水賞:Jeffrey Energy Centerの建設された湿地処理システム

POWERの最初の水賞は、共通の問題に対する革新的な解決策を開発したプラントに贈られます。

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米国 石炭火力発電所は、厳しい環境規制の増加に準拠する必要があることを発見しており、どの業界の誰も追加の規制負担を楽しみにしていませんが、新しいルールは、予期せぬ利益をもたらすおなじみのプロセスについての新しい考えを促すことができます。 改良されたガス送管脱硫(FGD)システムからの廃水の処理へのWestar Energyのアプローチは完全な例である。

A Kansas Coal King

Westar Energy(Westar)は、カンザス州東部および東部中央部で約700,000人の顧客にサービスを提供する投資家所有の電力会社であり、州内最大のエネ 石炭、天然ガス、原子力、埋立ガス、風力発電施設からの電力を所有または購入しています。 ウェスターのジェフリー-エネルギー-センター(JEC)は、ラカイン、ローレンス、トゥカムセの四つの石炭火力発電所の一つである。

Jecはカンザス州北東部のセントメアリーズの近くに位置し、Westar(92%)とGreat Plains Inc.が所有している。 (8%). 1号機は1978年に、2号機は1980年に、3号機は1983年に運転を開始した。 この工場は低硫黄石炭を燃焼させ、2003年にPowder River Basin Coal Users’GroupによってそのグループのPlant of the Yearとして認識されました。

大きな発電所からの大きなアイデア

1,857MWで、Jecはカンザス州で最大の発電所です(図1)。 大きいサイズと大きい精査は来、JECは、多くの石炭火力発電所のように、連邦および州の規則に従うために長年にわたって環境システムを改善しなけ JECはまた、時間の経過とともに、新しいエネルギー関連の問題が社会の懸念のリストのトップにどのように移動するかの例です。

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1. 型破りなプラント施設この写真は、2013年に撮影されたもので、建設された湿地(開発中)が三ユニットのジェフリーエネルギーセンターに近接していることを示しています。 完成した湿地は現在、1,857MWの工場のスクラバーからの排水の100%を経済的で環境に優しい方法で処理しています。 礼儀: Westar Energy

Westarは、新たに建設された湿地システムの概要で、当時の副大統領Walter Mondaleがユニット1の献身でjecを未来のエネルギー波を代表するものと指摘したと指摘している。 当時、多くの工場が輸入石油に依存していた石油火力発電から国内石炭への移行は、大きな改善と見なされ、大きな改善でした。

私たちの現在のエネルギーと環境の状況に早送り:ウェスターが指摘しているように、石炭は”現在、私たちのエネルギーポートフォリオの必要な部分とし 政治的景観にはまだ石炭の使用を祝う少数の人々が含まれていますが、より多くの人々が批判的であり、機会が与えられれば大多数は立場を避けます。 現実には、アメリカが手頃な価格で信頼性の高い電力を維持しようとしている場合、石炭は必要な要素です。 それは費用、環境影響および操作上の有効性のバランスをとる私達の仕事です。 多くの場合、そのバランスは、技術革新とパートナーシップを必要とします。 JEC湿地は両方の物語です。”

Westarは、JECの当初のコストのほぼ25%が低硫黄石炭のみの燃焼を含む大気質管理対策に費やされたと述べています。 最新の環境改善の中には、三つのユニットのFGDシステムの再構築とアップグレードがありました。

オリジナルのスクラバーは、二酸化硫黄(SO2)排出量の60%を除去するように設計されていました。 新しい石灰岩のスラリーのスクラバーはSO2の95%を取除くように設計されていた。 このプロジェクトの作業(Ursによる、Burns&McDonnellがオーナーのエンジニア/建設管理を務めている)は、2007年の第3四半期に開始され、2009年の第2四半期に完了しました。 三つのアップグレードされたスクラバーはすべてサービス中であり、排出率の期待を満たしているか、または超過しています。 Westarは、この新しいシステムがSO2排出量を97%削減していると述べています。 (共同利益の水銀排出量は少なくとも25%削減され、粒子状物質は少なくとも20%削減された。)

新しいスクラブシステムの設置は、州の水の劣化防止基準を引き起こしました。 この要件は、FGD排水のための新しい水制御技術の評価とインストールの必要性を駆動しました。 新しいシステムを設置する前に、Westarはスラリーを脱水し、石膏を埋め立て、水銀除去のための清澄化と処理の後にLost Creekに水を排出していました。

fgdシステム放電では、硫酸、セレン、水銀、ヒ素を含む成分の評価と処理が必要でした。 Westarはカンザス州保健環境局(KDHE)と提携して、スクラバー排水を一時的にLost Creekに排出することを許可し、Westarは治療の可能性のある方法を調査しました。

Westarのエンジニアは、廃水を処理するための費用対効果の高い方法を探していたので、生物学と化学を結びつけるアプローチ、すなわち構築された湿地処

最高のフィット感を見つける

Westarの環境およびエンジニアリングスタッフがCwtsを決定する前に、Burns&McDonnellの助けを借りて、彼らは排出物を効果的:

  • 地下の深い井戸の注入。
  • 落下フィルム蒸発器と結晶化器を介して処理します。
  • 逆浸透および晶析装置によるプロセス。
  • ブラインを使用して落下フィルム蒸発器を用いてフライアッシュを調整し、現場の埋立地で処分する。
  • 硫酸沈殿とCWTSによる処理、水の排水は再利用のために工場に送り返されます。

Westarは、最も環境に優しく、最もコストのかからないソリューションで放電を処理したいと考えていました。 分析では、最もコストの低い代替案は、硫酸塩沈殿前処理と対になった構築された湿地であることが示された(表1)。

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表1. 治療の選択肢。 技術的に実行可能な代替案の推定15年の正味現在価値コストの評価は、構築された湿地処理システム(CWTS)が最良の選択肢であることを示した。 出典:Westar Energy

選択されたプロセスでは、fgd廃水は最初に硫酸塩を除去するために伝統的な排水処理プラントで処理されます。 それからそれは金属の取り外しのために設計され、目標とされた湿地プロセスに導入される。 懸念される成分に対して効果的に処理された湿地排出物は、再利用のためにプラントに戻される可能性があります。

これは最も安価で環境に優しいソリューションでしたが、構築された湿地システムはこのアプリケーションでは利用されておらず、テストされていませんでした。

Westarは、自然湿地で発生する生物学的プロセスを模倣するパイロットシステムの開発から始まり、本格的なシステムの展開を最終的に目標としました。

環境団体を乗船させる

JECサイトは、長い間、野生動物と人々の両方にとって特別なものでした。 約7,700エーカーのJECの合計10,500エーカーは、穀物や干し草の生産のためにリースされており、その作付面積のほぼすべてが公共の釣り、狩猟、ハイキングのために開 カンザス川から汲み上げられた水は、植物のメイクアップ水のための600エーカー以上の二つの湖を埋めます。 これらは暖かい月の間に州の最高の釣りのいくつかを提供し、より大きな湖は冬に水鳥狩りを提供しています。 両方の湖とアクセス可能な水鳥ブラインドで障害者がアクセス可能なドックは、障害者のアヒルやガチョウのハンターのための領域を魅力的にします。

さらに、オレゴン-トレイル自然公園は、カンザス州の自然生態系を展示するために、オレゴン-トレイル近くの植物サイトに公共の使用のために建設され それは2つの池、3つの自然歩道、避難所の家、ピクニックエリアが含まれています。

公共事業が湿地の建設プロジェクトに真剣に取り組む前に、地元のシエラクラブ支部とカンザス川の友人のメンバーに連絡しました。 その意図は、実験的なパイロット段階のために一時的に放電を変更するためにKDHEからの許可を要求する前に、それらを従事し、教育することでした。 Westarは、全国的に活動している組織のこれらの地方支部はカンザス川の水質に大きな関心を持っており、彼らの支援はプロジェクトの承認に不可欠で

Westarはグループのための教育ツアーを主催し、この治療アプローチを最も環境に配慮したものとして支持しました。 このユーティリティは、実験全体を通して試験結果のグループを更新しました。 WestarがKDHEに近づいたとき、すでにこれらの環境団体からの支持を得て、選択されたアプローチが適切であることを実証するのに役立ちました。

パイロットフェーズ

FGD排水の約10%を処理するために設計された二エーカーのパイロット湿地システムは、2010年に設置されました。 それは3つの細胞タイプを含んでいました:自由な水表面の細胞、vegetated水中に沈められたベッドの細胞および縦の流動床の細胞(図2)。 Westarが違いを説明しているように:

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2. パイロットフェーズ。 パイロット湿地システムは2010年に設置され、自由水面セル、植生水中ベッドセル、垂直流ベッドセルの三つのセルタイプ(左から右)が含まれていました。 礼儀: ウェスタールエナジー

  • 自由水面細胞は、恒久的に浸水した沼地と同様の方法で機能し、水深が浅く、キャッテール、ブラス、スイレン、矢頭などの水生種の組み合わせがあります。
  • 植生した水没床細胞は、地下水位が高い完全に飽和した湿地や、スイッチグラス、内陸塩草、スゲなどの植物種と同様に機能します。
  • 垂直流床細胞は、入ってくる水が細胞の表面に均等に塗布され、水平流ではなく垂直浸透が可能であることを除いて、植生水中床細胞に似ています。

水は、2つの平行な列車を介して直列に等しいサイズのセルを介して転送され、各セルは個々の有効性を監視することができました。 幅広いターゲット構成要素を持つWestarは、本格的なシステムを設計するために、各セルの長所と短所を理解する必要がありました。

パイロットセルは2010年夏に建設され、湿地植生プラグは2011年春に移植され、ユーティリティは2011年春に治療の利点を見始めると予想されています。 しかし、モニタリングでは、最も顕著なのは、植物の根のゾーンと土壌層(垂直流床セル)を通って流れを垂直に移動させるように設計されたセルで、すぐに金属の除去が示されました。

構成要素の除去は春に続き、Westarの報告によると、植物は”2011年夏までに湿地の表面積を埋めるために爆発した”という。 種々の細胞設計の除去率を他の治療の除去率と比較した。 カンザス州立大学の教員と学生は、ユーティリティが捕獲メカニズムと大きさを理解するのを助けるために、フィールドとラボの両方の仕事をしました。

全体として、懸念される成分であるセレン、水銀、フッ化物、硝酸塩、亜硝酸塩など、19の水質成分がパイロット湿地プロジェクトを通じて効果的に処理されていることが示された。 効果的に処理されていない懸念の唯一の成分は、塩化物および硫酸塩であった。 塩化物レベルは歴史的に十分に低く、必ずしも処理が必要ではなかったが、湿地を標的とした硫酸塩沈殿プロセスと組み合わせることは、湿地による硫酸塩除去の欠如を克服するであろう。

Westar and Burns&McDonnellは最終的な治療法の選択肢を評価し、本格的な湿地と塩の化学的除去を組み合わせたものが、最も経済的で環境に優しいアプローチであると結論づけた。 KDHEは2012年夏にこの計画を承認しました。

本格的な先行

2012年半ば、Westarは本格的な湿地を進めることに決めました。 2013年までのパイロットプロジェクトは、本格的な24エーカーの湿地の設計と建設につながったテストグラウンドでした。 この本格的なプロジェクトは、2014年に完了し、現在、サイトのスクラバー排水排出量の100%を処理しています(図3と図4)。

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3. ツづツつ”ツづゥツ。 この写真は、建設中の本格的な湿地にある細胞の一つを示しています。 細胞は粘土およびHDPEの適用範囲が広い膜はさみ金から成っている合成はさみ金と並びます。 提供:ウェスタールエナジー

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4. 盛んな湿地。 プラントの排煙脱硫システムから配管された水は、表面の下から湿地セルに入ります。 礼儀:Westar Energy

広範なパイロット研究は、二つの平行な垂直フローセル(19.2エーカーの組み合わせ)と二つの平行な栄養水中セル(4.5エーカーの組み合わせ)で構成される最適化された本格的な設計につながった。 これらの細胞型は、標的成分の広範な除去に最も効果的であることが証明された。

パイロットシステムでのテストでは、成分が垂直フローセルの土壌内に閉じ込められており、湿地のサイジングは土壌の質量あたりに保存できる除去された成分の量に基づいていることが実証されました。 細胞がもはや成分を除去して含有することができなくなると、土壌を除去して埋め立てすることができる。 各細胞が総合的に並ぶので、閉鎖はまた選択である。

本格的な湿地は、一つの重要な例外を除いて自然を模倣するように設計されました。

垂直フローセルは懸念される成分を捕捉する上で例外的であることが証明されたが、表面でのそれらの濃度は、湿地に引き寄せられる無数の種の野性生物の暴露の問題を提起した。 ウェスタールは、捕獲された構成要素が野生生物の動きを介して湿地から離れて移動する可能性があることを懸念していた。

高濃度の地表では、植物や上部土壌層の除去と交換をより頻繁に行う必要があります。 水は細胞間で圧送されることになっていたため、Burns&McDonnellのコンサルタントは、「ボトムアップ」アプローチのために、細胞の底から充填し、処理された水を表面に集 これは、成分を表面の数フィート下に集中させ、野生生物を保護し、維持を大幅に減らすことによって両方の懸念を解決しました。

野生生物への悪影響を避けることは、この地域の一般的な種といくつかの珍しい種の高濃度のために懸念されていました。 絶滅の危機に瀕している最小アジサシは湿地の近くに大きな営巣コロニーを持っており、JECには7,000エーカー以上が釣りや狩猟のために一般に公開され、カンザス州野生動物公園観光局と協力して管理されている。

ユーティリティによって生成されたシステムに関するビデオでは、プラントサポートとエンジニアリングのWestarマネージャーであるAndy Evansは、CWTSを”自然とのエンジニアリング”と呼んでいます。”ブラッドLoveless、環境サービスのエグゼクティブディレクターは、湿地が”何千年もの間起こっている自然の特徴に依存していることを説明しています。”

複数の利点

Westarは、CWTSが代替案と比較した場合、複数の利点を提供することを発見しました。

自然な”緑”の解決。 本格的な湿地は、利用可能な、天然に存在する土壌、植物材料、および土壌微生物を使用しています。 湿地は太陽からエネルギーを取り込み、大気から二酸化炭素を除去します。 制御された土の湿気の条件の下で、各湿地の細胞はスクラバーの廃水の流水で見つけられるinorganicsおよび金属を化学的に処理し、取り、隔離するシステムの固有の機能を高め、最大にする植物の根が付いている土の微生物の相互関係を高めるために管理することができる。

フルスケールの湿地はゼロ液体の排出または深い井戸の注入のような他の選択と比較されたときエネルギー使用法の重要な節約を提供する。 装置およびプロセスに使われるより少ないエネルギーはより多くのエネルギーが顧客のために利用できることを意味します。 例えば、湿地は、落下フィルム蒸発器によって必要とされる年間エネルギーコストの5%未満を表す。

持続可能な解決策。 構築された湿地システムは、通常、機械的処理システム(つまり、すべてのサイトに適しているわけではありません)よりも多くの土地面積と、植物、根、およ しかし、それらが完全に機能するようになると、建設された湿地は”受動的”で長期的な持続可能な治療システムになるように設計されています。 それらは機械処置と比較される少しだけエネルギーおよび維持を要求し、作動し、維持してが経済的です。

社会的な解決策。 多くの重要な利害関係者は、湿地とそれが社会に提供するユニークな機能と価値を好むことが判明しました。 例えば、湿地は、小川、川、池、湖をきれいに保つのに役立つ生物学的フィルターとして機能します。 彼らはまた、多様な野生動物のための貴重な生息地を提供します。

湿地は扱われた水が植物で再使用のために開拓されるようにする。 (水の利用可能性の制約に直面している世界中の発電所の数が増えているため、これは検討する価値のある解決策かもしれません。)

湿地処理システムは、代替ゼロ液体排出処理と比較して、40年間で15万ドルの正味現在価値の利益をもたらすことが期待されています。 この節約には、westarがより低い料金で顧客に利益をもたらすと述べている資本と営業の節約の両方が含まれています。

将来のシステムのためのモデル

Westarはすでに、関心のあるユーティリティのための多数の業界の技術プレゼンテーションやサイトツアーを通じて、開発の課題と成功を共有しています。 それは他の代わりより改善された性能そしてかなり安価を両方提供する企業の残りに代わりとなる水処理プロセスのモデルを提供するために これらの指標の両方は、化石火力発電ユニットにとってますます重要です。

サイト固有の要因は、代替治療アプローチの実行可能性に常に役割を果たしているが、Westarのために、一番下の行は明らかである:本格的な湿地システムと硫酸塩除去の総負荷コストは36.2百万ドルであった。

エジソン電気研究所は、プロジェクトに毎年エジソン賞を与えることにより、月にJEC CWTSの重要性を認識しました。 パワーは、私たちの最初の水賞でWestarとそのスタッフのためのお祝いのコーラスに参加することを誇りに思っています! 革新的な思考、犠牲、有効な係争物受寄者コミュニケーションおよび時機を得た実施をしない設計のための賞賛。 ■

—Gail Reitenbach、PhDはPOWERの編集者です(@GailReit、@POWERmagazine)。