Rökgasavsvavling - Flue-gas desulfurization

Innan rökavsvavling installerades innehöll utsläppen från Four Corners Generation Station i New Mexico en betydande mängd svaveldioxid.
Den GG Allen Steam Station skrubber (North Carolina)

Rökgasavsvavling ( FGD ) är en uppsättning tekniker som används för att avlägsna svaveldioxid ( SO
2) från avgaser från fossila bränslekraftverk och från utsläpp från andra svaveloxidutsläppsprocesser som avfallsförbränning .

Metoder

Eftersom stränga miljöföreskrifter som begränsar SO 2 -utsläpp har antagits i många länder, SO
2avlägsnas från rökgaser med olika metoder. Vanliga metoder som används:

  • Våtskrubba med en uppslamning av alkaliskt sorbent , vanligtvis kalksten eller kalk , eller havsvatten för att skrubba gaser;
  • Spraytorka skura med användning av liknande sorberande uppslamningar;
  • Våt svavelsyraprocessen utvinning svavel i form av kommersiell kvalitet svavelsyra ;
  • SNOX Rökgasavsvavling avlägsnar svaveldioxid, kväveoxider och partiklar från rökgaser;
  • Torra sorbentinjektionssystem som introducerar pulveriserad hydratiserad kalk (eller annat sorbentmaterial) i avgaskanaler för att eliminera SO2 och SO3 från processutsläpp.

För ett typiskt kolkraftverk kan rökavsvavling (FGD) ta bort 90 procent eller mer av SO
2 i rökgaserna.

Historia

Metoder för att avlägsna svaveldioxid från panna och ugns avgaser har studerats i över 150 år. Tidiga idéer för rökgasavsvavling etablerades i England omkring 1850.

Med byggandet av storskaliga kraftverk i England på 1920-talet, problemen i samband med stora mängder SO
2från en enda webbplats började oroa allmänheten. den SO
2utsläppsproblem fick inte mycket uppmärksamhet förrän 1929, då House of Lords biföll en markägares krav på Barton Electricity Works i Manchester Corporation för skador på hans mark till följd av SO
2utsläpp. Kort därefter inleddes en presskampanj mot uppförandet av kraftverk inom Londons gränser. Detta upprop ledde till införandet av SO
2 kontroller på alla sådana kraftverk.

Den första stora FGD -enheten vid ett verktyg installerades 1931 vid Battersea Power Station , som ägs av London Power Company . År 1935 togs ett FGD -system liknande det som installerades på Battersea i bruk vid Swansea Power Station. Det tredje stora FGD -systemet installerades 1938 vid Fulham Power Station . Dessa tre tidiga storskaliga FGD-installationer avbröts under andra världskriget , eftersom de karakteristiska vita ångpylarna skulle ha hjälpt plats av fiendens flygplan. FGD -anläggningen vid Battersea togs i drift igen efter kriget och, tillsammans med FGD -anläggningen vid den nya Bankside B -kraftstationen mittemot London City, fungerade den tills stationerna stängdes 1983 respektive 1981. Storskaliga FGD-enheter återkom inte vid verktyg förrän på 1970-talet, där de flesta installationerna ägde rum i USA och Japan .

År 1970 antog den amerikanska kongressen Clean Air Act från 1970 (CAA). Lagen godkände utvecklingen av federala regler i USA som täcker utsläpp från både stationära (industriella) och mobila källor, som sedan publicerades av US Environmental Protection Agency (EPA). År 1977 ändrade kongressen lagen för att kräva strängare kontroller av luftutsläpp. Som svar på CAA -kraven godkände American Society of Mechanical Engineers (ASME) bildandet av PTC 40 Standards Committee 1978. Denna kommitté sammankallades först 1979 i syfte att utveckla ett standardiserat förfarande för att genomföra och rapportera prestandatester av FGD-system och rapportering av resultaten i termer av följande kategorier: (a) utsläppsminskning, (b) förbrukningsvaror och verktyg, (c) avfall och karakterisering och mängd av biprodukter. " Det första kodutkastet godkändes av ASME 1990 och antogs av American National Standards Institute (ANSI) 1991. Standarden PTC 40-1991 var tillgänglig för allmänheten för de enheter som påverkades av 1990 års ändringar av Clean Air Act. Under 2006 återkom PTC 40 -kommittén efter EPA: s publicering av Clean Air Interstate Rule (CAIR) 2005. År 2017 publicerades den reviderade PTC 40 -standarden. Denna reviderade standard (PTC 40-2017) täcker torra och regenererbara FGD-system och ger en mer detaljerad osäkerhetsanalys. Denna standard används för närvarande av företag runt om i världen.

I juni 1973 fanns det 42 FGD -enheter i drift, 36 i Japan och 6 i USA, med en kapacitet från 5 MW till 250 MW. Från omkring 1999 och 2000 användes FGD -enheter i 27 länder, och det fanns 678 FGD -enheter som arbetar med en total kraftverkskapacitet på cirka 229 gigawatt . Cirka 45% av FGD -kapaciteten var i USA, 24% i Tyskland , 11% i Japan och 20% i olika andra länder. Cirka 79% av enheterna, motsvarande cirka 199 gigawatt kapacitet, använde kalk- eller kalkstenskurning. Cirka 18% (eller 25 gigawatt) använde spraytorkskrubber eller sorbentinsprutningssystem.

FGD på fartyg

Internationella sjöfartsorganisationen ( IMO ) har antagit riktlinjer för godkännande, installation och användning av avgasskrubber (avgasreningssystem) ombord på fartyg för att säkerställa att svavelreglerna i MARPOL bilaga VI följs . Flaggstater måste godkänna sådana system och hamnstater kan (som en del av sin hamnstatskontroll ) se till att sådana system fungerar korrekt. Om ett skrubbersystem inte fungerar förmodligen (och IMO -förfarandena för sådana fel inte följs) kan hamnstaterna sanktionera fartyget. Den Förenta nationernas havsrättskonvention skänker också hamnstater med rätt att reglera (och även förbud) användningen av öppen slinga skrubbersystem inom hamnar och inre vatten.

Svavelsyradimbildning

Fossila bränslen som kol och olja kan innehålla en betydande mängd svavel. När fossila bränslen bränns omvandlas i allmänhet cirka 95 procent eller mer av svavlet till svaveldioxid ( SO
2). Sådan omvandling sker under normala temperatur- och syreförhållanden i rökgasen . Det finns emellertid omständigheter under vilka sådan reaktion inte får förekomma.

SÅ
2kan oxidera vidare till svaveltrioxid ( SO
3) när överskott av syre är närvarande och gastemperaturerna är tillräckligt höga. Vid cirka 800 ° C bildas SO
3gynnas. Ett annat sätt att SÅ
3kan bildas genom katalys av metaller i bränslet. Sådan reaktion gäller särskilt för tung eldningsolja, där en betydande mängd vanadin är närvarande. På vilket sätt SO
3bildas, uppför den sig inte som SO
2genom att det bildar en flytande aerosol som kallas svavelsyra ( H
2SÅ
4) dimma som är mycket svår att ta bort. I allmänhet kommer cirka 1% av svaveldioxiden att omvandlas till SO
3. Svavelsyradimma är ofta orsaken till det blå diset som ofta dyker upp när rökgasröret försvinner. Detta problem åtgärdas alltmer genom användning av våta elektrostatiska fällare .

FGD -kemi

Grundläggande principer

De flesta FGD -system använder två steg: ett för borttagning av flygaska och det andra för SO
2borttagning. Försök har gjorts att ta bort både flygaska och SO
2i ett skrubbkärl. Dessa system upplevde dock allvarliga underhållsproblem och låg borttagningseffektivitet. I våtsvättsystem passerar rökgasen normalt först genom en anordning för borttagning av flygaska, antingen en elektrostatisk fällare eller ett påsehus, och sedan in i SO
2-absorbator. Vid torr injektion eller spraytorkning är dock SO
2 reageras först med kalken, och sedan passerar rökgasen genom en partikelkontrollanordning.

En annan viktig designhänsyn i samband med våta FGD -system är att rökgasen som lämnar absorbatorn är mättad med vatten och fortfarande innehåller en del SO
2. Dessa gaser är mycket frätande för all nedströms utrustning som fläktar, kanaler och staplar. Två metoder som kan minimera korrosion är: (1) uppvärmning av gaserna till över daggpunkten , eller (2) användning av konstruktionsmaterial och konstruktioner som gör att utrustning klarar de korrosiva förhållandena. Båda alternativen är dyra. Ingenjörer bestämmer vilken metod som ska användas från plats till plats.

Skrubba med ett alkali fast ämne eller lösning

Schematisk utformning av en FGD -absorber

SÅ
2är en sur gas och därför de typiska sorbentuppslamningarna eller andra material som används för att avlägsna SO
2från rökgaserna är alkaliska. Reaktionen äger rum vid våtsvampning med användning av en CaCO
3( kalksten ) uppslamning producerar kalciumsulfit ( CaSO
3) och kan uttryckas i den förenklade torra formen som:

CaCO
3(s) + SO
2(g) → CaSO
3(s) + CO
2(g)

När våttvättning med en Ca (OH) 2 ( hydratiserad kalk ) uppslamning, reaktionen producerar också CaSO 3 ( kalciumsulfit ) och kan uttryckas i den förenklade torr form som:

Ca (OH) 2 (s) + SO 2 (g) → CaSO 3 (s) + H 2 O (l)

När våttvättning med en Mg (OH) 2 ( magnesiumhydroxid ) uppslamning, producerar reaktionen MgSO 3 ( magnesiumsulfit ) och kan uttryckas i den förenklade torr form som:

Mg (OH) 2 (s) + SO 2 (g) → MgSO 3 (s) + H 2 O (l)

För att delvis kompensera kostnaden för FGD -installationen oxiderar vissa konstruktioner, särskilt torra sorbentinjektionssystem, CaSO 3 (kalciumsulfit) ytterligare för att producera säljbara CaSO 4 -2H 2 O ( gips ) som kan vara av tillräckligt hög kvalitet för att användas i wallboard och andra produkter. Processen genom vilken detta syntetiska gips skapas kallas också forcerad oxidation:

CaSO 3 (aq) + 2H 2 O (l) + ½O 2 (g) → CaSO 4 · 2H 2 O (s)

En naturlig alkalisk som kan användas för att absorbera SO 2 är havsvatten. den SO
2absorberas i vattnet, och när syre tillsätts reagerar för att bilda sulfatjoner SO 4 - och fri H + . Överskottet av H + kompenseras av att karbonaterna i havsvatten driver karbonatjämvikten för att släppa ut CO
2 gas:

SO 2 (g) + H 2 O (l) + ½O 2 (g) → SO 4 2− (aq) + 2H +
HCO 3 - + H + → H 2 O (l) + CO 2 (g)

Inom industrin används ofta kaustik (NaOH) för att skrubba SO
2, som producerar natriumsulfit :

2NaOH (aq) + SO 2 (g) → Na 2 SO 3 (aq) + H 2 O (l)

Typer av våtskrubber som används vid FGD

För att främja maximal gas -vätskeyta och uppehållstid har ett antal våtskrubberdesigner använts, inklusive spraytorn, venturis, tallrikstorn och mobila packade sängar . På grund av skalbildning, pluggning eller erosion, som påverkar FGD -tillförlitlighet och absorberingseffektivitet, är trenden att använda enkla skrubber som spraytorn istället för mer komplicerade. Tornets konfiguration kan vara vertikal eller horisontell, och rökgas kan flöda samtidigt, motström eller tvärström med avseende på vätskan. Den främsta nackdelen med spraytorn är att de kräver ett högre vätske-till-gas-krav för ekvivalent SO
2 borttagning än andra absorptionsdesigner.

FGD -skrubber producerar ett skalande avloppsvatten som kräver behandling för att uppfylla amerikanska federala utsläppsregler. Tekniska framsteg inom jonbytarmembran och elektrodialyssystem har dock möjliggjort högeffektiv behandling av FGD-avloppsvatten för att uppfylla de senaste EPA-utsläppsgränserna. Behandlingsmetoden är liknande för andra högskaliga industriella avloppsvatten.

Venturi-stavskrubber
Huvudartikel: venturi -skrubber

En venturiskrubber är en konvergerande/divergerande del av kanalen. Den konvergerande sektionen accelererar gasströmmen till hög hastighet. När vätskeflödet injiceras i halsen, vilket är punkten för maximal hastighet, atomiserar turbulensen som orsakas av den höga gashastigheten vätskan till små droppar, vilket skapar den yta som är nödvändig för att massöverföring ska äga rum. Ju högre tryckfall i venturin, desto mindre droppar och desto högre ytarea. Straffet ligger i strömförbrukningen.

För samtidig avlägsnande av SO
2och flygaska kan venturiskrubber användas. Faktum är att många av de industriella natriumbaserade kastsystemen är venturiskrubber som ursprungligen var utformade för att avlägsna partiklar. Dessa enheter modifierades något för att injicera en natriumbaserad skrubbvätska. Även om avlägsnande av både partiklar och SO
2i ett kärl kan vara ekonomiskt, man måste överväga problemen med högtrycksfall och att hitta ett skurmedel för att avlägsna tunga laster av flygaska. I de fall där partikelkoncentrationen är låg, till exempel från oljeeldade enheter, kan det dock vara mer effektivt att ta bort partiklar och SO
2 samtidigt.

Packade sängskrubber

En packad skrubber består av ett torn med förpackningsmaterial inuti. Detta förpackningsmaterial kan ha formen av sadlar, ringar eller några högspecialiserade former utformade för att maximera kontaktytan mellan den smutsiga gasen och vätskan. Packade torn fungerar normalt med mycket lägre tryckfall än venturiskrubber och är därför billigare att använda. De erbjuder också vanligtvis högre SO
2borttagningseffektivitet. Nackdelen är att de har en större tendens att täppa till om partiklar finns för mycket i frånluftsströmmen.

Spruttorn
Huvudartikel: spraytorn

Ett spraytorn är den enklaste typen av skrubber. Den består av ett torn med sprutmunstycken, som genererar dropparna för kontakt med ytan. Spraytorn används vanligtvis vid cirkulation av en uppslamning (se nedan). Den höga hastigheten på en venturi skulle orsaka erosionsproblem, medan ett packat torn skulle plugga om det försökte cirkulera en uppslamning.

Motströms packade torn sällan används eftersom de har en tendens att bli inkopplad av uppsamlade partiklar eller skalan när kalk eller kalksten skura slam används.

Skurningsreagens

Såsom förklarats ovan, är alkaliska sorbenter används för att skura rökgaser för att avlägsna SO 2 . Beroende på applikationen är de två viktigaste kalk- och natriumhydroxid (även känd som kaustisk soda ). Kalk används vanligtvis på stora kol- eller oljepannor som finns i kraftverk, eftersom det är mycket mycket billigare än kaustisk soda. Problemet är att det resulterar i att en uppslamning cirkuleras genom skrubbern istället för en lösning. Detta gör det svårare för utrustningen. Ett spruttorn används vanligtvis för denna applikation. Användning av kalk resulterar i en uppslamning av kalciumsulfit (CaSO 3 ) som måste kasseras. Lyckligtvis kan kalciumsulfit oxideras för att producera biproduktgips (CaSO 4 · 2H 2 O) som är saluförbart för användning inom byggvaruindustrin.

Kaustiksoda är begränsat till mindre förbränningsenheter eftersom det är dyrare än kalk, men det har fördelen att det bildar en lösning snarare än en uppslamning. Detta gör det lättare att använda. Den producerar en " förbrukad kaustisk " lösning av natriumsulfit /bisulfit (beroende på pH) eller natriumsulfat som måste kasseras. Detta är inte ett problem i en kraftmassafabrik till exempel, där detta kan vara en källa till sminkkemikalier till återvinningscykeln.

Skrubba med natriumsulfitlösning

Det är möjligt att skrubba svaveldioxid genom att använda en kall lösning av natriumsulfit ; detta bildar en natriumvätesulfitlösning. Genom upphettning av denna lösning är det möjligt att vända reaktionen för att bilda svaveldioxid och natriumsulfitlösningen. Eftersom natriumsulfitlösningen inte konsumeras kallas det en regenerativ behandling. Tillämpningen av denna reaktion är också känd som Wellman -Lord -processen .

På vissa sätt kan man tänka sig att detta liknar den reversibla vätske -vätskeextraktionen av en inert gas som xenon eller radon (eller något annat löst ämne som inte genomgår en kemisk förändring under extraktionen) från vatten till en annan fas. Även om en kemisk förändring sker under extraktionen av svaveldioxiden från gasblandningen, är det så att extraktionsjämvikten förskjuts genom att ändra temperaturen snarare än genom användning av ett kemiskt reagens.

Gasfasoxidation följt av reaktion med ammoniak

En ny, framväxande teknik för rökgasavsvavling har beskrivits av IAEA . Det är en strålningsteknik där en intensiv elektronstråle skjuts in i rökgasen samtidigt som ammoniak tillsätts gasen. Chendu -kraftverket i Kina startade en sådan rökavsvavlingsenhet i en skala på 100 MW 1998. Pomorzany -kraftverket i Polen startade också upp en enhet av liknande storlek 2003 och den anläggningen tar bort både svavel- och kväveoxider. Båda anläggningarna rapporteras fungera framgångsrikt. Acceleratorns designprinciper och tillverkningskvalitet behöver emellertid ytterligare förbättringar för kontinuerlig drift under industriella förhållanden.

Ingen radioaktivitet krävs eller skapas i processen. Elektronstrålen genereras av en enhet som liknar elektronpistolen i en TV -apparat. Denna enhet kallas en accelerator. Detta är ett exempel på en strålningskemisk process där de fysiska effekterna av strålning används för att bearbeta ett ämne.

Elektronstrålens verkan är att främja oxidationen av svaveldioxid till svavel (VI) föreningar. Ammoniaken reagerar med de svavelföreningar som bildas så att ammoniumsulfat bildas , vilket kan användas som kvävegödsel . Dessutom kan den användas för att sänka kväveoxidhalten i rökgasen. Denna metod har uppnått industriell anläggningsskala.

Fakta och statistik

Informationen i detta avsnitt erhölls från ett amerikanskt EPA -publicerat faktablad.

Rökgasavsvavlingskrubber har applicerats på förbränningsenheter som eldar kol och olja i storlek från 5 MW till 1500 MW. Scottish Power spenderar 400 miljoner pund på att installera FGD vid Longannet kraftverk , som har en kapacitet på över 2 GW. Torra skrubber och sprayskrubber har i allmänhet applicerats på enheter mindre än 300 MW.

FGD har monterats av RWE npower vid Aberthaw Power Station i södra Wales med hjälp av havsvattenprocessen och fungerar framgångsrikt på anläggningen på 1580 MW.

Cirka 85% av rökavsvavlingsenheterna i USA är våtskrubber, 12% är spraytorrsystem och 3% är torra injektionssystem.

Den högsta SO
2borttagningseffektivitet (större än 90%) uppnås med våta skrubber och den lägsta (mindre än 80%) med torra skrubber. De nyare konstruktionerna för torra skrubber kan emellertid uppnå effektivitet i storleksordningen 90%.

I spraytorkning och torra injektionssystem måste rökgasen först kylas till cirka 10–20 ° C över den adiabatiska mättnaden för att undvika att våta fastämnen deponeras på nedströms utrustning och pluggning av påsehus.

De kapitalkostnader, drift- och underhålls per short ton av SO
2 borttagna (2001 US -dollar) är:

  • För våtskrubber större än 400 MW är kostnaden $ 200 till $ 500 per ton
  • För våtskrubber mindre än 400 MW är kostnaden $ 500 till $ 5000 per ton
  • För spraytorrskrubbare större än 200 MW är kostnaden $ 150 till $ 300 per ton
  • För spraytorrskrubber mindre än 200 MW är kostnaden $ 500 till $ 4000 per ton

Alternativa metoder för att minska svaveldioxidutsläppen

Ett alternativ till att avlägsna svavel från rökgaserna efter förbränning är att ta bort svavel ur bränslet före eller under förbränning. Hydroavsvavling av bränsle har använts för behandling av eldningsoljor före användning. Förbränning med flytande bädd ger kalk till bränslet under förbränningen. Kalken reagerar med SO 2 för att bilda sulfater som blir en del av askan .

Detta elementära svavel separeras sedan och utvinns slutligen i slutet av processen för vidare användning i till exempel jordbruksprodukter. Säkerhet är en av de största fördelarna med denna metod, eftersom hela processen sker vid atmosfärstryck och omgivningstemperatur. Denna metod har utvecklats av Paqell, ett joint venture mellan Shell Global Solutions och Paques.

Se även

Referenser

externa länkar