Luchtemissiebeperkende techniek – Condensor

Inhoud

• Varianten en synoniemen
• Verwijderde stoffen
• Werkingsprincipe
• Toepasbaarheid
• Varianten techniek
• Installatie, ontwerp en onderhoud
• Milieuaspecten
• Financiële aspecten

Varianten en synoniemen

• condensor, warmtewisselaar, odour control condensation (OCC)
• cryocondensatie, cryocondensor

Verwijderde stoffen

• vooral: gehalogeneerde koolwaterstoffen, VOS
• in mindere mate: geur

Werkingsprincipe

Condensatie is de fase-overgang van gas naar vloeistof. De werking van een condensor berust op de warmtewisselaar die een afgasstroom tot (ver) onder het damppunt van de betreffende dampen koelt. De dampen in het afgas gaan dan over naar de vloeibare fase, voor zover de dampconcentratie in het afgas de verzadigde dampconcentratie bereikt. Condensatie wordt bevorderd door lage temperatuur en/of hoge druk.

Het condensaat dat op de warmtewisselaar ontstaat, doet dienst als absorptievloeistof waardoor de efficiëntie wordt verhoogd. Zo kunnen ook geurstoffen oplossen in gecondenseerd water. Het condensaat kan vervolgens eenvoudig van het afgas worden gescheiden. Door de werkingstemperatuur en -druk af te stemmen op het dauwpunt van de specifieke stoffen, kunnen deze stoffen achtereenvolgens worden gecondenseerd en aldus gescheiden.

Toepasbaarheid

Condensatie wordt voornamelijk toegepast bij hoge oplosmiddelconcentraties (> 50 g/m³) of bij vochtige afgassen met geurcomponenten. Condensatie wordt doorgaans als voorbehandeling gebruikt, zodat de nageschakelde techniek minder wordt belast. Daardoor kunnen de totale kosten voor behandeling lager zijn.

Sectoren

Condensatie kent een breed toepassingsgebied in de volgende sectoren:

• composteringsinstallaties
• diervoederindustrie
• levensmiddelenindustrie
• slibverwerkingsinstallaties

Zeer Zorgwekkende Stoffen

Condensatie is in beginsel niet geschikt als techniek om ZZS Klik hier voor uitleg over dit begrip (opent in popup)-dampen te verwijderen, maar kan als voorbehandelingstechniek onderdeel zijn van een serie reinigingstechnieken waarbij organische ZZS-dampen worden verwijderd uit een afgasstroom. De uitgangsconcentratie zal na een condensor nog te hoog zijn om te voldoen aan de emissiegrenswaarden voor ZZS.

Combinatie van technieken

Aangezien het gekoelde afgas condensdruppels kan meevoeren, wordt een druppelafscheider na de condensor geplaatst. Condensatie wordt doorgaans als voorbehandeling gebruikt, zodat de nageschakelde techniek minder wordt belast waardoor de totale kosten voor behandeling lager kunnen zijn.

Prestaties

De prestaties zijn in de tabel aangegeven. De restconcentratie wordt bepaald door de verzadigde dampconcentratie bij de werkingstemperatuur en -druk. De gepresenteerde waarden zijn afhankelijk van de specifieke configuratie, bedrijfscondities en af te vangen stof. De waarden zijn in principe gebaseerd op halfuurgemiddelde waarden.

N.v.t. staat voor ‘niet van toepassing’ en is gebruikt voor geur. Voor geur zijn geen emissiegrenswaarden vastgesteld. De aanvaardbaarheid wordt getoetst aan de hand van de immissie (geurbelasting) bij gevoelige receptoren.

Randvoorwaarden

• debiet [Nm³/uur]:
  • waterkoeling met: 100 – 100.000 Nm³/uur
  • cryogene koeling: <5.000 Nm³/uur, meestal <250 Nm³/uur
• temperatuur [°C]:
  • waterkoeling: 50 – 125
  • cryogene koeling: <80
• druk [bar]:
  atmosferisch
• drukval [mbar]:
  • waterkoeling: 1 – 2
  • cryogene koeling: 30 – 50
• vochtgehalte [%]:
  Als de werkingstemperatuur <0 °C is, dan moet de afgasstroom nagenoeg vochtvrij zijn om ijsvorming te voorkomen. Bij temperaturen >0 °C geen limiet, maar lagere vochtgehaltes resulteren in een lager energieverbruik.
• verblijftijd:
  variabel, enkele seconden
• stof:
  < 50 mg/Nm³, geen klevend stof vanwege verstopping
• ingaande concentratie:
  Geen beperking voor hoge concentraties, maar wel voor lage concentraties. De dampconcentratie moet hoger zijn dan de verzadigde dampconcentratie bij de condensortemperatuur.

Varianten techniek

Indirecte koeling met water, pekel of ammoniak

Bij indirecte condensors komt het koelmiddel niet in direct contact met de afgasstroom. Het koelmiddel raakt dus niet verontreinigd. Nadeel is dat het niet mogelijk is kleverige stoffen af te scheiden. Een conventionele uitvoering bestaat uit een mantel-en-buiscondensator. Het te koelen afgas stroomt door een buis, de koelvloeistof stroomt in tegengestelde richting door een mantel om deze buis en neemt de warmte op die in de afgassen aanwezig is.

Een variant van hetzelfde principe is de spiraal-warmtewisselaar, bestaande uit twee concentrische passages. Het koelmiddel stroomt door één passage en verlaat de warmtewisselaar via het midden. De afgasstroom treedt in het midden binnen en verlaat de warmtewisselaar aan de periferie.

Gebruikelijke koelmiddelen voor condensatie zijn koelwater, gekoeld water, gekoelde pekel en ammoniak. Bij koelwater is de temperatuur beperkt tot de omgevingstemperatuur, gekoeld water tot net boven het vriespunt (2-5 ºC), gekoelde pekel tot ca. -14 ºC en bij ammoniak tot -40 ºC (één trap) en -60 ºC (twee trappen). De wijze van koeling is afhankelijk van de gewenste temperatuur.

Koelwater kan eventueel na de condensor worden geloosd. Zo niet, wordt het koelmiddel na de condensator gekoeld in koelsysteem. Veel voorkomende koelsystemen zijn compressiekoeling met een koelmedium in gesloten systeem of luchtkoeling, al dan niet ondersteund door verdamping van water.

De gecondenseerde VOS stromen af naar een opvangvat. De opgevangen VOS kan hergebruikt worden in het achterliggende proces, de gereinigde gasstroom kan worden nabehandeld om de VOS-concentratie verder te verlagen.

Voor geurbestrijding beperkt men zich meestal tot koeling met koelwater zonder extra mechanische koeling. Een verlaging van de condensatortemperatuur van 25 °C naar 5 °C heeft weinig effect omdat het merendeel van de waterdamp reeds bij 25 °C is gecondenseerd. De condensatietemperatuur van de dampen in het afgas moet dan wel hoger zijn dan 40 °C. Indien de condensatortemperatuur lager is dan 0 ºC, moet het afgas voorafgaand worden gedroogd.

Directe koeling met een koelvloeistof

Bij directe systemen komt het koelmiddel (koelwater) in direct contact met de afgasstroom. Dit geeft een goede warmteoverdracht. Praktische uitvoeringen zijn bijvoorbeeld sproeikamers. Nadeel hiervan is dat het koelmiddel (water) vervolgens weer behandeld moet worden om de opgeloste stoffen te verwijderen.

Cryogene condensatie met vloeibare stikstof

Bij cryocondensatie wordt een afgasstroom gekoeld door het verdampen van vloeibaar stikstof. Het verdampen van de vloeibare stikstof reduceert de temperatuur tot omstreeks -100 °C, waardoor het rendement op VOS-condensatie hoog kan zijn.

Cryocondensatie kan een directe vorm van koeling zijn. Het koelmiddel hoeft niet meer gescheiden te worden van de vloeibare VOS. Het verdampte stikstof zorgt daarnaast voor een deken van inert gas over de gecondenseerde VOS, wat gunstig kan zijn in verband met productkwaliteit of brandveiligheid.

Doordat de temperaturen ver onder het vriespunt van water liggen, moet het afgas voorafgaand worden gedroogd. Ook zijn soms voorzieningen nodig om de cryocondensator af en toe te ontdooien om aangevroren water te verwijderen.

Installatie, ontwerp en onderhoud

De belangrijkste ontwerpparameters zijn:

• samenstelling van het afgas
• voldoende lange verblijftijd en turbulentie om het afgas geheel te koelen

Theoretisch kan iedere restemissie worden bereikt, mits de koeling sterk genoeg is. Praktisch wordt zelden lager gegaan dan -95 °C en varieert de temperatuur tussen de -50 en -80 °C. De uiteindelijke dimensionering berust op een zorgvuldige afweging tussen het rendement, de restemissie en de teruggewonnen hoeveelheid VOS enerzijds en de investerings- en bedrijfskosten, waaronder bijvoorbeeld het stikstofverbruik anderzijds.

De meeste systemen worden toegepast op relatief kleine afgasstromen (tot 50 m³/uur) en voor de verwerking van batchemissies, waarbij de apparatuur gedurende het belangrijkste deel van de bedrijfstijd stand-by staat.

Volcontinue systemen groter dan 250 m³/uur zijn minder gebruikelijk. De grootst geleverde units hebben een omvang van ongeveer 500 m³/uur; voor toepassing groter dan 1.000 m³/uur zijn condensatietemperaturen tot -30 °C. De systemen worden meestal uitgelegd voor een rendement van minimaal 99 %. Zo nodig wordt een adsorptietechniek (actief kool, zeoliet) nageschakeld om de emissiedoelstelling te garanderen.

Monitoring

De efficiëntie van het systeem wordt gemonitord door de concentratie VOS te meten aan de ingangszijde en de uitgang. Cryogene systemen vereisen ook het meten van de drukval.

Milieuaspecten

De belangrijkste voordelen zijn:

• compacte, robuuste technologie
• goede procesbeheersing mogelijk
• terugwinning van de afgevangen stof
• terugwinning van warmte is beperkt mogelijk

Nadelen zijn:

• een tweede reinigingsstap is vrijwel altijd nodig om emissiegrenswaarden te halen

Hulpstoffen en energie

• water:
  Meestal wordt er gekoeld met een gesloten koelsysteem (indirecte koeling) en wordt geen water verbruikt. Bij directe koeling met water wordt wel water verbruikt.
• chemicaliën:
  niet van toepassing
• energie:
  Elektriciteit is nodig voor koelen van het koelmiddel in gesloten systemen (gekoeld water, gekoelde pekel en ammoniak). Dit geldt zowel voor een compressiekoelmachine als voor luchtkoeling. Cryogene koeling met stikstof verbruikt op zich geen energie, maar dit moet in samenhang met de energie die nodig is voor het vloeibaar maken van stikstof worden gezien.

Milieuafwegingen

• terugwinning:
  Terugwinning van product is mogelijk.
• lucht:
  Er ontstaan geen andere vormen van luchtverontreiniging bij de condensatie.
• afvalwater:
  Ingeval van directe koeling met water ontstaat er afvalwater dat moet worden gezuiverd.
• afval:
  Er ontstaat geen afval.
• veiligheid:
  Veiligheidsmaatregelen voor het werken met vloeibaar stikstof. Bij lekkage kunnen koude koolwaterstofdampen laag aan de grond blijven hangen met mogelijk explosiegevaar.

Financiële aspecten

• investeringen [EUR per 1.000 Nm³/uur]:
  • 7.500 – 15.000: koeling met gekoeld water of pekel
  • 400.000: cryogene koeling met stikstof (totale kosten)
• operationele kosten [uren per week]: circa 4

Operationele kosten

Dit is een opsplitsing van de operationele kosten. Ze tellen dus niet apart mee bij een kostenberekening. Zie ook Financiële aspecten op de pagina Opbouw van de factsheets.

• personeel [uur/week]
  • 2: koeling met gekoeld water of pekel
  • 8: cryogene koeling met stikstof
• materiaal: De materiaalkeuze is afhankelijk van het temperatuurbereik. Cryogene toepassing stelt aanvullende eisen aan het materiaal.
• energie [kWh/1.000 Nm³]: 70: elektriciteit voor gekoeld water / pekel
• baten: teruggewonnen grondstof / oplosmiddel
• kostenbepalende parameters: temperatuur, koelcapaciteit, gewenste emissieniveau

Informatiebronnen

1. Handreiking luchtemissiebeperkende technieken; DHV, 15 april 2009
2. BREF Waste Gas Management and Treatment Systems in the Chemical Sector; first draft, 2019
3. BREF Common Waste Water and Waste Gas Treatment/Management Systems in the Chemical Sector, 2016
4. VITO LUSS