專利名稱：減少氣流中的微粒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及降低含顆粒氣流被引導(dǎo)通過的靜電除塵器中的火花率。
背景技術(shù)：
存在關(guān)于顆粒排放的環(huán)境問題。靜電除塵器通常用于通過收集氣流中的至少部分顆粒來減少含顆粒氣流的顆粒排放。特別是從燃燒源(諸如發(fā)電廠)排放顆粒的問題。在美國，發(fā)電廠的排放由聯(lián)邦、州和(在一些情況下)地方政府管制。已知關(guān)于由燃燒(尤其是燃燒煤)引起的顆粒排放的環(huán)境問題。如上所述，減少顆粒排放的一種方法是使用靜電除塵器。靜電除塵器(ESP)具有至少一對帶有相反電荷的電極或板，其創(chuàng)建了含顆粒氣流通過的電場；通常，使用一系列電極和板。氣流中的帶電粒子在帶有相反電荷的電極或板上聚集。通過物理上(例如，通過輕敲或敲打)或通過聲音手段(例如，吹動喇叭)使電極或板振動，周期性地從電極或板上去除所聚集的粒子。在高電壓下操作靜電除塵器以創(chuàng)建強電場。電場越強，被電離且然后聚集于ESP的集電板上的顆粒的量越大。因此，優(yōu)選在實際最強電場(最高電壓)下操作靜電除塵器。通常以如下方式操作ESP:逐漸增大輸入功率直到收集板上生成火花，或達到預(yù)設(shè)最大輸入功率。以此方式進行的操作可提供最大量的功率輸入，且通常產(chǎn)生最高的顆粒收集效率，這反過來減少了氣流中的顆粒排放。當(dāng)被用于從燃氣流中去除顆粒時，ESP可在空氣加熱器的上游或空氣加熱器的下游。在空氣加熱器上游的ESP通常被稱為熱側(cè)靜電除塵器，且其通常在高于400° F(204°C)的溫度的環(huán)境中運行。在空氣加熱器下游的ESP通常被稱為冷側(cè)靜電除塵器，且其通常在低于400° F(204°C )的溫度的環(huán)境中運行。在具有運行于320° F(160°C )的溫度下的ESP的燃煤發(fā)電廠的機組內(nèi)進行的試驗中首先觀察到溴化含碳基質(zhì)對ESP收集效率的影響。只監(jiān)控不透明度，而非顆粒物排放。觀察到排放氣體的不透明度降低；特別是，在試驗期間通過注入溴化含碳基質(zhì)而非SO3使不透明度保持在平均值21%。通常，在對比期，在該系統(tǒng)中(添加有SO3)測量出的不透明度為20%至30%。就此，參見R.Landreth等人于2007年12月在Pittsburgh，PA的美國能源部/國家能源技術(shù)實驗室水銀控制技術(shù)會議上會議所做Brominated Sorbents for SmallCold-Side ESPs，Hot-Side ESPs，and Fly Ash Use in Concrete.
影響靜電除塵器的收集效率的因素之一是所收集的顆粒的電阻率。ESP的收集板上具有高電阻率的顆粒集結(jié)呈現(xiàn)出性能問題。一個此問題(有時稱為“背電暈”放電)是由收集板上的顆粒層兩端的電壓梯度增大引起的橫跨電場的火花或弧光。如果由于顆粒層的高電阻率而使電壓變得過大，則截留在顆粒層中的氣體可電離并引起火花。每當(dāng)這種情況發(fā)生時，一“股”顆粒流從收集板釋放，且該流增加了退出氣流中的顆粒排放，這隨著氣體的不透明度增加而被觀察到。增加的火花率要求降低施加的電壓，這反過來降低了 ESP的收集效率。為了通過ESP提高顆粒收集，可將一種或多種調(diào)節(jié)劑添加至ESP上游的含顆粒氣流中，以增加顆粒對ESP收集的敏感性。通常，認為調(diào)節(jié)劑能改變氣流中的顆粒的電阻率。使用調(diào)節(jié)劑允許在ESP運行過程中增加電壓，從而提高ESP的收集效率。一種此調(diào)節(jié)劑為S03。雖然有利于ESP收集顆粒，但是已觀察到SO3對水銀吸附劑的效力有很大的負面影響。為了抵消SO3的負面影響，可在適當(dāng)?shù)臅r間點將鎂或鈣吸附劑注入煙道氣流中以去除so3。然而，這些鎂和鈣吸附劑增加了煙道氣中的粉煤灰的電阻率，其反過來負面地影響了靜電除塵器對顆粒的收集。此外，使用SO3可增加硫的排放。硫酸或磷酸還可用作調(diào)節(jié)劑來增強顆粒收集。由于這些酸的危害性，因此需要特殊的設(shè)備和處理，除非這些酸被吸附到惰性顆粒載體上(例如,硅酸鈣、硅藻土、蛭石、硅酸鎂鈉蒙脫石或碳黑)。其它用于控制顆粒、NOx和SOx排放的煙道氣調(diào)節(jié)劑包括氨和氨基化合物，諸如硫酸銨和磷酸銨，硫酸氫銨和磷酸鈉。這些調(diào)節(jié)劑的添加通常要小心控制，這些調(diào)節(jié)劑可污染下游設(shè)備，和/或是氣流中不良的排放成分。理想的是增加ESP的顆粒收集效率，尤其是在不需要可增加不良的排放或操作條件范圍較窄的調(diào)節(jié)劑的情況下。
發(fā)明概要本發(fā)明提供了用于減少氣流(包括燃氣流)中的顆粒排放的方法。這些方法通過在不明顯增大收集板上的顆粒層的電阻率和/或不增大靜電除塵器(ESP)中的火花率的情況下允許較大的電壓，提高靜電吸塵器(ESP)，尤其是冷側(cè)ESP的收集效率。令人驚訝的是，在不添加調(diào)節(jié)劑(尤其是那些條件范圍較窄，或存在自身排放缺點的調(diào)節(jié)劑)的情況下，僅需一種可被注入含顆粒氣流(即便該氣流為熱含顆粒燃氣)中的材料即可完成。特別是，在沒有向含顆粒氣流中注入SO3時，可成功地使用此處描述的方法；因此，本發(fā)明的方法的另一個益處為減少系統(tǒng)組件的腐蝕。本發(fā)明的實施方案為一種用于降低含顆粒氣流被引導(dǎo)通過的冷側(cè)電除塵器中的火花率和/或增加其內(nèi)的電壓的方法，其中所述靜電除塵器具有火花率和電壓。該方法包括將一定量的由含碳基質(zhì)和元素鹵素形成的鹵化含碳基質(zhì)和/或氫鹵酸注入靜電除塵器上游的含顆粒氣流中，使得與未注入鹵化含碳基質(zhì)時相比，火花率下降約40%或更多，和/或電壓增加約20%或更多。附圖簡述

圖1是實例I中使用溴化含碳基質(zhì)的注入測試即將開始之前的時間內(nèi)及其過程中冷側(cè)ESP中的火花率的圖。圖2是在實例2中的一次注入測試的過程中隨著時間在ESP出口處測量的顆粒的圖。圖3a是在實例2中的一次注入測試的過程中隨著時間在ESP出口處測量的顆粒的圖。圖3b是在與圖3a所示時間相同的時間內(nèi)去除的顆粒的百分比的圖。
通過隨后的描述和所附權(quán)利要求書，本發(fā)明的這些以及其它實施方案和特征將更加明顯。
具體實施例方式在整個文檔中，術(shù)語“顆?！敝傅氖菓腋∮跉饬髦械男☆w粒(直徑通常為約20 μ m或更小)。在整個本文檔中所使用的術(shù)語“氣流”指的是朝一個方向移動的氣體量。正如整個文檔中所使用的，短語“燃氣”指的是由燃燒產(chǎn)生的氣體(混合物)。煙道氣是燃氣的一種。就此而言，“燃氣流”中使用的術(shù)語“流”指的是朝一個方向移動的燃氣量。本發(fā)明的方法的一個優(yōu)點是被注入含顆粒氣流中的鹵化含碳基質(zhì)為顆粒，且其也可與氣流中出現(xiàn)的其它顆粒一起被靜電除塵器從氣流中去除。本發(fā)明針對冷側(cè)靜電除塵器。將鹵化含碳基質(zhì)注入氣流中且該鹵化含碳基質(zhì)隨后穿過靜電除塵器通常可降低靜電除塵器中的火花率(減少或防止火花形成)。不希望受到理論限制，據(jù)信收集的顆粒的表面電阻率降低，這允許靜電除塵器中的更高的收集效率。齒化含碳基質(zhì)可以為氯化、溴化或碘化的含碳基質(zhì)。優(yōu)選地，齒化含碳基質(zhì)為溴化鹵化含碳基質(zhì)。不傾向于碘化含碳基質(zhì)，這是因為在適度升高溫度時浸潰的碘和碘化合物常常從含碳基質(zhì)中釋放出去。當(dāng)含顆粒氣流為燃氣流時，溫度升高時(燃氣流的典型特征)，許多吸附的碘或碘化物將從這些材料中釋放出去。正常地將鹵素負載于含碳基質(zhì)上，使得鹵素以鹵化含碳基質(zhì)總量的約0.25至約15wt%、優(yōu)選為約I至約IOwt %，且更優(yōu)選為約2.5至約7.5wt%的量而存在。鹵化含碳基質(zhì)通常由鹵素源和含碳基質(zhì)形成。含碳基質(zhì)為基于碳的吸附劑，諸如活性碳，或優(yōu)選為細粉狀活性碳(PAC)。合適的鹵素源包括元素(二原子)鹵素和氫鹵酸(鹵化氫)。美國專利號6，953，494中描述了使用元素鹵素和/或氫鹵酸來合成鹵化含碳基質(zhì)。優(yōu)選那些由粉狀活性碳和溴氣形成的，且商業(yè)上可獲得的鹵化含碳基質(zhì)(雅寶公司；B-PAC, C-PAC, H-PAC和Q-PAC)。當(dāng)鹵化含碳基質(zhì)是由金屬鹵化物鹽形成時，未觀察到有益效果(例如，火花減少)?？蛇x地，如果需要或期望可注入其它劑，諸如調(diào)節(jié)劑。優(yōu)選地，只添加鹵化含碳基質(zhì)。優(yōu)選地，在沒有調(diào)節(jié)劑的情況下實踐本發(fā)明。還優(yōu)選的是在沒有注入SO3的情況下進行操作，這是因為已觀察到SO3會降低溴化含碳基質(zhì)的效力。通常以約0.5至約151b/MMacf (8xl(T6至240xl(T6kg/m3)的速率注入鹵化含碳基質(zhì)。雖然可以理解，注入速率隨特定的系統(tǒng)配置變化，但是優(yōu)選注入速率為約I至約101b/MMacf (16xl(T6 至 160xl(T6kg/m3);更優(yōu)選注入速率為約 2 至約 51b/MMacf (32xl(T6 至80x10 6kg/m3)。本發(fā)明提供了可應(yīng)用于多個燃氣流和多種不同排氣系統(tǒng)設(shè)備配置的靈活方法。通常，可在靜電除塵器上游的任何點注入鹵化含碳基質(zhì)。建議在點上將鹵化含碳基質(zhì)注入含顆粒氣體中，使得鹵化含碳基質(zhì)不被暴露于約1100° F(593°C)以上的溫度。在該溫度或該溫度以上的溫度，鹵化含碳基質(zhì)易于分解。優(yōu)選用于注入鹵化含碳基質(zhì)的點可根據(jù)系統(tǒng)配置變化。當(dāng)被注入時，鹵化含碳基質(zhì)接觸流動的含顆粒氣流，與該氣流緊密混合，并在靜電除塵器中與顆粒一起與氣流分離。對于燃氣流，可在氣體通過熱交換器或預(yù)熱器(即，在燃氣排氣系統(tǒng)的所謂的“熱側(cè)”)之前，或氣體通過熱交換器或預(yù)熱器(即，在燃氣排氣系統(tǒng)的“冷側(cè)”)之后注入鹵化含碳基質(zhì)。優(yōu)選地，在冷側(cè)注入鹵化含碳基質(zhì)。冷側(cè)的操作溫度通常為約400° F(2040C )或更低。如上所述，與未將鹵化含碳基質(zhì)注入含顆粒氣流時相比，注入鹵化含碳基質(zhì)可使火花率降低約40 %或更多，和/或使電壓增大約20 %或更多。優(yōu)選地，注入鹵化含碳基質(zhì)的量為，與未將鹵化含碳基質(zhì)注入含顆粒氣流時相比，可使火花率降低約60%或更多，和/或使電壓增大約30%或更多。通常，最好在對比測試中盡可能多的變量與測試(存在鹵化含碳基質(zhì))過程中的條件相同時進行對比。由于從收集板釋放的顆粒流變少，因此需要降低靜電除塵器中的火花率，這反過來降低了離開氣流中的顆粒排放。本發(fā)明提供的另一個優(yōu)點是可增大電壓，這允許在靜電除塵器中生成更強的電場，使得更大量的顆粒被電離然后被收集在靜電除塵器的集電板上。當(dāng)將溴化含碳基質(zhì)被注入燃氣流中時，與不存在溴化含碳基質(zhì)的測試相比，觀察到燃氣流的不透明度(通過靜電除塵器后)降低約3%或更多，有時降低約6%或更多。在低負載和高負載時觀察效果，兩種負載時不透明度的增加相似。當(dāng)確定靜電除塵器下游的含顆粒氣流降低的不透明度時，最好在對比測試中盡可能多的變量與測試(存在鹵化含碳基質(zhì))過程中的條件相同時進行對比。如上所述，靜電除塵器用于通過收集氣流中的至少一些顆粒來降低含顆粒氣流的顆粒排放。各種工業(yè)過程產(chǎn)生含顆粒氣流。這些過程的實例包括廢物焚燒、冶金過程、金屬回收過程、燃燒和水泥生產(chǎn)。在優(yōu)選的實施方案中，含顆粒氣流來自除燃燒之外的過程。列舉以下實例是為了說明，而非限制本發(fā)明的范圍實例I在該實例中，對來自具有234MW鍋爐(燃燒次煙煤)的發(fā)電廠機組的燃燒(煙道)氣體進行處理。發(fā)電廠機組由兩個分離的鍋爐(過熱和再熱)組成，這兩個分離的鍋爐被作為一個鍋爐操作；然而，每一個鍋爐具有獨立的管道系統(tǒng)和在310° F(154°C )運行的冷側(cè)ESP。每一個ESP具有118ft2/1000acfm(每分鐘實際立方英尺數(shù)；每47217sec為3.34m3)的特定收集區(qū)域(SCA)。每一個ESP的流的大小為117麗e，處理的氣流為460，OOOacfm(217，120L/sec)。煙道氣穿過ESP到達總煙囪和公用不透明度監(jiān)控器。注入在再熱鍋爐內(nèi)進行。鹵化含碳基質(zhì)為含有約7wt%溴的溴化活性碳(C-PAC，雅寶吸附劑技術(shù)公司)?？諝忸A(yù)熱器之后，使用吸附劑注入系統(tǒng)引入鹵化含碳基質(zhì)。在測試期間持續(xù)注入；注入速率為
4.61b/MMacf (78.3x10 6kg/m3)。測試期間高負載操作過程中的不透明度總共降低了 4%，不透明度在注入時開始降低，一直持續(xù)到測試結(jié)束。由于在煙囪處測量的煙道氣為兩個鍋爐的混合物，因此對于被處理的鍋爐而言可以認為不透明度降低了 8%。已報告了不透明度效果；參見
5.Nelson, Jr.等人在2007年的電氣公共事業(yè)環(huán)境會議中所做Effects of ActivatedCarbonInjection on Particulate Collectors and Particulate Emissions。之前未報告注入C-PAC對火花率的影響。當(dāng)開始注入時，火花率立刻下降且在測試過程中持續(xù)降低。當(dāng)測試停止時，火花率在測試期間降低然后恢復(fù)至基線(對比)水平。
測試過程中ESP的第一場的火花率數(shù)據(jù)在圖1中顯示。圖1是在一個月的時間內(nèi)每隔五天測量的熱鍋爐前部場每分鐘的火花率的圖。圖1示出ESP前部場的火花率在開始連續(xù)注入B-PAC之前很高(第五天)。一旦開始注入，火花率立刻下降并在測試過程中持續(xù)降低。降低的火花率使得施加到ESP的功率(電壓)增大，且提高了 ESP的收集效率。實例2進行了兩個系列的測試以對不同注入速率對顆粒物排放的影響進行評估。該實例中的一系列測試中使用的發(fā)電廠機組為5000acfm(2360L/sec)的利用來自兩個機組中的一個的煙道(燃燒)氣的滑流測試設(shè)施。兩個機組均燃燒褐煤。針對這些測試，該設(shè)施裝備有在直到345° F(174°C )才運行的兩場冷側(cè)ESP。使用重力給料器引入鹵化含碳基質(zhì)以確保可靠且可測量的流動。發(fā)電廠裝備有聯(lián)機顆粒物(PM)監(jiān)控器(RM320，SICK AG)來提供PM數(shù)據(jù)(mg/m3)。鹵化含碳基質(zhì)為含有約7wt%溴的溴化活性碳(B-PAC，雅寶吸附劑技術(shù)公司)。針對第一系列的測試，使用0.5 至 5.31b/MMacf(8xlO_6 至 84.9xl0_6kg/m3)的注入速率范圍。注入為連續(xù)的:第一次注入為0.5MMacf(8X10_6kg/m3);附加第二次注入使得B-PAC 的總量為 1.2MMacf (19.2xl0_6kg/m3)等。在出口處測量的顆粒物排放與開始測試時的值相比減少了 50%以上。圖2總結(jié)了結(jié)果。圖2示出了隨著時間推移在ESP的出口處測量的顆粒。圖2中的階梯式疊加為注入的B-PAC的量；圖中幾乎為直線的線為去除的顆粒的百分比。針對第二次測試,使用0.1至0.51b/MMacf (1.60xl(T6至8xl(T6kg/m3)的較低注入速率。連續(xù)注入的方式與本實例中描述的第一系列測試的注入方式相同。數(shù)據(jù)顯示顆粒物排放率已提高，即使在這些較低的注入水平。圖3a至圖3b總結(jié)了結(jié)果。圖3a示出了隨著時間推移在ESP的出口處測量的顆粒。圖3a中的階梯式疊加為注入的B-PAC的量。圖3b示出在與圖3a所示時間相同的時間內(nèi)去除的顆粒的百分比。圖3b中的階梯式疊加為注入的B-PAC的量。實例3腐蝕測試在具有320，000acfm(151, 040L/sec)且具有燃燒中硫東部煙煤的總?cè)萘繛?0麗的鍋爐的發(fā)電廠進行三個月。該設(shè)施裝備有在直到300° F(1490C )才運行的冷側(cè) ESP0 ESP 在 320。F(160°C )時的 SCA 為 330ft2/1000acfm(9.34m3 每 472L/sec ;3 場)。四個由低碳鋼制成的附連測試板放置在通向ESP氣箱的管道系統(tǒng)內(nèi)的煙道(燃燒)氣流中。在整個測試期間，以15ppm的注入速率在空氣預(yù)熱器之前(上游)注入SO30完成SO3測試之后，去除附連測試板，并將另外四個由較碳鋼制成的附連測試板放置在煙道氣流中與進行SO3測試時放置附連測試板的位置相同的位置。在整個測試期間以8MMacf(128xl0^6kg/m3)的注入速率在空氣預(yù)熱器的上游注入溴化粉狀活性碳(B-PAC，雅寶吸附劑技術(shù)公司)。在B-PAC測試過程中未注入S03。由SO3調(diào)節(jié)的煙道氣對附連測試板的腐蝕可在附連測試板曝光23天后通過稱量附連測試板加以量化。以mg/day報告重量損失。由溴化PAC調(diào)節(jié)的煙道氣對附連測試板的腐蝕量可在附連測試板曝光12天后通過稱量附連測試板加以量化；以mg/day報告重量損失。表I還提供了由暴露于每一種物質(zhì)的所有附連測試板的腐蝕造成的平均重量損失。表I示出與暴露于含有SO3的煙道氣的附連測試板相比，暴露于含有B-PAC的煙道氣的附連測試板的重量損失減少。表 I
權(quán)利要求
1.一種用于降低含顆粒氣流被引導(dǎo)通過的冷側(cè)靜電除塵器中的火花率和/或增加其內(nèi)的電壓的方法，其中所述靜電除塵器具有火花率和電壓，所述方法包括將一定量的由含碳基質(zhì)和元素鹵素形成的鹵化含碳基質(zhì)和/或氫鹵酸注入所述靜電除塵器上游的所述含顆粒氣流中，使得與未注入所述鹵化含碳基質(zhì)時相比，火花率下降約40%或更多，和/或電壓增加約20%或更多。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述火花率下降約60%或更多，和/或使得所述電壓可增加約30%或更多。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鹵化含碳基質(zhì)為溴化含碳基質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含碳基質(zhì)為活性碳。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述溴化含碳基質(zhì)為溴化活性碳。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的方法，其中所述方法是在沒有注入SO3時或沒有調(diào)節(jié)劑時執(zhí)行的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的方法，其中所述方法是在沒有其它劑時執(zhí)行的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7所述的方法，其中所述氣流為燃氣流，且其中，在所述氣流通過熱交換器之前將所述齒化含碳基質(zhì)注入所述氣流中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7所述的方法，其中所述氣流為燃氣流，且其中，在所述氣流通過熱交換器之后將所述齒化含碳基質(zhì)注入所述氣流中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-7所述的方法，其中所述鹵化含碳基質(zhì)的量為約0.5至約15 Ib/MMacf0
11.根據(jù)權(quán)利要求1-7任何一個所述的方法，其中含顆粒氣流來自廢物焚燒、冶金過程、金屬回收過程，或水泥生產(chǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-7任何一個所述的方法，其中所述含顆粒氣流來自除燃燒之外的過程。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于降低含顆粒氣流被引導(dǎo)通過的冷側(cè)靜電除塵器中的火花率和/或增加其內(nèi)的電壓的方法，其中所述靜電除塵器具有火花率和電壓。所述方法包括將一定量的由含碳基質(zhì)和元素鹵素形成的鹵化含碳基質(zhì)和/或氫鹵酸注入所述靜電除塵器上游的所述含顆粒氣流中，使得與未注入鹵化含碳基質(zhì)時相比，火花率下降約40％或更多，和/或電壓可增加約20％或更多。
文檔編號B03C3/013GK103153471SQ201180035083
公開日2013年6月12日 申請日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者R.R.蘭德雷思, S.G.小納爾遜 申請人:阿爾比馬爾公司