汞排放的去除的制作方法

本申请是以下申请的分案申请：发明名称为“汞排放的去除”，申请日为“2012年9月21日”，申请号为“201280046161.3(pct/ib2012/055042)”。

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年9月23日提交的美国临时专利申请61/538,475号的优先权。本申请还涉及作为2004年10月8日提交的美国专利申请10/961,697号的继续申请的2010年8月24日授权的美国专利7,780,765，美国专利申请10/961,697号是2003年6月3日提交的美国专利申请10/453,140、现为美国专利6,848,374号的部分继续申请，其全部通过引用结合到本文中，就如同将它们在本文中全部陈述一样。

本发明涉及从燃烧固态燃料的蒸汽发生器的烟气中除去气态污染物的设备和方法，且更详细地讲，涉及用于从来自燃煤锅炉的烟气中除去元素汞和汞化合物的设备和方法。

背景技术：

已经成功地证明在诸如城市废物焚烧的各种应用中使用活性碳和碳质粒子用于吸附诸如汞蒸气的污染物气体。然而，与燃煤发电成套设备相比，来自废物焚烧炉的汞的浓度明显不同，其中来自燃煤发电成套设备的浓度低10-100倍。并且，来自废物焚烧炉的汞通常以氯化汞的形式，而较大百分数的来自燃煤发电成套设备的汞通常以元素汞的形式。这两个不同使得从来自燃煤发电成套设备的烟气中除去汞更加困难。

吸附剂的效率受到其表面积与质量之比的限制。相对较大的粒子具有低有效表面积/质量比，这限制了对污染物气体的吸附。使用具有约5微米的平均粒度、约10微米的最大粒度的碳质吸附剂将改善吸附效率，但这些小粒子的储存、运用、运输和分散极其困难。

在常规方法中，将吸附剂粒子注入在诸如袋室和静电沉淀器的颗粒去除装置上游且在空气加热器下游的烟气管道中。粒子去除装置随后收集具有吸附的污染物气体的吸附剂。

2010年8月24日授权的美国专利7,780,765描述了通过使用注入的压缩空气将活性碳注入到烟气中。这减少了在烟气中的汞排放，但由于需要设备来提供压缩空气和该设备使用的功率而会使得成本相当高。

在本领域中还已知从高温锅炉中出来的烟气中的气相汞以元素汞的形式。将元素汞氧化成氧化汞(hg²⁺)对汞控制有益，因为氧化汞可以通过碳质吸附剂更容易地除去。类似地，元素汞与卤素结合产生对吸附剂具有更大亲和力的化合物。

目前，需要从固态燃料锅炉的燃烧烟气中有效且经济地除去诸如元素汞和汞化合物的气态污染物的系统。

技术实现要素：

本发明可涵盖用于从由燃烧固态燃料的锅炉产生的烟气中除去气态污染物的方法，所述方法包括：

提供潜在地具有一定程度的团聚的以粉末形式的碳质吸附剂；

从所述锅炉中提取过热蒸汽；

加工所述过热蒸汽以提供具有低于预定水分含量的适当压力、温度的干燥的高品质过热蒸汽；

将所述加工过的蒸汽提供到吸附剂磨机以加工所述吸附剂使其解聚并将所述粉状吸附剂的粒子破碎成更大数目的更小粒子；

注入所述加工过的吸附剂以与所述烟气接触，从而吸附汞和汞化合物；和

从所述烟气中除去具有吸附在其上的汞的吸附剂。

本发明还可涵盖为用于从固态燃料蒸汽发生器的烟气中更有效地除去污染物气体的污染去除装置，其包括：

用于提供以粉末形式的碳质吸附剂的吸附剂来源；

用于从所述锅炉18提取过热蒸汽的蒸汽分接头(steamtap)管线；

连接到所述蒸汽分接头管线以便从所述蒸汽分接头管线接收所述过热蒸汽并加工所述蒸汽以提供具有所要压力、温度和水分含量的蒸汽的蒸汽加工装置；

连接到所述蒸汽加工装置和所述吸附剂来源的吸附剂磨机，其用以从所述吸附剂来源接收吸附剂并采用所述加工过的蒸汽来通过解聚并粉碎在所述吸附剂中的粒子来加工所述吸附剂；连接到所述吸附剂磨机的分配器，其用以接收所述吸附剂并将所述吸附剂注入到锅炉的所述烟气中，由此吸附气态污染物；和

颗粒收集装置，其用以收集在所述烟气中的固态粒子并从所述气体中将它们除去。

本发明的一个目的在于提供从烟气中除去气态污染物的更高效的方法。

本发明的另一目的在于提供从烟气中除去汞和汞化合物的更高效的方法。

本发明的另一目的在于提供从烟气中除去气态污染物的更加成本有效的方法。

本发明的另一目的在于提供从烟气中除去汞的更加成本有效的方法。

本发明的其他目的和优点将从附图和说明书中显而易见。

附图说明

本领域技术人员参考附图可更透彻地理解本发明且将显而易见本发明的许多目的和优点。

图1为用于从由固态燃料锅炉产生的烟气中除去气态污染物的根据本发明的系统的第一实施方案的示意图；和

图2为图1的蒸汽加工装置的一个实施例的更详细的放大视图。

具体实施方式

图1表示结合到燃烧固态燃料的蒸汽发生器或锅炉18中的本发明的一个实施方案。其可以是燃煤发电成套设备的一部分。

将原煤14进料到至少一个各自被称为磨机16的粉碎机/破碎机中，在其中将原煤减小到所要的粒度。将环境空气提供到预热空气的空气预热器22中。该预热的空气作为一次空气提供到磨机16，其将磨机16中粉碎的固态燃料粒子带到锅炉18的炉子17中，在炉子17中将这些燃料粒子灼烧以使水沸腾形成蒸汽。

空气预热器22还提供直接到达炉子17的二次空气。

离开炉子17的烟气的温度为1400-2200℉。

将在炉子17中产生的蒸汽提供到过热器19。将热烟气也提供到过热器19。该过热器将热从烟气传递到蒸汽，在集合管中产生通常处于600psig下的过热蒸汽，将该过热蒸汽提供到蒸汽涡轮机20。该烟气在约600-800℉的温度下离开过热器20。

蒸汽涡轮机20进行各种工作，诸如转动发生器以产生电力。将在穿过蒸汽涡轮机20的至少一级之后返回的过热蒸汽提供到再热器21的低温再热入口23。再热器21接收烟气并将热传递到从蒸汽涡轮机20返回的蒸汽以将其再加热并使再加热的蒸汽返回蒸汽涡轮机20的另一级。

作为一个实例，将从涡轮机返回的一些过热蒸汽导引到蒸汽加工装置100，其将在下文更详细地论述。

随后将烟气导引穿过空气预热器22。将热从烟气传递到将在磨机16和炉子17中作为一次空气和二次空气使用的大气压下的入口空气。

烟气在220-370℉的温度下离开空气预热器22且进入粒子分离装置24。粒子分离装置24可为静电沉淀器(esp)、织物过滤器24或用于收集气体中夹带的固态颗粒的其他已知装置。粒子分离装置24收集固态颗粒且将它们提供到处置系统38以便处置。

将诸如活性碳粒子或其他碳粒子的以粉末形式的碳质吸附剂28储存在料仓30中。在料仓30中的吸附剂28因为其粒子非常小易于彼此粘住并团聚而通常一起结块。

因此，吸附剂28由进料器32进料到喷射器74，喷射器74提供吸附剂28到吸附剂磨机34。因为该喷射器通常距吸附剂磨机34显著的距离，所以最好使用空气作为传输介质以将吸附剂28吹到吸附剂磨机34。如果将蒸汽用作所述系统的这部分中的传输介质，则存在温度降低到发生冷凝的危险。

过热蒸汽从再热器21的低温再热入口23提供。在该实施例中，从锅炉18还可得到过热蒸汽的其他来源，包括共混蒸气流。其穿过蒸汽分接头101到达蒸汽加工装置100，蒸汽加工装置100加工过热蒸汽以降低过热蒸汽的压力和温度并除去任何残余的冷凝物。蒸汽加工装置100还可回收一些热能以便在成套装置的其他地方使用。

将加工过的蒸汽提供到吸附剂磨机34。吸附剂磨机34将吸附剂28中的结块打碎并使其解聚。吸附剂磨机34还操作用以将吸附剂粒子粉碎成更多数目的具有较小尺寸的粒子。该较小的尺寸增加了有效表面/质量比，允许反应时间更快，而较大数目的粒子引起在烟气中更大程度地分散且增加粒子将物理接触汞气体的机会，增加系统的效率。

吸附剂34一旦解聚并粉碎，则将其提供到蒸汽喷射器35和/或管路输送以从蒸汽加工装置100接收加工过的蒸汽作为动力。蒸汽喷射器35和/或管路输送随后将加工过的吸附剂28送到分配器36。

与本发明相容的一种这样类型的吸附剂磨机34是喷射磨。在现有技术系统中，将空气压缩并迫使其进入分离装置以引起团聚粒子的结块破碎。需要显著的辅助成套设备能量来将空气压缩到分离装置所需要的点。

本发明不使用压缩空气作为用于解聚并粉碎活性碳粒子的能源。其使用在发电成套设备或设施中可得到的过热蒸汽。使用蒸汽的逻辑与已接受的逻辑相反，因为蒸汽通常具有水分且水分引起粉末团聚。

然而，通过保持温度高于冷凝点，水分并不从其气态形式出来并且不产生液滴。实际上，过热蒸汽实际上从粉状吸附剂中除去水分，减少团聚。

遗憾的是，在该系统的集合管中的过热蒸汽的压力为约550psig或更高。这比可由吸附剂磨机34使用的典型地约100psig的压力高得多。如果该过热蒸汽的压力太高，则分离装置34可能被损坏或不起作用。可将低温再热入口23用作过热蒸汽的一个潜在来源。该低温再热入口可具有处于约600psig的压力和635℉的温度的过热蒸汽。因此，该蒸汽必须改进以降低压力和温度。

在启动和关闭期间，蒸汽分接头将具有低于冷凝温度的温度。结果，在蒸汽分接头101中形成水分。如上所指出，水分引起团聚，这降低了系统的效率且应该避免。因此，必须加工该过热蒸汽以产生适当的压力/温度，同时还除去水分或冷凝物。

图2示出了图1的蒸汽加工装置100的更详细的图。蒸汽加工装置100采用可包括从该过热蒸汽中除去冷凝物的水阱和/或干燥器的水分减少单元110。

随后将该过热蒸汽提供到可包括使提供到其中的蒸汽减温的喷水器和/或换热器的温度降低单元120。该蒸汽的温度可通过将少量水喷雾到蒸汽中来降低。该量必须准确地计算并计量，从而水将全部保留在气相中并且在其在系统中使用期间不引起冷凝。

将该过热蒸汽提供到可包括可通过外部控制器操作的压力降低阀的压力降低单元130。

存在测量在蒸汽加工装置100的一个或多个位置处的压力和温度中的至少一者的传感器140。这些传感器140将其测量结果馈送到控制器150，控制器150可为蒸汽加工装置100的一部分或者在其外部。

如果需要的话，则控制器150用以读取来自水分减少单元110的传感器输入以确定是否存在应该除去的冷凝物。控制器150随后启动水阱阀门及诸如干燥器的其他设备以除去冷凝物。控制器150还可读取阀设置、流量、去除的总蓄积水等以进行其计算并启动温度降低单元120的部件。

控制器150读取传感器140以确定在温度降低单元120的位置处过热蒸汽的温度和压力、质量流速及其他必需参数，从而计算喷雾到过热蒸汽中的恰当水量。其还操作用以启动在温度降低单元120内的阀门以在如果需要减温喷雾时分配计算的恰当水量。

控制器150还接收来自传感器140的指出在压力降低单元130的位置处过热蒸汽的温度、压力、质量流速及其他必需参数的输入，从而计算对于在压力降低单元130内的压力降低阀的恰当阀开启。

在一个实施方案中，传感器140和控制器150交互地执行其任务以提供具有最少水分的约100psig的压力、550℉的温度的过热蒸汽。

控制器150可接收来自系统的其他处理器的输入和数据和/或操作人员输入。

将加工过的蒸汽提供到吸附剂磨机34。过热蒸汽具有以蒸气形式的过热水。与在现有技术装置中使用的压缩空气相比，过热蒸汽具有显著更大的热焓。

在该过热蒸汽中的内在能量在吸附剂28的解聚和粉碎期间消耗。这引起更细的磨碎和显著降低的操作能量成本。该更细的磨碎允许更多粒子分散在相同的体积中。这减少了在粒子间的间距并增加了吸附剂粒子与污染物气体接触的概率。

吸附剂磨机34可为粒子-粒子分离器或喷射磨，其中高压过热蒸汽是能源。

吸附剂磨机34执行三种功能：粒子-粒子解聚；粒度减小；和将粒子分类成a)欲使用的细粒和/或b)返回料仓30或滞留或返回以便进一步研磨(粒度减小)的粗粒子。

一些较大的粒子通过装置34粉碎。所得碳质吸附剂具有d50<15微米的碳质吸附剂的粒度分布，其中d50表示以质量计50％的所述粒子在所述接触批料中的总分布。

目标粒度分布d50<15微米，优选d50<8微米且最优选d50<4微米。

离开分离装置34的空气的静压典型地高于大气压力。连接到吸附剂磨机34的蒸汽喷射器35将加工过的吸附剂28移动到分配器36。优选约1-5psig的压力。

具有多个将加工过的吸附剂28注入到烟气中的注入喷枪37的分配器36优选在再热器21和空气加热器22之间。这引起吸附剂28在烟气中分配，使其与气体物理接触并吸附在烟气中的诸如元素汞和汞化合物的气态污染物。二噁英和呋喃以及诸如hcl、硒、砷、锑、铍、镉、钴、铅、锰、镍等某些其他危险的元素和化合物也可被吸附剂28吸附。

也可将吸附剂28注入到在锅炉18和对流烟道/过热器20之间、在对流烟道/过热器20和空气预热器22之间或在空气预热器22和esp/织物过滤器24之间的烟气流12中。

因此，用于除去元素汞或汞化合物的系统运用碳质吸附剂28。

在一个供选的实施方案中，在粉碎机16中粉碎的一部分煤炭在位置70处自粉碎机作为吸附剂28提取。优选在位置70处提取10-1000lb/hr的煤炭(进料到锅炉的总煤炭的约0.01-1.0％)、更优选50-500lb/hr且最优选100-200lb/hr的煤炭。可能需要鼓风机72来提供必需的动力以便移动提取的吸附剂固体28。

作为一个供选的实施方案，将过热蒸汽为分接头101提供来源并在没有蒸汽加工100的情况下在吸附剂磨机34中直接使用。回收的热能可以用该配置提取或者可能不用该配置提取。

对提取的吸附剂固体28进行一种或多种加工。可将吸附剂固体28用溶液29喷雾以将卤素沉积在吸附剂粒子28的表面上。溶液29选自碘化钾、溶解于碘化钾中的碘、碱金属卤化物(例如，nacl)和卤化物盐(例如，cacl2)或溶解于水中的氢卤酸(例如，hcl、hi、hbr、hf)。预期典型的添加量以在吸附剂28中具有约0-10重量％的卤素浓度。

添加剂29也可通过将它们注入到吸附剂磨机34中并将它们与碳质吸附剂28混合并且将它们加热到将局部地挥发添加剂但通过随后在碳上吸附而将其分配的温度而加入。优选碳质材料和添加剂将加热到的温度高于400℉且更优选高于500℉，从而确保其在那些温度下注入到烟气中时将是稳定的。可以上述方式合并的添加剂29的实例有碘或溴。这些添加剂29在加到吸附剂磨机34中时更有效地合并到加工过的吸附剂28中，并在吸附气态污染物的过程中将具有更高的效率。

在上述实施方案中解释的蒸汽分接头101从低温再热进口集合管23中提取典型地处于635℉和600psig的压力下的过热蒸汽。在本发明的其他实施方案中，蒸汽分接头101可从在锅炉18内的其他位置提取过热蒸汽。例如，蒸汽分接头101可接自(comeoffof)：

1)低温过热器进口集合管。该蒸汽典型地在650-850℉和2600-3000psig下；

2)在650-850℉和2600-3600psig下的过热器减温器出口集合管；

3)在900-1150℉和2500-3600psig下的过热器出口集合管；

4)在900-1150℉和500-700psig下的再热器出口集合管；

5)壁式吹灰器站。这些的温度和压力不同。

所有这些都将需要不同量的压力和温度降低，这可通过本发明交互地施用。

本发明优于现有技术装置的多个优点包括能够将吸附剂28磨碎成较细的粉末以减少在加工过的吸附剂(28)中的水分。减少的水分由此减少在系统的设备内的腐蚀。并且，注意到，通过使用过热蒸汽代替压缩空气，在吸附剂中存在较少的静电。这减少粒子的磁引力及其在烟气中磁性团聚的趋势。

虽然已经展示并描述了优选的实施方案，但是可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种改进和替换。因此，应了解已经通过说明而非限制描述了本发明。