Un oxidador térmico (también conocido como oxidador térmico o incinerador térmico ) es una unidad de proceso para el control de la contaminación del aire en muchas plantas químicas que descompone gases peligrosos a alta temperatura y los libera a la atmósfera.
Los oxidantes térmicos se utilizan normalmente para destruir contaminantes atmosféricos peligrosos (CAP) y compuestos orgánicos volátiles (COV) de las corrientes de aire industriales. Estos contaminantes generalmente tienen una base de hidrocarburos y, cuando se destruyen mediante combustión térmica, se oxidan químicamente para formar CO 2 y H 2 O . Tres factores principales en el diseño de oxidadores térmicos eficaces son la temperatura, el tiempo de residencia y la turbulencia. La temperatura debe ser lo suficientemente alta como para encender el gas residual. La mayoría de los compuestos orgánicos se encienden a temperaturas entre 590 °C (1094 °F) y 650 °C (1202 °F). Para garantizar la casi destrucción de los gases peligrosos, la mayoría de los oxidantes básicos funcionan a niveles de temperatura mucho más altos. Cuando se utiliza catalizador, el rango de temperatura de funcionamiento puede ser menor. El tiempo de residencia es para garantizar que haya tiempo suficiente para que se produzca la reacción de combustión. El factor de turbulencia es la mezcla del aire de combustión con los gases peligrosos. [1] [2]
La tecnología más simple de oxidación térmica es el oxidador térmico de combustión directa. Se introduce una corriente de proceso con gases peligrosos en una caja de combustión a través del quemador o cerca de él y se proporciona suficiente tiempo de residencia para obtener la eficiencia de eliminación de destrucción (DRE) deseada de los COV. La mayoría de los oxidadores térmicos de fuego directo funcionan a niveles de temperatura entre 980 °C (1800 °F) y 1200 °C (2190 °F) con caudales de aire de 0,24 a 24 metros cúbicos estándar por segundo . [1]
También llamados postquemadores en los casos en que los gases de entrada provienen de un proceso donde la combustión es incompleta, [1] estos sistemas son los que requieren menos capital y pueden integrarse con calderas e intercambiadores de calor posteriores para optimizar la eficiencia del combustible . Los oxidantes térmicos se aplican mejor donde hay una concentración muy alta de COV para actuar como fuente de combustible (en lugar de gas natural o petróleo) para una combustión completa a la temperatura de funcionamiento objetivo . [ cita necesaria ]
Una de las tecnologías de control de la contaminación del aire más aceptadas en la actualidad en toda la industria es un oxidante térmico regenerativo, comúnmente conocido como RTO. Los RTO utilizan un lecho cerámico que se calienta a partir de un ciclo de oxidación previo para precalentar los gases de entrada y oxidarlos parcialmente. Los gases precalentados ingresan a una cámara de combustión que se calienta mediante una fuente de combustible externa para alcanzar la temperatura de oxidación objetivo que está en el rango entre 760 °C (1400 °F) y 820 °C (1510 °F). La temperatura final puede llegar hasta 1100 °C (2010 °F) para aplicaciones que requieren una destrucción máxima. Los caudales de aire oscilan entre 2,4 y 240 metros cúbicos estándar por segundo. [4]
Los RTO son muy versátiles y extremadamente eficientes: la eficiencia térmica puede alcanzar el 95 %. Se utilizan habitualmente para reducir los vapores de disolventes, los olores, etc. en una amplia gama de industrias. Los oxidantes térmicos regenerativos son ideales en un rango de concentraciones de COV bajas a altas, de hasta 10 g/m 3 de disolvente. Actualmente existen muchos tipos de oxidantes térmicos regenerativos en el mercado con una capacidad de oxidación o destrucción de compuestos orgánicos volátiles (COV) de más del 99,5 %. Los intercambiadores de calor cerámicos en las torres pueden diseñarse para eficiencias térmicas de hasta 97+%.
Los oxidantes térmicos de metano del aire de ventilación se utilizan para destruir el metano en el aire de escape de los pozos de las minas de carbón subterráneas. El metano es un gas de efecto invernadero y, cuando se oxida mediante combustión térmica, se altera químicamente para formar CO 2 y H 2 O. El CO 2 es 25 veces menos potente que el metano cuando se emite a la atmósfera con respecto al calentamiento global. Las concentraciones de metano en el aire de escape de las minas de carbón y trona están muy diluidas; normalmente por debajo del 1% y, a menudo, por debajo del 0,5%. Las unidades VAMTOX tienen un sistema de válvulas y compuertas que dirigen el flujo de aire a través de uno o más lechos rellenos de cerámica. Al arrancar, el sistema se precalienta elevando la temperatura del material cerámico de intercambio de calor en los lechos a o por encima de la temperatura de autooxidación del metano 1000 °C (1830 °F), momento en el cual el sistema de precalentamiento se Se apaga y se introduce el aire de escape de la mina. Luego, el aire lleno de metano llega a los lechos precalentados, liberando el calor de la combustión. Luego, este calor se transfiere nuevamente a los lechos, manteniendo así la temperatura igual o superior a la necesaria para respaldar el funcionamiento autotérmico. [ cita necesaria ]
Una tecnología de oxidación térmica menos utilizada es la de oxidación térmica recuperativa. Los oxidadores recuperativos térmicos tienen un intercambiador de calor primario y/o secundario dentro del sistema. Un intercambiador de calor primario precalienta el aire sucio entrante recuperando calor del aire limpio que sale. Esto se hace mediante un intercambiador de calor de carcasa y tubos o un intercambiador de calor de placas . A medida que el aire entrante pasa por un lado del tubo o placa de metal, el aire limpio y caliente de la cámara de combustión pasa por el otro lado del tubo o placa y el calor se transfiere al aire entrante a través del proceso de conducción utilizando el metal como medio de transferencia de calor. En un intercambiador de calor secundario se aplica el mismo concepto para la transferencia de calor, pero el aire que se calienta mediante la corriente de proceso limpia saliente regresa a otra parte de la planta, tal vez de regreso al proceso.
La biomasa , como las astillas de madera, se puede utilizar como combustible para un oxidante térmico. Luego se gasifica la biomasa y la corriente con gases peligrosos se mezcla con el gas de biomasa en una cámara de combustión. Una turbulencia, un tiempo de retención, un contenido de oxígeno y una temperatura suficientes garantizarán la destrucción de los COV. Este oxidador térmico alimentado con biomasa se ha instalado en Warwick Mills, New Hampshire . Las concentraciones de entrada están entre 3000 y 10 000 ppm de COV. La concentración de salida de COV es inferior a 3 ppm, por lo que tiene una eficiencia de destrucción de COV del 99,8% al 99,9%. [5]
En un sistema de oxidación térmica sin llama, el gas residual, el aire ambiente y el combustible auxiliar se premezclan antes de pasar la mezcla gaseosa combinada a través de un lecho de medio cerámico inerte precalentado. A través de la transferencia de calor desde el medio cerámico a la mezcla gaseosa, los compuestos orgánicos en el gas se oxidan a subproductos inocuos, es decir, dióxido de carbono (CO 2 ) y vapor de agua (H 2 O), al mismo tiempo que se libera calor en el lecho del medio cerámico. . [6]
La temperatura de la mezcla de gases se mantiene por debajo del límite inferior de inflamabilidad en función de los porcentajes de cada especie orgánica presente. Los oxidadores térmicos sin llama están diseñados para funcionar de forma segura y confiable por debajo del LFL compuesto mientras mantienen una temperatura de funcionamiento constante. Las corrientes de gases residuales experimentan varios segundos de tiempo de residencia a altas temperaturas, lo que lleva a eficiencias medidas de eliminación de destrucción que superan el 99,9999 %. [ cita necesaria ] La premezcla de todos los gases antes del tratamiento elimina las altas temperaturas localizadas que conducen a NOx térmicos típicamente por debajo de 2 ppmV . La tecnología de oxidación térmica sin llama se desarrolló originalmente en el Departamento de Energía de EE. UU. para convertir de manera más eficiente la energía en quemadores, calentadores de proceso y otros sistemas térmicos.
En un concentrador de lecho fluidizado (FBC), un lecho de perlas de carbón activado para adsorber compuestos orgánicos volátiles (COV) de los gases de escape. Como evolución de los anteriores concentradores de lecho fijo y rotor de carbono, el sistema FBC fuerza el aire cargado de COV a través de varias bandejas de acero perforadas, aumentando la velocidad del aire y permitiendo que las perlas de carbono submilimétricas se fluidicen o se comporten como si estuvieran suspendidas en un liquido. Esto aumenta la superficie de interacción carbono-gas, lo que la hace más eficaz para capturar COV.
El oxidante catalítico (también conocido como incinerador catalítico ) es otra categoría de sistemas de oxidación que es similar a los oxidadores térmicos típicos, pero los oxidadores catalíticos utilizan un catalizador para promover la oxidación. La oxidación catalítica se produce a través de una reacción química entre las moléculas de hidrocarburos VOC y un lecho de catalizador de metal precioso que es interno al sistema oxidante. Un catalizador es una sustancia que se utiliza para acelerar la velocidad de una reacción química, permitiendo que la reacción ocurra en un rango de temperatura normal entre 340 °C (644 °F) y 540 °C (1004 °F). [7]
El catalizador se puede utilizar en un oxidante térmico regenerativo (RTO) para permitir temperaturas de funcionamiento más bajas. Esto también se llama oxidante catalítico regenerativo o RCO. [4] Por ejemplo, la temperatura de ignición térmica del monóxido de carbono es normalmente de 609 °C (1128 °F). Utilizando un catalizador de oxidación adecuado, la temperatura de ignición se puede reducir a alrededor de 200 °C (392 °F). [8] Esto puede resultar en costos operativos más bajos que un RTO. La mayoría de los sistemas funcionan dentro del rango de 260 °C (500 °F) a 1000 °C (1830 °F). Algunos sistemas están diseñados para funcionar como RCO y RTO. Cuando se utilizan estos sistemas, se utilizan consideraciones de diseño especiales para reducir la probabilidad de sobrecalentamiento (dilución del gas de entrada o reciclaje), ya que estas altas temperaturas desactivarían el catalizador, por ejemplo, mediante sinterización del material activo. [ cita necesaria ]
Los oxidantes catalíticos también pueden adoptar la forma de recuperación de calor para reducir la necesidad de combustible. En esta forma de recuperación de calor, los gases de escape calientes del oxidante pasan a través de un intercambiador de calor para calentar el nuevo aire entrante al oxidante. [7]