Control de proceso avanzado para optimizar la desulfuración de gases de combustión

Las centrales eléctricas alimentadas con carbón pueden mejorar significativamente el lavado de piedra caliza húmeda con un control avanzado del proceso. Un sistema de optimización implementado en una instalación japonesa utilizó un control regulatorio mejorado, predicción basada en modelos y predicción del valor del proceso para reducir la carga interna, ahorrando $900 000 al año.

Según la Agencia Internacional de Energía, las centrales eléctricas alimentadas con carbón generan alrededor del 37% de la electricidad mundial, lo que las convierte en la mayor fuente de generación de electricidad del mundo. En comparación con otras fuentes de generación de energía, las plantas alimentadas con carbón tienden a tener mayores emisiones, por lo que es imperativo que los propietarios de las plantas utilicen todos los medios posibles para reducir estos contaminantes potenciales.

Un objetivo principal de la reducción es el azufre, que se encuentra en distintos grados en cada tipo de carbón. La forma más eficaz de eliminar el azufre de los gases de combustión es mediante un lavado húmedo de piedra caliza. Este método es mucho más eficiente que alternativas como la absorción por aspersión, los procesos de lecho fluido y la inyección seca.

Debido a su alta eficiencia y otros beneficios, los sistemas de depuración húmeda de piedra caliza se utilizan en miles de centrales eléctricas alimentadas con carbón en todo el mundo. Pero muchos de los sistemas utilizados en estas plantas no están optimizados para su funcionamiento y, por tanto, utilizan un exceso de energía y piedra caliza.

Este artículo describirá un método de control de proceso avanzado ampliamente utilizado para mejorar la operación de los sistemas de lavado de piedra caliza húmeda, comenzando con una explicación del proceso y luego mostrando cómo optimizar estos sistemas utilizando un control de proceso avanzado.

La Figura 1 muestra un diagrama de flujo para un proceso típico de desulfuración de gases de combustión (FGD) por depuración de piedra caliza húmeda. El dióxido de azufre (SO2) contenido en los gases de combustión es absorbido por una suspensión de piedra caliza rociada desde el cabezal situado en la parte superior del absorbente.

1. Diagrama de flujo de lavado de piedra caliza. La depuración húmeda de piedra caliza es el medio más eficaz para eliminar el SO2 de los gases de chimenea emitidos a la atmósfera. Cortesía: Yokogawa

Esta lechada de piedra caliza, una mezcla de piedra caliza y agua, se suministra desde el tanque de lechada de piedra caliza al absorbente. El flujo de lodo es regulado por la válvula de control de lodo, con bombas de recirculación que mueven el lodo de piedra caliza al cabezal. Estas bombas de recirculación mantienen el flujo de lodo de piedra caliza hacia el cabezal para continuar rociándolo hacia los gases de combustión desde la parte superior del absorbente.

Los gases de combustión de la caldera pasan a través de un intercambiador de calor gas-gas para eliminar el exceso de calor. Luego fluye hacia el absorbente en dirección contraria a la pulverización de lechada de piedra caliza. Después de rociar los gases de combustión con piedra caliza húmeda, salen del absorbente. Luego pasa a través del intercambiador de calor gas a gas y finalmente se ventila a la atmósfera a través de la chimenea.

En el absorbente, el SO2 contenido en los gases de combustión se absorbe debido a la reacción química entre el SO2 y la suspensión de piedra caliza. La fórmula de reacción química para este proceso de desulfuración es:

CaCO3 + SO2 + 2 H2O +½ O2 => CaSO4 + 2 H2O + CO2

El SO2 es absorbido por el CaCO3 (piedra caliza), reduciendo así el SO2 de salida para mantenerlo por debajo de los límites reglamentarios. El proceso produce CaSO4 + 2 H2O (yeso) como subproducto de la reacción química en el absorbente, junto con pequeñas cantidades de dióxido de carbono (CO2). Este yeso tiene valor de mercado porque se utiliza como materia prima para aditivos para cemento, paneles de yeso y otros productos.

En general, estos sistemas de depuración húmeda de piedra caliza son muy eficientes, pero a menudo consumen un exceso de energía para el funcionamiento de las bombas de recirculación porque todas las bombas están funcionando durante la operación, enviando a menudo el exceso de piedra caliza al absorbente. Por lo tanto, los principales objetivos del sistema de optimización FGD descrito en este artículo son reducir la cantidad de energía necesaria para hacer funcionar estas bombas y reducir el consumo de piedra caliza.

El sistema de optimización permite a la planta utilizar el número mínimo de bombas necesarias para mantener el SO2 de salida por debajo de los límites. Esto también reduce la cantidad de lodo de piedra caliza requerida, pero el principal contribuyente al ahorro de costos es reducir el uso de energía al retirar del servicio una o más bombas de recirculación según el valor de entrada de SO2.

El control FGD normalmente se implementa mediante el sistema de control distribuido mediante la regulación del flujo de lodo de piedra caliza. El flujo de lechada de piedra caliza se controla en función del valor de pH medido por un analizador instalado en el absorbente. Normalmente, el valor del pH debe controlarse para garantizar el rendimiento adecuado del proceso de desulfuración en el absorbente; por lo tanto, el flujo de lechada de piedra caliza se controla para mantener el valor del pH adecuado. Para este esquema de control, no se utilizan otros índices como el SO2 de entrada y salida del FGD, y todas las bombas de recirculación funcionan independientemente del valor de SO2 de entrada, con el flujo de lodo regulado por la válvula de control.

Como se mencionó anteriormente, el objetivo principal del sistema FGD es mantener el valor de SO2 de salida por debajo del límite regulatorio. Sin embargo, el sistema a menudo funciona demasiado y genera una brecha innecesariamente grande entre el valor de SO2 de salida requerido y el real. El sistema de optimización aborda este problema apagando una o más bombas de recirculación mientras mantiene la salida de SO2 por debajo del límite de regulación.

El sistema de optimización normalmente consta de tres funciones: control regulatorio mejorado, predicción basada en modelos y predicción del valor del proceso. El sistema utiliza estas tres funciones para determinar continuamente el número mínimo requerido de bombas de recirculación en funcionamiento y para calcular el punto de ajuste para el circuito de control PID (proporcional-integral-derivado) del flujo de lodo de piedra caliza.

El control regulatorio mejorado gobierna la cantidad de bombas de recirculación en operación y calcula el punto de ajuste del flujo de lodo. También calcula el punto de ajuste de pH óptimo, utilizando un control anticipado para algunos casos anormales. El control regulatorio mejorado también realiza un seguimiento del tiempo de funcionamiento de cada bomba de recirculación y utiliza estos datos para igualar los tiempos de funcionamiento de las bombas.

El control de predicción basado en modelos ejecuta el cálculo optimizado del flujo de lodo y el cálculo optimizado del pH para mantener el SO2 de salida del FGD por debajo del límite. Lo hace siguiendo el punto de ajuste del valor de SO2 de salida.

La predicción del valor del proceso calcula el valor de SO2 y el valor de CaCO3. La función de predicción del valor de CaCO3 previene condiciones anormales en la planta FGD. Esto es muy importante porque la alta densidad de CaCO3 tiene un impacto negativo significativo en el rendimiento del DGC, siendo necesario apagar el sistema de DGC en el peor de los casos.

Cuando el sistema FGD funciona correctamente, la densidad de CaCO3 estará dentro de su rango permitido porque se está llevando a cabo la reacción química adecuada para minimizar la lechada de piedra caliza sin reaccionar. Sin embargo, si el FGD no funciona correctamente debido a un exceso de incrustaciones u otras condiciones anormales, el SO2 de salida tendrá una tendencia más alta de lo normal. Esto hará que el controlador siga aumentando el flujo de lechada de piedra caliza, con el consiguiente aumento de CaCO3. Si este estado de operación continúa, es posible que sea necesario apagar el FGD para eliminar la lechada de piedra caliza dentro del FGD.

Este sistema de optimización se ajusta automáticamente a diferentes tipos de carbón porque utiliza el valor de SO2 de entrada como entrada al sistema. Este valor varía significativamente según el tipo de carbón y es un parámetro importante para optimizar el control. El sistema también se ajusta automáticamente en caso de obstrucción de la boquilla de pulverización y deterioro del rendimiento de la bomba. Variar la carga de la planta no es un problema ya que el sistema de optimización funciona bien en el rango de carga baja a carga completa.

Una central eléctrica de carbón de 700 MW en Japón implementó el sistema de optimización descrito anteriormente. Esta planta funciona unos 300 días al año con carga base y no está en funcionamiento durante los otros 65 días del año. El ahorro de energía obtenido al hacer funcionar sólo el número requerido de bombas de recirculación fue del 12,4% de la carga total de la unidad, lo que equivale a aproximadamente $900.000 en ahorros de energía por año según las condiciones del mercado en Japón. Otro beneficio fue la reducción de los tiempos de funcionamiento de la bomba, lo que resultó en menores costos de mantenimiento de la bomba y una mayor vida útil de la misma. Un tercer beneficio fue el menor uso de piedra caliza.

2. Datos operativos con y sin optimización. Esta unidad alimentada por carbón de 700 MW empleó un sistema de optimización para reducir el número de bombas de recirculación en funcionamiento de cinco a tres, reduciendo la carga doméstica total de la unidad en un 12,4% y ahorrando 900.000 dólares al año en costos de energía, manteniendo al mismo tiempo el valor de SO2 de salida. inferior al valor reglamentario. Cortesía: Yokogawa

La Figura 2 muestra detalles que muestran el funcionamiento con y sin optimización de esta unidad. Sin optimización, el valor de SO2 de salida se controló por debajo del valor de regulación con cinco bombas de recirculación en funcionamiento, pero había una brecha significativa entre el SO2 de salida y el límite permitido. Este rendimiento excesivo de desulfuración da como resultado un consumo excesivo de energía.

Con la optimización, solo fue necesario que funcionaran tres bombas y el SO2 de salida se mantuvo por debajo del valor reglamentario. Este fue el principal beneficio del sistema de optimización, ya que redujo significativamente el uso de energía y el consumo de piedra caliza. Aunque el SO2 de salida era ligeramente superior, todavía estaba dentro del valor objetivo dictado por los requisitos reglamentarios.

Además del ejemplo anterior, el sistema de optimización FGD también ha contribuido a ahorros significativos en otra central eléctrica de carbón de 1.000 MW en Japón.

Las centrales eléctricas alimentadas con carbón generan más electricidad que cualquier otra fuente en todo el mundo. Por lo tanto, es imperativo que los propietarios operen estas plantas de la manera más eficiente posible. Una de las principales formas de hacerlo es haciendo funcionar únicamente la cantidad de bombas de recirculación necesarias para los sistemas de depuración de piedra caliza húmeda.

Aunque es sencillo describir el objetivo de dicho sistema de optimización, requiere un alto nivel de control de proceso avanzado y sofisticado utilizando múltiples técnicas que incluyen predicción basada en modelos, predicción del valor del proceso y control regulatorio mejorado. Cuando se implementa un sistema de optimización de este tipo, el resultado es un ahorro significativo en el uso de energía, un mantenimiento reducido de la bomba, una vida útil más larga de la bomba y un menor uso de piedra caliza. ■

—Toshihiko Fujii es ingeniero de control de procesos avanzado en Yokogawa Electric Corp.

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