FR2717403A1 - Elimination of light hydrocarbon(s) from gaseous mixts. - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne une méthode d'élimination des hydrocarbures légers contenus dans des mélanges gazeux pauvres, notamment dans les gaz de mines ou gaz industriels, ceci par leur oxydation électro-chimique et leur transformation en CO2 et H2O à l'aide de décharges électriques de haute tension. The present invention relates to a method for eliminating light hydrocarbons contained in poor gas mixtures, in particular in mine gases or industrial gases, this by their electro-chemical oxidation and their transformation into CO2 and H2O using electric discharges. high voltage.
La protection de l'environnement demande de plus en plus de prendre en compte des quantités grandissantes de gaz résiduels contenant des hydrocarbures produits par les industries. La toxicité de ces gaz ou vapeurs et leur stabilité dans l'atmosphère changent d'un gaz à l'autre; tous ont cependant des propriétés mutagènes et parfois cancérigènes. Ils contribuent également à l'effet de serre de façon beaucoup plus importante que le gaz carbonique. Les méthodes efficaces et peu énergivores pour l'annihilation de composés hydrocarbonés sont donc d'actualité. Environmental protection increasingly requires taking into account increasing quantities of residual gases containing hydrocarbons produced by industries. The toxicity of these gases or vapors and their stability in the atmosphere vary from one gas to another; all, however, have mutagenic and sometimes carcinogenic properties. They also contribute much more to the greenhouse effect than carbon dioxide. Efficient and energy-efficient methods for the annihilation of hydrocarbon compounds are therefore topical.
La littérature nous renseigne sur des méthodes de neutralisation des hydrocarbures par incinération, pour lesquelles leur récupération ne présente aucun intérêt économique. Pour de faibles concentrations on utilise une combustion catalytique combinée avec des procédés d'absorption [voir
T. Banaszak, M. Miller, W. Rybak, A. Zieba, Thermal-Catalytic Incineration of
West Gases, First Int. Conf. on Combustion Technologies for a Clean
Environnement, Vilamoura, Portugal, 3-6 Septembre 1991, vol. 2, p. 13-19].The literature tells us about methods of neutralizing hydrocarbons by incineration, for which their recovery is of no economic interest. For low concentrations, catalytic combustion is used combined with absorption processes [see
T. Banaszak, M. Miller, W. Rybak, A. Zieba, Thermal-Catalytic Incineration of
West Gases, First Int. Conf. on Combustion Technologies for a Clean
Environment, Vilamoura, Portugal, 3-6 September 1991, vol. 2, p. 13-19].
Pour des concentrations de l'ordre de 100 à 500 ppm on utilise des méthodes spécifiques d'absorption ou d'adsorption, par exemple par le benzène ou le styrène. Ces gaz sont souvent absorbés dans des solutions basiques ou carbonatées ou bien sur du charbon actif.For concentrations of the order of 100 to 500 ppm, specific absorption or adsorption methods are used, for example with benzene or styrene. These gases are often absorbed in basic or carbonated solutions or on activated carbon.
Les incinérateurs catalytiques ont également un rôle important pour l'élimination des hydrocarbures contenus dans des mélanges gazeux [voir
A. Musialik-Piotrowska, K. Syczewska, B. Mendyka, Dobor katalizatora do spalania specyficznych zanieczyszczen organicznych powietrza, I Symp.Catalytic incinerators also have an important role in eliminating the hydrocarbons contained in gas mixtures [see
A. Musialik-Piotrowska, K. Syczewska, B. Mendyka, Dobor katalizatora do spalania specyficznych zanieczyszczen organicznych powietrza, I Symp.
Ograniczania Zanieczyszczen do Atmosfery, Pol-Emis'92, Wyd. Inst. Ochrony
Srodowiska Politechniki Wroclawskiej, p. 71-80]. Ces incinérateurs contiennent un lit catalytique (par exemple celui en platine-palladium sur t-Al203 ou bien l'oxyde de vanadium V203 sur un support de Cu-Cr-Mn) qui peut seulement être actif dans la gamme de température entre 473 et 723 K. C'est pourquoi un préchauffage du gaz à traiter est indispensable comme celui basé sur la combustion d'un carburant énergétique supplémentaire comme le gaz naturel [voir J.E. Kuznetscov, K.J. Smat, S.J. Kuznetsov, Oborudovanye dla Sanitarnoi
Ochistki Gazov, Tekhnika, Kiev, 1989].Ograniczania Zanieczyszczen do Atmosfery, Pol-Emis'92, Wyd. Inst. Ochrony
Srodowiska Politechniki Wroclawskiej, p. 71-80]. These incinerators contain a catalytic bed (for example that of platinum-palladium on t-Al203 or vanadium oxide V203 on a Cu-Cr-Mn support) which can only be active in the temperature range between 473 and 723 K. This is why a preheating of the gas to be treated is essential like that based on the combustion of an additional energy fuel such as natural gas [see JE Kuznetscov, KJ Smat, SJ Kuznetsov, Oborudovanye dla Sanitarnoi
Ochistki Gazov, Tekhnika, Kiev, 1989].
De bons résultats d'élimination des hydrocarbures dans les gaz peuvent être obtenus par une chimisorption dans les tours de Krumeier ou dans des laveurs arrosés par de l'hypochlorite de sodium. Les deux approches présentent cependant l'inconvénient de rejeter du chlore dans l'atmosphère et de générer des produits résiduels [voir H. Pfeiffer, VDI-Ber., 561 (1985), 53]. Good results for removing hydrocarbons from gases can be obtained by chemisorption in Krumeier towers or in scrubbers sprayed with sodium hypochlorite. The two approaches have the disadvantage of rejecting chlorine into the atmosphere and generating residual products [see H. Pfeiffer, VDI-Ber., 561 (1985), 53].
La composition complexe des gaz à épurer est souvent une source de difficultés quant au choix de la méthode de purification. Les gaz contiennent souvent des composés ayant différentes propriétés chimiques ce qui rend difficile l'application d'un seul sorbant ou chimie-sorbant. Un excès d'humidité, la présence d'un brouillard, d'une poussière ou de gouttelettes (par exemple de polymères) peuvent empêcher l'utilisation de l'adsorption. Une combustion catalytique ou thermique peut être impossible à réaliser si la température du gaz à épurer est trop basse ou si l'effet calorifique de combustion est insuffisant à cause d'une trop faible concentration de la molécule combustible dans le gaz. L'hydrogène sulfuré est souvent présent dans le gaz à épurer ce qui limite ou empêche totalement l'emploi d'un catalyseur. The complex composition of the gases to be purified is often a source of difficulty as regards the choice of the purification method. The gases often contain compounds with different chemical properties which makes it difficult to apply a single sorbent or chemistry-sorbent. Excess moisture, the presence of a mist, dust or droplets (eg polymers) can prevent the use of adsorption. Catalytic or thermal combustion may be impossible if the temperature of the gas to be purified is too low or if the calorific effect of combustion is insufficient due to too low a concentration of the combustible molecule in the gas. Hydrogen sulfide is often present in the gas to be purified, which limits or completely prevents the use of a catalyst.
Une méthode originale d'épuration d'air à l'aide de biofiltres a également été proposée [voir M. Szklarczyk, J.D. Rutkowski, demande de brevet polonais Nô153092 (1991)]. Le fonctionnement des biofiltres est basé sur deux processus parallèles : une sorption des impuretés contenues dans un gaz sur le support d'un matériel filtrant et une décomposition biologique de ces impuretés. Les impuretés adsorbées sur le support, principalement les molécules organiques, sont décomposées par des organismes vivants qui peuplent ce support. Comme résultat de ces transformations on obtient du gaz carbonique et de l'eau. Les molécules inorganiques, telles que l'hydrogène sulfuré ou l'ammoniac, sont également adsorbées et transformées, mais dans ce cas les produits de transformation tels que les acides sulfurique ou nitrique provoquent une désactivation du biofiltre. Un autre désavantage de la méthode est le très bas rapport nécessaire entre le débit du gaz à épurer et la surface du biofiltre, 2 qui est compris entre 20 et 500 m3 /h par m de section droite du support (sans parler de la nécessité d'avoir des filtres à très grandes surfaces spécifiques). An original method of air purification using biofilters has also been proposed [see M. Szklarczyk, J.D. Rutkowski, Polish patent application No. 153092 (1991)]. The functioning of biofilters is based on two parallel processes: a sorption of the impurities contained in a gas on the support of a filtering material and a biological decomposition of these impurities. The impurities adsorbed on the support, mainly organic molecules, are broken down by living organisms that populate this support. As a result of these transformations, carbon dioxide and water are obtained. Inorganic molecules, such as hydrogen sulfide or ammonia, are also adsorbed and transformed, but in this case transformation products such as sulfuric or nitric acids cause deactivation of the biofilter. Another disadvantage of the method is the very low ratio required between the flow rate of the gas to be purified and the surface of the biofilter, 2 which is between 20 and 500 m3 / h per m of cross section of the support (not to mention the need for '' have filters with very large specific surfaces).
Il est apparu de façon inattendue qu'on peut éliminer les hydrocarbures provenant de gaz de mines ou d'effluents gazeux industriels sans avoir besoin de préchauffer ces gaz et d'utiliser des lits catalytiques, ou sans avoir recours à de grandes surfaces bio-filtrantes et à des temps très longs de contact entre elles et les gaz à traiter. Selon la présente invention, une telle élimination des hydrocarbures légers (autrement dit : volatiles, ayant une concentration dépassant une cinquantaine de ppm en volume à température ambiante ou plus élevée) contenus dans les mélanges gazeux est possible à l'aide de décharges électriques glissantes. It has unexpectedly appeared that it is possible to eliminate hydrocarbons originating from mine gases or industrial gaseous effluents without the need to preheat these gases and to use catalytic beds, or without having recourse to large bio-filtering surfaces. and very long contact times between them and the gases to be treated. According to the present invention, such elimination of light hydrocarbons (in other words: volatile, having a concentration exceeding fifty ppm by volume at room temperature or higher) contained in the gas mixtures is possible using sliding electrical discharges.
Le procédé, selon l'invention, transforme électro-chimiquement les hydrocarbures contenus dans un gaz vers des composés non-toxiques, tels que
CO2 et H20. Les gaz traités ne contiennent plus ou peu d'hydrocarbures ce qui élimine ou limite fortement l'émission des hydrocarbures dans l'atmosphère.The method according to the invention electrochemically transforms the hydrocarbons contained in a gas to non-toxic compounds, such as
CO2 and H20. The treated gases contain little or no hydrocarbons, which eliminates or severely limits the emission of hydrocarbons into the atmosphere.
Le procédé, selon l'invention, est conduit dans un réacteur muni d'un générateur de décharges électriques glissantes dans lesquelles s'effectue une oxydation électro-chimique des hydrocarbures CnHm. The process according to the invention is carried out in a reactor fitted with a generator of sliding electrical discharges in which an electro-chemical oxidation of the CnHm hydrocarbons takes place.
Le procédé selon l'invention est particulièrement efficace dans la gamme de températures de 300 à 700 K, sous pression atmosphérique et pour des débits de gaz entre 30 et 120 Nl/min (Nl signifie ici les litres mesurés dans les condition normales); les débits indiqués sont adaptés au réacteur de petite taille décrit plus loin. The method according to the invention is particularly effective in the temperature range from 300 to 700 K, under atmospheric pressure and for gas flow rates between 30 and 120 Nl / min (Nl here means the liters measured under normal conditions); the flow rates indicated are adapted to the small reactor described below.
La décharge électrique glissante (1) s'installe entre au moins une paire d'électrodes (2a) et (2b) spécialement profilées et placées le long d'un flux de gaz (3) comme ceci est présenté sur la Figure 1. La décharge s'allume à l'endroit (4) où la distance entre les électrodes est la plus petite et elle se propage ensuite le long des électrodes, poussée par le flux de gaz, jusqu'à l'endroit (5) où elle disparait. Le chemin parcouru par la décharge de sa naissance jusqu'à sa disparition dépend de la géométrie des électrodes, de la pression du gaz, de sa nature, de la vitesse linéaire du gaz, et des paramètres de l'alimentation électrique de la décharge. Sous l'influence de la décharge, plusieurs phénomènes physiques et électriques engendrent des transformations chimiques dans le gaz. La décharge est alimentée par une tension continue ou alternative. Le courant moyen de la décharge est compris entre 0,1 et 0,25 A (pour une paire d'électrodes) sous tension de 0,5 à 15 kV. The sliding electrical discharge (1) is installed between at least one pair of specially shaped electrodes (2a) and (2b) and placed along a gas flow (3) as shown in Figure 1. The discharge ignites at the place (4) where the distance between the electrodes is the smallest and it then propagates along the electrodes, pushed by the gas flow, to the place (5) where it disappears . The path traveled by the discharge from its birth to its disappearance depends on the geometry of the electrodes, the pressure of the gas, its nature, the linear speed of the gas, and the parameters of the electrical supply of the discharge. Under the influence of the discharge, several physical and electrical phenomena generate chemical transformations in the gas. The discharge is supplied by a direct or alternating voltage. The average discharge current is between 0.1 and 0.25 A (for a pair of electrodes) under voltage from 0.5 to 15 kV.
Ci-dessous nous donnons des exemples de la mise en oeuvre du procédé, sans que cela puisse limiter son étendue. Below we give examples of the implementation of the process, without this limiting its scope.
Les expériences ont été effectuées dans un réacteur cylindrique en acier d'un volume de 2,7 1. Le gaz à traiter a été préchauffé jusqu'à des températures de 300 à 700 K. Dans le couvercle en céramique du réacteur on a logé trois paires d'électrodes connectées à une alimentation électrique spéciale de haute tension. La séparation réciproque des électrodes variait de 1 à 20 mm. Un mélange gazeux d'hydrocarbures et d'air (avec éventuellement de la vapeur d'eau ajoutée), dont le débit a été soigneusement mesuré à l'aide de débitmètres massiques, a été introduit dans le réacteur par une buse d'un diamètre de 2 mm. La pression du gaz dans le réacteur était maintenue à un niveau constant choisi entre 0,1 et 0,5 MPa. The experiments were carried out in a cylindrical steel reactor with a volume of 2.7 1. The gas to be treated was preheated to temperatures of 300 to 700 K. In the ceramic cover of the reactor, three were housed pairs of electrodes connected to a special high voltage power supply. The reciprocal separation of the electrodes varied from 1 to 20 mm. A gaseous mixture of hydrocarbons and air (possibly with added steam), the flow rate of which was carefully measured using mass flowmeters, was introduced into the reactor through a nozzle with a diameter 2 mm. The pressure of the gas in the reactor was maintained at a constant level chosen between 0.1 and 0.5 MPa.
Les compositions des gaz entrant et sortant ont été déterminées par analyse chromatographique en phase gazeuse avec un détecteur d'ionisation de flamme; les échantillons de gaz ont été transvasés pour analyse dans des ballons en caoutchouc. La quantité de vapeur d'eau dans les gaz a été mesurée en faisant passer un certain volume de gaz dans du CaCl2 anhydre. The compositions of the incoming and outgoing gases were determined by gas chromatographic analysis with a flame ionization detector; the gas samples were transferred to analysis in rubber flasks. The amount of water vapor in the gases was measured by passing a certain volume of gas through anhydrous CaCl2.
Selon l'invention ici présentée nous constatons une oxydation des hydrocarbures jusqu'à C02 et HzO. Parmi les produits issus d'un tel traitement nous observons également des quantités minimes de CO et de C4 ainsi que du
NOx dont la teneur dépend de la concentration en oxygène du gaz entrant.According to the invention presented here, we observe an oxidation of hydrocarbons up to C02 and HzO. Among the products resulting from such a treatment we also observe minimal amounts of CO and C4 as well as
NOx whose content depends on the oxygen concentration of the incoming gas.
Exemple I. Example I.
Nous introduisons dans le réacteur un mélange d'air majoritaire et de méthane (0,98, 1,98 ou 2,98 % vol.) à la température de 300, 380 ou 450 K. Le débit du gaz entrant a été stabilisé à une valeur comprise entre 30 et 120 Nl/min. Sous l'effet de la décharge glissante électrique installée dans le réacteur nous avons pu observer la réaction
CH4 + 2 02 = > C02 + 2 H20 (MI298 = - 803 kJ/mol) qui a pu etre confirmée par la présence de C02 dans le gaz sortant ainsr que par la présence de H20 adsorbée sur la masse de Caca2. Nous avons également observé les réactions secondaires suivantes (bien que dans des proportions minimes)
CH4 + 3/2 02 = CO + 2 H20 (H298 = - 520 kJ/mol),
C2H6 + 1/2 02 = C2H4 + H20 (H29s = - 105 kJ/mol),
C2H6 = C2H4 + H2 (H298 = + 137 kJ/mol), qui ont donné, à coté du C02 et de H20, de petites quantités de C2H4 et CO.We introduce into the reactor a mixture of majority air and methane (0.98, 1.98 or 2.98% vol.) At the temperature of 300, 380 or 450 K. The flow rate of the incoming gas has been stabilized at a value between 30 and 120 Nl / min. Under the effect of the electrical sliding discharge installed in the reactor we were able to observe the reaction
CH4 + 2 02 => C02 + 2 H20 (MI298 = - 803 kJ / mol) which could be confirmed by the presence of C02 in the outgoing gas as well as by the presence of H20 adsorbed on the mass of Caca2. We have also observed the following side reactions (albeit in minor proportions)
CH4 + 3/2 02 = CO + 2 H20 (H298 = - 520 kJ / mol),
C2H6 + 1/2 02 = C2H4 + H20 (H29s = - 105 kJ / mol),
C2H6 = C2H4 + H2 (H298 = + 137 kJ / mol), which gave, alongside the CO2 and H2O, small amounts of C2H4 and CO.
Les résultats de l'Exemple I sont présentés sur les Figures 2 à 4 qui montrent le taux de conversion du méthane dans l'air en fonction de l'énergie de la décharge ramenée à une unité de volume du gaz traité (l'énergie spécifique), la variable étant la température T du gaz entrant dans le réacteur. Les
Figures 2, 3 et 4 présentent les taux de conversion pour des mélanges initiaux de 0,98, 1,98 et 2,98 % de CH4 dans l'air, respectivement. Nous constatons à partir de la Figure 2 que le taux de conversion du méthane augmente avec l'augmentation de la température du gaz entrant (qui est préchauffé dans un échangeur de chaleur). Une amélioration du taux de conversion est constatée quand on augmente l'énergie spécifique injectée au gaz.The results of Example I are presented in FIGS. 2 to 4 which show the conversion rate of methane in air as a function of the energy of the discharge reduced to one unit of volume of the treated gas (the specific energy ), the variable being the temperature T of the gas entering the reactor. The
Figures 2, 3 and 4 show the conversion rates for initial mixtures of 0.98, 1.98 and 2.98% CH4 in air, respectively. We see from Figure 2 that the methane conversion rate increases with increasing temperature of the incoming gas (which is preheated in a heat exchanger). An improvement in the conversion rate is noted when the specific energy injected into the gas is increased.
Exemple II. Example II.
L'éthane (C2H6) est également contenu dans les gaz naturels et dans les gaz de mines. Nous avons donc examiné le comportement de cet hydrocarbure dans des expériences de combustion assistée par décharges glissantes d'un mélange méthane + éthane. Les conditions opératoires étaient identiques à celles présentées dans l'Exemple I si ce n'est que le gaz entrant dans le réacteur était un mélange d'air pollué par 1,98 % CH4 et 0,16 % C2H6. La Figure 5 présente les résultats de la conversion du C2H6; on y constate un taux de conversion proche de 90 %. Ethane (C2H6) is also contained in natural gases and in mine gases. We therefore examined the behavior of this hydrocarbon in experiments of combustion assisted by sliding discharges of a methane + ethane mixture. The operating conditions were identical to those presented in Example I except that the gas entering the reactor was a mixture of air polluted with 1.98% CH4 and 0.16% C2H6. Figure 5 shows the results of the C2H6 conversion; there is a conversion rate close to 90%.
Exemple III.Example III.
Dans cette expérience nous montrons l'influence de la vapeur d'eau sur la décomposition assistée électriquement d'un mélange de méthane dans de l'air humide. Un mélange d'air sec contenant 2,07 % CH4 a été introduit dans le réacteur sous pression atmosphérique et à la température initiale de 450 K. In this experiment we show the influence of water vapor on the electrically assisted decomposition of a mixture of methane in humid air. A dry air mixture containing 2.07% CH4 was introduced into the reactor at atmospheric pressure and at the initial temperature of 450 K.
Dans ce mélange on a ajouté de la vapeur d'eau sous différents débits contrôlés. Comme ceci est présenté sur la Figure 6, la présence de vapeur d'eau provoque une diminution du taux de conversion du méthane. Le temps de traitement du mélange dans le réacteur était de 1,62, 2,29 ou 4,26 s. Nous constatons également que la présence de H20 dans la décharge contribue à la diminution du CO dans les produits sortants (voir Figure 7).In this mixture, water vapor was added at different controlled rates. As shown in Figure 6, the presence of water vapor causes a decrease in the methane conversion rate. The treatment time of the mixture in the reactor was 1.62, 2.29 or 4.26 s. We also note that the presence of H20 in the discharge contributes to the reduction of CO in the outgoing products (see Figure 7).
Exemple IV.Example IV.
Dans cette expérience nous montrons l'influence de la pression du gaz dans le réacteur sur la réduction des hydrocarbures dans la décharge glissante. De l'air contenant 1,94 ou 2,07 % de CH4 a été introduit dans le réacteur comme dans les Exemples I à III. Ce mélange a été traité dans une décharge glissante qui dissipait une énergie de 0,17 ou 0,29 kWh par 1 Nm de gaz. Le débit du gaz était fixé à 90 Nl/min. En agissant sur les vannes du circuit de gaz, nous pouvions maintenir une pression constante durant l'expérience entre 0,1 et 0,5 MPa. Les résultats montrent qu'une augmentation de la pression jusqu'à 0,35 MPa contribue à l'augmentation du taux de conversion du méthane. Une pression encore plus haute provoque cependant une diminution de ce taux, comme ceci est montré sur la Figure 8. L'introduction de vapeur d'eau ne semble pas influencer le taux de conversion du méthane. In this experiment we show the influence of the gas pressure in the reactor on the reduction of hydrocarbons in the sliding discharge. Air containing 1.94 or 2.07% CH4 was introduced into the reactor as in Examples I to III. This mixture was treated in a sliding discharge which dissipated an energy of 0.17 or 0.29 kWh per 1 Nm of gas. The gas flow rate was set at 90 Nl / min. By acting on the valves of the gas circuit, we could maintain a constant pressure during the experiment between 0.1 and 0.5 MPa. The results show that an increase in pressure up to 0.35 MPa contributes to the increase in the methane conversion rate. An even higher pressure, however, causes this rate to decrease, as shown in Figure 8. The introduction of water vapor does not seem to influence the methane conversion rate.
Les résultats expérimentaux présentés dans les Exemples I à IV confirment l'efficacité du procédé, objet de la présente invention, de conversion des hydrocarbures légers dans des décharges glissantes. Les produits principaux de la conversion sont C02 et H20. The experimental results presented in Examples I to IV confirm the efficiency of the process, object of the present invention, of conversion of light hydrocarbons in sliding discharges. The main products of the conversion are C02 and H20.
Il est apparu que l'élimination de l'éthane, malgré sa plus faible concentration, est plus marquée que la disparition du méthane pourtant plus concentré. En régle générale le taux de conversion de CH4 est compris entre 80 et 90 %. Pour des hydrocarbures plus lourds, le taux de conversion sera encore supérieur. Plus les hydrocarbures sont lourds, plus ce taux augmentera du fait de l'instabilité thermodynamique grandissante de telles molécules. It appeared that the elimination of ethane, despite its lower concentration, is more marked than the disappearance of methane, however more concentrated. As a general rule, the CH4 conversion rate is between 80 and 90%. For heavier hydrocarbons, the conversion rate will be even higher. The heavier the hydrocarbons, the more this rate will increase due to the growing thermodynamic instability of such molecules.
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