【火力发电厂冷却塔节能节水技术】 火力发电厂冷却塔

火力发电厂冷却塔节能节水技术

高效雾化降温降低蒸发损耗装置

一、技术背景

冷却塔是能源动力及化工等领域的重要传热传质设备，其作用是将排出生产工艺流程的废热，通过使循环冷却水在塔内进行传热传质过程，将循环冷却水的温度降低。循环水在冷却塔中以传热和蒸发两种方式与空气进行热交换，传热即直接将循环水的热量传递给空气使其的温度升高；而蒸发是通过循环水向空气中的蒸发使空气湿度增大，称为潜热传递方式。由于空气在冷却塔中的温度升高，且蒸发饱和压力随其温度增高而增大，而冷却塔出口即为饱和湿空气，因此潜热占总热量传递的份额相当大，对火电厂的大型自然循环冷却塔而言冬天潜热占50%左右，而夏天潜热则占70%以上。这种换热方式导致了大量的蒸发水量损失。然而淡水资源短缺是当前世界面临的重要问题。火电企业是耗水大户，目前普遍采用的常规湿冷系统的冷却塔在冷却循环水的同时通过蒸发向环境排出大量的水分，以300MW机组为例，每年通过冷却塔消耗的淡水量在500万吨左右。

二、冷却塔的工作原理

冷却塔是指在塔内将热水喷洒到淋水填料上形成水滴或水膜，自上而下地与从下向上流动的具有吸热能力的冷空气进行对流传热，并利用水的蒸发扩散作用带走水中热量的冷却设备。这种冷却设备主要为湿式冷却塔。湿式冷却塔又以抽风式逆流冷却塔型式为主。在设计冷却塔时，为了减少水量损失，一般设有节水装置收水器。它是由一排或多排倾斜的板条或弧形叶板组成，布置在整个塔断面上，作用是阻拦热水与填料碰撞形成散溅的小水滴。小水滴夹杂在上升的湿热空气中，因突然改变方向，被截留下来。这种节水装置对湿热空气中的水蒸汽基本不起作用。冷却塔的设计是根据水的蒸发原理进行的，是以蒸发扩散带出热量为前提。蒸发损失是为完成水的冷却而必须蒸发的水量。因此，根据冷却塔理论，为达到一定的冷却效果，应尽可能增大蒸发量。

三、冷却塔蒸发水损耗

由于冷却塔的这种工作原理致使大量的水被蒸发，损失相当大。按照冷却塔理论设计的蒸发损失率占总循环水量的百分数计算，三天时间即可将循环量蒸发掉。如每小时冷却水的总循环量为10万立方米，蒸发损失率为总循环水量的

1.5%。则在三天的循环冷却过程中即可把10万立方米的水蒸发逸尽。可想而知，冷却塔水蒸发的损失有多大。为了冷却效果，也只能顾此失彼了。那么，能否找到既不影响冷却效果又不致使冷却水量大量损失的方式呢？根据热力学理论和除湿原理对冷却塔的蒸发损失和冷却效果进行研究发现：在开放的系统内，通过向系统输入能量，即可将水蒸汽从湿热空气中分离出来。这种方法就是在冷却塔内用冷水作冷凝剂直接冷凝水蒸汽，水蒸汽遇冷凝结成水，从而将水蒸汽从湿热空气中分离出来，蒸发损失因此而减少。

四、冷却塔节能节水

冷却塔节水技术，是在冷却塔内用冷水作冷凝剂，使水蒸汽冷凝成水，从而减少冷却塔水蒸发损失，以实现冷却塔节水降低蒸发水损耗。在冷却塔风筒入口下方设冷凝喷射器，将低于湿热空气的冷凝剂均匀地喷淋成雾状细小水滴，喷淋面积与冷却塔内截面积相同，喷淋密度根据冷却塔的冷却水量而确定。喷射器喷出的冷凝剂不与冷却过程的热水接触，只与上升的湿热空气中水蒸汽密切接触进行冷凝过程。水蒸汽遇冷凝结成水，凝结水与冷凝剂一起沿冷却塔内壁落入集水池。

五、冷却塔节能节水的性能

冷凝为与汽化相反的热传递过程。当水蒸汽遇冷凝结时，首先放出潜热，水蒸汽冷凝成冰。这时，冷凝水的温度与水蒸汽的温度相同，冷凝热等于汽化潜热。也就是说：热冷却时所放出的热量等于冷加热时所吸收的热量。在理论上称为热量平衡。这时，若使冷凝水的温度再降低，就需对冷凝水继续冷却。那么，这时的能量从何而来呢？根据热力学理论阐述的可逆过程和耗散结构分析，要打破热传递平衡态的存在，就需有外界提供的能量才能实现。在一个开放的系统中，完成非热平衡状态，除从外界获取能量和物质得到维持外，系统本身还应具有一定的失稳功能，并且热量传递的多少与过程的具体进行方式有关。因此，在冷却塔

这个可以人工控制的开放系统中，水的冷却降温，不必以蒸发水分带出热量为代价，而只要在系统内人工改变热量传递方式，即能量转化方式，就能把热量带出系统，降低水温。在冷却塔这个开放的系统内，冷却过程和冷凝过程是连续不变的相变过程，并且，都是人工控制的条件下所进行的强化传热过程。

六、冷却塔节能节水原理

根据热量平衡原理，在一个设备内完成两个相反的相变过程是不可能。但在一个开放式的冷却塔内完成冷却过程和冷凝过程是可行的，正如热力学理论所论述的：在一个开放式的系统内，能量可通过不同的方式进行转化。冷却塔热量的转化过程可在人工控制的条件下进行。为此，把冷却塔人为地分隔成两个设备进行不同的热传递过程。首先，保证有效的冷凝空间，是完成冷凝过程所必备的条件。根据水冷却原理，在冷却过程中，水蒸汽的蒸发量越大，水的冷却效果就越好。而在冷凝过程，水蒸汽溢出的越少，冷凝效果就越好。至此，在冷却塔内要进行两个正好相反的相变过程，就还需具备相应的条件才能进行热传递。其次，使其不相互接触。我们知道，在冷却塔内参与两个相变过程的热传递介质都是水和空气。显然，在一个开放式的设施里，空气是不能隔开的，而水可以自由隔离。因此，把冷却过程的热水与冷凝过程的冷水分开隔离，使其不接触，只让冷空气与冷却过程热水进行热传递。当热水把热量传递给空气后，形成饱和的湿热空气，随着抽风的风力上升。冷却过程的热水被降低温度后降落于集水池。随着风力把热量传向冷水，湿热空气中的水蒸汽失去热量后被凝结成水。此时，凝结水的温度和湿热空气的温度是相同的，在理论上蒸发潜热与湿热空气放出的显热即趋近平衡，也就是说，总体温度并没有下降。这就需要第三个条件，增加降温能量，就是增加所需的通风量，即增加风压克服冷凝过程产生的通风阻力，增大风量降低湿热空气向冷凝过程传递的温度。系统经增加能量后，凝结水的温度得到降低。而热量在相互转化的相变过程中最终被传递到空气中，由风力从塔中带出。至此，风力带走的是热量而不是水蒸汽。凝结水和冷凝剂一起沿冷却塔内壁降落于集水池，最终使水蒸发的损失减少。

七、冷却塔节能节水特点

作为一种节水方式，不但可有效减少冷却塔的水蒸发损失，而且还能提高冷却效果。采用本装置，即使对于现有的冷却塔只需适当调整，其节水率也将大幅度提高。而且，用水作冷凝剂直接冷凝水蒸汽，是最经济的节水方法。

节水方法装置的技术特点如下：

(1) 工艺结构简单，经济实用。

(2) 节水效率高。

(3) 喷淋装置自控设计，操作方便，安全可靠，不会对冷却水系统造成不良影响。

(4) 运行费用低。

八、冷却塔节能节水高效雾化装置

近年来，化工单位应用于洗气、降温的喷头很多，但由于很多喷头雾化效果差，气液接触不彻底，使好多洗气、降温设备形同虚设，没有得到极好的发挥作用。特别到夏季，由于降温设施不好，使原料气温度超标，严重影响了企业的正常生产。基予这个原因，我公司气体净化设计研究中心通过实验室模拟实验，总结行业内诸多喷头的不足，通过改造、实验、再改造，最终研制开发了系列洗气、降温、气液传质等塔类专用高效雾化喷头，投入市场后，得到了广大客户的一致好评。

九、雾化效果

十、技术参数

（1）上液压力：0.4-0.5Mpa

（2） 单只喷头流量：5-40m3/h

（3）安装：按我公司提供的图纸进行安装。

十一、应用

该喷头雾化效果特别好，能够将高效雾化喷头喷出的水流瞬间雾化，在水雾作用下，细小的水珠和（蒸汽）颗粒结合并固定，用雾状水捕捉（蒸汽）颗粒，降低（蒸汽）颗粒浓度，（蒸汽）遇到水雾，便被固定在水珠上，并一起降落，从而达到降低蒸发损耗的效果，具有水流雾化好，控制范围大，降低蒸发水损耗效果好，安全可靠等特点。高效雾化装置不仅可应用于（降低蒸发水损耗，降低蒸汽颗粒），还可以应用于气液的高效传质设备，气体的洗尘、降温。最大的特点是：效率高、阻力小、防堵、投资小，运行费用低。

十二、应用方法

在冷却塔填料的上方，设计架构进行固定，然后再架构上每一米至一米五安装一个高效雾化洗尘降温装置，用程序控制的方法，开启高效雾化洗尘装置，循环使用，达到高效雾化降低蒸发水损耗，降温效果好，可使蒸发水损失降低60%左右，冷却塔温度降低3-5℃，汽轮机真空提高，降低背压，提高热效率，节约发电煤耗等效果，是一种先进的高效雾化降低蒸发水损耗降温技术，可广泛应用于电力、石油、化工、冶金、建材等工矿企业冷却塔节能节水。

十三、经济效益

从实施的试验结果表明，本技术可以从工业用水大户排空损失的水雾中回收，大量的工业用水，回收效率达90%以上，节约水资源，降低工业成本。若以50万千瓦发电厂为例，每小时被空气带走的蒸发雾化水损失约1500吨，全年约1100万吨。若采用本技术节水装置，按回收率90%计算，每年可节约水约1000万吨，由于回收的是优质循环水，又可减少排污损失，并且，高效雾化节水装置设备费用不会超过全年节水费用，耗电量很小，所以经济效益是显著的。