Žarek upanja za energetsko učinkovito predelavo odpadne toplote

Rekuperacija industrijske odpadne toplote je eden najučinkovitejših načinov za izboljšanje energetske učinkovitosti na svetovni ravni. S pridobivanjem energije, ki bi se sicer izgubila v ozračju ali vodi, in njeno ponovno uporabo v druge namene lahko v primerjavi z današnjo situacijo močno zmanjšamo porabo goriva. Tako lahko drastično zmanjšamo tudi globalne emisije ogljika.

DATUM 2023-01-05

Skupina Aurubis je prav takšen pristop uporabila za izboljšanje trajnosti v eni od svojih talilnic. Aurubis je v sodelovanju z nemškim dobaviteljem energije enercity Aktiengesellschaft postal gonilna sila omrežja daljinskega ogrevanja, ki oskrbuje hamburško sosesko HafenCity. Energija za omrežje se pridobiva iz odpadne toplote, ki jo Aurubis pridobiva iz bližnje tovarne žveplove kisline z uporabo edinstvene tehnologije ploščnih toplotnih izmenjevalnikov Alfa Laval, ki so zasnovani tako, da so odporni proti koroziji ter prenesejo visok tlak in ekstremno vročino, ki sta povezana s tem procesom.

Skupina Aurubis, eden največjih svetovnih proizvajalcev in predelovalcev bakra, upravlja veliko talilnico na otoku Peute na reki Labi v središču Hamburga. Žveplov dioksid je stranski proizvod pirometalurškega postopka pridobivanja bakra, ki se tukaj uporablja. V obratu za proizvodnjo žveplove kisline se ta plin najprej pretvori v žveplov trioksid in nato v tekočo žveplovo kislino. Žveplova kislina se med postopkom nenehno redči. Redčenje kislin je visoko eksotermen proces, pri katerem se sproščajo velike količine toplote. Zaradi sistema Alfa Laval GPHE lahko Aurubis to toploto pridobiva za uporabo v daljinskem ogrevanju.

Žveplova kislina se proizvaja v kontaktnem obratu talilnice. V središču obrata je vmesni absorpcijski stolp. Toplota redčenja v tej fazi se je prvotno hladila z rečno vodo iz Labe in tako ostala neizkoriščena. Cilj skupnega projekta družbe Aurubis in podjetja enercity je bil s toplotnimi izmenjevalniki pridobiti energijo iz tega procesa in jo ponovno trajnostno uporabiti tako, da jo usmerimo v omrežje daljinskega ogrevanja HafenCity.

Visoke zahteve glede zasnove opreme in materialov

Aurubisov predhodni izziv je bil, da mora imeti vroča voda, ki se uporablja v tovrstnih sistemih daljinskega ogrevanja, začetno temperaturo vsaj 90 °C. Zato so morali najprej zgraditi popolnoma na novo zasnovan vmesni absorpcijski stolp, ki je procesno temperaturo koncentrirane žveplove kisline zvišal na približno 120 °C, kar je za skoraj 50 °C.

Vendar je ta novi vmesni absorpcijski stolp še dodatno zapletel že tako zahteven projekt načrtovanja sistema za rekuperacijo toplote, ki vključuje tako zahtevno snov, kot je žveplova kislina. Višja temperatura postopka je znatno povečala korozivnost medija.

To je predstavljalo še posebej zahteven izziv za toplotne izmenjevalnike v projektu, ki so morali biti izdelani iz zelo korozijsko odpornih materialov, poleg tega pa so morali biti sposobni prenesti visoke tlake in temperature ter zagotavljati izjemno visoko toplotno zmogljivost za učinkovit prenos toplote iz Aurubisovega procesa v omrežje daljinskega ogrevanja.Aurubis.jpg

Izmenjevalnik toplote, ki je kos izzivu

Aurubis se je obrnil na družbo Alfa Laval, ki je skupaj s proizvajalcem bakra zasnovala prilagojene ploščne izmenjevalnike toplote, popolnoma prilagojene zahtevnemu procesnemu okolju. Končni sistem je bil sestavljen iz osmih toplotnih izmenjevalnikov z najsodobnejšo zasnovo kanalskih plošč. Trije toplotni izmenjevalniki – vmesni hladilniki absorpcijskih stolpov – so bili polzavarjeni in izdelani iz materiala Hastelloy D-205, zlitine na osnovi niklja, ki je posebej odporna proti koroziji žveplove kisline. D-205 je od 90. let prejšnjega stoletja dokazano učinkovit v številnih obratih za proizvodnjo žveplove kisline po vsem svetu. Ker je po vsem svetu nameščenih več kot 300 enot D-205, je bil ta preizkušeni material očitna izbira za zagotavljanje zanesljivega, varnega in učinkovitega delovanja. Preostalih pet toplotnih izmenjevalnikov v sistemu so popolnoma zatesnjeni ploščni toplotni izmenjevalniki: trije toplotni izmenjevalniki voda-voda in dva izmenjevalnika kislina-kislina.

Za razliko od tradicionalnih ploščnih in okvirnih toplotnih izmenjevalnikov s tesnili je Alfa Lavalova delno varjena konstrukcija odporna proti mehanski obrabi pri aplikacijah z visokimi konstrukcijskimi tlaki in temperaturami. Edinstvena zasnova plošče zagotavlja tudi zelo visoko toplotno učinkovitost, saj je njegova temperaturna razlika le 3 °C. To pomeni, da lahko vodni medij, ki se uporablja za prenos toplote v omrežje daljinskega ogrevanja, zapusti izmenjevalnik toplote le nekaj stopinj hladnejši od vroče kisline, ki vstopa v enoto.

Poleg tega so ploščni izmenjevalniki toplote bolj kompaktni, kar omogoča lažjo in stroškovno učinkovitejšo namestitev na manjšem prostoru.

Aurubis_set-up_flow_chart.png

Izboljšanje trajnosti v več razsežnostih

Aurubis približno četrtino pridobljene toplote iz postopka pretvorbe žveplovega dioksida uporabi za druge postopke v talilnici. Preostanek toplote, ki ustreza približno 160.000 MWh energije, se po daljinskem ogrevalnem cevovodu dovaja v hamburško sosesko HafenCity. Pri tem je še posebej pomembna toplotna učinkovitost rešitve toplotnega izmenjevalnika Alfa Laval. Ker je HafenCity na drugi strani reke Labe od otoka Peute, je trasa daljinskega ogrevanja dolga več kot tri kilometre. Zato je vsaka stopinja pridobljene toplote iz procesa ključnega pomena.

Po trenutnih ocenah naj bi pridobljena toplota poleg tega, kar Aurubis porabi na lokaciji tovarne, oskrbovala tudi do 8.000 štiričlanskih gospodinjstev in tudi pisarne, hotele in univerzo v okolici. Ker je dejanski ogljični odtis pridobljene toplote enak nič, projekt zmanjša emisije CO2 za 20.000 ton na leto – od tega polovico v samem podjetju Aurubis. Dodatna prednost je, da se podjetju Aurubis ni več treba zanašati na hladilno vodo iz reke Labe, kar dodatno koristi lokalni ekologiji.

Nemška agencija za energijo je projekt prepoznala kot "žarek upanja za energetsko učinkovito predelavo odpadne toplote". In še vedno je mogoče storiti tudi več. Trenutno le ena od treh linij Aurubisovega kontaktnega obrata oskrbuje mesto HafenCity z industrijsko odpadno toploto, kar pomeni, da je potencialno mogoče pridobiti še 480.000.000 kWh. V prihodnosti bi to lahko pomenilo zmanjšanje emisij CO2 za 140.000 ton na leto.

cleantech_symbols640x360.jpg

Energetski prihranki

160.000 MWh

Prihranki emisij

20.000 ton CO2/leto

Prihranki vode

12 milijonov m3 hladilne vode