9. VOC & Μονάδες καύσης
Cooper & Alley: Κεφάλαιο 11
2/54VOC‐Incineration
Οργανικές Πτητικές Ουσίες (Volatile organic compounds): υγρά ή στερεά που περιέχουν οργανικό C. Θα πρέπει να θεωρήσουμε την έννοια της τάσης ατμών.
Σημείο ζέσεως: η θερμοκρασία όπου η τάση ατμών ισούται με την ατμοσφαιρική πίεση και έχουμε μετατροπή στην αέρια φάση (για το νερό 100°C)
Σε συνθήκες περιβάλλοντος (Τ=20°C), το νερό δεν βράζει, αλλά εξατμίζεται εάν η ατμόσφαιρα δεν είναι κορεσμένη με νερό (p=0,023 atm)
Τάση ατμών Συμπεριφορά σε δοχείο ανοικτό στην ατμόσφαιρα
Συμπεριφορά σε κλειστό δοχείο
Συμπεριφορά σε κλειστό, αεριζόμενο δοχείο
p>Patm Βράζει έντονα και ψύχεται μέχρι p=Patm
Η εσωτερική πίεση του δοχείου= p
Βράζει έντονα βγάζοντας ατμό από το άνοιγμα
p=Patm Βράζει, με ρυθμό εξάτμισης που εξαρτάται από τη ροή
θερμότητας
Η εσωτερική πίεση του δοχείου= Patm
Βράζει, με ρυθμό εξάτμισης που εξαρτάται από τη ροή θερμότητας, βγάζοντας ατμό από το άνοιγμα
p<Patm Εξατμίζεται αργά στον αέρα Η εσωτερική πίεση του δοχείου μικρότερη από την Patm, εκτός και αν υπάρχει
άλλο αέριο
Η αέρια φάση είναι κυρίως αέρας κορεσμένος με ατμό
Εισαγωγή – τάση ατμών
3/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή – τάση ατμών
Blogp AT
Clausius‐Clapeyron
Blogp AT C
Antoine
Αιθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο, υδράργυρος;
ii i
py xP
Νόμος του Raoult
4/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή – τάση ατμών
Να εκτιμηθεί το κλάσμα νερού στον αέρα (σε κλειστό δοχείο) σε ισορροπία με καθαρό νερό στους 68 F=20°C.
Από την προηγούμενη σελίδα: pi=(0.33/14,7) atm= 0,023 atm
Από εξ. Antoine (Τ σε ºC, p σε mmHg)
Χρησιμοποιώντας το νόμο του Raoult:(xi γραμμομοριακό κλάσμα του i στο υγρό,pi τάση ατμών του καθαρού συστατικού i, P ολική πίεση)
ii i
0,023 atmpy x 1,0 0,023P 1,0 atm
Α Β C
Water 8.07131 1730.63 233.426l 1730.63ogp 8.0713 p 17,5 mmHg 0,023 atm
20 233.426
Το ίδιο για υγρό διάλυμα 50% mol/mol βενζόλιο και 50% τολουόλιο (68 F=20°C)
Από την προηγούμενη σελίδα: pb≈1,5 psiα (για την ακρίβεια 1,45) και pt≈0,4 psiα (=0,42), οπότε:
b1,45 atmy 0,5 0,0491,0 atm
t0,042 psiay 0,5 0,01414,7 psia
5/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή ‐ VOC
Οργανικές Πτητικές Ουσίες ‐Volatile organic compounds (VOC) είναι πτητικές οργανικές ουσίες που συμμετέχουν στις φωτοχημικές αντιδράσεις. Κύρια πηγή ρύπων (τοξικές ή καρκινογόνες, φαινόμενο του θερμοκηπίου)
Πτητική οργανική ένωση (ΠΟΕ): κάθε οργανική ένωση της οποίας το αρχικό σημείο βρασμού, μετρούμενο σε σταθερή πίεση 101,3 kPa, είναι μικρότερο ή ίσο των 250 °C (οδηγία 2004/42/CΕ)
ΗΠΑ: Σε ατμοσφαιρικές συνθήκες η τάση ατμών τους είναι <0,0007 atm με σημείο ζέσεως μέχρι 260°C. [C<12]
Η πλειονότητα των ανθρωπογενών VOC απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα από τις μεταφορές και τις βιομηχανικές δραστηριότητες που χρησιμοποιούν διαλύτες και την πετροχημική βιομηχανία. [ΗC, αλδεϋδες, κετόνες, οργανικές με S κτλ.]
Πολλές μικρές πηγές (ακόμη και φυσικές).
Σχεδόν όλοι οι διαλύτες είναι VOC.
Ρυθμός εξάτμισης: ̴ανάλογος της τάσης ατμών
6/54VOC‐Incineration
Description AbbreviationBoiling Point Range (°C) Example Compounds
Very volatile (gaseous) organic compounds
VVOC <0 to 50‐100 Propane, butane, methyl chloride
Volatile organic compounds VOC 50‐100 to 240‐
260
Formaldehyde, d‐Limonene, toluene, acetone, ethanol (ethyl alcohol) 2‐propanol (isopropyl alcohol), hexanal
Semi volatile organic compounds
SVOC 240‐260 to 380‐400
Pesticides [DDT, chlordane, plasticizers (phthalates), fire retardants (PCBs, PBB)]
Classification of Organic Pollutants (adapted from WHO)
7/54VOC‐Incineration
Εκπομπές VOC στις ΗΠΑ (2013). Πηγή ΕΡΑ.
Εκπομπές VOC στην ΕΕ (2015). http://www.eea.europa.eu
Εισαγωγή – Προέλευση εκπομπών VOC
8/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή – Εκπομπές VOC
NMVOC emissions in the EU‐28: sectoral trends in emissions (EEA Report, No 16/2016)
9/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή – Επιπτώσεις VOC
Ουσίες με ιδιάζουσα οσμή Ερεθίζουν το αναπνευστικό σύστημα και το δέρμα, προκαλούν
πονοκεφάλους, κόπωση κ.α. Πολλές καρκινογόνες, προκαλούν τερατογενέσεις Αντιδρούν με το όζον
10/54VOC‐Incineration
Φωτοχημικό νέφος
PAN: peroxyacytyl nitrate(νιτρικό υπεροξυακετύλιο)
VOCs+NΟx+ ηλιακή ακτινοβολία όζον
11/54VOC‐Incineration
Οργανικές ουσίες που δεν θεωρούνται VOC γιατί δεν συμμετέχουν στη δημιουργία φωτοχημικού νέφους:
ΜεθάνιοΑιθάνιοCFCHFC……
Εισαγωγή ‐ VOCVOC ≠ υδρογονάνθρακες
VOC: Υγρά καύσιμα Διαλύτες, χρώματα Προστατευτικά ξύλου Φορμαλδεΰδη Χλωροφόρμιο Βενζίνη ……
12/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή – VOC: Πολυκυκλικές οργανικές ουσίες
Πολυκυκλικέςαρωματικές ενώσεις
13/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή – VOC: μέθοδοι ελέγχου
Υποκατάσταση του υλικού με ένα άλλο – πολλές φορές δυνατό (υδατοδιαλυτές μπογιές, υπερκρίσιμο CO2 για καθάρισμα κτλ.)
Αποφυγή διαρροών, κυρίως της βενζίνης
Απορρόφηση
Προσρόφηση
Συμπύκνωση και επανάχρηση
Τροποποίηση της διεργασίας για αποφυγή απελευθέρωσης των VOC
Καύση (θερμική/καταλυτική οξείδωση και σε πυρσό ‐ gas‐flaring)
Οξείδωση με όζοn ή UV
Νέες τεχνολογίες: διεργασίες εκφόρτισης κορώνας, ετερογενής φωτοκατάλυση, βιοδιήθηση, τεχνολογία μεμβρανών κ.α.
14/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή – VOC: προεπεξεργασία πριν από τη μέθοδο ελέγχου
Morretti, 2002
15/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή – VOC: επιλογή μεθόδου ελέγχου
Morretti, 2002
Καύση VOC
17/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή ‐ καύση
Η καύση – incineration (ή θερμική ή καταλυτική οξείδωση – thermal / catalytic oxidation) είναι η πλέον χρησιμοποιούμενη (και οικονομική) μέθοδος για τον έλεγχο των εκπομπών (ατμών) VOC. [incinerator=αποτεφρωτήρας, afterburner=μετακαυστήρας, στην περίπτωση που τα αέρια προέρχονται από μία διεργασία στην οποία η καύση είναι ατελής]
Οι αποτεφρωτήρες συχνά χρησιμοποιούνται με επιτυχία για την καύση στερεών ή υγρών σωματιδίων.
Σχεδόν όλα τα VOC μπορούν να καταστραφούν με την καύση (αλλά και οργανικά σωματίδια)
Η καύση χρησιμοποιείται ακόμη για την καταστροφή τοξικών και επικίνδυνων ουσιών και για τον έλεγχο οσμών.
Οι ατμοί VOC μπορεί να βρίσκονται σε πυκνά ρεύματα, οπότε και χρησιμοποιούνται υπερυψωμένοι πυρσοί (elevated flares), ή αραιά μείγματα σε αέρα (θερμική ή καταλυτική οξείδωση)
18/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή ‐ καύση
Τύποι μετακαυστήρων: Θερμικοί και καταλυτικοί Τελικά προϊόντα: (πλήρης καύση) CO2 και H2O Η συνολική μείωση των εκπομπών εξαρτάται και από το βαθμό απόδοσης
του συστήματος συλλογής. Πλεονέκτημα της μεθόδου η υψηλή απόδοση. Επειδή συχνά χρησιμοποιούνται απαγωγοί για τη συγκέντρωση των
ρύπων, η συνολική απόδοση εξαρτάται και από την απόδοση σύλληψης των ρύπων.
Μειονέκτημα της μεθόδου το υψηλό κόστος του καυσίμου. Μερικές φορές τα προϊόντα της καύσης μπορεί να είναι ρύποι (π.χ. οι χλωριωμένοι υδρογονάνθρακες μετατρέπονται σε HCl ή Cl2 και HC με S σε SO2)
Άλλες μέθοδοι ελέγχου είναι η ανάκτηση των VOC με προσρόφηση σε στερεά προσροφητικά, συμπύκνωση, η απορρόφηση από υγρά και η βιολογική οξείδωση.
19/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή ‐ καύση
Schematic of a basic thermal oxidizer (Πηγή: EPA)
20/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή ‐ καύση
Παραδείγματα αντιδράσεων:
CΟ + ½O2 CO2 + θερμότητα (η ατελής καύση πρόβλημα)
C6H6 + 7½O2 6CO2 + 3H2O + θερμότηταΥδρόθειο (όριο οσμής 0,0005 ppm)
Η2S + 3/2O2 SO2 +H2OΑζωτούχες ενώσεις, π.χ. τριμεθυλαμίνη (μία από τις πλέον δύσοσμες ουσίες)
2(CΗ3)3Ν + 11½ H2O 6CO2 + 9H2O +2NO
Το χλώριο μετατρέπεται σε HCl (απαιτείται δέσμευση)
Εξάτμιση κάποιων βαρέων μετάλλων (Zn, Hg, Cd …)
Οι κυριότερες αντιδράσεις που συμβαίνουν κατά την οξείδωση του μεθανίου, του απλούστερο
υδρογονάνθρακα.
x y 2 2 2y yC H x O xCO H O4 2
21/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή ‐ καύση
ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΤΙΚΟ ΟΛΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ (global model)
(11.2)
(11.3)
Γενικά το μηχανιστικό μοντέλο περίπλοκο. Σημαντικός ο ρόλος των ριζών.
Κινητικό Μοντέλο 1ης Τάξης
(11.4)
(11.5)ri= ρυθμός σχηματισμού ή καταστροφής του συστατικού i (mol/L∙s)[ ] = συγκέντρωση (mol/L)HC= γενικό σύμβολο για κάθε υδρογονάνθρακαk= σταθερά ρυθμού (s‐1, L/mol∙s)
HC 1 2
CO 1 2 2 2
r k HC Or xk HC O k CO O
2
x y 2 2
2
x y yC H O xCO H O 2 4 2xxCO O xCO2
22/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή ‐ καύση
Παρουσία περίσσειας Ο2:
(11.6)
(11.7)
Π.χ.: yO2: 0,1‐0,15 yHC:~0,001. Εξίσωση παραγωγής CO2
(11.8)
HC 1
CO 1 2
r k HCr xk HC k CO
CO2 2r k CO
Καμπύλες λόγων συγκέντρωσης – αδιάστατου χρόνου παραμονής σε αντιδραστήρα εμβολικής
ροής για σειρά αντιδράσεων 1:1:1.
2VOC CO CO
23/54VOC‐Incineration
Εισαγωγή ‐ καύση
Σχήμα 11.4. Καμπύλες συγκέντρωσης‐χρόνου σε αντιδραστήρα εμβολικής ροής για την καύση τολουολίου στους 830 °C.
2VOC CO CO
24/54VOC‐Incineration
(1) Οξυγόνο(2) Θερμοκρασία (temperature)(3) Χρόνος (time)(4) Τύρβη (turbulence)
Παράγοντες που επηρεάζουν την καύση
Με τη μείωση ενός από αυτούς τους παράγοντες θα πρέπει να υπάρξει αύξηση των άλλων δύο για να εξασφαλιστεί ο ίδιος βαθμός «πληρότητας» της καύσης. Οι Θ‐Χ‐Τ σχετίζονται με τρεις χαρακτηριστικούς χρόνους, χρόνος αντίδρασης (τc=1/k), χρόνος παραμονής (τr=V/Q=L/u) και χρόνος ανάμιξης(τm=L2/De).
Danielson (1973) για ικανοποιητική καταστροφή: Τ=500‐700 °C t=0,3‐0,5 s u=7‐14 m/s
Πρόσφατα τροποποιήσεις για μεγαλύτερες Τ (Τ=650‐1100 °C) και μεγαλύτερους t (0,2 – 2 s) [Σύμφωνα με το ΕΡΑ απαιτείται t>2 s για την καταστροφή επικίνδυνων οργανικών συστατικών]
Καύσιμο+ Οξειδωτικό+ ανάφλεξη προϊόντα καύσης
25/54VOC‐Incineration
Παράγοντες που επηρεάζουν την καύση
Τυπικές αντιδράσεις:
C + (O2 + N2) CO2 + N2 + O2 + θερμότητα
H2 + (O2 + N2) H2O + N2 + O2 + θερμότητα
CH4 + (O2 + N2) CO2 + H2O + N2 + O2 + θερμότητα
Σημειώνεται ότι η συνολική μείωση των VOC εξαρτάται και από τονβαθμό απόδοσης του συστήματος συλλογής τους (απαγωγούς, διαφράγματα κτλ. – διαφεύγουσες εκπομπές)
26/54VOC‐Incineration
Παράγοντες που επηρεάζουν την καύση ‐ Θερμοκρασία + χρόνος παραμονής
Χρόνος παραμονής ή αύξηση της θερμοκρασίας ;
27/54VOC‐Incineration
http://www.epa.gov/ttncatc1/dir1/low_vo.pdf
Παράγοντες που επηρεάζουν την καύση ‐ Θερμοκρασία + χρόνος παραμονής
28/54VOC‐Incineration
Απαιτείται επάρκεια αέρα για τον έλεγχο της θερμοκρασίας καύσης.
Καύσιμα. Εκατοντάδες απορρεύματα υδρογονανθράκων με επαρκή θερμαντική αξία. Αλλιώς, βοηθητικό καύσιμο πρέπει να προστεθεί.
Απόβλητα που περιέχουν S, N, αλογόνα και ανόργανα‐ Το S (και το Η2S) παράγει SO2 και πιθανόν SO3
‐ Τα αλογόνα παράγουν οξέα: HCl, HF και HBr‐ Το άζωτο σχηματίζει NOx.‐ Έτσι απαιτείται πλυντρίδα για τη δέσμευση των SΟx και των αλογόνων.
Μέταλλα. Τα ανόργανα συστατικά δεν μπορούν να καταστραφούν. Γενικά τα μέταλλα θα εξέλθουν από το θάλαμο καύσης ως οξείδια. Εάν εισέλθουν ως άλατα μπορεί να εξατμιστούν και να εξέλθουν με τα απαέρια. Τα περισσότερα μέταλλα θα μείνουν στην τέφρα, αλλά ορισμένα (As, Sb, Cd, Hg) μπορεί να δημιουργήσουν προβλήματα.
Παράγοντες που επηρεάζουν την καύση
29/54VOC‐Incineration
O Ross (1977) πρότεινε ότι η θερμοκρασία σχεδιασμού πρέπει να είναι αρκετές εκατοντάδες βαθμούς °F πάνω από τη θερμοκρασία αυτανάφλεξης (autoignitiontemperature) των VOC.
Θερμοκρασία αυτανάφλεξης: η θερμοκρασίαστην οποία εύφλεκτα μείγματα VOC στον αέρα θα αναφλεγούν χωρίς εξωτερική πηγή (π.χ.χωρίς σπινθήρα).
Οι Lee και οι συνεργάτες του (Lee et al., 1979 και 1982) ύστερα από πειραματικές μετρήσεις με διάφορα VOC, πρότειναν ένα στατιστικό μοντέλο για την πρόβλεψη των θερμοκρασιών που απαιτούνται για την καταστροφή σε μετακαυστήραεμβολικής ροής.
Πρόβλεψη της κινητικής της καύσης των VOC
Compound Ignition Temperature, ° C
n‐octane 210n‐pentane 285Ethane 425Propane 470Benzene 555Hydrogen 560Carbon monoxide 605Methane 610
30/54VOC‐Incineration
Πρόβλεψη της κινητικής της καύσης των VOC (Cooper et al, 1982)
nAA A
dCr kCdt
CA = συγκέντρωση ρύπουk = «ενεργός» σταθερά του ρυθμούn= τάξη της αντίδρασης
A
A0
C exp ktC
Η εξίσωση Arrhenius για την «ενεργό» σταθερά του ρυθμού πρώτης τάξης (effective first order rate constant) για την καύση υδρογονανθράκων στην περιοχή θερμοκρασιών 940‐1040 Κ.
actE /RTk AeEact: ενέργεια ενεργοποίησης (cal/mol)R: σταθερά αερίων (1,987 cal/mol K)Α: προεκθετικός παράγονταςΤ: απόλυτη θερμοκρασία, Κ
Ο ρυθμός της καύσης, rA, του ρύπου Α
Εάν η συγκέντρωση του ρύπου είναι πολύ μικρότερη από τη συγκέντρωση του Ο2, το n μπορεί να θεωρηθεί 1 (αντίδραση πρώτης τάξης), οπότε
Με τον υπολογισμό του k μπορεί να βρεθεί ο απαιτούμενος t.
31/54VOC‐Incineration
2OZ Sy P
AR
Z’ συντελεστής ρυθμού συγκρούσεων
Ζ’= συντελεστής ρυθμού συγκρούσεωνyO2= μοριακό κλάσμα O2 στον μετακαυστήραP= πίεση (atm)R= σταθερά αερίων (0,08205 L∙atm/mol∙K)S=στερεοχημικός παράγοντας (παίρνει υπόψη ότι ορισμένες συγκρούσεις δεν είναι αποτελεσματικές στη δημιουργία αντιδράσεων λόγω της μοριακής γεωμετρίας)
16SMW
actE 0,00966 MW 46,1 (kcal/mol)
Ο προεκθετικός παράγοντας Α δίνεται από τη σχέση:
Κινητική της καύσης των VOC
Για συγκεκριμένη συγκέντρωση Ο2 μπορούμε να γράψουμε για την ενέργεια ενεργοποίησης:
Μοριακό βάρος HC
32/54VOC‐Incineration
actE 0,00966 MW 46,1
(kcal/mol)
Κινητική της καύσης των VOC
rkτout
in
[HC]n 1 1 e[HC]
τr=χρόνος παραμονής [=L/u]
Η ενέργεια ενεργοποίησης συσχετίζεται με το μοριακό βάρος
Απόδοση καταστροφής HC σε
αντιδραστήρα εμβολικής ροής:
Με τα Α και Ε βρίσκουμε το k για κάθε θερμοκρασία:
33/54VOC‐Incineration
Κινητικές παράμετροι καταστροφής
34/54VOC‐Incineration
Κινητική της καύσης των VOC
Από τον Πίνακα: Α=7,42×1021 και Ε=95900 cal/mol
Άσκηση 1. Να υπολογιστεί η σταθερά του k για το βενζόλιο στους 1000 F.
21act
1
E 95900 cal/molk Aexp 7,42 10 expRT [1,987(cal /mol K)][(1000 460)(R)][K /1,8R]
0,00011 s
Άσκηση 2. Να υπολογιστεί ο χρόνος που απαιτείται για την καταστροφή του 99,9% του βενζολίου στους 1000 F, 1200 F και 1400 F .
nAA
A0A
A0 A
A
1
Για n=1, μπορούμε να ολοκληρώσουμε τη σχέση
CC 1 από t=0 στο t=t και να πάρουμε exp kt t lnC k C
1 1Για τους 1000F t ln 62800s 17,4 hr0,00011(s ) 0,001
Για τους 1200F t 49 sΓι
dCr k
τ
Cd
α
t
ο
υς 1400F t 0,2 s
35/54VOC‐Incineration
Το αέριο ρεύμα με τα VOC παραμένει στη θερμοκρασία για κλάσμα του s ή για >2 s. Θερμοκρασία από το θάλαμο καύσης: 700‐1100°CΑποδόσεις >95% και συχνά >99%.Έχει την ευρύτερη εφαρμογή από όλες τις μεθόδους ελέγχου των VOC. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για κάθε VOC.
Θερμική οξείδωση
Επιλογή της θερμοκρασίας λειτουργίας και του επιθυμητού χρόνου παραμονής.Για την επιλογή της συσκευής: είδος λειτουργίας (συνεχής ή διαλείπουσα), περιεκτικότητα οξυγόνου, συγκέντρωση VOC.Επιθυμητό να διατηρηθεί ο όγκος προς επεξεργασία όσο το δυνατόν μικρότερος.
36/54VOC‐Incineration
Περιορισμοί:Απαίτηση μεγάλων ποσοτήτων καυσίμου για την άνοδο της θερμοκρασίας στα επιθυμητά επίπεδα. Χρήση εναλλακτών για ανάκτηση μέρους της θερμότητας (στους αναθερμαντήρες‐recuperators). Δεν χρησιμοποιείται όταν το αέριο ρεύμα έχει συγκέντρωση VOC που υπερβαίνει το 25% του κατώτερου ορίου εκρηξιμότητας (lower explosive limit, LEL). Στην πράξη <5% LEL.Ανάγκη για πυρίμαχες επενδύσεις.Τα αλογόνα απαιτούν μεγαλύτερο χρόνο παραμονής.
Θερμική οξείδωση
37/54VOC‐Incineration
Substance LEL UEL Acetone 3% 13% Acetylene 2.50% 82% Benzene 1.20% 7.80% Butane 1.80% 8.40% Ethanol 3% 19% Ethylbenzene 1.00% 7.10% Ethylene 2.70% 36% Diethyl ether 1.90% 36% Diesel fuel 0.60% 7.50% Gasoline 1.40% 7.60% Hexane 1.10% 7.50% Heptane 1.05% 6.70% Hydrogen 4% 75% Hydrogen sulfide 4.30% 46% Kerosene 0.60% 4.90% Methane 5.00% 15% Octane 1% 7% Pentane 1.50% 7.80% Propane 2.10% 9.50% Propylene 2.00% 11.10% Styrene 1.10% 6.10% Toluene 1.20% 7.10% Xylene 1.00% 7.00%
Κατώτερο όριο εκρηξιμότητας
38/54VOC‐Incineration
Θερμική οξείδωση
Διάγραμμα ροής για έναν εναλλάκτη θερμότητας για ανάκτηση θερμότητας.
T: temperatureLEL: Lower explosive levelSP: static pressure gauge
39/54VOC‐Incineration
Σχεδιασμός Θερμικού Μετακαυστήρα– Ισοθερμοκρασιακός αντιδραστήρας εμβολικής ροής
PA
G
BA
Ρυπασμένοςαέρας: Καύσιμοαέριο:Αέρας για τηνκαύση:
m
m
m
E
Καυσαέρια: m
Σχηματικό διάγραμμα ενός αποτεφρωτήρα ατμών VOC.(Συμβολισμός των διαφόρων ρευμάτων)
Υπολογισμός της μαζικής ροής του καυσίμου που απαιτείται
40/54VOC‐Incineration
Ισοζύγιο μάζας:
PA BA EG
ΕΙΣΡΟΗ ΕΚΡΟΗm m m m
Ισοζύγιο Θερμότητας (ουσιαστικά ισοζύγιο ενθαλπίας, Η)ΕΙΣΡΟΗ ΘΕΡΜ. = ΕΚΡΟΗ ΘΕΡΜ. + ΑΠΩΛΕΙΕΣ
ΔH: ενθαλπία (ή ειδική ενθαλπία στο βιβλίο, βλ. Πίνακα Β7 στο Παράρτημα)cp: ειδική θερμότηταΤ: θερμοκρασία του αέριου ρεύματοςTo: θερμοκρασία αναφοράς (25°C)
: μαζική παροχή (kg/s, lbm/s)im
p oΗ=c (T‐T )
Σχεδιασμός Θερμικού Μετακαυστήρα– Ισοθερμοκρασιακός αντιδραστήρας εμβολικής ροής
41/54VOC‐Incineration
Ισοζύγιο ενέργειας σε μόνιμες συνθήκες (θεωρώντας ένα είδος VOC)
E E PA PA G G BA BA
G VOC VOC LG,combustion VOC, combustion
m H m H m H m H m H X m H q
X: κλασματική μετατροπή του VOC
Υπόθεση: (1) οι ενθαλπίας όλων των ρευμάτων είναι παρόμοιες με τις ενθαλπίες αέρα στη θερμοκρασία του ρεύματος
(2) ο ρυθμός απωλειών θερμότητας μπορεί να θεωρηθεί ως συνάρτηση της εισερχόμενης θερμότητας
G VOC VOC Lloss G,combustion VOC, combustionq m H X m H f
Συνδυάζοντας τα ισοζύγια μάζας και θερμότηταςfL=κλασματική απώλεια θερμότητας
ΔΗG,comb.: καθαρή θερμότητα καύσης(κατώτερη θερμαντική αξία)
Σχεδιασμός Θερμικού Μετακαυστήρα– Ισοθερμοκρασιακός αντιδραστήρας εμβολικής ροής
42/54VOC‐Incineration
PA BA EG
PA PA BA BAG G
G VOC VOCG,combustion VOC, combustion
LG VOC VOCG,combustion VOC, combustion
m m m Hm H m H m Hm H X m H
m H X m H f
Θερμότητα καύσηςΑνώτερη θερμογόνος αξία (HHV) = Κατώτερη θερμογόνος αξία (LHV) + Λανθάνουσα θερμότητα νερού
L
PA E PA BA E BA VOC VOC VOC, combustionG
E GG,combustion
m ( H H ) m ( H H ) X (1 fL)m Hm
H (1 f ) ( H H )
Έτσι η παροχή της μάζας του καυσίμου προκύπτει:
Σχεδιασμός Θερμικού Μετακαυστήρα– Ισοθερμοκρασιακός αντιδραστήρας εμβολικής ροής
43/54VOC‐Incineration
Σχεδιασμός Θερμικού Μετακαυστήρα– Ισοθερμοκρασιακός αντιδραστήρας εμβολικής ροής
L
L B
PA E PA VOC VOC VOC, combustionG
E BAG,combustion
m ( H H ) X (1 f )m Hm
H (1 f ) (R 1)( H H )
Συχνά ο καυστήρας τροφοδοτείται με αέρα από το εξωτερικό περιβάλλον μαζί με το καύσιμο με προκαθορισμένο λόγο RΒ (δηλ. ) που καθορίζεται από τον κατασκευαστή του καυστήρα. Εάν υποθέσουμε ότι η θερμοκρασίας εισόδου του αέρα και του καυσίμου είναι ίδια (ΤΒΑ=ΤG), τότε έχουμε:
BBA GRm m
44/54VOC‐Incineration
Διαστασιολόγηση θερμικού αποτεφρωτήρα
Διάμετρος θαλάμου καύσης, D:
QΕ= ογκομετρική παροχή καυσαερίων
u = γραμμική ταχύτητα (7‐20 m/s)
τr = χρόνος παραμονής (0,2 ‐ 2,0 s, συνήθως 0,4‐0,9 s)
Μήκος/Διάμετρος = 2 ~ 3
Μήκος θαλάμου καύσης, L
Απαιτείται τυρβώδης ροή και ικανοποιητικός χρόνος παραμονήςΜέση ταχύτητα στη μονάδα: 10‐20 ft/s
E4QDπu
rL uτ
exhaust EE
E
m RTQP(MW)
Γενικά μικρή πτώση πίεσης
45/54VOC‐Incineration
Ο καταλύτης είναι μία ένωση (ή στοιχείο) που επιταχύνει μία αντίδραση χωρίς να υφίσταται ο ίδιος μόνιμες αλλαγές.Μειώνει την απαιτούμενη θερμοκρασία κατά εκατοντάδες βαθμούς και τον απαιτούμενο χώρο.Θερμοκρασία από το θάλαμο καύσης: 220‐550°C.Η απόδοση εξαρτάται από τις ιδιότητες του καταλύτη, τη θερμοκρασία λειτουργίας, την ταχύτητα του ρεύματος.Αποδόσεις >95% και συχνά >99%.Καταλύτης: ευγενές μέταλλο (π.χ. πλατίνα, παλλάδιο)εναποτεθειμένο σε φορέα αλουμίναςή ειδικό κεραμικό υλικό.Ζητούμενο και η χαμηλή πτώση πίεσης.
Καταλυτική οξείδωση
46/54VOC‐Incineration
ΠεριορισμοίΕυαίσθητη συσκευή σε αρκετά μεγάλη συγκέντρωση σωματιδίωνΠτώση πίεσηςΠολλά μέταλλα αντιδρούν αναντιστρεπτά με τον καταλύτη και τον απενεργοποιούν (P, Bi, As, Sb, Hg)
Καταλυτική οξείδωση
47/54VOC‐Incineration
Καταλυτική οξείδωση
Close‐up cross‐section of a catalyst on a honeycomb.
Cutaway of a catalytic oxidizer(ΕΡΑ).
Destruction efficiency curves for selected organic compounds.
48/54VOC‐Incineration
Καταλυτική οξείδωση
Τυπικές αποδόσεις μετατροπής για διάφορους υδρογονάνθρακες σε διάφορες θερμοκρασίες για καταλύτη πλατίνας σε αλουμίνα.
49/54VOC‐Incineration
Πλεονεκτήματα – Μειονεκτήματα
Πλεονεκτήματα της καταλυτικής σε σχέση με τη θερμική οξείδωση
Χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου
Χαμηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας
Χαμηλές ή μέτριες απαιτήσεις μόνωσης
Μειωμένος κίνδυνος φωτιάς
Μειονεκτήματα της καταλυτικής σε σχέση με τη θερμική οξείδωση
Υψηλότερο κόστος αρχικής επένδυσης
Δηλητηρίαση ή απενεργοποίηση καταλύτη
Τα μεγάλα σωματίδια (και οι υγρές σταγόνες) θα πρέπει αρχικά να απομακρυνθούν
Προβλήματα αναγέννησης του καταλύτη
50/54VOC‐Incineration
Κλίνη καταλύτη
Μονόλιθος
Η κλίνη καταλύτη είναι μεταλλικό πλέγμα, μονόλιθος (honeycomb), σφαιρίδια, πελέτες
Τα οργανικά σωματίδια τείνουν να επικάθονται στην καταλυτική επιφάνεια (επικαθίσεις‐ρύπανση επιφανειών‐fouling)
Καταλυτική οξείδωση
51/54VOC‐Incineration
Καταλυτικοί μετατροπείς (αυτοκίνητα)
52/54VOC‐Incineration
Κινητός καταλυτικός μετακαυστήρας VOC.
Καταλυτικός μετακαυστήρας VOC.
Θερμικός μετακαυστήρας VOC.
Φωτογραφίες μετακαυστήρων
53/54VOC‐Incineration
Σύνοψη
Θερμική και καταλυτική οξείδωση για τον έλεγχο των VOC
Κινητική καύσης: απόδοση καταστροφής VOC, σταθερά του ρυθμού
Παράμετροι που επιδρούν στην καταστροφή: θερμοκρασία, χρόνος
παραμονής.
Σχεδιασμός: ισοζύγιο μάζας, ισοζύγιο ενέργειας, παροχή καυσίμου,
διαστάσεις αποτεφρωτήρα.
Καταλυτική καύση: Προβλήματα με επικαθίσεις & σωματίδια
Καύση επικίνδυνων αποβλήτων: προβλήματα με το χλώριο,
μεγαλύτερος χρόνος παραμονής.
54/54VOC‐Incineration
Πυρσοί (Flares)