專利名稱：作為煅燒石膏中的汞釋放控制劑的活性炭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在煅燒石膏期間提供汞吸附的方法，其中該方法利用汞吸附劑， 如活性炭和/或其衍生物，以捕獲煅燒期間從石膏中釋放的汞。相關(guān)技術(shù)的說明人們已經(jīng)知道發(fā)電設(shè)備排放的如二氧化硫(SO2)，氮氧化物(NOx)和汞(Hg)對(duì)人體 健康和環(huán)境產(chǎn)生有害的影響。在美國(guó)目前燃煤發(fā)電廠是SO2排放的主要原因。為減少SO2 排放，國(guó)會(huì)通過了 1990年《清潔空氣法修正案》(法令)以調(diào)控由發(fā)電廠產(chǎn)生的SO2排放。為遵守該法令，發(fā)電廠一般采用兩種策略之一來控制SO2排放1)使用高成本，低 硫的煤；或者2)安裝排氣脫硫(FGD)系統(tǒng)以在廢氣流釋放到大氣之前吸收其中的S02。目 前，美國(guó)約22%的燃煤發(fā)電廠使用FGD系統(tǒng)來達(dá)到法定的SO2排放水平，并且該比例預(yù)計(jì)在 下一個(gè)七年中會(huì)翻倍，以響應(yīng)將來的調(diào)控。應(yīng)用最廣泛的FGD系統(tǒng)是使用鈣基吸附劑(如石灰、石灰石)和強(qiáng)制氧化的濕式 除塵器。當(dāng)載有SO2的廢氣通過FGD系統(tǒng)，當(dāng)SO2暴露于水和石灰石中時(shí)，SO2作為硫酸鈣二 水合物(CaSO4 · 2H20)，碧玄巖(2CaS04 · H2O)和無水石膏(CaSO4)的各種組合形式被吸收。 典型地，沉淀物還包括方解石(CaCO3),和少量的飛灰和碳粒。含有水合形式的硫酸鈣的沉 淀物稱作FGD石膏，或者合成石膏，以便與以天然礦物質(zhì)形式存在的石膏進(jìn)行區(qū)分，后者實(shí) 質(zhì)上由硫酸鈣二水合物組成。FGD石膏的商業(yè)應(yīng)用包括但不限于，墻板、結(jié)構(gòu)性填充、骨料、 采礦用途、波特蘭水泥、石膏(plaster)、玻璃制造、制藥填料、紙、塑料、樓面系統(tǒng)、燃料添加 劑和農(nóng)業(yè)應(yīng)用，如土壤穩(wěn)定化和土壤中和。FGD石膏的一種最常見的應(yīng)用是墻板生產(chǎn)，其中生FGD石膏在反應(yīng)器中于250至 380° F煅燒(或燒成石灰)以形成灰泥，該灰泥被進(jìn)一步再水合并加工成墻板。事實(shí)上， 約70%的生F⑶石膏用于商業(yè)墻板生產(chǎn)。除SO2之外，痕量的汞也可存在于被濕式FGD系統(tǒng)處理的廢氣中。作為FGD系統(tǒng) 中的石膏沉淀物，部分汞可用FGD石膏捕獲。F⑶石膏中發(fā)現(xiàn)的汞一般源自于煤。美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)已收集世界范圍的包 括7000多個(gè)煤樣品的煤信息數(shù)據(jù)。這些樣品的分析統(tǒng)計(jì)顯示平均汞含量為170ppb，最高汞 含量高達(dá)1. 8ppm。當(dāng)煤燃燒時(shí)，煤中的汞釋放到廢氣流中。由此產(chǎn)生的“逃逸的”萊，無論或是元素汞 的形式或者離子化的汞，可以利用現(xiàn)有的控制方法捕獲。最常見的方法包括汞吸附劑(如 活性炭)注入到廢氣流中以吸附逃逸的汞，接著通過微?？刂圃O(shè)備隨后捕獲含有汞的活性 炭。盡管活性炭能夠吸附逃逸的汞，但活性炭注入通常需要使用大量的活性炭，其成 本高，并且可能不能充分地從廢棄流中除去所有逃逸的汞。因此，F(xiàn)GD石膏通常包含一定量 的汞，這些汞在煅燒過程中被釋放到環(huán)境中。FGD石膏煅燒期間釋放的汞量不同。研究顯示FGD石膏中包含的汞的0. 6%至50% 在煅燒期間被釋放到環(huán)境中，取決于FGD石膏的類型和初始汞含量。
盡管活性炭注入在控制煤燃燒產(chǎn)生的汞釋放中是最成熟的技術(shù)，然而它還不能用 于控制石膏煅燒期間的汞釋放。如上討論，需要大量的活性炭來捕獲廢氣流中的逃逸汞。然 而，當(dāng)用于石膏煅燒時(shí)，這樣大量的活性炭可能影響所生產(chǎn)的灰泥的質(zhì)量，包括如灰泥的外 觀、立方體強(qiáng)度、再水合時(shí)間以及泡沫產(chǎn)生/退化性質(zhì)。因此，在由FGD石膏制造墻板時(shí)，需要一種提供有效的汞釋放控制的方法。更一般 地說，在石膏煅燒期間，需要一種提供有效的汞釋放控制的方法。此外，在石膏煅燒期間，需 要提供一種有效的汞釋放控制，而基本上不影響所得灰泥的性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于在煅燒包含汞的石膏期間控制汞釋放的方法。更具體地，本 發(fā)明涉及用于控制石膏煅燒期間汞釋放的方法，該方法使汞被安全地保留在灰泥產(chǎn)品中。 本方法包括提供含有汞的石膏，和煅燒反應(yīng)器；在反應(yīng)器中提供汞吸附劑，如活性炭和/或 其衍生物；以及在反應(yīng)器內(nèi)煅燒石膏以形成灰泥。優(yōu)選地，灰泥的汞含量基本上接近未煅燒 的石膏的汞含量，同時(shí)存在相對(duì)少量的汞吸附劑的情況下，灰泥的應(yīng)用性質(zhì)基本上保持不 受影響。在精制中，應(yīng)用性質(zhì)包括但不限于，立方體強(qiáng)度、再水合時(shí)間和溫度，和泡沫產(chǎn)生/ 退化性質(zhì)及其結(jié)合。優(yōu)選地，石膏選自天然石膏、FGD(或合成)石膏及其混合物。石膏可選擇地包含 其他添加劑或者雜質(zhì)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，石膏是FGD石膏。石膏在反應(yīng)器內(nèi)煅燒形成灰泥。不受任意具體理論的約束，石膏的煅燒除去了至 少一部分起初包含于其中的水分。優(yōu)選地，本發(fā)明的煅燒是批處理，其在密閉的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn) 行，如熔爐、窯、釜或者其他封閉設(shè)施。其他煅燒工藝，如連續(xù)煅燒工藝，也可被利用并視為 屬于本發(fā)明的范圍。正常情況下，當(dāng)在反應(yīng)器內(nèi)煅燒石膏時(shí)，汞可能以元素汞或者離子化汞的形式釋 放到環(huán)境中。然而，通過使用本發(fā)明的方法，將汞吸附劑提供在反應(yīng)器中，用于吸附石膏煅 燒期間釋放的汞。在精制中，汞吸附劑是活性炭或其衍生物。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，汞吸附 劑選自活性炭、鹵化活性炭及其混合物。優(yōu)選地，汞吸附劑是在煅燒石膏之前提供在反應(yīng)器中，例如在石膏裝入反應(yīng)器之 前與石膏形成混合物，或者可選地，在煅燒開始之前，將汞吸附劑作為獨(dú)立的批量裝到反應(yīng) 器內(nèi)。然而，盡管次優(yōu)選的，汞吸附劑也可以在石膏煅燒期間或者煅燒之后提供到反應(yīng)器 中。在這種情況下，使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的適宜方法或者設(shè)備，將汞吸附劑注入或 者噴入反應(yīng)器內(nèi)。在煅燒后，汞吸附劑優(yōu)選地被摻入煅燒產(chǎn)品，即灰泥中，該汞吸附劑含有被吸附的 汞。為評(píng)估汞吸附劑在石膏煅燒期間控制汞釋放的有效性，測(cè)定灰泥中汞的含量，并與未煅 燒石膏的汞含量進(jìn)行比較。意料之外的是，發(fā)現(xiàn)在煅燒石膏期間，相對(duì)少量的汞吸附劑提供 了有效的汞釋放控制。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，反應(yīng)器中提供的汞吸附劑的量是基于裝載在反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì) 的總重量的0. 01-2. 00wt%。然而，發(fā)現(xiàn)較高量的汞吸附劑也可以提供在反應(yīng)器中，以實(shí)現(xiàn) 類似的或者稍微更好的汞釋放控制，因此也應(yīng)視為屬于本發(fā)明的范圍。然而，使用較高濃度的汞吸附劑可降低本發(fā)明方法的成本效益，增加吸附劑/石膏混合物的燃燒性和/或爆 炸性，更重要地，可能不利地影響石膏產(chǎn)品的性質(zhì)，因?yàn)榛夷喈a(chǎn)品中摻入了較高濃度的吸附 劑。因此，優(yōu)選的是在本發(fā)明的方法中使用低濃度的汞吸附劑，使得灰泥的應(yīng)用性質(zhì)，如立 方體強(qiáng)度、再水合時(shí)間和溫度、泡沫產(chǎn)生/退化性質(zhì)，與用相同方法但不含汞吸附劑所生產(chǎn) 的灰泥相比，保持基本不受影響。因?yàn)楸绢I(lǐng)域這種應(yīng)用性質(zhì)的評(píng)價(jià)是眾所周知的，并在本發(fā) 明中作一般性描述，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在無過度試驗(yàn)的情況下能夠確定本發(fā)明方法中 使用的汞吸附劑的用量限度，以生產(chǎn)具有基本上未受影響的應(yīng)用性質(zhì)的灰泥。在一種實(shí)施方式中，汞吸附劑是以基于反應(yīng)器內(nèi)裝載的物質(zhì)總重量的約0. 01%至 約2. 00%的量存在。然而，該示范性范圍不應(yīng)視為本發(fā)明范圍的限制。其他濃度，或者低于 0. 01wt%或高于2. 00襯％也是可以使用的，只要該濃度在石膏煅燒期間提供有效的汞釋放 控制，并基本上不影響煅燒產(chǎn)生的灰泥的應(yīng)用性質(zhì)。以下將更加詳細(xì)地描述本發(fā)明用于在煅燒石膏期間提供有效的汞釋放控制，且基 本上不影響灰泥的應(yīng)用性質(zhì)的方法的其他優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。雖然本發(fā)明僅公開了有限的實(shí)施方 式，但對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說不同的變化是顯而易見的。附圖簡(jiǎn)要說明為了更徹底的理解本發(fā)明的方法，現(xiàn)參考附圖，其中

圖1用圖形說明用于煅燒石膏的示范性的反應(yīng)器；圖2用圖形說明活性炭的微觀視圖(SEM圖像)；圖3用圖形說明溴化活性炭的微觀視圖(SEM圖像)；圖4用圖表說明汞吸附劑對(duì)本發(fā)明方法生產(chǎn)的灰泥的立方體強(qiáng)度的影響；圖5用圖表說明汞吸附劑對(duì)本發(fā)明方法生產(chǎn)的灰泥的再水合溫度曲線的影響；圖6用圖表說明汞吸附劑對(duì)本發(fā)明方法生產(chǎn)的灰泥的泡沫產(chǎn)生性質(zhì)的影響；圖7用圖表說明汞吸附劑對(duì)本發(fā)明方法生產(chǎn)的灰泥的泡沫退化性質(zhì)的影響；當(dāng)然，應(yīng)該理解的是本發(fā)明不限于此處顯示的具體實(shí)施方式
。
具體實(shí)施例方式總的來說，本發(fā)明涉及一種在反應(yīng)器內(nèi)煅燒石膏時(shí)提供有效的汞釋放控制的方 法，其中該方法包括在反應(yīng)器內(nèi)提供汞吸附劑，并煅燒該石膏以形成灰泥。該灰泥將含有汞 和汞吸附劑。優(yōu)選地，灰泥的汞含量很接近石膏的汞含量，同時(shí)與常規(guī)灰泥相比，在吸附劑 和汞存在的情況下，所述灰泥的一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用性質(zhì)保持基本不受影響。在優(yōu)選的實(shí)施方 式中，一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用性質(zhì)選自立方體強(qiáng)度、再水合時(shí)間、再水合溫度，泡沫發(fā)生性質(zhì)、泡沫 退化性質(zhì)及其結(jié)合。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明的方法包括在反應(yīng)器內(nèi)提供低濃度的汞吸附劑，還 有石膏，并煅燒該石膏以形成灰泥；該灰泥含有的汞含量與未煅燒的石膏的汞含量很接近， 其中汞吸附劑選自活性炭、鹵化活性炭及其混合物。生石膏本發(fā)明的被煅燒的石膏是一種包括硫酸鈣二水合物(CaSO4 · 2H20)的物質(zhì)。該石 膏可包括天然產(chǎn)生的石膏以及FGD石膏，F(xiàn)GD石膏是電廠利用上述討論的燒煤鍋爐通過FGD 系統(tǒng)化學(xué)地產(chǎn)生。與實(shí)質(zhì)上由硫酸鈣二水合物組成的天然石膏不同，F(xiàn)GD石膏通常由硫酸鈣二水合物(CaSO4 · 2H20)、碧玄巖(2CaS04 · H2O)、無水石膏(CaSO4)、方解石(CaCO3)和有 限量的飛灰和碳粒組成。生FGD石膏是帶有低水分含量的細(xì)粒粉末。為說明本發(fā)明，術(shù)語“石膏”可包括TOD石膏、天然產(chǎn)生的石膏，以及其他包含至少 一部分硫酸鈣二水合物的物質(zhì)，其中該石膏還包含在煅燒石膏形成灰泥時(shí)需要含有的汞。 為說明本發(fā)明，術(shù)語“灰泥”用于指煅燒的產(chǎn)品，其包含至少一部分脫水石膏。石膏優(yōu)選地是小顆粒的形式，如粉末或細(xì)粒，以允許對(duì)石膏進(jìn)行均勻和有效的加 熱。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，石膏選自天然產(chǎn)生的石膏、FGD(或合成)石膏及其混合物。所 述石膏還包含其他添加劑和雜質(zhì)。在另一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，被煅燒的石膏是FGD石膏。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該石膏包含汞。優(yōu)選地，汞是包含于、嵌入或灌入石膏中。 然而，汞也可以散布或涂覆在石膏的表面。石膏中的汞含量隨石膏的來源和組成而變化。煅燒煅燒(calcination，也稱作calcining)是應(yīng)用于礦石和其他礦物的熱處理過程， 以便產(chǎn)生熱分解、相轉(zhuǎn)變、或除去揮發(fā)性成分。煅燒過程通常在低于產(chǎn)品材料熔點(diǎn)的溫度下 進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明，石膏煅燒的溫度和持續(xù)時(shí)間是可以變化的，取決于石膏的性質(zhì)、石膏的
量等因素。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，石膏在反應(yīng)器內(nèi)被煅燒形成灰泥。不受任意具體理論的 約束，石膏的煅燒除去了至少一部分起初包含于其中的水分。本發(fā)明的煅燒可以是批處理， 該處理過程在封閉的反應(yīng)器如熔爐、窯、釜或其他封閉容器中于約300° F進(jìn)行約2小時(shí)。 在一些實(shí)施方式中，煅燒可以多階段、在多反應(yīng)器中或兩者同時(shí)進(jìn)行。其他的煅燒處理，如 連續(xù)煅燒處理或者快速煅燒，也可用于本發(fā)明的方法中。參考圖1，用圖形說明一種可用作本發(fā)明的煅燒反應(yīng)器的管式燃燒釜。將常規(guī)的物 料輸送器(未示出)設(shè)置在釜11中的輸入豎管(riser) 19上，以便向釜11中提供石膏粉。 釜11中還設(shè)置混合裝置，用于混合包含于其中的研磨地石膏(ground gypsum)，以避免石 膏粉加熱中的死點(diǎn)。在圖1給出的實(shí)施方式中，混合裝置采用中心軸21的形式，該軸安裝 在軸承21a和21b上，并連接到用于旋轉(zhuǎn)軸21的驅(qū)動(dòng)裝置22上。軸21包括多個(gè)水平延伸 的混合刃23、24和25，用于混合釜11中包含的石膏粉。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常所知的其 他混合裝置也可用于提供石膏粉的充分混合。釜11包括釜外殼14，內(nèi)部的線圈型燃燒器管裝配15，以及外部的浸管式燃燒器 16。燃燒器管線圈15是由釜外殼14內(nèi)的支架17支撐，并排列成螺旋方式，以便均勻地加 熱包含在其中的石膏粉。浸管式燃燒器16是一種燃燒氣體的燃燒器，其發(fā)射火焰到燃燒器 管線圈15中，并使加熱介質(zhì)(典型地是燃燒氣體和空氣)流過管線圈15，以均勻地加熱釜 外殼14的內(nèi)容物。所選擇的燃燒器16的具體容量取決于具體的釜需要的輸出溫度和釜的 內(nèi)部容量，以及其他因素。在操作中，物料輸送器(未顯示)將石膏通過輸入豎管19傳送到釜11內(nèi)，燃燒器 16和釜11中的燃燒器管15將其中包含的石膏加熱至預(yù)定的溫度。在一種實(shí)施方式中，釜 11中的石膏被加熱至約250-380° F，優(yōu)選約300° F的溫度，時(shí)間為約2小時(shí)。不受任何 具體理論的約束，這種加熱使至少部分石膏脫水形成包含硫酸鈣半水合物的灰泥。然后將 該灰泥轉(zhuǎn)移出釜11，并可在之后再水合，用于不同的用途，包括墻板制造。當(dāng)石膏在反應(yīng)器中煅燒時(shí)，石膏中含有的汞可能釋放到環(huán)境中，或者它可粘附在
7反應(yīng)器的內(nèi)表面，或反應(yīng)器中各種結(jié)構(gòu)部件的表面。被汞吸附劑吸附的汞不應(yīng)視為釋放到 環(huán)境中的汞，因?yàn)楣絼┍话踩負(fù)饺牖夷嘀?。這樣，通過本發(fā)明的技術(shù)，F(xiàn)GD石膏中存 在的汞與脫水石膏產(chǎn)品一起被轉(zhuǎn)移出反應(yīng)器，而不是進(jìn)入大氣或環(huán)境中。汞吸附劑根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面，將汞吸附劑提供在反應(yīng)器中，用于吸附石膏煅燒期間 釋放的汞。為說明本發(fā)明，術(shù)語“吸附”指通過吸收或吸附來吸納和保持一種物質(zhì)的過程。 因此，本發(fā)明的汞吸附劑可通過不同的機(jī)制吸納和保持石膏煅燒時(shí)釋放的汞，這些機(jī)制包 括但不限于，將汞保留在吸附劑的表面，將汞捕捉在吸附劑的孔或通道中，以及化學(xué)地或物 理地使汞成為吸附劑的一個(gè)完整部分。在精制中，汞吸附劑是活性炭或其衍生物。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，汞吸附劑選自活 性炭、鹵化活性炭或其混合物?；钚蕴渴且粋€(gè)通用術(shù)語，也稱為活性木炭或者活性煤，其涵蓋了主要源于木炭的 炭物質(zhì)。術(shù)語“活性”(activated)有時(shí)用“active”代替。無論哪個(gè)名稱，活性炭材料具有 異常高的表面積。例如，適用于本發(fā)明方法中的一種類型的活性炭和鹵化活性炭的BET表 面積分別是 1580m2/g，1534m2/g(由 ParticleTechnology Labs, Ltd.測(cè)定)活性炭及其衍生物典型地包括大量微小的孔或通道，這使它們成為優(yōu)異的吸附劑 和/或表面活化劑。用于有益用途的充分的吸附或活化作用可能僅來源于高表面積，然而 有時(shí)化學(xué)處理或者修飾，如鹵化作用或者金屬鍍層，也可用于進(jìn)一步增加對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的吸 附作用或催化作用。圖2和3分別用圖形說明適用于本發(fā)明方法的活性炭和溴化活性炭的 微孔隙。優(yōu)選地，將汞吸附劑與石膏混合，隨后在石膏被煅燒之前被裝到反應(yīng)器內(nèi)。參考圖 1，汞吸附劑可以添加到石膏中，之后將所得的混合物通過豎管19裝入釜11。在另一種實(shí)施 方式中，在石膏煅燒期間或煅燒后將石膏提供到反應(yīng)器內(nèi)以捕獲釋放的汞。這種提供可以 通過本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常知道的方法或裝置來完成。例如，可以將汞吸附劑通過1個(gè) 或者多個(gè)位于釜外殼14上的注入器或噴霧器注入或噴入釜11中。在一種實(shí)施方式中，提供在反應(yīng)器內(nèi)的汞吸附劑的濃度為裝入反應(yīng)器內(nèi)的物質(zhì)總 重量的約0.01%至約2. 00%。然而，該示范性的范圍不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。其 他濃度，或者低于0. 01襯％或者高于2. 00wt%，也可在石膏煅燒期間提供足夠的汞吸附作 用?；钚蕴渴且环N以許多等級(jí)和物理形式獲得的商業(yè)產(chǎn)品。例如，活性炭可以獲得自 Sigma-Alrdich公司，商品名Darco ，為顆粒、粉末或濕粉末的形式，并且粒徑高達(dá)4_12 目，或者小至100-325目。隨著活性炭及其作為吸附劑的用途被本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域熟知，可 以理解的是，當(dāng)閱讀本發(fā)明后，適用于本發(fā)明方法的汞釋放控制的活性炭的物理形式或粒 徑對(duì)于普通技術(shù)人員是顯而易見的。除了活性炭，本發(fā)明的汞吸附劑還可包括一種或多種活性炭的衍生物。這些衍生 物包括但不限于，鹵化活性炭或金屬鍍層的活性炭。在活性炭表面至少一部分結(jié)合金屬鍍 層，通過形成金屬_汞汞齊來改善其汞吸附作用是本領(lǐng)域所熟知的。此外，活性炭可以被鹵化，如氯化、溴化或碘化以改善其汞吸附性能。這種鹵化的 活性炭可包括一種或者多種形式的鹵素種類，如原子的、自由基的、離子化的或者分子的鹵素種類。不受任意具體理論的約束，這些鹵素種類可以吸附在活性炭上、被活性炭吸收、附 著于活性炭上或者捕獲在活性炭?jī)?nèi)，并可容易地與汞化學(xué)地/物理地相互作用，從而改善 活性炭吸附石膏煅燒期間釋放的汞的能力。活性炭鹵化的方法和裝置是本領(lǐng)域所熟知的。 例如，以下提供了用于制備溴化活性炭的一般方法。將活性炭(5g)置于燒杯中，將5ml HNO3 (70% 強(qiáng)度)，IOml HBr (50%強(qiáng)度；7. 35g Br)和85ml水添加到燒杯中，攪拌該混合物，這些物質(zhì)在燒杯中反應(yīng)1小時(shí)。通過過濾回收 固體反應(yīng)物，并用水洗滌，然后在烘箱中于120°C空氣干燥2小時(shí)。將干燥的溴化物在氬氣 中于400°C加熱1小時(shí)，并冷卻至室溫。由此所得的溴化活性炭備用于本發(fā)明的方法。盡管 這是制備溴化活性炭的示范性方法，不過它也適用于制備其他鹵化活性炭。此外，可以理解 的是，用于鹵化活性炭的其他方法對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是顯而易見的，因此不應(yīng) 視為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。除了以上披露的金屬鍍層或鹵化活性炭以外，其他已知的活性炭的修飾也可用于 本發(fā)明方法中，并且應(yīng)視為屬于本發(fā)明的范圍。汞釋放控制煅燒之后，脫水石膏優(yōu)選地實(shí)質(zhì)上由灰泥組成。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，汞吸附 齊U，與吸附在它上面或內(nèi)部的汞一起摻入灰泥中。如上所討論，可以理解的是，本發(fā)明中“汞 釋放” 一般指被釋放到環(huán)境而未保留在灰泥中的汞。為評(píng)估汞吸附劑在控制石膏煅燒期間的汞釋放的有效性，對(duì)灰泥的汞含量進(jìn)行測(cè) 量，并與石膏的汞含量比較。如果兩者汞含量合理地彼此很近似，那么釋放到環(huán)境中的汞是 微量的，這反過來表明通過本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)了有效的汞釋放控制。意外地，發(fā)現(xiàn)低濃度的汞吸附劑能夠?qū)κ囔褵陂g的汞釋放提供有效的控制。 具體地，通過在反應(yīng)器內(nèi)提供低濃度的汞吸附劑，所得灰泥的汞含量與未煅燒的石膏中的 汞含量大致相同。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，反應(yīng)器中提供的汞吸附劑的濃度是基于裝在反應(yīng)器內(nèi)的物 質(zhì)總重量的0. 01-2. 00wt%。然而，我們發(fā)現(xiàn)更高或更低濃度的汞吸附劑也可以提供在反應(yīng) 器中，以達(dá)到相似或更好的汞釋放控制，因此也應(yīng)視為屬于本發(fā)明的范圍。為評(píng)估石膏煅燒期間的汞釋放控制，用不同濃度的活性炭(AC)和溴化活性炭 (BAC)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室煅燒實(shí)驗(yàn)。三種生rec石膏(FGD A、FGD B和FGD C)用于這些實(shí)驗(yàn)中。 在實(shí)驗(yàn)中，將活性炭或者溴化活性炭(0.025-2wt% )分別添加到生F⑶石膏中。由此得到 的汞吸附劑/石膏混合物在熔爐或釜中于300° F煅燒2小時(shí)以生成灰泥。用DMA-80汞分 析儀測(cè)定灰泥的汞含量，并與生FGD石膏的汞含量進(jìn)行比較。這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果列于表1中。首先，進(jìn)行三個(gè)基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，以獲得生F⑶石膏的汞含 量。第二，進(jìn)行6個(gè)對(duì)照試驗(yàn)，以獲得不存在汞吸附劑時(shí)生成的灰泥的汞含量。最后，對(duì)于 每種類型的生FGD石膏，進(jìn)行第一系列實(shí)驗(yàn)以獲得帶有不同濃度活性炭的灰泥的汞含量， 進(jìn)行第二系列實(shí)驗(yàn)以獲得帶有不同濃度溴化活性炭的灰泥的汞含量。煅燒期間的汞釋放用汞損失(ML)表示，其定義為ML = (MCgyp-MCstu) /MCgyp X 100%其中MCgyp是生F⑶石膏的汞含量；MCstu是生成的灰泥的汞含量。如果煅燒實(shí)驗(yàn)的 ML是負(fù)值或者接近于零，則灰泥的汞含量與生FGD石膏的汞含量很接近，這說明實(shí)現(xiàn)了有效的汞釋放控制。如表1所示，在所有6個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，灰泥的汞含量明顯低于對(duì)應(yīng)的生FGD石膏 的汞含量(汞損失為2. 18-15.7%)，這證明在不存在汞吸附劑時(shí)，發(fā)生了大量汞釋放。然 而，通過添加汞吸附劑，煅燒期間的汞釋放可以被顯著地抑制甚至完全消除，通過與對(duì)照實(shí) 驗(yàn)比較，汞吸附劑存在的煅燒過程的實(shí)驗(yàn)中顯示汞損失顯著降低，可以清楚地表明該結(jié)果 (見表1)。表1AC&BAC對(duì)石膏煅燒期間的汞釋放的影響 實(shí)驗(yàn)室煅燒實(shí)驗(yàn)的結(jié)果清楚地表明，汞吸附劑提供極好的汞保留，即使在非常低 濃度如0. 025wt%時(shí)也是如此。然而，增加汞吸附劑的濃度并不一定改善煅燒期間的汞釋放 控制。因此，使用過量的汞吸附劑可能在經(jīng)濟(jì)上并不是有益的。而且，因?yàn)殪褵^程是在相 對(duì)高的溫度下進(jìn)行，包含過量的汞吸附劑可能增加石膏/汞吸附劑混合物的燃燒性和/或 爆炸性，并因此可能出現(xiàn)使用本發(fā)明方法的不必要的安全風(fēng)險(xiǎn)。最后，因?yàn)楣絼┳罱K被 摻入灰泥中，在煅燒反應(yīng)器中提供過量的汞吸附劑可能導(dǎo)致灰泥的汞吸附劑含量更高，這 可能不利地影響灰泥的應(yīng)用性質(zhì)。因此，本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于僅使用低濃度的汞吸附劑，提供石膏煅燒期間 有效的汞釋放控制，而基本不影響所生成的灰泥的應(yīng)用性質(zhì)?？偟膩碚f，當(dāng)煅燒過程的汞損 失低于相應(yīng)的對(duì)照實(shí)驗(yàn)時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了有效的汞釋放控制。優(yōu)選地，當(dāng)煅燒過程的汞損失約為 零或者接近零時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了有效的汞釋放控制。還值得注意的是，汞吸附劑的有效性取決于石膏的汞含量。具體地，盡管在煅燒低 汞含量的石膏(如FGD A和B)期間實(shí)現(xiàn)了有效的汞釋放控制，但在煅燒高汞含量的石膏 (如FGD C)期間，用相同濃度的汞吸附劑通常不夠有效。在這種情況下，可能需要較高濃度 的汞吸附劑以實(shí)現(xiàn)所需要的汞釋放控制。因?yàn)樘峁┑椒磻?yīng)器中的汞吸附劑優(yōu)選地基本不影響灰泥的一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用性質(zhì)， 提供到反應(yīng)器中的汞吸附劑的最大濃度可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明和本領(lǐng)域 的一般常識(shí)來確定，不需要進(jìn)行不必要的實(shí)驗(yàn)。這種應(yīng)用性質(zhì)包括立方體強(qiáng)度、再水合時(shí)間 和溫度，灰泥泡沫產(chǎn)生和泡沫退化?；夷嘈再|(zhì)_強(qiáng)度
為評(píng)估汞吸附劑對(duì)灰泥強(qiáng)度的影響，將不同濃度的汞吸附劑分別與FGDA-C混合， 并于300° F下煅燒2小時(shí)以形成灰泥。石膏樣品由灰泥和水、淀粉、促進(jìn)劑和其他添加劑 制成。幾種對(duì)照石膏也類似地由灰泥制備，該灰泥是在不存在汞吸附劑的情況下通過煅燒 FGD A-C生成。石膏樣品或?qū)φ帐喽荚诹⒎襟w中鑄造。根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的標(biāo)準(zhǔn) 程序測(cè)試立方體的強(qiáng)度。
立方體強(qiáng)度測(cè)試的結(jié)果列于表2，并進(jìn)一步在圖4中說明，兩者都表明含有汞吸附 劑的灰泥的立方體強(qiáng)度基本上與對(duì)照樣品的強(qiáng)度(不含汞吸附劑的灰泥)相似。為說明本 發(fā)明，當(dāng)石膏樣品的立方體強(qiáng)度在對(duì)照石膏立方體強(qiáng)度的15%變化范圍內(nèi)時(shí)，就達(dá)到基本 相似的立方體強(qiáng)度。在本發(fā)明方法的一種實(shí)施方式中，提供到煅燒反應(yīng)器內(nèi)的汞吸附劑的 濃度并不對(duì)該方法產(chǎn)生的灰泥強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。也就是說，含有汞吸附劑的灰泥的立方 體強(qiáng)度是在不含汞吸附劑的灰泥強(qiáng)度的15%變化范圍內(nèi)。表2汞吸附劑對(duì)立方體強(qiáng)度的影響 灰泥的性質(zhì)-再水合灰泥的另一個(gè)重要的應(yīng)用性質(zhì)是再水合時(shí)間和溫度。在墻板生產(chǎn)期間，灰泥與水 和其他添加劑混合以形成石膏(plaster)。然后將它在模具中鑄造、擠壓，用作表面的厚漿 體，或者疊在紙板之間。添加劑用于改變石膏的密度，并且對(duì)于石膏板來說，有助于該石膏 與紙機(jī)械地結(jié)合。在生產(chǎn)過程中，添加過量水以確保石膏充分再水合重回到二水合物形式，并且為 生產(chǎn)過程提供足夠的流動(dòng)性。典型地，再水合作用伴隨著溫度的增加和石膏的輕微膨脹。然 后，簡(jiǎn)單地通過蒸發(fā)作用或者將其加熱到高至250°C并保持多至60分鐘使石膏干燥，除去 過量的水，同時(shí)石膏凝固。再水合過程的重要參數(shù)包括達(dá)到50%再水合所需要的時(shí)間，再水 合的硫酸鈣達(dá)到最終凝固所需要的時(shí)間，以及再水合過程的溫度曲線。為評(píng)估汞吸附劑對(duì)本發(fā)明方法產(chǎn)生的硫酸鈣的再水合作用的影響，進(jìn)行溫度上升 凝固(TRS)試驗(yàn)，以測(cè)量和記錄再水合時(shí)間，凝固時(shí)間，以及本發(fā)明方法產(chǎn)生的硫酸鈣的再 水合溫度曲線。對(duì)于每種生石膏，還針對(duì)不存在汞吸附劑的情況下通過煅燒產(chǎn)生的硫酸鈣 再水合進(jìn)行了對(duì)照TRS試驗(yàn)。用于TRS試驗(yàn)的石膏配方與立方體強(qiáng)度試驗(yàn)中所用的相同。將石膏留下通過蒸發(fā) 作用干燥，同時(shí)在整個(gè)再水合過程中監(jiān)測(cè)和記錄上述參數(shù)。TRS試驗(yàn)的結(jié)果列于表3，其清 楚地顯示低濃度的汞吸附劑并不會(huì)對(duì)石膏的50%再水合時(shí)間和最終凝固時(shí)間產(chǎn)生不利影 響。例如，含有汞吸附劑的石膏的50%再水合時(shí)間和最終凝固時(shí)間都是在對(duì)照石膏的6% 變化范圍內(nèi)。表30. 1 %活性炭的LG&E和IPL灰泥的TRS數(shù)據(jù)和結(jié)果 再水合過程的溫度曲線也列于表3，并在圖5中進(jìn)一步說明。含0. 1襯％汞吸附劑 的石膏樣品的溫度曲線與對(duì)照石膏(不含汞吸附劑)的溫度曲線很接近。例如，溫度上升 的最大速率，最終的凝固溫度，和石膏樣品總的溫度上升都是在對(duì)照石膏的10%變化范圍 內(nèi)，與使用的汞吸附劑的類型無關(guān)?；夷嘈再|(zhì)-泡沫產(chǎn)生/退化圖6和圖7顯示汞吸附劑對(duì)泡沫產(chǎn)生和退化的影響。兩個(gè)圖都顯示汞吸附劑影響 泡沫產(chǎn)生和退化。與對(duì)照品(不含汞吸附劑)相比，溴化活性炭產(chǎn)生更多泡沫體積，而活性 炭產(chǎn)生較少。另一方面，它們對(duì)泡沫產(chǎn)生和退化的影響是相反的，活性炭與溴化活性炭相比 顯示更好的泡沫退化性能。然而值得注意的是，泡沫產(chǎn)生和退化試驗(yàn)是用汞吸附劑進(jìn) 行，這可能高于在石膏煅燒期間提供有效的汞釋放控制所需要的量。盡管僅提出某幾種實(shí)施方式，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，從以上描述得到替代 的實(shí)施方式和各種變化是顯而易見的。這些和其他替代的實(shí)施方式視為等同的，并且都屬 于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種控制石膏煅燒期間的汞釋放的方法，包括提供石膏和煅燒反應(yīng)器，該石膏含有汞；在所述煅燒反應(yīng)器內(nèi)提供汞吸附劑；在所述反應(yīng)器內(nèi)煅燒石膏以形成灰泥；使所述石膏中包含的汞被所述汞吸附劑吸附；和將所述汞吸附劑保留在灰泥中。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述石膏是FGD石膏。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述汞吸附劑選自活性炭、鹵化活性炭及其混合物。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述煅燒石膏是在約300°F進(jìn)行。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述汞吸附劑是在煅燒石膏之前提供到反應(yīng)器內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述汞吸附劑是以基于所述反應(yīng)器內(nèi)放入的材料總 重量的約0. 01%至約2. OOwt%的量提供到所述反應(yīng)器中。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述汞吸附劑保留在灰泥中對(duì)所述灰泥的至少一種 應(yīng)用性質(zhì)沒有不利影響。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述灰泥的至少一種應(yīng)用性質(zhì)選自立方體強(qiáng)度、最 終凝固時(shí)間、50%再水合時(shí)間、溫度上升的最大速率、最終凝固溫度和總的溫度上升。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中煅燒所述石膏期間的汞損失小于煅燒不含汞吸附劑 的石膏期間的汞損失。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中煅燒所述石膏期間的汞損失不超過約2%。
11.一種控制石膏煅燒期間的汞釋放的方法，包括 提供石膏和煅燒反應(yīng)器，該石膏含有汞；在所述煅燒反應(yīng)器內(nèi)提供汞吸附劑； 在反應(yīng)器內(nèi)煅燒所述石膏以形成灰泥；和 將所述汞吸附劑保留在灰泥中；其中，在其他相同的條件下，煅燒所述石膏期間的汞損失小于煅燒不含汞吸附劑的石 膏期間的汞損失。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中煅燒所述石膏期間的汞損失不超過約2%。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述石膏是FGD石膏。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述汞吸附劑選自活性炭、鹵化活性炭及其混合物。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述汞吸附劑提供到反應(yīng)器中對(duì)所述灰泥的至少 一種應(yīng)用性質(zhì)沒有不利影響。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述灰泥的至少一種應(yīng)用性質(zhì)選自立方體強(qiáng)度、 最終凝固時(shí)間、50%再水合時(shí)間、溫度上升的最大速率、最終凝固溫度和總的溫度上升。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述灰泥的立方體強(qiáng)度是在不含汞吸附劑所形成 灰泥的參考立方體強(qiáng)度的約15%變化范圍內(nèi)。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述灰泥的最終凝固時(shí)間是在不含汞吸附劑所形 成灰泥的參考最終凝固時(shí)間的約6%變化范圍內(nèi)。
19.一種控制石膏煅燒期間的汞釋放的方法，包括提供石膏和煅燒反應(yīng)器，該石膏含有汞； 將汞吸附劑與所述石膏混合以形成混合物； 將所述混合物進(jìn)料到所述煅燒反應(yīng)器中； 在所述反應(yīng)器內(nèi)煅燒所述石膏以形成灰泥；和 將所述汞吸附劑保留在所述灰泥中，其中煅燒所述石膏期間的汞損失小于煅燒不含汞吸附劑的石膏期間的汞損失。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述汞吸附劑選自活性炭、鹵化活性炭及其混合 物，并且所述汞吸附劑是以基于反應(yīng)器內(nèi)放置的材料總重量的約0. 01至約2. 00襯％的量 提供到所述反應(yīng)器中。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在石膏煅燒期間提供有效的汞釋放控制的方法。該方法包括提供反應(yīng)器和含有汞的石膏；向所述反應(yīng)器中提供汞吸附劑，如活性炭和/或其衍生物；以及在反應(yīng)器中煅燒石膏以形成灰泥。石膏中存在的汞污染物在煅燒過程中被汞吸附劑吸附。該灰泥的汞含量基本上與未煅燒石膏的汞含量近似。
文檔編號(hào)C04B11/02GK101883743SQ200880114296
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2008年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月9日
發(fā)明者文琦·欒 申請(qǐng)人:美國(guó)石膏公司