VOC Thermooxidation
Temperatur, Turbulenz und Zeit: die richtige Mischung für die VOC-Reduzierung
In diesem Artikel möchten wir mit Ihnen über das Phänomen der Verbrennung sprechen, seine grundlegenden Elemente analysieren und überprüfen, wie sie sich auf die Reduzierung von VOCs auswirken.
Im Detail werden wir versuchen, drei Fragen zu beantworten:
- Was ist Verbrennung?
- Was sind die Elemente, die sich zu einer vollständigen Verbrennung verbinden?
- Wie wirken sie sich auf die Effizienz des VOC-Abbaus aus?
Beginnen wir mit der Beantwortung der ersten Frage.
Was ist Verbrennung?
Die Verbrennung ist eine chemische Reaktion, bei der ein Brennstoff durch ein Verbrennungsmittel (meist Sauerstoff) oxidiert wird, was zur Entwicklung von elektromagnetischer Strahlung (auch hell) und Wärme führt. Für letzteres wird die Verbrennung als exotherme Reaktion bezeichnet.
Dieses Phänomen wird durch das sogenannte „Feuerdreieck“ dargestellt, das die drei Elemente enthält, die für die Entwicklung der Verbrennung gleichzeitig vorhanden sein müssen:
- den Brennstoff (fest, flüssig, gasförmig);
- das Oxidationsmittel (Luft, die Sauerstoff oder andere Stoffe enthält, die Sauerstoff freisetzen);
- die Zündenergie (Wärme, Temperatur)
Im Bereich des Umweltschutzes wird die Verbrennung als die Reaktion von Sauerstoff mit einer oder mehreren Verbindungen verstanden, die im Allgemeinen Kohlenstoff und Wasserstoff und manchmal auch andere Atome wie: Schwefel, Stickstoff oder Halogene enthalten.
Im Detail tritt das Phänomen auf, wenn die anfänglichen Bindungen einer chemischen Substanz auf Kohlenstoffbasis aufgebrochen werden und sich an Sauerstoff binden, der typischerweise Kohlendioxid und Wasser bildet, während für die anderen vorhandenen Atome relative Säure gebildet wird. Diese Reaktion wird durch die folgende chemische Formel dargestellt: VOC + O2 → CO2 + H2O + NO2 +HCl +SO2.
Das Verbrennungsdreieck und der Abbau von VOCs
Wenn wir jedoch über den Abbau von VOCs sprechen, müssen wir auch einen anderen Aspekt berücksichtigen, der als „Verbrennungsdreieck“ bekannt ist. Dieser Begriff wird verwendet, um drei Elemente zu bezeichnen, die eine grundlegende Rolle für die Wirksamkeit der Bekämpfung spielen und sind: Temperatur, Turbulenzen und Verweilzeit.
Bevor wir diese drei Faktoren analysieren, sollten wir einen kleinen Schritt zurückgehen, um mehr über Nachverbrenner und ihre Rolle zu erfahren. Es handelt sich um Maschinen, die das Prinzip der thermischen Oxidation (bei hoher Temperatur) nutzen, um den Abbau von flüchtigen organischen Verbindungen in den Luftströmen zu bewirken. Im Detail verfügen Nachverbrenner über eine Brennkammer, in der schädliche Schadstoffe verbrannt und in harmlose Stoffe wie Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O) umgewandelt werden.
Ziel ist es daher, die VOCs so weit wie möglich zu reduzieren und gleichzeitig die thermische Effizienz und die Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten. Dazu müssen bei der Auslegung von Nachverbrennungsanlagen alle Einflussgrößen auf die Minderungseffizienz berücksichtigt werden.
Dann kommen das Verbrennungsdreieck ins Spiel, über das wir gesprochen haben.
Für eine vollständige Verbrennung müssen Sie sicherstellen, dass:
- Sauerstoff und Schadstoffe bleiben für die richtige Zeit und bei der richtigen Temperatur in der Kammer;
- die richtige Menge an Sauerstoff vorhanden ist, die mit den Schadstoffen in der Brennkammer angemessen vermischt ist (Turbulenzen).
Lassen Sie uns diese drei wichtigen Elemente gemeinsam analysieren!
Dauer
Die Verweilzeit der Schadstoffe in der Brennkammer variiert je nach Art der VOC. Im Allgemeinen können wir sagen, dass die durchschnittliche Zeit 0,5 – 1 Sekunde beträgt, aber in Gegenwart von komplexen Kohlenwasserstoffen steigt sie auf 2 oder mehr Sekunden, da sie schwieriger abzubauen sind.
Temperatur
Unter Temperatur versteht man in diesem Fall die Temperatur im Inneren der Brennkammer. Es ist eine grundlegende Variable bei der Bekämpfung von VOCs, da:
- bei zu niedriger Temperatur können die Bindungen nicht gebrochen werden (und somit werden die Verbindungen nicht abgebaut);
- bei zu hoher Temperatur, ohne korrekte Betriebsbedingungen würde Kohlenmonoxid (CO) entstehen, das extrem giftig und damit sowohl für Mensch als auch für die Umwelt schädlich ist.
Wie die Verweilzeit wird auch die Temperatur von der Art des zu behandelnden VOC beeinflusst, da je nach Struktur die Bindungen der Verbindungen bei hohen oder niedrigen Temperaturen brechen können.
Turbolenz
Die Turbolenz ist der Parameter zur Beurteilung, wie gut sich die Moleküle im Abwasser vermischt und bewegt haben. Von zentraler Bedeutung ist der Grad der Turbulenzen zwischen Sauerstoff und zu eliminierenden Schadstoffen. Typischerweise ist die Reynoldszahl der Parameter, der die Turbulenz definiert. In Oxidator wird berechnet als:
Re = ( (interner Durchmesser Oxidator) x (Ablaufgeschwindigkeit) x (Ablaufdichte) ) / (Ablaufviskosität)
Um eine vollständige Turbulenz zu gewährleisten, muss die Anzahl der Reynolds größer als 10000 sein.
Wie Sie sehen können, stehen auch die Parameter der Reynoldszahl in einem gewissen Zusammenhang zueinander und funktionieren auch abhängig von der Temperatur. Dabei wird großer Wert auf die Geschwindigkeit des Abwassers bei hohen Temperaturen gelegt, die typischerweise, wenn möglich, bei 6m/s höher sein sollte.
Vor diesem Hintergrund ist klar, dass jede Art von Schadstoff unterschiedliche konstruktive Überlegungen erfordert, um eine optimale Wirksamkeit und Effizienz der Beseitigung zu erreichen, die notwendig sein können, um die Turbulenz, die Temperatur und die Verweilzeit zu ändern.
Zu diesen drei Parametern kommt jedoch noch ein vierter hinzu, nämlich die Sauerstoffkonzentration im Abwasser.
In Verbrennungsanlagen ist Sauerstoff im Allgemeinen ein integraler Bestandteil des Abwassers, und eigentlich muss man nicht mehr hinzuzufügen, um den minimalen Luftüberschuss zu erreichen, der typischerweise in Verbrennungsanlagen verwendet wird und mindestens 3% beträgt. Die üblichen Werte der Sauerstoffkonzentration am Schornstein für die Oxidatoren liegen bei ca. 15% oder mehr, abhängig von der Anwendung, der sie dienen und damit von den Daten und Zugangsbedingungen.
Aus den obigen Ausführungen ist leicht zu verstehen, wie all diese Faktoren ausbalanciert werden müssen, um die richtige Mischung zur Reduzierung von VOCs zu finden. Aus diesem Grund muss die Auslegung von Nachverbrennungsanlagen von Personen durchgeführt werden, die Spezialisten auf diesem Gebiet sind und über die richtigen Kenntnisse auf diesem Gebiet verfügen.
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