Novas conquistas em economia de energia e água na indústria química do carvão: o sistema de resfriamento a ar fechado e circulação de água de resfriamento da empresa Hubei Zhongsheng”

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1. Contexto de aplicação: Em 2012, as “Opiniões do Conselho de Estado sobre a implementação do sistema mais rigoroso de gestão dos recursos hídricos” colocaram o volume total de uso e a eficiência no uso desses recursos como elementos fundamentais para o desenvolvimento de diversos setores industriais. **O 12º Plano Quinquenal estabeleceu claramente os indicadores de consumo de água para a indústria química do carvão: o consumo de água por tonelada de carvão padrão não deve exceder 3 toneladas. Atualmente, as empresas de química a base de carvão no país têm um consumo de água que, em média, é de pelo menos 5 toneladas por tonelada de carvão padrão. Ao analisar os indicadores de consumo de água em cada unidade das empresas de química do carvão, percebe-se que o sistema de resfriamento por circulação é o maior consumidor de água, responsável por cerca de 60% do consumo total. O método de resfriamento utilizado é principalmente o sistema de resfriamento por circulação aberta. Esse método oferece um bom desempenho no resfriamento, mas exige um grande consumo de água. Com a aceleração do desenvolvimento do Oeste, há cada vez mais projetos de indústria química baseada em carvão na região noroeste, o que aumenta a demanda por recursos hídricos. Mas, na região noroeste, há escassez de recursos hídricos. Além disso, o custo operacional do uso de torres de resfriamento abertas é muito alto. Por outro lado, as baixas temperaturas e os fortes ventos na região noroeste tornam adequado o uso de resfriadores a ar para o resfriamento. Estudar tecnologias de economia de água em sistemas de resfriamento por circulação é uma das direções importantes para atingir as metas de consumo de água estabelecidas no plano quinquenal para a indústria de químicos à base de carvão. Utilizar a água de maneira racional e economizá-la é uma tarefa importante para as empresas do setor químico baseado no carvão, visando reduzir o consumo de energia, diminuir as emissões e aumentar a eficiência. Ao mesmo tempo, a economia de água tem uma importância estratégica fundamental para aliviar a escassez de recursos hídricos e garantir o desenvolvimento sustentável da economia nacional. No esboço da política chinesa de tecnologias de economia de água, é afirmado que “a economia e o uso eficiente da água são os meios fundamentais para resolver o conflito entre a oferta e a demanda por recursos hídricos”. O cerne da economia de água é aumentar a eficiência e a eficácia no seu uso. **Seja rigoroso na economia de água. Manter uma visão de desenvolvimento científica, dando maior importância à economia de água. **Incentivar a pesquisa, o desenvolvimento e a aplicação de novas tecnologias, novos processos e equipamentos avançados para a economia de água. E no esboço é especificado claramente “desenvolver tecnologias eficientes para o tratamento de água de resfriamento em ciclo fechado, e promover a utilização dessa tecnologia”. 2. Sistema de água de resfriamento em ciclo fechado com arrefecimento a ar. Para atender às políticas de redução de emissões e economia de energia, e para incentivar o desenvolvimento de empresas que consomem muita água em regiões áridas, a Hubei Zhongsheng Co., Ltd. (anteriormente Wuhan Zhongsheng Energy; doravante denominada “Hubei Zhongsheng Co.”) desenvolveu por conta própria um sistema de água de resfriamento em ciclo fechado com arrefecimento a ar. Substituir o tradicional “sistema de refrigeração por água em ciclo industrial” por um “sistema inovador de refrigeração por ar em ciclo fechado”. Além disso, substituir as torres de resfriamento por resfriadores a ar de tipo membrana ou resfriadores combinados, que permitem manter a temperatura da água de refrigeração dentro dos limites necessários para as diferentes operações industriais. Isso permite um funcionamento estável a longo prazo, além de economizar água e energia, reduzir as emissões e diminuir a formação de incrustações nos equipamentos industriais, prolongando assim sua vida útil. O sistema de água de resfriamento em ciclo fechado com arrefecimento a ar integra o arrefecimento por água e o arrefecimento a ar, bem como os processos de transferência de calor e de massa, sendo um sistema de água de resfriamento em ciclo que é eficiente e econômico. 2.1. Características do processo: O sistema de resfriamento por circulação a ar fechado utiliza água macia ou água desmineralizada como meio de resfriamento. Essa água absorve o calor gerado pelos equipamentos de troca de calor do processo. Após aumentar de temperatura, ela entra nos tubos do resfriador a ar de tipo membrana ou no resfriador a ar combinado (ver figura abaixo; abreviado como “resfriador a ar”). Primeiro, ela passa pela seção de tubos com aletas (presente no resfriador a ar combinado), onde é pré-resfriada. Em seguida, ela entra na seção de tubos de pulverização, onde o calor é absorvido pelo ar externo e pela água de pulverização. Depois de ser resfriada, a água é pressionada pela bomba de circulação e enviada de volta aos equipamentos de troca de calor do processo. A água macia é utilizada em ciclos fechados, sem entrar em contato com o ar externo, realizando assim o processo de transferência de calor, tanto por absorção quanto por emissão. Como a água amaciada em ciclo fechado ou a água desmineralizada mantêm uma qualidade estável, quase não há perdas; apenas é necessário repor uma pequena quantidade de água amaciada que se perde devido a vazamentos nos equipamentos do sistema. Resfriador a ar com membrana de água de baixo consumo energético; Resfriador a ar combinado. Quando a temperatura do ar é alta, o ventilador e a bomba de água para pulverização são acionados ao mesmo tempo. A bomba de água para pulverização envia a água para o sistema de distribuição de água acima dos tubos de troca de calor. A água é pulverizada para baixo, em direção aos tubos de troca de calor, formando assim uma camada uniforme de água ao redor deles. Essa camada de água absorve o calor presente dentro dos tubos e evapora no ar. O calor latente de vaporização da água **é maior que o calor sensível necessário para elevar a temperatura da água**, o que intensifica significativamente todo o processo de transferência de calor, reduzindo assim a área necessária para essa troca de calor. Como a água vaporizada entra no ar, ela é removida no ponto de saída por um dispositivo de remoção de água, e, em seguida, é liberada na atmosfera através dos tubos com aletas. A maior parte da água de pulverização cai para baixo, voltando a ser utilizada no tanque de armazenamento. Enquanto cai, a água é resfriada pelo ar. À medida que a temperatura diminui, é possível reduzir o número de ventiladores e bombas de pulverização, ou diminuir a velocidade dos ventiladores por meio de controle de frequência, a fim de regular a quantidade de calor trocado e manter a temperatura da água saída estável. Por meio do projeto de troca de calor, é possível interromper o fluxo de água de borrifamento nas temperaturas de 0°C, 5°C, 10°C e 15°C. Nesse momento, o resfriador a ar funciona como um resfriador a ar seco do tipo de sucção de ar. No projeto de produção de metanol a partir de carvão do grupo Datong Tongmei, quando a temperatura ambiente está abaixo de 0°C, não é necessário borrifar água, **o que economiza consumo de água. 2.2. Vantagens técnicas O sistema de resfriamento por água em ciclo fechado possui muitas vantagens em comparação com os sistemas tradicionais de resfriamento industrial, conforme mostrado na tabela a seguir. Vantagens do sistema de resfriamento por circulação com ar fechado:
Desvantagens dos sistemas tradicionais de resfriamento por circulação de água na indústria:
A escolha do local da fábrica não é limitada. A escolha do local está diretamente relacionada à disponibilidade de fontes de água. A combinação de resfriamento por ar e resfriamento por água permite reduzir significativamente o consumo de água. Se o resfriamento depender exclusivamente da água, o consumo de água será alto. Com um ciclo fechado, a qualidade da água permanece estável, o que aumenta a eficiência e a vida útil dos equipamentos de troca de calor. Quando a qualidade da água em circulação não é estável, os equipamentos de troca de calor tendem a sofrer incrustações e corrosão. A manutenção é simples, e os custos operacionais são baixos. Por outro lado, a manutenção é complexa, e os custos operacionais são altos. Há menos resíduos gerados, o que é benéfico para o meio ambiente. No entanto, há mais resíduos, o que exige investimentos maiores no tratamento de águas residuais. Mesmo quando a energia elétrica é interrompida, ainda há alguma capacidade de resfriamento. Quando a energia é interrompida, toda a produção precisa ser parada.

2.3. Vantagens econômicas:
De acordo com o projeto convencional, uma estação de circulação de água com capacidade de 20.000 m³/h, utilizando um sistema de resfriamento por circulação com ar fechado, apresenta vantagens significativas em comparação com sistemas de circulação aberta e sistemas de circulação fechada convencionais. Essas vantagens estão descritas na tabela abaixo. Projeto | Investimento em equipamentos (milhares de yuans) | Consumo de produtos químicos (kg/h) | Consumo de energia elétrica (kW) | Consumo médio de água (m³/h) | Custos operacionais* (milhares de yuans/ano)
Sistema de circulação de água aberto tradicional | 3700 | 6,2 | 4350 | 410 | 5726
Sistema de circulação de água com resfriamento a ar fechado | 6900 | 3,1 | 5550 | 205 | 4213
Nota*: Custos operacionais = custo dos produtos químicos + custo da eletricidade + custo da água. Os valores utilizados são: 10 yuan/kg para os produtos químicos, 0,5 yuan/kWh para a eletricidade e 12 yuan/m³ para a água (dados de uma empresa em Inner Mongolia). O sistema de água de resfriamento por circulação fechada permite economizar 15,13 milhões de yuans anualmente em custos operacionais, em comparação com os sistemas tradicionais de circulação aberta. O investimento é recuperado em 2 a 3 anos. 3. Resultados de pesquisa da empresa Ao longo dos anos, a Hubei Zhongsheng Co., Ltd. manteve-se comprometida com a inovação. Graças aos esforços conjuntos de seus designers e pesquisadores, o sistema de resfriamento por circulação de água a ar fechado foi constantemente aprimorado, resultando nos seguintes avanços tecnológicos. 1. Utilização de arrefecimento combinado, para obter o melhor desempenho na economia de água (ZL200910062950.6). Devido às características climáticas do nosso país, com invernos frios e verões quentes, para alcançar a melhor economia de água, utiliza-se o produto patenteado da Hubei Zhongsheng, que é um sistema de arrefecimento combinado. Isso permite reduzir o consumo de água utilizada para o arrefecimento. No verão, o sistema de arrefecimento combinado é ativado, com uso tanto do arrefecimento a seco quanto do arrefecimento a úmido. No inverno, o uso da água para arrefecimento é interrompido, e apenas o arrefecimento a seco é utilizado. Na primavera e no outono, o uso da água para arrefecimento é reduzido ou incluso desativado, dependendo das necessidades, além disso, a quantidade e o ângulo do ar também são ajustados. A experiência prática de operação dos produtos do projeto mostra que a taxa de consumo de água desse sistema é de apenas 0,9%, enquanto a taxa média de consumo de água nos sistemas tradicionais de resfriamento industrial, com mesmo porte, é de 2,5%. Os produtos do sistema permitem economizar de 30% a 70% de água em comparação com os sistemas tradicionais de resfriamento industrial. Atualmente, essa inovação já foi aplicada com sucesso nas regiões noroeste e nordeste do nosso país. Nos projetos de geração de energia a partir de gás de xisto da Zhongmei em Yulin, Shaanxi, e da Shanxi Kaijia, bem como no sistema de resfriamento por ciclo fechado da Hubei Zhongsheng, é possível interromper o fornecimento de água a 0°C. No projeto-piloto de processamento avançado de carvão da Inner Mongolia Zhongtianhechuang em Ordos, que está prestes a começar, a Hubei Zhongsheng será a primeira a utilizar essa nova tecnologia, que permite interromper o fornecimento de água a temperaturas inferiores a 15°C. 2. Regulação do fluxo do sistema de pulverização (ZL201420522388.7) O sistema de pulverização dos resfriadores por evaporação existentes utiliza um sistema de distribuição de água composto por tubos principais e tubos secundários, sendo que nos tubos secundários são instalados bicos de pulverização. A instalação do sistema de tubulações de pulverização fica na parte superior do conjunto de tubos do resfriador por evaporação; o ar e a água circulam em direções opostas, fora do conjunto de tubos. No conjunto de tubos superior, a água entra em contato uniforme com os tubos, o que resulta em um bom desempenho na troca de calor. Na parte inferior do conjunto de tubos, devido ao fluxo da água, o contato entre a água e os tubos não é uniforme. Além disso, devido à insaturação do ar e ao grande volume de ar em movimento, a água se distribui de maneira desigual na parte inferior dos tubos, o que gera pontos secos. Além disso, a água flui do conjunto de tubos superior para o conjunto de tubos inferior; devido à absorção de calor, a temperatura aumenta cada vez mais, o que aumenta a probabilidade de formação de incrustações. Na prática, também é possível observar incrustações graves nos tubos inferiores. A Hubei Zhongsheng Shares adicionou um sistema de tubos de pulverização na parte inferior do conjunto de tubos, com base no que já existia. Esse sistema permite que haja um pulverização direta sobre os tubos de troca de calor localizados na parte inferior, evitando assim a formação de pontos secos na parede externa desses tubos. Além disso, isso também ajuda a reduzir efetivamente a formação de incrustações nos tubos da parte inferior. O fluxo de água no sistema de pulverização pode ser regulado por meio de válvulas de controle de fluxo ； É adicionado um tanque de pressão na saída da bomba de água para o sistema de pulverização, a fim de estabilizar a pressão do sistema. Isso permite que as flutuações de pressão no sistema, causadas pela regulação do fluxo de água, sejam efetivamente reduzidas. 3. Introdução de material de preenchimento para aumentar a eficiência da troca de calor (ZL201420522389.1). As torres de resfriamento fechadas utilizam o ar como fonte de troca de calor, o que dificulta a redução da temperatura do meio de resfriamento abaixo da temperatura ambiente. Para resolver esse problema, a Hubei Zhongsheng Shares desenvolveu um sistema que utiliza material de preenchimento em torres de resfriamento do tipo fechado, aumentando assim a eficiência da troca de calor por meio da redução da temperatura da água de refrigeração. Ao utilizar este método, é possível reduzir a temperatura do meio de resfriamento em 2–3°C, em comparação com os sistemas convencionais de resfriamento por água em circuito fechado. Dessa forma, obtém-se o mesmo efeito de resfriamento dos sistemas de resfriamento por água em circuito aberto. Atualmente, a Hubei Zhongsheng Shares utiliza esse sistema no projeto de utilização sustentável do carvão rico em enxofre da Shanxi Lu’an. 4. Desempenho da aplicação Atualmente, os sistemas de resfriamento por circulação de água a ar fechado, projetados e produzidos pela Hubei Zhongsheng Co., Ltd., são amplamente utilizados nos setores de metalurgia, petroquímica, energia e química. Há também muitos casos de sucesso em aplicações no setor de química do carvão. Alguns dos resultados obtidos estão apresentados na tabela abaixo. Número | Cliente | Nome do dispositivo | Quantidade |
---|---|---|---|
1 | Zhongmei Shanxi Yuheng Coal Chemical Industry | Sistema de circulação de água com resfriamento a ar fechado | 1 |
2 | Tongmei Guangfa Chemical Industry Co., Ltd. | Sistema de circulação de água com resfriamento a ar fechado | 38 |
3 | Shanxi Kaijia Coal Bed Methane Power Generation Co., Ltd. | Sistema de circulação de água com resfriamento a ar fechado | 2 |
4 | Shanxi Lu’an Coal-based Oil | Torre de resfriamento fechada | 3 |
5 | Shanxi Lu’an Group – Utilização sustentável de carvão rico em enxofre | Torre de resfriamento fechada | 63 |
6 | Zhongtian Hechuang Ordos Coal Deep Processing | Sistema de circulação de água com resfriamento a ar fechado | 38 |

Endereço: 4º andar, Edifício Juxian, International Enterprise Center, Guanggu Avenue, Donghu Development Zone, Wuhan City, Província de Hubei.
Telefone: 027-87526852 / 027-87526979 / 027-87797047
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E-mail: whzsco@163.com
(Fonte: Hubei Zhongsheng Shares)