Accurate pH Measurement in Limestone Scrubber

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Introduction

Wet scrubbers are used in utilities, paper mills, and chemical plants to remove sulfur dioxide (SO2) and other pollutants from gas streams. Undesirable pollutants are removed by contacting the gases with an aqueous solution or slurry containing a sorbent. The most common sorbents are lime, Ca(OH)2, and limestone, CaCO3. In limestone-gypsum flue gas desulfurization systems, the consumption of a desulfurization agent (lime) is controlled using online pH analyzers.

Limestone-gypsum flue gas desulfurization consists of two processes: absorption and oxidation.

Absorption Process

After fly ash removal, the flue gas is bubbled through the scrubber, and the slurry is added from above. The lime or limestone reacts with the SO2 in the flue gas to create insoluble calcium sulfite (CaSO3) as shown in the equations below.

Reaction formulas:

Limestone: CaCO3(s) + SO2(g) → CaSO3(s) + CO2(g)
Lime: Ca(OH)2(s) + SO2(g) → CaSO3(s) + H2O(l)

A pH sensor in a recirculating tank is used to control feed of the solid lime or limestone. Neither lime nor limestone dissolves well in water and therefore, both are pumped in slurry form to the scrubber tower. In this process, it is important to promote the reaction of calcium (Ca) and to achieve a target desulfurization rate. The absorption rate is affected by the pH, concentration, temperature of liquid, and the liquid/gas ratio.

When the pH of the absorbing solution is below 5, calcium hydrogen sulfite (Ca(HSO3)2) is generated. Ca(HSO3)2 is converted into sulfur dioxide (SO2) in a reversible reaction, thereby reducing the desulfurization rate. When the pH of the absorbing solution is 7 or higher, carbon dioxide (CO2) in the flue gas reacts with calcium (Ca) to produce calcium carbonate (CaCO3). This increases lime consumption. Since the pH has an influence on the subsequent oxidation process, the pH of the absorbing solution should be kept between 5 and 6.

Accurate pH Measurement in Limestone Scrubber

Oxidation Process

Reaction formulas:

CaSO3(s) + 1⁄2 O2(g) + 2H2O(l) → CaSO4・2(H2O)(s)

The calcium sulfite may be further reacted with oxygen by oxidation to produce gypsum. This is done normally under a pressure of approximately 500 kPa and a temperature of 50 to 80 °C. The pH of the absorbing solution in the absorber is approximately 6, and normally maintained at around 4.

Application Problems

The calcium compounds produced in scrubbers tend to accumulate in the recirculation loops and can cause a buildup of scale. Scale on the spray nozzles affects the atomization of the water droplets and reduces the scrubbing efficiency. The lime can cause scaling on the pH electrode which affect the pH measurement. To ensure accurate measurements, frequent cleaning of the electrodes with acid is required, which adds to both maintenance workload and cost. So having an accurate reliable pH control is necessary not only to control the lime and limestone feed, but also to forestall the start of scaling, as it is much easier to prevent scaling than to remove it.

Solution

One solution in the past was to install and auto cleaning installation that would save on maintenance time and expense, to help extended the life of the probe. However since the cation reference sensor, SC24V, was released in 2010 end users have changed out either existing Yokogawa product or competitors product and replaced it with the revolutionary differential pH/ORP sensor.

Since the cation sensor, SC24V, has NO junction, there is NO path from the process to the internal element; so NO poisoning can occur. Since there is NO junction, there is NO plugging or coating problems to worry about and there is NO electrolyte depletion problem, because there is NO electrolyte. The sensor virtually eliminates problems caused by aging and pollution of the liquid junction. Customers will have less maintenance time and longer sensor life.

Product Recommendations

 

Transmitter FLXA21 2-wire pH/ORP measurement system
PH450G 4-wire pH/ORP measurement system
Sensor Option 1: Cation Reference Sensor SC24V with desired Holder (Retractable, Flow-Thru, Insertion); Any holder that accepts a PG13.5 connection
Option 2: PR10 Retractable with combination electrode; or PH87 Retractable assembly with the PH97/DP Sensor
Option 3: FU20/FU24 pH/ORP Combination electrode

Option 4: FF20 Flow-thru assembly with individual measure, reference and temperature electrodes with the automatic cleaning assembly, K1547PJ i.e. SC21C-AGC55 and SM60-T1; or SM21-ALP26 and SM60-T1

 

Industrien

Zugehörige Produkte & Lösungen

2-Leiter-Analysator FLXA202/21

Die Analysatoren der FLEXA-Serie werden für kontinuierliche Online-Messungen in industriellen Anlagen verwendet. Mit der Option für die Ein- oder Zwei-Sensor-Messung sind sie die flexibelsten 2-Leiter-Analysegeräte auf dem Markt.

4-Leiter-pH/ORP-Analysator PH450

Der pH- und ORP-Analysator PH450 ist ein multivariabler Analysator, der pH- mit Temperatur- und ORP (Redox)-Messung kombiniert. Diese Messungen können über verschiedene Ausgangsfunktionen genutzt werden: zwei Stromausgänge, vier unabhängige SPDT-Kontaktausgänge und HART. 

Digitaler 12mm SMART pH-Sensor SC25F

Der SC25F ist ein digitaler SMART pH-Sensor im 12 mm-Design, der über ein integriertes Temperaturelement und eine Flüssigkeitserde-Elektrode verfügt.

Digitaler SMART pH/ORP-Universalsensor FU20F

Digitaler SMART-Kombinationssensor für pH und ORP nach dem Motto „einfach ist am besten“ mit eingebauter Intelligenz und direkter digitaler Kommunikation. 

Digitaler SMART pH/ORP-Universalsensor FU24F

Der FU24F ist ein digitaler SMART pH/OPR-Sensor mit chemisch beständigem PPS 40GF-Gehäuse für anspruchsvolle Anwendungen.

Durchfluss/NPT-Armaturen FF20/FS20

Yokogawa hat viel Aufwand und Zeit in die Entwicklung einer breiten Palette von Armaturen investiert. Ein besonderer Schwerpunkt lag dabei auf der Senkung von Installations- und Wartungskosten und somit günstigeren Betriebskosten.

Handmessgerät PH71/PH72

Das Messgerät PH71/PH72 für pH und/oder ORP (Redox) ist kompakt, benutzerfreundlich, wasserdicht und ideal für den Feldeinsatz. Mit „One-Touch-Kalibrierung“ und Temperaturkompensation. Intelligente pH-Messgeräte in Laborqualität – preiswert, im tragbaren Taschenformat

Hochtemperaturhalterung PR10

Online-Messungen stellen oft eine besondere Herausforderung dar, insbesondere wenn Routinewartung erforderlich ist. Die PR10 ist ideal geeignet für Anwendungen, bei denen die Sensoren entfernt werden müssen, ohne den Prozess zu unterbrechen oder abzustellen. Ohne irgendwelche Spezialwerkzeuge kann die PR10 bei Drücken von bis zu 5 bar (72 psi) sicher aus dem Prozess gezogen werden. Mit der PR10 kann jeder beliebige Gelöstsauerstoffsensor mit PG13.5-Anschluss in eine Wechselarmatur eingesetzt werden.

Industrieelektroden für pH/Redox-Messungen

Das Herzstück einer pH-Messschleife ist das Elektrodensystem. Yokogawa hat ein umfangreiches Sortiment von Elektroden entwickelt, die dafür sorgen, dass dieses Herz auch unter den schwierigsten Bedingungen weiter schlägt.

pH/ORP-Universalsensor der Serie FU20/FU24/PH20

Die Universalsensoren PH20, FU20 und FU24 für pH und ORP (Redox) zeigen, wie Yokogawa das Motto „einfach ist am besten“ auf Sensortechnologie anwendet.

pH- und ORP-Analysatoren

Sensoren und Analysatoren für pH und ORP (Redox) werden zur kontinuierlichen Überwachung von pH- und ORP-Werten im Prozess eingesetzt, z.B. um die Wasser- und Produktqualität sicherzustellen oder um Abflüsse, Batch-Neutralisierung, Zellstoffbestand, Gaswäscher, Kühltürme, chemische Aufbereitung, Wasser- und Abwasserbehandlung und viele andere Anwendungen zu überwachen.

pH- und ORP-Sensoren

pH-Elektroden und -Sensoren sind die detektierenden Elemente bei der Messung des pH-Werts. Die verschiedenen Installationsoptionen schließen u. a. Wechsel-, Durchfluss- und Eintaucharmaturen sowie den direkten Einbau ein. Die richtige Auswahl von pH-Elektroden und Sensoren ist für optimale Messergebnisse von entscheidender Bedeutung.

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