L型干濕聯(lián)合冷卻技術(shù)在PE調(diào)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用

張朋，江瀚，汪建平，王穎華(江蘇雙良冷卻系統(tǒng)有限公司，江蘇 無錫 214400)

0 引言

開式冷卻塔因具有投資省等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石化、化工、煤化工、電力等領(lǐng)域。然而開式冷卻塔在運(yùn)行過程中排放大量的水蒸氣，這會帶來以下幾個問題：第一，浪費(fèi)大量的水資源，與國家一貫要求的節(jié)水產(chǎn)業(yè)政策不相符，同時也嚴(yán)重制約了相關(guān)行業(yè)的用水指標(biāo)；第二，在冬季，排放的飽和濕空氣在冷卻塔出口遇到外界的冷空氣會在形成白霧，霧氣和霾結(jié)合在一起，加劇了霧霾的生成，給氣候、環(huán)境、健康、經(jīng)濟(jì)等方面造成顯著的負(fù)面影響；第三，在冬季，霧滴降落到地面和裝置上會結(jié)冰，給人員安全和裝置安全造成威脅；第四，形成的白霧也會影響企業(yè)形象并給人造成視覺污染。

隨著人們對環(huán)境保護(hù)與水資源的合理利用的意識越來越強(qiáng)，國家頒布了《國家節(jié)水行動方案》[1]與《節(jié)約用水條例》[2]，兩個文件中明確提出，要大力推進(jìn)工業(yè)等多個領(lǐng)域節(jié)水，深入推動缺水地區(qū)節(jié)水，提高水資源利用效率，同時鼓勵使用節(jié)水技術(shù)并將淘汰耗水量高的用水技術(shù)。

開式冷卻塔屬于耗水量高的冷卻技術(shù)，與國家提出的節(jié)水政策相違背，可以預(yù)見，這種冷卻技術(shù)將會被取代。為解決開式冷卻塔存在的問題，節(jié)水消霧型冷卻技術(shù)有了廣泛的應(yīng)用，目前主流的技術(shù)包括L型干濕聯(lián)合節(jié)水消霧型冷卻技術(shù)、冷凝模塊節(jié)水消霧型冷卻技術(shù)。其中L型干濕聯(lián)合冷卻塔，作為雙良的專利產(chǎn)品[3]，相比傳統(tǒng)開式冷卻塔，具有節(jié)水率高、循環(huán)水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在多個領(lǐng)域，然而在PE調(diào)溫系統(tǒng)中應(yīng)用較少。本文從技術(shù)和投資能耗方面論述了L型干濕聯(lián)合冷卻塔在PE調(diào)溫系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。

1 項目簡介

寧夏寧東某PE項目設(shè)計年產(chǎn)量為220萬t，其中樹脂的生成過程為：催化劑和純化的反應(yīng)物(乙烯、丁烯-1或己烯-1，和氫)被連續(xù)地送入反應(yīng)器，然后在標(biāo)稱壓力為2.41 MPa和標(biāo)稱溫度為80～115 ℃的條件下發(fā)生物聚合反應(yīng)生成樹脂。聚合反應(yīng)能釋放出大量的熱量，反應(yīng)器的生產(chǎn)速率跟床層的散熱速率是成比例的。為了維持穩(wěn)定的反應(yīng)器溫度，反應(yīng)器聚合熱被轉(zhuǎn)移到循環(huán)氣體中，并在外部循環(huán)氣體的PE調(diào)溫系統(tǒng)中去除。在PE調(diào)溫系統(tǒng)的選型上，應(yīng)格外注意，選不好，會造成冷卻能力不匹配、能耗高，水費(fèi)和污水處理費(fèi)用高，甚至造成產(chǎn)品質(zhì)量問題，影響正常生產(chǎn)，額外增加企業(yè)運(yùn)行成本。

2 原方案

在開式冷卻塔中，因冷卻水在填料中直接與環(huán)境空氣接觸換熱，會引起循環(huán)氣冷卻器等主設(shè)備的腐蝕與結(jié)垢，單獨(dú)的開式冷卻塔冷卻方式已很少采用。目前PE調(diào)溫系統(tǒng)中常用的冷卻方式為板換+開式冷卻塔技術(shù)，即將板式換熱器當(dāng)作中間換熱環(huán)節(jié)，其中板式換熱器與循環(huán)水氣冷卻器、開式冷卻塔之間的介質(zhì)分別為閉式循環(huán)水、開式循環(huán)水，反應(yīng)器中的聚合反應(yīng)熱通過閉式循環(huán)水帶到板換中，然后再由開式循環(huán)水經(jīng)開式冷卻塔釋放到外界環(huán)境中。整個調(diào)溫系統(tǒng)由板式換熱器、內(nèi)部閉式循環(huán)水管路系統(tǒng)及泵與閥組、外部開式循環(huán)水管路系統(tǒng)及泵與閥組、泵房、開式水冷塔等組成，其流程圖見圖1。

圖1 板換+開式冷卻塔冷卻技術(shù)流程圖

由于板換與循環(huán)氣冷卻器之間采用閉式循環(huán)水，板換與冷卻塔之間采用開式循環(huán)水，兩個系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，雖然避免了開式冷卻塔的腐蝕問題，但其仍然存在較為明顯的缺陷：

(1)經(jīng)過兩次換熱，換熱端差小，換熱效率降低；

(2)開式與閉式循環(huán)水回路均需配備循環(huán)水泵，能耗大；

(3)采用開式冷卻塔，耗水量大，水費(fèi)增加；

(4)為避免開式循環(huán)水中鹽分不斷濃縮，排污處理費(fèi)用高；

(5)開式冷卻塔出口在冬季會形成大量白霧；

(6)開式冷卻塔與循環(huán)氣冷卻器間接換熱，調(diào)溫系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，存在滯后性；

(7)板式換熱器開式循環(huán)水側(cè)結(jié)垢嚴(yán)重，再加上其流道小，故易堵塞，清洗頻次和費(fèi)用高；

(8)開式冷卻塔排放的白霧也是霧霾產(chǎn)生的主要原因。

3 L型干濕聯(lián)合技術(shù)

L型干濕聯(lián)合冷卻塔，作為雙良的專利技術(shù)[3]，是在閉式蒸發(fā)塔的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，即在閉式蒸發(fā)塔進(jìn)水前段增加翅片管式空冷散熱器，將其與濕冷段蒸發(fā)冷卻盤管(光管)組合在一個塔內(nèi)，兩者水側(cè)串聯(lián)使用，風(fēng)側(cè)并聯(lián)。干冷段散熱器立式布置于塔外，蒸發(fā)冷盤管水平布置于塔內(nèi)。L型干濕聯(lián)合冷卻塔與循環(huán)氣冷卻器之間的冷卻介質(zhì)為閉式循環(huán)水，反應(yīng)器中的聚合反應(yīng)熱直接通過閉式循環(huán)水經(jīng)由L型干濕聯(lián)合冷卻塔釋放到大氣中。整個調(diào)溫系統(tǒng)由L型干濕聯(lián)合塔、閉式循環(huán)水管路系統(tǒng)及泵與閥組、泵房組成，其流程圖見圖2。

圖2 L型干濕聯(lián)合冷卻技術(shù)流程圖

L型干濕聯(lián)合技術(shù)具有節(jié)水消霧的特性，其節(jié)水原理為：利用干冷段空氣散熱器對循環(huán)水進(jìn)行了預(yù)冷，以降低濕冷段蒸發(fā)盤管的冷卻負(fù)荷，從而減少了蒸發(fā)水量，達(dá)到節(jié)水目的。干冷段進(jìn)風(fēng)百葉窗為可調(diào)節(jié)百葉窗，濕冷段百葉窗為固定百葉窗，通過調(diào)節(jié)百葉窗匹配干、濕段風(fēng)量及冷卻能力，環(huán)境溫度在干冷點(diǎn)以下時，不噴水，干濕兩段均為干空冷，不消耗水；環(huán)境溫度在干冷點(diǎn)以上時，對濕冷段盤管噴水，隨著環(huán)境溫度的升高，逐步關(guān)閉干冷段百葉窗，增加濕冷段通風(fēng)量，滿足冷卻水溫要求，隨著濕冷段冷卻負(fù)荷增加，耗水量逐步增加，百葉窗全關(guān)時達(dá)到冷卻塔最大冷卻能力，此時耗水量為最大。

其消霧主要原理為：由于空氣經(jīng)過空氣散熱器后變得干熱，對經(jīng)蒸發(fā)盤管后的濕熱空氣起到進(jìn)一步加熱作用，使之變?yōu)椴伙柡涂諝?，從而降低或消除塔出口處產(chǎn)生的水霧，達(dá)到消霧效果。其消霧原理圖見圖3，冷卻塔在低溫環(huán)境運(yùn)行時，室外空氣狀態(tài)為A點(diǎn)，當(dāng)空氣與冷卻水對流換熱后，成為高溫高濕的空氣，其狀態(tài)達(dá)到飽和狀態(tài)，排出的空氣經(jīng)混合、擴(kuò)散和冷卻沿BA線又恢復(fù)到A點(diǎn)狀態(tài)。在此過程中，如果BA混合線與濕空氣飽和線相交，而且相交區(qū)域空氣處在過飽和區(qū)則產(chǎn)生煙霧。只要保證混合線(BA線)與飽和線不相交，就能夠避免冷卻塔煙霧的產(chǎn)生。

圖3 L型干濕聯(lián)合技術(shù)消霧原理圖

由于L型干濕聯(lián)合冷卻塔與循環(huán)氣冷卻器之間的介質(zhì)為閉式循環(huán)水，水質(zhì)同樣可以保持穩(wěn)定。與板換+開式冷卻塔技術(shù)相比，其還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)只需一次換熱，換熱端差大，換熱效率高；

(2)干濕聯(lián)合運(yùn)行，節(jié)水消霧效果明顯；

(3)循環(huán)水管路中只需配備一臺循環(huán)水泵，能耗小；

(4)排污量小，污水處理費(fèi)用低；

(5)L型干濕聯(lián)合冷卻塔與循環(huán)氣冷卻器直接換熱，調(diào)溫系統(tǒng)響應(yīng)速度快。

4 經(jīng)濟(jì)性對比

本項目中，L型干濕聯(lián)合方案的設(shè)計條件與配置參數(shù)見表1，并將其與板換+開式冷卻塔方案的系統(tǒng)投資成本與年運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了對比，見表2。

由表1可知，L型干濕聯(lián)合方案所選風(fēng)機(jī)直徑均為9.754 m，風(fēng)機(jī)功率為185 kW。與板換+開式冷卻塔方案相比，其節(jié)水率可達(dá)75%。由表2可以看出，L型干濕聯(lián)合技術(shù)相對于板換+開式冷卻塔技術(shù)，雖然投資較高，但運(yùn)行費(fèi)用低，無論是年消耗電費(fèi)還是年消耗水費(fèi)及排污費(fèi)，前者均明顯低于后者。利用投資成本與年運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行計算可知，相比板換+開式冷卻塔方案，L型干濕聯(lián)合方案經(jīng)濟(jì)效益具有明顯優(yōu)勢，投資回收期只有2.43年，投資回收后年收益可觀。

表1 L型干濕聯(lián)合方案設(shè)計條件與配置參數(shù)

表2 L型干濕聯(lián)合方案與板換+開式冷卻塔方案經(jīng)濟(jì)性對比表

5 結(jié)語

文章基于PE調(diào)溫系統(tǒng)對L型干濕聯(lián)合方案與板換+開式冷卻塔方案做了技術(shù)和投資能耗方面的對比。相比板換+開式冷卻塔方案，L型干濕聯(lián)合方案具有節(jié)水消霧、調(diào)溫響應(yīng)快，能耗低等優(yōu)點(diǎn)，雖然其投資較較高，但投資回收期短。綜合來看，L型干濕聯(lián)合冷卻技術(shù)在PE調(diào)溫系統(tǒng)中有很高的應(yīng)用價值。