冷卻塔白煙形成機理及治理技術(shù)應(yīng)用

江 平

（上海一建安裝工程有限公司，上海 200437）

0 引言

冷卻塔在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域中具有重要作用，主要用于散熱和降溫，常用于發(fā)電廠、化工廠、空調(diào)系統(tǒng)等設(shè)施。冷卻塔通過將冷卻水暴露于大氣中，利用水在蒸發(fā)過程中需要吸收熱量的原理，從而使沒有蒸發(fā)的水降溫，水可能被冷卻的最低溫度為室外空氣的濕球溫度。降溫后的冷卻水被輸送至設(shè)備換熱裝置吸收熱量，確保設(shè)備的正常運行。

1 冷卻塔白煙問題的背景和重要性

白煙問題是冷卻塔排放的水蒸氣在特定條件下，如濕度、室外溫度、氣流等因素的影響下，形成可見的白煙。這可能導(dǎo)致以下問題：

（1）環(huán)境影響：白煙可能被風(fēng)吹向周圍區(qū)域，影響附近居民或環(huán)境，引起公眾關(guān)切和衛(wèi)生擔(dān)憂。雖然白煙本質(zhì)是水蒸氣冷凝而成，但容易被公眾誤解為著火煙霧，從而引起心理恐慌，增加公共安全風(fēng)險。

（2）健康影響：冷卻水質(zhì)量差、放置時間過長或不潔凈會導(dǎo)致冷卻塔內(nèi)聚集大量細(xì)菌、藻類等微生物。如果軍團菌等微生物附在細(xì)小水滴上隨白煙擴散，可能誘發(fā)肺炎等呼吸系統(tǒng)疾病。

（3）交通安全影響：靠近馬路和機場的冷卻塔形成的白煙，可能使附近區(qū)域能見度下降，從而對交通造成一定影響，增加行車風(fēng)險。

因此，解決冷卻塔白煙問題對于環(huán)保、健康及交通安全都是有重要意義的。本文采取合適的措施、調(diào)整操作條件、優(yōu)化設(shè)計，以有效減緩或解決白煙問題，確保冷卻塔系統(tǒng)的可持續(xù)運行。

2 冷卻塔白煙的產(chǎn)生原因

2.1 環(huán)境因素影響

溫度和濕度是冷卻塔白煙生成的重要環(huán)境因素。冷卻塔在熱交換過程中將熱量從冷卻水傳遞給外界空氣，使空氣升溫并增加濕度（狀態(tài)接近飽和曲線）。白煙現(xiàn)象產(chǎn)生的原因分析如圖1 所示，當(dāng)加熱加濕的空氣（A 點）遇到室外低濕球溫度或高相對濕度的空氣環(huán)境（B 點）時會發(fā)生冷卻和凝結(jié)，導(dǎo)致水蒸氣凝結(jié)成微小水滴，形成白煙現(xiàn)象（D 點）。

圖1 白煙形成原理

這與冬天口中吐氣成白煙的原理相似，因為在寒冷的氣溫下，人體呼出的濕熱氣體遇冷凝結(jié)成小水滴，形成可見的白色蒸汽。這種現(xiàn)象通常發(fā)生在寒冷潮濕的季節(jié)或清晨，結(jié)霧區(qū)不穩(wěn)定，析出的多余水分凝結(jié)成水，形成飽和濕空氣。

2.2 水質(zhì)問題

冷卻塔中使用的水質(zhì)可能含有溶解的鹽分和其他化學(xué)物質(zhì)。當(dāng)這些物質(zhì)被帶到空氣中并與空氣中的濕氣相互作用時，就會促使水蒸氣凝結(jié)成微小的水滴，形成白煙。因此，水質(zhì)的成分和處理方式會直接影響冷卻塔排放的白煙。

2.3 運行參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)計

冷卻塔的運行參數(shù)，如水循環(huán)速度、噴淋系統(tǒng)、風(fēng)扇速度等，以及系統(tǒng)的設(shè)計特征，如冷卻塔的形狀和結(jié)構(gòu)，都會影響白煙的形成。不同的運行參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)計可能導(dǎo)致不同程度的水蒸氣凝結(jié)，從而產(chǎn)生不同濃度的白煙。

上述因素相互作用，決定了冷卻塔白煙的生成機制。綜合考慮這些因素，采取合適的控制措施，可以有效減少白煙的產(chǎn)生，降低其對周圍環(huán)境的影響。

3 冷卻塔白煙治理技術(shù)應(yīng)用

由白煙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(qū)域且不在濕飽和空氣曲線上的狀態(tài)點時，就不會產(chǎn)生白煙，反之則會產(chǎn)生白煙。因此，解決冷卻塔排放白煙問題需要針對濕空氣溫濕度和冷卻水水質(zhì)成分進(jìn)行具體分析[1-2]：

（1）提高空氣溫度。優(yōu)勢：通過在排風(fēng)口或進(jìn)風(fēng)口設(shè)置熱水盤管等方式提高出風(fēng)口或進(jìn)風(fēng)口空氣溫度，可以降低空氣相對濕度，減少白煙排放。劣勢：需要根據(jù)具體氣候條件調(diào)整。

（2）水質(zhì)預(yù)處理。優(yōu)勢：在水進(jìn)入冷卻塔之前進(jìn)行預(yù)處理，如過濾、軟化或去離子處理，可以降低水中溶解的鹽分和其他化學(xué)物質(zhì)的含量，有助于減少形成白煙的潛在成分。劣勢：需要額外的設(shè)備和成本。

（3）化學(xué)添加劑。優(yōu)勢：使用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)添加劑，如抗垢劑，有助于減少水中溶解物質(zhì)的影響，防止其在冷卻過程中結(jié)晶形成顆粒。劣勢：需要仔細(xì)控制添加劑的濃度，以避免對水質(zhì)產(chǎn)生不良影響。

應(yīng)綜合考慮提高空氣溫度、水質(zhì)預(yù)處理、化學(xué)添加劑等措施，制定綜合性的白煙治理和水質(zhì)管理方案，以最大程度地降低白煙排放的可能性。具體方案選擇應(yīng)根據(jù)冷卻塔的具體情況和環(huán)境條件進(jìn)行合理調(diào)整。本文結(jié)合具體工程實例，對冷卻塔設(shè)置熱水盤管提高冷卻塔進(jìn)風(fēng)或排風(fēng)空氣溫度的方案做出具體說明。

3.1 工程概況

上海徐家匯中心地處徐匯區(qū)虹橋路和宜山路交匯處，地鐵9#、11#線徐家匯站出入口近在咫尺，總建筑面積約775 643 m2，是集合商業(yè)、辦公、酒店等于一體的綜合發(fā)展項目。其中，T1 塔樓為43 層辦公樓，總高約220 m；T2 塔樓為70 層辦公樓，總高約370 m，是目前上海浦西第一高樓；T3 為15 層酒店，總高約76.2 m，地下室共6 層，深達(dá)地下30 m。該項目規(guī)模超大，建筑功能大而全，配備的冷卻塔多達(dá)16 組，處理的冷卻水總量達(dá)到14 600 t/h。冷卻塔設(shè)置在裙房7 層屋面，周圍高檔住宅環(huán)繞，因此需要最大程度地降低白煙排放的可能性。冷卻塔位置布置如圖2 所示。

圖2 冷卻塔位置布置

3.2 冷卻塔白煙治理

該項目于裙房屋頂設(shè)置16 組冷卻塔，每組由2 臺相同設(shè)備組成，獨立電機運行。當(dāng)室外空氣溫度低于13 ℃且相對濕度較高時，冷卻塔出口空氣與之混合后會發(fā)生冷卻和凝結(jié)，導(dǎo)致水蒸氣凝結(jié)成微小水滴，形成白煙現(xiàn)象。在上海這一般是過渡季節(jié)或冬季，考慮到此時建筑內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷不高，經(jīng)過核算相應(yīng)的冷負(fù)荷，計算出只需開啟5 組冷卻塔進(jìn)行散熱。同時考慮設(shè)備的輪換運行，總共設(shè)置了6 組加裝了熱水盤管的冷卻塔。

設(shè)熱水盤管來消除冷卻塔白煙一般有兩種方案。

3.2.1 在不設(shè)濕段填料的塔體兩側(cè)設(shè)熱水盤管（方案1）

等濕加熱后的室外空氣和穿過濕段填料增焓增濕后的空氣混合后，再排出冷卻塔，與室外空氣混合，混合后空氣脫離結(jié)霧區(qū)。熱濕交換及混合過程如圖3 所示。

圖3 熱濕交換及混合過程分析

優(yōu)勢：熱水盤管位于塔體低位，便于安裝和維修。

劣勢：塔體四面都需要進(jìn)風(fēng)，需要預(yù)留進(jìn)風(fēng)距離，每臺設(shè)備占據(jù)空間大。冷卻塔單獨布置，不能組成條形設(shè)備，檢修不便。防白煙工況時風(fēng)機風(fēng)量增加較大，因此電機功率增大，能耗增加，初投資增加較多。且設(shè)備與部分建筑樓梯風(fēng)井碰撞（圖4）。

圖4 方案1 平面布置示意

3.2.2 排風(fēng)口設(shè)熱水盤管（方案2）

與冷卻水熱濕交換后，增焓增濕的空氣經(jīng)過熱水盤管再熱后排出塔體，與室外空氣混合。混合后空氣脫離結(jié)霧區(qū)。熱濕交換及混合過程如圖5 所示。

圖5 熱濕交換及混合過程分析

優(yōu)勢：冷卻塔選型基本不變。風(fēng)機余壓略微增加，不需要調(diào)整電機功率，減少初投資和運行費用。

劣勢：熱水盤管要裝在出風(fēng)口收水器之上，增加冷卻塔高度，檢修和維護(hù)不便。

設(shè)備層位于項目北裙房屋面，四周有擦窗機軌道及鋼架結(jié)構(gòu)，空間狹小。如果采用方案1，則無法確保進(jìn)風(fēng)通暢，現(xiàn)有空間無法排布6 組12 臺設(shè)備。另外，冷卻塔需要考慮降噪問題，在出風(fēng)口設(shè)有出風(fēng)消聲器，方案2 的熱水盤管可固定在出風(fēng)口消聲器鋼架下，不需要單獨設(shè)置鋼架，有利于施工的進(jìn)行。綜合考慮上述因素以及后期檢修方案，形成了以方案2 為基礎(chǔ)的最終方案，具體設(shè)備排布如圖6 所示。兩種方案的部分參數(shù)對比見表1。

表1 兩種方案部分參數(shù)對比

圖6 方案2 設(shè)備平面布置示意

3.3 白煙治理效果

冷卻塔頂部出風(fēng)口經(jīng)加裝熱水盤管后，有效減少了冷卻塔部分室外工況運行時的白煙產(chǎn)生，尤其是在冬季潮濕的雨天和春季室外溫度較低的濕冷天氣里。

通過在冷卻塔出口設(shè)置熱水盤管，可以有效調(diào)控出口空氣的溫度。提高空氣溫度有助于減少混合后的濕空氣在冷空氣中的凝結(jié)，通過提高露點溫度降低白煙產(chǎn)生的可能性。這一調(diào)控機制能夠有效應(yīng)對在低溫環(huán)境下白煙生成的問題。同時，采取類似原理方案時需要兼顧現(xiàn)場的實際情況，采用最適合相應(yīng)項目的方案。

本文方案的主要目標(biāo)是降低白煙排放，但同時需要注意加熱過程的環(huán)保性。選擇清潔能源供熱，或采用高效能的加熱系統(tǒng)，有助于降低對環(huán)境的影響，并符合可持續(xù)發(fā)展的原則。

設(shè)置熱水盤管涉及到額外的能源消耗。因此，在方案實施前需要對能源成本進(jìn)行評估，并確保加熱過程的能效較高，以降低對企業(yè)運營成本的影響。本項目就近采用屋面的鍋爐熱水一次水對加熱盤管供熱，當(dāng)室外空氣溫度低于設(shè)定值、濕度較大，且冷卻塔開啟時，通過控制程序化智能開啟相應(yīng)的熱水供回水電動閥，對盤管進(jìn)行供熱，確保在必要時開啟盤管加熱功能，防止或減少白煙產(chǎn)生，同時減少能源浪費。此外，熱水盤管系統(tǒng)的定期維護(hù)對于方案的長期有效性至關(guān)重要。保持盤管的清潔和良好狀態(tài)，有助于維持系統(tǒng)的高效運行，減少白煙排放。

總體而言，通過在冷卻塔出風(fēng)口設(shè)置熱水盤管的方案，從調(diào)控溫濕度到環(huán)保和能源消耗等多個方面綜合考慮，才能在降低白煙排放方面取得顯著效果。

4 結(jié)束語

本文從冷卻塔白煙問題的背景和重要性出發(fā)，簡述白煙問題對環(huán)境、健康和交通安全的危害，詳細(xì)分析了白煙問題產(chǎn)生的原因、焓濕圖示意和熱量守恒原理等表述其深層機理。介紹冷卻塔白煙問題的常見解決方案，重點對比研究了從提高冷卻塔出口溫度出發(fā)的兩種方案，通過熱濕交換及混合過程分析、外形尺寸影響安裝、電機功率匹配等角度的具體案例實踐闡述不同方案選擇的利弊，從而確定適合項目實際情況的最終方案。該方案實際應(yīng)用效果較好，可以為相似項目的方案設(shè)計提供參考借鑒。