(57)【要約】【課題】  石炭の燃焼中に生成される煙道ガス中の水銀（Ｈｇ）を捕捉するための吸収剤の生成に関する。【解決手段】  固体燃料の燃焼により形成された煙道ガス中の水銀を捕捉する方法は、燃焼中に放出された水銀が、燃焼により生成される煙道ガスの流れに乗って搬送されるように、石炭（１２）を燃焼させることと；固体燃料の燃焼に対して局所的なガス化装置（４２）において固体燃料を部分的にガス化することにより、熱活性化炭素含有吸収剤を生成することと；石炭の燃焼の中へ、ガス化ガス生成物を噴射すること（４６）と；熱活性化吸収剤を煙道ガス中へ噴射すること（２６）と；廃棄物処理システム（２８、３４）において、噴射された吸収剤を回収することとを含む。【選択図】  図１
2006000847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体燃料の燃焼により形成される煙道ガス中の水銀を捕捉する方法において、
ａ．燃焼中に放出される水銀が、燃焼により発生される煙道ガスの流れに乗って搬送されるように、燃焼システム（１４）内で燃料（１２）を燃焼させることと；
ｂ．固体燃料の燃焼に対して局所的なガス化装置（４２）において、炭素固体燃料を部分的にガス化することにより、熱活性化炭素含有吸収剤を生成することと；
ｃ．前記熱活性化吸収剤を煙道ガス中に噴射すること（２６）と；
ｄ．前記熱活性化吸収剤により、水銀の少なくとも一部を吸収することとから成る方法。
【請求項２】
前記熱活性化吸収剤は、石炭、バイオマス、汚水スラッジ及び炭素を含有する廃棄生成物のうちの少なくとも１つ（４０）から生成される請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記熱活性化吸収剤は、噴射前に、気体状ガス化生成物から分離される（４４）請求項１記載の方法。
【請求項４】
気体状ガス化生成物（４６）は、石炭の燃焼ゾーンに噴射される（１８）請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記吸収剤は、前記燃焼システムに結合された廃棄物処理システム（２８、３４）の場所で生成される請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記吸収剤は、微粒子制御装置（２８）の上流側で煙道ガス中に噴射され、前記方法は、前記微粒子制御装置（２８）において、捕捉された水銀と共に前記吸収剤を回収することを更に含む請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記吸収剤は、微粒子制御装置（２８）の下流側で煙道ガス中に噴射され、前記方法は、吸収剤回収装置（３４）において、捕捉された水銀と共に前記吸収剤を回収することを更に含む請求項１記載の方法。
【請求項８】
廃棄物処理システムにおいて、噴射された吸収剤を回収することを更に含む請求項１記載の方法。
【請求項９】
煙道ガスから水銀を捕捉するシステムにおいて、
石炭及び空気を受け入れるように構成され、石炭／空気噴射システムと、石炭及び空気を燃焼させるための燃焼ゾーンとを更に具備する炉又はボイラと；
前記燃焼ゾーンで生成された煙道ガスを受け入れるように接続され、吸収剤噴射器と、吸収剤回収装置とを更に具備する廃棄物処理システムと；
固体炭素燃料を受け入れるための入口と、吸収剤及びガス化ガス生成物を生成するために、前記固体炭素燃料が少なくとも部分的に内部で燃焼されるガス化チャンバとを有するガス化装置を更に具備する吸収剤生成装置と；
前記ガス化装置と前記吸収剤噴射器との間にあり、前記吸収剤噴射器へ吸収剤を搬送する導管と；
前記ガス化装置と前記石炭／空気噴射システムとの間にあり、前記石炭／空気噴射システムへガス化ガス生成物を搬送する導管とを具備するシステム。
【請求項１０】
前記ガス化装置の排出口に結合されたサイクロンセパレータを更に具備し、前記サイクロンセパレータは、前記ガス化装置と前記吸収剤噴射器との間の前記導管に結合された吸収剤排出口と、前記ガス化装置と前記石炭／空気噴射システムとの間の前記導管に結合されたガス排出口とを有する請求項９記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭の燃焼に関し、特に、石炭の燃焼中に生成される煙道ガス中の水銀（Ｈｇ）を捕捉するための吸収剤の生成に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭の燃焼から出る放出物は、水銀（Ｈｇ）などの揮発性金属を含むことがある。石炭燃焼ボイラ及び他の工業用石炭燃焼システムから排出される気体放出物中のＨｇを減少することは、以前から必要とされていた。石炭の燃焼中に水銀が揮発すると、水銀は、燃焼により生成される煙道ガスに侵入する。吸収剤を噴射し、その吸収剤によって、揮発した水銀の一部を捕捉し、微粒子回収システムを介して、捕捉された水銀を除去することは可能である。捕捉されなかった水銀は、石炭ボイラからの排煙と共に、大気中に放出される。水銀は、汚染物質である。従って、排煙が排出される前に、煙道ガス中の水銀を大量に捕捉することが望ましい。
【０００３】
煙道ガス中の水銀を捕捉する吸収剤として、活性炭を噴射することは、周知のＨｇ制御技術である。例えば、非特許文献１を参照。石炭の種類及び放出物制御システムの特定の構成、例えば、微粒子回収装置の前方で噴射が実行される構成又は既存の静電微粒子制御装置ＥＳＰの背後に追加される小型バッグハウスなどの構成に応じて、活性炭の噴射によるＨｇ除去の効率は、６０％〜９０％の範囲である。
【０００４】
活性炭を使用する石炭燃焼発電装置におけるＨｇ制御のコストは、高くなりがちである。例えば、非特許文献２を参照。活性炭の噴射を利用する水銀除去に要する通常のコストは、一般に、除去される水銀１ポンド（ｌｂ）当たり、２０，０００ドルから７０，０００ドルの範囲である。このコストのほとんどは、吸収剤のコストであり、活性炭吸収剤を生成する経済的な方法が、長年必要とされていた。吸収剤を安価に抑えることにより、煙道ガスから水銀を除去するためのコストをかなり低減できるであろう。
【特許文献１】米国特許６，４７１，５０６号公報
【非特許文献１】Status review of mercury control options for coal-fired power plants（Pavish他、Fuel Processing technology 82、８９〜１６５ページ（２００３年））
【非特許文献２】Control of Mercury Emissions from Coal-Fired Power Plants: A Preliminary Cost Assessment and the Next Steps for Accurately Assessing Control Costs（Brown他、Fuel Processing Technology 65-66、３１１〜３４１ページ（２０００年））
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、固体燃料の燃焼により形成される煙道ガス中の水銀を捕捉する方法であって、燃焼中に放出される水銀が、燃焼により生成される煙道ガスの流れに乗って搬送されるように、石炭を燃焼させることと；固体燃料の燃焼に対して局所的なガス化装置において、固体燃料を部分的にガス化することにより、熱活性化炭素含有吸収剤を生成することと；石炭の燃焼の中へ、ガス化固体燃料を噴射することと；熱活性化吸収剤を煙道ガス中へ噴射することと；廃棄物処理システムにおいて、噴射された吸収剤を回収することとを含む方法として具現化されてもよい。
【０００６】
更に、本発明の別の実施例は、固体燃料の燃焼により形成される煙道ガス中の水銀を捕捉する方法であって、燃焼中に放出される水銀が、燃焼により生成される煙道ガスの流れに乗って搬送され、廃棄物処理システムまで流れるように、炉又はボイラにおいて固体燃料を燃焼させることと；炉又はボイラに対して局所的なガス化装置において、炭素固体燃料を部分的にガス化することにより、熱活性化炭素含有吸収剤を生成することと；廃棄物処理システムの煙道ガス導管へ、熱活性化吸収剤を噴射することと；煙道ガスと共に搬送された水銀の少なくとも一部を、噴射された吸収剤によって捕捉することと；廃棄物処理システムにおいて、噴射された吸収剤を水銀と共に回収することとを含む方法である。
【０００７】
また、本発明は、煙道ガスから水銀を捕捉するシステムであって、石炭及び空気を受け入れるように構成され、石炭／空気噴射システムと、石炭及び空気を燃焼させるための燃焼ゾーンとを更に具備する炉又はボイラと；炉又はボイラの燃焼において生成される煙道ガスを受け入れるように接続され、吸収剤噴射器と、吸収剤回収装置とを含む廃棄物処理システムと；固体炭素燃料を受け入れる入口と、吸収剤及びガス化燃料を生成するために、固体炭素燃料が少なくとも部分的に内部で燃焼されるガス化チャンバとを有するガス化装置を更に具備する吸収剤生成装置と；ガス化装置と吸収剤噴射器との間にあり、吸収剤噴射器へ吸収剤を搬送する導管と；ガス化装置と石炭／空気噴射システムとの間にあり、石炭／空気噴射システムへガス化燃料を搬送する導管とを具備するシステムとして具現化されてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
炭素系吸収剤は、煙道ガスから水銀を除去する上で効果的である。石炭、又は炭素を含有する他の燃料をガス化装置内で部分的にガス化することにより、熱活性化水銀吸収剤を生成するためのシステム及び方法は、これまでに開発されている。熱活性化吸収剤は、水銀を含有する煙道ガスの流れの中へ、既存の微粒子制御装置（ＰＣＤ）の上流側で噴射されてもよいし、あるいはＰＣＤの下流側で噴射されてもよい。ＰＣＤの下流側で噴射される場合には、吸収剤専用の微粒子制御システムが下流側に設けられる。熱活性化吸収剤は、発電装置で燃焼される石炭と同一の石炭から生成されるか、又は炭素を含有する他の固体燃料から生成される。
【０００９】
現在採用されているシステム及び方法は、局所的に生成される熱活性化炭素系吸収剤を煙道ガス中へ噴射し、吸収剤によって、煙道ガスから水銀を吸収することにより、石炭燃焼ボイラの煙突から放出される水銀を減少する。従来の活性炭噴射と比較した場合、この方法は、いくつかの利点を有する。利点としては、熱活性化吸収剤を生成するために必要とされる機器に対する資本投下が少なくてすむこと、活性炭を貯蔵しておくためのサイロの必要が少なくなること、及び吸収剤生成に要するコストが相対的に低いことなどがあるが、それらに限定されない。
【００１０】
図１は、石炭燃焼発電装置１０を示す。発電装置１０は、石炭１２の供給源、ボイラ１４及び燃焼廃棄物処理システム１６を具備する。ボイラは、固体燃料噴射システム１８及び空気噴射器２０を含む。石炭と空気の混合物は、ボイラ内部の燃焼ゾーン２２の中で燃焼する。燃焼ゾーンにおいて生成される煙道ガスは、燃焼中に石炭から放出される水銀を含むことがある。
【００１１】
煙道ガスは、ボイラを通過し、廃棄物処理システムの導管２４に流入する。導管２４内で、煙道ガスは冷却する。廃棄物処理システム１６は、吸収剤噴射システム２６と、微粒子制御装置（ＰＣＤ）２８と、煙道ガスを排出するための煙突３２とを含む。ＰＣＤ２８からは、灰３０が排出される。吸収剤噴射システムは、ＰＣＤの上流側で、導管２４内へ吸収剤を噴射してもよい。それに加えて（又はその代わりに）、吸収剤は、ＰＣＤの下流側で噴射されてもよい。下流側で噴射される場合には、廃棄物処理システム１６の中に、専用の吸収剤微粒子回収装置３４が配置される。
【００１２】
吸収剤は、吸収剤生成装置３８から出る吸収剤排出シュート３６から流れ出る。吸収剤生成装置においては、石炭、又は炭素を含有する他の固体燃料４０が、ガス化装置４２で部分的にガス化される。ガス化装置４２は、熱活性化炭素吸収剤を生成する。ガス化装置は、吸収剤を、ガスと共に、シュート３６を介して導管２４の中へ排出してもよい。あるいは、ガス化装置内で生成された熱活性化固体吸収剤は、サイクロンセパレータ４４において、他のガス化生成物から分離される。吸収剤と気体状燃料生成物との混合物は、サイクロンセパレータ４４の入口に入る。吸収剤の固体粒子は、サイクロンセパレータから吸収剤シュート３６の中へ排出される。ガス化装置及びサイクロンセパレータは、廃棄物処理システム１６と同じ場所にあってもよい。ガス化装置を出た気体状生成物は、導管４６を通って石炭噴射器１８に入り、ボイラ内部の燃焼ゾーン２２に流入する。
【００１３】
図２は、固体燃料ガス化装置４２を横断面により概略的に示す。ガス化装置４２は、従来の装置であってもよい。ガス化装置は、垂直ガス化チャンバ５０を含む。ガス化チャンバ５０の中には、固体燃料粒子４０及び熱が噴射される。ガス化チャンバ５０内で燃料粒子が燃焼すると、吸収剤及びガス化燃料が生成される。吸収剤燃焼のための固体燃料は、石炭、バイオマス、汚水スラッジ、廃棄生成物、又は炭素を含有する他の固体燃料のいずれかであればよい。ガス化チャンバ５０内に配置されたチョーク５２は、チャンバ内における燃料の滞留時間を調整する。吸収剤を生成する場合、一般に、燃料は、ガス化チャンバ内に０．５秒から１０秒滞留するのが好ましい。ガス化チャンバ５０及び加熱チャンバ４１には、熱電対５６がそれぞれ配置される。熱電対は、それらのチャンバにおける温度を監視する。
【００１４】
一例においては、ガス化装置４２は、ステンレス鋼から製造されてもよく、ガス化装置の内壁には、耐火材が内張りされる。固体燃料をガス化するために必要とされる熱は、天然ガスと空気の燃焼により供給される。水平に整列された加熱チャンバ４１は、８インチ（ｉｎ）の内径を有していてもよい。石炭４０は、ガス化チャンバ５０内へ噴射される。ガス化チャンバ５０は、１２ｉｎの内径を有していてもよい。固体燃料の搬送媒体として、窒素又は空気が使用されてもよい。
【００１５】
固体燃料４０は、水ジャケットが装備された噴射器５８を介して、ガス化チャンバ５０の上端部で噴射される。搬送ガス５１は、燃料噴射器５３を介して噴射され、固体燃料粒子をガス化チャンバ５０の内部へ搬送する。ガス化チャンバに熱が加えられると、その結果、例えば、部分燃焼が起こることによって、固体燃料粒子は、部分的にガス化し、反応吸収剤粒子を生成する。加熱チャンバ内部の熱に対応するため、ガス化チャンバ５０及び補助熱チャンバ４１の壁には、耐火材６２が内張りされる。
【００１６】
固体燃料、例えば、石炭を部分ガス化するために必要とされる熱は、熱源６０により供給され且つ／又はガス化装置内で固体燃料を部分燃焼させることにより供給される。例えば、加熱チャンバ４１において、天然ガスと空気６０が混合され、熱を発生する。この熱は、ガス化チャンバ５０に供給される。加熱チャンバに設けられた冷却ポート６４は、水６６を使用して、加熱チャンバ及び固体燃料噴射器５８の壁を冷却する。加熱チャンバ４１を冷却することにより、温度を調整し、ガス化チャンバ５０内における固体燃料の過剰な燃焼を回避することができる。ガス化チャンバ内の温度は、１，０００°Ｆ〜２，０００°Ｆの範囲であるのが好ましい。
【００１７】
相対的に高い反応度を有する熱活性化吸収剤の生成を促進するために、ガス化チャンバ５０内の条件は最適化される。例えば、相対的に表面積が広く、炭素含有量が多くなるように、吸収剤は生成されてもよい。ガス化装置におけるプロセスパラメータは、ガス化チャンバ５０における燃料の滞留時間、炭素含有材料と空気の理論混合比（ＳＲ）、及びガス化チャンバ５０内の温度を含む。それらのプロセスパラメータを制御することにより、反応吸収剤の生成を向上できる。ガス化装置における最適のプロセス条件は、炭素を含有する燃料４０の種類及びその反応度によっても影響を受ける。熱活性化炭素含有吸収剤の反応度に、ガス化装置のパラメータが及ぼす影響を判定するために、試験が実施された。吸収剤の反応度は、吸収剤中の炭素含有量としてみなされてもよい。
【００１８】
ガス化チャンバ５０の壁面に沿って配置された熱電対及び加熱チャンバ４１内に配置された熱電対を含むいくつかの熱電対５６を使用して、ガス化チャンバ５０における温度プロファイルが測定された。ガス化チャンバ内に近接して配置されたポート６８を使用して、ガス試料及び固体試料を取り出し、解析した。存在する炭素を表す尺度である強熱減量（ＬＯＩ）を判定するために、固体試料が解析された。
【００１９】
図３及び図４は、ガス化チャンバ５０内における滞留時間及び理論混合比（ＳＲ）が、吸収剤中の炭素含有量に及ぼす影響を示す試験データのグラフである。石炭４０の量を変化させると共に、ガス搬送媒体を空気から窒素に変更することにより、ガス化装置のＳＲを変化させた。石炭噴射器５１の先端部７０をガス化ゾーンの更に奥深い位置まで移動することにより、滞留時間を変化させた。図３及び図４は、滞留時間及びＳＲが増すにつれて、ガス化の範囲が拡大することを実証する。吸収剤の生成を最適にするためには、滞留時間及びＳＲが過剰であってはならない。
【００２０】
熱活性化吸収剤の炭素含有量を増加させることが望ましい。従って、吸収剤の炭素含有量を多くするためには、滞留時間を短くし且つＳＲを低くするのが好ましい。これに対し、滞留時間が非常に短いときの石炭のガス化の程度は、吸収剤の表面積を相対的に狭くするという結果を招く。表面積の広い吸収剤粒子は、水銀を捕捉するのに有効である。従って、吸収剤の高い反応度を実現するように、ガス化装置の条件を最適化しなければならない。
【００２１】
図３に示されるように、ガス化チャンバ５０内部における滞留時間が増すにつれて、吸収剤の反応度（ＬＯＩ）は、わずかに低下する。例えば、滞留時間が１．４秒から１０秒であるとき、強熱減量（ＬＯＩ）は、相対的に高いレベルにとどまることが保証される。ＬＯＩは、ガス化チャンバ内で形成される炭素吸収剤の量を示す標識である。１．４秒から１０秒の滞留時間は、吸収剤の生成を向上することがわかった。図４で提示されるデータは、固体燃料と利用可能な空気との理論混合比（ＳＲ）が相対的に高いとき、ＬＯＩが増加し、その結果、吸収剤の量も増加することを示す。ＳＲを０．１〜１．０の範囲に維持することにより、十分な反応吸収剤が生成されることがわかった。
【００２２】
現時点で最も実用的で、好ましい実施例であると考えられるものに関連して本発明を説明したが、本発明は、開示された実施例に限定されてはならず、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】吸収剤を生成するガス化装置、微粒子制御装置及び吸収剤制御装置を有する石炭燃焼炉の概略図。
【図２】固体燃料ガス化装置の一例を横断面により示す側面図。
【図３】ガス化装置滞留時間が吸収剤中の炭素含有量に及ぼす影響に関連する試験データを示すグラフ。
【図４】ガス化ゾーンにおける理論混合比に対する吸収剤中の炭素含有量に関連する試験データを示すグラフ。
【符号の説明】
【００２４】
１０…石炭燃焼発電装置、１２…石炭、１４…ボイラ、１６…燃焼廃棄物処理システム、１８…固体燃料噴射システム、２０…空気噴射器、２２…燃焼ゾーン、２４…導管、２６…吸収剤噴射システム、２８…微粒子制御装置（ＰＣＤ）、３４…吸収剤微粒子回収装置、３８…吸収剤生成装置、４０…固体燃料、４１…加熱チャンバ、４２…ガス化装置、４４…サイクロンセパレータ、４６…導管、５０…ガス化チャンバ、５１…搬送ガス、５３…燃料噴射器、５６…熱電対、５８…固体燃料噴射器
【図１】
2006000847.tif 000003
【図２】
2006000847.tif 000004
【図３】
2006000847.tif 000005
【図４】
2006000847.tif 000006