KR20050004807A - 고온 연도 가스로부터 수은 종들을 제거하는 방법 및 장치 - Google Patents

고온 연도 가스로부터 수은 종들을 제거하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

화석-연료 에너지 변환 공장으로부터 발산되어 연도 가스관을 통해 통과하는 수은 및 입자 고형물들을 함유하는 연도 가스로부터 수은을 제거하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 (a) 수은을 HgCl2로 산화시키기 위해 주입 위치에서 연도 가스관 내로 용매에 용해된 적어도 하나의 염화물-함유 염을 함유하는 용액을 주입함으로써 그 용액과 연도 가스 중의 수은을 접촉시키는 단계, (b) (a) 단계 전후에 용액을 적어도 300℃로 가열하는 단계, 및 (c) 연도 가스로부터 입자 고형물들을 제거하는 디바이스에 의해 연도 가스로부터 산화된 수은을 제거하는 단계를 포함한다.

Description

고온 연도 가스로부터 수은 종들을 제거하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR REMOVING MERCURY SPECIES FROM HOT FLUE GAS}
높은 레벨의 수은에 노출되는 것은 인류에게 심각한 신경학적 효과 및 발생 분화적 효과들과 관련된다. 공기 중의 수은의 농도는 보편적으로 낮고, 걱정할 필요가 없지만, 일단 수은이 물에 들어가면, 물고기 내에 축적될 수 있고 수은-오염된 물고기를 먹는 사람들에게 해롭게 된다. 화석 연료들은 수은을 포함하는 많은 중금속들을 함유한다. 석탄 중의 수은의 레벨이 보편적으로 약 0.05 내지 0.2ppmw로 낮은 경우조차, 석탄-연소 동력 공장들로부터 수은 방출은 최근에 공중 건강에 현저한 위험을 부과하는 것으로 판정되고 있다. 따라서, 설비 전력 공장들의 배기 가스 내의 수은의 감소는 매우 중요하다.
화석-연료 연소 동력 공장들의 배기 가스들이 원소 형태, 산화된 형태 또는 특정 형태로 수은을 함유할 수 있다는 것은 공지되어 있다. 배기 가스들 중의 원소 수은은 검댕 및 다른 입자들에 접착되지 않지만, 배기 가스들이 약 65℃로 냉각된 후조차 증기 형태로 남는 경향이 있다. 따라서, 배기 가스들 중의 원소 수은은정전 석출기, 패브릭 필터, 또는 종래의 세정기들 등의 종래의 분진 제거 디바이스들에 의해 회수되지 않고, 대신에 대기 중으로 방출된다.
지역의 고형 폐기물 소각로로부터 배기 가스들 중의 많은 수은 방출들은 대기 오염 제어 디바이스들의 상류의 배기 가스들 내로 주입되고 있는 분말 형태의 활성화된 탄소에 의해 종종 조절된다. 그러나, 동력 공장들로부터 연도 가스들의 단위 부피당 수은 방출들 레벨은 폐기물 소각로들로부터 방출된 것보다 거의 일 또는 2차수 낮은 크기이다. 이는 비용-효과적인 방식으로 현행 활성화된 탄소 기술을 사용함으로써 동력 공장들로부터 그와 같이 낮은 수은 농도 레벨을 포획하기가 매우 어렵게 만든다.
많은 연료들은 염소를 함유하고, 이는 연도 가스들 중의 수은의 일부와 반응하여 수은 염화물들을 형성한다. 가스상 수은 염화물들은 플라이 애쉬 입자들 상에 또는 큰 표면적 소르벤트들 상에서 응축되는 경향이 있고, 이는 종래의 분진 제거 디바이스들에 의해 배기 가스들로부터 효과적으로 제거될 수 있다. 수은 염화물들은 물에 고도로 잘 용해되기도 하고, 따라서 습식 세정 유닛들의 수용액들 중에 흡수시킴으로써 연도 가스로부터 제거될 수 있다.
석탄 연소 시스템들로부터 방출된 트레이스 원소들에 대한 초기 연구들은 연소 시스템들의 노 내의 염소 함량의 증가가 HgCl2형성의 증가를 유도하고, 분무 건조기는 노에 존재하는 연도 가스로부터 HgCl2를 제거하는데 효과적임을 보여준다. 최근에, 특이적 연도 가스 세정 장비와 함께 사용되어야 하고, 배기 가스 내의 Cl-함량을 증가시키는 단계를 포함하는 수은 감소 방법들을 개시하는 특허들이 있다.
미합중국 특허 제5,435,980호는 원소 Hg를 HgCl2로 변환시키기 위해 낮은 염화물 함량을 갖는 석탄을 연소시킴으로써 초래되는 연도 가스를 세정할 때 분무 건조기에 공급된 염화물의 양을 증가시키는 것을 기재한다. 염화물 증가는 예를 들면 분무 건조기 내의 염기성 흡수제의 수성 현탁액 중의 알칼리 금속염 용액을 혼입시킴으로써, 또는 노 내의 석탄에 염소-함유 물질을 공급함으로써 또는 노의 하류의 연도 가스 내로 가스상 HCl을 주입함으로써 수행된다. 대안으로, 미합중국 특허 제5,900,042호는 가스 스트림을 예를 들면 염소 용액 또는 염소산(HClO3)과 반응시켜 가스 스트림 내의 원소 수은을 가용성 수은 화합물로 변환시키고, 가스 스트림을 습식 세정기를 통해 통과시키는 것을 제안한다.
유럽 특허 공개 제0,860,197호는 수은 염소화제, 예를 들면 염화 수소(HCl) 또는 염화 암모늄(NH4Cl)을 촉매적 NOx반응 유닛의 상류 배기 가스에 부가하여 탈니트로기 촉매 상의 염화 수은(HgCl2)으로 변환시키는 것을 제안한다. 이러한 방법에서, 수용성 HgCl2는 습윤 탈황 유닛 중에서 알칼리 흡수 용액에 의해 제거된다. 이 방법은 탈니트기 촉매를 함유하는 시스템에서만 이용될 수 있다.
그러나, 위에 관한 특허들에서 논의된 모든 방법들은 낮은 수은 레벨들로 불량한 수은 제거 효율을 겪을 수 있고(있거나) 배기 가스관의 부식을 유발할 수 있다.
본 발명은 화석-연료 에너지 변환 공장에서 생성된 고온 연도 가스로부터 수은 종들, 특히 원소 수소를 제거하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 고온 연도 가스로부터 수은을 제거하기 위한 신규하고 효율적인 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 부피 큰 연도 가스 스트림으로부터 낮은 레벨들의 수은을 효과적으로 제거하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 고온 연도 가스로부터 수은을 효과적으로 제거하고 연도 가스관의 부식을 최소화시키기 위한 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고온 연도 가스로부터 수은 및 질소 산화물들을 동시에 제거하기 위한 낮은 단가의 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 이들 목적 및 기타 목적들을 달성하기 위해, 연도 가스로부터 수은을 제거하는 신규한 방법이 독립항의 방법 청구항에 개시된 바와 같이 제공된다. 따라서, 본 발명은 화석-연료 에너지 변환 공장으로부터 발산되어 연도 가스관을 통해 통과하는 수은 및 입자 고형물들을 함유하는 연도 가스로부터 수은을 제거하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 다음 단계들: 즉, (a) 수은을 HgCl2로 산화시키기 위해 주입 위치에서 연도 가스관 내로 예를 들면 물에 용해된 염화물-함유 염을 함유하는 용액을 주입함으로써 그 용액과 연도 가스 중의 수은을 접촉시키는 단계, (b) (a) 단계 전후에 용액을 적어도 300℃로 가열하는 단계, 및 (c) 연도 가스로부터 입자 고형물들을 제거하는 수단에 의해 연도 가스로부터 산화된 수은을 제거하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 독립항의 장치 청구항에 기재된 바와 같이, 연도 가스로부터 수은을 제거하는 신규한 장치를 제공한다. 따라서, 본 발명은 화석-연료 에너지 변환 공장으로부터 발산되는 수은 및 입자 고형물들을 함유하는 연도 가스로부터 수은을 제거하는 장치를 제공한다. 이 장치는 배기 가스들을 운반하는 연도 가스관; (i) 예를 들면 물에 용해된 염화물-함유 염의 용액을 적어도 약 300℃로 가열하는 수단 및 상기 용액을 상기 연도 가스관 내로 주입하는 수단 또는 (ii) 상기 연도 가스 중의 수은을 HgCl2로 산화시키기 위해, 물에 용해된 염화물-함유 염의 용액을 상기 연도 가스관의 상류 부분으로 주입하는 수단; 및 상기 연도 가스로부터 입자 고형물들 및 상기 입자 고형물들 상에 응축된 산화된 수은을 제거하는 수단을 포함한다.
연도 가스가 냉각될 때, 상기 연도 가스 중의 산소는 Hg의 적어도 일부를 HgO로 산화시킨다. HgO의 적은 분획은 연도 가스 중의 플라이 애쉬 입자들 상에 응축되고, 따라서, 정전 석출기 또는 패브릭 필터 등과 같이 연도 가스로부터 입자 고형물들을 제거하는 수단에 의해 연도 가스로부터 제거될 수 있다.
본 발명의 기본 개념은 연도 가스 내의 원소 수은이 물 등의 용매에 용해된 염화물-함유 염을 함유하고 적어도 약 300℃로 가열된 용액과 수은을 접촉시킴으로써 수은 염화물로 효과적으로 산화된다는 것이다. 가열 도중에, 용액 중의 염은 분자들 및 이온들로 해리된다. 따라서, 용액의 가열에 의해 연도 가스 중의 수은을 HgCl2로 변환시키는 염의 능력을 개선시킨다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따라, 주입 위치는 (i) 내부의 연도 가스 온도가 약 650℃ 내지 약 980℃이고, 용액을 연도 가스관 내에서 적어도 약 300℃까지 신속히 가열되게 하거나, 또는 (ii) 내부의 연도 가스 온도가 약 650℃ 미만이고, 용액이 연도 가스관 내로의 그의 주입에 앞서 적어도 약 300℃로 가열되도록 선택된다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따라, 염화물-함유 염은 염화 암모늄(NH4Cl)이다. 물 등의 용매 중의 NH4Cl의 용액이 연도 가스 온도가 약 650℃ 이상인 주입 위치에서 연도 가스관에 주입될 때, 용액 중의 NH4Cl은 신속히 가열되어, Cl-및 NH4 +이온들, 및 Cl2, NH3, HCl 분자들을 포함하는 많은 형태들로 해리된다. 연도 가스가 연도 가스관에서 냉각될 때, 염소 종들은 Hg 및 HgO와 반응하고, 약 370℃ 미만일 때, 주로 HgCl2가 형성된다. 주입 위치는 NH4Cl로부터 형성된 염소 종들이 대부분의 원소 수은을 HgCl2로 변환시키기에 충분한 잔류 시간을 갖도록 연도 가스관의 상류 부분에 존재하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 주입 위치는 연도 가스의 온도가 약 700℃ 이상이고, 보다 바람직하게는 약 800℃ 이상이도록 한다. 이들 온도에서, NH4Cl로부터 형성된 NH3는 선택적인 비촉매 환원(SNCR) 공정에 따라 연도 가스의 산화 질소 레벨을 감소시킨다. 그러나, NH3와 NOx의 반응 속도는 실질적으로 약 700℃ 이하로 감소된다.
에너지 변환 공장이 순환하는 유동층 보일러를 포함할 때, NH4Cl 용액은 보일러의 노의 바로 아래에, 바람직하게는 보일러의 고온 루프 사이클론과 노 사이의 채널에 주입되는 것이 유리하다. 이러한 위치에서, 온도는 전형적으로 약 800℃ 이상이고, 애쉬 및 미연소된 연료 입자들의 농도는 비교적 높다. 미분탄 연소기를 포함하는 공장에서, NH4Cl은 노의 바로 아래쪽으로 주입되는 것이 바람직하고, 여기서 온도는 전형적으로 약 800℃ 이상이고, 배기 가스는 미연소된 탄소 입자들을 여전히 함유한다.
NH4Cl 용액은 연도 가스관으로 주입되기 전에, 어느 정도까지, 예를 들면 약 100℃ 내지 약 200℃로 가열되는 것이 유리하다. 용액의 초기 온도가 높을수록 NH4Cl가 연도 가스관 내에서 많은 이온들 및 분자들로 해리되는 것을 가속화시키고, 따라서 연도 가스가 약 370℃로 냉각되기 전에 목적하는 염소 화합물들 및 이온들이 형성되도록 보장하고, 여기서 현저한 HgCl2형성이 시작된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라, NH4Cl 용액은 이 용액이 연도 가스관 내로 주입되기 전에, NH4Cl 분자들이 예를 들면 NH3및 HCl 분자들로 해리되도록 먼저 약 300℃로 가열된다. 이러한 방식으로, 이 용액은 보다 낮은 온도에서 연도 가스 내로 주입될 수 있고, 그 이유는 HCl 및 기타 염소 화합물들 및 이온들이 Hg와 즉각적으로 반응할 수 있고 HgCl2를 형성할 수 있기 때문이다. 동시에, 주입된NH3는 예를 들면 선택적인 촉매적 환원(SCR) 유닛에서 연도 가스의 NOx레벨을 감소시키기 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따라, 염화물-함유 염은 염화 나트륨(NaCl), 염화 칼륨(KCl) 및 염화 칼슘(CaCl2)으로 구성된 군으로부터 선택된다. 다른 바람직한 염들과 마찬가지로, 이들 염들은 연도 가스관의 고온 지대로 주입될 수 있고, 적어도 약 300℃까지 내부에서 신속히 가열될 수 있거나, 또는 연도 가스관의 저온 지대로 주입되기 전에 적어도 최소 온도로 가열된다. 최소 가열 온도는 염화물-함유 염의 형태에 따라 변화하지만, 일반적으로 약 300℃ 내지 약 700℃ 사이이다.
HgCl2분자는 원소 수은보다 연도 가스 내의 플라이 애쉬 입자들 상에서 훨씬 더 잘 응축되는 경향이 있다. 충분한 양의 염화물-함유 염이 상기한 바의 연도 가스 내로 주입될 때, 연도 가스 내의 실질적으로 모든 원소 수은이 산화되고, 나머지 원소 수은의 양은 트레이스 레벨들로 감소된다. 약 130℃ 내지 약 170℃의 온도에서 유리하게 위치하는 종래의 저온 집진기들은 약 90% 이상의 산화된 수은 또는 입자 수은을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 집진기는 예를 들면 정전 석출기 또는 패브릭 필터일 수 있다. 이들 2가지 대체물들에서, 패브릭 필터가 보다 효과적으로 보인다. 그 이유는 HgCl2분자들이 필터 백들 상에 수집된 분진 상에서 응축될 확률이 보다 크기 때문으로 생각한다.
연도 가스 내의 입자들 상으로 HgCl2분자들이 응축되는 확률을 증가시키기 위해, 플라이 애쉬의 양은 입자 제거 장비 내에 수집된 플라이 애쉬의 일부를 연도 가스관으로 되돌려 순환시킴으로써 유리하게 증가될 수 있다. 바람직하게는, 순환된 플라이 애쉬의 일부는 연도 가스 내의 플라이 애쉬 함량이 적어도 약 1g/Nm3으로 증가되도록 선택된다. 연도 가스 중의 고형물들의 농도는 애쉬 표면 기공도, 황 산화물 레벨, 투입된 고형물들 중의 염소 농도, 연도 가스의 수분 함량 및 작동 온도 등의 변수들에 좌우되어 약 1000g/Nm3만큼 크게 증가할 수 있다.
순환된 플라이 애쉬는 그것이 연도 가스관으로 되돌려 주입되기 전에 처리될 수도 있음으로써, 연도 가스로부터 HgCl2를 제거하는 그의 능력을 개선시킨다. 플라이 애쉬를 처리하는 하나의 방법은 가장 작은 입자들로부터, 예를 들면 사이클론에 의해 플라이 애쉬를 연도 가스관으로 재주입하기 전에 플라이 애쉬로부터 보다 큰 입자를 스크리닝하는 것을 수반한다. 따라서, 미립자 분획은 염화 수은 제거를 증가시키고, 특히 그 이유는 그의 큰 표면적 및 다공성 표면 구조 때문이고, 이는 그의 상대적으로 높은 함량의 미연소 탄소에 관련된다. 그의 조성에 의존하여, 플라이 애쉬는 연도 가스 중의 HCl의 존재 하에 원소 수은의 산하를 촉매할 수도 있다. 이러한 효과는 수은의 산화를 촉매하는 재순환된 플라이 애쉬 기질들, 예를 들면 Fe2O3또는 CuO 등의 트레이스 금속 산화물들의 부가에 의해 증진될 수 있다.
수은 제거는 집진기에 의해 연도 가스로부터 제거되지 않은 HgCl2분자들을제거함으로써 추가로 개선될 수 있다. 나머지 HgCl2분자들의 적어도 일부는 연도 가스관 하류에 위치하는 분무 건조기 또는 습식 세정기 내의 흡수 물질 또는 용액에 의해 제거될 수 있다.
NH4Cl의 가격은 활성화된 탄소의 가격과 거의 동일하다. 그러나, Hg와 Cl-함유 입자들, 예를 들면 HCl 분자들 간의 반응이 가스상 반응인 한, 어떠한 물리적 흡착도 필요치 않고, 따라서, 동일한 수은 감소 효과에 대해, NH4Cl의 필요한 양은 활성화된 탄소의 양보다 적다. 또한, 수은 감소를 위해 활성화된 탄소의 사용을 피하게 될 때, 애쉬 내의 탄소의 증가를 피하게 된다. 이는 애쉬의 효과적인 용도들을 개선시킨다.
주입에 사용된 염화물-함유 염의 양은 사용된 연료의 유형, 특히 연료의 수은 및 염소 함량에 의존한다. 연료 내에 보다 많은 염소가 존재할 때, 충분한 수은 산화를 위해 보다 적은 염이 필요하다. 본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따라, 주입된 염화물-함유 염의 양은 연도 가스 중의 염소의 레벨이 건조 연료 피드 중의 0.3%의 연료 염소 함량을 갖는 연소하는 연료로부터 초래될 수 있는 것과 동일하거나 또는 더 적도록 하는 것이다. 예를 들면, 연도 가스의 목적하는 염소 농도는 연도 가스 내에 0.1-0.2% 염소 함량, 전형적으로 약 100 내지 200 ppm 염소 농도를 갖는 연료에 의해 생성된 것에 대응할 수 있다.
유리하게는, 연도 가스 내의 HCl 레벨과 Hg 레벨 간의 적어도 100:1의 몰비가 Hg를 HgCl2로 산화시키는데 사용된다. 수은 레벨들이 낮을 때, 연도 가스 중의HCl 레벨 및 Hg 레벨들의 필요한 몰비는 100:1 이상, 예를 들면 1000:1 또는 심지어 50000:1일 수 있다. 주입에 사용된 염화물-함유 염의 정량에 대한 상한선은 내부의 연도 가스관 또는 열 회수 표면들 및 기타 장비들의 임의의 부식을 피하려는 욕구에 의해 결정된다.
본 발명은 수은-함유 연도 가스 내로 염소 종들을 부가하기 위한 신규 방법 및 장치를 제공하고, 여기서, 이 방법 및 장치는 주입된 염소의 사용을 개선시킨다. 주입 위치 배기 가스의 온도 및 주입하는 염화물-함유 염 용액을 적절히 선택함으로써, 염소의 보다 효율적이 사용이 얻어진다. 따라서, 과량의 염소의 양 및 그에 따른 연도 가스관의 부식이 최소화된다.
본 발명은 많은 유형들의 화석-연료 변환 공장들에 적용될 수 있다. 이들은 예를 들면 순환하고 버블링하는 유동층 연소기들 및 가스화기들, 미분 연료 소성 및 가스화 공장들 및 폐기물 소각로들을 포함한다.
도면의 간단한 설명
상기 간단한 설명 뿐만 아니라 본 발명의 추가의 목적들, 특징들 및 장점들은 현재 선호되지만, 뿐만 아니라 예시적인 다음 상세한 설명, 수반되는 도면들과 관련하여 취한 본 발명에 따른 실시예들을 참조함으로써 보다 완전히 이해될 것이며, 여기서
도 1은 본 발명의 제1의 바람직한 실시예에 따른 보일러 공장을 개략적으로 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 제2의 바람직한 실시예에 따른 보일러 공장을 개략적으로나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 제3의 바람직한 실시예에 따른 보일러 공장을 개략적으로 나타내는 도면.
도 1은 순환하는 유동층 연소기(12)를 갖는 보일러 공장(10)을 개략적으로 보여준다. 순환하는 유동층 연소기에서, 연료, 층 물질 및 가능한 소르벤트 물질은 유동하는 공기에 의해 노(14) 내에서 유동화되고, 이는 연소 공기 도입 수단(16)에 의해 노로 도입된다. 통상적으로, 공기는 노(14)에 이 노의 다중 레벨로 도입되지만, 간단히 하기 위해, 도 1은 노의 바닥에 위치하고 있는 공기를 도입하는 수단(16) 만을 보여준다. 노(14)에서 생성된 배기 가스들 및 배기 가스들과 인트레인된 층 입자들은 노(14)의 상부에 있는 채널(18)을 통해 고형물들 분리기(20)로 배출된다. 통상적으로 사이클론인 고형물들 분리기(20)에서, 대부분의 층 입자들은 배기 가스들로부터 분리되어 복귀관(22)을 통해 노(14)로 복귀된다.
배기 가스들은 분리기(20)로부터 배기 가스관(24)으로 유도되고, 이는 각각 배기 가스들을 냉각시키고, 스팀을 생성하고, 유동하는 공기(16)를 가열하기 위한 열 전이 표면들(26 및 28)을 포함한다. 냉각된 배가 가스들은 정전 분진 분리기 또는 백 필터 분리기일 수 있는 분진 분리기(30)로 전도된다. 분진 분리기(30)에서, 대부분의 플라이-애쉬 입자들 및 기타 작은 분진 입자들은 연도 가스들로부터 제거되고, 애쉬 배출기(32)를 통해 배출된다. 분진 분리기(30)에 의해 현재 세정된 연도 가스들은 스택(34)으로 유도되고, 환경으로 방출된다.
배기 가스관(24)은 추가의 가스 세정 장비, 예를 들면 NOx방출들을 감소시키기 위한 촉매 및 SO2방출들을 감소시키기 위한 습식 세정기 또는 분무 건조기를 포함할 수 있다. 그러나, 그러한 추가의 가스 세정 장비는 도 1에 나타내지 않는다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따라, 물 등의 용매에 용해된 염화물-함유 염의 용액은 주입 수단(36)에 의해 노(14)와 입자 분리기(20) 사이의 채널(18) 내로 주입된다. 채널(18)에서, 배기 가스들의 온도는 전형적으로 약 700℃이다. 따라서, 염화물-함유 염은 고온으로, 적어도 약 300℃ 이상으로 신속히 가열되고, 많은 종류의 분자들 및 이온들로 해리된다. 일부 용도들에서, 배기 가스관(24)의 상류 단부이지만 분리기(20)의 하류에 주입 수단(36)을 위치시키는 것이 유리하다. 바람직하게는, 주입 수단(36)은 제1 열 교환기(26)의 상류에 위치한다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따라, 염화물-함유 염은 염화 암모늄(NH4Cl)이고, 이는 배기 가스 중에서 적어도 암모니아(NH3) 및 염소 종들로 해리된다. 배기 가스가 열 교환기들(26 및 28)에 의해 약 370℃로 냉각될 때, HCl 및 Cl2분자들 및 Cl-이온들을 포함할 수 있는 형성된 Cl-함유 입자들의 적어도 일부는 Hg 원자들과 반응하여 HgCl2분자들을 형성한다. HgCl2분자들은 배기 가스중에 남아있는 분진 입자들 상으로 흡착되는 경향이 있고, 따라서 분진 분리기(30)에 의해 배기 가스로부터 제거된다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따라, 애쉬 배출기(32)는 집진기(30)로부터 배출기(32)에 의해 배출된 플라이 애쉬 입자들의 일부를 배기 가스관(24)으로 되돌려 순환시키기 위한 수단(38)을 포함하는 애쉬 조작 시스템을 포함한다. 바람직하게는, 재순환된 플라이 애쉬는 배기 가스관(24)의 하류 부분(40)으로 주입된다. 플라이 애쉬 재순환 수단은 재순환된 플라이 애쉬를 처리하기 위한 처리 디바이스(42)를 포함할 수 있다. 플라이 애쉬를 처리하기 위한 처리 디바이스(42)는 배기 가스관(24)으로 주입되어야 할 가장 작은 플라이 애쉬 입자들을 스크리닝하기 위한 분리기일 수 있다. 또한, 트레이스 금속 산화물들 Fe2O3또는 CuO 등과 같이 원소 수은 산화를 촉매하는 기질들을 재순환된 플라이 애쉬에 부가할 수 있다.
수단(36)에 의해 주입된 염화물-함유 염은 염화 나트륨(NaCl), 염화 칼륨(KCl) 및 염화 칼슘(CaCl2)으로 구성된 군으로부터 선택될 수도 있다. 배기 가스관(24)의 고온 대역으로 주입될 때, 이들 염들은 분자들 및 이온들을 신속히 형성하고, 이는 Hg 원자들과 반응하여 HgCl2분자들을 형성할 수 있다. HgCl2분자들은 플라이 애쉬 입자들 상으로 흡착되는 경향이 있고, 따라서, 분진 분리기(30)에 의해 수집될 수 있다.
염화물-함유 염이 배기 가스관(24)의 초기 단계에 주입될 때, 배기 가스들의 높은 온도는 분자들의 신속한 해리를 유발한다. 이러한 초기 주입 위치는 배기 가스들이 약 370℃인 HgCl2형성의 착수 온도로 냉각될 때 모든 염 해리가 발생하도록 용액에 대한 장기 체류 시간을 보장하기도 한다.
NH4Cl이 염화물-함유 염으로서 사용될 때, NH3분자들의 결과적인 형성은 비촉매적 NOx감소를 위해 사용될 수 있다. 특히, 충분히 고온, 바람직하게는 약 700℃ 이상에서 형성된 NH3분자들은 질소 산화물들을 N2및 H2O로 변환시킨다. 또한, NH3는 연도 가스 중의 입자-바운드 수은의 양을 증가시킬 수 있다.
염화물-함유 염 용액 주입 수단(36)은 연도 가스관(24) 내로의 그의 주입에 앞서 어느 정도까지, 예를 들면 약 100℃ 내지 약 200℃까지 용액을 가열하는 수단(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 용액의 초기 온도들이 높을수록 연도 가스관 내에서 염이 많은 이온들 및 분자들로 해리되는 것을 가속화시키고, 따라서, 연도 가스가 약 370℃로 냉각되기 전에 바람직한 염소 화합물들 및 이온들이 형성되는 것을 보장하고, 여기서 현저한 HgCl2형성이 시작된다.
반응기(12)는 순환하는 유동층 연소기가 아니어야 한다. 이것은 버블링하는 유동층 연소기, 유동층 가스화기, 미분 연료 연소기 또는 가스화기, 또는 폐기물 소각로일 수도 있다. 본 발명의 제1의 바람직한 실시예에 따라, 염화물-함유 염 용액은 상기한, 또는 다른 적절한 반응기들 중의 임의의 것의 배기 가스 라인으로 배기 가스의 온도가 적어도 약 650℃인 위치로 주입된다. 그러한 위치는 노(14)의 바로 아래인 것이 바람직하지만, 일부 용도들에서, 배기 가스관(24) 내에 이후에존재할 수 있고, 바람직하게는 제1 열 교환기(26)의 상류이다.
도 2는 본 발명의 제2의 바람직한 실시예에 따라 보일러 공장(10')을 개략적으로 나타낸다. 보일러 공장(10')은 배기 가스관(24)이 촉매적 NOx감소를 제공하기 위한 촉매 유닛(46)을 포함하고, 분진 분리기(30) 하류에서 SO2감소를 위한 습식 세정기(48)가 존재한다는 점에서 주로 도 1에 나타낸 것과 상이하다. 습식 세정기(48)에 대한 대안은 분진 분리기 상류의 분무 건조기이다. 도 2는 도 1에 나타낸 바와 같이 플라이 애쉬 재순환 시스템(38)을 나타내지 않더라도, 그러한 시스템은 보일러 공장(10') 또는 본 발명이 마찬가지로 적용되는 다른 공장들에 포함될 수 있다.
본 발명의 제2의 바람직한 실시예에 따라, 도 2에 나타낸 바와 같이, 물 등의 용매에 용해된 염화물-함유 염의 용액은 열 교환기(26)의 하류의 위치에서 수단(36')에 의해 배기 가스관(24) 내로 주입되고, 그 위치에서 배기 가스의 온도는 약 650℃ 미만, 바람직하게는 약 370℃ 이상이다. 배기 가스가 약 370℃로 냉각되기 전에 염화물-함유 염이 필요한 분자들 및 이온들로 해리되는 것을 보장하기 위해, 용액은 배기 가스관(24) 내로 주입되기 전에, 적어도 약 300℃의 온도까지 열 교환기(44)에 의해 먼저 가열된다.
수단(36')에 의해 관(24) 내로 주입된 염화물-함유 염 용액은 염화 암모늄(NH4Cl)일 수 있다. 가열기(44)에 의해 가열될 때, 염화 암모늄은 해리되어 예를 들면 NH3분자들을 형성한다. 따라서, NOx촉매 유닛 상류의 해리된 염화 암모늄 염 용액의 주입은 SCR NOx감소에 즉시 이용될 수 있는 NH3분자들을 제공한다. 본 발명의 많은 용도들에서, 염화물-함유 염은 염화 나트륨(NaCl), 염화 칼륨(KCl) 및 염화 칼슘(CaCl2)으로 구성된 군으로부터 선택될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 제3의 바람직한 실시예에 따른 보일러 공장(10")을 개략적으로 나타낸다. 도 3은 도 1 및 2에 나타낸 실시예들보다 높은 온도에서 제1 열 교환기(26) 하류에 분진 분리기(30')를 갖는 보일러 공장에서 수은 감소를 수행하는 방법을 보여준다. 상응하게, NOx촉매 유닛(46') 및 공기 가열기(28')는 분진 분리기(30') 하류에 위치한다. 도 3에 따라, 습식 세정기(48)는 NOx촉매 유닛(36') 하류에 위치한다. 습식 세정기(48)는 예를 들면 분무 건조기 및 추가의 입자 분리기로 대체될 수도 있다.
도 3에 나타낸 본 발명의 제3의 바람직한 실시예에 따라, 염화물-함유 염 용액은 수단(36")에 의해 분진 분리기(30')의 하류이고 NOx촉매 유닛(46')의 상류인 배기 가스관(24)의 일부 내로 주입된다. 염화물-함유 염 용액이 가열기(44')에 의해 적어도 약 300℃로 가열될 때, 이 용액은 배기 가스관(24)의 상기 부분 내로 수단(36")에 의해 주입하기에 앞서 많은 유형들의 분자들 및 이온들로 해리된다. 염 또는 염들의 해리에 의해 형성된 1개 이상의 HCl 및 Cl2분자들 및 Cl-이온들을 포함하는 Cl-함유 입자들은 배기 가스 내의 수은과 HgCl2분자들을 형성하기 위해 용이하게 이용될 수 있다. 또한, 가능하게 형성된 NH3는 촉매(46/)에서 SCR NOx감소에 용이하게 이용될 수 있다.
본 발명을 현재 가장 바람직한 실시예들인 것으로 생각되는 것과 관련한 실시예들에 의해 기재하였지만, 본 발명은 기재된 실시예들로 제한되지 않고, 첨부된 특허 청구의 범위로 정의된 바의 본 발명의 범위 내에서 그의 특징들 및 다른 용도들의 여러 조합 및(또는) 변형을 커버하도록 의도된다.

Claims (32)

  1. (a) 수은을 HgCl2로 산화시키기 위해, 주입 위치에서 연도 가스관 내로 용매에 용해된 적어도 하나의 염화물-함유 염을 함유하는 용액을 주입함으로써 그 용액과 연도 가스 중의 수은을 접촉시키는 단계;
    (b) (a) 단계 전 또는 후에 용액을 적어도 300℃로 가열하는 단계; 및
    (c) 연도 가스로부터 입자 고형물들을 제거하는 수단에 의해 연도 가스로부터 산화된 수은을 제거하는 단계;
    를 포함하는, 화석-연료 에너지 변환 공장으로부터 발산되어 연도 가스관을 통해 통과하는 수은 및 입자 고형물들을 함유하는 연도 가스로부터 수은을 제거하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 내부의 상기 연도 가스 온도가 약 650℃ 미만이고, 상기 용액이 주입에 앞서 적어도 약 300℃로 가열되도록 주입 위치를 선택하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 내부의 상기 연도 가스 온도가 약 370℃ 내지 약 650℃이고, 상기 용액이 주입에 앞서 적어도 약 300℃로 가열되도록 주입 위치를 선택하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 내부의 상기 연도 가스 온도가 약 650℃ 내지 약 980℃이도록 주입 위치를 선택함으로써, 상기 연도 가스관 내에서 적어도 약 300℃로 용액을 신속히 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 용액을 상기 주입에 앞서 적어도 약 100℃로 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 용매가 물인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 염화물-함유 염이 염화 암모늄(NH4Cl)인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 내부의 상기 연도 가스 온도가 약 650℃ 내지 약 980℃이도록 주입 위치를 선택함으로써, 상기 연도 가스관 내에서 적어도 약 300℃로 용액을 신속히 가열하여 NH4Cl을 적어도 NH3및 염소 종들로 해리시키는 단계 및 형성된 NH3가 선택적인 비촉매적 환원 공정에 의해 연도 가스의 NOx 레벨들을 감소시키게 하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 용액을 주입 전에 적어도 약 300℃로 가열하는 단계,및 내부의 연도 가스 온도가 약 370℃ 내지 약 650℃이도록 NOx촉매 유닛 상류의 주입 위치를 선택하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 염화 나트륨(NaCl), 염화 칼륨(KCl) 및 염화 칼슘(CaCl2)으로 구성된 군으로부터 염화물-함유 염을 선택하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 연도 가스로부터 제거된 입자 고형물들의 일부를 상기 연도 가스관으로 되돌려 재순환시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 재순환된 고형물들로부터 가장 큰 입자들을 스크리닝함으로써 상기 재순환된 입자 고형물들을 주입 전에 연도 가스관으로 되돌려 처리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 수은 산화를 촉매하는 기질들을 부가함으로써 상기 재순환된 입자 고형물들을 주입 전에 연도 가스관으로 되돌려 처리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 습식 세정기에 의해 상기 연도 가스로부터 산화된 수은을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 분무 건조기에 의해 상기 연도 가스로부터 산화된 수은을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  16. 화석-연료 에너지 변환 공장으로부터 수은 및 입자 고형물들을 함유하는 연도 가스를 운반하는 연도 가스관;
    연도 가스 중의 수은을 HgCl2로 산화시키기 위해, 용매에 용해된 염화물-함유 염의 용액을 연도 가스관의 상류 부분으로 주입하는 수단; 및
    상기 연도 가스로부터 입자 고형물들 및 상기 입자 고형물들 상에 응축된 산화된 수은을 제거하는 수단을 포함하는, 화석-연료 에너지 변환 공장으로부터 발산되는 수은 및 입자 고형물들을 함유하는 연도 가스로부터 수은을 제거하는 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 연도 가스관은 제1 열 교환기를 포함하고, 상기 용액을 상기 연도 가스관으로 주입하는 상기 수단은 상기 제1 열 교환기의 상류에 주입되는 것인 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 공장은 순환하는 유동층 반응기, 인트레인된 고형물 입자들을 배기 가스들과 분리하기 위한 분리기 및 분리된 입자들을 상기 반응기로 되돌리기 위한 복귀 수단을 포함하고, 상기 용액을 상기 연도 가스관으로 주입하는상기 수단은 상기 용액이 상기 반응기와 상기 분리기 사이의 채널에 주입되도록 배치된 것인 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 연도 가스관으로부터 제거된 입자 고형물들의 일부를 상기 연도 가스관으로도 되돌려 재순환시키는 수단을 추가로 포함하는 장치.
  20. 제19항에 있어서, 입자 고형물들을 상기 연도 가스관으로 되돌려 재순환시키는 상기 수단은 상기 재순환된 고형물들로부터 가장 큰 입자들을 스크리닝함으로써 상기 고형물들을 처리하는 수단을 포함하는 것인 장치.
  21. 제19항에 있어서, 입자 고형물들을 상기 연도 가스관으로 되돌려 재순환시키는 상기 수단은 수은 산화를 촉매하는 기질들을 부가함으로써 상기 고형물들을 처리하는 수단을 포함하는 것인 장치.
  22. 제16항에 있어서, 산화된 수은을 상기 연도 가스들로부터 제거하기 위해 습식 세정기를 추가로 포함하는 장치.
  23. 제16항에 있어서, 산화된 수은을 상기 연도 가스들로부터 제거하기 위해 분무 건조기를 추가로 포함하는 장치.
  24. 제16항에 있어서, 상기 용매가 물인 장치.
  25. 수은 및 입자 고형물들을 함유하는 연도 가스를 운반하는 연도 가스관;
    연도 가스 중의 수은을 HgCl2로 산화시키기 위해, 용매에 용해된 염화물-함유 염의 용액을 가열하는 수단 및 상기 용액을 상기 연도 가스관 내로 주입하는 수단; 및
    상기 연도 가스로부터 입자 고형물들 및 상기 입자 고형물들 상에 응축된 산화된 수은을 제거하는 수단을 포함하는, 화석 연료 에너지 변환 공장으로부터 발산되는 수은 및 입자 고형물들을 함유하는 연도 가스로부터 수은을 제거하는 장치.
  26. 제25항에 있어서, NOx감소 촉매 유닛을 추가로 포함하고, 상기 용액을 상기 연도 가스관 내로 주입하는 상기 수단은 상기 용액이 상기 촉매 유닛 상류에 주입되도록 배치되는 것인 장치.
  27. 제25항에 있어서, 상기 연도 가스관으로부터 제거된 입자 고형물들의 일부를 상기 연도 가스관으로도 되돌려 재순환시키는 수단을 추가로 포함하는 장치.
  28. 제27항에 있어서, 입자 고형물들을 상기 연도 가스관으로 되돌려 재순환시키는 상기 수단은 상기 재순환된 고형물들로부터 가장 큰 입자들을 스크리닝함으로써상기 고형물들을 처리하는 수단을 포함하는 것인 장치.
  29. 제27항에 있어서, 입자 고형물들을 상기 연도 가스관으로 되돌려 재순환시키는 상기 수단은 수은 산화를 촉매하는 기질들을 부가함으로써 상기 고형물들을 처리하는 수단을 포함하는 것인 장치.
  30. 제25항에 있어서, 산화된 수은을 상기 연도 가스들로부터 제거하기 위해 습식 세정기를 추가로 포함하는 장치.
  31. 제25항에 있어서, 산화된 수은을 상기 연도 가스들로부터 제거하기 위해 분무 건조기를 추가로 포함하는 장치.
  32. 제25항에 있어서, 상기 용매가 물인 장치.
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