1.应用背景

　　2012年《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》把水资源的利用总量和利用效率已经放在发展各种产业的基础与核心位置。国家十二五规划中明确提出煤化工行业的耗水指标，每吨标煤耗水不超过3吨。而目前国内煤化工企业现状耗水指标普遍在每吨标煤耗水不低于5吨。

　　分析煤化工企业各单元耗水指标，循环冷却水系统是最大的耗水用户，占耗水总量的60%左右，采用的冷却方式主要是敞开式循环冷却水系统，这种方式冷却效果好，但是需要消耗大量的水。随着西部大开发的加速，西北地区的煤化工项目也越来越多，对水资源的需求也也来越大。但西北地区水资源缺乏，采用开式冷却塔的运行费用太高，另一方面，西北地区气温低、风量大，非常适合使用空冷器进行冷却。

　　研究循环冷却水系统的节水技术是实现煤化工行业十二五规划耗水指标的重要方向之一。做好合理用水、节约用水，是煤化工企业节能降耗、减排增效的一项重要工作。同时，节水对缓解水资源紧缺和保障国民经济可持续发展具有重大的战略意义。

　　在中国节水技术政策大纲中指出“节约用水、高效用水是缓解水资源供需矛盾的根本途径”。节约用水的核心是提高用水效率和效益。国家厉行节约用水。坚持科学的发展观，把节水放在更加突出的位置。国家鼓励节水新技术、新工艺和重大装备的研究、开发与应用。并在大纲中明确提出“发展高效循环冷却水处理技术，推广闭式循环冷却技术”。

　　2.闭式空冷循环冷却水系统

　　为了响应国家节能减排政策，促进干旱地区高耗水企业的发展，湖北中圣股份有限公司（原武汉中圣能源，以下称“湖北中圣股份”）自主研制出了闭式空冷循环冷却水系统。以创新型“闭式空冷循环冷却水系统”替代传统的“工业循环冷却水系统”，以节能型水膜式空冷器或联合式空冷器代替凉水塔，其既能保证冷却水温度以满足各项工艺要求，又可长期稳定运行，还能节水、节能、减排，减少工艺设备结垢，提高工艺设备寿命。

　　闭式空冷循环冷却水系统将水冷与空冷，传热与传质过程融为一体，是一种新型高效节能的循环冷却水系统。

　　2.1.工艺特点

　　闭式空冷循环冷却水系统用软水或除盐水充当冷却水，吸收工艺换热设备热量，升高温度后，进入节能型水膜式空冷器或联合式空冷器（见下图，简称空冷器）管内，先进入翅片管段（联合式空冷器有）预冷，然后进入喷淋管段进一步被管外的空气和喷淋水吸收热量，降温后由循环水泵加压，至工艺换热设备。软水在闭式循环系统中循环使用，不与外界空气接触，完成吸热和放热的热量传递过程。因为闭式循环软化或除盐水质量稳定，基本不损耗，仅补充因系统设备跑冒滴漏而损失的少量软化水。

　　气温较高时，风机和喷淋水泵同时开启。喷淋水泵将喷淋水送入换热管上方的喷淋水布水系统，喷淋水向下喷向换热管，在换热管管外形成均匀的水膜，水膜吸收管内的热量，并向空气蒸发汽化。水汽化的潜热大大超过水升温的显热，故极大地强化整个传热过程，减少了换热面积。由于汽化的水进入空气，在出口处经除水器捕除夹带的水后，穿过翅片管排入大气。大部分喷淋水向下回落至水箱循环使用，喷淋水本身在下落的过程中，被空气冷却。

　　随着气温的降低，可以减少风机和喷淋泵台数，或通过变频降低风机转速来调节换热量，维持出水温度的稳定。通过换热设计，可以在0℃、5℃、10℃、15℃时停开喷淋水。此时，空冷器相当于一台引风型的干空冷。在大同同煤集团煤制甲醇项目中，环境温度低于0℃时，就不用喷水，大大节省水耗。

　　2.2.技术优势

　　闭式空冷循环冷却水系统与传统工业循环冷却水系统相比，有许多优点如下：

　　闭式空冷循环冷却水系统的优点：厂址选择不受限制、采用空冷和水冷相结合，有效降低水耗、闭路循环，水质稳定，提高了工艺换热设备传热效率和寿命、维护简单、运转费用低、排污量小，有利环保、电源被切断后，仍有部分冷却能力。

　　传统工业循环冷却水系统的缺点：厂址的选择跟水源有很大关系、完全依靠水冷，水耗高、循环水水质不稳定，换热设备易结垢和腐蚀、维护复杂，运转费用高、排污量大，污水处理投资大、电源一断，就要全部停产、

　　2.3.经济优势

　　按常规设计，某循环水站规模为20000m3/h，采用闭式空冷循环冷却水系统，其设计规模、装置投资、消耗数据等与开式循环水系统及常规闭式循环水系统相比，均具有明显的优势，见下表。

　　注*：运行费用=药剂费+电费+水费，其中以药剂10元/kg、电费0.5元/千瓦时、水费12元/m3（内蒙某企业）计算。

　　闭式空冷循环水系统相对传统开式循环水系统每年可节省运行费用1513万元，2-3年即可收回投资。

　　3.公司的研究成果

　　多年来，湖北中圣股份不断坚持创新，在设计和研发人员的共同努力下，闭式空冷循环冷却水系统也得到不断改进，取得了如下技术成果。

　　（1）采用联合空冷，节水达到最优

　　根据我国冬冷夏热的气候特点，为达到最佳的节水效果，通过采用湖北中圣股份的专利产品联合空冷器，降低喷淋水消耗，即夏季的时候开启喷淋水，干空冷和湿空冷联合运行，冬季关闭喷淋水，干空冷运行，春季和秋季则根据需要不开或少开喷淋水，并调整风量和角度。

　　项目产品的实际运行经验表明，该系统的耗水率仅为0.9%，而同等规模的传统工业冷却水系统的耗水率平均为2.5%。系统产品可比传统的工业冷却水系统节约用水30%-70%。

　　目前，该项创新已在我国西北和东北地区应用成功，在中煤陕西榆林和山西凯嘉煤层气发电项目，湖北中圣股份的闭式循环冷却水系统均可以达到0℃停水，即将开始的内蒙古中天合创鄂尔多斯煤炭深加工示范项目，湖北中圣股份将率先实行15℃以下停水的新技术。

　　（2）喷淋系统的流量调节

　　现有蒸发空冷器喷淋系统的喷淋管采用主管+支管的配水形式，并且在支管上安装有喷头。喷淋水管系安装的位置位于蒸发空冷器管束的上部，风与水在管束的外部呈逆流状态。在上部管束，水与管束接触均匀，换热效果好。在最下部管束，因为水流的原因，水与管束的接触不均匀，由于空气的不饱和度和风量大的原因，水在管束下部产生分布不均并出现干点。且水从上部管束到下部管束，因吸收热量，温度越来越高，结垢的可能性越来越大，实际运行中也可见下部管束结垢严重。

　　湖北中圣股份通过在原有的基础上在管束下部增加喷淋管系，对下部换热管进行直接喷淋，防止下部换热管束外壁出现干点，也使得下部管束的结垢得到有效的缓解，下喷淋管系的流量可通过流量调节阀进行调节;在喷淋水泵出口处增加稳压罐，稳定喷淋系统的压力，使得上下喷淋管因流量调节导致的系统压力波动得到有效缓解。

　　（3）引入填料，提高换热效率

　　闭式冷却塔主要以空气作为热交换源，难以将冷却介质的温度降低至环境温度以下。针对这一问题，湖北中圣股份设计将冷却塔填料引入闭式冷却塔，通过降低喷淋水的温度来增加热交换效率。采用该方法可将冷却介质温度在普通闭式空冷循环冷却水系统的基础上降低2-3℃，达到和开式循环冷却水系统同样的冷却效果。目前湖北中圣股份在山西潞安高硫煤清洁利用项目中采用的就是该系统。

　　4.应用业绩

　　目前湖北中圣股份设计并生产的闭式空冷循环冷却水系统在冶金、石化、电力及化工领域已广泛应用，在煤化工领域也有不少成功应用的案例。