褚衍旭 ，高 勇，李 東，葉志成，毛玉杰

(1.惠州東江威立雅環(huán)境服務(wù)有限公司，廣東 惠州 516323；2.廣東安佳泰環(huán)?？萍加邢薰荆瑥V東 惠州 516323)

在社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，以廢有機(jī)溶劑、重金屬廢物為代表的危險廢物產(chǎn)生量迅速增加，由于危險廢物具有腐蝕性、毒性等多種危險特性，對人類健康和環(huán)境安全存在極大的風(fēng)險與危害。焚燒法憑借其適應(yīng)性強(qiáng)、減容明顯等優(yōu)勢得到普遍應(yīng)用，其中，冷卻系統(tǒng)作為焚燒處理工藝中重要的換熱設(shè)備具有舉足輕重的作用。

冷卻系統(tǒng)按冷卻介質(zhì)不同，一般分為風(fēng)冷和水冷兩種方式?？绽渲饕且原h(huán)境空氣作為冷卻介質(zhì)，使管內(nèi)高溫流體得到冷凝或冷卻，常見為空冷器；水冷則主要是以水作為冷卻介質(zhì)，水與流經(jīng)空氣通過熱、質(zhì)交換降低溫度，常見為冷卻水塔。在危險廢物焚燒系統(tǒng)中，常通過空冷方式對回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行吹掃降溫[1]，對鍋爐余熱冷凝回收[2]；通過水冷方式對窯頭面板、空壓機(jī)、引風(fēng)機(jī)等進(jìn)行冷卻降溫。在實際運(yùn)行中，空冷與水冷兩種方式結(jié)構(gòu)形式各異又各有優(yōu)劣，增加對冷卻系統(tǒng)的認(rèn)知及應(yīng)用研究，是保障危險廢物焚燒系統(tǒng)正常運(yùn)營的重要前提。

1 冷卻系統(tǒng)類型

空冷器類型多種，根據(jù)管束布置形式分為水平式與斜頂式，前者為防止冷凝液滯留，管段呈1%略微傾斜，內(nèi)部流體和外部空氣分布均勻；后者管束呈“人”字形，夾角多為60°，結(jié)構(gòu)緊湊，但介質(zhì)分布相對不均勻且易造成熱風(fēng)再循環(huán)。根據(jù)冷卻方式分為干式與濕式，前者通過風(fēng)機(jī)送風(fēng)冷卻，后者憑借水的噴淋換熱冷卻，但易引起管束腐蝕。根據(jù)通風(fēng)方式分為引風(fēng)和鼓風(fēng)式，二者區(qū)別在于安裝風(fēng)機(jī)位于管束上部或下部，對于鼓風(fēng)式空冷器而言，空氣先流經(jīng)風(fēng)機(jī)再流入管束，利于傳熱且操作經(jīng)濟(jì)，應(yīng)用更為普遍。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要分為敞開式和密閉式兩種，其中敞開式是目前類型最多應(yīng)用最廣的一種冷卻結(jié)構(gòu)。敞開式冷卻水經(jīng)過冷卻塔曝氣和空氣進(jìn)行接觸，在蒸發(fā)散熱、接觸與輻射傳熱的作用下，水溫降低后循環(huán)利用。密閉式冷卻水密閉循環(huán)，不與空氣發(fā)生接觸，冷卻水?dāng)y帶的熱量通常經(jīng)過換熱器進(jìn)行傳熱。在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，冷卻構(gòu)筑物或設(shè)備的主要形式為冷卻塔，依據(jù)其構(gòu)造與空氣流動可分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，機(jī)械通風(fēng)冷卻效果相對更好。

2 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

空冷器通常由管束、集箱、風(fēng)機(jī)、百葉窗和構(gòu)架等部分構(gòu)成，常見結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。管束作為其核心部件[3]，是一個獨立的剛性結(jié)構(gòu)，主要由翅片管、集箱組成，當(dāng)空氣橫向掠過管束時可以達(dá)到冷卻管內(nèi)熱流體目的[4]。由于空氣傳熱系數(shù)較低，故在管外側(cè)布置翅片以增加傳熱面積與流體湍動。翅片管的應(yīng)用促進(jìn)了空冷器發(fā)展，其特性參數(shù)主要包括壁厚、直徑、翅片高度和間距、翅化比、傳熱性能等。翅片材料由使用環(huán)境與制造工藝決定，多選用熱導(dǎo)率高材料，通常選擇鋁品纏繞或鑲嵌至光管，在防腐蝕要求較高條件下也會采用銅或不銹鋼材料。翅片排列可按橫向或縱向，目前通常采用外徑25mm光管，翅片高為12.5mm低翅管和16mm高翅管。集箱各管程被冷卻介質(zhì)流通橫截面積應(yīng)不低于相應(yīng)的翅片管流通面積，為防止管束熱變形，通常將兩端集箱分別做成固定式和浮動式，通過沿軸線方向的浮動消除熱應(yīng)力。風(fēng)機(jī)的優(yōu)劣是衡量空冷器性能的關(guān)鍵標(biāo)志，由于空冷器所需風(fēng)量較大、壓頭較低，因此常采用低壓軸流風(fēng)機(jī)，效率高而噪音小。介質(zhì)流體出口溫度則主要是憑借調(diào)節(jié)通過管束的風(fēng)量來控制，即葉片傾角、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和百葉窗開啟程度等。

圖1 空冷器常見結(jié)構(gòu)形式

冷卻塔一般主要由散熱填料、配水系統(tǒng)、通風(fēng)設(shè)備、空氣分配裝置、擋水器、集水池等部分構(gòu)成，通過不同的組合可以構(gòu)成不同形式的冷卻塔，常見的水冷塔結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。散熱填料是水在塔內(nèi)冷卻的主要設(shè)備結(jié)構(gòu)，較高溫度回水經(jīng)數(shù)次濺散后，形成水滴或水膜，通過填料增加水與空氣的接觸時間與面積，使循環(huán)水得到充分的熱交換。水流的分布均勻程度對冷卻效果有一定的影響，配水系統(tǒng)的作用便是將回水均勻地分布在所有的填料上。在機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的上塔體風(fēng)筒內(nèi)，設(shè)置電機(jī)帶動風(fēng)機(jī)，利用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生足夠的空氣流量，保證空氣與水進(jìn)行熱交換達(dá)到冷卻效果。而空氣分配裝置則是為了引導(dǎo)空氣能夠均勻地分布在冷卻塔截面，避免在塔內(nèi)形成渦流或者回流，主要包含進(jìn)風(fēng)口、百葉窗和導(dǎo)風(fēng)板等。

圖2 水冷塔常見結(jié)構(gòu)形式

3 空冷器失效

對于空冷器而言，常見的失效形式有冷卻效果差、泄露、葉片損壞以及風(fēng)機(jī)故障等。冷卻效果差的原因主要是由翅片管引起，常見的異常情況有翅片間距不合理、翅片倒伏、管內(nèi)壁結(jié)垢、介質(zhì)堵塞等，可通過吹掃、物理或化學(xué)清洗、修復(fù)損壞翅片等方法解決。造成空冷器泄露的原因主要有腐蝕[5-6]、管束材質(zhì)缺陷、管束運(yùn)行較久性質(zhì)發(fā)生變化等。腐蝕介質(zhì)主要有無機(jī)鹽類、硫化物、氮化物等，腐蝕部位分布在翅片管介質(zhì)入口處、翅片管向下彎曲變形的內(nèi)壁、可能產(chǎn)生介質(zhì)渦流部位等，可通過注膠、化學(xué)粘補(bǔ)、堵管或換管等方法消除。

常見的空冷器檢修維護(hù)工作主要包括：檢查清理集箱和管束，處理泄露管段，檢查維修軸流風(fēng)機(jī)，校驗安全附件，更換腐蝕嚴(yán)重的集箱絲堵、聯(lián)結(jié)螺栓及法蘭墊片等。

4 冷卻塔運(yùn)行問題

工業(yè)冷卻水系統(tǒng)在循環(huán)運(yùn)行過程中，隨著水分的蒸發(fā)與損失，水質(zhì)會逐漸發(fā)生惡化，并出現(xiàn)一系列運(yùn)行問題，主要表現(xiàn)在結(jié)垢、腐蝕以及微生物滋生等。系統(tǒng)結(jié)垢主要以水垢與污垢兩種形式存在。由于冷卻水不斷的濃縮，水溶性組分濃度不斷升高至飽和時開始結(jié)晶，在傳熱面粗糙與流速度較低處，結(jié)晶便會沉積形成非常致密的水垢，常見的有碳酸鈣、磷酸鈣、鎂鹽與硅酸鹽等。另外，冷卻系統(tǒng)在室外運(yùn)行時受周圍環(huán)境影響，經(jīng)風(fēng)吹雨淋、灰塵雜物等會逐漸附著有機(jī)物、粉塵、菌落及其分泌物等構(gòu)成污垢。結(jié)垢將極大降低傳熱效率，0.6毫米厚垢足以使傳熱系數(shù)降低20%以上。冷卻水系統(tǒng)中含有足夠的腐蝕性離子(Cl-、Fe2+、Cu2+)、氧氣以及污垢等，電化學(xué)腐蝕很容易發(fā)生，若不及時控制會縮減設(shè)備使用壽命甚至導(dǎo)致報廢。微生物一方面來自空氣，另一方面來自補(bǔ)充水，由于循環(huán)水中充足的氧氣、適宜的溫度以及富養(yǎng)條件，極其容易引起滋生，如不及時控制將迅速導(dǎo)致水質(zhì)惡化、沉積黏垢，隔絕緩蝕阻垢劑作用，加劇設(shè)備腐蝕。

結(jié)垢、腐蝕及微生物滋生問題將影響循環(huán)水系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)，影響運(yùn)營生產(chǎn)，所以必須對循環(huán)水進(jìn)行處理控制?？梢酝ㄟ^控制補(bǔ)充水水質(zhì)，保證水壓及流速，控制水質(zhì)指標(biāo)，設(shè)置旁路砂、纖維介質(zhì)過濾器控制旁濾量等方式降低結(jié)垢。在工業(yè)應(yīng)用上，常采用具有經(jīng)濟(jì)效益且適應(yīng)性較強(qiáng)的復(fù)合阻垢緩蝕劑，即可破壞結(jié)晶過程，達(dá)到控制結(jié)垢目的，又可起到防腐的綜合作用；控制微生物生長最常用的方法是添加殺菌滅藻劑。藥劑選用需要匹配系統(tǒng)設(shè)計、水質(zhì)條件、流速等，由于循環(huán)水處理是一個動態(tài)過程，因此必須定期對水質(zhì)進(jìn)行分析并作調(diào)整。

5 水質(zhì)監(jiān)測控制

冷卻水系統(tǒng)的腐蝕、結(jié)垢和微生物生長與冷卻水水質(zhì)密切相關(guān)，為保證系統(tǒng)運(yùn)行良好，進(jìn)行有效的監(jiān)測是必不可少的。通過對循環(huán)水合理的監(jiān)測與分析，對排污水量、補(bǔ)充水量及加藥量進(jìn)行必要的控制，可以及時、有效的調(diào)整水質(zhì)，采樣點常布置在循環(huán)水回水上塔管、排污管以及補(bǔ)充水界區(qū)主管道。根據(jù)《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》(GB50050-2007)，主要從PH、濁度、電導(dǎo)率、COD、堿度、硬度、腐蝕速率等方面進(jìn)行監(jiān)測。

一般而言，冷卻水系統(tǒng)正常運(yùn)行時pH值控制在6.8～9.5；控制排污量、旁濾流量、補(bǔ)充清潔水使?jié)岫刃∮?0mg/L以下；電導(dǎo)率需要控制在3000μs/cm以內(nèi)；通過化學(xué)需氧量觀察微生物變化，正常情況下水中CODCr控制在100以下；加氯殺菌時采用沖擊投加效果更佳，余氯一般控制在0.1～0.5mg/L；根據(jù)阻垢緩蝕劑的藥劑性能，水中總磷控制在6～10mg/L范圍內(nèi)為宜；鈣、鎂離子作為主要成垢陽離子，分別控制在30mg/L、60mg/L以內(nèi)；總鐵濃度作為鐵材質(zhì)設(shè)備腐蝕情況的依據(jù)，一般宜小于0.5 mg/L，當(dāng)超過1 mg/L時即被認(rèn)定有腐蝕產(chǎn)生；按月、季、年監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)金屬掛片腐蝕速率，碳鋼、不銹鋼設(shè)備傳熱面水側(cè)腐蝕速率應(yīng)分別小于0.075mm/a、0.005mm/a；循環(huán)水濃縮倍數(shù)通常被控制在2.0～4.0之間為宜。

6 空冷與水冷對比

冷卻方式采用水作為冷卻介質(zhì)歷史悠久，而空冷器的發(fā)展則是源于翅片管性能的進(jìn)步。兩種冷卻方式介質(zhì)不用，水與空氣相比，水的導(dǎo)熱系數(shù)要比空氣高24倍左右，因此若要達(dá)到相同的冷卻效果，則用水比空氣冷卻所需換熱面積要小很多。但是空冷器可以免費獲得空氣介質(zhì)，而隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)冷卻用水量激增并成為工業(yè)用水的主要部分，一方面導(dǎo)致供水不足，尤其是對于水資源相對匱乏的地區(qū)更加嚴(yán)峻[7]，另一方面環(huán)境要求日益嚴(yán)格，水冷塔飛濺及加藥排污需要額外嚴(yán)格控制。與水冷方式相比，空冷器具有風(fēng)量大、振動小、噪聲低、使用維護(hù)方便等優(yōu)點，但是空冷器受環(huán)境影響較大且安裝位置受限，同時對于翅片管需要特殊工藝要求。而水冷塔構(gòu)造較小，但是運(yùn)行費用及維護(hù)費用相對較高。近年來，新型空氣冷卻器設(shè)計逐漸顯現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，部分水冷器開始逐漸被空氣冷卻所代替[8]。空冷與水冷系統(tǒng)各有優(yōu)劣，焚燒系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要根據(jù)工藝要求以及條件，選擇適合的冷卻方案。

7 總結(jié)

冷卻系統(tǒng)對于危險廢物焚燒系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要的意義。根據(jù)不同的工藝要求及現(xiàn)場條件，合理的選擇空冷或者水冷方式。相比之下，空冷器的優(yōu)勢在于運(yùn)行、維護(hù)較為方便，同時比較經(jīng)濟(jì)，水冷塔的優(yōu)勢在于換熱效果好，但對于補(bǔ)充水水質(zhì)要求較高、數(shù)量要求較多。在實際運(yùn)行過程中，空冷器常見的失效形式主要有冷卻效果差、泄露、葉片損壞以及風(fēng)機(jī)故障等情況，需要進(jìn)行針對性的日常檢修與維護(hù)。隨著冷卻水系統(tǒng)不斷循環(huán)，水分不斷蒸發(fā)與損失，水質(zhì)逐漸惡化并伴有結(jié)垢、腐蝕以及微生物滋生等，為保證系統(tǒng)運(yùn)行良好，一方面應(yīng)該進(jìn)行有效的監(jiān)測，另一方面需要對其進(jìn)行合理的控制，其中，科學(xué)添加緩蝕阻垢劑與殺菌劑最為常用。