循环水冷却塔消雾节水试验研究

缪 伟

(1.唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305;2.河北省纯碱碱渣减量与资源化技术创新中心，河北 唐山 063305)

我国是一个水资源相对贫乏的国家，水资源已成为制约经济发展的主要因素之一。在河北地区，随着煤炭、钢铁、化工等企业规模的扩大，阶梯水价的实施，导致工业用水成本急剧增加，大幅增加了企业的生产成本。企业用水构成中，工业冷却用水占到了80%以上，需水量极大。目前百万吨级纯碱企业冷却塔年耗循环水量约十万吨级，循环冷却水主要消耗在冷却塔运行过程中，循环水在塔内部与冷空气换热后形成了饱和的湿热空气，湿热空气经冷却塔风扇排出，造成循环水的飘滴、飘雾及蒸发损失。并且经风扇排出的湿热空气与外界冷空气混合后冷却、凝缩形成含有许多微小液滴的雾团，由于冷却塔高度较低，雾团飘散、凝结还影响冷却塔周围环境。

本文研究了在冷却塔内架设高效蜂窝状收水器、凝水除雾模块，开展循环水冷却塔消雾节水试验，研究冷却塔降低循环水消耗以及减少循环水冷却塔飘雾(水)污染环境的技术。

1.1 研究机理

1)通过更换高效蜂窝收水器，在不增加阻力的前提下有效捕集回收飘滴损失；

2)基于凝结换热、导热和对流传热传质的基本理论，设计高效换热模块，使冷却塔循环水蒸发换热后的水蒸汽，通过对流及导热换热后深度冷凝成膜，收集后循环使用，提高循环水的利用率；

3)基于干冷空气稀释湿热空气降低含湿饱和度的原理，将湿热空气与干冷空气在经过冷凝换热后，在冷却塔上部进行混合，使空气温度及含湿量明显降低，消除了可见雾产生的条件，从而达到了消雾的目的。

1.2 换热模块设计

冷热空气间壁换热装置的结构设计与材料选择方面需全方位考量。在结构上需保证有足够的强度及换热面积；
需保证装置的材料亲水性及导热性能好，有足够的换热效率。基于以上两点优选碳素纤维作为凝水除雾模块的主要材料，并采用蜂网状结构进行结构补强，外部用镀锌角钢做框架加固，确保其有足够的强度承受冷却塔内气流作用。收水器选用目前高效的蜂窝状收水器，确保收水效率。

1)通过对拟改造冷却塔上部混凝土墙开孔应力、称重等数据计算，对冷却塔进行加固。

2)冷却塔上部增加换热模块调节百叶窗，调节冷空气进气量以保证混合区内干空气与塔底上来的湿空气能够有效分混合。

3)冷却塔下部增加进风口调节百叶窗，确保底部进气量的基础上，使经过换热模块的冷空气最大化。两处百叶窗均采用现场控制，可实现百叶窗叶片 0°、30°、45°、90°调整并预留信号输出端子连接DCS系统进行远程监控。

4)将冷却塔原收水器更换为高效蜂窝状收水器；
收水器上方增加换热模块，使从上部调节百叶窗进入的冷空气能够与冷却塔下方的湿热空气间壁式冷凝换热，一方面冷凝湿热空气，另一方面将干冷空气升温用于在混合区进一步混合消雾；
为进一步减小飘水，在模块上方布置一层高效蜂窝状收水器。

5)考虑受限于现用冷却塔上部混合区空间高度不足会影响混合效果，换热模块中间区域增加调节翻板，在消雾模式下将翻板关闭，此时湿热空气能够全部进入消雾模块，降低含湿量；
同时调节翻板能够保证在风机的高效区更多的风量经过冷通道，从而更好的消雾。见图1。

图1 换热模块示意图

6)在目前冷却塔工况下，风机仍有较大余量，且不在风机高效区域运行，因此可以适当调整风机角度提高总风量，在消雾模式开启时，能够保证上部消雾模块的冷风量，提高消雾效果。实施原理如图2。

图2 消雾节水运行原理图

1)夏季最热季节，将进风口百叶窗装置全部打开，上部冷凝模块百叶窗关闭，保证夏季最热季节最大风量；

2)冬季最寒冷季节：为保证模块的最大冷却效能，同时保证冷却塔降温需求，将进风口百叶窗装置关闭，并根据降温需求开启上部百叶窗；

3)春秋季节，结合节水消雾需求请况，调节上部百叶窗的开启程度。开启的原则就是：在满足降温效果的前提下，达到最佳的节水消雾效果。

冷却塔改造完成随即投运调试并查定数据(11月至次年4月)，同时选取工况相同未改造冷却塔进行数据对比。测试按中国工程建设标准化协会标准《CECS118：2000冷却塔验收测试规程》要求进行。

逆流式机力通风冷却塔设计参数如下：

设计水量Q=3 000 m3/h

进出塔水温差 Δt≥10 ℃

出塔水温t2≤31.0 ℃

风机直径 8 534 mm

风机设计风量G=275×104m3/h

配备电机功率 160 kW

表1列出了冷却塔运行稳定后测试工况的运行参数，取一小时内各次测试值的算术平均值作为测试工况参数。

表1 冷却塔运行测试参数

模块上部经过换热后的热空气温度平均温度为30.39 ℃，此时出塔曲线如图3示(两条线相交的部分代表羽雾的浓密程度)。

图3 出塔空气混合曲线

1)冷却塔通过更换高效蜂窝状收水器，冷却塔飘滴损失较改造前有了明显改善,有效的减少了冷却塔的滴状飘水，节水率为17.9%，对比未改造塔有了较大的改善，远低于国标≤0.001%的规定。

2)通过架设凝水除雾模块，对冷却塔消雾节水存在一定的作用，但仍未能够完全消除水雾。主要是因为在现有冷却塔基础上改造，受限于冷却塔上部混合区高度限制，一方面导致经过填料区换热的湿热空气主要从中间布置的收水器通过，影响了消雾节水的效果；
一方面空间受限导致冷热空气混合区时间较短，未充分混合即被风机抽走，出塔空气的湿度及温度没有降低到预期；
另一方面空间受限导致上部百叶窗与风机距离较近，阻力增大，上部百叶窗进风量较少，不能满足消雾需要的风量。

为验证改造后冷却塔热力性能，选取未改造冷却塔进行数据比对，由于实际工况不同，进出水温等参数不同，数据仅用于热力性能评价，测试数据如表2。

表2 冷却塔热力性能数据

根据测试结果，按照冷却塔水温对比法，对冷却塔进行热力性能评价。将测试参数输入到评价软件中，经计算，未改造塔热力性能达到设计值76.6%，改造塔达到热力性能值的79.9%，因此可以认为改造塔相较于改造之前不会对冷却塔的冷却效果产生影响。

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