El proceso de deshidratación FGD mejorado reduce los residuos sólidos

En 2007, la estación WH Zimmer de Duke Energy se propuso mejorar el rendimiento general de su proceso de deshidratación de desulfuración de gases de combustión (FGD). La planta implementó una variedad de medidas, incluida la mejora de la separación de agua y sólidos, la mejora de la efectividad y confiabilidad del programa de polímeros, la optimización de los costos de tratamiento, la reducción de los desechos sólidos enviados al vertedero, la disminución de los requisitos de mano de obra y el mantenimiento de condiciones libres de sépticos en los clarificadores. Los cambios lograron reducir en gran medida la generación de desechos sólidos y lograr un ahorro anual total de más de medio millón de dólares al año.

La estación WH Zimmer de Duke Energy (Figura 1) es una central eléctrica alimentada con carbón de 1.300 MW ubicada en el río Ohio en Moscú, Ohio. La unidad entró en operación comercial en 1991 y consume aproximadamente 3,8 millones de toneladas de carbón al año. La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. exigió que la estación Zimmer eliminara un mínimo del 91 % del dióxido de azufre (SO2) de los gases de combustión sin exceder una tasa de emisión de 0,548 libras de SO2 por millón de Btu según un promedio móvil de 30 días.1. Impulsando a Ohio. Al realizar modificaciones en 2000 y 2007, la estación WH Zimmer en Moscú, Ohio, redujo drásticamente la cantidad de subproductos del depurador que deben desecharse en vertederos. Cortesía: Duke Energy

La estación está equipada con un sistema (depurador) de desulfuración húmeda de gases de combustión (FGD) mejorado con magnesio para controlar las emisiones de SO2. En 2000, el proceso de depuración se modificó para acomodar un sistema de proceso de conversión de yeso para producir yeso sintético de alta calidad que se vende a un fabricante de paneles de yeso. Antes de la modificación del depurador, los subproductos del depurador se depositaban en vertederos a un ritmo promedio de 1,7 millones de toneladas por año. La modificación de 2000 redujo la tasa de vertidos en un 77%.

En 2007, el personal de la estación se propuso mejorar aún más el rendimiento general y la eficacia del proceso de deshidratación del FGD. Un equipo formado por personal de la estación, GE Water & Process Technologies y Utter Construction trabajó estrechamente durante todo el año para identificar áreas potenciales de mejora y crear/modificar objetivos clave de rendimiento.

En la estación Zimmer, la cal mejorada con magnesio se mezcla con agua en un molino de bolas (trituradora), lo que da como resultado un proceso de producción de lechada exotérmico (que produce calor) conocido como "apagado". Luego, la "cal apagada" o "lechada" se bombea a los módulos absorbentes, donde se utiliza para neutralizar o "depurar" los gases de combustión. El pH de funcionamiento en el tanque de reacción de la torre absorbente se mantiene entre 5,7 y 6,8.

Como se señaló anteriormente, en 2000 el proceso FGD de la estación Zimmer se modificó para incluir un proceso de conversión de yeso. En un proceso de conversión de yeso, la densidad del tanque de reacción del absorbente se controla entre un 15 % y un 24 % de densidad y la "lecha gastada" se recoge en una pala dentro del módulo absorbente. Durante el proceso de conversión se instalaron una pala y una bomba de purga en la estación de Zimmer. La pala captura el lodo gastado justo debajo de la bandeja de interfaz de gas SO2/lodo, cuando tiene un pH en el rango de 5,2 a 5,5. Esta lechada gastada o "purga" se bombea directamente al tanque del oxidante.

También durante la conversión de yeso, se instalaron compresores de aire oxidante en uno de los dos tanques de almacenamiento existentes de la estación. Los compresores de aire oxidantes se utilizan para suministrar al sistema aproximadamente 300 000 lb/h de flujo de aire.

La corriente de purga del depurador ingresa al tanque de oxidación desde la parte superior, donde comienza un proceso de oxidación que implica una reacción exotérmica. La temperatura del material de la corriente de purga generalmente aumenta de aproximadamente 125 °F a un rango de 135 °F a 170 °F, dependiendo de las condiciones de operación. Se agrega ácido sulfúrico (93%) al proceso para disminuir el pH a niveles aceptables (4,5 a 5,2) para la conversión de sulfito de calcio en sulfato de calcio o yeso. La cantidad de ácido adicional requerida para la conversión depende de la cantidad de hidróxido de calcio, hidróxido de magnesio, carbonato de calcio y bisulfato sin reaccionar que ingresan al oxidante desde el depurador.

Luego, el sulfato de calcio formado en el tanque de oxidación se deshidrata mediante un banco de hidroclones a aproximadamente 26 psig. El hidroclon resultante que contiene <15% en peso de sólidos se recupera y se envía a un clarificador. Los sólidos se depositan en el clarificador y el agua regresa al sistema para usarse como agua absorbente de control de densidad en el proceso FGD.

El flujo inferior del hidroclón tiene aproximadamente entre un 60 y un 70 % en peso de sólidos y se descarga a una cinta extractora-deshidratadora horizontal, donde se lava el yeso para eliminar los cloruros y el total de sólidos disueltos. La cinta de deshidratación utiliza un soplador de vacío para eliminar la humedad adicional, lo que da como resultado un yeso de calidad de panel de yeso deshidratado hasta aproximadamente el 90 %. Luego, el yeso de calidad para paneles de yeso se almacena en la plataforma de la estación o se coloca directamente en una barcaza para su envío a una planta de paneles de yeso.

Durante la conversión del proceso FGD de lodo/fijación de sulfito de calcio (también conocido como Poz-o-tec, que es cal de cenizas volantes – lodo FGD estabilizado) al proceso actual de recuperación de yeso, el equipo tuvo que superar varios obstáculos importantes.

El estanque de la estación Zimmer se saturó con yeso y cloruros disueltos, lo que finalmente resultó en daños graves a los sistemas de eliminación de niebla/chevron del módulo absorbente. Esto resultó en problemas de disponibilidad de la unidad y frecuentes interrupciones por mantenimiento del módulo absorbente. El alto costo de las limpiezas frecuentes finalmente llevó al reemplazo completo de la bandeja superior en forma de V en los seis módulos absorbentes. Para evitar este problema, se tuvo que modificar el sistema eliminador de neblina del módulo absorbente para que solo se use agua dulce para limpiar las bandejas de chevron.

También fue imprevisto en el momento de la conversión el impacto del material inerte (óxidos de hierro y sílice) que ingresó al sistema FGD en el suministro de cal. Este material se contiene y se recupera mediante el desbordamiento del hidroclon de deshidratación por oxidación. El material inerte acumuló ciclos en el sistema FGD y, como no había una forma eficaz de eliminarlo, provocó una mala calidad del yeso. La baja densidad de este material también significaba que no se depositaría en el sistema de estanques de la estación, lo que generaba costos muy altos asociados con la eliminación del material.

Para solucionar este problema, el equipo eliminó el material inerte del clarificador mediante una bomba lateral del clarificador (CLP). El CLP toma una corriente lateral de material del clarificador y bombea el material a uno de los dos espesadores de sedimentación. Luego se añade polímero al espesante de sedimentación, lo que permite que el material inerte aumente hasta una densidad de aproximadamente 15% a 22%. El material sedimentado es empujado hacia las succiones de la bomba de flujo inferior del espesador (usando una bomba TUF). Luego, el material se bombea y se procesa mediante un sistema centrífugo y se transporta en camión al vertedero. El flujo inferior del clarificador regresa al tanque de oxidación para la recuperación del yeso.

Finalmente, muchas de las bombas, sumideros y otros equipos diversos asociados al FGD de la estación Zimmer tuvieron que modificarse para hacer frente a la sedimentación del yeso y la abrasividad del material de yeso.

En 2007, Duke Energy se propuso mejorar aún más el rendimiento general y la eficacia del proceso de deshidratación FGD. Los objetivos clave de desempeño fueron:

Mejorar la separación agua-sólidos.

Mejore la eficacia y confiabilidad del programa de polímeros y optimice los costos de tratamiento.

Mantener los sólidos de la torta de centrífuga en >31%.

Reducir el tonelaje a vertedero.

Disminuir los requisitos de mano de obra de operación.

Mantener condiciones libres de sépticos en clarificadores.

Para lograr sus objetivos, el equipo realizó mejoras en el diseño y operación del sistema FGD que incluyeron los cambios mecánicos, químicos y operativos que se analizan a continuación y se muestran en la Figura 2.

2. Proceso FGD con conversión de yeso.Este diagrama muestra una descripción general del diseño del sistema FGD de la estación Zimmer después de su modernización en 2007. Cortesía: Duke Energy

Limpieza de la Línea de Purga del FGD.Esto implicó la instalación de limpiezas y una limpieza más frecuente de las líneas de purga de la corriente de purga del FGD para mejorar la recuperación de yeso al oxidante en lugar del clarificador/espesante.

Reubicación de la bomba de succión lateral del clarificador n.° 1 y transferencia del flujo de corriente lateral a los espesadores n.° 2 o n.° 3. La bomba lateral transfiere un porcentaje de los sólidos sedimentados desde el clarificador #1 a los espesadores #2 o #3. Elevar la succión de la bomba lateral desde el fondo del clarificador n.º 1 hasta aproximadamente 15 pies da como resultado una mejora importante en la cantidad de sulfato de calcio que se captura para la recirculación de regreso al oxidante. Como resultado de cambiar la posición de la succión lateral de la bomba, el sulfato de calcio más pesado ahora se deposita en el fondo del clarificador n.° 1 (para el procesamiento continuo y la recuperación de yeso a través del tanque oxidante), y los materiales inertes más livianos se transfieren al clarificador n.° 1. Espesante 2 o 3 para concentrar.

Disminución de la cantidad de purga innecesaria de los módulos depuradores. En el pasado, cuando era necesario vaciar o purgar un módulo directamente al clarificador #1 (sin pasar por el oxidante), esta acción permitiría que una gran cantidad de sulfitos reaccionara con el lodo y, en consecuencia, causaba condiciones sépticas. Posteriormente, para ayudar a evitar que el lodo se volviera séptico en condiciones normales, se alimentó con hipoclorito de sodio (lejía) de forma continua.

Sin embargo, los operadores de la planta descubrieron que la demanda de lejía durante estas condiciones sépticas excedía la capacidad del sistema de alimentación de lejía. Además, la inyección de grandes volúmenes de lejía sólo proporcionó un alivio temporal. No era inusual que existieran condiciones sépticas durante días o incluso semanas después del vertido excesivo de módulos. El lodo séptico a menudo sería muy difícil de deshidratar (a menudo se requiere el doble de cantidad de polímero). Además, las condiciones sépticas a menudo provocaron quejas de operadores y vecinos.

Sin embargo, recientemente, después de mejorar las comunicaciones generales entre las operaciones de FGD y el contratista de deshidratación de lodos (Utter Construction), la cantidad de situaciones sépticas se redujo y prácticamente se eliminó. La práctica actual es notificar al contratista de deshidratación con anticipación sobre los vertidos de módulos y así evitar condiciones operativas que puedan conducir a condiciones sépticas, y tratar con lejía cuando se presente la condición.

Instalación de Nuevo Sistema de Reposición de Polímero Seco.El sistema de llenado de polímero seco fue reemplazado por una nueva unidad automatizada que proporciona una operación de deshidratación general más eficiente y confiable (Figura 3).3. Reducir costes. El nuevo sistema automatizado de preparación de polímero seco reduce los gastos al aumentar la eficiencia de la operación de deshidratación. Cortesía: Duke Energy

Instalación de Nuevas Centrífugas con Back Drives. Después de experimentar con algunas centrífugas más nuevas, el contratista de deshidratación optó por experimentar con algunas centrífugas de alquiler con accionamiento trasero. Estas nuevas centrífugas brindan un funcionamiento consistente y confiable y sólidos de torta más secos. Al final se compraron nuevas centrífugas.

Cuando la unidad volvió a funcionar después de la parada de la primavera de 2007, hubo una reducción inmediata en la cantidad de toneladas de material de vertedero descargadas del proceso centrífugo. Esta reducción estuvo directamente relacionada con la reubicación de la succión lateral de la bomba del clarificador #1 (toma de fondo), el cambio en la tecnología de centrífuga y la optimización de los polímeros de deshidratación. La cantidad de material enviado al vertedero disminuyó de un promedio de 733,5 toneladas/día a 489,9 toneladas/día, lo que sumó un ahorro anual de $256,500 en costos de vertedero (Figura 4).4. Una desaceleración en la generación de lodos. Este gráfico ilustra el número de toneladas de lodo enviadas por la Estación Zimmer al vertedero mensualmente durante el período de evaluación del 1 de mayo de 2006 al 31 de julio de 2008. Las cifras revelan una gran reducción general en el volumen de lodo eliminado durante los últimos 12 meses del período de evaluación. Cortesía: Duke Energy

Las centrífugas de prueba que se instalaron durante la parada de la primavera de 2007 no funcionaron tan bien como se esperaba y dieron como resultado un mayor consumo de polímero y una disminución de los sólidos de la torta. Por lo tanto, el equipo decidió abandonar las centrífugas de prueba y alquilar centrífugas con accionamiento trasero. Se obtuvo una mejora inmediata tanto en los sólidos de la torta como en el consumo de polímeros. Al final, Utter Construction compró nuevas centrífugas con accionamiento trasero. Los sólidos del pastel mejoraron aproximadamente un 3% durante el período asociado con esta evaluación. Actualmente, los sólidos de la torta operan en el rango alto del 40 % en promedio para ambas centrífugas (Figuras 5 a 8).5. Un pedazo de pastel. El cambio a centrífugas con accionamiento trasero condujo a una marcada mejora en el consumo de sólidos de la torta y polímeros. Los datos mostrados son de la Centrífuga No. 1. Cortesía: Duke Energy6. Un éxito sólido.Los sólidos de la torta mejoraron aproximadamente un 3% durante el período de evaluación del 1 de mayo de 2006 al 31 de julio de 2007. Los datos mostrados provienen de la Centrífuga No. 2. Cortesía: Duke Energy7. Menos es más. El nuevo sistema de drenaje automatizado proporciona una operación de drenaje más eficiente y confiable. Cortesía: Duke Energy8. Reducir el uso de polímeros. La reducción del consumo de polímeros se traduce en un mayor ahorro en costes operativos. Cortesía: Duke Energy

Se añade polvo de horno de cal (LKD) al lodo a medida que se descarga de las centrífugas a través de un molino de barro. LKD se utiliza simplemente para aumentar la sequedad del lodo antes de enviarlo al vertedero. La cal guijarro realiza la misma función pero se usa los fines de semana en lugar de LKD para evitar las horas extras asociadas con la operación del molino de barro. La cal granulada se mezcla con el lodo mediante un cargador frontal antes de cargar los camiones para el vertedero.

La disminución del tonelaje de los vertederos combinado con el aumento de los sólidos de la torta y la reducción resultante del uso de LKD y cal granulada han resultado en ahorros anuales adicionales de $310,356 (Tabla 1), para un ahorro anual total de $566,856.Tabla 1. Una medida para ahorrar dinero. Al reducir significativamente la cantidad de toneladas de sólidos centrífugos enviados al vertedero cada año, la Estación Zimmer ha podido lograr ahorros sustanciales. El proceso de deshidratación también evita quemar 2.800 galones de combustible diésel. Cortesía: Duke Energy

—Craig Moyer ([email protected]) es el coordinador de FGD en la estación Zimmer de Duke Energy. Juan Fernández ([email protected]) y Bob Carraro ([email protected]), gerente de área, ambos trabajan en GE Water & Process Technologies.

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