CN101315255B - 一种冷却塔节水方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种冷却塔节水方法及系统，包括冷却塔以及与冷却塔相连接的凝汽器，在冷却塔的下端设置有与凝汽器相连通的用于收集冷却塔盐水的淡盐水池，且在该淡盐水池与凝汽器相连接的管路上设置有循环水泵，淡盐水池还与浓盐水池相连通。本发明采用在冷却塔循环水中加入盐类，通过降低循环水的蒸发压力来减少或消除水的蒸发实现节水。其实质是尽量消除潜热传递方式，减少循环水蒸发导致的水资源损失。利用了某些盐类可以使水的蒸发压力降低的特性，通过在循环水中加入盐类，在循环水的蒸发压力降低到空气中的水蒸汽分压水平，则在冷却塔内循环水与空气进行直接接触时，将主要以显热方式进行传热，而潜热传递方式则被抑制，从而减少了蒸发导致的水资源损失。

Description

一种冷却塔节水方法及系统

技术领域

本发明涉及一种冷却塔，具体涉及一种冷却塔节水方法及系统。

背景技术

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，称为显热传递方式；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，且蒸汽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。

发明内容

本发明的在于提供一种能够大大降低冷却塔的耗水量，节约淡水资源、保证可持续发展的冷却塔节水方法及系统。

为达到上述目的，本发明在冷却塔循环水中加入盐类，通过降低循环水的蒸发压力来减少或消除水的蒸发实现节水。

本发明的冷却塔循环水中加入的盐类为金属的卤化物NaCl，CaCl₂，LiBr，KCl、硫酸盐Na₂SO₄，K₂SO₄，CaSO₄、碳酸盐Na₂CO₃，K₂CO₃及硝酸盐Na(NO₃)₂，KNO₃，Ca(NO₃)₂中的一种或一种以上的混合物。

本发明的装置包括冷却塔以及与冷却塔相连接的凝汽器，在冷却塔的下端设置有与凝汽器相连通的用于收集冷却塔盐水的淡盐水池，且在该淡盐水池与凝汽器相连接的管路上设置有循环水泵，淡盐水池还与浓盐水池相连通。

本发明的淡盐水池与浓盐水池之间之间通过盐水泵相连通，在淡盐水池与盐水泵、浓盐水池与盐水泵之间分别安装有切换阀；淡盐水池的浓度为其饱和溶解度的1％～60％，使其蒸发压力对应的饱和温度下降0～20℃；浓盐水池的浓度为其饱和浓度的20％～80％，使其蒸发压力对应的饱和温度下降5～25℃；淡盐水池上还开设有淡水入口；浓盐水池上还开设有浓盐水入口。

本发明的实质是尽量消除潜热传递方式，以减少循环水蒸发导致的水资源损失。利用了某些盐类可以使水的蒸发压力降低的特性，通过在循环水中加入盐类，在循环水的蒸发压力降低到空气中的水蒸汽分压水平，则在冷却塔内循环水与空气进行直接接触时，将主要以显热方式进行传热，而潜热传递方式则被抑制，从而减少了蒸发导致的水资源损失。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明蒸发耗水量随环境空气温度及盐分浓度的变化，其中横坐标为盐水饱和温差，纵坐标为耗水量；

图3是本发明汽轮机排汽温度随环境空气温度及盐分浓度的变化，其中横坐标为盐水饱和温差，纵坐标为汽轮机排汽温度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明的系统包括冷却塔1以及与冷却塔1相连接的凝汽器2，在冷却塔1的下端设置有与凝汽器2相连通的用于收集冷却塔1盐水的淡盐水池4，淡盐水池4上开设有淡水入口，且在该淡盐水池4与凝汽器2相连接的管路上设置有循环水泵3，淡盐水池4还与浓盐水池6相连通，在淡盐水池4与浓盐水池6之间之间通过盐水泵5相连通，浓盐水池6上开设有浓盐水入口，淡盐水池4与盐水泵5、浓盐水池6与盐水泵5之间分别安装有切换阀，本发明的淡盐水池4的浓度为其饱和溶解度的0％～60％，使其蒸发压力对应的饱和温度下降0～20℃；浓盐水池的浓度为其饱和浓度的20％～80％，使其蒸发压力对应的饱和温度下降5～25℃。

本发明淡盐水池4用于收集从冷却塔1流出的盐水，淡水从淡盐水池4补入；浓盐水池6的功能是调节淡盐水池4的盐分浓度以适应环境空气湿度的变化，浓盐水从浓盐水池6中补入；运行中维持浓盐水池6的浓度高于淡盐水池4的浓度；两个盐水池之间通过盐水泵相联结，在两个盐水池和水泵之间安装有切换阀，使盐水既可从淡盐水池泵入浓盐水池，也可由浓盐水池泵入淡盐水池，从而实现淡盐水池中的盐分浓度调节。

在冷却塔的实际运行过程中，其耗水量通过盐分的含量来进行调节。当平均循环盐水温度下的蒸发压力与环境空气水的分压相同时，在换热过程中水分不再蒸发，耗水量等于零；当前者大于后者时，盐水会蒸发，耗水量大于零；当前者小于后者时，环境空气中的水分会被盐水吸收，耗水量小于零。通过调节循环水中的盐分，即可适应不同季节和气候下冷水塔节水的要求。

由于空气湿度在不断变化，为了维持冷却塔的正常运行，获得尽可能低的循环盐水冷却温度，循环盐水的浓度也要不断变化。本发明采用的解决方法是在循环水系统中设置浓盐水池和淡盐水池，当空气干燥时，冷却塔耗水量增加，淡盐水池的水不断减少，此时将浓盐水池的盐水补充到淡盐水池，以增加循环盐水的盐分浓度；当空气湿润时，冷却塔会吸收空气中的水分，使淡水池的水不断增加，此时将淡盐水池的水补充到浓盐水池，同时向淡盐水池中补入淡水，以减少循环水的盐分浓度。为保证循环盐水的浓度，需要定期向浓盐水池内补入浓盐水。本发明的耗水量通过盐分的含量来进行调节。在缺水的季节，可增大循环水中的盐分含量，降低其蒸发压力以减少蒸发损失；在不缺水的季节，可减少循环水中的盐分含量，通过增加蒸发量来降低循环水温度。

由于潜热传递被抑制，节水型冷却塔的冷却效果要比常规的冷却塔差，这是节水所要付出的代价。冷却塔内的传热传递过程可以用下述方程来表示：

$\∫\frac{c_p\mathrm{dt}}{h_w-h_a}=\mathrm{\Ω}$

上式中Ω为冷却塔的冷却数，代表了其冷却任务；h_w与h_a分别是循环冷却塔所对应的空气焓值与塔内空气的焓值。对常规冷却塔而言，h_w是循环水温度下饱和湿空气的焓值；但对本发明的节水型冷却塔而言，该值是循环盐水温度下的非饱和空气焓，其湿度由盐水的浓度所确定。由于饱和空气的焓值高于同一温度下的非饱和空气焓，为保证冷却任务，节水型冷却塔内的循环水温度将高于常规冷却塔，以维持传热过程所需要的焓差。

图2、3给出了对某火电机组采用本系统后的汽轮机排汽温度及耗水量的随环境温度及盐水浓度(以饱和盐水蒸发压力所对应饱和温度下降值表示)变化规律的计算结果。由此可见，采用本发明提出的方法及系统以后，可在干旱季节减少循环水蒸发损失90％以上。与直接空冷岛相比，汽轮机排排汽温度可下降5-20℃，从而兼顾了火电机组和节水性和经济性。

本发明通过牺牲部分经济性，采用略微提高循环水温度的方法来换取其节水特性。由于空气与水的直接接触换热属于体积换热方式，其传热系数大大高于面式换热方式。在火电厂应用时，节水型冷却塔与目前热门的直接空冷岛相比，其设备小，投资低，所能达到的循环水温度也低；

本发明不但适用于新建设备，还可进行已有设备的改造，通过重新进行热力计算，确定其循环盐水浓度，即可对现有设备进行改造。

本发明可根据气候调整节水量。在雨季时，水资源比较充沛，此时可以降低循环盐水的浓度，甚至采用淡水模式进行运行，以便获得较低的循环水温度；在干旱季节，可提高循环盐水浓度，从而减少耗水量，甚至可以将空气中的水分吸收到循环盐水中，再通过盐水淡化装置获得淡水，此时冷却塔不但不耗水，还会生产水。由于我国缺水地区在气温较低的冬春季节缺水，而气温较高的夏秋季节并不缺水，采用本发明后即可根据气温条件和水资源状况随时调整循环水中的盐分，从而兼顾节水和经济性的要求。

Claims (7)

1.一种冷却塔节水方法，其特征在于：在冷却塔循环水中加入盐类，通过降低循环水的蒸发压力来减少或消除水的蒸发实现节水。

2.根据权利要求1所述的冷却塔节水方法，其特征在于：所说的冷却塔循环水中加入的盐类为金属的卤化物NaCl，CaCl₂，LiBr，KCl、硫酸盐Na₂SO₄，K₂SO₄，CaSO₄、碳酸盐Na₂CO₃，K₂CO₃及硝酸盐Na(NO₃)₂，KNO₃，Ca(NO₃)₂中一种或一种以上的混合物。

3.一种冷却塔节水系统，包括冷却塔(1)以及与冷却塔(1)相连接的凝汽器(2)，其特征在于：在冷却塔(1)的下端设置有与凝汽器(2)相连通的用于收集冷却塔(1)盐水的淡盐水池(4)，且在该淡盐水池(4)与凝汽器(2)相连接的管路上设置有循环水泵(3)，淡盐水池(4)还与浓盐水池(6)相连通。

4.根据权利要求3所述的冷却塔节水系统，其特征在于：所说的淡盐水池(4)与浓盐水池(6)之间通过盐水泵(5)相连通，在淡盐水池(4)与盐水泵(5)、浓盐水池(6)与盐水泵(5)之间分别安装有切换阀。

5.根据权利要求3所述的冷却塔节水系统，其特征在于：所说的浓盐水池的浓度为其饱和浓度的20％～80％，使其蒸发压力对应的饱和温度下降5～25℃。

6.根据权利要求3所述的冷却塔节水系统，其特征在于：所说的淡盐水池(4)上还开设有淡水入口。

7.根据权利要求3所述的冷却塔节水系统，其特征在于：所说的浓盐水池(6)上还开设有浓盐水入口。

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