Exergetic efficiency analysis of pyrometallurgical processes

The research on the use of the thermodynamic concept "exergy" for efficiency analysis of pyrometallurgical processes was carried out in the framework of the masterthesis of Bart Klaasen. This was done in collaboration with prof. Jo Dewulf from the research group ENVOC at the university of Ghent.

This work was published and/or presented at the following occasions:

• B. Klaasen, D. Durinck, P.T. Jones, J. Dewulf, P. Wollants, B. Blanpain, Exergy analysis of pyrometallurgical processes, Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 41B, issue 6, december 2010, pp. 1205-1219 , doi: 10.1007/s11663-010-9424-y,
• B. Klaasen, D. Durinck, P.T. Jones, J. Dewulf, P. Wollants, B. Blanpain, Exergy analysis of a pyrometallurgical zinc recycling, process, proceedings of the European Metallurgical Conference (EMC) 2009, Insbruck, Austria, June 2009, Vol. 3, pp. 1081-1096
• B. Klaasen, Exergy analysis of pyrometallurgical processes, presentation at GTT-workshop, Hertogenrath, Germany, June 2010
• B. Klaasen, Exergie: wegwijzer naar een duurzame procesindustrie, poster at 3rd Strategic Energy Forum, Brussels, Belgium, December 2008

Below you can find a summary of the work. The full thesis text (in dutch) can be downloaded here.

Exergy: een opstap naar duurzame ontwikkeling

Sinds de ontwikkeling van de stoommachine in de 18^e 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 theoretisch onderbouwd beeld van zijn duurzaamheid. Een dergelijke eenduidige kwantificering kan dan de eerste stap zijn bij de verdere optimalisatie van deze processen.

Exergie analyse voor pyrometallurgische processen

Het concept exergie werd grondig beschreven en is theoretisch sterk onderbouwd. Een vertaling naar de praktijk ligt echter niet steeds voor de hand. In het bijzonder wanneer de exergie van materiaalstromen met een complexe samenstelling berekend moet worden, kunnen diverse aannamens leiden tot inconsistente resultaten. Dit stelden wij vast na het vergelijken van diverse waarden voor de exergie van verschillende complexe metallurgische stromen. Als antwoord hierop stellen wij voor om in de toekomst een semi-analytische berekeningsmethode te hanteren die toelaat om de exergie van industriële stromen op een eenduidige en consistente manier te bepalen.

Exergetic Sankey diagram for a zinc recycling process

De berekeningsmethodiek werd in detail uitgewerkt. Voor de implementatie werd gebruik gemaakt van het thermodynamische berekeningspakket Factsage / Chemapp en bijhorende databanken. Hierbij lag de focus vooral op 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. Als case study, ter validaring van onze methodeik, 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.