Hojas de datos EPA: Desulfuración del gas de chimenea

El proceso de desulfuración de gas de salida o depuración de SO2, típicamente usa un reactivo alcalino de base de calcio o sodio. El reactivo es inyectado al gas de salida en una torre de aspersión o directamente dentro del conducto. El SO2 es absorbido, neutralizado y/o oxidado por el reactivo alcalino y convertido en un compuesto sólido, ya sea calcio o sulfato de sodio. El sólido es removido de la corriente de gas residual usando equipo corriente abajo.

Los depuradores son clasificados como “de un sólo uso” o “regenerables”, en base a como son manejados los sólidos generados por el sistema. Los sistemas de un sólo uso, o desechan como residuo el sorbente agotado ó bien, lo utilizan como subproducto. Los sistemas regenerables reciclan el sorbente al sistema. Hoy en día, los procesos regenerables tienen costos más altos que los procesos de un sólo uso, sin embargo, los procesos regenerables son elegidos si el espacio o las opciones de disposición son limitadas y hay un mercado de venta para los subproductos (yeso) (Cooper, 2002). En 1998, aproximadamente un 3% de los sistemas de DGC instalados en los Estados Unidos eran regenerables. Ambos tipos de sistemas, de un sólo uso y regenerables, pueden ser también clasificados en húmedos, secos o semi-secos. Cada uno de éstos procesos se describe en las siguientes secciones.

En un sistema de torre de limpieza húmeda, el gas de salida es conducido hacia la torre de asperción, donde se inyecta un lodo acuoso del sorbente en el gas de salida. Para proporcionar un buen contacto entre el gas y el sorbente, la ubicación de las boquillas de inyección es diseñada para optimizar el tamaño y la densidad de las gotas de lodo formadas por el sistema. Una parte del agua en el lodo es evaporada y la corriente de gas residual se satura con vapor de agua. El dióxido de azufre se disuelve en la gotas de lodo donde reacciona con las particulas alcalinas. El lodo cae hacia el fondo del absorbedor donde es recolectado. El gas de salida ya tratado, pasa a través de un eliminador de vapor antes de salir del absorbedor, el cual remueve cualquier gota de lodo arrastrada. El efluente del absorbedor es enviado al tanque de reacción donde se completa la reacción SO2-alcáli formando una sal neutra. En un sistema regenerable, el lodo utilizado es reciclado hacia el absorbedor. Los sistemas de un sólo uso, deshidratan el lodo empleado para su disposición o para su uso como subproducto.

El material sorbente típico es la piedra caliza o la cal. La piedra caliza es bastante económica pero las eficiencias de control de los sistemas de piedra caliza están limitadas a aproximadamente un 90%. La cal es más fácil de manejar y tiene eficiencias de control de hasta 95% pero es significativamente más cara (Cooper 2002). Los sorbentes patentados con aditivos que aumentan su reactividad, proveen eficiencias de control más altas del 95%, pero son muy costosas. Las plantas eléctricas almacenan grandes volúmenes de piedra caliza o cal en el sitio y preparan el sorbente para la inyección, pero esto no es generalmente efectivo en costo para aplicaciones industriales más pequeñas.

La relación del volúmen entre el reactivo del lodo y el gas residual se le conoce como la relación de líquido a gas (L/G). La relación L/G determina la cantidad de reactivo disponible para la reacción con el SO2. Los valores altos de L/G resultan en eficiencias de control más altas. También aumentan la oxidación de SO2, lo cual resulta en una disminución de la formación de incrustaciones en el absorbedor. Los costos de O&M son una función directa del uso del reactivo, por lo tanto, aumentando L/G aumenta el costo anual. Las relaciones de L/G son aproximadamente de 1:1 para torres de limpieza húmedas y se expresan en galones de lodo por 1000 ft3 de gas de salida (litros de lodo /1000Nm3 de gas de salida).

La oxidación del lodo en el absorbedor causa la formación de incrustaciones de yeso (sulfato de calcio) en el absorbedor. La oxidación forzada de la piedra caliza (Limestone forced oxidation, LSFO) es un proceso más reciente basado en la depuración húmeda la cual reduce la formación de hojuelas. En la LSFO, se añade aire al tanque de reacción, el cual oxidiza al lodo usado, convirtiendolo en yeso. El yeso es removido del tanque de reacción antes de ser reciclado en el absobedor. El lodo reciclado tiene una menor concentración de yeso y se reduce considerablemente la incrustación en el absorbedor. El yeso puede ser vendido comercialmente, eliminando la necesidad de su desecho en un relleno sanitario (Srivastava, 2001). Además del control de la incrustación, los cristales de yeso formados en la LSFO son más grandes y se sedimentan y deshidratan más eficientemente, reduciendo el tamaño del equipo de manejo del subproducto. (EPA, 2002). Sin embargo, la LSFO requiere ventiladores adicionales lo cual incrementa los costos de capital y anual del sistema.

La limpieza húmeda con caliza tiene altos costos de capital y de operación debido al manejo del líquido reactivo y del residuo. No obstante, es el proceso preferido por las plantas generadoras de electricidad que queman carbón debido al bajo costo de la piedra caliza y las eficiencias de control de SO2 de 90% hasta 98% (Schnelle, 2002).

Los sistemas semi-secos, o secadores de aspersión, inyectan un lodo acuoso del sorbente de modo similar al del sistema húmedo, sin embargo, el lodo tiene una concentración mayor de sorbente. A medida que el gas de salida caliente se mezcla con la solución de lodo, el agua del lodo es evaporada. El agua que permanece en el sorbente sólido aumenta la reacción con el SO2. El proceso forma un residuo seco, el cual es recolectado por un dispositivo de control de materia particulada (MP), tal como una casa de bolsas o un precipitador electrostático (ESP). El residuo puede ser desechado o vendido o reciclado en el lodo.

Varios reactivos de base de calcio y sodio pueden ser utilizados como sorbentes. Las torres de limpieza de aspersión en seco típicamente inyectan cal, ya que es más reactiva que la piedra caliza y menos costosa que los reactivos a base de sodio. El lodo del reactivo es inyectado a través de atomizadores rotatorios o boquillas de doble fluido para crear un rocío de gotas más finas que en los sistemas de limpieza húmeda (Srivastava, 2000).

El rendimiento de una torre de aspersión en seco con cal es más sensible a las condiciones operativas. Se requiere una aproximación cercana a la temperatura adiabática de saturación para maximizar al máximo la remoción de SO2. Sin embargo, el exceso de humedad causa la deposición de sólidos húmedos en el absorbedor y en el equipo corriente abajo. La temperatura óptima es de 10 °C a 15 °C (20 °F a 50°F) por debajo de la temperatura de saturación (Srivastava, 2000). Debido a la limitación de la humedad en el gas, deben utilizarse relaciones L/G más bajas, aproximadamente de 1:3 (Schnelle, 2002). El gas de salida con altas concentraciones de SO2 o con altas temperaturas reducen el desempeño de la torre de limpieza (Schnelle, 2002).

Las eficiencias de control de SO2 en las torres de limpieza de aspersión en seco son ligeramente más bajas que aquellas de los sistemas húmedos, entre 80% y 90% debido a su baja reactividad y relaciones de L/G. La aplicación de un solo absorbedor de aspersión en seco está limitada a unidades de combustión de menos de 200 MW (2,000 MMBtu7hr)(IEA,2001). Las unidades de combustión más grandes requieren múltiples sistemas de absorbedores. El costo de capital y de operación de las torres de limpieza de aspersión en seco es más bajo que el de las torres de limpieza húmedas porque no se requiere el equipo para el manejo de los residuos húmedos. Además, puede utilizarse acero al carbón para construir el absorbedor ya que el gas es menos húmedo. Las aplicaciones típicas incluyes unidades generadoras de electricidad que queman carbón de contenido bajo o medio de azufre, calderas industriales e incineradores de residuos municipales que requieren una eficiencia de control de SO2 del 80% (Schnelle, 2002).

Los sistemas de inyección de sorbente seco, inyectan neumáticamente el sorbente en polvo directamente dentro de la chimenea, el economizador o del ducto corriente abajo. El producto de desecho seco es removido usando equipo de control de particulado tal como una caja de bolsa o un precipitador electrostático (ESP). El gas de salida es generalmente enfriado antes de entrar el dispositivo de control de MP. Agua puede ser inyectada corriente arriba del absorbedor para aumentar la remoción de SO2 (Srivastava, 2001).

La inyección en el horno requiere de temperaturas del gas de combustión entre 950°C y 1000°C (1740°F to 1830°F) para descomponer al sorbente en sólidos porosos con áreas superficiales altas (Srivastava 2001). La inyección dentro del economizador requiere de temperaturas de 500°C a 570°C (930°F a 1060°F) (Srivastava 2001). La inyección en el conducto requiere la dispersión de un rocío fino de sorbente en el gas de salida corriente abajo del pre-calentador de aire. La inyeccióndebe occurrir a temperaturas entre 150°C y 180°C (300°F y 350°F) (Joseph, 1998).

Típicamente, los sistemas de sorbente seco usan reactivos alcalinos en base de calcio o sodio.También hay disponible un gran número de reactivos patentados. Un sistema de inyección típico usa varias lancetas de inyección que sobresalen de las paredes del horno o del conducto. La inyección de agua corriente abajo de la inyección del sorbente incrementa la remoción de SO2 del sorbente.

Para una remoción alta de SO2, son críticas una distribución uniforme del sorbente a través del reactor y un tiempo de residencia adecuado (Srivastava, 2001). El gas de salida debe mantenerse entre 10 °C y 15 °C (20 °F y 50 °F) por debajo del la temperatura de saturación para minimizar los depósitos en el absorbedor y en el equipo corriente abajo.

Las torres de limpieza en seco tienen costos de capital y anuales significativamente más bajos que los sistemas húmedos porque son más simples, demandan menos agua y la disposición de residuos es menos complicada. Los sistemas de inyección en seco se instalan fácilmente y ocupan menos espacio, por lo tanto, son buenos candidatos en aplicaciones de reconversión. Las eficiencias de remoción de SO2 son significativamente más bajas que aquellas de los sistemas húmedos, entre 50% y 60% para sorbentes en base a calcio. La inyeccón de sorbente seco con base de sodio puede alcanzar hasta un 80% de eficiencia de control (Srivastava, 2001). La inyección de sorbente seco es considerada como la tecnología emergente de control de SO2 para aplicaciones industriales pequeñas. Las aplicaciones más recientes de inyección de sorbente seco en calderas pequeñas de carbón han alcanzado eficiencias de control de SO2 de más del 90%.

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