Svetionik energetski efikasne rekuperacije otpadne toplote

Aurubis grupa je zauzela upravo ovaj pristup poboljšanju održivosti u jednoj od svojih topionica. U partnerstvu sa nemačkim dobavljačem energije enercity Aktiengesellschaft, Aurubis je postao pokretačka snaga mreže daljinskog grejanja koja opslužuje hamburški kvart HafenCity. Energija za mrežu potiče od otpadne toplote koju Aurubis rekuperira iz obližnje fabrike sumporne kiseline, koristeći jedinstvenu Alfa Laval tehnologiju pločastog izmenjivača toplote koja je osmišljena da odoli koroziji i izdrži visok pritisak i ekstremnu toplotu povezane sa procesom.

Aurubis grupa, jedan od najvećih svetskih proizvođača i reciklera bakra, upravlja velikom topionicom na ostrvu Peute, koje se nalazi u reci Elbi, u srcu Hamburga. Gas sumpor dioksid je nusproizvod pirometalurške obrade bakra koji se ovde koristi. U fabrici sumporne kiseline, ovaj gas se prvo pretvara u sumporni trioksid, a zatim u tečnu sumpornu kiselinu. Sumporna kiselina se u procesu kontinuirano razređuje. Razblaživanje kiselinom je izrazito egzoterman proces, koji oslobađa značajne količine toplote. Zahvaljujući Alfa Laval GPHE, Aurubis može rekuperirati ovu toplotu za korišćenje u daljinskom grejanju.

Proizvodnja sumporne kiseline se odvija u kontaktnom postrojenju topionice. U srcu postrojenja se nalazi srednji apsorpcioni toranj. Toplota razblaživanja iz ovog koraka je prvobitno ohlađena rečnom vodom sa Elbe i tako ostavljena neiskorišćena. Cilj kolaborativnog projekta grupe Aurubis sa enercity bio je da se koriste izmenjivači toplote za rekuperaciju energije iz ovog procesa i da se ta energija vrati u održivo korišćenje usmeravanjem u mrežu daljinskog grejanja HafenCity.

Visoki zahtevi za dizajn opreme i materijale

Preliminarni izazov za Aurubis je bio da topla voda koja se koristi u ovoj vrsti sistema daljinskog grejanja mora da ima početnu temperaturu od najmanje 90°C. Kao rezultat toga, morali su da počnu sa izgradnjom potpuno redizajniranog srednjeg apsorpcionog tornja, povećanjem procesne temperature koncentrovane sumporne kiseline na približno 120°C, što je povećanje temperature za skoro 50°C.

Međutim, ovaj novi srednji apsorpcioni toranj je dodao još komplikacija ionako zahtevnom projektu projektovanja sistema za rekuperaciju toplote koji uključuje supstancu tako kompleksnu kao što je sumporna kiselina. Viša procesna temperatura značajno je povećala korozivnost medijuma.

Ovo je predstavljalo posebno težak izazov za izmenjivače toplote u projektu, koji je trebalo da budu napravljeni od materijala koji su veoma otporni na koroziju, pored toga što mogu da podnesu visoke pritiske i temperature, i da ponude izuzetno visok toplotni učinak kako bi se obezbedio efikasan prenos toplote iz Aurubis procesa u mrežu daljinskog grejanja.

Izmenjivač toplote koji odgovara izazovu

Aurubis je kontaktirao kompaniju Alfa Laval, koja je sarađivala sa proizvođačem bakra na projektovanju pločastih izmenjivača toplote po meri, potpuno prilagođenih zahtevnom procesnom okruženju. Konačni sistem se sastojao od osam izmenjivača toplote sa najsavremenijim dizajnom kanalnih ploča. Tri izmenjivača toplote – hladnjaci srednjeg apsorpcionog tornja – su bila poluzavarene jedinice, napravljene od materijala Hastelloy D-205, legure na bazi nikla koja je posebno otporna na koroziju sumpornom kiselinom. D-205 je pokazao pouzdan učinak u mnogim fabrikama sumporne kiseline širom sveta od 1990-ih. Sa više od 300 D-205 jedinica instaliranih širom sveta, ovaj isprobani i testirani materijal je bio očigledan izbor za pouzdan, siguran i efikasan rad. Preostalih pet izmenjivača toplote u sistemu su potpuno zaptiveni pločasti izmenjivači toplote: tri izmenjivača toplote voda-voda i dva izmenjivača kiselina-kiselina.

Za razliku od tradicionalnih pločastih izmenjivača toplote sa zaptivkom, Alfa Laval poluzavareni dizajn može da odoli mehaničkom zamoru u primenama sa visokim projektovanim pritiscima i temperaturama. Jedinstveni dizajn ploče takođe obezbeđuje veoma visoku toplotnu efikasnost, sa temperaturnom razlikom od samo 3°C. To znači da vodeni medijum koji se koristi za prenos toplote u mrežu daljinskog grejanja može ostaviti izmenjivač toplote samo nekoliko stepeni hladnijim od vruće kiseline koja ulazi u jedinicu.

Pored toga, pločasti izmenjivači toplote su kompaktniji, što omogućava lakšu i isplativiju instalaciju u samo jednom delu prostora.

Poboljšanje održivosti u nekoliko dimenzija

Aurubis koristi otprilike četvrtinu dobijene toplote iz procesa konverzije sumpor-dioksida da podrži druge procese u topionici. Ostatak toplote, što odgovara približno 160.000 MWh energije, dovodi se kroz cevovod daljinskog grejanja ka okrugu HafenCity u Hamburgu. Ovde toplotna efikasnost rešenja Alfa Laval izmenjivača toplote postaje posebno važna. Pošto se HafenCity nalazi na drugoj strani Elbe od ostrva Peute, trasa daljinskog grejanja je duga više od tri kilometra. Svaki stepen rekuperisane toplote iz procesa je stoga od ključnog značaja.

Trenutne procene pokazuju da, pored onoga što Aurubis koristi na lokaciji fabrike, rekuperisanom toplotom snabdeva se čak 8.000 četvoročlanih domaćinstava, kao i lokalne kancelarije, hoteli i univerzitet. Pošto rekuperisana toplota ima vrednost efektivnog ugljeničnog otiska nula, projekat smanjuje emisije CO₂ za 20.000 tona godišnje – polovina njih u samom Aurubis-u. Dodatna prednost je što Aurubis više ne treba da se oslanja na rashladnu vodu uzetu iz reke Elbe, što dodatno doprinosi lokalnoj ekologiji.

Nemačka agencija za energetiku prepoznala je projekat kao „svetionik za energetski efikasno korišćenje otpadne toplote“. A postoji potencijal da se uradi još više. Trenutno, samo jedna od tri linije Aurubis kontaktnog postrojenja snabdeva HafenCity industrijskom otpadnom toplotom, što znači da postoji potencijal da se rekuperiše još 480.000.000 kWh. U budućnosti bi ovo moglo rezultirati smanjenjem emisije CO₂ za 140.000 tona godišnje.