Een baken voor energie-efficiënte warmte-terugwinning uit afvalwarmte

De Aurubis Group heeft deze benadering gevolgd om de duurzaamheid in een van hun smelters te verbeteren. In samenwerking met de Duitse energieleverancier enercity Aktiengesellschaft is Aurubis de drijvende kracht geworden achter een warmtenet dat de HafenCity-wijk van Hamburg van energie voorziet. De energie voor het netwerk komt van restwarmte die Aurubis terugwint uit hun nabijgelegen zwavelzuurfabriek, met behulp van unieke Alfa Laval platenwarmtewisselaartechnologie die is ontworpen om corrosie te weerstaan en de hoge druk en extreme hitte van het proces te doorstaan.

De Aurubis Group, een van de grootste producenten en recyclers van koper ter wereld, exploiteert een grote smelter op het eiland Peute, gelegen in de rivier de Elbe, in het hart van Hamburg. Zwaveldioxidegas is een bijproduct van het pyrometallurgische koperproces dat hier wordt gebruikt. In de zwavelzuurfabriek wordt dit gas eerst omgezet in zwaveltrioxide en vervolgens in vloeibaar zwavelzuur. Het zwavelzuur wordt continu verdund in het proces. Zuurverdunning is een sterk exotherm proces, dat aanzienlijke hoeveelheden warmte vrijgeeft. Dankzij Alfa Laval GPHE kan deze warmte door Aurubis worden teruggewonnen voor gebruik in het warmtenet.

De productie van zwavelzuur vindt plaats in de contactinstallatie van de smelter. In het hart van de installatie bevindt zich een tussenabsorptietoren. De warmte van verdunning uit deze stap werd oorspronkelijk gekoeld met rivierwater uit de Elbe en bleef daardoor onbenut. Het doel van het gezamenlijke project van Aurubis met enercity was om via warmtewisselaars energie uit dit proces terug te winnen en deze energie duurzaam te benutten door deze in het warmtenet van HafenCity te leiden.

Hoge eisen aan ontwerp en materialen van apparatuur

De eerste uitdaging voor Aurubis was dat het hete water dat in dit type warmtenet wordt gebruikt, een aanvangstemperatuur van minimaal 90°C moet hebben. Daarom moesten ze beginnen met het volledig herontwerpen van de tussenabsorptietoren, waarbij de procestemperatuur van het geconcentreerde zwavelzuur werd verhoogd tot ongeveer 120°C, een temperatuurstijging van bijna 50°C.

Deze nieuwe tussenabsorptietoren bracht echter extra complicaties met zich mee voor het al veeleisende project om een warmte-terugwinningssysteem te ontwerpen voor een stof zo uitdagend als zwavelzuur. De hogere procestemperatuur verhoogde de corrosiviteit van het medium aanzienlijk.

Dit vormde een bijzonder moeilijke uitdaging voor de warmtewisselaars in het project, die niet alleen van zeer corrosiebestendige materialen moesten zijn gemaakt, maar ook hoge drukken en temperaturen moesten kunnen weerstaan en een extreem hoge thermische prestatie moesten bieden om een efficiënte overdracht van warmte van het Aurubis-proces naar het warmtenet te garanderen.

Een warmtewisselaar die de uitdaging aankan

Aurubis nam contact op met Alfa Laval, dat samen met de koperproducent op maat gemaakte platenwarmtewisselaars ontwierp, volledig aangepast aan de veeleisende procesomgeving. Het uiteindelijke systeem bestond uit acht warmtewisselaars met state-of-the-art kanaalplaatontwerpen. Drie van de warmtewisselaars – de koelers van de tussenabsorptietoren – waren halfgelaste units, gemaakt van Hastelloy D-205 materiaal, een nikkelhoudende legering die bijzonder bestand is tegen corrosie door zwavelzuur. D-205 levert sinds de jaren 1990 bewezen prestaties in vele zwavelzuurfabrieken wereldwijd. Met meer dan 300 D-205 units wereldwijd geïnstalleerd, was dit beproefde materiaal de voor de hand liggende keuze om betrouwbare, veilige en efficiënte werking te garanderen. De resterende vijf warmtewisselaars in het systeem zijn volledig dichtingsplaatwarmtewisselaars: drie water-water warmtewisselaars en twee zuur-zuur interchangers.

In tegenstelling tot traditionele dichtingsplaat-en-frames warmtewisselaars kan het halfgelaste ontwerp van Alfa Laval mechanische vermoeidheid weerstaan in toepassingen met hoge ontwerpdrukken en temperaturen. Het unieke plaatontwerp zorgt ook voor een zeer hoge thermische efficiëntie, met een temperatuurverschil van slechts 3°C. Dit betekent dat het watermedium dat wordt gebruikt om warmte naar het warmtenet over te brengen de warmtewisselaar slechts enkele graden kouder verlaat dan het hete zuur dat de unit binnenkomt.

Bovendien zijn platenwarmtewisselaars compacter, waardoor ze gemakkelijker en kostenefficiënter kunnen worden geïnstalleerd in een fractie van de ruimte.

Duurzaamheid verbeteren op meerdere vlakken

Aurubis gebruikt ongeveer een kwart van de teruggewonnen warmte uit het zwaveldioxideconversieproces om andere processen in de smelter te ondersteunen. De resterende warmte, goed voor ongeveer 160.000 MWh energie, wordt via de warmtenetleiding naar de HafenCity-wijk van Hamburg geleid. Hier wordt de thermische efficiëntie van de Alfa Laval warmtewisselaaroplossing bijzonder belangrijk. Omdat HafenCity aan de andere kant van de Elbe ligt ten opzichte van Peute-eiland, is de warmtenetroute meer dan drie kilometer lang. Elke graad teruggewonnen warmte uit het proces is daarom cruciaal.

Huidige schattingen geven aan dat, naast wat Aurubis op de fabriekslocatie gebruikt, de teruggewonnen warmte maximaal 8.000 huishoudens van vier personen, evenals kantoorruimtes, hotels en een universiteit voorziet. Omdat de teruggewonnen warmte een effectieve koolstofvoetafdruk van nul heeft, vermindert het project de CO₂-uitstoot met 20.000 ton per jaar – de helft daarvan bij Aurubis zelf. Een bijkomend voordeel is dat Aurubis niet langer afhankelijk is van koelwater uit de rivier de Elbe, wat de lokale ecologie verder ten goede komt.

Het Duitse Energieagentschap heeft het project erkend als een “baken van energie-efficiënte restwarmtebenutting.” En er is nog potentieel om meer te doen. Momenteel levert slechts één van de drie lijnen van de Aurubis contactinstallatie industriële restwarmte aan HafenCity, wat betekent dat er mogelijk nog 480.000.000 kWh kan worden teruggewonnen. In de toekomst kan dit leiden tot een vermindering van 140.000 ton CO₂ per jaar.