熱酸化装置

熱酸化装置（熱酸化装置、熱焼却装置とも呼ばれる）は、多くの化学工場における大気汚染制御のための処理ユニットであり、危険なガスを高温で分解して大気中に放出します。

熱酸化装置は、通常、工業用空気流から有害大気汚染物質(HAP) と揮発性有機化合物(VOC) を破壊するために使用されます。これらの汚染物質は一般に炭化水素ベースであり、熱燃焼によって破壊されると、化学的に酸化されてCO ₂とH ₂ O を形成します。効果的な熱酸化装置を設計するための 3 つの主な要素は、温度、滞留時間、乱流です。温度は、廃ガスを発火させるのに十分な高さである必要があります。ほとんどの有機化合物は、590 °C (1,094 °F) から 650 °C (1,202 °F) の温度で発火します。有害ガスをほぼ破壊するために、ほとんどの基本酸化装置ははるかに高い温度レベルで動作します。触媒を使用する場合、動作温度範囲は低くなる場合があります。滞留時間は、燃焼反応が発生するのに十分な時間を確保するためです。乱流係数は、燃焼空気と有害ガスの混合です。^{[1] [2]}

熱酸化の最も単純な技術は、直火式熱酸化装置です。有害ガスを含むプロセスストリームがバーナーを通して、またはバーナーの近くで燃焼ボックスに導入され、VOCの所望の破壊除去効率（DRE）を得るために十分な滞留時間が与えられます。ほとんどの直火式熱酸化装置は、0.24～24標準立方メートル/秒の空気流量で、980℃（1,800℉）～1,200℃（2,190℉）の温度レベルで動作します。^[1]

入力ガスが不完全燃焼のプロセスから来る場合にはアフターバーナーとも呼ばれる^[1]。これらのシステムは資本集約性が最も低く、下流のボイラーや熱交換器と統合して燃料効率を最適化することができます。熱酸化装置は、目標の動作温度で完全燃焼するための燃料源（天然ガスや石油の代わりに）として機能する、非常に高濃度のVOCがある場合に最適です。^{[引用が必要]}

現在、産業界で最も広く受け入れられている大気汚染制御技術の 1 つに、再生熱酸化装置 (RTO) があります。RTO は、前回の酸化サイクルで加熱されたセラミック ベッドを使用して、入力ガスを予熱し、部分的に酸化します。予熱されたガスは、外部燃料源によって加熱された燃焼室に入り、目標の酸化温度 (760 °C (1,400 °F) ～ 820 °C (1,510 °F)) に達します。最終的な温度は、最大限の破壊を必要とする用途では 1,100 °C (2,010 °F) まで上昇することがあります。空気流量は 2.4 ～ 240 標準立方メートル/秒です。^[4]

RTO は非常に多用途で、効率も非常に高く、熱効率は95% に達します。幅広い産業で溶剤の煙や臭気などを軽減するために定期的に使用されています。再生熱酸化装置は、溶剤 10 g/m ³までの低濃度から高濃度の VOC に最適です。現在、市場には揮発性有機化合物 (VOC) の酸化または分解効率が 99.5% を超える再生熱酸化装置が多数あります。タワー内のセラミック熱交換器は、熱効率が 97% を超えるように設計できます。

換気空気メタン熱酸化装置は、地下炭鉱の坑道の排気中のメタンを破壊するために使用されます。メタンは温室効果ガスであり、熱燃焼により酸化されると化学的に変化して CO ₂と H ₂ O を形成します。大気中に放出された場合、地球温暖化に関して CO ₂の効力はメタンより 25 倍低くなります。石炭鉱山およびトロナ鉱山の鉱山換気排気中のメタン濃度は非常に希薄で、通常は 1% 未満、多くの場合 0.5% 未満です。VAMTOX ユニットには、1 つ以上のセラミック充填層を横切る空気の流れを誘導するバルブとダンパーのシステムがあります。起動時に、システムは、層内の熱交換セラミック材料の温度をメタンの自動酸化温度 1,000 °C (1,830 °F) 以上に上げることで予熱し、その時点で予熱システムがオフになり、鉱山の排気が導入されます。その後、メタンを含んだ空気は予熱された床に到達し、燃焼熱を放出します。この熱は床に戻され、自動熱運転に必要な温度以上に維持されます。^[要出典]

あまり一般的ではない熱酸化装置技術は、熱回収型酸化装置です。熱回収型酸化装置は、システム内に一次熱交換器および/または二次熱交換器を備えています。一次熱交換器は、排出される清浄な空気から熱を回収することにより、流入する汚れた空気を予熱します。これは、シェルアンドチューブ熱交換器またはプレート熱交換器によって行われます。流入する空気が金属チューブまたはプレートの片側を通過すると、燃焼室からの熱い清浄な空気がチューブまたはプレートの反対側を通過し、金属を熱伝達媒体として使用する伝導プロセスによって熱が流入する空気に伝達されます。二次熱交換器では、同じ概念が熱伝達に適用されますが、排出される清浄なプロセス ストリームによって加熱された空気は、プラントの別の部分、おそらくプロセスに戻されます。

木材チップなどのバイオマスは、熱酸化装置の燃料として使用できます。バイオマスはガス化され、燃焼ボックス内で有害ガスを含むストリームがバイオマスガスと混合されます。十分な乱流、滞留時間、酸素含有量、温度により、VOC が確実に破壊されます。このようなバイオマス燃焼熱酸化装置は、ニューハンプシャー州ワーウィックミルズに設置されています。入口濃度は 3000～10,000 ppm VOC です。出口の VOC 濃度は 3 ppm 未満であるため、VOC 破壊効率は 99.8～99.9% です。^[5]

無炎熱酸化システムでは、廃ガス、周囲空気、補助燃料が予め混合され、その混合ガスが予熱された不活性セラミック媒体床を通過する。セラミック媒体からガス混合物への熱伝達により、ガス中の有機化合物が酸化されて無害な副産物、すなわち二酸化炭素（CO ₂）と水蒸気（H ₂ O）が生成され、同時にセラミック媒体床に熱が放出される。^[6]

ガス混合物の温度は、存在する各有機種のパーセンテージに基づいて、可燃性下限温度以下に保たれます。無炎熱酸化装置は、一定の動作温度を維持しながら、複合 LFL 未満で安全かつ確実に動作するよう設計されています。廃ガス流は高温で数秒間滞留するため、測定された分解除去効率は 99.9999% を超えます。^[要出典]処理前にすべてのガスを事前に混合することで、局所的な高温がなくなり、通常 2 ppmV未満の熱NOxになります。無炎熱酸化装置技術は、もともとバーナー、プロセスヒーター、その他の熱システムでエネルギーをより効率的に変換するため、米国エネルギー省で開発されました。

流動床濃縮装置(FBC)では、活性炭ビーズの層が排気ガスから揮発性有機化合物 (VOC) を吸着します。以前の固定床濃縮装置とカーボン ローター濃縮装置から進化した FBC システムは、VOC を含んだ空気を複数の穴あきスチール トレイに通して空気の速度を上げ、1 ミリメートル未満のカーボン ビーズを流動化、つまり液体に浮遊しているかのように動作させます。これにより、炭素とガスの相互作用の表面積が大きくなり、VOC の捕捉効率が向上します。

触媒酸化装置（触媒焼却炉とも呼ばれる）は、典型的な熱酸化装置に似た別のカテゴリの酸化システムですが、触媒酸化装置は触媒を使用して酸化を促進します。触媒酸化は、VOC炭化水素分子と酸化装置システム内部の貴金属触媒床との間の化学反応によって発生します。触媒は、化学反応の速度を加速するために使用される物質であり、反応が340°C（644°F）から540°C（1,004°F）の通常の温度範囲で発生するようにします。^[7]

再生熱酸化装置（RTO）で触媒を使用すると、より低い動作温度が可能になります。これは、再生触媒酸化装置またはRCOとも呼ばれます。^[4]たとえば、一酸化炭素の熱発火温度は通常609℃（1,128℉）です。適切な酸化触媒を使用することで、発火温度を約200℃（392℉）まで下げることができます。^[8] これにより、RTOよりも運用コストが低くなります。ほとんどのシステムは、260℃（500℉）から1,000℃（1,830℉）の範囲で動作します。一部のシステムは、RCOとRTOの両方として動作するように設計されています。これらのシステムを使用する場合、過熱（入口ガスの希釈またはリサイクル）の可能性を減らすために特別な設計上の考慮事項が利用されます。これらの高温は、活性物質の焼結などにより触媒を不活性化するためです。^[要出典]

触媒酸化装置は、燃料消費量を削減するために、熱回収型の形態をとることもできる。この形態の熱回収では、酸化装置からの高温の排気ガスが熱交換器を通過し、酸化装置に流入する新しい空気を加熱する。^[7]