Maják energeticky účinného využití odpadního tepla

Skupina Aurubis zvolila právě tento přístup ke zlepšení udržitelnosti v jedné ze svých hutí. Ve spolupráci s německým dodavatelem energie enercity Aktiengesellschaft se Aurubis stal hnací silou sítě centrálního zásobování teplem, která slouží hamburské čtvrti HafenCity. Energie pro tuto síť pochází z odpadního tepla, které společnost Aurubis získává z nedalekého závodu na výrobu kyseliny sírové, a to pomocí jedinečné technologie deskových výměníků tepla Alfa Laval, které jsou navrženy tak, aby odolávaly korozi a vysokému tlaku a extrémnímu teplu spojenému s tímto procesem.

Skupina Aurubis, jeden z největších světových výrobců a recyklátorů mědi, provozuje velkou huť na ostrově Peute na Labi v centru Hamburku. Plynný oxid siřičitý je vedlejším produktem pyrometalurgického procesu výroby mědi, který se zde používá. Ve výrobně kyseliny sírové se tento plyn nejprve přeměňuje na oxid sírový a následně na kapalnou kyselinu sírovou. Kyselina sírová se v procesu průběžně ředí. Ředění kyseliny je vysoce exotermický proces, při kterém se uvolňuje značné množství tepla. Díky systému Alfa Laval GPHE může společnost Aurubis toto teplo zpětně získávat pro využití v centrálním zásobování teplem.

Výroba kyseliny sírové probíhá v kontaktním zařízení hutě. Srdcem závodu je první absorpční kolona. Ředicí teplo z tohoto kroku bylo původně chlazeno říční vodou z Labe, a proto zůstalo nevyužito. Cílem projektu spolupráce společnosti Aurubis s enercity bylo pomocí tepelných výměníků získat zpět energii z tohoto procesu a tuto energii udržitelným způsobem vrátit k využití tím, že bude přivedena do sítě centrálního zásobovaní teplem HafenCity.

Vysoké nároky na konstrukci zařízení a materiály

Předběžným úkolem společnosti Aurubis bylo, že horká voda používaná v tomto typu systému centrálního zásobovaní teplem musí mít počáteční teplotu nejméně 90 °C. V důsledku toho museli zahájit výstavbu zcela přepracované meziproduktové absorpční věže, která zvýšila procesní teplotu koncentrované kyseliny sírové na přibližně 120 °C, což představuje nárůst o téměř 50 °C.

Tato nová první absorpční kolona však ještě více zkomplikovala již tak náročný projekt návrhu systému rekuperace tepla, který zahrnuje tak náročnou látku, jako je kyselina sírová. Vyšší teplota procesu podstatně zvýšila korozivitu média.

To představovalo obzvláště obtížnou výzvu pro výměníky tepla v projektu, které musely být vyrobeny z vysoce korozivzdorných materiálů, kromě toho musely být schopny odolávat vysokým tlakům a teplotám a nabízet extrémně vysoký tepelný výkon pro zajištění účinného přenosu tepla z procesu Aurubis do centárlního zásobovaní teplem.

Výměník tepla, který zvládne výzvu

Společnost Aurubis se obrátila na společnost Alfa Laval, která ve spolupráci s výrobcem mědi navrhla deskové výměníky tepla na míru, plně přizpůsobené náročnému procesnímu prostředí. Konečný systém se skládal z osmi výměníků tepla s nejmodernějším dizajnem kanálových desek. Tři z výměníků tepla - mezichladiče absorpční věže - byly polosvařované jednotky vyrobené z materiálu Hastelloy D-205, slitiny na bázi niklu, která je obzvláště odolná vůči korozi kyselinou sírovou. Materiál D-205 se od 90. let minulého století osvědčil v mnoha závodech na výrobu kyseliny sírové po celém světě. S více než 300 jednotkami D-205 instalovanými po celém světě byl tento osvědčený materiál jasnou volbou pro zajištění spolehlivého, bezpečného a efektivního provozu. Zbývajících pět výměníků tepla v systému jsou rozebíratelné deskové výměníky tepla: tři výměníky tepla voda-voda a dva výměníky kyselina-kyselina.

Na rozdíl od tradičních rozebíratelných doskových výměníků tepla s těsněním je polosvařovaná konstrukce Alfa Laval schopna odolávat mechanické únavě v aplikacích s vysokými konstrukčními tlaky a teplotami. Jedinečná desková konstrukce rovněž zajišťuje velmi vysokou tepelnou účinnost s teplotním přiblížením na pouhé 3 °C. To znamená, že voda jako médium používané k přenosu tepla do sítě centrálního zásobovaní teplem může opouštět výměník tepla jen o několik stupňů chladnější než horká kyselina vstupující do jednotky.

Kromě toho jsou deskové výměníky kompaktnější, což umožňuje snadnější a cenově výhodnější instalaci na zlomku prostoru.

Zlepšení udržitelnosti v několika rozměrech

Společnost Aurubis využívá zhruba čtvrtinu získaného tepla z procesu přeměny oxidu siřičitého k podpoře dalších procesů v huti. Zbytek tepla, který odpovídá přibližně 160 000 MWh energie, je dodáván centrálním teplovodem do hamburské čtvrti HafenCity. Zde nabývá tepelná účinnost řešení s výměníkem tepla Alfa Laval mimořádného významu. Protože se HafenCity nachází na druhé straně Labe než ostrov Peute, je trasa dálkového vytápění dlouhá více než tři kilometry. Každý stupeň zpětně získaného tepla z procesu je proto rozhodující.

Současné odhady uvádějí, že kromě toho, co společnost Aurubis využívá v areálu závodu, dodává zpětně získané teplo až 8 000 čtyřčlenným domácnostem a také kancelářím, hotelům a univerzitě v okolí. Vzhledem k tomu, že zpětně získané teplo má nulovou uhlíkovou stopu, projekt snižuje emise CO₂ o 20 000 tun ročně - polovinu z nich v samotné společnosti Aurubis. Další výhodou je, že společnost Aurubis již nemusí využívat chladicí vodu odebíranou z řeky Labe, což dále prospívá místní ekologii.

Německá energetická agentura uznala tento projekt jako "maják energeticky účinného využití odpadního tepla". A stále existuje potenciál, jak toho dokázat ještě více. V současné době dodává do HafenCity průmyslové odpadní teplo pouze jedna ze tří linek kontaktního závodu Aurubis, což znamená, že potenciálně lze ještě získat 480 000 000 kWh. V budoucnu by to mohlo vést ke snížení emisí CO₂ o 140 000 tun ročně.