石炭化学工業における省エネ・節水の新たな突破：湖北中聖株式「閉鎖式空冷循環冷却水システム」”

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1. 適用背景　2012年の「国務院による最も厳格な水資源管理制度の実施に関する意見」では、水資源の総量および利用効率が、各種産業の発展における基盤かつ核心として位置づけられた。**「十二五」計画では、石炭化学産業の用水消費指標が明確に定められており、1トンの標準石炭あたりの用水消費量は3トンを超えてはならない。現在、国内の石炭化学企業の水消費量の基準は、一般的に1トンの標準石炭あたり5トン以上となっている。 石炭化学企業の各ユニットの水消費指標を分析すると、循環冷却水システムが最も多くの水を消費しており、水消費量の約60％を占めている。採用されている冷却方式は主に開放型循環冷却水システムであり、この方式は冷却効果は高いが、大量の水が必要となる。西部大開発が加速するにつれて、西北地区の石炭化学プロジェクトも増え続け、水資源への需要もますます高まっている。しかし、北西部地域は水資源が不足しており、オープン型冷却塔を使用する場合の運用コストが高すぎる。一方で、同地域は気温が低く風量も多いため、エアコンデンサーを用いた冷却に非常に適している。 循環冷却水システムの節水技術の研究は、石炭化学産業の第12次五カ年計画における水消費目標を達成するための重要な方向性の一つである。合理的な水の利用と節水を徹底することは、石炭化学企業においてエネルギー消費の削減、コスト削減、排出量の低減、効率向上を図るための重要な取り組みである。同時に、節水は水資源の不足を緩和し、国民経済の持続可能な発展を確保する上で、極めて重要な戦略的意義を持っている。 中国の節水技術政策の概要には、「水の節約と効率的な利用が、水資源の供給と需要の矛盾を緩和するための根本的な方法である」と記されている。節水の核心は、用水の効率と効果を高めることです。**節水を徹底しましょう。科学的な発展観を堅持し、節水をより一層重要な位置に置く。**節水のための新技術、新工程、および重要な設備の研究、開発、そして活用を奨励する。また、大綱において「高効率な循環冷却水処理技術を発展させ、閉ループ循環冷却技術を普及させる」と明確に提案されている。 2. 閉鎖型空冷循環冷却水システム **省エネ・排出削減政策**に応え、乾燥地帯における多水量を消費する企業の発展を促進するため、湖北中聖株式会社（旧武漢中聖エネルギー、以下「湖北中聖株式」と称する）は独自に閉鎖型空冷循環冷却水システムを開発しました。従来の「工業用循環冷却水システム」に代わって、革新的な「閉式空冷循環冷却水システム」を採用し、冷却塔の代わりに省エネ型の水膜式空冷器や複合式空冷器を使用することで、各工程の要件を満たす冷却水温度を確保しつつ、長期にわたって安定して運転できる。さらに、水やエネルギーの節約、排出ガスの削減が可能となり、工程装置のスケール発生を抑制し、装置の寿命を延ばすことができる。 密閉型空冷循環冷却水システムは、水冷と空冷、伝熱と伝質のプロセスを一体化した、新しいタイプの高効率で省エネルギーな循環冷却水システムです。 2.1. 工程上の特徴　密閉型空冷循環冷却水システムでは、軟水または脱塩水が冷却水として使用され、工程内の熱交換装置から熱を吸収する。温度が上昇すると、省エネ型の水膜式空冷器または複合式空冷器（下図参照、略して空冷器）の管内に入り、まずフィン付き管部分（複合式空冷器にのみあり）で予冷され、その後スプレー管部分に入って管外の空気やスプレー水によってさらに熱が吸収される。冷却された水は循環ポンプによって加圧され、再び工程内の熱交換装置へ送られる。軟水は閉鎖循環システム内で循環利用され、外部の空気と接触することなく、吸熱および放熱の熱伝達プロセスを行う。閉ループ循環により軟化水または脱塩水の品質が安定し、ほとんど損失が生じないため、システム設備からの漏れによって失われるごく少量の軟化水のみを補給すればよい。 省エネ型水膜式空冷器　複合式空冷器　気温が高い場合、ファンとスプレー水ポンプを同時に起動する。スプレー水ポンプはスプレー水を熱交換管の上方にあるスプレー水分配システムへ送り、スプレー水は下方に向かって熱交換管に噴射され、熱交換管の外部に均一な水膜を形成する。この水膜は管内の熱を吸収し、空気中で蒸発して気化する。水の気化に伴う潜熱は、水の温度上昇に伴う顕熱を上回るため、全体の熱伝達過程を大幅に促進し、熱交換面積を減少させる。気化した水が空気中に混入し、出口で脱水器によって混入した水しぶきが除去された後、フィンチューブを通って大気中に排出される。ほとんどの散水は下に落ちて水槽に戻り、循環利用される。散水自体も落下する過程で空気によって冷却される。 気温が下がるにつれて、ファンやスプレーポンプの台数を減らすか、インバーターを使ってファンの回転速度を下げることで熱交換量を調整し、出水温度の安定を維持できます。熱交換設計により、0℃、5℃、10℃、15℃の時にスプレー水を停止させることができる。この時、空冷器は誘引型の乾式空冷器と同等となる。大同同煤集団の石炭からメタノールを製造するプロジェクトでは、環境温度が0℃未満の場合、水を噴霧する必要がなく、**水の消費量を節約できる。 2.2.技術的優位性 密閉式空冷循環冷却水システムは、従来の産業用循環冷却水システムと比べて多くの利点があり、以下の表に示す通りである。 閉ループ空冷式循環冷却水システムの利点　従来の産業用循環冷却水システムの欠点　敷地選定に制限がない　敷地選定は水源と大きく関連する　空冷と水冷を組み合わせることで、水使用量を効果的に削減できる　完全に水冷に依存するため、水使用量が多い　閉ループ循環により水質が安定し、プロセス用熱交換設備の熱伝達効率と寿命が向上する　循環水の水質が不安定で、熱交換設備にスケールや腐食が生じやすい　メンテナンスが簡単で運転コストが低い　メンテナンスが複雑で運転コストが高い　排水量が少なく、環境保護に有利　排水量が多く、汚水処理に多額の投資が必要　電源遮断後も一部の冷却能力が維持される　電源が遮断されると全工程が停止してしまう　2.3.経済的優位性　通常の設計によれば、ある循環水ステーションの規模は20,000m³/hであり、閉ループ空冷式循環冷却水システムを採用した場合、その設計規模、設備投資、消費データなどは、開放式循環水システムや従来の閉ループ循環水システムと比較して明らかな優位性がある。以下の表を参照のこと。 項目　装置投資（万円）　薬剤消費量（kg/h）　電力消費量（kW）　平均水消費量（m3/h）　運用コスト*（万円/年）
従来型開放式循環水システム　3700　6.2　4350　410　5726
閉鎖式空冷循環水システム　6900　3.1　5550　205　4213
注*：運用コスト＝薬剤費＋電気代＋水道代。ここでの薬剤費は10元/kg、電気代は0.5元/キロワット時、水道代は12元/m3（内モンゴルのある企業の値）として計算。 閉鎖式空冷循環水システムは、従来の開放式循環水システムと比べて年間1513万元の運転コストを削減でき、2～3年で投資回収が可能である。 3. 会社の研究成果 長年にわたり、湖北中聖株式は絶えず革新を続けてきました。設計・研究開発スタッフの共同努力により、閉回路空冷循環冷却水システムも絶えず改善され、以下のような技術的成果を達成しました。 1. 複合空冷方式を採用し、節水効果を最大化（ZL200910062950.6）　我が国の冬は寒く夏は暑いという気候特性に基づき、最適な節水効果を得るために、湖北中聖株式会社の特許製品である複合空冷器を使用することで散水水量を削減する。具体的には、夏季には散水を開始し、乾式空冷と湿式空冷を併用する。冬季は散水を停止し、乾式空冷のみを運転する。春および秋には、必要に応じて散水を行うか、あるいは少なくして風量や角度を調整する。 プロジェクト製品の実運用経験によると、本システムの用水率はわずか0.9%であり、同規模の従来型産業用冷却水システムの用水率の平均値は2.5%である。このシステム製品は、従来の工業用冷却水システムと比べて30％～70％の水を節約できます。 現在、この技術は我が国の西北部および東北部地域で既に成功裏に導入されており、中国煤炭陝西榆林や山西凱嘉のメタンハイドレート発電プロジェクト、湖北中聖株式会社の閉ループ冷却水システムでは、0℃で給水を停止させることが可能である。また、間もなく始動する内モンゴル中天合創のオルドス炭炭素深加工実証プロジェクトにおいても、湖北中聖株式会社が先駆けて15℃未満で給水を停止させる新技術を導入する予定である。 2.散水システムの流量調整（ZL201420522388.7） 既存の蒸発式空冷器の散水システムでは、散水管が主管＋支管という配水形式を採用しており、支管にはスプレーノズルが取り付けられている。スプレー水配管システムは、蒸発空冷器の管群の上部に設置され、風と水は管群の外部で逆流する状態になっている。上部管束では、水が管束と均一に接触し、熱交換効果が良い。最下部の管束では、水流の影響で水と管束の接触が不均一となり、空気の飽和度が低く風量が多いため、管束の下部で水の分布が不均一になり乾燥点が生じる。また、水は上部管束から下部管束へと流れ、熱を吸収するため温度が次第に上昇し、スケールが付着する可能性も高くなります。実際の運転においても、下部管束にスケールがひどく付着している例が見られます。 湖北中圣株式は、既存の設備に加えて配管束の下部にスプレー管系を追加し、下部の熱交換管に直接散水することで、下部熱交換配管束の外壁に乾燥点が生じるのを防ぐとともに、下部配管束のスケール付着も効果的に抑制している。下部スプレー管系の流量は、流量調整弁によって調節可能である；スプリンクラーポンプの出口に圧力安定タンクを追加し、スプリンクラーシステムの圧力を安定させることで、流量調整によって生じる上下のスプリンクラーパイプ間のシステム圧力の変動を効果的に緩和する。 3.充填材を導入し、熱交換効率を向上させる（ZL201420522389.1） 閉ループ式冷却塔は主に空気を熱交換媒体として使用するため、冷却媒体の温度を環境温度以下に下げることが困難である。この問題に対し、湖北中聖株式会社は冷却塔のフィラーを密閉型冷却塔に導入し、スプレー水の温度を下げることで熱交換効率を向上させる設計を行った。この方法を用いることで、通常の閉式空冷循環冷却水システムにおいても冷却媒体の温度を2～3℃下げることができ、開式循環冷却水システムと同等の冷却効果を得ることができる。現在、湖北中聖株式会社が山西省の潞安高硫黄炭のクリーン利用プロジェクトで採用しているのが、このシステムです。 4.導入実績 現在、湖北中聖株式会社が設計・製造している密閉型空冷循環冷却水システムは、冶金、石油化学、電力、化学工業分野で広く採用されており、石炭化学分野においても多くの成功事例があります。主な実績は下表の通りです。 序号　顧客名　装置名　台数
1　中煤山西榆横煤化工　閉式空冷循環水システム
2　同煤広発化学工業有限公司　閉式空冷循環水システム　38台
3　山西凱嘉煤層気発電有限公司　閉式空冷循環水システム　2台
4　山西潞安煤基油　閉式冷却塔　3基
5　山西潞安集団高硫煤のクリーンな利用　閉式冷却塔　63基
6　中天合創鄂爾多斯煤炭深加工　閉式空冷循環水システム　38台

住所：湖北省武漢市東湖開発区光谷大道国際企業センター聚賢楼A棟4F
電話：027-87526852 / 027-87526979 / 027-87797047
ファックス：027-67845121
郵便番号：430074
ウェブサイト：www.whzseco.com
メールアドレス：whzsco@163.com
（出典：湖北中聖株式会社）