Wat is rookgasontzwaveling?
Rookgasontzwaveling (FGD) verwijst naar een proces dat zwaveldioxide (SO2) verwijdert uit een rookgas (uitlaatgas) stroom. Zwaveldioxide komt vrij in de atmosfeer bij de verbranding van fossiele brandstoffen en is een belangrijke oorzaak van zure regen. Het FGD-proces is essentieel geworden voor veel industriële installaties vanwege steeds strengere milieuwetgeving. Hoewel het FGD-proces in veel industrieën wordt toegepast, richt dit artikel zich op FGD-apparatuur die wordt gebruikt in de energieopwekkingssector, met name voor kolengestookte energiecentrales.
Goed om te weten - ‘Ontzwaveling’ wordt ook gespeld als ‘desulfurization’, waarbij de eerste Brits Engels is en de laatste Amerikaans Engels.
Kolenenergiecentrale-uitlaatsysteem met rookgasontzwaveling gemarkeerd
Waarom hebben we rookgasontzwaveling nodig?
De meeste fossiele brandstoffen (kolen, oliën enz.) bevatten enige zwavel. Bij de verbranding van fossiele brandstoffen komt de zwavel die ze bevatten vrij in de atmosfeer. Sommige kolen kunnen tot 4% zwavel bevatten, wat aanzienlijk is, gezien het feit dat een kolencentrale meer dan 5.000 ton kolen per dag kan verbranden.
Zwaveldioxide combineert gemakkelijk met water en daardoor ook met vochtige wolken in de atmosfeer. Zodra een wolk voldoende verzadigd is met vocht, vormen zich waterdruppels die door de zwaartekracht naar de grond vallen; dit proces staat bekend als neerslag (regen).
Helaas wordt water zuurder naarmate het zwaveldioxide absorbeert. Daardoor, naarmate vochtige wolken het zwaveldioxidegas in de atmosfeer absorberen, daalt de pH-waarde van de gesuspendeerde watermoleculen (vocht), en wordt het zuurder. De zure regen - in de volksmond bekend als zure regen - valt dan door de zwaartekracht naar de grond.
Bos beschadigd door zure regen
Zure regen beschadigt gewassen, infrastructuur, vegetatie, bodem en draagt bij aan verzuring van de oceanen. Omdat zwaveldioxide een grote bijdrage levert aan de oorzaken van zure regen, zijn milieuwetten ingevoerd om SO2-producenten te dwingen de hoeveelheid SO2 die ze genereren te verminderen. Een van de belangrijkste producenten van zwaveldioxide zijn kolengestookte energiecentrales, daarom worden ze gedwongen om FGD-systemen te installeren om hun SO2-emissies te verminderen en te voldoen aan de milieuwetgeving.
Als je meer wilt leren over energie-engineering onderwerpen en machines, zorg ervoor dat je onze Power Engineering Fundamentals Videocursus. Je kunt ook toegang krijgen tot downloadbare engineering PDF’s en handboeken door lid te worden van onze nieuwsbrief.
Rookgasontzwaveling (FGD)
FGD-processen worden aangeduid als ‘nat’ of ‘droog’. Droge FGD-systemen gebruiken een reagens in poedervorm (droge vorm). Natte FGD-systemen gebruiken een alkalische slurry die wordt gevormd na het mengen van een droog reagens met water. Hoewel er twee hoofdtypen FGD-ontwerpen mogelijk zijn, zijn meer dan 75% van de FGD-systemen voor energieopwekking nat.
Schema van natte rookgasontzwaveling
Hoe werkt rookgasontzwaveling
De meest economische manier om SO2 uit een rookgasstroom te verwijderen is via een chemische reactie met een reagens. Een reagens is een stof of verbinding die aan een systeem wordt toegevoegd om een chemische reactie te veroorzaken. Geschikte reagentia moeten de SO2 onschadelijk maken voor het milieu en tegelijkertijd een bijproduct produceren dat het milieu niet schaadt.
De meest voorkomende reagentia die in FGD-systemen worden gebruikt, zijn kalk (calciumoxide) en kalksteen (CaCO3). Andere reagensalternatieven bestaan, zoals ammoniak, maar kalksteen is het meest wijdverbreid. De belangrijkste reden voor de wijdverspreide toepassing van kalksteen is dat het overvloedig, goedkoop en gemakkelijk toegankelijk is; al deze factoren zijn echter afhankelijk van de geografische locatie.
Bijproducten van het rookgasontzwavelingsproces zijn meestal calciumsulfiet (CaSO3) en/of calciumsulfaat (CaSO4). Het geproduceerde bijproduct hangt af van welk reagens en welk FGD-systeemontwerp wordt gebruikt. Ongeacht het reagens en ontwerp is het bijproduct meestal op calcium gebaseerd.
Het natte ‘wegwerp’ FGD-ontwerp is het meest voorkomende FGD-ontwerp dat tegenwoordig door fossiele energiecentrales wordt gebruikt. Het volgende gedeelte beschrijft hoe een typische natte kalksteenabsorbeertoren werkt.
Natte rookgaswastoren
Hoe werkt natte rookgasontzwaveling?
De onderstaande video is een fragment uit onze Introductie tot elektrische transformatoren online videocursus.
Kalksteen wordt in vermalen of hele vorm naar de installatie gebracht. Vermalen kalksteen kan direct naar een opslagsilo worden gebracht voordat het in een speciale mengunit met water wordt gemengd. Niet-vermalen kalksteen moet een maatverkleiningsfase doorlopen voordat het met water wordt gemengd of opgeslagen. Maatverkleining kan worden bereikt met behulp van on-site brekers of molens, zoals . kaakbrekers, gyratory brekers, kogelmolens, kegelbrekers enz.).
Verpoederde kalksteen wordt met water gemengd om een alkalische slurry te vormen. Een alkalische slurry is elke slurry met een pH hoger dan 7,0, maar voor operationele doeleinden is de gewenste pH voor de slurry meestal 8,0 (afhankelijk van het systeemontwerp).
Rookgas wordt afgevoerd uit de energiecentrale waterpijpketel(s), passeert een stoffilter of elektrostatische precipitator (ESP)) en wordt vervolgens naar de ontzwavelaar geleid. De rookgastemperatuur is ongeveer 150°C (300°F) of meer wanneer het de rookgasontzwavelaar binnenkomt. Zwaveldioxidegas dat in het rookgas is gevangen, wordt gescheiden via natte scrubben.
Natte rookgasontzwavelaar
Natte scrubben wordt bereikt door het rookgas van de onderkant van de scrubbertoren naar de bovenkant te leiden. De alkalische slurry beweegt in de tegenovergestelde richting (van boven naar beneden); deze opstelling wordt ‘tegenstroom’ genoemd vanwege de tegengestelde stroomrichtingen van de twee stromende media. Merk op dat het tegenstroomontwerp soms ook wordt aangeduid als contra-flow. Van alle stroomontwerpen (tegenstroom, kruisstroom en parallelle stroom) is het tegenstroomontwerp het meest efficiënt voor het overdragen van warmte en het mengen van stromende media.
Om een efficiënte directe contact tussen de alkalische slurry en rookgas te garanderen, wordt een reeks spuitdekken uitgerust met spuitmonden gebruikt. Spuitmonden verspreiden de alkalische slurry gelijkmatig binnen de toren, wat ervoor zorgt dat de stromende media een groot contactoppervlak met elkaar hebben. De lagere spuitdekken werken bij een pH van ongeveer 4,0, terwijl de hogere dekken werken bij een pH van ongeveer 6,0 of meer. Spuitmonden werken bij lage druk, ongeveer 1 bar (14,5 psi).
De alkalische slurry valt van het spuitdek naar een geperforeerde plaat. De geperforeerde plaat dwingt het rookgas om door de slurry te borrelen terwijl het door de toren gaat, dit zorgt voor een goed direct contact tussen de slurry en rookgas.
Nadat het door de gaten in de geperforeerde plaat is gepasseerd, valt de slurry door de zwaartekracht naar de basis van de toren en wordt verzameld in de effluentopslagtank (EHT) (soms een reactievertragingstank genoemd). Slurry die in het rookgas is gevangen, wordt gescheiden door een demister aan de bovenkant van de toren en teruggevoerd naar de EHT.
Demister (groen geeft gas aan, blauw geeft slurry aan)
Water in de slurry absorbeert gemakkelijk het zwaveldioxidegas, terwijl de alkalische aard van de slurry de zuurgraad van het gas neutraliseert. Het water wordt de absorbeerder genoemd, terwijl de kalksteen het reagens wordt genoemd. Het resterende rookgas wordt aan de bovenkant van de toren afgevoerd, maar tot 99% van de SO2 kan nu zijn verwijderd (meestal wordt 90% tot 95% verwijderd).
Het reageren van de alkalische slurry met zwaveldioxide produceert calciumsulfiet (CaSO3), deze chemische reactie kan als volgt worden uitgedrukt:
CaCO3 + 1 SO2 → CaSO3 + CO2
Verdere oxidatie van calciumsulfiet produceert calciumsulfaat (CaSO4), deze chemische reactie kan als volgt worden uitgedrukt:
CaSO3 + 2H2O + ½O2 → CaSO4 · 2H2O
Samengeperste lucht (druk van ongeveer 1 bar / 14,5 psi) wordt in de basis van de effluentopslagtank geïnjecteerd, waar het door de slurry omhoog borrelt. Door de injectie van samengeperste lucht in de slurry vindt gedwongen oxidatie van het calciumsulfiet plaats en wordt calciumsulfaat gevormd. Een deel van de slurry die door de EHT wordt vastgehouden, wordt teruggevoerd naar het spuitdek, maar een deel van de slurry wordt uit de toren afgevoerd voor ontwatering. Roerwerken (propellers verbonden met driefasige motoren) voorkomen calciumverharding binnen de EHT.
Het ontwateringsproces scheidt FGD bijproducten van de slurry. De slurry bevat ongeveer 10-15% calciumgebaseerde vaste stoffen wanneer het uit de toren wordt afgevoerd. Machines die vaak in het ontwateringsproces worden gebruikt, zijn vacuümfilters, hydrocyclonen en clarifiers (indikkers). Zodra de kristallijne calciumgebaseerde stof is geëxtraheerd, kan deze worden verkocht of afgevoerd.
FGD-bijproducten zijn vaak verkoopbaar en kunnen worden verkocht om de operationele kosten van de installatie te verlagen. Calciumsulfaat staat ook bekend als ‘gips’ en wordt gebruikt voor veel commerciële producten. Het meest voorkomende gebruik van gips is voor gipsplaat (wandplaat) in de bouwsector, maar het wordt ook gebruikt in de landbouwsector als meststof. Als het bijproduct niet kan worden verkocht, wordt het vaak gemengd met vliegas en naar een stortplaats gestuurd.
Man met gipsplaat
Constructiematerialen voor natte scrubbertoren
Het is noodzakelijk om de constructiematerialen van de toren zorgvuldig te selecteren vanwege de corrosieve en schurende omgeving binnen de toren. Constructiematerialen zijn afhankelijk van de componenten en het ontwerp van de toren, maar roestvrij staal, glasvezel en rubber bekleed koolstofstaal, zijn veelgebruikte constructiematerialen.
Efficiëntie van het FGD-proces
De vloeistof-gas (L/G) debieten door een natte scrubbertoren hebben een grote invloed op de operationele efficiëntie ervan. Meestal is een hoge L/G-verhouding gewenst, omdat dit ervoor zorgt dat zoveel mogelijk SO2 uit het rookgas wordt verwijderd als economisch mogelijk is, terwijl ook de verharding van de alkalische slurry binnen de toren wordt voorkomen. Verharding van de slurry leidt tot verminderde stromingspaden binnen de toren, verstopte spuitmonden, en het is moeilijk te verwijderen (zeer hard en kleverig).
De pH van de alkalische slurry stijgt wanneer deze reageert met zwaveldioxide, daarom is het noodzakelijk om voortdurend kalksteen aan de EHT toe te voegen zodat de pH van de slurry constant kan worden gehouden. Een verlaging van de pH van de slurry zal leiden tot een resulterende verlaging van de FGD-efficiëntie.
Gerelateerde online engineeringcursussen
Hoe kolengestookte energiecentrales werken
Elektrostatische precipitatoren (ESP)
Uitleg over ketelstoomtrommels
Subkritische, superkritische en ultrasuperkritische ketels
Uitleg over warmteterugwinning stoomgeneratoren
Aanvullende bronnen
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