CN103411469A - 一种冷却塔水蒸汽及热能回收方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷却塔水蒸汽及热能回收方法及系统。所述方法将冷却塔排放的水蒸汽引入冷凝器；在冷凝器内将冷凝剂水雾化成微细颗粒，喷洒在水蒸汽上，使水蒸汽遇冷凝结成水；空气呈干热状态从冷凝器排出。所述系统包括冷却塔和冷凝器；所述冷却塔的顶部风筒出口连接冷凝器的水蒸汽入口；所述冷凝器中，水蒸汽入口的上方设置冷凝剂喷射器。本发明不但可有效减少冷却塔的水蒸发损失，而且还能回收冷却系统本应放弃的热量，基本实现循环水系统冷却塔的零排放。采用本发明系统，对于现有的冷却塔只需适当调整，并附加冷凝器和热管换热器，用最经济的冷水喷雾作冷凝剂，用高效的热管回收热能。

Description

一种冷却塔水蒸汽及热能回收方法及系统

技术领域

本发明涉及工业循环水冷却塔节水节能和零排放技术领域，特别是涉及到一种湿式冷却塔水蒸汽及热能回收的方法及零排放系统。

背景技术

冷却塔按照水与空气的接触方式分为湿式和干式两种。湿式即水与空气直接接触，其换热效率高，水损失大；干式即水与空气间接接触，没有水损失，但其换热效率较低，能耗高，投资大。

湿式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接触和蒸发两种方式与空气进行热交换。接触传热即直接将循环水的热量传递给空气使其温度升高，称为显热传递；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。湿式冷却塔出风口为热饱和湿空气，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蒸发水大量的损失。湿式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，根据湿式冷却塔理论，为达到一定的冷却效果，应尽可能增大蒸发量，但由此而带来的问题是水的大量消耗和冬天水蒸汽形成的羽雾。

一种替代的方法是采用干式降温的冷却塔（循环水密闭靠管道表面接触传热），虽然不存在上述问题，但其冷效低，往往满足不了工艺的冷却要求，无法被大量采用。另一种替代方法的是选用干湿复合冷却组合在一个塔内，冬天气温低时用干法，无需补水和处理水质，其他季节仍用湿法，耗水量大和水质及环境恶化问题虽有减轻但仍然存在。

为了节水和消除对环境影响，国内外业界对湿式冷却塔进行了种种改进。CN1888802A采用冷却塔在塔上部进水，经二次冷风干式降温，降低冷却塔下部湿段的热负荷，此举能节水20%，并减少羽雾的发生。美国新墨西哥州火力发电厂按照水蒸汽凝结成水后进行收集的原理，每天回收的蒸馏水占蒸发水量的30%左右。另有CN2867225Y设想通过风道将冷却塔湿饱和空气直接引入专门的水蒸汽回收罐，预测可回收60%的水蒸汽和5%的循环水能量，但没有考虑水蒸汽冷凝时所放出的潜热，此罐在连续溶入冷凝水，水温不断升高的情况下，要保持60%的回收率是不可能的。

最近出现的热管新技术，利用相变潜热高效导热的翅片热管代替传统的钢管铝翅片换热管束，提高了干冷塔的传热和冷却效率。将螺旋翅片热管用于干冷塔最初是由美国Foster-Wheeler公司研制的，已有试验性装置用于大型电站透平背压蒸汽的冷凝，并已经取得成功。试验证明，热管干冷塔的技术经济指标均优于其他干冷系统。但是由于空气必须横掠管束，须采用机械通风系统强化传热，仍不可避免出现电耗大、噪音高等弊端；并且其阻力较大，容易积灰。对此，可取代的办法是采用空气流动性好的纵向翅片热管。但其冷效仍低于湿式冷却，而且国内缺乏研究和实践，纵向翅片管又长期依赖进口，其实用化和商业化的可行性难以预料。

由于没有合适的替代方法，国内外仍大量使用湿式冷却塔，而且数量不断增加，大量耗水、耗能、噪音以及冬天发生的羽雾问题始终没有得到很好的解决。要解决好湿式冷却塔的问题，关键是要对湿式冷却塔的水损失途径和数量进行科学分析，并采取有针对性的技术措施。

湿式冷却塔水损失包括三部分：第一部分是由于蒸发所产生，第二部分是由于汽（气）夹带水滴所产生，第三部分是由于存在上述水损失而使循环水为保证固体溶质含量符合标准要求应有的排污损失。前两部分水损失是含在冷却塔喷淋换热层上部的空气和水的混合物中，随空气一同排空，其中细分混合物可认为是由空气、水的几种形态，即：水滴、雨、细雨、雾、干水蒸汽等组成，其粒径分布见表1示。

表1各种水形态的粒径分布

在上述水的形态中，粒径大于200～300μm的颗粒极不稳定。当受到扰动或冲击和风速的涡动撕裂，迅速变成较稳定的小颗粒。目前，设计和运行的冷却塔，均采用了机械挡板式除水器，它是利用水滴与气流的运动速度差别，在绕过除水板时，大颗粒水滴撞击并附着在除水板上，从而沿着除水板落下，使风吹损失的0.5%的值降到0.1%的值。但机械挡板式除水器对水蒸汽的蒸发损失是绝对无能为力的。

以某电厂的耗水分布情况为例，见表2。

表2某2×330MW火电厂的耗水分布

从表2中可看出，该电厂的冷却塔每小时需水总量为1291吨，约占全厂总需水量的40%，其中占湿式冷却塔总需水量的87%为蒸发损失，6.3%为风吹损失，二者之和为93.3%。如果能将蒸发和风吹的损失完全回收，循环水不存在损失，没有损失就没有补充的需要，也就没有排污的需要，整个回收率在理想状态下应该是接近100%。对于用水量较大的炼油石化企业情况也是基本如此。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种冷却塔水蒸汽及热能回收方法及系统。

本发明的目的之一是对冷却塔中产生的水蒸汽进行回收，实现节水。

本发明还能够同时对热能进行回收，实现节能；实现水、气循环利用，达到零排放。

本发明是在与冷却塔相连的冷凝器内，选用冷凝剂并将其水雾化成微细颗粒，喷洒到冷却塔导入的水蒸汽中，使水蒸汽冷凝成凝结水，从而得到回收。

本发明将传统湿式冷却塔改建成无填料喷雾冷却塔，安装喷式雾化装置，在塔外设立专门的水蒸汽冷凝和热回收装置。在冷却塔顶部风筒出口，用风道将湿饱和热空气引入水蒸汽回收装置―冷凝器。在冷凝器顶部，湿热空气入口的上方设冷凝剂喷射器，将温度低于湿热空气的冷凝剂―水，雾化成细小水滴喷洒在湿热空气中，使水蒸汽冷凝成凝结水，滴入底部的冷凝水池。

将冷凝水通过液-气热管换热装置进行降温，使冷凝水中的热量转移到除湿后的干热空气中。降温后的冷凝水，少部分通过泵提升到冷凝器顶部，作为冷凝核和降温剂循环使用；大部分返回循环冷却水系统。从水蒸汽回收装置（冷凝器）出来的干热空气，与冷凝水换热器过来的热空气汇合后，再通过气-液热管换热器，回收其中的热量，最终排出干冷风。此干冷风如果有足够的余压，可以再返回冷却塔进风，循环利用。尤其是在湿热的夏天，干冷风的再利用，可保证冷却塔的冷却效率在湿热气候条件下不受影响。

冷凝是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，水蒸汽冷凝成水。这时，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。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，要进行两个正好相反的相变过程，还需具备相应的条件才能进行热传递。另外，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。把冷却了的冷水与冷凝产生的热水，进行分开隔离，使其不接触，一方面只让冷空气与冷却过程热水进行热传递；另一方面要对所产生的水蒸汽冷凝成水，再用液-气热管换热器回其收热量降温后，返回到循环冷却水系统。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种冷却塔水蒸汽及热能回收方法，所述方法将冷却塔排放的水蒸汽引入冷凝器；在冷凝器内将冷凝剂水雾化成微细颗粒，喷洒在水蒸汽上，使水蒸汽遇冷凝结成水；干热空气从冷凝器排出。

实现冷却塔水蒸汽完全回收的条件是：一、给饱和蒸发水汽有足够的降温；二、充分提供水蒸汽凝结所需的核，或称凝结剂；三、凝结水和循环水不能在塔内直接接触，凝结水在返回循环冷却水系统前要先降温；四、要使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，风力带走的是热量而不是水蒸汽。

本发明的冷凝剂选用降温后的冷凝水，通过高效雾化装置喷洒到饱和水蒸气中，既可使水蒸气降温，又为水蒸气的冷凝提供了足量的凝结核；本发明的冷凝过程是在独立设置的冷凝器中进行的，避免了凝结水和循环水的直接接触；冷凝过程放出的潜热通过热管回收并入冷却塔排放的干热空气，进入冷却塔的循环水蒸发所排放的热量被空气带走，蒸发出的水蒸气变成冷凝水被回收了。

所述冷凝器中形成的冷凝水经换热将其热能转移到冷凝器排出的干热空气中；或，预热其他需升温的气体或液体。冷凝水在返回循环冷却水系统前，先与需要升温的气体或液体换热，如锅炉补充新鲜水的预热，反渗透处理的进水预热，浓盐废水蒸发前的预热等。或者把热量并入冷凝后释放的干热空气中，在系统末端对干热空气的热量进行集中回收。冷却水中热量最终已全部转入呈末端干热状态的空气中，可以将热量传递给需要升温的空气或液体。

对冷凝器排出的干热空气的热能进行回收，形成干冷风排出或返回冷却塔进风。

所述冷凝器中形成的冷凝水，少部分作为冷凝剂进入冷凝器中循环使用，大部分则返回循环冷却水系统，以保持系统水量的平衡。

本发明所述冷却塔为无填料喷雾冷却塔。本发明采用了无填料喷雾冷却方式和高效的上喷式雾化装置。塔内取消填料，减少空气阻力，增加风量，并减少后续工艺的引风能耗；喷头喷出细小水滴，形成水雾，增加水气接触面积；水雾的上喷，在塔内有上升、悬浮、下降三个过程，使冷却有顺流冷却与逆流冷却两个过程，延长了水气接触时间。从冷却塔水气比、水气接触面积和时间等三个方面的增加，强化了冷却塔的热转移效率，从而使本系统的工作，从传热到回收都是以高效的方式运行。

如果循环水在生产工艺使用中受到污染，应对水质进行必要的处理，处理的方式方法要视具体情况确定。

一种实现如上所述方法的冷却塔水蒸汽及热能回收系统，所述系统包括冷却塔和冷凝器；所述冷却塔的顶部风筒出口连接冷凝器的水蒸汽入口；所述冷凝器中，水蒸汽入口的上方设置冷凝剂喷射器。

冷凝器中的冷凝剂喷射器能够将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，并一起降落在冷凝水池，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。

所述冷凝器底部连接第一热管换热器。所述第一热管换热器为液-气热管换热器或液-液热管换热器。液-气热管换热器可用于冷凝水与冷风换热，排出的热风并入冷凝器排出的干热空气中。液-液热管换热器可用于冷凝水与需要升温的液体的换热。

所述冷凝器底部连接冷凝水池后连接第一热管换热器。

所述液-气热管换热器的气体出口接入冷凝器的排气管。

所述冷凝器的排气管连接第二热管换热器。所述第二热管换热器为气-液热管换热器或气-气热管换热器。气-液热管换热器可用于干热空气与需要升温的液体的换热。气-气热管换热器可用于干热空气与需要升温的气体的换热。

所述气-液热管换热器的气体出口接入冷却塔的进风口。

所述第一热管换热器的冷凝水出口连接冷凝器的冷凝剂入口及循环冷却水系统。

所述冷却塔为无填料喷雾冷却塔。

热管是一种新型高效的传热元件，借助于管内工质的潜热变化而进行冷热流体间的换热。由于是潜热的变化，具有相当高的导热能力，其当量导热系数为铜、银等金属导热系数的几百倍，换热效率在98%以上。在20世纪60年代首先被应用于宇航技术中，后来在电子、机械、化工和石油等行业也有了广泛的应用。热管换热器在国外已系列化生产。而我国经过20多年努力先后开发了气-气、气-液及液-气等热管换热器、热管蒸汽发生器、高温热管和中低温热管，并在石油、化工、冶金、动力以及水泥等行业得到了广泛的应用，取得了良好的效果。

由于气侧换热系数比液体侧的换热系数小得多，因此在换热过程中，主要热阻在气体侧，所以在气体侧的热管可以缠绕翅片，而在液体侧热管一般不需要加翅片，可设计成套管形式或直接插入水箱。

本发明不但可有效减少冷却塔的水蒸发损失，而且还能回收冷却系统本应放弃的热量，基本实现循环水系统冷却塔的零排放。采用本发明系统，对于现有的冷却塔只需适当调整，并附加冷凝器和热管换热器，用最经济的冷水喷雾作冷凝剂，用高效的热管回收热能。

与已有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：

1）工艺先进、结构简单、运行可靠；

2）蒸发的水蒸汽被充分的回收，节水效率90%以上；

3）回收了冷却水中原本要放弃的热量；

4）排放空气呈干冷状态，不产生羽雾；

5）塔内无填料，无需频繁清洗、更换，维护管理工作量少；

6）从传热到回收热能，都以高效方式运行；

7）技术经济合理，运行效果稳定。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的工艺流程图。

图中：1-冷却塔；2-冷凝器；3-冷凝剂喷射器；4-第一热管换热器；5-冷凝水池；6-第二热管换热器；7-水蒸汽；8-干热空气；9-冷凝水；10-冷风；11-热风；12-干冷风；13-冷凝剂；14-循环冷却水系统。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

一种冷却塔水蒸汽及热能回收方法，所述方法将冷却塔1排放的水蒸汽引入冷凝器2；在冷凝器2内将冷凝剂水雾化成微细颗粒，喷洒在水蒸汽上，使水蒸汽遇冷凝结成水，空气呈干热状态从冷凝器2排出。

所述冷凝器2中形成的冷凝水经换热将其热能转移到冷凝器2排出的干热空气中；或，预热其他需升温的气体或液体。

对冷凝器2排出的干热空气的热能进行回收，形成干冷风排出或返回冷却塔1进风。

所述冷凝器2中形成的冷凝水，少部分作为冷凝剂进入冷凝器2中循环使用，大部分则返回循环冷却水系统。

所述冷却塔为无填料喷雾冷却塔。

一种冷却塔水蒸汽及热能回收系统，所述系统包括冷却塔1和冷凝器2；所述冷却塔1的顶部风筒出口连接冷凝器2的水蒸汽入口；所述冷凝器2中，水蒸汽入口的上方设置冷凝剂喷射器3。

所述冷凝器2底部连接第一热管换热器4；

所述第一热管换热器4为液-气热管换热器或液-液热管换热器；

所述冷凝器2底部连接冷凝水池5后连接第一热管换热器4。

所述液-气热管换热器的气体出口接入冷凝器2的排气管；

所述冷凝器2的排气管连接第二热管换热器6；

所述第二热管换热器6为气-液热管换热器或气-气热管换热器；

所述第二热管换热器6的气体出口接入冷却塔1的进风口。

所述第一热管换热器4的冷凝水出口连接冷凝器1的冷凝剂入口及循环冷却水系统。

所述冷却塔1为无填料喷雾冷却塔。

如图1所示，通过本发明所述的冷却塔水蒸汽及热能回收系统对水蒸汽及热能进行回收的具体过程如下：

将冷却塔1排放的水蒸汽7引入冷凝器2；在冷凝器2内将冷凝剂13雾化成微细水滴，喷洒在水蒸汽上，使水蒸汽遇冷凝结成水，干热空气8从冷凝器2排出。所述冷却塔1为无填料喷雾冷却塔。

所述冷凝器2中形成的冷凝水9进入冷凝水池5，从冷凝水池5进入第一热管换热器4；在第一热管换热器4中，冷凝水与进入的冷风10换热，冷风获得热量后形成热风11并入冷凝器2排出的干热空气8中；在第二热管换热器6中对干热空气8的热能进行回收，形成干冷风12排出。

在第一热管换热器4中与冷风10换热后的冷凝水，少部分作为冷凝剂13进入冷凝器2中循环使用，大部分则返回循环冷却水系统14，以保持系统水量的平衡。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征以及回收方法，但本发明并不局限于上述详细结构特征以及回收方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征以及回收方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种冷却塔水蒸汽及热能回收方法，其特征在于，所述方法将冷却塔（1）排放的水蒸汽引入冷凝器（2）；在冷凝器（2）内将冷凝剂水雾化成微细颗粒，喷洒在水蒸汽上，使水蒸汽遇冷凝结成水；空气呈干热状态从冷凝器（2）排出。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷凝器（2）中形成的冷凝水经换热将其热能转移到冷凝器（2）排出的干热空气中；或，预热其他需升温的气体或液体。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对冷凝器（2）排出的干热空气的热能进行回收，形成干冷风排出或返回冷却塔（1）进风。

4.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述冷凝器（2）中形成的冷凝水，少部分作为冷凝剂进入冷凝器（2）中循环使用，大部分则返回循环冷却水系统。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述冷却塔（1）为无填料喷雾冷却塔。

6.一种实现如权利要求1-5之一所述方法的冷却塔水蒸汽及热能回收系统，其特征在于，所述系统包括冷却塔（1）和冷凝器（2）；所述冷却塔（1）的顶部风筒出口连接冷凝器（2）的水蒸汽入口；所述冷凝器（2）中，水蒸汽入口的上方设置冷凝剂喷射器（3）。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述冷凝器（2）底部连接第一热管换热器（4）；

优选地，所述第一热管换热器（4）为液-气热管换热器或液-液热管换热器；

优选地，所述冷凝器（2）底部连接冷凝水池（5）后连接第一热管换热器（4）；

优选地，所述液-气热管换热器的气体出口接入冷凝器（2）的排气管。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述冷凝器（2）的排气管连接第二热管换热器（6）；

优选地，所述第二热管换热器（6）为气-液热管换热器或气-气热管换热器；

优选地，所述第二热管换热器（6）的气体出口接入冷却塔（1）的进风口。

9.如权利要求6-8之一所述的系统，其特征在于，所述第一热管换热器（4）的冷凝水出口连接冷凝器（1）的冷凝剂入口及循环冷却水系统。

10.如权利要求6-9之一所述的系统，其特征在于，所述冷却塔（1）为无填料喷雾冷却塔。