機械通風冷卻塔羽霧的形成機理及防治措施

王曉靜，馮璟，趙順安

(1.華北電力設計院工程有限公司，北京市，100120;2.中國水利水電科學研究院，北京市，100038)

0 引言

在機械通風冷卻塔內冷空氣冷卻循環水的過程中，由于冷卻水的蒸發濕熱空氣帶走大量熱量和水蒸氣，使濕熱空氣溫度和濕度較高。在北方寒冷地區，機械通風冷卻塔在冬季運行時，濕熱空氣排出塔外與冷空氣混合，由于冷卻和凝縮形成含有許多微小液粒群的霧團。因機械通風冷卻塔高度較低，霧團飄散影響了周邊居民區及交通道路的可見度，破壞了城市的景觀，造成下風地區的濕度上升。隨著人們對環境保護的日益重視，機械通風冷卻塔消除羽霧也顯得越來越重要。

1 羽霧形成機理

濕空氣的飽和含濕量與濕空氣的溫度及壓力有關，隨著溫度的降低濕空氣的飽和含濕量減小，濕空氣中的水蒸氣發生凝結。機械通風冷卻塔中的濕熱空氣從冷卻塔中排出與大氣混合，此過程的空氣狀態可用濕空氣含濕圖來表示，如圖1所示(圖中O點為排氣狀態，A點為大氣狀態，M點為混合氣體狀態)。塔出口濕熱空氣經過與環境空氣混合，其狀態漸漸接近于環境空氣狀態，即:塔出口空氣狀態O點和環境空氣狀態A點為一直線，即得狀態線。在塔排氣和大氣的混合狀態中，無論混合比ω為何值，都落在OA直線上。從O點ω=0，沿直線OA向A方向前進，ω隨之變大，一直到達A點，ω=∞。在OA線上，OA與等焓線hm相交于M點，M點表示混合狀態，其含濕量為dm，混合狀態點的溫度為tm。在等焓線上，如果濕飽和空氣溫度為tSAT，當tm落在大于tSAT的區域時，混合狀態處于不飽和區，水蒸氣穩定存在，不發生羽霧;當tm落在小于tSAT的區域，混合狀態為過飽和狀態，水蒸氣不能穩定存在，此時水蒸氣將發生凝結，使含濕量減少至dSAT。凝結熱被氣體所吸收，混合氣體溫度tm與tSAT相等。由于混合過程中部分水蒸氣凝結成小液滴懸浮在空氣中，于是便形成可見的羽霧。

圖1 濕空氣圖中排氣和大氣的混合狀態線Fig.1 Mixed state line of exhaust and atmosphere in moisture chart

2 羽霧消除技術

由羽霧形成的機理不難看出，在排氣與大氣相混合的過程中，只要不通過濕空氣過飽和區域和不在濕飽和空氣曲線上的狀態點時，均不會發生羽霧;反之，則會發生可見羽霧。此推論已被實驗證明［1］。濕空氣的狀態與其溫度、含濕量、相對濕度、比焓、大氣壓力、水蒸氣分壓力及密度有關。其中溫度、含濕量和大氣壓力為基本參數，決定了空氣的狀態，其他參數可由此計算。大氣壓力作為環境的外界條件不能改變，但可以通過改變濕空氣的溫度及其含濕量來改變濕空氣的狀態［2］。由此可以采取以下的措施來減少和消除機械通風冷卻塔出口羽霧。

2.1 調整運行方式

對于北方供熱機組，冬季運行時因需冷卻的水量較少，可將冷卻水平均分配到冷卻塔中或設置旁路系統，使用大量空氣，使冷卻塔出口濕空氣的溫度和含濕量減小。圖2為消除羽霧措施的原理圖，圖中O點為濕式冷卻系統排氣狀態;A點為大氣狀態;A'點為干式散熱器排氣狀態;a點為干濕串聯機械通風冷卻塔排氣狀態;b點為調整運行方式后排氣狀態;c點為干濕并聯機械通風冷卻塔排氣狀態。由圖2可知，當排出的濕空氣狀態點達到b點時，此時濕空氣的含濕量為db，此點為AB線與濕空氣飽和曲線的切點，當排出的濕空氣由b點達到大氣狀態點時不會發生羽霧。然而，考慮到冷卻塔冬季防凍的問題，濕空氣的狀態點很難達到b點，所以只能適當減少排氣中的含濕量，減少羽霧的產生。

圖2 消除羽霧措施原理Fig.2 Schematic diagram of plume prevention method

2.2 采用復合型機械通風冷卻塔

復合型機械通風冷卻塔是將濕式冷卻系統與干式冷卻系統相結合的冷卻塔［3］。為了改善冷卻塔排氣狀態，可將濕式冷卻系統排出的濕空氣等濕加熱。如圖2所示，將濕空氣從O點水平移動，通過AB切線至a點，濕空氣的溫度由to上升到ta，此時排出冷卻塔的濕空氣與大氣混合不會發生羽霧。可采用在濕式空冷塔的填料層上部加裝干式加熱裝置的方法加熱濕空氣，使空氣從濕式系統串聯流經干式加熱系統裝置后排出。如圖3所示，此串聯式冷卻塔占地面積小，冷卻系統相對簡單，不存在冷熱空氣混合不均勻問題;缺點是因阻力增加會加大風機功率，濕空氣對干式加熱系統有一定的腐蝕性。

圖3 干濕串聯冷卻塔Fig.3 Dry-wet cascade cooling tower

另一種改善冷卻塔排氣狀態的方法是使空氣分別流過冷卻塔中濕式和干式系統裝置，使排氣相混合。如圖2所示，將進入冷卻塔的一部分大氣從狀態點A等濕加熱至A'點，與濕式冷卻系統排出的濕空氣混合后至狀態點c，混合后的氣體相對濕度較低，混合氣體排出冷卻塔與大氣混合，在此過程中各狀態點都不通過飽和區域，因此避免了產生羽霧。如圖4所示，此冷卻塔是將一部分冷卻水經濕式系統冷卻，另一部分冷卻水經干式系統冷卻，再將分別流經干、濕冷卻器的空氣相混合以達到除霧的目的。2種冷卻方式混合使用的系統較復雜，干、濕空氣需要一定的空間進行混合增加了冷卻塔的占地面積，且干、濕空氣混合時效率偏低，需增加改善空氣混合效率的裝置。

圖4 干濕并聯冷卻塔Fig.4 Dry-wet parallel connection cooling tower

3 羽霧消除技術的應用

國外針對冷卻塔羽霧的防治比我國起步早，干、濕空氣混合消除羽霧技術在國外已有應用實例，但若完全利用國外技術及設備則成本較高，而且此技術較復雜，不利于大范圍的推廣應用。因此，針對國內目前的情況采用串聯加熱空氣的方法更簡單，也更容易推廣。加熱濕空氣的熱源比較靈活，可以采用汽輪機抽汽，也可用熱水換熱器等。現以某電廠為例介紹羽霧消除技術的實際應用［4-7］。

某供熱機組采用機械通風冷卻塔，冬季運行工況下循環冷卻水量為5 300m3/h。本地區多年1月份平均氣壓為0.100 7 MPa;多年1月份平均相對濕度為43.9%;大氣干球溫度為5℃。冷卻塔尺寸(長×寬×高)為19m×20m×23.10m。風機直徑為9.75m;風機風量為867m3/s;進塔水溫為38.855℃。經計算冬季工況運行一格機械通風冷卻塔即可滿足冷卻要求［8-10］。冷卻塔出口空氣特性如表1所示。

為消除冷卻塔出口的羽霧，在冷卻塔填料的上層加裝光管換熱器，光管中通過300℃的過熱蒸汽，如圖5所示。

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圖6顯示了一格塔運行時冷卻塔的工作點，由此可知，當排出冷卻塔的濕空氣溫度達到48℃時不會產生羽霧。經計算得一格塔運行時光管換熱器數據如表2所示。由表2可以看出，當采用一格冷卻塔運行時加熱濕空氣所需的蒸汽量很大且空氣阻力增加也較大，不利于技術措施的實現。

圖6 一格塔運行時冷卻塔的工作點Fig.6 The operating point of cooling tower for one grid tower operation

表2 冷卻塔運行時光管換熱器面積、蒸汽量Tab.2 Required area and quality of steam of the bare-tube heat exchanger for cooing tower

如果冬季采用二格冷卻塔運行，二格冷卻塔的出口空氣特性如表1所示，此時冷卻塔的工作點如圖7所示。當排出冷卻塔的溫度達到23℃時不會產生羽霧。經計算，二格塔運行光管換熱器數據如表2所示。

圖7 二格塔運行時冷卻塔的工作點Fig.7 The operating point of cooling tower for two grids tower operation

由以上計算可以看出，采用空氣串聯干、濕聯合冷卻塔可有效地消除羽霧，當采用二格冷卻塔時，冷卻塔出口排氣的含濕量有所降低，除霧所需換熱器的面積及蒸汽量也明顯減少。

4 結語

通過對羽霧防治技術原理及工程應用的可行性研究，采用干、濕聯合冷卻塔是消除機械通風冷卻塔羽霧的有效途徑之一。針對國內情況，空氣串聯干、濕聯合冷卻塔因其結構簡單更便于推廣應用。然而此類冷卻塔的換熱器經常處于濕熱環境中，對換熱器的防腐要求高，冷卻塔的阻力有所增加，因此有必要對換熱器的形式及布置作進一步的優化。

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