Термический окислитель
Термический окислитель (также известный как термический окислитель или термический мусоросжигатель ) — это технологическая установка для контроля загрязнения воздуха на многих химических заводах, которая разлагает опасные газы при высокой температуре и выбрасывает их в атмосферу.
Принцип
Термические окислители обычно используются для уничтожения опасных загрязнителей воздуха (ОЗВ) и летучих органических соединений (ЛОС) из промышленных воздушных потоков. Эти загрязнители, как правило, основаны на углеводородах, и при уничтожении посредством термического сгорания они химически окисляются с образованием CO2 и H2O . Три основных фактора при проектировании эффективных термических окислителей — это температура, время пребывания и турбулентность. Температура должна быть достаточно высокой, чтобы воспламенить отработанный газ. Большинство органических соединений воспламеняются при температуре от 590 °C (1094 °F) до 650 °C (1202 °F). Чтобы обеспечить почти полное уничтожение опасных газов, большинство основных окислителей работают при гораздо более высоких уровнях температуры. При использовании катализатора диапазон рабочих температур может быть ниже. Время пребывания должно гарантировать, что есть достаточно времени для реакции горения. Фактор турбулентности — это смесь воздуха для горения с опасными газами. [1] [2]
Технологии
Термический окислитель прямого сгорания – дожигатель
Самая простая технология термического окисления — это термический окислитель прямого действия. Технологический поток с опасными газами вводится в огневой ящик через горелку или около нее, и обеспечивается достаточное время пребывания для получения желаемой эффективности удаления и разрушения (DRE) ЛОС. Большинство термических окислителей прямого действия работают при температурах от 980 °C (1800 °F) до 1200 °C (2190 °F) с расходом воздуха от 0,24 до 24 стандартных кубических метров в секунду . [1]
Также называются дожигателями в случаях, когда входные газы поступают из процесса, где сгорание неполное, [1] эти системы являются наименее капиталоемкими и могут быть интегрированы с котлами и теплообменниками ниже по потоку для оптимизации эффективности использования топлива . Термические окислители лучше всего применять там, где очень высокая концентрация ЛОС, чтобы действовать как источник топлива (вместо природного газа или нефти) для полного сгорания при целевой рабочей температуре . [ требуется ссылка ]
Регенеративный термический окислитель (РТО)
Одной из наиболее широко распространенных на сегодняшний день технологий контроля загрязнения воздуха в промышленности является регенеративный термический окислитель, обычно называемый RTO. RTO используют керамический слой, который нагревается от предыдущего цикла окисления для предварительного нагрева входящих газов для их частичного окисления. Предварительно нагретые газы поступают в камеру сгорания, которая нагревается внешним источником топлива для достижения целевой температуры окисления, которая находится в диапазоне от 760 °C (1400 °F) до 820 °C (1510 °F). Конечная температура может достигать 1100 °C (2010 °F) для приложений, требующих максимального разрушения. Расход воздуха составляет от 2,4 до 240 стандартных кубических метров в секунду. [4]
RTO очень универсальны и чрезвычайно эффективны – тепловой КПД может достигать 95%. Они регулярно используются для устранения паров растворителей, запахов и т. д. в самых разных отраслях промышленности. Регенеративные термические окислители идеально подходят для диапазона низких и высоких концентраций ЛОС до 10 г/м3 растворителя . В настоящее время на рынке представлено множество типов регенеративных термических окислителей с возможностью окисления или разрушения летучих органических соединений (ЛОС) на уровне 99,5+%. Керамический теплообменник(и) в башнях может быть спроектирован для теплового КПД до 97+%.
Термический окислитель метана вентиляционного воздуха (VAMTOX)
Термические окислители метана вентиляционного воздуха используются для уничтожения метана в отработанном воздухе подземных угольных шахт. Метан является парниковым газом и при окислении посредством термического сгорания химически изменяется с образованием CO2 и H2O . CO2 в 25 раз менее эффективен, чем метан, при выбросе в атмосферу с точки зрения глобального потепления. Концентрации метана в отработанном воздухе шахтной вентиляции угольных и троновых шахт очень разбавлены; обычно ниже 1% и часто ниже 0,5%. Установки VAMTOX имеют систему клапанов и заслонок, которые направляют поток воздуха через один или несколько слоев с керамическим наполнителем. При запуске система предварительно нагревается путем повышения температуры теплообменного керамического материала в слое(ях) до температуры самоокисления метана 1000 °C (1830 °F) или выше, после чего система предварительного нагрева отключается и вводится отработанный воздух шахты. Затем воздух, наполненный метаном, достигает предварительно нагретого слоя(ов), высвобождая тепло от сгорания. Затем это тепло передается обратно в слой(и), тем самым поддерживая температуру на уровне или выше необходимой для поддержания автотермической работы. [ необходима цитата ]
Термический рекуперативный окислитель
Менее распространенной технологией термического окислителя является термический рекуперативный окислитель. Термические рекуперативные окислители имеют первичный и/или вторичный теплообменник внутри системы. Первичный теплообменник предварительно нагревает входящий грязный воздух, рекуперируя тепло из выходящего чистого воздуха. Это делается кожухотрубчатым теплообменником или пластинчатым теплообменником . Когда входящий воздух проходит по одной стороне металлической трубки или пластины, горячий чистый воздух из камеры сгорания проходит по другой стороне трубки или пластины, и тепло передается входящему воздуху через процесс теплопроводности, используя металл в качестве среды теплопередачи. Во вторичном теплообменнике та же концепция применяется для теплопередачи, но воздух, нагреваемый выходящим чистым технологическим потоком, возвращается в другую часть завода — возможно, обратно в процесс.
Термический окислитель, работающий на биомассе
Биомасса , например, древесная щепа, может использоваться в качестве топлива для термического окислителя. Затем биомасса газифицируется , и поток с опасными газами смешивается с газом биомассы в топочной камере. Достаточная турбулентность, время удержания, содержание кислорода и температура обеспечат разрушение ЛОС. Такой термический окислитель, работающий на биомассе, был установлен на заводе Warwick Mills, штат Нью-Гемпшир . Концентрации ЛОС на входе составляют от 3000 до 10 000 ppm. Концентрация ЛОС на выходе составляет менее 3 ppm, что обеспечивает эффективность разрушения ЛОС 99,8–99,9%. [5]
Беспламенный термический окислитель (FTO)
В системе беспламенного термического окислителя отработанный газ, окружающий воздух и вспомогательное топливо предварительно смешиваются перед прохождением объединенной газовой смеси через предварительно нагретый инертный керамический носитель. Благодаря передаче тепла от керамического носителя к газовой смеси органические соединения в газе окисляются до безвредных побочных продуктов, т. е. углекислого газа (CO 2 ) и водяного пара (H 2 O), а также выделяют тепло в керамический носитель. [6]
Температура газовой смеси поддерживается ниже нижнего предела воспламеняемости на основе процентного содержания каждого присутствующего органического вида. Беспламенные термические окислители предназначены для безопасной и надежной работы ниже составного LFL при поддержании постоянной рабочей температуры. Потоки отработанного газа испытывают несколько секунд времени пребывания при высоких температурах, что приводит к измеренной эффективности удаления разрушения, которая превышает 99,9999%. [ необходима цитата ] Предварительное смешивание всех газов перед обработкой устраняет локализованные высокие температуры, что приводит к термическому NOx, как правило, ниже 2 ppmV . Технология беспламенного термического окислителя была первоначально разработана в Министерстве энергетики США для более эффективного преобразования энергии в горелках, технологических нагревателях и других тепловых системах.
Концентратор кипящего слоя (ККС)
В концентраторе с псевдоожиженным слоем (FBC) слой гранул активированного угля для адсорбции летучих органических соединений (ЛОС) из выхлопных газов. Развиваясь из предыдущих концентраторов с неподвижным слоем и роторным углеродом, система FBC проталкивает воздух, содержащий ЛОС, через несколько перфорированных стальных лотков, увеличивая скорость воздуха и позволяя субмиллиметровым гранулам углерода псевдоожижаться или вести себя так, как будто они взвешены в жидкости. Это увеличивает площадь поверхности взаимодействия углерода с газом, что делает его более эффективным для улавливания ЛОС.
Каталитический окислитель
Каталитический окислитель (также известный как каталитический инсинератор ) — это еще одна категория систем окисления, которая похожа на типичные термические окислители, но каталитические окислители используют катализатор для ускорения окисления. Каталитическое окисление происходит посредством химической реакции между молекулами углеводородов ЛОС и слоем катализатора из драгоценного металла, который находится внутри системы окислителя. Катализатор — это вещество, которое используется для ускорения скорости химической реакции, позволяя реакции происходить в нормальном температурном диапазоне от 340 °C (644 °F) до 540 °C (1004 °F). [7]
Регенеративный каталитический окислитель (РКО)
Катализатор может использоваться в регенеративном термическом окислителе (RTO), чтобы обеспечить более низкие рабочие температуры. Это также называется регенеративным каталитическим окислителем или RCO. [4] Например, температура термического воспламенения оксида углерода обычно составляет 609 °C (1128 °F). Используя подходящий катализатор окисления, температуру воспламенения можно снизить примерно до 200 °C (392 °F). [8] Это может привести к более низким эксплуатационным расходам, чем RTO. Большинство систем работают в диапазоне от 260 °C (500 °F) до 1000 °C (1830 °F). Некоторые системы предназначены для работы как в качестве RCO, так и в качестве RTO. При использовании этих систем используются специальные конструктивные решения для снижения вероятности перегрева (разбавление входящего газа или рециркуляция), поскольку эти высокие температуры дезактивируют катализатор, например, путем спекания активного материала. [ необходима цитата ]
Рекуперативный каталитический окислитель
Каталитические окислители также могут быть в форме рекуперативного восстановления тепла для снижения потребности в топливе. В этой форме рекуперации тепла горячие выхлопные газы из окислителя проходят через теплообменник для нагрева нового входящего воздуха в окислитель. [7]
Ссылки
- ^ abc "Thermal Oxidizer". US EPA Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories & Emissions Factors . Агентство по охране окружающей среды США. Архивировано из оригинала 3 июня 2013 года . Получено 4 апреля 2015 года .
- ^ "Air Pollution Control Technology Fact Sheet EPA-452/F-03-022" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 10 апреля 2015 г. . Получено 4 апреля 2015 г. .
- ^ "SWANA 2012 Excellence Award Application "Landfill Gas Control" Seneca Landfill, Inc" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 марта 2015 г. . Получено 5 апреля 2015 г. .
- ^ ab "Информационный бюллетень по технологиям контроля загрязнения воздуха EPA-452/F-03-021" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 10 апреля 2015 г. . Получено 4 апреля 2015 г. .
- ^ "Термический окислитель". Архивировано из оригинала 2015-09-23 . Получено 2015-08-21 .
- ^ "Беспламенное термическое окисление" (PDF) . Инициатива по предотвращению загрязнения малыми химическими производителями: проект документации по лучшим методам предотвращения загрязнения . Университет Уэйна. Архивировано (PDF) из оригинала 27 апреля 2018 г. . Получено 26 апреля 2018 г. .
- ^ ab "Каталитический окислитель". US EPA Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories & Emissions Factors . Агентство по охране окружающей среды США. Архивировано из оригинала 10 апреля 2015 г. Получено 4 апреля 2015 г.
- ^ Расмуссен, Сёрен (2006). «Характеристика и регенерация Pt-катализаторов, дезактивированных в городских отходах дымовых газов». Applied Catalysis B: Environmental . 69 ( 1–2 ): 10–16 . Bibcode : 2006AppCB..69...10R. doi : 10.1016/j.apcatb.2006.05.009.
