專利名稱：用于解決現(xiàn)有燃煤發(fā)電廠嚴(yán)重污染的先進(jìn)方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的目標(biāo)是解決源自燃煤發(fā)電廠的發(fā)電的嚴(yán)重污染問題，參見證據(jù)I，這些發(fā)電廠由于他們要不經(jīng)濟(jì)地加裝昂貴的污染控制裝置而可能會(huì)被強(qiáng)迫關(guān)閉。來自燃煤發(fā)電站的污染物包括S02、N0x、Hg、顆粒物、灰末和C02。本發(fā)明提供了一種獨(dú)特且綜合的解決方案，該解決方案使得避免目前對健康和環(huán)境造成的危害成為可能，與此同時(shí)該方案還可以避免關(guān)閉這些我們?nèi)匀环浅Ｐ枰陌l(fā)電設(shè)施，這些發(fā)電設(shè)施提供了本國約50%的發(fā)電量，該國的居民非常依賴于此。除了本文中的綜合解決方案以外，還會(huì)在以下的說明書中公開的是將上述所有六種污染物投入有利用途，同時(shí)避免將所述污染物排放到大氣中。
背景技術(shù)：
其總部位于馬薩諸塞州波士頓、具有若干分支機(jī)構(gòu)的著名的凈化空氣任務(wù)組織 (CATF)在2010年9月發(fā)表了一份主標(biāo)題為“由煤敲響的警鐘(The Toll From Coal)”且副標(biāo)題為“由美國最骯臟能源造成的死亡和疾病的最新評估(An Updated Assessment ofDeath and Disease from America’s Dirtiest Energy Source) ” 白勺手艮告。該 艮告執(zhí)行摘要的第一段陳述了以下內(nèi)容
“在所有的工業(yè)空氣污染源中，以燃煤發(fā)電廠對人類健康和環(huán)境造成的威脅最大。來自燃煤發(fā)電廠的排放物是全球變暖、臭氧煙霧、酸雨、區(qū)域霧霾以及從公共衛(wèi)生角度看可能最重要的細(xì)微顆粒污染的原因之一。凈化空氣任務(wù)組織在2000年發(fā)起并且在2004年再次發(fā)起了對由來自全國約500家燃煤發(fā)電廠的細(xì)微顆?？諝馕廴驹斐傻慕】涤绊懙娜嫜芯?。每一次研究都包含了關(guān)于空氣污染和公共衛(wèi)生之間的聯(lián)系的最新科學(xué)發(fā)現(xiàn)以及最新的排放物信息。兩次研究都發(fā)現(xiàn)來自美國電力行業(yè)的排放物每年都造成了數(shù)以萬計(jì)的過早死亡以及數(shù)十萬例的心臟病發(fā)作、哮喘發(fā)作、急診治療、住院和錯(cuò)失工作日?！?br> 而且，在報(bào)告的第8頁第3段的前6行還陳述了以下內(nèi)容
“不幸的是，在全國廣大區(qū)域內(nèi)特別是在美國東部，持續(xù)升高的細(xì)微顆粒污染水平是很常見的。細(xì)微顆粒污染自身由有害污染物的復(fù)雜混合物組成，這些污染物包含例如煤煙、酸性液滴和金屬等多種成分。這些污染物中的絕大多數(shù)都來自燃燒源例如電廠、柴油卡車、公共汽車和小客車等?！?。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目標(biāo)是通過在鍋爐上游的環(huán)境封閉系統(tǒng)內(nèi)高效處理煤同時(shí)生成清潔的氣體而避免在現(xiàn)有發(fā)電站的鍋爐內(nèi)燃燒煤，清潔的氣體被用于生成清潔、低成本的電力以及有價(jià)值的副產(chǎn)品。本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是避免因關(guān)閉燃煤發(fā)電設(shè)施而裁員，并且反而可以創(chuàng)造很多額外的收入良好的工作。因此本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是在發(fā)電站內(nèi)現(xiàn)有的更換起來代價(jià)高昂的基礎(chǔ)設(shè)施上進(jìn)行開發(fā)。
本發(fā)明的又一個(gè)目標(biāo)是通過提供充足的能力以避免停電而建立能源安全。本發(fā)明的再一個(gè)目標(biāo)是提供一種綜合的解決方案，該解決方案可以控制來自于煤的S02、N0x、Hg、顆粒物、灰末和C02。本發(fā)明的再一個(gè)目標(biāo)是消除對粉碎煤的需要，因?yàn)榉鬯樵谏蓪】涤泻Φ募?xì)微顆粒物方面是眾所周知的原因。本發(fā)明的再一個(gè)目標(biāo)是通過完全避免在鍋爐內(nèi)燃燒煤來提高目前在燃煤發(fā)電站內(nèi)使用的鍋爐的可用性，由于在鍋爐內(nèi)燃燒煤而在鍋爐內(nèi)生成的沉積物導(dǎo)致鍋爐在目前需要經(jīng)常性的維護(hù)。本發(fā)明再進(jìn)一步的另一個(gè)目標(biāo)是在仍使用現(xiàn)有鍋爐產(chǎn)生可用作混合式高效聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的蒸汽循環(huán)的蒸汽的同時(shí)更加高效地產(chǎn)生清潔電能。因此本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是用少量的資本投資來增加發(fā)電能力。 本發(fā)明的又一個(gè)目標(biāo)是利用由煤生成的清潔氣體來增加發(fā)電廠商的純利潤，這樣將使這些廠商能夠給消費(fèi)者提供有吸引力的電力成本。本發(fā)明其他的目標(biāo)將根據(jù)以下的詳細(xì)說明和所附權(quán)利要求呈現(xiàn)。參照構(gòu)成本說明書一部分的附圖進(jìn)行說明，其中相似的附圖標(biāo)記表示不同附圖中的對應(yīng)部件。


圖I是本發(fā)明的總體布置圖。圖2示出了熱解反應(yīng)器的透視圖，熱解反應(yīng)器能夠高效處理形式為煙煤、亞煙煤、褐煤或泥煤的煤，包括沿圖2所示熱解反應(yīng)器縱向軸線的橫截面正視圖。圖3是熱解反應(yīng)器放大的局部縱向截面，包括在圖3中的A-A處截取的橫截面視圖。圖4示出了利用活性碳(炭)從煤成氣中截留汞，而且還添加了從汞化的活性碳中回收元素汞(Hg)。圖5示出了以一連串形式組裝在一起用于滿足大規(guī)模生產(chǎn)要求的若干熱解反應(yīng)器的端視圖。
具體實(shí)施例方式參照圖I進(jìn)行說明，其中以下的附圖標(biāo)記代表主要部件10表示熱解器，11表示炭氣化器，12表示炭急冷器，13表示高溫氣體凈化裝置，14表示現(xiàn)有的燃煤鍋爐，15表示聯(lián)合循環(huán)式發(fā)電，16表示構(gòu)成化肥廠上游部分的產(chǎn)生中間原料的交替還原反應(yīng)器，17表示化肥(草酰胺)反應(yīng)器，18A和18B表示用于除汞的雙活性碳床，以及19是用于將原礦煤和殘留炭作為燃料送入熱解器10內(nèi)的設(shè)備。熱解器10由加料器20、熱解室21、輻射區(qū)22、下降管23和流動(dòng)控制閥24組成，分岔管25從流動(dòng)控制閥24開始構(gòu)成輸送管裝置，其中管路26由此將下降管23經(jīng)控制閥28連接至炭氣化器11，并且管路27將下降管23經(jīng)控制閥29連接至炭急冷器12。要注意的是氣化器11用于實(shí)現(xiàn)三種功能也就是將高溫?zé)霟岬臍埩籼哭D(zhuǎn)化為原料貧煤氣，將CO2還原為2C0(燃料或化學(xué)原料)，以及將煤灰末(污染源)轉(zhuǎn)化為惰性爐渣。氣化器11包括容器30，容器30在不同高度設(shè)有噴射點(diǎn)用于使包含氧氣的氣體例如空氣與熱炭反應(yīng)以生成貧燃?xì)?；氣化?1在其底部出料口擁有冷卻器31，冷卻器31設(shè)有貧煤氣排出口 32 ;冷卻器31用于將在氣化器11中生成的熔融爐渣固化為惰性砂礫。在冷卻器31下方設(shè)有閉鎖式料斗33，閉鎖式料斗33由上側(cè)閥34和下側(cè)閥34控制，下側(cè)閥34控制將固化的惰性爐渣排入收集罐35內(nèi)。在氣化器11的大約中點(diǎn)處，用標(biāo)記36表示的專用歧管用于噴射包含CO2的煙道氣以將CO2還原為用作原料的2C0。炭急冷器12包括容器37，容器37設(shè)有多高度歧管例如歧管38，該歧管在通過閥39將炭定期排入大氣之前逐漸把炭冷卻到燃點(diǎn)以下。用標(biāo)記19表示的用于喂送原礦煤和炭的設(shè)備包括將原礦煤從地面高度提升至輸送機(jī)42的料車40以及將炭(燃料)從地面高度提升至 輸送機(jī)43的料車41，其中接著輸送機(jī)42向給料器44出料而輸送機(jī)43向給料器45出料。用標(biāo)記68表示的輔助緩沖料斗用于喂送來自于煤燃燒的受污染鍋爐灰末，這些受污染鍋爐灰末已被儲(chǔ)存在池內(nèi)(證據(jù)2)并且被歸類為有害物質(zhì)。在將這樣的有害物質(zhì)喂送入氣化器11內(nèi)時(shí)，使這些灰末與從熱解器10新喂送入造渣氣化器11內(nèi)的炭的灰末相混合，由此提供一種將舊的有害灰末和新形成的灰末轉(zhuǎn)化為惰性爐渣的方式。氣體凈化裝置13由用標(biāo)記46，47和48表示的三個(gè)容器組成。容器46將來自熱解器10的富H2的氣體(揮發(fā)性物質(zhì))裂解并同時(shí)脫硫；容器47凈化來自氣化器11的由氮?dú)?N2)和一氧化碳(CO)氣體構(gòu)成的貧燃?xì)?；而容?8用于再生消耗的吸附劑同時(shí)直接生成元素硫和附加的貧燃?xì)狻Ｋ腥齻€(gè)容器都裝有用標(biāo)記49表示的給料器。容器48通過用標(biāo)記50表示的倒Y形管與容器46和47互連，倒Y形管裝有轉(zhuǎn)向閥51。氣體凈化裝置13裝有氣動(dòng)傳送裝置52以將消耗的吸附劑從容器46和47輸送至再生器48。氰形成設(shè)備16包括反應(yīng)器53 “A”和反應(yīng)器53 “B”，以及在反應(yīng)器“A”和“B”的上游裝有用標(biāo)記54表示的氣體溫度調(diào)節(jié)器，在反應(yīng)器53A和53B的下游裝有用標(biāo)記55表不的冷卻器-液化器。用標(biāo)記56表不的分離器被設(shè)置用于從未反應(yīng)氣體中分離液化氰,未反應(yīng)氣體被引導(dǎo)(未示出)至熱解器10或者循環(huán)返回到反應(yīng)器53A或53B。草酰胺生成器17位于分離器56下游。它由反應(yīng)器57、沉降罐58、壓濾機(jī)59、干燥器60和堆料器61組成。泵62被設(shè)置于分離器56以將液化氰泵送至蒸發(fā)器63，而泵64則用于使液態(tài)催化劑循環(huán)至反應(yīng)器57的頂部；用標(biāo)記65表示的加熱器用于調(diào)節(jié)液態(tài)催化劑的溫度。用標(biāo)記18A和18B表示的除汞系統(tǒng)(也被稱為捕汞器)由活性碳床組成，活性碳床包括床“a”和“b”，在實(shí)踐中當(dāng)床“a”在吸收汞時(shí)，床“b”就處于備用模式；而當(dāng)床“b”在吸收時(shí)，此時(shí)床“a”就處于備用模式。用標(biāo)記91表示的集塵室被設(shè)置在每一個(gè)捕汞器的下游。捕汞器的優(yōu)選結(jié)構(gòu)以下在圖4中進(jìn)行說明，其中實(shí)現(xiàn)了從飽和的活性碳中回收元素汞。本發(fā)明中用標(biāo)記15表示的發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)選地用從凈化容器47送來的清潔的貧煤氣(燃?xì)?做燃料并且包括連接至現(xiàn)有鍋爐67的標(biāo)記為66的燃?xì)廨啓C(jī)，通過有利地利用非常昂貴的燃煤鍋爐67，通過利用燃?xì)廨啓C(jī)66共同構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)結(jié)構(gòu)，鍋爐67既用作熱回收蒸汽發(fā)生器又用作蒸汽輪機(jī)；這樣的結(jié)構(gòu)提供了最高效的發(fā)電方式，同時(shí)仍然利用了現(xiàn)有的燃煤鍋爐，但是并不在其中燃燒煤而是利用來自燃?xì)廨啓C(jī)66的高溫廢氣來產(chǎn)生蒸汽。如果高溫廢氣供應(yīng)不足，那么清潔的貧煤氣(2C0+N2)就通過管道87被輸送至鍋爐用作清潔的補(bǔ)充燃料。不再從鍋爐67向大氣中排放煙道氣(N2+C02)，而是利用壓縮機(jī)88來壓縮煙道氣并且將其輸送至氣化器11用于將CO2還原為2C0，壓縮機(jī)通過管道89連接至氣化器11的歧管36，由此提供完全對大氣封閉的系統(tǒng)。圖2示出了熱解器的透視圖，熱解器用標(biāo)記10表示并且由給料器44和45、充料器
20、用標(biāo)記21表示的熱解室、輻射區(qū)22和控制閥24組成。利用“Y”形管結(jié)構(gòu)分別通過管路81和85來輸送煤和炭。用于富H2的揮發(fā)性物質(zhì)的出口由標(biāo)記86表示。為了進(jìn)一步說明，在沿圖2中縱向軸線截取的豎直正面截面內(nèi)示出了熱解器10以示出熱解器10的內(nèi)部。應(yīng)該注意的是設(shè)有噴槍71，其中作為用標(biāo)記72表示的內(nèi)芯的充入的炭在被抑制的狀態(tài)下(在加壓、受控的還原性氣氛中)燃燒，腔室21內(nèi)的熱傳輸明顯改善，由此提高了煤除去揮發(fā)性成分以形成揮發(fā)性物質(zhì)同時(shí)強(qiáng)力裂化有害焦油的速率?，F(xiàn)參照圖3以獲得熱解器10的在更大尺度上的更多細(xì)節(jié)，噴槍71除了它通過其·用標(biāo)記82表示的尖端噴射氧氣的能力以外，還在其側(cè)面上裝有用標(biāo)記83表示的注射噴嘴。噴槍71就像心軸70和柱塞69 —樣適用于獨(dú)立地前進(jìn)和縮回，并且因?yàn)閲姌?1周圍的高溫，所以優(yōu)選地用在閉合回路中循環(huán)通過噴槍的水對其進(jìn)行冷卻。利用被穿過外殼77和耐火層75設(shè)置的注射噴嘴來從外圍加熱煤,用標(biāo)記80表不其中一個(gè)注射噴嘴，由于這樣的噴嘴被供以由歧管79提供的含氧氣體，由此提供直接的加壓雙向高效加熱，這種加熱將從煤環(huán)帶中釋放的揮發(fā)性物質(zhì)提高到基本上將煤內(nèi)所有的油都以無焦油的蒸氣形式回收這樣的程度。在本發(fā)明中，炭內(nèi)芯被煤環(huán)帶圍繞并且炭被燃燒，由此使煤的燃燒最小化，大大增加富含氏的原料氣(原料合成氣)的產(chǎn)量，這是一種重要且有利的因素，原因在于富含比的合成氣很有價(jià)值，可以被用于生產(chǎn)化學(xué)制品和運(yùn)輸用燃料例如甲醇/汽油和二甲醚、清潔燃料，以作為不潔的柴油的代用品。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，標(biāo)記21是熱解室，標(biāo)記20是充料器，標(biāo)記81是進(jìn)料料斗,標(biāo)記69是柱塞,標(biāo)記70是心軸,標(biāo)記71是噴槍,標(biāo)記82是噴槍71尖端的噴嘴，還有標(biāo)記83是設(shè)置在噴槍71側(cè)面的幾個(gè)噴嘴之一，標(biāo)記72是炭燃料，標(biāo)記73是充入的煤，還有標(biāo)記75是被設(shè)置為整體結(jié)構(gòu)的耐火層/隔熱層，該整體結(jié)構(gòu)由用標(biāo)記84表示的金屬針體例如不銹鋼針體(在截面A-A中示出)加強(qiáng)，金屬針體在一定程度上類似于鋼筋混凝土內(nèi)的嵌入鋼絲；該結(jié)構(gòu)被緊靠外殼77澆鑄就位。在通過燃燒炭(未示出)直接從外圍加熱材料的情況下，利用噴射器通過外殼77引入氧氣，用標(biāo)記80表示一個(gè)這樣的通過歧管79供料的噴射器。當(dāng)圍繞煤環(huán)帶在外圍進(jìn)行燃燒時(shí)，也可以通過設(shè)置圍繞柱塞69的附加心軸以形成圍繞煤外圍的炭環(huán)而圍繞煤環(huán)帶的周長充入炭。在這樣做時(shí)，通過噴射器例如噴射器80實(shí)現(xiàn)的燃燒，消耗了炭環(huán)而不是燃燒煤，原因在于目標(biāo)是使富含H2的氣體的產(chǎn)量最大化，富含H2的氣體在凈化之后是一種非常有價(jià)值的原料。在間接地從外圍加熱材料的情況下，標(biāo)記74表示用于將高溫加熱氣體分配到安裝在耐火層/隔熱層75內(nèi)的多條小直徑煙道內(nèi)的歧管，一條這樣的用標(biāo)記76表示的煙道輸送高溫氣體加熱耐火層75，耐火層又間接加熱在截面A-A中示出的用標(biāo)記78表示的煤。要注意的是向著熱解室21的出口端，煤就已經(jīng)被完全除去揮發(fā)性成分，生成由高溫?zé)霟崽繕?gòu)成的殘留物。參照圖4，其示出了截留汞并將汞作為元素汞回收的優(yōu)選方式，元素汞是一種非常有價(jià)值的產(chǎn)品，該圖包括活性碳床“a”、“b”和“C”。作為示例，床“a”可以給富含H2的氣體除汞，而床“b”可以給燃?xì)獬?；在給氣體除汞之前，使富含H2的氣體先通過冷卻器100，并且給燃?xì)獬?，使富含H2的氣體通過冷卻器100，并且使燃?xì)馔ㄟ^冷卻器101以降低氣體溫度從而有效實(shí)施氣體的除汞，原因在于除汞要在低溫下進(jìn)行，其中將富含H2的氣體送往床“a”并將燃?xì)馑屯病癰”;床“c”在該結(jié)構(gòu)中被設(shè)置用作替換床以在床體“a”或床體“b”需要維護(hù)時(shí)作為備用。床“a”和“b”分別通過流動(dòng)控制閥111和109從頂部充入活性碳；床“&”和“b”分別通過流動(dòng)控制閥102和104從底部出料。給料器107和105以這樣的方式位于閥102和104的上游給料器107在閥102的上游，且給料器105在閥104的上游。公共給料器114被設(shè)置在流動(dòng)控制閥111和109的上游以使得能夠?qū)⑿迈r的活性碳輸送至床“a”或床 “b”，其中公共給料器114構(gòu)成了用作新鮮活性碳儲(chǔ)存裝置的緩沖料斗113的下部；緩沖料斗113通過將活性碳從地面高度提升的料車提升機(jī)112接收活性碳。為了再生來自于床“a”和“b”的飽和(汞化)炭，閥102和104將汞化炭通過歧管99排入小型熱解器92的進(jìn)料室內(nèi)，汞化炭在其中被間接加熱，促使汞蒸發(fā)，將其從熱解器92引導(dǎo)至冷凝器93，回收的汞在此被冷卻并以液體形式被收集在罐94內(nèi)。由用標(biāo)記98表示的柱塞推送器來實(shí)現(xiàn)輸送汞化炭通過熱解器92，并且利用閉鎖式料斗將脫汞炭從熱解器92中排出，閉鎖式料斗具有用標(biāo)記95表示的上側(cè)閥和用標(biāo)記96表示的下側(cè)閥，而脫汞炭則用標(biāo)記97表示。床“a”和“b”下游設(shè)有兩個(gè)集塵室并且分別用標(biāo)記91A和91B表示，其中集塵室91A用于清理攜帶在脫汞的富含H2的氣流118內(nèi)的顆粒物，而集塵室91B用于清理攜帶在脫汞燃?xì)饬?19內(nèi)的顆粒物。在從氣流118中去除了顆粒物之后，清潔的、脫汞的、富含H2的氣體就由壓縮機(jī)115加壓，構(gòu)成被引導(dǎo)至工廠90(在圖I中示出)的氣流116用于生產(chǎn)化學(xué)制品，例如能夠被轉(zhuǎn)化為汽油或二甲醚的甲醇；在從氣流119中去除了顆粒物之后，清潔的脫汞燃?xì)鈩t在加熱器108內(nèi)被升溫，形成被引導(dǎo)至燃?xì)廨啓C(jī)66(在圖I中示出)用于發(fā)電的氣流117。如上所述，活性碳床“c”可以取代活性碳床“a”或活性碳床“b”，而其目的是用于在其中有任一床體停工進(jìn)行維護(hù)時(shí)代替床“a”或床“b”。參照圖5，示出了以群組形式設(shè)置以提供模塊化結(jié)構(gòu)的一組熱解器，目的是為了使其能夠通過疊加而有效地按比例擴(kuò)大生產(chǎn)能力。操作
根據(jù)已經(jīng)進(jìn)行的并且要在下文中參考的大規(guī)模測試工作來介紹本發(fā)明的操作，首先是使用未進(jìn)行準(zhǔn)備的、粉碎的優(yōu)選為三英寸和以下的原礦煤，該煤被直接送入一組熱解器內(nèi)，其中浙青在非常高溫的輻射區(qū)22內(nèi)裂化以生成無焦油的揮發(fā)性物質(zhì)和熾熱的炭，無焦油的揮發(fā)性物質(zhì)中包括富含氫的不可凝原料合成氣以及汽化的輕質(zhì)液體。合成氣和汽化的輕質(zhì)液體在第一高溫氣體凈化裝置46 (在圖I中示出)內(nèi)被脫硫和改善品質(zhì)，生成清潔的合成氣，該合成氣適合用于制造化學(xué)制品或燃料例如可轉(zhuǎn)化為汽油或二甲醚的甲醇，這在圖I中用標(biāo)記90表示。至于高溫炭，一部分高溫炭在氣化器11內(nèi)用空氣氣化，生成原料燃?xì)?；其余部分炭被用作燃料以供加熱熱解器和另外兩種有利用途，也就是(i)炭被水蒸汽激活并用于截留汞Hg，以及(ii)炭被用作土壤的富碳劑與肥料混合以將其轉(zhuǎn)化為超級肥料。來自氣化器11的原料燃?xì)獗惠斔徒?jīng)過第二高溫氣體凈化裝置47 (在圖I中示出)，生成清潔的脫硫貧煤氣，可以理想地用于清潔、高效的發(fā)電，其中從發(fā)電過程中排放的N2+C02被收集起來并轉(zhuǎn)化為N2+2C0以用作制備緩釋肥料的原料，是非常有價(jià)值的一種副產(chǎn)品。在由申請人指導(dǎo)與太陽精煉(Sun refining)合作執(zhí)行的測試工作表明本文中介紹的將CaO用作吸附劑的方法在CaO作為吸附劑的背景下用來自其費(fèi)城煉油廠的裂化殘留物(重質(zhì)浙青)生產(chǎn)出輕質(zhì)液體。這樣的輕質(zhì)液體被Sun稱作“極佳的原料并且通過簡單的蒸餾過程即可被分離為很有價(jià)值的中間產(chǎn)品”，參見證據(jù)3，2頁中的第I頁。通過測試生成的數(shù)據(jù)(參見證據(jù)3，2頁中的第2頁)表明殘留物中的蘭氏殘?zhí)?以重量百分比計(jì))在#3試驗(yàn)中從18. 2%轉(zhuǎn)化為I. 24%，在#4試驗(yàn)中轉(zhuǎn)化為O. 59%，并且在#5試驗(yàn)中轉(zhuǎn)化為O. 31%。而且，對于用。F表示的流點(diǎn)溫度，殘留物是145° F，而在#3，#4和#5試驗(yàn)中，溫度被降低至-20° F。而且，殘留物的初沸點(diǎn)從802° F下降至#3試驗(yàn)中的108° F、#4試驗(yàn)中的154° F和#5試驗(yàn)中的135° F。這些數(shù)據(jù)表明本文中介紹的方
法一其基于重復(fù)所執(zhí)行的測試工作，商業(yè)規(guī)模的除外一應(yīng)該在用煙煤生產(chǎn)輕質(zhì)液體方面產(chǎn)生很顯著的效果。同樣很重要的是本文中公開了按下述摩爾百分比生產(chǎn)的合成氣(富煤氣樣本，#3 試驗(yàn))H2-57. 3%, CH4-36. 6%, N2_3%，C2H4-L 8%, CO-1. 6% 和 CO2-僅 O. 7%。關(guān)于熱解之后對殘留炭的進(jìn)一步加工，1997年在申請人的工藝研發(fā)部門中進(jìn)行了用煤制備冶金焦炭的測試(證據(jù)4)，對生產(chǎn)出的焦炭(炭)進(jìn)行了各種性質(zhì)的測試，包括熱解之后的殘留揮發(fā)性物質(zhì)。在測試由Bethlehem鋼廠的煤制成的焦炭時(shí)，焦炭內(nèi)的殘留揮發(fā)性物質(zhì)為O. 58%，而在測試由美國鋼鐵廠的三種煤制成的焦炭時(shí)，對于由Blue Tag煤制成的焦炭，焦炭內(nèi)的殘留揮發(fā)性物質(zhì)為O. 55%,對于由Low-Vol煤制成的焦炭,焦炭內(nèi)的殘留揮發(fā)性物質(zhì)為O. 48%，而對于由White Tag煤制成的焦炭，焦炭內(nèi)的殘留揮發(fā)性物質(zhì)為
O.70%，參見證據(jù)5。在進(jìn)行的測試中，無論原料是重油(浙青)還是煤，這些原料都是在密封管中熱解，其中焦油裂化按本文中所述地進(jìn)行，在除硫的情況下，生成的氣體不含H2S，正如證據(jù)3，2頁中的第I頁所報(bào)告的那樣。元素硫是在再生期間直接生成的(參見證據(jù)6)，并且用于這些結(jié)果的化學(xué)過程在The Making, Shaping and Treating of Steel的第11版中公開，參見證據(jù)7。如上所述，在現(xiàn)有的燃煤鍋爐中燃燒煤以產(chǎn)生要被送入燃?xì)廨啓C(jī)用于發(fā)電的水蒸汽會(huì)生成六種污染物。這些污染物是SO2、N0X、Hg、顆粒物、灰末和CO2。本發(fā)明的綜合解決方案是將全部六種污染物轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)品而不是將被排放到大氣中或掩埋在垃圾場或某個(gè)地質(zhì)建造中的垃圾，后者昂貴、低效并且必須連續(xù)監(jiān)控。本發(fā)明如下所述將這六種污染物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品
I、二氧化硫(S0J —硫作為煤中的一種固有成分是非常常見的，它在燃饒時(shí)會(huì)變成SO20通過不再燃燒煤而是將其熱解，硫就會(huì)采用H2S的形式(參見證據(jù)3)以在高溫氣體凈化容器46中與CaO反應(yīng)成為預(yù)浸碳的CaS，當(dāng)進(jìn)行再生時(shí)，硫就會(huì)釋放成為元素硫，這是一種很有價(jià)值的副產(chǎn)品。2、隊(duì)的氧化物(N(X) —當(dāng)在鍋爐內(nèi)燃燒煤時(shí)，就會(huì)生成N0X。通過不在鍋爐內(nèi)燃燒煤，而是用來自燃?xì)廨啓C(jī)的高溫排氣代替，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒的是清潔的貧燃?xì)?LFG氣體(低Btu燃?xì)?)，生成的NOx量大約為10份/百萬份(ppm)，這在與燃燒天然氣(CH4)時(shí)相比，無論是從工業(yè)角度還是從公眾角度看都可以認(rèn)為是非常干凈的，燃燒天然氣(CH4)時(shí)的NOx產(chǎn)量為152ppm，5其是通過燃燒低Btu燃?xì)馍傻腘Ox的約15倍大，參見證據(jù)8。盡管NOx相當(dāng)少(IOppm)，但是在本文公開的技術(shù)應(yīng)用中的煙道氣仍然不會(huì)排放到大氣中，正如以下在解決CO2的問題時(shí)所介紹的那樣，原因在于煙道氣也包含co2。3、汞捕集(Hg) 一捕汞器(證據(jù)9)適用于通過內(nèi)部制備的硫化活性碳(炭)來去除汞，其中汞化的富含H2氣體被通過床“a”脫汞，而汞化的燃?xì)獗煌ㄟ^床“b”脫汞，同時(shí)第三床“c”被設(shè)置用于在床“a”或床“b”變成汞飽和時(shí)替換床“a”或床“b”，正如圖4中所示。來自床“a”的脫汞富含H2氣體被輸送通過集塵室91A，由此送往甲醇車間用于轉(zhuǎn)化為汽油或二甲醚。至于脫汞的燃?xì)鈩t被輸送通過集塵室91B (圖4)，由此送往燃?xì)廨啓C(jī)66 (圖
I)用于發(fā)電，而其高溫廢氣則被引導(dǎo)通過鍋爐67以產(chǎn)生水蒸汽并發(fā)電。本文中的設(shè)備以這樣的方式設(shè)置從而能夠在床“a”或床“b”汞飽和時(shí)用床“c”替換床“a”或床“b”。為了回收汞作為有價(jià)值的副產(chǎn)品，設(shè)置作為汞回收系統(tǒng)的一部分的小型熱解器，其被間接加熱以從碳中蒸發(fā)出汞并通過冷凝將汞從碳中分離開來。以蒸氣形式分離的汞在冷凝器中被冷卻以將其轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的液體形式的純汞。4、顆粒物一在顆粒物的情況下，煤不進(jìn)行熱解，而是按從礦山輸送來時(shí)的樣子被使用。在本文介紹的方法中，煤的熱解以及富含H2氣體和貧燃?xì)獾母邷貧怏w凈化在對大氣 封閉的環(huán)境中連續(xù)進(jìn)行以物理地消除排放物。顆粒物被在旋風(fēng)除塵器和集塵室內(nèi)收集并輸送至氣化器11，在此顆粒物被熔化，從而與灰末一起形成玻璃質(zhì)的惰性爐渣。在將富含H2的氣體轉(zhuǎn)化為甲醇/汽油或二甲醚時(shí)，系統(tǒng)是完全封閉的，包括在罐中儲(chǔ)存的準(zhǔn)備用于運(yùn)輸給消費(fèi)者的產(chǎn)品。在貧燃?xì)獾那闆r下，系統(tǒng)完全封閉，直到電力被送往配電所并由此向電網(wǎng)輸送為止。5、煤灰末一本文中介紹的方法集成了在熱解器10內(nèi)熱解煤，生成富含H2的氣體和高溫?zé)霟崽?，炭在氣化?1內(nèi)高效氣化，氣化器在足以確?；夷┑某煞滞耆刍母邷叵虏僮饕匀刍簝?nèi)的灰末以生成玻璃質(zhì)的惰性爐渣；由申請人與太陽石油公司合作得到的對產(chǎn)生的爐渣的各種分析結(jié)果在證據(jù)10中示出。6、二氧化碳(CO2) —二氧化碳是貧燃?xì)庠谌細(xì)廨啓C(jī)66內(nèi)與空氣一起燃燒期間生成的。當(dāng)貧燃?xì)庖苍阱仩t67內(nèi)燃燒以作為額外熱能輸入的補(bǔ)充時(shí)，來自從燃?xì)廨啓C(jī)66引導(dǎo)到鍋爐67的高溫排放煙道氣中的能量就得以增加。離開鍋爐67的其成分為N2+C02的全部煙道氣通過水蒸汽89被送至氣化器11，在此N2+C02由氣化器11內(nèi)的高溫炭轉(zhuǎn)化為N2+2C0并且變成通過高溫氣體凈化裝置的端口 32離開的貧燃?xì)獾囊徊糠?。由此，CO2不再是被捕集并隔離在某種地質(zhì)建造中，而是被轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)肥料的原料，也是一種非常有價(jià)值的產(chǎn)品?？傊?，根據(jù)完成的測試工作和本文中的說明，在本公開篇首列舉的目標(biāo)均得以實(shí)現(xiàn)。我們主張，本文中提供的所述方法和裝置對使用粉碎煤在鍋爐中燃燒的常規(guī)實(shí)踐方法提供了重大改進(jìn)。上述的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)是為了說明目的而不是為了加以限制，因此其他的結(jié)構(gòu)也是可行的而并不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。而且，在本文介紹的裝置中也可以處理除煤以外的其他材料。
權(quán)利要求
1.在一種從煤產(chǎn)生熱能的方法中，例如通過在鍋爐內(nèi)燃燒煤來產(chǎn)生水蒸汽，該水蒸汽被送入蒸汽輪機(jī)內(nèi)用于發(fā)電，其中生成了形式為S02、N0x、Hg、顆粒物、灰末和CO2的污染物，改進(jìn)之處在于提供了一種綜合的解決方案，該解決方案以封閉的方式集中了構(gòu)成所述污染物的所有氣流，該封閉的方式避免將所述污染物中的任何一種排放到大氣中，同時(shí)將所述污染物轉(zhuǎn)化為有用的、有價(jià)值的產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述SO2被避免排放到大氣中，而且被轉(zhuǎn)化為元素硫，元素硫是一種有價(jià)值的可銷售產(chǎn)品。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述NOx被避免排放到大氣中，并且通過與高溫炭反應(yīng)而被轉(zhuǎn)化以變成N2+2C0，這是一種用于生產(chǎn)肥料的原料，是一種有價(jià)值的可銷售產(chǎn)品。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述Hg被避免排放到大氣中，并且以元素汞的形式回收，元素汞是一種有價(jià)值的可銷售產(chǎn)品。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述顆粒物被避免排放到大氣中，并且改為將顆粒物收集在集塵室內(nèi)并將其送入氣化器內(nèi)，所述氣化器具有將這些顆粒物轉(zhuǎn)化為玻璃質(zhì)的惰性爐渣的能力，玻璃質(zhì)的惰性爐渣可以作為潔凈的集料進(jìn)行銷售。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其中通過將所述灰末轉(zhuǎn)化為玻璃質(zhì)的惰性爐渣而避免將所述灰末儲(chǔ)存在池內(nèi)，所述玻璃質(zhì)的惰性爐渣可以作為潔凈的集料進(jìn)行銷售。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其中煙道氣(N2+C02)內(nèi)包含的所述CO2被用高溫炭還原為N2+2C0，所述N2+2C0可用作加工肥料的原料，是一種有價(jià)值的可銷售產(chǎn)品。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其中煤被熱解以生成富含氫的氣體，所述富含氫的氣體在凈化和脫汞后被轉(zhuǎn)化為運(yùn)輸用燃料以代替石油基燃料。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述運(yùn)輸用燃料是汽油或二甲醚。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述富含氫的氣體在凈化和脫汞后被用作化學(xué)原料。
11.如權(quán)利要求I所述的方法，其中煤被熱解以生成炭，所述炭被用含氧的氣體氣化，氧將所述炭轉(zhuǎn)化為燃?xì)狻?br> 12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述含氧氣體是用于生成貧燃?xì)獾目諝?，貧燃?xì)庠谌紵龝r(shí)固有地生成遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于燃燒天然氣時(shí)的少量N0X。
13.如權(quán)利要求I所述的方法，其中煤被熱解以生成炭，所述炭被直接送入一體的炭氣化器內(nèi)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中來自池的污染性灰末被送入所述炭氣化器內(nèi)以將這些灰末轉(zhuǎn)化為玻璃質(zhì)的惰性爐渣。
15.如權(quán)利要求I所述的方法，包括用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I中所述功能的裝置。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述裝置包括以下部分 用于從地面高度輸送煤和其他材料并且喂送這些煤和材料的裝置； 適用于將煤除去揮發(fā)性成分以生成揮發(fā)性物質(zhì)和高溫炭的熱解裝置； 用于將所述炭與所述揮發(fā)性物質(zhì)分離的裝置； 用于將所述揮發(fā)性物質(zhì)中的烴脫硫和裂化以生成富含氫的氣體(合成氣)的高溫氣體凈化裝置； 用于將所述炭轉(zhuǎn)化為貧燃?xì)馔瑫r(shí)將炭內(nèi)的灰末轉(zhuǎn)化為熔融爐渣的炭氣化裝置；用于將所述貧燃?xì)饷摿虻母邷貧怏w凈化裝置； 用于冷卻所述合成氣和所述貧燃?xì)獾睦鋮s裝置； 活性碳床，用于從所述合成氣和所述貧燃?xì)庵谐陨蓾崈舻暮铣蓺夂蜐崈舻呢毴細(xì)?，其中所述合成氣適合用作化學(xué)制品或用作生產(chǎn)液體燃料例如甲醇、汽油和二甲醚的原料，并且其中所述貧燃?xì)獗挥糜谠谌細(xì)廨啓C(jī)內(nèi)發(fā)電，所述燃?xì)廨啓C(jī)的包含隊(duì)+0)2的高溫廢氣被送往鍋爐以產(chǎn)生水蒸汽并生成額外電能； 用于將包含N2+C02的廢氣從所述鍋爐引導(dǎo)至所述氣化器以將N2+C02轉(zhuǎn)化為N2+2C0的裝置； 用于將N2+2C0作為原料使用的裝置；以及 肥料車間，其中所述原料被用于生產(chǎn)所述肥料。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述熱解裝置在其出口處擁有中間歧管，適用于將所述炭分為兩部分，其中第一部分被送往所述氣化器以將所述炭轉(zhuǎn)化為貧燃?xì)?，而第二部分被送往急冷器以將所述第二部分冷卻至在將其排放入大氣之前不能冒煙的程度。
18.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述熱解裝置適用于在熱解裝置中燃燒炭內(nèi)芯以提供熱能用于加熱其中的煤。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述內(nèi)芯在適用于噴射含氧氣體的噴槍的幫助下燃燒。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述含氧氣體是純氧氣。
21.如權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述炭內(nèi)芯被煤環(huán)帶圍繞。
22.如權(quán)利要求21所述的裝置，其中所述煤環(huán)帶適用于被雙向加熱以高效地除去所述煤中的揮發(fā)性成分并生成炭。
23.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述高溫氣體凈化裝置適用于生成元素硫，元素硫是一種有價(jià)值的產(chǎn)品。
24.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述熱解裝置適用于在壓力下運(yùn)行以改善傳熱。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中所述熱解裝置在其充料端裝有推送柱塞以推進(jìn)所述熱解裝置內(nèi)的包含物從而促使在充料端充料以及在所述熱解裝置的排料端排出炭。
26.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中所述熱解裝置在充料端裝有帶孔心軸以形成內(nèi)芯，噴槍可以通過該內(nèi)芯自由地獨(dú)立前進(jìn)和縮回。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于解決現(xiàn)有燃煤發(fā)電廠嚴(yán)重污染的先進(jìn)方法和裝置。本發(fā)明處理源于燃煤發(fā)電廠的嚴(yán)重污染問題，這些發(fā)電廠可能會(huì)由于他們要不經(jīng)濟(jì)地加裝昂貴的污染控制裝置而被迫關(guān)閉。來自燃煤發(fā)電廠的污染物包括SO2、NOX、Hg、顆粒物、灰末和CO2。本發(fā)明提供了一種獨(dú)特且綜合的解決方案，該解決方案使避免目前對健康和環(huán)境造成的危害成為可能，與此同時(shí)還可以避免關(guān)閉這些我們?nèi)匀环浅Ｐ枰陌l(fā)電設(shè)施，這些發(fā)電廠提供了本國約50%的發(fā)電量。本文中的綜合解決方案將六種提及的污染物轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)品并由此避免將這些污染物排放到大氣中。
文檔編號C10J3/84GK102952560SQ20121002081
公開日2013年3月6日 申請日期2012年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月18日
發(fā)明者A.卡爾德倫, R.O.麥卡錫, T.J.勞比斯 申請人:美國能源獨(dú)立公司