Svovl i den industrielle symbiose

Indledning

Projektet var en del af et større CTU projekt: "Den industrielle symbiose - en netværksmodel". Den industrielle symbiose er et samarbejde mellem fire store proces-industrivirksomheder i Kalundborg. Ideen bag symbiosen er, at de fire virksomheder kraftværket Asnæsværket, gipspladefabrikken Gyproc, medicinal - og bioteknologivirksomheden Novo Nordisk A/S og raffinaderiet Statoil udnytter hinandens biprodukter. Resultatet bliver et lavere ressourceforbrug og en mindre miljøbelastning.

Formålet var gennem et konkret fagligt projekt at få en større indsigt i de fire virksomheder. Fagene biologi, historie, dansk, engelsk, geografi, film og tv, erhvervsøkonomi og kemi deltog med hver et hold. Styringen af de enkelte projekter og kommunikationen mellem projekterne indbyrdes og med virksomhederne skulle foregå via et nyudviklet internetsystem Herthena, udviklet af et eksternt firma. Projektet blev støttet økonomisk af CTU og Vestsjællands Amt.

Planlægning

De enkelte lærere tilmeldte sig projektet i foråret 1999, og projektet blev afviklet i det efterfølgende skoleår. For kemis vedkommende var min tilmelding betinget af, at projektet kunne gennemføres med et mellemniveauhold eller et højniveauhold. Et projektemne omkring svovl er ikke velegnet for en 1.g klasse på grund af det faglige niveau, og overvejelser om en passende holdstørrelse spillede også ind.

I løbet af foråret var der møder mellem de deltagende lærere og virksomhederne, hvor virksomhederne redegjorde for deres bidrag til samarbejdet, og lærerne orienterede om deres projektideer. Virksomhederne tilbød besøg, litteratur og en kontaktperson, men ikke mulighed for eksperimentelt arbejde på virksomhederne.

I starten af det nye skoleår blev holdet, et mellemniveauhold, orienteret om hele projektet, og hvilke ideer jeg havde om svovlprojektet. Eleverne var positive og havde ingen kritik af, at de skulle deltage. Projektperioden for alle fagprojekter blev fastlagt til perioden mellem nytår og vinterferien år 2000. Skemaet blev brudt op i denne periode. Dette gav mulighed for at få større timeblokke til projekterne. Af   forskellige grunde kunne vores valgfagsblok ikke ændres, så kemiprojektet blev gennemført i det normale skema med 2 dobbeltmoduler pr. uge.

Undervisningen i efteråret blev tilrettelagt, så eleverne var fagligt klædt på til at arbejde med svovlprojektet. De skulle således anvende deres viden til at forstå de kemiske processer, der benyttes på virksomhederne. Organisk kemi, termodynamik, herunder udledning af ligevægtsloven, og reaktionshastighed var hovedemnerne. Termodynamikken var mere omfangsrig end normalt på mellemniveau, men eleverne klarede det flot.

I løbet af efteråret blev styringssystemet Herthena udviklet, og de deltagende lærere og virksomheder blev undervist i systemet. Det var svært at bruge, og lærerne var skeptiske over for anvendelsen af Herthena. I starten af december fik eleverne et oplæg til projektet.

Oplæg til projekt

Fossile brændstoffer som gas, olie og kul indeholder svovl i varierende mængder. Ved afbrænding dannes svovldioxid med forsuring til følge. For at begrænse emissionen af svovldioxid er der etableret et procesanlæg til svovlrensning på både Asnæsværket og Statoil. Afsvovlingsprodukterne gips og svovl følger direkte og indirekte symbioseideen, idet gipsen anvendes på Gyproc, og svovl sælges til brug for fremstilling af svovlsyre. På Statoil er en ny afsvovlingsproces under opbygning, hvor svovldioxid omdannes til ammoniumthiosulfat, der kan anvendes som gødning. En kemisk forståelse af disse processer er projektets hovedformål. Eksperimentelt arbejdes der i laboratoriet med svovl og udvalgte svovlforbindelser.

Indholdet blev delt op i fire emner:

1. Svovlrensning på Asnæsværket
2. Svovlrensning på Statoil, 1. trin (HDSprocessen)
3. Svovlrensning på Statoil, 2. trin (Clausprocessen)
4. Miljømæssige konsekvenser af SO₂-udledning, anvendelse af afsvovlingsprodukter og nyt afsvovlingsanlæg på Statoil

De fire oplæg er nærmere beskrevet i bilaget (se side ). Holdet var på 16 elever, og de blev inddelt i 4 lige store grupper. Jeg foretog inddelingen ud fra to forhold, en faglig differentiering og en blanding af 2.g og 3.g elever på holdene. 3.g eleverne skrev den større skriftlige opgave før jul, og ugen blev brugt til at introducere Herthena for resten af eleverne. Efter jul introducerede de enkelte grupper Herthena for 3.g eleverne.

Hver gruppe skulle udarbejde en delrapport på elektronisk form, og rapporten skulle løbende lægges ind i Herthena systemet, så jeg havde mulighed for at vejlede undervejs. Grupperne skulle skrive dagbog i Herthena om "hvem var til stede, hvad lavede vi, lektie og plan for næste modul".

Delrapporten talte som en rapportaflevering, og den løbende omskrivning og bearbejdning var omlægning af skriftligt arbejde, således at projektet svarede til to afleveringer pr. elev.

Produktet var en fælles rapport, der skulle lægges ud på skolens hjemmeside¹ og opgives til eksamen.

Tidsrammen for projektet var følgende med fire timer om ugen:

Projektperioden

Da projektets platform var Herthena, var det afgørende, at eleverne havde adgang til en stabil og hurtig internetadgang. I projektperioden oprettede skolen ekstra computeradgang og forøgede internetkapaciteten, så de fysiske rammer for de enkelte projekter var i orden. Vi havde således en computer pr. elev i samtlige timer.

Introduktionen til Herthena var vanskelig, og eleverne havde problemer med at finde rundt i systemet. Enkelte afgørende rutiner som at lægge dokumenter ind og at skrive dagbog det rigtige sted blev dog efterhånden indarbejdet.

Eleverne arbejdede godt i grupperne med en god fordeling af opgaverne. Kravet om indholdsrige dagbøger blev delvist honoreret. Kontakten med virksomhederne foregik telefonisk og ikke via Herthena. Jeg fungerede som vejleder og hjalp undervejs med de problemer, der opstod.

Tidsrammen blev overholdt, om end det var lidt hektisk i den sidste uge.

Evaluering

Elevernes evaluering omhandlede Herthena, virksomhederne, arbejdsformen og det faglige indhold. De var kritiske over for Herthena, det var for omfattende og for vanskeligt at bruge. De fleste havde på forhånd et godt kendskab til virksomhederne enten fra tidligere besøg eller fra forældre med tilknytning til virksomhederne. Kendskabet til og forståelsen for de kemiske processer var øget, og de fandt det positivt at anvende deres viden på "virkelige" reaktioner. Der var tilfredshed med arbejdsformen og afvigelsen fra den traditionelle klasseundervisning. Arbejdsbyrden var samlet ikke større end sædvanlig. De lidt fagligt svage elever var glade for, at de kunne arbejde i deres eget tempo, medens nogle af de dygtige elever mente, at deres faglige udbytte ikke stod mål med projektets tidsforbrug.

Min egen vurdering var positiv. En række undervisningsmål "formulere sig skriftligt om kemiske problemstillinger, indhente kemisk information, anvende IKT, kendskab til praktiske anvendelser af kemi og forstå og vurdere kemiens betydning" blev tilgodeset i projektet. Arbejdsprocessen og det faglige niveau var tilfredsstillende. Kontakten til virksomhederne fungerede. Af tidsmæssige årsager fik vi ikke besøgt virksomhederne. En del af eleverne mente i øvrigt ikke, at det var nødvendigt.

Bilag 1

Svovlrensning på Asnæsværket

I sommeren 1993 blev afsvovlingsanlægget sat i drift, med det formål at rense røgen fra Blok 5, der er værkets største kraftværksenhed. Anlægget omdanner indholdet af svovldioxid i røggassen til gips.

Følgende punkter skal indgå i besvarelsen:

1. Produktionstabel, der indeholder produceret el, fjernvarme, procesdamp, gips samt udledt svovldioxid i perioden 1995-1998. Beregn massen af produceret gips pr. produceret kWh og tilsvarende massen af udledt svovldioxid pr. produceret kWh i perioden 1995-1998. Afbild disse resultater grafisk. Kommenter graferne.

2. Asnæsværket er i stigende grad gået over til at anvende orimulsion som brændsel. Beskriv dette brændsel kemisk, og angiv svovlindholdet i brændslet.

3. Redegør for afsvovlingsanlæggets virkemåde ved inddragelse af procesdiagrammet. Opskriv afstemt reaktionsskema for den kemiske proces i absorberen, hvor svovldioxid reagerer med kalk og ilt og danner gips og kuldioxid.
   Når blok 5 kører fuldlast, afbrændes 200 tons orimulsion pr. time. Beregn hvor meget gips, der kan dannes i timen, når afsvovlingsanlægget renser med en effektivitet på 95%.

Litteraturvejledning:

• Hjemmesiden for Sjællandske Kraftværker , hvor I kan finde Grønt regnskab 1998 for Asnæsværket samt noget information om orimulsion.

• Pjece: "Vi springer ud i den rene luft" - Røgrensningsanlæg på Asnæsværket blok 5.

• Helge Mygind: Kemi 2000 Cniveau.

Bilag 2

Svovlrensning på Statoil - 1. trin (HDS- processen)

Svovlrensningen foregår i to trin. I første trin omdannes svovlforbindelserne til hydrogensulfid, H₂S. Denne proces kaldes HDS-processen. I andet trin omdanne H₂S til frit svovl, S₈ , i en såkaldt Clausproces.

Følgende punkter skal indgå i besvarelsen:

1. Statoil henter deres råolie og kondensat fra forskellige felter i Nordsøen. Lav en oversigt over svovlindholdet (i procent) i olie/ kondensat fra felter inden for den norske kontinentalsokkel. Beregn det gennemsnitlige svovlindhold i råolie udfra en massebalance for svovl.

2. Angiv kemiske strukturformler for nogle af de svovlforbindelser, der findes i olie/kondensat.

3. Beskriv HDS processen. Redegør specielt for katalysatorens virkemåde (katalytisk cyklus).

Litteraturvejledning:

Statoils danske og norske hjemmesider og www.statoil.dk og www.statoil.com

• Jens Ingwersen: Olie og Benzin

• Claus J.H. Jacobsen og andre: Katalyse. Introduktion til kemien bag katalytiske processer.

• Materiale om HDS anlæg fra Statoil.

Bilag 3

Svovlrensning på Statoil - 2. trin (Claus-processen)

Svovlrensningen foregår i to trin. I første trin omdannes svovlforbindelserne til hydrogensulfid, H₂S. Denne proces kaldes HDS - processen. I andet trin omdanne H₂S til frit svovl, S₈ i en såkaldt Claus-proces. Claus-processen forløber i to trin:

H2S (g) + 3/2 O2 (g)  ®   SO2 (g) + H2O (g)	(1)
2 H2S (g) + SO2 (g)    3/8 S8 (g) + 2 H2O (g)	(2)

De to reaktioner giver tilsammen:

Reaktionerne foregår i gasfasen, og det antages, at svovl findes som S₈ molekyler.

Følgende punkter skal indgå i besvarelsen:

1. Beregn (D^q for de to reaktioner (1) og (2)
    
2. Redegør for temperaturens indflydelse på ligevægt (2). Hvilke andre faktorer skal der også tages hensyn til ved fastlæggelse af reaktionstemperaturen?
    
3. Opskriv Kp for reaktion (2). Reaktion (2) foregår typisk i temperaturintervallet 200^o C til 400^o C. Beregn Kp ved 200^o C og 400^o C, og kommenter de to værdier
    
4. Ligevægtsberegninger ved 200^o C og 400^o C
    
5. Gennemgang af et procesdiagram for Claus-processen. Inddrag kemien fra punkterne 1-4 i gennemgangen

Litteraturvejledning:

• Claus J. H. Jacobsen og andre: Katalyse. Introduktion til kemien bag katalytiske processer

• Jens Ingwersen: Olie og benzin

• Materiale om Claus anlæg fra Statoil

Bilag 4

Miljømæssige konsekvenser af SO₂-udledning, anvendelse af afsvovlingsprodukter og nyt afsvovlingsanlæg på Statoil

Følgende punkter skal indgå i besvarelsen:

1. Redegør for de miljømæssige konsekvenser af SO₂-udledning. Find tal, der beskriver udviklingen i den danske emission af SO₂
    
2. Undersøg hvor stor en del Asnæsværkets gips udgør af Gyprocs samlede forbrug af gips. På Statoil omdannes svovlforbindelser til frit svovl, der sælges og anvendes til fremstilling af svovlsyre. Redegør for fremstillingen af svovlsyre. Inddrag et procesdiagram, og forklar omhyggeligt de enkelte trin i fremstillingen. Beregn hvor mange tons svovlsyre, der kan fremstilles ud fra Statoils produktion af svovl i 1998
   
3. I år 2000 tager Statoil et nyt svovlanlæg i brug, hvor svovldioxiden omdannes til flydende ammoniumthiosulfat, der direkte kan anvendes som gødning. Prøv at finde oplysninger om processen. Det danske firma Haldor Tops? A/S har udviklet og taget patent på processen

Litteraturvejledning:

• Helge Mygind: Kemi 2000 C-niveau

• Helge Mygind: Kemi 2000 B-niveau

• Diverse hjemmesider:
  www.mst.dk Miljøstyrelsens med miljødata, pjecer, publikationer osv.
  www.skenergi.dk Sjællandske Kraftværker
  www.statoil.dk Statoils danske hjemmeside
  www.gyproc.dk Gyproc

1) www.kalundborg-gym.dk/projekt

Denne side indgår i publikationen "Projektarbejde i kemi" som kapitel 15 af 17
© Undervisningsministeriet 2001