煤化工闭式循环水系统深度节水设计与探讨

李 宁，李开建

（成都聚实节能科技有限公司，四川 成都 610066）

改革开放40年，中国经济总量增加80倍，石油从1968年至1993年连续25年的净出口，巨变到2017年进口4.195 8亿t[1]。富煤地区的煤化工产业面临巨大的能源需求市场，却又受严重匮乏的水资源生态环保红线制约而不能大规模发展。煤化工生产中的开式循环水系统，水资源消耗量占用水总量的70%～80%[2]，是节水技改的重点对象。为降低循环水系统对水资源的消耗，近年出现了多种干湿串联的闭式循环水冷却工艺[3-5]，此类工艺与开式循环水系统相比，具有循环水排污费和药剂费节省，工艺换热器腐蚀和污垢系数大幅降低，理论节水50%等优点，但运行一两年后，干空冷段会出现堵塞、喷水量增加、冷却效果下降的问题，实际节水大幅降低。

为此，成都聚实节能科技有限公司进行了循环水系统深度节水设计，研发的新型循环水干湿串联闭式冷却工艺，可消除干空冷器的湿热堵塞问题，提高节水效果，现介绍如下。

1 现行干湿串联闭式循环水冷却工艺及存在问题

现行循环水干湿串联闭式冷却系统冷却原理示意图见图1。

图1 现行循环水干湿串联闭式冷却系统冷却原理示意图

高温循环水进入冷却塔上部的空冷翅片管束后，再进入下方的蒸发空冷器或间壁式喷淋冷却器，实现循环水降温；冷却空气经下方的蒸发空冷器或间壁式水冷器，上行进入空冷翅片管束，带走高温循环水热量后排入大气；当气温高于15℃时，启动喷淋水泵，通过水汽蒸发带走部分甚至大部循环水热量。

我国北方昼夜温差大，干湿串联闭式冷却工艺的风机风量难以同时满足干、湿空冷器的不同需求，仅开干式空冷器时，由风机驱动的冷却空气要穿过未淋水的湿冷管束及收水器，造成不必要的阻力增加。装置投运初期，当气温≥15℃、干湿空冷器同时运行时，尤其是每年必有的扬尘天气下，随冷却空气带入的尘埃、飞絮被湿冷段的水雾浸润后，进入干式空冷段，黏结在更高温度的干式空冷翅片表面，导致换热效率不断下降，且清洗困难。为保证冷却效果，装置投运2～3年、气温≥0℃时，就必须开启湿式冷却器（即蒸发空冷器），长期运行的节水率远低于50%的设计值。

2 循环水系统深度节水设计

成都聚实节能科技有限公司结合我国北方气候特征，将干湿串联的闭式冷却工艺中的蒸发空冷（湿冷）段和干式空冷段的排气设计为分别单独排气，同时充分利用其高温时段空气湿度低、热容低的特点，在干空冷段增加等焓降温工艺及抽风筒[2-3]，不仅保留了原闭式循环水冷却工艺的优点，消除了干空冷段的湿热堵塞问题，还可使节水效果大幅提高，并长期保持在75%以上。

2.1 新型循环水干湿串联闭式冷却工艺流程

新型循环水干湿串联闭式冷却工艺流程示意图见图2。

图2 新型循环水干湿串联闭式冷却工艺流程示意图

工艺换热器出来的高温循环水，依次经过干式空冷器和单独设立的蒸发湿冷器降温，成为低温循环水，再通过循环泵送回工艺换热器；在低温循环水温度＞30℃（或32℃）时，启动蒸发湿冷器的喷淋泵及风机，进一步降低循环水温度；冬季干式空冷器出口循环水温度小于30℃时，开启近路阀，只运行干式空冷器，降低循环水阻力，节省循环泵动力。

蒸发湿冷器的湿热空气设计为单独排放，保证湿热空气夹带的尘埃、胶体微粒不再进入干式空冷器管束，彻底杜绝空冷翅片管束的湿热堵塞，充分发挥以干式空冷器为主要冷却设备的换热功能，为干式空冷器长期高效换热提供可靠保障。

2.2 增设抽风筒的干式空冷器结构及运行

增设抽风筒的干式空冷器结构示意图见图3。

图3 增设抽风筒的干式空冷器结构示意图

冷却空气经滤网除飞絮，再经逆流雾化区和顺流雾化区雾化，风机升压，干式空冷管束换热，温度升高后进入塔内，经抽风筒排入大气。低密度热空气在抽风筒底部形成低压，大幅降低干式空冷风机电耗，在抽风筒顶部产生的浮力，使热空气排向更高空间。抽风筒出口高度70 m，在0℃以下气温时段，可依靠风筒的自然抽风能力实现自然通风；夏季由于空气经空冷管束换热后温升小，风筒抽力小，风机主要是补偿风筒的抽力，与不设抽风筒相比，根据Aspen Plus空冷模拟软件计算，在气温15℃时，可节省40%的风机电耗，全年可减少50%风机电耗。来自工艺换热器40℃（或42℃）的高温循环水经空冷器降温后，夏季经蒸发湿冷器进入循环泵升压后，送入工艺换热器，冬季经近路阀进入循环泵升压后，送入工艺换热器。

2.3 等焓降温工艺原理

新型循环水干湿串联闭式冷却工艺已获发明专利 2项，专利号为 CN108088276A、CN107976088A[6-7]。采用该工艺，冷却空气在干式空冷器中设计温升TΔ≥15℃，在大气温度T1小于15℃时，空冷器出口及抽风筒出口温度T2=T1+TΔ，不需喷雾，循环水的热量Q完全由冷却空气带走。

在T1大于15℃后，由DCS系统根据干式空冷器出口循环水温度、T1及相对湿度，控制喷雾水量，使最终进入干式空冷换热管束的冷却空气的风量和温度满足设计要求。例如T1为18℃，通过DCS控制喷雾喷头，向穿过滤网的空气喷雾增湿，进行等焓增湿降温至 15 ℃,即降温tΔ=3 ℃，此时T2=T1+TΔ-3 ℃，即循环水的热量Q由冷却空气带走12/15=80%，喷雾水汽带走3/15=20%，以此类推。在夏至（6月22日）前和白露（9月7日）后，我国北方许多地区空气的绝热饱和温度通常低于17℃，因此这些地区均不需要启动蒸发湿冷装置，即可将循环水温度降到30℃。

根据实际数据统计，喷雾增湿等焓降温的最大幅度通常可达到当日最大温差的50%以上，如某地某日最低气温10℃，最高气温30℃（相对湿度≤26%），在气温30℃时段，喷雾增湿等焓降温后的冷却空气温度可降至20℃。该工艺干式空冷器喷雾增湿等焓降温tΔ设计最大值为10℃，空气在干式空冷器中的TΔ一般高于等焓增湿降温tΔ5℃～14℃。在夏季通常绝热饱和温度≥17℃、气温≥25℃，才需启动蒸发湿冷器，这样即使在气温较高的西安地区，全年需要运行蒸发湿冷器的天（次）数也不会超过146 d（次）。

2.4 节水效果

以宁夏灵武地区从-25℃至38℃的气温分布统计结果为依据，并以各温度段的小时数，冷却空气相对湿度、流量、升温及降温、喷雾水量等参数进行计算，宁夏某大型煤化工企业采用该设计，每年节省水资源100万t（全年运行8 000 h）；内蒙古腾格里沙漠南侧某企业煤化工生产线的45 000 t/h循环水系统采用该设计，每年也可节约水资源450万t。

夏季北方部分地区也有气温在15℃～23℃，湿度80%甚至90%的个别时段，这些时段通常在夜间或下雨时，此时喷雾增湿降温作用不大，可开启蒸发湿冷器或加大风机风量，来保证低温循环水温度达到工艺指标。

投资回收期：当水资源价格4.7元/t、污水处理费 8元 /t、电费 0.3元 /（kWh），循环水药剂费 0.01元 /（t·h），用该工艺取代现行 45 000 t/h循环水规模的开式凉水塔冷却工艺，可在6 a～8 a收回投资。

3 工艺参数、用水机制与节水刍议

3.1 循环水温差

大型煤化工项目循环水量及相关参数[8]见表1。由表1可知，我国大型煤化工项目循环水用量巨大[4]。以50万t/a合成氨装置为例，小时产氨62.5 t，而循环水量（含尿素合成）达6万t/h～7万t/h，动力消耗也很大，设计中常用的循环水设计温差为10℃，而运行中多数情况循环水实际温差＜10℃，吨循环水运输的热量经常不足40 MJ，再加上公用工程必要的设计余量，其循环水系统的动力消耗达到生产系统动力消耗的10%以上。若能将循环水设计温差提高到20℃，则理论上循环水量可降低50%，其动力消耗即使不考虑流体阻力与流量的关系，也可至少降低50%；循环水泵及动力系统投资可降低30%左右。

表1 大型煤化工项目循环水量及相关参数

另外，若将循环水温度设计从50℃降到30℃，温差提高到20℃，在气温15℃时，循环水在干式空冷系统换热管束中的理论对数平均温差可由12.33℃提高到17.38℃，增加40.9%，相同的冷却负荷，其干式空冷器的换热面积、投资、占地均可降低相同比例。由于干式空冷装置移出单位热量的投资比普通煤化工的换热器高50%以上，其占地达10倍以上，因此可以用干式空冷器减少的投资，去补偿工艺换热器增加的投资，且有盈余；若不降低干式空冷器的换热面积、投资、占地，则可使喷雾等焓降温的起始温度由15℃提高到20℃，其节水量可进一步提高到85%以上。

当然，在采用该设计进行循环水冷却时，循环水温差的选择，应根据项目工艺具体要求和气象、水源、能源、投资、场地等条件仔细斟酌，以便为主体工艺安稳长满优运行提供最佳冷却工程。

3.2 煤化工能源转化效率

煤炭燃烧释放的能源，理论上全部属于化学有效能，受目前技术水平的限制，其转化到产品中只有40%～60%，平均50%左右，其余近50%被现行的工艺技术转化为工艺过程的“废热”，并耗用大量水资源，才能排出系统。

降低煤化工水资源消耗最好的途径是提高煤炭能源转化为产品的效率。煤化工的能源转化效率是以产品所需原料煤+燃料（动力）煤的热量为能源基数，计算进入产品的热量。若进入产品的热量为50%，则排入环境的“废热”即为50%；若进入产品的热量达到75%，则排入环境的“废热”减少为25%。为排出这25%“废热”所付出的代价就将减少为排出50%“废热”的一半，即包括生产线上的工艺换热器在内的循环水冷却系统的投资、能耗、占地在内的所有消耗，理论上均可减少50%。所以，提高能源转化效率更是煤化工减少水资源消耗的重要途径。

3.3 水资源管理机制

若没有合理的水资源管理机制，则深度节水只有社会效益。对煤化工企业来说，增加成本，减少盈利，企业将没有动力采用深度节水新技术装备；深度节水技术装备将没有市场需求，科技实体和技术开发人员更不可能长期深入研发深度节水新技术。因此在我国缺水的北方地区，需建立一种更合理的水资源管理机制[9]，使含地下水在内的水资源成为与煤炭一样的产品，以完全市场化的方式获得，使水资源更好的成为煤化工企业不可或缺的利润增长点。