DE102013219716A1

DE102013219716A1 - Vorrichtung und Verfahren zur automatisierten Nutzung von Abwärme

Info

Publication number: DE102013219716A1
Application number: DE201310219716
Authority: DE
Inventors: Lilla Grossmann; Victor Seleznev
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatisierten Nutzung von Abwärme (WH), insbesondere für die Herstellung von Aluminium aus Bauxit (21), aufweisend mindestens einen Wärmetauscher (35, 35’), Sensoren (19, 19’, 19’’), Steuerventile (33) sowie eine Kontrolleinrichtung (1) zur automatisierten Nutzung von Abwärme. Es ist vorgesehen, – dass eine Übertragung der Abwärme (WH), welche mittels dem Wärmetauscher (35, 35’) und mittels einem Wärmetransportmedium zur Entwärmung von Abgasen (37) aus Verbrennungsprozessen und/oder Kühlungsprozessen (3a, 7a) erfolgt, zur Erwärmung bei mindestens einem weiteren Prozess vorgesehen ist, – dass die Kontrolleinrichtung (1) zur Steuerung und/oder Regelung der Abwärme (WH) gemäß ermittelter Temperaturwerte und/oder ermittelter Druckwerte des Wärmetransportmediums sowie eines zu erwärmenden Reaktionsgemisches eines weiteren Prozesses vorgesehen ist, – dass die Kontrolleinrichtung (1) zur Verteilung der Abwärme (WH) nach Vorgaben und mittels der mittels Sensoren (19`) ermittelte Druckwerte und/oder der mittels Sensoren (19) ermittelte Temperaturwerte und/oder mittels Sensoren (19’’) ermittelten chemischen Zusammensetzungen, beispielsweise der pH-Wert, vorgesehen ist, wobei die Kontrolleinrichtung (1) bei einer Abweichung der vorgegebenen prozessrelevanten Temperaturwerte und/oder prozessrelevanten Druckwerte und/oder prozessrelevanten chemischen Zusammensetzungen, der Reaktionsgemische, zu einer Regelung der Abwärme (WH) mit den Steuerventilen (33) vorgesehen ist. Zudem sind weitere Quellen und Verwendungsbeispiele der Abwärme (WH) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatisierten Nutzung von Abwärme. Weiter betrifft diese Erfindung eine Kontrolleinrichtung einer solchen Vorrichtung.
Bei der Herstellung von Aluminium aus Bauxit unter Verwendung des Bayer-Verfahrens wird sehr viel Energie benötigt. Aufgrund steigender Energiepreise sind Produktionsanlagen für Aluminium heute insbesondere an Orten lokalisiert, an denen viel Energie, beispielsweise durch Wasserkraft erzeugt, zur Verfügung steht und preisgünstig erworben werden kann. Einige dieser Gebiete sind in Ländern mit geringer Durchschnittstemperatur wie beispielsweise Norwegen, Island oder nördlich gelegenen Gebiete Russlands. Bei der Herstellung von Aluminium geht viel Energie in Form von Abwärme, beispielsweise bei der Erzeugung von Wasserdampf als auch bei der Kalzinierung verloren.
Aus DE 27 35 406 C2 ist ein Verfahren zur Gewinnung von Aluminiumoxid aus aluminiumoxidhaltigen Erzen bekannt. Bei diesem Verfahren kommen Doppelrohrwärmetauscher zur Beheizung von nassvermahlenem Schlamm zur Anwendung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Herstellung von Aluminium Energie zu sparen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Weiter wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß des Anspruchs 8 gelöst.
Weiter wird diese Aufgabe mittels einer Kontrolleinrichtung gemäß des Anspruchs 12 gelöst.
Die weiteren Ansprüche haben vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens zum Inhalt.
Bei der Herstellung von Aluminiumoxid (Al₂O₃) in einer Anlage, insbesondere nach dem Bayer-Verfahren, wird der Bauxit gemahlen und mit einer Lauge, zumeist Natronlauge, vermischt. Im weiteren Verfahren löst die Natronlauge (NaOH) die aluminiumhaltigen Anteile des Bauxits durch Bildung von Natriumaluminat (Na[AL(OH)₄]). Die unlöslichen Bestandteile, wie der so genannte Rotschlamm, vorwiegend bestehend aus Eisenoxid (Fe₂O₃) werden abgefiltert. Dann wird das Natriumaluminat als Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃) durch Kristallisationskeime ausgefällt, die Konzentration der verdünnten Natronlauge wieder erhöht und anschließend wieder mit neuem Bauxit vermengt und der Vorgang beginnt von Neuem. Das feste Aluminiumhydroxid wird durch Kalzinierung (Erwärmung des Aluminiumoxides auf 1.200°C bis 1.600°C in einem Drehofen) zu Aluminiumoxid umgewandelt. Insbesondere bei der Kalzinierung sowie bei der Erzeugung von Wasserdampf werden große Mengen von Abwärme frei. Insbesondere bei der Kalzinierung sowie bei anderen Prozessen sowie im Anschluss bei der Schmelzflusselektrolyse ist ein erheblicher Teil der Abwärme rückgewinnbar. Um die Abwärme zurückzugewinnen wird die Abwärme, insbesondere durch Wärmetauscher, an das Wärmetransportmedium übertragen, mit Hilfe dessen die Abwärme dann zu den weiteren Prozessen geleitet wird, welche unterstützt werden. Unter den weiteren Prozessen sind die Erwärmung des Lauge-Bauxit-Gemisches, die das Eindicken der Lauge und/oder die Behandlung des Rotschlamms zu verstehen.
Die Rückgewinnung wird dabei durch die Erfassung des Drucks, der Temperatur sowie der chemischen Zusammensetzung des Wärmetransportmediums mittels Sensoren zur Bestimmung der Temperatur, des Drucks sowie der chemischen Zusammensetzung unterstützt. Die Sensoren sind vorteilhaft mit einer Kontrolleinrichtung verbunden. Durch die Bestimmung der Temperaturen ist eine zielgerichtete Zuleitung des Wärmetransportmediums zu den Prozessen möglich, welche durch die Abwärme unterstützt werden. Ein Wärmetransport mittels des Wärmetransportmediums ist im Folgenden auch als Wärmestrom bezeichnet. Die Steuerung der Wärmeströme erfolgt durch Steuerventile. Durch eine Kontrolleinrichtung ist kann beispielsweise die Temperatur der Natronlauge, insbesondere während des Aufschließens und/oder der Filtration des Rotschlamms, eingestellt und/oder kontrolliert werden. Weiter kann die Temperatur während der Behandlung des Rotschlamms mittels der Kontrolleinrichtung kontrolliert werden. Weiter ist die Kontrolleinrichtung zur Kontrolle der Flussparameter der Abgase als auch des Wärmetransportmediums, insbesondere des Drucks vorgesehen. Weiter sind Sensoren zur Überwachung der chemischen Zusammensetzung der Abgase und/oder des Wärmetransportmediums vorgesehen. Um die Prozesstemperatur für die zu unterstützenden Prozesse in den Temperaturbereichen zu halten, welche für die ablaufenden Prozesse optimal sind, werden die Temperaturen und die Druckwerte während der Prozesse laufend ermittelt und durch die Kontrolleinrichtung mit Sollwerten verglichen. Dabei reicht es ggf. aus, lediglich die Temperaturen und/oder die Druckwerte und/oder die Flussgeschwindigkeiten des Wärmetransportmediums einer oder mehreren Stellen zu bestimmen. Mittels entsprechender anlagenspezifischer Parameter ist dann eine Berechnung der optimalen Wärmeströme der Abwärme zu den unterstützten Prozessen berechenbar. Die Berechnung wird insbesondere mittels der Kontrolleinrichtung durchgeführt. Durch Beachtung weiterer Parameter der zu kontrollierenden Anlage sind vorteilhaft Störungen bei der Messung von Temperaturen und/oder Druckwerten ermittelbar und bei Kenntnis der Parameter und ggf. weiterer Zusammenhänge der Anlage behebbar. Bei einer Abweichung, beispielsweise einer nicht ordnungsgemäßen Temperatur während eines weiteren Prozesses, wird zunächst die zu Verfügung stehende Abwärme zur Wiederherstellung der Sollwerte herangezogen. Ist die zur Verfügung stehende Menge der Abwärme für den benötigten Temperaturanstieg nicht ausreichend, so wird die Nutzung durch weitere Wärmequellen (elektrische Heizung, Verbrennungsöfen oder dergleichen) herangezogen.
Zusätzlich regelt die Kontrolleinrichtung die maximale Entnahme von Abwärme, insbesondere bei der Restwärmenutzung von Abgasen. Eine Begrenzung der Entnahme von Abwärme, insbesondere aus Abgasen, verhindert ein Absinken der Temperatur der Abgase unterhalb des Säuretaupunktes und damit vorteilhaft eine Beschädigung der Anlage.
Vorteilhaft wird die chemische Zusammensetzung der Abgase mittels Sensoren erfasst, zur Kontrolleinrichtung übertragen und von der Kontrolleinrichtung ausgewertet. Durch eine Erfassung der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung von Abgasen sowie der Ermittlung der genutzten Abwärme kann die Umweltverträglichkeit der Anlage gemessen und ggf. protokolliert werden. Die ermittelten Druck- und Temperaturwerte werden mit Sollwerten verglichen und bei einer Abweichung wird mittels Steuerventilen der Fluss des Wärmetransportmediums modifiziert.
Zur Erkennung eines Lecks oder einer weiteren Beschädigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorteilhaft an mindestens einer Stelle den pH-Wert des Wärmetransportmediums zu bestimmen. Falls ein Leck in einer der Wärmetauscher auftritt und das Wärmetransportmedium beispielsweise mit den Abgasen und/oder mit der zu erwärmenden Lauge in Kontakt kommt, so verändert sich der pH-Wert des Wärmetransportmediums. Zur Erhöhung der Sicherheit wird, falls der gemessene pH-Wert einen vorgebbaren Bereich verlässt, ein Alarmsignal ausgegeben und/oder mittels eines Steuerventils der Durchfluss des Wärmetransportmediums reduziert oder unterbrochen. Wahlweise ist bei einer ermittelten Beschädigung zusätzlich ein Signal an eine zuständige Wartungsstelle zu senden.
Vorteilhaft ist eine Ermittlung der notwendigen Wärmemenge anhand von Ist-Temperatur bei Prozessen wie dem Aufschlussprozess, den Filtrationsprozessen, der Wiederaufbereitung der Lauge und/oder ggf. den Weiterhandlungsprozessen des Rotschlamms. Sodann steuert die Kontrolleinrichtung die Nutzung der Abwärme bis die vorteilhafte Prozesstemperatur erreicht ist. Falls die vorteilhafte oder notwendige Prozesstemperatur höher ist als die Temperatur des Wärmetransportmediums, so wird die Temperatur der an dem Prozess beteiligten Substanzen zunächst durch das Wärmetransportmedium erhöht und anschließend Wärmeenergie aus einer weiteren Quelle zur Erwärmung der Substanzen (Reaktionsgemisches) verwendet. Während der Zeit, in der das Reaktionsgemisch weiter erwärmt wird, wird die Abwärme anderweitig genutzt oder gespeichert. Die Verteilung der Abwärme durch die Zuführung der Wärme wird durch Steuerventile den einzelnen Bereichen zugeteilt. Diese Steuerventile werden durch die Kontrolleinrichtung angesteuert. Vorteilhaft wird die gesamte Erwärmung zentral mit Hilfe der Kontrolleinrichtung geregelt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung sind zur Gewinnung der Abwärme Abgase von der Kalzinierung und/ oder Abgase einer Dampferzeugung und/oder Abwärme von Kühlprozessen und/oder Abgase einer Schmelzflusselektrolyse vorgesehen. Abwärme entsteht bei der Herstellung von Aluminium, insbesondere bei der Kalzinierung und bei der Schmelzflusselektrolyse.
Die Nutzung der Abwärme mittels des Wärmeübertragungsmediums bei der Kalzinierung und/oder von den Abgasen und/oder von der Schmelzflusselektrolyse weist den Vorteil auf, dass das Wärmetransportmedium mit verschiedenen Temperaturen bereitgestellt werden kann. Die verschiedenen Temperaturen spannen einen Bereich von 50° C bis zu über 1000° C auf. So ist mittels der Anpassung der Durchflussgeschwindigkeit des Wärmetransportmediums durch den Wärmetauscher jede Temperatur unterhalb der Abwärmetemperatur erreichbar. Im Falle von Wasser als Wärmetransportmedium ist eine Temperatur unterhalb des Siedepunkts von Wasser zur einfachen Handhabung des erhitzten Wassers vorteilhaft.
Bei einer Kalzinierung beispielsweise beträgt die Temperatur zwischen 1.200°C und 1.600°C. Bei der Rückgewinnung von Abwärme während eines Verbrennungsprozesses, beispielsweise bei der Dampferzeugung, können durch Wärmetauscher im Abgassystem Temperaturen bis zu 250°C erreicht werden. Bei einer Aufnahme der Abwärme durch das Wärmetransportmediums ist mittels des Wärmetransportmediums eine effiziente Unterstützung von vielen Prozessen des Bayer-Verfahrens, wie die Erwärmung des Reaktionsgemisches aus Bauxit und Lauge, der Abscheidung und Behandlung von Rotschlamm, und/oder dem Eindicken der Lauge möglich, da die vorteilhaften Temperaturbereiche für die Prozesse des Bayer-Verfahrens meist unterhalb der oben aufgeführten Temperaturen liegen. Vorteilhaft wird die Herstellung von Wasserdampf unterstützt, was zu einer Einsparung von Brennstoff bei der Dampferzeugung führt. Je nach Durchflussgeschwindigkeit des Wärmetransportmediums ist die Temperatur des Wärmetransportmediums mittels der Kontrolleinrichtung einstellbar. Falls Wasser als Wärmetransportmedium gewählt wird, ist eine Temperatur von unter 100°C vorteilhaft, da der Transport sowie eine Beförderung durch eine Pumpe als Flüssigkeit oft einfacher im Vergleich zu Wasserdampf ist. Zudem bestehen bei der Verwendung von Wasserdampf, insbesondere bei hohen Druckwerten in den Leitungen weitere Erfordernisse an die Stabilität der Konstruktion. Zum Transport der Abwärme eignen sich insbesondere Wasser oder wässrige Lösungen einer Temperatur von etwa 60°C bis 80°C, die mit geringem Druck durch Rohrleitungen transportiert werden. Weitere Wärmetransportmedien wie Öl oder Gase sind auch als Wärmetransportmedium vorteilhaft, insbesondere bei hohen Temperaturen.
Als Abwärmequellen sind die Dampferzeugung, die Abgase der Kalzinierung sowie die Schmelzflusselektrolyse aufgrund der hohen Temperaturen, auf die das Wärmetransportmedium erwärmt werden kann, vorteilhaft. Besonders vorteilhaft sind die vorstehend ausgeführten Abwärmequellen aufgrund der hohen erreichbaren Temperatur des Wärmetransportmediums, so dass ein besonders schneller Wärmetransport auf die Verfahrensschritte möglich, die mittels der Abwärme unterstützt werden. Weiter sind geringere Mengen Abwärme bei der Kühlung von Natronlauge/Bauxitgemisch zu gewinnen. Diese Prozesse finden vorwiegend in einem Temperaturbereich von 100°C bis etwa 300°C statt, wobei das durch diese Prozesse erwärmte Wärmetransportmedium zur Erwärmung von Prozessen bei geringerer Temperatur vorteilhaft verwendet werden kann, beispielsweise der Aufschlämmung oder der Reaktion von Natronlauge mit den aluminiumhaltigen Bestandteilen des Bauxits.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kontrolleinrichtung zusätzlich zur Überwachung von Temperaturdruck und chemischer Zusammensetzung der Abgase vorgesehen. Bei der Aluminiumherstellung treten insbesondere bei Verbrennungsprozessen zur Dampferzeugung oder zur Wärmeerzeugung sowie bei der Schmelzflusselektrolyse große Mengen an Abgasen auf. Diese werden regelmäßig mittels bekannter Reinigungsmethoden aufbereitet, entstaubt und an die Umwelt abgegeben. Bei einem Entzug von Wärmeenergie bei den Abgasen, beispielsweise durch die Nutzung eines Wärmetauschers, kühlen sich die Abgase ab. Weiter kann auch der abgetrennte Staub zur Gewinnung von Abwärme herangezogen werden, da der Staub regelmäßig eine hohe Temperatur aufweist. Falls die Temperatur der Abgase bei der Entnahme von Abwärme unterhalb des Säuretaupunkts fällt, droht eine Beschädigung der Innenflächen der Schornsteine sowie ggf. eine Beschädigung der Vorrichtung zur Reinigung der Verbrennungsabgase. Um dies zu verhindern ist es vorteilhaft, die Temperatur, Durchflussgeschwindigkeit sowie die chemische Zusammensetzung der Abgase fortlaufend zu ermitteln. Die ermittelten Werte werden an die Kontrolleinrichtung übermittelt. Falls die Temperatur der Abgase durch den Entzug von Wärmeenergie und der damit verbundenen Rückführung von Abwärme unterhalb des Säuretaupunkts fällt, so kann die Kontrolleinrichtung den Entzug von Abwärme drosseln bzw. ganz stoppen oder gar Abwärme an die Abgase abgeben. Eine Reduktion einer Entnahme der Abwärme erfolgt vorteilhaft durch eine Anpassung der Durchflussgeschwindigkeit des Wärmetransportmediums durch den Wärmetauscher, der mit den Abgasen in Kontakt steht. Zudem ist bei einer zeitweise auftretenden Erhöhung der Abgastemperatur durch die Nutzung der Abwärme entgegenzuwirken.
Falls Abgase eine erhöhte Temperatur (beispielsweise oberhalb von 250°C) aufweisen, ist eine Beschädigung der Rohrleitungen und/oder der Gebläse und/oder der Abgasreinigungsvorrichtung nicht auszuschließen. Mittels einer dynamischen Anpassung der Nutzung von Abwärme ist eine Beschädigung der Anlage wirksam verhinderbar. So wird die Lebensdauer der Anlage zur Herstellung von Aluminium vorteilhaft erhöht.
Zusätzlich können die ermittelten Temperaturwerte und Schadstoffanteile der Abgase in der Kontrolleinrichtung protokolliert werden und mittels der ermittelten Werte von Temperatur, Druck sowie der chemischen Zusammensetzung Protokolle über die Umweltverträglichkeit von Anlagen zur Aluminiumherstellung erstellt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Steuerventile direkt mit den Sensoren und/oder der Kontrolleinrichtung verbunden und die Sensoren sind direkt zur Steuerung der Steuerventile vorgesehen. Diese weitere Ausgestaltungsform der Vorrichtung erlaubt einen Betrieb der Vorrichtung ohne den Einsatz einer entsprechenden Kontrolleinrichtung. So ist ein sicherheitsrelevanter Aspekt bei der Versorgung der Prozesse mit Wärme und/oder Abwärme auch bei einem Ausfall oder einem technischen Problem bei der Kontrolleinrichtung gewährleistet. Dabei sind die Ventile direkt mit den entsprechenden Sensoren verbunden. Bei einem Überschreiten oder Unterschreiten einer vorgegebenen Grenze einer Temperatur und/oder eines Druckes und/oder der chemischen Zusammensetzung schließt oder reduziert oder öffnet das entsprechende Ventil, welches mit dem Sensor verbunden ist, den Durchlass des Wärmetransportmediums.
So kann beispielsweise bei einer Überhöhung des Drucks im Kreislauf des Wärmetransportmediums ein Ventil direkt durch einen Druckmesser geregelt werden. Hierzu muss keine Verbindung zur Kontrolleinrichtung bestehen. Beispielsweise ist bei Überschreitung eines maximalen Druckwertes ein Ventil zu öffnen, welches das Wärmetransportmedium in einen Speicher ableitet, bis der Druckwert wieder im gewöhnlichen Bereich vorliegt. Im Falle von Wasser oder Wasserdampf ist auch eine kontrollierte Abgabe des Wassers oder des Dampfes an die Umwelt denkbar. Im Falle eines Überschreiten einer Maximaltemperatur wird in vorteilhafter Art und Weise die Durchflussgeschwindigkeit des Wärmetransportmediums erhöht, so dass die gleiche aufgenommene Wärmemenge eine geringere Temperatur des Wärmetransportmediums zur Folge hat, so dass bestimmte Prozesse, welche durch die Abwärme versorgt werden, nicht über ein bestimmtes Temperaturniveau ansteigen.
Durch dieses direkte Verbinden ist es möglich, auch bei einem Ausfall einer Kontrolleinrichtung Sicherheitsstandards einzuhalten. Gegebenenfalls sind weitere Mess- und Regeleinheiten vorteilhaft, welche nicht unmittelbar mit der Kontrolleinrichtung in Verbindung stehen. So sind ggf. einzelne autarke Prozesse mittels Mess- und Regeleinheiten zu steuern, welche Daten von der Kontrolleinrichtung erhalten und/oder Daten an die Kontrolleinrichtung übermitteln, wobei die einzelnen Mess- und Regeleinheiten eigenständig die autarken Prozesse steuern und/oder regeln.
Ein weiteres Beispiel ist die Messung des pH-Wertes des Wärmetransportmediums, wobei eine Erhöhung oder eine Erniedrigung des pH-Wertes über eine bestimmte Grenze hinaus auf ein Leck im Kühlkreislauf hindeutet, was vorteilhaft zu einer Schließung der entsprechenden Steuerventile führt. Zusätzlich ist, bei einer durch die Sensoren ermittelten Störung, ein Alarmsignal und/oder ein Signal an eine zuständige Stelle, beispielsweise an eine Wartungsstelle, zu übermitteln.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kontrolleinrichtung zur Minimierung der notwendigen Wärmemenge vorgesehen. Durch den Einsatz intelligenter Algorithmen lässt sich der Einsatz von konventionell erzeugter Wärmeenergie in maximaler Weise durch Abwärme ersetzen.
Durch eine bedarfsgerechte Steuerung des Zuflusses von Wärmeenergie durch ein Wärmetransportmedium kann beispielsweise einem Prozess mehr Abwärme zugefügt werden als ein anderer Prozess, der gerade keine zusätzliche Wärmeenergie benötigt. Eine bedarfsgerechte Versorgung mit Abwärme durch das erhitzte Wärmetransportmedium erfolgt durch Ermittlung von Daten durch die entsprechenden Sensoren zur Messung von Temperatur, Druck sowie der chemischen Zusammensetzung der am Prozess beteiligten Substanzen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine zusätzliche Messung des pH-Wertes des Wärmetransportmediums an mindestens einer Stelle vorgesehen und bei einer Änderung des pH-Wertes über einen vorgebbaren Bereich hinaus ist ein Signal an eine zuständige Stelle und/oder eine Unterbrechung oder Reduzierung der Nutzung der Abwärme vorgesehen. Diese Ausführung der Vorrichtung eignet sich insbesondere bei der Verwendung von Wasser oder einer wässrigen Lösung oder eines wasserhaltigen Gemisches als Wärmetransportmedium. Falls das Wärmetransportmedium durch beispielsweise ein Leck mit den Abgasen und/oder der natronlaugehaltigen Substanz in Berührung kommt, ändert sich der pH-Wert erheblich. Somit ist eine Ermittlung und Auswertung der Änderung des pH-Wertes ein einfaches und genaues Mittel um eine Beschädigung im Kreislauf des Wärmetransportmediums festzustellen.
Durch die Messung des pH-Wertes ist es möglich, ein unvorteilhaftes Eindringen des Wärmetransportmediums in einen Reaktionsschritt bei der Herstellung von Aluminium wirksam zu detektieren. Bei einer Detektierung eines pH-Wertes, der nicht in einem Toleranzbereich liegt, werden Gegenmaßnahmen, wie das Verschließen eines entsprechenden Ventils, durchgeführt. Der Toleranzbereich ist bei der Verwendung von Wasser um den neutralen pH-Bereich (beispielsweise einem pH-Bereich von sechs und acht) zu wählen. Die der Wahl der Breite des Toleranzbereiches ist der auftretende Temperaturbereich sowie weitere Vorrichtungsspezifische Parameter zu berücksichtigen. Während der Wartung des eventuell aufgetretenen Schadens ist die Wärmeenergie der Abwärme in andere Bereiche umzuleiten, so dass auch im Falle einer Störung eine maximale Ausnutzung der Abwärmerückführung sowie die Sicherheit zu jedem Zeitpunkt gewährleistet sind.
Die Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zur automatisierten Nutzung von Abwärme gelöst, wobei die Kontrolleinrichtung die notwendige Wärmemenge des betreffenden Prozesses ermittelt, die zur Verfügung stehende Abwärme dem Prozess zukommen lässt und bei weiteren Wärmebedarf weitere Wärmequellen zuschaltet. Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine besonders effiziente Nutzung der Abwärme, insbesondere bei der Herstellung von Aluminium aus Bauxit, aus. Dabei werden die optimalen Parameter, wie Temperatur, Druck und die daraus resultierende optimale zugeführte Wärmeenergie, in die Kontrolleinrichtung vorgegeben. Die Kontrolleinrichtung führt durch die Betätigung von Steuerventilen im Kreislauf des Wärmetransportmediums den entsprechenden Prozessen die optimale Wärmemenge zu. Durch eine gleichzeitige Messung der Temperatur der Substanzen ist die Wärmezufuhr mittels der Kontrolleinrichtung regelbar. Durch die Beachtung der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit durch den entsprechenden Wärmetauscher wird verhindert, dass einige Prozesse, die nur eine schwache Wärmezufuhr benötigen, überhitzt werden. Weiter wird ein möglichst schneller Wärmeübertrag vom Wärmetransportmedium auf das zu erwärmende Gemisch gewährleistet. Solcherart ist die Nutzung der Abwärme möglichst effizient gestaltet.
Besondere Beachtung verdient hierbei die notwendige Temperatur, bei der der Prozess vorteilhaft stattfindet. Um eine möglichst schnelle Übertragung der Abwärme, beispielsweise durch einen Wärmetauscher, zu erreichen, ist die Temperaturdifferenz der benötigten Temperatur und der Temperatur des Wärmetransportmediums im vorteilhaften Bereich (siehe oben) möglichst hoch zu wählen, wobei darauf geachtet wird, dass nur so viel Wärmeenergie übertragen wird, dass die Endtemperatur des Prozesses nicht höher als die maximal vorgegebene Temperatur steigt.
Falls die notwendige Mindesttemperatur des betreffenden Prozesses die Temperatur des zur Verfügung stehenden Wärmetransportmediums übersteigt, so ist die Zuschaltung weiterer Wärmequellen notwendig um die Temperatur der Substanzen für den Prozess weiter von der Maximaltemperatur, welche durch die Abwärme erreicht werden kann, auf die optimale Reaktionstemperatur zu erhöhen. Dies kann beispielsweise eine elektrische Heizung und/oder die Verbrennung fossiler Brennstoffe beinhalten. Gegebenenfalls vorteilhaft ist ein weiterer Kreislauf mit einem weiteren Wärmetransportmedium, so dass die hohen Abgastemperaturen von der Schmelzflusselektrolyse und der Kalzinierung für einzelne Prozesse genutzt werden, welche Temperaturen im Bereich von 100°C bis etwa 300°C bedürfen. Durch die zielgerichtete Zuordnung der Wärmemengen für die einzelnen Prozesse lässt sich die Nutzung von Abwärme möglichst effizient gestalten und damit den Einsatz von Energie zur Herstellung von Aluminium minimal gestalten.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist ein Verfahren, wobei mittels Sensoren und der Kontrolleinrichtung entzogene Abwärme und abgegebene Abwärme ermittelt und anhand von Vorgaben mittels Steuerventilen der Transport der Abwärme geregelt wird. Die Zuordnung der Wärmeenergie, welche durch das Wärmetransportmedium den einzelnen Prozessen zugeführt wird, ist mittels Sensoren zu ermitteln. Durch den Einsatz von Steuerventilen kann der Abwärmestrom zielgerichtet zu dem Prozess geleitet werden, der gerade Wärmeenergie benötigt. Durch die Ermittlung der abgegebenen und entzogenen Wärmemengen kann auf den Zustand der Isolation sowie ggf. auf das Vorhandensein einer Beschädigung, wie beispielsweise eines Lecks, geschlossen werden. Gegenüber der oben aufgezeigten Methode, eine Beschädigung im Kreislauf des Wärmetransportmediums durch die Messung des pH-Wertes zu detektieren, besitzt die Methode des Temperaturvergleiches den Vorteil, dass sie bei Verwendung von nichtwässrigen Wärmetransportmedien wie Öl angewendet werden kann. Bei einer solchen Detektierung sendet in vorteilhafter Weise die Kontrolleinrichtung ein Signal an eine zuständige Stelle, welche weitere Schritte zur Kontrolle der Vorrichtung in Erwägung zieht. Da die Methode ggf. ungenauer ist, ist dies bei der ausgelösten Reaktion auf eine Wärmeentnahme im Wärmetransportmittelkreislauf zu beachten.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist ein Verfahren, wobei die Kontrolleinrichtung bei einer Abgastemperatur unterhalb des Säuretaupunkts eine Entnahme der Abwärme drosselt, bis die Abgastemperatur wieder über dem Säuretaupunkt gestiegen ist. Bei einem Absinken der Temperatur von beispielsweise Schwefeldioxid oder Fluorwasserstoff enthaltenden Abgase würden Schwefelsäure bzw. Flusssäure entstehen, welche zu einer Beschädigung der Rohre und/oder der Schornsteine beitragen. Falls diese nicht schon durch die Abgasbehandlung herausgefiltert wurden.
Zusätzlich ist die Detektierung der Temperatur der Abgase zur Steuerung von der oben beschriebenen Vorrichtung notwendig, da bei einem Abfall der Abgastemperatur die notwendigen Temperaturen des Wärmetransportmediums nicht mehr erreicht werden können. Im Falle eines Absinkens der Temperatur ist vorteilhaft die Durchflussgeschwindigkeit des Wärmetransportmediums zu reduzieren, um eine gleichbleibende Temperatur des Wärmetransportmediums zu gewährleisten. Falls die Temperatur durch eine Reduzierung der Entnahme von Abwärme wieder in den vorgegebenen Bereich ansteigt, kann wieder mit einer Entnahme von Abwärme begonnen werden.
Falls die Temperatur der Abgase zu stark ansteigt und die Temperaturen nicht mehr durch die Nutzung der Abwärme reduziert werden können, ist eine Einleitung von Frischluft zu den Abgasen notwendig um eine Beschädigung der Gebläse und/ oder der Abgasreinigungsvorrichtung zu verhindern. Diese Zufuhr der Frischluft erfolgt vorteilhaft durch ein Steuerventil und das Steuerventil ist durch die Kontrolleinrichtung und/oder die Mess- und Regeleinrichtungen zu steuern. Andernfalls ist es möglich, heißes Wärmetransportmedium zwischenzuspeichern um Temperaturschwankungen auszugleichen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens dient die Abwärme zur Behandlung von Rotschlamm.
Der Rotschlamm wird dabei vorteilhaft mit Hilfe der Abwärme erwärmt. Dies führt zu einer Erhöhung der Effektivität der Filterung des Rotschlammes. Bei der Filterung des Rotschlamms werden die nicht löslichen Bestandteile des Rotschlammt von dem noch vorhandenen Rest der Lauge getrennt. Diese Trennung ist bei einer erhöhten Temperatur effektiver. Weiter kann die Abwärme zur Erwärmung des Rotschlamms eingesetzt werden, um noch vorhandenes Wasser vor einer Deponierung des Rotschlamms zu entfernen. So lässt sich vorteilhaft Deponievolumen einsparen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Behandlung von Rotschlamm dient die Abwärme zur Unterstützung der Dampferzeugung und/oder zur Dampferzeugung direkt, wobei der Dampf zur Trocknung des Rotschlamms während der Filterung dient. Durch den Dampf wird dabei das vorhandene Wasser bzw. die vorhandene Lauge aus dem Rotschlamm herausgelöst. Dabei wird der Dampf durch den teilweise von dem Wasser / der Lauge befreiten Rotschlamm geleitet. Bei der Durchleitung des Wasserdampfes durch den Rotschlamm verdampft auch ein Teil des Wassers, welches vorher Bestandteil des Rotschlammes gewesen ist. Weiter wird ein Teil des Wassers des Rotschlamms durch den durchströmenden Wasserdampf aus dem Rotschlamm mechanisch herausgedrückt. Durch die Entfernung des Wassers aus dem Rotschlamm (Entwässerung des Rotschlamms) wird vorteilhaft Deponiefläche eingespart.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung,
2 eine mögliche Ausführungsform der Gewinnung von Abwärme aus Abgasen,
3 eine weitere mögliche Ausführungsform der Gewinnung von Abwärme aus Abgasen sowie
4 eine schematische Darstellung der Produktion von Aluminium.
1 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur automatisierten Nutzung von Abwärme. Die Figur besteht aus in einzelnen Reaktionsschritten im Bayer-Verfahren bei der Herstellung von Aluminiumoxid Al₂O₃ aus Bauxit [Al₂O₃, Fe₂O₃, ...] 21. Dabei wird das gemahlene Bauxit 21 mit Natronlauge in einem Prozess des Aufschlusses 2 gemischt und nach Vermengung durch einen Rührer in einem fest verschließbaren Gefäß (auch als Autoklav bezeichnet) 3 geleitet. In dem fest verschließbaren Gefäß 3 wird die Mischung aus Bauxit 21, bestehend aus Aluminiumoxid Al₂O₃ sowie Eisenoxid Fe₂O₃ und weiteren Substanzen bei hohem Druck und erhöhter Temperatur solange gelagert, bis das Aluminiumoxid Al₂O₃ durch Bildung von Natriumaluminat Na[Al(OH)₄] gelöst ist. Das fest verschließbare Gefäß 3 weist, insbesondere im Inneren, Sensoren 19, 19’ für die Bestimmung des Drucks 19’ sowie der Temperatur 19 auf und wird vorteilhafterweise durch einen Wärmeaustauscher 35’ mit Abwärme aus anderen Prozessen erwärmt.
Nach dem Autoklav 3 wird das Gemisch zum Abscheiden 5 des Rotschlammes 22 in einen Abscheider oder ein ähnliches Gefäß befördert, wobei der so genannte Rotschlamm [Fe₂O₃, ...] 22 durch Absetzung oder Filtration 5 (s. 4) von der aluminiumhaltigen Lösung abgetrennt wird. Die aluminiumhaltige Lösung, bestehend aus Natronlauge NaOH und dem darin gelösten Natriumaluminat Na[Al(OH)₄] wird weiter verarbeitet, der Rotschlamm wird abgetrennt und einer Weiterbehandlung zugeführt. Diese Lösung wird zur Weiterverarbeitung zur Ausfällreaktion 7 befördert, die in einem weiteren Behälter stattfindet. In diesem weiteren Behälter werden Aluminiumhydroxid-Kristalle Al(OH)₃ in die Lösung gestreut, welche dabei als Kristallisationskeime dienen. Das sich an die Kristallisationskeime anlagernde Aluminiumhydroxid Al(OH)₃ wird am Boden des Gefäßes gesammelt, zum Teil wieder oben eingestreut und der Rest zur Filterung 9 von der überschüssigen Natronlauge NaOH getrennt. Hierbei wird das Aluminiumhydroxid Al(OH)₃ in einen Drehofen 20 weitertransportiert, wo es bei einer Temperatur von 1.200°C bis 1.300°C kalziniert 11 wird und die Natronlauge durch Entfernung von überschüssigem Wasser wieder eingedickt wird. Die Erhöhung der Natriumhydroxid-Konzentration der Natronlauge NaOH findet während der so genannten Eindickung 13 statt. Dabei wird das Wasser durch Erhitzen teilweise entfernt. Die Natronlauge NaOH mit der erforderlichen Konzentration wird wieder der Aufschließung 2 beigefügt und somit wiederverwertet.
Die Pfeile 17, welche nicht schraffiert sind, deuten den Verlauf der Abwärme, transportiert durch das Wärmetransportmedium an. Die Steuerung des Verlaufes der Abwärme wird durch Steuerungsventile 33 gesteuert, wobei diese mit der Kontrolleinrichtung 1 verbunden sind (s. beispielsweise 2). Weiterhin sind die Sensoren für Temperatur 19, für Druck 19’ sowie die Sensoren für die chemische Zusammensetzung 19’’, beispielsweise auch der pH-Wert, mit der Kontrolleinrichtung 1 verbunden. Die Kontrolleinrichtung dient zur Steuerung und/ oder Regelung der Nutzung von Abwärme. Weiterhin werden bei nicht ausreichender Wärmeversorgung der Prozesse, die durch Abwärme unterstützt werden, wie dem Aufschließen 2, der Autoklavierung 3, dem Abscheiden 5, der Ausfällreaktion 7, der Filterung des Aluminiumhydroxids 9 und/oder des Eindickens 13, weitere Wärmequellen zugeordnet. Auch diese Zuordnung wird durch die Kontrolleinrichtung veranlasst. Die Quellen der Abwärme sind beispielsweise die Kalzinierung 11 sowie im geringeren Maße bei der Abkühlung des Reaktionsgemisches nach dem Autoklav 3 und/oder des Abschließen 5. Falls die Temperatur nach der Erwärmung durch die Abwärme nicht ausreicht, dienen insbesondere einer weiteren Erhöhung der Temperatur weitere Wärmequellen wie ein Verbrennungsofen und/oder elektrisch betriebene Heizungen.
Nicht gezeigt sind hier die Abwärmequelle von den Abgasen 37 bei der Dampferzeugung 29 sowie die Schmelzflusselektrolyse.
Einzelne Prozesse, wie beispielsweise das Abscheiden des Rotschlamms 5 und/oder die Filtrierung 9, dienen sowohl zur Erzeugung als auch zur Gewinnung von Abwärme, insbesondere während verschiedenen Zeitbereichen.
Als Wärmetauscher kommen bekannte Arten von Wärmetauschern in Betracht, bei der eine Trennung der einzelnen Substanzen gewährleistet ist. Beispielsweise ein Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher oder eine Durchleitung des Wärmetransportmediums durch Rohrleitungen, welche innerhalb der zu temperierenden Substanz verlaufen. Die Rohleitungen sind dazu vorteilhaft aus Kupfer oder einem anderem gut wärmeleitenden Material herzustellen, welches von den verwendeten Chemikalien nicht angegriffen wird.
2 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Gewinnung von Abwärme WH aus Abgasen 37. Eine Quelle der Abgase 37 ist beispielsweise die Verbrennung von fossilen Brennstoffen während der Kalzinierung 11 oder der Dampferzeugung 29. Hierbei durchlaufen die Abgase 37 ein Rohrleitungssystem 26, das vom Ort der Entstehung der Abgase 37, beispielsweise der Drehofen 20 bei der Kalzinierung oder der Dampferzeugung 29, bis zum Schornstein 25 verläuft. Die Geschwindigkeit der Abgase 37 wird durch ein Gebläse 23 gesteuert. Die Abgase 37, welche beispielsweise von der Kalzinierung entstammen, weisen in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Temperatur zwischen 150°C und 250°C auf. Die Temperatur wird mittels Sensoren 19 an verschiedenen Stellen im Rohrleitungssystem 26 ermittelt. Zwischen der Erzeugung der Abgase 37 und dem Schornstein 25 ist eine Abgasreinigungsvorrichtung 27 installiert, welche die Abgase 37 vom Staub reinigt. Vorteilhaft ist hierbei auch die Detektion des Schadstoffgehalts vor und/oder nach der Abgasreinigungsvorrichtung mittels entsprechender Sensoren 19’’ für die chemische Zusammensetzung.
Diese Sensoren 19, 19’’, welche im Rohrleitungssystem vor und nach der Abgasreinigungsvorrichtung angebracht sind, sind vorteilhaft mit der Kontrolleinrichtung 1 verbunden. Die Pfeile im Rohrleitungssystem 26 deuten die Flussrichtung der Abgase 37 an. Die Schraffierung steht für das Wärmetransportmedium, welches zwischen dem Wärmetauscher 35 zur Aufnahme der Abwärme WH und mindestens einem weiteren Wärmetauscher 35’ zur Abgabe der Abwärme WH zirkuliert. Die Geschwindigkeit der Pumpe wird durch die Pumpe gesteuert. Die Pumpe wird durch die Kontrolleinrichtung 1 gesteuert und ist mit dieser verbunden. Um die Abwärme WH aus den Abgasen 37 zu entziehen, wird ein Teil der Abgase 37 durch ein Rohrleitungssystem 26, welche wie eine Schleife aufgebaut ist, über einen Wärmetauscher 35 geleitet und danach die Abgase 37 entweder vor der Abgasreinigungsvorrichtung 27 oder nach der Abgasreinigungsvorrichtung 27 wieder in das Rohrleitungssystem 26 eingespeist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung durchlaufen die Abgase 37 erst die Abgasreinigungsvorrichtung 27 und werden anschließend mittels des Rohrleitungssystems 26 durch die Wärmetauscher 35 hindurch geleitet. Die Flussgeschwindigkeit der Abgase 37 wird mittels eines Gebläses 23 oder mehrerer Gebläse 23 erhöht. Die Flussgeschwindigkeit der Abgase ist vorteilhaft mittels der Kontrolleinrichtung 1 kontrollierbar. Vorteilhaft ist ein Gebläse 23 zwischen der Abgasreinigungsvorrichtung 27 und dem Schornstein 25 lokalisiert. Weitere Gebläse 23 sind optional und dienen insbesondere zur weiteren Erhöhung der Flussgeschwindigkeit der Abgase 37. Der Anteil der Abgase 37, welche durch diese Schleife im Rohrleitungssystem 26 geleitet werden, sowie an welcher Stelle im Rohrleitungssystem 26 die Abgase 37 wieder zurückgeleitet werden, wird durch Steuerventile im Rohrleitungssystem 26 gesteuert. Maßgeblich für die Menge der Abgase 37 und die entnommene Abwärme WH sind die Temperaturen und Druckwerte der Abgase 37, welche an verschiedenen Stellen im Rohrleitungssystem 26 mittels der entsprechenden Sensoren 19, 19’ erfasst werden. Hierbei ist sicherzustellen, dass die Temperatur der Abgase 37 nicht unterhalb des Säuretaupunktes fällt. Falls die Temperatur der Abgase 37 einen sehr hohen Wert (über 400°C) besteht die Gefahr einer Beschädigung die Abgasreinigungsvorrichtung 27 und/oder der Gebläse 23. Falls in einem solchen Fall die Abwärme WH nicht durch den Wärmetauscher 35 in ausreichendem Maße herabgesetzt werden kann, so kann Frischluft [N₂,O₂, ...] in das Rohrleitungssystem 26 eingeleitet werden.
Eine Zuführung von Frischluft [N₂, O₂, ...] ist vorteilhaft vor der Abgasreinigungsvorrichtung 27 lokalisiert. Nach Durchlauf der Abgasreinigungsvorrichtung 27 und des Rohrleitungssystems 26 werden die Abgase 37 und die Frischluft [N₂, O₂, ...] wieder durch den Schornstein 25 an die Umwelt abgegeben. Die Abwärme wird mittels des Wärmetransportmediums zu den weiteren Wärmetauschern 35’ transportiert. Die weiteren Wärmetauscher 35’ dienen zur Nutzung der Abwärme WH bei den einzelnen Prozessen zur Erwärmung der entsprechenden Substanzen und/oder Reaktionsgemischen bei der Herstellung von Aluminium. So sind die weiteren Wärmetauscher 35’ zur Unterstützung der Erwärmung bei der Aufschließung 2 und/oder bei der Autoklavierung 3 und/oder bei der Eindickung 13 der Natronlauge vorgesehen. Um einen konstanten Fluss des Wärmetransportmediums (z.B. Wasser H₂O) zu erreichen, wird das Wärmetransportmedium je nach benötigter Menge und Temperatur der Abwärme WH durch eine Pumpe 23’ zirkuliert. Die Flussgeschwindigkeit des Wärmetransportmediums ist dabei durch die Kontrolleinrichtung 1 so einzustellen, dass die Temperatur des Wärmetransportmediums im vorteilhaften Bereich für den jeweiligen Einsatzort ist. Zudem ist bei einer Verwendung von Wasser (H₂O), ggf. mit Beimischungen wie Alkoholen zum Frostschutz als Wärmetransportmedium die Messung des pH-Wertes durch einen entsprechenden Sensor 19’’ vorgesehen.
Eine direkte Verbindung zwischen dem pH-Sensor 19’’ und einem nahegelegenen Steuerungsventil 33 stellt eine Abschaltung des Wärmetransportmediums sicher, falls die Kontrolleinrichtung 1 ausfällt. Die Kontrolleinrichtung 1 ist vorteilhaft mit einem Computersystem 1’ zu verbinden, welches die Steuerung der gesamten Anlage zur Herstellung von Aluminium überwacht. Durch diese Verbindung wird die Nutzung der Abwärme WH effektiv in den Herstellungsprozess mit eingegliedert, um so die größtmögliche Energieeinsparung zu erreichen. Vorteilhaft ist weiterhin eine Protokollierung der chemischen Zusammensetzung der Abgase und/oder der Temperatur und/oder dem Druck der Abgase sowie der Anteil der Abwärme WH am Energieverbrauch, um die Energieeinsparung zu ermitteln.
3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme WH. Hierbei wird sowohl die Abwärme WH der Abgase 37 der Kalzinierung 11 sowie der Abgase von der Dampferzeugung 29 zur Energieeinsparung verwendet. Beide Rohrleitungssysteme 26 für die Abgase 37 weisen an entsprechender Stelle Gebläse 23 sowie Abgasreinigungsvorrichtungen auf, um geltende Auflagen zum Schutz der Umwelt einzuhalten. Zudem ist eine Kopplung beider Rohrleitungssysteme 26 für die Abgase 37 gezeigt. Dabei wird ein Teil der Abgase 37, die von der Kalzinierung 11 entstammen, über einen Wärmetauscher 35 zum Rohrleitungssystem 26 für die Abgase 37, die der Dampferzeugung 29 entstammen, zugeleitet. Beide Rohrleitungssysteme 2 weisen einen Wärmetauscher 35 auf, welcher die Temperatur der Abgase 37 herabsetzt und dadurch Abwärme WH an das Wärmetransportmedium (schraffiert gezeichnet) überträgt. In dem dargestellten Fall dient die Abwärme WH der Vorerwärmung des Wassers, welches in einem Dampferzeuger 29 mit zu Wasserdampf weiter erwärmt wird. Der entstehende Wasserdampf besitzt eine Wärmeenergie WH+H. In diesem Fall wird Wasser auf eine Temperatur von beispielsweise 15°C über einen ersten Wärmetauscher 35 und dann anschließend über einen zweiten Wärmetauscher 35 auf eine Temperatur von beispielsweise 60°C bis 80°C vorgewärmt. Das vorgewärmte Wasser wird in einem Verdampfungswärmetauscher 35 in Wasserdampf umgewandelt. Der Verdampfungswärmetauscher 35 ist in dem Dampferzeuger 29 integriert.
Der entstehende Wasserdampf wird weiter für verschiedene Prozesse, wie beispielsweise der Aufschließung 2 und/oder des Autoklavierens 3 und/oder der Filtrierung 9 verwendet. Nach der Rückgewinnung der Abwärme 19 werden die Abgase 37 mittels der Abgasreinigungsvorrichtung 27 gereinigt und durch den jeweiligen Schornstein wieder an die Umwelt abgegeben. Es ist sicherzustellen, dass die Temperatur der Abgase 37 nicht unter den Säuretaupunkt fällt, da ansonsten das Rohrleitungssystem 26 und/oder weitere Elemente wie das Gebläse 23 Schaden nehmen. Auch in dieser Figur sind die Steuerventile 33 sowie die Sensoren 19, 19’, 19’’ sämtlich mit der Kontrolleinrichtung 1 verbunden. Dabei verfügt die Kontrolleinrichtung 1 über mehrere Einheiten, insbesondere Mess- und Regeleinheiten, die untereinander und mit der Kontrolleinrichtung 1 verbunden sind. Die Gebläse 23 und die Pumpen (hier nicht gezeigt) sind vorteilhaft den gegebenen Umständen zu lokalisieren. H bezeichnet die Wärme, welche bei der Dampferzeugung 29 auf konventionellem Wege erzeugt wurde. Die Wärme(menge) des Wasserdampfes setzt sich daher aus der Summe von Wärme H und Abwärme WH zusammen.
4 zeigt eine schematische Darstellung des Bayer-Prozesses. Die weitere schematische Darstellung des Prozesses zur Herstellung von Aluminium soll den Weg der Abwärme WH sowie die Rückführung von Ressourcen, wie Wärmeenergie und Wasser H₂O sowie Natronlauge NaOH verdeutlichen. Oben angefangen beim Aufschluss reagieren Natronlauge NaOH sowie Bauxit [Al₂O₃, Fe₂O₃, ...] 21 unter hohem Druck und erhöhter Temperatur, so dass die aluminiumhaltigen Bestandteile des Bauxits 21 in Lösung gehen. Anschließend wird das Gemisch gekühlt und die dabei entstehende Abwärme WH dem gegenüber liegenden Prozess der Erwärmung 13a zugeführt. Der dabei entstehende Wasserdampf H₂O wird durch Kondensation 4a wieder zur Verdünnung 5a des Gemisches zugeführt. Anschließend wird unter Aufwendung und ggf. Abgabe von Abwärme WH eine Filtration 6a durchgeführt, um den Rotschlamm [Fe₂O₃, ...] 22 von dem weiteren Gemisch zu trennen. Auch bei der Filtration 6a wird Abwärme eingesetzt um die Ausbeute zu erhöhen.
Anschließend durchläuft die aluminiumhaltige Lösung einen weiteren Kühlprozess 7a, wobei auch hier die entstehende Abwärme WH dem gegenüberliegenden, in der Zeichnung auftretenden Erwärmungsprozess 13a der Natronlauge zugeführt wird. Nach dem Kühlprozess findet die Ablagerung 8a statt, wobei das Aluminiumhydroxid mittels Kristallisationskeimen ausgefällt wird. Das Gemisch von Natronlauge und unlöslichem Aluminiumhydroxid wird in einem weiteren Schritt der Filtration 9a unter Verwendung von Abwärme WH getrennt, wobei das Aluminiumhydroxid der Kalzinierung 11a zugeführt und die Natronlauge NaOH, welche eine im Vergleich zum Aufschluss geringe Konzentration aufweist, weiter einer Erwärmung 13a zugeführt wird. Nach der Erwärmung 13a erfolgt die Verdickung 12a, wobei bei der Verdickung Wasserdampf H₂O entweicht. Auch dieser Wasserdampf ist vorteilhaft durch Kondensierung 4a unter Rückführung von Abwärme WH zur Verdünnung 5a wiederzuverwerten. Unter weiterer Nutzung von Abwärme 2a wird die Natronlauge NaOH erwärmt und dem Aufschluss wieder zugeführt. Bei diesem Schema ist zu beachten, dass einzelne Prozesse, wie die Kondensation 4a, die Filtration 6a sowie die Kalzinierung 11a, Abwärme WH erzeugen, die nicht direkt einem anderen Prozess zugeordnet ist. Die vorteilhafte Nutzung wird durch die Kontrolleinrichtung (nicht gezeigt) nach oben beschriebenen Maßgaben gesteuert.
Weiterhin kann die Abwärme auch zur Erwärmung der Innenflächen von Rohrleitungen verwendet werden, welche von natronlaugehaltigen Gemischen oder Wärmetransportmedien durchlaufen werden. So kann die Temperatur der Gemische auch über weitere Strecken konstant gehalten werden und die Ausbeute an Aluminiumhydroxid erhöht werden.
Zudem kann die Abwärme WH auch zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden und/oder Abwärme WH eines naheliegenden Kraftwerkes für die wärmebedürftigen Prozesse herangezogen werden.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatisierten Nutzung von Abwärme WH, insbesondere für die Herstellung von Aluminium aus Bauxit 21, aufweisend mindestens einen Wärmetauscher 35, 35’, Sensoren 19, 19’, 19’’, Steuerventile 33 sowie eine Kontrolleinrichtung 1 zur automatisierten Nutzung von Abwärme. Es ist vorgesehen,

– dass eine Übertragung der Abwärme WH, welche mittels dem Wärmetauscher 35, 35’ und mittels einem Wärmetransportmedium zur Entwärmung von Abgasen 37 aus Verbrennungsprozessen und/oder Kühlungsprozessen 3a, 7a erfolgt, zur Erwärmung bei mindestens einem weiteren Prozess vorgesehen ist,
– dass die Kontrolleinrichtung 1 zur Steuerung und/oder Regelung der Abwärme WH gemäß ermittelter Temperaturwerte und/oder ermittelter Druckwerte des Wärmetransportmediums sowie eines zu erwärmenden Reaktionsgemisches eines weiteren Prozesses vorgesehen ist,
– dass die Kontrolleinrichtung 1 zur Verteilung der Abwärme WH nach Vorgaben und mittels der mittels Sensoren 19` ermittelte Druckwerte und/oder der mittels Sensoren 19 ermittelte Temperaturwerte und/oder mittels Sensoren (9’’ ermittelten chemischen Zusammensetzungen, beispielsweise der pH-Wert, vorgesehen ist,

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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2735406 C2 [0003]

Claims

Vorrichtung zur automatisierten Nutzung von Abwärme (WH), insbesondere für die Herstellung von Aluminium aus Bauxit (21), aufweisend mindestens einen Wärmetauscher (35, 35’), Sensoren (19, 19’, 19’’), Steuerventile (33) sowie eine Kontrolleinrichtung (1) zur automatisierten Nutzung von Abwärme (WH), – wobei eine Übertragung der Abwärme (WH), welche mittels dem Wärmetauscher (35, 35’) und mittels einem Wärmetransportmedium zur Entwärmung von Abgasen (37) aus Verbrennungsprozessen und/oder Kühlungsprozessen (3a, 7a) erfolgt, zur Erwärmung bei mindestens einem weiteren Prozess vorgesehen ist, – wobei die Kontrolleinrichtung (1) zur Steuerung und/oder Regelung der Abwärme (WH) gemäß ermittelter Temperaturwerte und/oder ermittelter Druckwerte des Wärmetransportmediums sowie eines zu erwärmenden Reaktionsgemisches eines weiteren Prozesses vorgesehen ist, – wobei die Kontrolleinrichtung (1) zur Verteilung der Abwärme (WH) nach Vorgaben und mittels der mittels Sensoren (19`) ermittelte Druckwerte und/oder der mittels Sensoren (19) ermittelte Temperaturwerte und/oder mittels Sensoren (19’’) ermittelten chemischen Zusammensetzungen vorgesehen ist, wobei die Kontrolleinrichtung (1) bei einer Abweichung der vorgegebenen prozessrelevanten Temperaturwerte und/oder prozessrelevanten Druckwerte und/oder prozessrelevanten chemischen Zusammensetzungen der Reaktionsgemische, zu einer Regelung der Abwärme (WH) mit den Steuerventilen (33) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zur Gewinnung der Abwärme (33) Abgase (37) von der Kalzinierung (11a) und/oder Abgase (37) einer Dampferzeugung und/oder Abwärme von Kühlprozessen (7a) und/oder Abgase (37) einer Schmelzflusselektrolyse vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kontrolleinrichtung (1) zusätzlich zur Überwachung von Temperatur, Druck und chemische Zusammensetzung der Abgase (37) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerventile (33) direkt mit den relevanten Sensoren (19, 19’, 19’’) und/oder der Kontrolleinrichtung (1) verbunden sind und die Sensoren (19, 19’, 19’’) direkt zur Steuerung der Steuerventile (33) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kontrolleinrichtung zur Minimierung einer notwendigen Wärmemenge (H) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine zusätzliche Messung des pH-Wertes des Wärmetransportmediums an mindestens einer Stelle vorgesehen ist und wobei bei einer Änderung des pH-Wertes über einen vorgebbaren Bereich hinaus ein Signal an eine zuständige Stelle und/oder eine Unterbrechung oder Reduzierung der Nutzung von Abwärme, insbesondere mittels eines Steuerventils, vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kontrolleinrichtung als eine Erweiterung zu einer bestehende Vorrichtung zur Kontrolle von Temperaturen, Druckwerte und/oder chemischen Zusammensetzungen bei der Aluminiumherstellung vorgesehen ist.
Verfahren zur automatisierten Nutzung von Abwärme (WH), wobei mittels einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 die Nutzung von Abwärme zur Unterstützung von Erwärmungsprozessen (2a, 6a, 9a, 13a), insbesondere bei der Herstellung von Aluminium aus Bauxit, erfolgt, wobei die Kontrolleinrichtung (1) die notwendige Wärmemenge des betreffenden Prozesses ermittelt, die zur Verfügung stehende Abwärme dem Prozess zukommen lässt und bei weiterem Wärmebedarf weitere Wärmequellen zuschaltet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei mittels Sensoren und der Kontrolleinrichtung (1) entzogene Abwärme (WH) und die abgegebene Abwärme (WH) ermittelt und anhand von Vorgaben mittels Steuerventilen (33) der Transport der Abwärme (WH) geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Abwärme (WH) zur Behandlung des Rotschlamms dient.
Verfahren nach einem der Anspruch 8 bis 10, wobei die Kontrolleinrichtung (1) bei einer Abgastemperatur unterhalb des Säuretaupunktes eine Entnahme der Abwärme (WH) drosselt bis die Abgastemperatur wieder über den Säuretaupunkt gestiegen ist.
Kontrolleinrichtung (1) einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.