Quelle est la différence entre un oxydant thermique régénératif et un oxydant catalytique régénératif ?

Introduction

Oxydateur thermique régénératif (RTO)
Le principe de l'oxydateur thermique régénératif (OTR) consiste à chauffer les gaz d'échappement organiques à plus de 760 °C, ce qui provoque l'oxydation des COV qu'ils contiennent et leur décomposition en dioxyde de carbone et en eau. Le gaz à haute température ainsi produit traverse un matériau de stockage thermique en céramique spécialement conçu, chauffant ce matériau et emmagasinant de la chaleur (« régénération »). Cette chaleur stockée est ensuite utilisée pour préchauffer les gaz d'échappement organiques entrants, réduisant ainsi la consommation de combustible nécessaire au chauffage. Le matériau de stockage thermique en céramique doit être divisé en trois zones ou chambres, voire plus. Chaque chambre subit successivement les cycles de stockage de chaleur (régénération), de libération de chaleur (purge) et de nettoyage (purge), fonctionnant en continu et de manière cyclique. Immédiatement après la phase de « libération de chaleur », une partie des gaz d'échappement traités et propres doit être introduite pour purger la chambre (afin de garantir une efficacité de destruction des COV supérieure à 99 %). Ce n'est qu'après cette purge complète que la chambre peut retourner en phase de « stockage de chaleur ». Les caractéristiques de l'oxydateur thermique régénératif sont les suivantes : Équipement d'oxydation Ce procédé présente de faibles coûts d'exploitation et une grande efficacité de traitement des gaz résiduaires organiques. Il convient aux concentrations de gaz résiduaires de 1 000 à 10 000 mg/m³, avec une efficacité de destruction de 99 % à 99,5 %. Actuellement, il s'agit de la technologie la plus économique et la plus fiable pour respecter la norme stricte d'émission de 50 mg/m³ pour les COV et elle est largement utilisée.

Oxydateur catalytique régénératif (RCO)
Le principe de l'oxydant catalytique régénératif (RCO) combine l'oxydation régénérative et l'oxydation catalytique. Le catalyseur est placé sur un support de stockage thermique en céramique. Grâce à ce catalyseur, les gaz d'échappement organiques s'oxydent et se décomposent en CO₂ et H₂O à une température d'inflammation relativement basse (280–500 °C). Les gaz à haute température produits par l'oxydation sont acheminés vers une autre chambre de stockage thermique pour poursuivre la réaction d'oxydation catalytique exothermique, chauffant ainsi le support céramique et stockant la chaleur. Cette chaleur stockée est utilisée pour préchauffer les gaz d'échappement organiques entrants.
Les dispositifs RCO présentent une conception similaire à celle des RTO, utilisant des configurations à chambre ou rotatives. La partie inférieure de la chambre de stockage de chaleur est remplie d'un matériau caloporteur en céramique, et le catalyseur est placé entre ce matériau et la chambre d'oxydation.

Comparaison des performances
Prenons comme exemple une capacité de traitement de 30 000 m³/h pour l’oxydateur thermique régénératif (RTO) et l’oxydateur catalytique régénératif (RCO), et dans des conditions de production équivalentes, nous comparons leurs performances selon quatre critères : conformité, efficacité énergétique, viabilité économique et applicabilité. Détails ci-dessous :

Tableau 1 : Comparaison des performances de l'oxydant thermique régénératif (RTO) et de l'oxydant catalytique régénératif (RCO) (Capacité de traitement : 30 000 m³/h)

1. Conformité
Actuellement, les oxydateurs thermiques régénératifs (RTO) conformes aux normes d'émission sont ceux qui comportent trois chambres de stockage de chaleur ou plus, comme les RTO à trois lits classiques et les RTO rotatifs (par exemple, à 12 chambres). Dans les RTO à trois lits, lors de la commutation des vannes, un court-circuit direct extrêmement bref se produit entre le gaz brut entrant et le gaz purifié sortant. Il en résulte le rejet d'une petite quantité de gaz résiduaire non traité avec le gaz purifié, provoquant un pic de concentration transitoire dans le flux purifié.
Les RTO rotatifs assurent une commutation de gaz en douceur grâce à une vanne rotative, éliminant ainsi les courts-circuits directs. Le processus de purification est continu, sans pics de commutation, garantissant une conformité stable et élevée aux normes, avec une efficacité de purification pouvant atteindre 99,5 %.

La technologie d'oxydation catalytique régénérative (RCO) est une évolution de la technologie RTO. Les équipements RCO reposent sur la structure RTO, à laquelle on ajoute une couche de catalyseur spécifique dans la chambre d'oxydation. L'oxydation catalytique accélère la réaction et abaisse la température requise. Ces équipements peuvent être à chambre ou rotatifs, avec un support céramique au fond et un catalyseur placé entre ce support et la zone d'oxydation.
Les catalyseurs couramment utilisés sont des catalyseurs en nid d'abeille à base de métaux nobles (Pd, Pt) sur des supports en nid d'abeille céramiques.

1. En raison de la composition complexe des composants organiques présents dans les matériaux de production tels que les encres et les peintures, seuls les solvants principaux sont souvent identifiables. Les catalyseurs étant sélectifs vis-à-vis des composants des gaz résiduaires, l'oxydation complète de tous ces composants ne peut être garantie.
2. Les préfiltres placés avant le RCO ne peuvent pas éliminer efficacement les particules de poussière inférieures à 0,5 µm. Des traces de poussière pénétrant dans le catalyseur peuvent affecter son activité.
3. Les espaces entre les blocs de catalyseur peuvent empêcher un contact complet entre le gaz de procédé et le catalyseur.
4. La désactivation du catalyseur peut se produire en raison de sous-produits d'oxydation provenant de composés organiques halogénés ou lorsque des éléments comme N, P et S sont présents.
L'efficacité maximale de purification globale pour le traitement des gaz résiduaires organiques par RCO est de 97 %.

Pour garantir que les émissions totales d'hydrocarbures non méthaniques restent inférieures à 50 mg/m³, les concentrations maximales admissibles à l'entrée pour le RCO et le RTO sont respectivement de 1,67 g/m³ et 10 g/m³. Le RCO ne peut satisfaire aux normes d'émission pour les gaz dont la concentration dépasse 1,67 g/m³.

2. Performance économique

Du point de vue économique de la fabrication des équipements, les volumes requis de média céramique régénératif pour un RTO et un RCO sont respectivement de 17 m³ et 8 m³. De plus, le RCO nécessite 2,7 m³ de catalyseur.
(La vitesse spatiale du catalyseur est fixée à 15 000 h⁻¹, et le volume de catalyseur requis est calculé comme suit : △ = (débit d’air ÷ vitesse spatiale) × 12/10 = 2,4 m³. Compte tenu des conditions réelles de garnissage du catalyseur, le volume de remplissage pratique est d’environ 2,7 m³.)

Le prix des catalyseurs à base de métaux nobles est d'environ 280 000 RMB par m³. La structure générale et les autres configurations du RCO étant fondamentalement les mêmes que celles du RTO, l'investissement total pour un système RCO est environ 1,2 fois supérieur à celui d'un système RTO.

La durée de vie du catalyseur RCO est de 8 000 à 10 000 heures de fonctionnement. Dans des conditions de fonctionnement de 24 h/24 et 280 jours/an, sa durée de vie est d’environ 3 ans, tandis que celle du support régénératif en céramique est de 5 à 8 ans.
Pour un RTO, le coût annuel de maintenance lié au remplacement du média régénératif en céramique est d'environ 34 000 RMB. Pour un RCO, le coût annuel de maintenance pour le remplacement du catalyseur et du média régénératif en céramique est d'environ 224 000 RMB. Les coûts de maintenance des autres composants du RCO sont identiques à ceux du RTO.

3. Applicabilité

Après l'arrêt suivant la procédure de maintien en température, un RTO peut maintenir la température du four au-dessus de 400 °C pendant 12 heures. Le redémarrage ne prend qu'environ 0,6 heure, réduisant ainsi la consommation d'énergie au démarrage. Les RTO sont adaptés au traitement des gaz résiduaires dans les procédés de production à haute continuité et peuvent traiter efficacement les gaz résiduaires organiques générés par la plupart des procédés industriels. Pour les gaz résiduaires contenant des composants corrosifs tels que le soufre (S) et le chlore (Cl), des matériaux anticorrosion spécifiques doivent être utilisés lors de la conception et de la fabrication du RTO.

Un catalyseur RCO démarre relativement vite ; cependant, sa durée de vie est plus courte et ses coûts de maintenance plus élevés. Il est donc plus adapté aux procédés de production intermittents. Les gaz résiduaires doivent être exempts de composés susceptibles d'empoisonner le catalyseur, tels que le soufre (S), le phosphore (P), l'arsenic (As) et les halogènes. De plus, les particules présentes à l'état de traces dans les gaz résiduaires doivent être filtrées en profondeur afin de ne pas nuire aux performances catalytiques.

Auteur : Le blog sur les technologies environnementales