СПОСОБ СЖИГАНИЯ УГЛЯ (ВАРИАНТЫ), УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ УГЛЯ И СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА СЕРЫ И РТУТИ, ВЫДЕЛЯЮЩИХСЯ ПРИ СЖИГАНИИ УГЛЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF BURNING COAL (VERSIONS), APPARATUS FOR BURNING COAL AND METHOD OF REDUCING AMOUNT OF SULPHUR AND MERCURY RELEASED WHEN BURNING COAL (VERSIONS)

Данное изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности предоставляет композиции и способы для снижения уровня ртути, испускаемой в атмосферу при сжигании ртутьсодержащих топлив, например, при сжигании угля. В частности, в изобретении предусматривается добавление различных галогенсодержащих или других сорбирующих композиций в установку, работающую на твердом топливе, в частности на угле.
Уровень техники
В мире существуют источники со значительным содержанием угля, которые способны удовлетворять большую часть мировых энергетических потребностей в течение следующих двух столетий. Более всего изобилует уголь с высоким содержанием серы, но для его использования требуется проведение дополнительных процессов очистки для предотвращения выброса в атмосферу избыточного количества серы, выделяющейся при сжигании угля. В Соединенных Штатах уголь с низким содержанием серы существует в форме с низким значением BTU (британской тепловой единицы) в бассейне реки Паудер, протекающей в штатах Вайоминг и Монтана, на месторождениях лигнита на севере центральной части страны в штатах Северная и Южная Дакота, и на месторождениях лигнита в штате Техас. Но даже в том случае, когда уголь содержит небольшое количество серы, в нем, тем не менее, содержится элементарная или окисленная ртуть в количестве, которое нельзя игнорировать.
К сожалению, при сжигании угля ртуть, как минимум, частично улетучивается. Ртуть, как правило, не задерживается вместе с золой, а, наоборот, становится компонентом дымовых газов. Если не проводить предварительную обработку, то ртуть будет улетучиваться из установки для сжигания угля, что приведет к возникновению экологических проблем. На сегодняшний день некоторое количество ртути поглощается вспомогательными средствами, например в мокром скруббере и в системах с SCR контролем. Однако большая часть ртути не задерживается и поэтому выбрасывается через выхлопную трубу.
В Соединенных Штатах, в поправках от 1990 года к закону о контроле над загрязнением воздуха, предусмотрены нормы и правила, согласно которым осуществляется контроль над содержанием ртути. После проведенного исследования по ртути, которое было представлено в докладе, обращенном к Конгрессу в 1977 году, Управлением по охране окружающей среды (ЕРА) были дополнительно определены предельно допустимые значения для ртутных выбросов, осуществляемых электростанциями в Соединенных Штатах. В декабре 2000 года ЕРА решило осуществлять контроль над ртутными выбросами и опубликовало в январе и марте 2004 года предложенные этой организацией нормы по содержанию ртути, при котором воздух считается чистым. На настоящий момент управлением по охране окружающей среды Соединенных Штатов издан ряд правил, согласно которым американским заводам, в которых осуществляется сжигание угля, требуется снизить уровень выбросов ртути.
В дополнение к таким устройствам, как мокрый скруббер и системы с SCR контролем, которые частично удаляют ртуть из дымовых газов, образующихся при сгорании угля, существуют другие методы контроля, в которых используются системы с активированным углем. Для использования таких систем необходимы высокие капитальные затраты, и их обслуживание также обходится дорого. Кроме того, использование систем с активированным углем приводит к углеродному загрязнению летучей золой, собирающейся в аппаратах по очистке отработанного воздуха, например в камере с рукавными фильтрами и в электростатических фильтрах.
В Соединенных Штатах ежегодно в атмосферу выбрасывается около 50 тонн ртути. Существенную долю выбросов составляет эмиссия из устройств по сжиганию угля, например, из энергосистем общего пользования. Известно, что ртуть опасна тем, что оказывает вредное влияние на окружающую среду и на здоровье как людей, так и других видов животных. Для сохранения здоровья общества и с целью охраны окружающей среды сервисная промышленность продолжает развивать, тестировать и внедрять системы для снижения уровня эмиссии ртути на соответствующих заводах. При сжигании углеродистых материалов желательно иметь дело с процессами, в которых ртуть и другие вредные соединения захватывались и удерживались бы на этапе после сжигания так, чтобы они не попадали в атмосферу.
Раскрытие изобретения
Предоставлены способы и композиции для снижения эмиссии ртути при сжигании топлив, например, при сжигании угля. Предоставлены различные сорбирующие композиции, которые содержат компоненты, снижающие уровень ртути и/или серы, испускаемых в атмосферу при сжигании угля. В различных вариантах осуществления изобретения сорбирующие композиции добавляют непосредственно в топливо на этапе перед сжиганием; добавляют одну часть в топливо на этапе перед сжиганием, а другую часть в дымовой газ на этапе после прохождения зоны горения; или добавляют полностью в дымовой газ на этапе после прохождения зоны горения. В предпочтительных вариантах осуществления сорбирующие композиции содержат источник галогена и предпочтительно источник кальция. Среди галогенов предпочитают иметь дело с йодом или бромом. В различных вариантах осуществления неорганические бромиды являются частью сорбирующих композиций.
В различных вариантах осуществления бром или йодсодержащие композиции, сорбирующие ртуть, добавляют в горючее на этапе перед сжиганием в виде порошка или жидкости. Альтернативно, сорбирующие композиции, содержащие галогены, такие как бром или йод, вводят в дымовой газ на этапе после прохождения камеры сгорания, где температура составляет примерно более 1500°F (815,6°С).
В предпочтительных вариантах осуществления сорбирующие композиции дополнительно содержат другие компоненты, в особенности компоненты, являющиеся источником кальция. Таким образом, в одном варианте осуществления изобретения предусмотрено однократное и многократное применение на углях многоэлементных окислителей, промоторов и сорбентов на этапе перед и/или после сгорания в печи. В различных вариантах осуществления использование сорбирующих композиций понижает эмиссию ртути за счет захвата и стабилизации ее окисленной и элементарной форм с помощью многоэлементных поглощающих материалов, таких как оксид кальция, бромид кальция, другие галогениды кальция, а также оксиды кремния, алюминия, железа, магния, натрия и калия.
В предпочтительных вариантах осуществления выбросы ртути из установок для углесжигания понижаются до такой степени, что более 90% ртути задерживается перед тем, как попасть в атмосферу. Способы очистки от ртути можно использовать вместе с сорбирующими композициями и другими процессами, которые предназначены для удаления из дымовых газов серы. Поэтому в предпочтительных вариантах осуществления значительное сокращение уровня выбросов серы достигается наряду с более 90% снижением эмиссии ртути.
Дополнительные области применимости настоящего изобретения будут раскрыты в подробном описании, представленном ниже. Следует понимать, что подробное описание и особые примеры, наряду с указанием предпочтительного варианта осуществления изобретения, даны только с целью иллюстрации, не следует считать, что они предназначены для ограничения объема изобретения.
Осуществление изобретения
Следующее описание предпочтительного(ых) варианта(ов) является по существу только примерным и никоим образом не предназначено для ограничения изобретения, его применения или использования.
В различных вариантах осуществления изобретение предоставляет композиции и способы для снижения эмиссии ртути, возникающей в результате сжигания ртутьсодержащих топлив, например, при сжигании угля. Будут описаны системы и установки, в которых сжигаются топлива, содержащие ртуть, с особым рассмотрением примера такой установки для сжигания угля, которая используется на электростанциях общего пользования. В таких устройствах, как правило, имеется подающий механизм для доставки угля в печь, где уголь сгорает или сжигается. Подающим механизмом может являться любое устройство или аппарат, пригодный для использования. Неограниченные примеры таких устройств включают конвейерные системы, системы с винтовой экструзией и им подобные. При их действии ртутьсодержащее горючее, например уголь, вводится в печь со такой скоростью, при которой достигается требуемая от печи производительность. Обычно выходную мощность, получаемую от печи, используют для разогрева воды до парового состояния, тем самым непосредственно получая тепло, или же пар используется для вращения турбин, что, в конечном счете, приводит к продуцированию электричества.
Уголь вводится в печь и сжигается в присутствии кислорода. Обычная температура пламени при горении порядка 1482-1649°C (2700-3000°F). После печи или парового котла, где сжигается подаваемое топливо, для газов, образовавшихся после сгорания, которые иногда для удобства называют дымовыми газами, в установке предусмотрены конвективные пути. Горячие газы, образующие после сжигания, и воздух движутся за счет конвекции в противоположную сторону от пламени по конвективному пути в нисходящем направлении (т.е. нисходящим потоком по отношению к облаку пламени). Конвективный путь установки имеет несколько зон, каждая из которых характеризуется температурой газов и продуктами сгорания. Обычно температура газа, образующегося после сгорания, падает по мере того, как он движется в направлении, нисходящем по отношению к пламенному облаку. Газы, образующие после сгорания, содержат углекислый газ, а также различные вредные газы, содержащие серу и ртуть. Конвективные пути также заполнены различными видами золы, которая улетучивается вместе с высокотемпературными газами. Для предотвращения попадания золы в атмосферу ее необходимо удалить, что осуществляется за счет использования систем очистки от частиц. Различные виды таких очистных систем можно расположить вдоль конвективного пути, например, можно установить электростатические фильтры и камеру с рукавными фильтрами. Кроме того, можно расположить на конвективных путях химические скрубберы. Дополнительно здесь же можно установить различные приборы для наблюдения за компонентами газа, такими как сера и ртуть.
Из топки, где происходит сгорание угля приблизительно при температуре 1482-1649°С (2700-3000°F), летучая зола и газы, образующиеся после сжигания, движутся нисходящим потоком вдоль конвективного пути по направлению к зонам с постоянно пониженной температурой. Нисходящий поток, начинающийся сразу после пламенного облака, это зона с температурой менее 1649°С (2700°F). Далее нисходящий поток достигает точки, где температура понижается примерно до 815,6°С (1500°F). Между этими двумя точками расположена зона с температурой примерно от 815,6°С (1500°F) до 1649°С (2700°F). После этого нисходящий поток достигает зоны с температурой менее 815,6°С (1500°F) и так далее. Далее, двигаясь вдоль конвективного пути, газы и летучая золы проходят через низкотемпературные зоны. И перед тем, как выйти из дымовой трубы, они проходят через камеру с рукавными или электростатическими фильтрами, которая, как правило, имеет температуру около 148,9°С (300°F).
В различных вариантах осуществления способа настоящего изобретения требуется добавление сорбента для поглощения ртути прямо в топливо, например в уголь, до его сжигания (добавление на этапе "перед сжиганием");
непосредственно в газовый поток, образующийся после сжигания, в области с температурой от 1482°C (2700°F) до 815,6°C (1500°F) (добавление на этапе "после сжигания");
либо добавляя сорбент как на этапе "перед сжиганием", так и на этапе "после сжигания".
В различных вариантах осуществления окисленная ртуть, образующаяся после сжигания, доходит до камеры с рукавными или электростатическими фильтрами, становясь частью общего золосодержания завода по сжиганию угля. Тяжелые металлы, имеющиеся в золе, выщелачиваются, но не ниже регуляторного уровня.
В различных вариантах осуществления проводят наблюдения за выбросом ртути из установки для сжигания угля. В зависимости от уровня содержания ртути в дымовых газах перед их выбросом из завода количество сорбирующей композиции, добавляемой к топливу на этапе до и/или после сжигания, увеличивают, уменьшают или оставляют без изменений. В общем, желательно удалить как можно большее количество ртути. В обычных вариантах осуществления достигают 90% и более значительного удаления ртути в расчете на общее количество ртути, содержащейся в углях. Это количество относится к ртути, удаляемой из дымовых газов с целью предотвращения ее попадания в атмосферу через дымовую трубу. Для минимизации количества сорбента, добавляемого в способе сжигания угля с целью уменьшения общего количества золы, образующейся в печи, необходимо установить во многих местах, окружающих установку, измерители уровня ртутных выбросов. Это делается для того, чтобы снизить количество добавляемой сорбирующей композиции до такого уровня, при котором достигается желаемое сокращение выбросов ртути, но при этом в установку не вносится избыточное количество материала.
Таким образом, в одном варианте осуществления представлен способ сжигания угля, при котором снижается количество ртути, выбрасываемой в атмосферу. Способ включает на первой стадии добавление к углю сорбирующей композиции, содержащей галоидное соединение. Затем уголь загружается в печь завода по сжиганию угля. Уголь, содержащий сорбирующую композицию, после этого сжигается в печи, образуя золу и газообразные продукты сгорания. Газообразные продукты сгорания содержат ртуть, серу и другие компоненты. Для достижения желаемого снижения содержания ртути в газообразных продуктах сгорания с целью ограничения ее выброса в атмосферу предпочтительно проводится наблюдение за уровнем ртути в газообразных продуктах сгорания с помощью аналитических измерений. В предпочтительных вариантах осуществления перед тем, как добавлять в уголь сорбирующую композицию, определяется ее количество в зависимости от значения уровня ртути в газообразных продуктах сгорания.
В другом варианте осуществления сорбент для поглощения ртути добавляется в установку для сжигания угля на этапе после сжигания в области, имеющей температуру примерно от 1500°F до 2700°F (примерно от 815,6°С до 1482°С). Способ предназначен для снижения уровня ртути, выбрасываемой в атмосферу, при сжигании угля, содержащего ртуть. Сжигание проводится в установке для сжигания угля, состоящей из печи и конвективного пути для газообразных продуктов сгорания. Способ включает сжигание угля в печи и ввод в конвективный путь сорбента, содержащего галоген, на участке, где газообразные продукты сгорания имеют температуру от 1500°F до 2700°F (от 815,6°С до 1482°С). При желании проводится мониторинг и измерение уровня содержания ртути в газах, улетучивающихся из установки. В зависимости от количества выделяющейся из установки ртути, которое отражается на значении, определенном при мониторинге, можно увеличить, уменьшить или оставить без изменений количество добавляемого сорбента для поглощения ртути. В дополнительном варианте осуществления галогенсодержащий сорбент для поглощения ртути можно как добавлять на этапе перед сжиганием, так и вводить его в конвективный путь на участке, где газообразные продукты сгорания имеют температуру от 1500°F до 2700°F (от 815,6°С до 1482°С).
Сорбирующие композиции, имеющие в своем составе галоидное соединение, содержат одно или несколько органических или неорганических галогенсодержащих соединений. К галогенам относится хлор, бром и йод. Предпочтительными галогенами являются бром и йод. Галоидные соединения, отмеченные выше, являются источниками галогенов, главным образом источниками брома и йода. В случае с бромом источниками галогена являются различные неорганические соли, содержащие бром, включая бромиды, броматы и гипобромиты. В различных вариантах осуществления броморганические соединения менее предпочитают в связи с их стоимостью и доступностью. Однако органические источники брома, имеющие достаточно высокое содержание брома, рассматриваются в рамках настоящего изобретения. К примерам броморганических соединений (количество которых не ограничено приведенным) относятся метиленбромид, бромистый этил, бромоформ и тетрабромметан. К источникам йода (количество которых не ограничено приведенным) относятся гипойодиты, йодаты и йодиды, при этом предпочитают иметь дело с йодидами.
В том случае, когда галоидное соединение - это неорганический заместитель, предпочитают иметь дело с бром- или йодсодержащей солью щелочного металла или щелочноземельного элемента. В предпочтительные щелочные металлы включаются литий, натрий и калий, а в предпочтительные щелочноземельные элементы включаются бериллий, магний и кальций. Среди галоидных соединений особо предпочитают бромиды и йодиды щелочноземельных металлов, например кальция.
Сорбирующая композиция, содержащая галоген, предоставляется в форме жидкой или твердой композиции. В случае жидкой формы сорбирующая композиция содержит предпочтительно водный раствор соединения брома или йода, как это было описано выше. Способы изобретения, при которых снижается уровень ртути, выбрасываемой в атмосферу при сжигании угля, включают добавление сорбирующей композиции в способ сжигания угля либо в жидкой, либо в твердой форме. В одном варианте осуществления сорбирующая композиция добавляется в уголь на этапе перед сжиганием, а в другом варианте - вводится в конвективный путь установки для сжигания угля в области, имеющей температуру от 1500°F до 2700°F (от 815,6°С до 1482°С). В различных вариантах осуществления можно осуществлять добавление сорбента как на этапе перед сжиганием, так и после сжигания. В предпочтительном варианте осуществления водный сорбент, содержащий галоген, распыляется на углях перед сжиганием, и уголь помещается в печь еще в увлажненном состоянии.
В различных вариантах осуществления жидкий сорбент для поглощения ртути содержит 5-60% раствор (по массе) бром или йодсодержащий соли. К примерам (число которых не ограничено) предпочтительных солей брома и йода относятся бромид и йодид кальция. В различных вариантах осуществления жидкие сорбенты на 5-60% по массе состоят из бромида кальция и/или йодида кальция. С целью улучшения эффективности добавления к углю на этапе перед сжиганием в различных вариантах осуществления предпочитают добавлять сорбенты для поглощения ртути, которые содержат как можно более высокое количество соединения брома или йода. В варианте осуществление (количество которых не ограничено) на 50% по массе состоит из галоидного соединения, такого как бромид кальция или йодид кальция.
В различных вариантах осуществления сорбирующие композиции, имеющие в своем составе галоидное соединение, дополнительно содержат нитратное соединение, нитритное соединение или комбинацию нитратного и нитритного соединений. К предпочтительным нитратным и нитритным соединениям относятся нитраты и нитрит магния и кальция, предпочтительно кальция. Итак, в предпочтительном варианте осуществления композиция, сорбирующая ртуть, содержит бромид кальция. Бромид кальция может входить в состав вместе с другими компонентами, например, вместе с обсуждавшимися выше нитратами и нитритами, образуя либо порошковую, либо жидкую сорбирующую композицию. Порошковые или жидкие сорбирующие композиции, содержащие галоген, добавляют в уголь на этапе перед сжиганием, вводят в конвективные пути установки для сжигания угля в области, имеющей температуру примерно от 1500°F до 2700°F (от 815,6°С до 1482°С), или применяют комбинацию этих двух способов.
Ртуть-сорбирующие композиции, содержащие галоидное соединение, предпочтительно вдобавок имеют в своем составе источник кальция. К примерам (количество которых не ограничено приведенным) источников кальция относятся оксиды кальция, гидроксиды кальция, карбонат кальция, гидрокарбонат кальция, сульфат кальция, гидросульфат кальция, нитрат кальция, нитрит кальция, ацетат кальция, цитрат кальция, фосфат кальция, гидрофосфат кальция и кальциевые минералы, например апатит и им подобные. К предпочтительным источникам кальция относятся галогениды кальция, такие как бромид кальция, хлорид кальция и йодид кальция. Можно также использовать органические соединения кальция. К примерам (количество которых не ограничено) таких соединений относятся кальциевые соли карбоновых кислот, алкоголяты кальция и кальцийорганические соединения. Как и в случае вышеуказанных галоидных соединений, в различных вариантах осуществления органические соединение кальция предпочитают реже в связи с их дороговизной и доступностью.
В дополнение ко ртуть-сорбирующим композициям, добавляемым в установку на этапе до или после сжигания, наряду с ними можно добавлять композиции, сорбирующие серу. Итак, в предпочтительных вариантах осуществления представлены способ снижения как эмиссии серы, так и эмиссии ртути в дымовых газах, образующихся после сжигания угля, содержащего серу и ртуть. В предпочтительном варианте осуществления способы включает добавление первой и второй сорбирующих композиций в установку. Одна из этих двух сорбирующих композиций добавляется в уголь на этапе перед сжиганием, а другая вводится в установку для сжигания угля в зоне конвективного пути, нисходящего от камеры сгорания, предпочтительно там, где температура варьируется в пределах от 1500°F до 2700°F (от 815,6°С до 1482°С). Первая сорбирующая композиция предпочтительно содержит галоидный компонент и добавляется в количестве, достаточном для снижения содержания ртути в газообразных продуктах сгорания. Вторая сорбирующая композиция содержит, как минимум, кальциевый компонент и добавляется в количестве, достаточном для снижения содержания серы в газообразных продуктах сгорания.
В вариантах осуществления, описанных в предыдущем параграфе, первая сорбирующая композиция, имеющая в составе галоидный компонент, содержит галоидное соединение, например описанные выше предпочтительные соединение брома и йода. Вторая сорбирующая композиция содержит кальций в форме, подходящей для снижения выбросов ртути из установки для сжигания угля. Вторая сорбирующая композиция, имеющая в в своем составе кальциевый компонент, предпочтительно содержит кальций в минимальном молярном соотношении 1:1 в расчете на молярное количество серы, присутствующей в углях. Предпочтительно, чтобы количество кальция, добавляемого в установку со второй сорбирующей композицией, не превышало примерного соотношения 3:1 в расчете на молярное содержание серы в углях. Обработка большим количеством кальция приводит к загрязнению материала и риску приостановления работы печи, тем самым затрудняя способ сжигания и нагружая систему контроля за частицами.
2
2
3
Существенно то, что желательно добавлять кальцийсодержащий сорбент для поглощения серы в количестве, достаточном для удаления серы из дымовых газов, образующихся при сгорании угля, но не в чрезмерном избытке, что может привести к образованию большого количества золы. Вторая сорбирующая композиция, имеющая в своем составе кальциевый компонент, может содержать любое неорганическое или органическое соединения кальция из перечисленных выше. Кроме того, различные промышленные изделия содержат кальций в подходящем количестве, например цементная пыль, известняковая пыль, портланд-цемент и им подобные. В различных вариантах осуществления кальций-содержащий сорбент для поглощения серы содержит кальциевый порошок, например, из тех соединений, что перечислены выше, наряду с алюмосиликатной глиной, такой как монтмориллонит или каолин. Кальцийсодержащий сорбент для поглощения серы предпочтительно содержит достаточное количество SiO и AlO, которые образуют тугоплавкую смесь вместе с сульфатом кальция, образующимся при сжигании, так, что сульфат кальция хорошо отслеживается системой контроля частиц, имеющихся в печи. В предпочтительных вариантах осуществления кальцийсодержащий поглотитель серы содержит минимум 2% кремнезема и 2% глинозема.
В предпочтительном варианте осуществления ртуть-сорбирующая композиция, содержащая кальций и бром, добавляется в уголь. В различных вариантах осуществления сорбирующая композиция содержит бромид кальция. В качестве альтернативы, поглощающая композиция содержит другое соединение брома, помимо бромида кальция, и другое соединение кальция, помимо бромида кальция. К неограниченным примерам источников кальция относятся бромид кальция, нитрит кальция, портланд-цемент, оксид кальция, гидроксид кальция и карбонат кальция. В таком случае уголь, содержащий кальциевую и бромную сорбирующую композицию, сгорает, образуя золу и газообразные продукты сгорания. Желательно проводить измерение и мониторинг уровня ртути в газообразных продуктах сгорания. После этого количество брома, добавляемого в уголь в виде сорбирующей композиции, увеличивают, уменьшают или оставляют без изменений в зависимости от измеренного уровня содержания ртути в газообразных продуктах сгорания. В различных вариантах осуществления в способе дополнительно предусмотрено измерение уровня содержания серы в газообразных продуктах сгорания и регулирование количества кальция, добавляемого в уголь, с учетом измеренного уровня серы. В предпочтительных вариантах осуществления уровень ртутных выбросов в окружающую среду из установки для сжигания угля снижается на 90% или более. Используемое в данное заявке выражение - снижение уровня ртути на 90% или более - означает, что, по меньшей мере, 90% ртути из сжигаемого угля задерживается для того, чтобы предотвратить ее попадание в атмосферу. На этапе перед сжиганием в уголь желательно добавлять достаточное количество брома для того, чтобы уменьшить уровень выбросов ртути в атмосферу на 90% или более.
С одной стороны, данное изобретение включает снижение количества ртути, выбрасываемой в атмосферу из установок, в которых проводится сжигание топлива, содержащего ртуть. Коммерчески значимым вариантом осуществления является использование изобретения для снижения выбросов ртути из установок для сжигания угля с целью защиты окружающей среды и соблюдения государственных норм и договорных обязательств. Многое из того, что будет обсуждаться далее, будет касаться угля как топлива; надо понимать, что описание способа сгорания угля дано только с целью иллюстрации, не следует считать, что изобретение только этим и ограничивается.
В различных вариантах осуществления способы изобретения включают добавление сорбента для поглощения ртути в топливо или установку для сжигания угля в количестве, достаточном для появления желаемого снижения уровня ртути, улетучивающейся из установки в атмосферу при сжигании топлива. Подходящие сорбенты для поглощения ртути описаны выше. В предпочтительном варианте осуществления сорбенты для поглощения ртути содержат источник брома и/или йода, предпочтительно в форме неорганической соли бромоводородной или йодистоводородной кислоты, как это обсуждалось выше.
В одном варианте осуществления композиция, сорбирующая ртуть, добавляется в уголья на этапе перед его сжиганием. Уголь находится в форме частиц и опционально растирается или измельчается в порошок согласно традиционным методикам. Сорбирующая композиция добавляется в уголь в жидком или твердом виде. Как правило, твердые сорбирующие композиции находятся в форме порошка. Если сорбент добавляется в виде жидкости (обычного в виде водного раствора одной или нескольких солей брома или йода), то в одном варианте осуществления уголь остается влажным при помещении его в топку. Сорбирующая композиция может добавляться в уголь непрерывно в установке для сжигания угля разбрызгиванием или смешиванием ее с углем в то время, как уголь находится на конвейере, шнековом экструдере или другом подающем аппарате. В качестве дополнения или альтернативы, сорбирующую композицию можно смешивать с углем отдельно в установке для сжигания угля или на угледобывающем предприятии. В предпочтительном варианте осуществления сорбирующая композиция в виде жидкости или порошка добавляется в уголь во время его загрузки в топку. Например, в предпочтительном коммерческом варианте осуществления сорбент помещается в мельницу, где проводится измельчение угля перед его загрузкой. При желании степень добавления сорбирующей композиции можно варьировать, достигая желаемого уровня ртутных выбросов. В одном варианте осуществления мониторируется уровень содержания ртути в дымовых газах, и при необходимости количество добавляемого сорбента увеличивают или понижают для поддержания желаемого уровня содержания ртути.
Можно проводить мониторинг уровня содержания ртути на традиционном аналитическом оборудовании, используя стандартные промышленные методы детектирования и определения. В одном варианте осуществления мониторинг проводят периодически либо вручную, либо автоматически. В одном примере осуществления (количество которых не ограничено) проводится наблюдение за выбросом ртути один раз в час. Это делается для того, чтобы удостовериться в том, что уровень выбросов соответствует государственным нормам. В качестве примера можно привести используемый метод "Онтарио-Гидро". В этом известном методе собирают газы за предварительно заданное время, например за один час. Ртуть высаживают из собранных газов и определяют ее количество, используя какой-либо известный метод анализа, например атомно-абсорбционный. Мониторинг можно проводить менее или более одного раза в час, в зависимости от технических и экономических возможностей. Можно установить коммерческие непрерывные ртутные мониторы для измерения ее содержания, получая значения с постоянно частотой, например, один раз за каждые 3-7 минут. В различных вариантах осуществления на ртутные мониторы устанавливается выходное устройство с тем, чтобы контролировать степень добавления сорбента, поглощающего ртуть. В зависимости от результатов мониторинга регулируется количество добавляемого сорбента для поглощения ртути: его либо повышают, либо понижают, либо оставляют без изменений. К примеру, если мониторинг указывает на то, что уровень содержания ртути выше желаемого, то количество добавляемого сорбента увеличивают до тех пор, пока уровень ртути не возвратится к желаемому значению. Если содержание ртути находится на желаемом уровне, то количество добавляемого сорбента можно не менять. Альтернативно, количество добавляемого сорбента можно понизить до того, пока мониторинг не укажет на необходимость его повышения во избежание высокого уровня выбросов ртути. Таким способом достигается сокращение выбросов ртути и предотвращается использование избыточного количества сорбента (которое сопровождается увеличением количества золы).
Ртуть мониторируется в подходящих местах конвективного пути. В различных вариантах осуществления проводиться мониторинг и измерение количества выбрасываемой в атмосферу ртути на чистой стороне системы контроля над частицами. Ртуть также можно мониторировать на участке конвективного пути, расположенном выше системы контроля над частицами. В экспериментах показано, что 20-30% ртути из угля задерживается и не выбрасывается в атмосферу даже в том случае, когда сорбент не добавляют. Добавление сорбентов для поглощения ртути в соответствии с изобретением увеличивает количество удерживаемой ртути (и тем самым снижает количество ртутных выбросов) на 90% или более.
В качестве альтернатив или дополнения композиция, сорбирующая ртуть, помещается или вводится в конвективный путь установки для сжигания угля для того, чтобы снизить уровень ртути. Предпочтительно, чтобы сорбирующая композиция добавлялась в зоне конвективного пути, расположенной ниже пламенного облака (образующегося при сгорании угля), в данной зоне температура примерно выше 815,6°С (1500°F), но меньшей температуры пламенного облака - 1482-1649°С (2700-3000°F). В различных вариантах осуществления температура сорбента примерно выше 926,7°С (1700°F). Зона предпочтительно имеет температуру примерно ниже 1482°С (2700°F). В различных вариантах осуществления зона ввода имеет температуру ниже 1427°С (2600°F), примерно ниже 1371°С (2500°F) или примерно ниже 1316°С (2400°F). В неограниченных примерах осуществления температура в области ввода варьируется в пределах от 926,7°С (1700°F) до 1260°С (2300°F), от 926,7°С (1700°F) до 1204°С (2200°F) или примерно от 815,6°С (1500°F) до 1204°С (2200°F). В случае добавления на этапе перед сжиганием сорбент может находиться в форме жидкости или твердого вещества (порошка) и содержит эффективное количество соединения брома или йода. В различных вариантах осуществления степень добавления сорбента в конвективный путь варьируется в зависимости от результатов, полученных при мониторинге, как это описано выше по отношению к добавлению сорбента на этапе перед сжиганием.
В предпочтительных вариантах осуществления сорбирующая композиция добавляется более или менее непрерывно в уголь перед сжиганием и/или в конвективный путь в зоне с температурой 1500-2700°F (от 815,6°С до 1482°С), как описано выше. В различных вариантах осуществления предусмотрены автоматические контуры обратной связи между аппаратом для мониторинга ртути и аппаратом подачи сорбента. Это позволяет проводить непрерывный мониторинг выбрасываемой ртуть и регулирование степени добавления сорбента с тем, чтобы контролировать процесс.
Наряду с сорбентом для поглощения ртути добавляется сорбент для поглощения серы для того, чтобы контролировать выброс серы в окружающую среду. В различных вариантах осуществления сорбент для поглощения серы добавляется в установку для сжигания угля в тех же самых местах, где добавляется сорбент для поглощения ртути. Сорбент для поглощения серы также можно добавлять в других местах в зависимости от технических возможностей. В различных вариантах осуществления компоненты сорбентов для ртути и серы объединяют в один сорбент, добавляемый в уголь или вводимый в конвективный путь. Сорбенты, либо по отдельности, либо в комбинации, добавляются в жидком или твердом виде. Твердые композиции обычно находятся в форме порошков.
Сорбент для поглощения серы предпочтительно содержит кальций в количестве, по меньшей мере, равном, в молярном отношении, количеству серы, присутствующей в сжигаемых углях. Как эмпирическое правило, количество кальция не должно превышать количество серы, в молярном отношении более чем в три раза. Для эффективного удаления серы предпочитают соотношение 1:1 Са:S, а более высокое соотношение 3:1 предпочитают для того, чтобы избежать в процессе сжигания избыточного образования золы. Количества, используемые для обработки, которые не попадают в предпочтительные пределы, также являются частью изобретения. Подходящие сорбенты для поглощения серы описаны, например, в соавторской предварительной заявке 60/583,420, зарегистрированной 28 июня 2004 года, раскрытие которой включено сюда по ссылке.
Предпочтительные сорбенты для поглощения серы включают основные порошки, которые содержат кальциевые соли, такие как оксид, гидроксид и карбонат кальция. К другим основным порошкам, содержащим кальций, относятся портланд-цемент, цементная пыль и известняковая пыль. В различных вариантах осуществления сорбент для поглощения серы также содержит алюмосиликатную глину, монтмориллонит и/или каолин. Предпочтительно сорбент для поглощения серы содержит подходящее количество кремнезема и глинозема (в предпочтительном варианте осуществления, по меньшей мере, концентрация каждого составляет около 2% по массе) для образования тугоплавких материалов вместе с сульфатом кальция, образующимся при сжигании серосодержащих углей. Кремнезем и глинозем можно добавлять по отдельности или в качестве компонентов других материалов, например портланд-цемента. В различных вариантах осуществления сорбент для поглощения серы также содержит подходящее количество магния в виде MgO, которые вносится, например, вместе с доломитом или как компонент портланд-цемента. В примере осуществления (количество которых не ограничено) сорбент для поглощения серы содержит 60-71% СаО, 12-15% SiO2, 4-18% Al2O3, 1-4% Fe2O3, 0.5-1.5% MgO и 0.1-0.5% NaO.
Сорбенты для поглощения ртути и серы можно добавлять вместе или по отдельности. Для удобства компоненты сорбентов для поглощения ртути и серы можно объединить перед добавлением в уголь или перед вводом в конвективный путь. В предпочтительном варианте осуществления сорбент для поглощения ртути содержит кальций в дополнение к источнику галогена. В различных вариантах осуществления композиция, сорбирующая ртуть, вдобавок содержит компоненты, которые также понижают содержание серы. В изобретении предусмотрено добавление различных сорбирующих композиций в установку для сжигания угля для того, чтобы снизить выбросы ртути, а также, предпочтительно, выбросы серы.
В различных вариантах осуществления сорбенты для поглощения серы и ртути добавляют по отдельности. Например, сорбент для поглощения ртути добавляют на этапе перед сжиганием угля, а сорбент для поглощения серы - на этапе после сжигания. Альтернативно, сорбент для поглощения ртути добавляют на этапе после сжигания угля, а сорбент для поглощения серы - на этапе перед сжиганием. Вне зависимости от способа внесения, в предпочтительном варианте осуществления степень добавляемого количества для различных сорбентов регулируется при необходимости на основе значений уровня выбросов ртути и серы, определенных при мониторинге.
Сорбенты для поглощения ртути и серы добавляются на уровне, требуемом для достижения желаемого снижения количества выбросов. Предпочтительное снижение количества ртути составляет 70% или более, предпочтительней 80% или более, а лучше всего 90% или более в расчете на общее содержание ртути в сжигаемых углях. Сорбент для поглощения ртути, как правило, добавляется в количестве примерно от 0.01 до 10% в расчете на массу угля. Предпочтительные диапазоны концентраций составляют от 0.05 до 5% и от 0.1 до 1% по массе. Количество, необходимое для обработки, варьируется в зависимости от содержания галогена в сорбенте и от того, какого желают достичь уровня ртутных выбросов. Концентрация в 0.3% пригодна во многих вариантах осуществления. В различных вариантах осуществления исходное количество для обработки увеличивают, уменьшают, как требуется для достижения желаемого уровня выбросов с учетом мониторинга, обсуждавшегося выше. Сорбент может добавляться сериями или непрерывно. В вариантах с непрерывным добавлением сорбента количество для обработки рассчитывается на основе скорости подачи сжигаемого угля. Там, где сорбент добавляется сериями, например, на угледобывающем предприятии или в отдельной смешивающей установке, количество для обработки определяется, исходя из массы обрабатываемого угля. В предпочтительном варианте осуществления добавляемое количество или уровень обработки регулируются с учетом определения уровня выбрасываемой ртути.
Подобным же образом сорбент для поглощения серы добавляется в количестве или концентрации, удовлетворяющей снижению количества выбрасываемой серы на приемлемом или желаемом уровне. В различных вариантах осуществления сорбент для поглощения серы добавляют так, чтобы его концентрация по массе составляла примерно от 1 до 9%. Количество или концентрацию можно увеличить при желании с учетом уровня выбрасываемой серы, определенным при мониторинге.
В предпочтительных вариантах осуществления мониторинг ртути и серы проводится с использованием стандартных промышленных методов, опубликованных Американским обществом специалистов по испытаниям и материалам (ASTM), или используя международные стандарты, изданные Международной организацией по стандартам (ISO). Аппарат с аналитическим прибором предпочтительно устанавливают на конвективном пути снизу от мест добавления сорбентов для поглощения ртути и серы. В предпочтительном варианте осуществления ртутный монитор располагается на чистой стороне системы контроля над частицами. В различных вариантах осуществления измеренный уровень содержания ртути и серы используется для обеспечения сигналов обратной связи с насосами, соленоидами, распылителями и другими устройствами, которые приводятся в действие или контролируются, для регулировки количества сорбирующей композиции, добавляемой в установку для сжигания угля. В качестве альтернативы или дополнения, количество добавляемого сорбента может быть отрегулировано оператором, коим является человек, с учетом наблюдаемых уровней ртути и/или серы.
В качестве дополнительного пояснения, один вариант осуществления настоящего изобретения включает добавление жидкого сорбента для поглощения ртути, содержащего бромид кальция и воду, прямо в необогащенный или сырой уголь на этапе перед сжиганием. Количество жидкого сорбента для поглощения ртути, содержащего бромид кальция, варьируется в пределах от 0.1 до 5%, предпочтительно от 0.25 до 2.5% с учетом влажности, оно рассчитывается с предположением, что бромид кальция составляет 50% от массы сорбента. В типичном варианте осуществления жидкий сорбент, состоящий на 50% из бромида кальция, добавляется на этапе перед сжиганием, так что его концентрация в угле составляет приблизительно 1%.
В другом варианте осуществления изобретение включает добавление раствора бромида кальция как прямо в топливо, так и в зону печи, характеризуемую температурным диапазоном от 1204°С (2200°F) до 815,6°С (1500°F). В этом варианте осуществления жидкий сорбент для поглощения ртути добавляется как перед сжиганием, так и после сжигания. Общее количество вносимого бромида кальция можно разделить на две части в любой пропорции, добавляя одну часть на этапе перед сжиганием, а другую после сгорания угля.
В другом варианте осуществления изобретением предусмотрено добавление раствора бромида кальция так, как это обсуждалось выше, исключительно в газовый поток в зоне печи, характеризуемой температурным диапазоном от 1204°С (2200°F) до 815,6°С (1500°F).
Изобретение описано выше относительно его различных вариантов осуществления. Дополнительное раскрытие изобретения (которое не ограничивается приведенным) представлено на Примерах, которые следуют далее. Они иллюстрируют эффективность изобретения в том случае, когда для очистки топлив от ртути применяют либо только жидкий сорбент, либо систему жидкий/твердый сорбент.
Примеры
В Примерах проводится сжигание углей с различным значением BTU, содержанием серы и ртути в CTF печи в Центре исследования энергии окружающей среды (EERC) при Университете Северной Дакоты. Сообщается о снижении процентного содержания ртути и серы в расчете на общее количество элементов, присутствующих в угле на этапе до сжигания.
Пример 1
3
Этот пример иллюстрирует сорбционную способность раствора бромида кальция в воде по отношению к ртути, при применении его на черном лигните, залегающем в бассейне реки Паудер. Уголь после обжига имеет влагосодержание 2.408%, золосодержание 4.83%, серосодержание 0.29%, теплотворную способность в 8,999 единиц BTU и содержит ртуть в концентрации 0.122 мкг/г. Сжигание без сорбента приводит к тому, что концентрация ртути в выхлопным газах составляет 13.9 мкг/м. Топливо измельчается до 70% так, что размер его частиц доходит до 200 меш, и смешивается с порошковым и жидким сорбентами так, что концентрация первого составляет 6%, а второго - 0.5% в расчете на массу угля. Порошок состоит по массе на 40-45% из портланд-цемента, на 40-45% из оксида кальция, а оставшееся количество заполняет монтмориллонит кальция или натрия. Жидкий сорбент - это 50% (по массе) раствор бромида кальция в воде.
Сорбенты смешивают непосредственно с топливом в течение трех минут и оставляют на хранение до сжигания. Обрабатываемый уголь загружается в печь. Сжигание приводит к 90% (полному) удалению ртути и 80% удалению серы, что было измерено на выходе из камеры с рукавными фильтрами.
Пример 2
Этот пример иллюстрирует использование порошкового и жидкого сорбентов, добавляемых к трем видам битуминозных углей с различным содержанием ртути. Все угли приготовлены так, как это описано в Примере # 1, с одинаковым количеством добавляемых сорбентов.
Параметр
Уголь
Количество удаленной ртути в %
Количество удаленной серы в %
Влажность в %
8,48
Питтсбург,
97,97
40,0
Серосодержание в %
2,28
пласт. уголь
Бейли
Концентрация ртути
16.2 мкг/м<sup>3</sup>
Значение BTU
13,324
Влажность в %
10,46
Фриман Краун III
97,9
36,0
Серосодержание в %
4,24
Концентрация ртути
8,53 мкг/м<sup>3</sup>
Значение BTU
11,824
Влажность в %
1,0
Кентукки Бленд
90,1
52,0
Серосодержание в %
1,25
Концентрация ртути
5,26 мкг/м<sup>3</sup>
Значение BTU
12,937
Пример 3
Этот пример иллюстрирует добавление сорбента для поглощения ртути на этапе после сжигания. Питсбургский уголь пласта Бейли измельчают на 70% до размеров частиц в 200 меш. На этапе перед сжиганием сорбент не добавляли. Жидкий сорбент, содержащий 50% бромида кальция, в воде через трубопровод вводится в газовый поток печи в зону с температурой от 1204°С (2200°F) до 815,6°С (1500°F). Жидкий сорбент вводится в таком количестве, что его концентрация составляет приблизительно 1.5% от массы угля.
Тип угля
Сорбирующая композиция
Количество сниженной S в %
Количество сниженной Hg в %
Питсбургский уголь пласта Бейли
50% CaBr<sub>2</sub>, 50% Н<sub>2</sub>О
28,13
96,0
Пример 4
Этот пример иллюстрирует добавление жидкого и твердого сорбента на этапе после сжигания. Сорбент не добавляли сразу в топливо. Оба топлива являются битуминозными и обозначаются, как уголь Фриман Краун III и Питсбургский уголь пласта Бейли. В обоих случаях уголь измельчают перед сжиганием на 70% до размеров частиц в 200 меш. Порошковый и жидкий сорбенты используют так, как это писано в Примере 1. В таблице представлено количество добавляемого жидкого и порошкового сорбентов (в процентах от массы сжигаемого угля), а также снижение уровня содержания ртути и серы.
Тип угля
Концентрация вводимого жидкого сорбента
Концентрация вводимого порошкового сорбента
Количество сниженной S в %
Количество сниженной Hg в %
Фриман Краун III
1,0
4,0
36,27
97,89
Питсбургский уголь пласта Бейли
1,5
6,10
33,90
96,00
Пример 5
Питсбурский уголь пласта Бейли приготовлен так, как описано в Примере 1. Порошковый сорбент из Примера 1 добавляют в уголь на этапе перед сжиганием так, что его массовая доля составляет 9.5%. Жидкий сорбент из Примера 1 (состоит на 50% бромида кальция в воде) вводится на этапе после сжигания в зоне с температурой от 1204°С (2200°F) до 815,6°С (1500°F) в количестве 0.77%, в расчете на скорость сжигания угля. Содержание серы снижается на 56.89%, а ртути - на 93.67%.
Пример 6
Уголь Кентукки Блэнд приготовлен так, как описано в Примере 1. Порошковый сорбент из Примера 1 добавляют в уголь на этапе перед сжиганием в количестве 6% по массе. Жидкий сорбент из Примера 1 (состоит на 50% бромида кальция в воде) вводится на этапе после сжигания в зоне с температурой от 1204°С (2200°F) до 815,6°С (1500°F) в количестве 2.63%, в расчете на скорость сжигания угля. Содержание серы снижается на 54.91%, а ртути - на 93.0%.
Несмотря на то, что изобретение выше достаточно описано, надо понимать, что изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Любые вариации или модификации, которые могут приходить на ум человеку, сведущему в данной области науки, при чтении описания также входят в объем изобретения, который определен в прилагаемых пунктах формулы изобретения.