Ionisatie

Synoniemen, afkortingen en/of procesnamen

—  Plasmazuivering
—  Aerox-injector
—  Actieve zuurstofinjectie

Verwijderde componenten

—  Geur
—  (VOS)
—  (Stof)

Principeschema

 

Procesbeschrijving

De lucht of de te zuiveren gasstroom wordt door een reactorkamer geleid, en hierin door middel van elektrodes onderworpen aan een zeer sterk elektrisch wisselveld (meerdere tientallen kV, 20 – 30 kV [7]). Als gevolg van de optredende elektrische ontladingsreacties, komt de gasstroom terecht in een toestand die gekend staat als ‘koud plasma’. In een koud plasma zijn de gasmoleculen aanwezig onder vorm van ionen, vrije elektronen, radicalen en andere hoogreactieve species. Er treedt echter geen noemenswaardige temperatuursstijging op.

De hoogreactieve componenten in het koud plasma zorgen voor een afbraak en (partiële) oxidatie van de aanwezige verontreinigingen. De meest actieve species in dit proces zijn N, O en OH radicalen. Deze worden gevormd uit stikstof (N2), zuurstof (O2) en water (H2O).

Indien de gasstroom rechtstreeks in de plasma reactor wordt gestuurd, gedraagt deze zich als een elektrostatische precipitator met een stofverwijderingsefficiëntie van > 90 %. Om de reactor proper te houden moet in dat geval een (zelf)reinigingsysteem voorzien worden. De reiniging kan gebeuren door vibratie, perslucht of water. Bij stofvrije luchtstromen is dit reinigingssysteem niet noodzakelijk.

Bij te hoge temperaturen, te hoge stofconcentraties of corrosieve gassen kan het noodzakelijk zijn om een zijstroom (lucht) te ioniseren en deze luchtstroom in de hoofdstroom te injecteren. Het hoog reactief gas reageert dan met de polluenten. Omdat de ingebrachte gasstroom een volume heeft van 10 – 20 % van de hoofdgasstroom, is het uitgaand debiet ca. 10 – 20 % groter dan het ingaand debiet, zodat er sprake is van een zekere verdunning.

Bij rechtstreekse behandeling is verwijdering van organische stoffen mogelijk. In geval van injectie van een geïoniseerde luchtstroom krijgt men voornamelijk een modificering van de geurmoleculen en in mindere mate een verwijdering van de organische vracht.

Varianten  

Na de eigenlijke ionisatiestap kan de luchtstroom nog over een katalysator geleid worden. Deze werkt op kamertemperatuur en zorgt voor een verwijdering van de aanwezige ozon en zorgt voor een verdere oxidatie van de te verwijderen componenten. Bij sommige uitvoeringsvormen (bv. Plasmacat technologie) is dergelijke katalysator standaard aanwezig, bij andere (bv. AAP technologie) is deze als optie beschikbaar. Deze katalysatoren zijn dikwijls van het type actieve kool.

De vormgeving en configuratie van de elektrodes en de aard van de gebruikte materialen verschilt van technologie tot technologie en is meestal door patenten beschermd.

Deze techniek kan ook in zijstroom worden gebruikt indien de werkingsvoorwaarden directe ionisatie niet toelaten. Werking in zijstroom is meestal minder efficiënt dan rechtstreekse ionisatie. Haalbaarheidstests zijn aangewezen om het rendement te achterhalen.

Werkingsgraad

De bereikte geurreducties zijn afhankelijk van de toepassing en de aard van de installatie (in-line of via zijstroom).

Uit verschillende sectoren kunnen voorbeelden van behaalde resultaten via directe behandeling van de luchtstroom worden aangehaald. [3]

—  Afvalwaterzuivering:          99,7 % geurreductie (van 80 000 ge/m³ naar 200 ge/m³ met aanwezigheid van H2S,
      mercaptanen en andere geurcomponenten)
—  Voedingsindustrie:            > 99,9 % geurreductie (van extreem doordringend geurend naar geurloos)
—  Veevoederindustrie:          > 97 % geurreductie (van 7 000 – 35 000 ge/m³ naar 100 – 200 ge/m³)
—  Visvoederindustrie[5]:       80 – 90 % geurreductie (van 15 000 – 40 000 ge/m³ naar 1 600 – 4 600 ge/m³)
—  Tabakindustrie:                97 % geurreductie (van 17 000 ge/m³ naar 500 ge/m³)
—  Tolueen verwijdering:      90 % (van 100 mg/m³ naar 10 mg/m³)

Geurreductie in zijstroom is eveneens afhankelijk van de toepassing en varieert volgens olfactrometrische testen tussen 70 en 98 %. Enkele voorbeelden van behaalde resultaten uit verschillende sectoren. [1]

—  Kippenvoederindustrie:   98 % geurreductie (van 53 000 ge/m³ tot 1 000 ge/m³)
—  Chipsproductie:                80 % geurreductie (van 100 000 ge/m³ tot 20 000 ge/m³).

Bij de houtverwerkende industrie zijn rendementen van 97 – 99,9 % haalbaar op VOS bij startconcentraties van enkele g/m³ bij toepassen van plasmaoxidatie [7].

De te verwachten rendementen liggen meestal tussen 60 en 90 %, op basis van olfactometrische metingen. Piloottests zijn aangewezen om het rendement te bepalen voor investering en implementaties op grote schaal.

Randvoorwaarden

—  Debiet: 20 tot 200 000 m³/h (debieten in referentie-installaties: 1 500 tot 175 000 m³/h)
—  Temperatuur:        20 – 80 °C. Hogere temperaturen zijn toelaatbaar als in zijstroom wordt gewerkt. Volgens BBT [7]
      zijn temperaturen tussen  30 – 120 °C bij plasma- oxidatie toelaatbaar.
—  Vooral geschikt voor gasstromen met lage energie-inhoud (lage VOS-concentraties), o.w.v. het lagere energieverbruik
      in vergelijking met naverbranders.
—  Relatieve vochtigheid:   niet te hoog wegens risico op condensatie en kortsluiting een een verhoogde vochtigheid
      verbetert de werking in zijstroom
—  Druk:   atmosferisch
—  Stof:  de gasstroom moet relatief weinig stof bevatten. De ionisator zal zich dan immers gedragen als elektrostatische
      precipitator.

Hulpstoffen

De katalysator voor de generatie van de actieve zuurstofradicalen heeft een standtijd van ca. 8 000 bedrijfsuren en is regenereerbaar [1].

Milieu-aspecten

In het elektrisch veld ontstaat ozon als nevenproduct. Indien deze niet volledig weg- reageert, kan dit aanleiding geven tot emissies van ozon via de behandelde gasstroom. Ozon heeft een kenmerkende geur en kan, in hoge concentraties, schadelijk zijn voor de gezondheid. Onder normale atmosferische condities wordt ozon echter snel omgevormd tot zuurstof. Bij naschakeling van een katalysator (zie varianten) zou de ozon volledig wegreageren in de installatie. In industriële toepassingen blijft de ozonemissie onder 1 ppm.

NOx en SOx worden niet in detecteerbare hoeveelheden gevormd.

Als afvalwater komt een kleine hoeveelheid spoelwater vrij die gebruikt werd om de reactor proper te maken. Bij aanwezigheid van stof kan een vaste afvalstof worden gevormd.

Energieverbruik

Voor de opwekking van het koud plasma bedraagt het energieverbruik, afhankelijk van de toepassing en de aard van de installatie:

—  0,24 tot 2,5 kWh per 1 000 m³ behandelde lucht [3].
—  0,5 tot 3 kWh per 1000 m³ behandelde lucht [7]

Voor toepassingen in geurbestrijding moet eerder met de lagere cijfers uit dit bereik gerekend worden. Het verbruik is afhankelijk van de concentratie en type van de te verwijderen component en van de luchtvochtigheid.

Voor de opwekking van de actieve zuurstof in zijstroom wordt ca. 10 kWh voor een installatie van 18 000 m³/h verbruikt, ofwel 0,55 kWh per 1 000 m³ behandelde lucht.

Daarnaast dient ca. 10 - 20 % extra energieverbruik ingerekend voor de ventilator.

Kostprijs

Directe ionisatie via plasmabehandeling [5]

  • Investering
    De grootte van de investering is volgens de leveranciers sterk toepassingsafhankelijk. Voor een installatie met behandeling van 20 000 tot 25 000 m³/h dient gerekend op ca. 130 000 EUR
  • Werkingskosten
    — 
    Personeelskosten: beperkt
    —  Hulp & reststoffen:   beperkt
    —  Energiekosten:  ca. 0,03 tot 0,25 EUR per 1 000 m³ behandelde lucht
    —  Totale werkingskosten worden geschat op 3 – 5 % van de installatiekost.

Ionisatie in zijstroom [1]

  • Investering
    Investeringskost: 2 500 – 5 000 EUR/1 000 Nm³/h waarvan
    —  ca. 2 000 EUR voor de injector
    —  ca. 500 EUR voor de katalysator (8 000 uur standtijd)
  • Werkingskosten
    —  Personeelskosten:             beperkt (1 mandag per (half) jaar)
    —  Hulp & reststoffen:          ca. 500 EUR per 8 000 uur (vervanging katalysator)
    —  Energiekosten:                 ca. 0,05 EUR per 1 000 m³ behandelde lucht

Rechtstreekse ionisatie [6]

Volgende ranges zijn opgegeven qua kostprijs en werkingskosten.

Ionisatie voor geurverwijdering en desinfectie      
Debiet 1 000 10 000 100 000
Investering (EUR) 1 300 8 100 58 800
Werking (EUR):      
- materiaalvervanging 400 EUR/2jaar 3 200 EUR/2jaar 22 300 EUR/2jaar
- elektriciteitsverbruik 25 W 300 W 2,8 kW
Max. VOS conc. (mg/m3)

Zeer laag

Zeer laag Zeer laag
Maximum geurrendement  (olfactometrisch) 80 – 90 % 80 – 90 % 80 – 90 %
Max. temperatuur (°C) 60 60 60
Max. relatieve vochtigheid (%) 95 95 95

Ionisatie via bypass [6]

Volgende ranges zijn opgegeven qua kostprijs en werkingskosten.

Ionisatie in bypass voor geurverwijdering      
Debiet 1 000 10 000 100 000
Investering (EUR) 1 585 10 600 68 200
Werking (EUR):      
- materiaalvervanging 450 EUR/2jaar 4 200 EUR/2jaar 27 000 EUR/2jaar
- elektriciteitsverbruik 45 W 400 W 3,7 kW
Max. VOS conc. (mg/m3) Zeer laag Zeer laag Zeer laag
Maximum geurrendement (olfactometrisch) 80 – 90 % 80 – 90 % 80 – 90%
Max. temperatuur (°C) Geen beperking Geen beperking Geen beperking

Max. relatieve vochtigheid (%)

Geen beperking Geen beperking Geen beperking

Toepassingen

De eerste prototype toepassingen van plasma-oxidatie voor luchtzuivering op industriële schaal dateren van de tweede helft van de jaren ’80. Sinds het midden van de jaren ’90 wordt de technologie volop gecommercialiseerd. Inmiddels zijn er voor geurbestrijding reeds meerdere tientallen installaties in gebruik, ondermeer in volgende sectoren:

—  afvalwaterzuivering (RWZI, voedings-, chemische en lederindustrie);
—  slibcompostering;
—  tabaksindustrie;
—  voedingsindustrie;
—  visvoederindustrie;
—  diervoederindustrie;
—  slachthuizen;
—  graan- en soyaverwerking;
—  aardappelverwerking (chipsproductie).

Naast geurbestrijding kan de techniek ook geschikt zijn voor verwijdering van lage concentraties solventen (met inbegrip van gehalogeneerde solventen), b.v. uit afgasstromen van de verf-, vernis en drukindustrie. Hier bestaat echter minder ervaring mee op industriële schaal.

Voor- en nadelen

  • Voordelen
    — 
    Compact systeem
    —  Zowel binnen als buiten te plaatsen
    —  Aan- en uitschakeling naar behoefte (geringe opstarttijd)
    —  Relatief eenvoudige bedrijfsvoering
    —  Weinig gevoelig voor variaties in de gasstroom
    —  Het ionisatieproces heeft plaats bij lage temperatuur.
    —  Lage energieverbruik in vergelijking met naverbranders (voor gasstromen met lage energie-inhoud)
    —  Bij werking in bypass weinig gevoelig aan stof
  • Nadelen
    — 
    Een voorafgaande test is aangewezen om na te gaan of de techniek geschikt is voor een specifiek
          emissieprobleem.
    —  Is enkel geschikt voor VOS-verwijdering als direct op de gastroom kan worden toegepast.
    —  Risico op elektromagnetische straling. Dit risico is beperkt als de behuizing in metaal wordt uitgevoerd.

Referenties

  1. Factsheets luchtemissie beperkende technieken, Actief zuurstofinjectie, www.infomil.nl, Infomil
  2. The Aerox-injector, www.aerox.nl, Aerox
  3. Plasmacat Waste Gas treatment, www.plasmacat.com, Up-To-Date Environmental Engineering
  4. Plasma technology, www.app.no, Applied Plasma Physics
  5. Non-thermal plasma treatment of odour, Fact-Sheet submitted to the European IPPC Bureau as a contribution to the Information Exchange on BAT for the Food, Drink and Milk BREF, NOAS Miljøkompetanse as, 2003
  6. leveranciersinfo
  7. A. Jacobs, B. Gielen, I. Van Tomme, Ch. De Roock en R. Dijkmans., “Beste Beschikbare Technieken voor de houtverwerkende nijverheid”, oktober 2003