Chemische behandelingsmethoden en gasvormige verontreinigende stoffen

Dit artikel werpt licht op de drie belangrijkste chemische behandelingsmethoden die worden gebruikt voor het zuiveren van verontreinigende gassen. De methoden zijn: 1. Thermische verbranding 2. Katalytische verbranding en 3. Bio-oxidatie.

Methode # 1. Thermische verbranding:

Van de drie methoden die worden gebruikt voor de oxidatie van VOS, vindt thermische verbranding plaats bij ongeveer 650 ° C of hogere temperatuur, terwijl de andere worden uitgevoerd bij een lagere temperatuur. Voor verbranding, dwz verbranding van twee ingrediënten, namelijk een brandbare substantie en zuurstof zijn vereist.

De VOS aanwezig in een afvalgasstroom vormen de brandbare component en zuurstof uit lucht dient als het andere bestanddeel. De belangrijkste producten van een verbrandingsproces zijn CO 2, H 2 O. Er wordt ook een zekere hoeveelheid NO x en SO x geproduceerd. Sommige organische verbindingen kunnen ook in de productstroom aanwezig zijn als het proces onvolledig is.

Om een ​​volledige verbranding te bereiken, dat wil zeggen voor volledige oxidatie van VOS (verontreinigende stoffen), is het noodzakelijk om overmatige lucht (zuurstof) te leveren boven de stoichiometrisch vereiste vanwege een onvolledige menging van de ingrediënten voor en tijdens de verbranding. Om het proces zelfonderhoudend te maken, moet het mengsel noch te arm, noch te rijk zijn met betrekking tot de brandbare componenten. De beperkende samenstellingen worden de onderste en bovenste explosiegrens genoemd.

Tussen deze limieten vindt verbranding plaats bij ontsteking maar kan exploderen als het proces niet goed wordt geregeld. De numerieke waarden van de onderste en bovenste explosiegrenzen van een mengsel zijn afhankelijk van de soort brandbare stoffen die in het mengsel aanwezig is. Er moet echter voor worden gezorgd dat het zuurstofgehalte in het mengsel nooit minder dan 15% mag zijn.

De mate van voltooiing van een verbrandingsreactie hangt af van de temperatuur, verblijftijd en turbulentie in de verbrandingszone. Een lagere voltooiingsgraad zou betekenen dat er niet-verbrande organische verbindingen (verontreinigende stoffen) aanwezig zijn in het behandelde effluent. De reactiesnelheid neemt toe met de toename van de temperatuur. Derhalve zou bij een hogere temperatuur de verblijftijd (in verbrandingskamer) die vereist is voor volledige verbranding korter zijn.

Met andere woorden, bij een hogere temperatuur zou een kleinere kamer het werk doen. Het is echter mogelijk om extra brandstof te onderhouden als de brandbare bestanddelen in het mengsel niet voldoende calorische waarde hebben. De calorische waarde van een mengsel is afhankelijk van de concentratie van de brandbare stof die in het mengsel aanwezig is.

Bij het ontwerpen van een thermische verbrandingsoven kan men een van de volgende drie soorten situaties tegenkomen:

Type-I:

Het te behandelen gas zou een voldoende calorische waarde hebben en er zou dus geen hulpbrandstof nodig zijn, maar lucht (zuurstof) moet worden toegevoerd. Een dergelijke situatie houdt in dat het mengsel een samenstelling boven de bovenste explosiegrens zou hebben.

Type-II:

Het gas kan geen extra brandstof of lucht nodig hebben, dat wil zeggen dat de samenstelling tussen de onderste en bovenste explosiegrens ligt. Een dergelijk gas moet voorzichtig worden gehanteerd, omdat anders de vlam terug kan slaan, dat wil zeggen zich voortplant vanuit de verbrandingskamer naar de bron.

Type-Ill:

Het gas heeft mogelijk niet voldoende hoge calorische waarde om de gewenste temperatuur in de verbrandingskamer te handhaven. Dit impliceert dat de samenstelling van het mengsel onder de onderste explosiegrens zou zijn. Voor de verbranding van een dergelijk gas zou een hulpbrandstof nodig zijn om het verbrandingsproces te ondersteunen.

Type I gasmengsel zou een relatief hoge calorische waarde hebben, vandaar dat het winstgevend kan worden gebruikt als een brandstof. Het kan worden verbrand in een keteloven of een procesverwarmer of een juist ontworpen verbrandingskamer met een opstelling voor het leveren van voldoende hoeveelheid lucht. De basisuitrusting die nodig is voor de verbranding van een Type I-gasmengsel is een lage NO x -brander.

Als er echter geen ruimte is voor gebruik van de warmte die wordt geproduceerd tijdens verbranding, kan het gasmengsel worden afgefakkeld, dat wil zeggen dat het verbrandingsproces wordt uitgevoerd in een open atmosfeer waar atmosferische turbulentie zuurstof verschaft voor verbranding en het mengen bevordert. Het apparaat wordt een fakkelstapel genoemd.

Het is een stapel / schoorsteen aan de basis waarvan het gas wordt ingevoerd. Het gas stroomt de stapel op en als het op het punt staat naar boven te komen, ontmoet het een waakvlam. De waakvlam wordt gehandhaafd met een vooraf gemengd brandstofgas-luchtmengsel. Het wordt gebruikt om het gasmengsel te ontsteken en om de ontstane vlam te verankeren. De verbrandingsproducten, inclusief die afkomstig van onvolledige verbranding, worden rechtstreeks in de atmosfeer geloosd.

De verbrandingsproducten kunnen HC (koolwaterstoffen), CO en enkele stabiele tussenproducten, zoals NO x, SO 2, HCI en koolstofdeeltjes naast CO 2 en H 2 O omvatten. De verbrandingsefficiëntie kan worden verbeterd door het gas vooraf te mengen worden verbrand met lucht en / of door stoom in de buurt van de vlam te injecteren, waardoor turbulentie wordt bevorderd. De warmte die wordt gegenereerd tijdens de verbranding is verspild.

De belangrijkste overweging voor een selectie van een afvangplaats en de schatting van de stapelhoogte moet de veiligheid zijn voor het bedienend personeel van de installatie en de apparatuur rondom de afvanging van de radioactieve warmte-intensiteit. Een fakkel moet worden geplaatst op een plaats met voldoende vrije ruimte eromheen, zodat een man mogelijk uit de fakkelwarmte kan lopen, indien nodig.

Voor het schatten van de hoogte van de lichtstapeling moet rekening worden gehouden met de maximale radioactieve warmte-intensiteit waaraan de procesapparatuur (met name aardolie ruwe olie en petroleum fractie opslagtanks) rond de stapel kunnen worden onderworpen. De diameter van een stapel moet worden berekend op basis van het verwachte maximale volumestroomdebiet van het gasmengsel en zijn vlamsnelheid.

De andere gegevens die nodig zijn voor de berekening van de hoogte en diameter van de stapel zijn de omgevingstemperatuur, de gemiddelde calorische waarde van het VOC-mengsel, het gemiddelde molecuulgewicht, de dichtheid en het vlammengeluid en de gemiddelde windsnelheid op de stapelhoogte.

Figuur 4.16 toont een schematische weergave van een fakkelstapel.

Hier moet worden opgemerkt dat fakkels alleen kunnen worden gebruikt voor geconcentreerde afvalgasstromen met grote hoeveelheden.

Het Type II-gasmengsel moet voorzichtig worden behandeld, omdat dit ontplofbare mengsels zijn. Een dergelijk mengsel moet worden verdund met lucht of een inert gas om de samenstelling van het mengsel onder de onderste explosiegrens vóór verbranding naar beneden te brengen. Voor verbranding van het verdunde mengsel kan een beetje extra brandstof nodig zijn.

Het lijkt paradoxaal dat een brandbaar mengsel wordt verdund en vervolgens wordt verbrand met behulp van een beetje extra brandstof. Vanuit veiligheidsoogpunt wordt het echter noodzakelijk. Als het verdunde mengsel in een keteloven of procesverwarmer wordt verbrand, is er geen extra brandstof nodig.

Als gepland is om het oorspronkelijke gasmengsel zonder verdunning in een verbrander te verbranden, moeten de volgende voorzorgsmaatregelen worden genomen:

(a) Om het mengsel samen te persen voordat het in een verbrandingsoven wordt gevoerd, moet een stoomstootspuit worden gebruikt. Mechanische apparaten mogen niet worden gebruikt omdat wrijvingswarmte een explosie kan veroorzaken.

(b) Om terugslaan van de vlam uit een verbrandingsoven te voorkomen, moet u de onderstaande maatregelen treffen.

(i) In de gasleiding (leidend naar de verbrandingsoven) moeten vlamvangers, zoals zeven, geperforeerde platen worden aangebracht.

(ii) De geselecteerde buisdiameter moet zodanig zijn dat de gassnelheid door de pijp hoger zou zijn dan de theoretische vlamsnelheid van het mengsel.

(iii) Het gasmengsel moet door een pot met dichting passeren.

Behandeling en verbranding van Type III-gasmengsels vormen vanuit veiligheidsoogpunt geen probleem. Voor de gewenste mate van vernietiging van de brandbare stof (verontreinigende stof) die aanwezig is in een dergelijk gasmengsel moet het worden geïnjecteerd in een verbrandingskamer die is afgevuurd met een hulpbrandstof en op de vereiste temperatuur wordt gehouden. Juiste turbulentie en zuurstofconcentratie moeten in de verbrandingsoven worden gehandhaafd.

Een verbrandingsoven die moet worden gebruikt voor de verbranding van een Type III-gasmengsel kan een doos of een cilindrische kamer zijn aan één uiteinde waarvan zich een gas- of olie-gestookte brander bevindt. Het te verassen gasmengsel wordt dicht bij de brander ingebracht, zodat het gemakkelijk met de verbrandingsproducten kan worden gemengd en daardoor de vereiste temperatuur bereikt.

Turbulentiepromoters kunnen worden gebruikt om een ​​snelle menging van de verbrandingsproducten en het te verbranden gas teweeg te brengen. De zelfontstekingstemperatuur van elk van de aanwezige verontreinigende stoffen moet uit de literatuur worden bepaald. De bedrijfstemperatuur van de verbrandingsoven moet ten minste een paar honderd graden boven de hoogste zelfontstekingstemperatuur van de aanwezige componenten liggen. Het volume van de verbrandingskamer (V) kan ongeveer worden geschat met behulp van de relatie.

V = tx Q,

waarbij Q = volumestroomsnelheid van de verbrandingsproducten bij de bedrijfstemperatuur, en t = vereiste verblijftijd in de verbrandingsoven.

Bij ongeveer 750 ° C kan de vereiste verblijftijd ongeveer 0, 01 sec zijn. Rond 650 ° C moet de verblijftijd worden verhoogd van 0, 01 sec tot ongeveer 0, 1 sec om dezelfde mate van vernietiging van de verontreinigende stoffen te bereiken.

Methode # 2. Katalytische verbranding:

Katalytische verbranding is ook een oxidatieproces vergelijkbaar met de thermische verbranding. Het proces vindt echter plaats bij een veel lagere temperatuur dan bij thermische verbranding. Bijgevolg is de aanvullende brandstofbehoefte minder. De gebruikte katalysatoren zijn vaste deeltjes ofwel als zodanig of gedragen op enig inert keramisch materiaal.

De reactanten en de producten die gasvormig zijn, het proces vindt plaats door de volgende stappen:

1. Diffusie van verontreinigende en zuurstofmoleculen van de gasfase naar het katalysatoroppervlak,

2. Adsorptie van de reactiemoleculen op het katalysatoroppervlak,

3. Reactie van de geadsorbeerde moleculen,

4. Desorptie van de productmoleculen van het katalysatoroppervlak en tenslotte,

5. Diffusie van de productmoleculen naar de bulk van de gasfase.

Er worden normaal twee soorten katalysatoren gebruikt:

(i) edelmetaal, zoals platina, palladium alleen of in combinatie, ondersteund op een nikkellegering of aluminiumoxide of keramiek,

(ii) Onedele metalen of metaaloxiden, zoals aluminium, chroom, kobalt, koper, ijzer, mangaan, vanadium, zink ondersteund of niet-ondersteund.

Het tweede type katalysator is goedkoper en is gemakkelijk te bereiden.

Metalen dragers hebben in het algemeen de vorm van een lint waarop de katalysator wordt afgezet. De linten worden dan gekrompen en gevormd tot een mat.

Keramische dragers kunnen in de vorm van pellets of een honingraatstructuur zijn.

De katalysator wordt soms gemengd met een substantie die bekend staat als een promotor, die de katalysatoractiviteit verhoogt door het modificeren van de kristalstructuur en de grootte van de katalysator.

De gewenste eigenschappen van een katalysator zijn:

(i) Hoge activiteit bij lagere temperatuur,

(ii) structurele stabiliteit,

(iii) Weerstand tegen uitputting en

(iv) Lage drukval over het katalysatorbed.

De katalysatoractiviteit neemt zeer vaak af met gebruik. Dit kan gebeuren vanwege:

(1) Chemische reactie tussen katalysatordeeltjes en sommige stoffen, zoals bismut, arsenicum, antimoon, zink, lood, tin, kwik, fosfor, halogenen enz., Zelfs wanneer deze in sporenhoeveelheden in rookgassen aanwezig zijn,

(2) Adsorptie van sommige chemicaliën (chemisorptie) op het oppervlak van de katalysator en

(3) Fysische coating van het katalysatoroppervlak met teerachtige materie.

Catalyst lijdt ook verlies aan activiteit als gevolg van veroudering. Dit kan te wijten zijn aan verandering in de kristalstructuur van metaal (katalysator) vanwege erosie, verdamping en slijtage. Normaal gesproken is de levensduur van de katalysator 3 tot 5 jaar.

Een katalytische verbrandingsinstallatie kan uit de volgende componenten / secties bestaan:

(1) Secties voor voorverwarmen

(2) een brander,

(3) een mengkamer,

(4) een katalysatorbed,

(5) Een blower.

Een schematisch diagram van een katalytische verbrandingsoven wordt getoond in Fig. 4.17.

Een katalytische verbrandingsoven werkt op de manier die hieronder wordt beschreven.

Een inkomende verontreinigende lager bevattende gasstroom kan worden voorverwarmd voorafgaand aan het toevoeren hiervan aan de mengkamer. In de mengkamer wordt de gasstroom gemengd met het hete verbrandingsgas van de brander, zodat het mengsel de temperatuur kan bereiken waarbij katalytische oxidatie zou plaatsvinden. Het doel van de brander zou zijn om de warmte te produceren die nodig is om de mengkamer en het katalysatorbed op de gewenste temperatuur te houden. De brandstof kan een gas of een olie zijn.

Het katalysatorbed is op een zodanige wijze aangebracht dat de influentstroom gemengd met heet verbrandingsgas door het bed moet passeren en geen enkel deel het bed kan omzeilen. Het moet zo in de verbrandingskamer worden geplaatst dat hetzelfde gemakkelijk kan worden verwijderd voor heractivering of vervanging. Het kan nodig zijn om een ​​blower te installeren om de drukverliezen op verschillende secties van de oven te vermijden.

Volledige vernietiging van de verontreinigende stoffen in een afvalgasstroom is moeilijk te bereiken in een verbrandingsoven en is misschien niet nodig. 98-99 procent vernietiging kan de concentratie van de verontreinigende stof naar de toegestane emissiegrens brengen. De meeste van de VOS bij volledige verbranding produceren CO 2 en H 2 O.

Sommige koolmonoxide kan ook worden geproduceerd als gevolg van onvolledige verbranding. Sommige VOC's bij verbranding kunnen verontreinigende stoffen zoals SO 2, SO 3, halogenen en gehalogeneerde verbindingen produceren, zoals Cl 2, HCL. Het kan nodig zijn de uitlaatgasstroom van de verbrandingsoven te behandelen (om de hierboven genoemde verontreinigende stoffen te verwijderen) voordat deze definitief wordt verwijderd.

Methode # 3. Bio-oxidatie:

Bio-oxidatie van een verontreinigende dragende gasstroom kan worden uitgevoerd wanneer:

(i) De aanwezige verontreinigende stoffen zijn biologisch afbreekbaar,

(ii) De stroom bevat geen giftige stoffen voor aerobe bacteriën, en

(iii) Het volumetrische debiet van de stroom is niet hoog.

Dit proces is vergelijkbaar met het verbrandingsproces, in die zin dat de belangrijkste producten van oxidatie CO 2 en H 2 O zijn. Het proces vindt echter plaats bij kamertemperatuur en ontwikkelde warmte wordt gemakkelijk afgevoerd.

Het wordt uitgevoerd door een verontreinigende dragende gasstroom gemengd met een voldoende hoeveelheid lucht door een bed van poreuze grond voor te zaaien met de juiste soorten aerobe microben. De microben gebruiken de VOS voor hun metabolische activiteit. De voor dit doel vereiste zuurstof wordt uit de lucht gehaald. De bedgrootte moet zodanig zijn dat er voldoende contacttijd is om de gewenste mate van vervuiling van de verontreinigende stof te bereiken.

De belangrijkste voordelen van dit proces ten opzichte van de verbrandingsprocessen zijn:

(i) Er is geen aanvullende brandstof nodig,

(ii) Er zijn geen kostbare procesapparatuur nodig, en

(iii) Er moet zeer weinig aandacht besteed worden aan het beheersen van het proces.

Het grootste nadeel van deze werkwijze is dat meer ruimte in de vorm van bedvolume moet worden verschaft vergeleken met die vereist voor de verbrandingsprocessen.