危险废物焚烧处理工艺冷却系统应用

褚衍旭 ，高 勇，李 东，叶志成，毛玉杰

(1.惠州东江威立雅环境服务有限公司，广东 惠州 516323；2.广东安佳泰环保科技有限公司，广东 惠州 516323)

在社会经济快速发展的背景下，以废有机溶剂、重金属废物为代表的危险废物产生量迅速增加，由于危险废物具有腐蚀性、毒性等多种危险特性，对人类健康和环境安全存在极大的风险与危害。焚烧法凭借其适应性强、减容明显等优势得到普遍应用，其中，冷却系统作为焚烧处理工艺中重要的换热设备具有举足轻重的作用。

冷却系统按冷却介质不同，一般分为风冷和水冷两种方式。空冷主要是以环境空气作为冷却介质，使管内高温流体得到冷凝或冷却，常见为空冷器；水冷则主要是以水作为冷却介质，水与流经空气通过热、质交换降低温度，常见为冷却水塔。在危险废物焚烧系统中，常通过空冷方式对回转窑进行吹扫降温[1]，对锅炉余热冷凝回收[2]；通过水冷方式对窑头面板、空压机、引风机等进行冷却降温。在实际运行中，空冷与水冷两种方式结构形式各异又各有优劣，增加对冷却系统的认知及应用研究，是保障危险废物焚烧系统正常运营的重要前提。

1 冷却系统类型

空冷器类型多种，根据管束布置形式分为水平式与斜顶式，前者为防止冷凝液滞留，管段呈1%略微倾斜，内部流体和外部空气分布均匀；后者管束呈“人”字形，夹角多为60°，结构紧凑，但介质分布相对不均匀且易造成热风再循环。根据冷却方式分为干式与湿式，前者通过风机送风冷却，后者凭借水的喷淋换热冷却，但易引起管束腐蚀。根据通风方式分为引风和鼓风式，二者区别在于安装风机位于管束上部或下部，对于鼓风式空冷器而言，空气先流经风机再流入管束，利于传热且操作经济，应用更为普遍。

循环冷却水系统主要分为敞开式和密闭式两种，其中敞开式是目前类型最多应用最广的一种冷却结构。敞开式冷却水经过冷却塔曝气和空气进行接触，在蒸发散热、接触与辐射传热的作用下，水温降低后循环利用。密闭式冷却水密闭循环，不与空气发生接触，冷却水携带的热量通常经过换热器进行传热。在循环冷却水系统中，冷却构筑物或设备的主要形式为冷却塔，依据其构造与空气流动可分为自然通风和机械通风冷却塔，机械通风冷却效果相对更好。

2 冷却系统结构

空冷器通常由管束、集箱、风机、百叶窗和构架等部分构成，常见结构形式如图1所示。管束作为其核心部件[3]，是一个独立的刚性结构，主要由翅片管、集箱组成，当空气横向掠过管束时可以达到冷却管内热流体目的[4]。由于空气传热系数较低，故在管外侧布置翅片以增加传热面积与流体湍动。翅片管的应用促进了空冷器发展，其特性参数主要包括壁厚、直径、翅片高度和间距、翅化比、传热性能等。翅片材料由使用环境与制造工艺决定，多选用热导率高材料，通常选择铝品缠绕或镶嵌至光管，在防腐蚀要求较高条件下也会采用铜或不锈钢材料。翅片排列可按横向或纵向，目前通常采用外径25mm光管，翅片高为12.5mm低翅管和16mm高翅管。集箱各管程被冷却介质流通横截面积应不低于相应的翅片管流通面积，为防止管束热变形，通常将两端集箱分别做成固定式和浮动式，通过沿轴线方向的浮动消除热应力。风机的优劣是衡量空冷器性能的关键标志，由于空冷器所需风量较大、压头较低，因此常采用低压轴流风机，效率高而噪音小。介质流体出口温度则主要是凭借调节通过管束的风量来控制，即叶片倾角、风机转速和百叶窗开启程度等。

图1 空冷器常见结构形式

冷却塔一般主要由散热填料、配水系统、通风设备、空气分配装置、挡水器、集水池等部分构成，通过不同的组合可以构成不同形式的冷却塔，常见的水冷塔结构形式如图2所示。散热填料是水在塔内冷却的主要设备结构，较高温度回水经数次溅散后，形成水滴或水膜，通过填料增加水与空气的接触时间与面积，使循环水得到充分的热交换。水流的分布均匀程度对冷却效果有一定的影响，配水系统的作用便是将回水均匀地分布在所有的填料上。在机械通风冷却塔的上塔体风筒内，设置电机带动风机，利用风机转动产生足够的空气流量，保证空气与水进行热交换达到冷却效果。而空气分配装置则是为了引导空气能够均匀地分布在冷却塔截面，避免在塔内形成涡流或者回流，主要包含进风口、百叶窗和导风板等。

图2 水冷塔常见结构形式

3 空冷器失效

对于空冷器而言，常见的失效形式有冷却效果差、泄露、叶片损坏以及风机故障等。冷却效果差的原因主要是由翅片管引起，常见的异常情况有翅片间距不合理、翅片倒伏、管内壁结垢、介质堵塞等，可通过吹扫、物理或化学清洗、修复损坏翅片等方法解决。造成空冷器泄露的原因主要有腐蚀[5-6]、管束材质缺陷、管束运行较久性质发生变化等。腐蚀介质主要有无机盐类、硫化物、氮化物等，腐蚀部位分布在翅片管介质入口处、翅片管向下弯曲变形的内壁、可能产生介质涡流部位等，可通过注胶、化学粘补、堵管或换管等方法消除。

常见的空冷器检修维护工作主要包括：检查清理集箱和管束，处理泄露管段，检查维修轴流风机，校验安全附件，更换腐蚀严重的集箱丝堵、联结螺栓及法兰垫片等。

4 冷却塔运行问题

工业冷却水系统在循环运行过程中，随着水分的蒸发与损失，水质会逐渐发生恶化，并出现一系列运行问题，主要表现在结垢、腐蚀以及微生物滋生等。系统结垢主要以水垢与污垢两种形式存在。由于冷却水不断的浓缩，水溶性组分浓度不断升高至饱和时开始结晶，在传热面粗糙与流速度较低处，结晶便会沉积形成非常致密的水垢，常见的有碳酸钙、磷酸钙、镁盐与硅酸盐等。另外，冷却系统在室外运行时受周围环境影响，经风吹雨淋、灰尘杂物等会逐渐附着有机物、粉尘、菌落及其分泌物等构成污垢。结垢将极大降低传热效率，0.6毫米厚垢足以使传热系数降低20%以上。冷却水系统中含有足够的腐蚀性离子(Cl-、Fe2+、Cu2+)、氧气以及污垢等，电化学腐蚀很容易发生，若不及时控制会缩减设备使用寿命甚至导致报废。微生物一方面来自空气，另一方面来自补充水，由于循环水中充足的氧气、适宜的温度以及富养条件，极其容易引起滋生，如不及时控制将迅速导致水质恶化、沉积黏垢，隔绝缓蚀阻垢剂作用，加剧设备腐蚀。

结垢、腐蚀及微生物滋生问题将影响循环水系统安全运转，影响运营生产，所以必须对循环水进行处理控制。可以通过控制补充水水质，保证水压及流速，控制水质指标，设置旁路砂、纤维介质过滤器控制旁滤量等方式降低结垢。在工业应用上，常采用具有经济效益且适应性较强的复合阻垢缓蚀剂，即可破坏结晶过程，达到控制结垢目的，又可起到防腐的综合作用；控制微生物生长最常用的方法是添加杀菌灭藻剂。药剂选用需要匹配系统设计、水质条件、流速等，由于循环水处理是一个动态过程，因此必须定期对水质进行分析并作调整。

5 水质监测控制

冷却水系统的腐蚀、结垢和微生物生长与冷却水水质密切相关，为保证系统运行良好，进行有效的监测是必不可少的。通过对循环水合理的监测与分析，对排污水量、补充水量及加药量进行必要的控制，可以及时、有效的调整水质，采样点常布置在循环水回水上塔管、排污管以及补充水界区主管道。根据《工业循环冷却水处理设计规范》(GB50050-2007)，主要从PH、浊度、电导率、COD、碱度、硬度、腐蚀速率等方面进行监测。

一般而言，冷却水系统正常运行时pH值控制在6.8～9.5；控制排污量、旁滤流量、补充清洁水使浊度小于20mg/L以下；电导率需要控制在3000μs/cm以内；通过化学需氧量观察微生物变化，正常情况下水中CODCr控制在100以下；加氯杀菌时采用冲击投加效果更佳，余氯一般控制在0.1～0.5mg/L；根据阻垢缓蚀剂的药剂性能，水中总磷控制在6～10mg/L范围内为宜；钙、镁离子作为主要成垢阳离子，分别控制在30mg/L、60mg/L以内；总铁浓度作为铁材质设备腐蚀情况的依据，一般宜小于0.5 mg/L，当超过1 mg/L时即被认定有腐蚀产生；按月、季、年监测标准金属挂片腐蚀速率，碳钢、不锈钢设备传热面水侧腐蚀速率应分别小于0.075mm/a、0.005mm/a；循环水浓缩倍数通常被控制在2.0～4.0之间为宜。

6 空冷与水冷对比

冷却方式采用水作为冷却介质历史悠久，而空冷器的发展则是源于翅片管性能的进步。两种冷却方式介质不用，水与空气相比，水的导热系数要比空气高24倍左右，因此若要达到相同的冷却效果，则用水比空气冷却所需换热面积要小很多。但是空冷器可以免费获得空气介质，而随着现代工业的快速发展，工业冷却用水量激增并成为工业用水的主要部分，一方面导致供水不足，尤其是对于水资源相对匮乏的地区更加严峻[7]，另一方面环境要求日益严格，水冷塔飞溅及加药排污需要额外严格控制。与水冷方式相比，空冷器具有风量大、振动小、噪声低、使用维护方便等优点，但是空冷器受环境影响较大且安装位置受限，同时对于翅片管需要特殊工艺要求。而水冷塔构造较小，但是运行费用及维护费用相对较高。近年来，新型空气冷却器设计逐渐显现经济性，部分水冷器开始逐渐被空气冷却所代替[8]。空冷与水冷系统各有优劣，焚烧系统运行过程中需要根据工艺要求以及条件，选择适合的冷却方案。

7 总结

冷却系统对于危险废物焚烧系统的正常运行有着重要的意义。根据不同的工艺要求及现场条件，合理的选择空冷或者水冷方式。相比之下，空冷器的优势在于运行、维护较为方便，同时比较经济，水冷塔的优势在于换热效果好，但对于补充水水质要求较高、数量要求较多。在实际运行过程中，空冷器常见的失效形式主要有冷却效果差、泄露、叶片损坏以及风机故障等情况，需要进行针对性的日常检修与维护。随着冷却水系统不断循环，水分不断蒸发与损失，水质逐渐恶化并伴有结垢、腐蚀以及微生物滋生等，为保证系统运行良好，一方面应该进行有效的监测，另一方面需要对其进行合理的控制，其中，科学添加缓蚀阻垢剂与杀菌剂最为常用。