Un oxidante 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 oxidadores térmicos se utilizan normalmente para destruir contaminantes peligrosos del aire (HAP) y compuestos orgánicos volátiles (VOC) de corrientes de aire industriales. Estos contaminantes son generalmente a base de hidrocarburos y cuando se destruyen, a través de la combustión térmica, se oxidan químicamente para formar CO2 y H2O . Tres factores principales en el diseño de los 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 una temperatura entre 590 °C (1094 °F) y 650 °C (1202 °F). Para garantizar la destrucción casi total de los gases peligrosos, la mayoría de los oxidantes básicos se operan a niveles de temperatura mucho más altos. Cuando se utiliza un 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 de aire de combustión con los gases peligrosos. [1] [2]
La tecnología más simple de oxidación térmica es el oxidante 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 oxidantes térmicos de combustión directa 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 en el que la combustión es incompleta, [1] estos sistemas son los que requieren menos capital y se pueden integrar con calderas e intercambiadores de calor posteriores para optimizar la eficiencia del combustible . Los oxidadores térmicos se aplican mejor cuando hay una concentración muy alta de COV que actúen como fuente de combustible (en lugar de gas natural o petróleo) para una combustión completa a la temperatura de funcionamiento deseada . [ cita requerida ]
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 anterior 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 se encuentra en el rango entre 760 °C (1400 °F) y 820 °C (1510 °F). La temperatura final puede llegar a 1100 °C (2010 °F) para aplicaciones que requieren una destrucción máxima. Los caudales de aire son de 2,4 a 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 humos de disolventes, los olores, etc., de una amplia gama de industrias. Los oxidadores térmicos regenerativos son ideales en un rango de concentraciones de COV bajas a altas de hasta 10 g/m3 de disolvente. Actualmente, existen muchos tipos de oxidadores térmicos regenerativos en el mercado con una capacidad de oxidación o destrucción de compuestos orgánicos volátiles (COV) del 99,5 % o más. Los intercambiadores de calor cerámicos de las torres se pueden diseñar para eficiencias térmicas de hasta el 97 % o más.
Los oxidadores térmicos de metano en el aire de ventilación se utilizan para destruir el metano en el aire de escape de los pozos de minas de carbón subterráneas. El metano es un gas de efecto invernadero y, cuando se oxida mediante combustión térmica, se altera químicamente para formar CO2 y H2O . El CO2 es 25 veces menos potente que el metano cuando se emite a la atmósfera en lo que respecta al calentamiento global. Las concentraciones de metano en el aire de escape de ventilación de minas de carbón y trona son 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 llenos de cerámica. Al arrancar, el sistema se precalienta elevando la temperatura del material cerámico de intercambio de calor en el lecho o lechos a la temperatura de autooxidación del metano de 1000 °C (1830 °F) o más, momento en el que se apaga el sistema de precalentamiento y se introduce el aire de escape de la mina. Luego, el aire lleno de metano llega al lecho o lechos precalentados, liberando el calor de la combustión. Luego, este calor se transfiere nuevamente al lecho o lechos, manteniendo así la temperatura en o por encima de la necesaria para sustentar el funcionamiento autotérmico. [ cita requerida ]
Una tecnología de oxidación térmica menos utilizada es la de la oxidación recuperativa térmica. Las oxidación recuperativas térmicas 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 saliente. Esto se hace mediante un intercambiador de calor de carcasa y tubo 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 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 limpio saliente se devuelve a otra parte de la planta, tal vez de vuelta al proceso.
La biomasa , como las astillas de madera, se puede utilizar como combustible para un oxidante térmico. Luego, la biomasa se gasifica y la corriente con gases peligrosos se mezcla con el gas de biomasa en una caja de combustión. Una turbulencia, un tiempo de retención, un contenido de oxígeno y una temperatura suficientes garantizarán la destrucción de los COV. Este oxidante 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 COV en la salida está por debajo de las 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 mezclan previamente antes de pasar la mezcla gaseosa combinada a través de un lecho de medio cerámico inerte precalentado. A través de la transferencia de calor del medio cerámico a la mezcla gaseosa, los compuestos orgánicos del gas se oxidan a subproductos inocuos, es decir, dióxido de carbono (CO2 ) y vapor de agua (H2O ) , mientras que también se libera calor en el lecho de 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 conduce a eficiencias de eliminación de destrucción medidas que superan el 99,9999 %. [ cita requerida ] La premezcla de todos los gases antes del tratamiento elimina las altas temperaturas localizadas que conducen a NOx térmico típicamente por debajo de 2 ppmV . La tecnología de oxidadores térmicos 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 adsorbe compuestos orgánicos volátiles (VOC) de los gases de escape. El sistema FBC, que evoluciona a partir de los concentradores de lecho fijo y rotor de carbón anteriores, fuerza el aire cargado de VOC a través de varias bandejas de acero perforadas, lo que aumenta la velocidad del aire y permite que las perlas de carbón submilimétricas se fluidicen, o se comporten como si estuvieran suspendidas en un líquido. Esto aumenta el área de superficie de la interacción carbón-gas, lo que lo hace más eficaz para capturar VOC.
El oxidante catalítico (también conocido como incinerador catalítico ) es otra categoría de sistemas de oxidación que es similar a los oxidantes térmicos típicos, pero los oxidantes catalíticos utilizan un catalizador para promover la oxidación. La oxidación catalítica se produce a través de una reacción química entre las moléculas de hidrocarburos COV y un lecho catalizador de metales preciosos que se encuentra dentro del 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 denomina oxidante catalítico regenerativo o RCO. [4] Por ejemplo, la temperatura de ignición térmica del monóxido de carbono es normalmente de 609 °C (1128 °F). Al utilizar un catalizador de oxidación adecuado, la temperatura de ignición se puede reducir a alrededor de 200 °C (392 °F). [8] Esto puede resultar en menores costos operativos 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 tanto como RCO como 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, por sinterización del material activo. [ cita requerida ]
Los oxidadores catalíticos también pueden adoptar la forma de recuperación de calor para reducir el consumo 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 aire nuevo que ingresa al oxidante. [7]