열 산화제 및 미립자 축적에 대한 입문서

재생 열 산화기(RTO) 및 기타 유형의 열 산화 시스템은 산업 플랜트에서 배출되는 휘발성 유기 화합물(VOC) 및 기타 오염 물질을 저감하는 매우 효과적이고 에너지 효율적인 방법으로 입증되었습니다. 그러나 배출 스트림의 입자상 물질은 특히 성가신 문제가 될 수 있어 미디어 베드의 오염 및 막힘을 초래할 수 있습니다. 따라서 미립자 물질의 잠재적인 문제를 완화하고 열 산화 시스템의 안정적이고 경제적이며 안전한 작동을 보장하기 위해 열교환 매체의 모양과 재료를 선택하는 데 세심한 주의를 기울여야 합니다.

재생 열 산화
열 산화기는 본질적으로 오염 물질을 함유한 배출물을 이산화탄소와 수증기로 열적 또는 촉매적으로 변환하는 소각로입니다. 산화 공정은 일반적으로 VOC, 유해 대기 오염 물질(HAPS) 및 악취에 대해 99% 이상의 파괴/제거 효율(DRE) 수준을 달성합니다.

재생 열 산화기는 시스템에서 생성된 열을 "재생"하거나 재사용하여 연료 소비를 최소화합니다. 팬은 페인트 부스 수집 시스템 및 기타 소스에서 공기를 끌어들이고 공기는 열 교환 매체에 의해 열 산화 온도(일반적으로 화씨 1,400~1,600도)로 예열됩니다. 그런 다음 공기는 지정된 체류 시간(0.5~2.0초) 동안 연소실로 이동하고 발열 반응이 일어나 VOC를 이산화탄소와 수증기로 전환합니다. 대기로 배출되기 전에 뜨겁고 정화된 공기는 유입되는 공기를 예열하는 데 사용할 열 에너지를 포착하기 위해 매체 베드를 통과합니다. 밸브는 매체 베드 사이의 흐름을 지속적으로 번갈아 가며 뜨거운 배기로 가열된 매체 베드로 찬 공기를 유입시킨 후 다시 가열하기 위해 매체 베드를 통해 흐르는 뜨거운 배기 공기를 순환시킵니다.

RTO는 85~99%의 열 효율로 작동할 수 있어 연소실에서 천연 가스를 태울 필요성을 줄이거나 없앨 수 있습니다. RTO는 용매 부하가 낮거나 중간 정도인 공정 흐름에 특히 효과적이며 중간 수준의 폭발 한계(LEL) 수준에서 자체 유지될 수 있습니다. 다시 말해, 시스템이 충분히 가열되면 배기 스트림에 충분한 가연성 가스가 존재하는 경우 천연 가스 버너를 끌 수 있습니다.

기타 열 산화제
4% LEL 미만의 낮은 용매 로딩 수준의 경우 촉매 시스템이 권장되는 경우가 많습니다. 재생 촉매 산화기(RCO)는 연소 구역에 가장 가까운 세라믹 열 교환 매체가 상당히 낮은 온도(600~1,000℃)에서 산화를 가능하게 하는 촉매 역할을 하는 귀금속으로 코팅되거나 함침된다는 점을 제외하고는 RTO와 유사한 설계를 가지고 있습니다. 화씨). 촉매 시스템에는 이러한 낮은 온도에서 산화되는 유형의 VOC가 있어야 합니다. RCO는 일산화탄소와 미연 탄화수소를 이산화탄소와 물로 산화시키는 자동차의 촉매 변환기와 동일한 원리를 사용합니다.

LEL 수준이 높은 배기 스트림의 경우 열 재생 기능 없이 간단한 열 산화제를 사용할 수 있습니다. 이러한 경우에 높은 용제 부하량은 예열 없이 연소를 지원할 수 있으며 종종 천연 가스 연소가 거의 또는 전혀 발생하지 않습니다.

VOC 농도가 상대적으로 낮은 공기 흐름의 경우 회전식 흡착기를 사용하여 흐름을 농축하고 LEL 수준을 높여 더 작고 에너지 효율적인 산화 장치를 사용할 수 있습니다. 오염 물질이 포함된 공정 배기 가스는 VOC가 제올라이트 또는 활성탄 매체에 흡착되는 회전식 흡착 장치를 통과합니다. 정화된 공기는 대기로 배출되고 더 적은 양의 뜨거운 공기로 탈착하여 용매를 매체에서 제거한 다음 산화 장치로 전달합니다.

상류 미립자 제거
산화제 시스템은 주로 VOC 감소에 사용되지만 모든 배출 스트림에는 일정량의 입자상 물질이 포함되어 있으며 이러한 입자는 베드 오염, 성능 저하, 심지어 위험하고 파괴적인 화재로 이어질 수 있습니다. 업스트림 미립자 제거 방법의 일부 방법에는 캐스케이드(물 세척), 배플 및 매체 여과가 포함됩니다. 습식 및 건식 전기 집진기(ESP) 및 사이클론 집진기와 같은 기타 장치는 RTO에 들어가는 입자상 물질을 줄일 수 있지만 제거할 수는 없습니다.

미세먼지 축적의 영향
미디어 베드 깊숙이 침투하는 미립자는 타버리는 경향이 있습니다. 그러나 화학적 반응성 입자는 매체 깊숙이 침투하더라도 문제를 일으킬 수 있습니다.

RTO에 들어가는 미립자의 일부는 미디어 베드의 차가운 면에 모입니다. 매체 설계에 따라 미립자 축적으로 인해 매체 베드가 빠르게 막힐 수 있습니다. 플러깅은 몇 가지 중요한 문제를 일으킵니다. 기류를 차단하면 압력 강하가 증가하여 유도 통풍 팬이 더 열심히 작동하고 더 많은 전기를 소비하게 됩니다. RTO의 용량은 미디어 베드가 열 전달에 덜 효과적이기 때문에 감소합니다. "데드 존"은 공기 흐름에 노출되는 표면적이 감소하고 열 에너지를 유지하는 데 사용할 수 있는 미디어 덩어리가 더 적음을 의미하기 때문입니다. 또한 미립자가 쌓이면 심각한 화재 위험이 있습니다.

이러한 증상에 대한 유일한 교정 솔루션은 비용이 많이 드는 가동 중지 시간을 포함하는 프로세스인 미디어 베드의 세척 또는 베이크아웃입니다. 시간이 지남에 따라 세척 및 베이크아웃 절차의 빈도는 일반적으로 유일한 실행 가능한 솔루션이 완전한 미디어 교체가 될 때까지 증가합니다.

미디어 유형
지난 수십 년 동안 여러 유형의 열 전달 매체가 RTO에 사용되었습니다. 세 가지 주요 범주는 무작위 패킹, 모놀리식 구조 블록 및 골판지 구조 패킹입니다.

랜덤 포장. 원래 1970년대에는 자갈, 세라믹 볼 및 모든 종류의 모양을 포함하여 RTO에 다양한 무작위 포장 재료가 사용되었습니다. 포장 재료를 무작위로 RTO에 넣어 미디어 베드를 형성했습니다. 흐름을 제한하고 미립자를 모으는 데드 영역을 유발하는 중첩을 방지하기 위해 무작위 배열이 선호되었습니다.

1980년대에 RTO 제조업체와 소유자는 화학 물질 전달 작업을 위해 개발된 세라믹 "saddle"이 RTO 무작위 포장에 최적의 모양을 제공한다는 것을 발견했습니다. 다른 종류의 랜덤 패킹에 비해 안장 모양은 압력 강하를 최소화하고(인덕션 팬에 의한 전력 소비를 낮추기 위해) 표면적을 최대화했습니다(더 높은 열 전달 효율을 위해).

수년에 걸쳐 RTO 미디어 공급업체는 세라믹 안장의 디자인을 개선했습니다. 예를 들어 Koch Knight LLC는 고유한 3-리브 저압 강하 FLEXISADDLE Random Packing 디자인(또는 LPD Random Packing)을 개발했습니다. 이 설계는 중첩을 제한하고 표준 안장에 비해 압력 강하를 20% 줄이는 높은 개방 영역과 공기역학적 디자인을 제공합니다. 미디어.

여러 제조업체에서 이 LPD 안장을 RCO에 사용하기 위한 금속 촉매로 코팅하거나 함침시킵니다. 패킹은 또한 전기도금 응용 분야에 사용되는 금속 염 또는 화학 가스 세척으로 인해 발생할 수 있는 알칼리성 화학 공격에 대한 노출을 방지하기 위해 유약 방지 알루미나로 제공됩니다.

모놀리식 구조 블록. 수입 근청석 세라믹 벌집형 모노리스와 같이 매우 깨끗하고 미립자가 적은 스트림을 위한 또 다른 대안을 사용할 수 있습니다. 모노리스 블록은 무작위로 덤핑되지 않고 형식적으로 배치되는 구조화된 패킹의 한 형태입니다. 세포는 차가운 면에 수직인 직선 채널의 블록을 통해 확장됩니다.

이 디자인의 장점은 이론적으로 공기 흐름에 직선형 공기 역학적 채널을 제공한다는 것입니다. 단점은 유입량이 블록으로 들어가는 차가운 면에서 미립자가 채널을 막으면 이 전체 채널이 데드존이 된다는 것입니다.

골판 구조 포장. RTO를 위한 가장 진보된 세라믹 열 교환 매체는 주름진 구조의 패킹입니다. 이 패킹은 주름진 세라믹 시트로 구성됩니다. 인접한 시트의 주름이 기울어지는 각도가 반대로 되어 미디어 베드 전체에 공기 흐름이 원활하게 분배됩니다. 미디어 베드의 영역이 미립자에 의해 막힌 경우에도 교차 주름의 혼합 및 퍼짐 효과는 막힌 영역 위의 아래쪽 영역을 방지합니다.

현장 연구에 따르면 설치 시 주름진 구조의 패킹이 있는 RTO는 모놀리스 구조의 블록이 있는 RTO와 동일한 양의 천연 가스를 소비하지만 전자는 공기 흐름 분포가 우수하고 후자는 열 저장 용량이 약간 더 높습니다. 주름진 솔루션의 장점은 미립자 축적으로 인한 오염에 대한 저항력이 매우 뛰어나기 때문에 시간이 지남에 따라 극적으로 나타납니다.

평생 운영 비용
열 산화기 소유자는 새 시스템을 설치하거나 기존 시스템의 미디어 베드를 교체할 때 여러 가지 옵션을 사용할 수 있습니다. 미립자가 문제가 될 수 있는 마감 산업의 VOC 저감 시스템의 경우 골판지 구조 포장을 고려해야 합니다. 이 고급 솔루션은 구매 및 설치 비용이 더 많이 들 수 있지만 대체 매체에 비해 더 낮은 압력 강하, 더 높은 열 전달 효율성, 더 안정적인 작동 및 더 긴 사용 수명을 제공합니다. 에너지 소비를 장기적으로 크게 줄이는 것만으로도 고급 열교환 매체를 설치하는 데 드는 추가 비용을 훨씬 능가할 수 있습니다.

저자 정보:
Paul Sims는 Koch Knight LLC의 남동부 지역 영업 관리자입니다. [email protected]으로 연락할 수 있습니다.