Bypass-filtratie in koelwatersystemen

Inleiding

In de industrie en de elektriciteitsproductie worden op grote schaal koelwatersystemen gebruikt om overtollige proceswarmte af te voeren. Een veel toegepaste techniek is het open circulerende koelwatersysteem, waarbij de proceswarmte aan de atmosfeer wordt afgegeven door middel van verdamping van een deel van het koelwater aan de lucht die door de koeltoren stroomt. Enkele milieuaspecten van deze techniek van overtollige proceswarmteverwijdering zijn:
  • Het onttrekken van water aan natuurlijke hulpbronnen;
  • De verdamping van water naar de atmosfeer;
  • Het gebruik van chemicaliën om het koelwatersysteem te beschermen tegen corrosie, neerslag en microbiële groei;
  • Het lozen van afblaaswater, dat (in-) oplosbare bestanddelen bevat.
De concentratie van verontreinigende stoffen in het koelwatersysteem neemt voortdurend toe als gevolg van gedeeltelijke verdamping, het inblazen van massa via de luchtstroom en als gevolg van microbiële groei. Deze verschijnselen leiden tot verontreiniging en corrosie in het koelwatersysteem en vereisen frequente onderhoudsinspanningen om de uitvaltijd van het productieproces tot een minimum te beperken en te voorkomen dat de warmteoverdracht afneemt door filmvorming op de oppervlakken van de warmtewisselingsapparatuur. De conditionering van het koelwater moet ook gericht zijn op een minimalisering van de milieubelasting (lozing van spuiwater en toevoer van suppletiewater) en op een maximalisering van de betrouwbaarheid van het koelwatersysteem. Deze twee doelstellingen worden bereikt tegen lage financiële kosten door toepassing van bewegend bed filtratie op een bypass van het koelwatersysteem. De kenmerken van het systeem worden hieronder toegelicht.

Open circulerende koelwatersystemen

In een open circulerend koelwatersysteem wordt het koelwater in de warmtewisselaars gepompt, waarin het de overtollige proceswarmte opneemt die in de koeltorens wordt afgevoerd. In de koeltoren wordt het warme koelwater besproeid en in contact gebracht met een tegen- of dwarsstromende luchtstroom, die het verdampte water afvoert.
 
Om de verdampingsverliezen te compenseren moet vers water worden toegevoegd, waardoor de concentraties van oplosbare en onoplosbare bestanddelen in het koelwatersysteem toenemen. De concentraties van oplosbare en onoplosbare bestanddelen worden op een bevredigend niveau gehouden door middel van een voortdurende afblazing van het koelwater. De resulterende opconcentratie voor vaste stoffen kan worden geschat aan de hand van de debietverhouding van suppletie en blow-down. Deze concentratiefactor wordt gemeten door middel van geleidbaarheid of chloridegehalte en wordt gewoonlijk op waarden tussen 1,5 en 4 gehouden.
 
Voor een koelwatersysteem van 10 MWth en een temperatuurdaling van 8oC zijn de verdampingsverliezen goed voor 15 m3/h. Een concentratiefactor van twee wordt verkregen bij een 15 m3/h afblazen. Dit resulteert in een suppletie van 30 m3/h.
 
De toelaatbare concentratiefactor voor een bepaald koelwatersysteem wordt bepaald door de oplosbaarheidsproducten van specifieke ionen aan de oppervlakken van de warmtewisselende apparatuur.
 
Vaak voorkomende neerslagen op de oppervlakken van warmtewisselaars zijn CaCO3 en Ca3(PO4)2 zouten. Deze afzettingen kunnen leiden tot een verminderd warmteoverdrachtsrendement, corrosieve aantasting, met mogelijke productlekkage in het koelwatersysteem tot gevolg. Om de vorming van precipitaten te voorkomen worden dispergeermiddelen, hardheidsstabilisatoren en corrosieremmers aan het voedingswater toegevoegd.
 
De toename van de concentratie van gesuspendeerde vaste stoffen in koelwatersystemen is nog sterker dan de toename van zouten. Afgezien van de bijdrage van zwevende deeltjes in de toevoer van het voedingswater, wordt het totale gehalte aan zwevende deeltjes in het koelwatersysteem voornamelijk beïnvloed door het "schrobben" van de lucht die door de toren stroomt en door biologische groei in het koelwatersysteem. De lucht die door de toren stroomt bevat insecten, stof en organische stoffen, die door het vallende koelwater worden ingesloten. De omstandigheden in het koelwatersysteem met betrekking tot temperatuur, zuurstofconcentratie en nutriëntenniveaus zijn optimaal voor biologische groei. Het door biologische groei gevormde organisch materiaal kan op bepaalde plaatsen corrosie veroorzaken. Deze problemen kunnen worden opgelost door het afblaasdebiet te verhogen, wat echter een minder gunstige oplossing is. Een betere optie is het toepassen van bypass-filtratie, die zowel voor de verwijdering van vaste stoffen als voor biofiltratie kan worden gebruikt.

Bypass filtratie

In figuur 1 wordt een stroomschema gegeven voor een open circulerend koelwatersysteem dat is uitgerust met bypass-filtratie. De bypass-filtratie-eenheid bestaat uit een bewegend bedfilter, dat wordt gevoed met een klein deel van de warmwaterstroom, terugkomend van de productieprocessen. Behandeling van de warmwaterstroom verdient de voorkeur wegens de betere filtratiekarakteristieken (lagere viscositeit van het water) en wegens de gunstige temperaturen voor de biologische activiteit in het zandfilter. Vanwege de hoogte van de koeltorens kan het bewegend bedfilter door de zwaartekracht worden gevoed. Het filtraat wordt eveneens door de zwaartekracht naar het koelwaterbassin afgevoerd, evenals de continue stroom waswater, die wordt afgevoerd naar de afblaasput. Het waswaterdebiet is voldoende laag, zodat het afblaasdebiet uit het koelwaterbassin kan worden geregeld door de geleidbaarheid te controleren. Voor de werking van de filter is slechts een zeer kleine hoeveelheid perslucht nodig, die normaal kan worden betrokken van de bestaande luchttoevoer van de installatie.
De specifieke kenmerken en voordelen van bypassfiltratie worden geïllustreerd aan de hand van
een voorbeeld voor een koelwatersysteem van 10 MWth met een temperatuurgradiënt van 8,6oC over de koeltoren. De proceseigenschappen zijn samengevat in tabel 1. Twee van deze bypassfiltratie-installaties zijn geïnstalleerd in de DOWLEX-installatie van DOW Chemicals, Terneuzen, Nederland. In dit specifieke voorbeeld vermindert bypass-filtratie de blow-down en de toevoer niet, aangezien de concentratiefactor wordt bepaald door de verzadiging van kritische precipitaten. Het voordeel van bypass filtratie ligt hier in de bescherming van de kostbaarste elementen in het koelsysteem: de warmtewisselaars. De specifieke voordelen zijn:
  • betere warmteoverdracht door schonere warmtewisselaars;
  • verwijdering van zwevende deeltjes;
  • een verschuiving van de microbiële activiteit van het koelsysteem naar het bewegend bedfilter;
  • lagere onderhoudsvereisten en vermindering van productlekkage.
koeltafel-1

Warmteoverdracht

De overtollige proceswarmte wordt overgedragen via de inwendige oppervlakken van de warmtewisselingsapparatuur. In het algemeen is bekend dat afzettingen van vaste stoffen op de warmtewisselende oppervlakken leiden tot een aanzienlijke verlaging van de totale warmteoverdrachtscoëfficiënten. Een minder gecontroleerd koelwatersysteem vertoont temperatuurgradiënten over aangroeifolies in het bereik van 1 tot 4oC. Indien wordt uitgegaan van een extra energiebehoefte van 3,5 kWth/MWth-oC dan zal de extra weerstand voor warmte-uitwisseling leiden tot een extra energieverbruik van 30 - 140 kWth. Rekening houdend met de prijs voor primaire thermische energie (120 €/kWth) dragen deze deposito's bij tot extra kosten in de orde van 3.600 tot 16.800 €/jaar.

Verwijdering van zwevende stoffen

Het bewegend bedfilter is goed in staat om zwevende deeltjes uit het koelwatersysteem te verwijderen. Zoals blijkt uit tabel 1 is de concentratiefactor voor zwevende vaste stoffen (1,3) veel lager dan voor zouten (3,0), wat wijst op een aanzienlijke verwijdering van zwevende vaste stoffen. Als wordt uitgegaan van een totaal gehalte aan zwevende deeltjes van 5 mg/l in het toevoerwater, dan verwijdert het bewegend bedfilter 70 g/h zwevende deeltjes, die worden afgevoerd met de waswaterstroom van het filter. Bovendien zal periodieke chlorering in het koelwatersysteem bijdragen tot de verwijdering van organische afzettingen, aangezien deze afzettingen zullen worden losgemaakt, in het koelwatersysteem terechtkomen en door het filter worden verwijderd. Op deze manier worden de organische zwevende deeltjes efficiënt verwijderd uit het koelwatersysteem, en veroorzaken ze geen nieuwe afzettingen of biologische groei.

Onderhoud van warmtewisselaars

Een relatief groot deel van de operationele kosten van een koelsysteem wordt bepaald door de kosten voor onderhoud van de warmtewisselingsapparatuur. Om corrosie onder controle te houden en vermindering van het warmteoverdrachtsrendement te voorkomen is periodiek onderhoud noodzakelijk. Dit onderhoud vergt aanzienlijke mankracht, stilstandtijd en kosten. Voor het specifieke geval zoals beschreven in tabel 1 met een totaal warmtewisselend oppervlak van 2.000 m2 bedragen de besparingen op onderhoudsinspanningen na 5 jaar bypassfiltering meer dan € 1.500/jaar per MWth geïnstalleerd koelvermogen. Wat de verminderde onderhoudskosten betreft, is de installatie pas na enkele jaren rendabel geworden. Van even groot belang is de langere productlevensduur van de warmtewisselingsapparatuur, de kleinere kans op productlekkages en de hogere bedrijfszekerheid van het koelwatersysteem.

Ontwerpaspecten

In het specifieke geval is de bypass-stroom gebaseerd op 1,5% van de circulatiestroom van het koelwater. In de praktijk moet de hydraulische filtratiecapaciteit groot genoeg zijn om het totale koelwatervolume ("dood volume") in ongeveer 1 à 2 dagen te behandelen, wat resulteert in voldoende controle over de belasting met gesuspendeerde vaste stoffen en biologische activiteit. De nadruk van bypass filtratie ligt op de beheersing van de belasting van het koelwatersysteem met vaste stoffen, en niet zozeer op een volledige verwijdering van vaste stoffen uit het systeem. Naast de beheersing van de vaste stoffen in de stationaire toestand, leidt bypass-filtratie ook tot een betere beheersing van schokbelastingen, bijvoorbeeld bij een verhoogde inblazing van zwevende vaste stoffen.
 
Bij de verwijdering van zwevende deeltjes is de belangrijkste ontwerpparameter de verwijderingscapaciteit in massa per tijd, die wordt bepaald door het bypassdebiet [m3/h] en het filtratierendement [%]. Het filtratierendement hangt voornamelijk af van de eigenschappen van de te verwijderen zwevende deeltjes en van de hydraulische belasting (in m3/m2.h). Ondanks de lagere filtratie efficiëntie bij hogere hydraulische belasting, zal een hogere hydraulische belasting resulteren in een hogere verwijderingscapaciteit voor vaste stoffen. Als bijvoorbeeld het filtratie rendement daalt van 80% tot 65% door een toename van de hydraulische belasting van 10 tot 15 m/u, dan zal de vaste stof verwijderingscapaciteit 25% hoger zijn in het geval van 15 m/u en 65% verwijderingscapaciteit. Naast het positieve effect van hogere hydraulische belastingen op de prestaties in stationaire toestand, leiden hogere hydraulische belastingen ook tot snellere verwijderingssnelheden na schokbelastingen van zwevende vaste stoffen die in het koelsysteem worden gebracht.

Verschuiving van biologische activiteit naar de zandfilter

Naast de verwijdering van zwevende deeltjes fungeert het bypassfilter ook als katalysator voor biologische activiteit. Biologische activiteit in het koelwatersysteem wordt veroorzaakt door voedingsstoffen en micro-organismen, die in het systeem terechtkomen via suppletie, inblazen en productlekken. Biofilms kunnen microbiële geïnduceerde corrosie (MIC) veroorzaken, waardoor de warmteuitwisselingscapaciteit afneemt en koeltorens plaatselijk verstopt raken. Het gebruik van oxiderende biociden is een effectief middel om overmatige groei van ongewenste biofilms tegen te gaan, maar kan ook worden gekarakteriseerd als "symptoombestrijding", omdat het de hoofdoorzaak van biofilmgroei niet wegneemt: de aanwezigheid van (oplosbare) nutriënten in het koelwater. Het gebruik van een bewegend bed filter als een zijstroom biofilter maakt biologische verwijdering van oplosbare voedingsstoffen en filtratie van zwevende micro-organismen en vaste stoffen mogelijk. De geschiktheid van het bewegend bed filter als biofilter in termen van adequate biomassabeheersing in combinatie met fysische filtering gaf aanleiding tot uitbreiding van het fysische zijstroomfilter met een biologische functie. De hydraulische omstandigheden in de zandfilter zijn zacht in vergelijking met de turbulente stromingsregimes in de koeltoren en de warmtewisselaars, en zullen dus leiden tot afzetting van zoutneerslag, vorming en verwijdering van biomassa en tot demineralisatie van nutriënten. Ondanks het feit dat het bewegend bedfilter in het gegeven voorbeeld niet naar behoren als een biologische reactor functioneerde, werd een aanzienlijke vermindering van de totale hoeveelheid organische koolstof (TOC) gemeten in vergelijking met de opstelling zonder bypass-filtratie.
 
De gunstiger omstandigheden voor biologische activiteit in het bewegend bedfilter in vergelijking met de omstandigheden in de warmtewisselaars worden geïllustreerd in tabel 2. Het bewegend bedfilter, dat gekenmerkt wordt door een meer laminaire stroming in combinatie met een groter oppervlak, biedt de noodzakelijke voorwaarden voor de bevordering van de biologische activiteit in het filter.
Het gebruik van een bewegend bed bypass filter als bio-omzetter is uitgebreid getest in de DSM ammoniakfabriek (AFA 2), Nederland. In het filterbed werd een aanzienlijke concentratie van micro-organismen aangetroffen in vergelijking met de inhoud van het koelwater. Op basis van het gemiddelde gehalte aan micro-organismen in het waswater en de hoeveelheid zand die werd gewassen, bleek de biomassaconcentratie in de poriën van het filterbed 40 tot 200 maal hoger te zijn dan in het koelwater (ongeveer 200-400 RLU). Ondanks het relatief hoge nutriëntengehalte en het hoge biomassagehalte in het filterbed is het van cruciaal belang het gehalte aan micro-organismen in het filtraat zo laag mogelijk te houden. Het gehalte aan micro-organismen in het filtraat (uitgedrukt in ATP) was vrij goed gecorreleerd met het gehalte aan microbieel ATP in het filterbed. In figuur 2 is dit verband weergegeven.
Zoals blijkt uit figuur 2 heeft het effluentgehalte aan microbieel ATP de neiging te verschuiven naar waarden van ongeveer 200 RLU. Op basis van ten minste 10 jaar ervaring met de interpretatie van de ATP-meting op ongeveer 50 open recirculerende koelwatersystemen op de DSM-locatie in Geleen (Nederland) wordt een koelwatersysteem geacht biologisch onder controle te zijn bij ATP-waarden van minder dan 300 RLU. Dit betekent dat de werking van een biofilter in de zijstroom de neiging zal hebben het gehalte aan micro-organismen in het koelwater naar aanvaardbare waarden te verschuiven.

Referenties

1. Defrancq, J., Scalingproblemen in koelwatersystemen, Syllabus nr. 36 van het 1e Nederlandse Koelwatersymposium, p. 44-56, Nederlands Corrosie Centrum, Bilthoven, juni 1993
2. Donk, M. van; Jenner, H.A., Optimization of biofouling control in industrial cooling water systems with respect to the environment, 64387- KES/WBR 96-3113, KEMA, Arnhem, 28 mei 1996
3. Kramer, J.P.; Wouters, J.W.; Kop, J.H., DynaSand filtratie; mededeling no. 31 van de vakgroep Gezondheidstechniek en Waterbeheersing, Technische Universiteit Delft, 1989
4. Paping, L.L.M.J., Energiebesparing door schone koelers, Watersymposium '95, p. 23-47, Nederlands Corrosie Centrum, Bilthoven, mei 1995

WHITEPAPER

Bypass-filtratie in koelwatersystemen

In de industrie en elektriciteitsproductie worden open recirculerende koelwatersystemen veel gebruikt om overtollige proceswarmte af te voeren. Bypass filtratie is een mooie, duurzame en (kosten)efficiënte techniek om deze systemen optimaal te laten functioneren.

Download onze paper over bypass filtratie in koelwatersystemen.

Download deze whitepaper om te ontdekken:

Hoe bypass filtratie is ontworpen voor een specifiek open recirculerend koelsysteem.

Welke specifieke operationele voordelen worden bereikt: lager chemicaliënverbruik, betere energieoverdracht, een hogere concentratiefactor.

Hoe kort de terugverdientijd is, wanneer de investering wordt vergeleken met de operationele voordelen.

Hoe gemakkelijk het bypassfilter kan worden geïmplementeerd in vrijwel elk bestaand koelwatersysteem.

DOWNLOAD PAPER