无填料喷雾冷却塔在湿法磷酸装置中的应用

胡文武，陈以明

（湖北大峪口化工有限责任公司，湖北 钟祥 431910）

某公司磷酸生产装置采用的是Jacobs-Dorrco（杰克布斯-多尔科）二水法生产工艺，工艺配套有混凝土结构的两塔八格式填料冷却塔，主要用于磷酸装置工艺水的冷却，冷却效果直接影响装置真空度等因素，因此在生产中起着关键性作用。但由于磷酸装置中的工艺水成分较为复杂，该类冷却塔填料使用较短时间后就出现结垢，冷却效果变差，处理水量逐年减小，影响装置真空度导致冷却塔无法按照设计和生产要求运行，严重影响Jacobs-Dorrco二水法生产工艺连续稳定运行。

1 填料冷却塔现状与存在的问题

1.1 填料冷却塔现状

改造前填料冷却塔的基本情况如下：布水系统为向下喷淋式配水，填料采用市场上广泛使用的逆流式斜波纹，材质为聚氯乙烯（PVC），风筒为圆柱形玻璃钢风筒。其参数：单格平面基础尺寸9 000 mm×9 000mm，每格处理水量1 600m3/h，由四格一组单排布置成塔群。循环水进塔温度40.2℃，出塔温度31.5℃，进出塔温差8℃左右。环境气象条件：湿球温度28℃，干球温度32℃，大气压100 370 Pa。热水泵2台，流量分别为3 600m3/h和2 900m3/h，扬程26m。

1.2 填料冷却塔存在的问题

（1）逆流式PVC斜波纹填料长时间使用，容易老化，PVC老化直接导致填料脆裂、变形、破损，传热性能变差。填料的老化导致塔底部填料无法支撑上部填料，部分填料凹陷或坍塌，造成气体分布不均，局部区域空气在破损的空隙处形成气流短路，另外由于填料的凹陷或坍塌导致填料在塔内分布不均，塔内循环水也存在布水不均，整个冷却塔冷却效率下降，在冷却塔的整个循环过程中破损填料碎片易造成装置洗涤器和水泵堵塞，影响洗涤器的洗涤效率甚至威胁安全生产。

（2）按照国家环保要求，企业生产过程产生的污水严禁外排。目前，公司磷酸生产过程中产生的污水先作为磷石膏调浆水进入石膏库，通过石膏库溢流口流入渣场循环水池进行净化处理，再输送回磷酸装置循环水池重复利用。所以循环水在冷却塔冷却过程中，会析出大量Na2SiF6、K2SiF6、CaSiF6等杂质，且部分会粘附在填料空隙内，导致冷却塔运行超过2年换热效率就会急剧下降，严重的还会堵塞填料。每次大修时，更换填料和检修喷淋装置工作量很大，且不易施工。

（3）布水喷头容易老化、脱落。目前采用的喷头为塑料螺旋喷头，老化后螺旋拉长或者被热水冲断、脱落，导致水流在塔中呈沟流和束流状态，无法达到均匀布水的目的，热水的雾化更是达不到要求。雾化差导致热水与空气接触面积减少，热水直接从上冲下，在空气中的停留时间减少，影响塔的热交换效率。

（4）收水器易老化变形，收水板之间距离变大，加之收水器设计不合理，导致收水性能变差，冷却塔飘水严重。由于被冷却的水含有大量杂质，造成塔周围电机、阀门、钢结构以及其他设备和建筑物严重腐蚀，对装置生产和现场环境也造成一定影响。

（5）填料冷却塔内铺满了填料，日常进入其内部检修非常不方便。

2 改造方案

针对填料冷却塔目前所呈现出的一系列不正常状态，根据相关资料，借鉴国内先进的循环冷却水相关技术，结合其他友好单位的实际改造方案，公司对原填料冷却塔进行无填料喷雾冷却改造，具体改造方案如下［1-4］。

在保持原有冷却塔整体外形结构及风机功率的前提下，不改变冷却塔风机、电机、减速机、风筒等原配置，拆除塔内所有的布水管、填料、收水器、喷头等，所有的布水管和喷头都安装在底部，使热水从下向上逆洗雾化喷淋。为减少气水损失及水气飘滴影响环境，喷淋层到收水层之间应保证3.0m以上的层高，同时采用折板式专用收水器，使飘水损失控制在循环水总量的0.005%。

其具体运行原理：由热水泵将工业生产中吸收反应热的热水，经布水分布管送到冷却塔中下部喷管的雾化器喷头；当热水流经喷头时，在喷头特有的构造和水压下产生内旋流，在喷头内部产生湍流，最后热水在喷头出口处呈实心锥形雾化向上喷出，与空气进行热交换，冷水落入水池，热水向上喷出增加了热水在冷却塔中行程，有效延长了热交换的时间，增加了热交换效率。热空气经折板式专用收水器除水后由塔顶风筒直接排入大气［1-2］。

3 改造后冷却塔的运行效果

采用填料冷却塔冷却时，热水只有从填料上部向下部流淌的一个冷却过程（即逆流过程）；而采用无填料喷雾冷却塔冷却时，热水有顺流和逆流两个冷却过程，使热水冷却更充分。

3.1 冷却温差大，风阻小

无填料喷雾冷却塔采用型号为LDP－III型GFPDN50、喷淋角为125°的冷却塔专用防堵雾化喷头，在0.02～0.05MPa背压下能将水分散成直径0.5～0.9mm的细小水滴，比水被填料分散的膜状比表面积大；热水向上喷出增加了热水在冷却塔中行程，有效延长了热交换的时间，增加了热交换效率。无填料冷却塔塔内阻力约为填料塔阻力的50%，阻力减小有效地提高了冷却塔风机的效率，风机风量提高了20%，气水比提高了15%，冷却塔单格冷却水温差较改造前提高了3.35℃。

3.2 运行稳定可靠

无填料喷雾冷却塔有效地解决了填料冷却塔的一系列问题，设备的运行稳定性得到极大的提高。冷却塔不存在死区、束流、沟流等现象，热交换效率得到较大的提高，降低了因停工造成的损失；且年运行维护费用仅为填料冷却塔的5%。

3.3 冷却水量大

与填料冷却塔相比，同风机同温差下的无填料喷雾冷却塔，不但系统内阻力减小，风量增大，而且还有顺流和逆流两个冷却过程，同时落下的液滴的液膜在底部支撑栅格板处再次破碎，进行二次热交换。所以，单格冷却水量由原来的1 200m3/h提高至约1 600m3/h。

3.4 节能效果显著

专用防堵雾化喷淋装置工作压力较原有分散装置工作压力（0.2MPa）降低0.15MPa，与其相连接的水泵功率降低，节能效果显著，简略计算如下。

实际生产中该塔L60F风机配套电机功率为55 kW，改造前风机电机运行功率为实际功率的80%，方案实施后L60F风机的电机运行功率为原来的70%左右，则2台风机每年（以210 d计，下同）节电133 056 kW·h。

由于冷却效果变好，工艺水冷却前后温差从原来的<10℃变为12℃，导致水泵运行电流降低了10%。实际生产中配套水泵的电机功率为380 kW，改造前水泵的电机运行功率为实际功率的80%，则改造后每年水泵电机节电153 216 kW·h。

按现行工业用电价格0.75元/（kW·h）计，则每年可节省费用21.47万元。

填料更换周期一般为5年，填料价格按较高的市场价格800元/m3计算，每塔（9 000mm×9 000mm）用料约为160m3，则单格更换一次填料的费用为25.6万元，每年填料费用为5.12万元。

不考虑节省的人工费和停工损失等费用，传统填料冷却塔改造为无填料喷雾冷却塔后，每年可节省费用约26.59万元。

3.5 无飘水现象，具有良好的环保效益

针对无填料喷雾冷却塔风量大、水量大的特点而专门研发的一种高效低阻力收水器，收水器片间无透视现象，每组收水器之间、收水器与塔体壁板之间能实现紧密搭接，使得飘水率小于常规的收水器，改善工厂周围环境。

4 结论

无填料喷雾冷却塔改造成功后，冷却塔运行状态良好，降温性能稳定；年节约费用约26.59万元，运行2年就可收回改造费用；检修维护工作量和费用非常低，仅为原来的6%，经济效益和社会效益明显。