NO842535L - Fremgangsmaate for aa utvinne organiske stoffer fra gasser - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår, en fremgangsmåte for utvinning av organiske stoffer fra gasser, ved hjelp av adsorpsjon og påfølgende uskadeliggjørelse ved forbrenning.

Innen et mangfold av industrielle prosesser dannes gass-strømmer som inneholder damper av organiske stoffer. Slike gasser dannes f.eks. ved fremstilling av laminater, klebe-bånd, lydbånd, fotopapir, kunstfibre (acetat- og viskose-fibre), cellofan, plastfolier, metallfolier, innen dyptrykk-og bestrykningsindustrien ved fremstilling av kunstlær og impregnerte tekstiler, ved lakkering innen møbelindistrien,

i legemiddelfabrikker ved fremstilling av virkestoffer og mellomprodukter, ved kjemisk rensing og ved avfetting av metaller, lær og ull.

De i de ovenfor oppramsede og andre produksjons-prosesser hyppigst anvendte organiske stoffer er alkoholer, ethere, estere, ketoner, alifatiske og aromatiske hydro-carboner og klor- og svovelholdige organiske stoffer. Disse stoffer kommer i alminnelighet ut i omgivelsene sammen med bærergasstrømmen (luft).

Fjernelsen av de nevnte stoffer fra de industrielle av-gasser (avluften) er ønskelig av økonomiske og også av økologiske grunner, og i mange tilfeller er den nødvendig. Disse er på den ene side verdifulle, og på den annen side er

de fleste av disse giftige for den menneskelige organisme og for dyreorganismene og må derfor hindres fra å slippes ut i omgivelsene.

For å redusere utslippet av organiske stoffer kan kon-densasjon, fysikalsk og kjemisk absorpsjon, adsorpsjon og dessuten katalytisk og termisk efterforbrenning anvendes.

En gjenvinning er ikke mulig med de tre første av de nevnte metoder.

Kondensasjonen og den fysikalske absorpsjon er i alminnelighet ikke anvendbare på grunn av den lave konsentrasjon av de organiske stoffer (fra noen tiendedels gram opp til 20 g/m 3). Den kjemiske absorpsjon kommer bare på tale i spesielle tilfeller hvor det organiske stoff som skal ekstraheres, reagerer godt med absorbenten og hvor denne prosess er reversibel.

For å fjerne organiske stoffer, f.eks. oppløsningsmiddel-damper fra gasstrømmer, f.eks. avluft, som forekommer i bare små konsentrasjoner, anvendes som oftest adsorpsjon. De organiske stoffer blir da bundet til adsorbenter med stor spesifikk overflate, som oftest til aktivt kull (Kohl-Riesenfeld: Gas Purification, McGraw-Hill, New York-Toronto-London, 1960, s. 415). Ved adsorpsjonen blir de organiske stoffer sterkt anriket på overflaten av det aktive kull.

De adsorberte organiske stoffer blir i alminnelighet desorbert fra det aktive kull ved anvendelse av lavtrykks-vanndamp og ved en temperatur av 380-400 K. Dampene blir kondensert, hvorved en organisk fase (av organisk stoff som ikke er oppløselig vann) og en vandig fase (kondensert vanndamp og de organiske stoffer som er blitt oppløst i vann) blir dannet.

Den organiske fase blir dersom den inneholder flere organiske stoffer, fraksjonert i sine komponenter ved hjelp av destillasjon. De organiske stoffer blir vanligvis skilt fra den vandige fase ved hjelp av destillasjon. Denne arbeidsprosess er ganske kostbar fordi innholdet av organiske stoffer i den vandige fase i alminnelighet er lavt (10-20 vekt%) og separeringen vanskeliggjøres på grunn av dannelsen av azeotrope blandinger.

For å uskadeliggjøre og kalorimessig å utnytte organiske stoffer som foreligger i luftstrømmen i lav konsentrasjon, blir også katalytiske og termiske efterforbrenninger anvendt. Den termiske efterforbrenning utføres ved 870-

1270 K, og i overensstemmelse hermed blir meget hjelpe-brensel (i form av hjelpeflammer) forbrukt, hvorved prosessen blir dyr. Med økende konsentrasjon av det organiske stoff blir imidlertid behovet for ytterligere brensel hurtig mindre, og prosessens virkningsgrad forbedres (Chimia _3_6, nr. 2, 87 1982/).

Den katalytiske efterforbrenning utføres ved 570-770 K, og dens varmebehov er derfor lavere enn ved den termiske for brenning. Det er imidlertid en ulempe at katalysatoren i flere tilfeller hurtig blir deaktivert.

For ekstraksjon og kalorimessig utnyttelse av organiske stoffer som inneholdes i luftstrømmer, er i de senere år den såkalte adsorpsjons-oxydasjonsprosess (AdSOX) blitt utviklet ved kombinasjon av adsorpsjonen med den termiske efterforbrenning.

Ved denne prosess blir de organiske stoffer ekstrahert fra luften ved hjelp av aktivt kull i en adsorpsjonsinnretning, og de blir derefter desorbert med varm (670K) røk-gass, og røkgassen som inneholder de organiske stoffer blir tilført til en termisk forbrenningsinnretning (Wasser, Luft u. Betrieb 25 (4) 38 /1981/).

Sammenlignet med den termiske efterforbrenning byr AdSox-prosessen på den fordel at som følge av den tilsiktede sterke anrikning ved hjelp av adsorpsjonen og desorpsjonen som foretas ved høy temperatur, må bare en vesentlig mindre gassmengde oppvarmes til 870-1270 K. Sammenlignet med den vanlige adsorpsjon er det imidlertid en ulempe at det for desorpsjonen anvendes varm (ca. 670 K) røkgass som også inneholder oxygen i mindre mengder. På grunn av den høye temperatur og nærværet av oxygen blir en del av de organiske forbindelser spaltet, oxydert, på overflaten av det aktive kull, og det dannes også ikke-flyktige, høymolekylære forbindelser som forårsaker en hurtig deaktivering av det aktive kull. For å kompensere dette må det aktive kull hyppig (f.eks. efter hver 5. syklus) reaktiveres. Dette foretas med røkgass med høy temperatur (1020 K). På grunn av den høye temperatur må adsorpsjonsinnretningene være spesielt konstruerte innretninger av høyverdige materialer, og dette øker omkostningene.

For å oppheve ulempene ved AdSox-prosessen og for å utnytte den sterke anrikningsvirkning ved adsorpsjonen er ifølge oppfinnelsen en ny adsorpsjons-oxydasjonsprosess blitt utviklet ved hjelp av hvilken organiske stoffer som foreligger i mindre konsentrasjon/kan ekstraheres fra luft- og andre industrielle gasstrømmer og uskadeliggjøres ved forbrenning under utnyttelse av deres varmeverdi.

Hovedtrinnene ved fremgangsmåten er vist på Fig. 1.

Den foreliggende fremgangsmåte beror på at de organiske stoffer som foreligger i luft eller andre industrielle gasser i form av forurensning, bindes i et adsorpsjons-apparat som er fylt med aktivt kull og/eller med en annen adsorbent med stor spesifikk overflate, og efter metning av adsorbenten desorberes fra adsorbentens overflate ved hjelp av vanndamp, og at de organiske stoffer som befinner seg i blandingen som erholdes ved desorberingen, helt eller delvis forbrennes i forbrenningsinnretninger og derved uskadeliggjøres, idet den derved dannende varmemengde utnyttes for fremstilling av vanndampen som er nødvendig for desorpsjonen, og/eller for andre formål.

Luften og/eller en annen industriell gass som inneholder de organiske stoffer i lav (fra noen tiendedels gram til 20 g/m 3) konsentrasjon, blir ved hjelp av en vifte 3 presset med jevn hastighet gjennom laget av aktivt kull som befinner seg i en adsorberingsinnretning 1. De organiske stoffer bindes til det aktive kull, og den rensede gass kommer ut i det fri fra adsorberingsinnretningen. Efter at adsorberingsinnretningen er blitt mettet (fullt belastet), blir luften som er forurenset med organiske stoffer, om-bøyd til en annen, nyregenerert adsorberingsinnretning, og den belastede adsorberingsinnretning blir regenerert.

Regenereringen utføres med en brenner 2 som står i forbindelse med adsorpsjonsinnretningen, under utnyttelse av strålingsvarmen i forbrenningsrommet og varmeinnholdet i den på grunn av de varme røkgasser dannede vanndamp som står under trykk og/eller er overopphetet til den ønskede temperatur og hvis strømningsretning i adsorberingsinnretningen er motsatt i forhold til luftens strømningsretning. Føde-vannet som er nødvendig for dannelsen av dampen, innføres i brenneren ved hjelp av en pumpe 5. Trykket hhv. tempera-turen for dampen som anvendes for regenereringen, og den dampmengde som ledes inn i den belastede adsorberingsinnretning, velges slik at desorpsjonen av de organiske stoffer finner sted i løpet av 10-80, fortrinnsvis 20-60, minutter. Efter at dampbehandlingen er blitt avsluttet, blir laget med aktivt kull i adsorberingsinnretningen og med en temperatur av 370-470 K og mettet med vanndamp ved denne temperatur, tørket ved innføring av eventuelt oppvarmet luft og avkjølt. Luften som er nødvendig for tørkingen og av-kjølingen, blåses med jevn hastighet inn i adsorberingsinnretningen ved hjelp av en vifte 4 og trer i blanding med den rensede gass i adsorberingsinnretningen som har den nøyaktige arbeidstakt, ut i det fri. Ved tørkingen og av-kjølingen har luften en hastighet som er 0,1-0,3 ganger den strømningshastighet som anvendes ved metningen (i arbeids-takten). Varigheten av tørkingen og avkjølingen er 10-50, fortrinnsvis 25-35, minutter.

For kontinuerlig å kunne foreta gassrensingen trengs minst to adsorberingsinnretninger, hvorav i den ene adsor-bering foregår (blir mettet og står i arbeidstakt), mens den annen regenereres. Det er viktig at varigheten av regenereringen må være mindre enn varigheten av metningen hhv. høyst oppvise den samme verdi. For å sikre en jevn drift av forbrenningsinnretningen er det gunstig å til-

koble fire eller flere adsorberingsinnretninger til en eneste forbrenningsinnretning. I dette tilfelle vil alltid i det minste én adsorberingsinnretning befinne seg under dampbehandling, dvs. at dampen som inneholder organiske stoffer, strømmer kontinuerlig til forbrenningsinnretningen.

Den foreliggende fremgangsmåte byr på de følgende fordeler sammenlignet med den kjente AdSox-prosess: Desorpsjonen av de organiske stoffer fra adsorbenten utføres med vanndamp ved en temperatur av høyst 520 K, fortrinnsvis 390-450 K. Ved AdSox-prosessen anvendes for desorpsjonen røkgass med en temperatur av ca. 670 K. Sammenlignet med røkgassen byr vanndampen på den betydelige fordel at den ikke inneholder forurensende forbrenningsprodukter (sot, tjære eller svovelforbindelser etc.) og intet oxygen. Av denne grunn beskadiger den ikke det aktive kull og inn-går heller ikke reaksjon med de adsorberte organiske stoffer. Ved regenereringstemperaturen blir også vanndampen som sådan adsorbert i mindre mengder på det aktive kull og utøver derved en fortrengende virkning på de på det aktive kull adsorbert bundne organiske stoffer, hvilket fører til en hurtigere og mer fullstendig desorpsjon. Av denne grunn finner desorpsjonen hurtig sted også ved lavere temperaturer (under 470 K), og spaltnings- og polymerisasjonsreaksjoner av de organiske stoffer forekommer ikke.

Ved AdSox-prosessen er en spesiell innretning nødvendig for dannelse av inertgass (inertgassgenerator) for fremstilling av oxygenfattig røkgass for regenereringen av adsorberingsinnretningen, og dette øker investeringsomkost— ningene.

Adsorberingsinnretningen og armaturene som anvendes for AdSox-prosessen, må også være laget av materialer som tåler

en temperatur av 1020 K, og adsorberingsinnretningens kappe

må være forsynt med luftavkjølingsmulighet som krever en ytterligere vifte. For å resirkulere den varme røkgass er varmebestandige gassvifter og kostbare varmevekslere nød-vendige.

Den foreliggende fremgangsmåte krever ingen spesielle materialer for innretningene, og gassviften og fødevanns-pumpen arbeider ved omgivelsestemperaturen. I brenneren kan den fremstilte varmemengde anvendes enkelt og med god virkningsgrad for dannelse av damp. Systemet som er dannet av adsorberingsinnretningene og forbrenningsinnretningen ved sammenkobling kan lett avstemmes og enkelt automatiseres. Fremgangsmåten er også egnet for delvis gjenvinning av organiske stoffer når gassen som skal renses også inneholder vannuoppløselige organiske stoffer. Denne variant av den foreliggende fremgangsmåte er vist på Fig. 2.

Denne variant består i at de organiske stoffer som er blitt bundet i adsorberingsinnretningen 1, desorberes fra det aktive kull med damp som er blitt fremstilt i en brenner 7 som er umiddelbart forbundet med adsorberingsinnretningen, eller i en av denne uavhengig kjele. Vanndampen blir sammen med dampene av det organiske stoff kondensert i en konden-sator 2 og avkjølt til omgivelsestemperaturen i en kjøler 3,

og den erholdte blanding blir derefter delt i en organisk fase og i en vandig fase i en separator 4. Den organiske fase som består av vannuoppløselige, organiske stoffer,

oppsamles i beholderen 5, og den vandige fase som inneholder de vannoppløselige organiske stoffer, oppsamles i beholderen 6. Komponentene i den organiske fase kan skilles fra hverandre ved destillasjon og tilbakeføres til den teknologiske prosess.

Den vandige fase blir transportert inn i brenneren eller kjelen ved hjelp av en pumpe 10, og de organiske forbindelser som inneholdes i den vandige fase, blir uskadeliggjort ved forbrenning, mens den produserte varme utnyttes for fremstilling av vanndampen som er nødvendig for regenereringen, eller den utnyttes for andre formål.

Denne fremgangsmåte byr på den ene side på den fordel at en del av de organiske stoffer kan gjenvinnes med en kvalitet som er egnet for videre anvendelse. På den annen side er det fordelaktig at det organiske stoff forekommer i den vandige fase i kondensert tilstand i forholdsmessig høy konsentrasjon, hvilket innebærer lite volum og for-enkling av lagring og transport. Ved denne fremgangsmåte behøver forbrenningsinnretningen som anvendes for å for-brenne den vandige fase, ikke å være direkte forbundet med adsorpsjonsinnretningen, idet den vandige fase også kan forbrennes i en allerede foreliggende kjele.

Ytterligere detaljer og fordeler ved den foreliggende fremgangsmåte er nedenfor beskrevet ved hjelp av tre ut-førelseseksempler. De første to eksempler angår den ut-førelsesform av fremgangsmåten hvor den blanding av damp og organiske stoffer som kommer ut av adsorberingsinnretningen efter desorpsjonen, tilføres direkte til forbrenningsinnretningen uten på forhånd å kondenseres. Det tredje eksempel angår den delvise gjenvinning av de organiske stoffer.

Eksempel 1

Luft med værelsetemperatur og inneholdende 6,12 g/m<3>organiske forurensninger, hvorav 58% er vannuoppløselige og 42% er lett vannoppløselige, blir med en hastighet av 5000 m^/h innført i en adsorpsjonsanordning med to adsorberingsinnretninger hvorav hver inneholder 1000 kg aktivt kull. Metningssyklusen (adsorpsjonssyklusen) varer i 2,65 timer. I løpet av denne tid blir 81 kg organisk stoff bundet av det aktive kull. Derpå blir de organiske stoffer desorbert med damp med en temperatur av 390 K og et trykk av 2 bar. Dampbehandlingen varer i 50minutter og krever 324 kg damp.

Dampblandingen som kommer ut fra adsorberingsinnretningen, har en temperatur av 375 K og en varmeverdi av 1740 kcal/kg og blir forbrent ved hjelp av en hjelpeflamme i forbrenningsinnretningen som er direkte forbundet med adsorpsjonsanordningen. Ved en utløpstemperatur for røk-gassen som er regulert til 523 K, og ved et veggtap av 10% blir 1412 kcal utnyttbar varme utvunnet pr. kg forbrent dampblanding.

Ved hjelp av denne varmemengde kan 2,19 kg mettet damp med en temperatur av 390 K dannes. Av denne blir 0,8 kg/ kg blanding forbrukt for desorpsjon av de organiske stoffer. Efter at denne mengde er blitt fratrukket, blir fremdeles 1,39 kg damp/kg blanding tilgjengelig som varme som kan utnyttes for andre formål. Hertil kommer også den dampmengde som dannes på grunn av varmen fra hjelpeflammen.

Eksempel 2

81 kg organisk stoff bindes i adsorberingsinnretningen på den måte som er beskrevet i eksempel 1, og det blir derefter desorbert med vanndamp med en trykk av 1,2 bar og en temperatur av 450 K. For dette formål forbrukes 243 kg vanndamp i løpet av 40 minutter. Dampblandingen som kommer ut av adsorberingsinnretningen, har en temperatur av 435 K og en varmeverdi av 2175 kcal/kg og forbrennes i brenneren ved hjelp av en hjelpeflamme. Ved å regulere utløpsrøkgass-temperaturen til 523 K og ved et veggtap av 10% fås 1847 kcal utnyttbar varme pr. 1 kg blanding.

Ved hjelp av denne varmemengde kan 2,78 kg vanndamp med en temperatur av 450 K dannes. Efter at det spesifikke damp-behov, dvs. 0,75 kg/kg, som er nødvendig for regenereringen er blitt fratrukket, forblir fremdeles 2,03 kg damp/kg blanding tilgjengelig for andre formål. Dertil kommer også den dampmengde som dannes på grunn av varmen fra hjelpeflammen.

Eksemplene 1 og 2 viser at ved hjelp av den foreliggende fremgangsmåte ved forbrenning av de organiske stoffer som er blitt separert fra luften, kan ikke bare den dampmengde som er nødvendig for regenereringen, men også to til tre ganger denne mengde dannes. Det fremgår dessuten at ved økningen av regnereringstemperaturen vokser den dampmengde som kan trekkes ut fra systemet, såvel absolutt som relativt.

Ved den foreliggende fremgangsmåte løses et problem i forbindelse med beskyttelse av omgivelsene idet ved hjelp av fremgangsmåten de skadelige stoffer kan fjernes fra luften og andre industrielle gasser, og ved fremgangsmåten sikres dessuten, i form av vanndamp, en kalorimessig utnyttelse av de organiske stoffer som ellers ville gå tapt ubenyttet.

Eksempel 3

78,7 kg organisk stoff bindes i absorberingsinnretningen på den måte som er beskrevet i eksempel 1 og ved anvendelse av den samme anordning. 60% av det bundne organiske stoff er lett oppløselig i vann, og 40% er uoppløselig i vann.

De organiske stoffer blir desorbert i løpet av en time ved anvendelse av 338 kg damp med en temperatur av 390 K. Når dampblandingen kondenseres, fås 31,5 kg organisk fase som inneholder 0,1 vekt% vann, og dessuten 385 kg vandig fase med et innhold av 12,3 vekt% organiske forbindelser. Det organiske stoff som danner den organiske fase, kan efter en behandling (tørking) igjen tilføres til det teknologiske krets-løp.

Den vandige fase som har en varmverdi av 900 kcal/kg, forbrennes i en forbrenningsanordning under anvendelse av 22,2 m 3/h methan som tilsatsbrensel. Derved dannes 207 kg vanndamp pr.time som utgjør ca. 60% av den dampmengde som er nødvendig for regenereringen.

Ved hjelp av denne utførelsesform av den foreliggende fremgangsmåte kan det organiske stoff som er blitt skilt ut fra luften, gjenvinnes med en kvalitet som er egnet for fornyet anvendelse. De oppløselige, organiske stoffer blir uskadeliggjort ved forbrenning, og samtidig blir på denne måte en betydelig del av den damp utvunnet som er nødvendig for regenereringen.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte ved utvinning av organiske stoffer fra luft og andre industrielle gasser med påfølgende uskadelig-gjørelse av disse stoffer samtidig med kalorimessig utnyttelse av deres varmverdi, hvor fremgangsmåten utføres i en adsorpsjonsinnretning som er forbundet med en forbrenningsanordning, karakterisert ved at de organiske stoffer som er tilstede i luften eller i de andre industrielle gasser i form av forurensning, bindes i en adsorberingsinnretning som er fylt med aktivt kull og/eller med en annen adsorbent med stor spesifikk overflate, og efter metning av adsorberingsinnretningen desorberes ved hjelp av mettet damp under trykk eller ved hjelp av overhetet vanndamp, idet dampblandingen av organiske stoffer og vann dannet ved desorpsjonen eventuelt kondenseres, de organiske komponenter som kan skilles fra kondensatet blir fjernet, og den gjenværende del forbrennes ved hjelp av hjelpeenergi og derved uskadeliggjø res og den dannede varmemengde utnyttes.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at minst to, eventuelt tre eller fire, adsorberingsinnretninger anvendes for å sikre kontinuerlig drift.

3. , Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at regenereringen av adsorberingsinnretningen utføres ved anvendelse av vanndamp som står under trykk eller er overopphetet og har en temperatur av 370-520 K, fortrinnsvis 390-450 K.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved at vanndamp fremstilles ved forbrenning av de organiske forbindelser som inneholdes i dampene som er blitt desorbert ved hjelp av vanndamp, og at den dannede vanndamp dels tilbakeføres til adsorberingsinnretningene som desorpsjonsmiddel og dels fjernes fra systemet for andre formål.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved at vanndamp som er nød- ---vendig for desorpsjonen av de organiske forbindelser fra adsorberingsinnretningene, dannes ved forbrenning av en del av den fra adsorberingsinnretningene desorberte dampblanding i en forbrenningsinnretning som står i forbindelse med adsorberingsinnretningene, og at den gjenværende del forbrennes i en annen forbrenningsinnretning og derved uskadeliggjøres, og at den dannede varmemengde utnyttes.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved at dampblandingen som inneholder organiske stoffer og som dannes ved dampbehandlingen i adsorberingsinnretningene, kondenseres og avkjøles og separeres i en organisk fase og i en vandig fase som også inneholder organiske stoffer, idet den organiske fase på ny anvendes efter en behandling, og den vandige fase som inneholder organiske stoffer, forbrennes i forbrenningsinnretninger under anvendelse av hjelpeenergi og derved uskadeliggjøres, og at den dannede varmemengde utnyttes for dannelse av vanndampen som er nødvendig for dampbehandlingen, og/eller fjernes fra systemet og utnyttes på annen måte.