Energiahatékony hulladékhő-hasznosítás

Az Aurubis csoport éppen ezt a megközelítést alkalmazta egyik kohójában a fenntarthatóság javítása érdekében. A német Enercity Aktiengesellschaft energiaszolgáltatóval együttműködve az Aurubis a hamburgi HafenCity negyedet ellátó távfűtési hálózat motorjává vált. A hálózat energiáját az Aurubis a közeli kénsavgyárból visszanyert hulladékhőből biztosítja, az Alfa Laval egyedi lemezes hőcserélő technológiájának alkalmazásával, amelyet úgy terveztek, hogy ellenálljon a korróziónak, és kibírja a folyamathoz kapcsolódó nagy nyomást és extrém hőt.

Az Aurubis csoport, a világ egyik legnagyobb réztermelője és -újrahasznosítója, egy nagy kohót üzemeltet Peute szigetén, az Elba folyóban, Hamburg szívében. Az itt alkalmazott pirometallurgiai rézfeldolgozás mellékterméke a kén-dioxid gáz. A kénsavüzemben ezt a gázt először kén-trioxiddá, majd folyékony kénsavvá alakítják. A kénsavat a folyamat során folyamatosan hígítják. A sav hígítása erősen exoterm folyamat, amely jelentős mennyiségű hőt szabadít fel. Az Alfa Laval szerelt lemezes hőcserélőivel ezt a hőt az Aurubis visszanyerheti, és távfűtésre használhatja fel.

A kénsav előállítása a kohó kontaktüzemében történik. Az üzem középpontjában egy közbenső abszorpciós torony áll. Az ebből a lépcsőből származó hígítási hőt eredetileg az Elbából származó folyóvízzel hűtötték, és így kihasználatlanul maradt. Az Aurubis és az Enercity közös projektjének célja az volt, hogy hőcserélők segítségével visszanyerje az ebből a folyamatból származó energiát, és ezt az energiát a HafenCity távfűtési hálózatába vezetve fenntartható módon hasznosítsa.

Magas követelmények a berendezések tervezésével és az anyagokkal szemben

Az Aurubis előzetes kihívása az volt, hogy az ilyen típusú távfűtési rendszerben használt melegvíznek legalább 90 °C-os kezdeti hőmérsékletűnek kell lennie. Ezért egy teljesen újratervezett közbenső abszorpciós torony építésével kellett kezdeniük, amely a koncentrált kénsav feldolgozási hőmérsékletét körülbelül 120°C-ra emelte, ami közel 50°C-os hőmérsékletnövekedést jelent.

Ez az új közbenső abszorpciós torony azonban további bonyodalmakat okozott a hővisszanyerő rendszer tervezési projektjében, amely amúgy is kihívásokkal teli volt a kénsavnak köszönhetően. A magasabb technológiai hőmérséklet jelentősen megnövelte a közeg korrozivitását.

Ez különösen nehéz kihívást jelentett a projekt hőcserélői számára, amelyeknek rendkívül korrózióálló anyagokból kellett készülniük, emellett magas nyomást és hőmérsékletet kellett kezelniük, és rendkívül magas hőteljesítményt kellett nyújtaniuk, hogy biztosítsák a hő hatékony átadását az Aurubis-folyamatból a távfűtőhálózatba.

Egy hőcserélő, amely megfelel a kihívásnak

Az Aurubis felvette a kapcsolatot az Alfa Laval-lal, amely a rézgyártóval együttműködve személyre szabott lemezes hőcserélőket tervezett, teljes mértékben alkalmazkodva a nehéz technológiai környezethez. A végleges rendszer nyolc hőcserélőből állt, a legmodernebb csatornalemez kialakítással. A hőcserélők közül három - a közbenső abszorpciós toronyhűtők - kazettás berendezések voltak, amelyek Hastelloy D-205 anyagból készültek, egy nikkelalapú ötvözetből, amely különösen ellenálló a kénsavas korrózióval szemben. A D-205 az 1990-es évek óta világszerte számos kénsavas üzemben bizonyítottan jól teljesít. Mivel világszerte több mint 300 D-205-ös egységet telepítettek, ez a kipróbált és bevált anyag volt a nyilvánvaló választás a megbízható, biztonságos és hatékony működés biztosításához. A rendszer fennmaradó öt hőcserélője teljesen szerelt lemezes hőcserélő: három víz-víz hőcserélő és két sav-sav hőcserélő.

A hagyományos szerelt lemezes hőcserélőkkel ellentétben az Alfa Laval kazettás konstrukciója képes ellenállni a mechanikai fáradásnak a magas tervezési nyomással és hőmérséklettel járó alkalmazásokban. Az egyedi lemezkialakítás emellett nagyon magas termikus hatékonyságot biztosít, akár 3°C-os hőmérséklet-megközelítéssel. Így lehetséges, hogy a távfűtési hálózatba történő hőátadásra használt vízközeg csak néhány fokkal hidegebben lép ki a hőcserélőből, mint a készülékbe belépő forró sav.

Emellett a lemezes hőcserélők kompaktabbak, így könnyebb és költséghatékonyabb telepítést tesznek lehetővé, töredéknyi helyen.

A fenntarthatóság javítása több dimenzióban

Az Aurubis a kén-dioxid átalakítási folyamatból visszanyert hő nagyjából negyedét használja fel a kohó egyéb folyamatainak támogatására. A maradék hő, amely körülbelül 160 000 MWh energiának felel meg, a távfűtés csővezetékén keresztül Hamburg HafenCity kerületét látja el. Itt az Alfa Laval hőcserélő megoldásának termikus hatékonysága különösen fontos. Mivel a HafenCity az Elba túloldalán található a Peute-szigethez képest, a távfűtési útvonal több mint három kilométer hosszú. Ezért a folyamatból visszanyert hő minden egyes foka kritikus jelentőségű.

A jelenlegi becslések szerint az Aurubis által az üzem területén felhasznált hőmennyiségen kívül a visszanyert hő akár 8000 négyszemélyes háztartást, valamint a környékbeli irodákat, szállodákat és egy egyetemet is ellát. Mivel a visszanyert hő tényleges szénlábnyoma nulla, a projekt évente 20 000 tonnával csökkenti a CO2-kibocsátást - ennek felét az Aurubis teszi ki. További előny, hogy az Aurubisnak többé nem kell az Elbából származó hűtővizet használnia, ami további előnyökkel jár a helyi környezet számára.

A Német Energiaügynökség a projektet "az energiahatékony hulladékhő-hasznosítás világítótornyaként" ismerte el. És még mindig van lehetőség több eredmény elérésére. Jelenleg az Aurubis kontaktüzem három vonalából csak az egyik szolgáltatja az ipari hulladékhőt a HafenCitynek, ami azt jelenti, hogy potenciálisan még 480 000 000 kWh hasznosítható. A jövőben ez évi 140 000 tonnával csökkentheti a CO2-kibocsátást.