Denox-processen op basis van ureum t.b.v. CO2-dosering in de glastuinbouw

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

.

'

•

laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

,

.

.M.~ A! ... $.ç}:~.?g lf?:!: ...•...

!! ...

~.~ §.~ .. !!.C!.C2!:.YJ§.f.r.C7: •..

onderwerp:

,JZENQ:;:;-::P.RQCES.S.EJ.J. .. QP...EASI.B. .. Y.AN .. .uBE.VM .. t..b. •.

v .•...

... CQt;-:-:DOSEBLNG .. IN..DE .. GLAS:f.ULNBOUW ......... .

Nr: 2684

adres: Graaf Janlaan 20 2263 TM Leidschendam

Fred.v.Eedenplaats 23

2902 VA CapeUe

opdrachtdatum :juU 1986

•

INHOUDSOPGAVE SAMENVATTING CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN

.

-

1 • INLEIDING 2 2. UITGANGSPUNTEN 4 2.1 KASMODEL 4 2~2 VERWARMINGSINSTALLATIE 6 2~3 ROOKGAS 8 2~4 DOSEERSTROOM 10

•

2.5 CONVERSIE 10 2~6 ANDERE EISEN 12 2.7 FYSISCHE CONSTANTEN 12 3. PROCESBESCHRIJVING 18

•

3.1 INDELING 18 3;2 REACTIES 18 3.3 CV-KETEL (A) 20 3.3.1 Architectuur 20 3.3.2 Flexibiliteit 22 3~3~3 Opstarten 24

•

3.4 WARMTEPOMP (B) 24 3.4.1 Architectuur 24 3.4.2 Flexibiliteit 26 3;4.3 Opstarten 26 4. PROCESCONDITIES 28

•

4.1 PROCESSTROMEN 28 4;2 REACTIES 30 5. APPARATUUR 34 5. 1 BESTAANDE CONFIGURATIE 34 5~2 REACTOREN 34

I

.

5.2.1 Dimensionering 34 5~2;2 Bypass 36 5.2.3 Warmteeffecten 38 5~2~4 Drukval 42 5.2.5 Prilldegradatie 44 5.3 WARMTEHUISHOUDING 46

•

5.3.1 Verantwoording 46 5;3;2 Opwarming reactoren 48 5.3.3 Warmtewisselaars 50 5.4 TRANSPORT 56 5.5 CORROSIE EN VEILIGHEID

60

5~6 OPSCHAALBAARHEID 60

•

5.6.1 Doseerdebiet 60

•

•

e

5.6.2 NOx-concentratie 62

e

6. MASSA EN WARMTEBALANSEN 64

7.

APPARAATSPECIFICATIES 88 8. KOSTENANALYSE 96

I

e

8.1 INVESTERING 96 8~2 VARIABELE KOSTEN 98 8.3 RENTABILITEIT 98 . 8.3.1 ROl 100 8.3.2 IRR 100 8.4 OPBRENGST 100

e

9. GEBRUIKTE SYMBOLEN 106 10. GERAADPLEEGDE LITERATUUR 110

e

BIJLAGEN: 1. Jaarbelasting-duurkrommen 116 2. Ureum op alumina 120 3. Opwarming reactoren '24 4. Alternatieve warmtewisselaars 128

•

•

•

•

e

•

I

e

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

SAMENVATTING

In dit verslag wordt het ontwerp van een

rookgaszuiveringsinstallatie voor toepassing in de glastuinbouw beschreven. Doel _{is het CO 2 in het} rookgas voor versnelde plantengroei te benut ten zonder dat bepaalde componenten, met name NOx, hierop een nadelige invloed kunnen uitoefenen.

Uitgegaan is van een model-glastuinbouwbedrijf, waarin 2500 uur/jaar maximaal 585 m_o3_{/h rookgas moet worden gezuiverd. De}

relnlglng vindt plaats in een tweestaps-proces, waarbij in een eerste reactor door ontleding van ureum NH3 wordt gegenereerd en in een tweede reactor selectieve reductie van NOx plaatsvindt. Overmaat ammoniak alsmede schadelijk C2H~ en CO worden hier geoxideerd. De uitgaande NOx-concentratie bedraagt maximaal

3

ppm.

Er is onderscheid gemaakt tussen rookgas van een CV-ketel en dat van een gasmotor, welke verschillen in NOx-concentratie en temperatuur. Beide processen zijn economisch rendabel. Voor het geval van de CV-ketel bedraagt de return on investment 35% en voor dat van de gasmotor 55%. De pay-out time is op 2.8 resp. 1.8 jaar berekend.

•

•

•

I

.

•

•

•

•

•

•

•

CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN Conclusies:

-Het voorontwerp is voltooid.

-Rookgaszuivering op basis van ureum moet met de zuivere stof worden uitgevoerd.

-Het ontwerp is tevens goed bruikbaar voor andere kasmaten en/of NOx-concentraties.

-Rookgaszuivering op de beschreven methode is zowel bij CV-ketels als bij gasmotoren economisch voordelig.

-In de investering worden de grootste bedragen gevormd door de installeringsarbeid en regeling. Met name de omvang van de laatste post kan wellicht worden verminderd.

Aanbevolen wordt onderzoek naar:

-NOx-reductie bij lage concentraties (50-150 ppm).

-NOx-reductie met ureumprills bij hoge concentraties (700-2000 ppm) en hoge temperatuur (115-125°C).

-Invloed van CO2 en H20 op de ligging van het

ureumontledings-evenwicht.

-Verband tussen ~ en 1 in de tweede reactor.

Figuur 1.1 _{Relatieve groeisnelheid van gewassen als functie van} de CO 2-concentratie (buitenlucht

=

100 %)

•

•

•

•

•

I

•

.

1

•

r

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

---"---~---~--~-~- .-1. INLEIDING

In dit procesvoorontwerp worden twee rookgas-zuiveringsinstallaties beschreven die gericht zijn op toepassing in de glastuinbouw. Uit de rookgassen wordt NOx verwijderd door reactie met ureum volgens een methode die sinds 1984 aan de de faculteit ST in de vakgroep chemische technologie wordt bestudeerd (lit. 1 tlm 5).

De twee genoemde installaties onderscheiden zich verwarmingseenheid w"aarvan het rookgas afkomstig is. centrale verwarmings-ketel en een gasmotor, waarbij geval de interesse voor het ontwerp een bedrijfsmatig geval een meer academisch karakter heeft.

door het type Het betreft een in het eerste en in het tweede

In de glastuinbouw wordt ter verhoging van de groeisnelheid van gewassen een hoger CO₂ niveau dan in de buitenlucht nagestreefd (zie fig. 1.1). De eenvoudigste en goedkoopste manier om dit te bewerkstelligen is het in de kas leiden van verbrandingsgassen van de verwarmingsinstallatie. Deze gassen bevatten naast CO2 evenwel ook

NOx, een component die reeds bij lage concentraties het groei stimulerend effect van CO₂ "geheel of gedeeltelijk teniet kan doen. Bij hogere concentraties treedt zichtbare schade aan het gewas op.

Bij het doseren met CV-ketel rookgas, wat veelvuldig voorkomt, worden zulke NOx-niveaus bereikt in de kas dat groeiremming kan optreden. Gasmotoren worden nog slechts op zeer beperkte schaal toegepast. Doseren van het rookgas is gezien de hoge NOx-concentratie en de hieruitvoortvloeiende directe schade aan het gewas vooralsnog ondenkbaar. Gevraagd wordt een installatie die zoveel NOx uit de te doseren str'oom verwijdert dat in het geval: (A) van de CV-ketel het CO2-effect ten volle wordt benut en in het geval (B) van de gasmotor

dosering van het uitlaatgas mogelijk wordt en liefst zodanig dat geen groeiremming door NOx meer optreedt.

Zuivering van CV-ketel rookgas vindt in Nederland nog plaats, terwijl zuivering van rookgas van gasmotoren experimenteel stadium verkeert. Daarbij wordt in het laatste van een Pt drieweg-katalysator 'gebruik gemaakt (lit. 6).

- 2

-nergens in een geval

Vk

~Yt

~n

91

ventilatie

91

v1 ,3 _doseergas v2

91

_v1 +

91

v2 Figuur 2.1 Kasmodel ,--"T-~--'-,-" ! 1 , j . ,_'_.·.L. _.J_ ï + ". t , . I: I

I

;

I ! .. 1!: __ :._._. - -- 3.___J· - 5 ___ :_.

-I !

~!_vJ..!~h2

_ .:

~ .': 1

I

. . i . . ~~~:~

-r

Figuur 2.2a Vereist doseerdebiet

t'èOa

91

_v3 ~ .. ,5 i ! - _ . 0 -I

r i l

_{__ ' .-1} I I ~Y3 opgenomen CO 2 I

1C02

~

-

gedOSé~rd

-

cb

~---I

-. -:-._-. ' 2 I ' .. !. ____ ._L .. __ _{- -'-î:----"} I ' : , ,

; -:'

~ .~

.. t .

i- .

~.::

!

-' ---l-_i ___ -r--1 "1

1--_., -. I·· '

' ! -

IJ __

'-:J-:~'.

--~.

_:_--+ ..

~ -'i-~-'~~---~'

~

~+

I -

r:-

~.

C · -

'1-"-

î :--

-1-·

r'-I

~

. ~f

:

2 ' i , ' . . . ::

J:;:l,~

i

,I· .

l

-

1

-:-'+

I

:'~-~:-i~'

i

-

r

W

h\

~

f'·-I-'-

;

':::T:·:!

L ,L ":.L~.~; :..._J .. '~:_L.'-:.:_{ , I r :: .' ; 1· .. ·[!::I·:·...1 Figuur 2.2b Doseerrendement

.

,

I .. , .1

•

-

I

-•

I

-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

2. UITGANGSPUNTEN 2~1 KASMODEL

Voor het ontwerp is uitgegaan van een kas met gemiddelde

afmetingen, hetgeen een oppervlakte van 1 ha en een gemiddelde hoogte van 3.85 m inhoudt. De kas wordt beschouwd als ideaal gemengd. De ruimte wordt als gevolg van ventilatie doorstroomd, waarvoor als kengetal het "ventilatievoud" (space velocity) wordt genomén. De

waarde van deze grootheid is afhankelijk van het jaargetijde.

Hiernaast wordt door dosering gas in de kas gebracht en wordt een gedeelte door het gewas opgenomen. Dit is schematisch weergegeven in figuur 2.1. Van belang zijn de massabalansen voor CO2 en NOx. De

concentratie CO2 in de kas dient bij doseren steeds ca. 700 ppm te

zijn. Voor CO2 geldt:

4>v 3 • C 3 (2.1)

waarbij:

Voor NOx geldt:

4>v 3 • C 3 (2.2)

Afhankelijk van de ventilatie is een bepaalde volumestroom gas met ca. 10% CO2 benodigd om 700 ppm CO2 in de kas te handhaven.

Onderstaand is een aantal waarden gegeven (zie ook fig. 2.2). Tevens

worden de bijbehorende evenwichtsconcentraties NOx . (rookgas

ongezuiverd gedoseerd) vermeld. Bij de berekeningen is uitgegaan van een buitenconcentratie NOx van 30 ppb (lit. 7).

Tabel 2.1. Benodigde doseerstroom en conc. NOx als functie van ventilatievoud

v (l/h) 0.3 0.5 1.0 1.5 2.0 4.0 7.0

4>v 2 (m_o3/h) 165 . 190 260 330 400 675 1095

CV NOx (ppb) 750 530 370 320 295 255 240

CM NOx ( QQm) 10 6.9 4.8 4.0 3.7 3.1 2.9

De snelheid waarmee de laatstgenoemde waarden worden bereikt kan worden bepaald met de balans over de instationaire situatie. Dit

levert voor in- resp. uitschakeling:

4

-(2.3)

-._-, .- , -r:,,~:.l~. ' ~LOO

f

-

:

:

l

--[ '--'-. 1--_. ~._c " . r . (%) - 50 ! \ -.. ' -i-- ___ ~ , _I .. _. L..: _ _ _

I

Figuur 2.3a I t-,.

f

c r (%) -- 50---~---~~---.•...

-

_

.•.

-_

..

-_.-_._---_

... -. ~ .-- .--.--or .--.--.-- -5

L

, . -

--

--- , -1 • _ L _I~ ___

t-... _. ~ --

---'1-;

,

'l

L~-_:_

I:·

!·i . I --_ ..

----

_{. !} - ,-I , I - ! - I --7--.

4-~---

j

1 -I L. :..-+- I " r I I Üjd(uren) I - . . 10 --,

_,

_ __ i -I X v.

::

.

Cl.3

o v =:.1 ~ 0 V V .~- 4: 0 i .---"""----J _1- __ 100 %

=

evenwichts-- evenwichts--co~~entratie I ---t-._-

--,

Relatieve NO -concentratie als functie van de tijd hà ', inschakeling

x , I ._-- - . . , - - ' . .' ---ï-1 1_ ! _L.:.~ ~. )( _v _~ _q,: 3 _{._--.. ;---} -I . , o v = 1.0 - i .

-t _

_,

.

j - 1-- )-V v·=-4.0

L

Figuur 2.3b Relatieve NOx-concentratie als functie van de tijd na uitschakeling

•

.

!

I

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

UITGANGSPUNTEN met: k 1 :: V k2 '" V

.

Cl + 4>v IV '. (C2

-

Cl) k2 , V Cl

=

.

Zie ook figuur 2.3a en 2.3b.

2.2 VERWARMINGSINSTALLATIE

A) CV-k ete 1.

In de glastuinbouw vindt kasverwarming voor 70% (lit. 8) plaats met zgn. drietreks-kerendevlampijp ketels, waarin water tot 90-110

oe

wordt verwarmd. Voor verwarming van een kas van de gekozen afmetingen bedraagt het vermogen van de ketel, uitgedrukt in de energie inhoud van het erin verbrande aardgas, 2Mcal/h oftewel 2.3 MW.

B) Gasmotor.

Een andere methode van verwarming maakt gebuik van een gasmotor. In een zgn. Total-Energy-Installatie (ook wel: warmtekracht-koppeling) wordt zowel het asvermogen als de warmte van het koelwater en het afgas benut. Er bestaat in de glastuinbouw met name belangstelling voor de warmtepomp, een apparaat waarbij de motor een compressor aandrijft. Deze maakt deel uit van een freoncircuit waarin door beurtelings verdampen en condenseren warmte aan een koud medium (buitenlucht) wordt onttrokken en wordt overgedragen aan een warm medium (water of, lucht voor kasverwarming). Naast toepassing in de glastuinbouw wordt de warmtepomp ook voor wijkverwarming en voor de verwarming van grote flats gebruikt (lit. 9).

Een warmtepomp rendeert slechts indien continu het maximale vermogen wordt afgegeven. Aangezien de warmtevraag in kassen zeer variabel is (zie bijlage 1, jaarbelastingsduurkromme) Is men aangewezen op een zgn. "bivalente" installatie (lit. 10 tlm 15). In dit geval is voor de basislast een gasmotor aanwezig naast een voor de maximale vraag ontworpen CV-ketel. Er wordt vanuit gegaan dat het vermogen van de gasmotor ca. 30% van dat van de CV-ketel is, hoewel er een tendens naar kleinere fracties bestaat. Dit houdt in dat voor het beschouwd

_r

model-glastuinbouwbedrijf een gasmotor van 0.7 MW in aanmerking komt.

C) Doseerinstallatie.

Het doseren van COz m.b.v. CV-ketel-rookgas geschiedt met een

installatie als hieronder zal worden beschreven (lit. 16, 17) (zie ook fig. 2.4). In het geval van de CV-ketel zal de rookgaszuiveringsstap hierin opgenomen moeten worden.

-•

•

•

.

'

•

•

•

Figuur 2.4 CO 2-doseerinstallatie

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

UITGANGSPUNTEN

1) Afhankelijk van de branderstand treedt uit de CV-ketel een rookgas van 100-140 °C (zonder retarders in de ketel 150-2500_C),

dat 15 t0t 17% waterdamp bevat.

2) In

ee

~

condensor wordt dit gas tot 30-40o_{C gekoeld waarbij ca.}

75% van ~et water wordt verwijderd. De warmte wordt overgedragen aan water in een lagetemperatuur- verwarmingscircuit voor de kas. 3) Het gas wordt naar de schoorsteen geleid en hier bevind't zich een aftakking waardoor voor dosering benodigd rookgas kan worden afgetapt. Deze is voorzien van een regelklep, welke bij opstarten en regeling van de brander dicht wordt gestuurd.

4) Hierna volgt een T-stuk dat dient voor de aanvoer van verdunningslucht.

5) Aan het eind is een ventilator opgesteld die zowel voor de aanzuiging van rookgas en verdunningslucht als voor het verdere transport van de doseerstroom dient.

6) Dit transport verloopt via een net van geperforeerde buizen over de bodem van de kas.

In het geval van· de gasmotor wordt uitgegaan van een bestaande installatie die rookgas van 500°C levert, en een condensor waarin dit gas tot 30°C kan worden gekoeld.

2.3 ROOKGAS

De samenstelling, omvang en temperatuur van de rookgasstroom zijn afhankelijk van het type en de belast1ng van de verwarmingsinstallatie. De gasmotor wordt verondersteld steeds op vollast te worden bedreven. Voor de CV-ketel zijn twee ontwerpcondities beschouwd: vollast (100%) en deellast (30% =

basislast)

Tabel 2.2. Samenstelling rookgas bij diverse situaties voor en na condensor (lit. 18, 19). GM CV-ketel vollast deellast n 1. 17 1.1 1.3 T (oC) 500/30 140/45 105/30 <Pv (m 03 Ih) 700/605 2700/2360 1260/1100 H20 (%) 16.6/3.1 17.3/5.5 15. 0/3.1 CO? Ct) 8~2/9~5 8~7/10.0 7.5/5~0 O? (%) 2.7/3;1 L7 11.9 4;4/5.0 8

-Figuur 2.5 Evenwichtsconcentraties CO 2 bij maximaal doseren

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

>

.

•

•

•

UITGANGSPUNTEN 2.4 DOSEER STROOM

Als redelijke waarde voor de maximaal te doseren rookgasstroom wordt 20% van het rookgasdebiet bij vollast van de CV-ketel aangenomen. Deze stroom bedraagt 585 m_o3_{/h. Bij geringe ventilatie} (v ~<

3

l/h) is een kleinere stroom reeds voldoende om 700 ppm CO2 in de kas te bereiken. In de resterende gevallen wordt maximaal

gedoseerd (zie ook figuur 2.2). •

Tabel 2.3. Belastingduur/niveau per periode

•

periode v (gemHl/h~

winter 1

voor /najaar 4

zomer 7

Teneinde een kostbare dosering veelal volgens het dat het uurgemiddelde debiet ligt. Als gas gedoseerd debiet door de installatie. CO2-niveau in de kas.

belastingduur ( h) ~d (mil 3 /h)

1000 250-300

1250 585

250 585

debietregeling te vermijden wordt de aan/uit principe gestuurd, en wel zodanig rond de in figuur 2.2 aangegeven waarde wordt stroomt zodoende altijd hetzelfde D~ aan/uit sturing wordt bepaald door het

Er mag geen hogere CO₂-concentratie dan 1500-2000 ppm (lit. 20) in de kas heersen aangezien boven di t niveau "bladverbranding" kan optreden. Bij dit verschijnsel nemen de bladeren meer CO₂ op dan de rest van de plant kan verwerken. Zou men zonder onderbreking maximaal doseren dan gelden de CO2 - concentraties in stationaire toestand, zoals weergegeven in figuur 2.5. Aangezien planten alleen CO2 opnemen als het licht is, is doseren alleen overdag zinvol. Di t betekent een discontinu bedrijf voor de rookgaszuiveringsinstallatie.

2.5 CONVERSI E

Bij verbranding van aardgas wordt thermisch NOx gevormd door oxidatie van N2 uit verbrandingslucht en uit het aardgas zelf. Bij CV-installaties bedraagt de NOx-concentratie 40-60 ppm, bij gasmotoren ca. 700 ppm (mits goed afgesteld en stationair bedreven). Hiernaast komen CO (50 vs. 500 pprn) en etheen ( ... ,e inig gemeten) vrij.

Recent onderzoek (lit. 21, 22) wijst uit dat vanaf 0.25 ppm NOx groeiremming van gewassen kan optreden. Hierbij is vooral de fractie N02 van belang daar deze component makkelijker opgenomen wordt. Het NOx bevat 2-5% N02 en in de kas is door oxidatie van NO 20% van het NOx als N02 aanwezig. Indien door ventilatie 03 uit de buitenlucht binnenkomt, stijgt dit getal aanzienlijk en wordt derhalve ook bij lagere concentraties groeiremming waargenomen. Als veilige waarde

-r

·

•

•

•

•

•

•

I

.

•

•

•

I

•

UITGANGSPUNTEN

geldt 0.100 ppm NOx. CO is toxisch voor de mens (MAC-waarde 50 ppm) maar is onschadelijk voor planten, etheen daarentegen heeft in zeer geringe concentraties (>~ 5 ppb) een nadrukkelijk ongewenst effect op planten (etheen is een rijpingshormoon). Met de onderhavige zuiveringsmethode worden koolmonoxide en etheen eveneens verwijderd maar hierover zijn weInIg experimentele gegevens bekend. In het ontwerp is de oxidatie van beide componenten niet of nauwelijks in de beschouwingen opgenomen.

Uitgaande van het eerder genoemde kasmodel kunnen nu de vereiste maximale concentraties NOx in het rookgas (als functie van v) worden bepaald, opdat in de kas de grenswaarde van 0.1 ppm niet wordt over schreden.

tabel 2.4. Maximale concentraties v gem.(l/h) 0.3 0.5 1.0 4>v (gem.)(m_o3/h) 200 225 310 NOx geeist (ppm) 3.8 5.6 8.1 NOx in 1 .5 390 9.7 rookgas als 2.0 ILO 470 585 10.7 17.1 functie 7.0 585 30.0 van v

De strengste eisen gelden bij lage ventilatievouden, d.w.z. wintercondities. Bij de reiniging van CV-ketel afgas dient de conversie dan minimaal 92

%

en bij gasmotoruitlaatgas zeker 99

%

te bedragen.

2 • 6 A ND ER E EI S EN

Bij een tuinder is weinig ruimte beschikbaar, zeker indien zoals bij de CV-ketel de installatie aan een bestaande installatie gekoppeld zal moeten worden. Compactheid Is derhalve een vereiste.

De bediening/regeling van de installatie moet slechts weinig tijd, moeite en (chemische) kennis vereisen (automatiseren). Hiernaast mogen geen moeilijk handelbare stoffen een rol spelen in het proces. Voorts wordt van het te doseren gas i.v.m. condensatie in de verdeelleidingen een laag watergehalte

(=<

3%) en i.v.m. het materiaal van deze leidingen (PVC) een lage temperatuur

(-<

60°C) geeist.

Tot slot is een economische eis die door de gebruiker gesteld wordt dat de installatie zich binnen 3 jaar moet terugverdienen.

2.7 FY SISCHE CONSTANTEN

Gegevens zijn verkregen uit lito 23, 24 en 25.

-I

.

I

Tabel 2.5. E1senschaQQen vaste stoffen.

stof M p À Cp Tm lIHf Op e;

•

dim. ~/mol k~/m3 W/m.K kJ/kg.K °C kJ/mol mm CO(NH2 )2 60 1320 .54 1.34 132 -334 -bed 800 .088

-

5.0 '.40 V20S / A120 3 1280 3. 12 0.77

•

-bed 830 1.30 3.18 .35 NH .. N02 64 1690 1.50 60-70" -264 "ontleedt

Tabel 2.6.Eigenschappen vloeistoffen.

•

stof M P n À Cp

dim. g/mol kg/m 3 mPa.s W/m.K kJ/k~.K

H20 18 1000 1.0 4.187

Dowtherm A - 997 0.3 131 .6 2.202

•

Tabel 2.7. Eigenschappen gassen.

stof M p n À Cp lIHf

dim. g/mol kg/m'3 Pa.s W/m.K kJ/kg.K kJ/mol rookgas 25°C 29 1.28 18.E-6 .027 1.04

•

100°C 29 20.E-6 ~030 1.06 260°C 29 25.E-6 ;037 1.08 N2 28 1.04 0 CO2 44 0.84 -394 H2O(g) 18 2~Ol -242 O2 32 O~92 0

•

NH3 17 2.16 -46.1 NO 30 1.00 +90.3 CO 28 L04 -111 ' C2H .. 28 L55 +52

•

•

•

•

14

-•

•

_{UITGANGSPUNTEN}

tabel 2.8. Enthalpieen (kJ Ikg)

•

stof N2 CO2 H20 O~ H 25 309 212 599 271 flH 1 ° -15 -13 -33 -14 NI15 -10 -9 -22 -9 flH 1 e -7 -6 -16 -6 flH 3 ° 5 4 11 5

•

flH 3 2 7 6 13 6 flH .. 5 16 13 34 13 flH 6 ° 37 30 77 33 flH 1 00 77 62 140 69 Nl1 20 99 85 212 88 flH 2 6 0 246 224 514 223 fll-I .... o 441 420 1025 403

•

lIH 5 00 507 491 1197 467

Alle eigenschappen bij 25°C tenzij anders vermeld.

•

•

•

•

16

-•

•

Hl

V2

~ TEM~ VOLLAST

~ TEMP. DEELLAST

HTC -HOGE TEMP. VERWAIlMINGSCIRCUIT

L TC -LAGE TE .... P. VERWARMINGSCIRCUIT SYST EEMDRUK _ ATMOSFERISCH

LUCHT SCHEMA A Hl ROOKGASCONDENSOR V2 CONDENSVAT P3 VENTILATOR H" GASVERHITT ER R!> UREUMONTL EDER HO GASVERHITTER

•

•• ,', .o

•

•.• :

•

spul R7 R

71

OXIDATIEREACTOR P BOOSEERVENTILATOR F 9 FORNUIS VlO OLIERESERVOIR Pll POMP

•

F9

•

Pll NAAR KAS

REINIGING ROOKGAS CV-KETEL (A) EN GASMOTOR (6) _{lb.v. CO2-DOSERING}

J.So HOORNSTRA

MA. SCHWEGLER

F.V.O. 260"

SEPT EMBER I \lBO

o

STROOMNR. [!] TEMP. IN ·C

•

•

0") .. sPui

.

~---•

LUCHT SCHEMA B Hl WAR"iTrWI~rLÄAR H2 CONDENSOR V3 CONDENSVAr P" VENTILATOR R!> UREUMONTLEDER RO OXIDATIEREACTOR

•

J>7lOOS~tRV(NTILATOR

•

•

'"'l 1-' • .Q ~ ~ ti LV

....

'U ti o o CD Ul Ul o ::r CD El Pl Ul HAAit KAS

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

3.

PROCESBESCHRIJVING

2

INDELING

In dit hoofdstuk zal de opzet 'van de processchema's voor de twee onderscheiden situaties worden beschreven. De schema's zijn weergegeven in figuur 3.1 en in de losse bijlage. In het geval van de CV-ketel (A) zijn bovendien twee condities beschouwd. De rookgas-zuiveringsinstallatie behoort in principe op vollast vanda ketel te worden ontworpen, maar het blijkt dat deze ca. 90% van de gebruikstijd op deellast wordt bedreven, hetgeen in meer dan de helft van de gevallen neerkomt op een belasting van ca. 30%. Aangezien de 100%- en de 30%-conditie aanzienlijk uiteenlopen is het t.b.v. de volledigheid zinvol beide in het ontwerp uit te werken. De gasmotor (B) wordt verondersteld telken~ op vollast werkzaam te zijn.

3.2 REACTIES

Voordat de processen integraal zullen worden beschreven is het vooreerst noodzakelijk enige aandacht te schenken aan de methode volgens welke de rookgaszuivering plaatsvindt.

I) Theor ie

NOx kan selectief t.o.v. O₂ met NH_s reageren. Hierbij worden eerst ammoniumnitriet/nitraat-complexen gevormd (1), die o.i.v. een katalysator tot N_{2 ,} eventueel N₂0, en H₂0 kunnen worden ontleed (2). De reductie m.b.v. ureum kent een stap meer, nl. de ontleding van ureum in NH3 en CO2 (3).

Indien men NH3 in een reactor gevuld met katalysator bij een

temperatuur boven de 200°C samenbrengt met NOx dan treden complexvorming en -ontleding samen op. Deze methode is zeer

gebruikelijk. Voor volledige NOx- conversie is evenwel 50% overmaat

NH3 vereist. De overtollige NH3 wordt in dezelfde reactor met O2 tot

N₂ geoxideerd (4).

Uit experimenten, uitgevoerd in de vakgroep CT treedt naar voren dat ureum, geimpregneerd op een drager, bij een temperatuur van 100°C voldoende ontleedt om 100% van NOx-concentraties tot 4000 ppm, bij een verblijf tijd t van meer dan 7 sec., om te zetten tot complexen (lit.

2). Voor zuiver ureum in de vorm van prills geldt dit waarschijnlijk bij temperaturen van 115-120o_{C. De gevormde complexen worden in een}

tweede reactor bij een temperatuur van meer dan 200°C katalytisch ontleed. Eventueel teveel gevormd NH3 wordt ook hier geoxideerd.

De reactievergelijkingen luiden:

-•

•

I

•

•

•

•

•

•

•

•

•

( 1 ) NOx + NH 3

Goede katalysatoren voor de reacties (2) en (~) zijn Pd (lit.

~), Pt (lit.

26)

en V₂0_S (lit.

27).

II) Praktijk

In de glastuinbouw is gebruik van zuiver NH3 ongewenst, zodat

voor de rookgaszuiveringsinstallatie grote voorkeur bestaat voor ureum als "opslagplaats" van ammoniak. Met het oog op het reactorvolume en de herbelading is het makkelijker om ureumprills te gebruiken i.p.v. ureum op drager. Voor het gebruik van ureum op drager zie bijlage 2.

Indien, zoals in lito 3. ~ en 5, de reacties (1) en gescheiden verlopen, heeft (1) een L nOdig van meer dan 7

Vanwege het onder de huidige condities (~v) grote reactorvolume hieruit volgt, is in het onderhavige ontwerp het ureumbed louter NH3-generator beschouwd. Er wordt zoveel NH3 in gevormd als nodig

voor volledige verwijdering van van NOx volgens (1) en (2) in tweede bed, gevuld met katalysator. Uit economische overwegingen V20S op alumina hiervoor zeer aantrekkelijk.

( 2) sec. dat als is een is In een bed met ureum mogen

Bij lage temperatuur (buiten condensatie optreden, omdat het temperatuur (tijdens bedrijf) ongewenst, daar in dit geval de versneld.

geen hoge waterconcentraties optreden. bedrijf, opstarten) mag in geen geval ureum goed oplost in water. Bij hoge is een hoge H20-spanning eveneens ontleding in onbekende mate wordt

3.3 CV-KETEL (A) 3.3.1 Architectuur

Het rookgas (stroom (1» verlaat de CV-ketel en na koeling in rookgascondensor H1, waarbij het gecondenseerde water (str. (2» in condensvat V2 wordt· opgevangen, wordt het merendeel (str. '(3» van het koude gas (str. (~» naar de schoorsteen gevoerd. De in Hl gewonnen warmte wordt in een lagetemperatuur- verwarmingscircuit benut.

-•

•

•

•

•

•

I

.

•

'

.

•

•

•

~~~~~~~~~~~~~---- -PROCESBESCHRIJVING

Met ventilator P3 wordt de voor dosering benodigde stroom «5» aangezogen. In het geval van vollast is het zuurstofgehalte te gering voor voor bevredigende werking van de katalysator in R7, zodat extra lucht (str. (6» moet kunnen worden aangezogen. De gasstroom passeert vervolgens twee gepakte bedden. In het eerste, RS, bevinden zich ureumprills bij 100°C en in het tweede, R7, V20S pellets bij 260°C. Het gas (str. (9) re sp stro (8) + (11» wordt tot de .gewenste temperaturen opgewarmd met de gasverhitters H4 en H6. Het verwarmende medium is een olie, die in een gesloten circuit met constant debiet (str. (15), (16) en (17» wordt rondgepompt door pomp Pll en wordt verwarmd in fornuis F9. in dit circuit is tevens een reservoir VlO opgenomen.

De ureumontleding in R5 is in evenwicht, zodat bij bepaalde T altijd dezelfde NH3-c6ncentrritie in het uittredende gas (str. (11» geldt. Teneinde juist voldoende NHs te genereren in R5 als benodigd

is in R7, wordt een groter of kleiner gedeelte van de gasstroom kortgesloten (str. (8».

In R7 vindt reductie van NOx met NH3 en oxidatie van NH3 , CO en eventueel C2H~ plaats.

Het gezuiverde rookgas (str. (13» is te warm om direct kas te worden geleid, zodat bijmenging van lucht (str. noodzakelijk is. Bovendien kan met een groter debiet een verdeling over de kas bereikt worden. Aanzuiging van deze alsmede transport van de totale doseerstróom «18» naar de kas verzorgd door de ventilator P8.

3.3.2 Flexibiliteit in de (14) ) betere lucht wordt

Er treden sterke schommelingen op in de rOOkgasstroom omdat de belasting van de CV-ketel globaal tussen 30-100% varieert. Belastingswisselingen leiden tot veranderingen in de grootte en de temperatuur van stroom (1). Hierdoor worden andere hoeveelheden warmte afgevoerd in Hl. Daarbij wordt de temperatuur van stroom (5) anders.

Indien het vermogen van de CV-ketel 75% van het maximum of meer bedraagt, hetgeen overeenkomt ~et een lucht factor van 1.10-1.15 en een zuurstofpercentage van 1.9-2.5, wordt de klep in stroom (6) opengestuurd en wel zodanig dat 5% lucht wordt bijgemengd. Ten behoeve van gunpt~g functioneren van P3 dient stroom (7) altijd even gr 00 t te zij n •

-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

PROCESBESCHRIJVING

In stroom (9) kan nu alleen de temperatuur var ieren en aangezien

die van stroom (10) altijd constant 1000

e

_{dient te zijn, is regeling}

van H~ noodzakelijk. Dit geschiedt door debietregeling van de

oliestroom. Indien nodig wordt H6 op analoge wijze geregeld.

Hiernaast bestaat een regeling voor de verhouding van stromen (9)

en (12). De ureumontleding is sterk temperatuur-afhankelij~ en bij

hogere temperatuur zou te veel ureum verloren gaan indien de

bypassstroom niet zou worden vergroot.

3.3.3 Opstarten

Het proces wordt discontinu bedreven. 's Nachts doseren Is in

ieder geval niet zinvol. Daarbij wordt overdag ook niet voortdurend

gedoseerd. In de winter (dichte kas) leidt continu doseren tot een te

hoog CO2-niveau in de kas en in de rest van het jaar is er niet steeds

warmtevraag, zodat de CV nu en dan uitgeschakeld wordt en er derhalve

geen rookgas wordt geleverd.

Het opstarten behelst in feite alleen het opwarmen van de

reactoren. Dit geschiedt door lucht aan te zuigen «6); rookgas kan

te veel water bevatten) en deze resp. door H4, R5. H6 en R7 te leiden

en af te voeren. Het oliecircuit blijft dag en nacht op temperatuur, de reactoren alleen overdag.

3.4 WARMTEPOMP 3.4.1 Architectuur

Het rookgaszuiveringsproces in geval (B) verschilt niet wezenlijk

van dat In geval (A). Er' wordt uitgegaan van een vergelijkbaar

twee-reactoren-systeem, maar omdat de rookgas temperatuur hoger Is (500

vs. 100-1~OOC) en minder varieert is de warmtehuishouding anders

gestructureerd.

De rookgasstroom (1) wordt gesplitst in de stromen (3) en (~).

Stroom (3) draagt in Hl warmte over aan het gas voor reactor R5 (str~

(10». Vervolgens passeert het rookgascondensor H2 en wordt naar de

schoorsteen geleid. Het merendeel wordt evenwel door ventilator P4

aangezogen (str. (8» en na warmtewisseling met stroom (3) naar de

reactor R5 geleid. In deze reactor bevinden zich weer ureumprilIs, nu

op 120°C teneinde meer NH3 te verschaffen zodat de grotere hoeveelheid

NOx kan worden ver0ijderd. Om dezelfde redenen als onder (A) wordt

een gedeelte van de stroom kortgesloten. Verwarming tot 260°C

geschiedt door menging met een gedeelte van de hete rookgasstroom

«4». Verder transport is eender aan geval (A).

---~----~---

---•

•

•

•

•

•

•

Figuur 3.2 Opwarmen eerste reactor (b)

•

•

•

•

•

•

•

•

•

I

•

I

_I

.

•

•

•

I

I

·

PROCESBESCHRIJVING ,3.4.2 Flexibiliteit

De grote fluctuaties door belastingwisselingen bestaan hier niet. Indien de twee belangrijkste karakteristieken van (1), ~v en T, mochten veranderen, wordt hier door het systeem als volgt op gereageerd.

-/),~v :

T.a.v. het debiet geJdt dat ~V8 altijd constant moet zijn met het oog op efficient bedrijf van P4. In dat geval is ook ~V4 constant zodat debietvariatie alleen effect heeft op de spuistroom (6).

-/)'T:

Eerste vereiste is dat de reactoren de gewenste temperaturen behouden. Verhoging van Tl en dus T4 leidt tot een te hoge T13, zodat ~V4 moet worden verminderd, \-,aarmee ~v 6 toeneemt. T 3, T2, T7, TB, Tl 0 en Tll nemen toe zodat de kortsluitstroom over Hl moet toenemen. Gevolg van verkleinde ~V4 is dat de eigenlijke doseerstroom ~V14 afneemt. Aangezien een /),Tl van 100°C een verschil in ~V14 van slechts -10% tot gevolg heeft, kan dit niet als ernstig worden aangemerkt. Bij temperatuurdalingen geldt een analoge maar omgekeerde redenering. In dit geval moet worden opgemerkt dat ~V6 normaliter niet groot is, zodat in zeer ongunstige gevallen zelfs ~V8 kleiner zal worden.

Voorts wordt de temperatuur- gestuurde Indien Tl toeneemt en NH3-overmaat iets minder

3.4.2 Opstarten

NH3-voorziening evenals bij (A) door een variatie van de bypassstroom (9) geregeld. de volumestroom (~V13) dus af, zal de dán 50% bedragen, en omgekeerd.

De opwarming van de reactoren vindt gescheiden en sequentieel plaats. R5 wordt door circulatie van het 1n de pijpen aanwezige gas opgewarmd (z1e figuur 3.2). Hierbij gaat weinig ureum verloren aangezien de circulatiestroom in evenwicht is met ontledend ureum. Hierna wordt evenals tijdens notmaal bedrijf rookgas door P4-Hl-R5 geleid, dat samen met stroom (4) snel R6 op temperatuur brengt. De gasstroom mag niet de kas in worden geleid, aangezien de zuivering in R6 nog niet of niet volledig verloopt.

-•

•

•

•

•

•

•

•

•

- --- - - -- - - -- -- - - -- - - -- -4. PROCESCONDITIES 4~1 PROCESSTROMEN

Alle gasdrukken in het proces kunnen als atmosferisch worden beschouwd. De grootste afwijking bedraagt ±2500 Pa (0.025 bar). Temperaturen en debieten lopen in de onderscheiden situaties·u~teen.

(A) CV-ketel

-Bij vollast verlaat een stroom van 2700 mo3_{/h met een}

temperatuur van ca. 140°C de CV-ketel. In de condensor wordt tot 45°C gekoeld, waarbij door condensatie van- water (76 l/h) het debiet afneemt tot 2360 mo'/h (zie ook Hst. 3). Een gedeelte hiervan wordt aangezogen en met 5% lucht opgemengd tot een stroom van 585 .mol/h en 43°C. Dit is de te zuiveren gasstroom. Door een ventilator (waar de temperatuur 2°C stijgt) wordt de stroom naar H4 geleid waar de temperatuur tot 100°C verhoogd wordt. Van deze stroom wordt 30% door en 70% langs reactor R5 geleid. Na samenvoeging worden beide stromen in H6 opgewarmd tot 260°C '_{daarna door R7 gevoerd en met 3500 mo}3_/h

lucht gekoeld tot 53°C. In het verwarmingscircuit wordt 9.0 mo'/h olie rondgepompt. De temperatuur na het fornuis bedraagt' 320°C en de afkoeling in H6 en H4 bedraagt resp. 10 en 4°C.

-In het geval van deellast verschillen in feite alleen de condities tot voor H4. Het rookgasdebiet is kleiner en de temperatuur ervan lager, resp. 1200 mo'/h en 105°C. Na H1 bedragen deze waarden 1100 mo3

/h en 30°C. Dit komt overeen met een'waterverlies van 36 l/h.

Er

wordt 585 mo'/h rookgas aangezogen, er wordt geen lucht bijgemengd, en in P4 stijgt de temperatuur ca. 1°C. In H4 moet meer warmte worden overgedragen en, vanwege een miniem verschil in samenstelling, iets minder in H6. De temperatuurval over H4 en H6 verandert voor de olie niet significant. Er wordt aan het eind van de installatie eenzelfde hoeveelheid koellucht aangezogen, echter met een hogere gemiddelde temperatuur (18 i.p.v. 10°C). De temperatuur van het in de kas te verdelen gas bedráagt 'dan 60°C.

(B) Warmtepomp

Een gasmotor van 0.7 MW levert 700 mo'/h aan uitlaatgas met een temperatuur van 500°C~ Hiervan wordt 73% naar H1 gevoerd en het restant naar R6. In H1 'wordt het tot 440°C afgekoeld en in H2 tot 30°C, waarbij na condensatie van 57 l/h water 440 mo'/h gas resteert. Van dit gas verdwijnt 10% naar de schoorsteen. '

Na een kleine opwarming in p4 (1°C) wordt in H1 de temperatuur tot 120°C verhoogd. Van dit warme gas wordt 51% d60r reactor R5 geleid. Na bijmenging met stroom _{(4) ontstaat 585m o'/h rookgas met een} '

temperatuur van 260°C, dat na R6, waarin het tot 275°C opwarmt, met ca.

-Figuur 4.3 NO -conversie als functie x

van verblijf tijd

1--

t

L I I I ' [--100

r-: .. 50 ~-_ .. -I . t

r'-'

r-'--~--_: --C' '1 ! .

-r-! ___ .,._ .. __ l __ _

Figuur 4.5 NO -conversie als functie _x van temperatuur

Figuur 4.2 Ontleding ureum op drager (evenwichtsconcentraties) j--~ . - - - - ' : --~---~---~- - -I~~~- i ~100. _-'-._: _ _ r~-"---

.-t-._-.

"'-

~~~

~~

:=---!- -!

r~

--

8

~

s

-J~/o) . _ _ : __ .~ __

L

Figuur 4.4 100 I I 8 .__ 16 , 0 (%) ..-. -- 2-

---NO -conversie als functie

x t '

van 02-concen ratle

. I , - - --'-1 -,---~-- -_. , - -\- - - 1-

6

--. i "

i :

T

,

=

18Q . C . --=-t. ---+--T-'-;-:'T ; ---r---... ; . ! . I ; '\;.'.1::;

,! .::

~

::':j::':j

~·

.. '. ,

·

~

i~ji-

:T.::

:~~·lLL

'=----2'- , :~:--,··ï

Zi~

' ·1·;::;

Figuur 4.6 NO -conversie als functie

x t ' van 02-concentra le

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

PROCESCONDITIES

3500 mo3/h lucht van gemiddeld 15°C wordt gekoeld tot 60°C of minder.

4.2 REACTIES

In de eerste reactor treden de volgende reacties op: (1) CO(NH_{2 )2} + _{----) 2 NH3} + CO2 ----) 4 NH .. N02 En in de tweede: (3) _{NH .. N02 --(kat)--) 2 H} 20 + N2 (4) 4 NH3 + 4 NO + O2 --(kat)--) 4 N2 + 6 H20 (5) 2 NH3 + 1. 5 O2 --(kat)--) N2 + 3 H20 (6) 2

co

+ _{O2 --(kat)--) 2 CO2} (7) _C 2H .. + 3 O2 --(kat)--) 2 CO2 + 2 H20 Tabel 4.1. 6HO 6H T,cv 6H T,wp Reactiewarmtes (kJ/mol) reactie 1 2 89.8 -744 88.9 -735 88~ 5 -731 -Reactie (1) 3 4 5 -220 -1628 -634 -224 -1624 -642 -224 -1624 -642 6 7 -566 -1324 -568 -1322 -568 -1322

De ontleding van ureum is sterk afhankelijk van de temperatuur. In de figuren 4.1 en 4.2 is de NH3-productie als functie van de

temperatuur uitgezét voor resp. ureumprills en ureum op drager (10 gew. %) •

-Reactie (2)

De complexvorming bij lage temperatuur (T = 100°C) is afhankelijk

van de zuurstofconcentratie en de verblijf tijd. " Als karakteristieke grootheid is de NO-conversie gekozen. Reactie' (2) vérschuift het evenwicht van (1) naar rechts.

-Reactie (4)

-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

PROCESCONDITIES

De gekozen katalysator, afkomstig uit lito 27, bestaat uit 10% V20S op Y-alumina. Hiermee kan vanaf ca. '250°C 100% NOx conversie bereikt worden. In'dit geval bedraagt de zuurstofconcentratie

5%

en de verblijf tijd 0.24 sec. Indien de zuurstofconcentratie lager wordt dan ca. 2.5% daalt de conversie. Verkleining van L heeft hetzelfde

effeûv~

-•

•

i

I

I

.

•

•

•

•

•

•

•

•

5. APPARATUUR 5~' BESTAANDE CONFIGURATIE

(A) Gegeven is een ketel met een vermogen van 2.3 MW, die een rookgas levert dat in een condensor tot 30 of 45°C (deellast resp. vollast) wordt afgekoeld en naar een schoorsteen wordt geleid. M.b.v. een ventilator wordt voor dosering 585 m_o3_{/h van dit roökgas(événtueel}

vermeerderd met een hoeveelheid lucht) aangezogen en vervolgens in' de kas gevoerd (zie fig 2.4).

(B) Gegeven is een gasmotor met een vermogen van 0.7 MW, die rook,gas levert dat in een condensor tot 30°C wordt 'afgekoeld en naar de schoorsteen wordt geleid.

5.2 REACTOREN

5~2.1 Dimensionering

(A) De grootte van de ureumontledingsreactor wordt bepaald door het verbruik aan ureum. Op jaarbasis bedraagt dit:

m .. n • ~v,dos • ql • q2 • C,NOx • M

waarin:

invullen Dit stemt

waarin:

n

-

2500 doseer uren/ jaar

~v,dos .. 464 m_o 3/h , gemiddeld ql

..

0.5 mol ureum/mol ammoniak q2

..

L5 mol ammoniak/mol NO C,NOx 2~23 mmol/m_o3 M

..

60' g/mol ureum levert: m .. '17 kg ureum/jaar volgens: e: p - 0~4 (po~ositeit) .. 1320' kg/m 3 (5. , ) (5.2)

overeen met een reactorvolume van 145 1, hetgeen i.v.m. inpasbaarheid een plezierige (gunstige) waarde is. Vanwege hét'inklinken van het ureum zal eens per ca. 3 maanden een hoeveelheid prills moeten worden toegevoegd. Hiertoe dient een eenvoudige regeling te worden getroffen. '

Teneinde de drukval te beperken is gekozen voor de volgende afmetingen:

L 0.90 m

D .. 0~l.j5 m

-I

.

•

•

•

,

.

•

•

•

•

•

•

APPARATUUR

Het volume van de V20S-reactor wordt vastgelegd door de vereiste verblijf tijd (lit. 27). Uit:

V,eis • l,eis • <l>v,dos

waarin: 1,eis .. <l>v,dos

-6.67 •

E-5 585 " 1/h mo 3 /h

treedt een volume van 40 I naar voren. Dit stemt overeen met een reactorvulling ten bedrage van 33 kg katalysator, uitgaande van:

p _'" 1280 kg/m3 _en

E: 0.35

Gekozen wordt voor: L • 0.25 m

0 la 0~lj5 m

(B) Uit (5.1) volgt op eendere wijze het ureumverbru1k. Dit bedraagt

1638 kg/jaar, corresponderend met een volume van 2200 liter. Een dergelijk volume is niet meer acceptabel, zodat de bijvulfrequentie zal moeten worden verhoogd. Bij een reactorinhoud van 550 1 wordt per kwartaal een volledige vulling verbruikt, zodat maandelijks een

'hoeveelheid prills moet worden bijgestort. Afmetingen van het

reactorvat luiden:

o

L

.. 0.55

m

• 2.20 m

De tweede reactor 1s in d1t geval identiek aan die beschreven onder (A).

5.2.2 Bypass

Voor het berekenen van de bypassstroom zal een massabalans over het in figuur 5.1 met een

"x"

gemerkte punt van samenkomst moeten worden opgesteld. "Hierbij is ervan uitgegaan dat:

-1) De hoeveelheid NH, die in RIl wordt gebracht 1.5 maal zo groot moet zijn als de hoeveelheid NOx.

-2) Dat in RI ontledend ureum in evenwicht is met

het doorstromende gas, hetgeen betekent dat de uitgaande NH3-concentratie (bij constante temperatuur) altijd

gelij k is.

-3) En dat in"RI, afhankelijk van 1, een bepaalde fractie

NOx met NH3 tot NH~N02 zal reageren.

balans:

-~1

~3

1-f f 1-f'

_ _ _ _ ~ .. x

Figuur 5.1 Bypass (a)

•

•

~1

•

~2 1-f f

•

•

•

Figuur 5.2 Bypass (b)

•

•

•

•

.

1

_

_

_ _ _

~

I

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

APPARATUUR NH,(vereist) .. NH3(geproduceerd) 1.5 • (NO(bypass)+NO(RI» • NH,(RI) 1.5 • ~l • «l-f) • NO + f • (1-') • NO) • f • NH, • ~l f .. 1.5 • NO I (NH 3 + 1.5 • E: • NO) (5.4)

In geval (A) volgt uit:

cl> 1

..

585 m 0 'lh NO • 50 ppm NH, 240 ppm E: _'" 10 % dat: f • 0.30 zodat: f • ~l 176 mo 3 Ih ( l-f)

.

cl> 1 .. 409 mo' Ih

In geval (B) liggen de zaken iets ingewikkelder (zie figuur 5.2) daar een vaste fractie van ~l even voor RIl wordt geintroduceerd.

Stellen wij: cI>, + (l-f) • c!>2 • (l-f') • c!>l

. waarmee:

Dan volgt uit:

met (5.!!) dat: en met (5.6) dat: zodat: 5.2.3 Warmte-effecten f • c!>2 .. f' • c!>l ~l .. 4>3 • NO -NH₃ la E; f' • f f • c!>2 .. (loOf) • c!>2 • 585 189 700 2000 100 0.3!!

o

~ 51 202" 194 mo 3 Ih mo' Ih ppm ppm % mo 3/h m _o 3/h (5.5) (5.6)

Hoewel de reacties zich op ppm-niveau afspelen, is het toch van belang te controleren of significante effecten zijn te verwachten a.g.v. reactiewarmte.

Onderstaand worden de bijdragen van getabelleerd.

38

1-':"!::.Î _

.

•

'-.·-~

I

~

] -i j ._~ . , ~;""'""ï--'---I1--~-7-~--f--~--6-+0---'----+--":"'1 - - 1 '-0-0-""'"7-1 -. - ---

-1----,. .

..

r -.. -tijd (uren) ---. , . ' - - --1 . I __ , _ .. -, i i -+---

_:-"I.

____ L -_ _ _ _ _ _ +-______ ~---_+---4---~---+-200 J T I 0 L (-C) 20

----

'i

.- --,... - - , - + -i I 60 , , tijd (uren) --.---.--

,

.--- -..i- _. I ' 100 ~

Figuur-- 5.5 - Afkoeling RIl

I ._

L.--- L.--- L.--- j L.--- L.--- L.--- L.--- L.---_, i' 1

L

--.' - - r - - - - J . : I _ i ,

•

•

•

-•

-•

-

I

-

I

- _ _ _ _ _ _ 1

I

•

•

•

•

I

;

.

•

i ~

.

•

•

•

•

•

APPARATUUR Tabel 5.1 • Reactiewarmte ~ A~

Reactor Reactie Karak. omzetting t:.Qr' (W) It:.Qr(w)

comp. ppm E-4.mol/s 1 1 NHs 245 5.33 -24 2 NO 5' ,

_o

~ 11 +2

-

_{I I}

-

-

'

-

-

₃

-

-

-

_{NH .. N0}

-

- -

-

_

.

- -

-

_

.

--

.

_

..:?.L

2 1 .5 0.11 +2 4 NO 48~5 3;52 +143 5 NH3 23 L70 +55 6 CO 50 3;63 +103 +303 Tabel 5.2. Reactiewarmte ( B)

Reactor Réactie Karak. omzetting 6Qr' (w) 16Qr(w)

comp. ppm E-3.mol/s '1 _{1 NH} 3 2700 6.76 -299 2 NO 700" , _L75 +320 +21

- - - -

_{I I 3 NH .. N0 2 4 2 -}

-

--

-

-

--2 1. 75 +393 4 NO 458 3;33 +1351 5 NH3 230 L67 +536 6 CO 500 3;63 +1030 7 C2H .. 1 0~007 ' +10 +3~20 6Q is aan het bed toegevoerde warmte

,

,

_{."'3 -)}

~-10%

"

,

.-9 -) F,;-100%

Oe berekende effecten zijn in geval (A) te klein om in de navolgende beschouwingen betrokken te worden. Bij (B) zal alleen TIl iets hoger

liggen dan berekend, maar dit 'zal geen invloed hebben op de

katalytische activiteit.

Warmteverliezen aan de omgeving zijn berekend aan de hand van de onderstaande relaties (lit. 24):

h

=

0.813 • À/Ot. (Op. G/n)AO.90 • exp(-6 • Op/Ot) (5.7)

-6Q - h • A • 6T (5.8)

De parameters voor de verschillende situaties zijn gegeven in tabel 5.3

-~

2.0 Ë

~

~ n 1.5 f-~

I~

~ 1.0 / f- 1 10 102 103 104 - N~.: DpG jL ::

~

=

-,... §

~

=

f- " , _{AloKite, fused MgO gronules, etc.}

f- "-

--IE ~

-

Alundum, cloy,

etc.-~ Celite, porceloin,

t= _. _rronsllionol gIOSS'leic.

= -- Lominor flow----~ ~-flow-~ ~--Turbulcnl flow - - - C D

I _{I 1111111} I 11111111 I 1111111 11111111 I 111111 I 11I1I1~i 11111111 I 1111111 I I 111111

10 103

\~:,':jfied R~lnolds (1u~b~r Ni"'p-, DpG

Figuur 5.6 f als functie van Re

m

Figuur 5.7 n als functie van Re

•

I

.

1

I

I

•

.

1

I

I

.

1

I

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

_T_a~b_e~1~5~.3~.~~~la~a_r_d_e_n __ vo~o~r~d~e~b~e_r_e_k_e~n~i~ng~v~a~n~d~e~w_a~r,mteverliezen

geval RI(A) RI(B) RIl A (W/m.K) 0~030 0.030 0.037 n (~Pa.s) 20 20 25' Dp (mm) 5 5 3.2 Dt (m) 0.45 0.55 0;45 G (kg/m2_{.s) 0.402 0~303 1~32} h (W/m2_{.K) 3.21 2.06 6.48} A (m2 ) 1.27 3.8 0.35 6T (K) 80 100 240 -6Q (W) 325 780 550

In geval (A) kan het warmteverlies in RI met 5 cm glaswol (A-0.05 W/m.K) tot 75 W beperkt worden en in geval (B) met 10

cm

tot 150 W.

Indien RIl van 5 cm glaswol wordt voorzien gaat hier nog slechts 75 W verloren. In alle gevallen is voor de berekening als buitentemperatuur 20°C genomen.

Naast de warmteverliezen tijdens bedrijf is weten hoe snel de reactoren 's nachts afkoelen. stationaire warmtegeleiding (lit. 28) leert:

<T) .. TI - (TI - T_{o ) •} exp(-k • t)

waarin:

k

=

h(uitw) • A / (p • Cp • V)

ook van belang ' te De theorie voor niet (5.9) (5.10) Toepassing van deze vergelijkingen op de drie ontworpen reactoren leidt tot de afkoelingscurves in de figuren 5.3 t/m 5.5.

5.2.4 Drukval

De drukval over een gepakt b'ed kan worden berekend met (11 t.

24): (2 • z • R • G2 • T) (g • M) [ VI (2. • ln - + v2

De factoren Fm en n zijn een functie van een gemodificeerd Reynoldsgetal: .

Re .. G • Dp / n

(5.11)

(5.12) en worden grafisch verkr'egen (zie figuren 5.6 en 5.7). Voor kleine drukvallen is ln(vl/v2 ) verwaarloosbaar. Bij ureumprills en

-Figuur 5.8 Afname prilldiameter (q3 = 1) 100 dagen ~ d (mm) n (%) h{cm) DP{Pa) n (%) p p p 5 100 90 110 55 4 0 0 0 15 3 0 0 0 15 2 0 0 0 15 Dpt{pa) 110 -Figuur 5.9 Bedontwikkeling h{cm) 53 8 3 1

Figuur 5.10 Drukval als functie van prilldiameter of DP{Pa) n (%) P h {cm}, DP{Pa) 65 30 31 38 16 65 34 70 15 5 1 5 10 0 0 0 106 113

•

•

•

•

•

•

I

•

I I

•

•

•

•

.

'

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

APPARATUUR

vierkant-cyl1ndrische pellets alumina is ~ gelijk aan 1. Bij de beschouwde temperaturen en drukken is de compressibilitettsfactor z vrijwel 1. De druk na de tweede reactor wordt atmosferisch gesteld. Er volgt: '

6P(RII) = 950 Pa 6P(RI,A). 110 Pa 6P(RI,B) - 150 Pa

5.2.5 Prilldegradatie

Door reactie zullen de ureumprills kleiner worden. De ontleding speelt zich alleen af in die reactorzone waar zich het evenwicht instelt en derhalve zal de degradatie vnl. bovenin de reactor plaatsvinden.

Algemeen geldt:

4/3 • 1f • [Cr + dr) 3 - r3] • (dV/dt) • dt (5.13)

waaruit eenvoudig volgt:

(5. , 11) Hierin is:

(dV/dt) • m • Vprill 1 (n • p • Vureum • q3) (m'/prill.h) 'Hetgeen voor geval RI(A) neerkomt op:

v -

Vprill 1 (n • q3) (5.15)

-q, is de fractie van het bed waarin ureum wordt geconsumeerd.

De verkleinde afmetingen van de prills hebben een effect op de drukval en op de bedhoogte. Beschouwen we een bed met een samenstelling als in figuur 5.9, 'dan kan met (5.11) de drukval worden berekend. In figuur 5.10 is de drukval per meter als functie van de diameter 'uitgezet. Teneinde een voor evenwichtsinstelling voldoende groot bed te behOuden, is het raadzaam voordat een half reactorvolume ureum is geconsumeerd, p'rills bij te storten.

-I

•

I

.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

5.3 WARMTEHUISHOUDING 5.3.1 Verantwoording APPARATUUR

De grootste verschillen tussen de installaties (A) en (8) hebben betrekking op de warmtehuishouding. Oorzaken hiervoor worden gevormd door de grootte van de eerste reactor, het rookgastemperatuurniveau en

de stabiliteit van dat niveau. •

De zuiveringsinstallatie is vrij fijngevoelig, vooral met betrekking tot de temperatuur. In de eerste reactor wordt de NH3·produktieelke 10°C een factor 3 versneld (zie ook figuur 4.1,

ureumontleding als functie van T). In de tweede reactor geldt dat onder 250°C de katalytische activiteit van V205 sterk daalt (zie ook

figuur 4.7). Het is dèrhalve van groot belang dat de temperatuur 1n elk der reactoren weinig varieert.

(A) In beginsel is het mogelijk door een kleine ingreep in de CV-ketel heet gas (T > 400°C) aan te zuigen. Aangezien evenwel de branderstand louter op de uitgaande watertemperatuur en deze op de warmte vraag in de kas wordt afgestemd, kunnen zeer grote temperatuursschommelingen optreden. Het tweede tegenargument behelst afhankelijkheid: op deze manier zou het onmogelijk zijn de installatie op te warmen indien er nog/even geen warmtevraag is.

Het rookgas zelf kent kleinere temperatuur-fluctuaties, maar het is te koud om RIl mee te kunnen verwarmen. De benodigde warmte zal daarom van elders moeten worden betrokken~ Het best leent zich hiervoor een olie, op grond van:

- T-niveau (>2600_C)

- grootte warmtewisselaars

- warmtebehoud (indien niet verhit)

Bestaat er eenmaal een oliecircuit, dan is onafhankelijkheid gunstig met dezelfde olie het gas op de temperatuur in de eerste reactor. De capaciteit van warmtewisselaar is een fractie van dat van de eerste.

het i.v.m. te warmen tot deze tweede

Bij doorleiden met gas van 100°C is RI binnen 20 min. op de gewenste temperatuur. De berekeningsmethode zal in de navolgende paragraaf worden uiteengezet. Analoog is RIl in 7 min. op 260°C. Voor de opwarming, die simultaan kan worden uitgevoerd, wordt bij voorkeur lucht gebruikt, daar rookgas, zeker in geval van vollast, aanleiding zal geven tot storende condensatie in RI.

Indien er van uit wordt gegaan dat:

-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

APPARATUUR

- het ureumontledingsevenwicht zich oneindig snel instelt en - elke dag wordt gedoseerd, dus ook opgestart,

dan zal 5% van het ureum met het opwarmgas verloren gaan.

(B) De warmtepomp levert continu een rookgas van 500°C, dat voor verwarming van de reactoren kan worden benut. Gasverhitting van 30 naar 120°C vindt plaats door warmtewisseling en'van 100 naar 260°C door bijmenging. Hoewel de laatste methode veruit eenvoudiger is, is in verband met de opstartfase voor het eerste geval warmteWisseling te prefereren.

Bij doorleiden van gas van de gewenste temperatuur is RI eerst na 100 min. vOlledig opgewarmd. Zou men dit warme gas door bijmenging verkrijgen dan zal gegarandeerd condensatie optreden en bovendien, onder dezelfde aannamen als onder (A), 17.5% van het ureum verloren gaan, hetgeen niet aanvaardbaar wordt geacht. Past men warmtewisseling toe dan kunnen deze problemen worden ondervangen door circulatie van relatief waterarm gas. Consequentie is dat RIl, die wederom 7 min. opwarmtijd vergt, pas hierna kan worden opgewarmd.

5.3.2 Opwarming reactoren

De opwarmtijd vanuit nachtconditie is een belangrijk gegeven van de installatie. Deze tijd is met behulp van een modelvergelijking die het opwarmen van een gepakt bed beschrijft te berekenen (lit. 29, 30). Bij deze methode wordt er van uit gegaan dat er geen'axiale geleiding plaatsvindt en dat er geen warmteverlies door de wand optreedt. Als opwarmtijd wordt genomen de tijd die nodig is om het laatste deel van de reactor op 90% van zijn eindtemperatuur te brengen.

De methode werkt als volgt. Met (5.16) wordt Re uitgerekend, waarna met (5.17) de correctiefactor 'jH volgt. Samen met Pr, afkomstig uit (5.18) kan Nu volgens (5.19) berekend worden, hetgeen via (5.20) de 'uitwendige warmteoverdracht~-coefficient (h) levert. Combinatie met de inwendige h, verkregen uit (5.21), maakt het mogelijk de totale h te berekenen met (5.22).

Na opeenvolgend met (5.23) en (5.2~) de parameters Y en Z, respectievelijk dimensielo2e lengte éh tijd, te hebben berekend kan via het nomogram in bijlage 3 bij iedere plaats en tijd een temperatuur berekend worden, zodat de temperatuurprofielen over de lengte van de reactor als functie van de tijd kunnen worden bepaald. In dezelfde bijlage worden er enkele getoond. De resultaten van de berekeningen voor de verschillende reactoren zijn In tabel 5.4 geordend.

-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

APPARATUUR -Re - G • Dp I n jH • 0.90 • Re~(-0.28) Pr ... n • Cp I À h,u - Nu • À / Op h, i 2 (>. ,s / Op) h ,t .. 1 / (1 I h, u "+ 1 I h, i ) (h,t • $) Y

..

Y (p • Cp

.

_{"0 )}

(h,t

.

$) _Y

.

e: Z _•

.

_(t -(p, s • Cp,s

.

(1-e:»

_"0

- X,s .. eigenschap heeft betrekking op vaste stof

- "0

(m/s) a superficiele gassnelheid

- $ (l/m)'" oppervlakte vaste stof per m3 _reactor - y (m) = lengte reactor

Tabel 5.4. Resultaten berekeningen opwarming reactoren reactor ' RI(A) RI(B~ RIl

Re 321 1

46

171 jH 0.18 0.22 0.21 Nu 51 28 32~4 h,u (H/m2_{.K) 308 172} 377 h ,i (H/m2_{.K) 711 711 6843} h,t (\-1lm2_{.K) 215 138 357} y _{158 • Y 225 • y 529 • y} t,opw 19 ' 1h.38' "7' 5.3.3 Warmtewisselaars (5.16) (5.17) (5.18) (5.19) (5.20) (5.21) (5.22) (5.23) (5.24)

De warmtewisselaars in geval (A) zijn van het gas/vloeIstof type • . Omdat slechts kleine hoeveelheden warmte behoeven te worden overgedragen (14 resp. 3~ kW), terwijl de temperatuurstijging van het gas groot is (70 resp. 160°C), zijn de gebruikelijke shell &

tube-warmtewisselaars hiervoor nauwelijks geschikt. De maten vallen buiten de normale series, wat dure produktie en mOéilijk onderhoud

-~IOW

Cold fluid in (t ) 1 Figuur 5.11 Lamellenbox

-•

•

•

•

-

I

-•

•

•

-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

APPARATUUR betekent.

Een goed alternatief (eenvoudig, klein en naar verhouding goedkoop) wordt gevormd door lamellenwarmtewisselaars (lit. 31, 32,

33), veelvuldig toegepast in de klimaatbeheersingsteohniek. 'In figuur

5.11 is een schets opgenomen (zie ook bijlage ~). Door de 'lamellen is

de ~armteoverdrachtscoefficient lager, maar hier'staat tegenover dat het oppervlak vele malen , groter is. De apparaten worden in kruisstroom bedreven. Ze worden in het rookgaskanaal geplaatst en, indien noodzakelijk; worden er meerdere in serie geplaatst. De drukval is laag. Nadelen zijn een lagere sterkte en een snellere vervuiling door 'stof e.d ••

Van dit type kan voor de gas/gas-warmtewisseling in geval (B) ook gebruik worden gemaakt.

De berekening van een lamellen-warmtewisselaar is eenvoudig dooh uitgebreid. Nadat de maximale maten zijn vastgesteld, wordt een

plaatgeometrie gekozen. Hieruit kunnen de

warmteoverdrachtscoefficient 'en oppervlak voor de warme en de koude zijde van de warmtewisselaar worden berekend. Ook de overall-h kan worden vastgesteld.

Uit de verhouding van de warmteinhouden van de stromen volgt nu een tweetal parameters aan de hand waarvan via een grafiek de effectiviteit van de warmtewisselaar kan worden bepaald. Indien deze groter is dan die berekend op basis van 'het verlangde temperatuursverschil voldoet het ontwerp.

Berekening:

-bepaal L H 0

-uit geometrie volgen b,h ö S b,c rH

dan zijn :

s .

b,h

a =

---b,h + b,e + 2 ö

S(h,c) • a • (H • D)

A - (a • rH) • (L • H)

voorts volgt uit:

C(h,e) • W(h,c) • Cp

G = W / A

Re - (~ • rH • G) / n

via figuur 5~12 levert dit jH

52 -Sf/S (5.25) (5.26) (5.27) (5.28) (5.29) (5.30)