NO151311B - Fremgangsmaate for aa fjerne svoveldioksyd fra forbrenningsgasser under anvendelse av flyveaske separert fra forbrenningsgassen - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å fjerne svoveldioksyd fra forbrenningsgasser under anvendelse av en flyveaske som er blitt separert fra forbrenningsgassen, og det særegne ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er at man utfører følgende trinn i rekkefølge: (a) separerer flyveaske fra forbrenningsgassene og innfør-er den i en slurry-resirkulasjonstank (b) innfører forbrenningsgassene i en gassvaskeinnretning,

(c) bringer forbrenningsgassene i gassvaskeinnretningen

i kontakt med en skrubber-slurry av flyveaske i vann, idet denne slurry tilføres fra resirkulasjonstanken og har en ionekonsentrasjon på minst 10.000 ppm og en pH lavere enn 4, foretrukket lavere enn 3,

(d) tilfører den brukte skrubber-slurry til resirkulasjonstanken (e) fører en del av den brukte slurry fra resirkulasjonstanken til en beholder, og (f) separerer den supernatante væske fra de separerte faststoffer i beholderen og resirkulerer super-natantvæsken til slurry-resirkulasjonstanken i et vannbalansert system med lukket kretsløp slik at ionekonsentrasjonen og pH i den nevnte skrubber-slurry opprettholdes.

Disse og andre trekk ved oppfinnelsen fremgår av patent-kravene.

Kullfyrte kjeler for kraftverk o.l. må tilfredsstille emisjons-standarder i USA og i andre stater med hensyn til

både partikkelformet flyveaske og svoveldioksyd (SC^ ).

Ved et tidligere forslag behandles problemene individuelt idet flyveasken oppsamles for deponering og SC>2 fjernes ved hjelp av en dispersjon av kalk eller Kålksten i en skrubber eller absorber. Et slikt system kan representeres ved at flytskjema som er vist i fig. 5 i de vedføyde tegninger.

I dette system oppsamles flyveasken generelt ved anvendelse av et elektrostatisk filter eller ved hjelp av et posefil-ter.

Det er også kjent å anvende flyveaske-r som en alkalikilde for fjernelse av SC>2 fra f orbr enningsgassen, og i et slikt tilfelle er strømningsskjemaet som vist i fig. 6 i de vedføyde tegninger.

Ved anvendelse av flyveaske som en alkalikilde utlutes flyveasken med syre og generelt kan det sies at jo lavere pH er i utlutningsløsningen desto mer alkali vil bli fjer-net fra flyveasken.

Det er også kjent at for å maksimalisere bruken av flyveaskealkali bør skrubbersystemet drives ved en pH på 4 eller mindre.

Svovelinnholdet såvel som innholdet av aske og alkali i kull varierer fra sted til sted innen vide grenser. Bruken av flyveaske som en alkalikilde avhenger av forholdet mellom kalsium og andre kationer og mengden av svovel i kul-let .

I et forbrenningsgass-skrubbersystem som anvender kalk eller kalksten for å fjerne SC^ resirkuleres dispersjonen gjennom en absorbsjonskjede for kontakt med den forbrenningsgass som skal renses. SC>2 oppløses således i vannfasen av skrubbermediet for fremstilling av svovelsyrling. I et slikt system med kalk eller kaltsten frembringes kalsiumioner ved oppløsning av kalsiumhydroksyd eller kalsiumkarbonat som så reagerer med absorbert S02 til å frembringe et uoppløselig fast bunnfall. Ved utnyttelse av oppsamlet flyveaske kan imidlertid alle kationer som skal reagere med S02 tilveiebringes helt eller delvis av den syreutlutede flyveaske i stedet for ved tilsetning av kalk eller kalksten til skrubberdispersjonen.

Oppfinnelsen anvender således flyveaske for fjernelse av svoveldioksyd fra forbrenningsgasser ved syreutlutning av flyveasken til å tilveiebringe en skrubberdispersjon med høy ionestyrke, opprettholde denne høye ionekonsentrasjon i et lukket vannbalansert system og bringe forbrenningsgassen i kontakt med skrubberdispersjonen ved pH mindre enn omtrent 4, foretrukket mindre enn pH 3. Ionekonsentrasjonen i skrubberdispersjonen holdes på over 10.000 deler alkalimetallkationer pr. million deler skrubberdispersjon. Det lukkede vannbalanserte system utnytter en avfallsdam med lite volum med en retur av skrubberdispersjon-supernatant fra avfallsdammen slik at ionekonsentrasjonen av supernatanten ikke skal tillates å bli fortynnet før fjernelse av subernatanten. Den foretrukne metode til å opprettholde ionekonsentrasjonen i skrubberdispersjonen er å tilveiebringe små oppdemmede områder i en avfallsdam hvor skrub-berdispesjon og uoppløste faststoffer mottas initialt og etter noen avsetning av faststoffer returneres supernatanten til skrubberen fra det oppdemmede område med forholdsvis lite volum i dammen. Ettersom det første lille oppdemmede område i avfallsdammen fylles med faststoffer, skapes etterfølgende oppdemmede områder for å opprettholde ionekonsentrasjonen av skrubberdispersjon-supernatanten ettersom skrubberdispersjon og uoppløste faststoffer på nytt rettes til hver etterfølgende lille mottagningsdam for skrubberavfall. Et system med fortykker og filter kan også anvendes for å gjenvinne dispersjon-supernatant med høy ionekonsentrasjon i systemet. Systemer er vannbalansert, f.eks. tilsettes bare nok oppfriskningsvann til systemet for å erstatte det vann som tapes ved avdamping eller med-rivning i de fjernede faststoffer. Opprettholdelsen av en høy ionekonsentrasjon i skrubberdispersjonen reduserer i vesentlig grad forholdene væske/gass som det her er tale om med vesentlige besparelser i pumpe- og energi-behov for drift av systemet. Ved et aspekt av oppfinnelsen kan det anvendes en våt-venturiskrubber for oppsamling av flyveasken. Bruken av våt-venturiskrubberen eliminerer problem-er forbundet med håndtering av flyveasken og integrerer flyveaskefjernelsen inn i S02~skrubberkretsen.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere ved hjelp av den etter-følgende beskrivelse og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvori: Fig. 1 er et skjematisk flytskjema for fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen under anvendelse av en avfallsdam oppdelt i flere oppdemmede områder for retur av supernatant til skrubberkretsen. Fig. IA er en alternativt utførelsesform av oppfinnelsen og viser bruken av et fortykker og filter-system for retur av supernatant til skrubberkretsen. Fig. 2 er et typisk skjema som viser prosent ureagert alkali som funksjon av pH i typisk syreutluting av alkali fra flyveaske. Fig. 3 er et typisk skjema som viser virkningsgradkurver som illustrerer virkningsgraden av S02~fjernelse som en funksjon av forholdet væske/gass (L/G) for et typisk kalk-stenvåtskrubbersystem og et flyveasks-alkalisystem for våt-skrubbing i samsvar med oppfinnelsen, hver ved en optimal konstant pH, med heltrukket strek for kalkstensystemet og stiplet strek for flyveaskesystemet. Fig. 4 er et skjema som viser den typiske økning i SO^-fjernelsen når totalt oppløste faststoffer i skrubberdispersjonen øker. Fig. 5 og 6 er strømningsskjemaer for de til å begynne med omtalte tidligere systemer.

Med henvisning til fig. 1 og IA er det skrubbersystem som fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen utføres med vist skjematisk omfattende en S02-absorber 10 med et antall forstøvningsinnretninger 12 for å bringe skrubberdispersjon i kontakt med forbrenningsgass som først føres gjennom en flyveaskekollektor 14 som foretrukket er av våt-venturi-typen. Forbrenningsgassen som kommer ut fra flyveaskekol-lektoren via kanalen 14A strømmer oppover gjennom absorberen 10 og ut gjennom ledningen 16 som renset forbrenningsgass.

SC>2 fra f orbr enningsgassene absorberes i den forstøvede skrubberdispersjon og oppsamles i dispersjons-resirkule-ringstanken 18. Pumpen 20 pumper skrubberdispersjonen gjennom ledningen 22 tilbake til forstøvningsdysene 12 med eventuelt oppfriskningsvann etter behov innført gjennom en ledning 24 og forstøvningsdyse 26.

Pumpen 28 og ledningen 30 tilveiebringer skrubberdispersjon til forstøvningsdysen 32 i våt-venturien for oppsamling av flyveaske. Fordelen ved å anvende en våt-venturi er at det ikke er nødvendig med noen ytterligere håndtering av flyveasken i systemet da den oppsamlede flyveaske enkelt skylles videre til tanken for resirkulert dispersjon.

Det forstås også at en eller flere plater eller andre kon-taktinnretninger kan anvendes i stedet for forstøvnings-dysene 12 i absorberen 10.

Med henvisning til fig. 1 føres skrubberdispersjon og uoppløste faststoffer inklusive flyveaske-partikler og alkalimetallsulfater og sulfitter til en avfallsdam 34 gjennom ledningen 36. I samsvar med oppfinnelsen, i stedet for bare å tømme dispersjon og uoppløste faststoffer ut i avfallsdammen og tillate at dispersjons-supernatanten blir fortynnet, tilføres dispersjonen til et første oppdemmet området 38 som utgjør bare en liten del av dammen for å tillate avsetning av de uoppløste faststoffer mens supernatanten fra området 38 returneres til dispersjons-resirku-leringstanken via ledningen 40.

Ved oppdemning av et forholdsvis lite område av avfallsdammen returneres en høy ionekonsentrasjon av alkalikationer til dispersjons-resirkulasjonstanken i supernatanten fra det lille avdelte område av avfallsdammen. Ettersom det første oppdemmede område 38 fyller seg opp med uoppløste faststoffer anvendes et annet oppdemmet område 42 av dammen så til å motta skrubberdispersjonen med uoppløste faststoffer og supernatant-returledningen 40 anbringes i stil-ling for å fjerne supernatant fra området 42. Det annet oppdemmede område kan tas i bruk før det første oppdemmede område er fullstendig fullt av uoppløste faststoffer ved å anvende et overløpsrør eller kanal 44 mellom de to områder. I dette tilfelle vil innløpsledningen 36 fremdeles tømme seg ut i det første oppdemmede område mens supernatant-returledningen 40 vil være anbragt i det annet oppdemmede område.

Ved bruken av et slikt system holdes ionestyrken i den returnerte supernatant på den høyest mulige ionestyrke, dvs. på mer enn 5.000 ppm og foretrukket på mer enn 10.000 ppm. Opprettholdelsen av den høye ionekonsentrasjon i supernatanten reduserer forholdet væske/gass i vesentlig grad og reduserer følgelig mengden av den pumpeenergi som kreves for å sirkulere skrubberdispersjonen.

Med henvisning til fig. IA som viser en alternativ utfør-elsesform av oppfinnelsen, kan det sees at en fortykker 46 kan anvendes for å motta dispersjon og uoppløste faststoffer gjennom ledningen 48 idet supernatant trekkes ut ved hjelp av ledningen 50 til supernatanttanken 52 for retur til skrubberkretsen via pumpen 54 og ledningen 56. Pumpen 58 og ledningen 60 fører konsentrert faststoffdispersjon fra fortykkeren til et vakuumfilter eller en sentrifuge hvor filterkake fjernes som ved 62 idet supernatanten resirkuleres til supernatanttanken via ledningen 64. Retur av supernatanten i det system vist i fig. IA vil også ha en høy ionekonsentrasjon tilsvarende som i systemet vist i fig. 1.

Flyveaske er et sammensatt material og varierer i kjemisk sammensetning avhengig av kilden for det kull som brennes. Typiske flyveaskeanalyser er som følger:

Som det sees av tabell 1 ovenfor har flyveaske, selv om den er noe forskjellig med hensyn til sin kjemiske sammensetning, generelt tilstrekkelig alkalikationer for et SG^-skrubbersystem. Flyveasken kan testes på forhånd for å bestemme om den har tilstrekkelig alkalikationer for anvendelse i et slik skrubbersystem ved ekstraksjon av flyveaske-prøver og titrering for å bestemme den teoretiske mengde alkali tilgjengelig i flyveasken som anvendes. Metoden er generelt å oppslemme flyveaskeprøven i vann og titrere med svovelsyrling. pH som resulterer fra tilsetningen av spesifikke mengder av syren måles så. Den mengde syre som anvendes for en gitt pH har direkte sammenheng med mengden av alkali ekstrahert fra flyveaskeprøven. Den prosentvise andel av det teoretiske alkaliinnhold i flyveaske som er tilbake uekstrahert kan således avsettes som en funksjon av pH. Den typiske form av kurven oppnådd fra slike labora-torietestdata er vist i fig. 2.

Forskjellige flyveaskeprøver er blitt testet og de fleste viser lignende karakteristikker. Ved høy pH, f.eks. 9 eller mér, ekstraheres få alkalikationer. Men ettersom pH synker ekstraheres mer alkalikationer inntil det nås et nivå hvor mengden av alkali er nesten konstant. Ettersom pH fortsetter å falle er der en meget skarp økning i til-gjengeligheten av alkalikationer i flyveasken. Dette fore-går generelt ved pH-verdier på omtrent 4 eller mindre.. For således å oppnå den største fordel av alkalikationer ekstrahert fra flyveasken bør skrubber-resirkulasjonsdisper-sjonen drives med pH 4 eller mindre, foretrukket 3 eller mindre. Kombinasjonen av lav pH og høy ionekonsentrasjon av alkalimetallkationer tilveiebringer vesentlig besparelser ved skrubbingen av forbrenningsgasser fra kullfyrte anlegg med flyveaskeekstraksjon.

Ved utførelse av oppfinnelsen i pilotanleggsystemer ved pH rundt 2,5 med ionekonsentrasjoner av alkalikationer på fra 10.000 til 45.000 ppm, ble det oppnådd SG^-utslippsstand-arder under anvendelse av bare alkali fra flyveasken uten noe ytterligere alkali nødvendig slik at man eliminerte store driftsutgifter.

I et konvensjonelt skrubbersystem med kalk eller kalksten reflekterer forholdet væske/gass (L/G) volumdeler skrubber-dispers jon krevet pr. volumdeler forbrenningsgasser og er et direkte mål på den pumpeenergi som kreves for systemet. Det er kjent at forholdet L/G øker merkbart ettersom pH i dispersjonen nedsettes og det ville synes som at det under pH-betingelser som kreves for optimal alkaliekstrasjon fra flyveaske, dvs. ved pH 4 eller mindre, ville være en økning i den pumpeenergi som var nødvendig for effektiv SG^-fjernelse. Det er imidlertid funnet at når ionekonsentrasjonen av alkalikationer i skrubbervæsken holdes på et høyt nivå, kan den samme S02~fjernelsesvirkningsgrad oppnås ved vesentlig lavere forhold væske/gass, med derav følgende energibesparelser for pumpeenergien. En typisk virknings-gradskurve som viser SG^-fjernelsesvirkningsgrad som en funksjon av forholdet væske/gass for både et kalkstensystem og et flyveaskesystem er vist i fig. 3. Som det sees av fig. 3 har flyveaskealkalisystemet et brattere forløp fra omtrent 50% S02~fjernelsespunkt som viser at det er mer effektivt med hensyn til pumpeenergi enn et kalkstensystem for fjernelse av SO2 fra forbrenningsgass, se den hel-trukne linje for kalkstensystemet og den stiplede linje for flyveaskesystemet.

Ved lave SG^-fjernelsesvirkningsgrader (f.eks. 20-30%) er der ikke mye forskjell i kravene L/G mellom systemene, idet kalkstensystemet krever noe mindre enn flyveaskealkalisystemet. De fleste S02~fjernelsessysteemer har imidlertid høye virkningsgradkrav og de reduserte forhold L/G for flyveaksesystemet kan således resultere i besparelser på 20% eller mer i pumpeenergi som kreves for S02~fjernelsen.

I flyveasken er der et antall kationer ved siden av kalsium som ekstraheres i forskjellig grad. Følgelig blir kjemien av systemet analogt med et internt dobbelt alkalisystem.

En typisk analyse av væskefasen i resirkulasjonsdispersjon-en er vist nedefor i tabell II.

Driftsdata fra pilot-anlegget har bekreftet viktigheten av å opprettholde høy ionestyrke i skrubbersystemet for å oppnå høyere SC^-fjernelsesvirkningsgrader. I disse tester ble skrubberen drevet under forskjellige ionekonsentrasjoner uttrykt ved totalt oppløste faststoffer idet alle andre faktorer forble uendret. Resultatene er vist i gra-fisk form i fig. 4 hvori forholdet L/G ble holdt konstant. Som vist i fig. 4 fortsetter prosent SO^-fjernelse å

stige selv etter at 10.000 eller 20.000 ppm totalt oppløste faststoffer er tilstede i skrubberdispersjonen. Det er funnet at det bør være minst 5.000 ppm oppløste faststoffer og foretrukket over 10.000 ppm opptil den økonomisk prak-tiske eller oppløselighetsgrensen for dispersjonen.

Systemet bør drives ved den høyest mulige ionestyrke for størst skrubber-virkningsgrad ved det laveste forhold L/G. Dette oppnås ved å drive systemet under en totalt lukket kretsløps-vannbalanse med bare nok oppfriskningsvann til-ført til systemet tilstrekkelig til å oppveie fordampnings-tapet og medrevet vann i avfallsfaststoffene. Dette ned-setter mengden av avfallsvannutstrømning fra systemet til et minimum og resulterer i ytterligere lønnsomhet ved den lille mengde av avfallsvann som trenger behandling.

I konvensjonelle skrubbersystemer med kalk eller kalksten er avfallsfaststoffene hovedsakelig kalsiumsulfitt med noe kalsiumsulfat. Forholdet mellom komponentene varierer med arbeidsbetingelsene for systemet, men generelt er den største del av avfallsfaststoffene kalsiumsulfitt som er tiksotropisk og vanskelig å avvanne i et avfallsfaststoff-deponeringssystem. Med flyveaske-anvendelsessystemet blir hovedsakelig den hele mengde avfallsfaststoffer naturlig oksydert til kalsiumsulfat som er meget uoppløselig og relativt lett å avvanne. Bruken av et flyveaskealkali-skrubbersystem viser vesentlig større samlede avsetnings-hastigheter og de uoppløste faststoffer kan konsentreres i en fortykker til godt over 50% faststoffer med fortykker-understrømmen frembringende en filterkake eller omtrent 85% faststoffer, som er lett å håndtere og har et tørt sand-lignende kornformet utseende.

I konvensjonelle SG^-fjernelsessystemer for kalksten er der også skalldannelsesproblemer som oppstår ved utfelling av overmettet kalsiumsulfat som avsettes på absorberover-flåtene. Styring av super-overmetningsforholdet (aktuell oppløselighet i forhold til teoretisk oppløselighet av kalsiumsulfat) er nødvendig for å forhindre skalldannelse. Flyveaskealkali-anvendelsessystemer kan drives med overmet-telsesforhold på 1,0 og følgelig er det lite eller ikke noe kalsiumsulfat-skalldannelse.

Systemet i henhold til oppfinnelsen tilveiebringer således vesentlig økonomiske fordeler ved at det (1) reduserer eller fjerner utgiftene til alkali, (2) reduserer vesentlig energiforbruket (pumpeenergiforbruket), (3) reduserer ini-tilal kapitalinvestering, (4) reduksjon i faststoffavfalls-håndtering og deponeringsomkostninger, og (5) forbedret system-pålitelighet med minimal risiko for skalldannelse.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte for å fjerne svoveldioksyd fra forbrenningsgasser under anvendelse av en flyveaske som er blitt separert fra forbrenningsgassen, karakterisert ved at man utfører følgende trinn i rekkefølge: (a) separerer flyveaske fra forbrenningsgassene og innfør-er den i en slurry-resirkulasjonstank (18) (b) innfører forbrenningsgassene i en gassvaskeinnretning (10) , (c) bringer forbrenningsgassene i gassvaskeinnretningen (10) i kontakt med en skrubber-slurry av flyveaske i vann, idet denne slurry tilføres fra resirkulasjonstanken (18) og har en ionekonsentrasjon på minst 10.000 ppm og en pH lavere enn 4, foretrukket lavere enn 3 , (d) tilfører den brukte skrubber-slurry til resirkulasjonstanken (18) (e) fører en del av den brukte slurry fra resirkulasjonstanken (18) til en beholder (38), og (f) separerer den supernatante væske fra de separerte faststoffer i beholderen (38) og resirkulerer supernatant-væsken til slurry-resirkulasjonstanken (18) i et vannbalansert system med lukket kretsløp slik at ionekon-sentras jonen og pH i den nevnte skrubber-slurry opprettholdes .

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at man tilfører den brukte skrubber-slurry til minst ett ytterligere oppdemmet område (38) av avfallsdammen (34) og at supernatant fra det oppdemte område (38) tas ut for resirkulering.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at man tilfører skrubber-slurryen til minst ennå et ytterligere oppdemmet område (42) når det første oppdemte område (38) er blitt i det minste delvis fylt med avfalls-faststoffer, og at supernatant tas fra minst et av de ytterligere oppdemte områder (42) for resirkulasjon.