Luchtemissiebeperkende techniek – Naverbrander

Inhoud

• Varianten en synoniemen
• Verwijderde stoffen
• Werkingsprincipe
• Toepasbaarheid
• Varianten techniek
• Installatie, ontwerp en onderhoud
• Milieuaspecten
• Financiële aspecten

Varianten en synoniemen

Naverbrander, incinerator, thermische oxidator, recuperatieve thermische oxidatie, regeneratieve thermische oxidatie (RTO), vlamloze regeneratieve thermische oxidatie

Katalytische naverbrander, katalytische oxidator, catox, Thermocat, recuperatieve katalytische oxidatie, regeneratieve katalytische oxidatie

Verwijderde stoffen

Vooral: brandbare stofdeeltjes en druppels, geur, VOS,

Mindere mate: ammoniak,

Werkingsprincipe

Het werkingsprincipe berust op volledige oxidatie van alle brandbare stoffen in het afgas met zuurstof in de lucht.

Thermische naverbranding is een behandelingstechniek waarbij een afgasstroom die brandbare stoffen bevat wordt gemengd met lucht, eventueel zuurstof, tot boven het zelfontbrandingspunt in een verbrandingskamer. De gassen worden voor 2 – 3 seconden op hoge temperatuur gehouden, ordegrootte 750 – 1.200 ⁰C, waardoor de brandbare stoffen met zuurstof oxideren tot stoffen als CO₂, H₂O, NO_x, SO_x.

Als het afgas te weinig VOS bevat om het verbrandingsproces zelf op gang te houden, is steunbrandstof nodig. Afhankelijk van de samenstelling van de afgasstroom kan het nodig zijn om de afgasstroom verder te reinigen van onbrandbare stoffen zoals zware metalen, halogenen en de verbrandingsproducten NO_x en SO_x.

Toepasbaarheid

Deze techniek wordt breed toegepast voor verwijdering van geur of vluchtige koolwaterstoffen bij nagenoeg alle typen sectoren. Thermische naverbranding is vanwege het mogelijk hoge brandstofverbruik vooral geschikt voor toepassingen met een gemiddelde tot hoge concentratie VOS in het afgas. De efficiëntie van de techniek is het hoogst bij een stabiele gasstroom die weinig fluctuaties kent in debiet en VOS-concentratie.

Zeer Zorgwekkende Stoffen

Thermische naverbranding is geschikt voor het verwijderen van ZZS Klik hier voor uitleg over dit begrip (opent in popup) uit een afgasstroom, voor zover het stoffen betreft die brandbaar zijn binnen het temperatuurbereik van de installatie. Een emissie van nagenoeg nul is dan te behalen mits de procesparameters optimaal zijn afgesteld. Indien het afgas chloriden bevat kunnen bij ongunstige omstandigheden in of na de thermische naverbrander dioxines (ZZS) worden gevormd.

Combinatie van technieken

Naverbranders kunnen deel uitmaken van een uitgebreide combinatie van technieken. Meestal wordt de naverbrander als eerste techniek in de keten toegepast, omdat de afgassen dan vaak nog warm zijn na het productieproces. De opvolgende technieken worden dan in volgorde van temperatuurbereik ingezet. Zo wordt de behoefte aan steunbrandstof tot een minimum beperkt. Indien sprake is van een afgas met veel stof of druppels zal een stofafscheider en/of demister nodig als voorbehandelingsstap.

Prestaties

De prestaties zijn in de volgende tabel aangegeven. De restconcentratie wordt bepaald door de verzadigde dampconcentratie bij de werkingstemperatuur en -druk. De gepresenteerde waarden zijn afhankelijk van de specifieke configuratie, bedrijfscondities en af te vangen stof. De waarden zijn in principe gebaseerd op halfuurgemiddelde waarden. Nvt staat voor ‘niet van toepassing’ en is gebruikt voor geur. Voor geur zijn geen emissiegrenswaarden vastgesteld omdat de aanvaardbaarheid wordt getoetst aan de hand van de immissie (geurbelasting) bij gevoelige receptoren. De opgave voor stof (PM10) heeft betrekking op brandbaar stof.

Randvoorwaarden

Debiet [Nm³/uur]: Thermische naverbranding:

• P10: 1.000 – 1.500 (recuperatief) – 4.000 (RTO)
• P50: 5.000 – 12.000 (recuperatief) – 21.000 (RTO)
• P90: 21.000 – 75.000 (recuperatief) – 70.000 (RTO)

Katalytische naverbranding:

• P10: 1.000
• P50: 6.000
• P90: 80.000

Temperatuur [°C]: Ingangstemperatuur zo hoog mogelijk.

Druk [bar]: Atmosferisch

Drukval [mbar]: 10 – 50

Vochtgehalte [%]: Liefst droog, maar geen technische beperkingen.

Verblijftijd: Standaard minimaal 2 seconden, maar minimaal 3 seconden bij verbranding van gehalogeneerde VOS.

Stof: < 3 mg/Nm³

Ingaande concentratie: <25% van de onderste explosiegrens (LEL) voor met name RTO’s in verband met veiligheid

Varianten techniek

Thermische naverbrander

De eenvoudigste variant van het principe is een naverbrander die bestaat uit een verbrandingskamer zonder verdere terugwinning van warmte. Als de verbrandingskamer niet gesloten is maar open aan de buitenlucht, dan spreekt men van een fakkel.

Katalytische naverbrander

Een katalytische naverbrander werkt op een gelijkaardige manier als een thermische naverbranding, met dit verschil dat het gas, nadat het door de vlam is gepasseerd, nog eens door een katalysator gaat. Deze katalysator zorgt voor een versnelde oxidatie bij lagere temperaturen. De naverbranding kan hierdoor bij lagere temperaturen plaatsvinden.

Het gas wordt voor de katalysator tot ongeveer 300 - 500 °C opgewarmd. De maximale gastemperatuur na de katalysator is ongeveer 500 - 700 °C. Nieuwe lage temperatuurkatalysatoren kunnen reeds bij 200 - 250 °C werken. Toepassing van een katalysator verlaagt ook de emissies van CO en voorkomt NO_x met ~70 – 80%, maar is duurder en maakt het systeem gevoeliger voor verontreinigingen in de afgassen. Door de lagere werkingstemperatuur is de vereiste hoeveelheid steunbrandstof ook lager. Vanaf ordegrootte 10 – 14 g/m³ VOS is geen steunbrandstof meer vereist.

De gebruikte katalysatoren zijn veelal edele metalen (platina, palladium, rhodium,…) op een keramische of metallische drager, basismetalen op een keramische drager of metaaloxides. Voor gechloreerde verbindingen worden katalysatoren zoals chroom/aluminium, kobaltoxide en koperoxide/mangaanoxide gebruikt. Platina gebaseerde katalysatoren zijn geschikt voor zwavelhoudende componenten maar worden snel gedeactiveerd in aanwezigheid van chloor.

De aanwezigheid van katalysatorvergiften of afzetting op de katalysator kunnen de levensduur van een katalysator sterk verminderen. Daarnaast kan er ook erosie optreden door de schurende werking van stofdeeltjes. Bij afzetting van bijvoorbeeld vetten en oliën op het katalysatoroppervlak kan de katalysator weer geactiveerd worden door de temperatuur te verhogen. De meeste katalysatorvergiften inactiveren de katalysator blijvend, bijvoorbeeld fosfor, bismut, arseen, antimoon, lood en kwik (snel werkend) en ijzer, tin en silicium (langzaam werkend). Bij zwavel, halogenen, zink is vaak mogelijk om de katalysator weer te activeren.

Regeneratieve thermische naverbrander

Een regeneratieve naverbrander gebruikt 2 of meer keramische bedden. Het meest gebruikelijk is 3 bedden. Het principe is dat de warmte van het gereinigde afgas wordt opgeslagen in het bed en nadien wordt afgegeven aan het te behandelen afgas. Het thermisch rendement kan oplopen tot 97 %.

In de verbrandingsruimte wordt het gas (indien noodzakelijk) verder verhit, zodat thermische oxidatie optreedt. Het hete gas dat de verbrandingsruimte verlaat, verwarmt het tweede keramische bed. Het afgekoelde gas kan hierna worden afgevoerd. Als het tweede bed voldoende is verhit, wordt de gasstroom omgekeerd, waardoor het tweede bed zorgt voor de opwarming van het te behandelen afgas en het eerste voor de afkoeling van het gereinigde afgas. Bij het omschakelen kan een piekemissie optreden. De keramische bedden kunnen uitgebreid worden met een katalysator om zo de efficiëntie van de techniek verder te verhogen.

De techniek kent een maximale inlaatconcentratie (25% LEL, ordegrootte 10 g VOS/m³), en is door de hoge thermische efficiëntie vaak al autotherm bij 2-3 g VOS/m³. Doordat er weinig verbrandingslucht nodig is, werkt een RTO zeer efficiënt. Een RTO kan vrij zijn van NOx emissies als er niet wordt bijverwarmd met een vlam, maar enkel gebruik wordt gemaakt van de warmte die al in de rookgassen aanwezig is. Een opkomende variant van de techniek is de elektrisch verwarmd versie.

Recuperatieve thermische naverbrander

De recuperatieve naverbrander is nagenoeg identiek aan de thermische naverbrander, maar nu uitgebreid met een warmtewisselaar. Met behulp van de warmtewisselaar wordt de te reinigen lucht voorverwarmd door de verbrandingsgassen waardoor tot 80% van de vrijkomende warmte kan worden benut. De naverbrander kan verder worden uitgebreid met een katalysator in de verbrandingskamer.

Oxicator

Deze techniek is gebaseerd op katalytische oxidatie van VOS waarbij de katalysator wordt verhit door middel van magnetrongolven. Door gebruik te maken van magnetrongolven gebruikt het systeem weinig extra energie. Typisch energieverbruik is circa 20 W/m³. Door de relatief hoge kosten van de speciaal ontwikkelde katalysator is deze technologie voornamelijk inzetbaar bij kleinere gasvolumes (< 1.000 m³/uur).

Voordelen van het systeem zijn de energie-efficiëntie en de hoge reinigingsefficiency (> 99% en restemissies < 1 mg/m³). Het systeem kan met één of twee magnetrons worden ingericht, afhankelijk van de ingangsconcentratie. Bij voldoende hoge concentratie VOS houdt de oxidatiereactie zichzelf in stand en hoeft geen extra energie te worden toegevoegd.

Verbranding in een stookinstallatie

Afgassen met brandbare stoffen zoals VOS kunnen gemengd worden met een regulier stookgas zoals aardgas of propaan om de benodigde stookwaarde te bereiken. Het gemengde gas kan dan als brandstof voor een stookinstallatie worden gebruikt, bijvoorbeeld een ketelinstallatie, een gasmotor of zelfs een gasturbine. Bij lage concentraties aan brandbare stoffen en met voldoende zuurstof kan het afgas als verbrandingslucht worden gebruikt. Stookinstallaties zijn niet primair als emissiebeperkende techniek bedoeld en vallen daarom buiten het bestek van de 'factsheets emissiebeperkende technieken' en zijn niet verder beschouwd.

Installatie, ontwerp en onderhoud

De belangrijkste ontwerpparameters zijn:

• temperatuur
  Deze moet hoog genoeg zijn om een volledige verbranding van de VOS te garanderen.
• tijd
  Deze moet lang genoeg zijn om een volledige verbranding van de VOS te garanderen. Minimaal 2 seconden, vaak langer als de temperatuur lager is
• turbulentie
  De gasstroom moet in de verbrandingskamer zo goed mogelijk mengen met zuurstof, zodat de oxidatiereactie optimaal kan verlopen.

Monitoring

Monitoring is continu nodig om snel te signaleren als de verbranding niet optimaal verloopt. Parameters die minimaal gemonitord moeten worden, omvatten:

• temperatuur in de verbrandingskamer
• concentratie VOS voor en na de naverbrander (bijvoorbeeld met een vlam-ionisatiedetector – FID)
• concentratie CO in het afgas, om onvolledige verbranding te signaleren
• drukval

Branders moeten regelmatig worden geïnspecteerd, en als het nodig is worden gereinigd ten gunste van de goede werking en efficiency. Als overmatige afzetting plaatsvindt, moeten er preventieve maatregelen worden getroffen door bijvoorbeeld het afgas te reinigen voor het de brander ingaat.

Milieuaspecten

De belangrijkste voordelen zijn:

• goede, constante prestaties
• eenvoudig werkingsprincipe, betrouwbare techniek
• mogelijkheid tot benutten van de energie-inhoud van het afgas

Nadelen zijn:

• uitstoot van koolstofdioxide, koolstofmonoxide en stikstofoxiden
• kans op dioxines als gehalogeneerde stoffen worden verbrand
• hoog energieverbruik als de afgassen niet genoeg VOS bevatten
• weinig geschikt voor gasstromen met fluctuerend debiet en/of VOS-concentratie, met name voor RTO en recuperatieve naverbranders
• katalysators zijn gevoelig voor stof en vergiftiging

Hulpstoffen en energie

Water: Niet van toepassing.

Chemicaliën: Geen hulpstoffen voor het proces maar de katalysator (indien toegepast) moet periodiek worden vervangen of geregenereerd.

Energieverbruik: Brandstof, eventueel elektriciteit, voor het op temperatuur houden van de oxidatiereactie (aanvullend op de warmte die door het verbranden van het afgas ontstaat). De minimale concentratie VOS om de reactie zelfstandig gaande te houden is 1 – 10 gram/m3 (lager in het geval van katalytische oxidatie).

Een naverbrander kan energie-efficiënt zijn als de warmte met behulp van warmtewisselaars (her)gebruikt kan worden in een productieproces, of als een ketel wordt verwarmd met de vlam. Andersom kan een naverbrander ook een hoog energieverbruik geven als de afgasstroom weinig VOS bevat.

Milieuafwegingen

Terugwinning: Niet van toepassing.

Lucht:

Thermische naverbranders gaan gepaard met emissies van koolmonoxide, stikstofoxiden en mogelijk dioxines indien het afgas chloriden of organisch gebonden chloor bevat.

De te verwachten NO_x-concentraties zijn [mg/Nm³]:

• P10: 7
• P50: 51
• P90: 160

De te verwachten CO-concentratie bij een VOS-concentratie van 5 mg/Nm³ als eindconcentratie [mg/Nm³]:

• P10: 0,8
• P50: 4
• P90: 30

Afvalwater: Geen

Afval: Geen, tenzij een katalysator wordt ingezet. Die moet periodiek vervangen worden en is afval.

Veiligheid: Veiligheidsmaatregelen omvatten: bescherming tegen vlamterugslag; schoonhouden van de branders; afsluiten van de gastoevoer bij defect van de brander; begrenzing van de maximale temperatuur.

Financiële aspecten

Investeringen [EUR per 1.000 Nm³/uur]:

• 10.000 – 40.000 voor standaard thermische naverbranding
• 30.000 – 100.000 voor regeneratieve thermische naverbranding
• 30.000 – 100.000 voor recuperatieve thermische naverbranding

Jaarlijkse operationele kosten [EUR per 1.000 Nm³/uur]:

• 2.500 – 30.000 voor standaard thermische naverbranding
• 2.500 – 12.000 voor regeneratieve thermische naverbranding
• 2.500 – 12.000 voor recuperatieve thermische naverbranding

Operationele kosten

Dit is een opsplitsing van de operationele kosten. Ze tellen dus niet apart mee bij een kostenberekening. Zie ook Financiële aspecten op de pagina Opbouw van de factsheets.

Personeel [uur/week]: 2 – 5 dagen per jaar

Materiaal: De katalysator (indien toegepast) moet periodiek worden vervangen of geregenereerd. Het oxidatiebed van een RTO is gevoelig voor vervuiling en moet meestal periodiek worden vervangen.

Energieverbruik [kWh/1.000 Nm³]:

• 3 – 8 (thermische naverbrander)
• 1,5 – 2,25 (regeneratieve thermische naverbrander)

Baten: Mogelijk, als de warmte kan worden teruggewonnen en praktisch ingezet.

Kostenbepalende parameters: Afgasdebiet, warmte-inhoud van het afgas, VOS-concentratie in het afgas, verbrandingstemperatuur, type katalysator, mogelijkheid voor warmteterugwinning.

Informatiebronnen

1. Handreiking luchtemissiebeperkende technieken; DHV, 15 april 2009
2. BREF Waste Gas Management and Treatment Systems in the Chemical Sector; first draft, 2019
3. BREF Common Waste Water and Waste Gas Treatment/Management Systems in the Chemical Sector, 2016
4. VITO LUSS: katalytische/thermische oxidatie (recuperatieve/regeneratieve)
5. Leverancier: Kranz Clean Air Solutions