مؤكسد حراري

أبسط تقنيات الأكسدة الحرارية هي المؤكسد الحراري ذو الاحتراق المباشر. يُضخ تيار من الغازات الخطرة إلى حجرة الاحتراق عبر الموقد أو بالقرب منه، ويُترك لفترة كافية لتحقيق كفاءة إزالة المركبات العضوية المتطايرة المطلوبة. تعمل معظم المؤكسدات الحرارية ذات الاحتراق المباشر عند درجات حرارة تتراوح بين 980 درجة مئوية (1800 درجة فهرنهايت) و 1200 درجة مئوية (2190 درجة فهرنهايت) ، بمعدلات تدفق هواء تتراوح بين 0.24 و24 مترًا مكعبًا قياسيًا في الثانية . ^{[ 2 ]}    

تُعرف هذه الأنظمة أيضاً باسم "الحارقات اللاحقة" في الحالات التي تأتي فيها الغازات الداخلة من عملية احتراق غير مكتمل، ^{[ 2 ]} وهي الأقل تكلفةً من الناحية الرأسمالية، ويمكن دمجها مع الغلايات والمبادلات الحرارية اللاحقة لتحسين كفاءة استهلاك الوقود . تُعدّ المؤكسدات الحرارية الخيار الأمثل في المناطق ذات التركيز العالي جداً للمركبات العضوية المتطايرة، حيث تعمل كمصدر للوقود (بدلاً من الغاز الطبيعي أو النفط) لتحقيق احتراق كامل عند درجة حرارة التشغيل المستهدفة .

تُعدّ المؤكسدات الحرارية التجديدية، والمعروفة اختصارًا بـ RTO، من أكثر تقنيات مكافحة تلوث الهواء شيوعًا في مختلف القطاعات الصناعية اليوم. تستخدم هذه المؤكسدات طبقة خزفية تُسخّن من دورة أكسدة سابقة لتسخين الغازات الداخلة مسبقًا، ما يؤدي إلى أكسدتها جزئيًا. تدخل الغازات المسخّنة مسبقًا إلى غرفة احتراق تُسخّن بواسطة مصدر وقود خارجي للوصول إلى درجة حرارة الأكسدة المستهدفة، والتي تتراوح بين 760 درجة مئوية (1400 درجة فهرنهايت) و 820 درجة مئوية (1510 درجة فهرنهايت) . قد تصل درجة الحرارة النهائية إلى 1100 درجة مئوية (2010 درجة فهرنهايت) في التطبيقات التي تتطلب أقصى قدر من التدمير. تتراوح معدلات تدفق الهواء بين 2.4 و240 مترًا مكعبًا قياسيًا في الثانية. ^{[ 5 ]}      

تتميز أجهزة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTOs) بتعدد استخداماتها وكفاءتها العالية، حيث تصل كفاءتها الحرارية إلى 95%. وتُستخدم هذه الأجهزة بانتظام للحد من أبخرة المذيبات والروائح وغيرها من الملوثات في مختلف الصناعات. وتُعدّ أجهزة الأكسدة الحرارية المتجددة مثاليةً في نطاق تركيزات المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) المنخفضة إلى العالية، والتي تصل إلى 10 غ/م³ ^من المذيب. ويتوفر حاليًا في السوق أنواع عديدة من أجهزة الأكسدة الحرارية المتجددة، تتميز بقدرتها على أكسدة أو تدمير المركبات العضوية المتطايرة بنسبة تزيد عن 99.5%. ويمكن تصميم المبادل الحراري الخزفي في هذه الأجهزة لتحقيق كفاءة حرارية تصل إلى 97% فأكثر.

_{تُستخدم أجهزة الأكسدة الحرارية للميثان في هواء التهوية لتدمير غاز الميثان الموجود} في هواء العادم لمناجم الفحم تحت الأرض. يُعدّ الميثان غازًا دفيئًا، وعند أكسدته بالاحتراق الحراري، يتغير كيميائيًا ليُشكّل ثاني أكسيد الكربون _والماء . ويُعتبر _ثاني أكسيد الكربون أقل تأثيرًا من الميثان بـ 25 مرة عند انبعاثه في الغلاف الجوي فيما يتعلق بالاحتباس الحراري. وتكون تركيزات الميثان في هواء عادم تهوية مناجم الفحم والترونا منخفضة جدًا؛ عادةً ما تقل عن 1%، وغالبًا ما تقل عن 0.5%. تحتوي وحدات VAMTOX على نظام من الصمامات والمخمدات التي تُوجّه تدفق الهواء عبر طبقة أو أكثر من طبقات السيراميك. عند بدء التشغيل، يقوم النظام بالتسخين المسبق عن طريق رفع درجة حرارة مادة السيراميك المُتبادلة للحرارة في الطبقة (الطبقات) إلى درجة حرارة الأكسدة الذاتية للميثان أو أعلى منها، وهي 1000 درجة مئوية (1830 درجة فهرنهايت) ، وعندها يتم إيقاف نظام التسخين المسبق وإدخال هواء عادم المنجم. ثم يصل الهواء المشبع بالميثان إلى السرير (أو الأسرة) المسخنة مسبقًا، مطلقًا الحرارة الناتجة عن الاحتراق. تُنقل هذه الحرارة بعد ذلك مرة أخرى إلى السرير (أو الأسرة)، مما يحافظ على درجة الحرارة عند أو أعلى من اللازم لدعم التشغيل الحراري الذاتي.  

من التقنيات الأقل شيوعًا في مجال الأكسدة الحرارية، تقنية الأكسدة الحرارية الاسترجاعية. تحتوي هذه التقنية على مبادل حراري أولي و/أو ثانوي. يقوم المبادل الحراري الأولي بتسخين الهواء الملوث الداخل مسبقًا عن طريق استعادة الحرارة من الهواء النظيف الخارج. ويتم ذلك باستخدام مبادل حراري أنبوبي أو مبادل حراري صفيحي . عند مرور الهواء الداخل على أحد جانبي الأنبوب أو الصفيحة المعدنية، يمر الهواء النظيف الساخن من غرفة الاحتراق على الجانب الآخر، وتنتقل الحرارة إلى الهواء الداخل عبر التوصيل الحراري باستخدام المعدن كوسيط لنقل الحرارة. في المبادل الحراري الثانوي، ينطبق المبدأ نفسه على نقل الحرارة، ولكن يتم إعادة الهواء المسخن بواسطة تيار العملية النظيف الخارج إلى جزء آخر من المصنع، وربما إلى العملية نفسها.

يمكن استخدام الكتلة الحيوية ، مثل رقائق الخشب، كوقود لمؤكسد حراري. تُحوّل الكتلة الحيوية إلى غاز ، ثم يُخلط تيار الغازات الخطرة الناتج مع غاز الكتلة الحيوية في غرفة الاحتراق. يضمن وجود اضطراب كافٍ، وفترة احتجاز مناسبة، ومحتوى أكسجين مناسب، ودرجة حرارة مناسبة، تدمير المركبات العضوية المتطايرة. وقد تم تركيب مؤكسد حراري يعمل بالكتلة الحيوية في وارويك ميلز، نيو هامبشاير . تتراوح تركيزات المركبات العضوية المتطايرة الداخلة بين 3000 و10000 جزء في المليون. أما تركيزاتها الخارجة فهي أقل من 3 أجزاء في المليون، مما يحقق كفاءة تدمير للمركبات العضوية المتطايرة تتراوح بين 99.8% و99.9%. ^{[ 6 ]}

في نظام المؤكسد الحراري عديم اللهب، يُخلط غاز النفايات والهواء المحيط والوقود المساعد مسبقًا قبل تمرير الخليط الغازي الناتج عبر طبقة من وسائط السيراميك الخاملة المسخنة مسبقًا. ومن خلال انتقال الحرارة من وسائط السيراميك إلى الخليط الغازي، تتأكسد المركبات العضوية في الغاز إلى نواتج ثانوية غير ضارة، وهي ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ وبخار الماء (H₂O ₎ ، مع إطلاق الحرارة أيضًا في طبقة وسائط السيراميك. ^{[ ٧ ]}

تُحافظ درجة حرارة خليط الغازات على مستوى أقل من الحد الأدنى للاشتعال، وذلك بناءً على نسب كل نوع من المركبات العضوية الموجودة. صُممت المؤكسدات الحرارية عديمة اللهب للعمل بأمان وموثوقية دون الحد الأدنى للاشتعال المركب، مع الحفاظ على درجة حرارة تشغيل ثابتة. تتعرض تيارات الغازات العادمة لفترات طويلة من الزمن عند درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى كفاءة إزالة مُقاسة تتجاوز 99.9999%. يُزيل الخلط المسبق لجميع الغازات قبل المعالجة درجات الحرارة العالية الموضعية، مما يؤدي إلى انخفاض أكاسيد النيتروجين الحرارية عادةً إلى أقل من 2 جزء في المليون . طُوّرت تقنية المؤكسدات الحرارية عديمة اللهب في الأصل في وزارة الطاقة الأمريكية لتحويل الطاقة بكفاءة أكبر في الشعلات، وسخانات العمليات، والأنظمة الحرارية الأخرى.

في مُركِّز الطبقة المميعة (FBC)، تُستخدم طبقة من حبيبات الكربون النشط لامتصاص المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) من غاز العادم . يُعد نظام FBC تطورًا عن مُركِّزات الطبقة الثابتة ومُركِّزات دوار الكربون السابقة، حيث يدفع الهواء المُحمَّل بالمركبات العضوية المتطايرة عبر عدة صوانٍ فولاذية مثقبة، مما يزيد من سرعة الهواء ويسمح لحبيبات الكربون التي يقل حجمها عن المليمتر بالتمييع، أو التصرف كما لو كانت مُعلقة في سائل. يؤدي ذلك إلى زيادة مساحة سطح تفاعل الكربون مع الغاز، مما يجعله أكثر فعالية في التقاط المركبات العضوية المتطايرة.

يمكن استخدام المحفز في المؤكسد الحراري التجديدي (RTO) لخفض درجات حرارة التشغيل. يُعرف هذا النوع أيضًا باسم المؤكسد التحفيزي التجديدي (RCO). ^{[ 5 ]} على سبيل المثال، تبلغ درجة حرارة الاشتعال الحراري لأول أكسيد الكربون عادةً 609 درجة مئوية (1128 درجة فهرنهايت) . باستخدام محفز أكسدة مناسب، يمكن خفض درجة حرارة الاشتعال إلى حوالي 200 درجة مئوية (392 درجة فهرنهايت) . ^{[ 9 ]} وهذا بدوره يُقلل تكاليف التشغيل مقارنةً بالمؤكسد الحراري التجديدي. تعمل معظم الأنظمة ضمن نطاق درجات حرارة يتراوح بين 260 درجة مئوية (500 درجة فهرنهايت) و 1000 درجة مئوية (1830 درجة فهرنهايت) . بعض الأنظمة مصممة للعمل كمؤكسد تحفيزي تجديدي ومؤكسد حراري تجديدي في آنٍ واحد. عند استخدام هذه الأنظمة، يتم استخدام اعتبارات تصميم خاصة لتقليل احتمالية ارتفاع درجة الحرارة (تخفيف غاز المدخل أو إعادة التدوير)، حيث أن درجات الحرارة العالية هذه من شأنها أن تعطل المحفز، على سبيل المثال عن طريق تلبيد المادة النشطة.        

يمكن أن تتخذ المؤكسدات التحفيزية شكل استعادة الحرارة لتقليل استهلاك الوقود. في هذا النوع من استعادة الحرارة، تمر غازات العادم الساخنة من المؤكسد عبر مبادل حراري لتسخين الهواء الداخل الجديد إلى المؤكسد. ^{[ 8 ]}