氨氮脱除 STET 更新 2015

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从飞灰中去除氨气

J. 特纳, S. 美元进行收买, 和 f. 赫拉赫

分离技术, Llc 101 汉普顿大道, 李约瑟, 马萨诸塞州, 美国

摘要

可用在混凝土中用作烟灰的飞灰供应可能受到空气质量法规对公用设施运营的影响的严重影响. 特别, NOx 的法定减少, 颗粒, 等3 含有气溶胶排放水平，需要安装控制系统，这些控制系统可能使用氨作为试剂. 取决于装置沉淀器中烟气中的氨含量, 收集的飞灰可能受到氨的严重污染， 主要是硫酸铵盐.

ST 设备 & 技术有限责任公司 (STET) 已经开发出一种从煤灰中去除氨的过程. 进程恢复 100% 处理的飞灰和产生的灰符合混凝土使用的所有规格. 意的氨去除工艺可以单独使用，也可以与公司的碳分离技术结合使用. 碳分离过程不受煤灰上氨的存在影响. 这种模块化方法为处理无法使用飞灰提供了成本最低的解决方案.

ST氨脱氨系统在美国两个地点和欧洲一个地点运行. 未经处理的煤灰的氨含量在 200 和 3000 毫克 Nh3 / 公斤灰 (按质量按百万分之一, 或 ppm). ST 工艺已成功将灰氨水平降低到以下 50 毫克 Nh3 / 公斤灰. 超过 500,000 数以吨计的飞灰已出售给ST氨去除工艺中现成的混合混凝土生产商.

氨污染飞灰

可用在混凝土中用作烟灰的飞灰供应可能受到空气质量法规对公用设施运营的影响的严重影响.1 特别, NOx 的法定减少 , 颗粒, 等3 含有气溶胶排放水平，需要安装控制系统，这些控制系统可能使用氨作为试剂. 取决于静电沉淀器中烟气中的氨含量, 收集的飞灰可能受到氨的严重污染， 主要是硫酸铵盐 1,2. 用于氮氧化物控制, 烟气氨水平将由氨"滑"量设定。, 即. SCR 或 SNCR 单元后存在的未反应氨. 减少颗粒或 SO3 气溶胶排放, 氨在沉淀器之前被注入烟气中，并沉积在粉煤灰上. 发生这种情况的程度取决于 SO3 内容, 飞灰硫含量, 飞灰的碱性, 氨浓度, 和灰烬加载在烟气.

The use of 飞灰 in concrete requires that the fly ash have specific physical and chemical properties3. 灰烬的碱性特性通过产生高碱性无水泥水化石灰在混凝土中激活. 当煤灰含有氨, 这种氨通过混凝土高碱性溶液的释放为气体. 碱性根据以下方程将分子氨溶液中铵离子的平衡变化:

Nh4+(Aq) + 哦–(Aq) ↔ Nh3(Aq) + H2O

溶解分子氨作为自由氨气容易从溶液中释放.

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氨是一种具有浓有气味的化合物，承载着谷仓的内涵, 粪便和尿液. 氨的强烈气味是混凝土生产商所不能接受的, 承包商与混凝土工作, 和最终的具体用户.4

使用氨污染的煤灰时，混凝土的成品性能不会受到不利影响, 但气味是不可接受的, 特别是当混凝土用于地下或封闭空间时.5,6,7 取决于位置的具体细节, 包括新鲜空气流通量, 使用含有飞灰的飞灰时，发现氨气味不令人反感 100 自 200 毫克 Nh3 / 公斤 (按质量按百万分之一, 或 ppm). 为了保证不会遇到任何问题, 飞灰的氨含量不应大于 100 Ppm2,8.

然而, 在发电厂添加氨会导致煤灰氨含量 200 自 2500 Ppm, 使飞灰在混凝土中不可接受使用.8 因此, 通过控制发电厂的空气排放减少空气质量问题，增加固体废物处理问题，增加 CO2 通过增加混凝土生产中使用的水泥数量来减少温室气体排放. 从飞灰中去除氨，以便其可用于混凝土，避免固体废物处理，有利于公用事业, 混凝土生产者, 用户, 通过降低材料成本、提高产品质量，最终拥有, 通过减少水泥生产产生的温室气体的排放来保护环境.

在煤灰中发现的氨和铵盐的含量与烟气中存在的氨量有关. 对于典型的粉碎煤单位使用东部比特煤，加热值高 12,000 BTU/磅 (6667 千卡/千克), 烟气与煤的质量比大约是 8 自 9.5. 当煤的灰分含量 10%, 和 80% 煤中的灰烬被回收为煤灰 (20% 到底部灰烬), 烟气 / 灰比约为 100. 如果烟气中存在的所有氨种都沉积或吸附在飞灰上, 灰烬中氨的浓度大约是 50 质量上比烟气大两倍, 例如. 氨 “滑” 的 2 ppm 按体积会导致含有灰烬 100 镁 / 公斤 (ppm 由 wt 。) 氨. 实际测量显示此关系正确.9 根据煤灰含量、煤灰与底灰比以及其他因素，各作业单位对煤灰的浓度会有所不同.

向静电沉淀器注射氨 (Esp) 提高效率和降低羽流不透明度会导致飞灰中的氨含量非常高. 级别高达 2500 已为此类系统在灰烬中发现 ppm 氨. SNCR 操作通常以氨滑浓度为 5 自 20 Ppm, 灰烬污染到一个水平 200 自 1000 ppm 氨. SCR 系统通常设计为在最高氨滑水平下运行。 2 或 5 Ppm, 取决于安装细节.10 一般, 更大的 Nh3/不Ⅹ 比, 更大的否Ⅹ 将获得的减少, 与更高的氨滑导致. 然而, 氨滑大于 2 ppm 可能导致灰氨含量大于 100 Ppm, 产生无法销售的灰烬.11 日本和德国的许多发电厂运营 SCR 装置，设计用于 2 ppm 最大滑点对飞灰的可销售性影响不大.1,5 然而, 一些SCR在世界各地已经设计为 5 ppm 氨滑. 这些装置在此高滑动水平下的操作，很可能导致 100 飞灰上的氨 ppm.

将氨滑到低水平也减少了由于硫酸铵沉积而导致下游设备的堵塞和腐蚀.1,10 在燃烧高硫时，避免因这种现象而堵塞空气预热器对机组操作人员来说将更为重要, 美国煤炭. 因此, 氨滑的管理，以尽量减少单位停机时间将是一个更大的关注比控制氨水平的飞灰. 结果

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可能是没有大问题的发展，在一些公用设施使用灰烬, 取决于排放控制系统的具体设计和操作.

STET 过程

STET 开发了一种从煤灰中去除氨的工艺.12 进程恢复 100% 处理的飞灰和产生的灰符合混凝土使用的所有规格. STET 的氨去除工艺可以单独使用，也可以与公司的碳分离技术结合使用. 碳分离过程不受氨的存在影响. 这种模块化方法为处理无法使用飞灰提供了成本最低的解决方案.

从煤灰中去除氨气, STET 工艺利用与导致氨在混凝土中释放相同的基本化学反应. 从煤灰中释放氨需要铵离子

–分子氨平衡通过碱的存在而转向氨. 天然高碱性飞灰，无需额外碱. 用于少碱性灰烬, 任何强大的碱将服务. 最便宜的碱源是石灰 (曹). 化学平衡强烈青睐铵盐与石灰解放氨的反应. 化合物溶解后，化学反应迅速发生.

整体反应可以概括为:

(Nh4)2所以4(s) + 曹(s) → 2nh3(G) + 卡索4(s) + H2O(G)

然而, 固体的蒸汽压力相当低，反应不能在气体或固体相中发生. 硫酸铵高度溶于水，与铵离子和硫酸盐离子分离.

(Nh4)2所以4(Aq) → 2nh4+(Aq) + 所以42-(Aq)

石灰暴露于水中时非常不稳定, 倾向于高度放热的反应，俗称 “斯拉金”, 生产氢氧化钙或水合石灰.

曹s +H2O →卡(哦)2(s)

水合石灰只在水中少溶, 产生钙和氢氧化物离子.

约(哦)2(s) ↔ 约2+(Aq) + 2 哦–(Aq)

硫酸钙也很少可溶性, 因此，通过溶解水合石灰提供钙离子, 它们主要消耗硫酸钙的沉淀.

约2+(Aq) + 所以42-(Aq) →卡索4(s)

最后, 铵离子与水中溶解的氨之间存在平衡.

Nh4+(Aq) + 哦–(Aq) ↔ Nh3(Aq) + H2O

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铵离子转化为分子氨的程度取决于水系统的pH值, 高pH值有利于分子氨的形成. 这种平衡是众所周知的.13

STET 工艺的一个关键特点是使用最小数量的水 (1 自 4%, 通常 2%) 碱量最小 (< 2%). 大量的水对工艺有害, 减缓氨释放速度. 产生的灰烬的 pH 值 / 石灰 / 水混合物应大于 pH 10.0. 添加了非常少量的碱，以确保此 pH, 取决于灰烬的天然 pH. 通常, 少于 1% 约(哦)2 是必需的, 即使与天然酸性 pH 的飞灰. 使用钙基碱，导致飞灰化学的最小变化. 该过程在环境温度下执行.

由于碱的成本和干燥成本是主要的运营费用，而混合和干燥设备尺寸是资本成本的主要组成部分, 仔细测量特定灰烬的试剂要求对于优化工艺的经济性是必要的.

图中显示了STET过程连续操作的流程图 1. 灰, 以受控比例计量水和碱的搅拌机. 确保添加的水和碱的快速混合和均匀分散, 使用高强度混频器. 这种类型的混频器的居住时间非常低, 在一秒的顺序. 氨立即释放，但完整的进化需要混合时间 3 自 4 分钟允许从大部分灰烬中大规模运输气体，以便从大部分灰烬中大规模运输气体.

获得这种混合时间，并确保从大部分灰烬中良好的氨运输, 低强度器件（如帕格磨机）用作辅助混频器. 由于灰烬的水分含量非常低, 材料作为高度激动的干粉流经此搅拌机. 在高速和低速混合器中收集的氨气要么回收到发电机组烟道上，要么在两个混合器中转化为氮气- 级催化装置.

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图 1: STET 氨去除工艺流程图

通过闪风干燥器输送材料来去除多余的水，将脱脂灰烬干燥。. 由于添加的最小量的, 与灰烬中可溶硫酸盐反应时，在水合硫酸钙形成时消耗的水, 低强度混合阶段与水损失, 只有少量的水需要由干燥器去除. 这最大限度地减少了干燥阶段的能源需求. 最终灰度约为 150oF 足以产生完全自由流动, 含水分量远低于 ASTM C 的产品飞灰 618 规范 3 wt. %.3

STET氨去除工艺首次全面应用 2003 在杰克逊维尔电力管理局圣 ST 的灰烬处理设施. 杰克逊维尔的约翰斯河电力公园, 佛罗里达州. 此商业规模操作可处理多达 40 每小时被污染的灰烬吨数, 将氨含量降低至以下 30 Ppm. 进料灰中的氨含量从 +200 到 900 Ppm. 这个过程非常稳健, 导致 90+% 所有试验设置下的氨去除, 产生灰烬远远低于我们的最高目标 50 ppm 氨. 最终的水分含量是 <0.3%. 代表性结果列在表中 2. 超过 250,000 数以吨氨污染的灰烬在杰克逊维尔工厂成功处理.

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表 2: 典型的商业规模氨系统结果

坦帕大弯站的飞灰, 佛罗里达州被氨污染，由于氨注入发电厂的ESP系统，以控制S SO的排放3 SCR NOx 控制系统产生的气溶胶. 在其他发电厂, SNCR NOx 控制和氨的使用也发生氨污染，以增强 ESP 系统中的颗粒收集. 在大弯处, 氨注入范围的单位的煤灰氨液水平 750 自 3360 ppm 氨. 因此, 用于混凝土生产的飞灰必须通过 ST 氨去除工艺进行处理.

安装在大弯的STET氨去除工艺的设计 (图 2) 是第二个全面安装，包括许多改进. 材料处理设备得到改进，允许以更高的费率运行. 干燥系统从以前的设计中缩小，包括热气体的回收，以降低系统的整体能源需求. 最后, 过程中释放的氨被送入两级催化装置，其中收集的氨气转化为氮气. 这种反应产生的热量被回收，并用于补充飞灰闪光干燥系统的能量需求. 使用两阶段催化系统可将氮氧化物排放量降至最低. 进程恢复 100% 处理的飞灰和产生的灰符合混凝土使用的所有规格.

这种商业规模操作可以处理高达 52 每小时被污染的灰烬吨数, 将氨含量降低至以下 75 毫克/千克. 这个过程非常稳健, 导致 97+% 氨去除, 产生灰烬远远低于我们的最高目标 100 毫克/千克氨. 最终的水分含量是 <0.5%.

自英国 Rwe npower Aberthaw 站灰处理设施以来， STET 氨去除工艺一直在运行 2008. Aberthaw 添加氨，通过典型灰层氨水平提高 ESP 收集效率 200 ppm 和该过程设计用于 500 ppm 最大值.

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图 2: 大弯站氨去除系统, 坦帕佛罗里达

产品灰烬

低氨煤灰产品满足 ASTM C 的所有化学和物理要求 618 标准和产生的混凝土性能与不受氨去除工艺的灰烬相同. 表一比较了一个发电站灰烬的典型特性，以及减少氨含量的植物灰的特性。 250 镁 / 公斤到 20 镁 / 通过连续的ST工艺 kg. 请注意，从该来源观察到的灰烬中观察到的氧化钙含量范围是 1.4 自 12%. 增加最多 1% 约(哦)2 (0.75% 作为考) 只会在灰烬化学中产生微小的变化, 扩大变化微不足道.

对脱脂灰烬进行的混凝土测试表明， 它是一种极好的波佐兰材料. 使用这种灰烬的压缩强度发展与来自此来源的未混合灰一样好或更好. 长期混凝土耐久性也非常出色, 包括改进的耐腐蚀性, 硫酸盐耐药性, 氯化物渗透性, 和石灰收缩.

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表一: 飞灰物理和化学性质.

总结

高质量的飞灰在未来因氮氧化物或颗粒物排放系统而受到损害的程度将取决于公用事业公司为减少氮氧化物而做出的技术选择。, 颗粒物排放和羽流不透明度. 然而, STET 的氨去除工艺可用于去除受污染灰中的氨, 生产用于混凝土生产的高价值材料. 回收的氨可以回收到发电机组进行再利用. 这种氨去除工艺可以作为独立系统安装，也可以与STET成功的飞灰碳去除系统一起使用.

1斯图尔特, B.R., 环保局近期臭氧运输规则的意外影响, 程序, 1999 氮氧化物控制选择性催化和非催化还原会议, 5 月 1999, 页 9-10.

2斯洛斯, L.L., 哈马尔松, A-K, 苏德, H.N., 坎贝尔, L.M., 石头, D.K., 沙雷夫, G.S., 埃梅尔, T., 迈博迪, m。, 莱文古德, C.D., 马尔库森, J. 氮氧化物控制技术概况手册, 诺耶斯数据公司, pp. 94-95, 1992

3“煤飞灰和原或钙化天然波佐兰的标准规范，用作混凝土中的矿物外加剂”, 阿斯特姆 C 618, 美国测试和材料协会, 费城, Pa.

4专业, R. k., 山, R。, 麦克默里, R。, 托马斯, S., 氨注射剂对可销售飞灰的影响研究，包括质量控制程序, 程序, 1999 选择性催化和 非催化 减少氮氧化物控制, 5 月 1999, 页 11-13.

5范德布鲁根, F.W., 加斯特, C.H., 范登伯格, J.W., 柯伊伯, W.H., 维瑟, R., 使用受污染飞灰时遇到的问题. 程序: 埃普里 / Epa 1995 站燃烧氮氧化物控制联合研讨会, 5 月 16-19, 1995. 书 4, 会话 8A, pp. 1-16.

6范登伯格, J.W., 科内利森, H.A.W. ,低氮氧化物技术对飞灰质量的影响, 程序: 13th 煤炭燃烧产品使用与管理国际研讨会, 1999, pp. 29-1 – 29-11.

7科赫, H-J., 普伦泽尔, H。, 混凝土熨平板铸造中气味发展试验 – 使用 Nh3-受污染的飞灰, 混凝土预制厂与技术, 音量 11, 1989 pp. 72-75.

8费舍尔, O..., 布莱克斯托克, T. 使用氨脱衣工艺的飞灰分类, 12th 煤燃烧副产品管理与利用国际研讨会, 1997 pp. 65-1 – 65-8.

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9拉里莫尔, 我。, 道奇, D。, 梦 露, 我。, 氨对灰烬的影响特征及去除方法的评价, 程序: 13th 煤炭燃烧产品使用与管理国际研讨会, 1999, pp. 16-1 – 16-15.

10氮氧化物排放控制: 选择性催化还原 (Scr), 清洁煤技术, 专题报告编号 9. 美国. 能源和南方公司服务部, 公司. 7 月, 1997.

11奥康纳, D。, 拉里莫尔, L, 道奇, D。, 梦 露, 我。, 氨基氮氧化物还原对飞灰的影响: 灰烬上的氨吸附, 程序, 埃普里- 多伊 - 埃帕 综合公用事业空气污染控制研讨会: MEGA 研讨会, 8 月, 1999, 纸 # 16.

12美元进行收买, S.A., 和赫拉奇, F.J., 从氨污染飞灰中去除氨的方法, 美国专利号 6,077,494, 6 月 20, 2000.

13瑟斯顿, R.V., 鲁索, 钢筋混凝土。, 艾默生, K。, 水氨平衡 – 未电离氨百分比的制表, 美国环境保护, EPA-600/3-79-091, 8 月, 1979.

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