造气循环水冷却塔的优化改造与效果

造气循环水冷却塔的优化改造与效果

张涛

山西晋丰煤化工有限责任公司  山西晋城   048400

摘要：循环水冷却塔在经过长期的运行之后，因为水体质量和温度的效应，塔体出现老化、填料损坏与布水不均衡的现象，以至于冷却效果不佳，增大了能源消耗，尤其是在高温高负荷下的工作环境下不能满足生产技术的标准要求。本文简要讲解了新型的循环水降温装置——水分散无填料冷却塔，仔细的阐述了其运行原理与应用情况，并讲解了生产过程中存在的问题。

关键词: 造气循环水；冷却塔；工作原理；运行状况

造气车间重点用来制取合成氨所需原料气，原料气成分、温度等对系统能耗高低起着关键作用，优秀设备的应用与产能提升，部分限制设备工作稳定性的因素开始凸显。所以，需调查造气车间工作现场，分析设施工作过程中存在的弊端，且进行节能改造，进而提升冷却塔工作效率，并为今后的相关工作提供参照。

1冷却塔的热交换方式

冷却塔中冷却水自蒸发、温差以及辐射冷却几个阶段一同进行冷却。蒸发与温差冷却属于主要方式，而辐射冷却较少，类型选择与计算阶段能够对其忽略。水蒸发潜在热能较多，但空气比热较低，因此，这两类热传递，热备在高温气候中，水蒸发散热是冷却水散热的关键因素，温差散热并不主要，可他们的比值通常会对气候因素的改变产生改变。一般情况下，假设水蒸发冷却占整体冷却塔散热的75～80%，温度差热传导占比1/5～1/4，且通过该比值预估蒸发冷却使用的空气量。冷却塔内，其热交换能力取决于水蒸汽与水比值，该比例能够判定冷却过程中使用空气量和需实行热交换的热水用量的比值，基于该比值能够针对冷却塔冷却需求实行评估。所以，若要达到预期，需得到很多空气。当前时期，冷却塔取得空气实行热交换的方式多为由电动机降速之后使风机转动。但由于科技进步，研发出了水能机替换原有的冷却方式。

2.问题的提出

机械通风填料冷却塔由于具有一次投资少、施工周期短等优点，在某国氮肥企业中得到广泛的应用。某公司是一个年产合成氨48 万吨的氮肥企业，其中老系统的5台中3.3m造气炉循环水系统配备了三座同类型的冷却塔，处理能力分别为1#600 T/h，2#3#400 T/h。经过十几年的连续运行，降温性能呈逐年下降的趋势，表现为处理水量减小、冷却效果差、运行周期短等方面，随着操作水平的不断提高，半水煤气产量却在逐年增加，造成半水煤气温度偏高，已经成为制丝夏季生产的瓶颈问题。众所周知，半水煤气温度是影响合成氨产量的重要指标的之一，因此务必提高冷却塔的运行效果。

3.解决思路

3.1经计算，新增一台400T/h机械冷塔完全可以满足生产要求。但因为场地受限、投资较大等原因未能实施。

3.2对原有三座冷却塔进行维修，恢复其设计能力。

3.3 改造为水分散无填料冷却塔。该类型冷却塔是近几年才出现的一种新产品，由于应用单位较少，要承担技术风险。原样恢复冷却塔虽然不会承担技术风险,但在冷却塔的降温性能方面也不会有太大的提高。改造为水分散无填料冷却塔的情况恰恰相反。通过对两种冷却塔的工作原理、运行效果、投资大小等方面综合考虑，因此确定执行第三种方案。

考虑到某公司的某一车间曾经改造过同类型的冷却塔但未达到设计要求。根据3#塔综合性能最差的现状，决定先选定改造3#塔。改造之前与厂家签订技术协议，如果达不到技术要求，厂家则无偿提供材料改为填料塔。另外通过对供货厂家的技术能力筛选，选择了另一家实力较强的供货单位，这样改造失败的风险就基本消除。

4.工作原理

4.1机械通风填料冷却塔的工作原理，如图1 所示。

循环热水由收水器下部经喷头向下喷淋,在填料层中与逆流而上的冷空气充分接触而降温。热水的降温途径主要由两个:一是接触传热过程，通过水和空气的直接接触，高温水将热量传递给低温的空气。是蒸发传热过程，部分水由于被蒸发而带走大量的气化潜热;同时也将其它的水冷却。夏季气温较高时，冷却塔以蒸发传热的方式为主。

4.2 水分散发无填料冷却塔的工作原理，如图2所示。

布水管安装在风筒下部，热水经喷头底部切向进入，高速旋转后由喷头上部呈雾状喷出，接近收水器处回落。可以看出，水与空气的接触时间延长一倍，由于该种喷头雾化性能很好，液滴直径约为填料塔的1/3~1/4，所以换热效果明显增大。喷头结构如图3 所示。

图1 机械通风填料冷却塔 图2 水分散无填料冷却塔

图3 喷头结构

5.施工:

为了节约改造费用、压缩施工时间，保留了原集水盘和风筒立柱。

（1）新风筒组装

（2）旧塔拆除，割开中心管、风筒下缘支撑后，整体吊下

（3）安装布水管及喷头

（4）安装风筒

（5）试车

为尽量缩短施工时间对生产的影响，安排施工人员倒班作业，24小时不间断施工。从停车到开车，共用了30小时，比厂家预计时间提前了18小时。明显的，由于风筒内没有布水填料，塔内空气流动阻力减小，风机电流下降了10%左右，节约电耗的同时，现场风机运行噪音也有所降低，具体数据未测。

6.性能对比

6.1降温效果对比

下表为改造前后的测试数据对比：

从上表可以看出，3#塔的出水温度大约下降了8℃，降温效果是明显的。由于风筒内没有布水填料，塔内空气流动阻力减小风机电流下降了10%左右，节约电耗的同时，现场风机运行噪音也有所降低，具体数据未测。

6.2 改造费用对比

水分散无填料塔的专用喷头费用较高，但是省去了120m³PVC方格布水填料，最终与填料塔相比改造费用还是略微低一些。

7.存在问题

7.1 操作问题

原来冷却塔在遇到需要调小水量时只要减小水阀门开度即可，随着水量的减小，出水温度呈下降趋势。改造后的情况就不同了，随着上水阀门开度的减小，出水温度却是逐渐升高的，原因是喷水高度逐渐下降、水的雾化性能随之降低所致。为解决这一问题，在集水盘上增加了一个溢流管。当循环水系统用水量减小时，多余的冷水就会从溢流管流回热水池，从而进一步增强了对循环水的降温效果。
7.2喷头堵塞问题

由于造气循环水水质差，水中颗粒性杂质含量高，主要是煤灰、木片等。水分散无填料塔喷头的最小孔径只有13mm，比原冷却塔30mm的喷头内经小了许多。因此，3#塔改造投运初期，喷头几乎每天都有堵塞的现象，既影响了降温效果，又增加了疏通清理的工作量。

解决这一问题只能在喷头前面安装过滤器，但考虑到购买过滤器费用高，采购时间长。因此在车间内自己制作了8mm 的孔板式过滤器,过滤器的底部设计了反冲洗用的排污口,安装后效果非常好冲洗也很方便。解决喷头堵塞的同时，还净化了水质，有利于防止洗气塔、细小管道等的堵塞。

8.改造后的效果

（1）降低了资源能源消耗，符合某国推行的节能减排要求；

（2）减少了冷却塔工作阶段的噪声，水能机工作噪声和原有冷却塔相比要低。节能改造为水能机之后，由于风机转速和水流量改变情况相同，噪音低得多。

（3）节省了装置早期的成本、全年电动机工作电费、平时管理与检修成本花费。

结束语

由于资源能源的日益枯竭，绿色环保标准逐渐严格的大环境下，能源节约是减轻能源稀缺的主要方式。冷却塔如果可以使用水能机进行冷却，确保循环水的能量可以更好的利用，则总体提升水循环冷却机的能量利用率，进而节省企业多项成本，并为某国节能减排政策的贯彻施行提供助力。

参考文献：

[1]胡俊．循环水冷却塔节能改造必要性[J]．铜业工程，2014（05）

[2]刘宁，程静，宋涛．循环水冷却塔节能技术改造方案[J]．中国高新技术企业，2011（01）

[3]崔海涛．冷却塔循环水节能改造探索[J]．中国设备工程，2013（06）