Застосування активованого вугілля для регенерації парів

Десятиліттями відновлення парів вуглеводнів було незамінним процесом при завантаженні палива. Після широкомасштабного -встановлення установок рекуперації пари (VRU) у 1990-х роках технологія, заснована на адсорбції активованим вугіллям із наступною вакуумною регенерацією, сталанайкраща доступна технологія (BAT)для переважної більшості програм. За оцінками, понад 95% новозбудованих VRU у всьому світі застосовують цей процес. При правильному проектуванні система з вакуумним-регенерованим активованим вугіллям може похвалитися високою ефективністю,-рентабельністю, безпекою та надзвичайною надійністю-навіть за мінімальних вимог до обслуговування.

 

 

Опис процесу

Пари, що підлягають обробці в VRU, є сумішшю повітря та летких органічних сполук (VOC), які зазвичай містять20-50% ЛОС за об'ємом. Молекули VOC складаються з більш легких сполук, що випаровуються під час завантаження бензину, сирої нафти або подібних продуктів. Пара проходить через шар активованого вугілля, який має величезну площу поверхні, що складається з мільйонів пор. Активоване вугілля можна візуалізувати як a"молекулярна губка", де VOC компоненти прилипають до стінок пор через слабкі міжмолекулярні сили, відомі яксили Ван-дер-Ваальса. Під час цього процесу адсорбції не відбувається жодних хімічних змін ні з активованим вугіллям, ні з молекулами ЛОС. Завдяки високій адсорбційній здатності активованого вугілля викиди вуглеводнів від VRU можуть бути знижені до надзвичайно низького рівня.

 

VRU складається з двох або більше шарів активованого вугілля, що працюють в одномуциклічний режим адсорбції/регенерації, причому кожен цикл зазвичай триває від 10 до 15 хвилин. Під час фази регенерації вакуумний насос знижує тиск всередині вугільного шару до40-80 мілібар. Цей низький тиск зміщує рівновагу, порушуючи слабкі сили між леткими органічними сполуками та активованим вугіллям і дозволяючи молекулам летких органічних сполук виходити з вуглецевого шару через вакуумний насос у вигляді потоку газу з високою-концентрацією (95% ЛОС і 5% повітря за об'ємом). Потік газу протікає проти течії через anабсорбційна вежаде він вступає в контакт з абсорбентом (зазвичай свіжим бензином), і компоненти VOC таким чином поглинаються свіжим абсорбентом. Повітря, яке виходить із абсорбційної вежі, усе ще насичене незначними кількостями летких органічних сполук, переробляється шляхом змішування з вхідним газом, насиченим леткими органічними сполуками-, що надходить у шар адсорбційного вуглецю. Це створює невелику внутрішню петлю знульові викиди.

Активоване вугілля

Зазвичай використовуваною сировиною є серії Yuanli GRP і HEM. Таке активоване вугілля демонструє чудову адсорбційну здатність, і його механічна міцність повинна бути забезпечена, щоб уникнути надмірного утворення пилу.

 

Сировина вже має певний ступінь пористості та питому поверхню 10–15 квадратних метрів на грам. Однак під час процесу активації-, який зазвичай здійснюється в атмосфері окислювальної пари при температурах від 800 до 1100 градусів -їхня питома поверхня збільшується до понад 1500 квадратних метрів на грам.

 

Мікропориста структура активованого вугілля забезпечує ефективний засіб для адсорбції, тоді як мезопори та макропори мають вирішальне значення для молекулярних транспортних каналів. Тому вкрай важливо, щоб активоване вугілля не тільки мало розвинену внутрішню поверхню, але й містило мережу пор із різним діаметром, які забезпечують доступ до цієї поверхні.

 

Морфологія – гранульована чи гранульована?

Активоване вугілля доступне у гранульованій або екструдованій гранульованій формі. Грануляне активоване вугілля, як правило, є найбільш економічно ефективним-варіантом, але воно, як правило, збирається разом і утворює щільні зони. Ці зони створюють більш високі перепади тиску та мертві простори всередині вуглецевого шару, що призводить до каналізації, де газ тече переважно через високо-проникні шляхи. Нерівномірна адсорбція та регенерація по всьому шару вуглецю негативно вплинуть на загальну продуктивність блоку рекуперації пари (VRU).

 

Гранули активованого вугілля виробляють шляхом змішування порошку активованого вугілля зі сполучною речовиною та екструдуванням суміші в циліндричні форми. Його широко вважають найкращим вибором для VRU, оскільки він менш схильний до ущільнення та утворення мертвих зон. У застосуваннях VRU гранульоване активоване вугілля зазвичай має діаметр 4 міліметри. Важливо, що активоване вугілля різного діаметру не слід змішувати, оскільки це призведе до щільнішого укладання та більшого перепаду тиску на шарі вугілля.

 

Ємність і залишкова адсорбція

Адсорбційна здатність відноситься до маси летючих органічних сполук (ЛОС), які можуть бути додатково адсорбовані на одиницю маси активованого вугілля. Свіже активоване вугілля зазвичай має місткість 30% за вагою, тобто 1 кілограм вугілля може адсорбувати 0,3 кілограма ЛОС до досягнення повного насичення. Щоб повністю відновити початкову здатність вуглецю, необхідна реактивація за допомогою пари при температурі 1000 градусів. Однак цей процес спричиняє значне виснаження вуглецю, причому значна частина вуглецю втрачається у вигляді пилу. Враховуючи його непрактичність у циклічних системах, замість нього використовується більш м’який метод вакуумної регенерації. Завдяки вакуумній регенерації довгострокова-ємність (також відома як «робоча здатність») мінерального-активованого вугілля зазвичай становить близько 8% за вагою. Різниця між свіжою і робочою ємністю називається «залишковою адсорбцією».

 

Теплота адсорбції

Процес адсорбції екзотермічний. Під час нормальної циклічної роботи вуглецевого шару тепло, що виділяється, підвищує температуру приблизно на 10–20 градусів вище температури навколишнього середовища. Деякі вуглеводні, такі як кетони та альдегіди, є більш реакційноздатними та можуть спричинити високе підвищення температури в шарі вуглецю. Певні типи активованого вугілля-зокрема отримані з деревини та шкаралупи кокосового горіха-більш сприйнятливі до «теплових викидів» або «гарячих точок», що вимагає відключення VRU, очищення його інертним газом та охолодження під ретельним наглядом. Коли свіже активоване вугілля вперше піддається впливу парів, воно виявляє високу реакційну здатність і виділяє значну кількість тепла. Температура всередині шару вуглецю може піднятися приблизно до 100 градусів, тому введення в експлуатацію свіжого вуглецю в VRU (також відоме як «попереднє завантаження») має виконуватися навченими фахівцями.

 

Ключова проблема: уникнення пилу

Пил є важливою проблемою, якої слід уникати, оскільки він призводить до падіння тиску, знижує адсорбційну здатність, закупорюючи поверхневі пори, спричиняє надмірний знос вакуумних насосів і абсорбційних насосів, блокує фільтри та накопичується в резервуарах для зберігання бензину.

Важливо, щоб кожна партія активованого вугілля проходила тестування на параметри, критичні для роботи VRU, включаючи вміст пилу, сухість, щільність, розмір частинок, твердість і працездатність.

 

Забезпечення оптимальних умов експлуатації активованого вугілля

У правильно сконструйованому VRU термін служби активованого вугілля зазвичай становить від 10 до 20 років. Однак, якщо конструкція VRU не забезпечує сприятливих умов експлуатації для вуглецю, термін його служби може бути скорочений до 4-5 років.

 

Рух всередині карбонового ліжка

У VRU тиск змінюється між атмосферним тиском і глибоким вакуумом принаймні чотири рази на годину. На початку кожного циклу регенерації вакуумний насос працює на повну потужність, щоб знизити тиск до порогу десорбції. Після завершення регенерації тиск необхідно швидко вирівняти, щоб повернути вуглецевий шар у стан, готовий до наступного циклу адсорбції. Якщо вугільна підкладка не закріплена надійно, ця постійна сила тяги та штовхання призведе до того, що частинки вуглецю будуть тертися одна об одну та перетворюватися на пил. Зрозуміло, що вуглець із низькою -міцністю стиратиметься швидше, а гранульований вуглець щільніше збиратиметься в грудки. Навіть твердий гранульований вуглець-на мінеральній основі з часом поступово зношується та утворює пил. Крім запобігання переміщенню вуглецю, добре-спроектований VRU також повинен контролювати та мінімізувати сили (вакуум і вирівнювання тиску), що діють на вуглецевий шар.

Як правило, втрата маси вуглецю через утворення пилу є єдиним найважливішим фактором, що впливає на термін служби активованого вугілля-, і цього можна майже повністю уникнути за допомогою правильної конструкції VRU.

 

Тривала-залишкова адсорбція

Як зазначалося раніше, залишкова адсорбція відноситься до частини початкової адсорбційної здатності, яку не можна відновити за допомогою вакуумної регенерації. Його можна візуалізувати як пори, постійно зайняті молекулами VOC, які неможливо видалити за допомогою вакууму. У будь-якій системі залишкова адсорбція повільно зростає з часом, що призводить до поступового зниження працездатності. Слід передбачити щорічне скорочення потужності на кілька процентних пунктів. Добре-розроблені VRU мають початковий запас безпеки, щоб компенсувати це зниження. У рамках надійної програми технічного обслуговування VRU також слід періодично відбирати та аналізувати зразки вуглецю, щоб завчасно визначити оптимальний час заміни вуглецю.

 

Параметр	Цільова вимога	Оптимальний вибір
Розподіл потоку вуглецевого шару	Рівномірний розподіл потоку забезпечує найдовший термін служби, найменший перепад тиску та максимальну загальну продуктивність VRU.	Пелетований вуглець діаметром 4 мм
Пил	Низький початковий вміст пилу	Карбон, який пройшов глибоке очищення та часті випробування серійних проб
Механічна міцність	Жорсткий вуглець-високої твердості протистоїть дробленню на пил і деградації, забезпечуючи тривалий термін служби	Високоякісний вуглець на мінеральній-основі-з визначеним індексом твердості/зносу
Працездатність	Досить високий, щоб забезпечити хорошу довгострокову-ефективність VRU, але не надто високий (оскільки це збільшує ризик перегріву)	Вуглець на мінеральній-основі з повними-записами довгострокової працездатності
Щільність	Кількість вуглецю завжди вказується за вагою, але значні коливання щільності роблять це ключовим фактором при розрахунку розмірів вугільного балончика	Працездатність повинна співвідноситися з щільністю; повинна бути перевірена суха насипна щільність кожної партії
Низький перепад тиску	Вуглець, який нелегко збирається в щільні грудки	Пелетований вуглець діаметром 4 мм
Безпека/температура самозаймання	Більш висока температура самозаймання забезпечує більший запас надійності проти теплового витоку в шарі вуглецю.	Mineral-based carbon with documented autoignition temperature >450 градусів
	Щільні згустки частіше утворюють гарячі точки	Пелетований вуглець є кращим перед гранульованим

 

Вибір оптимального активованого вугілля для установок регенерації пари

Під час вибору ідеального активованого вугілля для установок рекуперації пари (VRU) найважливішими критеріями є:

Затоплення вуглецевого шару

Занурення активованого вугілля в рідкий абсорбент викликає незворотні пошкодження. Цьому слід запобігти, встановивши відповідні-пристрої виявлення високого рівня на вході випаровування та абсорбційній вежі.

Попадання аерозолю в вуглецевий шар

Дуже важливо, щоб абсорбційна вежа була обладнана туманоуловлювачем, а швидкість потоку через вакуумний насос і абсорбційну вежу контролювалася, щоб уникнути потрапляння аерозолю в шар вугілля-, що призведе до незворотного пошкодження активованого вугілля.