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Jun 03, 2024

Inyección Seca de Trona para Control de SO3

En 2006 y 2007, POWER publicó una serie de tres partes sobre la formación de SO3, los problemas de operación y mantenimiento causados ​​por el SO3 y el control de la inyección de sorbente para el control de SO3. Tres años después, muchas plantas todavía luchan contra

En 2006 y 2007, POWER publicó una serie de tres partes sobre la formación de SO3, los problemas de operación y mantenimiento causados ​​por el SO3 y el control de la inyección de sorbente para el control de SO3. Tres años después, muchas plantas todavía luchan con sus sistemas de mitigación de SO3 o siguen indecisas sobre qué camino de mitigación seguir. Este artículo explora las ventajas de la tecnología de inyección de sorbente seco.

Los mecanismos de formación y los altos costos de controlar las emisiones de SO3 se han discutido exhaustivamente en una serie de tres artículos de POWER sobre "Los impactos del SO3 en la operación y mantenimiento de las plantas" (Parte I en octubre de 2006, Parte II en febrero de 2007 y Parte III en abril de 2007). ). En esa serie, se demostró que el impacto del SO3, en concentraciones suficientes, penaliza la tasa de calor de la planta, aumenta los costos de operación y mantenimiento (O&M) de la planta para los equipos finales mediante la formación de ácidos débiles que son muy corrosivos y aumenta la incrustación de calentadores de aire y catalizadores de reducción catalítica selectiva (SCR) debido a la reacción del SO3 con amoniaco. En los tres años transcurridos desde que se publicaron esos artículos, todavía encontramos que muchas empresas de servicios públicos luchan por implementar medidas de mitigación de SO3.

Una de las conclusiones clave presentadas en el artículo final de la serie fue que la inyección de un sorbente finamente atomizado cuidadosamente seleccionado, como trona, es muy eficaz para mitigar la formación de SO3. La tecnología de inyección de sorbente seco (DSI) para el control de SO3 está ganando popularidad en la industria de servicios públicos debido a su bajo costo de capital, su pequeño espacio de instalación, su facilidad de operación y su flexibilidad para adaptarse a los cambios de combustible.

Trona es un mineral natural que se produce en Green River, Wyoming (Figura 1). Curiosamente, la molienda de trona no es necesaria, ya que ya se produce en forma de polvo fino. Aunque moler trona puede aumentar su eficiencia de eliminación de SO3, el costo de hacerlo debe equilibrarse con el costo adicional de equipo y mantenimiento.1. Trona cruda. Una vista microscópica de trona cruda. Cortesía: Solvay Chemicals Inc.

En un sistema DSI, se inyecta un polvo absorbente fino, como trona (Na2CO3 • NaHCO3 • 2H2O) o cal hidratada (Ca(OH)2), en el conducto de gases de combustión para eliminar el SO3. La trona se calcina en los gases de combustión calientes (>275 °F) para formar carbonato de sodio poroso (Na2CO3), como se muestra en la siguiente ecuación:

2(Na2CO3 • NaHCO3 • 2H2O)(s) + calor → 3Na2CO3 (s) + 5H2O (gas) + CO2 (gas)

La liberación de vapor de agua y CO2 en el proceso de calcinación crea numerosos microporos dentro del sorbente, un fenómeno llamado efecto "palomitas de maíz", que produce una superficie de cinco a 20 veces la superficie original. La superficie específica de la trona calcinada es de aproximadamente 10 m2/g. Esta superficie relativamente alta tiene una ventaja significativa: permite reacciones rápidas entre el carbonato de sodio y el SO3 (Figura 2).2. Trona calcinada. Tenga en cuenta los microporos formados en la trona después de calentarla a temperaturas superiores a 275 °F. Cortesía: Solvay Chemicals Inc.

Trona se puede inyectar en casi cualquier lugar de la corriente de gas siempre que la temperatura de los gases de combustión sea superior a 275 °F (Figura 3). Según nuestra experiencia, la reactividad natural de la trona fina refinada mecánicamente a los óxidos de azufre mejora a medida que aumenta la temperatura de inyección, a diferencia del bicarbonato de sodio molido refinado químicamente, que tiene un límite operativo superior práctico de aproximadamente 800 °F. Las opciones típicas de ubicación de referencia se muestran en la Figura 3. Sin embargo, cada ubicación tiene sus propias ventajas y desventajas, como se explica a continuación.3. Muchas opciones de inyección. Hay muchas opciones para inyectar trona en la corriente de gas caliente. Cada uno tiene ventajas y desventajas. El equipo específico de su planta determinará la mejor opción. Fuente: Solvay Chemicals Inc.

La inyección de trona en este lugar puede eliminar la mayor parte del SO3 antes del SCR para eliminar la formación de NH4 HSO4 o bisulfito de aluminio dentro del catalizador y, en consecuencia, reducir la temperatura mínima de operación.

Esta es la ubicación preferida si hay un precipitador electrostático (ESP) del lado caliente aguas arriba del catalizador SCR.

No hay ningún efecto sobre el SO3 producido por la oxidación catalítica del SO2 dentro del catalizador SCR, lo que puede requerir la instalación de una segunda ubicación de inyección aguas abajo si la conversión en el SCR es alta.

Consulte con el proveedor del catalizador para confirmar que el sodio no afecta negativamente el rendimiento del catalizador.

Entre el SCR y el calentador de aire (Ubicación 2)

La inyección de trona en este lugar elimina el SO3 delante del calentador de aire para que pueda funcionar a temperaturas más bajas, lo que resulta en una mayor eficiencia térmica de la planta.

Entre el calentador de aire y ESP (Ubicación 3)

Este es el lugar más común para inyectar trona para eliminar la columna azul causada por SO3.

Entre el ESP y la desulfuración de gases de combustión húmedos (ubicación 4)

La inyección de trona en este lugar es eficaz para mitigar el SO3.

Se necesita un depurador húmedo aguas abajo para capturar el producto de la reacción (Na2SO4) y el sorbente que no ha reaccionado (Na2CO3).

Na2CO3 mejorará el rendimiento de la eliminación de SO2 en el depurador húmedo.

Es fundamental tener un buen sistema de inyección de trona y completar un estudio de modelado de flujo para garantizar que la trona y el SO3 estén bien mezclados. El área roja en la Figura 4 representa las condiciones donde podría ocurrir la formación de bisulfito de sodio (NaHSO4). NaHSO4 a temperaturas >~370F es una sustancia pegajosa y puede depositarse en las superficies del calentador de aire y el conducto, provocando acumulación y obstrucción. Cuando el SO3 se distribuye de manera desigual en el conducto de gases de combustión, se debe inyectar más trona de la estequiométricamente requerida para obtener una cobertura total y evitar condiciones que resulten en algunas áreas donde la concentración de SO3 es alta y se podría formar NaHSO4. La Figura 4 muestra las condiciones de temperatura de SO3/H2SO4 y de los gases de combustión bajo las cuales podría formarse NaHSO4 líquido en equilibrio. El tiempo de residencia de diseño del sorbente debe ser superior a 1 segundo.4. Cuida tus pasos. Los productos de las reacciones de sodio-SO3 en equilibrio ayudarán a determinar la mejor ubicación de inyección en la corriente de gas. Fuente: Solvay Chemicals Inc.

Generalmente, el diseño de un sistema de entrega DSI es bastante simple. Un soplador mueve la trona desde un silo hasta las lanzas de inyección. En algunas aplicaciones, el aire de descarga del soplador debe enfriarse y deshumidificarse según las condiciones ambientales (Figura 5). Además, la temperatura del aire de transporte debe mantenerse por debajo de 140 °F.5. Sistema de entrega Trona. Los controles de la tasa de inyección de trona seca generalmente utilizan un recipiente de alimentación en una báscula. Se utilizan múltiples lanzas de inyección para una distribución uniforme del sorbente. Cortesía: Solvay Chemicals Inc.

La eficiencia de un sistema DSI depende de muchos factores. La clave para un diseño de sistema DSI de buen rendimiento es distribuir el sorbente uniformemente en los gases de combustión para que el sorbente y los gases ácidos puedan mezclarse bien. Otros criterios importantes incluyen estos:

Las partículas absorbentes más finas dan como resultado un mejor rendimiento.

Un tiempo de residencia más largo significa más tiempo para la mezcla y las reacciones químicas, por lo tanto, un mejor rendimiento.

Una mejor penetración del sorbente en los gases de combustión y la mezcla dan como resultado mayores eficiencias de eliminación.

Debido a que los sorbentes pueden acumularse en los filtros de tela de una casa de bolsas y proporcionar una capa de sorbente para reacciones posteriores con gases ácidos, los filtros de bolsa tienen eficiencias más altas que las unidades ESP.

La temperatura mínima de los gases de combustión en el lugar de inyección del sorbente debe ser de al menos 275 °F. Las temperaturas más altas normalmente dan como resultado un mejor rendimiento. La temperatura máxima recomendada es 1,500F.

Trona es muy reactiva con SO3. En una central eléctrica de 800 MW ubicada en el este de EE. UU., se inyectó trona entre el precalentador de aire y el ESP del extremo frío. El SO3 se midió aguas arriba de los puertos de inyección de trona y aguas abajo del ESP. La Figura 6 ilustra la tasa de eliminación de SO3 versus la relación estequiométrica normalizada (NSR) de trona basada en SO3.6. Rendimiento de eliminación de SO3 con trona. La velocidad de alimentación de trona fue de 1100 lb/h (NSR = 0,1 basado en SO2). El SO3 en la salida del SCR fue de 3 ppm. Fuente: Solvay Chemicals Inc.

Debido a que la concentración de SO3 es mucho menor que la de SO2, las altas eficiencias de eliminación (>95%) requieren una buena mezcla entre la trona y los gases de combustión. En otras palabras, la eficiencia de eliminación de SO3 está limitada por la transferencia de masa, no por la reactividad entre SO2 y trona.

Las reacciones entre trona y SO3 son muy rápidas. Más del 90 % de la tasa de eliminación de SO3 se ha logrado de forma rutinaria con una NSR de alrededor de 1,5 cuando se utiliza trona.

El SO3 en los gases de combustión puede adsorberse en las cenizas volantes y en el carbón activado inyectado, compitiendo así con el mercurio por los sitios activos de adsorción. Por lo tanto, inyectar trona para eliminar SO3 tiene el efecto secundario deseable de mejorar considerablemente la eliminación de mercurio mediante cenizas volantes y carbón activado. La Figura 7 muestra el efecto de la inyección de trona en la eliminación de mercurio mediante carbón activado en polvo (PAC). En esta misma caldera de 800 MW con SCR y ESP del lado frío, se inyectó trona antes del precalentador de aire y se inyectó carbón activado en polvo entre el precalentador de aire y el ESP. Sin trona, no se eliminó más del 80 % del mercurio, incluso con velocidades de alimentación de PAC muy altas. Con la inyección de trona a NSR = 0,1 según la concentración de SO2, se lograron tasas altas de eliminación de mercurio (>90%) incluso con velocidades de alimentación bajas de PAC. El SO3 en la salida del SCR fue de alrededor de 3 ppm. Después de la inyección de trona, no hubo SO3 mensurable, lo cual fue la clave para la eliminación del alto contenido de mercurio.7. Realización de eliminación de mercurio con trona.Fuente: Solvay Chemicals Inc.

Además de mitigar los contaminantes del aire, los sorbentes de sodio pueden mejorar el rendimiento de los precipitadores electrostáticos, incluso de las unidades ESP del lado frío. Algunas cenizas volantes tienen una resistividad más alta, lo que dificulta la captura de partículas finas con precipitadores electrostáticos. La inyección de un sorbente de sodio de bajo coste, como la trona, es capaz de reducir la resistividad de las cenizas volantes y, en consecuencia, mejorar el rendimiento del ESP.

En marzo de este año, Solvay obtuvo una patente para el uso de trona en un DSI para reaccionar con SO3 en determinados casos. Sin embargo, la patente se abandonó y la tecnología ahora está disponible para el público. Esta decisión se tomó en cooperación y con el pleno apoyo de AEP, que fue uno de los pioneros en el uso de trona para la mitigación de SO3. Solvay cree firmemente que no debería haber obstáculos para el uso generalizado de esta tecnología.

-Dr. Yougen Kong, PE ([email protected]) es gerente de desarrollo técnico y Michael D. Wood ([email protected]) es gerente comercial senior de SOLVAir Products Group, Solvay Chemicals Inc.

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