Transcript AMT 10 Cement

© 2017 www.entropie.nl
TOVERS VAN HELDER
Aanmaaktover 10
AANMAKEN 1 TON CEMENT
PRIJS
37.872
Vraag
Wat is de prijs van het aanmaken van 1 ton cement?
Antwoord
Recept
AMT 10.1
AMT 10.2
AMT 10.3
AMT 10.4
AMT 10.5
AMT 10.6
AMT 10.7
AMT 10.8
AMT 10.9
AMT 10.10
AMT 10.11
AMT 10.12
AMT 10.13
AMT 10.14
AMT 10.15
AMT 10.16
AMT 10.17
AMT 10.18
AMT 10
,,
,,
,,
,,
,,
,,
,,
,,
,,
,,
,,
,,
,,
,,
,,
1
1
1
1
396
2,E+19
1.400
21
5
15
14
10
1.000.000
29
1.400
1.400
1.000
152
1
transportsysteem
cementfabriek
binnenvaartschip
vrachtwagen
mensen
m³ lucht
kg mergel
kg ijzeroxide
kg dieselolie
kg aardgas
kg slibgranulaat
kg subkoolpellets
kJ stroom
kg zuurstof
kg mergel malen
kg mergel branden
klinker malen
tonkm doen
ton cement
klaar
ΔSσ
[kJ/°K]
pm
pm
pm
pm
pm
0
1.527
pm
181
pm
pm
8.431
188
0
-1.659
0
114
8.781
ΔScf
[kJ/°K]
pm
pm
pm
pm
pm
0
-54
pm
zit in 10.18
0
pm
pm
-86
0
0
4.472
0
-91
4.241
Δ Sθ
[kJ/°K]
pm
pm
pm
pm
pm
0
474
pm
13
pm
pm
7.292
0
0
16.629
0
442
24.849
Gereedschappen
10.1
1
transportsysteem
Het verplaatsen van tussenproducten van het ene gereedschap naar het andere
schematiseerde Helder met 1 transportband, lengte 1000 m , opvoerhoogte 100 m
De band draait continu 365 dagen per jaar.
C tsband = 500.000 ton/jaar =
0,016
zie 10.4
ton cement/s
Ti1 = 1/C =
63,1
s/ton cement
Td1 =
20
jaar =
6,E+08
s
qi1 = Ti1/Td1 =
1,E-07
ΔS inzet tsband / ton cement =
1,E-07
. Eigentover 18 Gereedschap [kJ/°K].
Verder pm in afwachting van de eigentover.
10.2
1
cementfabriek
In de cementfabriek wordt de gewonnen mergel vermengd met ijzeroxide en dan tot klinker
geroosterd in een draaioven. De klinker wordt tot cement vermalen.
C cementfabriek =
500.000
ton cement/jaar
schatting
ofwel
0,016
ton cement/seconde
Ti2 = 1/C =
63,1
s/ton cement
Td2 =
40
jaar =
1,E+09
s
qi2 = Ti2/Td2 =
5,E-08
ΔS inzet c.f. / ton cement =
5,E-08
. Eigentover 18 Gereedschap [kJ/°K].
Verder pm in afwachting van de eigentover.
10.3
1
binnenvaartschip
De helft van de cementproductie wordt per binnenvaartschip afgevoerd over 150 km.
Dit wordt doorberekend in 10.18
10.4
1
vrachtwagen
De helft van de cementproductie wordt per vrachtwagen afgevoerd over 150 km.
Dit wordt doorberekend in 10.18
10.5
396
mensen
Het aantal werknemers schatte Helder op 120, 200 dagen per jaar, 8 uur per dag.
pw =
120
werknemers
fu =
1,1
fk =
3
pm =
396
mensen
Tim =
Ti2 =
63
s / ton cement
Tdm =
3,E+08
sec
45
jaar
qi = Tw/Td =
2,E-07
ΔS inzet pm / ton cement = qi . pm =
0,0001
. Eigentover Helder [ kJ/°K ]
Verder PM in afwachting van de eigentover.
Merk op: dit is exclusief binnnvaartschip en vrachtwagen, want hier is de levering van mensen al
doorberekend in de verplaatstovers.
zie 10.18
Men Neme
10.6
2,E+19 m³ lucht
De lucht is nodig voor het leveren van zuurstof, maar ook voor het opnemen van
kooldioxide, stikstofoxiden en fijnstof. Zie verder onder 10.19
De prijzen voor de massa-overdrachten worden in de betreffende tovers verrekend.
10.7
1.400
kg mergel
De moeder van alle cementen is Portlandcement, die men maakt uit mergel en een beetje
ijzeroxide. De mergel dient lemig te zijn, want dan is er ook siliciumdioxide en aluminiumoxide
in aanwezig en die zijn ook nodig.
De ideale verhouding van de te nemen ingredienten is 80% calciumcarbonaat, 15% kwarts,
4% aluminiumoxide en 1% ijzeroxide. De mergel, die Helder voor ogen stond, voldeed
volledig hieraan. De ijzeroxide haalde Helder in gedachten op bij een zwavelzuurfabriek,
die 100 km verderop lag.
Om aan 1 ton cement te komen diende 1,22 ton gedroogde mergel te worden aangewend,
ofwel
1.400
kg mergel af groeve.
Hoeveelheden voor en na het bereiden van 1 ton Portlandcement
Stof
M
m vóór
m na
n
[kg]
[kg]
[kg]
Ca
0,040
C
0,012
O₂
0,032
Si
0,028
Al
0,027
Fe
0,056
CaCO₃
0,100
1.220
12.202
CaO
0,056
12.202
CO₂
0,044
12.202
SiO₂
0,060
224
3.738
Ca₂SiO₄
0,172
130
756
Ca₃SiO₅
0,228
680
2.982
Al₂O₃
0,102
55
538
(CaO)₃Al₂O₃
0,270
110
407
Fe₂O₃
0,160
21
130
(CaO)₄Al₂O₃Fe₂O₃
0,614
80
130
Totaal
1.520
1.000
Met HT 7 Kalksteen :
HT 7
1
ton kalksteen
1.090
-39
338
halen klaar
AMT 10.7
1,4
ton kalksteen
1.527
-54
474
halen
10.8
21
kg ijzeroxide
Uit pyriet, zwavelzuurfabriek 100 km verderop.
PM in afwachting AMT 11 IJzeroxide
10.9
5,0
kg dieselolie
Binnenvaartschip neemt
0,005
kg dieselolie/tonkm
zie VT 14.6
Vrachtwagen neemt
0,062
kg dieselolie/tonkm
zie VT 1.6
Totaal
5,032
kg dieselolie
zie 10.18
De prijs voor het nemen van dieselolie wordt doorberekend in 10.19
10.10
15
kg aardgas
Helder schatte het energieverbruik voor het branden van cementklinker na literatuurstudie
op ca
600
mJ/ton cement.
De aangewende brandstof is voor ca 33% fossiel. Helder nam hiervoor aardgas.
Uit KT 4 Aardgas: voor opwekking 100 mJ is 2,47 kg aardgas nodig
Voor 1 ton cement is dan nodig
Met HT 4 Aardgas
HT 4
1
AMT 10.12
0,015
15
ton gas
halen klaar
ton gas halen
kg aardgas.
12.209
-6
865
181
0
13
10.11
14
kg slibgranulaat
Volgens de brochure Veiligheid en Milieu ENCI Maastricht is het aandeel biomassa in de
thermische energieproductie ca 33% of wel goed voor 200 mJ/ton cement
Als biomassa wordt slibgranulaat opgehaald bij een rioolwaterzuiveringsinstallatie
die 100 km verderop ligt.
De verbrandingswaarde van dit granulaat is 14 mJ/kg .
Dus benodigd 200/14 =
14,29
kg biomassa/ton cement
Verder pm in afwachting van Brengtover Slibgranulaat.
10.12
10
kg energiepellets
Voor de opwekking van de laatste 200 mJ thermische energie worden subkool-pellets
verbrand.
De verbrandingswaarde is 20 mJ/kg
Dus benodigd 200/20 =
10
kg pellets/ton cement
Verder pm in afwachting van AMT 10 Subkool-pellets.
10.13
1.000.000 kJ stroom
Op basis van literatuuronderzoek schatte Helder dat een cementfabriek per ton cement
1 GJ stroom verbruikt.
Ofwel
1.000.000
kJ/ton cement.
Deze stroom is hoofdzakelijk nodig om de molens voor het malen van mergel en klinker te
bewegen.
Met AMT 4 Fossielstroom:
AMT 4
1
kJ stroom
0,008
0,000
0,007
klaar
AMT 10.17
1.000.000 kJ stroom halen
8431
-86
7292
Pandgeld
De prijzen zijn doorberekend in 10.17 e.v. , behalve:
10.14
188
voor
29
kg zuurstof
Voor het onttrekken van zuurstof aan dampkring voor verbranden biomassa, zie 10.19.
Sσ 1 mol O₂ =
205
J/°K
• slibgranulaat
Het zuurstofverbruik voor het slibgranulaat stelde Helder gelijk aan dat van het papier in de
subkoolpellets.
Dus Sσ O₂ slibgranulaat =
39
kJ/°K
• subkoolpellets polyetheen
n o₂
= 1,5 . n -CH₂- =
M O₂ =
D zuurstof = n . M O₂ =
Sσ 17 kg O₂ = n . Sσ 1 mol O₂ =
ofwel
536
0,032
17
109821
110
kg
kg
J/°K
kJ/°K
• subkoolpellets papier
n o₂
= 8,5 . n (C₆H₁₀O₅) =
M O₂ =
D zuurstof = n . M O₂ =
Sσ 6 kg O₂ = n . Sσ 1 mol O₂ =
ofwel
191
0,032
6
39245
39
kg
kg
J/°K
kJ/°K
Mengen en Roeren
10.15
1.400
kg mergel malen
De kogelmolens draaien op electrische stroom. Het verbruik van de stroom geeft lokaal
geen entropisch effect.
10.16
1400
kg mergel branden
Samenvatting resultaten 10.16 :
verbranden aardgas
133
21
1.600
verbranden slibgranulaat
133
21
1.600
verbranden energiepellets … plastic
-193
-84
378
,,
… papier
-47
-27
143
decarbonisatie
sinteren
-1.753
68
-1.659
4.542
0
4.472
12.907
0
16.629
10.16a
Verhitten tot 1100 ⁰K
● verbranden
15
kg aardgas
zie 10.10
Met KT 4 Aardgas:
KT 4
2,47
kg aardgas
22
4
267
verbranden klaar
AMT 10.16a1
15
kg aardgas
133
21
1.600
verbranden
● verbranden
14
kg slibgranulaat
Bij gebrek aan informatie over de chemische samenstelling van het granulaat schatte
Helder het entropisch effect van het verbranden ervan gelijk aan dat van het aardgas,
zie hiervoor.
● verbranden
10
kg energiepellets
De samenstelling van de pellets schatte Helder op 50 massaprocent polyethyleen en
50 massaprocent papier.
verbranden 5 kg polyethyleen
→ Vorming Sσ :
n -CH₂+
1,5 n O₂
→
n CO₂
+
n H₂O (l)
n . 200
n . 300
n . 210
n . 70
ΔSσ n mol -CH₂- =
- n . 230
J/°K
M -CH₂=
0,014
kg
n
= 5/M =
357
ΔSσ 5 kg -CH₂- = -n . 230 =
-82.143
J/°K
of wel
-82
kJ/°K
Het kooldioxidegas lost vervolgens deels op in zeewater, voor die vorming zie AMT 10.19a3.
→ Spreiding Scf :
Met BT 5 voor zuurstof, alleen Scf :
BT 5
1
mol CO₂
0,0
-0,4
0,0
lucht → cilinder
AMT 10.16a2
,,
536
mol O₂
0
-217
0
lucht → cilinder
Met ET voor kooldioxide :
ET
1
mol CO₂
-0,3
0,4
1,1
cilinder → lucht
klaar
AMT 10.16a3
357
mol CO₂
-110,4
133,0
377,8
cilinder → lucht
→ Opwarming Sθ :
Voor zuurstof nul, want is geen broeikasgas.
Voor kooldioxide zie AMT 10.19a3.
Verbranden 5 kg papier.
Helder stelde dat het papier geheel uit cellulose bestaat.
→ Vorming Sσ :
(C₆H₁₀O₅)n
+
8,5 n O₂
→
6n CO₂
+
5n H₂O (l)
n . 200
8,5n . 200
6n . 210
5n . 70
ΔSσ n mol -C₆H₁₀O₅- =
- n . 290
J/°K
M --C₆H₁₀O₅=
0,222
kg
n
= 5/M =
23
ΔSσ 5 kg -C₆H₁₀O₅- = -n . 290 =
-5.180
J/°K
of wel
-5
kJ/°K
Het kooldioxidegas lost vervolgens deels op in zeewater, voor die vorming zie AMT 10.19c.
→ Spreiding Scf :
Met BT 5 voor zuurstof, alleen Scf :
BT 5
1
mol CO₂
0,0
-0,4
0,0
lucht → cilinder
AMT 10.16a4
,,
191
mol O₂
0
-78
0
lucht → cilinder
Met ET voor kooldioxide :
ET
1
mol CO₂
-0,3
0,4
1,1
cilinder → lucht
klaar
AMT 10.16a5
135
mol CO₂
-41,8
50,3
143,0
cilinder → lucht
→ Opwarming Sθ :
Voor zuurstof nul, want is geen broeikasgas.
Voor kooldioxide zie AMT 10.19a5.
10.16b
Decarbonisatie
→ Vorming Sσ :
CaCO₃
+
warmte
→
CaO
+
CO₂
89
40
214
ΔSσ branden 1 mol CaCO₃ =
165
J/°K
M CaCO₃
=
0,100
kg
n
= 1220/M =
12.200
ΔSσ branden 1220 kg CaCO₃ = n . 165 =
2.016.660
J/°K
of wel
2.017
kJ/°K
→ Spreiding Scf :
Met ET voor kooldioxide :
ET
1
mol CO₂
-0,3
0,4
1,1
cilinder → lucht
klaar
AMT 10.16b1
12.200 mol CO₂
-3770
4542
12907
cilinder → lucht
→ Opwarming Sθ :
Voor kooldioxide zie AMT 10.16b1.
10.16c
Sinteren
→ Vorming Sσ :
2 CaO
+
SiO₂
+
warmte
→
Ca₂SiO₄
2 . 40
42
100 (schatting)
ΔSσ sinteren 1 mol Ca₂SiO₄ =
-20
J/°K
M Ca₂SiO₄
=
0,172
kg
n
= 130/M =
756
ΔSσ sinteren n mol Ca₂SiO₄ =
-15.116
J/°K
of wel
-15
kJ/°K
3 CaO
+
SiO₂
+
warmte
→
Ca₃SiO₅
3 . 40
42
150 (schatting)
ΔSσ sinteren 1 mol Ca₃SiO₅ =
30
J/°K
M Ca₃SiO₅
=
0,228
kg
n
= 680/M =
2.982
ΔSσ sinteren n mol Ca₂SiO₄ =
3 CaO
3 . 40
+
of wel
Al₂O₃
51
ΔSσ sinteren 1 mol (CaO)₃Al₂O₃ =
M (CaO)₃Al₂O₃
=
n
= 110/M =
ΔSσ sinteren n mol (CaO)₃Al₂O₃ =
89.474
89
+
J/°K
kJ/°K
warmte
10
0,270
407
4.074
4
+
J/°K
kg
→
(CaO)₃Al₂O₃
180 (schatting)
J/°K
kJ/°K
Fe₂O₃
87
J/°K
kg
of wel
Al₂O₃
→
(CaO)₄Al₂O₃Fe₂O₃
51
220 (schatting)
ΔSσ sinteren 1 mol (CaO)₄Al₂O₃Fe₂O₃ =
-80
M (CaO)₄Al₂O₃Fe₂O₃
=
0,614
n
= 80/M =
130
ΔSσ sinteren n mol (CaO)₃Al₂O₃ =
-10.423
J/°K
of wel
-10
kJ/°K
→ Spreiding Scf :
Er vindt geen uitwisseling plaats van reactiegassen met de dampkring.
→ Opwarming Sθ :
Er is geen broeikaseffect.
10.17
1000
kg klinker malen
De kogelmolens bewegen door electrische stroom. Het verbruik van de stroom geeft lokaal
geen entropisch effect.
10.18
152
tonkm verplaatsen
Het verplaatsen met behulp van electromotoren wordt buiten beschouwing gelaten omdat
het verbruik van electrische stroom lokaal geen entropisch effect heeft.
Zie verder onder 10.13 voor de levering van de stroom.
4 CaO
4 . 40
+
● ijzeroxide verplaatsen
Voor 1 ton cement wordt
21
met een vrachtwagen.
Vervoersproductie is 0,021 . 100 =
Met VT 1 Vrachtwagen :
VT 1
1
AMT 10.21b
2,1
kg ijzeroxide opgehaald over
2,1
vwtonkm
klaar
vwtonkm
ijzeroxide
100
km
1,4
-1,1
5,3
3
-2
11
vwtonkm
● cement verplaatsen
Van 1 ton cement wordt de helft per vrachtauto verplaatst naar klant over 150 km
en de andere helft idem maar dan met een vrachtschip.
Vervoersproducties : 0,5 . 150 =
75
vwtonkm
en
75
vstonkm
Met VT 1 Vrachtwagen :
VT 1
1
vwtonkm
1,4
-1,1
klaar
AMT 10.21c
75,0
vwtonkm
105
-82
cement
Met VT 2 Vrachtschip :
VT 2
1
vstonkm
0,08
-0,08
klaar
AMT 10.21d
75
vstonkm
6
-6
5,3
401
0,40
30
cement
Klaar !