De uitwisselbaarheid van Gronings aardgas uit andere gassen

o

. '"

o

o

" .

o

I

o

o

; , f

,1.

.

."i

...,

.

, i _ . ? .Jo:

.

~

.

( ~ <, ~

..

,

•

'

Laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

A.R.Doets en A .. W.L. van Dongen .

,

_,

. ... _ ... _-_ .... --.... -... __ ... ";" ...

---_

.. --_ .. --_ ... .

\

V'

-Ir

onderwerp:

De uitwisselbaarheid van Gronings

Delft Delf't , \ • j opdrachtdatum : verslagdatum : " ~"

.

-.. t· ~..., ~ , . 'I' , ~,~ I -,~ • I!~

,.'

. :.- ~:'j. Ij ~ ,'."

..

.

, I ' .,

•

o

o

o

o

o

o

0 0 0

0

o

(

(

(

DE UITW"ISSELBAARHEID V.AN GRONINGS lu\RDGAS MET ANDERE GASSEN.

(

c

(î

o

! I ('

(

r

( (

c

r

o

o

o

(\

r

Hoofdstuk 1 I SAMENVATTING EN CONCLUSIES.

SAMENVATTING. t

De:-aardgasvoorraad in Nederland wordt gedurende de periode 1975 - 2000

snel kleiner. De Nederlandse gasindustrie wordt daardoor met problemen geconfronteerd bij de openbare gasvoorziening. Een verschijnsel wat met

het opraken van Gronings aardgas gepaard gaat, is de invoer van hoogcalorische gassen. Deze gassen zijn niet uitwisselbaar met Gronings aardgas.

In dit rapport zijn een aantal wegen verkend om deze problematiek het

hoofd te bieden. De Nederlandse gasverbruikstoestellen zijn ingericht op een Wobbe index en maximale verbrandingssnelheid van Gronings aardgas. Om de mogelijkheid tot uitwisseling van hoogoalorische gassen met

Gronings aardgas te onderzoeken, zijn de eigenschappen en kwaliteit van Gronings aardgas vastgelegd. Als voorbeeld van een hoogcalorisch aardgas is gekozen voor Noordzeegas, met name Ekofisk gas.

Om hoogcalorische gassen uitwisselbaar te maken met Gronings aardgas

staan de volgende mogelijkheden ter beschikking I

a) Bijmengen of conditioneren met behulp van laagcalorische gassen. b) Aanpassing van de gasverbruikstoestellen aan hoogcalorisch gas.

Conditionering van hoogcalorisohe gassen kan verwezenlijkt worden met o.a. laagcalorisch aardgas, luoht, stikstof, waterstof en synthesegassen.

Voor- en nadelen van deversohillende mogelijkheden zijn behandeld,

bijzondere aandacht is besteed aan het oonditioneren m.b.v. synthesegassen. Wordt besloten tot aanpassing van de gasverbruikstoestellen, dan zijn

aanpassing volgens de "erweiterte" Wobbe index methode of speciale

apparatuur, zoals S.R.G. - of middelwaarde apparatuur de aangewezen wegen. Bij de productie van synthesegassen is uitgegaan van kolenvergassing, i.v.m. de grote kolenreserves in de wereld.

Tot slot is de mogelijkheid onderzooht van het verrijken van synthesegassen

tot 11 substitute natura 1 gas" met eigenschappen en een kwaliteit, dat

direct uitwisselbaar is met Gronings aardgas.

-CONCLUSIES. •

Aanpassinff van gasverbruikstoestellen.

1) De "erweiterte" Wobbe index methode lijkt weinig zinvol. Deze methode

houdt zowel ombouw van de gasverbruikstoestellen, als aanpassing

( ( ( ( (

o

o

o

2

-2) Afhankeli jk van d.e gasleveringsverdragen voor Nederland moet een

keuze gemaakt worden uit S.R.G, J L/H-S,R,G, en middelwaarde apparatuL~.

Middelwaardeapparatu~ lijkt voor Nederland het meest geschikt,

Bij geleidelijke invoer van deze apparatu~ over bijvoorbeeld een

periode van 10 jaar, is daarna slechts beperkte ombouw noodzakelijk,

- Cond.i tionering van hoogcalorische gassen,

3) Van de genoemde mogelijkheden komt alleen bijmenging met

synthese-gassen in aanmerking,

4) Synthesegassen geproduceerd met kolenvergassing m,b,v, lUCht/stoom

geven een mengpercentage van 16 -

11

vol.

% ,

Gasmengsels van deze

synthesegassen met Ekofisk gas zijn vrijwel uitwisselbaa~ met Gronings

aardgas, Dit mengpercentage betekent een verlenging van de

uitputtingstermijn van de aardgasreserves met 16 -

11

%,

5) Synthesegassen geproduceerd met kolenvergassing m.b.v, zuurstOf/stoom

geven een mengpercentage van 20 -

25

vol,

% ,

Directe uitwisseling

met Gronings aardgas van gasmengsels van deze synthesegassen met Ekofisk gas is niet mogelijk vanwege de hoge maximale verbrandings-snelheid van deze gasmengsels,

- Produotie " Substitute Natural Gas tI,

6) De Wobbe index van Gronings aardgas is niet haalbaar voor S,N,G, gassen

verkregen met lUCht/stoom vergassing van kolen,

1) De Wobbe index van Gronings aardgas is haalbaar voor S,N,G, gassen

verkregen met zu~stof/stoom synthese. De maximale

verbrandings-snelheid is de beperkende factor bij uitwisselbaarheid met Gronings aardgas,

8)

S,N,G, gassen verkregen met een gedeeltelijke

cai

verwijdering,

gevolgd door een totale methanisering bij zuurstOf/stoom synthese~

( ( ( ( f

o

o

o

(\ Hoofdstuk 2 1 INHOUDSOPGAVE. Hoofdstuk 11 Samenvatting. 2 1 Inhoudsopgave. 3 Historis,ch overzicht.

4 1 Eigehschappen en kwaliteit van gas.

4.1. 1 Calorische waarde.

4.2. 1 Di9htheid van eun gas.

4.3. 1 Wobbe

index.-4.4. 1 Luchtbehoefte.

4.5. •

Brandbaarheidsgrenzen.

4.6. 1 Verbrandingssnelheid volgensWeaver.

4.7. • Verbrandingspotentiaal volgens Pelbourg. 4.8, I Roetindex volgens Delbourg.

5 I Uitwisselbaarheid van gassen.

5.1. I Kentallen van Weaver.

5.2. I De Delbourg-methode.

6 I Conditioneren van gassen.

-pagina 1 3

5

8 8

9

'

10 11 11 12 13 14

15

15

16 18 6.1. • Aanpassen van hoogcalorisch gas. 18 6.2. I Aanpassen van Gronings gas aan hoogcalorisch 23

gas.

6.3. I Aanpassing via de zogenaamde" erweiterte "

Wobbe index methode.

6.4. I Aanpassing van de gasverbruikstoestellen.

7

I Berekeningsmethode aanpassen hoogcalorisch gas aan

Gronings aardgas. 8 1 Kolenvergassing.

8.1. I Inleiding.

8.2.1.1 Fundamentele reacties bij vergassing. 8.2.2.1 Enkele aspecten van kolenvergassing. 8;3. • Mengsels van hoogcalorisch aardgas'met

synthesegas.

8.4. • "Substitute Natural Gas" als distributiegas. Symbolenlijst.

Literatuuroverzicht.

~ijlage 1 I Eigenschappen van zuivere gassen.

2 • Grafisch verband van de oorrectiefaotoren k,K1,K2 en 1

volgens Delbourg.

Uitwisselingsdiagram volgens Delbourg.

23 24 28 30 30 30 31 33 36

39

41 43 44 46

l ( ( ( ( (

o

o

o

4

-Bijlage 3 I Samenstelling en eigenschappen van Gronings aardgas,

Ekofisk gas, Ekofisk gas/lucht en Ekofisk gas/Gronings aardgas/ lucht.

Bijlage

4 •

Weaver-kentallen van Ekofisk gas, Ekofisk/iucht en

Ekofisk gas/Gronings aardgas/lucht.

Bijlage

5

I Samenstelling van ruwe synthesegassen.

Bijlage 6 •• Samenstelling en eigenschappen van Ekofisk gas/

syn-thesegasmengsels.

Bijlage

7 •

Weaver-kentallen van Ekofisk gas/synthesegasmengsels.

Bijlage 8 • Samenstelling van ruwe synthesegassen.

Bijlage 9 • Samenstelling en eigenschappen van Ekofisk

gas/syn-thesegasmengsels.

Bijlage 10. Weaver-kentallen van Ekofisk gas/synthesegasmengsels.

Bijlage 11. Samenstelling en eigenschappen van S.N.G. gassen.

pagina

47

49

50

51

52

53

54

55

Bijlage 12. Samenstelling en eigenschappen van S.N.G. gassen gepro-

57

,

duceerd met een gedeeltelijke CO

2-verwijdering en

methanisering.

Bijlage

13.

Weaver-kentallen van ~.N.G. gassen geproduceerd met

een gedeeltelijke CO₂-verwijdering en methanisering.

58

(

c

c

(

c

o

o

()

Hoofdstuk 3 s HISTORISCH OVERZICHT,

VERLEDEN.

Vijfentwintig jaar geleden werd voor het eerst aardgas als openbare

gasvoorziening in ons land geïntroduceerd. In Coevorden werd overgeschakel~

op aardgas, wat geproduceerd werd in het nabijgelegen winningsgebied

Schoonebeek. Langzamerhand werd het aardgasaanbod groter, nieuwe gasvelden werden in productie genomen. Al deze éasvelden waren bescheiden van omvang

en de gassoorten, die de gasvelden leverden~waren verschillend van kwaliteit.

Naast stadsgas, ookesovengas, raffinaderijgas en propaan had aardgas zich een plaats veroverd in de openbare gasvoorziening. Een aantal gasbedrijven van grote steden besloten het aardgas niet eerder dan na

kwaliteitsaanpassing te distribueren, Door mengen met een arm gas werd het

aardgas aangepast aan de kwaliteit van het gas, dat reeds werd gedis-tribueerd.Een aantal gasbedri jven in het noorden en oosten van ons land gingen echter over op de distributie van zuiver aardgas.

De situatie veranderde volkomen met de ontdekking van het Gronings aardgasveld. De hoeveelheid Gronings gas overtrof alle tot die tijd in ons land bestaande reserves. Bovendien had het gas een afwijkende samen-stelling, Ret Gronings aardgas bevat ruim 14 volumeprocenten stikstof en was daardoor niet uitwisselbaar met het reeds gedistribueerde aardgas, Studies wezen uit) dat bi j de ver"onderste lde groei van de gasafzet op economische gronden voor de distributie van het zuivere aardgas moest worden gekozen. In 1964 zijn door de Gasunie de eerste

hoofdtransport-leidingen gebouwd en in bedrijf gesteld. Het hoofdtransportleidingnet

is voortdurend verder uitgebreid en heeft nu een lengte van ruim 3000

kilometer. Ook het regionale net is aangepast en uitgebreid. Dit

leidingnet heeft een lengte van ruim 6000 kilometer.

' . ./

BEDElT EN TOEKOMST.

In 1976 werd 55

%

van het totale energieverbruik van Nederland opgevangen

door 46,3 miljard kubieke meter aardgas ( Algemeen Dagblad 5-5-1977 ).

Volgens prognoses van de Nederlandse Gasunie zal het totale

energie-verbruik in het jaar 2000 gestegen zijn tot 150 miljard aardgas-equivalent

per jaar. De aardgasvoorraad zal in Nederland gedurende de periode

1975 - 2000 snel kleiner worden en kort na het jaar 2000 slechts van marginale betekenis zijn.

l ( ( ( (' ( C ·

o

o

o

o

- 6

Vanwege deze afnemende productie van Gronings gas, zal dus op èèn of

andere manier het tekort aangevuld moeten worden. Na

1968

kreeg men weer

oog voor de kleine gasvelden zoals Schoonebeek, Wanneperveen, Sleen en

Middelie. Vanaf Juli

1977

zal voor de Zaanstreek als proef gas

gedis-tribueerd worden)bestaande uit een mengsel van Gronings gas, Noordzee gas en gas afkomstig van Middelie,met dezelfde kwaliteit als het gebruikelijke

Groningse aardgas ( de Typhoon

19-6-1977 ).

De gas apparatuur voor het huishoudelijke gebruik is ingesteld op Gronings aardgas van constante kwaliteit. Een belangrijke grootheid voor de

kwaliteit is de zogenaamde Wobbe index~ Industriële grootverbruikers

in binnen- en buitenland hebben vaak hun gasinstallaties aangepast aan de gaskwaliteit. Aardgas met een afwijkende samenstelling als Gronings

aardgas wordt geleverd via speciale leidingnetten aan deze grootver-bruikers. Voorbeelden van deze gasvoorziening zijn s

a) gas uit de concessie Bergen wordt via een speciale leiding getrans-porteerd en geleverd aa.n de electriciteitscentrale van de P.E.N. te Velsen en aan de fabriek van Van Gelder eveneens te Velsen.

b) Hoogcalorisoh gas uit de bronnen bij IJsselmonde en de Lier wordt

naar de KONM~, een ohemische fabriek op Rozenburg getransporteerd.

0)

Zwavelhoudend gas van Twente wordt geleverd aan AKZO-zout in Hengelo

en ae.n een Duitse centrale te Lingen. Indien deze afnemers meer gas nodig hebben, dan worden de tekorten aangevuld met gas uit Wanneper-veen.

Behalve gas uit de Nederlandse velden, zal aardgas afkomstig van

buitenlandse veld.en van steeds groter belang worden voor de Nederlandse gasvoorziening. In d.e eerste plaats moet hierbij gedacht worden aan het Noorse deel van het continentale plat, maar in beginsel behoort invoer uit land.en als Rusland, Algerije, Iran en Nigeria ook tot de mogelijk-heden. Dit aardgas heeft een hogere calorische waard.e dan Gronings aardgas. Het aanbod van hoogcalorisch gas zal in d.e komende jaren nog

verd,er toenemen dan nu reeds het geval is in Nederland.

Partallel met het verschijnsel van hoogcalorisch gas loopt de dreigende

energieschaa.rste. Nu de ontwikkeling van nuclea ire energie dreigt te

stagneren ontstaat er een groeiende belangstelling voor een energiebron, die tientallen jaren geleden, de voornaamste energiebron was.

Over deze energiebron beschikken we nog in ruime hoeveelheden, namelijk steenkool.

--( ( ( ('

o

o

()

r

De conventionele steenkolenvergassing,aangepast aan de huidige eisen qua milieu en productvorming, staat sterk in de belangstelling. De

Verenigde Staten, beschikkend over geringe hoeveelheden aardgas, besteedt veel aandacht aan steenkolenvergassing. Uitgaande van

steenkolen-vergassing zoekt men naar een economische gunstige methode om op commerciële basis hoogcalorisch gas te produceren, geschikt als distributiegas s

het "substi tute natural gas"

(s.:n.

G.) •

Uitgaande van deze gegevens staan er drie alternatieve wegen ter beschikking. 1) Aanpassen van de gasverbruikstoestellen aan hoogcalorisch gas.

2) Conditioneren van hoogcalorisch gas door bijmenging van andere gassen tot een kwaliteit gelijk aan die van Gronings aardgas.

Hierbij neemt het synthesegas uit steenkolenvergassing een belangrijke plaats in. Uitgaande van conditionering met behulp van synthesegassen kan men zich het volgende afvragen,

a) Welk vergassingsproces is voor Nederland het meest geschikt ?

Naast prooeskundige en eoonomische aspecten dienen daarbij ook milieuaspeoten betrokken te worden.

b) Hoe lang kan de uitputtingstermijn van de Nederlandse aardgas-reserves verlengd worden door oonditioneren?

3)

Het produceren van S.N.G. gas gelijkwaardig met de kwaliteit van

Gronings aardgas.

In dit rapport rrordt een aantal wegen en mogeli jkheden verkend, zodat meer inzicht kan worden verkregen over deze problematiek.

( ( ( (

o

o

o

o

8

-Hoofdstuk 4 I EIGENSCHAPPEN EN KWALITEIT VAN GAS.

De brandgassen worden onderverdeeld naar gasfamilies, die vergelijkbaar ziijn overeenkomstig Wobbe indioes en verbrandings-snelheden.

1 ste gasfamilie met een Wobbe bereik van 5400 - 7900 koal / m

3

~ 0

bijvoorbeeld het vroegere stadsgas. ~~-~ ~

2de gasfamilie met een Wobbe bereik van 9000 - 13500 koal / m

3

o bijvoorpeeld aardgassen.

3

de gasfamilie met een Wobbe bereik van 18000 - 21000 koal / m3

o

bijvoorbeeld vloeibare gassen als propaan en butaan.

4

4

4 4 4

4

4

4

De eigensohappen en kwaliteit van een gas zijn vastgelegd door een aantal definities, waarvan de belangrijkste in dit hoofdstuk besproken 'Worden. .1.

•

oalorisohe waarde. • 2.

•

diohtheid • .3. • Wobbe index

• 4.

•

luohtbehoefte • .5. s brandbaarheidsgrenzen. .6. • verbrandingssnelheid ( Weaver ).

.7.

I verbrandingspotentiaal ( Delbourg )

.

.8. I roetindex ( Delbourg ).

4.1 ••

Calorische waarde.

Onder de oalorisohe waarde wordt verstaan de hoeveelheid warmte die

vrijkomt bij volledige verbranding onder oonstante druk van een bekende

hoeveelheid gas. Deze warmtehoeveelheid kan worden uitgedrukt in

MJ / kmol , koal / kmol ,

MJ /

m3 of koal / m3 , waarbij in de laatste

3 BO . d

twee gevallen de oondities van de m moeten worden aangegeven. 1J e

verbranding van ga,s wordt waterdamp gevormd. Als gevolg hiervan

onder-soheiden we twee soorten oalorisohe waarden I

de oalorisohe bovenwaarde

Eb

( ( ( ( (

c

o

o

o

o

Per definitie wordt onder d.e oalorische bovenwaarde ~ de hoeveelheid

warmte verstaan, die vrijkomt bij volledige verbranding onder oonstante druk van een gegeven hoeveelheid droog gas met luoht of zuurstof,

waarbij de verbrandingsproduoten tot de uitgangsoondities worden terug-gebracht. Het chemisch gevormde water komt dus in de vloeibare fase voor.

De oalorisohe onderwaarde Ho wordt op gelijke wijze gedefinieerdjmet

dit versohil)dat het oh~misch gevormde water volledig in dampvorm

voorkomt. De begin·en eindoondities zijn vastgelegd op

°

oe en 1 atm.

Het verschil tussen de oalorische bovenwaarde en de oalorische onderwaarde

is dus gelijk aan de verdampingswarmte van water bij

°

oe en 1 atm.

De oalorische bovenwaerde en de oalorische onderwaarde van een

gas-mengsel zijn als volgt te berekenen J

~ , Ho I oalorische boven - respeotievelijk onderwaarde van het

gas-mengsel in koal /

m~

•

J volumefraotie van oomponent i in het gasmengsel.

HOi I oalorisohe boven - respectievelijk onderwaarde van de zuivere

oomponent i in het gasmengsel in koal /

m~

•

4.2. I Diohtheid van een gas.

De diohtheid van een gasmengsel is gelijk aan de som van de producten van de volumefracties van de oomponenten in het gasmengsel maal de

diohtheden van de zuivere oomponenten. In formule s

~

=

_{r 1}

'9,

+ r 2''p2 + r

_3·]'3

+

~

• diohtheid van het gasmengsel in kg / m

3 •

~i

J diohtheid van de zuivere oomponent i i: het gasmengsel in kg /

m~

De diohtheid van het gasmengsel ten opzichte van luoht ( ~) is het getal

dat aangeeft hoeveel maal zo zwaar een volume van het desbetreffende gasmengsel is als een gelijk volume droge en e0

2 vrije luoht, bij gelijke

( ( ( ( (

o

() ( )

(

r

( ( ( (

o

o

o

In formule

•

d =

P

gas v

.P

luoht

De diohtheid van een gasmengsel kan ook reohtstreeks berekend worden met de formule

+

---~ .• diohtheid gasmengsel t.o.v. luoht.

d

Vi • diohtheid t.o.v. luoht van de zuivere oomponent i in het gasmengsel.

4.3 • • Wobbe index.

Een van de belangrijkste grootheden om de kwaliteit van een gas te besohrijven is de Wobbe index. De Wobbe index van een gas is gelijk aan de oalorisohe bovenwaarde gedeeld door de wortel uit de relatieve

diohtheid van het gas t.o.v. luoht. In formule I

l\,

W c _ _ _ _

\jÇ

De warmtebelasting ~ ( •

•

w

.\!;' )

is bij oonstante druk

reohteven-red.ig met de Wobbe index.

Het belang van de Wobbe index is te zien in de onderstaande figuur, welke het verband aangeeft tussen de Wobbe index en de verbrandingssnelheid

volgens Weaver ( prooentueel, wa2rbij de verbrandingssnelheid van

waterstof 100 bedraagt) •

*

.~

~ ~ w ~ ~ ~ M 00 ~ ~

f/ame. 'pee4. fllcror

FIG. 8.9. Diagram showing the Iimits of satisfactory cornbustion of gases burncd on V.K. appliances adjusted for gas having a Wobbé index between 26000 and 28300 kJ/m3 _{and on continctJtal} appli-anees adjustcd for a Wobbé Index range of 47600 to 50000 kJ/m'

l ( (

\:

(

c

o

o

o

o

11

-4.4 ••

Luchtbehoefte.

Een andere grootheid is de theoretische benodigde luchthoeveelheid of luchtbehoefte. Onder de luchtbehoefte ( L. ) wordt de hoeveelheid

m~n

lucht verstaan, die theoretisch nodig is om 1 m3 gas volledig te

ver-o

branden. Men onderscheidt twee luchtbehoeftes, namelijk èèn waarmee men

rekent met droge lucht, deze bevat 20,95 ~olumeprocenten zuurstof en

79,05 volumeprocenten stikstof. Bij de andere rekent men met vochtige lucht. Onder vochtige lucht wordt lucht verstaan met een vochtgehalte,

overeenkomend met een relatieve vochtigheid van 50

%

bij 20

°c

en 1 atm.

Deze vochtige lucht bevat 20,7 volumeprocenten zuurstof, 78,1 volume-procenten stikstof en 1,2 volumevolume-procenten water.

4.5.

s Brandbaarheidsgrenzen.

De brandbaarheid van een gas is afhankelijk van het ontstekingspunt,

de ontstekingstemperatuur en de mengverhouding met lucht of zuurstof. De mengverhouding met lucht of zuurstof moet binnen het brandbaar-heidsgebied liggen. De brandbaarheidsgrenzen van gassen worden gevormd

door de onderste brandbaarheidsgrens en de bovenste brandbaarheidsgrens.

Beneden de onderste brandbaarheidsgrens is de luchthoeveelheid of zuurstof-hoeveelheid te groot om verbranding plaats te laten vinden. Boven de

bovenste brandbaarheidsgrens is de lucht of zuurstofhoeveelheid te gering om verbranding plaats te laten vinden.

Onder de brandbaarheidsgrenzen van een gasmengsel wordt verstaan het volumepercentage gas in het gas/luchtmengsel of gas!zuurstofmengsel,

waarbij nog juist verbranding mogelijk is. In formule I

100

B

=

----~---+

Z I onderste of bovenste brandbaarheidsgrens van het gasmengsel.

Bi • ~nderste of bovenste brandbaarheidsgrens van ·de zuivere component i.

vi s volume percentage van component i in het gasmengsel.

Meestal worden de brandbaarheidsgrenzen bij kamertemperatuur en

atmos-ferische druk opgegeven. De brandbaarheidsgrenzen van gassen zijn

( "'

n

\ ( ( ( (

o

o

Bij hogere temperatuur wordt het brandbaarheidsgebied groter. De drukafhankelijkheid van het brandbaarheidsgebied is minder eenduidig. Drukverhoging betekent een kleiner brandbaarheidsgebied, wat het meest uitgesproken bij koolmonoxyde tot uitdrukking komt. Bij methaan daaren-tegen verschuift alleen de bovenste brandbaarheidsgrens naar hogere waarde. Bijmengen van inerte gassen ( N

2 ,C02 ) doet het brandbaarheidsgebied kleiner worde~.

4.6. s Verbrandingssnelheid volgens Weaver.

Naast de Wobbe index wordt een stromingsgrootheid ingevoerd, die het vlambeeld. beschrijft. Deze grootheid is de verbrandingssnelheid. Onder de verbrandingssnelheid wordt de snelheid verstaan, waarmee het vlamfront zich uitbreidt tegen een laminair uitstromend gas/luchtmengsel. De verbrandingssnelheid is afhankelijk van de temperatuur, de druk,

de mengverhouding gas/lucht en de gassamenstelling (in het bijzonder het inertgehalte ) • Een gas/luchtmengsel heeft alleen in het brandbaar-heidsgebied een positieve waarde voor de verbrandingssnelheid,

buiten het brandbaarheidsgebied is de verbrandingssnelheid nul. Binnen het brandbaarheidsgebied stijgt de verbrandingssnelheid bij oonstante druk en temperatuur vanaf de brandbaarheidsgrenzen tot een maximale waarde (u ) . Deze maximale waarde ligt in de buurt van

max het luchtgetal

À

=

1 •

t

~ ~--~~---UID.lI.---l S u ;I

..

"il -ä

:a

]

u Ol 4.J.e. Zo

.g

0 _ _ Vol. -% Gas im 100

~

I

(Gas + O2 -Partner )-Gemisch

I

00 _ Luftzahl À 0

Bild 34: Verlauf der Zündgeschwindigkeit OOer der Zusammensctzung des Brennge-mischs

1 -- - - ~--- --- - - - ---~--- - - - -( ( (

c

c

/

'-

<-c

c

r

o

o

o

(,

Onder het luchtgetal ~ wordt de verhouding van de bij de verbranding

gebruikte lucht en de luchtbehoefte verstaan. In formule •

=

L L

min

De maximale verbrandingssnelheid is voor ieder gas andersJ waterstof

heeft de hoogste maximale verbrandingssnelheid, deze bedraa.gt 280 cm / B.

In praktijk werkt men vaak met de verbrandingssnelheid van een gas t.ó.v. de verbrandingssnelheid van waterstof, de zogenaamde

vlamsnelheidsfactor S •

s ..

r1·F1 + r2 .F2 + ry F3 +

---L

_min +

1

+

5.(

I ) -

18,8 • (

O

_{2 )}

• ~.~,-ev_e_g_r__on_d_w_a_a_· r_de volgens Weaver.

van de brandbare zuivere component i

v·

1

( I ). volumefractie inert ( N

2 '( 02 ) van het gasmengsel.

( °

₂), volumefractie zuurstof van het gasmengsel voor de primaire

luchtinjectie.

L.

•

luohtbehoefte in m

3

lucht / m

3

gas.

ml.n 0 0

4.7 •• Verbrandingspotentiaal volgens Delbourg.

Delbourg legt de gaskwaliteit vast door twee grootheden, namelij~

de gecorrigeerde Wobbe index en de verbrandingspotentiaal, ook wel het Delbourg-getal genoemd. In formule luidt de verbrandingspotentiaal volgens Delbourg •

v

_B

+

0,7

vco

+

0,3 vCH

+

1

~a;

2

4

~

C • k

• volumepercentage van de koolwaterstoffen, uitgezonderd methaan.

Deze formule van Delbourg is een praktijkformule en is in de loop der jaren aangepast aan de hand van experimenten en resultaten.

De geoorrigeerde Wobbe index luidt I

-t

( ( (

o

o

o

(' - 14

Bij deze methode worden een aantal constanten gebruikt, die uit grafische verbanden verkregen worden. K

1 ' K2 ' k en 1 zijn

oorreotie-faotoren, welke in bijlage 2 gegeven worden als functie van

verschil-lende parameters.

De oorreotiefactor a is gegeven in bijlage 1 •

4.8.

s Roetindex volgens Delbourg.

Een laatste grootheid, welke gegeven wordt om de kwaliteit van een gas te beschrijven,is de roetindex. De roetindex geeft informatie

over niet volledige verbranding van een gas. In formule I

) j i ' vi --=i _ _ _ _

* (

1 _

\jd:

100 V

o

2 --~-)

vi s volumeperoentage van elke koolwaterstof in het gasmengsel.

ji

s

coëffioiëntvan elke zuivere koolwaterstof zoals gegeven in

bi jlage 1 •

De roetindex moet een waarde hebben kleiner dan 230 , liefst kleiner dan 210 •

( (

c

c

('

o

o

o

o

Hoofdstuk

5 •

UITWISSELBAARHEID VAN GASSEN.

De uitwisselbaarheid van gassen onderzoekt aan de hand van kentallen en vergelijkingsmethoden in hoeverre een gas vervangen kan worden

door een ander gas, bij gelijke druk en zonder aanpassing van de gasverbruikstoestellen. Er bestaan hiervoor talloze methoden waarvan er twee - die van E.R. Weaver en die van p. Delbourg - in de praktijk het meest worden toegepast.

5.1 • • Kentallen van We~ver.

In deze kentallen worden de grootheden van het nieuwe gas aangegeven

met ,de index n, die van het oorspronkelijke gas met de index 0 •

1 • • Warmtebelastingskental J H • W n

w

o

Ideaal J H == 1 , practisch toelaatbare afwijking

t

5

%

2 • • Primair luohtkental JA •

..

L min n L

min

o

Ideaal JA

=

1 , practisch toelaatbare afwijking ~

5

% •

3.

I Afblaaskental J L • ( 100 - v

_{o )}

2°' Idéaal J L

=

1 i praotisch toelaatbaar J L

>

0, 64 •

4.

I Terugslagkental J F • S ...lL S · 0

0,4

Ideaal J _ 0 , praotisoh toelaatbaar J'F

<

0,08 •

F

L

c

( (

r

c

n

o

o

o

- 16

5. •

Koolmonoxydevormingskental J_{I •} R J I

=

JA O,366 n 0,634 R 0

L

vi

*

aantal H-atomen component

R= 1

>

1 vi ~ aantal C-atomen oomponent

Ideaal J I

=

0 practisch toelaatbaar JI

<:

0 •

6.

t Roetvormingskental J_{y •} N _n - N 0 1 110

N I::

L

vi *. aantal C-atomen component i

i (alleen de kwst.)

Ideaal J_y a 0 , practisch toelaatbaar J y ~0,14

•

i

i (alleen de kwst. )

van verzadigde koolwater-s·toffen

De zes kentallen van Weaver geven in eerste instantie een tendens aan, bij welke verschijnselen moeilijkheden te verwachten zijn. Op deze gronden

a~ggen . Weaver-kentallen, die buiten de toelaatbare grenzen liggen,

niet onvoorwaardelijk dat uitwisseling onmogelijk is.

Eerst na laboratoriumproeven in de praktijk kan definitief uitsluitsel worden gegeven omtrent vlamgedrag e.d. bij uitwisseling van een gas.

5.2. t De Delbourg-methode.

De Delbourg-methode is een in de loop der jaren verbeterde, aangepaste, experimentele methode, zoals reeds eerder vermeld in hoofdstuk 4 - 7 • Zij geeft het complexe verband van de invloed die de afzonderlijke oomponenten van een gasmengsel hebben op effecten als afblazen, roetvorming, koolmonoxydevorming en terugslag.

De criteria zijn hier t

a t de gecorrigeerde Wobbe index W' •

b t de verbrandingspotentiaal C •

( ( ( (

o

o

o

o

Een uitwisselingsdiagram opgesteld met behulp van laboratoriumproeven met

testgassen.voor specifieke brand.prs bij de toegepaste druk geven de

limiteringen van het toegestane bereik_f waarbinnen uitwisseling van

de verschillende gassen mogelijk is.

« ...

..

_:t ~ Z

..

..

• 0 ~ 1.500 I."" I.JOG 1.100

_

. 1.100 1.010 ~ ______ .~_ '---f-0 • •• • , _ •• - " j -~1~----'I----'l----'-'----"----II~---M--~U~'---l~'--~16--~n~~~

RAME SPEED FlICTO" 'S'

(MAl(. FLAHE SPEED ~ELAn\lE TO >lYD1\OGEl<j .Al'lJIQUJIl(; CO ... TI.,.( ... JI.p:-l· ... ac~S

- - - _ _ _ _ W'U'tSR .A:1f.:UCAN Af'Pl '''Her';'

• NATU~AL GAS(~

':: HA"U'ACTU'!(O C.Ans

Uitwisselingsdiagram van een aantal gassen in Amerikaanse en Europese branders

.

"* •

Gronings aardgas.

Andere voorbeelden van uitwisselingsdiagrammen

s

a)

uitwisselingsdiagram volgens Weaver I hocfdstuk

4.3. ,

bladzijde 10

b) • uitwisselingsdiagram volgens Delbourg bijlage 2 , bladzijde

46.

N.~ • • Als men de eigenschappen van Gronings aardgas hierin invult,

dan blijkt dat Gronings aardgas buiten het toegestane gebied ligt_f

zowel voor het Weaver- als Delbourg uitwisselingsdiagram. In beide gevallen zou afblazen optreden. Deze diagrammen zijn niet toepas-baar in de door ons te bekijken gevallen. Aangezien de branders van de gasverbruikstoestellen in Nederland geconstrueerd zijn

voor Gronings aardgas. ~vendien wordt in Nederland een andere druk

(

c

(j

o

o

o

u

o

o

( { ( { ('

o

o

o

o

Hoofds tuk

6

.}.ffiT CONDITIONEREN V.AN GASSEN.

Voor de toepasbaarheid van gas in gasverbruikstoestellen is de

Wobbe index maatgevend. De bestaande gasverbruikstoestellen in Nederland

zijn ingericht op Gronings aardgas, waarvan de Wobbe index

43,7

MJ/ m

3

o

bedraagt. Het toegestane gebied voor de huidige gasverbruikstoestellen

ligt tussen een Wobbe index van

42,8

MJ/

m~

en

44,5

MJ/

m~

•

In de toekomst zal, zoals uit vondsten blijkt, men meer en meer worden

aangewezen op hoogcalorisch gas. Hoogcalorische gassen hebben een ( 10 à

20

% )

hogere Wobbe index dan Gronings aardgas. Teneinde deze rijke

gassen veilig en doelmatig te verbranden verdienen de volgende mogelijk-heden overweging.

1. Aanpassen van de Wobbe index van hoogcalorisch gas aan die van

_ : .

-Gronings gas.

2. Aanpassen van het

?

t

iJ>ll::~'-7

~~1-Groningse aardgas aan hoogcalorisch gas. .

Î

3.

AanpassingFvr: de

--~ tIJ, "" ~'-,.( VVl

4.

Aanpassing van de t.

\

zogenaamde" Erweiterte " Wobbe index methode,

/'

6.1 •• Aanpassen van hoogcalorisch gas.

6.1.1 ••

Menging met een laagcalorisch aardgas.

Indien we zouden beschikken over een aardgas met een lagere calorische waarde en een lagere Wobbe index dan het Groningse gas, dan zijn er

mogelijkheden om hiermede het rijke gas op Groningse kwaliteit te brengen. Gronings aardgas is reeds laagcalorisch en de kans nog armere

aardgassen in voldoende hoeveelheden beschikbaar te krijgen, is niet groot. In Nederland zijn twee velden bekend met een aanzienlijke lagere calcrische waarde, namelijk Middelie en Sleen. pe lagere calorische waarde van het gas uit Sleen wordt veroorzaakt door een hoog stikstof-gehalte. De grootte van het veld is echter zeer beperkt.

De lage calorische waarde van het gas uit Middelie wordt daarentegen

veroorzaakt door een hoog kooldioxydegehalte. De verwachte produktie

van het Middelieveld bedraagt 1 miljard m

3

_o per jaar, voldoende om

1,5

miljard m

3

hoogcalorisch gas te conditioneren. In verhouding

. 0 .

tot de te verwachten hoeveelheden is dit een geringe hoeveelheid.

- - - -(. ( C· ()

c

o

o

()

l ( ( ( ["

~')~

De mogelijkheden om met een arm gas te mengen zijn dus beperkt door de geringe beschikbaarheid hiervan.

6.1.2 •• Partieël omzetten van een rijk gas.

Een andere mogelijkheid zou zijn om een gedeelte van het rijke gas door kraking om te zetten in arm gas en vervolgens met het rijke gas te mengen. Deze wijze van conditioneren vergt grote fabrieksinstallaties en is voor grote hoeveelheden hoogcalorisch gas een zeer kostbare zaak.

6.1.3 •• Mengen met luoht.

Door aardgas met lucht te mengen wordt de Wobbe index verlaagd. Lucht is overal in grote hoeveelheden beschikbaar. Een manier om lucht bij

-te mengen is het op dezelfde druk te brengen als het aardgas, waarmee • -t

./ - <,' het moet worden gemengd. Dit vereist een compressorinstallatie, die in

bel,El!!gr~.~~ mate verantwoordelijk is voor de opdrijvende kosten van de /. . .

...

-prijs van het aardgas. Bovendien zijn de compressiekosten in hoofdzaak gekoppeld aan brandstofkosten. Met een verdere stijging van de energie-prijzen zal dit deel van de kosten eveneens toenemen.

" ; ) . . l.' . '1"""-;. ~-' "..'

:.' -BiJmengen met lucht door middel van luchtinjectoren op plaatsen waar

de druk in het leidingnet reeds is gereduceerd, is een andere mogelijk-heid. Compressiekosten worden op deze wijze vermeden. EEm ander voordeel van het niet verdunnen in het leidingnet is de grotere efficiëncy

van het energietransport.

\, 'Een verder belangri jke limi tering is het zuurstofgehalte in

[)

gas/lu~htmengsels.

Een zuurstofgehalte van een 0,5 volumeprocent voor

natte distributie en een zuurstofgehalte van 3 volumeprocenten voor

droge distributie wordt doar de gasindustrie nog juist toelaatbaar

geaoht, vanwege corrosie van leidingen. Bij relatieve vochtigheden

groter d~'60

%

gaan stalen en gietijzeren pijpen roesten, dit gebeurt

in versterk1;'~ mate bij aanwezigheid van vloeibaar water. Verlaging van de relatieve vochtigheid heeft bij gasnetten met een hoge vochtigheids-graad een groter lekverlies tot gevolg ( vanwege het uitdrogen van de hennepafdiohtingen ).

Bovendien kunnen aardgas/luohtmengsels met hoger zuurstofgehalte niet als grondstof voor·bepaalde chemisohe industrieën dienen, vanwege

( ( ( " ... 1 ) ) ' ./ I"

c

! t'" \ ( '

c

c

( ( ( (

o

o

o

o

,'')

. 1 1 \

is dus relatief eenvoudig te verwezenlijken, maar er zijn vele nadelen aan verbonden.

6.1.4:

.

Mengen met stikstof.

Het bezwaar van het zuurstofgehalte is te ondervangen, door in plaats van lucht) stikstof te gebruiken. Toevoeging van stikstof aan hoogcalorisch

gas vereist naast compressorinstallaties of injectoren, een fabriek

voor het scheiden van lucht in stikstof en zuurstóf. De kosten van het conditioneren van een hoogcalorisch gas met stikstof zouden ongeveer het dubbele zijn van de kosten van het conditioneren met lucht.

6.1.5.'

Mengen met rookgassen.

Voor deze methode staan rookgassen van bijvoorbeeld gasmotoren,

energiecentrales of verwarmingsinstallaties ter beschikking. Eventuee~

kan ook een gedeelte van het hoogcalorische aardgas verbrand worden ter verkrijging van rookgassen. Deze conditionering is technisch geen

probleem, maar economisch gezien wel. Vanwege de aanwezigheid van

stikstofoxyden, zwaveldioxyde en koolmonoxyde in rookgassen is een zorgvuldige opwerking van de rookgassen noodzakelijk. Het partieël

omzetten van hoogcalorisch aardgas in rookgas zal alleen met zeer grote

hoeveelheden rendabel zijn.

~

6.1.6 ••

Mengen met waterstofgas.

De menging van waterstofrijke gassen bij .aardgas lijkt belangrijk

voor de toekomst.

De figuur op de volgende pagina toont aan dat verlaging van de

Wobbe index van hoogcalorisch gas met behulp van waterstofgas tot de

mogelijkheden, behoort. Het percentage waterstof in hoogcalorisch

aardgas dient dan te liggen tussen circa

65

en

90

volumeprocenten.

Naast de Wobbe index is de verbrandingssnelheid van een gas een

be-làngrijk criterium voor de beoordeling van de verbrandingsei~schappen.

Is de Wobbe index meer een criterium, dat de toestelbelastingen de

kans op koolmonoxy<;levorrning bepa

_,

_.

alt, zo bepaalt de

verbrandings-snelheid het inslaggedrag en d.aarmede tevens de toestelkleinstelling

en het ontstekingsredrag.

21

-52

%

NoordZI'

( ' MO

1

aardgas

%

Slochteren

E aardgas

--

..,

~ c { ) ( 50 Q/ "'C C Q/ .c .c 0 ( ~

48

46

---445- -

_•

( _{oorspron t k l}ook

_IJ

_{--43 7 - -}44 "totgestane" gebied van Wobbe indices voor huidige toestellen (1975)

o

o

o

o

Gronings aardgas •

42,8 - -

-42

40 -_.)

o

₂₀

40

60

80

100 010 waterstof in aardgas I \

.-\ : . \ . ) o\,. .,"-" . ' '

Hoge percentages waterstof zouden voor alle gaBverbruikstoestellen

weer een branderkopconstructie vergen, die inslagstabiel is. Toepassing van waterstofgas als suppletiegas zal dus niet zonder toestelaanpassing

(

c

c

(

c

('

o

o

('

Bij een gasmengsel van 80 volumeprooenten waterstof en 20 volume-prooenten Ekofisk-gas bedraagt de vlamsnelheidsfaotor S namelijk

61,55 •

De vlamsnelheidsfaotor S van Gronings aardgas is

12,95 •

6.1.7.1

Mengen met synthesegassen.

De produotie van synthesegaseen uit kolen tot een hoog calorisch

gas is de laatste jaren sterk in opkomst. Vooral.in de Verenigde Staten, waar men vrijwel niet over aardgas beschikt, wordt veel onderzoek verricht naar het produceren van hoog calorisch gasl "substitute natura I gas" (S.N.G.). Dit wordt verkregen door kolen te vergassen en het daarbij vrijkomende synthesegas te verrijken door o.a. methanisering.

In hoofdstuk 8 wordt nader ingegaan op de mogelijkheid om het

laag oalorische synthesegas door bijmenging met hoog calorisoh aardgas geschikt te maken voor de Nederlandse gasverbruikstoe-stellen, Tevens wordt onderzocht in hoeverre het hoog calorische S.N.G. geschikt te maken is voor deze gasapparatuur.

-( / ,0.'

'

J-."'/

CX

Y

_:,

~

_{1- ~} \, - ./\/',~ _.' .; . -' '

o

\. _ .. ft" \'

o

) r) ( ,

l

[

(

6.2 •• Aanpassen van het Gronings aardgas aan hoogcalorisch gas.

Deze methode houdt een behandeling van het Gronings aardgas in~zodat

di t aardge.s een hogere Wobbe index kri jgt. Dit kan op de volgende manieren geschieden;

a) Verwijdering van de inerte bestanddelen stikstof en kooldioxyde, door het Gronings aardgas vloeibaar te maken. Dit is echter een kostbare zaak, die zelfs door de heliumwinning bij dit proces economisch nog niet

haalbaar is.

b) Bijmenging van propaan of butaan bij Gronings aardgas. Afgezien van de kosten, moet men zich afvragen of dit te verwezenlijken is.

Om 1 miljard m

3

Gronings aardgas op dezelfde Wobbe index te brengen o

als een hoogcalorisch gas)is ongeveer 0,45 miljoen ton propaan of 0,38 miljoen ton butaan nodig.

Een andere moeilijkheid bij het mengen van propaan of butaan bij aardgas is het verschijnsel van condensatie van propaan en butaan bij hogere druk. Behalve het verhogen van de Wobbe index van Gronings aardgas, zullen tevens de gasverbruikstoestellen, die ingesteld zijn op een Wobbe index van het groningse aardgas, aangepast moeten worden vanwege de grotere minimale luchtbehoefte.

6.3 ••

Aanpassing via de zogenaamde" erweiterte " Wobbe index methode. Een andere methode om het hoofd te bieden aan de Wobbe indexverhoging die de hoogcalorische gassen met zich meebrengen, is de methode van de "erweiterte "Wobbe index. De belasting van de gasverbruikstoestellen wordt dan constant gehouden door de " erweiterte " Wobbe index W

e

J

constant te houden. p is het symbool van de gasdruk vlak voor het spuitstuk van de gasverbruikstoestellen. De spuitstukdiameter van de gastoestellen wordt bij deze methode niet veranderd. Het constant houden

_..J...~A.&V van de " erwei terte " Wobbe index betekent, dat een hoogc~isch gas

,""';"7-_ ~-....J met een hogere Wobbe index bij lagere druk gedistribueerd moet worden

. w~ . J

dan een laagc~jsch gas om dezelfde belasting te verkrijgen. Dit bemoeilijkt de verwezenlijking van deze methode.

( ( ( (

r

... " t ~ D ~) -~ .. _ .. .

24

-De gasmodule m is een maat voor de primaire luchtinjectie, in formule •

''l7

m=

.

)

Bij inzet van hoogcalorische gassen volgens de zogenaamde" erweiterte " Wobbe index methode zal de gasmodule m afnemen ( de Wobbe index wordt

groter, p wordt kleiner). Dit betekent dat bij afname van de gasmodule m, de luchtaanzuiging kleiner wordt, waardoor onvolledige verbranding van het hoogcalorische gas kan optreden. Immers, de gasmodule m is gerelateerd aan de luchtaanzuigfactor I overeenkomstig de formules

Behalve een noodzakelijke verandering van het spuitstuk van de gasver-bruikstoestellen, zullen ook alle huisdrukregelaars en drukregelaars

van de gastoestellen op de nieuwe druk ingesteld moeten worden.

De " erweiterte " Wobbe index methode houdt dus zowel ombouw als aanpas-sing van de gasverbruikstoestellen in.

6.4 ••

Aanpassing van de gasverbruikstoestellen.

In West-Duitsland werd men in de zestiger jaren geconfronteerd met aanbod van aardgassen met sterk afwijkende Wobbe indices. Door Sommers-Ruhrgas is een methode ontwikkeld, de zogenaamde S.R.G.-methode, die een mogelijke bijdrage levert tot de uitwisselbaarheid van aardgassen met verschillende kwaliteit. De grondgedachte hierbij is) om meer flexibele apparatuur te ontwerpen, teneinde ~~aliteitsveranderingen of

wisselingen van aardgas op te vangen, zonder noodzakelijke aanpassing van apparatuur of van druk.

Oorspronkelijk werd in Midden-Europa de aardgasvoorziening grotendeels bepaald door laagcalorisch aardgas, type L-gas met een Wobbe index van ongeveer 10500 kcal. / m

3 •

De huidige aardgasvoorraden en

o

leveringen bestaan voornamelijk uit hoogcalorisch gas, type H-gas met een Wobhe index groter dan 11500 kcal / m

3 •

De voornaamste reden

o

hiervan is de afwezigheid van een hoog stikstofgehalte. Dit laatste is juist karakteristiek voor Gronings aardgas.

I. ( (

c

,\

(

<.. \ , \ ,1 ;1 , I

/

l l

r

( (

o

25

-eE, ...

L @r ... .. @500 Lltytft

Bild J. Die wichtigsten Erdsas-Liefecgcbiete für Europa (Mensenan

-gaben in Mrd m3n).

Figuur.

Pir;ures

Aardgasvoorraden en leveringen in Midden- Europa.

De oorspronkelijke S.R.G.-methode is in de loop der tijden wat verfijnd en thans besohikt men over drie alternatievems

1) S.R.G.-apparatuur.

2)

3)

Middelwaarde-apparatuur.

6 •

4.

1. • S. R. G. -a ppara tuur.

Dit zijn gasverbruikstoeatellen die optimaal ingesteld worden op

H-gaa, dat wil zeggen bij bedrijfvoering met H-gas brandend op de nominale

warmtebelasting. ~ij oversohakeling op L-gas treedt een onderbelasting

van oiroa 16

%

op.

Uit onderstaande tabel blijkt dat bij overgang van H-gas op L-gas bij

oonstante druk de branders goed blijven werken. De uitstroomsnelheid w

blijft ~o~t. De theoretische , luohthoeveelheid L~in neemt af en

de luohtaanzuigfaotor I neemt toe. Aardgas met een lagere Wobbe index

( [ ( ( (

c

o

o

r

Characteristic

i

Sj'::-.bol Natural Gas C,ualities

value _Hmax H L _Lmin

heat input 3/B H 1.06 1.00 0.84 0.78 prirnary eration nur.lber (aerated

~tt.

bürners) 0.95 1.00 1.19 1.28

minimum air bas

ratio _{::'r:iÏn /LminH} 1.08 1.00 0.87 0.81

burner out~et

1.00 · 1.00 1.00 1.00

velocity

.1

_',c/wH

tabel. invloed van de S.R.G.-methode op enkele karakteristieke

verbran-dingswaarden.

De gunstigere verhouding van de luchtaanzuigfactor en de afname van de luchtbehoefte compenseert in voldoende mate dit verschijnsel. De

vlamstabiliteit word.t zelfs beter en geruisvorming van bijvoorbeeld injectiebranders neemt af. De S.R.G.-methode voorziet dus vrijwel in een ideale uitwisselbaarheid voor aardgassen. Opgemerkt dient te worden) dat de tabel sleohts geldig is voor turbulente stroming uit het spuit-stuk, omdat d.an de warmtebelasting uitsluitend een funotie is van de Wobbe index, bij constante druk, Voor lage Reynolds-getallen treden afwijkingen op zoals te zien is in de onderstaande figuur.

Bela~tungs .... , haltniS Ga.fli.5.druck s 200mm WS

1,1 e/~ \,I" ~=-=-='~--- Erdga5

L.

+ - - - -

Erdga.1t ;>-'~--- Erdgas

L/ ..

UlO ::;:...:::...=;...=..=.. _ _ _ _ _ Erdgas

L

:;..=-=-=-=-==-=--=---- Erdga5 ~in

03~---""--""""'--"'-- hydraullscher Ourchmesser d h der Gosdüsen 1.0 I.S mm .101 kca"h eela.lung mil W<;<>. bei Lochdü.en

)( 102kcal/h Beloslung mil ftGoS bei Rlngdüsen

o.s

200 300

Deze afwi jkingen treden pas :. op bi j spui ts'iultk •• liet een hydraulische diameter

d

h kleiner dan 0,2 mmo Dit komt vrijwel niet voor, alleen soms bij bepaalde

gashaarden in kleinstelling.

. --- _.

__

.,._

-_.-

-

-l ( ( (

c

r

o

[,

27

-De nadelen van de onderbelasting zijn verbonden met de vraagstelling of de afnemer dit te tolereren vindt. Onderbelasting van circa 16 ~ houdt bijvoorbeeld in_J .dat bij kooktoestellen de kooktijd met enkele minuten toeneemt, hetgeen nauwelijks bezwaarlijk lijkt. Bij geisers zal

.eohter de temperatuur van het warme water met ongeveer 8

°c

dalen.

C.V.-ketels die niet op overoapaoiteit zijn ingesteld, kunnen bij extra koude buitentemperatuur niet meer de vereiste binnentemperatuur leveren. Samenvattend is de invoer van S.R.G.-apparatuur alleen doelmatig)als reeds vaststaat dat in de nabije toekomst op H-gas wordt overgegaan.

Mooht het zo zijn dat men meerdere keren te maken krijgt met een omsohakeling van L-gas op H-gas en omgekeerd,dan verdient dit systeem de voorkeur. Er zijn reeds aardgasoontraoten, die de aardgaskwaliteit kunnen veranderen met een vierwekelijkse aankondigingstermijn.

Deze apparatuur kan optimaal worden ingesteld, zowel op L-gas als op H-gas door eenvoudige wijziging van de spuitstukinstelling.

6 .4.3. s

Middelwaarde- apparatuur.

Het is ook mogelijk dat er onregelmatige fluotuaties optreden in de aardgaskwaliteit voor bepaalde afzetgebieden. Middelwaarde-apparatuur is ingericht op aardgaskwaliteit met een bandbreedte van oiroa

10500 - 12800 koal / m

3 •

Er treedt dus maximaal 10

~

onderbelasting

o

ot

maximaal 10 ~ overbelasting op.

Afhankelijk van de gasleveringsverdragen voor een bepaald verzorgings-gebied,dient in samenhang met de tijdsduur een keuze gemaakt te worden uit een van de bovengenoemde drie mogelijkheden.

Daarbij zou men,uitgaande van de aardgasprognoses op langere termijn, over kunnen gaan op geleidelijke invoer van deze. nieuwe apparatuur, over een periode van bijvoorbeeld 10 jaar. Als daarna de aardgaskwaliteit zou veranderen of fluotueren)is er nog sleohts een beperkte ombouw van de gasverbruikstoestellen noodzakelijk.

-Hoofdstuk

7

I BEREKENINGSMETHODE AANPASSEN HOOGCALORISCH GAS AAN ( GRONINGS AARDGAS. ( C C ( ( (j

D

l ....

Deze methode is primair gebaseerd op het gelijkmaken van de Wobbe indices van de uit te wisselen gassen. Als illustratief voorbeeld wordt dit uitgewerkt voor een mengsel van een hoogcalorisch aa.rdgas met

lucht. Als lucht met een hoogcalorisch gas gemengd wordt,teneinde de Wobbe index te verlagen)dan veranderen de volumepercentages van de verschillende bestanddelen van het gasmengsel. De Wobbe index van een

gasmengsel luidt s

L.

r. •

~i

i l. W =

~t=

r. • d . l. Vlo

Als x m

3

_o lucht gemengd wordt met ( 1 - x ) m

3

Ekofisk gas wordt de nieuwe

0 Wobbe index I W mengsel (1 -

x) •

Eb

Ekofisk +

x.

Bb

lucht a ---~---_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

~

( 1 -

xl •

d

_v

Ekofisk + _{x . dv lucht}

Bij het gelijkmaken van de Wobbe indices geldt I

W _{mengse --l=WGronl.ngs aar gas} , d

=

10451,09

Voor een mengsel Ekofisk gas / lucht levert dit I

( 1

-x

+ x 2 • 0

( 1

-x

) • 0,6133 + x

,

Oplossing geeft een kwadratische vierkantsvergelijking, waarvan slechts aan wortel voldoet. Immers door kwadrateren is er een wortel ingevoerd.

%1 - 0,1360 , x2

=

2,3 012

Dit betekent dat het nieuwe gasmengsel 13,6 vol.

%

lucht bevat. De nieuwe

samenstelling en eigenschappen van het mengsel kunnen vervolgens berekend

worden zoals aangegeven in hoofdstuk 4 •

In de bijlagen

3

en

4

zijn de uitkomsten van deze berekeningen van

Ekofisk gas / lucht en Ekofisk gas / Gronings aardgas / lucht gegeven.

._-t

( ( (

r

( (î 0

-o

o

r'

29

-Daar een gasmengsel sleohts

2,5

vol.

%

luoht mag bevatten,in verband met

oorrosieversohijnselen~dient het Ekofisk gas / luoht mengsel slechts als

illustratief rekenvoorbeeld.

Vergelijking van de eigenschappen van Gronings aardgas en het Ekofisk gas / Gronings aardgas / lucht mengsel geeft geen opvallende versohillen in

kwaliteit te zien ( bijlage

3 ),

De luchtbehoefte (L . ), het brandbaar-m1n

heidsgebied-en de roetindex zijn nagenoeg identiek, De

vlam-snelheidsfactor S en de verbrandingspotentiaal C zijn wat groter voor het Ekofisk gas / Gronings aardgas / luoht mengsel. Alle Weaver-kentallen liggen binnen de praotisch toelaatbare grenzen.

Gronings aardgas zou dus vervangen kunnen worden door een mengsel van Ekofisk gas / Gronings aardgas / lucht met een samenstelling van

15,88 / 81,62 / 2,50

volumeprocenten. Dit is niet zo verwonderlijk)daar

l (

c

(

c

o

o

Hoofdstuk

8

•

KOLENVERGASSING. 8.1. sInleiding.

De afnemende aardgasvoorraden in samenhang met de sterk stijgende aardolieprijzen,hebben ertoe geleid dat er een hernieuwde belangstelling is ontstaan voor de produotie van synthesegas uit steenkool. Een en

ander wordt nog in de hand gewerkt door de sterk stagnerende ontwikkeling van nuoleare energiebronnen, vanwege het toenemende verzet tegen de

bouw van energieoentrales. Zolang de problemen als veiligheid en

verwerking van radio-aotief afval niet in voldoende mate zijn opgelost, hoeven we nog niet te rekenen op vervanging van fossiele energie

door kernenergie.

In het kader van dit onderzoek wordt nu gekeken naar de mogelijkheid_l

om door bijmenging van een hoogoalorisoh gas met een synthesegas ( in diverse stadia van het vergassingsprooes ),een gasmengsel te produoeren dat gesohikt is voor de Nederlandse gasverbruikstoestellen. Hierdoor zou het mogelijk worden de termijn van de uitputting van onze aardgasvoorraden te verlengen, ter overbrugging van een energie-sohaarste waarmee we op korte termijn geoonfronteerd dreigen te worden. Uitgangspunt hierbij is,dat de gasverbruikstoestellen niet behoeven

te worden aangepast,

~2.1. s Fundamentele reaoties bij vergassing.

Kolenoonversie wordt in een aantal stappen uitgevoerd. Allereerst reageert de voorbewerkte kool met stoom bij betrekkelijk hoge temperatuur om waterstof en koolmonoxyde te produoeren. De reaotie van koolstof ( C ) met stoom is sterk endotherm s

( 1 ) s watergasreaotie

Reaotie (1) verloopt niet~tenzij de hiervoor vereiste warmte geleverd

wordt door het systeem. Deze warmte kan geleverd worden door verbranding van een gedeelte van de kool s

(. ( (

'-c

"\ '. '

( ( (

c

c

o

o

r

Andere reacties die kunnen optreden zijn I

C + CO

2

"

) 2

co

(3)

I Boudouartevenwicht (endotherm)

0 + 2 H

2

<

)

CH

₄

(4)

I methaanevenwicht (exotherm)

CO + H

20

<

~ CO2 + H2

( 5)

I shiftevenwicht (exotherm)

CH

4

+ H20 < ) CO +

3

H2

( 6)

I methaanvergassing (endotherm)

Het productgas wordt behandeld ter verwijdering van teer en stof en ondergaat vervolgens een CO shift I

kat.

00 + H

20 ~ CO2 + H2

(5)

De verhouding waterstofjkoolmonoxyde wordt daarbij op ongeveer

3

gebracht, teneinde bij de latere methanisering een optimale methaanvorming te

bewerkstelligen. Voorafgaande aan de katalytische methanisering)moet het gas gezuiverd worden van zwavelhoudende stoffen en tegelijkertijd wordt het gevormde CO verwijderd. De katalysator bij de methanisering ia namelijk zeer gevoelig voor zwavel.

kat.

CO + ~~ _ _ )o CH

4

+ H20

( 6)

Hierbij komt warmte vrij) die moet worden afgevoerd om een zo volledig mogelijke omzetting tot methaam te verkrijgen. Deze warmte is niet geschikt als warmtebron voor reactie (1) omdat deze reactie bij veel hogere temperatuur verloopt. Hoewel een gedeelte kan worden gebruikt

voor de opwekking van stoom, gaat het grootste deel verloren, wat inhoudt, dat de methanisering thermodynamisch gezien een inefficiënte

processtap is.

~

\

"'----:,

• {'v..<.Aj",A"::>. L

8.2.2. s Enkele aspeoten van kolenvergassing.

De snelheden en converaiegraden voor de verschillende reacties zijn functies van temperatuur, druk, gassamenstelling en de aard van de kolen die hierbij vergast worden. Voor de productie van methaan zijn hoge druk en lage temperatuur de beste oondities bij de vergassing.

Lage druk en hoge temperatuur daarentegen bevorderen het gehalte aan koolmonoxyde en waterstof.

l (

c

(' (

c

o

o

o

- -- - -

-- 32

De meeste vergassingssystemen kunnen geolassifioeerd worden in vier oategorieën, overeenkomstig de methode van oontaot v~n gas- en vaste stofstromen s

a) suspensie of meevoer ("entrained") reaotor, bv. Koppers-Totzek. b) s vast of bewegend bed ("moving bed") reaotor,bv. Lurgi.

o) ·s gefluïdiseerd bed reaotor, bv. Winkler, HYGAS, SYNTHANE. d) s gesmolten bed reaotor, bv. ATGAS.

Essentieel houden al deze prooessen de individuele stappen in zoals aan-geduid in onderstaand blokdiagram.

PIPELINE GAS DRYING AND (OAl COMPRESSION

~.

OXY!EN STr M

Î

COAl GAS _SULFUR

PREPARATION

-.

GASIFICATION

-.

CLEANIt-lG

...

SHIFT ~ AND C02 ~ METHANATION

AND AND QUENCH CONVERSION

INJECTION SYSTEM REMOVAL

~

~

1

ASH OR CHAR EFFLUENT SULFUR

DISPOSAl TREATMENT RECOVERY

~

Koppers-Totzek, Lurgi en Winkler behoren tot de oonventionele teohnologie bij de bereiding van het vroegere "stadsgas" of laagoalorieohe

synthesegassen. Deze prooessen worden. thans gemodifioeerd voor de produo-tie van S.N.G.

Karakteristiek voor de moderne prooessen als SYNTHANE, HYGAS of ATGAS zijn de aanmerkelijk hogere fraoties methaan,die in de vergasser geproduoeerd worden.

( ( (

o

o

o

o

Wordt bij de meeste processen stoom als waterstofbron gebruikt, bij het HYGAS-proces wordt hiervoor waterstof toegepast. Deze wordt verkregen uit

de verbranding van "char" restkool met stoom. De warmte,d.ie hiervoor

nod.ig is, wordt geleverd door partiële oxydatie van een gedeelte van de ohar met zuurstof.

Afgezien van voor- en nadelen van de verschillende vergassingsprocessen worden hier alleen de samenstellingen van de ruwe synthesegassen gebruikt

( bijlage

5

en

8 ).

Dez~ synthesegassen worden met hoogcalorisch aardgas

(Ekofisk) geme~gdlteneinde de Wobbe index aan te passen aan die van

Gronings aardgas.

83.

s

Mengsels van hoogoalorisch aardgas met synthesegas.

8.3.1. tInleiding.

De synthesegassen van de versohillende vergassingsproèessen bevatten na zuivering van zwavelhoudende stoffen en drogingJbehalve koolmonoxyde en waterstof,ook kooldioxyde, stikstof, methaan en eventueel ethaan.

In bijlage

6

en

9

zijn de resultaten weergegeven van de berekeningen van

de nieuwe samenstellingen en eigenschappen, als x m3 synthesegas wordt

o

gemengd met (1-x) m

3

Ekofisk gas.

o

De kentallen van Weaver zijn voor deze mengsels gegeven in bijlage

7

en 10.

8.3.2. I Bespreking resultaten.

Peroentages van bijmenging.

De prooessen waarbij lUCht/stoom wordt gebruikt ( Winkler II, Lurgi IV )

geven de laagste percentages van bijmenging, circa 16 - 17 vol~~e­

prooenten. De reden hiervan is het hoge inertgehalte aan stikstof, dat in deze synthesegassen wordt geincorporeerd bij het vergassings-proces.

De synthesegassen, welke met processen geproduoeerd worden waarbij met zuurstof/stoom wordt gewerkt ( Winkler I, Lurgi lIl, Koppers-Totzek V ), hebben eAn peroentage van bijmenging in de orde van grootte van

22 volumeprooent.

De synthesegassen VI, VII, VIII leveren de hoogste peroentages s

l ( ( ( (

o

o

o

o

34 -Luohtbehoefte.

De luohtbehoefte van al doze mengsels is nagenoeg gelijk aan die van Gronings aardgas. De verhouding van Lmin en Lmin,Gronings aardgas is

overal kleiner of gelijk aan 1,00 • Er vindt dus geen onvolledige

verbranding plaats welke verantwoordelijk is voor roetvorming of .

koolmonoxydevorming. De roetindex I j volgens Delbourg,ligt voor alle

gassen ruim beneden de grenswaarde 210. - Brandbaarheidsgrenzen.

Het brandbaarheidsgebied ( Zo - zb ) wordt voor alle mengsels breder

d~ die van Gronings aardgas.

- Vlamsnelheidsfaotor S ( Weaver ).

Verbrandingspotentiaal C ( Delbourg ).

Alle gasmengselà hebben aanmerkelijk hogere waarden, zowel voor S als C.

Deze hoge waarden betekenen het optreden van terugslag in de huidige Nederlandse gasverbruikstoestellen, omdat zij niet zijn geoonstrueerd op dergelijke verbrandingssnelheden. Het meest gunstige zijn hier de

gasmengsels II en IV ( met luoht/stoom conversies ). Dit is te verklaren

door het hoge stikstofgehalte en tegelijkertijd het laagste waterstof-gehalte van deze mengsels.

- Weaver-kentallen.

De oriteria zijn hier I _J

H

=

1

+

5%

JA Cl 1 +

5%

J_L

>

0,64 JF<O, 08 J_I ~O,OO J_y<0,14

a) Door de Wobbe index exact gelijk te maken aan die van Gronings aardgas,

is het warmtebelastingskental J

H gelijk aan 1 • Dit betekent dat

de apparatuur op nominale belasting werkt.

b) De primaire luohtkentallen JA liggen alle in het vereiste gebied

van

0,95 - 1;05 •

c

(

c

c

()

o

o

/) Î '

c

l ( ( (

c

o

o

o

o

(' 35

-d) Bij het terugslagkental J

F doen zich problemen voor. De ideale waarde

voor J

F is nul, de practisch toelaatbare waarde moet kleiner dan

0,08 zijn. Gasmengsels II en IV liggen het dichtst bij 0,08 ;

respec-tievelijk J

F

=

0,086 en JF = 0,118 •

De terugslagkentallen van de overige gasmengsels zijn alle veel groter

dan 0,08 , zodat terugslag zal optreden bij·deze gasmengsels.

e) ·De kentallen J

I en J y liggen allemaal binnen de praotisch toelaatbare

grenzen.

Het beeld van terugslag, roetvorming en koolmonoxydevorming volgens de Weaver-kentallen sluit volledig aan bij dat van de bespreking van de luohtbehoefte en de maximale verbrandingssnelheid , hetgeen te verwaohten was.

Conolusies s

Combinatie van alle gegevens levert s

1) Ondanks het laagste mengperoentage ( 16 - 17 vol. ~) lijken de

synthesegassen II ( Winkler-lucht/stoom ) en IV ( Lurgi-lucht/stoom ) het meest gesohikt. Zij lijken met een lichte tendens voor terugslag vrijwel uitwisselbaar met Gronings aardgas. Bovendien heeft men geen dure zuurstoffabriek nodig.

Synthesegas IV ( Lurgi ) wordt geproduceerd bij een druk van ongeveer 30 atmosfeer ; synthesegas II ( Winkler ) daarentegen bij atmosferiscbe druk. In verband met compressiekosten bij het mengen verdient het

Lurgi-proces de voorkeur.

2)

Als men uitsluitend kijkt naar mengpercentages, dan genieten de

modernere syntheseprocessen ( VI t/m VIII ) de voorkeur, wa2rbij

het ATGAS proces het beste resultaat te zien geeft. De verbrandings-snelheden, hoewel te hoog, lijken iets gunstiger dan die van gasmengsels

van Ekofisk_g~s met Winkler, Lurgi of Koppers-Totzek synthesegassen,

geproduceerd met behulp van zuurstOf/stoom. Een bezwaar is echter het hoge koolmonoxydepercentage van deze gasmengsels, met uitzondering van III en VIII, waarbij het ATGAS proces wederom - dooh nu in ongunstige zin_ opvalt met het hoogste koolmonoxydepercentage.