Kolenvergasser
Inleiding
Energieproducent NUON heeft in de Eemshaven een kolencentrale gebouwd. Deze centrale voorziet maar liefst 2 miljoen Nederlandse huishoudens van stroom.
In deze module nemen we een kijkje in deze centrale.
We kijken naar de verschillende soorten brandstoffen die gebruikt kunnen worden en naar de processen in de reactor. Ook bekijken we hoe verontreinigingen kunnen worden verwijderd, en hoe het broeikasgas \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) kan worden afgevangen.
Ten slotte voeren we een discussie over de wenselijkheid van de komst van deze kolencentrale.
Bekijk het volgende filmpje om een indruk te krijgen van de grootte van de centrale:
Wat ga je doen?
Energieproducent NUON heeft in de Eemshaven een kolencentrale gebouwd. Deze centrale voorziet maar liefst 2 miljoen Nederlandse huishoudens van stroom.
In deze module nemen we een kijkje in deze centrale.
Jullie gaan:
- Engage: je leert meer over energieverbruik en de opwekking van elektriciteit.
- Explore: je kiest welke brandstof je het best kunt gebruiken voor de opwekking van elektriciteit. Ook bekijk je welke processen er optreden in de reactor.
- Explain: je leert hoe je de verontreinigingen kunt verwijderen, en hoe je de \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) af kunt vangen.
- Evaluate: je bekijkt verschillende standpunten betreffende de wenselijkheid van de centrale en beargumenteert stellingen.
In de tabel staat hoeveel lessen je hier ongeveer mee bezig bent.
| Activiteit |
|
Max. aantal lessen |
| Engage |
Activiteit 1 |
1 |
| Explore |
Activiteit 2 |
1 |
| |
Activiteit 3 |
2 |
| |
Activiteit 4 |
2 |
| Explain |
Activiteit 5 |
1 |
| |
Activiteit 6 |
3 |
| Evaluate |
Activiteit 7 |
2 |
| |
Totaal |
12 |
Hoe verloopt een les?
Je docent vertelt je hoe de les verloopt. Je hoort hoe je samen gaat werken, of je een planning gaat maken en hoe je beoordeeld wordt.
Engage
Activiteit 1 - Opdracht 01
01 - individueel
In deze onderzoeksopdracht zoek je uit hoeveel elektrische energie we gebruiken, en hoe deze wordt opgewekt.
- Hoeveel elektrische energie gebruiken we jaarlijks?
- Waar komt deze energie vandaan? Voeren we deze in, of produceren we deze zelf?
- In wat voor een soort centrales wordt deze energie opgewekt? Welke brandstoffen worden hierbij ingezet?
Schrijf een kort verslagje en presenteer je gegevens op een overzichtelijke manier. Vergelijk je verslag met je buur en bespreek overeenkomsten en veschillen.
Activiteit 1 - Opdracht 02
02 - individueel
Stel dat je elke dag 2 uur games speelt, 1,5 uur dvd kijkt, een half uur pauzeert (rust) en de rest van de tijd de console op stand-by laat staan. Welke console is dan jaarlijks het goedkoopste? Ga er vanuit dat een kWh € 0,23 kost. Op de Wii kan je geen dvd kijken, deze staat dus 1,5 uur langer op stand-by dan de andere consoles. Als je de Wii gebruikt, heb je je PC nodig om de dvd te bekijken.
Gebruik de onderstaande gegevens om antwoord te geven op deze vraag.
| |
Vermogen (W) |
Vermogen (W) |
Vermogen (W) |
Vermogen (W) |
| Console |
Gamen |
DVD kijken |
Rust |
Stand-by |
| X-box |
185 |
125 |
157 |
2,5 |
| Playstation 3 |
194 |
173 |
177 |
1,9 |
| PC |
200 |
146 |
150 |
3 |
| Wii |
18 |
|
13,5 |
1,3 |
Tip!
Reken eerst om naar kilowatt.
Vermenigvuldig dit met het aantal uren dat een bepaalde activiteit werd uitgevoerd.
Bereken daarna de prijs per dag en vervolgens per jaar.
Activiteit 1 - Opdracht 03
Van de centrales in Nederland, gebruiken de meeste centrales fossiele brandstoffen. Fossiele brandstoffen zijn brandstoffen die al millennia onder de grond zitten en waarvan het onvermijdelijk is dat ze opraken. Hieronder vallen olie, aardgas, kolen en ook uranium, de brandstof voor kernenergiecentrales.
In de volgende filmpjes worden de processen kort uitgelegd. Je zult zien dat de processen veel op elkaar lijken.
03 - individueel
- Schrijf 3 overeenkomsten op tussen de manieren van energieopwekking bij verschillende brandstoffen.
- Kernenergie is duurzaam en schoon.
Noem een argument voor en een argument tegen deze stelling.
Activiteit 1 - Opdracht 04
Behalve door gebruik te maken van brandstoffen kan energie ook op andere manieren worden opgewekt. In Nederland stonden (in 2009) zes waterkrachtcentrales, circa 2000 windmolens en plaatsen steeds meer mensen zonnepanelen op hun dak.
In de volgende twee filmpjes worden de processen windmolens en zonne-energie kort uitgelegd.
04 - individueel
We gebruiken zowel fossiele brandstoffen als duurzame energie.
Waarom wordt energie van wind, zon en waterkracht ‘duurzaam’ genoemd?
Activiteit 1 - Opdracht 05
Duurzame energie is hernieuwbaar (renewable) en schoon. Toch hebben duurzame vormen van energieopwekking ook nadelen.
Grafiek - Energiebehoefte gedurende de dag
De vraag naar energie varieert per uur behoorlijk. Er is altijd een minimale vraag naar energie: de basisbelasting. Deze basisbelasting wordt opgewekt in centrales die je niet even "aan" of "uit" zet; deze centrales draaien constant.
Wanneer mensen terugkomen van hun werk en massaal hun Xbox en lampen aanzetten, vraagt dit plotseling een grote hoeveelheid energie: piekbelasting. Op het moment dat de vraag groot wordt, worden extra centrales aan het werk gezet. Vaak zijn dit gascentrales; deze kunnen zeer snel worden opgestart.
05 - individueel
Ook duurzame energie heeft nadelen.
Wat zijn de nadelen van duurzame energie, uitgaande van basisbelasting en piekbelasting?
Explore
Activiteit 2
NUON Magnum
In deze module staat de vergassingscentrale van Nuon in de Eemshaven centraal. Deze centrale heet Nuon Magnum. In deze activiteit volgen we een rondleiding door de centrale.
Bekijk de onderstaande afbeelding van het overzicht van de centrale en tekst met meer informatie over de onderdelen.
Onderdeel A
Kolen en biomassa worden aangevoerd en voorbewerkt. Ze worden gemalen en gedroogd. Onder stikstofdruk wordt de tot poeder vermalen kool of biobrandstof getransporteerd naar de vergassingseenheid. Daar ontstaat via een aantal reacties uiteindelijk kolengas (“syngas”), waarin nog allerlei verontreinigingen zitten. Slechts een klein deel van de kolen wordt niet in gas omgezet. Van deze niet omgezette fractie wordt een groot deel onderin de vergasser als vloeibare slak afgetapt. Deze vloeistof wordt in water gekoeld, waardoor kleine korrels ontstaan. Het overige deel van de niet brandbare fractie bestaat uit kleine deeltjes en wordt als vliegas met de gasfractie bovenin de vergasser afgevoerd.
Onderdeel B
Het hete gas uit de vergasser wordt gekoeld, waarbij stoom wordt opgewekt. Een deel van het gekoelde gas wordt gebruikt om de temperatuur bovenin de vergasser naar 900 graden te brengen. Daardoor wordt het evenwicht in de vergasser vastgevroren. De reactiesnelheid wordt zo laag, dat er geen veranderingen meer optreden.
Onderdeel C
Bij de volgende twee stappen wordt het vliegas verwijderd. Zowel het vliegas als de kleine korrels, die ontstaan onderin de vergasser, worden verkocht. De kleine korrels worden gebruikt in de wegenbouw. Het vliegas is nog fijner en kan als vulmiddel gebruikt worden. Vliegas is een grondstof voor de cementindustrie.
Onderdeel D
Het gas, dat is overgebleven, bevat bij het verlaten van de vergasser nog een aantal verbindingen, zoals HClHCl en NH3NH3, welke in water oplosbaar zijn. Door het gas te wassen met water lossen de in water oplosbare bestanddelen op. Het water wordt behandeld, waarbij de opgeloste zouten worden verwijderd. Het gaat hierbij om vrijwel alle stikstofverbindingen, chloriden en fluoriden.
Onderdeel E
In de ontzwavelingsinstallatie wordt het aanwezige zwavel (kolen bevatten tot 2% zwavel) verwijderd, als H2SH2S. Dit wordt uiteindelijk omgezet in zwavel, dat verkocht wordt aan bedrijven die het weer als grondstof gebruiken.
Onderdeel F
Het gas bevat nu alleen nog maar COCO en H2H2, ook wel syngas genoemd. Dit mengsel van koolmonoxide en waterstof is een belangrijke grondstof in de chemische industrie. Het is bijvoorbeeld het startpunt voor de synthese van methanol. Het COCO kan met H2OH2O worden omgezet in H2H2 en CO2CO2. Het CO2CO2 kan hier vóór de verbranding worden verwijderd in de CO2CO2-afvang installatie. Men spreekt hierbij van pre-combustion omdat men reeds de kooldioxide verwijderd voordat het gas feitelijk wordt verbrand in de verbrandingskamers van de gasturbines.
Onderdeel G
Het gas kan nu verbrand worden in de gasturbines. Om de verbrandingswaarde van het gas gelijk te houden, kan er stikstof worden bijgemengd.
Het deel dat elektriciteit opwekt, wordt een STEG-eenheid genoemd. In deze eenheid wordt gas verbrand. Een STEG-eenheid (SToom En Gas) wordt tegenwoordig veel gebruikt om stroom op te wekken. Een STEG-eenheid bestaat uit twee onderdelen: een gasturbine en een stoomturbine. Beiden drijven dezelfde generator aan.
Een gasturbine bestaat uit drie onderdelen:
- een compressor om de lucht aan te zuigen en te comprimeren;
- een verbrandingskamer, waarin de (in de gecomprimeerde lucht ingespoten) brandstof wordt verbrand;
- de turbine, waar de energie wordt omgezet in arbeid.
De gassen die de turbine verlaten, hebben nog een hoge temperatuur en bevatten daarom nog flink wat warmte. Deze warmte wordt in een afgassenketel overgedragen op water waardoor stoom ontstaat. Deze stoom wordt in een stoomturbine geleid, waarbij een deel van de warmte wordt omgezet in bewegingsenergie.
Het totale rendement van deze combinatie is maximaal 58,5 %.
06 - individueel
Vat het proces van de centrale schematisch samen in een blokschema.
Activiteit 3
Brandstofkeuze
In deze activiteit kijken we naar de keuze van de brandstof die gebruikt kan worden in deze centrale. Je gaat een keuze maken voor één van de volgende brandstoffen:
- kolen
- biobrandstof
- aardgas
Elke brandstof heeft eigenschappen op het gebied van samenstelling, hoeveelheid warmte die vrijkomt en de soort stoffen die bij verbranding vrijkomen. Al die eigenschappen spelen een rol bij de keuze voor een bepaalde brandstof.
Tabel - Brandstofkeuze
Klik op de woorden voor meer informatie.
07 - individueel
Neem de tabel over en vul deze in. Maak op grond van de gegevens een beargumenteerde keuze voor een brandstof. Bespreek deze met je buur.
Activiteit 4
Reactorprocessen
In dit onderdeel komt het eerste deel van de kolenvergasser aan de orde.
In de afbeelding is dit deel weergegeven.
Onderdeel 1 - Malen en drogen
Kolen worden per schip aangevoerd en daarna op het terrein van de centrale opgeslagen. Voordat de kolen in de vergasser komen, worden ze gemengd met wat kalksteen. Aan een ton kolen wordt ongeveer 20 kg kalksteen toegevoegd. Het kalksteen zorgt ervoor dat de poederkool gemakkelijker in de reactor kan reageren.
Onderdeel 2 - Vergasser
In de vergasser ontstaat, onder toevoeging van zuurstof aan de kolen, kolengas. Dit gebeurt onder hoge temperatuur en druk. De niet-brandbare (niet vergasbare) fractie van de kolen (gesteente) komt naar buiten als slak. De slak komt in koud water terecht, waar het granuleert. Om de slak vloeibaar te houden totdat het verwijderd wordt, is een temperatuur van meer dan 1500 °C nodig.
Onderdeel 3 - Syngaskoeler
Het kolengas bestaat hoofdzakelijk uit koolmonoxide en waterstof en bevat in dit stadium nog verschillende verontreinigende componenten. Deze verontreinigingen worden stapsgewijs verwijderd. Het kolengas is brandbaar en giftig. In de syngaskoeler wordt het gas afgekoeld. Door de warmte die hierbij vrijkomt, wordt water omgezet in stoom. Een deel van het inmiddels afgekoelde kolengas (150 °C – 200 °C) wordt teruggevoerd naar de vergasser. Hierdoor wordt de temperatuur in het bovenste deel van de vergasser op ongeveer 900 °C gehouden waardoor de kleine vliegasdeeltjes, aanwezig in het gas, een vaste vorm aannemen.
Activiteit 4 - Opdracht 08
Het chemische proces in de reactor
De brandstof die vanuit de opslag getransporteerd wordt naar de vergasser, bestaat voornamelijk uit kalk, water en \(\small{C}_{{{p}}}{H}_{{{q}}}{O}_{{{r}}}{N}_{{{s}}}{S}_{{{t}}}{C}{l}_{{{u}}}\).
Als de brandstof wordt verhit, gebeurt het volgende:
- Vanaf 100 °C verdampt eerst het aan de kool gebonden water (droogfase).
- Vanaf 200 °C beginnen de eerste chemische veranderingen plaats te vinden (verbrossing door zogenaamde torrefactie).
- Vanaf 400 – 500 °C vindt geleidelijk verkoling plaats.
In de vergasser vinden allerlei deelreacties plaats.
De totaalreactie kan je voorstellen als:
\(\small{C}_{{{p}}}{H}_{{{q}}}{O}_{{{r}}}{N}_{{{s}}}{S}_{{{t}}}{C}{l}_{{{u}}}→{C}{\left(+{S}+{N}\right)}+{v}{H}_{{{2}}}+{w}{C}{H}_{{{4}}}+\)
\(\small{x}{C}{O}\)/\(\small{C}{O}_{{{2}}}+{y}{H}_{{{2}}}{O}+{z}{N}_{{{2}}}\)/\(\small{N}{H}_{{{3}}}+{a}{H}_{{{2}}}{S}+{b}{H}{C}{l}+{c}{\left({B}{T}{X}\right)}+{d}{\left({t}{e}{e}{r}\right)}\)
BTX = licht aromaten: benzeen, tolueen en xylenen.
Het kolengas is, na zuivering, samengesteld als in de tabel:
| \(\small{H}_{{{2}}}\) |
60 mol% |
| \(\small{C}{O}\) |
5 mol% |
| \(\small{C}{H}_{{{4}}}\) |
26 mol% |
| \(\small{C}_{{{2}}}{H}_{{{4}}}\) |
2,5 mol% |
| \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) |
0,8 mol% |
| \(\small{N}_{{{2}}}\) |
4 mol% |
08 - individueel
- Waarom worden de kolen fijngemalen en gedroogd onder een stikstofatmosfeer?
- Wat zou je kunnen doen met het vliegas hetgeen gevangen wordt in het elektrostatische filter?
Activiteit 4 - Opdracht 09
In de vergasser is een overmaat aan koolstof aanwezig.
Deze koolstof reageert met de aanwezige zuurstof tot \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) volgens reactie 1.
1. \(\small{C}+{O}_{{{2}}}→{C}{O}_{{{2}}}\)
Deze reactie zorgt voor energie, zodat nu ook de volgende reacties kunnen verlopen in de vergasser.
Reactie 2, de Boudouard reactie:
2. \(\small{C}+{C}{O}_{{{2}}}⇆{2}{C}{O}\)
Reactie 3, de water gas reactie:
3. \(\small{C}+{H}_{{{2}}}{O}⇆{C}{O}+{H}_{{{2}}}\)
Reactie 4, de CO omzettingsreactie:
4. \(\small{C}{O}+{H}_{{{2}}}{O}⇆{C}{O}_{{{2}}}+{H}_{{{2}}}\)
Reactie 5, de methanaation reactie:
5. \(\small{C}+{2}{H}_{{{2}}}⇆{C}{H}_{{{4}}}\)
Reactie 6, de stoom/methaan omzettingsreactie:
6. \(\small{C}{H}_{{{4}}}+{H}_{{{2}}}{O}⇆{C}{O}+{3}{H}_{{{2}}}\)
In de vergasser ligt het evenwicht van reactie 6 naar rechts
09 - individueel
Bekijk tabel 1. De grootheid \(\small{G}\) geeft de energie waarde aan van een mol stof.
| Stof |
G (900°C) MJ/mol |
G (1500°C) MJ/mol |
G (2500°C) MJ/mol |
| \(\small{C}\) |
-0,036 |
-0,070 |
-0,127 |
| \(\small{H}_{{{2}}}\) |
-0,082 |
-0,161 |
-0,292 |
| \(\small{O}_{{{2}}}\) |
-0,128 |
-0,251 |
-0,457 |
| \(\small{H}_{{{2}}}{O}\) |
-0,405 |
-0,518 |
-0,707 |
| \(\small{C}{O}\) |
-0,235 |
-0,353 |
-0,551 |
| \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) |
-0,528 |
-0,656 |
-0,870 |
| \(\small{C}{H}_{{{4}}}\) |
-0,193 |
-0,305 |
-0,492 |
- Neem nu tabel 2 over en vul deze in. Reactie 1 is al ingevuld als voorbeeld.
| Reactie |
T °C |
dG MJ/mol |
K |
Evenwicht |
Voornaamste stoffen |
Gewenst |
| 1. |
2500 |
-0,286 |
- |
Nee, aflopende reactie |
\(\small{C}{O}_{{{2}}}\) |
Energie, \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) niet gewenst |
| 2. |
2500 |
|
|
|
|
|
| 3. |
2500 |
|
|
|
|
|
| 4. |
2500 |
|
|
|
|
|
| 5. |
2500 |
|
|
|
|
|
| 6. |
2500 |
|
|
|
|
|
Bekijk opnieuw tabel 1.
- Neem tabel 3 over en vul deze in.
| Reactie |
T °C |
dG MJ/mol |
K |
Evenwicht |
Voornaamste stoffen |
Gewenst |
| 1. |
1500 |
|
|
|
|
|
| 2. |
1500 |
|
|
|
|
|
| 3. |
1500 |
|
|
|
|
|
| 4. |
1500 |
|
|
|
|
|
| 5. |
1500 |
|
|
|
|
|
| 6. |
1500 |
|
|
|
|
|
Bekijk nu de afbeelding hiernaast.
- Geef aan waar in de reactor de verschillende reacties plaatsvinden.
- Welke reacties vinden vooral bovenin de reactor plaats?
- Welke reacties vinden vooral onderin de reactor plaats?
Explain
Activiteit 5
Verontreinigingen verwijderen
In vaste en vloeibare brandstoffen bevinden zich naast de elementen \(\small{C}\) en \(\small{H}\) ook de elementen \(\small{O}\), \(\small{N}\), \(\small{S}\) en \(\small{C}{l}\).
De elementen \(\small{C}\) en \(\small{H}\) worden niet gebruikt, maar zijn nuttig bij de verbranding. De andere elementen worden wel 'gebruikt' bij verbranding. Het element \(\small{O}\) is op zich niet vervuilend, maar kan wel verbindingen aangaan met \(\small{N}\) en \(\small{S}\), waarbij de gevormde stoffen schadelijk kunnen zijn. Naarmate zich meer van dergelijke schadelijke elementen in de brandstof bevinden, neemt de noodzaak toe om in een vroegtijdig stadium deze elementen af te vangen en te verwijderen.
In klassiekes kolencentrales nemen deze elementen 'gewoon' deel aan het verbrandingsproces, terwijl via een proces van Pre-Combustion in de Nuon Magnum centrale dit nu juist voorkomen wordt, en daardoor kolen op een milieuvriendelijke manier als brandstof te kunnen gebruiken.
Activiteit 5 - Opdracht 010
De verontreinigende reacties geven bij verbranding het element \(\small{S}\).
Zwavel zal bij verbranding worden omgezet in \(\small{S}{O}_{{{2}}}\) en bij voldoende luchtovermaat en bij geschikte temperatuur (ongeveer 420 °C) vervolgens in \(\small{S}{O}_{{{3}}}\). Dit \(\small{S}{O}_{{{2}}}\) vormt met de gevormde waterdamp het zo gevreesde zwavelzuur, \(\small{H}_{{{2}}}{S}{O}_{{{4}}}\). Bij condensatie van dit gas zal in de HRSG (Heat Recovery Steam Generator) Lage Temperatuur Corrosie (LTC) optreden.
010 - individueel
- Geef de reactievergelijking van de verbranding van steenkool (\(\small{C}_{{{135}}}{H}_{{{90}}}{O}_{{{9}}}{N}{S}\)).
- Geef de twee reactievergelijkingen waarin zwaveldioxide en zwaveltrioxide in de aanwezigheid van water kunnen worden omgezet in zwaveligzuur en zwavelzuur.
- Geef de twee reactievergelijkingen als zwavelzuur wordt opgelost in water.
- De schade die aan het milieu kan ontstaan in de vorm van zure regen is bekend. Ook kunnen deze verbrandingsproducten zeer schadelijk zijn voor de centrale zelf.
- Geef aan welke gevaar dit kan zijn.
Activiteit 5 - Opdracht 011
De verontreinigende reacties geven bij verbranding het element \(\small{N}\) en de halogenen.
\(\small{N}_{{{2}}}\) (stikstof) kan worden omgezet in \(\small{N}{O}\) of het giftige \(\small{N}{O}_{{{2}}}\), algemeen aangeduid als \(\small{N}{O}_{{{x}}}\).
Men probeert de vorming van \(\small{N}{O}_{{{x}}}\) zoveel mogelijk te beperken. Dit kan door bij de moderne reactoren, getrapte verbranding toe te passen.
Door getrapte verbranding toe te passen en daarbij zones te creëren van luchtovermaat en luchtondermaat wordt de verbrandingstemperatuur verlaagd. De vorming van \(\small{N}{O}_{{{x}}}\) wordt namelijk in belangrijke mate bepaald door de verbrandingstemperatuur. Naarmate de temperatuur hoger is zal de vorming van \(\small{N}{O}_{{{x}}}\) toenemen.
Deze maatregelen heten DeNox-maatregelen. De temperatuur moet namelijk niet te hoog worden, want dan is de kans op het ontstaan van \(\small{N}{O}_{{{x}}}\) groter.
011 - individueel
Geef de twee reactievergelijkingen van de vorming van stikstofdioxide en salpeterzuur, uitgaande van stikstof en zuurstof, in de aanwezigheid van water.
Activiteit 5 - Opdracht 012
De verontreinigende reacties geven bij verbranding
de elementen \(\small{S}\), \(\small{N}\) en \(\small{C}{l}\).
Chloorhoudende verbindingen worden tijdens de vergassing omgezet in \(\small{H}{C}{l}\). Er vindt geen dioxineproductie plaats tijdens de vergassing. Dioxines zijn zeer giftige stoffen die in verouderde productieprocessen wel gevormd kunnen worden.
Bij vergassing worden de zwavelhoudende verbindingen voor 95% omgezet in \(\small{H}_{{{2}}}{S}\) en voor 5% in \(\small{C}{O}{S}\). Als de vergassing bij lage temperatuur plaatsvindt, dan ontstaat ook thiofeen. Men zorgt daarom voor een niet te lage temperatuur (ongeveer 1250 °C).
Thiofeen is een organische verbinding die bestaat uit een aromatische ring van vier koolstofatomen en een zwavelatoom (\(\small{C}_{{{4}}}{H}_{{{4}}}{S}\)). De geur lijkt op die van benzeen. Als deze stof wordt verbrand, ontstaat er \(\small{S}{O}_{{{2}}}\). Om deze reden wil men het element \(\small{S}\) vóór de verbranding graag verwijderen en omzetten in een nuttige stof (bijvoorbeeld \(\small{S}_{{{8}}}\)).
In de afbeelding hiernaast zie je de structuurformule van Thiofeen.
012 - individueel
- Geef de reactievergelijkingen van de vorming van waterstofsulfide en \(\small{C}{O}{S}\) uit de elementen.
- Bij vergassing worden de stikstofhoudende verbindingen omgezet in ammoniak, blauwzuur en stikstof. Indien de vergassing bij lage temperatuur plaatsvindt, ontstaat voornamelijk ammoniak. Bij vergassing bij hoge temperatuur ontstaat 90% stikstof.
- Geef de reactievergelijkingen van de vorming van ammoniak en blauwzuur uit de elementen.
Activiteit 5 - Opdracht 013
Samenstelling synthesegas
De stookwaarde van een brandstof kan sterk verschillen. Het stookwaardebereik loopt uiteen van 2,5 Mj/kg (in het geval van hoogovengas) tot meer dan 120 Mj/kg (in het geval van zuivere waterstof). Om die reden probeert men het gehalte \(\small{H}_{{{2}}}\) in synthesegas zo hoog mogelijk te maken.
De belangrijkste reden voor de bouw van Nuon Magnum is dat deze in staat is de verontreinigende elementen vóór de uiteindelijke verbranding uit het synthesegas te halen, zodat de schadelijke restproducten niet meer tijdens verbranding kunnen ontstaan.
Dat betekent dat het synthesegas na deze zuiveringsstappen deze elementen niet meer zal bevatten. De vorming van \(\small{N}{O}_{{{x}}}\) wordt door een speciale branderconfiguratie van de gasturbines zo veel mogelijk tot een minimum beperkt. De gevormde \(\small{N}{O}_{{{x}}}\) wordt door de DeNox-installatie, die zich in de HRSG bevindt, geneutraliseerd. Hierbij ontstaat weer \(\small{N}_{{{2}}}\). Om deze reden heeft men de gewenste samenstelling van het synthesegas direct na de zuiveringen vastgesteld. Dat ziet er als volgt uit:
013 - individueel
Bekijk de afbeelding hierboven van de gewenste samenstelling van synthesegas na zuiveringen.
Neem de tabel over en vul deze in.
Je kan kiezen uit de antwoorden:
uit de lucht - vergassingsreactie - nevenactiviteit - verontreinigde brandstof.
| Element |
Percentage |
Oorsprong |
| \(\small{C}{O}\) |
60% |
|
| \(\small{H}_{{{2}}}\) |
30% |
|
| \(\small{N}_{{{2}}}\) |
7% |
|
| \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) |
2% |
|
| \(\small{A}{r}\) |
0,5% |
|
| \(\small{H}_{{{2}}}{O}\) |
0,1% |
|
Activiteit 5 - Opdracht 014
Voordat het synthesegas (syngas) wordt verbrand in de verbrandingskamers van de gasturbines, waarbij de chemische energie wordt omgezet in mechanische arbeid, worden onder andere het vliegas, zout, slib en zwavel verwijderd. Dat kun je zien in processchema 2. (Het eerste proces was de vorming van synthesegas.)
Afbeelding - Processchema 2
Zoals je eerder hebt gezien bestaan de belangrijkste verontreinigingen uit:
- \(\small{H}{C}{l}\) en andere halogene zuren, zoals \(\small{H}{F}\)
- \(\small{N}{H}_{{{3}}}\) / \(\small{H}{C}{N}\)
- \(\small{H}_{{{2}}}{S}\) / \(\small{C}{O}{S}\)
Hoe men deze verontreinigingen het beste kan verwijderen, wordt hierna behandeld.
014 - individueel
Maak aan de hand van het processchema een blokschema van alle reinigingsprocessen die op het synthesegas worden uitgevoerd.
Activiteit 5 - Opdracht 015
Verwijderingsreacties: \(\small{H}{C}{l}\) en \(\small{H}{F}\)
Waterstofchloride en waterstoffluoride kunnen in een waterwaskolom (processchema 2) met natronloog en ammoniak verwijderd worden. Door een oplossing van deze stoffen in de waterwaskolom van boven naar beneden rond te sproeien, kunnen deze gassen reageren met de in dit waswater opgeloste stoffen. Eventueel gevormde vaste stoffen of oplossingen kunnen dan onderin de kolom verzameld en afgevoerd worden.
Afbeelding - Processchema 2
015 - individueel
- Geef de reacties in kloppende reactievergelijkingen die optreden bij het verwijderen van verontreinigingen.
- Welke stoffen kan men als vaste stoffen onderin de kolom verzamelen?
Activiteit 6
Koolstofdioxide afvang
Koolstofdioxide is een broeikasgas. De steeds hoger wordende concentraties \(\small{C}{O}_{{{2}}}\), door de verbranding van fossiele brandstoffen, worden deels verantwoordelijk gesteld voor de opwarming van de aarde.
Koolstofdioxide absorbeert infraroodstraling die door het aardoppervlak wordt uitgezonden. Normaal zou deze infraroodstraling doorgelaten worden naar de ruimte. Door het koolstofdioxide blijft de warmte in de atmosfeer. Ook gassen als stikstofdioxide en methaan hebben deze eigenschap. Men kan stellen dat alle, "meer dan twee-atomige gassen" deze (nadelige) eigenschap vertonen. De sinds 1940 exponentieel toenemende koolstofdioxideconcentratie wordt deels verantwoordelijk gehouden voor de temperatuurstijging op aarde. Het grootste gedeelte van deze toename wordt vooralsnog toegeschreven aan de sterk toegenomen verbranding van fossiele brandstoffen.
Afbeelding - Het broeikaseffect
Activiteit 6 - Aan de slag 1
Aan de slag 1: Experiment broeikasgassen - teamopdracht
In dit experiment ga je de invloed van broeikasgassen op de temperatuur op aarde onderzoeken.
Het experiment wordt uitgevoerd door boven een bekerglas een halogeenlamp of gloeilamp te zetten, die het gas en de onderkant van het bekerglas verwarmt. Door het bekerglas te vullen met koolstofdioxide of stikstofdioxide kun je het effect van die gassen nagaan.
Wat verwacht je dat er tijdens de verschillende metingen zal gebeuren? De ene meting is alleen met ‘gewone’ lucht. Bij de tweede meting wordt er extra gas toegevoegd. Schets in de figuur het verloop van de temperatuur, dat je verwacht tijdens het experiment.
Hypothese
Benodigdheden
- Bekerglas 1 L
- Zwart karton/papier
- IPCoach en temperatuursensor
- 150 W halogeen lamp
- Koolstofdioxidepatroon of N2O patroon
- Petrischaaltje
- Halogeenlamp van 150 W
Werkwijze
- Neem een bekerglas van 1 L. Leg onderin een thermosensor van IPCoach en bedek deze met zwart karton of papier.
- Sluit het bekerglas af met een petrischaal.
- Plaats boven de schaal een halogeenlamp van 150 W. Zet die aan en start de temperatuurmeting. Meet gedurende 15 minuten de temperatuur.
- Neem een nieuw bekerglas en leg onderin een thermosensor van IPCoach. Bedek deze met zwart karton of papier.
- Sluit de sensor aan en stel het programma IPCoach zo in dat je gedurende 15 minuten de temperatuur kunt meten.
- Laat een patroon gevuld met N2O of CO2 leeglopen onder in je bekerglas, zodat het gas zoveel mogelijk in het bekerglas blijft.
- Plaats boven de schaal de halogeenlamp van 150 W. Zet die aan en start de temperatuurmeting. Meet gedurende 15 minuten de temperatuur.
- Vergelijk je resultaten met je hypothese. Verklaar je resultaten.
Dit experiment met inleiding kan je downloaden; experiment broeikasgassen. Voer het experiment uit.
Activiteit 6 - Informatie
In een energiefabriek, zoals de Nuon Magnum centrale, kan \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) in principe op twee manieren worden afgescheiden. Voordat de verbranding plaatsvindt, en nadat verbranding heeft plaatsgevonden. Precombustion (voor de verbranding) door \(\small{C}{O}\) te laten reageren met water: \(\small{C}{O}+{H}_{{{2}}}{O}→{C}{O}_{{{2}}}+{H}_{{{2}}}\)
Uit dit mengsel is de \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) af te scheiden. Je houdt dan zuivere waterstof over, die gebruikt kan worden in de verbrandingskamer van de gasturbines. Nadeel is dat hier een deel van de vrijkomende warmte (energie) verloren gaat.
Koolstof kan ook worden afgescheiden na de verbranding.
Lees het artikel op wikipedia: CO2 afvang en opslag.
Bij de verbranding kun je in plaats van lucht ook gebruik maken van zuivere zuurstof. Dit proces wordt oxi-fuel genoemd. Dat heeft als voordeel dat de verbrandingsgassen geen stikstof, maar alleen koolstofdioxide en water bevatten. Bovendien kunnen geen stikstofoxiden ontstaan. Het is hierbij ook eenvoudiger om de gevormde koolstofdioxiden te isoleren en te verwijderen.
Activiteit 6 - Aan de slag 2
Aan de slag 2: Afvangen van \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) - teamopdracht
Om koolstofdioxide te scheiden van de rest van de gassen, worden er twee methodes gebruikt. Je kunt koelen en op die manier koolstofdioxide laten neerslaan. Dat is energetisch gezien echter vrij kostbaar.
De andere methode is koolstofdioxide laten reageren met een base. Op die manier krijg je koolstofdioxide als carbonaat. Je kan het dan later weer vrijmaken en de base hergebruiken. Deze techniek is nog in ontwikkeling. Je kent de methode overigens al voor het aantonen van \(\small{C}{O}_{{{2}}}\). Je kunt een gas leiden door kalkwater, een oplossing van calciumhydroxide. Ook hier wordt \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) gebonden als carbonaat. Dit slaat neer met de aanwezige calciumionen.
Dit practicum bestaat uit twee experimenten. Deze zijn beschreven in de popups hieronder. De experimenten en vragen kun je ook downloaden; experimenten afvangen van CO2. Maak vervolgens de vragen op de volgende pagina.
Experiment 1
Benodigdheden
- porseleinen schaaltje
- trechter
- 3 glazen buizen met een hoek van 90 graden
- 3 stukjes slang die passen op de glazen buizen
- U-buis met rubber stoppen met doorvoer voor glazen buizen
- wasflesje
- waterstraalpomp
- brandstof (bijvoorbeeld benzine, spiritus, hout, kaarswas)
- kobaltchloridepapier of kopersulfaatpapier of kopersulfaatwatten
- pincet
- aansteker
Werkwijze
Bouw een opstelling zoals hieronder afgebeeld:
- Doe ongeveer 3 cm kalkwater in het wasflesje (4; hiermee toon je koolstofdioxide aan) en leg met behulp van de pincet een strookje/stukje kobaltchloridepapier/kopersulfaatwatten (hiermee toon je water aan) in de linkerbuis van de U-buis (3).
- Doe dan wat brandstof in het porseleinen schaaltje (1) en steek dit aan.
- Doe de waterstraalpomp (5) aan en zorg dat de gassen van de verbranding door de trechter (2) wordt opgevangen en worden afgezogen. Voer dit experiment met de brandstof spiritus ook uit zonder deze brandstof aan te steken.
- Noteer je waarnemingen.
Uitwerking
- Is hier sprake van chemische reacties (stoffen veranderen in andere stoffen) of is hier alleen sprake van verdamping of iets dergelijks?
- Welke stoffen komen nu vrij bij verbranding?
- Zijn dit atomen of moleculen of beiden die hier aan deelnemen?
- Je moet warmte toevoeren (aansteker) en er komt warmte vrij (verbranding). Komt er nu in totaal warmte vrij of moet er warmte bij worden gestopt?
In het ontstane calciumcarbonaat is nu het CO2CO2 vastgelegd.
- Geef de reactievergelijking van de reactie die optreedt in het kalkwater.
Experiment 2
Benodigdheden
- Opstelling van experiment 1
- Een tweede gaswasfles
- 5%-oplossing van een amine. Je kunt hiervoor verschillende amines gebruiken: dimethylamine, diethylamine, ethylamine et cetera.
Werkwijze
- In bovenstaand experiment wordt de U-buis vervangen door een tweede gaswasfles.
- Breng in de tweede gaswasfles een 5%-oplossing van een amine. In de eerste gaswasfles wordt vers kalkwater gebracht.
- Doe dan wat brandstof in het porseleinen schaaltje (1) en steek dit aan.
- Doe de waterstraalpomp (5) aan en zorg dat de gassen van de verbranding door de trechter (2) wordt opgevangen en worden afgezogen.
Uitwerking
- Verklaar je waarnemingen met een reactievergelijking.
- Hoe zou je het amine weer vrij kunen maken van CO2CO2, zodat je het amine opnieuw kan gebruiken? Het koolstofdioxide komt dan vrij en kan verkocht of opgeslagen worden.
Activiteit 6 - Vragen
Vragen
- Verklaar waarom kolencentrales vaak worden gebruikt voor de basiselektriciteitsbehoefte (basislast) en gascentrales voor de piekbelasting.
- Indien men een centrale met biomassa stookt, noemt men dit \(\small{C}{O}_{{{2}}}\)-neutraal. Verklaar deze benaming.
- \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) kan afgevangen worden voor en na verbranding. Wat is het voordeel van het afvangen van \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) voor verbranding?
- Waarom zou men niettemin toch proberen een techniek te ontwikkelen voor het afvangen van \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) na verbranding?
- Bij afvang van \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) na verbranding kan men ervoor kiezen de poederkool te verbranden met zuivere zuurstof in plaats van lucht. Welk belangrijk voordeel heeft dit? En welk nadeel?
- Beredeneer met behulp van een reactievergelijking waarom het \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) gas zonder droging corrosief is.
- Waarom levert dit gevaar op?
Activiteit 6 - Opdracht 016
016 - individueel
Bij een eerdere vraag heb je berekend hoeveel ton van de verschillende brandstoffen je nodig hebt voor een bepaalde centrale en hoeveel ton \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) daarbij vrijkomt. Bereken nu hoeveel extra ton brandstof je bij afvang en opslag van de \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) nodig hebt. Bereken ook hoeveel minder \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) uitgestoten wordt, indien de opvang en opslag een rendement van 40% heeft.
Gebruik voor je berekeningen de volgende gemiddelde percentages: benodigde extra energie aardgascentrale 50%, poederkolencentrale 60% en kolenvergassercentrale 40%.
Neem de tabel over en vul deze in.
| Soort brandstof |
Ton brandstof |
Extra brandstof nodig |
Ton CO2 geproduceerd |
Minder CO2 |
Restwarmte in MJ |
| Aardgas |
\(\small{5},{5}·{{10}}^{{{7}}}{{m}}^{{{3}}}\) |
\(\small{{m}}^{{{3}}}\) |
|
|
|
| Kolen |
\(\small{6},{0}·{{10}}^{{{7}}}{k}{g}\) |
kg |
|
|
|
| Biobrandstof |
\(\small{1},{17}·{{10}}^{{{8}}}{k}{g}\) |
kg |
|
|
|
Evaluate
Activiteit 7
Hoe wenselijk is de kolenvergasser in de Eemshaven?
Het bouwen van een kolencentrale is een complexe zaak. Elektriciteitsproducenten, burgers, bestuurders, politici en milieugroeperingen zijn het zelden met elkaar eens. Lokale, regionale en landelijke overheden hebben specifieke belangen en wensen. Bijvoorbeeld de ontwikkeling van een havengebied en het geven van economische impulsen aan de regio. Bovendien zijn er ook nog politieke partijen en milieuorganisaties, die weer eigen belangen en wensen hebben en andere keuzes willen maken en daarom soms bepaalde eisen aan de productie willen stellen. Bijvoorbeeld dat de elektriciteit zo duurzaam mogelijk wordt geproduceerd en zo weinig mogelijk bijdrage levert aan de opwarming van de aarde. Dat kan leiden tot juridische procedures die de plannen van het bedrijf ernstig vertragen.
Economische belangen van de producent Nuon, overheidsbelangen en milieubelangen kunnen met elkaar botsen.
Door je te verdiepen in hun argumenten, krijg je meer inzicht in de dilemma’s van de besluitvorming. Tenslotte vorm je eigen meningen. Je wordt hierin geholpen met een aantal stellingen.
Maak nu de opdrachten op de volgende pagina.
Activiteit 7 - Opdracht 017 en 018
017 - individueel
Je krijgt teksten aangeboden, waarbij vragen worden gesteld. Vervolgens bekijk je een aantal stellingen. Je kiest de stelling waar je het meest mee eens bent en onderbouwd dit met argumenten. Van elk van de overige stellingen geef je minimaal één argument om deze te weerleggen.
Bekijk de bijlage: Artikelen
Lees de artikelen en maak de vragen in je (digitale) schrift.
018 - individueel
Bekijk de onderstaande stellingen. Geef van elke stelling aan of je het eens, of oneens bent met de stelling.
Geef argumenten, waarom.
Stellingen
- De overheid moet duurzaamheideisen stellen aan geïmporteerde kolen om er zeker van te zijn dat de winning niet gepaard gaat met schending van mensenrechten, slechte arbeidsomstandigheden, stof- en geluidsoverlast en aantasting van het milieu.
- De Eemshaven is om economische redenen een geschikte locatie voor een kolencentrale, maar ongeschikt vanwege de aantasting van het nabij gelegen natuurgebied, een werelderfgoed.
- Het is realistisch dat we in Nederland door een gedragsverandering op grote schaal energie gaan besparen, zodat de bouw van een kolencentrale overbodig wordt.
- Kolencentrales remmen de ontwikkeling van duurzame energiebronnen.
- Om de ontwikkeling van duurzame energievormen gelijke kansen te geven, moet de overheid het principe ‘de vervuiler betaalt’ laten gelden voor kolencentrales.
- Het is beter voor het milieu en het klimaat om voorlopig elektriciteit te produceren uit aardgas in plaats van uit kolen.
- Nieuwe kolencentrales zijn beter voor het milieu en het klimaat dan kerncentrales en bruinkoolcentrales.
- De eis dat een nieuwe kolencentrale geschikt moet zijn om \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) af te kunnen vangen, is zinloos als de centrale niet kan worden verplicht om de geproduceerde \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) daadwerkelijk af te vangen en op te slaan.
- De overheid mag het ‘capture ready’ opleveren van een kolencentrale alleen verplichten, als ze zelf kan garanderen dat de afgevangen \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) daardwerkelijk kan worden getransporteerd en opgeslagen.
- De overheid moet wetenschappelijk onderzoek naar mogelijke alternatieven voor de opslag van \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) financieel ondersteunen.
- Bedenk minimaal één eigen stelling.
