Méthodes de traitement chimique et polluants gazeux

Cet article met en lumière les trois principales méthodes de traitement chimique utilisées pour purifier les polluants gazeux. Les méthodes sont les suivantes: 1. Incinération thermique. 2. Incinération catalytique et 3. Biooxydation.

Méthode n ° 1. Incinération thermique:

Parmi les trois méthodes utilisées pour l'oxydation des COV, l'incinération thermique a lieu à environ 650 ° C ou à une température plus élevée, tandis que les autres sont effectuées à une température plus basse. Pour l'incinération, c'est-à-dire la combustion de deux ingrédients, à savoir une substance combustible et de l'oxygène sont nécessaires.

Les COV présents dans un flux de gaz d'échappement constituent le composant combustible et l'oxygène de l'air sert d'autre constituant. Les principaux produits d'un processus de combustion sont le CO 2, l'H 2 O. Une certaine quantité de NO x et de SO x est également produite. Certains composés organiques peuvent également être présents dans le flux de produit si le processus est incomplet.

Pour obtenir une combustion complète, c’est-à-dire que l’oxydation complète des COV (polluants), il est nécessaire de fournir un excès d’air (oxygène) par rapport à celui requis de manière stoechiométrique en raison du mélange imparfait des ingrédients avant et pendant la combustion. Pour que le processus soit autonome, le mélange ne doit être ni trop pauvre ni trop riche en composants combustibles. Les compositions limites sont appelées limites d'explosivité inférieure et supérieure.

Entre ces limites, la combustion a lieu au moment de l’inflammation mais peut exploser si le processus n’est pas correctement contrôlé. Les valeurs numériques des limites d'explosivité inférieure et supérieure d'un mélange dépendent des espèces de combustibles présentes dans le mélange. Cependant, il faut veiller à ce que la teneur en oxygène du mélange ne soit jamais inférieure à 15%.

Le degré d'achèvement d'une réaction de combustion dépend de la température, du temps de séjour et de la turbulence dans la zone de combustion. Un degré d'achèvement inférieur signifierait la présence de composés organiques non brûlés (polluants) dans les effluents traités. La vitesse de réaction augmente avec l'augmentation de la température. Ainsi, à une température plus élevée, le temps de séjour (dans la chambre de combustion) requis pour une combustion complète serait plus court.

En d'autres termes, à une température plus élevée, une chambre plus petite ferait le travail. Cependant, pour maintenir une température plus élevée, un carburant auxiliaire peut être nécessaire si les constituants combustibles présents dans le mélange n’ont pas un pouvoir calorifique suffisant. La valeur calorifique d'un mélange dépend de la concentration des espèces combustibles présentes dans le mélange.

Lors de la conception d'un incinérateur thermique, on peut rencontrer l'un des trois types de situations suivants:

Type I:

Le gaz à traiter aurait un pouvoir calorifique suffisant et par conséquent, aucun carburant auxiliaire ne serait nécessaire, mais de l'air (oxygène) devait être fourni. Une telle situation implique que le mélange aurait une composition supérieure à la limite supérieure d'explosif.

Type II:

Le gaz ne peut nécessiter ni carburant auxiliaire ni air, c’est-à-dire que sa composition serait comprise entre les limites inférieure et supérieure d’explosivité. Un tel gaz doit être manipulé avec précaution car sinon la flamme pourrait riposter, c'est-à-dire se propager de la chambre de combustion à sa source.

Type III:

Le gaz peut ne pas avoir un pouvoir calorifique suffisamment élevé pour maintenir la température souhaitée dans la chambre de combustion. Cela implique que la composition du mélange serait inférieure à sa limite inférieure d'explosif. Pour la combustion d'un tel gaz, un carburant auxiliaire serait nécessaire pour soutenir le processus de combustion.

Le mélange de gaz de type I aurait un pouvoir calorifique relativement élevé, il pourrait donc être utilisé à bon escient comme carburant. Il peut être incinéré dans un four à chaudière, dans un appareil de chauffage ou dans une chambre de combustion bien conçue, avec un système permettant d’apporter une quantité suffisante d’air. L'équipement de base nécessaire à la combustion d'un mélange de gaz de type I est un brûleur à faible émission de NO x .

Toutefois, s'il est impossible d'utiliser la chaleur produite lors de l'incinération, le mélange gazeux peut être brûlé, c'est-à-dire que le processus de combustion est effectué en atmosphère ouverte, où la turbulence atmosphérique fournit de l'oxygène pour la combustion et favorise le mélange. L'appareil est appelé pile de torchère.

C'est une cheminée / cheminée à la base de laquelle le gaz est introduit. Le gaz monte dans la cheminée et au moment où il est sur le point de sortir, il rencontre une flamme pilote. La flamme de la veilleuse est entretenue avec un mélange air-essence prémélangé. Il est utilisé pour allumer le mélange gazeux et pour ancrer la flamme résultante. Les produits de combustion, y compris ceux résultant d’une combustion incomplète, sont directement rejetés dans l’atmosphère.

Les produits de combustion peuvent inclure HC (hydrocarbures), CO et certains produits intermédiaires stables, tels que NOx, SO 2, HCI et des particules de carbone en plus du CO 2 et de H 2 O. Le rendement de la combustion peut être amélioré en mélangeant au préalable le gaz. à incinérer avec de l'air et / ou en injectant de la vapeur près de la flamme, ce qui favoriserait la turbulence. La chaleur générée lors de la combustion est gaspillée.

La considération majeure pour la sélection d'un site de torche et l'estimation de la hauteur de la cheminée doit être la sécurité du personnel d'exploitation de l'usine et des équipements situés autour de la torche, du fait de son intensité de chaleur radioactive. Une fusée éclairante devrait être située dans un endroit suffisamment grand pour permettre à un homme de courir à l'abri de la chaleur causée par la fusée éclairante, si nécessaire.

Pour estimer la hauteur de la cheminée de torchère, il convient de prendre en compte l'intensité de chaleur radioactive maximale à laquelle l'équipement de traitement (en particulier le pétrole brut et les réservoirs de stockage de fraction de pétrole) peut être soumis autour de la cheminée. Le diamètre d'une pile doit être calculé en fonction du débit volumétrique maximal prévu du mélange gazeux et de sa vitesse de flamme.

Les autres données nécessaires au calcul de la hauteur et du diamètre de la cheminée sont la température ambiante, la valeur calorifique moyenne du mélange de COV, son poids moléculaire moyen, sa densité et son émissivité de la flamme et la vitesse moyenne du vent à la hauteur de la cheminée.

La figure 4.16 montre une représentation schématique d'une pile de torches.

Il convient de souligner ici que les torches pourraient être utilisées uniquement pour les flux de gaz résiduaires concentrés à volume élevé.

Le mélange de gaz de type II doit être manipulé avec précaution car il s'agit de mélanges explosifs. Un tel mélange doit être dilué avec de l'air ou un gaz inerte afin de ramener la composition du mélange en dessous de sa limite inférieure d'explosivité avant l'incinération. Pour l'incinération du mélange dilué, une quantité d'un combustible auxiliaire peut être nécessaire.

Il peut sembler paradoxal qu'un mélange combustible soit dilué puis incinéré à l'aide d'un combustible supplémentaire. Cependant, du point de vue de la sécurité, cela devient impératif. Si le mélange dilué est brûlé dans un four de chaudière ou un appareil de chauffage, aucun combustible auxiliaire ne serait nécessaire.

S'il est prévu de brûler le mélange gazeux d'origine sans dilution dans une chambre de combustion, les précautions suivantes doivent être prises:

(a) Pour la compression du mélange avant son introduction dans un incinérateur, un éjecteur à jet de vapeur doit être utilisé. Les dispositifs mécaniques ne doivent pas être utilisés car la chaleur de friction peut provoquer une explosion.

(b) Pour éviter de rallumer la flamme d'un incinérateur, vous devez prendre les mesures énumérées ci-dessous.

(i) Dans le gazoduc (menant à l'incinérateur) des pare-flammes, tels que des écrans, des plaques perforées doivent être installées.

(ii) Le diamètre de la conduite choisi doit être tel que la vitesse du gaz à travers la conduite soit supérieure à la vitesse théorique de la flamme du mélange.

(iii) Le mélange de gaz doit passer à travers un pot de phoque.

La manipulation et l'incinération de mélanges de gaz de type III ne posent aucun problème du point de vue de la sécurité. Pour obtenir le degré de destruction souhaité du combustible (polluant) présent dans un tel mélange gazeux, celui-ci doit être injecté dans une chambre de combustion alimentée par un combustible auxiliaire et maintenu à la température requise. Une turbulence et une concentration en oxygène appropriées doivent être maintenues dans l'incinérateur.

Un incinérateur à utiliser pour la combustion d'un mélange de gaz de type III peut être une boîte ou une chambre cylindrique à une extrémité de laquelle se trouve un brûleur à gaz ou à mazout. Le mélange de gaz à incinérer est introduit à proximité du brûleur afin qu'il se mélange facilement aux produits de combustion et atteigne ainsi la température requise.

Les promoteurs de turbulence peuvent être utilisés pour obtenir un mélange rapide des produits de combustion et du gaz à incinérer. La température d'auto-inflammation de chacun des polluants présents doit être vérifiée dans la littérature. La température de fonctionnement de l'incinérateur doit être d'au moins quelques centaines de degrés au-dessus de la température d'auto-inflammation la plus élevée des composants présents. Le volume de la chambre de l'incinérateur (V) peut être estimé approximativement à l'aide de la relation.

V = tx Q,

où Q = débit volumétrique des produits de combustion à la température de fonctionnement et t = temps de séjour requis dans l'incinérateur.

À environ 750 ° C, le temps de séjour requis peut être d'environ 0, 01 seconde. Environ 650 ° C, le temps de séjour doit être augmenté de 0, 01 seconde à environ 0, 1 seconde pour obtenir le même degré de destruction des polluants.

Méthode n ° 2. Incinération catalytique:

L'incinération catalytique est également un processus d'oxydation similaire à l'incinération thermique. Cependant, le processus se déroule à une température beaucoup plus basse que celle de l'incinération thermique. Par conséquent, le besoin en carburant supplémentaire est moindre. Les catalyseurs utilisés sont des particules solides telles quelles ou supportées sur un matériau céramique inerte.

Les réactifs et les produits étant gazeux, le processus se déroule par les étapes suivantes:

1. Diffusion de molécules polluantes et d'oxygène de la phase gazeuse à la surface du catalyseur,

2. Adsorption des molécules de réactif à la surface du catalyseur,

3. Réaction des molécules adsorbées,

4. Désorption des molécules de produit de la surface du catalyseur et, enfin,

5. Diffusion des molécules du produit dans la majeure partie de la phase gazeuse.

Deux types de catalyseurs sont normalement utilisés:

(i) un métal noble, tel que le platine, le palladium seul ou en combinaison, supporté par un alliage de nickel ou de l'alumine ou de la céramique,

(ii) Les métaux de base ou les oxydes de métaux, tels que l'aluminium, le chrome, le cobalt, le cuivre, le fer, le manganèse, le vanadium, le zinc, supportés ou non.

Le second type de catalyseur est moins cher et facile à préparer.

Les supports métalliques se présentent généralement sous la forme d'un ruban sur lequel est déposé le catalyseur. Les rubans sont ensuite sertis et transformés en un tapis.

Les supports céramiques peuvent être sous forme de pastilles ou d'une structure en nid d'abeille.

Le catalyseur est parfois mélangé avec une substance connue sous le nom de promoteur, ce qui augmente l'activité du catalyseur en modifiant la structure et la taille des cristaux du catalyseur.

Les propriétés souhaitées d'un catalyseur sont:

(i) activité élevée à basse température,

ii) stabilité structurelle,

(iii) la résistance à l'attrition et

(iv) Faible chute de pression sur le lit de catalyseur.

L'activité du catalyseur diminue très souvent avec l'utilisation. Cela peut arriver à cause de:

(1) Réaction chimique entre des particules de catalyseur et certaines substances telles que le bismuth, l'arsenic, l'antimoine, le zinc, le plomb, l'étain, le mercure, le phosphore, les halogènes, etc., même à l'état de traces dans les gaz résiduaires,

(2) Adsorption de certains produits chimiques (chimisorption) sur la surface du catalyseur et

(3) Revêtement physique de la surface du catalyseur avec des matières goudronneuses.

Le catalyseur subit également une perte d’activité due au vieillissement. Cela peut être dû à un changement de la structure cristalline du métal (catalyseur) en raison de l'érosion, de la vaporisation et de l'attrition. La durée de vie du catalyseur est normalement de 3 à 5 ans.

Un incinérateur catalytique peut comprendre les composants / sections suivants:

(1) une des sections de préchauffage

(2) un brûleur,

(3) une chambre de mélange,

(4) un lit de catalyseur,

(5) Un ventilateur.

Un schéma de principe d'un incinérateur catalytique est présenté à la Fig. 4.17.

Un incinérateur catalytique fonctionne de la manière décrite ci-dessous.

Un flux de gaz polluant entrant entrant peut être préchauffé avant de l'introduire dans la chambre de mélange. Dans la chambre de mélange, le courant de gaz se mélange au gaz de combustion chaud du brûleur, de sorte que le mélange puisse atteindre la température à laquelle l'oxydation catalytique aurait lieu. Le brûleur aurait pour but de produire la chaleur nécessaire au maintien de la chambre de mélange et du lit de catalyseur à la température souhaitée. Le carburant peut être un gaz ou une huile.

Le lit de catalyseur est agencé de manière à ce que le courant entrant mélangé à un gaz de combustion chaud doive traverser le lit et qu'aucune partie ne puisse contourner le lit. La chambre de combustion doit être fixée de manière à pouvoir être facilement retirée pour être réactivée ou remplacée. Il peut s'avérer nécessaire d'installer un ventilateur afin de compenser les pertes de pression au niveau des différentes sections de l'ensemble de l'incinérateur.

La destruction complète des polluants présents dans un flux de gaz résiduaire est difficile à réaliser dans un incinérateur et peut ne pas être nécessaire. Une destruction de 98 à 99% peut amener la concentration de polluant à la limite d'émission autorisée. La plupart des COV en combustion complète produisent du CO 2 et de l’H 2 O.

Une certaine quantité de monoxyde de carbone peut également être produite en raison d’une combustion incomplète. Certains COV lors de l'incinération peuvent produire des polluants tels que SO 2, SO 3, des halogènes et des composés halogénés, tels que Cl 2, HCL. Il peut être nécessaire de traiter le flux d'échappement de l'incinérateur (afin d'éliminer les polluants nommés ci-dessus) avant son élimination finale.

Méthode n ° 3. Bio-oxydation:

La bio-oxydation d'un flux de gaz polluant peut être effectuée lorsque:

(i) les polluants présents sont biodégradables,

(ii) le cours d'eau ne contient aucun polluant toxique pour les bactéries aérobies, et

(iii) Le débit volumétrique du flux n'est pas élevé.

Ce processus est similaire au processus de combustion en ce sens que les produits principaux de l'oxydation seraient le CO 2 et l'H 2 O. Cependant, le processus se déroule à la température ambiante et la chaleur dégagée se dissipe facilement.

Elle est réalisée en faisant passer un flux de gaz polluant mélangé avec une quantité suffisante d'air à travers un lit de sol poreux pré-ensemencé avec la bonne espèce de microbes aérobies. Les microbes utilisent les COV pour leur activité métabolique. L'oxygène nécessaire à cet effet est extrait de l'air. La taille du lit doit être telle qu'il y ait suffisamment de temps de contact pour atteindre le degré souhaité de destruction du polluant.

Les principaux avantages de ce processus par rapport aux processus d'incinération sont les suivants:

(i) Aucun carburant supplémentaire n'est requis,

(ii) aucun équipement de traitement coûteux n'est nécessaire, et

(iii) Très peu d’attention doit être accordée au contrôle du processus.

L'inconvénient majeur de ce processus est qu'il faut fournir plus d'espace sous la forme d'un volume de lit par rapport à celui requis pour les processus d'incinération.


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