naar top
Menu
Logo Print

NIEUWE ONTZOUTINGSTECHNOLOGIEEN MET EEN ECONOMISCH PERSPECTIEF

Resultaten behaald binnen het Orpheus Project (ISPT, Water Processing Cluster)

Binnen de huidige procesindustrieën worden significante hoeveelheden waterige afvalstromen met hoge zoutconcentraties gegenereerd. Vaak bevatten deze stromen naast zouten ook (sporen van) organische componenten. Lozen wordt steeds moeilijker door de strenge emissiewetgevingen. Verdunnen van de stromen voor lozing is in veel gevallen niet toegelaten, en de transport- en verwerkingskosten nemen toe. Deze kosten kunnen gereduceerd worden door de afvalstromen op te concentreren voor transport. Daarnaast hechten vele bedrijven meer en meer belang aan duurzaamheid, waardoor recycleren van water en zouten een prioriteit wordt.

 

Met dank aan: dr. ir. Nienke Koeman-Stein, ing. Hans Huiting (beiden KWR), dr. Lies Eykens, dr. ir. Kristien De Sitter (beiden VITO), ir. Ben Brocades (Cool Separations), ir. Karin Dirix, dr. ir. Gerald Bargeman (beiden Nouryon) & dr. Olga Katan (Friesland Campina)

 

orpheus projectORPHEUS-PROJECT (ISPT, WATER PROCESSING CLUSTER)

Momenteel zijn er verschillende technologieën beschikbaar voor het concentreren van zoute stromen (pekel). Op industriële schaal worden voornamelijk thermische technieken (indampen en distillatie) en membraantechnieken (omgekeerde osmose) toegepast. Omgekeerde osmose is echter slechts economisch haalbaar voor zoutconcentraties lager dan 70 - 80 g/l NaCl. Door gebruik te maken van thermische technologieën kunnen de stromen verder worden geconcentreerd, maar de kostprijs is sterk afhankelijk van de schaal waarop de technologie wordt toegepast. Industriële reststromen hebben vaak een debiet tussen 1 en 10 m³/uur, hetgeen te klein is om een technologie als multi-effect verdamping economisch rendabel te maken.

Binnen het Orpheus-project (ISPT) zocht AkzoNobel/Nouryon samen met KWR, VITO en Cool Separations naar een oplossing voor dit type reststromen. Daarvoor werden twee innovatieve ontzoutingstechnologieën bestudeerd, nl. membraandestillatie en vriesconcentratie. Het effect van de aanwezigheid van verschillende organische componenten op de prestatie van beide technologieën werd bestudeerd op lab-schaal en pilot-schaal met behulp van synthetische stromen en processtromen. In dit artikel wordt het gebruik van membraandestillatie en vriesconcentratie voor zoute waterstromen vervuild met een glycolverbinding geëvalueerd.

 

PRINCIPES VAN MEMBRAANDESTILLATIE EN VRIESCONCENTRATIE

membraandestillatie
Figuur 1A: Principe membraandestillatie
Air gap membraandestillatie pilot
Figuur 1B: Air gap membraandestillatie pilot

Membraandestillatie maakt gebruik van het dampdrukverschil tussen water en andere componenten (zie Figuur 1A). Water verdampt aan de ene zijde van het membraan, gaat als damp door het membraan en condenseert aan de andere zijde, terwijl zouten en andere componenten achterblijven. Water wordt zo onttrokken aan de afvalstroom die daarmee geconcentreerd wordt. Een temperatuurverschil, i.e. een dampdrukverschil, vormt de drijvende kracht bij dit proces. Energie in de vorm van warmte (50 - 80°C) is nodig voor deze technologie.

Principe vriesconcentratie
Figuur 2A: Principe vriesconcentratie
Vriesconcentratie pilot
Figuur 2B: Vriesconcentratie pilot

Bij vriesconcentratie wordt de zoute afvalstroom gekoeld (zie Figuur 2A). Wanneer de vriestemperatuur is bereikt, zal water bevriezen, terwijl het zout achterblijft in het concentraat. Door afscheiding van het gevormde ijs wordt de afvalwaterstroom steeds verder geconcentreerd. Dit leidt tot een vriespunt daling waardoor ijs wordt gevormd bij een steeds lagere temperatuur. De afvalstroom kan geconcentreerd worden tot aan het punt dat het water verzadigd is met zout (het eutectische vriespunt). Vervolgens kan door verder koelen nog meer water worden onttrokken, terwijl tegelijkertijd ook vast zout wordt gevormd (eutectische vrieskristallisatie). Elektriciteit is nodig voor het koelproces.

TECHNISCHE HAALBAARHEID

De afgelopen jaren is veelvuldig gerapporteerd over het gebruik van membraandestillatie en vriesconcentratie voor ontzouting. De aanwezigheid van de organische component (in dit geval een glycol-verbinding) kan de concentratiestap echter bemoeilijken. Om na te gaan wat de invloed is van de glycolverbinding op de prestatie van beide ontzoutingstechnologieën zijn pilottesten uitgevoerd op een zoute stroom afkomstig van Nouryon, waaraan een glycolverbinding als organische component is toegevoegd (zie Figuren 1B en 2B). De geteste stroom bevatte 6 wt% NaCl en 2 wt% glycol.
Bij membraandestillatie bepaalt de vluchtigheid van de component of die wordt tegengehouden door het membraan, wat het geval is voor de glycolverbinding. Zout en glycol werden dus gelijktijdig geconcentreerd tot uiteindelijk een zoutconcentratie van meer dan 23 wt% bereikt werd. Hierdoor werden er door glycol veroorzaakte oververzadiging (anti-solvent kristallisatie) zoutkristallen gevormd op het membraan. Op het moment van verzadiging werd een zoutretentie gemeten van 99,1%, terwijl de glycolverbinding nog een retentie had van 83%. Bij vriesconcentratie verlaagt de glycolverbinding het vriespunt van de zoutstroom. De component blijft net als het zout in oplossing en er wordt ijs gevormd met een lage glycolconcentratie. De voedingsstroom werd ook met vriesconcentratie geconcentreerd tot 23 wt% NaCl. De glycolverbinding bleef voor 96% en NaCl voor 98% achter in de geconcentreerde stroom. De pekelstroom bevatte niet alleen NaCl, maar tevens Na2SO4. De aanwezigheid van dit zout leidde al bij een minder lage temperatuur tot een neerslag van zout, met kristallen met een zuiverheid van meer dan 90% Na2SO4.

ECONOMISCHE EVALUATIE

tabel proces- en economische parameters

 

Om de economie van de twee technieken met elkaar te vergelijken is voor een basissituatie berekend wat de kosten per m³ behandelde stroom zijn. Deze basissituatie bestaat uit een aantal procesparameters en economische parameters die voor beide processen relevant zijn en daarnaast nog een aantal parameters die technologie-specifiek zijn. De aannames die gedaan zijn voor beide technologieën zijn samengevat in Tabel 1.

 

Per technologie is tenslotte voor verschillende parameters een gevoeligheidsanalyse uitgevoerd om te kunnen inschatten welke parameters het meeste invloed hebben op de kostprijs van de technologie. De parameters beurtelings 10% of 20% verhoogd of verlaagd, wat een inzicht geeft in de variatie van de kosten die kunnen optreden in andere situaties.

Membraandestillatie

Voor het berekenen van de kostprijs van membraandestillatie is gebruikgemaakt van een theoretisch model voor air gap membraandestillatie ontwikkeld door VITO. De fluxen, productie capaciteit, in- en uitgaande temperaturen en het warmteverbruik berekend door het model werden vergeleken met de resultaten behaald tijdens de pilottest en werden daarna gebruikt als input voor de berekening van CAPEX, OPEX en totale kost van membraandestillatie. De inputparameters specifiek voor membraandestillatie zijn samengevat in Tabel 2.

 

Inputparameters specifiek voor membraandestillatie

 

De meest bepalende factoren voor de kosten van membraandestillatie zijn de kosten voor het verwarmen van de voeding en de temperatuur aan de warme kant van de module (zie Figuur 3). In aanwezigheid van restwarmte bedragen de kosten voor het concentreren van de zoutstroom 1,95 EUR/m³. Wanneer er geen restwarmte aanwezig is, moet warmte gegenereerd worden, bijvoorbeeld door gebruik te maken van gas aan een kostprijs van 0,05 EUR/kWh. Dit zorgt voor een sterke stijging van de basisprijs tot 12,93 EUR/m³.

 

Gevoeligheidsanalyse voor membraandestillatie met en zonder aanwezigheid van gratis restwarmte
Gevoeligheidsanalyse voor membraandestillatie met en zonder aanwezigheid van gratis restwarmte

 

Vriesconcentratie

Het bepalen van de kosten van vriesconcentratie is gebeurd aan de hand van een hitte en massa balans model. De output hiervan vormde de input voor het ontwerp van de componenten en voor de berekening van CAPEX en OPEX kosten.

De kosten van vriesconcentratie bedragen voor de basiscase 9,34 EUR/m³. De parameters die het meeste invloed hebben op de kosten van vriesconcentratie zijn de condensatietemperatuur van de koelvloeistof en de downtime van de installatie (zie Figuur 4). De parameters voedingstemperatuur, condensatietemperatuur en dT koelvloeistof-brijn zijn 20% gevarieerd ten opzichte van de basissituatie. De overige parameters zijn 10% gevarieerd.

Gevoeligheidsanalyse voor vriesconcentratie
Figuur 4: Gevoeligheid voor vriesconcentratie

Bij vriesconcentratie kan er voor gekozen worden om meer water te onttrekken. Dan wordt ook vast zout gevormd. Dit geeft wel meer kosten, maar levert ook een kostenbesparing op doordat de kosten van verdere verwerking zullen afnemen doordat het volume is gereduceerd. Wanneer er wordt geconcentreerd tot een factor 16 van de glycolcomponent, betekent dat dat het zout voor 76% als vast zout wordt teruggewonnen, en het volume met 93% verlaagd is. Dit levert een verhoging van de basisprijs van 9,34 EUR/m³ naar 10,32 EUR/m³.

CONCLUSIE

Zowel membraandestillatie als vriesconcentratie zijn geschikt voor het concentreren van industriële zoute reststromen die vervuild zijn met glycolverbindingen. Voor stromen met een debiet van 10 m³/uur, in aanwezigheid van restwarmte en onder de omstandigheden beschreven in de basissituatie is membraandestillatie goedkoper. Indien er geen restwarmte beschikbaar is, is vriesconcentratie economisch voordeliger. De prijs voor beide technologieën is echter sterk afhankelijk van de omstandigheden. Daarom moet voor elke case een korte economische evaluatie uitgevoerd worden.