Aktivt kul-applikationer i dampgenvinding

I årtier har genvinding af kulbrintedampe været en uundværlig proces i brændstofpåfyldningsoperationer. Siden den store-installation af vapor recovery units (VRU'er) i 1990'erne, er teknologien baseret på aktivt kul adsorption efterfulgt af vakuumregenerering dukket op sombedste tilgængelige teknologi (BAT)til langt de fleste applikationer. Det anslås, at over 95 % af nybyggede VRU'er på verdensplan anvender denne proces. Når det er korrekt designet, kan det vakuum-regenererede aktivt kul-system prale af høj effektivitet, -omkostningseffektivitet, sikkerhed og ekstrem pålidelighed-selv med minimale vedligeholdelseskrav.

 

 

Procesbeskrivelse

Dampen, der skal behandles i en VRU, er en blanding af luft og flygtige organiske forbindelser (VOC), der typisk indeholder20-50 % VOC efter volumen. VOC-molekyler består af lettere forbindelser, der fordamper under påfyldning af benzin, råolie eller lignende produkter. Dampen passerer gennem et leje af aktivt kul, som har et enormt overfladeareal bestående af millioner af porer. Aktivt kul kan visualiseres som en"molekylær svamp", hvor VOC-komponenter klæber til porevæggene via svage intermolekylære kræfter kendt somvan der Waals styrker. Der sker ingen kemiske ændringer af hverken det aktive kul eller VOC-molekylerne under denne adsorptionsproces. Takket være den høje adsorptionskapacitet af aktivt kul, kan kulbrinte-emissioner fra VRU'er reduceres til ekstremt lave niveauer.

 

En VRU omfatter to eller flere lejer af aktivt kul, der opererer i enadsorptions-/regenereringscyklustilstand, hvor hver cyklus typisk varer 10 til 15 minutter. Under regenereringsfasen reducerer en vakuumpumpe trykket inde i kulstoflejet til40-80 millibar. Dette lave tryk forskyder ligevægten, forstyrrer de svage kræfter mellem VOC'er og aktivt kul og tillader VOC-molekyler at forlade kulstoflejet gennem vakuumpumpen som en høj-gasstrøm (95 % VOC og 5 % luft efter volumen). Gasstrømmen strømmer i modstrøm gennem enabsorptionstårnhvor det kommer i kontakt med en absorbent (normalt frisk benzin), og VOC-komponenter derved optages i den friske absorbent. Luften, der forlader absorptionstårnet, stadig mættet med spormængder af VOC'er, genbruges ved at blande den med den indkommende VOC-ladede fødegas, der kommer ind i adsorptionskulstoflejet. Dette skaber en lille intern løkke mednul emissioner.

Aktivt kul

De almindeligt anvendte råmaterialer er Yuanli GRP og HEM-serien. Sådant aktivt kul udviser fremragende adsorptionskapacitet, og dets mekaniske styrke skal sikres for at undgå overdreven støvdannelse.

 

Råvarer har allerede en vis grad af porøsitet og et specifikt overfladeareal på 10-15 kvadratmeter pr. gram. Men under aktiveringsprocessen-som typisk udføres i en oxiderende dampatmosfære ved temperaturer fra 800 grader til 1100 grader -stiger deres specifikke overfladeareal til over 1500 kvadratmeter pr. gram.

 

Den mikroporøse struktur af aktivt kul giver et effektivt middel til adsorption, mens mesoporer og makroporer er afgørende for molekylære transportkanaler. Derfor er det bydende nødvendigt, at aktivt kul ikke kun har et højt udviklet indre overfladeareal, men også har et netværk af porer med varierende diametre, der muliggør adgang til denne overflade.

 

Morfologi – granulært eller pelletiseret?

Aktivt kul er tilgængelig i enten granulær form eller ekstruderet pelletiseret form. Granulært aktivt kul er generelt den mest omkostningseffektive-mulighed, men det har en tendens til at pakkes sammen og danne tætte zoner. Disse zoner skaber højere trykfald og døde rum i kulstoflejet, hvilket fører til kanalisering, hvor gas fortrinsvis strømmer gennem veje med høj-permeabilitet. Ujævn adsorption og regenerering på tværs af hele kulstoflejet vil negativt påvirke den samlede ydeevne af Vapor Recovery Unit (VRU).

 

Pelletiseret aktivt kul fremstilles ved at blande aktivt kulpulver med et bindemiddel og ekstrudere blandingen til cylindriske former. Det betragtes bredt som det overlegne valg til VRU'er, fordi det er mindre tilbøjeligt til at pakke og danne døde zoner. I VRU-applikationer har pelletiseret aktivt kul typisk en diameter på 4 millimeter. Kritisk bør aktivt kul med forskellige diametre ikke blandes, da dette vil resultere i tættere pakning og højere trykfald hen over kullejet.

 

Kapacitet og Residual Adsorption

Adsorptionskapacitet refererer til massen af ​​flygtige organiske forbindelser (VOC'er), der yderligere kan adsorberes pr. masseenhed aktivt kul. Frisk aktivt kul har typisk en kapacitet på 30 vægtprocent, hvilket betyder, at 1 kg kul kan adsorbere 0,3 kg VOC'er, før det når fuld mætning. For fuldt ud at genoprette kulstoffet til dets oprindelige kapacitet kræves reaktivering ved hjælp af damp ved 1000 grader. Denne proces forårsager imidlertid betydelig kulstofslidning, hvor en væsentlig del af kulstoffet går tabt som støv. På grund af dets upraktiske i cykliske systemer, anvendes en mildere vakuumregenereringsmetode i stedet. Gennem vakuumregenerering er den langsigtede-kapacitet (også kendt som "arbejdskapacitet") af mineralsk-baseret aktivt kul typisk omkring 8 vægtprocent. Forskellen mellem den friske kapacitet og arbejdskapaciteten betegnes som "restadsorption".

 

Adsorptionsvarme

Adsorptionsprocessen er eksoterm. Under normal cyklisk drift af kulstoffet hæver den frigivne varme temperaturen med cirka 10-20 grader over den omgivende temperatur. Nogle kulbrinter, såsom ketoner og aldehyder, er mere reaktive og kan forårsage højere temperaturstigninger i kulstoflejet. Visse typer af aktivt kul-især dem, der stammer fra træ- og kokosnøddeskaller-er mere modtagelige for "termisk løbsk" eller "hot spots", som nødvendiggør at lukke VRU'en ned, rense den med inert gas og afkøle den under nøje overvågning. Når frisk aktivt kul først udsættes for dampe, udviser det høj reaktivitet og genererer betydelig varme. Temperaturen inde i kulstoflejet kan stige til omkring 100 grader, så idriftsættelse af frisk kulstof i VRU'er (også kendt som "preloading") skal udføres af uddannede fagfolk.

 

Nøglebekymring: Undgåelse af støv

Støv er et kritisk problem, der skal undgås, da det fører til trykfaldstab, reducerer adsorptionskapaciteten ved at tilstoppe overfladeporer, forårsager for stort slid på vakuumpumper og absorptionspumper, blokerer filtre og akkumuleres i benzintanke.

Det er vigtigt, at hver batch af aktivt kul gennemgår test mod parametre, der er kritiske for VRU-drift, herunder støvindhold, tørhed, tæthed, partikelstørrelse, hårdhed og arbejdskapacitet.

 

Sikring af optimale driftsforhold for aktivt kul

I en korrekt designet VRU varierer levetiden for aktivt kul typisk fra 10 til 20 år. Men hvis VRU-designet ikke sikrer gunstige driftsforhold for kulstoffet, kan dets levetid blive forkortet til så lidt som 4 til 5 år.

 

Bevægelse inde i Carbon Bed

I VRU'er skifter trykket mellem atmosfærisk tryk og dybt vakuum mindst fire gange i timen. Ved starten af ​​hver regenereringscyklus kører vakuumpumpen med fuld kapacitet for at reducere trykket til desorptionstærsklen. Efter at regenereringen er afsluttet, skal trykket hurtigt udlignes for at returnere kulstoflejet til en tilstand, der er klar til den næste adsorptionscyklus. Medmindre kulstoffet er sikkert fastgjort, vil denne konstante træk- og skubbekraft få kulstofpartikler til at gnide mod hinanden og slides ned til støv. Det er klart, at kulstof med lav-styrke vil slides hurtigere, og granulært kulstof vil pakkes tættere sammen i klumper. Selv hårdt, mineralsk-baseret pelletiseret kulstof vil gradvist blive slidt ned og generere støv over tid. Udover at forhindre kulstofbevægelser, bør en veldesignet VRU også kontrollere og minimere de kræfter (vakuum og trykudligning), der virker på kulstoflejet.

Typisk er massetab af kulstof på grund af støvdannelse den vigtigste enkeltfaktor, der påvirker levetiden for aktivt kul-og dette kan næsten helt undgås gennem korrekt VRU-design.

 

Langvarig-restadsorption

Som tidligere nævnt refererer restadsorption til den del af den indledende adsorptionskapacitet, der ikke kan genvindes gennem vakuumregenerering. Det kan visualiseres som porer permanent optaget af VOC-molekyler, der ikke kan fjernes med vakuum. I ethvert system stiger resterende adsorption langsomt over tid, hvilket resulterer i et gradvist fald i arbejdsevnen. Der bør forventes en årlig kapacitetsreduktion på nogle få procentpoint. Godt-designede VRU'er inkorporerer en indledende sikkerhedsmargin for at kompensere for dette fald. Som en del af et forsvarligt VRU-vedligeholdelsesprogram bør kulstofprøver også periodisk udtages og analyseres for at bestemme den optimale kulstofudskiftningstid i god tid.

 

Parameter	Målkrav	Optimalt udvalg
Carbon Bed Flow Distribution	Ensartet flowfordeling giver VRU'ens længste levetid, laveste trykfald og maksimale samlede kapacitet.	Pelleteret kulstof med 4 mm diameter
Støv	Lavt indledende støvindhold	Kulstof, der har gennemgået en dyb rensning og hyppige batchprøver
Mekanisk styrke	Stivt kulstof med høj-hårdhed modstår fragmentering til støv og nedbrydning, hvilket sikrer lang levetid	Mineral-baseret kulstof af høj-kvalitet med defineret hårdheds-/slidindeks
Arbejdskapacitet	Tilstrækkelig høj til at sikre god-langsigtet effektivitet af VRU'en, men ikke overdrevent høj (da dette øger risikoen for termisk løbsk)	Mineralsk-baseret kulstof med fuldstændige langtids-arbejdskapacitetsregistreringer
Tæthed	Kulstofmængde er altid angivet efter vægt, men betydelige densitetsvariationer gør dette til en nøglefaktor ved beregning af kulstofbeholderens dimensioner	Arbejdskapacitet skal være korreleret med tæthed; tør bulkdensitet for hver batch skal verificeres
Lavt trykfald	Kulstof, der ikke nemt pakker sig i tætte klumper	Pelleteret kulstof med 4 mm diameter
Sikkerheds-/selvantændelsestemperatur	Højere selvantændelsestemperatur giver en større sikkerhedsmargin mod termisk løb i kulstoflejet.	Mineral-based carbon with documented autoignition temperature >450 grader
	Tætte klumper er mere tilbøjelige til at danne varme pletter	Pelletiseret carbon foretrækkes frem for granulært carbon

 

Valg af det optimale aktivt kul til dampgenvindingsenheder

Når du vælger det ideelle aktivt kul til Vapor Recovery Units (VRU'er), omfatter de mest kritiske kriterier:

Carbon Bed Oversvømmelse

Nedsænkning af aktivt kul i væskeabsorbent forårsager uoprettelig skade. Dette bør forhindres ved at installere passende-detektionsenheder på højt niveau ved dampindtaget og absorptionstårnet.

Aerosol-indføring i kulstoflejet

Det er afgørende, at absorptionstårnet er udstyret med en tåge-eliminator, og at strømningshastighederne gennem vakuumpumpen og absorptionstårnet styres for at undgå, at aerosol-medrivning ind i kulstoffet,-dette vil forårsage irreversibel skade på det aktive kul.