Применение соединений, содержащих галоген и азот, для снижения выбросов ртути при сжигании угля

Применение соединений, содержащих галоген и азот, для снижения выбросов ртути при сжигании угля

Реферат

Известный уровень техники

В 2005 г. Управление по Охране Окружающей Среды (EPA) издало правило чистого от ртути воздуха для локализации и уменьшения выбросов ртути от угольных электростанций. Это правило, вместе с федеральным правилом чистого воздуха (CAIR) EPA, потребует значительного снижения выбросов ртути от угольных электростанций к 2010 г.

Некоторая часть ртути может быть удалена из топочного газа угольных электростанций устройствами для контроля SO₂. Тем не менее, топочные газы обычно включают значительные количества элементарной и окисленной ртути; и устройства для контроля SO₂ подходят для удаления окисленной ртути, но не элементарной ртути. Низкие уровни брома или водных растворов солей брома щелочных или щелочноземельных металлов, таких как бромида кальция, бромида натрия или бромида калия, могут быть использованы для окисления ртути в топочных газах. Тем не менее, когда бромид окисляется, это приводит к образованию брома. По меньшей мере, некоторое количество брома может взаимодействовать с элементарной ртутью с образованием нелетучих солей ртути, таких как HgBr₂. Избыток брома относительно количества удаляемой Hg приводит к тому, что значительное количество брома остается в топочном газе, что, как известно, может привести к коррозии газоочистительных систем и другого оборудования электростанции.

Учитывая вышеизложенное, создание способов снижения выбросов ртути из топочных газов угольных электростанций будет коммерчески выгодным для использования при удалении как окисленной, так и элементарной ртути из топочных газов, не приводя к коррозии оборудования электростанции.

Описание изобретения

Настоящее изобретение удовлетворяет вышеуказанным потребностям путем создания способов для снижения выбросов ртути из угля во время сгорания, включающих добавление композиции, содержащей бром и/или бромсодержащее соединение, образованное, по меньшей мере, из одного азотсодержащего соединения или одной или нескольких его солей, в уголь либо до, либо во время сжигания. В данных процессах бром и/или бромсодержащее соединение может содержать азотсодержащую соль брома, такую как бромид аммония. Настоящее изобретение обеспечивает преимущества: полученное таким образом бром и/или бромсодержащее соединение имеет гораздо меньшую склонность вызывать коррозию оборудования электростанции по сравнению с известными соединениями для окисления ртути в топочных газах, такими как бромид кальция.

Также предложены способы для снижения выбросов ртути из топочного газа, полученного при сжигании угля, включающие добавление композиции, содержащей бром и/или бромсодержащее соединение, образованное, по меньшей мере, из одного азотсодержащего соединения или одной или нескольких его солей, в топочный газ.

Также предложены способы сжигания угля со снижением количества ртути, выбрасываемой в атмосферу, включающие: (i) добавление композиции, содержащей бром и/или бромсодержащее соединение, образованное, по меньшей мере, из одного азотсодержащего соединения или одной или нескольких его солей, в уголь; (ii) подачу угля в угольную печь; (iii) сжигание угля, содержащего композицию, в угольной печи с получением золы и газообразных продуктов горения; (iv) измерение содержания ртути в газообразных продуктах горения и (v) установка количества композиции, добавляемой в уголь, на основе величины содержания ртути.

Также предложены системы для сжигания угля со сниженными уровнями содержания ртути, выбрасываемой из системы, включающие: (а) композицию, содержащую бром и/или бромсодержащее соединение, образованное, по меньшей мере, из одного азотсодержащего соединения или одной или нескольких его солей; (b) печь для сжигания угля, включающую камеру сгорания, конвекционный контур для прохождения газообразных продуктов сгорания, проходящих от камеры сгорания к выходу из конвекционного контура, и устройство для сбора частиц, расположенное в конвекционном контуре; (с) устройство для подачи угля к печи для сжигания; (d) устройство, расположенное в конвекционном контуре, для измерения уровня ртути в конвекционном контуре; (е) устройство для доставки композиции в уголь до поступления угля в печь; и (f) контролирующее устройство, расположенное для получения внешнего сигнала от устройства для измерения уровня ртути и оперативно соединенное с устройством для доставки композиции с регулировкой количества композиции по величине внешнего сигнала.

Бром и/или бромсодержащие соединения

Бром и/или бромсодержащие соединения, образованные, по меньшей мере, из одного азотсодержащего соединения или одной или нескольких его солей, подходящие для использования в настоящем изобретении, включают нижеуказанные, но не ограничивающие настоящее изобретение, соединения, образованные, по меньшей мере, аммиаком, сульфаминовой кислотой, мочевиной, одним или несколькими гидантоином, биуретом, сукцинимидом, низшей алифатической моно- или дизамещенной мочевиной, содержащей от приблизительно 2 до приблизительно 4 атомов углерода в каждой замещающей группе, алкилсульфамидом и тому подобными; азотсодержащие соли брома и другие соединения, такие как бромид аммония; композиция, полученная из BrCl и сульфамата натрия (NaSO₃NH₂), продаваемого под торговой маркой STABROM 909 Albemarle Corporation (как описано, например, в патенте США 6068861); и стабилизированный водный раствор гипробромита щелочного или щелочноземельного металла, продаваемый под торговой маркой STABREX Nalco (как описано, например, в патенте США 5683654).

Обработка угля для снижения выбросов ртути во время сгорания

Способы и системы настоящего изобретения, композиции, включающие бром и/или бромсодержащее соединение, образованное, по меньшей мере, из азотсодержащего соединения или одной или нескольких его солей, или, по меньшей мере, часть композиции может быть добавлена в уголь как до, так и во время сгорания угля для снижения выбросов ртути во время сжигания.

Композиция, включающая бром и/или бромсодержащее соединение, как описано в настоящем документе, может быть добавлена в/на уголь перед его сжиганием. Например, уголь может быть измельченным и может быть необязательно дроблен или приведен в состояние порошка традиционными способами. Композиция может быть нанесена на уголь как жидкость или как твердое вещество. В общем, твердые композиции находятся в форме порошка. Если композиция добавлена в качестве жидкости, уголь может остаться влажным при загрузке в камеру сгорания. Композиция может наноситься на уголь непрерывно в установку сжигания угля путем распыления или смешивания с углем пока он на конвейере, в червячном экструдере или другом подающем устройстве. Кроме того, или как альтернативный вариант, композиция может быть отдельно смешана с углем в угольной печи или при добыче угля. Композиция может быть добавлена в жидком состоянии или как порошок к углю пока он загружается в камеру сгорания. Например, композиция может быть нанесена из пульверизаторов, которые измельчают уголь до впрыска. При желании количество добавляемой композиции может быть варьировано для достижения желаемого уровня выбросов ртути. Уровень ртути в топочных газах может контролироваться, а уровень добавляемой композиции может регулироваться ниже или выше, как то требуется для поддержания желаемого уровня выброса ртути.

Композиция, включающая бром и/или бромсодержащее соединение, как описано в настоящем документе, может добавляться к углю порциями или непрерывно. При непрерывной подаче уровни обработки могут быть основаны на расходе сжигаемого угля. Когда композиция добавляется порциями, как при добыче угля или на отдельной установке смешения, уровень обработки может быть основан на массе обрабатываемого угля. Кроме того, скорость добавления или уровень обработки могут быть установлены на основе определения выброшенного количества ртути.

Обработка топочных газов угольных электростанций для снижения выбросов ртути

Также в способах и системах настоящего изобретения композиция, включающая бром и/или бромсодержащее соединение, образованное, по меньшей мере, одним азотсодержащим соединением или одним или несколькими его солями, или, по меньшей мере, часть композиции может быть добавлена в содержащие ртутьсодержащие отходящие газы для снижения выбросов ртути с газом. Например, композиция может быть добавлена в топочный газ на угольной электростанции для снижения выбросов ртути.

Композиция может быть помещена или впрыснута в конвекционный контур угольной печи для снижения уровня ртути. Композиция может быть добавлена в зону конвекционного контура ниже шара пламени (вызванного сгоранием угля), причем эта зона имеет температуру выше приблизительно 1500°F (816°С) и меньшую, чем температура пламени, примерно 2200°F (1204°С). Что касается добавления до сжигания, композиция может быть в виде жидкости и в твердом состоянии (порошок). Скорость добавления композиции в конвекционный контур может быть изменена в зависимости от результатов наблюдения за уровнем ртути, как описано в настоящем документе.

Для любой обработки угля или топочного газа композиция может быть добавлена в таком количестве, что имеется, по меньшей мере, приблизительно 2000 ч./млн брома или бромида в расчете на количество сжигаемого угля, чтобы обеспечить, по меньшей мере, приблизительно 90% снижения выбросов ртути в топочном газе. Используя приведенные положения данного описания, специалист в данной области может определить количество композиции, необходимое для обеспечения, по меньшей мере, приблизительно 2000 ч./млн брома или бромида, и может определить количество ч./млн брома/бромида, желательное для достижения, например, 70% снижения, 80% снижения и т.д. Обычно жидкого раствора может быть использовано больше по сравнению с такой же твердой композицией. Например, когда композиция включает NH₄Br, может быть добавлено, по меньшей мере, примерно 7500 ч./млн по массе 35 мас.%-ного раствора NH₄Br или, по меньшей мере, примерно 2500 ч./млн по массе твердого NH₄Br (100% активного вещества), в расчете на массу сжигаемого угля. Также, используя положения данного описания, специалист в данной области может определить соответствующие количества композиции для осуществления, например, по меньшей мере, примерно 70% снижения в выбросах ртути в топочном газе, по меньшей мере, примерно 80% снижения и т.д.

Когда используются способы и системы настоящего изобретения, выбросы ртути в окружающую среду от угольных электростанций снижаются, по меньшей мере, приблизительно на 70%, по меньшей мере, приблизительно на 80% или, по меньшей мере, приблизительно на 90%, в расчете на общее количество ртути в сжигаемом угле. Как использовано в настоящем изобретении, снижение содержания ртути, по меньшей мере, приблизительно на 70% означает, что, по меньшей мере, приблизительно 70% ртути в сжигаемом угле связывается и предотвращается ее выброс в атмосферу. Значительное количество композиции, включающей бром и/или бромсодержащее соединение, как описано в настоящем документе, может быть добавлено в уголь до или во время его сжигания со снижением выбросов ртути в окружающую среду, по меньшей мере, на приблизительно 70% или более, или может быть использовано для обработки газообразных продуктов горения для получения такого же результата, или часть композиции может быть добавлена в уголь до или во время его сжигания, а часть композиции может быть использована для обработки газообразных продуктов горения.

За содержанием ртути можно следить с помощью традиционного аналитического оборудования, используя промышленные стандартные способы обнаружения и определения. Мониторинг может проводиться периодически, как вручную, так и автоматически. Например, выбросы ртути могут наблюдаться один раз в час для выполнения правительственных постановлений. Например, может быть использован водный способ Онтарио. В этом известном способе газы собираются в течение заранее определенного промежутка времени, например в течение одного часа. Ртуть осаждают из собранных газов, и содержание ее количественно определяется при использовании подходящего способа, такого как атомная абсорбция. Мониторинг также можно проводить более или менее чаще, чем раз в час, в зависимости от технической и коммерческой возможности. Коммерческие устройства для проведения мониторинга содержания ртути непрерывного действия могут быть установлены на измерение содержания ртути и вывода результата измерения с подходящей частотой, например раз каждые 3-7 мин. Выходные данные мониторов ртути могут быть использованы для контроля скорости подачи композиции, включающей бром и/или бромсодержащее соединение, как описано в настоящем документе. В зависимости от результатов мониторинга скорость подачи композиции может быть отрегулирована как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения или сохранения на прежнем уровне. Например, если мониторинг показывает, что уровни содержания ртути выше желательного, скорость подачи композиции может быть увеличена, пока содержание ртути не вернется на желательный уровень. Если содержание ртути находится на желательном уровне, то скорость подачи композиции может оставаться неизменной. В альтернативном варианте скорость подачи композиции может снижаться до тех пор, пока мониторинг не покажет необходимость ее повышения, чтобы избежать высоких уровней содержания ртути.

Мониторинг ртути можно проводить в конвекционном контуре в подходящих местах. Например, мониторинг и измерение содержания высвобождаемой в атмосферу ртути может проводиться на чистой стороне системы по контролю над частицами. Мониторинг ртути также может проводиться в точке конвекционного контура выше системы по контролю над частицами. Эксперименты показывают, что от 20 до 30% ртути в угле остается в золе и не выбрасывается в атмосферу, даже когда не добавляется агент для снижения выбросов ртути. Добавление композиции согласно настоящему изобретению увеличивает количество задержанной ртути (и таким образом снижает количество выбросов ртути), по меньшей мере, приблизительно до 70%.

Мониторинг выбросов ртути может проводиться с использованием промышленных стандартных методов, таких как опубликованные Американским Обществом Тестирования Материалов (ASTM) или международные стандарты, опубликованные Международной Организацией по Стандартизации (ISO). Устройство, включающее аналитический прибор, может располагаться в конвекционном контуре ниже точек введения композиции, включающей бром и/или бромсодержащее соединение согласно настоящему изобретению. Например, ртутный монитор может располагаться на чистой стороне системы по контролю над частицами. Измеряемые уровни содержания ртути могут быть использованы для подачи обратных сигналов на насосы, соленоиды, распылители и другие устройства, которые приводятся в действие или контролируются для регулирования скорости подачи композиции в систему сжигания угля. В альтернативном варианте, или кроме того, скорость подачи композиции может регулироваться обслуживающим оператором на основании наблюдаемых уровней содержания выбросов ртути.

ПРИМЕРЫ

Следующие примеры носят иллюстративный характер принципов настоящего изобретения. Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается ни одним из нижеприведенных конкретных вариантов его осуществления, как указанным в примерах, так и в остальной части настоящего патента.

Пример 1

Твердый NH₄Br добавляли в Powder River Basin суббитуминозный уголь. Уголь имел следующие средние характеристики: содержание влаги 2,8%; содержание золы 4,2% и теплотворная способность 10500 БТЕ/фунт. Твердый NH₄Br добавляли к измельченному углю для достижения уровня брома в получившейся смеси 0,2 мас.%. Смешанный уголь загружали в угольную печь и нагревали до температуры между 1500°F (816°C) и 2200°F (1204°C). Как установили в результате измерений на линии выхода, было достигнуто 90% снижение содержания ртути в образовавшихся газообразных продуктах горения, по сравнению с контрольным измерением (без добавления NH₄Br).

Пример 2

STARBOM 909 добавляли в такой же Powder River Basin суббитуминозный уголь, как и в примере 1. Содержание брома в получившейся смеси составляло 0,18 мас.%. Смешанный уголь загружали в угольную печь, как в примере 1, с получением снижения содержания ртути в газообразных продуктах горения на 93%, как установлено в примере 1.

Способы настоящего изобретения обладают особенно такими преимуществами, которые заключаются в том, что присутствие азота способствует снижению количества брома, вымываемого из системы из золы, и образованию органических бромидов. Вместо этого основным источником брома, вымываемого из системы, являются инертные бромидные соли, которые считаются более безопасными для окружающей среды.

Следует понимать, что хотя настоящее изобретение описано в рамках одного или нескольких предпочтительных вариантов осуществления, можно делать и другие его модификации, не отклоняясь от объема притязаний настоящего изобретения, которое сформулировано в формуле изобретения ниже.

1. Способ снижения выбросов ртути из угля в процессе его сжигания, включающий добавление композиции, содержащей бромидсодержащее соединение, образованное, по меньшей мере, из одного азотсодержащего соединения или одной или нескольких его солей, в уголь перед или во время его сжигания.

2. Способ по п.1, где бромидсодержащее соединение содержит азотсодержащую соль брома.

3. Способ по п.2, где азотсодержащая соль брома содержит бромид аммония.

4. Способ по п.2, где азотсодержащая соль брома содержит 35 мас.% раствор бромида аммония в количестве, по меньшей мере, приблизительно 7500 млн^-1 по массе в расчете на общую массу угля.

5. Способ по п.2, где азотсодержащая соль брома состоит, в основном, из твердого бромида аммония в количестве, по меньшей мере, 2500 млн^-1 по массе в расчете на общую массу угля.

6. Способ сжигания угля со снижением количества ртути, выбрасываемой в атмосферу, включающий:(i) добавление композиции, содержащей бромидсодержащее соединение, образованное, по меньшей мере, из азотсодержащего соединения или одной или нескольких его солей, в уголь;(ii) подачу угля в угольную печь;(iii) сжигание угля, содержащего композицию, в угольной печи с получением золы и газообразных продуктов сгорания;(iv) измерение содержания ртути в газообразных продуктах сгорания; и(v) регулирование количества композиции, добавляемой в уголь, на основе величины содержания ртути.

7. Система для сжигания угля со сниженным содержанием ртути, выбрасываемой из системы, включающая:(a) композицию, содержащую бромидсодержащее соединение, образованное, по меньшей мере, из азотсодержащего соединения или одной или нескольких его солей;(b) угольную печь, включающую камеру сгорания, конвекционный контур для газообразных продуктов сгорания, проходящих от камеры сгорания к выходу из конвекционного контура, и устройство для сбора частиц, расположенное в конвекционном контуре;(c) устройство для подачи угля в печь для сжигания;(d) устройство, расположенное в конвекционном контуре, для измерения уровня содержания ртути в конвекционном контуре;(e) устройство для подачи композиции, расположенное для подачи композиции в уголь перед доставкой угля в печь; и(f) контролирующее устройство для получения выходного сигнала от устройства для измерения содержания ртути и оперативно соединенное с устройством подачи композиции с регулированием подачи композиции на основе величины выходного сигнала.