Reaktor do przetwarzania odpadów przemysłowych: procesy, materiały i kontrola korozji

Co to jest reaktor do przetwarzania odpadów przemysłowych?Reaktor do przetwarzania odpadów przemysłowych to zbiornik, w którym odpady niebezpieczne lub zanieczyszczone, zwykle płynne, są chemicznie, biologicznie lub fizycznie przekształcane w bezpieczniejszą, możliwą do oddzielenia formę przed wypuszczeniem lub usunięciem i jest on definiowany nie przez pojedynczą reakcję, ale przez różnorodność obowiązków, jakie musi przetrwać. Cztery powszechne procesy chemiczne to neutralizacja, podczas której odpady kwasowe lub zasadowe doprowadzane są do pH 6-9; fermentacja beztlenowa, podczas której drobnoustroje w temperaturze 35–38°C przekształcają substancje organiczne w biogaz w ciągu 15–30 dni; zaawansowane utlenianie, takie jak proces Fentona, prowadzone w temperaturze 20-80°C i pH 2-4 z użyciem 1-10 g/L nadtlenku wodoru; oraz wytrącanie i flokulacja, które powodują utratę metali ciężkich przy pH 8-11. Dominującym wyzwaniem projektowym nie jest reakcja, ale medium: strumienie odpadów są żrące, ścierne, mają zmienny skład i często zawierają chlorki lub ciała stałe, więc reaktor żyje lub ginie w zależności od doboru materiału i jego zdolności do tolerowania tego, co dociera.

1. Chemia oczyszczania przeprowadzana w reaktorach

Każdy strumień odpadów wymaga innej chemii, a reaktor jest dobrany i zbudowany wokół niego:

• Neutralizacja i korekta pH:Najczęstszym zadaniem jest dozowanie kwaśnego lub żrącego odcieku z przeciwnym odczynnikiem w zbiorniku z mieszadłem, zwykle naczyniu ze stożkiem lub przegrodą z wirnikiem o niskim ścinaniu, aż pH osiągnie zakres wypływu 6-9. Chemia jest prosta, ale inżynieria już nie, ponieważ pH na wejściu może wahać się od 1 do 13 pomiędzy partiami, a dodawanie odczynnika musi być kontrolowane za pomocą pętli pH z ORP, gdzie liczy się redoks. Stal węglowa jest odpowiednia do czystych, neutralnych strumieni, ale jest atakowana nawet przez łagodną kwasowość, dlatego też w przypadku odpadów zawierających chlorki lub o zmiennej zawartości powszechnie stosuje się zbiorniki 316L lub zbiorniki wyłożone gumą lub stalą stapianą ze szkłem. Co najważniejsze, neutralizacja jest egzotermiczna dla silnych par kwas-zasada, dlatego reaktor wymaga odprowadzania ciepła lub dokładnej kontroli zasilania i musi tolerować zlokalizowane wysokie stężenie w punkcie dodawania odczynnika, czyli tam, gdzie wykładzina i uszczelnienia ulegają uszkodzeniu jako pierwsze.
• Beztlenowa fermentacja odpadów organicznych:W przypadku wysokowytrzymałych odpadów organicznych, żywności, browarów, pulpy lub osadów komunalnych, fermentacja beztlenowa w zamkniętym reaktorze w temperaturze 35–38°C przekształca substancje organiczne w biogaz zawierający około 60% metanu w ilości 0,3–0,6 m3 na kg usuniętego ChZT przez hydrauliczny czas retencji wynoszący 15–30 dni. Reaktor jest duży i często stanowi zbiornik ze stali stopionej na bazie szkła o pojemności od tysięcy do 30 000 m3, ponieważ biologia jest powolna, a objętość zależy od czasu retencji, a nie szybkości reakcji. Mieszanie przy 10-40 W/m3 utrzymuje jednorodną zawartość bez ścinania biomasy, a przestrzeń nad roztworem jest utrzymywana w atmosferze beztlenowej i kontrolowanej pod kontrolą atmosfery wybuchowej, ponieważ biogaz jest łatwopalny. Projekt musi uwzględniać zmienną siłę podawania, usuwać osadzający się i ścierający piasek oraz zarządzać pofermentem, czyli zużytym osadem, który sam wymaga odwodnienia. Korozja jest tu w mniejszym stopniu powodowana przez substancje organiczne, a raczej przez śladowe ilości siarczków i fazę kwasową, która może wystąpić, jeśli zaburzona zostanie biologia.
• Zaawansowane utlenianie i wytrącanie:W przypadku zanieczyszczeń ogniotrwałych lub toksycznych zaawansowane utlenianie rozbija je rodnikami hydroksylowymi; w procesie Fentona łączy się nadtlenek wodoru i żelazo żelazowe w temperaturze 20–80°C i pH 2–4, uzyskując chemiczne usunięcie zapotrzebowania na tlen na poziomie 60–95% w przypadku wielu opornych związków, następnie żelazo wytrąca się przy wyższym pH. Wytrącanie i flokulacja, często końcowy etap polerowania, podnoszą pH do 8-11, w celu usunięcia rozpuszczonych metali ciężkich w postaci wodorotlenków lub siarczków, które następnie osadzają się lub flotują. W tych reaktorach w tym samym naczyniu w ciągu cyklu panują silnie kwaśne i silnie utleniające warunki, co jest brutalne dla materiałów, dlatego 316L jest często niewystarczający i wymagane są wyższe stopy lub wykładziny; nadtlenek i wysokie lokalne stężenie kwasu atakują zarówno płaszcz, jak i mieszalnik, a wytrącony osad ma działanie ścierne podczas usuwania.

2. Projektowanie dla materiałów żrących, ściernych i zmiennych

Odpady to najcięższa praca, z jaką spotyka się reaktor, dlatego konstrukcja chroni zbiornik przed odpadami, a nie odwrotnie:

• Wybór materiału dla wrogiego medium:Nie ma jednego odpowiedniego materiału do utylizacji odpadów, jest tylko odpowiedni dla danego strumienia, a wybór zależy od poziomu chlorków, pH, siły utleniania i temperatury. Stal węglowa służy wyłącznie czystym, neutralnym odpadom. Stal nierdzewna 316L jest odporna na wiele substancji organicznych, ale jest podatna na działanie chlorków w temperaturze powyżej kilkuset ppm, które powodują wżery i pęknięcia korozyjne naprężeniowe. Tam, gdzie chlorki są wysokie lub odpady są kwaśne i ścierne, często zaleca się naczynie wyłożone gumą lub ze stali stopionej szkłem, ponieważ chemikalia nie mają wpływu na obojętną warstwę szkła, a stal przenosi obciążenie. W przypadku zastosowań silnie utleniających lub kwasowych na krytycznych częściach stosuje się wyższe stopy, takie jak duplex lub Hastelloy. Powtarzającą się lekcją jest określenie materiału w oparciu o najgorszy wiarygodny skład, a nie średni, ponieważ skład odpadów różni się w zależności od partii, a naczynie musi przetrwać wzrost.
• Ścieranie, ciała stałe i mieszanie:Strumienie ścieków niosą żwir, piasek, biomasę i wytrącony osad, który ściera podłogę, mieszadło i wylot, dlatego reaktor jest do tego zbudowany: płaskie lub płytkie dno stożkowe ułatwiające usuwanie osadu, solidny wirnik o niskiej prędkości zamiast delikatnego, szybkoobrotowego oraz zawór denny i pompa szlamowa przystosowane do ciał stałych, a nie klarownej cieczy. Moc mieszania 10-40 W/m3 dobrano tak, aby utrzymać cząstki stałe w zawiesinie bez nadmiernego zużycia, a prędkość w pobliżu ściany była utrzymywana na umiarkowanym poziomie, aby ograniczyć erozję. Tam, gdzie osad jest twardy, jak w przypadku niektórych osadów, tłok i pompa są elementami ulegającymi zużyciu i można je wymienić. Projektowanie pod kątem ścieralności oznacza oczekiwanie, że bryły i inżynieria punktów zużycia będą tanie i dostępne, ponieważ w przypadku gospodarki odpadami zawsze coś będzie ścierane.
• Zmienność, bezpieczeństwo i oprzyrządowanie:W przeciwieństwie do reaktora chemicznego zasilanego czystymi odczynnikami, reaktor odpadowy otrzymuje nieprzewidywalny surowiec, dlatego jest wyposażony i chroniony na wypadek nieoczekiwanych zdarzeń. Nadmiarowy pomiar pH i poziomu, niezależny alarm wysokiego poziomu oraz odpowietrznik lub odpowietrznik dla powstającego gazu, biogazu lub gazu odlotowego z utleniania są obowiązkowe. System kontroli powinien utrzymywać naczynie w bezpiecznym przedziale pH i temperatury nawet w przypadku wahań dopływającego strumienia, z blokadami uniemożliwiającymi dodawanie odczynnika w przypadku zapełnienia zbiornika lub awarii mieszalnika, ponieważ dodanie silnego odczynnika do niezmieszanego zbiornika może spowodować miejscowe wrzenie lub gwałtowną reakcję. Zgodność z wymogami ochrony środowiska wymaga również zabezpieczenia i wykrywania wycieków, ponieważ uwolnienie z reaktora do obróbki jest zdarzeniem zarówno związanym z bezpieczeństwem, jak i wymogami regulacyjnymi. Reaktor jest zatem takim samym zabezpieczeniem jak naczynie procesowe.

Matryca porównawcza procesów przetwarzania odpadów przemysłowych

Często zadawane pytania (FAQ)

P: Jaki reaktor służy do neutralizacji kwaśnych odpadów przemysłowych?

Odp.: Zbiornik do neutralizacji z mieszaniem, zazwyczaj cylindryczne naczynie z wirnikiem o niskim ścinaniu i stożkowym lub przegrodowym dnem ułatwiającym opróżnianie, do którego przeciwny odczynnik, zwykle wapno, żrący lub soda kalcynowana do odpadów kwaśnych, jest dozowany przy kontroli pH w pętli zamkniętej, aby osiągnąć pasmo rozładowania 6-9. Stal węglowa jest dopuszczalna tylko do czystych strumieni neutralnych; w przypadku odpadów zawierających chlorki lub odpadów zmiennych zaleca się zbiornik ze stali 316L wyłożony gumą lub ze stali stopionej szkłem, ponieważ wykładzina chroni skorupę przed chemikaliami. Projekt musi wytrzymać egzotermę silnej neutralizacji kwasowo-zasadowej i lokalnie wysokie stężenie w punkcie dodawania, gdzie wykładziny i uszczelnienia ulegają uszkodzeniu jako pierwsze, zatem kontrola podawania paszy i odpowiednie mieszanie są tak samo ważne jak sam zbiornik. Statek stanowi takie samo zabezpieczenie jak reaktor, ponieważ uwolnienie jest zdarzeniem zarówno związanym z bezpieczeństwem, jak i regulacyjnym.

P: W jaki sposób reaktor do fermentacji beztlenowej radzi sobie z przemysłowymi odpadami organicznymi?

Odp.: W szczelnym, mieszanym reaktorze utrzymywanym w temperaturze 35–38°C mikroorganizmy beztlenowe przekształcają ładunek organiczny, mierzony jako chemiczne zapotrzebowanie tlenu, na biogaz zawierający w przybliżeniu 60% metanu z wydajnością 0,3–0,6 m3 na kg ChZT przez hydrauliczny czas retencji wynoszący 15–30 dni. Ponieważ biologia jest powolna, reaktor jest duży i często stanowi zbiornik ze stali stopionej szkłem o pojemności od tysięcy do 30 000 m3, z mieszaniem na poziomie 10–40 W/m3 w celu utrzymania jednolitej zawartości bez ścinania biomasy, oraz z beztlenową przestrzenią nad zawartością kontrolowaną przez materiały wybuchowe, ponieważ biogaz jest łatwopalny. Musi tolerować zmienną moc nadawy, usuwać osadzający się i ścierający piasek oraz zarządzać zużytym pofermentem, który jest oddzielnie odwadniany. Korozja jest w mniejszym stopniu powodowana przez substancje organiczne, a raczej przez śladowe ilości siarczków i każdą fazę kwasową, która pojawia się, jeśli zaburzona jest biologia.

P: Z jakiego materiału powinien być wykonany reaktor do przetwarzania odpadów?

Odpowiedź: Zależy to całkowicie od najgorszego wiarygodnego składu odpadów, a wybór zależy od poziomu chlorków, pH, siły utleniającej i temperatury. Stal węglowa służy wyłącznie czystym odpadom neutralnym; 316L jest odporny na wiele substancji organicznych, ale w temperaturze przekracza kilkaset ppm chlorków; w przypadku odpadów ściernych o wysokiej zawartości chlorków lub kwaśnych powszechnie stosuje się naczynie wyłożone gumą lub ze stali stopionej szkłem, ponieważ chemikalia nie mają wpływu na obojętną warstwę szkła, podczas gdy stal przenosi ładunek; a w przypadku silnie utleniających lub kwasowych zastosowań w krytycznych częściach stosuje się wyższe stopy, takie jak duplex lub Hastelloy. Powtarzającą się lekcją jest to, aby określać dane w oparciu o skok, a nie średnią, ponieważ skład odpadów różni się w zależności od partii, a statek musi przetrwać najgorsze przybycie, a nie tylko typowe.

P: Jakich systemów bezpieczeństwa potrzebuje reaktor do przetwarzania odpadów przemysłowych?

Odpowiedź: Ponieważ zasilanie jest nieprzewidywalne, reaktor jest chroniony na wypadek nieoczekiwanych zdarzeń. Nadmiarowy pomiar pH i poziomu, niezależny alarm wysokiego poziomu oraz usuwanie lub odprowadzanie wszelkich wytwarzanych gazów, biogazu z fermentacji lub gazów odlotowych z utleniania są obowiązkowe. System kontroli musi utrzymywać bezpieczne okno pH i temperatury nawet w przypadku wahań dopływającego strumienia, z blokadami zatrzymującymi dodawanie odczynnika w przypadku zapełnienia zbiornika lub awarii mieszalnika, ponieważ dodanie silnego odczynnika do niezmieszanego zbiornika może spowodować miejscowe wrzenie lub gwałtowną reakcję. Zgodność z wymogami ochrony środowiska obejmuje dodatkowe zabezpieczenie i wykrywanie wycieków, ponieważ uwolnienie z reaktora oczyszczania jest zdarzeniem zarówno zapewniającym bezpieczeństwo, jak i pozwalającym na to. W przypadku gospodarki odpadami reaktor stanowi takie samo zabezpieczenie jak zbiornik procesowy, a jego oprzyrządowanie to odzwierciedla.