冷却塔白烟形成机理及治理技术应用

江 平

（上海一建安装工程有限公司，上海 200437）

0 引言

冷却塔在工业和商业领域中具有重要作用，主要用于散热和降温，常用于发电厂、化工厂、空调系统等设施。冷却塔通过将冷却水暴露于大气中，利用水在蒸发过程中需要吸收热量的原理，从而使没有蒸发的水降温，水可能被冷却的最低温度为室外空气的湿球温度。降温后的冷却水被输送至设备换热装置吸收热量，确保设备的正常运行。

1 冷却塔白烟问题的背景和重要性

白烟问题是冷却塔排放的水蒸气在特定条件下，如湿度、室外温度、气流等因素的影响下，形成可见的白烟。这可能导致以下问题：

（1）环境影响：白烟可能被风吹向周围区域，影响附近居民或环境，引起公众关切和卫生担忧。虽然白烟本质是水蒸气冷凝而成，但容易被公众误解为着火烟雾，从而引起心理恐慌，增加公共安全风险。

（2）健康影响：冷却水质量差、放置时间过长或不洁净会导致冷却塔内聚集大量细菌、藻类等微生物。如果军团菌等微生物附在细小水滴上随白烟扩散，可能诱发肺炎等呼吸系统疾病。

（3）交通安全影响：靠近马路和机场的冷却塔形成的白烟，可能使附近区域能见度下降，从而对交通造成一定影响，增加行车风险。

因此，解决冷却塔白烟问题对于环保、健康及交通安全都是有重要意义的。本文采取合适的措施、调整操作条件、优化设计，以有效减缓或解决白烟问题，确保冷却塔系统的可持续运行。

2 冷却塔白烟的产生原因

2.1 环境因素影响

温度和湿度是冷却塔白烟生成的重要环境因素。冷却塔在热交换过程中将热量从冷却水传递给外界空气，使空气升温并增加湿度（状态接近饱和曲线）。白烟现象产生的原因分析如图1 所示，当加热加湿的空气（A 点）遇到室外低湿球温度或高相对湿度的空气环境（B 点）时会发生冷却和凝结，导致水蒸气凝结成微小水滴，形成白烟现象（D 点）。

图1 白烟形成原理

这与冬天口中吐气成白烟的原理相似，因为在寒冷的气温下，人体呼出的湿热气体遇冷凝结成小水滴，形成可见的白色蒸汽。这种现象通常发生在寒冷潮湿的季节或清晨，结雾区不稳定，析出的多余水分凝结成水，形成饱和湿空气。

2.2 水质问题

冷却塔中使用的水质可能含有溶解的盐分和其他化学物质。当这些物质被带到空气中并与空气中的湿气相互作用时，就会促使水蒸气凝结成微小的水滴，形成白烟。因此，水质的成分和处理方式会直接影响冷却塔排放的白烟。

2.3 运行参数和系统设计

冷却塔的运行参数，如水循环速度、喷淋系统、风扇速度等，以及系统的设计特征，如冷却塔的形状和结构，都会影响白烟的形成。不同的运行参数和系统设计可能导致不同程度的水蒸气凝结，从而产生不同浓度的白烟。

上述因素相互作用，决定了冷却塔白烟的生成机制。综合考虑这些因素，采取合适的控制措施，可以有效减少白烟的产生，降低其对周围环境的影响。

3 冷却塔白烟治理技术应用

由白烟形成的机理不难看出，在排气与大气相混合的过程中，只要不通过湿空气过饱和区域且不在湿饱和空气曲线上的状态点时，就不会产生白烟，反之则会产生白烟。因此，解决冷却塔排放白烟问题需要针对湿空气温湿度和冷却水水质成分进行具体分析[1-2]：

（1）提高空气温度。优势：通过在排风口或进风口设置热水盘管等方式提高出风口或进风口空气温度，可以降低空气相对湿度，减少白烟排放。劣势：需要根据具体气候条件调整。

（2）水质预处理。优势：在水进入冷却塔之前进行预处理，如过滤、软化或去离子处理，可以降低水中溶解的盐分和其他化学物质的含量，有助于减少形成白烟的潜在成分。劣势：需要额外的设备和成本。

（3）化学添加剂。优势：使用适当的化学添加剂，如抗垢剂，有助于减少水中溶解物质的影响，防止其在冷却过程中结晶形成颗粒。劣势：需要仔细控制添加剂的浓度，以避免对水质产生不良影响。

应综合考虑提高空气温度、水质预处理、化学添加剂等措施，制定综合性的白烟治理和水质管理方案，以最大程度地降低白烟排放的可能性。具体方案选择应根据冷却塔的具体情况和环境条件进行合理调整。本文结合具体工程实例，对冷却塔设置热水盘管提高冷却塔进风或排风空气温度的方案做出具体说明。

3.1 工程概况

上海徐家汇中心地处徐汇区虹桥路和宜山路交汇处，地铁9#、11#线徐家汇站出入口近在咫尺，总建筑面积约775 643 m2，是集合商业、办公、酒店等于一体的综合发展项目。其中，T1 塔楼为43 层办公楼，总高约220 m；T2 塔楼为70 层办公楼，总高约370 m，是目前上海浦西第一高楼；T3 为15 层酒店，总高约76.2 m，地下室共6 层，深达地下30 m。该项目规模超大，建筑功能大而全，配备的冷却塔多达16 组，处理的冷却水总量达到14 600 t/h。冷却塔设置在裙房7 层屋面，周围高档住宅环绕，因此需要最大程度地降低白烟排放的可能性。冷却塔位置布置如图2 所示。

图2 冷却塔位置布置

3.2 冷却塔白烟治理

该项目于裙房屋顶设置16 组冷却塔，每组由2 台相同设备组成，独立电机运行。当室外空气温度低于13 ℃且相对湿度较高时，冷却塔出口空气与之混合后会发生冷却和凝结，导致水蒸气凝结成微小水滴，形成白烟现象。在上海这一般是过渡季节或冬季，考虑到此时建筑内区冷负荷不高，经过核算相应的冷负荷，计算出只需开启5 组冷却塔进行散热。同时考虑设备的轮换运行，总共设置了6 组加装了热水盘管的冷却塔。

设热水盘管来消除冷却塔白烟一般有两种方案。

3.2.1 在不设湿段填料的塔体两侧设热水盘管（方案1）

等湿加热后的室外空气和穿过湿段填料增焓增湿后的空气混合后，再排出冷却塔，与室外空气混合，混合后空气脱离结雾区。热湿交换及混合过程如图3 所示。

图3 热湿交换及混合过程分析

优势：热水盘管位于塔体低位，便于安装和维修。

劣势：塔体四面都需要进风，需要预留进风距离，每台设备占据空间大。冷却塔单独布置，不能组成条形设备，检修不便。防白烟工况时风机风量增加较大，因此电机功率增大，能耗增加，初投资增加较多。且设备与部分建筑楼梯风井碰撞（图4）。

图4 方案1 平面布置示意

3.2.2 排风口设热水盘管（方案2）

与冷却水热湿交换后，增焓增湿的空气经过热水盘管再热后排出塔体，与室外空气混合。混合后空气脱离结雾区。热湿交换及混合过程如图5 所示。

图5 热湿交换及混合过程分析

优势：冷却塔选型基本不变。风机余压略微增加，不需要调整电机功率，减少初投资和运行费用。

劣势：热水盘管要装在出风口收水器之上，增加冷却塔高度，检修和维护不便。

设备层位于项目北裙房屋面，四周有擦窗机轨道及钢架结构，空间狭小。如果采用方案1，则无法确保进风通畅，现有空间无法排布6 组12 台设备。另外，冷却塔需要考虑降噪问题，在出风口设有出风消声器，方案2 的热水盘管可固定在出风口消声器钢架下，不需要单独设置钢架，有利于施工的进行。综合考虑上述因素以及后期检修方案，形成了以方案2 为基础的最终方案，具体设备排布如图6 所示。两种方案的部分参数对比见表1。

表1 两种方案部分参数对比

图6 方案2 设备平面布置示意

3.3 白烟治理效果

冷却塔顶部出风口经加装热水盘管后，有效减少了冷却塔部分室外工况运行时的白烟产生，尤其是在冬季潮湿的雨天和春季室外温度较低的湿冷天气里。

通过在冷却塔出口设置热水盘管，可以有效调控出口空气的温度。提高空气温度有助于减少混合后的湿空气在冷空气中的凝结，通过提高露点温度降低白烟产生的可能性。这一调控机制能够有效应对在低温环境下白烟生成的问题。同时，采取类似原理方案时需要兼顾现场的实际情况，采用最适合相应项目的方案。

本文方案的主要目标是降低白烟排放，但同时需要注意加热过程的环保性。选择清洁能源供热，或采用高效能的加热系统，有助于降低对环境的影响，并符合可持续发展的原则。

设置热水盘管涉及到额外的能源消耗。因此，在方案实施前需要对能源成本进行评估，并确保加热过程的能效较高，以降低对企业运营成本的影响。本项目就近采用屋面的锅炉热水一次水对加热盘管供热，当室外空气温度低于设定值、湿度较大，且冷却塔开启时，通过控制程序化智能开启相应的热水供回水电动阀，对盘管进行供热，确保在必要时开启盘管加热功能，防止或减少白烟产生，同时减少能源浪费。此外，热水盘管系统的定期维护对于方案的长期有效性至关重要。保持盘管的清洁和良好状态，有助于维持系统的高效运行，减少白烟排放。

总体而言，通过在冷却塔出风口设置热水盘管的方案，从调控温湿度到环保和能源消耗等多个方面综合考虑，才能在降低白烟排放方面取得显著效果。

4 结束语

本文从冷却塔白烟问题的背景和重要性出发，简述白烟问题对环境、健康和交通安全的危害，详细分析了白烟问题产生的原因、焓湿图示意和热量守恒原理等表述其深层机理。介绍冷却塔白烟问题的常见解决方案，重点对比研究了从提高冷却塔出口温度出发的两种方案，通过热湿交换及混合过程分析、外形尺寸影响安装、电机功率匹配等角度的具体案例实践阐述不同方案选择的利弊，从而确定适合项目实际情况的最终方案。该方案实际应用效果较好，可以为相似项目的方案设计提供参考借鉴。