Challenge
La centrale électrique de Pleasant Prairie (P4) est l’une des plus grandes centrales électriques de l’État du Wisconsin, avec une capacité nominale d’exploitation de 1 190 MW. La centrale fonctionne traditionnellement en charge de base, brûlant environ cinq millions de tonnes de charbon subbitumineux occidental à faible teneur en soufre (bassin de Powder River) par an.
L’usine a réalisé d’importants investissements dans son système de contrôle de la qualité de l’air (AQCS) afin de répondre à la conformité aux réglementations strictes concernant les polluants particulaires et gazeux, en particulier les oxydes d’azote et le dioxyde de soufre. Ces améliorations incluent l’ajout d’unités de contrôle des émissions de réduction catalytique sélective (SCR) et de contrôles des émissions de désulfuration des gaz de combustion par voie humide (WFGD).
Avec le renforcement des restrictions concernant la qualité de l’air, le mercure est devenu un sujet de préoccupation pour les centrales électriques au charbon. Le mercure est un métal lourd toxique qui induit des effets nocifs sur l’homme et les organismes à partir de très faibles concentrations. Lors de la combustion, le charbon contenant du mercure produit trois formes de cet élément. Ceux-ci sortent du four avec les gaz de combustion et pénètrent dans l’AQCS de l’usine. Les AQCS d’aujourd’hui capturent généralement la majorité du mercure particulaire et oxydé. Le mercure élémentaire, quant à lui, est principalement émis dans l’air avec des gaz de combustion épurés.
La mesure dans laquelle le mercure transite par l’AQCS et est émis dans l’air dépend de nombreux facteurs, notamment la composition du charbon, les conditions du four et de la combustion, les additifs de combustion, les températures des gaz de combustion, les AQCS utilisés, le fonctionnement de l’AQCS et les additifs AQCS. La modification de ces facteurs propres à l’usine peut optimiser l’élimination du mercure des gaz de combustion et ainsi diminuer les émissions de mercure dans l’environnement.
Pour remédier aux émissions de mercure, l’usine a ajouté un additif de carburant à base de bromure afin d’augmenter l’oxydation du mercure élémentaire dans les gaz de combustion. Lors de la combustion ou de l’introduction directe dans les gaz de combustion chauds, les halogènes produisent des espèces oxydantes qui augmentent l’oxydation du mercure élémentaire et améliorent le captage global du mercure dans les AQCS existants, principalement dans la WFGD.
L’halogène combiné au catalyseur du SCR a fourni une oxydation suffisante du mercure, mais la réémission de mercure a été documentée, ce qui a conduit à des périodes d’émissions élevées de mercure. La réémission se produit lorsque le mercure oxydé soluble entrant est capturé dans la boue de WFGD, mais subit une réaction de réduction qui régénère le mercure élémentaire, qui peut ensuite être libéré avec les gaz de combustion sortants.
Des tentatives ont été faites pour atténuer les réémissions, notamment par des changements opérationnels et des additifs pour les épurateurs. Les changements opérationnels ont permis de réduire la teneur en mercure, mais pas suffisamment pour respecter la limite requise. L’injection de carbone a donné de bons résultats, mais a eu des effets néfastes sur le fonctionnement de l’épurateur sous forme de mousse. Un additif chimique pour épurateur s’est avéré efficace, mais son coût était exorbitant.
P4 avait besoin d’une solution qui lui permettrait de continuer à respecter les limites des normes MATS (Mercury and Air Toxics Standards) de l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) de manière fiable et rentable.
Solution
Veolia a proposé une nouvelle option pour atténuer les réémissions avec l’introduction d’un additif FuelSolv* HG dans le WFGD. Un essai a été mené afin de déterminer quelle quantité de mercure pouvait être contrôlée dans le gaz de cheminée.
FuelSolv HG est un additif de réémission de mercure à base de sulfures organiques qui peut être alimenté à différents endroits du système d’épuration. Il précipite le mercure pour s’assurer que le mercure oxydé entrant dans la FGD est dissous dans la boue alcaline, divisé en phase solide et incapable de subir une réduction et une réémission. Il se forme un polysulfure de mercure stable et insoluble qui peut être facilement éliminé lors de la séparation des solides.
Avant l’essai FuelSolv, le taux d’émission de mercure augmentait lentement sur une période d’environ six mois (figure 1). Bien qu’elle soit encore inférieure à la limite requise, la tendance a clairement montré que le respect de cette limite deviendrait de plus en plus difficile et coûteux.
Figure 1 : Avant l’ajout de FuelSolv HG, le taux d’émission de mercure affichait une tendance à la hausse.
Les calculs du débit d’alimentation du produit ont indiqué qu’un coût global de traitement plus faible serait obtenu avec FuelSolv HG. Le débit d’alimentation du traitement utilisé pour maintenir le mercure en dessous de la limite autorisée était de 2 à 2,3 gallons par heure (gph) sur les deux épurateurs FGD du bloc d’alimentation.
L’essai du FuelSolv sur l’unité 1 à P4 a démarré avec un débit d’alimentation initial prudent de 2,3 gal/h. L’émission de mercure est apparue relativement stable après 24 heures, de sorte que le débit d’alimentation a été réduit à 2,0 gal/h. En observant attentivement le niveau d’émission de mercure, le débit d’alimentation a été réduit de 0,2 gal/h toutes les deux semaines. Le taux a été maintenu stable pendant environ deux semaines à chaque point de consigne pour permettre à l’unité d’épuration à faible taux de purge de s’adapter au niveau de traitement.
Un débit d’alimentation de 1,8 gal/h a maintenu l’émission de mercure à la cheminée à un niveau égal ou supérieur à celui d’avant l’essai. Après réalisation, l’épurateur de l’unité 2 a été remplacé par FuelSolv HG à une vitesse d’alimentation identique.
Résultat
Après quelques mois de fonctionnement régulier et de diminution des taux d’émission de mercure, les débits d’alimentation en produits chimiques des deux épurateurs ont été réduits à 1,2 gal/h, toujours avec une surveillance attentive et continue du taux d’émission.
La figure 2 montre les données sommaires sur les émissions de l’unité P4 1, indiquant clairement le moment où la chimie a été modifiée vers le début de l’unité 2016. Depuis, et avec la diminution du débit d’alimentation en produits chimiques, les émissions de mercure n’ont cessé de diminuer.
Figure 2 : Comparaison des données sur les émissions de mercure de l’unité 1, y compris les lignes de tendance pré- et post-FuelSolv HG.
Avec FuelSolv HG, P4 a réduit ses émissions de mercure d’environ 65 % par rapport à l’injection de bromure seule. Cela équivaut à une réduction de 119 livres des émissions annuelles et à une économie de 100 000 $ par an.