Низкотемпературная термодесорбция - Low-temperature thermal desorption

Эта статья в значительной степени дословно взята из книги Агентства по охране окружающей среды « Как оценить альтернативные технологии очистки мест подземных резервуаров для хранения».

Низкотемпературная термодесорбция ( LTTD ), также известная как низкотемпературной тепловой улетучивания , термическая десорбция , и почва обжига , является экс-Situ исправлению технологии , которая использует тепло , чтобы физически отдельные нефтяные углеводороды из выкопанных почв. Термодесорберы предназначены для нагрева почвы до температур, достаточных для улетучивания компонентов и их десорбции (физического отделения) от почвы. Хотя они не предназначены для разложения органических компонентов, термические десорберы могут, в зависимости от конкретных присутствующих органических веществ и температуры десорбционной системы, вызывать полное или частичное разложение некоторых органических компонентов . Испаренные углеводороды обычно обрабатываются в установке вторичной обработки (например, дожигатель , камера каталитического окисления, конденсатор или установка адсорбции углерода) перед выбросом в атмосферу. Дожигатели и окислители разрушают органические компоненты. Конденсаторы и блоки адсорбции углерода улавливают органические соединения для последующей обработки или утилизации.

При использовании LTTD необходима некоторая предварительная и постобработка почвы. Вынутый грунт сначала просеивается для удаления крупных (более 2 дюймов в диаметре) предметов. Они могут быть отсортированы по размеру (например, измельчены или измельчены), а затем введены обратно в загружаемый материал. После выхода из десорбера почвы охлаждают, повторно увлажняют для борьбы с пылью и стабилизируют (при необходимости) для подготовки к утилизации или повторному использованию. Обработанную почву можно переотложить на месте, использовать в качестве покрытия на свалках или засыпать асфальтом.

заявка

LTTD оказался очень эффективным в снижении концентрации нефтепродуктов, включая бензин , топливо для реактивных двигателей , керосин , дизельное топливо , печное топливо и смазочные масла . LTTD применим к компонентам, которые являются летучими при температурах до 1200 ° F. Большинство десорберов работают при температурах от 300 ° F до 1000 ° F. Десорберы, изготовленные из специальных сплавов, могут работать при температурах до 1200 ° F. Более летучие продукты (например, бензин) могут десорбироваться в более низком рабочем диапазоне, тогда как для полулетучих продуктов (например, керосина, дизельного топлива) обычно требуются температуры выше 700 ° F, а для относительно нелетучих продуктов (например, топочный мазут, смазочные масла) требуются еще более высокие температуры. температуры. Практически все типы почв поддаются обработке системами LTTD. Однако для разных почв могут потребоваться разные степени и типы предварительной обработки. Например, крупнозернистые почвы (например, гравий и булыжники ) могут потребовать измельчения; мелкозернистые почвы, которые являются чрезмерно связными (например, глина ), могут потребовать измельчения.

Государственные и местные правила определяют, что загрязненные нефтью почвы должны пройти пилотные испытания , при этом часть почвы с участка обрабатывается с помощью системы LTTD («пробное сжигание»). Результаты предварительного тестирования образцов грунта должны определять соответствующие составляющие свойства, а изучение отчетов о производительности машины должно указывать на то, насколько эффективна система при обработке почвы. Доказанная эффективность конкретной системы для конкретного участка или отходов не гарантирует, что она будет эффективной на всех участках или что достигнутые показатели эффективности обработки будут приемлемыми на других участках. Если проводится пробное сжигание, важно убедиться, что исследуемый грунт является репрезентативным для средних условий и что до и после обработки было проанализировано достаточно образцов, чтобы достоверно определить, будет ли LTTD эффективным.

Эксплуатация установок LTTD требует различных разрешений и демонстрации соответствия разрешительным требованиям. Требования к мониторингу для систем LTTD по своей природе отличаются от требований к мониторингу на площадке UST. Мониторинг потоков отходов системы LTTD (например, концентрации твердых частиц , летучих веществ и окиси углерода в дымовых газах ) требует агентство или агентства, выдающие разрешения на эксплуатацию объекта. Владелец / оператор установки LTTD несет ответственность за соблюдение ограничений, указанных в разрешениях, и за другие рабочие параметры системы LTTD (например, температура десорбера, скорость подачи почвы, температура камеры дожигания).

Решение о том, является ли LTTD практической альтернативой, зависит от характеристик конкретного участка (например, расположения и объема загрязненных почв, планировки участка). Практичность также определяется нормативными, логистическими и экономическими соображениями. Экономика LTTD как варианта исправления сильно зависит от конкретной площадки. К экономическим факторам относятся:

Принципы работы

Системы термодесорбции делятся на два основных класса: стационарные и мобильные. Загрязненные почвы выкапываются и вывозятся на стационарные объекты; мобильные установки могут работать прямо на месте. Десорбционные установки доступны в различных технологических конфигурациях, включая роторные десорберы, агрегатные сушилки для асфальтобетонных заводов, термические шнеки и конвейерные печи .

Пластичность почвы является мерой ее способности деформироваться без сдвига и в некоторой степени зависит от содержания воды. Пластиковый грунт имеет тенденцию прилипать к экранам и другому оборудованию и собираться в большие комки. Пластичные загрязнения не только замедляют скорость подачи, но и трудно поддаются обработке. Нагревание пластичных грунтов требует более высоких температур из-за низкого отношения площади поверхности к объему и повышенного содержания влаги. Кроме того, поскольку пластичные почвы имеют тенденцию быть очень мелкозернистыми, органические соединения имеют тенденцию плотно сорбироваться . Термическая обработка высокопластичных почв требует предварительной обработки, такой как измельчение или смешивание с более рыхлыми почвами или другими добавками (например, гипсом ).

Материал диаметром более 2 дюймов необходимо измельчить или удалить. Измельченный материал повторно используется в сырье для переработки. Более крупнозернистые почвы обычно сыпучие и не слипаются в комки. Обычно они не удерживают излишнюю влагу, поэтому загрязнения легко десорбируются. Мелкозернистые почвы склонны удерживать почвенную влагу и собираться в комки. Когда они высыхают, они могут выделять большое количество твердых частиц, которые могут потребовать повторного использования после захвата в рукавном фильтре.

Производительность системы термической десорбции по переработке твердых веществ обратно пропорциональна содержанию влаги в загружаемом материале. Присутствие влаги в вынутых грунтах, которые будут обрабатываться в установке LTTD, будет определять необходимое время пребывания и требования к нагреву для эффективного удаления загрязняющих веществ. Для того, чтобы произошла десорбция компонентов нефти, большая часть почвенной влаги должна испариться в десорбере. Этот процесс может потребовать значительного дополнительного теплового воздействия на десорбер и чрезмерного времени пребывания почвы в десорбере. Содержание влаги также влияет на пластичность, что влияет на обработку почвы. Почвы с чрезмерным содержанием влаги (> 20%) необходимо обезвоживать. Типичные методы обезвоживания включают воздушную сушку (если имеется место для хранения почвы), смешивание с более сухой почвой или механическое обезвоживание.

Присутствие металлов в почве может иметь два значения:

  • Ограничения на удаление твердых отходов, образующихся при десорбции.
  • Внимание к правилам контроля загрязнения воздуха, которые ограничивают количество металлов, которые могут быть выброшены в дымовые газы.

При нормальных рабочих температурах LTTD тяжелые металлы вряд ли будут существенно отделены от почвы.

Высокая концентрация нефтепродуктов в почве может привести к высокой теплотворной способности почвы. Тепло, выделяемое почвой, может привести к перегреву и повреждению десорбера. Почвы с теплотворной способностью более 2000 БТЕ / фунт требуют смешивания с более чистыми почвами, чтобы уменьшить высокую концентрацию углеводородов. Высокие концентрации углеводородов в отходящем газе могут превышать тепловую мощность камеры дожигания и потенциально приводить к выбросу необработанных паров в атмосферу. Избыточные уровни содержания компонентов в почве также могут потенциально привести к образованию паров в десорбере при концентрациях, превышающих нижний предел взрываемости (НПВ). При превышении нижнего предела взрываемости существует опасность взрыва.

Системный дизайн

Термин «термодесорбер» описывает операцию первичной обработки, которая нагревает материалы, загрязненные нефтью, и десорбирует органические материалы в продувочный газ. Особенности механической конструкции и рабочие условия процесса значительно различаются между различными типами систем LTTD. Десорбционные установки доступны в четырех конфигурациях:

  1. Ротационная сушилка
  2. Сушилка для заполнителей для асфальтобетонных заводов
  3. Термический винт
  4. Конвейерная печь

Хотя все системы LTTD используют тепло для отделения (десорбции) органических загрязнителей от матрицы почвы, каждая система имеет различную конфигурацию со своим собственным набором преимуществ и недостатков. Решение использовать одну систему вместо другой зависит от природы загрязняющих веществ, а также от доступности машины, производительности системы и экономических соображений. Производительность системы может быть оценена на основе пилотных испытаний (например, пробных сжиганий) или изучения исторических данных о производительности машины. Пилотные испытания для разработки условий обработки, как правило, не требуются для почв, загрязненных нефтью.

Ротационная сушилка

В ротационных сушилках используется цилиндрический металлический реактор (барабан), который немного наклонен от горизонтали. Горелка, расположенная на одном конце, обеспечивает тепло для повышения температуры почвы, достаточной для десорбции органических загрязнителей. Поток грунта может быть параллельным или противотоком по отношению к потоку продувочного газа. При вращении барабана почва перемещается через барабан. Подъемники поднимают почву, поднося ее к верхней части барабана, прежде чем позволить ей упасть через нагретый продувочный газ. Перемешивание в ротационной сушилке улучшает теплопередачу за счет конвекции и позволяет быстро нагревать почву. Роторные десорберы выпускаются для широкого диапазона мощностей очистки; эти единицы могут быть как стационарными, так и мобильными.

Максимальная температура почвы, которую можно получить в ротационной сушилке, зависит от состава оболочки сушилки. Температура нагнетания почвы в барабанах из углеродистой стали обычно составляет от 300 до 600 градусов по Фаренгейту. Доступны легированные бочки, которые могут повысить температуру разгрузки почвы до 1200 градусов по Фаренгейту. Большинство роторных сушилок, которые используются для обработки почвы, загрязненной нефтью, изготовлены из углеродистой стали. После того, как обработанная почва выходит из ротационной сушилки, она попадает на охлаждающий конвейер, где вода распыляется на почву для охлаждения и контроля пыли. Добавление воды может производиться либо на шнековом конвейере, либо в толкательной мельнице.

Помимо направления потока продувочного газа относительно направления подачи почвы, существует одно важное различие в конфигурации между противоточными и прямоточными роторными сушилками. Продувочный газ из противоточной ротационной сушилки обычно имеет температуру от 350 ° F до 500 ° F и не требует охлаждения перед поступлением в рукавный фильтр, где задерживаются мелкие частицы. Недостатком является то, что эти частицы могут не быть обеззаражены и обычно возвращаются в сушилку. Противоточные сушилки имеют ряд преимуществ перед прямоточными системами. Они более эффективны в передаче тепла от продувочного газа к загрязненной почве, а объем и температура выходящего газа ниже, что позволяет газу поступать непосредственно в рукавный фильтр без необходимости охлаждения. Более низкая температура выходящего газа и меньший объем исключают необходимость в охлаждающей установке, что позволяет уменьшить технологическое оборудование ниже по потоку . Противоточные системы эффективны для нефтепродуктов с молекулярной массой ниже, чем мазут № 2.

В прямоточных системах температура продувочного газа на 50–100 ° F выше, чем температура на выходе из почвы. В результате температура на выходе продувочного газа может составлять от 400 ° F до 1000 ° F и не может поступать непосредственно в рукавный фильтр. Продувочный газ сначала поступает в камеру дожигания для обеззараживания мелких частиц, затем поступает в охлаждающую установку перед подачей в рукавный фильтр. Из-за более высокой температуры и объема продувочного газа рукавный фильтр и все другое оборудование для обработки, расположенное ниже по потоку, должны быть больше, чем в противоточной системе. Попутные системы имеют несколько преимуществ по сравнению с противоточными системами: камера дожигания расположена перед рукавным фильтром, обеспечивая обеззараживание мелких частиц; и поскольку нагретый продувочный газ вводится в тот же конец барабана, что и загружаемый грунт, грунт нагревается быстрее, что приводит к более длительному времени пребывания. Более высокие температуры и более длительное время пребывания означают, что прямоточные системы могут использоваться для обработки почв, загрязненных более тяжелыми нефтепродуктами. Попутные системы эффективны для легких и тяжелых нефтепродуктов, включая мазут № 6, сырую нефть, моторное масло и смазочное масло.

Сушилка для заполнителей для асфальтобетонных заводов

На заводах по производству горячего асфальта используется заполнитель, который был обработан в сушилке перед смешиванием с жидким асфальтом. Использование нефтезагрязненных почв в качестве заполнителя широко распространено. Сушилки заполнителя могут быть стационарными или мобильными. Производительность по обработке почвы от 25 до 150 тонн в час. Почва может быть включена в асфальт в процессе переработки, или обработанная почва может быть использована для других целей.

Роторные сушилки для асфальта обычно изготавливаются из углеродистой стали и имеют температуру на выходе из почвы от 300 ° F до 600 ° F. Обычно сушилки для заполнителей асфальтобетонных заводов идентичны противоточным роторным десорберам, описанным выше, и эффективны в отношении тех же типов загрязняющих веществ. Основное отличие состоит в том, что не требуется дожигатель для добавления чистого заполнителя в асфальтобетонную смесь. В некоторых районах асфальтобетонные заводы, использующие загрязненный нефтью грунт для заполнителя, может потребоваться оборудовать дожигателем.

Термический винт

Термошнековый десорбер обычно состоит из 1-4 шнеков. Шнековая система транспортирует, смешивает и нагревает загрязненную почву для улетучивания влаги и органических загрязнителей в поток продувочного газа. Шнеки могут быть расположены последовательно, чтобы увеличить время пребывания почвы, или они могут быть настроены параллельно для увеличения пропускной способности. В большинстве тепловых винтовых систем горячее масло-теплоноситель циркулирует через полые лопасти шнека и возвращает горячее масло через вал в систему нагрева теплоносителя. Нагретое масло также циркулирует через желоб с рубашкой, в котором вращается каждый шнек. Термические винты также могут нагреваться паром. Системы, нагреваемые маслом, могут достигать температуры почвы до 500 ° F, а системы с паровым обогревом могут нагревать почву примерно до 350 ° F.

Большая часть газа, образующегося при нагревании жидкого теплоносителя, не контактирует с отходами и может выбрасываться непосредственно в атмосферу без ограничения выбросов. Остальной дымовой газ поддерживает температуру газа на выходе из термического шнека выше 300 градусов по Фаренгейту. Это гарантирует, что летучие органические вещества и влага не конденсируются. Кроме того, рециркулируемый дымовой газ имеет низкое содержание кислорода (менее 2% по объему), что сводит к минимуму окисление органических веществ и снижает опасность взрыва. Если аналитические данные предварительной обработки указывают на высокое содержание органических веществ (более 4 процентов), рекомендуется использовать термовинт. После того, как обработанный грунт покидает термошнек, на него распыляется вода для охлаждения и контроля пыли. Доступны термические шнеки с производительностью обработки почвы от 3 до 15 тонн в час.

Поскольку термические шнеки нагреваются косвенно, объем продувочного газа из установки первичной термообработки составляет менее половины объема из системы прямого нагрева с эквивалентной производительностью обработки почвы. Таким образом, системы очистки отходящих газов состоят из относительно небольших установок, которые хорошо подходят для мобильных приложений. Косвенный нагрев также позволяет термическим шнекам обрабатывать материалы с высоким содержанием органических веществ, поскольку рециркулируемый дымовой газ инертен, что снижает опасность взрыва.

Конвейерная печь

Конвейерная печь использует гибкую металлическую ленту для транспортировки почвы через камеру первичного нагрева. Слой почвы толщиной в один дюйм равномерно распределяется по ленте. По мере того как лента движется по системе, мешалки для почвы поднимают ее и поворачивают, чтобы улучшить теплопередачу и улетучивание органических веществ. Конвейерная печь может нагревать почву до температур от 300 до 800 градусов по Фаренгейту. В более высоком диапазоне температур конвейерная печь более эффективна для обработки некоторых более тяжелых нефтяных углеводородов, чем термические шнеки с масляным или паровым нагревом, сушилки для заполнителей асфальтовых заводов и роторные сушилки из углеродистой стали. После того, как обработанный грунт выходит из конвейерной печи, его опрыскивают водой для охлаждения и контроля пыли. По состоянию на февраль 1993 года для восстановления почвы, загрязненной нефтью, в настоящее время использовалась только одна конвейерная печь. Эта мобильная система может обрабатывать от 5 до 10 тонн почвы в час.

Обработка отходящих газов

Системы очистки отходящих газов для систем LTTD предназначены для борьбы с тремя типами загрязнителей воздуха: твердыми частицами, органическими парами и монооксидом углерода. Твердые частицы контролируются с помощью как мокрых (например, скрубберы Вентури), так и сухих (например, циклонов, рукавных фильтров) операций. В ротационных сушилках и сушилках для асфальтовых заполнителей чаще всего используются установки сухой газоочистки. Циклоны используются для улавливания крупных частиц и уменьшения их нагрузки на рукавный фильтр. Пылесборники используются в качестве окончательного устройства для улавливания твердых частиц. В тепловых винтовых системах обычно используется скруббер Вентури в качестве основного средства контроля твердых частиц.

Контроль над органическими парами достигается либо уничтожением, либо сбором. Камеры дожигания используются после вращающихся сушилок и конвейерных печей для уничтожения органических загрязнителей и окисления монооксида углерода. Обычные камеры дожигания сконструированы таким образом, чтобы температура выходящего газа достигала от 1400 ° F до 1600 ° F. Эффективность органического разрушения обычно составляет от 95% до более 99%.

Конденсаторы и активированный уголь также могут использоваться для обработки отходящего газа из термовинтовых систем. Конденсаторы могут быть системами с водяным или электрическим охлаждением для снижения температуры отходящих газов до 100–140 ° F. Эффективность конденсаторов для удаления органических соединений составляет от 50% до более 95%. Неконденсирующиеся газы, выходящие из конденсатора, обычно обрабатываются парофазной системой обработки активированным углем. Эффективность адсорбционных систем с активированным углем для удаления органических загрязнений составляет от 50% до 99%. Конденсат из конденсатора обрабатывается через фазовый сепаратор, где органический компонент неводной фазы отделяется и утилизируется или рециркулируется. Оставшаяся вода затем обрабатывается активированным углем и используется для повторного увлажнения обработанной почвы.

Температура обработки - ключевой параметр, влияющий на степень обработки органических компонентов. Требуемая температура обработки зависит от конкретных типов нефтяного загрязнения почвы. Фактическая температура, достигаемая системой LTTD, является функцией содержания влаги и теплоемкости почвы, размера частиц почвы, а также характеристик теплопередачи и перемешивания термодесорбера.

Время пребывания - ключевой параметр, влияющий на достижимую степень дезактивации. Время пребывания зависит от конструкции и работы системы, характеристик загрязняющих веществ и почвы, а также степени необходимой обработки.

использованная литература