1.應(yīng)用背景
2012年《國(guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》把水資源的利用總量和利用效率已經(jīng)放在發(fā)展各種產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)與核心位置。國(guó)家十二五規(guī)劃中明確提出煤化工行業(yè)的耗水指標(biāo)，每噸標(biāo)煤耗水不超過(guò)3噸。而目前國(guó)內(nèi)煤化工企業(yè)現(xiàn)狀耗水指標(biāo)普遍在每噸標(biāo)煤耗水不低于5噸。
分析煤化工企業(yè)各單元耗水指標(biāo)，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是最大的耗水用戶，占耗水總量的60%左右，采用的冷卻方式主要是敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，這種方式冷卻效果好，但是需要消耗大量的水。隨著西部大開(kāi)發(fā)的加速，西北地區(qū)的煤化工項(xiàng)目也越來(lái)越多，對(duì)水資源的需求也也來(lái)越大。但西北地區(qū)水資源缺乏，采用開(kāi)式冷卻塔的運(yùn)行費(fèi)用太高，另一方面，西北地區(qū)氣溫低、風(fēng)量大，非常適合使用空冷器進(jìn)行冷卻。
研究循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)水技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤化工行業(yè)十二五規(guī)劃耗水指標(biāo)的重要方向之一。做好合理用水、節(jié)約用水，是煤化工企業(yè)節(jié)能降耗、減排增效的一項(xiàng)重要工作。同時(shí)，節(jié)水對(duì)緩解水資源緊缺和保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義。
在中國(guó)節(jié)水技術(shù)政策大綱中指出“節(jié)約用水、高效用水是緩解水資源供需矛盾的根本途徑”。節(jié)約用水的核心是提高用水效率和效益。國(guó)家厲行節(jié)約用水。堅(jiān)持科學(xué)的發(fā)展觀，把節(jié)水放在更加突出的位置。國(guó)家鼓勵(lì)節(jié)水新技術(shù)、新工藝和重大裝備的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。并在大綱中明確提出“發(fā)展高效循環(huán)冷卻水處理技術(shù)，推廣閉式循環(huán)冷卻技術(shù)”。
2.閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)
為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，促進(jìn)干旱地區(qū)高耗水企業(yè)的發(fā)展，湖北中圣股份有限公司(原武漢中圣能源，以下稱“湖北中圣股份”)自主研制出了閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。以創(chuàng)新型“閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)”替代傳統(tǒng)的“工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)”，以節(jié)能型水膜式空冷器或聯(lián)合式空冷器代替涼水塔，其既能保證冷卻水溫度以滿足各項(xiàng)工藝要求，又可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，還能節(jié)水、節(jié)能、減排，減少工藝設(shè)備結(jié)垢，提高工藝設(shè)備壽命。
閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)將水冷與空冷，傳熱與傳質(zhì)過(guò)程融為一體，是一種新型高效節(jié)能的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。
2.1.工藝特點(diǎn)
閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用軟水或除鹽水充當(dāng)冷卻水，吸收工藝換熱設(shè)備熱量，升高溫度后，進(jìn)入節(jié)能型水膜式空冷器或聯(lián)合式空冷器(見(jiàn)下圖，簡(jiǎn)稱空冷器)管內(nèi)，先進(jìn)入翅片管段(聯(lián)合式空冷器有)預(yù)冷，然后進(jìn)入噴淋管段進(jìn)一步被管外的空氣和噴淋水吸收熱量，降溫后由循環(huán)水泵加壓，至工藝換熱設(shè)備。軟水在閉式循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)使用，不與外界空氣接觸，完成吸熱和放熱的熱量傳遞過(guò)程。因?yàn)殚]式循環(huán)軟化或除鹽水質(zhì)量穩(wěn)定，基本不損耗，僅補(bǔ)充因系統(tǒng)設(shè)備跑冒滴漏而損失的少量軟化水。
氣溫較高時(shí)，風(fēng)機(jī)和噴淋水泵同時(shí)開(kāi)啟。噴淋水泵將噴淋水送入換熱管上方的噴淋水布水系統(tǒng)，噴淋水向下噴向換熱管，在換熱管管外形成均勻的水膜，水膜吸收管內(nèi)的熱量，并向空氣蒸發(fā)汽化。水汽化的潛熱大大超過(guò)水升溫的顯熱，故極大地強(qiáng)化整個(gè)傳熱過(guò)程，減少了換熱面積。由于汽化的水進(jìn)入空氣，在出口處經(jīng)除水器捕除夾帶的水后，穿過(guò)翅片管排入大氣。大部分噴淋水向下回落至水箱循環(huán)使用，噴淋水本身在下落的過(guò)程中，被空氣冷卻。
隨著氣溫的降低，可以減少風(fēng)機(jī)和噴淋泵臺(tái)數(shù)，或通過(guò)變頻降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)換熱量，維持出水溫度的穩(wěn)定。通過(guò)換熱設(shè)計(jì)，可以在0℃、5℃、10℃、15℃時(shí)停開(kāi)噴淋水。此時(shí)，空冷器相當(dāng)于一臺(tái)引風(fēng)型的干空冷。在大同同煤集團(tuán)煤制甲醇項(xiàng)目中，環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，就不用噴水，大大節(jié)省水耗。
2.2.技術(shù)優(yōu)勢(shì)
閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)與傳統(tǒng)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)相比，有許多優(yōu)點(diǎn)如下：
閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：廠址選擇不受限制、采用空冷和水冷相結(jié)合，有效降低水耗、閉路循環(huán)，水質(zhì)穩(wěn)定，提高了工藝換熱設(shè)備傳熱效率和壽命、維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低、排污量小，有利環(huán)保、電源被切斷后，仍有部分冷卻能力。
傳統(tǒng)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的缺點(diǎn)：廠址的選擇跟水源有很大關(guān)系、完全依靠水冷，水耗高、循環(huán)水水質(zhì)不穩(wěn)定，換熱設(shè)備易結(jié)垢和腐蝕、維護(hù)復(fù)雜，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高、排污量大，污水處理投資大、電源一斷，就要全部停產(chǎn)、
2.3.經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)
按常規(guī)設(shè)計(jì)，某循環(huán)水站規(guī)模為20000m3/h，采用閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)規(guī)模、裝置投資、消耗數(shù)據(jù)等與開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)及常規(guī)閉式循環(huán)水系統(tǒng)相比，均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)下表。
注*：運(yùn)行費(fèi)用=藥劑費(fèi)+電費(fèi)+水費(fèi)，其中以藥劑10元/kg、電費(fèi)0.5元/千瓦時(shí)、水費(fèi)12元/m3(內(nèi)蒙某企業(yè))計(jì)算。
閉式空冷循環(huán)水系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用1513萬(wàn)元，2-3年即可收回投資。
3.公司的研究成果
多年來(lái)，湖北中圣股份不斷堅(jiān)持創(chuàng)新，在設(shè)計(jì)和研發(fā)人員的共同努力下，閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)也得到不斷改進(jìn)，取得了如下技術(shù)成果。
(1)采用聯(lián)合空冷，節(jié)水達(dá)到最優(yōu)(ZL200910062950.6)
根據(jù)我國(guó)冬冷夏熱的氣候特點(diǎn)，為達(dá)到最佳的節(jié)水效果，通過(guò)采用湖北中圣股份的專利產(chǎn)品聯(lián)合空冷器，降低噴淋水消耗，即夏季的時(shí)候開(kāi)啟噴淋水，干空冷和濕空冷聯(lián)合運(yùn)行，冬季關(guān)閉噴淋水，干空冷運(yùn)行，春季和秋季則根據(jù)需要不開(kāi)或少開(kāi)噴淋水，并調(diào)整風(fēng)量和角度。
項(xiàng)目產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的耗水率僅為0.9%，而同等規(guī)模的傳統(tǒng)工業(yè)冷卻水系統(tǒng)的耗水率平均為2.5%。系統(tǒng)產(chǎn)品可比傳統(tǒng)的工業(yè)冷卻水系統(tǒng)節(jié)約用水30%-70%。
目前，該項(xiàng)創(chuàng)新已在我國(guó)西北和東北地區(qū)應(yīng)用成功，在中煤陜西榆林和山西凱嘉煤層氣發(fā)電項(xiàng)目，湖北中圣股份的閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)均可以達(dá)到0℃停水，即將開(kāi)始的內(nèi)蒙古中天合創(chuàng)鄂爾多斯煤炭深加工示范項(xiàng)目，湖北中圣股份將率先實(shí)行15℃以下停水的新技術(shù)。
(2)噴淋系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)(ZL201420522388.7)
現(xiàn)有蒸發(fā)空冷器噴淋系統(tǒng)的噴淋管采用主管+支管的配水形式，并且在支管上安裝有噴頭。噴淋水管系安裝的位置位于蒸發(fā)空冷器管束的上部，風(fēng)與水在管束的外部呈逆流狀態(tài)。在上部管束，水與管束接觸均勻，換熱效果好。在最下部管束，因?yàn)樗鞯脑颍c管束的接觸不均勻，由于空氣的不飽和度和風(fēng)量大的原因，水在管束下部產(chǎn)生分布不均并出現(xiàn)干點(diǎn)。且水從上部管束到下部管束，因吸收熱量，溫度越來(lái)越高，結(jié)垢的可能性越來(lái)越大，實(shí)際運(yùn)行中也可見(jiàn)下部管束結(jié)垢嚴(yán)重。
湖北中圣股份通過(guò)在原有的基礎(chǔ)上在管束下部增加噴淋管系，對(duì)下部換熱管進(jìn)行直接噴淋，防止下部換熱管束外壁出現(xiàn)干點(diǎn)，也使得下部管束的結(jié)垢得到有效的緩解，下噴淋管系的流量可通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié);在噴淋水泵出口處增加穩(wěn)壓罐，穩(wěn)定噴淋系統(tǒng)的壓力，使得上下噴淋管因流量調(diào)節(jié)導(dǎo)致的系統(tǒng)壓力波動(dòng)得到有效緩解。
(3)引入填料，提高換熱效率(ZL201420522389.1)
閉式冷卻塔主要以空氣作為熱交換源，難以將冷卻介質(zhì)的溫度降低至環(huán)境溫度以下。針對(duì)這一問(wèn)題，湖北中圣股份設(shè)計(jì)將冷卻塔填料引入閉式冷卻塔，通過(guò)降低噴淋水的溫度來(lái)增加熱交換效率。采用該方法可將冷卻介質(zhì)溫度在普通閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上降低2-3℃，達(dá)到和開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)同樣的冷卻效果。目前湖北中圣股份在山西潞安高硫煤清潔利用項(xiàng)目中采用的就是該系統(tǒng)。
4.應(yīng)用業(yè)績(jī)
目前湖北中圣股份設(shè)計(jì)并生產(chǎn)的閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在冶金、石化、電力及化工領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，在煤化工領(lǐng)域也有不少成功應(yīng)用的案例，部分業(yè)績(jī)表見(jiàn)下表。
