FGD Mist Eliminator & CFD Modelling
MIST ELIMINATOR
BỘ TÁCH ẨM HỆ THỐNG FGD
FGD Application
FGD applications are relevant to large electrical power producers, kiln flue gas for cement production, potline flue gas for aluminum or other metal foundries, flue gas from FCC units in refineries, or other power or process flue gasses which require SO2 removal.
Processes vary depending on the amount of SO2 involved, the solution being used to absorb the SO2, and the particular equipment used in the absorption tower. The most common process is using lime/limestone slurry FGD systems. Chemistry for this particular process involve a lime or limestone slurry which consists of a solution of calcium compound solids in suspension as well as calcium salts (sulfites and sulfates) in solution. These dissolved compounds are generally not a significant problem unless the solution is saturated. In this case, as free Ca++ ions and SO2 (aq) continue to react, the resulting products are calcium sulfite and sulfate in varying proportions depending upon operating pH as well as other factors. The additional reaction of Ca++ with CO2 in the absorber form carbonate products, which will occur to a minor extent at low pH. At a pH above 8, significant carbonation occurs due to free calcium hydroxide in the absorber. This results in carbonate deposition on the internals, including the mist eliminators.
As the sulfite, sulfate, and carbonate compounds are formed in a supersaturated solution, precipitates are formed adding to the suspended solids level and scaling potential. Additives such as magnesium, sulfur, and dibasic acid (DBA) allow one to operate in an “inhibited oxidation” state, preventing precipitate deposition on equipment and mist eliminators.
It quickly becomes apparent that there are a number of variables affecting the equilibrium of reaction within the system. The main components for concern, in the mist eliminator zone, are calcium sulfite and calcium sulfate. The sulfite precipitates out as a soft, white material which is easily washed from any surface on which it settles. Calcium sulfate is a hard and difficult to remove compound. Once the sulfate precipitate has initially taken hold, whether it be in crevices, hidden zones, or rough area in general, further precipitation continues more rapidly.
Ứng dụng FGD
Các ứng dụng FGD (hệ thống khử lưu huỳnh trong khí thải) phù hợp cho các nhà sản xuất điện quy mô lớn, khí thải lò nung trong sản xuất xi măng, khí thải lò luyện nhôm hoặc các xưởng đúc kim loại khác, khí thải từ các đơn vị FCC trong nhà máy lọc dầu, hoặc các loại khí thải công nghiệp khác cần loại bỏ SO₂.
Các quy trình FGD khác nhau tùy thuộc vào lượng SO₂ cần xử lý, dung dịch hấp thụ được sử dụng, và thiết bị cụ thể trong tháp hấp thụ. Quy trình phổ biến nhất là sử dụng hệ thống FGD với dung dịch vôi hoặc bùn đá vôi. Phản ứng hóa học trong quy trình này sử dụng dung dịch huyền phù gồm các hợp chất canxi ở trạng thái rắn lơ lửng cùng với các muối canxi (sunfit và sunfat) hòa tan. Các hợp chất hòa tan này thường không gây vấn đề đáng kể, trừ khi dung dịch bị bão hòa. Khi đó, các ion Ca²⁺ tự do tiếp tục phản ứng với SO₂ (hòa tan), tạo ra sản phẩm là canxi sunfit và canxi sunfat với tỷ lệ thay đổi phụ thuộc vào pH vận hành và các yếu tố khác. Ngoài ra, phản ứng giữa Ca²⁺ và CO₂ trong tháp hấp thụ cũng tạo ra sản phẩm cacbonat, mức độ xảy ra phụ thuộc vào pH. Khi pH trên 8, phản ứng cacbonat diễn ra mạnh do có sự hiện diện của canxi hydroxide tự do, dẫn đến hình thành cặn cacbonat bám lên các bề mặt bên trong tháp, bao gồm cả bộ tách ẩm (mist eliminator).
Khi các hợp chất sunfit, sunfat và cacbonat hình thành trong dung dịch siêu bão hòa, chúng sẽ kết tủa, làm tăng hàm lượng chất rắn lơ lửng và nguy cơ đóng cặn. Việc bổ sung các phụ gia như magie, lưu huỳnh và axit dibasic (DBA) giúp hệ thống vận hành ở trạng thái “oxy hóa kìm hãm”, ngăn ngừa sự kết tủa trên thiết bị và bộ tách ẩm.
Dễ dàng nhận thấy có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng phản ứng trong hệ thống. Các hợp chất cần quan tâm nhất trong vùng tách ẩm là canxi sunfit và canxi sunfat. Canxi sunfit khi kết tủa sẽ tạo thành lớp bột mềm, màu trắng, dễ dàng rửa trôi khỏi các bề mặt. Ngược lại, canxi sunfat là hợp chất cứng, rất khó làm sạch. Một khi lớp sunfat này bám chặt vào các khe hở, vùng khuất hoặc bề mặt gồ ghề, các phản ứng kết tủa tiếp theo sẽ diễn ra nhanh hơn.
General Design
Some applications with lower SO2 concentrations may warrant only one chevron level due to lower L/G ratios, or other unique tower geometries. However, for the majority of applications, the mist elimination zone is frequently made up of two stages of mist eliminators. This two stage design normally applies to either vertical flue gas flow or horizontal flue gas flow. The lower, or first stage mist eliminator is often referred to as the “roughing” or “bulk entrainment separator”. It is typically characterized by a high capacity, open design with the intent on removing as much liquid as possible. Typically, this chevron level is irrigated intermittently from both the top and the bottom.
The second stage mist eliminator operates drier, is generally more efficient relative to the first stage, and is typically irrigated intermittently from the bottom only. At times, users may elect to have a top spray for the upper level mist eliminator, to periodically flush the system during low demand periods, or unit outages. Care must be taken to “balance” the performance of the two mist eliminator stages as each impact the performance of the other. Selecting a first stage ME that is too “open” will result in too much slurry getting to the second stage, and potentially plug and create a cleaning issue. Selecting a first stage that is too restrictive may also result in potential cleaning issues, due to the sheer volume of solids at the first stage level. Whether it be the first stage or the second stage mist eliminator, both levels offer a clean profile, free of any hooks or grooves that can accumulate solids buildup or impede washing. In essence, a “hydraulic hook” is created between chevron blades due to high and low pressure gradients. This hydraulic hook creates the same effect as a physical hook, i.e. a disengaging point to allow for liquid drainage, without the pluggage risk normally associated with using a real hook.
Thiết kế tổng quát
Với một số ứng dụng có nồng độ SO₂ thấp hơn, chỉ cần sử dụng một tầng cánh tách ẩm do tỷ lệ L/G (khí/lỏng) thấp, hoặc do hình dạng tháp đặc biệt. Tuy nhiên, trong phần lớn các ứng dụng, vùng tách ẩm thường được thiết kế với hai tầng tách ẩm. Thiết kế hai tầng này áp dụng cho cả dòng khí thải thẳng đứng hoặc dòng khí thải ngang. Tầng dưới, hay tầng thứ nhất của bộ tách sương, thường được gọi là tầng “thô” hoặc “tách giọt chính”. Thiết kế tầng này thường có cấu trúc mở, công suất cao, nhằm loại bỏ càng nhiều chất lỏng càng tốt. Thông thường, tầng tách ẩm này được phun nước gián đoạn từ cả phía trên và phía dưới.
Tầng tách ẩm thứ hai hoạt động trong điều kiện khô hơn, hiệu suất cao hơn so với tầng đầu, và thường chỉ được phun nước gián đoạn từ phía dưới. Trong một số trường hợp, vận hành viên có thể chọn thêm hệ thống phun từ phía trên để xả rửa tầng trên định kỳ khi hệ thống hoạt động ở chế độ tải thấp hoặc trong các đợt dừng bảo trì. Cần lưu ý phải “cân bằng” hiệu suất giữa hai tầng tách ẩm vì mỗi tầng đều ảnh hưởng lẫn nhau. Nếu chọn tầng thứ nhất quá “thoáng”, lượng bùn sẽ bị cuốn lên tầng thứ hai nhiều, có thể gây tắc nghẽn và phát sinh vấn đề vệ sinh. Nếu tầng thứ nhất chọn quá “chặt”, cũng có thể gây ra vấn đề vệ sinh do lượng chất rắn tích tụ quá nhiều ở tầng này. Dù là tầng thứ nhất hay tầng thứ hai, cả hai đều được thiết kế bề mặt nhẵn, không có móc hoặc rãnh có thể tích tụ chất rắn hoặc cản trở việc vệ sinh. Về cơ bản, một “hook thủy lực” được hình thành giữa các cánh tách ẩm do sự chênh lệch áp suất cao và thấp. Hook thủy lực này tạo ra hiệu ứng tương tự như hook vật lý, tức là một điểm để chất lỏng thoát ra, nhưng không làm tăng nguy cơ tắc nghẽn như khi dùng hook thực.
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS MODELING
A reliable tool for design optimization, troubleshooting, and product development.
MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LỎNG
Một công cụ đáng tin cậy để tối ưu hóa thiết kế, xử lý sự cố và phát triển sản phẩm.
Flow distribution is critical in multiphase separation vessels. As vessel sizes are reduced or more capacity is expected from existing equipment, traditional design rules for vessel geometry and flow distribution must be reviewed for all elements that can affect separation performance, such as:
▼ Flow velocities through inlet and outlet nozzles
▼ Spacing between nozzles
▼ Internals
▼ Liquid levels
▼ Wave motion
CFD modeling is used by our engineers to simulate flow conditions and vessel geometry. The modeling provides a close approximation of the fluid flow profile inside the vessel.
▼ For existing installations, poor flow distribution can be identified as the cause of unexpected high liquid carryover.
▼ In retrofit situations where the process conditions may be increasing, design modifications can be evaluated and optimized with high assurance that the desired performance will be achieved.
▼ For new equipment, optimized CFD designs result in size and weight reductions that provide savings beyond the lower cost of the separator. In addition to reduced vessel cost, there are usually associated savings in foundations and support structures.
Phân bố dòng chảy đóng vai trò then chốt trong các hệ thống tách đa pha.
Khi kích thước hệ thống giảm hoặc khi yêu cầu tăng công suất cho các hệ thống hiện hữu, các quy tắc thiết kế truyền thống về hình dạng hệ thống và phân bố dòng chảy cần được xem xét lại đối với tất cả các yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất tách, bao gồm:
▼ Vận tốc dòng chảy qua các đầu vào và đầu ra
▼ Khoảng cách giữa các đầu nozzels
▼ Các kết cấu bên trong
▼ Mức chất lỏng
▼ Chuyển động sóng
Các kỹ sư của chúng tôi sử dụng mô hình CFD để mô phỏng điều kiện dòng chảy và hình học của cả hệ thống. Mô hình này cho phép tái hiện sát thực nhất phân bố dòng chảy bên trong hệ thống.
▼ Đối với các hệ thống đang vận hành, phân bố dòng kém có thể được xác định là nguyên nhân gây ra hiện tượng cuốn theo chất lỏng bất thường.
▼ Trong các trường hợp cải tạo khi điều kiện công nghệ thay đổi theo hướng tăng tải, mô hình CFD giúp đánh giá và tối ưu hóa các thay đổi thiết kế với độ tin cậy cao, đảm bảo đạt được hiệu suất mong muốn.
▼ Đối với hệ thống mới, thiết kế được tối ưu hóa bằng CFD giúp giảm kích thước và trọng lượng hệ thống, mang lại hiệu quả tiết kiệm vượt ra ngoài chi phí đầu tư. Ngoài việc giảm chi phí, còn có các khoản tiết kiệm liên quan đến móng và kết cấu đỡ.
The case illustrated here was a study of the velocity patterns inside a critical separator vessel operating under vacuum. For optimal performance, it was important that the velocity profile through the mist eliminator be uniform. The CFD study confirmed this to be the case, based on the vessel geometry
Trường hợp minh họa dưới đây là một nghiên cứu về mô hình phân bố vận tốc bên trong một hệ thống tách quan trọng vận hành dưới điều kiện chân không.
Để đạt được hiệu suất tối ưu, điều quan trọng là vận tốc khi đi qua bộ tách ẩm phải đồng đều. Nghiên cứu CFD đã xác nhận điều này dựa trên hình dạng của hệ thống.