140自然通风冷却水塔热湿回收热力过程与技术分析.docVIP

自然通风冷却水塔热湿回收热力过程与技术分析 东华大学 梁珍 沈恒根 摘要：分析了全国范围内火电厂用冷却塔可供回收的热量和水量，用具体数字说明了冷却塔热湿回收的重大意义。在分析自然冷却塔热工性的基础上，提出采用热泵技术回收冷却塔出口热湿空气的水分和热量，通过对其可行性进行分析。 关键词：冷却塔；热回收；热泵 是将携带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使热量主要通过蒸发冷却传输给空气并散入大气。冷却循环水携带排掉的热量占电厂热量损失的，而汽轮机的乏汽温度一般为25～45℃，属于低品位热能，直接利用范围狭窄冷却塔的补水是最大的源头[]另外，大量的低温水蒸汽排放也给环境造成很大的影响，除了大量水蒸气形成的水雾造成视觉上的不良影响外，大量热量的排放造成厂区附近的热岛现象，大量水蒸气的排放使厂区附近降雨明显增多。目前~]，但真正开展火电厂冷却水余热利用的电厂很少，仅占16％（而其中的87％的电厂的利用方式是水产品的养殖，利用量极少）[]。虽然在实际应用中也有一些简单的措施防止冷却塔的风吹损失[1~]，但对湿式冷却塔水量回收的研究还比较薄弱。1995年王天正等[]、2003年宁康红等[]分别提出基于高压电场的冷却塔回收技术，但也有研究表明由于在正常工况下冷却塔的出口水雾的含水量低，用静电回收的方式回收，节水效果并不理想[]。2002年林宏提出的干湿混合式冷却塔[]、2007年吴晓敏等提出的环保节水型冷却塔[]，均是在冷却水与空气接触换热前先经过干式换热器进行预降温，分担部分冷却任务，减少填料层冷却负荷，这种冷却塔约可以减少15％的蒸发水量。香港学者提出采用太阳能热泵加热冷却塔出口空气来消除水雾现象，但没有考虑水量回收问题[]。空冷技术及干式冷却塔技术开始在我国的一些新建电厂机组中使用，但其造价较高，很难在短时间内普及而且对于业已存在的湿式冷却塔，仍然存在水资源和能源浪费的问题。湿式冷却塔特别是大型的工业用自然通风冷却塔水量回收和热量回收技术的研究迫在眉睫。 本文以一自然通风冷却塔为例，在分析自然通风冷却塔热力性能的基础上，提出一种可进行冷却塔热湿回收的系统，并对其进行热力学分析。最后，分析了回收系统。冷却塔中 在我国发电能耗占总能耗的三分之一以上，而燃煤火电厂又占整个发电行业的80％左右[]。以200年统计数据为例，全国燃煤火电kWh，发电煤耗400g/(kWh)，全国燃煤电厂一年需耗标煤亿吨。火力发电有凝汽式和背压式，除热电厂的背压式供热机组外，绝大多数汽轮机组是凝汽式汽轮机，而凝汽式汽轮机的能量利用率只有35％，而60％以上的热能主要通过高温烟气和汽轮机凝汽器的冷却水散失到环境中，其中冷却水带走的废热量占绝大部分，约为总能量的50％。 通过凝汽器的冷却水有直流冷却（利用自然水域中的水进行冷却）和循环冷却（利用冷却塔）。采用直流冷却对自然水域产生较大的热污染，会被进一步限制，循环冷却目前绝大多数采用的是湿式自然通风的冷却塔，即靠水的蒸发潜热来带走凝汽器热量。这样冷却水系统不仅带走大量的热量，还会造成大量水的浪费。表1给出了全国燃煤电厂冷却水系统全年排放的热量和水量的估算值。由于缺乏湿式冷却占火电厂冷却比例的权威数据，暂且假设循环湿式冷却方式在所有冷却方式中所占的比例分别为90％、70％、60％和50%。 表1 全国燃煤全年冷却水蒸发量循环湿式冷却比例 90％ 70％ 60％ 50％ 全国火电厂标煤耗量(亿吨/a) 标煤热值(kJ/kg) 29302 冷却水散失热量比例 50％ 冷却水排放热量的当量标煤(亿吨/a) 2.70 蒸发潜热(kJ/kg) 2501 全国湿式冷却蒸发水量(亿吨/a) 对比东京市区的年污水处理总量18.25亿吨4]，可以看出在湿式冷却塔比例70％的情况下，全国燃煤电厂一年仅冷却塔的蒸发水量就相当于两个东京市区的污水量；在湿式冷却塔比例50％的情况下，冷却塔一年的蒸发水量也为东京市区的污水量的1.倍。 冷却塔中的热湿交换的能量质量平衡关系式 在冷却塔中，热湿交换过程比较复杂，当热水温度高于空气温度时，传热和蒸发都使热量由热水传给空气。当水温稍低于空气温度，对流换热量虽然由空气传热给水，但水分蒸发的汽化潜热又随蒸汽流向空气，总的结果仍然是热量由热水传给空气，使水温下降，其极限情况是水温降低到进入冷却塔空气初状态下的湿球温度。 在冷却塔的热工计算中，一般采用麦克尔提出的焓差法。如果不探究填料的热工性能而假定其可以满足水和空气的热湿交换要求，而只关心冷却水和空气的进、出口的状态，就可以将冷却塔作为开口系统，从而得到其能量和质量平衡的关系式。忽略冷却塔的散热，不考虑水和空气动能变化及位能变化，可得冷却塔的能量平衡关系式 （1） 质量平衡关系式