燃焼酸化装置と粒子状物質の蓄積に関する入門書

再生熱酸化装置（RTO）およびその他のタイプの熱酸化システムは、揮発性有機化合物（VOC）および産業プラントから排出されるその他の汚染物質を軽減する非常に効果的でエネルギー効率の高い方法であることが証明されています。ただし、放出ストリーム内の粒子状物質は特に厄介な問題であり、メディアベッドの汚れや詰まりを引き起こす可能性があります。したがって、粒子状物質の潜在的な問題を軽減し、熱酸化システムの信頼性が高く、経済的で安全な操作を保証するために、熱交換媒体の形状と材料の選択に注意を払う必要があります。

再生熱酸化
熱酸化装置は本質的に、汚染物質を含んだ排出物を二酸化炭素と水蒸気に熱的または触媒的に変換する焼却炉です。酸化プロセスは通常、VOC、有害大気汚染物質（HAPS）、および臭気に対して99％を超える破壊/除去効率（DRE）レベルを達成します。

再生熱酸化装置は、システムによって生成された熱を「再生」または再利用することにより、燃料消費を最小限に抑えます。ファンは塗装ブースの収集システムやその他の供給源から空気を吸い込み、空気は熱交換器の媒体によって熱酸化温度（通常は華氏1,400〜1,600度）に予熱されます。次に、空気は指定された滞留時間（0.5〜2.0秒）の間燃焼室に移動し、そこで発熱反応が起こり、VOCが二酸化炭素と水蒸気に変換されます。高温で浄化された空気は、大気に排出される前にメディアベッドを通過して、流入する空気を予熱するために使用される熱エネルギーを取り込みます。バルブは、メディアベッド間の流れを継続的に交互に切り替えます。高温の排気によって加熱されたばかりのメディアベッドに冷たい空気が流入するサイクルと、それに続いて、高温の排気がメディアベッドを流れて再加熱するサイクルが続きます。

RTOは、85〜99％の熱効率で動作できるため、燃焼室内で天然ガスを燃焼させる必要がなくなります。 RTOは、低から中程度の溶媒負荷のあるプロセスストリームに特に効果的であり、中程度の爆発下限界（LEL）レベルで自立することができます。言い換えれば、システムが十分に加熱されると、排気流に十分な可燃性ガスが存在する場合、天然ガスバーナーをオフにすることができます。

その他の熱酸化装置
LELが4％未満の低溶媒負荷レベルでは、触媒システムが推奨されることがよくあります。再生触媒酸化剤（RCO）は、RTOと同様の設計ですが、燃焼ゾーンに最も近いセラミック熱交換媒体に、非常に低い温度（600〜1,000）での酸化を可能にする触媒として機能する貴金属がコーティングまたは含浸されている点が異なります。華氏）。触媒システムには、これらの低温で酸化するタイプのVOCの存在が必要です。 RCOは、一酸化炭素と未燃炭化水素を二酸化炭素と水に酸化する自動車の触媒コンバーターと同じ原理を利用しています。

LELレベルが高い排気流の場合、熱再生機能なしで単純な熱酸化装置を使用できます。このような場合、溶媒の負荷が高いと、予熱せずに、天然ガスの燃焼がほとんどまたはまったくない状態で燃焼をサポートできます。

VOC濃度が比較的低い空気流の場合、回転式吸着装置を使用して流れを濃縮し、LELレベルを上げて、より小さく、および/またはよりエネルギー効率の高い酸化装置を使用できるようにします。汚染物質を含んだプロセス排気は、回転吸着ユニットを通過し、そこでVOCがゼオライトまたは活性炭媒体に吸着されます。浄化された空気は大気に排出され、次に溶媒は、より小さな熱風の流れで脱着することによって媒体から除去され、次に酸化装置に送られる。

上流の粒子除去
酸化剤システムは主にVOCの削減に使用されますが、すべての排出ストリームにはある程度の粒子状物質が含まれており、これらの粒子は床の汚れ、性能の低下、さらには危険で破壊的な火災につながる可能性があります。上流の粒子除去方法のいくつかの方法には、カスケード（水洗）、バッフル、および媒体ろ過が含まれます。湿式および乾式電気集じん器（ESP）やサイクロン集塵機などの他のものは、RTOに入る粒子状物質を減らすことはできますが、なくすことはできません。

粒子状物質の蓄積の影響
メディアベッドの奥深くまで浸透する粒子は、燃え尽きる傾向があります。ただし、化学反応性粒子は、媒体の奥深くまで浸透した場合でも問題を引き起こす可能性があります。

RTOに入る粒子の一部は、メディアベッドの冷たい面に集まります。メディアの設計によっては、粒子の蓄積がメディアベッドの詰まりに急速につながる可能性があります。プラグを差し込むと、いくつかの重大な問題が発生します。空気の流れを遮断すると、圧力損失が増加し、誘導されたドラフトファンがより激しく作動し、より多くの電力を消費するようになります。 「デッドゾーン」とは、空気流にさらされる表面積が減少し、熱エネルギーを保持するために利用できる媒体の質量が少なくなることを意味するため、媒体床の熱伝達効果が低下するため、RTOの容量が減少します。さらに、粒子の蓄積は深刻な火災の危険をもたらします。

これらの症状の唯一の修復ソリューションは、メディアベッドのウォッシュアウトまたはベイクアウトです。これは、コストのかかるダウンタイムを伴うプロセスです。時間の経過とともに、ウォッシュアウトおよびベイクアウト手順の頻度は、通常、唯一の実行可能な解決策が完全なメディア交換になるまで増加します。

メディアの種類
過去数十年にわたって、いくつかの異なるタイプの熱伝達媒体がRTOに使用されてきました。 3つの主要なカテゴリは、ランダムパッキング、モノリシック構造ブロック、および段ボール構造パッキングです。

ランダムパッキング。 もともと、1970年代には、砂利、セラミックボール、あらゆる種類の形状など、さまざまなランダムパッキング材料がRTOに採用されていました。パッキング材料はランダムにRTOにダンプされ、メディアベッドを形成しました。流れを制限し、粒子を集めるデッドエリアを引き起こすネスティングを防ぐために、ランダムな配置が好まれました。

1980年代に、RTOの製造業者と所有者は、化学物質の質量移動操作用に開発されたセラミックの「サドル」がRTOのランダムパッキングに最適な形状を提供することを発見しました。他のタイプのランダムパッキングと比較して、サドルの形状は、圧力損失を最小限に抑え（誘導ファンによる消費電力を削減するため）、表面積を最大化する（熱伝達効率を高めるため）。

長年にわたり、RTOメディアサプライヤーはセラミックサドルのデザインを洗練してきました。たとえば、Koch Knight LLCは、独自の3リブ低圧損失FLEXISADDLEランダムパッキング設計（またはLPDランダムパッキング）を開発しました。これは、標準のサドルと比較して、入れ子を制限し、圧力損失を20％削減する高いオープンエリアと空力設計を提供します。メディア。

いくつかのメーカーは、このLPDサドルにRCOで使用するための金属触媒をコーティングまたは含浸させています。パッキンは、電気めっき用途で使用される化学ガスまたは金属塩の洗浄から生じる可能性のあるアルカリ化学攻撃への暴露に耐えるために、耐釉性アルミナでも利用できます。

モノリス構造化ブロック。 輸入されたコーディエライトセラミックハニカムモノリスなど、非常にクリーンで粒子の少ないストリームの別の代替手段が利用可能です。モノリスブロックは、ランダムにダンプされるのではなく、正式な配置で配置される構造化されたパッキングの形式です。細胞は、冷たい面に垂直なまっすぐなチャネルでブロックを通って伸びます。

この設計の利点は、理論的には空気流にまっすぐな空力チャネルを提供することです。不利な点は、流入がブロックに入る冷たい面で粒子がチャネルを塞ぐと、このチャネル全体がデッドゾーンになることです。

段ボール構造のパッキング。 RTO用の最先端のセラミック熱交換媒体は、段ボール構造のパッキングです。このパッキンは、セラミックの波形シートで構成されています。隣接するシートの波形の傾斜角度が逆になり、メディアベッド全体の空気の流れの優れた分散が保証されます。メディアベッドの領域が粒子によって詰まった場合でも、交互の波形の混合および拡散効果により、詰まった領域の上のゾーンがダウンするのを防ぎます。

現場調査によると、段ボール構造のパッキングを備えたRTOは、モノリス構造のブロックを備えたRTOと同じ量の天然ガスを消費しますが、前者は優れた気流分布を持ち、後者はわずかに高い蓄熱能力を備えています。粒子の蓄積によって引き起こされるファウリングに抵抗する非常に優れた能力のために、波形溶液の利点は時間とともに劇的になります。

運用の生涯コスト
熱酸化装置の所有者は、新しいシステムを設置したり、既存のシステムのメディアベッドを交換したりするときに利用できるいくつかのオプションがあります。粒子状物質が懸念される仕上げ業界のVOC削減システムでは、波形の構造化されたパッキングを検討する必要があります。この高度なソリューションは、購入と設置にかかる費用が高くなる可能性がありますが、代替メディアと比較して、圧力損失が低く、熱伝達効率が高く、動作の信頼性が高く、耐用年数が長くなります。エネルギー消費量の大幅な長期的削減だけでも、高度な熱交換媒体を設置するための追加コストをはるかに上回ることができます。

作者について：
Paul Simsは、Koch KnightLLCの南東部地域のセールスマネージャーです。彼は[email protected]で連絡することができます。