¿Qué es la desulfurización de gases de combustión?
La desulfurización de gases de combustión (FGD) describe un proceso que elimina el dióxido de azufre (SO2) de una corriente de gases de combustión (gases de escape). El dióxido de azufre se libera a la atmósfera cuando se queman combustibles fósiles y es un importante contribuyente a la lluvia ácida. El proceso FGD se ha vuelto crítico para muchas plantas industriales debido a la legislación ambiental cada vez más estricta. Aunque el proceso FGD está presente en muchas industrias, este artículo se centra en el equipo FGD asociado con la industria de generación de energía, particularmente para centrales eléctricas de carbón.
Bueno saber - ‘Desulfurización’ también se escribe ‘desulphurisation’, la primera es inglés británico mientras que la segunda es inglés americano.
Sistema de Escape de Central Eléctrica de Carbón con Desulfurizador de Gases de Combustión Destacado
¿Por qué necesitamos la desulfurización de gases de combustión?
La mayoría de los combustibles fósiles (carbón, aceites, etc.) contienen algo de azufre. Cuando se quema un combustible fósil, el azufre que contiene se libera a la atmósfera a través del proceso de combustión. Algunos carbones pueden contener hasta un 4% de azufre, lo cual es una cantidad significativa considerando que una central eléctrica de carbón puede quemar más de 5,000 toneladas de carbón por día.
El dióxido de azufre se combina fácilmente con el agua y, en consecuencia, se combina fácilmente con las nubes de humedad en la atmósfera. Una vez que una nube se ha saturado suficientemente con humedad, se forman gotas de agua que caen al suelo debido a la gravedad; este proceso se conoce como precipitación (lluvia).
Desafortunadamente, a medida que el agua absorbe el dióxido de azufre, se vuelve más ácida. En consecuencia, a medida que las nubes de humedad absorben el gas de dióxido de azufre en la atmósfera, el valor de pH de las moléculas de agua suspendidas (humedad) disminuye, y se vuelve más ácida. La lluvia ácida, coloquialmente conocida como lluvia ácida, luego cae al suelo debido a la gravedad.
Bosque Dañado por Lluvia Ácida
La lluvia ácida daña cultivos, infraestructuras, vegetación, suelo y contribuye a la acidificación de los océanos. Debido a que el dióxido de azufre es un gran contribuyente a las causas de la lluvia ácida, se han promulgado leyes ambientales para obligar a los productores de SO2 a reducir la cantidad de SO2 que generan. Uno de los principales productores de dióxido de azufre son las centrales eléctricas de carbón, por lo tanto, se ven obligadas a instalar sistemas FGD para reducir sus emisiones de SO2 y cumplir con la legislación ambiental.
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Desulfurización de Gases de Combustión (FGD)
Los procesos FGD se denominan ‘húmedos’ o ‘secos’. Los sistemas FGD de tipo seco utilizan un reactivo en forma de polvo (forma seca). Los sistemas FGD de tipo húmedo utilizan una lechada alcalina que se forma después de mezclar un reactivo seco con agua. Aunque son posibles dos tipos principales de diseños FGD, más del 75% de los sistemas FGD de generación de energía son húmedos.
Esquema de Desulfurizador de Gases de Combustión Húmedo
Cómo Funciona la Desulfurización de Gases de Combustión
El medio más económico para eliminar el SO2 de una corriente de gases de combustión es a través de una reacción química con un reactivo. Un reactivo es una sustancia o compuesto añadido a un sistema para causar una reacción química. Los reactivos adecuados deben hacer que el SO2 sea inofensivo para el medio ambiente al tiempo que producen un subproducto que no dañe el medio ambiente.
Los reactivos más comunes utilizados en los sistemas FGD son la cal (óxido de calcio) y la piedra caliza (CaCO3). Existen otras alternativas de reactivos, como el amoníaco, pero la piedra caliza es la más ampliamente adoptada. La principal razón de la adopción generalizada de la piedra caliza es que es abundante, barata y fácil de acceder; todos estos factores dependen, sin embargo, de la ubicación geográfica.
Los subproductos del proceso de desulfurización de gases de combustión suelen ser sulfito de calcio (CaSO3) y/o sulfato de calcio (CaSO4). El subproducto producido depende del reactivo y del diseño del sistema FGD utilizado. Independientemente del reactivo y del diseño, el subproducto suele ser a base de calcio.
El diseño FGD húmedo ‘desechable’ es el diseño FGD más común empleado por las centrales eléctricas de combustibles fósiles en la actualidad. La siguiente sección describe cómo funciona una típica torre de absorción de piedra caliza húmeda.
Torre de Lavado de Gases Húmeda
¿Cómo funciona la desulfurización de gases de combustión húmeda?
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La piedra caliza se entrega a la planta en forma triturada o entera. La piedra caliza triturada puede entregarse directamente a un silo de almacenamiento antes de mezclarse con agua en una unidad de mezcla dedicada. La piedra caliza no triturada necesitará pasar por una etapa de reducción de tamaño antes de ser mezclada con agua o almacenada. La reducción de tamaño puede lograrse utilizando trituradoras o molinos en el sitio, por ejemplo. trituradoras de mandíbula, trituradoras giratorias, molinos de bolas, trituradoras de cono, etc.).
La piedra caliza pulverizada se mezcla con agua para formar una lechada alcalina. Una lechada alcalina es cualquier lechada con un pH superior a 7.0, pero para fines operativos el pH deseado para la lechada suele ser 8.0 (dependiendo del diseño del sistema).
El gas de combustión se descarga de la caldera de tubos de agua(s) de la central eléctrica, pasa a través de una casa de bolsas o un precipitador electrostático (ESP) y luego se pasa al desulfurizador. La temperatura del gas de combustión es de aproximadamente 150°C (300°F) o más cuando entra en el desulfurizador de gases de combustión. El gas de dióxido de azufre contenido en el gas de combustión se separa mediante lavado húmedo.
Desulfurizador de Gases de Combustión Húmedo
El lavado húmedo se logra pasando el gas de combustión desde la parte inferior de la torre de lavado hasta la parte superior. La lechada alcalina viaja en la dirección opuesta (de arriba hacia abajo); este arreglo se denomina ‘flujo contracorriente’ debido a las direcciones de flujo opuestas de los dos medios en flujo. Tenga en cuenta que el diseño de flujo contracorriente también se conoce a veces como contra-flujo. De todos los diseños de flujo (contracorriente, cruzado y flujo paralelo), el diseño de flujo contracorriente es el más eficiente para la transferencia de calor y la mezcla de medios en flujo.
Para asegurar un contacto directo eficiente entre la lechada alcalina y el gas de combustión, se utiliza una serie de cubiertas de pulverización equipadas con boquillas de pulverización. Las boquillas de pulverización descargan la lechada alcalina de manera uniforme dentro de la torre, lo que asegura que los medios en flujo tengan una alta superficie de contacto entre sí. Las cubiertas de pulverización inferiores operan a un pH de aproximadamente 4.0 mientras que las cubiertas superiores operan a un pH de aproximadamente 6.0 o más. Las boquillas de pulverización operan a baja presión, aproximadamente 1 bar (14.5 psi).
La lechada alcalina cae desde la cubierta de pulverización a una bandeja perforada. La bandeja perforada obliga al gas de combustión a burbujear a través de la lechada a medida que pasa por la torre, lo que asegura un buen contacto directo entre la lechada y el gas de combustión.
Después de pasar por los agujeros en la bandeja perforada, la lechada cae a la base de la torre debido a la gravedad y se recoge en el tanque de retención de efluentes (EHT) (a veces llamado tanque de retardo de reacción). La lechada que se encuentra en el gas de combustión se separa mediante un desempañador en la parte superior de la torre y se devuelve al EHT.
Desempañador (verde indica gas, azul indica lechada)
El agua en la lechada absorbe fácilmente el gas de dióxido de azufre mientras que la naturaleza alcalina de la lechada neutraliza la acidez del gas. El agua se denomina absorbente mientras que la piedra caliza se denomina reactivo. El gas de combustión restante se descarga en la parte superior de la torre, pero hasta un 99% del SO2 puede haber sido eliminado (típicamente se elimina entre 90% y 95%).
Reaccionar la lechada alcalina con dióxido de azufre produce sulfito de calcio (CaSO3), esta reacción química puede expresarse como:
CaCO3 + 1 SO2 → CaSO3 + CO2
La oxidación adicional del sulfito de calcio produce sulfato de calcio (CaSO4), esta reacción química puede expresarse como:
CaSO3 + 2H2O + ½O2 → CaSO4 · 2H2O
Aire comprimido (presión de aproximadamente 1 bar / 14.5 psi) se inyecta en la base del tanque de retención de efluentes donde burbujea hacia arriba a través de la lechada. Debido a la inyección de aire comprimido en la lechada, ocurre la oxidación forzada del sulfito de calcio y se forma sulfato de calcio. Parte de la lechada retenida por el EHT se recircula de nuevo a la cubierta de pulverización, pero parte de la lechada se descarga de la torre para deshidratación. Los agitadores (hélices conectadas a motores trifásicos) evitan la solidificación del calcio dentro del EHT.
El proceso de deshidratación separa los subproductos FGD de la lechada. La lechada contiene aproximadamente 10-15% de sólidos a base de calcio cuando se descarga de la torre. Los elementos de maquinaria utilizados en el proceso de deshidratación a menudo incluyen filtros de vacío, hidrociclones y clarificadores (espesadores). Una vez que se ha extraído la sustancia cristalina a base de calcio, puede venderse o desecharse.
Los subproductos FGD a menudo son vendibles y pueden venderse para reducir los costos operativos generales de la planta. El sulfato de calcio también se conoce como ‘yeso’ y se utiliza para muchos productos comerciales. El uso más común del yeso es para paneles de yeso (tableros de pared) en la industria de la construcción, pero también se utiliza en la industria agrícola como fertilizante. Si el subproducto no se puede vender, a menudo se mezcla con cenizas volantes y se envía a un vertedero.
Hombre Sosteniendo Panel de Yeso
Materiales de Construcción de la Torre de Lavado Húmedo
Es necesario seleccionar cuidadosamente los materiales de construcción de la torre debido al entorno corrosivo y abrasivo dentro de la torre. Los materiales de construcción dependen de los componentes y el diseño de la torre, pero el acero inoxidable, la fibra de vidrio y el acero al carbono revestido de goma son materiales de construcción comunes.
Eficiencia del Proceso FGD
Las tasas de flujo de líquido a gas (L/G) a través de una torre de lavado húmedo tienen un gran efecto sobre su eficiencia operativa. Típicamente, se desea una alta relación L/G, ya que esto asegura que se elimine tanto SO2 del gas de combustión como sea económicamente posible, al tiempo que se evita la solidificación de la lechada alcalina dentro de la torre. La solidificación de la lechada conduce a reducir las vías de flujo dentro de la torre, boquillas de pulverización bloqueadas, y es difícil de eliminar (muy dura y adhesiva).
El pH de la lechada alcalina aumenta cuando reacciona con el dióxido de azufre, por lo que es necesario suministrar continuamente piedra caliza al EHT para que el pH de la lechada se mantenga constante. Una reducción en el pH de la lechada llevará a una reducción resultante en la eficiencia FGD.
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Flue-gas_desulfurization
https://www.mhps.com/products/aqcs/lineup/flue-gas-desulfurization
https://www.lime.org/lime-basics/uses-of-lime/enviromental/flue-gas-desulfurization