طرق المعالجة الكيميائية والملوثات الغازية
تلقي هذه المقالة الضوء على طرق المعالجة الكيميائية الثلاثة الأولى المستخدمة في تنقية الملوثات الغازية. الطرق هي: 1. الحرق الحراري 2. الحرق التحفيزي 3. الأكسدة الحيوية.
الطريقة # 1. الترميد الحراري:
من بين الطرق الثلاثة المستخدمة في أكسدة المركبات العضوية المتطايرة ، يحدث الترميد الحراري عند درجة حرارة 650 درجة مئوية أو أعلى ، بينما يتم تنفيذ درجات الحرارة الأخرى عند درجة حرارة أقل. بالنسبة للحرق ، أي احتراق مكونين ، وهما مادة قابلة للاشتعال والأكسجين.
تشكل المركبات العضوية المتطايرة الموجودة في تيار الغاز الضائع المكون القابل للاشتعال والأوكسجين من الهواء بمثابة المكونات الأخرى. المنتجات الرئيسية لعملية الاحتراق هي CO 2 ، H 2 O. كما يتم إنتاج بعض كمية NO x و SO x . قد تكون بعض المركبات العضوية موجودة أيضًا في تدفق المنتج إذا كانت العملية غير مكتملة.
لتحقيق الاحتراق الكامل ، وهذا هو ، من أجل أكسدة كاملة من المركبات العضوية المتطايرة (الملوثات) من الضروري توفير الهواء الزائد (الأكسجين) على ما هو مطلوب من خلال المكافئ غير المكتمل من المكونات قبل وأثناء الاحتراق. ولكي تكون العملية مستدامة ذاتيا ، يجب ألا يكون الخليط خفيفًا أو ثريًا جدًا بالنسبة للمكونات القابلة للاحتراق. يشار إلى التركيبات المحدودة على أنها حدود المتفجرات الأدنى والأعلى.
بين هذه الحدود يحدث الاحتراق عند الاشتعال ولكن قد ينفجر إذا لم يتم التحكم في العملية بشكل صحيح. تعتمد القيم العددية للحدود المتفجرة والعلوية العليا للخليط على أنواع المواد القابلة للاحتراق الموجودة في الخليط. ومع ذلك ، ينبغي الحرص على ألا يقل محتوى الأكسجين في الخليط عن 15٪.
تعتمد درجة اكتمال تفاعل الاحتراق على درجة الحرارة ووقت الإقامة والاضطراب في منطقة الاحتراق. انخفاض درجة الاكتمال يعني وجود مركبات عضوية غير محترقة (ملوثات) في النفايات المعالجة. يزيد معدل التفاعل مع زيادة درجة الحرارة. وبالتالي عند درجة حرارة أعلى ، يكون وقت الإقامة (في غرفة الاحتراق) المطلوب للاحتراق الكامل أقصر.
وبعبارة أخرى ، عند درجة حرارة أعلى ، ستقوم غرفة أصغر بهذه المهمة. ومع ذلك ، قد تكون هناك حاجة إلى توفير وقود إضافي بدرجة حرارة أعلى ، إذا كانت المكونات القابلة للاشتعال الموجودة في الخليط لا تحتوي على قيمة حرارية كافية. تعتمد القيمة الحرارية لخليط على تركيز الأنواع القابلة للاحتراق الموجودة في الخليط.
أثناء تصميم محرقة حرارية ، قد يواجه المرء أيًا من أنواع الحالات الثلاث التالية:
النوع I:
سيكون للغاز المراد معالجته قيمة حرارية كافية ، وبالتالي لن يكون هناك حاجة إلى وقود إضافي ، ولكن يجب توفير الهواء (الأكسجين). مثل هذا الموقف يعني أن الخليط سيكون له تكوين فوق الحد الأعلى للانفجار.
اكتب-II:
قد لا يتطلب الغاز أي وقود إضافي ولا أي هواء ، أي أن تركيبه سيكون بين الحدود الدنيا والعلنية المتفجرة العليا. يجب التعامل مع مثل هذا الغاز بحرص ، وإلا فقد يتدفق اللهب ، أي أن ينتشر من غرفة الاحتراق إلى مصدره.
اكتب-إيل:
قد لا يكون للغاز قيمة حرارية عالية بما فيه الكفاية للحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة في غرفة الاحتراق. هذا يعني أن تركيبة الخليط ستكون أقل من الحد الأدنى للانفجار. بالنسبة لاحتراق مثل هذا الغاز ، سيكون الوقود الإضافي مطلوبًا للحفاظ على عملية الاحتراق.
سيكون لخليط الغاز من النوع الأول قيمة حرارية عالية نسبيًا ، ومن ثم يمكن الاستفادة منه بشكل مربح كوقود. ويمكن حرقها في فرن مرجل أو سخان عملية أو غرفة احتراق مصممة بشكل صحيح مع ترتيب لتوفير كمية كافية من الهواء. إن المعدات الأساسية اللازمة لاحتراق خليط الغاز من النوع الأول هي عبارة عن ناسخ منخفض NO x .
ومع ذلك ، إذا لم يكن هناك مجال للاستفادة من الحرارة الناتجة أثناء الحرق ، يمكن أن ينفجر مزيج الغاز ، أي أن عملية الاحتراق تتم في جو مفتوح حيث يوفر الاضطراب الجوي أكسجين للاحتراق وكذلك يعزز الخلط. يشار إلى الجهاز باسم مكدس مضيئة.
هو كومة / مدخنة في القاعدة التي يتم إدخال الغاز. يتدفق الغاز إلى أعلى الرصة ، ومع اقترابه من الظهور ، فإنه يلتقي بشعلة تجريبية. يتم الاحتفاظ باللهب الطيار بمزيج غاز-هواء وقود مسبق الخلط. يتم استخدامه لإشعال خليط الغاز وكذلك لترسيخ اللهب الناتج. يتم تصريف منتجات الاحتراق بما في ذلك تلك الناتجة عن الاحتراق غير الكامل في الغلاف الجوي مباشرة.
قد تتضمن منتجات الاحتراق HC (الهيدروكربونات) ، CO ، وبعض المنتجات الوسيطة المستقرة ، مثل NOx ، SO 2 ، HCI وجسيمات الكربون إلى جانب CO 2 و H 2 O. يمكن تحسين كفاءة الاحتراق عن طريق الخلط المسبق للغاز يتم حرقها بالهواء و / أو عن طريق حقن البخار بالقرب من اللهب ، مما يؤدي إلى تعزيز الاضطراب. يتم إهدار الحرارة المتولدة أثناء الاحتراق.
يجب أن يكون الاعتبار الرئيسي لاختيار موقع مضيئة وتقدير ارتفاع مكدسها سلامة أفراد تشغيل المصنع والمعدات حول الشعلة من شدة الحرارة المشعة. يجب أن يتواجد التوهج في مكان به مساحة حرة كافية حوله ، بحيث يمكن للرجل أن يهرع إلى مكان آمن من حرارة التوهج ، إذا لزم الأمر.
لتقدير ارتفاع كومة الإنارة ، يجب مراعاة الحد الأقصى لكثافة الحرارة المشعة التي يمكن أن تخضع لها معدات العمليات (خاصةً النفط الخام وخزانات تخزين جزء النفط) حول المداخن. يتم حساب قطر المكدس على أساس معدل التدفق الحجمي الأقصى المتوقع لمزيج الغاز وسرعة اللهب.
أما البيانات الأخرى المطلوبة لحساب ارتفاع المداخن وقطرها فهي درجة الحرارة المحيطة ، ومتوسط القيمة الحرارية لخليط المركبات العضوية المتطايرة ، ومتوسط وزنها الجزيئي ، وكثافتها وانبعاث اللهب ومتوسط سرعة الرياح عند ارتفاع الكومة.
يوضح الشكل 4.16 تمثيلًا تخطيطيًا لمكدس التوهج.
وتجدر الإشارة هنا إلى أنه يمكن استخدام التوهجات فقط في تدفقات غاز النفايات المركزة ذات الحجم الكبير.
ينبغي التعامل مع خليط الغاز من النوع الثاني بعناية حيث أن هذه الخلائط متفجرة. وينبغي تخفيف هذا الخليط بالهواء أو غاز خامل من أجل خفض تركيبة الخليط إلى أقل من الحد الأدنى للانفجار قبل الحرق. لترميد الخليط المخفف قد تكون هناك حاجة إلى كمية من الوقود الإضافي.
قد يبدو من المفارقة أنه يتم تخفيف الخليط القابل للاحتراق ثم حرقه بمساعدة بعض الوقود الإضافي. ومع ذلك ، من وجهة نظر السلامة يصبح من الضروري. إذا تم حرق الخليط المخفف في فرن مرجل أو سخان عملية ، فلن تكون هناك حاجة إلى وقود إضافي.
إذا كان من المخطط حرق خليط الغاز الأصلي دون تخفيف في الاحتراق ، يجب اتخاذ الاحتياطات التالية:
(أ) لضغط الخليط قبل التغذية في محرقة يجب استخدام قاذف نفاث بخار. لا يجب استخدام الأجهزة الميكانيكية لأن الحرارة الاحتكاكية قد تتسبب في حدوث انفجار.
(ب) للحيلولة دون إصابة الشعلة مرة أخرى من محرقة ، يجب أن تتخذ التدابير المذكورة أدناه.
(ط) في خط أنابيب الغاز (المؤدي إلى المحرقة) ، يتم تركيب أجهزة تثبيط اللهب ، مثل الشاشات ، الصفائح المثقوبة.
(2) يجب أن يكون قطر الماسورة المختار بحيث تكون سرعة الغاز عبر الأنبوب أعلى من سرعة اللهب النظرية للخليط.
(3) يجب أن يمر خليط الغاز من خلال وعاء ختم.
إن معالجة وحرق مخاليط الغاز من النوع الثالث لا تشكل مشكلة من وجهة نظر السلامة. للحصول على الدرجة المطلوبة من تدمير الملوثات القابلة للاحتراق الموجودة في مثل هذا المزيج الغازي ، يتم حقنه في غرفة الاحتراق التي يتم إطلاقها بوقود مساعد ويتم الحفاظ عليها عند درجة الحرارة المطلوبة. ينبغي الحفاظ على الاضطراب الصحيح وتركيز الأوكسجين في المحرقة.
قد تكون المحرقة التي تستخدم في احتراق خليط الغاز من النوع الثالث عبارة عن صندوق أو غرفة أسطوانية في أحد طرفيها يوجد موقد يعمل بالغاز أو الزيت. يتم إدخال خليط الغاز المراد ترميده بالقرب من الموقد بحيث يتم مزجه بسهولة مع منتجات الاحتراق وبالتالي تحقيق درجة الحرارة المطلوبة.
يمكن استخدام محفزات الاضطراب لتحقيق خلط سريع لمنتجات الاحتراق والغاز المراد حرقه. يجب التأكد من درجة حرارة الاشتعال الذاتي لكل من الملوثات الموجودة من الأدبيات. يجب أن تكون درجة حرارة تشغيل المحرقة على الأقل بضع مئات من درجات الحرارة أعلى درجة حرارة الاشتعال الذاتي للمكونات الموجودة. يمكن تقدير حجم غرفة المحرقة (V) تقريبًا باستخدام العلاقة.
V = tx Q ،
حيث Q = معدل التدفق الحجمي لمنتجات الاحتراق عند درجة حرارة التشغيل ، و t = مدة البقاء المطلوبة في المحرقة.
عند حوالي 750 درجة مئوية ، قد يكون وقت الإقامة المطلوب حوالي 0.01 ثانية. حوالي 650 درجة مئوية يجب زيادة وقت الإقامة من 0.01 ثانية إلى حوالي 0.1 ثانية لتحقيق نفس درجة تدمير الملوثات.
طريقة # 2. الحرق التحفيزي:
الحفاز التحفيزي هو أيضا عملية أكسدة مشابهة للحرق الحراري. ومع ذلك ، فإن العملية تحدث عند درجة حرارة أقل بكثير من درجة الحرارة الحرارية. وبالتالي فإن متطلبات الوقود التكميلي أقل. المحفزات المستخدمة هي جسيمات صلبة إما على هذا النحو أو مدعومة على بعض المواد الخزفية الخاملة.
المواد المتفاعلة والمنتجات الغازية ، تحدث العملية من خلال الخطوات التالية:
1. إنتشار جزيئات الملوث والأكسجين من الطور الغازي إلى سطح المحفز ،
2. امتزاز الجزيئات المتفاعلة على سطح المحفز ،
3. تفاعل الجزيئات الممتزة ،
4. امتصاص جزيئات المنتج من سطح المحفز ، وأخيرًا ،
5. إنتشار جزيئات المنتج إلى الجزء الأكبر من الطور الغازي.
يتم استخدام نوعين من المحفزات عادة:
(1) معدن نوبل ، مثل البلاتين والبلاديوم بمفرده أو في توليفة ، مدعوم على سبيكة النيكل أو الألومينا أو السيراميك ،
'2' المعادن الأساسية أو أكاسيد المعادن ، مثل الألومنيوم ، والكروم ، والكوبالت ، والنحاس ، والحديد ، والمنغنيز ، والفاناديوم ، والزنك المدعوم أو غير المدعوم.
النوع الثاني من المحفز أرخص ويُعد سهل التحضير.
تكون الدعامات المعدنية بشكل عام على شكل شريط يتم وضع المحفز عليه. ثم يتم تجعيد الشرائط وتشكيلها في حصيرة.
قد تكون دعامات السيراميك إما على شكل حبيبات أو بنية قرص العسل.
في بعض الأحيان يتم خلط المادة الحفازة مع مادة تعرف باسم المروج ، مما يزيد من نشاط المحفز عن طريق تعديل بنية وحجم بلورة العامل المحفز.
الخصائص المطلوبة للحفاز هي:
(1) النشاط العالي في درجات الحرارة المنخفضة ،
(2) الاستقرار الهيكلي ،
(ثالثا) مقاومة الاستنزاف و
(4) انخفاض الضغط المنخفض عبر السرير المحفز.
غالباً ما ينخفض نشاط المحفز مع الاستخدام. قد يحدث هذا بسبب:
(1) تفاعل كيميائي بين جسيمات المحفز وبعض المواد ، مثل البزموت والزرنيخ والأنتيمون والزنك والرصاص والقصدير والزئبق والفوسفور والهالوجينات وما إلى ذلك ، حتى عندما تكون موجودة بكميات ضئيلة في غازات النفايات ،
(2) امتزاز بعض المواد الكيميائية (chemisorption) على سطح محفز و
(3) الطلاء المادي لسطح المحفز بمادة القطران.
محفز يعاني أيضا خسارة في النشاط نتيجة للشيخوخة. قد يكون هذا بسبب تغير في البنية البلورية للمعدن (المحفز) بسبب التآكل والتبخير والاستنزاف. حياة المحفز عادة هي 3 إلى 5 سنوات.
قد تتكون المحرقة التحفيزية من المكونات / الأقسام التالية:
(1) أقسام التسخين المسبق
(2) الموقد ،
(3) غرفة الخلط ،
(4) سرير محفز ،
(5) منفاخ.
يعرض الشكل 4.17 مخططًا تخطيطيًا للمحرقة التحفيزية.
يعمل المحرق التحفيزي بالطريقة الموضحة أدناه.
قد يتم تسخين تيار غاز يحمل ملوثًا واردًا قبل تغذية نفسه في غرفة الخلط. في غرفة الخلط ، يتم خلط تيار الغاز مع غاز المداخن الساخن من الموقد بحيث يمكن للخليط تحقيق درجة الحرارة التي ستحدث عندها الأكسدة الحفزية. الغرض من الموقد هو إنتاج الحرارة اللازمة للحفاظ على غرفة الخلط وسرير الحفاز عند درجة الحرارة المطلوبة. قد يكون الوقود إما غازًا أو نفطًا.
يتم ترتيب طبقة المحفز بطريقة تضمن أن التدفق المتأثر الممزوج بغاز المداخن الساخن يمر عبر السرير ولا يمكن لأي جزء أن يتجاوز السرير. يجب أن يتم تركيبها في غرفة الاحتراق بحيث يمكن إخراجها بسهولة لإعادة تنشيطها أو استبدالها. قد يكون من الضروري تركيب مروحة من أجل التغلب على خسائر الضغط في أقسام مختلفة من مجموعة المحرقة.
من الصعب تحقيق تدمير كامل للملوثات الموجودة في تيار غاز النفايات في محرقة وقد لا يكون ذلك ضروريا. التدمير 98-99 في المئة قد يؤدي إلى خفض تركيز الملوثات إلى الحد المسموح للبث. معظم المركبات العضوية المتطايرة على الاحتراق الكامل تنتج CO 2 و H 2 O.
قد يتم أيضًا إنتاج بعض أول أكسيد الكربون بسبب الاحتراق غير الكامل. قد تنتج بعض المركبات العضوية المتطايرة على الترميد ملوثات مثل ثاني أكسيد الكبريت ، 3 SO ، هالوجينات ومركبات هالوجينية ، مثل Cl 2 ، HCL. قد يكون من الضروري معالجة تيار عادم محرقة (من أجل إزالة الملوثات المذكورة أعلاه) قبل التخلص النهائي منها.
الطريقة رقم 3. الأكسدة الحيوية:
يمكن تنفيذ الأكسدة الحيوية لتيار غاز ملوث ، عندما:
(1) الملوثات الموجودة قابلة للتحلل البيولوجي ،
(2) لا يحتوي التيار على أي ملوثات سامة للبكتيريا الهوائية، و
(3) معدل التدفق الحجمي للتيار غير مرتفع.
تشبه هذه العملية عملية الاحتراق بمعنى أن المنتجات الرئيسية للأكسدة ستكون CO 2 و H 2 O. ومع ذلك ، فإن العملية تتم في درجة حرارة محيطة وتتطور الحرارة المتطورة بسهولة.
يتم تنفيذه عن طريق تمرير مادة ملوثة تحمل تيار غاز ممزوج بكمية كافية من الهواء من خلال سرير من التربة التي يسهل اختراقها قبل المصنف مع الأنواع الصحيحة من الميكروبات الهوائية. تستخدم الميكروبات المركبات العضوية المتطايرة لأنشطتها الأيضية. الأوكسجين اللازم لهذا الغرض مأخوذ من الهواء. يجب أن يكون حجم السرير بحيث يكون هناك وقت كافٍ للاتصال من أجل الوصول إلى المدى المطلوب لتدمير الملوثات.
المزايا الرئيسية لهذه العملية على عمليات الترميد هي:
(1) لا يلزم توفير وقود إضافي ،
(2) لا توجد حاجة إلى معدات عملية مكلفة، و
(3) يجب إيلاء القليل من الاهتمام للتحكم في العملية.
العيب الرئيسي في هذه العملية هو أن يتم توفير مساحة أكبر في شكل حجم السرير مقارنة مع ما هو مطلوب لعمليات الترميد.
