石灰浆料的制备方法

石灰浆料的制备方法
【专利摘要】一种通过用至少一种聚合物分散剂和一定量的水形成混合物，并将该混合物引入用于制备石灰浆料的容器中的方法，该方法用于控制在生石灰熟化和处理设备如SDA雾化器之上或之内的结垢并减少石灰用量。
【专利说明】石灰浆料的制备方法
发明背景
A.

【技术领域】
[0001 ] 本发明一般涉及制备碱性中和剂的方法。本文描述的方法可减少碱性化学品的使用以及减少设备结垢。
B.相关技术的描述
[0002]碱性中和剂的悬浮液可以在多种不同的应用中使用。碱性中和剂例如可以是苛性碱溶液或石灰浆料(lime slurries) 0石灰浆料通常可用于被称为“石灰软化”的水软化过程中。在该过程中，石灰使得“硬性”离子从溶液中沉降并沉淀出来，从而使水软化。在应用于废水处理和工艺用水时，使用石灰浆料代替常规苛性碱(通常是从氢氧化钠或“NaOH”制备的)溶液，在商业，市政的和/或工业规模上来调节pH值，或中和酸性溶液可能是理想的。
[0003]为了制备这些碱性中和剂的悬浮液，碱性化学品可能是必需的。碱性化学品(具有PH大于7的那些化学品)可以是如NaOH或石灰(lime)的化学品。为了中和原水及处理后的水的酸性溶液，可以使用碱性溶液。下面将会概括地说到，由于在处理石灰及其传统浆料存在困难，在许多这样的应用中使用的是这些高浓度的苛性碱溶液(例如，约50%的NaOH，余量为水)。然而，苛性碱溶液可能是非常危险的，必须小心地加以控制，以确保人们不接触到这些可能会导致严重烧伤的溶液。此外，通常是溶解在水中而形成苛性碱溶液的固体NaOH颗粒也存在严重的健康问题，并且对它们的使用，运输和储存必须小心地加以控制；它们受到了众多安全规范的约束。石灰与NaOH相比，可以说是相当便宜，并且从健康-安全的角度来看也可以是优选的，但是与石灰处理有关的难题常常掩盖了它的作用。这些碱性中和剂可以含有石灰颗粒，这些颗粒可以悬浮于石灰浆料中。使用石灰浆料的一个例子可以是在污水和废水处理中。在这些处理过程中，碱性中和剂通常可用于处理大量的具有酸性PH的水，或用于提高水的pH值来杀死细菌，微生物和/或其他有机体。
[0004]灰浆料有时可以被用来代替苛性碱溶液，用以提高或中和商业规模的酸性溶液，如处理过的废水的PH值。不同于NaOH溶液，这些浆料可能不是真正的溶液，而可以是熟石灰(hydrated lime)的固体颗粒在水中的悬浮液。为了制备石灰衆料,可以将生石灰(quicklime)(化学名称为氧化钙或CaO)的颗粒加入到水载体中，其中生石灰的颗粒经水解生成熟石灰(Ca(OH)2)颗粒。或者，可以用水将干的熟石灰Ca (OH)2进行浆料化来制备含水的浆料。
[0005]灰浆料可以表现出与碱金属氢氧化物溶液苛性试剂类似的还原或碱性-pH值中和能力，同时不需要加入有潜在危险的碱金属氢氧化物到浆料中。常规的基于石灰的苛性代替浆料可在浆料中包含一定量的碱金属氢氧化物。
[0006] 为了接近常规苛性碱溶液的中和能力，可能会用到非常高固体含量的石灰浆料，例如含重量含量约30%或超过30%的熟石灰的固体。然而,使用这种闻含量的石灰固体可能会有问题。这是因为从材料处理的角度看，由此产生的粘度可以使浆料不实用或不能使用。降低高固体石灰衆料粘度的一种方法可以是添加石膏(gypsum)。
[0007]另一种使高固体含量的熟石灰悬浮液粘度变得适中的方法可以是加入聚合物分散剂。例如，某些聚丙烯酸(polyacrylicacids)已被用作分散剂来将这样的高固体悬浮液的粘度变得适中。其他的制备具有高固含量的碱性中和剂的方法已在一些专利申请中进行了概述。这些高固体石灰浆料的一些例子在美国专利号7，718，085和美国专利号7，897，062中已有概述。但是，制备石灰浆料，尤其是高固体含量的浆料，可能会导致结垢。使用石灰浆料所带来的一个问题是设备结垢。例如，固体含量的增加可导致非常高的粘度，并且也可以导致在浆料的生产设备和输送设备以及过程中的其他区域的结垢增加。这种结垢可以发生在喷雾干燥吸收器(SDA)的雾化器内。结垢可导致维护问题，进料速度降低，密度变化，以及SDA中的硫氧化物(SOx)水平稳定性的降低。此处未列出的其他的不一致，也可能发生在涉及石灰浆料的过程中。另外，结垢也可能会增加石灰用量。
[0008]因此，为了减少这里描述的与结垢相关的这些问题，希望能够开发出一种在石灰浆料的生产过程中可以减少结垢的方法。
[0009]发明可提供改进的方法来降低石灰浆料制备过程中的结垢，并且生成具有更高活性的能够减少石灰用量的浆料。


【发明内容】

[0010]因此，本发明的目的是提供一种制造碱性中和剂的方法。它可以包括形成包含至少一种聚合物分散剂和一定量的水的混合物的步骤。它也可以包括将该混合物引入到用于制备浆料的容器中的步骤。所述碱性中和剂可以包括石灰浆料。
[0011]根据一种实施方式，形成所述包含至少一种聚合物分散剂和一定量的水的混合物的过程发生在将所述混合物引入到用于制备浆料的容器中的步骤之前。
[0012]在另一种实施方式中，形成所述包含至少一种聚合物分散剂和一定量的水的混合物的过程与将所述混合物引入到用于制备浆料的容器中的步骤同时发生。
[0013]在又一种实施方式中，所述形成混合物的过程进一步包括将一定量的水加入到至少一种聚合物分散剂中的步骤。
[0014]另一种实施方式中，所述形成混合物的过程进一步包括将至少一种聚合分散剂加入到一定量的水中的步骤。
[0015]在另一种实施方式中，在所述过程中使用的至少一种聚合物分散剂是直链的聚丙烯酸盐(polyacrylate)均聚物。
[0016]在另一种实施方式中，至少一种用于所述过程中的聚合物分散剂是热稳定的。
[0017]在另一种实施方式中，所述制备浆料的过程是在间歇过程下进行的。
[0018]在另一种实施方式中，所述制备浆料的过程是在连续流动过程下进行的。
[0019]在另一种实施方式中，所述制备碱性中和剂的方法减少了结垢。
[0020]在又一种实施方式中，所述制备碱性中和剂的方法减少了碱性化学品的使用。
[0021]在另一种实施方式中，所述制备碱性中和剂的方法减少了废灰。
[0022]在又一种实施方式中，所述制造碱性中和剂的方法减少了汞气体排放。
[0023]在另一个种实施方式中，所述制备石灰浆料的方法包括以下步骤:形成包含至少一种聚合物分散剂和一定量的水的混合物，其中至少一种聚合物分散剂是直链的聚丙烯酸盐均聚物，并且其中所述至少一种聚合物分散剂是热稳定的；形成包含至少一种聚合物分散剂和一定量的水的混合物，其中至少一种聚合物分散剂加入到一定量的水中；及将所述混合物引入到用于制备浆料的容器中，其中所述方法减少了结垢，减少碱性化学品的使用，以及减少了废灰和降低了汞气体排放。
[0024]在又一种实施方式中，所述制备石灰浆料的方法包括以下步骤:形成包含至少一种聚合物分散剂和一定量的水的混合物，其中至少一种聚合物分散剂是直链的聚丙烯酸盐均聚物，并且其中所述至少一种聚合物分散剂是热稳定的；以及形成包含至少一种聚合物分散剂和一定量的水的混合物，其中至少一种聚合分散剂加入到一定量的水中。
[0025]进一步地，本发明的另一个目的可以是提供一种制造易于实施和使用的碱性中和剂的方法。
[0026]在阅读和理解了下面的详细说明后，本发明的其他好处和优点对于所属领域技术人员而言将变得明显。

【专利附图】

【附图说明】
[0027]本发明可以对一些部件或部件的排布采取的物理形式中优选的实施方式将在本说明书中进行描述并展示于附随于说明书的附图中:
[0028]图1是一个流程图，示意性地示出了本发明发明的详细描述
[0029]公开了一种用于制备碱性中和剂的方法。该方法可被用于所有使用碱性中和剂来制备浆料，包括石灰浆料50的应用中。所述碱性中和剂可包括至少一种聚合物分散剂10和溶剂。所述溶剂可以是水20。除了碱性中和剂外，所述浆料还可以包含碱性化学品如NaOH。碱性化学品可以是各种形式的NaOH，包括但不限于球，片，碎片，颗粒和溶液。在软化应用中和/或为了对市政，商业或工业规模废水和其他水性液体的酸性PH值进行中和，所述浆料可含有消石灰或熟石灰，或者苛性替代物。它也可以按照例如在美国专利7，718，085和7，897,062中所描述的那样,与高固体含量的石灰衆料一同使用。
[0030]该方法可以使用至少一种聚合物分散剂10，其不具有通常的聚合物分散剂的缺点:这些热稳定的聚合物分散剂10可以承受升高的温度达到或高于180° F。通常，这些热稳定的聚合物分散剂10可以承受的温度在约200° F或约225° F，此时不会失活或失效。这些聚合物分散剂10在石灰浆料50的升高的pH下也是稳定的。
[0031]如果使用至少有一种热稳定的聚合物分散剂10，则可以选择那些能在浆料中有效保持熟石灰颗粒且限制悬浮的生石灰颗粒水解的分散剂。如下面将进一步描述的那样，使用至少一种热稳定的聚合物分散剂10可有助于将熟石灰颗粒充分地分散在水载体相中，以便使悬浮粘度在一段时间内得到适当的调节。同时，使用至少一种热稳定的聚合物分散剂10可以承受的温度是大约180° F或其以上的温度，这些温度包括约200° F，约220° F，或者约225° F的温度。在这些温度下热稳定的聚合物分散剂10不会失去上述能力。在本发明的一种实施方式中，热稳定的聚合物分散剂10可以是分子量在约1000克/摩尔到约10000克/摩尔的直链聚丙烯酸盐均聚物，其可以使用有机引发剂和异丙醇链转移剂来制备。热稳定的聚合物分散剂10，例如聚丙烯酸盐均聚物的直链结构可能对高的热稳定性有贡献。在直链均聚物如聚丙烯酸盐均聚物的制备中，有机引发剂可以代替通常用作丙烯酸盐引发剂的过硫酸盐/亚硫酸氢盐氧化还原(persulfate/bisulfite redox)试剂；异丙基醇链转移剂可以将链长和分子量调节到期望的范围，而不会引入通常用于制备低分子量的聚丙烯酸盐的硫酸亚铁，从而能够做到完成的直链均聚物中不含或基本上不含铁。一种可使用的热稳定的聚合物分散剂10可从位于南加利福尼亚州切斯特的高泰有限责任公司(Coatex, LLC, Chester, S.Carolina)买到，该产品牌号为TH450-50AS，是标称分子量约为4500克/摩尔的直链聚丙烯酸盐均聚物，含有约50%的固体酸。
[0032]另外，热稳定的聚合物分散剂10能够承受高pH环境而不被破坏或发生变化。高PH环境的值可以是约9.5至约13.0。聚合物分散剂10的热稳定性和高pH值耐受性均可以允许其保持它的物理特性，从而使其在石灰浆料50中，以及在降低和/或阻止在如SDA中的那些系统中的石灰结垢上发挥效果。聚合物分散剂10可以保持这些性质，例如小的颗粒尺寸，这从在本质上可以增加聚合物颗粒的受影响的表面面积(affected surface area),并且可以为由聚合物分散剂产生的石灰浆料提供更大的反应电势。该增加的反应电势可以提高在SDA气体反应区内和位于和澄清器混合区内的石灰浆料50的性能。
[0033]在本文中所描述的范围内，如图1所示，将聚合物分散剂10加入到水20中的步骤可以在将它们的混合物添加到容器40之前或同时进行。聚合物分散剂10可被添加到水20中，或水20可以被添加到聚合物分散剂10中。容器40可以是混合容器，掺合容器，和/或反应容器。容器40可以是任何的样式和设计。容器40也可以被配置成提供间歇过程或连续流动工程。水20可作为用于悬浮的连续相，并且可以作为剩余的、未溶解的成分(如熟石灰)可以悬浮于成品石灰浆料50中的介质。
[0034]聚合物分散剂10的量按重量计可以为约0.3%至约1.5%。使用的水20的量按重量计可以为约35%至约60%。然后，水20和热稳定的聚合物分散剂10可在加入到容器40之前或同时被混合在一起。
[0035]石灰浆料50的其余组分可以由熟石灰和石膏组成，也可以没有石膏。虽然可以添加石膏，但它未在图1中示出。然后，石灰浆料50可根据下列方法制备，其中，熟石灰是通过生石灰的水解就地生成的。具有希望的熟石灰固体含量的全部石灰浆料50的体积，可以首先基于与应用相关的特定参数来确定。一旦知道了这些值，则可将适量的水20和聚合物分散剂10加入配备有搅拌器的混合和/或掺合容器40中，在该容器中可制备出石灰浆料50。
[0036]本发明也可以用在任何石灰熟化生产单元的设计中。因此，任何能够承受熟化(水合)生石灰时所达到温度的容器均可用于这里公开的过程和方法。这些温度达到或高于 225。 F。
[0037]一旦石灰浆料50的总量和要生产出的熟石灰浓度被确定，就可向制备石灰浆料50的容器40中加入适量的聚合物分散剂10,水20和石灰30。在一种实施方式中，热稳定的聚合物分散剂10和水20可以在相同的时间内加入，例如将它们进行共注射，或者在向容器40填充时，使高分子分散剂10撞击进入水20形成的水流中，从而可以加快使聚合物分散剂10彻底、均匀地混合到水20中的过程。当水20和聚合物分散剂10均已被加入后，可采用间歇操作一段时间来搅拌该混合物。这一段时间可以是10分钟，以确保均匀混合。在连续的石灰浆料操作中，可以使用静态混合器，聚合物分散剂10和水20可被加入其中进行混合。还有，也可以向水20的管线中的某点加入聚合物分散剂10。
[0038]如果要将石膏加入到浆料中，可以在将生石灰加入到混合物中之前进行添加。对于聚合物分散剂10，如果要加入石膏，可以通过测定在石灰浆料50中的最终熟石灰的浓度来获知需量取和向容器40中添加石膏的合适量。对于操作而言，可以根据进入熟化器中的石灰30来获知配入量，因为该值是可以测量和监控的。
[0039]随后，石灰30，例如生石灰可以在不断搅拌下加入到容器40内的水20中。在一种实施方式中，可以讲粉状生石灰注入容器40内的水面下方，从而避免粉尘的产生。粉尘不仅可能导致操作者产生一些健康问题，而且会导致水解反应生成悬浮熟石灰(也被称为熟石灰或Ca(OH)2)时损失的生石灰的量不得而知。此外，生石灰加入到水中的速度可以由操作者来控制。对于15，000加仑的水量和50，000磅的生石灰的量(其可以产生标称约39%至约40%重量的熟石灰的浆料)，生石灰的加入可持续进行约I至约2个小时。
[0040]石灰30在被加入水20中后立即开始水解。在石灰30被添加期间，容器40及其内含物的温度会上升，有可能超过约200° F或约225° F。根据石灰浆料50的需要量和要用到的熟石灰的浓度，水合反应通常可以在加入石灰30后的两到三小时之内完成。此后，容器40的内容物将开始降温。如下面的实施例将要说明的，根据这种方法制备的石灰浆料50可具有布洛克菲尔德粘度(Brookfield viscositie)在约650厘泊(cps)至约1000厘泊(cps)的范围内(在70° F和5RPMs转速下，用2号桨测量)，而固体负载按重量计在约30%至约46%的范围内。
[0041]石灰衆料50制成后，如果需要，可存放较长时间。如果储存了足够长的时间后确实发生了沉淀，在使用前固体可以通过混合或搅拌就能够重新被搅拌起来。如已经讨论过的，石灰浆料50不会受到显著的颗粒团聚的影响，因此固体在后续使用前能够被重新悬浮。
[0042]使用热稳定的聚合物分散剂10的一个好处是，它可以承受因生石灰水解得到熟石灰导致的石灰浆料50中的高温。因此，聚合物分散剂10可以在加入生石灰之前被加到浆料混合物中，并可以保持将成品的高固体石灰浆料50 (水解后)的粘度调节到适中的可接受的范围，例如从材料处理的角度看，调节到约600厘泊(cps)至约2000厘泊(cps)(在70° F和5RPMs转速下，用2号桨测量)。此外，尽管掺入了石膏，但具有如以上描述那样的组分以及按上面描述那样制备的石灰浆料50可以不受到显著团聚和熟石灰颗粒沉淀的影响。上面描述的热稳定的聚合物分散剂10可以抑制颗粒团聚，这种团聚通常被认为是因为加入作为粘度控制剂的石膏所致。
[0043]另外，热稳定的聚合物分散剂10的承受石灰水化(熟化)期间温度的能力，可通过在熟化石灰之前将聚合物分散剂10加入水20中来得以改善。已发现在石灰30，即生石灰被熟化生成悬浮的熟石灰后再添加聚合物分散剂10到容器40中的情况下，使浆料粘度相对于无任何分散剂的重量含量约40%固体石灰的石灰浆料50的基准线有所降低，但所得浆料粘度仍然太高。在70° F和5RPMs转速下，用2号桨测量的该粘度约为10，000厘泊(cps)，这一数值可能太高而无法进行高效处理以及用现有工业设备进行泵送。通常，有效处理液体所需的粘度是在70° F和5RPMs转速下，用2号桨测量的值低于约1，000厘泊。因此，添加高分子分散剂10的顺序可能是重要的。当在石灰30，即生石灰被添加到水20中现场制备熟石灰之前加入聚合物分散剂10时，结垢可以被减少。
[0044] 对于这里描述的方法，可能有几种不同的功能分类可供喷雾干燥吸收器(SDA)遵循。首先，可以是使用那些用不同种类的净化水(purge water)进行二次雾化的应用。其次，可以是使用那些使用更高质量的水进行二次雾化的应用。最后，可以是部分石灰灰被循环来改进石灰利用度的SDA应用。这些应用并不局限于这里列举的。
[0045]除上面列出的那些好处外，其他一些好处也可能出现于此过程中，它们包括但不限于:1)在雾化器上结垢和沉积的控制；及整体系统维护的减少；2)石灰使用的减少；3)要处置的废灰的减少；4)烟道气中汞去除的改善；和5)环境排放控制的改善。
[0046]首先，在这里描述的热稳定的聚合分散剂10的使用中，用于制备石灰浆料50的混合和/或掺合容器40在结垢积累方面显示出明显的减少。这个过程中最显著的好处是雾化器和SDA的结垢和沉积可以得到控制。此外，石灰浆料50的密度减小，且石灰浆料50的进给速率也可减小。用于运送石灰浆料50的管道和泵系统可以基本上无沉淀，并不会受到像传统的熟石灰浆料所带来的堵塞的影响。此外，使用这里公开的熟石灰浆料，使用更少的浆料量可以获得与传统石灰基的浆料相当的废水PH中和效果。这表明，这里公开的熟石灰浆料从PH-中和来看，可以比传统的石灰浆料反应性更好。这可能是由于这里公开的聚合物分散剂10更为有效地维持悬浮液中的小颗粒(防止沉淀的沉降和沉积)，以及允许存在相对小尺寸的熟石灰颗粒(具有更大的可用表面积)的高固体含量，同时出于材料处理的目的，保持可接受的粘度。这种结垢的减少可以减少整个系统的维护并降低与石灰使用和维护问题相关的运营成本。
[0047]其次，用这里描述的方法还可能存在额外的好处。该改进的方法可以允许石灰30用量的减少。这种在过量石灰上的减少可以使石灰30的用量减少约25%至约37%。过量石灰30的减少以及伴随其的水20的减少可以降低过程中的负荷，并且由于产生的石灰浆料50可以看似更加均匀，从而能够产生更稳定的供料速率。这样改进的系统稳定性也可以得到更一致的产品。例如，伴随过程的硫氧化物(SOx)的水平可以更为稳定。
[0048]第三，在此描述的方法中，可以减少废灰。减少的废灰的范围可从约25%至约38%。这可使得过程变得更有利和环境更友好。
[0049]再次，本文所描述的方法可以降低灰产品中的汞含量。该方法不仅可以控制汞气体的排放，而且它也可使得过程变为另一种更有利和环境更友好的过程。汞的减少也可以改善烟道气中的汞的去除。
[0050]总之，所有这些优点可以提供与这里描述的方法相关的改进的生产率和运营成本。
[0051]虽然本发明通过一些优选的实施方式进行了公开，但是应当理解，对这些实施方式的各种修改和变更均是可能的，并且是本领域的普通技术人员能够容易认识到的，所有这些都是在这里公开的和在下面权利要求中合理描述的范围之内。
在对本发明进行了上述描述后，提出以下权利要求。
【权利要求】
1.一种制备碱性中和剂的方法，包括以下步骤: 形成包含至少一种聚合物分散剂和一定量的水的混合物；以及 将所述混合物引入到用于制备浆料的容器中。
2.权利要求1的方法，其中所述碱性中和剂包括石灰浆料。
3.权利要求1的方法，其中所述形成所述包含至少一种聚合物分散剂和一定量的水的混合物的步骤发生在将所述混合物引入到所述容器中的步骤之前。
4.权利要求1的方法，其中所述形成所述包含至少一种聚合物分散剂和一定量的水的混合物的步骤与将所述混合物引入到所述容器中的步骤同时发生。
5.权利要求1的方法，其中所述形成所述混合物的步骤进一步包括将所述一定量的水加入到所述至少一种聚合物分散剂中的步骤。
6.权利要求1的方法，其中所述形成混合物的过程进一步包括将至少一种聚合分散剂加入到所述一定量的水中的步骤。
7.权利要求1的方法，其中所述至少一种聚合物分散剂是直链的聚丙烯酸盐均聚物。
8.权利要求1的方法，其中所述至少一种聚合物分散剂是热稳定的。
9.权利要求1的方法，其中所述浆料是在间歇过程下制备的。
10.权利要求1的方法，其中所述浆料是在连续流动过程下制备的。
11.权利要求1的方法，进一步包括减少结垢的步骤。
12.权利要求1的方法，进一步包括减少碱性化学品使用的步骤。
13.权利要求1的方法，进一步包括减少废灰的步骤。
14.权利要求1的方法，进一步包括减少汞气体排放的步骤。
15.一种制备石灰浆料的方法，包括以下步骤: 形成包含至少一种聚合物分散剂和一定量的水的混合物，其中所述至少一种聚合物分散剂是直链的聚丙烯酸盐均聚物，并且其中所述至少一种聚合物分散剂是热稳定的； 形成包含至少一种聚合物分散剂和一定量的水的混合物，其中所述至少一种聚合物分散剂加入到所述一定量的水中；以及 将所述混合物引入到用于制备浆料的容器中，其中所述方法减少了结垢，减少碱性化学品的使用，以及减少了废灰和降低了汞气体排放。
16.一种制备石灰浆料的方法，包括以下步骤: 形成包含至少一种聚合物分散剂和一定量的水的混合物，其中所述至少一种聚合物分散剂是直链的聚丙烯酸盐均聚物，并且其中所述至少一种聚合物分散剂是热稳定的；以及 形成包含至少一种聚合物分散剂和一定量的水的混合物，其中所述至少一种聚合分散剂加入到所述一定量的水中。
17.权利要求16的方法，进一步包括减少结垢的步骤。
18.权利要求16的方法，进一步包括减少碱性化学品使用的步骤。
19.权利要求16的方法，进一步包括减少废灰的步骤。
20.权利要求16的方法，进一步包括减少汞气体排放的步骤。
【文档编号】C02F5/10GK104185614SQ201280067900
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2012年9月12日 优先权日:2012年1月23日
【发明者】克拉伦斯·朔伊尔曼三世 申请人:应用专业公司