Kemiska behandlingsmetoder och gasformiga föroreningar
Denna artikel lyfter fram de tre tre kemiska behandlingsmetoderna som används för att rena gasformiga föroreningar. Metoderna är: 1. Termisk förbränning 2. Katalytisk förbränning och 3. Biooxidation.
Metod # 1. Termisk förbränning:
Av de tre metoder som används för oxidation av VOC, äger termisk förbränning vid ca 650 ° C eller högre temperatur, medan de andra utförs vid en lägre temperatur. För förbränning, dvs förbränning av två ingredienser, nämligen en brännbar substans och syre krävs.
De VOC som finns i en avfallsgasström utgör den brännbara komponenten och syre från luft fungerar som den andra beståndsdelen. Huvudprodukterna i en förbränningsprocess är CO 2, H 2 O. En del mängd NO x och SO x produceras också. Vissa organiska föreningar kan också vara närvarande i produktflödet om processen är ofullständig.
För att uppnå fullständig förbränning, det vill säga för fullständig oxidation av VOC (föroreningar) är det nödvändigt att ge överflödig luft (syre) över det som krävs stökiometriskt på grund av ofullkomlig blandning av ingredienserna före och under förbränning. För att processen ska vara självhäftande bör blandningen varken vara för mager eller för rik med avseende på de brännbara komponenterna. De begränsande kompositionerna benämns de nedre och övre explosiva gränserna.
Mellan dessa gränser sker förbränning vid tändning men kan explodera om processen inte kontrolleras ordentligt. De numeriska värdena för en blandnings nedre och övre explosiva gränser beror på typen av brännbara ämnen som finns i blandningen. Dock bör man se till att syrgasinnehållet i blandningen aldrig borde vara mindre än 15%.
Graden av slutförandet av en förbränningsreaktion beror på temperaturen, uppehållstiden och turbulensen i förbränningszonen. En lägre grad av färdigställande skulle innebära närvaron av oförbrända organiska föreningar (föroreningar) i det behandlade utflödet. Reaktionshastigheten ökar med temperaturökningen. Därför vid en högre temperatur skulle uppehållstiden (i förbränningskammare) som krävs för fullständig förbränning vara kortare.
Med andra ord, vid en högre temperatur skulle en mindre kammare göra jobbet. För att upprätthålla en högre temperatur kan dock hjälpbränsle behövas, om de brännbara beståndsdelarna som finns i blandningen inte har tillräckligt med kalorivärde. Värmevärdet för en blandning beror på koncentrationen av den brännbara species som finns i blandningen.
Vid utformning av en termisk förbränningsanläggning kan man stöta på någon av följande tre typer av situationer:
Typ-I:
Den gas som ska behandlas skulle ha tillräckligt med kalorivärde och därför skulle inget hjälpbränsle krävas, men luft (syre) måste tillföras. En sådan situation innebär att blandningen skulle ha en komposition ovanför den övre explosionsgränsen.
Typ-II:
Gasen får varken kräva något hjälpbränsle eller någon luft, det vill säga dess sammansättning skulle ligga mellan de undre och övre explosionsgränserna. En sådan gas bör hanteras noggrant eftersom annars kan flammen slå tillbaka, dvs sprida sig tillbaka från förbränningskammaren till dess källa.
Typ-Ill:
Gasen får inte ha tillräckligt högt värmevärde för att upprätthålla den önskade temperaturen i förbränningskammaren. Detta innebär att blandningskompositionen skulle ligga under dess lägre explosionsgräns. För förbränning av en sådan gas skulle ett hjälpbränsle krävas för att upprätthålla förbränningsprocessen.
Typ I-gasblandningen skulle ha ett relativt högt värmevärde, varför det kan utnyttjas vinst som ett bränsle. Det kan brännas i en pannaugn eller en processvärmare eller en korrekt utformad förbränningskammare med ett arrangemang för att tillföra tillräcklig mängd luft. Den grundläggande utrustning som behövs för förbränning av en typ I-gasblandning är en låg NOx-brännare.
Om det emellertid inte finns något utrymme för utnyttjande av den värme som produceras under förbränning kan gasblandningen vara utbränd, det vill säga förbränningsprocessen utförs i öppen atmosfär där atmosfärisk turbulens ger syre för förbränning samt främjar blandning. Anordningen kallas en flakstack.
Det är en stack / skorsten vid basen av vilken gasen introduceras. Gasen strömmar upp stapeln och när den kommer att dyka upp möter den en pilotflamma. Pilotflammen upprätthålls med en blandad gasblandning av bränsle. Den används för att antända gasblandningen såväl som att förankra den resulterande flamman. Förbränningsprodukterna, inklusive de som orsakas av ofullständig förbränning, släpps direkt i atmosfären.
Förbränningsprodukterna kan innefatta HC (kolväten), CO och några stabila intermediära produkter, såsom NOx, SO2, HCl och kolpartiklar, förutom CO2 och H2O. Förbränningsverkningsgraden kan förbättras genom förblandning av gasen förbränna med luft och / eller genom att injicera ånga nära flamman, vilket skulle främja turbulens. Värmen som genereras vid förbränning är bortkastad.
Huvudbedömningen för att välja ett flaresäte och dess uppskattning av stackhöjden bör vara säkerhet för anläggningsoperatörspersonalen och utrustning kring flaren från dess radioaktiva värmeintensitet. En flare bör vara placerad på ett ställe med tillräckligt ledigt utrymme runt det, så att en man kanske kan springa till säkerhet från fläskvärmen om det behövs.
För uppskattning av flakstackhöjd bör man överväga den maximala radioaktiva värmeintensiteten till vilken processutrustningen (särskilt råolja och petroleumfraktionens lagertankar) runt stacken kan utsättas för. Diametern hos en stapel skall beräknas baserat på den förväntade maximala volymströmmen för gasblandningen och dess flamhastighet.
Övriga data som krävs för beräkning av stapelhöjd och diameter är omgivande temperatur, medelvärmevärdet för VOC-blandningen, dess medelmolekylvikt, densitet och flammeemissivitet och den genomsnittliga vindhastigheten vid stapelhöjden.
Figur 4.16 visar en schematisk framställning av en flakstack.
Det bör här påpekas att fläckar endast kan användas för högvolymerad koncentrerad spillgasströmmar.
Gasblandningen av typ II bör hanteras noga eftersom det är explosiva blandningar. En sådan blandning bör utspädes med luft eller en inert gas för att bringa blandningskompositionen ner under sin lägre explosionsgräns före förbränning. För förbränning av den utspädda blandningen kan en viss mängd bränsle behövas.
Det kan tyckas paradoxalt att en brännbar blandning späds ut och sedan förbränns med hjälp av ett tilläggsbränsle. Men från säkerhetssynpunkt blir det nödvändigt. Om den utspädda blandningen brinner i en panna eller en processvärmare behöver inget hjälpbränsle behövas.
Om det är planerat att bränna den ursprungliga gasblandningen utan utspädning i en brännare måste följande försiktighetsåtgärder vidtas:
(a) För kompression av blandningen före matning i en förbränningsanordning ska en ångstråleutkastare användas. Mekaniska anordningar bör inte användas eftersom friktionsvärme kan orsaka explosion.
(b) För att förhindra att flamman slår tillbaka från en förbränningsanläggning måste man vidta de åtgärder som anges nedan.
(i) I gasledningen (som leder till förbränningsanläggningen) ska flamskyddare, såsom skärmar, monteras perforerade plattor.
(ii) Den valda rördiametern bör vara sådan att gashastigheten genom röret skulle vara högre än blandningens teoretiska flamhastighet.
iii) Gasblandningen måste passera genom en tätningskruka.
Hantering och förbränning av gasblandningar av typ III utgör inga problem ur säkerhetssynpunkt. För den önskade graden av förstörelse av det förbränningsbara (förorenande ämnet) närvarande i en sådan gasblandning skall den injiceras i en förbränningskammare som avfyras med ett hjälpbränsle och hålls vid den erforderliga temperaturen. Korrekt turbulens och syrekoncentration bör bibehållas i förbränningsugnen.
En förbränningsanordning som skall användas för förbränning av en typ III-gasblandning kan vara en låda eller en cylindrisk kammare i ena änden av vilken en gas- eller oljeeldad brännare är belägen. Gasblandningen som ska förbrännas införs nära brännaren så att den lätt kan blandas med förbränningsprodukterna och därigenom uppnå den erforderliga temperaturen.
Turbulenspromotorer kan användas för att medföra snabb blandning av förbränningsprodukterna och gasen som ska förbrännas. Självantändningstemperaturen för var och en av de aktuella föroreningarna bör fastställas ur litteraturen. Förbränningsaggregatets driftstemperatur ska vara minst några hundra grader över den högsta självantändningstemperaturen hos de närvarande komponenterna. Förbränningskammarens volym (V) kan approximativt uppskattas med användning av förhållandet.
V = tx Q,
där Q = volymetrisk flödeshastighet för förbränningsprodukterna vid driftstemperaturen och t = erforderlig uppehållstid i förbränningsanordningen.
Vid ca 750 ° C kan den önskade uppehållstiden vara omkring 0, 01 sek. Runt 650 ° C måste uppehållstiden ökas från 0, 01 sek till ca 0, 1 sek för att uppnå samma grad av förorening av föroreningarna.
Metod # 2. Katalytisk förbränning:
Katalytisk förbränning är också en oxidationsprocess som liknar den termiska förbränningen. Processen sker emellertid vid en mycket lägre temperatur än den för termisk förbränning. Följaktligen är det ytterligare bränslebehovet mindre. De använda katalysatorerna är fasta partiklar antingen som sådana eller uppburna på något inert keramiskt material.
Reaktanterna och produkterna är gasformiga, processen sker genom följande steg:
1. Diffusion av förorenande och syremolekyler från gasfasen till katalysatorytan,
2. Adsorption av reaktantmolekylerna på katalysatorytan,
3. Reaktion av de adsorberade molekylerna,
4. Desorption av produktmolekylerna från katalysatorytan och slutligen
5. Diffusion av produktmolekylerna till huvuddelen av gasfasen.
Två typer av katalysatorer används normalt:
(i) Ädelmetall, såsom platina, palladium ensamt eller i kombination, uppbärande på nickellegering eller aluminiumoxid eller keramik,
(ii) Basmetaller eller metalloxider, såsom aluminium-, krom-, kobolt-, koppar-, järn-, mangan-, vanadium-, zink-stödd eller icke-stödd.
Den andra typen av katalysator är billigare och är lätt att förbereda.
Metallbärare är i allmänhet i form av ett band på vilket katalysatorn avsätts. Bandbanden krympas sedan och formas till en matta.
Keramiska stöd kan antingen vara i form av pellets eller en bikakestruktur.
Katalysatorn blandas ibland med ett ämne som är känt som en promotor, vilket ökar katalysatoraktiviteten genom att modifiera katalysatorkristallstrukturen och storleken.
De önskade egenskaperna hos en katalysator är:
(i) Hög aktivitet vid lägre temperatur,
(ii) Strukturell stabilitet,
iii) motståndskraft mot avlöpning och
(iv) Lågt tryckfall över katalysatorbädden.
Katalysatoraktiviteten minskar ofta med användning. Detta kan hända på grund av:
(1) Kemisk reaktion mellan katalysatorpartikel och vissa ämnen, såsom vismut, arsenik, antimon, zink, bly, tenn, kvicksilver, fosfor, halogener, etc. även när dessa är närvarande i spårmängder i avfallsgaser,
(2) Adsorption av vissa kemikalier (kemisorption) på katalysatorns yta och
(3) Fysikalisk beläggning av katalysatorytan med tjärämnen.
Katalysator lider också i aktivitet som en följd av åldring. Detta kan bero på förändring i kristallstrukturen av metall (katalysator) på grund av erosion, förångning och slitning. Katalysatorlivet är normalt 3 till 5 år.
En katalytisk förbränningsanläggning kan bestå av följande komponenter / sektioner:
(1) En föruppvärmningssektion
(2) En brännare,
(3) En blandningskammare,
(4) En katalysatorbädd,
(5) En fläkt.
Ett schematiskt diagram över en katalytisk förbränningsanordning visas i figur 4.17.
En katalytisk förbränningsugn fungerar på det sätt som beskrivs nedan.
En inkommande bärgasgasström kan föruppvärmas innan den matas in i blandningskammaren. I blandningskammaren blandas gasströmmen med varmluftgasen från brännaren så att blandningen kan uppnå temperaturen vid vilken katalytisk oxidation skulle äga rum. Syftet med brännaren är att åstadkomma den värme som krävs för att upprätthålla blandningskammaren och katalysatorbädden vid önskad temperatur. Bränslet kan vara antingen en gas eller en olja.
Katalysatorbädden är anordnad på ett sådant sätt att inflödesflödet blandat med varm rökgas måste passera genom sängen och ingen del kan omgå bädden. Den ska vara så utrustad med förbränningskammaren att samma lätt kan tas ut för reaktivering eller byte. Det kan vara nödvändigt att installera en fläkt för att övervinna tryckförlusterna vid olika delar av förbränningsaggregatet.
Komplet förstöring av de föroreningar som finns i en avfallsgasström är svår att uppnå i en förbränningsugn och det kan inte vara nödvändigt. 98-99 procent förstörelse kan sänka koncentrationen av föroreningar till den tillåtna gränsen för utsläpp. De flesta av VOC: erna vid fullständig förbränning producerar CO2 och H2O.
Vissa kolmonoxider kan också framställas på grund av ofullständig förbränning. Vissa VOC vid förbränning kan producera föroreningar som SO2, SO3, halogener och halogenerade föreningar, såsom Cl2, HCL. Det kan vara nödvändigt att behandla förbränningsgasens avgasflöde (för att avlägsna ovannämnda föroreningar) innan det slutförvaras.
Metod nr 3. Bio-oxidation:
Biook oxidation av en förorenande gasström kan utföras när:
(i) De närvarande föroreningarna är biologiskt nedbrytbara,
(ii) Strömmen innehåller inga förorenande ämnen som är toxiska för aeroba bakterier och
(iii) Strömmenas flödeshastighet är inte hög.
Denna process liknar förbränningsprocessen i den meningen att huvudprodukterna av oxidation skulle vara CO och H2O. Processen äger rum emellertid vid omgivningstemperatur och värmeutvecklad släpps lätt.
Det utförs genom att passera en förorenande gasflöde blandad med en tillräcklig mängd luft genom en bädd av porös jord som är försådd med rätt art av aeroba mikrober. Mikroberna använder VOC för deras metaboliska aktivitet. Syre som krävs för detta ändamål tas från luften. Bäddstorleken bör vara sådan att det skulle finnas tillräcklig kontakttid för att uppnå den önskade omfattningen av förorening av föroreningar.
De stora fördelarna med denna process över förbränningsprocesserna är:
(i) Inget extra bränsle krävs,
(ii) Ingen kostsam processutrustning behövs, och
(iii) Mycket liten uppmärksamhet ska betalas för att kontrollera processen.
Den största nackdelen med denna process är att mer utrymme i form av bäddvolym skall tillhandahållas jämfört med det som krävs för förbränningsförfarandena.
