循環(huán)水系統(tǒng)環(huán)保節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

唐志軍

（唐山三友氯堿有限責(zé)任公司，河北 唐山 063305）

探索一條節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保的技術(shù)路線(xiàn)是各工業(yè)企業(yè)追求的方向，該文從循環(huán)水系統(tǒng)各單元進(jìn)行環(huán)保節(jié)能分析，為企業(yè)降耗增效提供技術(shù)支持。

1 循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程（見(jiàn)圖1）

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程

2 涼水塔環(huán)保節(jié)能技術(shù)

涼水塔是循環(huán)水系統(tǒng)主要的換熱單元，在換熱過(guò)程中，主要有3種換熱方式，即蒸發(fā)潛熱、接觸傳熱和輻射散熱，在換熱過(guò)程中又存在著4種水量損失，即蒸發(fā)損失、飄散損失、泄漏損失和排污損失，其中，泄漏可以通過(guò)設(shè)備管道檢修加強(qiáng)控制，排污水可以回用于工業(yè)生產(chǎn)得到有效利用；對(duì)于老式抽風(fēng)式?jīng)鏊?，蒸發(fā)損失和飄散損失就需要新的技術(shù)改造完成。

2.1 高效收水器技術(shù)

飄散損失主要是由于抽風(fēng)式?jīng)鏊陲L(fēng)機(jī)作用下，細(xì)小霧滴隨風(fēng)逸出而產(chǎn)生的，是液態(tài)的小水滴。據(jù)統(tǒng)計(jì)，飄散損失占循環(huán)水總量的1‰～5‰，一般取3‰作為計(jì)算系數(shù)，對(duì)于循環(huán)量20 000 m3/h的循環(huán)水系統(tǒng)而言，水費(fèi)按6．5元/t計(jì)算，年飄散損失費(fèi)用約300萬(wàn)元，因此，降低涼水塔飄散損失，效益非?？捎^。

唐山三友氯堿公司對(duì)循環(huán)水站4臺(tái)涼水塔進(jìn)行收水器改造，使用由美國(guó)益美特公司生產(chǎn)的高效收水器，該高效收水器采用嵌套孔窩式立體三折向設(shè)計(jì)，其入風(fēng)角度和出風(fēng)角度的設(shè)計(jì)均按照實(shí)際氣流方向而設(shè)計(jì)的，保證了冷卻塔空氣流場(chǎng)的均勻性，因此通風(fēng)阻力極小。收水器是PVC片材經(jīng)熱塑成型，具有收水效率高、氣流阻力小、強(qiáng)度高、不變形等特點(diǎn)。運(yùn)行6個(gè)月，漂水率降低至≤0.000 5%，效果良好。

2.2 節(jié)水消霧冷卻塔技術(shù)

蒸發(fā)損失是涼水塔在換熱過(guò)程中，利用相變制冷原理，循環(huán)水氣化產(chǎn)生水蒸氣，帶走系統(tǒng)熱量從而達(dá)到降溫的目的。這部分損失在敞開(kāi)式?jīng)鏊惺遣豢杀苊獾模渌繐p失也是非常巨大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，換熱溫差為10℃時(shí)，蒸發(fā)損失占系統(tǒng)循環(huán)水量的1.5%，對(duì)于循環(huán)量20 000 m3/h的循環(huán)水系統(tǒng)而言，年蒸發(fā)損失費(fèi)用約為1 500萬(wàn)元。另外，氣化產(chǎn)生的水蒸氣，在涼水塔頂部產(chǎn)生可見(jiàn)羽霧，目前已成為環(huán)保關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，消除白色羽霧既有經(jīng)濟(jì)效益也有環(huán)保效益。

2.2.1 翅片式節(jié)水消霧技術(shù)

江蘇海鷗獨(dú)立開(kāi)發(fā)翅片式節(jié)水消霧技術(shù)，冷卻塔濕熱空氣與被翅片加熱的干熱空氣，在出口氣室內(nèi)地混合排出，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(guò)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(guò)閥門(mén)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)常規(guī)冷卻塔與消霧節(jié)水冷卻塔的切換運(yùn)行。

2.2.2 模塊式節(jié)水消霧技術(shù)

山東藍(lán)想自主研發(fā)的節(jié)水消霧模塊技術(shù)，是塔內(nèi)的濕熱空氣與干冷空氣進(jìn)行間壁熱交換，從而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)水回收及消霧。冷卻單元采用列向通道和橫向通道綜合技術(shù)，將濕段排出的濕氣熱量傳遞給環(huán)境空氣。在消霧冷卻塔中，濕段排出的水蒸氣通過(guò)干段的熱交換器冷凝，離開(kāi)熱交換器的空氣在較低的溫度下飽和。干熱空氣冷卻飽和熱蒸汽除掉一部分水蒸氣，降低了出塔空氣的相對(duì)濕度，達(dá)到消霧的目的。濕熱空氣與環(huán)境空氣經(jīng)過(guò)冷凝箱的熱交換，形成水滴流入塔內(nèi)，循環(huán)再生了一部分水，冷凝水相當(dāng)于純水，回用不僅減少補(bǔ)水量還可以降低循環(huán)水濃縮倍數(shù)。

2.3 空冷塔技術(shù)

新式閉路空冷節(jié)能系統(tǒng)分為自然和機(jī)械通風(fēng)兩種，自然通風(fēng)系統(tǒng)占地面積和自身體積大，一般采用機(jī)械通風(fēng)形式。在閉式機(jī)械通風(fēng)空冷系統(tǒng)中，經(jīng)用戶(hù)換熱后的循環(huán)水進(jìn)入空冷散熱器，并將攜帶的熱量傳遞至散熱器的表面，通過(guò)與環(huán)境空氣的間壁式對(duì)流傳熱直接傳遞給環(huán)境空氣。環(huán)境中的冷空氣被軸流風(fēng)機(jī)加壓后吹向空冷散熱器，吸收了熱量的冷空氣變成熱空氣后經(jīng)散熱器散發(fā)到大氣環(huán)境中。閉式機(jī)械通風(fēng)空冷系統(tǒng)的原理是直接用空氣冷卻管內(nèi)循環(huán)水，較濕式冷卻系統(tǒng)節(jié)水約90%以上。

循環(huán)水空冷塔技術(shù)較為先進(jìn)，目前成熟的制造廠家不多，行業(yè)內(nèi)成功案例較少。

3 供給水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

3.1 永磁電機(jī)節(jié)能技術(shù)

永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場(chǎng)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)“拖著”轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)（轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)動(dòng)，因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速等于同步速，也叫做同步電機(jī)。由于不需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功電流，轉(zhuǎn)子上既無(wú)銅耗又無(wú)鐵耗，所以同步電機(jī)在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)能保持接近于1的功率因數(shù)，機(jī)器效率比同容量的異步電動(dòng)機(jī)提高8%左右，永磁電機(jī)的功率密度比同容量的異步電動(dòng)機(jī)提高25%左右。異步電機(jī)起動(dòng)時(shí)，電流是額定電流的六七倍，對(duì)電動(dòng)機(jī)壽命不利，為了達(dá)到需要的扭矩，甚至還有加大電機(jī)型號(hào)，而電機(jī)運(yùn)行時(shí)處于低負(fù)荷工作，效率降低。而永磁電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電流是逐漸增加的，不會(huì)超過(guò)額定電流，扭矩也能達(dá)到額定扭矩，沒(méi)有電流沖擊，延長(zhǎng)了使用壽命，電機(jī)處于合理的負(fù)荷工作。

唐山三友氯堿對(duì)兩臺(tái)循環(huán)水泵電機(jī)進(jìn)行了永磁電機(jī)改造升級(jí)，運(yùn)行8個(gè)月，節(jié)電效果顯著。

3.2 永磁聯(lián)軸器節(jié)能技術(shù)

永磁聯(lián)軸器一般由磁體轉(zhuǎn)子、導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3部分組成，兩轉(zhuǎn)子直接暴露在空氣中冷卻，磁體轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)使軸向耦合面積可調(diào)，當(dāng)主動(dòng)機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，相對(duì)于安裝在從動(dòng)端的永磁體作切割磁力線(xiàn)的圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，使主動(dòng)端的導(dǎo)體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生渦電流感應(yīng)磁場(chǎng)，與從動(dòng)端的永磁體磁場(chǎng)相互作用，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)端與從動(dòng)端之間的無(wú)接觸的轉(zhuǎn)矩傳遞。主動(dòng)轉(zhuǎn)子與從動(dòng)轉(zhuǎn)子的耦合面積越大，切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩就大，負(fù)載的轉(zhuǎn)速也越高，實(shí)際輸出功率就大；反之，主動(dòng)轉(zhuǎn)子與從動(dòng)轉(zhuǎn)子的耦合面積越小，切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)越弱，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩就小，負(fù)載的轉(zhuǎn)速也低，實(shí)際輸出功率就小。實(shí)際使用中根據(jù)負(fù)載的大小調(diào)節(jié)耦合面積，最終達(dá)到調(diào)速節(jié)能目的，同時(shí)也能達(dá)到負(fù)載端輸出轉(zhuǎn)速為零，產(chǎn)生的渦流為零，實(shí)現(xiàn)真正的離合功能。

唐山三友氯堿公司現(xiàn)對(duì)7臺(tái)循環(huán)水泵中1臺(tái)進(jìn)行了永磁聯(lián)軸器改造實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行6個(gè)月，節(jié)能效果明顯。

3.3 高效節(jié)能泵節(jié)能技術(shù)

對(duì)循環(huán)水泵運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集，按實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，消除因泵體老化以及原設(shè)計(jì)不合理等因素導(dǎo)致的水泵效率下降，將各項(xiàng)參數(shù)輸入數(shù)學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算實(shí)際工況管路特性曲線(xiàn)，重新設(shè)計(jì)與管路特性曲線(xiàn)相匹配的高效節(jié)能泵，使用量身定制的高效節(jié)能泵替換低效運(yùn)行的水泵，消除無(wú)效能耗，提高運(yùn)行效率，達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

高效節(jié)能泵采用三元理論對(duì)水力模型及流道進(jìn)行變分有限元三元流動(dòng)分析，水力部件全部采用精密鑄造，提高表面質(zhì)量和型線(xiàn)尺寸精度，中、大型葉輪采用焊接工藝，其中葉片為模鍛或數(shù)控加工，過(guò)流部件表面噴涂特殊涂料提高表面光潔度。

唐山三友氯堿已完成1臺(tái)高效節(jié)能泵改造，在生產(chǎn)工況不變的前提下，單泵千噸水耗電量由改造前 166．36 kW·h，降低到改造后 139．57 kW·h，節(jié)電明顯。

4 水質(zhì)控制環(huán)保節(jié)能新技術(shù)

循環(huán)冷卻水在運(yùn)行過(guò)程中，水垢的沉積、腐蝕的加劇、菌藻的滋生，如不進(jìn)行有效治理，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)則很難正常運(yùn)行[2]。傳統(tǒng)的水處理措施為投加緩釋阻垢劑、殺菌滅藻劑、氯氣，然而，大部分的阻垢藥劑為有機(jī)類(lèi)或含磷類(lèi)的藥劑，有機(jī)類(lèi)阻垢劑是微生物的營(yíng)養(yǎng)源，促進(jìn)微生物的繁殖。含磷類(lèi)的阻垢劑易分解與鈣離子形成的磷酸鈣鹽，比碳酸鈣更難溶。氧化性的殺菌劑濃度過(guò)高易導(dǎo)致設(shè)備的腐蝕問(wèn)題。非氧化性的殺菌劑長(zhǎng)時(shí)間使用后易產(chǎn)生抗藥性，產(chǎn)生失效的問(wèn)題，并且都有一定的毒性，對(duì)水體產(chǎn)生二次污染，不利于環(huán)境[3]。因此必須有效控制循環(huán)水水質(zhì)，提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)，以達(dá)到節(jié)水、環(huán)保雙贏。

4.1 電化學(xué)水處理技術(shù)

電化學(xué)水處理技術(shù)是利用水及水中礦物質(zhì)的電化學(xué)特性，通過(guò)電解來(lái)調(diào)節(jié)水中礦物質(zhì)的平衡，而實(shí)現(xiàn)阻垢、殺菌滅藻的目的，是一種清潔的循環(huán)冷卻水處理技術(shù)。其原理為陰極產(chǎn)生強(qiáng)堿性環(huán)境（pH≥9．5），會(huì)變?yōu)楹完帢O電吸附的Ca2+進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，變成CaCO3沉淀，通過(guò)刮垢裝置清除出水環(huán)境，降低循環(huán)水鈣離子和堿度水平，從而達(dá)到軟化水質(zhì)的目的。刮垢一般1次/h，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定。陽(yáng)極產(chǎn)生強(qiáng)的酸性環(huán)境（pH＜4），同時(shí)產(chǎn)生大量的羥基自由基、雙氧水、臭氧等強(qiáng)氧化性物質(zhì)，微生物對(duì)多種突然的環(huán)境變化很敏感，在強(qiáng)烈的酸堿性、強(qiáng)氧化性、直流電流環(huán)境下直接被殺死，不存在對(duì)藥劑的耐藥性。

4.2 亞音頻波水處理技術(shù)

亞音頻波阻垢是當(dāng)阻垢系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，亞音頻波發(fā)生器產(chǎn)生的亞音頻波傳送給能量增進(jìn)器，當(dāng)水流經(jīng)能量增進(jìn)器時(shí)，水分子的氫鍵會(huì)得到極大的增強(qiáng)，從而水中溶解的Ca2+、Mg2+和的能力會(huì)不斷地增強(qiáng)，即使當(dāng)水溫升高時(shí)也不會(huì)以CaCO3、MgCO3的硬垢形式析出，從而達(dá)到阻止硬垢的目的。并且，當(dāng)能量增進(jìn)器向水中增進(jìn)的能量達(dá)到一定程度時(shí)，CaCO3的結(jié)晶形式發(fā)生改變，形成一種松軟的水垢（文石），可以被水流沖走，在冷凝器管壁上不生成硬垢。亞音頻波防腐是當(dāng)亞音頻波發(fā)生器產(chǎn)生的亞音頻波傳送給能量增進(jìn)器時(shí)，水中的能量增強(qiáng)，水中的氧原子在獲得一定能量的情況下，和冷卻水系統(tǒng)的鋼材或銅材氧化，以黑色的磁鐵層（Fe3O4）或紅色的氧化亞銅（Cu2O）的形式存在。這些Fe3O4和Cu2O氧化物都比較穩(wěn)定，可以有效控制設(shè)備的進(jìn)一步腐蝕。亞音頻波殺菌滅藻是殺菌滅藻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，殺菌滅藻發(fā)生器傳遞給處理器準(zhǔn)確的殺菌滅藻信號(hào)，殺菌滅藻處理器會(huì)向冷卻水系統(tǒng)中釋放一定量的納米金屬離子，通過(guò)將水中的氧化還原電位控制在一定的水平，來(lái)殺滅冷卻水系統(tǒng)的細(xì)菌和抑制藻類(lèi)的生長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

采用循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保新技術(shù)，可以解決常規(guī)循環(huán)水系統(tǒng)普遍存在的能耗高和效率低的技術(shù)難題，通過(guò)比選以及合理匹配新技術(shù)，進(jìn)行改造升級(jí)，從而達(dá)到真正的循環(huán)水系統(tǒng)環(huán)保節(jié)能效果。