湿式冷却塔消雾节水技术及其评价方法综述

2021-07-08赵延春潘欣全刘忠超赵元宾

山东电力技术 2021年6期

赵延春，程菲，潘欣全，刘忠超，赵元宾

（1.山东大学能源与动力工程学院，山东济南 250061；2.济南蓝辰能源技术有限公司，山东济南 250014）

0 引言

在电力、热力、钢铁、石化等工业生产领域及建筑物暖通空调等生活中，存在大量的废热须散发到环境中。湿式冷却塔是一种循环水和环境空气直接接触以对流散热和对流传质形式散热的冷却塔，其冷却极限是环境空气湿球温度［1］。以其高效冷却性能，湿式冷却塔广泛用于我国工业生产和民生工程中。

湿式冷却塔总散热量的70%～90%是以蒸发散热进行的，即蒸发过程中存在大量的循环水蒸发［2］：以温降10°C 的300 MW 机组湿式冷却塔为例，循环水蒸发量约为总循环水量的1.0%～1.3%，相应循环水排污量参考浓缩倍率约在0.2%～0.3%［3］，由此给工业冷却系统废水零排放带来较大的压力。我国人均水资源量只相当于世界人均量的1/4，约1/3 的人口生活在缺水地区，在北方的一些城市已经出现了严重的缺水情况，水资源短缺已经成为制约我国经济发展的重要因素［4］。除此之外，湿式冷却塔除了有水损失量大的特点外，在冷却塔出口处的大量水雾还会带来水污染等［5］。常规冷却塔在运行的过程中就可能会生成可见的羽雾，特别是在北方地区寒冷的冬季。这些可见的羽雾会给人们带来很多的麻烦，是一种非常不利的现象。可见的羽雾形成后会从风筒飘散出来，造成局部地区冬季小气候现象严重，影响周边道路交通可见度以及生产区、生活区的小环境；冷却塔周围路面湿滑，给工作人员正常巡检、检修带来安全隐患，对企业经济和社会环境造成很大影响［6-8］。除此之外，羽雾的生成还会导致相关设备或装置腐蚀的现象［9］。

可见的羽状物是由微小的凝结水滴组成的柱状物。环境空气中均含有一定量的水气，空气的饱和含湿量与湿空气的温度及压力有关，当环境温度降低时，空气的饱和含湿量减小，相对湿度增大，当相对湿度达到100%时，空气中的水蒸气发生凝结，便会有水滴析出形成羽雾。湿热的空气从湿的冷却塔中散发出来，通过引入冷的环境空气进行冷却，如果羽流温度低于露点温度，就会形成可见的羽流或雾［6，10］。在寒冷的冬季，湿热的空气从冷却塔中排向环境大气，外界空气的饱和含湿量较小，相对湿度较大，冷却塔排出的湿热空气与环境空气混合会使湿空气的相对湿度达到100%，从而生成可见的羽雾。

由此可以得出结论，随着社会的进步以及经济的发展，冷却塔节水消雾势在必行，必须对常规冷却塔做出技术改造以达到节水消雾的目的。针对目前冷却塔消雾节水的各种方法及最新的进展进行综述，介绍消雾评价方法，分析各种消雾节水方法的利弊以及后续的研究方向。目的在于探索可行、可靠且易于实现的消雾节水措施，为后续的学者以及工程上灵活选择消雾节水方式提供借鉴。

1 干湿联合消雾

干湿联合消雾节水技术目前比较成熟。干湿式冷却塔可以分为干湿串联和干湿并联，如图1 和图2所示。干区的散热装置是安装在干区的空冷器或翅片管或散热管，湿区的散热装置是湿区的淋水填料。空气调节装置是指进入干湿区空气流量的调节装置，可以提高冷却塔的效率，冬季减小湿区进气量可以提高冷却塔的消雾效果。空气混流装置可以将塔内的干区热空气和湿区的湿热空气掺混均匀，经过掺混冷却塔出口空气的温度湿度相对均匀，可以保证塔出口处不出现可见雾气团。并联式干湿联合冷却塔是指干区和湿区的空气流动是相互独立地进入冷却塔中，经过换热的空气在塔内掺混，然后排除塔外。串联式干湿联合冷却塔的干区和湿区的空气流动是先进入湿区经过传热传质后在进入干区，经过干区换热后直接排出塔外。串联式干湿联合冷却塔不需要混流器和空气调节装置，结构简单。不足之处在于串联式的干湿联合的冷却塔在运行中始终存在干区空气阻力，运行费用高。另外由于通过干湿区的空气流量相同，在散热面积固定后消雾效果无法通过空气流量再调整。而且干式散热器总处于湿热环境中，易受到腐蚀，所以工程采用较少［3］。

图1 串联式干湿式逆流塔

图2 并联式干湿式逆流塔

国内外学者对干湿联合消雾已经做了大量的研究。学者布赖恩·J·休巴德等人［11］2005 年公开了一种热交换器部件。这种热交换器部件设置在冷却塔结构中之后可以使得外界空气和离开冷却塔的蒸发介质气流混合气体的相对湿度在湿度计算图100%饱和曲线的下方，这样就可以阻止冷却塔羽雾的产生。小奥勒·L·金尼等人［12］在2007 年公开了一种用于冷却塔的热交换装置。这项专利所公布的热交换装置可适用于标准机械式自然通风冷却塔，填充结构有多个膜填充组组成，其中每个填充组包括多个彼此连接的单个膜填充片，借此也可使冷却塔达到消雾的效果。学者Michel Vouche［13］在2001 年公布了一种用于消雾冷却塔的热交换器。这项专利所公布的热交换器具有特殊的通道结构，可以适用于消雾冷却塔，从而达到冷却塔消雾的效果。

学者时国华等人［14］通过在收水器上方增加热管换热器将常规冷却塔改造为热管冷却塔，热管冷却塔的结构如图3 所示。该热管冷却塔的传热传质过程包括4 个环节：塔内循环水与环境空气的热质交换，循环水将热量（全热）传递给空气；增温加湿后的空气与热管蒸发段接触换热，将热量（全热）传递到热管；热管内的蒸馏水受热蒸发从蒸发段流动至冷凝段，热量从蒸发段转移到冷凝段；冷凝段与塔外空气对流换热，热并通过数值模拟计算分析得出结果：热管冷却塔具有良好的节水性能，冬、夏季典型工况下，增设热管换热器后蒸发损失分别减少57.29%和46.23%。

图3 热管冷却塔的结构

2 冷凝消雾

国内外学者对冷凝消雾也有大量的研究。王为术等学者［15］在2019 年提出了有限空间型冷却塔（Confined Space Cooling Tower，CSCT）以及一种冷凝消雾收水装置。冷凝装置如图4 所示。文献中所提装置的工作原理：空气可在汇合区汇合后上升与湿热空气混合，冷空气在风机产生的负压作用下从冷却塔左右两侧冷风进口进入间壁式换热器的冷通道，经过收水器的湿热空气同样在风机所产生的抽力作用下进入间壁式换热器的热通道，湿热空气热量在热通道内以对流、辐射和凝结换热方式传递给间壁式换热器；再通过换热器以对流和辐射换热方式传递给另一侧冷通道内的干冷空气。经过热量交换的湿热空气温度和含湿量降低到达冷凝装置上方，干冷空气含湿量不变温度增高在冷却塔中间区域混合上升至冷凝装置上方，与换热后湿热空气混合，混合后的热空气变为未饱和状态并通过风筒排至大气中。

图4 冷凝消雾收水装置

龙国庆、殷锡培［16］在2017 年公布了一种冷却塔液媒强制冷凝消雾集水系统，包括冷液池、保温进液管、冷液抽供泵、液媒冷凝聚液单元和保温进液管，液媒冷凝聚液单元设置在冷却塔的配水装置的上方，液媒冷凝聚液单元的冷凝聚液主面与冷却塔内蒸汽上升气流方向之间存有夹角，液媒冷凝聚液单元的进液孔与冷液抽供泵相连接，出液孔通过保温出液管与冷液池相通。通过向中空导热体中不断输入液媒冷却液使得液媒冷凝聚液单元的温度达到人们预期值，当高温水蒸气在流经液媒冷凝聚液单元时就会快速在表面凝聚积水成珠，形成的蒸馏水由纯水接引槽引出，它能使冷却塔内的饱和热湿空气凝聚集成纯净水液，减少饱和热湿空气的排放，其消雾节水效果良好。Oick Kwon，Young⁃wook Kim，Young⁃hwa Cho 等知名学者［17］在2016 年公布了一种热交换冷凝板组件，包括多个湿气流动通道，多个冷却水流动通道和多个冷凝空气流动通道，其中湿气流动通道与冷凝空气流动通道相邻地布置，使得通过湿气流动通道的湿气通过冷凝空气流动通道的冷凝空气冷凝，并且冷却水流动通道被布置与冷凝空气流动通道相邻，使得通过冷却水流动通道的冷却水被通过冷凝空气流动通道的冷凝空气冷却。章立新，赵怀超等人［18］在2017 年公布了一种带消雾节水功能的收水器及蒸发冷却设备，其收水器由间壁式气—气换热器构成，收水器与蒸发冷却设备侧部的静压箱连接，静压箱外设有离心鼓风机。在达到消雾工况时，由鼓风机经静压箱向收水器的环境空气进口鼓入环境冷风，将设备内生成的湿热空气在收水器的热风通道内冷却析湿，冷凝水及挡到的飘水流回设备内，同时冷热空气在收水器上方混合后排出设备外。与现有技术相比，本发明采用的间壁式气—气换热器集消雾、节水和收水三种功能于一身，不额外增加风阻，且模块化加工，安装简易，成本低，占地面积小，节约空间。

3 雾滴捕捉

冷却塔生成的可见羽状物是微小凝结水滴组成的柱状物，学者们基于这个机理提出许多雾滴捕捉的方法。M.Gürsoy，M.T.Harris 等人［19］研究了植物毛发的水滴捕获能力和雾收集能力，提出了一种仿生纤维网，模仿生长在干旱气候中的Salsola crassa 和Cotula fallax 雾捕获植物物种的纤维网。如图5 所示，Salsola crassa 植物毛发通过水滴的捕获能力在干旱气候中收集雾从而形成液滴，然后在重力的作用下滴落在地面上，或者合并成更大的附着水滴，同时沿着Salsola crassa 叶子的曲率向下滚动。学者提出的仿生纤维网可以运用到冷却塔雾滴捕捉中来，这种纤维网的雾收集效率较高。通过这种方式可以在冷却塔出口处装上一层这种仿生纤维网，在混合空气排到大气环境中之前完成对雾滴的收集。

图5 雾捕获植物物种

Ritwick Ghosh，Tapan K.Ray 等人［20］研究了从火力发电厂冷却塔羽流捕获雾的可能性，设计了一套集雨系统，提出了一套雾收集方案，与其他全球运营的雾收集器相比，观察到的收集效率是其他的两倍多。Weiwei Shi，Mark J.Anderson 等人［21］设计和制造了名为“雾竖琴”的包含一系列垂直线的雾收割机，与同等网格相比竖琴设计的雾收集率提高了3 倍。Shuiping Yan，Qiufang Cui 等人［22］通过实验证明了商业陶瓷膜换热器（CMHE）的平均孔径为4nm，用于燃烧后碳捕获的新型热回收。CMHE表现出优于传统不锈钢换热器（SSHE）的优越性能，具有相同的尺寸，用于从基于单乙醇胺的富劈裂碳捕获中的汽提塔顶部的汽提气体混合物（H2O（g）/CO2）中回收热量处理。研究表明，膜式换热器可以成为燃烧后碳捕获中热回收的极佳候选者。Shuiping Yan，Qiufang Cui等人［23］介绍了亲水性单通道管状陶瓷膜，用于使用富含CO2的单乙醇胺（MEA）溶剂从汽提气体中回收废热。Te Tu，Qiufang Cui 等人［24］研究了通过传输膜冷凝增强的空气冷却技术，目的是减少化学吸收过程的额外冷却水负荷。采用管状亲水陶瓷膜，内部分离层平均孔径为4 nm，长度为400 mm，采用N2作为吹扫气体，从H2O（g）/ CO2中回收水。结果表明，冷却性能较好。以上雾滴捕捉相关的研究也为后续的学者提供了新的思路与方向，可以将雾滴捕捉技术应用于冷却塔消雾节水中来。

4 其他消雾节水方法

随着工业生产的发展以及人们物质生活水平的越高，随着人们对绿色地球的呼吁，节能减排是当前人类必须要重视的问题，因此消雾节水冷却塔的地位也越来越高。在冷却塔100 多年的发展历史中，国内外学者从未放慢对消雾冷却塔探索的脚步，因而还有很多其他的消雾方法。表1 展示了在冷却塔发展历史中中外学者做出的贡献。

表1 其他消雾方法

5 消雾评价方法

根据美国冷却技术协会（CTI）标准干湿联合消雾塔验收测试规程［31］以及中国工程建设协会标准《消雾节水型冷却塔验收测试规程》［32］的要求，冷却塔的制造商应提供一簇干/湿式冷却塔的消雾特性曲线，用于判别冷却塔的消雾性能。两种规程都对消雾型冷却塔的术语和符号作了定义，为消雾节水冷却塔的验收测试提供了方法。两种规程有着相同的消雾评价方法和评价指标。不同之处在于前者是更为详细的理论支撑，对羽流消减指标有更详细的要求；后者是对前者工程可行性的一种增强，更适合我国消雾节水型冷却塔的工程实施。消雾特性曲线可由两种不同的方式来表示，分别称为“出塔空气特征曲线”和“冷却塔空气出口最大湿度曲线”，如图6 和图7 所示。出塔空气特征曲线以出塔空气干湿球温度为纵坐标，进塔空气湿球温度为横坐标。一条曲线给出出塔空气湿球温度，再以相对湿度作变量给出出塔空气干湿球温度的一组曲线。冷却塔空气出口空气最大湿度曲线以空气最大相对湿度为纵坐标，进塔空气干球或湿球温度为横坐标。

图6 出塔空气特征曲线

图7 出塔最大湿度曲线

根据上述两个规程，消雾节水型冷却塔分为少雾型和零雾型。零雾型冷却塔指在消雾设计点塔出口区域无可见雾气团的冷却塔。少雾型冷却塔在两个规程上的定义有所区别，CTI中定义的少雾型冷却塔指在消雾设计点塔空气上方两倍风机直径高度的范围内有少量的可见雾气团的冷却塔；水利院《消雾节水型冷却塔验收测试规程》中少雾型冷却塔是指在消雾设计点塔空气出口上方15 m 的范围内有少量的可见雾气团的冷却塔。两者在少雾型冷却塔的定义上存在矛盾，对于现在的大型冷却塔风机直径可达10 m 甚至更大，两倍风机直径高度就是塔空气出口上方20 m 可见少量雾气团，这仍被定义为少雾型冷却塔已然不妥。两个规程对少雾型冷却塔的定义都需要主观观察去判断是否在一定的高度范围内存在可见雾气团从而判定冷却塔是否为少雾型冷却塔，存在观察误差。因此，对少雾型冷却塔需要提出新的指标来量化定义。

根据上述两个规程，少雾型消雾节水冷却塔应采用消雾指数评价其消雾效果；零雾型消雾节水冷却塔应采用消雾指数和出塔空气掺混系数评价其消雾效果。两者的消雾指数都不应小于1，零雾型消雾塔出塔空气掺混系数不应小于85%。对于某特定消雾节水冷却塔须结合实测值和设计值根据式（1）—式（3）计算消雾指数、出塔空气掺混系数和节水率。

式中：TPI为消雾指数；φgc为设计出塔空气相对湿度，%；φm为修正后的实测出塔空气相对湿度，%。

出塔空气掺混系数为

式中：MQ为出塔空气掺混系数，%；VVi为相对湿度偏离其断面加权平均值超过20%的测点流速垂向分量，m/s。

冷却塔的节水率为

式中：ηw为节水率，%；Qd为干区循环水流量，m3/h；Qw为湿区循环水流量，m3/h；tdi干区进塔水温，℃；tdo为干区出塔水温，℃；twi为湿区进塔水温，℃；two为湿区出塔水温，℃。

根据CTI 测试规程和水利院《消雾节水型冷却塔验收测试规程》所述，在评价一个冷却塔的消雾节水性能时，需要根据实测值再结合制造方提供的出塔空气特征曲线（图6）定性判断冷却塔是否成雾，符合设计要求后再由后续计算的消雾指数来量化表示。对于零雾型冷却塔，出塔空气实测特征曲线（环境空气参数和实测空气参数两点的连线）会位于出塔空气设计特征曲线之下，可以用消雾指数来量化评价消雾塔的消雾性能。但是对于少雾型冷却塔，冷却塔的出口会形成可见羽雾，那么出塔空气实测特征曲线会与100%相对湿度曲线相交，此时再用消雾指数来量化表示少雾型冷却塔的消雾性能已然不可取。因此需要提出新的指标来衡量少量雾羽时冷却塔的消雾性能。冷却塔的主要功能是冷却性性能，消雾节水应在满足冷却性能的前提下最大限度地消雾节水。由此可见评价少量雾羽时冷却塔的消雾节水性能更具有重要的意义。

以下为某干湿联合消雾塔关于消雾评价的实例，结合CTI测试规程经过软件计算之后生成了相关消雾评价曲线。该塔的具体参数如表2和表3所示。

表2 计算工况及部分参数

表3 干段散热器参数

根据该塔型的参数进行校核计算，计算结果如表4 所示。通过校核计算，该干湿冷却塔塔型的冷却能力达标，同时该运行工况下不成雾，消雾能力也达标。

表4 校核计算结果

并通过软件生成了相关曲线进行消雾评价，如图8 所示，消雾原理图显示了干湿联合消雾塔运行过程中进塔空气的状态参数的变化过程，其中A点为气象条件点，B点为经过湿区换热后的空气状态点，C为B点与经过干区的干热空气混合后状态点，最终出塔前的空气状态点为C并被排出塔外，C点处空气与周边空气掺混，最终状态变为A点，由图8 可以看出AC线变化过程不存在过饱和状态，所以该塔消雾性能达标。

图8 消雾评价

消雾节水型冷却塔的消雾设计点是用户方根据冷却塔的安装位置、当地气候条件和环境要求确定的，对其设计值的选取具有一定的特殊性和差异性。成雾频率曲线中横坐标是环境空气干球温度，纵坐标表示环境空气的相对湿度，该塔运行时，所处环境气象条件点若处于曲线下方，则表示此工况下，不成雾；若处于上方，则成雾。有了这个依据可以选择消雾设计点，即成雾频率曲线上方的所有点均可作为消雾设计点。还要结合冷却塔实际情况与当地气象条件就能选择适合的消雾设计点。通过改变该塔型的干区进水比例的在软件中生成成雾频率曲线，干区进水比例分别取20%、40%、60%、80%、100%以及百叶窗开和关6 种工况，生成的成雾频率曲线如图9所示。依据各条曲线的位置，可以分析得出，随着干区进水比例的增加，成雾频率曲线下方的面积越大，说明消雾性能越强。在纯湿段运行时，开启百叶窗也有利于提高干湿联合消雾塔的消雾性能。此外，学者胡少华、高沙沙等人［33］和陈铁峰等人［34］对百叶窗开度对干湿联合冷却塔的消雾性能的影响得出了重要结论。研究表明，随着百叶窗的开度增加干湿联合冷却塔的消雾特性得到了加强。这项研究结果为后续干湿联合冷却塔的消雾特性的研究也提供了新的方向。

图9 成雾频率曲线对比

6 最新相关研究对比

近期，文献［35-36］对消雾节水冷却塔的成雾机理以及消雾节水方法展开了综述，文献［35］着重介绍了干湿冷却系统的发展及优化；文献［36］着重介绍了消雾点的选择。消雾评价是消雾节水塔设计和运行优化的基础，本文着重对消雾节水塔的评价方法进行了综述。

干湿联合消雾冷却塔的技术目前已经比较成熟，工程应用广泛。干湿联合的最大的优势在于干湿段的进水比例和进风比例可调，可以根据实际的气象条件来控制以达到最好的消雾节水效果。弊端在于随着消雾节水效果的提高，冷却塔的冷却性能下降。干段进风量大，消雾效果就好，与之相对的是湿段进风量就小，冷却效果差。后续研究会从调整百叶窗开度的方面开展研究，通过调整百叶窗的开度来调整干湿端的进风量从而使冷却塔的消雾效果和冷却性能达到一个平衡。

冷凝消雾的节水消雾方法在消雾节水上取得了显著效果。这种消雾方法的优点在于可以通过在除水器上方增加可引入冷风的塑料间壁式换热器，降低湿热空气的温度，实现饱和空气中水蒸气的冷凝回收。缺点在于塑料式换热器换热效果差，冬季极冷条件时消雾效果差。

综述关于雾滴捕捉的相关研究，后续工作可以把雾滴捕捉技术应用到消雾节水中来，在冷却塔出口处安装雾滴捕捉装置来完成消雾节水的工作。