Metody likvidace VOC z průmyslových procesů. Ing. Zbyněk Krayzel Doc. Ing. Karel Ciahotný, CSc

Metody likvidace VOC z průmyslových procesů

Ing. Zbyněk Krayzel 602 829 112 [email protected] www.krayzel.cz Doc. Ing. Karel Ciahotný, CSc.

K odstraňování VOC z odpadních plynů se v provozní praxi prosadily především následující technologie: - termické spalování (vhodné pro velmi vysoké koncentrace org. látek v jednotkách až desítkách g/m3) - katalytické spalování (vhodné pro vysoké koncentrace org. látek v jednotkách g/m3) - adsorpce (vhodná pro střední koncentrace org. látek v desítkách až stovkách mg/m3) - kondenzace (vhodná pro vysoké a velmi vysoké koncentrace org. látek v desítkách až stovkách g/m3) - biofiltrace (vhodná pro nízké koncentrace org. látek v jednotkách až stovkách mg/m3) - Speciální (absorpce, fléry – polní hořáky, běžné hořáky, motory)

2

Všechny tyto technologie mají svá specifika a typické oblasti použití. Pro výběr nejvhodnější čistící technologie je kromě koncentrace organických látek v čištěném vzduchu rozhodující také jeho teplota a objem vzduchu, který je nutné za určitý čas vyčistit, hmotnostní tok směsi organických látek, složení směsi organických látek (např. přítomnost halogenovaných uhlovodíků), typ provozu zdroje (přetržitý či nepřetržitý provoz) a další specifické aspekty.

3

Termické spalování (dopalování, dospalování)

Tato technologie využívá k likvidaci organických látek z odpadních plynů jejich oxidace za vysokých teplot bez použití katalyzátoru. Oxidace probíhá většinou při teplotách převyšujících 800 °C, aby bylo zaručeno dokonalé spálení org. látek v odpadním plynu. Pro zajištění účinného spalování je spalovací prostor obvykle vyplněn vhodnou keramickou výplní. Při vysokých koncentracích org. látek v čištěném plynu může proces probíhat bez spalování přídavného paliva, při poklesu koncentrací org. látek v čištěném plynu nebo při najíždění jednotky se potřebná energie zajišťuje také spalováním přídavného paliva. Regenerace tepla se provádí jeho akumulací do vhodné keramické výplně, přičemž se do provozní praxe prosadily různé konstrukce regenerátorů (komorové nebo rotorové systémy).

4


5


Zařízení pro termickou likvidaci je možné najít ve velkých provozech spotřebovávajících značně vysoká množství organických látek, jako jsou např. lakovny karoserií motorových vozidel, velké tiskárny, nebo další průmyslové procesy zpracovávající velké objemy organických rozpouštědel. Pokud jsou zařízení na termickou likvidaci org. látek správně navržena, pracují spolehlivě a bez větších problémů a jsou schopna zajistit vyčištění odpadních plynů na úroveň požadovanou legislativními předpisy. Při použití tohoto způsobu k čištění odpadních plynů s velmi proměnlivou koncentrací VOC nebo nízkými koncentracemi VOC se však zvyšuje spotřeba přídavného paliva a tím i provozní náklady zařízení.

6


Nikdy nepoužíváme slovo SPALOVNA. Je to stejné, jako na letišti říkat BOMBA.

7


Nikdy nepoužíváme slovo SPALOVNA. Je to stejné, jako na letišti říkat BOMBA.

8


9

Nejčastější problémy: Nesprávně navržená jednotka. Krátká doba kontaktu. Nedostatečná teplota v reaktoru. Obtok by-passem. Dopalování škodlivin s obsahem halogenů. Je nesprávné používat dopalování tam, kde jsou používány látky s obsahem halogenů. Pokud nenásleduje vypírka, jde o stav ovzduší velmi nebezpečný. Navíc přítomnost halogenů může způsobit vznik dalších škodlivin. Halogenované látky je lépe zneškodňovat jiným principem. Neseřízené hořáky. Problémy s tuhými emisemi. Při emisním limitu 3 mg/m3 je někdy obtížné limit dodržet. Dopalování je BAT pro mnoho zdrojů, ale vnáší do emisí spaliny, které mohou co do množství emise znásobit. Rozhodně by mělo být posouzeno, zda není možné další využití rozpouštědla. Termické dospalování není tak citlivé na vstupy a jejich kolísání v množství či složení.

Katalytické spalování

Jednotky katalytického spalování VOC z odpadních plynů pracují na podobném principu, jako jednotky termického spalování. Použití katalyzátoru však snižuje pracovní teploty, při kterých může probíhat účinná oxidace organických látek. Podle typu spalovaných látek a typu použitého katalyzátoru pracují tyto jednotky s teplotami v rozmezí od cca 250 do cca 550 °C. Jako katalyzátory se většinou používají katalyzátory na bázi drahých kovů (Pt, Rh, Pd) nanesené na vhodném nosiči (obvykle gama-alumina), nebo katalyzátory na bázi oxidů kovů (např. CuO, MnO2, apod.). Procesy katalytického spalování jsou vhodné pro likvidaci org. látek z odpadních plynů s koncentracemi VOC v jednotkách gramů na m3 plynu. Při vyšších koncentracích hrozí nebezpečí přehřátí katalyzátoru a zničení jeho aktivní vrstvy s velkým reakčním povrchem, proto je nutné v těchto případech čištěný plyn odpovídajícím způsobem ředit čistým vzduchem. 10


Zařízení je podobně jako zařízení určené k termickému spalování org. látek z odpadního vzduchu vybaveno systémem přídavného ohřevu, který se uplatňuje při najíždění jednotky nebo v případech, kdy z důvodu nízké koncentrace org. látek v čištěném plynu není možný autotermní provoz zařízení. Pro vrácení potřebného tepla do procesu spalování se používají buď systémy s rekuperací tepla (výměníky tepla), nebo účinnější systémy s regenerací tepla jeho akumulací do vhodné keramické náplně.

11


12


Systémy katalytického čištění odpadních plynů jsou citlivé na katalytické jedy (např. sloučeniny síry) nebo prachové částice v čištěném plynu, které zanášejí porézní strukturu katalyzátoru a zmenšují tak reakční plochu pro oxidaci org. látek, což se projeví snížení účinnosti jejich spalování. Proto je potřeba po určité době provozu katalyzátor vyměnit za nový. Životnost katalyzátoru se podle provozních podmínek pohybuje obvykle v rozmezí 2 – 5 let. Systémy katalytického spalování org. látek z odpadních plynů jsou v ČR poměrně rozšířeny, zejména ve spojení s technologií adsorpce org. látek a následné termické regenerace nasyceného adsorbentu, při které jsou org. látky zachycené v adsorbentu vypuzovány horkým vzduchem a následně likvidovány právě katalytickým spalováním.

13


Jde o koncovou technologii s velmi nízkými výstupy, jedná se o BAT pro mnoho aplikací. V praxi často selhává pro provozní nekázeň. Nejčastější problémy: Nesprávně navržená jednotka. Krátká doba kontaktu. Nedostatečná teplota v reaktoru nebo příliš vysoká teplota. Katalyzátory jsou velmi citlivé na zatížení, obsah katalytických jedů apod.. Dopalování škodlivin s obsahem halogenů. Je velmi nesprávné používat dopalování tam, kde jsou používány látky s obsahem halogenů. Pokud nenásleduje vypírka, jde o stav velmi nebezpečný. Navíc přítomnost chloru může způsobit vznik dalších škodlivin. Halogenované látky je lépe zneškodňovat jiným principem. Mělo by být posouzeno, zda není možné další využití rozpouštědla. 14

Porovnání dopalovacích jednotek

15

RTO

16

RTO Rotační zeolitový koncentrátor (zeolitové kolo) První stupeň odstraňování VOC je tvořen zeolitovým kolem, což je plochý válec (kolo), rozdělený na několik segmentů, které jsou vyplněny adsorbentem – voštinovým hydrofobním zeolitem schopným adsorpce VOC s vysokou účinností. Proces snižování obsahu těkavých organických látek v odtahované vzdušině z lakovny v zeolitovém kole tedy spočívá v záchytu VOC na adsorpční materiál (zeolit). Zeolitové kolo (válec) se průběžně otáčí kolem horizontální osy a čištěná vzdušina prochází vždy jednou jeho výsečí (segmentem). Segmenty se při otáčení zeolitového kola napojují na jednotlivá potrubí přivádějící odpadní vzdušinu s obsahem VOC, odsávanou z lakovacích a sušících boxů. Vzdušnina obsahující je vedena do odlučovacího systému k odstraňování VOC. V odlučovacím systému je velká část vzdušiny z lakovacích a sušících boxů (cca 90 %) vedena na vyčištění v rotačním zeolitovém koncentrátoru (zeolitovém kole) a menší část vzdušiny (cca 10 %) je nejprve vedena na předehřev na teplotu cca 210 °C, poté je využita k regeneraci adsorpčního kola - k desorpci VOC ze zeolitového kola do horké vzdušiny a posléze je horká vzdušina s vysokou koncentrací VOC odvedena na RTO. Výplň segmentu zeolitového kola tvoří adsorbent – zeolit a na něm dochází při běžné provozní teplotě v důsledku adsorpce k zachycování emisí VOC na zeolitu a vyčištěný proud vzduchu odchází ze zeolitového kola přes výstupní komoru a vzduchotechnický potrubní systém do atmosféry.

17

RTO Rotační zeolitový koncentrátor (zeolitové kolo) Příslušný segment zeolitového kola po jeho nasycení VOC je podroben regeneraci, která probíhá tak, že je přes něj profukován opačným směrem vzduch ohřátý na teplotu 210°C, který uvolní zachycené organické látky. Vyčištěný segment (zbavený VOC) umožňuje posléze opět adsorbovat VOC vstupující do zeolitového kola. Prakticky se to uskutečňuje tak, že nasycený segment je v důsledku otáčení kola přesunut a propojen s dalším potrubím, kterým je do nasyceného segmentu přiváděno cca 4 900 m3 /hod. odtahované vzdušiny, která je předehřáta na teplotu 210°C. Touto zahřátou vzdušinou dojde k desorpci VOC (vytěsnění VOC z tohoto segmentu a jeho regeneraci umožňující jeho opětné použití k adsorpci) a docílí se zvýšení koncentrace VOC v předehřáté vzdušině v poměru cca 10 : 1 až 13 : 1. Pro udržování konstantní teploty desorpčního vzduchu je nainstalovaný hořák o tepelném výkonu 300 kW. Regenerace nasyceného segmentu probíhá současně za chodu zařízení, tzn. že na zeolitovém kole probíhají kontinuálně oba procesy – záchyt VOC a současně desorpce VOC. Celý proud ze segmentu odcházející předehřáté a zakoncetrované vzdušiny v objemu max. 4 900 m3 /hod. s vysokým obsahem VOC je veden do druhé části zařízení pro odlučování emisí VOC, kterým je regenerativní termický oxidátor (RTO).

18

Adsorpční technologie pro odstraňování VOC z odpadních plynů

Nejhorší věta projektanta při jednání: NO, tak tam přinejhorším dáme aktivní uhlí.

19


20

Adsorpcí nazýváme difúzní pochod, při němž dochází ke zvýšení koncentrace plynné nebo kapalné látky na fázovém rozhraní jejím vázáním na povrchu vhodné tuhé nebo kapalné látky. Adsorpce může probíhat tak, že se molekuly adsorbované látky zachycují na povrchu tuhé látky působením van der Walsových sil při teplotě vyšší než je teplota kondenzace. Mezi molekulami adsorbované látky a adsorbentu přitom nenastává chemická interakce ani se nevytváří chemické vazba. Takový pochod se nazývá fyzikální adsorpce. povrch tuhé látky se při ní pokrývá vrstvou molekul adsorbované látky, přičemž může dojít k pokrytí povrchu adsorbentu mnoha vrstvami molekul adsorbované látky. Fyzikální adsorpce probíhá nejčastěji velmi rychle a vybavuje se při ní teplo, které se většinou rovná 1.5 až 2 násobku tepla kondenzačního. Vázanou látku lze snadno opačným pochodem (desorpcí) uvolnit (např. snížením tlaku nebo zvýšením teploty), adsorpční hmotu znovu využít v cyklickém procesu a uvolněnou látku dále zpracovávat nebo přímo využívat.


Tyto technologie jsou vhodné zejména pro koncentrace VOC v odpadním vzduchu pohybující se v desítkách a stovkách mg/m3 a teploty čištěného vzduchu do cca 50 °C. Dají se použít i pro vyšší koncentrace org. látek, je však zapotřebí tomu přizpůsobit řešení adsorpčního zařízení (odvod adsorpčního tepla, integrovaná regenerace adsorbentu v adsorpčním zařízení, zabezpečení procesu proti vznícení adsorbentu). Výhodou adsorpčních technologií používaných pro záchyt VOC je to, že jsou poměrně málo citlivé na kolísání koncentrací VOC v čištěném vzduchu a při správně navržených rozměrech adsorpčního zařízení, správné volbě vhodného adsorbentu a správně stanovených pracovních podmínkách adsorpčního zařízení dosahují tyto technologie velmi vysoké účinnosti čištění. Určité omezení pro použití adsorpce se týká polymerujících organických látek (např. styrénu), které podléhají po zachycení na vnitřním povrchu adsorbentu polymeraci a nedají se úplně desorbovat. 21


Čištěný vzduch s obsahem VOC je zapotřebí před přivedením do adsorpčního zařízení zbavit mechanických nečistot (prachových částic), jinak hrozí nebezpečí zanesení porézního systému adsorbentu a jeho následná deaktivace vedoucí ke snížení účinnosti čištění vzduchu od VOC. Nebezpečí hrozí také při sorpci reaktivních organických látek (např. některých ketonů) které podléhají v adsorbovaném stavu autooxidaci (jenž je podporována katalytickými účinky adsorbentu), což může způsobit významné zvýšení teploty adsorbentu vedoucí až k jeho vznícení, pokud se jedná o uhlíkaté adsorbenty. Tyto jevy jsou pozorovány i na anorganických adsorbentech (silikagel, zeolity) a jejich důsledkem většinou bývá poškození adsorpčního zařízení vlivem velmi vysoké teploty

22


Do technické praxe byla zavedena celá řada adsorpčních zařízení používaných k záchytu VOC z odpadních plynů od jednoduchých adsorbérů bez regenerace nasyceného adsorbentu přes jednotky s integrovanou regenerací nasyceného adsorbentu zvýšením teploty nebo propařováním adsorbentu až po složité jednotky (např. s pohybujícím se ložem adsorbentu nebo tzv. adsorpční kola s adsorbentem otáčejícím se mezi adsorpční a desorpční částí zařízení). Výběr vhodného zařízení závisí na každém konkrétním aplikačním případu a dále na finančních možnostech každého investora.

23


Adsorbenty používané k záchytu VOC Pro zachycování VOC z odpadního vzduchu se používá celá řada adsorbentů na bázi uhlíku, křemíku, hliníku, či směsných adsorbentů, které mají navzájem odlišné vlastnosti. Jedná se především o následující druhy adsorbentů: uhlíkaté adsorbenty: (aktivní uhlí, aktivní koks, uhlíkaté tkaniny a další Cadsorbenty): vhodné pro adsorpci nepolárních látek, při nižších rel. vlhkostech nesorbují vodu silikagel: vhodný pro adsorpci polárních látek, koadsorpce vody, nižší kinetika adsorpce, nehořlavý zeolity: vhodné pro adsorpci polárních látek s menšími molekulami, koadsorpce vody, nižší adsorpční kapacity ve srovnání s předchozími adsorbenty alumina: vhodná pro adsorpci polárních látek, koadsorpce vody, nižší adsorpční kapacity ve srovnání s předchozími adsorbenty směsné adsorbenty: obsahují většinou polární a nepolární složku (např. SiO2 a aktivní uhlí), vhodné pro adsorpci pestrých směsí polárních a nepolárních VOC

24


Výběr vhodného adsorbentu je velice důležitý pro správnou funkci adsorpčního zařízení. Vychází se při tom většinou z povahy (polarity) látek, které mají být adsorbovány, jejich koncentrací v čištěném plynu, vlhkosti plynu a jeho teploty. Platí, že polární VOC se lépe sorbují na polárních adsorbentech (silikagel, zeolity, alumina), zatímco nepolární VOC na nepolárních adsorbentech (uhlíkaté adsorbenty). Polární adsorbenty mají však tu nevýhodu, že současně sorbují z čištěného vzduchu také molekuly vody, které jsou rovněž polární, zatímco na nepolárních uhlíkatých adsorbentech se voda začíná významně sorbovat až při rel. vlhkostech vzduchu překračujících 50 %.

25


26

Správná volba adsorbentu musí zohledňovat také rozsah koncentrací organických látek v odpadním vzduchu, protože adsorpční kapacity různých adsorbentů jsou velmi ovlivněny právě koncentrací sorbujících se látek v čištěném vzduchu. Správný postup výběru nejvhodnějšího adsorbentu pro každý konkrétní aplikační případ proto vychází z výběru několika vhodných adsorbentů splňujících předchozí pravidla týkající se vztahu polarity adsorbentu a sorbujících se látek a následného otestování vzorků vybraných adsorbentů v laboratorních podmínkách při adsorpci daných látek, které mají být v provozním měřítku odstraňovány. Některé z adsorbentů mohou vázat adsorbované VOC tak silně, že bude velice obtížné provést úplnou desorpci zachycených látek. Při praktických aplikacích se proto obvykle pracuje s určitou zbytkovou koncentrací sorbovaných látek v adsorbentu po jeho regeneraci, která však snižuje adsorpční kapacitu pro následný cyklus adsorpce a zároveň i účinnost čištění vzduchu.


Nejjednodušší adsorbéry pro záchyt VOC se vyrábějí jako nádoby ve tvaru sudu (stojatého válce) s dvojitým dnem, z nichž vnitřní dno je děrované a slouží jako dno vlastního adsorbéru. Válec je uzavřen snímatelným víkem, ve kterém je příruba pro odvod čištěného plynu. Plyn je do adsorbéru přiveden přes přírubu umístěnou v dolní stěně válce pod vnitřní děrované dno adsorbéru a odváděn z horního prostoru nádoby. Náplň adsorbentu mívá objem kolem 200 dm3. Tyto adsorbéry jsou stavěny pro max. přetlak čištěného plynu 0,5 bar a max. průtok čištěného plynu 250 m3/hod. V případě většího průtoku plynu je možné použít paralelního zapojení několika adsorbérů vedle sebe.

27

Foto sudového adsorbéru používaného pro záchyt VOC

28


Výhodou této konstrukce adsorbérů je jejich velká flexibilita a možnost přemísťování vysokozdvižným vozíkem na libovolné místo se zdrojem emisí VOC. Je možné mít připraveny také záložní adsorbéry pro případ, kdy dojde k nasycení adsorbentu v pracovním adsorbéru a tento přestane fungovat. Někteří prodejci adsorpčních materiálů nabízejí zapůjčení vhodných adsorbérů i s náplní adsorbentu a výměny nasyceného adsorbentu za nový prováděné servisním způsobem. Tento typ adsorpčního zařízení představuje investičně méně náročnou a rychlou možnost řešení problémů s emisemi VOC do ovzduší v případech, kdy se nejedná o příliš velká množství odpadního vzduchu, který má být čištěn a příliš velké hmotnostní toky odstraňovaných VOC.

29


Podobnou variantou adsorpčního zařízení bez regenerace adsorbentu je zařízení, ve kterém je adsorbent uložen v adsorpčních patronách válcového tvaru nebo patronách ve tvaru hranolu; v obou případech jsou stěny patrony dvojité a adsorbent se nachází v prostoru mezi oběma stěnami. Čištěný plyn proudí obvykle přes stěnu do vnitřního prostoru válce (hranolu) adsorpční patrony a odtud je odváděn do sběrače a následně do ovzduší. Předností této varianty adsorpčního zařízení je jeho stavebnicová konstrukce umožňující přizpůsobit velikost zařízení (počet adsorpčních patron) konkrétním provozním podmínkám. Tato zařízení se uplatňují při čištění větších proudů plynu znečištěného VOC, kde však koncentrace org. látek nejsou příliš vysoké. Typickým příkladem pro aplikace těchto zařízení jsou lakovny malé a střední velikosti a obdobné provozy produkující odpadní vzduch znečištěný menším množstvím VOC. Tento typ adsorpčního zařízení má podobné výhody, jako předchozí typ sudových adsorbérů, nevýhodou je však obtížnější výměna nasyceného adsorbentu spočívající ve vyjmutí filtračních patron a jejich nahrazení patronami s novým adsorbentem. Také tuto službu nabízejí někteří výrobci těchto typů adsorbérů jako servisní službu. 30


31


Často diskutovanou otázkou je účinnost čištění odpadního vzduchu od VOC dosahovaná v těchto typech zařízení. Při správně navržené velikosti zařízení, správné volbě adsorbentu a správném naplnění adsorpčních patron je účinnost čištění srovnatelná s jinými typy adsorpčních zařízení. 124 kg AU nemůže zachytit 5 tun VOC za rok. Sorpční schopnost je funkční pouze do úplného nasycení AU. Pak už je to jen Placebo pro ČIŽP.

32

AKTIVNÍ UHLÍ KOMORA č.2 VZT 3

2010

DATUM

PATRONA 1

PATRONA 2

17.8

3.68 kg

3.62 kg

18.8

3.68 kg

3.62 kg

19.8

3.68 kg

3.62 kg

20.8

3.68 kg

3.62 kg

23.8

3.70 kg

3.64 kg

24.8

3.70 kg

3.64 kg

26.8

3.70 kg

3.64 kg

27.8

3.70 kg

3.64 kg

Převážení patron aktivního uhlí

30.8

3.70 kg

3.64 kg

od 17.8 do 10.9

31.8

3.70 kg

3.64 kg

1.9

3.70 kg

3.64 kg

2.9

3.70 kg

3.64 kg

3.9

3.70 kg

3.64 kg

6.9

3.70 kg

3.66 kg

7.9

3.70 kg

3.66 kg

8.9

3.70 kg

3.66 kg

9.9

3.72 kg

3.66 kg

10.9

3.72 kg

3.66 kg

ve 13.30 hod

2010

33


Použití adsorpčních jednotek s výměnnými adsorpčními patronami však může být problematické v případě větších hmotnostních toků zachycovaných VOC. V takových případech je zapotřebí velmi častá výměna náplní adsorpčních patron, aby byla dodržena požadovaná účinnost odstraňování VOC z čištěného vzduchu. Časté výměny adsorbentu velmi zvyšují provozní náklady čistícího zařízení.

34


V případě malých množství rozptýlených škodlivin, pro záchyt pachů jsou velmi vhodné patrony s aktivním uhlí. Po jejich nasycení pak obsluha sadu patron vymění za novou a vysycené patrony jsou odvezeny k regeneraci či reaktivaci. Bohužel došlo v minulých letech k takovému jevu, že se patrony začaly instaloovat na velké jednotky s emisí např. 5-10 tun škodlivin. Pokud instalujeme 1 000 kg uhlí v patronách a záchyt je cca 20 % hm., vychází cyklus výměny 50 x ročně!!! To je jednou týdně. 20 % je spíše výjimka, my jsme přes měření účinnosti záchytu zjistili spíše 10-12 %. Pak už představuje cyklus výměny něco prakticky nerealizovatelného a provozně nepřípustného. Levné pořizovací náklady však provozovatele „přemluví“ a je spoléháno na to, že to kontrolní orgán nezjistí. Znám několik lakoven a laminoven, kde uhlí nakoupili a už je nikdy nevyměnili. Před stříkáním se uhlí prosaje vzduchem a jede se dále. Častým prohřeškem je to, že v lakovně se po fázi stříkání box přepne do fáze sušení. Na uhlí je pak vedena vzdušnina o teplotě 50 i více OC. Dochází k dokonalé desorpci. Provozovatel nám pak uvádí, že to uhlí mu pořád ještě funguje. Provedeme-li však bilanci, zjistíme, že na 1 tunu uhlí se chytilo 9 tun organických látek. Klobouk dolů před takovýmto záchytem, dodavatelé patron s uhlím totiž v podstatě přišli na perpetum mobile. Sorpce, desorpce, sorpce, desorpce a to do nekonečna. Správně vedené adsorbery s patronami totiž nemohou být ekonomické a v žádném případě nepředstavují BAT. V mnoha případech jde o normální podvod. Pro větší zařízení (lakovny, tiskárny, chemický průmysl, rafinerie apod.) je řešením jednoznačně cyklicky provozované zařízení, které má nejméně 2 reaktory s vrstvou náplně sorbentu a regeneraci jako součástí záchytu. 35


Nejčastější problémy: Nesprávně navržená jednotka. Patrony s aktivním uhlím, které se cyklicky obměňují, ale provozovatele to neprovádí. Nesprávně navržená jednotka, tenká vrstva uhlí, vysoké rychlosti prostupu. Nedodržování provozních teplot. Dochází k desorpci. Navíc při stoupnutí teploty může dojít k požáru. Prosávání sorbentu vzdušninou. Při autorizovaných měřeních jsme několikrát zaznamenali situaci, kdy na vstupu byla nižší koncentrace, než na výstupu. Uhlí se chová jako pufr. Překračování doby životnosti sorbentu. Dojde k destrukci a někdy následně k překročení limitu tuhých škodlivin. Ucpávání celého systému nebo jeho částí a následný vznik zkratkovitého toku. V lakovnách částečky NH zalepí celý systém. Polymerace škodliviny na sorbentu a prudké snížení záchytu. Při desorpci parou odchází část škodliviny do vody, přenášení problému do jiné složky. 36


V případech, kdy se jedná o vyšší hmotnostní toky odstraňovaných látek, je proto výhodnější použít adsorpční zařízení s integrovanou regenerací adsorbentu. V této oblasti bylo do provozní praxe zavedeno několik typů adsorpčních zařízení lišících se svou konstrukcí a způsobem regenerace nasyceného adsorbentu. Nejstarším typem s největším množstvím provozních aplikací i zkušeností jsou zařízení s pevným ložem adsorbentu používající regeneraci nasyceného adsorbentu pomocí propaření vodní parou. Tato technologie se s výhodou uplatňuje pro záchyt nepolárních VOC na uhlíkatých adsorbentech (aktivním uhlí), kdy použití vodní páry při desorpci nečiní potíže.

37


Naopak nasazení polárních adsorbentů na bázi silikagelu nebo zeolitických molekulových sít neumožňuje použití tohoto způsobu regenerace nasyceného adsorbentu, protože vodní pára je na polárních adsorbentech velmi pevně sorbována a následné sušení adsorbentu nasyceného vodou vyžaduje v těchto případech velké množství energie. Zařízení s pevným ložem adsorbentu a regenerací vodní parou se uplatňují např. v tiskárnách, výrobnách náplastí a lepících pásek, při čištění odpadního vzduchu z větších extrakčních procesů (např. získávání řepkového oleje), při čištění odpadního vzduchu ze skladování motorových paliv či v jiných podobných technologiích produkujících odpadní vzduch s vysokým obsahem nepolárních organických látek. Adsorbent na bázi aktivního uhlí bývá umístěn v adsorbérech ve tvaru stojatého nebo ležatého válce (pro větší průtoky čištěného vzduchu); používá se několik adsorbérů zapojených vedle sebe, přičemž některé z nich jsou v určité fázi procesu ve stádiu adsorpce a jiné ve stádiu regenerace adsorbentu, jeho sušení či chlazení, nebo v klidu připravené pro další nasazení. 38


V případech, kdy adsorbované VOC nenachází opakované uplatnění ve výrobním procesu a je výhodnější jejich likvidace, se používají adsorpční technologie s integrovanou regenerací adsorbentu horkým vzduchem nebo inertním plynem a následně zařazenou termickou nebo katalytickou likvidací VOC uvolněných během regenerace adsorbentu. Teplo vzniklé spálením desorbovaných VOC se dá využít k ohřevu adsorbentu v procesu desorpce. Tyto systémy jsou však ve srovnání se systémy používajícími desorpci VOC propařováním adsorbentu složitější a tedy i investičně náročnější, dají se však provozovat i za použití jiných, než uhlíkatých adsorbentů, protože v těchto případech nedochází k navlhčení adsorbentu během desorpce a je tedy vypuštěna fáze sušení adsorbentu.

39


Správná funkce adsorpčního zařízení za ekonomicky přijatelných provozních nákladů je však podmíněna správným výběrem vhodného adsorbentu, který má pro odstraňované organické látky za daných podmínek pokud možno co největší adsorpční kapacitu a v případě adsorpčních zařízení s pracujících s integrovanou regenerací adsorbentu se dá snadno a účinně regenerovat zvýšením teploty adsorbentu nebo snížením tlaku v jeho okolí.

40

Další Adsorpční technologie pro odstraňování VOC z odpadních plynů

41

Druhý případ adsorpce je tzv. chemisorpce, při níž dochází k přenosu nebo sdílení elektronů mezi adsorbovanou látkou a adsorbentem jako v chemických sloučeninách. Jelikož dochází k chemické reakci mezi adsorbovanou a adsorbující látkou a ke vzniku v podstatě nové povrchové sloučeniny, je uvolněné teplo zpravidla podstatně vyšší než při fyzikální adsorpci a dosahuje řádově desítek až stovek kJ/mol. Vazba chemisorbované látky na povrch sorbentu bývá tak pevná, že většinou jde o nevratný pochod, tj. chemisorbovanou látku nelze převést zvýšením teploty nebo snížením tlaku zpět do plynné fáze. Často dochází k rozpadu molekuly na povrchu adsorbentu na menší celky (fragmentace molekul). Při chemisorpci se molekuly zachycované látky vážou na povrchu tuhé látky, a proto zreaguje pouze povrchová vrstva tuhé látky a uvnitř jejích částic zůstává nevyužitá hmota nezreagovaného jádra. Proto se účinný povrch chemisorpční látky zvětšuje např. tím, že se účinná látka nanáší v tenké vrstvě na jemně rozptýlený inertní nosič.


Z obecného vztahu povrchu k objemu částic vyplývá, že sorpční kapacita je tím větší, čím jsou částice adsorbentu menší. V praxi má ovšem zvyšování povrchu částic snižováním jejich velikosti určité meze, dané jednak technickými podmínkami, zejména parametry adsorpčního zařízení, jednak ekonomickými podmínkami, tj. náklady na dezintegraci drcením, mletím apod.. Podle pracovních podmínek může být adsorpční zařízení různě řešeno. Pro běžné nároky vyhoví jednostupňové zařízení s přetržitým provozem. Skládá se obvykle z válcového tělesa adsorbéru, které má u dna rošt, na němž je nasypána vrstva (lože) adsorpčního materiálu. Ložem adsorbentu prochází čištěný plyn, při čemž se na adsorbentu váže odlučovaná škodlivina tak dlouho, dokud se adsorpční hmota nenasytí. Nasycování probíhá tak, že adsorpční hmota se nasycuje v určité vrstvě na vstupní stran čištěného plynu. Tloušťka této vrstvy závisí na rychlosti proudění plynu a na rychlosti adsorpce. V této vrstvě se pohlcuje všechna škodlivina, takže v další hmotě sorbentu je její koncentrace prakticky nulová. Vrstva se nazývá adsorpční zóna a s postupem sycení sorbentu postupuje její čelo v adsorbéru směrem k výstupnímu konci, přičemž škodlivina je dokonale prakticky se stoprocentní účinností, zadržována adsorpční hmotou. Když čelo adsorpční zóny dosáhne výstupního konce adsorpčního lože, začne škodlivina pronikat, její koncentrace ve výstupním plynu rychle roste a po úplném nasycení adsorpční hmoty už proniká ložem sorbentu její veškeré množství. Výstupní koncentrace se rovná koncentraci vstupní. Proto se adsorpční proces musí skončit v okamžiku, kdy čelo adsorpční zóny dostihne výstupní konec adsorpčního lože, tedy v okamžiku, kdy nastane průnik škodliviny. Pak je třeba adsorbér vyřadit z provozu a regenerovat adsorpční hmotu desorpcí zachycené látky. 42


I když je možné odvodit ze základních dat parametry adsorbéru výpočtem, dává se obecně přednost jejich experimentálnímu získávání. V praxi se většinou ověřují na modelovém zařízení nebo laboratorním zařízení základní data potřebná pro konstrukci, především sorpční kapacita (množství škodliviny, která se zachytí na hmotnostní nebo objemové jednotce adsorpční hmoty) a další údaje za týchž provozních podmínek, jaké budou v provozním měřítku (výška vrstvy adsorbentu, rychlost proudění plynu, vstupní koncentrace odlučované látky). Základním kriteriem je požadovaná doba jednoho pracovního cyklu, tj. sorpce a desorpce (regenerace). Trvání pracovního cyklu se přizpůsobuje výrobní technologii, při níž škodlivina vzniká (směna, den, pracovní týden i delší období, při diskontinuální výrobě jeden výrobní cyklus, výroba jedné šarže apod.). Vzhledem k přetržitému provozu je obvyklé instalovat dva až tři adsorbéry, které pracují střídavě - zatímco v jednom probíhá sorpce škodliviny, druhý se regeneruje. Rozdělení adsorpčního zařízení na několik adsorbérů je výhodné pro zajištění nepřetržitého provozu a v některých případech bývá nutné. Tak je tomu např. při čištění zvlášť velkých objemů plynů, než by vyžadovalo buď vybudování velké jednotky s příliš robustní a tedy nákladnou konstrukcí, nebo značné zkrácení pracovního cyklu. Jiným příkladem je příklad, kdy množství čištěných plynů značně kolísá. Jelikož s rostoucí rychlostí proudění plynů hydraulický odpor rychle roste, je účelné konstruovat zařízení na maximální objem čištěného plynu a výkyvy v jeho množství vyrovnávat zapojováním potřebného množství jednotek. Adsorpční proces lze řešit také jako kontinuální pochod. Zařízení pro kontinuální adsorpci jsou konstruována buď s posuvným, nebo fluidním ložem. V adsorbérech 43


s posuvným ložem se pomalu pohybuje adsorpční hmota obvykle vlastní tíhou od hlavy k patě zařízení. Opačným směrem proudí čištěný plyn a po vyčištění odchází na horním konci adsorbéru, zatímco ve spodní části se odebírá nasycená adsorpční hmota a převádí se do regeneračního zařízení (nebo do desorpční části kolony, je-li adsorpce i desorpce umístěna v jednom tělese). Regenerovaný sorpční materiál je pak dopravován zpět do horní části adsorbéru. V některých případech může být výhodnější kontinuální adsorpce a desorpce ve fluidní vrstvě sorbentu. Škodlivina se z čištěného plynu zachycuje ve vrstvě částic adsorpční hmoty, která je proudícím čištěným plynem udržována ve vznosu, čímž vzniká tzv. fluidní lože. Částice adsorbentu přetékají do desorpční části zařízení, kde rovněž ve fluidním loži probíhá regenerace, a po regeneraci jsou vraceny do adsorpční fluidní vrstvy. Výhodou adsorbéru s fluidním ložem proti adsorbéru s pohyblivým ložem je menší hydraulický odpor a lepší podmínky pro adsorpční a desorpční proces. Nevýhodou je větší mechanické namáhání částic adsorpčního materiálu, které způsobuje značný otěr částic. Takto vzniklé nejjemnější částice se musí občas nebo kontinuálně oddělovat a celková doba použitelnosti adsorbentu resp. počet pracovních cyklů, se může značně snížit, čímž vzrůstají provozní náklady. Pro chemickou adsorpci škodlivin lze použít v podstatě stejná zařízení jako pro fyzikální adsorpci a desorpci. Vzniká-li při zachycování škodliviny nevyužitelná látky, pak se nasycená sorpční hmota likviduje. V případě cyklického použití sorpční hmoty se zařízení vybavuje systémem, který zabezpečuje regeneraci, neboť je třeba ji provést chemickou reakcí. 44

Technologie kondenzace VOC z odpadních plynů

Tato technologie je vhodná pro vysoké a velmi vysoké koncentrace org. látek v odpadním vzduchu. Pro dosažení předepsaného emisního limitu je většinou zapotřebí hluboké chlazení čištěného plynu (aspoň na teploty – 60 až – 80 °C). Proto se tato technologie s výhodou používá tam, kde je k dispozici potřebný chlad (např. v místech s velkou spotřebou kapalného dusíku). Někdy se tato technologie kombinuje s jinými čistícími metodami (např. adsorpce). Takováto zařízení je možné najít např. v rafinériích pohonných hmot, kde se používají ke zpětnému získávání benzínu z benzínových par. V prvním kondenzačním stupni se vzduch ze skladovacích nádrží nasycený benzínovými parami předčistí chlazením na teploty kolem – 20 °C a ve druhém – adsorpčním stupni pak probíhá jeho dočištění. Regenerace nasyceného adsorbentu se provádí horkým inertním plynem, plyn z regenerace se vede do kondenzačního stupně. 45


Technologie kondenzace VOC z odpadních plynů je provozně dražší, proto se používá ke zpětnému získávání drahých chemických produktů.

46


47


Nejčastější problémy: Nesprávně navržená jednotka. Chladicí výkon je nedostatečný. Nedodržování provozních teplot. Ucpávání celého systému nebo jeho částí „ledem“. Dochází k tomu tak, kde nebyla věnována pozornost vlhkosti. Koncové emise jsou relativně vysoké. Povrchové kondenzátory jsou výhodné pro odlučování látek, které by se mísily s chladicí kapalinou, kdežto kondenzátory vstřikovací se hodí pro látky, které jsou s chladivem nemísitelné, takže chladivo a kondenzát se po rozdělení na vrstvy v oddělovací nádrži snadno oddělí.

48

Odstraňování VOC z odpadních plynů biofiltrací

Tato technologie je vhodná pro nízké koncentrace org. látek (např. odpadní vzduch z biologického stupně čištění odpadních vod). Protože odbourávání org. látek probíhá v tomto případě s použitím vhodných mikroorganismů ve vodném prostředí, měl by být čištěný vzduch vlhký. Organické látky zachycené v biofiltru přecházejí pomalu do vodného prostředí a slouží mikroorganismům přítomným v biofiltru jako potrava. Odbourávání probíhá relativně pomalu, větší objemy čištěného vzduchu proto vyžadují velké biofiltry. Tato technologie není vhodná pro přetržitý provoz s delšími odstávkami, protože je zapotřebí během odstávek udržovat mikroorganismy v aktivním stavu přiváděním náhradních živin do biofiltru.

49


50


Do provozní praxe se prosadily tzv. biologické filtry, kde odbourávání org. látek probíhá na vhodném substrátu tvořícím náplň filtru a biologické pračky (odbourávání org. látek probíhá ve vodném prostředí).

51

Odstraňování VOC z odpadních plynů biofiltrací Biotechnologie Jednou z nejnovějších možností, jak snížit emise škodlivin a zapáchajících látek jsou biotechnologie. Biotechnologie jsou založeny na zintenzivnění přirozených biologických procesů probíhajících v přírodě, při kterých účelově vybrané a napěstované bakterie při svém metabolizmu transformují organické látky (škodliviny) na neškodné elementární látky - vodu a oxid uhličitý. Při aplikaci této technologie nevznikají žádné odpady, jedná se tudíž o tolik žádanou bezodpadovou technologii. Výše popsaný technologický princip se realizuje v biofiltrech nebo v biopračkách. Biofiltry jsou technologická zařízení, ve kterých se biokultury nanášejí na různé typy nosičů, z nichž nejrozšířenější jsou přírodní nosiče (substrát na bázi borové kůry, rozvlákněných kořenů, rozdrcených pecek, skořápek apod.). Dále se používají umělé, nejčastěji plastové nosiče (polyuretanové pěny apod.), klasické absorpční výplně, drcený koks apod. a proces biologického odbourávání probíhá přímo ve vrstvě zmíněného substrátu. Biopračky jsou technologická zařízení, ve kterých proces biologického odbourávání kontaminantů probíhá v kapalné fázi - na náplni kontaktoru (sprchované kolony) nebo v reaktoru napojeném přes cirkulační čerpadlo na tuto kolonu. Použitá náplň kontaktoru je nejčastěji plastová. Při aplikaci biofiltrů je třeba zpracovávanou vzdušinu nejprve upravit. Tzn., že plyn musí být navlhčen na relativní vlhkost vyšší než 90 % a jeho teplota by se měla pohybovat v rozpětí cca 15 až 40 °C. Je možné provozovat bifiltr i při vyšších teplotách, ale se speciálně vyšlechtěnými biokulturami. Plyn dále nesmí obsahovat mechanické příměsi anorganického původu (popílek apod.), protože ty by časem zanesly a znehodnotily biofiltr. 52

Odstraňování VOC z odpadních plynů biofiltrací Úprava vzduchu se realizuje nejčastěji v předpračce s cirkulující vodou, ve které se zpracovávaný plyn současně navlhčí i ochladí na požadovanou teplotu. Vlastní biofiltr se dodává v kontejnerovém provedení (plastové, kovové) nebo je tvořen vanou, nejčastěji betonovou – částečně nebo úplně zapuštěnou do země. Náplň biofiltru se umisťuje na perforované dno a substrát se vždy účelově vybírá podle typu zpracovávaného odpadního plynu. Potřebné mikroorganismy se nejčastěji namnoží v laboratoři a očkování substrátu se provádí formou vodního postřiku roztokem s namnoženými biokulturami. Výška substrátu se volí podle koncentrace kontaminantů a bývá nejčastěji cca 0,8 až 1,5 m. Tlaková diference biofiltru se pohybuje v závislosti na typu použitého substrátu, výšce vrstvy substrátu a rychlosti plynné fáze v rozmezí cca 0,8 až 2,0 kPa. Tlaková diference biofiltrů na bázi přírodních substrátů bývá vyšší než u plastových nosičů a s časem se zvyšuje. Podle potřeby se do biofiltru nebo do před pračky přidávají látky kyselého nebo zásaditého charakteru pro úpravu pH na hodnotu vhodnou pro množení biokultury a dále živiny - opět pro zlepšení množení biokultury, zejména při najíždění provozu nebo při dočasném omezení přísunu kontaminovaného plynu. Biofiltr nesmí být dlouhodobě vystaven podmínkám, kdy je nedostatečný přísun vody (suchý vzduch), nedostatečný přísun živin (plyn bez zpracovávaných kontaminantů) a kyslíku (substrát není okysličován procházejícím zpracovávaným vzduchem). Přírodní substráty mají životnost cca 3 až 5 let, pak je nutná jejich výměna. Použitý substrát je použitelný jako přísada do kompostů. 53


54

Biofiltry jsou vhodné pro koncentrace kontaminantů do cca 1000 až 1500 mg/Nm3. Ve složitějších případech jednoduché biofiltry nedostačují a pak se kombinují s dalšími operacemi, např. koncovým regenerativním adsorpčním stupněm tvořeným dvěma adsorbery s potrubním propojením provedeným tak, že jeden adsorber se regeneruje a druhý adsorbuje zbytkové úlety, např. u některých laminoven. Výhody biofiltrů jsou: - minimální provozní náklady - minimální údržba - jedná se o bezodpadovou technologii Nevýhody biofiltrů jsou: - relativně velké půdorysné náklady - nutnost péče o mikroorganismy v době odstávek - relativně omezená vstupní koncentrace kontaminantů - nutnost laboratorního odzkoušení procesu před návrhem technologie - relativně delší doba "najetí" biofiltru na provozní parametry (10 až 20 dní)


Biopračky pracují prakticky na stejném principu jako biofiltry, ale mají významně menší půdorysné nároky a umožňují zpracovávat odpadní plyny s vyšší koncentrací kontaminantů. ) Nejčastěji se používá systém se sprchovaným reaktorem (pračkou) se standardní plastovou absorpční náplní s vysoce rozvinutým povrchem doplněnou o bioreaktor, ve kterém při delším časovém zdržení probíhá podstatnější část vlastního biologického odbourávání kontaminantů. V systému se upravuje pH kapalné fáze a řízeně se doplňují vhodné živiny. Systém je doplněn sedimentací a filtrací kapalné fáze s odvodem pevných látek z technologické linky. Biopračky se používají nejčastěji pro dezodorizaci kafilerních provozů. Výhody biopraček jsou: - významně vyšší účinnost než u biofiltrů - možnost zpracovávat odpadní plyn i s vysokým zatížením kontaminanty - větší odolnost zařízení při odstávkách provozu, spolehlivější provoz - větší možnost řízení procesu a přizpůsobení se proměnným vstupním podmínkám Nevýhody biopraček jsou: - větší investiční náklady - náročnější systém měření, regulace a řízení - větší tlaková ztráta zařízení 55


- je nutné velmi pečlivě dodržovat návody od dodavatele, protože se jedná o velmi selektivní záchyt. Častým problémem je nedostatečný přísun živin a „úmrtí“ baktérií „hlady“, dále vznik tzv. „zkratkovitého toku“ a vysychání povrchu.

Jde o BAT např. pro laminovny, provozy s pachovou zátěží apod..

56

Nejčastější problémy: Nesprávně navržená jednotka. Poddimenzované jednotky. Citlivost na zkrápění, pokud dojde k vyschnutí biofiltru, jde účinnost rapidně dolů. Překračování doby životnosti. Smrt breberek hlady (dovolená, odstávky). Zamrznutí systému při mrazu. Vznik zkratkovitého toku. Růst rostlin na povrchu. Osobně jsem viděl poměrně vzrostlou břízu na biofiltru.

Shrnutí a doporučení Pro likvidaci VOC z procesního vzduchu a odpadních plynů je k dispozici řada vyzkoušených technologií. Výběr vodné technologie, která dokáže z odpadních plynů VOC účinně odstraňovat za přijatelných nároků na investiční prostředky a přijatelných provozních nákladů, záleží na mnoha parametrech. Nejdůležitější z nich jsou průtok čištěného plynu, koncentrace a typ odstraňovaných VOC, teplota plynu. Volba nevhodného způsobu odstraňování VOC pro určitý konkrétní případ má obvykle za následek problémy s dodržováním předepsaného emisního limitu pro VOC, enormně vysoké provozní náklady a v nejhorších případech i takové provozní problémy čistícího zařízení, které nedovolí zařízení vůbec provozovat.

57

Shrnutí a doporučení Technologie termického spalování VOC jsou obvykle provozně spolehlivé a jsou-li správně navrženy, nemají problémy s dodržením předepsaného emisního limitu pro VOC. Jsou relativně málo citlivé na kolísání koncentrace VOC v čištěném plynu, jeho znečištění prachovými částicemi nebo katalytickými jedy. Je-li však koncentrace org. látek v čištěném vzduchu příliš nízká, rostou neúměrně provozní náklady zařízení způsobené vysokou spotřebou přídavného paliva.

58

Shrnutí a doporučení

Technologie katalytického spalování pracují spolehlivě v případě čištění odpadních plynů od VOC s nízkými koncentracemi tuhých znečišťujících látek a katalytických jedů. Při vyšším obsahu prachových částic a katalytických jedů dochází k rychlé deaktivaci katalyzátoru a poklesu účinnosti spalování org. látek. Spotřeba přídavného paliva v tomto případě kromě koncentrace org. látek závisí také na způsobu vrácení tepla do čistícího procesu. Systémy s regenerací tepla vykazují vyšší účinnost vrácení tepla do procesu ve srovnání se systémy používajícími rekuperaci tepla. Procesy katalytického čištění odpadních plynů od VOC jsou ve srovnání s procesy termického spalování více citlivé na kolísání průtoku plynu a kolísání koncentrací VOC. Provozní náklady systémů katalytického spalování jsou nižší, než podobných systémů termického spalování; investiční náklady na zařízení jsou však ve srovnání s termickými spalovacími jednotkami podobných velikostí vyšší. 59

Shrnutí a doporučení Adsorpce je technologie, která našla široké uplatnění při odstraňování VOC z odpadního vzduchu především při nízkých a středních koncentracích. Stejně jako u systémů katalytického spalování by odpadní vzduch neměl být znečištěn prachovými částicemi.

60

Shrnutí a doporučení Pro malé objemy čištěného vzduchu a malé hm. toky VOC je nejjednodušší použití tzv. sudových adsorbérů s pevným ložem bez regenerace adsorbentu. Výměnu adsorbentu za nový zajišťují dodavatelské firmy servisním způsobem.

Pro větší objemy čištěného vzduchu s nízkým obsahem VOC je možné použít systémy používající adsorpční patrony. Výměnu adsorbentu za nový po jeho nasycení zajišťují opět dodavatelské firmy servisním způsobem. Pro případy, kdy je zapotřebí čistit větší objemy vzduchu od VOC přítomných ve vyšších koncentracích, je vhodné použít některý ze systémů s integrovanou regenerací adsorbentu pomocí propaření nebo zahřívání v malém proudu vzduchu či inertního plynu. 61

Shrnutí a doporučení Technologie nízkoteplotní kondenzace org. látek z odpadních plynů je provozně velice drahá, je proto vhodná k získávání a zpětnému využití drahých organických látek, např. ve farmaceutickém průmyslu. Její aplikace v běžných průmyslových procesech není ve srovnání s předchozími typy čistících procesů tak častá.

62

Shrnutí a doporučení Biofiltrace je technologií vhodnou k odstraňování nízkých koncentrací organických látek z vlhkého vzduchu zdrojů s nepřetržitým provozem. Mohou to být aerobní stupně průmyslových čistíren odpadních vod v rafinériích a chemických provozech, nebo např. systémy odsávání zapáchajícího vzduchu v kafilériích a podobných typech provozů. Biofiltrace pracuje s poměrně nízkými provozními náklady, účinnost čištění závisí na péči o zařízení, stabilním přísunu organických látek a živin do biofiltru. Není však příliš vhodná pro zdroje s přetržitým provozem.

63

Absorpce

Absorpce (absorbery) Absorpce je pochod, při němž je plynná složka, odstraňovaná z čištěné plynné směsi, pohlcována vhodnou kapalinou. Převod hmoty z plynu do kapaliny se uskutečňuje difuzí. Podmínkou sdílení hmoty mezi oběma fázemi je, že nesmějí být v rovnovážném stavu, tj. koncentrace odstraňované složky je větší v plynné fázi než ve fázi kapalné. Plynnou směs, z níž chceme absorpcí oddělit určitou složku, přivedeme do kontaktu s absorbující látkou. Pohlcovaná složka přechází z čištěného plynu ve směru nižší koncentrace. Absorbující látka musí být dostatečně selektivní, aby pohlcovala pokud možno pouze složku, kterou je třeba odstranit a ke zbývající plynné směsi byla inertní. Rychlost absorpce je ovlivňována různými faktory, především tlakem a teplotou. Se stoupajícím tlakem rychlost absorpce vzrůstá. Závislost na teplotě je většinou velmi významná, absorpce probíhá lépe za nižších teplot. Opačným procesem je exsorpce. Změnou podmínek, např. snížením tlaku nad kapalinou nebo zvýšením teploty roztoku, se pochod obrátí a pohlcený plyn se z kapaliny uvolňuje. To umožňuje provést absorpci s exsorpcí jako cyklický proces s koncentrováním a využitím odlučované složky, která by při své původní koncentraci v čištěném plynu nebyla využitelná. K absorpci škodlivin se často používá roztoků vhodných látek, s nimiž zachycovaná složka plynné směsi reaguje za vzniku nové chemické sloučeniny nebo několika sloučenin, čímž je vázána v kapalině. V takových případech se může k jejímu uvolnění použít rozklad nebo vytěsnění jinou látkou. 64

Absorpce

Absorbce ovšem nemusí probíhat pouze v kapalině nebo v roztoku účinné látky. V některých případech lze provést absorpci v suspenzi účinné látky, tj. ve směsi tuhé látky a kapaliny, která ji nerozpouští. příkladem je použití suspenze mletého vápence k pohlcování kyselých plynů, např. kysličníku siřičitého. Pro technickou absorpci plynných škodlivin z průmyslových emisí lze použít různých absorpčních zařízení, jako jsou bezvýplňové sprchové absorbéry, výplňové absorpční věže, pěnové absorbéry nebo absorbéry s plovoucí výplní. Do určité míry mohou absorbéry nahradit i některé mokré odlučovače. Volba absorbéru se řídí podmínkami jeho použití, neboť funkce zařízení v požadované účinnosti je na nich významně závislá. I když jsou zařízení pro zachycování plynných škodlivin z koncových plynů v podstatě stejná jako zařízení pro absorpci plynů používaná při chemických výrobních procesech, je třeba mít na zřeteli, že zařízení pro absorpci škodlivin z průmyslových plynů musí splňovat mnohem větší požadavky. To je dáno především velmi malou koncentrací odlučovaných látek, takže koncentrační spád mezi plynem a prací kapalinou, na němž přestup hmoty a hnací síla absorpce závisí, je většinou velmi malý. Druhým charakteristickým rysem je, že v mnoha případech se v absorpčním zařízení musí zpracovávat velké objemy plynů a proto se požaduje, aby rychlost proudění plynů v absorbéru byla co největší, aby zařízení nemuselo být příliš rozměrné. Oba uvedené faktory, tj. malá koncentrace odlučované složky a krátká doba styku čištěného plynu s prací kapalinou jsou pro průběh absorpce nepříznivé a snižují její účinnost. Proto musí absorpční zařízení umožňovat intenzívní styk kapaliny s plynem a jejich dobré promíchávání. K odlučování škodlivin z koncových plynů lze tedy jen výjimečně použít hladinové absorbéry, u nichž plyn přichází do styku pouze s malou plochou povrchu kapaliny. 65

Absorpce

Nejjednodušší absorpční zařízení zajišťující dostatečnou účinnost jsou bezvýplňové věže. Jsou to nádoby tvaru válce nebo hranolu, v nichž je rozstřikována prací kapalina (nejčastěji soustavou trysek) proti proudu čištěného plynu a v kapkách padá na dno absorbéru. Styčná plocha mezi plynem a kapalinou je přitom dána celkovým povrchem kapiček kapaliny. Čím jsou jemnější, tím větší je (při stejném množství kapaliny) jejich celkový povrch a tím lepší jsou podmínky pro absorpci. Příliš jemné kapičky prací kapaliny jsou však ve větší míře strhávány odcházejícím vyčištěným plynem. Tento únos kapiček lze omezit použitím odlučovače - eliminátoru kapek - zabudovaného v tělese absorbéru nebo samostatně zařazeného za ním. Velikost únosu limituje použitelnou maximální rychlost proudění v absorbéru a tím i rozměry zařízení. Účinnost absorpce závisí u bezvýplňových věží také na rovnoměrnosti rozdělení kapiček kapaliny v celém prostoru věže. Aby se dosahovalo dobrého rozdělení prací kapaliny, nesmí obvykle průměr věže přesáhnout 2 až 3 metry. Jinak klesá účinnost a je třeba použít složité rozstřikovací zařízení. Z hlediska stejnoměrného rozdělení kapiček prací kapaliny je také výhodnější válcový tvar absorpční věže než tvar hranolový, neboť v rozích se stejnoměrnost rychlosti proudění obtížněji zajišťuje. Výhodou bez výplňových věží je především malý odpor proti proudění plynů, jednoduchost konstrukce a menší citlivost na obsah prašných částic v čištěném plynu. Nevýhodou je, že styk plynné a kapalné fáze, difúze a přestup hmoty nevyhovují vysokým nárokům. při větších rychlostech dochází ke značnému únosu prací kapaliny a proto se musí pracovat při menších rychlostech proudění, čímž se část výhod ztrácí. Zařízení musí mít větší rozměry, popř. se musí rozdělit na řadu věží. Je proto vhodné jen pro některé případy, např. pro rychle probíhající sorpci nebo tam, kde se nepožaduje důkladné vyčištění plynu. 66

Absorpce

Složitějším zařízením jsou výplňové absorbéry. Jednotlivé konstrukční typy se v podstatě od sebe liší pouze druhem výplně. V technické praxi se tyto absorbéry uplatňují nejčastěji. Výplň může v nejjednodušším případě tvořit mřížoví z dřevěných trámků nebo desek, po nichž stéká shora dolů absorpční kapalina a proti ní proudí vzhůru čištěné plyny. Účinný povrch má tato výplň poměrně malý, ale je vhodná k čištění plynů s větším obsahem tuhých částic. Často se jako výplň používají tzv. Raschigovy kroužky, což jsou válcové prstence z různého materiálu, které jsou v absorbéru buď skládány nebo volně nasypány, nebo sedélka, kroužky s vnitřní přepážkou, spirály, kovová síta apod.. Účinnost absorbérů s výplní závisí do značné míry na ploše povrchu výplně a na rovnoměrnosti smáčení jejího povrchu. Rovnoměrnost smáčení je určována jednak pravidelností přívodu prací kapaliny, jednak charakterem povrchu výplně. Keramické elementy se smáčení stejnoměrněji po celé ploše, kdežto na elementech z plastu má prací kapalina při malém množství nátoku sklon tvořit stružky, takže z celkového povrchu výplně je smáčena a při přestupu hmoty se uplatní jen menší část. Na tvorbu povrchové vrstvy prací kapaliny na výplni má vliv rychlost proudění plynu. Při větších rychlostech se na plochách tělísek může vytvářet stejnoměrná tenká vrstvička, která umožňuje intenzívní absorpci. Pro dobrou účinnost musí mít výplň co největší specifický povrch, tj. povrch vztažený na jednotku jejího objemu, a velký volný objem, aby měla malý hydraulický odpor. Kromě toho má mít výplň malou objemovou hmotnost, aby konstrukce absorbéru nemusela být příliš robustní a nevyžadovala velkou spotřebu konstrukčního materiálu.

67

Absorpce

Výhodou absorbérů s výplní je obvykle velká absorpční účinnost. Rychlost proudění čištěného plynu se u absorbérů s dřevěnou výplní pohybuje kolem 1 až 2 m/s, u absorbérů s náplní tělísek kolem 3 m/s, výjimečně až 5 m/s. Proti bezvýplňovým absorbérům mají větší objem a obvykle i větší výšku, takže spotřeba energie na čerpání absorpční kapaliny do hlavy absorbérů je větší. Vyžadují též masivnější konstrukci. Jejich hydraulický odpor je několikkrát větší než u bezvýplňových absorbérů. Nejsou vhodné k čištění plynů, obsahujících velké množství tuhých částic, protože výplň se snadněji zanáší, čímž roste hydraulický odpor a může dojít i k ucpání absorbéru. Nelze je upotřebit v případech, kdy se plyny musí čistit malým množstvím absorpční kapaliny, neboť za takových podmínek nelze dosáhnout stejnoměrného smáčení celé plochy výplně. Dalším typem účinných absorpčních zařízení jsou patrové absorbéry, nazývané též pěnové. Jsou to rovněž absorbéry, které buď samostatně, nebo v kombinaci se zařízeními pracujícími na jiném principu slouží často pro určité speciální případy. Absorbér se skládá z pláště válce válcového nebo hranolového tvaru, do něhož je vestavěno jedno nebo více pater, tj. přepážek s kruhovými nebo štěrbinovými otvory. Volná plocha otvorů se volí podle provozních podmínek tak, aby zaujímala 5, 10, 15, 20, 25 nebo i více % z celkové plochy patra. Na patro se přivádí prací kapalina a je na něm udržováno čištění plyne, proudícím otvory zdola. Při pomalém proudění plynu protéká část kapaliny patrem resp. jeho otvory. Při rychlejším proudění se propad patrem zmenšuje a při určité rychlosti čištěného plynu se na patru vytvoří bublinová vrstva - vzniká tzv. pěnový režim. Proto se tyto absorbéry nazývají také pěnové odlučovače. Další zvyšování rychlosti již vede k neuměrně velkému únosu prací kapaliny. 68

Absorpce

Konstrukčně se tyto absorbéry děli na dva základní typy: na absorbéry s propadem kapalina na nižší patro, u nichž je proud plynu řízen tak, že část kapaliny stéká otvory v patře, a absorbéry s přepadem kapaliny, u nichž kapalina stéká na nižší patro kontinuálně přepadovým otvorem v patru. U těchto absorbérů se dosahuje intenzívního promíchávání a kontaktu čištěného plynu s absorpční kapalinou. Proto i přestup hmoty je značný. Výhodou také je velmi snadná regulace doby, po kterou absorpční médium setrvává na patře, a tím i stupeň nasycení a využití absorpční kapaliny. Při vhodně voleném počtu pater a pracovních parametrů lze při použití těchto zařízení dosáhnout u dobře rozpustných plynů nebo v případech, kdy je absorpce provázena rychlou chemickou reakcí, i při malé vstupní koncentraci škodliviny v čištěném plynu odlučivosti 92 až 98 %. Vyhovují i v případech, kdy čištěný plyn obsahuje zvýšené množství tuhých látek, neboť intenzívní pohyb kapaliny na patře do značné míry zabraňuje usazování kalu. K jejich nevýhodám patří např. poměrně velký hydraulický odpor a citlivost na kolísání průtoku čištěného plynu, které změní rychlost proudění čištěného plynu v otvorech patra, a tím podstatně ovlivňuje pracovní režim. Aby se tato nevýhoda zmírnila, konstruují se v poslední době absorbéry s roštovými patry, u nichž se pohybem roštnic může volná plocha patra přizpůsobovat množství čištěného plynu, takže s rostoucím objemem procházejícího plynu roste jeho rychlost ve štěrbinách jen nepatrně. Pokud se v absorpčním roztoku vytvářejí látky, které po dosažení určité koncentrace vykrystalizují a ucpávají otvory patra, přidávají se na patra koule z plastů, které jednak zvyšují turbulenci na patře, jednak mají intenzívním pohybem zabraňovat tvorbě 69

Absorpce

inkrustací. V anglosaské literatuře tyto patrové absorbéry s plovoucí náplní označovány jako absorbéry TCA (turbulent contact absorber). V ČR se absorbery často používají jako první stupeň pro zachycování emisí benzinů. Jde o absorpci par benzinů do vysoce podchlazeného benzinu. Tyto jednotky se používají spíše v terminálech, na ČS PH byly instalovány na 4 místech a jejich použití po čase selhalo z provozních důvodů. Na terminálech byly za absorpci instalovány ještě koncové stupně, které vzdušninu dočistily pod hranice emisního limitu (spalovací motory, použité jako kogenerace). Lze konstatovat, že absorbery představují velmi účinné odlučovače pro škodliviny, v oblasti VOC je nutné je aplikovat velmi obezřetně. Prací médium je nutno volit s ohledem na škodliviny, které hodláme zachytit. Pro komplikovanější směs organických škodlivin je použití velmi omezeno.

Nejčastější problémy: Nesprávná koncentrace pracího média. Pro pachové látky se užívají např. peroxid vodíku, chlorečnany apod. Nesprávné (většinou nedostatečné) dávkování je poměrně častou závadou, jde o hrubé porušení předpisů. Nesprávné pH. Nedodržování provozních teplot. Nesprávný nátok pracího media. Nesprávná výška „pěny“ u pěnových obsorbérů. Překračování doby životnosti pracího média. 70

Absorpce

Koroze celého zařízení. Ucpávání celého systému nebo jeho částí. Někdy přenášení problému do oblasti ochrany vod. Pro mnoho aplikací jde o BAT, většinou v kombinaci s jinou metodou. Často nejde o destruktivní metodu a látky je možno znovu získat.

71

Závěr

Autor příspěvku upozorňuje, že tento text ani jeho části nelze v žádném případě považovat za výklad zákonů na ochranu ovzduší, ale jde pouze o presentaci osobních zkušeností a praxe autora a určitý komentář a návod k dalšímu postupu. K výkladu jsou v ČR kompetentní pouze soudy všech stupňů. Tento materiál není oficiálním materiálem ČIŽP ani jiného orgánu. Autor tohoto příspěvku využil zkušenosti svých kolegů (i kolegyň) v oblasti ochrany ovzduší. Protože už pouhý jejich výčet by způsobil překročení rozsahu příspěvku, neuvádí jejich jména a pouze jim děkuje. Emisím zmar

Popis odlučovače VOC v lakovně Aktivní uhlí má schopnost zadržet organická rozpouštědla typická pro lakování. Aktivní uhlí má velké množství mikrodutinek, do kterých se zachycují páry rozpouštědel. Fyzikální fenomén, známý jako ADSORBCE zadržuje rozpouštědla a jejich páry, které přilnou na povrchu válců s uhlím. Jediný gram vybraného uhlí zastupuje plochu 650 m2. Prakticky je dosaženo působivé redukce koncentrace organických těkavých rozpouštědel a pomocí filtru je dosaženo takové koncentrace VOC, která je pod přípustnými limity. Organická těkavá rozpouštědla jsou tvořena molekulami, tudíž se musí na tyto molekuly rozložit, tento proces fyzikálně-chemické povahy nazýváme ADSORBCE. Aktivní uhlí je znovu použitelné, umožňuje práci po mnoho měsíců. Odsávací a depurační jednotka s aktivním uhlím slouží k odsávání vzduchu při lakování a k minimalizaci emisí škodlivých částic do atmosféry.

73

Obr. č. 1 - Technické parametry depurátoru Hlavní části:

1. Elektromotor - umístěný na depurátoru slouží k pohonu ventilátorů 2. Nastavitelná mřížka - slouží k regulaci přívodu vzduchu a tím k požadovanému přetlaku uvnitř depurátoru 3. Odstředivý ventilátor poháněný elektromotorem 4. Blok předfiltrace, tvořený filtry ze syntetické tkaniny, umístěné uvnitř patrony 5. Blok filtrace, tvořený patronou, obsahující aktivní uhlí, které zabraňuje exhalaci ředidel (depurátor) 6. Kolektor pro připojení ke kabině.

74

Technické parametry depurátoru Technické údaje: Výška včetně motoru mm Plocha syntetických filtrů m2 Plocha filtrů s akt. uhlím m2 Plocha aktivního uhlí m2 Tloušťka filtrů s akt. uhlím mm Objem akt. uhlí m3 Hmotnost akt. uhlí kg Rychlost nasávaného vzduchu m/s

1200 2300 6 18 18 35 0,45 250 0,5

Aktivní uhlí Hustota

g/l

520

Rozměr válečků

mm

4

Vlhkost

W/t%

2

Plocha/benzen

m2/g

650

%

99

Odolnost proti otěru

Kapacita zadržení rozpouštědel

Popel

W/t%

Až 30 – 40%

5

75

Požadavky na podmínky prostředí Stroj musí být instalován na místě, chráněném před atmosférickými vlivy. Limity klimatických podmínek jsou: Nadmořská výška 500 m Minimální teplota prostředí 0 °C Maximální teplota prostředí 40 °C Maximální relativní vlhkost 80 % při 25 °C Případné odlišné podmínky je nutné konzultovat preventivně s výrobcem, který dodá odpovídající zařízení.

Použití Odsávací a depurační jednotka slouží k odsávání vzduchu z prostoru lakování a minimalizuje únik škodlivin do atmosféry. Stroj musí fungovat podle instrukcí v limitech, uvedených v návodu pro obsluhu zařízení. Stroj musí být použitý pouze pro účely, pro které byl navržen, jakékoliv odlišné použití je nepřípustné. Výrobce neodpovídá za žádné škody nebo úrazy osob, způsobené nesprávným použitím. Jakékoliv úpravy na zařízení, které nejsou provedeny výrobcem, mohou způsobit jeho poškození. Odstranění nebo úpravy bezpečnostního zařízení je v rozporu s bezpečnostními předpisy.

. 76

Plynné emise organických látek jsou adsorbovány filtračními patronami s náplní aktivního uhlí. Po dosažení jejich max. stupně nasycení, což odpovídá váhovému přírůstku aktivního uhlí v jedné patroně přibližně o 25 - 30 % hmotnosti (v závislosti na druhu používané nátěrové hmoty, a tím i příslušného organického rozpouštědla), je prováděna kompletní výměna všech filtračních patron. Nasycené filtrační patrony jsou odváženy k regeneraci, kterou provádí odborná firma: XXXX s.r.o V původním materiálu je uvedeno 30 – 40 % sorpční schopnosti. Reálná hodnota je však spíše nižší. Budeme brát v úvahu 25-30 %. Předepsaná údržba a její frekvence Údržba spočívá v pravidelné výměně filtrů v předepsaných časových úsecích podle následující tabulky. Počet pracovních hodin se přečte na ovládacím panelu zařízení. Typ údržby Syntetické filtry spodní Syntetické filtry horní Aktivní uhlí

Termín výměny každých 100/120 pracovních hodin každých 200/250 pracovních hodin každých 450/500 pracovních hodin

77

Do údržby musí být zahrnuty také součásti, které podléhají opotřebení. Jejich kontrola se musí provádět jednou ročně a spočívá v : 1. Kontrolovat opotřebení řemenů a jejich správné napnutí. 2. Kontrolovat ventilátory a motory, opotřebení jejich povrchu nebo zrezivění. 3. Provést čištění motorů, ventilátorů a okolního prostředí. Zobecnění: Dostatečný popis. Ale použitá technologie skrývá úskalí. Jak stanovit, že patrony jsou nasyceny? Vážením? Patrona má přes 20 kg (uhlí cca 14). To nezvážíte na decimálce. Následující příklad je reálný. Šlo o malé patrony s náplní cca 2 kg. I zde vážení selhává. Váží se 2 patrony z 250 ks

78

Metody likvidace VOC z průmyslových procesů. Ing. Zbyněk Krayzel Doc. Ing. Karel Ciahotný, CSc

Recommend Documents