Tillämpningar av aktivt kol vid återvinning av ångor

Under decennier har återvinning av kolväteånga varit en oumbärlig process vid bränsleladdningsoperationer. Sedan den storskaliga installationen av ångåtervinningsenheter (VRUs) på 1990-talet har tekniken baserad på aktivt koladsorption följt av vakuumregenerering uppstått sombästa tillgängliga teknik (BAT)för de allra flesta applikationer. Det uppskattas att över 95 % av nybyggda VRU:er över hela världen använder denna process. När det är korrekt designat har det vakuum-regenererade aktivt kolsystemet hög effektivitet, kostnads-effektivitet, säkerhet och extrem tillförlitlighet-även med minimala underhållskrav.

 

 

Processbeskrivning

Ångan som ska behandlas i en VRU är en blandning av luft och flyktiga organiska föreningar (VOC), vanligtvis innehållande20-50 volymprocent VOC. VOC-molekyler består av lättare föreningar som förångas under lastningen av bensin, råolja eller liknande produkter. Ångan passerar genom en bädd av aktivt kol, som har en enorm yta som består av miljontals porer. Aktivt kol kan visualiseras som ett"molekylär svamp", där VOC-komponenter fäster vid porväggarna via svaga intermolekylära krafter som kallasvan der Waals styrkor. Inga kemiska förändringar sker i vare sig det aktiverade kolet eller VOC-molekylerna under denna adsorptionsprocess. Tack vare den höga adsorptionskapaciteten för aktivt kol kan kolväteutsläppen från VRU:er reduceras till extremt låga nivåer.

 

En VRU omfattar två eller flera bäddar av aktivt kol som arbetar i enadsorptions-/regenereringscykelläge, med varje cykel som vanligtvis varar 10 till 15 minuter. Under regenereringsfasen minskar en vakuumpump trycket inuti kolbädden till40-80 millibar. Detta låga tryck förskjuter jämvikten, stör de svaga krafterna mellan VOC och aktivt kol och tillåter VOC-molekyler att lämna kolbädden genom vakuumpumpen som en hög-gasström (95 % VOC och 5 % luft i volym). Gasströmmen strömmar i motström genom enabsorptionstorndär den kommer i kontakt med en absorbent (vanligen färsk bensin), och VOC-komponenter absorberas därigenom i den färska absorbenten. Luften som lämnar absorptionstornet, fortfarande mättad med spårmängder av VOC, återvinns genom att blandas med den inkommande VOC-bemängda matargasen som kommer in i adsorptionskolbädden. Detta skapar en liten intern slinga mednoll utsläpp.

Aktivt kol

De vanligaste råvarorna är Yuanli GRP och HEM-serien. Sådant aktivt kol uppvisar utmärkt adsorptionsförmåga och dess mekaniska styrka måste säkerställas för att undvika överdriven dammbildning.

 

Råvaror har redan en viss grad av porositet och en specifik yta på 10–15 kvadratmeter per gram. Men under aktiveringsprocessen-som vanligtvis utförs i en oxiderande ångatmosfär vid temperaturer från 800 grader till 1100 grader -ökar deras specifika yta till över 1500 kvadratmeter per gram.

 

Den mikroporösa strukturen av aktivt kol ger ett effektivt medel för adsorption, medan mesoporer och makroporer är avgörande för molekylära transportkanaler. Därför är det absolut nödvändigt att aktivt kol inte bara har en välutvecklad inre yta utan också har ett nätverk av porer med varierande diametrar som möjliggör åtkomst till denna yta.

 

Morfologi – granulär eller pelletiserad?

Aktivt kol finns tillgängligt i antingen granulär form eller extruderad pelletsform. Granulärt aktivt kol är i allmänhet det mest kostnadseffektiva-alternativet, men det tenderar att packas ihop och bilda täta zoner. Dessa zoner skapar högre tryckfall och döda utrymmen i kolbädden, vilket leder till kanalisering där gas företrädesvis strömmar genom vägar med hög-permeabilitet. Ojämn adsorption och regenerering över hela kolbädden kommer att negativt påverka den totala prestandan för Vapor Recovery Unit (VRU).

 

Pelleterat aktivt kol framställs genom att blanda aktivt kolpulver med ett bindemedel och extrudera blandningen till cylindriska former. Det anses allmänt som det överlägsna valet för VRU eftersom det är mindre benäget att packa och bilda döda zoner. I VRU-applikationer har pelletiserat aktivt kol vanligtvis en diameter på 4 millimeter. Kritiskt sett bör aktivt kol med olika diametrar inte blandas, eftersom detta kommer att resultera i tätare packning och högre tryckfall över kolbädden.

 

Kapacitet och restadsorption

Adsorptionskapacitet avser massan av flyktiga organiska föreningar (VOC) som kan adsorberas ytterligare per massenhet aktivt kol. Färskt aktivt kol har vanligtvis en kapacitet på 30 viktprocent, vilket innebär att 1 kg kol kan adsorbera 0,3 kg VOC innan den når full mättnad. För att helt återställa kolet till sin ursprungliga kapacitet krävs reaktivering med ånga vid 1000 grader. Emellertid orsakar denna process betydande kolförslitning, med en betydande del av kolet som förloras som damm. Med tanke på dess opraktiskhet i cykliska system används istället en mildare vakuumregenereringsmetod. Genom vakuumregenerering är den långsiktiga-kapaciteten (även känd som "arbetskapacitet") för mineralbaserat-aktivt kol vanligtvis cirka 8 viktprocent. Skillnaden mellan färskkapaciteten och arbetskapaciteten kallas "restadsorption".

 

Adsorptionsvärme

Adsorptionsprocessen är exoterm. Under normal cyklisk drift av kolbädden höjer den frigjorda värmen temperaturen med cirka 10–20 grader över den omgivande temperaturen. Vissa kolväten, såsom ketoner och aldehyder, är mer reaktiva och kan orsaka högre temperaturhöjningar i kolbädden. Vissa typer av aktivt kol-särskilt de som härrör från trä- och kokosnötskal-är mer mottagliga för "termisk runaway" eller "hot spots", vilket gör det nödvändigt att stänga av VRU:n, tömma den med inert gas och kyla den under noggrann övervakning. När färskt aktivt kol först utsätts för ångor, uppvisar det hög reaktivitet och genererar betydande värme. Temperaturen inuti kolbädden kan stiga till cirka 100 grader, så idrifttagning av färskt kol i VRU:er (även känd som "förladdning") måste utföras av utbildad personal.

 

Huvudproblem: Undvika damm

Damm är en kritisk fråga som bör undvikas, eftersom det leder till tryckfallsförluster, minskar adsorptionskapaciteten genom att täppa till ytporerna, orsakar överdrivet slitage på vakuumpumpar och absorptionspumpar, blockerar filter och ackumuleras i bensinlagringstankar.

Det är viktigt att varje sats av aktivt kol genomgår testning mot parametrar som är kritiska för VRU-drift, inklusive dammhalt, torrhet, densitet, partikelstorlek, hårdhet och arbetskapacitet.

 

Säkerställer optimala driftsförhållanden för aktivt kol

I en korrekt utformad VRU sträcker sig livslängden för aktivt kol vanligtvis från 10 till 20 år. Men om VRU-konstruktionen misslyckas med att säkerställa gynnsamma driftsförhållanden för kolet, kan dess livslängd förkortas till så lite som 4 till 5 år.

 

Rörelse inuti kolbädden

I VRU växlar trycket mellan atmosfärstryck och djupt vakuum minst fyra gånger per timme. I början av varje regenereringscykel arbetar vakuumpumpen med full kapacitet för att minska trycket till desorptionströskeln. Efter att regenereringen är klar måste trycket snabbt utjämnas för att återföra kolbädden till ett tillstånd redo för nästa adsorptionscykel. Om inte kolbädden är ordentligt fixerad kommer denna konstanta drag- och tryckkraft att få kolpartiklar att gnugga mot varandra och slitas ner till damm. Det är uppenbart att kol med låg-hållfasthet nöts snabbare, och granulärt kol kommer att packas tätare till klumpar. Även hårt, mineralbaserat-pelletiserat kol kommer gradvis att slitas ner och generera damm över tiden. Utöver att förhindra kolrörelser bör en väl-designad VRU också kontrollera och minimera krafterna (vakuum och tryckutjämning) som verkar på kolbädden.

Vanligtvis är massförlust av kol på grund av dammbildning den enskilt viktigaste faktorn som påverkar livslängden för aktivt kol-och detta kan nästan helt undvikas genom korrekt VRU-design.

 

Långsiktig-restadsorption

Som noterats tidigare avser restadsorption den del av den initiala adsorptionskapaciteten som inte kan återvinnas genom vakuumregenerering. Det kan visualiseras som porer permanent upptagna av VOC-molekyler som inte kan avlägsnas med vakuum. I vilket system som helst ökar restadsorptionen långsamt över tiden, vilket resulterar i en gradvis minskning av arbetskapaciteten. En årlig kapacitetsminskning med några procentenheter bör förutses. Väl-designade VRU:er har en initial säkerhetsmarginal för att kompensera för denna nedgång. Som en del av ett sunt VRU-underhållsprogram bör kolprover också periodiskt extraheras och analyseras för att bestämma den optimala kolersättningstiden i god tid.

 

Parameter	Målkrav	Optimalt urval
Kolbädd flödesfördelning	Enhetlig flödesfördelning ger den längsta livslängden, lägsta tryckfallet och maximal totalkapacitet hos VRU:n.	Pelleterat kol med 4 mm diameter
Damm	Låg initial dammhalt	Kol som har genomgått djuprengöring och frekventa provtagningstester
Mekanisk styrka	Styvt kol med hög-hårdhet motstår fragmentering till damm och nedbrytning, vilket säkerställer lång livslängd	Mineral-baserat kol av hög-kvalitet med definierat hårdhets-/nötningsindex
Arbetskapacitet	Tillräckligt hög för att säkerställa god-långsiktig effektivitet hos VRU:n, men inte överdrivet hög (eftersom detta ökar risken för termisk rusning)	Mineral-baserat kol med fullständiga uppgifter om lång-arbetskapacitet
Densitet	Kolmängden anges alltid efter vikt, men betydande densitetsvariationer gör detta till en nyckelfaktor vid beräkning av kolkapselns dimensioner	Arbetskapacitet måste korreleras med densitet; torr bulkdensitet för varje sats måste verifieras
Lågt tryckfall	Kol som inte lätt packas till täta klumpar	Pelleterat kol med 4 mm diameter
Säkerhet/Självantändningstemperatur	Högre självantändningstemperatur ger en större säkerhetsmarginal mot termisk rusning i kolbädden.	Mineral-based carbon with documented autoignition temperature >450 grader
	Täta klumpar är mer benägna att bilda heta fläckar	Pelleterat kol föredras framför granulärt kol

 

Välja det optimala aktivt kol för ångåtervinningsenheter

När du väljer det idealiska aktiverade kolet för Vapor Recovery Units (VRUs), inkluderar de mest kritiska kriterierna:

Översvämning av kolbädd

Nedsänkning av aktivt kol i vätskeabsorbent orsakar oåterkalleliga skador. Detta bör förhindras genom att installera lämpliga-detektionsenheter på hög nivå vid ånginloppet och absorptionstornet.

Aerosolindragning i kolbädden

Det är avgörande att absorptionstornet är utrustat med en dimavskiljare och att flödeshastigheterna genom vakuumpumpen och absorptionstornet kontrolleras för att undvika att aerosol tränger in i kolbädden-detta kommer att orsaka oåterkalleliga skador på det aktiva kolet.