Eine Schwefelsäureanlage, die täglich 1.000 Tonnen verarbeitet, setzt beispielsweise zirka 65 Megawatt Wärme frei. Etwa ein Drittel dieser Wärme wird bei der Absorption und in Trockentürmen bei geringen Temperaturen abgegeben. Die meisten Anlagen verschwenden diese Niedertemperaturwärme für Kühltürme oder leiten sie in Flüsse oder in die Luft ein. Damit sich die Rückgewinnung von Niedertemperaturwärme rentiert, wird ein großer Niedertemperaturverbraucher benötigt.
Die Wärme aus dem Säureturm erwärmt eine Wasserschleife, welche die Wärme an einen externen Wärmeverbraucher weitergibt, zum Beispiel an einzelne Verfahrensschritte in der Zink- oder Kupferproduktion. Energieeinsparungspotenzial gibt es überall dort, wo Dampf durch heißes Wasser ersetzt werden kann, welches in der Schwefelsäureanlage erzeugt wird. Zwei Beispiele sind die Erwärmung von angereicherten Elektrolyten in der Kupferproduktion sowie die Erwärmung von Zinksulfatlösungen in der Zinkproduktion.
Die Erwärmung angereicherter Elektrolyte in der Kupferproduktion
In einer Kupferanlage ist es normalerweise die Elektrolysezelle, welche die meiste Energie verbraucht . An dieser Stelle wird Dampf eingesetzt, um angereicherte Elektrolyte auf ihre Endtemperatur zu erwärmen, bevor sie die Elektrolysezelle erreichen. Wenn dieser Dampf durch die Niedertemperaturwärme aus einer Schwefelsäureanlage ersetzt wird, kann der Nettoenergieverbrauch der Anlage gesenkt werden.
Die Erwärmung von Zinksulfatlösung
Während der Auslaugung in einer Zinkanlage wird das Zinkerz mit Schwefelsäure vermischt. Die Schwefelsäure löst das Zink aus dem Erz und bildet eine Zinksulfatlösung. Diese Lösung wird in einem Wärmetauscher mit Dampf erwärmt, bevor die Reinigung und die elektrolytische Gewinnung erfolgen. Um den Nettoenergieverbrauch zu reduzieren, kann der Dampf in vielen Fällen durch heißes Wasser ersetzt werden, welches in der Schwefelsäureanlage erzeugt wird.
Kalkulationen und Annahmen
Ziel dieses Artikels ist es, die Profitabilität von Investitionen in die Abwärmerückgewinnung zu schätzen. Dafür ist es wichtig zu beschreiben, wie die Kosten und Einnahmen quantifiziert werden. Wir gehen davon aus, dass die Investition bestehende Säurekühler und Wärmetauscher in Anlagen ersetzt. Wir setzen außerdem voraus, dass in der Säureanlage Kühlwasser verfügbar ist.
Gesamtinstallationskosten für Wärmetauscher
Die Faustregel für die Schätzung der Gesamtinstallationskosten für Wärmetauscher lautet, die Einheitenkosten mal drei zu nehmen. Die Materialien, die in Schwefelsäurekühlern zum Einsatz kommen sowie weiteres Equipment in Zink- und Kupferprozessen müssen aus korrosionsbeständigen Legierungen bestehen. Diese Legierungen können bis zu sechsmal teurer sein als Edelstahl.
Das bedeutet, dass der Faktor in diesem Fall geringer sein sollte, da Entwicklungs- und Installationskosten nicht so sehr ansteigen, weil in dem Wärmetauscher eine teurere Legierung zum Einsatz kommt. Die Gesamtinstallationskosten für Wärmetauscher werden daher anderthalbmal höher geschätzt als die Kosten für die eigentlichen Wärmetauscher. Temperaturannäherung ist ein wichtiger Faktor, der die Wärmeübertragungsfläche beeinflusst.
Der Säurekühler ist konzipiert für 15 Megawatt Säurekühlung von 110 °C auf 80 °C mit 70 °C bis 100 °C heißem Wasser. Hier kommen normalerweise semi-verschweißte Plattenwärmetauscher mit Platten aus Hastelloy D205TM zum Einsatz. Für das Heizungsgehäuse der Kupferelektrolyte wurden gedichtete Plattenwärmetauscher aus Edelstahl 316 genutzt. Die Kupferelektrolyte werden mit Heißwasser der Säureanlage von 50 °C auf 65 °C erwärmt. Zur Erwärmung der Zinksulfatlösung werden Spiralwärmetauscher aus 904L eingesetzt, sie wird mit Heißwasser der Säureanlage von 55 °C auf 85 °C erwärmt.
Abstand zwischen den Anlagen
Die Universität Lund und Alfa Laval führten gemeinsam eine Studie durch (Iwarsson, 2008), in der die Gesamtkosten für die Anbindung einer Schwefelsäureanlage an ein Fernwärmenetz geschätzt wurden. Die Projektkosten für einen Meter Rohr betragen demnach circa 600 Euro bei einem geschätzten Wärmeverlust von circa 60 W/m. Da die Rohrgrößen, die wir für unsere Kalkulationen benötigen, mit denen in Iwarssons Studie vergleichbar sind, wurden diese Werte in unseren Kalkulationen genutzt. Der Elektrizitätsverbrauch der Pumpen wurde für eine Distanz von 1.000 m zwischen den Anlagen auf 100 kW geschätzt. Dies führt zu einer Erhöhung der jährlichen Betriebskosten auf 50.000 Euro.
Für die Entwicklung, die Inbetriebnahme, die Montage, die Instrumentation und das Equipment neben den eigentlichen Wärmetauschern wurde die Kostenkalkulation aus Iwarssons Bericht (2008) herangezogen, da die Größe der Anlage, von der wir in diesem Artikel ausgehen, der von Iwarsson ähnelt.
Quantifizierung der Energieeinsparungen
Da Dampf in den meisten Anlagen der Hauptenergieträger ist, sind die Kosten für eine Tonne Dampf meist bekannt. Der Dampfpreis in Euro pro Tonne wird daher genutzt, um Energieeinsparungen zu benennen. Kosten von 20 bis 25 Euro pro Tonne Dampf sind in europäischen Industrieanlagen nicht untypisch. Wir vermuten, dass die rückgewonnene Energie circa 10 Megawatt des Dampfes ersetzt, der aus einem Kessel mit einer Effizienz von 80 Prozent kommt.
Fazit
Die Rückgewinnung von Niedertemperaturwärme mithilfe von Plattenwärmetauschern kann äußerst ertragreich sein. Bei Dampfpreisen von 10 Euro pro Tonne und langen Distanzen zwischen den Anlagen kann die Amortisationszeit immer noch weniger als zwei Jahre betragen. Bei höheren Energiepreisen und kürzeren Distanzen zwischen den Anlagen steigt die Profitabilität rasch an.
