(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラー及びスタックを有する燃焼システム中で発生する煙道ガスから水銀を除去するための水銀除去装置であって、
アルカリ収着剤供給源、
ボイラー煙道ガスから水銀含有粒状物質を分離して除去するための、ボイラーとスタックとの間に配置された粒状物質除去手段
並びに
ボイラー煙道ガスに粉末及びスラリーの内の１つの形のアルカリ収着剤を供給するための収着剤注入手段
を含み、
前記収着剤注入手段がスタックの上流に配置され且つ前記アルカリ収着剤供給源に流体連通され、
前記アルカリ収着剤が石灰石から成り、さらにこの収着剤が硫黄化合物（ここで、硫黄化合物は煙道ガス中に存在するすべてのタイプの硫黄化合物を指すものとする）１モル当たりにカルシウム元素０．００１モル以上１．０モル未満の範囲のカルシウム元素対硫黄の計算量モル比で供給される、前記水銀除去装置。
【請求項２】
前記計算量モル比が前記硫黄化合物１モル当たりにカルシウム元素０．００１モル〜０．５モルの範囲である、請求項１に記載の水銀除去装置。
【請求項３】
前記計算量モル比が前記硫黄化合物１モル当たりにカルシウム元素０．３５モルである、請求項１に記載の水銀除去装置。
【請求項４】
ボイラーにアルカリ収着剤を供給するための手段を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の水銀除去装置。
【請求項５】
前記粒状物質除去手段が静電集塵器から成る、請求項１〜４のいずれかに記載の水銀除去装置。
【請求項６】
前記アルカリ収着剤がボイラーの炉の上方領域及び対流通路の内の少なくとも１つに供給される、請求項４又は５記載の水銀除去装置。
【請求項７】
前記静電集塵器に隣接した上流及びスタックに隣接した上流の内の少なくとも１つに前記アルカリ収着剤を供給するための手段を含み、前記スタックが煙道ガスから水銀含有粒状物質を分離して除去するための分離器手段をさらに含む、請求項４又は５記載の水銀除去装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に燃焼ガス及び煙道ガス浄化方法及び装置に関し、特定的には燃焼によって発生する煙道ガスからアルカリ収着剤を用いることによって水銀を除去するための新規の有用な装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、米国エネルギー省（ＤＯＥ）及び米国環境保護局（ＥＰＡ）は、石炭燃焼公益事業（ｕｔｉｌｉｔｙ）ボイラー及びゴミ焼却発電（ｗａｓｔｅ−ｔｏ−ｅｎｅｒｇｙ）プラントからの有害空気汚染物質（ＨＡＰ）の排出を測定し且つ制御するための研究を支援するようになった。いくつかの研究プロジェクトの初期結果は、重金属及び揮発性有機炭素（ＶＯＣ）の排出は水銀（Ｈｇ）を除けば非常に低いということを示した。殆どのその他の金属とは違って、水銀は比較的低温においても気相中に残り、フライアッシュ粒子上に凝縮しない。従って、その他の金属のようにフライアッシュと共に集めて処分することができない。問題を複雑化させることに、水銀はその酸化された形態（Ｈｇ＋＋）又は元素形態（Ｈｇ０）で存在することができ、それぞれが続いての下流の汚染制御装置によって異なる態様で作用を受ける。
【０００３】
石炭燃焼ユニットによって生成した煙道ガスから水銀を捕捉して除去するための近年の努力の殆どは、活性炭のような導入された試薬を用いた気相反応に集中している。
【０００４】
公益事業及びゴミ焼却発電産業による水銀排出の問題は、ＤＯＥ及びＥＰＡの両方によって研究されている新しい分野である。
【０００５】
現存する石炭燃焼発電プラントの約７５％は、湿性煙道ガス脱硫（ＷＦＧＤ）システムを備えていない。これらのシステムは殆どの場合静電集塵器（ＥＳＰ）及びバッグハウスによって粒状物質の排出を制御する。電力産業に対しての可能性としての水銀排出規制はペンディングになっているが、ＷＦＧＤシステムのない発電プラントに対して利用可能な費用効率のよい水銀捕捉技術を見出すことが緊急課題となっている。
【０００６】
煙道ガスからのＳＯ２を捕捉する目的でボイラーの炉の上方空隙中で煙道ガス中に乾燥粉末形態の石灰石を注入することが知られている。このプロセスを用いたシステムの議論は、Ｍａｄｄｅｎらの米国特許第５７９５５４８号及び同第５８１４２８８号の両明細書に見出すことができる。これらのシステム及びプロセスはまた、強化型石灰石注入乾式スクラビングプロセス／システム又はＥ−ＬＩＤＳシステム（商標）（Ｔｈｅ  Ｂａｂｃｏｃｋ  ＆  Ｗｉｌｃｏｘ  Ｃｏｍｐａｎｙの商標）とも称される。図１を参照されたい。
【０００７】
Ｅ−ＬＩＤＳプロセス又はシステムについては、ボイラーから出てくる煙道ガスから粒状物質を除去するために空気加熱器の下流に粒状物質収集装置（図１中では制御装置と言う）が配置される。この目的のためには、慣性衝撃分離器、織物フィルター（バッグハウス）及びＥＳＰを含むいくつかの既知のタイプの粒状物質分離技術の内の任意のものを採用することができる。粒状物質収集（制御）装置から出てくる煙道ガスは次いで乾式スクラバーを通り、そこで水酸化カルシウム含有スラリーと接触させられる。カルシウムは、１．０よりはるかに大きい、通常は約２．０モル／モルのカルシウム対硫黄の計算量モル比で導入される。この高いモル比は、煙道ガス中に存在する硫黄とカルシウムとの間の良好な反応を達成するために必要である。
【０００８】
追加のＳＯ２除去は、粒状物質制御装置の下流でしかし最終粒状物質収集装置（ここで石炭フライアッシュ、消費した収着剤及び未反応の収着剤粒子が集められる）の手前に配置された乾式スクラバー中で行うことができる。最終粒状物質制御装置としては、バッグハウスが好ましい。何故ならば、煙道ガスがフィルターバッグ上のフィルターケークを通る時に追加のＳＯ２の除去がもたらされるからである。従って、Ｅ−ＬＩＤＳプロセス又はシステムは、収着剤注入、乾式スクラビング及び織物濾過を併用する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
発明の概要
Ｅ−ＬＩＤＳプロセスは炉システム中に存在する水銀の総量の９５％を除去する効果をも有するということが見出されていた。驚くべきことに、収着剤注入及び最初の粒状物質収集装置のみを用いて８２％の水銀除去が行われるということが見出された。
【００１０】
本発明の目的は、煙道ガス中の水銀の排出を減少させるための、現存する発電プラントシステムに容易に後付けされる費用効率のよい解決策を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明の１つの局面は、ボイラー及びスタック（排煙管）を有する公益事業及びゴミ焼却発電燃焼システム中で発生する煙道ガスから水銀を除去するための水銀除去システムであって、
・煙道ガスから水銀含有粒状物質を分離して除去するための、ボイラーとスタックとの間に配置された粒状物質除去手段
並びに
・発電プラント中の前記粒状物質除去手段の上流の少なくとも１つの場所に粉末化された形態及びスラリー形態の内の１つの形態にあるアルカリ収着剤を供給するための収着剤注入手段
を含み、前記アルカリ収着剤が硫黄１モル当たりにアルカリ土類又はアルカリ金属約０．００１〜１．０モルの範囲のアルカリ土類又はアルカリ金属対硫黄の計算量モル比で供給される、前記水銀除去システムにある。発電プラント排出物質からの水銀含有率の少なくとも約４０％〜６０％を除去するためには、このアルカリ収着剤が１つ以上の場所において１．０より小さいアルカリ土類又はアルカリ金属対硫黄の計算量モル比で発電プラントシステム中に注入される。かくして、比較的低い速度で煙道ガス流中に少量のアルカリ収着剤が注入される。発電プラントシステム中に用いられる各注入点の下流において、水銀含有粒状物質を除去するために、粒状物質フィルターが用いられる。
【００１２】
ある種の環境下においては、本発明に従う水銀除去を達成するためにアルカリ土類収着剤及びアルカリ金属収着剤の両方の組み合わせを用いるのが望ましいことがある。
【００１３】
本発明を特徴づける様々な新規の特徴は、特に特許請求の範囲によって指摘される。本発明、その作業上の利点及びその利用によって得られる特異的な利益を最もよく理解するためには、本発明の好ましい具体例が例示された図面及び説明を参照されたい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
好ましい具体例の説明
以下、図面を参照して本発明をさらに説明する。いくつかの図面を通じて、同じ参照番号は同じ又は機能上同様の要素を示すものとする。図２は発電プラント施設又はシステム１０を示したものであり、この図２において１２はアルカリ収着剤１４を調製するためのアルカリ収着剤調製手段であり、このアルカリ収着剤１４はライン１５、１６、１８、２０及び（又は）２２を経由してシステム１０の様々な場所に運ばれる。発電プラントシステム１０には、炉の下方領域２６、炉の上方領域２８及び対流通路３０を有するボイラー２４、空気加熱器３２、排出制御装置３４並びにスタック３６が組み込まれる。ボイラー２４中に燃焼のための燃料３８（典型的には石炭）及び空気４０が供給されて、燃焼によって熱を発生する。
【００１５】
示されたシステム１０においては、ボイラー２４の炉内で水銀のような汚染物質を含有する熱い煙道ガス４２が発生し、炉の上方領域２８を通って上昇する。煙道ガス４２は次いでボイラー２４の対流通路区画３０を通った後に空気加熱器３２に入る。空気加熱器３２の後に、冷却された煙道ガス４４を１つ以上の排出制御装置（一般的に示された３４）によって処理することができる。脱硫されて浄化された（粒状）煙道ガス４６が装置３４から出てきて、大気中に放出されるためにスタック３６に運ばれる。
【００１６】
排出制御装置３４には、バッグハウス、静電集塵器（ＥＳＰ）、湿性煙道ガス脱硫（ＷＦＧＤ）システム、湿式スクラバー、乾式スクラバー、選択的接触還元（ＳＣＲ）、選択的非接触還元（ＳＮＣＲ）及び衝突タイプの粒子分離器が包含され得る。しかしながら、前記のように、多くの現存の発電プラントシステム１０はＷＦＧＤシステムを持たず、排出を制御するためにはＥＳＰ又はバッグハウスのみを用いる。ＷＦＧＤシステムが設置されたシステムにおいては、煙道ガスがＷＦＧＤシステムに入る前に粒状物質を除去するためにＥＳＰを上流に配置させるのが典型的であろう。
【００１７】
図２に示したように、スタック３６を通ってシステム１０を出る前の炉の上方領域２８、対流通路３０、排出制御装置３４の内の１つ以上の位置の煙道ガス４２、４４、４６中にアルカリ収着剤を加えることができ、また、燃料３８と共にアルカリ収着剤を加えることもできる。好適なアルカリ収着剤１４には、ナトリウムのようなアルカリ金属（周期表第１ａ族）又はアルカリ土類（周期表第２ａ族）から選択される元素を含有する収着剤が含まれ、これには石灰石及び生石灰のようなカルシウムを基とする収着剤が包含される。アルカリ収着剤１４は、スラリーの形にあっても粉末の形にあってもよく、もちろん、収着剤搬送手段１５、１６、１８、２０及び２２は、スラリー形態であるか粉末形態であるかに拘らず収着剤１４がどのような形で供給されても、この収着剤１４を所望の場所に運ぶように設計される。
【００１８】
水銀制御のためのアルカリ収着剤の注入は、ボイラー２４からスタック３６の出口までの任意の場所で水銀捕捉のために煙道ガス４２、４４、４６中に任意のアルカリ収着剤１４を非常に少量（１．０モル／モルより小さいＣａ／Ｓ計算量）注入することを包含する。収着剤１４は、煙道ガス４２、４４、４６流に乾式で又はスラリーとして注入することができる。注入された収着剤１４は、粒子相中に水銀を吸収又は吸着し、下流の排出制御装置３４中において煙道ガス中の固体と共に水銀を収集することを可能にする。収着剤の注入温度は、ボイラーへの石炭投入において典型的なもの｛約１６５０℃（３０００Ｆ）｝及び炉の上方部分２８において典型的なもの｛１２６０℃（２３００Ｆ）｝から湿式スクラバーの出口における温度｛約６６℃（１５０Ｆ）｝のような非常に低温まで変化する。収着剤のタイプ並びに注入すべき場所及び温度は、各施設の煙道ガスの成分及び装置に応じて変わる。図２において、収着剤調製システム１２からの実線の矢印は、試験されてうまく働くことがわかった本発明の適用例である。これは炉の上方領域２８への注入である。収着剤調製システム１２からの波線の矢印は、うまく働くことが予測される本発明の原理に従う水銀捕捉のための収着剤１４注入のためのその他の注入点である（これらは例えば石炭供給３８と一緒での導入、対流通路３０における導入、煙道ガス脱硫及び粒状物質制御装置区画３４中並びにスタック３６前の任意の場所での導入を包含する）。これらの適用例はいずれは試験する予定である。
【００１９】
【実施例】
前記のＤＯＥとの契約の一部として実施された試験によって、驚くべきことに、ライン１６を経てボイラー２４の炉の上方領域２８中に石灰石収着剤１４をごく少量（即ちＳ１モル当たりにＣａ０．０４〜０．３５モルの範囲のカルシウム計算量）注入するだけで煙道ガス４２からの適度の水銀除去を達成することができるということが示された。このことは、アルカリ収着剤注入についての新規の独特な適用である。以前には、このようなアルカリ収着剤の注入は煙道ガスからのＳＯ２の除去のために用いられていたものであり、またこれははるかに高い流量（即ちＳ１モル当たりにＣａ１．４〜２．０モルの範囲のカルシウム計算量）で注入されていた。下記の表１に試験した１つの特定適用例についての収着剤注入操作条件をまとめると共に、図３に得られた試験データをグラフとして示す。ここでは、ボイラー２４の炉の上方領域２８中にアルカリ収着剤（石灰石）１４を注入した。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
図３に示したように、棒グラフの２００と示したものは、試験発電プラントシステム１０からの未制御排出を表わし、ここでは、水銀の約７０％が酸化された水銀であり、約２０％が粒状相水銀であり、残りが元素状水銀である。この未制御排出においては、約２３μｇ／ｄｓｃｍ（２３マイクログラム／乾性標準ｍ３）の合計水銀が観察された。
【００２２】
棒グラフの２５０と示したものは、静電集塵器のみを用いた場合の水銀除去に対する効果を示す。未制御排出（棒グラフ２００）において存在した合計水銀の約１８％が取り除かれた。
【００２３】
棒グラフ２００と棒グラフ３００及び３５０（これらは発電プラントシステム１０中にアルカリ収着剤１４を注入した場合の排出を示す）との比較は、炉の燃焼プロセスによって大気中に排出される水銀の有益な減少をはっきりと示している。
【００２４】
棒グラフ３００は、炉の上方領域２８中に０．３５のカルシウム対硫黄の計算量モル比で又は煙道ガス１ポンド当たりに石灰石０．００２ポンドの割合で石灰石を注入した後に観察された水銀の合計量を示す。合計水銀排出は実質的に減少した。アルカリ収着剤１４を注入することによって、未制御排出の場合の水銀の５６％が取り除かれた。
【００２５】
棒グラフ３５０によって結果を示した第２の試験においては、炉の上方領域２８中に石灰石を約０．０４のカルシウム対硫黄の計算量モル比で又は煙道ガス１ポンド当たりに石灰石０．０００２５ポンドの割合で注入した。モル比が小さくなるにつれて水銀制御が低くなり、即ち未制御排出の場合の合計水銀の４５％が取り除かれた。
【００２６】
図２に戻ると、発電プラントシステム１０中の様々な位置のそれぞれにアルカリ収着剤１４を供給するために用いられる注入システムは、ポンプ又は空気輸送システムのような粉末状又はスラリー状物質を配送するための任意の既知のタイプのものであってよい。
【００２７】
本発明の１つの利点は、ＷＦＧＤがない発電プラントに、完全ＷＦＧＤシステムと比較して相対的に小さい設置占有面積を有する後付け構成要素からアルカリ収着剤１４を供給することができるということである。かかる注入システムを設置するための経費は、ＷＦＧＤシステムについてのものと比較してかなり低いものとなる。
【００２８】
発電プラントシステム１０中に注入されるアルカリ収着剤１４の量は相対的に見て少量なので、アルカリ収着剤１４の供給費用は相対的に安い。さらに、より一層小さい貯蔵サイロを用いることができ、後付け注入装置のための設置占有面積が小さくなる。
【００２９】
本発明のアルカリ収着剤注入はまた、ＷＦＧＤシステムがない後付けされるプラントに、硫黄酸化物排出に対する追加の制御をも提供する。発電プラントシステム１０中に注入されるアルカリ収着剤１４は、追加の除去効果を有し、それによって、水銀含有率を減らしながら煙道ガスからのＳＯ３、ＨＣｌ及びその他の酸性ガスの量をも減らす。
【００３０】
ＳＯ３量が少なくなるということは酸露点の低下という利益をもたらし、さらに、苛性及び腐食性の凝縮物を発生することなく温度をさらに低くすることができるので、煙道ガスからの熱の除去を可能にする。粒状物質収集装置における煙道ガスについての熱レベルが低くなると、取り除くことができる水銀の潜在的な量が増え、ボイラーの効率が高くなる。
【００３１】
ある種の環境下においては、本発明に従う水銀除去を達成するために、アルカリ土類収着剤とアルカリ金属収着剤との組み合わせを用いることが望ましいことがある。
【００３２】
最後に、フライアッシュ炭素含有率はアルカリ収着剤１４の注入によって薄めることができる。発電プラントにおいてフライアッシュ中に見出される未燃焼炭素の量がこのアッシュの利用方法における有用性に影響を及ぼすことがしばしばある。フライアッシュが希釈されることによって、未燃焼炭素の割合が低くなり、かくしてアッシュは商業的販売のためにより一層望ましいものとなる。また、このアッシュの高いアルカリ性は、農業及びコンクリート産業におけるようないくつかの用途についてのアッシュの価値を高めることができる。
【００３３】
以上、本発明の原理の適用例を例示するために本発明の特定的な具体例を示して説明してきたが、かかる原理から逸脱することなく本発明を別の態様で具体化することができるということを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術に従うＥ−ＬＩＤＳ（商標）を組み込んだ発電プラント設備の概略図である。
【図２】本発明に従う水銀制御のためのアルカリ収着剤注入システムを組み込んだ発電プラント設備の概略図である。
【図３】本発明に従う煙道ガス処理の後に試験装置によって測定された水銀の捕捉量を、未濾過煙道ガスと比較して示した棒グラフである。
【符号の説明】
１０  発電プラントシステム
１２  収着剤調製システム
２４  ボイラー
２６  下方領域
２８  上方領域
３０  対流通路
３２  空気加熱器
３４  排出制御装置
３６  スタック
【図１】
0003616293.tif 000003
【図２】
0003616293.tif 000004
【図３】
0003616293.tif 000005