Maják energeticky účinného zhodnocovania odpadového tepla

Skupina Aurubis zaujala práve tento prístup k zlepšeniu udržateľnosti v jednom zo svojich hutníckych závodov. V spolupráci s nemeckým dodávateľom energie enercity Aktiengesellschaft sa spoločnosť Aurubis stala hnacou silou siete centrálneho zásobovania teplom, ktorá slúži pre hamburskú štvrť HafenCity. Energia pre túto sieť pochádza z odpadového tepla, ktoré spoločnosť Aurubis získava z neďalekého závodu na výrobu kyseliny sírovej. Využíva pri tom jedinečnú technológiu doskových výmenníkov tepla Alfa Laval, ktoré sú navrhnuté tak, aby odolávali korózii, vysokému tlaku, a extrémnemu teplu, ktoré sú s týmto procesom spojené.

Skupina Aurubis, jeden z najväčších svetových výrobcov a recyklátorov medi, prevádzkuje veľkú taviareň na ostrove Peute, ktorá sa nachádza na rieke Labe v centre Hamburgu. Plynný oxid siričitý je vedľajším produktom pyrometalurgického procesu výroby medi, ktorý sa tu používa. V závode na výrobu kyseliny sírovej sa tento plyn najprv premieňa na oxid sírový a následne na kvapalnú kyselinu sírovú. Kyselina sírová sa v procese neustále riedi. Riedenie kyseliny je vysoko exotermický proces, pri ktorom sa uvoľňuje značné množstvo tepla. Vďaka technológii Alfa Laval GPHE môže spoločnosť Aurubis toto teplo spätne získať na využitie v centrálnom zásobovaní teplom.

Výroba kyseliny sírovej sa uskutočňuje v kontaktnom zariadení huty. Srdcom závodu je prvá absorpčná kolóna. Riediace teplo z tohto kroku sa pôvodne chladilo riečnou vodou z Labe, a tak zostalo nevyužité. Cieľom projektu spolupráce spoločnosti Aurubis s enercity bolo využiť výmenníky tepla na spätné získanie energie z tohto procesu a vrátiť energiu späť na udržateľné využitie tým, že sa vloží do siete centrálneho zásobovania teplom HafenCity.

Vysoké nároky na konštrukciu zariadenia a materiály

Predbežnou výzvou spoločnosti Aurubis bolo, že horúca voda používaná v tomto type systému centrálneho zásobovania teplom musí mať počiatočnú teplotu najmenej 90 °C. V dôsledku toho museli začať s výstavbou úplne prepracovanej medzioperačnej absorpčnej veže, čím sa zvýšila procesná teplota koncentrovanej kyseliny sírovej na približne 120 °C, čo predstavuje zvýšenie teploty o takmer 50 °C.

Táto nová prvá absorpčná kolóna však pridala ďalšie komplikácie k už aj tak náročnému projektu navrhovania systému spätného získavania tepla, ktorý zahŕňa takú náročnú látku, akou je kyselina sírová. Vyššia teplota procesu podstatne zvýšila korozívnosť média.

To predstavovalo obzvlášť náročnú výzvu pre výmenníky tepla v projekte, ktoré museli byť skonštruované z vysoko odolných materiálov voči korózii, okrem toho museli byť schopné zvládnuť vysoké tlaky a teploty, a poskytovať mimoriadne vysoký tepelný výkon na zabezpečenie efektívneho prenosu tepla z procesu Aurubis do siete centrálneho zásobovania teplom.

Výmenník tepla, ktorý je na túto výzvu pripravený

Spoločnosť Aurubis sa obrátila na spoločnosť Alfa Laval, ktorá v spolupráci s výrobcom medi navrhla na mieru doskové výmenníky tepla, plne prispôsobené náročným procesným podmienkam. Konečný systém pozostával z ôsmich výmenníkov tepla s najmodernejším dizajnom kanálových dosiek. Tri z výmenníkov tepla - medzichladiče absorpčnej veže - boli polozvárané jednotky vyrobené z materiálu Hastelloy D-205, zliatiny na báze niklu, ktorá je mimoriadne odolná voči korózii kyselinou sírovou. D-205 sa osvedčil v mnohých závodoch na výrobu kyseliny sírovej po celom svete od 90. rokov minulého storočia. S viac ako 300 jednotkami D-205 nainštalovanými po celom svete bol tento osvedčený materiál jasnou voľbou na zabezpečenie spoľahlivej, bezpečnej a efektívnej prevádzky. Zvyšných päť výmenníkov tepla v systéme sú rozoberateľné doskové výmenníky tepla: tri výmenníky tepla voda-voda a dva výmenníky kyselina-kyselina.

Na rozdiel od tradičných rozoberateľných doskových výmenníkov tepla je polozváraná konštrukcia Alfa Laval schopná odolávať mechanickej únave v aplikáciách s vysokými konštrukčnými tlakmi a teplotami. Jedinečná konštrukcia dosiek zabezpečuje aj veľmi vysokú tepelnú účinnosť s teplotným priblížením až na 3 °C. To znamená, že voda ako médium používaná na prenos tepla do siete centrálneho zásobovania teplom môže opúšťať výmenník tepla len o niekoľko stupňov chladnejšie ako horúca kyselina vstupujúca do jednotky.

Okrem toho sú doskové výmenníky tepla kompaktnejšie, čo umožňuje jednoduchšiu a nákladovo efektívnejšiu inštaláciu na zlomku priestoru.

Zlepšenie udržateľnosti vo viacerých rozmeroch

Spoločnosť Aurubis využíva približne štvrtinu získaného tepla z procesu konverzie oxidu siričitého na podporu iných procesov v hute. Zvyšok tepla, ktorý zodpovedá približne 160 000 MWh energie, sa dodáva prostredníctvom centrálneho vykurovacieho potrubia do hamburskej štvrte HafenCity. Tu sa tepelná účinnosť riešenia výmenníka tepla Alfa Laval stáva obzvlášť dôležitou. Keďže HafenCity sa nachádza na druhej strane Labe od ostrova Peute, trasa diaľkového vykurovania je dlhá viac ako tri kilometre. Každý stupeň získaného tepla z procesu je preto rozhodujúci.

Podľa súčasných odhadov okrem toho, čo spoločnosť Aurubis využíva v areáli závodu, dodáva spätne získané teplo až 8 000 štvorčlenným domácnostiam, ako aj kanceláriám, hotelom a univerzite v okolí. Keďže rekuperované teplo má nulovú uhlíkovú stopu, projekt znižuje emisie CO₂ o 20 000 ton ročne - polovicu z nich v samotnej spoločnosti Aurubis. Ďalším prínosom je, že spoločnosť Aurubis sa už nemusí spoliehať na chladiacu vodu odoberanú z rieky Labe, čo je ďalším prínosom pre miestnu ekológiu.

Nemecká energetická agentúra uznala tento projekt za "maják energeticky efektívneho využívania odpadového tepla". A stále je tu potenciál urobiť ešte viac. V súčasnosti len jedna z troch liniek kontaktného závodu Aurubis dodáva do HafenCity priemyselné odpadové teplo, čo znamená, že potenciálne možno ešte získať 480 000 000 kWh. V budúcnosti by to mohlo viesť k zníženiu emisií CO₂ o 140 000 ton ročne.