Remoção de amônia STET atualização 2015

Centro técnico de Needham

Remoção de amônia da cinza de mosca

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

Tecnologias de separação, LLC 101 Avenida de Hampton, Needham, Massachusetts, ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA

Resumo

O fornecimento de cinzas volantes disponíveis para uso como uma pozolana em concreto pode ser gravemente afetado pelos efeitos dos regulamentos de qualidade do ar nas operações da planta de utilitário. Especificamente, mandatadas pela redução de NOx, partículas, e então3 níveis de emissão de aerossol contendo poderão exigir a instalação de sistemas de controle que pode usar amoníaco como um reagente. Dependendo do nível de amônia presente nos gases de combustão para os precipitadores de unidade, a cinza de mosca coletada podem estar fortemente contaminada com amônia principalmente como sais de sulfato de amônio.

ST equipamentos & Tecnologia LLC (SSE3) desenvolveu um processo que remove amônia da cinza de mosca. Recupera o processo 100% a cinza de mosca tratados e a cinza resultante cumpre todas as especificações para uso em concreto. Processo de remoção de amônia do ST pode ser usado sozinho ou em combinação com a tecnologia de separação de carbono da empresa. O processo de separação de carbono não é afetado pela presença de amônia sobre a cinza de mosca. Essa abordagem modular oferece a solução de custo mais baixa para tratar caso contrário inutilizável cinza de mosca.

O sistema de remoção de amônia de ST está operando em dois locais nos EUA e um na Europa. Os níveis de amônia da cinza de mosca não tratado têm variado entre 200 e 3000 mg de NH3 / kg de cinzas (parte por milhão em massa, ou ppm). O processo de ST com sucesso reduziu o nível de amônia de cinzas para menos de 50 mg de NH3 / kg de cinzas. Sobre 500,000 toneladas de cinzas volantes foi vendida aos produtores de concreto pronto mistura de processo de remoção de amônia do ST.

Amoníaco contaminados cinza de mosca

O fornecimento de cinzas volantes disponíveis para uso como uma pozolana em concreto pode ser gravemente afetado pelos efeitos dos regulamentos de qualidade do ar nas operações da planta de utilitário.1 Especificamente, mandatadas pela redução de NOx , partículas, e então3 níveis de emissão de aerossol contendo poderão exigir a instalação de sistemas de controle que pode usar amoníaco como um reagente. Dependendo do nível de amônia presente nos gases de combustão para os precipitadores eletrostáticos, a cinza de mosca coletada podem estar fortemente contaminada com amônia principalmente como sais de sulfato de amônio 1,2. Para controle de NOx, o nível de amônia de gás de conduto será definido pela quantidade de amônia "slip‿, i.. Não tenha reagida amônia presente após a unidade SCR ou RNCS. Para reduzir as partículas ou então3 emissões de aerossóis, amônia é injectada o gás de conduto antes os precipitadores e será depositada sobre a cinza de mosca. O grau em que isso ocorre é dependente do SO3 conteúdo, teor de enxofre de cinza de mosca, alcalinidade da cinza de mosca, a concentração de amônia, e carregamento de cinzas nos gases de combustão.

The use of cinza de mosca in concrete requires that the fly ash have specific physical and chemical properties3. As propriedades pozolânicos da cinza são ativadas no concreto pela geração de Cal livre altamente alcalina de hidratação do cimento. Quando o cinza de mosca contém amônia, Esta amônia é liberada como um gás pela ação da solução altamente alcalina do concreto. A alcalinidade desloca o equilíbrio de iões de amónio em solução de amônia molecular de acordo com a seguinte equação:

NH4+(AQ) + AH–(AQ) ↔ NH3(AQ) + H2Ó

O amoníaco dissolvido molecular é facilmente liberado da solução como gás amônia livre.

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Amônia é um composto de cheiro forte que carrega a conotação de currais, estrume e urina. Um forte odor de amônia é inaceitável para o produtor de concreto, o contratado para trabalhar com o concreto, e o usuário final do concreto.4

Propriedades do concreto acabadas não são afetadas negativamente quando usar amônia contaminados cinza de mosca, Mas o odor é inaceitável, particularmente se o concreto é usado em espaços fechados ou subterrâneos.5,6,7 Dependendo as especificidades do local, incluindo a quantidade de circulação de ar fresco, odor de amônia foi encontrada para não ser censurável quando usando fly cinzas contendo 100 Para 200 mg NH3 / kg (parte por milhão em massa, ou ppm). Para garantir que são encontrados sem problemas, o conteúdo de amônia da cinza de mosca deve ser não maior que 100 ppm2,8.

No entanto, a adição de amônia, na usina de geração pode resultar em conteúdo de amônia cinza de mosca da 200 Para 2500 ppm, a cinza de mosca de renderização inaceitável para uso em concreto.8 Assim, redução de problemas de qualidade do ar, controlando as emissões de ar das usinas aumenta um problema de eliminação de resíduos sólidos e CO2 efeito de estufa, aumentando a quantidade de cimento usado na produção de concreto. Remoção de amônia da cinza de mosca para que ele pode ser usado em concreto beneficiaria o utilitário, evitando o descarte de resíduos sólidos, o produtor de concreto, usuário, e proprietário final, diminuindo o custo dos materiais e aumentando a qualidade do produto, e o meio ambiente através da redução das emissões de gases de efeito estufa de produção de cimento.

A quantidade de sais de amônia e amônio encontrados na cinza de mosca está relacionada com a quantidade de amoníaco presente nos gases de combustão. Para uma unidade de carvão pulverizado típica usando Oriental carvão betuminoso com um aquecimento elevado valor de 12,000 BTU/lb (6667 kcal/kg), o gás de conduto à relação massa de carvão é aproximadamente 8 Para 9.5. Quando o teor de cinzas de carvão é 10%, e 80% das cinzas no carvão é recuperada como cinza de mosca (20% a cinza de fundo), o gás de conduto / relação de cinzas é aproximadamente 100. Se todas as espécies de amônia presentes no gás de conduto foram depositadas ou adsorvidas na cinza de mosca, a concentração de amônia nas cinzas seria aproximadamente 50 tempos maiores do que no gás flue em uma base de massa, ex.. uma amônia “Deslizamento” de 2 ppm por volume resultaria em uma cinza contendo 100 Mg / kg (ppm por wt.) Amônia. Medições reais mostram que essa relação está correta.9 A concentração de amônia em cinzas volantes variará entre as unidades operacionais dependentes do teor de cinzas do carvão e da relação de cinzas volantes para cinzas inferiores, bem como outros fatores.

Injeção de amônia para precipitadores eletrostáticos (Esp) para melhorar a eficiência e reduzir a opacidade das plumas pode resultar em níveis muito elevados de amônia em cinzas volantes. Níveis até 2500 ppm amônia em cinzas foram encontrados para tais sistemas. As operações de SNCR normalmente operam com concentrações de deslizamento de amônia 5 Para 20 ppm, com cinzas contaminadas a um nível de 200 Para 1000 ppm amônia. Os sistemas SCR geralmente são projetados para operar em níveis máximos de deslizamento de amônia 2 Ou 5 ppm, Dependendo as especificidades da instalação.10 Em geral, Quanto maior o NH3/Nãox relação, Quanto maior o nx redução, que será obtida, com um maior deslizamento amônia resultante. No entanto, deslizamento de amônia maior que 2 ppm pode resultar em conteúdo de cinzas-amônia superior 100 ppm, produção de cinzas não comercializáveis.11 Muitas usinas no Japão e Alemanha operam unidades SCR projetadas para uma 2 máximo deslizamento ppm ter visto pouco impacto na comercialização de cinza de mosca.1,5 No entanto, alguns SCR ao redor do mundo foram concebidos para 5 deslizamento de amônia ppm. Operação destas unidades a este nível alto deslizamento provavelmente resultará em mais de 100 ppm de amônia sobre a cinza de mosca.

Controlar o deslizamento de amónia para níveis baixos também reduz o entupimento e corrosão do equipamento a jusante devido à deposição de sulfato de amónio.1,10 Evitar a conexão do preedador de ar devido a este fenômeno é esperado ser ainda mais importante para operadores da unidade ao queimar o enxofre elevado, Carvões dos EUA. Assim, gestão de deslizamento de amônia para minimizar o tempo de interrupção da unidade será uma preocupação maior do que controlar o nível de amônia de cinzas volantes. O resultado

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pode ser que nenhum problema significativo se desenvolve para a utilização de cinzas em alguns locais de utilidade, dependendo do projeto e funcionamento específicos dos sistemas de controle de emissões.

O processo stet

STET desenvolveu um processo que remove a amônia de cinzas volantes.12 Recupera o processo 100% a cinza de mosca tratados e a cinza resultante cumpre todas as especificações para uso em concreto. STET do processo de remoção de amônia pode ser usado sozinho ou em combinação com a tecnologia de separação de carbono da empresa. O processo de separação de carbono não é afetado pela presença de amônia. Essa abordagem modular oferece a solução de custo mais baixa para tratar caso contrário inutilizável cinza de mosca.

Para remover amônia como gás da cinza de mosca, o processo STET utiliza a mesma reação química fundamental que resulta na liberação de amônia em concreto. Libertação do amoníaco fly ash exige que o íon amônio

–equilíbrio molecular amoníaco ser deslocado em favor de amônia pela presença do alcaloide. Cinzas de mosca com naturalmente alta alcalinidade não precisa nenhum alcaloide adicional. Para cinzas menos alcalinas, qualquer alcaloide forte servirá. A fonte mais barata de alcaloide é Cal (Ban). A reação de sais de amónio com calcário libertando amónia é fortemente favorecida pelo equilíbrio químico. A reação química ocorre rapidamente uma vez que os compostos são dissolvidos.

A reação geral pode ser generalizada como:

(NH4)2Então4(s) + Ban(s) → 2NH → 2NH3(G) + CaSO CaSO4(s) + H2Ó(G)

No entanto, as pressões de vapor dos sólidos são bastante baixas e a reação não pode ocorrer na fase sólida ou gás. Sulfato de amônio é altamente solúvel em água e dissocia-se iões amónio e íons sulfato.

(NH4)2Então4(AQ) → 2NH → 2NH4+(AQ) + Então42-(AQ)

Cal é altamente instável na exposição à água, favorecendo uma reacção fortemente exotérmica, comumente conhecida como “Slaking”, produção de hidróxido de cálcio ou cal hidratado.

Bans +H2O → Ca(AH)2(s)

A cal hidratada é apenas moderadamente solúvel em água, produção de cálcio e íons de hidróxido.

CA(AH)2(s) ↔ CA2+(AQ) + 2 AH–(AQ)

Sulfato de cálcio também é moderadamente solúvel, assim como cálcio íons são disponibilizados pela dissolução do cal hidratado, Eles são consumidos principalmente pela precipitação do sulfato de cálcio.

CA2+(AQ) + Então42-(AQ) → CaSO4(s)

Finalmente, um equilíbrio existente entre iões amónio e amoníaco dissolvido em água.

NH4+(AQ) + AH–(AQ) ↔ NH3(AQ) + H2Ó

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O grau ao qual iões amónio são convertidos em amônia molecular é dependente do pH do sistema aquoso, maior pH está favorecendo a formação de amônia molecular. Este equilíbrio é bem conhecido.13

Uma característica fundamental do processo STET é o uso de uma quantidade mínima de água (1 Para 4%, Normalmente 2%) e quantidades mínimas de alcaloide (< 2%). Grandes quantidades de água são prejudiciais ao processo de, diminuindo a taxa de liberação de amônia. O pH das cinzas resultantes / limão / mistura de água deve ser maior que o pH 10.0. Quantidades muito pequenas de álcalis são adicionadas para garantir este pH, dependendo do pH natural da cinza. Normalmente, menos de 1% CA(AH)2 é necessário, mesmo com a cinza de mosca com pH naturalmente ácido. Alcaloides de cálcio com base são usados que resultam em alteração mínima da cinza de mosca química. O processo é realizado à temperatura ambiente.

Uma vez que o custo do alcalante e o custo da secagem, o produto são as principais despesas operacionais e o dimensionamento dos equipamentos de mistura e secagem são os principais componentes do custo de capital, medir cuidadosamente os requisitos de reagente para uma cinza específica é necessário para otimizar a economia do processo.

O diagrama de fluxo de processo para o funcionamento contínuo do processo STET é apresentado na Figura 1. Cinza, água e álcalis em proporções controladas são medidos para um misturador. Para garantir a rápida mistura e dispersão uniforme da água adicionada e alcalinos, é utilizado um misturador de alta intensidade. O tempo de residência neste tipo de misturador é muito baixo, na ordem de um segundo. A amônia é imediatamente lançada, mas a evolução completa requer tempos de mistura de 3 Para 4 minutos para permitir o transporte em massa do gás a partir da maior parte das cinzas para permitir o transporte em massa do gás a partir da maior parte das cinzas.

Para obter este tempo de mistura e garantir um bom transporte da amônia a partir da maior parte das cinzas, um dispositivo de baixa intensidade, como um moinho pug é usado como um misturador secundário. Desde que o teor de umidade das cinzas é muito baixo, o material flui através deste mixer como um pó seco altamente agitado. O gás de amônia coletado em misturadores de alta e baixa velocidade é reciclado para o conduto da unidade geradora ou convertido em nitrogênio em um dois- unidade catalítica de palco.

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Figura 1: Diagrama de fluxo do processo de remoção de amônia sTET

A cinza deammoniated é secada por transportar o material através de um flash mais seco para remover o excesso de água. Devido à quantidade mínima de água adicionada, água consumida na formação de sulfato de cálcio hidratado após reação com sulfato solúvel nas cinzas, e perda de água durante o estágio de mistura de baixa intensidade, apenas uma pequena quantidade de água precisa ser removida pelo secador. Isso minimiza a demanda de energia do estágio de secagem. Temperaturas finais de cinzas de aproximadamente 150oF são adequados para produzir um fluxo completamente livre, cinzas volantes produto com teor de umidade bem abaixo do ASTM C 618 especificação de 3 Wt. %.3

A primeira aplicação em larga escala do processo de remoção de amônia da STET começou a operar 2003 na instalação de processamento de cinzas da ST na Jacksonville Electric Authority St. Johns River Power Park em Jacksonville, Florida. Esta operação em escala comercial 40 toneladas por hora de cinzas contaminadas, reduzindo o conteúdo para menos do que a amônia 30 ppm. Os níveis de amônia nas cinzas volantes de entrada variam de ~200 a 900 ppm. O processo é muito robusto, resultando em 90+% remoção de amônia em todas as configurações do ensaio, produção de cinzas bem abaixo do nosso alvo de máximo 50 ppm amônia. Os índices finais da umidade são <0.3%. Os resultados representativos estão listados na Tabela 2. Sobre 250,000 toneladas de cinzas contaminadas com amônia foram processadas com sucesso nas instalações de Jacksonville.

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Tabela 2: Resultados típicos do sistema de amônia em escala comercial

Cinzas da mosca na estação grande da curvatura em Tampa, Flórida está contaminada com amônia devido à injeção de amônia nos sistemas esp da usina para controlar a emissão de SO3 aerossóis gerado pelo sistema de controle scr nox. Em outras usinas, Contaminação por amônia também ocorre com o controle de NOx sncr e o uso de amônia para melhorar a coleta de partículas em sistemas ESP. Na curva grande, os níveis de amônia de cinzas volantes para unidades com injeção de amônia 750 Para 3360 ppm amônia. Conseqüentemente, as cinzas volantes destinadas à produção de concreto devem ser tratadas pelo processo de remoção de amônia ST.

O projeto do processo de remoção de amônia STET instalado em Big Bend (Figura 2) é a segunda instalação em escala completa e inclui muitos refinamentos. O equipamento de manuseio de materiais é melhorado para permitir a operação a taxas mais elevadas. O sistema de secagem é reduzido em frente ao projeto anterior e inclui a reciclagem de gases quentes para reduzir as necessidades energéticas gerais do sistema. Finalmente, a amônia liberada no processo é alimentada a uma unidade catalítica de dois estágios onde o gás de amônia coletado é convertido em nitrogênio. O calor gerado por esta reação é recuperado e usado para complementar a exigência de energia do sistema de secagem de flash de cinzas volantes. O uso do sistema catalítico de duas etapas resulta em emissões mínimas de NOx. Recupera o processo 100% a cinza de mosca tratados e a cinza resultante cumpre todas as especificações para uso em concreto.

Esta operação em escala comercial pode lidar com até 52 toneladas por hora de cinzas contaminadas, reduzindo o conteúdo para menos do que a amônia 75 mg/kg. O processo é muito robusto, resultando em 97+% Remoção de amônia, produção de cinzas bem abaixo do nosso alvo de máximo 100 mg/kg de amônia. Os índices finais da umidade são <0.5%.

Um processo de remoção de amônia STET está em operação nas instalações de processamento de cinzas da estação Aberthaw npower RWE no Reino Unido desde 2008. Aberthaw adiciona amônia para melhorar a eficiência da coleta de ESP com os níveis de amônia nas cinzas típicas 200 ppm e o processo é projetado para 500 ppm máximo.

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Figura 2: Sistema de remoção de amônia na estação de Big Bend, Tampa Florida

A cinza do produto

O produto de cinzas volantes de amônia baixa cumpre todos os requisitos químicos e físicos da ASTM C 618 Propriedades de concretas padrão e resultantes são idênticas às cinzas não submetidas ao processo de remoção de amônia. Tabela que compara as propriedades típicas das cinzas de uma estação geradora juntamente com propriedades da planta cinza reduzido em conteúdo de amônia 250 Mg / kg para 20 Mg / kg, pelo processo contínuo de ST. Note que a gama de conteúdo de óxido de cálcio observada para cinzas a partir desta fonte é 1.4 Para 12%. A adição de até 1% CA(AH)2 (0.75% como CaO) resultará em apenas pequenas alterações na química cinza, ampliando a variabilidade insignificanta.

Concreto de testes realizados sobre as cinzas deammoniated mostraram que seria um excelente material pozolânico. O desenvolvimento de força compressiva usando esta cinza é tão bom quanto ou melhor do que cinzas não amomoniadas desta fonte. As propriedades de durabilidade de concreto a longo prazo também são excelentes, incluindo melhor resistência à corrosão, resistência ao sulfato, permeabilidade do cloreto, e encolhimento do cal.

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Tabela I: Propriedades Físicas e Químicas de Cinzas de Mosca.

Resumo

O grau em que as cinzas volantes de boa qualidade serão comprometidas como resultado de NOx ou sistemas de emissão de partículas no futuro dependerá das escolhas tecnológicas feitas pelos serviços públicos para reduzir o NOx, emissões de partículas e opacidade de pluma. No entanto, O processo de remoção de amônia da STET pode ser utilizado para remover a amônia de cinzas contaminadas, produção de um material de alto valor para uso na produção de concreto. A amônia recuperada pode ser reciclada na unidade geradora para reutilização. Este processo de remoção de amônia pode ser instalado como um sistema autônomo ou pode ser usado em conjunto com o bem-sucedido sistema de remoção de carbono de cinzas volantes da STET.

1Stewart, B.r., Efeitos não intencionais da recente regra de transporte de ozônio da EPA, Processo, 1999 Conferência sobre redução catalítica seletiva e não catalítica para controle de NOx, Maio 1999, pp.9-10 pp.9-10.

2Sloss, L.L., Hjalmarsson, A-K, Soud, H.N., Campbell, L.M., Pedra, D.K., Jose Luiz, G.S., Emmel, T., Maibodi, M., Livengood, CLUBE DESPORTIVO, Pedro Menezes, J. Livro de fato do nitrogênio óxidos controle tecnologia, Noyes dados corporação, PP. 94-95, 1992

3“Especificação padrão para carvão cinza de mosca e pozolana Natural cru ou calcinada para uso como uma adição Mineral em concreto”, ASTM C 618, Sociedade americana para testes e materiais, Philadelphia, PA.

4Majores, R.K., Hill, R., McMurry, R., Thomas, S., Um estudo sobre o impacto de injeção de amônia na comercializável Fly Ash incluindo os procedimentos de controle de qualidade, Processo, 1999 Conferência na seletiva catalítica e Não-catalítica Redução para controle de NOx, Maio 1999, PP.11-13.

5Van der Brugghen, F.W., Gast, C.H., Van den Berg, J.W., Cinturão de Kuiper, W.H., Visser, R., Problemas encontrados durante o uso de amónio contaminados cinza de mosca. Processo: EPRI / EPA 1995 Simpósio conjunto na estação combustão controle de NOx, Maio 16-19, 1995. Livro 4, 8A sessão, PP. 1-16.

6Van den Berg, J.W., Cornelissen, H.A.W. ,Efeito de baixo NOx tecnologias na qualidade de cinzas volantes, Processo: 13th Simpósio Internacional sobre a utilização e gestão dos produtos da combustão de carvão, 1999, PP. 29-1 – 29-11.

7Koch, H-J., Prenzel, H., Ensaios sobre a evolução odor a carcaça de uma Betonilha de cimento – Usando um NH3-Cinza de mosca contaminados, Concreto pré-fabricando planta e tecnologia, Vol. 11, 1989 PP. 72-75.

8Fisher, B.C., Blackstock, T. Beneficiamento de cinza de mosca, usando um processo de Stripping de amônia, 12th Simpósio Internacional de subprodutos de combustão de carvão gestão e utilização, 1997 PP. 65-1 – 65-8.

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9Larrimore, L., Dodgen, M., Monroe, L., Caracterização dos efeitos de amônia em cinzas e avaliação dos métodos de remoção, Processo: 13th Simpósio Internacional sobre a utilização e gestão dos produtos da combustão de carvão, 1999, PP. 16-1 – 16-15.

10Controle das emissões de óxido de nitrogênio: Redução catalítica selectiva (SCR), Tecnologia de carvão limpo, Número de tópicos do relatório 9. E.U.. Departamento de energia e serviços da empresa Sul, Inc. Julho, 1997.

11O ' Connor, M., Larrimore, L, Dodgen, M., Monroe, L., Os efeitos de redução de NOx à base de amônia na cinza de mosca: Absorção de amônia na Ash, Processo, EPRI-DOE-EPA Simpósio de controle de poluição de ar utilitário de combinado: O Simpósio MEGA, Agosto, 1999, papel # 16.

12Gasiorowski, S.A., e Hrach, FJ, Método para remover amônia de cinzas de mosca contaminada por amônia, Número de patentes dos Estados Unidos 6,077,494, Junho de 20, 2000.

13Thurston, Trailer., Russo, R.c., Emerson, K., Equilíbrio aquoso de Amônia – Tabulação de Amônia Por cento não ionizada, Proteção ambiental dos Estados Unidos, EPA-600/3-79-091, Agosto, 1979.

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