Avaliação do efeito de aditivos na dessulfuração de gases de combustão (FGD) em unidade piloto de SDA

Air pollution is a serious environmental concern through the world. SO2, mainly emitted from fossil fuel combustion, is a major and quite harmful air pollutant. On coal fired power plants, flue gas desulphurization (FGD) is a highlight procedure, due to its high SO2 removal efficiency, low utility consumption and valuable byproducts. Semi-dry FGD systems are mainly represented by Spray Dryer Absorbers (SDA), and hydrated lime slurry (Ca(OH)2) is commonly applied as SO2 sorbent. In general, the lime slurry is atomized into small drops, then it reacts with SO2, so removing it from flue gas. The overall efficiency for SO2 removal (rSO2) is usually limited by the sorbent dissolution. In the present work, initially the dissolution of calcium hydroxide was studied by pH-Stat method. Then, it was also evaluated its applicability on flue gas desulphurization on a SDA pilot scale. Temperature, pH and stirring presented significant effect to lime dissolution. Stirring present no effect above 1320 rpm, indicating a possible mass transfer limitation at lower stirring rates. Nevertheless, as temperature increases, the dissolution reaction rate increased considerable (200%, from 20 to 80 °C). Activation energy was about 25.52 kJ.mol-1. Some additives showed some enhancement in quicklime dissolution rate: ammonium chloride (25%), ammonium acetate (25%), ammonium nitrate (50%) and adipic acid (50%). Ammonium nitrate seemed to overcome a mass transfer limitation on lime dissolution. For desulphurization assays, hydrated lime slurries (10 and 20 wt %) supplied with additives were investigated. Magnesium hydroxide, ammonium nitrate, ammonium acetate, ammonium phosphate, citric acid, urea, and sodium hydroxide were evaluated as additives for SO2 removal. Additives containing ammonium ions (NH4+) improved SO2 removal from the flue gas and increased the sorbent utilization (XCa(OH)2). The lime slurry formulation with 10% of Ca(OH)2 and 2% of NH4NO3 reduced the SO2 content by approximately 60% and improved sorbent utilization by 45%. A Design of Experiments (DOE) was carried out to optimize lime slurry composition (Ca(OH)2 and NH4NO3 concentrations) and showed that for 1000 ppm (SO2 inlet concentration), slurry containing 20 wt% Ca(OH)2 and 10% NH4NO3 presented SO2 removal about 80%. For 2000 ppm, the same lime slurry formulation removed 60% of sulfur dioxide from flue gas. Recycle assays have showed that fly ash still contains considerable amount of reactants that were not converted, and could be reused on the process.A poluição atmosférica é uma preocupação ambiental séria em todo o mundo. O dióxido de enxofre (SO2), emitido principalmente pela combustão de combustíveis fósseis, é apresentado como poluente atmosférico em potencial e bastante nocivo. Em usinas termelétricas movidas a carvão, a dessulfuração de gases de combustão (FGD) é um procedimento de destaque, devido à sua alta eficiência de remoção de SO2, baixo consumo de energia e subprodutos com valor agregado. Os sistemas FGD semi-seco são representados principalmente por Spray Dryer Absorber (SDA), e a lama de cal hidratada (Ca(OH)2) é comumente aplicada como agente alcalino na dessulfuração. De maneira geral, a lama de cal é atomizada em pequenas gotas, em seguida, reage com SO2, reduzindo sua concentração no gás de combustão. Entretanto, a eficiência de remoção de SO2 (rSO2) é geralmente limitada pela dissolução do agente alcalino. No presente trabalho, a dissolução do hidróxido de cálcio foi estudada pelo método pH-Stat. Posteriormente, Ca(OH)2 foi avaliado na aplicabilidade em dessulfuração em SDA de escala piloto. Temperatura, pH e agitação apresentaram efeito significativo na dissolução da cal. Agitação não apresentou efeito significativo acima de 1320 rpm, indicando uma possível limitação de transferência de massa. À medida que a temperatura aumenta, a taxa de dissolução aumenta consideravelmente (200%, aumentando 20 à 80 °C). A energia de ativação foi de aproximadamente 25,52 kJ.mol-1. Alguns aditivos apresentaram aumento na taxa de dissolução da cal: cloreto de amônio (25%), acetato de amônio (25%), nitrato de amônio (50%) e ácido adípico (50%). O nitrato de amônio apresentou indícios de superar a limitação de transferência de massa na dissolução da cal. Para os ensaios de dessulfuração, foram analisadas lamas de cal (10 e 20% w/w) suplementadas com aditivos. Hidróxido de magnésio, nitrato de amônio, acetato de amônio, fosfato de amônio, ácido cítrico, ureia e hidróxido de sódio foram avaliados como aditivos para remoção de SO2. Aditivos contendo íons amônio (NH4+) melhoraram a remoção de SO2 e aumentaram a utilização de agente alcalino (XCa(OH)2). A formulação de lama de cal com 10% de Ca(OH)2 e 2% de NH4NO3 reduziu a concentração de SO2 em aproximadamente 60% e melhorou a conversão da cal em 45 %. Em planejamento experimental (PE) avaliou-se a otimização da composição da lama de cal (concentrações de Ca(OH)2 e NH4NO3), e mostrou-se que para concentração de entrada de SO2 de 1000 ppm, a lama com 20% de Ca(OH)2 e 10% NH4NO3 apresentou eficiência de dessulfuração em torno de 80%. Para 2000 ppm, a mesma formulação de lama removeu 60% do dióxido de enxofre no gás de análise. Os ensaios de reciclo demonstraram que a cinza (fração leve dos sólidos) ainda contém uma quantidade considerável de reagentes não convertidos e pode ser reaproveitada no processo