Industriele koelsystemen: milieu-aspecten en kosten

Directoraat-Generaal Rfjkswatersl

Industriele koelsystemen: milieu-aspecten en kosten Een rapport van IMET en RIZA Notanr. 92.005

RIJKSINSTITUUT VOOR INTEGRAAL ZOETWATERBEHEER EN AFVALWATERBEHANDELING te LELYSTAD INSTITUUT VOOR MILIEU- EN ENERGIETECHNOLOGIE te APELDOORN

INDUSTRIELE KOELSYSTEMEN: MILIEU-ASPECTEN EN KOSTEN

Een rapport van IMET en RIZA RIZA-notanummmer: 92.005

• *

*

Instituut voor Milieu- en Energietechnologie TNO (IMET)

TNO-Milieu en Energie

Laan van Westenenk 501 Postbus 342 7300 AH Apeldoom Telex 36395 tnoap nl Fax 0 5 5 - 4 1 98 37 Telefoon 055 - 49 34 93

TNO-rapport

Document koelsystemen

Referentienummer

91-3(11

Dossiernummer

1 12322-22517

Datum

a u g u s t u s 1991

NP

Auteur Ir. J . W . A s s i n k

Trefwoorden

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/o( openbaar gemaakt door middel van druk. fotokopie, microfilm ot op welke andere wijze dan ook. zonder voorafgaande toestemming van TNO.

-

industriele koelsystemen koelwatersystemen luchtkoeling waterbehandeling

-

milieu-effecten

Bestemd voor RIZA P o s t b u s 17 8200 A A Lelystad

Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor Onderzoeksopdrachten aan T N O , dan wel de betreffende terzake tussen partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is to«gestaan

«TNO

Ned-dandse orgamsalie voor loeg_p_sl-nat__rweten_ch_ppelijk onderzoek TNO-Milieu en Energie stell zich ten doel om. gebaseerd op de noodzaali van een duurzame ontwikkeling van de maatschappij. door middel van onderzoek en edvisenng txj le dragen aan een goed milieuDerieer, een verantwoord energiegebruik en een doelmatig beheer en gebruik van de ondergrondse natuurll|ke hulpbronnen

TK#

Op opdrachten aan TNO zi|n van loepassing de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdracriten aan TNO. zoals gedeponeerd b»i de Arrondissementsrechibank en de Kamer van Koopnandel le s-Gravenhage

VOORWOORD

In diverse beleidsnota's en recentelijk in de Derde Nota Waterhuishouding is aangegeven dat de bescherming van aquatische ecosystemen vooral moet worden gerealiseerd door bestrijding van de verontreiniging aan de bron. Hiertoe dienen bij de vergunningverlening in het kader van de Wet verontreiniging oppervlaktewateren de mogelijkheden om de emissies te beperken te worden beoordeeld. De emissies die vanuit industriele bedrijven plaatsvinden, komen voort uit specifieke procesonderdelen, die over het algemeen veel aandacht krijgen bij de vergunningverlening. Ook voorzieningen die vrij algemeen aanwezig zijn, leveren echter emissies op. Van deze algemene voorzieningen blijken in de praktijk meerdere varianten voor te komen, die elk hun eigen gevolgen hebben voor de emissies naar het milieu. In het kader van een verhoogde aandacht voor echte bronmaatregelen i.e. de "Preventie" van emissie en afvalstoffen ligt het voor de hand dat extra aandacht wordt gegeven aan de aard van deze, min of meer vanzelfsprekend aanwezige, voorzieningen. In dit rapport is een overzicht gegeven van koelsystemen die bij de industrie worden toegepast, de milieu-aspecten in brede zin en de kosten. Met behulp van dit rapport kan een indruk worden verkregen van de te verwachten emissies van het aanwezige of voorgestelde koelsysteem en van eventueel mogelijke alternatieve systemen. Bij de keuze van alternatieve systemen dient niet uitsluitend rekening te worden gehouden met de afvalwateraspecten, maar met alle milieu-aspecten. Hiertoe zijn in het rapport gegevens over emissies naar lucht en over vaste afvalstoffen in het rapport opgenomen. Milieuvriendelijke alternatieven kunnen dan aan de vergunningaanvrager worden voorgesteld. Het rapport bevat ook basis-informatie om een indruk van de mogelijke financiele consequenties te krijgen, hetgeen voor een inhoudelijke discussie met de vergunningaanvrager nuttig kan zijn. Het rapport is in opdracht van het RIZA samengesteld door TNO (IMET) en dit is begeleid door L. P. Ham en ondergetekende. De ontwikkelingen aan industriele koelsystemen gaan door; het rapport is daardoor een momentopname. Dit rapport bevat evenwel veel nuttige informatie en ik vertrouw erop dat het goed bruikbaar is en in een behoefte van (WVO-)vergunningverleners voorziet. Een uitvoerige beschouwing over de toelaatbaarheid van toevoegingen aan koelwater is gegeven in RIZA werkdocument 91.16x. Over andere voorzieningen zullen door het RIZA vergelijkbare rapporten worden uitgebracht. RIZA Afd. RAPT F. A. N. van Baardwijk.

TNO-rapport


Inhoudsopgave

91 301 <11__2_ 22.17

1

Doel en inkadering

3

2

Basisbeghppen en typen koelsystemen 2.1 Doel van koelsystemen 2.2 Reaiisatie koeling en kernbcgrippen bij sysleemontwerp 2.3 Gebruikelijke toepassingsgebieden koelsystemen 2.4 Koelwatersystemen 2.5 Lucht- en oliekoeling

4 4 4 6 6 8

3

Inzetbaarheid koelsystemen 3.1 Praktische inzetbaarheid koelsystemen 3.2 Gebruikelijke en verouderde uitvoeringsvormen 3.3 Koelmediagebruik 3.4 Recente ontwikkelingen

16 16 18 19 22

4

Selectiecriteria voor en installatie van koelsystemen 4.1 Criteria voor de selectie van een type koelsysteem 4.2 Hergebruik van warmte 4.3 Bij selectie, bouw en onderhoud betrokken bedrijven

25 25 26 27

5

Waterbehandeling en systeemreiniging 5.1 Algemeen 5.2 Doorstroomkoelsystemen 5.3 Open circulatiekoelsystemen met koeltoren 5.4 Gesloten circulatiesystemen en open systemen zonder koeltoren 5.5 Reiniging van koelsystemen

29 29 29 33 36 36

6

Relatie waterbehandeling met spui, systeem- en materiaalkeuze .... 38

7

Milieuconsequenties. emissies 7.1 Emissies naar het water 7.2 Overige aspecten

42 42 44

8

Kosten

46

9

Conclusies

51

10

Leveranciers

52

11

Referenties

53

12

Verantwoording

55

TNO-rapport


Doel en inkadering

RIZA signaleert vanuit haar dagelijkse praktijk van de vergunningsadvisering regelmatig dat binnen bedrijven verschillende technieken worden toegepast die eenzelfde doel hebben, maar zeer verschillende milieuhygienische gevolgen kunnen hebben. Een van deze technieken betreft koeling. Dit document poogt een overzicht te geven van de verschillende industriele koelsystemen. hun milieuconsequenties en kosten. Doel van het document is onder meer om RIZA een kennisbasis te bieden voor adviezen inzake de keuze c.q. de noodzaak en de mogelijkheden van vervanging van koelsystemen. In dit document wordt met name aandacht gegeven aan de kleine tot grote industriele systemen voor het (indirect) afvoeren van overtoilige warmte uit allerhande apparaten en processen en de eventuele alternatieven daarvoor. Weinig of geen aandacht wordt gegeven aan zeer grote koelsystemen (bijvoorbeeld koeltorens bij electriciteitscentrales), airconditioningsystemen. compressiekoelsystemen, directe waterkoeling en de daaruit voortkomende waterverontreiniging (bijvoorbeeld bluswater, boorolie-emulsies. gecombineerd koelen waswater c.q. proceswater in de levensmiddelenindustrie. papierindustrie en dergelijke).

91 301.112322 22517

TNO-rapport


Basisbegrippen en typen koelsystemen

2.1

Doel van koelsystemen

Koeling van processen, processtromen, apparaten of produkten wordt uitgevoerd om technische. economische en/of praktische redenen. Een koelsysteem is er op gericht warmte te verplaatsen van een bron (plaats van ontstaan) naar een uiteindelijk ontvangend medium ("heat sink" bijvoorbeeld de atmosfeer, het oppervlaktewater of eventueel het grondwater). Soms kan de vrijkomende warmte ook direct of indirect worden hergebruikt binnen het bedrijf of in de directe omgeving ervan.

2.2

Reaiisatie koeling en kernbegrippen bij systeemontwerp

Koeling wordt binnen industriele bedrijven in het algemeen gerealiseerd door een koelmedium langs een speciaal voor warmteuitwisseling bestemd oppervlak te laten stromen. Daarnaast kan koeling worden gerealiseerd door het koelmedium rechtstreeks met het te koelen produkt of de te koelen processtroom in contact te brengen. Er is een principieel onderscheid te maken tussen directe koeling en indirecte koeling. Bij directe koeling wordt het koelmedium, in het algemeen lucht of water, nadat het warmte heeft opgenomen direct afgevoerd in de atmosfeer of geloosd op oppervlaktewater. Het koelmedium is bij directe koeling dan ook het uiteindelijk ontvangende medium voor warmte. Lucht kan via natuurlijke convectie langs het te koelen object stromen. maar zal bij grotere warmtefluxen door middel van venlilatoren worden langsgeleid. Water zal vrijwel altijd door middel van pompen moeten worden langsgevoerd. Bij indirecte koeling wordt gebruik gemaakt van een "tussenmedium' dat langs het te koelen object of oppervlak wordt gevoerd. De hierin opgenomen warmte wordt via een tweede warmteuitwisselend oppervlak (met een lagere temperatuur) afgegeven aan het uiteindelijk ontvangend medium. Soms wordt zelfs gebruik gemaakt van meerdere tussenmedia alvorens de warmte wordt afgegeven aan het uiteindelijk ontvangend medium. Als warmtedragend tussenmedium kan fungeren: — een gas (in het algemeen aan lucht, soms een inert gas zoals stikstof); — een vloeistof (meestal water, soms ook olie of een koelvloeistof); — een koudemiddel, zoals ammoniak (NH3) of Freon.

91 X I "2322 22-17

TNO-rapport


De afvoer/overdracht van warmte uit het warmtedragende medium naar het uiteindelijk ontvangende medium kan plaatsvinden via: — directe lozing (afvoeren van koellucht naar de atmosfeer of lozen van koelwater op oppervlaktewater), — onttrekking van warmte door verdamping van koelwater (belangrijk in koeltorens en koelvijvers; vaak wordt ca. 80% van de warmte zo afgevoerd); — warmteovcrdracht door convectie/conductie (in het algemeen aan met geforceerde stroming van beide media). In § 2.4 cn 2.5 wordt nader ingegaan op de verschillende uitvoeringsvormen van koelsystemen. Kcrnhegrippen bij een systeemonrwerp Het vermogen van een koelsysteem (P) wordt uitgedrukt in kW ol MW, ook wel aangegeven als de per uur af te voeren hoeveelheid warmte (Q) in kWh of .VIWh. Dit is een belangrijke parameter bij het onlwerpen van een koelsysteem. Voor een koelsysteem geldt (indien geen verdamping of condensatie van het koelmedium optreedt i. Mel een gasvormig medium: Viet een vloeibaar medium waarin: m C-

= =

c

=

T : -T|

=

P = m.c p .(T ; -T|) P = m.c.(Ti-T|)

[J/s of Wj [J/sofW]

massastroom koelmedi...! |kg/s] soortelijke warmte van het gas bij constante druk [J/kg.K]: voor lucht is cp ca. 1000 J/kg.K soortelijke warmte van de vloeistof [J/kg.K]; voor water is deze waarde ca. 4200 J/kg.K temperatuurtraject koelmedium [K].

Verder geldt: 1 kWh = 3600 kj. Per uur wordt een hoeveelheid warmte afgevoerd ter grootte van: Q = P.10-,[kWh] Of uitgedrukt in kiloJoules: 3.6.P [kJ], met P telkens gegeven in [W]. Indien in een koelsysteem c.q. koeltoren tevens verdamping van water optreedt. geldt als vuistregel dat per kWh (totale) warmteafvoer ca. 1,25 kg water verdampt: dit komt ruwweg overeen met \% van het waterdebiet per 6,5 a 7 °C lemperatuursdaling. Verder zijn bij de selectie/ontwerp van een koeltoren begrippen als temperatuurtraject en approach van belang: — het temperatuurtraject is het temperatuurverschil tussen het in- en uittredende water; ook wel koelbereik genoemd; — de approach (ook wel: koelgrensafstand) is het temperatuurverschil tussen het uittredende water en de laagst mogelijk bereikbare temperatuur: voor een natte' koeltoren is dit de zogenaamde natte bol temperatuur. terwijl dit voor een "droog' koelsysteem de luchttemperatuur is. De natte boltempcratuur wordt mede bepaald door de relatieve luchtvochtigheid.

9' 3 0 ' ' • 2 3 2 2 22517

TNO-rapport


2.3

Gebruikelijke toepassingsgebieden koelsystemen

Koeling kan op zeer uiieenlopende plaatsen in de industriele sector noodzakelijk zijn. Belangrijke voorbeelden van processen, bewerkingen en apparaten zijn: — Compressoren in lucht-. water- of oliegekoelde uitvoering; — Motoren (diesel- en gasmotoren. diesel- en gasaggregaten. turbines en dergelijke i. — Pakkingen en lagers, bijvoorbeeld bjj pompen voor media mei een hoge temperatuur; — Hydraulische systemen; — Vacuiimpompen; — Walsen en kalanders; — Condensors van koelmachines; — Condensors van destillatietorens; — Warm tew isselaars in procesinduslrie; — Exotherme chemische readies; reactoren; — Diverse produklieapparaten (lasmachines, boormachines. spuitgieimachmes. continu sterilisatoren. autoclaven. etc.); — Afkoelen en eventueel wasscn van produkten (bijvoorbeeld staal. conserven). De toepassingen liggen eveneens in zeer uiieenlopende bedrijfstakken: enkele voorbeelden zijn: Delfstoffen winning Voedings- en genotmiddelenindustrie, waaronder zuivelindustrie Textielindustrie Leder-, rubber-, en kunststofverwerkende industrie Papier- en kartonindustrie Grafische industrie. uitgevenjen Chemie- en aardolieindustrie Metaalindustrie. waaronder basismetaalindustrie Openbare nutsbedrijven. Ook in de klimaatbeheersing (airconditioning) wordt gebruik gemaakt van koelsystemen. In het algemeen opereren deze systemen op basis van de /elide technieken als bij de industriele koelcircuits. Aan het VQOI luchthevochtiging gebruikte water worden echter voor wat betreft de microbiologische kwaliteit strenge eisen gesteld, terwijl dosering van conditioneringschemicalien meestal niet is toegestaan.

2.4

Koelwatersvstemen

Koelwatersystemen onderscheiden zich door het feit dat water als primair koelmedium wordt gebruikt. Het grootste deel van de gebruikte koelsystemen behoort hiertoe.

91 30' " 2 3 2 2 22517

TNO-rapport


Hoofdtypen koelwatersystemen Koelwatersystemen kunnen worden onderscheiden naar twee hoofdtypen (figuur 1): a. Doorstroomsystemen, waarin hei water slechts eenmalig voor koeling duur het systeem wordt geleid; b. Circulatiesystemen. waarin water na afkoeling hergebruikt wordt; eventueel nader te onderscheiden naar: — natte c.q. open systemen (rechtstreeks contact tussen lucht en koelwater in een koeltoren) — droge c.q. gesloten systemen (indirecte koeling/warmteoverdracht). — gecombineerde en hybride systemen (dat wil zeggen een combinatie \ tn een nat en een droog systeem). In dc tiguren 2 t. m 10 zijn enige koelsystemen schem.itisch weergeven. Hergebruik van in doorstroomsystemen gebruikt koelwater kan economist!) aantrekkelijk zijn. In figuur 2 worden enkele mogelijkheden aangegeven voor hergebruik. In figuur 3 tot en met 6 worden 4 typen koeltorens voor open circulatiesystemen weergegeven. terwijl de belangrijkste methoden voor gesloten circulatiesystemen en gecombineerde systemen in figuur 7 tot en met 13 /ijn geschematiseerd. In tegenstelling tot een open circulatiesysteem komt het water in een geheel gesloten systeem in principe niet in contact met de lucht. Dit waler is zuurstofarm ofwel 'dood'; er wordt niet gespuid (zie ook § 5.4). De circulatiesystemen hebben, met name door het vergunningenbeleid en het regelmatig optredende kostenvoordeel. de eenvoudige doorstroomsystemen sinds ca. 1970 steeds meer verdrongen. Circulatiesystemen worden ook in indirecte koelsystemen gebruikt als een (gesloten) tussengeschakeld circuit tussen het te koelen object of proces en het cindkoclsysteem dat met bijvoorbeeld een mindere kwaliteit water werkt. Dit speelt vooral bij processen, waarbij eventueel lekwaier uit het eind-koelsysteem niei in het proces zelf mag terechtkomen (vergelijk voedingsmiddelenindustrie. kernreactoren). Ook wordt de voorkeur gegeven aan een gesloten. tussengeschakeld circuit als de temperatuur hierin relatief hoog is, vooral bij wandtemperaturen boven 80-100 °C. In plaats van water kan in een tussengeschakeld circuit o> een andere vloeistof worden gebruikt (bijvoorbeeld olie). Bronnen voor koelwater Het koelwater (of suppletiewater) kan afkomstig zijn uit verschillende bronnen. te weten: — Leidingwater: — Grondwater/bronwater; — Oppervlaktewater; — Halffabrikaat-water: — Condensaat; — Gezuiverd afvalwater/proceswater. Het gebruik van deze koelmedia en hun voor- en nadelen zijn in § 3.3 beschreven.

91 30' 112322 22517

TNO-rapport

Document koelsvstemen

In de praktijk wordt het koelwater veelal behandeld of geconditioneerd teneinde (zie ook hoofdstuk 5): — corrosie tegen te gaan; — de vereiste koelcapaciteit te behouden. — het aantal rcinigingsactiviieiten te verminderen/reiniging te voorkomen. Begrippen bij de beheersing van waterkwaliteit in circulatiesystemen In open circulatiesystemen wordt een belangrijk deel van de warmeteahoer verzorgt door verdamping van water. Naast verdamping (1 % van het circulerend debiet per 6 a 7 °C temperatuurdaling in de koeltoren) treden watervcrliezen op door zogenaamde wind- en spatwaterverliezen (tot max. 0,2% voor torens met een geforccerde trek, meestal echter ca. 0,01 % of minder). Het circulerende water zal door de verdamping indikken. waardoor zoutconcentraties in het koelwater toenemen. Om de koelwaterkwaliteit op voldoende niveau te houden c.q. de indikking le beperken. dient continue of periodiek een deel van het koelwater gespuid le worden. De verdampings-. wind-, spat- en spuiverliezen dienen gecornpenseerd te worden door aanvoer van water naar hel koelsysteem. Dit water wordt suppletie- of make-upwater genoemd. In formulevorm: Supplelie = Spui + Verdamping + Wind/spatverliezen. Door de indikking neemt de concentratie aan niet-vluchtige stoffen (met name zouten) in het koelwater evenredig met de indikkingsfactor toe. De indikking van het koelwater is gelijk aan de verhouding tussen de volgende stromen: Indikking = Suppletie/(Spui + Wind/spatverliezen), of ook wel: Indikking = Suppletie/(Supplelie - Verdamping). De relatie tussen waterkwaliteit, indikking, spui en waterbehandeling wordt verder besproken in § 5.3 en hoofdstuk 6.

2.5

Lucht- en oliekoeling

Als alternatief voor de open koelwatersystemen dienen de (direct of indirect) luchtgekoelde systemen. Toepassing van luchtkoeling is echter beperkt tot Mtuaties waarbij geen temperaturen beneden ca. 35 - 40 °C bereikt hoeven te worden. Onderscheid kan worden gemaakt naar de typen op basis van: a. Directe luchtkoeling, i.e. lucht wordt direct langs het te koelen object geleid en naar de atmosfeer afgevoerd. b. Indirecte luchtkoeling, i.e. koeling vindt primair plaats via een medium (bijvoorbeeld olie. inert gas, water), waarna dit koelmedium in een warmtewisselaar aan de lucht wordt gekoeld. Als water als primair medium wordt gebruikt. is dit koelsysteem identiek aan een gesloten circulatiesysteem (§ 2.4). Verder kan nog onderscheid worden gemaakt naar systemen met of zonder ventilator, in het laatste geval is sprake van windgekoelde systemen of van systemen met een natuurlijke convectie.

91 X I ' 12322 22517

TNO-rapport


Voor directe luchtkoeling geldt als voorwaarde dat de warmte relatief langzaam mag (of moet) worden afgevoerd en/of een voldoende groot warmteuitwisselend oppervlak kan worden gecreeerd. Omdat lucht een betrekkelijk slechte warmteo\erdracht en lage soortelijke warmte heeft. dient het warmteuitwisselend opperv lak aanzienlijk groler te zijn dan in een vergelijkbare situatie met waierkoeling. In bijvoorbeeld een droge koeltoren moet het oppervlak 10 tot 30 maal groter /ijn dan in een open c.q. nat systeem. Dit betekent dat voor een voldoende snelle warmteafvoer en compacte bouwwijze vaak relatief kostbare en kwetsbare koelribben worden aangebracht. Het benodigde grondoppervlak en het ventilatiedebiei is eveneens groter dan bij een natte koeltoren van gelijke capaciteit. waardoor de (overigens relatief geringe) energiekosten hoger liggen. In § 3.1 wordt nader ingegaan op mogelijke loepassingsgebieden voor luchtkoeling. Oliekoeling wordt hoofdzakelijk gebruikt in apparaten ol" processen. waarbij de optredende wandtemperaturen boven de 80 °C liggen en of een combinatie van koeling en smering gewenst is (vergelijk motoren). Ook wordt oliekoeling veel gebruikt in situaties waar het gebruik van water te grote risico's met zich meebrengt. bijvoorbeeld bij clektronische apparatuur en in chemische readies. Olie wordt gewoonlijk in gesloten koelsystemen toegepast; eventueel wordt het oliekoelsysteem als separaat circuit geschakeld tussen het te koelen object en een secundair koel(water)circuit. Het koelmedium heeft als voordeel dat in principe geen corrosie optreedt. dat het niet snel vervuilt en dus lang kan meegaan (vaak > 1 jaar). Daartegenover staat dat het duur is in aanschaf (zie hoofdstuk S). Hei koelmediumvolume blijft in de praktijk dan ook meestal beperkt tot maximaal enkele m3. Qua warmte-technische eigenschappen neemt olie een tussenpositie in ten opzichte van water- en luchtkoeling; het warmteuitwisselend oppervlak dient 2 tot 5 maal zo groot te zijn dan in vergelijkbare situaties met waierkoeling.

koelwatersystemen

'

1

. doorstroomsystemen l

t

T met leidingwater

circulatiesystemen

t

met grondwater

T

met oppervlaktewater

gesloten systemen

, open systemen

A /

_

hergebri ik voor ant ere doeleind en

- .

*

, lozing op oppervlaktewater

1

lozing

°.P nool.

Figuur 1 Overzicht koelwatersystemen [5]

91 X I " 2 3 2 2 22517

.

A£

lozing via negatieve bronnen

indirecte koeling met water, lucht of koelvloeistof van een koelmachine

zonder koeltoren

1 met koeltoren

TNO-rapport

Document

I • - . - » •

koelsxstemen

i»

r®, . - _ . « _ ! i act •*-...at*.

.-s>J-»

•

-?

'

'

1

• • * ; _ • •

.-*-»»

»

•

•o*.•»*.•*_•_•«,. H I M

-,

w

—

•*-.^**TWlj»'fJ«t*

0«rtift*u»M' - ' ! •

fr

r.

Li*

r__ii_-^ -o-." - * h

II «.

-__,

_

_.

^

'

r-Ktuul I

S —

- 4 4 . U

, .fs—' - . . .

'_C-_OI,

•••4

f,-_. -4-14

fr.

.("».>.€-

>i.a.'

Figuur 2

9' X ' ''2322 225'7

l°s

Diverse doorstroomkoelsysumtn met hergebruik van het koelwater (5/ a met leidingwaier h met ruw hrunwater c met behandeld hronwater ii met oppervlaktewater

10

TNO-rapport

Document

koelsvstemen

Lucht 4

i

1 Scui

Figuur 3

Koeltoren met natuurlijke trek u>pen urculatieswteem) [5)

__cnt uit

koelwater >n

»»»^>>»»>^>»> It

._cht in

___________

SS

I

-_C^t Tl

Koelwater u t

Spu.

Figuur 4

9' X ' ••2322 2 2 5 "

Koeltoren met geintroduceerde trek /open circulatiesysteemi [5/

11

TNO-rapport

Document

koelsxstemen

LuCTlt

Figuur 5

uit

Koeltoren met geforceerde trek lopen circulaiiesysteem) [5/

Oruppeivanger

Lucht uit

Lucht in

Figuur 6

91 X I ' - 2 3 2 2 22517

Koeltoren met ejectie topen circulaiiesysteem, klein) j5]

12

TNO-rapport


LUCHT

£>•<-_ K.e.p.KKn

»>»»»»>»»>»»»

X

a 1

^

~)

( (•

)

s~i ^

^

^

SUPPLETI.

'

1

V^-zr

—

•t

1

SPt;l

Figuur 7

Combinatie

van 2 gesloten koelststemen

met een open koelsy \ieem / 5 /

MEATtD AND MUMIOIFIEC AID OUT

0 « i " ELIMINATORS

/

wwwww

I

EXTERNA. AA'!:

/ / / / / / / / / / /

/

HEAT EXCHANGE CO;. >'•

^

CLOSE: CiRC_-r

| , r.

1

.

•

*

/ s» COL: *ATI.

T AIR IN - ^

A

SSATIR " *

AIR

/

•VMR

Figuur 8

•2322 2 2 5 ' 7

Verdampingskoeler met gesloten nsteem I gecombineerd systeem) [1/

13

TNO-rapport

Document koelsvstemen

AIR OUT

HOT WATER INLET rROMCONCENSE" MOTOR

•'

tiNNEO TUBE AIR.OOl.ED

NTERMEOIATE A A U a OlSTRIBUTlON BASIN

• COLDWATER B t t . O N TO R J M H l

Figuur 9

Een gecombineerde koeltoren mat droog), kruisstroom /Ij

"EATEO AIR OUT HNNEO TUBE AlRCOOLEO HEAT EXCHANGER BUNDLES

HATER DISTBIBUTION BASIN

RECIRCULATION WATER i_T WET BULB TEMPSIR-TUREI

Figuur 10 Een gecombineerd systeem I gesloten systeem, gekoeld met adiabatisi k i erzadigde lucht nabij natte bol temperatuur) /1 j

91 X I " 2 3 2 2 2 2 5 "

14

TNO-rapport

Document

koelsystemen

Critical !.*_• ioa3

Closed loop

uoei IOOD

Figuur 11 Fen combinatie inkruis

ian een gesloten en een open • .share situaties [7]

FILM-TYPE FILL PACKING

OlSTRIBUTlON IMPACT REGION

SPLASH TYPE FILL PACKING

i•

•

• K-

*•* .

_

Figuur 12 Schematische weergave n/ien koeltoren

. .

34

van een splash-rxpe en een tilm-r\pe pakkmg . <«ir t-en

[I]

• - V - ' - v v , :•'•:;-'

Figuur 13 Een droog koelsysteem met geforceerde trek tluchl gekoelde warmtewtsselaar) [2]

9' X ' "2322 2 2 5 "

15

TNO-rapport


Inzetbaarheid koelsystemen

3.1

Praktische inzetbaarheid koelsvstemen

De optimale uitvoeringsvorm van een koelsysteem laat zich per situatie het best afleiden uit een gedetailleerde analyse van de in § 4.1 genoemde criteria. In schema len 2 aan het eind van het hoofdstuk is een overzicht gegeven van de praktische inzetbaarheid van verschillende typen koelsystemen. Voor wat betreft koelwatersystemen kan men stellen dat deze systemen vrijwel universeel inzetbaar zijn. Belangrijke uitzonderingen zijn apparaten die voor water kwetsbaar of riskant zijn (bijvoorbeeld eleklrische apparatuur) en koelsystemen die op een hoog temperatuurniveau opereren (ca. > 80 °C). Open circulatiesystemen Ialen zich meestal als een economisch aantrekkelijke optie selecteren vanaf 100 a 200 kW. Daaronder zijn gesloten systemen of doorstroomkoeling vaak het meest aantrckkelijk. Doorstroomkoeling laat zich ook voor grotere capaciteiten als economisch meest aantrckkelijk systeem selecteren wanneer over grond- of oppervlaktewater van voldoende kwaliteit kan worden beschikt. Open systemen c.q. natte koeltorens kunnen worden gebruikt om het water af te koelen tot op 3 a 5 °C van de zogenaamde natte boltemperatuur. Voor wat betreft de keuze tussen een doorstroom- en een circulatiekoelwatcrsysteem zijn hieronder enkele voor- en nadelen van beide hoofdtypen aangegeven. .Si hema 3

Voor- en nadelen van doorstroom-

en

Voordeel

Nadeel

Doorstroomsysteem

relatief lage investering voor leidingwater: additieven niet of nauwelijks aanwezig, hergebruik water soms mogelijk; laagste temperatuur ca. 12 'C(grondwater); vrij lage operationele kosten; met uitzondering van leidingwater

hoge investering voor oppervlaktewater: grondwateronttrekkingen en -lozingen; afzettingen; corrosie bij oppervlaktewater en agressief bronwater

Circulatiesystemen

kwaliteit beheersbaar;

hoge investeringen, bij gesloten systemen; bij open systemen noodzaak tot spui; conditionering vrijwel altijd noodzakelijk: laagste temperatuur ca. 26 =C

relatief klein waterverbruik

91 X I " 2 3 2 2 2 2 5 "

circulatiekoelwaterswtemen

16

TNO-rapport


Luchtkoeling via een indirect systeem, dat wil zeggen een gesloten koelcircuit. wordt relatief veel toegepast in situaties waar contaminatie vanuit of naar de lucht moet worden uitgesloten (van belang bij bijvoorbeeld oliekoeling of bij sterke lokale luchtverontreiniging die in het koelwater kan worden opgenomen). Een andere overweging kan zijn dat in gesloten systemen minimalisatie van het waterverbruik mogelijk is (in situaties waar weinig water beschikbaar is of relatief duur; dit speelt sterk in bepaalde droge gebieden in het buitenland). Indirecte luchtkoeling kan in de praktijk een interessanl alternatief zijn voor capaciteiten lot ca. 500 kW. Dit. omdat de meerinvesteringen nog beperkt zijn en men het voordeel heeft van betrekkelijk lage kosten voor het koelwater; ook zijn nauwelijks of geen waterlozingen nodig. Daar tegenover staat dat droge koelsystemen gevoelig kunnen zijn voor luchtzijdige vervuiling en corrosie. zodat gericht onderhoud noodzakelijk is. Waierkoeling via een indirect systeem. dat wil zeggen via een tussengeschakeld koelcircuit, wordt gewoonlijk toegepast in situaties waar om redenen van veiligheid of hygiene geen koelwater rechtstreeks mag worden ingezet. Dit type systemen heeft verder geen directe bedrijfseconomischc voordelen ten opzichte van normale koelwatersystemen. Wel worden vaak om redenen van energiebesparing in grote (compressie(koelsystemen complexe systemen opgezet met een of meerdere gesloten koelmediumcircuits. Toepassing van directe luchtkoeling is in de praktijk beperkt tot situaties waarbij weinig (of slechts langzaam) warmte behoeft te worden afgevoerd en'of voldoende warmteuitwisselend oppervlak kan worden gecreeerd (dit vanwege de slechte warmteoverdrachtscoefficient en de lage soortelijke warmte van lucht). Vanwege de benodigde ruimte, de extra investeringen in een apparaat (voor koelribben en/of ventilator) en mogelijke brandwonden of mogelijke warmte-overlast op de •verkplek wordt derhalve vaak afgezien van directe luchtkoeling vanaf ca. 30 kW. Directe luchtkoeling is echter om zijn eenvoud interessant lot ca. 50 a 100 kW. mits geen "geconcentreerde' warmte behoeft te worden afgevoerd (zoals optreedi bij een kleine bouwgrootte van het apparaat) en mits geen relatief lage (wand)temperatuur moet worden gehandhaafd. De laatste jaren is de aandacht vanuit de chemische industrie voor luchtkoeling wat toegenomen. omdat er bij luchtkoeling in vergelijking met koelwatersystemen minder kans is op (extreem) hoge kosten als gevolg van storingen c.q. produktiestilstand. Ook andere nadelen worden vermeden. zoals pluimvorming en eventuele readies tussen koelwater en procesvloeistoffen als gevolg van de moeilijk uit te sluiten lekkages. Luchtkoeling speelt vooral bij kleine. mobiele apparatuur (waierkoeling is onpraktisch), electromotoren en koelmachines. Bekende voorbeelden van luchtgekoelde apparaten zijn: — compressoren voor zowel koeling (tot ca. 75 kW) als voor perslucht; — kleine benzine en dieselmotoren (tot ca. 20 kW netto vermogen); — elektrische motoren; — kleine vloeistofkoelers; — condensors (koelmachines met NH3, CFK's).

»' X I " 2 3 2 2 2 2 5 "

17

TNO-rapport


Noot: er zijn ook windgekoelde condensors op de markt; deze vragen noch k water noch ventilatorenergie. Ze zijn duurder en vragen veel ruimte. maar schijnen zich in redelijke tijd terug le verdienen. Op warme. windstilte dagen kunnen echter problemen ontsiaan met de koelcapaciteil Debereikbareeindtemperatuur ligt bij luchtkoeling in de praktijk 10- 15 ( b o ven de buitenluchttemperatuur. Dit is ca. 15 =C hoger dan in een natte koeltoren. Door deze relatief hoge eindtemperatuur is luchtkoeling in diverse loepassingen minder aantrckkelijk of zelfs geheel onvoldoende. Om het te installeren warmteuitwisselend oppervlak in een gesloten koelsysteem te beperken en/of een lagere eindtemperaluur te kunnen bereiken. wordt soms gekozen voor een combinatie met een sproeisysteem voor water (zie figuur 7 en 8), eventueel ook uit te voeren als hybridesysteem (i.e. de koeltoren 's w inters als een droog systeem en 's zomers als een nat systeem bedrijven). De materiaal keuze voor de leidingen kan daarbij een probleem zijn (corrosie). Om dit probleem le omzeilen wordt soms de voorkeur gegeven aan een additioneel koelcircuit. dat wil zeggen dat de te koelen vlocistof via een warmtewisselaar wordt afgekoeld. terwijl het koelwater uit de warmtewisselaar weer via een conventioneel open koelwatercircuit wordt afgekoeld.

3.2

Gebruikelijke en verouderde uitvoeringsvormen

Het meest gebruikte type koelsysteem -/eker voor mtddelgrote lot grote koelcapaciteiten (>200 kW)- is een open circulaiiesysteem met een koeltoren. De koellorens hebben een geforceerde koelluchtdoorleiding (ventilaloren) en zijn uitgerust met gepakte bedden (pakketten) van kunststof. Hiervoor wordt meestal PVC gebruikt, soms ook polypropylecn. Voor snel vervuilende systemen wordt de voorkeur gegeven aan een grof type pakking of een 'splash-type' pakking. In het mcrendeel van de gevallen zal echter gekozen worden voor een lijn kanalige pakking van het 'film-type', omdat de koeltoren hierdoor compacier en dus goedkoper gebouwd kan worden. Momenteel zijn de volgende systemen gangbaar of juist ongebruikelijk (let op: dit is geen uitputtend overzicht): Kleine koelsystemen << 200 kW): Gangbare systemen zijn: — Luchtkoeling met geforceerde luchtstroming (ventilaloren). — Circulaticwaterkoeling met kleine. natte koeltorens (kunststoffen of verzinkt stalen standaardunits); geheel corrosievrij uitgevoerde koeltorens van kunststof of gecoat staal krijgen steeds meer de overhand op de markt. — Circulatiesystemen met droge koeltorens (vooral vloeistofkoelers en condensortoepassingen). Als ongebruikelijk c.q. onrendabel kunnen worden beschouwd: — Doorstroomsystemen waarin leidingwater wordt toegepast | te duur).

91 X I "2322 2 2 5 "

18

TNO-rapport


Mtddelgrote lot grote systemen (globaal 0,2 - 50 MW): Gangbare systemen zijn: — Circulatiekoelsystemen met naue koeltorens. hetzij modulair opgebouwd uit standaardelementen, hetzij op maal gemaakt (vanaf globaal 10 MW). — Doorstroomsystemen met oppervlaktewater (vooral in de Chemie- en aardolieinduslrie). Nieuwe koeltorens worden steeds vaker in corrostevasi maleriaal uitgevoerd. Als vcrouderd kunnen worden beschouwd: — Systemen op basis van koelvijvers of -sloten. — Inbouwen/pakkingcn van asbestcement (gezondheidsnsico!).

3.3

Koelmediagebruik

Schema 4 geeft een overzicht van de mogelijke bronnen voor koelwater. De belangrijkste voor- en nadelen zijn daarbij in (refwoorden aangegeven. Tevens is de laagste watertoevoertemperatuur aangegeven. hetgeen van belang is voor doorstroomsystemen. Noot: indien lagere temperaturen moeten worden bereikt. dient een (compressie-)koelmachine te worden ingezet. In algemene zin kan men stellen dat naarmate het koelsysteem meer gesloten is (of de benodigde hoeveelheid water geringer is) er een verschuiving optreedt in koelmedia van: Oppervlaktewater --> Grondwater - > (Halffabrikaat) ->Leidingwater --> Lucht.

9' X ' " 2 3 2 2 2 2 5 "

19

TNO-rapport

Document

koelsxstemen

Si hema -J Mogelijke koelwaterhronnen

en hun I oor- en nadelen

Bron

Temperatuur

Voordeel

Nadeel

Leidingwater

10-15 °C

eenduidige kwaliteit; vrij zuiver; geschikt voor hergebruik

kostbaar;(kalk)afzeftingen soms agressief

Bronwater/ grondwater

10-12 °C

constante (en relatief lage) temperatuur

kwaliteit sterk locatieafhankelijk; vergunning moeilijk voor eenmalige doorstroomsystemen

goedkoop; niet-hard of agressief

s zomers geringer koelend vermogen; niet overal beschikbaar; variabele samenstelling/kwahteit; water bevat veel microorganismen, mosselen

Oppervlaktewater

max 20-25 3C

Halffabnkaat-water (voorgezuiverd oppervlaktewater)

15-20CC

relatief goedkoop: vrij constante kwaliteit

niet overal beschikbaar; (kalk)afzettingen; hoog zoutgehalte

Condensaat (als suppletiewater)

niet van toepassing

gratis': vaak goede kwaliteit

nevenverontreinigingen, zoals geur. NH3, H2S, organische stoffen zijn mogelijk

Gezuiverd afvalwater

met van toepassing

zie oppervlaktewater

zie oppervlaktewater. mits goed gezuiverd.

Uiteraard kan slechts van oppervlaktewater en grondwater gebruik worden gemaakt indien het bedrijf hierover kan/mag beschikken en het een redelijke basiskwaliteit heeft. Halffabrikaat-water wordt momenteel door nutsbedrijven in Noord-Holland en Noord-Brabant (Moerdijk) geleverd aan (grote) industrieen. Het betreft dan voorgezuiverd oppervlaktewater. Bovendien kan in sommige situaties gebruik worden gemaakt van condensaat (bijvoorbeeld water vrijkomend bij de indamping van melk, bij de melkpoederbereiding; eventueel ook de spui uit stoom/watercircuits'1) of een effluent uii een AWZI.

kl /nutgehalte van een -.pui uit een kelelwatercircuil zal echler in hel algemeen -usdamg hung zijn _ai hergebruik, in koclwatercircims mei /under meer mogelijk is

91 X I " 2 3 2 2 22517

20

TNO-rapport


In een aantal situaties is het aantrekkelijk deze waterstromen in koelwatercircuits in te zetten, mits het in voldoende mate voorhanden is en geen storende verontreinigingen bevat (i.e. hoge concentraties ammoniak (NH3), zwavelwaterstof (HiS). organische stoffen. geurcomponenten. onopgeloste bestanddelen e.d.). In geval van een belangrijke, doch eenduidige verontreiniging kan soms een specifieke behandeling worden uitgevoerd. voordat het wordt ingezet als suppletiewater. De vaak hogere temperaiuren van het condensaat beperken de bruikbaarheid in koelsystemen. Opslag geeft vaak aanleiding tot (sterk) verhoogde microbiologist he groei; gebruik zonder voorzuivering kan de koelcapaciteit tors doen afnemen. Voor wat betreft de inzet van olie als koelmedium kan worden opgemerkt dai dit medium weinig wordt toegepast en slechts wordt overwogen als water- en luchtkoeling ontoereikend zijn. Het koelwatergebruik in de Nederlandse industrie als geheel is meer dan 85% s tn het totale watergebruik in deze sector. In onderstaande label is weergegeven hoe het koelwaterverbruik bij de grootste verbruikers is verdeeld.

Si hema J

Het koelnaterverbruik,

weergegeven

in llfm'

jaar

Bron is CBS 11988)

Grondwater

Chemie- en aardolieindustne Metaalindustrie Voedings/genotmiddelenmdustrie Papierindustrie Leder/rubber/kunststofverwerkende Industrie

Totaal

Oppervlaktewater

Leidingwater

Totaal

32,6 51,7 75.8 7,2 10.4

3.250,4 203,4 127,5 29,1 3,2

10.2 35.2 2.9 0,4 1,2

3.293.2 290,3 206,2 36.7 14.8

177,7

3613,6

49,9

3841,2

Bij de cijfers kunnen de volgende opmerkingen gemaakt worden: — Met name de (petro)chemische industrie (> 95%) maar ook de papier- (ca. 80%) en metaalindustrie (ca. 70%) gebruiken hoofdzakelijk oppervlaktewater voor koeldoeleinden. Het betreft vrijwel altijd grote tot zeer grote koelsystemen. — Bij de metaalindustrie betreft het grondwaterverbruik voor het grootste deel zout grondwater. Hiervan wordt weer het grootste deel door Hoogovens IJmuiden gebruikt. — Voor het hoge leidingwaterverbruik bij de metaalindustrie is het halffabrikaatwater verantwoordelijk. Door C.B.S. wordt dit onder leidingwater gerekend. Hoogovens gebruikt 70 - 85% van de vermelde hoeveelheid. — Bij de voedings- en genotmiddelenindustrie is de zuiveiindustrie de grootste grondwaterverbruiker voor koeldoeleinden (35 - 40% van het totaal). Naar schatting wordt in meer dan 90% van de gevallen bij kleine koelsystemen (< 150 kW) gebruik gemaakt van directe luchtkoeling of een gesloten circulate teem. Daarboven neemt de inzet van open koelwatersystemen snel toe.

9' X- "2322 2 2 5 "

21

TNO-rapport


Hoewel concrete gegevens ontbreken wordt vermoed dat vanaf 500 kW in meet dan 90% van de gevallen gebruik wordt gemaakt van doorstroomsystemen ol open koeltorens.

3.4

Recente ontwikkelingen

Ontwikkelingen op het gebied van koelsystemen in de laatste jaren betreltcn: — De opslag van koude of warmte in de bodem. Hierdoor zal de omgev mg (inclusief oppervlaktewater) thermisch minder worden belast. 's Winters kin •gratis' koude-opslag in de bodem plaatsvinden om daarmee 's zomers processen beter te kunnen koelen. Dit zal economisch interessant zijn bij te bereiken watertemperaturen lussen ca. 5 en 15 °C en niet-volconiinue bedrijfsvoenng (< 5000 bedrijfsuren per jaar) en/of koelvermogens vanaf ca. 1 MW [14]. — Intensiever gebruik van corrosievasie materialen. zoals litaan (in plaais van koperhoudende legeringen in vuurpijpen, warmtewisselaars en dergelijke) en kunststoffen (zowel de piping, de pakkingen in koeltorens als de koeltorens

zelf). — Gebruik van filmtype pakkingen van kunstslof (figuur 12); bij temperaturen boven ca. 50 °C wordt polypropyleen ingezet. — Het gebruik van licht verontreinigd afvalwater als suppleiiewater in natte koelsystemen. Door de strenge regelgeving in de USA wordt dit aldaar door een toenemend aantal bedrijven (noodgedwongen) gepraktiseerd. Het totale volume afvalwater wordt hiermee gereduceerd — Lichtdichte koeltorens om de aangroei van algen le minimaliseren. — Het frequenter overwegen van windgekoclde condensors/warmtewisselaars (geluidsoverlast noch energicgebruik ten gevolge van ventilatoren). — Het gecontroleerd afvoeren van vloeistoffen en reststoffcn bij het reinigen van koelsystemen. — De toepassing van biologisch afbreekbare conditioneringschemicalien. Een deel van deze ontwikkelingen komt voort uit stringentere regelgeving ten aanzien van het milieu. Een voortzctting van deze trend is te verwachten; concrete informatie over andere, toekomstige ontwikkelingen ten aanzien van koelsystemen is echter niet gevonden. vermoedelijk als gevolg van het ontbreken van markt-setters. Bovendien is de 'koeltechniek' als zodanig sterk uitontwikkeld en kan worden verwacht dat voor elke situatie een goede oplossing kan worden aangeleverd.

91 3011112322 2 2 5 "

22

TNO-rapport

Document

koelsvstemen

s

o

8

5 = _> _ 2 5 a

ar

s

•I

s

8 8

s

•

l es

9

in

S

o

ft

s

£

a-

8

?

£

S§

8o

• O

E Q _ a

o _: —.

_ o"

=

a o"

1? 18

S _?

1!

3 •

E -

°« 2 £ 3 >

110 5 j; ; -5 -3

o

_£= a _ o

I? £ »_

.

» a c 5 o

IS

= a

s at

e

I

u

.1

.

|1

at

II 5-2

52-

2. u

s_ £

1 5

I!

a

II i 33 2S

!£

S°

ii

>»-_

it X - "23_2___17

5 I

_

I1

SS

_• a 5 _ - -

S

z • e

* _*

Z

_

a a

a - _ -

In e

sr" -o •8 " £ 3 >

23

—

5- X

TNO-rapport

Document koelsxstemen

f5*

in 1 c«

I l iM i

Ll

? S 5

Is*

9 = * 2

• c

-I 111

• 5

t-l

3

SE

?!

ih • i 1111 li ii

i l l

111

lis

t

1*1 .,_

a

D O

a

_3 5 5 i

ill 1! ill li

III

e «

• T o

5 3

•

K E •

_-

* S

?& £. _: •

i I

al;

o

o 8

o 5

•

! o 5

?*

1:1!

-«. 5

a!

Ill 9

n

a

B,

?-

ill

Si

u

H 8 9 i

• «

4-1

- z ss i a

I 82

_ S -

ii

4

a a

Si? -

ill

ai

s •

I

_c

E

|

1 1 3 3

B

8 >

I I

3

8

1

I

Si

I I

|

5

I

! i

ii

£

_

s.

3 3

*

_

3

5

I

3 X

91 X i •-.322 22517

24

TNO-rapport


Selectiecriteria voor en installatie van koelsystemen

4.1

Criteria voor de selectie van een type koelsysteem

Bij het beoordelen en selecteren van koelsystemen. inclusief koelmedia, spelen veelal de technische inpasbaarheid (inclusief betrouwbaarheid), de economische aspecten (zie hoofdstuk 8) en de externe randvoorwaarden (onder andere WVO-vergunning en hinderwet) een doorslaggevende rol. Elke situatie zal in feite een oplossing op maat vragen. De belangrijkste beoordelingsaspecten zijn: Hoofdtype koelsysteem: — capaciteit; — de te bereiken eindtemperatuur(en); het temperatuurtraject; — risico's/gevolgen van lekkages naar processen/processtromen. Infrastructuur/lay-out: — mogelijk hergebruik van het koelwater voor procesdoeleinden en/of laagenergetische doeleinden (bijvoorbeeld ruimteverwarming, zie ook § 4.2); — decentrale of centrale koeling; — mogelijkheden tot serieschakeling van te koelen objecten; — leidingaanleg. Koelwaterbron en koelwaterbehandeling (indien van toepassing): — de beschikbaarheid van grondwater of oppervlaktewater. inclusief vergunningen; de mogelijkheid om eventueel condensaat of procesafvalwater als suppletiewater te gebruiken; — kwaliteit van het koelmedium (pH. totaai-zoutgehalte, hardheid. agressiviteit. ijzer, mangaan. chloride etc.), in relatie met de gevoeligheid van het systeem voor vervuiling: — koelwaterbehandeling en/of -conditionering in relatie totde materiaalkeuzcim en de omvang van de spui c.q. bereikbare indikking. — lozingsmogelijkheden (WVO-vergunning; al dan niet beschikbaar zijn van een AWZI. waarop spuiwater zou kunnen worden geloosd). Overige (milieu-)factoren: — omgevingsfactoren, bijvoorbeeld lokale luchtverontreinigingen, corrosie door zeewind (zout), plaatsingsmogelijkheden (ruimte). overlast (geluid. pluim. horizonvervuiling); — esthetische (uiterlijk) en bedrijfsculturele aspecten. Kosten, duurzaamheid. bedrijfszekerheid: — betrouwbaarheid van het systeem; garantiebcpalingen/service; — veronderstelde (technische en/of economische) levensduur van een systeem of systeemcomponenten; — benodigd onderhoud; — automatische of handmatige controle (ten aanzien van watersamenstelling en dergelijke) en regelingen. — kosten (investeringen en operationele kosten); deze zijn in feite sterk afhankelijk van alle voornoemde factoren.

9' X I "232222517

25

TNO-rapport


In schema 6 is een mogelijk besluitvormingsproccs weergegeven omtreni de selectie van een mdustrieel koelsysteem; in de praktijk kunnen ook andere werkwijzen worden gehanteerd. Belangrijke factoren in de besluitvorming zijn veelal de ervaring en voorkeuren van betrokken bedrijven of personen. In hoofdstuk 3 is ingegaan op de praktische inzetbaarheid van de verschillende koelsysiemen en de stand der techniek.

4.2

Hergebruik van warmte

Hergebruik van restwarmte is soms interessant. Gebruikelijke loepassingen van restwarmte zijn de inzet ten behoeve van de (voor)verwarming van proccsvloeistoffen of -lucht en ruimteverwarming (alleen mogelijk in de winterperiode). Andere mogelijkheden hctreffen indirect hergebruik als warmtebron voor: a. warmtepomp of warmietrafo. voor het bereiken van hogere temperaturen, b. absorptiekoelmachine. voor het bereiken van lagere temperaturen. De haalbaarheid van hergebruik zal in principe van geval tot geval moeten worden beoordeeld. Belangrijke criteria daarbij zijn: — plaats van ontstaan en plaats van mogelijke toepassing van warmte; — optredende temperatuurniveau's en energieinhouden (T-H-diagrammen i. — beschikbaarheid, variaties in de tijd: — voldoende flexibiliteit ten aanzien van bedrijfsvoering; — investeringen en operationele kosten versus besparingen, Eenvoudigheidshalve kan worden aangenomen dat in alle moderne, systematise!, ontworpen en goed beheerde produktieprocessen alsmede compleel geleverde installaties veel aandacht is en wordt gegeven aan de mogelijkheden warmte terug te winnen. bijvoorbeeld met warmtewisselaars en dergelijke Recentelijk zijn hiervoor geavanceerde ontwerpmethoden beschikbaar gekomen (zogenaamde exergie-analyses). Een nadere evaluatie van dc warmteterugwinningsmogelijkhedcn bij bestaande koelsystemen kan soms nog interessant zijn, vooral: a. Bij oudere installaties (van v66r ca. 1975); b. In het geval van veel proceswijzigingen/uitbreidingen door de jaren heen: c. In het geval van veel bijeengezette apparatuur waar individuele warmteterugwinning niet lonend is. Vooral kleine bedrijven hebben niet alle mogelijkheden van encrgieterugwinning uitputtend bekeken. Voor ruimteverwarming is restwarmtegebruik mogelijk reeds interessant vanaf ca. 50 kW en bij een koelvloeistoftemperatuur van ca. 60 °C of hoger (mede afhankelijk van de aard en de grootte van het gebouw). Uiteraard beinvloedt deze ruimteverwarming de te installeren capaciteit van het koelsysteem niet; in de zomer zal immers geen ruimteverwarming benodigd zijn, terwijl het koelsysteem dan juist het zwaarst belast wordt. Wel wordt het koelwaterverbruik in het stookseizoen (vaak in geringe mate) verminderd.

91 X1/1I2322-225I7

26

TNO-rapport


Verder wordt gewezen op de mogelijkheid om winterkoude (of restwarmte) in de bodem op te slaan (zie § 4.4); hiermee kan in principe een duidelijke vermindering van de te installeren koelcapaciteit worden bereikt.

43

Bij selectie, bouw en onderboud betrokken bedrijven

Het is belangrijk zich te realiseren dat diverse bedrijven betrokken kunnen zijn bij de selectie, hetontwerp.de bouw en hetonderhoud van koeisy.tem.en. Dit zijn vooral: Opdrachtgever/afnemer:

diverse aspecten. waaronder het zogenaamde programma van eisen; Ingcnieursbureau's: voor warmtcstroomberekeningen en (basisjdimensionering van apparatuur; het maken van bestekken; Apparatenbouwers: voor warmtewisselaars. koeltorens. waterbehandelingsinstallaiies. etc. (soms ook voor de opbouw en het onderhoud en de revisie van deelsystemen) Installaticbedrijven en/of voor de opbouw/installatie van een koelsysteem aannemers: of delen daarvan Waterbehandclingsbedrijven: water(voor)behandelingsinstallaties en chemicalien voor watercondilionering; doseer- en spuisystemen; systeemreiniging en onderhoud; soms ook flowoptimalisatie met beschikbare waterstromen. Verder bewegen zich op deze markt koeltechnische bedrijven. luchtbehandelingsbedrijven. en diverse niet in koelsystemen gespecialiseerde bedrijven. Onderling overleg is soms beperkt en gebrekkig. Door deze versnippering van activiteiten lijkt een centrale sturing van de 'bedrijfskolom' om watergebruik en -verontreiniging te verminderen niet eenvoudig te realiseren (zie ook schema 6). Ter illustratie hiervan kunnen de hydraulische systemen worden genoemd; leveranciers van deze systemen eisen voor een goede werking in het algemeen koeling tot 27°C. zodat geen reele andere mogelijkheid over blijft dan een natte koeltoren.

91 X I " 2 3 2 2 22517

27

TNO-rapport

Document koelsystemen Betrokkenen

Proces- en Produkteisen

Var^ce-/Energiebalansen; Gewenste T-niveaus

-

(X)

X

(X)

X

Optimalisatie E-gebruik

I

Procesoncwerp en apparaatdimensionering

c

._ < — -. -

—.

— — -

_

•

111 i i I

Ontwikkeling deelprocessen

X

1.1

Produkt/Proces

> _

1,,

— > — — — _. — -. -1 — — _-

Markc

1,1

Start/Initiatief

X

(x)

X

X

X

(x)

X

X

X

(x)

X

(x)

X

(X)

X

Secundair gebruik surplusenergie?

^> Selectie produktieapparatuur

Koelbehoefce deelprocessen (T-niveau's; warmteinhouden)

Inventarisatie potentiele "heatsinks"

I

Mogelijke r e s t r i c t i e s koelmedium

t.a.v.

Selectie koelsysteem (basisvorm) + "heatsink"

I

Nadere selectie koelsysteem. detailengineering «3

Beschikbaarheid - grond- of oppervlaktewater (vergunningen)

Procestechnische eisen; •veiligheid, regelgeving

Overige eisen (geluid. r-j pluimhinder, lozingen, / | betrouwbaarheid, etc.) /

-/ Bestek

(X)

(X)

(x)

X

X

X

X

(X)

TZ Aanbesteding en bouw

Uaterbehandelings• programma

Waterkwaliteit; Lozingseisen; •Kostenrainimalisatie

X

I

Onderhoud

X

(x) (x)

X

X

Schema 6 Schematische weergave selectieproces. bouw en onderhoud van koel\\\temen

91 X I " 2 3 2 2 22517

28

TNO-rapport


Waterbehandeling en systeemreiniging

5.1

Algemeen

In het algemeen wordt het koelwater behandeld om problemen te voorkomen ten gevolge van: — Corrosie (ten gevolge van zuurstof. hoge of lage pH, zoutgehalte, etc.); — Biologische groei (slijmvormende bacterien, algen en dergelijke); — Afzettingen (kalk c.q. hardheid, slib. roest of andere componenten"'). De waterbehandeling kan worden onderscheiden in behandeling van het water voordat het in het systeem gevoerd wordt (i.e. watertoebereiding) en de behandeling in het koelwatercircuit zelf (waterconditionering). De soorten middelen die worden ingezet bij de conditionering en hun werking zijn schematisch weergegeven in schema 7 en 8. Noot: schema 8 omvat tevens enkele inmiddels veroudcrde conditioneringsmiddelen. Middelen op basis van chroom, zink en polyfosfaat worden nog maar weinig toegepast en zullen op termijn verdwijnen. Belangrijke waterparameters zijn in schema 9 vermeld. Bij lozing van behandeld koelwater is ingeval van een biocidetoevoeging toelating nodig in het kader van de Bestrijdingsmiddelen Wet en voor de overige toevoegingen goedkeuring nodig van de waterkwaliteitsbeheerder in het kader van de WVO. Waterbehandeling en -conditionering is bij kleine en middelgrote koelsystemen nog steeds een sluitstuk van het ontwerp. Het is een activiteit die door gespecialiseerde bedrijven wordt uitgevoerd. In de praktijk worden veel problemen met koelwatersystemen door trial-and-error methoden opgelost. De meer gerenommeerde waterbehandelingsbedrijven hebben speciale 'waterbehandelingsprogramma's' en leveren naast chemicalien diensten. zoals optimalisatie van koelwaterstromen.servicebezoeken en toegesneden meet- en regelapparatuur (vermijden van over- en onderdoseringen).

5.2

Doorstroomkoelsystemen

Watertoebereiding A. Gebruik van leidingwater. Er is geen toebereiding nodig, mits het water niet agressief3' of erg hard is.

Een genngere afzetting op oppervlakken betekent een bciere warmteoverdrachi Dit kan hijMiorbeeld bij ku-lcompressoren grote economische voordelen hebben. indien ten temperaruurverlaging van I ' C word! gerealiseerd. zal een energiebespanng van 3 I • mogelijk zijn. Onder agressiviieil van het water wordt verstaan de mate waann hel waler in -.i-ai is lot het lea van calciumcarbonaat (CaCO,) Zacht waler (waler mei lage hardheid) is gewooniijk agressiever dan hard waler. Agressief water kan onder meer koperen leidingen aantaMcn.

91 Xl'1'2322 22517

29

TNO-rapport


P-O0iaam

Typ» «0-iwil»(. loavoagmg

Corrosia

Hardriai-Sarztttingan

Cvariga arzamngan

aoiogncna groai

inmBitoran suDWS-tortn dupargamia

(»l

tloce-iatiarni-aaian DiOCiOtn

Schema 7

Werking koeiwaterchemicalien

(51

P'ooiaam

Chamischa OananOaling

-aranaidaafzemngan

Corrosia

Ov»ng« arzamngan

Biologiscn* •510*1

chromaat zink

moly-__ai snicatan pciytostatan polyolaatar. 'ostonatan anorganic. n»iuurii|k« orgascna varomdingan syntnatiscna polymaran niat-omaarand* Bioeidafi crtloof/oroom ozon

Schema 8

(«) Koeiwaterchemicalien

(7j

Paramatari

Erracian

Ca. Mg

Naiging tol rt-ranaidsafiattingan

M V pM. Tamp.

Baoaian ca/oonaat- an Oica/Oonaat-coneantratiaa (c_lci-m--ar_-naail an ooiio*.a«na*aiO

SO,. & O ,

Ta Oanaafaan om .uifaat- an tiiieaat-arzanmgan ta voorkoman

S-spanaad solid*

Varoorzaaki afiarongan tduoarganiia nodigl

Varontraimgingafi ikoorwaiafstoflan. glycolan. NH-, SO,. H,S)

Schema 9

91 XI "2322 22517

varoonaaM varvuiling an micro_iala groai. noog cnloorvaronjik ipraeioitioa nodig)

Belangrijke koelwaterparameters

[7/

30

TNO-rapport


B. Gebruik van bronwater. Men zal beluchting van dit water in het koelsysteem irachten te voorkomen omdat anders neerslag van vrijwel altijd in bronwater aanwezig ijzer cn mangaan zal optreden, waardoor het gehele koelsysteem vervuilL Ook corrosie kan door beluchting versterkt worden. Kan beluchting niet voorkomen worden dan dient het water van ijzer en mangaan onldaan te worden met behulp van een ontijzeringsinstallatie. De installatie kent zeer veel uitvoeringsvormen; in zijn eenvoudigste vorm bestaat deze uit (druk)beluchling en zandfiltratie. Soms worden oxyderende chemicalien of vlokmiddelen toegevoegd of worden speciale filtervullingen gebruikt. Ook verwijdering van gassen als kooldioxyde (COi), methaan (CH4), zwavelwaterstof en ammoniak km noodzakelijk zijn. C. Gebruik van oppervlaktewater. Oppervlaktewater wordt vrijwel altijd in grotere koelsystemen toegepast. Het oppervlaktewater is gewoonlijk niet hard of agressief. De meeste problemen worden veroorzaakt door de aanwezigheid van veel (micro)biologiseh leven en onopgeloste bestanddelen (zand en dergelijke). Vaak is een filtratie nodig, die dan bestaat uii een grof- en een fijnfiliratie. Voor fijnfiltratie wordt meestal gebruik gemaakt van trommelfilters en in mindere male van plaatfilters en filterkaarsen. Ook zandfiltratie, eventueel met flocculatie. is mogelijk. maar wordt zelden toegepast. De fijnheid van de filtratie wordt bepaald door de kwaliteit van het oppervlaktewater en de kleinste koelkanaali Waterconditionering Bij doorstroomkoeling gaat het meestal om grote hoeveelheden koelwater. De kosten voor chemicalicndosering zullen daardoor al snel hoog oplopen. terwijl lozing van koelwater waar chemicalien aan zijn toegevoegd problemen kan geven. Bovendien kan conditioneren van water in doorstroomsystemen hergebruik van het water voor andere toepassingen dan koelen bemoeilijken. zo niet onmogelijk maken. De dosering blijft in de praktijk meestal beperkt tot een biocide. vrijwel altijd chloor. A. Corrosiebestrijding. In hoofdzaak wordt corrosie voorkomen door corrosievaste uitvoering van het koelsysteem. Met name bij koeling met oppervlaktewater wordt hei systeem zo compact mogelijk uitgevoerd. Over het algemeen wordt het koelwater uitsluitend door warmtewisselaars geleid. Bij agressief (bron)water is hei mogelijk de pH-waarde van het koelwater te verhogen door dosering van loog en dergelijke, waardoor de agressiviteit van het water weggenomen wordt. Dit wordt echter vrijwel nooit toegepast. onder meer vanwege de mogelijkheid van neerslag van ijzerhydroxiden in bronwater. Bij koeling met brak en zout oppervlaktewater wordt soms ijzertlllsulfaat (intermitterend) gedoseerd als koper en/of koperlegeringen in het koelsysteem voorkomen. B. Voorkomen van afzettingen. Vroeger werden nog wel eens poiyfosfalen gedoseerd om hardheidsafzettingen te voorkomen. Hierdoor werd ook enige corrosiebescherming verkregen. Tegenwoordig worden soms polymeren zoals aery laten of fosfonaten gedoseerd. Afzettingen worden echter primair voorkomen door een juiste dimensionering van het systeem. Dode hoeken dienen voorkomen te worden, terwijl handhaving van een voldoende stroomsnelheid (> ca. 1 m/s) essentieel is.

91 X I " 2 3 2 2 22517

31

TNO-raoport


Met name bij warmtewisselaars worden mechanische schoonhoudsystemen aangebracht. die bestaan uit borsteltjes (af en toe omkeren stromingsrichting) of balletjes (bijvoorbeeld Taprogge-systeem). c. Voorkomen van biologische groei. Bij biologische groei dient met name gedacht te worden aan de groei van algen. (slijmvormende) bacterien en schimmels. Bij oppervlaktewater dienen in deze rij ook mosselen opgenomen te worden. zowel bij zoet als brak/zout water. Bij brak en zout water komen ook andere vormen van macrobiologische groei (poliepen en dergelijke) voor. Genoemde organismen kunnen problemen veroorzaken als gevolg van vervuiling, verstopping en/of corrosie. Meestal wordt biologische groei bestreden door een of enkele malen per dag een hoeveelheid chloor (natriumhypochloriet of chloorgas). een oxyderend biocide, te doseren, zodanig dat een overmaat van tenminste 0.2 mg,l vrij chloor aan het eind van het koelsysteem beschikbaar is (breekpuntschlorering: zie figuur 14). Hier en daar wordt een niet-oxyderend biocide gebruikt. Ook dosering van zogenaamde 'biodispersants'. polyelectrolieten die in bijvoorbeeld slijmlagen penetreren en zo de onderliggende bacterien voor de biocide toegankelijk maken. komt voor. Het gebruik van oppervlaktewater verlangt een intensievere aangroeibestrijding dan bron- of leidingwater. Met name bij mosselbestrijding wordt ook wel gedurende een beperkte periode (meestal in het najaar) continu chloor gedoseerd. Soms wordt. met name voor mosselbestrijding, gebruik gemaakt van een penodieke 'thermo-schok'; het vullen van het koelsysteem met warm of heet water. Deze methode dient echter in de bedrijfsvoering te passen en in het ontwerp te worden meegenomen.

6

7 8 9 Toegevoegd Chloor rng/l

Figuur 14 breekpuntschlorering [5/

91 X I " 2 3 2 2 22517

32

TNO-rapport


5.3

Open circulatiekoelsystemen met koeltoren

In open koelsystemen met een koeltoren zal een deel van het circulerende koelwater verdwijnen door verdamping (ca. 0,15% per °C temperatuurdaling in de koeltoren) en eventuele wind- en spatwaterverliezen (meestal ca. 0,01 '• of minder). Door de verdamping zal het water indikken, waardoor zoutconcentraties in het koelwater toenemen. Om de indikking te beperken dient continue of periodieke een deel van het koelwater gespuid te worden. Een geringe spui is in principe gunstig in verband met de relatief geringe milieubelasting en het lage suppletiewaterverbruik. Daartegenover staat een hogere indikking van het circulatiewater. zodat -mede afhankelijk van de uitvoering en materialen van een koelsysteem- het te gebruiken suppleiiewater van een betere kwaliteit dient te zijn (bijvoorbeeld demiwater of stoomcondensaat). Verder zij erop gewezen dat het koelwater in de koeltoren diverse stoffen uit de lucht kan opnemen (het ontwerp-luchtvolumedebiet is vaak ca. 300 a 1500 maal het koelwaterdebiet), zoals NH3, NO-, S0 2 . C0 2 . 0 : en stof. Wa te rtoebereidin g Vanwege het relatief geringe waterverbruik in kleine en middelgrote systemen wordt meestal gesuppleerd met leidingwater. Meestal wordt dit niet voorbehandeld, en ligt het accent op conditionering van het circulatiewater. Bij grotere systemen kan bronwater of oppervlaktewater als suppleiiewater gebruikt worden. wat dan een behandeling moet ondergaan. A. Gebruik van leidingwater. Leidingwater wordt vooral in de kleine en middelgrote koelsystemen als suppletie gebruikt. Afhankelijk van de in het systeem optredende lemperaturen. de precieze watersamenstelling, de gebruikte materialen en conditioneringsmiddelen kan (deel)ontharding van het te suppleren water gewenst zijn. Dit zal gewoonlijk met een ionenwisselaar gebeuren. Ontzouting van het suppletiewater kan soms wenselijk zijn, wat meestal ook via ionenwisseling (demineralisatie) bereikt wordt. Tegenwoordig wordt ook wel omgekeerde osmose toegepast (ca. 60% lagere zoutlast in het concentraat). Laalstgenoemde methode is echter vaak iets duurder. uiteraard afhankelijk van de lokale omstandigheden. B. Gebruik van bronwater. Hiervoor geldt hetzelfde als leidingwater, maar met de uitbreiding dat ontijzering en/of ontmanganing noodzakelijk is. Daarom wordt bronwater vrijwel uitsluitend in grotere koelsystemen toegepast. C. Gebruik van oppervlaktewater. Voornamelijk in grote tot zeer grote koelsystemen. De voorbehandeling bestaat uit een filtratiestap om het zwevende materiaal te verwijderen. vaak voorafgegaan door flocculatie, terwijl erna nogbehandclingen als precipitatie, ontharding en dergelijke kunnen volgen.

9i X i "2322 22517

33

TNO-rapport


Waterconditionering De aandachtspunten voor waterbehandeling in koelwatercircuits zijn samenvattend vermeld in schema 10.

Schema ID Aandachtspunten

Algemeen

voor waterbehandeling

bij open circulatie.St itemen

Corrosie

Biologische aangroei

Haraheidsatzettingen scaling

Overige afiettingen

afhankelijk van corrosievastheid koelsystemen

lichtdichte uitvoering; luchtverontremigmg (H.S. NH3, S0 2 , stof)

Voorkeur voor water van goede kwaliteit

stof

Type suppleiiewater leidingwater . oppervlaktewater (effluent AWZI) bronwater condensaat

SiOj, Ca, Mg

(Cl) Cl (SOJ

klei/silt

C2V

pH, Cl

SiOj, Ca. Mg

Fe. Mn

CZV

A. Corrosiebestrijding. Ook hier geldt dat corrosie primair door corrosievaste uitvoering van het koelsystemen moet worden voorkomen. Vaak is dit niet mogelijk omdat een dergelijk koelsysteem uitgebreid is en er meerdere koelwaterverbruikers zijn. Dan worden corrosie-inhibitoren gedoseerd. Vroeger werden hiervoor zinkhoudende fosfonaten. polyesters, polyfosfaten. natriumniinet. chromaten of silicaten (waterglas) gebruikt. Met name vanwege de milieubezwaarlijkheid bij lozing is door de waterbehandelingsfirma's gezocht naar alternatieven voor genoemde chemicalien. Dit heeft geresulteerd in een groot aantal •specialisatie'. mengsels van allerlei organische polymeren. De toegepaste polymeren zijn meestal fosfonaten. acrylaten en gesulfoneerde copolymeren. Genoemde mengsels zorgen voor corrosie- en hardheidsafzettingsbestnjding. Vaak wordt de hardheid benut om een beschermende laag op het metaal te vormen. Het onderzoek naar betere produkten richt zich met name op de synergetische werking van de diverse componenten. Ter bescherming van koperen/of koperlegeringen worden azolen (tolyltnazol en dergelijke) in de lormulering opgenomen. De concentratie waarin deze specialities' worden toegevoegd varieert van ca. 5 tot 500 mg/l (typerend: 100 - 200 mg/l) in het circulerende water. Bij zacht- en demiwatersystemen wordt meestal gebruik gemaakt van natrium molybdaat. en in mindere mate van nitriet. Ook hier worden in de formuleringen steeds meer organische polymeren toegepast. waardoor de molybdaat- en nitrieiconcentraties in het circulatiewater steeds lager kunnen zijn (typerende concentraties: < 10 mg/l M o 0 4 : en 100 -200 mg/l NO.'

91 X I " 2 3 2 2 22517

34

TNO-rapport


B. Voorkomen van afzettingen. Met de reeds genoemde organische polymeren worden ook hardheidsafzettingen vermeden. Soms wordt dit gecombineerd met de dosering van een zuur. De tendens is echter dat zuurdosering verdwijnt vanwege de steeds betere hardheidsdispergercnde eigenschappen van de organische polymeren. Ter verwijdering van deeltjes kan een deelstroom van het koelwater continu worden gefiltreerd (bijvoorbeeld kaars- of zandfiltratie) [8]. C. Voorkomen van biologische groei Biologische groei kan worden bestreden door een intermitterende cftloordosering in het koelsysteem (1 of 2 keer per dag), bij voorkeur via zogenaamde breekpuntschlorering. Chloor is een veel gebruikt middel, omdat het goedkoop is. Bij hogere pH-waarden (> 8.0), die bij dit systeem meestal voorkomen, is chloor minder effectief. Toepassing van een biocide op broombasis (bromering) kan dan zinvol zijn. Bepaalde fosfonaten zijn niet goed bestand tegen chloor. zodat vaak niet-oxyderende biociden worden toegepast. De belangrijkste zijn: — Quaternaire ammoniumverbindingen: — Polyaminen; — Organische chloor- en broomverbindingen; — Organische zwavelverbindingen. Deze verbindingen zijn alle giftig, maar sommige zijn persistenter en schudelijkcr voor het watermilieu dan andere. Om gewenning van met name bacterien te voorkomen worden meestal twee verschillende biociden toegepast. Tot slot dient te worden vermeld dat systemen op basis van ozonisatie en een combinatie van UV met dispergeermiddelen op de markt worden gebracht. Of toepassing mogelijk en zinvol is. hangt van de situatie af. Ozon heeft een beperkte werkingsduur (noodzaak lot continue dosering), vraagt relatief hoge investeringen en veroorzaakt bij onjuiste toepassing ozonemissies naar de lucht. Daartegenover staat dat ozon organische stoffen deels gemineraliseert een biocide werking heeft en in principe aan het spuiwater geen milieubezwarende componenten toevoegt (EOX-vorming is echter niet uit te sluiten indien ozon- zoals gebruikelijk in deze toepassingen - in zeer geringe hoeveelheden wordt gedoseerd). Tevens is uit de literatuur [ 19] bekend dat een ozonbehandeling ook corrosie (door een zekere passivering) en scaling'afzettingen doet verminderen. Dit laatste omdat door gedeeltelijke afbraak van organische stof carbonzuren worden gevormd die calcium en andere ionen complexeren; deze complexen laten zich als slib uit het systeem afscheiden. Voor zover er geen beperkingen zijn door het zoutgehalte (bijvoorbeeld chloride), is hierdoor een verdere indikking van het water mogelijk ten opzichte van conventionele conditionering. Ozon wordt (nog) niet veel bij koelsystemen ingezet; het meest bekend zijn toepassingen in de (petro(chemische industrie. mede als waterconditioncringsmethode in circulatiesystemen en als koelwatcrtoebereidingstechniek voor afvalwater. Ozon lijkt vooral geschikt te zijn voor water van een relatief goede kwaliteit (TOC-waarden < ca. 20 mg/l. geringe hoeveelheid zouten). De systemen op basis van L'V met dispergeermiddel worden nog niet toegepast. maar doorlopen verdere ontwikkelingen [23a|. Deze methoden zijn relatief weinig milieubezwarend (de dispergeermiddelen zijn vrij goed biologisch afbreek-

91 X I " 2 3 2 2 22517

35

TNO-rapport


baar) en vormen wellicht een interessant alternatief voor de conventionele bestrijdingsmethoden voor biologische aangroei. Het te behandelen water dienl bij voorkeur goed doorlatend te zijn voor U V-straling, dat wil zeggen weinig deeltjes en opgeloste organische stoffen (beiden globaal < 50 mg/l) te bevatten. Zowel ozon als UV worden in Nederland (nog) niet of nauwelijks bij koelsystemen toegepast, terwijl beiden vanuit milieuhygienisch oogpunt aantrekkelijk zouden kunnen zijn.

5.4

Gesloten circulatiesystemen en open systemen zonder koeltoren

Over het algemeen betreffen gesloten circulatiesystemen kleine koelsystemen en systemen die indirect worden gekoeld (bijvoorbeeld met een koelmachine; zogenaamde vloeistofkoelers). Volledig gesloten koelsystemen, dus zonder luchttoevoer of waterverlies (vergelijk automotorkoelsystemen), behoeven in principe geen waterbehandeling, mits van een redelijke waterkwaliteit wordt uitgegaan (bijvoorbeeld zacht leidingwater. globaal 8 a 10 °D). Soms is wel beluchting van het 'gesloten' systeem mogelijk, bijvoorbeeld via een atmosferische buffertank. Het systeem wordt dan gevoeliger voor corrosie. zodat aan een conditionering van het koelwater goede aandacht moet worden geschonken. De eerste vulling van het systeem kan met leidingwater gebeuren, daarna zal bij voorkeur met onthard water, demiwaier of condensaat moeten worden gesuppleerd om hardheidsafzettingen te voorkomen. Het verdient aanbeveling deze kleine systemen zoveel mogelijk in corrosievast materiaal uit te voeren. Is laatstgenoemde niet mogelijk, dan is het beste om het systeem met zoutvrij water (demiwater, condensaat) te vullen waarbij het circulatiewater met behulp van wat loog gealcaliseerd wordt. Als in het koelsysteem verzinkt staal of aluminium voorkomt, is alkaliseren niet mogelijk. Vaak worden corrosie-inhibitoren op basis van molybdaat, nitriet. silicaten en azolen toegepast. waarbij in de formulering pH-stabilisatoren als boorzuur en dergelijke zijn opgenomen. Soms wordt een stikstofkussen in een buffertank onderhouden of wordt het water via een membraan van de lucht gescheiden.

5.5

Reiniging van koelsystemen

Reiniging van koelsystemen kan noodzakelijk zijn. Met name doorstroomsystemen met oppervlaktewater vervuilen snel. Naast toepassing van genoemde borstel- en ballctjes (Taprogge) systemen wordt periodiek. bijvoorbeeld 1 x per jaar. het systeem inwendig geinspecteerd cn handmatiggereinigd. Bij open circulatiesystemen is. bij een goed uitgevoerde waterbehandeling. reiniging meestal niet noodzakelijk. Sommige verbruikers geven de voorkeur aan periodieke reiniging van het koelsysteem boven waterbehandeling (die doorlopend aandacht vraagt). Bij een onjuist uitgevoerde of achterwege gebleven waterbehandeling zullen bij de open circulatiesystemen afzettingen (met name hardheidsafzettingen/ijzeroxiden) ontstaan die chemisch dienen te worden verwijderd. De meest gebruikte zuren bij een reiniging zijn zwavelzuur (H2SO4), zoutzuur (HCI) en

91X1112322 22517

36

TNO-rapport


aminosulfonzuur (NH2SO3). waaraan inhibitoren ter voorkoming van materiaalaantasting zijn toegevoegd. Ter verwijdering van kiezelzuurafzettingen word', fluorwaterstofzuur (HF) in het zurenmengsel toegepast. Voor ontkopering wordt ammoniak (NH4*) gebruikt. Neutralisatie van de reinigingszuren geschiedt via trinatriumfosfaat (Na 3 P0 4 ) of soda (Na 2 C0 3 ). Ook worden ingezet: — laagschuimende emulgatoren (nonionogene polymeren) voor olievervuiling; — alkali (soda, natronloog, trinatriumfosfaat) voor bestrijding van biologische vervuiling en ontvetling van nieuwe systemen; — chloorbleekloog voor bestrijding biologische vervuiling. In het algemeen worden afvalstromen, ontstaan bij het chemisch reinigen. gecontroleerd afgevoerd om bij derden te worden verwerkt.

91 X I " 2 3 2 2 225^7

37

TNO-rapport

Document

koelsystemen

Relatie waterbehandeling met spui, systeem- en materiaalkeuze

Geheel gesloten koelwatersystemen behoeven in principe geen waterconditionering. Bij de overige koelwatersystemen is echter een waterbehandeling in mindere of meerdere mate wenselijk. Zoals reeds in § 5.1 is aangegeven. dient waterbehandeling ter voorkoming van corrosie. biologische groei en andere afzettingen. Deze doelen van waterbehandeling worden hieronder in relatie met de spui, systeem- en materiaalkeuzen besproken. Corrosie is in open (dat wil zeggen zuurstofrijke) systemen vooral afhankelijk van de gebruikte materialen cn tevens van de kwaliteit van het water. Schema 11 geeft een overzicht van de corrosiegevoeligheid van enkele veelgebruikte maicrialen.

Schema II Overzicht van de corrosiegevoeligheid van materialen en specifieke corroue-inluhitoren

Veel gebruikte inhibitoren Corrosiearme of -vrije materialen zijn: — gecoal staal (bijvoorbeeld ingebrande coatings van epoxy- en fenolformaldehydeharsen); — alle kunststoffen; — diverse hoogwaardige staalsoorten en speciale legeringen (bijvoorbeeld nikkellegeringen); — titaan. Corrosiegevoelig materiaal is vooral: — onbeschermd (koolstof)staal;

molybdaat/org. polymeren

Een tussenpositie wordt ingenomen door: — hout:

— beton; — zink of verzinkt materiaal (pH-afhankclijk; bij voorkeur tussen 6,5 en 8,5); — aluminium (pH-afhankelijk; bij voorkeur tussen 6,0 en 8,0). — koper en koperhoudende legeringen (mogelijke aantasting door agressief water, ammoniak); — roestvaststaal (in verband met chloride'pitting', met name RVS 304).

org. polymeren molybdaat azolen

Noot niet alle materialen zijn of worden overal ingezet. Hout en beton bijvoorbeeld worden hoofdzakelijk gebruikt in zeer grote koeltorens. Zie ook tekst.

91 X1 1123-2 22517

38

TNO-rapport


Het gebruik van corrosie-inhibitoren kan in principe worden vermeden door de juiste materiaalkeuze. Een andere mogelijkheid is eventueel het uitsluiten van zuurstof (dat wil zeggen een geheel gesloten systeem kiezen of in een semi-gesloten systeem bijvoorbeeld een stikstofkussen aanbrengen). In de praktijk wordt de materiaalkeuze van de afzonderlijke systcemcomponenten in koelsystemen vakcr niet dan wel onderling goed afgestemd. Uitzondering is de mogelijke spanningscorrosie bij combinatie van edele en minder edele metaien. De feitelijke materiaalkeuze wordt mede bepaald door aspecten als het gewicht van de koeltoren (plaatsing op bestaande daken. noodzaak voor fundering). de verwachte technisch/economische levensduur van het proces en de eisen die vanuit het te koelen proces worden gesteld. Geheel corrosievrije koelsystemen zijn vaak aanmerkelijk duurder (zie ook hoofdstuk 8) en zullen zelden in het ontwerpstadium als meest geschikt/aantrekkelijk worden geselecteerd. Het is van belang te onderkennen dat vaak diverse koelwaterverbruikers op een systeem zijn aangesloten. Deze koelwaterverbruikers zijn vaak installaties of apparaten in een standaard uitvoering, waardoor er, over het hele koelsysteem gezien. allerlei materialen naast elkaar kunnen voorkomen. Kleine en middelgrote koeltorens. geheel uit kunststof en verzinkt of roestvast staal vcrvaardigd. zijn tegenwoordig in veel 'standaard' uitvocringen verkrijgbaar van ca. 80 kW tot meer dan 1 MW. Ook grote koeltorens > I MW worden tegenwoordig vaak in corrosie-vrije of -arme materialen uitgevoerd. Met betrekking tot kunststof moet worden opgemerkt dat dit materiaal minder geschikt is voor temperaturen > 55°C en dat het kan verouderen; bovendien is het gevoeliger voor breuk en slijtage. De mate van biologische groei is vooral afhankelijk van de voedingsstoffen in hei water (CZV/TOC, spoorelementen). Biologische groei is in open systemen te verminderen door een goede kwaliteit water te gebruiken, zoals gedemineraliseerd water, ruwe oppervlakken te vermijden (zoals hout en beton) en de verblijftijd van het water in het systeem zo kort mogelijk te houden. Leidingwater bevat reeds genoeg voedingsstoffen voor een substantiele groei van micro-organismen. In open systemen met een koeltoren bevordert het intensieve luchtcontact de opname van voedingsstoffen uit de lucht en derhalve de biologische groei. Voor algengroei is de toegang van daglicht tot het koelsysteem onontbeerlijk (met name bij open bakken en open koeltorens). Verder zijn de water- en wandtemperaturen van belang. Biologische groei is in het algemeen slechts te voorkomen door gebruik van gesloten koelsystemen met een goede kwaliteit water. In andere koelsystemen zal op enige wijze bestrijding van de biologische groei moeten plaatsvinden. Hout als constructie- of pakkingmateriaal dient te worden beschermd in verband met de mogelijke aantasting hiervan door houtrot of schimmels. De overige afzettingen in een koelsysteem (zand. klei. stof. hardheidszouten en dergelijke) zijn in belangrijke mate afhankelijk van de kwaliteit van het gebruikte koelwater en de eventuele conditionering ervan. Zand en klei kunnen worden afgezet in systemen met dode hoeken en vooral bij gebruik van oppervlaktewater. Hieruit blijkt weer het belang van een goede kwaliteit koel- of suppletiewater. Hardheids- en andere zoutafzettingen treden vooral op hete oppervlakken. De afzetting hiervan wordt mede bepaald door de kwaliteit van de door de koeltoren ge-

91 X I " 2 3 2 2 22517

39

TNO-rapport


leide lucht en de stroomsnelheid in het te koelen apparaat; het handhaven van de ontwerpsnelheid door bypasses of recirculatie van koelwater is belang om scaling/ afzettingen te verminderen [18]. Uiteraard is voor eventuele calcium- of silicaatafzettingen de aanwezigheid van deze stoffen in het water een voorwaarde, zodat onthard water duidelijk minder afzetting zal veroorzaken en dus ook minder of andere conditioneringsmiddelen behoeft (noot: hiertegenover staat in principe een onthardingsstap met een zekere zoutlast en een toename van de agressiviteit en mogelijk ook de corrosiviteit van het koelwater). Belangrijke parameters bij open circulatiesystemen zijn spui en indikking. Door de indikking neemt de concentratie aan nict-vluchtige stoffen (met name zouten) in het koelwater evenredig met de indikkingsfactor toe. Bij gebruik van een betere kwaliteit suppletiewater (minder zouten) kan men derhalve volstaan met een geringere hoeveelheid conditioneringsmiddelen (immers chemicalienverbruik is afhankelijk van spuihoeveelheid), andere conditioneringsmiddelen en een hogere indikking (dus een geringere spui). Indien men demiwater of condensaat als suppletie gebruikt, kan soms zelfs de spui-afsluiter worden dichtgedraaid en wordt uitsluitend via de wind- en spatverliezen gcspuid. In de praktijk worden indikkingsfactoren gehanteerd tussen ca. 1.2 (spui bedraagt 83% van hoeveelheid suppletiewater) en ca. 40 a 100 (geen of incidentele spui). Bij een vrij goede kwaliteit suppletiewater, met name na deel-ontharding (2 a 3 °D) en een corrosievast uitgevoerd systeem. kan een indikking tol een factor 3 a 4 plaatsvinden, zonder gebruik te hoeven te maken van conditioneringsmiddelen. Wanneer wel gebruik wordt gemaakt van conditioneringsmiddelen kan de indikking vaak verder toenemen. of is deelontharding niet noodzakelijk. Koelwaterconditionering is er, naast waarborging van bedrijfszekerheid. op gericht de indikking te maximaliseren. zonder schadelijke gevolgen voor het koelsysteem en belangrijke ecologische consequenties (aard van de gekozen conditioneringsmiddelen) te hebben. Hiermee worden de kosten voor het suppletiewater, de toegepaste chemicalien en eventuele lozingsheffingen geminimaliseerd. Een indikking lot boven een factor 4 is echter vanuit bedrijfsoogpunt zelden zinvol. De relatieve besparing op het waterverbruik neemt bij hogere indikkingen sterk af; het waterverbruik gaat dan het verdampingsverlies benaderen (zie figuur 15). Daarnaast zullen (naast eventuele deel-ontharding) meestal extra maatregelen in de vorm van voorbehandeling van water genomen moeten worden, zoals (deel)onizouting. Vanuit milieuhygienisch oogpunt kan een verdere indikking soms wel interessant zijn, met name als min of meer schadelijke chemicalien worden toegepast (zie figuur 16 voor de spuihoeveelheden in een 1 MW systeem). Er zijn soms ook economische redenen om de indikking hoger op te voeren. Hierbij moet met name gedacht worden aan gebruik van dure conditioneringsmiddelen (zoals molybdaat). Er zijn bedrijven, vooral die met kleinere koelsystemen, die onbehandeld leidingwater tot max. 1 I'D suppleren en een lage indikkingsfactor (< 2) hanteren teneinde hardheidsafzettingen te voorkomen. Er vindt dan geen waterbehandeling plaats. Het waterverbruik neemt hierdoor toe, waar tegenover staat dat geen voorbehandeling plaatsvindt en dat geen conditioneringsmiddelen gedoseerd worden. Ook de toevoeging van biociden kan vaak beperkt of achterwege blijven vanwege de korte verblijftijd van het water in het systeem.

91X1112322 22517

40

TNO-rapport


:

::

:.

ao

5 a

*.a

*.0

BO

...

'O.o

no

120

-jo

no

-disking

Figuur 15 Waterverbruik

versus

indikking

33

_-„

il > V 3

3 C — —*

- g . , , _.

Figuur 16 Spuihoeveelheid

i" 30' V23Z2 22517

versus indikking thij ! KfW

koelcapaciteit,

41

TNO-rapport


Milieuconsequenties, emissies

De belangrijkste milieuaspecten van koelsystemen /nn samengevat in het schema 12.

Koelsystemen

Water

Lucht

Afval

Geluid

Luchtkoeling (direct)

geen

warmte

geen

eventueel ventilator

Oliekoeling

geen

warmte

systeemvolume eens per 1-2 jaar vervangen

meestal ventilator

Doorstroomkoeling (zonder hergebruik water)

warmte chloor FeSO. 4|

geen

incidentele reiniging ''

nauweli|ks Ipompen)

. open koeltoren

spui: <5% van circulatiedebiet - corrosie-inhibitoren 21 - biociden ' - antiscaling 2|

warmte; pluim

mogelijk reiniging ''

ventilator. neervallend water

. hybnde systemen. nat-/droogsystemen

spui: < 2% van circulatiedebiet - corrosie-inhibitoren a

warmte

mogelijk reiniging '•

ventilator

. gesloten systemen (indirede luchtkoeling)

geen spui (corrosie-inhibitoren)

warmte

mogelijk reiniging 1

ventilator

Circulatiesysteem

3|

" bij onvoldoende geconditioneerde systemen: circa 1 systeemvolume "concentraat" (in het algemeen zuur) plus 2-3 volumina voor spoelingen: globaal eens per jaar 21 zie paragraaf 5.3 31 eventueel in niet geheel luchtdichte uitvoeringsvormen en vrijkomend bij incidentele reiniging 41 bij brak water en Cu-houdende materialen

Schema 12 Overzicht milieu-aspecten

7.1

Emissies naar het water

Er dient onderscheid te worden gemaakt naar wateremissies als gevolg van een continue of periodieke spui van koelwater en emissies/reststoffen als gevolg van reinigingsactiviteiten. In het onderstaande wordt een en ander uitgewerkt aan de hand van een middelgrote koelcapaciteit. te weten 1 MW. De emissies zijn globaal evenredig met de koelcapaciteit, zodat waar nodig andere situaties uit onderstaande beschouwing kunnen worden afgeleid.

91 X I " 2 3 2 2 2 2 5 1 7

42

TNO-rapport


Doorstroom koelsystemen met oppervlaktewater of grondwater lozen in een groot aanlal gevallen rechtstreeks op het oppervlaktewater41. Dit resulteert in een thermische belasting van het ontvangende water. Bij een koelcapaciteit van 1 MW en 5 °C temperatuurstijging van het koelwater is ca. 170 m water per uur benodigd. Bij doorstroomsystemen dienen maatregelen tegen biologische groei te worden genomen. Daartoe wordl meestal een of meerdere keren per dag chloor gedoseerd in eindconcentraties van ca. 0,2 mg/l actief chloor gedurende ID tot 60 minuten. Ten gevolge van chlorering kunnen geringe concentraties trihalomethanen in het water ontstaan. Verwijdering van slijm- en slibafzettingen kan resulteren in periodieke emissies van dispergeermiddel (tot ca. 5 mg/l poly-elektrolyt). Open circulatiekoelsystemen met koeltoren spuien continu of semi-continu een deel van het circulerende koelwater. Daarbij kan men onderscheid maken tussen situaties dat een geringe indikking (matige waterkwaliteit en, of geringe conditionering), een gemiddelde indikking en een hoge indikking (demiwater kwaliteit en voldoende conditionering) wordt toegepast. Uitgaande van 1 MW koelcapaciteit en ca. 10 °C temperatuurdalingover de koeltoren (dus ruim 85 nr'uur koelwater in circulatie), treden de volgende emissies van spuiwater op (zie ook figuur 17): — geringe indikking (indikkingsfactor 1.2 tot 2) : 7500 tot 1500 I, uur; — gemiddelde indikking (indikkingsfactor 2 tot 5): 1500 tot 370 I uur; — grote indikking (indikkingsfactor > 5) : < 370 | uur. Ondanks de mogelijke verschillen in de indikkingsfactor als gevolg van de suppleticwaterkwaliteit, zal de kwaliteit van het te spuien waler in een bepaald koelwalersysteem (i.e. bij de heersende temperaturen en de aard van de gebruikte materialen) niet extreem uiteen lopen: er wordt immers een spui ingesteld om aan zekere interne waterkwaliteitseisen te kunnen blijven voldoen. De totale vracht aan bepaalde stoffen in de spui is dus globaal evenredig met de gespuide hoeveelheid water. Een uitzondering hierop is de situatie waarbij ten gevolge van een zeer lage indikking (< 2) en een redelijke kwaliteit van het suppletiewater in het geheel geen watertoebereiding of -conditionering wordt toegepast. De aard van de mogelijk aanwezige, waterbelastende stoffen in de spui van systemen met een koeltoren zijn omschreven in § 5.3. Reiniging van circulatiekoelsystemen wordt in het algemeen door een gespecialiseerd bedrijf uitgevoerd. Dc hoeveelheid vrijkomendc. watenge rcststoffen bedraagt 1 tot 2 maal het systeemvolume. De rcinigingsbedrijven beschikken in het algemeen over de middelen/mogelijkheden dc vrijkomende reinigingsmiddelen gecontroleerd af te voeren en te verwerken. Tevens kan het oorspronkelijke koelwater uit het systeem en enkele keren het systeemvolume aan spoelwater vrijkomen, dat meestal ter plckke wordt geloosd. Voor de aard van de gebruikte reinigingsmiddelen wordt verwezen naar § 5.5. Meiaalcmissies (ijzer. eventueel ook koper, zink en dergelijke) staan daarbij uiteraard in relatie tot de in het koelsysteem toegepaste materialen.

'>

91 X i " 2 3 2 2 2 2 5 1 7

In ander. gevallen wordt het water (deels) hergebruikt ca ol via een eigen Ajlerzuivcringsinsiallaiie geloosd. Ook kan bij kleine koeUystemen lozing op hei rio.il plaatsvinden

43

TNO-rapport


In de overige koelsystemen treedt geen of een praktisch verwaarloosbarc emissie op ten gevolge van spuien. Voor wat betreft de reiniging van gesloten koelwatersystemen wordt verwezen naar het hierboven beschrevene. Oliegevulde koelsystemen worden, indien nodig, eveneens door gespecialiseerde bedrijven gercinigd en zullen geen aanleiding geven tot wateremissies (mits correct uitgevoerd). Ten slotte wordt gewezen op de reiniging en passivering bij nieuw in gebruik te nemen koelsystemen. Tijdens de bouw/installatie gevormde oxiden ('roest') worden weggenomen en het staal wordt gepassiveerd door het systeem te spoelen met een middel op basis van fosforzuur (H3PO4). Soms wordt daarna nog extra gepassiveerd met natriumnitriet (NaN0 2 ). bromaat (Br03") of waterstofperoxyde (H 2 0 2 ). Ook de bij deze activiteiten vrijkomende afvalstromen, die rijk zijn aan fosfaat. ijzer en eventueel alkali, worden meestal afgevoerd. Het betreft in principe een eenmalige activiteit.

7.2

Overige aspecten

Geluidemissies van koelsystemen zijn het gevolg van pompen voor het koelwater, in koeltorens neerkletterend water en de ventilatoren voor een geforceerde trek in koeltorens en dergelijke Vooral splash-type pakkingen (figuur 12) en ventilatoren kunnen hinderlijk zijn voor de directe omgeving. De geluidsdruk op 10 m varieert in het algemeen tussen 55 en 70 dB(A). In het algemeen kan men stellen dat de geluidsdruk ' van een ventilator sterk toeneemt met de tipsnelheid van de ventilatorbladen. Weinig geluidshinder treedt op indien geluiddempende maatregelen zijn getroffen (geluidsschermen. een hogere uiistroomopening/ventilatorconus of geluiddempende louvres in de luchttoevoer), of wanneer gebruik wordt gemaakt van een overgedimensioncerde koeltoren (dan is namelijk een lager ventilatortoerental te kiezen). Andere mogelijkheden zijn het installeren van speciale ventilatoren (optimale vormgeving van de bladen. laag toerental), ventilatoren met meer bladen en een regelbaar toerental, zodat de koeltoren nooit met een te hoog toerental hoeft te draaien (bovendien energiebesparing). Veel koeltorens hebben standaard iwee snelheden voor de ventilator: in de laagste stand is het geluidsniveau ca. lOdB lager. In de praktijk speelt het toelaatbare geluidsniveau vaak een belangrijke rol bij de selectie van een koeltorencapaciteit en het type ventilator. Een wezenlijke geuremissie in het algemeen zal niet optreden. Wind- en spatverliezen zijn bij moderne koeltorens zeer gering ( « 0,1% van het circulatiedebiet) en vormen praktisch nooit aanleiding tot overlast. Wel wordt de directe omgeving van de koeltoren enigszins bclast met conditioneringsmiddelen die in het koelwatercircuit worden gebruikt. Bij bijvoorbeeld een middelgrote koeltoren (1 MW) met 100 m3/uur circulerend koelwater en 0,025% spatwaterverlies is dit verlies ca. 25 l/uur. Op jaarbasis is het verlies dan ca. 200 m water met daarbij tot ca. 10 kg conditioneringsmiddelen (bij concentraties tot 50 mg/l).

Een verdubbeling van de geluidsdruk komt overeen met 3 dB(A)

91 XV112322 2251 7

44

TNO-rapport


Een ander mogelijk hinderaspect is pluim vorming bij natte koeltorens. Dit speelt vooral een rol bij een relatief hoge luchtvochtigheid van de buitenluchl. Pluimvorming is te verminderen door in de koeltoren boven het natte gedeelte een 'droog' koeltorensegment te installeren; de uittredende lucht wordt hierdoor opgewarmd en zal aldus minder gauw oververzadigd raken (zie figuur 9). Een alternatieve mogelijkheid is een koeltoren waar in de winterperiode (grootste kans op pluimvorming) slechts de helft van het beschikbare pakkingoppervlak wordt benut bevochtigd; de warme. vochlige lucht wordt hierdoor opgemengd met relatief koele, weinig vocht bcvattende lucht. zodat de pluimvorming verminderd. Reststoffen ontstaan in het algemeen alleen bij onderhouden reinigingsactiviteiten. Reiniging wordt gewoonlijk verzorgd door gespecialiseerde bedrijven. die ook vrijkomende reststoffen/vloeistoffen meenemen en verwerken. Men kan grofweg stellen dat de hoeveelheid reststoffen evenredig is met het aantal reinigingen. Uiteraard is de samenstelling van deze reststoffen afhankelijk van de ingezette reinigingsmiddelen, alsmede le verwijderen verontreinigingen. Reiniging is normaal gesproken niet nodig bij geheel gesloten systemen en bij systemen die met goed behandeld en geconditioneerd koelwater wcrken. Bij gebruik van oppervlaktewater is een jaarlijkse inspectie. gepaard met een meestal mechanische reiniging gebruikelijk. Bij veel doorstroomsystemen wordt jaarlijks een reiniging met chemicalien in de vorm van chloor toegepast. teneinde (micro)biologische aangroei te verwijderen. Hei energieverbruik van koelsystemen varieert van minder dan 10 tot ruim 50 kW per MW nominaal koelvermogen. Droge systemen verbuiken daarbij globaal gesproken meer energie dan natte systemen. Storingen in koelsystemen komen vaak voort uii onvoldoende onderhoud. Onvoldoende onderhoud kan leiden tot afzettingen, zodat plotseling wordt geconstateerd dat er een verstopping en/of onvoldoende koeling plaatsvindt. Er zal dan een ingrijpende reiniging dienen plaats te vinden. Tevens kan processtilstand optreden als gevolg van lekkages veroorzaakt door corrosie. langs pakkingen van flensen, pompen. ten gevolge van breuk van bijvoorbeeld kunststoffen leidingen ', enz. Storingen als gevolg van defecte pompen en dergelijke zullen in het algemeen niet of nauwelijks tot emissies naar het milieu leiden. Door een (verplichte) overdruk in het koelcircuit kunnen bij lekkages in principe geen procesvloeistoffen in het koelwater terechtkomen. Fysiek contact met geconditioneerd koelwater zal bij operators nicl nodig zijn (met uitzondering van periodieke monsternames) en derhalve zelden of nooit voor problemen zorgen. Wel dient direct contact met een groot aantal waterbehandelings- en conditioneringsmiddelen in geconcentreerde vorm vermeden te worden. Vooral de biociden, chloorgas en geconcentreerde zuren en basen behoeven hierbij aandacht. Bij koelsystemen waarbij bij een calamiteit contact tussen levensmiddelen en dergelijke en koelwater mogelijk is. dient voorzichtig met conditione-ringsmiddelen te worden omgesprongen.

KunsiMo! kan na verloop van jaren vcrweren en daardoor b(09 worden. waardoor -..Iijker breuk kan fint-taaii.

•2322 22517

45

TNO-rapport


8

Kosten

De belangrijkste kostenfactoren bij koelsystemen zijn: — koel- of suppletiewater (grond-. leiding-. oppervlaktewater en condensaat): — watertoebereiding (filtratie, ontharding, decarbonatie, ontij/ering; chemicalien, controle/onderhoud); — koelwaterconditionering (chemicalien); — afvalwater (reiniging. lozingsheffingcm. — energiekosten (pompen. ventilatoren); — procesbeheersing en -controle (inclusief analyses); — onderhoud, reiniging; — rente en afschrijving op investeringen, De investeringskosten zijn mede afhankelijk van de le gebruiken materialen. De kosten voor systeemonderdelen uit andere materialen dan gewoon staal zijn globaal met de volgende vermenigvuldigingsfactoren aan te geven (dit geldt in principe voor elk van de afzonderlijke systeemcomponenten).

Schema 13 Vermenigvuldigingsfactoren

vmr andere constructiemateriulen

dan staal

kostenfactor ten opzichte van staal

-

*

roestvrijstaal (304, 316) gecoat staal speciale legeringen (CuNi en dergelijke) koper titaan kunststoffen* PVC PP PE glasvezelversterkt polyester

1,5-3,0 1.3-1,7 1,5-5,0 1,5-2,0 3,0-5,0 0,4-0.6 0,5-0,9 0,3-0.5 0,6-1,5

in geval van een dragende/steunende functie. zoals in koeltorens, zijn kunststoffen duurder dan gewoon staal.

Het verband tussen de 'kale' kosten voor een open koeltorensysteem (uit kunststof of gecoat staal opgebouwd) en de capaciteit van het koelcircuit is vanaf ca. 500 kW vrijwel lineair: globaal / 40 per kW (1991). Aangezien bij filmtype pakkingen ca. 10 m2 beregend oppervlak per MW nodig is, is dit globaal / 4000,= per n r beregend oppervlak (vanaf ca. 5 m~). Indien wordt uitgegaan van een circulaliedebiet van 150 mVuur per MW (i.e. een temperatuurtraject van 6 °C), bedraagt de investering globaal / 250 tot / 300 per m3/h circulerend koelwater (vanaf ca. 80 m3/h). Bij kleinere capaciteiten dan 500 kW nemen de investeringen per kW sterk toe: voor een kleine koeltoren (ca. 100 kW) bedraagt de investering globaal / 10.000 tot / 20.000, ofwel / 100 a / 200 per kW.

91X1/112322-22517

46

TNO-rapport


Bij deze kosten is de onnauwkeurigheid ca. 30% en is geen rekening gehouden met investeringen voor het te koelen object of proces zelf (bijvoorbeeld warmtewisselaars). pompen, leidingnetten, aansluitpijpen, meet- en regelapparatuur. installatiekosten en eventuele speciale omstandigheden (veiligheidsmaatregelen. vorstbeveiliging, geluidsarme ventilatoren etc.). Verder is uitgegaan van een temperatuurtraject van ca. 6 °C (temperatuurverschil in- cn uitlrcdend koelwater), een approach' van ca. 6 °C (temperatuurverschil uittredend koelwater en de natte bol temperatuur) en een uittredende watertemperatuur van 26 °C. Een kleinere approach en/of een groter temperatuurtraject leiden lot grotere koelsystemen en dus toi hogere kosten. Afgezien van dc apparatuur in het feitelijke produktieproces (warmtewisselaars. machines, reactoren etc.), maakt een (natte c.q. open) koeltoren gewoonlijk ruwweg de helft uit van de totale "kale' invesieringskosien voor hei koelwaiercircuii. De overige investeringen in hei koelcircuit betreffen vooral de circulatiepompun | en het leidingwerk. Opgemerkt moet worden dat de omvang van het leidingwerk van situatie lot situatie erg sterk kan verschillen. Na installatie zijn de kosten voor de koeltoren ca. 2.5 tot 3.5 maal zo hoog dan de 'kale' kosten; daarbij is nog geen rekening gehouden met complexe of uitgebreide leidingnetten (> 20 m). Het Webci-prijzenboekje [11] hanteeri voor een geinstalleerd open koelsysteem een richtprijs van / 850,= tot / 700.= per mVh circulerend koelwater. Deze prijs (1988) is exclusief het leidingnet en geldt voor circulaticdebiden lussen 1000 en 5500 m3/h (globaal 6 tot 50 MW). Perry [2| geeft voor circulatiedebicten in de range 227< Qc<22.700 m3/h (ofwel ruwweg 0.5-50MW) de volgende relatie voor een compleet geinstalleerd systeem: Investering = Sc^O. 0 * 7 (USS), voor Marshall & Swift index = 1000 (globaal prijsniveau 1991). Voor een doorstroomsysteem met zoet oppervlaktewater geeft Perry (2| de volgende relatie voor een compleet geinstalleerd systeem. met filterunil: Investering = 782.QU-81 (USS). Dit geldt voor debieten in de range 63<:Q
91 X I " 2 3 2 2 22517

47

TNO-rapport


Grote koelsystemen worden vaak in ca. 8 tot 15 jaar afgeschreven (annuiteitenfactor voor 10 jaar is ca. 0.16), kleinere -in het bijzonder aan een apparaat of proces verbonden koelsystemen- vaak in 3 tot 5 jaar (annuiteitenfactor 0,39 tot 0,27). Dit is overigen- sterk bedrijfsafhankelijk. De operationele kosten van een open koeltoren in een circulatiekoelsysteem bestaan uit een aantal componenten die hieronder besproken worden. De kosten voor de verschillende soorten koel- of suppletiewater zijn globaal als volgt (1991).

Schema 14 Kosten koelwater en

koclwatertoebereiding

Grondwater (inclusief pompkosten), zonder ontijzering Grondwater (inclusief pompkosten), met ontijzering Oppervlaktewater (inclusief pompkosten en filtratie) Condensaat Leidingwater Ontharding (leiding)water, extra kosten Demineralisatie (leiding)water, extra kosten

/ 0,05a 0,15/m3 / 0,25a 0,45/m3 / 0,05a 0.20/m3 p.m. / 0,40a 2.50/m3 / 0,25a 0,75/m3 / 3,00a 6,00/m3

Watereonditioneringskosten lopen sterk uiteen voor de verschillende siluaties; in de praktijk liggen de kosten tussen/ 0.10en/ 1,00 per m suppletiewater, met / 0.25 tot / 0,60 per m als veel voorkomende range. Bij gebruik van oppervlaktewater met een hoge BZV-waarde/veel onopgeloste besianddelen kan / 0,10 tot / 0.15 per m 3 extra benodigd zijn voor de bestrijding van biologische groei/vervuiling (dosering biociden/filtratie). Waterconditionering of -desinfectie door middel van ozon vergt naar schatting eveneens lussen ca. / 0,10 en / 1.= per m3 suppletiewater, afhankelijk van de gewenste dosering7' In kleinere systemen (ruwweg < 1 MW) liggen de kosten wat hoger als gevolg van de relatief hoge investeringen voor ozonapparatuur. De lozinghefTingen (op basis van CZV) bedragen globaal / 0.05 tot 0,10 per m3, maar kunnen incidenteel hoger liggen. Als reiniging in een eigen installatie noodzakelijk is, valt dit in het algemeen duurder uit. Het totale energieverbruik van open circulatiesystemen ligt in het algemeen tussen 15 en 30 kW per MW koelcapaciteit. grotendeels ten behoeve van het rondpompen van koelwater. Dc ventilator in een open koelsysteem verbruikt globaal 5 tot 10 kW per MW koelcapaciteit; bij een gesloten c.q. droog systeem is dit echter globaal 20 (range: 10 tot 50) kW per MW.

''

91 X V ' 12322 22517

Daarbij is uitgegaan van ca. / 10.= per kg 0 5 en een dosenng tu-.sen 10 en I IK) mg I suppletie-watet. ofwel 0.1 -5mg I in hei circulatiewater. Geen rekening is gehouden met besparingen als gevolg van een verminderd debiet supplenewater

48

TNO-rapport


Een open koelsysteem van 1 MW vergt derhalve per uur ca. / 5,= energiekosten, terwijl een droog sysleem globaal het dubbele zal kosten. Noot: windgekoelde condensors vragen uiteraard geen ventilaiorcnergie. Procescontrole, onderhoud en reiniging zijn steeds wederkerende activiteiten die volgens een vast schema afgehandeld kunnen worden. Vaak zijn deze activiteiten bij een gespecialiseerd bedrijf uitbesteed. De hieraan bestede manuren lopen uiteen van ca. 40 uur per jaar voor kleine, goed functionerende koelsystemen lot meer dan 300 uur bij vrij grote en/of problematische koelsystemen. Over hei algemeen zal een open c.q. nat koelsysteem meer manuren onderhoud vragen dan een droog koelsysteem. Ter illustratie van het bovenstaande het volgende voorbeeld: In een koeltoren met een koeltraject van 6 a 7 °C is dc hoeveelheid verdampt water ca. 1% van het circulerend debiet (Qc). De hoeveelheid suppletiewater is bij een indikking van een factor 1.33, 3 of 6 respectievelijk 4%, 1,5% of 1,2% van Qc (de spui uit het systeem is in deze gevallen 3%, 0.5% respectievelijk 0.2% van Qc). De kosten voor een koelsysteem laten zich dan als volgt naar het circulerend debiet uitsplitsen.

Schema 15 Koelingskosten als functie van de indikking (verdamping gelijk aan I circulerend debiet Qj

Kosten. ct per m 3 Q c

1,33

Suppletiewater (leidingwater) 1 '

Watervoorbehandeling(ontharden) Waterconditionenng: Energie: Rente/afschrijving21: Onderhoud en overig:

Totaal

21

Indikkingsfactor 3

2 -9.6

«

1 - 3 1 1,5- 4 0.5-1

5 -18

0,8-

3.6

0 - 1 0,5- 1 1 << 1,5- 4 1 <<

3

0,6-3

0 - 1,5 ca. 0,5 « 1 1,5-4 « 1

-10

Als basis is hier fl 0.50 tot fl 2.40 per m 3 leidingwater gebruikt Geldt voor continue bednjfsvoenng en koelcapacrteiten vanaf ca 1 MW De opgave is zonder kosten voor het koelwaterieidingnet en Detrefi een afschri|ftermi|n van 5 jaar (ca 3 a 4 cent/m3) of 10 jaar (ca 15 5 2 cent/m3) Deze kosten zi|n 2 tot 4 maal hoger wanneer er een discontinue bedrijtsvoermg is of wanneer de capaciteit germger is (globaal 100 a 300 kW) Indien het leidingnet wel wordt meegenomen. kan deze kostenpost eveneens ruwweg verdubbeien

Uit dit overzicht blijkt dat de totale kosten in belangrijke mate worden bepaald door rente en afschrijving en de kosten van leidingwater voor suppletie. Een lage indikkingsfactor is vanuit kostenoogpunt vooral onaantrekkelijk bij duur (leidingjwater. Indien leidingwater (of water uit een andere bron) goedkoop is en gc6n conditionering wordt toegepast. kan edoch een lage indikkingsgraad aantrckkelijk blijken te zijn

91 X ' " 2 3 2 2 22517

49

TNO-rapport


De investeringskosten die benodigd zijn voor geinstalleerde koelsystemen (met max. 20 m leidingwerk. i.e. een rechtstreekse koppeling met het le koelen object) laten /ich ruwwegals volgt relaieren aan het koelvermogen (schema 16).

Schema 16 Indicatie I an de investeringskosten (temperatuurtraject 7'C)

per kW koelvermogen.

Normale range capaciteit (MW)

Leidingwaternet (doorstroom) Oppervlaktewater (doorstroom) Bronwater (doorstroom) Koeltoren (open circulatie) Gesloten circulatiekoelsysteem Compressiekoeling, warmtepompen '

"

< 0,2 0.2 - 5 >5 0,1 - 1 0,2 - 1 >1 0.05- 1 0,05 > 0,05

na installatie

Kosten

|(f/kW)

15 150 120 200 130 100 250 500

40 - 400 - 180 - 600 - 280 - 150 - 500 - 1100

?

De compressiekoelmachine en warmtepomp zijn hier slechts ter informatie vermeld

Wanneer de kosten per m3 circulerend of doorgeleid koelwater in compleet geinstalleerde systemen worden vergeleken. liggen deze in het algemeen niet extreem uiteen (ordegrootte vaak 0.15 a 0,50 f/ttr. zie ook schema's 14 en 15), met uitzondering van leidingwater. Ten aanzien van de levensduur en het noodzakelijk onderhoud aan de hardware componenten van een koelsysteem laat zich weinig in het algemeen zeggen. behalve dat de technische levensduur van koelsystemen als geheel in het algemeen > 10 jaar is. De storingsgevoeligheid wordt bepaald door de 'zwakste schakel' in het systeem. In de praktijk komen storingen hoofdzakelijk voor ten gevolge van het plotselinge c.q. onverwachte falen van de waterconditionering. Hiervoor zal dan per geval een adequate remedie moeten worden gevonden. Luchtkoeling is duidelijk minder storingsgevoelig, en derhalve in potentie aantrekkelijk als er grote kosten gemoeid gaan met processtilstand.

9' X I " 2 3 2 2 22517

50

TNO-rapport


Conclusies

Van het totale industriele waterverbruik wordt meer dan 85% gebruik. ten behoeve van koeldoeleinden. Naar aard en tocpassingen is een groot scala aan koelsystemen te onderscheiden. Ieder te koelen object stelt zijn eigen eisen aan een koelsysteem: deze eisen. le zamen met de mogelijkheden en beperkingen van verschillende koclopties. bepalen in hoofdzaak de keuze voor een bepaald systeem. Bij de selectie, ontwerp. bouw en onderhoud van koelsystemen zijn verschillende bedrijven en instamies betrokken. die momenteel onderling weinig contacten tot afstemming hebben. In het huidige gebruik worden tol ca. 200 kW voornamelijk luchtkoeling en gesloten circulatiesystemen ingezet, daarboven voornamelijk open recircutatiesystemen. Grondwater wordt steeds minder gebruikt door de beperkingen die hieraan worden gesteld. Het relatief zeer grote verbruik aan oppervlaktewater wordt voornamelijk veroorzaakt door een gering aantal zeer grote koelwaterverbruikers. In veel koelsystemen. maar in het bijzonder de open circulatiesystemen, wordt het koelwater behandeld. De tendens is om hiervoor minder milieubelastende chemicalien te ontwikkelen en in te zeiten. Door meer aandacht te besteden aan het ontwerp van en de materiaalkeuze in complete koelsystemen kunnen toevoegingen van bijvoorbeeld corrosie-inhibitoren worden beperkt of voorkomen. Om wateremissies door koelsystemen in algemene zin te voorkomen of verminderen. zijn de volgende mogelijkheden te noemen: — de mogelijkheden van luchtkoeling verder benutten: — gebruik van condensaat en effluenten (van voldoende kwaliteit) als suppleiiewater; — in open circulatiesystemen streven naar een hoge indikking (i.e. goede kwaliteit suppletiewater 6f naar een lage indikking zonder gebruik van conditioneringsmiddelen; — gebruik van relatief milieuvriendelijke conditioneringsmiddelen (kansrijk zijn bijvoorbeeld methoden op basis van ozon). De informatie met betrekking tot de in dit document onderzochte aspecten van koelsystemen is sterk verspreid over verschillende bronnen en soms beperkt of tegenstrijdig. Het is mede door de verschillende vormen en toepassingen van koelsystemen binnen het kader van deze studie moeilijk tot onmogelijk gebleken duidelijke uitspraken te doen over zaken als kosten en "het meest milieuvriendelijke systeem'.

91 X I " 2 3 2 2 22517

51

TNO-rapport


10

Leveranciers

Leveranciers van de in Nederland meest voorkomende droge en natte koeltorensystemen zijn hieronder genoemd (tussen haakjes de fabrikant). Polacel BV Postbus 296 7000 AG Doetinchem Thermica BV (Baltimore) Postbus 64 5201 AB 's Hertogenbosch Hamapo BV (CCT Evapco) Postbus 2093 5260 Vught Flakt Klimaat BV Postbus 10036 3004 AA Rotterdam Ingenieursbureau Promotec BV (Marley) 2e Loswal 23

1216BCHilversum Merrem & la Porte BV (Balcke Diirr) Postbus 50 5300 AB Zaltbommel GEA Warmtetransport B.V. Toussaintkade 51 2513 CL 'sGravenhage Voor wat betreft condensors en vloeistofkoelers kunnen nog worden genoemd: Grenco Koudelechniek Postbus 205 5201 AE 's Hertogenbosch Esko Koeltechniek V. Coehoornstraat 15 5916 PH Venlo NRF Thermal Engineering Kuiperstraat 2 5404 BB Uden Apparatenfabriek Helpman NV Postbus 44 9700 AA Groningen

91 X I "2_22_2517

52

TNO-rapport


11

Referenties

[I] ASHREA Handbook, 1983 Equipment volume; American Society of Heating, Refrigeration and Air-conditioning Engineers Inc.; Atlanta. USA 1983. [2] Perry's Chemical Engineers Handbook, 6th Ed. McGraw-Hill Publ. 1984. [3] Ullmann's Encyklopadie der terchnischen Chemie. 4.Auflage; Verlag Chemie. Weinheim, 1978. [4] Kirk-Othmer. Encyclopedia of chemical technology, 3rd ed.; J.Wiley & Sons. New York, 1978. [5] E.D.D. During; De juiste waterbehandeling op de juiste plaats. Ill: de waterbehandeling voor koelwatersystemen; Krachtwerktuigcn, circulairenr 144. 1980. [6] E. Sprenger; Taschcnbuch fur Heizung und Klimatcchnik: 60. Ausgabe; Oldenbourg, Miinchen/Wicn. 1979. [7] The Nalco Water Handbook. 2nd Ed; F.N. Kemmer (Ed); McGraw-Hill Book Compagny. 1988. [8] N.N.; Incline filters clear cooling-tower contamination; Chemical Engineering, nov 1990. p 195-196. [9] H.A. van Ingen Schenau, A. van Knolsenborg; Vakleer Koellechniek. Deel I; De technische Uitgeverij H. Sum N.V. Culemborg/Haarlem (19..) [10] W.F. Stoecker; Industrial refrigeration; Business News Publishing Compagny; Troy. Michigan. USA; 1988. [II] Webci/Wubo-prijzenboekje, 13e editie, Nederlandse Stichting voor Kostentechniek DACE. 1988. [12] Handbook Cost Engineers; DACE. Samson Uitgeverij, Alphen a/d Rijn (1989). [13] WW, Marshal; Construction materials for chemical process industries; The Chem. Engineer. May 1981, p.221-225. [14] R.J. Visser. R.J.H. Merks; Seizoenopslag van koude: techniek. toepassing en economie: NOVEM-rapport nr 320007, november 1988. [15] W.J. Beek, K.M.K.. Muttzall: Transport phenomena; J. Wiley & Sons Ltd. London, 1975. [16] R. Burger; Colder cooling water pays off, Chem. Engng. 98. 3. 17-1 ! - : (1991).

9 ' M i " 2 3 2 2 22517

53

TNO-rapport


[17] C.B.S.; Watervoorziening bedrijven 1986, Staatsuitgeverij 's-Gravenhage, 1988. [18] J.G. Knudsen; Conquer cooling-water fouling; Chem. Engng. Progress; april 1991, 42-48. [19] J.T. Echols, ST. Mayne; Cooling-water cleanup by ozone; Chem. Engng. 97. 5. 163-167 (1990). [20] S. Farooq, M. Misbahuddin; Activated carbon adsorption and ozone treatment of a petrochemical wastewater; Environmental Technology, 12, 147-159(1991) [21] R. Wellaner. M. Oldani; Cooling water treatment with ozon. Ozone: science and engineering 12. 243-253(1990). [22] D. Murphy; Selection of corrosion resistent materials for cooling towers; ASHRAE Journal, August 1989, 14 -18. [23] Interviews met: a. NALCO Chemical BV, Tilburg b. Polacel BV, Doetinchem c. Thermica B.V., Den Bosch d. Krachtwerktuigen, Amersfoort.

91-301.112322 22517

5 4

TNO-rapport


12

Verantwoording

Naam en adres van ae opdrachtgever

RIZA Postbus 17 8200 AA Lelystad

Namen en functies van de medewerkers

lr. P.E.J. Vermeulen; werkgroepleider koudetechniek

Naam van msteliing waaraan een deel van het onderzoek is urtbesteed Krachtwerktuigen. Postbus 165. 3800 A D Amersfoort

Datum waarop. of li|0sbestek waarin. het onderzoek heeft piaatsgehad oktober 1990 - augustus 1991

Ondertekening

ir. J.W. Assink onderzoekleider

91 X ' " 2 3 2 2 22517

H g.HJ. van Veen wterkgroepleider

55

Industriele koelsystemen: milieu-aspecten en kosten

Recommend Documents