ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOCs ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΘΕΩΡΙΑ ΧΗΜΕΙΑ ΤΗΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ ΟΙ ΤΡΕΙΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ (Θ.Χ.Τ.) ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΤΩΝ VOCs ΜΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΚΗ ΦΥΣΗ ΤΗΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ ΤΩΝ VOCs ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΜΟΝΑΔΕΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ Ισοζύγια Μάζας και Ενέργειας ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΠΥΡΣΟΙ ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 1

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ H κατηγορία αυτή περιλαμβάνει όχι μόνο καθαρούς υδρογονάνθρακες αλλά και τους μερικούς οξειδωμένους υδρογονάνθρακες (οργανικά οξέα, αλδεύδες, κετόνες), καθώς και οργανικές ουσίες που περιέχουν χλώριο, θείο, άζωτο, ή άλλα άτομα στο μόριό τους. Τα VOCS εκπέμπονται από διεργασίες καύσης, από διάφορες βιομηχανικές δραστηριότητες και από εξάτμιση διαλυτών Μια μέθοδος ελέγχου της αέριας ρύπανσης που μπορεί να εφαρμοστεί ευρέως στα VOCs είναι η καύση. Οι μονάδες καύσης ατμών (μονάδες θερμικής οξείδωσης ή μετακαυστήρες) μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά και για ρυπασμένο αέρα με μικρά σωματίδια εύφλεκτων υγρών ή στερεών. Η καύση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο οσμών, για την καταστροφή τοξικών χημικών ενώσεων ή για τη μείωση της ποσότητας των φωτοχημικά ενεργών VOCs που απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα Οι ατμοί των VOC μπορεί να βρίσκονται σε πυκνά ρεύματα (όπως στην εκτόνωση αερίων διυλιστηρίου σε περιπτώσεις εκτάκτων αναγκών) ή μπορεί να βρίσκονται σε αραιό μίγμα αέρα (όπως εκπομπές από τη διεργασία ξήρανσης φούρνων βαφής). Για μεγάλο όγκο, διακοπτόμενων αλλά πυκνών ρευμάτων VOC, χρησιμοποιούνται υπερυψωμένοι πυρσοί. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 3

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Στην περίπτωση αραιού ατμού στον αέρα δύο είναι οι μέθοδοι καύσης, η άμεση θερμική οξείδωση και η καταλυτική οξείδωση. Εναλλακτικές λύσεις στην καύση είναι η ανάκτηση ατμών (η οποία μπορεί να επιτευχθεί με επανασυμπίεση, συμπύκνωση ή προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα) ή η υγρή απορρόφηση σε συνδυασμό είτε με ανάκτηση είτε με χημική οξείδωση. Το κύριο πλεονέκτημα της καύσης είναι η δυνατότητά της για πολύ μεγάλη απόδοση. Αν εφαρμοστεί ικανοποιητικός χρόνος παραμονής σε μια ικανοποιητικά υψηλή θερμοκρασία οι οργανικές ενώσει μπορούν να οξειδωθούν σε οποιοδήποτε επιθυμητό βαθμό απόδοσης. Ως παράδειγμα, το 1984 το Συμβούλιο Προστασίας Περιβάλλοντος της πόλης Jacksonville στη Φλόριντα με ψήφισμα ζήτησε τη μείωση των εκπομπών δύσοσμων οργανικών θειούχων χημικών ενώσεων από τις τοπικές χαρτοβιομηχανίες. Η πρόταση απαιτούσε μείωση της συγκέντ-ρωσης από 10,000 ppm σε 5 ppm σε συγκεκριμένες εκπομπές αερίων. Μόνον η καύση μπορούσε να επιτύχει έναν τέτοιο αυστηρό στόχο (99.95% καταστροφή). ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 4

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Ο βαθμός απόδοσης του συστήματος συλλογής ορίζεται ως το κλάσμα των VOCs που εκπέμπονται από τη διεργασία και που πραγματικά συλλέγεται από τα πλευρικά διαφράγματα, τους αεριοσυλλέκτες ή τις άλλες συσκευές συλλογής και οδηγείται στο μετα-καυστήρα. Οι εκπομπές που δεν συλλέγονται ονομάζονται διαφεύγουσες εκπομπές. Σύμφωνα με πρόσφατους κανόνες της U.S. EPA, ο συνολικός βαθμός από-δοσης μείωσης των VOC είναι το γινόμενο της απόδοσης συλλογής και της απόδοσης καταστροφής. Για παράδειγμα, παρόλο που ένας μετα-καυστήρας έχει υψηλή απόδοση και η οποία φθάνει στο 99%, εάν το σύστημα συλλογής έχει απόδοση 80%, τότε η συνολική απόδοση μείωσης των VOC είναι μόνον 79.2%. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 5

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Η συλλογή, όπως και η καταστροφή σήμερα περιλαμβάνονται από την EPA στους κανονισμούς που αφορούν τις πηγές και στη χορήγηση αδειών λειτουργίας. Ο πραγματικός βαθμός συλλογής είναι δύσκολο να μετρηθεί και απαιτείται προσέγγιση με ισοζύγιο μάζας, αλλά υπάρχει μια εύκολη περίπτωση – αυτής της 100% συλλογής. Όπως ορίζεται από την EPA, 100% θεωρείται δεδομένο ότι μπορεί να επιτευχθεί όταν η πηγή τοποθετείται μέσα σ’ έναν πλήρως κλειστό χώρο (όπως ένα δωμάτιο) και όλη η ροή του αέρα περιορίζεται μέσα σ’ αυτό το χώρο εκτός από τα σημεία εξαγωγής τα οποία συνδέονται μέσω αγωγών με το μετα-καυστήρα. Το κύριο μειονέκτημα της καύσης είναι το υψηλό κόστος καυσίμου. Επίσης, μερικά από τα προϊόντα της καύσης συγκεκριμένων ρύπων είναι τα ίδια ρύποι. Για παράδειγμα, όταν καίγονται χλωριωμένοι υδρογονάνθρακες, θα έχουμε εκπομπές HCl ή Cl2 ή και των δύο μαζί. Ανάλογα με τις ποσότητες αυτών των ρύπων–παραπροϊόντων, είναι πιθανό να απαιτούνται επιπρόσθετοι μηχανισμοί ελέγχου. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ.Καθηγήτρια 6

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Προκειμένου να πιστοποιηθεί η αποδεδειγμένη 100% απόδοση συλλογής, ο κλειστός χώρος πρέπει να ικανοποιεί τα παρακάτω κριτήρια (McIIwee and Sharp 1991) : 1. Το άθροισμα της επιφάνειας όλων των ανοιγμάτων (πόρτες, παράθυρα, κλπ) πρέπει να είναι μικρότερο από 5% από τη συνολική επιφάνεια του χώρου (τοίχους, πατώματα και οροφή). 2. Ο αέρας θα πρέπει να εισέρχεται από όλα τα ανοίγματα με μία μέση κάθετη ταχύτητα τουλάχιστον 200 ft/min. 3. Όλες οι πηγές εκπομπής VOCs μέσα στον κλειστό χώρο πρέπει να “είναι σε απόσταση” από κάθε άνοιγμα (τουλάχιστον 4 ισοδύναμες διαμέτρους). 4. Όλοι οι αεραγωγοί εξόδου πρέπει να οδηγούνται σε μονάδα θερμικής οξείδωσης ή σε άλλη τελική συσκευή ελέγχου. 5. Όλα τα παράθυρα και οι πόρτες που δεν υπολογίστηκαν στο 5% της επιφάνειας πρέπει να είναι κλειστά κατά τη διάρκεια κανονικής λειτουργίας. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 7

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΧΗΜΕΙΑ ΤΗΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ Η βασική θεωρία της χημικής αντίδρασης παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 10. Στο τμήμα αυτό, θα επεκτείνουμε τη θεωρία για τη συγκεκριμένη περίπτωση της οξείδωσης των ατμών VOC στον αέρα. Για απλοποίηση, θεωρείστε μόνο την περίπτωση προαναμεμιγμένου αραιού ρεύματος καθαρού υδρογονάνθρακα (HC) στον αέρα. Η στοιχειομετρία της πλήρους καύσης είναι CxHy + (b) O2 + 3.76 (b) N2  x CO2 + (y/2) H2O + 3.76 (b) N2 (11.1) CxHy = ο γενικός τύπος για κάθε υδρογονάνθρακα b = x + (y/4), ο στοιχειομετρικός αριθμός των moles οξυγόνου που απαιτούνται ανά mole CxHy 3.76 = ο αριθμός των moles αζώτου στον αέρα για κάθε mole οξυγόνου Στην Εξ,(11.1) έχουμε συμπεριλάβει το άζωτο ως υπενθύμιση ότι όταν στην καύση χρησιμοποιείται αέρας, πάντα είναι παρόν περισσότερο πρόσθετο αέριο (το άζωτο). Για απλότητα, στις επόμενες εξισώσεις δεν θα συμπεριλαμβάνουμε ρητά το άζωτο. Ο σχηματισμός των οξειδίων του αζώτου δεν ερμηνεύεται στην Εξ.(11.1). Επιπρόσθετα, εάν το θείο ή το χλώριο (δύο κοινά ανεπιθύμητα στοιχεία) είναι παρόντα στα VOC, θα σχηματιστούν αντίστοιχα οξείδια του θείου ή αέριο HCl. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 8

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Οι κινητικές των αντιδράσεων οξείδωσης είναι τόσο σημαντικές όσο και η στοιχειομετρία. Οι πραγματικοί αναλυτικοί μηχανισμοί της καύσης είναι περίπλοκοι και δεν πραγματοποιούνται σ’ ένα απλό στάδιο όπως θα μπορούσε να συμπεράνει κανείς από την Εξ.(11.1). Η καύση του μεθανίου, του πιο απλού υδρογονάνθρακα, περιλαμβάνει μια εκτεταμένη αλυσιδωτή αντίδραση, από την οποία οι κύριες αντιδράσεις απεικονίζονται στην Εικόνα 11.2 (Glassman 1977). Για μεγαλύτερη τάξη υδρογονανθράκων, οι μηχανισμοί είναι ακόμα πιο πολύπλοκοι με μεγάλο αριθμό πιθανών ενδιάμεσων σταδίων. Εξαιτίας της ανάγκης για απλοποίηση των μοντέλων κινητικής στο σχεδιασμό της αέριας αντιρρυπαντικής τεχνολογίας, αρκετοί συγγραφείς (Cooper, Alley, and Overcamp 1984; Hemsath, and Sysey 1974; Lee, Hanson, and Macauley 1979) υιοθέτησαν την ανάπτυξη προσεγγιστικής λύσης με τα “ολικά μοντέλα” (global models). Το ολικό μοντέλο αγνοεί πολλά από τα επιμέρους στάδια που απαιτούνται στα μηχανιστικά μοντέλα (mechanistic models) και συνδέει τις κινητικές με τα κύρια σταθερά αντιδρώντα και προϊόντα. . Επειδή το μονοξείδιο του άνθρακα είναι πολύ σταθερό ενδιάμεσο προϊόν, το πιο απλοϊκό ολικό μοντέλο για την οξείδωση HC είναι ένα μοντέλο δύο σταδίων, όπως φαίνεται παρακάτω : CxHy + [(x/2)+ (y/4)] O2  x CO + (y/2) H2O (11.2) x CO + (x/2) O2  x CO2 (11.3) Οι αντιδράσεις στη πραγματικότητα δεν πραγματοποιούνται σ’ ένα απλό στάδιο όπως φαίνεται στις Εξ.(11.2) και (11.3). ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 9

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Αρκετοί συγγραφείς έδειξαν τη σημασία των ατόμων και των ριζών όπως τα O, H, OH, CH3, CH2 και HO2 στην καύση. Πρόσφατη έρευνα έδειξε ότι η θερμική οξείδωση των οργανικών ενώσεων μπορεί να αυξηθεί με την προσθήκη H2O2 ή O3 στα θερμά αέρια προς την κατεύθυνση της ζώνης της φλόγας. Αυτές οι συγκεκριμένες ενώσεις μετατρέπονται σε ρίζες ακόμα και σε θερμοκρασία κάτω των 500oC και επιταχύνουν την οξείδωση των VOCs (Cooper et al. 1991; Clausen et al. 1992). Ένα λεπτομερειακό μηχανιστικό μοντέλο αυτών των αντιδράσεων είναι πολύ περίπλοκο και χρονοβόρο. Γι’ αυτό, ακολουθήθηκε το ολικό μοντέλο και οι Εξ.(11.2) και (11.3) χρησιμοποιήθηκαν με επιτυχία για να το καθιερώσουν σε όλες τις κινητικές οξείδωσης των ατμών VOC στους μετακαυστήρες. Χρησιμοποιώντας τις Εξ.(11.2) και (11.3), το ολικό κινητικό μοντέλο το οποίο είναι πρώτης τάξης για κάθε αντιδρών καταλήγει στις παρακάτω εξισώσεις ρυθμού. r HC = - k1 [HC] [O2] (11.4) r CO = x k1 [HC] [O2] – k2 [CO] [O2] (11.5) ri = ρυθμός σχηματισμού του συστατικού i, mol/L-s [ ] = συγκέντρωση, mol/L HC = γενικό σύμβολο για κάθε υδρογονάνθρακα k = σταθερά ρυθμού, s-1 ή L/mol-s (πιο ορθά) ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ.Καθηγήτρια 10

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Παρουσία περίσσειας οξυγόνου, οι εξισώσεις ρυθμού μετατρέπονται σε r HC = - k1 [HC] (11.6) r CO = x k1 [HC] – k2 [CO] (11.7) Σ’ ένα τυπικό μετακαυστήρα, το γραμμομοριακό κλάσμα του οξυγόνου είναι 0.1-0.15 και το γραμμομοριακό κλάσμα HC είναι 0.001, έτσι οι Εξ.(11.6) και (11.7) είναι εφαρμόσιμες. Θα μπορούσε να γραφεί μια τρίτη εξίσωση για την παραγωγή του CO2 ή η παραγωγή του CO2 θα μπορούσε να υπολογιστεί από το ισοζύγιο μάζας του άνθρακα. Η εξίσωση ρυθμού παραγωγής για το CO2 είναι : r CO2 = k 2 [CO] (11.8) Οι εξισώσεις (11.6), (11.7) και (11.8) αναπαριστάνουν μία χαρακτηριστική περίπτωση ενός γενικού συνόλου διαδοχικών, μη αντιστρεπτών αντιδράσεων πρώτης τάξης. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 11

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Ο Levenspiel (1962) ασχολήθηκε με τις διαδοχικές αντιδράσεις πρώτης τάξης που απεικονίζονται από : A  R  S (11.9) και παρουσίασε λύσεις για τις συγκεντρώσεις όλων των συστατικών ως συνάρτηση του αδιάστατου χρόνου αντίδρασης (k1t) και για διάφορες τιμές του λόγου k2/k1. Η Εικόνα 11.3 προέρχεται από τη γραφική αναπαράσταση του Levenspiel για επάλληλες αντιδράσεις με στοιχειομετρία 1:1:1 που παρουσιάστηκαν στην Εξ.(11.9). Παρατηρείστε τη μεγάλη διαφορά στη συγκέντρωση του ενδιάμεσου προϊόντος R που εξαρτάται από την τιμή του λόγου k2/k1. Μια τέτοια συμπεριφορά, είναι αντιπροσωπευτική του συστήματος VOC  CO CO2 · το CO μπορεί να είναι παρόν σε μεγάλες ή μικρές συγκεντρώσεις σ’ έναν μετακαυστήρα και εξαρτάται από τη θερμοκρασία λειτουργίας και το χρόνο παραμονής. Η Εικόνα 11.4 προέρχεται από μελέτη των Hemsath and Susey (1974), και απεικονίζει το σχηματισμό του CO σε μονάδα καύσης VOC. Ένας τέτοιος σχηματισμός μπορεί να είναι σημαντικός παράγοντας στην επιλογή της θερμοκρασίας σχεδιασμού για μονάδα καύσης. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ.Καθηγήτρια 12

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 13

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 14

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΟΙ ΤΡΕΙΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ (Θ.Χ.Τ) (i) Η σπουδαιότητα των τριών παραμέτρων της μονάδας καύσης - θερμοκρασία, χρόνος και τύρβη – έχει αναγνωριστεί εδώ και πολλά χρόνια. O Danielson (1973) πρότεινε ότι για ικανοποιητική καταστροφή, οι μετα-καυστήρες θα πρέπει να σχεδιαστούν για θερμοκρασίες 1000–1500oF, για χρόνο παραμονής 0.3-0.5 sec και για ταχύτητες ροής ( για να ενισχυθεί η τυρβώδης ανάμιξη) 20-40 ft/sec. Τροποποίηση των γενικών οδηγιών περιλαμβάνοντας υψηλότερες θερμοκρασίες (1200–2000 oF) μεγαλύτερους χρόνους παραμονής (0.2-2.0 sec) για προώθηση μιας πιο ολοκληρωμένης καταστροφής των VOCs (Buonicore and Davis 1992). Μόνιμη πρακτική ο μετα-καυστήρας αποτελεί τμήμα αποτεφρωτήρα επικινδύνων αποβλήτων (hazardous waste incinerator – HWI). Οι κανονισμοί της US EPA για αποτεφρωτήρες επικινδύνων αποβλήτων απαιτούν 99.99% ως ελάχιστη απόδοση καταστροφής και απομάκρυνσης (destruction and removal efficiency – DRE) των κυριότερων επικινδύνων οργανικών συστατικών (principal organic hazardous constituents – POCHs) που πρέπει να καούν. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η τελική άδεια λειτουργίας εκδίδεται από την EPA και σχεδόν πάντοτε απαιτούνται 2.0 sec ως ελάχιστος χρόνος παραμονής στη μονάδα καύσης (καθώς καθορίζεται συγκεκριμένη ελάχιστη θερμοκρασία, η τιμή της οποίας εξαρτάται από τις ενώσεις που πρέπει να καούν, αλλά η οποία συχνά είναι 1800 oF ή υψηλότερα). ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 15

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΟΙ ΤΡΕΙΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ (Θ.Χ.Τ) (ii) Οι νοσοκομειακοί αποτεφρωτήρες μολυσματικών αποβλήτων (βιοϊατρικά) συχνά χρησιμοποιούν μετακαυστήρες και οι πολιτειακοί ή τοπικοί κανονισμοί καθορίζουν έναν συνδυασμό ελάχιστης θερμοκρασίας και χρόνου παραμονής για αυτές τις εγκαταστάσεις. Για παράδειγμα, η απαίτηση του κανονισμού για 1600 oF και 1.0 sec δεν είναι ασυνήθιστο για μετακαυστήρα που χρησιμοποιείται σε αποτεφρωτήρα νοσοκομειακών αποβλήτων. Επειδή οι κινητικές σταθερές στις Εξ.(11.6) και (11.7) αυξάνονται εκθετικά με τη θερμοκρασία, οι ρυθμοί καταστροφής των VOC είναι πολύ ευαίσθητοι στην θερμοκρασία. Ωστόσο, επειδή οι αντιδράσεις στο μετακαυστήρα προχωρούν σε έναν τελικό ρυθμό, πρέπει να προβλέπεται ικανοποιητικός χρόνος στην επιθυμητή θερμοκρασία για να μπορέσουν οι αντιδράσεις αυτές να φθάσουν στο ζητούμενο βαθμό ολοκλήρωσης. Η τύρβη εξασφαλίζει ικανοποιητική ανάμιξη του οξυγόνου και των VOCs κατά τη διάρκεια της διεργασίας. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ.Καθηγήτρια 16

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΟΙ ΤΡΕΙΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ (Θ.Χ.Τ) (iii) Από τη μαθηματική σκοπιά, οι τρεις παράμετροι (Θ.Χ.Τ.) σχετίζονται με τρεις χαρακτηριστικούς χρόνους– χρόνος αντίδρασης, χρόνος παραμονής και χρόνος ανάμιξης- οι οποίοι δίδονται από τις ακόλουθες εξισώσεις : τc = 1 / k (11.10) τr = V/ Q = L / u (11.11) τm= L2/ De (11.12) τc, τr, τm = χρόνοι αντίδρασης, παραμονής και ανάμιξης, αντίστοιχα, s V = όγκος της ζώνης αντίδρασης, m3 Q =ογκομετρική παροχή (συγκεκριμένη θερμοκρασία μετακαυστήρα), m3/s L = μήκος της ζώνης αντίδρασης, m u = ταχύτητα αερίου στο μετακαυστήρα, m/s De = αποτελεσματικός (τυρβώδης) συντελεστής διάχυσης, m2/s ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ.Καθηγήτρια 17

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΟΙ ΤΡΕΙΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ (Θ.Χ.Τ) (iii) Ο λόγος του χρόνου ανάμιξης προς χρόνο παραμονής (τm/τr) ονομάζεται αριθμός Peclet, Pe, και ο λόγος του χρόνου παραμονής προς το χρόνο αντίδρασης (τr / τc) είναι γνωστός ως αριθμός Damkohler, Da. Οι Barnes, Putnam, Barrett (1978) σημείωσαν ότι εάν ο Pe είναι μεγάλος και ο Da μικρός τότε η ανάμιξη είναι η διεργασία που καθορίζει το ρυθμό στο μετακαυστήρα. Εάν ο Pe είναι μικρός και ο Da είναι μεγάλος, τότε η χημική κινητική είναι ο περιοριστικός παράγοντας του ρυθμού. Σε θερμοκρασίες των περισσοτέρων μετακαυστήρων εφόσον τηρούνται λογικές ταχύτητες ροής, αναμένεται ότι οι διεργασίες ανάμιξης δεν θα είναι ο περιοριστικός παράγοντας. Εντούτοις, καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει, ο χρόνος αντίδρασης (τr) μειώνεται ραγδαία, οπότε σε κάποιο σημείο ο συνολικός ρυθμός περιορίζεται από τις διεργασίες ανάμιξης. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 18

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΤΩΝ VOC (i) Αν και οι κινητικές είναι σημαντικές για τον κατάλληλο σχεδιασμό του μετακαυστήρα, τα κινητικά δεδομένα είναι σπάνια, ενώ είναι δύσκολα και κοστοβόρα να ληφθούν αποτελέσματα από πιλοτικές μελέτες. Εξαιτίας της απουσίας λεπτομερειακών δεδομένων, παλαιότερες μέθοδοι που όριζαν τη θερμοκρασία σχεδιασμού ή λειτουργίας της μονάδας καύσης στην καλύτερη περίπτωση ήταν πολύ προσεγγιστικές. Ο Ross (1977) συνόψισε όλες τις παλαιότερες μεθόδους προτείνοντας ότι η θερμοκρασία σχεδιασμού πρέπει να είναι “αρκετές εκατοντάδες βαθμούς (oF) πάνω από τη θερμοκρασία αυτανάφλεξης των VOC”. Θερμοκρασία αυτανάφλεξης είναι η θερμοκρασία στην οποία εύφλεκτα μίγματα των VOC θα υποστούν ανάφλεξη στον αέρα χωρίς εξωτερική πηγή (χωρίς σπινθήρα ή φλόγα)- Πίνακας 11.1. Σημειώστε ότι υπερβολικά υψηλή θερμοκρασία σχεδιασμού θα έχει σαν αποτέλεσμα το υψηλό εκτιμώμενο κόστος για την προμήθεια και τη λειτουργία της μονάδας καύσης VOC. Έτσι, η πρόβλεψη υψηλότερης θερμοκρασίας απ’ ότι πραγματικά χρειάζεται είναι δυνατόν να εμποδίσει περαιτέρω διερεύνηση της χρήσης μονάδας καύσης όταν, στην πραγματικότητα, αυτή θα μπορούσε να αποτελέσει εφικτή εναλλακτική λύση. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 19

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 20

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΤΩΝ VOC (ii) Αρκετοί συγγραφείς έχουν προτείνει πιο ακριβείς μεθόδους για ποσοτική πρόβλεψη κινητικών δεδομένων και / ή θερμοκρασίες σχεδιασμού. O Lee και οι συνεργάτες του σε δύο μελέτες (Lee, Hansen and Macauley 1979; Lee, Morgan, Hansen και Whipple 1982) έκαναν ερευνητικά πειράματα με αρκετά VOC και πρότειναν ένα καθαρά στατιστικό μοντέλο για την πρόβλεψη των απαιτούμενων θερμοκρασιών για διάφορα επίπεδα καταστροφής σε έναν ισο-θερμοκρασιακό μετακαυστήρα εμβολικής ροής. Το μοντέλο τους εξαρτάται από έναν αριθμό ιδιοτήτων των VOC, οι ποιο σημαντικές από αυτές είναι η θερμοκρασία αυτανάφλεξης, ο χρόνος παραμονής και ο λόγος των ατόμων υδρογόνου προς τα άτομα του άνθρακα στο μόριο. Η μέθοδός τους δίνει άριστους συντελεστές συσχέτισης και η τυπική απόκλιση των προβλεπόμενων θερμοκρασιών είναι περίπου 20 oF. Δύο από αυτές τις εξισώσεις είναι οι ακόλουθες : T99.9 = 594-12.2 W1+117.0 W2+71.6 W3+80.2 W4+0.592 W5-20.2 W6-420.3 W7+87.1 W8-66.8 W9+92.8 W10-75.3 W11 (11.13) T99 = 577-10.0 W1+110.2 W2+67.1 W3+72.6 W4+0.586 W5-23.4 W6-430.9 W7+85.2 W8-82.2 W9+65.5 W10-76.1 W11 (11.14) ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 21

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΤΩΝ VOC (iii) T99.9 = θερμοκρασία για 99.9% απόδοση καταστροφής, oF T99 = θερμοκρασία για 99% απόδοση καταστροφής, oF W1 = αριθμός ατόμων άνθρακα W2 = αναγνωριστικό για αρωματική ένωση (0=όχι, 1=ναι) W3 = αναγνωριστικό C=C (διπλός δεσμός)–δεν υπολογίζεται ο αρωματικός δακτύλιος – (0=όχι, 1=ναι) W4 = αριθμός ατόμων αζώτου W5 = θερμοκρασία αυτανάφλεξης, oF W6 = αριθμός ατόμων οξυγόνου W7 = αριθμός ατόμων θείου W8 = λόγος υδρογόνου / άνθρακα W9 = αλλύλιο (2-προπενύλιο) αναγνωριστικό ένωσης (0=όχι, 1=ναι) W10 = αλληλεπίδραση άνθρακας - διπλός δεσμός – χλώριο (0=όχι, 1=ναι) W11 = φυσικός λογάριθμος του χρόνου παραμονής (sec) ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 22

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΤΩΝ VOC (iv) Οι Cooper, Alley and Overcamp (1982) συνδύασαν τη θεωρία των συγκρούσεων με εμπειρικά δεδομένα και πρότειναν μια μέθοδο για την πρόβλεψη μιας “αποτελεσματικής” πρώτης τάξεως σταθεράς ρυθμού k για καύση υδρογονανθράκων πάνω από την περιοχή των 940 με 1140 K . Η μέθοδος τους εξαρτάται από το μοριακό βάρος και τον τύπο του υδρογονάνθρακα. Από την στιγμή που θα βρεθεί η τιμή k, μπορούμε να έχουμε τη θερμοκρασία σχεδιασμού. Η σταθερά ρυθμού k μπορεί να γραφτεί και ως k = A e -E/RT (11.15) E = ενέργεια ενεργοποίησης, cal/mol A = προεκθετικός παράγοντας, s-1 R = σταθερά του νόμου των ιδανικών αερίων, 1.987 cal/mol-K T = απόλυτη θερμοκρασία, K ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 23

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΤΩΝ VOC (v) Ο προεκθετικός παράγοντας δίδεται από (11.16) Ζ’ = συντελεστής ρυθμού συγκρούσεων S = στερεοχημικός παράγοντας yO2 = μοριακό κλάσμα οξυγόνου στον μετακαυστήρα P = απόλυτη πίεση, atm R’ = σταθερά αερίων, L-atm/mol-K Ο στερεοχημικός παράγοντας S στην Εξ.(11.16) (παράγοντας που ερμηνεύει το γεγονός ότι κάποιες συγκρούσεις δεν είναι αποτελεσματικές και δεν οδηγούν σε αντίδραση εξαιτίας της γεωμετρίας του μορίου) μπορεί να υπολογιστεί από (11.17) όπου MW = μοριακό βάρος υδρογονάνθρακα ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Επ.Καθηγήτρια 24

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΤΩΝ VOC (vi) Ο συντελεστής ρυθμού συγκρούσεων Ζ’ μπορεί να υπολογιστεί από την Εικόνα 11.5 για τρεις κατηγορίες ενώσεων. Ο προεκθετικός συντελεστής Α μπορεί τότε να υπολογιστεί για μία εκτιμώμενη τιμή του γραμμομοριακού κλάσματος του οξυγόνου στο μετακαυστήρα. Η ενέργεια ενεργοποίησης Ε (σε Kcal/mol) συσχετίζεται με το μοριακό βάρος όπως φαίνεται στην Εικόνα 11.6, η εξίσωση για την οποία είναι : Ε = - 0.00966(MW) + 4.61 (11.18) Από τη στιγμή που έχουν υπολογιστεί τα Α και Ε, το k μπορεί να υπολογιστεί για κάθε επιθυμητή θερμοκρασία. Σε κάθε ισοθερμοκρασιακό αντιδραστήρα εμβολικής ροής (PFR), η απόδοση της καταστροφής των υδρογονανθράκων (HC), η σταθερά ρυθμού και ο χρόνος παραμονής είναι ανεξάρτητα και συνδέονται : (11.19) όπου η = απόδοση καταστροφής HC Αν και η μέθοδος αυτή είναι περισσότερο εκτεταμένη από την μέθοδο των Lee καταλήγει στις κινητικές σταθερές. Έτσι, η προσέγγιση που περιγράφηκε προηγουμένως και είναι χρήσιμη για την ιδανική περίπτωση ενός ισο-θερμοκρασιακού PFR, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στο σχεδιασμό ενός μη-ισοθερμοκρασιακού μετακαυστήρα για πραγματικές συνθήκες. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 25

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 26

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 27

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΤΩΝ VOC (vii) Η καταστροφή των VOC συχνά γίνεται γρήγορα σε σχέση με την καταστροφή του CO. Σε πολλές περιπτώσεις, η καταστροφή του CO μπορεί να “καθοδηγήσει” το σχεδιασμό, ενώ από αρκετούς ερευνητές παρατηρήθηκε παραγωγή του CO σε μετακαυστήρες. Οι κινητικές καταστροφής του CO μελετήθηκαν από πολλούς ανεξάρτητους ερευνητές (Dryer and Glassman 1973; Howard, Williams και Fine 1973; Williams, Hottel και Morgan 1969). Η ακόλουθη έκφραση για την οξείδωση του CO δημοσιεύτηκε από τους Howard et al.(1973) μετά από ανασκόπηση πολυάριθμων πειραματικών μελετών και ισχύει για μεγάλη περιοχή θερμοκρασιών (840 – 2360 K). Ρυθμός καταστροφής CO = 1.3(10)14e-30,000/RT{O2}1/2{H2O}1/2{CO} (11.20) Όπου { } δηλώνει συγκέντρωση σε mol/cm3 Το κινητικό μοντέλο για την καταστροφή μόνον του CO, όπως δόθηκε από την Εξ.(11.20), μπορεί να συνδυαστεί με το κινητικό μοντέλο των VOC (το οποίο παράγει CO) για να δομηθεί ένα ολοκληρωμένο ολικό μοντέλο για τις διεργασίες που γίνονται στο μετακαυστήρα. Εάν η καταστροφή του CO είναι πολύ πιο αργή απ’ ότι η καταστροφή των VOC, τότε απαιτούνται υψηλότερες θερμοκρασίες, απλά για να εμποδίσουν υπερβάσεις στις εκπομπές CO. Σε μια τέτοια περίπτωση, ο ακριβής υπολογισμός κινητικής VOC γίνεται λιγότερο κρίσιμος. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 28

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΤΩΝ VOC (vii) Παράδειγμα 11.1 Υπολογίστε την απαιτούμενη θερμοκρασία σ’ ένα ισοθερμοκρασιακό μετακαυστήρα εμβολικής ροής με χρόνο παραμονής 0.5 sec για απόδοση 99.5% καταστροφής του τολουολίου. Χρησιμοποιήστε τις τρεις μεθόδους που συζητήθηκαν σε αυτό το κεφάλαιο. Λύση (α) θερμοκρασία αυτανάφλεξης + 300 oF = 1026 + 300 = 1326 oF (β) Μέθοδος των Lee et al. : Από τις Εξ.(11.13) και (11.14), Τ99.9 = 594 - 12.2(7) + 117 + 0 + 0+ 0.592(1026) – 0 – 0 + 87.1(1.14) – 0 + 0 -75.3 (ln0.5) = 1386 oF T99 = 577 - 10.0(7) + 110.2 + 0 + 0 + 0.586(1026) – 0 – 0 + 85.2(1.14) – 0 + 0 -76.1 (ln0.5) = 1369 oF To T99.5 θα είναι μεταξύ των T99 και Τ99.9. Επειδή η μέθοδος αυτή είναι προσεγγιστική, είναι ικανοποιητική η εύρεση του μέσου όρου γραμμικά. Έτσι, T99.5 = 1376 oF ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 29

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΤΩΝ VOC (vii) Παράδειγμα 11.1(συνέχεια) Λύση (γ) Η μέθοδος των Cooper et al. Πρώτα θα ξαναγράψουμε την Εξ.(11.19) και θα υπολογίσουμε την απαιτούμενη τιμή του k. k = [-ln(1-0.995)]/0.5 = 10.6 s-1 Από την Εξ.(11.18), υπολογίζουμε το Ε ως : Ε = - 0.00966(92) + 46.1 = 45.2 kcal/mol Υπολογίζουμε το S από την Εξ.(11.17) και βρίσκουμε το Z’ από την Εικόνα 11.5. Έτσι, S = 16/92 = 0.174 Z’ = 2.86 1011 Υποθέτοντας ότι το γραμμομοριακό κλάσμα του οξυγόνου είναι 0.15 και η πίεση 1 atm, υπολογίζουμε το Α από την Εξ.(11.16) ως ακολούθως : A = 2.85 1011 (0.174) (0.15) (1.0) = 9.07 1010 0.08205 Τελικά, ξαναγράφουμε την Εξ.(11.15) και την λύνουμε ως προς Τ γνωρίζοντας τα k, Α και Ε. Επομένως, T = -(E/R) [1/ln(k/A)] = -(45,200/1.987) [1/ln(10.6/9.07 1010] = 995 K = 1331 F ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 30

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Όταν ακόμα και μικρές συγκεντρώσεις VOCs καίγονται πλήρως στον αέρα, μπορεί να προκληθεί σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας του αερίου ρεύματος. Την ίδια στιγμή, οι απώλειες θερμότητας από το μετακαυστήρα μπορεί να είναι σημαντικές και μπορεί να προκληθεί σημαντική μείωση στη θερμοκρασία του αερίου. Στην ιδανική περίπτωση, θα πρέπει να λάβουμε υπόψη και τα δύο φαινόμενα στο σχεδιασμό της διεργασίας. ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ Ο καταλύτης είναι ένα στοιχείο ή μια ένωση που επιταχύνει μια αντίδραση χωρίς ο ίδιος να υφίσταται μόνιμες αλλαγές. Τυπικά, μόρια του αερίου διαχέονται προς τον καταλύτη και προσροφώνται στην επιφάνειά του, πάνω στην οποία γίνεται η αντίδραση. Τα αέρια προϊόντα εκροφώνται και διαχέονται πάλι πίσω στην κύρια μάζα του αερίου ρεύματος. Οι λεπτομερειακοί μηχανισμοί της αντίδρασης δεν είναι απόλυτα γνωστοί. Πιθανόν, ο καταλύτης εξασθενίζει τις εσωτερικές ενέργειες των δεσμών VOC, ή μεταβάλει τη μοριακή γεωμετρία των VOC. Εξαιτίας της αλλαγής του μηχανισμού της αντίδρασης από τον καταλύτη, η αντίδραση προχωρά πολύ πιο γρήγορα και/ή σε πολύ μικρότερες θερμο-κρασίες με τη χρήση καταλυτών απ’ ότι στους μετακαυστήρες άμεσης φλόγας. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 31

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ 11.3 ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΜΟΝΑΔΕΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ (i) Ο σχεδιασμός της διεργασίας μονάδας θερμικής οξείδωσης ή μετακαυστήρα VOC περιλαμβάνει τον καθορισμό της θερμοκρασίας λειτουργίας μαζί με τον επιθυμητό χρόνο παραμονής, και στη συνέχεια γίνεται η διαστασιολόγηση της συσκευής προκειμένου να επιτευχθεί ο επιθυμητός χρόνος παραμονής και η επιθυμητή θερμοκρασία με την κατάλληλη ταχύτητα ροής. Η επιλογή κατάλληλου εξοπλισμού εξαρτάται από παράγοντες όπως, ο τρόπος λειτουργίας (συνεχής ή διαλείπουσα), η περιεκτικότητα σε οξυγόνο και η συγκέντρωση των VOC (Hemsath and Susey 1972). Η κατάλληλη επιλογή και η κατάλληλη διαστασιολόγηση είναι πολύ σημαντικές παράμετροι όταν γίνεται προσπάθεια να ελαχιστοποιηθεί το συνολικό κόστος της επιλεγόμενης μεθόδου καύσης. Για το λόγο αυτό, είναι επιθυμητό να διατηρηθεί ο όγκος του ρεύματος που θα υποστεί τη θερμική επεξεργασία όσο το δυνατόν μικρότερος. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 32

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΜΟΝΑΔΕΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ (ii) Εντούτοις, οι περισσότεροι κανονισμοί ασφαλείας περιορίζουν τη μέγιστη συγκέντρωση των VOC στις ροές αυτές στο 25% του κατώτερου ορίου εκρηξιμότητας (LEL –Lower Explosive Limit) των VOC. Παρόλα αυτά, πολλά ρεύματα διεργασιών που συναντώνται στη βιομηχανία έχουν συγκεντρώσεις 5% ή μικρότερο του LEL. Εάν το ρεύμα της διεργασίας μπορεί να συμπυκνωθεί πάνω από το 5% έως το 25% του LEL (για παράδειγμα, μειώνοντας το ρυθμό της ροής του αέρα), ο συνολικός όγκος που πρόκειται να καεί θα μειωθεί κατά 80%! Μερικές τιμές του LEL παρουσιάζονται στον Πίνακα 11.2. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, οι μονάδες θερμικής οξείδωσης παίζουν ρόλο κλειδί στη καύση των επικινδύνων αποβλήτων. Οι ισχύοντες κανονισμοί απαιτούν 99.9% απόδοση καταστροφής & απομάκρυνσης (DRE) των κύριων επικινδύνων οργανικών συστατικών (POHCs). Εντούτοις, σ’ ένα μίγμα αποβλήτων, ο καθορισμός ποια από τα POHCs θα “ελέγξουν” το ολικό DRE του μίγματος δεν είναι ασήμαντος. Η ελάχιστη αποτελεσματική θερμοκρασία σε μονάδα θερμικής οξείδωσης είναι συνάρτηση εκείνου του POHC το οποίο είναι και το ποιο δύσκολο για να καταστραφεί. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 33

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 34

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΜΟΝΑΔΕΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ (iii) O Dellinger και άλλοι ανέπτυξαν για λογαριασμό της US EPA έναν κατάλογο πολυάριθμων αερίων POHCs που είναι θερμικά σταθερά. Η σειρά της κατάταξης σχετίζεται, αλλά δεν ταυτίζεται, με την τάξη της θερμότητας καύσης των χημικών ενώσεων ανά μονάδα μάζας (Taylor et al. 1990). Η επιλογή του κρίσιμου POHC σε μίγμα αποβλήτων θα στηριχθεί σε αυτήν την κατάταξη. Μέρος του καταλόγου δίδεται στον Πίνακα 11.3. Kατά τη διάρκεια σχεδιασμού της διεργασίας, εκτελούνται τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας για τη μονάδα προκειμένου να υπολογιστεί η παροχή του καυσίμου που απαιτείται για να αυξήσει τη θερμοκρασία συγκεκριμένης παροχής αέρα στην καθορισμένη θερμοκρασία. Τα ενεργειακά αποτελέσματα των χημικών αντιδράσεων των ρύπων και η μεταφορά θερμότητας δια μέσω των τοιχωμάτων του αντιδραστήρα θα έπρεπε να εξεταστούν, αλλά μερικές φορές αγνοούνται. Μη ιδανικά πρότυπα ροής και μη ιδανική ανάμιξη έχουν αποτέλεσμα ακτινικά προφίλ για τη συγκέντρωση και τη θερμοκρασία που θεωρητικά θα έπρεπε επίσης να ληφθούν υπόψη. Εντούτοις, στην καλύτερη περίπτωση, αυτό το τελευταίο μέρος του σχεδιασμού της διεργασίας γίνεται από μαθηματική άποψη δύσκολο και συνήθως δεν αξίζει πρόσθετη προσπάθεια εκτός εάν απαιτηθούν στην πλέον ακραία περίπτωση υψηλές αποδόσεις (όπως με τους πολύ τοξικούς ατμούς). ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 35

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 36

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Ισοζύγια Μάζας και Ενέργειας (i) Στην Εικόνα 11.7 παρουσιάζεται ένα σχηματικό διάγραμμα μονάδας καύσης ατμών. Σε ένα τυπικό σχεδιαστικό πρόβλημα δεν είναι διαθέσιμη πληροφορία σχετικά με τις σχέσεις μεταξύ χρόνου, θερμοκρασίας και απόδοσης καταστροφής για τον ατμό που πρόκειται να καεί. Οι μελέτες σε πιλοτικές εγκαταστάσεις, τα πειραματικά αποτελέσματα από τη βιβλιογραφία, οι προβλεπόμενες τεχνικές (συζητήθηκε προηγούμενα στο παρόν κεφάλαιο), ή οι κανονισμοί μας παρέχουν τη δυνατότητα να καθορίσουμε και τη θερμοκρασία σχεδιασμού και το χρόνο παραμονής. Τώρα, θα εξηγήσουμε τις μεθόδους υπολογισμού της παροχής του καυσίμου και τη διαστασιολόγηση του μετακαυστήρα για να επιτύχουμε τον απαιτούμενο χρόνο παραμονής και την απαιτούμενη θερμοκρασία. (Σημείωση: Μία παραλλαγή του προβλήματος αυτού είναι να υπολογιστεί η αναμενόμενη θερμοκρασία, όταν δίδονται τιμές για συγκεκριμένες παροχές καυσίμου και ρυπασμένου ρεύματος αέρα.) ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 37

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 38

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Ισοζύγια Μάζας και Ενέργειας (ii) Το συνολικό ισοζύγιο μάζας στην μόνιμη κατάσταση μετατρέπεται σε (11.21) όπου το συμβολίζει την παροχή μάζας (σε kg/min ή lbm/min) και οι δείκτες αναφέρονται στις ροές της Εικόνας 11.7. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 39

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Ισοζύγια Μάζας και Ενέργειας (iii) Το ισοζύγιο της ενθαλπίας στη μόνιμη κατάσταση (άλλες μορφές ενέργειας δεν είναι σημαντικές) είναι το ακόλουθο : h = ειδική ενθαλπία ΔHc= καθαρή θερμότητα καύσης (κατώτερη θερμαντική ικανότητα) KJ/Kg Btu/lbm Xi = κλασματική μετατροπή του VOCi qL = ρυθμός απώλειας θερμότητας από την μονάδα καύσης, kJ/min ή Btu/min Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 40

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Ισοζύγια Μάζας και Ενέργειας (iv) Στην απλοϊκή ανάλυση, είτε αγνοούμε το qL ή θεωρούμε όλες τις απώλειες να αναπαριστώνται ως απλό ποσοστό της εισερχόμενης θερμότητας. Υποθέτουμε ότι όλες τις απώλειες θερμότητας συμβαίνουν στο μπροστινό μέρος του θαλάμου καύσης και υποθέτουμε ότι η αντίδραση πραγματοποιείται ισοθερμοκρασικά στη θερμοκρασία εξόδου. Τα αποτελέσματα της θερμότητας των αντιδράσεων των VOC συχνά αγνοούνται, αλλά εμείς θα τα μελετήσουμε. Σε συγκέντρωση 1000 ppm, η θερμότητα που απελευθερώνεται από την οξείδωση των VOC είναι κατά προσέγγιση 10% της μεταφερόμενης θερμοκρασίας από το καύσιμο. Στην απλή προσέγγιση θα υποθέσουμε ότι η οξείδωση των VOC έχει επιτευχθεί πλήρως στην πρώτη άκρη του αντιδραστήρα. Μπορούμε να εξηγήσουμε τις απώλειες θερμότητας με τη μείωση της εκτιμώμενης θερμογόνου δύναμης του καυσίμου. Πραγματικά, η κατανομή της θερμοκρασίας στη συσκευή θα μεταβάλλεται σημαντικά από την ισόθερμη κατάσταση. Εξαρτώμενη από τη συγκέντρωση των VOC στην είσοδο, τη θερμοκρασία εισόδου, το συντελεστή μεταφοράς θερμότητας και το λόγο επιφάνειας / όγκου της συσκευής, η θερμοκρασία μπορεί αρχικά να αυξάνει (που οφείλεται στην έκλυση θερμότητας από την οξείδωση των VOC ) και στη συνέχεια να μειωθεί (λόγω των απωλειών θερμότητας των τοιχωμάτων)-Εικ 11.8. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 41

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ.Καθηγήτρια 42

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Εάν υποθέσουμε ότι οι συναρτήσεις ενθαλπίας όλων των ρευμάτων είναι παρόμοιες με εκείνες του καθαρού αέρα, θα μειώσουμε σημαντικά την ανάγκη για νέα δεδομένα. Για πολλά συστήματα μονάδων καύσης, η υπόθεση αυτή δεν είναι κακή. Η Εξίσωση (11.22) τότε μετατρέπεται σε fL = κλασματική απώλεια θερμότητας hTi= ενθαλπία αέρα σε θερμοκρασία Ti, kJ/kg ή Btu/lbm Αντικαθιστώντας την Εξ.(11.21) στην Εξ.(11.23) και λύνοντας ως προς την παροχή μάζας του καυσίμου, παίρνουμε ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Ανπαλ. Καθηγήτρια 43

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Ισοζύγια Μάζας και Ενέργειας (vi) Ο καυστήρας συχνά τροφοδοτείται με αέρα από το εξωτερικό περιβάλλον μαζί με το καύσιμο σε προκαθορισμένο λόγο RB, όπως καθορίζεται από τον κατασκευαστή του καυστήρα. Έτσι, έχουμε MBA = RBMG και αντικαθιστούμε αυτή τη σχέση στην Εξ.(11.21). Εάν επίσης υποθέσουμε ότι ΤΒΑ = ΤG, τότε προκύπτει μια ισοδύναμη εξίσωση της Εξ.(11.24) ως ακολούθως : (11.25) Παρατηρείστε ότι στις Εξ.(11.24) και (11.25) έχουμε εκφράσει όλες τις ενθαλπίες ως διαφορές ενθαλπιών. Η αριθμητική τιμή ενθαλπίας αναφέρεται σε δεδομένη θερμοκρασία (και η θερμοκρασία αναφοράς ποικίλει ανάλογα με τους πίνακες δεδομένων). Όταν δύο ενθαλπίες αφαιρούνται, η θερμοκρασία αναφοράς απαλείφεται. Όλα τα μέλη από τη δεξιά πλευρά της Εξ.(11.24) και (11.25) είναι γνωστά ή μπορούν να βρεθούν σε πίνακες ή γραφήματα δεδομένων (δείτε Παράρτημα Β), διότι η θερμοκρασία εξόδου τίθεται στην αρχή του σχεδιασμού. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 44

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Ισοζύγια Μάζας και Ενέργειας (vii) Παράδειγμα 11.2 Υπολογίστε την παροχή μάζας του μεθανίου που απαιτείται σε μετακαυστήρα ο οποίος επεξεργάζεται 2465 acfm ρυπασμένου αέρα. Ο αέρας εισέρχεται στους 200 oF και η επιθυμητή θερμοκρασία των καυσαερίων είναι 1350 oF. Εκτιμάται ότι στον καυστήρα θα χρησιμοποιηθούν 200 scmf εξωτερικού αέρα. Το καύσιμο εισέρχεται στους 80 oF και ο αέρας του καυστήρα εισέρχεται επίσης στους 80 oF. Η κατώτερη θερμογόνος δύναμη (LHV) του μεθανίου είναι 21,560 Btu/lbm. Υποθέστε 10% συνολική απώλεια θερμότητας. Επίσης, αγνοείστε κάθε όφελος από την οξείδωση των ρύπων. Λύση Από τον Πίνακα Β.2 στο Παράρτημα Β, η πυκνότητα του εισερχόμενου ρυπασμένου αέρα είναι 0.060 lbm/ft3. Επομένως, MPA = 2465 acfm 0.060 (lbm/acf) = 148 lbm/min MBA = 200 scfm 0.073 (lbm/scf) = 14.6 lbm/min Από τον Πίνακα Β.7 του Παραρτήματος Β, οι ενθαλπίες (όλες σε Btu/lbm) είναι οι ακόλουθες : hTE = 328 hTBA = 4.8 hTPA = 33.6 hTG = 4.8 Αντικαθιστώντας αυτά τα δεδομένα στην Εξ.(11.24) και λύνοντας ως προς παίρνουμε MG = 148 (328-33.6) + 14.6 (328-4.8) = 2.53 lbm/min 21,560 (0.9) – (328-4.8) ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 45

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Διαστασιολόγηση Μονάδας (i) Μετά την εκτέλεση των ισοζυγίων μάζας και θερμότητας, ο υπόλοιπος προκαταρκτικός σχεδιασμός της διεργασίας είναι απλός. Στο μετακαυστήρα απαιτείται τυρβώδης ροή για να εξασφαλιστεί επαρκής ανάμιξη και προσέγγιση συνθηκών αντιδραστήρα εμβολικής ροής. Επομένως, συνιστάται γραμμική ταχύτητα 20-40 ft/sec (υπολογισμένη στη βάση της διαμέτρου του λαιμού). Η μέση γραμμική ταχύτητα σε ολόκληρο το μήκος του σώματος της μονάδας θα πρέπει να είναι περίπου 10-20 ft/sec. Επιπρόσθετα, πρέπει να προβλέπεται ικανοποιητικός χρόνος παραμονής για να μπορέσουν οι αντιδράσεις να ολοκληρωθούν. Ο χρόνος και η θερμοκρασία δεν είναι ανεξάρτητα, αλλά ο χρόνος παραμονής συχνά ορίζεται βάση της προηγούμενης εμπειρίας προκαταρκτικού σταδίου σχεδιασμού. Συνήθως, χρόνοι παραμονής της τάξης των 0.4-0.9 sec είναι ικανοποιητικοί. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, για αποτεφρωτήρα επικινδύνων αποβλήτων απαιτείται χρόνος παραμονής 2 sec ή μεγαλύτερος και 1.0 sec ή μεγαλύτερος επιβάλλεται συχνά για αποτεφρωτήρα βιοϊατρικών αποβλήτων. Η πτώση πίεσης σε μονάδα θερμικής οξείδωσης είναι χαμηλή (χωρίς την ύπαρξη εναλλακτών για ανάκτηση θερμότητας)· είναι σχεδόν μικρότερη από 4.0 in H2O για τυπικό μετακαυστήρα. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 46

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Διαστασιολόγηση Μονάδας (ii) Οι εφαρμοζόμενες εξισώσεις για τη διαστασιολόγηση του μετακαυστήρα (από τη γνώση μας για την ολική παροχή μάζας του καυσαερίου στη θερμοκρασία σχεδιασμού, τη γραμμική ταχύτητα αερίου και το χρόνο παραμονής) παρουσιάζονται παρακάτω. Το μήκος του θαλάμου αντίδρασης δίδεται από L = u τr (11.26) Η ογκομετρική παροχή του καυσαερίου είναι (11.27) Η διάμετρος του θαλάμου της αντίδρασης είναι (11.28) Για ακριβέστερη προσέγγιση στο σχεδιασμό ενός μετακαυστήρα, ξεκινάμε με τις Εξ.(11.21) και (11.22) οι οποίες έχουν γραφτεί για μία στοιχειώδη τομή του μετακαυστήρα. Αυτή τη στοιχειώδη τομή την χειριζόμαστε σαν έναν CSTR στον οποίο ένα μέρος των VOC καίγεται. Το κλάσμα που θα καεί εξαρτάται από τη θερμοκρασία, τις κινητικές σταθερές, και το χρόνο παραμονής μέσα στον CSTR. Υποθέτουμε μία εισερχόμενη θερμοκρασία και έχουμε εκφράσεις κινητικής [Εξ.(11.6) και (11.7)] και για το VOC και για το CO. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 47

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Παράδειγμα 11.3 Καθορίστε το μήκος και τη διάμετρο του μετακαυστήρα του Παραδείγματος 11.2, με δεδομένο ότι η ταχύτητα σχεδιασμού είναι 15 ft/sec και ο απαιτούμενος χρόνος παραμονής είναι 1.0 sec. Λύση L = 15(1.0) = 15 ft ΜΕ = 148 +14.6 + 2.5 = 165 lbm/min Υποθέτοντας ότι τα καυσαέρια έχουν μοριακό βάρος 28.0, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το νόμο των ιδανικών αερίων για να βρούμε το Q : Q = (165) (0.730) (1810) = 7790 ft3/min 1.0 (28.0) D = √ 4 (7790) = 3.32 ft = 40 in π (15) (60) ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 48

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Διαστασιολόγηση Μονάδας (iii) Εξαιτίας των θερμικών απωλειών και κερδών, η θερμοκρασία του εξερχόμενου αερίου από τον CSTR είναι διαφορετική από τη θερμοκρασία του αερίου εισόδου. Η απώλεια θερμότητας εξαρτάται από το συντελεστή μεταφοράς θερμότητας, το μέγεθος της επιφάνειας του τοιχώματος και από τη θερμοκρασία του ίδιου του αερίου. Παρομοίως, το κέρδος σε θερμότητα εξαρτάται από την έκταση της αντίδρασης των VOC, που εξαρτάται από τη σταθερά του ρυθμού, η οποία εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Έτσι, είναι αναγκαία η επαναληπτική υπολογιστική διαδικασία στον υπολογισμό της θερμοκρασίας εξόδου και των συγκεντρώσεων των VOC και CO. Από τη στιγμή που η διαδικασία συγκλίνει για έναν CSTR, οι υπολογισμοί επαναλαμβάνονται για κάθε επόμενο CSTR προς την κατεύθυνση του ρεύματος μέχρι να φθάσουμε στην έξοδο του μετακαυστήρα. Εάν στην έξοδο οι συγκεντρώσεις των VOC και CO δεν είναι οι επιθυμητές, η διεργασία επαναλαμβάνεται αρχίζοντας με μία νέα υποτιθέμενη τιμή της θερμοκρασίας εισόδου. Στην Εικόνα 11.9 παρουσιάζεται λογικό διάγραμμα ροής για αυτή τη διαδικασία υπολογισμού. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 49

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 50

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ (i) Η ανάκτηση θερμότητας είναι ένας άλλος σημαντικός παράγοντας για το σχεδιασμό μετακαυστήρα. Προφανώς, αφού το καύσιμο είναι ακριβό, είναι επιθυμητή η ανάκτηση θερμότητας από την καύση των ατμών. Για κόστος ενέργειας $0.40/therm (1therm=105Btu), η ανάκτηση χρήσιμης θερμότητας ίσης με το 50% της ενθαλπίας που εκλύεται όταν 10,000 cfm αέρα ψύχονται από 1400 οF έως 400 οF (ανακτώντας 260 Btu/lbm αέρα) έχει ως αποτέλεσμα την εξοικονόμηση $317 ανά ημέρα. Μια πολύ συνηθισμένη μέθοδος ανάκτησης μέρους της ενέργειας στην έξοδο μιας μονάδας καύσης είναι με εγκατάσταση εναλλάκτη θερμότητας. Οι εναλλάκτες θερμότητας που χρησιμοποιούνται για προθέρμανση του εισερχόμενου ρυπασμένου αέρα όπως φαίνεται στην Εικόνα 11.12(α) (κύρια ανάκτηση θερμότητας) ονομάζονται ανακτητές (recuparators). Στους ανακτητές, είναι σύνηθες η 40-60% ανάκτηση ενέργειας ενώ ανάκτηση της τάξεως του 80% συχνά είναι εφαρμόσιμες (Mueller 1977). ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα Αναπλ.Καθηγήτρια 51

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Δρ. Μαρία Γούλα Αναπλ.Καθηγήτρια 52

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ (ii) Όταν τα θερμά καυσαέρια χρησιμοποιούνται για την προθέρμανση του εισερχόμενου ρεύματος αέρα-VOC, οι θερμοδυναμικές ιδιότητες των δύο ρευμάτων είναι τόσο όμοιες που η ανάκτηση ενέργειας μπορεί να υπολογιστεί προσεγγιστικά από μία απλή εξίσωση, ως ακολούθως : Ε = (ΔΤ recovered / ΔΤ available) x 100 = [(T2-T1)/(T3-T1)] x 100 (11.32) Ε = ποσοστό ανάκτησης θερμότητας Τ1,2,3= θερμοκρασία του ρεύματος αέρα-VOC πριν την προθέρμανση, θερμοκρασία του ρεύματος μετά την προθέρμανση αλλά πριν την καύση και θερμοκρασία των θερμών καυσαερίων του μετακαυστήρα, αντίστοιχα. Η προθέρμανση του αέριου απόβλητου έχει αποτέλεσμα την άμεση εξοικονόμηση ενέργειας με τη μείωση της παροχής του καυσίμου. Εντούτοις, για εναλλαγή θερμότητας αέρα-αέρα με χαμηλούς συντελεστές μεταφοράς θερμότητας, οι συμβατικοί εναλλάκτες θερμότητας είναι μεγάλοι και μπορεί να είναι πολύ ακριβοί. Επιπρόσθετα, για υψηλότερα ποσοστά ανάκτησης θερμότητας, απαιτείται περισσότερη επαφή αερίου-μετάλλου▪ έτσι, αυξάνεται η πτώση πίεσης αυξάνεται. Ως εμπειρικός κανόνας, οι ανακτητές με ανάκτηση θερμότητας των 30, 50 και 70% θα έχουν πτώση πίεσης 4, 8 και 15 in. H2O αντίστοιχα ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ.Καθηγήτρια 53

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ (iii) Εάν υπάρχουν άλλες διεργασίες που χρειάζονται θερμότητα, είναι δυνατή μια περισσότερο αποτελεσματική χρήση των θερμών καυσαερίων. Για παράδειγμα, τα καυσαέρια μπορούν να οδηγηθούν σε λέβητα θερμών αποβλήτων για την παραγωγή ατμού, ο οποίος θα χρησιμοποιηθεί για την προθέρμανση ενός υγρού ρεύματος μιας διεργασίας ή να αναμιχθεί με φρέσκο αέρα για να δημιουργηθεί ένα θερμό ξηρό ρεύμα αέρα. Η Εικόνα 11.12 απεικονίζει αυτές τις εφαρμογές. Υπάρχουν πολλοί τύποι εξοπλισμού ανάκτησης θερμότητας & αρκετές παραλλαγές των διατάξεων για τις διεργασίες ανάκτησης θερμότητας· σε μία καλή ανασκόπηση του Mueller (1977) παρουσιάστηκαν αρκετές από αυτές τις διατάξεις. Θυμηθείτε, ότι προγράμματα ανάκτησης θερμότητας πρέπει να τεκμηριώνονται από οικονομικής πλευράς έτσι ώστε, το κόστος του εναλλάκτη θερμότητας να επιστρέφεται από την καθαρή εξοικονόμηση καθαρής ενέργειας (εξοικονόμηση καυσίμου μικρότερη αύξηση ισχύος ανεμιστήρα). Η ανάκτηση του μεγαλύτερου μέρους της θερμότητας είναι σχεδόν πάντοτε δικαιολογημένη, αλλά ανάκτηση του “τελευταίου 10%” της θερμικής ενέργειας συνήθως είναι πολύ δαπανηρή. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 54

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ (iv) Στα προηγούμενα είκοσι χρόνια ή και περισσότερο αναπτύχθηκε μία εναλλακτική λύση στο παραδοσιακό σύστημα εναλλάκτη θερμότητας κέλυφος-αυλών. Η τεχνολογία αυτή, γνωστή ως αναγεννητική (regenarative) ανάκτηση θερμότητας, η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί δύο θαλάμους που περιέχουν κεραμικό υλικό για μεταφορά θερμότητας. Οι δύο θάλαμοι συνδέονται διαμέσου ενός μονωμένου αγωγού με την εγκατάσταση ενός μικρού καυστήρα σ’ αυτόν. Ο αγωγός εξυπηρετεί τη θερμική οξείδωση και ο καυστήρας είναι μικρός επειδή μεγάλη ποσότητα θερμότητας ανακτάται έτσι ώστε να απαιτείται πολύ λιγότερη ποσότητα καυσίμου για να καεί και να επιτευχθεί η επιθυμητή θερμοκρασία. Οι εξωτερικοί αγωγοί και οι βαλβίδες τοποθετούνται με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε το ψυχρό εισερχόμενο ρεύμα αέριου αποβλήτου να μπορεί να μπει απ’ όλες τις πλευρές και τα θερμά καυσαέρια να μπορούν να εξέλθουν επίσης απ΄ όλες τις κατευθύνσεις (δείτε την Εικόνα 11.13). ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 55

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 56

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Η ροή μέσα από κλίνη με πληρωτικό υλικό εναλλάσσεται ως ακολούθως. Πρώτα ο ρυπασμένος αέρας περνά διαμέσου της κλίνης 1, η οποία είναι ζεστή. Καθώς ο ψυχρός αέρας περνά μέσα από την θερμή κλίνη, ο αέρας θερμαίνεται και η κλίνη ψύχεται. Στο μεταξύ τα θερμά καυσαέρια εξέρχονται δια μέσου της κλίνης 2, η οποία είναι ψυχρή. Ξανά τα αέρια ανταλλάσσουν θερμότητα με το κεραμικό μέσο , αυτή τη φορά θερμαίνεται η κλίνη και ψύχονται τα αέρια. Μετά από μια χρονική περίοδο, όταν η κλίνη 1 γίνει ψυχρή και η κλίνη 2 θερμή, οι βαλβίδες αλλάζουν θέση και η κατεύθυνση της ροής αντιστρέφεται. Ο κύκλος επαναλαμβάνεται από μόνος του. Η θέρμανση μέσω αναγέννησης φθάνει μέχρι και 80-95% ανάκτηση της θερμότητας. Προτιμώνται οι κλίνες με κάθετη ροή επειδή αυτές εξασφαλίζουν περισσότερο ομοιόμορφη κατανομή της ροής του αερίου (ειδικά όταν το πληρωτικό υλικό καθιζάνει) και επειδή η επιφάνεια της βάσης του πληρωτικού υλικού είναι πάντα ψυχρή αποφεύγεται η ανάγκη στήριξης του θερμού πληρωτικού υλικού. Η πτώση πίεση για αυτά τα σύστημα κυμαίνεται από 15 in Η2Ο (για 80% ανάκτηση θερμότητας) έως 20 in Η2Ο (για 95% ανάκτηση). ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 57

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΠΥΡΣΟΙ (i) Στην αρχή αυτού του κεφαλαίου, αναφέραμε το πρόβλημα της σποραδικής απελευθέρωσης μεγάλων όγκων VOC σε πραγματικά καθαρή μορφή. Συστήματα ασφαλείας συστημάτων εξαερισμού κατά τη βλάβη της διεργασίας ή σε έκτακτες καταστάσεις ονομάζονται συστήματα εκτόνωσης έκτακτης ανάγκη (emergency relief systems). Τυπικά, αυτά τα συστήματα έχουν πολλές βαλβίδες ασφαλείας οι οποίες συνδέονται σε ένα σύστημα συλλογής. Είναι σχεδιασμένες για πολύ μεγάλους αγωγούς έτσι ώστε να είναι δυνατός ο χειρισμός μεγάλων όγκων σε πολύ χαμηλές πιέσεις. Οι γραμμές οδηγούν σε κλειστό κυλινδρικό δοχείο νερού και σε καμινάδα πυρσού. Στον πυρσό καίγονται τα VOC σε ασφαλές ύψος πάνω από την περιοχή της διεργασίας. Σχηματικό διάγραμμα ενός συστήματος πυρσού για έκτακτες ανάγκες φαίνεται στην Εικόνα 11.14 και λεπτομερειακός σχεδιασμός του ακροφυσίου του πυρσού φαίνεται στην Εικόνα 11.15. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 58

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 59

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 60

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΠΥΡΣΟΙ (ii) Τα ακροφύσια πυρσών χρησιμοποιούν ατμό για να δημιουργήσουν τυρβώδη μίξη αέρα και VOC στην κορυφή και για να παρέχουν μερική ψύξη του ακροφυσίου του πυρσού και της καμινάδας. Τα VOC αναφλέγονται στην κορυφή με μία συνεχή φλόγα έναυσης. Με την κατάλληλη ροή ατμού, μπορεί να διατηρηθεί η όλη λειτουργία χωρίς καπνό κάτω από όλες σχεδόν τις συνθήκες ροής των VOC. Στα τέλη της δεκαετίας του ’70, τέθηκαν μερικές ερωτήσεις σχετικά με τις εκπομπές των άκαυστων VOC από τους πυρσούς. Υπήρξε μια πιθανότητα οι ρυθμιστικές αρχές να απαιτήσουν “καλύτερο έλεγχο” (όπως τη χρήση θερμικών οξειδωτών ή συστήματα ανάκτησης ατμών) ακόμα και αν ο πρωταρχικός σκοπός των πυρσών ήταν η ασφαλής απελευθέρωση των VOCs υπό συνθήκες έκτακτης ανάγκης και όχι ο έλεγχος της αέριας ρύπανσης. Εντούτοις, δοκιμές (Keller and Noble 1983) έδειξαν ότι οι πυρσοί εξασφαλίζουν καλές αποδόσεις καταστροφής των VOC. Σε μερικές εκτεταμένες δοκιμές, παρατηρήθηκαν αποδόσεις μεγαλύτερες του 99,5% για άκαπνη καύση και 98,5% ή και περισσότερο για όλους τους άλλους τύπους συνθηκών λειτουργίας. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 61

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ (i) 1.Υπολογίστε την τελική θερμοκρασία των καυσαερίων που σχηματίζονται όταν 1.00 lbm/min μεθανίου σε 70 oF καίγονται αδιαβατικά (χωρίς απώλειες θερμότητας) με 50 lbm/min αέρα σε 200 oF. Υπολογίστε ξανά την τελική θερμοκρασία εάν υπάρχουν 10% απώλειες θερμότητας. 2. Η επιθυμητή θερμοκρασία του αερίου που εξέρχεται από το θάλαμο μίξης με τη φλόγα και εισέρχεται στο θάλαμο αντίδρασης μιας θερμικής μονάδας καύσης είναι 750 oC. Η παροχή του ρυπασμένου αέρα είναι 500 m3/min σε 77 oC. Το καύσιμο (μεθάνιο) είναι διαθέσιμο σε 20 oC και ο καυστήρας αντλεί πρόσθετο αέρα (σε 25 oC) με ρυθμό 14 kg αέρα/kg καυσίμου. Υπολογίστε την απαιτούμενη παροχή του μεθανίου. Αγνοείστε τις απώλειες θερμότητας και την παραγωγή θερμότητας από την καύση των ρύπων. Δώστε την απάντηση σε kg/min και m3/min. 3. Υπολογίστε ξανά την απαιτούμενη παροχή του μεθανίου για τον μετα-καυστήρα του προβλ.2 εάν η θερμοκρασία εξόδου των καυσαερίων από την έξοδο πρέπει να είναι 750 oC, οι απώλειες θερμότητας είναι 12% και ο ρύπος (1000 ppm τολουολίου) καίγεται στη συσκευή σε ποσοστό 96%. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 62

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ (ii) 4. Διαστασιολογήστε έναν μετακαυστήρα και καθορίστε την παροχή του μεθανίου που απαιτείται για τον έλεγχο 8000 cfm αέρα από φούρνο ξήρανσης χρωμάτων. Τα αέρια απόβλητα του φούρνου είναι διαθέσιμα σε 250 oF.Υποθέστε ότι η θερμοκρασία σχεδιασμού και ο χρόνος παραμονής είναι 1300oF και 0.6 sec, αντίστοιχα. Ο τύπος του καυστήρα που χρησιμοποιείται στην διεργασία απαιτεί εξωτερικό αέρα με λόγο μάζας 12:1 (αέρα προς καύσιμο). 5. Διαστασιολογήστε έναν μετακαυστήρα και καθορίστε την παροχή του μεθανίου που απαιτείται για τον έλεγχο 500 m3/min αέρα από ένα εργοστάσιο παραγωγής ζωικού λίπους. Τα καυσαέρια έχουν θερμοκρασία 200 oC και πρέπει αυτή να αυξηθεί στους 700 oC και να παραμείνει για 0.8 sec προκειμένου να μειωθούν οι δύσοσμες ουσίες. Ο καυστήρας απαιτεί αέρα από το περιβάλλον με λόγο μάζας 14:1 (αέρα προς καύσιμο). 6. Κατά πόσο θα μπορούσε να μειωθεί η παροχή του καυσίμου του παραδείγματος 11.2 εάν ο εναλλάκτης χρησιμοποιείται για να προθερμάνει το αέριο απόβλητο με ανάκτηση της ενθαλπίας η οποία απελευθερώνεται όταν μειωθεί η θερμοκρασία των καυσαερίων από 1350oF σε 650oF. Προσδιορίστε τη θερμοκρασία προθέρμανσης του αέριου αποβλήτου καθώς αυτό εισέρχεται στο μετακαυστήρα. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 63

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ (iii) 7. Υπολογίστε το λόγο μάζας αέρα προς καύσιμο ένα το μεθάνιο καίγεται πλήρως με στοιχειομετρική ποσότητα αέρα. Υπολογίστε τον ίδιο λόγο εάν χρησιμοποιηθεί διπλάσια στοιχειομετρική ποσότητα αέρα. Υπολογίστε το γραμμομοριακό όγκο του οξυγόνου στα καυσαέρια στη δεύτερη περίπτωση. 8. Υπολογίστε το μήκος και τη διάμετρο της ζώνης αντίδρασης μετακαυστήρα που επεξεργάζεται 2000 acfm ρυπασμένου αέρα (μετρούμενη σε 250 oF). Τα αέρια στο μετακαυστήρα βρίσκονται σε θερμοκρασία 1400 oF και για χρόνο παραμονής 0.50 sec. Υποθέστε ότι ο καυστήρας θα τροφοδοτηθεί με 10 acfm μεθανίου και 350 acfm εξωτερικού αέρα (και τα δύο μετρημένα σε 80 oF και 1 atm). Ταχύτητα του αερίου στον μετακαυστήρα είναι 20 ft/sec. 9. Σ’ έναν ισοθερμοκρασιακό μετακαυστήρα εμβολικής ροής με χρόνο παραμονής 0.75 sec σχεδιάζεται για 99.9% καταστροφή του εξανίου (C6H14). Προβλέψτε την απαιτούμενη θερμοκρασία χρησιμοποιώντας και τις τρεις μεθόδους που περιγράφηκαν σ’ αυτό το Κεφάλαιο. ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOC 11.1 EΙΣΑΓΩΓΗ   Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 64