بررسی افزایش راندمانسولفورزدایی گاز خروجی نیروگاهها

چکیده مقاله
یکی از آلاینده های موجود در گاز حاصل از سوخت فسیلی نیروگاهها دی اکسید سولفور می باشد .به منظور مقابله با اثرات سوءانتشار این گاز روشهای گوناگونی مورد بررسی قرار گرفته اند که از مهمترین آنها سولفور زدایی با استفاده از تزریق هیدروکسید کلسیم در خشک کن افشانه ای می باشد . در این مطالعه تحقیقی آزمایشهایی در مقیاس لابراتواری بر روی فرآورده های کلسیم دار تولید شده در دستگاه پیلوت سولفور زدایی متشکل از مجموعه خشک کن

افشانه ای و فیلترهای پارچه ای و با ظرفیت اسمی ۱۰۰۰ فوت مکعب در دقیقه برای مطالعه خاصیت جذبی آنها انجام شد .فرآورده های مورد آزمایش در اثر واکنش دی اکسید سولفور موجود در گاز حاصل از احتراق تولید شده بودند در اثر آنالیز های آزمایشی و بررسی داده های دستگاه پیلوت ، نتیجه گیری شد که افزایش بازدهی حذف دی اکسید سولفور ناشی از واگردانی فرآورده ها نی تواند در اثر جذب سطحی هیدرروکسید کلسیم بر سطح فرآورده های واکش کرده باشد.

فرضیه دیگر عنوان شده این بود که کربنات کلسیم حاصل از واکنش هیدروکسید کلسیم با دی اکسید کربن در گاز خروجی می تواند اثر سویی بر اثرات بالقوه مفید واگردانی فرآورده ها داشته باشد .

مروری بر فرآیند
در فرآیند سولفور زدایی گازهای خروجی (۱) خشک , ماده جاذب (۲) در شکل پودر یا دوغاب به داخل مسیر جریان گاز خروجی تزریق می شود .در فرم پودری , ماده جاذب قبل از دستگاه فیلترر پارچه ای به داخل جریان گاز خروجی ریخته می شود .در نوع دوغابی , که از این پس از آن به FGD خشک نامبرده خواهد شد, دوغاب حاوی ماده واکنشگر با استفاده از دیسک دوار یا افشانک (۳) اتمیز کننده به ذراتی با قطر ۷۰ تا ۲۰۰ میکرومتر تبدیل شده و به داخل گاز خروجی حاوی

SO2 افشانه می شود .گاز خروجی بطور آدیاباتیکی مرطوب شده و دوغاب تبخیر میشود که در نتیجه فرآورده ای ظاهراً خشک حاصل می شود .برای کاربردهای FGD ماده جاذب غالباً دوغاب حاوی کلسیم یا محلول سدیم می باشد که با گاز خروجی حاوی SO2 در حیم و بعد از خشک شدن تماس داده میشود .(Dullien,1989;EPA,1985;Kelly,1980 ) واکنشهای شیمیایی این فرآیند مشابه واکنش های دستگاه شوینده (۴)تر می باشد .در عین حال وجود دی اکسید کربن در گاز خروجی و زدایش آب موجود در فرآوردهها به طور همزمان در داخل دستگاه فرآیند خشک را پیچیده تر می کند .

بر طبق گفته گتلر (۱۹۷۹,Getler )، واکنشهای خشک کن افشانه ای در چندین مرحله انجام می گیرد که می توان آنها را به صورت زیر توصیف کرد :
۱- نفوذ دی اکسید سولفور و دی اکسیذد کربن از گاز به قطره اتمیزه شده حاوی هیدروکسید کلسیم
۲- انحلال (۵) so2 , co2 در فاز مایع

H2SO3 SO2+ H2O

CO2+H2O H2CO3
3- تجزیه در محیط قلیایی و انحلال جامدات
۴- تشکیل نمکها

نظر به اینکه واکنشهای فوق به محیطی آبدار نیاز دارند مقدار آب موجود دردوغاب و جامدات خشک شده در خشک کن افشانه ای عامل مهمی می باشد .با توجه به واکنشهای فوق می تون مشاهده کرد که هر دوی و با آهک موجود ترکیب می شوند فشار جزئی CO2 در گاز خروجی حدااقل ۱۰۰ برابر فشاار جزئی SO2 می باشد ولی بخاطر هیدراسیون (۶) و اکسیداسیون SO2 در محلول ، سرعت انتقال جرم SO2 از CO2 بیشتر می باشد .ضرایب اانتقال جرم فرآیند خشک اشانه ای شناخته شده نیست ولی ضرایب انتقال جرم جرم فاز مایع (سطح مشترک هوا – آب )برای so2 و co2 ، به ترتیب ۴۲۰و۳۴ سانتی متر در ساعت و ۲۰ سانتی متر در ساعت می باشد (Thibodeaux,1979 ).

سرعت اتلاف رطوبت فرآورده های واکنش بوسیله ودمای نزدیک به اشباع موجود در نقطه خروجی خشک کن افشانه ای کنترل می شود .هرچه دمای عملکرد به دمای اشباع آدیاباتیکی (۷) نزدیکتر باشد مدت تبخیر آب فرآورده طولانی تر بوده و بازدهی حذف so2 بالاتری نتیجه می شود .گزارش شده است که ۶ درجه کاهش در دمای نقطه خروجی خشک کن افشانه ای (۱۷ در جه سانتی گراد فوق دمای اشباع به ۰c11 فوق دمای اشباع )
می تواند بازدهی حذف so2 را ده درصد افزایش دهد (۱۹۸۱,Hurst ).

در عین حال عملکرد در فوق دمای اشباع کمتر از ۰۱۱۰c بخاطر افزایش رطوبت باقی مانده در فرآورده های واکنش ، باعث ایجاد مشکلات بهره برداری و نگهداری در خشک کن افشانه ای و دستگاه فیلتر پارچه ای می شود .پارامتر دیگری که در عملکرد موثر است زمان ماند است در عمل بعلت زمان ماند کوتاه قطره دوغاب و فرآورده خشک شده در خشک کن افشانه ای ، بهره دهی آهک موجود کمتر از ۱۰۰ درصد می باشد .

واگردانی فرآوردهای فرآیند FGD برای افزایش بازدهی حذف so2 مفید شناخته شده است . بر طبق گفته گود (Gude,1979 ) چندین ویژگی فرآورده ها در افزایش راندمان سولفور زدایی سهیم می باشند : مواد واگردانی شده حاوی مقداری آهک واکنش نکرده می باشد ، خاکستر پران (۸) دارای خاصیت قلیایی بوده ، و فرآورده سطحی فراهم می کند که بر روی آن ذرات آهک می توانند تجمع پیدا کنند .

گتلر وجود کلسیم واکنش نکرده در مغز ذرات فرآورده واکنش دی اکسید سولفور با هیدروکسید کلسیم را نشان داده است .نتایج وی پیشنهاد می کند که آسیاب کردن گلوله ای (۹) جامدات باعث در معرض قرار گرفتن آهک واکنش نکرده می شود ولی آزمایشهای محدود امجام شده بوسیله استرن (۱۹۷۸,Stern ) اثر ناچیزی در استفاده از این پیشنهاد را نشان داده اند .بررسی های مشابه انجام شده در دستگاه پیلوت FGD دانشگاه تنسی منفعت آسیاب کردن گلوله ای را تأیید می کند ولی ظاهر شدن واکنش آهک واکنش نکرده را علت آن نمی داند زیرا سنجش های انجام شده نشان داده که مقادیر ناچیزی از هیدروکسید کلسیم واکنش نکرده در فرآوئرده ها موجود می باشد.عاملی که در این عدم سازگاری ظاهری بین اطلاعات ارائه شده وجود دارد اندازه ذرات می باشد .ذرات بزرگتر ممکن است مقداری هیدروکسید کلسیم در مغز خود داشته باشند که بعلت نفوذ محدود so2 واکنش نکرده باقی می ماند .

هدف از این مطالعه بررسی تجمع هیدروکسید کلسیم برفرآورده های واگردانی شده در موقع بهم زدن و قبل از اتمیزه شدن بود .در آزمایشهای انجام شده شرایط قسمت دوغاب سازی ثابت نگاه داشته شد و شرایط متفاوت در قسمت خشک کن افشانه ای و مقدار دوغاب تزریقی فراهم آورده شد .فرضیه این بود که فرآورده های اضافه شده به محلول آهک تازه این امکان را به وجود می آورد که در اثر جذب سطحی در معرض واکنش قرار گیرد و در نتیجه نیاز نفوذ کامل so2 به داخل قطره هیدروکسید کلسیم برای بهره د هی کامل آهک مرتفع می گردد.
جداسای اجزاء گازی یا مایع است جریان گاز خروجی در اثر جذب سطحی معلول نیروهای الکتریکی ، جذب واند والس (۱۰) ، واکنش شیمیایی ، و یا تراکم می باشد (Levenspiel,1967 )برای نوع اول ، وجود محیط باردار بر سطح ماده جاذب ، ماده جذب شونده را به طرف خود می کشد .در جذب فیزیکی ، نیروهای بین ملکولی مسبب متمرکز کردن یک ماده بر سطح ماده دیگر می باشد .در جذب شیمیایی بین ملکولهای جااذب و جذب شونده واکنش شیمیایی انجام میشود و سرعت آن با ازدیاد دما افزایش پیدا می کند در عمل مجموعه ای از این نیروها حاکم بوده و جذب سطحی مشاهده شده معلول برآیند آنها می باشد (Weber,1972 ).
مواد و روشها
دستگاه پیلوت :
دستگاه سولفور زدایی دانشگاه تنسی ، با ظرفیت اسمی ۱۰۰۰ فوت مکعب واقعی در دقیقه (ACFM ) و مجموعه سیستم حذف so2 مجهز به خشک کن افشانه ای و فیلتر پارچه ای می باشد .در این سیستم دوغاب حاوی هیدروکسید کلسیم در خشک کن افشانه ای با قطر ۷ فوت و مجهز به اتمیز کننده دیسکی دوار قادر به گردش با سرعت ۱۱۰۰۰ تا ۱۹۰۰۰ دور در دقیقه اتمیز می شود (به شکل ۱ رجوع شود). گاز خروجی از یکی از سه دیگ بخار بوسیله پنکه مکنده واقع در پایاب دستگاه پیلوت گرفته می شود .غلظت so2 در سراب خشک کن افشانه ای بوسیله تزریق so2 گازی از سیلندرهای so2 مایع کنترل می شود .کنترل دمای سراب خشک کن افشانه ای بوسیله دریچه هوا انجام می شود .

شکل ۱-
گاز خروجی گرفته شده از دیگ بخار به صورت دایره های هم مرکز در اطراف اتمیز کننده به خشک کن افشانه ای وارد می شد. مجموعه ای از پره در اطراف اتمیز کننده به گاز خروجی حرکتی زاویه ای به طرف پایین می دهد .این عمل شرایط بهینه ای برای بهم خوردن ، واکنش و خشک شدن دوغاب ca(oH)2 با گاز خروجی ایجاد می گردد .گاز خروجی حاوی فرآورده های زائد سپس به مخزن انبار فیلتر خانه وارد میشد .فرآوده زائد و خاکستر پران در پایین خشک کن افشانه ای و بر فیلتر پارچه ای جمع می شدند .برای برداشت جامدات شیر چرخشی (۱۱) تعبیه شده در قسمت تحتانی قیفی شکل (۱۲) خشک کن افشانه ای و فیلتر خانه استفاده می شد .

تهیه دوغاب هیدروکسید کلسیم بوسیله آب دیده کردن آهک زنده (۱۳) با نسبت جرمی ۱: ۵/۳ آب به آهک که پس از آن برای غظت مورد نظر رقیق می شد انجام می گرفت .برای اندازه گیری قلیایئت هیدروکسیدی موجود از تتراسیون با اسید کریدریک با نرمایته ۳ استفاده می¬شد و بدینوسیله غظت آهک تعیین می شد .

برای انجام آزمایشهای واگردانی جرم از پیش تعیین شده ای از آهک به دوغاب به طریقی که نسبت جرمی ۱: ۴ فرآورده به آهک (بر حسب اکسید کلسیم ) تولید شود ، اضافه می شد .مدت بهم زدن قبل از تزریق به اتمیز کننده بیشتر از ۳۰ دقیقه بود .غلظتهای so2 در ورودی و خروجی خشک کن افشانه ای (به نقطه های s1 و s2 در شکل ۱ رجوع شود )بوسیله آنالیزر No/so2 آنالیزر مدل Lear Siegler SM800 اندازه گیری شد .پارامترهای یک آزمایش نمونه به قرار زیر بود :
۱- دامنه دمای ورودی (۵۰ ۱۴۹)
۲- غلظت so2 ورودی (۱۲۰۰-۱۰۰۰جزءدر میلیون،ppm )
3- دبی حجمی گاز خروجی (۱۰۰۰فوت مکعبواقعی در دقیقه ،ACFM ).
4- دمای تهیه دوغاب آهک (۹۹۰-۹۳)
۵- غلظت نهایی دوغاب رقیق شده (گالن آب/ Cao 1b8/0-3/0)
6- دمای خروجی خشک کن افشانه ای (۱۰۰ بالای دمای اشباع )
۷- سرعت دیسک اتمیز کننده (۱۷۰۰۰دور در دقیقه)معادل نیانگین قطره قطره ۸۵-۷۵ میکرومتر در شرایط آزمایش .
واکنش اختلاط کامل

در آزمایشهای انجام شده در آزمایشگاه ، محلول اشباع شده عاری از ذرات هیدروکسید کلسیم با نمونه های فرآورده های خشك كن افشانه اي توليد شده در نسبت استوكيومتري مختلف تماس داده شده تا بتوان منحني هاي همگرماي (۱۴) جذب سطحي هيدروكسيد كلسيم بر سطح فرآورده هاي واكنش كرده را به دست آورد . براي ايجاد حالت اختلاط كامل ، محلولها در ظروف سر بسته اي قرار داده شده و به مدت دو ساعت ۲۵۰-۲۰۰ دور در دقيقه تكان داده شد. مدت زمان مذكور با روش ازمايش و خطا براي رسيدن حالت تعادل (۱۵) كافي شناخته شد كفاب سپس از فيلتر غشايي با منافذ ۴۵/۰ عبور داده و غلظتها به طريق

تيتراسيون اندازه گيري شد در طول مدت ازمايش ظروف حاوي سلولها سر بسته نگاه داشته شده اند . براي تعيين كل ظرفيت نمونه هاي ۱۵ گرمي فراورده هاي توليد شده در پنج نسبت استوكيومتري مختلف با ۹محلول ۳۰۰ ميلي ليتري هيدرو كسيد كلسيم به آنها اضافه و سر ظرروف براي جلوگيري از ورود هوا بسته شد پس از ۳ تا ۴ ساعت تكان دادن و از فيلتر غشايي ۴۵/۰ عبور دادن غلظت قسمتي از محلول اندازه گير و بقيه دور ريخته شد سپس محلول اشباع شده

جديدي اضافه و سر ظروف بسته و مجدداً محلولها براي ۳ تا ۴ ساعت تكان داده شدند اين مراحل ۹ با تكرار شد براي بار نهم جذب سطحي قابل اندازه گيريي از هيدروكسيد كلسيم انجام نگرفت كه حاكي از زوال كامل ظرفيت جذب سطحي فراورده ها بود تفاوت بين غلظت اوليه نهايي هر مجموعه تعيين و كل ظرفيت

جذب سطحي به دست آمد براي جلوگيري از تفسير خطا از تيتراسيون دو نقطه پاياني (۱۶) استفاده گرديد . اندازه گيري كربنات فراورده هاي خشك كن افشانه اي توليد شده در نسبتهاي استوكيومتري مختلف براي تعيين محتواي كربنات كلسيم نيز آناليز شد در اين آناليز سيستم مدار بسته اي كه متشكل از ظرف واكنش ظرف جذب ظروف محبوس كننده و يك پمپ بود استفاده به عمل آمد وزن معلومي (۱۵/۰-۳/۰گرم) از فراورده ها در آغاز با ۳ ميلي ليتر پروكسيد ئيدورژن

۳ درصد براي اكسايش سولفيتهاي موجود به سولفات تماس داده شد نمونه اكسيد اكسايش سولفيتهاي موجود به سولفات تماس داده شد نمونه اكسيد شده سپس به داخل ظرف واكنش ولرم حاوي اسيد سولفوريك با نرماليته ۶ ريخته شد براي جلوگيري از خروج دري اكسيد كربن توليد شده سر ظرف به سرعت بسته شد دي اكسيد كربن توليد شده سپس از داخل مبرد (۱۷) به ظرف محبوس كننده هدايت شده و پس از عبور از نفوذ دهنده هوا (۱۸) به ظرف جذب حاوي

حجم معيني از محلول اكسيد باريم واكنش كند قسمت واكنش نكرده به داخل سيستم دوباره گردش داده شد تا زمان كافي براي واكنش همه دي اكسيد كربن با هيدروكسيد باريم فراهم آيد ظرف جذب سپس از سيستم جدا شد و محلول آن به صورت تيتراسيون براي تعيين غلظت هيدروكسيد باريم آناليز شد تفاوت بين محتواي كربنات اوليده نهايي مقدار كربنات موجود در فرآورده ها را نشان مي دهد براي هر نمونه دو آناليز انجام شد و ميانگين نتايج گزارش شد . اندازه گيريها ي ديگري نيز بر روي فراورده هاي خشك كن افشانه اي انجام شد كه شامل محتواي رطوبت و مساحت سطح مي شد محتواي رطوبت با اندازه گيري تفاوت بين

وزن فراورده قبل و بعد از خشك كردن و در دماي ۱۰۳ تعيين گرديد براي اندازه گيري مساحت سطح از دستگاه سطح سنج ميركومتريك ۳۳۰۰ استفاده به عمل آمد . بحث و نتيجه گيري براي مشاهده رفتار فراورده هاي FGD در شرايط اختلاط كامل يكسري راكتور براي تماس دادن محلول هيدروكسيد كلسيم و فراورده ها داير شد ويژگيهاي فراورده هاي خشك كن افشانه اي و ظرفيت جذب سطحي در حالت كامل در جدول ۱ آورده شده است نموداري از هيدروكسيد كلسيم در شكل۲نشان داده شده است .