Microbiële steenkoolontzwaveling

Technische Universiteit Delft

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

Ronald Ruij grok

Peter Goverde

onderwerp:

Molslaan 220, Delft. opdrachtdatum: september 1988 Dirk Costerplein 251, Delft.

( ( ( ( ( ( ( (

o

M I C R O B I E L E

STEENKOOLONTZWAVELING

fabrieksvoorontwerp nr. 2770

Voor de ooleiding Chemische Technolog1e aan de Technische Universiteit Delft

Ronald Ruijgrok Molslaan 220 2611 CZ, Delft Peter Goverde Dirk Costerple1n 251 2624 VB. Delft Delft. 26 Januari 1989

( ( ( ( ( ( ( (

o

o

VOORWOORD

Dit fabrieksvoorontwero 1S gemaakt 1n het kader van het vak

chem1sche fabriek (ST44) en het verplichte ontwerp van het vierde

cursusJaar voor de ooleid1ng tot schelkundig

Technische Universiteit Delft.

technoloog aan de

Hlerb1J willen we ir. M. Boon bedanken voor haar medewerking bij het vergaren van de nodige 1nformatie. en prof. lr. K. Luyben

voor het plaatsen van kritische kantteken1ngen tijdens de

totstandkom1ng van het ontwerp.

de ontwerpers.

( ( ( ( ( ( (

c

o

SAMENVATTING EN CONCLUSIES

In dlt fabrieksvoorontwero wordt een oroces beschreven betreffen-de betreffen-de ontzwaveling van steenkool met behulp van pyriet-oxibetreffen-derenbetreffen-de bacteriën.

In tegenstelling tot andere ontwerpen [1.2J. zijn er stappen lngebouwd die er voor zorgen dat er minder afval geproduceerd wordt. Het bliJkt dat deze extra stappen geen slgnificant hogere kostprijs tot gevolg hebben.

De capaciteit van de lnstallatie bedraagt 100 000 ton per jaar. waarbij 90% van de aanwezige pyriet wordt verwijderd. Het produkt

is steenkool dat zwavel bevat en 35

nog

,-

40% van aew%. water.

de oorsp~?kelijke hoeveelheid

Er ontstaat tevens een afval-stroom. die voornamelijk opgeloste zouten en gips bevat. De Kosten van de ontzwaveling bedraaen f85.- per ton steenkool. ~

- ' - ' - : / \, \. .\.( / ... '. ''''.<'''<J._t-It:.':''

Microbieel voorgereinigde steenkool lijkt een aantrekkelijk alternatief voor kleinverbruikers; de aanschaf van een rookgas-ontzwavelings- of wervelbedverbrandingslnstallatie met kalk-injectie is voor hen economisch gezien geen haalbare kaart.

Om de haalbaarheid beter te kunnen schatten is nader onderzoek vereist naar:

Opschalingseffecten bij pachuca reactoren: met name het suspenderingsgedrag en de zuurstofoverdracht.

Suspendering en menging door vloeistofcirculatie bij pachuca reactoren.

Neerslagvormlng tijdens het uitloogproces en tijdens filtratie en wassing van de steenkool/water slurrie.

Warmteterugwinning van de afvalstroom (stroom 41). Dit kan een besparing geven van maximaal f1.40/t.

De kinetiek van de microbiële oxidatiesnelheid in een 40 gew.% steenkoolslurrie.

De kinetiek van het uitlogen van natrium- en kaliumoxide.

( ( ( ( ( ( ( ( (

o

(î 1 . 2. INHOUDSOPGAVE Samenvatting en conclusies Voorwoord Inhoud Inleiding. Uitgangspunten.

2.1. Capaciteit van de installatie.

2.2. Specificaties steenkool en microörganisme. 2.3. Reeds verricht werk.

2.4. Motivatie van de gekozen lay-out.

3. BeschriJving van het proces. 3.1. Beschrijving van het proces

4.

5.

6.

3.2. Flexibiliteit en inbedrijfstelling. 3.1. Veiligheid van het proces.

Procescondities en apparatuur. 4.1. Maalsectie.

4.2. Loog reactor. 4.3. Filtersectie I 4.4. Groeireactor.

4.5. Reactoren voor mlcrobiële oxidatie. 4.6. Luchtcompressor

4.7. Reactoren voor chemische oxidatie. 4.8. Filtersectie I I .

4.9. Neutralisatiereactor.

Massa- en warmtebalans

Overzicht specificatie apparatuur

7. Economische aspecten van het proces. 7.1. Berekening van de kostprijs

i i i 1 2 2 2 3 7 8 8 9 9 10 10 10 14 14 15 17 18 21 26

<-( ( ( ( ( ( (

o

o

8 . 9. 10.

7.2. Bereken1ng van de kostpr1Js b1J gebru1k van

een 1nstallat1e zonder u1tbre1d1ng.

D1scuss1e. Symbolen11Jst L1teratuur. BiJlagen: 1 : 2: 3 : 4 : 5 : 6:

Deeltjesgrootte-verde11ng -32 mesh steenkool. Gegevens filtere1genschappen -32 mesh steenkool. Listing computerprogramma en output.

Verblijftijdspreid1ngscurve reactorentre1n.

Grafiek van ferri-,

ferro-functie van de reactor. De pachuca reactor. en pyrietconcentrat1e als A. B. C.

D.

E.

Bereken1ng van de afmet1ngen. Construct1e.

Regime analyse.

De minimum suspendering.

Vermogen bij menging door vloe1stofcirculatie.

1V 27 30 32 34 36 37 38 42 43 44 45 45 46 46

( ( ( ( ( ( ( ( (

o

HOOFDSTUK 1: INLEIDING

Problemen ontstaan door het verbranden van zwavelhoudende

steen-kool zljn tegenwoord1g veelbesproken. Steenkool is echter een

grote energiebron voor vele geïndustr1aliseerde landen. Overgang

naar andere energ1ebronnen zou betekenen dat veel waardevolle en

goed verkr1jgbare steenkool n1et gebru1kt word t . er ontslagen

-.

moeten vallen. en lokale verstor1ngen van de econom1e optreden.

Technologische oplossingen kunnen dit voorkomen.

De uitdag1ng is hier om tegen acceptabele kosten aan de

milieu-e1sen te voldoen. MogeliJkheden om de lokale zwavel U1tstoOt te

vermlnderen zijn het mengen van steenkool met laagzwavel1ge kool,

en het wegvangen van de gevormde zwaveldioxide tijdens de

verbranding. Ook 1S het mogelijk een ontzwaveling van de

steenkool voor de verbrand1ng uit te voeren. dit kan onder andere

fysisch. chemisch of m1crob1olog1sch. Doordat veel pyr1et.

m1crokr1stallijn in de steenkool voorkomt. is een volledige

fysische scheiding onmogelijk. Chem1sche voorreiniging 1S duur

vanwege de extreme reactieomstandigheden.

In dit fabrieksvoorontwerp wordt een nadere uiteenzetting gegeven

van de mogelijkheden. die microbiologische steenkoolontzwaveling

biedt. De microbiële steenkoolontzwaveling vindt plaats bij

relatief milde reactie-omstandigheden: atmosferische druk en lage temperatuur.

Er zijn microorganismen die anorganisch gebonden zwavel zoals in

het veel voorkomende pyriet kunnen oxideren. met name

Thiobacillus ferroOx1dans . Pyriet 1S de stabiele vorm van het

ijzerdisulfide, en komt in steenkolen voor.

slurrie van 100 steenkooldeeltjes met

behandelen. wordt het pyriet geoxideerd tot bare iJzer(III)sulfaat en zwavelzuur:

Door een waterige

T. ferrooxidans te

het in water

oplos-Het ijzer(III)sulfaat en zwavelzuur bevattende proceswater kan

door middel van filtratie en wassing worden

steenkooldeeltJes.

1

( ( ( (

f

,.j

, v' ( ( ( (

o

o

HOOFDSTUK 2: U I TGANGSPUNTEN .

2.1. Capaciteit van de installatie.

fabrieksvoorontwerp ziJn we uitgegaan van een installatie

die 100 000 ton steenkool per Jaar kan verwerken. Andere

ontwerpen [1.2J gaan uit van eenzelfde capaciteit. maar met een

maxlmaal percentage steenkool ln de slurrie van 20 aew.%. Het

ontwerp gaat uit van het gebrulK van Monopol steenkool, afkomstig Ult een duitse mlJn.

Het maximale percentage

suspendering mogelijk

steenkool in de

is, bedraagt 40

slurrie. waarbij nog

gew. %. recente

experlmenten. uitgevoerd door M. Boon. is gebleken dat bij deze

slurrieconcentratle een goede suspendering mogelijk is.

2.2. Specificaties steenkool en microörganisme.

Monopol steenkool heeft de onderstaande samenstelling:

Component totaal zwavel pyritisch zwavel elementair zwavel as gew.% 1.97% 1.33% 0.21% 28.5% waarvan: Na20 Zand De porositeit van de steenkool bedraagt 4.5%.

4.4% 1. 1% / over 1(;J

De bulkdichtheid van de steenkool bedraagt 1500 kg/m3 _{volaens F.}

Boogerd e.a. [3J.

Het mlcroorganlsme Thiobacillus ferrooxidans aroelt bij een pH

1.8 en een temperatuur van 37°C. De oxidatiereactie kan worden

ultgevoerd bij een temperatuur van 35-55°C [2J en een pH van 1.4

tot 1.6. [IJ. BiJ groei van het microorganlsme moet er. volgens

recente metlngen door M. Boon. minstens 3 ppm opgeloste zuurstof

aanwezlg ZlJn. Tij dens de oxidatlereactie voldoet 1 ppm opgeloste

zuurstof.

( ( ( ( ( ( ( ( (I

i l

o

c

2.3. Reeds verricht werk.

In me~ 1986 ~s door P. Bos e.a. [lJ een rapport gepubl~ceerd, dat

een beschr~.Jv~ng geeft van de procescond~ties waarb~.J de

rn~crobiele steenkoolontzwaveling verloopt.

Door Gert Schreurs en Marcel Nieuwenhuizen ~s 1983 een

fabr~eksvoorontwerp gemaakt [4J, waar~n de

sLeenkoolontzwaveling beschreven wordt.

Onlangs ~s door een groep onderzoekers een tussentijds rapport (2J van een haalbaarheidsstudie vr~jgekomen.

2.4. Motivatie van de gekozen lay-out.

Kool ~s een bulkprodukt. de prijs van industriekolen bedraagt

ongeveer f137 .= per ton. Alleen door voorreinigingskosten laag te houden is een prakt~sche real~sering hiervan mogelijk. Omdat de

react~esnelhe~d bij het gekozen proces kle~n ~s, en de vere~ste

1 doorzet groot, is een groot react~evolume vere1st. Er ~s gekozen

voor de pachuca reactor. Voordelen van deze reactor z~Jn:

---Het ontbreken van bewegende

corros~eve omstandigheden.

De constructie is eenvoudig.

onderdelen 1n verband met

Indien de reactor belucht wordt, draagt deze beluchting tevens zorg voor de suspendering.

Indien geen beluchting noodzakelijk is, kan de suspender~ng in de pachuca tank bewerkstelligd worden door vloe1stofc~rculatie.

H~erdoor z~Jn vr1Jwel alle reactoren als pachuca reactoren uit te

voeren, wat kostenverlagend 15. Bijlage 6 geeft een nadere beschouw1ng van de pachuca reactor.

De volgende redenen waren aanleiding om een reactorvolume van 200 m3 _{te kiezen:}

Technische uitvoerbaarheid: dergelijke reactoren zijn van kunststof te maken. Zo is het mogelijk om ~n een later

stadium een keuze te maken tussen een bovengrondse (kunst-stof) of een 1ngegraven (betonnen bakken) 1nstallatie. Dit ontwerp gaat U1t van de laatste optie.

In de m1jnbouw ""orden ertsu1tlogingsprocessen ~n pachuca reacLoren van een dergelijk volume bedreven.

(

<.

( ( ( ( ( (

o

o

De mlcrobiele oXldatie verloopt volgens een eerste orde kinetiek.

Een reactor met Dropstroom geeft hier een hogere converSle per

volume-eenheld dan een tank reactor met hetzelfde volume. De

propsLroom wordt benaderd door zoveel pachuca reaCLoren ln serie

te plaatsen dat de verelste conversie bereikt wordt.

De verblijftijdspreldingscurve CF-curve) lS berekend voor 28

reactoren ln serle. In het diktaat van FT1 [5J vlnden we een

vergellJklng voor de verblijftlJdspreidlng van n ideaal gemengde

reactoren ln serle:

(2.1)

In biJlage 4 staat de grafiek van de F-curve voor 28 reactoren in serle. Uit de graflek kan men concluderen dat

benaderd wordt.

de propstroom goed

De lay-out is zodanig gekozen dat minlmale

procesvoerlng verbonden zljn. Concreet komt dlt gende aspecten:

kosten aan de

neer op de

vol-1. Kalium- en natriumoxide worden eerst ultgeloogd, de gevormde

loog wordt gedeeltelijk afgefiltreerd. Voordelen van deze stap zijn:

Er is minder zuur nodig is om de pH in de groei reactor (RS)

te laten dalen tot 1.8. Door de lagere zoutconcentratie is

er minder kans op neerslagvorming.

De filtraatstroom (37) kan grotendeels geneutraliseerd

worden met de vrljgekomen loog.

De afvalstroom ( 4 1 ) bevat minder z outen waardoor er minde r

:~J

kosten aan lozlng ziJn verbonden.

Negatieve aspecten van deze stap ziJn de lnvesteringskosten van

de extra reactor en trommelfilter.

Uitwassen van de resterende loog ln de slurrie is nlet zinvol:

Voor het wassen moet ketelwater Ckosten: rO.50 per ton)

gebruikt worden.

De extra uitaewassen loog kan niet

, . ~ .. <'"

meer qeneut ra 1 i seerd ~v !1t~',<'"

- ~.

worden met de uit het proces vrijkomend zuur (stroom 37).

2. De microbiële oXldatie verlOODt bij lage pyrietconcentratie

absoluut gezien traag. Door de toenemende ferri concentratie

vlndt jarosietvorming sneller plaats. Deze problemen worden

( ( ( ( ( ( (

o

o

onàervangen àoor een chemische oxiàatie ui t te voeren. De

react1evergeliJk1ng van àe chemische oxiàatie is: 3+

FeS

2 + 14 Fe + 8 H20

- - -

>

Met4H= -98.1 kJ/mol oyrlet

Om àeze chemische oX1datie t.e laten verlopen is een verhouàing

[ Fe:1+ J / [F eS:z J ver eis t van 14. Door subst.itutie volgt. àat àe

m1crob1ële oX1datie moet. verlopen tot een fract1e 1/15[FeS:zJo

rest.eert. De m1crobiële oxiàat1e moet àus uitgevoerà vloràen tot ?

een conversie van 0.85 bereikt is.

-~

Vooràelen van àe chemische oX1àatie zijn:

Tijàens àe chem1sche oX1àatie komt veel zuur vr1J. àit hoeft

niet àirekt geneutraliseerà te woràen. De zure afvalstroom

wordt geneutral1seerà met àe eeràer vrijgemaakte loog.

Ferro zouten z l.Jn bete r oplosbaar 1n water àan ferr1zouten

(o.a. Jaros1et en 1Jzer(III)sulfaat)

te verw1Jàeren àoor filtratie.

en d1ent.engevolge beter , .. .,.-v

, 4. ,. )'~ \I :y..J'" , '- \_ \v Er 1S één reactor minàer nodig om een converS1e van 90% te bereiken

Naàelen van àe chemische oX1àatie zijn:

De slurrie moet van 54 naar 70°C verwarmà worden. De hier

aan verbonden kosten bedragen ongeveer f'2.- per ton

steenkool.

Een spui met ferro lozen is duurder dan één met ferri van-wege àe kosten van het chem1sch zuurstofverbruik (CZV).

In hoofdstuk 7 is de kostprijs berekend een installat1e zonder.

en een 1nstallatie mét loogreactor. trommelfilter en vijf

chem1sche react.oren. Bij be1àe installat1es ZlJn er totaal

even-veel reactoren nod1g. De kostprijs van ontzwavelen is installaties ongeveer gelijk.

voor beide

3. Er wordt slechts één warmtewisselaar (H8) gebruikt om de

1ngaande slurriestroom op een temperatuur te krijgen die geschikt

is voor de aroei van het micr06rganisme. Tijdens àe m1crobiële

oxiàatie komt. er warmte vriJ. waardoor àe temperatuur van

de

~(

slurr1e toe neemt tot boven àe 50°C. Bij de berekening van àeze 1w\o..:~

temperatuur 1S rekening gehouàen met het. fe it.. àat. er warmte

woràt afgevoerà doordat er water verdamot..

~-~---

-'\W~

( ( ( ( ( (

o

(î

In dit voorontwerp lS geen warmtewlsselin9 aangebracht tussen de

SpUl (stroom 41) en stroom 15. De reden lS de hoge mate van

corrosivltelt van de soui, waardoor een Kostbare warmtewlsselaar

geïnstalleerd zou moeten worden. Aangezien het effekt ervan

gerlng lS -de waterstroom (15) zou slechts tot 38°C verwarmd

kunnen worden-. lS besloten er aeen te installeren. Installatie

van een warmtewlsselaar geeft een besparlng van de energlekosten

van maxlmaal r1.40 per ton steenkool.

") ':)

o

'1 STEENKOOl M 1 M 2 M J M 4 M 5 M 6 ) ~ .. (8 -+----«(5 M1 Water M2 Water J ) C ) ~ (7 M3 KEGELBREKER STAAFMOLEN KOGELMOLEN ZEEF ZEEF SCHROEFCENTRIFUGE

..

M 7 H 8 R 9 R 10 P 11 C 12 M7 --~(16 REPULPER HEATER GROEI REACTOR LOOGREACTOR CIRCULA TlEPOMP COMPRESSOR P 13 R 14 M 15 R 16 P 17 P 18 1""\ 1""\ Zwavelzuur ---, I ____ .J

1Q

....

24.6 POMP

MICROBIELE OXIOA TlEREACTOR(23.)

VACUUM TROMMELFILTER CHEMISCHE OXIOA TlEREACTOR POMP CIRCULA TIEPOMP

'""'

'""'

~ .. ~ Kalksteen R 19 P 20 T 21 P 22 M 23 R 24 P17

CHEMISCHE OXIOA nEREACTOREN( 4.)

CIRCULA nEPOMP GEPAKT BED POMP VACUUM TROMMELFILTER NEUTRALISA TlEREACTOR 1"""'1 f""\ ,.-... Spul T21 P20 r---1---, 33~ Spul R24

MICROBIELE STEENKOOLONTZWA VELiNG P.F. W. Goverde

R.J.P. RuiJgrok

b

Stroomnummer

Fabrieksvoorontwerp No: 2770

Januari 1989

D

Temperatuur in'C

0

Abs. druk in bar

( (

c

( ( ( (

o

o

HOOFDSTUK 3: BESCHRIJVING VAN HET PROCES.

3.1. Beschrijving van het proces aan de hand van het flow-schema.

De ruwe steenkool met een deeltJeS9rootte van enkele cent1meters wordt 1n een maal- en zeefsect1e (M1 tot en met M7) vergruisd tot deeltjes van u1te1ndeliJk

plaats.

100 urn. De laatste ma11ng v1ndt nat

De steenkool wordt vervo1gens naar een reactor (loo9reactor R10) getransporteerd, waar zoveel water wordt toegevoegd dat een slurr1e met 40 gew.% steenkool ontstaat. In deze reactor worden de 1n de steenkool aanwez1ge natr1um- en kaliumoxide omgezet tot NaOH en KOH, die water oclosbaar ziJn. Een deel van de gevormde l0090ploss1ng wordt vervo1gens afgescheiden door gebruik te maken van een vacuum trommelf1lter (M15) , deze loogoplossing wordt gedeeltelijk gebruikt om water wat verdampt 1n de microb1ële oX1dat1e reactoren (R14) te compenseren, de rest ( st room 34) wordt gebru1kt om de afvalstroom (stroom 37) gedeeltelijk te neutraliseren.

De slurrie wordt vervolgens naar de groei reactor (R9) getransporteerd. In deze reactor vindt groei van het micro-6rgan1sme plaats bij pH 1.8, en 40 gew.% steenkool. De reactorcondities worden geregeld door toevoegen van geconcentreerd zwavelzuur (stroom 18) en warm water (stroom 14). In de h1erop volgende trein van reactoren (R14) wordt pyriet

.

,

m1crob1eel geox1deerd. De pH wordt op 1.4 gehouden door toevoege ~.f

van kalksteen (CaC03 ) en loog. Gips (CaSQ4.2H20) lost op in zuur, er vindt dus geen neersla9vorm1ng plaats. Door de reactoren in cascade te plaatsen zijn geen techn1sche hulpmiddelen nodig voor het transport van de slurr1e. Afvoer van de lucht vindt plaats door een gepakt bed (T21 ) om meeaevoerde steenkooldeeltjes en zuur aerosol af te scheiden.

In de nu volgende reactoren en R19) vindt de chem1sche omzett1ng van pyr1et plaats b1J De temperatuur van 70°C wordt bere1kt door 1nJectie van stoom 1n reactor R16.

Na het 1ndikken en wassen van de slurr1e door wedderom gebru1k te maken van een trommelfilter (M23) 1S de slurr1e op 65 gew.%

( ( ( ( ( ( (

o

(î steenkool gebracht worden. Het filtraat

en klaar om getransporteerd of verwerkt te (stroom 37) IS zuur en bevat uItgeloogde metalen. voornamelIjk IjZer.

In de neutralIsatIe-reactor (R24) wordt het restant van de eerder vrIjgekomen loogoplossIng (stroom 34) en kalksteen (CaC03) aan het filtraat (stroom 37) toegevoegd. De afvalstroom (stroom 41) wordt gespuId.

3.2 Flexibiliteit en inbedrijfstelling.

Wanneer de toevoer van steenkoolslurrle fluctueert. zal dit nauw-elIJks enIg gevolg hebben voor de pyrIetoxIdatIe. aangezIen de totale verblijf tijd in de InstallatIe ca. 10 dagen beslaat.

BIJ InbedrIjfstellIng kan enten van de groeIreactor voordelen op-leveren. Ongeveer 10 dagen na het opstarten VerkrIjgt men het eerste produkt. De reactorentreIn heeft een dUIdelIjk propstroom-karakter. aangenomen mag worden dat de InstallatIe na ongeveer 30

dagen op ontwerpcondItIes werkt.

3.3. Veiligheid van het proces

Er wordt niet bij extreme drukken en temperaturen gewerkt . Poederkool IS uiterst explosief. vanaf de derde maalstap vindt de verdere verwerking van de steenkool als slurrle plaats. ExplosIe-gevaar IS dus niet aanwezIg.

( ( ( ( ( ( ( ( ( (î

HOOFDSTUK 4: PROCESCONDITIES EN APPARATUUR.

4.1. Maalsectie.

Het malen van de steenkool vindt plaats 1n dr1e stappen, de

steenkool doorloopt respect1evel1Jk een kegelbreker (M1) ,

staafmolen (M3) en kogelmolen (M5), de kleinere steenkooldeeltJes

worden tussen de d1verse maalstappen door zeven afgescheiden. De

toe te voeren mechan1sche energie, 1S te berekenen met de formule van Bond [6]: = 0.3162·W 1 1 '(Jd p,U1t 1 Jd . p,ln [kWh] ton

dp 1S de deeltJesgrootte 1n mm. en W1 is 13.00 kWh/ton voor

stee-nkool. Gaan we uit van deeltjes van 0.1 m. dan vraagt vermal1ng

tot deeltjes van 0.1 mm een energ1e van 12.59 kWh/ton steenkool.

Daar explos1egevaar bi .) ultraf1jne steenkooldeeltjes n1et

denkbeeldig is, wordt de laatste maling nat uitgevoerd. Nemen we

aan dat het resultaat een 40 gew.% slurrie is, dan is de max1male

temperatuurstijging bij de maling Bijlage 1 toont een

grafiek van de undersize verdeling van -32 mesh steenkooldeeltjes

[ 7J.

Aangezien de kostprijs van de ontzwavelde steenkool vergeleken

moet worden met niet ontzwavelde poederkool.

bereken1ngen aan deze sectie uitgevoerd en

ziJn verder geen

is deze ook niet meegenomen 1n de 1nvester1ngen en jaarlijkse kosten.

4.2. Loog reactor.

In deze reactor worden natrium- en kaliumoxide uit de steenkool

verwijderd. Experimentele kinetiekgegevens van de uitloging van

natrium- en kaliumoxide zijn niet bekend. Als de reactor als een

pachuca tank van 200 m3 _{uitgevoerd wordt is de verblijf tijd 0.33}

dag. Gez1en de kleine deeltjesgrootte en de 4.5% porosite1t van

de steenkool. is een verblijf tijd van 8 uur rU1m voldoende.

( ( ( ( ( ( (

c

(

o

o

De volgende reactle vlndt plaats:

+

-M 0 +

2 (s) H20

>

2 M (aq) + 2 OH (aq)

M kan hler natrlum of kalium z l.)n. Bi.] deze reactle komt

respectievelijk 151.62 en 202.86 kJ/mol M20 aan warmte vrij.

Hiermee lS te berekenen dat er per kg steenkool 34.69 kJ aan

warmte vrljkomt, wat neerkomt op een adlabatische

temperaLuur-stlJging van 4.6°C bl.] een 40 gew.% steenkool slurrle.

De pH van de Oplosslng stijgt tot 13.4 (0.245 mol OH-fliter

vloeistof) .

4.3. Filtersectie I.

Dit filter is gelijk als het filter van filtersectie 11. er vindt

bij dit filter geen wassing plaats . Hierdoor is dit filter

over-gedlmensloneerd. en zal zeker voldoen.

4.4. Groeireactor.

In deze reactor wordt de pH op 1.8 gehouden. Bij deze pH vindt

geen mlcrobiële oxidatie van pyriet plaats. De temperatuur

bedraagt 37°C, en is zo laag mogelijk gekozen om verwarmen van de

slurrie tot een minimum te beperken.

De minlmaal benodigde hoeveelheid opgeloste zuurstof bedraagt 3

ppm volgens recente metingen verricht door M. Boon. Omdat niet

bekend is. wat de DUR lS van de mlcroörganismen. kan er geen

benodigd luchtdebiet berekend worden. Voor deze reactor lS het

luchtdebiet bij minimum suspendering aangenomen. De reactor wordt ldentiek aan de microbiële oxidatiereactoren uitgevoerd.

4.5. Reactoren voor microbiële oxidatie.

De mlcrobiële oxidatlereactie verloopt bij een temperatuur van 35

en een pH van 1.4 tot 1.6. De reactoren zijn pachuca

tanks met een lnhoud van 200 m3 _{per stuk .}

Tijdens de mlcroblële oXldatie wordt er zuur geproduceerd. De pH

is ln de L weede reacLor tot 1.4 aedaald. Na de tweede reactor

( ( (

c

( ( ( (

o

(î

moet een base toegevoegd worden. Dit gebeurt door kalksteen

(CaCO~) toe te voegen.

De lngeblazen lucht lS nlet geheel verzadlgd met water. om te

compenseren voor verdampend water wordt een kleln gedeelte van de eerder vrlJgekomen loog toegevoegd.

Uiit waarnemlngen lS gebleken dat er aerosol gevormd wordt en

s~eenkooldeeltJes Ult de reactor worden geblazen. Om dlt probleem

te onderdrukken worden de reactoren afgedekt. en vlndt afvoer van

de lucht plaats door een gepakt bed. Volgens Perry [8J kan een

verwiJdering met een efficlency van 90% bereikt worden door de

afgevoerde lucht door een gepakt bed te lelden. Dit bed bestaat

Ult 0.5 inch Berl zadels en is 15 cm hoog. De superflciele

gas-snelheld moet 15 ftls (4.5 mIs) bedragen. zodat hier een diameter

van 1.13 m Ult volgt.

Er lS een computerprogramma (zie biJlage 3) geschreven dat per

reactor de slgniflcante variabelen berekent. en wel op de

volgende wijze:

De verblijf tijd per reactor (T):

Deze volgt Ult de capaciteit van de installatle (Q .... =lE5 ton

steenkool/y). de dichtheid van

volumefractle steenkool in de steenkool de slurrle (f.=1500 kg/m3 ) . de (v=0.306) en het reactorvolume (V=200 m3_{) .} De slurriestroom bedraagt:

2

= 2 .... /(365·24) v

Ps

. v

De verblijf tijd per reactor

V 200 8 T = = ::::: 2v 24.9 h ~E8/(365'24) 1500'0.306 volgt uit:

=

24.9 m3 _{1 h}

De reactoren zljn ldeaal gemengd (zle blJlage 6) .

De pyriet concentratie:

De hoeveelheld pyriet ln de steenkool bedraagt 2.49

overeenkomt met 95.25 slurrie. De

w/w%. wat microbiële

oXldatlereactle van pyriet verloopt eerste orde in de

pyrletconcentratle. met k=0.255 dag-1_{=2.95E-6 S-l [IJ:}

( ( ( ( ( ( (

c

o

d[FeS 2J = k' [FeS 2 J dt

De converSle per reactor

($

)

wordt berekend met de vergelijklng:

k'T l+k'T

Het aantal reactoren wordt berekend met: ln(l-J'tot)

n =

ln ( 1-~)

Waarbi j voor ~ t o t 0.85 genomen is.

De ferri concentratle en de zuurproductlesnelheid: De reactievergelijking van de microbiële oxidatie lS:

FeS ') Lo +

~

0 4 2 1 + - H 0 2 2 3+ 2- + - - - - : > Fe + 2 S04 + H

Nu de pyrletoxldatiesnelheld bekend lS, volgt ui t de

stolchl0metrle van de reactlevergelijklng

per reactor. Tevens volgt hlerult de

de ferrl concentratle zuurproductle-snelheid

( r W ) .

Hoeveelheid benodlgde lucht:

Uit de stoichiometrie van de bovenstaande reactie lS de

hoeveel-heid benodigde zuurstof te berekenen: d[02]

15 d[FeS2] [mol]

_(4.7)

= 3

dt 4 dt m s

De omrekenlng naar een ln te voeren luchtdebiet verloopt als

volgt: OUR = k'[FeS2J'120 OTR = kla' ([0:d*-[02]) Blj 45°C lS de maximaal opgeloste [ 9 / m3 / s J [g/m3 _/sJ zuurstof 6 ppm. De

mlnimaal benodlgde hoeveelheld zuurstof lS 1 ppm. In stationaire

toestand geldt OUR=OTR. en lS kla te berekenen.

P. Bos e.a. [ 1 J geven een relatie en de

superficlële gassnelheid ln een pachuca reactor:

Met het oppervlak van de pachuca reactor (35.3 m~ _,

k1a = 0.6 Vg.

zie bijlage 6)

wordt het benodlgd luchtdeblet berekend door vermenlgvuldiglng.

Indien dlt luchtdeblet groter lS dan het luchtdeblet dat benodigd

lS voor mlnlmum suspenderlng, zoals berekend in bi~lage 6.D.

wordt voor deze reactor dlt luchtdeblet genomen.

( ( ( ( (

c

( (

o

('

De hoeveelheid water dIe verdampt:

We gaan ervan UIt dat de compressor lucht van 25°C en 70%

luchtvochtIgheId aanzuIgt. De gewIchtsfractie water bedraagt bIJ

deze omstandIgheden 0.014 kg/kg. Stellen we voor de uItgaande

lucht van elke reactor de temperatuur en de

luchtvochtlgheid op 100%, dan

kg/kg. De hoeveelheid water.

IS de dle

gewichtsfractie water 0.064

dan verdampt IS, volgt UIt

onderstaande vergelIjking:

2 _m,vap = 2 _{v, uc} 1 ht'

Pl

_{uc t} h·(0.064-0.014)

De warmtetoevoer.

Volgens F. Boogerd e.a. [3J pyriet vrIJ .

komt er 1500 kJ per mol omgezet

De compreSSIe van lucht vindt plaats tot 1.2 bar overdruk, en is

te berekenen met de onderstaande formule:

Pcompr = PO+ f·g·H

Verloopt de compressle adiabatlsch, dan volgt een

temperatuur-stiJging van 25 naar 96°C. In de reactor vindt afkoeling plaats

tot de reactortemperatuur. Stellen we de laatste op 45°C, dan is

de warmtestroom:

De soortelijke warmte van lucht wordt constant verondersteld over het temperatuurtraJect (1.01 kJ/kgOC).

De warmteafvoer.

Warmteafvoer vlndt plaats via geleiding door

damplng van water.

de wand en

ver-De warmteafvoer door de wand IS voor elke reactor op 4 kW

ges cha t ; een temperatuurverschil van 30°C over een afstand van

0.5 meter bIJ een warmtegeleidlngsco~ffici~nt van 1 W/moC geeft

deze waarde. De hoeveelheid water dIe afgevoerd wordt lS al

eerder berekend, vla de verdampIngswarmte van water bij 45°C

(AH_p , 2394 kJ/kg) is hier een warmteafvoer uit te berekenen:

Q = el fa H

w,vap m,vap vap

( ( ( ( ( ( (

o

4.6. Luchtcompressor.

Om het vermogen van de compressor te berekenen 1S gebru1k gemaakt van het colleged1ktaat API [9J. Het theoret1sch vermogen van een ééntrapscompressor -gebruikel1Jk voor een drukverhoudlng van ca.2- wordt gegeven door:

P (k-l) Ik

P ~'P'2 .{( comp) - 1 )

th= k-l 0 v.O Po met

k=~

Cv

Voor lucht geldt k=1.4. Als totaal rendement voor de compressor nemen we 0.85. Het technlsch vermogen wordt dan:

P

= [WJ

Uit bovenstaande vergel1Jk1ngen volgt vermogen van de compressor.

456 kW voor het techn1sch

4.7. Reactoren voor chemische oxidatie.

De sign1ficante variabelen van deze reactoren worden aansluitend aan de berekenlngen voor de m1crobiële

programma (biJlage 3) berekend.

oXldatiereactoren in het

Om de chemische oxidatiereact1e met voldoende snelheld te laten verlopen 1S gekozen voor

ZlJn geen eisen gesteld.

een temperatuur van 70·C. Aan de pH De reactoren zljn 1dent1ek uitgevoerd als de m1crob1ële oX1datiereactoren. Menglng vindt plaats door slurr1ec1rculat1e.

De temperatuur wordt in de eerste reactor op 70·C gebracht door 1nJect1e van stoom.De warmte d1e nodlg 1S om de u1tgaande stroom van de mlcroblele reactoren op te warmen naar 70·C is te bereke-nen met de volgende vergelijking:

Q

=

ë

'2 '(5.(70 - T )

W . l n p v U1 t . mb [WJ

Deze warmte kan geleverd worden door condensatle van 140 g/sec

stoom (3 Warmteverl1es vlndt alleen plaats door de wand van de reactor, en 1S weer op 4 kW geschat.

De warmteproduct1e door de oX1dat1ereact1e 1S ger1ng. H1erdoor daalt de temperatuur van de slurr1e 1n de cascade.

De react1evergeliJk1ng 1S:

FeS + 14 Fe3+ + H 0

---

>

15 Fe 2+ + 2 SO -2 + 16 H + 4

~ ~

L L

Met

!H

= -98.1 kJ/mol pyr1et

De reactiesnelheid (r) wordt gegeven door:

r = - 32

U1t de massabalansen volgt: [FeS

2J = [FeS2JO + r'T [Fe3+J

=

[Fe3+Jo + 14 r'T

3+ 95'v + [Fe J

[mol] 3 m s

Deze vergeliJk1ngen worden in het programma opgelost een 1tera-tieve procedure. De pyriet en ferr1 concentrat1e in de reactor ZlJn nu bekend en de react1esnelhe1d (r) kan berekend worden. Het programma rekent telkens een reactor door tot meer dan 90% van de oorspronkel1Jk aanwezige pyriet omgezet 1S. BiJlage 5 geeft een grafiek van de concentrat1es ferr1, ferro en pyr1et per reactor. De zuurproduct1esnelhe1d (rH·) wordt berekend met:

+

rH = 16'r'V

4.8. Filtersectie 11.

Naar het filtreren van de steenkoolslurrie 1S een

literatuur-onderzoek verr1cht. In het literatuurbestand NTIS zijn enkele

rapporten gevonden d1e gemaakt zijn 1n samenwerking met of in opdracht van het "U.S. department of Energy".

Eén van de gevonden rapporten [7J geeft u1tsluitsel omtrent de

effectiviteit en mogel1jkheden van het filtreren van een

steenkool/water slurr1e. die een deeltjesgrootte verdeling heeft die sterk op d1e van ons lijkt: -32 mesh (zie bijlage 1)

De steenkoolslurr1e is erg corros1ef. er 1S gekozen voor een

roterend vacuum trommelfilter wegens de eenvoudige constructie.

De steenkoolslurr1e wordt tot 65 gew.% steenkool ontwaterd. Een

vergel1jk1ng om het vloe1stofdeb1et per oppervlakte eenheld

filtrerend oppervlak (~v/A) te berekenen wordt gegeven door G.J.

Kok [10):

( ( (

-,

, I

o

(î

Er wordt verondersteld. dat het gebru1k van een precoat f11ter

n1et noodzake11Jk 1 S • De weerstand van het filterdoek 1S

verwaarloosd.

Volaens l 1t. [7J 1S de benod1gde drukval (Ap) 0.4 bar, de

spec1-f1eke koekweerstand (a) 2E9 m/kg, de t1jd benod1gd om de koek te

vormen (tF) 30 s en de f11tertiJd 120 s (Z1e de tabel 1n b1Jlage

2) . Wordt 25% van het filter gebru1kt voor f11tratle, dan volgt

h1er een trommelomwentelingst1Jd uit van 480 s . De

hoeveelhe1d droge stof per m3 _{vloeistof ( b ) is 660 kg Im::;. De} van het

Vlscos1te1t

('L,)

filtraatdeb1et 1S 4.81E-3

f11traat stellen we op 1E-3 Pa's. Het

Substitutie van deze gegevens

geeft een benod1gd f11trerend oppervlak van 54.2 m2

• De

koek-poros1te1t (E) bedraagt 0.45. Hier volgt een koekd1kte van 3.4 cm

U1t.

Volgens het d1ktaat deeltJestechnolog1e [ l l J is voor 99%

was-effect1v1te1t een relat1ef vervang1ngsvolume van 1 nod1g. De

hoeveelhe1d water 1n de cake bedraagt:

E

=

2

_m,water

=

_1-E 0.45 _0.55 3.05 ₁₅₀₀ '1000 = 1.67 kg

s

De waswaterstroom bedraagt dus ook 1.67 kg/s voor een waseffecti-v1te1t van 99%.

Volgens Perry [8J voldoet het standaard Dorr-Oliver Vacuumf11ter

met een filterdoeklengte van 16 ft , en een d1ameter van 12 f t . De

slurr1e wordt n1et gewassen. Stellen we dat er alleen lucht door

de ' gedroogde' koek wordt aangezogen, dan 1S er een luchtdebiet

van 0.75 m3_{/s b1J een druk van 0.6 bar door het filterdoek; dit}

vere1st een compressor met een vermogen van 31 kW (zie 4.8). Het

vermogen nod1g voor de rotat1e van de trommel 15 te verwaarlozen.

( ( ( ( ( (

o

o

4.9. Neutralisatiereactor.

Om lozlng van de afvalstroom mogeliJk te maken v1ndt

neutral1sat1e plaats . De neutral1sat18 wordt verr1cht met de

loogoploss1ng d1e resteert U1t de loogreactor en met kalk. Er lS gekozen voor een geroerde tank reactor met 1 m3 _{1nhoud. waaruit} een verbl1JftiJd van 140 s volgt. Het roerdervermogen lS 0.7 kW.

De afvalstroom bedraagt 7.71 kg/s en bevat:

o .

161 M 5042 -1. 22 mM Ca2₊ 4.59 g/l gl.pS (CaS04. 2H20). 81.3 mM Fe2 + 9 . 53 mM Fe:S+ 17

HOOFDSTUK 5: MASSA- EN WARMTEBALANS.

IN

Voor-

Massa -en

Retour

UIT

waarts

Warmtebal ans

(

tv1

Q

M

M

_M

_Q

Q

Q

( .., steenkool

)(1

1

...

t/m

3.17

0

...

4.16

0

_I~

wat~

....

lil1

(

cr

7,Q'1

0

(

111

R10

(

7.93

~

111

(

M15

3.06

loog

~

-58.8

(

Cl~'

,

4.81

-

--

--

-

---<J

_~

52.2

'--water (

3.06

409

14( _r zwaveizuur

0.03

0

~

-

..

R9

lucht

I

lucht

0.16

8

19

..

~

0.16

0

7.96

--LI-

--

-Q~

469.2

0.02

0

~en ~p

I~~

0.2'5

₀

₉₂

4.8

lucht _lU~

5.03

258.8

;~

..

-

R14

-

5.28

594.

-

.

o

0

838.1

-

-,.-

-

-

-

-

-

~

7.98

18 88~. 8 I (

(

0.14

(

c

₀

(

1.67

( (

0.002

(

c

(;

18.042

(î

7.98

-\----

-

4

884.8

388.9

.~

JO

-

_R16

8.12

32

1270.9

2.3

R19

l'

--:--8 __ 12

ge

1257.2

water

_M23

0

_I~

--

...

_{pyriet arme} ste~ ....,~

4.90

_-

_---QJ

~

905.3

~L

loog

2.81

L@

..

54.0

I~n

R24

0

.3.3

..

~

SP@-.

~I

""'

-2017 .3

~

Totaal

~

Massa in kg/s

Warmte in kW

0

0

4.89

7.712

18.042

Fabri eks v oor ontwerp

19

No:

2770

4

16

351.9

959.3

2017.3

' ) r0 o '")

A pparoo tsTroom

+

Componenten

kool -water ~;yriet ferri ferro sulfaat h;ydroxide gips

Totaal:

A

~~arootsrroom

~

Componenten

kool water Plriet ferri ferro sulfaat _hl:droxide gips -_._-

---Totaal:

M in kg/s

n

in

t

<

w

o

1'1 ex

M6 (11)

M

a

3.07

4.76

0.08

0.02

-7.93

ex

R16 (32)

M

Q

3.01

4.87

0.01

0.02

0.01

0.14

8.12

' )

'"

'"" '"'"\ 1""'1 1", I'"' I'"' -filtraat M15 (27) f i 1 t erko ek M

1 5 (1 7

~

ex

R9 (24)

ex

R14 (

29

)

M

Cl

M

Q

n

,

_t

M

Q

M

Q

3.07

I

3.07

3.07

3.05

1.71

4.78

4.73

_-

-0.08

0.08

0.01

._ -I

0.03

_-

_-

0.14

0.01

0.01

3.06

4.87

7.96

7.98

ex

R19 (36)

filterkoek

M23 (40)

filtraat

M23 (37)

ex

R24 (41)

M

Q

_M

_Q

_M

_Q

_M

_Q

3.01

3.07

4.87

1.81

_4.13

_7.52

0.01

0.01

0.03

_{- - - -}

0.03

0.03

0.14

_{- - -}

0.14

0.12

._-

--0.04

-

-

- -

-

-_

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

-

- -

_. -- --

-

--

-

---

-

-8.12

4.89

-

4.90

1.11

(

HOOFDSTUK 6: OVERZICHT SPECIFICATIE APPARATUUR. Apparatenlijst voor reaktoren, kolommen, vaten

---<- Apparaat No: R9 R10 R14 R16 R19

Benaming, groei- loogreactor microbilHe chemische chemische

type reactor oxidatie oxidatie oxidatie

( _{reactor reactor reactor}

Abs.#~3( 1 1 1 1 1 druk in bar temp. in oe 37 20 _{ca. 45} 70 70

c

Inhoud in m

3

200 200 200 200 200 Diam. in m 10 10 10 10 10 ( 1 of h in m 10 10 10 10 10 I Vulling: 1( ( schotels-aant. vaste pakking katalysator-type (

-

,

,

-

vorm

·

.

.

...

·

...

.

...

.

.

·

....

.

.

.

.

.

.

..

(

Speciaal te ge- beton met beton met beton met beton met beton met

, b:-uiken ::lat. coating coating coating coating coating

aantal

(

se=ie/~Z:%Z:l:Dll: 1 1 23 1 4

(l

3(

aangeven wat bedoeld wordt

(

( Apparaat No: R24 T21 ,

Benaming, neutralisa- gepakt bed

type ti ereac"tor ( Abs ."aX'UXt

*

1 1 druk in bar temp. in

°c

48 45 ( Inhoud in m

3

1 0.15 Diam. in m 1.08 1.13 1 of h in m 1.08 0.15 ( Vulling: 1( ( schotels-aant.

vaste pakking Berl-zadels

katalysator-

t

inch type (

-

,

,

-

vorm

· .

.

...

.

.

·

.

.

...

·

....

.

.

.

...

(

Speciaal te ge- ge~mai lle:erd geëmailleerd

'c::-uiken :nat. staal staal

aantal

( 1 1

-*

aangeven wat bedoeld wordt

(

Auuaratenlijst voor uomuen. blowers. komnressoren

---(

Apparaat No:

P11, P18, P20 r13

P17

P22

C12

Benaming, circulati e- vo edingspomp filtraatpomp voedingspomp compresaor

( _{type pomp}

filter M15 filt er M15 filter

M23

te verpompen st eenkool- steenkool- vloeistof steenkool- lucht

( medium slurrie slurrie slurrie

Capaciteit in

16

1.93

3.06

_7.93

5.19

x~~ni kg/si[ ( Dichtheid

1146

1146

1000

1146

1.22

in kg/m

3

Zuig-/persàruk ( in bar(abs.H

1/3

1 /1.2

1 / 1.05

1 / 1.2

1 / 2.2

db.") temp. in

°c

24.6, 10, 10

24.6

24.6

10

in:

25

iJlx-kjl:i;i uit:

96

( Vermogen in kW

9 / 11

0.08/0.10

0.18 / 0.23

365 / 456

theor. / prakt.

0.18/0.23

Speciaal te ge staal met staal met staal met staal met staal

bruiken mat coating coating coating coating

aantal

~:~:~.fj1"1'R

6

1

1

1

1

o

*

aan~even wat bedoeld wordt

(î

(

-

--( _{Apparaat No:}

M15

M23

Benaming, vacuüm vacuüm

I

( type trommelfi 1 ter trommelfi 1 te t'

Capaciteit

I

I (

kg/a

i

7.93

7.93

I I Abs .X!ZX'XaCOc

*

druk in bar

0.6

0.6

temp. in

°c

24.6

24.6

XilhPli3r~

D:

3.6

m

3.6

( %s:€ afmetingen

L:

4.8

m

4.8

A:

54.2

m

2

54.2

in m

*

( aantal serie/parallel

1

1

vermogen

(kW)

31

31

(

c

o

*

aangeven wat bedoeld wordt

(î

( ( ( ( ( ( ( (

Technische Hogeschool Delft Afd. Chemische Technologie

Fabrieksvoorontwerp No: 27.70 . .

Datum: • janua.ri

j989 . . . .

On tworpen door : poye;r-d.e/.Ru.i .igz:o~ ~~Et:n:~Y!I§'§E;~MESPE;fIKI!S?:~IE;!?~N2

Apparaatnummer : H. 8

_·

Aantal

: . 1 .

X)[I::i:a::Jcp :ma~lha:! ~

ALGEMENE EIGENSCHAPPEN : Funktie

_·

_{· ·}

_{· ·}

_{· · ·}

: Heat er Type

.

_{· · ·}

_{· · · ·}

_·

_·

: :klm *UU:JlI:XS:'I'l'l'Jzaa .. :* ~ Kondensor ~

Uitvoering

_·

_·

_{· · · ·}

: met vaste pijpplaten* n""JlTi1!(~ i .. na lI!Jlllm flil~\ill!i:1I 1~1:i~ :;rIml!DSi 8'1* iii&i.1:illli'l~ Positie

_·

_{· · ·}

_{· ·}

_·

_·

:

horizontaal~

*

Kapaciteit

_·

_{· · · ·}

_·

_·

_{· ·}

_·

_·

_{· ·}

:

_·

_409·

_{· · ·}

.kW (berekend) Warmtewisselend oppervlak

_·

_·

_·

_{· ·}

_{· · ·}

:

_·

2.,46.

_·

_{· · ·}

m (berekend) 2 Overallwarmteoverdrachtscoëfficiënt

_·

_{· ·}

:

_·

1.311

_·

_{· ·}

• WIm K(globaal) 2 Logaritmisch temperatuurverschil (LMTD)

_·

:

_{· ·}

1 ~1

_·

_{· ·}

_{· ·}

°c

Aantal passages pijpzijde

_{· · · ·}

_·

_{· · · · · ·}

: 2 Aantal passages man te lz ij de

_·

_·

_·

_{· · ·}

_·

:

_·

_{· ·}

1 Korrektiefaktor LMTD (min. 0,75).

_·

_·

_{· ·}

:

·

_{· ·}

1

Gekorrigeerde LMTD.

_·

_·

_·

_·

_{· · · ·}

_{· ·}

:

_{· ·}

121

_{· ·}

_{· · · ·}

oe

BEDRIJFSKONDITIES :

Mantelzijde Pijpzijde

Soort fluidum

_·

_·

_{· · · ·}

_·

_·

_{· · ·}

_{· · · · ·}

_·

_·

• sjiopm.

_{· · · · · ·}

water

_{· ·}

_{· ·}

Massastroom

.

_·

_{· ·}

_·

_{· ·}

_{· ·}

_·

_·

_·

_·

_{· · ·}

_{· · ·}

.kg/s

_·

0.)8.6

_·

_·

_·

~-95.

_{· · ·}

Massastroom te

~emu/kondenseren~

_{· ·}

_{· · · ·}

.kg/s

_·

9_.

18.6

_·

_{· ·}

_·

_{· · ·}

_·

Gemiddelde soortelijke warmte

_{· ·}

_·

_{· · ·}

_{· ·}

.kJ/kg· e 0

_·

_{· . . · ·}

_{· ·}

_·

4.1

8

_·

_{· ·}

Verdampingswarmte

_{· · ·}

_{· ·}

_·

_·

_·

_{· · ·}

_·

_·

_·

kj/kg

_·

;22PO.

_·

_·

_·

_·

_·

_·

_{· ·}

Temperatuur IN

_{· ·}

_{· ·}

_{· · ·}

_·

_{· · ·}

_·

_·

_·

.oC

·

· 190.

_{· ·}

_{· ·}

_·

2~.?

_·

_·

_·

Temperatuur UIT

_{· · ·}

_·

_{· · · · · · ·}

_{· ·}

.oe

_·

·

1.34.

· ·

_·

·

.5?

_{· · ·}

Druk

. .

. · · · · ·

_·

_·

_·

_·

_·

_·

_{· · ·}

_·

_·

_{· ·}

bar

_{· ·}

.3

.

.

.

·

_·

·

7

_·

·

_{· ·}

Materiaal

_·

_·

_{· ·}

_{· ·}

_·

_{· ·}

.st.a.a.1 staal

_{· · · ·}

_·

*

Doorstrepen wat niet van toepassing is

( ,-. ( ( ( r' \. r , C ( Cl

0

HOOFDSTUK 7: ECONOMISCHE ASPECTEN.

7.1. Berekening van de kostprijs.

INVESTERING AFHANKELIJKE KOSTEN: 30 pachuca tanks: 2 trommelf1lters: beton: coatlng: funderlng: compressor: neutral1sat1ereactor: 6 c1rculat1e pompen: 3 transport pompen: heater: gepakt bed: tot.aal: 4000 kf 750 kf 400 kf 1000 kf 600 kf 80 kf 55 kf 13 kf 17 kf 10 kf 6925 kf De Lang-factor bedraagt 3.12 en 1S berekend met de

methode van Holland op basls van gegevens van

eh i 1 ton [12]. Totale lnvesterlngskosten: 21606 kf JAARLIJKSE KOSTEN: Elektrlcite1t (8760 h) : 2 trommelfilters: 62 kW compressor: 456 kW

6 clrculatlepompen chem. reactoren: 66 kW

2 transportpompen: 0.18 kW

transportpomp filtraat: 0.09 kW

roermotor neutrallsatlereactor: 0.7 kW

totaal verbrulk: 584.97 kW

totaal: 5.124E6 kWh à fO.19/kWh Hulpstoffen:

water 299E3 t /y à fO.50 / t 149 kf

zwavelzuur 867 t /y à f150.-/t 130 kf kalksteen 701 t /y à f16.- / t 11 kf stoom 10.3E3 t /y à f42.50/t 437 kf totaal: 26 974 kf 727 kf

( ( ( ( (

c

o

Personeelskosten: Wessel-relatie [12J: (k=1.7) manuren ton = k.aantal stappen = (cap./dag)0 .76 6 1 7·--...,~ . 274°·76 = 0.143 Dit getal moet voor een volcontinu dlenst met 1.5 vermenlgvuldlgd worden zodat het werkelijk aantal manuren per ton 0.215 bedraagt. Per Jaar betekent dlt 21500 manuren. wat een personeelsbestand van

11 personen vraagt (biJ een 38-urlge werkweek)

Het loon bedraagt 65 kf per Jaar (bruto). totaal:

Rente (6% van de lnvesterlngen): AfschriJvingskosten:

De afschrljvlngsduur wordt geschat op 10 Jaar en

volgens de methode van de rechtliJnlge

afschriJVlng bedragen de kosten per Jaar van de lnvesterlngen:

Onderhoud (5% van de lnvesterlngen): Kosten van lozing van afvalstroom [2]: Totale Jaarlljkse kosten:

dus 10% (7.1) 715 kf 1296 kf 2161 kf 1080 kf 1500 kf + 8453 kf

De kostprlJS van het ontzwavelen van de steenkool bedraagt

f84.53/t .

PrlJZen ziJn volgens Webci [13J en naar prlJSopgave van IWACO.

7.2. Berekening van de kostprijs bij

installatie zonder uitbreiding.

gebruik van een

Andere ontwerpers [1,2J gaan Ult van een installatle met enkel mlcrobiële voorrelnlging. Om een dUldeliJk beeld te krlJgen van

de kosten verbonden aan de ultbrelding bestaande Ult de

loog-reactor, trommelfilter en chemlsche reactoren, lS een berekenlng gemaakt van de kosten van zo'n installatie.

Onderstaande tabel geeft het verschll ln samenstelllng van de

afvalstroom:

l

(

c

,-,

lnstallatie met zonder ultbrelding

K+ / Na'- 1261 t /y 1261 tly

Sulfaat 4409 t /y 5329 t l y

IJzer 1047 t /y 1047 t /y

Calcium 280 t / Y.. 750 t / Y..

totaal 6997 t /y 8357 tly

Het bedrag voor lozlng van de afvalstroom van de lnstallatie

zonder uitbrelding is berekend naar het aantal ton zout dat per

Jaar meer wordt geloosd. Dlt is 20%, en het bedrag komt daarmee

op 1800 ki'/y.

Andere signiflcante wljzlglngen bestaan Ult het grotere

lucht-debiet (20% meer om 6 reactoren op mlnimum suspenderlng te

beluchten). De personeelsbezettlng is hetzelfde genomen omdat er

bij continu dlenst minstens 2 personen aanwezlg dlenen te zijn.

INVESTERING AFHANKELIJKE KOSTEN: 30 pachuca tanks: 1 trommelfilter: beton: coating: fundering: compressor: neutralisatiereactor: 1 transport pomp: heater: gepakt bed: totaal:

De Lang-factor bedraagt weer 3.12. Totale lnvesterlngskosten: JAARLIJKSE KOSTEN: Elektriciteit (8760 h): 1 trommelfilter: compressor: 1 transportpomp: roermotor neutralisatiereactor: totaal verbruik: totaal: 5.124E6 kWh Hulpstoffen: water 204E3 à i'0.19/kWh t / y à i'0.50 ft 28 4000 ki' 750 ki' 400 ki' 500 ki' 720 ki' 80 ki' 9 ki' 17 ki' 10 ki' 6486 ki' 20236 ki' 31 547 kW kW 0.09 kW 0.7 kW 784.79 kW 101 ki' 964 ki'

(

c

c

( ("

C

'

zwavelzuur 1807 tly à f'150.-/t 271 kalksteen 1878 t Iy à f'16.- I t 29

stoom 4.5E3 tly à f'42.50/t 190

tot.aal:

Personeelskosten:

Rente (6% van de investerlngen) :

AfschrlJVlngskost.en (10% van de lnvesteringen): Onderhoud (5% van de investerlngen):

Kosten van lozlng van de afvalstroom: Tot.ale Jaarlijkse kosten:

29 kf' kf' kf' 591 kf' 715 kf' 1214 kf' 2024 kf' 1012 kf' 1800 kf' 8320 kf'

( ( ( ( ( (,

o

(i HOOFDSTUK 8: DISCUSSIE.

Uit de berekenlng van de kostprlJS (Zle hoofdstuk 7) bliJkt dat

lnstallatie en bedrlJven van de uitbreldingen (loogreactor,

trommelfilter en chemlsche reactoren) geen slgnlficant verschil

ln de kostprlJS geeft. Een posltief aspect van de uitbreldlng lS

een aÎvalstroom die mlnder zouten bevat en de vermlnderde kans op de vormlng van neerslagen tiJdens de procesvoering.

Elke procent zwavelreductle is goed voor een meerwaarde van DM

11.= per ton steenkool. Vermlnderlng van het pyritisch

zwavelgehalte van Monopol steenkool met 90%, geeft een meerwaarde van ongeveer f14.50 per ton steenkool.

De volgende voordelen ziJn aan het proces verbonden: De verbrandingswaarde van de

naar 24 MJ/kg.

Er komt mlnder zwaveldloxlde

van de steenkool.

steenkool neemt toe van 22.37

en as vrlJ blj de verbrandlng

Negatleve aspecten van het proces ziJn:

De zure steenkoolslurrle is extreem corrosief. Dit is wel

bewezen met het feit dat zelfs Hastelloy oplost ln dit

medium.

Er ziJn hoge kosten verbonden aan het transport, aangezien

er 35 gew.% water vervoerd wordt.

Er komt een afvalstroom vriJ dle veel sulfaat en ijzer

bevat.

De lnstallatle lS relatlef groot.

Er wordt slechts 60% van de totaal aanwezlge zwavel

verwlJderd.

De berekende prijs van f84.53/t is beduldend hoger dan P. Bos e.a

[ 1 J berekenen voor een installatie met dezelfde capacitelt:

tussen f40.- en f61.- per ton. In onderstaande tabel staan de

hoge schattingen van de Jaarlijkse kosten van de Bos-lnstallatie.

<. ( ( ( ( ( (

c

(î

c

rente en afschr1JV1ng water en chemlcal1en

elektro verbruIk (3.82E6 kWh)

onderhoud

personeelskosten

totaal JaarliJkse kosten

schatt1ng (kf') 2600 225 725 750 1800 6100

Het versch1l 1n kostpriJs volgende factoren:

wordt grotendeels veroorzaakt door de

Rente, afschriJV1ng en onderhoudskosten van de

Bos-1nstallatie lIggen 857 kf' lager, dIt door de lager geschatte

1nvester1ngskosten (15 Mf').

De kosten van hulpstoffen worden door P.Bos 400 kf' lager

geschat. Dit wordt veroorzaakt doordat de slurr1e 1n de Bos-1nstallatie n1et wordt opgewarmd.

Het electricIteitsverbruik van de Bos-1nstallat1e llgt 249

kf' lager; door het lagere pyr1etgehalte van de steenkool is

er mlnder lucht, dus mlnder energ1e voor de compressoren

nodig.

P. Bos berekent geen kosten voor lozing van de afvalstroom.

De personeelskosten van de Bos-1nstallat1e

hoger.

llggen 1085 kf'

Sommatie van deze verschillen geeft een verschil van 1921 kf' in

de jaarlijkse kosten.

Tegenwoordig bestaat de mogelijkheid steenkool centrales ui t te

rusten met een rookgas-ontzwavelingsinstallat1e. Een dergelijke

1nstallatie verwiJdert 85 tot 90% van de gevormde zwaveldlox1de

en produceert

kosten liggen op ongeveeq f'80.-/t.

gIps Voor

(95% zuiver) [14J. De

steenkool centrales met

een grote capac1te1t 1S ~lt een reële Oploss1ng.

( (

c.

( ( (

c

(

o

( HOOFDSTUK 9: SYMBOLENLIJST. Symbool OmschriJvlng A b oppervlak

hoeveelheld droge stof per m3 _vloeistof

c lokale volumefractle vaste stof

c

c

-p C P d d P D g H

.:lH

k kla L n n c p

gemlddelde volumefractle vaste stof soortelijke warmte

gemlddelde soortellJke warmte roerderdiameter

deeltJesdlameter tankdiameter

versnelling van de zwaartekracht hoogte reactor enthalpleverschll reactlesnelheldsconstante overall stofoverdrachtscoëfficlënt lengte reactor aantal reactoren

roersnelheid voor JUlst volledig suspenderen druk p druk na compressle compr p omgevlngsdruk o

Ap

drukval p P pot Q w r + rH vermogen potentleel vermogen warmte stroom reactiesnelheid zuurproductlesnelheid tljd koekvormlngtiJd trommel rotatietiJd teemperatuur

v volumefractle water ln de slurrle

v 9 V W 1 superflciële gassnelheld volume work lndex speclfleke koekweerstand 32 Eenheld kg Im= J/kgK J/kgK m m m m J/kg m N/m2 N/m2 N/m2 N/m2

w

w

w

mol/s s s s mI s J/kg m/kg

(

E koekporosltelt

~

V1scosltelt van de vloelstof Pa.s

(

15

Vlscoslteit van de vaste stof Pa.s

l

tot totaal rendement

,

aemlddelde Vlscoslteit Pa.s

\

converSle

(

p

dlchtheld vloelstof kg /m

3

f's

dlchtheld vaste stof kg /m3

~p

dichtheldsverschil kg/m3

p

gemlddelde dlchtheid kg/m3

( T verbliJftlJd per reactor 5

2m massastroom kg/s 2v volumestroom m3/s ( ( ( (

c'

o

33

( ( ( ( ( ( (

o

c

[ 1 J [ 2 J HOOFDSTUK 10: LITERATUUR P. Bos. T.F. Huber, C.H. "Mlcroblele voorreinlglng Zeist, Delft, mei 1986.

Kos, H.J. Dodderna. Rapport:

van steenkool", TH Delft, TNO

M.Beyer, M. Pietsch, T. Tebrtigge, Projekt: Mlkrobielle

kohleentschwefelung, KEG EN3F-0029-D(B), "Mikroblelie pyrit-entfernung aus kohlen", Statusberlcht zur technlschen und

wlrtschaftlichen feasibility. Bergbau-forschung GMBH,

Fach-abteilung Entsorgungstechnik.

[3J F.C Boogerd, P. Bos, T.F. Huber, TUD en IWACO. "Microbial desulphurlzation of coal", LBV, 1988.

[4 J G . Schreurs en M. Nleuwenhulzen. "Mlcroblele

steenkool-[ 5 J

ontzwavellng", fabrieksvoorontwerp nr. 2544, 1983, TH Delft.

J.M. Srnith, E.Starnmers,

transportverschi.Jnselen", schappiJ, Delft.

L.P.B.M. Janssen, "Fysische

1984, Delftse ultgevers

maat-[6J W.L. McCabe, J.C. Smith, P. Harriott, "Unit operations of chemical englneerlng", 4th _{Edition. McGraw-Hill. New York.}

1985.

[7J H.B. Gala, R. Venkatadri. ln fine coal dewatering",

Englneerlng, Unlversity

pro.Ject funded by the DOE/PC/42302-T5

S.H. Chlang, "Use of surfactants Department of Chemlcal/Petroleurn

of Pittsburgh, 1986. Research

U.S. Department of energy, nr.

[10J G.J. Kok, P.L. Zuideveld, "FYSlsch-technische scheldingsm-ethoden", Delftsche UitgeversmaatschapplJ B.V., Delft, 1973, blz.294.

[8J R.H. Perry, C. H. Chilton, "Chemlcal Englneer ' s Handbook",

( ( ( ( ( ( ( (

c

lnternatlonal student edltion, fifth edltlon, McGraw-Hill

internatlonal book company, London, 1974, pag. 19-77.

[9J "Apparaten voor de proceslndustrle", concept deel 3 :

Apparaten voor de lmpulsoverdracht, T.H. Delft.

[10J R.C. Weast, "Handbook of chemlstry and phySlcs", 67th ed., CRC press. (algemene informatle).

[llJ Diktaat "deeltJestechnologle I", TU delft, facultelt der

Scheikundige technologie.

[12J Prof. ir. A.G. Montfoort, "De cheml s che fabriek", deel 11: Cost englneerlng en economlsche aspecten, T.U. Delft, 1986.

[13J Webci/Wubo, 1988.

prijzenboekJe, 13- ed. ,DACE, Leidschendam, mei

[14J "Flue gas desulphurization", Hoogovens folder ter promotle IFO proces.

group, ESTS B. V.,

[15J R. KleijntJens, "Vergelijking van de drle fasen (S-L-G)

pachuca reactor met andere drie fasen systemen aan de hand

van fysisch technologische kriteria", voortgangsverslag

proJect BT 3024 december '87 -januari '88), T.U. Delft,

Faculteit der Scheikundlge technologie en der

MaterlaaI-kunde, vakgroep bioprocestechnologie.

[16J C. Buurman, "Roersnelheid bij hoge slurrleconcentraties",

i2_{-Procestechnologie, Ingenieurspers B.V., Amsterdam,}

oktober 1988 (10), pag. 21-24.

<..

BIJLAGE 1: DEELTJESGROOTTEVERDELING -32 HESH STEENKOOL.

( -.Ga -.cm

/Î

( J:ID...M _LEG~'"D J~ ~=N\Jmba-

lK

I1

I

~ - Va lw::rla

~!)i

..

..

I~I

III

I I

(

.,

1 I1

l/

III

10

:;

.

I at

~

~ 10 ~ I ~ (

.,

_J

70

.,

I)~

_)V

:KJ

ti

. /

( 40

V

~ 30

V

,~~

I

za

[7

ll)

10 ) ~ " 10

/

.X'

I

:t

)

. j 7

(

z

/

1 ~ 0,.:,0 ~ Q.a)

t;

( o.m _ ; ~ o.m ~ Q.D1

c

1

o

36 (

, ) _J , 1 ,~ r 1 ,

,

["eet of $ollel ConcenuaUon In the SIur1 eNt FI1 tr. tt on .neI Dhaterlng Chuacterhtlcs

of -32 Mesh Plttsburgh .... lruc.ton Kin. CoII Applltd VacUUl • 40-43 kPa

~I,tntls of Cat. • 0.029 to 0.03Z • Dlueter of Cakt • 0.048 _

,

t&perl-.nt Solld Concentr.tlon Av.rag. Cat. Speet,t, Fllt.r KedIUi S Hoistur. Content

or

th. Cak. at

NuDbtr IR the Slurr" Poroltty Fonaatloft Cak. Rellsf3nc •• AI kg ~ater/k9 dry c011

C. tg "al/kg water c TI.. RtSh~.ncl. 10

1/-Secl P, la _/kg

.JL

L

-L.

.J.Q..

..lL

17 0.246 0.494 72 2.58 2.69 73.4 44.0 41.9 39.5 38.1 lt. u.242 0.41V 73. 2.90 2.50 69.0 52.2 48.1 Cl.6 41.2 l1 0.332 0.415 47 I.alll 2.1t1 68.0 JtI.5 l3.5 29.8 26.9 w 3d U.34b 0.456

u·

2.03 2.32 63.0 40.1 35.9 32.2 31.6 -...J 19 0.334 0.439 55 2.11 2.44 SII.t 40.2 l5.9 32.2 30.9

.1 U.444 U.430 47 Z.U 3.16 56.7 29.7 25.8 23.6 23.0

48 0.442 0.418 37 I. al 2.n 53.t l4.0 29.0 25.8 24.a 50 0.4Cl 0.468 35 1.94 3.26 66.1 41.0 35.0 29.7 28.3 4l 0.485 0.446 33 1.10 2.n 60.5 31.1 :a.1 24.4 12.2 44 0.486 0.451 33 1.61 2.87 61.8 JO.2 25.0 22.8 22.3 45 0.498 0.452 35 1.46 3.01 61.t JO.8 25.9 23.5 22.8 52 0.538 O.UO 33

2.29

J.1t 59 •• J2.1 21.5 24.3 23.1 5l 0.U7 0.441 2t 1.97 J.04 59.3 31.7 26.6 23.7 22.0 S. 0.518 0.410 31 2.29 2.96 52.3 JO.6 26.5 23.3 22.3 .In Ol

....

L! l '

È1

tri N

I

en

'IJ

....

l '

~

tri 1-1 Q

~

en

~

"ti

~

I w N

f}j

en

::r:

~

o

o

l '