Um primer em oxidantes térmicos e acúmulo de partículas

Oxidantes térmicos regenerativos (RTOs) e outros tipos de sistemas de oxidação térmica provaram ser um método altamente eficaz e eficiente em termos de energia de redução de compostos orgânicos voláteis (VOCs) e outros poluentes emitidos por plantas industriais. No entanto, o material particulado no fluxo de emissão pode ser um problema particularmente incômodo, resultando em entupimento e entupimento de leitos de mídia. Portanto, atenção cuidadosa deve ser dada à seleção da forma e do material do meio de troca de calor para mitigar problemas potenciais com material particulado e para garantir a operação confiável, econômica e segura dos sistemas de oxidação térmica.

Oxidação Térmica Regenerativa
Os oxidantes térmicos são essencialmente incineradores que convertem térmica ou cataliticamente as emissões carregadas de poluentes em dióxido de carbono e vapor de água. O processo de oxidação normalmente atinge níveis de eficiência de destruição / remoção (DRE) melhores do que 99 por cento para VOCs, poluentes perigosos do ar (HAPS) e odores.

Os oxidantes térmicos regenerativos minimizam o consumo de combustível “regenerando” ou reutilizando o calor gerado pelo sistema. Os ventiladores retiram o ar dos sistemas de coleta da cabine de pintura e de outras fontes, e o ar é pré-aquecido pela mídia do trocador de calor até a temperatura de oxidação térmica, normalmente 1.400 a 1.600 graus Fahrenheit. O ar então se move para uma câmara de combustão pelo tempo de residência especificado (0,5 a 2,0 segundos), onde uma reação exotérmica ocorre, convertendo os VOCs em dióxido de carbono e vapor de água. Antes de ser exaurido para a atmosfera, o ar quente purificado passa por um leito de mídia para capturar a energia térmica que será usada para pré-aquecer o ar que entra. As válvulas alternam continuamente o fluxo entre os leitos de mídia:um ciclo com a entrada de ar frio em um leito de mídia que acaba de ser aquecido por exaustão quente, seguido por um ciclo com ar quente de exaustão fluindo através do leito de mídia para reaquecê-lo.

Os RTOs podem operar com eficiências térmicas de 85 a 99 por cento, reduzindo ou eliminando a necessidade de queimar gás natural na câmara de combustão. Os RTOs são particularmente eficazes para fluxos de processo com carga de solvente baixa a moderada e podem ser autossustentáveis ​​em níveis moderados de limite inferior de explosão (LEL). Em outras palavras, uma vez que o sistema esteja suficientemente aquecido, os queimadores de gás natural podem ser desligados se houver gás inflamável suficiente no fluxo de exaustão.

Outros oxidantes térmicos
Para níveis mais baixos de carga de solvente, abaixo de 4 por cento LEL, um sistema catalítico é freqüentemente recomendado. Um oxidante catalítico regenerativo (RCO) tem um design semelhante a um RTO, exceto que o meio de troca de calor de cerâmica mais próximo da zona de combustão é revestido ou impregnado com metais preciosos que funcionam como um catalisador que permite a oxidação a temperaturas significativamente mais baixas (600 a 1.000 graus Fahrenheit). Um sistema catalítico requer a presença do tipo de VOCs que oxidam nessas temperaturas mais baixas. Os RCOs utilizam o mesmo princípio dos conversores catalíticos em veículos motorizados que oxidam monóxido de carbono e hidrocarbonetos não queimados em dióxido de carbono e água.

Para fluxos de exaustão com altos níveis de LEL, um oxidante térmico simples pode ser usado, sem qualquer capacidade de regeneração térmica. Em tais casos, a alta carga de solvente pode suportar a combustão sem pré-aquecimento e frequentemente com muito pouca ou nenhuma queima de gás natural.

Para fluxos de ar com concentrações relativamente baixas de VOC, adsorventes rotativos podem ser usados ​​para concentrar o fluxo e aumentar o nível de LEL, para permitir o uso de um dispositivo de oxidação que seja menor e / ou mais eficiente em termos de energia. A exaustão do processo carregado de poluentes passa pela unidade de adsorção rotativa, onde os VOCs são adsorvidos em zeólita ou meio de carvão ativado. O ar purificado é exaurido para a atmosfera e o solvente é então removido do meio por dessorção com uma corrente menor de ar quente, que é então entregue a um dispositivo de oxidação.

Remoção de partículas a montante
Embora os sistemas oxidantes sejam usados ​​principalmente para a redução de VOCs, todos os fluxos de emissão contêm alguma quantidade de material particulado, e essas partículas podem causar incrustação no leito, degradação do desempenho e até incêndios perigosos e destrutivos. Alguns métodos de remoção de partículas a montante incluem cascata (lavagem com água), defletor e filtração de mídia. Outros, como precipitadores eletrostáticos úmidos e secos (ESP) e coletores de poeira de ciclone, podem reduzir, mas não eliminar, as partículas que entram no RTO.

Impacto do acúmulo de partículas
As partículas que penetram mais profundamente no leito da mídia tendem a queimar. No entanto, as partículas quimicamente reativas podem causar problemas mesmo quando penetram profundamente na mídia.

Uma parte do particulado que entra no RTO será coletado na face fria do leito de mídia. Dependendo do design do meio, o acúmulo de partículas pode levar rapidamente ao entupimento do leito do meio. A obstrução causa vários problemas significativos. O bloqueio do fluxo de ar resulta em um aumento na queda de pressão, forçando o ventilador de tiragem induzida a trabalhar mais e consumir mais eletricidade. A capacidade do RTO é reduzida, pois o leito de mídia se torna menos eficaz na transferência de calor, porque “zonas mortas” significam área de superfície reduzida exposta ao fluxo de ar e menos massa de mídia disponível para reter energia térmica. Além disso, o acúmulo de partículas apresenta um sério risco de incêndio.

A única solução de remediação para esses sintomas é o wash-out ou bake-out do leito de mídia, processos que envolvem tempo de inatividade oneroso. Com o tempo, a frequência dos procedimentos de lavagem e pré-aquecimento normalmente aumenta até que a única solução viável seja uma troca completa da mídia.

Tipos de mídia
Nas últimas décadas, vários tipos diferentes de meios de transferência de calor foram usados ​​para RTOs. Três categorias principais são embalagem aleatória, embalagem de bloco estruturado monolítico e embalagem de estrutura ondulada.

Embalagem aleatória. Originalmente, na década de 1970, uma grande variedade de materiais de embalagem aleatórios eram empregados em RTOs, incluindo cascalho, bolas de cerâmica e formatos de todos os tipos. O material de embalagem foi despejado aleatoriamente no RTO para formar um leito de mídia. O arranjo aleatório foi preferido para evitar o aninhamento que restringiria o fluxo e causaria áreas mortas que coletam partículas.

Na década de 1980, os fabricantes e proprietários de RTO descobriram que as “selas” de cerâmica desenvolvidas para operações de transferência de massa química forneciam um formato ideal para o empacotamento aleatório RTO. Em relação a outros tipos de embalagem aleatória, o formato de sela minimizou a queda de pressão (para menor consumo de eletricidade pelo ventilador de indução) e maximizou a área de superfície (para maior eficiência de transferência de calor).

Ao longo dos anos, os fornecedores de mídia RTO refinaram o design de selas de cerâmica. Por exemplo, a Koch Knight LLC desenvolveu um design exclusivo de três costelas FLEXISADDLE Random Packing (ou LPD Random Packing), que fornece uma grande área aberta e design aerodinâmico que limita o aninhamento e reduz a queda de pressão em 20 por cento em comparação com a sela padrão meios de comunicação.

Vários fabricantes revestem ou impregnam esta sela LPD com um catalisador de metal para uso em RCOs. A gaxeta também está disponível em uma alumina resistente ao esmalte para resistir à exposição ao ataque químico alcalino, que pode resultar da limpeza de vapores químicos ou sais metálicos usados ​​em aplicações de galvanoplastia.

Bloco Estruturado Monolith. Outra alternativa para fluxos de partículas baixas e muito limpos, como o monólito de colmeia de cerâmica Cordierite importado, está disponível. O bloco de monólito é uma forma de embalagem estruturada que é colocada em um arranjo formal, ao invés de despejada aleatoriamente. As células se estendem através do bloco em um canal reto perpendicular à face fria.

A vantagem desse projeto é que, teoricamente, ele fornece um canal reto aerodinâmico para o fluxo de ar. A desvantagem é que se o particulado obstrui um canal na face fria, onde o influxo entra no bloco, então todo o canal se torna uma zona morta.

Embalagem Estruturada Ondulada. O meio de troca de calor de cerâmica mais avançado para RTOs é a embalagem estruturada de papelão ondulado. Esta embalagem é construída com placas de cerâmica onduladas. O ângulo de inclinação das ondulações das telhas adjacentes é invertido, garantindo excelente distribuição do fluxo de ar por todo o leito do meio. Mesmo se uma área do leito de mídia ficar obstruída por partículas, o efeito de mistura e espalhamento da corrugação alternada evita zonas baixas acima da área obstruída.

Estudos de campo mostraram que, na instalação, RTOs com embalagem estruturada corrugada consomem a mesma quantidade de gás natural que RTOs com bloco estruturado monolítico, embora o primeiro tenha distribuição de fluxo de ar superior e o último tenha capacidade de armazenamento de calor ligeiramente superior. A vantagem da solução corrugada torna-se dramática com o tempo, devido à capacidade muito superior de resistir à incrustação causada pelo acúmulo de partículas.

Custo de operação vitalício
Os proprietários de oxidantes térmicos têm várias opções disponíveis ao instalar um novo sistema ou substituir o leito de mídia de um sistema existente. Para sistemas de redução de VOC na indústria de acabamento, onde as partículas podem ser uma preocupação, a embalagem estruturada de papelão ondulado deve ser considerada. Esta solução avançada pode custar mais para comprar e instalar, mas fornecerá menor queda de pressão, maior eficiência de transferência de calor, operação mais confiável e maior vida útil em comparação com o meio alternativo. A redução significativa de longo prazo no consumo de energia pode superar em muito o custo adicional de instalação de meios de troca de calor avançados.

Sobre o autor:
Paul Sims é o gerente de vendas da Região Sudeste da Koch Knight LLC. Ele pode ser contatado em [email protected].