Analisi dei solidi FGD del calcare umido mediante termogravimetria

Jun 01, 2023

La termogravimetria (TGA) è un metodo analitico in grado di migliorare le prestazioni dello scrubber ed eliminare metodi di test della chimica umida, lunghi e spesso imprecisi.

Di Brad Buecker, Buecker & Associates, LLC

In un recente articolo per Power Engineering [1], ho scritto delle proprietà speciali del calcare, e in particolare della pietra di elevata purezza, che lo hanno reso un comune reagente per la desolforazione dei gas di scarico per numerose centrali elettriche alimentate a carbone negli ultimi cinquant'anni. Naturalmente, in molte aree del mondo l’energia elettrica alimentata a carbone viene gradualmente eliminata, il che rende discutibile per alcuni lettori la chimica della desolforazione dei gas di combustione (FGD). Tuttavia, in alcuni paesi le centrali elettriche a carbone sono ancora diffuse. E, come mi è stato ricordato dal feedback dell’articolo precedente, in tutto il mondo esistono molti impianti di fusione di minerali metallici in cui la principale emissione è l’anidride solforosa gassosa. Il lavaggio FGD del calcare umido (WFGD) sta diventando un processo collaudato per queste applicazioni. [2]

L'analisi accurata dei solidi dello scrubber è fondamentale per determinare l'efficienza della reazione e l'utilizzo del calcare. Questo articolo descrive una tecnologia che io e un collega abbiamo contribuito a creare come pionieri nel settore energetico alla fine degli anni '80 [3], ma che oggi potrebbe non essere familiare a molti addetti agli impianti. La tecnica è la termogravimetria (TGA). Il metodo analitico ci ha consentito di eliminare metodi di test della chimica umida, lunghi e spesso imprecisi, e di migliorare le prestazioni dello scrubber. Ho portato il concetto con me in una seconda centrale elettrica a carbone, dove il TGA ha dimostrato ancora una volta il suo valore. [4]

L'analisi mediante termogravimetria è semplice nel concetto. Un TGA funziona pesando i campioni su una precisa bilancia analitica mentre vengono riscaldati. Le caratteristiche principali di alcuni progetti sono una bilancia montata in alto, un piatto portacampioni supportato verticalmente, un forno ad azionamento automatico che si solleva per l'analisi del campione e si abbassa una volta completata l'analisi, un caricatore automatico del campione e un personal computer per il funzionamento dello strumento e l'analisi dei dati. Il vano del forno in genere è dotato di una porta che consente di analizzare i campioni in varie atmosfere tramite gas in bottiglia collegati al vano tramite un collettore, un sistema di tubi e un dispositivo automatizzato di cambio del campione. L'azoto è comune per fornire un'atmosfera inerte che elimina le reazioni di ossidazione che potrebbero verificarsi con l'aria. Ulteriori discussioni su questo argomento verranno visualizzate più avanti in questo documento.

Un TGA è uno strumento quantitativo e non qualitativo, quindi l'operatore deve avere una buona idea dei costituenti primari del campione prima dell'analisi. Se i composti si decompongono a temperature distinte e separate, diventa facile calcolare la concentrazione dei materiali originali. I sottoprodotti dello scrubber del calcare umido si prestano bene a questa tecnica. (Il lettore può fare riferimento al riferimento 1 per una descrizione più dettagliata della chimica del processo di scrubber.) Le seguenti equazioni illustrano le temperature di decomposizione e la chimica dei solidi FGD di calcare umido.

CaSO4·2H2O–>CaSO4+2H2O↑ (da 160°C a 200°C) Eq. 1

(CaSO3·CaSO4) ·½H2O–>CaSO3·CaSO4 + ½H2O↑ (da 400°C a 430°C) Eq. 2

CaCO3–>CaO+CO2↑ (da 650°C a 800°C) Eq. 3

La Figura 2 illustra un'analisi TGA di un campione di solidi di scrubber pre-essiccati dal riferimento 4 contenente tutti e tre i principali costituenti sopra elencati. Per il momento ignoreremo la decomposizione mostrata a 600°C. Questo verrà affrontato a breve.

I calcoli per determinare le concentrazioni dei costituenti sono semplici. Il peso molecolare del gesso è 172 e quello dell'acqua espulsa è 36, quindi il contenuto iniziale di gesso viene determinato moltiplicando la perdita di peso (5,772%) per un fattore 172 ÷ 36 (4,78). Per il solfito di calcio-solfato emiidrato, il fattore è 131,9 ÷ 9 (14,6), dove si presuppone che il rapporto molare tra solfito di calcio e solfato di calcio sia 85:15. Per la decomposizione del carbonato di calcio il fattore è 100,1 ÷ 44 (2,27). Pertanto, per l'analisi mostrata nella Figura 2, il contenuto di gesso è del 27,6%, il contenuto di solfito-solfato di calcio emiidrato è del 12,0% e il contenuto di carbonato di calcio è del 22,3%.