1

M E M O RAND U M

T O: A n d r e w B o u c h a r d a n d B r e n d a S h i n e , E P A

F R O M: D o nn a

L azza r i

, J a s o n R e n za g l i a

, M ae T h o m a s , E R G

DA TE : J a n u a r y 20

, 2012

S U B J E CT : D e s i g n C r i t e r i a f o r C o m b u s t i o n

1

. 0 I N T R O DUC T I O N

I n li e u o f c o n du c t i n g a p e r f o r m a n c e t e s t o n a c o n t r o l d e v i ce

, s o m e N a t i o n a l E m i ss i o n

S t a n d a r d s f

o r H aza r d o u s A i

r P o l l u t a n t s ( N E S H A P ) a l l o w a n o w n e r o r o p e r a t o r t o c o n du c t a

d e s i g n e v a l u a t i o n t o s h o w t h a t t h e c o n t r o l d e v i c e ac h i e v e s t h e r e q u i r e d e mi ss i o n l im it du r i n g

e x p e c t e d c o n d i t i o n s . T h e d e s i g n e v a l u a t i o n r e q u i r e s d o c u m

e n t a t i o n o f t h e v e n t s t r ea m

c o m p o s i t i o n e n t e r i n g e ac h c o n t r o l d e v i c e

, i n c l u d i ng f l o w

, r e g u l a t e d m a t e r i a l c o n c e n t r a t i o n

,

o t h e r s i t e

- s p e c i f i c i n f o r m a t i o n f

o r eac h c o n t r o l d e v i ce

, a n d a d i s c u s s i o n o f h o w t h e s e

o p e r a t i n g p a r a m

e t e r s a ff ec t t h e d e s t r u c t i o n e f

f i c i e n c y o f t h e d e v i ce

.

F o r a c o m

b u s t i o n un i t

, 40 C F R 63

, S u b p a r t SS ( G M A C T ) r e qu i r e s t h e d e s i g n

e v a l u a t i o n t o c o n s i d e r t h e a u t o i gn i t i o n t e m p e r a t u r e o f t h e s t r ea m b e i ng c o m b u s t e d

, t h e f

l o w

r a t e o f t h e s t r ea m

, t h e c o m b u s t i o n t e m

p e r a t u r e

, a nd t h e r e s i d e n ce t im e a t t h e c o m b u s t i o n

t e m p e r a t u r e

. T h e G M A C T a l s o a l l o w s a n o w n e r o r o p e r a t o r ( o f a n e n c l o s e d c o m

b u s t i o n

d e v i ce c o n t r o lli ng s t o r a g e v e ss e l s o r t r a n s f e r r ac k s ) t o f

o r e g o a l l o t h e r c o n s i d e r a t i o n s i n t h e

d e s i g n e v a l u a t i o n i f t h e c o m b u s t i o n un it h a s a mi n i m

u m r e s i d e n ce t im e o f 0

. 5 s ec o n d s a n d a

m i n i m u m t e m p e r a t u r e o f 760 d e g r ee s C e l s i u s ; t h e o w n e r o r o p e r a t o r i s o n l y r e q u i

r e d t o

d o c u m e n t t h a t t h e s e s p e c i f

i c c o n d i t i o n s e x i s t . T r a d it i o n a ll y

, b o il e r s a n d p r o ce ss h e a t e r s h a v e

b e e n e x e m

p t f r o m p e r f o r m a n ce t e s t r e qu i

r e m e n t s b eca u s e o f t h i s p a r t i c u l a r r e s i d e n ce t im e a n d

t e m p e r a t u r e c r i t e r i a p r o v i s i o n

.

E R G c o n du c t e d a n i n v e s t i g a t i o n t o d e t e r mi n e w h e t h e r t h e r e s i d e n c e t im e a n d

t e m p e r a t u r e c r i t e r i a ( 0

. 5 s ec o n d s a n d 760 ° C ) f o r a c o m b u s t i o n d e v i c e e n s u r e s a h i g h l e v e l o f

d e s t r u c t i o n f

o r a ll t y p e s o f c h e m i ca l s t h a t c o u l d b e e n c o u n t e r e d i n t h e c h e m i c a l i ndu s t r y . T h i s

m e m o r a n d u m p r o v i d e s t h e r e s u l t s o f t h i s i n v e s t i g a t i o n

.2

T h i s m e m o r a n d u m i s o r g a n i ze d a s f o l l o w s :

1

. 0 I n t r o du c t i o n

2

. 0 I n v e s t i g a t i o n D i s c u s s i o n

3

. 0 A n a l y s i s a n d R ec o mm e n d a t i o n

4

. 0 R e f

e r e n c e s

2

. 0 I n v e s t i ga t i o n D i s c u ss i o n

A s a g e n e r a l g u i d e l i n e

, p a s t m e t h o d s f o r d e t e r mi n i n g t h e d e s i g n o r o p e r a t i n g

t e m p e r a t u r e o f a n i n c i n e r a t o r s ugg e s t t h a t t e m p e r a t u r e s h ou l d b e m a i n t a i n e d s e v e r a l h u n d r e d

d e g r ee s F a h

r e n h e i t a b o v e t h e v o l a t il e o r g a n i c c o m p o u n d ( VO C ) a u t o i g n it i o n t e m p e r a t u r e

( C o o p e r

, 200 2 )

. H o w e v e r

, m o r e p r ec i s e m e t h o d s h a v e b e e n d e v e l o p e d u s i ng e x p e r im e n t a l

d a t a f r o m c o m b u s t i o n t e s t s. T h e m

o s t s t r a i g h t f

o r w a r d m e t h o d u s e s a r e l a t i o n s h i p b e t w ee n t h e

a u t o i g n i t i o n t e m p e r a t u r e o f t h e VO C b e i ng c o m b u s t e d

, t h e r e s i d e n ce t im e

, a n d t h e d e s t r u c t i o n

e ff i c i e n c y r e q u i r e d . T a b l e 1 s h o w s h o w t h e d e s t r u c t i o n e f f i c i e n c y i n c r ea s e s a s y o u i n c r ea s e

t h e r e s i d e n ce t im e a n d t h e t e m p e r a t u r e a b o v e t h e a u t o i g n it i o n t e m p e r a t u r e ( L e w a n d o w s k i

,

2000 )

.

T a b l e 1

. V O C D e s t r u c t i o n E ff i c i e n c y v s

. T e m p e r a t u r e a nd T i m e

V O C

D e s t r u c t i o n E ff

i c i e n c y

( % ) D e g ree s A b ov e

A u t o i g n i t i o n T e m p er a t u re

( ° F ) R e s i d e n ce

T i m e

( S ec )

95 300 0 .5

98 400 0 .5

99 475 0

. 75

99 .9 550 1 .0

99

. 99 650 2 .0

T h e r e i s a l s o a m e t h o d f o r p r e d i c t i n g d e s t r u c t i o n e ff i c i e n c y w h i c h d e v e l op s a f i r s to r d e r r a t e c o n s t a n t f

o r h y d r o ca r b o n i n c i n e r a t i o n a nd i n c l u d e s a s t e r i c f

ac t o r t o acc o u n t f

o r t h e

f ac t t h a t s o m

e m o l ec u l a r c o l l i s i o n s a r e n o t e ff ec t i v e i n p r o du c i n g r eac t i o n s b e ca u s e o f

m o l ec u l a r g e o m e t r y ( C oo p e r

, 2002 )

. A n o t h e r m e t h o d

, d e v e l o p e d u s i n g e x p e r i m e n t a l d a t a

,

s h o w s t h a t p r e d i c t i n g a t e m p e r a t u r e t h a t w o u l d ac h i e v e 99 % o r 99

. 9 % d e s t r u c t i o n e f f i c i e n c y

o f a VO C i s d e p e n d e n t o n a n u m b e r o f p r o p e r

t i e s o f t h e VO C b e i ng c o m b u s t e d

. T h e s e

p r o p e r t i e s i n c l u d e : a u t o i g n i t i o n t e m p e r a t u r e

, r e s i d e n ce t im e

, t h e r a t i o o f h y d r o g e n t o ca r b o n3

a t o m s i n t h e m

o l ec u l e

, t h e p r e s e n c e o f a r o m a t i c r i ng s t r u c t u r e s o r d o ub l e b o n d s

, a n d p r e s e n ce

o f s u l f u r o r n i t r o g e n a t o m s

. B o t h o f t h e s e m e t h o d s g i v e m

o r e p r e c i s e

, b u t s i mi l a r r e s u l t s t o

t h o s e p r e s e n t e d i n

T a b l e 1

.

3

. 0 A n a l y s i s a nd R ec o mm e nd a t i o n

A ss u m i ng a r e s i d e n ce t im e o f 0

. 5 s ec o n d s , E R G d e t e r mi n e d t h e s p e c i f i c t e m p e r a t u r e s

t h a t w o u l d b e r e q u i

r e d t o ac h i e v e t h e p r e d i c t e d d e s t r u c t i o n e ff i c i e n c i e s f

o r s e v e r a l c o m

p o u n d s

b a s e d o n t h e i n f

o r m a t i o n p r o v i d e d i n

T a b l e 1 ( s ee T a b l e 2 )

. T h e c o m p o u n d s c h o s e n f

o r t h i s

a n a l y s i s h a v e r e l a t i v e l y h i g h a u t o i g n it i o n t e m p e r a t u r e s a n d a r e c o m m

o n l y f ou n d i n t h e

c h e m i ca l p r o ce ss i n d u s t r y

. A t t h e s e c o n d it i o n s

, t h e r e i s 95

- 98 % d e s t r u c t i o n e f f i c i e n c y o f m

o s t

o r g a n i c c o m

p o u n d s ; h o w e v e r , T a b l e 2 r e v e a l s t h a t s o m e o r g a n i c c o m p o u n d s w o u l d n ee d a

h i g h e r t e m

p e r a t u r e t h a n t h e G M A C T t e m p e r a t u r e c r it e r i a o f 760 ° C ( 140 0 ° F ) i n o r d e r to

e n s u r e a h i g h l e v e l o f d e s t r u c t i o n

.

T a b l e 2

. T h e r m a l D e s t r u c t i o n E ff i c i e n c y ( D E ) o f

S e l ec t e d O r ga n i c C o m p o und s

C o m p o un d A u t o i g n i t i o n

T e m p e r a t u r e

( ° F ) + 300 ° F

{ 9 5 % D E P re d i c t i o n }

( ° F ) + 400 ° F

{ 9 8 % D E P re d i c t i o n }

( ° F )

A c e t one 1000 1300 1400

A c y l on i t r i le 898 1198 1298

B e n z e ne 1075 1375 1475

C h l o r o b e n ze ne 1245 1545 1645

P h e n ol 1319 1619 1719

T o l u e ne 1026 1326 1426

X y l e ne 924 1224 1324

F u r t h e r m o r e

, t h e E P A A i

r P o ll u t i o n C o n t r o l

T e c hn o l og y F a c t S h ee t f o r a t h e r m a l

i n c i n e r a t o r ( U

. S

. E P A

, 2003 ) s t a t e s t h a t t h e t y

p i c a l d e s i g n c o n d it i o n s n e e d e d t o m ee t 98 % o r

g r ea t e r c o n t r o l o r a 20 p a r t s p e r mi ll i o n b y v o l

u m e ( pp m v ) c o m

p o u n d e x it c o n c e n t r a

t i o n a r e :

870 ° C ( 1600 ° F ) c o m

b u s t i o n t e m

p e r a t u r e

, 0

. 75 s ec o n d r e s i d e n ce t im e

, a n d p r o p e r mi x i ng

.

F o r h a l o g e n a t e d VO C s t r ea m s

, 1100 ° C ( 2000 ° F ) c o m b u s t i o n t e m

p e r a t u r e a n d 1

. 0 s e c o n d

r e s i d e n ce t im e a r e r e q u i

r e d

.4

B a s e d o n t h e s e f

i n d i ng s , E R G r ec o mm e n d s t h a t t h e p r o p o s e d U n i f o r m S t a n d a r d

r e q u i r e c o n s i d e r a t i o n o f t h e a u t o i g n i t i o n t e m p e r a t u r e a n d r e s i d e n ce t im e w h e n d e v e l op i ng

r a t i o n a l e f

o r a d e s i g n e v a l u a t i o n t o s h o w t h a t a c o m bu s t i o n d e v i ce m ee t s t h e a pp li ca b l e

c o n t r o l e ff

i c i e n c y . T h e o w n e r o r o p e r a t o r m a y d e t e r mi n e t h a t t h e a pp r o p r i a t e t e m p e r a t u r e a n d

r e s i d e n ce t im e a r e 760 ° C a n d 0

. 5 s ec o n d s f o r t h e i r e q u i p m e n t a n d p r o ce s s ; h o w e v e r

, u n d e r

t h e p r o p o s e d r u l e

, t h e o w n e r o r o p e r a t o r s h ou l d h a v e t o p r o v i d e t h e r a t i o n a l e i n t h e i r d e s i g n

e v a l u a t i o n d o c u m

e n t a t i o n.

4

. 0 R e f

e re n ce s

C o o p e r

, D

. , a n d F

. C

. A ll e y

. 2002

. A i r p o ll u t i o n c o n t r o l : A d e s i g n a pp r o ac h

. L o n g G r o v e

, I L :

W a v e l a n d P r e ss

, I n c

.

L e w a n d o w s k i

, D

. 2000

. D e s i g n o f t h e r m a l o x i d a t i o n s y s t e m s f

o r v o l a t il e o r g a n i c c o m

p o u n d s

. B o ca R a t o n

, F L : CRC P r e ss

.

U

. S

. E P A

. 200 3

. A i

r p o ll u t i o n c o n t r o l t ec hn o l og y f ac t s h ee t

. E P A

- 452 / F

- 03

- 022

.