Een primer op thermische oxidatiemiddelen en de opbouw van deeltjes

Regeneratieve thermische oxidatiemiddelen (RTO's) en andere soorten thermische oxidatiesystemen hebben bewezen een zeer effectieve en energie-efficiënte methode te zijn om vluchtige organische stoffen (VOS) en andere verontreinigende stoffen die door industriële installaties worden uitgestoten, te verminderen. Fijnstof in de emissiestroom kan echter een bijzonder vervelend probleem zijn, wat resulteert in vervuiling en verstopping van mediabedden. Daarom moet zorgvuldige aandacht worden besteed aan het selecteren van de vorm en het materiaal van de warmtewisselingsmedia om mogelijke problemen met deeltjes te verminderen en om een ​​betrouwbare, economische en veilige werking van thermische oxidatiesystemen te garanderen.

Regeneratieve thermische oxidatie
Thermische oxidatiemiddelen zijn in wezen verbrandingsovens die thermisch of katalytisch vervuilende emissies omzetten in kooldioxide en waterdamp. Het oxidatieproces bereikt doorgaans beter dan 99 procent vernietiging/verwijderingsefficiëntie (DRE) niveaus voor VOS, gevaarlijke luchtverontreinigende stoffen (HAPS) en geuren.

Regeneratieve thermische oxidatiemiddelen minimaliseren het brandstofverbruik door de door het systeem gegenereerde warmte te "regenereren" of opnieuw te gebruiken. Ventilatoren zuigen lucht aan uit verfcabine-verzamelsystemen en andere bronnen, en de lucht wordt voorverwarmd door warmtewisselaarmedia tot de thermische oxidatietemperatuur, meestal 1.400 tot 1.600 graden Fahrenheit. De lucht gaat dan naar een verbrandingskamer voor de gespecificeerde verblijftijd (0,5 tot 2,0 seconden), waar een exotherme reactie plaatsvindt, waarbij de VOS worden omgezet in koolstofdioxide en waterdamp. Voordat de hete, gezuiverde lucht wordt afgevoerd naar de atmosfeer, gaat deze door een mediabed om warmte-energie op te vangen die zal worden gebruikt om de binnenkomende lucht voor te verwarmen. Kleppen wisselen de stroom tussen mediabedden voortdurend af:een cyclus met inkomende koele lucht in een mediabed dat zojuist is verwarmd door hete uitlaat, gevolgd door een cyclus met hete uitlaatlucht die door het mediabed stroomt om het opnieuw te verwarmen.

RTO's kunnen werken met thermische efficiënties van 85 tot 99 procent, waardoor de noodzaak om aardgas in de verbrandingskamer te verbranden, wordt verminderd of geëlimineerd. RTO's zijn met name effectief voor processtromen met een lage tot matige oplosmiddelbelasting en kunnen zelfvoorzienend zijn bij matige LEL-niveaus (Lage Lower Explosive Limit). Met andere woorden, zodra het systeem voldoende is verwarmd, kunnen de aardgasbranders worden uitgeschakeld als er voldoende brandbaar gas in de uitlaatstroom aanwezig is.

Andere thermische oxidatiemiddelen
Voor lagere oplosmiddelen, onder de 4 procent LEL, wordt vaak een katalytisch systeem aanbevolen. Een regeneratief katalytisch oxidatiemiddel (RCO) heeft een soortgelijk ontwerp als een RTO, behalve dat de keramische warmtewisselingsmedia die zich het dichtst bij de verbrandingszone bevinden, gecoat of geïmpregneerd zijn met edele metalen die als katalysator fungeren die oxidatie mogelijk maken bij aanzienlijk lagere temperaturen (600 tot 1.000 graden Fahrenheit). Een katalytisch systeem vereist de aanwezigheid van het type VOC's die bij deze lagere temperaturen zullen oxideren. RCO's gebruiken hetzelfde principe als katalysatoren in motorvoertuigen die koolmonoxide en onverbrande koolwaterstoffen oxideren tot kooldioxide en water.

Voor uitlaatstromen met hoge LEL-niveaus kan een eenvoudige thermische oxidator worden gebruikt, zonder enige thermische regeneratiemogelijkheid. In dergelijke gevallen kan een hoge oplosmiddelbelasting de verbranding ondersteunen zonder voorverwarmen en vaak met zeer weinig of geen verbranding van aardgas.

Voor luchtstromen met relatief lage VOS-concentraties kunnen roterende adsorbers worden gebruikt om de stroom te concentreren en het LEL-niveau te verhogen, om het gebruik van een oxidatie-apparaat mogelijk te maken dat kleiner en/of energiezuiniger is. De met verontreinigende stoffen beladen procesuitlaatgassen passeren de roterende adsorptie-eenheid waar de VOS worden geadsorbeerd op zeoliet- of actieve koolmedia. De gezuiverde lucht wordt afgevoerd naar de atmosfeer en het oplosmiddel wordt vervolgens uit de media verwijderd door desorptie met een kleinere stroom hete lucht, die vervolgens wordt afgeleverd aan een oxidatie-apparaat.

Upstream verwijdering van deeltjes
Hoewel oxidatiesystemen voornamelijk worden gebruikt voor de bestrijding van VOS, bevatten alle emissiestromen een bepaalde hoeveelheid fijnstof, en deze deeltjes kunnen leiden tot bedvervuiling, prestatievermindering en zelfs tot gevaarlijke en destructieve branden. Sommige methoden voor het verwijderen van stroomopwaartse deeltjes omvatten cascade (waswater), keerschot en mediafiltratie. Andere, zoals natte en droge elektrostatische stofvangers (ESP) en cycloonstofafscheiders, kunnen deeltjes die de RTO binnendringen verminderen, maar niet elimineren.

Impact van de opbouw van deeltjes
Deeltjes die dieper in het mediabed doordringen, zullen de neiging hebben om af te branden. Chemisch reactieve deeltjes kunnen echter problemen veroorzaken, zelfs als ze diep in de media doordringen.

Een deel van de deeltjes die de RTO binnenkomen, zal zich verzamelen op het koude oppervlak van het mediabed. Afhankelijk van het ontwerp van het medium kan de ophoping van deeltjes snel leiden tot verstopping van het mediabed. Het aansluiten veroorzaakt een aantal belangrijke problemen. Het blokkeren van de luchtstroom resulteert in een stijging van de drukval, waardoor de ventilator met geïnduceerde trek harder moet werken en meer elektriciteit moet verbruiken. De capaciteit van de RTO wordt verminderd, omdat het mediabed minder effectief wordt in het overbrengen van warmte, omdat "dode zones" een kleiner oppervlak betekenen dat wordt blootgesteld aan de luchtstroom en minder mediamassa die beschikbaar is om warmte-energie vast te houden. Bovendien vormt de ophoping van deeltjes een ernstig brandgevaar.

De enige oplossing voor het verhelpen van deze symptomen is het uitwassen of uitbakken van het mediabed, processen die kostbare uitvaltijd met zich meebrengen. Na verloop van tijd neemt de frequentie van wash-out en bake-out procedures typisch toe totdat de enige haalbare oplossing een volledige mediawissel is.

Soorten media
In de afgelopen decennia zijn verschillende soorten warmteoverdrachtsmedia gebruikt voor RTO's. Drie hoofdcategorieën zijn willekeurige verpakking, monolithische gestructureerd blok en gegolfde structuurverpakking.

Willekeurige verpakking. Oorspronkelijk, in de jaren zeventig, werd een grote verscheidenheid aan willekeurige verpakkingsmaterialen gebruikt in RTO's, waaronder grind, keramische ballen en allerlei soorten vormen. Het verpakkingsmateriaal werd willekeurig in de RTO gedumpt om een ​​mediabed te vormen. Willekeurige opstelling had de voorkeur om nesten te voorkomen die de stroming zouden vernauwen en dode gebieden zouden veroorzaken die deeltjes verzamelen.

In de jaren tachtig ontdekten RTO-fabrikanten en -eigenaren dat de keramische "zadels" die waren ontwikkeld voor chemische massaoverdrachtsoperaties, een optimale vorm gaven voor RTO-willekeurige pakking. In vergelijking met andere soorten willekeurige pakkingen, minimaliseerde de zadelvorm de drukval (voor een lager elektriciteitsverbruik door de inductieventilator) en een gemaximaliseerd oppervlak (voor een hogere efficiëntie van de warmteoverdracht).

In de loop der jaren hebben RTO-medialeveranciers het ontwerp van keramische zadels verfijnd. Koch Knight LLC heeft bijvoorbeeld een uniek drie-ribs Low Pressure Drop FLEXISADDLE Random Packing-ontwerp (of LPD Random Packing) ontwikkeld, dat een hoog open oppervlak en een aerodynamisch ontwerp biedt dat nesting beperkt en de drukval met 20 procent vermindert in vergelijking met standaardzadel media.

Verschillende fabrikanten coaten of impregneren dit LPD-zadel met een metaalkatalysator voor gebruik in RCO's. De pakking is ook verkrijgbaar in een glazuurbestendige aluminiumoxide om blootstelling aan alkalische chemische aantasting te weerstaan, die het gevolg kan zijn van het reinigen van chemische dampen of de metaalzouten die worden gebruikt bij galvanisatietoepassingen.

Monoliet gestructureerd blok. Een ander alternatief voor zeer schone, fijnstofarme stromen, zoals de geïmporteerde Cordieriet keramische honingraatmonoliet, is beschikbaar. Monolietblok is een vorm van gestructureerde verpakking die in een formele opstelling wordt geplaatst in plaats van willekeurig te worden gedumpt. Cellen strekken zich door het blok uit in een recht kanaal loodrecht op het koude gezicht.

Het voordeel van dit ontwerp is dat het in theorie een recht, aerodynamisch kanaal voor de luchtstroom biedt. Het nadeel is dat als deeltjes een kanaal verstoppen bij het koude vlak, waar de instroom het blok binnenkomt, dit hele kanaal een dode zone wordt.

Gegolfde gestructureerde verpakking. De meest geavanceerde keramische warmtewisselingsmedia voor RTO's is een gestructureerde pakking van golfkarton. Deze verpakking is gemaakt van golfplaten van keramiek. De hellingshoek van de golvingen van aangrenzende platen is omgekeerd, wat zorgt voor een uitstekende verdeling van de luchtstroom door het mediabed. Zelfs als een gebied van het mediabed verstopt zou raken door deeltjes, voorkomt het mengende en verspreidende effect van de alternerende golving neerwaartse zones boven het verstopte gebied.

Veldstudies hebben aangetoond dat RTO's met een gestructureerde pakking van golfkarton na installatie dezelfde hoeveelheid aardgas verbruiken als RTO's met een monoliet gestructureerd blok, hoewel de eerste een superieure luchtstroomverdeling heeft en de laatste een iets hogere warmteopslagcapaciteit heeft. Het voordeel van de gegolfde oplossing wordt in de loop van de tijd dramatisch vanwege het enorm superieure vermogen om vervuiling te weerstaan ​​die wordt veroorzaakt door de ophoping van deeltjes.

Levenslange bedrijfskosten
Eigenaars van thermische oxidatiemiddelen hebben een aantal opties tot hun beschikking bij het installeren van een nieuw systeem of het vervangen van het mediabed van een bestaand systeem. Voor VOS-reductiesystemen in de afwerkingsindustrie, waar deeltjes een probleem kunnen zijn, moet een gestructureerde pakking van golfkarton worden overwogen. Deze geavanceerde oplossing kost misschien meer om aan te schaffen en te installeren, maar biedt een lagere drukval, een hogere efficiëntie van de warmteoverdracht, een betrouwbaardere werking en een langere levensduur in vergelijking met de alternatieve media. Alleen al de aanzienlijke vermindering van het energieverbruik op de lange termijn kan de extra kosten van het installeren van geavanceerde warmtewisselingsmedia ruimschoots opwegen.

Over de auteur:
Paul Sims is de verkoopmanager van de regio Zuidoost bij Koch Knight LLC. U kunt contact met hem opnemen via [email protected].