Nass

Anfang 2019 veröffentlichte Power Engineering einen Bericht über eine Chemie, die die Kalksteinreaktivität und die Entfernung von Schwefeldioxid (SO2) in Nassrauchgasentschwefelungssystemen (WFGD) erheblich verbessern kann. [1] Der Artikel beschrieb eine umfassende Anwendung in einem Kohlekraftwerk im Osten der USA, wo die Chemie die Reinigungseffizienz verbesserte. Dies wiederum ermöglichte es den Betreibern, die Anzahl der Schlammumwälzpumpen (Recyclingpumpen) zu reduzieren, was zu Einsparungen bei den Betriebs- und Wartungskosten führte.

Da außerdem weniger Umwälzpumpen in Betrieb waren, wurde der Gegendruck in der Einheit gesenkt, wodurch die Belastung des Boosters und des Saugzuggebläses verringert wurde. Die Möglichkeit, parasitäre elektrische Lasten zu reduzieren, verbessert die Wärmerate der Anlage, was einigen Anlagen gemäß der Affordable Clean Energy (ACE)-Regel einen besseren Zugang zum Netz ermöglichen könnte. [2] Dadurch können einige Werke möglicherweise geöffnet bleiben und lokale Arbeitsplätze gerettet werden. Der spätere Einsatz der patentierten Chemikalie in anderen Anlagen hat zu ähnlichen und noch besseren Ergebnissen geführt.

Dieser Artikel beschreibt Daten aus der Anwendung dieser Chemie bei City Water, Light & Power (CWLP) in Springfield, Illinois. Obwohl die Kohlestromproduktion in den USA zurückgegangen ist, bleibt eine Kerngruppe von Kraftwerken bestehen. Die verbleibenden Anlagen stehen heute mehr denn je vor der Herausforderung, kreative Wege zu finden, um die Betriebskosten zu senken und gleichzeitig die Anlagenleistung zu verbessern.

Ein kurzer Rückblick

Abbildung 1. Flussdiagramm des Sprühturms, Nasskalkstein-REA-Prozesses.

Um einen kurzen Überblick zu geben, sind die primären mechanischen und chemischen Prozesse in Nasskalkwäschern wie folgt:

Abbildung 2. Entwässerung von Scrubber-Nebenprodukten auf einem Vakuumtrommelfilter. Foto mit freundlicher Genehmigung von City Water, Light & Power.

Die Effizienz und Vollständigkeit der Reaktionen hängen von der Kinetik und mehreren wichtigen chemischen und mechanischen Faktoren ab, insbesondere:

In vielen Anlagen sind erhebliche Vorteile möglich, wenn die SO2-Absorption und die Kalksteinreaktivität verbessert werden können. Ein Vorteil ist die Reduzierung der Belastung rotierender Geräte (und der entsprechenden Betriebs- und Wartungskosten) dank der Möglichkeit, eine oder mehrere Umwälzpumpen während des Normalbetriebs abzuschalten. Diese Möglichkeit wurde in Großanwendungen demonstriert, einschließlich der Anlage in Referenz 1.

Ein zweiter potenzieller Vorteil betrifft die Auswahl des Kalksteins. Einige Werke haben keinen direkten Zugang zu hochreinen Kalksteinen. Der Stein kann eine erhebliche Konzentration an Dolomit (MgCO3∙CaCO3) oder inerten Materialien enthalten, die die Reaktivität hemmen. Daher sind zusätzliche Methoden erforderlich, um die Reaktionen zu beschleunigen.

Eine gängige Methode, die seit Jahren verwendet wird, ist die Zugabe von zweibasiger Säure (DBA) zu Wäscherprozessströmen, aber wie unten dargelegt, hat neue Technologie diese Chemie erheblich verbessert. Dibasische Säure ist ein allgemeiner Name für eine Mischung aus relativ kurzkettigen Dicarbonsäuren (zwei funktionelle COOH-Gruppen), die Wasserstoffionen (H+) hinzufügen, um die Dissoziation von Kalkstein zu unterstützen, und durch den Prozess zirkulieren, um weiterhin die SO2-Absorptionschemie zu unterstützen . Die Verfügbarkeit, die Kosten und sogar die Effizienz von DBA machen es jedoch zu einer alles andere als idealen Chemie.

Das patentierte ChemTreat-Produkt FGD1105 weist eine viel bessere Pufferkapazität auf, wie in den folgenden Diagrammen dargestellt.

Abbildungen 3a und 3b. Ein Vergleich der Pufferkapazitäten von Chemikalien zur Wäscherverbesserung. Daten bereitgestellt von ChemTreat.

FGD1105 hat eine deutlich höhere Pufferkapazität als DBA, wenn es sowohl mit Schwefelsäure als auch mit Salzsäure titriert wird, und eine viel höhere Kapazität als die anderen wichtigen Alternativen, Ameisensäure und Milchsäure. Die Pufferkapazität ist eine entscheidende Eigenschaft dieser Produkte. CWLP-Mitarbeiter haben alle drei in Tabelle 3b aufgeführten Additive getestet und die besonderen Eigenschaften von FGD1105 sowie seine überlegene Leistungsverbesserung beobachtet und dokumentiert.

Bei Anlagen mit strengeren SO2-Emissionsanforderungen, als die ursprüngliche Wäscherkonstruktion erfüllen kann, können Verbesserungsadditive für eine zusätzliche Effizienzsteigerung sorgen. Beispielsweise ist bei CWLP eine SO2-Entfernung von 95 % das Maximum, das unter ursprünglichen Designbedingungen erreichbar ist. Um eine Entfernung von 97–98 % zu erreichen, ist ein Zusatzstoff erforderlich. Aufbauend auf diesem Konzept besteht ein weiterer sehr bedeutender Vorteil einiger Anlagen darin, dass eine verbesserte chemische Reaktivität die Verwendung von schwefelreicherer, kostengünstigerer Kohle ermöglichen kann als Kohle mit niedrigerem Schwefelgehalt, deren Materialkosten möglicherweise gleich sind, aber aus viel weiter entfernten Quellen stammen, was den Transport erhöht Kosten. Niedrigere Brennstoffkosten erhöhen die Chancen für den Versand von Anlagen erheblich und verbessern so die Lebensfähigkeit der Anlagen und die weitere Beschäftigung vor Ort in der Anlage.

Das CWLP-Erlebnis

CWLP-Mitarbeiter begannen im Herbst 2019 mit der Evaluierung von FGD1105 als mögliche Alternative zu DBA in Block 4. Block 4 ist ein 230-MW-gegenwandbefeuerter Dampferzeuger mit lokal geförderter Kohle als Brennstoff. Das Gerät verfügt über ein komplettes Luftqualitätskontrollsystem (AQCS), bestehend aus einem System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) zur Reduzierung von Stickoxiden (NOx), einem Pulse-Jet-Gewebefilter (Baghouse) zur Partikelentfernung und einem WFGD-System mit einem 620.000-Gallonen-Absorber. Scrubber-Additive wie DBA wurden direkt in den Absorber injiziert, um die Effizienz der SO2-Entfernung zu verbessern und SO2-Konzentrationen im Rauchgas unter 0,20 lb/MBtu zu erreichen, was etwa 65 ppmv (Volumenteilen pro Million) entspricht. Die Zusatzstoffe werden schubweise auf der Grundlage der Einheitslast und der SO2-Konzentrationen zugeführt, die mit dem kontinuierlichen Emissionsüberwachungssystem (CEM) gemessen werden.

Einer der wesentlichen Vorteile von FGD1105 für interessiertes CWLP-Personal besteht darin, dass das Produkt nicht wie DBA erhitzt werden muss, sondern in einem Bereich von 135–150 °F gehalten werden muss. Darüber hinaus hat FGD1105 einen Gefrierpunkt von -11,2 °F und erfordert keine Erwärmung zum Frostschutz, wodurch der Materialhandhabungsaufwand reduziert wird.

Bei der Bewertung wurden 250-Gallonen-Behälter mit FGD1105 verwendet, die nach der Isolierung des DBA-Systems in die vorhandene Saugleitung der DBA-Förderpumpe eingespeist wurden. Wie beim vorherigen DBA-Feed-Protokoll war die Batch-Feed die gewählte Methode für den Test. Die Bewertung wurde 16 Tage lang zwischen dem 4. und 19. September 2019 durchgeführt. Das Anlagenpersonal maß und zeichnete eine Vielzahl von REA-Leistungsdaten auf, darunter die Einheitslast (MW), die SO2-Emissionskonzentration und die Menge des hinzugefügten Produkts. Anschließend verglichen sie diese Daten mit einem 16-tägigen DBA-Lauf unter ähnlichen Betriebsbedingungen. Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung der Vergleichsdaten.

FGD1105 vs. DBA: CWLP-Studie

(Multiplikator entsprechend der MW-Last = 1,08)

FGD1105 hat eine sehr gute Leistung erbracht. Ein offensichtlicher Vorteil war die Reduzierung der Chemikalienzufuhr (268 Gallonen weniger) von FGD1105 gegenüber DBA im gleichen Zeitraum, was einer Reduzierung um 21 % entspricht. Wie aus den folgenden Diagrammen hervorgeht, wurde auch die Häufigkeit der FGD1105-Futter im Vergleich zu DBA reduziert.

Eine weitere fast unmittelbare Beobachtung war eine erhöhte Reaktionskinetik von FGD1105. Selbst als die Daten vor der Auswertung darauf schließen ließen, dass das DBA fast aufgebraucht war, blieben die SO2-Konzentrationen nahe dem zulässigen Grenzwert. Nach der ersten FGD1105-Injektion sank die SO2-Konzentration sehr schnell um etwa 25 ppm und nahm weiter ab. Die verbesserte Reaktionskinetik bietet die Möglichkeit, Compliance-Ziele bei Lastschwankungen, mechanischen Ausfällen und anderen Störungen zu erreichen, falls die SO2-Konzentration dramatisch ansteigt.

Eine weitere Beobachtung aus dieser Bewertung war die Verringerung des stöchiometrischen Verhältnisses von Kalkstein zu SO2 und die Verbesserung der Kalksteinreaktivität durch die Zugabe von FGD1105.

Die Berechnungen für die Kalksteinausnutzung (LU) stammen aus Labortests mit thermogravimetrischen Analysatoren (TGA) [3], die am Nebenproduktkuchen durchgeführt wurden. Diese Daten ermöglichen Berechnungen des stöchiometrischen Kalksteinverhältnisses (LSR), das die prozentualen Mengen an Gips (CaSO4∙2H2O), restlichem Calciumcarbonat (CaCO3) und restlichem Halbhydrat (CaSO3-1/2H2O) bestimmt, die möglicherweise aus dem Zwangsgas entwichen sind -Luftoxidationsprozess.

Diese Ergebnisse bestätigen andere Bewertungen, die gezeigt haben, dass FGD1105 die Reaktivität eines Kalksteins mit einem Gehalt von 90 % gegenüber einem äquivalenten Material mit einem Gehalt von 95 % steigern kann. Dieser Vorteil kann aufgrund der unterschiedlichen Kosten für verschiedene Kalksteinqualitäten erheblich sein und kann auch zu einer bemerkenswert hohen Leistung und Effizienz führen, wenn die Qualität des gelieferten Kalksteins schwankt.

Insgesamt sind die CWLP-Mitarbeiter mit der Evaluierung sehr zufrieden und veranlassen derzeit weitere umfassende Evaluierungen anderer REA-Systeme in der Anlage.

Auswirkungen der ACE-Regel

Mehrere Kraftwerke haben mithilfe dieses Wäscheradditivs erfolgreich die REA-Leistung verbessert und die Anlagenwärmerate gesenkt. Der Wettbewerb zwischen Anlagen um den Netzzugang und die Notwendigkeit, die Anlagenverfügbarkeit zu verbessern, beeinflussen Effizienzsteigerungsprogramme. In einigen Fällen konkurrieren Anlagen innerhalb ihrer eigenen Flotten um den Betrieb. Die ACE-Vorschriften belohnen Pflanzen, die die Wärmerate verbessern.

Die ACE-Regel ermöglicht es einzelnen Staaten auch, individuelle Pläne zur Reduzierung von Treibhausgasen (THG) umzusetzen. Letztendlich belohnt jeder staatliche Plan Stromerzeugungseinheiten (EGUs), die effizienter arbeiten.

Abschluss

FGD1105 ist ein Verbesserungsprodukt, das die Effizienz des Gaswäschers erheblich verbessern kann. Es bietet eine spannende Alternative für Anlagen, die die Wäscherleistung verbessern und die parasitäre Strombelastung senken möchten. In manchen Fällen könnte es die Möglichkeit bieten, auf einen kostengünstigeren Kalkstein umzusteigen (obwohl sorgfältige Tests erforderlich wären) oder vielleicht sogar auf eine Kohlequelle mit einem höheren Schwefelgehalt, aber geringeren Kosten als der aktuelle Brennstoff.

Über die Autoren: Brad Buecker ist leitender technischer Publizist bei ChemTreat. Er verfügt über vier Jahrzehnte Erfahrung in der Energiewirtschaft oder ist mit ihr verbunden, ein Großteil davon in den Bereichen Dampferzeugungschemie, Wasseraufbereitung, Luftqualitätskontrolle und Ergebnisingenieurpositionen bei City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) und Kansas City Power & Bahnhof La Cygne, Kansas der Light Company. Buecker hat einen Bachelor-Abschluss in Chemie von der Iowa State University mit zusätzlichen Kursen in Strömungsmechanik, Energie- und Materialbilanzen sowie fortgeschrittener anorganischer Chemie. Er ist Mitglied des ACS, AIChE, AIST, ASME, NACE, des Planungsausschusses des Electric Utility Chemistry Workshop, des International Water Conference Advisory Committee und des Power-Gen-Planungsausschusses. Er kann unter [email protected] erreicht werden.

Branden Powell ist Supervisor für Umweltprozesse bei City Water, Light and Power (CWLP) in Springfield, Illinois. Branden schloss 2001 sein Chemiestudium an der University of Illinois in Springfield ab. Nach seinem Abschluss begann Branden seine Karriere als organischer Chemiker für TMI Analytical und wechselte dann zu Prairie Analytical Systems, beides waren IEPA-Vertragslabore. Bei Prairie arbeitete sich Branden zum leitenden Bio-Koordinator und Laborleiter hoch. Im Jahr 2015 wurde Branden Werkslaborleiter bei CWLP. Im darauffolgenden Jahr wurde er in seine derzeitige Position befördert, wo er weiterhin das Anlagenlabor und die Anlagenchemie für die Elektroabteilung leitet und außerdem die FGD-Abläufe, die FGD-Abwasserabläufe und die Anlagenabwasserabläufe der Anlage beaufsichtigt. Branden ist Ausschussmitglied und regelmäßiger Mitwirkender und Moderator beim Electric Utility Chemistry Workshop der University of Illinois, der jährlich in Champaign, Illinois, stattfindet. Er kann unter [email protected] erreicht werden.

Dave Karlovich ist Strategic Account Manager bei ChemTreat und ein Veteran der US Navy mit über 30 Jahren Erfahrung in Wasseraufbereitungsanwendungen, die sowohl die Kernenergie- als auch die fossil befeuerte Energieindustrie unterstützen. Sein jüngster Schwerpunkt lag auf der Chemie zur Verbesserung sowohl der Prozessseite als auch der Abwasserbehandlung von Nassrauchgasentschwefelungssystemen in Anlagen im ganzen Land. Er ist Miterfinder der patentierten FGD1105-Technologie von ChemTreat zur Verbesserung der SO2-Entfernung und der Kalksteinreaktivität in Nasswäschern.