溶解鹽或固體顆粒物、增加附近地區(qū)濕度、會(huì)造成霜或霧，從而對(duì)周圍環(huán)境造成不良影響。

近期，筆者參與了北方嚴(yán)寒、缺水地區(qū)的某特殊設(shè)備安裝工程，需對(duì)特種設(shè)備產(chǎn)生的熱水進(jìn)行冷卻，達(dá)8000m3/h，且設(shè)計(jì)冷卻塔的位置距機(jī)場跑道僅200米，為不影響飛機(jī)飛行，冷卻塔必須具有消霧功能，且需節(jié)水運(yùn)行。故此，通過研究對(duì)比國內(nèi)外目前的工業(yè)冷卻塔消霧節(jié)水技術(shù)，分析冷卻塔羽霧形成機(jī)理、組織技術(shù)攻關(guān)、進(jìn)行大量實(shí)體模型試驗(yàn)測試，將其國產(chǎn)化、形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)內(nèi)工業(yè)冷卻塔消霧節(jié)水技術(shù)零的突破。

1 冷卻塔羽霧形成機(jī)理

機(jī)械通風(fēng)冷卻塔在低溫季節(jié)運(yùn)行時(shí)，濕熱空氣排出塔外與冷空氣混合，由于冷卻和冷凝形成含有許多微小液粒群的霧團(tuán)而形成發(fā)生羽霧現(xiàn)象。此過程的空氣狀態(tài)可用濕空氣焓濕圖來表示，見圖1，可以看出，濕空氣經(jīng)過冷卻水的噴淋直接熱質(zhì)交換后，其狀態(tài)漸漸接近于飽和狀態(tài)，繼而出塔的近似飽和空氣與風(fēng)筒周圍的環(huán)境空氣直接接觸混合，混合比曲線落在焓濕圖飽和空氣曲線外側(cè)，陰影區(qū)域均為濕空氣的過飽和區(qū)域，水蒸氣不能穩(wěn)定存在，此時(shí)水蒸氣發(fā)生凝結(jié)，由于混合過程中部分水蒸氣凝結(jié)成小液滴懸浮在空氣，于是便形成了可見的羽霧。

2 冷卻塔消霧過程工作原理對(duì)比

2.1 傳統(tǒng)冷卻塔消霧的工作原理

圖1 冷卻塔羽霧形成

為了防止或減少冷卻塔白霧的產(chǎn)生，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案普遍為在原有濕式冷卻塔的基礎(chǔ)上出風(fēng)口部加入翅片管式換熱器，其結(jié)構(gòu)為干、濕兩段的串聯(lián)組合(圖2、3)。

干濕段串聯(lián)的冷卻塔工作過程焓濕圖如圖4所示。其工作原理為：由濕段換熱器（填料層）排出的接近飽和的濕熱空氣A在經(jīng)過翅片管式換熱器時(shí)被再次等濕加熱至I狀態(tài)點(diǎn)，然后再排出與環(huán)境空氣混合，由于I點(diǎn)的相對(duì)濕度較低，因此其與環(huán)境空氣O的混合過程線不與飽和空氣線相交，即無白霧現(xiàn)象。

2.2 新型冷卻塔消霧節(jié)水的工作原理

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。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)，其它參數(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)。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。

圖2 橫流式冷卻塔消白霧示意圖

圖3 逆流鼓風(fēng)式冷卻塔消白霧示意圖

圖4 干、濕串聯(lián)方法防白霧的焓濕圖

在傳統(tǒng)的逆流塔基礎(chǔ)上，增加出風(fēng)冷凝換熱區(qū)域，冷卻水進(jìn)水Tw_in由冷卻塔布水系統(tǒng)均勻噴淋至填料區(qū)域，與濕空氣在填料表面直接接觸熱質(zhì)交換冷卻后出水為Tw_out。環(huán)境空氣Ta_in進(jìn)入至塔內(nèi)經(jīng)過淋水填料區(qū)域后狀態(tài)點(diǎn)為Ta_out。經(jīng)過收水器后的塔內(nèi)的濕熱空氣Ta_out與環(huán)境干冷空氣Ta_ in通過板式叉流氣氣換熱器進(jìn)行熱交換，塔內(nèi)濕熱空氣Ta_out經(jīng)過板式叉流氣氣換熱器后狀態(tài)為Ta_ out2，環(huán)境環(huán)境干冷空氣Ta_in通過板式叉流氣氣換熱器后狀態(tài)為Ta_out1，兩者在熱交換模塊出口直接接觸進(jìn)行混合，狀態(tài)點(diǎn)為Ta_mix，從而實(shí)現(xiàn)塔體出口近似飽和空氣的冷凝水回收及消霧。

具體逆流冷卻塔消羽霧回收冷凝水方案焓濕圖處理過程由圖5所示，冷卻水進(jìn)水溫度為Tw_in，出水溫度Tw_out，進(jìn)塔空氣干濕球溫度Ta_in，出塔空氣近似為飽和濕空氣Ta_out。板式叉流氣氣換熱器的干通道（室外空氣通道）進(jìn)出口空氣狀態(tài)處理過程為Ta_in—>Ta_out2，該處理過程為等濕升溫過程；濕通道（塔內(nèi)填料出口空氣通道）進(jìn)出口空氣狀態(tài)處理過程為Ta_out—>Ta_out1，該處理過程為冷卻除濕過程。PVC冷凝區(qū)域出口即直接接觸混風(fēng)兼整流區(qū)域段，Ta_out1與Ta_out2直接混風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為Ta_mix，混合后被軸流風(fēng)機(jī)排出后，與環(huán)境空氣Ta_in直接接觸，Ta_mix與Ta_in兩點(diǎn)之間的直接連線表示出塔空氣與風(fēng)筒周圍的空氣混合比所在直線，可以看出，混合比曲線完全落在焓濕圖飽和空氣曲線內(nèi)側(cè)，羽霧現(xiàn)象消失。

3 新型消霧技術(shù)原理簡介

3.1 傳統(tǒng)翅片換熱管式冷卻塔消霧技術(shù)原理

冷卻塔濕熱空氣與被翅片加熱的干熱空氣，在出口混合區(qū)域內(nèi)混合被排出，實(shí)現(xiàn)消霧。在收水器上層的進(jìn)風(fēng)窗立面增設(shè)露點(diǎn)調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)風(fēng)筒出口羽霧的露點(diǎn)。在塔內(nèi)收水器的上面的氣室增設(shè)空氣混合導(dǎo)流裝置，提高露點(diǎn)調(diào)節(jié)裝置換熱后的干熱空氣與出填料的飽和濕熱空氣的混合效率，進(jìn)而提高除霧效果。優(yōu)化上塔進(jìn)水管路，上塔熱水既可以先通過露點(diǎn)調(diào)節(jié)裝置后再進(jìn)入主配水管，也可以直接進(jìn)入主配水管，進(jìn)水方式可根據(jù)不同季節(jié)工況通過閥門來進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)常規(guī)冷卻塔（濕塔）與消霧節(jié)水 冷卻塔（干、濕混合塔）的運(yùn)行。但消霧節(jié)水冷卻塔由于增設(shè)了露點(diǎn)調(diào)節(jié)裝置，在消霧節(jié)水狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，會(huì)增加整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)的阻力。

3.2 新型板式叉流氣氣換熱器冷卻塔消霧節(jié)水技術(shù)原理

塔內(nèi)的濕熱空氣與干冷空氣通過板式叉流氣氣換熱器進(jìn)行熱交換，從而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)水部分回收及消霧。叉流氣氣換熱器大大減低了出塔空氣的含濕量，回收冷凝水，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了冷卻塔排出干濕空氣的充分混流，取得較好的冷卻塔消霧效果。該冷卻塔運(yùn)行中除短期的嚴(yán)寒季節(jié)出口有輕微羽霧外，全年大多時(shí)間即使?jié)M負(fù)荷運(yùn)行，完全沒有白色羽霧排出。該冷卻單元技術(shù)綜合了系列通道和平行通道技術(shù)形式，是基于把濕段排出的濕氣把熱量傳遞給環(huán)境空氣。在消霧冷卻塔形式中，濕段排出的水蒸氣是通過干段的熱交換器來冷凝，導(dǎo)致離開熱交換器的的空氣在較低的溫度下飽和。從熱交換器一端過來的干熱空氣和通過另一端熱交換器冷卻濕段的空氣來除掉一部分水蒸氣相混合，降低了出塔空氣的相對(duì)濕度。因此達(dá)到消霧的目的。由于濕熱空氣與環(huán)境空氣經(jīng)過氣氣換熱器的熱交換，從而形成水滴，流入塔內(nèi)，循環(huán)再生了一部分水，冷凝水的純度比循環(huán)水高出很多，從而實(shí)現(xiàn)回收水的目的。

圖5 逆流冷卻塔消羽霧回收冷凝水方案焓濕圖處理過程示意圖

4 技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

4.1 塔體自身技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

塔體自身技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1

4.2 運(yùn)行可靠方面

盤管冷卻塔金屬翅片有時(shí)會(huì)遭到翅片內(nèi)部結(jié)垢和腐蝕。金屬翅片外部有時(shí)會(huì)有微粒堆積（如風(fēng)沙）或積聚纖維材料（如柳絮等）。由于冷卻塔內(nèi)有濕熱空氣或由于當(dāng)?shù)氐奶厥鈿夂蚩赡苁箚栴}惡化導(dǎo)致外來物質(zhì)聚集。而板式叉流氣氣換熱器由于間隙較大，且為通暢結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生臟堵及腐蝕問題。

4.3 新型板式叉流氣氣換熱器冷卻塔節(jié)水能力

消霧節(jié)水型工業(yè)冷卻塔全年運(yùn)行節(jié)水率評(píng)估見表2。

表2

5 結(jié)語

對(duì)冷卻塔采用板式叉流氣氣換熱器進(jìn)行消霧節(jié)水技術(shù)原理及工程應(yīng)用的可行性研究表明，該項(xiàng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)消除羽霧，同時(shí)可冷凝回收塔內(nèi)蒸發(fā)的部分水分，提高了循環(huán)冷卻水的使用率，有效節(jié)約了水資源，是目前工業(yè)冷卻項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)消霧與節(jié)水需求的新方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]盧洪發(fā)．日本防止冷卻塔發(fā)生羽煙的技術(shù)措施．東方電氣評(píng)論，1994,8(2)：117-122.

[2]王曉靜，馮璟，趙順安．機(jī)械通風(fēng)冷卻塔羽霧的形成機(jī)理及防治措施．電力建設(shè)， 2012,33(3)：52-55.

TU991.4

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1671-0711（2017）05（上）-0119-03