开式冷却塔蒸发水汽回收技术应用

张海荣

关键词：冷却塔;蒸发水汽回收;节水

已有百年历史的冷却塔是人类二十世纪工业技术进步的产物，是现代化工工业的基础，工业生产过程产生的热量，大部分通过冷却塔蒸发水汽带入环境中。高能耗煤化工企业耗水指标普遍不低于5吨/吨标煤，其中开式循环水冷却塔蒸发耗水指标占50%。这就不仅造成水资源浪费，影响工业经济的发展，而且还造成安全环保问题，例如：冬季集中布置的冷却塔周围水雾大影响交通安全问题、蒸发水汽带有泄漏的有機物易造成局部环境VOC超标、水蒸气造成温室效应等等。

为此，国家颁布“水法”，以法律形式规定，国民经济和社会发展规划以及城市总体规划的编制、重大建设项目的布局，应当与当地水资源条件要求相适应;在水资源不足的地区，应当对城市规模和建设耗水量大的工业、农业和服务业项目加以限制。2012年《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》把水资源的利用总量和利用效率已经放在发展各种产业的基础与核心位置，“十三五”规划中明确提出煤化工行业的耗水指标，每吨标煤耗水不超过3吨。

我国资源分布相当不平衡，西北地区煤炭资源富有、雨水较少，水资源成为制约当地工业发展的主要瓶颈。以榆林为例，榆林地区煤炭储量1400亿吨以上，全国排名第二，但水资源匮乏，主要河流无定河年平均流量15亿m3，占黄河流域年平均流量628亿m3的2.4%，流域面积占黄河流域面积4.2%，该河径流量比较贫乏，所以本地区水价昂贵，工业园区新鲜水价格高达11.3元/吨，榆林当地某公司循环水冷却塔每年蒸发损失水量约900万吨，费用约 1亿元人民币，占全公司利润的10%左右，与国内同行业企业相比，水费在生产成本中的比例最高。因此，研究循环水系统的节水技术是非常必要的，既能保证煤化工企业耗水指标达到国家要求的先进值，节约水资源，有利于当地发展重工业，也能降低企业生产成本，保证企业经济效益，同时，还能为环保做贡献，实现绿色发展。

1 循环水系统节水技术现状与发展趋势分析

目前国内外循环水系统的主要节水技术有：改变循环水系统补水水质，增加缓蚀阻垢剂性能，提高循环水系统浓缩倍数，降低排污水量。但这种技术节水有限，浓缩倍数达到6以上，再提高浓缩倍数腐蚀结垢风险较大，节水不明显;循环水系统排水经过零排放处理，产品水全部返回到新鲜水，这就实现了所谓循环水系统“零排污”，但是，这种技术水处理成本较高;“空冷+水冷”联合冷却闭式循环，充分利用当地风资源，以除盐水代替传统的工业水循环，以节水型联合空冷器代替开式机械通风冷却塔，除盐水在系统中闭路循环，中间传热而本身不消耗，气温低时相当于空冷，工艺介质的热量全部由空气带走，环境气温高时，开启喷淋水，部分热量由空气带走，部分热量由喷淋水蒸发带走，因此大大减少蒸发损失水量，从而达到节水目的。此技术节水明显，但投资大，是新上项目首选技术。

2 冷却塔塔顶蒸发水汽回收技术原理

2.1 冷却塔塔顶水汽特点

在冷却塔内实现冷却循环水的降温是通过水由液相转化为气相吸收大量的汽化热来实现的。要想实现蒸发水汽的回收就要通过带走水由气相转变为液相放出的汽化热来实现。这是一个与冷却塔工作相逆的一个热交换过程。无论我们采用何种水汽回收方式，如果不能将气相转化为液相的汽化热带走，即使能回收部分水，回收的也是冷却塔风吹损失而不是蒸发水耗。在冷却塔正常运行过程中，从冷却塔塔底四周抽进的塔外空气和冷却回水在填料层通过接触进行热量的交换。进塔前的空气中的水蒸气的含量很少，冷却塔在运行过程中，水蒸气的分压力达到了当时温度所对应的饱和压力，这时进入冷却塔的空气经过气液两相热交换形成的饱和湿空气流在塔内上升，在上升过程中逐渐与外界冷空气接触，气流温度逐渐下降，并呈过饱和状态，部分蒸发水汽形成液滴，在上升过程中小液滴碰撞凝结形成较大的水滴，当湿空气温度接近大气温度时，蒸汽凝结达到最大并会在塔顶形成我们看到的雾气团。

2.2 冷却塔塔顶蒸发水汽回收技术原理

冷却塔塔顶蒸发水汽回收装置技术原理就是利用环境大气与冷却塔塔顶饱和蒸汽的温差，使饱和气流在装置内经过与外界环境冷空气进行热交换而使蒸发水汽冷凝，实现蒸发水汽的回收。开式冷却塔蒸发水汽回收技术工作原理是采用冷风、热管冷凝体、超亲水材料聚结等新技术，利用环境冷风对冷却塔收水器上部饱和湿空气降温凝结，实现部分凝结水回收。此技术主要过程如下：冷凝模块置于冷却塔塔顶上部，饱和水汽经过冷凝模块，在具有特殊结构的冷凝模块中利用环境空气与饱和湿空气的温差，以环境大气为冷源对饱和蒸汽进行降温凝结，通过热导新材料导热高效性在环境冷风和高温饱和湿空气之间快速、高效地传递热量，使饱和湿空气始终保持过饱和状态，从而在冷凝模块中实现饱和蒸汽的凝结。

2.3 涉及理论公式

3 开式冷却塔塔顶水汽回收装置实际应用情况

冷却塔塔顶水汽回收装置以环境冷风为冷源，11月至次年3月份环境气温较低时，回收水量超过蒸发水量的20%;出塔水蒸气温度和环境温度的温度差是回收率大小的最重要因素，冷却塔的回水温度越高，环境温度越低，水回收效果越好。因此，该技术在高温塔和我国西北部寒冷地区有更良好的经济可行性和适应性。

当环境气温较高时，通过增加冷却风量来提高蒸发水的回收率，理论计算也能回收20%，但是电耗大，不经济。

在原有冷却塔基础上增加水汽回收装置，同等条件下，降低原风量、提高了出塔水温。在水温要求苛刻的条件下或个别用户，比如夏季，此水汽回收装置就不能投运，确保循环水供水水温。

冷却塔水汽回收装置中冷凝模块一直是技术发展的核心。其涉及到冷风量、换热面积、换热系数等影响因素。冷凝模块不但关系到热交换的效率还与水收集与导出能力有关，其结构涉及到风阻和与水的收集。冷凝模块的结构由直板式发展到S折板式，换热材质由玻璃钢、PVC到铝箔金属，都大大提高了冷凝模块的换热系数，增大了换热面积。不但降低了热侧水蒸汽出塔风阻，还减少了冷侧通风风阻，提高了冷风量。

冷却塔塔顶水汽回收装置回收水属于低温蒸发冷凝水，水质达到软化水指标，回收价值较高。

冷却塔塔顶水汽回收装置存在主要问题：系统密封性差、输水效果差，冷凝下来的水到处跑冒滴漏，特别是冬季，节水效果明显，但是冷凝水泄漏结冰严重，影响装置安全生产，建议最好在建设冷却塔是就考虑，将冷凝模块布置在冷却塔内收水器至风机之间。