CN103566703A - 高性能汞捕集 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高性能汞捕集。具体而言，提供用于从固体燃料燃烧烟道气体高性能地捕集汞的方法和***(110)。该方法包括将粉碎活性炭喷射到至少具有第一织物过滤器(118)和第二织物过滤器(128)的汞捕集***(110)中，收集捕集在第二织物过滤器(128)中的粉碎活性炭，并且将来自第二织物过滤器(128)的收集的粉碎活性炭喷射到第一织物过滤器(118)上游用于再使用以从过程气体捕集汞。

Description

高性能汞捕集
相关申请的交叉引用
本申请请求享有2012年8月7日申请的名称为“HIGH PERFORMANCE MERCURY CAPTURE”的美国临时专利申请序列号No.61/680,490的权益，该临时专利申请通过参照它的全部而合并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于从包括烟道气体的固体燃料燃烧产物中移除汞的***和方法，并且更具体而言涉及用于从由煤燃烧产生的烟道气体中移除元素汞或汞化合物的***和方法。
背景技术
在诸如城市废物焚烧的各种应用中，已经成功地论证了活性炭吸收汞蒸气的效用。然而，相比于燃煤发电厂烟道气体，在来自废物焚烧炉烟道气体的汞浓度存在显著差异，其中来自燃煤发电厂的汞浓度为低至十分之一至一百分之一之间的任何数值。另外，来自废物焚烧炉的烟道气体汞通常为氯化汞的形式，而来自燃煤发电厂的烟道气体汞通常为元素汞的形式。这两个差异使得更难从由燃煤发电厂产生的烟道气体中移除汞。
活性炭的利用系数很重要，因为活性炭很昂贵。行业中降低碳成本的努力包括使碳卤化(通常使用溴化物)。另外，碳可磨碎以减小碳颗粒的表面面积，并且/或者在较高温度下喷射到***中，每个措施均为了提高碳的利用系数而采用。然而，即使在这些行业努力的情况下，符合更严格的排放法规也需要提高碳喷射率。
在2011年12月16日，美国环境保护局(U.S. EPA)发布了针对现存发电厂和新发电厂的汞和其他空气污染物的新的更严格的排放法规。不燃烧低级煤的新发电厂产生的汞的新排放法规为2.0×10-4磅汞每百万千瓦时(lb汞/Gwh)。因此，存在用于实现符合法规、同时最大限度地减小与此相关联的附加成本的高性能汞捕集的需要。
发明内容
本发明的目的为提供一种用于燃煤发电厂的高性能汞捕集的方法，其在配备有两个或多个织物过滤器的***中使用粉碎活性炭用于实现符合法规。因此，该方法包括将粉碎活性炭在第二织物过滤器上游的点处喷射到***管道中用于汞捕集，收集来自最终织物过滤器的粉碎活性炭，并且与穿过***的烟道气体流相反地传送收集的粉碎活性炭，用于在第一织物过滤器的上游的点处喷射来用于***在汞捕集再使用。
本发明的另一个目的为提供一种用于在***中使用粉碎活性炭用于燃煤发电厂的高性能汞捕集的***。该***包括脱硫喷雾干燥吸收器、至少第一织物过滤器、第二织物过滤器，和布置成用于使从第二织物过滤器收集到的粉碎活性炭再循环，以用于与第一织物过滤器上游的气流相反地再喷射到***中的管道。
上文所述的用于高性能汞捕集的方法和***如被要求满足新的美国EPA法规的那样允许具有从燃煤发电厂烟道气体捕集百分之99.8或更多的汞的高性能汞捕集。因此，在当前所述的***中，烟道气体汞中的超过百分之90捕集在第一织物过滤器中，且剩余的烟道气体汞中的大部分捕集在第二织物过滤器或最终织物过滤器中。由于在第一织物过滤器之后剩余在烟道气体中的汞的量相对低，故吸收到活性炭上且捕集在第二织物过滤器或最终织物过滤器中的剩余汞量相对少。在仅仅很低水平的汞能够用于捕集的情况下，来自第二织物过滤器或最终织物过滤器的粉碎活性炭中的大部分保持活性，且能够移除额外的汞。因此，从第二织物过滤器或最终织物过滤器移除的仍为活性的粉碎活性炭对于在***的第一织物过滤器中的使用是理想的。
本发明的其他目的和优点将从下文提供的附图及其详细描述中变得清楚。
附图说明
通过参看附图，本发明可被更好地理解，且其许多目的和优点对于本领域的技术人员是显而易见的，在附图中：
图1为现有技术的汞捕集***的示意图；并且
图2为本发明的高性能汞捕集***的示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种从包括烟道气体的固体燃料燃烧产物中移除元素汞和/或汞化合物的***和方法，并且更具体而言涉及用于从由煤燃烧产生(诸如，来自燃煤发电厂)的烟道气体或过程气体中移除元素汞和/或汞化合物的***和方法。
在美国，一种常用的煤为通常来自保德河盆地(the Powder River Basin)的亚烟煤，通常称为PRB煤。PRB煤可具有大约10磅每万亿英国热单位(lb/TBtu)的汞含量。对于新发电厂，为了满足美国环境保护局(U.S. EPA)法规，汞捕集设备或***需要捕集或移除存在于烟道气体中的汞的超过百分之99.8。当前的汞排放法规较不严格，要求大约1.2lb/TBtu，或要求存在于烟道气体中的汞的略小于百分之90的移除。
有利地用于实现大约百分之90的汞捕集的现有技术的***在图1中示为***10。***10包括由诸如煤的固体燃料的燃烧供能的锅炉22。为了此种燃烧，空气进入空气预热器14的入口34且流动穿过流体地连接于其且连接于锅炉22的管36。作为此种燃烧的结果，燃烧产物(烟道气体)从锅炉22经由流体地连接的出口管38流至流体地连接的空气预热器14。在烟道气体流动穿过空气预热器14之后，来自PAC供应源12的粉碎活性炭(PAC)经由流体地连接的管24引入穿过流体地连接的管26的烟道气体流中。除流体地连接于管24之外，管26同样流体地连接于空气预热器14和脱硫喷雾干燥吸收器16且在空气预热器14与脱硫喷雾干燥吸收器16之间。PAC供应源12布置在空气预热器14与脱硫喷雾干燥吸收器16之间，以便相对于穿过***10的烟道气体流而在空气预热器14的下游且在脱硫喷雾干燥吸收器16的上游。从PAC引入管26中起，PAC与烟道气体流一起传送穿过***10至包括脱硫喷雾干燥吸收器16和织物过滤器18的脱硫单元28。脱硫喷雾干燥吸收器16和织物过滤器18借助于管32而流体地连接。存在于烟道气体中的汞在织物过滤器18中的PAC捕集之前由PAC吸收。在PAC在织物过滤器18中被捕集之后，从其中移除了大约百分之90的汞的所得清洁气体经由流体地连接的管30从织物过滤器18流出至排气管20。因此，清洁气体流动穿过排气管20用于释放至大气。尽管如上所述，***10对于移除来自燃煤发电厂的烟道气体中存在的汞的大约百分之90是有效的，但对于满足新的U.S. EPA汞排放法规的目的是无效的。
图2示出了一种用于从由燃煤发电厂产生的烟道气体高性能地捕集汞的***110，其有利地用于捕集大于百分之90的烟道气体汞，且更具体而言，有利地用于捕集大约百分之99.8或更多的烟道气体汞。***110包括用于燃烧固体燃料(诸如PRB煤等)的锅炉122。为了此种燃烧，空气进入空气预热器114的入口134且流动穿过流体地连接于其且连接于锅炉122的管136。由锅炉122的固体燃料燃烧产生的烟道气体从锅炉122穿过流体地连接的出口管138流至流体地连接的空气预热器114。空气预热器114不但对于在空气到达锅炉122之前加热进入入口134的空气是有效的，而且对于在流动穿过流体地连接的管126之前冷却流自锅炉122的烟道气体是有效的。
当***110在使用中时，来自新鲜PAC供应源112的新鲜PAC和来自再循环PAC供应源124的再循环PAC传送到空气预热器114之前的出口管138。因此，新鲜PAC从新鲜PAC供应源112穿过流体地连接的管142流至流体地连接的管140，管140流体地连接于出口管138。同样，再循环PAC从再循环PAC供应源124穿过流体地连接的管144流至流体地连接的管140，在此，新鲜PAC和再循环PAC两者在烟道气体到达空气预热器114之前在接触点138a处引入穿过出口管138的烟道气体流中。到达空气预热器114之前的接触点138a处的烟道气体的温度为从400℉至1100℉。
在400℉至1100℉内的温度下引入PAC提高PAC吸收效率。作为在出口管138中引入PAC的备选方案，新鲜PAC和再循环PAC可在管道中的改造时引入管126中，以使用管126(未示出)流体地连接管142与144。然而，通过将PAC引入从出口管138移动至管126，PAC吸收效率可由于出口管138中的温度与管126中的温度之间的温差而减小。如果PAC吸收效率如此降低，则与其相关联的成本上升。因此，尽管管126中的PAC引入是一个选项，但优选在空气预热器114之前的出口管138中引入PAC，以提高汞移除效率并且降低成本。
如图2所示，新鲜PAC和再循环PAC两者在烟道气体到达空气预热器114之前，在接触点138a处引入穿过出口管138的烟道气体流中。烟道气体和携带的新鲜PAC和再循环PAC从空气预热器114穿过流体地连接的管126流至流体地连接的脱硫单元128。脱硫单元128包括脱硫喷雾干燥吸收器116和第一织物过滤器118。脱硫喷雾干燥吸收器116和第一织物过滤器118借助于管132而流体地连接。携带PAC的烟道气体流动穿过脱硫单元128以完成第一级反应。为了第一级反应(由此PAC吸收烟道气体汞)，新鲜PAC和再循环PAC两者具有小于大约15微米的中值粒度(d50)，其中d50代表该批中百分之50质量的颗粒。
烟道气体从脱硫喷雾干燥吸收器116穿过流体地连接的管132流至流体地连接的织物过滤器118。WO 96/16722中描述了此类脱硫单元的实例，其通过引用而全部合并入本文中。WO 96/16722公开了一种方法，其中含有石灰的灰尘在混合器中与水混合，且然后引入接触反应器中以与流动穿过其间的烟道气体中的气态污染物反应。包括化学或物理地转化的气态污染物的所得的灰尘然后在过滤器中分离，循环至混合器，且与水再次混合以再引入接触反应器中来重复该过程。此类脱硫喷雾干燥吸收器为潮湿灰尘流化床脱硫单元的一部分。
在脱硫喷雾干燥吸收器116之后，烟道气体穿过管132流至流体地连接的第一织物过滤器118。织物过滤器118在烟道气体流动穿过其间时捕集在烟道气体中携带的干燥颗粒。存在于烟道气体中的汞中的大约百分之90被捕集在织物过滤器118中。
当烟道气体从织物过滤器118流动穿过流体地连接的管130时，新鲜PAC经由流体地连接的管146从新鲜PAC供应源126引入烟道气体中，用于第二级反应。尽管织物过滤器118已经经由PAC(汞被吸收到其上)的捕集而移除了大部分汞，但在烟道气体中剩余少量。本***提供用于剩余的汞与大量新鲜碳或PAC的接触，且然后在第一织物过滤器118中将其再使用。因此，来自新鲜PAC供应源126的新鲜PAC吸收在烟道气体中剩余的任何汞。带有PAC(其具有吸收在其上的汞)的烟道气体然后流动穿过第二织物过滤器或最终织物过滤器128。
第二织物过滤器或最终织物过滤器128如此命名是因为***110具有至少两个织物过滤器，但取决于烟道气体的成分和排放控制要求而可具有多于两个织物过滤器。在第二织物过滤器或最终织物过滤器128中，在第一织物过滤器118之后剩余在烟道气体中的几乎所有汞都通过PAC捕集而被捕集。由于加至第二级的PAC的为足够用于第一级反应和第二级反应两者的量，故可用于在第二级反应中吸收汞的PAC远超过为了汞捕集而需要的。此外，存在于来自燃料燃烧的烟道气体的飞灰和来自脱硫单元128的类似副产物固体被捕集在第一织物过滤器118中，从而允许在第二织物过滤器或最终织物过滤器128中捕集的PAC被相对没有污染物地收集。在第二织物过滤器或最终织物过滤器128中的此类汞捕集之后，所得的清洁烟道气体从第二织物过滤器或最终织物过滤器128经由流体地连接的管148流出至流体地连接的排气管120。清洁烟道气体流动穿过排气管120用于释放到大气中。
仅已吸收相对较少量的汞的来自第二织物过滤器或最终织物过滤器128的PAC具有额外的吸收能力，且通过流体地连接的管150被收集且传送至再循环PAC供应源124。由于大部分汞在第一织物过滤器118中被捕集，故在第二织物过滤器或最终织物过滤器128中被捕集时，来自新鲜PAC供应源126的新鲜PAC仍大部分未反应。因此，来自第二织物过滤器或最终织物过滤器128的PAC对于为了降低成本而在***110内再循环的目的是理想的。
一种高性能汞捕集方法包括：在第一级反应器中，将粉碎活性炭和再循环粉碎活性炭引入脱硫喷雾干燥吸收器或第一织物过滤器上游的燃烧***的烟道气体流中；在脱硫喷雾干燥吸收器下游的第一织物过滤器中，从烟道气体流捕集具有吸收于其上的烟道气体汞的粉碎活性炭；在第二级反应器中，将粉碎活性炭引入第二织物过滤器上游的烟道气体流中；并且在第二织物过滤器中，从烟道气体流捕集具有吸收在其上的剩余烟道气体汞的粉碎活性炭，以获得能够为大气释放所接受的清洁烟道气体。
作为重要的注意事项，PAC吸收效率可被烟道气体中的SO3污染物的存在影响。SO3存在于一些煤中。因此，在煤燃烧时，存在于其中的SO3变为由于煤燃烧而产生的烟道气体中存在的另一种污染物。如果SO3存在于固体燃料或煤中，则为了实现符合法规，可需要将新鲜PAC和再循环PAC在接触点132a处引入穿过管132的烟道气体流中，而非将新鲜PAC和再循环PAC在接触点138a处引入穿过出口管138的烟道气体流中。通过在脱硫喷雾干燥吸收器116之后但在织物过滤器118之前将PAC引入管132中，存在于烟道气体中的至少一部分SO3在PAC引入其中之前从其中移除。在PAC引入烟道气体中之前移除烟道气体中存在的任何SO3的至少一部分保护PAC对汞的吸收效率。通过保护PAC对汞吸收的吸收效率，降低与其相关联的成本。因此，如果含有SO3的固体燃料或煤用于锅炉122，则管140可重新布置(未示出)来用于流体连接于管132而非出口管138。作为重新布置管140的流体连接的备选方案，附加管(未示出)可布置成将管142和144流体地连接于管132，从而允许***灵活性。利用这种灵活性，取决于燃烧的固体燃料或煤的类型，PAC经由管140引入出口管138中或经由附加管引入管132中。因此，如果SO3不存在于燃料源中，则***受控用于PAC穿过管142和144流至管140，以用于引入出口管138中。如果SO3存在于燃料源中，则***受控用于PAC穿过管142和144流至流体地连接于管132的附加管(未示出)，以用于PAC引入流动穿过管132的烟道气体中。如上文所述的***控制可通过布置在管140和附加管中的、人工控制的或远程计算机控制的阀或阻尼器(未示出)，以控制穿过其间的PAC流。
在含有H2SO4的烟道气体或具有类似硫污染物的烟道气体存在时,***操作应同样地受到控制。类似于含有SO3的烟道气体，含有H2SO4的烟道气体可影响PAC吸收效率。因此，为了保护PAC吸收效率，在从烟道气体移除至少一部分H2SO4之后引入PAC是合乎需要的。其可以通过与上文所述的用于含有SO3的烟道气体的方式相同的方式完成。
尽管已经示出并描述了优选实施例，但可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对其作出各种修改和替换。因此，应当理解的是，已经作为示例而非限制而描述了本发明。

Claims (15)

1. 一种用于高性能汞捕集的方法，包括：
将粉碎活性炭喷射到至少具有第一织物过滤器(118)和第二织物过滤器(128)的***(110)中；
收集捕集在所述第二织物过滤器(128)中的所述活性炭；并且
将来自所述第二织物过滤器(128)的所述收集的活性炭喷射到所述第一织物过滤器(118)上游，用于再使用以从过程气体捕集汞。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，来自所述第二织物过滤器(128)的所述收集的活性炭喷射到空气预热器(114)的上游。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，来自所述第二织物过滤器(128)的所述收集的活性炭喷射到具有400℉至1100℉的温度的烟道气体中。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，来自所述第二织物过滤器(128)的所述收集的活性炭具有小于大约15微米的中值粒度。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法有利地用于捕集大于百分之90的烟道气体汞。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法有利地用于捕集大约百分之99.8或更多的烟道气体汞。
7. 一种用于高性能汞捕集的***(110)，
其特征在于，
    脱硫喷雾干燥吸收器(116)；
    第一织物过滤器(118)；
    第二织物过滤器(128)；和
    管道(150)，其从所述第二织物过滤器(128)流体地连接于所述第一织物过滤器(118)上游的点，用于使粉碎活性炭的流与穿过所述***(110)的烟道气体流相反，来用于使从所述第二织物过滤器(128)收集的所述粉碎活性炭再循环至所述第一织物过滤器(118)上游的点用于再使用于碳捕集。
8. 根据权利要求7所述的***(110)，其特征在于，所述脱硫喷雾干燥吸收器(116)为潮湿灰尘流化床脱硫单元(128)的一部分。
9. 根据权利要求7所述的***(110)，其特征在于，来自所述第二织物过滤器(128)的所述收集的粉碎活性炭喷射到空气预热器(114)上游的管(140)中。
10. 根据权利要求7所述的***(110)，其特征在于，来自所述第二织物过滤器(128)的所述收集的粉碎活性炭喷射到具有烟道气体流的管(138)中，所述烟道气体流具有400℉至1100℉的温度。
11. 根据权利要求7所述的***(110)，其特征在于，来自所述第二织物过滤器(128)的所述收集的粉碎活性炭具有小于大约15微米的中值粒度。
12. 根据权利要求7所述的***(110)，其特征在于，所述***(110)有利地用于捕集大于百分之90的烟道气体汞。
13. 根据权利要求7所述的***(110)，其特征在于，所述***(110)有利地用于捕集大约百分之99.8或更多的烟道气体汞。
14. 根据权利要求7所述的***(110)，其特征在于，所述***(110)有利地用于捕集含有硫的烟道气体污染物和大于百分之90的烟道气体汞。
15. 根据权利要求7所述的***(110)，其特征在于，所述***(110)有利地用于捕集含有硫的烟道气体污染物和大约百分之99.8或更多的烟道气体汞。
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