Profil společnosti ELVAC Ekotechnika ve formátu pdf (142 kB)
Metody použití katalytického spalování při odstraňování VOC z emisí (41 kB)
Profil společnosti ELVAC ve formátu pdf (6,53 MB)
Metody použití katalytického spalování při odstraňování VOC z emisí
Ing. Lionel Doležal, Ing. Jiří Švrčula, ELVAC EKOTECHNIKA s.r.o.
Úvod
Těkavé organické látky (dále VOC) patří spolu s oxidy dusíku, síry, uhlíku a tuhými znečišťujícími látkami do skupiny polutantů, které objemově nejvíce zatěžují životní prostředí. Poté, co v důsledku odsíření a odprášení většiny velkých energetických zdrojů došlo k výraznému poklesu emisí tuhých látek a oxidu síry se omezení emisí VOC se stalo jedním z dominantních problémů ochrany ovzduší i v návaznosti na novou legislativu (zákon č. 86/2002 Sb. O ochraně ovzduší a Vyhláška 355 MŽP/2002, ve které je plně zakomponována směrnice 1999/13/ES o omezování emisí VOC. Úkolem této přednášky je seznámit odbornou veřejnost a potencionální provozovatele zdrojů emisí VOC s jednou z možností, jak tyto emise snížit na úroveň vyžadovanou příslušnou legislativou.
Katalytické spalování
Katalytické spalování je jednou z metod sloužících k omezování emisí těkavých látek. Tato technologie patří k těm, které neumožňují zpětné získávání použitých organických látek. Principem katalytického spalování je oxidace VOC na vodu a oxid uhličitý. Tato reakce je exotermní, je při ní uvolňováno teplo.
Množství uvolněné tepelné energie je přímo úměrné koncentraci organických látek v emisích a spalnému teplu jednotlivých chemických individuí. Pro ilustraci, výhřevnost alkánů (benzín) je téměř dvojnásobná v porovnání s alkoholy nebo aldehydy a ketony, v přepočtu na obsah organického uhlíku jsou tyto hodnoty pochopitelně obdobné.
Ideálním způsobem, jak efektivně provozovat proces katalytického spalování, je využít tepla vzniklého oxidací VOC na předehřátí čištěné vzdušiny na teplotu dostatečně vysokou pro vlastní katalytické spalování. Proces, při kterém není zapotřebí přidávat dodatečnou energii, se nazývá autotermní.
Oxidace při katalytických procesech (katalytické spalování) probíhá při nižších teplotách (cca 250 – 450 OC) než oxidace termická (cca 750 – 1150 OC). Katalytické spalování je tedy méně energeticky náročné než termické, a proto lze při něm dosáhnout autotermního procesu při výrazně nižších koncentracích VOC v čištěném plynu. V případě, že koncentrace organických látek není dostatečně vysoká pro autotermní proces, je množství tepla, které je nutno dodat nižší, než u procesů termických.
Katalyzátory VOC
Pro vlastní katalytický proces je rozhodujícím činitelem katalytická náplň. V současné době je již možné komerčně zajistit celou řadu různých náplní jak sypaných (pelety) tak monolitických. Vzhledem k tomu, že dříve uváděné informace o katalytických jedech jsou již z větší části překonané, je možné katalytické systémy nasadit na široké spektrum VOC.
Skutečnými katalytickými jedy jsou pro moderní katalytické náplně organokřemičité sloučeniny, organické sloučeniny fosforu a některé těžké kovy. V nabídce celé řady firem jsou katalytické náplně, které jsou odolné jak sloučeninám síry tak i halogenovaným uhlovodíkům.
Používané katalyzátory jsou z větší části platinové, paládiové, případně rhodiové. Aktivní vrstva je nanesena a zakotvena na keramickém nosiči (např. Al2O3). Platina jako univerzální katalyzátor umožňuje pracovat s vysokou účinnosti při relativně nízkých teplotách.
Pro oxidaci VOC obsahujících kyslík (alkoholy, acetáty, ketony apod.) se s výhodou používají katalytické náplně na bázi oxidů kovů. Tyto tzv. oxidové katalyzátory mají vedle nižší ceny další výhodu. Platinové katalyzátory v důsledku své vysoké aktivity způsobují konverzi dusíku u VOC se zabudovaným dusíkem v molekule (pyridin, dimetylformamid apod.) na jeho oxidy (NOx). Tuto nevýhodu odstraňuje oxidový katalyzátor, který v molekule vázaný dusík přeměňuje na atomární.
Pro směsi látek obsahující kyslíkaté VOC a alkány lze použít i speciální směsné katalyzátory oxidové s nanesenými body platiny, které mají vlastnosti obou předcházejících typů náplní. Katalytické systémy je tedy možné využít pro celé spektrum VOC a veškeré možné úrovně koncentrací.
Jednotlivé typy jednotek katalytického spalování
Přes množství různých variant a kombinací v závislosti na podmínkách použití lze jednotky katalytického spalování rozdělit do dvou základních typů – průtočný reaktor a soustava reverzních reaktorů s regenerací tepla.
Průtočný reaktor
Nejjednodušší technologie katalytického spalování je tzv. průtočný reaktor. Při této původní technologii prochází čištěný plyn postupně výměníkem tepla, prostorem pro nahřátí na potřebnou teplotu (obvykle to bývá komora s elektrickými topnými tělesy nebo plynovým hořákem), katalytickým ložem a opět výměníkem. Ve výměníku je vzduch předehřán, v prostoru nahřívání se v případě nutnosti dohřeje na provozní teplotu.
Průchodem přes katalytické lože dojde k destrukci VOC a uvolnění tepla. Část tepla je ve výměníku předána přicházející vzdušině, část odchází do atmosféry. Průtočné reaktory v závislosti od různých variant konstrukčního uspořádání, kvality použitého výměníku a složení oxidované látky pracují autotermně obvykle od úrovně cca 2500 – 3500 mg VOC/m3.
Regenerativní katalytická oxidace (RCO)
Pro lepší využití generovaného tepla byl před více než 20 lety vyvinut a patentován Institutem katalýzy a fyzikální chemie Polské akademie věd v Krakově systém Regenerativní katalytické oxidace (RCO) - systém SWINGHTERM. Tento systém pracuje na principu periodického střídání směru proudění čištěného plynu dvěma reaktory. Plyny obsahující VOC procházejí nejprve ohřátou keramickou výplní reaktoru, která zde funguje jako výměník tepla s účinností výměny cca 95 %.
Vzduch se zde nahřívá na pracovní teplotu. VOC jsou následně oxidovány na katalytické vrstvě prvního reaktoru. Zbytkové znečištění je dále oxidováno na katalytické vrstvě druhého rektoru. Reakční teplo uvolněné oxidací je předáno keramické výplni druhého reaktoru. V dalším cyklu je směr průtoku plynu změněn. Předehřáté lože druhého reaktoru se stává zdrojem energie pro vstupující studené emise a první reaktor je ohříván reakčním teplem. Směr průtoku plynu se pravidelně střídá a simuluje pseudostacionární stav. Tepelná rovnováha reaktorů RCO, která je rozhodující pro správný chod celého zařízení závisí na těchto parametrech:
- vlastnosti keramické výplně i vlastní katalytické náplně
- lineární rychlost plynů v reaktorech
- množství tepelné energie generované a přivedené
- četnost změn směru proudění plynů
Při dodržení optimálních parametrů je účinnost výměny tepla na keramických výplních cca 95 %. Dosažení autotermního procesu je zde možné dosáhnout při násobně nižších koncentracích VOC, než je tomu u reaktorů s klasickými výměníky tepla. Současný stav techniky umožňuje realizovat RCO, systém SWINGHTERM, který zabezpečuje autotermní provoz již od koncentrace cca 600 mg VOC/m3, což představuje energii 25 kJ/Nm3. V případě nižší koncentrace VOC, než je úroveň autotermního provozu, je možno chybějící energii dodat pomocí elektrických topných těles či plynového hořáku. Účinnost konverze tohoto zařízení je více než 99,5 %.
Jednotlivá uspořádání katalytického spalování
Návrhy konkrétního řešení se v praxi provádí v závislosti na složení organického znečištění, úrovni koncentrace, jejím časovém průběhu, režimu provozu technologie a v neposlední řadě také investičních a provozních nákladech. Konečné řešení je zpracováno vždy pro konkrétní případ v souladu s požadavky a preferencemi investora. Neexistuje tedy jednoznačné přesné pravidlo pro výběr jednotlivých variant. Nicméně lze z hlediska vhodnosti technologie a minimalizace provozních nákladů uvést 3 základní uspořádání dle koncentrací VOC ve znečištěném plynu:
Nízká úroveň znečištění (50 – 300 mg TOC/m3)
Emise s nízkou úrovní koncentrace VOC (typickým případem jsou lakovny, použití vodou ředitelných barev, vysoké objemy odsávané vzdušiny) je nutné řešit ve dvou stupních. V prvním stupni dochází k zakoncentrování VOC na sorbentu, kterým je nejčastěji aktivní uhlí. Technologicky výhodnější sorbenty na bázi zeolitů, např. koncentrační kola, jsou investičně velmi náročné. Úroveň zakoncentrování je běžně 1:10. Používají se i poměry 1:50. Tímto způsobem lze po desorpci z koncentračního členu získat vzdušinu obsahující takovou koncentraci VOC, která umožňuje autotermní provoz v některé z technologií katalytického spalování.
Střední úroveň znečištění (300 - 3000 mg TOC/m3)
Pro tuto oblast koncentrací je výhodné použití RCO systému SWINGHTERM s autotermním provozem od cca 600 mg TOC./m3.
Vysoká úroveň znečištění (nad 3000 mg TOC/m3)
Pro tuto úroveň koncentrací VOC se běžně používají průtočné reaktory. Tyto reaktory při správné kombinaci nasazení více katalytických loží a eventuelního ředění emisí umožňují čištění vzdušiny obsahující i desítky gramů VOC/m3 s účinností vyšší než 99.9 %.
Závěr
Katalytické systémy nejsou pochopitelně univerzální technologií pro likvidaci VOC v emisích, v porovnání s termickým spalováním ve většině případů umožňují řešit ekologické problémy spojené s emisemi VOC s nižšími investičními i provozními náklady.
Společnost ELVAC EKOTECHNIKA s.r.o. se v oblasti technologii pro snižování emisí VOC dlouhodobě specializuje na katalytickou oxidaci. V nabídce společnosti jsou všechny běžně používané katalytické systémy. Pro řešení problémů VOC nabízí naše společnost zkušenosti, které získali naši partneři při výstavbě více než 50 katalytických jednotek v mnoha zemích světa. Veškeré dodávané technologie jsou plně automatizované a bezobslužné, řízené průmyslovým počítačem s úrovní obsluhy dle přání zákazníka.
V minulých létech společnost ELVAC EKOTECHNIKA s.r.o.realizovala výstavbu několika katalytických jednotek v celém rozsahu výše uvedených koncentrací VOC od průmyslové lakovny s koncentracemi 150 – 300 mg TOC/m3 (SUMIKEI s.r.o.) po odmašťování strojírenských výrobků s koncentracemi 2500 - 3000 mg VOC/m3 (myonic s.r.o.) Samostatnou kapitolou jsou pak výstupy z technologických celků chemického průmyslu, kde jsou například likvidovány emise s koncentracemi cca 6000 mg VOC/m3 a 30 000 mg CO/m3.