安顯威

（惠生工程（中國）有限公司，湖北武漢430070）

煤化工項目中閉式循環(huán)水系統(tǒng)探討

安顯威

（惠生工程（中國）有限公司，湖北武漢430070）

探討了煤化工項目中循環(huán)水系統(tǒng)的特點和閉式冷卻塔的節(jié)水原因，介紹了閉式循環(huán)水系統(tǒng)的流程及閉式循環(huán)水系統(tǒng)中可能面臨的一些問題。

煤化工；閉式冷卻塔；節(jié)水

0 前言

化工裝置通常是在高溫高壓下發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)過程中會生成大量的熱，為保證整個反應(yīng)的平穩(wěn)進(jìn)行，需要把生成的熱量及時轉(zhuǎn)移出去，穩(wěn)定化工裝置的反應(yīng)溫度。由于水的高比熱，循環(huán)水系統(tǒng)作為冷卻裝置廣泛地應(yīng)用于化工裝置中，也是化工廠的一個重要輔助系統(tǒng)。

由于化工裝置苛刻的條件、占地、投資等因素的影響，一般選用機(jī)械通風(fēng)型冷卻塔作為冷卻器。整個循環(huán)水系統(tǒng)分為直冷系統(tǒng)和間冷系統(tǒng)，在化工項目中絕大數(shù)情況是選用間冷系統(tǒng)。間冷系統(tǒng)分為開式和閉式兩種。閉式系統(tǒng)屬于間壁傳遞熱量，開式系統(tǒng)屬于直接接觸傳遞熱量。當(dāng)工藝裝置對冷卻水水質(zhì)沒有特殊要求時，一般選用開式系統(tǒng)。主要是由于開式系統(tǒng)成熟可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。

開式冷卻塔為填料塔，通過填料形成的水膜與上升干空氣直接接觸達(dá)到換熱冷卻的效果。閉式冷卻塔也稱空冷塔，是通過空氣的間接接觸達(dá)到換熱的目的，由于閉式冷卻塔在夏季換熱效果不夠理想，在大多數(shù)情況下，空冷塔上需增加噴淋裝置以增加冷卻效果。

近些年，隨著我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，煤化工項目逐漸興起。我國煤炭資源多集中在北方和西北，這些地方水資源匱乏。一般煤化工項目規(guī)模大，動輒幾萬、十幾萬m3/h的循環(huán)水量，對當(dāng)?shù)氐乃Y源容量來水是一個嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。閉式循環(huán)水系統(tǒng)由于其優(yōu)良的節(jié)水效果受到青睞。另一方面它也能避免冷卻水與空氣接觸而導(dǎo)致污染，降低結(jié)垢和腐蝕的傾向，增強(qiáng)了傳熱效果。

1 煤化工項目冷卻水量

煤化工主要工藝路線為：原料（煤）→煤氣化凈化→合成氣→終端產(chǎn)品。循環(huán)水量根據(jù)煤化工項目產(chǎn)品的不同而有所區(qū)別，但大體上可以劃分為空分裝置、氣化裝置和凈化裝置幾大分區(qū)裝置。某煤化工項目的循環(huán)水量如表1：

表1 循環(huán)水量

除空分裝置中空氣冷卻塔部分的循環(huán)冷卻水是和物料（空氣）直接換熱外，其它都和被冷卻物料間接換熱。由于接觸的是空氣，這部分對循環(huán)水水質(zhì)的影響幾乎沒有。

2 閉式冷卻塔

閉式冷卻塔包括空冷器、增濕冷卻器、濕式冷卻器等。一般選用空冷器的條件為：被冷卻的物料出口溫度比設(shè)計氣溫高15℃～20℃。若溫差低于15℃時，則水冷比較經(jīng)濟(jì)[3]。水冷指的是濕式空冷器。煤化工冷卻水給水的溫度一般為32℃左右，如選用空冷器，則設(shè)計氣溫需為17℃，即干球溫度為17℃，這在現(xiàn)實中幾乎不可能滿足。增濕冷卻器也只是把空冷器的設(shè)計溫度由干球溫度轉(zhuǎn)變?yōu)闈袂驕囟?，其所能增加的冷卻效果很少，在此種情況下應(yīng)用，一般來說也不是很經(jīng)濟(jì)。

在煤化工中主要應(yīng)用的閉式冷卻塔大多還是濕式冷卻器。該塔是將風(fēng)冷和水冷、傳熱和傳質(zhì)融為一體的冷卻設(shè)備。其主要的傳熱原理是：噴淋水在換熱管上形成水膜帶走被冷卻物料的熱量，逆流而上的空氣和水膜換熱，以顯熱和潛熱的形式帶走熱量。

3 節(jié)水分析

閉式冷卻塔的節(jié)水是相對于開式冷卻塔來說。開式冷卻塔的耗水主要由蒸發(fā)損失，風(fēng)吹損失和排污水量組成。其中蒸發(fā)損失占總耗水量的比例大約為80%左右。蒸發(fā)損失主要是用來帶走化工裝置的熱量，在冷卻塔冷卻效果中起主導(dǎo)作用。排污水量的大小是由循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)決定，也是由原水的水質(zhì)條件決定。風(fēng)吹損失量不大，現(xiàn)在的除水器可以控制其值在一個很小范圍內(nèi)。所以從節(jié)水角度來考慮的話，如需提高節(jié)水效果，一是加大系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)，二是減少蒸發(fā)水量。其中減少蒸發(fā)的水量，可以收到明顯的節(jié)水效果。因為原水水質(zhì)基本上決定了濃縮倍數(shù)，可改進(jìn)空間的幅度有限。正是從這個角度考慮出發(fā)，閉式冷卻塔應(yīng)運(yùn)而生，如圖1：

圖1 閉式冷卻塔的基本結(jié)構(gòu)

從圖1可知：

其中：q水—冷卻水的摩爾流量，mol/h；C水—冷卻水的比熱容，kJ/（mol·k）

q空—濕空氣的摩爾流量，mol/h；H—焓值，kJ/mol

鄭偉業(yè)[2]等通過研究表明：噴淋水從上到下的溫度是先增加后減少。從而可知噴淋水在其中起到一個熱量的傳遞過程，噴淋水的水溫基本趨于穩(wěn)定。從而可知可以設(shè)定噴林水溫度不變。

以整個系統(tǒng)作為研究對象，設(shè)定系統(tǒng)和外界沒有能量交換，對整個系統(tǒng)列能量守恒方程：Q1= Q2。對于一個特定項目來說，進(jìn)入系統(tǒng)中的能量Q1是定值。對于Q2來說，可以看成是由兩部分組成：一部分是由干空氣溫度升高以顯熱形式帶走的熱量Q2-1，另一部分是由于水蒸發(fā)以潛熱形式帶走的熱量Q2-2。要達(dá)到優(yōu)的節(jié)水效果，Q2-2值越小越好。當(dāng)Q2-2值為零時，也就是空冷器。

李雪玲[1]等通過研究表明：管內(nèi)冷卻水流量為20 m3/h時，其它條件恒定，最佳噴淋水量為12～14 m3/h。再增加噴淋水量，出口空氣焓值的增加不明顯，冷卻水出口的溫度下降不明顯，整個冷卻塔冷卻效率無明顯增加。所以對于特定項目來說，噴淋水對熱量傳遞有一個最合適的體積量，小于這個體積量時，增加噴淋水的量可以顯著提供冷卻效果，大于這個體積量時，再增加噴淋水無明顯效果。

4 閉式循環(huán)水系統(tǒng)

國家在“十二五”煤炭深加工示范項目中對水耗指標(biāo)做出了規(guī)定，如表2：

表2 水耗指標(biāo)

在煤化工項目中會根據(jù)項目的節(jié)水率、各裝置循環(huán)水的特點、占地、固定投資、運(yùn)行費(fèi)用等，來選擇開閉式循環(huán)水的比例達(dá)到國家的要求指標(biāo)。

史永寧[2]在對某大型煤化工項目中，對不同節(jié)水率閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，通過對冷卻塔數(shù)、運(yùn)行電耗、水耗、運(yùn)行費(fèi)用、設(shè)備投資及占地，選定60%節(jié)水率的濕式閉式冷卻塔。

煤化工項目中閉式循環(huán)水系統(tǒng)流程一般如圖2(以濕式冷卻塔為例)：

圖2 閉式循環(huán)水系統(tǒng)流程

5 結(jié)語

閉式冷卻塔在小規(guī)模循環(huán)水量的應(yīng)用有著豐富的業(yè)績，如在空調(diào)行業(yè)。對于大型化工項目幾萬m3/h規(guī)模的業(yè)績不多，對該塔來說也是一個新的課題。對于在實際運(yùn)行中閉式冷卻塔換熱管經(jīng)常發(fā)生的結(jié)垢而影響冷卻效果，及大規(guī)模閉式冷卻塔運(yùn)行后形成的小氣候，是否會影響設(shè)計中的氣象參數(shù)而降低冷卻效果這些問題還需在實際運(yùn)行中來驗證判斷。

[1]李雪玲，朱冬生，鄭偉業(yè),等．非飽和蒸發(fā)式冷卻器傳熱性能實驗研究[J]．制冷學(xué)報，2011，32(4):58-62．

[2]鄭偉業(yè)，朱冬生，宋進(jìn)，等．新型閉式冷卻塔傳熱傳質(zhì)的實驗研究[J]．化學(xué)工程，2011，39(9):34-37．

[3]中國石化集團(tuán)上海工程有限公司編．化工工藝設(shè)計手冊（上冊）[M]．化學(xué)工業(yè)出版社,2009．

[4]史永寧．大型煤化工項目閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計探討[J]．工業(yè)用水與廢水，2014,45(4):55-57．

The Discussion about Closed Circulating Cooling Water System in

Coal Chemical Industry
AN Xian-wei
(Wison Engineering Co.,Ltd.，Wuhan，Hubei 430070，China)

The characteristic of closed circulating cooling water system and the water-saving reason of closed cooling water were discussed．The process of closed cooling water system and some problem for closed cooling water system were introduced．

coal chemical;closed cooling water;water-saving

1006-4184（2015）4-0042-03

2015-01-26

安顯威（1981-），男，工程師，碩士，湖北孝感人，從事給排水設(shè)計工作。E-mail：wangzhe2314＠163．com。