Um farol de recuperação de calor residual com eficiência energética

O Grupo Aurubis adotou exatamente essa abordagem para melhorar a sustentabilidade em uma de suas fundições. Em parceria com a fornecedora de energia alemã enercity Aktiengesellschaft, a Aurubis tornou-se a força motriz por trás de uma rede de aquecimento urbano que atende ao bairro de HafenCity, em Hamburgo. A energia para a rede provém do calor residual que a Aurubis recupera de sua planta de ácido sulfúrico próxima, utilizando a tecnologia exclusiva de trocadores de calor a placas da Alfa Laval, projetada para resistir à corrosão e suportar a alta pressão e o calor extremo associados ao processo.

O Grupo Aurubis, um dos maiores produtores e recicladores de cobre do mundo, opera uma grande fundição na ilha de Peute, localizada no Rio Elba, no coração de Hamburgo. O gás dióxido de enxofre é um subproduto do processo pirometalúrgico do cobre utilizado aqui. Na planta de ácido sulfúrico, esse gás é convertido primeiro em trióxido de enxofre e, posteriormente, em ácido sulfúrico líquido. O ácido sulfúrico é continuamente diluído no processo. A diluição do ácido é um processo altamente exotérmico, que libera quantidades significativas de calor. Graças aos trocadores de calor a placas gaxetados (GPHE) da Alfa Laval, esse calor pode ser recuperado pela Aurubis para uso em aquecimento urbano.

A produção de ácido sulfúrico ocorre na planta de contato da fundição. No coração da unidade encontra-se uma torre de absorção intermediária. O calor de diluição desta etapa era originalmente resfriado com água do Rio Elba e, portanto, não era utilizado. O objetivo do projeto colaborativo da Aurubis com a enercity era usar trocadores de calor para recuperar a energia desse processo e reutilizá-la de forma sustentável, canalizando-a para a rede de aquecimento urbano de HafenCity.

Altas exigências no design e nos materiais dos equipamentos

O desafio preliminar da Aurubis era que a água quente utilizada nesse tipo de sistema de aquecimento urbano precisa ter uma temperatura inicial de pelo menos 90°C. Como resultado, eles tiveram que começar construindo uma torre de absorção intermediária completamente reprojetada, aumentando a temperatura de processo do ácido sulfúrico concentrado para aproximadamente 120°C — um aumento de quase 50°C.

No entanto, esta nova torre de absorção intermediária adicionou complicações extras ao projeto, que já era exigente por envolver uma substância tão desafiadora quanto o ácido sulfúrico. A temperatura de processo mais elevada aumentou substancialmente a corrosividade do meio.

Isso representou um desafio particularmente difícil para os trocadores de calor do projeto, que precisavam ser construídos com materiais altamente resistentes à corrosão, além de serem capazes de suportar altas pressões e temperaturas, oferecendo um desempenho térmico extremamente elevado para garantir uma transferência eficiente de calor do processo da Aurubis para a rede de aquecimento urbano.

Um trocador de calor à altura do desafio

A Aurubis contatou a Alfa Laval, que trabalhou com a produtora de cobre para projetar trocadores de calor a placas customizados, totalmente adaptados ao exigente ambiente de processo. O sistema final foi composto por oito trocadores de calor com designs de placas de canal de última geração. Três dos trocadores de calor — os resfriadores da torre de absorção intermediária — eram unidades semissoldadas, feitas de material Hastelloy D-205, uma liga à base de níquel particularmente resistente à corrosão por ácido sulfúrico. O D-205 tem entregado desempenho comprovado em muitas plantas de ácido sulfúrico em todo o mundo desde a década de 1990. Com mais de 300 unidades D-205 instaladas globalmente, este material testado e aprovado foi a escolha óbvia para garantir uma operação confiável, segura e eficiente. Os cinco trocadores de calor restantes no sistema são trocadores de calor a placas totalmente gaxetados: três trocadores água-água e dois intercambiadores ácido-ácido.

Ao contrário dos trocadores de calor de placas e gaxetas tradicionais, o design semissoldado da Alfa Laval é capaz de resistir à fadiga mecânica em aplicações com altas pressões e temperaturas de projeto. O design exclusivo das placas também garante uma eficiência térmica muito alta, com uma aproximação de temperatura (temperature approach) de apenas 3°C. Isso significa que o meio aquoso utilizado para transferir calor para a rede de aquecimento urbano pode sair do trocador de calor apenas alguns graus mais frio do que o ácido quente que entra na unidade.

Além disso, os trocadores de calor a placas são mais compactos, permitindo uma instalação mais fácil e econômica em uma fração do espaço.

Melhorando a sustentabilidade em diversas dimensões

A Aurubis utiliza cerca de um quarto do calor recuperado do processo de conversão de dióxido de enxofre para apoiar outros processos na fundição. O restante do calor, correspondente a aproximadamente 160.000 MWh de energia, é alimentado pela tubulação de aquecimento urbano em direção ao distrito de HafenCity, em Hamburgo. Aqui, a eficiência térmica da solução de trocadores de calor da Alfa Laval torna-se particularmente importante. Como HafenCity está localizada do outro lado do Elba em relação à ilha de Peute, a rota de aquecimento urbano tem mais de três quilômetros de extensão. Cada grau de calor recuperado do processo é, portanto, crítico.

Estimativas atuais indicam que, além do que a Aurubis utiliza na planta, o calor recuperado abastece cerca de 8.000 residências de quatro pessoas, bem como escritórios, hotéis e uma universidade. Como o calor recuperado tem uma pegada de carbono efetiva de zero, o projeto reduz as emissões de CO₂ em 20.000 toneladas por ano – metade delas na própria Aurubis. Um benefício adicional é que a Aurubis não precisa mais depender da água de resfriamento retirada do Rio Elba, o que beneficia ainda mais a ecologia local

A Agência de Energia Alemã reconheceu o projeto como um “farol de utilização de calor residual com eficiência energética”. E ainda há potencial para fazer muito mais. Atualmente, apenas uma das três linhas da planta de contato da Aurubis fornece calor residual industrial para HafenCity, o que significa que 480.000.000 kWh ainda podem ser recuperados. No futuro, isso poderá resultar em uma redução de 140.000 toneladas por ano nas emissões de CO₂.