Nuevos avances en el ahorro de energía y agua en la industria del carbón: el sistema de enfriamiento por aire cerrado y agua de refrigeración reciclable de Hubei Zhongsheng Co., Ltd”

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1. Contexto de aplicación: En el año 2012, las “Opiniones del Consejo de Estado sobre la implementación del sistema más estricto de gestión de los recursos hídricos” establecieron que el volumen total de uso y la eficiencia en su utilización pasaban a ser elementos fundamentales para el desarrollo de diversos sectores industriales. **En el 12º Plan Quinquenal se establecieron claramente los indicadores de consumo de agua para la industria química basada en el carbón: el consumo de agua por tonelada de carbón equivalente no debe superar las 3 toneladas. Actualmente, en las empresas nacionales de química del carbón, el índice de consumo de agua es, en general, de no menos de 5 toneladas por tonelada de carbón térmico. Al analizar los indicadores de consumo de agua en las diferentes unidades de las empresas dedicadas a la química del carbón, se observa que el sistema de agua de refrigeración por circulación es el mayor consumidor de agua, representando aproximadamente el 60% del consumo total. El método de refrigeración utilizado es principalmente el sistema de agua de refrigeración por circulación abierta; este método ofrece buenos resultados en términos de refrigeración, pero requiere una gran cantidad de agua. A medida que se acelera el desarrollo del oeste, también aumentan los proyectos de química del carbón en la región noroeste, lo que genera una mayor demanda de recursos hídricos. Pero en la región noroeste hay escasez de recursos hídricos, y el costo de operación de las torres de enfriamiento abiertas es demasiado alto. Por otro lado, debido a las bajas temperaturas y al fuerte viento en esa región, resulta muy adecuado utilizar enfriadores por aire para el proceso de enfriamiento. Estudiar las tecnologías de ahorro de agua en los sistemas de refrigeración por circulación es una de las direcciones importantes para cumplir con los objetivos de consumo de agua establecidos en el plan quinquenal para la industria del carbón. Utilizar el agua de manera racional y ahorrarla es una tarea importante para que las empresas químicas basadas en el carbón puedan reducir su consumo energético, disminuir sus emisiones y mejorar su eficiencia. Al mismo tiempo, el ahorro de agua tiene una gran importancia estratégica para aliviar la escasez de recursos hídricos y garantizar el desarrollo sostenible de la economía nacional. En el esquema de políticas tecnológicas para el ahorro de agua en China se señala que “el ahorro y el uso eficiente del agua son la forma fundamental de resolver la contradicción entre la oferta y la demanda de recursos hídricos”. La clave para ahorrar agua es mejorar la eficiencia y el rendimiento en su uso. **Ser estrictos con el uso del agua. Se debe adherir a una visión de desarrollo científica, dando una importancia aún mayor al ahorro de agua. **Se fomenta la investigación, el desarrollo y la aplicación de nuevas tecnologías, nuevos procesos y equipos avanzados para el ahorro de agua. Y se establece claramente en el esquema «desarrollar tecnologías eficientes para el tratamiento de aguas de enfriamiento por circulación, y promover la tecnología de enfriamiento por circulación cerrada». 2. Sistema de agua de refrigeración por circulación con enfriamiento por aire cerrado. Con el objetivo de dar respuesta a las políticas de reducción de emisiones y ahorro de energía, y para fomentar el desarrollo de las empresas que consumen grandes cantidades de agua en las regiones áridas, la empresa Hubei Zhongsheng Co., Ltd. (anteriormente Wuhan Zhongsheng Energy; en lo sucesivo, “Hubei Zhongsheng Co.”) desarrolló por sí misma un sistema de agua de refrigeración por circulación con enfriamiento por aire cerrado. Se sustituye el tradicional “sistema de agua de refrigeración por circulación industrial” por un innovador “sistema de agua de refrigeración por circulación cerrada”. Asimismo, se reemplazan las torres de enfriamiento por enfriadores de tipo película de agua o enfriadores combinados, que no solo permiten mantener la temperatura del agua de refrigeración adecuada para satisfacer los requisitos de los diferentes procesos, sino que también garantizan un funcionamiento estable a largo plazo. Además, estos sistemas permiten ahorrar agua y energía, reducir las emisiones, disminuir la formación de incrustaciones en los equipos de proceso y prolongar su vida útil. El sistema de agua de refrigeración por circulación con enfriamiento por aire cerrado integra el enfriamiento por agua y el enfriamiento por aire, así como los procesos de transferencia de calor y de masa; se trata de un sistema de agua de refrigeración por circulación de tipo nuevo, eficiente y ahorrador de energía. 2.1. Características del proceso: El sistema de enfriamiento por circulación de agua a aire cerrado utiliza agua blanda o agua desionizada como medio de refrigeración. Esta agua absorbe el calor generado por los equipos de intercambio térmico del proceso. Una vez que su temperatura aumenta, el agua pasa a través de los tubos del enfriador por película de agua de bajo consumo energético o del enfriador combinado (ver figura siguiente; en adelante, simplemente “enfriador”). Primero, el agua pasa por la sección de tubos con aletas (presente en los enfriadores combinados) para ser preenfriada. Luego, pasa por la sección de tubos de rociado, donde el aire y el agua de rociado absorben aún más calor. Después de eso, el agua es presurizada por la bomba de circulación y enviada nuevamente a los equipos de intercambio térmico del proceso. El agua blanda se utiliza en un sistema de ciclo cerrado, sin entrar en contacto con el aire exterior, para llevar a cabo el proceso de transferencia de calor por absorción y emisión. Debido a que la calidad del agua ablandada en un ciclo cerrado o del agua desionizada es estable, prácticamente no hay pérdidas; solo se reemplaza la pequeña cantidad de agua ablandada que se pierde debido a fugas en los equipos del sistema. Enfriador por película de agua de bajo consumo energético. Enfriador combinado. Cuando la temperatura del aire es alta, el ventilador y la bomba de agua para rociado se activan al mismo tiempo. La bomba de agua para rociado envía el agua de rociado al sistema de distribución de agua situado por encima de los tubos de intercambio térmico. El agua de rociado cae hacia abajo sobre los tubos, formando una capa uniforme de agua alrededor de ellos. Esta capa de agua absorbe el calor presente dentro de los tubos y se evapora al entrar en contacto con el aire. La energía latente de vaporización del agua **es mayor que la energía sensible necesaria para elevar su temperatura**, por lo que se potencia en gran medida todo el proceso de transferencia de calor, reduciendo así la superficie de intercambio térmico. Dado que el agua vaporizada ingresa al aire, en la salida se elimina el agua en suspensión mediante un deshumidificador, y posteriormente el aire pasa a través de los tubos con aletas para ser liberado en la atmósfera. La mayor parte del agua de rociado cae hacia abajo y vuelve a utilizarse en el tanque. Mientras cae, el agua de rociado se enfría por efecto del aire. A medida que la temperatura disminuye, se puede reducir el número de ventiladores y bombas de rociado, o bien se puede disminuir la velocidad de rotación de los ventiladores mediante variadores de frecuencia, con el fin de regular la cantidad de calor intercambiado y mantener estable la temperatura del agua saliente. Mediante el diseño de intercambio de calor, es posible detener el agua de rociado a 0 °C, 5 °C, 10 °C y 15 °C. En este momento, el enfriador por aire funciona como un enfriador seco de tipo aspirativo. En el proyecto de metanol a partir de carbón del grupo Datong Tongmei, cuando la temperatura ambiental es inferior a 0°C, no es necesario rociar agua, **lo que permite ahorrar en su consumo**. 2.2. Ventajas técnicas El sistema de agua de refrigeración por circulación cerrada con enfriamiento por aire tiene muchas ventajas en comparación con los sistemas tradicionales de agua de refrigeración para uso industrial, como se muestra en la tabla a continuación. Ventajas del sistema de enfriamiento por circulación de agua a aire cerrado:
Desventajas de los sistemas tradicionales de enfriamiento por circulación de agua en la industria:
No hay limitaciones en la elección del lugar donde se instalará la planta. La elección del sitio está estrechamente relacionada con la disponibilidad de fuentes de agua. Al combinar el enfriamiento por aire con el enfriamiento por agua, se reduce significativamente el consumo de agua. Si se utiliza exclusivamente el enfriamiento por agua, el consumo de agua es alto. El sistema de circulación cerrada permite mantener una calidad constante del agua, lo que aumenta la eficiencia y la vida útil de los equipos de intercambio térmico. En cambio, si la calidad del agua no es estable, los equipos de intercambio térmico pueden sufrir incrustaciones y corrosión. El mantenimiento es sencillo y los costos operativos son bajos. Por otro lado, el mantenimiento es complejo y los costos operativos son altos. La cantidad de residuos generados es baja, lo cual es beneficioso para el medio ambiente. En cambio, si la cantidad de residuos es alta, se requieren grandes inversiones en el tratamiento de aguas residuales. Incluso cuando se corta la alimentación eléctrica, aún queda algo de capacidad de enfriamiento. Pero si se corta la electricidad, toda la producción debe detenerse.

2.3. Ventajas económicas:
Según el diseño convencional, una estación de circulación de agua con una capacidad de 20.000 m³/h, que utilice un sistema de enfriamiento por circulación de agua a aire cerrado, presenta ventajas significativas en comparación con los sistemas de circulación de agua abierta y los sistemas de circulación cerrada convencionales. Estas ventajas se muestran en la tabla a continuación. Proyecto: Inversión en equipos (mil yuanes), Consumo de productos químicos (kg/h), Consumo de energía eléctrica (kW), Consumo promedio de agua (m3/h). Costos operativos* (mil yuanes/año). Sistema de circulación de agua abierta tradicional: 3700, 6.2, 4350, 410, 5726. Sistema de circulación de agua con enfriamiento por aire cerrado: 6900, 3.1, 5550, 205, 4213. Nota*: Los costos operativos se calculan como: costo de los productos químicos + costo de la electricidad + costo del agua. Los precios utilizados son: 10 yuanes/kg para los productos químicos, 0.5 yuanes/kWh para la electricidad y 12 yuanes/m3 para el agua (según datos de una empresa en Inner Mongolia). El sistema de agua de refrigeración por circulación cerrada permite ahorrar 15,13 millones de yuanes anuales en costos operativos en comparación con los sistemas tradicionales de circulación abierta; la inversión se recupera en 2-3 años. 3. Logros de la empresa En los últimos años, Hubei Zhongsheng ha seguido insistiendo en la innovación. Gracias al esfuerzo conjunto de sus diseñadores e investigadores, el sistema de refrigeración por circulación de agua a aire cerrado también ha sido constantemente mejorado, lo que ha permitido lograr los siguientes avances técnicos. 1. Se utiliza un sistema de enfriamiento combinado por aire, lo que permite lograr el máximo ahorro de agua (ZL200910062950.6). Dadas las características climáticas de nuestro país, donde hace frío en invierno y calor en verano, para obtener el mejor resultado en cuanto al ahorro de agua, se emplean los productos patentados de Hubei Zhongsheng. Estos sistemas permiten reducir el consumo de agua para la refrigeración; en verano, se utiliza el sistema de enfriamiento por aire húmedo junto con el sistema de enfriamiento por aire seco. En invierno, solo se utiliza el sistema de enfriamiento por aire seco. En primavera y otoño, se utiliza menos agua para la refrigeración, según sea necesario, y además se ajusta la cantidad y el ángulo del flujo de aire. La experiencia práctica de operación de los productos del proyecto demuestra que la tasa de consumo de agua de este sistema es de solo el 0,9%, mientras que la tasa promedio de consumo de agua en los sistemas tradicionales de enfriamiento industrial de similar tamaño es del 2,5%. Los productos del sistema permiten ahorrar entre un 30% y un 70% de agua en comparación con los sistemas tradicionales de refrigeración industrial. Actualmente, esta innovación ya se ha aplicado con éxito en las regiones noroeste y noreste de nuestro país. En los proyectos de generación de energía a partir de gas de yacimientos de carbón de Zhongmei Yulin en Shaanxi y Kaijia en Shanxi, así como en el sistema de refrigeración por ciclo cerrado de Hubei Zhongsheng Co., Ltd., es posible detener el flujo de agua a 0°C. En el proyecto piloto de procesamiento avanzado del carbón en Ordos, en Inner Mongolia, que está a punto de comenzar, Hubei Zhongsheng Co., Ltd. será la primera en utilizar esta nueva tecnología que permite detener el flujo de agua a temperaturas inferiores a 15°C. 2. Ajuste del caudal del sistema de rociado (ZL201420522388.7). El sistema de rociado de los actualmente existentes enfriadores por evaporación utiliza un diseño de distribución de agua que consiste en tuberías principales y tuberías secundarias; además, en las tuberías secundarias se instalan rociadores. La instalación de la red de tuberías de rociado se encuentra en la parte superior del conjunto de tubos del enfriador por evaporación; el aire y el agua fluyen en dirección contraria uno al otro, fuera del conjunto de tubos. En el haz de tuberías superior, el agua entra en contacto de manera uniforme con las mismas, lo que permite una buena eficiencia en el intercambio de calor. En el haz de tuberías más inferior, debido al flujo del agua, el contacto entre el agua y las tuberías no es uniforme. Por la insaturación del aire y una gran cantidad de aire en movimiento, el agua se distribuye de manera desigual en la parte inferior del haz de tuberías, lo que genera puntos secos. Además, el agua fluye desde los tubos superiores hacia los inferiores; al absorber calor, su temperatura aumenta cada vez más, lo que incrementa la posibilidad de formación de incrustaciones. En la práctica, también se puede observar que los tubos inferiores se cubren gravemente de incrustaciones. Hubei Zhongsheng Shares ha añadido, sobre la base del sistema existente, un sistema de tuberías de rociado en la parte inferior del conjunto de tuberías. Este sistema permite rociar directamente las tuberías de intercambio térmico situadas en esa zona, lo que evita que se formen puntos secos en su superficie exterior. Además, esto ayuda a reducir efectivamente la formación de incrustaciones en dichas tuberías. El caudal del sistema de rociado puede regularse mediante válvulas de control de flujo ； Se añade un tanque de estabilización en la salida de la bomba de agua para el rociado, con el fin de estabilizar la presión del sistema de rociado. De este modo, las fluctuaciones en la presión del sistema causadas por la regulación del caudal se reducen de manera efectiva en los tubos de rociado superiores e inferiores. 3. Se introduce un material de relleno para mejorar la eficiencia del intercambio térmico (ZL201420522389.1). Las torres de enfriamiento cerradas utilizan principalmente el aire como fuente de intercambio térmico, por lo que resulta difícil reducir la temperatura del medio de enfriamiento por debajo de la temperatura ambiental. Para abordar este problema, Hubei Zhongsheng ha diseñado un sistema que incorpora materiales de relleno en las torres de enfriamiento de tipo cerrado, con el fin de aumentar la eficiencia del intercambio térmico al reducir la temperatura del agua de rociado. Al utilizar este método, se puede reducir la temperatura del medio de refrigeración en 2-3 °C con respecto a los sistemas convencionales de enfriamiento por agua en circuito cerrado, logrando así el mismo efecto de refrigeración que los sistemas de enfriamiento por agua en circuito abierto. Actualmente, Hubei Zhongsheng Shares utiliza este sistema en el proyecto de uso limpio del carbón con alto contenido de azufre de Lu’an, en Shanxi. 4. Rendimiento en aplicaciones: Actualmente, los sistemas de agua de refrigeración por circulación con enfriamiento por aire cerrado, diseñados y producidos por Hubei Zhongsheng Co., Ltd., se utilizan ampliamente en los sectores de la metalurgia, la petroquímica, la energía eléctrica y la química. También existen numerosos casos de éxito en el sector de la química del carbón. Algunos de los resultados obtenidos se muestran en la tabla a continuación. Número de serie | Cliente | Nombre del dispositivo | Cantidad
1 | Zhongmei Shanxi Yuheng Coal Chemical Industry | Sistema de agua de refrigeración por circulación cerrada | 1
2 | Tongmei Guangfa Chemical Industry Co., Ltd. | Sistema de agua de refrigeración por circulación cerrada | 38
3 | Shanxi Kaijia Coal Bed Methane Power Generation Co., Ltd. | Sistema de agua de refrigeración por circulación cerrada | 2
4 | Shanxi Lu’an Coal-based Oil | Torre de refrigeración de tipo cerrado | 3
5 | Shanxi Lu’an Group for the Clean Utilization of High-sulfur Coal | Torre de refrigeración de tipo cerrado | 63
6 | Zhongtian Hechuang Ordos Coal Deep Processing | Sistema de agua de refrigeración por circulación cerrada | 38

Dirección: 4F, Edificio Juxian, International Enterprise Center, Guanggu Avenue, Donghu Development Zone, Wuhan City, Provincia de Hubei.
Teléfonos: 027-87526852 / 027-87526979 / 027-87797047
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(Fuente: Hubei Zhongsheng Shares)