Aktivkohleanwendungen in der Dampfrückgewinnung

Seit Jahrzehnten ist die Rückgewinnung von Kohlenwasserstoffdämpfen ein unverzichtbarer Prozess bei der Kraftstoffverladung. Seit der groß angelegten Installation von Dampfrückgewinnungsanlagen (Vape Recovery Units, VRUs) in den 1990er Jahren hat sich die auf Aktivkohleadsorption und anschließender Vakuumregeneration basierende Technologie durchgesetztbeste verfügbare Technologie (BAT)für die allermeisten Anwendungen. Es wird geschätzt, dass über 95 % der neu gebauten VRUs weltweit diesen Prozess anwenden. Bei richtiger Auslegung zeichnet sich das Vakuum-{3}}regenerierte Aktivkohlesystem durch hohe Effizienz, Kosten-Effektivität, Sicherheit und extreme Zuverlässigkeit-selbst bei minimalem Wartungsaufwand aus.

 

 

Prozessbeschreibung

Der in einer VRU zu behandelnde Dampf ist eine Mischung aus Luft und flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), die typischerweise Folgendes enthalten:20-50 Vol.-% VOCs. VOC-Moleküle bestehen aus leichteren Verbindungen, die beim Verladen von Benzin, Rohöl oder ähnlichen Produkten verdampfen. Der Dampf strömt durch ein Bett aus Aktivkohle, das über eine enorme Oberfläche aus Millionen von Poren verfügt. Aktivkohle kann man sich vorstellen als:„molekularer Schwamm“, wobei VOC-Komponenten über schwache intermolekulare Kräfte, sogenannte VOC-Komponenten, an den Porenwänden haftenVan-der-Waals-Kräfte. Bei diesem Adsorptionsprozess treten weder an der Aktivkohle noch an den VOC-Molekülen chemische Veränderungen auf. Dank der hohen Adsorptionsfähigkeit von Aktivkohle können die Kohlenwasserstoffemissionen von VRUs auf extrem niedrige Werte reduziert werden.

 

Eine VRU besteht aus zwei oder mehr Aktivkohlebetten, die in einem Betrieb betrieben werdenAdsorptions-/Regenerationszyklusmodus, wobei jeder Zyklus typischerweise 10 bis 15 Minuten dauert. Während der Regenerationsphase reduziert eine Vakuumpumpe den Druck im Kohlenstoffbett auf40-80 Millibar. Dieser niedrige Druck verschiebt das Gleichgewicht, zerstört die schwachen Kräfte zwischen VOCs und Aktivkohle und ermöglicht es den VOC-Molekülen, das Kohlenstoffbett durch die Vakuumpumpe als hochkonzentrierter Gasstrom zu verlassen (95 % VOCs und 5 % Luft). Der Gasstrom strömt im Gegenstrom durch einenAbsorptionsturmDort, wo es mit einem Absorptionsmittel (in der Regel Frischbenzin) in Kontakt kommt, werden VOC-Bestandteile dadurch vom frischen Absorptionsmittel absorbiert. Die Luft, die den Absorptionsturm verlässt und immer noch mit Spuren von VOCs gesättigt ist, wird durch Mischen mit dem ankommenden, mit VOC- beladenen Speisegas, das in das Adsorptionskohlenstoffbett gelangt, recycelt. Dadurch entsteht eine kleine interne Schleife mitnull Emissionen.

Aktivkohle

Die am häufigsten verwendeten Rohstoffe sind die Yuanli-GFK- und HEM-Serien. Eine solche Aktivkohle weist ein ausgezeichnetes Adsorptionsvermögen auf und ihre mechanische Festigkeit muss gewährleistet sein, um eine übermäßige Staubentwicklung zu vermeiden.

 

Rohstoffe besitzen bereits einen gewissen Grad an Porosität und eine spezifische Oberfläche von 10–15 Quadratmetern pro Gramm. Während des Aktivierungsprozesses-der normalerweise in einer oxidierenden Dampfatmosphäre bei Temperaturen zwischen 800 und 1100 Grad durchgeführt wird -erhöht sich ihre spezifische Oberfläche jedoch auf über 1500 Quadratmeter pro Gramm.

 

Die mikroporöse Struktur von Aktivkohle stellt ein wirksames Adsorptionsmittel dar, während Mesoporen und Makroporen für molekulare Transportkanäle von entscheidender Bedeutung sind. Daher ist es zwingend erforderlich, dass Aktivkohle nicht nur über eine hochentwickelte innere Oberfläche verfügt, sondern auch über ein Netzwerk aus Poren mit unterschiedlichen Durchmessern verfügt, die den Zugang zu dieser Oberfläche ermöglichen.

 

Morphologie – granuliert oder pelletiert?

Aktivkohle ist entweder in Granulatform oder in extrudierter Pelletform erhältlich. Aktivkohlegranulat ist im Allgemeinen die kostengünstigste -effektivste Option, sie neigt jedoch dazu, sich zusammenzuballen und dichte Zonen zu bilden. Diese Zonen erzeugen höhere Druckabfälle und Toträume innerhalb des Kohlenstoffbetts, was zu einer Kanalbildung führt, bei der das Gas bevorzugt durch Pfade mit hoher -Permeabilität fließt. Eine ungleichmäßige Adsorption und Regeneration im gesamten Kohlenstoffbett wirkt sich negativ auf die Gesamtleistung der Dampfrückgewinnungseinheit (VRU) aus.

 

Pelletierte Aktivkohle wird hergestellt, indem Aktivkohlepulver mit einem Bindemittel vermischt und die Mischung in zylindrische Formen extrudiert wird. Es wird weithin als die bessere Wahl für VRUs angesehen, da es weniger zur Verdichtung und Bildung von Totzonen neigt. Bei VRU-Anwendungen hat pelletierte Aktivkohle typischerweise einen Durchmesser von 4 Millimetern. Aktivkohle mit unterschiedlichen Durchmessern sollte unbedingt nicht gemischt werden, da dies zu einer dichteren Packung und einem höheren Druckabfall im Kohlenstoffbett führt.

 

Kapazität und Restadsorption

Die Adsorptionskapazität bezieht sich auf die Masse flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs), die pro Masseneinheit Aktivkohle zusätzlich adsorbiert werden können. Frische Aktivkohle hat typischerweise eine Kapazität von 30 Gewichtsprozent, was bedeutet, dass 1 Kilogramm Kohlenstoff 0,3 Kilogramm VOCs adsorbieren kann, bevor die volle Sättigung erreicht wird. Um die ursprüngliche Kapazität des Kohlenstoffs wiederherzustellen, ist eine Reaktivierung mit Dampf bei 1000 Grad erforderlich. Allerdings verursacht dieser Prozess einen erheblichen Kohlenstoffabrieb, wobei ein erheblicher Teil des Kohlenstoffs als Staub verloren geht. Da es in zyklischen Systemen nicht praktikabel ist, wird stattdessen eine mildere Vakuumregenerationsmethode eingesetzt. Durch Vakuumregeneration beträgt die Langzeitkapazität (auch als „Arbeitskapazität“ bekannt) von Aktivkohle auf Mineralbasis typischerweise etwa 8 Gew.-%. Die Differenz zwischen Frischkapazität und Arbeitskapazität wird als „Restadsorption“ bezeichnet.

 

Adsorptionswärme

Der Adsorptionsprozess ist exotherm. Während des normalen zyklischen Betriebs des Kohlenstoffbetts erhöht die freigesetzte Wärme die Temperatur um etwa 10–20 Grad über die Umgebungstemperatur. Einige Kohlenwasserstoffe wie Ketone und Aldehyde sind reaktiver und können zu höheren Temperaturanstiegen im Kohlenstoffbett führen. Bestimmte Arten von Aktivkohle-insbesondere solche, die aus Holz und Kokosnussschalen gewonnen werden-sind anfälliger für „thermisches Durchgehen“ oder „Hot Spots“, was ein Abschalten der VRU, Spülen mit Inertgas und Abkühlen unter strenger Aufsicht erforderlich macht. Wenn frische Aktivkohle zum ersten Mal Dämpfen ausgesetzt wird, zeigt sie eine hohe Reaktivität und erzeugt erhebliche Wärme. Die Temperatur im Inneren des Kohlenstoffbetts kann auf etwa 100 Grad ansteigen, daher muss die Inbetriebnahme von frischem Kohlenstoff in VRUs (auch als „Vorladen“ bekannt) von geschulten Fachkräften durchgeführt werden.

 

Hauptanliegen: Staubvermeidung

Staub ist ein kritisches Problem, das es zu vermeiden gilt, da er zu Druckabfallverlusten führt, die Adsorptionskapazität durch Verstopfung der Oberflächenporen verringert, übermäßigen Verschleiß an Vakuumpumpen und Absorptionspumpen verursacht, Filter verstopft und sich in Benzinlagertanks ansammelt.

Es ist wichtig, dass jede Charge Aktivkohle anhand von Parametern getestet wird, die für den VRU-Betrieb entscheidend sind, darunter Staubgehalt, Trockenheit, Dichte, Partikelgröße, Härte und Arbeitskapazität.

 

Gewährleistung optimaler Betriebsbedingungen für Aktivkohle

In einer ordnungsgemäß ausgelegten VRU beträgt die Lebensdauer von Aktivkohle typischerweise 10 bis 20 Jahre. Wenn die VRU-Konstruktion jedoch keine günstigen Betriebsbedingungen für die Kohle gewährleistet, kann sich ihre Lebensdauer auf nur 4 bis 5 Jahre verkürzen.

 

Bewegung im Kohlenstoffbett

In VRUs wechselt der Druck mindestens viermal pro Stunde zwischen Atmosphärendruck und tiefem Vakuum. Zu Beginn jedes Regenerationszyklus arbeitet die Vakuumpumpe mit voller Leistung, um den Druck auf die Desorptionsschwelle zu senken. Nach Abschluss der Regeneration muss der Druck schnell ausgeglichen werden, um das Kohlenstoffbett wieder in einen Zustand zu versetzen, der für den nächsten Adsorptionszyklus bereit ist. Sofern das Kohlenstoffbett nicht sicher befestigt ist, führt diese ständige Zug- und Druckkraft dazu, dass Kohlenstoffpartikel aneinander reiben und zu Staub zerfallen. Es ist klar, dass Kohlenstoff mit geringer-Festigkeit schneller abrieb und körniger Kohlenstoff sich dichter zu Klumpen zusammenfügt. Sogar harter pelletierter Kohlenstoff auf Mineralbasis verschleißt mit der Zeit und erzeugt Staub. Ein gut konzipiertes VRU verhindert nicht nur die Kohlenstoffbewegung, sondern kontrolliert und minimiert auch die auf das Kohlenstoffbett wirkenden Kräfte (Vakuum und Druckausgleich).

Typischerweise ist der Massenverlust an Kohlenstoff aufgrund der Staubentwicklung der wichtigste Faktor, der die Lebensdauer von Aktivkohle beeinflusst-und dieser kann durch die richtige VRU-Konstruktion fast vollständig vermieden werden.

 

Langfristige Restadsorption

Wie bereits erwähnt, bezieht sich die Restadsorption auf den Teil der anfänglichen Adsorptionskapazität, der nicht durch Vakuumregeneration wiederhergestellt werden kann. Man kann es sich als Poren vorstellen, die dauerhaft mit VOC-Molekülen besetzt sind, die nicht durch Vakuum entfernt werden können. In jedem System nimmt die Restadsorption mit der Zeit langsam zu, was zu einem allmählichen Rückgang der Arbeitskapazität führt. Es ist mit einer jährlichen Kapazitätsreduzierung um einige Prozentpunkte zu rechnen. Gut konzipierte VRUs verfügen über eine anfängliche Sicherheitsmarge, um diesen Rückgang auszugleichen. Im Rahmen eines soliden VRU-Wartungsprogramms sollten auch regelmäßig Kohlenstoffproben entnommen und analysiert werden, um den optimalen Zeitpunkt für den Kohlenstoffaustausch rechtzeitig zu bestimmen.

 

Parameter	Zielvorgabe	Optimale Auswahl
Kohlenstoffbett-Strömungsverteilung	Eine gleichmäßige Strömungsverteilung sorgt für die längste Lebensdauer, den geringsten Druckabfall und die maximale Gesamtkapazität des VRU.	Pelletierter Kohlenstoff mit 4 mm Durchmesser
Staub	Niedriger anfänglicher Staubgehalt	Kohlenstoff, der einer gründlichen Reinigung und häufigen Chargenprobentests unterzogen wurde
Mechanische Festigkeit	Starrer Kohlenstoff mit hoher -Härte widersteht der Zersplitterung in Staub und Zersetzung und gewährleistet so eine lange Lebensdauer	Hochwertiger Kohlenstoff auf Mineralbasis-mit definiertem Härte-/Verschleißindex
Arbeitsfähigkeit	Ausreichend hoch, um eine gute langfristige Effizienz der VRU zu gewährleisten, aber nicht übermäßig hoch (da dies das Risiko eines thermischen Durchgehens erhöht)	Mineralischer-Kohlenstoff mit vollständigen Aufzeichnungen über die langfristige-Arbeitsfähigkeit
Dichte	Die Kohlenstoffmenge wird immer nach Gewicht angegeben, aber erhebliche Dichteschwankungen machen dies zu einem Schlüsselfaktor bei der Berechnung der Abmessungen des Kohlenstoffbehälters	Die Arbeitskapazität muss mit der Dichte korreliert sein; Die Trockenschüttdichte jeder Charge muss überprüft werden
Geringer Druckabfall	Kohlenstoff, der sich nicht leicht zu dichten Klumpen zusammenfügt	Pelletierter Kohlenstoff mit 4 mm Durchmesser
Sicherheit/Selbstentzündungstemperatur	Eine höhere Selbstentzündungstemperatur bietet einen größeren Sicherheitsspielraum gegen thermisches Durchgehen im Kohlenstoffbett.	Mineral-based carbon with documented autoignition temperature >450 Grad
	Bei dichten Klumpen ist die Bildung von Hot Spots wahrscheinlicher	Pelletierter Kohlenstoff wird gegenüber körnigem Kohlenstoff bevorzugt

 

Auswahl der optimalen Aktivkohle für Dampfrückgewinnungsanlagen

Bei der Auswahl der idealen Aktivkohle für Vapour Recovery Units (VRUs) zählen zu den wichtigsten Kriterien:

Kohlenstoffbettüberschwemmung

Das Eintauchen von Aktivkohle in flüssiges Absorptionsmittel führt zu irreversiblen Schäden. Dies sollte verhindert werden, indem am Dampfeinlass und am Absorptionsturm geeignete Vorrichtungen zur Erkennung hoher Füllstände installiert werden.

Aerosoleintrag in das Kohlenstoffbett

Es ist wichtig, dass der Absorptionsturm mit einem Tropfenabscheider ausgestattet ist und dass die Durchflussraten durch die Vakuumpumpe und den Absorptionsturm kontrolliert werden, um das Mitreißen von Aerosolen in das Kohlenstoffbett zu vermeiden. {0}Dies führt zu irreversiblen Schäden an der Aktivkohle.