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Jun 03, 2024

Trockeninjektion von Trona zur SO3-Kontrolle

In den Jahren 2006 und 2007 führte POWER eine dreiteilige Serie über die Bildung von SO3, durch SO3 verursachte Betriebs- und Wartungsprobleme und die Kontrolle der Sorptionsmittelinjektion zur SO3-Kontrolle durch. Drei Jahre später haben viele Pflanzen immer noch Probleme damit

In den Jahren 2006 und 2007 führte POWER eine dreiteilige Serie über die Bildung von SO3, durch SO3 verursachte Betriebs- und Wartungsprobleme und die Kontrolle der Sorptionsmittelinjektion zur SO3-Kontrolle durch. Drei Jahre später haben viele Anlagen immer noch Probleme mit ihren SO3-Minderungssystemen oder sind unentschlossen, welchen Minderungsweg sie einschlagen sollen. In diesem Artikel werden die Vorteile der Trockensorbens-Injektionstechnologie untersucht.

Die Entstehungsmechanismen und hohen Kosten der Kontrolle von SO3-Emissionen wurden in einer Reihe von drei POWER-Artikeln zum Thema „Auswirkungen von SO3 auf die Betriebs- und Betriebsführung von Anlagen“ (Teil I im Oktober 2006, Teil II im Februar 2007 und Teil III im April 2007) ausführlich erörtert ). In dieser Serie wurde gezeigt, dass die Auswirkungen von SO3 in ausreichenden Konzentrationen die Heizleistung der Anlage beeinträchtigen, die Betriebs- und Wartungskosten (O&M) der Anlage durch die Bildung schwacher Säuren, die sehr korrosiv sind, erhöhen und die Verschmutzung erhöhen Lufterhitzer und SCR-Katalysatoren (selektive katalytische Reduktion) aufgrund der Reaktion von SO3 mit Ammoniak. Auch in den drei Jahren seit der Veröffentlichung dieser Artikel stellen wir fest, dass viele Versorgungsunternehmen immer noch Schwierigkeiten haben, SO3-Minderungsmaßnahmen umzusetzen.

Eine der wichtigsten Schlussfolgerungen im letzten Artikel der Reihe war, dass die Injektion eines sorgfältig ausgewählten, fein zerstäubten Sorptionsmittels wie Trona die Bildung von SO3 sehr wirksam eindämmt. Die DSI-Technologie (Dry Sorbens Injection) zur SO3-Kontrolle erfreut sich in der Versorgungsindustrie aufgrund ihrer geringen Investitionskosten, des geringen Platzbedarfs bei der Installation, der einfachen Bedienung und der Flexibilität bei der Anpassung an Brennstoffänderungen immer größerer Beliebtheit.

Trona ist ein natürlich vorkommendes Mineral, das in Green River, Wyoming, produziert wird (Abbildung 1). Interessanterweise ist das Mahlen von Trona nicht notwendig, da es bereits als feines Pulver hergestellt wird. Obwohl das Mahlen von Trona die Effizienz der SO3-Entfernung steigern kann, müssen die Kosten dafür gegen die zusätzlichen Kosten für Ausrüstung und Wartung abgewogen werden.1. Rohes Trona. Eine mikroskopische Ansicht von rohem Trona. Mit freundlicher Genehmigung: Solvay Chemicals Inc.

In einem DSI-System wird ein feines Sorptionsmittelpulver, beispielsweise Trona (Na2CO3 · NaHCO3 · 2H2O) oder gelöschter Kalk (Ca(OH)2), in den Rauchgaskanal injiziert, um SO3 zu entfernen. Trona wird im heißen Rauchgas (>275 °F) kalziniert, um poröses Natriumcarbonat (Na2CO3) zu bilden, wie in der folgenden Gleichung dargestellt:

2(Na2CO3 • NaHCO3 • 2H2O)(s) + Wärme → 3Na2CO3 (s) + 5H2O (Gas) + CO2 (Gas)

Durch die Freisetzung von Wasserdampf und CO2 beim Kalzinierungsprozess entstehen zahlreiche Mikroporen im Inneren des Sorptionsmittels, ein Phänomen, das als „Popcorn“-Effekt bezeichnet wird und eine Oberfläche erzeugt, die fünf- bis zwanzigmal so groß ist wie die ursprüngliche Oberfläche. Die spezifische Oberfläche von kalziniertem Trona beträgt etwa 10 m2/g. Diese relativ große Oberfläche hat einen wesentlichen Vorteil: Sie ermöglicht schnelle Reaktionen zwischen Natriumcarbonat und SO3 (Abbildung 2).2. Kalzinierte Trona. Beachten Sie die Mikroporen, die sich in der Trona gebildet haben, nachdem sie auf Temperaturen über 275 °F erhitzt wurde. Mit freundlicher Genehmigung: Solvay Chemicals Inc.

Trona kann an nahezu jeder Stelle im Gasstrom injiziert werden, solange die Rauchgastemperatur über 275 °F liegt (Abbildung 3). Wir haben die Erfahrung gemacht, dass sich die Reaktivität natürlicher, mechanisch raffinierter feiner Trona gegenüber Schwefeloxiden verbessert, wenn die Einspritztemperatur erhöht wird, im Gegensatz zu chemisch raffiniertem gemahlenem Natriumbicarbonat, dessen praktische obere Betriebsgrenze bei etwa 800 °F liegt. Die typischen Referenzstandortoptionen sind in Abbildung 3 dargestellt. Dennoch hat jeder Standort seine eigenen Vor- und Nachteile, wie im Folgenden erläutert.3. Viele Injektionsmöglichkeiten. Es gibt viele Möglichkeiten, Trona in den Heißgasstrom einzuspritzen. Jedes hat Vor- und Nachteile. Die spezifische Ausrüstung in Ihrer Anlage bestimmt die beste Option. Quelle: Solvay Chemicals Inc.

Durch die Einspritzung von Trona an dieser Stelle kann das meiste SO3 vor dem SCR entfernt werden, um die Bildung von NH4 HSO4 oder Aluminiumbisulfit im Inneren des Katalysators zu verhindern und folglich die minimale Betriebstemperatur zu senken.

Dies ist der bevorzugte Standort, wenn sich vor dem SCR-Katalysator ein Elektrofilter auf der heißen Seite (ESP) befindet.

Es gibt keinen Einfluss auf das SO3, das durch die katalytische SO2-Oxidation im SCR-Katalysator entsteht, was bei hoher Umwandlung im SCR die Installation einer zweiten Einspritzstelle stromabwärts erforderlich machen kann.

Erkundigen Sie sich beim Katalysatorlieferanten, ob Natrium die Leistung des Katalysators nicht beeinträchtigt.

Zwischen SCR und Lufterhitzer (Standort 2)

Durch die Trona-Injektion an dieser Stelle wird SO3 vor dem Lufterhitzer entfernt, sodass dieser bei niedrigeren Temperaturen laufen kann, was zu einer höheren thermischen Effizienz der Anlage führt.

Zwischen Lufterhitzer und ESP (Standort 3)

Dies ist der häufigste Ort, an dem Trona injiziert wird, um die durch SO3 verursachte blaue Wolke zu beseitigen.

Zwischen ESP und nasser Rauchgasentschwefelung (Standort 4)

Die Injektion von Trona an dieser Stelle ist wirksam bei der Minderung von SO3.

Nachgeschaltet ist ein Nasswäscher erforderlich, um das Reaktionsprodukt (Na2SO4) und nicht umgesetztes Sorptionsmittel (Na2CO3) aufzufangen.

Na2CO3 verbessert die Leistung der SO2-Entfernung im Nasswäscher.

Es ist wichtig, über ein gutes Trona-Injektionssystem zu verfügen und eine Strömungsmodellierungsstudie durchzuführen, um sicherzustellen, dass Trona und SO3 gut vermischt sind. Der rote Bereich in Abbildung 4 stellt die Bedingungen dar, unter denen die Bildung von Natriumbisulfit (NaHSO4) auftreten könnte. NaHSO4 ist bei Temperaturen >~370F eine klebrige Substanz und kann sich auf den Oberflächen des Lufterhitzers und des Kanals ablagern und so zu Ablagerungen und Verstopfungen führen. Wenn SO3 im Rauchgaskanal ungleichmäßig verteilt ist, muss mehr Trona als stöchiometrisch erforderlich injiziert werden, um eine vollständige Abdeckung zu erreichen, um Bedingungen zu vermeiden, die dazu führen, dass in einigen Bereichen die SO3-Konzentration hoch ist und sich NaHSO4 bilden könnte. Abbildung 4 zeigt die SO3/H2SO4- und Rauchgastemperaturbedingungen, unter denen sich im Gleichgewicht flüssiges NaHSO4 bilden könnte. Die geplante Verweilzeit des Sorptionsmittels sollte mehr als 1 Sekunde betragen.4. Achten Sie auf Ihren Schritt. Produkte von Natrium-SO3-Reaktionen im Gleichgewicht helfen dabei, den besten Injektionsort im Gasstrom zu bestimmen. Quelle: Solvay Chemicals Inc.

Im Allgemeinen ist der Aufbau eines DSI-Liefersystems recht einfach. Ein Gebläse befördert Trona von einem Silo zu den Injektionslanzen. In einigen Anwendungen muss die Abluft des Gebläses je nach Umgebungsbedingungen gekühlt und entfeuchtet werden (Abbildung 5). Darüber hinaus sollte die Förderlufttemperatur unter 140 °F gehalten werden.5. Trona-Liefersystem. Die Steuerung der Einspritzrate für trockenes Trona erfolgt normalerweise über einen Zufuhrbehälter auf einer Waage. Zur gleichmäßigen Verteilung des Sorptionsmittels werden mehrere Injektionslanzen eingesetzt. Mit freundlicher Genehmigung: Solvay Chemicals Inc.

Die Effizienz eines DSI-Systems hängt von vielen Faktoren ab. Der Schlüssel zu einem gut funktionierenden DSI-Systemdesign liegt in der gleichmäßigen Verteilung des Sorptionsmittels im Rauchgas, sodass Sorptionsmittel und Säuregase gut vermischt werden können. Weitere wichtige Kriterien sind diese:

Feinere Sorptionspartikel führen zu einer besseren Leistung.

Eine längere Verweilzeit bedeutet mehr Zeit zum Mischen und für chemische Reaktionen und damit eine bessere Leistung.

Eine bessere Penetration des Sorptionsmittels in das Rauchgas und eine bessere Durchmischung führen zu einer höheren Entfernungseffizienz.

Da sich Sorptionsmittel auf den Gewebefiltern eines Schlauchfilters ansammeln und eine Sorptionsmittelschicht für weitere Reaktionen mit sauren Gasen bilden können, haben Schlauchfilter eine höhere Effizienz als ESP-Einheiten.

Die minimale Rauchgastemperatur an der Einspritzstelle des Sorptionsmittels sollte mindestens 275 °F betragen. Höhere Temperaturen führen normalerweise zu einer besseren Leistung. Die empfohlene Höchsttemperatur beträgt 1.500 °F.

Trona reagiert sehr reaktiv mit SO3. In einem 800-MW-Kraftwerk im Osten der USA wurde Trona zwischen dem Luftvorwärmer und dem Kaltend-ESP injiziert. Der SO3 wurde vor den Trona-Einspritzöffnungen und nach dem ESP gemessen. Abbildung 6 zeigt die SO3-Entfernungsrate im Vergleich zum normalisierten stöchiometrischen Verhältnis (NSR) von Trona basierend auf SO3.6. SO3-Entfernungsleistung mit Trona. Die Trona-Zufuhrrate betrug 1.100 lb/h (NSR = 0,1 basierend auf SO2). Der SO3-Wert am SCR-Auslass betrug 3 ppm. Quelle: Solvay Chemicals Inc.

Da die SO3-Konzentration viel niedriger als die SO2-Konzentration ist, erfordern hohe Abscheidegrade (>95 %) eine gute Vermischung zwischen Trona und Rauchgas. Mit anderen Worten: Die Effizienz der SO3-Entfernung wird durch den Stofftransfer und nicht durch die Reaktivität zwischen SO2 und Trona begrenzt.

Die Reaktionen zwischen Trona und SO3 sind sehr schnell. Bei Verwendung von Trona werden routinemäßig über 90 % der SO3-Entfernungsrate mit einem NSR von etwa 1,5 erreicht.

SO3 im Rauchgas kann an der Flugasche und der eingeblasenen Aktivkohle adsorbieren und konkurriert so mit Quecksilber um die aktiven Adsorptionsstellen. Daher hat die Injektion von Trona zur Entfernung von SO3 den wünschenswerten Nebeneffekt einer deutlich verbesserten Quecksilberentfernung durch Flugasche und Aktivkohle. Abbildung 7 zeigt die Wirkung der Trona-Injektion auf die Quecksilberentfernung durch pulverisierte Aktivkohle (PAC). In denselben 800-MW-Kessel mit SCR und kaltseitigem ESP wurde Trona vor dem Luftvorwärmer und pulverisierte Aktivkohle zwischen Luftvorwärmer und ESP eingespritzt. Ohne Trona wurden selbst bei sehr hohen PAC-Zufuhrraten nicht mehr als 80 % des Quecksilbers entfernt. Mit der Trona-Injektion bei NSR = 0,1 basierend auf der SO2-Konzentration wurden selbst bei niedrigen PAC-Zufuhrraten hohe Quecksilberentfernungsraten (>90 %) erreicht. Der SO3-Wert am SCR-Auslass betrug etwa 3 ppm. Nach der Trona-Injektion gab es kein messbares SO3, was der Schlüssel für die hohe Quecksilberentfernung war.7. Leistung bei der Quecksilberentfernung mit Trona.Quelle: Solvay Chemicals Inc.

Zusätzlich zur Reduzierung von Luftschadstoffen sind Natriumsorbentien in der Lage, die Leistung von Elektrofiltern, sogar von ESP-Geräten auf der kalten Seite, zu verbessern. Einige Flugaschen haben einen höheren spezifischen Widerstand, was das Auffangen feiner Partikel mit Elektrofiltern erschwert. Die Injektion eines kostengünstigen Natriumsorbens wie Trona kann den spezifischen Widerstand der Flugasche senken und folglich die Leistung des ESP verbessern.

Solvay erhielt im März dieses Jahres ein Patent für die Verwendung von Trona in einem DSI zur Reaktion mit SO3 in bestimmten Fällen. Das Patent wurde jedoch fallen gelassen und die Technologie ist nun der Öffentlichkeit zugänglich. Diese Entscheidung wurde in Zusammenarbeit mit und mit voller Unterstützung von AEP getroffen, einem der Pioniere beim Einsatz von Trona zur SO3-Minderung. Solvay ist der festen Überzeugung, dass der weitverbreitete Einsatz dieser Technologie nicht beeinträchtigt werden darf.

-DR. Yougen Kong, PE ([email protected]) ist technischer Entwicklungsleiter und Michael D. Wood ([email protected]) ist Senior Business Manager für die SOLVAir Products Group, Solvay Chemicals Inc.

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