Kjemiske behandlingsmetoder og gassformige forurensninger
Denne artikkelen kaster lys over de tre øverste kjemiske behandlingsmetodene som brukes til rensing av gassformige forurensninger. Metodene er: 1. Termisk forbrenning 2. Katalytisk forbrenning og 3. Bio-oksydasjon.
Metode # 1. Termisk forbrenning:
Av de tre metodene som brukes for oksydasjon av VOC, finner termisk forbrenning sted ved ca. 650 ° C eller høyere temperatur, mens de andre utføres ved lavere temperatur. For forbrenning, dvs. forbrenning av to ingredienser, nemlig et brennbart stoff og oksygen, kreves.
VOCene som er tilstede i en avfallsgasstrøm, utgjør den brennbare komponenten, og oksygen fra luft tjener som den andre bestanddelen. Hovedproduktene i en forbrenningsprosess er CO 2, H 2 O. Noen mengder NO x og SO x produseres også. Noen organiske forbindelser kan også være til stede i produktstrømmen hvis prosessen er ufullstendig.
For å oppnå fullstendig forbrenning, det vil si for fullstendig oksidasjon av VOC (forurensninger) er det nødvendig å gi overflødig luft (oksygen) over det som kreves støkiometrisk på grunn av ufullstendig blanding av ingrediensene før og under forbrenning. For at prosessen skal være selvbærende, bør ikke blandingen være for mager eller for rik med hensyn til brennbare komponenter. Begrensende sammensetninger refereres til som de nedre og øvre eksplosive grenser.
Mellom disse grensene skjer forbrenning ved tenning, men kan eksplodere hvis prosessen ikke kontrolleres riktig. De numeriske verdiene av de nedre og øvre eksplosive grensene for en blanding avhenger av arten av brennbare stoffer som er tilstede i blandingen. Imidlertid bør det tas hensyn til at oksygeninnholdet i blandingen aldri skal være mindre enn 15%.
Graden av ferdigstillelse av en forbrenningsreaksjon avhenger av temperatur, oppholdstid og turbulens i forbrenningsområdet. Lavere grad av ferdigstillelse vil bety at det ikke er forbrent organiske forbindelser (forurensende stoffer) i det behandlede avløpet. Reaksjonshastigheten øker med temperaturøkningen. Derfor ved en høyere temperatur vil oppholdstiden (i forbrenningskammer) som kreves for fullstendig forbrenning, være kortere.
Med andre ord, ved en høyere temperatur ville et mindre kammer gjøre jobben. For å opprettholde en høyere temperatur kan det hende at tilførsel av drivstoff er nødvendig, dersom de brennbare bestanddelene som er tilstede i blandingen, ikke har nok kaloriverdi. Beregningsverdien av en blanding avhenger av konsentrasjonen av brennbare arter som er tilstede i blandingen.
Mens du designer et termisk forbrenningsapparat, kan det oppstå en av følgende tre typer situasjoner:
Type-I:
Gassen som skal behandles vil ha tilstrekkelig kaloriverdi, og det vil derfor ikke være nødvendig med ekstra drivstoff, men luft (oksygen) må tilføres. En slik situasjon innebærer at blandingen vil ha en sammensetning over den øvre eksplosive grense.
Type-II:
Gassen kan hverken kreve hjelpebrennstoff eller noe luft, det vil si at dets sammensetning ville være mellom de nedre og øvre eksplosive grenser. En slik gass bør håndteres forsiktig, da ilden kan ellers slå tilbake, dvs. forplante seg tilbake fra forbrenningskammeret til kilden.
Skriv-Ill:
Gassen kan ikke ha tilstrekkelig høyt kaloriverdi for å opprettholde ønsket temperatur i forbrenningskammeret. Dette innebærer at blandingssammensetningen vil være under dens nedre eksplosive grense. For forbrenning av en slik gass ville det være nødvendig med et hjelpestoff for å opprettholde forbrenningsprosessen.
Type I-gassblanding vil ha en relativt høy kaloriværdi, derfor kan den benyttes som drivstoff. Det kan forbrennes i en kjeleovn eller en prosessvarmer eller et riktig utformet forbrenningskammer med et arrangement for tilførsel av tilstrekkelig mengde luft. Det grunnleggende utstyret som trengs for forbrenning av en Type I-gassblanding er en lav NO x brenner.
Imidlertid, hvis det ikke finnes noen mulighet for utnyttelse av varmen som produseres under forbrenning, kan gassblandingen utvides, det vil si at forbrenningsprosessen utføres i åpen atmosfære hvor atmosfærisk turbulens gir oksygen for forbrenning, samt fremmer blanding. Enheten refereres til som en flakkstabel.
Det er en stabel / skorstein ved foten av hvilken gassen er introdusert. Gassen strømmer opp stakken og som den kommer til å dukke opp, møter den en pilotflamme. Pilotflammen opprettholdes med en blandet gassblanding med gass. Det brukes til å antennes gassblandingen i tillegg til å forankre den resulterende flammen. Forbrenningsproduktene, inkludert de som kommer fra ufullstendig forbrenning, utledes direkte i atmosfæren.
Forbrenningsproduktene kan inkludere HC (hydrokarboner), CO og noen stabile mellomprodukter, slik som NOx, SO2, HCl og karbonpartikler i tillegg til CO og H20. Forbrenningseffektiviteten kan forbedres ved forblanding av gassen forbrenne med luft og / eller ved å injisere damp i nærheten av flammen, noe som vil fremme turbulens. Varmen som genereres under forbrenningen er bortkastet.
Den største hensynet til et valg av flareområde og stakkhøydeberegningen skal være sikkerhet for anleggets operatørpersonell og utstyr rundt flaren fra den radioaktive varmeintensiteten. En bluss skal være plassert på et sted med tilstrekkelig ledig plass rundt den, slik at en mann kan være i stand til å løpe til sikkerhet fra blussvarmen, om nødvendig.
For estimering av flakkstaplinghøyde bør man vurdere den maksimale radioaktive varmeintensiteten som prosessutstyret (spesielt råolje og petroleum fraksjon lagertanke) rundt stakken kan bli utsatt for. Diameteren av en stabel skal beregnes basert på den forventede maksimale volumetriske strømningshastigheten for gassblandingen og dens flammehastighet.
De andre dataene som kreves for beregning av stabelhøyde og diameter er omgivelsestemperatur, gjennomsnittlig kaloriverdi for VOC-blandingen, dens gjennomsnittlige molekylvekt, tetthet og flammeemissivitet og gjennomsnittlig vindhastighet i stakkhøyde.
Figur 4.16 viser en skjematisk fremstilling av en flakkstabel.
Det bør påpekes at blusser kun kan brukes til høyvolumskonsentrasjoner av avløpsvann.
Type II gassblandingen skal håndteres forsiktig da det er eksplosive blandinger. En slik blanding bør fortynnes med luft eller en inert gass for å bringe blandingsblandingen ned under dens lavere eksplosjonsgrense før forbrenning. For forbrenning av den fortynnede blandingen kan det være nødvendig med en mengde av et hjelpestoff.
Det kan virke paradoksalt at en brennbar blanding fortynnes og deretter forbrennes ved hjelp av noe ekstra brensel. Men fra sikkerhetssynspunkt blir det viktig. Hvis den fortynnede blandingen brennes i en kjeleovn eller en prosessvarmer, vil det ikke være behov for ekstra drivstoff.
Hvis det er planlagt å brenne den opprinnelige gassblandingen uten fortynning i en forbrenner, må følgende forholdsregler tas:
(a) For komprimering av blandingen før tilførsel til en forbrenningsovn skal en dampstråleutløser brukes. Mekaniske apparater skal ikke brukes som friksjonsvarme kan forårsake eksplosjon.
(b) For å hindre at flammen kommer tilbake fra en forbrenningsovn må man ta de tiltakene som er oppført under.
(i) I gassrørledningen (som fører til forbrenningsovnen) skal flammehemmere, som f.eks. skjermer, monteres perforerte plater.
(ii) Den valgte rørdiameteren skal være slik at gasshastigheten gjennom røret vil være høyere enn blandingens teoretiske flammehastighet.
(iii) Gassblandingen må passere gjennom en tetningspotte.
Håndtering og forbrenning av Type III gassblandinger er ikke noe problem fra sikkerhetssynspunkt. For den ønskede grad av ødeleggelse av det brennbare (forurensende stoffet) som er tilstede i en slik gassblanding, skal den injiseres i et forbrenningskammer avfyrt med et hjelpestoff og opprettholdes ved den nødvendige temperatur. Riktig turbulens og oksygenkonsentrasjon skal opprettholdes i forbrenningsovnen.
En forbrenningsovn som skal brukes til forbrenning av en type III gassblanding, kan være en boks eller et sylindrisk kammer ved den ene ende av hvilken en gass- eller oljefyrt brenner er lokalisert. Gassblandingen som skal forbrennes, blir introdusert nær brenneren slik at den lett kan blandes med forbrenningsproduktene og derved oppnå ønsket temperatur.
Turbulenspromotorer kan anvendes for å frembringe rask blanding av forbrenningsproduktene og gassen som skal forbrennes. Selvantennelsestemperaturen for hvert av de forurensende stoffene som er tilstede, bør fastslås fra litteraturen. Forbrenningsapparatets driftstemperatur skal være minst noen få hundre grader over den høyeste automatisk antennelsestemperaturen til komponentene som er til stede. Forbrenningskammervolumet (V) kan estimeres omtrent ved bruk av relasjonen.
V = tx Q,
hvor Q = volumetrisk strømningshastighet for forbrenningsproduktene ved driftstemperaturen, og t = nødvendig oppholdstid i forbrenningsovnen.
Ved ca. 750 ° C kan den nødvendige oppholdstiden være rundt 0, 01 sek. Rundt 650 ° C må oppholdstiden økes fra 0, 01 sek til ca. 0, 1 sek for å oppnå samme grad av ødeleggelse av forurensningene.
Metode # 2. Katalytisk forbrenning:
Katalytisk forbrenning er også en oksidasjonsprosess som ligner den termiske forbrenningen. Prosessen oppstår imidlertid ved en mye lavere temperatur enn for termisk forbrenning. Følgelig er det ekstra drivstoffbehov mindre. De anvendte katalysatorene er faste partikler enten som sådan eller støttet på noe inert keramisk materiale.
Reagensene og produktene er gassformige, prosessen skjer gjennom følgende trinn:
1. Diffusjon av forurensende og oksygenmolekyler fra gassfasen til katalysatoroverflaten,
2. Adsorbsjon av reaktantmolekylene på katalysatoroverflaten,
3. Reaksjon av de adsorberte molekylene,
4. Desorption av produktmolekylene fra katalysatoroverflaten, og til slutt,
5. Diffusjon av produktmolekylene til hovedparten av gassfasen.
To typer katalysatorer brukes normalt:
(i) edelmetall, som platina, palladium alene eller i kombinasjon, støttet på nikkellegering eller alumina eller keramikk,
(ii) Base metaller eller metalloksyder, for eksempel aluminium, krom, kobolt, kobber, jern, mangan, vanadium, sink støttet eller ikke støttet.
Den andre typen katalysator er billigere og er lett å forberede.
Metalliske støtter er generelt i form av et bånd på hvilket katalysatoren er avsatt. Båndene krympes og formes til en matte.
Keramiske støtter kan enten være i form av pellets eller en bikakestruktur.
Katalysatoren blandes iblant med et stoff som er kjent som en promotor, som øker katalysatoraktiviteten ved å modifisere katalysatorkrystallstruktur og -størrelse.
De ønskede egenskaper av en katalysator er:
(i) Høy aktivitet ved lavere temperatur,
(ii) Strukturell stabilitet,
(iii) Motstand mot slitasje og
(iv) Lavt trykkfall over katalysatorplaten.
Katalysatoraktiviteten reduseres ofte ved bruk. Dette kan skje på grunn av:
(1) Kjemisk reaksjon mellom katalysatorpartikkelen og noen stoffer, som vismut, arsen, antimon, sink, bly, tinn, kvikksølv, fosfor, halogener, osv. Selv når disse er til stede i spormengder i avfallsgasser,
(2) Adsorbsjon av enkelte kjemikalier (kjemisorpsjon) på katalysatoroverflate og
(3) Fysisk belegg av katalysatoroverflaten med tarry materiale.
Katalysator lider også i aktivitet som følge av aldring. Dette kan skyldes endring i krystallstrukturen av metall (katalysator) på grunn av erosjon, fordampning og slitasje. Katalysatorlivet er normalt 3 til 5 år.
En katalytisk forbrenningsovn kan bestå av følgende komponenter / seksjoner:
(1) Forvarmeseksjoner
(2) En brenner,
(3) Et blandekammer,
(4) En katalysator seng,
(5) En vifte.
Et skjematisk diagram av en katalytisk forbrenningsovn er vist i figur 4.17.
En katalytisk forbrenningsovn fungerer på den måten som er beskrevet nedenfor.
En innkommende forurensende bærende gassstrøm kan forvarmes før det tilføres det samme i blandekammeret. I blandekammeret blir gassstrømmen blandet med varmluftgassen fra brenneren, slik at blandingen kan oppnå temperaturen ved hvilken katalytisk oksidasjon vil finne sted. Formålet med brenneren ville være å fremstille varmen som var nødvendig for å opprettholde blandekammeret og katalysatorplaten ved ønsket temperatur. Drivstoffet kan enten være en gass eller en olje.
Katalysatorsjiktet er anordnet på en slik måte at innstrømningsstrømmen som er blandet med varmluftgass, må passere gjennom sengen og ingen del kan omgå sengen. Det skal være så montert i forbrenningskammeret at det samme lett kan tas ut for reaktivering eller utskifting. Det kan være nødvendig å installere en vifte for å overvinne tryktapene ved forskjellige deler av forbrenningsaggregatet.
Fullstendig ødeleggelse av forurensningene i en avfallsgasstrøm er vanskelig å oppnå i en forbrenningsovn, og det kan ikke være nødvendig. 98-99 prosent ødeleggelse kan føre ned konsentrasjonen av forurensning til den tillatte utslippsgrensen. De fleste av VOC på fullstendig forbrenning produserer CO 2 og H 2 O.
Noen karbonmonoksid kan også produseres på grunn av ufullstendig forbrenning. Noen VOCer ved forbrenning kan produsere forurensende stoffer som SO 2, SO 3, halogener og halogenerte forbindelser, slik som Cl 2, HCL. Det kan være nødvendig å behandle eksosstrømmen for forbrenningsovnen (for å fjerne de ovennevnte forurensningene) før den endelige avhending.
Metode # 3. Bio-oksidasjon:
Biooksidasjon av en forurensende bærende gassstrøm kan utføres når:
(i) De tilstedeværende forurensningene er bionedbrytbare,
(ii) Strømmen inneholder ikke noen forurensende giftig for aerobe bakterier, og
(iii) Strømmenes volumstrøm er ikke høy.
Denne prosessen ligner forbrenningsprosessen i den forstand at hovedproduktene av oksidasjon vil være CO 2 og H 2 O. Imidlertid foregår prosessen ved omgivelsestemperatur og varme utviklet blir lett løsnet.
Det utføres ved å føre en forurensende bærende gassstrøm blandet med en tilstrekkelig mengde luft gjennom en seng av porøs jord som er forhåndsåpodet med de rette arter av aerobiske mikrober. Mikrobene bruker VOC for deres metabolske aktivitet. Oksygen som kreves for dette formålet, tas fra luften. Sengestørrelsen skal være slik at det vil være tilstrekkelig kontakt tid for å oppnå ønsket grad av forurensning av forurensning.
De viktigste fordelene med denne prosessen over forbrenningsprosessene er:
(i) Ingen ekstra drivstoff er nødvendig,
(ii) Det er ikke nødvendig med kostbart prosessutstyr, og
(iii) Svært liten oppmerksomhet må betales for å kontrollere prosessen.
Den største ulempen ved denne prosessen er at mer plass i form av bunnvolum skal tilveiebringes i forhold til det som kreves for forbrenningsprosessene.
