KWR Archieven - Utilities

Preventieve behandeling van suppletiewater voor koelsystemen door middel van ontharden biedt een goed alternatief voor de curatieve chemicaliëndosering in het circulerende koelwater die nu veel wordt toegepast. Preventieve behandeling kan veel kosten en water besparen en de impact op het milieu aanzienlijk verminderen. Een rekentool toont de mogelijke besparingen op kosten en water voor drie realistische voorbehandelingsscenario’s.

Tekst: Nienke Koeman, Frank Oesterholt en Hans Huiting

De (proces)industrie gebruikt koelsystemen om lage-temperatuur-warmte weg te koelen. Vaak wordt een open recirculerend koelwatersysteem gebruikt dat warmte afvoert door water te verdampen in een koeltoren, in direct contact met de buitenlucht. Daarbij worden de stoffen in het koelwater, aangevoerd via het suppletiewater, geconcentreerd. Dit kan problemen geven met groei van micro-organismen, corrosie en zoutafzettingen (vaak kalkafzetting, scaling). Daarom wordt het geconcentreerde koelwater regelmatig gespuid en in de koeltoren conditioneringschemicaliën toegevoegd. Spuien leidt tot gebruik van relatief grote hoeveelheden water en conditioneringschemicaliën, meestal  een speciale mix die is afgestemd op de lokale situatie. Vooral dat laatste maakt het koelproces kostbaar en relatief ingewikkeld en veroorzaakt een grote impact op het milieu, ondanks de stijgende trend om biologisch  afbreekbare chemicaliën in te zetten.

Preventief. Binnen het TKI-watertechnologie programma heeft KWR samen met SABIC, Tata Steel, Brabant Water, Evides Industriewater en Pidpa een deskstudie uitgevoerd gericht op de verschuiving van het zwaartepunt van de curatieve conditionering van koelwater van chemische waterbehandeling in het koelsysteem naar een preventieve behandeling van het suppletiewater gebaseerd op vergaande ontharding. Dit heeft als primair doel het koelwater verder in te dikken en minder te spuien. Omdat een evenwicht met de buitenlucht wordt gevormd, zal de pH bij de lage hardheid stijgen en zullen naar verwachting veel minder chemicaliën nodig zijn om corrosie, zoutafzetting en biofilmvorming tegen te gaan. Bovendien zijn de gebruikte basischemicaliën voor het ontharden tijdens voorbehandeling minder schadelijk voor het milieu dan de conditioneringschemicaliën die nu curatief worden ingezet. Bij comfort koelwatersystemen, die mildere procesomstandigheden hebben, wordt koelwater al massaal preventief geconditioneerd door het voedingswater volledig te ontharden.

Drie opties

Met als voornaamste criterium minimaal waterverlies tijdens de voorbehandeling zelf zijn drie mogelijke scenario’s voor voorbehandeling geselecteerd. Scenario één bestaat uit met kationwisseling om calcium en magnesium te verwijderen en zo scaling te voorkomen, gevolgd door anionwisseling om naast corrosieve anionen ook opgelost organisch materiaal te verwijderen dat voeding vormt voor micro-organismen.

Scenario twee start met pellet-ontharding om calcium en magnesium te verwijderen, gevolgd door zandfiltratie om de pellets en een deel van de aanwezige micro-organismen te verwijderen  en opnieuw kationwisseling voor verdere ontharding. Scenario drie is gelijk aan  scenario twee met na de kationenwisselaar nog een anionenwisselaar voor verwijdering van organisch materiaal.

Rekentool

De onderzoekers onbtwikkelden de rekentool CaShCoW (Calculation Sheet Cooling Water) om de technische en economische haalbaarheid van suppletiewater voorbehandelingen en een toename van concentratiecycli door te rekenen en vergelijkt die met de bestaande situatie van behandeling en indikken. De tool berekent de effecten van de voorbehandeling en een toename van het aantal cycli op de samenstelling en scalingspotentie van het koelwater. Als indicatie voor de scalingspotentie gebruikt CaShCoW onder andere de Puckorius Saturatie Index, gebaseerd op de calciumcarbonaat verzadiging bij de evenwichts-pH van een open koelwatersysteem. Ook berekent de tool de investeringskosten (Capex) en operationele kosten (Opex) van de voorbehandeling om de totale kosten te vergelijken met de huidige kosten voor koelwaterbehandeling.

Beperking

De  rekentool geeft nog geen goede indicatie voor de potentie tot corrosie. Daarover kunnen wel kwalitatieve uitspraken worden gedaan op basis van de aanwezige zouten en de pH. Er is momenteel geen goede index om de mate en de specifieke verschijningsvorm van corrosie te voorspellen voor een open recirculerend koelwatersysteem zonder noemenswaardige hardheid (pH  9 – 9,5) Dat ligt veelal buiten de range van de indices.

Sabic Geleen

Om de bruikbaarheid van de tool te beoordelen, zijn twee praktijksituaties geïnventariseerd en doorgerekend. De eerste is een koelsysteem bij Sabic in Geleen, met een zink/fosfonaat programma voor koelwaterconditionering, en een concentratiefactor van circa negen. CaShCoW laat zien dat in dit geval geen van de drie voorbehandelingsscenario’s economisch voordeliger is dan de huidige conditionering. Vanwege de hoge concentratiefactor is de winst door waterbesparing eenvoudigweg te gering. Mocht Sabic in de toekomst redenen hebben om over te stappen op een conditioneringsprogramma zonder zink, dan biedt scenario 1, (alleen ionenwisseling) economisch het meest interessante alternatief. De waterkwaliteit is in dat geval dusdanig dat hoewel de indices een lichte neiging tot scaling voorspellen, zoutafzetting in de praktijk niet waarschijnlijk wordt geacht.

Tata Steel IJmuiden

Het koelsysteem bij Tata Steel in IJmuiden gebruikt voorbehandeld oppervlaktewater als suppletiewater het conditioneringsprogramma bevat verschillende organische componenten. Omdat het koelwater in een ander koelsysteem terecht kan komen, mag het chloridegehalte in het recirculerende koelwater niet te veel stijgen. Daarom is de maximale concentratiefactor hier 2,4. De rekentool laat zien dat als chloride niet een beperkende factor zou zijn, alle drie de alternatieve behandelingsscenario’s een aanzienlijke besparing van water en kosten zouden kunnen opleveren. Als de concentratiefactor van 2,4 naar 5 mag stijgen, kan 27 procent van het suppletiewater worden bespaard. Met scenario 1 zou in dat geval tot 47 procent op de kosten kunnen worden bespaard. Omdat de investerings- en onderhoudskosten voor pellet-ontharding aanzienlijk hoger zijn dan voor ionenwisseling, is de kostenbesparing voor scenario’s 2 en 3 lager, maar nog steeds ruim twintig procent. De waterkwaliteitsberekeningen laten zien dat het water ongeveer het verzadigingsevenwicht van calciumcarbonaat bereikt, dus scaling noch corrosie van koolstofstalen installatiedelen worden verwacht problemen op te leveren. Door de geringe huidige concentratiefactor zal een aanzienlijke besparing van water- en chemieverbruik kunnen worden behaald. Als bij Tata Steel het chloridegehalte verder mag stijgen, bieden alle drie de scenario’s duidelijk besparingsmogelijkheden.

Nieuwe inzichten

De toepassing van de rekentool op beide casebeschijvingen in deze studie heeft geleid tot een aantal nieuwe inzichten. In de eerste plaats is door toepassing van de rekentool aangetoond dat preventieve behandeling van suppletiewater door middel van ontharding, een goed alternatief kan zijn voor de huidige curatieve behandeling op basis van chemicaliëndosering in het circulerende koelwater. Vooral bij systemen met een laag aantal cycli (<5) en hoge kosten voor water en chemicaliën kan dat veel kosten en water besparen en de impact op het milieu sterk verminderen, onder andere omdat de chemicaliën die nodig zijn voor voorbehandeling een veel kleinere milieu-impact hebben dan de complexe koelwaterconditioneringschemicaliën die bij curatieve behandeling nodig zijn, maar na preventieve behandeling overbodig. Hoeveel besparing kan worden bereikt, is sterk afhankelijk van lokale omstandigheden zoals energiekosten en waterbeschikbaarheid. De rekentool kan deze besparing helpen voorspellen. Het scenario gebaseerd op kationwisseling en anionwisseling geeft de laagste kosten van de drie voorbehandelingsscenario’s omdat de pellet-ontharding in de twee andere scenario’s een hogere kapitaalsinvestering vraagt.

Scalingspotentie

Het effect van voorbehandeling op de scalingpotentie kan goed worden voorspeld. Hoewel gangbare indices soms aangeven dat nog lichte scaling kan ontstaan, is de praktisch afzetbare hoeveelheid calciumcarbonaat zeer laag. Voorbehandeling lijkt ook gunstig om groei van biofilm te verminderen, enerzijds door verwijdering van organische componenten, anderzijds door de hogere resulterende koelwater-pH, maar hierover en over de corrosiviteit is nog geen kwantitatieve uitspraak te doen. Naar verwachting treedt voldoende corrosie-inhibitie op omdat onder de sterk alkalische koelwateromstandigheden het carbonaatgehalte sterk stijgt en oplossen van metalen (behalve aluminium) drastisch onderdrukt  ten opzichte van de meeste huidige open koelwaters. De biofilmvorming en corrosiepotentie kunnen worden onderzocht in een pilot test volgens de NEN-ISO 16784-2 standaard. Deze standaard beschrijft hoe het effect van een behandelingsmethode op een open koelsysteem objectief en reproduceerbaar getest kan worden.

Vervolg

Als blijkt dat voorbehandeling niet alleen een positief effect heeft op de scalingpotentie, maar ook op corrosie en biofilmvorming, kunnen industrie en waterbedrijven samenwerken om deze milieuvriendelijkere behandeling van koelwater toe te passen en mogelijk op te nemen in de BREF (best available technique reference documents) voor koelwaterconditionering daterend uit 2001 Daarvoor is eerst meer praktijkervaring, kenniszekerheid en een onderbouwde en navolgbare “proof of concept” nodig, waarbij ook de rekentool verder gevalideerd kan worden.

Meer hierover kunt u lezen op de site van het TKI Watertechnologie

Masters of industry: Industriële koel- en ketelwaterbehandeling

Nienke Koeman is een van de twee sprekers tijdens de Masters of Industry bijeenkomst met het thema: Industriële koel- en ketelwaterbehandeling. Schrijf u hier in voor de bijeenkomst op 21 september bij Pathema in Tilburg.

Conditionering van koel- en ketelwater voorkomt problemen met scaling, fouling en corrosie. Tot nog toe worden hiervoor veel chemicaliën gebruikt. Min of meer toevallig stuitte Pathema op een manier om koelwater op mechanische wijze te conditioneren. Kleinere, zogenaamde comfortkoelingen, worden  standaard al behandeld, maar bij grote koelsystemen in de petrochemie of de staalindustrie gebeurt dit nog niet. Toch kan ook voor dit soort systemen conditionering van het water voordelig zijn.

Tijdens deze Masters of Industry toont Mark Boeren (directeur Pathema en Water Innovator of the Year 2017) hoe de Industrial Vortex Generator koelwater kan behandelen zonder inzet van chemicaliën. Nienke Koeman (onderzoeker bij KWR) geeft inzicht in de resultaten van het onderzoek dat zij deed naar de conditionering van koelwater bij open recirculerende systemen.

Informatie over het programma en aanmelden kunt u vinden via www.mastersofindustry.nl.

mastersofindustry

De circulaire economie heeft zich ook in de waterwereld genesteld. Stapsgewijs dienen zich steeds meer projecten aan die waardevolle grondstoffen uit restwaterstromen terugwinnen. Hoewel veel projecten nog in de pilotfase zitten, bieden ze wel een kijk in de toekomst. Een overzicht van veelbelovende grondstoffen die helpen de kringloop te sluiten.

Met de introductie van de circulaire economie en de cradle-to-cradle filosofie van Michael Braungart is de term afval steeds meer naar de achtergrond gedrongen. Door een fors groeiende wereldbevolking neemt de druk op voedsel, energie en grondstoffen de komende jaren steeds meer toe. En dus zullen we anders met deze schaarste moeten omgaan.

De Nederlandse overheid zet vol in op deze trend en het kabinet heeft dan ook in het programma Circulaire Economie uitgesproken om Nederland in de toekomst helemaal te laten draaien op herbruikbare grondstoffen. Hoe we met ons afval omgaan wordt vastgelegd in het Landelijk Afvalbeheerplan (LAP). In december 2017 loopt LAP2 af. Vóór die tijd dient LAP3 in werking te treden.

Deze ontwikkeling biedt ook kansen voor watervalorisatie. De grondstoffen in industrieel restwater, worden tot nog toe als afval gezien, al is daar wel een kentering in gekomen. Zo heeft de Tweede Kamer begin maart een motie aangenomen, waarin onder meer wordt verzocht om fosfaat de afvalstatus te laten verliezen. Ook is er een motie aangenomen om de kwaliteit van grondstoffen leidend te laten zijn bij toelating op de markt, en niet de herkomst. Inmiddels hebben fosfaten, nutriënten, secundaire grondstoffen uit meststromen en afvalstromen geen afvalstatus meer, maar mogen ze worden verhandeld als grondstof. Hoewel de ontwikkelingen dus gunstig zijn, zien de partijen die bij deze vraagstukken betrokken zijn het liefste dat ook op Europees niveau de afvalstatus voor grondstoffen uit restwater vervalt. Op die manier ontstaat een echt volwassen markt.

Een groot aantal partijen is bezig met het verwaarden van industriële of communale reststromen. Zo bindt het Dutch Biorefinery Cluster (DBC) de circulaire ambities van de agro en food-, de papier- en zuivelindustrie om meer waarde te halen uit hun waterstromen. Hetzelfde geldt voor het Nutriënt Platform dat met name kijkt naar terugwinning van fosfaat uit afvalstromen.  De waterschappen kennen naast de Energiefabriek inmiddels ook de Grondstoffenfabriek en wisselen hier kennis uit over het vergisten van slib of het terugwinnen van grondstoffen in het communale rioolwater dat onder meer veel fosfaten bevat, maar ook cellulose en diverse vetzuren. Allemaal grondstoffen waar inmiddels een groot aantal toepassingen voor is gevonden.

Bioplastic

Inmiddels is er bijna geen waterschap of industriële zuivering meer dat het slib uit de waterzuivering niet vergist. Het biogas dat hieruit wordt gewonnen kan na verwerking worden gebruikt als brandstof voor een gasketel. Het verbranden van afvalstromen voor energiewinning staat echter laag in de ladder van Lansink, een maatstaf voor duurzaam afvalbeheer. Hergebruik staat veel hoger en dus zoeken steeds meer partijen naar waardevolle grondstoffen die uit de stromen kunnen worden gefilterd.

Een goed voorbeeld hiervan zijn vetzuren. Hoewel deze ook kunnen worden vergist, kunnen ze ook als grondstof dienen voor bio plastics. Vorig jaar toonden drie waterschappen de eerste kilo PolyHydroxyAlkanaat (PHA) die met bacteriën uit rioolwater is gemaakt. PHA is een volledig biologisch afbreekbaar plastic dat onder natuurlijke omstandigheden snel afbreekt. Op termijn kan PHA bijdragen aan een oplossing voor de plastic soep in de wereldzeeën. De markt voor PHA groeit stevig door, met name in de tuinbouw. Zo wordt PHA gebruikt voor verpakkingen van consumentenproducten en landbouwplastic. Wereldwijd wordt een toename van de vraag aan PHA’s verwacht.

Alginaat

Een ander veelbelovend product uit de afvalwaterzuivering is alginaat: een biopolymeer dat normaal gesproken wordt gewonnen uit zeewieren. Na vermenging met water vormt alginaat een rubberachtig materiaal dat momenteel veel gebruikt wordt door tandartsen om er afdrukken van het gebit mee te maken. Maar ook de textielindustrie gebruikt alginaat als verdikkingsmiddel in hoogwaardige textielinkt. Nu wil het toeval dat Nereda slibkorrels, een ontdekking van TU Delft-onderzoekers, alginaatachtige biopolymeren bevatten.  De wetenschappelijke naam is ‘alginate like exopolysacharide’(ALE),  maar de onderzoekers noemen het ook wel Nereda Opgewekt (NEO) alginaat. Paul Roeleveld, directeur business development bij RHDHV, kan inmiddels melden dat de eerste twee extractie-installaties voor realisatie in voorbereiding zijn. Een installatie komt in Epe, waar het huishoudelijk Nereda slib wordt verwerkt en één komt in Zutphen, waar NEO-alginaat uit industrieel Nereda slib wordt gewonnen. RHDHV heeft de Nereda-patenten van de TU Delft overgenomen en installeert inmiddels wereldwijd Nereda-installaties. ‘Het Nereda-onderzoek leverde diverse interessante spinoffs op’, zegt Roeleveld. Eén daarvan was de ontdekking dat het slib dat na het proces overblijft uit zo’n 25 procent NEO- alginaat bestaat. Dat alginaat kan je extraheren door het slib te verwarmen en dan nog een aantal chemische stappen te nemen.’

NEO-alginaat heeft een aantal unieke eigenschappen, waaronder de amfifiele eigenschappen (het kan zowel water opnemen als afstoten) en het pseudo plastisch gedrag, die met name tot hun recht komen in omgevingen waar vloeistof moet worden versproeid. Men ziet dan ook mogelijkheden voor NEO-alginaat om de uitharding van beton te verbeteren of als lijmingsmiddel in de papier- en kartonindustrie.

Roeleveld: ‘Eerste stap is om te bewijzen dat we alginaat op een verantwoorde en economisch aantrekkelijke manier kunnen produceren. STOWA heeft in een levenscyclusanalyse de productie van alginaat uit Nereda vergeleken met die uit algen en daar komt NEO-alginaat goed uit de bus. Niet alleen omdat je daarmee voorkomt dat alginaat moet worden geïmporteerd, maar ook omdat je minder slib hoeft af te voeren, 25 procent is namelijk een significante verlaging.

Het succes is mede afhankelijk van de schaalgrootte die we kunnen realiseren. We hebben al klanten gevonden die geinteresseerd zijn in het product en we willen hen dan ook een stabiele stroom leveren. We hopen in gepland pilotonderzoek voor de komende maanden inzicht te krijgen in de kwaliteit en volumes die mogelijk zijn op praktijkschaal. Tegelijkertijd werken we met partners aan onderzoek naar de toepassing van NEO-Alginaat. Dit inclusief de juridische zaken die we moeten organiseren om de applicaties mogelijk te maken. Hoewel de verhittingsstap in het extractieproces ervoor zorgt dat de grondstof wordt gepasteuriseerd, speelt de perceptie ook een rol. Je gebruikt immers afvalwater als bron. Om deze reden zijn we nu eerst op zoek naar afzetroutes waar deze perceptie een minder grote rol speelt, zoals de al eerder genoemde betonindustrie. Wij zijn in ieder geval enthousiast over de mogelijkheden omdat alginaat nu eens een product is waar de industrie wel op zit te wachten.’

Cellulose

Dankzij het veelvuldig gebruik van toiletpapier bevat rioolwater veel cellulose. Ook de papierindustrie produceert reststromen die veel cellulose bevatten. Inmiddels zijn er meerdere technieken voorhanden om die cellulose uit het water te filteren en ook de toepassingen zijn inmiddels zeer divers: van fietspad tot slibontwatering.

Onlangs werd nog het eerste fietspad ter wereld geopend waarin cellulose uit afvalwater is toegepast als ‘afdruipremmer’. De cellulose is gewonnen uit het toiletpapier in afvalwater op de demosite van rwzi Leeuwarden. De vezels binden het hete en nog vloeibare bitumen tijdens het leggen van asfalt en zorgen voor een verhoging van de viscositeit, waardoor het vloeibare bitumen minder snel uitzakt en beter verdeeld blijft over het asfalt. Na afkoelen is het bitumen gestold en de vezel functieloos ingekapseld in het asfalt.

De huidige afdruipremmers komen vooral uit Duitsland en worden gemaakt van vezels uit bomen, kranten of andere delfstoffen. De afdruipremmer uit afvalwater werkt beter dan de reguliere afdruipremmers die nu op de markt zijn, vertelt Yede van der Kooij, projectmanager innovatieve projecten bij Wetterskip Fryslân en projectleider van de werkgroep Cellulose van de Energie & Grondstoffenfabriek. ‘Uit onderzoek van het Asfalt Kennis Centrum blijkt dat je voor hetzelfde effect net iets minder nodig hebt ten opzichte van bestaande producten.’ Wetterskip Fryslan gaat niet zelf de boer op met de cellulose, de fijnzeef is inmiddels weer verwijderd van de demosite.

Met cellulose kan ook slib worden ingedikt. De vezels slurpen het water op en kunnen daarna worden verwijderd. Afvalverwerker Attero voert met BWA en enkele andere partijen een pilotproject uit op de rwzi van Waterschap Noorderzijlvest in het Groningse Ulrum. Het onderzoeksproject heet CADoS: Cellulose Assisted Dewatering of Sludge. Het project is erop gericht de in het rioolwater aanwezige cellulose-houdende vaste stof af te scheiden en vervolgens te benutten voor de ontwatering van zuiveringsslib. Zo wordt geprobeerd het gebruik van chemicaliën op de zuivering aanzienlijk te reduceren, minder energie te verbruiken en te komen tot lagere slibverwerkingskosten. Verder leidt CADoS tot een hogere energieopbrengst uit biogas in de slibgisting.

Struviet

Een van de eerste grondstoffen die de aandacht kreeg van de waterzuiveringswereld was struviet. Deze natuurlijke meststof leverde in veel rioolwaterzuiveringsinstallaties problemen op doordat spontane struvietvorming de procesinstallaties verstopten. Door struviet gecontroleerd te laten ontstaan voorkwam men niet alleen aankoeken van kristallen in leidingen, maar had men tevens een verhandelbaar product.

Aardappelproducent Lamb Weston / Meijer wint al sinds 2007 75 procent van het fosfaat terug uit haar procesafvalwater, door het met magnesium en ammonium te binden tot struviet. Inmiddels is er een keur aan waterschappen dat ook struviet produceert en Schiphol reed onlangs zijn eerste zelf geproduceerde struviet uit op de velden rondom de landingsbanen. De afvalstoffen wet is sinds kort aangepast zodat struviet uit de rwzi’s gelijk wordt gesteld aan fosfaat uit fosfaatmijnen. Desondanks levert de meststof nog weinig geld op.’

Eiwitten

Een relatief nieuwe route naar duurzame grondstoffen is het Power-to-Protein-concept. Uit ammonium, koolzuurgas en waterstof als krachtbron kunnen via dit concept heel efficiënt eiwitten worden geproduceerd. Een speciale groep bacteriën maken zogeheten single cell protein (SCP), zeg maar bacterieceleiwit.

Het concept is bedacht door emeritus professor Willy Verstraete. Er draait al geruime tijd een kleine reactor op laboratoriumschaal.  KWR en Avecom zijn onlangs samen met Waternet, AEB Amsterdam, Waterkracht  en Barentz Foods gestart met ontwerp en bouw van een pilotinstallatie die één kilogram eiwit per dag moet gaan produceren. Daarmee zal het Power-to-Protein-concept dit jaar nog op locatie worden getest.

Petrochemie

De meeste watervalorisatieprojecten beperkten zich tot de voedingsmiddelenindustrie, communale rwzi’s en de papierindustrie. De petrochemische industrie heeft redelijk uitdagende reststromen waar tot nog toe weinig meer mee werd gedaan dan zuiveren en afvoeren. Daar komt wellicht verandering in door het EuRyDice-project, ofwel energie-efficiënte valorisatie van componenten uit processtromen. Een samenwerkingsverband van ISPT met AkzoNobel, Corbion, DOW, Momentive, ECN, KWR en VITO wil technisch haalbare oplossingen ontwikkelen voor het terugwinnen van zout en organische verbindingen uit processtromen. Men verwacht daarmee de energie-efficiëntie van deze stromen in Nederland met minimaal 25 procent te verbeteren, waardoor het energieverbruik met minimaal tien Peta joule per jaar af zou moeten nemen.

Talloze proceswaterstromen in de procesindustrie bevatten een breed scala aan waardevolle bestanddelen die nu nog tijdens de afvalwaterbehandeling worden afgevoerd. Veel bedrijven zouden graag geleidelijk willen overstappen op een gesloten keten met zoveel mogelijk ‘nul-afvalprocessen’. AkzoNobel, Corbion, DOW en Hexion hebben alle te kampen met een probleem ten aanzien van twee generieke situaties: zoutrecycling en het terugwinnen van waardevolle organische bestanddelen.

Recente ontwikkelingen in de procestechnologie maken het mogelijk om waardevolle bestanddelen selectief en met minder energie uit proceswaterstromen te scheiden. De bedrijven hopen solide businesscases te ontwikkelen voor een technologie die niet alleen resulteert in efficiënte selectieve scheiding maar ook in een energiebesparing van 25 procent binnen zes jaar.

Het project omvat vier technische werkpakketten. Eerst worden de proceswaterstromen nader geïdentificeerd. Dit moet resulteren in een reeks voorwaarden en stromen waarvoor voldoende aantrekkelijke businesscases kunnen worden gedefinieerd. Als volgende stap wordt de technologie breed geïnventariseerd, met als leidraad de noodzaak om fasetransitie (verdamping) te voorkomen en de geschiktheid voor zeer complexe mengsels te waarborgen. Voorbeelden van technologieën die in de evaluatiefase worden meegenomen zijn nanofiltratie, elektrodialyse, capacitieve deionisatie, pervaporatie, osmose en omgekeerde osmose, adsorptie, ionenuitwisseling en elektroprecipitatie. Nieuwe combinaties van deze technologieën worden eveneens onderzocht.

Voor het conditioneren van koelwater worden doorgaans heel wat chemische middelen ingezet. Maar wat zou er gebeuren als biologische, organische en minerale vervuiling al van tevoren wordt verwijderd? KWR onderzoekt welke technologieën daarvoor in aanmerking komen terwijl onderzoekspartner SABIC de gegevens levert voor het rekenmodel.

De procesindustrie gebruikt heel wat koelwater voor het onder controle houden van chemische processen. In zogenaamde open recirculerende koelwatersystemen wordt water verdampt en daarmee warmte onttrokken aan de chemische producten of bijvoorbeeld aan gesmolten staal. Door die verdamping, dikt het water in met al zijn biologische en chemische componenten. Die componenten leveren problemen op doordat biologische vervuiling gaat aankoeken, ook wel biofouling genoemd, kalk zich afzet op pijpleidingen en procesapparatuur (scaling) en zouten tot corrosie leiden. Op den duur is dit water dan ook niet meer te hergebruiken en moet men overgaan tot spuien. Hiermee gaat kostbaar water verloren. Dit moet anders kunnen, dacht Lambert Paping, toen nog waterexpert bij DOW, al een aantal jaren geleden. Zou het niet verstandiger zijn om het suppletiewater van koelwatersystemen voor te behandelen net zoals dat voor stoomsystemen wordt gedaan?

Matrix

Het leek onderzoekers van KWR, onder de vlag van TKI Watertechnologie, dan ook een goed idee om te onderzoeken welke methoden voor voorbehandeling van suppletiewater voorhanden waren. Als (hardheids)zouten en biologische vervuiling van tevoren uit het water worden gehaald, kun je de koelwaterconditionering vereenvoudigen, zo was de gedachte. Frank Oesterholt, senior onderzoeker bij KWR: ‘Om de koelwaterkwaliteit onder controle te houden worden momenteel veel chemicaliën gebruikt. Dat kost niet alleen geld, maar sommige chemicaliën kunnen ook het milieu schaden. Er zijn tal van voorbehandelingsmethoden beschikbaar die mineralen en biologische vervuiling uit koelwater kunnen halen. Veel van die technieken zijn echter geënt op proces of ketelwaterbehandeling. De volumes die voor koeling worden ingezet zijn doorgaans groter en bovendien is de energiewinst minder groot. De eerste stap in ons onderzoek was dan ook een matrix te maken van beschikbare technieken en de toepasbaarheid ervan in de koelwatervoorbehandeling.’

Pellet ontharding

Uitgangspunt voor de onderzoekers was waterbesparing. En daarmee vielen de vele vormen van membraanfiltratie al snel af. ‘Of je het nu hebt over reverse osmosis of bijvoorbeeld nanofiltratie: er blijft altijd water achter in het digestaat. Andere technieken waren weer te duur of te kleinschalig in te zetten. Uiteindelijk bracht de matrix ons tot een selectie van bewezen technologieën voor het ontharden van het water. De klassieke pellet ontharding, die ook wordt toegepast in drinkwaterzuiveringen, bleek de beste resultaten op te leveren tegen de laagste kosten. Je gebruikt daar toevoegingen als kalkmelk of natronloog wat ervoor zorgt dat aan het entzand op de bodem kalkkorrels groeien. Die korrels zijn vervolgens redelijk eenvoudig te oogsten. Je kunt ze zelfs nog nuttig inzetten als grondstof voor de cement- of ijzerindustrie. Daarna is nog wel een polishing stap nodig met ionenwisseling om de laatste aanwezige zouten uit het water te halen. Maar ook dat is gangbare technologie die zijn diensten heeft bewezen in de waterbehandeling.‘

Potentie

De praktijk is doorgaans weerbarstiger dan de theorie, weten twee industriële partijen met een grote koelvraag die deelnemen aan het project: de vestiging van petrochemiebedrijf SABIC in Geleen en Tata Steel in IJmuiden. ‘We hebben ook een model ontwikkeld waarmee we de verschillende koelwatervoorbehandelingen kunnen doorrekenen’, vervolgt Oesterholt. ‘Maar ook dat blijft een theoretische exercitie. Liefst zouden we natuurlijk een en ander in de koeltorens van SABIC en Tata Steel willen testen. De potentie van dit onderzoek is heel groot. Het kan zelfs een bedreiging zijn voor de industrie die zich heeft gevormd rondom de chemische koelwaterbehandeling. Er zijn talloze partijen die antiscalants of corrosie-inhibitoren leveren, allemaal met hun eigen, geheime recept. Aan de voorkant kost het bedrijven geld om die producten aan te schaffen, maar ook het spuien kost geld omdat de stoffen milieuonvriendelijk zijn. Als we dit project tot een succes weten te maken, kan de procesindustrie op een alternatieve manier koelwater produceren. En waterleveranciers Evides Industriewater en Brabant Water zijn niet voor niets bij het project betrokken. Deze partijen hebben al ervaring met de levering van demiwater voor de industrie. Waarom zouden ze de koelwaterlevering ook niet voor hun rekening kunnen nemen?’

Praktijk

Ook voor SABIC is koelwater een kritische utility. Chief Scientist Roy van Lier werkt dan ook graag mee aan het onderzoek met KWR. ‘De omvang en complexiteit van onze systemen in Geleen in combinatie met het afbreukrisico noodzaakt ons zeer voorzichtig te werk te gaan’, zegt Van Lier. ‘Om maar een idee te geven: we, of eigenlijk onze leverancier USG, onttrekken 5,5 duizend kuub water per uur uit het Julianakanaal. Nadat het water is geflocculeerd en gefiltreerd wordt een deel verder opgewerkt tot ketelvoedingwater zodat we er stoom van kunnen maken. Maar een fors deel wordt ingezet als suppletiewater voor koelwatersystemen.

We hebben hier veel endotherme processen waar we warmte aan moeten toevoegen. Aan het einde van die processen moet de nodige warmte weer weg worden gekoeld. Dat doen we met koeltorens met een thermisch vermogen variërend van zo’n vijf tot 250 megawatt. Uiteraard proberen wij het proces zodanig in te regelen dat we zo weinig mogelijk hoeven te koelen. Uiteindelijk is kostbare energie wegkoelen het laatste wat je wil. Desondanks ontkomen we er niet aan en dus kijken we ook in de processen hoe we zo economisch en duurzaam mogelijk kunnen werken. Om die reden recirculeren we het koelwater bij voorkeur tot acht à negen keer, waarbij het water, doordat een deel ervan verdampt, steeds verder indikt.

Bij iedere indikkingsstap krijgen we steeds meer te maken met de organische en minerale verontreinigingen die in het water aanwezig zijn. Om de kans op vervuiling zoveel mogelijk te beperken, gebruiken we diverse chemische conditioneringsmiddelen. Hoeveel chemische middelen we gebruiken en hoe vaak we het water laten circuleren is met name afhankelijk van de kwaliteit van het innamewater en de seizoensinvloeden. De Maas, waar het Julianakanaal zijn water van ontvangt is een typische regenrivier en de waterkwaliteit kan daardoor behoorlijk fluctueren. Met name de hardheid van het water noodzaakt ons uiteindelijk om het water te lozen. Dankzij de recirculatie van het water hebben we dan wel zowel water als chemicaliën bespaard. De spui moeten we vervolgens nog verwerken in onze afvalwaterzuiveringsinstallatie voordat het water weer terug in het milieu (de Grensmaas) kan worden geloosd.’

Complex

Het idee om suppletiewater te zuiveren vóórdat het in koelsystemen wordt gebracht is volgens Van Lier een interessant idee. ‘Ik weet dat men in de jaren zeventig, in de DSM-tijd, al eens over (deel)ontharding van Julianakanaalwater heeft nagedacht, maar het is er op een of andere manier niet van gekomen.’ De achtergrond daarvan weet Van Lier niet, ‘maar tijden veranderen en wellicht is de technologie verbeterd. Een en ander zal ook te maken hebben met de complexiteit van het systeem. De grootste koelsystemen in Geleen bevatten tientallen warmtewisselaars die processtromen op zeer diverse temperatuurniveaus moeten koelen. Veel van die warmtewisselaars zijn gemaakt van koolstofstaal, typisch met duimse pijpjes met een wanddikte van twee millimeter. Die twee millimeter is alles wat het water scheidt van het proces. Je kunt wel nagaan wat voor gevolgen corrosie zou kunnen hebben voor onze processen. Onze koelwaterconditionering concentreert zich dan ook voornamelijk op het voorkomen daarvan.

Er zijn weinig mensen die stilstaan bij de complexiteit van waterbeheer in chemische fabrieken als de onze, maar het conditioneren van dat water is een echte uitdaging. Te zuiver water is bijvoorbeeld ook niet goed. Als we zuiver demiwater zouden gebruiken, weet je zeker dat je binnen de kortste keren corrosieproblemen hebt. Harder water is minder corrosief, maar kan wel weer leiden tot afzettingen, temeer daar kalk juist minder goed oplost naarmate het water warmer wordt. We moeten dan ook rekening houden met de temperatuur. En oppervlaktewater zoals uit het Julianakanaal bevat biologie die uitstekend gedijt in koelsystemen. Het is dus constant balanceren tussen drie elementen van de gevarendriehoek, ofwel de ABC van de koelwaterconditionering: Afzettingen, Biologie en Corrosie. En per definitie betekent dat een compromis.’

Rekenmodel

Van Lier: ‘Wat SABIC betreft, beperken we het huidige onderzoek naar koelwaterconditionering tot een rekenmodel met een technisch en een economisch deel. Er zijn inmiddels veel cijfers bekend uit de praktijk en de modellen en rekenkracht zijn met sprongen vooruit gegaan. Voordat we überhaupt gaan nadenken over praktijkproeven, willen we eerst weten wat het ons kan opleveren en wat de risico’s zijn. Dat koelwaterconditionering wat kan opleveren, is wel duidelijk. We zijn niet alleen geld kwijt aan de chemicaliën, maar we betalen ook behoorlijke lozingskosten.’