Desafio
A Pleasant Prairie Power Plant (P4) é uma das maiores usinas de geração de energia do estado de Wisconsin, com uma capacidade operacional de 1,190 MW. A usina tradicionalmente opera em carga base, queimando aproximadamente cinco milhões de toneladas de carvão sub-betuminoso ocidental com baixo teor de enxofre (Bacia do Rio Powder) por ano.
A fábrica fez investimentos significativos em seu Sistema de Controle da Qualidade do Ar (AQCS) para permitir a conformidade com regulamentos rigorosos para poluentes particulados e gasosos, particularmente óxidos de nitrogênio e dióxido de enxofre. Essas atualizações incluíram a adição de unidades de controle de emissões de redução catalítica seletiva (SCR) e controles de emissão de dessulfuração de gás combustível úmidos (WFGD).
Com o endurecimento das restrições à qualidade do ar, o mercúrio emergiu como uma área de preocupação para as usinas a carvão. O mercúrio é um metal pesado tóxico que induz efeitos nocivos em humanos e organismos em concentrações muito baixas. Após a combustão, o carvão contendo mercúrio produz três formas do elemento que saem do forno com o gás de combustão e entram no AQCS da usina. Os AQCSs atuais normalmente capturam a maioria do mercúrio particulado e oxidado. O mercúrio elementar, no entanto, é emitido principalmente no ar com gás de combustão limpo.
A extensão em que o mercúrio transita pelo AQCS e é emitido para o ar depende de vários fatores, incluindo composição do carvão, condições de forno/combustão, aditivos de combustão, temperaturas dos gases de combustão, AQCSs em uso, operações AQCS e aditivos AQCS. Modificar esses fatores específicos da planta pode otimizar a remoção de mercúrio do gás de combustão e diminuir a emissão de mercúrio no meio ambiente.
Para lidar com as emissões de mercúrio, a usina adicionou um aditivo de combustível de brometo para aumentar a oxidação do mercúrio elementar dentro do gás de combustão. Após a combustão ou introdução diretamente no gás de combustão quente, os halogênios produzem espécies oxidantes que aumentam a oxidação do mercúrio elementar e melhoram a captura geral de mercúrio nos AQCSs existentes, principalmente no WFGD.
O halogênio combinado com o catalisador do SCR forneceu oxidação de mercúrio suficiente, mas a reemissão de mercúrio foi documentada, levando a períodos de altas emissões de mercúrio. A reemissão ocorre quando o mercúrio oxidado solúvel que entra é capturado dentro da lama WFGD, mas sofre uma reação de redução que regenera o mercúrio elementar, que pode então ser liberado com o gás de combustão que sai.
Foram feitas tentativas para mitigar a reemissão, incluindo mudanças operacionais e aditivos no purificador. As mudanças operacionais reduziram o mercúrio, mas não o suficiente para satisfazer o limite exigido. A injeção de carbono teve resultados justos, mas causou efeitos prejudiciais na operação do purificador na forma de espuma. Um aditivo químico do purificador mostrou-se eficaz, mas seu custo foi proibitivo.
A P4 precisava de uma solução que permitisse que eles continuassem a atender aos limites das regras de Padrões de Mercúrio e Tóxicos do Ar (MATS) da Agência de Proteção Ambiental dos EUA de maneira confiável e econômica.
Solução
A Veolia propôs uma nova opção para mitigar as reemissões com a introdução do aditivo FuelSolv* HG no WFGD. Um ensaio foi conduzido para determinar até que nível o mercúrio poderia ser controlado no gás da chaminé.
FuelSolv HG é um aditivo de reemissão de mercúrio à base de sulfeto orgânico e pode ser alimentado em vários pontos do sistema de purificação. Ele precipita o mercúrio para garantir que o mercúrio oxidado que entra no FGD seja dissolvido dentro da lama alcalina, particionado para a fase sólida e incapaz de sofrer redução e reemissão. É formado um polissulfeto de mercúrio estável e insolúvel que pode ser facilmente removido durante a separação de sólidos.
Antes do teste com o FuelSolv, a taxa de emissão de mercúrio estava aumentando lentamente durante um período de cerca de seis meses (Figura 1). Embora ainda abaixo do limite exigido, a tendência mostrou claramente que respeitar esse limite se tornaria cada vez mais desafiador e custoso.
Figura 1: antes da adição do FuelSolv HG, a taxa de emissão de mercúrio apresentava uma tendência crescente.
Os cálculos da taxa de alimentação do produto indicaram que um custo de tratamento geral mais baixo seria alcançado com o FuelSolv HG. A taxa de alimentação do tratamento habitual necessária para manter o mercúrio abaixo do limite permitido foi de 2-2,3 galões por hora (gph) em ambos os purificadores FGD do bloco de energia.
O teste do FuelSolv na unidade 1 da P4 começou com uma taxa de alimentação inicial conservadora de 2,3 gph. A emissão de mercúrio mostrou-se relativamente estável após 24 horas, de modo que a taxa de alimentação foi reduzida para 2,0 gph. Observando cuidadosamente o nível de emissão de mercúrio, a taxa de alimentação foi reduzida em 0,2 gph quinzenalmente. A taxa foi mantida estável por aproximadamente duas semanas em cada ponto de ajuste para permitir que a unidade de purificador de baixa taxa de purga se ajustasse ao nível de tratamento.
Uma taxa de alimentação de 1,8 gph manteve a emissão de mercúrio da chaminé em um nível igual ou melhor do que antes do experimento. Quando isso foi alcançado, o purificador da Unidade 2 foi trocado para FuelSolv HG a uma taxa de alimentação idêntica.
Resultado
Após alguns meses de operação constante e taxas de emissão de mercúrio decrescentes, as taxas de alimentação química para ambos os purificadores foram reduzidas para 1,2 gph, sempre com monitoramento contínuo e cuidadoso da taxa de emissão.
A Figura 2 mostra os dados resumidos das emissões para a unidade 1 da P4, indicando claramente o ponto em que a química foi alterada perto do início da unidade 2016. Desde então, e com uma taxa de alimentação química decrescente, a emissão de mercúrio continuou a diminuir.
Figura 2: comparação dos dados relativos às emissões de mercúrio da unidade 1, incluindo as linhas de tendência pré e pós-FuelSolv HG.
Com o FuelSolv HG, a P4 reduziu suas emissões de mercúrio em aproximadamente 65% em comparação com a injeção de brometo sozinha. Isso equivale a uma redução de 119 libras nas emissões anuais e uma economia de US$ 100,000 por ano.