Un reper în recuperarea eficientă a căldurii reziduale

Grupul Aurubis a adoptat tocmai această abordare pentru îmbunătățirea susenabilității într-una dintre topitoriile lor. În parteneriat cu furnizorul german de energie Energie Aktiengesellschaft, Aurubis a devenit forța motrice din spatele unei rețele de termoficare care deservește cartierul HafenCity din Hamburg. Energia pentru rețea provine din căldura reziduală pe care Aurubis o recuperează de la uzina de acid sulfuric din apropiere, folosind tehnologia unică a schimbătorului de căldură cu plăci Alfa Laval, care este proiectată să reziste la coroziune și la presiunea ridicată și căldura extremă asociată procesului.

Grupul Aurubis, unul dintre cei mai mari producători și reciclatori de cupru din lume, operează o mare topitorie pe insula Peute, situată pe râul Elba, în inima orașului Hamburg. Gazul de dioxid de sulf este un produs secundar al procesului pirometalurgic al cuprului utilizat aici. În instalația de acid sulfuric, acest gaz este transformat mai întâi în trioxid de sulf și ulterior în acid sulfuric lichid. Acidul sulfuric este diluat continuu în proces. Diluarea acidului este un proces extrem de exotermic, care eliberează cantități semnificative de căldură. Datorită SCP Alfa Laval, această căldură poate fi recuperată de Aurubis pentru a fi utilizată în termoficare.

Producția de acid sulfuric are loc în instalația de contact a topitoriei. În centrul instalației se află un turn intermediar de absorbție. Căldura de diluare de la această etapă a fost inițial răcită cu apă de râu din Elba și astfel a fost lăsată neutilizată. Scopul proiectului de colaborare al Aurubis cu Enercity a fost acela de a utiliza schimbătoare de căldură pentru a recupera energia din acest proces și de o reintroduce în mod sustenabil prin canalizare în rețeaua de termoficare HafenCity.

Cerințe ridicate privind proiectarea echipamentelor și materiale

Provocarea preliminară a lui Aurubis a fost că apa caldă utilizată în acest tip de schemă de termoficare trebuie să aibă o temperatură inițială de cel puțin 90°C. Ca urmare, au trebuit să înceapă prin construirea unui turn intermediar de absorbție complet reproiectat, crescând temperatura procesului de acid sulfuric concentrat la aproximativ 120°C, o creștere a temperaturii de aproape 50°C.

Cu toate acestea, acest nou turn de absorbție intermediară a adăugat complicații suplimentare proiectului deja solicitant de proiectare a unui sistem de recuperare a căldurii care implică o substanță la fel de provocatoare precum acidul sulfuric. Temperatura mai ridicată a procesului a crescut substanțial corozivitatea mediului.

Acest lucru a reprezentat o provocare deosebit de dificilă pentru schimbătoarele de căldură din proiect, care trebuiau să fie construite din materiale foarte rezistente la coroziune, pe lângă faptul că pot face față la presiuni și temperaturi ridicate și să ofere performanțe termice extrem de ridicate pentru a asigura un transfer eficient de căldură din procesul Aurubis către rețeaua de termoficare.

Un schimbător de căldură care face față provocării

Aurubis a contactat Alfa Laval, care a lucrat cu producătorul de cupru pentru a proiecta schimbătoare de căldură cu plăci personalizate, adaptate complet la mediul de proces solicitant. Sistemul final a fost compus din opt schimbătoare de căldură cu design de ultimă generație cu plăci de canal. Trei dintre schimbătoare de căldură – răcitoarele cu turn de absorbție intermediară – au fost unități semisudate, realizate din material Hastelloy D-205, un aliaj pe bază de nichel, care este deosebit de rezistent la coroziunea acidului sulfuric. D-205 a furnizat performanțe dovedite la multe fabrici de acid sulfuric din întreaga lume începând cu anii 1990. Cu peste 300 de unități D-205 instalate în întreaga lume, acest material încercat și testat a fost alegerea evidentă pentru a asigura o funcționare fiabilă, sigură și eficientă. Restul de cinci schimbătoare de căldură din sistem sunt schimbătoare de căldură cu plăci complet etanșate: trei schimbătoare de căldură apă-apă și două schimbătoare acid-acid.

Spre deosebire de schimbătoarele de căldură tradiționale cu plăci și batiu cu garnituri, designul semisudat Alfa Laval este capabil să reziste la oboseala mecanică în aplicații cu presiuni și temperaturi de proiectare ridicate. De asemenea, designul unic al plăcii asigură o eficiență termică foarte mare, cu o temperatură de admisie de până la 3°C. Aceasta înseamnă că mediul de apă utilizat pentru a transfera căldură către rețeaua de termoficare poate lăsa schimbătorul de căldură cu doar câteva grade mai rece decât acidul fierbinte care intră în unitate.

În plus, schimbătoarele de căldură cu plăci sunt mai compacte, permițând o instalare mai ușoară și mai rentabilă într-o fracțiune din spațiu.

Îmbunătățirea sustenabilității în mai multe dimensiuni

Aurubis folosește aproximativ un sfert din căldura recuperată din procesul de conversie a dioxidului de sulf pentru a susține alte procese la topitorie. Restul căldurii, corespunzând la aproximativ 160.000 MWh de energie, este alimentată prin conducta de termoficare către cartierul HafenCity din Hamburg. Aici, eficiența termică a soluției schimbătorului de căldură Alfa Laval devine deosebit de importantă. Deoarece HafenCity este situat de cealaltă parte a Elbei față de insula Peute, traseul de termoficare are o lungime de peste trei kilometri. Prin urmare, fiecare grad de căldură recuperată din proces este critic.

Estimările actuale indică faptul că, pe lângă ceea ce Aurubis folosește la amplasamentul fabricii, căldura recuperată furnizează energie către 8.000 de gospodării de patru persoane, precum și birouri din zonă, hoteluri și o universitate. Deoarece căldura recuperată are o amprentă efectivă de carbon zero, proiectul reduce emisiile de CO₂ cu 20.000 de tone pe an – jumătate dintre acestea chiar la Aurubis. Un beneficiu suplimentar este că Aurubis nu mai trebuie să se bazeze pe apa de răcire luată din râul Elba, ceea ce aduce și mai multe beneficii ecologiei locale.

Agenția Germană pentru Energie a recunoscut proiectul ca un „reper al utilizării eficiente din punct de vedere energetic a căldurii reziduale”. Și există potențialul de a face și mai mult. În prezent, doar una dintre cele trei linii ale uzinei de contact Aurubis furnizează căldură reziduală industrială către HafenCity, ceea ce înseamnă că încă 480.000.000 kWh pot fi recuperați. În viitor, acest lucru ar putea duce la o reducere de 140.000 de tone pe an a emisiilor de CO₂.