Exergetische duurzaamheidsanalyse van zinkrecyclageprocessen

Bart Klaasen
Exergie: een opstap naar duurzame ontwikkeling
Sinds de ontwikkeling van de stoommachine in de 18e eeuw is de wereld in ijltempo aan het industrialiseren. Vooral in onze westerse wereld heeft die beweging sterk bijgedragen tot een stijging van het welvaartsniveau. Helaas is er ook een minder fraaie, ecologische keerzijde aan deze medaille. Elke industriële activiteit gaat immers gepaard met een verbruik van natuurlijke grondstoffen en een emissie van schadelijke of vervuilende stoffen die het ecosysteem kunnen bedreigen.

Exergetische duurzaamheidsanalyse van zinkrecyclageprocessen

Exergie: een opstap naar duurzame ontwikkeling

Sinds de ontwikkeling van de stoommachine in de 18e eeuw is de wereld in ijltempo aan het industrialiseren. Vooral in onze westerse wereld heeft die beweging sterk bijgedragen tot een stijging van het welvaartsniveau. Helaas is er ook een minder fraaie, ecologische keerzijde aan deze medaille. Elke industriële activiteit gaat immers gepaard met een verbruik van natuurlijke grondstoffen en een emissie van schadelijke of vervuilende stoffen die het ecosysteem kunnen bedreigen. In het verleden werd hier weinig of geen rekening mee gehouden en daarom hebben we nu te kampen met een aantal belangrijke ecologische problemen. Zo heeft iedereen al wel eens gehoord van het gat in de ozonlaag, het bedreigde regenwoud of de steeds zuurdere regen. En sinds Al Gore zijn ‘An Inconvenient Truth’ voorstelde, is de angst voor de opwarming van de aarde alomtegenwoordig.

Als reactie op deze problemen worden we er ons gelukkig steeds meer van bewust dat de samenleving moet streven naar ‘duurzame ecologische ontwikkeling’. We moeten trachten om het natuurlijke ecosysteem in zijn huidige toestand zo goed mogelijk te bewaren, want enkel zo kunnen we er zeker van zijn dat we de industriële, economische en sociale ontwikkeling van toekomstige generaties niet in de weg staan.
 
In de praktijk moet een duurzame industrie zijn grondstoffen zo efficiënt mogelijk omzetten in nuttige producten. Een efficiëntere industrie zal minder grondstoffen verbruiken, minder bedreigende emissies lozen in zijn omgeving en de natuur in het algemeen beter conserveren. Het optimaliseren van de efficiëntie van bestaande en toekomstige industriële installaties vormt dus een eerste stap naar duurzaamheid.
 
Efficiëntie wordt steeds uitgedrukt via een waarde voor het rendement. Voor een industrieel proces is het rendement de verhouding van de nuttige eindproducten tot de grondstoffen die nodig zijn om die producten te genereren. Enkel op basis van het rendement kan de efficiëntie van processen worden vergeleken en kan het meest duurzame alternatief worden geselecteerd. Dit is helaas gemakkelijker gezegd dan gedaan. Om een procesrendement te bepalen, moeten we immers alle grondstoffen voor het proces optellen en die som dan vergelijken met de som van alle nuttige producten. Moderne industriële processen gebruiken echter diverse en complexe processtromen. Tijdens de productie van staal in een hoogoven wordt er bijvoorbeeld ijzererts, steenkool, koelwater en elektriciteit verbruikt. Maar net zoals je geen appelen met peren kan optellen, kan je ook niet zomaar 1 kilowattuur aan elektriciteit optellen bij 1 liter water. Zelfs als twee stoffen in dezelfde eenheid (bv. kilogram) uitgedrukt kunnen worden, kun je ze niet steeds optellen. Zo is het onmogelijk om een kilogram ijzererts bij een kilogram steenkool op te tellen wegens hun totaal verschillende samenstelling. Op basis van gewicht, volume of energie kun je dus geen eenduidig rendement bepalen. We moeten op zoek naar een andere, algemeen geldende maatstaf om de waarde van grondstoffen, producten en emissies te bepalen. In dit eindwerk wordt voorgesteld om hiervoor een beroep te doen op het concept van exergie.
 
De exergie van een grondstof, een product of een emissie is gelijk aan de maximale energie die er kan uitgehaald worden. Zo is de exergie van aardgas of steenkool gelijk aan de energie die opgewekt kan worden als die brandstof in een motor of een energiecentrale wordt verbrand. Tevens is de exergie van elektriciteit gelijk aan de energie die vrijkomt als die elektriciteit een elektromotor aandrijft. In vergelijking daarmee zal de exergie van water op kamertemperatuur slechts klein zijn, omdat je daar slechts weinig of geen energie aan kan onttrekken.
 
Het is mogelijk om van alle grondstoffen, producten en emissies van een industrieel proces de exergie te berekenen. Een belangrijk voordeel van die exergiewaarde is dat ze steeds in dezelfde eenheid uitgedrukt wordt (in Joule, [J]). Dit laat toe om zeer diverse stromen bij elkaar op te tellen en toch een eenduidig procesrendement te bepalen. Op basis van de exergiehuishouding in een proces kunnen we dus een transparant beeld van de efficiëntie schetsen.
 
In een zeer efficiënt proces zal de exergie in de grondstoffen bijna integraal doorgegeven worden aan de producten en komt er slechts een kleine hoeveelheid exergie terecht in de emissies. Bijgevolg kan er maar weinig energie uit die emissies gehaald worden en kunnen die emissies ook maar beperkte schade toebrengen aan het ecosysteem. Een proces met een lage efficiëntie daarentegen zal vooral hoogexergetische emissies in het ecosysteem lozen. Dergelijke emissieproducten bezitten veel exergie, wat wil zeggen dat ze ook veel energie kunnen leveren om schade toe te brengen aan het ecosysteem. In die zin geeft de exergie van emissies dus een indicatie van hun schadelijkheid voor het ecosysteem en geeft de exergetische efficiëntie van een industrieel proces een goed beeld van zijn duurzaamheid.
 
Een belangrijke meerwaarde van dit werk is de gedetailleerde beschrijving van de berekeningsmethode voor de exergiehuishouding en het rendement van complexe industriële processen. In die zin wordt hier een nuttig hulpmiddel aangereikt voor een wetenschappelijk onderbouwde beweging naar meer duurzame ecologische ontwikkelingen. Een nauwkeurige bepaling van het rendement is immers steeds een eerste, vereiste stap in de studie van de duurzaamheid van industriële processen.
 
Het werk besteedt vooral aandacht aan de analyse van processen uit de metaalindustrie. Hoewel deze industrie de laatste decennia veel inspanningen heeft geleverd om zijn milieu-impact te beperken, vertegenwoordigt ze nog steeds een belangrijk aandeel in de vervuiling en degradatie van het natuurlijke ecosysteem. Bovendien is deze industrie in ons land sterk aanwezig, zodat elk hulpmiddel om de duurzaamheid van deze industrie te verbeteren ook onze eigen onmiddellijke leefomgeving ten goede kan komen. In het kader van dit eindwerk werd er dan ook een computerprogramma ontwikkeld dat voor het eerst gebruik maakt van geavanceerde fysico-chemische modellen die zeer nauwkeurige exergieberekeningen voor metallurgische processen toelaten. Met dit programma werd de efficiëntie van een nieuw proces voor de recyclage van zinkmetaal onderzocht. Uit de eerste resultaten bleek dat de efficiëntie van dit proces in zijn huidige vorm teleurstellend laag was. Op basis van deze analyse konden er echter wel een aantal aanpassingen worden voorgesteld die de procesefficiëntie aanzienlijk doen toenemen. Simulaties geven aan dat de totale efficiëntie minstens met een factor 5 tot 8 verhoogd kan worden. Hoewel de praktische en economische realiseerbaarheid van deze aanpassingen nog gevalideerd moet worden, geeft deze studie duidelijk aan dat een procesanalyse op basis van exergie een bruikbaar hulpmiddel kan vormen bij de optimalisatie van de efficiëntie en de duurzaamheid van onze industrie.

Bibliografie

Carnot S., Réflexions sur la puissance motrice du feu sur les machines propres a developper cette puissance, Bachelier, Paris, 1824.

Gibbs J.W., A method of geometrical representation of thermodynamic properties of substances by means of surfaces, Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences, 2, 382-404, 1873.
 
Rant Z., Exergie, ein neues Wort fur `Technische Arbeitsfahigkeit', Forschung auf dem Gebiete des Ingenieurwesens, 22, 36-37, 1956.
 
Adami A., Macrek H., Massion W., Three years of zinc production in an imperial smelting furnace at `Berzelius', Technical publications on the ISF proces, 2, 191-207, 1970.
 
Meadows D.H., Meadows D.L., Randers J., Behrens III W.W., The limits to growth, Universe Books, New York, 1972.
 
Temple D., Zinc-lead blast furnace - the key developments, Metallurgical transactions B, 11, 343-352, 1980.
 
Morris D.R., Steward F.R., Exergy analysis of a chemical metallurgical process, Metallurgical transactions B, 15, 645-654, 1984.
 
The world commission on environment and development, red., Our common future, Oxford university press, Oxford, 1987.
 
Szargut J., Morris D.R., Steward F.R., Exergy analysis of thermal, chemical and metallurgical processes, Hemisphere publishing company, New York, 1988.
 
Eriksson G., Hack K., ChemSage - A computer program for the calculation of complex chemical equilibria, Metallurgical Transactions B, 21, 1013-1023, 1990.
 
Moran M.J., Sciubba E., Exergy analysis: principles and practice, Engineering for gas turbines and power, 116, 285-290, 1994.
 
Masini A., Ayres R.U., An application of exergy accounting to four basic metal industries, Insead working paper, 1996.
 
Habashi F., Handbook of extractive metallurgy, Wiley-VCH, Weinheim, 1997.
 
Rosen M.A., Dincer I., On exergy and environmental impact, Energy research, 21, 643-654, 1997.
 
Chase M.W., NIST-JANAF Themochemical Tables, Fourth Edition, Physical and chemical reference data, 9, 1-1951, 1998.
 
Bhakshi B.R., A thermodynamic framework for eologically conscious process systems engineering, Computers and Chemical Engineering, 24, 1767-1773, 2000.
 
Dewulf J., van Langenhove H., mulder J., van den Berg M.M.D., van der Kooi H.J., de Swaan Arons J., Illustrations towards quantifying the sustainability of technology, Green chemistry, 2, 108-114, 2000.
 
Dincer I., Thermodynamics, exergy and environmental impact, Energy sources, 22, 723-732, 2000.
 
Wall G., Gong M., On exergy and sustainable development - Part 1: Conditions and concepts, Exergy, 3, 128-145, 2001.
 
Bale C.W., Chartrand P., Degterov S.A., Eriksson G., Hack K., R. Ben Mahfoud, Melancon J., Pelton A.D., Petersen S., FactSage Thermochemical Software and Databases, Calphad, 26, 189-228, 2002.
 
Roine A., Outokump Research, HSC Chemistry 5.1, 2002.
 
Oxtoby D.W., Freeman W.A., Block T.F., Chemistry, science of change, Thomson, Brooks/Cole, Pacific Grove, 2003.
 
Verhaeghe F., Modelleren van een loodhoogoven, scriptie, Katholieke Universiteit Leuven, 2003.
 
Cengel Y.A., Turner R.H., Fundamentals of thermal-fluid sciences, McGraw-Hill, New York, 2005.
 
Dewulf J., van Langenhove H., Integrating industrial ecology principles into a set of environmental sustainability indicators for technology assessment, Resources, conservation and recycling, 43, 419-432, 2005.
 
Montelongo-Luna J.M., Young B.R., Svrcek W.Y., An open source exergy calculator tool, in Proceedings of 2th international conference on design education, innovation, and practice (CDEN2005), Kananaskis, Alberta, Canada, 2005.
 
NIST, National institute of standards and technology: standard reference database number 69, Website, 2005, URL http://webbook.nist.gov/.
 
Sciubba E., Ulgiati S., Emergy and exergy analyses: Complementary methods or irreducible ideological options?, Energy, 30, 1953-1988, 2005.
 
Szargut J., Valero A., Stanek W., Valero A.D., Towards an international reference environment of chemical exergy, in Proceedings of 18th international conference on efficiency, cost optimization, simulation and environmental impact of energy systems (ECOS2005), Berlin, Germany, 2005.
 
Azapagic A., Life Cycle Assessment as an Environmental Sustainability Tool., hoofdstuk 6, 85-110, Renewable resources, Wiley, West Sussex, 2006.
 
De Meester B., Dewulf J., Janssens A., van Langenhove H., An improved calculation of the exergy of natural resources for exergetic life cycle assessment, Environmental science and technology, 40, 6844-6851, 2006.
 
Milia D., Sciubba E., Exergy-based lumped simulation of complex systems: An interactive analysis tool, Energy, 31, 100-111, 2006.
 
Rivero R., Garfias M., Standard chemical exergy of elements updated, Energy, 31, 3310-3326, 2006.
 
Amini S., Remmerswaal J.A.M., Castro M.B., Reuter M.A., Quantifying the quality loss and resource efficiency of recycling by means of exergy analysis, Journal of Cleaner Production, 15, 907-913, 2007.
 
Galovic A., Risovic S., Zivic M., Exergy and entropy analysis of adiabatic mixing of two streams of identical ideal gases at different temperatures and environmental pressure, Strojarstvo, 49, 159-166, 2007.
 
IPPC, Climate change 2007: the physical science basis, Technisch rapport, Intergovernemental panel on climate change, 2007.
 
Verscheure K., High-temperature zinc fuming in water-cooled reactors – thermodynamic modeling and experimental investigation, proefschrift, Katholieke Universiteit Leuven, 2007.
 
Verscheure K., Van Camp M., Blanpain B.,Wollants P., Hayes P., Jak E., Continuous fuming of zinc-bearing residues: Part I. Model Development, Metallurgical and materials transactions B, 38, 13-20, 2007a
 
Verscheure K., Van Camp M., Blanpain B., Wollants P., Hayes P., Jak E., Continuous fuming of zinc-bearing residues: Part II. The submergedplasma zinc-fuming process, Metallurgical and materials transactions B, 38, 21-33, 2007b.
 
Bilgen S., Kaygusuz K., The calculation of the chemical exergies of coal-based fuels by using the higher heating values, Applied energy, 2008, doi:10.1016/j.apenergy.2008.02.001.
 
Job G., Table of chemical potentials, Website, 2008, URL http://job-stiftung.de/index.php?id=54,0,0,1,0,0.
 
Petersen S., Eriksson G., GTT-Technologies, Persoonlijke correspondentie, 2008.
 
Pulselli R., Simoncinia E., Ridolfia R., Bastianoni S., Exergy-based efficiency and renewability assessment of biofuel production, Ecological Indicators, 8, 647-656, 2008.
 
The exergoecology portal, Easy exergy calculator, Website, 2008, URL http://www.exergoecology.com/excalc.

Universiteit of Hogeschool
Burgerlijk Materiaalkundig Ingenieur
Publicatiejaar
2008
Kernwoorden
Share this on: