循環(huán)冷卻水降溫系統(tǒng)的制冷改造設(shè)計(jì)

【概況】 

酒精生產(chǎn)行業(yè)是耗水大戶,其中又以冷卻水耗量最大,一般約占總用水量的75%。因此,如何降低酒精生產(chǎn)企業(yè)的耗水量,特別是冷卻水的消耗量,就成為一個(gè)廣為關(guān)注的技術(shù)問題。雖然過去人們對(duì)冷卻水處理技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)〔1~3〕,也能夠達(dá)到一定的節(jié)水效果,但這類技術(shù)都不能保證將冷卻水的溫度降低到酒精生產(chǎn)工藝要求的溫度水平(20℃左右),對(duì)于酒精及相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和收得率的提高沒有多大的幫助,節(jié)水的效果也仍然有限,所以有必要尋找更為有效的技術(shù)手段。國內(nèi)某大型酒精生產(chǎn)企業(yè)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng),長(zhǎng)期存在水溫超限、蒸發(fā)損失過多等問題,以至于需要大量補(bǔ)充新水和排放污水。為徹底解決這方面的問題,該企業(yè)采用先進(jìn)的制冷輔助降溫技術(shù),以有效地降低和控制冷卻水的溫度,不僅收到了節(jié)約水資源的效果,而且為酒精生產(chǎn)提供了可靠的冷卻水條件,提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和收得率,從而提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。筆者針對(duì)這一成功案例進(jìn)行介紹和分析,以期為本行業(yè)及相關(guān)行業(yè)的冷卻水系統(tǒng)技術(shù)改造提供有益的借鑒。

1、企業(yè)原有冷卻水系統(tǒng)情況

1.1冷卻水系統(tǒng)

該企業(yè)擁有年產(chǎn)10萬t的酒精生產(chǎn)線、黃原膠生產(chǎn)線和大型沼氣工程等生產(chǎn)系統(tǒng),產(chǎn)品生產(chǎn)大多涉及反應(yīng)、精餾、干燥、冷凝、冷卻等工藝操作,需要進(jìn)行有效的冷卻控溫,以保證產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和收得率。該企業(yè)原有循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用常規(guī)的冷卻塔降溫,工藝流程如圖1所示。從圖1可知,各工藝環(huán)節(jié)排出冷卻水的溫度為

38~55℃,經(jīng)過兩級(jí)冷卻塔降至29~36℃,重新回輸至各工藝環(huán)節(jié)時(shí)的水溫約為28~35℃,而酒精及相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)過程適宜的冷卻水溫度為20℃左右。正是因?yàn)檫@種差異的存在,各工藝環(huán)節(jié)為了保證產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和收得率,只好加大冷卻水的流量。結(jié)果使得冷卻水的降溫處理負(fù)荷加大,回用水溫度更難以保證,最后只好通過加大新水補(bǔ)充和污水排放量,勉強(qiáng)維持生產(chǎn)。另外該企業(yè)地處中南內(nèi)陸地區(qū),常年空氣溫度、濕度較高,因此即使增加冷卻塔的高度和級(jí)數(shù),每年仍將有3~4個(gè)月的時(shí)間冷卻水溫度嚴(yán)重超標(biāo)。

1.2水量平衡

該企業(yè)冷卻水系統(tǒng)水量平衡情況如圖2所示。由圖2可見,該企業(yè)各主要工藝環(huán)節(jié)的冷卻水復(fù)用率僅為34.1%~48.6%,冷卻水濃縮倍數(shù)僅為1.18,排污率則高達(dá)85%,即污水排放量13499m3/d,而新水的補(bǔ)充量達(dá)15860m3/d,年消耗新水量5×106~6×106m3,影響了企業(yè)的發(fā)展。2冷卻水制冷降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則在確定的循環(huán)倍數(shù)下,由于補(bǔ)充水量和排放水量都與蒸發(fā)水量成正比,因此減少冷卻過程的水分蒸發(fā)量,可以相應(yīng)地減少補(bǔ)充水量和排放水量;而在確定的蒸發(fā)水量下,提高濃縮倍數(shù)也可以明顯減少補(bǔ)充水量和排放水量。冷卻水降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì),就是在特定的水源和運(yùn)行條件下,通過采用制冷降溫措施,降低冷卻塔的工作溫差,達(dá)到節(jié)水的目的。

3冷卻水制冷降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

3.1設(shè)計(jì)思路

如前所述,由于系統(tǒng)需要深度降溫的工作范圍在15~30℃之間,正好是空調(diào)設(shè)備的工作溫度區(qū)

間,因此考慮選用建筑空調(diào)用的大型冷水機(jī)組作為本系統(tǒng)的制冷設(shè)備。保留原有冷卻塔設(shè)施,作為前置降溫設(shè)施使用,而冷水機(jī)組作為深度降溫設(shè)施使用,以發(fā)揮冷水機(jī)組低溫區(qū)間工作效率高的特點(diǎn),以盡量減少制冷降溫系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用。制冷機(jī)組的冷卻,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件確定,首選單獨(dú)設(shè)置冷卻塔,次選利用工藝?yán)鋮s塔。當(dāng)單獨(dú)設(shè)置冷卻塔時(shí),適當(dāng)選擇較高的工作溫度和濃縮倍數(shù),以降低制冷機(jī)組的水量消耗。但實(shí)際上企業(yè)為降低改造投資,全部采用原有的工藝?yán)鋮s塔。

3.2設(shè)備選型

為了獲得較高的效率和可靠性,系統(tǒng)選用Trane公司的CVHE/G-1300型水冷離心式冷水機(jī)組,其技術(shù)參數(shù)如表1所示。表1制冷機(jī)組有關(guān)技術(shù)參數(shù)該機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況:冷凍水進(jìn)出水溫度分別為12℃和7℃,冷卻水進(jìn)出水溫度分別為32℃和37℃。在企業(yè)常溫冷卻水30℃,低溫冷卻水20℃的運(yùn)行條件下,單臺(tái)機(jī)組冷卻水處理量在470~500t/h之間。

3.3工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)工藝,生產(chǎn)車間排出的50~60℃冷卻水首先通過二級(jí)風(fēng)冷涼水塔,冷卻至30℃左右。然后,一部分直接回用于對(duì)冷卻溫度沒有特殊要求的工藝環(huán)節(jié);一部分通過由冷水機(jī)組提供低溫冷量的板式換熱器,進(jìn)一步冷至20℃左右,回用于要求低溫冷卻水的工藝環(huán)節(jié);還有一部分冷卻水則直接進(jìn)入制冷機(jī)組的蒸發(fā)器,降溫至12~17℃,回用于要求超低溫冷卻水的工藝環(huán)節(jié)。此外,重新設(shè)計(jì)冷卻水的循環(huán)流程,盡量實(shí)現(xiàn)冷卻水的梯級(jí)利用。通過這些措施,在滿足工藝要求的前提下,盡量減少設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用。

3.4系統(tǒng)配置

根據(jù)該企業(yè)各分廠的冷卻水需要量及廠區(qū)布局,通過調(diào)整、優(yōu)化冷卻水工藝流程和增設(shè)制冷降溫機(jī)組,形成4套冷卻水制冷降溫系統(tǒng)。

其中,2套建在酒精分廠的水處理車間,為酒精、飼料生產(chǎn)線和工藝制冷機(jī)組提供低溫冷卻水;1套建在二氧化碳分廠,為二氧化碳、白酒、黃原膠生產(chǎn)線提供低溫冷卻水;1套建在醋酸分廠,為醋酸、酶制劑生產(chǎn)線提供低溫冷卻水,其工藝流程分別如圖3~圖5所示。

4技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果

4.1技術(shù)效果

改造實(shí)施1a后,在企業(yè)的酒精產(chǎn)量明顯增加的條件下,全廠冷卻水系統(tǒng)的新水補(bǔ)充量由改造

前的15860m3/d降至6182m3/d,同時(shí),排水量由13499m3/d降至1394m3/d,排放率由85%降至22.5%。地下水的抽提數(shù)量減少了61.0%,對(duì)于水資源的保護(hù)和涵養(yǎng),起到了重要的作用。

4.2經(jīng)濟(jì)效益

改造實(shí)施后,經(jīng)測(cè)算發(fā)現(xiàn),整個(gè)冷卻水處理系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用<300萬元/a,節(jié)水約3.2×106m3/a,節(jié)省水費(fèi)支出656萬元。扣除系統(tǒng)運(yùn)行成本后年節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益為356萬元。此外,由于減少污水排放量,還相應(yīng)減少排污費(fèi)約200萬元/a。本項(xiàng)目實(shí)際投資520萬元,僅通過節(jié)水減排的效益就可以在不到一年里收回。同時(shí),由于改善冷卻水條件所帶來的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量與收得率的提高,其效益應(yīng)遠(yuǎn)超過節(jié)水和減排的直接效益。企業(yè)改造后全年完成工業(yè)總產(chǎn)值同比增長(zhǎng)5%,銷售收入同比增長(zhǎng)18%,利潤同比增長(zhǎng)21%,經(jīng)濟(jì)效益顯著。