СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА СНИЖЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА
METHOD (VERSIONS) AND SYSTEM OF AIR POLLUTION REDUCTION

Предпосылки к созданию изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к процессам снижения выбросов, а в частности, к процессам и устройствам, которые снижают содержание загрязняющих воздух веществ в вытекающих потоках от источника сжигания.
При работе многих промышленных установок используют источник сжигания (горения), в том числе в бойлерах, обжиговых печах, топках и мусоросжигателях. Такие источники сжигания типично создают различные опасные загрязняющие воздух вещества, в зависимости от типов сжигаемого топлива, обрабатываемых материалов, конструкции горелки и других рабочих параметров. Обычные опасные вещества, загрязняющие воздух (HAPs), выделяемые источниками сжигания, включают в себя оксиды серы, оксиды азота, диоксид углерода, оксид углерода (угарный газ), соляную кислоту, хлорфторуглероды, твердые частицы, летучие органические соединения, аэрозольные соединения, ртуть, свинец, аммиак, озон, и т.п. Различные системы для снижения степени загрязнения воздуха используют для снижения содержания одного или нескольких таких загрязняющих воздух веществ, после выхода стоков или топочных (дымовых) газов из источника сжигания. Многие такие устройства для снижения степени загрязнения воздуха являются энергоемкими, требуют создания высоких температур и больших эксплуатационных расходов и капитальных вложений.
Сущность изобретения
Предлагается способ снижения степени загрязнения, созданного за счет источника сжигания. Он предусматривает снижение исходного количества оксидов серы, присутствующих в потоке флюида, выходящем из источника сжигания, за счет контакта потока флюида с твердым материалом, образованным за счет перемешивания шлакового компонента, имеющего одно или несколько химически активных силикатных соединений, со связующим компонентом. В соответствии с различными вариантами, ранее контактирования с твердым материалом, поток флюида имеет температуру ориентировочно меньше чем 600°F (около 316°C). Эффективность удаления оксидов серы, присутствующих в потоке флюида, преимущественно превышает 20%, а в различных вариантах она еще больше, и равна 70% или превышает 70%, по сравнению с исходным количеством оксидов серы, присутствующих в потоке флюида ранее контактирования.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предлагается способ снижения степени загрязнения, созданного за счет источника сжигания, который предусматривает снижение исходного количества оксидов азота, присутствующих в потоке флюида, выходящем из источника сжигания, за счет контакта потока флюида с твердым материалом, образованным за счет перемешивания шлакового компонента, имеющего одно или несколько химически активных силикатных соединений, со связующим компонентом. Ранее контактирования с твердым материалом, поток флюида имеет температуру ориентировочно меньше чем 600°F (около 316°C). Количество оксидов азота, присутствующих в потоке флюида после контактирования с твердым материалом, снижается в соответствии с эффективностью удаления, составляющей больше чем 20% или равной 20%, по сравнению с исходным количеством оксидов азота, присутствующих в потоке флюида ранее контактирования.
В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения, предлагается способ снижения степени загрязнения, созданного за счет источника сжигания, который предусматривает снижение исходного количества веществ, загрязняющих воздух, которые содержат оксиды серы, оксиды азота и диоксид углерода, присутствующих в потоке флюида, выходящем из источника сжигания, за счет контакта потока флюида с твердым материалом, образованным за счет перемешивания шлакового компонента, имеющего одно или несколько химически активных силикатных соединений, со связующим компонентом. В примерном варианте, ранее контакта с твердым материалом, поток флюида имеет температуру ориентировочно меньше чем 600°F (около 316°C). Полное количество загрязняющих воздух веществ, присутствующих в потоке флюида после контактирования с твердым материалом, снижено в соответствии с эффективностью удаления, составляющей больше чем 20% или равной 20%, по сравнению с полным исходным количеством загрязняющих воздух веществ, присутствующих в потоке флюида ранее контактирования.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предлагается система для снижения степени загрязнения, содержащая источник сжигания, который создает вытекающий поток, содержащий по меньшей мере одно загрязняющее воздух вещество, выбранное из группы, в которую входят: оксиды серы, оксиды азота, диоксид углерода, которое присутствует в вытекающем потоке в исходном количестве. Система содержит реактор с уплотненным слоем, имеющий впуск для приема вытекающего потока (потока, вытекающего из источника сжигания) и выпуск. Реактор имеет по меньшей мере одну камеру, которая содержит множество твердых частиц, имеющих средний диаметр ориентировочно от 0.25 мм до 12 мм, причем твердые частицы образованы за счет перемешивания шлакового компонента, имеющего одно или несколько химически активных силикатных соединений, со связующим компонентом. Камера имеет объем, позволяющий обеспечивать продолжительность обработки, достаточную для снижения количества загрязняющих воздух веществ за счет эффективности удаления, составляющей больше чем 20% или равной 20%, в вытекающем (из реактора) потоке по сравнению с исходным количеством.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, предлагается способ снижения степени загрязнения, созданного за счет источника сжигания, который предусматривает введение вытекающего потока флюида, созданного в источнике сжигания, в реактор с уплотненным слоем, причем вытекающий поток имеет температуру ориентировочно меньше чем 600°F (около 316°C). Вытекающий поток флюида имеет исходное количество по меньшей мере одного вещества, загрязняющего воздух, выбранного из группы, в которую входят: оксиды серы, оксиды азота, и диоксид углерода, а реактор с уплотненным слоем имеет по меньшей мере одну камеру, которая содержит множество твердых частиц, имеющих средний диаметр ориентировочно от 0.25 мм до 12 мм, которые образованы за счет перемешивания шлакового компонента, имеющего одно или несколько химически активных силикатных соединений, со связующим компонентом. Реактор преимущественно работает с эффективностью удаления загрязняющих воздух веществ, составляющей больше чем 20% или равной 20%.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, предлагается способ снижения степени загрязнения, созданного за счет источника сжигания, который предусматривает текущий контроль исходного количества по меньшей мере одного загрязняющего вещества, выбранного из группы, в которую входят: оксиды серы, оксиды азота и диоксид углерода, присутствующего в вытекающем потоке флюида, созданном в источнике сжигания. Содержание загрязняющего вещества в вытекающем потоке снижают за счет введения вытекающего потока в реактор с уплотненным слоем, при температуре ориентировочно меньше чем 600°F (около 316°C), причем реактор имеет по меньшей мере одну камеру, которая содержит множество твердых частиц, имеющих средний диаметр ориентировочно от 0.25 мм до 12 мм, которые образованы за счет перемешивания шлакового компонента, имеющего одно или несколько химически активных силикатных соединений, со связующим компонентом. Вытекающий из реактора с уплотненным слоем поток имеет пониженное содержание загрязняющего вещества, причем разница между исходным количеством и пониженным количеством загрязняющего вещества составляет в среднем по меньшей мере около 20%, при проводимых каждый час замерах.
В соответствии с различными другими аспектами настоящего изобретения, предлагаются способы снижения содержания оксидов серы, оксидов азота и/или диоксида углерода в вытекающих потоках, созданных за счет стационарных источников сжигания (например, бойлеров, мусоросжигателей), печей для обжига цемента, печей для обжига извести, чугуноплавильных печей и сталеплавильных печей. За счет этого, в соответствии с различными аспектами настоящего изобретения создается эффективное средство снижения выбросов оксидов серы, оксидов азота и/или диоксида углерода, в результате чего обеспечивается контроль выброса парниковых газов, при дополнительном рециркулировании по меньшей мере одного промышленного побочного продукта, а преимущественно множества побочных продуктов, образующих полезный продукт.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения и дополнительные области его применения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи. Следует иметь в виду, что приведенные описание и специфические примеры служат только для пояснения изобретения и не имеют ограничительного характера.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показана система для снижения содержания выбросов, выполненная в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения, имеющая реактор с уплотненным слоем.
На фиг.2 схематично показан частичный разрез системы для снижения содержания выбросов, показанной на фиг.1, где можно видеть внутреннюю камеру реактора, которая содержит множество твердых частиц, образующих слой.
На фиг.3 показана примерная схема последовательности операций способа снижения содержания одного или нескольких опасных веществ, загрязняющих воздух, поступающих от источника сжигания, с использованием системы для снижения степени загрязнения в соответствии с некоторыми вариантами настоящего изобретения, обработку которых затем производят в устройстве снижения загрязнений воздуха.
На фиг.4 показана примерная схема последовательности операций способа снижения содержания одного или нескольких опасных веществ, загрязняющих воздух, поступающих от источника сжигания, которые сначала проходят обработку в устройстве для снижения степени загрязнений воздуха, а затем проходят обработку в системе для снижения степени загрязнения в соответствии с некоторыми вариантами настоящего изобретения.
На фиг.5 схематично показана система для снижения содержания выбросов, выполненная в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения, имеющая реактор с уплотненным слоем, который имеет активную камеру и неактивную камеру.
Подробное описание изобретения
x
2
3
x
2
2
3
3
В соответствии с различными аспектами настоящего изобретения, предлагается способ секвестирования или снижения содержания одного или нескольких газообразных веществ, загрязняющих воздух, присутствующих в вытекающем потоке флюида, созданном за счет источника сжигания. В некоторых вариантах, поток флюида содержит газ и/или пар, однако он также может иметь увлеченные твердые материалы и/или жидкости, такие как увлеченные твердые частицы, капли жидкости и/или аэрозоли. В соответствии с различными аспектами, поток флюида представляет собой вытекающий поток или поток отработавших газов, созданный в источнике сжигания, используемом в промышленном процессе. В соответствии с настоящим изобретением предлагается использовать твердый материал, который эффективно удаляет одно или несколько загрязняющих веществ из газовой фазы вытекающего потока. Указанный твердый материал образован за счет перемешивания шлакового компонента со связующим компонентом. В соответствии с некоторыми аспектами, воду дополнительно перемешивают со шлаковым компонентом и связующим компонентом, чтобы образовать твердый материал в виде гранул. В соответствии с различными аспектами, твердый материал имеет вид множества твердых частиц или агломератов. За счет перемешивания шлакового компонента, связующих компонентов и, возможно, воды, образуются агломерированные частицы, которые в соответствии с некоторыми аспектами являются аморфными и пористыми. Вытекающий поток" пропускают через реактор, содержащий твердые частицы, где за счет контакта между вытекающим потоком и твердым материалом происходит удаление одного или нескольких веществ, загрязняющих воздух. В соответствии с некоторыми аспектами, одно или несколько удаляемых загрязняющих веществ выбраны из группы, в которую входят: оксиды серы (SO) (в том числе SO, SO, SO, и т.п.), оксиды азота (NO) (в том числе NO, NO, и т.п.), и диоксид углерода (CO). В соответствии с некоторыми аспектами, твердые частицы (твердый порошковый материал. - Прим. переводчика) систем для снижения степени загрязнения в соответствии с настоящим изобретением позволяют удалять дополнительные вещества, загрязняющие воздух, такие как оксид углерода (CO), соляную кислоту (HCl), хлорфторуглероды (CFC), находящиеся в воздухе твердые частицы (РМ), летучие органические соединения (VOCs), аэрозольные соединения, ртуть (Hg), свинец (Pb), аммиак (NH), озон (O), а также их комбинации и эквиваленты.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением используют твердый порошковый материал в способах снижения количества загрязняющих веществ, присутствующих в вытекающем потоке флюида, содержащем загрязняющие вещества. Твердый порошковый материал содержит шлаковый компонент и связующий компонент. Твердый порошковый материал образован за счет перемешивания шлакового компонента со связующим компонентом. Шлаковый компонент является отдельным от связующего компонента и образует источник химически активных силикатов. В соответствии с некоторыми аспектами, шлаковый компонент и связующий компонент дополнительно перемешивают с водой и затем главным образом сушат до твердого состояния, ранее контактирования с вытекающим потоком. Под сушкой главным образом до твердого состояния понимают, что после сушки твердый материал имеет содержание воды ориентировочно меньше чем 3% по весу, в пересчете на полный вес материала, возможно, ориентировочно меньше чем 1% по весу, и, в соответствии с некоторыми аспектами, ориентировочно меньше чем 0.5% по весу. В соответствии с некоторыми другими вариантами осуществления настоящего изобретения, твердый порошковый материал образуют за счет примешивания дополнительного компонента, а именно второго компонента, который содержит как источник щелочных ионов, так и источник оксида кальция. В соответствии с некоторыми аспектами, твердый порошковый материал содержит, возможно, третий компонент, который представляет собой источник оксида кальция (CaO) и источник ионов щелочных металлов.
Шлаковый компонент
x
y
2
3
4
2
7
4
+
Шлаковые материалы представляют собой промышленные побочные продукты производства металлов. В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения, шлаковый компонент содержит химически активный силикат. Силикаты типично имеют тетрагедральную форму и могут быть объединены в цепи, двойные цепи, листы, трехмерные сети и другие формы полимеризации ("геополимеры"). Силикат содержит атомы кремния и кислорода, с одним или несколькими металлами и/или водородом. Обычно, кремний и кислород имеют форму SiO, где x обычно равен 1 или 2 и у может быть в диапазоне от 2 до 7 (например, SiO, SiO, SiO и SiO). Несмотря на то что многие силикаты являются нерастворимыми или стабильными в воде, можно полагать, что основные условия и повышенные температуры обеспечивают большую растворимость и/или химическую активность некоторых силикатных соединений в присутствии воды. Растворимость в воде и/или химическая активность силикатного соединения в присутствии воды зависит от множества факторов, в том числе от катионов, с которыми анион силиката образует комплекс (например, ион щелочного металла группы IA и NH  стремятся образовать растворимые в воде силикаты).
-
Некоторые разновидности силикатов являются более химически активными с ионными разновидностями и могут иметь высокую растворимость в воде, где, как полагают, такие силикаты ионизируются с образованием SiO ионов. Например, силикаты могут образовывать различные кристаллические структуры, в диапазоне от кристаллических и высоко упорядоченных фаз (например, в виде кварца) до крипто-кристаллических фаз (например, в виде крайне мелких кристаллических структур типа халцедона) и до аморфных фаз или стекловидных не кристаллических структур (например, в виде опала). Можно полагать, что аморфные структуры позволяют более сильное ионное воздействие и разрушение сети силиката. Таким образом, высоко упорядоченные и хорошо кристаллизованные фазы являются стабильными и не химически активными, в то время как крипто-кристаллические и аморфные силикатные решетки подвержены воздействию за счет неупорядоченных и открытых структур, поэтому такие силикаты являются химически активными.
2
2
2
3
2
2
3
В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения, шлаковый компонент твердого порошкового материала содержит химически активные силикаты. Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, все же можно полагать, что некоторые кристаллические фазы двухкальциевого силиката (2CaO.SiO, типично кратко записываемого как CS) и трехкальциевого силиката (3CaO.SiO, типично кратко записываемого как CS), в частности, кристаллические фазы γ-CS, β-CS и CS, являются химически активными силикатами, из которых могут быть образованы шлаковые материалы и которые надлежащим образом вступают в реакцию с некоторыми загрязняющими веществами. Например, в присутствии воды, такие химически активные силикаты вступают в реакцию с диоксидом углерода. Когда говорят о химически активном силикатном соединении, то имеют в виду, что больше чем 10% всех силикатных соединений, присутствующих в материале, будут вступать в реакцию с диоксидом углерода в присутствии воды при 25°C (77°F) и при атмосферном давлении, при pH больше чем 9 или равном 9.
Повышенные температуры обычно повышают растворимость силикатных соединений в присутствии воды. В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения, шлаковый компонент преимущественно содержит 5% или больше чем 5% химически активных силикатов; возможно, ориентировочно 10% или больше чем 10%; и, возможно, ориентировочно 15% или больше чем 15% химически активных силикатов, в пересчете на сухой вес.
Различные шлаковые материалы содержат силикаты кальция. Преимущественно, по меньшей мере часть этих силикатов кальция является химически активной в присутствии воды относительно оксидов серы, оксидов азота, диоксида углерода и/или оксида кальция, что используют в различных способах в соответствии с настоящим изобретением.
3
3
3
2
2
3
Для пояснения можно сказать, что шлаки обычно являются побочными продуктами производства и обработки металлов. Термин "шлак" относится к широкому разнообразию побочных продуктов, в том числе типично к большей части не металлических побочных продуктов при производстве и обработке черных металлов и/или стали. Обычно шлакующие добавки или флюсы вводят в печи для удаления примесей из расплавленной железной руды, стального скрапа и исходного сырья в виде железа и/или стали во время переработки. Типичными флюсами являются известняк (CaCO) и/или доломит (CaCO-MgCO). Расплавленный шлак образует расплав силиката на поверхности ванны в печи, который при охлаждении образует комплексное соединение силикатов и оксидов. Состав шлака зависит от металла, обработку которого производят в печи, и часто содержит сульфиды металлов и металлические атомы в элементарном виде. Состав и свойства шлака также зависят от типа печи и от последующей обработки, которая может влиять не только на химический состав, но и на кристалличность, развитие фаз и поверхностную морфологию, что может влиять на химическую активность. Например, как уже было указано здесь выше, желательно, чтобы в шлаке были образованы одна или несколько химически активных силикатных фаз, таких как γ-CS, β-CS и CS. Кроме того, размер частиц, пористость и площадь поверхности шлака влияют на химическую активность, причем можно полагать, что материалы, которые имеют меньший размер частиц, более высокую пористость и, следовательно, большую площадь поверхности, могут обеспечивать большее воздействие на загрязняющие вещества и воду, вызывая более сильную реакцию с заданными веществами, загрязняющими воздух.
Из железной руды за счет обработки в доменной печи образуется очищенный передельный чугун. Шлаки в доменной печи обычно относятся к трем основным типам: шлак воздушного охлаждения, гранулированный шлак и вспученный шлак. Шлак воздушного охлаждения доменной печи образуется за счет относительно медленного охлаждения расплавленного шлака в условиях окружающей среды, однако его окончательное охлаждение может быть ускорено за счет процесса охлаждения, например, за счет распыления воды. Гранулированный шлак образуется за счет резкого охлаждения расплавленного шлака в воде, в результате чего образуются небольшие частицы стекла с неупорядоченной структурой. Такой гранулированный шлак часто дополнительно размалывают, за счет чего улучшаются цементирующие свойства материала. Вспученный шлак охлаждают струями воды, что ведет к быстрому образованию пара, за счет чего в материале развиваются обширные пузырьковые структуры.
Стальные шлаки (шлаки сталеплавильной печи) образуются во время дополнительной обработки передельного чугуна и других стальных материалов в сталеплавильных печах. Типичными сталеплавильными печами являются кислородные конвертеры, мартеновские печи и электродуговые печи. Большую часть стали в настоящее время производят на объединенных сталеплавильных заводах с использованием кислородных конвертеров или на специализированных сталеплавильных заводах с использованием электродуговых печей. В примерном кислородно-конвертерном процессе, расплавленный металл доменной печи, скрап и флюсы загружают в конвертер. В конвертер опускают фурму и подают кислород под высоким давлением. Кислород объединяется с примесями и удаляет их из загрузки. Эти примеси содержат углерод в виде газообразного оксида углерода, а также кремний, марганец, фосфор и часть железа, в виде жидких оксидов, которые соединяются с известью и/или доломитом с образованием стального шлака. В конце операции продувки, жидкую сталь заливают в ковш, в то время как стальной шлак остается в конвертер, а затем его выпускают в отдельный шлаковый ковш.
Могут быть произведены многие различные марки стали, причем свойства стального шлака могут существенно изменяться в зависимости от каждой марки. Марки стали могут быть классифицированы в зависимости от высокого, среднего и низкого содержания углерода. Высококачественные стали имеют более высокое содержание углерода. Для снижения количества углерода в стали требуются более высокие уровни кислорода в сталелитейном процессе. Кроме того, для этого также требуется добавлять повышенные уровни флюса, чтобы удалять примеси из стали и улучшать образование шлака. Так называемые "углеродные шлаки" имеют содержание углерода выше уровня примеси. Например, представительное содержание углерода в углеродном шлаке составляет больше чем 0.01 вес.% или равно 0.01 вес.%, возможно, больше чем до 0.1 вес.% или равно 0.1 вес.%, возможно, больше чем 0.5 вес.% или равно 0.5 вес.%, и, возможно, ориентировочно больше чем 1 вес.%.
Шлак сталеплавильной печи типично содержит намного большие количества двухкальциевого силиката и оксида кальция. В сталеплавильном процессе производят различные типы стального шлака, в том числе печной (или конечный) шлак, выгребной шлак, синтетические (или ковшовые) шлаки, и бассейновый (или очистной) шлак. Стальной шлак, получаемый на первичной стадии производства стали, называют печным шлаком или конечным шлаком. После выпуска из печи, расплавленную сталь переводят в ковш для дальнейшей очистки, чтобы удалить дополнительные примеси, которые все еще имеются в стали, при этом получают дополнительные стальные шлаки за счет новой добавки флюсов в ковш с расплавом. Эти шлаки комбинируются с любым остатком печного шлака и содействуют поглощению продуктов раскисления (примесей), теплоизоляции и защите огнеупорного материала ковша. Полученные на этой стадии производства стали стальные шлаки обычно называют выгребными или ковшевыми шлаками. Бассейновый шлак и очистной шлак являются другими типами шлаков, которые обычно получают в операциях производства стали. Они обычно включают в себя стальной шлак, который подает на пол завода на различных стадиях производства стали, или шлак, который удаляют из ковша после слива стали. Стадия очистки в ковше обычно требует добавки относительно большого количества флюса, причем свойства указанных синтетических шлаков часто существенно отличаются от свойств печного шлака. Такие шлаки часто имеют высокое содержание оксида кальция и силикатов и хорошо подходят для использования в качестве материала для шлакового компонента твердого порошкового материала, в особенности потому, что такие синтетические шлаки обычно не могут быть рециркулированы как агрегаты за счет расширения на месте нахождения (in situ).
Следует иметь в виду, что шлаковый компонент может содержать комбинацию шлаков, поступивших из различных мест в печи и/или из различных мест процесса обработки, или может содержать комбинации шлаков из различных печей или процессов. Термин "печь" включает в себя как конвертер для переработки железной руды, так и конвертер для переработки стали. Обычно, шлаками доменной печи называют шлаки, полученные в печах для переработки железной руды, а стальными шлаками называют шлаки, полученные за счет любого процесса производства или очистки стали, в том числе и шлаки нержавеющей стали, как это описано далее более подробно. В зависимости от места их получения в процессе и от последующей обработки, многие шлаки имеют различные распределения частиц по размерам (различные гранулометрические составы), различные минералогические характеристики и образование кристаллов. Эти шлаки могут быть дополнительно размолоты, чтобы получить желательные распределения частиц по размерам и/или крупность частиц (площадь поверхности).
2
2
2
Примерные шлаки содержат соединения кальция, соединения кремния, соединения алюминия, соединения магния, соединения железа, соединения марганца и/или соединения серы. В соответствии с некоторыми вариантами настоящего изобретения, шлаковый материал (шлаковые материалы) шлакового компонента могут содержать оксид кальция с содержанием ориентировочно от 25 до 60%, возможно, ориентировочно от 30 до 50%, и, возможно, ориентировочно от 30 до 45% по весу. В соответствии с различными вариантами, шлаковый компонент содержит диоксид кремния (SiO) с содержанием больше чем или равным 25% по весу, возможно, ориентировочно, больше чем или равным 30% по весу, и, возможно, ориентировочно, больше чем или равным 35% по весу. Следует иметь в виду, что количество SiO, присутствующее в композиции, отражает анализ простого оксида. В описании настоящего изобретения все процентные содержания даны по весу, если только специально не указано иное. Следует иметь в виду, что химические композиции различных описанных здесь материалов выражены в переводе на простые оксиды, содержание которых получено за счет элементарного анализа, типично с использованием техники флуоресцентных рентгеновских лучей. Несмотря на то что различные простые оксиды могут присутствовать и часто присутствуют в более сложных соединениях в материале, анализ оксидов представляет собой полезный способ для определения концентрации представляющих интерес соединений в соответствующих композициях. Анализ простых оксидов не обязательно отражает концентрацию химически активных силикатов, так как они образуют только часть полного количества SiO, присутствующего в материале.
3
В некоторых вариантах, шлаковый компонент дополнительно содержит оксид кальция (CaO), с содержанием больше чем 25% или равным 25% по весу; возможно, больше чем 30% или равным 30% по весу; и, возможно, больше чем 35% или равным 35% по весу. Как уже было указано здесь выше, оксид кальция и диоксид кремния типично присутствуют в виде силикатов кальция, однако, на основании анализа полного содержания простого оксида, их соответствующие количества составляют больше чем 25% или равны 25% по весу. В некоторых вариантах, шлаковый компонент содержит один или несколько активных ингредиентов, выбранных из группы, в которую входят CaSiO, CaO и их комбинации, причем полное количество активных ингредиентов, присутствующих в шлаковом компоненте, составляет ориентировочно от 35 до 90% по весу.
В некоторых вариантах, шлаковый компонент, содержащий шлак, имеет композицию, приведенную в Таблице I, за исключением примесей и разбавителей.
Таблица I
Оксид/Металл
Ориентировочный вес.%
Оксид кальция (CaO)
35-55
Диоксид кремния (SiO<sub>2</sub>)
10-35
Оксид алюминия (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
0.1-10
Оксид железа (FeO) (70-80% FeO & 20-30 Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
0.1-40
Оксид магния (MgO)
3-10
Оксид марганца (MnO)
3-10
Сульфат (SO<sub>3</sub>)
0.01-15
Фосфат (P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>)
0.01-1
Металлическое железо
0.5-10
Одним примеров подходящего шлака, обычно имеющего цементирующие свойства и химически активный диоксид кремния, является молотый гранулированный шлак доменной печи (GGBFS). Скорость охлаждения такого шлака типично является достаточно низкой, так что обычно образуются различные кристаллические соединения, в том числе преобладающие соединения, такие как двухкальциевый силикат, трехкальциевый силикат, двухкальциевый феррит, меривинит, алюминат кальция, оксид кальция, магния и железа, свободная известь и свободная магнезия.
2
2
2
Шлаки нержавеющей стали являются особенно подходящими материалами для использования в качестве шлакового компонента, причем они типично имеют относительно высокие концентрации свободной извести и/или свободной магнезии, и относительно высокие концентрации силикатов, особенно в химически активной кристаллической форме силиката γ-CS. Во время развития кристалла и фазового превращения полагают, что эта γ-CS фаза вызывает нестабильность кристаллической решетки CS, что вызывает фрагментацию в тонкий порошок за счет саморазмельчения.
Специалисты легко поймут, что различные количества таких элементов, как никель, хром, молибден и марганец, могут быть добавлены в расплав, чтобы получить сталь: причем, чем больше количества этих элементов, тем лучше марка стали. Эти элементы стремятся внедриться в соединения, присутствующие в шлаке, который используют для очистки металлов. Как правило, нержавеющая сталь содержит по меньшей мере около 10.5% хрома. Типичная аустенитная (нержавеющая) сталь содержит около 16% или больше чем 16% хрома, и около 8% или больше чем 8% никеля. Нержавеющая сталь содержит до 1.7% по весу углерода. Более высокие марки нержавеющей стали обычно имеют более низкие содержания углерода и могут содержать молибден и марганец, среди прочего. В качестве примера укажем, что аустенитная нержавеющая сталь низкой марки 304 имеет содержание углерода (C) 0.08% или меньше чем 0.08%, содержание хрома (Cr) ориентировочно от 17 до 19.5%, содержание никеля (Ni) ориентировочно от 8 до 10.5%, содержание марганца (Mn) 2% или меньше чем 2%, и не содержит молибдена (Mo). В качестве другого примера укажем, что сталь более высокой марки 316L имеет содержание углерода (C) 0.03% или меньше, чем 0.03%, содержание хрома (Cr) около 17%, содержание никеля (Ni) около 9%, содержание марганца (Mn) около 2% и содержание молибдена (Мо) около 2.5%. Буква "L" обозначает низкое содержание углерода. Аустенитная нержавеющая сталь более высокой марки 317LMN имеет содержание углерода (C) 0.03% или меньше чем 0.03%, содержание хрома (Cr) ориентировочно от 16.5 до 18.5%, содержание никеля (Ni) ориентировочно от 13.5 до 17.5%, содержание марганца (Mn) ориентировочно от 1 до 2%, и содержание молибдена (Mo) ориентировочно от 4 до 5%. В обозначении марки 317LMN, буквы "M" и "N" указывают, что композиция содержит соответственно повышенные уровни молибдена и никеля. Шлаки нержавеющей стали имеют тенденцию к включению в свой состав этих различных элементов, а также дополнительно содержат высокое количество химически активных и/или растворимых в воде силикатов, что крайне желательно для образования твердых порошковых материалов в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Шлаковый компонент может дополнительно содержать другие источники химически активных силикатов, в дополнение к описанному выше шлаку, при условии, что они способствуют получению обсуждавшихся здесь выше желательных и/или необходимых ингредиентов. В качестве других подходящих примеров можно привести пыль доменной печи (вагранки), собранную при помощи устройств для снижения степени загрязнения воздуха, подключенных к доменной печи, такую как осадок на фильтре вагранки. Другим подходящим источником промышленного побочного продукта является зола осадка очистки бумаги от краски. Многие побочные продукты различных промышленных процессов могут быть использованы в качестве источника химически активных силикатов твердых порошковых материалов в соответствии с настоящим изобретением. Многие из этих хорошо известных побочных продуктов также содержат оксид алюминия и/или диоксид кремния. Могут быть рассмотрены комбинации любых примерных вырабатываемых продуктов и/или промышленных побочных продуктов для использования в некоторых вариантах настоящего изобретения.
Связующие компоненты
В соответствии с различными вариантами, связующий компонент перемешивают со шлаковым компонентом, чтобы образовать агломерированные твердые частицы. В соответствии с различными аспектами настоящего изобретения, такой связующий компонент позволяет удерживать шлаковый компонент в виде твердого порошкового материала, имеющего заданный размер, так что порошковый материал выдерживает как транспортирование, так и обработку, а также может быть использован в промышленном устройстве для снижения степени загрязнения. Как это описано далее более подробно, в соответствии с различными вариантами, твердые порошковые материалы, содержащие шлак и связующие компоненты, помещают в реактор с уплотненным слоем. Вытекающий поток вводят в реактор с уплотненным слоем, где он протекает через слой твердого порошкового материала, при этом одно или несколько загрязняющих воздух веществ удаляются за счет контакта с твердым материалом. Комбинации любых примерных связующих компонентов могут быть рассмотрены для использования в некоторых вариантах настоящего изобретения. В соответствии с различными аспектами настоящего изобретения, связующий компонент содержит материал, выбранный из группы, в которую входят обычный портландцемент, клинкер портландцемента, гуаровая смола, крахмал, меласса и их комбинации.
В соответствии с некоторыми аспектами, твердый порошковый материал образуют за счет перемешивания связующего компонента со шлаковым компонентом, при отношении шлакового компонента к связующему компоненту ориентировочно от 6:1 до 99:1, в пересчете на сухой вес. В соответствии с некоторыми аспектами, твердый порошковый материал образуют за счет перемешивания ориентировочно от 1 до 20% по весу связующего компонента, в пересчете на полный сухой вес смеси, возможно, ориентировочно от 3 до 10% по весу связующего компонента, и, возможно, ориентировочно от 4 до 6% по весу связующего компонента, в пересчете на полный сухой вес смеси. Кроме того, в соответствии с некоторыми аспектами, связующий компонент и шлаковый компонент перемешивают в присутствии воды, чтобы образовать твердый порошковый материал, например, связующий и шлаковый компоненты перемешивают с водой в количестве ориентировочно от 5 до 30% по весу, в пересчете на мокрый вес смеси, возможно, с водой в количестве ориентировочно от 7 до 20%, а в некоторых аспектах, с водой в количестве ориентировочно от 10 до 15% по весу, в пересчете на мокрый вес смеси. Связующий компонент и шлаковый компонент перемешивают, в соответствии с некоторыми аспектами, до однородного состояния и/или полностью, чтобы получить твердый порошковый материал.
Портландцемент
В соответствии с некоторыми вариантами настоящего изобретения, связующий компонент имеет композицию гидравлического цемента. Таким образом, в соответствии с некоторыми аспектами, связующий компонент содержит компонент в виде портландцемента, который представляет собой, например, обычный портландцемент (ОРС), модифицированные портландцементы, перемешанные гидравлический цемент и цементный клинкер. Под "гидравлическим цементом" понимают цемент, который схватывается и твердеет за счет гидратации минеральных компонентов в цемент, даже при погружении в воду. "Портландцемент" хорошо известен и может быть изготовлен с использованием обжиговой печи в мокром или сухом процессе. Несмотря на то что мокрый и сухой процессы являются различными, оба эти процесса используют теплоту для постепенного нагревания исходных материалов. Исходные материалы для изготовления цемента включают в себя кальций, диоксид кремния, железо и оксид алюминия в различных пропорциях и обычно содержат известняк и различные другие материалы, например, такие как глина, песок или сланец.
3
2
2
2
3
2
3
2
3
4
2
3
2
3
Первой стадией изготовления цемента является стадия предварительного нагревания, на которой удаляют любую влагу из исходных материалов, удаляют гидратную воду и повышают температуру материала ориентировочно до 1500°F (около 800°C). Второй стадией является стадия обжига, которую проводят при температуре ориентировочно от 1500°F до 2000°F (около 1100°C), при этом известняк (CaCO) преобразуется в известь (CaO) за счет выхода диоксида углерода (CO) в реакции обжига. Затем производят нагревание исходных материалов до максимальной температуры ориентировочно от 2500°F до 3000°F (ориентировочно от 1400°C до 1650°C) в зоне обжига, при этом они главным образом плавятся и текут, в результате чего образуются неорганические соединения, такие как двухкальциевый силикат (CS или 2CaO-SiO), трехкальциевый силикат (CS или 3СаО-SiO), трехкальциевый алюминат (CA или 3CaO-AlO), и четырехкальциевый алюмоферрит (CAF или 4CaO-AlO-FeO). Расплавленные исходные материалы охлаждают до отверждения в промежуточный продукт в виде небольших кусков, известных как "клинкер", который затем удаляют из обжиговой печи. Цементный клинкер затем мелко размалывают и перемешивают с различными добавками (такими как средство задержки схватывания, гипс), чтобы образовать обычный портландцемент. В стандарте ASTM, международный тест С 150 "Стандартная спецификация портландцемента", предусмотрены 8 типов обычного портландцемента для различных применений, а именно: типы I, IA, II, IIA, III, IIIA, IV и V. В соответствии с некоторыми аспектами, связующий компонент содержит портландцемент одного из типов I, IA, III и/или IIIA.
3
2
3
4
2
2
3
2
3
2
3
3
3
Портландцемент обычно содержит ориентировочно от 35 до 65% CS, ориентировочно от 15 до 40% CS, ориентировочно от 0 до 15% CA, и ориентировочно от 6 до 20% CAF, однако содержание этих гидравлических активных компонентов может изменяться в зависимости от типа цемента. Типичный анализ простого оксида металла обычного портландцемента типа I дает ориентировочно 64% CaO, 21% SiO, 5% AlO, 3% FeO, с меньшими количествами других соединений, таких как оксиды магния, серы, калия, натрия, и т.п. Анализ простого оксида с расчетами из элементарного анализа является обычным, однако специалисты легко поймут, что различные активные соединения фактически могут присутствовать в источнике в виде более сложных молекул, например, таких как CS, CS, CAF и CA.
В некоторых вариантах, связующий компонент содержит клинкер портландцемента, имеющий композицию с большинством компонентов и параметров, приведенных в Таблице II, за исключением примесей и разбавителей.
Таблица II
Оксид/Металл
Ориентировочный вес.%
Оксид кальция (CaO)
59-68
Диоксид кремния (SiO<sub>2</sub>)
18-27
Оксид алюминия (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
2-7
Оксид железа (FeO) (70-80% FeO & 20-30 Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
0.2-6.5
Оксид магния (MgO)
0.5-5
Сульфат (SO<sub>3</sub>)
1.5-5
Эквивалент Na<sub>2</sub>O<sub>e</sub>
0.05-1.3
Потеря веса на прокаливание % (LOI)
0-3
2
e
2
2
Содержание щелочи в различных пуццолановых и/или цементных материалах может быть выражено в виде эквивалента натрия (NaO), который учитывает присутствие как NaO, так и KO, в соответствии с выражением
2
e
2
2
2
e
где z представляет собой эквивалент натрия NaO, x представляет собой количество NaO, присутствующего в композиции, а у представляет собой количество KO, присутствующего в композиции. Указанный эквивалент натрия "NaO" может иметь содержание в портландцементе от больше чем 0.01% до 0.5% по весу или больше чем 0.5% по весу, возможно, до 1% по весу или больше чем 1% по весу. Потеря веса на прокаливание (LOI) отображает количество летучих материалов (вода, диоксид углерода, гидраты и органические материалы), присутствующих в образце, и обычно указывает степень доведения пиропроцесса. Примерные параметры проверки LOI указаны в стандарте ASTM Test С 114 "Стандартные способы испытания для химического анализа гидравлического цемента," в соответствии с которым образец нагревают и измеряют потерю массы, чтобы оценить потерю летучих разновидностей.
Специалистам хорошо известно, что клинкеры портландцемента затем могут быть перемешаны с дополнительными материалами в количестве до 15% по весу, возможно, ориентировочно от 2 до 10% по весу. В качестве примеров типичных добавок к портландцементу можно привести гипс (сульфат кальция), зольную пыль и молотые гранулированные шлаки доменной печи.
Твердый порошковый материал, образованный за счет подмешивания связующего компонента, содержащего портландцемент, содержит ориентировочно от 1 до 15% по весу связующего компонента, в пересчете на полный сухой вес смеси, возможно, ориентировочно от 3 до 12% по весу связующего компонента в виде портландцемента, и, возможно, ориентировочно от 4 до 10% по весу связующего компонента в виде портландцемента, в пересчете на полный сухой вес смеси. В соответствии с некоторым предпочтительными аспектами, содержание портландцемента составляет ориентировочно от 5% до 10% по весу, в пересчете на полный сухой вес смеси.
Как уже было указано здесь выше, в соответствии с различными аспектами настоящего изобретения, перемешивание связующего компонента со шлаковым компонентом производят в присутствии воды. Специалисты легко поймут, что количество присутствующей в системе воды определяет количество образованной цементной фазы, а следовательно, степень упрочнения, твердения и агломерации. Например, отношения воды к портландцементу в типичном бетоне лежат в диапазоне от меньше чем 0.35 до 0.65, причем минимальное количество 0.25 обычно необходимо для завершения реакций гидратации цементных соединений. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, ориентировочно от 8 до 25% по весу воды добавляют в сухую смесь, возможно, ориентировочно от 10 до 15% по весу воды добавляют в сухую смесь, которая содержит шлаковый компонент и связующий компонент. После твердения связующего компонента, содержащего портландцемент, за счет гидравлических реакций, образуется агломерированный твердый материал, который годится для использования в устройствах и способах снижения степени загрязнения в соответствии с настоящим изобретением.
Связующие компоненты на базе крахмала
В соответствии с некоторыми аспектами осуществления настоящего изобретения, связующий компонент содержит связующие компоненты на базе крахмала. Крахмал обычно классифицируют как смесь комплексных карбогидрат глюканов, имеющих α-амилозу и амилопектин. α-амилоза представляет собой линейную полимерную молекулу, связанную при помощи α (1→4) связи, а амилопектин представляет собой разветвленную полимерную молекулу, имеющую α (1→4) связанные глюкозные радикалы и α (1→6) точки разветвления с регулярными интервалами (например, усредняющие каждые 24-30 глюкозных радикалов). Отношение амилозы к амилопектину в молекуле крахмала типично составляет от 1:2 до 1:4. Подходящие крахмалы получают из различных растений, в том числе из риса, пшеницы, кукурузы, тапиоки и/или картофеля. Связующие компоненты на базе крахмала при необходимости могут быть модифицированы для улучшения различных физических свойств, таких как загустевание или связывание, или могут быть использованы без модифицирования. Химическое модифицирование может предусматривать эстерификацию или предварительное желатинирование. Таким образом, термин "связующее вещество на базе крахмала" включает в себя не только изолированные или экстрагированные из источников природных растений крахмалы, но также производные, синтетические или полусинтетические эквиваленты таких природных компонентов. Связующие компоненты на базе крахмала часто перемешивают с водой, при этом содержание компонента на базе крахмала составляет ориентировочно от 25% до 90% по весу, возможно, ориентировочно от 35 до 50% по весу крахмала, с остатком в виде воды и/или растворителей, таких как поливиниловый спирт.
Твердый порошковый материал, образованный за счет подмешивания связующего компонента, содержащего крахмал или производные крахмала, содержит ориентировочно от 1 до 15% по весу связующего компонента, в пересчете на полный вес сухой смеси, возможно, ориентировочно от 1 до 5% по весу связующего компонента, и, возможно, ориентировочно от 3 до 5% по весу связующего компонента, в пересчете на полный вес сухой смеси.
Гуаровая смола
В соответствии с некоторыми аспектами, связующий компонент содержит гуаровую смолу. Гуаровая смола, которая известна также под названием гуаран, представляет собой галактоманнан (полисахарид, имеющий основную цепь маннозы с боковыми группами галактозы), причем ее обычно получают из семян растения Cyamopsis tetragonoloba. Гуаровая смола типично имеет отношение маннозы к галактозе ориентировочно от 1.5:1 до 2:1. Гуаровая смола представляет собой загуститель и эмульсификатор и может образовывать сшитый материал в присутствии некоторых веществ, таких как кальций (который может присутствовать в шлаковом компоненте, в другом связующем компоненте или в третьем компоненте). Термин "гуаровая смола" включает в себя не только изолированные экстракты или полученные из растения Cyamopsis tetragonoloba, но также производные, синтетические или полусинтетические эквиваленты таких природных экстрактов. Гуаровая смола может быть получена в водной форме или сухой форме, которая при необходимости может быть реконструирована с использованием воды или растворителя. Примерная гуаровая смола имеет содержание воды ориентировочно от 40 вес.% до 60 вес.%
Твердый порошковый материал, образованный за счет перемешивания связующего компонента, содержащего гуаровую смолу, имеет ориентировочно от 1 до 15% по весу связующего компонента, содержащего гуаровую смолу, в пересчете на полный вес сухой смеси, возможно, ориентировочно от 1 до 5% по весу связующего компонента, и, возможно, ориентировочно от 1 до 3% по весу связующего компонента, в пересчете на полный вес сухой смеси.
Меласса
В соответствии с некоторыми аспектами осуществления настоящего изобретения, связующий компонент содержит мелассу или другие связующие компоненты на базе сахарозы. Меласса, которую называют также сиропом сорго, представляет собой побочный продукт в виде сиропа, который получают при рафинировании сахарного тростника или сахарной свеклы. Мелассу обычно обрабатывают диоксидом серы, используемым в качестве антикоагулянта, и такую мелассу называют "сернистой мелассой." Во время обычной обработки сахарного тростника, сок экстрагируют из массы растения и затем варят для кристаллизации и удаления сахарозы. Этот процесс типично повторяют три раза, при этом получают так называемую "первую мелассу," "вторую мелассу," и, наконец, "черную мелассу," каждая из которых имеет последовательно уменьшенные количества сахарозы. Во время обработки сахарной свеклы, сок экстрагируют из сахарной свеклы и затем варят для кристаллизации, однако обычно только при окончательной кристаллизации образуется так называемая "меласса сахарной свеклы." Используемый здесь термин "меласса" обычно относится к побочным продуктам, которые получают в процессе экстрагирования и рафинирования сахара, и включает в себя эквиваленты, производные, синтетические или полусинтетические эквиваленты таких природных побочных продуктов. Меласса представляет собой загуститель и связующее вещество и может быть перемешана со шлаковым компонентом в соответствии с настоящим изобретением, чтобы получить желательный твердый порошковый материал.
Связующие компоненты, содержащие мелассу, могут иметь гидратную или обезвоженную формы. Гидратная меласса обычно имеет содержание воды ориентировочно от 15 до 60% по весу, возможно, ориентировочно от 20 до 50% по весу.
Третий оксид кальция и щелочной компонент
В соответствии с различными вариантами, твердый порошковый материал возможно, содержит третий компонент, содержащий оксид кальция (CaO) и источник ионов щелочного металла, например, таких как ионы натрия и/или калия. В некоторых вариантах, третий компонент содержит материал, который получают в промышленном процессе. Как это описано далее более подробно, в некоторых вариантах выгодно используют повторно отходы, которые в противном случае выбрасывают, направляют в отвалы или на свалки. Однако различными подходящими источниками оксида кальция и ионов щелочных металлов могут быть встречающиеся в природе материалы, такие как минералы, или могут быть серийно выпускаемые материалы. В соответствии с различными аспектами настоящего изобретения, третий компонент содержит материал, выбранный из группы, в которую входят пыль печи для обжига цемента, пыль печи для обжига извести, известь (известь для обработки) сахарной свеклы, клинкерная пыль, гашеная известь, негашеная известь и любые их комбинации. Могут быть использованы смеси, которые содержат любые комбинации двух или нескольких указанных компонентов. В некоторых вариантах, третий компонент содержит материал, выбранный из группы, в которую входят пыль печи для обжига цемента, пыль печи для обжига извести, известь сахарной свеклы и их комбинации. Третий компонент может содержать и другие источники оксида кальция и ионов щелочного металла, которые, например, включают в себя сточные воды очистной станции, волокнистую массу и бумажный осадок, побочные продукты изготовления карбида кальция и другие материалы, содержащие оксид кальция и ионы щелочного металла, которые известны специалистам в данной области.
Специалисты легко поймут, что многие источники оксида кальция и ионов щелочного металла могут иметь различные композиции, в зависимости от конкретного процесса их получения; от специфических композиций исходных материалов и топлива, использованных для получения источника; от условий и длительности хранения материала; а также от различных других факторов.
2
2
2
2
В этом отношении, в соответствии с некоторыми вариантами, третий компонент преимущественно содержит один или несколько активных ингредиентов, выбранных из группы, в которую входят: CaO, KO, NaO и их комбинации. В некоторых вариантах, третий компонент содержит один или несколько активных ингредиентов, выбранных из группы, в которую входят: CaO, NaO, KO и их комбинации, причем полное количество активных ингредиентов, присутствующих в твердом порошковом материале, составляет ориентировочно от 30% до 60% по весу. Третий компонент, возможно, содержит дополнительные активные соединения, в дополнение к оксиду кальция и щелочным оксидам, причем такие активные ингредиенты не ограничены указанными выше ингредиентами. В соответствии с некоторыми аспектами, третий компонент имеет содержание оксида кальция (CaO) 30% по весу или больше чем 30% по весу.
2
В соответствии с различными аспектами настоящего изобретения, третий компонент имеет содержание свободной извести (свободного CaO) 3% по весу или больше чем 3% по весу. Термин "свободная известь" относится к свободному оксиду кальция (к свободному CaO), который имеется в материале для реакции гидратации с водой. Негашеная известь имеет высокую концентрацию обезвоженной (свободной) извести или оксида кальция (CaO), которая может вступать в реакцию с водой, например, при гашении извести. В отличие от этого, гашеная известь уже прошла реакцию с водой с образованием Ca(OH). Содержание свободной извести часто используют как индикатор химической активности материалов, содержащих оксид кальция. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, содержание свободной извести может составлять около 5% или даже больше.
2
2
2
2
В некоторых вариантах, третий компонент преимущественно содержит источник щелочных ионов в виде оксида натрия (NaO) и/или оксида калия (KO), в количестве 1% по весу или больше чем 1% по весу. Следует иметь в виду, что некоторые ионы щелочного металла образуют комплексы с различными анионами, такими как сульфаты, однако при типичном анализе содержание оксидов щелочного металла и сульфатов указывают отдельно. В некоторых вариантах, содержание источника щелочного иона в виде оксида натрия (NaO) и/или в виде оксида калия (KO) составляет больше чем 3% по весу или равно 3% по весу; возможно, больше чем 4% по весу или равно 4% по весу.
2
e
Натриевые эквиваленты NaO (см. уравнение 1) могут иметь содержание от больше чем 0.01%, до 1% по весу или больше чем 1% по весу, возможно, до 2% по весу или больше чем 2% по весу, возможно, до 3% по весу или больше чем 3% по весу, а в некоторых вариантах, до 5% по весу или больше чем 5% по весу.
Как это описано далее более подробно, ионы щелочного металла обеспечивают желательные условия реакции для твердого материала, например, создают высокий pH, который, как полагают, ускоряет реакцию твердого материала с одним или несколькими загрязняющими веществами и способствует образованию предпочтительных продуктов за счет реакции твердого порошкового материала с некоторыми загрязняющими веществами, например, способствует образованию диоксида углерода.
В некоторых вариантах, третий компонент имеет композицию, приведенную в Таблице III, за исключением примесей и разбавителей.
Таблица III
Оксид
Ориентировочный вес.%
Оксид кальция (CaO)
30-45
Диоксид кремния (SiO<sub>2</sub>)
10-20
Оксид алюминия (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
2-7
Оксид железа (Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
1-3
Оксид магния (MgO)
0.5-3
Сульфат (SO<sub>3</sub>)
1-15
Оксид натрия (Na<sub>2</sub>O)
0.1-1
Оксид калия (K<sub>2</sub>O)
0.1-15
В некоторых вариантах, третий компонент содержит пыль печи для обжига цемента (CKD), которая обычно представляет собой побочный продукт, получаемый в печи для обжига цемента или в соответствующем технологическом оборудовании во время производства портландцемента. Портландцемент может быть изготовлен при помощи сухого и мокрого процесса. Несмотря на то что эти процессы отличаются друг от друга, в том и другом осуществляют постепенное нагревание материала. Исходные материалы для производства цемента включают в себя источники кальция, диоксида кремния, железа и оксида алюминия, и обычно содержат известняк, а также различные другие материалы, например, такие как глина, песок и/или сланец.
Обычно, CKD содержит комбинацию различных частиц, полученных в различных областях обжиговой печи, оборудования для предварительной обработки и/или систем для перемещения материала, в том числе, например, клинкерную пыль, пыль частично и полностью обожженного материала, и пыль исходного материала (гидратного и обезвоженного). Специалисты легко поймут, что композиция CKD может изменяться в зависимости от использованных исходных материалов и топлива, условий производства и обработки, и расположения точек сбора CKD в процессе производства цемента. CKD может содержать пыль или находящиеся в воздухе твердые частицы, собранные из выходного потока обжиговой печи (например, из отработавших газов), из потока охлаждения клинкера, из выходного потока предварительного обжига, из устройств для снижения степени загрязнения воздуха, и т.п. Пыль охлаждения клинкера представляет собой пыль, собранную в областях охлаждения клинкера обжиговой печи, причем она типично имеет химический состав, который изменяется аналогично составу портландцемента.
2
2
3
2
3
Несмотря на то что композиции CKD являются различными для различных обжиговых печей, CKD обычно имеет по меньшей мере некоторые свойства цемента и/или пуццолана, за счет наличия пыли клинкера и обожженных материалов. Типичные CKD композиции содержат соединения кремния, такие как силикаты, в том числе трехкальциевый силикат и двухкальциевый силикат; соединения алюминия, такие как алюминаты, в том числе трехкальциевый алюминат; соединения железа, такие как ферриты, в том числе четырехкальциевый алюмоферрит. CKD обычно содержит относительно большие количества оксида кальция (CaO). Примерные CKD композиции имеют содержание оксида кальция ориентировочно от 10 до 60% по весу, возможно, ориентировочно от 25 до 50% по весу, и, возможно, ориентировочно от 30 до 55% по весу. В некоторых вариантах, CKD имеет концентрацию свободной извести ориентировочно от 1 до 10%, возможно, ориентировочно от 1 до 5%, и, в некоторых вариантах, ориентировочно от 3 до 5%. Кроме того, CKD типично содержит ионы щелочных металлов, а именно натрия и калия, соответственно, ориентировочно от 0.1 до 10% по весу, и, возможно, ориентировочно от 0.2 до 5% по весу. CKD может также иметь ионы других щелочных металлов, ионы щелочноземельных металлов и серу. CKD также типично содержит диоксид кремния (SiO), ориентировочно от 10 до 20% по весу, оксид алюминия (AlO), ориентировочно от 2 до 7% по весу, и оксид железа (FeO), ориентировочно от 1 до 3% по весу.
2
Примерная пыль CKD имеет удельную массу в диапазоне ориентировочно от 2.6 до 2.8, максимальный размер частиц около 0.30 мм (300 мкм) и удельную площадь поверхности (крупности по Блейну) в диапазоне ориентировочно от 4,600 до 14,000 см/г.
3
2
3
3
В некоторых вариантах, третий компонент твердого порошкового материала в соответствии с настоящим изобретением содержит известь (например, негашеную известь) или пыль печи для обжига извести (LKD). LKD представляет собой побочный продукт производства извести. LKD представляет собой пыль или находящиеся в воздухе твердые частицы, собранные в печи для обжига извести или в соответствующем технологическом оборудовании. Готовая известь может быть подразделена на известь с высоким содержанием кальция или доломитовую известь, причем LKD изменяется в зависимости от процессов ее производства. Известь часто производят за счет реакции обжига, при нагревании содержащих кальций исходных материалов, таких как карбонат кальция (CaCO), чтобы образовать свободную известь CaO и диоксид углерода (CO). Известь с высоким содержанием кальция имеет высокую концентрацию оксида кальция и типично содержит некоторые примеси, в том числе содержащие алюминий и железо соединения. Известь с высоким содержанием кальция типично получают из карбоната кальция высокой чистоты (с чистотой около 95% или выше). Типичное содержание оксида кальция в LKD продукте, полученном при обработке извести с высоким содержанием кальция, аналогично концентрации оксида кальция в самом продукте в виде извести, и может быть больше чем или равно 75% по весу, возможно, больше чем или равно 85% по весу, а в некоторых случаях, больше чем или равно 90% по весу. В некоторых случаях производства извести, доломит (CaCO-MgCO) разлагают за счет нагревания, чтобы получить сначала оксид кальция (CaO) и оксид магния (MgO), а затем образуют так называемую доломитовую известь. В извести или LKD, которые получены за счет обработки доломитовой извести, содержание оксида кальция может составлять 45% по весу или больше чем 45% по весу, возможно, 50% по весу или больше чем 50% по весу, а в некоторых вариантах, 55% по весу или больше чем 55% по весу. В то время как состав извести и LKD может изменяться в зависимости от типа использованной обработки извести, они обычно имеют относительно высокие концентрации свободной извести. Типичные количества свободной извести в таких продуктах в виде извести или LKD составляют ориентировочно от 10 до 50%, возможно, ориентировочно от 20 до 40%.
2
2
3
2
3
2
Кроме того, продукты в виде LKD и извести типично содержат ионы щелочных металлов, а именно, натрия и калия, в соответствующих количествах ориентировочно от 0.01 до 1% по весу, и, возможно, ориентировочно от 0.03 до 0.25% по весу. Известь и/или LKD также могут дополнительно иметь ионы других щелочных металлов, ионы щелочноземельных металлов (например, описанный выше MgO), и серу. LKD также содержит диоксид кремния (SiO), ориентировочно от 1 до 10% по весу, оксид алюминия (AlO), ориентировочно от 0.1 до 5% по весу, и оксид железа (FeO), ориентировочно от 0.5 до 2% по весу. Примерные LKD имеют удельную массу в диапазоне ориентировочно от 2.6 до 3.0, максимальный размер частиц 2 мм (2,000 мкм) и удельную площадь поверхности (крупности по Блейну) в диапазоне ориентировочно от 1,300 до 10,000 см/г.
2
2
Другим примерным материалом для использования в качестве третьего компонента твердого порошкового материала в соответствии с настоящим изобретением является побочный продукт в виде извести рафинирования сахара. Известь используют в производстве сахара, полученного из сахарного тростника, сахарной свеклы, кленового сока и сорго. Например, собирают сахарный тростник и сахарную свеклу и производят их обработку с водой, чтобы получить сырой сок (обычно в виде мелассы), который имеет низкий pH и содержит растворенные примеси. Такой сок содержит сахарозу, мякоть, различные не сахаристые вещества, например, органические и неорганические соли, аминокислоты, красители и высокомолекулярные вещества, такие как протеин и пектин. Гидратную известь добавляют в сок, чтобы повысить pH и провести реакцию с примесями, чтобы образовать нерастворимые кальций органические соединения, которые удаляют. В обычном процессе очистки сахара, добавляют известь (CaO) и диоксид углерода (CO), что приводит к образованию осадка, который содержит карбонат кальция и часть вышеупомянутых не сахаристых компонентов. Обезвоженный осадок содержит оксид кальция (CaO), обычно в гидратной форме (Ca(OH)). Сахарный сок может быть дополнительно последовательно очищен указанным образом. Сахарная свекла обычно требует большей очистки с использованием извести, а полученный при этом побочный продукт обычно называют "известью сахарной свеклы." Однако эта известь сахарной свеклы представляет собой только один из побочных продуктов в виде извести для обработки сахара, которые могут быть использованы в твердых порошковых материалах в соответствии с настоящим изобретением.
Содержание оксида кальция в извести сахарной свеклы составляет больше чем или равно 25% по весу, возможно, больше чем или равно 30% по весу, а в некоторых вариантах, больше чем или равно 40% по весу. Известь сахарной свеклы также типично содержит ионы щелочных металлов, таких как натрий и калий, соответственно, ориентировочно 0.01% по весу или больше; возможно, 0.05% по весу или больше, возможно, 0.1% по весу или больше, а в некоторых вариантах, 1% по весу композиции или больше.
В соответствии с различными вариантами, твердый порошковый материал содержит связующий компонент в количестве ориентировочно от 1 до 20% по весу и шлаковый компонент в количестве ориентировочно от 80 до 97% по весу. В соответствии с некоторыми аспектами, твердый порошковый материал содержит ориентировочно от 5% до 10% связующего компонента, содержащего портландцемент, и шлаковый компонент, содержащий шлак нержавеющей стали, в количестве около 95% по весу, в пересчете на сухой вес (как уже было указано здесь выше). Когда возможный третий компонент присутствует в твердом порошковом материале, тогда связующий компонент присутствует в количестве ориентировочно от 1 до 15% по весу, шлаковый компонент присутствует в количестве ориентировочно от 40 до 70% по весу, а третий компонент присутствует в количестве ориентировочно от 15 до 57% по весу. В соответствии с некоторыми аспектами, твердый порошковый материал содержит ориентировочно от 5% до 10% связующего компонента, содержащего портландцемент, шлаковый компонент, содержащий шлак нержавеющей стали, в количестве ориентировочно от 30 до 65% по весу, и третий компонент, содержащий CKD, в количестве ориентировочно от 30 до 65% по весу, в пересчете на полный вес твердого порошкового материала. Возможно, шлаковый компонент присутствует в количестве около 40 вес.%, CKD присутствует в количестве около 40 вес.% и связующий компонент в виде портландцемента присутствует в количестве около 10 вес.%, в пересчете на сухой вес. Альтернативно, отношение шлакового компонента к третьему компоненту лежит в диапазоне ориентировочно от 99:1 до 1:99, возможно, ориентировочно от 0.5:1 до 1:0.5, и, возможно, составляет около 1:1. Шлаковый и связующий компоненты, возможно, вода, третий компонент, или другие факультативные добавки, могут быть объединены и подвергнуты обработке в смесителе, мешалке или мельнице, чтобы получить достаточное перемешивание соответствующих компонентов.
2
2
2
2
Таким образом, за счет перемешивания шлакового компонента со связующим компонентом образуется множество гранулированных твердых частиц. Такие гранулированные твердые частицы могут быть агломерированы и могут иметь структуру с множеством пор, например, могут иметь среднюю площадь поверхности больше чем или равную 100 см/г, возможно, больше чем или равную 500 см/г; возможно, больше чем или равную 1,000 см/г, и, в некоторых вариантах, больше чем 4,000 см/г. При уменьшении размера частиц повышается площадь поверхности, что способствует реакции активных ингредиентов. Такие размеры частиц и площади поверхности могут быть получены за счет меньшего размера частиц шлакового компонента и/или третьего компонента и затем меньшего размера частиц агломерата, и за счет регулирования относительного количества связующего материала, добавленного к шлаковому компоненту. Дополнительная обработка перемешиваемых материалов, например, за счет размалывания или измельчения, может быть произведена до или после перемешивания шлакового и связующего компонентов (и, возможно, третьих компонентов), в шаровой мельнице, чтобы уменьшить размер частиц.
В некоторых вариантах, твердый материал содержит гранулированные частицы. Частицы могут иметь различные средние диаметры, например, множество частиц могут иметь средний диаметр ориентировочно от 0.25 мм до 12 мм. Возможно, множество частиц могут иметь средний диаметр ориентировочно от 0.25 мм до 6 мм, возможно, средний диаметр ориентировочно от 0.5 мм до 6 мм, возможно, средний диаметр ориентировочно от 1 мм до 6 мм, и, возможно, средний диаметр ориентировочно от 2 мм до 6 мм. В альтернативных вариантах, средний диаметр частиц составляет ориентировочно от 6 мм до 9 мм или ориентировочно от 9 мм до 12 мм. Предпочтительный диаметр частиц зависит от объема реактора с уплотненным слоем, желательного падения давления на реакторе и продолжительности обработки, а также от требуемой степени снижения количества загрязняющих веществ. Например, одно полезное выражение (уравнение Эргуна) для расчета падения давления на уплотненном слое с учетом диаметра частиц среды может быть записано следующим образом:
m
c
m
f
m
2
2
в котором  представляет собой падения давления на уплотненном слое, L представляет собой длину уплотненного слоя (футы). Кроме того, G=ρυ, где G представляет собой поверхностную массовую скорость, lb/ft, причем ρ представляет собой плотность протекающего флюида, а υ представляет собой поверхностную (приведенную) скорость (скорость, которую флюид будет иметь в пустом реакторе при той же самой объемной скорости потока), которую получают делением объемной скорости потока на площадь поперечного сечения. Ф представляет собой пористость слоя, которую получают делением объема твердого материала на полный объем слоя, g представляет собой постоянную силы тяжести (32.174 lb.ft/s.lb), Dp представляет собой эквивалентный средний диаметр частиц твердого уплотненного материала, а µ представляет собой динамическую вязкость флюида, протекающего через слой, Ib/ft-hr.
3
3
3
3
3
3
В типичных технологических установках, вытекающий поток или поток отработавших газов из различных процессов имеет расходы в диапазоне ориентировочно от 10,000 действительных футов в минуту (acfm) (около 285 м/мин) до 3,000,000 acfm (около 85,000 м/мин). Однако специалисты легко поймут, что такие расходы основаны на производительности установки и типе процесса, поэтому такие данные трудно обобщить. Например, расход потока отработавших газов типичной установки для производства цемента обычно составляет ориентировочно от 100,000 acfm (2,800 м/мин) до 400,000 acfm (около 11,000 м/мин), а расход потока отработавших газов типичного бойлера составляет ориентировочно от 100,000 (2,800 м/мин) до 600,000 acfm (17,000 м/мин). Таким образом, в некоторых вариантах, реактор с уплотненным слоем позволяет производить обработку типичных промышленных потоков отработавших газов за счет контакта с твердым материалом.
В некоторых вариантах, когда представительная объемная скорость потока составляет около 41,000 acfm, средний диаметр твердых частиц составляет ориентировочно от 1 мм до 6 мм. В этом случае, перепад давления от впуска в реактор с уплотненным слоем до выпуска реактора с уплотненным слоем составляет меньше чем 250 Па или равен 250 Па.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, контактирование твердого порошкового материала происходит в реакторе с псевдоожиженным слоем, в скруббере сухой очистки Вентури, в реакторе с уплотненным слоем, и/или в любой их комбинации или в их эквивалентах. Список приведенных реакторов не является ограничительным, так как в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы любые другие известные подходящие реакторы, позволяющие эффективно осуществлять реакции газ/твердое тело. В некоторых вариантах, вытекающий поток, созданный в источнике сжигания, вводят в реактор с уплотненным слоем, который содержит множество твердых частиц, образованных за счет перемешивания шлакового компонента со связующим компонентом.
Хорошо известны реакторы с псевдоожиженным слоем, в которых твердые частицы находятся в подвешенном состоянии за счет текущих вверх струй газа в ходе реакции. Например, в атмосферных псевдоожиженных слоях используют твердый сорбент для захвата загрязняющих веществ, созданных за счет сжигания ископаемого топлива. В соответствии с некоторыми аспектами, флюид должен протекать вверх и иметь достаточную скорость, чтобы поднимать множество частиц за счет сил трения. За счет этого обеспечивается турбулентное перемешивание твердых частиц и газов.
В соответствии с некоторыми аспектами осуществления настоящего изобретения, вытекающий поток может содержать достаточное количество воды за счет реакции горения, или же вода/ пар могут быть предварительно введены в реактор в вытекающем потоке или в твердом материале, если это необходимо, чтобы провести реакцию с сухим твердым порошковым материалом в реакторе. Например, представительное количество воды в вытекающем потоке обычно составляет меньше чем или равно 3 вес.%, возможно, меньше чем или равно 0.5 вес.%. Однако в соответствии с некоторыми альтернативными аспектами, вытекающий поток может протекать через скруббер или другое оборудование, которое может повышать содержание воды вытекающего потока, когда он входит в реактор, причем это содержание может быть намного выше, до точки насыщения.
Реактор с уплотненным слоем содержит колонну с уплотненным слоем. Такие слои при необходимости дополнительно содержат ступени и небольшие элементы, расположенные с промежутками друг от друга. Такие расположенные с промежутками друг от друга элементы могут иметь форму седловидных насадок, колец, сеток или специальную форму, что позволяет максимально повысить контакт между твердыми порошковыми материалами и отработавшим газом, однако при минимальном падении давления и при поддержании желательной пористости между твердыми частицами, чтобы снизить оседание. Реактор с уплотненным слоем типично работает при намного меньшем падении давления, чем другие реакторы, например, скруббер Вентури, и типично обеспечивает более высокую эффективность удаления загрязняющих веществ.
Реактор с уплотненным слоем показан на фиг.1 и 2. Колонна реактора 10 типично спроектирована так, что, при максимальной нагрузке, средняя приведенная скорость газа не превосходит проектную скорость газа. В большинстве реакторов с уплотненным слоем, средняя скорость газа изменяется ориентировочно от 8 до 25 футов в секунду (от 2.5 до 7 м/сек), в зависимости от условий на выпуске, однако эти значения в соответствии с настоящим изобретением не имеют ограничительного характера. Отходящий/ топочный газ поступает в реактор с уплотненным слоем 10 через впуск 12. Вытекающий поток флюида создается выше по течению в печи, мусоросжигателе, бойлере или обжиговой печи и содержит по меньшей мере одно загрязняющее вещество, выбранное из группы, в которую входят оксиды серы, оксиды азота и диоксид углерода, и преимущественно имеет водяной пар за счет реакции горения. Реактор 10 с уплотненным слоем имеет внешнюю камеру 13 реактора и внутреннюю камеру 14 реактора, которая содержит уплотненный слой 16 реактора, имеющий множество частиц 20 твердого материала, образующих массу 22 уплотненной среды. Множество частиц могут быть образованы из любых твердых материалов, которые обсуждались здесь выше. Вытекающий поток флюида входит в реакторный слой 16 и протекает через массу 22 уплотненной среды, при контактировании с индивидуальными частицами 20 твердого материала, при этом происходит реакция с желательными загрязняющими веществами в вытекающем потоке, в результате чего они удаляются из протекающих газов. Несмотря на то что это и не показано, в слое может быть предусмотрено множество ступеней, каждая из которых имеет твердый материал. После контактирования с массой 22 уплотненной среды, вытекающий поток покидает реактор через выпуск 26. Конструкция реактора 10 зависит от композиции, пористости и размера частиц 20 твердой среды, от желательной степени удаления загрязняющих веществ, температуры и давления поступающего газа (потока флюида), а также от различных других факторов, хорошо известных специалистам в данной области.
Рабочие давления реактора типично изменяются от 1 psi (фунт на квадратный дюйм) (около 7 кПа) до 100 psi (690 кПа), однако эти примерные давления в соответствии с настоящим изобретением не имеют ограничительного характера. Объем реакторного слоя 16 позволяет практически довести до завершения различные физические и химические процессы. Контактирование газа и пара с твердым материалом обеспечивает высокую степень удаления загрязняющих веществ и максимальное использование реагентов. В соответствии с различными аспектами настоящего изобретения, желательно снизить до минимума падение давления в потоке флюида от впуска 12 реактора 10 до выпуска 26 реактора 10. Представительные падения давления от впуска 12 до выпуска 26 составляют 250 Па или меньше чем 250 Па (1 дюйм водяного столба).
Несмотря на то что это не показано, реакторный слой 16 внутренней камеры 14 может иметь дополнительные устройства для создания турбулентности и удержания множества твердых частиц 20 в заданном положении, например, перегородки, пористые конструкционные материалы или седловидные насадки, которые способствуют распределению флюида и созданию турбулентности через уплотненный реакторный слой 16 и повышают взаимодействие между отходящим газом 112 и твердыми частицами 20 внутри реактора 10. Кроме того, внутренняя камера 14 и реакторный слой 16 имеют размер или объем, достаточный для обеспечения необходимой продолжительности обработки, достаточной для обработки вытекающего потока, чтобы снизить содержание оксидов серы, оксидов азота и/или диоксида углерода преимущественно по меньшей мере ориентировочно на 20%. Продолжительность обработки (объем реактора/расход газового потока) обычно представляет собой средний промежуток времени, в течение которого молекула находится внутри реактора 10. В соответствии с некоторыми аспектами осуществления настоящего изобретения, объем внутренней камеры 14 позволяет иметь продолжительность обработки отходящего газа, достаточную для его реагирования с твердым порошковым материалом 20 в реакторном слое 16, чтобы обеспечивать желательную степень удаления одного или нескольких загрязняющих веществ. Специалисты легко поймут, что такие объемы определяются расходом обрабатываемого отходящего газа. Несмотря на то что это не показано на фиг.1 или 2, может быть использована петля рециркулирования для повторного введения потока флюида с выпуска 26 реактора на его впуск 12, для дополнительного удаления загрязняющих веществ.
В соответствии с различными другими аспектами настоящего изобретения, предлагаются способы снижения выбросов оксидов серы, оксидов азота и/или диоксида углерода из вытекающих потоков, созданных за счет стационарных источников сжигания (например, бойлеров, мусоросжигателей), печей для обжига цемента, печей для обжига извести, чугуноплавильных печей и сталеплавильных печей. Как уже было указано здесь выше, способы в соответствии с настоящим изобретением дополнительно позволяют удалять одно или несколько загрязняющих веществ, выбранных из группы, в которую входят оксид углерода, хлорфторуглероды, соляная кислота, находящиеся в воздухе твердые частицы, летучие органические соединения, аэрозольные соединения, ртуть, свинец, аммиак и озон. Таким образом, в соответствии с различными аспектами настоящего изобретения, предлагаются эффективные средства предотвращения опасных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, в том числе выбросов парниковых газов, при дополнительном повторном использовании по меньшей мере одного промышленного побочного продукта.
На фиг.3 и 4 показаны схемы последовательности операций в системе для удаления загрязняющих воздух веществ в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения. На фиг.3 показано, что источник 100 сжигания создает вытекающий поток 112, имеющий одно или несколько веществ, загрязняющих воздух. Вытекающий поток 112 поступает в реактор 114 с уплотненным слоем, имеющий множество твердых частиц, в соответствии с принципами настоящего изобретения. Ранее контактирования с твердым материалом в реакторе 114 с уплотненным слоем, поток 112 флюида может иметь температуру ориентировочно меньше чем 600°F (около 316°C). Реакции, которые протекают при температурах ориентировочно меньше чем 600°F (около 316°C), считают "низкотемпературными" реакциями. В некоторых вариантах, контактирование происходит при температуре 450°F или меньше чем 450°F (около 232°C), возможно, при температуре 400°F или меньше чем 400°F (около 204°C), возможно, при температуре 350°F или меньше чем 350°F (около 177°C); возможно, при температуре 275°F или меньше чем 275°F (около 135°C), возможно, при температуре 250°F или меньше чем 250°F (около 121°C), возможно, при температуре 200°F или меньше чем 200°F (около 93°C), возможно, при температуре 150°F или меньше чем 150°F (около 66°C), возможно, при температуре 100°F или меньше чем 100°F (около 38°C), и, в соответствии с некоторыми аспектами, при температурах окружающей среды, в диапазоне указанных выше давлений в реакторе. В соответствии с некоторыми аспектами, контактирование происходит при температуре 275°F или больше чем 275°F (около 135°C) и 450°F или меньше чем 450°F (около 232°C), возможно, при температуре 300°F или больше чем 300°F (около 149°C) и 350°F или меньше чем 350°F (около 177°C). При этом, вытекающий поток 112 может быть охлажден, например, при помощи теплообменника, ранее контактирования с твердым порошковым материалом. Альтернативно, реактор может быть расположен ниже по течению от зоны горения, в низкотемпературной зоне системы. Настоящее изобретение является особенно предпочтительным для эффективного удаления значительных количеств оксидов серы, оксидов азота и/или диоксида углерода при таких низких температурах.
Таким образом, в соответствии с различными аспектами настоящего изобретения, предлагаются способы снижения загрязнения, созданного за счет источника 100 сжигания, за счет снижения исходного количества оксидов серы, присутствующих в потоке 112 флюида, выходящем из источника сжигания 100, за счет контакта потока 112 флюида при низких температурах с твердым материалом, образованным за счет перемешивания шлакового компонента, имеющего одно или несколько химически активных силикатных соединений, со связующим компонентом, как уже было описано здесь выше. В соответствии с другими аспектами настоящего изобретения, предлагаются способы снижения исходного количества оксидов азота, присутствующих в потоке флюида, выходящем из источника 100 сжигания, за счет контакта потока 112 флюида при низких температурах с твердым материалом, образованным за счет перемешивания шлакового компонента, имеющего одно или несколько химически активных силикатных соединений, со связующим компонентом. В соответствии с некоторыми аспектами, исходное количество одного или нескольких веществ, загрязняющих воздух, выбранных из группы, в которую входят оксиды серы, оксиды азота и диоксид углерода, присутствующих в потоке 112 флюида, удаляют за счет контакта с твердыми материалами в соответствии с настоящим изобретением, при низких температурах.
Таким образом, обработанный вытекающий из реактора 114 поток имеет пониженное содержание оксидов серы, оксидов азота и/или диоксида углерода по сравнению с исходным количеством оксидов серы, оксидов азота и/или диоксида углерода, присутствующих в необработанном вытекающем потоке 112. В соответствии с некоторыми аспектами, эффективность удаления реактора 114 составляет больше чем 20% или равна 20%, возможно, больше чем 25% или равна 25%, возможно, больше чем 30% или равна 30%, и, возможно, больше чем 35% или равна 35%. Эффективность удаления (RE) может быть рассчитана по следующему уравнению:
i
0
в котором эффективность удаления (RE) представляет собой процентное содержание загрязняющего вещества, удаленного из вытекающего потока, Eпредставляет собой среднее количество загрязняющего вещества, присутствующего в вытекающем потоке (удельный массовый расход, измеренный до впуска в реактор), а E представляет собой среднее количество загрязняющего вещества, присутствующего в вытекающем из реактора потоке (удельный массовый расход, измеренный на выходе реактора).
Количество оксидов серы, удаленных из потока флюида после контактирования с твердым материалом в реакторном слое, соответствует эффективности удаления, составляющей, возможно, больше чем 20% или равной 20%, возможно, больше чем 25% или равной 25%, возможно, больше чем 30% или равной 30%, возможно, больше чем 40% или равной 40%, возможно, больше чем 50% или равной 50%, возможно, больше чем 60% или равной 60%, возможно, больше чем 70% или равной 70%, возможно, больше чем 75% или равной 75%, возможно, больше чем 80% или равной 80%, возможно, больше чем 85% или равной 85%, возможно, больше чем 90% или равной 90%, возможно, больше чем 95% по весу или равной 95% по весу. Эффективность удаления отражает снижение содержания оксидов серы после контактирования вытекающего потока флюида (с твердым порошковым материалом. - Прим переводчика), по сравнению с исходным количеством оксидов серы, присутствующих в потоке флюида ранее контактирования. Указанные эффективности удаления могут быть определены за счет усреднения в течение заданного промежутка времени, например, в течение одной минуты, 10 минут, 30 минут и 1 часа. В соответствии с некоторыми аспектами, эффективность удаления оксидов серы может быть оптимизирована так, что она превышает 75%, возможно, превышает 80%, возможно, превышает 85%, а в некоторых вариантах составляет больше чем 90%. Повторное введение потока с выхода реактора на впуск реактора, как уже было указано здесь выше, позволяет произвести дополнительную обработку рециклового потока, удалить дополнительные количества загрязняющих веществ и обеспечить более высокую эффективность удаления каждого загрязняющего воздух вещества.
Количество оксидов азота, удаленных из потока флюида после контактирования с твердым материалом в реакторном слое, соответствует эффективности удаления 10% или больше чем 10%, возможно, 15% или больше чем 15%, возможно, 20% или больше чем 20%, возможно, 25% или больше чем 25%, возможно, 30% или больше чем 30%, возможно, 40% или больше чем 40%, возможно, 50% или больше чем 50%, возможно, 60% или больше чем 60%, и, возможно, 75% или больше чем 75%. В соответствии с некоторыми аспектами, эффективность удаления оксидов азота может быть оптимизирована так, что она составляет 20% или превышает 20%, возможно, составляет 25% или превышает 25%.
Количество диоксида углерода, удаленного из потока флюида после контактирования с твердым материалом в реакторном слое, соответствует эффективности удаления 10% или больше чем 10%, возможно, 15% или больше чем 15%, возможно, 20% или больше чем 20%, возможно, 25% или больше чем 25%, возможно, 30% или больше чем 30%, возможно, 35% или больше чем 35%, возможно, 40% или больше чем 40%, возможно, 50% или больше чем 50%, возможно, 60% или больше чем 60%, и, возможно, 75% или больше чем 75%. Более того, в соответствии с различными аспектами настоящего изобретения, такие способы осуществляют при низких температурах, когда поток флюида имеет температуру ориентировочно меньше чем 600°F (около 316°C).
Более того, в соответствии с различными аспектами настоящего изобретения, множество загрязняющих веществ одновременно удаляют из вытекающего потока. Например, совокупное количество оксидов серы, оксидов азота и диоксида углерода в вытекающем потоке будет снижено после контактирования с твердыми материалами в реакторе с уплотненным слоем в соответствии с эффективностью удаления больше чем или равной 20%, возможно, больше чем или равной 25%, возможно, больше чем или равной 30%, возможно, больше чем или равной 35%, а в соответствии с некоторыми аспектами, больше чем или равной 40% всего количества оксидов серы, оксидов азота и диоксида углерода. Таким образом, в соответствии с некоторыми аспектами, эффективность удаления, определенная в течение одного часа, составляет 20% или больше чем 20% совокупного количества оксидов серы, оксидов азота и диоксида углерода, первоначально присутствующих в вытекающем потоке.
Кроме того, в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения, производят текущий контроль концентрации одного или нескольких загрязняющих веществ в вытекающем потоке из реактора в соответствии с настоящим изобретением. Такой текущий контроль хорошо известен специалистам в данной области и может быть осуществлен с использованием систем для непрерывного текущего контроля (мониторинга) выбросов (CEMs), которые определяют среднюю концентрацию заданных загрязняющих веществ в вытекающем потоке в течение заданного промежутка времени, например, граммов в минуту. Если определена заданная эффективность удаления для загрязняющего вещества, то текущий контроль концентрации заданного загрязняющего вещества в вытекающем потоке позволяет определить, что порошковый твердый материал истощен и должен быть заменен свежим материалом. Таким образом, в контрольной системе может быть использована заданная эффективность удаления, которая может быть определена эмпирически и/или получена расчетным путем за счет моделирования системы. Если концентрация оксидов серы, оксидов азота и/или диоксида углерода превышает заданный уровень, тогда использованный твердый порошковый материал удаляют и выбрасывают. В соответствии с некоторыми аспектами, реактор может быть выведен из рабочего состояния для замены отработавшего твердого материала на свежий материал, после чего он вновь может быть введен в строй.
После реакции диоксида углерода и/или диоксида серы с твердым порошковым материалом, отработавший твердый материал будет содержать карбонат кальция и/или сульфат кальция. В соответствии с некоторыми аспектами, отработавший твердый материал может быть регенерирован и вновь использован в реакторе. В соответствии с одним аспектом, поверхность агломерированных частиц твердого материала может быть подвергнута шлифованию, с просеиванием снятого материала частиц. Материал, удаленный с поверхности, содержит карбонат кальция и/или сульфат кальция. Таким образом может быть регенерирована отработавшая поверхность, что позволяет производить дополнительную реакцию с загрязняющим веществом (загрязняющими веществами) в вытекающем потоке флюида, при этом твердый материал может быть повторно использован в реакторном слое. В соответствии с другим аспектом, гранулы агломерированного твердого материала могут быть размолоты, например, в мельнице, и затем перемешаны с новым связующим компонентом, для образования гранул твердого материала. Таким образом, происходит регенерация поверхностей твердых материалов, после чего они могут быть использованы повторно. Отработавший твердый порошковый материал (имеющий карбонат кальция и/или сульфат кальция) при необходимости может быть использован как исходный материал для другого промышленного процесса, например, как исходный материал в производстве цемента или флюс в процессе выплавки чугуна и/или стали, за счет присутствия в нем карбоната кальция и/или сульфата кальция.
В соответствии с другими аспектами, реактор 200 может работать непрерывно и может иметь по меньшей мере две отдельно работающие внутренние камеры 202, как это показано на фиг.5. При работе реактора, только одна из двух реакционных камер (204) является активной, причем байпасный клапан 208 отклоняет вытекающий поток от другой камеры (206), которая является неактивной. Твердый материал 210 в неактивной камере 206 может быть заменен, что обеспечивает непрерывную бесперебойную работу системы для удаления загрязнений. Множество твердых частиц твердого материала может быть непосредственно введено в реакторный слой, с возможными распорками, или альтернативно может быть введено в сменные патроны, которые вводят во внутреннюю реакторную камеру. Таким образом, в соответствии с некоторыми вариантами, система для удаления загрязняющих веществ является непрерывной и регенеративной.
Таким образом, в соответствии с различными аспектами настоящего изобретения, предлагается, система для снижения степени загрязнения, которая содержит источник сжигания, создающий вытекающий поток, имеющий по меньшей мере одно вещество, загрязняющее воздух, выбранное из группы, в которую входят: оксиды серы, оксиды азота и диоксид углерода, которое присутствует в вытекающем потоке в исходном количестве. Система содержит реактор с уплотненным слоем, имеющий впуск для приема вытекающего потока и выпуск. Реактор имеет по меньшей мере одну камеру, которая содержит множество твердых частиц, имеющих средний диаметр ориентировочно от 0.25 мм до 12 мм. Твердые частицы образованы за счет перемешивания шлакового компонента, имеющего одно или несколько химически активных силикатных соединений, со связующим компонентом. Камера имеет объем, позволяющий создавать достаточную продолжительность обработки для снижения количества загрязняющих воздух веществ, в соответствии с эффективностью удаления по меньшей мере около 20% относительно исходного количества.
x
x
2
Как уже было указано здесь выше, можно полагать, что активными соединениями являются химически активные силикаты. Кроме того, не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, все же можно полагать, что, в соответствии с некоторыми аспектами, оксид кальция также может играть роль в реакции с одним или несколькими загрязняющими веществами (SO, NO и/или CO) в вытекающем потоке. Также не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, все же можно полагать, что твердый порошковый материал имеет описанные далее механизмы реакции относительно диоксида углерода. Водяной пар, присутствующий в вытекающем потоке источника сжигания, и диоксид углерода образуют анионы карбоната в основной pH среде. Анионы карбоната реагируют с ионами кальция в присутствии химически активных силикатов, с образованием карбоната кальция. Можно полагать, что основность среды способствует реакции диоксида углерода с оксидом кальция и силикатами, а также способствует образованию химически активных силикатов в отработавших твердых материалах. Отработавший твердый материал все еще содержит химически активные силикаты и желательные ионы щелочных металлов, что помогает поддерживать pH. Можно полагать, что реакция карбонизации снижает pH (до более нейтральных состояний) твердого материала, так что щелочность факультативного третьего компонента может быть желательной для регулирования pH.
x
x
2
x
x
2
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.3 и 4, на которых показаны одно или несколько устройств 120a и 120b для борьбы с загрязнением воздушной среды (APCDs), которые производят дополнительную обработку вытекающего потока 112 до входа в реактор или после его выхода из реактора 114. Специалистам в данной области хорошо известно, что вытекающий поток содержит одно или несколько дополнительных загрязняющих веществ, кроме SO, NO и/или CO. Например, в дополнение к SO, NO и/или CO, обычно в вытекающих потоках из бойлеров, обжиговых печей, печей и мусоросжигателей содержатся такие загрязняющие воздух вещества, как оксид углерода, соляная кислота, хлорфторуглероды, твердые частицы, летучие органические соединения, аэрозольные соединения, ртуть, свинец, аммиак, озон, а также их комбинации и эквиваленты. Таким образом, в соответствии с некоторыми вариантами, реактор 114 может служить для попутного удаления части этих других загрязняющих веществ, однако полагают, что могут потребоваться дополнительные расположенные ниже по течению устройства APCDs (120a на фиг.3) для снижения содержания одного или нескольких дополнительных загрязняющих веществ до приемлемых концентраций. Типичные примерные устройства APCDs 120a включают в себя электростатические осадители, мешочные пылеуловители, циклонные уловители, скрубберы с активированным углеродом, скрубберы десульфурации топочного газа, термические окислители, адсорберы с качанием давления, избирательные каталитические реакторы, избирательные не каталитические реакторы, и т.п.
В некоторых вариантах, таких как показанные на фиг.4, система для удаления загрязнений дополнительно содержит одно или несколько устройств 120b (APCDs) контроля загрязнения воздуха, предназначенных для предварительной обработки вытекающего потока 112 до его входа в реактор 114. За счет этого могут быть удалены дополнительные загрязняющие вещества, которые могли бы вызывать вредные или нежелательные реакции с твердым порошковым материалом или могли бы создавать коррозию или приводить к повреждению оборудования. После обработки в APCDs (120b) и в реакторе 114, вытекающий поток 112 направляют в дымовую трубу 122, для выпуска в атмосферу.
x
x
2
x
x
2
В соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения, предлагается способ снижения выбросов SO, NO и CO от установки для производства цемента. Способ предусматривает введение в реакцию исходных материалов для производства цемента (содержащих источники кальция, кремния, алюминия и железа) в обжиговой печи, чтобы получить клинкер и вытекающий поток, содержащий SO, NO и CO. По меньшей мере часть вытекающего потока вводят в контакт с твердым порошковым материалом, таким как описанный выше в предыдущих вариантах. При этом создается продукт, который содержит карбонат кальция и/или сульфат кальция. Любой из процессов в описанных выше вариантах может быть использован в данных вариантах. Например, ранее контактирования вытекающего потока с очищающим материалом, вытекающий поток может быть обработан в одном или нескольких устройствах для борьбы с загрязнением воздушной среды (APCDs), чтобы удалить одно или несколько веществ, загрязняющих воздух. Известняк (например, карбонат кальция) представляет собой исходный материал, который используют при производстве извести и цемента. Аналогично, гипс (например, сульфат кальция) измельчают вместе с клинкером портландцемента, чтобы получить портландцемент. В некоторых вариантах, продукт, содержащий карбонат кальция или сульфат кальция, выгодно используют повторно в качестве исходного материала, чтобы получить клинкер и/или известь. Таким образом, при производстве цемента, полученный карбонат кальция впоследствии объединяют с исходными материалами, чтобы получить клинкер, или объединяют сульфат кальция с клинкером, чтобы получить цемент.
x
x
2
x
x
2
Способы в соответствии с настоящим изобретением позволяют снизить выбросы SO, NO и СО от установок для производства цемента и/или извести, а также от установок для производства чугуна и/или стали. Способ предусматривает контактирование твердого порошкового материала по меньшей мере с частью вытекающего потока, содержащего SO, NO и CO, который возникает на выходе соответствующей установки, например, сталеплавильной печи и/или чугуноплавильной печи. Печь может быть одной из тех печей, которые описаны выше и служат для получения шлака, например, доменной печью (для переработки железной руды), мартеновской печью (для производства стали), кислородным конвертером (для производства стали) или электродуговой печью (для производства стали). Твердый порошковый материал содержит связующий компонент и шлаковый компонент, отдельный от связующего компонента. Получают продукт, содержащий карбонат кальция, который может быть использован повторно в качестве исходного материала в промышленном процессе. В некоторых вариантах, шлаковый компонент содержит шлак, полученный в процессе производства чугуна и/или стали.
x
x
2
x
x
2
x
x
2
В соответствии с другими вариантами осуществления настоящего изобретения, предлагаются способы снижения выбросов SO, NO и CO от углеводородного источника сжигания, такого как бойлер энергоустановки или мусоросжигатель. Углеводородный источник сжигания включает в себя все стационарные источники, в которых сжигают углеводороды, за счет чего образуются SO, NO и CO, в том числе и установки, в которых сжигают ископаемое топливо (например, уголь и метан), синтетические виды топлива (например, нефтяной кокс, синтетический газ, этанол), или любые другие виды углеводородов. Способ предусматривает контактирование твердого порошкового материала по меньшей мере с частью вытекающего потока, содержащего SO, NO и CO, который создан за счет сжигания ископаемого топлива. Твердым порошковым материалом может быть любой описанный здесь выше соответствующий материал. При этом получают продукт, который содержит карбонат кальция и/или сульфат кальция и который может быть использован повторно в качестве исходного материала в процессе изготовления. Настоящее изобретение было описано со ссылкой на различные предпочтительные варианты его осуществления. Далее приведены дополнительные примеры осуществления настоящего изобретения, не имеющие ограничительного характера.
Пример I
2
2
x
x
Твердый гранулированный материал образован за счет перемешивания 10% по весу портландцемента типа III (который химически и физически аналогичен цементу типа I, за исключением того, что он имеет более тонкий помол, чтобы получить более быстрое схватывание, в диапазоне от 320 до 670 м/г крупности по Блейну, обычно ориентировочно больше чем 450 м/г крупности по Блейну), с 90% шлака нержавеющей стали в смесителе. В полученную смесь добавляют 30% воды (63% шлака и 7% портландцемента, в пересчете на мокрый вес) и перемешивают, пока не будут образованы частицы, имеющие средний диаметр ориентировочно от 2 до 6 мм. Твердые частицы помещают в реактор с уплотненным слоем, причем реакторный слой разделен на 3 ступени. Реактор имеет диаметр 8 дюймов (около 20 см) и длину около 3 футов (91 см). Трехступенчатый реакторный слой заполнен на высоту около 2.5 футов (около 76 см). Угольная топка создает вытекающий поток с расходом около 41,000 кубических футов в минуту, который содержит оксиды серы (SO), оксиды азота (NO) и диоксид углерода. Температура вытекающего потока на входе в реактор с уплотненным слоем составляет около 323°F (около 162°C). В вытекающем потоке, который выходит из реактора, концентрация оксида серы снижена ориентировочно на 85% по весу по сравнению с концентрацией на впуске (таким образом, из каждых 100 г, поступающих в реактор, только 15 г оксидов серы имеются в выходящем из реактора газовом потоке), концентрация оксидов азота снижена ориентировочно на 25%, а концентрация диоксида углерода снижена ориентировочно на 31%.
x
x
2
В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения, предлагаются способы рециркуляции промышленных побочных продуктов, которые в противном случае направляются в отвалы, в места захоронения отходов или выбрасываются. Например, в соответствии с некоторыми вариантами, предлагается следующий способ рециркуляции промышленных побочных продуктов. Твердый порошковый материал образуют за счет перемешивания первого произведенного компонента со вторым произведенным компонентом. Первый произведенный компонент представляет собой шлаковый компонент, имеющий одно или несколько химически активных силикатных соединений. Второй произведенный компонент представляет собой связующий компонент, образованный из потока отходов, например, в виде мелассы. Вытекающий поток, созданный в промышленном процессе, который содержит SO, NO и CO, вводят в контакт с твердым материалом. При этом получают продукт, содержащий карбонат кальция и/или сульфат кальция, который может быть выгодно использован повторно в процессе производства. В некоторых вариантах, после контактирования и после создания вытекающего потока, когда расходуется твердый порошковый материал, по меньшей мере часть отработавшего твердого порошкового материала может быть использована повторно в промышленном процессе производства.
Таким образом, способы в соответствии с настоящим изобретением позволяют сохранять баланс необходимости роста и развития (прогресса) и необходимости защиты природной и созданной руками человека окружающей среды для будущих поколений. Кроме того, способы и системы в соответствии с настоящим изобретением позволяют снизить выбросы оксидов серы, оксидов азота и/или диоксида углерода от различных стационарных точечных источников при низких температурах, что, в дополнение к снижению выбросов парниковых газов, позволяет таким точечным источникам соответствовать различным требованиям и позволяет получать экономическую и коммерческую выгоду за счет различных программ продажи квот на выбросы диоксида углерода, а также снижать возможную коррозию и исключать сопутствующее снижение эффективности за счет наличия оксидов серы, оксидов азота, и/или диоксида углерода в вытекающих потоках.
Полное содержание международной заявки PCT/US 2007/005976, поданной 8 марта 2007 г., с приоритетом в соответствии с временной заявкой на патент США №60/782,325, поданной 10 марта 2006 г., включено в данное описание в качестве ссылки.