Actualización STET eliminación de amoníaco 2015

Needham Centro Técnico

Eliminación de amoníaco a partir Fly Ash

J. Bittner, S. Gasiorowski, e F. Hrach

Separation Technologies, LLC 101 Hampton Avenue, Needham, Massachusetts, EUA

abstracto

A subministración de cinzas volantes dispoñible para uso como unha pozolana en concreto pode ser gravemente afectado polos efectos de regulamentos de calidade do aire nas operacións de plantas utilidade. especialmente, reducións obrigatorias en NOx, particulado, e entón3 contén os niveis de emisión de aerosol se espera que requiren a instalación de sistemas de control que pode usar amoníaco como reactivo. En función do nivel de amoníaco presente no gas de combustión a precipitadores unidade, as cinzas volantes recollida pode ser fortemente contaminado con amoníaco principalmente como sales de sulfato de amonio.

equipo ST & Technology LLC (STET) desenvolveu un proceso que elimina amoníaco a partir de cinzas volantes. O proceso recupera 100% das cinzas volantes tratadas ea cinza resultante satisfai todas as especificacións para uso en formigón. proceso de eliminación de amoníaco da ST poden utilizarse sos ou en combinación coa tecnoloxía de separación de carbono da empresa. O proceso de separación de carbono non é afectada pola presenza de amoníaco no cinzas volantes. Esta visión modular ofrece a menor solución de custo para o tratamento de cinzas volantes inutilizável.

O sistema de eliminación de amoníaco ST está operando en dous lugares nos Estados Unidos e un en Europa. Os niveis de amoníaco do cinzas volantes non tratado ten variado entre 200 e 3000 NH mg3 / kg de cinzas (parte por millón en masa, ou ppm). O proceso ST conseguiu reducir o nivel de cinzas amoníaco a menos de 50 NH mg3 / kg de cinzas. sobre 500,000 toneladas de cinzas volantes foi vendida para produtores de formigón preparado mix de proceso de eliminación de amoníaco do RD.

Amoníaco contaminada Fly Ash

A subministración de cinzas volantes dispoñible para uso como unha pozolana en concreto pode ser gravemente afectado polos efectos de regulamentos de calidade do aire nas operacións de plantas utilidade.1 especialmente, reducións obrigatorias en NOx , particulado, e entón3 contén os niveis de emisión de aerosol se espera que requiren a instalación de sistemas de control que pode usar amoníaco como reactivo. En función do nivel de amoníaco presente no gas de combustión a precipitadores electrostáticos, as cinzas volantes recollida pode ser fortemente contaminado con amoníaco principalmente como sales de sulfato de amonio 1,2. Para o control de NOx, o nivel de combustión gas de amoníaco será definido pola cantidade de amoníaco "slip‿, i. que non reaccionou amoníaco presente tras a unidade SCR ou SNCR. Para reducir partículas ou SO3 emisións de aerosois, ammonia is injected into the flue gas prior to the precipitators and will be deposited on the fly ash. The degree to which this occurs is dependent on the SO3 contido, fly ash sulfur content, alkalinity of the fly ash, the ammonia concentration, and ash loading in the flue gas.

The use of cinzas volantes in concrete requires that the fly ash have specific physical and chemical properties3. The pozzolanic properties of the ash are activated in the concrete by the generation of highly alkaline free lime from hydration of the cement. Cando as cinzas volantes contén amoníaco, este amoníaco é liberado como un gas por acción da solución altamente alcalina do formigón. A alcalinidade despraza o equilibrio de ión de amonio en solución de amoníaco molecular segundo a seguinte ecuación:

NH4+(aq) + OH–(aq) ↔ NH3(aq) + H2O

O amoníaco molecular disolto é facilmente liberado a partir da solución como gas de amoníaco libre.

equipo ST & Technology LLC 101 Hampton Avenue Needham, MA 02494 Tel: 781-972-2700

Needham Centro Técnico

O amoníaco é un composto de cheiro forte que ten unha connotación de barnyards, estrume e urina. Un forte olor de amoníaco é inaceptable para o produtor de formigón, o contratista traballar co concreto, eo usuario final concreta.4

As propiedades finais do formigón non sexan prexudicados polo uso da amoníaco contaminada de cinzas volantes, pero o cheiro é inaceptable, particularmente se o formigón se emprega en espazos subterráneos ou pechados.5,6,7 Dependendo das características específicas do lugar, incluíndo a cantidade de circulación de aire fresco, amoníaco olor se atopou para non ser desagradable ao usar cinzas volantes que conteñen 100 para 200 mg de NH3 / kg (parte por millón en masa, ou ppm). Co fin de garantir que ningún problema se atopou, o contido de amoníaco de cinzas non debe ser maior que 100 ppm2,8.

con todo, a adición de amoníaco na planta de produción de enerxía pode resultar na mosca contido de cinzas de amoníaco 200 para 2500 ppm, facendo o cinzas volantes inaceptable para uso en concreto.8 así, reducindo os problemas de calidade do aire, controlando as emisións atmosféricas de centrais de enerxía aumenta un problema de eliminación de residuos sólidos e aumenta CO2 emisións de gases de efecto de aumentar a cantidade de cemento utilizado na produción de formigón. Eliminación de amoníaco a partir de cinzas volantes para que poida ser usado en concreto beneficiaría a utilidade, evitando o descarte de residuos sólidos, produtor de formigón, usuario, e propietario final, diminuíndo o custo dos materiais e aumentar a calidade dos produtos, eo medio ambiente, reducindo as emisións de gases de efecto invernadoiro de produción de cemento.

A cantidade de sales de amonio e amonio atopar en partículas de cinza é relacionada coa cantidade de amoníaco presente no gas de combustión. Para unha unidade de carbón pulverizado típico utilizando carbón bituminoso oriental cun elevado valor de calefacción de 12,000 BTU / lb (6667 kcal / kg), o gas de combustión en relación á masa de carbón é de aproximadamente 8 para 9.5. Cando o contido de cinzas do carbón é 10%, e 80% das cinzas no carbón é recuperado como cinzas volantes (20% cinzas de fondo), o gas de combustión / proporción de cinzas e uns 100. Se todas as especies de amoníaco presentes nos gases de combustión, foron depositadas, ou adsorvido sobre as cinzas volantes, a concentración do amoníaco na cinza sería de aproximadamente 50 veces maior que o gas de combustión nunha base de masa, por exemplo. unha amoníaco “deslice” de 2 ppm by volume would result in an ash containing 100 mg / kg (ppm by wt.) ammonia. Actual measurements show this relationship to be correct.9 The concentration of ammonia on fly ash will vary among operating units dependent on the ash content of the coal and the fly ash to bottom ash ratio as well as other factors.

Ammonia injection to electrostatic precipitators (ESP) para mellorar a eficiencia e reducir pluma opacidade pode producir niveis moi elevados de amoníaco en cinzas volantes. niveis ata 2500 amoníaco ppm en cinzas foron atopados para tales sistemas. operacións SNCR tipicamente operar con concentracións de amoníaco deslizamento 5 para 20 ppm, con cinzas contaminada a un nivel de 200 para 1000 ppm amoníaco. sistemas SCR xeralmente son deseñados para operar en niveis máximos de amoníaco deslizamento de 2 ou 5 ppm, dependendo das características específicas da instalación.10 xeralmente, Canto maior sexa o NH3/NOX proporción, Canto maior sexa o NOX redución que será obtido, cunha fuga de amoníaco maior resultado. con todo, amoníaco deslizamento maior de 2 ppm may result in ash-ammonia contents of greater than 100 ppm, producir unha cinza non comercial.11 Moitas fábricas en unidades SCR operativos Xapón e Alemaña deseñados para un 2 ppm deslizamento máximo ver pouco impacto sobre a comercialización de cinzas volantes.1,5 con todo, Nalgúns SCR de todo o mundo foron deseñados para 5 deslizamento amoníaco ppm. Operación desas unidades neste nivel deslizamento alta probablemente resultará máis de 100 ppm de amonco en cinzas volantes.

Controlando amoníaco deslizamento para baixos niveis tamén reduce o entupidos ea corrosión de equipos participada pola deposición de sulfatos de amonio.1,10 Evitando prequentador de aire conectar debido a este fenómeno se espera para ser aínda máis importante para os operadores de unidade cando queima alto contido de xofre, carbóns estadounidense. así, xestión da fuga de amoníaco para minimizar o tempo de indisponibilidade unidade será unha preocupación maior que controlar o nivel de amoníaco de cinzas volantes. o resultado

equipo ST & Technology LLC 101 Hampton Avenue Needham, MA 02494 Tel: 781-972-2700

Needham Centro Técnico

Pode ser que non hai problema significativo desenvolve para a utilización de cinzas nalgúns lugares de servizos públicos, En función do proxecto específico e funcionamento dos sistemas de control de emisións.

O Proceso STET

STET desenvolveu un proceso que elimina amoníaco a partir de cinzas volantes.12 O proceso recupera 100% das cinzas volantes tratadas ea cinza resultante satisfai todas as especificacións para uso en formigón. proceso de eliminación de amoníaco da STET pode ser usado só ou en combinación coa tecnoloxía de separación de carbono da empresa. O proceso de separación de carbono non é afectada pola presenza de amoníaco. Esta visión modular ofrece a menor solución de custo para o tratamento de cinzas volantes inutilizável.

Para eliminar o amoníaco como un gas a partir de cinzas volantes, o proceso STET utiliza a mesma reacción química fundamental que resulta na liberación de amoníaco en concreto. Liberación de amoníaco a partir de cinzas volantes require que o ión de amonio

–equilibrio amoníaco molecular ser desprazado a favor de amoníaco pola presenza dun álcali. As cinzas volantes con naturalmente elevada alcalinidade non necesitan de alcalino adicional. Para cinzas menos alcalinas, calquera álcali forte ha servir. A fonte máis barata de alcalino e cal (CaO). A reacción de sales de amonio con amoníaco cal Libertador está fortemente favorecido por equilibrio químico. A reacción química prodúcese rapidamente xa que os compostos son disoltos.

A reacción xeral pode ser xeneralizado como se:

(NH4)2SO4(s) + CaO(s) → 2NH3(g) + caso4(s) + H2O(g)

con todo, as presións de vapor dos sólidos son moi baixo ea reacción non pode ocorrer na fase gasosa ou sólida. sulfato de amonio é altamente soluble en auga e disocia-se en ións amonio e ións sulfato.

(NH4)2SO4(aq) → 2NH4+(aq) + SO42-(aq)

Lime é altamente inestable cando exposto a agua, favorecendo unha reacción altamente exotérmica vulgarmente coñecido como “slaking”, hidróxido de calcio ou cal hidratado producindo.

CaOs +H2O → Ca(OH)2(s)

A cal hidratado é só moderadamente soluble en auga, produción de calcio e ións hidróxido.

como(OH)2(s) ↔ como2+(aq) + 2 OH–(aq)

sulfato de calcio tamén é feblemente soluble, así como os ións de calcio son facilitados por disolución da cal hidratada, son consumidos principalmente por precipitación de sulfato de calcio.

como2+(aq) + SO42-(aq) → caso4(s)

finalmente, Existe un equilibrio entre os ións de amonio e amoníaco disoltos en auga.

NH4+(aq) + OH–(aq) ↔ NH3(aq) + H2O

equipo ST & Technology LLC 101 Hampton Avenue Needham, MA 02494 Tel: 781-972-2700

Needham Centro Técnico

O grao en que os ións amonio son convertidos en amoníaco molecular é dependente do pH do sistema acuoso, pH máis elevado do que favorece a formación de amoníaco molecular. Este equilibrio é ben coñecida.13

Unha característica fundamental do proceso de STET é o uso dunha cantidade mínima de auga (1 para 4%, tipicamente 2%) e cantidades mínimas de alcalino (< 2%). Grandes cantidades de auga son prexudiciais para o proceso, retardando a taxa de liberación de amoníaco. O pH da cinza resultante / cal / mestura de auga debe ser superior a pH 10.0. Moi pequenas cantidades de álcali son engadidos para garantir ese pH, En función do pH natural da cinza. tipicamente, menos que 1% como(OH)2 é requerido, mesmo con cinzas volantes con pH natural ácida. Calcium based alkalis are used which result in minimal alteration of the fly ash chemistry. The process is performed at ambient temperature.

Since the cost of the alkali and cost of drying the product are major operating expenses and sizing the mixing and drying equipment are the major components of capital cost, carefully measuring the reagent requirements for a specific ash is necessary to optimize the economics of the process.

The process flow diagram for the continuous operation of the STET process is presented in Figure 1. gris, water and alkali in controlled proportions are metered to a mixer. Para asegurar unha mestura rápida e dispersión uniforme da auga engadida e alcalino, un mesturador de alta intensidade é utilizada. O tempo de permanencia neste tipo de mesturar é moi baixa, na orde dun segundo. A amoníaco é inmediatamente liberado, pero evolución completa require tempos de mestura de 3 para 4 minutos para permitir o transporte de masa do gas a partir da maior parte da cinza para permitir o transporte de masa do gas a partir da maior parte da cinza.

Para este tempo de mestura e asegurar un bo transporte de amoníaco a partir da maior parte da cinza, a low intensity device such as a pug mill is used as a secondary mixer. Xa que o contido de cinzas a humidade é moi baixa, o material flúe a través deste mesturar como un po seco altamente axitada. Ammonia gas collected in both the high and low speed mixers is either recycled to the generating unit flue or converted to nitrogen in a two- stage catalytic unit.

equipo ST & Technology LLC 101 Hampton Avenue Needham, MA 02494 Tel: 781-972-2700

Needham Centro Técnico

figura 1: STET Ammonia Removal Process Flow Diagram

A cinza deammoniated é seca por transportar o material a través dun secador de flash para eliminar o exceso de auga. Due to the minimal amount of water added, water consumed in the formation of hydrated calcium sulfate upon reaction with soluble sulfate in the ash, and loss of water during the low intensity mixing stage, só unha pequena cantidade de auga precisa ser eliminada polo secador. Isto minimiza a demanda de enerxía da fase de secado. Temperaturas finais de cinzas de aproximadamente 150oF son adecuados para producir un fluxo completamente libre, cinzas volantes do produto cun contido de humidade moi inferior ao ASTM C 618 especificación de 3 peso. %.3

A primeira aplicación a gran escala do proceso de eliminación de amoníaco de STET comezou a funcionar en 2003 na instalación de procesamento de cinzas de ST na Jacksonville Electric Authority St. Johns River Power Park en Jacksonville, Florida. This commercial scale operation handles up to 40 tons per hour of contaminated ash, reducindo o contido de amoníaco a menos de 30 ppm. Ammonia levels in the incoming fly ash varies from ~200 to 900 ppm. The process is very robust, resulting in 90+% ammonia removal under all trial settings, producing ash well below our target of maximum 50 ppm amoníaco. Final moisture contents are <0.3%. Representative results are listed in Table 2. sobre 250,000 tons of ammonia-contaminated ash has been successfully processed at the Jacksonville facility.

equipo ST & Technology LLC 101 Hampton Avenue Needham, MA 02494 Tel: 781-972-2700

Needham Centro Técnico

mesa 2: resultados do sistema de amoníaco típicos escala comercial

Cinzas voantes na estación de Big Bend en Tampa, Florida está contaminado con amoníaco debido á inxección de amoníaco en sistemas ESP da fábrica para controlar a emisión de SO3 aerosol xerado polo sistema de control de NOx SCR. Noutras centrais, contaminación amoníaco tamén ocorre con control de NOx SNCR ea utilización de amoníaco para mellorar a recollida de partículas en sistemas de ESP. No Big Bend, os niveis de cinzas volantes de amoníaco para unidades con rango de inxección de amoníaco 750 para 3360 ppm amoníaco. consecuentemente, as cinzas volantes destinados á produción de formigón debe ser tratada polo proceso de eliminación de amoníaco ST.

O deseño do proceso de eliminación de amoníaco STET instalados en Big Bend (figura 2) é a segunda instalación completa escala e inclúe moitos refinamentos. equipo de manipular de material é mellorada para permitir un funcionamento a taxas máis altas. O sistema de secado é reducido a partir do deseño anterior e inclúe a reciclaxe de gases quentes para reducir as necesidades enerxéticas mundiais do sistema. por fin, the ammonia released in the process is fed to a two-stage catalytic unit where the collected ammonia gas is converted into nitrogen. A calor xerado por esta reacción é recuperada e utilizada para suplementario o requisito de enerxía do sistema de flash de secado de cinzas volantes. The use of the two-stage catalytic system results in minimal NOx emissions. O proceso recupera 100% das cinzas volantes tratadas ea cinza resultante satisfai todas as especificacións para uso en formigón.

Esta operación a escala comercial pode soportar ata 52 tons per hour of contaminated ash, reducindo o contido de amoníaco a menos de 75 mg / kg. The process is very robust, resulting in 97+% eliminación de amoníaco, producing ash well below our target of maximum 100 mg / kg de amoníaco. Final moisture contents are <0.5%.

Un proceso de eliminación de amoníaco STET está en funcionamento nas RWE npower Aberthaw instalacións de procesamento estación de cinzas no Reino Unido desde 2008. Aberthaw engade amoníaco para mellorar a eficiencia de recollida ESP cos niveis de amoníaco sobre a cinza típico 200 ppm eo proceso está concibida para 500 ppm máximo.

equipo ST & Technology LLC 101 Hampton Avenue Needham, MA 02494 Tel: 781-972-2700

Needham Centro Técnico

figura 2: sistema de eliminación de amoníaco na Estación Big Bend, tapa Florida

O Ash produtos

The low ammonia fly ash product meets all chemical and physical requirements of the ASTM C 618 standard and resulting concrete properties are identical to ash not subjected to the ammonia removal process. Table I compares typical properties of ash from one generating station along with properties of the plant ash reduced in ammonia content from 250 mg / kg to 20 mg / kg by the continuous ST process. Note that the range of calcium oxide content observed for the ash from this source is 1.4 para 12%. The addition of up to 1% como(OH)2 (0.75% as CaO) pode producir só pequenos cambios na química de cinzas, ampliando a variabilidade insignificantemente.

proba de formigón realizada na cinza deammoniated mostrou ser un excelente material pozolânico. desenvolvemento de resistencia a compresión mediante este cinzas é tan bo que é mellor que cinzas unammoniated dende esta fonte. propiedades de durabilidade de formigón de longo prazo tamén son excelentes, incluíndo a resistencia á corrosión mellorada, resistencia sulfato, cloruro de permeabilidade, e retracción de cal.

equipo ST & Technology LLC 101 Hampton Avenue Needham, MA 02494 Tel: 781-972-2700

Needham Centro Técnico

táboa I: Fly Ash propiedades físicas e químicas.

resumen

O grao en que a cinza de boa calidade mosca será comprometida como resultado dos sistemas de NOx ou a emisión de partículas no futuro dependerá opcións tecnolóxicas realizadas por utilidades para reducir NOx, as emisións de partículas e de opacidade pluma. con todo, proceso de eliminación de amoníaco da STET se pode empregar para eliminar o amoníaco a partir de cinzas contaminada, producindo un material de alto valor para uso na produción de formigón. amoníaco recuperado pode ser reciclada para a unidade de xeración para reutilización. This ammonia removal process can be installed as a stand-alone system or can be used in conjunction with STET’s successful fly ash carbon removal system.

1Stewart, B. R., Efectos non intencionais de Regra de Transporte de Ozono recentes da EPA, procedemento, 1999 Conference on Selective Catalytic and Non-Catalytic Reduction for NOx control, maio 1999, pp.9-10.

2Sloss, L.L., Hjalmarsson, A-K, corte, H. N., Campbell, L.M., pedra, D.K., Shareef, G. S., Emmel, T., Naebodi, M., Livengood, C. D., Markussen, J. Óxidos de nitróxeno Tecnoloxía de Control Fact Book, NOYES Data Corporation, PP. 94-95, 1992

3“Especificación estándar para cinzas volantes de carbón e puzolana natural bruta ou calcinada para o seu uso como aditivo mineral no formigón”, ASTM C 618, Sociedade Americana de Probas e Materiais, Filadelfia, PA.

4Maiores, R.K., Outeiro, R., McMurry, R., Tomás, S., Un estudo do impacto da inxección de amoníaco nas cinzas volantes comercializables, incluídos os procedementos de control de calidade, procedemento, 1999 Conferencia sobre Selective Catalytic e non catalítica Redución para control de NOx, maio 1999, pp.11-13.

5Van der Brugghen, F.W., Gast, C.H., Van den Berg, J.W., Kuiper, W.H., Visser, R., Problemas atopados durante o uso de cinzas volantes contaminadas con amonio. procedemento: EPRI / EPA 1995 Simposio conxunto sobre control de NOx de combustión en estacións, maio 16-19, 1995. Libro 4, Sesión 8A, PP. 1-16.

6Van den Berg, J.W., Cornelissen, H.A.W. ,Efecto das baixas Technologies NOx en Fly Ash Calidade, procedemento: 13th Simposio Internacional sobre Uso e Xestión da combustión do carbón produtos, 1999, PP. 29-1 – 29-11.

7Koch, H-J., Prenzel, H., Probas en Olor Developments na fundición de unha mesa de formigón – Usando un NH3-Cinza Volante Contaminada, Concrete precasting vexetal e Tecnoloxía, vol 11, 1989 PP. 72-75.

8pescador, A.C., BLACKSTOCK, T. Fly Ash beneficiamento utilizando un proceso de limpeza Amoníaco, 12th Simposio Internacional sobre Xestión e Uso de Subprodutos da Combustión do Carbón, 1997 PP. 65-1 – 65-8.

equipo ST & Technology LLC 101 Hampton Avenue Needham, MA 02494 Tel: 781-972-2700

Needham Centro Técnico

9Larrimore, L., Dodgen, D., Monroe, L., Caracterización dos efectos da amoníaco en Ash e Avaliación de métodos de eliminación, procedemento: 13th Simposio Internacional sobre Uso e Xestión da combustión do carbón produtos, 1999, PP. 16-1 – 16-15.

10Control de emisións de óxido de nitróxeno: Redución catalítica Selectiva (SCR), Tecnoloxía de carbón limpo, Tópica Número do Informe 9. U.S. Departamento de Enerxía e do Sur Empresa Servizos, Inc. xullo, 1997.

11O'Connor, D., Larrimore, L, Dodgen, D., Monroe, L., Os efectos da redución de NOx a base de amoníaco sobre as cinzas volantes: Adsorción de amoníaco en Ash, procedemento, EPRI-DOE-EPA Combinada Utility Air Simposio de Control da Contaminación: O Simposio MEGA, agosto, 1999, papel # 16.

12Gasiorowski, S.A, e Hrach, F.J., Método para a eliminación de amoníaco a partir de amoníaco contaminada Fly Ash, Estados Unidos Número de patentes 6,077,494, xuño 20, 2000.

13Thurston, R. V., Ruso, R.C., Emerson, K., Acuosa de amoníaco Equilibrium – Tabulación do porcentaxe de amoníaco non ionizado, United States Environmental Protection, EPA-600 / 3-79-091, agosto, 1979.

equipo ST & Technology LLC 101 Hampton Avenue Needham, MA 02494 Tel: 781-972-2700