安德明 朱永英 张倩楠 米春鹏 孙红欣 张 庆
(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)
现如今水资源短缺、水环境污染现象日益严峻，人们越来越重视水资源的节约、水环境的治理和水的循环利用。而冷却塔排放的大量的清洁蒸汽，一直没有得到很好地收集利用，造成水资源、热能资源的严重浪费。冷却塔是现代化工业的基础建筑，被广泛地应用于国民生产的各个领域，如钢铁、建材、制造、宾馆酒店业、写字楼(中央空调)等。据统计，目前我国在用大型冷却塔约3 800座[1]。据国家用水部门报告，全国冷却塔冷却耗水量占工业用水量的60%～70%，年耗水大约100亿t～200亿t。我国冷却塔每年排放水蒸汽量约7 000万t。但由于蒸汽利用设备复杂昂贵、蒸汽收集方式不完善等原因，蒸汽回收率低，损失量大。目前我国绝大多数蒸汽被直接排放，造成水资源、蒸汽资源、热能资源的严重浪费，同时对大气环境造成了一定程度的热污染。
与此同时，目前我国仍是一个严重缺水的国家。除资源型缺水以外，水质型缺水也非常严峻。目前，我国城市供水约有20%达不到饮用水卫生标准，农村供水有50%达不到饮用水卫生标准。锅炉用水水质要求较为严格，其用水必须进行软化处理。无土栽培具有节水、节肥、质优、高效等特点，在一些发达国家，果蔬、花卉无土栽培方式已超80%，而我国的无土栽培面积仅200 hm2，其主要原因之一是无土栽培对水质要求较高，制备培植水成本较高。
基于此，本项目研究蒸汽收集与处理利用为一体的综合利用系统。旨在能较好地收集并有效利用冷却塔排放的蒸汽资源，在一定程度上缓解用水紧缺问题，对节能减排、节约利用水资源具有非常重要的意义。
1 设计原理
1.1 设计思路与工作流程
本装置通过在冷却塔上端安装一个“伞状罩”结构，最大效率地将冷却塔所排放出的蒸汽进行收集，收集到的蒸汽通过管道1进入蒸汽收集室，借其自身的流动性，通过管道2进入蒸汽处理室，经处理后通过管道3进入蒸汽检测室，若检测不合格，通过管道6进入应急处理室，处理后通过管道7再次进入蒸汽检测室，若检测合格，一部分通过管道4供给居民区冬季加湿使用，一部分通过管道5进入蒸汽冷凝室，冷凝后通过管道8进入冷凝水回收室，冷凝水回收室设置液位控制电路，当水位达到一定高度后，液位控制电路自动连通，水位警报灯亮起，闸门自动拉起，冷凝水通过水质处理室和降温室进入地下储水室，一部分通过管道11供给锅炉用水，一部分通过管道12供给居民区作饮用水，另一部分通过管道13供给无土栽培及有机蔬菜培养使用。系统原理图见图1。
1.2 结构设计
1.2.1蒸汽的收集
为了保证冷却塔的正常运转，本装置采用伞罩式收集方式。在冷却塔顶部架设“伞罩”，伞状罩顶部安置回收管道，管道沿着冷却塔边壁向下铺设，在管道下部安装一个机泵，通过机泵的工作，改变管道内部压强，使得管道内部与伞状罩之间存在压强差，以便抽离伞状罩上部积聚的蒸汽，最大效率地对蒸汽进行收集。由于伞状罩采用开式收集方式，因此基本不影响冷却塔工作原理。
1.2.2蒸汽、冷凝水的回收利用
1)冬季加湿：本系统收集的蒸汽较清洁，经过简单处理后，可供给用户冬季加湿使用。
2)锅炉用水：锅炉用水对水质要求较高，本系统产生的蒸汽冷凝水基本符合锅炉用水水质标准。蒸汽冷凝水较一般锅炉用水具有温度高、足够清洁等特性，既可减少锅炉用水加热过程中消耗的燃料，又可保证锅炉用水的安全性。
3)用户饮用水：地下储水室中的常温水水质标准基本符合饮用水标准，可供给居民饮用及日常使用。
4)无土栽培、有机蔬菜培养：有机蔬菜与无土栽培在不同的生长期所需营养液不同，配置营养液对水质要求较高。蒸汽冷凝水基本符合其水质要求，只需加入所需营养即可配置。
2 效益分析与成本估算
2.1 水量效益
以中海石油(中国)有限公司湛江分公司东方终端为例进行计算[2]。本文只针对东方装置的两套循环冷却水系统进行分析。一期循环冷却水系统的两台冷却水塔同时使用，二期冷却水塔两用一备。经统计，冷却塔全年补水总量约为26.6万t。经统计分析可知，冷却塔补水量约为循环水量的4%，而排放蒸汽量(我们收集的效率按85%计算)约为循环水量的1.5%。经计算，全年蒸汽回收量约为26.6/4%×1.5%×85%=8.47万t。
按全国3 800座冷却塔统计，每年蒸汽补水量约为2亿t，回收蒸汽量约为6 357万t。
2.2 加湿效益
以冷却塔附近小区为例，按家庭用加湿器额定功率26 W，额定加湿量220 mL/h估算加湿效益。按一个小区10个单元，每个单元21个单户计算，对于北方地区(以大连为例)，冬季供暖期一般为147 d，则小区单日加湿所需水量为1 108.8 L，所需电量为131.04 kW，电费单价按0.55元/kW计算，则需缴纳电费为72.07元。若采用本装置回收的蒸汽为住户加湿，则一个小区在供暖期可节约加湿水1 108.8×147/1 000=163 t，节约电费72.07×147=10 586.94元。
2.3 锅炉水效益
蒸汽冷凝水用于锅炉给水必须满足锅炉用水对水质的要求[3,4]。本系统所得蒸汽冷凝水经与GB/T 1576—2008工业锅炉水质标准比较，其水质基本满足锅炉对软化水的需求。软化水传统软化费用约2元/t～6元/t，保守估计以2元/t计算。经前面计算可知每年可回收冷凝水量约为6 375万t，若全部用于锅炉给水，则可节约软化费用1.275亿元。此外，在节省软化费用的同时还可节省软化处理设备需要的部分电能，本文就不再做详细叙述。
2.4 设备成本造价分析
本装置大型伞状罩拟选用市面上常见且价格便宜的不锈钢材质，其制造成本低，同时后期维护、维修费用低。在管道运输方面，由于冷却塔负荷比不同，所产生的蒸汽温度也不相同，蒸汽温度从十几度到四十几度不等，但简单降温处理后基本可以利用现有运输管道，且处理简单方便[5,6]。总体来说，该系统初建成本及后期维护费用不高，整个工程为一次投资，终身受益。
3 创新特色
1)采用伞状罩收集冷却塔排放的大量清洁蒸汽，实现对二次能源的充分利用。
2)充分利用蒸汽这一清洁能源，冷凝回收水资源，净化处理后作饮用水，实现其高效利用价值，可在一定程度上缓解水资源严重短缺的现状。
3)冷凝水净化处理后供给无土栽培、有机蔬菜培养等特殊用水户，解决其高质用水的需求。
4)回收处理后的蒸汽冷凝水可直接供给锅炉，既节约水资源，又省了锅炉水软化费用。
4 结语
我国冷却塔数量较多，排放蒸汽量大，有效回收冷却塔排放的蒸汽，能减少蒸汽水资源损失并降低蒸汽排放的热污染，实现对二次能源的充分利用。将收集的蒸汽经净化处理，与加湿、供暖、饮用、供给等多方面有机地结合起来，解决了高水高用、低水有用的问题，实现了资源的最大化利用。在能源、水资源日益紧张的当下，具有非常重要的现实意义。
