Phương pháp xử lý hóa học và các chất ô nhiễm dạng khí
Bài viết này đưa ra ánh sáng về ba phương pháp xử lý hóa học hàng đầu được sử dụng để làm sạch các chất ô nhiễm khí. Các phương pháp là: 1. Thiêu đốt nhiệt 2. Thiêu đốt xúc tác và 3. Oxy hóa sinh học.
Phương pháp # 1. Thiêu đốt nhiệt:
Trong ba phương pháp được sử dụng để oxy hóa VOC, quá trình đốt nhiệt diễn ra ở nhiệt độ khoảng 650 ° C hoặc cao hơn, trong khi các phương pháp khác được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn. Để đốt, tức là, đốt cháy hai thành phần, cụ thể là, một chất dễ cháy và oxy là bắt buộc.
Các VOC có trong dòng khí thải tạo thành thành phần dễ cháy và oxy từ không khí đóng vai trò là thành phần khác. Các sản phẩm chính của quá trình đốt cháy là CO 2, H 2 O. Một số lượng NO x và SO x cũng được sản xuất. Một số hợp chất hữu cơ cũng có thể có mặt trong dòng sản phẩm nếu quá trình không hoàn thành.
Để đạt được sự đốt cháy hoàn toàn, nghĩa là, để oxy hóa hoàn toàn VOC (chất ô nhiễm), cần phải cung cấp không khí (oxy) dư thừa theo yêu cầu cân bằng hóa học do sự pha trộn không hoàn hảo của các thành phần trước và trong quá trình đốt cháy. Để quá trình tự duy trì, hỗn hợp không được quá nạc cũng không quá giàu đối với các thành phần dễ cháy. Các chế phẩm giới hạn được gọi là giới hạn nổ dưới và trên.
Giữa các giới hạn này, quá trình đốt cháy diễn ra khi đánh lửa nhưng có thể phát nổ nếu quá trình không được kiểm soát đúng cách. Các giá trị số của giới hạn nổ dưới và trên của hỗn hợp phụ thuộc vào loài chất dễ cháy có trong hỗn hợp. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng hàm lượng oxy trong hỗn hợp không bao giờ được nhỏ hơn 15%.
Mức độ hoàn thành của một phản ứng đốt cháy phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian cư trú và nhiễu loạn trong vùng đốt. Mức độ hoàn thành thấp hơn có nghĩa là sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ không cháy (chất ô nhiễm) trong nước thải được xử lý. Tốc độ phản ứng tăng theo sự tăng nhiệt độ. Do đó ở nhiệt độ cao hơn, thời gian lưu trú (trong buồng đốt) cần thiết cho quá trình đốt cháy hoàn toàn sẽ ngắn hơn.
Nói cách khác, ở nhiệt độ cao hơn, một buồng nhỏ hơn sẽ thực hiện công việc. Tuy nhiên, để duy trì nhiên liệu phụ ở nhiệt độ cao hơn có thể cần thiết, nếu các thành phần dễ cháy có trong hỗn hợp không có đủ giá trị nhiệt lượng. Giá trị năng lượng của hỗn hợp phụ thuộc vào nồng độ của các loài dễ cháy có trong hỗn hợp.
Trong khi thiết kế lò đốt nhiệt, người ta có thể gặp phải một trong ba loại tình huống sau:
Loại I:
Khí được xử lý sẽ có đủ giá trị năng lượng và do đó không cần nhiên liệu phụ, nhưng không khí (oxy) phải được cung cấp. Một tình huống như vậy ngụ ý rằng hỗn hợp sẽ có thành phần vượt quá giới hạn nổ trên.
Loại II:
Khí có thể không yêu cầu bất kỳ nhiên liệu phụ trợ cũng như không khí, nghĩa là, thành phần của nó sẽ nằm giữa giới hạn nổ dưới và trên. Một loại khí như vậy nên được xử lý cẩn thận vì nếu không ngọn lửa có thể tấn công trở lại, nghĩa là truyền trở lại từ buồng đốt đến nguồn của nó.
Loại-Ill:
Khí có thể không có giá trị nhiệt lượng đủ cao để duy trì nhiệt độ mong muốn trong buồng đốt. Điều này ngụ ý rằng thành phần hỗn hợp sẽ nằm dưới giới hạn nổ thấp hơn. Để đốt cháy một loại khí như vậy, một nhiên liệu phụ sẽ được yêu cầu để duy trì quá trình đốt cháy.
Hỗn hợp khí loại I sẽ có giá trị năng lượng tương đối cao, do đó nó có thể được sử dụng một cách hiệu quả làm nhiên liệu. Nó có thể được đốt trong lò hơi hoặc lò gia nhiệt hoặc buồng đốt được thiết kế phù hợp với sự sắp xếp để cung cấp đủ lượng không khí. Thiết bị cơ bản cần thiết để đốt cháy hỗn hợp khí loại I là đầu đốt NO x thấp.
Tuy nhiên, nếu không có phạm vi sử dụng nhiệt sinh ra trong quá trình đốt, hỗn hợp khí có thể bị đốt cháy, nghĩa là, quá trình đốt cháy được thực hiện trong môi trường mở, nơi nhiễu loạn khí quyển cung cấp oxy cho quá trình đốt cháy cũng như thúc đẩy quá trình trộn. Thiết bị được gọi là một ngăn lửa.
Nó là một chồng / ống khói ở cơ sở mà khí được giới thiệu. Khí chảy lên ngăn xếp và khi nó sắp nổi lên, nó gặp một ngọn lửa thí điểm. Ngọn lửa thí điểm được duy trì với hỗn hợp khí-nhiên liệu trộn sẵn. Nó được sử dụng để đốt cháy hỗn hợp khí cũng như neo ngọn lửa kết quả. Các sản phẩm đốt bao gồm cả những sản phẩm từ quá trình đốt cháy không hoàn toàn được thải trực tiếp vào khí quyển.
Các sản phẩm đốt có thể bao gồm HC (hydrocarbon), CO và một số sản phẩm trung gian ổn định, như NO x, SO 2, HCI và các hạt carbon bên cạnh CO 2 và H 2 O. Hiệu suất đốt có thể được cải thiện bằng cách trộn trước khí. được đốt bằng không khí và / hoặc bằng cách bơm hơi gần ngọn lửa, điều này sẽ thúc đẩy sự nhiễu loạn. Nhiệt sinh ra trong quá trình đốt cháy bị lãng phí.
Việc xem xét chính cho việc lựa chọn vị trí ngọn lửa và ước tính chiều cao ngăn xếp của nó phải là sự an toàn cho nhân viên vận hành nhà máy và thiết bị xung quanh ngọn lửa từ cường độ nhiệt phóng xạ của nó. Một ngọn lửa nên được đặt ở một nơi có đủ không gian trống xung quanh nó, để một người đàn ông có thể chạy đến nơi an toàn khỏi sức nóng bùng phát, nếu cần thiết.
Để ước tính chiều cao của ngọn lửa bùng phát, nên xem xét cường độ nhiệt phóng xạ tối đa mà thiết bị xử lý (đặc biệt là bể chứa dầu thô và bể chứa dầu mỏ) xung quanh ngăn xếp có thể phải chịu. Đường kính của một ngăn xếp sẽ được tính toán dựa trên tốc độ dòng thể tích tối đa dự kiến của hỗn hợp khí và tốc độ ngọn lửa của nó.
Các dữ liệu khác cần thiết để tính toán chiều cao và đường kính của ngăn xếp là nhiệt độ môi trường, giá trị nhiệt lượng trung bình của hỗn hợp VOC, trọng lượng phân tử trung bình, mật độ và độ phát xạ ngọn lửa và tốc độ gió trung bình ở độ cao của ngăn xếp.
Hình 4.16 cho thấy một biểu diễn sơ đồ của ngăn xếp flare.
Cần chỉ ra ở đây rằng pháo sáng chỉ có thể được sử dụng cho các luồng khí thải tập trung khối lượng lớn.
Hỗn hợp khí loại II nên được xử lý cẩn thận vì đây là những hỗn hợp nổ. Một hỗn hợp như vậy nên được pha loãng với không khí hoặc khí trơ để làm giảm thành phần hỗn hợp dưới giới hạn nổ thấp hơn trước khi đốt. Để đốt cháy hỗn hợp pha loãng, một lượng nhiên liệu phụ có thể cần thiết.
Có vẻ nghịch lý là một hỗn hợp dễ cháy được pha loãng và sau đó được đốt với sự trợ giúp của một số nhiên liệu bổ sung. Tuy nhiên, từ quan điểm an toàn, nó trở nên cấp thiết. Nếu hỗn hợp pha loãng bị cháy trong lò hơi hoặc lò gia nhiệt thì không cần sử dụng nhiên liệu phụ.
Nếu nó được lên kế hoạch đốt hỗn hợp khí ban đầu mà không pha loãng trong buồng đốt thì phải thực hiện các biện pháp phòng ngừa sau:
(a) Để nén hỗn hợp trước khi cho vào lò đốt, nên sử dụng máy phun hơi nước. Các thiết bị cơ khí không nên được sử dụng vì nhiệt ma sát có thể gây nổ.
(b) Để ngăn chặn ngọn lửa từ lò đốt, người ta phải thực hiện các biện pháp được liệt kê dưới đây.
(i) Trong đường ống dẫn khí (dẫn đến lò đốt), các thiết bị bắt lửa, chẳng hạn như màn hình, các tấm đục lỗ phải được lắp.
(ii) Đường kính ống được chọn phải sao cho tốc độ khí qua ống sẽ cao hơn tốc độ ngọn lửa lý thuyết của hỗn hợp.
(iii) Hỗn hợp khí phải đi qua nồi niêm phong.
Xử lý và đốt cháy hỗn hợp khí loại III không gây ra vấn đề gì từ quan điểm an toàn. Đối với mức độ phá hủy mong muốn của chất dễ cháy (chất ô nhiễm) có trong hỗn hợp khí như vậy, nó phải được bơm vào buồng đốt được đốt bằng nhiên liệu phụ và duy trì ở nhiệt độ yêu cầu. Cần duy trì sự nhiễu loạn và nồng độ oxy thích hợp trong lò đốt.
Một lò đốt được sử dụng để đốt hỗn hợp khí loại III có thể là một hộp hoặc buồng hình trụ ở một đầu của một lò đốt khí hoặc dầu được đặt. Hỗn hợp khí được đốt được đưa vào gần đầu đốt để nó dễ dàng trộn với các sản phẩm đốt và nhờ đó đạt được nhiệt độ cần thiết.
Chất xúc tiến hỗn loạn có thể được sử dụng để mang lại sự pha trộn nhanh chóng các sản phẩm đốt và khí được đốt. Nhiệt độ tự bốc cháy của từng chất gây ô nhiễm hiện tại cần được xác định trong tài liệu. Nhiệt độ hoạt động của lò đốt phải cao hơn ít nhất vài trăm độ so với nhiệt độ tự bốc cháy cao nhất của các bộ phận hiện có. Thể tích buồng đốt (V) có thể được ước tính bằng cách sử dụng mối quan hệ.
V = tx Q,
Trong đó Q = tốc độ dòng thể tích của các sản phẩm đốt ở nhiệt độ vận hành và t = thời gian lưu trú cần thiết trong lò đốt.
Ở khoảng 750 ° C, thời gian cư trú cần thiết có thể là khoảng 0, 01 giây. Khoảng 650 ° C, thời gian lưu trú phải tăng từ 0, 01 giây lên khoảng 0, 1 giây để đạt được mức độ phá hủy tương tự của các chất ô nhiễm.
Phương pháp # 2. Thiêu đốt xúc tác:
Quá trình đốt xúc tác cũng là một quá trình oxy hóa tương tự như quá trình đốt nhiệt. Tuy nhiên, quá trình xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với đốt nhiệt. Do đó, yêu cầu nhiên liệu bổ sung là ít hơn. Các chất xúc tác được sử dụng là các hạt rắn như vậy hoặc được hỗ trợ trên một số vật liệu gốm trơ.
Các chất phản ứng và các sản phẩm là khí, quá trình xảy ra thông qua các bước sau:
1. Khuếch tán các phân tử chất ô nhiễm và oxy từ pha khí đến bề mặt xúc tác,
2. Sự hấp phụ của các phân tử chất phản ứng trên bề mặt xúc tác,
3. Phản ứng của các phân tử bị hấp phụ,
4. Giải hấp các phân tử sản phẩm từ bề mặt xúc tác, và cuối cùng,
5. Khuếch tán các phân tử sản phẩm đến phần lớn pha khí.
Hai loại chất xúc tác thường được sử dụng:
(i) Kim loại quý, chẳng hạn như bạch kim, palađi hoặc kết hợp, được hỗ trợ trên hợp kim niken hoặc alumina hoặc gốm,
(ii) Kim loại cơ bản hoặc oxit kim loại, chẳng hạn như nhôm, crom, coban, đồng, sắt, mangan, vanadi, kẽm được hỗ trợ hoặc không được hỗ trợ.
Loại xúc tác thứ hai rẻ hơn và dễ điều chế.
Các hỗ trợ kim loại thường ở dạng một dải ruy băng mà chất xúc tác được lắng đọng. Các dải ruy băng sau đó được uốn và tạo thành một tấm thảm.
Các giá đỡ bằng gốm có thể ở dạng viên hoặc cấu trúc tổ ong.
Chất xúc tác đôi khi được trộn với một chất gọi là chất xúc tiến, làm tăng hoạt động của chất xúc tác bằng cách thay đổi cấu trúc và kích thước tinh thể của chất xúc tác.
Các tính chất mong muốn của chất xúc tác là:
(i) Hoạt động cao ở nhiệt độ thấp hơn,
(ii) Ổn định cấu trúc,
(iii) Chống lại sự tiêu hao và
(iv) Giảm áp suất thấp trên giường chất xúc tác.
Các hoạt động xúc tác rất thường giảm khi sử dụng. Điều này có thể xảy ra vì:
(1) Phản ứng hóa học giữa hạt xúc tác và một số chất, như bismuth, asen, antimon, kẽm, chì, thiếc, thủy ngân, phốt pho, halogen, v.v. ngay cả khi những chất này có trong lượng vết trong khí thải,
(2) Sự hấp phụ của một số hóa chất (hóa học) trên bề mặt xúc tác và
(3) Lớp phủ vật lý của bề mặt xúc tác với chất tarry.
Chất xúc tác cũng bị mất hoạt động do lão hóa. Điều này có thể là do sự thay đổi cấu trúc tinh thể của kim loại (chất xúc tác) do xói mòn, hóa hơi và tiêu hao. Thông thường tuổi thọ chất xúc tác là 3 đến 5 năm.
Một lò đốt xúc tác có thể bao gồm các thành phần / phần sau:
(1) Phần gia nhiệt trước
(2) Một đầu đốt,
(3) Một buồng trộn,
(4) Một giường xúc tác,
(5) Một người thổi.
Một sơ đồ của lò đốt xúc tác được thể hiện trong hình 4.17.
Một lò đốt chất xúc tác hoạt động theo cách được mô tả dưới đây.
Một dòng khí mang chất ô nhiễm đến có thể được làm nóng trước khi cho cùng vào buồng trộn. Trong buồng trộn, dòng khí được trộn với khí lò nóng từ đầu đốt để hỗn hợp có thể đạt được nhiệt độ mà quá trình oxy hóa xúc tác sẽ diễn ra. Mục đích của đầu đốt sẽ là tạo ra nhiệt cần thiết để duy trì buồng trộn và lớp xúc tác ở nhiệt độ mong muốn. Nhiên liệu có thể là khí hoặc dầu.
Giường xúc tác được sắp xếp theo kiểu sao cho dòng ảnh hưởng được trộn với khí lò nóng phải đi qua giường và không có phần nào có thể bỏ qua giường. Nó nên được lắp vào buồng đốt để có thể dễ dàng lấy ra để tái kích hoạt hoặc thay thế. Có thể cần phải lắp đặt quạt gió để khắc phục tổn thất áp suất tại các phần khác nhau của cụm lò đốt.
Việc tiêu diệt hoàn toàn các chất ô nhiễm có trong dòng khí thải rất khó đạt được trong lò đốt và có thể không cần thiết. Sự phá hủy 98-99 phần trăm có thể làm giảm nồng độ chất ô nhiễm đến giới hạn phát thải cho phép. Hầu hết các VOC khi đốt cháy hoàn toàn tạo ra CO 2 và H 2 O.
Một số carbon monoxide cũng có thể được sản xuất do đốt cháy không hoàn toàn. Một số VOC khi đốt có thể tạo ra các chất gây ô nhiễm như SO 2, SO 3, halogen và các hợp chất halogen, như Cl 2, HCL. Có thể cần phải xử lý dòng khí thải của lò đốt (để loại bỏ các chất ô nhiễm có tên ở trên) trước khi xử lý cuối cùng.
Phương pháp # 3. Oxy hóa sinh học:
Quá trình oxy hóa sinh học của dòng khí mang chất ô nhiễm có thể được thực hiện khi:
(i) Các chất ô nhiễm có mặt là phân hủy sinh học,
(ii) Luồng không chứa chất gây ô nhiễm độc hại đối với vi khuẩn hiếu khí và
(iii) Tốc độ dòng thể tích của luồng không cao.
Quá trình này tương tự như quá trình đốt cháy theo nghĩa các sản phẩm chính của quá trình oxy hóa sẽ là CO 2 và H 2 O. Tuy nhiên, quá trình này diễn ra ở nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt phát triển dễ dàng bị tiêu tan.
Nó được thực hiện bằng cách truyền một luồng khí mang chất ô nhiễm được trộn với một lượng không khí thích hợp thông qua một lớp đất xốp được gieo hạt trước với các loài vi khuẩn hiếu khí. Các vi khuẩn sử dụng VOC cho hoạt động trao đổi chất của chúng. Oxy cần thiết cho mục đích này được lấy từ không khí. Kích thước giường phải sao cho có đủ thời gian tiếp xúc để đạt được mức độ phá hủy chất ô nhiễm mong muốn.
Những ưu điểm chính của quy trình này so với các quy trình thiêu đốt là:
(i) Không yêu cầu nhiên liệu bổ sung,
(ii) Không cần thiết bị xử lý tốn kém, và
(iii) Rất ít chú ý được trả cho việc kiểm soát quá trình.
Nhược điểm chính của quy trình này là cung cấp nhiều không gian hơn ở dạng thể tích giường so với yêu cầu cho các quy trình thiêu đốt.
