煤化工项目中闭式循环水系统探讨

安显威

（惠生工程（中国）有限公司，湖北武汉430070）

煤化工项目中闭式循环水系统探讨

安显威

（惠生工程（中国）有限公司，湖北武汉430070）

探讨了煤化工项目中循环水系统的特点和闭式冷却塔的节水原因，介绍了闭式循环水系统的流程及闭式循环水系统中可能面临的一些问题。

煤化工；闭式冷却塔；节水

0 前言

化工装置通常是在高温高压下发生反应，反应过程中会生成大量的热，为保证整个反应的平稳进行，需要把生成的热量及时转移出去，稳定化工装置的反应温度。由于水的高比热，循环水系统作为冷却装置广泛地应用于化工装置中，也是化工厂的一个重要辅助系统。

由于化工装置苛刻的条件、占地、投资等因素的影响，一般选用机械通风型冷却塔作为冷却器。整个循环水系统分为直冷系统和间冷系统，在化工项目中绝大数情况是选用间冷系统。间冷系统分为开式和闭式两种。闭式系统属于间壁传递热量，开式系统属于直接接触传递热量。当工艺装置对冷却水水质没有特殊要求时，一般选用开式系统。主要是由于开式系统成熟可靠，运行稳定。

开式冷却塔为填料塔，通过填料形成的水膜与上升干空气直接接触达到换热冷却的效果。闭式冷却塔也称空冷塔，是通过空气的间接接触达到换热的目的，由于闭式冷却塔在夏季换热效果不够理想，在大多数情况下，空冷塔上需增加喷淋装置以增加冷却效果。

近些年，随着我国优化能源结构，煤化工项目逐渐兴起。我国煤炭资源多集中在北方和西北，这些地方水资源匮乏。一般煤化工项目规模大，动辄几万、十几万m3/h的循环水量，对当地的水资源容量来水是一个严重的挑战。闭式循环水系统由于其优良的节水效果受到青睐。另一方面它也能避免冷却水与空气接触而导致污染，降低结垢和腐蚀的倾向，增强了传热效果。

1 煤化工项目冷却水量

煤化工主要工艺路线为：原料（煤）→煤气化净化→合成气→终端产品。循环水量根据煤化工项目产品的不同而有所区别，但大体上可以划分为空分装置、气化装置和净化装置几大分区装置。某煤化工项目的循环水量如表1：

表1 循环水量

除空分装置中空气冷却塔部分的循环冷却水是和物料（空气）直接换热外，其它都和被冷却物料间接换热。由于接触的是空气，这部分对循环水水质的影响几乎没有。

2 闭式冷却塔

闭式冷却塔包括空冷器、增湿冷却器、湿式冷却器等。一般选用空冷器的条件为：被冷却的物料出口温度比设计气温高15℃～20℃。若温差低于15℃时，则水冷比较经济[3]。水冷指的是湿式空冷器。煤化工冷却水给水的温度一般为32℃左右，如选用空冷器，则设计气温需为17℃，即干球温度为17℃，这在现实中几乎不可能满足。增湿冷却器也只是把空冷器的设计温度由干球温度转变为湿球温度，其所能增加的冷却效果很少，在此种情况下应用，一般来说也不是很经济。

在煤化工中主要应用的闭式冷却塔大多还是湿式冷却器。该塔是将风冷和水冷、传热和传质融为一体的冷却设备。其主要的传热原理是：喷淋水在换热管上形成水膜带走被冷却物料的热量，逆流而上的空气和水膜换热，以显热和潜热的形式带走热量。

3 节水分析

闭式冷却塔的节水是相对于开式冷却塔来说。开式冷却塔的耗水主要由蒸发损失，风吹损失和排污水量组成。其中蒸发损失占总耗水量的比例大约为80%左右。蒸发损失主要是用来带走化工装置的热量，在冷却塔冷却效果中起主导作用。排污水量的大小是由循环水系统的浓缩倍数决定，也是由原水的水质条件决定。风吹损失量不大，现在的除水器可以控制其值在一个很小范围内。所以从节水角度来考虑的话，如需提高节水效果，一是加大系统的浓缩倍数，二是减少蒸发水量。其中减少蒸发的水量，可以收到明显的节水效果。因为原水水质基本上决定了浓缩倍数，可改进空间的幅度有限。正是从这个角度考虑出发，闭式冷却塔应运而生，如图1：

图1 闭式冷却塔的基本结构

从图1可知：

其中：q水—冷却水的摩尔流量，mol/h；C水—冷却水的比热容，kJ/（mol·k）

q空—湿空气的摩尔流量，mol/h；H—焓值，kJ/mol

郑伟业[2]等通过研究表明：喷淋水从上到下的温度是先增加后减少。从而可知喷淋水在其中起到一个热量的传递过程，喷淋水的水温基本趋于稳定。从而可知可以设定喷林水温度不变。

以整个系统作为研究对象，设定系统和外界没有能量交换，对整个系统列能量守恒方程：Q1= Q2。对于一个特定项目来说，进入系统中的能量Q1是定值。对于Q2来说，可以看成是由两部分组成：一部分是由干空气温度升高以显热形式带走的热量Q2-1，另一部分是由于水蒸发以潜热形式带走的热量Q2-2。要达到优的节水效果，Q2-2值越小越好。当Q2-2值为零时，也就是空冷器。

李雪玲[1]等通过研究表明：管内冷却水流量为20 m3/h时，其它条件恒定，最佳喷淋水量为12～14 m3/h。再增加喷淋水量，出口空气焓值的增加不明显，冷却水出口的温度下降不明显，整个冷却塔冷却效率无明显增加。所以对于特定项目来说，喷淋水对热量传递有一个最合适的体积量，小于这个体积量时，增加喷淋水的量可以显著提供冷却效果，大于这个体积量时，再增加喷淋水无明显效果。

4 闭式循环水系统

国家在“十二五”煤炭深加工示范项目中对水耗指标做出了规定，如表2：

表2 水耗指标

在煤化工项目中会根据项目的节水率、各装置循环水的特点、占地、固定投资、运行费用等，来选择开闭式循环水的比例达到国家的要求指标。

史永宁[2]在对某大型煤化工项目中，对不同节水率闭式循环冷却水系统，通过对冷却塔数、运行电耗、水耗、运行费用、设备投资及占地，选定60%节水率的湿式闭式冷却塔。

煤化工项目中闭式循环水系统流程一般如图2(以湿式冷却塔为例)：

图2 闭式循环水系统流程

5 结语

闭式冷却塔在小规模循环水量的应用有着丰富的业绩，如在空调行业。对于大型化工项目几万m3/h规模的业绩不多，对该塔来说也是一个新的课题。对于在实际运行中闭式冷却塔换热管经常发生的结垢而影响冷却效果，及大规模闭式冷却塔运行后形成的小气候，是否会影响设计中的气象参数而降低冷却效果这些问题还需在实际运行中来验证判断。

[1]李雪玲，朱冬生，郑伟业,等．非饱和蒸发式冷却器传热性能实验研究[J]．制冷学报，2011，32(4):58-62．

[2]郑伟业，朱冬生，宋进，等．新型闭式冷却塔传热传质的实验研究[J]．化学工程，2011，39(9):34-37．

[3]中国石化集团上海工程有限公司编．化工工艺设计手册（上册）[M]．化学工业出版社,2009．

[4]史永宁．大型煤化工项目闭式循环冷却水系统设计探讨[J]．工业用水与废水，2014,45(4):55-57．

The Discussion about Closed Circulating Cooling Water System in

Coal Chemical Industry
AN Xian-wei
(Wison Engineering Co.,Ltd.，Wuhan，Hubei 430070，China)

The characteristic of closed circulating cooling water system and the water-saving reason of closed cooling water were discussed．The process of closed cooling water system and some problem for closed cooling water system were introduced．

coal chemical;closed cooling water;water-saving

1006-4184（2015）4-0042-03

2015-01-26

安显威（1981-），男，工程师，硕士，湖北孝感人，从事给排水设计工作。E-mail：wangzhe2314＠163．com。