Tăng cường hiệu quả của nhiệt điện đốt than

Tăng cường hiệu quả của máy chà sàn đá vôi ướt

02/08/2019

Bởi Brad Buecker và Ron Rosinski 

    

Giới thiệu

Trong khi nhiều nhà máy nhiệt điện than ở Hoa Kỳ đã ngừng hoạt động trong thập kỷ qua, một số lượng lớn vẫn hoạt động. Ở những nơi khác trên thế giới, năng lượng đốt than tiếp tục chiếm một phần lớn trong sản xuất điện. Kiểm soát khí thải sulfur dioxide (SO ₂ ) từ các nhà máy này là điều cần thiết để bảo vệ chất lượng không khí. Như vậy, và đặc biệt đối với các hệ thống khử lưu huỳnh khí đá vôi ướt (FGD), điều quan trọng là cả về mặt kinh tế và môi trường để tối ưu hóa việc loại bỏ SO ₂ và giảm thiểu tiêu thụ đá vôi. Độ tinh khiết và độ phản ứng của đá vôi có thể rất khác nhau, ngay cả trong các thành tạo đá vôi riêng lẻ. Một biến số lớn khác là hàm lượng lưu huỳnh than. Sử dụng phụ gia hóa học có lợi để tăng cường SO ₂Tuy nhiên, các phản ứng đá quý đã gặp phải những khó khăn liên quan đến hiệu quả và tính sẵn có của các sản phẩm trước đó. Bài viết này phác thảo hiệu suất và cải thiện chi phí của một hợp chất mới trong một ứng dụng toàn diện trên một đơn vị đốt than lớn.

Hóa học cơ bản ướt đá vôi ướt

Sơ đồ dòng chảy chung của máy chà sàn đá vôi ướt được minh họa trong Hình 1. Quá trình này là một ví dụ cổ điển về phản ứng hóa học axit-bazơ được áp dụng trên quy mô công nghiệp lớn, trong đó bùn đá vôi kiềm phản ứng với sulfur dioxide axit.

Hình 1. Tháp phun, sơ đồ quy trình FGD đá vôi ướt.

Sulfur dioxide đầu tiên được hấp thụ vào pha lỏng khi nó tiếp xúc với thuốc xịt bùn.

Một số nhà hóa học lý thuyết cho rằng H ₂ SO ₃ thực sự không tồn tại và SO ₂ vẫn giữ được đặc tính phân tử của nó và được bao quanh bởi các phân tử nước. Tuy nhiên, khi thêm SO ₂ vào nước, độ pH giảm xuống, điều đó cho thấy phương trình 1 là chính xác và phản ứng phân ly sau là chính xác.

Thành phần chính của đá vôi là canxi cacbonat (CaCO ₃ ), phản ứng với axit nước như sau.

Kết hợp các phương trình 1, 2 và 3 minh họa quá trình cọ rửa đơn giản nhưng cơ bản.

Trong trường hợp không có bất kỳ chất phản ứng nào khác, các ion canxi và sulfite sẽ kết tủa dưới dạng hemihydrate, trong đó nước thực sự được bao gồm trong mạng tinh thể của sản phẩm phụ của máy chà sàn.

Hemihydrate là một sản phẩm khó xử lý, và trong hầu hết các máy lọc, không khí được bơm vào bùn của máy lọc để chuyển sulfite thành thạch cao (CaSO ₄ · 2H ₂ O). Trong trường hợp bình thường, thạch cao tương đối dễ bị mất nước. Thạch cao tổng hợp có độ tinh khiết cao thường được bán cho các nhà sản xuất tấm tường với chi phí danh nghĩa, vì nó tiết kiệm cho nhà máy các vấn đề môi trường và chi phí cho việc chôn lấp.

Tăng cường khả năng phản ứng đá vôi-SO ₂

Mặc dù tất cả các phản ứng được trình bày ở trên đều cần thiết cho hiệu quả chà rửa đúng cách, hóa học được nêu trong Phương trình 2 và 3 là cực kỳ quan trọng, đặc biệt là từ quan điểm động học. Ngay cả với đá vôi có độ tinh khiết cao ( hàm lượng CaCO ₃ từ 94% trở lên), đá vẫn phải được nghiền mịn (lớn hơn 90% qua màn hình 325 lưới) để đảm bảo độ phản ứng cần thiết trong các bình chà. Nhưng, nhiều nhà máy không có quyền truy cập vào đá vôi có độ tinh khiết cao như vậy. Đá có thể chứa một nồng độ đáng kể của dolomite (MgCO ₃ CaCO ₃) hoặc vật liệu trơ có tác dụng ức chế phản ứng. Vì vậy, các phương pháp bổ sung là cần thiết để tăng cường các phản ứng. Một phương pháp phổ biến đã được sử dụng trong nhiều năm là bổ sung axit dibasic (DBA) để lọc các luồng quá trình, nhưng công nghệ mới đang cải thiện hóa học này. Axit Dibasic là tên gọi chung của hỗn hợp axit dicarboxylic chuỗi tương đối ngắn (hai nhóm chức COOH), có thêm các ion hydro (H ⁺ ) để giúp phân ly đá vôi (kiểm tra lại phương trình 3), sau đó lưu thông qua quá trình tiếp tục hỗ trợ hóa học hấp thụ SO ₂ . Tuy nhiên, tính sẵn có, chi phí và thậm chí hiệu quả của DBA đã đặt ra giới hạn về hiệu quả của hóa chất. Một giải pháp thay thế có sẵn hứa hẹn nhiều hơn cho việc tăng cường phản ứng FGD ướt.

Một cải tiến so với DBA

Nhân viên tại Nhà máy điện Longview ở Maidsville, West Virginia đã phải đối mặt với những vấn đề liên tục trong việc xử lý và cung cấp DBA cho máy lọc đá vôi ướt của máy phát hơi nước siêu tới 770 MW của họ. Ví dụ, sản phẩm phải được giữ ấm để ngăn ngừa sự hóa rắn. Làm trầm trọng thêm các vấn đề là các hạn chế phân phối DBA, cả từ góc độ khoảng cách và thể tích bể phải được hạ xuống dưới 10% trước khi đưa vào tải mới. Kết hợp lại, các yếu tố này ảnh hưởng đến hiệu quả chà và loại bỏ SO ₂ , yếu tố thứ hai là một khía cạnh quan trọng của hoạt động của máy chà sàn. Vi phạm giấy phép xả thải có thể dẫn đến hạn chế tải hoặc buộc phải tắt máy.

Theo đó, nhân viên nhà máy bắt đầu thử nghiệm toàn diện và sau đó áp dụng hỗn hợp axit hữu cơ có công thức đặc biệt thay thế với tên sản phẩm của FGD1105 (đang chờ cấp bằng sáng chế). Gần như ngay lập tức khi bổ sung hóa chất, khí thải SO ₂ giảm khoảng 35% đến 40%, do đó, ngay cả khi đầy tải, một trong năm máy bơm tái chế của máy chà sàn có thể được loại bỏ khỏi dịch vụ. Lượng khí thải SO ₂ chỉ tăng nhẹ từ 120 lb / giờ lên 200 lb / giờ sau khi giảm bơm. Chỉ riêng hành động này đã giảm mức tiêu thụ năng lượng phụ trợ 3 MW, với lợi ích hàng năm dự kiến ​​là khoảng 700.000 USD. Để thử nghiệm, nhân viên nhà máy đã loại bỏ bơm tái chế thứ hai khỏi dịch vụ và thấy rằng SO ₂loại bỏ vẫn hiệu quả hơn trong giai đoạn trước khi bổ sung FGD1105. Theo Chad Hufnagel, Giám đốc nhà máy của Longview, khả năng vận hành với 3 máy bơm tái chế thay vì 4 hoặc 5 đã mang lại sự linh hoạt bổ sung cho chiến lược bảo trì máy bơm tái chế, cũng như cung cấp thêm cơ hội doanh thu thuần với hiệu quả đơn vị được cải thiện.

Dữ liệu vận hành sau khi giới thiệu FGD1105 cũng cho thấy mức giảm 3% ban đầu trong việc sử dụng đá vôi. Khi hệ thống kiểm soát thức ăn hóa học đầy đủ được đưa ra, dự kiến ​​sẽ giảm khoảng 6% đến 10% đá vôi. Điều này không chỉ tiết kiệm chi phí thuốc thử trực tiếp, mà còn giảm mức tiêu thụ đá vôi làm giảm bảo trì và hao mòn cho các nhà máy bóng và các thiết bị và đường ống tạo bùn khác.

Một chỉ số khác về hiệu quả cải thiện của sản phẩm so với các công nghệ cũ hơn được thể hiện trong các biểu đồ sau.

Hình 2a và 2b. Một so sánh về khả năng đệm của hóa chất tăng cường chà sàn. Dữ liệu được cung cấp bởi ChemTreat.

FGD1105 có khả năng đệm cao hơn đáng kể so với DBA khi được chuẩn độ bằng cả axit sulfuric và hydrochloric, và công suất cao hơn nhiều so với các chất thay thế chính khác, axit formic và lactic. Khả năng đệm là một tài sản quan trọng của các sản phẩm này.

Một khía cạnh khác của hóa chất mới là nó có thể được cho ăn gọn gàng hoặc ở dạng pha loãng. Sản phẩm gọn gàng có điểm đóng băng là -11 ^oF, khiến nó rất phù hợp cho ứng dụng mùa đông ở vùng khí hậu lạnh, như được minh họa bởi việc sử dụng thành công này ở phía bắc Tây Virginia. Có thể giao hàng số lượng lớn hoặc tote do điểm đóng băng thấp.

Tóm tắt - Cải thiện hiệu quả và giảm chi phí

Các nhân viên tại Nhà máy điện Longview đã tính toán rằng việc thay đổi sản phẩm đệm mới mang lại lợi ích tiềm năng là 1,2 triệu đô la hàng năm do giảm tải ký sinh trùng và sử dụng đá vôi. Cũng có lợi là hiệu quả lọc được cải thiện cho phép có thêm biên trong việc kiểm soát SO ₂khí thải. Hơn nữa, hóa học tăng cường làm tăng tính linh hoạt khi lên lịch bảo trì trên một số thiết bị nhất định, đáng chú ý nhất là máy bơm tái chế bùn. Đối với những nhà máy có lượng lưu huỳnh cao hơn, than cục bộ ít tốn kém hơn so với than có hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn ở xa hơn, hiệu quả chà rửa được cải thiện có thể giúp cân bằng nhiên liệu rẻ hơn. Ngoài ra, dữ liệu ban đầu từ một số ứng dụng cho thấy rằng hóa học này có thể làm giảm phát thải thủy ngân từ các hệ thống WFGD. Theo phân tích dữ liệu hơn nữa, hãy tìm kiếm thông tin bổ sung trong bài viết về Kỹ thuật điện trong tương lai .

( Lời cảm ơn tới Dale Stuart của ChemTreat vì đã phát triển hóa học đang chờ cấp bằng sáng chế này.)

Về tác giả: Brad Bueckerlà nhà báo kỹ thuật cao cấp với ChemTreat. Ông có 36 năm kinh nghiệm hoặc liên kết với ngành điện, phần lớn trong lĩnh vực hóa học hơi nước, xử lý nước, kiểm soát chất lượng không khí và kết quả các vị trí kỹ thuật với City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) và Kansas City Power & Công ty ánh sáng La Cygne, trạm Kansas. Ông cũng dành hai năm làm giám sát viên nước / nước thải tại một nhà máy hóa chất. Gần đây nhất, ông là chuyên gia kỹ thuật của Kiewit Engineering Group Inc. Buecker có bằng cử nhân hóa học tại Đại học bang Iowa với công việc khóa học bổ sung về cơ học chất lỏng, cân bằng năng lượng và vật liệu và hóa học vô cơ tiên tiến. Ông là thành viên của ACS, AIChE, AIST, ASME, NACE, ủy ban kế hoạch Hội thảo Hóa học Tiện ích Điện và Ủy ban kế hoạch Power-Gen.bradley.buecker@ooltreat.com . 

Ron Rosinski là Kỹ sư môi trường / Giám sát hóa học tại Longview Power. Ông có 38 năm kinh nghiệm trong ngành điện đã làm việc cho Công ty Điện và Ánh sáng Florida cũng như trong ngành xử lý nước. Ron có bằng Cử nhân Sinh học / Hóa học tại Đại học Đông Michigan và bằng Thạc sĩ Quản lý Môi trường tại Đại học Maryland.

Nguồn: https://www.power-eng.com