Bench- and pilot-scale investigation of integrated removal of sulphur dioxide, nitrogen oxides and mercury in a wet limestone scrubber

• Autorzy: Krzyżyńska R. , Zhao Y. , Hutson N. D.

Warianty tytułu

PL

Badania laboratoryjne i pilotowe nad zintegrowanym oczyszczaniem spalin z dwutlenku siarki, tlenków azotu i rtęci w układach mokrego odsiarczania spalin

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The reduction of sulphur dioxide (SO2), nitrogen oxides (NOx) and mercury (Hg) emissions is an important concern to environmental pollution. During recent years, the relevance of these pollutants to societal environmental issues and human health concerns has become increasingly apparent. Additionally, regulations such as the European Union directive on Large Combustion Plants (LCP, 2001/80/EC), the directive on Industrial Emissions (IED) and the United States Clean Air Transport Rule (CATR) require further emission reduction of these pollutants [5, 7, 19]. SO2, NOx and Hg are primarily released during coal combustion processes in the energy sector. Coal is main fuel of the Polish power sector - more than 90% of Polish power stations are coal-fired [13]. In the absence of national policies and binding international agreements concerning the limitation or reduction of greenhouse gas emissions, world coal consumption is projected to increase approximately 56% from 2007 to 2035 [11]. Increasing demand for energy to fuel electricity generation and industrial production in the region is expected to be met in large part by coal. Coal-fired generation increases by an annual average of 2.3%, making coal the second fastest-growing source for electricity generation in the IEA projection [11]. The environmental and health issues motivate the development of "clean coal technologies" with capture and sequestration of CO2, and also the development of flue gas cleaning technologies from coal-fired boilers. EU Directive LCP, became effective in 2016 and required to limit NOx and SO2 to 200 mg/Nm3 concentrations from large coal-fired boilers. This demands require a further investment in secondary methods of NOx cleaning, [7, 15] because commercially available primary methods of NOx reduction are not able to obtain these emission limits. United States Environmental Protection Agency has recently proposed the Clean Air Transport Rule (CATR) (to replace EPA's 2005 Clean Interstate Rule). CATR requires reduction of NOx and SO2 emissions - 71% for SO2 and 52% for NOx - from 2005 levels [5]. Because of these large emission reduction requirements, a significant increase in the use of wet-FGD technology is expected over the next decade. EPA has also indicated an intention to regulate emission of Hg and other hazardous air pollutants (HAPs) from coal-fired electric utility boilers [21]. Most Polish coal-fired utility boilers use the primary methods of NOx control, as low-NOx burners or the modification of combustion processes, but they are not able to reduce NOx emission to that required by the LCP directive level. Commercially available secondary methods of NOx control are selective catalytic reduction (SCR) using ammonia and selective non-catalytic reduction (SNCR) using urea. Additional methods of secondary NOx control are sorption methods and electro-beam technologies [4, 6, 20, 22]. Another option is multipollutant control, in which a minimum of two pollutants can be captured by one device. Different types of multipollutant control techniques have been intensively developed over the last several years [1, 4, 8÷10, 12, 14]. The concept of multipollutant control in a wet scrubber seems to be one of the most interesting and is the subject of intensive reseach [1, 8, 10, 12]. Wet scrubbers are the most popular flue gas desulphurization system worldwide, for example, in the US 86% of all installed flue gas desulphurization systems are wet scrubbed, and almost 70% of those wet scrubbers use the limestone process [17]. This paper presents results on the simultaneous removal of SO2 with NOx and Hg in a wet limestone scrubber. Experiments were performed at bench and pilot-scale on simulated coal-fired flue gas. Sodium chlorite, as the most effective among tested oxidant additives, was used in most experiments to enhance the effectiveenss of the wet limestone scrubber. The research is focused on achieving maximum NOx, Hg and SO2 removal efficiencies from flue gas, which may aid in the full fillment of regulatory requirements. Parameters that can affect the removal process and which might be present in real conditions are also examined.

PL

Redukcja emisji dwutlenku siarki (SO2), tlenków azotu (NOx), a także rtęci (Hg) jest istotnym problemem ochrony środowiska. Związane jest to z coraz większą świadomością społeczeństwa o zagrożeniach, jakie niesie ze sobą zanieczyszczenie powietrza, troską o zdrowie oraz z dyrektywami unijnymi jak LCP-2001/80/EC, IED w Europie czy CATR w USA, które wymuszają dodatkowe ograniczenia tychże substancji [5, 6, 19]. Powyższe aspekty motywują do rozwoju tzw. "czystych technologii węglowych", a także technologii ograniczania emisji zanieczyszczeń z kotłów opalanych węglem. Dyrektywa LCP (Large Combustion Plants Directive) nakłada obowiązek oczyszczenia spalin z dużych obiektów energetycznych do poziomu 200 mg NOx/Nm3 i 200 mg SO2/Nm3 po 2016 r. [7]. Dyrektywa IED (Industrial Emissions Directive) dotycząca emisji przemysłowych, zaostrza jeszcze powyższe limity po roku 2016 (2020 w Polsce) [19]. Dyrektywy te praktycznie nakładają obowiązek modernizacji lub zainstalowania nowoczesnych, wysokosprawnych instalacji odsiarczania i odazotowania na większość polskich elektrowni [15]. Dlatego też, oprócz dalszego rozwoju komercyjnie dostępnych technologii takich jak SCR (Selektywna Redukcja Katalityczna) i SNCR (Nieselektywna Redukcja Katalityczna), opracowywane są również inne techniki oczyszczania spalin z NOx, do których należą m.in. techniki "multipollutant" (zintegrowanego oczyszczania), które są przedmiotem badań autorów niniejszej publikacji. W prezentowanych badaniach podjęto próbę opracowania metody redukcji emisji SO2, NOx i Hg w układach mokrego odsiarczania spalin. W artykule przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych i pilotowych. Celem pracy było uzyskanie wysokich, redukcji emisji zanieczyszczeń oraz zbadanie i ustalenie optymalnych warunków prowadzenia procesu (stężenie jonów ClO2- w zawiesinie sorpcyjnej, wpływ SO2 i NOx w gazach spalinowych oraz pH cieczy sorpcyjnej). Badania przeprowadzono w skali laboratoryjnej i pilotowej na gazach Symulujących składem gazy spalinowe z procesu spalania węgla. Proces usuwania zanieczyszczeń przebiegał w absorberach symulujących mokre absorbery odsiarczania spalin, zasilanych wodną zawiesiną węglanu wapnia. Badania pilotowe przeprowadzono w absorberze trzykolumnowym z wieżą natleniającą Badania laboratoryjne wykazały bardzo wysoką skuteczność usuwania SO2, NOx i Hg ze spalin, przy niskim stężeniu ClO2- w zawiesinie sorpcyjnej (0.005M). Hg i NO zostały całkowicie usunięte ze spalin, natomiast absorpcja NOx (w postaci NO2) wynosiła ok. 50%. Większe stężenia ClO2- w zawiesinie nie wpływały na poprawę efektywności procesu. Wstępne badania pilotowe wykazały niższe, lecz obiecujące skuteczności usuwania zanieczyszczeń (~70% Hg, ~30% NO, ~15% NOx). Wykazano, że obecność SO2 w spalinach jest bardzo istotnym parametrem wpływających na skuteczność usuwania NOx (NO i NO2) i Hg. Z kolei brak SO2 w spalinach powodował drastyczny spadek skuteczności usuwania zanieczyszczeń. Wykazano, że niewielka ilość SO2 w gazach spalinowych jest niezbędna do uzyskania wysokich redukcji stężeń NOx (NO i NO2) i Hg, natomiast zbyt wysokie stężenie SO2 w spalinach powoduje dezaktywację reakcji Hg-NaClO2-NO-NaClO2 i wpływa negatywnie na sam proces oczyszczania. Udowodniono również, że chloryn sodu jest skutecznym związkiem utleniającym NO i Hg0 w absorberze w zakresie pH 4.0÷7.0.

Słowa kluczowe

EN

sulfur dioxide; wet flue gas desulfurization; nitrogen oxides; oxides of mercury

PL

dwutlenek siarki; mokre odsiarczanie spalin; tlenki azotu; tlenki rtęci

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2011
• Tom: Tom 13
• Strony: 22--49
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Krzyżyńska R.

autor

Zhao Y.

autor

Hutson N. D.

• Wroclaw University of Technology, Poland

Bibliografia

• 1. Boyle P. D.: Multi-Pollutant Control Technology for Coal-Fired Power Plants, Proceedings of the Clean Coal and Power Conference Washington, DC, November 21÷22, 2005
• 2. Brogren C., Karlsson H. T., Bjerle I.: Absorption of NO in an Aqueous Solution of NaClO2, Chem. Eng. Technol. vol. 21, 61, 1998.
• 3. Chien T. W., Chu H., Li Y. C.: Absorption Kinetics of Nitrogen Oxides Using Sodium Chlorite Solutions in Twin Spray Columns, Water, Air, Soil Pollut. 166, 2005.
• 4. Chmielewski A.G. et al: Radiation Processing: Environmental Applications, IAEA-RPEA, 2007, ISBN 92-0-100507-5, English.
• 5. Clean Air Transport Rule, Federal Register, Vol. 75, No. 147, Proposed Rules, August 2, 2010.
• 6. Dąbrowski J.: Wpływ warunków spalania wybranych grup odpadów na emisję szkodliwych substancji. Rozprawa doktorska. Promotor prof. dr hab. inż. Tadeusz Piecuch. Koszalin 2010.
• 7. Directive 2001/80/WE (LCP) of the European Parliament and of the Council of 23 October 2001 on the limitation of emission of certain pollutants into air from large combustion plants.
• 8. Ellison W.: Chemical process techniques for simultaneous NOx removal in existing FGD installations, DOE/NETL 2003 Conference on Selective Catalytic Reduction and Non-Catalytic Reduction for NOx Control, October, 2003.
• 9. Gostomczyk M.A., Krzyżyńska R.: Multi-Pollutant Control from Pulverized Coal-fired Boiler OP-430, U.S. EPA -U.S. DOE EPRI-A&WMA - Power Plant Air Pollutant Control "MEGA" Symposium, Baltimore, U.S., 28÷31 August 2006.
• 10. Hutson N.D., Krzyżyńska R., Srivastava S.K.: Simultaneous Removal of SO2, NOX, and Hg from a Simulated Coal Flue Gas using a NaClO2-enhanced Wet Scrubber, Ind. Eng. Chem. Res., 47 (16), 5825, 2008.
• 11. International Energy Outlook 2010, Report no. DOE/EIA-0484(2010), U.S. Energy Information Administration, Office of Integrated Analysis and Forecasting U.S. Department of Energy.
• 12. Jin D.S., Deshwal B.R., Park Y.S., Lee H. K.: Simultaneous Removal of SO2 and NO by Wet Scrubbing Using Aqueous Chlorine Dioxide Solution, Journal of Hazardous Materials, B135, 2006.
• 13. Kavouridisa K., Koukouzas N.: Coal and sustainable energy supply challenges and barriers. Energy Policy, 36, 2008.
• 14. Krzyżyńska R., Hutson, N.D.: Removal of SO2, NOx, Hg+2 and Hg0 from Simulated Flue Gas Using Acidic and Alkali Solution in Multipollutant Wet Scrubber – in process.
• 15. Krzyżyńska R., Industrial Pollution Forecast for the Lower Silesia Region in compliance with the European Union Regulations. (in Polish). Report PRE W9/I-33/P-6, December 2010.
• 16. Sada E., Kumazawa H., Kudo I., Kondo T.: Absorption of NO in Aqueous Mixed Solutions of NaClO2 and NaOH, Chem. Eng. Sci., vol. 33, 1978.
• 17. Srivastava R. K., Jozewicz W.S.: Flue Gas Desulfurization: The State of the Art, Journal of the Air and Waste Management Association, 51, 1676, 2001.
• 18. Taylor M.C., White J.F., Vincent G.P., Cunninghan G.L.: Sodium chlorite, Industrial Engineering Chemistry, vol. 32, no. 7, pp. 899÷903, 1940.
• 19. The EU Industrial Emissions Directive (IED). European Parliament (press release): Stricter rules on industrial emissions (7 July 2010).
• 20. US EPA Technical Bulletin, Nitrogen Oxides (NOx), why and how they are controlled, EPA 456/F-99-006T, November 1999.
• 21. US EPA http://www.epa.gov/camr/
• 22. Wang L. K., Pereira N.C., Hung Y-T.: Air Pollution Control Engineering (Handbook of Environmental Engineering, vol. 1), ISBN-10: 1588291618, 2004.