專利名稱：利用部分氣化的煤以除去汞的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤的燃燒，并且特別是涉及吸附劑的產(chǎn)生以俘獲在煤燃燒過程中產(chǎn)生的煙道氣中的汞(Hg)。
背景技術(shù)：
煤燃燒產(chǎn)生的排放物可包含揮發(fā)性金屬例如汞(Hg)。長期以來意識到需要減少來自燃煤加熱爐和其它工業(yè)煤燃燒系統(tǒng)的氣體排放物中的汞。當汞在煤燃燒過程中揮發(fā)時，其進入由燃燒產(chǎn)生的煙道氣中。一些已揮發(fā)的汞可被已注射的吸附劑俘獲并通過微粒收集系統(tǒng)被除去。如果未被俘獲，汞可與來自盤管式鍋爐的煙囪廢氣一起進入大氣。汞是一種污染物。因此，所希望的是在煙囪排放前，大量俘獲煙道氣中的汞。
注射作為俘獲煙道氣中的汞的吸附劑的活性碳是一種已公知的汞控制技術(shù)。參見例如Pavish等，“用于燃煤動力設(shè)備的汞控制選擇的狀況評述(Status review of mercury control options for coal-firedpower plants)”，燃料處理技術(shù)(Fuel Processing Technology)82，89-165頁(2003)。根據(jù)煤的類型和排放物控制系統(tǒng)的具體構(gòu)造，例如在微粒收集器或緊湊型袋式集塵室之前進行注射，所述微粒收集器或緊湊型袋式集塵室被加在現(xiàn)有靜電微?？刂蒲b置ESP后面，和煤的類型，通過活性碳注射得到的汞的去除效率在60％到90％的范圍內(nèi)。
在燃煤動力設(shè)備中利用活性碳控制汞的成本傾向于較為昂貴。參見例如布朗(Brown)等，“對來自燃煤動力設(shè)備的汞排放物的控制初步成本評估和用于準確評估控制成本的后續(xù)步驟”，燃料處理技術(shù)(Fuel Processing Technology)65-66，311-341頁(2000)。利用活性碳注射除去汞的典型成本通常在$ 20,000/磅除去的汞到$70,000/磅汞的范圍內(nèi)。該成本受到吸附劑成本的支配。因此，長期以來意識到需要以經(jīng)濟方式生產(chǎn)活性碳吸附劑。通過降低吸附劑的成本，從煙道氣中除去汞的成本可被大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明可被實施作為一種用于俘獲由固體燃料燃燒形成的煙道氣中的汞的方法，包括燃燒煤，其中燃燒過程中釋放的汞被夾帶在由燃燒產(chǎn)生的煙道氣中；通過在燃燒固體燃料的同時，在氣化器中就地使固體燃料部分地氣化，產(chǎn)生熱活化的含碳吸附劑；將氣化的固體燃料注入煤的燃燒中；將熱活化的吸附劑注入煙道氣中，以及在廢物處理系統(tǒng)中收集注射的吸附劑。
此外，本發(fā)明的另一個實施例是一種用于俘獲由固體燃料燃燒形成的煙道氣中的汞的方法，包括在加熱爐或鍋爐中燃燒固體燃料，其中燃燒過程中釋放的汞被夾帶在燃燒產(chǎn)生的煙道氣中并流至廢物處理系統(tǒng)；通過在加熱爐或鍋爐加熱時，在氣化器中就地使碳固體燃料部分地氣化，產(chǎn)生熱活化的含碳吸附劑；將來自氣化器的氣化器燃料注入加熱爐或鍋爐內(nèi)；將熱活化的吸附劑注入廢物處理系統(tǒng)的煙道氣管道中；利用注射的吸附劑俘獲至少一些被夾帶的汞；在廢物處理系統(tǒng)中收集帶有汞的注射吸附劑。
本發(fā)明還可被實施作為一種用于從煙道氣中俘獲汞的系統(tǒng)，包括被布置以接收煤和空氣的加熱爐或鍋爐且還包括煤和空氣注射系統(tǒng)，和用于燃燒煤和空氣的燃燒區(qū)域；被連接以接收在加熱爐或鍋爐的燃燒中產(chǎn)生的煙道氣的廢物處理系統(tǒng)，其中所述廢物處理系統(tǒng)包括吸附劑注射器和吸附劑收集裝置；吸附劑發(fā)生器，所述吸附劑發(fā)生器還包括具有固體碳燃料的入口的氣化器，氣化室，在所述氣化室內(nèi)固體碳燃料被至少部分地燃燒以產(chǎn)生吸附劑和氣化的燃料；在氣化器和吸附劑注射器之間的用以將吸附劑輸送至注射器的管道，和在氣化器與煤和空氣注射系統(tǒng)之間的用以將氣化的燃料輸送至注射系統(tǒng)的管道。


圖1是具有用于產(chǎn)生吸附劑的氣化器，以及微粒和吸附劑控制裝置的燃煤加熱爐的示意圖；圖2是典型的固體燃料氣化器的側(cè)視截面圖；圖3是示出了關(guān)于氣化器滯留時間對吸附劑中的碳含量的影響的試驗數(shù)據(jù)的曲線圖；和圖4是示出了關(guān)于與氣化區(qū)域中的化學計量相關(guān)的吸附劑中的碳含量的試驗數(shù)據(jù)的曲線圖。
具體實施例方式
碳基吸附劑對于從煙道氣中除去汞是有效的。已經(jīng)開發(fā)出一種用以通過在氣化器中使煤或其它含碳燃料部分氣化而產(chǎn)生熱活化的汞吸附劑的系統(tǒng)和方法。所述熱活化的吸附劑可在現(xiàn)有微粒控制裝置(PCD)上游，或如果存在專用于吸附劑的下游微粒控制系統(tǒng)，則在微粒控制裝置的下游，被注入到含汞煙道氣中。熱活化的吸附劑由與設(shè)備燃燒的煤相同的煤或由其它含碳固體燃料產(chǎn)生。
當前系統(tǒng)和方法通過將局部產(chǎn)生的熱活化的碳基吸附劑注入煙道氣中并將煙道氣中的汞吸收到吸附劑上而減少了來自燃煤鍋爐的煙囪的汞排放物。與傳統(tǒng)的活性碳注射相比，這種方法的優(yōu)點包括(不限于)產(chǎn)生熱活化的吸附劑所需的設(shè)備的低資本成本；減少了用以儲存活性碳的料倉的需要，和吸附劑生產(chǎn)的相對較低的成本。
圖1示出了包括煤源12、鍋爐14和燃燒廢物處理系統(tǒng)16的燃煤動力設(shè)備10。所述鍋爐包括固體燃料注射系統(tǒng)18和空氣注射器20。煤和空氣的混合物在鍋爐內(nèi)的燃燒區(qū)域22中進行燃燒。燃燒區(qū)域中產(chǎn)生的煙道氣可包括在燃燒過程中從煤中釋放的汞。
煙道氣流動通過鍋爐并流入廢物處理系統(tǒng)的管道24，煙道氣在此冷卻。廢物處理系統(tǒng)16包括吸附劑注射系統(tǒng)26、具有排灰裝置30的微?？刂蒲b置(PCD)28和用于煙道氣排放的煙囪32。吸附劑注射系統(tǒng)可將吸附劑注入微?？刂蒲b置上游的管道24中。此外或另一種可選實施方式是，如果專用吸附劑微粒收集裝置34被包括在廢物處理系統(tǒng)16中，吸附劑可被注入微?？刂蒲b置的下游。
吸附劑從吸附劑發(fā)生器38的吸附劑排出槽36流出。在發(fā)生器中，煤或其它含碳固體燃料40在產(chǎn)生熱活化的碳吸附劑的氣化器42中被部分氣化。氣化器可使吸附劑與氣體一起通過槽36排入管道24內(nèi)。另一種可選實施方式是，在氣化器中產(chǎn)生的熱活化的固體吸附劑在旋風分離器44中從其它氣化產(chǎn)物中分離出來。吸附劑和氣體燃料產(chǎn)物的混合物進入旋風分離器44的入口。吸附劑的固體顆粒從旋風分離器中被排入吸附劑槽36內(nèi)。氣化器和旋風分離器可與廢物處理系統(tǒng)16就地在一起。來自氣化器的氣體產(chǎn)物流動通過管道46并流至煤注射器18，并流入鍋爐中的燃燒區(qū)域22中。
圖2示意性地示出了固體燃料氣化器42的截面，所述固體燃料氣化器可以是一種常規(guī)裝置。該氣化器包括垂直氣化室50，固體燃料顆粒40和熱量被注入到所述氣化室中。燃料顆粒在氣化室50中的燃燒產(chǎn)生吸附劑和氣化燃料。用于吸附劑燃燒的固體燃料可以是煤、生物燃料、污水污泥、廢產(chǎn)物或其它含碳固體燃料。在氣化室50中布置阻氣門52以調(diào)節(jié)燃料在室內(nèi)的滯留時間。在氣化器室中0.5至10秒的滯留時間通常優(yōu)選用于產(chǎn)生吸附劑。熱電偶56被布置在氣化室50和加熱室41中以監(jiān)控這些室中的溫度。
在一個實例中，氣化器42可由不銹鋼形成且其內(nèi)壁帶有耐火材料襯里。固體燃料氣化所需的熱量由天然氣和空氣的燃燒提供。水平排列的加熱室41可具有8英寸(in.)的內(nèi)徑。煤40被注入到氣化室50內(nèi)，所述氣化室可具有12英寸(in.)的內(nèi)徑。氮氣或空氣可被用作固體燃料的輸運介質(zhì)。
固體燃料40通過帶有水套的注射器58被注射到氣化室50的上端處。輸運氣體51通過燃料注射器53被注射以將固體燃料顆粒輸送進入氣化室50。加到氣化室上的熱量使固體燃料顆粒部分氣化，例如通過部分燃燒，并產(chǎn)生活性吸附劑顆粒。氣化室50和輔助加熱室41的壁部帶有耐火材料襯里62以適應(yīng)加熱室內(nèi)的熱量。
固體燃料，例如碳，的部分氣化所需的熱量由熱源60和/或通過在氣化室中部分燃燒固體燃料提供。例如，天然氣和空氣60在加熱室41中進行混合以產(chǎn)生提供給氣化室50的熱量。加熱室中的冷卻孔64允許水66冷卻加熱室和固體燃料注射器58的壁部。加熱室41的冷卻允許溫度受到控制且避免了固體燃料在氣化室50中的過度燃燒。氣化室中的溫度優(yōu)選在1000至2000華氏度范圍內(nèi)。
最優(yōu)化氣化室50中的條件以增強具有相對較高活性的熱活化的吸附劑的產(chǎn)生。例如，吸附劑可被產(chǎn)生具有相對較大的表面積和較高的含碳量。氣化器中的工藝參數(shù)包括氣化室50中的燃料滯留時間、含碳材料與空氣的化學計量比(SR)和室50中的溫度。通過控制這些工藝參數(shù)，活性吸附劑的產(chǎn)生可得到增強。氣化器中的最優(yōu)工藝條件還受到含碳燃料40的類型及其活性的影響。
進行試驗以確定氣化器參數(shù)對熱活化的含碳吸附劑的活性的影響，吸附劑活性可被看作吸附劑中的含碳量。
氣化室50中的溫度曲線通過利用多個沿室壁和在加熱室41中設(shè)置的熱電偶56進行測量。位于附近的氣化室中的孔68允許氣體和固體樣品被采集和分析。對固體樣品進行分析以確定燒失量(LOI)，所述燒失量提供了對存在的碳的量度。
圖3和圖4為試驗數(shù)據(jù)曲線圖，圖中示出了氣化室50中的滯留時間和化學計量比(SR)對吸附劑中的含碳量的影響。通過改變煤40的量和通過使氣體載體從空氣改變?yōu)榈獨猓淖儦饣骰瘜W計量比。移動煤注射器51的頂部70使其更深入氣化區(qū)域改變了滯留時間。圖3和圖4顯示當滯留時間和化學計量比增加時，氣化程度增加。為了最優(yōu)化吸附劑的產(chǎn)生，滯留時間和化學計量比不應(yīng)該過度。
所希望的是具有包含更高含碳量的熱活化的吸附劑。因此，較短的滯留時間和較低的化學計量比有利于吸附劑中的高含碳量。另一方面，非常短的滯留時間下的煤的氣化程度致使產(chǎn)生了相對較小的吸附劑表面積。具有大表面積的吸附劑顆粒在俘獲汞方面是有效的。因此，氣化器中的條件必須被最優(yōu)化以實現(xiàn)吸附劑的高活性。
如圖3所示，當氣化室50內(nèi)的滯留時間增加時，吸附劑的活性(LOI)略有下降。例如，1.4至10秒的滯留時間確保燒失量保持相對較高。LOI提供了對氣化室中形成的碳吸附劑的量的表示。1.4至10秒的滯留時間已被發(fā)現(xiàn)增強了吸附劑的產(chǎn)生。圖4所示的數(shù)據(jù)表明固體燃料與可得到的空氣的相對較高的化學計量比(SR)增加了燒失量并因此增加了吸附劑的量。保持化學計量比在0.1至1.0的范圍內(nèi)已被發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了良好的活性吸附劑。
盡管已經(jīng)結(jié)合目前被認為最實用和優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進行了描述，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于所披露的實施例，而是相反地，本發(fā)明旨在覆蓋被包括在所附技術(shù)方案的精神和范圍內(nèi)的各種變型和等效布置。


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權(quán)利要求
1.一種用于俘獲由固體燃料燃燒形成的煙道氣中的汞的方法，包括a.在燃燒系統(tǒng)(14)中燃燒燃料(12)，其中燃燒過程中釋放的汞被夾帶在由燃燒產(chǎn)生的煙道氣中；b.通過在燃燒固體燃料的同時，在氣化器(42)中就地使碳固體燃料部分地氣化，產(chǎn)生熱活化的含碳吸附劑；c.將熱活化的吸附劑注入(26)煙道氣中；以及d.將至少一些汞吸收在熱活化的吸附劑上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱活化的吸附劑從煤、生物燃料、污水污泥、和含碳廢產(chǎn)物中的至少一種(40)中產(chǎn)生。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱活化的吸附劑在進行注射之前從氣體氣化產(chǎn)物中分離(44)出來。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述氣體氣化產(chǎn)物(46)被注入(18)煤的燃燒區(qū)域中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述吸附劑在被連接至燃燒系統(tǒng)的廢物處理系統(tǒng)(28、34)中就地產(chǎn)生。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述吸附劑在微?？刂蒲b置(28)的上游被注入到煙道氣中，且所述方法還包括在微?？刂蒲b置(28)中收集具有俘獲的汞的吸附劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述吸附劑在微?？刂蒲b置(28)的下游被注入到煙道氣中，且所述方法還包括在吸附劑收集裝置(34)中收集具有俘獲的汞的吸附劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括在廢物處理系統(tǒng)中收集注射的吸附劑。
9.一種用于從煙道氣中俘獲汞的系統(tǒng)，包括被布置以接收煤和空氣的加熱爐或鍋爐且還包括煤和空氣注射系統(tǒng)，和用于燃燒煤和空氣的燃燒區(qū)域；被連接以接收在燃燒區(qū)域中產(chǎn)生的煙道氣的廢物處理系統(tǒng)，其中所述廢物處理系統(tǒng)還包括吸附劑注射器和吸附劑收集裝置；吸附劑發(fā)生器，所述吸附劑發(fā)生器還包括具有固體碳燃料入口的氣化器，氣化室，在所述氣化室內(nèi)固體碳燃料被至少部分地燃燒以產(chǎn)生吸附劑和氣化的氣體產(chǎn)物；在氣化器和吸附劑注射器之間的用以將吸附劑輸送至注射器的管道；和在氣化器與煤和空氣注射系統(tǒng)之間的用以將氣化的氣體產(chǎn)物輸送至注射系統(tǒng)的管道。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，進一步包括被連接至氣化器的排放孔的旋風分離器，和具有被連接至氣化器和吸附劑注射器之間的管道的吸附劑排放裝置以及被連接至氣化器與煤和空氣注射系統(tǒng)之間的管道的氣體排放裝置。
全文摘要
一種用于俘獲由固體燃料燃燒形成的煙道氣中的汞的方法，包括燃燒煤(12)，其中燃燒過程中釋放的汞被夾帶在由燃燒產(chǎn)生的煙道氣中；通過在燃燒固體燃料的同時，在氣化器(42)中就地使固體燃料部分地氣化，產(chǎn)生熱活化的含碳吸附劑；將氣化的氣體產(chǎn)物注入(46)煤的燃燒中；將熱活化的吸附劑注入(26)煙道氣中，以及在廢物處理系統(tǒng)(28，34)中收集注射的吸附劑。
文檔編號F23B80/00GK1715753SQ20051007811
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月14日
發(fā)明者V·V·利斯安斯基, P·M·馬利, W·R·塞克, L·霍 申請人:通用電氣公司