De zwavelzuurfabriek en stadsverwarming

Installatie

Begin jaren 1980 veranderde Kemira haar zuurkoelsysteem van directe koeling naar warmteterugwinning. In het directe koelsysteem werd de warmte van de absorptie- en droogtorens afgevoerd naar de zee. Met het warmteterugwinningssysteem wordt de warmte in plaats daarvan overgedragen aan een gesloten circuit van koelwater met gedemineraliseerd water. Dit water wordt verwarmd en het hete water wordt gebruikt om stadsverwarmingswater voor de stad Helsingborg te verwarmen.

In dit warmteterugwinningssysteem werd het zuur uit de absorptietorens gekoeld in vier anodisch beschermde platenwarmtewisselaars van het type shell-and-tube, die in parallelle paren waren aangesloten. Het zuur uit de droogtoren werd gekoeld in een anodisch beschermde shell-and-tube warmtewisselaar.

In 1999 was de levensduur van de anodisch beschermde shell-and-tube warmtewisselaars voorbij en moesten ze worden vervangen. Tegelijkertijd besloot Kemira het zuurkoelsysteem volledig te herzien. In plaats van drie zuurtanks te gebruiken (één voor elke absorptietoren en één voor het droogsysteem), werd één zuurtank geïnstalleerd, die zowel het droogsysteem als de twee absorptietorens van circulerend zuur voorzag.

Alle oude koelers werden vervangen door drie halfgelaste Alfa Laval platenwarmtewisselaars in D205 met FPMS pakkingen, parallel aangesloten. Het D205 plaatmateriaal en de FPMS pakkingen werden geselecteerd vanwege de hoge zuurbestendige temperatuur van 105 °C.

Energiebesparing

In de zwavelverbrandingszuurfabriek van Kemira, met een capaciteit van 1000 ton per dag, wordt ongeveer 530 MWh per dag teruggewonnen uit de droog- en absorptietorens. Deze warmte wordt geleverd aan het stadsverwarmingsnet van de stad Helsingborg. Kemira levert in totaal 240 GWh per jaar aan het net. Dit is gelijk aan ongeveer 22.000 m³ olie, wat overeenkomt met ongeveer 25% van de behoeften van de stad. Van dit totaal wordt 80 GWh geleverd als stoom en de rest is warmte teruggewonnen uit de droog- en absorptietorens. Dit betekent dat tijdens de wintermaanden warmte wordt geleverd aan ongeveer 10% van de inwoners van de stad, maar in de zomer levert Kemira alle warmte die nodig is voor warm water.

De totale kosten voor het warmteterugwinningssysteem dat begin jaren 1980 werd geïntroduceerd, bedroegen 45 MSEK (inclusief een 3,5 km lange leiding naar het stadsverwarmingscentrum). De terugverdientijd van het systeem was minder dan een jaar, aangezien Kemira destijds warmte aan de stad leverde ter waarde van 80 MSEK per jaar (vanwege de hogere zuurbalans). De overgang naar één gezamenlijke zuurtank voor alle drie de torens en nieuwe zuurkoelers in 1999 kostte 10,5 MSEK. Berekend tegen de huidige olieprijzen, bedraagt de waarde van de aan de stad geleverde warmte ongeveer 22 MSEK per jaar. Hierdoor was de terugverdientijd opnieuw minder dan een jaar.

Voor de stad Helsingborg betekent deze regeling minder afhankelijkheid van olie en dus verminderde uitstoot van zwaveldioxide in de lucht. Bovendien maakte het project een nieuwe 45 MW warmtekrachtcentrale overbodig, die de stad in de jaren 1980 150 MSEK zou hebben gekost.

Voor Kemira is de levering van warmte een belangrijk aanvullend product geworden naast zwavelzuur en andere chemicaliën. Het heeft ook bijna de behoefte aan koelwater geëlimineerd.

Technische gegevens

Het circuit met gedemineraliseerd water verwarmt het stadsverwarmingswater van 50 tot 80 °C in twee van Alfa Laval’s grote platenwarmtewisselaars met een temperatuurnadering van slechts 4 °C. De temperatuur in het stadsverwarmingscircuit kan worden verhoogd tot 90-95 °C door het injecteren van afvalstoom van de zwavelzuurfabriek. Twee van Alfa Laval’s middelgrote platenwarmtewisselaars worden gebruikt als bijkoelers in de gedemineraliseerde waterlus wanneer dat nodig is om te voldoen aan seizoensgebonden variaties in de vraag naar verwarming. De bijkoelers worden omzeild wanneer ze niet nodig zijn.

Warmteterugwinning

Ongeveer 65 MW aan warmte wordt opgewekt in zwavelverbrandingszuurfabrieken met een dagelijkse capaciteit van 1000 ton. Ongeveer twee derde van de warmte komt van de zwavelbrander en de converter. De meeste zuurproducenten weten hoe ze deze warmte kunnen terugwinnen voor de productie van hogedrukstoom. Het resterende derde deel van de geproduceerde warmte wordt echter meestal afgevoerd naar de zee of de lucht in directe koelsystemen.

De platenwarmtewisselaar maakt het mogelijk om de warmte van het circulerende zuur in de droog- en absorptietorens economisch terug te winnen. Door een gesloten lus van koelwater te installeren, kan de warmte worden gebruikt voor andere doeleinden zoals stadsverwarming, voorverwarming van ketelvoerwater, procesverwarming in aangrenzende fabrieken, ruimteverwarming van fabrieken en kantoren en productie van zoet water door ontzilting.

De Alfa Laval platenwarmtewisselaar is bijzonder geschikt voor warmteterugwinning vanwege:

• Hoge turbulentie en het resulterende hoge warmteoverdrachtscoëfficiënt, wat een klein warmteoverdrachtsoppervlak geeft
• Volledig tegenstroomprincipe, waardoor het mogelijk is temperatuurprogramma’s te volgen die elkaar kruisen
• Vermogen om nauwe temperatuurnaderingen aan te kunnen. Temperatuurnaderingen tot 2 °C kunnen eenvoudig worden bereikt. Dit zorgt voor compacte oplossingen, zelfs voor extreme warmteterugwinningsprestaties
• Hoog percentage warmteterugwinning. Over het algemeen kan 80-90% van de beschikbare restwarmte worden teruggewonnen. Dit in tegenstelling tot shell-and-tube warmtewisselaars, die zelden efficiënte warmteterugwinning boven 50-60% bieden.
• Lagere investerings- en installatiekosten door kleiner warmteoverdrachtsoppervlak en dunne plaatmaterialen, wat resulteert in compactere oplossingen. Terugverdientijd voor een complete warmteterugwinningsinstallatie is over het algemeen minder dan een jaar
• Voordelige stromingsverhoudingen. Bij warmteterugwinning zijn beide vloeistoffen vaak vloeistoffen met ongeveer gelijke doorstroomhoeveelheden
• Flexibiliteit waardoor uitbreiding of hergroepering van het platenpakket van de warmtewisselaar mogelijk is om te voldoen aan gewijzigde specificaties
• Als verwarming van de ene vloeistof en koeling van de andere nodig is in het proces, worden de energiewinsten verdubbeld door zowel de verwarmings- als koelbehoeften te minimaliseren.
• Warmteterugwinning van anders verloren warmte kan worden uitgevoerd met kleine aanpassingen aan het bestaande systeem.