Способ уменьшения содержания серы и/или ртути в дымовых газах (варианты), композиция сорбента, способ сжигания угля с уменьшенным количеством выброса в окружающую среду вредных элементов (варианты), угольная зола, полученная вышеуказанными способами, и цемент, пуццолан, бетонная смесь и ее раствор, бетонная конструкция, способ получения цементирующей смеси, полученные на основе упомянутой золы или посредством нее

Способ уменьшения содержания серы и/или ртути в дымовых газах (варианты), композиция сорбента, способ сжигания угля с уменьшенным количеством выброса в окружающую среду вредных элементов (варианты), угольная зола, полученная вышеуказанными способами, и цемент, пуццолан, бетонная смесь и ее раствор, бетонная конструкция, способ получения цементирующей смеси, полученные на основе упомянутой золы или посредством нее

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение направлено на защиту окружающей среды, в частности на создание композиций и способов для уменьшения содержания ртути или серы в дымовых газах, испускаемых в атмосферу при горении содержащих ртуть видов топлива, таких как уголь. В особенности, изобретение направлено на включение различных композиций, содержащих галогены и другие сорбенты в установки, работающие на твердом топливе, при сжигании угля.

Уровень техники

В мире имеются значительные запасы угля, способные в существенной степени удовлетворить мировые потребности в энергии на два ближайших столетия. Значительная часть угля содержит большое количество серы, этот уголь требует дополнительной обработки, чтобы не допустить выброса избыточного количества серы в атмосферу при горении. В Соединенных Штатах угли с низким содержанием серы (в виде угля с малым BTU) добываются в бассейне Powder River Вайоминга и Монтаны, а также в месторождениях лигнита в Северных и Центральных регионах Северной и Южной Дакоты и Техаса. Но хотя эти угли содержат малое количество серы, в их состав входит заметное количество элементной и окисленной ртути и/или тяжелых металлов.

К сожалению, при горении угля ртуть по меньшей мере частично переходит в летучую форму. Таким образом, она не остается в золе, а переходит в состав дымовых газов. Если не предпринимать специальных мер, то ртуть из работающих на угле топливных станций выбрасывается в атмосферу. В настоящее время частично ртуть улавливается очистными сооружениями, такими как очистные сооружения влажного типа и системы SCR. Однако большая часть ртути не улавливается и выбрасывается через выхлопные трубы.

Эмиссия ртути в атмосферу в Соединенных Штатах составляет, приблизительно, 50 тонн в год. Значительная доля выброса приходится на углесжигающие установки, такие как теплоэлектростанции. Хорошо известно, что ртуть отравляет окружающую среду и ведет к заболеваниям у людей и животных. Чтобы защитить здоровье населения и окружающую среду, в очистной промышленности продолжают разрабатывать, тестировать и реализовывать системы, позволяющие снизить количество ртути, выбрасываемой в атмосферу при работе заводов. Что касается горения углеродсодержащих веществ, то желательно было бы разработать такой процесс, который бы позволял улавливать ртуть и другие вредные соединения, так чтобы они при горении не попадали бы в атмосферу.

Помимо очистных сооружений влажного типа и контролирующих систем SCR, частично удаляющих ртуть из образующихся при горении угля газов, разработаны другие методы контроля за содержанием этого элемента. Они включают использование активированного угля. Применение этих систем связано с высокими эксплуатационными расходами и капитальными затратами. Более того, применение основанных на активированном угле систем ведет к углеродному загрязнению летучей золы, собираемой в системах очистки отработанного воздуха, таких как пылеуловительные камеры и электростатические преципитаторы.

В то же время, ожидается, что в будущем будет только возрастать потребность в цементирующих материалах, таких как портландцемент, используемый при обслуживании инфраструктуры в развитых странах и при строительстве дорог, дамб, мостов и других крупных конструкций в развивающихся странах, которые используются на благо их жителей.

При горении угля, приводящем к получению тепловой энергии, несгоревшее вещество и образующиеся при горении частицы формируют золу с пуццолановыми и/или цементирующими свойствами. Хотя химический состав угольной золы зависит от химического состава угля, обычно, зола содержит большое количество кремния и алюминия и значительно меньшее количество кальция.

Так называемая летучая зола, образующаяся при горении измельченного угля в печи или бойлере, представляет собой порошкообразное вещество, состоящее из компонентов угля, не испарившихся при сгорании. Обычно, зола уносится с потоком дымового газа, ее, как правило, собирают оттуда традиционными аппаратами, такими как электростатические преципитаторы, фильтрующие устройства, например пылеуловительные камеры, и/или механические приспособления, например циклоны. При горении угля образуется большое количество угольной золы, которую необходимо утилизировать. Например, при определенных условиях золу можно успешно использовать в составе цемента в качестве частичной замены портландцемента. Угольная зола находит свое применение в качестве компонента при получении текучих наполнителей, а также стабильных основных и суб-основных смесей. Количество золы в этих применениях, особенно, при использовании для замены портландцемента, ограничено выраженностью у нее цементирующих свойств.

Даже хотя по экономическим причинам повторное использование золы предпочтительно, часто ее включение в цементирующие смеси бывает неблагоприятно. В подобных случаях ее приходится закапывать или утилизировать иным способом как отход производства.

Способы и композиции, позволяющие получить при горении угля золу с высокоцементирующими свойствами, являются чрезвычайно востребованными. Они снижают стоимость переработки отходов от сжигания угля, а также стоимость цементирующих продуктов для нужд строительства.

Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на различные композиции сорбентов, содержащие компоненты, которые уменьшают содержание ртути и/или серы, выбрасываемой в атмосферу при таком горении. В соответствии с различными аспектами, применение композиций сорбента ведет к образованию при горении летучей золы, из которой ртуть и другие тяжелые металлы не могут попасть в атмосферу в значительных количествах (в кислых условиях).

В соответствии с различными аспектами, композиции сорбента добавляют непосредственно в топливо перед его сжиганием; в печь или емкость во время его горения; в дымовые газы на выходе из зоны горения; возможны различные комбинации. Сорбентные композиции включают источник кальция, алюминия и кремния, предпочтительно, в форме щелочных порошков. В соответствии с различными аспектами, использование сорбентов, содержащих кальций, кремний и алюминий в виде щелочных порошков, уменьшает количество серы и/или ртути, выбрасываемой в атмосферу при горении угля. В соответствии с одним аспектом, щелочные порошки уменьшают количество окисленной ртути, например, в системах с низкой температурой пламени, например, при температуре пламени ниже 537,8°С.

В соответствии с предпочтительным аспектом, сорбент включает также источник галогенов, и/или содержащий источник галогенов сорбент добавляют в установку, в которой сжигается уголь, отдельно. Среди галогенов предпочтительными являются йод и бром. В соответствии с различными аспектами, в состав композиции сорбента входят неорганические бромиды. В соответствии с различными аспектами, композиции для сорбции ртути, содержащие галогены, в особенности, бром и/или йод, добавляют к топливу в виде порошка или в жидкой форме до его зажигания. Альтернативно, содержащие галогены (такие как бром или йод) композиции сорбента вводят в топливные газы после камеры сгорания в том месте, где температура выше приблизительно, чем 500°С (932°F), предпочтительно, выше чем 1500°F (приблизительно, 800°С), или/и в печь во время горения.

В соответствии с предпочтительными аспектами, эмиссия ртути из установок по сжиганию угля уменьшается до такой степени, что 90% или больше ртути из угля улавливается до того, как попасть в атмосферу. Большая часть ртути переводится из летучей золы в состояние, в котором она не может попасть в атмосферу; снижается также вызванная сернистыми газами коррозия. В соответствии с предпочтительными аспектами, достигается значительное снижение содержания серы.

Изобретение направлено на способы и композиции, которые, при применении к горящему углю, позволяют получить золу с высокоцементирующими свойствами. В соответствии с различными аспектами, эти свойства позволяют включать золу в состав бетона, замещая в нем до 50% портландцемента или больше. В соответствии с различными аспектами, индекс прочности бетона на основе портландцемента, содержащего до 50% золы или больше, превышает 75%, а предпочтительно, 100% или больше. Таким образом, в соответствии с некоторыми аспектами, зола настоящего изобретения используется как основной цементирующий материал в портландцементных бетонах, в стабилизированных основаниях, в субосновных смесях, в текучих наполнителях (называемых также контролируемыми низкопрочными материалами, controlled low strength material или CLSM) и подобных системах.

Летучая зола, образующаяся при горении угля с указанными сорбционными компонентами в целом содержит больше кальция, чем определяется спецификациями для летучей золы класса F или С, а общее содержание кремния, алюминия и оксидов железа хотя и значительно, но существенно ниже того, что указано в спецификациях для класса F или С.

В соответствии с различными аспектами, изобретение направлено на большое количество цементирующих продуктов, таких как портландцементовый бетон, текучий наполнитель, стабилизированное основание и подобные продукты, в которых традиционно применяемый цемент (портландцемент) полностью или частично заменен на цементирующую золу, описанную в настоящей заявке. В частности, в соответствии с предпочтительными аспектами, основанный на цементирующей золе продукт настоящей заявки позволяет заменить 40% или более портландцемента, обычно используемого в них.

В соответствии с различными аспектами, использование цементирующей золы в составе строительных продуктов для полной или частичной замены портландцемента приводит к уменьшению эмиссии двуокиси углерода, которая имеет место при производстве портландцемента. Помимо предотвращения эмиссии двуокиси углерода при обжиге известняка, используемого для получения портландцемента, и при горении ископаемого топлива для выделения достаточного количества энергии для получения портландцемента, компоненты сорбента позволяют повысить эффективность получения энергии при горении угля, что еще более снижает эмиссию парниковых газов при горении ископаемого топлива для получения энергии.

Сорбенты, их компоненты и способы использования описаны в следующих патентах и заявках: U.S. Provisional Application No. 60/662,911, поданной 17 марта 2005; U.S. Provisional Application No. 60/742,154, поданной 2 декабря 2005; U.S. Provisional Application No. 60/759,994, поданной 18 января 2005; и U.S. Provisional Application No. 60/765,944, поданной 7 февраля 2006, содержание всех этих заявок включено сюда по ссылке. Аппараты и способы введения различных композиций описаны в этих заявках, а также в U.S. Provisional Applications No. 60/759,943, поданной 18 января 2006, и No. 60/760,424, поданной 19 января 2006, их содержание также включено сюда по ссылке.

В соответствии с различными аспектами, изобретение направлено на композиции и способы для снижения эмиссии ртути, наблюдающейся при горении ртутьсодержащих видов топлива, таких как уголь. Коммерчески значимым является использование настоящего изобретения для уменьшения выбросов серы и/или ртути из установок по сжиганию угля, что позволяет защитить окружающую среду и привести работу установки в соответствие с требованиями правительства и взятыми на себя обязательствами.

В соответствии с различными аспектами, изобретение позволяет предотвратить выброс ртути в атмосферу из точечных источников, таких как работающие на угле отопительные станции, оставляя ее в золе. Более того, способы позволяют предотвратить выброс ртути и других тяжелых металлов в окружающую среду, не допуская их утечки (выщелачивания) и из твердых отходов, таких как твердая зола, образующаяся при горении ртутьсодержащего угля. В обоих случаях ртуть не попадает в воду. Таким образом, предотвращение или снижение выбросов ртути из таких предприятий, как работающие на угле отопительные станции, ведет к большому количеству преимуществ с точки зрения охраны окружающей среды, включая меньшее загрязнение воздуха и воды, образование менее опасных отходов, а следовательно, меньшее загрязнение почвы. Для удобства, но не ограничиваясь, выгоды, связанные с использованием настоящего изобретения, можно проиллюстрировать как предотвращение загрязнения воздуха, воды и почвы ртутью и другими тяжелыми металлами. Обработка угля различными сорбирующими компонентами осуществляется до его зажигания, и/или их можно добавлять в пламя и в отходящие от пламени газы, предпочтительно, при минимальной температуре, чтобы обеспечить полное образование отражающих структур, которые и позволяют получить разнообразные преимущества способов. Компоненты сорбента включают кальций, алюминий, кремний и галогены. В соответствии с различными аспектами настоящего изобретения, эти компоненты совместно:

- снижают эмиссию ртути и серы;

- повышают эффективность сгорания угля, уменьшая образование окалины на трубках водонагревательной станции;

- повышают содержание Нg, As, Pb и/или Сl в угольной золе;

- уменьшают содержание в золе тяжелых металлов (таких как Нg) в составе таких соединений, которые способны попадать в окружающую среду, предпочтительно, ниже предела детекции; а также

- позволяют получить золу с высокоцементирующими свойствами.

Термин "кальций" означает соединение или композицию, содержащую заметное количество кальция. Например, многие щелочные порошки содержат 20% кальция или больше в пересчете на СаО. Примерами являются известь, известняк, оксид кальция, гидроксид кальция (гашеная известь), портландцемент и другие продукты, получаемые в промышленных процессах или сопутствующие им, а также кальцийсодержащие алюмосиликаты. Содержание кремния или алюминия выражают в эквивалентах SiO₂ и Аl₂О₃, хотя и признается, что кремний и алюминий часто присутствуют в более сложной химической или молекулярной формах.

Все проценты в настоящей заявке приведены по весу, если не сказано иначе. Следует отметить, что химический состав различных описываемых здесь соединений выражен в терминах простых оксидов, рассчитанных исходя из элементного анализа, обычно, проведенного методами рентгеновской флуоресценции. Хотя различные простые оксиды могут присутствовать в веществе в виде более сложных соединений (и часто присутствуют), анализ оксидов является полезным методом выражения концентраций интересующих соединений в соответствующих композициях.

Хотя, в основном, в настоящей заявке в качестве топлива упоминают уголь, надо понимать, что описание горения угля приведено только для иллюстрации и изобретение не ограничено только им. Например, другим типом оборудования по сжиганию топлива с потенциально опасным содержанием ртути и других тяжелых металлов являются заводы по кремации отходов, например, бытовых сточных вод, опасных сточных вод промышленных предприятий и осадков, остающихся на очистных сооружениях. Кроме того, на многих заводах сжигают сложные топлива, содержащие уголь в смеси с другими видами топлива, такого как природный или синтетический газ, а также топливо, образующееся при переработке сточных вод.

На подобных заводах сжигают большое количество стоков, и часто из соображений логистики эти заводы строят в густонаселенных областях. Бытовые стоки могут содержать ртуть из самых разных источников, таких как израсходованные батарейки и термометры, а также множество товаров потребления, содержащих измеримые количества ртути. Опасные сточные воды промышленных предприятий содержат ртуть из самых разных промышленных или коммерческих источников. Осадки, остающиеся на очистных сооружениях, могут содержать ртуть из ртутьсодержащей пищи и из других источников. Ртуть попадает в сточные воды и из природных источников. При сжигании отходов может образовываться газообразная ртуть и соединения ртути, которые попадают в воздух и оседают на землю поблизости от завода, что приводит к загрязнению почвы и грунтовых вод, а также ухудшает качество воздуха. Таким образом, в соответствии с различными аспектами настоящего изобретения, сточные воды, содержащие ртуть или другие тяжелые металлы, сжигают в присутствии различных сорбентов ртути, добавленных в печь, как описано далее. В соответствии с предпочтительными аспектами, галогены, а также, предпочтительно, кремний и алюминий добавляют в достаточных количествах, чтобы снизить выброс ртути в атмосферу и перевести ртуть в такое состояние, когда она не может попасть в окружающую среду и остается в золе.

В состав угля, помимо углерода, входят еще следующие основные элементы: кремний, алюминий, кальций и несколько меньшие количества железа. Помимо этого, обычно, присутствуют следовые количества таких тяжелых металлов, как мышьяк, сурьма, свинец, хром, кадмий, никель, ванадий, молибден, марганец, медь и барий. Эти элементы входят в состав золы, образующейся при сгорании угля. Уголь содержит также значительные количества серы. При сгорании сера также сгорает, образуя летучие оксиды серы, которые покидают отопительную станцию в газообразной форме. Желательно удалять оксиды серы, выбрасываемые в атмосферу при сгорании угля, или уменьшать их содержание.

Уголь содержит еще и ртуть. Хотя она и присутствует в небольшой концентрации, но легко испаряется в процессе горения и улетает в атмосферу. Даже в низких концентрациях, образующихся при горении угля, выброс ртути нежелателен, так как элемент токсичен и накапливается в тканях организма. Из-за вредного влияния ртути на здоровье и окружающую среду ее выбросы недавно стали предметом законодательного регулирования в Соединенных Штатах и по всему миру. Независимо от законодательного регулирования, чрезвычайно желательно уменьшить количество ртути, попадающей в окружающую среду из угольных отопительных станций.

В типичной отопительной станции сырой уголь поступает в вагонетках и выгружается на принимающий конвейер, который доставляет его в устройство для размола. Размолотый уголь выгружается на подающий конвейер и переправляется в хранилище. В днище хранилища, обычно, располагаются колосники; прошедший через них уголь доставляется ленточными транспортерами в открытую область хранения, иногда называемую бункером. В печь уголь доставляют из бункера или из дробилки. Чтобы уголь попадал в печь в мелко размолотом состоянии, его с помощью конвейеров или другими способами загружают в оборудование для размола, например в дробилку, а затем в пульверизатор. В системе хранения уголь распыляют и потоком воздуха или газа переносят в коллектор, откуда он доставляется на склад, а из него по мере необходимости поступает в печь. В полупрямой системе уголь из пульверизатора поступает в коллектор циклонного типа, а из циклона - непосредственно в печь.

В процессе работы уголь поступает в печь и сгорает в присутствии кислорода. Для топлив с высоким btu типичная температура пламени, приблизительно, составляет от 2700°F (около 1480°С) до 3000°F (около 1640°С) или даже выше, например от 3300°F (около 1815°С) до 3600°F (около 1982°С).

В соответствии с различными аспектами настоящего изобретения, композиции сорбента изобретения добавляют к сырому углю, к размолотому углю, на принимающий или подающий конвейер, в область хранения угля, в коллектор, на склад, в коллектор циклонного типа, в пульверизатор до или во время распыления и/или при переносе из пульверизатора в камеру сгорания. В соответствии с различными аспектами, удобно добавлять сорбенты во время процессов, при которых происходит перемешивание угля, например при его размоле или в пульверизатор. В соответствии с различными аспектами, сорбенты добавляют к углю в пульверизаторе.

Альтернативно или в дополнение к вышесказанному, компоненты сорбента добавляют в установку, в которой сжигается уголь, вводя их в печь при его горении. В соответствии с предпочтительным аспектом, их вводят в уголь для растопки или в непосредственной близости от него, например, там, где температура равняется приблизительно 1093°С (2000°F), или 1260°С (2300°F), или 1482°С (2700°F). В соответствии с конструкцией горелок и эксплуатационными характеристиками печи, эффективно вводить сорбент прямо на топливо, в первичный воздух горения, поверх пламени, совместно с или поверх острого дутья и т.д. Кроме того, в зависимости от конструкции и режима работы печи, сорбенты вбрасывают из одной или нескольких граней печи или из одного или нескольких углов печи. Введение композиций и компонентов сорбентов оказывается особенно эффективным, если температура в момент ввода достаточно высока и/или если аэродинамика горелок и печи обеспечивает адекватную смесь порошкообразных сорбентов с топливом и/или продуктами сгорания. Альтернативно или в дополнение к этому, сорбенты добавляют в конвекционный поток на выходе из пламени и печи. В соответствии с различными аспектами, для нахождения оптимального места ввода или применения сорбентов, необходимо построить модель печи и выбрать параметры (скорость и место введения, расстояние от пламени, расстояние от стенок, режим распыления порошка и т.д.), приводящие к наилучшему смешиванию сорбента, угля и продуктов сгорания для достижения желаемых результатов.

В установках, в которых сжигается уголь, горячие газообразные продукты сгорания и воздух уносятся от пламени с потоком конвекции (прочь от топлива). Конвекционный путь печи состоит из большого количества зон, характеризующихся температурой газов и продуктов сгорания в каждой из них. В общем случае, температура газов сгорания снижается при удалении от топлива. В печи, в которой уголь горит, например, при температуре, приблизительно, 2700-3600°F (около 1480-1650°С), летучая зола и газообразные продукты сгорания двигаются в потоке конвекции в зоны постоянно снижающихся температур. Для примера, сразу после топлива находится зона с температурой ниже 1482°С (2700°F). Несколько дальше находится область с температурой около 815,6°С (1500°F). Между этими двумя точками располагается зона с температурой, колеблющейся в интервале, приблизительно, от 815,6°С (1500°F) до 1482°С (2700°F). Дальше достигается зона с температурой меньшее 815,6°С (1500°F) и т.д. Двигаясь по конвекционному потоку, газы и летучая зола проходят через зоны со все более низкой температурой, пока не достигают пылеуловителей или электростатических преципитаторов, температура которых, обычно, составляет, приблизительно, 148,9°С (300°F) и после которых газы улетают через выхлопную трубу.

Газообразные продукты сгорания содержат двуокись углерода и различные вредные газы, содержащие серу и ртуть. С конвекцией совместно с высокотемпературными газами переносится также большое количество золы. Чтобы удалить золу перед эмиссией газа в атмосферу, устанавливают специальные системы удаления мелких частиц. На потоке конвекции устанавливают разнообразные системы такого рода, такие как электростатические преципитаторы и пылеуловители. Кроме того, там размещают еще химические газопромыватели. При желании в систему можно включить еще различные инструменты по мониторингу компонентов газа, таких как сера и ртуть.

Таким образом, в соответствии с различными аспектами, настоящее изобретение направлено на введение сорбентов:

- непосредственно в печи при горении (введение в режиме "горение");

- непосредственно в топливо, такое как уголь, до начала горения (режим "пред-горение");

- непосредственно в поток газообразных продуктов сгорания, предпочтительно, в температурной зоне более 500°С, предпочтительно, более 800°С (режим "пост-горение").

Совместное введение в режимах горения, пред-горения и пост-горения

Сорбенты вводят в установку сжигания угля в любом из режимов пред-горения, горения и пост-горения или в любой их комбинации. В этом случае говорят, что уголь и любое другое топливо сгорает "в присутствии" различных сорбентов, композиций сорбентов или компонентов сорбентов.

В соответствии с предпочтительным аспектом, введение сорбентов в поток отводимых газов осуществляют при температуре, приблизительно, от 1500°F (815,6°C) до 2700°F (1482°C). В соответствии с некоторыми аспектами и в зависимости от конструкции печи и расположения конвекционных потоков, различие между "печью", "топливом" и "конвекционными потоками" может быть достаточно произвольным. В определенном месте образующиеся при сгорании газы выходят из четко определенной печи или камеры сгорания и поступают в другую область, которая может быть четко определена как дымоход или конвекционный путь для газов на выходе из печи. Однако часто печи бывают достаточно велики и позволяют добавлять сорбенты "в печь" на значительном удалении от топлива или газа. Например, в некоторых печах установлен порт для входа газов над огнем. Такой порт и подобные ему отверстия специально предназначены для доставки дополнительного кислорода в область выше топлива, что позволяет обеспечить более полное сгорание и/или контролировать эмиссию таких газов, как оксиды азота. Эти порты могут располагаться на высоте 20 футов или выше над местом ввода топлива. В соответствии с различными аспектами, компоненты или композиции сорбентов вводят непосредственно в топливную область совместно с поступающим углем, в область непосредственно над углем или под дополнительными портами над областью пламени или в более высокую область камеры сгорания, например прямо или чуть ниже носовой части печи. Каждое такое место характеризуется температурой и состоянием турбулентного потока, участвующего в перемешивании сорбентов с топливом и/или продуктами сгорания (например, летучей золой). В соответствии с такими аспектами изобретения, когда сорбенты поступают в печь или в поток газов на выходе из нее, температура в месте из ввода, предпочтительно, должна быть выше 815,6°С (1500°F), предпочтительно, выше 1093°С (2000°F), еще более предпочтительно, если выше 1260°С (2300°F), и наиболее предпочтительно, если выше 1482°С (2700°F).

В соответствии с различными аспектами, сорбенты добавляют по мере сгорания угля совместно с другими видами топлива на станциях совместной генерации. Такие станции могут работать на самых разных видах топлива. Помимо битумного и небитумного угля, в них можно использовать топливо, полученное из сточных вод, включая, но не ограничиваясь, бытовые сточные воды, осадок после отстоя сточных вод (шлам), сточные воды с животноводческих ферм и после переработки растений (такие как, не ограничиваясь, отходы деревообрабатывающих комбинатов, рисовая шелуха, древесные опилки, щепа и/или сельскохозяйственные отходы), остатки пластика, поврежденные покрышки и т.д. Если эти виды топлива содержат ртуть или серу, то применение описанных в настоящем изобретении сорбентов облегчает или снижает эмиссию этих элементов, которые иначе попали бы в атмосферу при горении. В зависимости от качества топлива, температура пламени на таких станциях совместной генерации колеблется, приблизительно, от 537,8-648,9°С (1000-1200°F) (для низкокачественных видов топлива или таких видов, которые содержат большое количество биомассы или других плохо горящих компонентов) до 1482-1982°С (2700-3600°F) или выше (для топлива с высоким индексом BTU). В соответствии с различными аспектами, сорбенты настоящего изобретения уменьшают эмиссию ртути из установок, в которых горение происходит при относительно низкой температуре. Полагают, что сорбенты особенно эффективно удаляют окисленную ртуть из топливных газов, а соединения окисленной ртути, в основном, образуются при низкотемпературном горении.

Таким образом, в соответствии с различными аспектами, добавление композиций сорбента настоящего изобретения к топливу на станциях совместной генерации, использующих комбинацию угля и различных других видов топлива, позволяют значительно уменьшить выброс ртути и/или серы. В соответствии с различными описанными здесь аспектами, композиции сорбентов, снижающие выброс ртути и/или серы при сжигании угля, благоприятно влияют также и на качество золы, образующейся при сжигании топлива; они придают ей цементирующие свойства. В результате, такая зола может использоваться коммерчески для частичной или полной замены портландцемента в различных продуктах из цемента и бетона.

Сжигание угля с описанными здесь композициями сорбента приводит к образованию золы, характеризующейся, в соответствии с различными аспектами, повышенным содержанием тяжелых металлов, по сравнению с золой, образующейся при сгорании угля без сорбентов. Однако содержание в такой золе тяжелых металлов, способных к утечке из нее в окружающую среду, оказывается ниже, чем в случае золы, образовавшейся без сорбентов. Таким образом, зола становится безопаснее для работы, и ее можно использовать коммерчески, например, в качестве цементирующего материала.

Для получения продукта из золы, прежде всего, сжигают углеродсодержащее топливо с выделением тепловой энергии. Несгоревшие вещества и продукты горения в виде макрочастиц формируют золу, часть которой остается на днище печи, но большая часть собирается в виде летучей золы в дымоходе преципитаторами или фильтрами, например пылеуловителями, установленными на предприятии по сжиганию топлива. Состав донной золы или летучей золы зависит от химического состава угля и от количества и состава компонентов сорбента, добавляемых в печь при горении.

В соответствии с различными аспектами, за эмиссией ртути из топливных станций ведется мониторинг. За выбросом следят по количеству элементной ртути, окисленной ртути или того и другого. Элементная ртуть представляет собой атомы ртути в степени окисления 0, а окисленная ртуть соответствует степени окисления +1 или +2. В зависимости от содержания ртути в дымовых газах перед выбросом со станции, количество композиций сорбента, добавляемых до, во время или после горения, можно увеличить, уменьшить или сохранять в неизменном состоянии. В общем случае, желательно удалить столько ртути, сколько возможно. В соответствии с типичными аспектами, достигается удаление 90% ртути и больше от общего количества ртути в угле. Это число означает процент ртути, удаляемый из дымовых газов, так что эта ртуть не попадет в атмосферу через дымовую трубу. Как правило, удаление ртути из дымовых газов ведет к повышению содержания ртути в золе. Чтобы уменьшить количество сорбента, добавляемого к углю в процессе его горения, так чтобы снизить общее количество образующейся в печи золы, желательно, в соответствии с различными аспектами изобретения, измерять выброс ртути. Это позволит отрегулировать скорость подачи композиции сорбента так, чтобы добиться желаемого снижения содержания ртути, не вводя в систему избыточного количества вещества.

В соответствии с различными аспектами процесса горения угля или других видов топлива с компонентами сорбента, ртуть и другие входящие в состав угля тяжелые металлы, такие как мышьяк, сурьма, свинец и другие, оседают в пылеуловителе или электростатическом преципитаторе и становятся частью общего зольного содержания отопительной станции; альтернативно или в дополнение, ртуть или другие тяжелые металлы оказываются в составе донной золы. В результате ртуть и другие тяжелые металлы не покидают станции по сжиганию. В целом, ртуть и другие тяжелые металлы золы устойчивы к выщелачиванию в кислых условиях, даже хотя их содержание в золе оказывается более высоким, чем в золе, полученной при сгорании угля без описанных здесь компонентов сорбента. Преимуществом является то, что тяжелые металлы не выщелачиваются из золы сильнее, чем установлено законодательством; фактически, снижение содержания в золе тяжелых металлов происходит в количестве нескольких ppm (parts per million, частей на миллион), хотя полученная при горении с сорбентами зола содержит их значительно большее количество. Вследствие усиления цементирующей природы золы, она становится пригодной для продажи и использования, например, в качестве цементирующего материала при изготовлении портландцемента, а также бетона и готовых смесей.

В соответствии с предпочтительными аспектами, за выщелачиванием (утечкой) тяжелых металлов в процессе горения периодически или непрерывно следят и анализируют эти данные. Наиболее распространенным методом является разработанная американским агентством по охране окружающей среды процедура TCLP. На основании результатов анализа регулируется количество сорбента, в особенности, компонентов сорбента, содержащих Si (SiO₂ или эквивалентов) и/или Аl (Аl₂О₃ или эквивалентов), таким образом обеспечивается желаемый уровень выщелачивания.

В соответствии с одним аспектом, способ направлен на снижение количество выбрасываемой в атмосферу ртути при горении угля. Способ включает применение к установке сгорания угля композиций сорбента, содержащих соединения галогена. Соединения галогена, предпочтительно, представляют собой соединения брома; в соответствии с предпочтительным аспектом, сорбент не содержит соединений щелочных металлов, что позволяет избежать коррозии труб бойлера и других компонентов печи. Уголь сжигают в печи с получением золы и газов сгорания. Последние содержат ртуть, серу и другие компоненты. Чтобы добиться желаемого снижения содержания ртути в газах сгорания и тем самым ограничить их выброс в атмосферу, предпочтительно осуществлять мониторинг содержания ртути в этих газах, например, измеряя это содержание аналитическими методами. В соответствии с предпочтительными аспектами, количество вводимой композиции сорбента регулируют (то есть увеличивают, уменьшают это количество или, иногда, оставляют его в неизменном состоянии), в зависимости от содержания ртути в дымовых газах. В соответствии с предпочтительным аспектом, сорбент вводят в установку, смешивая его с углем до зажигания, а затем доставляют содержащий сорбент уголь в печь в качестве топлива.

В соответствии с другим аспектом, в установку сгорания угля вводят компоненты сорбента, включающие соединения галогена (предпочтительно, брома или йода, наиболее предпочтительно, брома) и по меньшей мере один алюмосиликат. Компоненты вводят по отдельности или в виде цельной композиции; их добавляют до зажигания смеси, в печь во время горения или в дымовые газы на выходе из печи при подходящей температуре. В соответствии с предпочтительным аспектом, компоненты смешивают с углем до зажигания, а затем доставляют содержащий сорбент уголь в печь в качестве топлива. Как и ранее, предпочтительно следить за содержанием ртути в дымовых газах и изменять скорость подачи сорбента в зависимости от полученных данных о содержании ртути. Соединения галогена уменьшают эмиссию ртути, а алюмосиликаты делают ртуть в золе невыщелачиваемой. В соответствии с родственным аспектом, способ уменьшения выщелачивания ртути и/или других тяжелых металлов в золе, образующейся при сгорании угля или других видов топлива в отопительной системе или в мусоросжигающей печи, включает введение туда содержащих кремний или алюминий сорбентов во время горения, измерение выщелачивания ртути и других тяжелых металлов из образующейся золы и регулирование количества добавляемого кремния или алюминия в зависимости от полученных данных. Если выщелачивание идет сильнее, чем нужно, то скорость подачи сорбентов можно увеличить, чтобы понизить скорость выщелачивания до желательных значений. В соответствии с предпочтительным аспектом, сорбент содержит также соединения галогенов (например, брома), которые усиливают улавливание ртути и перевод ее в состав золы.

В соответствии с одним аспектом, изобретение направлено на способ снижения количества окисленной ртути в дымовых газах, генерируемых при горении ртутьсодержащих углеродсодержащих видов топлива, такого как уголь, и получения при этом золы с цементирующими свойствами. Способ включает сжигание топлива в присутствии щелочного порошкообразного сорбента, где щелочной порошкообразный сорбент содержит кальций, кремний и алюминий. Щелочной порошок добавляют к углю до его зажигания, вводят в печь во время горения, добавляют к дымовым газам на выходе из печи (предпочтительно, при температуре 815,6°С (1500°F) или выше); возможны любые комбинации. Порошки являются щелочными, при смешивании с водой рН смеси должен быть выше 7, предпочтительно, выше 8, еще более предпочтительно, выше 9. Предпочтительно, чтобы сорбент содержал от 0,01 д