Software bespaart kosten met simulatie gasstromen

Om rookgassen te reinigen worden vaak sorbents in de gasstroom geïnjecteerd om schadelijke stoffen te binden. Het is echter niet eenvoudig deze sorbents optimaal te verspreiden in een snel bewegende gasstroom. Bovendien is voor elk rookgaskanaal en elke gasstroom de optimale oplossing weer anders. Lhoist gebruikt Computational Fluid Dynamics software van Comsol om te berekenen hoe de deeltjes zo effectief mogelijk in het gas kunnen worden verspreid.

Als specialist in kalk, dolomiet en mineralen biedt Lhoist oplossingen die dankzij hun chemische en fysische eigenschappen worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen. Denk bijvoorbeeld aan op calcium en magnesium gebaseerde producten en mineralen. Deze worden als binders gebruikt in het productieproces van ijzer en staal om onder meer zwavel uit staal te halen en metaalslakken te vormen. Kalkproducten zijn dan weer essentieel bij de winning en extractie van non-ferrometalen en spelen een belangrijke rol bij het pyrometallurgisch raffineren en smelten van diverse niet-ferrometalen. Kalkadditieven kunnen ook worden gebruikt bij afvalwater- en residubehandeling en bij bezinking, ontwatering, filtratie, milieubescherming en mijnveiligheid. Kortom, kalk, dolomiet en mineralen hebben talrijke toepassingen in diverse sectoren.

Rookgassen

Olivier Nyssen, werkzaam in het Lhoist business Innovation Centre in België, is expert in toepassingen van rookgasbehandeling waarbij calciumhydroxide wordt gebruikt. ‘Rookgassen afkomstig van bijvoorbeeld afvalverbranding of andere industriële processen bevatten vaak verontreinigingen, zoals zwaveloxides, zoutzuur, fluorwaterstofzuur en dergelijke. Het is belangrijk dat rookgassen worden behandeld om deze onzuiverheden te verwijderen. Dit is mogelijk door toevoeging van onze producten, zogenoemde sorbents, in droge poedervorm.’

De missie van Comsol is om gebruiksvriendelijke softwareoplossingen te bieden voor technische problemen en om gebruikers te helpen het meeste uit deze software te halen. Het bedrijf ontwikkelt software voor numerieke modellering om productontwerpen en processen te begrijpen, te voorspellen, te innoveren en te optimaliseren. Comsol helpt gebruikers ook bij het zetten van grote stappen in simulatie door ze de tools te geven om hun eigen simulatie-apps te maken, gebaseerd op hun modellen.

Uitdagingen

Een droge stof aan een gas toevoegen, is ingewikkelder dan het op het eerste gezicht lijkt. ‘Grote volumes rookgas worden vaak bijzonder snel getransporteerd via een kanaal. Bij de injectie van onze droge stof is het belangrijk dat het alle hoeken of uiteindes van het kanaal waar het gas doorheen stroomt bereikt, vóórdat het gas bij het filter komt. Dit om de effectiviteit te verhogen. Maar tegelijkertijd is het tegennatuurlijk dat een vaste stof zich in een snel bewegende gasstroom evenredig of gelijkmatig verspreidt. Vergelijk het met een hogedrukspuit die je richt op een specifiek doel. Wanneer je hiermee spuit, zullen de druppels zich door de lucht heen verspreiden in een specifieke stroom richting het doel. Doe je dit echter bij een windsnelheid van meer dan twintig kilometer per uur, dan zul je merken dat de deeltjes zich trager verplaatsen en mogelijk ook afbuigen van het doel waardoor het resultaat minder effectief is.’

Hetzelfde principe geldt voor een vaste stof die je injecteert in een snelle rookgasstroom. ‘Om toch zo effectief mogelijk de deeltjes in het gas te kunnen verspreiden, maken we gebruik van CFD oftewel Computational Fluid Dynamics. Aan de hand van software voeren we berekeningen uit om de stroming van het gas en de interactie met de droge stof te simuleren. Afhankelijk van de specifieke toepassing en omstandigheden – de structuur van het kanaal, de snelheid en temperatuur van de gasstroom, het type vaste stof dat moet worden toegevoegd – zal de uiteindelijke oplossing er steeds anders uitzien.’

Computersimulaties

Nyssen gaat hier in meer detail op in. ‘Dankzij simulaties kijken we hoe we de verdeling van de sorbent in het rookgas kunnen optimaliseren en maximaliseren. Zo kan een aangepast ontwerp van de injector zorgen voor een betere verspreiding. Maar ook de hoeveelheid injecto-

Olivier Nyssen: ‘Bovendien is de thermische opbrengst van de ketel hoger, kan de levensduur van de ketel worden verlengd en is er minder emissie door een betere neutralisatie van zuur gas.’ ren die in de structuur wordt geplaatst, de positie van de injectoren en de richting waarin de vaste stof wordt geïnjecteerd kunnen invloed hebben op het eindresultaat. Al deze factoren zijn belangrijk en zonder CFD-software is het veel lastiger om de juiste berekeningen te kunnen maken.’

Lhoist gebruikt daarvoor software van Comsol. Nyssen: ‘Het is relatief betaalbare software als je bedenkt welke voordelen het ons biedt, terwijl de software regelmatig wordt geüpdatet. Zo is de kracht en effectiviteit van de stromingsmodellen drastisch verbeterd. Hoe we hiermee werken? We genereren met de software diverse modellen waarbij we per model een nieuwe functie toevoegen of een parameter veranderen zoals bijvoorbeeld de positie van een injectiepunt. Op die manier kunnen we de verschillende configuraties met elkaar vergelijken en analyseren zodat we voor de klant de meest effectieve en optimale set-up kunnen bereiken om het doel te bereiken.’

Toepassing

Nyssen geeft een voorbeeld uit de praktijk. ‘Niet alleen in rookgaskanalen is injectie nodig, maar er zijn ook diverse andere toepassingen, zoals injectie van sorbents direct in een verbrandingsketel bij hoge temperaturen, rond de 1000 graden Celsius. Zo hebben we in een Nederlandse afvalverbrandingsinstallatie onlangs een industriële test uitgevoerd met een product op basis van dolomiet om SOx af te vangen en asafzetting op de warmtewisselaars van de ketel te voorkomen. Voor het ontwerp ervan gebruikten we CFD-techniek wat leidde tot een geoptimaliseerde dispersie met een betere impact.’

Dankzij deze aanpak zijn er lagere onderhoudskosten door minder ketelvervuiling. ‘Bovendien is de thermische opbrengst van de ketel hiermee hoger, kan de levensduur van de ketel worden verlengd en is er minder emissie door een betere neutralisatie van zuur gas. Het additief vermindert ook de kans op corrosievorming. Kortom, onze additieven in combinatie met computersimulatie en goede modellering leidt tot een hogere effectiviteit en kan bedrijven veel winst opleveren.’