Modelling and Evaluation of a Waste Incineration Flue Gas Treatment Process

Abstract

As environmental awareness is raised, flue gas treatment is gaining more interest and stricter legislation on emissions pushes technological development. Sysav has a waste incineration plant with a flue gas cleaning process which includes removal of acid gases. This is performed by two subsequent scrubbers and following each scrubber a droplet separator is located to prevent transfer of liquid to the next unit. The objective of the report was to study sources to scaling on droplet separators. A literature study reviewed key parameters connected to absorption and scaling, which were compared to Sysav’s operating conditions. It was found that scaling typically consists of calcium sulfite hemihydrate (CaSO3* ½ H2O) and calcium sulfate dihydrate (CaSO4*2H2O). Aspen Plus was used to develop a model to represent Sysav’s process and qualitatively assess key parameter influence on absorption of HCl and SO2, and formation of CaSO3* ½ H2O and CaSO4*2H2O. Operational data from the process was implemented from specific time periods. Sensitivity analyses were carried out in which key parameters such as pH, liquid flow, gas flow, temperature and oxygen content were varied. The model successfully modeled absorption of HCl and SO2 with dependance on key parameters as expected for all key parameters except liquid-to-gas ratio. Calcium sulfite formation was influenced by key parameters according to theory for most parameters but deviating results occurred. Calcium sulfate formation was troubled with unexpected results from the sensitivity analyses. The chemistry for the solid formation in Aspen should be improved in future studies. Actions for scale control in Sysav’s process were proposed such as stabilizing pH, investigating limestone utilization, modifying demister washing procedures and adding particles for seeding.

Popular Abstract (Swedish)

Är det möjligt att minska beläggningar i en rökgasreningsprocess? I detta projekt har orsakerna till det vanliga problemet undersökts. Förslag på åtgärder har tagits fram som skulle kunna göra att rökgasreningen fungerar bättre.
I en värld där konsekvenser av utsläpp blir alltmer påtagliga, blir kraven och ambitionerna för utsläppare allt högre. Sysav är ett avfallsförbränningsföretag där avfall eldas för att bli energi och värme till samhället. Nackdelen med förbränningen är att föroreningar till luften släpps ut som följd, vilket bidrar till negativa miljöeffekter. För att minska miljöpåverkan renas dock rökgasen innan den släpps ut, bland annat från sura gaser såsom väteklorid och svaveldioxid. Detta görs med hjälp av två så kallade skrubbrar, som är torn där vätska sprayas in i rökgasen för att fånga upp föroreningarna. Vätskedropparna faller ner till botten av tornet och recirkuleras sedan till toppen igen för att möta ny rökgas. En del droppar följer dock med rökgasen uppåt och för att förhindra att de följer med till nästa enhet i systemet finns droppavskiljare som fångar upp vattendropparna så de kan återföras till tornet. Vätskan som absorberat ämnena blir sur och för att behålla ett stabilt pH i vätskan tillsätter man krita, som är basiskt.
Krita kan reagera med svaveldioxid och bildar då främst två föreningar: kalciumsulfit och kalciumsulfat, som kan orsaka problem om de bildas på droppavskiljarna och orsakar beläggningar. Det leder till att man måste stanna processen för att rengöra enheterna vilket både kostar pengar och innebär en tuff arbetsmiljö för personal som tar bort beläggningarna. Denna studie har undersökt möjligheter att minska beläggningarna och vilka parametrar som påverkar uppbyggnaden av beläggningar. En simuleringsmodell som beskriver Sysavs process har även utvecklats.
Det visade sig att parametrar som påverkade uppbyggnaden av beläggningar är bl.a. pH, förhållandet mellan mängden vätska som sprayas och rökgasflödet, syrehalten i rökgasen, mängd oreagerad krita, huruvida det finns fasta partiklar i vätskan eller inte, samt hur ofta och med vilken mängd droppavskiljarna spolas. Det finns alltså en hel del förändringar man kan göra som skulle kunna minska problemen.
De mest relevanta förändringarna för Sysav att börja testa skulle kunna vara att kontrollera pH bättre, då det i nuläget varierar både uppåt och neråt över tid. Dessutom är det troligt att man använder för högt överskott av krita, som fastnar på droppavskiljarna och reagerar vidare med svaveldioxid så att beläggningar bildas. Det skulle förklara varför problemen finns även i delar av processen med lägre pH, där det inte borde absorberas någon svaveldioxid. Hur ofta droppavskiljarna spolas skulle också kunna ökas och fasta partiklar tillsättas till vätskan, vilket i andra processer har visat sig vara effektivt för att minska beläggningsproblem. Det finns även andra tillsatsämnen som skulle kunna minska problemen. Dessa förändringar skulle potentiellt kunna minska uppbyggnaden av beläggningar vilket i sin tur skulle minska driftstopp i processen varifrån vi får energi och värme till samhället.

• author: Arvidsson, Sandra
• supervisor: Helena Svensson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20212
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Flue gas treatment, Limestone wet flue gas desulphurization, FGD, Waste incineration, Scaling, Modelling, Simulation, Aspen Plus, Chemical Engineering
• language: English
• id: 9073569
• date added to LUP: 2022-02-01 09:50:50
• date last changed: 2022-02-01 09:50:50