9. VOC & Μονάδες καύσης

9. VOC & Μονάδες καύσης Εισαγωγή τάση ατμών 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 Cooper & Alley: Κεφάλαιο 11 p>p atm p=p atm Βράζει έντονα και ψύχεται μέχρι p=p atm Βράζει, με ρυθμό εξάτμισης που εξαρτάται από τη ροή θερμότητας Η εσωτερική πίεση του δοχείου= p Η εσωτερική πίεση του δοχείου= P atm p<p atm Εξατμίζεται αργά στον αέρα Η εσωτερική πίεση του δοχείου μικρότερη από την P atm, εκτός και αν υπάρχει άλλο αέριο Βράζει έντονα βγάζοντας ατμό από το άνοιγμα Βράζει, με ρυθμό εξάτμισης που εξαρτάται από τη ροή θερμότητας, βγάζοντας ατμό από το άνοιγμα Η αέρια φάση είναι κυρίως αέρας κορεσμένος με ατμό 2/54 Εισαγωγή τάση ατμών Αιθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο, υδράργυρος; 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: p i =(0.33/14,7) atm= 0,023 atm Από εξ. Antoine (Τ σε ºC, p σε mmhg) 1730.63 logp 8.0713 p 17,5 mmhg 0,023 atm 20 233.426 Χρησιμοποιώντας το νόμο του Raoult: (x i γραμμομοριακό κλάσμα του i στο υγρό, p i τάση ατμών του καθαρού συστατικού i, P ολική πίεση) p P Α Β C Water 8.07131 1730.63 233.426 0,023 atm 1,0 atm i yi xi 1,0 0,023 Το ίδιο για υγρό διάλυμα 50% mol/mol βενζόλιο και 50% τολουόλιο (68 F=20 C) Clausius Clapeyron Από την προηγούμενη σελίδα: p b 1,5 psiα (για την ακρίβεια 1,45) και p t 0,4 psiα (=0,42), οπότε: B logp A T 1,45 atm yb 0,5 0,049 1,0 atm Antoine B logp A T C Νόμος του Raoult y i p i xi P 0,042 psia yt 0,5 0,014 14,7 psia 3/54 4/54

Εισαγωγή VOC Classification of Organic Pollutants (adapted from WHO) 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). Description Very volatile (gaseous) organic compounds Volatile organic compounds Semi volatile organic compounds Abbreviation Boiling Point Range ( C) VVOC <0 to 50 100 VOC SVOC 50 100 to 240 260 240 260 to 380 400 Example Compounds Propane, butane, methyl chloride Formaldehyde, d Limonene, toluene, acetone, ethanol (ethyl alcohol) 2 propanol (isopropyl alcohol), hexanal Pesticides [DDT, chlordane, plasticizers (phthalates), fire retardants (PCBs, PBB)] Σχεδόν όλοι οι διαλύτες είναι VOC. Ρυθμός εξάτμισης: ανάλογος της τάσης ατμών 5/54 6/54 Εισαγωγή Προέλευση εκπομπών VOC Εισαγωγή Εκπομπές VOC Εκπομπές VOC στις ΗΠΑ (2013). Πηγή ΕΡΑ. Εκπομπές VOC στην ΕΕ (2015). http://www.eea.europa.eu NMVOC emissions in the EU 28: sectoral trends in emissions (EEA Report, No 16/2016) 7/54 8/54

Εισαγωγή Επιπτώσεις VOC Φωτοχημικό νέφος VOCs+NΟx+ ηλιακή ακτινοβολία όζον Ουσίες με ιδιάζουσα οσμή Ερεθίζουν το αναπνευστικό σύστημα και το δέρμα, προκαλούν πονοκεφάλους, κόπωση κ.α. Πολλές καρκινογόνες, προκαλούν τερατογενέσεις Αντιδρούν με το όζον PAN: peroxyacytyl nitrate (νιτρικό υπεροξυακετύλιο) 9/54 10/54 Εισαγωγή VOC Εισαγωγή VOC: Πολυκυκλικές οργανικές ουσίες VOC υδρογονάνθρακες Οργανικές ουσίες που δεν θεωρούνται VOC γιατί δεν συμμετέχουν στη δημιουργία φωτοχημικού νέφους: Πολυκυκλικές αρωματικές ενώσεις Μεθάνιο Αιθάνιο CFC HFC VOC: Υγρά καύσιμα Διαλύτες, χρώματα Προστατευτικά ξύλου Φορμαλδεΰδη Χλωροφόρμιο Βενζίνη 11/54 12/54

Εισαγωγή VOC: μέθοδοι ελέγχου Εισαγωγή VOC: προεπεξεργασία πριν από τη μέθοδο ελέγχου Υποκατάσταση του υλικού με ένα άλλο πολλές φορές δυνατό (υδατοδιαλυτές μπογιές, υπερκρίσιμο CO 2 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. Morretti, 2002 13/54 14/54 Εισαγωγή VOC: επιλογή μεθόδου ελέγχου Καύση VOC Morretti, 2002 15/54

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) Εισαγωγή καύση Τύποι μετακαυστήρων: Θερμικοί και καταλυτικοί Τελικά προϊόντα: (πλήρης καύση) CO 2 και H 2 O 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 Cl 2 και HC με S σε SO 2 ) Άλλες μέθοδοι ελέγχου είναι η ανάκτηση των VOC με προσρόφηση σε στερεά προσροφητικά, συμπύκνωση, η απορρόφηση από υγρά και η βιολογική οξείδωση. 17/54 18/54 Εισαγωγή καύση Εισαγωγή καύση Schematic of a basic thermal oxidizer (Πηγή: EPA) Παραδείγματα αντιδράσεων: CΟ + ½O 2 CO 2 + θερμότητα (η ατελής καύση πρόβλημα) C 6 H 6 + 7½O 2 6CO 2 + 3H 2 O + θερμότητα Υδρόθειο (όριο οσμής 0,0005 ppm) Η 2 S + 3/2O 2 SO 2 +H 2 O Αζωτούχες ενώσεις, π.χ. τριμεθυλαμίνη (μία από τις πλέον δύσοσμες ουσίες) 2(CΗ3) 3 Ν + 11½ H 2 O 6CO 2 + 9H 2 O +2NO Το χλώριο μετατρέπεται σε HCl (απαιτείται δέσμευση) Εξάτμιση κάποιων βαρέων μετάλλων (Zn, Hg, Cd ) y y CH x y x O2 xco2 HO 2 4 2 Οι κυριότερες αντιδράσεις που συμβαίνουν κατά την οξείδωση του μεθανίου, του απλούστερο υδρογονάνθρακα. 19/54 20/54

Εισαγωγή καύση Εισαγωγή καύση ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΤΙΚΟ ΟΛΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ (global model) Παρουσία περίσσειας Ο 2 : x y y CH x y O2 xco HO 2 (11.2) 2 4 2 x xco O (11.3) 2 xco2 2 Γενικά το μηχανιστικό μοντέλο περίπλοκο. Σημαντικός ο ρόλος των ριζών. Κινητικό Μοντέλο 1 ης Τάξης rhc k1 HC O2 (11.4) rco xk1 HC O2 k2 CO O2 (11.5) r i = ρυθμός σχηματισμού ή καταστροφής του συστατικού i (mol/l s) [] = συγκέντρωση (mol/l) HC= γενικό σύμβολο για κάθε υδρογονάνθρακα k= σταθερά ρυθμού (s 1, L/mol s) rhc k1 HC rco xk1 HCk2 CO (11.6) (11.7) Π.χ.: y O2 : 0,1 0,15 y HC :~0,001. Εξίσωση παραγωγής CO 2 rco2 k2 CO (11.8) VOCCO CO 2 Καμπύλες λόγων συγκέντρωσης αδιάστατου χρόνου παραμονής σε αντιδραστήρα εμβολικής ροής για σειρά αντιδράσεων 1:1:1. 21/54 22/54 Εισαγωγή καύση Παράγοντες που επηρεάζουν την καύση Καύσιμο+ Οξειδωτικό+ ανάφλεξη προϊόντα καύσης (1) Οξυγόνο (2) Θερμοκρασία (temperature) (3) Χρόνος (time) (4) Τύρβη (turbulence) 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 (τ c =1/k), χρόνος παραμονής (τ r =V/Q=L/u) και χρόνος ανάμιξης (τ m =L 2 /D e ). VOCCO CO 2 Σχήμα 11.4. Καμπύλες συγκέντρωσης χρόνου σε αντιδραστήρα εμβολικής ροής για την καύση τολουολίου στους 830 C. 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] 23/54 24/54

Παράγοντες που επηρεάζουν την καύση Παράγοντες που επηρεάζουν την καύση Θερμοκρασία + χρόνος παραμονής Τυπικές αντιδράσεις: C + (O 2 + N 2 ) CO 2 + N 2 + O 2 + θερμότητα H 2 + (O 2 + N 2 ) H 2 O + N 2 + O 2 + θερμότητα CH 4 + (O 2 + N 2 ) CO 2 + H 2 O + N 2 + O 2 + θερμότητα Σημειώνεται ότι η συνολική μείωση των VOC εξαρτάται και από τον βαθμό απόδοσης του συστήματος συλλογής τους (απαγωγούς, διαφράγματα κτλ. διαφεύγουσες εκπομπές) Χρόνος παραμονής ή αύξηση της θερμοκρασίας ; 25/54 26/54 Παράγοντες που επηρεάζουν την καύση Θερμοκρασία + χρόνος παραμονής Παράγοντες που επηρεάζουν την καύση 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 Η 2 S) παράγει SO 2 και πιθανόν SO 3 Τα αλογόνα παράγουν οξέα: HCl, HF και HBr Το άζωτο σχηματίζει NO x. Έτσι απαιτείται πλυντρίδα για τη δέσμευση των SΟ x 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 http://www.epa.gov/ttncatc1/dir1/low_vo.pdf μέταλλα θα μείνουν στην τέφρα, αλλά ορισμένα (As, Sb, Cd, Hg) μπορεί να δημιουργήσουν προβλήματα. 27/54 28/54

Πρόβλεψη της κινητικής της καύσης των VOC O Ross (1977) πρότεινε ότι η θερμοκρασία σχεδιασμού πρέπει να είναι αρκετές εκατοντάδες βαθμούς F πάνω από τη θερμοκρασία αυτανάφλεξης (autoignition temperature) των VOC. Compound Ignition Temperature, C Θερμοκρασία αυτανάφλεξης: η θερμοκρασία στην οποία εύφλεκτα μείγματα VOC στον αέρα θα αναφλεγούν χωρίς εξωτερική πηγή (π.χ. χωρίς σπινθήρα). n octane 210 n pentane 285 Ethane 425 Propane 470 Benzene 555 Hydrogen 560 Carbon monoxide 605 Methane 610 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 μετακαυστήρα εμβολικής ροής. Πρόβλεψη της κινητικής της καύσης των VOC (Cooper et al, 1982) Ο ρυθμός της καύσης, r A, του ρύπου Α dca n ra kca dt A0 C A = συγκέντρωση ρύπου k = «ενεργός» σταθερά του ρυθμού n= τάξη της αντίδρασης Εάν η συγκέντρωση του ρύπου είναι πολύ μικρότερη από τη συγκέντρωση του Ο 2, το n μπορεί να θεωρηθεί 1 (αντίδραση πρώτης τάξης), οπότε CA expkt C 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. E act : ενέργεια ενεργοποίησης (cal/mol) E act /RT R: σταθερά αερίων (1,987 cal/mol K) k Ae Α: προεκθετικός παράγοντας Τ: απόλυτη θερμοκρασία, Κ Με τον υπολογισμό του k μπορεί να βρεθεί ο απαιτούμενος t. 29/54 30/54 Κινητική της καύσης των VOC Κινητική της καύσης των VOC Ο προεκθετικός παράγοντας Α δίνεται από τη σχέση: ZSy O 2 P A R Ζ = συντελεστής ρυθμού συγκρούσεων y O2 =μοριακό κλάσμα O 2 στον μετακαυστήρα P= 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) 16 S Μοριακό MW βάρος HC Για συγκεκριμένη συγκέντρωση Ο 2 μπορούμε να γράψουμε για την ενέργεια ενεργοποίησης: act E 0,00966 MW 46,1 (kcal/mol) Z συντελεστής ρυθμού συγκρούσεων Η ενέργεια ενεργοποίησης συσχετίζεται με το μοριακό βάρος Eact 0,00966 MW 46,1 (kcal/mol) Με τα Α και Ε βρίσκουμε το k για κάθε θερμοκρασία: Απόδοση καταστροφής HC σε αντιδραστήρα εμβολικής ροής: [HC] n 1 1 e out kτ r τ [HC] r =χρόνος παραμονής [=L/u] in 31/54 32/54

Κινητικές παράμετροι καταστροφής Κινητική της καύσης των VOC Άσκηση 1. Να υπολογιστεί η σταθερά του k για το βενζόλιο στους 1000 F. Από τον Πίνακα: Α=7,42 10 21 και Ε=95900 cal/mol E 95900 cal/mol RT [1,987(cal / mol K)][(1000 460)(R)][K / 1,8R] act 21 k Aexp 7,42 10 exp 0,00011 s 1 Άσκηση 2. Να υπολογιστεί ο χρόνος που απαιτείται για την καταστροφή του 99,9% του βενζολίου στους 1000 F, 1200 F και 1400 F. dca n Για n=1, μπορούμε να ολοκληρώσουμε τη σχέση ra kc A dt CA 1 C A0 από t=0 στο t=t και να πάρουμε expkt t ln CA0 k CA 1 1 Για τους 1000F t ln 62800s 17,4 hr 1 0,00011(s ) 0,001 Για τους 1200F t 49 s Για τους 1400F t 0,2 s 33/54 34/54 Θερμική οξείδωση Θερμική οξείδωση Το αέριο ρεύμα με τα VOC παραμένει στη θερμοκρασία για κλάσμα του s ή για >2 s. Θερμοκρασία από το θάλαμο καύσης: 700 1100 C Αποδόσεις >95% και συχνά >99%. Έχει την ευρύτερη εφαρμογή από όλες τις μεθόδους ελέγχου των VOC. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για κάθε VOC. 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. Περιορισμοί: Απαίτηση μεγάλων ποσοτήτων καυσίμου για την άνοδο της θερμοκρασίας στα επιθυμητά επίπεδα. Χρήση εναλλακτών για ανάκτηση μέρους της θερμότητας (στους αναθερμαντήρεςrecuperators). 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. 35/54 36/54

Κατώτερο όριο εκρηξιμότητας Θερμική οξείδωση 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% T: temperature LEL: Lower explosive level SP: static pressure gauge Διάγραμμα ροής για έναν εναλλάκτη θερμότητας για ανάκτηση θερμότητας. 37/54 38/54 Σχεδιασμός Θερμικού Μετακαυστήρα Ισοθερμοκρασιακός αντιδραστήρας εμβολικής ροής Σχεδιασμός Θερμικού Μετακαυστήρα Ισοθερμοκρασιακός αντιδραστήρας εμβολικής ροής Ρυπασμένος αέρας: m PA Καύσιμο αέριο: m G Αέρας για την καύση: m Υπολογισμός της μαζικής ροής του καυσίμου που απαιτείται BA Σχηματικό διάγραμμα ενός αποτεφρωτήρα ατμών VOC. (Συμβολισμός των διαφόρων ρευμάτων) Καυσαέρια: m E Ισοζύγιο μάζας: ΕΙΣΡΟΗ ΕΚΡΟΗ m m m m PA G BA E m i : μαζική παροχή (kg/s, lb m /s) Ισοζύγιο Θερμότητας (ουσιαστικά ισοζύγιο ενθαλπίας, Η) ΕΙΣΡΟΗ ΘΕΡΜ. = ΕΚΡΟΗ ΘΕΡΜ. + ΑΠΩΛΕΙΕΣ Η=c (T T ) p o ΔH: ενθαλπία (ή ειδική ενθαλπία στο βιβλίο, βλ. Πίνακα Β7 στο Παράρτημα) c p : ειδική θερμότητα Τ: θερμοκρασία του αέριου ρεύματος T o : θερμοκρασία αναφοράς (25 C) 39/54 40/54

Σχεδιασμός Θερμικού Μετακαυστήρα Ισοθερμοκρασιακός αντιδραστήρας εμβολικής ροής Σχεδιασμός Θερμικού Μετακαυστήρα Ισοθερμοκρασιακός αντιδραστήρας εμβολικής ροής Ισοζύγιο ενέργειας σε μόνιμες συνθήκες (θεωρώντας ένα είδος VOC) m EHE m PAHPA m GHGm BAHBA m H X m H q G G,combustion VOC VOC VOC, combustion L ΔΗ G,comb. : καθαρή θερμότητα καύσης (κατώτερη θερμαντική αξία) X: κλασματική μετατροπή του VOC m PA m G m BA HE m PA HPA m G HG m BA HBA m GHG,combustion XVOCm VOCHVOC, combustion m H X m H f G G,combustion VOC VOC VOC, combustion Έτσι η παροχή της μάζας του καυσίμου προκύπτει: L 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 q m H X m H f loss G G,combustion VOC VOC VOC, combustion L f L =κλασματική απώλεια θερμότητας Συνδυάζοντας τα ισοζύγια μάζας και θερμότητας m ( H H ) m ( H H ) X (1fL)m H m G H (1f ) ( H H ) PA E PA BA E BA VOC VOC VOC, combustion Θερμότητα καύσης G,combustion Ανώτερη θερμογόνος αξία (HHV) = Κατώτερη θερμογόνος αξία (LHV) + Λανθάνουσα θερμότητα νερού L E G 41/54 42/54 Σχεδιασμός Θερμικού Μετακαυστήρα Ισοθερμοκρασιακός αντιδραστήρας εμβολικής ροής Διαστασιολόγηση θερμικού αποτεφρωτήρα Συχνά ο καυστήρας τροφοδοτείται με αέρα από το εξωτερικό περιβάλλον μαζί με το καύσιμο με προκαθορισμένο λόγο R Β (δηλ. m BA RBm G ) που καθορίζεται από τον κατασκευαστή του καυστήρα. Εάν υποθέσουμε ότι η θερμοκρασίας εισόδου του αέρα και του καυσίμου είναι ίδια (Τ ΒΑ =Τ G ), τότε έχουμε: m G m ( H H ) X (1f )m H H (1f ) (R 1)( H H ) PA E PA VOC L VOC VOC, combustion G,combustion L B E BA Απαιτείται τυρβώδης ροή και ικανοποιητικός χρόνος παραμονής Μέση ταχύτητα στη μονάδα: 10 20 ft/s Διάμετρος θαλάμου καύσης, D: D 4Q E πu Μήκος θαλάμου καύσης, L L uτ r Q Ε = ογκομετρική παροχή καυσαερίων u = γραμμική ταχύτητα (7 20 m/s) mexhaust RTE QE P(MW) E Μήκος/Διάμετρος = 2 ~ 3 τ r = χρόνος παραμονής (0,2 2,0 s, συνήθως 0,4 0,9 s) Γενικά μικρή πτώση πίεσης 43/54 44/54

Καταλυτική οξείδωση Καταλυτική οξείδωση 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 αλουμίνας ή ειδικό κεραμικό υλικό. Ζητούμενο και η χαμηλή πτώση πίεσης. Περιορισμοί Ευαίσθητη συσκευή σε αρκετά μεγάλη συγκέντρωση σωματιδίων Πτώση πίεσης Πολλά μέταλλα αντιδρούν αναντιστρεπτά με τον καταλύτη και τον απενεργοποιούν (P, Bi, As, Sb, Hg) 45/54 46/54 Καταλυτική οξείδωση Καταλυτική οξείδωση Cutaway of a catalytic oxidizer (ΕΡΑ). Close up cross section of a catalyst on a honeycomb. Destruction efficiency curves for selected organic compounds. Τυπικές αποδόσεις μετατροπής για διάφορους υδρογονάνθρακες σε διάφορες θερμοκρασίες για καταλύτη πλατίνας σε αλουμίνα. 47/54 48/54

Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Καταλυτική οξείδωση Πλεονεκτήματα της καταλυτικής σε σχέση με τη θερμική οξείδωση Μειονεκτήματα της καταλυτικής σε σχέση με τη θερμική οξείδωση Χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου Υψηλότερο κόστος αρχικής επένδυσης Χαμηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας Χαμηλές ή μέτριες απαιτήσεις μόνωσης Μειωμένος κίνδυνος φωτιάς Δηλητηρίαση ή απενεργοποίηση καταλύτη Τα μεγάλα σωματίδια (και οι υγρές σταγόνες) θα πρέπει αρχικά να απομακρυνθούν Κλίνη καταλύτη Μονόλιθος Προβλήματα αναγέννησης του καταλύτη Η κλίνη καταλύτη είναι μεταλλικό πλέγμα, μονόλιθος (honeycomb), σφαιρίδια, πελέτες Τα οργανικά σωματίδια τείνουν να επικάθονται στην καταλυτική επιφάνεια (επικαθίσεις ρύπανση επιφανειών fouling) 49/54 50/54 Καταλυτικοί μετατροπείς (αυτοκίνητα) Φωτογραφίες μετακαυστήρων Κινητός καταλυτικός μετακαυστήρας VOC. Θερμικός μετακαυστήρας VOC. Καταλυτικός μετακαυστήρας VOC. 51/54 52/54

Σύνοψη Πυρσοί (Flares) 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. 53/54 54/54