L型干湿联合冷却技术在PE调温系统中的应用

张朋，江瀚，汪建平，王颖华(江苏双良冷却系统有限公司，江苏 无锡 214400)

0 引言

开式冷却塔因具有投资省等优点，被广泛应用于石化、化工、煤化工、电力等领域。然而开式冷却塔在运行过程中排放大量的水蒸气，这会带来以下几个问题：第一，浪费大量的水资源，与国家一贯要求的节水产业政策不相符，同时也严重制约了相关行业的用水指标；第二，在冬季，排放的饱和湿空气在冷却塔出口遇到外界的冷空气会在形成白雾，雾气和霾结合在一起，加剧了雾霾的生成，给气候、环境、健康、经济等方面造成显著的负面影响；第三，在冬季，雾滴降落到地面和装置上会结冰，给人员安全和装置安全造成威胁；第四，形成的白雾也会影响企业形象并给人造成视觉污染。

随着人们对环境保护与水资源的合理利用的意识越来越强，国家颁布了《国家节水行动方案》[1]与《节约用水条例》[2]，两个文件中明确提出，要大力推进工业等多个领域节水，深入推动缺水地区节水，提高水资源利用效率，同时鼓励使用节水技术并将淘汰耗水量高的用水技术。

开式冷却塔属于耗水量高的冷却技术，与国家提出的节水政策相违背，可以预见，这种冷却技术将会被取代。为解决开式冷却塔存在的问题，节水消雾型冷却技术有了广泛的应用，目前主流的技术包括L型干湿联合节水消雾型冷却技术、冷凝模块节水消雾型冷却技术。其中L型干湿联合冷却塔，作为双良的专利产品[3]，相比传统开式冷却塔，具有节水率高、循环水质稳定等优点，因此被广泛应用在多个领域，然而在PE调温系统中应用较少。本文从技术和投资能耗方面论述了L型干湿联合冷却塔在PE调温系统中应用的可行性。

1 项目简介

宁夏宁东某PE项目设计年产量为220万t，其中树脂的生成过程为：催化剂和纯化的反应物(乙烯、丁烯-1或己烯-1，和氢)被连续地送入反应器，然后在标称压力为2.41 MPa和标称温度为80～115 ℃的条件下发生物聚合反应生成树脂。聚合反应能释放出大量的热量，反应器的生产速率跟床层的散热速率是成比例的。为了维持稳定的反应器温度，反应器聚合热被转移到循环气体中，并在外部循环气体的PE调温系统中去除。在PE调温系统的选型上，应格外注意，选不好，会造成冷却能力不匹配、能耗高，水费和污水处理费用高，甚至造成产品质量问题，影响正常生产，额外增加企业运行成本。

2 原方案

在开式冷却塔中，因冷却水在填料中直接与环境空气接触换热，会引起循环气冷却器等主设备的腐蚀与结垢，单独的开式冷却塔冷却方式已很少采用。目前PE调温系统中常用的冷却方式为板换+开式冷却塔技术，即将板式换热器当作中间换热环节，其中板式换热器与循环水气冷却器、开式冷却塔之间的介质分别为闭式循环水、开式循环水，反应器中的聚合反应热通过闭式循环水带到板换中，然后再由开式循环水经开式冷却塔释放到外界环境中。整个调温系统由板式换热器、内部闭式循环水管路系统及泵与阀组、外部开式循环水管路系统及泵与阀组、泵房、开式水冷塔等组成，其流程图见图1。

图1 板换+开式冷却塔冷却技术流程图

由于板换与循环气冷却器之间采用闭式循环水，板换与冷却塔之间采用开式循环水，两个系统并联运行，虽然避免了开式冷却塔的腐蚀问题，但其仍然存在较为明显的缺陷：

(1)经过两次换热，换热端差小，换热效率降低；

(2)开式与闭式循环水回路均需配备循环水泵，能耗大；

(3)采用开式冷却塔，耗水量大，水费增加；

(4)为避免开式循环水中盐分不断浓缩，排污处理费用高；

(5)开式冷却塔出口在冬季会形成大量白雾；

(6)开式冷却塔与循环气冷却器间接换热，调温系统响应速度慢，存在滞后性；

(7)板式换热器开式循环水侧结垢严重，再加上其流道小，故易堵塞，清洗频次和费用高；

(8)开式冷却塔排放的白雾也是雾霾产生的主要原因。

3 L型干湿联合技术

L型干湿联合冷却塔，作为双良的专利技术[3]，是在闭式蒸发塔的基础上发展而来，即在闭式蒸发塔进水前段增加翅片管式空冷散热器，将其与湿冷段蒸发冷却盘管(光管)组合在一个塔内，两者水侧串联使用，风侧并联。干冷段散热器立式布置于塔外，蒸发冷盘管水平布置于塔内。L型干湿联合冷却塔与循环气冷却器之间的冷却介质为闭式循环水，反应器中的聚合反应热直接通过闭式循环水经由L型干湿联合冷却塔释放到大气中。整个调温系统由L型干湿联合塔、闭式循环水管路系统及泵与阀组、泵房组成，其流程图见图2。

图2 L型干湿联合冷却技术流程图

L型干湿联合技术具有节水消雾的特性，其节水原理为：利用干冷段空气散热器对循环水进行了预冷，以降低湿冷段蒸发盘管的冷却负荷，从而减少了蒸发水量，达到节水目的。干冷段进风百叶窗为可调节百叶窗，湿冷段百叶窗为固定百叶窗，通过调节百叶窗匹配干、湿段风量及冷却能力，环境温度在干冷点以下时，不喷水，干湿两段均为干空冷，不消耗水；环境温度在干冷点以上时，对湿冷段盘管喷水，随着环境温度的升高，逐步关闭干冷段百叶窗，增加湿冷段通风量，满足冷却水温要求，随着湿冷段冷却负荷增加，耗水量逐步增加，百叶窗全关时达到冷却塔最大冷却能力，此时耗水量为最大。

其消雾主要原理为：由于空气经过空气散热器后变得干热，对经蒸发盘管后的湿热空气起到进一步加热作用，使之变为不饱和空气，从而降低或消除塔出口处产生的水雾，达到消雾效果。其消雾原理图见图3，冷却塔在低温环境运行时，室外空气状态为A点，当空气与冷却水对流换热后，成为高温高湿的空气，其状态达到饱和状态，排出的空气经混合、扩散和冷却沿BA线又恢复到A点状态。在此过程中，如果BA混合线与湿空气饱和线相交，而且相交区域空气处在过饱和区则产生烟雾。只要保证混合线(BA线)与饱和线不相交，就能够避免冷却塔烟雾的产生。

图3 L型干湿联合技术消雾原理图

由于L型干湿联合冷却塔与循环气冷却器之间的介质为闭式循环水，水质同样可以保持稳定。与板换+开式冷却塔技术相比，其还具有以下优点：

(1)只需一次换热，换热端差大，换热效率高；

(2)干湿联合运行，节水消雾效果明显；

(3)循环水管路中只需配备一台循环水泵，能耗小；

(4)排污量小，污水处理费用低；

(5)L型干湿联合冷却塔与循环气冷却器直接换热，调温系统响应速度快。

4 经济性对比

本项目中，L型干湿联合方案的设计条件与配置参数见表1，并将其与板换+开式冷却塔方案的系统投资成本与年运行费用进行了对比，见表2。

由表1可知，L型干湿联合方案所选风机直径均为9.754 m，风机功率为185 kW。与板换+开式冷却塔方案相比，其节水率可达75%。由表2可以看出，L型干湿联合技术相对于板换+开式冷却塔技术，虽然投资较高，但运行费用低，无论是年消耗电费还是年消耗水费及排污费，前者均明显低于后者。利用投资成本与年运行费用进行计算可知，相比板换+开式冷却塔方案，L型干湿联合方案经济效益具有明显优势，投资回收期只有2.43年，投资回收后年收益可观。

表1 L型干湿联合方案设计条件与配置参数

表2 L型干湿联合方案与板换+开式冷却塔方案经济性对比表

5 结语

文章基于PE调温系统对L型干湿联合方案与板换+开式冷却塔方案做了技术和投资能耗方面的对比。相比板换+开式冷却塔方案，L型干湿联合方案具有节水消雾、调温响应快，能耗低等优点，虽然其投资较较高，但投资回收期短。综合来看，L型干湿联合冷却技术在PE调温系统中有很高的应用价值。