Kemiske behandlingsmetoder og luftforurenende stoffer

Denne artikel sætter lys på de tre bedste kemiske behandlingsmetoder, der anvendes til rensning af forurenende luftarter. Metoderne er: 1. Termisk forbrænding 2. Katalytisk forbrænding og 3. Bio-oxidation.

Metode # 1. Termisk forbrænding:

Af de tre metoder, der anvendes til oxidation af VOC, finder termisk forbrænding sted ved ca. 650 ° C eller højere temperatur, medens de andre udføres ved en lavere temperatur. Til forbrænding, dvs. forbrænding af to ingredienser, nemlig et brændbart stof og ilt, er påkrævet.

VOC'erne, der er til stede i en affaldsgasstrøm, udgør den brændbare komponent, og ilt fra luft tjener som den anden bestanddel. De vigtigste produkter i en forbrændingsproces er CO 2, H 2 O. En del mængde NO x og SO x produceres også. Nogle organiske forbindelser kan også være til stede i produktstrømmen, hvis processen er ufuldstændig.

For at opnå fuldstændig forbrænding er det nødvendigt at give overskydende luft (ilt) til det nødvendige støkiometrisk ved fuldstændig oxidation af VOC (forurenende stoffer) på grund af ufuldstændig blanding af ingredienserne før og under forbrændingen. For at processen skal være selvbærende, skal blandingen hverken være for magre eller for rig i forhold til de brændbare komponenter. De begrænsende sammensætninger betegnes som de nedre og øvre eksplosive grænser.

Mellem disse grænser foregår forbrænding ved antændelse, men kan eksplodere, hvis processen ikke kontrolleres korrekt. De numeriske værdier af en blandings nedre og øvre eksplosive grænser afhænger af den type brændbare stoffer, der er til stede i blandingen. Imidlertid bør man være opmærksom på, at iltindholdet i blandingen aldrig skal være mindre end 15%.

Graden af ​​afslutning af en forbrændingsreaktion afhænger af temperaturen, opholdstiden og turbulensen i forbrændingszonen. Lavere grad af færdiggørelse ville betyde forekomst af ubrændte organiske forbindelser (forurenende stoffer) i det behandlede spildevand. Reaktionshastigheden forøges med stigningen i temperaturen. Således ved en højere temperatur ville opholdstiden (i forbrændingskammer), der kræves til fuldstændig forbrænding, være kortere.

Med andre ord, ved en højere temperatur ville et mindre kammer gøre jobbet. For at opretholde en højere temperatur kan der dog være behov for ekstra brændstof, hvis de brændbare bestanddele, der er til stede i blandingen, ikke har tilstrækkelig brændværdi. Beregningsværdien af ​​en blanding afhænger af koncentrationen af ​​den brændbare art, der er til stede i blandingen.

Ved udformning af en termisk forbrændingsanlæg kan man støde på en af ​​følgende tre typer situationer:

Type-I:

Gassen, der skal behandles, vil have tilstrækkelig brændværdi, og der vil derfor ikke være behov for hjælpefilstof, men luft (ilt) skal tilføres. En sådan situation indebærer, at blandingen ville have en sammensætning over den øvre eksplosive grænse.

Type-II:

Gassen må hverken kræve hjælpebrændstof eller nogen luft, dvs. dens sammensætning vil være mellem de nedre og øvre eksplosive grænser. En sådan gas bør håndteres omhyggeligt, da ilden måske ellers kan slå tilbage, dvs. spredes tilbage fra forbrændingskammeret til dens kilde.

Type-Ill:

Gassen må ikke have tilstrækkelig høj brændværdi til at opretholde den ønskede temperatur i forbrændingskammeret. Dette indebærer, at blandingssammensætningen vil være under dens lavere eksplosive grænse. Til forbrænding af en sådan gas ville et hjælpebrændstof være påkrævet for at opretholde forbrændingsprocessen.

Type I-gasblandingen ville have en relativt høj brændværdi, derfor kan den benyttes som brændstof. Den kan forbrændes i en kedelovn eller en procesvarmer eller et korrekt designet forbrændingskammer med et arrangement til at forsyne tilstrækkelig mængde luft. Det grundlæggende udstyr, der er nødvendigt til forbrænding af en type I-gasblanding, er en lav NOx-brænder.

Hvis der imidlertid ikke er mulighed for udnyttelse af den varme, der frembringes under forbrænding, kan gasblandingen blive udtømt, dvs. forbrændingsprocessen udføres i åben atmosfære, hvor atmosfærisk turbulens giver ilt til forbrænding såvel som fremmer blanding. Enheden betegnes som en blændingsstabel.

Det er en stak / skorsten i bunden af ​​hvilken gasen er indført. Gassen løber op i stakken, og som den kommer til at dukke op, møder den en pilotflamme. Pilotflammen opretholdes med en forblandet brændstofgas-luftblanding. Det bruges til at antænde gasblandingen såvel som at forankre den resulterende flamme. Forbrændingsprodukterne, herunder de som følge af ufuldstændig forbrænding, udledes direkte i atmosfæren.

Forbrændingsprodukterne kan omfatte HC (carbonhydrider), CO og nogle stabile mellemproduktprodukter, såsom NOx, SO2, HCI og carbonpartikler udover CO og H20. Forbrændingseffektiviteten kan forbedres ved forblanding af gassen forbrændes med luft og / eller ved at injicere damp nær flammen, hvilket vil fremme turbulens. Den varme, der genereres under forbrænding, spildes.

Den væsentligste overvejelse for et flare site valg og dets højde estimation skal være sikkerhed for driftspersonalet og udstyr omkring flare fra den radioaktive varmeintensitet. En flare skal være placeret på et sted med tilstrækkelig ledig plads omkring den, så en mand kan være i stand til at løbe til sikkerhed fra flarevarmen, hvis det er nødvendigt.

Til estimering af flakstabelhøjde bør man overveje den maksimale radioaktive varmeintensitet, som procesudstyret (især råolie og råolie fraktionskilden) omkring stakken kan blive udsat for. Diameteren af ​​en stak skal beregnes ud fra den forventede maksimale volumetriske strømningshastighed for gasblandingen og dens flammehastighed.

De øvrige data, der kræves til beregning af stabelhøjde og diameter, er omgivelsestemperatur, den gennemsnitlige brændværdi af VOC-blandingen, dens gennemsnitlige molekylvægt, densitet og flammeemissionsevne og den gennemsnitlige vindhastighed i stakhøjden.

Figur 4.16 viser en skematisk gengivelse af en flakkestak.

Det skal her påpeges, at blusser kun kan anvendes til koncentreret affaldsstrømme med høj volumen.

Type II gasblandingen skal håndteres omhyggeligt, da det er eksplosive blandinger. En sådan blanding skal fortyndes med luft eller en inert gas for at bringe blandingssammensætningen ned under dens lavere eksplosive grænse før forbrænding. Til forbrænding af den fortyndede blanding kan det være nødvendigt med en smule hjælpebrændstof.

Det kan forekomme paradoksalt, at en brændbar blanding fortyndes og derefter forbrændes ved hjælp af noget supplerende brændstof. Men fra sikkerhedssynspunkt bliver det afgørende. Hvis den fortyndede blanding brændes i en kedelovn eller en procesvarmer, vil der ikke være behov for ekstra brændstof.

Hvis det er planlagt at brænde den oprindelige gasblanding uden fortynding i en forbrændingsanordning, skal følgende forholdsregler tages:

(a) For kompression af blandingen forud for tilførsel til et forbrændingsanlæg skal der anvendes en dampstråleudkast. Mekaniske anordninger bør ikke anvendes, da friktionsvarme kan forårsage eksplosion.

(b) For at forhindre slår ryggen af ​​flammen fra et forbrændingsanlæg, skal man træffe de foranstaltninger, der er anført nedenfor.

(i) I gasledningen (førende til forbrændingsanlægget) skal der monteres flammeafskærmninger, såsom skærme, perforerede plader.

(ii) Den valgte rørdiameter skal være sådan, at gashastigheden gennem røret ville være højere end blandingens teoretiske flammehastighed.

(iii) Gasblandingen skal passere gennem en tætningspotte.

Håndtering og forbrænding af type III gasblandinger udgør ikke noget problem ud fra et sikkerhedsmæssigt synspunkt. For den ønskede grad af ødelæggelse af den brændbare (forurenende) tilstede i en sådan gasblanding skal den injiceres i et forbrændingskammer fyret med et hjælpebrændstof og opretholdes ved den ønskede temperatur. Korrekt turbulens og iltkoncentration bør opretholdes i forbrændingsanlægget.

En forbrændingsanordning, der skal anvendes til forbrænding af en type III-gasblanding, kan være en kasse eller et cylindrisk kammer ved den ene ende, hvor en gas- eller oliefyret brænder er placeret. Den gasblanding, der skal forbrændes, indføres tæt på brænderen, således at den let kan blandes med forbrændingsprodukterne og derved opnå den ønskede temperatur.

Turbulenspromotorer kan anvendes til hurtig blanding af forbrændingsprodukterne og den gas, der skal forbrændes. Selvantændelsestemperaturen for hver af de tilstødende forurenende stoffer bør fastslås fra litteraturen. Forbrændingsanlæggets driftstemperatur skal være mindst et par hundrede grader over den højeste autoændingstemperatur for de tilstedeværende komponenter. Forbrændingsrummets rumfang (V) kan estimeres ca. ved anvendelse af forholdet.

V = tx Q,

hvor Q = volumetrisk strømningshastighed for forbrændingsprodukterne ved driftstemperaturen og t = påkrævet opholdstid i forbrændingsanlægget.

Ved ca. 750 ° C kan den ønskede opholdstid være omkring 0, 01 sek. Omkring 650 ° C skal opholdstiden øges fra 0, 01 sek til ca. 0, 1 sek for at opnå samme grad af destruktion af forurenende stoffer.

Metode # 2. Katalytisk forbrænding:

Katalytisk forbrænding er også en oxidationsproces svarende til den termiske forbrænding. Imidlertid sker processen ved en meget lavere temperatur end den termiske forbrænding. Følgelig er det supplerende brændstofbehov mindre. De anvendte katalysatorer er faste partikler enten som sådanne eller understøttes på noget inert keramisk materiale.

Reaktanterne og produkterne er gasformige, processen foregår gennem følgende trin:

1. Diffusion af forurenende stoffer og oxygenmolekyler fra gasfasen til katalysatoroverfladen,

2. Adsorption af reaktantmolekylerne på katalysatoroverfladen,

3. Reaktion af de adsorberede molekyler,

4. Desorption af produktmolekylerne fra katalysatoroverfladen og endelig

5. Diffusion af produktmolekylerne til hovedparten af ​​gasfasen.

To typer af katalysatorer anvendes normalt:

(i) Ædelmetal, såsom platin, palladium alene eller i kombination, støttet på nikkellegering eller aluminiumoxid eller keramik,

(ii) Basemetaller eller metaloxider, såsom aluminium, chrom, kobolt, kobber, jern, mangan, vanadium, zinkunderstøttet eller ikke-støttet.

Den anden type katalysator er billigere og er let at forberede.

Metalliske understøtninger er generelt i form af et bånd, på hvilket katalysatoren deponeres. Båndene krympes derefter og formes til en matte.

Keramiske understøtninger kan enten være i form af pellets eller en honeycomb-struktur.

Katalysatoren blandes undertiden med et stof, der er kendt som en promotor, som øger katalysatoraktiviteten ved at modificere katalysator-krystalstrukturen og -størrelsen.

De ønskede egenskaber af en katalysator er:

(i) Høj aktivitet ved lavere temperatur,

ii) strukturel stabilitet

(iii) Modstandsdygtighed over for slid og

(iv) Lavt trykfald over katalysatorlejet.

Katalysatoraktiviteten falder meget ofte ved anvendelse. Dette kan ske på grund af:

(1) Kemisk reaktion mellem katalysatorpartikel og visse stoffer, såsom vismut, arsen, antimon, zink, bly, tin, kviksølv, fosfor, halogener osv. Selv når disse er til stede i spormængder i affaldsgasser,

(2) Adsorption af nogle kemikalier (kemisorption er) på katalysatoroverfladen og

(3) Fysisk belægning af katalysatoroverfladen med tarry materiale.

Katalysator lider også tab i aktivitet som følge af aldring. Dette kan skyldes ændring i krystalstrukturen af ​​metal (katalysator) på grund af erosion, fordampning og udslip. Katalysatorlivet er normalt 3 til 5 år.

En katalytisk forbrændingsanordning kan bestå af følgende komponenter / sektioner:

(1) Forvarmesektioner

(2) en brænder,

(3) Et blandekammer,

(4) en katalysator seng,

(5) en blæser

Et skematisk diagram af en katalytisk forbrændingsovn er vist i figur 4.17.

En katalytisk forbrændingsanlæg virker som beskrevet nedenfor.

En indkommende forurenende bærende gasstrøm kan forvarmes forud for tilførsel af det samme i blandekammeret. I blandekammeret blandes gasstrømmen med varmluftgasen fra brænderen, således at blandingen kan nå temperaturen, ved hvilken katalytisk oxidation vil finde sted. Formålet med brænderen er at producere den nødvendige varme til at opretholde blandekammeret og katalysatorlejet ved den ønskede temperatur. Brændstoffet kan enten være en gas eller en olie.

Katalysatorlejet er anbragt på en sådan måde, at indstrømningsstrømmen blandet med varm røggas skal passere gennem sengen, og ingen del kan omgå sengen. Det skal være så monteret i forbrændingskammeret, at det samme let kan tages ud for reaktivering eller udskiftning. Det kan være nødvendigt at installere en blæser for at overvinde tryktabet ved forskellige dele af forbrændingsanlægget.

En fuldstændig destruktion af de forurenende stoffer, der er til stede i en affaldsgasstrøm, er svært at opnå i et forbrændingsanlæg, og det kan ikke være nødvendigt. 98-99 procent ødelæggelse kan bringe koncentrationen af ​​forurenende stoffer ned til den tilladte emissionsgrænse. De fleste af VOC'erne ved fuldstændig forbrænding producerer CO 2 og H 2 O.

Nogle carbonmonoxider kan også fremstilles på grund af ufuldstændig forbrænding. Nogle VOC'er ved forbrænding kan producere forurenende stoffer som SO 2, SO 3, halogener og halogenerede forbindelser, såsom Cl 2, HCL. Det kan være nødvendigt at behandle forbrændingsanlæggets udstødningsstrøm (for at fjerne de ovennævnte forurenende stoffer) inden den endelige bortskaffelse.

Metode nr. 3. Bio-oxidation:

Bio-oxidation af en forurenende gasstrøm kan udføres, når:

(i) De tilstedeværende forurenende stoffer er bionedbrydelige,

(ii) Strømmen indeholder ikke nogen forurenende stoffer, der er toksiske for aerobe bakterier, og

(iii) Strømens volumetriske strømningshastighed er ikke høj.

Denne proces ligner forbrændingsprocessen i den forstand, at de vigtigste oxidationsprodukter vil være CO 2 og H 2 O. Imidlertid foregår processen ved omgivelsestemperatur, og varmeudviklet opløses let.

Det udføres ved at passere en forurenende gasstrøm, der blandes med en tilstrækkelig mængde luft gennem en seng af porøs jord, der er forsået med de rigtige arter af aerobiske mikrober. Mikroberne bruger VOC'erne til deres metaboliske aktivitet. Oxygen, der kræves til dette formål, tages fra luften. Sengens størrelse skal være sådan, at der ville være tilstrækkelig kontakt tid til opnåelse af den ønskede grad af forurenende stoffer.

De store fordele ved denne proces over forbrændingsprocesserne er:

(i) Der kræves ikke noget supplerende brændstof,

(ii) Der kræves ikke dyrt procesudstyr, og

(iii) Der skal kun betales meget lidt for at kontrollere processen.

Den største ulempe ved denne proces er, at der skal tilvejebringes mere plads i form af sengevolumen i forhold til det, der kræves til forbrændingsprocesserne.