專利名稱：對(duì)固體燃料燃燒中汞排放的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從固體燃料燃燒產(chǎn)物中除去汞的裝置和方法，所述燃燒產(chǎn)物包括煙道氣，更具體而言，涉及從來自煤炭燃燒的煙道氣中除去單質(zhì)汞或汞化合物的裝置和方法。
背景技術(shù)：
在多種應(yīng)用如城市廢物焚化中已成功證實(shí)活性炭在汞蒸氣吸附方面的用途。然而，與燃煤發(fā)電廠相比，來自廢物焚化爐的汞的濃度有顯著差別，來自燃煤發(fā)電廠的濃度總要低10-100倍。同時(shí)，來自廢物焚化爐的汞通常為氯化汞的形式，而來自燃煤發(fā)電廠的汞通常為單質(zhì)汞形式。所有這些差別使得從燃煤發(fā)電廠的煙道氣中除去汞更困難。
活性炭的利用率受到較大粒度和低表面積的限制，其中低表面積低限制了對(duì)汞的吸附。采用平均粒度約5微米、最大粒度約10微米的活性炭會(huì)提高對(duì)汞的俘獲效率，但這些顆粒的貯存、處理、運(yùn)輸和分配極為困難。結(jié)果是在燃煤發(fā)電廠中使用活性炭來俘獲汞成本太高。在這樣的應(yīng)用中，活性炭的利用率很低，碳與汞的最少摩爾比為10,000∶1。
曾被提議用來從煙道氣中俘獲汞的另一種碳的形式是炭黑。炭黑是通過烴類燃料的不完全燃燒或熱分解而產(chǎn)生的粉末形式的碳。炭黑的最常用形式稱作爐法炭黑或煙炱，其是在密閉爐內(nèi)，用完全燃燒所需空氣的約50％來進(jìn)行天然氣或汽油的燃燒而產(chǎn)生的。炭黑的外表面積約為活性炭的100倍。與活性炭相比，這將導(dǎo)致有效俘獲汞的C/Hg摩爾比的顯著下降。由于炭黑的市場(chǎng)價(jià)與活性炭接近，存在著顯著降低成本的潛力。
國際專利申請(qǐng)PCT/SE93/00163(國際公開號(hào)WO 93/20926)中公開了用來俘獲來自廢物焚化爐的汞的炭黑的產(chǎn)生。其特征在于在分離的焚化爐中，在氧氣不足的條件下燃燒燃料并將充滿煙炱的煙道氣注入廢物焚化爐產(chǎn)生的煙道氣中。然而，缺氧燃燒導(dǎo)致了其它污染物如一氧化碳和未燃燒烴的產(chǎn)生。即使在酸氣去除裝置如煙道氣洗滌器的上游注入炭黑發(fā)生器產(chǎn)生的煙道氣，仍不能破壞或除去一氧化碳和未燃燒的烴。
采用現(xiàn)有技術(shù)中基于炭黑和活性炭的俘獲來自焚化爐的汞的方法來俘獲來自燃煤發(fā)電廠的汞的另一個(gè)問題是，廢物焚化爐中氯含量高，并且如前所述，汞在煙道氣中主要以氯化汞的形式存在。在燃煤發(fā)電廠中，汞通常是單質(zhì)的。雖然炭黑和活性炭對(duì)氯化汞的吸附具有較高親合力，但它們對(duì)單質(zhì)汞的吸附親合力較低。
曾提出用碳基吸附劑如活性炭來控制發(fā)電廠煙道氣中氣相汞的排放。在常規(guī)方法中，在顆粒去除裝置如袋式集塵器和靜電沉淀器的上游及空氣加熱器的下游的煙道氣管道中注入碳吸附劑。
迄今為止，對(duì)碳吸附劑注入位置的溫度均要予以考慮，這是因?yàn)橛薪ㄗh稱在較低溫度下碳吸附劑的汞吸附能力較高。與之相關(guān)的，本領(lǐng)域還已知的是隨溫度(升高)汞在碳上的物理吸附(物理吸著)作用下降。因此，現(xiàn)有技術(shù)基本上未提供任何為了在較高溫度如高于約400下從氣流中俘獲汞而注射碳質(zhì)吸附劑所需要的具體信息。
本領(lǐng)域內(nèi)還已知的是高溫鍋爐產(chǎn)生的煙道氣中的氣相汞是單質(zhì)汞的形式。將單質(zhì)汞氧化為氧化態(tài)汞(Hg2+)的氧化作用有益于對(duì)汞的控制，這是由于其更容易被碳質(zhì)材料除去。
活性炭向煙道氣中的注入一般會(huì)導(dǎo)致飛灰中碳的存在或增多，由此，在飛灰中大于上述限制的量的碳會(huì)阻止該飛灰用于例如混凝土制造目的?；钚蕴恳蚱涫杷匦晕娇諝庵袏A帶的用于混凝土配方中的添加劑。同樣由于活性炭，飛灰的顏色由深灰變?yōu)楹谏?。使這種空氣夾帶的影響降至最低的一種途徑是將碳氧化，使之更為親水。使碳親水的另一個(gè)辦法是用親水性添加劑，例如鹵化物鹽如氯化鐵來浸漬碳質(zhì)吸附劑。最小化這一問題的另一種方法是將碳吸附劑的使用率降低到影響空氣夾帶行為和變色作用的水平以下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供利用碳質(zhì)吸附劑俘獲來自燃煤發(fā)電廠的汞的方法，而不會(huì)排放出碳質(zhì)吸附劑生產(chǎn)中產(chǎn)生的污染物。本發(fā)明涉及碳質(zhì)吸附劑的生產(chǎn)及其生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生的污染物的消除。本發(fā)明還可涉及為增進(jìn)對(duì)單質(zhì)汞的俘獲而對(duì)碳質(zhì)吸附劑進(jìn)行的處理。
本發(fā)明的一個(gè)方面提供了用來從燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中除去汞的設(shè)備，其包括將起動(dòng)配料碳質(zhì)吸附劑分離成接觸配料碳質(zhì)吸附劑和余留配料碳質(zhì)吸附劑的裝置，接觸配料碳質(zhì)吸附劑具有的碳質(zhì)吸附劑粒度分布為d50＜15微米，其中d50代表在接觸配料的整個(gè)分布有50質(zhì)量％的顆粒，分離后接觸配料中碳質(zhì)吸附劑的粒度分布低于分離前起動(dòng)配料中碳質(zhì)吸附劑的粒度分布并低于余留配料中碳質(zhì)吸附劑的粒度分布，以及使接觸配料的碳質(zhì)吸附劑在接觸位置與燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物接觸以便使接觸配料碳質(zhì)吸附劑吸附汞的裝置。
另外，在本發(fā)明的這個(gè)方面中，所述設(shè)備還包括用以下方式將接觸配料碳質(zhì)吸附劑輸送到接觸位置的輸送裝置，其中在起動(dòng)配料碳質(zhì)吸附劑轉(zhuǎn)化為接觸配料碳質(zhì)吸附劑和余留配料碳質(zhì)吸附劑之后在小于三十(30)分鐘內(nèi)將平均至少百分之九十(90％)的接觸配料碳質(zhì)吸附劑傳遞至接觸位置，由此使接觸配料碳質(zhì)吸附劑在接觸位置與燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物接觸，在將起動(dòng)配料碳質(zhì)吸附劑轉(zhuǎn)化為接觸配料碳質(zhì)吸附劑和余留配料碳質(zhì)吸附劑之后基本不存在碳質(zhì)吸附劑的過渡貯存階段。還有，所述設(shè)備優(yōu)選包括對(duì)已吸附燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中汞的碳質(zhì)吸附劑進(jìn)行分離的裝置。
就本發(fā)明設(shè)備的另一個(gè)特征而言，對(duì)起動(dòng)配料的碳質(zhì)吸附劑進(jìn)行分離的裝置包括用來將碳質(zhì)吸附劑的粒度從相對(duì)較大的粗粒度降低為相對(duì)較小的細(xì)粒度的粒度降低裝置。就本發(fā)明設(shè)備的再一個(gè)特征而言，對(duì)起動(dòng)配料的碳質(zhì)吸附劑進(jìn)行分離的裝置可以操作產(chǎn)生出碳質(zhì)吸附劑主要粒度分布d50＜8微米的接觸配料碳質(zhì)吸附劑，其中d50代表接觸配料整個(gè)分布中50質(zhì)量％的顆粒。
或者，就本發(fā)明設(shè)備的再一個(gè)特征而言，對(duì)起動(dòng)配料碳質(zhì)吸附劑進(jìn)行分離的裝置可以操作產(chǎn)生出碳質(zhì)吸附劑主要粒度分布d50＜4微米的接觸配料碳質(zhì)吸附劑，其中d50代表接觸配料整個(gè)分布中50質(zhì)量％的顆粒。
就本發(fā)明設(shè)備的另一個(gè)特征而言，所述設(shè)備還包括在使接觸配料碳質(zhì)吸附劑與燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物接觸之前在接觸配料碳質(zhì)吸附劑上沉積至少一種鹵素和酸的裝置。
就本發(fā)明設(shè)備所希望的特征而言，代表接觸配料整個(gè)分布中50質(zhì)量％顆粒的接觸配料的中值粒度分布(d50)不大于代表起動(dòng)配料整個(gè)分布中50質(zhì)量％顆粒的起動(dòng)配料中值粒度分布(d50)的一半(1/2)。
就本發(fā)明設(shè)備的應(yīng)用而言，所述燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物可以包括煤炭燃燒產(chǎn)生的飛灰，對(duì)已吸附了燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中的汞的碳質(zhì)吸附劑進(jìn)行分離的裝置優(yōu)選包括能夠從相對(duì)較粗和較稠密的飛灰中分離碳質(zhì)吸附劑的分級(jí)器。就本發(fā)明設(shè)備應(yīng)用的其它方面而言，燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物可以包括煤炭燃燒產(chǎn)生的煙道氣，并且碳質(zhì)吸附劑從煙道氣中吸附單質(zhì)汞和汞化合物中的至少一種。
將接觸配料碳質(zhì)吸附劑輸送至接觸位置的輸送裝置優(yōu)選經(jīng)操作按以下方式輸送接觸配料碳質(zhì)吸附劑，其中在起動(dòng)配料碳質(zhì)吸附劑轉(zhuǎn)化為接觸配料碳質(zhì)吸附劑和余留配料碳質(zhì)吸附劑之后在小于五(5)分鐘內(nèi)將平均至少百分之九十(90％)的接觸配料碳質(zhì)吸附劑傳遞至接觸位置。將接觸配料碳質(zhì)吸附劑輸送至接觸位置的輸送裝置甚至更優(yōu)選經(jīng)操作按以下方式輸送接觸配料碳質(zhì)吸附劑，其中在起動(dòng)配料碳質(zhì)吸附劑轉(zhuǎn)化為接觸配料碳質(zhì)吸附劑和余留配料碳質(zhì)吸附劑之后在小于一(1)分鐘內(nèi)將平均至少百分之九十(90％)的接觸配料碳質(zhì)吸附劑傳遞至接觸位置。
本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了從燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中除去汞的方法，該方法包括以下步驟將起動(dòng)配料的碳質(zhì)吸附劑分離為接觸配料碳質(zhì)吸附劑和余留配料碳質(zhì)吸附劑，所述接觸配料碳質(zhì)吸附劑具有碳質(zhì)吸附劑粒度分布d50＜15微米，其中d50代表接觸配料的整個(gè)分布中50質(zhì)量％的顆粒，在分離后的接觸配料中碳質(zhì)吸附劑粒度分布小于分離前起動(dòng)配料碳質(zhì)吸附劑的粒度分布并小于余留配料碳質(zhì)吸附劑的粒度分布，以及使接觸配料碳質(zhì)吸附劑與燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物在接觸位置接觸，以使接觸配料碳質(zhì)吸附劑吸附汞。本發(fā)明的方法還包括按以下方式將接觸配料碳質(zhì)吸附劑輸送至接觸位置，其中在起動(dòng)配料碳質(zhì)吸附劑轉(zhuǎn)化為接觸配料碳質(zhì)吸附劑和余留配料碳質(zhì)吸附劑之后在小于三十(30)分鐘內(nèi)將平均至少百分之九十(90％)的接觸配料碳質(zhì)吸附劑傳遞至接觸位置，由此使接觸配料碳質(zhì)吸附劑在接觸位置與燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物接觸，在將起動(dòng)配料碳質(zhì)吸附劑轉(zhuǎn)化為接觸配料碳質(zhì)吸附劑和余留配料碳質(zhì)吸附劑之后基本不存在碳質(zhì)吸附劑的過渡貯存階段。另外，本發(fā)明的方法包括對(duì)已吸附燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中汞的碳質(zhì)吸附劑進(jìn)行分離。
本發(fā)明對(duì)以下認(rèn)識(shí)進(jìn)行了利用，即碳吸附劑也可以用來進(jìn)行汞在其表面上的化學(xué)吸附。與物理吸附相反，化學(xué)吸附的程度會(huì)隨溫度升高，因而本發(fā)明提供了利用在100-800較寬溫度范圍內(nèi)發(fā)生汞吸附作用(化學(xué)吸附和物理吸附)的方法。
對(duì)煤炭燃燒煙道氣中可能存在的汞類物質(zhì)的平衡計(jì)算表明，較低溫度有利于更完全地向氧化態(tài)汞轉(zhuǎn)化。然而，本發(fā)明導(dǎo)致了以下認(rèn)識(shí)雖然平衡表明氧化作用完全，但煙道氣的冷卻對(duì)氧化動(dòng)力學(xué)不利，以及以下認(rèn)識(shí)在低于約600℃(873K)的溫度下已經(jīng)開始由單質(zhì)汞形成氧化態(tài)的汞(HgCl2)。根據(jù)這一認(rèn)識(shí)，較高溫度將有利于這種轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)，本發(fā)明的方法利用300-1000的整個(gè)溫度范圍來氧化和俘獲汞。
本發(fā)明的目標(biāo)是對(duì)織物過濾器和特別是靜電沉淀器而言，對(duì)預(yù)定程度的氣相汞的去除，要降低碳吸附劑的消耗。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提高對(duì)氣相汞的氧化程度和降低氣相單質(zhì)汞的量。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是使碳吸附劑的注入對(duì)飛灰利用率的影響最小化。
本發(fā)明的一個(gè)方面提供了從活性炭制備專利吸附劑并在能最大化氧化作用/俘獲動(dòng)力學(xué)和最小化吸附劑對(duì)飛灰流的污染的位置上注射它們的方法。
由附圖和說明書，本發(fā)明的其它目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。


參考以下附圖，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說本發(fā)明將得到更好的理解，其眾多目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，其中圖1是用來從煤炭燃燒煙道氣中除去單質(zhì)汞或汞化合物的本發(fā)明系統(tǒng)第一實(shí)施方案的流程圖；圖2是用來從煤炭燃燒煙道氣中除去單質(zhì)汞或汞化合物的本發(fā)明系統(tǒng)第二實(shí)施方案的流程圖；圖3是用來從煤炭燃燒煙道氣中除去單質(zhì)汞或汞化合物的本發(fā)明系統(tǒng)第三實(shí)施方案的流程圖；圖4是圖1-3的灰分處理系統(tǒng)的流程圖；圖5是任選的SO3(三氧化硫)吸附劑附加次級(jí)系統(tǒng)的流程圖；
圖6是顯示吸附劑粒度和鹵素處理對(duì)汞俘獲作用影響的曲線圖；圖7是顯示分散作用對(duì)就地粒度分布影響的曲線圖；圖8是用來從煤炭燃燒煙道氣中除去單質(zhì)汞或汞化合物的本發(fā)明系統(tǒng)第四實(shí)施方案的流程圖；圖9是顯示作為溫度(℃)函數(shù)的煙炱、CO和HC轉(zhuǎn)化率(％)的曲線圖；圖10是顯示采用PGM催化劑的CO和HC的典型分解曲線圖；圖11是顯示本發(fā)明吸附劑對(duì)空氣加熱器-ESP、空氣加熱器-噴霧干燥器-ESP和熱ESP結(jié)構(gòu)曝置溫度實(shí)例的曲線圖；圖12是顯示為測(cè)定點(diǎn)火溫度活性炭形式的吸附劑在5％O2的N2中熱重分析的曲線圖；圖13是對(duì)應(yīng)于選擇性測(cè)定的工藝限制的吸附劑注入位置排列的示意圖；圖14是包括SCR并具有吸附劑注入位置的排列方式的示意圖；圖15是說明測(cè)定汞俘獲效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線，所述試驗(yàn)是通過據(jù)認(rèn)為是飛動(dòng)吸附劑顆粒組的第一組注入碳吸附劑和據(jù)認(rèn)為是沉積吸附劑顆粒的第二組注入碳吸附劑進(jìn)行的；圖16是沿?zé)煹罋饬鳈M截面均勻分布吸附劑顆粒而提供的多個(gè)多重注射口的示意圖；圖17是用于增強(qiáng)吸附劑沉積的漿液注射的示意圖；圖18是吸附劑顆粒預(yù)充電的示意圖；圖19是一小部分注入的吸附劑覆蓋空氣加熱器元件和吸附劑顆粒被預(yù)加熱的空氣夾帶平衡的透視圖；圖20是對(duì)于具有熱側(cè)ESP的發(fā)電廠結(jié)構(gòu)而言，煙道氣側(cè)注射與空氣側(cè)注射相結(jié)合有助于控制汞的示意圖；圖21是旋轉(zhuǎn)再生空氣加熱器用吸附劑注射噴管系統(tǒng)順序操作的頂視平面示意圖；圖22是來自吸附劑就地發(fā)生和處理設(shè)備的產(chǎn)品的空氣側(cè)注射的示意圖；和圖23是旋轉(zhuǎn)再生空氣加熱器用多重吸附劑注射的示意圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，其中說明的是用于轉(zhuǎn)化燃料，即將煤炭形式的固體化石燃料轉(zhuǎn)化為希望的能源形式的示例性燃料轉(zhuǎn)化裝置。圖1中所示的示例性燃料轉(zhuǎn)化裝置經(jīng)由煤的燃燒實(shí)現(xiàn)燃料轉(zhuǎn)化，其示例性的構(gòu)造為典型的100MWe燃煤工廠10，其燃燒大約40噸/小時(shí)的煤，煙道氣流12為約350000Nm3/小時(shí)。向粉碎機(jī)/破碎機(jī)16加入原煤14，在這里將原煤降低為顆粒級(jí)尺寸。原始空氣將來自粉碎機(jī)/破碎機(jī)16的煤炭顆粒攜帶至鍋爐18，在此燃燒煤炭將水轉(zhuǎn)化為水蒸汽。離開鍋爐/爐具18的煙道氣的溫度為1400-2200。在煙道氣進(jìn)入空氣預(yù)熱器22之前，將其在過熱器和對(duì)流通道20(節(jié)熱器/預(yù)加熱器)中冷卻至約600-800。離開空氣預(yù)熱器22并進(jìn)入靜電沉淀器(ESP)/織物過濾器24的煙道氣溫度為220-370。如果俘獲汞需要的吸附劑為1lb./MMacf，則將需要注入約20lb/小時(shí)吸附劑。在5lb/MMacf(120mg/Nm3)時(shí)，需要的吸附劑為100lb/小時(shí)。
在用來除去單質(zhì)汞或汞化物的系統(tǒng)26的第一實(shí)施方案中，起動(dòng)配料碳質(zhì)吸附劑是貯存在料倉30中的碳質(zhì)吸附28的形式，碳質(zhì)吸附劑28處于聚集體狀態(tài)，這是因?yàn)楹苄〉念w粒易于相互粘著。因此，通過進(jìn)料器32將起動(dòng)配料吸附劑28向分離裝置34進(jìn)料，其將吸附劑顆粒28粉碎(如果需要)并解聚集為接觸配料碳質(zhì)吸附劑和余留配料碳質(zhì)吸附劑。所述接觸配料碳質(zhì)吸附劑具有的碳質(zhì)吸附劑粒度分布為d50＜15微米，其中d50代表接觸配料的整個(gè)分布中50質(zhì)量％的顆粒，在分離后的接觸配料碳質(zhì)吸附劑粒度分布小于分離前起動(dòng)配料碳質(zhì)吸附劑的粒度分布并小于余留配料碳質(zhì)吸附劑的粒度分布。
裝置34可以是顆粒-顆粒分離器或噴磨機(jī)，其中壓縮空氣或高壓蒸汽是能源。分離裝置34執(zhí)行三個(gè)功能顆粒-顆粒分離；粒度降低；和將細(xì)顆粒分級(jí)為“產(chǎn)品”和向料倉30返回的粗顆?；蛟诜蛛x裝置34中進(jìn)一步加工的保留粗顆粒。
粒度分布的目標(biāo)是d50＜15微米，優(yōu)選d50＜8微米，最優(yōu)選d50＜4微米，其中d50代表整個(gè)分布中50質(zhì)量％的顆粒。當(dāng)起始的粒度分布大于所需的產(chǎn)品尺寸時(shí)，需要降低原始粒度。如果原始粒度已經(jīng)小于目標(biāo)產(chǎn)品尺寸，則不需要降低原始粒度，如在炭黑的情況下，其中原始粒度小于1微米。該分離操作和任選的尺寸降低裝置34的最小能量輸入為10kWh/噸，更優(yōu)選為100kWh/噸，最優(yōu)選為1000kWh/噸?？梢越?jīng)由高壓流體如蒸汽或空氣噴磨機(jī)中的壓縮空氣36，或通過介質(zhì)如在球磨機(jī)或輥磨機(jī)中的研磨球或輥提供該能量輸入。
除通過分離裝置34對(duì)其進(jìn)行處理之外，在將吸附劑顆粒28向煙道氣流中注射之前，要使它們經(jīng)過一種或更多種加工。在一個(gè)備選方案中，沿著從料倉30至氧化器單元40的路徑38傳遞吸附劑顆粒28，在此所述顆粒與氧化劑42(例如臭氧、過氧化氫、熱空氣、濃硝酸)接觸使顆粒的外表面具有親水性。然后可使經(jīng)處理的吸附劑沿路徑44向分離裝置34進(jìn)料或沿路徑46向混合器48傳送，在此用噴霧器54在吸附劑顆粒上噴施52溶液50，以在吸附劑顆粒28的表面上沉積鹵素。溶液50選自碘化鉀、溶于碘化鉀的碘、堿金屬鹵化物(例如NaCl)和鹵化物鹽(例如CaCl2)或鹵素酸(例如HCl、HI、HBr、HF)溶于水中的溶液。一般的添加劑量會(huì)在吸附劑中產(chǎn)生約0-5％的鹵素濃度。然后將經(jīng)處理的吸附劑沿路徑56向分離裝置34進(jìn)料。
也可以通過在汽化器60中汽化鹵素58并在吸附劑28上將其冷凝/吸附而在吸附劑28上沉積鹵素58，如氯、溴、碘或氟?？梢栽?上述)顆粒氧化器40和進(jìn)料器32之間、進(jìn)料器32和分離裝置34之間沿路徑62向吸附劑28中注入經(jīng)汽化的鹵素，或沉積在“細(xì)粒”和離開分離裝置34的解聚顆粒上。
鹵素處理對(duì)除汞作用的效果顯示在圖6和表1中。圖6顯示用碘(0-2.5重量％)處理煤炭吸附劑28顯著改善了吸附劑性能。采用未用碘處理的“細(xì)粉”煤炭吸附劑得到了約10％的除汞率，而采用添加了2.0％碘的“細(xì)粉”煤炭吸附劑獲得了約95％的除汞率。表1顯示了鹵素處理對(duì)炭黑吸附劑和活性炭吸附劑的效果。對(duì)于表面積為100m2/g的炭黑和在煙道氣中吸附劑濃度為50mg/Nm3而言，向吸附劑28中添加碘(處理后碳中有1％的I2)將除汞性能從20％提高至100％。對(duì)于煙道氣中吸附劑濃度為100mg/Nm3的活性炭而言，向吸附劑中添加碘(處理后碳中有1％的I2)將除汞性能從75％提高至90％。
表1采用各種吸附劑和吸附劑濃度對(duì)空氣氣流的除汞效率(～200)

SA＝表面積；d50＝重均粒度圖7顯示了采用不同能量水平對(duì)兩個(gè)注入管道中的樣品進(jìn)行顆粒-顆粒分離(解聚)的就地尺寸分布。第一個(gè)樣品是“粗”商用粉末狀活性炭，平均粒度(d50)為18μm。第二個(gè)樣品是平均粒度(d50)為3μm的“細(xì)?！蔽絼?。當(dāng)以用于顆粒分離的低能量水平(“差”分散)向管道中注射每一種樣品時(shí)，在管道中觀測(cè)到的實(shí)際粒度明顯大于用較高能量進(jìn)行顆粒分離(“高”分散)的情況。
離開分離器34的空氣靜壓為約5-10英寸水位尺。這一靜壓頭可能不足以使吸附劑28經(jīng)由注射噴管向煙道氣管道中進(jìn)行輸送和分配。如從圖1中可見，可在分離裝置34后面放置“臟空氣”材料處理風(fēng)扇/鼓風(fēng)機(jī)64來增加用于吸附劑輸送和分配的靜壓頭。優(yōu)選約30英寸水位尺的靜壓頭。
本發(fā)明的設(shè)備還包含使接觸配料碳質(zhì)吸附劑與燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物在接觸位置進(jìn)行接觸以使接觸配料碳質(zhì)吸附劑吸附汞的裝置。因此，在接觸位置66經(jīng)由具有多個(gè)噴管的分配器68形式的裝置注射解聚的吸附劑28和輸送空氣/蒸汽。設(shè)計(jì)注射端口，使之對(duì)吸附劑流施加切線動(dòng)量(旋渦式端口)并提高吸附劑28在煙道氣流12中的傳播和分配速率?？梢栽阱仩t18和對(duì)流通道/過熱器20之間、對(duì)流通道/過熱器20和空氣預(yù)熱器22之間或者空氣預(yù)熱器22和ESP/織物過濾器24之間向煙道氣流12中注入吸附劑28。
這樣，用來除去單質(zhì)汞或汞化合物的系統(tǒng)26對(duì)料倉30中貯存的處于聚集態(tài)的起動(dòng)配料的碳質(zhì)吸附劑28進(jìn)行了處理。通過進(jìn)料器32向分離裝置34進(jìn)料吸附劑28，分離裝置34粉碎(如果需要)和解聚吸附劑顆粒28至其原始尺寸分布。然后，將起動(dòng)配料產(chǎn)生的經(jīng)解聚的接觸配料吸附劑28通過空氣蒸汽輸送，在煙道氣管道中的接觸位置66處注射，在那里，接觸配料碳質(zhì)吸附劑吸附來自煙道氣中的汞。優(yōu)選地，將接觸配料碳質(zhì)吸附劑向接觸位置輸送的本發(fā)明設(shè)備的輸送裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在起動(dòng)配料碳質(zhì)吸附劑分離為接觸配料碳質(zhì)吸附劑和余留配料碳質(zhì)吸附劑之后，在少于三十(30)分鐘之內(nèi)將平均至少百分之九十(90％)的接觸配料碳質(zhì)吸附劑輸送至接觸位置66，更優(yōu)選其在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在分離之后，在少于五(5)分鐘之內(nèi)，將平均至少百分之九十(90％)的接觸配料碳質(zhì)吸附劑輸送至接觸位置66，和最優(yōu)選其在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在分離之后，在少于一(1)分鐘之內(nèi)，將平均至少百分之九十(90％)的接觸配料碳質(zhì)吸附劑輸送至接觸位置66。
在根據(jù)本發(fā)明并示于圖2中用于除去單質(zhì)汞或汞化合物的系統(tǒng)的第二實(shí)施方案中，以下將該系統(tǒng)記作用于去除單質(zhì)汞或汞化合物的系統(tǒng)69，在位置70從粉碎機(jī)出口抽出一部分在粉碎機(jī)16中粉碎的煤炭作為吸附劑28。優(yōu)選在位置70抽出10-1000lb/小時(shí)的煤(向鍋爐進(jìn)料的總煤炭量的約0.01-1.0％)，更優(yōu)選50-500lb/小時(shí)，最優(yōu)選100-200lb/小時(shí)。可能需要鼓風(fēng)機(jī)72提供移動(dòng)抽取的吸附劑固體28的必需動(dòng)力。
使抽取出的吸附劑固體28經(jīng)過一種或更多種加工?？梢栽谖恢?4用溶液50噴施吸附劑固體28以在吸附劑顆粒28的表面上沉積鹵素。溶液50選自碘化鉀、溶于碘化鉀的碘、堿金屬鹵化物(例如NaCl)和鹵化物鹽(例如CaCl2)或鹵素酸(例如HCl、HI、HBr、HF)溶于水中的溶液。一般的添加劑量會(huì)在吸附劑28中產(chǎn)生約0-5％的鹵素濃度。然后將經(jīng)處理的吸附劑28沿著路徑76向分離裝置34進(jìn)料。
也可以通過在汽化器60中汽化并在吸附劑上冷凝/吸附鹵素而在吸附劑上沉積鹵素58，如氯、溴、碘或氟?？梢栽诠娘L(fēng)機(jī)72和分離裝置34之間的位置78處將汽化的鹵素注入吸附劑28中，或沉積在離開分離裝置34的“細(xì)?！焙徒?jīng)解聚的顆粒上。
在分離裝置34之后可以放置“臟空氣”材料處理風(fēng)扇/鼓風(fēng)機(jī)64來增加靜壓頭用于吸附劑輸送和分配。經(jīng)由與第一實(shí)施方案26相似的分配器68向煙道氣管道中注入經(jīng)解聚的吸附劑28和輸送空氣/蒸汽?？梢栽阱仩t18和對(duì)流通道/過熱器20之間、對(duì)流通道/過熱器20和空氣預(yù)熱器22之間或空氣預(yù)熱器22和ESP/織物過濾器24之間向煙道氣流12中注入吸附劑28。
在根據(jù)本發(fā)明并示于圖3中用于除去單質(zhì)汞或汞化合物的系統(tǒng)的第三實(shí)施方案中，以下將該系統(tǒng)記作用于去除單質(zhì)汞或汞化合物的系統(tǒng)80，在位置82從粉碎機(jī)出口抽出一部分在粉碎機(jī)16中粉碎的煤炭作為吸附劑28。優(yōu)選在位置82抽出10-1000lb/小時(shí)的煤炭(向鍋爐進(jìn)料的總煤炭量的約0.01-1.0％)，更優(yōu)選50-500lb/小時(shí)，最優(yōu)選100-200lb/小時(shí)?？赡苄枰娘L(fēng)機(jī)84提供移動(dòng)抽取的吸附劑固體28的必需動(dòng)力。
通過使所述煤炭經(jīng)受300-1500℃的溫度在焦炭發(fā)生器反應(yīng)器86中部分燃燒經(jīng)抽取的煤炭。限制向焦炭發(fā)生器86供應(yīng)的空氣以實(shí)現(xiàn)僅部分煤炭燃燒，優(yōu)選只有煤炭的揮發(fā)部分發(fā)生燃燒。因此，優(yōu)選將空氣量控制在煤炭完全燃燒需要量的0.3-1.0倍，更優(yōu)選為煤炭完全燃燒需要量的0.5-0.7倍。
在下游的冷卻部分90將沿路徑88離開焦炭發(fā)生器86的高溫固體和氣體進(jìn)行降溫。可以采用水驟冷或空氣、水或水蒸汽冷卻的熱交換器來冷卻氣體和固體。離開冷卻部分90的氣體和固體的溫度優(yōu)選為約300℃或更低。
然后將經(jīng)冷卻的氣體和固體(焦炭)沿路徑92向顆粒分離器94，優(yōu)選旋風(fēng)器輸送。在位置96將帶有一些細(xì)顆粒的經(jīng)分離的氣體排向主鍋爐18以確保未燃燒烴和其它可燃物如一氧化碳和碳的完全燃燒。經(jīng)顆粒分離器94分離的顆粒28沿路徑98向料倉100卸料?；蛘?，可以沿路徑102將吸附劑顆粒28向氧化器單元104卸料，在這里顆粒28與氧化劑42(例如臭氧、過氧化氫、熱空氣、濃硝酸)接觸，使顆粒的外表面具有親水性。然后將經(jīng)處理的吸附劑沿路徑98向料倉100卸料。
在沿從料倉100至煙道氣流12的路徑106進(jìn)料吸附劑28時(shí)，在吸附劑顆粒28的外表面上沉積鹵素。在一個(gè)備選方案中，將吸附劑顆粒28向混合器48輸送，在這里在吸附劑顆粒器28的表面上噴施溶液50，以在吸附劑顆粒28的表面上沉積鹵素。溶液50選自碘化鉀、溶于碘化鉀的碘、堿金屬鹵化物(例如NaCl)和鹵化物鹽(例如CaCl2)或鹵素酸(例如HCl、HI、HBr、HF)溶于水中的溶液。一般的添加劑量會(huì)在吸附劑中產(chǎn)生約0-5％的鹵素濃度。然后將經(jīng)處理的吸附劑28沿路徑108通過進(jìn)料器110向分離裝置34進(jìn)料。
或者，可以通過在汽化器60中汽化鹵素58并將其冷凝/吸附在吸附劑28上來將鹵素(例如氯、溴、碘或氟)沉積在吸附劑上。可以在料倉100和進(jìn)料110之間、進(jìn)料器110和分離裝置34之間的位置112處將汽化的鹵素注入到吸附劑28之中或者沉積到離開分離裝置34的“細(xì)粒”和經(jīng)解聚的顆粒上。
在分離裝置34之后可以放置“臟空氣”材料處理風(fēng)扇/鼓風(fēng)機(jī)64來增加靜壓頭用于吸附劑輸送和分配。經(jīng)由與第一實(shí)施方案26相似的分配器68向煙道氣管道中注入經(jīng)解聚的吸附劑28并輸送空氣/蒸汽。可以在鍋爐18和對(duì)流通道/過熱器20之間、對(duì)流通道/過熱器20和空氣預(yù)熱器22之間或空氣預(yù)熱器22和ESP/織物過濾器24之間向煙道氣流12中注入吸附劑28。
在根據(jù)本發(fā)明并示于圖8中的用于除去汞單質(zhì)和汞化合物的系統(tǒng)的第四實(shí)施方案中，以下將該系統(tǒng)記作用于去除單質(zhì)汞或汞化合物的系統(tǒng)114，吸附劑28具有除汞系統(tǒng)最優(yōu)選的粒度，即d50＜2微米，其中d50代表整個(gè)分布中50質(zhì)量％的顆粒，而且，在該第四實(shí)施方案中，這是通過將吸附劑28構(gòu)造為炭黑或煙炱來實(shí)現(xiàn)的。與“粗的”和“聚集的”活性炭相比，為俘獲鍋爐煙道氣中指定量的汞所需的炭黑/煙炱的量要少得多。例如，為去除90％的單質(zhì)汞，與1000mg/Nm3“粗的”和“聚集的”活性炭的較大量相比，只需要50mg/Nm3的浸漬炭黑。還有，與活性炭相比，浸漬吸附劑28所需的氧化劑如碘的量要少得多(少于碳的1重量％)，而活性炭需要碳的1-10重量％。
在本系統(tǒng)114中用于生成具有所需極細(xì)粒度分布的吸附劑28的次級(jí)組件116中，在鍋爐18的高溫區(qū)內(nèi)安放了煙炱生成裝置118。在煙炱裝置118下游的鍋爐18的氧化區(qū)120確保了將煙炱生成過程中產(chǎn)生的CO和HC破壞掉。參考圖9，氧化區(qū)中的溫度優(yōu)選為500-1000℃，更優(yōu)選600-800℃，以確保對(duì)煙炱的破壞最小，對(duì)CO/HC的破壞最大。
在本系統(tǒng)114中用于產(chǎn)生具有所需極細(xì)粒度分布的吸附劑28的備選次級(jí)組件122中，在具有CO/HC氧化室126的分離煙炱生成裝置124中生產(chǎn)炭黑/煙炱。CO/HC氧化室126可以具有用來接受破壞CO/HC所需氧氣或空氣的入口128。優(yōu)化炭黑/煙炱流在CO/HC氧化室126中的停留時(shí)間以及在CO/HC氧化室126中保持的溫度(優(yōu)選500-1000℃，更優(yōu)選600-800℃)，以便在煙炱破壞最低的情況下破壞CO/HC。
在本系統(tǒng)114中用于產(chǎn)生具有所需極細(xì)粒度分布的吸附劑28的另一個(gè)備選次級(jí)組件130中，在煙炱生成裝置134和煙道氣流12之間安放了以破壞CO和HC為目標(biāo)的催化反應(yīng)器132。此類催化反應(yīng)器132的一個(gè)實(shí)例是涂覆了各種鉑族金屬(例如鉑、銠、鈀)的整料(例如由不銹鋼或陶瓷制成)。圖10顯示了采用PGM催化劑時(shí)CO和HC的典型破壞曲線。在圖10所示的溫度下，不會(huì)將煙炱破壞至明顯程度。
在常規(guī)的燃煤工廠中，到達(dá)靜電沉淀器(ESP)或者織物過濾器的未燃燒炭主要為未完全燃燒的大煤炭顆粒形式。在通常的應(yīng)用中，很少會(huì)存在細(xì)小的煤炭顆粒，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)完全燃燒掉了。因此，在常規(guī)工廠中，沉淀器或織物過濾器中收集到的灰分主要由較大的炭粒和較小的飛灰顆粒組成，極難將它們進(jìn)行分離。
在上述除汞系統(tǒng)26、69、80、114中，通常在鍋爐/主燃燒器18的外面生產(chǎn)碳質(zhì)汞吸附劑28，接下來縮小其尺寸，然后引入到煙道氣流12中。將吸附劑顆粒28制得極小，因此其明顯區(qū)別于灰分并可以在圖1-3中所示的灰分處理系統(tǒng)136中從通常的灰分中分離出來。
參考圖4，充滿汞的吸附劑28與飛灰137一起被收集在ESP/織物過濾器24中。將充滿汞的吸附劑-飛灰混合物沿從ESP/織物過濾器24的料斗140至貯灰料倉142的路徑138輸送，然后用進(jìn)料器146沿路徑144向分級(jí)器148進(jìn)料，分級(jí)器148能夠?qū)ⅰ凹?xì)小”和低密度的汞吸附劑28從粗大和較稠密的飛灰137中分離出來。分級(jí)器148優(yōu)選為帶有獨(dú)立控制分級(jí)輪的動(dòng)力型的，優(yōu)選在大于50m/s的端口速度下運(yùn)行，更優(yōu)選為100m/s以確保良好的分離效果和產(chǎn)物回收率。
可以在料倉142和分級(jí)器148之間安放顆粒-顆粒分離器150。顆粒-顆粒分離器150的作用是將充滿汞的吸附劑28從飛灰127中分離出來，它們一起被收集在ESP/織物過濾器24中并貯存在料斗140和料倉142中，結(jié)果會(huì)發(fā)生聚集?？蓪娚淠ビ糜谠撃康?，但幾乎不需要縮小尺寸，因此，與需要減小粒度的情況相比，耗能較低。
如圖1所示，SO3(三氧化硫)俘獲吸附劑152可以在位置154處與汞吸附劑28一起或分別注入煙道氣流12中。再參考圖5，注射SO3(三氧化硫)俘獲吸附劑152的系統(tǒng)156包括料倉158。通過進(jìn)料器160將貯存在料倉158中的SO3(三氧化硫)俘獲吸附劑152計(jì)量加入分離裝置34中。然后通過鼓風(fēng)機(jī)64和分配器68將解聚的顆粒152注入煙道氣管道中。也可以采用與汞吸附劑28所用的那些相互分離的分離裝置、鼓風(fēng)機(jī)和分配器(未示出)?；蛘撸梢詫O3(三氧化硫)俘獲吸附劑前體162貯存在料倉158中并向前體轉(zhuǎn)化器164中進(jìn)料。例如，可以將石灰石162貯存在料倉158中并在鍛燒爐164中轉(zhuǎn)化為石灰152。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，可以將SO3(三氧化硫)俘獲吸附劑系統(tǒng)156與任何除汞系統(tǒng)26、69、80、114一起或分別使用。
根據(jù)本發(fā)明，可以用添加劑對(duì)碳質(zhì)吸附劑進(jìn)行處理以進(jìn)一步改善汞的氧化和俘獲作用。這些添加劑包括鹵素(氯、溴、碘、氟)和鹵化物(實(shí)例包括氯化銨、溴化銨、氯化鐵、溴化鐵、氯化鋅)、硫酸和磷酸?？梢詫⑦@些添加劑以水基溶液或其它溶劑(如醇)基溶液的形式添加(例如通過噴施)到碳質(zhì)材料中，然后蒸發(fā)掉所述水/溶劑。經(jīng)由溶液方式向碳質(zhì)材料中加入添加劑的實(shí)例是氯化鐵。
也可以通過使添加劑與碳質(zhì)吸附劑混合并將它們加熱至使添加劑局部揮發(fā)但隨后通過吸附分配在碳上的溫度來加入添加劑。優(yōu)選將碳質(zhì)材料和添加劑加熱至高于400，最優(yōu)選高于500，以確保將它們?cè)谶@些溫度下向煙道氣中注射時(shí)的穩(wěn)定性?？梢园匆陨戏绞郊尤氲奶砑觿┑膶?shí)例是碘或溴。
根據(jù)本發(fā)明，碳基吸附劑是在下述位置注射的對(duì)于(1)在吸附劑表面上汞的氧化作用和對(duì)于(2)隨后吸附劑的俘獲作用，注入的吸附劑和煙道氣中的汞之間的相互作用都最大化之處。在確定吸附劑注射位置時(shí)要優(yōu)選考慮以下三種溫度注射溫度、收集溫度和曝置溫度的范圍。在這一方面，注射溫度被認(rèn)為是吸附劑與煙道氣首先相互接觸的位置的溫度。還有，收集溫度被認(rèn)為是指定收集位置的溫度，在此，其上吸附了汞的碳質(zhì)吸附劑從帶有或不帶有煙道氣夾雜的其它固體、氣體或液體的煙道氣中分離出來。因此，指定收集位置可以分別為已知的顆粒去除裝置如旋風(fēng)器、靜電沉淀器(ESP)、袋式收塵器或顆粒洗滌器。
與化石燃料如煤炭燃燒產(chǎn)生的煙道氣中的汞俘獲有關(guān)，據(jù)信吸附劑注射溫度一般為400-1100，吸附劑收集溫度為100-800。曝置溫度受注射溫度，即吸附劑注射時(shí)煙道氣溫度和收集溫度，即大部分吸附劑從煙道氣中除出時(shí)的煙道氣溫度的限制。另外，曝置溫度范圍(注射溫度減去收集溫度)應(yīng)優(yōu)選大于50，優(yōu)選大于100，更優(yōu)選大于200(不包括噴霧干燥器產(chǎn)生的溫降)。圖11顯示了本發(fā)明吸附劑在空氣加熱器-ESP、空氣加熱器-噴霧干燥器-ESP和熱ESP結(jié)構(gòu)中的曝置溫度。
就高于400的溫度下向煤炭燃燒所獲得的煙道氣中注射活性炭的情況而言，試驗(yàn)顯示汞的氧化和去除作用比在較低溫度下注射的要高。
然而，在選擇注射位置時(shí)要考慮溫度的上限。選擇這一限制要考慮高溫下活性炭與煙道氣中氧氣的反應(yīng)，該反應(yīng)導(dǎo)致活性炭的消耗。例如，使活性炭在含有約5％氧氣(典型煙道氣)的氣流中經(jīng)歷升溫過程，在高于約750時(shí)會(huì)導(dǎo)致重量損失(參見圖12，其是展示為測(cè)定點(diǎn)火溫度細(xì)活性炭形式的吸附劑，在5％O2的N2中進(jìn)行的熱重分析的曲線圖)。這為上限溫度提供了定性測(cè)量。由于炭在鍋爐煙道氣中的這種曝置更宜用秒而不是分鐘來測(cè)量，可以預(yù)計(jì)該上限溫度將高于近1000。
這些溫度限制確定了為汞俘獲和氧化作用注射炭的優(yōu)選溫度范圍。該范圍優(yōu)選為400-1100，更優(yōu)選為500-900，最優(yōu)選為550-750。當(dāng)這些溫度范圍適合于該實(shí)施例中所用的碳質(zhì)材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解，以上確定的溫度限制因不同種類的碳質(zhì)材料、它們所經(jīng)受的氣體組成和炭在高溫下曝置的停留時(shí)間而不同。因而，應(yīng)當(dāng)預(yù)料到，經(jīng)由較高溫度下注射碳質(zhì)吸附劑來有效俘獲煙道氣中的汞僅受到諸如以上所述的工藝限制的限制，而不會(huì)受具體的絕對(duì)溫度目標(biāo)值的限制。
圖13中示意性顯示了對(duì)應(yīng)于上述工藝限制的吸附劑注射位置的實(shí)例。在燃煤鍋爐中，燃燒煤炭產(chǎn)生熱煙道氣，該熱煙道氣通過一系列熱交換器并且其熱量被汲取制造出過熱蒸汽。在典型的常規(guī)結(jié)構(gòu)中熱交換器可由輻射爐部分(用于生產(chǎn)飽和蒸汽，位于熱交換器的第一部分，在此未示出)組成，接下來是對(duì)流過熱器和再熱器部分(用來生產(chǎn)過熱蒸汽)。圖13中展示的熱交換器結(jié)構(gòu)的更下游部分包括預(yù)熱水用的節(jié)熱器部分310(在水進(jìn)入輻射爐生產(chǎn)飽和蒸汽之前)和空氣加熱器部分312(用來預(yù)熱燃燒用空氣)。對(duì)于已確定的限制，將碳質(zhì)吸附劑向煙道氣流中注射的最佳位置是節(jié)熱器和空氣加熱器之間的位置314。
注射在煙道氣中的碳質(zhì)吸附劑是在節(jié)熱器310的出口處注射的?？梢詫⑵渲苯幼⑸浠蛟谙率龅哪?16中進(jìn)行尺寸縮減和解聚處理。在該工藝實(shí)施方案的一個(gè)變化方案中，在二個(gè)或更多位置注射碳質(zhì)吸附劑，其中一個(gè)位置由確定的煙道氣溫度限制確定。例如，如圖13中所示，除注射位置314之外，可以在空氣加熱器312的下游和顆粒收集裝置320的上游位置提供第二注射位置318。
圖14中示意性顯示了吸附劑注射位置的另一個(gè)實(shí)例，其顯示了包含選擇催化反應(yīng)器(SCR)的燃燒和煙道氣處理裝置。在該裝置中，其第一部分未在文中顯示，典型常規(guī)結(jié)構(gòu)的熱交換器可以由輻射爐部分(用來生產(chǎn)飽和蒸汽)組成，接下來是對(duì)流過熱器和再熱器部分(用來生產(chǎn)過熱蒸汽)。在圖14顯示的熱交換器結(jié)構(gòu)的更下游部分包括預(yù)熱水用的節(jié)熱器部分610(在水進(jìn)入輻射爐生產(chǎn)飽和蒸汽之前)和空氣加熱器部分612(用來預(yù)熱燃燒用空氣)。對(duì)于已確定的限制，將碳質(zhì)吸附劑向煙道氣流中注射的最佳位置是介于節(jié)熱器610和選擇催化反應(yīng)器(SCR)616之間的位置614。
注入煙道氣中的碳質(zhì)吸附劑是在節(jié)熱器610的出口處注射的?？梢灾苯幼⑸浠蛘咴谀?18中經(jīng)過尺寸縮減和解聚處理。
本發(fā)明向煙道氣中注入碳吸附劑形成了以其各自在鍋爐系統(tǒng)中不同的停留時(shí)間為特征的兩組碳吸附劑第一組注入的碳吸附劑被認(rèn)為是一組飛動(dòng)的吸附劑顆粒，而第二組注入的碳吸附劑被認(rèn)為是一組沉積的吸附劑顆粒。飛動(dòng)的吸附劑顆粒定義為懸浮在煙道氣流中與含汞煙道氣接觸的那些，特征在于其停留時(shí)間短至0.01秒-30秒。沉積的吸附劑顆粒是附著在鍋爐系統(tǒng)表面上直接與煙道氣中的汞接觸的那些，特征在于其10秒-10天的較長(zhǎng)停留時(shí)間。(該上限可以由管道系統(tǒng)中的吹灰周期和脫落確定。)從簡(jiǎn)單動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)看，吸附劑對(duì)汞的俘獲作用表示為俘獲汞的量∝(飛動(dòng)顆粒的總表面積)*(飛動(dòng)顆粒的停留時(shí)間)+(沉積顆粒的總表面積)*(沉積顆粒的停留時(shí)間)
因此，在鍋爐系統(tǒng)中的兩組碳吸附劑中更優(yōu)選的一組是沉積吸附劑顆粒，這是因?yàn)樗鼈兣c煙道氣中的汞接觸得比另一組顆粒的時(shí)間長(zhǎng)得多。根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于給定量的注入碳吸附劑，沉積吸附劑顆粒的比例、沉積吸附劑顆粒的接觸表面積和沉積吸附劑顆粒在鍋爐系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間均分別被最大化或最優(yōu)化了。
圖15顯示了在試驗(yàn)中觀測(cè)到的這兩組顆粒對(duì)汞俘獲作用所做的貢獻(xiàn)。9-2μg/Nm3的初始汞減少量是由于飛動(dòng)吸附劑和反應(yīng)器壁上吸附劑的初始沉積造成的。隨著更多的反應(yīng)器表面被吸附劑覆蓋，如圖15所示，汞含量以更低的速度進(jìn)一步降低直至為零。一旦將吸附劑進(jìn)料器關(guān)閉，汞含量從零恢復(fù)到4，接下來緩慢地恢復(fù)到6。從零到4的恢復(fù)是由于飛動(dòng)吸附劑的缺乏，從4到6的恢復(fù)是由于沉積吸附劑被汞飽和。
在典型的燃煤鍋爐系統(tǒng)中，提供在所需溫度范圍100-1000內(nèi)供吸附劑沉積的大表面積的“背傳裝置”是空氣加熱器、選擇催化反應(yīng)器(SCR)、靜電沉淀器(ESP)進(jìn)口噴嘴、ESP收集表面、煙道氣管道系統(tǒng)和織物過濾器。根據(jù)本發(fā)明，在任何這些裝置的上游注射吸附劑，以用吸附劑顆粒涂覆由它們提供的表面。以下是在這些裝置上游注射吸附劑的實(shí)施例。
空氣加熱器用來預(yù)熱初始的和/或二次空氣，是提供吸附劑大沉積表面積的優(yōu)異裝置。在管狀空氣加熱器中，冷空氣經(jīng)管道側(cè)面(殼側(cè))流動(dòng)，熱煙道氣經(jīng)由該管道輸送。在空氣加熱器管道入口的上游位置向煙道氣中注入汞吸附劑，以使吸附劑顆粒在進(jìn)入熱交換器管道之前沿?zé)煹罋饬鞯臋M截面均勻分布。經(jīng)過熱交換器管道的一部分吸附劑顆粒通過布朗運(yùn)動(dòng)或湍流擴(kuò)散被沉積(或涂覆)在管道的內(nèi)表面上。主要通過范德華力將顆粒固定在所述表面上，這些顆粒與煙道氣中的汞相互作用直到它們被吹灰機(jī)構(gòu)或僅被它們周圍的氣流剝落。
在入口的上游間隔地設(shè)計(jì)并安裝吸附劑注射噴管，以確保吸附劑顆粒在熱交換器管道上的均勻涂覆。為最大限度地利用熱交換器管道表面，如圖16所示，如果提供多個(gè)多重注射口410，以便沿?zé)煹罋饬鳈M截面上均勻地分配吸附劑顆粒，這是有利的?？梢詫⒆⑸淇?10構(gòu)造為注射噴管，并且每組注射口410通常與各自的分配歧管412聯(lián)通。吸附劑顆粒的均勻分布還確保了飛動(dòng)顆粒與煙道氣中汞的良好接觸。
旋轉(zhuǎn)再生空氣加熱器是熱交換器表面元件在熱煙道氣管道和冷空氣管道之間轉(zhuǎn)動(dòng)的再生熱交換器?？梢栽跓煹罋夤艿乐行D(zhuǎn)再生空氣加熱器的上游安裝注射噴管系統(tǒng)，以用吸附劑顆粒均勻地涂覆熱交換器元件。
可以通過吸附劑表面改性或背傳裝置表面的改性或二者兼而有之來改善吸附劑的沉積?？梢杂谜承圆牧匣蚱淝绑w在注射前處理吸附劑表面。例如，可以用添加劑如溴化銨處理吸附劑表面，隨著其與二氧化硫反應(yīng)形成硫酸銨而變粘。該粘性表面改善了吸附劑沉積。
制備吸附劑(固相)、液相如水和/或其它能增進(jìn)汞化學(xué)反應(yīng)的添加劑(固或液相)的漿液混合物也是有利的。然后，如圖17所示，將該漿液霧化/噴施到煙道氣中，或直接噴施在背傳裝置的表面上。漿液的液相增加了在背傳表面上的沉積。隨著漿液中液相的蒸發(fā)，背傳裝置表面上的殘留相(吸附劑和/或添加劑)暴露于煙道氣與汞相互作用。
參考圖18，其中演示了該工藝的另一種改進(jìn)，其中，將吸附劑顆粒在注射前預(yù)先充電，同時(shí)，在吸附劑注射位置的下游提供反向充電(或接地)的表面。然后，充電的吸附劑顆粒優(yōu)選附著于這些表面并與汞相互作用很長(zhǎng)時(shí)間。這還能使預(yù)先充電的吸附劑顆粒從未充電的飛灰流中選擇性地分離出來，由此避免了吸附劑對(duì)飛灰流的任何污染并使飛灰可以用于混凝土用途中。
另一種避免(或最小化)飛灰污染同時(shí)實(shí)現(xiàn)降汞作用的方法是向旋轉(zhuǎn)再生空氣加熱器的空氣側(cè)或中間區(qū)域而不是煙道氣側(cè)注射吸附劑。在典型的旋轉(zhuǎn)再生加熱器中，煙道氣中大部分(＞90％)的飛灰顆粒通過了空氣加熱器。如果在旋轉(zhuǎn)再生加熱器的上游向煙道氣流中注射吸附劑顆粒，則大部分吸附劑顆粒通過空氣加熱器(飛動(dòng)的吸附劑顆粒)，而僅一小部分吸附劑顆粒在空氣加熱器元件上沉積(沉積的吸附劑顆粒)。大部分注入的吸附劑顆粒僅短時(shí)間地參與汞的氧化/俘獲過程，即0.01-30秒，然后終止在靜電沉淀器(ESP)的灰分料斗或袋式集塵器中，污染飛灰流。
可以通過向空氣加熱器504空氣側(cè)502的上游(注意該旋轉(zhuǎn)再生型空氣加熱器轉(zhuǎn)子的這些部分循環(huán)地由空氣側(cè)502進(jìn)入新鮮燃燒用空氣506和由煙道氣側(cè)508進(jìn)入煙道氣流)或直接向中間區(qū)域中注射吸附劑以用吸附劑涂覆空氣加熱器元件來有利地最小化灰分料斗中飛灰的污染。如圖19中所示，注入的吸附劑512的一小部分510涂覆了空氣加熱器元件514，大部分吸附劑顆粒被預(yù)熱的空氣516夾帶，最后終止在高溫燃燒器區(qū)并燒掉。
然后，空氣側(cè)502中被吸附劑涂覆了的空氣加熱器元件514旋轉(zhuǎn)進(jìn)入煙道氣側(cè)508，進(jìn)行汞的氧化和俘獲。沉積的吸附劑顆粒最終通過吹灰從所述元件表面移去，被煙道氣518夾帶，終止在ESP的灰分料斗或袋式集塵器中。然而，在該情形下，進(jìn)入灰分料斗中的吸附劑的量顯著低于將吸附劑向煙道氣側(cè)注射的情況。在該方式下，灰分料斗中飛灰的污染被明顯最小化了。
通過空氣加熱器504空氣側(cè)502的吸附劑被夾帶進(jìn)入鍋爐中。隨著碳質(zhì)吸附劑被燒掉，吸附劑中的任何添加劑都被釋放到煙道氣中。如果所述添加劑是鹵素化合物如氯，那么加入的鹵素將參與汞的化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)汞的氧化及其俘獲作用。
還可以采用空氣側(cè)注射與煙道氣側(cè)注射的組合以進(jìn)一步控制汞，如圖23所示。
根據(jù)本發(fā)明向空氣側(cè)注射吸附劑還為帶有熱側(cè)ESP的工廠提供了可行的汞控制方案。這種結(jié)構(gòu)所用的常規(guī)汞控制方式是在ESP的上游注射吸附劑并用ESP俘獲它們。這種控制方法技術(shù)上的困難在于吸附劑經(jīng)歷用來進(jìn)行氧化的高溫區(qū)，而不是用來俘獲汞的低溫區(qū)。吸附劑可能參與汞的氧化作用而非其俘獲作用。
向空氣側(cè)注射吸附劑克服了這個(gè)困難?？諝饧訜崞魑挥谘趸头@作用動(dòng)力學(xué)均很快的溫度區(qū)間內(nèi)。煙道氣側(cè)注射與空氣側(cè)注射的結(jié)合有助于帶有熱側(cè)ESP的工廠結(jié)構(gòu)的汞控制，如圖20所示。
空氣加熱元件的恒速轉(zhuǎn)動(dòng)使空氣側(cè)的吸附劑注射用注射噴管系統(tǒng)比煙道氣側(cè)注射所用的更為簡(jiǎn)單?？諝鈧?cè)注射的目標(biāo)是盡可能均勻地用吸附劑覆蓋盡量多的空氣加熱器元件表面。可以設(shè)計(jì)覆蓋整個(gè)空氣部分橫截面的噴管系統(tǒng)。然而，由于空氣加熱器元件在煙道氣管道和空氣管道之間恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，可以用簡(jiǎn)單的注射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，所述注射系統(tǒng)具有幾個(gè)從空氣加熱器軸沿徑向向外緣伸展的噴管。
圖21中顯示了噴管系統(tǒng)的實(shí)例，該圖是在旋轉(zhuǎn)再生空氣加熱器處進(jìn)行吸附劑注射的示意圖。部分A、B和C是旋轉(zhuǎn)再生空氣加熱器的空氣側(cè)，而D、E和F是煙道氣側(cè)。A、B和C中的空氣向上流動(dòng)，而D、E和F中的煙道氣向下流動(dòng)。加熱器元件逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。吸附劑在部分C注入。其中的一些向加熱器元件表面沉積(用“x”截面線表示)，其中的大部分與燃燒用空氣一起離開空氣加熱器。被吸附劑涂覆的加熱器元件稍后進(jìn)入煙道氣側(cè)并與煙道氣中的汞相互作用。在這種方式中，向煙道氣側(cè)轉(zhuǎn)移的吸附劑僅僅是沉積在表面上的。
用于旋轉(zhuǎn)再生空氣加熱器的吸附劑注射噴管系統(tǒng)。在時(shí)間T0，空氣加熱器部分A在加熱器的空氣側(cè)。在該情況下，注射噴管BC的位置隨著加熱器元件逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)靠近煙道氣側(cè)的入口。注射噴管BC具有向管線部分BC的總區(qū)域內(nèi)均勻噴施吸附劑的多重噴嘴。在時(shí)間t1，部分A靠近噴管BC。在時(shí)間t2，完成向部分A的吸附劑噴施。最后在時(shí)間t3，部分A旋轉(zhuǎn)進(jìn)入煙道氣側(cè)。在該方式中，所有空氣加熱器元件在進(jìn)入煙道氣側(cè)之前都被吸附劑覆蓋。部分A上沉積的吸附劑與煙道氣中的汞相互作用。煙道氣流進(jìn)入該截面，空氣流流出該截面。
由于各種原因，可以選擇就地產(chǎn)生和/或處理吸附劑以對(duì)汞進(jìn)行控制。在就地制備少量吸附劑時(shí)，建議確保對(duì)吸附劑制備過程中不希望的副產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)環(huán)?？刂?。向吸附劑制備設(shè)備中引入污染控制裝置如洗滌器或顆?？刂蒲b置使就地制備經(jīng)濟(jì)性變差。克服這一就地生產(chǎn)問題的方法是在操作中將就地生產(chǎn)設(shè)備的出口與空氣側(cè)旋轉(zhuǎn)再生加熱器的上游相連，如圖22所示。
在就地生產(chǎn)工藝中，吸附劑與不需要的副產(chǎn)品一起產(chǎn)生。該情況下副產(chǎn)品可以是任何未使用的添加劑、工藝過程中產(chǎn)生的烴類中間材料、溶劑或煙道氣。隨著輸出氣流被引向空氣側(cè)，一些吸附劑將沉積到空氣加熱器元件表面上，而其余的則逸出空氣加熱器。包括大部分副產(chǎn)物的逸出氣流將與終止在鍋爐燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒用空氣混合。
在該方式下，來自就地生產(chǎn)設(shè)備的副產(chǎn)物經(jīng)歷高溫破壞并被鍋爐系統(tǒng)的污染控制裝置俘獲。
因而，可以認(rèn)為，當(dāng)采用靜電沉淀器(ESP)和袋式集塵器時(shí)，本發(fā)明提供了以下諸優(yōu)點(diǎn)較低吸附劑消耗和成本、避免了現(xiàn)有的ESP下游高資本成本設(shè)備(袋式集塵器)的使用、在煙道氣中不存在固有鹵素(低氯燃料)的情況下除汞、無活性(較低活性)炭在飛灰中的生成導(dǎo)致了較低的處理成本和在混凝土中的潛在應(yīng)用、為具有熱側(cè)ESP的工廠結(jié)構(gòu)提供了高成本效率的方案。
雖然已經(jīng)對(duì)優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行了顯示和描述，但在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種改型和替換。因此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的描述是以示例而非限制的方式進(jìn)行的。
權(quán)利要求
1.從燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中除去汞的方法，包括使碳質(zhì)吸附劑在400-1100的接觸位置上與燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物接觸，在此該碳質(zhì)吸附劑吸附汞；和除去在其上已經(jīng)吸附了汞的碳質(zhì)吸附劑。
2.權(quán)利要求1的方法，其中使碳質(zhì)吸附劑在400-1100的接觸位置上與燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物接觸包括使碳質(zhì)吸附劑在500-900的接觸位置上與燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物接觸。
3.權(quán)利要求1的方法，其中使碳質(zhì)吸附劑在400-1100的接觸位置上與燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物接觸包括使碳質(zhì)吸附劑在550-750的接觸位置上與燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物接觸。
4.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在使碳質(zhì)吸附劑與燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物接觸之前，在所述碳質(zhì)吸附劑上沉積鹵素和酸性物質(zhì)中的至少一種。
5.權(quán)利要求1的方法，其中燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物包括煤炭燃燒產(chǎn)生的飛灰，并且對(duì)其上吸附了汞的碳質(zhì)吸附劑的除去包括從燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中分離掉已經(jīng)吸附了汞的碳質(zhì)吸附劑，包括使燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物經(jīng)歷分級(jí)工藝，該工藝經(jīng)操作可以從較粗糙和較稠密的飛灰中分離出碳質(zhì)吸附劑。
6.權(quán)利要求1的方法，其中燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物包括煤炭燃燒產(chǎn)生的煙道氣，并且所述碳質(zhì)吸附劑從煙道氣中吸附單質(zhì)汞和汞化合物中的至少一種。
7.權(quán)利要求1的方法，其中使吸附劑的收集溫度經(jīng)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)于各個(gè)接觸位置的溫度，以便在吸附劑與煙道氣在接觸位置和收集位置之間移動(dòng)而相互接觸的時(shí)間過程中，在該時(shí)間內(nèi)曝置溫度的偏差，即各個(gè)接觸位置溫度與各個(gè)收集位置溫度之間的差大于50，由此，對(duì)應(yīng)于處于400-1100范圍的各個(gè)接觸位置溫度，各個(gè)收集溫度的值比各個(gè)接觸位置溫度低至少50。
8.權(quán)利要求7的方法，其中使各個(gè)收集溫度經(jīng)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)于其值為100-800的各個(gè)接觸位置溫度。
9.權(quán)利要求7的方法，其中使各個(gè)收集溫度經(jīng)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)于其值為120-400的各個(gè)接觸位置溫度。
10.權(quán)利要求7的方法，其中使各個(gè)收集溫度經(jīng)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)于其值為140-300的各個(gè)接觸位置溫度。
11.權(quán)利要求1的方法，其中使吸附劑的收集溫度經(jīng)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)于各個(gè)接觸位置的溫度，以便在吸附劑與煙道氣在接觸位置和收集位置之間移動(dòng)而相互接觸的時(shí)間過程中，在該時(shí)間內(nèi)曝置溫度的偏差，即各個(gè)接觸位置溫度與各個(gè)收集位置溫度之間的差大于100，由此，對(duì)應(yīng)于處于400-1100范圍的各個(gè)接觸位置溫度，各個(gè)收集溫度的值比各個(gè)接觸位置溫度低至少100。
12.權(quán)利要求1的方法，其中使吸附劑的收集溫度經(jīng)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)于各個(gè)接觸位置的溫度，以便在吸附劑與煙道氣在接觸位置和收集位置之間移動(dòng)而相互接觸的時(shí)間過程中，在該時(shí)間內(nèi)曝置溫度的偏差，即各個(gè)接觸位置溫度與各個(gè)收集位置溫度之間的差大于200，由此，對(duì)應(yīng)于處于400-1100范圍的各個(gè)接觸位置溫度，各個(gè)收集溫度的值比各個(gè)接觸位置溫度低至少200。
13.權(quán)利要求7的方法，還包括對(duì)碳質(zhì)吸附劑的表面和沿接觸位置和收集位置之間路徑的表面的至少一個(gè)進(jìn)行改性，由此增進(jìn)碳質(zhì)吸附劑在沿接觸位置和收集位置之間路徑表面上的沉積，在該過程中，吸附劑和煙道氣之間彼此接觸。
14.權(quán)利要求13的方法，其中對(duì)碳質(zhì)吸附劑的表面和沿接觸位置和收集位置之間路徑的表面的至少一個(gè)進(jìn)行的改性包括用添加劑處理碳質(zhì)吸附劑以提高碳質(zhì)吸附劑的粘性。
15.權(quán)利要求14的方法，其中為提高碳質(zhì)吸附劑粘性而用添加劑對(duì)碳質(zhì)吸附劑所做的處理包括用鹵化銨處理碳質(zhì)吸附劑。
16.權(quán)利要求13的方法，其中對(duì)碳質(zhì)吸附劑表面和沿接觸位置和收集位置之間路徑的表面的至少一個(gè)進(jìn)行的改性包括向碳質(zhì)吸附劑賦予增加的電荷。
17.權(quán)利要求1的方法，其中燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物經(jīng)由空氣加熱器移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)將熱量從燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物向空氣流的傳遞，并且使碳質(zhì)吸附劑與燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物在接觸位置接觸包括在空氣加熱器空氣側(cè)的上游注射碳質(zhì)吸附劑。
18.權(quán)利要求1的方法，其中燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物經(jīng)由空氣加熱器移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)將熱量從燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物向空氣流的傳遞，并且使碳質(zhì)吸附劑與燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)物在接觸位置接觸包括在空氣加熱器空氣側(cè)的上游和空氣加熱器煙道氣側(cè)的上游注射碳質(zhì)吸附劑。
全文摘要
用于除去單質(zhì)汞或汞化合物的系統(tǒng)26處理以聚集狀態(tài)貯存在料倉30中的起動(dòng)配料碳質(zhì)吸附劑28。通過進(jìn)料器32將吸附劑28向分離裝置34進(jìn)料，該裝置將吸附劑顆粒28粉碎(如果需要)并解聚至其原始尺寸分布。該裝置34可以是顆粒－顆粒分離器或噴射磨，其中壓縮空氣或高壓蒸汽是能量源。將起動(dòng)配料產(chǎn)生的經(jīng)解聚的接觸配料吸附劑28通過空氣蒸汽輸送，在煙道氣管道中的位置66進(jìn)行注射，在這里接觸配料碳質(zhì)吸附劑吸附煙道氣中的汞。
文檔編號(hào)B01D53/10GK1943842SQ200510108408
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2005年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月8日
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