Neue Durchbrüche bei der Energie- und Wassereinsparung in der Kohlechemie: Hubei Zhongsheng Shares – „Schlussluftkühlungssystem mit zirkulierendem Kühlmittel“”

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1. Anwendungskontext: Die im Jahr 2012 vom Staatsrat erlassenen Richtlinien zur Einführung eines strengsten Systems zur Verwaltung von Wasserressourcen stellen die Gesamtmenge sowie die Effizienz der Nutzung von Wasserressourcen in den Mittelpunkt der Entwicklung verschiedener Industrien. **Im Zwölften Fünfjahresplan wurden klare Wasserverbrauchsvorgaben für die Kohlechemieindustrie festgelegt: Der Wasserverbrauch pro Tonne Standardkohle darf 3 Tonnen nicht überschreiten. Derzeit liegen die Wasserverbrauchswerte der inländischen Kohlechemieunternehmen im Allgemeinen bei mindestens 5 Tonnen Wasser pro Tonne Standardkohle. Eine Analyse der Wasserverbrauchswerte der verschiedenen Einheiten in Kohlechemieunternehmen zeigt, dass das System zur zyklischen Kühlung der größte Verbraucher von Wasser ist – es verbraucht etwa 60 Prozent des gesamten Wasserverbrauchs. Als Kühlmethode wird hauptsächlich ein offenes zyklisches Kühlwassersystem verwendet. Diese Methode bietet eine gute Kühlleistung, erfordert jedoch einen hohen Wasserverbrauch. Mit der beschleunigten Entwicklung des Westens gibt es in den nordwestlichen Regionen immer mehr Projekte im Bereich der Kohlechemie. Dadurch steigt auch die Nachfrage nach Wasserressourcen. Doch in der Nordwestregion herrscht ein Mangel an Wasserressourcen, und die Betriebskosten für offene Kühltürme sind zu hoch. Andererseits sind in der Nordwestregion die Temperaturen niedrig und der Wind stark – dies macht die Verwendung von Luftkühlern zur Kühlung äußerst geeignet. Die Erforschung von Wassersparentechnologien für Kreislaufkühlwassersysteme ist einer der wichtigen Ansätze, um die Wassernutzungsziele des Zwölften Fünfjahresplans für die Kohlechemieindustrie zu erreichen. Eine vernünftige und sparsame Wassernutzung ist eine wichtige Maßnahme für Kohlechemieunternehmen, um Energie zu sparen, Verbrauch zu reduzieren sowie Effizienz zu steigern. Gleichzeitig hat das Wassersparen große strategische Bedeutung, um den Mangel an Wasserressourcen zu verringern und eine nachhaltige Entwicklung der Wirtschaft zu gewährleisten. Im Rahmen der chinesischen Politik zur Wassersparung wird betont, dass „Wassersparnis und effiziente Nutzung von Wasser der grundlegende Weg sind, um das Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage nach Wasser zu verringern“. Der Schlüssel zur Wassereinsparung liegt in der Steigerung der Effizienz und des Nutzens beim Wasserverbrauch. **Sparen Sie Wasser. Man sollte an einem wissenschaftlichen Entwicklungskonzept festhalten und der Wassereinsparung eine noch wichtigere Stelle einräumen. **Die Forschung, Entwicklung und Anwendung neuer Technologien, Verfahren sowie wichtiger Ausrüstungen zur Wassereinsparung wird gefördert. Und im Überblick wird ausdrücklich gefordert, „die Technologien zur effizienten Behandlung von Kreislaufkühlwasser weiterzuentwickeln sowie die Technologie des geschlossenen Kreislaufs bei der Kühlung zu fördern“. 2. Schließendes Luftkühlungskreislauf-Kühlwassersystem: Um den **Politiken zur Energieeinsparung und -reduzierung gerecht zu werden sowie die Entwicklung von Unternehmen in trockenen Regionen, die viel Wasser verbrauchen, zu fördern, hat Hubei Zhongsheng Co., Ltd. (früher Wuhan Zhongsheng Energy, im Folgenden „Hubei Zhongsheng Co., Ltd.“ genannt) ein schließendes Luftkühlungskreislauf-Kühlwassersystem selbst entwickelt. Anstelle der herkömmlichen „industriellen Kreislaufkühlwassersysteme“ werden innovative „geschlossene Luftkühlkreiskühlwassersysteme“ eingesetzt. Anstelle von Kühltürmen werden energieeffiziente Luftkühler oder kombinierte Kühlgeräte verwendet. Dadurch wird sichergestellt, dass die Temperatur des Kühlwassers den Anforderungen der verschiedenen Prozesse entspricht. Zudem ermöglicht dies einen langfristigen, stabilen Betrieb. Gleichzeitig wird Wasser sowie Energie eingespart, Emissionen verringert, das Verkalken der Prozessanlagen vermindert und die Lebensdauer dieser Anlagen verlängert. Das geschlossene Luftkühlungskreislauf-Kühlwassersystem vereint Wasserkühlung und Luftkühlung sowie die Prozesse der Wärme- und Stoffübertragung zu einem einzigen System – es handelt sich dabei um ein neuartiges, effizientes und energieeinsparendes Kühlwassersystem. 2.1. Technische Eigenschaften: Im geschlossenen Kühlsystem mit Luftkühlung wird weiches Wasser oder entsalztes Wasser als Kühlmittel verwendet. Dieses Kühlmittel nimmt die Wärme aus den Wärmetauscheranlagen auf. Nachdem die Temperatur des Kühlmittels gestiegen ist, fließt es in die Rohre des energieeffizienten Luftkühlers oder des kombinierten Luftkühlers (siehe Abbildung unten). Zunächst gelangt das Kühlmittel in den Bereich mit den Flügelrohren – bei dem kombinierten Luftkühler vorhanden – wo es vorab gekühlt wird. Anschließend gelangt es in den Bereich mit den Sprührohren, wo es weiterhin durch die Luft außerhalb der Rohre sowie durch das Sprühwasser abgekühlt wird. Danach wird das Kühlmittel wieder durch die Pumpe unter Druck gesetzt und zu den Wärmetauscheranlagen geleitet. Weiches Wasser wird in einem geschlossenen Kreislaufsystem wiederverwendet, kommt nicht mit der Außenluft in Berührung und vollzieht so den Wärmetransfer durch Wärmeaufnahme und -abgabe. Da die Qualität des Wasserstoffs, der durch den geschlossenen Kreislauf weichgelegt wird, oder des Entsalzwassers konstant ist, kommt es zu kaum Verlusten. Lediglich die geringe Menge an Weichwasser, die durch Lecks in den Systemanlagen verloren geht, muss nachgefüllt werden. Energieeffiziente Wasserschicht-Kühlgeräte, kombinierte Kühlgeräte: Bei hohen Temperaturen werden sowohl die Lüfter als auch die Pumpen zur Bewässerung gleichzeitig eingeschaltet. Die Sprühwasserpumpe leitet das Sprühwasser in das Verteilsystem über den Wärmetauscherrohren. Das Sprühwasser wird nach unten auf die Wärmetauscherrohre gesprüht, wodurch eine gleichmäßige Wasserschicht außerhalb der Rohre entsteht. Diese Wasserschicht nimmt die Wärme aus den Rohren auf und verdampft anschließend im Luftstrom. Die latente Wärme der Verdunstung übertrifft die sensible Wärme zur Erhitzung des Wassers, wodurch der gesamte Wärmetransferprozess erheblich verstärkt wird und die erforderliche Wärmeübertragungsfläche verringert wird. Da das verdampfte Wasser in die Luft gelangt, wird an der Ausgangsstelle das mitgeführte Wasserdampf durch einen Entwässerer entfernt, bevor es über die Flügelrohre in die Atmosphäre abgeleitet wird. Der größte Teil des Sprühwassers fällt wieder in den Wassertank zurück, um dort erneut verwendet zu werden. Dabei wird das Sprühwasser während seines Abfalls durch die Luft gekühlt. Mit sinkenden Temperaturen kann die Anzahl der Lüfter und Sprühpumpen verringert werden, oder die Drehzahl der Lüfter kann durch Frequenzumrichter gesenkt werden, um den Wärmetransfer zu regulieren und die Temperatur des Auswassers konstant zu halten. Durch eine optimierte Wärmeaustauschgestaltung kann das Sprühwasser bei 0 °C, 5 °C, 10 °C und 15 °C abgeschaltet werden. In diesem Fall entspricht der Luftkühler einem trockenen Luftkühler mit Lüftungsfunktion. Im Methanolherstellungsprojekt der Datong Tongmei Group wird bei einer Umgebungstemperatur unter 0 °C kein Wasser gesprüht, **wodurch Wasserverbrauch eingespart wird. 2.2. Technische Vorteile: Im Vergleich zu herkömmlichen industriellen Kreislaufkühlwassersystemen weist das geschlossene Luftkühlungskreislaufsystem viele Vorteile auf, wie in der folgenden Tabelle dargestellt. Vorteile des geschlossenen Luftkühlkreislaufsystems für Kühlmittel:
Nachteile der herkömmlichen industriellen Kreiskühlsysteme:
Die Wahl des Standorts ist nicht eingeschränkt. Die Auswahl des Standorts hängt stark von der Verfügbarkeit von Wasserquellen ab. Durch die Kombination von Luftkühlung und Wasserkühlung wird der Wasserverbrauch effektiv reduziert. Bei ausschließlicher Wasserkühlung ist der Wasserverbrauch hoch. Im geschlossenen Kreislauf bleibt die Wasserqualität konstant, was die Wärmeübertragungsleistung sowie die Lebensdauer der Wärmetauscher verbessert. Bei einer instabilen Wasserqualität neigen die Wärmetauscher dazu, zu verkrusten oder zu korrodieren. Die Wartung ist einfach und die Betriebskosten gering. Die Wartung ist kompliziert und die Betriebskosten hoch. Der Abwasserausstoß ist gering, was gut für die Umwelt ist. Der Abwasserausstoß ist hoch, wodurch hohe Investitionen für die Aufbereitung des Abwassers notwendig sind. Auch nach Ausfall der Stromversorgung bleibt noch eine gewisse Kühlkapazität vorhanden. Bei Ausfall der Stromversorgung muss die Produktion vollständig eingestellt werden.

2.3. Wirtschaftliche Vorteile:
Bei einer konventionellen Planung beträgt die Kapazität eines solchen Kreiskühlsystems 20.000 m³/Stunde. Im Vergleich zu offenen Kreiskühlsystemen sowie herkömmlichen geschlossenen Kreiskühlsystemen weist dieses System deutliche Vorteile hinsichtlich der Konstruktionsmerkmale, der Investitionskosten sowie der Energieverbrauchsdaten auf. Dies ist in der folgenden Tabelle dargestellt. Projekt, Investition in Ausrüstung (10.000 Yuan), Verbrauch an Chemikalien (kg/Stunde), Stromverbrauch (kW), durchschnittlicher Wasserverbrauch (m³/Stunde), Betriebskosten* (10.000 Yuan/Jahr). Traditionelles offenes Kreislaufwassersystem: 3700, 6,2, 4350, 410, 5726. Verschlossenes Kühlsystem mit Luftkühlung: 6900, 3,1, 5550, 205, 4213. Anmerkung*: Betriebskosten = Kosten für Chemikalien + Stromkosten + Wasserkosten. Dabei werden folgende Preise zugrunde gelegt: 10 Yuan/kg für Chemikalien, 0,5 Yuan/kWh für Strom und 12 Yuan/m³ für Wasser (eine Firma in Innermongolien). Ein geschlossenes Luftkühlungssystem für Kreislaufwasser spart im Vergleich zu herkömmlichen offenen Kreislaufwassersystemen jährlich 15,13 Millionen Yuan an Betriebskosten; die Investition kann bereits nach 2–3 Jahren wieder eingespielt werden. 3. Forschungsergebnisse des Unternehmens: Über die Jahre hinweg hat Hubei Zhongsheng kontinuierlich an Innovationen gearbeitet. Durch die gemeinsamen Anstrengungen der Entwerfer und Forscher wurde das System zur Kühlung mit geschlossener Luftkühlung ständig weiterentwickelt. Dadurch konnten folgende technische Errungenschaften erzielt werden. 1. Durch die Kombination von Trockenkühlung und Luftkühlung wird ein optimaler Wassersparmodus erreicht (ZL200910062950.6). Angesichts des kühlen Winters und heißen Sommers in unserem Land wird zur Erreichung des besten Wasserspareffekts das patentierte Produkt „Kombinierte Luftkühlanlage“ von Hubei Zhongsheng verwendet. Dadurch wird der Verbrauch an Sprühwasser verringert: Im Sommer werden Sprühwasser sowie Trocken- und Feuchtluftkühlung gemeinsam eingesetzt, im Winter hingegen wird nur die Trockenluftkühlung genutzt. Im Frühling und Herbst wird das Sprühwasser je nach Bedarf entweder gar nicht oder in geringerem Maße verwendet, wobei gleichzeitig die Lufzmenge und -richtung angepasst werden. Die tatsächlichen Betriebserfahrungen mit den Produkten dieses Projekts zeigen, dass der Wasserverbrauch dieses Systems nur 0,9 % beträgt. Im Vergleich dazu liegt der durchschnittliche Wasserverbrauch bei herkömmlichen Industriekühlungssystemen derselben Größe bei 2,5 %. Systemprodukte können im Vergleich zu herkömmlichen industriellen Kühlmittelsystemen 30%-70% an Wasser einsparen. Derzeit wurde diese Innovation bereits erfolgreich in den nordwestlichen und nordöstlichen Regionen unseres Landes eingesetzt. In den Kohlegas-Kraftwerksprojekten von Zhongmei Yulin in Shaanxi sowie von Kaijia in Shanxi kann das Schließsystem für die Kühlmittelzirkulation bei 0 °C abgeschaltet werden. Im bald beginnenden Demonstrationsprojekt zur tiefgreifenden Verarbeitung von Kohle in Ordos in Innermongolien wird Zhongsheng Co., Ltd. als erstes die neue Technologie einsetzen, bei der das Wasser bei Temperaturen unter 15 °C abgeschaltet wird. 2. Regulierung des Durchflusses im Sprühsystem (ZL201420522388.7) Das Sprührohrsystem des vorhandenen Verdampfungslüftkühlers arbeitet nach dem Prinzip von Hauptleitungen und Nebenleitungen, wobei an den Nebenleitungen Sprühdüsen angebracht sind. Die Installation des Sprühwassersystems erfolgt oberhalb des Rohrbündels des Verdampfungslüftkühlers, wobei Luft und Wasser außerhalb des Rohrbündels in entgegengesetzter Richtung fließen. Im oberen Rohrstrang kommt das Wasser gleichmäßig mit dem Rohrstrang in Berührung, wodurch eine gute Wärmeübertragung erreicht wird. Im untersten Rohrpackungsbereich kommt es aufgrund des Wasserflusses zu einer ungleichmäßigen Berührung des Wassers mit den Rohren. Aufgrund der Ungesättigung der Luft sowie eines hohen Luftvolumenstroms entsteht im unteren Bereich der Rohrpackung eine ungleichmäßige Verteilung des Wassers – es bilden sich somit Trockenstellen. Außerdem fließt das Wasser von der oberen Rohrreihe zur unteren Rohrreihe. Durch die Aufnahme von Wärme steigt die Temperatur immer weiter an, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Ablagerungen zunimmt. In der Praxis kann man auch beobachten, dass in der unteren Rohrreihe erhebliche Ablagerungen entstehen. Hubei Zhongsheng Shares fügt auf der bestehenden Basis unterhalb des Rohrgeflechts Sprührohre hinzu, um die darunterliegenden Wärmetauscherrohre direkt zu besprühen. Dadurch werden trockene Stellen an der Außenwand der unteren Wärmetauscherrohre verhindert, und zudem wird eine effektive Verringerung der Verkalkung der unteren Rohrgeflechte erreicht. Die Durchflussmenge des Sprühsystems kann mithilfe von Regulierventilen gesteuert werden ； Am Ausgang der Sprühwasserpumpe wird ein Druckregelbehälter hinzugefügt, um den Druck im Sprühsystem zu stabilisieren und so die durch die Regelung des Durchflusses verursachten Schwankungen des Systemdrucks in den oberen und unteren Sprührohren wirksam zu verringern. 3. Einführung von Füllstoffen zur Steigerung der Wärmeaustauscheffizienz (ZL201420522389.1) Schließende Kühltürme nutzen hauptsächlich Luft als Wärmeaustauschmedium, wodurch es schwierig ist, die Temperatur des Kühlmittels unter die Umgebungstemperatur zu senken. Um dieses Problem zu lösen, hat Hubei Zhongsheng Shares eine Lösung entwickelt, bei der das Füllmaterial der Kühltürme in geschlossene Kühltürme eingeführt wird. Dadurch wird die Temperatur des Sprühwassers gesenkt, wodurch die Effizienz des Wärmetauschs erhöht wird. Mit dieser Methode kann die Temperatur des Kühlmittels im Vergleich zu herkömmlichen geschlossenen Kühlwasserkreislaufsystemen um 2–3 °C gesenkt werden, wodurch dasselbe Kühleffekt wie bei offenen Kühlwasserkreislaufsystemen erzielt wird. Derzeit wird dieses System von Hubei Zhongsheng Shares im Projekt zur sauberen Nutzung von Schwefelreichen Kohlen bei Lu’an in Shanxi eingesetzt. 4. Anwendungsleistungen: Die geschlossenen Luftkühlkreislaufsysteme, die von Hubei Zhongsheng entwickelt und hergestellt werden, finden derzeit in den Bereichen Metallverarbeitung, Petrochemie, Energieerzeugung und Chemieindustrie weit verbreitet Anwendung. Auch im Bereich der Kohlechemie gibt es zahlreiche erfolgreiche Anwendungsfälle. Einige der Leistungsdaten sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Nummer Kunde Name des Geräts Anzahl 1 Zhongmei Shanxi Yuheng Coal Chemical Industry Closed-loop-Wasserkühlungssystem 2 2 Tongmei Guangfa Chemical Industry Co., Ltd. Closed-loop-Wasserkühlungssystem 38 3 Shanxi Kaijia Coalbed Methane Power Generation Co., Ltd. Closed-loop-Wasserkühlungssystem 2 4 Shanxi Lu’an Coal-based Oil Closed-loop-Kühltürme 3 5 Shanxi Lu’an Group – Saubere Nutzung von Schwefelhaltigem Kohlebergbau Closed-loop-Kühltürme 63 6 Zhongtian Hechuang Ordos Coal Deep Processing Closed-loop-Wasserkühlungssystem 38 Adresse: 4. Stock, Gebäude A, Juxian Building, International Enterprise Center, Guanggu Avenue, Donghu Development Zone, Wuhan, Provinz Hubei Telefon: 027-87526852 / 027-87526979 / 027-87797047 Fax: 027-67845121 Postleitzahl: 430074 Website: www.whzseco.com E-Mail: whzsco@163.com (Quelle: Hubei Zhongsheng Shares)