Un apprêt sur les oxydants thermiques et l'accumulation de particules

Les oxydants thermiques régénératifs (RTO) et d'autres types de systèmes d'oxydation thermique se sont avérés être une méthode très efficace et économe en énergie pour réduire les composés organiques volatils (COV) et d'autres polluants émis par les installations industrielles. Cependant, les particules dans le flux d'émission peuvent être un problème particulièrement épineux, entraînant l'encrassement et le colmatage des lits de médias. Par conséquent, une attention particulière doit être accordée à la sélection de la forme et du matériau des supports d'échange de chaleur afin d'atténuer les problèmes potentiels liés aux particules et d'assurer un fonctionnement fiable, économique et sûr des systèmes d'oxydation thermique.

Oxydation Thermique Régénérative
Les oxydants thermiques sont essentiellement des incinérateurs qui convertissent thermiquement ou catalytiquement les émissions chargées de polluants en dioxyde de carbone et en vapeur d'eau. Le processus d'oxydation atteint généralement des niveaux d'efficacité de destruction/élimination (DRE) supérieurs à 99 % pour les COV, les polluants atmosphériques dangereux (HAPS) et les odeurs.

Les oxydants thermiques régénératifs minimisent la consommation de carburant en « régénérant » ou en réutilisant la chaleur générée par le système. Les ventilateurs aspirent l'air des systèmes de collecte des cabines de peinture et d'autres sources, et l'air est préchauffé par un échangeur de chaleur à la température d'oxydation thermique, généralement de 1 400 à 1 600 degrés Fahrenheit. L'air se déplace ensuite dans une chambre de combustion pendant le temps de séjour spécifié (0,5 à 2,0 secondes), où une réaction exothermique a lieu, convertissant les COV en dioxyde de carbone et en vapeur d'eau. Avant d'être évacué dans l'atmosphère, l'air chaud et purifié passe à travers un lit média pour capturer l'énergie thermique qui sera utilisée pour préchauffer l'air entrant. Les vannes alternent continuellement le flux entre les lits de média :un cycle avec de l'air froid entrant dans un lit de média qui vient d'être chauffé par un échappement chaud, suivi d'un cycle avec de l'air d'évacuation chaud circulant à travers le lit de média pour le réchauffer.

Les RTO peuvent fonctionner à des rendements thermiques de 85 à 99 %, réduisant ou éliminant le besoin de brûler du gaz naturel dans la chambre de combustion. Les RTO sont particulièrement efficaces pour les flux de processus avec une charge de solvant faible à modérée et peuvent être autonomes à des niveaux de limite inférieure d'explosivité (LIE) modérés. En d'autres termes, une fois que le système est suffisamment chauffé, les brûleurs à gaz naturel peuvent être éteints si suffisamment de gaz inflammable est présent dans le flux d'échappement.

Autres oxydants thermiques
Pour des niveaux de charge de solvant inférieurs, inférieurs à 4 % de la LIE, un système catalytique est souvent recommandé. Un oxydant catalytique régénératif (RCO) a une conception similaire à un RTO, sauf que le support d'échange de chaleur en céramique le plus proche de la zone de combustion est revêtu ou imprégné de métaux précieux qui fonctionnent comme un catalyseur qui permet l'oxydation à des températures nettement plus basses (600 à 1 000 degrés Fahrenheit). Un système catalytique nécessite la présence du type de COV qui s'oxydera à ces températures plus basses. Les RCO utilisent le même principe que les convertisseurs catalytiques dans les véhicules à moteur qui oxydent le monoxyde de carbone et les hydrocarbures non brûlés en dioxyde de carbone et en eau.

Pour les flux d'échappement avec des niveaux élevés de LIE, un simple oxydant thermique peut être utilisé, sans aucune capacité de régénération thermique. Dans de tels cas, une charge élevée de solvant peut soutenir la combustion sans préchauffage et souvent avec très peu ou pas de combustion de gaz naturel.

Pour les flux d'air avec des concentrations de COV relativement faibles, des adsorbeurs rotatifs peuvent être utilisés pour concentrer le flux et augmenter le niveau LIE, afin de permettre l'utilisation d'un dispositif d'oxydation plus petit et/ou plus économe en énergie. Les gaz d'échappement du procédé chargés de polluants traversent l'unité d'adsorption rotative où les COV sont adsorbés sur des supports de zéolite ou de charbon actif. L'air purifié est évacué dans l'atmosphère, et le solvant est ensuite éliminé du support par désorption avec un plus petit flux d'air chaud, qui est ensuite acheminé vers un dispositif d'oxydation.

Élimination des particules en amont
Bien que les systèmes d'oxydation soient principalement utilisés pour la réduction des COV, tous les flux d'émission contiennent une certaine quantité de particules, et ces particules peuvent entraîner un encrassement du lit, une dégradation des performances et même des incendies dangereux et destructeurs. Certaines méthodes d'élimination des particules en amont comprennent la cascade (lavage à l'eau), la chicane et la filtration des médias. D'autres, tels que les dépoussiéreurs électrostatiques humides et secs (ESP) et les dépoussiéreurs à cyclone, peuvent réduire, mais pas éliminer, les particules entrant dans le RTO.

Impact de l'accumulation de particules
Les particules qui pénètrent plus profondément dans le lit du média auront tendance à brûler. Cependant, les particules chimiquement réactives peuvent causer des problèmes même lorsqu'elles pénètrent profondément dans le support.

Une partie des particules qui pénètrent dans le RTO s'accumule sur la face froide du lit de support. Selon la conception du support, l'accumulation de particules peut rapidement conduire au colmatage du lit de support. Le branchement cause plusieurs problèmes importants. Le blocage du flux d'air entraîne une augmentation de la chute de pression, forçant le ventilateur de tirage induit à travailler plus fort et à consommer plus d'électricité. La capacité du RTO est réduite, car le lit média devient moins efficace pour transférer la chaleur, car les « zones mortes » signifient une surface réduite exposée au flux d'air et moins de masse média disponible pour retenir l'énergie thermique. De plus, l'accumulation de particules présente un grave risque d'incendie.

La seule solution de remédiation pour ces symptômes est le lessivage ou l'étuvage du lit de média, des processus qui impliquent des temps d'arrêt coûteux. Au fil du temps, la fréquence des procédures de lavage et d'étuvage augmente généralement jusqu'à ce que la seule solution viable soit un changement complet du support.

Types de médias
Au cours des dernières décennies, plusieurs types différents de supports de transfert de chaleur ont été utilisés pour les RTO. Trois catégories principales sont le garnissage aléatoire, le bloc structuré monolithique et le garnissage à structure ondulée.

Emballage aléatoire. À l'origine, dans les années 1970, une grande variété de matériaux d'emballage aléatoires étaient utilisés dans les RTO, notamment du gravier, des billes de céramique et des formes de toutes sortes. Le matériau d'emballage a été déversé au hasard dans le RTO pour former un lit de média. L'arrangement aléatoire a été préféré afin d'empêcher la nidification qui restreindrait l'écoulement et causerait des zones mortes qui accumuleraient des particules.

Dans les années 1980, les fabricants et propriétaires de RTO ont découvert que les « selles » en céramique développées pour les opérations de transfert de masse chimique offraient une forme optimale pour le remplissage aléatoire de RTO. Par rapport à d'autres types de garnitures aléatoires, la forme de la selle minimise la perte de charge (pour une consommation électrique inférieure du ventilateur à induction) et maximise la surface (pour une efficacité de transfert de chaleur plus élevée).

Au fil des ans, les fournisseurs de supports RTO ont affiné la conception des selles en céramique. Par exemple, Koch Knight LLC a développé une conception unique à trois nervures à faible chute de pression FLEXISADDLE Random Packing (ou LPD Random Packing), qui offre une zone ouverte élevée et une conception aérodynamique qui limite l'imbrication et réduit la chute de pression de 20 % par rapport à la selle standard médias.

Plusieurs fabricants enduisent ou imprègnent cette selle LPD d'un catalyseur métallique pour une utilisation dans les RCO. La garniture est également disponible dans une alumine résistante au glaçage pour résister à l'exposition aux attaques chimiques alcalines, qui peuvent résulter du nettoyage des vapeurs chimiques ou des sels métalliques utilisés dans les applications de galvanoplastie.

Bloc structuré monolithe. Une autre alternative pour les flux très propres et à faible teneur en particules, comme le monolithe en nid d'abeilles en céramique cordiérite importé, est disponible. Le bloc monolithique est une forme d'emballage structuré qui est placé dans un arrangement formel, plutôt que jeté au hasard. Les alvéoles s'étendent à travers le bloc dans un canal rectiligne perpendiculaire à la face froide.

L'avantage de cette conception est qu'elle fournit théoriquement un canal droit et aérodynamique pour le flux d'air. L'inconvénient est que si des particules bouchent un canal au niveau de la face froide, là où l'afflux pénètre dans le bloc, alors tout ce canal devient une zone morte.

Emballage structuré en carton ondulé. Le support d'échange de chaleur en céramique le plus avancé pour les RTO est la garniture structurée ondulée. Cette garniture est constituée de feuilles de céramique ondulées. L'angle d'inclinaison des ondulations des feuilles adjacentes est inversé, assurant une excellente répartition du flux d'air dans tout le lit de support. Même si une zone du lit de média est obstruée par des particules, l'effet de mélange et d'étalement de l'ondulation alternée empêche les zones descendantes au-dessus de la zone obstruée.

Des études sur le terrain ont montré que, lors de l'installation, les RTO avec garniture structurée ondulée consomment la même quantité de gaz naturel que les RTO avec bloc structuré monolithe, bien que le premier ait une meilleure distribution du flux d'air et que le second ait une capacité de stockage de chaleur légèrement supérieure. L'avantage de la solution ondulée devient dramatique au fil du temps en raison de la capacité largement supérieure de résister à l'encrassement causé par l'accumulation de particules.

Coût d'exploitation sur la durée de vie
Les propriétaires d'oxydants thermiques disposent d'un certain nombre d'options lors de l'installation d'un nouveau système ou du remplacement du lit média d'un système existant. Pour les systèmes de réduction des COV dans l'industrie de finition, où les particules peuvent être un problème, un emballage structuré en carton ondulé doit être envisagé. Cette solution avancée peut coûter plus cher à l'achat et à l'installation, mais elle fournira une perte de charge plus faible, une efficacité de transfert de chaleur plus élevée, un fonctionnement plus fiable et une durée de vie utile plus longue par rapport aux autres supports. La réduction significative à long terme de la consommation d'énergie à elle seule peut compenser de loin le coût supplémentaire de l'installation de supports d'échange de chaleur avancés.

À propos de l'auteur :
Paul Sims est le directeur des ventes de la région du Sud-Est chez Koch Knight LLC. Il peut être contacté à [email protected].