危險廢物焚燒處理工藝冷卻系統應用

褚衍旭 ，高 勇，李 東，葉志成，毛玉杰

(1.惠州東江威立雅環境服務有限公司，廣東 惠州 516323；2.廣東安佳泰環保科技有限公司，廣東 惠州 516323)

在社會經濟快速發展的背景下，以廢有機溶劑、重金屬廢物為代表的危險廢物產生量迅速增加，由于危險廢物具有腐蝕性、毒性等多種危險特性，對人類健康和環境安全存在極大的風險與危害。焚燒法憑借其適應性強、減容明顯等優勢得到普遍應用，其中，冷卻系統作為焚燒處理工藝中重要的換熱設備具有舉足輕重的作用。

冷卻系統按冷卻介質不同，一般分為風冷和水冷兩種方式。空冷主要是以環境空氣作為冷卻介質，使管內高溫流體得到冷凝或冷卻，常見為空冷器；水冷則主要是以水作為冷卻介質，水與流經空氣通過熱、質交換降低溫度，常見為冷卻水塔。在危險廢物焚燒系統中，常通過空冷方式對回轉窯進行吹掃降溫[1]，對鍋爐余熱冷凝回收[2]；通過水冷方式對窯頭面板、空壓機、引風機等進行冷卻降溫。在實際運行中，空冷與水冷兩種方式結構形式各異又各有優劣，增加對冷卻系統的認知及應用研究，是保障危險廢物焚燒系統正常運營的重要前提。

1 冷卻系統類型

空冷器類型多種，根據管束布置形式分為水平式與斜頂式，前者為防止冷凝液滯留，管段呈1%略微傾斜，內部流體和外部空氣分布均勻；后者管束呈“人”字形，夾角多為60°，結構緊湊，但介質分布相對不均勻且易造成熱風再循環。根據冷卻方式分為干式與濕式，前者通過風機送風冷卻，后者憑借水的噴淋換熱冷卻，但易引起管束腐蝕。根據通風方式分為引風和鼓風式，二者區別在于安裝風機位于管束上部或下部，對于鼓風式空冷器而言，空氣先流經風機再流入管束，利于傳熱且操作經濟，應用更為普遍。

循環冷卻水系統主要分為敞開式和密閉式兩種，其中敞開式是目前類型最多應用最廣的一種冷卻結構。敞開式冷卻水經過冷卻塔曝氣和空氣進行接觸，在蒸發散熱、接觸與輻射傳熱的作用下，水溫降低后循環利用。密閉式冷卻水密閉循環，不與空氣發生接觸，冷卻水攜帶的熱量通常經過換熱器進行傳熱。在循環冷卻水系統中，冷卻構筑物或設備的主要形式為冷卻塔，依據其構造與空氣流動可分為自然通風和機械通風冷卻塔，機械通風冷卻效果相對更好。

2 冷卻系統結構

空冷器通常由管束、集箱、風機、百葉窗和構架等部分構成，常見結構形式如圖1所示。管束作為其核心部件[3]，是一個獨立的剛性結構，主要由翅片管、集箱組成，當空氣橫向掠過管束時可以達到冷卻管內熱流體目的[4]。由于空氣傳熱系數較低，故在管外側布置翅片以增加傳熱面積與流體湍動。翅片管的應用促進了空冷器發展，其特性參數主要包括壁厚、直徑、翅片高度和間距、翅化比、傳熱性能等。翅片材料由使用環境與制造工藝決定，多選用熱導率高材料，通常選擇鋁品纏繞或鑲嵌至光管，在防腐蝕要求較高條件下也會采用銅或不銹鋼材料。翅片排列可按橫向或縱向，目前通常采用外徑25mm光管，翅片高為12.5mm低翅管和16mm高翅管。集箱各管程被冷卻介質流通橫截面積應不低于相應的翅片管流通面積，為防止管束熱變形，通常將兩端集箱分別做成固定式和浮動式，通過沿軸線方向的浮動消除熱應力。風機的優劣是衡量空冷器性能的關鍵標志，由于空冷器所需風量較大、壓頭較低，因此常采用低壓軸流風機，效率高而噪音小。介質流體出口溫度則主要是憑借調節通過管束的風量來控制，即葉片傾角、風機轉速和百葉窗開啟程度等。

圖1 空冷器常見結構形式

冷卻塔一般主要由散熱填料、配水系統、通風設備、空氣分配裝置、擋水器、集水池等部分構成，通過不同的組合可以構成不同形式的冷卻塔，常見的水冷塔結構形式如圖2所示。散熱填料是水在塔內冷卻的主要設備結構，較高溫度回水經數次濺散后，形成水滴或水膜，通過填料增加水與空氣的接觸時間與面積，使循環水得到充分的熱交換。水流的分布均勻程度對冷卻效果有一定的影響，配水系統的作用便是將回水均勻地分布在所有的填料上。在機械通風冷卻塔的上塔體風筒內，設置電機帶動風機，利用風機轉動產生足夠的空氣流量，保證空氣與水進行熱交換達到冷卻效果。而空氣分配裝置則是為了引導空氣能夠均勻地分布在冷卻塔截面，避免在塔內形成渦流或者回流，主要包含進風口、百葉窗和導風板等。

圖2 水冷塔常見結構形式

3 空冷器失效

對于空冷器而言，常見的失效形式有冷卻效果差、泄露、葉片損壞以及風機故障等。冷卻效果差的原因主要是由翅片管引起，常見的異常情況有翅片間距不合理、翅片倒伏、管內壁結垢、介質堵塞等，可通過吹掃、物理或化學清洗、修復損壞翅片等方法解決。造成空冷器泄露的原因主要有腐蝕[5-6]、管束材質缺陷、管束運行較久性質發生變化等。腐蝕介質主要有無機鹽類、硫化物、氮化物等，腐蝕部位分布在翅片管介質入口處、翅片管向下彎曲變形的內壁、可能產生介質渦流部位等，可通過注膠、化學粘補、堵管或換管等方法消除。

常見的空冷器檢修維護工作主要包括：檢查清理集箱和管束，處理泄露管段，檢查維修軸流風機，校驗安全附件，更換腐蝕嚴重的集箱絲堵、聯結螺栓及法蘭墊片等。

4 冷卻塔運行問題

工業冷卻水系統在循環運行過程中，隨著水分的蒸發與損失，水質會逐漸發生惡化，并出現一系列運行問題，主要表現在結垢、腐蝕以及微生物滋生等。系統結垢主要以水垢與污垢兩種形式存在。由于冷卻水不斷的濃縮，水溶性組分濃度不斷升高至飽和時開始結晶，在傳熱面粗糙與流速度較低處，結晶便會沉積形成非常致密的水垢，常見的有碳酸鈣、磷酸鈣、鎂鹽與硅酸鹽等。另外，冷卻系統在室外運行時受周圍環境影響，經風吹雨淋、灰塵雜物等會逐漸附著有機物、粉塵、菌落及其分泌物等構成污垢。結垢將極大降低傳熱效率，0.6毫米厚垢足以使傳熱系數降低20%以上。冷卻水系統中含有足夠的腐蝕性離子(Cl-、Fe2+、Cu2+)、氧氣以及污垢等，電化學腐蝕很容易發生，若不及時控制會縮減設備使用壽命甚至導致報廢。微生物一方面來自空氣，另一方面來自補充水，由于循環水中充足的氧氣、適宜的溫度以及富養條件，極其容易引起滋生，如不及時控制將迅速導致水質惡化、沉積黏垢，隔絕緩蝕阻垢劑作用，加劇設備腐蝕。

結垢、腐蝕及微生物滋生問題將影響循環水系統安全運轉，影響運營生產，所以必須對循環水進行處理控制。可以通過控制補充水水質，保證水壓及流速，控制水質指標，設置旁路砂、纖維介質過濾器控制旁濾量等方式降低結垢。在工業應用上，常采用具有經濟效益且適應性較強的復合阻垢緩蝕劑，即可破壞結晶過程，達到控制結垢目的，又可起到防腐的綜合作用；控制微生物生長最常用的方法是添加殺菌滅藻劑。藥劑選用需要匹配系統設計、水質條件、流速等，由于循環水處理是一個動態過程，因此必須定期對水質進行分析并作調整。

5 水質監測控制

冷卻水系統的腐蝕、結垢和微生物生長與冷卻水水質密切相關，為保證系統運行良好，進行有效的監測是必不可少的。通過對循環水合理的監測與分析，對排污水量、補充水量及加藥量進行必要的控制，可以及時、有效的調整水質，采樣點常布置在循環水回水上塔管、排污管以及補充水界區主管道。根據《工業循環冷卻水處理設計規范》(GB50050-2007)，主要從PH、濁度、電導率、COD、堿度、硬度、腐蝕速率等方面進行監測。

一般而言，冷卻水系統正常運行時pH值控制在6.8～9.5；控制排污量、旁濾流量、補充清潔水使濁度小于20mg/L以下；電導率需要控制在3000μs/cm以內；通過化學需氧量觀察微生物變化，正常情況下水中CODCr控制在100以下；加氯殺菌時采用沖擊投加效果更佳，余氯一般控制在0.1～0.5mg/L；根據阻垢緩蝕劑的藥劑性能，水中總磷控制在6～10mg/L范圍內為宜；鈣、鎂離子作為主要成垢陽離子，分別控制在30mg/L、60mg/L以內；總鐵濃度作為鐵材質設備腐蝕情況的依據，一般宜小于0.5 mg/L，當超過1 mg/L時即被認定有腐蝕產生；按月、季、年監測標準金屬掛片腐蝕速率，碳鋼、不銹鋼設備傳熱面水側腐蝕速率應分別小于0.075mm/a、0.005mm/a；循環水濃縮倍數通常被控制在2.0～4.0之間為宜。

6 空冷與水冷對比

冷卻方式采用水作為冷卻介質歷史悠久，而空冷器的發展則是源于翅片管性能的進步。兩種冷卻方式介質不用，水與空氣相比，水的導熱系數要比空氣高24倍左右，因此若要達到相同的冷卻效果，則用水比空氣冷卻所需換熱面積要小很多。但是空冷器可以免費獲得空氣介質，而隨著現代工業的快速發展，工業冷卻用水量激增并成為工業用水的主要部分，一方面導致供水不足，尤其是對于水資源相對匱乏的地區更加嚴峻[7]，另一方面環境要求日益嚴格，水冷塔飛濺及加藥排污需要額外嚴格控制。與水冷方式相比，空冷器具有風量大、振動小、噪聲低、使用維護方便等優點，但是空冷器受環境影響較大且安裝位置受限，同時對于翅片管需要特殊工藝要求。而水冷塔構造較小，但是運行費用及維護費用相對較高。近年來，新型空氣冷卻器設計逐漸顯現經濟性，部分水冷器開始逐漸被空氣冷卻所代替[8]。空冷與水冷系統各有優劣，焚燒系統運行過程中需要根據工藝要求以及條件，選擇適合的冷卻方案。

7 總結

冷卻系統對于危險廢物焚燒系統的正常運行有著重要的意義。根據不同的工藝要求及現場條件，合理的選擇空冷或者水冷方式。相比之下，空冷器的優勢在于運行、維護較為方便，同時比較經濟，水冷塔的優勢在于換熱效果好，但對于補充水水質要求較高、數量要求較多。在實際運行過程中，空冷器常見的失效形式主要有冷卻效果差、泄露、葉片損壞以及風機故障等情況，需要進行針對性的日常檢修與維護。隨著冷卻水系統不斷循環，水分不斷蒸發與損失，水質逐漸惡化并伴有結垢、腐蝕以及微生物滋生等，為保證系統運行良好，一方面應該進行有效的監測，另一方面需要對其進行合理的控制，其中，科學添加緩蝕阻垢劑與殺菌劑最為常用。