Húmedo

A principios de 2019, Power Engineering publicó un informe sobre una química que puede mejorar significativamente la reactividad de la piedra caliza y la eliminación de dióxido de azufre (SO2) en sistemas de desulfuración húmeda de gases de combustión (WFGD). [1] El artículo describe una aplicación a gran escala en una planta alimentada con carbón en el este de EE. UU. donde la química mejoró la eficiencia de la depuración. Esto, a su vez, permitió a los operadores reducir la cantidad de bombas de recirculación (reciclado) de lodo, lo que proporcionó ahorros en costos operativos y de mantenimiento.

Además, con menos bombas de reciclaje en funcionamiento, se redujo la contrapresión en la unidad, lo que redujo la carga del ventilador de refuerzo y de ID. La capacidad de reducir la carga eléctrica parásita mejora la tasa de calor de la planta, lo que podría permitir a algunas plantas un mayor acceso a la red, según la norma de Energía Limpia Asequible (ACE). [2] Esto puede permitir que algunas plantas permanezcan abiertas, salvando empleos locales. El uso posterior del producto químico patentado en otras plantas ha logrado resultados similares y más.

Este artículo describe los datos de la aplicación de esta química en City Water, Light & Power (CWLP) en Springfield, Illinois. Aunque la producción de energía a carbón en Estados Unidos ha disminuido, todavía queda un grupo central de plantas. Ahora más que nunca, las plantas restantes enfrentan el desafío de encontrar formas creativas de reducir los costos operativos y al mismo tiempo mejorar el rendimiento de la planta.

Una revisión rápida

Figura 1. Diagrama de flujo del proceso DGC de piedra caliza húmeda, torre de pulverización.

Para resumir brevemente, los principales procesos mecánicos y químicos en los depuradores de piedra caliza húmeda son los siguientes:

Figura 2. Deshidratación de subproductos del depurador en un filtro de tambor de vacío. Foto cortesía de City Water, Light & Power.

La eficiencia y la integridad de las reacciones dependen de la cinética y de varios factores químicos y mecánicos importantes, entre los que destacan:

En muchas plantas, es posible obtener beneficios significativos si se puede mejorar la absorción de SO2 y la reactividad de la piedra caliza. Una ventaja es la reducción de la carga del equipo rotativo (y los correspondientes costos de operación y mantenimiento) gracias a la capacidad de apagar una o más bombas de reciclaje durante el funcionamiento normal. Esta posibilidad se ha demostrado en aplicaciones a gran escala, incluida la planta de la referencia 1.

Un segundo beneficio potencial tiene que ver con la selección de piedra caliza. Algunas plantas no tienen fácil acceso a calizas de alta pureza. La piedra puede contener una concentración significativa de dolomita (MgCO3∙CaCO3) o materiales inertes que inhiben la reactividad. Por tanto, se necesitan métodos complementarios para potenciar las reacciones.

Un método común utilizado durante años es la adición de ácido dibásico (DBA) a las corrientes del proceso de depuración, pero, como se describe a continuación, la nueva tecnología ha mejorado significativamente esta química. El ácido dibásico es un nombre genérico para una mezcla de ácidos dicarboxílicos de cadena relativamente corta (dos grupos funcionales COOH), que agregan iones de hidrógeno (H+) para ayudar en la disociación de la piedra caliza y circulan a través del proceso para continuar ayudando con la química de absorción de SO2. . Sin embargo, la disponibilidad, el costo e incluso la eficiencia del DBA lo convierten en una química poco ideal.

El producto patentado ChemTreat, FGD1105, exhibe una capacidad de amortiguación mucho mejor, como se describe en los cuadros a continuación.

Figuras 3a y 3b. Una comparación de las capacidades de amortiguación de los productos químicos que mejoran los depuradores. Datos proporcionados por ChemTreat.

FGD1105 tiene una capacidad tampón significativamente mayor que el DBA cuando se titula con ácidos sulfúrico y clorhídrico, y una capacidad mucho mayor que las otras alternativas principales, los ácidos fórmico y láctico. La capacidad de amortiguación es una propiedad crítica de estos productos. El personal de CWLP ha probado los tres aditivos que se muestran en el cuadro 3b y ha observado y documentado las propiedades especiales de FGD1105 y su mejora de rendimiento superior.

En plantas con requisitos de emisiones de SO2 más estrictos que los que puede cumplir el diseño original del depurador, los aditivos mejorados pueden proporcionar un aumento adicional de la eficiencia. Por ejemplo, en CWLP, la eliminación de SO2 del 95 % es el máximo que se puede lograr en las condiciones de diseño originales. Es necesario un aditivo para obtener una eliminación del 97-98%. Sobre la base de este concepto, otro beneficio muy significativo en algunas plantas es que la reactividad química mejorada puede permitir el uso de carbón con mayor contenido de azufre y menos costoso que el carbón con menor contenido de azufre, cuyo costo de material podría ser el mismo pero proviene de mucho más lejos, lo que aumenta el transporte. costos. Los costos de combustible más bajos aumentan dramáticamente las oportunidades para que las plantas sean enviadas, mejorando así la viabilidad de la planta y el empleo local continuo en la instalación.

La experiencia CWLP

El personal de CWLP comenzó a evaluar el FGD1105 como una posible alternativa al DBA en la Unidad 4 en el otoño de 2019. La Unidad 4 es un generador de vapor de pared opuesta de 230 MW con carbón extraído localmente como combustible. La unidad cuenta con un sistema completo de control de calidad del aire (AQCS), que consta de un sistema de reducción catalítica selectiva (SCR) para la reducción de óxidos de nitrógeno (NOx), un filtro de tela de chorro pulsado (casa de bolsas) para la eliminación de partículas y un sistema WFGD con un Absorbedor de 620.000 galones. Se han inyectado directamente en el absorbente aditivos depuradores como DBA para mejorar la eficiencia de eliminación de SO2 y obtener concentraciones de SO2 en los gases de combustión inferiores a 0,20 lb/MBtu, aproximadamente equivalente a 65 ppmv (partes por millón en volumen). Los aditivos se alimentan por lotes en función de la carga unitaria y las concentraciones de SO2 medidas por el sistema de monitoreo continuo de emisiones (CEM).

Una de las ventajas significativas del FGD1105 que interesó al personal de CWLP es que el producto no necesita calentarse como el DBA, que debe mantenerse dentro de un rango de 135 a 150 °F. Además, el FGD1105 tiene un punto de congelación de -11,2 °F y no requiere calentamiento para protegerse contra la congelación, lo que reduce las necesidades de manipulación de materiales.

La evaluación utilizó contenedores de 250 galones de FGD1105 conectados a la succión de la bomba de alimentación DBA existente después de que se aisló el sistema DBA. Al igual que con el protocolo de alimentación DBA anterior, el método elegido para la prueba fue la alimentación por lotes. La evaluación se realizó durante 16 días entre el 4 y el 19 de septiembre de 2019. El personal de la planta midió y registró una amplia variedad de datos de rendimiento de FGD, incluida la carga unitaria (MW), la concentración de emisiones de SO2 y el volumen de producto agregado. Luego compararon estos datos con una ejecución de DBA de 16 días con condiciones operativas similares. A continuación se muestra un resumen de los datos de comparación.

FGD1105 frente a DBA: prueba CWLP

(Multiplicador para igualar la carga de MW = 1,08)

FGD1105 funcionó muy bien. Una ventaja obvia fue la reducción en la alimentación de productos químicos (268 galones menos) de FGD1105 frente a DBA durante el mismo período, una disminución del 21 %. Como indican los cuadros a continuación, la frecuencia de alimentación de FGD1105 frente a DBA también se redujo.

Otra observación casi inmediata fue el aumento de la cinética de reacción del FGD1105. Antes de la evaluación, incluso cuando los datos sugerían que el DBA casi se había consumido, las concentraciones de SO2 permanecían cerca del límite permitido. Después de la inyección inicial de FGD1105, la concentración de SO2 cayó muy rápidamente en aproximadamente 25 ppm y continuó disminuyendo. La cinética de reacción mejorada ofrece la capacidad de cumplir los objetivos de cumplimiento durante momentos de cambios de carga, fallas mecánicas y otros trastornos, en caso de que la concentración de SO2 aumente dramáticamente.

Una observación adicional de esta evaluación fue la reducción en la relación estequiométrica de piedra caliza a SO2 y la mejora en la reactividad de la piedra caliza con la adición de FGD1105.

Los cálculos para la utilización de piedra caliza (LU) provienen de pruebas de laboratorio del analizador termogravimétrico (TGA) [3] realizadas en la torta del subproducto. Estos datos permiten calcular la relación estequiométrica de la piedra caliza (LSR), que determina las cantidades porcentuales de yeso (CaSO4∙2H2O), carbonato de calcio residual (CaCO3) y hemihidrato residual (CaSO3-1/2H2O) que pueden haber escapado del proceso forzado. -proceso de oxidación del aire.

Estos resultados confirman otras evaluaciones, que han demostrado la capacidad de FGD1105 para aumentar la reactividad de una piedra caliza con una calidad del 90 % a un material equivalente con una calidad del 95 %. Este beneficio puede ser significativo debido a la diferencia en los costos de los distintos grados de piedra caliza y también puede proporcionar un rendimiento y una eficiencia notablemente altos si la calidad de la piedra caliza entregada es variable.

En general, el personal de CWLP está muy satisfecho con la evaluación y actualmente está organizando evaluaciones adicionales a gran escala de otros sistemas FGD en las instalaciones.

Implicaciones de la regla ACE

Varias instalaciones eléctricas han mejorado con éxito el rendimiento del FGD y han reducido la tasa de calor de la planta utilizando este aditivo depurador. La competencia entre plantas por el acceso a la red y la necesidad de mejorar la disponibilidad de las unidades están influyendo en los programas de mejora de la eficiencia. En algunos casos, las plantas compiten dentro de sus propias flotas para operar. La normativa ACE premia las plantas que mejoran la tasa de calor.

La regla ACE también permite que los estados individuales implementen planes individuales de reducción de gases de efecto invernadero (GEI). En última instancia, cada plan estatal premia a las unidades generadoras de electricidad (EGU) que operan de manera más eficiente.

Conclusión

FGD1105 es un producto de mejora que puede mejorar drásticamente la eficiencia del depurador. Ofrece una alternativa interesante para aquellas plantas que buscan mejorar el rendimiento del depurador y reducir la carga de energía parásita. En algunos casos, puede ofrecer la oportunidad de cambiar a una piedra caliza de menor costo (aunque serían necesarias pruebas cuidadosas), o tal vez incluso a un suministro de carbón con un mayor contenido de azufre pero de menor costo que el combustible actual.

Sobre los autores: Brad Buecker Es publicista técnico sénior de ChemTreat. Tiene cuatro décadas de experiencia en la industria energética o afiliado a ella, gran parte de ella en puestos de química de generación de vapor, tratamiento de agua, control de calidad del aire y ingeniería de resultados en City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) y Kansas City Power & Estación La Cygne, Kansas de Light Company. Buecker tiene una licenciatura en química de la Universidad Estatal de Iowa con cursos adicionales en mecánica de fluidos, equilibrios de energía y materiales, y química inorgánica avanzada. Es miembro de ACS, AIChE, AIST, ASME, NACE, el comité de planificación del Taller de Química de Servicios Eléctricos, el Comité Asesor de la Conferencia Internacional del Agua y el comité de planificación de Power-Gen. Puede comunicarse con él en [email protected].

Branden Powell es Supervisor de Procesos Ambientales en City Water, Light and Power (CWLP) en Springfield, Illinois. Branden se graduó en química de la Universidad de Illinois en Springfield en 2001. Después de graduarse, Branden comenzó su carrera como químico orgánico para TMI Analytical y luego se trasladó a Prairie Analytical Systems, ambos eran laboratorios contratados por IEPA. En Prairie, Branden ascendió hasta llegar a ser coordinador orgánico senior y supervisor de laboratorio. En 2015, Branden se convirtió en supervisor de laboratorio de planta en CWLP. Al año siguiente, fue ascendido a su puesto actual, donde todavía supervisa el laboratorio de la planta y la química de la planta para la división eléctrica, y también supervisa las operaciones de FGD, las operaciones de aguas residuales de FGD y las operaciones de aguas residuales de emisario de la planta. Branden es miembro del comité y colaborador frecuente y presentador del Taller de Química de Servicios Eléctricos de la Universidad de Illinois que se lleva a cabo anualmente en Champaign, Illinois. Puede comunicarse con él en [email protected].

David Karlovich es gerente de cuentas estratégicas de ChemTreat y un veterano de la Marina de los EE. UU. con más de 30 años de experiencia en aplicaciones de tratamiento de agua que respaldan las industrias de energía nuclear y de energía fósil. Su enfoque reciente se ha centrado en la química para mejorar tanto el lado del proceso como el tratamiento de aguas residuales de los sistemas de desulfuración de gases de combustión húmedos en plantas de todo el país. Es coinventor de la tecnología FGD1105 patentada de ChemTreat para mejorar la eliminación de SO2 y la reactividad de la piedra caliza en depuradores húmedos.