竹格填料與PVC填料在冷卻塔中的節能效率與環境影響研究

馬欣欣 陳禮生 費本華 魯繼平

(國際竹藤中心 竹藤生物質新材料研究所 北京 100102)

冷卻塔是一種廣泛應用于電廠、化工廠、鋼廠的冷卻設備，其冷卻性能對機組能耗和發電效率有很大影響。它的工作原理是在流動的氣流下，水滴均勻散落在填料上，通過空氣與水的熱濕交換來降低水溫去除熱量。但是，隨著能源成本的上漲和水資源的短缺，冷卻塔的工作效率亟待提升。我國每年循壞水的用電量約為300億～400億kWh；在美國，由于冷卻塔工作效率的原因，每年約有5%的熱能浪費。這些數據均表明冷卻塔效率對節約能耗起著至關重要的作用。

提高冷卻塔工作效率，首要改進的就是冷卻塔填料。冷卻塔中填料的作用是減小水滴尺寸，增加水-氣接觸面，從而提高冷卻塔的冷卻效率。填料成本僅占冷卻塔成本的20%～25%，但散熱效率占60%～70%，因此填料一直是冷卻塔的核心組成部分。自冷卻塔出現以來，市場上先后出現了幾種主要填料類型，有木材、水泥、蜂窩紙板和塑料填料等。在20世紀60年代以前，我國電廠冷卻塔中多采用木材填料。木材填料易加工、易安裝，成本低廉，但是隨著木質資源的短缺，蜂窩紙板和水泥等填料替代了木材填料。紙蜂窩填料具有優質的冷卻效率，缺點是易破損。水泥填料應用的時間較長久，它具備良好的剛度和熱力性能，但是安裝難度大，且難降解，對環境危害嚴重。大約從20世紀70年代開始，PVC塑料填料開始出現，并因其輕質、高強、優良的冷卻性能而得到迅速推廣，目前大約占據96%的冷卻塔填料市場。但是，PVC填料同樣存在污垢易沉積、耐久性低等缺點，且隨著人們對生活環境要求的提高，塑料難降解的問題也逐漸引起重視。

竹格淋水填料是一種新型冷卻塔填料，由弧形竹片構成，通過穿桿將竹片串連到一起，再進行上下交錯垂直疊放，組成網格狀填料。竹格填料最早出現于20世紀70年代，但是由于加工工序傳統，冷卻效率低，一直發展緩慢。自2006年開始，國際竹藤中心與宜興亨達竹格填料有限公司開始合作，改良竹格填料的工藝，促進其推廣。竹格填料的基本單元為弧形竹片，其輪廓為不規則弧形，且表面粗糙，易將水流分解成小水滴，且不易形成污垢。本課題組前期研究發現，竹格填料的彈性模量在使用9年后僅下降25%，且強度仍符合《火力發電廠冷卻塔竹制淋水填料技術條件》的應用要求。因此，竹格填料具有優良的冷卻性能、強度高以及耐久性良好，較PVC填料具有顯著的推廣優勢。

冷卻塔填料的熱力性能和阻力性能非常重要，是用來衡量填料冷卻效率的重要指標。此外，隨著人們對環境的重視程度越來越高，電廠對環境的影響引起研究人員的重視。其中，冷卻填料對環境的影響也成為重點關注方向。為了進一步推廣竹格填料在電廠冷卻塔中的應用，研究竹格填料對環境的影響變得尤為重要。目前，常用全生命周期評價(LCA)來評估材料“從搖籃到墳墓”的全過程所涉及的資源消耗及環境影響問題。環境影響指數(BEES)和累積能源需求(CED)是LCA的兩大重要評價工具。竹格填料作為新興的冷卻填料，節能效率和對環境的影響研究幾乎未見報道。因此，本文將對竹格填料和PVC填料進行系統比較，有針對性地分析2種填料的冷卻性能、節能效率以及對環境的影響等。

1 材料與方法

1.1 竹格填料的制備

4年生毛竹，采自我國福建。胸徑100～120 mm，壁厚7～12 mm。竹筒鋸切成1 200 mm和1 600 mm 2組。然后，將竹筒縱向剖分成寬40 mm的竹片。在竹片兩端打孔，插入細小竹桿連接。竹片的間距為50 mm。PVC填料信息引用自Hu et al.(2003)的研究。

1.2 竹格填料的冷卻性能

竹格填料冷卻性能的樣品尺寸為1.0 m × 1.0 m × 1.52 m，測試地點為西安熱工研究院有限公司。測試的指標有進水溫度T1、出水溫度T2，空氣從外界進入填料區前的濕球溫度tw1、干球溫度td1，以及經過一個循環后空氣捕獲液滴返回填料區時的濕球溫度tw2和干球溫度td2。

冷卻效率的計算公式為：

冷卻數的計算公式為：

Ω=Aλm

其中，Ω為冷卻數，λ為氣水比，A和m為本次試驗的指標。

阻力性能計算公式為：

其中Δp為阻力性能(Pa)，d1為入口空氣密度，Vcp為填料區的風速。

A=Ax×q2+Ay×q+Az

m=mx×q2+my×q+mz

1.3 竹格填料的節煤效益

東風汽車熱電廠是中國湖北的一家熱電廠，該廠使用濕式雙曲型自然通風冷卻塔，冷卻面積2 000 m2。在使用竹格填料之前，該電廠使用PVC填料已有4年。然而，PVC填料在使用4年后開始出現老化塌陷情況。隨著電站的擴建，冷卻塔逐漸無法承受熱負荷，尤其在夏季炎熱時候。因此，該電廠將PVC填料替換為竹格填料，并于2012年和2013年在該電廠冷卻塔上測量了PVC電力和竹格填料的進水溫度和出水溫度，進而確定冷卻過程中的降溫幅度，并根據火電廠6個月的使用煤耗計算出節煤量。

1.4 冷卻塔填料的生命周期評價

為了對比竹格填料和PVC填料的環境效益，采用生命周期評價方法(LCA)評估2種填料。根據ISO 14040標準，LCA的功能單元被定義為1 m3填料，邊界條件設計為“從搖籃到墳墓”的全過程，即從竹子采伐到竹格填料壽命結束為止。通過SimaPro軟件進行對比，輸入2種填料的原材料和能源需求信息等數據，以及從當地獲得的冷卻塔相關信息。

2 結果與討論

2.1 冷卻性能

熱力性能和阻力性能是表征材料冷卻效率的2大指標。冷卻效率隨熱力性能增加而增大，隨阻力性能降低而減小。因此，2種指標需要綜合分析，才能客觀評估填料的冷卻效率。竹格填料的冷卻數為1.52λ0.64，PVC填料的冷卻數為2.35λ0.65。竹格填料的A值(1.52)明顯小于PVC填料的A值(2.35)，A值越大，表明熱力性能越好，因此PVC填料的熱力性能優于竹格填料。這種情況下，可以通過優化竹格填料的設計及尺寸來增加冷卻數。

阻力性能反映的是空氣流經填料區時遇到的阻力大小，對冷卻效率同樣有重要影響。阻力值和風速、降水密度均相關。當總風量和淋水密度一定時，空氣在冷卻塔內流動時遇到的阻力越小，流動速度越大，對循環冷卻水的冷卻效果越好。阻力性能函數中的Az是一個重要指標，Az值越小，說明填料的阻力性能越大。PVC填料的Az值(1.186 7)大于竹格填料的Az值(0.725 4)，這表明竹格填料的阻力性能優于PVC填料。

2.2 竹格填料和PVC填料在電廠冷卻塔中的應用

為了更好地對比竹格填料和PVC填料的冷卻性能，對2種填料在同一冷卻塔中的應用情況進行了分析。分別在2012年和2013年的3月至8月測試了冷卻塔出水溫度。2012年該廠使用的是PVC填料，數據顯示，在7—8月時，冷卻塔的出水溫度已略高于環境溫度，可見使用4個月后的PVC填料已無法滿足電廠的冷卻需求。2013年該廠將PVC填料替換為竹格填料，同樣測試了3月至8月的冷卻塔出水溫度。數據顯示，除3月份外，其他月份的出水溫度均低于周圍環境溫度。7—8月份的出水溫度顯著低于環境溫度，可見竹格填料的冷卻能力良好。

為了更方便比較，進一步計算了2種填料在3月至8月的平均出水溫度，發現竹格填料的平均出水溫度比PVC填料高0.85 ℃。但是2013年的環境溫度比2012年的環境溫度高1.83 ℃，因此，竹格填料的實際出水溫度比PVC填料降低了Δt=0.98 ℃。當出水溫度降低1 ℃時，真空度ΔP降低0.3%，則發電標煤消耗量ΔB減少0.9 g/kwh。3月到8月是循環冷卻水溫度升高期，此間發電量為Nj=6×108kwh。因此，使用竹格填料后，半年內該廠總共節約煤耗量為：

Bb=Δt×Nj×ΔB=529.2 t

2.3 通過LCA評估填料的能源消耗

通過生命周期軟件對竹格填料和PVC填料的能源消耗情況進行評估，識別并量化填料從制造到填埋的全生命周期各階段中的能源與材料消耗、環境排放及相關影響。結果發現，PVC填料累積能源消耗(CED)為3 420 MJ，而竹格填料的累積能源消耗僅為561 MJ，前者的能耗是后者的6.1倍。其中，竹格填料消耗的化石能源、生物質燃料、風能和太陽能等較PVC填料的消耗量降低了6.8～19.8倍，但消耗的水資源量增加了1.4倍。PVC填料在制造階段的能耗為1760 MJ，而填埋階段的能耗為1 660 MJ，這2個階段的能耗差值不大。竹格填料在制造階段的能耗為561 MJ，而填埋階段的能耗為零，只有少量的運輸能耗，可忽略不計。這表明PVC填料在填埋階段對環境影響顯著，而竹格填料的降解對環境影響很小。這進一步證實了在工業領域使用竹材有益于清潔生產。

2.4 BEES分析結果

BEES(Building for Environmental and Economic Sustainability)是由美國標準和技術研究院開發的一種建筑材料環境性能和經濟性能綜合評價軟件，可以為材料的環境性能和經濟性能的平衡提供數據參考。結果顯示，PVC填料的BEES指數(CO2eg.)是1.6×105CO2eq.，而竹格填料的BEES指數為2.6 × 104CO2eq，即替換成竹格填料后，CO2的排放量減少了6.1倍。為了對比2種填料在制造和填埋過程中的BEES指數，對其進行了進一步分析。PVC填料在制造過程中的BEES指數為8.47 × 104CO2eq.，在填埋過程中的BEES指數為7.49 × 104CO2eq.。竹格填料替換PVC填料后，其在制造過程中的BEES指數為2.38 × 104CO2eq.,填埋過程中未顯示數據。上述結果和CED的規律相似。

BEES環境影響指標共有13類，其中，PVC填料的“全球變暖”“酸化”“HH-癌癥”“HH-非癌癥”“HH-標準空氣污染物”“富營養化”和“煙霧”等指標分別是竹格填料對應指標的6.1、3.2、10.5、6.4、4.7、2.9和1.5倍。其他的如“室內空氣質量”“棲息地改變”“臭氧消耗”等指標為零，可忽略不計。

3 結論

本研究對竹格填料和PVC填料的冷卻性能、能耗和環境影響進行了比較與分析。結果發現，與PVC填料相比，竹格填料的熱力性能較差，阻力性能較好；東風汽車熱電廠的應用結果顯示，在同一冷卻塔中，使用6個月的竹格填料后，可節約煤耗529.2 t；在PVC填料替換為竹格填料后，累積能耗從3420 MJ降低到561 MJ，主要環境指標，如“全球變暖總潛能”“酸化值”“HH-癌癥”“HH-非癌癥”“HH-標準空氣污染物”等降低了1.5～10.5倍。因此，本研究認為，竹格填料在電廠冷卻塔領域具有非常大的應用價值，有必要加快推廣。

原文出處

Xinxin Ma; Liping Cai; Lisheng Chen; Benhua Fei*; Jiping Lu; Changlei Xia; Su Shiung Lam*. Bamboo grid versus polyvinyl chloride as packing material in cooling tower: Energy efficiency and environmental impact assessment, Journal of Environmental Management, 2021, 286: 112190. DOI: 10.1016/j.jenvman.2021.112190