安德明 朱永英 張倩楠 米春鵬 孫紅欣 張 慶

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

現(xiàn)如今水資源短缺、水環(huán)境污染現(xiàn)象日益嚴(yán)峻，人們?cè)絹?lái)越重視水資源的節(jié)約、水環(huán)境的治理和水的循環(huán)利用。而冷卻塔排放的大量的清潔蒸汽，一直沒(méi)有得到很好地收集利用，造成水資源、熱能資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。冷卻塔是現(xiàn)代化工業(yè)的基礎(chǔ)建筑，被廣泛地應(yīng)用于國(guó)民生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，如鋼鐵、建材、制造、賓館酒店業(yè)、寫(xiě)字樓(中央空調(diào))等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)在用大型冷卻塔約3 800座[1]。據(jù)國(guó)家用水部門報(bào)告，全國(guó)冷卻塔冷卻耗水量占工業(yè)用水量的60%～70%，年耗水大約100億t～200億t。我國(guó)冷卻塔每年排放水蒸汽量約7 000萬(wàn)t。但由于蒸汽利用設(shè)備復(fù)雜昂貴、蒸汽收集方式不完善等原因，蒸汽回收率低，損失量大。目前我國(guó)絕大多數(shù)蒸汽被直接排放，造成水資源、蒸汽資源、熱能資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，同時(shí)對(duì)大氣環(huán)境造成了一定程度的熱污染。

與此同時(shí)，目前我國(guó)仍是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國(guó)家。除資源型缺水以外，水質(zhì)型缺水也非常嚴(yán)峻。目前，我國(guó)城市供水約有20%達(dá)不到飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)村供水有50%達(dá)不到飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。鍋爐用水水質(zhì)要求較為嚴(yán)格，其用水必須進(jìn)行軟化處理。無(wú)土栽培具有節(jié)水、節(jié)肥、質(zhì)優(yōu)、高效等特點(diǎn)，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，果蔬、花卉無(wú)土栽培方式已超80%，而我國(guó)的無(wú)土栽培面積僅200 hm2，其主要原因之一是無(wú)土栽培對(duì)水質(zhì)要求較高，制備培植水成本較高。

基于此，本項(xiàng)目研究蒸汽收集與處理利用為一體的綜合利用系統(tǒng)。旨在能較好地收集并有效利用冷卻塔排放的蒸汽資源，在一定程度上緩解用水緊缺問(wèn)題，對(duì)節(jié)能減排、節(jié)約利用水資源具有非常重要的意義。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)計(jì)思路與工作流程

本裝置通過(guò)在冷卻塔上端安裝一個(gè)“傘狀罩”結(jié)構(gòu)，最大效率地將冷卻塔所排放出的蒸汽進(jìn)行收集，收集到的蒸汽通過(guò)管道1進(jìn)入蒸汽收集室，借其自身的流動(dòng)性，通過(guò)管道2進(jìn)入蒸汽處理室，經(jīng)處理后通過(guò)管道3進(jìn)入蒸汽檢測(cè)室，若檢測(cè)不合格，通過(guò)管道6進(jìn)入應(yīng)急處理室，處理后通過(guò)管道7再次進(jìn)入蒸汽檢測(cè)室，若檢測(cè)合格，一部分通過(guò)管道4供給居民區(qū)冬季加濕使用，一部分通過(guò)管道5進(jìn)入蒸汽冷凝室，冷凝后通過(guò)管道8進(jìn)入冷凝水回收室，冷凝水回收室設(shè)置液位控制電路，當(dāng)水位達(dá)到一定高度后，液位控制電路自動(dòng)連通，水位警報(bào)燈亮起，閘門自動(dòng)拉起，冷凝水通過(guò)水質(zhì)處理室和降溫室進(jìn)入地下儲(chǔ)水室，一部分通過(guò)管道11供給鍋爐用水，一部分通過(guò)管道12供給居民區(qū)作飲用水，另一部分通過(guò)管道13供給無(wú)土栽培及有機(jī)蔬菜培養(yǎng)使用。系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1蒸汽的收集

為了保證冷卻塔的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，本裝置采用傘罩式收集方式。在冷卻塔頂部架設(shè)“傘罩”，傘狀罩頂部安置回收管道，管道沿著冷卻塔邊壁向下鋪設(shè)，在管道下部安裝一個(gè)機(jī)泵，通過(guò)機(jī)泵的工作，改變管道內(nèi)部壓強(qiáng)，使得管道內(nèi)部與傘狀罩之間存在壓強(qiáng)差，以便抽離傘狀罩上部積聚的蒸汽，最大效率地對(duì)蒸汽進(jìn)行收集。由于傘狀罩采用開(kāi)式收集方式，因此基本不影響冷卻塔工作原理。

1.2.2蒸汽、冷凝水的回收利用

1)冬季加濕：本系統(tǒng)收集的蒸汽較清潔，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后，可供給用戶冬季加濕使用。

2)鍋爐用水：鍋爐用水對(duì)水質(zhì)要求較高，本系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽冷凝水基本符合鍋爐用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。蒸汽冷凝水較一般鍋爐用水具有溫度高、足夠清潔等特性，既可減少鍋爐用水加熱過(guò)程中消耗的燃料，又可保證鍋爐用水的安全性。

3)用戶飲用水：地下儲(chǔ)水室中的常溫水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)基本符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)，可供給居民飲用及日常使用。

4)無(wú)土栽培、有機(jī)蔬菜培養(yǎng)：有機(jī)蔬菜與無(wú)土栽培在不同的生長(zhǎng)期所需營(yíng)養(yǎng)液不同，配置營(yíng)養(yǎng)液對(duì)水質(zhì)要求較高。蒸汽冷凝水基本符合其水質(zhì)要求，只需加入所需營(yíng)養(yǎng)即可配置。

2 效益分析與成本估算

2.1 水量效益

以中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司東方終端為例進(jìn)行計(jì)算[2]。本文只針對(duì)東方裝置的兩套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行分析。一期循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的兩臺(tái)冷卻水塔同時(shí)使用，二期冷卻水塔兩用一備。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，冷卻塔全年補(bǔ)水總量約為26.6萬(wàn)t。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知，冷卻塔補(bǔ)水量約為循環(huán)水量的4%，而排放蒸汽量(我們收集的效率按85%計(jì)算)約為循環(huán)水量的1.5%。經(jīng)計(jì)算，全年蒸汽回收量約為26.6/4%×1.5%×85%=8.47萬(wàn)t。

按全國(guó)3 800座冷卻塔統(tǒng)計(jì)，每年蒸汽補(bǔ)水量約為2億t，回收蒸汽量約為6 357萬(wàn)t。

2.2 加濕效益

以冷卻塔附近小區(qū)為例，按家庭用加濕器額定功率26 W，額定加濕量220 mL/h估算加濕效益。按一個(gè)小區(qū)10個(gè)單元，每個(gè)單元21個(gè)單戶計(jì)算，對(duì)于北方地區(qū)(以大連為例)，冬季供暖期一般為147 d，則小區(qū)單日加濕所需水量為1 108.8 L，所需電量為131.04 kW，電費(fèi)單價(jià)按0.55元/kW計(jì)算，則需繳納電費(fèi)為72.07元。若采用本裝置回收的蒸汽為住戶加濕，則一個(gè)小區(qū)在供暖期可節(jié)約加濕水1 108.8×147/1 000=163 t，節(jié)約電費(fèi)72.07×147=10 586.94元。

2.3 鍋爐水效益

蒸汽冷凝水用于鍋爐給水必須滿足鍋爐用水對(duì)水質(zhì)的要求[3,4]。本系統(tǒng)所得蒸汽冷凝水經(jīng)與GB/T 1576—2008工業(yè)鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比較，其水質(zhì)基本滿足鍋爐對(duì)軟化水的需求。軟化水傳統(tǒng)軟化費(fèi)用約2元/t～6元/t，保守估計(jì)以2元/t計(jì)算。經(jīng)前面計(jì)算可知每年可回收冷凝水量約為6 375萬(wàn)t，若全部用于鍋爐給水，則可節(jié)約軟化費(fèi)用1.275億元。此外，在節(jié)省軟化費(fèi)用的同時(shí)還可節(jié)省軟化處理設(shè)備需要的部分電能，本文就不再做詳細(xì)敘述。

2.4 設(shè)備成本造價(jià)分析

本裝置大型傘狀罩?jǐn)M選用市面上常見(jiàn)且價(jià)格便宜的不銹鋼材質(zhì)，其制造成本低，同時(shí)后期維護(hù)、維修費(fèi)用低。在管道運(yùn)輸方面，由于冷卻塔負(fù)荷比不同，所產(chǎn)生的蒸汽溫度也不相同，蒸汽溫度從十幾度到四十幾度不等，但簡(jiǎn)單降溫處理后基本可以利用現(xiàn)有運(yùn)輸管道，且處理簡(jiǎn)單方便[5,6]?？傮w來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)初建成本及后期維護(hù)費(fèi)用不高，整個(gè)工程為一次投資，終身受益。

3 創(chuàng)新特色

1)采用傘狀罩收集冷卻塔排放的大量清潔蒸汽，實(shí)現(xiàn)對(duì)二次能源的充分利用。

2)充分利用蒸汽這一清潔能源，冷凝回收水資源，凈化處理后作飲用水，實(shí)現(xiàn)其高效利用價(jià)值，可在一定程度上緩解水資源嚴(yán)重短缺的現(xiàn)狀。

3)冷凝水凈化處理后供給無(wú)土栽培、有機(jī)蔬菜培養(yǎng)等特殊用水戶，解決其高質(zhì)用水的需求。

4)回收處理后的蒸汽冷凝水可直接供給鍋爐，既節(jié)約水資源，又省了鍋爐水軟化費(fèi)用。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)冷卻塔數(shù)量較多，排放蒸汽量大，有效回收冷卻塔排放的蒸汽，能減少蒸汽水資源損失并降低蒸汽排放的熱污染，實(shí)現(xiàn)對(duì)二次能源的充分利用。將收集的蒸汽經(jīng)凈化處理，與加濕、供暖、飲用、供給等多方面有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，解決了高水高用、低水有用的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了資源的最大化利用。在能源、水資源日益緊張的當(dāng)下，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。