Zastosowania węgla aktywnego w odzyskiwaniu oparów

Od kilkudziesięciu lat odzyskiwanie oparów węglowodorów jest procesem niezbędnym w operacjach załadunku paliw. Od czasu zainstalowania na dużą skalę-jednostek odzyskiwania oparów (VRU) w latach 90. XX w. technologia oparta na adsorpcji węgla aktywnego, a następnie regeneracji próżniowej, stała sięnajlepsza dostępna technologia (BAT)dla zdecydowanej większości zastosowań. Szacuje się, że ponad 95% nowo budowanych VRU na całym świecie stosuje ten proces. Prawidłowo zaprojektowany system-regenerowanego próżniowo węgla aktywnego charakteryzuje się wysoką wydajnością,-opłacalnością, bezpieczeństwem i wyjątkową niezawodnością-nawet przy minimalnych wymaganiach konserwacyjnych.

 

 

Opis procesu

Para poddawana obróbce w VRU jest mieszaniną powietrza i lotnych związków organicznych (LZO), zwykle zawierającą20-50% LZO objętościowo. Cząsteczki LZO składają się z lżejszych związków odparowanych podczas załadunku benzyny, ropy naftowej lub podobnych produktów. Para przechodzi przez złoże węgla aktywnego, które ma ogromną powierzchnię złożoną z milionów porów. Węgiel aktywny można przedstawić jako:„gąbka molekularna”, gdzie składniki LZO przylegają do ścianek porów za pomocą słabych sił międzycząsteczkowych, tzwsiły van der Waalsa. Podczas tego procesu adsorpcji nie zachodzą żadne zmiany chemiczne ani w węglu aktywnym, ani w cząsteczkach LZO. Dzięki wysokiej zdolności adsorpcji węgla aktywnego emisję węglowodorów z VRU można zmniejszyć do wyjątkowo niskiego poziomu.

 

VRU składa się z dwóch lub większej liczby złóż węgla aktywnego działających wtryb cykliczny adsorpcji/regeneracji, przy czym każdy cykl trwa zazwyczaj od 10 do 15 minut. Podczas fazy regeneracji pompa próżniowa zmniejsza ciśnienie wewnątrz złoża węgla do ok40-80 milibarów. To niskie ciśnienie przesuwa równowagę, zakłócając słabe siły między LZO a węglem aktywnym i umożliwiając cząsteczkom LZO opuszczenie złoża węgla przez pompę próżniową w postaci strumienia gazu-o wysokim stężeniu (Objętościowo 95% LZO i 5% powietrza). Strumień gazu przepływa przeciwprądowo przez:wieża absorpcyjnaw miejscu jego kontaktu z absorbentem (zwykle świeżą benzyną), a składniki LZO są w ten sposób wchłaniane przez świeży absorbent. Powietrze opuszczające wieżę absorpcyjną, wciąż nasycone śladowymi ilościami LZO, jest poddawane recyklingowi przez zmieszanie z napływającym gazem zasilającym zawierającym LZO-przedostającym się do złoża węgla adsorpcyjnego. Tworzy to małą wewnętrzną pętlę zzerową emisję.

Węgiel aktywny

Powszechnie stosowanymi surowcami są serie Yuanli GRP i HEM. Taki węgiel aktywny wykazuje doskonałą zdolność adsorpcji i należy zapewnić jego wytrzymałość mechaniczną, aby uniknąć nadmiernego wytwarzania pyłu.

 

Surowce mają już pewien stopień porowatości i powierzchnię właściwą wynoszącą 10–15 metrów kwadratowych na gram. Jednak podczas procesu aktywacji-zwykle przeprowadzanego w atmosferze pary utleniającej w temperaturach od 800 do 1100 stopni -ich powierzchnia właściwa wzrasta do ponad 1500 metrów kwadratowych na gram.

 

Mikroporowata struktura węgla aktywnego zapewnia skuteczny środek adsorpcji, podczas gdy mezopory i makropory odgrywają kluczową rolę w molekularnych kanałach transportu. Dlatego konieczne jest, aby węgiel aktywny miał nie tylko wysoce rozwiniętą powierzchnię wewnętrzną, ale także posiadał sieć porów o różnych średnicach, które umożliwiają dostęp do tej powierzchni.

 

Morfologia – granulowana czy granulowana?

Węgiel aktywny jest dostępny w postaci granulatu lub wytłaczanej granulowanej. Granulowany węgiel aktywny jest zazwyczaj najbardziej-opłacalną opcją, ale ma tendencję do skupiania się i tworzenia gęstych stref. Strefy te powodują większe spadki ciśnienia i martwe przestrzenie w złożu węgla, co prowadzi do powstawania kanałów, w których gaz przepływa preferencyjnie drogami o wysokiej-przepuszczalności. Nierówna adsorpcja i regeneracja w całym złożu węgla będzie miała negatywny wpływ na ogólną wydajność Jednostki Odzyskiwania Par (VRU).

 

Granulowany węgiel aktywny wytwarza się poprzez zmieszanie proszku węgla aktywnego ze spoiwem i wytłaczanie mieszaniny w cylindryczne kształty. Jest powszechnie uważany za najlepszy wybór dla VRU, ponieważ jest mniej podatny na upakowanie i tworzenie martwych stref. W zastosowaniach VRU granulowany węgiel aktywny ma zazwyczaj średnicę 4 milimetrów. Co najważniejsze, nie należy mieszać węgla aktywnego o różnych średnicach, ponieważ spowoduje to ciaśniejsze upakowanie i większy spadek ciśnienia w złożu węgla.

 

Pojemność i adsorpcja resztkowa

Zdolność adsorpcyjna odnosi się do masy lotnych związków organicznych (LZO), które mogą zostać dodatkowo zaadsorbowane na jednostkę masy węgla aktywnego. Świeży węgiel aktywny ma zazwyczaj pojemność 30% wagowych, co oznacza, że ​​1 kilogram węgla może zaabsorbować 0,3 kilograma LZO przed osiągnięciem pełnego nasycenia. Aby w pełni przywrócić węgiel do jego pierwotnej pojemności, wymagana jest reaktywacja za pomocą pary o temperaturze 1000 stopni. Jednakże proces ten powoduje znaczne ścieranie węgla, przy czym znaczna część węgla jest tracona w postaci pyłu. Biorąc pod uwagę jego niepraktyczność w układach cyklicznych, zamiast tego stosuje się łagodniejszą metodę regeneracji próżniowej. Dzięki regeneracji próżniowej długoterminowa wydajność (znana również jako „pojemność robocza”) węgla aktywnego-na bazie minerałów wynosi zazwyczaj około 8% wagowych. Różnicę między pojemnością świeżą a pojemnością roboczą określa się mianem „adsorpcji resztkowej”.

 

Ciepło adsorpcji

Proces adsorpcji jest egzotermiczny. Podczas normalnej, cyklicznej pracy złoża węgla wydzielane ciepło podnosi temperaturę o około 10–20 stopni powyżej temperatury otoczenia. Niektóre węglowodory, takie jak ketony i aldehydy, są bardziej reaktywne i mogą powodować większy wzrost temperatury w złożu węgla. Niektóre rodzaje węgla aktywnego-szczególnie te pochodzące z drewna i łupin orzecha kokosowego-są bardziej podatne na „uciekanie temperatury” lub „gorące punkty”, które wymagają wyłączenia VRU, przedmuchania go gazem obojętnym i ochłodzenia pod ścisłym nadzorem. Kiedy świeży węgiel aktywny jest po raz pierwszy wystawiony na działanie oparów, wykazuje wysoką reaktywność i generuje znaczne ciepło. Temperatura wewnątrz złoża węgla może wzrosnąć do około 100 stopni, dlatego uruchomienie świeżego węgla w VRU (znane również jako „ładowanie wstępne”) musi zostać przeprowadzone przez przeszkolonych specjalistów.

 

Kluczowa kwestia: unikanie pyłu

Pył jest problemem, którego należy unikać, ponieważ prowadzi do strat ciśnienia, zmniejsza zdolność adsorpcji poprzez zatykanie porów powierzchniowych, powoduje nadmierne zużycie pomp próżniowych i pomp absorpcyjnych, blokuje filtry i gromadzi się w zbiornikach benzyny.

Istotne jest, aby każda partia węgla aktywnego została poddana testom pod kątem parametrów krytycznych dla działania VRU, w tym zawartości pyłu, suchości, gęstości, wielkości cząstek, twardości i wydajności roboczej.

 

Zapewnienie optymalnych warunków pracy węgla aktywnego

W odpowiednio zaprojektowanym VRU żywotność węgla aktywnego zwykle waha się od 10 do 20 lat. Jeżeli jednak konstrukcja VRU nie zapewni korzystnych warunków pracy węgla, jego żywotność może zostać skrócona nawet do 4 do 5 lat.

 

Ruch w złożu węgla

W VRU ciśnienie zmienia się między ciśnieniem atmosferycznym a głęboką próżnią co najmniej cztery razy na godzinę. Na początku każdego cyklu regeneracji pompa próżniowa pracuje z pełną wydajnością, aby obniżyć ciśnienie do progu desorpcji. Po zakończeniu regeneracji ciśnienie musi zostać szybko wyrównane, aby przywrócić złoże węgla do stanu gotowego do następnego cyklu adsorpcji. Jeśli złoże węgla nie zostanie bezpiecznie zamocowane, ta ciągła siła ciągnięcia i pchania spowoduje, że cząsteczki węgla będą ocierać się o siebie i zamieniać się w pył. Jest oczywiste, że węgiel o niskiej-wytrzymałości będzie ulegał szybszemu ścieraniu, a węgiel ziarnisty będzie ściślej upakowywał się w grudki. Nawet twardy, granulowany węgiel-na bazie minerałów będzie się stopniowo zużywał i z czasem wytwarzał pył. Oprócz zapobiegania ruchowi węgla dobrze-zaprojektowany VRU powinien także kontrolować i minimalizować siły (wyrównanie podciśnienia i ciśnienia) działające na złoże węgla.

Zazwyczaj utrata masy węgla spowodowana wytwarzaniem się pyłu jest najważniejszym czynnikiem wpływającym na żywotność węgla aktywnego-, którego można prawie całkowicie uniknąć poprzez odpowiednią konstrukcję VRU.

 

Długoterminowa-adsorpcja resztkowa

Jak wspomniano wcześniej, adsorpcja resztkowa odnosi się do części początkowej zdolności adsorpcji, której nie można odzyskać poprzez regenerację próżniową. Można to sobie wyobrazić jako pory trwale zajęte przez cząsteczki LZO, których nie można usunąć za pomocą próżni. W każdym systemie adsorpcja resztkowa rośnie powoli z biegiem czasu, co powoduje stopniowy spadek wydajności roboczej. Należy spodziewać się rocznej redukcji mocy produkcyjnych o kilka punktów procentowych. Dobrze-zaprojektowane jednostki VRU uwzględniają początkowy margines bezpieczeństwa, aby zrekompensować ten spadek. W ramach solidnego programu konserwacji VRU należy również okresowo pobierać i analizować próbki węgla, aby z dużym wyprzedzeniem określić optymalny czas wymiany węgla.

 

Parametr	Wymaganie docelowe	Optymalny wybór
Dystrybucja przepływu złoża węgla	Równomierny rozkład przepływu zapewnia najdłuższą żywotność, najniższy spadek ciśnienia i maksymalną ogólną wydajność VRU.	Pelletowany węgiel o średnicy 4mm
Pył	Niska początkowa zawartość pyłu	Węgiel poddany głębokiemu czyszczeniu i częstym testom pobierania próbek
Wytrzymałość mechaniczna	Sztywny węgiel o wysokiej-twardości jest odporny na fragmentację na pył i degradację, zapewniając długą żywotność	Wysokiej jakości węgiel-na bazie mineralnej-o zdefiniowanym wskaźniku twardości/zużycia
Wydajność robocza	Wystarczająco wysoka, aby zapewnić dobrą-terminową wydajność VRU, ale nie nadmiernie wysoka (ponieważ zwiększa to ryzyko niekontrolowanej zmiany temperatury)	Węgiel mineralny-z pełnymi,-terminowymi rekordami wydajności roboczej
Gęstość	Ilość węgla jest zawsze określana wagowo, ale znaczne różnice w gęstości sprawiają, że jest to kluczowy czynnik przy obliczaniu wymiarów pochłaniacza węgla	Wydajność robocza musi być skorelowana z gęstością; należy sprawdzić gęstość nasypową suchej masy każdej partii
Niski spadek ciśnienia	Węgiel, który nie łączy się łatwo w gęste grudki	Pelletowany węgiel o średnicy 4mm
Temperatura bezpieczeństwa/samozapłonu	Wyższa temperatura samozapłonu zapewnia większy margines bezpieczeństwa przed niekontrolowaną utratą ciepła w złożu węgla.	Mineral-based carbon with documented autoignition temperature >450 stopni
	Gęste kępy częściej tworzą gorące punkty	Węgiel granulowany jest preferowany zamiast węgla granulowanego

 

Dobór optymalnego węgla aktywnego dla instalacji odzysku oparów

Przy wyborze idealnego węgla aktywnego do jednostek odzyskiwania oparów (VRU) najważniejsze kryteria obejmują:

Zalanie złoża węgla

Zanurzenie węgla aktywnego w ciekłym absorbencie powoduje nieodwracalne uszkodzenia. Należy temu zapobiegać, instalując odpowiednie-urządzenia wykrywające wysoki poziom na wlocie oparów i wieży absorpcyjnej.

Porywanie aerozolu do złoża węgla

Bardzo ważne jest, aby wieża absorpcyjna była wyposażona w eliminator mgły oraz aby natężenie przepływu przez pompę próżniową i wieżę absorpcyjną było kontrolowane w celu uniknięcia przedostania się aerozolu do złoża węgla-spowoduje to nieodwracalne uszkodzenie węgla aktywnego.