新型煤化工项目循环冷却水系统类型选择.docx

新型煤化工项目循环冷却水系统类型选择唐峰， 孙继涛， 杨善远，于峥（中国寰球工程公司 ， 北 京 100012）摘 要 ： 针 对 水 资 源 成 为 新 型 煤 化 工 发 展 限 制 性 因 素 的 特 点 ， 本 着 节 水 目 的 ， 从 一 次 性 投 资 、 运 行 费 用 、 新 鲜水 耗 量 以 及 技 术 可 靠 性 等 方 面 ， 对 开 式 系 统 的 传 统 湿 式 冷 却 塔 和 节 水 型 湿 式 冷 却 塔 、 闭 式 系 统 的 增 湿 型 空 冷 器 和 溴 化 锂 机 组 4 种 循 环 冷 却 水 系 统 进 行 了 分 析 比 较 。 根 据 分 析 比 较 结 果 ， 建 议 对 于 水 资 源 配 套 条 件 好 的 煤 化 工 项 目 可 选 用 开 式 系 统-传 统 湿 式 冷 却 塔 ； 对 于 水 资 源 相 对 紧 缺 的 煤 化 工 项 目 ， 可 根 据 需 要 选 用 开 式 系 统 -节 水 型 湿 式 冷 却 塔 ； 对 于 水 资 源 是 首 要 限 制 因 素 的 煤 化 工 项 目 ， 可 考 虑 选 用 闭 式 系 统 -增 湿 型 空 冷 器 ； 闭 式 系 统-溴 化 锂 机 组 的 技 术 可 靠 性 有 待 进 一 步 评 估 。关 键 词 ： 煤 化 工 ； 循 环 冷 却 水 ； 冷 却 塔 ； 开 式 系 统 ； 闭 式 系 统中 图 分 类 号 ： tq085+.2文 献 标 识 码 ： a文 章 编 号 ： 1009 2455（2013）06 0057 05selection of cooling water system for coal chemical projectstang feng， sun ji-tao， yang shan-yuan， yu zheng（china huanqiu contracting & engineering corp., beijing 100012, china）abstract： as water resource is becoming one of the limitation factors of advanced coal chemical develop- ment, from water saving angle, the circulating cooling water systems of four kinds of cooling tower: open system- traditional wet cooling towr, open system water-saving wet cooling tower, closed system-huimidification air cooler and closed system-lithium bromide chiller were analyzed and compared from aspects of capex, opex, raw wa-ter consumption and technical reliability. it is suggested that, open system-traditional wet cooling tower should be applied int the projects with sufficient water resource; open system water-saving wet cooling tower can be applied in the projects with relative rigorous water resource, closed system-humidification air cooler can be considered in the projects with most rigorous water resource. the technical reliability of closed system-lithium bromide chiller need to be further evaluated in the future.keywords： coal chemical; circulating cooling water; cooling tower; open system; closed system根据我国多煤少油的能源结构特点 ，新型煤化煤资源丰富的地区 ， 水资源相对缺乏 ，主要煤产业工为未来中国油气资源补充和部分替代开辟了新方向。 新型煤化工的耗水量巨大 ， 根据国内外已建的区人均水资源只有全国平均的 1 4 1 2。已经成为煤化工项目建设的限制性因素 。水 资 源煤化工项目实际统计测算 ，合成天然气产品耗水量煤化工项目中的耗水大户主要是循环冷却水系约为 9 11 t水 t合成气 ，甲醇产品耗水量约为 统。 在已建项目中 ，绝大多数循环冷却水系统采用13 15 t水 t甲醇， 二甲醚产品耗水量约为 15 20 t水 t二 甲 醚 ， 烯烃产品耗水量约为 23 32开式系统 ， 主要设备为传统的湿式冷却塔 。该类型循环冷却水系统的补充水在全厂新鲜水消耗中所占t水 t烯 烃 ，采用直接液化工艺的油产品耗水 比 例 高 达 60 以 上 。 因 此 ，减少循环冷却水系统 量 约 为 8 10 t水 t油 ，采用间接液化工艺的 补充水量 ， 从而达到降低新鲜水耗量 ，工项目新鲜水消耗量的重要手段之一 。业企业中现有的循环冷却水系统技术 ，是降低煤化根据目前工 本文选择开油产品耗水量约为 13 15 t水 t油 1。而 我 国煤炭资源与水资源恰好存在 “逆向分布 ”的特点 ， 即工业用水与废水industrial water wastewatervol 44 no 6 dec.， 2013式系统的传统湿式冷却塔和节水型湿式冷却塔 、 闭式系统的增湿型空冷器和溴化锂机组 4 种循环冷却的热水经水池收集 ， 再经循环水泵升压后送至工艺装置循环使用 。 与热水换热后的空气自下而上依次水 系 统 ， 在 确 定 规 模 下 ， 从 一 次 性 投 资 、运 行 费经过填料 、 配水系统 、 收水器和风筒后 ，气中 。排放至大用 、新鲜水消耗及技术可靠 性等角度进行分析比 较， 并给出了相应建议 ， 对于煤化工项目循环冷却水系统的选择具有一定的借鉴意义 。该 系 统 主要由传统湿式冷却塔 、 冷 却 塔 水 池 、吸水池 、 循环冷却水泵 、 旁滤器以及加药设备等组 成。 主要设备情况详见表 1。表 1 开 式 系 统-传统湿式冷却塔主要设备 tab. 1 main equipments of open system-traditional wet cooling tower 对比分析基础以西北某地区的气象条件为基础 ，1在相同的设计基础条件下 ， 对不同类型的系统进行分析比较 。11系统 规模循环冷却水规模为 20 000 m3 h。设 备 名 称数 量参 数单 塔 q = 5 000 m3/h， 风 机 轴 功 率 为 178.612供、回水 参数湿 式 冷 却 塔4 座kw， 风 机 功 率 为 200 kw，9.75 m风 机 直 径 为给 水 温 度 为 30 ， 回 水 温 度 为 40 ，力 （工 艺 装 置 界 区 ）大 于 或 等 于 045 mpag，力（工艺装置界区 ）大于或等于 025 mpag。给 水 压回 水 压冷 却 塔 水 池1 座尺 寸 ： l d h = 75.0 m 21.5 m 1.5 m吸 水 池1 座尺 寸 ： l d h = 42 m 15 m 6 m能 力 为 10 000 m3/h， 扬 程 为 50 m， 轴 功 率为 1 702 kw， 电 机 功 率 为 2 000 kw循 环 水 泵3 台主要 气象参 数夏 日 连 续 5 d 湿 球 温 度 为 217 ， 夏 日 连 续 5 d 干 球 温 度 为 269 ， 年 平 均 气 压 为 8903 kpa， 绝 对 最 高 气 压 为 9169 kpa， 绝对最低气压为 8671 kpa。13旁 滤 器5 台q = 200 m3/h加 药 设 备 及检 测 换 热 器1 台含 缓 蚀 阻 垢 剂 、 杀 菌 剂 、 硫 酸 投 加 设 备桥 式 起 重 机1 台起 重 能 力 为 25 t2循环冷却水系统工艺流程22开式系统节水型冷却 塔开 式 系 统 节水型湿式冷却塔的工艺流程见 图 2。21开式系统传统湿式冷却 塔开式系统传统湿式冷却塔的工艺流程见图 1。蒸 发蒸 发循 环 给 水 （冷 水 ）循 环 回 水 （热 水 ）循 环 给 水 （冷 水 ）循 环 回 水 （热 水 ）风 机风 机冷 凝 模 块排 污 水排 污 水物 料 （热 ） 进物 料 （热 ） 进工 艺 装 置换 热 器工 艺 装 置换 热 器旁 滤 器旁 滤 器杀 菌 剂杀 菌 剂阻 垢 缓 蚀 剂阻 垢 缓 蚀 剂物 料 （冷 ） 出物 料 （冷 ） 出循 环 水 泵循 环 水 泵图 2 开 式 系 统-节水型湿式冷却塔工艺流程 fig. 2 process flow of open system-water-saving wet cooling tower图 1 开 式 系 统-传统湿式冷却塔工艺流程 fig. 1 process flow of open system-traditional wet cooling tower在该系统中 ， 循环给水 （冷水 ）经泵加压后 ，送该系统的工艺流程 与 开 式 系 统 传 统 湿 式 冷 却塔的工艺流程相同 ， 只是该系统中的冷却设备采用 的是节水型湿式冷却塔 。至工艺装置与工艺物料进行间接换热 ， 返回的热水压力送至传统湿式冷却塔进行冷却 。热水经冷却塔顶部的布水系统自上而下均匀喷洒至填料上 ，在填节水型湿式冷却塔与传统湿式冷却塔相比 ，主料表面形成均匀的水膜 ， 增 加空气与水的接触面 积； 同时在冷却塔顶部风机的作用下 ， 环境中的空要区别是在传统湿式冷却塔收水器的上部增加了冷凝模块 。 同时在冷凝模块安装高度对应的冷却塔侧气自填料底部向上 ， 均匀通过填料 ；热水和空气在壁增设百叶窗 。 在冷却塔顶部风机的作用下 ，塔外填料中逆流接触 ，通过空气与水的传导散热和水的冷空气进入冷凝模块 ，与上升至冷凝模块的湿热水蒸发散热 2 个方面的作用对热水进行冷却 。冷却后蒸气进行充分地热交换 ， 从而使得经过收水器后的58 补 充 水 水 池补 充 水 水 池湿 式 冷 却 塔湿 式 冷 却 塔唐 峰 ， 孙 继 涛 ， 杨 善 远 ， 等 ： 新型煤化工项目循环冷却水系统类型选择 湿热水蒸气实现冷凝 ， 冷凝水滴流返回填料中 ， 从而实现节水 ， 同时还能够使混合区域降温 ， 达到消 雾的目的 2。的是 ， 增湿型空冷器只是对空气进行增湿 ， 并不是将水直接喷到翅片表面 、 利用水的汽化来换热 。 所 以增湿型空冷器的翅片表面不易结垢 。该系统主要由节水型湿式冷却塔 、冷 却 塔 水增湿单元采用高压微细雾化喷嘴 ，直接对空气池、 吸水池 、 循环冷却水泵 、 旁滤器以及加药设备等组成 。 主要设备情况详见表 2。表 2 开 式 系 统-节水型湿式冷却塔主要设备 tab. 2 main equipments of open system-water-saving wet cooling tower进 行 雾 化 增 湿 ， 相 比 于传统的增湿系统简单方便 。同时由于雾化率高 ， 水雾随空气飘走 ， 不需要另外的回收水装置 ，并且喷水量可以通过调节高压泵的阀门或数量来控制 。在空气温度较低的时段 ， 不启动增湿单元 ， 仅 通过空冷器将循环回水温度降至工艺装置需要的温设 备 名 称 数 量参 数单 塔 q = 4 000 m3/h， 风 机 轴 功 率 为 180度；元，在夏季等干球温度比较高的时段 ，保证冷却效果 。启动增湿单节 水 型 湿 式5 座kw， 风 机 功 率 为 200 kw，风 机 直 径 为冷 却 塔 9.75 m 冷 却 塔 水 池1 座尺 寸 ： l d h = 83.5 m 19.3 m 1.5 m该系统主要由增湿型空冷器 、 增湿循环泵 、 循吸 水 池1 座尺 寸 ： l d h = 35 m 6 m 6 m环冷却水泵以及加药装置等组成 。见表 3。主要设备情况详能 力 为 10 000 m3/h， 扬 程 为 49.5 m， 轴 功率 为 1 685 kw， 电 机 功 率 为 2 000 kw循 环 水 泵3 台旁 滤 器5 台q = 200 m3/h表 3 闭 式 系 统增湿型空冷器主要设备 tab 3 main equipments of open system humidification air cooler加 药 设 备 及检 测 换 热 器含 阻 垢 缓 蚀 剂 、 氧 化 性 杀 菌 剂 、 非 氧 化 性杀 菌 剂 、 硫 酸 投 加 设 备1 台桥 式 起 重 机1 台起 重 能 力 为 25 t设 备 名 称数 量参 数风 机 功 率 为 45 kw， 单台平面尺寸为 8 m 8 m空 冷 器160 台23闭式系统增湿型空冷 器闭式系统增湿型空冷器的工艺流程见图 3。能 力 为 227 m3/h， 扬 程 为 500 m， 轴 功 率为 459 kw， 电 机 功 率 为 560 kw增 湿 循 环 泵2 台循 环 给 水 （冷 水 ）循 环 回 水 （热 水 ）能 力 为 10 000 m3/h， 扬 程 为 44.5 m， 轴功 率 为 1 515 kw， 电 机 功 率 为 1 800 kw循 环 水 泵3 台桥 式 起 重 机1 台起 重 能 力 为 25 t物 料 （热 ） 进加 药 设 备 及1 台含阻垢剂和缓蚀剂投加设备 工 艺 装 置换 热 器检 测 换 热 器 增 湿 水 泵物 料 （冷 ） 出24闭式系统溴化锂机组闭式系统溴化锂机组系统的工艺流程见图 4。循 环 水 泵循 环 给 水 （冷 水 ）循 环 回 水 （热 水 ）低 压 蒸 气 出图 3 闭 式 系 统增湿型空冷器工艺流程 fig 3 process flow of closed system humidification air cooler低 压 蒸物 料 （热 ） 进干 式 冷 却 塔空 冷 管 束工 艺 装 置换 热 器该系统中循环给水 （冷水 ）经循环水泵加压后送百 叶 窗物 料 （冷 ） 出至 工 艺 装 置 ，在装置内与工 艺物料进行间接换热 后， 压力送回循环水场进行冷却 ， 冷却设备为增湿型空冷器 ， 空冷器由散热翅片管束构成 ， 循环回水（热 水 ）在散热翅片管束流动 ，靠 与 管 外 空 气 的 温循 环 水 泵差， 接触传热而冷却 。至工艺装置使用 。冷却后的循环给水再加压送图 4 闭 式 系 统溴化锂机组工艺流程 process flow of closed system lithium bromide chillerfig 4增湿型空冷器的工作原理是在空冷器的空气入系统中的循环给水 （冷水 ）经循环水泵加压后送口侧向空气中喷雾化水 ，使空气进口的相对湿度增至 工 艺 装 置 ，在装置内与工 艺物料进行间接换热 加， 降低了空冷器入口空气的温度 ，使传热平均温后， 压力送回循环水场中的冷却装置进行冷却 ，冷差 增 大 ， 从而提高了空冷器传热 能 力 3。 需 要 说 明却后的循环给水再加压送至工艺装置使用 。 循环回59气 进溴 化 锂 机 组冷 却 机 组 用 循 环 水 泵增 湿 单 元空 冷 器工业用水与废水industrial water wastewatervol 44 no 6 dec.， 2013水的冷却装置由 2 部 分 组 成 ，一部分为溴化锂机 表 4 闭 式 系 统溴化锂机组主要设备 tab 4main equipments of open system lithiumbromide chiller组， 一部分为干式自然通风冷却塔 。在环境温度较低时 ，仅使用干式自然通风冷却设 备 名 称数 量参 数塔作为循环回水的冷却设备 ，将循环回水冷却至工钢筋混凝土结构 ， 空 冷 塔 外 缘 直 径 为 107m， 空 冷 塔 高 度 为 136 m， 空冷塔散热器散 热管内阻力降为 0.03 mpa自 然 通 风 干式 冷 却 塔艺装置需要的温度 。工 作 过 程 与 23 节 的 描 述 一1 座致 ： 在干式自然通风冷却塔四 周设置散热翅片管 冷 水 流 量 为 1 334 m3/h， 阻 力 降 为 0.16mpa， 外 形 尺 寸 为 10.4 m 4.1 m 6.15 m，单台蒸汽耗量为 47 t/h， 单 台 电 耗 为 25 kw束， 循环回水 （热水 ）在散热管内翅片管束流动 ，靠溴 化 锂 机 组15 台与管外空气的温差 ， 接触传热而冷却 。 当环境温度较 高 时 ， 将溴化锂机组投 入 运 行 ， 通 过 阀 门 切 换 ，循环回水 （热水 ）进入溴化锂机组进行冷却 ， 将循环溴 化 锂 机 组用 循 环 水 泵能 力 为 10 000 m3/h， 扬 程 为 21 m， 轴 功 率为 715 kw， 电 机 功 率 为 800 kw4 台能 力 为 10 000 m3/h， 扬 程 为 45 m， 轴 功 率为 1 531 kw， 电 机 功 率 为 1 800 kw循 环 水 泵3 台回水冷却至工艺装置需要的温度 ，同时启动溴化锂桥 式 起 重 机1 台起 重 能 力 为 25 t机组用循环水泵 ， 为其提供循环冷却水 ，水至干式自然通风冷却塔进行冷却 。该系统主要由自然通风干式冷却塔 、返回的热加 药 设 备 及检 测 换 热 器1 台含阻垢剂和缓蚀剂投加设备 溴化锂机组、 循环冷却水泵 、溴化锂机组用循环水泵以及加可靠性等方面对 4 种 系 统 进 行 对 比 分 析 ，具 体 见药设备等组成 。主要设备情况详见表 4。表 5。 由 表 5 可 以 看 出 ，采 用 传 统 湿 式 冷 却 塔 的 开3技术经济比较从一次性投资 、 运行费用 、式系统具有投资省 、 运行费用低 、 占地面积小以及新鲜水耗量及技术技术成熟可靠等优点 ，但同时存在耗水量相对较大表 5 4 种 系 统 比 较tab. 5 comparison among four systems一 次 性 投资 万 元年 运 行 费用 万 元冷 却 塔 占 地 （l d）新 鲜 水 耗 量 （万 m3a-1）系 统应 用 业 绩技 术 可 靠 性开 式 系 统-传 统湿 式 冷 却 塔2有大规模应用业 绩可靠 4 0003 52075 24 = 1 800 m256开 式 系 统-节 水型 湿 式 冷 却 塔国 内 无 业 绩 ；国外有一定业绩 6 4003 35783.5 24 = 2 004 m2207.2相 对 可 靠冷却效果易受周边热空气影响 ；当要求较高的冷却效果保证率时 ，冷却后的循环给水温度偏高 闭 式 系 统-增 湿型 空 冷 器14 9214 717160 80 = 12 800 m212.26无大规模应用业绩 闭 式 系 统-溴 化锂 机 组直 径 ： 107 m， 平 面占 地 ： 9 000 m221 936.313 2913.2无大规模应用业 绩技术可靠性有待进一步评估 注 ： （1） 电 费 按 0.5 元/（kwh）进 行 核 算 ； 新 鲜 水 按 5 元/t 进 行 核 算 （针 对 西 北 地 区 ）； 溴 化 锂 机组驱动用蒸汽价格按 50 元/t进 行 核 算 ； （2） 开式系统新鲜水耗量按浓缩倍数 n = 4 进 行 核 算 ； （3） 增湿型空冷器中增湿单元全年运行时间按 3 个 月 考 虑 ，其 中 每 天 运 行 6 h； （4） 溴化锂机组运行时间按半年考虑 。的缺点 。采用新型节水型湿式冷却塔的开式系统具有运于目前国内尚无成熟的业绩 ， 节水消雾效果尚需进一步确认 。行 费 用 低 （4 种 方 案 中 最 低 ）、 节 水 消 雾 、占 地 面 积采用增湿型空冷器的闭式系统中 ，循环水密闭相对较小等优点 ， 尤其是在节水方面 ，较传统湿式循环 ， 无蒸发损失 ， 仅有增湿所消耗的水量 ，在节冷 却 塔 可 节 省 约 19 左 右 ，同时还可以起到消除 水方面比新型节水型 湿式冷却塔能够进一步节水 ，但存在投资较大 、 运行费用较高 、 占地面积较大等冷却塔水雾 ， 改善装置周边环境的作用 。 一次性投资较传统湿式冷却塔高 ，约 为 传统湿式冷却塔的 缺点 。 此外 ，由于冷却效果受环境温度和湿度影响16 倍 ， 年运行费用较传统湿式冷却 塔 节 省 约 5。综合考虑一次性投资和运行费用 ， 增加的投资可在147 a 左 右 收 回 ， 经 济 上 较 合 理 ； 冷却设备的工作 较大 ， 当要求较高的冷却效果保证率时 ，冷却后的循环给水的温度偏高 。采用增湿型空冷器的投资约为传统湿式冷却塔的 373 倍 ，年 运 行 费 用 约 为 传原理同传统湿式冷却塔 ， 冷却技术相对可靠 。但由统湿式冷却塔的 134 倍 。增 湿 型 空 冷 器 的 冷 却 效60唐 峰 ， 孙 继 涛 ， 杨 善 远 ， 等 ： 新型煤化工项目循环冷却水系统类型选择 果易受周边环境热空气的影响 ， 在使用过程中 ， 应统， 节水是其首要优点 。 当水资源成为项目的首要限制性因素时 ， 在充分考虑周围环境热空气影响和进行计算流体动力学 （cfd）模 拟 ，以确定周边热空 气对空冷器的影响 。 目前 ，业尚无大规模应用业绩 。在石油化工和煤化工行进 行 cfd 模 拟 研 究 后 ，在冷却后的循环给水温度 满足相关工艺要求以及冷却效果保证率满足石化行业要求的前提下 ， 可考虑选用该系统 。（4） 闭 式 系 统溴 化锂机组系统也是闭式系统 采用溴化锂机组的闭式系统 ， 其循环水密闭循环 ， 无 蒸 发 损 失 ， 节 水 效 果 最 好 ， 但 在 4 种 方 案中， 它的一次性投资最大 、 运行费用最高 ，占地面的一种 ， 节水是其首要优点 。 但存在着投资大 、运积 较 大 ， 其中一次性投资约为 传统湿式冷却塔的 548 倍 ， 年运行费用约为传统湿式冷却塔的 378行费用高和占地面积大等缺点 ， 在石化行业尚无大规 模 应 用 业 绩 ， 本 系 统 的 技 术可靠性有待进一步 评 估。倍，目前在石油化工和煤化工行业也尚无大规模应用业绩 。结语（1） 开 式 系 统传 统 湿式冷却塔系统具有投资 参 考 文 献 ：1 孙 启 文 现代煤化工技 术 丛 书煤 炭 间 接 液 化 m 北 京 ： 化 学 工 业 出 版 社 ， 20122 包 冰 国 ， 胡 九 如 ， 鲍 键 ， 等 一种节水环保型冷却塔 p 中 国 专 利 ： cn102538503a， 201207043 姜 学 军 湿式空冷器的研制 d 北 京 ： 中 国 石 油 大 学 ， 20104省、 运行费用相对较低 、 技术成熟可靠的优点 ，对于水资源配套条件好的煤化工项 目 ， 可 以 选 用 该系 统。（2） 开 式 系 统节 水 型湿式冷却塔系统具有运 行费用低 、 节水消雾等优点 ， 技术相对成熟 ，对于作 者 简 介 ： 唐 峰 （1981）， 男 ， 山 东 潍 坊 人 ， 工 程 师 ， 工 学 硕 士 ，主要从事石油化工给排水设计 ， （ 电 话 ）01058676095（ 电 子 信 箱 ）tangfenghqceccom。收 稿 日 期 ： 2013 - 09 - 06 （修 回 稿 ）水资源相对紧缺的煤化工项目 ， 可根据需要选用该系统 。（3） 闭 式 系 统增 湿 型空冷器系统属于闭式系 !（上接第 48 页）下 ， 在 250 w 紫 外 光 照 射 下 ， 90 min 之 内 脱 色 率6 徐 子 颉 ， 汪 飞 ， 王 继 媛 ， 等 漂 珠 负 载 tio2 膜 的 制 备 及 其 光 催化 降 解 特 性 j 同