METOD AVANSAT DE DESULFURARE A GAZELOR DE ARDEREBogdan Diaconu, ef lucrri ing. Universitatea Constantin Brncui Targu-Jiu Mihai Cruceru, conf. dr. ing. Universitatea Constantin Brncui Targu-Jiu Valentin Pali, prof. dr. ing. Universitatea Constantin Brncui Targu-Jiu Cristinel Racoceanu, ef lucrri dr. ing. Universitatea Constantin Brncui Targu-Jiu 1. Introducere Metoda avansat de desulfurare a gazelor de ardere provenind din arderea combustibililor solizi cu coninut ridicat de sulf (isturi bituminoase i lignit) (AFGD Advanced Flue Gas Desulfurization) este rezultatul cercetrilor consoriului american Pure Air pe o instalaie pilot (Bailly Generating Station), proiectul (Bailly Station AFGD Demonstration Program) fiind parial finanat de U.S. Department of Energy. Metoda realizeaz ndeprtarea dioxidului de sulf din gazele de ardere ntr-o singur instalaie absorbant n care au loc toate cele trei faze ale procesului de desulfurare: rcirea gazelor de ardere, absorbia dioxidului de sulf i oxidarea n vederea producerii gipsului. Obiectivele iniiale ale proiectului au fost urmtoarele: - reducerea coninutului de dioxid de sulf cu peste 90 % - reducerea costului fa de procedeul convenional de desulfurare cu 50 % - reducerea volumului instalaiei - obinerea de gips de puritate nalt Premisele tehnologice ale procedeului 2.1. Procedeul convenional. Procedeul convenional de desulfurare utilizeaz o soluie apoas de calcar (CaCO3) ca reactiv ntr-o instalaie absorbant (scruber) care const ntr-un recipient vertical n care gazele de ardere intr n contact cu soluia de calcar. Curgerea se face de regul n contracurent iar debitul de gaze i seciunea transversal a scruberului sunt determinate de caracteristicile sistemului privind transferul de mas; pentru valori moderate ale debitelor de gaze de ardere aceste scrubere au dimensiuni foarte mari. Produsul de reacie care se depoziteaz n partea de jos a scruberului este o soluie apoas care conine sulfit de calciu (CaSO3) i sulfat de calciu (CaSO4). Dup recuperarea parial a apei din soluie aceasta este depozitat, necesitnd dezafectarea unor suprafee ntinse. Pe lng problemele ridicate de depozitare, un alt dezavantaj al procedeului convenional este pericolul de depunere pe suprafeele metalice ale scruberului i conductelor a srurilor coninute de soluie. Aceasta necesit opriri frecvente ale instalaiei i face necesar instalarea unui modul de rezerv, n felul acesta dublndu-se cerinele de spaiu ale instalaiei pentru a permite funcionarea continu. Au fost dezvoltate procedee alternative n care soluia coninnd sulfat i sulfit de calciu reacioneaz cu oxigenul pentru a trece sulfitul de calciu n sulfat de calciu ( CONSTANTIN BRNCUSI UNIVERSITY ENGINEERING FACULTY U N I V E R S I T Y S D A YU N I V E R S I T Y S D A Y UNIVERSITYS DAY UNIVERSITYS DAY 8 th INTERNATIONAL CONFERENCE Trgu Jiu, May 24-26, 2002 Trgu Jiu, Geneva Street, nr.3, 1400, Gorj, Romnia,Tel.+4053215848, Fax+4053214462, www.utgjiu.ro gips) care poate fi valorificat. De regul aceast reacie presupune un alt vas utiliznd aerul atmosferic ca agent oxidant. 2.2. Procedeul AFGD. Principalul obiectiv urmrit n cadrul proiectului consoriului Pure Air a fost evaluarea posibilitilor tehnice i economice de realizare a desulfurrii ntr-o singur instalaie n care s aib loc toate fazele procesului. n cazul procedeului de desulfurare avansat, calcarul pulverizat este injectat direct n absorbitor. Reacia de oxidare este favorizat de agitaia creat cu un sistem de ventilare care genereaz un nivel de turbulen i o distribuie a aerului care realizeaz oxidarea practic complet a sulfitului de calciu la sulfat de calciu. Procedeul include o faz de aglomerare a gipsului, rezultnd ntr-un produs cu caliti superioare, gips PowerChip. n plus, procedeul utilizeaz o metod de evaporare a apei reziduale utiliznd cldura gazelor de ardere. Procedeul AFGD nu difer esenial de procedeul convenional. n figura 1 este reprezentat schematic instalaia AFGD, succesiunea de reacii chimice din instalaie fiind urmtoarea: SO2 + H2O 2SO3 2SO3 + 0,5 O2 2SO4 CaCO3 + H2SO4 + H2O CaSO4 2H2O + CO2 O succesiune alternativ de reacii care duce la acelai rezultat este urmtoarea: SO2 + H2O 2SO3 CaCO3 + 2SO3 CaSO3 + CO2 + H2O CaSO3 + 0,5 O2 +2H2O CaSO4 2H2O + CO2 Figura 1. Fazele i instalaiile procedeului AFGD Sistemul AFGD utilizeaz un singur scruber absorbant cptuit cu o rin sintetic, curgerea soluiei fcndu-se n echicurent cu gazele de ardere, cu distribuirea soluiei n dou Gaze de ardere brute de la instalaia de ardere EF Ventilator de gaze de ardere Splare intermitent cu ap Injecie calcar Pomp de recirculare a absorbentului Zon de reacie Sistem de distribuire a aerului Ventilator de aer Gaze de ardere fierbini Evaporarea apei reziduale Modul absorbent Sistem de centrifugare a gipsului Depozitarea gipsului Ap Gaze de ardere epurate Eliminare particule fine de ap trepte. Instalaia de absorbie realizeaz trei funcii diferite n acelai vas de reacie: rcirea gazelor de ardere, absorbia dioxidului de sulf i oxidarea soluiei de sulfit de calciu. Alte caracteristici care conduc la economia de spaiu i investiie mai redus sunt: - sistem de distribuie a soluiei la presiune atmosferic, care reduce presiunea pompei de recirculare cu aproximativ 30 % fa de procedeul convenional cu pulverizare n contracurent; - curgerea soluiei fr pulverizare nu genereaz particule fine de ap (cea), n felul acesta reducndu-se ncrcarea sistemului de eliminare a particulelor fine de ap cu pn la 95 % fa de procedeul convenional cu curgere n contracurent i pulverizare; - utilizarea unui sistem de pulverizare a calcarului n stare uscat elimin necesitatea utilizrii morilor de calcar, a rezervoarelor de depozitare a soluiei de calcar i a pompelor. Sistemul de distribuie a aerului realizeaz att distribuia uniform a aerului pe zonele instalaiei ct i un amestec eficient ntre agentul oxidant (aer) i soluia de sulfit de calciu. n cazul sistemului clasic de desulfurare, amestecul agentului oxidant cu soluia de sulfit de calciu se face n scruber printr-un sistem agitator i oxidarea are loc ntr-un recipient separat. n cazul sistemului AFGD, sistemul de distribuie a aerului asigur o mai bun utilizare a oxigenului din aer i un amestec mai eficient, ducnd la reducerea puterii necesare agitrii i necesiti mai reduse de ntreinere. Figura 2. Elementele instalaiei de absorbie Soluia de gips rezultat n urma oxidrii este centrifugat pentru separarea apei care este introdus n instalaia de vaporizare, unde este pulverizat n curentul de gaze de ardere, n amonte de electrofiltre. Gazele fierbini vaporizeaz apa iar produsele solide dizolvate n ap se colecteaz n electrofiltru mpreun cu cenua. Gipsul rezultat are un coninut ridicat de umiditate, nefiind adecvat utilizrii n starea n care iese din instalaie. El este supus unui proces de uscare care i modific structura fizic. Pentru un coninut de sulf al crbunelui de 3% i o reducere a dioxidului de sulf din gazele de ardere cu 94%, prin procedeul AFGD aplicat la Bailly Station s-a obinut o reducere a emisiei de SO2 n atomsfer cu aproximativ 68000 tone/an. Procedeul a fost aplicat la dou uniti, gazele de ardere tratate reprezentnd echivalentul a 528 MWe putere n funciune. Scruberul a fost dimensionat pentru ntreaga putere instalat a celor dou grupuri 616 MWe. Pe parcursul derulrii proiectului unitile au funcionat cu isturi bituminoase cu coninut de sulf variind ntre 2,21 i 4,73%. Procedeul a dus la o reducere a dioxidului de sulf din gazele de ardere cu aproximativ 94%, maxim 98%. Disponibilitatea de timp a instalaiei a fost 99,5%. Pe parcursul proiectului a fost produs o cantitate de 210000 tone de gips cu puritatea Distribuia sistemului de recirculare Intrare gaze de ardere brute Eliminare particule fine de ap Ieire gaze de ardere curate Pompele sistemului de recirculare Rezervor Agitatori pentru uniformizarea soluei Sistem de distribuire a aerului medie 97,2%. Cazanele de abur au fost alimentate cu 5 sorturi de crbune avnd analiza elementar redat n tabelul 1: Tabelul 1 Sortul de crbune Element I II III IV V Carbon 66,77 61,46 62,03 59,02 69,39 Hidrogen 4,51 4,38 4,09 4,36 4,94 Azot 1,44 1,23 1,22 1,26 1,17 Sulf 2,21 2,90 3,21 3,78 4,73 Oxigen 6,73 7,43 8,18 7,18 5,64 Clor 0,14 0,10 0,06 0,03 0,07 Umiditate 8,63 12,89 11,12 13,69 4,74 Cenu 9,57 9,61 10,09 10,68 9,32 Putere caloric inferioar [kJ/kg] 27751 25635 25291 25584 29538 Principalele caracteristici funcionale studiate au fost: (a) coninutul de sulf al crbunelui, (b) debitul de soluie recirculat, (c) raportul stoichiometric calcar dioxid de sulf i (d) raportul gaz lichid n modulul absorbent. Pentru un raport stoichiometric i coninut iniial de sulf al crbunelui constante, gradul de reinere a dioxidului de sulf crete cu creterea ratei de recirculare soluiei. De exemplu, la un raport stoichiometric 1,045 i un coninut iniial de sulf al crbunelui de 2,25%, eficiena reinerii dioxidului de sulf crete de la valoarea de 90% la o rat de recirculare de 50% din valoarea de proiect la aproximativ 97% pentru valoarea de proiect a ratei de recirculare (figura 3). S-a constatat c eficiena procesului de reinere scade la creterea coninutului iniial de sulf al crbunelui. Figura 3. Efectul recirculrii soluiei asupra eficienei reinerii dioxidului de sulf Pentru un raport i gaz lichid constant i coninut iniial de sulf al crbunelui constant eficiena procesului de reinere crete cu creterea raportului stoichiometric. De exemplu, la un raport gaz lichid de 76 % din valoarea de proiect eficiena procesului de reinere crete de la aproximativ 91 % la un raport stoichiometric de 1,01 la aproximativ 98 % pentru un raport stoichiometric de 1,10. Aceste rezultate sunt reprezentate grafic n figura 4. Coninutul de sulf Eficiena reinerii SO2 [%] Rata de recirculare a soluiei (procente din valoarea de proiect) Figura 4. Efectul raportului stoichiometric Ca / SO2 asupra eficienei reinerii SO2 A fost studiat posibilitatea utilizrii unor aditivi cum sunt acizii dibazici la soluia de calcar care s creasc eficiena reinerii dioxidului de sulf, innd seama de efectele asupra costurilor de operare i a proprietilor gipsului rezultat. Aspecte economice. Concluzii Metoda de desulfurare AFGD este aplicabil la practic orice instalaie de ardere convenional, incluznd focare cu ardere n stare fluidizat cu evacuarea zgurii n stare lichid, focare cu ardere sub presiune, focare ciclon. Eficiena economic a procedeului AFGD este ns condiionat de existena unei piee de desfacere pentru gipsul sintetic rezultat. n contextul crizei de gips natural apare un interes tot mai crescut pentru gipsul sintetic, obinut cu costuri reduse i avnd caliti i puritate comparabile cu cele ale gipsului natural. O alt utilizare a gipsului poate fi combinarea sa cu cenua de termocentral pentru obinerea unui ciment. Specificaiile gipsului pentru acest tip de produs sunt ns diferite dect pentru gipsul uzual. Studiile tehnico-economice comparative au artat c pentru o capacitate instalat de 500 MWe procedeul AFGD presupune un cost de 236$ pentru o ton de SO2 reinut fa de Raportul gaz lichid 76% din valoarea de proiect Coninutul de sulf [%] Eficiena reinerii SO2 [%] Raportul lichid / gaz Eficiena reinerii SO2 [%] Raportul lichid / gaz asupra eficienei reinerii Raportul stoichiometric (moli Ca/moli SO2 reinut) 373$ n cazul procedeului convenional. Aceste costuri includ i taxele de emisie emisie pentru SO2 care n cazul SUA sunt 300$/ton. Bibiliografie 1. Ashline, P.M. 1993. A Case Study: The Commercial Deployment of Pure Airs Clean Coal Technology, Pure Air. Second Annual Clean Coal Technology Conference, Atlanta, Georgia, September 1993. 2. Manavizadeh, G.B., J.J. Lewnard, D.A. Stryf, and T.A. Sarkus. 1995. "Bailly Station AFGD Demonstration Program," Pure Air, Northern Indiana Public Service Company, and U.S. Department of Energy. Fourth Annual Clean Coal Technology Conference, Denver, Colorado, September 1995.