Eine Grundierung gegen thermische Oxidationsmittel und Partikelablagerungen

Regenerative thermische Oxidationsanlagen (RTOs) und andere Arten von thermischen Oxidationssystemen haben sich als hochwirksame und energieeffiziente Methode zur Reduzierung flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) und anderer Schadstoffe, die von Industrieanlagen emittiert werden, erwiesen. Partikel im Emissionsstrom können jedoch ein besonders ärgerliches Problem sein, das zum Verschmutzen und Verstopfen von Medienbetten führt. Daher sollte der Auswahl der Form und des Materials des Wärmeaustauschmediums besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden, um potenzielle Probleme mit Partikeln zu mindern und einen zuverlässigen, wirtschaftlichen und sicheren Betrieb von thermischen Oxidationssystemen zu gewährleisten.

Regenerative thermische Oxidation
Thermische Oxidatoren sind im Wesentlichen Verbrennungsanlagen, die schadstoffbeladene Emissionen thermisch oder katalytisch in Kohlendioxid und Wasserdampf umwandeln. Der Oxidationsprozess erreicht in der Regel mehr als 99 Prozent Zerstörungs-/Entfernungseffizienz (DRE) für VOCs, gefährliche Luftschadstoffe (HAPS) und Gerüche.

Regenerative thermische Oxidationsmittel minimieren den Kraftstoffverbrauch, indem sie die vom System erzeugte Wärme „regenerieren“ oder wiederverwenden. Ventilatoren saugen Luft aus Lackierkabinen-Sammelsystemen und anderen Quellen, und die Luft wird durch Wärmetauschermedien auf die Temperatur der thermischen Oxidation von typischerweise 1.400 bis 1.600 Grad Fahrenheit vorgewärmt. Anschließend gelangt die Luft für die angegebene Verweilzeit (0,5 bis 2,0 Sekunden) in eine Brennkammer, in der eine exotherme Reaktion stattfindet, bei der die VOCs in Kohlendioxid und Wasserdampf umgewandelt werden. Bevor die heiße, gereinigte Luft an die Atmosphäre abgegeben wird, strömt sie durch ein Medienbett, um Wärmeenergie aufzufangen, die zum Vorwärmen der einströmenden Luft verwendet wird. Ventile wechseln ständig die Strömung zwischen den Medienbetten:ein Zyklus mit einströmender kalter Luft in ein Medienbett, das gerade durch heiße Abluft erhitzt wurde, gefolgt von einem Zyklus mit heißer Abluft, die durch das Medienbett strömt, um es wieder aufzuheizen.

RTOs können mit thermischen Wirkungsgraden von 85 bis 99 Prozent betrieben werden, wodurch die Notwendigkeit, Erdgas in der Brennkammer zu verbrennen, reduziert oder eliminiert wird. RTOs sind besonders effektiv für Prozessströme mit geringer bis mäßiger Lösungsmittelbeladung und können bei moderaten unteren Explosionsgrenzen (UEG) selbsterhaltend sein. Mit anderen Worten, sobald das System ausreichend aufgeheizt ist, können die Erdgasbrenner abgeschaltet werden, wenn genügend brennbares Gas im Abgasstrom vorhanden ist.

Andere thermische Oxidationsmittel
Bei geringeren Lösungsmittelbelastungen unter 4 % UEG wird oft ein katalytisches System empfohlen. Ein regenerativer katalytischer Oxidator (RCO) hat ein ähnliches Design wie ein RTO, außer dass das der Verbrennungszone am nächsten liegende keramische Wärmeaustauschmedium mit Edelmetallen beschichtet oder imprägniert ist, die als Katalysator fungieren und eine Oxidation bei deutlich niedrigeren Temperaturen (600 bis 1.000 .) ermöglichen Grad Fahrenheit). Ein katalytisches System erfordert die Anwesenheit von VOCs, die bei diesen niedrigeren Temperaturen oxidieren. RCOs nutzen das gleiche Prinzip wie Katalysatoren in Kraftfahrzeugen, die Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser oxidieren.

Für Abgasströme mit hohen UEG-Werten kann ein einfacher thermischer Oxidator ohne jegliche thermische Regenerationsfähigkeit verwendet werden. In solchen Fällen kann eine hohe Lösungsmittelbeladung die Verbrennung ohne Vorwärmen und oft mit sehr geringer oder keiner Verbrennung von Erdgas unterstützen.

Für Luftströme mit relativ niedrigen VOC-Konzentrationen können Rotationsadsorber verwendet werden, um den Strom zu konzentrieren und den UEG-Wert zu erhöhen, um die Verwendung einer kleineren und/oder energieeffizienteren Oxidationsvorrichtung zu ermöglichen. Das schadstoffbeladene Prozessabgas passiert die Rotationsadsorptionseinheit, in der die VOCs an Zeolith- oder Aktivkohlemedien adsorbiert werden. Die gereinigte Luft wird in die Atmosphäre abgelassen und das Lösungsmittel wird dann durch Desorption mit einem kleineren Strom heißer Luft aus den Medien entfernt, die dann einer Oxidationsvorrichtung zugeführt wird.

Vorgelagerte Partikelentfernung
Obwohl Oxidationssysteme hauptsächlich zur Reduzierung von VOCs verwendet werden, enthalten alle Emissionsströme eine gewisse Menge an Partikeln, und diese Partikel können zu Bettverschmutzung, Leistungsverschlechterung und sogar zu gefährlichen und zerstörerischen Bränden führen. Einige Verfahren der vorgeschalteten Partikelentfernungsverfahren umfassen Kaskaden- (Wasserwäsche), Prallblech- und Medienfiltration. Andere, wie z. B. elektrostatische Nass- und Trockenabscheider (ESP) und Zyklon-Staubabscheider, können Partikel, die in die RTO gelangen, reduzieren, aber nicht eliminieren.

Auswirkungen der Partikelbildung
Partikel, die tiefer in das Medienbett eindringen, neigen zum Abbrennen. Chemisch reaktive Partikel können jedoch auch dann zu Problemen führen, wenn sie tief in die Medien eindringen.

Ein Teil der Partikel, die in die RTO eintreten, sammelt sich auf der kalten Seite des Medienbetts. Je nach Gestaltung der Medien kann die Partikelbildung schnell zum Verstopfen des Medienbetts führen. Das Verstopfen verursacht mehrere erhebliche Probleme. Das Blockieren des Luftstroms führt zu einem Anstieg des Druckabfalls, wodurch der Saugzugventilator gezwungen wird, härter zu arbeiten und mehr Strom zu verbrauchen. Die Kapazität des RTO wird reduziert, da das Medienbett weniger effektiv bei der Wärmeübertragung ist, da "tote Zonen" eine reduzierte Oberfläche bedeuten, die dem Luftstrom ausgesetzt ist und weniger Medienmasse zur Verfügung steht, um Wärmeenergie zu speichern. Darüber hinaus stellt die Ansammlung von Partikeln eine ernsthafte Brandgefahr dar.

Die einzige Lösung zur Behebung dieser Symptome ist das Auswaschen oder Ausheizen des Medienbetts, Prozesse, die kostspielige Ausfallzeiten mit sich bringen. Im Laufe der Zeit nimmt die Häufigkeit von Auswasch- und Ausheizvorgängen in der Regel zu, bis die einzige praktikable Lösung ein vollständiger Medienwechsel ist.

Medienarten
In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene Arten von Wärmeträgermedien für RTOs verwendet. Drei Hauptkategorien sind Füllkörperpackungen, monolithisch strukturierte Blockpackungen und Packungen mit gewellter Struktur.

Zufällige Verpackung. Ursprünglich, in den 1970er Jahren, wurden in RTOs verschiedenste Füllmaterialien eingesetzt, darunter Kies, Keramikkugeln und Formen aller Art. Das Verpackungsmaterial wurde wahllos in den RTO gekippt, um ein Medienbett zu bilden. Eine zufällige Anordnung wurde bevorzugt, um eine Verschachtelung zu verhindern, die die Strömung verengt und tote Bereiche verursacht, in denen sich Partikel ansammeln.

In den 1980er Jahren entdeckten RTO-Hersteller und -Besitzer, dass die für den chemischen Stoffaustausch entwickelten keramischen „Sättel“ eine optimale Form für die RTO-Stoffpackung boten. Im Vergleich zu anderen Arten von regellosen Packungen minimiert die Sattelform den Druckabfall (für einen geringeren Stromverbrauch des Induktionsventilators) und eine maximierte Oberfläche (für eine höhere Wärmeübertragungseffizienz).

Im Laufe der Jahre haben RTO-Medienlieferanten das Design von Keramiksätteln verfeinert. Koch Knight LLC hat beispielsweise ein einzigartiges FLEXISADDLE Random Packing-Design (oder LPD Random Packing) mit niedrigem Druckverlust entwickelt, das eine hohe offene Fläche und ein aerodynamisches Design bietet, das die Verschachtelung begrenzt und den Druckabfall um 20 Prozent im Vergleich zum Standardsattel reduziert Medien.

Mehrere Hersteller beschichten oder imprägnieren diesen LPD-Sattel mit einem Metallkatalysator für den Einsatz in RCOs. Die Packung ist auch aus glasurbeständigem Aluminiumoxid erhältlich, um alkalischen chemischen Angriffen zu widerstehen, die aus den Dämpfen von Reinigungschemikalien oder Metallsalzen in Galvanikanwendungen resultieren können.

Monolithischer strukturierter Block. Eine weitere Alternative für sehr saubere, partikelarme Ströme, wie der importierte Cordierite-Keramikwabenmonolith, ist verfügbar. Monolithblock ist eine Form der strukturierten Packung, die in einer formalen Anordnung angeordnet und nicht zufällig entsorgt wird. Zellen erstrecken sich durch den Block in einem geraden Kanal senkrecht zur kalten Seite.

Der Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, dass sie theoretisch einen geraden, aerodynamischen Kanal für den Luftstrom bietet. Der Nachteil besteht darin, dass, wenn Partikel einen Kanal an der kalten Seite verstopfen, wo der Zufluss in den Block eintritt, dieser gesamte Kanal zu einer Totzone wird.

Gewellte strukturierte Verpackung. Das fortschrittlichste keramische Wärmeaustauschmedium für RTOs ist gewellte strukturierte Packung. Diese Packung besteht aus gewellten Keramikplatten. Der Neigungswinkel der Wellen benachbarter Blätter ist umgekehrt, wodurch eine hervorragende Luftstromverteilung im gesamten Medienbett gewährleistet wird. Selbst wenn ein Bereich des Medienbetts durch Partikel verstopft wurde, verhindert der Misch- und Ausbreitungseffekt der abwechselnden Wellung nach unten gerichtete Zonen über dem verstopften Bereich.

Feldstudien haben gezeigt, dass RTOs mit gewellter strukturierter Packung bei der Installation die gleiche Menge an Erdgas verbrauchen wie RTOs mit monolithisch strukturiertem Block, obwohl erstere eine bessere Luftstromverteilung und letztere eine etwas höhere Wärmespeicherkapazität aufweisen. Der Vorteil der gewellten Lösung wird im Laufe der Zeit dramatisch, da sie einer durch Partikelansammlungen verursachten Verschmutzung widerstehen kann.

Lebensdauer des Betriebs
Besitzer von thermischen Oxidationsmitteln haben eine Reihe von Optionen zur Verfügung, wenn sie ein neues System installieren oder das Medienbett eines bestehenden Systems ersetzen. Für VOC-Minderungssysteme in der Veredelungsindustrie, bei denen Partikel ein Problem darstellen können, sollten gewellte strukturierte Packungen in Betracht gezogen werden. Diese fortschrittliche Lösung kann in Anschaffung und Installation teurer sein, bietet jedoch einen geringeren Druckabfall, eine höhere Wärmeübertragungseffizienz, einen zuverlässigeren Betrieb und eine längere Nutzungsdauer im Vergleich zu den alternativen Medien. Allein die signifikante langfristige Reduzierung des Energieverbrauchs kann die zusätzlichen Kosten für die Installation fortschrittlicher Wärmetauschermedien bei weitem aufwiegen.

Über den Autor:
Paul Sims ist Vertriebsleiter für die Region Südost bei Koch Knight LLC. Er kann unter [email protected] kontaktiert werden.