Cos'è la desolforazione dei gas di scarico?
La desolforazione dei gas di scarico (FGD) descrive un processo che rimuove il biossido di zolfo (SO2) da un flusso di gas di scarico (gas esausto). Il biossido di zolfo viene rilasciato nell'atmosfera quando vengono bruciati combustibili fossili ed è uno dei principali contributori alla pioggia acida. Il processo FGD è diventato essenziale per molti impianti industriali a causa della legislazione ambientale sempre più rigorosa. Sebbene il processo FGD sia presente in molte industrie, questo articolo si concentra sugli impianti FGD associati all'industria della generazione di energia, in particolare per le centrali a carbone.
Da sapere - ‘Desolforazione’ è anche scritto ‘desulfurization’, il primo è inglese britannico mentre il secondo è inglese americano.
Sistema di Scarico della Centrale a Carbone con Desolforatore Evidenziato
Perché abbiamo bisogno della desolforazione dei gas di scarico?
La maggior parte dei combustibili fossili (carbone, oli ecc.) contiene una certa quantità di zolfo. Quando un combustibile fossile viene bruciato, lo zolfo che contiene viene rilasciato nell'atmosfera attraverso il processo di combustione. Alcuni carboni possono contenere fino al 4% di zolfo, che è una quantità significativa considerando che una centrale a carbone può bruciare oltre 5.000 tonnellate di carbone al giorno.
Il biossido di zolfo si combina facilmente con l'acqua e di conseguenza si combina facilmente con le nuvole di umidità nell'atmosfera. Una volta che una nuvola è sufficientemente saturata di umidità, si formano gocce d'acqua che cadono a terra a causa della gravità; questo processo è noto come precipitazione (pioggia).
Purtroppo, poiché l'acqua assorbe il biossido di zolfo, diventa più acida. Di conseguenza, quando le nuvole di umidità assorbono il gas di biossido di zolfo nell'atmosfera, il valore del pH delle molecole d'acqua sospese (umidità) diminuisce, diventando più acido. La pioggia acida - colloquialmente chiamata pioggia acida - cade quindi a terra a causa della gravità.
Foresta Danneggiata dalla Pioggia Acida
La pioggia acida danneggia colture, infrastrutture, vegetazione, suolo e contribuisce all'acidificazione degli oceani. Poiché il biossido di zolfo è un grande contributore alle cause della pioggia acida, sono state emanate leggi ambientali per costringere i produttori di SO2 a ridurre la quantità di SO2 che generano. Uno dei principali produttori di biossido di zolfo sono le centrali a carbone, di conseguenza, sono costrette a installare sistemi FGD per ridurre le loro emissioni di SO2 e conformarsi alla legislazione ambientale.
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Desolforazione dei Gas di Scarico (FGD)
I processi FGD sono definiti come ‘umidi’ o ‘secchi’. I sistemi FGD di tipo secco utilizzano un reagente in forma di polvere (forma secca). I sistemi FGD di tipo umido utilizzano una poltiglia alcalina che si forma dopo aver miscelato un reagente secco con acqua. Sebbene siano possibili due tipi principali di progetti FGD, oltre il 75% dei sistemi FGD per la generazione di energia sono umidi.
Schema del Desolforatore dei Gas di Scarico Umido
Come Funziona la Desolforazione dei Gas di Scarico
Il mezzo più economico per rimuovere SO2 da un flusso di gas di scarico è tramite una reazione chimica con un reagente. Un reagente è una sostanza o composto aggiunto a un sistema per causare una reazione chimica. I reagenti adatti dovrebbero rendere l'SO2 innocuo per l'ambiente producendo anche un sottoprodotto che non danneggia l'ambiente.
I reagenti più comuni utilizzati nei sistemi FGD sono la calce (ossido di calcio) e il calcare (CaCO3). Esistono altre alternative di reagenti, ad esempio ammoniaca, ma il calcare è il più ampiamente adottato. La ragione principale per l'adozione diffusa del calcare è che è abbondante, economico e facile da reperire; tutti questi fattori dipendono tuttavia dalla posizione geografica.
I sottoprodotti del processo di desolforazione dei gas di scarico sono solitamente solfito di calcio (CaSO3) e/o solfato di calcio (CaSO4). Il sottoprodotto prodotto dipende dal reagente e dal design del sistema FGD utilizzato. Indipendentemente dal reagente e dal design, il sottoprodotto è solitamente a base di calcio.
Il design FGD umido ‘usa e getta’ è il design FGD più comune impiegato dalle centrali a combustibili fossili oggi. La sezione successiva descrive come funziona una tipica torre assorbente a calcare umido.
Torre Scrubber dei Gas di Scarico Umido
Come funziona la desolforazione dei gas di scarico umido?
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Il calcare viene consegnato all'impianto in forma frantumata o intera. Il calcare frantumato può essere consegnato direttamente a un silo di stoccaggio prima di essere miscelato con acqua in un'unità di miscelazione dedicata. Il calcare non frantumato dovrà passare attraverso una fase di riduzione delle dimensioni prima di essere miscelato con acqua o stoccato. La riduzione delle dimensioni può essere ottenuta utilizzando frantoi o mulini in loco, ad esempio . frantoi a mascelle, frantoi a cono, mulini a sfere, frantoi a cono ecc.).
Il calcare polverizzato viene miscelato con acqua per formare una poltiglia a base alcalina. Una poltiglia alcalina è qualsiasi poltiglia con un pH superiore a 7.0, ma per scopi operativi il pH desiderato per la poltiglia è solitamente 8.0 (dipendente dal design del sistema).
Il gas di scarico viene scaricato dalla centrale caldaia a tubi d'acqua(s), passa attraverso un filtro a sacco o un precipitator elettrostatico (ESP) e viene quindi passato al desolforatore. La temperatura del gas di scarico è di circa 150⁰C (300⁰F) o più quando entra nel desolforatore dei gas di scarico. Il gas di biossido di zolfo intrappolato nel gas di scarico viene separato tramite scrubbing umido.
Desolforatore dei Gas di Scarico Umido
Lo scrubbing umido viene ottenuto facendo passare il gas di scarico dal fondo della torre scrubber verso l'alto. La poltiglia alcalina viaggia nella direzione opposta (dall'alto verso il basso); questa disposizione è definita ‘controflusso’ a causa delle direzioni di flusso opposte dei due mezzi in movimento. Si noti che il design a controflusso è talvolta chiamato anche contro-flusso. Di tutti i design di flusso (contro, incrociato e flusso parallelo), il design a controflusso è il più efficiente per il trasferimento di calore e la miscelazione dei mezzi in movimento.
Per garantire un contatto diretto efficiente tra la poltiglia alcalina e il gas di scarico, viene utilizzata una serie di piattaforme di spruzzo dotate di ugelli di spruzzo. Gli ugelli di spruzzo scaricano la poltiglia alcalina uniformemente all'interno della torre, garantendo che i mezzi in movimento abbiano una vasta area di contatto tra loro. Le piattaforme di spruzzo inferiori operano a un pH di circa 4.0 mentre le piattaforme superiori operano a un pH di circa 6.0 o più. Gli ugelli di spruzzo operano a bassa pressione, circa 1 bar (14.5 psi).
La poltiglia alcalina cade dalla piattaforma di spruzzo su un vassoio perforato. Il vassoio perforato costringe il gas di scarico a gorgogliare attraverso la poltiglia mentre passa attraverso la torre, garantendo un buon contatto diretto tra la poltiglia e il gas di scarico.
Dopo aver attraversato i fori nel vassoio perforato, la poltiglia cade alla base della torre a causa della gravità e viene raccolta nel serbatoio di raccolta degli effluenti (EHT) (a volte chiamato serbatoio di ritardo della reazione). La poltiglia intrappolata nel gas di scarico viene separata da un demister in cima alla torre e restituita all'EHT.
Demister (verde indica gas, blu indica poltiglia)
L'acqua nella poltiglia assorbe facilmente il gas di biossido di zolfo mentre la natura alcalina della poltiglia neutralizza l'acidità del gas. L'acqua è definita assorbente mentre il calcare è definito reagente. Il gas di scarico rimanente viene scaricato in cima alla torre, ma fino al 99% dell'SO2 può essere stato rimosso (tipicamente 90% a 95% viene rimosso).
Reagendo la poltiglia alcalina con il biossido di zolfo si produce solfito di calcio (CaSO3), questa reazione chimica può essere espressa come:
CaCO3 + 1 SO2 → CaSO3 + CO2
Ulteriore ossidazione del solfito di calcio produce solfato di calcio (CaSO4), questa reazione chimica può essere espressa come:
CaSO3 + 2H2O + ½O2 → CaSO4 · 2H2O
Aria compressa (pressione di circa 1 bar / 14.5 psi) viene iniettata alla base del serbatoio di raccolta degli effluenti dove gorgoglia verso l'alto attraverso la poltiglia. A causa dell'iniezione di aria compressa nella poltiglia, si verifica l'ossidazione forzata del solfito di calcio e si forma solfato di calcio. Parte della poltiglia trattenuta dall'EHT viene ricircolata alla piattaforma di spruzzo, ma parte della poltiglia viene scaricata dalla torre per la disidratazione. Gli agitatori (eliche collegate a motori trifase) prevengono la solidificazione del calcio all'interno dell'EHT.
Il processo di disidratazione separa i sottoprodotti FGD dalla poltiglia. La poltiglia contiene circa 10-15% di solidi a base di calcio quando viene scaricata dalla torre. Gli elementi meccanici utilizzati nel processo di disidratazione spesso includono filtri a vuoto, idro-cicloni e chiarificatori (addensatori). Una volta che la sostanza cristallina a base di calcio è stata estratta, può essere venduta o smaltita.
I sottoprodotti FGD sono spesso vendibili e possono essere venduti per ridurre i costi operativi complessivi dell'impianto. Il solfato di calcio è anche noto come ‘gesso’ ed è utilizzato per molti prodotti commerciali. L'uso più comune del gesso è per il cartongesso (pareti in cartongesso) nell'industria delle costruzioni, ma viene anche utilizzato nell'industria agricola come fertilizzante. Se il sottoprodotto non può essere venduto, viene spesso miscelato con ceneri volanti e inviato a un sito di discarica.
Uomo che Tiene un Cartongesso
Materiali di Costruzione della Torre Scrubber Umida
È necessario selezionare con cura i materiali di costruzione della torre a causa dell'ambiente corrosivo e abrasivo all'interno della torre. I materiali di costruzione dipendono dai componenti e dal design della torre, ma acciaio inossidabile, fibra di vetro e acciaio al carbonio rivestito in gomma, sono materiali di costruzione comuni.
Efficienza del Processo FGD
I tassi di flusso liquido-gas (L/G) attraverso una torre scrubber umida hanno un grande effetto sulla sua efficienza operativa. Tipicamente, è desiderato un alto rapporto L/G poiché ciò garantisce che il maggior numero possibile di SO2 venga rimosso dal gas di scarico in modo economicamente possibile, evitando anche la solidificazione della poltiglia alcalina all'interno della torre. La solidificazione della poltiglia porta a percorsi di flusso ridotti all'interno della torre, ugelli di spruzzo bloccati, ed è difficile da rimuovere (molto duro e adesivo).
Il pH della poltiglia alcalina aumenta quando reagisce con il biossido di zolfo, è quindi necessario fornire continuamente calcare all'EHT in modo che il pH della poltiglia possa essere mantenuto costante. Una riduzione del pH della poltiglia porterà a una conseguente riduzione dell'efficienza FGD.
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Risorse Aggiuntive
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