Sabic Archieven - Utilities

Een challenge van Sabic in Bergen op Zoom om restwaterstof duurzaam te benutten, leverde allerlei goede ideeën op. Twee ervan gaat het bedrijf verder onderzoeken. Als er een goede businesscase is, produceert Sabic in de toekomst wellicht ook ammonia of methanol op de site.

Sabic produceert in de chloorfabriek in Bergen op Zoom naast chloor ook waterstof. Deze waterstof gaat nu grotendeels als brandstof naar andere fabrieken op de site, maar kan eigenlijk beter een grondstof zijn voor chemicaliën.

Proton Ventures stelt daarom voor met waterstof ammonia te gaan maken. Nu wordt ammonia vooral geproduceerd uit aardgas. Daarbij komt echter ook veel CO2 vrij. Door dat op basis van waterstof te doen, voorkom je deze CO2-uitstoot. Ammonia is een prima energiedrager of brandstof voor de scheepvaart. Voordeel daarbij is dat ammonia makkelijker transporteert dan waterstof, omdat het een vloeistof is.

Meer direct op de site zelf gericht is het voorstel van BSE Methanol. Dit bedrijf kan op kleine schaal methanol produceren uit waterstof. Methanol is een van de belangrijkste grondstoffen voor PPE. Sabic werkt momenteel hard aan het opnieuw opstarten van de PPE-fabriek in Bergen op Zoom. Als de fabriek straks weer draait, komt de methanol met vrachtwagens naar de site. Lokale productie van methanol uit waterstof kan een deel van dit transport voorkomen.

Lees ook het artikel uit Petrochem 2, 2019 over de herstart van de PPE-fabriek die eerder in 2014 werd gesloten.

De polycarbonaatfabriek van Sabic in Cartagena, Zuid-Spanje, draait in 2025 volledig op hernieuwbare energie. Als eerste grootschalige chemische productiesite ter wereld. Daartoe tekende het Saoedische chemiebedrijf een belangrijke overeenkomst met Iberdrola, een wereldwijd opererend elektriciteitsbedrijf.

Zonne-energie speelt een prominente rol spelen bij deze ambitie. Voor 70 miljoen euro bouwt Iberdrola de komende jaren een fotovoltaïsche (PV) installatie met een capaciteit van 100 MW. Maar liefst 263.000 panelen worden op grond geplaatst. De zonnecentrale wordt eigendom van Sabic en wordt het de grootste industriële duurzame elektriciteitscentrale van Europa.

2025

De centrale zal naar verwachting in 2024 volledig operationeel zijn. In 2025 moet de chemielocatie in Cartagena vervolgens volledig op duurzame energie draaien. Cartagena lijkt met haar geografische ligging een belangrijk voordeel te hebben. Zuid-Spanje heeft jaarlijks veel zonne-uren, waardoor de elektriciteitsprijs per kilowattuur laag komt te liggen.

Veel grote chemiebedrijven onderzoeken de chemische recycling van kunststoffen. Het is chemieconcern Sabic die er in Geleen als eerste in is geslaagd om – zij het op bescheiden schaal – gemengde plastic afval  te voeden aan een kraker. Om er weer chemische bouwstenen van te maken.  

Frank Kuijpers die internationaal verantwoordelijk is voor verduurzaming binnen het Saoedische chemiebedrijf, heeft weliswaar een  groot vertrouwen in de mogelijkheden van chemische recycling, maar er is volgens hem nog een lange weg te gaan. ‘Vergeet niet dat pyrolyse nog in de kinderschoenen staat. Het is weliswaar een oude technologie, maar nu pas gaan we die breed inzetten. Je kunt zeggen dat we nog steeds met de eerste generatie bezig zijn. 

Temperen

Om bij te mengen in de bestaande krakers zijn zuivere chemische bouwstenen nodig.We moeten nog behoorlijke stappen in het zuiveren van de gemengde plasticstromen. Het gaat daarbij bijvoorbeeld om hydrogenering om de pyrolyse-olie geschikt te maken voor de kraker. We zitten nu op een capaciteit van enkele honderden tonnen. Laatst hadden wij een grote speler uit de Duitse verpakkingsindustrie op bezoek. Die praat al over de afname van 50 – 200 kiloton per jaar. Dergelijke verwachtingen moeten we meteen temperen. We hopen in 2021 naar 20 kiloton te gaan. Mogelijk kunnen we pas tegen 2025 voldoen aan de wensen van die ene potentiële klant. Jaarlijks worden wereldwijd meer dan 300 miljoen ton aan petrochemische producten geproduceerd.’

Market Foundation

En dan loopt Sabic echt voorop, benadrukt Kuijpers. Sabic is momenteel de enige die al een product in de markt heeft, gebaseerd op gemengd afvalplastic. Een van de partijen die begin 2019 in Davos samen met ons de Market Foundation hebben aangekondigd is op onderzoek uitgegaan in de afgelopen periode. Maar ze zijn toch bij ons gebleven, omdat er verder nog geen partij al iets heeft.’ Natuurlijk blijft dit een kwestie van tijd. 

Lees over enkele weken meer in het interview dat Petrochem had met Kuijpers voor het februarinummer. Daarin ook meer over de duurzame ambities van het Saoedische bedrijf dat wordt grotendeels in handen komt van grote broer Saudi Aramco.

De laatste editie van Utilities staat grotendeels in het teken van het Industry&Energy Congres: When electrons power molecules. Elektrochemie kan namelijk zowel de industrie als de energiewereld ondersteunen bij het verduurzamen van het energiesysteem. Vice president Europe Mark Williams van Sabic is keynote speaker op het congres en geeft in het hoofdinterview inzicht in de rol die hij ziet voor de chemiesector in de energietransitie. Opvallend is daarbij dat Sabic al een duit in het zakje doet met de grootste CCU plant ter wereld.

Ook Chemelot heeft duidelijke duurzame plannen uitgerold en zit inmiddels midden in de transitie naar een emissieloze site in 2030. Site directeur Robert Claasen ziet daarbij niet zozeer technische belemmeringen, maar wel uitdagingen rondom internationale samenwerking en politieke besluitvorming.

Gelukkig zijn er inmiddels wel al partijen bezit Power2heat mogelijk te maken binnen de huidige wettelijke kaders. Wat dat aangaat zijn de inspanningen van Westland Infra interessant om te volgen. Een aantal tuinders krijgt de mogelijkheid om tijdelijk meer stroom af te nemen als de prijzen laag zijn. Op die manier kunnen ze warmtebuffers opbouwen en zo optimaal gebruik maken van de netcapaciteit.

Sabic wil in Geleen een commerciële fabriek bouwen die afvalplastic van lage kwaliteit om kan zetten in grondstoffen voor haar stoomkraker. De verwachting is dat deze fabriek in 2021 gaat draaien.

Sabic gaat samenwerken met het Britse Plastic Energy, een ‘pionier op het gebied van chemische recycling van kunststoffen’. De bedrijven hebben een memorandum van overeenstemming getekend.

Het bedrijf heeft een gepatenteerde thermochemische omzettingstechnologie om moeilijk recyclebare kunststoffen om te zetten in bruikbare grondstoffen. De vuile en gemengde plastics die bij Sabic worden ingezet, worden anders verbrand of gestort.

Plastics worden in een zuurstofvrije omgeving gesmolten en vervolgens afgebroken tot synthetische oliën, waarna de oliën moeten worden geraffineerd en opgewaardeerd als grondstof voor traditionele petrochemische toepassingen.

Vice president Europe van Sabic Mark Williams ziet een belangrijke rol voor de chemische industrie in de energietransitie. Om alternatieven te vinden voor fossiele brand- en grondstoffen, zou de chemie dan ook intensief moeten samenwerken met de energiesector. Sabic doet zelf alvast een duit in het zakje met de grootste CCU-project ter wereld. Tijdens het congres Industry & energy 2018 spreekt Williams over CCU, elektrochemie en carbon productivity.

Het Akkoord van Parijs heeft ook de chemische sector op scherp gezet. De VNCI liet met zijn Routekaart 2050 Chemistry for Climate zien dat negentig procent emissiereductie mogelijk is. Om dat te bereiken zullen alle routes moeten worden bewandeld. Sabic neemt die rol zeer serieus en investeert al in CO2-uitstoot besparende maatregelen. Williams: ‘We zijn echt met heel veel innovatieve projecten bezig. Onder andere hier in Nederland onderzoeken we nadrukkelijk de mogelijkheden om afvalplastic te recyclen.

En er is meer. Wist je dat Sabic ’s werelds grootste installatie heeft op het gebied van CCU? In Saudi-Arabië nog wel. Echt, Arabische bedrijven zijn op het gebied van verduurzaming vaak veel verder dan we denken.’ Op het grote petrochemische complex van Sabic in Jubail heeft het Duitse Linde gas een paar jaar geleden ‘s werelds grootste installatie gebouwd dat CO2 als grondstof gebruikt. De fabriek comprimeert en zuivert ongeveer 1.500 ton ruwe kooldioxide per dag afkomstig van twee nabijgelegen ethyleenglycolfabrieken. Het gezuiverde gasvormige CO2 wordt geleverd aan drie fabrieken voor productie van methanol en ureum. Daarmee wordt elk jaar naar schatting 500.000 ton CO2-uitstoot bespaard.

 

Industry & Energy 2018

When electrons power molecules

Wanneer: 13 december 2018

Waar: Brightlands Chemelot Campus, sittard-geleen (nl)

Mark Williams, Vice President Europe van Sabic, is keynotespreker op het Congres Industry & Energy. Deze dag staat in het teken van elektrochemie, CCU en industriële technologie in de energietransitie. Zo zal Eric de Coninck van ArcelorMittal ingaan op de uitdagingen van carbon capture and usage (CCS) met behulp van duurzame elektriciteit. Sustainability Leader Leon Jacobs van Sabic Europe gaat nog eens dieper in op het CCU-project van Sabic waar vijfhonderdduizend ton CO2 als grondstof dient voor de productie van ureum en ammoniak.

Voltachem geeft deze dag een overzicht van de stand van zaken van alle vormen van power-to-x. FME geeft inzicht in de technieken die nu al voorhanden zijn om zes megaton CO2 te besparen. Inschrijven kan nog tot 12 december.

Chemiebedrijf Sabic en Het Groene Net (HGN) gaan een warmtenet voor Zuid-Limburg ontwerpen. Daarbij moet kraker Olefins 4 van Sabic het grootste deel van de warmte leveren. Het is de bedoeling dat 30.000 huishoudens en 80 kantoren vanaf 2020 worden aangesloten op HGN.

Het gaat daarbij om woningen en kantoren in Geleen, Beek en Maastricht Aachen AirportAls het engineeringstraject succesvol is, kan Sabic in 2019 de voorbereidingen voor de aanleg van het warmtenet treffen. Dat gebeurt dan tijdens de onderhoudsstop van naftakraker Olefins 4, die elke zes jaar plaatsheeft. De Provincie Limburg ziet het project als een belangrijke stap in het aardgasvrij maken van woningen en kantoren.

26 miljoen kuub

Directeur Rogier Dieteren van Het Groene Net benadrukt de impact van het project: ‘Als het engineeringstraject succesvol is, ontstaat door deze verbinding met Sabic op Chemelot op termijn één van de grootste duurzame warmtenetten van Nederland.’ Volgens hem kan HGN uiteindelijk 26 miljoen kuub aardgas per jaar besparen en de uitstoot van CO₂ met 47.000 ton reduceren.

Parijsdoelstellingen

Volgens Robert Claasen, directeur van Chemelot past deze stap uitstekend bij de ambitie van het chemiecluster om in 2025 de meest duurzame en meest concurrerende chemie- en materialensite van Europa zijn. ‘De transitie naar duurzame energie staat bij Chemelot hoog op de agenda. Deze overeenkomst is een belangrijke stap. Daarnaast zijn we binnen Chemelot andere mogelijkheden in beeld aan het brengen om de Parijsdoelstellingen te kunnen realiseren.’

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

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

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.’