Verbesserter REA-Entwässerungsprozess reduziert feste Abfälle

Im Jahr 2007 machte sich die WH Zimmer Station von Duke Energy daran, die Gesamtleistung ihres Entwässerungsprozesses zur Rauchgasentschwefelung (FGD) zu verbessern. Die Anlage führte eine Vielzahl von Maßnahmen durch, darunter die Verbesserung der Wasser-Feststoff-Trennung, die Verbesserung der Wirksamkeit und Zuverlässigkeit des Polymerprogramms, die Optimierung der Behandlungskosten, die Reduzierung der auf die Deponie verbrachten festen Abfälle, die Senkung des Arbeitsaufwands und die Aufrechterhaltung septikfreier Bedingungen in Klärbecken. Durch die Änderungen gelang es, das Abfallaufkommen erheblich zu reduzieren und jährliche Gesamteinsparungen von über einer halben Million Dollar pro Jahr zu erzielen.

Die WH Zimmer Station von Duke Energy (Abbildung 1) ist ein 1.300-MW-Kohlekraftwerk am Ohio River in Moskau, Ohio. Die Einheit nahm 1991 den kommerziellen Betrieb auf und verbraucht jährlich etwa 3,8 Millionen Tonnen Kohle. Die US-Umweltschutzbehörde forderte von der Zimmer Station, mindestens 91 % des Schwefeldioxids (SO2) aus dem Rauchgas zu entfernen und dabei eine Emissionsrate von 0,548 Pfund SO2 pro Million Btu basierend auf einem gleitenden 30-Tage-Durchschnitt nicht zu überschreiten.1. Ohio mit Strom versorgen. Durch Modifikationen in den Jahren 2000 und 2007 konnte die WH-Zimmer-Station in Moskau, Ohio, die Menge an Scrubber-Nebenprodukten, die deponiert werden müssen, drastisch reduzieren. Mit freundlicher Genehmigung: Duke Energy

Zur Kontrolle der SO2-Emissionen ist die Station mit einem Magnesium-unterstützten Nass-Rauchgasentschwefelungssystem (REA) (Wäscher) ausgestattet. Im Jahr 2000 wurde der Scrubber-Prozess geändert, um ein Gipsumwandlungssystem zur Herstellung von hochwertigem synthetischem Gips aufzunehmen, der an einen Hersteller von Wandplatten verkauft wird. Vor der Modifizierung des Wäschers wurden durchschnittlich 1,7 Millionen Tonnen pro Jahr an Abfallprodukten des Wäschers deponiert. Durch die Änderung im Jahr 2000 wurde die Deponiequote um 77 % gesenkt.

Im Jahr 2007 machte sich das Stationspersonal daran, die Gesamtleistung und Effektivität des REA-Entwässerungsprozesses weiter zu verbessern. Ein Team bestehend aus Stationspersonal, GE Water & Process Technologies und Utter Construction arbeitete das ganze Jahr über eng zusammen, um potenzielle Verbesserungsbereiche zu identifizieren und wichtige Leistungsziele zu erstellen/zu ändern.

In der Zimmer Station wird mit Magnesium angereicherter Kalk in einer Kugelmühle (Brecher) mit Wasser gemischt, was zu einem exothermen (wärmeerzeugenden) Schlammproduktionsprozess führt, der als „Löschung“ bekannt ist. Anschließend wird der „gelöschte Kalk“ oder „Schlamm“ zu den Absorbermodulen gepumpt, wo er zur Neutralisierung bzw. „Wäsche“ des Rauchgases dient. Der Betriebs-pH-Wert im Absorberturm-Reaktionstank wird zwischen 5,7 und 6,8 ​​gehalten.

Wie bereits erwähnt, wurde im Jahr 2000 der REA-Prozess der Zimmer Station um einen Gipsumwandlungsprozess erweitert. Bei einem Gipsumwandlungsprozess wird die Dichte des Absorber-Reaktionstanks auf 15 % bis 24 % Dichte geregelt und die „verbrauchte Aufschlämmung“ wird in einer Schaufel im Absorbermodul aufgefangen. Während des Umbaus wurden an der Zimmer Station eine Schaufel und eine Entlüftungspumpe installiert. Die Schaufel fängt die verbrauchte Aufschlämmung direkt unter der SO2-Gas/Aufschlämmungs-Grenzfläche auf, wenn sie einen pH-Wert im Bereich von 5,2 bis 5,5 hat. Diese verbrauchte Aufschlämmung oder „Ausblutung“ wird direkt in den Oxidationstank gepumpt.

Während der Gipsumwandlung wurden außerdem Oxidationsluftkompressoren an einem der beiden vorhandenen Lagertanks der Station installiert. Die Oxidationsluftkompressoren werden verwendet, um das System mit einem Luftstrom von ca. 300.000 lb/h zu versorgen.

Der Abgasstrom des Wäschers gelangt von oben in den Oxidationstank, wo ein Oxidationsprozess mit einer exothermen Reaktion beginnt. Die Temperatur des Entnahmestrommaterials wird je nach Betriebsbedingungen typischerweise von etwa 125 °F auf einen Bereich von 135 °F bis 170 °F erhöht. Dem Prozess wird Schwefelsäure (93 %) zugesetzt, um den pH-Wert auf akzeptable Werte (4,5 bis 5,2) für die Umwandlung von Calciumsulfit in Calciumsulfat oder Gips zu senken. Die Menge an zusätzlicher Säure, die für die Umwandlung erforderlich ist, hängt von der Menge an nicht umgesetztem Calciumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Calciumcarbonat und Bisulfat ab, die aus dem Wäscher in das Oxidationsmittel gelangen.

Das im Oxidationstank gebildete Calciumsulfat wird dann über eine Reihe von Hydroklonen bei etwa 26 psig entwässert. Der resultierende Hydroklon-Überlauf mit <15 Gew.-% Feststoffen wird zurückgewonnen und einer Kläranlage zugeführt. Die Feststoffe setzen sich im Klärbecken ab und das Wasser wird in das System zurückgeführt, um als Absorberdichtekontrollwasser im REA-Prozess verwendet zu werden.

Der Hydroklon-Unterlauf besteht zu etwa 60 bis 70 Gew.-% aus Feststoffen und wird an ein horizontales Extraktor-Entwässerungsband abgegeben, wo der Gips gewaschen wird, um Chloride und die gesamten gelösten Feststoffe zu entfernen. Das Entwässerungsband nutzt ein Vakuumgebläse, um die zusätzliche Feuchtigkeit zu entfernen, wodurch ein Gips in Wandplattenqualität entsteht, der zu etwa 90 % entwässert ist. Der Gips in Wallboard-Qualität wird dann auf der Stationsplatte gelagert oder direkt auf einen Lastkahn verladen, um ihn zu einem Wallboard-Werk zu transportieren.

Bei der Umstellung des REA-Prozesses von einem Calciumsulfit-Schlamm-/Fixierungsprozess (auch bekannt als Poz-o-tec, was Flugaschekalk – stabilisierter REA-Schlamm bedeutet) auf den aktuellen Gipsrückgewinnungsprozess musste das Team mehrere große Hindernisse überwinden.

Der Teich der Zimmer Station wurde mit gelöstem Gips und Chloriden gesättigt, was letztendlich zu schweren Schäden an den Chevron-/Tropfenabscheidersystemen des Absorbermoduls führte. Dies führte zu Problemen bei der Anlagenverfügbarkeit und häufigen Ausfällen bei der Wartung des Absorbermoduls. Die hohen Kosten der häufigen Reinigungen führten schließlich dazu, dass die obere Chevron-Tray in allen sechs Absorbermodulen vollständig ausgetauscht wurde. Um dieses Problem zu vermeiden, musste das Tropfenabscheidersystem des Absorbermoduls so modifiziert werden, dass zur Reinigung der Chevron-Trays nur Süßwasser verwendet wird.

Unvorhersehbar zum Zeitpunkt der Umstellung war auch der Einfluss des inerten Materials (Eisenoxide und Kieselsäure), das mit der Kalkversorgung in das REA-System gelangte. Dieses Material wird über den Oxidations-Entwässerungs-Hydroklon-Überlauf zurückgehalten und zurückgewonnen. Inertes Material zirkulierte im REA-System, und da es keine wirksame Möglichkeit gab, es zu entfernen, führte es zu einer schlechten Gipsqualität. Die geringe Dichte dieses Materials führte auch dazu, dass es sich nicht im Teichsystem der Station absetzen konnte, was zu sehr hohen Kosten für die Entfernung des Materials führte.

Um dieses Problem anzugehen, entfernte das Team das inerte Material über eine Klärbecken-Seitenpumpe (CLP) aus dem Klärbecken. Das CLP entnimmt einen Seitenstrom des Materials aus dem Klärbecken und pumpt das Material zu einem von zwei Absetzverdickern. Dann wird dem absetzenden Verdickungsmittel Polymer zugesetzt, wodurch das inerte Material auf eine Dichte von etwa 15 % bis 22 % ansteigt. Das abgesetzte Material wird zu den Ansaugöffnungen der Unterlaufpumpe des Eindickers gedrückt (mithilfe einer TUF-Pumpe). Anschließend wird das Material zu einem Zentrifugensystem gepumpt, dort verarbeitet und per LKW zur Deponie abtransportiert. Der Unterlauf des Klärbeckens wird zur Gipsrückgewinnung in den Oxidationstank zurückgeführt.

Schließlich mussten viele der mit der Rauchgasentsorgung verbundenen Pumpen, Auffangwannen und anderen sonstigen Geräte der Zimmer-Station modifiziert werden, um das Absetzen des Gipses und die Abrasivität des Gipsmaterials zu bewältigen.

Im Jahr 2007 machte sich Duke Energy daran, die Gesamtleistung und Effektivität des REA-Entwässerungsprozesses weiter zu verbessern. Die wichtigsten Leistungsziele waren:

Verbessern Sie die Wasser-Feststoff-Trennung.

Verbessern Sie die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit von Polymerprogrammen und optimieren Sie die Behandlungskosten.

Halten Sie den Feststoffgehalt des Zentrifugenkuchens auf >31 %.

Reduzieren Sie die Menge an Deponien.

Reduzieren Sie den Arbeitsaufwand im Betrieb.

Sorgen Sie für septikfreie Bedingungen in Klärbecken.

Um seine Ziele zu erreichen, nahm das Team Verbesserungen am Design und Betrieb des FGD-Systems vor, einschließlich der unten diskutierten und in Abbildung 2 dargestellten mechanischen, chemischen und betrieblichen Änderungen.

2. REA-Prozess mit Gipsumwandlung.Dieses Diagramm zeigt einen Überblick über das REA-Systemlayout der Zimmer Station nach der Nachrüstung im Jahr 2007. Mit freundlicher Genehmigung von Duke Energy

Reinigung der REA-Abschlämmleitung.Dies umfasste die Installation von Reinigungsvorrichtungen und eine häufigere Reinigung der Abblaseleitungen des REA-Abzapfstroms, um die Rückgewinnung des Gipses zum Oxidationsmittel statt zum Klär-/Eindicker zu verbessern.

Verlegung der seitlichen Ansaugpumpe des Klärbeckens Nr. 1 und Übertragung des Seitenstroms auf die Eindicker Nr. 2 oder Nr. 3. Die seitliche Pumpe transportiert einen Prozentsatz der abgesetzten Feststoffe vom Klärbecken Nr. 1 zu den Eindickern Nr. 2 oder Nr. 3. Das Erhöhen der seitlichen Pumpensaugleistung vom Boden des Klärbeckens Nr. 1 um etwa 15 Fuß nach oben führt zu einer erheblichen Verbesserung der Menge an Kalziumsulfat, die für die Rückführung zurück zum Oxidationsmittel aufgefangen wird. Durch die Änderung der Position der seitlichen Pumpenansaugung setzt sich das schwerere Calciumsulfat nun am Boden des Klärbeckens Nr. 1 ab (zur weiteren Verarbeitung und Gipsrückgewinnung über den Oxidationstank), und die leichteren inerten Materialien werden in das Klärbecken Nr. 2 oder Nr. 3 Verdickungsmittel zum Konzentrieren.

Reduzierung der Menge an unnötigem Abblasen von Scrubber-Modulen. Wenn es in der Vergangenheit notwendig war, ein Modul direkt zum Klärbecken Nr. 1 zu entleeren oder abzublasen (unter Umgehung des Oxidationsmittels), führte dieser Vorgang dazu, dass eine große Menge an Sulfiten mit dem Schlamm reagierte und in der Folge septische Bedingungen verursachte. Um zu verhindern, dass der Schlamm unter normalen Bedingungen septisch wird, wurde später kontinuierlich Natriumhypochlorit (Bleichmittel) zugeführt.

Die Anlagenbetreiber stellten jedoch fest, dass der Bedarf an Bleichmittel während dieser septischen Bedingungen die Kapazität des Bleichmittelzufuhrsystems überstieg. Darüber hinaus brachte die spritzweise Verabreichung großer Bleichmittelmengen nur vorübergehende Linderung. Es war nicht ungewöhnlich, dass septische Zustände noch Tage oder sogar Wochen nach einer übermäßigen Modulentleerung bestanden. Der Klärschlamm ließ sich oft nur sehr schwer entwässern (oft war die doppelte Menge Polymer erforderlich). Darüber hinaus führten die septischen Zustände häufig zu Beschwerden von Betreibern und Nachbarn.

Durch die Verbesserung der gesamten Kommunikation zwischen den FGD-Betrieben und dem Schlammentwässerungsunternehmen (Utter Construction) konnte jedoch kürzlich die Anzahl septischer Situationen reduziert und praktisch beseitigt werden. Derzeitige Praxis besteht darin, den Entwässerungsunternehmer im Voraus über Moduldeponien zu informieren und dadurch Betriebsbedingungen zu vermeiden, die zu septischen Zuständen führen können, sowie eine Behandlung mit Bleichmittel, wenn dieser Zustand auftritt.

Installation eines neuen Trockenpolymer-Make-Down-Systems.Das Trockenpolymer-Make-Down-System wurde durch eine neue automatisierte Einheit ersetzt, die einen insgesamt effizienteren und zuverlässigeren Entwässerungsvorgang ermöglicht (Abbildung 3).3. Kosten senken. Das neue automatisierte Trockenpolymer-Make-Down-System senkt die Kosten, indem es die Effizienz des Entwässerungsvorgangs erhöht. Mit freundlicher Genehmigung: Duke Energy

Installation neuer Zentrifugen mit Rückantrieb. Nachdem er mit einigen neueren Zentrifugen experimentiert hatte, entschied sich der Entwässerungsunternehmer, mit einigen Mietzentrifugen mit Rückwärtsantrieb zu experimentieren. Diese neuen Zentrifugen sorgen für einen gleichmäßigen, zuverlässigen Betrieb und trockenere Kuchenfeststoffe. Letztlich wurden neue Zentrifugen angeschafft.

Als die Anlage nach dem Ausfall im Frühjahr 2007 wieder in Betrieb genommen wurde, kam es sofort zu einem Rückgang der Tonnen an Deponiematerial, die aus dem Zentrifugenprozess ausgetragen wurden. Diese Reduzierung stand in direktem Zusammenhang mit der Verlagerung der seitlichen Pumpenansaugung des Klärbeckens Nr. 1 (Unterlaufentnahme), der Änderung der Zentrifugentechnologie und der Optimierung der Entwässerungspolymere. Die Menge des auf die Deponie verbrachten Materials sank von durchschnittlich 733,5 Tonnen/Tag auf 489,9 Tonnen/Tag, was zu einer jährlichen Einsparung von 256.500 US-Dollar an Deponiekosten führte (Abbildung 4).4. Eine Verlangsamung der Schlammbildung. Dieses Diagramm zeigt die Anzahl der Tonnen Schlamm, die von der Zimmer Station monatlich im Auswertungszeitraum vom 1. Mai 2006 bis zum 31. Juli 2008 auf die Deponie geschickt wurden. Die Zahlen zeigen eine starke Gesamtreduzierung des entsorgten Schlammvolumens die letzten 12 Monate des Bewertungszeitraums. Mit freundlicher Genehmigung: Duke Energy

Die Testzentrifugen, die während des Ausfalls im Frühjahr 2007 installiert wurden, erbrachten nicht die erwartete Leistung und führten zu einem höheren Polymerverbrauch und einem Rückgang der Kuchenfeststoffe. Daher entschied sich das Team, die Testzentrifugen aufzugeben und Zentrifugen mit Rückantrieb zu mieten. Es wurde eine sofortige Verbesserung sowohl der Kuchenfeststoffe als auch des Polymerverbrauchs erzielt. Letztendlich kaufte Utter Construction neue Zentrifugen mit Rückantrieb. Die Kuchenfeststoffe verbesserten sich im mit dieser Bewertung verbundenen Zeitraum um etwa 3 %. Derzeit liegen die Kuchenfeststoffe bei beiden Zentrifugen durchschnittlich im hohen Bereich von 40 % (Abbildungen 5 bis 8).5. Ein Kinderspiel. Die Umstellung auf Zentrifugen mit Rückantrieb führte zu einer deutlichen Verbesserung der Kuchenfeststoffe und des Polymerverbrauchs. Die angezeigten Daten stammen von Zentrifuge Nr. 1. Mit freundlicher Genehmigung von Duke Energy6. Ein solider Erfolg.Die Kuchenfeststoffe verbesserten sich im Bewertungszeitraum vom 1. Mai 2006 bis zum 31. Juli 2007 um etwa 3 %. Die angezeigten Daten stammen von Zentrifuge Nr. 2. Mit freundlicher Genehmigung von Duke Energy7. Weniger ist mehr. Das neue automatisierte Make-Down-System sorgt für einen effizienteren und zuverlässigeren Entwässerungsvorgang. Mit freundlicher Genehmigung: Duke Energy8. Reduzierung des Polymerverbrauchs. Die Reduzierung des Polymerverbrauchs führt zu größeren Einsparungen bei den Betriebskosten. Mit freundlicher Genehmigung: Duke Energy

Beim Austrag aus den Zentrifugen wird dem Schlamm Kalkofenstaub (LKD) zugesetzt. LKD wird lediglich verwendet, um die Trockenheit des Schlamms vor der Verbringung auf die Deponie zu erhöhen. Kieselkalk erfüllt die gleiche Funktion, wird jedoch an Wochenenden anstelle von LKD verwendet, um die mit dem Betrieb der Mühle verbundenen Überstunden zu vermeiden. Der Kieselkalk wird von einem Frontlader mit dem Schlamm vermischt, bevor die LKWs für die Deponie beladen werden.

Die geringere Deponietonnage in Kombination mit der Erhöhung der Kuchenfeststoffe und der daraus resultierende geringere LKD- und Kieselkalkverbrauch führten zu zusätzlichen jährlichen Einsparungen von 310.356 US-Dollar (Tabelle 1), was einer jährlichen Gesamteinsparung von 566.856 US-Dollar entspricht.Tabelle 1. Ein geldsparender Schritt. Durch die deutliche Reduzierung der Tonnen an Zentrifugenfeststoffen, die jedes Jahr auf die Mülldeponie gelangen, konnte die Zimmer Station erhebliche Einsparungen erzielen. Der Entwässerungsprozess vermeidet außerdem die Verbrennung von 2.800 Gallonen Dieselkraftstoff. Mit freundlicher Genehmigung: Duke Energy

—Craig Moyer ([email protected]) ist der FGD-Koordinator an der Zimmer Station von Duke Energy. Juan Fernandez ([email protected]) und Bob Carraro ([email protected]), Gebietsleiter, arbeiten beide bei GE Water & Process Technologies.

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