Je leest:

Droge stroom

Droge stroom

Membranen verwijderen water uit rookgas van kolencentrale

Auteur: | 26 maart 2008

Met kunststof membranen kun je waterdamp uit de rookgassen van een elektriciteitscentrale halen. Dat blijkt uit onderzoek van de KEMA en de Universiteit Twente. Een proefopstelling in de rookgassen van de kolencentrale van het Zeeuwse Borssele bleef maandenlang goed functioneren. De toepassing van de membranen bespaart energie en produceert schoon water dat opnieuw gebruikt kan worden. De onderzoekers schrijven in het recente nummer van het Journal of Membrane Science dat de membraantechniek mogelijk ook geschikt is om CO2 uit de rookgassen te verwijderen.

Schoner wordt de rookgaspluim niet van de membraanfiltering, droger wel. Van de 1,5 miljoen kubieke meter rookgas die een doorsnee kolencentrale van 450 megaWatt ieder uur uitstoot, is ongeveer elf procent waterdamp. Volledig gecondenseerd is dat bijna honderdvijftigduizend liter water per uur. Dat gaat allemaal de lucht in. Je kunt zo’n centrale dus met recht een wolkenfabriek noemen.

De uitstoot van een centrale is tegenwoordig nauwelijks nog vuil te noemen. Het is voor het grootste deel stikstof, koolstofdioxide en water, verbindingen die ook van nature in de atmosfeer voorkomen. Kooldioxide vormt natuurlijk wel een probleem omdat het een broeikasgas is. De vervuiling wordt uit de rook gehaald in een reinigingsinstallatie die onder andere stikstofoxiden afbreekt, zwaveldioxide bindt en asdeeltjes afvangt. Wat er aan vuiligheid overblijft komt voor in volumefracties van parts per million. Iedere kubieke meter rookgas bevat bijvoorbeeld tussen de vijftig en honderd milliliter zwaveldioxide.

Samenstelling van het rookgas naar volumefractie:

Stikstof (N2): 71,8 % – Koolstofdioxide (CO2): 13,6 % Zuurstof (O2): 3,4 % – Water (H2O): 11,2 % Stikstofoxiden (NOx): 150-300 ppm – Zwaveldioxide (SO2): 50-100 ppm Zoutzuur/Fluorzuur (HCl/HF): 1 -7 ppm

Agressieve cocktail

In de centrale zorgt de waterdamp voor problemen, omdat de temperatuur van de rookgassen ongeveer de temperatuur is waarbij het water condenseert. En waterdruppels vormen samen met verontreinigingen een agressieve cocktail die de installatie aantast. Om condensatie te voorkomen wordt het rookgas extra verwarmd, zodat al het water in de dampfase blijft. De energie die daarvoor nodig is zou bespaard kunnen worden door de inzet van membranen, zo schrijven de onderzoekers van de KEMA en de Universiteit Twente nu in het Journal of Membrane Science. Want door met de membranen een deel van het water uit de rookgassen te halen, kun je het rookgassysteem óók condensvrij houden.

De membraantechnologen uit Twente ontwikkelden speciale membranen in de vorm van holle vezels. Als dragermateriaal gebruikten ze holle membraanvezels van het membranenbedrijf Norit/X-Flow. Deze microfiltratiemembranen worden onder andere gebruikt voor waterzuivering, maar zijn voor de zuivering van gassen veel te grof. Dat veranderde na het aan de buitenzijde aanbrengen van een micrometersdun laagje van het kunststof SPEEK (een afkorting voor gesulfoneerd poly(ether ether keton)). SPEEK is niet poreus maar laat waterdamp heel gemakkelijk door – het heeft een hoge permeabiliteit. Bovendien houdt het tegelijkertijd alle andere componenten uit het rookgas goed tegen – ook de selectiviteit is hoog. Daarnaast is het mechanisch zeer sterk.

Een enkele vezel voorzien van een dunne laag SPEEK (links op afbeelding) en een close-up van deze laag aangebracht op het poreuze dragermateriaal (rechts). Beeld: Universiteit Twente

Schoon water

Voor de proef in de kolencentrale van Borssele werden membraanvezels van dertig centimeter lengte en een doorsnede van 1,2 mm (0,8 mm aan de binnenzijde) met negentien tegelijk gebundeld tot modules, waarvan er twintig in het rookgaskanaal werden geplaatst. Een vacuümpomp zorgde voor onderdruk aan de binnenzijde van de holle vezels, zodat de waterdamp als het ware door het SPEEK laagje heen werd gezogen. Vandaar werd het naar een condensor geleid waarna het geproduceerde water op samenstelling onderzocht kon worden.

Brandschoon was het niet, maar de aanwezige sporen van zwavelzuur, zoutzuur en andere ongerechtigheden zijn volgens de onderzoekers vrij gemakkelijk te verwijderen. Het teruggewonnen water kan benut worden voor de vervaardiging van de stoom die de turbines voor de elektriciteitsproductie aandrijft. Dat is niet alleen van betekenis voor centrales in gebieden met waterschaarste, maar ook hier in Nederland. Omdat er voortdurend stoom verloren gaat, zijn centrales best dorstig.

Elke membraanmodule (links) bestaat uit 19 holle vezelmembranen, in totaal zijn 20 van deze modules opgenomen in het rookkanaal. Beeld: Universiteit Twente

De duurproef van 220 dagen bracht aan het licht dat de kunststof membranen in de warme rookgassen behoorlijk goed gedijen. Ze raken bedekt met vliegas en gipskristallen, maar worden nauwelijks aangetast. De scheidingsprestatie vermindert daarbij nauwelijks. In de praktijkproef werd – omgerekend per vierkante meter membraanoppervlak – per uur ruim een halve liter water afgescheiden.

Dat is een zeer bescheiden resultaat in het licht van de enorme hoeveelheid waterdamp die de schoorsteen uitbraakt. Toch putten de onderzoekers er de moed uit voor de ontwikkeling van een praktisch toepasbaar membraansysteem. Onderzoeksleider dr.ir. Kitty Nijmeijer van de Twentse onderzoeksgroep Membrane Science & Technology meldt dat de scheidingsprestatie van de membranen inmiddels al is opgeschroefd tot twee liter per vierkante meter per uur, onder andere door het verminderen van de dikte van het SPEEK laagje. Ze denkt dat dat getal uiteindelijk nog eens te verdubbelen valt.

Testopstelling in het rookgaskanaal met 20 modules van ieder 19 holle vezels voorzien van een SPEEK coating foto: Universiteit Twente

In de praktijk moet in een centrale van 450 MW ieder uur ruim 30.000 kubieke meter waterdamp uit de rookgassen verwijderd worden om de ongewenste condensatie van water in de installatie te voorkomen. Dat komt overeen met ongeveer 25.000 liter watercondensaat per uur. Bij een ‘oogst’ van vier liter water per vierkante meter per uur is dus meer dan 6000 vierkante meter membraanoppervlak nodig. Ofwel zo’n achttien kilometer van de holle membraanvezel.

Dat lijkt enorm veel, maar voor membraantechnologen zijn het geen onrealistische getallen. Toch moet nog wel bestudeerd worden of het afvangen van de waterdamp ook op dergelijke schaal van een leien dakje gaat. Daarom staat er een nieuwe praktijkproef op stapel, waarbij in totaal 500 m2 membraanoppervlak wordt ingezet.

De onderzoeksgroep Membrane Science & Technology maakt deel uit van het onderzoeksinstituut IMPACT van de UT, waar duurzame energie één van de onderzoekszwaartepunten is. De pilot in de kolencentrale van Borssele werd uitgevoerd in samenwerking met KEMA en Norit/X-Flow.

De publicatie ‘Flue gas dehydration using polymer membranes’ van Hylke Sybema, Kitty Nymeijer, Rob van Marwijk, Rob Heijboer, Jens Potreck en Matthias Wessling is verschenen in het Journal of Membrane Science 313 (2008), pagina’s 263-276.

Klik hier voor een PDF met een brochuretekst over membraantechnologie van de Vereniging van de Nederlandse Chemische Industrie (VNCI)

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 26 maart 2008
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.