竹格填料与PVC填料在冷却塔中的节能效率与环境影响研究

马欣欣 陈礼生 费本华 鲁继平

(国际竹藤中心 竹藤生物质新材料研究所 北京 100102)

冷却塔是一种广泛应用于电厂、化工厂、钢厂的冷却设备，其冷却性能对机组能耗和发电效率有很大影响。它的工作原理是在流动的气流下，水滴均匀散落在填料上，通过空气与水的热湿交换来降低水温去除热量。但是，随着能源成本的上涨和水资源的短缺，冷却塔的工作效率亟待提升。我国每年循坏水的用电量约为300亿～400亿kWh；在美国，由于冷却塔工作效率的原因，每年约有5%的热能浪费。这些数据均表明冷却塔效率对节约能耗起着至关重要的作用。

提高冷却塔工作效率，首要改进的就是冷却塔填料。冷却塔中填料的作用是减小水滴尺寸，增加水-气接触面，从而提高冷却塔的冷却效率。填料成本仅占冷却塔成本的20%～25%，但散热效率占60%～70%，因此填料一直是冷却塔的核心组成部分。自冷却塔出现以来，市场上先后出现了几种主要填料类型，有木材、水泥、蜂窝纸板和塑料填料等。在20世纪60年代以前，我国电厂冷却塔中多采用木材填料。木材填料易加工、易安装，成本低廉，但是随着木质资源的短缺，蜂窝纸板和水泥等填料替代了木材填料。纸蜂窝填料具有优质的冷却效率，缺点是易破损。水泥填料应用的时间较长久，它具备良好的刚度和热力性能，但是安装难度大，且难降解，对环境危害严重。大约从20世纪70年代开始，PVC塑料填料开始出现，并因其轻质、高强、优良的冷却性能而得到迅速推广，目前大约占据96%的冷却塔填料市场。但是，PVC填料同样存在污垢易沉积、耐久性低等缺点，且随着人们对生活环境要求的提高，塑料难降解的问题也逐渐引起重视。

竹格淋水填料是一种新型冷却塔填料，由弧形竹片构成，通过穿杆将竹片串连到一起，再进行上下交错垂直叠放，组成网格状填料。竹格填料最早出现于20世纪70年代，但是由于加工工序传统，冷却效率低，一直发展缓慢。自2006年开始，国际竹藤中心与宜兴亨达竹格填料有限公司开始合作，改良竹格填料的工艺，促进其推广。竹格填料的基本单元为弧形竹片，其轮廓为不规则弧形，且表面粗糙，易将水流分解成小水滴，且不易形成污垢。本课题组前期研究发现，竹格填料的弹性模量在使用9年后仅下降25%，且强度仍符合《火力发电厂冷却塔竹制淋水填料技术条件》的应用要求。因此，竹格填料具有优良的冷却性能、强度高以及耐久性良好，较PVC填料具有显著的推广优势。

冷却塔填料的热力性能和阻力性能非常重要，是用来衡量填料冷却效率的重要指标。此外，随着人们对环境的重视程度越来越高，电厂对环境的影响引起研究人员的重视。其中，冷却填料对环境的影响也成为重点关注方向。为了进一步推广竹格填料在电厂冷却塔中的应用，研究竹格填料对环境的影响变得尤为重要。目前，常用全生命周期评价(LCA)来评估材料“从摇篮到坟墓”的全过程所涉及的资源消耗及环境影响问题。环境影响指数(BEES)和累积能源需求(CED)是LCA的两大重要评价工具。竹格填料作为新兴的冷却填料，节能效率和对环境的影响研究几乎未见报道。因此，本文将对竹格填料和PVC填料进行系统比较，有针对性地分析2种填料的冷却性能、节能效率以及对环境的影响等。

1 材料与方法

1.1 竹格填料的制备

4年生毛竹，采自我国福建。胸径100～120 mm，壁厚7～12 mm。竹筒锯切成1 200 mm和1 600 mm 2组。然后，将竹筒纵向剖分成宽40 mm的竹片。在竹片两端打孔，插入细小竹杆连接。竹片的间距为50 mm。PVC填料信息引用自Hu et al.(2003)的研究。

1.2 竹格填料的冷却性能

竹格填料冷却性能的样品尺寸为1.0 m × 1.0 m × 1.52 m，测试地点为西安热工研究院有限公司。测试的指标有进水温度T1、出水温度T2，空气从外界进入填料区前的湿球温度tw1、干球温度td1，以及经过一个循环后空气捕获液滴返回填料区时的湿球温度tw2和干球温度td2。

冷却效率的计算公式为：

冷却数的计算公式为：

Ω=Aλm

其中，Ω为冷却数，λ为气水比，A和m为本次试验的指标。

阻力性能计算公式为：

其中Δp为阻力性能(Pa)，d1为入口空气密度，Vcp为填料区的风速。

A=Ax×q2+Ay×q+Az

m=mx×q2+my×q+mz

1.3 竹格填料的节煤效益

东风汽车热电厂是中国湖北的一家热电厂，该厂使用湿式双曲型自然通风冷却塔，冷却面积2 000 m2。在使用竹格填料之前，该电厂使用PVC填料已有4年。然而，PVC填料在使用4年后开始出现老化塌陷情况。随着电站的扩建，冷却塔逐渐无法承受热负荷，尤其在夏季炎热时候。因此，该电厂将PVC填料替换为竹格填料，并于2012年和2013年在该电厂冷却塔上测量了PVC电力和竹格填料的进水温度和出水温度，进而确定冷却过程中的降温幅度，并根据火电厂6个月的使用煤耗计算出节煤量。

1.4 冷却塔填料的生命周期评价

为了对比竹格填料和PVC填料的环境效益，采用生命周期评价方法(LCA)评估2种填料。根据ISO 14040标准，LCA的功能单元被定义为1 m3填料，边界条件设计为“从摇篮到坟墓”的全过程，即从竹子采伐到竹格填料寿命结束为止。通过SimaPro软件进行对比，输入2种填料的原材料和能源需求信息等数据，以及从当地获得的冷却塔相关信息。

2 结果与讨论

2.1 冷却性能

热力性能和阻力性能是表征材料冷却效率的2大指标。冷却效率随热力性能增加而增大，随阻力性能降低而减小。因此，2种指标需要综合分析，才能客观评估填料的冷却效率。竹格填料的冷却数为1.52λ0.64，PVC填料的冷却数为2.35λ0.65。竹格填料的A值(1.52)明显小于PVC填料的A值(2.35)，A值越大，表明热力性能越好，因此PVC填料的热力性能优于竹格填料。这种情况下，可以通过优化竹格填料的设计及尺寸来增加冷却数。

阻力性能反映的是空气流经填料区时遇到的阻力大小，对冷却效率同样有重要影响。阻力值和风速、降水密度均相关。当总风量和淋水密度一定时，空气在冷却塔内流动时遇到的阻力越小，流动速度越大，对循环冷却水的冷却效果越好。阻力性能函数中的Az是一个重要指标，Az值越小，说明填料的阻力性能越大。PVC填料的Az值(1.186 7)大于竹格填料的Az值(0.725 4)，这表明竹格填料的阻力性能优于PVC填料。

2.2 竹格填料和PVC填料在电厂冷却塔中的应用

为了更好地对比竹格填料和PVC填料的冷却性能，对2种填料在同一冷却塔中的应用情况进行了分析。分别在2012年和2013年的3月至8月测试了冷却塔出水温度。2012年该厂使用的是PVC填料，数据显示，在7—8月时，冷却塔的出水温度已略高于环境温度，可见使用4个月后的PVC填料已无法满足电厂的冷却需求。2013年该厂将PVC填料替换为竹格填料，同样测试了3月至8月的冷却塔出水温度。数据显示，除3月份外，其他月份的出水温度均低于周围环境温度。7—8月份的出水温度显著低于环境温度，可见竹格填料的冷却能力良好。

为了更方便比较，进一步计算了2种填料在3月至8月的平均出水温度，发现竹格填料的平均出水温度比PVC填料高0.85 ℃。但是2013年的环境温度比2012年的环境温度高1.83 ℃，因此，竹格填料的实际出水温度比PVC填料降低了Δt=0.98 ℃。当出水温度降低1 ℃时，真空度ΔP降低0.3%，则发电标煤消耗量ΔB减少0.9 g/kwh。3月到8月是循环冷却水温度升高期，此间发电量为Nj=6×108kwh。因此，使用竹格填料后，半年内该厂总共节约煤耗量为：

Bb=Δt×Nj×ΔB=529.2 t

2.3 通过LCA评估填料的能源消耗

通过生命周期软件对竹格填料和PVC填料的能源消耗情况进行评估，识别并量化填料从制造到填埋的全生命周期各阶段中的能源与材料消耗、环境排放及相关影响。结果发现，PVC填料累积能源消耗(CED)为3 420 MJ，而竹格填料的累积能源消耗仅为561 MJ，前者的能耗是后者的6.1倍。其中，竹格填料消耗的化石能源、生物质燃料、风能和太阳能等较PVC填料的消耗量降低了6.8～19.8倍，但消耗的水资源量增加了1.4倍。PVC填料在制造阶段的能耗为1760 MJ，而填埋阶段的能耗为1 660 MJ，这2个阶段的能耗差值不大。竹格填料在制造阶段的能耗为561 MJ，而填埋阶段的能耗为零，只有少量的运输能耗，可忽略不计。这表明PVC填料在填埋阶段对环境影响显著，而竹格填料的降解对环境影响很小。这进一步证实了在工业领域使用竹材有益于清洁生产。

2.4 BEES分析结果

BEES(Building for Environmental and Economic Sustainability)是由美国标准和技术研究院开发的一种建筑材料环境性能和经济性能综合评价软件，可以为材料的环境性能和经济性能的平衡提供数据参考。结果显示，PVC填料的BEES指数(CO2eg.)是1.6×105CO2eq.，而竹格填料的BEES指数为2.6 × 104CO2eq，即替换成竹格填料后，CO2的排放量减少了6.1倍。为了对比2种填料在制造和填埋过程中的BEES指数，对其进行了进一步分析。PVC填料在制造过程中的BEES指数为8.47 × 104CO2eq.，在填埋过程中的BEES指数为7.49 × 104CO2eq.。竹格填料替换PVC填料后，其在制造过程中的BEES指数为2.38 × 104CO2eq.,填埋过程中未显示数据。上述结果和CED的规律相似。

BEES环境影响指标共有13类，其中，PVC填料的“全球变暖”“酸化”“HH-癌症”“HH-非癌症”“HH-标准空气污染物”“富营养化”和“烟雾”等指标分别是竹格填料对应指标的6.1、3.2、10.5、6.4、4.7、2.9和1.5倍。其他的如“室内空气质量”“栖息地改变”“臭氧消耗”等指标为零，可忽略不计。

3 结论

本研究对竹格填料和PVC填料的冷却性能、能耗和环境影响进行了比较与分析。结果发现，与PVC填料相比，竹格填料的热力性能较差，阻力性能较好；东风汽车热电厂的应用结果显示，在同一冷却塔中，使用6个月的竹格填料后，可节约煤耗529.2 t；在PVC填料替换为竹格填料后，累积能耗从3420 MJ降低到561 MJ，主要环境指标，如“全球变暖总潜能”“酸化值”“HH-癌症”“HH-非癌症”“HH-标准空气污染物”等降低了1.5～10.5倍。因此，本研究认为，竹格填料在电厂冷却塔领域具有非常大的应用价值，有必要加快推广。

原文出处

Xinxin Ma; Liping Cai; Lisheng Chen; Benhua Fei*; Jiping Lu; Changlei Xia; Su Shiung Lam*. Bamboo grid versus polyvinyl chloride as packing material in cooling tower: Energy efficiency and environmental impact assessment, Journal of Environmental Management, 2021, 286: 112190. DOI: 10.1016/j.jenvman.2021.112190