Ventilatie van een staalfabriek

Eén van de eerste opdrachten die ik als zelfstandig consultant mocht ontvangen was het uitvoeren van een luchtstromingsonderzoek in de staalfabriek van Nedstaal. De fabriek had onder druk van omwonenden de ventilatiekappen op het dak geheel gesloten. Gevolg: ontevreden personeel en nog steeds ontevreden omwonenden. In dit artikel ga ik in op de oorzaak en do’s en don’ts bij de oplossing van zo’n probleem.

Het komt regelmatig voor dat een productiebedrijf zich onder druk van omwonenden gedwongen ziet snel maatregelen te nemen tegen overlast door stank, stof of lawaai. De eerste reactie is dan vaak: sluit ramen, deuren en ventilatievoorzieningen. Gevolg is dat vervolgens het personeel de volle laag vervuiling krijgt. Vaak zodanig dat, tegen de bedrijfsregels in, de deuren tijdens bedrijfstijden toch worden geopend om nog enige verfrissing te krijgen. Het komt voor dat zo’n situatie zich jaren voortsleept waarbij zowel personeel als buren blijven klagen over de situatie.

Natuurlijke ventilatie

Dergelijke grote fabrieken worden meestal natuurlijk geventileerd. Het principe is dat er zowel laag als hoog in het gebouw openingen in de gevel en het dak zijn. Door de warmte van het productieproces zal de temperatuur binnen de hal altijd hoger dan erbuiten zijn. De luchtkolom in het gebouw is daardoor lichter van gewicht dan die buiten. Het gevolg is dat er door de onderste openingen koele lucht binnen stroomt, en door de openingen in het dak warme lucht naar buiten. Het gebied laag in de hal, waar de meeste mensen werken, wordt koel. Hoe groter het temperatuurverschil tussen binnen en buiten, des te meer lucht er door het gebouw stroomt. Dit systeem is dus min of meer zelfregelend.

Risico’s: winter, wind en bouwdrift

Een nadeel van zo’n systeem kan zijn dat in de winter de binnenstromende lucht onaangenaam koud is. Ook de wind zal het ideaalbeeld verstoren. Als de wind aan één zijde tegen de gevel blaast (loefzijde), zal hier meer lucht binnenstromen. Op de tegenoverliggende lijzijde zal een onderdruk heersen. Dus als het tegenzit zal aan deze zijde lucht uit het gebouw stromen. Zo’n horizontale stroming over de werkvloer kan vervelende gevolgen hebben voor de werkomstandigheden. Zeker in de winter. Maar ook ‘s zomers is het nadelig. Het risico bestaat dat warme vuile lucht vanuit het productieproces zich over de werkzone verspreidt. Terwijl het juist de bedoeling is dat deze lucht verticaal naar boven stroomt, direct richting de afvoer.

Een andere verstorende factor is de expansiedrift van bedrijven. Door het bijbouwen van hallen wordt een buitenmuur opeens een binnenmuur. In de hier beschouwde fabriek was bijvoorbeeld links de walserij aangebouwd en waren er aan deze zijde dus geen ventilatieopeningen. Dit maakt de doorstroming van de fabriek ook in de ideale zomerse omstandigheden dus al minder gunstig.

Mechanische afzuiging

Tijdens de productie van staal komt dermate veel stof vrij, dat het duidelijk is dat deze lucht niet ongefilterd naar buiten kan worden afgevoerd. Daartoe is boven de ovens een afzuigkap geplaatst waar de hevig vervuilde lucht door ventilatoren wordt afgezogen. Deze lucht wordt vervolgens gefilterd voordat die naar de omgeving wordt uitgeblazen. Zowel bij het met schrot laden van de smeltoven als bij het leeggieten daarvan, ontstaat veel stof. In onderstaande figuur is schematisch aangegeven hoe deze pluimen netjes in de afzuigkap uitkomen.

De praktijk is echter vaak anders.

Vullen van de oven

Onderstaande video laat de stofemissie zien die ontstaat tijdens het laden van de oven met schrot. Gelukkig verdwijnt het overgrote deel van de emissie direct in de afzuigkap. Maar bij de pijlen is te zien dat toch ook een flinke hoeveelheid stof vanonder de afzuigkap wegdrijft richting de hal.

Uit de analyse van de video-opnamen is afgeleid hoeveel vervuilde lucht boven de oven omhoog stroomt (Q_pluim). De kap zal minimaal deze hoeveelheid dienen af te zuigen. Maar in de praktijk is altijd een bepaalde factor a aan luchtovermaat nodig. Dus Q_afzuig ≥ a · Q_pluim. In dit geval verstoort de middenbalk de luchtstroming ook nog eens behoorlijk. Maar dat laten we nu verder even buiten beschouwing.

Conclusie van het onderzoek was dat de afzuiging aanzienlijk in capaciteit moest worden om de volledige convectiepluimen te kunnen vangen.

Maar zolang dat niet het geval is, zal dus verontreinigde lucht langs de afzuigkap stromen. En een belangrijk deel van het stof zal via de dakopeningen de hal verlaten. Dit noemen we diffuse emissie.

In een poging de overlast van deze emissie in de omgeving te verminderen heeft men enkele dakopeningen gesloten. Zie onderstaande foto.

De smeltovens bevinden zich links in de hal. De verontreinigde lucht die niet door de afzuigkap wordt gevangen zal van links naar rechts door de hal stromen. Een deel van het stof zal in de fabriek zelf neerslaan. Het overige zal via de vier nog geopende dakkappen wegstromen. Het resultaat van deze actie is dus dat de luchtkwaliteit in de hal sterk achteruit gaat en dat de overlast naar de omgeving slechts marginaal is afgenomen. Uiteindelijk heeft men alle dakopeningen gesloten.

Raffineren

De tweede video laat een veel zorgelijker beeld zien.

Deze opname is tijdens het raffineren van de oven gemaakt. Het ovendeksel is dan gesloten en de convectiestroming (= de warme opstijgende lucht) is veel geringer dan die tijdens vullen of gieten van de oven. De afzuiging kan deze hoeveelheid makkelijk aan. Toch zien we grote wolken stof met lage snelheid wegdrijven van de oven. Aangezien het raffineren veel langer duurt dan de stootvormige emissie tijdens vullen, stroomt er nu veel meer stof in de hal.

Horizontale ruimtestroming

De vuile lucht wordt hier aangetrokken door een horizontale stroming in de lengterichting van de hal. De aantrekkende werking van deze stroming is duidelijk veel groter dan die van de afzuigkap. Het verhogen van de afzuiging zal dan ook niet tot gevolg hebben dat deze emissie via de afzuigkap kan worden afgevoerd. Dat betekent dat er naast het verhogen van de afzuiging (nodig om het vrijkomende stof tijdens laden te vangen) ook iets extra’s moet gebeuren om de emissie tijdens raffineren te verminderen. Meest effectief is het verbeteren van de primaire afzuiging van het ovendeksel.

Maar 100% voorkomen van emissies is in de praktijk nagenoeg niet haalbaar. Een horizontale stroming zorgt voor het verslepen van de overblijvende verontreiniging door de hele hal.

Ontstaan van de horizontale stroming

Naast de smeltovens zijn er diverse andere warmtebronnen, zoals panovens, gietpannen en blokvormen. Doordat de dakkappen zijn afgesloten, kan de boven deze bronnen omhoog stromende lucht niet direct naar buiten ontwijken. In plaats daarvan zal deze lucht op enige hoogte horizontaal wegstromen. De hoogte waarop dit gebeurt hangt af van de temperatuurgelaagdheid in de hal en de temperatuur van de diverse warmtebronnen.

Doordat de hoeveelheid warme opstijgende lucht veel groter is dan er boven de smeltovens wordt afgezogen, zal het grootste deel ooit weer eens naar beneden moeten stromen. En daarmee komt ook het stof weer naar beneden. Zo raakt de hele hal verstoft.

Een in dit geval vervelende eigenschap van horizontale stromingen is dat deze eigenlijk nooit stoppen. Een verticale stroming kan worden gestopt door de zwaartekracht (dichtheidsverschillen). Een horizontale stroming wordt afgeremd door de bijmenging van omgevingslucht. De impuls blijft echter behouden. De stroming kan dus alleen gekeerd worden wanneer deze botst met een wand of een andere stroming.

Oplossing

Uit het voorgaande is duidelijk dat er geen eenvoudige oplossing voor deze problematiek is. Randvoorwaarde is in ieder geval voldoende afzuiging op de belangrijkste stofbronnen. Daarnaast dienen horizontale stromingen zoveel mogelijk te worden tegengegaan. Ofwel, de dakkappen dienen weer geopend te worden. Dit kan natuurlijk alleen indien daar nagenoeg schone lucht uit komt. Dat wil zeggen dat alleen dakkappen die boven ‘schone’ warmtebronnen staan, geopend kunnen worden. Met ‘schoon’ bedoel ik een bron die wel warmte maar geen stof afgeeft. Een bron met effectieve afzuiging dicht bij die bron, kan wellicht ook als schoon worden gezien.

Doordat Nedstaal enige tijd na uitvoeren van het onderzoek failiet is gegaan, zijn er geen vervolgstappen richting een oplossing gezet.

Modelonderzoek

Een van de stappen richting een oplossing is het uitvoeren van een modelonderzoek. Dit kan een schaalmodel of een computermodel zijn. Tegenwoordig is CFD (Computational Fluid Dynamics) de meest gebruikte onderzoeksmethode. Maar het aantal gevallen waarin CFD succesvol wordt gebruikt om een complex probleem zoals hier beschreven, is toch erg klein.

Tekenend hiervoor is wellicht de aanpak van een vooraanstaand Nederlands ingenieursbureau voor deze fabriek. De diverse CFD simulaties die gedurende enkele jaren voor de fabriek zijn gemaakt, zijn gevalideerd met metingen. Deze betroffen voornamelijk temperaturen en luchtsnelheden bij de intrede van buitenlucht door gevelroosters en deuren. Dat wil zeggen dat eigenlijk alleen de externe luchtstroming gevalideerd is, maar niet de stroming binnen de hal. En juist deze heeft de grootste invloed op de verspreiding van stof.

Validatie is ook een vak

Desondanks was de conclusie van het bureau: “ . . . dat het CFD model van de staalfabriek een zeer nauwkeurige berekening van de luchtstromingen en temperatuureffecten in de staalfabriek mogelijk maakt.” Deze conclusie was gebaseerd op het feit dat het gemiddelde van zowel de temperatuur als de snelheid door de CFD binnen circa 1% nauwkeurig werd berekend. Als je dan vervolgens in de resultatentabel kijkt, blijkt dat de individuele temperaturen afwijkingen vertonen tussen -12% en +13%. En voor de snelheden tussen -100% en +300%! Ik zou dit willen vergelijken met een weerman die verwacht dat het windstil wordt. Vervolgens stap je op de fiets en heb je op de heenweg windkracht 5 tegen en op de terugweg windkracht 5 mee.

Tenslotte

Niet iedereen die een goede hamer heeft, is automatisch een goede timmerman. Hetzelfde geldt voor CFD. CFD is een bijzonder krachtig gereedschap, maar het moet wel op de juiste manier gebruikt worden. Bedenk ook dat CFD uit zichzelf geen optimalisaties vindt. Om praktische oplossingen te creëren is kennis, vakmanschap en jarenlange ervaring nodig. Met CFD kunnen voorgestelde oplossingen vervolgens worden geoptimaliseerd voordat deze in de praktijk worden gebouwd.

Induventus kan ventilatie audits uitvoeren. Zo nodig kan worden opgeschaald met professionele partners met jarenlange industriële ervaring.