Preventieve behandeling van suppletiewater voor koelsystemen door middel van ontharden biedt een goed alternatief voor de curatieve chemicaliëndosering in het circulerende koelwater die nu veel wordt toegepast. Preventieve behandeling kan veel kosten en water besparen en de impact op het milieu aanzienlijk verminderen. Een rekentool toont de mogelijke besparingen op kosten en water voor drie realistische voorbehandelingsscenario’s.

Tekst: Nienke Koeman, Frank Oesterholt en Hans Huiting

De (proces)industrie gebruikt koelsystemen om lage-temperatuur-warmte weg te koelen. Vaak wordt een open recirculerend koelwatersysteem gebruikt dat warmte afvoert door water te verdampen in een koeltoren, in direct contact met de buitenlucht. Daarbij worden de stoffen in het koelwater, aangevoerd via het suppletiewater, geconcentreerd. Dit kan problemen geven met groei van micro-organismen, corrosie en zoutafzettingen (vaak kalkafzetting, scaling). Daarom wordt het geconcentreerde koelwater regelmatig gespuid en in de koeltoren conditioneringschemicaliën toegevoegd. Spuien leidt tot gebruik van relatief grote hoeveelheden water en conditioneringschemicaliën, meestal  een speciale mix die is afgestemd op de lokale situatie. Vooral dat laatste maakt het koelproces kostbaar en relatief ingewikkeld en veroorzaakt een grote impact op het milieu, ondanks de stijgende trend om biologisch  afbreekbare chemicaliën in te zetten.

Preventief. Binnen het TKI-watertechnologie programma heeft KWR samen met SABIC, Tata Steel, Brabant Water, Evides Industriewater en Pidpa een deskstudie uitgevoerd gericht op de verschuiving van het zwaartepunt van de curatieve conditionering van koelwater van chemische waterbehandeling in het koelsysteem naar een preventieve behandeling van het suppletiewater gebaseerd op vergaande ontharding. Dit heeft als primair doel het koelwater verder in te dikken en minder te spuien. Omdat een evenwicht met de buitenlucht wordt gevormd, zal de pH bij de lage hardheid stijgen en zullen naar verwachting veel minder chemicaliën nodig zijn om corrosie, zoutafzetting en biofilmvorming tegen te gaan. Bovendien zijn de gebruikte basischemicaliën voor het ontharden tijdens voorbehandeling minder schadelijk voor het milieu dan de conditioneringschemicaliën die nu curatief worden ingezet. Bij comfort koelwatersystemen, die mildere procesomstandigheden hebben, wordt koelwater al massaal preventief geconditioneerd door het voedingswater volledig te ontharden.

Drie opties

Met als voornaamste criterium minimaal waterverlies tijdens de voorbehandeling zelf zijn drie mogelijke scenario’s voor voorbehandeling geselecteerd. Scenario één bestaat uit met kationwisseling om calcium en magnesium te verwijderen en zo scaling te voorkomen, gevolgd door anionwisseling om naast corrosieve anionen ook opgelost organisch materiaal te verwijderen dat voeding vormt voor micro-organismen.

Scenario twee start met pellet-ontharding om calcium en magnesium te verwijderen, gevolgd door zandfiltratie om de pellets en een deel van de aanwezige micro-organismen te verwijderen  en opnieuw kationwisseling voor verdere ontharding. Scenario drie is gelijk aan  scenario twee met na de kationenwisselaar nog een anionenwisselaar voor verwijdering van organisch materiaal.

Rekentool

De onderzoekers onbtwikkelden de rekentool CaShCoW (Calculation Sheet Cooling Water) om de technische en economische haalbaarheid van suppletiewater voorbehandelingen en een toename van concentratiecycli door te rekenen en vergelijkt die met de bestaande situatie van behandeling en indikken. De tool berekent de effecten van de voorbehandeling en een toename van het aantal cycli op de samenstelling en scalingspotentie van het koelwater. Als indicatie voor de scalingspotentie gebruikt CaShCoW onder andere de Puckorius Saturatie Index, gebaseerd op de calciumcarbonaat verzadiging bij de evenwichts-pH van een open koelwatersysteem. Ook berekent de tool de investeringskosten (Capex) en operationele kosten (Opex) van de voorbehandeling om de totale kosten te vergelijken met de huidige kosten voor koelwaterbehandeling.

Beperking

De  rekentool geeft nog geen goede indicatie voor de potentie tot corrosie. Daarover kunnen wel kwalitatieve uitspraken worden gedaan op basis van de aanwezige zouten en de pH. Er is momenteel geen goede index om de mate en de specifieke verschijningsvorm van corrosie te voorspellen voor een open recirculerend koelwatersysteem zonder noemenswaardige hardheid (pH  9 – 9,5) Dat ligt veelal buiten de range van de indices.

Sabic Geleen

Om de bruikbaarheid van de tool te beoordelen, zijn twee praktijksituaties geïnventariseerd en doorgerekend. De eerste is een koelsysteem bij Sabic in Geleen, met een zink/fosfonaat programma voor koelwaterconditionering, en een concentratiefactor van circa negen. CaShCoW laat zien dat in dit geval geen van de drie voorbehandelingsscenario’s economisch voordeliger is dan de huidige conditionering. Vanwege de hoge concentratiefactor is de winst door waterbesparing eenvoudigweg te gering. Mocht Sabic in de toekomst redenen hebben om over te stappen op een conditioneringsprogramma zonder zink, dan biedt scenario 1, (alleen ionenwisseling) economisch het meest interessante alternatief. De waterkwaliteit is in dat geval dusdanig dat hoewel de indices een lichte neiging tot scaling voorspellen, zoutafzetting in de praktijk niet waarschijnlijk wordt geacht.

Tata Steel IJmuiden

Het koelsysteem bij Tata Steel in IJmuiden gebruikt voorbehandeld oppervlaktewater als suppletiewater het conditioneringsprogramma bevat verschillende organische componenten. Omdat het koelwater in een ander koelsysteem terecht kan komen, mag het chloridegehalte in het recirculerende koelwater niet te veel stijgen. Daarom is de maximale concentratiefactor hier 2,4. De rekentool laat zien dat als chloride niet een beperkende factor zou zijn, alle drie de alternatieve behandelingsscenario’s een aanzienlijke besparing van water en kosten zouden kunnen opleveren. Als de concentratiefactor van 2,4 naar 5 mag stijgen, kan 27 procent van het suppletiewater worden bespaard. Met scenario 1 zou in dat geval tot 47 procent op de kosten kunnen worden bespaard. Omdat de investerings- en onderhoudskosten voor pellet-ontharding aanzienlijk hoger zijn dan voor ionenwisseling, is de kostenbesparing voor scenario’s 2 en 3 lager, maar nog steeds ruim twintig procent. De waterkwaliteitsberekeningen laten zien dat het water ongeveer het verzadigingsevenwicht van calciumcarbonaat bereikt, dus scaling noch corrosie van koolstofstalen installatiedelen worden verwacht problemen op te leveren. Door de geringe huidige concentratiefactor zal een aanzienlijke besparing van water- en chemieverbruik kunnen worden behaald. Als bij Tata Steel het chloridegehalte verder mag stijgen, bieden alle drie de scenario’s duidelijk besparingsmogelijkheden.

Nieuwe inzichten

De toepassing van de rekentool op beide casebeschijvingen in deze studie heeft geleid tot een aantal nieuwe inzichten. In de eerste plaats is door toepassing van de rekentool aangetoond dat preventieve behandeling van suppletiewater door middel van ontharding, een goed alternatief kan zijn voor de huidige curatieve behandeling op basis van chemicaliëndosering in het circulerende koelwater. Vooral bij systemen met een laag aantal cycli (<5) en hoge kosten voor water en chemicaliën kan dat veel kosten en water besparen en de impact op het milieu sterk verminderen, onder andere omdat de chemicaliën die nodig zijn voor voorbehandeling een veel kleinere milieu-impact hebben dan de complexe koelwaterconditioneringschemicaliën die bij curatieve behandeling nodig zijn, maar na preventieve behandeling overbodig. Hoeveel besparing kan worden bereikt, is sterk afhankelijk van lokale omstandigheden zoals energiekosten en waterbeschikbaarheid. De rekentool kan deze besparing helpen voorspellen. Het scenario gebaseerd op kationwisseling en anionwisseling geeft de laagste kosten van de drie voorbehandelingsscenario’s omdat de pellet-ontharding in de twee andere scenario’s een hogere kapitaalsinvestering vraagt.

Scalingspotentie

Het effect van voorbehandeling op de scalingpotentie kan goed worden voorspeld. Hoewel gangbare indices soms aangeven dat nog lichte scaling kan ontstaan, is de praktisch afzetbare hoeveelheid calciumcarbonaat zeer laag. Voorbehandeling lijkt ook gunstig om groei van biofilm te verminderen, enerzijds door verwijdering van organische componenten, anderzijds door de hogere resulterende koelwater-pH, maar hierover en over de corrosiviteit is nog geen kwantitatieve uitspraak te doen. Naar verwachting treedt voldoende corrosie-inhibitie op omdat onder de sterk alkalische koelwateromstandigheden het carbonaatgehalte sterk stijgt en oplossen van metalen (behalve aluminium) drastisch onderdrukt  ten opzichte van de meeste huidige open koelwaters. De biofilmvorming en corrosiepotentie kunnen worden onderzocht in een pilot test volgens de NEN-ISO 16784-2 standaard. Deze standaard beschrijft hoe het effect van een behandelingsmethode op een open koelsysteem objectief en reproduceerbaar getest kan worden.

Vervolg

Als blijkt dat voorbehandeling niet alleen een positief effect heeft op de scalingpotentie, maar ook op corrosie en biofilmvorming, kunnen industrie en waterbedrijven samenwerken om deze milieuvriendelijkere behandeling van koelwater toe te passen en mogelijk op te nemen in de BREF (best available technique reference documents) voor koelwaterconditionering daterend uit 2001 Daarvoor is eerst meer praktijkervaring, kenniszekerheid en een onderbouwde en navolgbare “proof of concept” nodig, waarbij ook de rekentool verder gevalideerd kan worden.

Meer hierover kunt u lezen op de site van het TKI Watertechnologie

Masters of industry: Industriële koel- en ketelwaterbehandeling

Nienke Koeman is een van de twee sprekers tijdens de Masters of Industry bijeenkomst met het thema: Industriële koel- en ketelwaterbehandeling. Schrijf u hier in voor de bijeenkomst op 21 september bij Pathema in Tilburg.

Conditionering van koel- en ketelwater voorkomt problemen met scaling, fouling en corrosie. Tot nog toe worden hiervoor veel chemicaliën gebruikt. Min of meer toevallig stuitte Pathema op een manier om koelwater op mechanische wijze te conditioneren. Kleinere, zogenaamde comfortkoelingen, worden  standaard al behandeld, maar bij grote koelsystemen in de petrochemie of de staalindustrie gebeurt dit nog niet. Toch kan ook voor dit soort systemen conditionering van het water voordelig zijn.

Tijdens deze Masters of Industry toont Mark Boeren (directeur Pathema en Water Innovator of the Year 2017) hoe de Industrial Vortex Generator koelwater kan behandelen zonder inzet van chemicaliën. Nienke Koeman (onderzoeker bij KWR) geeft inzicht in de resultaten van het onderzoek dat zij deed naar de conditionering van koelwater bij open recirculerende systemen.

Informatie over het programma en aanmelden kunt u vinden via www.mastersofindustry.nl.