無填料噴霧冷卻塔在濕法磷酸裝置中的應(yīng)用

胡文武，陳以明

（湖北大峪口化工有限責(zé)任公司，湖北 鐘祥 431910）

某公司磷酸生產(chǎn)裝置采用的是Jacobs-Dorrco（杰克布斯-多爾科）二水法生產(chǎn)工藝，工藝配套有混凝土結(jié)構(gòu)的兩塔八格式填料冷卻塔，主要用于磷酸裝置工藝水的冷卻，冷卻效果直接影響裝置真空度等因素，因此在生產(chǎn)中起著關(guān)鍵性作用。但由于磷酸裝置中的工藝水成分較為復(fù)雜，該類冷卻塔填料使用較短時(shí)間后就出現(xiàn)結(jié)垢，冷卻效果變差，處理水量逐年減小，影響裝置真空度導(dǎo)致冷卻塔無法按照設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求運(yùn)行，嚴(yán)重影響Jacobs-Dorrco二水法生產(chǎn)工藝連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 填料冷卻塔現(xiàn)狀與存在的問題

1.1 填料冷卻塔現(xiàn)狀

改造前填料冷卻塔的基本情況如下：布水系統(tǒng)為向下噴淋式配水，填料采用市場(chǎng)上廣泛使用的逆流式斜波紋，材質(zhì)為聚氯乙烯（PVC），風(fēng)筒為圓柱形玻璃鋼風(fēng)筒。其參數(shù)：?jiǎn)胃衿矫婊A(chǔ)尺寸9 000 mm×9 000mm，每格處理水量1 600m3/h，由四格一組單排布置成塔群。循環(huán)水進(jìn)塔溫度40.2℃，出塔溫度31.5℃，進(jìn)出塔溫差8℃左右。環(huán)境氣象條件：濕球溫度28℃，干球溫度32℃，大氣壓100 370 Pa。熱水泵2臺(tái)，流量分別為3 600m3/h和2 900m3/h，揚(yáng)程26m。

1.2 填料冷卻塔存在的問題

（1）逆流式PVC斜波紋填料長時(shí)間使用，容易老化，PVC老化直接導(dǎo)致填料脆裂、變形、破損，傳熱性能變差。填料的老化導(dǎo)致塔底部填料無法支撐上部填料，部分填料凹陷或坍塌，造成氣體分布不均，局部區(qū)域空氣在破損的空隙處形成氣流短路，另外由于填料的凹陷或坍塌導(dǎo)致填料在塔內(nèi)分布不均，塔內(nèi)循環(huán)水也存在布水不均，整個(gè)冷卻塔冷卻效率下降，在冷卻塔的整個(gè)循環(huán)過程中破損填料碎片易造成裝置洗滌器和水泵堵塞，影響洗滌器的洗滌效率甚至威脅安全生產(chǎn)。

（2）按照國家環(huán)保要求，企業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的污水嚴(yán)禁外排。目前，公司磷酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污水先作為磷石膏調(diào)漿水進(jìn)入石膏庫，通過石膏庫溢流口流入渣場(chǎng)循環(huán)水池進(jìn)行凈化處理，再輸送回磷酸裝置循環(huán)水池重復(fù)利用。所以循環(huán)水在冷卻塔冷卻過程中，會(huì)析出大量Na2SiF6、K2SiF6、CaSiF6等雜質(zhì)，且部分會(huì)粘附在填料空隙內(nèi)，導(dǎo)致冷卻塔運(yùn)行超過2年換熱效率就會(huì)急劇下降，嚴(yán)重的還會(huì)堵塞填料。每次大修時(shí)，更換填料和檢修噴淋裝置工作量很大，且不易施工。

（3）布水噴頭容易老化、脫落。目前采用的噴頭為塑料螺旋噴頭，老化后螺旋拉長或者被熱水沖斷、脫落，導(dǎo)致水流在塔中呈溝流和束流狀態(tài)，無法達(dá)到均勻布水的目的，熱水的霧化更是達(dá)不到要求。霧化差導(dǎo)致熱水與空氣接觸面積減少，熱水直接從上沖下，在空氣中的停留時(shí)間減少，影響塔的熱交換效率。

（4）收水器易老化變形，收水板之間距離變大，加之收水器設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致收水性能變差，冷卻塔飄水嚴(yán)重。由于被冷卻的水含有大量雜質(zhì)，造成塔周圍電機(jī)、閥門、鋼結(jié)構(gòu)以及其他設(shè)備和建筑物嚴(yán)重腐蝕，對(duì)裝置生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境也造成一定影響。

（5）填料冷卻塔內(nèi)鋪滿了填料，日常進(jìn)入其內(nèi)部檢修非常不方便。

2 改造方案

針對(duì)填料冷卻塔目前所呈現(xiàn)出的一系列不正常狀態(tài)，根據(jù)相關(guān)資料，借鑒國內(nèi)先進(jìn)的循環(huán)冷卻水相關(guān)技術(shù)，結(jié)合其他友好單位的實(shí)際改造方案，公司對(duì)原填料冷卻塔進(jìn)行無填料噴霧冷卻改造，具體改造方案如下［1-4］。

在保持原有冷卻塔整體外形結(jié)構(gòu)及風(fēng)機(jī)功率的前提下，不改變冷卻塔風(fēng)機(jī)、電機(jī)、減速機(jī)、風(fēng)筒等原配置，拆除塔內(nèi)所有的布水管、填料、收水器、噴頭等，所有的布水管和噴頭都安裝在底部，使熱水從下向上逆洗霧化噴淋。為減少氣水損失及水氣飄滴影響環(huán)境，噴淋層到收水層之間應(yīng)保證3.0m以上的層高，同時(shí)采用折板式專用收水器，使飄水損失控制在循環(huán)水總量的0.005%。

其具體運(yùn)行原理：由熱水泵將工業(yè)生產(chǎn)中吸收反應(yīng)熱的熱水，經(jīng)布水分布管送到冷卻塔中下部噴管的霧化器噴頭；當(dāng)熱水流經(jīng)噴頭時(shí)，在噴頭特有的構(gòu)造和水壓下產(chǎn)生內(nèi)旋流，在噴頭內(nèi)部產(chǎn)生湍流，最后熱水在噴頭出口處呈實(shí)心錐形霧化向上噴出，與空氣進(jìn)行熱交換，冷水落入水池，熱水向上噴出增加了熱水在冷卻塔中行程，有效延長了熱交換的時(shí)間，增加了熱交換效率。熱空氣經(jīng)折板式專用收水器除水后由塔頂風(fēng)筒直接排入大氣［1-2］。

3 改造后冷卻塔的運(yùn)行效果

采用填料冷卻塔冷卻時(shí)，熱水只有從填料上部向下部流淌的一個(gè)冷卻過程（即逆流過程）；而采用無填料噴霧冷卻塔冷卻時(shí)，熱水有順流和逆流兩個(gè)冷卻過程，使熱水冷卻更充分。

3.1 冷卻溫差大，風(fēng)阻小

無填料噴霧冷卻塔采用型號(hào)為LDP－III型GFPDN50、噴淋角為125°的冷卻塔專用防堵霧化噴頭，在0.02～0.05MPa背壓下能將水分散成直徑0.5～0.9mm的細(xì)小水滴，比水被填料分散的膜狀比表面積大；熱水向上噴出增加了熱水在冷卻塔中行程，有效延長了熱交換的時(shí)間，增加了熱交換效率。無填料冷卻塔塔內(nèi)阻力約為填料塔阻力的50%，阻力減小有效地提高了冷卻塔風(fēng)機(jī)的效率，風(fēng)機(jī)風(fēng)量提高了20%，氣水比提高了15%，冷卻塔單格冷卻水溫差較改造前提高了3.35℃。

3.2 運(yùn)行穩(wěn)定可靠

無填料噴霧冷卻塔有效地解決了填料冷卻塔的一系列問題，設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性得到極大的提高。冷卻塔不存在死區(qū)、束流、溝流等現(xiàn)象，熱交換效率得到較大的提高，降低了因停工造成的損失；且年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用僅為填料冷卻塔的5%。

3.3 冷卻水量大

與填料冷卻塔相比，同風(fēng)機(jī)同溫差下的無填料噴霧冷卻塔，不但系統(tǒng)內(nèi)阻力減小，風(fēng)量增大，而且還有順流和逆流兩個(gè)冷卻過程，同時(shí)落下的液滴的液膜在底部支撐柵格板處再次破碎，進(jìn)行二次熱交換。所以，單格冷卻水量由原來的1 200m3/h提高至約1 600m3/h。

3.4 節(jié)能效果顯著

專用防堵霧化噴淋裝置工作壓力較原有分散裝置工作壓力（0.2MPa）降低0.15MPa，與其相連接的水泵功率降低，節(jié)能效果顯著，簡(jiǎn)略計(jì)算如下。

實(shí)際生產(chǎn)中該塔L60F風(fēng)機(jī)配套電機(jī)功率為55 kW，改造前風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行功率為實(shí)際功率的80%，方案實(shí)施后L60F風(fēng)機(jī)的電機(jī)運(yùn)行功率為原來的70%左右，則2臺(tái)風(fēng)機(jī)每年（以210 d計(jì)，下同）節(jié)電133 056 kW·h。

由于冷卻效果變好，工藝水冷卻前后溫差從原來的<10℃變?yōu)?2℃，導(dǎo)致水泵運(yùn)行電流降低了10%。實(shí)際生產(chǎn)中配套水泵的電機(jī)功率為380 kW，改造前水泵的電機(jī)運(yùn)行功率為實(shí)際功率的80%，則改造后每年水泵電機(jī)節(jié)電153 216 kW·h。

按現(xiàn)行工業(yè)用電價(jià)格0.75元/（kW·h）計(jì)，則每年可節(jié)省費(fèi)用21.47萬元。

填料更換周期一般為5年，填料價(jià)格按較高的市場(chǎng)價(jià)格800元/m3計(jì)算，每塔（9 000mm×9 000mm）用料約為160m3，則單格更換一次填料的費(fèi)用為25.6萬元，每年填料費(fèi)用為5.12萬元。

不考慮節(jié)省的人工費(fèi)和停工損失等費(fèi)用，傳統(tǒng)填料冷卻塔改造為無填料噴霧冷卻塔后，每年可節(jié)省費(fèi)用約26.59萬元。

3.5 無飄水現(xiàn)象，具有良好的環(huán)保效益

針對(duì)無填料噴霧冷卻塔風(fēng)量大、水量大的特點(diǎn)而專門研發(fā)的一種高效低阻力收水器，收水器片間無透視現(xiàn)象，每組收水器之間、收水器與塔體壁板之間能實(shí)現(xiàn)緊密搭接，使得飄水率小于常規(guī)的收水器，改善工廠周圍環(huán)境。

4 結(jié)論

無填料噴霧冷卻塔改造成功后，冷卻塔運(yùn)行狀態(tài)良好，降溫性能穩(wěn)定；年節(jié)約費(fèi)用約26.59萬元，運(yùn)行2年就可收回改造費(fèi)用；檢修維護(hù)工作量和費(fèi)用非常低，僅為原來的6%，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。