降低煤燃燒中的汞排放量的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于降低燃料例如煤燃燒時(shí)的汞排放量的方法和組合物。本發(fā)明提供了多種含有減少煤燃燒時(shí)向大氣中排放的汞和/或硫水平的組分的吸附劑組合物。在多種實(shí)施方案中，所述的吸附劑組合物在燃燒前直接加入燃料中；部分在燃燒前加入燃料中并且部分加入煙道氣后燃區(qū)中；或完全加入煙道氣后燃區(qū)中。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，該吸附劑組合物包括一種鹵素源且優(yōu)選包括一種鈣源。在鹵素中，優(yōu)選碘和溴。在多種實(shí)施方案中，無機(jī)溴化物構(gòu)成了吸附劑組合物的一部分。
【專利說明】降低煤燃燒中的汞排放量
[0001]本申請(qǐng)是2005年4月21日提交的名稱為“降低煤燃燒中的汞排放量”的200580049750.7發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明提供用于降低含汞燃料例如煤燃燒時(shí)向大氣中排放汞的水平的組合物及方法。具體地說，本發(fā)明提供在燃燒過程中向燃煤系統(tǒng)加入各種鹵素和其它吸附劑組合物。
【背景技術(shù)】
[0003]存在于全世界的大量煤資源能夠滿足下兩個(gè)世紀(jì)世界能源的大部分需求。高硫煤含量豐富，但需要補(bǔ)救步驟以防止過量的硫燃燒時(shí)釋放到大氣中。在美國，低硫煤以低BTU值煤的形式存在于懷俄明和蒙大拿的Powder River盆地中，存在于北達(dá)科他和南達(dá)科他的中北部地區(qū)的褐煤礦床中，以及德克薩斯的褐煤礦床中。但即使煤中含硫量低，它們?nèi)匀缓胁豢珊鲆暤挠坞x的和氧化的汞。
[0004]不幸的是，在煤燃燒時(shí)汞至少被部分揮發(fā)。因此，汞不易殘留在灰燼中，而是變成煙道氣的一種成分。如果不采取補(bǔ)救措施，汞易于從燃煤設(shè)備中逃逸而引起環(huán)境問題。目前一些汞通過設(shè)備來捕獲，例如用濕滌氣器和SCR控制系統(tǒng)。但是，大部分汞未被捕獲并因此通過排氣煙?釋放。
[0005]在美國，1990年的清潔空氣法修正案(Clean Air Act Amendment)關(guān)注了萊的管理和控制。由環(huán)保總署(Environmental Protection Agency) (EPA)于1997年向國會(huì)遞交的一份關(guān)于汞的研究報(bào)告中進(jìn)一步明確了對(duì)美國電廠排放汞的限制。2000年12月，EPA決定控制汞排放，并于2004年I月和3月出版了提議的清潔空氣汞條例。至今，美國環(huán)?？偸鹨压剂艘惶讓?duì)美國燃煤工廠要求的汞排放量降低的條例。
[0006]除了傾向于從煤燃燒的煙道氣中部分除去汞的濕滌氣器和SCR控制系統(tǒng)外，其他的控制方法包括使用活性炭體系。這種體系的應(yīng)用易造成高處理成本和高投資成本。此外，活性炭體系的應(yīng)用導(dǎo)致廢氣處理中收集的飛灰的碳污染，所述的廢氣處理例如袋式除塵器(bag house)和靜電除塵器。
[0007]在美國，進(jìn)入大氣中的汞排放量約為50噸/年。釋放物的一大部分來自燃煤設(shè)施例如電廠的排放。汞是一種已知的環(huán)境有害物，并會(huì)導(dǎo)致人類和非人類的動(dòng)物物種的健康問題。為了維護(hù)公眾的健康并保護(hù)環(huán)境，動(dòng)力工業(yè)正持續(xù)開發(fā)、測試并實(shí)施可降低其工廠的汞排放量的系統(tǒng)。人們希望在含碳物質(zhì)的燃燒中，有一個(gè)方法能在燃燒階段后捕獲并保留汞和其它不需要的化合物，以使它們不被釋放到大氣中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了用于降低燃料例如煤燃燒時(shí)汞排放量的方法和組合物。本發(fā)明提供了多種吸附劑組合物，其含有減少煤燃燒時(shí)向大氣中排放汞和/或硫的水平的組分。在多種實(shí)施方案中，所述的吸附劑組合物在燃燒前直接加入燃料中；部分在燃燒前加入燃料中并且部分加入煙道氣后燃區(qū)中；或完全加入煙道氣后燃區(qū)中。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，該吸附劑組合物包括一個(gè)齒素源且優(yōu)選地包括一個(gè)I丐源。在齒素中，優(yōu)選碘和溴。在多種實(shí)施方案中，無機(jī)溴化物構(gòu)成了吸收劑組合物的一部分。
[0009]在多種實(shí)施方案中，含有溴或碘的汞吸附劑組合物在燃燒前以粉末或液體的形式被加入燃料中?；蛘撸宣u素如溴或碘的吸附劑組合物在燃燒室后的一點(diǎn)被注入煙道氣中，該點(diǎn)的溫度高于約1500 0F (約800°C)o
[0010]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述的吸附劑組合物還含有其他組分，尤其是含有一個(gè)鈣源。因此，在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供將多元素氧化劑、助劑和吸附劑在燃燒前和/或燃燒后一次及多次施用于爐內(nèi)的煤中。在多種實(shí)施方案中，燃燒時(shí)吸附劑組合物的組分產(chǎn)生陶瓷特性且隨后該組分與含碳材料一起鈣化。在多種實(shí)施方案中，吸附劑組合物的使用通過以下方式降低了汞排放量，即通過使用多元素補(bǔ)救處理材料，例如氧化鈣、溴化鈣、其他鹵化鈣以及硅、鋁、鐵、鎂、鈉和鉀的氧化物捕獲和穩(wěn)定氧化的和游離的汞。
[0011]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，燃煤設(shè)施的汞排放量降低到這樣一個(gè)程度，即煤中90%或更多的汞在釋放入大氣之前被捕獲。所述的汞的補(bǔ)救處理方法可與吸附劑組合物和其它從燃燒氣體中除去硫的方法一起使用。因此，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，伴隨90%以上的汞排放量的降低，硫也大量減少。
[0012]從下文中的詳細(xì)說明人們將清楚本發(fā)明其它應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管詳細(xì)說明和具體的實(shí)施例表示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，但只打算用于示例說明而并不打算限制本發(fā)明的范圍。
【具體實(shí)施方式】
[0013]以下對(duì)于一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的說明在本質(zhì)上是僅僅是示例性的，而不是想要限制本發(fā)明、其應(yīng)用或用途。
[0014]在多種實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了用于降低來自含汞燃料例如煤燃燒的汞排放量的組合物及方法。本發(fā)明中將描述燃燒含汞燃料的系統(tǒng)和設(shè)備，尤其關(guān)注燃煤設(shè)備諸如電力設(shè)施中使用的燃煤設(shè)備的實(shí)例。此類設(shè)備通常具有某種進(jìn)料機(jī)械裝置以向爐中加入煤，在爐中煤被點(diǎn)燃或燃燒。所述的進(jìn)料機(jī)械裝置可以是任何適于使用的裝置或設(shè)備。非限制性的實(shí)例包括輸送機(jī)系統(tǒng)、螺桿擠出系統(tǒng)等。操作時(shí)，將含汞燃料例如煤以適于從爐中獲得所需產(chǎn)量的速率輸入爐內(nèi)。一般地，爐內(nèi)的輸出物用于使水沸騰生成蒸汽以提供直接熱量，或?qū)⒄羝糜隍?qū)動(dòng)汽輪機(jī)，最終導(dǎo)致電的產(chǎn)生。
[0015]將煤送入爐內(nèi)，并在氧的存在下點(diǎn)燃。燃燒溫度中典型的火焰溫度是2700 °F至約3000 T。在用于燃燒輸入的燃料的爐或鍋爐之后，設(shè)備內(nèi)提供燃燒氣體的對(duì)流通道，為方便起見有時(shí)也將燃燒氣體稱為煙道氣。熱的燃燒氣體和空氣以對(duì)流的方式通過對(duì)流通道向下游方向(即相對(duì)于火球的下游)離開火焰。所述設(shè)備的對(duì)流通道包括多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域以其中的氣體溫度和燃燒產(chǎn)物為特征。一般地，燃燒氣體的溫度隨著其從火球向下游的移動(dòng)而降低。燃燒氣體中含有二氧化碳以及多種不想要的含硫和汞的氣體。對(duì)流通道中還存在著多種被高溫氣體夾帶的灰塵。為在排放入大氣之前除去灰塵，使用了微粒清除系統(tǒng)。在對(duì)流通道中可安置多種此類清除系統(tǒng)，如靜電除塵器和袋式除塵器。另外，還可在對(duì)流通道中放置化學(xué)滌氣器。此外，可提供多種儀表用于監(jiān)測氣體的成分，如硫和汞。[0016]煤在爐內(nèi)在約2700 °F - 3000 °F的溫度燃燒，飛灰和燃燒氣體自爐內(nèi)在對(duì)流通道中向下游移動(dòng)到溫度不斷下降的區(qū)域。最接近火球的下游是一個(gè)溫度低于2700 T的區(qū)域。再往下可到達(dá)溫度已冷卻至約1500 0F的點(diǎn)。在這兩點(diǎn)之間是溫度介于約1500至約2700 0F的區(qū)域。再往下游可到達(dá)溫度低于1500 T的區(qū)域，等等。再沿對(duì)流通道往下，氣體和飛灰通過更低溫度的區(qū)域直至到達(dá)袋式除塵器或靜電除塵器，其在氣體被排放到煙囪之前，一般具有的溫度為約300 °F。
[0017]在多種實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法需要將一種汞吸附劑以如下方式應(yīng)用:
[0018]燃燒前直接加入燃料例如煤中(“燃燒前”添加);
[0019]燃燒后在溫度為2700 T至1500 °F的區(qū)域中直接加入氣流中(“燃燒后”添加);或
者
[0020]以燃燒前添加和燃燒后添加結(jié)合的方式。
[0021]在多種實(shí)施方案中，燃燒中產(chǎn)生的氧化汞進(jìn)入袋式除塵器或靜電除塵器，并成為燃煤設(shè)備總灰塵量的一部分?；覊m中的重金屬不會(huì)降低到規(guī)定水平以下。
[0022]在多種實(shí)施方案中，監(jiān)測燃煤設(shè)備的汞排放量。依據(jù)從設(shè)備排放前的煙道氣中汞的水平，在燃燒前和/或燃燒后向燃料中加入的吸附劑組合物的量增加、減少、或維持不變。一般地，人們希望清除盡可能高的汞含量。在典型的實(shí)施方案中，以煤中汞的總量為基準(zhǔn)，除汞率可達(dá)90%或更大。該值是指從煙道氣中清除的汞，以使其不會(huì)通過煙?釋放入大氣。為使燃煤過程中加入的吸附劑的量最小以減少爐中產(chǎn)生灰塵的總量，就需要在多種環(huán)境中進(jìn)行汞排放量的檢測，以將吸附劑組合物的添加比率降低至可獲得所需的汞減少量而不會(huì)向系統(tǒng)中加入過量物質(zhì)的數(shù)值。
`[0023]因此，在一個(gè)實(shí)施方案中提供了一種用于燃燒煤時(shí)減少釋放入大氣的汞量的方法。該方法包括首先將含有一種鹵素化合物的一種吸附劑組合物應(yīng)用于煤中。然后將該煤輸送至燃煤設(shè)備的爐內(nèi)。然后，含有吸附劑組合物的煤在爐中燃燒形成灰塵和燃燒氣體。該燃燒氣體含有汞、硫和其它組分。為達(dá)到燃燒氣體中汞的所需減少量以限制向大氣中的排放，燃燒氣體中汞的水平優(yōu)選通過分析測量其水平而進(jìn)行監(jiān)測。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，燃燒前用于煤中的吸附劑組合物的量依據(jù)燃燒氣體中測得的汞水平的數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。
[0024]在另一個(gè)實(shí)施方案中，在燃燒后在具有約1500 °卩至2700 0F (約815°C至1482°C)的溫度的區(qū)域中向燃煤系統(tǒng)中加入一種汞吸附劑。提供了一種用于減少含汞的煤燃燒時(shí)向大氣中釋放汞的水平的方法。該燃燒過程在一個(gè)包括一個(gè)爐和一條用于燃燒氣體的對(duì)流通道的燃煤系統(tǒng)中進(jìn)行。該方法包括在爐中燃燒煤，并向?qū)α魍ǖ纼?nèi)燃燒氣體溫度為1500 T至2700 T的點(diǎn)處注入一種含有一種鹵素的吸附劑。如需要，應(yīng)監(jiān)測并測量離開設(shè)備的氣體中汞的水平。根據(jù)從設(shè)備中逃逸的汞的量一其由監(jiān)測時(shí)測定的值反映，汞吸附劑的添加比率可以增加、減少或維持不變。在另一個(gè)實(shí)施方案中，一種含有一種鹵素的汞吸附劑既可用于燃燒前的煤中，也可注入對(duì)流通道內(nèi)燃燒氣體溫度為1500 T至2700 °?的點(diǎn)處。
[0025]含一種鹵素化合物的吸附劑組合物包括一種或多種含有一種鹵素的有機(jī)或無機(jī)化合物。鹵素包括氯、溴和碘。優(yōu)選的鹵素為溴和碘。上述的鹵素化合物是鹵素源，尤其是溴和碘源。對(duì)于溴，鹵素源包括各種溴的無機(jī)鹽，包括溴化物、溴酸鹽和次溴酸鹽。在多種實(shí)施方案中，有機(jī)溴化合物由于其成本或可得性的原因是次優(yōu)選的。但是，含有適當(dāng)高水平溴的有機(jī)溴源被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。有機(jī)溴化合物的非限制性的實(shí)例包括二溴甲烷、溴乙烷、溴仿和四溴化碳。非限制性的碘源包括次碘酸鹽、碘酸鹽和碘化物，優(yōu)選碘化物。
[0026]當(dāng)齒素化合物是一種無機(jī)取代物時(shí),其優(yōu)選為一種堿金屬或一種堿土金屬兀素的一種含溴或碘的鹽。優(yōu)選的堿金屬包括鋰、鈉和鉀，而優(yōu)選的堿土金屬元素包括鈹、鎂和鈣。對(duì)于鹵素化合物，尤其優(yōu)選的是堿土金屬例如鈣的溴化物和碘化物。
[0027]含有鹵素的吸附劑組合物以液體或固體組合物的形式提供。當(dāng)其為一種液體組合物時(shí)，該吸附劑組合物優(yōu)選包括一種如上描述的溴或碘的化合物的水溶液。本發(fā)明的降低煤燃燒時(shí)向大氣中釋放汞的水平的方法涉及將吸附劑組合物以液體或固體組合物的形式應(yīng)用于燃煤工藝中。在一個(gè)實(shí)施方案中，該吸附劑組合物在燃燒前被加入煤中，而在另外一個(gè)實(shí)施方案中，該吸附劑組合物被注入燃煤設(shè)備的對(duì)流通道內(nèi)一個(gè)溫度為1500 T至2700 °F的區(qū)域中。在多種實(shí)施方案中，吸附劑的加入可以既在燃燒前也在燃燒后進(jìn)行。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，一種含有一種齒素的水性吸附劑在燃燒前噴灑在煤上，并且煤在仍被水潤濕時(shí)送入爐內(nèi)。
[0028]在多種實(shí)施方案中，液體汞吸附劑包括一種含有5至60重量％的一種可溶性溴鹽或碘鹽的溶液。優(yōu)選的溴鹽和碘鹽的非限制性實(shí)例包括溴化鈣和碘化鈣。在多種實(shí)施方案中，液體吸附劑含有5-60重量％的溴化鈣和/或碘化鈣?？紤]到燃燒前向煤中加料的效能，在多種實(shí)施方案中優(yōu)選加入含有盡可能高水平的溴或碘化合物的汞吸附劑。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，該液體吸附劑含有50重量％或更多的鹵素化合物，例如溴化鈣或碘化鈣。
[0029]在多種實(shí)施方案中，含有一種鹵素化合物的吸附劑組合物還含有一種硝酸鹽化合物、一種亞硝酸鹽化合物或一種硝酸鹽化合物和亞硝酸鹽化合物的混合物。優(yōu)選的硝酸鹽和亞硝酸鹽化合物包括鎂和鈣的硝酸鹽和亞硝酸鹽，優(yōu)選鈣的硝酸鹽和亞硝酸鹽。因此，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，該汞吸附劑組合物含有溴化鈣。溴化鈣可與其它組分一起配制以形成一種粉末狀吸附劑組合物或一種液體吸附劑組合物，所述的其它組分例如上述的硝酸鹽和亞硝酸鹽。該含有鹵素的粉末狀或液體吸附劑組合物可以下列方式加入，即燃燒前加入煤中、注入燃煤設(shè)備的對(duì)流通道中溫度為約1500 T至約2700 T的區(qū)域，或上述兩種方式的結(jié)合。
[0030]含有一種鹵素化合物的汞吸附劑組合物優(yōu)選地還包括一種鈣源。鈣源的非限制性實(shí)例包括氧化鈣、氫氧化鈣、碳酸鈣、碳酸氫鈣、硫酸鈣、硫酸氫鈣、硝酸鈣、亞硝酸鈣、醋酸鈣、檸檬酸鈣、磷酸鈣、磷酸氫鈣，以及含鈣礦石，如磷灰石等。優(yōu)選的鈣源包括鈣的齒化物，如溴化鈣、氯化鈣和碘化鈣。也可使用有機(jī)鈣化合物。非限制性的實(shí)例包括羧酸的鈣鹽、烷氧基化鈣和有機(jī)鈣化合物。和以上的鹵素化合物一樣，在多種實(shí)施方案中，該有機(jī)鈣化合物傾向于為次優(yōu)選的，原因在于其成本和可得性。
[0031]除了燃燒前或燃燒后向系統(tǒng)中加入汞吸附劑組合物以外，還可將一種硫吸附劑組合物隨汞吸附劑一起加入。因此，在優(yōu)選的實(shí)施方案中還提供了用于降低含硫和汞的煤燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙道氣中硫和汞的排放量的方法。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，一種方法涉及將一種第一吸附劑組合物和一種第二吸附劑組合物加入系統(tǒng)中。該第一和第二吸附劑組合物中的一種在燃燒前加入煤中，另外一種在燃燒室下游的對(duì)流通道中的一個(gè)區(qū)域被注入燃煤系統(tǒng)，所述區(qū)域優(yōu)選溫度在1500 T至2700 T之間。第一吸附劑組合物優(yōu)選含有一種鹵素組分，并以有效降低燃燒氣體中的汞的量被加入。第二吸附劑組合物含有至少一種鈣組分，且以有效降低燃燒氣體中的硫的量被加入。[0032]在上一段落的實(shí)施方案中，含有鹵素組分的第一吸附劑組合物包含一種鹵素化合物，如上述優(yōu)選的溴和碘的化合物。第二吸附劑組合物含有以適于降低燃煤系統(tǒng)中硫排放量的形式存在的鈣。含有一種鈣組分的第二吸附劑組合物優(yōu)選含有基于存在于煤中的硫的摩爾量計(jì)比值為1:1的最小摩爾量的鈣。優(yōu)選地，隨第二吸附劑組合物加入系統(tǒng)中的鈣的水平相對(duì)于煤中硫的摩爾數(shù)計(jì)，比例不超過約3:1。用更高水平的鈣進(jìn)行處理會(huì)浪費(fèi)原料，并有可能阻塞爐子，從而阻礙燃燒過程并增加微?？刂葡到y(tǒng)的負(fù)擔(dān)。
[0033]基本而言，期望加入的含鈣的硫吸附劑的水平能夠有效地從煤燃煤產(chǎn)生的煙道氣中除去硫，但不過量以避免產(chǎn)生過多的灰塵。含有一種鈣成分的第二吸附劑組合物可含有任何上述無機(jī)或有機(jī)鈣化合物。此外，多種工業(yè)產(chǎn)品中含有適當(dāng)水平的鈣，例如水泥窯粉塵、石灰窯粉塵、硅酸鹽水泥等。在多種實(shí)施方案中，含鈣的硫吸附劑中含有一種如上所列出的鈣粉，以及硅鋁酸鹽粘土，例如蒙脫石或高嶺土。含鈣的硫吸附劑組合物優(yōu)選地含有足量的SiO2和Al2O3,以與燃燒所產(chǎn)生的硫酸鈣一起形成類似耐熔質(zhì)的混合物，以便通過爐中的微?？刂葡到y(tǒng)對(duì)硫酸鈣進(jìn)行處理。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，含鈣的硫吸附劑含有最少量的2%的二氧化硅和2%的氧化鋁。
[0034]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，一種含鈣和溴的汞吸附劑組合物被用于煤中。在多種實(shí)施方案中，吸附劑組合物中含有溴化鈣。或者，吸附劑組合物包括一種除溴化鈣以外的溴化合物和一種除溴化鈣以外的鈣化合物。鈣源的非限制性實(shí)例包括溴化鈣、亞硝酸鈣、硅酸鹽水泥、氧化鈣、氫氧化鈣和碳酸鈣。然后將含有鈣和溴吸附劑組合物的煤燃燒形成灰塵和燃燒氣體。期望地，對(duì)燃燒氣體中汞的水平進(jìn)行測量和監(jiān)測。然后，根據(jù)測得的燃燒氣體中汞的水平增加或減少以吸附劑組合物的形式加入煤中的溴的水平，或保持其不變。在多種實(shí)施方案中，該方法還對(duì)燃燒氣體中硫的水平進(jìn)行測量，并根據(jù)測得的硫的水平調(diào)整加入到煤中的鈣的水平。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，從燃煤設(shè)備釋放入環(huán)境中的汞排放量被減少了90%或更多。如本申請(qǐng)中所使用的，90%或更多的汞減少量意味著所燃燒的煤中至少有90%的汞被捕獲以阻止其釋放進(jìn)入大氣。優(yōu)選地，在煤燃燒前向其中加入足量的溴以將汞向環(huán)境中的排放量降低90%或更多。
[0035]一方面，本發(fā)明涉及降低從燃燒含汞燃料的設(shè)備排放到大氣的汞的水平。一種商業(yè)上有價(jià)值的實(shí)施方案為使用本發(fā)明以降低燃煤設(shè)備的汞排放量，以保護(hù)環(huán)境并符合政府法規(guī)和條約義務(wù)。以下大部分討論將以煤為燃料。應(yīng)理解的是，對(duì)于燃燒煤的描述只是出于例證性的目的，而本發(fā)明并不一定限于此。
[0036]在多種實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法涉及以處理水平向燃燒燃料或燃煤的系統(tǒng)中加入一種汞吸附劑，所述處理水平足以使在燃料燃燒時(shí)從設(shè)備逃逸到大氣中的汞的水平產(chǎn)生所需的降低。適當(dāng)?shù)墓絼┤缟纤?。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，汞吸附劑含有一個(gè)溴和/或碘源，優(yōu)選為上述無機(jī)溴化物或碘化物鹽的形式。
[0037]在一個(gè)實(shí)施方案中，汞吸附劑組合物在煤燃燒前被加入其中。該煤是顆粒煤，且任選通過常規(guī)過程粉碎或研成粉末。吸附劑組合物以液體或固體的形式加入到煤中。通常固體吸附劑組合物為粉末狀形式。如果吸附劑是以液體形式(通常是一種或多種溴或碘鹽的水溶液)加入，在一種實(shí)施方案中，當(dāng)煤被送進(jìn)燃燒器時(shí)仍保持潤濕。吸附劑組合物可以下述方式連續(xù)加入燃煤設(shè)備的煤中，即通過噴霧或混合的方式加入位于輸送帶，螺桿擠出機(jī)或其它進(jìn)料裝置上的煤中。除此之外或作為替換的，吸附劑組合物可在燃煤設(shè)備或產(chǎn)煤裝置中與煤單獨(dú)混合。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，吸附劑組合物在煤被送至燃燒器時(shí)以液體或粉末的形式加入其中。例如，在一個(gè)優(yōu)選的商業(yè)化的實(shí)施方案中，吸附劑被加入使注入前的煤粉碎的研磨機(jī)中。如果需要，可以改變加入吸附劑組合物的比率以達(dá)到所需的汞排放水平。在一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)煙道氣中汞的水平進(jìn)行監(jiān)測，并且依據(jù)保持所需的汞水平的需要提高或降低吸附劑的加入量。
[0038]汞的水平可通過常規(guī)的分析儀器、使用工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的檢測和測定方法進(jìn)行監(jiān)測。在一個(gè)實(shí)施方案中，監(jiān)測的實(shí)施是以手動(dòng)或自動(dòng)的方式間歇進(jìn)行的。在一個(gè)非限制性的實(shí)例中，每小時(shí)監(jiān)測一次汞排放的水平以確保符合政府法規(guī)。作為示例，使用Ontario Hydro法。該已知的方法中，在預(yù)定時(shí)間內(nèi)、例如I小時(shí)內(nèi)收集氣體。從被收集的氣體中沉淀汞，然后用適當(dāng)?shù)姆椒ɡ缭游辗ǘ抗乃?。根?jù)技術(shù)上和商業(yè)上的可行性，監(jiān)測的頻率也可比每小時(shí)一次高些或低些。可安裝商用的連續(xù)汞監(jiān)測儀以測量汞并以適當(dāng)頻率產(chǎn)生數(shù)值，如每3-7分鐘產(chǎn)生一次。在多種實(shí)施方案中，使用汞監(jiān)測儀的輸出值控制汞吸附劑的添加比率。根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果，可通過增加添加水平、降低添加水平或保持其不變的方式來調(diào)整汞吸附劑的添加比率。作為示例，如果監(jiān)測結(jié)果表明汞的水平高于期望值，則提高吸附劑的添加比率，直到汞的水平回到期望的水平。如果汞的水平正是期望的水平，吸附劑的添加比率則可保持不變?；蛘撸山档臀絼┑奶砑颖嚷?，直到監(jiān)測結(jié)果表明其應(yīng)被提高以避免高汞水平。通過這種方式，可以達(dá)到汞排放量的降低并避免過量使用吸附劑(伴隨灰塵的增加)。
[0039]在對(duì)流通道的適當(dāng)位置監(jiān)測汞。在多種實(shí)施方案中，在微?？刂葡到y(tǒng)的清潔側(cè)對(duì)釋放到大氣的汞進(jìn)行監(jiān)測和測量。還可以在對(duì)流通道內(nèi)微?？刂葡到y(tǒng)上游的某點(diǎn)對(duì)汞進(jìn)行監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)沒有添加汞吸附劑時(shí)，煤中只有20%至30%的汞被捕獲在灰塵中而未釋放入大氣。加入本發(fā)明的汞吸附劑后，被捕獲的汞的量升高(并因此降低了汞的排放量)到90%或更多。
[0040]作為替換地或除此之外，將一種汞吸附劑組合物放入或注入燃煤設(shè)備的對(duì)流通道中以降低汞的水平。優(yōu)選地，吸附劑組合物被加入火球(由煤的燃燒產(chǎn)生)下游的對(duì)流通道中的一個(gè)區(qū)域中，該區(qū)域的溫度高于約1500 T并低于2700-3000 T的火球溫度。在多種實(shí)施方案中，吸附劑的溫度高于約1700 T。該區(qū)域優(yōu)選溫度低于約2700 T。在多種實(shí)施方案中，該注入?yún)^(qū)域的溫度低于2600 °F、低于約2500 低于約2400 T。在非限制性的實(shí)例中，注入的溫度為1700 °卩至2300 0F ,1700 °卩至2200 °F或約1500 °F至約2200 °F。如果是燃燒前添加，吸附劑的形式可為液體或固體(粉末)，并含有有效水平的一種溴或碘化合物。在多種實(shí)施方案中，向?qū)α魍ǖ乐屑尤氲奈絼┫鄬?duì)于燃燒前加入的吸附劑的比率根據(jù)上述汞監(jiān)測的結(jié)果變化。
[0041]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，吸附劑組合物以差不多連續(xù)的方式被加入燃燒前的煤中和/或上述溫度為1500 T -2700 °F的對(duì)流通道區(qū)域中。在多種實(shí)施方案中，在汞監(jiān)測裝置和吸附劑進(jìn)料裝置之間提供有自動(dòng)反饋回路。這使得可以對(duì)排放的汞進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測以及對(duì)吸附劑加入比率進(jìn)行調(diào)整以控制工藝過程。
[0042]與汞吸附劑一起，還優(yōu)選加入一種硫吸附劑以控制向環(huán)境中釋放的硫。在多種實(shí)施方案中，硫吸附劑在與加入汞吸附劑相同的位置被加入燃煤系統(tǒng)。硫吸附劑也可根據(jù)技術(shù)上的可行性在其它位置加入。在多種實(shí)施方案中，汞吸附劑和硫吸附劑組分被合并成單一的吸附劑被加入煤中，或被注入對(duì)流通道中。吸附劑無論分開或被合并，均可以液體或固體的形式被加入。固體組合物通常是粉末的形式。
[0043]硫吸附劑優(yōu)選含有至少與被燃燒的煤中存在的硫水平等摩爾水平的鈣。單憑經(jīng)驗(yàn)的方法，鈣的水平不應(yīng)超過硫的摩爾數(shù)水平的三倍。為有效除去硫，優(yōu)選1:1的Ca: S水平，優(yōu)選的最高比例為3:1以避免燃燒過程中產(chǎn)生過量的灰塵。在優(yōu)選范圍之外的處理水平也是本發(fā)明的一部分。例如，在2004年6月28日提交的共有臨時(shí)申請(qǐng)60/583，420中描述了適當(dāng)?shù)牧蛭絼?，其?nèi)容通過引證的方式納入本說明書。
[0044]優(yōu)選的硫吸附劑包括含有鈣鹽的堿性粉末，所述鈣鹽例如氧化鈣、氫氧化鈣和碳酸鈣。其它含鈣的堿性粉末包括硅酸鹽水泥、水泥窯粉塵和石灰窯粉塵。在多種實(shí)施方案中，該硫吸附劑還含有一種硅鋁酸鹽粘土、蒙脫石和/或高嶺石。優(yōu)選地，硫吸附劑含有適當(dāng)水平的二氧化硅和氧化鋁(在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，每種至少約2重量％)，以與含硫煤燃燒形成的硫酸鈣一起形成耐火材料。二氧化硅和氧化鋁可被分開加入或作為其它材料例如硅酸鹽水泥的組分加入。在多種實(shí)施方案中，硫吸附劑中還含有適當(dāng)水平的鎂，如MgO，其來自例如白云石或?yàn)楣杷猁}水泥的組分。在一個(gè)非限制性實(shí)例中，硫吸附劑含有60 - 71%的 CaO、12-15% 的 Si02、4-18% 的 Al203、l_4% 的 Fe203、0.5-1.5% 的 MgO，以及 0.1 — 0.5%的 NaO。
[0045]汞吸附劑和硫吸附劑可被一起加入或分開加入。為方便起見，可在加入煤之前或注入對(duì)流通道之前將汞吸附劑組分和硫吸附劑組分合并。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，汞吸附劑除了含有一種鹵素源以外，還含有鈣。在多種實(shí)施方案中，汞吸附劑組合物還包括也可減少硫的組分。本發(fā)明提供向燃煤系統(tǒng)中加入多種吸附劑組合物以降低汞的排放量并優(yōu)選也降低硫的排放量。
[0046]在多種實(shí)施方案中，硫和汞吸附劑是分開加入的。例如，一種汞吸附劑在燃燒前加入煤中，并且一種硫吸附劑在燃燒后加入?；蛘?，一種汞吸附劑在燃燒后加入，而一種硫吸附劑在燃燒前加入煤中。無論采用何種加入方式，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，不同吸附劑加入的比率是根據(jù)通過監(jiān)測所測定的排放的硫和汞的值按需要調(diào)整的。
[0047]汞和硫吸附劑以獲得希望的降低的排放量所需要的水平加入?；谌紵拿褐泄目偭坑?jì)，優(yōu)選的汞的降低量是70%或更多，優(yōu)選80%或更多，更優(yōu)選90%或更多?；谥亓坑?jì)，汞吸附劑通常以煤重量的約0.01 - 10%的水平加入。優(yōu)選的范圍包括0.05 — 5重量％和0.1 — I重量％。處理水平根據(jù)吸附劑中鹵素的含量和希望達(dá)到的汞排放量水平而變。0.3%的水平適合多種實(shí)施方案。在多種實(shí)施方案中，基于上述監(jiān)測過程，初始處理水平可按照達(dá)到希望的排放水平的需要被調(diào)高或調(diào)低。吸附劑可分批或連續(xù)加入。在吸附劑連續(xù)加入的實(shí)施方案中，處理水平是基于被燃燒的煤的進(jìn)料速率計(jì)。而當(dāng)吸附劑是分批加入例如煤生產(chǎn)裝置內(nèi)或一個(gè)單獨(dú)的混合設(shè)備內(nèi)時(shí)，處理水平是基于被處理的煤的重量計(jì)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，加入的比率或處理水平是根據(jù)對(duì)汞排放水平的測定值而進(jìn)行調(diào)難
iF.0
[0048]類似地，硫吸附劑加入的水平或比率應(yīng)使硫的排放水平降低至一個(gè)可接受的或預(yù)期的水平。在多種實(shí)施方案中，加入約I至9重量％的硫吸附劑。該水平或比率如有需要可以基于由監(jiān)測結(jié)果確定的硫的排放水平而進(jìn)行調(diào)整。
[0049]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法-例如美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(AmericanSociety for Testing and Materials) (ASTM)出版的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法-或國際標(biāo)準(zhǔn)化組
K(International Standards Organization) (ISO)出版的國際標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測萊和硫。一個(gè)含有一個(gè)分析儀器的裝置優(yōu)選置于對(duì)流通道中硫和汞吸附劑加入點(diǎn)的下游。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，一個(gè)汞監(jiān)測儀被置于微?？刂葡到y(tǒng)的清潔側(cè)。在多種實(shí)施方案中，測量的汞或硫的水平被用于向泵、螺線管、噴霧器及其它被操縱或控制的設(shè)備提供反饋信號(hào)，以調(diào)整向燃煤系統(tǒng)中加入吸附劑組合物的比率。作為替換地或除此之外，吸附劑加入的比率可由操作員基于觀察到的汞和/或硫的水平而進(jìn)行調(diào)整。
[0050]為進(jìn)一步說明，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案涉及在燃燒前直接向原煤或碎煤中加入含溴化鈣和水的液體汞吸附劑。含溴化鈣的液體汞吸附劑的加入量范圍是基于濕重的0.1 -5%、優(yōu)選0.025 - 2.5%，計(jì)算的前提是假設(shè)溴化鈣約占吸附劑重量的50%。在一個(gè)典型的實(shí)施方案中，在燃燒前向煤中加入約1%的含有50%溴化鈣的液體吸附劑。
[0051 ] 在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及向燃料中直接加入溴化鈣溶液和在爐中的溫度范圍為2200 T至1500 °F的區(qū)域中加入溴化鈣溶液。在該實(shí)施方案中，液體汞吸附劑在燃燒前和燃燒后都被加入。優(yōu)選的溴化鈣處理水平可以任何比例在燃燒前和燃燒后加入量之間分配。
[0052]在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了將例如上述的溴化鈣溶液僅僅添加到爐中的溫度范圍為2200 °卩至1500 °F的區(qū)域的氣流中。
[0053]以上已就多種優(yōu)選的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。以下的實(shí)施例中提供了本發(fā)明進(jìn)一步的非限制性公開。它們示例說明了只將一種液體吸附劑以及將一種液體/固體吸附劑體系用于燃料中汞的補(bǔ)救處理時(shí)本發(fā)明的有效性。
[0054]實(shí)施例
[0055]在實(shí)施例中，將具有不同BTU值、硫含量和汞含量的煤于北達(dá)科他大學(xué)的能源環(huán)境研究中心(Energy Environmental Research Center) (EERC)的 CTF 爐中燃燒。所報(bào)道的汞和硫的百分含量的降低是基于燃燒前煤中元素的總量計(jì)。
[0056]實(shí)施例1
[0057]本實(shí)施例示例說明將一種溴化I丐/水溶液應(yīng)用于Powder River盆地的次煙煤中時(shí)其對(duì)汞的吸附能力。入爐煤中含水量為2.408%，灰分含量為4.83%，硫含量為0.29%，熱值為8，999BTU,且汞含量為0.122 u g/g。無吸附劑時(shí)的燃燒在排出氣體中具有13.9 u g/m3的汞濃度。燃料被磨碎至有70%通過200目篩，并與基于煤重量計(jì)6%的一種吸附劑粉末和
0.5%的一種吸附劑液體混合。所述粉末含有40-45重量％的娃酸鹽水泥、40-45%氧化隹丐，剩余為鈣蒙脫石或鈉蒙脫石。所述液體是50重量％的溴化鈣水溶液。
[0058]吸附劑與燃料直接混合三分鐘，然后儲(chǔ)存用于燃燒。已處理的煤被送進(jìn)爐中。燃燒導(dǎo)致袋式除塵器出口處有90%的汞(總量)被除去，并測得袋式除塵器出口處有80%的硫被除去。
[0059]實(shí)施例2
[0060]本實(shí)施例示例說明將粉末吸附劑和液體吸附劑應(yīng)用于三種不同汞含量的煙煤中的用途。所有的煤如實(shí)施例#1中的方法制備，吸附劑的加入水平也相同。
[0061]
【權(quán)利要求】
1.一種用于在燃燒煤時(shí)降低釋放入大氣的萊量的方法，該方法包括 將含有溴化鈣的一種液體吸附劑組合物用于煤； 將一種包含硅鋁酸鹽粘土和選自以下物質(zhì)的一種或多種組分的粉末組合物用于煤，所述組分選自硅酸鹽水泥、水泥窯粉塵、石灰窯粉塵、氧化鈣、氫氧化鈣和碳酸鈣； 將煤連同所用的吸附劑輸送至一個(gè)燃煤爐內(nèi)； 使含有吸附劑的煤在燃煤爐內(nèi)燃燒以形成灰塵和燃燒氣體； 測量該燃燒氣體中汞的水平；以及 根據(jù)該汞的水平的值調(diào)整用于煤中的液體吸附劑組合物的量，其中燃燒產(chǎn)生的氧化汞成為煤的灰塵的一部分，并且其中灰塵中的重金屬不會(huì)滲出至超過規(guī)定水平。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述硅鋁酸鹽粘土包括蒙脫石或高嶺土。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該液體吸附劑組合物包括溴化鈣和硝酸鈣。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該液體吸附劑組合物包括溴化鈣和亞硝酸鈣。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該液體吸附劑組合物包括水，并且煤在進(jìn)入爐內(nèi)時(shí)是被水潤濕的。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，包括向煤上噴灑一種含有溴化鈣的水溶液。
7.—種根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中該溶液包括5重量％至60重量％的溴化鈣。
8.—種根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中該溶液包括20重量％至60重量％的溴化鈣。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求6的方法`,其中該溶液包括大于50重量％的溴化鈣。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中該溶液還包括一種化合物，該化合物選自一種硝酸鹽化合物、一種亞硝酸鹽化合物和一種硝酸鹽化合物與亞硝酸鹽化合物的混合物。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中該溶液包括硝酸鈣、亞硝酸鈣，或硝酸鈣和亞硝酸鈣兩者。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，包括持續(xù)監(jiān)測汞的水平。
13.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，包括對(duì)汞的水平定期抽樣。
14.一種用于燃燒煤的方法，可降低逃逸到環(huán)境中的不想要的元素的水平，該方法包括 在煤燃燒過程中添加一種含有鹵素的汞吸附劑組合物； 在煤燃燒過程中添加一種含有鈣粉末和硅鋁酸鹽粘土的硫吸附劑組合物； 燃燒煤以形成灰塵和燃燒氣體； 測量燃燒氣體中汞的水平；以及 根據(jù)該汞的水平調(diào)整加入煤中的鹵素的水平，其中燃燒產(chǎn)生的氧化汞成為煤的灰塵的一部分，并且其中灰塵中的重金屬不會(huì)滲出至超過規(guī)定水平。
15.一種根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括測量燃燒氣體中硫的水平，并根據(jù)該硫的水平調(diào)整加入煤中的鈣的水平。
16.—種根據(jù)權(quán)利要求14的方法,其中所述鹵素為溴,并且萊向環(huán)境中的排放量與未向煤中加入溴時(shí)產(chǎn)生的排放量相比降低了 90%或更多。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求14的方法，包括向煤中加入足量的溴以使進(jìn)入環(huán)境中的汞排放量與未加入溴時(shí)燃燒煤所產(chǎn)生的排放量相比降低90%或更多。
18.一種根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中該汞吸附劑組合物包括溴化鈣。
19.一種根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中該汞吸附劑組合物包括一種除溴化鈣以外的溴化合物和一種除溴化鈣以外的鈣化合物。
20.一種根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述鈣粉末包括水泥窯粉塵、石灰窯粉塵或硅酸鹽水泥。
21.一種根據(jù)權(quán)利要求14的方法，包括將含有一種溴化合物的一種液體組合物用于煤。
22.—種根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中該液體組合物還包括一種亞硝酸鹽化合物、一種硝酸鹽化合物，或硝酸鹽化合物與亞硝酸鹽化合物的一種混合物。
23.一種根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中該液體組合物包括亞硝酸鈣、硝酸鈣，或硝酸鈣與亞硝酸鈣的一種混合物。
24.一種根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中該液體組合物包括溴化鈣。
25.一種用于降低含汞的煤在燃煤系統(tǒng)中燃燒時(shí)釋放入大氣中的汞的水平的方法，該燃煤系統(tǒng)包括一個(gè)爐子和一個(gè)燃燒氣體對(duì)流通道，該方法包括 向粉碎的煤中加入汞吸附劑和硫吸附劑； 在爐中燃燒煤和吸附劑以產(chǎn)生燃燒氣體和灰分； 測量燃燒氣體中汞的水平；以及 根據(jù)測得的汞水平調(diào)整汞吸附劑的加入量， 其中所述汞吸附劑含有一種鹵素，所述硫吸附劑含有一種鈣化合物和一種硅鋁酸鹽粘土，并且其中燃燒產(chǎn)生的氧化汞成為煤的灰塵的一部分，并且其中灰塵中的重金屬不會(huì)滲出至超過規(guī)定水平。`
26.一種根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中該吸附劑包括一種溴化合物。
27.一種根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中該吸附劑包括溴化鈣。
28.一種根據(jù)權(quán)利要求27的方法，包括以0.01至10重量％的水平加入溴化鈣，該百分比基于煤的重量計(jì)。
29.一種根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中該水平是0.05 — 5重量％。
30.一種根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中該水平是0.1 — I重量％。
31.一種根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中該汞吸附劑包括溴化鈣的一種水溶液。
32.一種根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中該汞吸附劑包括5 — 50重量％的溴化鈣。
33.一種根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所述硫吸附劑組合物含有選自硅酸鹽水泥、水泥窯粉塵、石灰窯粉塵、氧化鈣、氫氧化鈣和碳酸鈣中的一種或多種。
【文檔編號(hào)】F23B90/00GK103759249SQ201410045288
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2005年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2005年3月17日
【發(fā)明者】D·C·科姆里 申請(qǐng)人:Nox Ii國際有限公司