Reaktor zur Behandlung von Industrieabfällen: Prozesse, Materialien und Korrosionskontrolle

Was ist ein Industrieabfallbehandlungsreaktor?Ein Industrieabfallbehandlungsreaktor ist ein Behälter, in dem gefährlicher oder verschmutzter Abfall, meist flüssig, chemisch, biologisch oder physikalisch in eine sicherere, trennbare Form umgewandelt wird, bevor er entladen oder entsorgt wird, und er wird weniger durch eine einzelne Reaktion als vielmehr durch die Vielfalt der Aufgaben definiert, denen er standhalten muss. Die vier gebräuchlichsten chemischen Verfahren sind die Neutralisation, bei der saure oder alkalische Abfälle auf einen pH-Wert von 6–9 gebracht werden; anaerobe Vergärung, bei der Mikroben bei 35–38 °C organische Stoffe über einen Zeitraum von 15–30 Tagen in Biogas umwandeln; fortgeschrittene Oxidation wie das Fenton-Verfahren, durchgeführt bei 20–80 °C und pH 2–4 mit 1–10 g/L Wasserstoffperoxid; und Fällung und Flockung, die Schwermetalle bei einem pH-Wert von 8–11 abscheiden. Die größte Designherausforderung ist nicht die Reaktion, sondern das Medium: Abfallströme sind korrosiv, abrasiv, haben eine variable Zusammensetzung und enthalten oft Chloride oder Feststoffe, so dass der Reaktor von der Materialauswahl und seiner Fähigkeit, das ankommende Material zu tolerieren, abhängt.

1. Die in Reaktoren durchgeführten Behandlungschemikalien

Jeder Abfallstrom benötigt eine andere Chemie, und der Reaktor ist entsprechend dimensioniert und gebaut:

• Neutralisierung und pH-Korrektur:Bei der häufigsten Anwendung wird ein saures oder ätzendes Abwasser mit dem Gegenreagens in einem Rührbehälter, typischerweise einem Behälter mit Kegel- oder Prallboden und einem Laufrad mit geringer Scherung, dosiert, bis der pH-Wert den Austragsbereich von 6–9 erreicht. Die Chemie ist einfach, die Technik jedoch nicht, da der eingehende pH-Wert zwischen den Chargen zwischen 1 und 13 schwanken kann und die Reagenzienzugabe durch eine pH-Schleife mit ORP gesteuert werden muss, wo Redox wichtig ist. Kohlenstoffstahl eignet sich für saubere neutrale Ströme, wird jedoch selbst von milder Säure angegriffen. Daher ist 316L oder ein mit Gummi ausgekleideter oder mit Glas verschmolzener Behälter üblich, wenn der Abfall chloridbeladen oder variabel ist. Entscheidend ist, dass die Neutralisation bei starken Säure-Base-Paaren exotherm ist. Daher muss der Reaktor Wärme abführen oder eine sorgfältige Zufuhrkontrolle durchführen und die örtlich hohe Konzentration an der Reagenzzugabestelle tolerieren, wo Auskleidungen und Dichtungen zuerst versagen.
• Anaerobe Vergärung organischer Abfälle:Bei hochkonzentrierten organischen Abfällen, Lebensmitteln, Brauereiabfällen, Zellstoff oder kommunalem Schlamm werden die organischen Stoffe durch anaerobe Vergärung in einem geschlossenen Reaktor bei 35–38 °C in Biogas, etwa 60 % Methan, mit einer Rate von 0,3–0,6 m3 pro kg entferntem CSB über eine hydraulische Verweilzeit von 15–30 Tagen umgewandelt. Der Reaktor ist groß, oft ein Glas-Stahl-Tank mit einem Fassungsvermögen von Tausenden bis 30.000 m3, da die Biologie langsam ist und das Volumen durch die Verweilzeit und nicht durch die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmt wird. Durch das Mischen bei 10–40 W/m3 bleibt der Inhalt gleichmäßig, ohne dass die Biomasse geschert wird, und der Kopfraum bleibt anaerob und kontrolliert eine explosionsfähige Atmosphäre, da das Biogas brennbar ist. Die Konstruktion muss mit unterschiedlichen Futterstärken umgehen, sich absetzenden und abriebfesten Sand entfernen und den Gärrest, den verbrauchten Schlamm, der selbst entwässert werden muss, verwalten. Korrosion wird hier weniger durch die organischen Stoffe als vielmehr durch die Spurensulfide und die saure Phase verursacht, die auftreten können, wenn die Biologie gestört ist.
• Erweiterte Oxidation und Fällung:Feuerfeste oder toxische Verunreinigungen werden durch fortgeschrittene Oxidation mit Hydroxylradikalen aufgebrochen; Beim Fenton-Verfahren werden Wasserstoffperoxid und Eisen (II) bei 20–80 °C und einem pH-Wert von 2–4 kombiniert, wodurch für viele widerspenstige Verbindungen eine Entfernung des chemischen Sauerstoffbedarfs von 60–95 % erreicht wird. Anschließend wird das Eisen bei einem höheren pH-Wert ausgefällt. Fällung und Flockung, häufig der letzte Polierschritt, erhöhen den pH-Wert auf 8–11, um gelöste Schwermetalle als Hydroxide oder Sulfide abzuscheiden, die dann abgesetzt oder flotiert werden. In diesen Reaktoren herrschen im Laufe eines Zyklus stark saure und stark oxidierende Bedingungen im selben Behälter, was eine Belastung für die Materialien darstellt. Daher reicht 316L häufig nicht aus und höhere Legierungen oder Auskleidungen sind erforderlich. Das Peroxid und die hohe lokale Säurekonzentration greifen sowohl den Mantel als auch den Mischer an und der ausgefallene Schlamm wirkt beim Entfernen abrasiv.

2. Auslegung für korrosive, abrasive und variable Zufuhr

Abfall ist der härteste Einsatz, dem ein Reaktor ausgesetzt ist, daher schützt die Konstruktion den Behälter vor dem Abfall und nicht umgekehrt:

• Materialauswahl für ein feindliches Medium:Es gibt kein einzelnes richtiges Material für die Abfallbehandlung, sondern nur das richtige Material für einen bestimmten Strom, und die Wahl richtet sich nach Chloridgehalt, pH-Wert, Oxidationskraft und Temperatur. Kohlenstoffstahl liefert nur sauberen, neutralen Abfall. Edelstahl 316L widersteht vielen organischen Stoffen, ist jedoch bei Temperaturen über einigen hundert ppm anfällig für Chloride, die Lochfraß und Spannungsrisskorrosion verursachen. Wenn der Chloridgehalt hoch ist oder der Abfall säurehaltig und abrasiv ist, wird häufig ein mit Gummi ausgekleideter oder mit Glas verschmolzener Behälter eingesetzt, da die inerte Glasschicht von der Chemie nicht beeinflusst wird und der Stahl die Last trägt. Bei stark oxidierender oder saurer Belastung werden an kritischen Teilen höhere Legierungen wie Duplex oder Hastelloy verwendet. Die wiederkehrende Lektion besteht darin, das Material anhand der schlechtesten glaubwürdigen Zusammensetzung und nicht anhand des Durchschnitts anzugeben, da die Abfallzusammensetzung von Charge zu Charge unterschiedlich ist und das Gefäß den Anstieg überstehen muss.
• Abrieb, Feststoffe und Mischaufwand:Abfallströme transportieren Splitt, Sand, Biomasse und ausgefällten Schlamm, der den Boden, das Rührwerk und den Abfluss abnutzt. Deshalb ist der Reaktor dafür gebaut: ein flacher oder flacher Kegelboden für eine einfache Schlammentfernung, ein robustes Laufrad mit niedriger Drehzahl anstelle eines zerbrechlichen Hochgeschwindigkeitslaufrads sowie ein Bodenventil und eine Schlammpumpe, die für Feststoffe und nicht für klare Flüssigkeiten ausgelegt sind. Die Mischleistung von 10–40 W/m3 wird gewählt, um die Feststoffe ohne übermäßigen Verschleiß in der Schwebe zu halten, und die Geschwindigkeit in der Nähe der Wand wird moderat gehalten, um die Erosion zu begrenzen. Bei hartem Niederschlag, wie es bei bestimmten Ablagerungen der Fall ist, sind der Auslass und die Pumpe Verschleißteile und austauschbar. Beim Entwerfen für Abrieb muss man davon ausgehen, dass die Feststoffe und die Verschleißstellen kostengünstig und zugänglich sind, denn bei der Abfallentsorgung kommt es immer zu Abrieb.
• Variabilität, Sicherheit und Instrumentierung:Im Gegensatz zu einem chemischen Reaktor, der mit reinen Reagenzien gespeist wird, erhält ein Abfallreaktor eine unvorhersehbare Zufuhr, sodass er für das Unerwartete instrumentiert und geschützt ist. Eine redundante pH- und Füllstandsmessung, ein unabhängiger Alarm bei hohem Füllstand sowie eine Entlastung oder Entlüftung für jegliche Gaserzeugung, Biogas oder Oxidationsabgas sind obligatorisch. Das Steuersystem sollte den Behälter innerhalb seines sicheren pH- und Temperaturfensters halten, selbst wenn der eingehende Strom schwankt, mit Verriegelungen, die die Reagenzzugabe stoppen, wenn der Tank voll ist oder der Mischer ausgefallen ist, da die Zugabe starker Reagenzien in einen ungemischten Tank zu lokalem Sieden oder heftigen Reaktionen führen kann. Die Einhaltung der Umweltvorschriften erfordert auch Eindämmung und Leckerkennung, da eine Freisetzung aus einem Behandlungsreaktor sowohl ein Sicherheitsereignis als auch ein behördliches Ereignis ist. Der Reaktor ist daher ebenso ein Schutz wie ein Prozessbehälter.

Vergleichsmatrix für industrielle Abfallbehandlungsprozesse

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Welcher Reaktor wird zur Neutralisierung industrieller saurer Abfälle verwendet?

A: Ein gerührter Neutralisationstank, typischerweise ein zylindrischer Behälter mit einem Laufrad mit geringer Scherung und einem Kegel- oder Prallboden für eine einfache Entleerung, in den das Gegenreagenz, normalerweise Kalk, Ätznatron oder Soda für Säureabfälle, unter pH-Regelung im geschlossenen Kreislauf dosiert wird, um den Austragsbereich von 6–9 zu erreichen. Kohlenstoffstahl ist nur für saubere neutrale Ströme akzeptabel; Für chloridhaltige oder variable Abfälle wird ein 316L-Behälter mit Gummiauskleidung oder mit Glas verschmolzener Stahl empfohlen, da die Auskleidung die Hülle vor den Chemikalien schützt. Die Konstruktion muss mit der Exotherme der starken Säure-Base-Neutralisierung und der lokal hohen Konzentration an der Zugabestelle umgehen, wo Auskleidungen und Dichtungen zuerst versagen. Daher sind Zufuhrkontrolle und ausreichende Durchmischung ebenso wichtig wie der Tank selbst. Der Behälter ist ebenso ein Schutz wie ein Reaktor, denn eine Freisetzung ist sowohl ein Sicherheitsereignis als auch ein behördliches Ereignis.

F: Wie geht ein anaerober Vergärungsreaktor mit industriellen organischen Abfällen um?

A: In einem geschlossenen, gemischten Reaktor, der bei 35–38 °C gehalten wird, wandeln anaerobe Mikroben die organische Belastung, gemessen als chemischer Sauerstoffbedarf, über eine hydraulische Verweilzeit von 15–30 Tagen in Biogas mit etwa 60 % Methan mit einer Ausbeute von 0,3–0,6 m3 pro kg CSB um. Da die Biologie langsam ist, ist der Reaktor groß, oft ein mit Glas verschmolzener Stahltank von Tausenden bis 30.000 m3, mit einer Mischung von 10–40 W/m3, um den Inhalt gleichmäßig zu halten, ohne die Biomasse zu scheren, und einem anaeroben, durch Sprengstoff kontrollierten Kopfraum, weil das Biogas brennbar ist. Es muss schwankende Futterstärken tolerieren, sich absetzenden und abriebfesten Sand entfernen und den verbrauchten Gärrest verarbeiten, der separat entwässert wird. Korrosion wird weniger durch die organischen Stoffe als vielmehr durch Spuren von Sulfiden und jede saure Phase verursacht, die auftritt, wenn die Biologie gestört wird.

F: Aus welchem ​​Material sollte ein Abfallbehandlungsreaktor bestehen?

A: Es hängt ganz von der denkbar schlechtesten Abfallzusammensetzung ab und die Auswahl richtet sich nach dem Chloridgehalt, dem pH-Wert, der Oxidationskraft und der Temperatur. Kohlenstoffstahl liefert nur sauberen, neutralen Abfall; 316L ist beständig gegen viele organische Stoffe, bildet jedoch bei Temperaturen über einigen hundert ppm Chlorid Löcher; Für Abfälle mit hohem Chloridgehalt oder saurem Schleifmittel ist ein mit Gummi ausgekleideter oder mit Glas verschmolzener Behälter üblich, da die inerte Glasschicht von der Chemie nicht beeinflusst wird, während der Stahl die Last trägt. und für stark oxidierende oder säurehaltige Anwendungen werden an kritischen Teilen höhere Legierungen wie Duplex oder Hastelloy verwendet. Die immer wiederkehrende Lektion besteht darin, anhand der Spitze und nicht anhand des Durchschnitts zu spezifizieren, da die Abfallzusammensetzung von Charge zu Charge unterschiedlich ist und das Schiff die schlimmste Ankunft überstehen muss, nicht nur die typische.

F: Welche Sicherheitssysteme benötigt ein Reaktor zur industriellen Abfallbehandlung?

A: Da die Zufuhr unvorhersehbar ist, ist der Reaktor vor unerwarteten Ereignissen geschützt. Eine redundante pH- und Füllstandsmessung, ein unabhängiger Alarm für hohe Füllstände sowie die Entlastung oder Entlüftung aller erzeugten Gase, Biogas aus der Verdauung oder Abgas aus der Oxidation, sind obligatorisch. Das Steuersystem muss das sichere pH- und Temperaturfenster auch dann einhalten, wenn der eingehende Strom schwankt, mit Verriegelungen, die die Reagenzzugabe stoppen, wenn der Tank voll ist oder der Mischer ausgefallen ist, da die Zugabe starker Reagenzien in einen ungemischten Tank zu lokalem Sieden oder einer heftigen Reaktion führen kann. Durch die Einhaltung der Umweltvorschriften kommen sekundäre Eindämmung und Leckerkennung hinzu, da eine Freisetzung aus einem Behandlungsreaktor sowohl ein Sicherheitsereignis als auch ein Genehmigungsereignis ist. Bei der Abfallentsorgung ist der Reaktor ebenso ein Schutz wie ein Prozessbehälter, und seine Instrumentierung spiegelt dies wider.