Chemische Behandlungsmethoden und gasförmige Schadstoffe

Dieser Artikel beleuchtet die drei wichtigsten chemischen Behandlungsmethoden, die zur Reinigung gasförmiger Schadstoffe verwendet werden. Die Methoden sind: 1. Thermische Verbrennung 2. Katalytische Verbrennung und 3. Biooxidation.

Methode Nr. 1: Thermische Verbrennung:

Von den drei zur Oxidation von VOCs verwendeten Methoden findet die thermische Verbrennung bei etwa 650 ° C oder höherer Temperatur statt, während die anderen bei einer niedrigeren Temperatur durchgeführt werden. Für die Verbrennung, dh Verbrennung von zwei Bestandteilen, nämlich einer brennbaren Substanz und Sauerstoff, sind erforderlich.

Die in einem Abgasstrom enthaltenen VOCs stellen die brennbare Komponente dar und der Luftsauerstoff dient als anderer Bestandteil. Die Hauptprodukte eines Verbrennungsprozesses sind CO 2, H 2 O. Eine gewisse Menge an NO x und SO x wird ebenfalls produziert. Einige organische Verbindungen können auch im Produktstrom vorhanden sein, wenn das Verfahren unvollständig ist.

Um eine vollständige Verbrennung zu erreichen, d. H. Für eine vollständige Oxidation von VOCs (Schadstoffen), ist es notwendig, einen Überschuss an Luft (Sauerstoff) über dem stöchiometrisch erforderlichen Wert bereitzustellen, da die Bestandteile vor und während der Verbrennung unvollständig gemischt werden. Damit der Prozess sich selbst hält, sollte das Gemisch in Bezug auf die brennbaren Komponenten weder zu mager noch zu fett sein. Die Grenzzusammensetzungen werden als untere und obere Explosionsgrenze bezeichnet.

Zwischen diesen Grenzen erfolgt die Verbrennung bei der Zündung, kann jedoch explodieren, wenn der Prozess nicht ordnungsgemäß gesteuert wird. Die Zahlenwerte der unteren und oberen Explosionsgrenzen eines Gemisches hängen von den im Gemisch vorhandenen Brennstofftypen ab. Es ist jedoch darauf zu achten, dass der Sauerstoffgehalt in der Mischung niemals unter 15% liegt.

Der Fertigstellungsgrad einer Verbrennungsreaktion hängt von der Temperatur, der Verweilzeit und der Turbulenz in der Verbrennungszone ab. Ein geringerer Fertigstellungsgrad würde das Vorhandensein unverbrannter organischer Verbindungen (Schadstoffe) im behandelten Abwasser bedeuten. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt mit der Temperaturerhöhung. Bei einer höheren Temperatur wäre die zur vollständigen Verbrennung erforderliche Verweilzeit (in der Brennkammer) kürzer.

Mit anderen Worten, bei einer höheren Temperatur würde eine kleinere Kammer die Arbeit erledigen. Um eine höhere Temperatur aufrechtzuerhalten, kann Zusatzkraftstoff erforderlich sein, wenn die im Gemisch vorhandenen brennbaren Bestandteile keinen ausreichenden Heizwert haben. Der Heizwert eines Gemisches hängt von der Konzentration der im Gemisch vorhandenen brennbaren Stoffe ab.

Beim Entwerfen einer thermischen Verbrennungsanlage kann eine der folgenden drei Arten von Situationen auftreten:

Tippe I:

Das zu behandelnde Gas hätte einen ausreichenden Heizwert und daher wäre kein Hilfskraftstoff erforderlich, sondern Luft (Sauerstoff) muss zugeführt werden. Eine solche Situation impliziert, dass das Gemisch eine Zusammensetzung oberhalb der oberen Explosionsgrenze haben würde.

Typ-II:

Das Gas darf weder Hilfskraftstoff noch Luft benötigen, dh seine Zusammensetzung würde sich zwischen der unteren und der oberen Explosionsgrenze befinden. Ein solches Gas sollte sorgfältig gehandhabt werden, da die Flamme sonst zurückschlagen kann, dh sich von der Verbrennungskammer zu ihrer Quelle ausbreiten kann.

Typ-Ill:

Das Gas hat möglicherweise keinen ausreichend hohen Heizwert, um die gewünschte Temperatur in der Brennkammer aufrechtzuerhalten. Dies impliziert, dass die Gemischzusammensetzung unterhalb ihrer unteren Explosionsgrenze liegen würde. Für die Verbrennung eines solchen Gases wäre ein Hilfskraftstoff erforderlich, um den Verbrennungsprozess aufrechtzuerhalten.

Ein Gasgemisch vom Typ I hätte einen relativ hohen Heizwert und kann daher als Brennstoff gewinnbringend eingesetzt werden. Es kann in einem Kesselofen oder einem Prozessheizer oder einer ordnungsgemäß ausgebildeten Brennkammer mit einer Anordnung zum Zuführen einer ausreichenden Luftmenge verbrannt werden. Die Grundausrüstung für die Verbrennung eines Gasgemisches vom Typ I ist ein Brenner mit niedrigem NOx-Gehalt.

Wenn jedoch keine Möglichkeit besteht, die während der Verbrennung erzeugte Wärme auszunutzen, kann das Gasgemisch aufgeweitet werden, das heißt, der Verbrennungsprozess wird in einer offenen Atmosphäre durchgeführt, in der atmosphärische Turbulenzen Sauerstoff für die Verbrennung liefern und das Mischen fördern. Das Gerät wird als Flare-Stack bezeichnet.

Es ist ein Schornstein, an dessen Basis das Gas eingeleitet wird. Das Gas strömt den Stapel hinauf und trifft beim Austritt auf eine Zündflamme. Die Pilotflamme wird mit einem vorgemischten Brenngas-Luft-Gemisch gehalten. Sie dient zum Zünden des Gasgemisches sowie zur Verankerung der entstehenden Flamme. Die Verbrennungsprodukte einschließlich derer, die aus einer unvollständigen Verbrennung resultieren, werden direkt in die Atmosphäre abgegeben.

Die Verbrennungsprodukte können neben CO 2 und H 2 O HC (Kohlenwasserstoffe), CO und einige stabile Zwischenprodukte wie NO x, SO 2, HCl und Kohlenstoffpartikel einschließen. Die Verbrennungseffizienz kann durch Vormischen des Gases verbessert werden mit Luft und / oder durch Einblasen von Dampf in der Nähe der Flamme verbrannt werden, was Turbulenzen fördern würde. Die bei der Verbrennung entstehende Wärme wird verschwendet.

Die Hauptüberlegung für die Auswahl einer Flammenstelle und die Schätzung der Stapelhöhe sollte die Sicherheit des Bedienungspersonals der Anlage und der Ausrüstung um die Fackel vor der Intensität der radioaktiven Wärme sein. Eine Fackel sollte an einem Ort mit ausreichendem Freiraum um sie herum platziert werden, damit sich ein Mann bei Bedarf vor der Fackelhitze sicher bewegen kann.

Bei der Schätzung der Höhe des Flammenstapels sollte die maximale radioaktive Wärmeintensität berücksichtigt werden, der die Prozessausrüstung (insbesondere Erdöl- und Erdölfraktions-Lagertanks) um den Stapel herum ausgesetzt werden kann. Der Durchmesser eines Stapels ist basierend auf dem erwarteten maximalen Volumenstrom des Gasgemisches und seiner Flammengeschwindigkeit zu berechnen.

Die anderen für die Berechnung der Stapelhöhe und des Durchmessers erforderlichen Daten sind Umgebungstemperatur, der durchschnittliche Heizwert der VOC-Mischung, das durchschnittliche Molekulargewicht, die Dichte und das Flammenemissionsvermögen sowie die durchschnittliche Windgeschwindigkeit auf der Stapelhöhe.

Abbildung 4.16 zeigt eine schematische Darstellung eines Flare-Stacks.

Es sei hier darauf hingewiesen, dass Fackeln nur für konzentrierte Abgasströme mit hohem Volumen verwendet werden dürfen.

Das Gasgemisch des Typs II sollte sorgfältig behandelt werden, da es sich um explosive Gemische handelt. Ein solches Gemisch sollte mit Luft oder einem Inertgas verdünnt werden, um die Gemischzusammensetzung vor der Verbrennung unter ihre untere Explosionsgrenze zu bringen. Für die Verbrennung des verdünnten Gemisches kann eine gewisse Menge eines Hilfskraftstoffs erforderlich sein.

Es mag paradox erscheinen, dass ein brennbares Gemisch mit Hilfe eines zusätzlichen Brennstoffs verdünnt und anschließend verbrannt wird. Aus Sicherheitsgründen ist dies jedoch zwingend erforderlich. Wenn das verdünnte Gemisch in einem Kesselofen oder einem Prozessheizgerät verbrannt wird, wäre kein Hilfskraftstoff erforderlich.

Wenn das ursprüngliche Gasgemisch ohne Verdünnung in einer Brennkammer verbrannt werden soll, müssen die folgenden Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden:

(a) Zur Verdichtung des Gemisches vor dem Einleiten in eine Verbrennungsanlage sollte ein Dampfstrahlejektor verwendet werden. Mechanische Geräte sollten nicht verwendet werden, da Reibungswärme eine Explosion verursachen kann.

(b) Um ein Zurückschlagen der Flamme von einer Verbrennungsanlage zu verhindern, müssen die nachstehend aufgeführten Maßnahmen getroffen werden.

(i) In der Gasleitung (die zum Verbrennungsofen führt) müssen Flammensperren wie Siebe mit Lochblechen versehen werden.

(ii) Der ausgewählte Rohrdurchmesser sollte so sein, dass die Gasgeschwindigkeit durch das Rohr höher ist als die theoretische Flammengeschwindigkeit des Gemisches.

(iii) Das Gasgemisch muss einen Dichtungstopf passieren.

Die Handhabung und Verbrennung von Gasgemischen des Typs III sind aus Sicherheitsgründen kein Problem. Für den gewünschten Zerstörungsgrad des in einem solchen Gasgemisch vorhandenen brennbaren Stoffes (Schadstoffs) ist es in eine mit einem Zusatzbrennstoff befeuerte Brennkammer einzuspritzen und auf der erforderlichen Temperatur zu halten. Die richtige Turbulenz und Sauerstoffkonzentration sollten in der Verbrennungsanlage aufrechterhalten werden.

Ein Verbrennungsofen, der zur Verbrennung eines Gasgemisches vom Typ III verwendet werden soll, kann ein Kasten oder eine zylindrische Kammer sein, an deren einem Ende sich ein Gas- oder Ölbrenner befindet. Das zu verbrennende Gasgemisch wird in der Nähe des Brenners eingeführt, so dass es sich leicht mit den Verbrennungsprodukten vermischt und dadurch die erforderliche Temperatur erreicht.

Turbulenzförderer können verwendet werden, um die Verbrennungsprodukte und das zu verbrennende Gas schnell zu vermischen. Die Selbstentzündungstemperatur jedes der vorhandenen Schadstoffe sollte aus der Literatur ermittelt werden. Die Betriebstemperatur der Verbrennungsanlage sollte mindestens einige hundert Grad über der höchsten Selbstentzündungstemperatur der vorhandenen Komponenten liegen. Das Verbrennungskammervolumen (V) kann unter Verwendung der Beziehung näherungsweise geschätzt werden.

V = tx Q

wobei Q = Volumenstrom der Verbrennungsprodukte bei der Betriebstemperatur und t = erforderliche Verweilzeit in der Verbrennungsanlage.

Bei etwa 750 ° C kann die erforderliche Verweilzeit etwa 0, 01 s betragen. Um 650 ° C muss die Verweilzeit von 0, 01 Sekunden auf 0, 1 Sekunden erhöht werden, um den gleichen Grad der Zerstörung der Schadstoffe zu erreichen.

Verfahren Nr. 2. Katalytische Verbrennung:

Die katalytische Verbrennung ist auch ein Oxidationsprozess ähnlich der thermischen Verbrennung. Der Prozess findet jedoch bei einer viel niedrigeren Temperatur statt als bei der thermischen Verbrennung. Folglich ist der zusätzliche Kraftstoffbedarf geringer. Die verwendeten Katalysatoren sind feste Teilchen, entweder als solche oder auf einem inerten Keramikmaterial geträgert.

Da die Reaktanten und die Produkte gasförmig sind, läuft der Prozess durch die folgenden Schritte ab:

1. Diffusion von Schadstoff- und Sauerstoffmolekülen aus der Gasphase zur Katalysatoroberfläche

2. Adsorption der Reaktandenmoleküle an der Katalysatoroberfläche

3. Reaktion der adsorbierten Moleküle

4. Desorption der Produktmoleküle von der Katalysatoroberfläche und schließlich

5. Diffusion der Produktmoleküle zur Masse der Gasphase.

Normalerweise werden zwei Arten von Katalysatoren verwendet:

(i) Edelmetall wie Platin, Palladium allein oder in Kombination, getragen von Nickellegierung oder Aluminiumoxid oder Keramik,

(ii) unedle Metalle oder Metalloxide, wie Aluminium, Chrom, Cobalt, Kupfer, Eisen, Mangan, Vanadium, Zink, geträgert oder nicht geträgert.

Der zweite Katalysatortyp ist billiger und lässt sich leicht herstellen.

Metallische Träger haben im Allgemeinen die Form eines Bandes, auf dem der Katalysator abgeschieden wird. Die Bänder werden dann gekräuselt und zu einer Matte geformt.

Keramikträger können entweder in Form von Pellets oder einer Wabenstruktur vorliegen.

Der Katalysator wird manchmal mit einer als Promotor bekannten Substanz vermischt, die die Katalysatoraktivität durch Modifizieren der Katalysatorkristallstruktur und -größe erhöht.

Die gewünschten Eigenschaften eines Katalysators sind:

(i) hohe Aktivität bei niedrigerer Temperatur,

(ii) strukturelle Stabilität,

(iii) Abriebbeständigkeit und

(iv) niedriger Druckabfall über dem Katalysatorbett.

Die Katalysatoraktivität nimmt sehr oft mit der Verwendung ab. Dies kann passieren, weil:

(1) chemische Reaktion zwischen Katalysatorteilchen und einigen Substanzen, wie Wismut, Arsen, Antimon, Zink, Blei, Zinn, Quecksilber, Phosphor, Halogenen usw., auch wenn diese in Spuren in Abgasen vorhanden sind,

(2) Adsorption einiger Chemikalien (Chemisorption) an der Katalysatoroberfläche und

(3) Physikalische Beschichtung der Katalysatoroberfläche mit teerartigen Substanzen.

Der Katalysator leidet auch an Aktivität infolge von Alterung. Dies kann auf eine Änderung der Kristallstruktur von Metall (Katalysator) aufgrund von Erosion, Verdampfung und Abrieb zurückzuführen sein. Die Lebensdauer des Katalysators beträgt normalerweise 3 bis 5 Jahre.

Ein katalytischer Verbrennungsofen kann aus folgenden Komponenten / Abschnitten bestehen:

(1) Vorwärmabschnitte

(2) einen Brenner,

(3) eine Mischkammer

(4) ein Katalysatorbett

(5) ein Gebläse.

Ein schematisches Diagramm einer katalytischen Verbrennungsanlage ist in Abb. 4.17 dargestellt.

Ein katalytischer Verbrennungsofen arbeitet auf die unten beschriebene Weise.

Ein ankommender Schadstoff tragender Gasstrom kann vorgewärmt werden, bevor er in die Mischkammer eingespeist wird. In der Mischkammer wird der Gasstrom mit dem heißen Rauchgas des Brenners gemischt, so dass das Gemisch die Temperatur erreichen kann, bei der eine katalytische Oxidation stattfinden würde. Der Zweck des Brenners wäre es, die Wärme zu erzeugen, die erforderlich ist, um die Mischkammer und das Katalysatorbett auf der gewünschten Temperatur zu halten. Der Brennstoff kann entweder ein Gas oder ein Öl sein.

Das Katalysatorbett ist so angeordnet, dass der mit heißem Rauchgas vermischte Zulaufstrom das Bett passieren muss und kein Teil das Bett überbrücken darf. Es sollte so an der Brennkammer angebracht sein, dass dieselbe zum Reaktivieren oder Austauschen leicht herausgenommen werden kann. Es kann erforderlich sein, ein Gebläse einzubauen, um die Druckverluste an verschiedenen Abschnitten der Verbrennungsanlage zu überwinden.

Eine vollständige Zerstörung der in einem Abgasstrom vorhandenen Schadstoffe ist in einer Verbrennungsanlage schwer zu erreichen und kann nicht erforderlich sein. Bei einer Zerstörung von 98 bis 99 Prozent kann die Schadstoffkonzentration auf die zulässige Emissionsgrenze gesenkt werden. Die meisten VOC erzeugen bei vollständiger Verbrennung CO 2 und H 2 O.

Durch unvollständige Verbrennung kann auch etwas Kohlenmonoxid entstehen. Einige VOCs können bei der Verbrennung Schadstoffe wie SO 2, SO 3, Halogene und halogenierte Verbindungen wie Cl 2, HCL erzeugen. Es kann erforderlich sein, den Abgasstrom der Verbrennungsanlage vor der endgültigen Entsorgung zu behandeln (um die oben genannten Schadstoffe zu entfernen).

Methode # 3. Biooxidation:

Die Biooxidation eines Schadstoffgasstroms kann durchgeführt werden, wenn

(i) Die vorhandenen Schadstoffe sind biologisch abbaubar.

(ii) der Strom enthält keine Schadstoffe, die für aerobe Bakterien toxisch sind, und

(iii) Der Volumenstrom des Stromes ist nicht hoch.

Dieses Verfahren ähnelt dem Verbrennungsverfahren in dem Sinne, dass die Hauptprodukte der Oxidation CO 2 und H 2 O sein würden. Das Verfahren findet jedoch bei Umgebungstemperatur statt und die abgegebene Wärme wird leicht abgeführt.

Es wird durchgeführt, indem ein Schadstoff tragender Gasstrom, der mit einer ausreichenden Luftmenge gemischt ist, durch ein Bett aus porösem Boden geleitet wird, der mit den richtigen Arten von aeroben Mikroben vorgeimpft wurde. Die Mikroben verwenden die VOCs für ihre metabolische Aktivität. Der hierfür benötigte Sauerstoff wird der Luft entzogen. Die Bettgröße sollte so bemessen sein, dass eine ausreichende Kontaktzeit zum Erreichen des gewünschten Ausmaßes der Schadstoffzerstörung vorhanden ist.

Die Hauptvorteile dieses Prozesses gegenüber den Verbrennungsprozessen sind:

(i) kein zusätzlicher Kraftstoff erforderlich ist,

(ii) Es ist keine kostspielige Prozessausrüstung erforderlich und

(iii) Der Steuerung des Prozesses ist sehr wenig Aufmerksamkeit zu widmen.

Der Hauptnachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass im Vergleich zu dem für die Verbrennungsprozesse erforderlichen Raum mehr Raum in Form von Bettvolumen bereitgestellt werden muss.


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