1.應用背景
2012年《國務(wù)院關(guān)于實行最嚴格水資源管理制度的意見》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。國家十二五規(guī)劃中明確提出煤化工行業(yè)的耗水指標，每噸標煤耗水不超過3噸。而目前國內(nèi)煤化工企業(yè)現(xiàn)狀耗水指標普遍在每噸標煤耗水不低于5噸。
分析煤化工企業(yè)各單元耗水指標，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。隨著西部大開發(fā)的加速，西北地區(qū)的煤化工項目也越來越多，對水資源的需求也也來越大。但西北地區(qū)水資源缺乏，采用開式冷卻塔的運行費用太高，另一方面，西北地區(qū)氣溫低、風量大，非常適合使用空冷器進行冷卻。
研究循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)水技術(shù)是實現(xiàn)煤化工行業(yè)十二五規(guī)劃耗水指標的重要方向之一。做好合理用水、節(jié)約用水，是煤化工企業(yè)節(jié)能降耗、減排增效的一項重要工作。同時，節(jié)水對緩解水資源緊缺和保障國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義。
在中國節(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。國家厲行節(jié)約用水。堅持科學的發(fā)展觀，把節(jié)水放在更加突出的位置。國家鼓勵節(jié)水新技術(shù)、新工藝和重大裝備的研究、開發(fā)與應用。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)
為了響應國家節(jié)能減排政策，促進干旱地區(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工藝要求，又可長期穩(wěn)定運行，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
閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用軟水或除鹽水充當冷卻水，吸收工藝換熱設(shè)備熱量，升高溫度后，進入節(jié)能型水膜式空冷器或聯(lián)合式空冷器(見下圖，簡稱空冷器)管內(nèi)，先進入翅片管段(聯(lián)合式空冷器有)預冷，然后進入噴淋管段進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程。因為閉式循環(huán)軟化或除鹽水質(zhì)量穩(wěn)定，基本不損耗，僅補充因系統(tǒng)設(shè)備跑冒滴漏而損失的少量軟化水。
氣溫較高時，風機和噴淋水泵同時開啟。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水升溫的顯熱，故極大地強化整個傳熱過程，減少了換熱面積。由于汽化的水進入空氣，在出口處經(jīng)除水器捕除夾帶的水后，穿過翅片管排入大氣。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程中，被空氣冷卻。
隨著氣溫的降低，可以減少風機和噴淋泵臺數(shù)，或通過變頻降低風機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)換熱量，維持出水溫度的穩(wěn)定。通過換熱設(shè)計，可以在0℃、5℃、10℃、15℃時停開噴淋水。此時，空冷器相當于一臺引風型的干空冷。在大同同煤集團煤制甲醇項目中，環(huán)境溫度低于0℃時，就不用噴水，大大節(jié)省水耗。
2.2.技術(shù)優(yōu)勢
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)點如下：
閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的優(yōu)點：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、維護簡單、運轉(zhuǎn)費用低、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：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、維護復雜，運轉(zhuǎn)費用高、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)濟優(yōu)勢
按常規(guī)設(shè)計，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)計規(guī)模、裝置投資、消耗數(shù)據(jù)等與開式循環(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，見下表。
注*：運行費用=藥劑費+電費+水費，其中以藥劑10元/kg、電費0.5元/千瓦時、水費12元/m3(內(nèi)蒙某企業(yè))計算。
閉式空冷循環(huán)水系統(tǒng)相對傳統(tǒng)開式循環(huán)水系統(tǒng)每年可節(jié)省運行費用1513萬元，2-3年即可收回投資。
3.公司的研究成果
多年來，湖北中圣股份不斷堅持創(chuàng)新，在設(shè)計和研發(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，取得了如下技術(shù)成果。
(1)采用聯(lián)合空冷，節(jié)水達到最優(yōu)(ZL200910062950.6)
根據(jù)我國冬冷夏熱的氣候特點，為達到最佳的節(jié)水效果，通過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，即夏季的時候開啟噴淋水，干空冷和濕空冷聯(lián)合運行，冬季關(guān)閉噴淋水，干空冷運行，春季和秋季則根據(jù)需要不開或少開噴淋水，并調(diào)整風量和角度。
項目產(chǎn)品的實際運行經(jīng)驗表明，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，該項創(chuàng)新已在我國西北和東北地區(qū)應用成功，在中煤陜西榆林和山西凱嘉煤層氣發(fā)電項目，湖北中圣股份的閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)均可以達到0℃停水，即將開始的內(nèi)蒙古中天合創(chuàng)鄂爾多斯煤炭深加工示范項目，湖北中圣股份將率先實行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，因為水流的原因，水與管束的接觸不均勻，由于空氣的不飽和度和風量大的原因，水在管束下部產(chǎn)生分布不均并出現(xiàn)干點。且水從上部管束到下部管束，因吸收熱量，溫度越來越高，結(jié)垢的可能性越來越大，實際運行中也可見下部管束結(jié)垢嚴重。
湖北中圣股份通過在原有的基礎(chǔ)上在管束下部增加噴淋管系，對下部換熱管進行直接噴淋，防止下部換熱管束外壁出現(xiàn)干點，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流量調(diào)節(jié)閥進行調(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)導致的系統(tǒng)壓力波動得到有效緩解。
(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。針對這一問題，湖北中圣股份設(shè)計將冷卻塔填料引入閉式冷卻塔，通過降低噴淋水的溫度來增加熱交換效率。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℃，達到和開式循環(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目中采用的就是該系統(tǒng)。
4.應用業(yè)績
目前湖北中圣股份設(shè)計并生產(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)域已廣泛應用，在煤化工領(lǐng)域也有不少成功應用的案例，部分業(yè)績表見下表。
