Przykład energooszczędnego odzyskiwania ciepła odpadowego

Grupa Aurubis przyjęła właśnie takie podejście do poprawy zrównoważonego rozwoju w jednej ze swoich hut. Współpracując z niemieckim dostawcą energii enercity Aktiengesellschaft, Aurubis stał się siłą napędową sieci ciepłowniczej obsługującej dzielnicę HafenCity w Hamburgu. Energia dla sieci pochodzi z ciepła odpadowego, które Aurubis odzyskuje z pobliskiej fabryki kwasu siarkowego, wykorzystując unikalną technologię płytowych wymienników ciepła Alfa Laval, zaprojektowaną tak, aby była odporna na korozję oraz wysokie ciśnienie i ekstremalne temperatury związane z tym procesem.

Grupa Aurubis, jeden z największych producentów i recyklerów miedzi na świecie, prowadzi dużą hutę na wyspie Peute, położonej na rzece Łabie, w samym sercu Hamburga. Dwutlenek siarki jest produktem ubocznym stosowanego tu pirometalurgicznego procesu produkcji miedzi. W zakładzie produkcji kwasu siarkowego gaz ten jest najpierw przekształcany w trójtlenek siarki, a następnie w ciekły kwas siarkowy. Kwas siarkowy jest w trakcie tego procesu stale rozcieńczany. Rozcieńczanie kwasu jest procesem wysoce egzotermicznym, który powoduje wydzielanie znacznych ilości ciepła. Dzięki Alfa Laval GPHE ciepło to może być odzyskiwane przez Aurubis do wykorzystania w systemie ciepłowniczym.

Produkcja kwasu siarkowego odbywa się w zakładzie kontaktowym huty. Sercem zakładu jest pośrednia wieża absorpcyjna. Ciepło powstałe w wyniku rozcieńczania było pierwotnie chłodzone wodą z rzeki Łaby i w ten sposób pozostawało niewykorzystane. Celem wspólnego projektu Aurubis i enercity było wykorzystanie wymienników ciepła do odzyskiwania energii z tego procesu i ponowne wykorzystanie jej w sposób zrównoważony poprzez wprowadzenie jej do sieci ciepłowniczej HafenCity.

Wysokie wymagania dotyczące konstrukcji urządzeń i materiałów

Wstępnym wyzwaniem dla Aurubis było to, że gorąca woda wykorzystywana w tego typu systemie ciepłowniczym musi mieć temperaturę początkową co najmniej 90°C. W rezultacie musieliście zacząć od budowy całkowicie przeprojektowanej pośredniej wieży absorpcyjnej, zwiększającej temperaturę procesu stężonego kwasu siarkowego do około 120°C, co oznacza wzrost temperatury o prawie 50°C.

Jednak ta nowa pośrednia wieża absorpcyjna dodatkowo skomplikowała i tak już wymagający projekt zaprojektowania systemu odzyskiwania ciepła z wykorzystaniem tak trudnej substancji, jak kwas siarkowy. Wyższa temperatura procesu znacznie zwiększyła korozyjność medium.

Stanowiło to szczególnie trudne wyzwanie dla wymienników ciepła w projekcie, które musiały być wykonane z materiałów o wysokiej odporności na korozję, a ponadto były w stanie wytrzymać wysokie ciśnienia i temperatury oraz zapewniać wyjątkowo wysoką wydajność cieplną, aby zapewnić efektywny transfer ciepła z procesu Aurubis do sieci ciepłowniczej.

Wymiennik ciepła sprostający wyzwaniu

Firma Aurubis skontaktowała się z Alfa Laval, która we współpracy z producentem miedzi zaprojektowała niestandardowe płytowe wymienniki ciepła, w pełni dostosowane do wymagającego środowiska procesowego. Ostateczny system składał się z ośmiu wymienników ciepła o najnowocześniejszej konstrukcji płyt kanałowych. Trzy z wymienników ciepła – pośrednie chłodnice wież absorpcyjnych – były urządzeniami półspawanymi, wykonanymi z materiału Hastelloy D-205, stopu na bazie niklu, który jest szczególnie odporny na korozję kwasem siarkowym. D-205 sprawdził się w wielu zakładach produkujących kwas siarkowy na całym świecie od lat 90. Ponad 300 urządzeń wykonanych z D-205 zainstalowanych na całym świecie sprawiło, że ten sprawdzony materiał był oczywistym wyborem zapewniającym niezawodną, bezpieczną i wydajną pracę. Pozostałe pięć wymienników ciepła w systemie to w pełni uszczelnione płytowe wymienniki ciepła: trzy wymienniki ciepła woda-woda i dwa wymienniki kwas-kwas.

W przeciwieństwie do tradycyjnych płytowych wymienników ciepła z uszczelkami, półspawana konstrukcja Alfa Laval jest odporna na zmęczenie mechaniczne w zastosowaniach o wysokich ciśnieniach i temperaturach projektowych. Unikalna konstrukcja płyt zapewnia również bardzo wysoką sprawność cieplną, przy różnicy temperatur wynoszącej zaledwie 3°C. Oznacza to, że medium wodne wykorzystywane do przekazywania ciepła do sieci ciepłowniczej może opuścić wymiennik ciepła tylko o kilka stopni chłodniejsze niż gorący kwas wpływający do urządzenia.

Ponadto płytowe wymienniki ciepła są bardziej kompaktowe, co pozwala na łatwiejszy i bardziej ekonomiczny montaż na znacznie mniejszej przestrzeni.

Poprawa zrównoważonego rozwoju w kilku wymiarach

Aurubis wykorzystuje około jednej czwartej odzyskanego ciepła z procesu konwersji dwutlenku siarki do wspierania innych procesów w hucie. Pozostała część ciepła, odpowiadająca około 160 000 MWh energii, jest przekazywana rurociągiem ciepłowniczym do dzielnicy HafenCity w Hamburgu. W tym przypadku sprawność cieplna rozwiązania Alfa Laval w zakresie wymienników ciepła ma szczególne znaczenie. Ponieważ HafenCity znajduje się po drugiej stronie Łaby od wyspy Peute, trasa ciepłownicza ma ponad trzy kilometry długości. Dlatego każdy stopień odzyskanego ciepła z procesu ma kluczowe znaczenie.

Aktualne szacunki wskazują, że oprócz zużycia przez Aurubis w zakładzie, odzyskane ciepło zasila aż 8000 czteroosobowych gospodarstw domowych, a także biura, hotele i uniwersytet w okolicy. Ponieważ odzyskane ciepło ma zerowy ślad węglowy, projekt zmniejsza emisję CO₂ o 20 000 ton rocznie – z czego połowa przypada na sam Aurubis. Dodatkową korzyścią jest to, że Aurubis nie musi już korzystać z wody chłodzącej pobieranej z rzeki Łaby, co dodatkowo korzystnie wpływa na lokalną ekologię.

Niemiecka Agencja Energetyczna uznała ten projekt za „przykład energooszczędnego wykorzystania ciepła odpadowego”. A wciąż istnieje potencjał, aby zrobić jeszcze więcej. Obecnie tylko jedna z trzech linii zakładu kontaktowego Aurubis dostarcza przemysłowe ciepło odpadowe do HafenCity, co oznacza, że potencjalnie można odzyskać jeszcze 480 000 000 kWh. W przyszłości mogłoby to skutkować zmniejszeniem emisji CO₂ o 140 000 ton rocznie.