Czym jest odsiarczanie gazów spalinowych?
Odsiarczanie gazów spalinowych (FGD) to proces usuwania dwutlenku siarki (SO2) ze strumienia gazów spalinowych (gazów wylotowych). Dwutlenek siarki jest emitowany do atmosfery podczas spalania paliw kopalnych i jest głównym czynnikiem powodującym kwaśne deszcze. Proces FGD stał się kluczowy dla wielu zakładów przemysłowych z powodu coraz bardziej rygorystycznych przepisów środowiskowych. Chociaż proces FGD jest stosowany w wielu branżach, ten artykuł koncentruje się na urządzeniach FGD związanych z przemysłem energetycznym, szczególnie w kontekście elektrowni węglowych.
Warto wiedzieć - ‘Odsiarczanie’ jest również określane jako ‘desulfurization’, przy czym pierwsze to angielski brytyjski, a drugie to angielski amerykański.
System wylotowy elektrowni węglowej z wyróżnionym odsiarczaniem gazów spalinowych
Dlaczego potrzebujemy odsiarczania gazów spalinowych?
Większość paliw kopalnych (węgiel, oleje itp.) zawiera pewną ilość siarki. Kiedy paliwo kopalne jest spalane, zawarta w nim siarka jest uwalniana do atmosfery w procesie spalania. Niektóre węgle mogą zawierać do 4% siarki, co jest znaczną ilością, biorąc pod uwagę, że elektrownia węglowa może spalać ponad 5 000 ton węgla dziennie.
Dwutlenek siarki łatwo łączy się z wodą, a co za tym idzie, łatwo łączy się z chmurami wilgoci w atmosferze. Gdy chmura jest wystarczająco nasycona wilgocią, krople wody tworzą się i spadają na ziemię z powodu grawitacji; ten proces nazywany jest opadem (deszczem).
Niestety, gdy woda absorbuje dwutlenek siarki, staje się bardziej kwaśna. W konsekwencji, gdy chmury wilgoci absorbują gaz dwutlenku siarki w atmosferze, wartość pH zawieszonych cząsteczek wody (wilgoci) spada, a one stają się bardziej kwaśne. Kwaśny deszcz - potocznie nazywany kwaśnym deszczem - następnie spada na ziemię z powodu grawitacji.
Las zniszczony przez kwaśny deszcz
Kwaśny deszcz uszkadza uprawy, infrastrukturę, roślinność, glebę i przyczynia się do zakwaszenia oceanów. Ponieważ dwutlenek siarki jest dużym czynnikiem przyczyniającym się do powstawania kwaśnych deszczy, wprowadzono przepisy środowiskowe zmuszające producentów SO2 do zmniejszenia ilości generowanego SO2. Jednym z głównych producentów dwutlenku siarki są elektrownie węglowe, w związku z czym są one zmuszone do instalowania systemów FGD w celu zmniejszenia emisji SO2 i zgodności z przepisami środowiskowymi.
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o inżynierii energetycznej tematach i maszynach, koniecznie sprawdź nasz Podstawy Inżynierii Energetycznej Kurs Wideo. Możesz również uzyskać dostęp do pobieralnych PDF-ów inżynierskich i podręczników, dołączając do naszego newslettera.
Odsiarczanie gazów spalinowych (FGD)
Procesy FGD są klasyfikowane jako ‘mokre’ lub ‘suche’. Suche systemy FGD wykorzystują reagent w formie proszku (formie suchej). Mokre systemy FGD wykorzystują zasadową zawiesinę, która powstaje po zmieszaniu suchego reagenta z wodą. Chociaż możliwe są dwa główne typy projektów FGD, ponad 75% systemów FGD w energetyce to systemy mokre.
Schemat mokrego odsiarczania gazów spalinowych
Jak działa odsiarczanie gazów spalinowych
Najbardziej ekonomicznym sposobem usuwania SO2 ze strumienia gazów spalinowych jest reakcja chemiczna z reagentem. Reagent to substancja lub związek dodawany do systemu w celu wywołania reakcji chemicznej. Odpowiednie reagenty powinny uczynić SO2 nieszkodliwym dla środowiska, jednocześnie produkując produkt uboczny, który nie szkodzi środowisku.
Najczęściej stosowanymi reagentami w systemach FGD są wapno (tlenek wapnia) i wapień (CaCO3). Istnieją inne alternatywy reagentów, np. amoniak, ale wapień jest najczęściej stosowany. Głównym powodem szerokiego zastosowania wapienia jest jego obfitość, niska cena i łatwość dostępu; wszystkie te czynniki zależą jednak od lokalizacji geograficznej.
Produktami ubocznymi procesu odsiarczania gazów spalinowych są zazwyczaj siarczan wapnia (CaSO3) i/lub siarczan wapnia (CaSO4). Produkt uboczny zależy od użytego reagenta i projektu systemu FGD. Niezależnie od reagenta i projektu, produkt uboczny jest zazwyczaj oparty na wapniu.
Najczęściej stosowanym projektem FGD w elektrowniach opalanych paliwami kopalnymi jest mokry projekt ‘jednorazowy’. Następna sekcja opisuje, jak działa typowa wieża absorpcyjna z mokrym wapieniem.
Wieża do mokrego odsiarczania gazów
Jak działa mokre odsiarczanie gazów spalinowych?
Poniższe wideo to fragment naszego Wprowadzenie do Kursu Wideo o Transformatorach Elektrycznych.
Wapień jest dostarczany do zakładu w formie rozdrobnionej lub całej. Rozdrobniony wapień może być dostarczony bezpośrednio do silosu magazynowego przed zmieszaniem z wodą w dedykowanej jednostce mieszającej. Nierozdrobniony wapień będzie musiał przejść przez etap redukcji rozmiaru przed zmieszaniem z wodą lub magazynowaniem. Redukcja rozmiaru może być osiągnięta za pomocą kruszarek lub młynów na miejscu, np. . kruszarki szczękowe, kruszarki stożkowe, młyny kulowe, kruszarki stożkowe itp.).
Rozdrobniony wapień jest mieszany z wodą w celu utworzenia zasadowej zawiesiny. Zasadowa zawiesina to każda zawiesina o pH przekraczającym 7,0, ale dla celów operacyjnych pożądane pH zawiesiny wynosi zazwyczaj 8,0 (zależne od projektu systemu).
Gazy spalinowe są odprowadzane z kotła wodnorurkowego elektrowni, przechodzą przez filtr workowy lub elektrostatyczny odpylacz (ESP) i następnie trafiają do odsiarczacza. Temperatura gazów spalinowych wynosi około 150°C (300°F) lub więcej, gdy wchodzą do odsiarczacza gazów spalinowych. Gaz dwutlenku siarki zawarty w gazach spalinowych jest oddzielany za pomocą mokrego oczyszczania.
Mokry odsiarczacz gazów spalinowych
Mokre oczyszczanie jest osiągane poprzez przepuszczanie gazów spalinowych od dołu wieży oczyszczającej do góry. Zasadowa zawiesina porusza się w przeciwnym kierunku (od góry do dołu); to układ nazywany ‘przeciwprądowym’ z powodu przeciwnych kierunków przepływu dwóch płynących mediów. Należy zauważyć, że projekt przeciwprądowy jest czasami nazywany kontrprądowym. Spośród wszystkich projektów przepływu (przeciwprądowy, krzyżowy i równoległy), projekt przeciwprądowy jest najbardziej efektywny w transferze ciepła i mieszaniu płynących mediów.
Aby zapewnić efektywny bezpośredni kontakt między zasadową zawiesiną a gazami spalinowymi, stosuje się szereg pokładów natryskowych wyposażonych w dysze natryskowe. Dysze natryskowe równomiernie rozprowadzają zasadową zawiesinę w wieży, co zapewnia dużą powierzchnię kontaktu między płynącymi mediami. Dolne pokłady natryskowe działają przy pH około 4,0, podczas gdy wyższe pokłady działają przy pH około 6,0 lub więcej. Dysze natryskowe działają przy niskim ciśnieniu, około 1 bara (14,5 psi).
Zasadowa zawiesina spada z pokładu natryskowego na perforowaną tacę. Perforowana taca zmusza gazy spalinowe do bąbelkowania przez zawiesinę podczas przechodzenia przez wieżę, co zapewnia dobry bezpośredni kontakt między zawiesiną a gazami spalinowymi.
Po przejściu przez otwory w perforowanej tacy, zawiesina spada na dno wieży z powodu grawitacji i jest zbierana w zbiorniku na ścieki (EHT) (czasami nazywanym zbiornikiem opóźnienia reakcji). Zawiesina, która jest zawarta w gazach spalinowych, jest oddzielana przez odmgławiacz na szczycie wieży i zwracana do EHT.
Odmgławiacz (zielony oznacza gaz, niebieski oznacza zawiesinę)
Woda w zawiesinie łatwo absorbuje gaz dwutlenku siarki, podczas gdy zasadowa natura zawiesiny neutralizuje kwasowość gazu. Woda jest nazywana absorbentem, podczas gdy wapień jest nazywany reagentem. Pozostałe gazy spalinowe są odprowadzane na szczycie wieży, ale do 99% SO2 może zostać teraz usunięte (zazwyczaj 90% do 95% jest usuwane).
Reakcja zasadowej zawiesiny z dwutlenkiem siarki produkuje siarczan wapnia (CaSO3), ta reakcja chemiczna może być wyrażona jako:
CaCO3 + 1 SO2 → CaSO3 + CO2
Dalsze utlenianie siarczanu wapnia produkuje siarczan wapnia (CaSO4), ta reakcja chemiczna może być wyrażona jako:
CaSO3 + 2H2O + ½O2 → CaSO4 · 2H2O
Sprężone powietrze (ciśnienie około 1 bara / 14,5 psi) jest wstrzykiwane do podstawy zbiornika na ścieki, gdzie bąbelkuje w górę przez zawiesinę. Dzięki wstrzyknięciu sprężonego powietrza do zawiesiny, dochodzi do wymuszonego utleniania siarczanu wapnia i powstaje siarczan wapnia. Część zawiesiny przechowywanej przez EHT jest cyrkulowana z powrotem do pokładu natryskowego, ale część zawiesiny jest odprowadzana z wieży do odwadniania. Agitatory (śmigła połączone z silnikami trójfazowymi) zapobiegają krystalizacji wapnia w EHT.
Proces odwadniania oddziela produkty uboczne FGD od zawiesiny. Zawiesina zawiera około 10-15% ciał stałych opartych na wapniu podczas odprowadzania z wieży. Maszyny używane w procesie odwadniania często obejmują filtry próżniowe, hydrocyklony i klarownice (zagęszczacze). Po wyekstrahowaniu krystalicznej substancji wapniowej, może być ona sprzedawana lub usuwana.
Produkty uboczne FGD są często zbywalne i mogą być sprzedawane w celu zmniejszenia ogólnych kosztów operacyjnych zakładu. Siarczan wapnia jest również znany jako ‘gips’ i jest używany do wielu produktów komercyjnych. Najczęstszym zastosowaniem gipsu jest płyta gipsowo-kartonowa (płyta ścienna) w przemyśle budowlanym, ale jest również używany w rolnictwie jako nawóz. Jeśli produkt uboczny nie może być sprzedany, często jest mieszany z popiołem lotnym i wysyłany na składowisko.
Człowiek trzymający płytę gipsowo-kartonową
Materiały konstrukcyjne wieży do mokrego oczyszczania
Konieczne jest staranne dobranie materiałów konstrukcyjnych wieży z powodu korozyjnego i ściernego środowiska wewnątrz wieży. Materiały konstrukcyjne zależą od komponentów i projektu wieży, ale stal nierdzewna, włókno szklane i stal węglowa pokryta gumą są powszechnymi materiałami konstrukcyjnymi.
Efektywność procesu FGD
Przepływy cieczy do gazu (L/G) przez wieżę do mokrego oczyszczania mają duży wpływ na jej efektywność operacyjną. Zazwyczaj pożądany jest wysoki stosunek L/G, ponieważ zapewnia to usunięcie jak największej ilości SO2 z gazów spalinowych, jak to jest ekonomicznie możliwe, jednocześnie zapobiegając krystalizacji zasadowej zawiesiny w wieży. Krystalizacja zawiesiny prowadzi do zmniejszenia ścieżek przepływu w wieży, zablokowanych dysz natryskowych i jest trudna do usunięcia (bardzo twarda i klejąca).
pH zasadowej zawiesiny wzrasta, gdy reaguje z dwutlenkiem siarki, dlatego konieczne jest ciągłe dostarczanie wapienia do EHT, aby pH zawiesiny mogło być utrzymywane na stałym poziomie. Spadek pH zawiesiny prowadzi do spadku efektywności FGD.
Dodatkowe zasoby
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