Metodi di trattamento chimico e inquinanti gassosi
Questo articolo getta luce sui primi tre metodi di trattamento chimico utilizzati per la depurazione degli inquinanti gassosi. I metodi sono: 1. Incenerimento termico 2. Incenerimento catalitico e 3. Ossidazione biologica.
Metodo # 1. Incenerimento termico:
Dei tre metodi utilizzati per l'ossidazione dei VOC, l'incenerimento termico ha luogo a circa 650 ° C o temperatura più elevata, mentre gli altri vengono eseguiti a una temperatura inferiore. Per l'incenerimento, vale a dire, è necessaria la combustione di due ingredienti, vale a dire una sostanza combustibile e ossigeno.
I COV presenti in una corrente di gas di scarico costituiscono il componente combustibile e l'ossigeno dall'aria funge da altro costituente. I principali prodotti di un processo di combustione sono CO 2, H 2 O. Viene prodotta anche una certa quantità di NO x e SO x . Alcuni composti organici possono anche essere presenti nel flusso del prodotto se il processo è incompleto.
Per ottenere una combustione completa, cioè per la completa ossidazione dei VOC (inquinanti), è necessario fornire aria in eccesso (ossigeno) oltre quella richiesta stechiometricamente a causa della miscelazione imperfetta degli ingredienti prima e durante la combustione. Affinché il processo sia autosufficiente, la miscela non deve essere né troppo magra né troppo ricca rispetto ai componenti combustibili. Le composizioni limitanti sono indicate come limiti di esplosività inferiore e superiore.
Tra questi limiti la combustione avviene al momento dell'accensione ma può esplodere se il processo non è adeguatamente controllato. I valori numerici dei limiti di esplosività inferiore e superiore di una miscela dipendono dalle specie di combustibili presenti nella miscela. Tuttavia, è necessario fare attenzione che il contenuto di ossigeno nella miscela non debba mai essere inferiore al 15%.
Il grado di completamento di una reazione di combustione dipende dalla temperatura, dal tempo di permanenza e dalla turbolenza nella zona di combustione. Un minore grado di completamento significherebbe la presenza di composti organici non bruciati (inquinanti) nell'effluente trattato. La velocità di reazione aumenta con l'aumento della temperatura. Quindi a una temperatura più elevata il tempo di permanenza (in camera di combustione) richiesto per la combustione completa sarebbe più breve.
In altre parole, a una temperatura più elevata una camera più piccola farebbe il lavoro. Tuttavia, per mantenere un combustibile ausiliario a temperatura più elevata può essere necessario, se i costituenti combustibili presenti nella miscela non hanno un potere calorifico sufficiente. Il potere calorifico di una miscela dipende dalla concentrazione delle specie combustibili presenti nella miscela.
Durante la progettazione di un inceneritore termico si può verificare uno dei seguenti tre tipi di situazioni:
Tipo I:
Il gas da trattare avrebbe un potere calorifico sufficiente e quindi non sarebbe necessario alcun combustibile ausiliario, ma l'aria (ossigeno) deve essere fornita. Una tale situazione implica che la miscela avrebbe una composizione al di sopra del limite superiore di esplosività.
Tipo-II:
Il gas non può richiedere né combustibile ausiliario né aria, cioè la sua composizione si trova tra i limiti di esplosività inferiore e superiore. Tale gas dovrebbe essere maneggiato con cura, altrimenti la fiamma potrebbe ribaltarsi, cioè propagarsi dalla camera di combustione alla sua sorgente.
Tipo-Ill:
Il gas potrebbe non avere un potere calorifico sufficientemente alto da mantenere la temperatura desiderata nella camera di combustione. Ciò implica che la composizione della miscela sarebbe inferiore al suo limite inferiore di esplosività. Per la combustione di un tale gas sarebbe necessario un combustibile ausiliario per sostenere il processo di combustione.
La miscela di gas di tipo I avrebbe un potere calorifico relativamente alto, quindi potrebbe essere utilmente utilizzato come combustibile. Può essere incenerito in un forno per caldaie o un riscaldatore di processo o una camera di combustione opportunamente progettata con un dispositivo per fornire un'adeguata quantità d'aria. L'attrezzatura di base necessaria per la combustione di una miscela di gas di tipo I è un basso bruciatore NO x .
Tuttavia, se non vi è alcuna possibilità di utilizzo del calore prodotto durante l'incenerimento, la miscela di gas può essere svasata, cioè il processo di combustione viene condotto in atmosfera aperta dove la turbolenza atmosferica fornisce ossigeno per la combustione e favorisce la miscelazione. Il dispositivo è indicato come una pila di chiarori.
È uno stack / camino alla base del quale viene introdotto il gas. Il gas scorre sulla pila e mentre sta per emergere incontra una fiamma pilota. La fiamma pilota viene mantenuta con una miscela gas-aria premiscelata. È usato per accendere la miscela di gas e per ancorare la fiamma risultante. I prodotti della combustione, compresi quelli derivanti dalla combustione incompleta, vengono scaricati direttamente nell'atmosfera.
I prodotti di combustione possono includere HC (idrocarburi), CO e alcuni prodotti intermedi stabili, come NO x, SO 2, HCI e particelle di carbonio oltre a CO 2 e H 2 O. L'efficienza di combustione può essere migliorata mediante premiscelazione del gas essere incenerito con l'aria e / o iniettando vapore vicino alla fiamma, che favorirebbe la turbolenza. Il calore generato durante la combustione viene sprecato.
La considerazione principale per una selezione del sito di torcia e la sua stima dell'altezza dello stack dovrebbe essere la sicurezza per il personale operativo dell'impianto e le apparecchiature attorno al flare dalla sua intensità di calore radioattivo. Un bengala dovrebbe essere localizzato in un luogo con sufficiente spazio libero attorno ad esso, in modo che un uomo possa essere in grado di correre al sicuro dal calore del bagliore, se necessario.
Per la stima dell'altezza della pila di torcia si dovrebbe prendere in considerazione l'intensità massima del calore radioattivo a cui possono essere sottoposte le apparecchiature di processo (in particolare i serbatoi di stoccaggio di petrolio greggio e petrolio) attorno alla pila. Il diametro di una catasta deve essere calcolato sulla base della portata volumetrica massima prevista della miscela di gas e della sua velocità di fiamma.
Gli altri dati necessari per il calcolo dell'altezza e del diametro della pila sono la temperatura ambiente, il potere calorifico medio della miscela VOC, il suo peso molecolare medio, la densità e l'emissività della fiamma e la velocità media del vento all'altezza della pila.
La Figura 4.16 mostra una rappresentazione schematica di una pila di torce.
Va sottolineato qui che i brillamenti possono essere utilizzati solo per flussi di gas di scarico concentrati ad alto volume.
La miscela di gas di Tipo II deve essere maneggiata con cura poiché si tratta di miscele esplosive. Tale miscela deve essere diluita con aria o con un gas inerte in modo da abbattere la composizione della miscela al di sotto del suo limite inferiore di esplosività prima dell'incenerimento. Per l'incenerimento della miscela diluita può essere necessaria una certa quantità di combustibile ausiliario.
Può sembrare paradossale che una miscela combustibile sia diluita e poi incenerita con l'aiuto di alcuni combustibili supplementari. Tuttavia, dal punto di vista della sicurezza diventa imperativo. Se la miscela diluita viene bruciata in un forno della caldaia o in un riscaldatore di processo, non sarebbe necessario alcun combustibile ausiliario.
Se si prevede di bruciare la miscela di gas originale senza diluizione in un combustore, devono essere prese le seguenti precauzioni:
(a) Per la compressione della miscela prima di alimentare in un inceneritore si dovrebbe usare un eiettore a getto di vapore. Non utilizzare dispositivi meccanici in quanto il calore di attrito potrebbe causare esplosioni.
(b) Per evitare di colpire la fiamma di un inceneritore, è necessario prendere le misure elencate di seguito.
(i) Nel gasdotto (che porta all'inceneritore) i rompifiamma, come gli schermi, devono essere montati dei piatti perforati.
(ii) Il diametro del tubo selezionato deve essere tale che la velocità del gas attraverso il tubo sia superiore alla velocità di fiamma teorica della miscela.
(iii) La miscela di gas deve passare attraverso un vaso di tenuta.
La manipolazione e l'incenerimento delle miscele di gas di Tipo III non costituiscono un problema dal punto di vista della sicurezza. Per il grado desiderato di distruzione del combustibile (inquinante) presente in tale miscela di gas, esso deve essere iniettato in una camera di combustione alimentata con un combustibile ausiliario e mantenuto alla temperatura richiesta. La turbolenza e la concentrazione di ossigeno corrette dovrebbero essere mantenute nell'inceneritore.
Un inceneritore da utilizzare per la combustione di una miscela di gas di tipo III può essere una scatola o una camera cilindrica a un'estremità della quale si trova un bruciatore a gas o gasolio. La miscela di gas da incenerire viene introdotta vicino al bruciatore in modo che possa facilmente miscelarsi con i prodotti della combustione e raggiungere così la temperatura richiesta.
I promotori di turbolenza possono essere utilizzati per ottenere una rapida miscelazione dei prodotti della combustione e del gas da incenerire. La temperatura di auto-accensione di ciascuno degli inquinanti presenti deve essere accertata dalla letteratura. La temperatura di funzionamento dell'inceneritore dovrebbe essere di almeno alcune centinaia di gradi al di sopra della più alta temperatura di autoaccensione dei componenti presenti. Il volume della camera dell'inceneritore (V) può essere approssimativamente stimato usando la relazione.
V = tx Q,
dove Q = portata volumetrica dei prodotti di combustione alla temperatura di esercizio, e t = tempo di permanenza richiesto nell'inceneritore.
A circa 750 ° C il tempo di permanenza richiesto può essere di circa 0, 01 sec. Circa 650 ° C il tempo di residenza deve essere aumentato da 0, 01 sec a circa 0, 1 sec per raggiungere lo stesso grado di distruzione degli inquinanti.
Metodo # 2. Incenerimento catalitico:
L'incenerimento catalitico è anche un processo di ossidazione simile all'incenerimento termico. Tuttavia, il processo si verifica a una temperatura molto inferiore a quella dell'incenerimento termico. Di conseguenza il fabbisogno di carburante supplementare è inferiore. I catalizzatori utilizzati sono particelle solide come tali o supportate su un materiale ceramico inerte.
I reagenti e i prodotti sono gassosi, il processo avviene attraverso i seguenti passaggi:
1. Diffusione di molecole di inquinanti e di ossigeno dalla fase gassosa alla superficie del catalizzatore,
2. Adsorbimento delle molecole reagenti sulla superficie del catalizzatore,
3. Reazione delle molecole adsorbite,
4. Desorbimento delle molecole del prodotto dalla superficie del catalizzatore e, infine,
5. Diffusione delle molecole del prodotto alla maggior parte della fase gassosa.
Vengono normalmente utilizzati due tipi di catalizzatori:
(i) Metallo nobile, come platino, palladio da solo o in combinazione, supportato su lega di nichel o allumina o ceramica,
(ii) Metalli di base o ossidi metallici, quali alluminio, cromo, cobalto, rame, ferro, manganese, vanadio, zinco supportati o non supportati.
Il secondo tipo di catalizzatore è più economico ed è facile da preparare.
I supporti metallici sono generalmente sotto forma di un nastro su cui è depositato il catalizzatore. I nastri vengono quindi piegati e formati in una stuoia.
I supporti ceramici possono essere in forma di pellet o di una struttura a nido d'ape.
Il catalizzatore viene talvolta mescolato con una sostanza nota come un promotore, che aumenta l'attività del catalizzatore modificando la struttura e la dimensione del cristallo del catalizzatore.
Le proprietà desiderate di un catalizzatore sono:
(i) Alta attività a bassa temperatura,
(ii) Stabilità strutturale,
(iii) Resistenza all'attrito e
(iv) Bassa caduta di pressione attraverso il letto del catalizzatore.
L'attività catalitica diminuisce molto spesso con l'uso. Questo può accadere a causa di:
(1) Reazione chimica tra particelle di catalizzatore e alcune sostanze, come bismuto, arsenico, antimonio, zinco, piombo, stagno, mercurio, fosforo, alogeni, ecc., Anche se presenti in tracce in gas di scarico,
(2) Adsorbimento di alcuni prodotti chimici (chemisorbimento) sulla superficie del catalizzatore e
(3) Rivestimento fisico della superficie del catalizzatore con materiale catramoso.
Il catalizzatore subisce anche una perdita di attività a causa dell'invecchiamento. Ciò potrebbe essere dovuto al cambiamento nella struttura cristallina del metallo (catalizzatore) a causa dell'erosione, della vaporizzazione e dell'attrito. Normalmente la durata del catalizzatore è compresa tra 3 e 5 anni.
Un inceneritore catalitico può consistere dei seguenti componenti / sezioni:
(1) sezioni di preriscaldamento
(2) Un bruciatore,
(3) Una camera di miscelazione,
(4) un letto catalitico,
(5) Un soffiatore.
Un diagramma schematico di un inceneritore catalitico è mostrato in Fig. 4.17.
Un inceneritore catalitico funziona nel modo descritto di seguito.
Una corrente di gas che porta l'inquinante in entrata può essere preriscaldata prima di alimentare la stessa nella camera di miscelazione. Nella camera di miscelazione la corrente gassosa viene miscelata con i fumi caldi dal bruciatore in modo tale che la miscela possa raggiungere la temperatura alla quale si verificherà l'ossidazione catalitica. Lo scopo del bruciatore sarebbe quello di produrre il calore richiesto per mantenere la camera di miscelazione e il letto di catalizzatore alla temperatura desiderata. Il carburante può essere un gas o un olio.
Il letto di catalizzatore è disposto in modo tale che il flusso influente miscelato con gas di combustione caldi deve passare attraverso il letto e nessuna parte può aggirare il letto. Deve essere montato sulla camera di combustione in modo che lo stesso possa essere facilmente rimosso per la riattivazione o la sostituzione. Potrebbe essere necessario installare un ventilatore in modo da superare le perdite di carico in diverse sezioni del gruppo dell'inceneritore.
La distruzione completa degli inquinanti presenti in un flusso di gas di scarico è difficile da ottenere in un inceneritore e potrebbe non essere necessaria. Una distruzione del 98-99% può far scendere la concentrazione di inquinanti al limite di emissione consentito. La maggior parte dei COV sulla combustione completa produce CO 2 e H 2 O.
Alcuni monossido di carbonio possono anche essere prodotti a causa della combustione incompleta. Alcuni COV sull'incenerimento possono produrre inquinanti come SO 2, SO 3, alogeni e composti alogenati, come Cl 2, HCL. Potrebbe essere necessario trattare il flusso di scarico dell'inceneritore (al fine di rimuovere gli inquinanti sopra citati) prima del suo smaltimento finale.
Metodo # 3. Bio-ossidazione:
La bioossidazione di un flusso di gas contenente sostanze inquinanti può essere effettuata quando:
(i) Gli inquinanti presenti sono biodegradabili,
(ii) Il flusso non contiene alcun inquinante tossico per i batteri aerobici, e
(iii) La portata volumetrica del flusso non è elevata.
Questo processo è simile al processo di combustione nel senso che i principali prodotti di ossidazione sarebbero CO 2 e H 2 O. Tuttavia, il processo avviene a temperatura ambiente e il calore evoluto viene dissipato facilmente.
Si effettua facendo passare una corrente di gas contenente sostanze inquinanti mescolate con un'adeguata quantità di aria attraverso un letto di terreno poroso pre-seminato con la giusta specie di microbi aerobici. I microbi usano i VOC per la loro attività metabolica. L'ossigeno richiesto per questo scopo viene prelevato dall'aria. La dimensione del letto dovrebbe essere tale da consentire un tempo di contatto sufficiente per raggiungere l'entità desiderata della distruzione degli inquinanti.
I principali vantaggi di questo processo rispetto ai processi di incenerimento sono:
(i) Non è richiesto carburante supplementare,
(ii) Non sono necessarie apparecchiature di processo costose e
(iii) Pochissima attenzione deve essere pagata per il controllo del processo.
Il principale svantaggio di questo processo è che viene fornito più spazio sotto forma di volume del letto rispetto a quello richiesto per i processi di incenerimento.
