Dlaczego desiarkowanie amoniakalne nadaje się również do węgla o niskiej zawartości siarki

Przez długi czas w procesie usuwania siarki w elektrowniach panowało proste założenie: węgiel wysokosiarkowy wymaga technologii opartej na amoniaku, podczas gdy węgiel niskosiarkowy można ekonomicznie oczyszczać za pomocą desulfuryzacji opartej na wapniu.

To założenie staje się coraz trudniejsze do uzasadnienia.

W związku z surowszymi wymogami dotyczącymi emisji, rygorystyczniejszym zarządzaniem odpadami stałymi oraz rosnącą uwagą poświęcaną kosztom dwutlenku węgla elektrownie nie ograniczają się już do pytania, czy ich istniejące systemy spełniają obecne limity emisji. Zastanawiają się również, czy te systemy pozostaną ekonomicznie i operacyjnie zrównoważone w nadchodzących latach.

Dokładnie w tym miejscu desulfuryzacja amoniakowa zasługuje na bliższe przyjrzenie się.

Dlaczego desulfuryzacja amoniakowa radzi sobie z różnymi jakościowo rodzajami węgla?

Zdolność adaptacyjna desulfuryzacji amoniakowej wynika głównie ze sposobu przebiegu jej reakcji chemicznej.

Tradycyjna desulfuryzacja wapniowa obejmuje reakcje gazowo-ciało stałe-ciecz. Szybkość rozpuszczania wapienia oraz wydajność przenoszenia masy mogą wpływać na ogólny przebieg reakcji. W miarę wzrostu stężenia dwutlenku siarki system może wymagać wyższych prędkości cyrkulacji zawiesiny oraz bardziej wymagających warunków eksploatacyjnych.

Desulfuryzacja amoniakowa, w porównaniu do niej, jest zasadniczo reakcją gazowo-cieczową. Dwutlenek siarki łatwo się rozpuszcza i szybko reaguje z amoniakiem, co umożliwia efektywne przebieganie procesu absorpcji bez ograniczeń szybkości reakcji charakterystycznych dla systemów opartych na wapieniu.

Dzięki temu technologia oparta na amoniaku nadaje się do szerokiego zakresu jakości węgla.

W zastosowaniach praktycznych zaawansowane systemy desulfuryzacji amoniakowej mogą osiągać skuteczność usuwania siarki powyżej 95% przy węglu o niskim, średnim i wysokim zawartości siarki. Stopnie odzysku amoniaku na poziomie 97% lub wyższym mogą również wspierać opłacalność ekonomiczną systemu.

Dla elektrowni, w których jakość węgla zmienia się w czasie, ta elastyczność może być szczególnie wartościowa. Elektrownia nie musi każdorazowo przeprojektowywać podstawowej strategii usuwania siarki, gdy zawartość siarki w paliwie ulega zmianie.

Użycie węgla o niskiej zawartości siarki nadal wymaga pełnej kalkulacji kosztów

Często podawany argument jest prosty: jeśli węgiel o niskiej zawartości siarki generuje już stosunkowo niskie emisje SO₂, a system oparty na wapniu pozwala spełnić obowiązujące limity, to dlaczego zmieniać proces?

Odpowiedź tkwi w całkowitych kosztach eksploatacji, a nie tylko w stężeniu siarki.

1. Usunięcie gipsu pozostaje kosztem eksploatacyjnym

Desiarkowanie oparte na wapniu generuje gips jako produkt uboczny. Elektrownia spalająca węgiel o niskiej zawartości siarki może produkować mniej gipsu niż elektrownia spalająca węgiel o wysokiej zawartości siarki, ale związane z nim wymagania dotyczące obsługi, magazynowania, transportu oraz utylizacji nie znikają.

W miarę jak wymagania dotyczące gospodarowania odpadami stałymi stają się surowsze, te koszty należy uwzględnić w każdej długoterminowej ocenie systemu odsiarczania spalin.

2. Koszty związane z węglem nie zależą wyłącznie od rodzaju węgla

Innym czynnikiem do rozważenia jest wpływ na emisję dwutlenku węgla związany z usuwaniem siarki przy użyciu związków wapnia.

Zgodnie z opisaną stechiometrią chemiczną tego procesu, pochłonięcie jednej tony SO₂ powoduje wydzielanie około 0,75 tony CO₂. To stosunek wynika bezpośrednio z samej reakcji chemicznej, a nie z tego, czy elektrownia spala węgiel o wysokiej czy niskiej zawartości siarki.

W miarę rozwoju rynków węglowych skutki ekonomiczne tych emisji mogą stawać się coraz bardziej istotne dla operatorów elektrowni.

3. Ekonomika produktów ubocznych może zmienić całą sytuację

Ekonomikę systemu usuwania siarki należy również oceniać pod kątem dalszego losu jego produktów ubocznych.

W przypadku systemów opartych na wapniu gips stanowi zazwyczaj materiał wymagający zarządzania. W przypadku desulfuryzacji amoniakalnej siarkę można natomiast odzyskać w postaci siarczanu amonu.

Nawet gdy elektrownia węglowa spalająca węgiel o niskiej zawartości siarki wytwarza stosunkowo małą ilość siarczanu amonu, ten produkt uboczny może mieć komercyjną wartość. Oznacza to zmianę sposobu oceny ekonomiki eksploatacji systemu.

Jakość węgla staje się mniej przewidywalna

Zakupy paliwa to kolejny powód, dla którego ważna jest elastyczność systemu w zakresie rodzaju węgla.

Wiele elektrowni nie jest w stanie zagwarantować jednolitej i stałej jakości węgla przez cały okres eksploatacji obiektu. Warunki rynkowe, dostępność dostaw oraz koszty paliwa mogą prowadzić do stosowania różnych gatunków węgla lub paliw mieszanych.

System odsiarczania musi zatem radzić sobie ze zmianami stężenia SO₂ na wejściu, nie naruszając stabilności pracy.

Jest to jedna z dziedzin, w których odsiarczanie amoniakalne zapewnia elastyczność eksploatacyjną.

Dzięki szybkiej kinetyce reakcji technologia oparta na amoniaku skutecznie reaguje na zmiany stężenia dwutlenku siarki. Zamiast projektować system w oparciu o jedną stałą jakość węgla, operatorzy mogą korzystać z większej elastyczności przy wyborze i mieszaniu paliw.

W tym sensie konwersja z wapnia na amoniak nie jest jedynie ulepszeniem procesu. Może również zapewnić elektrowni większą elastyczność w zakresie przyszłych zakupów paliwa.

Czy desulfuryzacja amoniakalna rzeczywiście pokonała barierę typu węgla?

Pomysł, że oczyszczanie spalin oparte na amoniaku nadaje się wyłącznie do węgla o wysokiej zawartości siarki, nie odzwierciedla już pełnego zakresu zastosowań tej technologii.

Desulfuryzację amoniakalną zastosowano w różnych warunkach dotyczących węgla i eksploatacji, w tym w elektrowniach używających stosunkowo wysokosiarkowych paliw oraz w obiektach działających głównie na węglu o niższej zawartości siarki.

Dlatego decyzja istniejącej elektrowni o wdrożeniu systemu FGD opartego na amoniaku nie powinna opierać się wyłącznie na zawartości siarki.

Bardziej kompleksowa ocena powinna uwzględniać:

• Stężenie SO₂ oraz jego przewidywane wahania

• Wydajność istniejącego systemu FGD

• Wymagania dotyczące generowania i usuwania gipsu

• Wymagania dotyczące oczyszczania ścieków

• Koszty eksploatacyjne związane z węglem

• Zużycie amoniaku i jego odzysk

• Wykorzystanie produktów ubocznych

• Elastyczność zakupów paliwa w perspektywie długoterminowej

• Zgodność z przepisami środowiskowymi w długim okresie

Konwersja wapnia na amoniak: więcej niż tylko modernizacja procesu usuwania tlenków siarki

Dla elektrowni obecnie wykorzystujących systemy usuwania tlenków siarki oparte na wapniu, konwersję na technologię opartą na amoniaku można rozpatrzyć jako szerszy projekt optymalizacji, a nie jedynie jako zamianę jednego środka pochłaniającego na inny.

Celem nie jest wyłącznie osiągnięcie wymaganej skuteczności usuwania dwutlenku siarki. Celem jest również poprawa ogólnego bilansu pomiędzy wydajnością środowiskową, kosztami eksploatacji, zarządzaniem produktami ubocznymi oraz elastycznością w zakresie przyszłych paliw.

MingSheng Environmental Protection korzysta z dziesięcioleci doświadczenia w inżynierii chemicznej oraz siedmiu pokoleń rozwoju technologii opartych na amoniaku do oczyszczania gazów odlotowych. Technologia ta została zastosowana w różnych warunkach jakości węgla, zapewniając stabilną wydajność odsiarczania oraz odzysk amoniaku.

Kluczowy punkt jest prosty: zawartość siarki w węglu nie powinna być jedynym czynnikiem decydującym o stosowalności odsiarczania amoniakalnego.

Dla obecnych elektrowni ważniejszym pytaniem jest, czy istniejący system FGD nadal będzie zapewniał stabilną wydajność środowiskową przy jednoczesnym kontrolowaniu całkowitych kosztów eksploatacji w zmieniających się warunkach regulacyjnych, emisji CO₂ oraz rynku paliw.

Dlatego przemiana wapnia na amoniak przyciąga uwagę nie tylko elektrowni spalających węgiel o wysokiej zawartości siarki, ale także operatorów wykorzystujących węgiel o średniej i niskiej zawartości siarki.