專利名稱：油頁(yè)巖衍生的污染物控制材料及其制備、使用的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及污染物吸附劑的制備、污染物的還原以及提供能量的燃料。 一般而言，本發(fā)明涉及使用油頁(yè)巖和油頁(yè)巖產(chǎn)品作為減少污染物的吸附劑或還原劑，特別是，涉及對(duì)油頁(yè)巖進(jìn)行熱處理，產(chǎn)生吸收和吸附污染物的固體以及可燃性或還原性氣體。
現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀煤、石油、天然氣、油頁(yè)巖、油砂以及其他含碳的燃料原料(例如林業(yè)產(chǎn)品、副產(chǎn)品和殘留物；農(nóng)作物、副產(chǎn)品和殘留物；動(dòng)物廢棄物和畜體；城市固體廢物、污水污泥固體、建筑和爆破碎片、廢棄輪胎以及其他形式的廢物衍生的燃料)可以由化學(xué)勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱能，以及轉(zhuǎn)化為可以用來(lái)產(chǎn)生電能或產(chǎn)生高價(jià)值化學(xué)品和組分的氣體產(chǎn)物。
在本文內(nèi)容中，術(shù)語(yǔ)"熱轉(zhuǎn)化" 一般表示能釋放化學(xué)勢(shì)能或轉(zhuǎn)化化學(xué)勢(shì)能為熱能、熱氣體、可燃?xì)怏w、可燃液體、可燃固體如焦，和/或非可燃的固體如灰或煅燒的礦物，或這些物質(zhì)的亞組的任何氣體或固體過(guò)程。
這類氣體和固體材料的熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)生各種污染物，如含氮化合物或含硫化合物，相信這些化合物涉及形成煙霧和酸雨。如果燃料包含汞，其燃燒還產(chǎn)生含汞化合物，環(huán)境保護(hù)組織(〃EPA〃)將含汞化合物確定為顯著的有毒污染物。空氣污染控制法規(guī)，例如《潔凈空氣法案》("CAA")《潔凈空氣州際條例》("CAIR")和《潔凈空氣的汞條例》("CAMR")都規(guī)定了熱轉(zhuǎn)化工藝釋放的許多污染物的排放。
熱轉(zhuǎn)化工藝產(chǎn)生的污染物質(zhì)的組成是該工藝中氧的可用性的重要變量。在 熱解和氣化的還原條件下，結(jié)合在燃料中的硫通常轉(zhuǎn)化為硫的還原形式，如硫 化氫、硫化羰和二硫化碳。燃料中所含氮轉(zhuǎn)化為還原的氮化合物，包括氨、氰 化氫和分子氮。燃料中的大多數(shù)汞轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性元素汞("Hg°")和結(jié)合態(tài)汞 (speciated mercury)，如氯化汞("HgCl2")。在還原條件下，磷("P") 與金屬反應(yīng)形成磷酸鹽化合物，還可以轉(zhuǎn)化為磷化氫("PH3")、鱗化合物以及 磷的其他還原形式。氯("C1")可以與堿金屬(如鈉和鉀)、堿土金屬(如鈣和 鎂)以及其他金屬(如汞、鋅和鐵)反應(yīng)，但也可以轉(zhuǎn)化為二原子的氯氣("Cl2") 和氫氯酸氣體("HC1")。氟、溴和碘的性質(zhì)與氯類似。
在燃燒的氧化條件下，結(jié)合在燃料中的硫轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的二氧化硫或三氧化 硫。這些硫化合物與水分("H20")快速達(dá)到平衡，形成硫酸("H2S04")。結(jié)合
在燃料中的氮轉(zhuǎn)化為氧化氮和二氧化氮或其他氮氧化物。用空氣燃燒時(shí)，因?yàn)?原子氧("0")和氫氧根與分子氮在高溫反應(yīng)，還產(chǎn)生氧化氮。磷、氯、氟、 溴和碘容易轉(zhuǎn)化為磷酸("跳")、氫氯酸("HC1")和氫氟酸("HF")，亞 溴酸(亞溴酸)("HBrO")和碘酸("HI03")，以及其他反應(yīng)性的揮發(fā)性化合物。 這些酸性氣體對(duì)燃燒工藝中使用的設(shè)備例如燃燒裝置或燃燒器中的鍋爐管具 有腐蝕性。因此，要求限制這類酸性氣體的形成或者在接近燃燒裝置或熱轉(zhuǎn)化 工藝中產(chǎn)生酸性氣體的地點(diǎn)去除這些酸性氣體。
已經(jīng)開發(fā)了各種技術(shù)來(lái)減少燃煤發(fā)電廠的排放。在以下美國(guó)專利中公開了 使用石灰石作為S0x污染物的吸附劑美國(guó)專利第3，995，006號(hào)(Downs等)、 第5， 176， 088號(hào)(Amrhein等)("Amrhein")以及美國(guó)專利第6， 143， 263號(hào) (Johnson等)。這種技術(shù)稱作石灰注入多級(jí)燃燒器("LIMB")技術(shù)或者石灰注 入干式滌氣("LIDS")技術(shù)。將石灰石注入爐中溫度為2, 000-2， 400°F的區(qū)域。
石灰石(主要是CaC03)和白云石("CaC03-MgC03")以及它們的衍生物也被 證明能與H2S反應(yīng)。未煅燒的石灰石或白云石、半煅燒的白云石、完全煅燒的 石灰石或白云石、石灰或熟石灰("Ca0H")會(huì)反應(yīng)形成硫化鈣("CaS")或硫 化鎂("MgS")。
使用有機(jī)還原劑和胺還原劑如氨或脲來(lái)選擇性還原NOx污染物，如在美國(guó) 專利第3，900,554號(hào)(Lyon)中揭示的。這種技術(shù)稱作選擇性非催化還原 ("SNCR")。將還原劑注入溫度約975K-1375K的爐中，以通過(guò)非催化反應(yīng)將N0x選擇性還原為分子氮("N2")。將氨注入爐中溫度為1， 600°F-2， 000°F的區(qū)域。
將LIMB和SCNR技術(shù)結(jié)合能同時(shí)去除NOx污染物和SOx污染物。使用石灰石來(lái)吸收SOx污染物，同時(shí)使用氨來(lái)還原NOx污染物。但是，實(shí)施這種結(jié)合的技術(shù)的費(fèi)用高，并且增加了工藝的復(fù)雜性。
還采用NOx再燒來(lái)去除NOx污染物，如在美國(guó)專利第5, 139， 755號(hào)(Seeker等)中公開的。在NOx再燒工藝中，煤分兩個(gè)階段燃燒。在第一階段， 一部分的煤與正常量的空氣(約過(guò)量10%)發(fā)生燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生NOx污染物。在第二階段，剩余部分的煤在富燃料的環(huán)境中燃燒。通過(guò)煤燃燒形成的烴基團(tuán)與NOx污染物反應(yīng)，形成Ns。還采用燃料/空氣分段法來(lái)還原NOx污染物。將燃料和空氣交替注入燃燒器，以提供還原區(qū)，燃料中的氮在該還原區(qū)被離析，促進(jìn)氮轉(zhuǎn)化為&。將空氣注入單獨(dú)的區(qū)域以燃燒燃料中的揮發(fā)物和焦顆粒。通過(guò)分段或交替提供燃料和空氣，可控制局部溫度和空氣與燃料的混合物，以抑制NOx污染物的形成。燃料/空氣分段法可盡量防止NOx的形成，同時(shí)，NOx的再燃燒又促進(jìn)了 NOx的還原和分解。
如在美國(guó)專利第5， 827， 352號(hào)(Altman等)和第6， 712， 878號(hào)(Chang等)中公開的，為吸收汞或含汞污染物，使用活性炭作為吸附劑?；钚蕴孔鳛楣潭ù不蛄骰?，或?qū)⒒钚蕴孔⑷霟煹罋庵小?br> 油頁(yè)巖是沉積巖，包含碳酸鹽、氧化物和硅酸鹽化合物的無(wú)機(jī)基質(zhì)，該基質(zhì)中富含被稱作油母質(zhì)的聚合材料。油母質(zhì)是一種不溶于石油溶劑的有機(jī)物質(zhì)。當(dāng)加熱油母質(zhì)時(shí)，油母質(zhì)熱解產(chǎn)生氣體、油品、瀝青以及有機(jī)殘留物。對(duì)油母質(zhì)進(jìn)行熱解也稱作干餾。油頁(yè)巖還包含碳酸鹽礦物如碳酸鈣，以及其他烴物質(zhì)，如石蠟烴、環(huán)烷烴、脂族和芳族烯烴、單環(huán)芳香族化合物、芳族呋喃、芳族噻吩、羥基-芳香族化合物、二羥基芳香族化合物、芳族吡啶以及其他多環(huán)芳烴。油頁(yè)巖通常與煤和石油共處，在美國(guó)西部各地區(qū)，如猶他州、科羅拉多州、懷俄明州，東部地區(qū)，如弗吉尼亞州和賓夕法尼亞州都發(fā)現(xiàn)了油頁(yè)巖。在加拿大、澳大利亞、歐洲、俄羅斯、中國(guó)、委內(nèi)瑞拉和摩洛哥也發(fā)現(xiàn)大的油頁(yè)巖礦床。既然全球有豐富儲(chǔ)量的油頁(yè)巖，如果認(rèn)識(shí)到其有益的用途并加以利用，其價(jià)值將是顯著的。因?yàn)閺挠晚?yè)巖回收油母質(zhì)的成本高，其利用目前尚未得到重視。
當(dāng)對(duì)含相當(dāng)量碳酸鈣的油頁(yè)巖進(jìn)行加熱時(shí)，碳酸鈣發(fā)生煅燒反應(yīng)，這是一
8個(gè)吸熱反應(yīng)，反應(yīng)中碳酸鈣("CaC(V')轉(zhuǎn)化為石灰("CaO")。每煅燒一千克 的碳酸鈣將消耗達(dá)1. 4-1. 6 MJ(或每磅質(zhì)量需約600-700英熱單位(British Thermal Unit) ( "BTU"))的有效熱能。當(dāng)使用石灰石或白云石作為注入的吸 附劑時(shí)，這一能量損失意味著工藝效率的降低。在油頁(yè)巖的情況中，油母質(zhì)可 被氧化，以彌補(bǔ)與碳酸鹽煅燒相關(guān)的吸熱(heat sink)。
要從油頁(yè)巖提取能量，可以在流化床反應(yīng)器的干餾區(qū)加熱油頁(yè)巖至足以從 油頁(yè)巖釋放揮發(fā)性烴但不會(huì)燃燒的溫度，如在美國(guó)專利第4， 373， 454號(hào) (Pitrolo等)中揭示的。干餾區(qū)的溫度使少量碳酸鈣發(fā)生煅燒。揮發(fā)性烴流入 流化床燃燒器的燃燒區(qū)，在燃燒區(qū)揮發(fā)性烴與過(guò)量空氣結(jié)合并燃燒。在燃燒區(qū) 進(jìn)行碳酸鈣的煅燒。在干餾期間，油頁(yè)巖中的氮化合物轉(zhuǎn)化為NOx化合物并被 揮發(fā)性烴還原為氮和水或氧。
油頁(yè)巖一直被用于在循環(huán)流化床中吸收S02和HC1，如在"Combustion of Municipal Solid Wastes with Oil Shale in a Circulating Fluidized Bed(城 市固體廢物與油頁(yè)巖在循環(huán)流化床中的燃燒)"(D印artment of Energy Grant No. DE-FG01-94CE15612， 了匿6， 1996， Energy-Related Inventions Program Recommendation Number 612, Inventor R丄Clayson, NIST Evaluator H. Robb， Consultant J. E. Sinor)禾口在"Niche Market Assessment for a Small-Scale Western Oil Shale Project (對(duì)小規(guī)模西部油頁(yè)巖工程的生態(tài)市場(chǎng)評(píng)估)〃 (J. E. Sinor， R印ort No. D0E/MC/11076-2759)中揭示的。
許多粉煤燃燒器在操作時(shí)都不能滿足由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署在CAIR和CAMR下 頒布的新標(biāo)準(zhǔn)。目前存在的粉煤燃燒器中約75%以上必須逐漸停止或改造以滿 足新的污染物標(biāo)準(zhǔn)。
發(fā)明概述
本發(fā)明涉及減少在熱解、燃燒、氣化、物流重整(stream reforming)、干 餾、煅燒、金屬精煉、礦石冶煉、水泥生產(chǎn)或其他熱轉(zhuǎn)化工藝中(本文中將這 些工藝統(tǒng)稱為"熱轉(zhuǎn)化"工藝)產(chǎn)生的污染物的方法。術(shù)語(yǔ)"熱轉(zhuǎn)化"包括該 術(shù)語(yǔ)的等價(jià)衍生名詞、形容詞和動(dòng)詞變化，如"燃燒"或"燃燒的"；"氣化" 或"氣化的"；"物流重整"或"物流重整的"；"干餾"或"干餾的"；"煅 燒"或"煅燒的"；和"熱解"或"熱解的"。該方法包括使煤或其他任何含 碳燃料在熱轉(zhuǎn)化室進(jìn)行熱轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生至少一種選自下組的污染物含氮污染物、
9硫酸、三氧化硫、硫化羰、二硫化碳、氯、氫碘酸、碘酸、碘、氫氟酸、氟、 氫溴酸、亞溴酸、溴、磷酸、五氧化二磷、磷化氫、錟化合物、元素汞和氯化 汞。
根據(jù)一些實(shí)施方式，將油頁(yè)巖顆粒引入熱轉(zhuǎn)化室，并熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)生吸附劑顆 粒和還原物或反應(yīng)性氣體。頁(yè)巖吸附劑顆粒和還原劑一般是通過(guò)在使油頁(yè)巖熱 解、干餾或脫揮發(fā)分所需的溫度，例如在大于或等于20(TC的溫度使油頁(yè)巖熱 轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的。
在一些實(shí)施方式中，將油頁(yè)巖顆粒引入熱轉(zhuǎn)化工藝，用于與任何含碳燃料， 包括油頁(yè)巖本身進(jìn)行反應(yīng)。這一工藝稱作"原位"油頁(yè)巖轉(zhuǎn)化工藝。
在其他實(shí)施方式中，將油頁(yè)巖顆粒引入單獨(dú)的、獨(dú)立的或者輔助的熱轉(zhuǎn)化 工藝，用于將油頁(yè)巖顆粒轉(zhuǎn)化為頁(yè)巖吸附劑顆粒和反應(yīng)性氣體。這些吸附劑顆
粒和反應(yīng)性氣體可以單獨(dú)或合并發(fā)送、傳送或輸送至聯(lián)用(coupled)的含碳燃 料熱轉(zhuǎn)化工藝。這些工藝一般稱作"離位(ex-situ)"油頁(yè)巖轉(zhuǎn)化工藝。頁(yè)巖 吸附劑顆?？捎米魑廴疚镂絼┗蛴米魑廴疚镞€原劑。
在緊密聯(lián)用(close-coupled)的反應(yīng)器中，利用初始含碳燃料的熱轉(zhuǎn)化工 藝產(chǎn)生的熱能或熱氣體，可以將油頁(yè)巖顆粒熱轉(zhuǎn)化為頁(yè)巖吸附劑顆粒和還原性 或反應(yīng)性氣體。這些工藝一般稱作"緊密聯(lián)用"的油頁(yè)巖轉(zhuǎn)化工藝。
將油頁(yè)巖顆粒引入燃燒器或燃燒區(qū)、氣化區(qū)、過(guò)熱區(qū)、再熱區(qū)，或者任意 切向燃燒、壁式燃燒或者旋風(fēng)粉化的煤燃燒室的燃料節(jié)約裝置區(qū)中的至少一個(gè) 中。至少一種污染物與吸附劑顆粒和還原劑中的至少一種接觸，以降低燃燒室 內(nèi)至少一種污染物的量。還原劑能化學(xué)還原至少一種污染物，例如通過(guò)將含氮 污染物還原為分子氮、水和二氧化碳?？梢允褂梦絼╊w粒來(lái)吸收或吸附至少 一種污染物，如吸附或吸收硫酸、三氧化硫、硫化羰、二硫化碳、氯、氫碘酸、 碘酸、碘、氫氟酸、氟、氫溴酸、亞溴酸、溴、磷酸、五氧化二磷、磷化氫、 鱗化合物、元素汞和氯化汞中的至少一種。
本發(fā)明還涉及在燃燒工藝中減少污染物產(chǎn)生的燃燒室。該燃燒室還包括燃 燒器區(qū)，其結(jié)構(gòu)為能燃燒煤并產(chǎn)生選自下組的至少一種污染物含氮污染物、
硫酸、三氧化硫、硫化羰、二硫化碳、氯、氫碘酸、碘酸、碘、氫氟酸、氟、 氫溴酸、亞溴酸、溴、磷酸、五氧化二磷、磷化氫、錟化合物、元素汞和氯化 汞。燃燒器區(qū)還構(gòu)造成能將油頁(yè)巖顆粒熱轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生吸附劑顆粒和還原劑，吸 附劑顆粒和還原劑與至少一種污染物接觸。燃燒器區(qū)的結(jié)構(gòu)使含氮污染物能與還原劑接觸，將含氮污染物還原為分子氮、分子氮、二氧化碳和水。
燃燒室還包括燃燒區(qū)、氣化區(qū)、過(guò)熱區(qū)和再熱區(qū)中的至少一種，這些區(qū)域 各自具有的結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒂晚?yè)巖顆粒熱轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生吸附劑顆粒和還原劑。也可以 將過(guò)熱區(qū)和再熱區(qū)各自構(gòu)造成能使吸附劑顆粒和還原劑與至少一種污染物接 觸。燃燒室還包括燃料節(jié)約裝置區(qū)、空氣預(yù)熱區(qū)和氣體清潔區(qū)中的至少一個(gè)， 這些區(qū)域各自構(gòu)造成使吸附劑顆粒和還原劑與至少一種污染物接觸。過(guò)熱區(qū)、 再熱區(qū)、燃料節(jié)約裝置區(qū)、空氣預(yù)熱區(qū)和氣體清潔區(qū)各自構(gòu)造成使硫酸、三氧 化硫、硫化羰、二硫化碳、氯、氫碘酸、碘酸、碘、氫氟酸、氟、氫溴酸、亞 溴酸、溴、磷酸、五氧化二磷、磷化氫、轔化合物、元素汞和氯化汞中的至少 一種與吸附劑顆粒接觸，以吸附或吸收這些污染物中的至少一種。 在一個(gè)實(shí)施方式中，燃燒室的結(jié)構(gòu)為粉煤燃燒器。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，可將油頁(yè)巖引入熱解器、氣化器、燃燒反 應(yīng)器、干餾反應(yīng)器、金屬精煉工藝、礦石冶煉工藝、水泥窯，或者任何其他熱 轉(zhuǎn)化器中，以從油頁(yè)巖釋放油母質(zhì)，油母質(zhì)產(chǎn)生基于油母質(zhì)的熱解氣體和頁(yè)巖 吸附劑顆粒。
本發(fā)明的其他實(shí)施方式中，可將油頁(yè)巖引入填充床中，與熱解器、氣化器、
燃燒器、干餾甑(retort)或其他熱轉(zhuǎn)化器產(chǎn)生的熱氣體直接接觸或間接接觸， 以從油頁(yè)巖釋放油母質(zhì)，油母質(zhì)產(chǎn)生基于油母質(zhì)的熱解氣體和頁(yè)巖吸附劑顆 粒。
按照本發(fā)明的實(shí)施方式產(chǎn)生的熱解氣體可以在各種工藝中用作還原劑氣 體，用于還原污染物如含氮污染物。熱解氣體還可以用作燃燒氣體或者加熱氣 體，輸送至燃燒工藝或至燃燒器的各燃燒區(qū)。在其他實(shí)施方式中，可對(duì)熱解氣 體進(jìn)行處理、精煉，或者生產(chǎn)合成氣和燃料產(chǎn)品，如合成氣和合成燃料。
按照本發(fā)明的實(shí)施方式制備的頁(yè)巖吸附劑可以用來(lái)減少在諸如煤燃燒工 藝、氣化工藝、熱解工藝、金屬精煉或冶煉工藝、水泥生產(chǎn)工藝或者其他產(chǎn)生 含氮污染物、含硫污染物、含汞污染物或其他污染物的熱轉(zhuǎn)化工藝的工藝中產(chǎn) 生的污染物。將按照本發(fā)明的實(shí)施方式制備的頁(yè)巖吸附劑引入一工藝中，使頁(yè) 巖吸附劑與污染物接觸，使頁(yè)巖吸附劑吸收或吸附污染物，從而減少該工藝中
的污染物量。
根據(jù)本發(fā)明的又一些實(shí)施方式，頁(yè)巖吸附劑可以用來(lái)形成水泥熔塊 (clinker)或其他添加劑，用于增加水泥生產(chǎn)。附圖簡(jiǎn)述
雖然說(shuō)明書以權(quán)利要求書來(lái)結(jié)束，該權(quán)利要求書特別指出和清楚地要求被 視為本發(fā)明的內(nèi)容，但是當(dāng)結(jié)合以下附圖閱讀時(shí)，由以下對(duì)本發(fā)明的描述能更 容易地確定本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，其中


圖1示出其中利用油頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化來(lái)減少污染物量的粉煤燃燒器的實(shí)施方 式的示意圖2示出按照本發(fā)明實(shí)施方式用于產(chǎn)生熱解氣體和頁(yè)巖吸附劑的熱轉(zhuǎn)化器 的簡(jiǎn)化流程圖3示出按照本發(fā)明實(shí)施方式用于離位產(chǎn)生還原氣體和油頁(yè)巖固體吸附劑
的煤鍋爐系統(tǒng)和熱轉(zhuǎn)化器的示意圖4示出按照本發(fā)明實(shí)施方式的水泥窯工藝和氣化器的示意圖；和
圖5示出按照本發(fā)明實(shí)施方式的氣化器與合成氣和/或合成燃料的生產(chǎn)工
藝的示意圖。
發(fā)明詳述
使用油頁(yè)巖來(lái)減少或消除在燃燒初級(jí)燃料的工藝中產(chǎn)生的一種或多種污 染物。初級(jí)燃料可以是煤、生物質(zhì)、城市固體廢物("MSW")、廢物衍生的燃 料("RDF")、它們的混合物，或其他燃料原料。例如，在美國(guó)專利申請(qǐng)第 11/004， 698號(hào)(該申請(qǐng)全文參考結(jié)合于此)描述的工藝中，將油頁(yè)巖加入燃燒初 級(jí)燃料的燃燒室，以減少燃燒室和燃燒工藝中的污染物量。燃燒初級(jí)燃料期間， 油頁(yè)巖可發(fā)揮吸附劑的功能，降低從燃燒室釋放的污染物的量。或者，油頁(yè)巖 的燃燒可以產(chǎn)生還原劑，該還原劑將污染物還原為更有益的化學(xué)物質(zhì)，減少釋 放的污染物的量。通過(guò)調(diào)節(jié)或控制燃燒室內(nèi)的溫度或氣體組成，污染物可以被 吸附或吸收到油頁(yè)巖上，或者被油頁(yè)巖產(chǎn)生的還原劑還原。污染物可以通過(guò)以 下方式從燃燒室除去使污染物與油頁(yè)巖接觸足夠的時(shí)間，讓油頁(yè)巖發(fā)揮作為 吸附劑的功能，或讓還原劑化學(xué)還原污染物。足以除去污染物的時(shí)間長(zhǎng)短在此 稱作停留時(shí)間或接觸時(shí)間?？梢酝ㄟ^(guò)向熱轉(zhuǎn)化工藝室添加油頁(yè)巖而被減少或消 除的污染物包括但不限于含氮污染物、含硫污染物、酸性氣體和金屬。含氮
污染物可包括，例如N0、 N02、 N20、 N20s或它們的混合物。含硫污染物包括，例 如S02、 S03、 H2S04、 H2S、 C0S、 CS2或者它們的混合物。在有些情況中，S02可能 是燃燒含硫的初級(jí)燃料期間產(chǎn)生的主要含硫污染物，S03是次要含硫污染物。在其他一些情況中，H2S和COS可能是在含硫初級(jí)燃料的熱解、氣化或熱轉(zhuǎn)化期 間產(chǎn)生的主要的含硫污染物。酸性氣體可包括但不限于含鹵化物的揮發(fā)性氣
體，如HC1、氯("Cl2")、氫碘酸("HI")、碘酸("HI03")、碘("I2")、 氫氟酸("HF')、氟("F")、氫溴酸("HBr")、亞溴酸("HBrO")、溴("Br") 或它們的混合物。
酸性氣體還可以包括含磷氣體，如磷酸("H3P(V')、五氧化二磷("P2CV')、 磷化氫("PH3")、任何鱗化合物，或它們的混合物。金屬污染物可包括一種或 多種元素金屬或一種或多種金屬化合物，包括但不限于元素汞("Hg。")、氯化 汞("HgCl2")、吸附在顆粒物質(zhì)上的汞、鉛("Pb")或其化合物、砷("As")或其化合 物、鉻("Cr")或其化合物，或它們的混合物?？梢允褂糜晚?yè)巖，從燃燒室除去 單一污染物或多種污染物。在一個(gè)實(shí)施方式中，使用油頁(yè)巖從燃燒室除去以下 污染物含氮污染物、H2S04、 S03、 S02、 H2S、 COS、 CS2、元素汞和氯化汞。
用于燃燒室的污染控制工藝包括以下工藝將油頁(yè)巖直接送入燃燒室，更
具體地直接送入燃燒室的燃燒器部分。這些工藝中，當(dāng)油頁(yè)巖在燃燒室內(nèi)加熱
時(shí)，產(chǎn)生頁(yè)巖礦物、焦粒和油母質(zhì)，如反應(yīng)l所示
油頁(yè)巖+熱能"> 頁(yè)巖礦物+焦粒+油母質(zhì)+烴衍生物 (1)
可采用高于或等于約20(TC的溫度對(duì)油頁(yè)巖進(jìn)行熱解或干餾。加熱油頁(yè)巖
時(shí)，熱能會(huì)導(dǎo)致油母質(zhì)解聚并脫揮發(fā)分，同時(shí)頁(yè)巖礦物會(huì)被煅燒。油頁(yè)巖的解 聚、脫揮發(fā)分、熱解和形成焦的程度可依據(jù)顆粒加熱速率、顆粒溫度、周圍氣 體溫度以及油頁(yè)巖加熱時(shí)間長(zhǎng)短而變化。當(dāng)油母質(zhì)脫除揮發(fā)分或從油頁(yè)巖釋放
時(shí)，氧化物、碳酸鹽或硅酸鹽的多孔基質(zhì)可保留，包括但不限于鈣("Ca")、鎂 ("Mg")、鈉("Na")、鉀("K")、鐵("Fe")或鋅("Zn")的氧化物、碳酸鹽或硅酸鹽。 這些氧化物、碳酸鹽和硅酸鹽在此統(tǒng)稱為頁(yè)巖礦物。僅為舉例，頁(yè)巖礦物可以 包括但不限于氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵、碳酸鈣或它們的混合物。從油頁(yè)巖 脫除油母質(zhì)揮發(fā)分后，焦?；驓堄嗵碱w粒仍保留。頁(yè)巖礦物和焦粒在此統(tǒng)稱為 吸附劑顆?；蝽?yè)巖吸附劑顆粒。吸附劑顆粒是表面積增大的多孔顆粒。因此， 吸附劑顆粒相對(duì)于油頁(yè)巖提高了吸附或吸收容量，吸附劑顆粒可用于吸附或吸 收汞和其它污染物，如下面詳細(xì)說(shuō)明的。因?yàn)槲絼╊w粒是多孔的，污染物容 易擴(kuò)散到吸附劑顆粒中并與其中的氧化物、碳酸鹽和硅酸鹽反應(yīng)。
將油頁(yè)巖引入熱轉(zhuǎn)化室時(shí)，釋放油頁(yè)巖中的油母質(zhì)。從油頁(yè)巖釋放的油母 質(zhì)可提供用來(lái)還原熱轉(zhuǎn)化室中的含氮污染物的還原劑源。如反應(yīng)2所示，油母
13質(zhì)可以處于另外的熱能中，使油母質(zhì)裂解或開裂，形成輕質(zhì)烴和重質(zhì)烴 油母質(zhì)+熱能+基團(tuán)—重質(zhì)烴和輕質(zhì)烴(CxHy) + CO + H2+C02 (2)
其中，x和y取決于油母質(zhì)中碳和氫的比值以及當(dāng)時(shí)的條件。例如，x對(duì)輕質(zhì) 烴為1-7，對(duì)中等烴(intermediate hydrocarbon)為8-13，或?qū)χ刭|(zhì)烴為14-42。相 關(guān)地，y可以在l-90的范圍內(nèi)，對(duì)給定的烴通常等于"x"的兩倍。可以采用 高于或等于約35(TC溫度，來(lái)裂解聚合的油母質(zhì)。因此，重質(zhì)烴逐漸轉(zhuǎn)化為輕 質(zhì)烴。存在的水蒸氣有助于對(duì)重質(zhì)烴進(jìn)行分解和重整。按照以下反應(yīng)3和反應(yīng) 4所示的化學(xué)方式，加熱輕質(zhì)烴和重質(zhì)烴至高于或等于約40(TC的溫度，可將 輕質(zhì)烴和重質(zhì)烴用來(lái)還原含氮污染物，生成N2、二氧化碳("C02")和水("H20"):
CxHy + (2x + y/2)NO — (x + y/4)N2 + xC02 + y/2 H20 (3)
CxHy + (x + y/4)N02 — (x/2 + y/8)N2 + xC02 + y/2 H20 (4) 其中，x通常為l或2， y通常為1、 2、 3或4。通常，反應(yīng)3和反應(yīng)4顯示了 將氮的氧化物還原為還原態(tài)氮物質(zhì)，如N2。根據(jù)或類似于反應(yīng)5和6的多相反 應(yīng)，油頁(yè)巖焦還能將含氮污染物還原為N2、 C02和H20:
焦+ (2+x)N0 — 1/2(2+ x)N2 + yC02 + zH20 (5)
焦+ (2+x)N02 — 1/2(2+ x)N2 + yC02 + zH20 (6).
式中x， y和z取決于焦中碳與氫的比值。
油頁(yè)巖燃燒產(chǎn)生的頁(yè)巖礦物或焦粒可具有與汞或汞化合物化學(xué)結(jié)合(吸收) 的親合性或與汞或汞化合物物理結(jié)合(吸收)的親合性。因此，根據(jù)反應(yīng)7、 8、 9 和IO示出的化學(xué)方式，通過(guò)熱解油頁(yè)巖(參見反應(yīng)l)產(chǎn)生的頁(yè)巖礦物或焦?？?以用來(lái)吸附或吸收汞或氯化汞
焦粒+Hg° —焦粒-Hg。 (7) 焦粒+HgCl2 —焦粒-HgCls (8) 頁(yè)巖礦物+Hg° — M-Hg。 (9) 頁(yè)巖礦物+HgCl2 — M-HgCl2 (10) 其中，M是油頁(yè)巖中存在的對(duì)汞或氯化汞具有親合性的金屬或金屬化合物。M 可以是Fe、 Zn、鉛("Pb")、銀("Ag")、鋁("A1")、鎘("Cd")、鉻("Cr")、鎳("Ni")、 鈦("Ti")、硒("Se")或砷("As")，或硫，包括被顆粒捕獲的硫。當(dāng)頁(yè)巖礦物或焦 粒與這些污染物接觸足夠的停留時(shí)間時(shí)，吸附劑顆粒可以捕獲元素汞或氯化 汞。元素汞或氯化汞被頁(yè)巖礦物或焦粒吸附或吸收也取決于頁(yè)巖礦物或焦粒與元素汞或氯化汞接觸時(shí)的溫度。保持該溫度，以促進(jìn)化學(xué)吸附或物理吸附，使 之不會(huì)解離。例如，在一些實(shí)施方式中，溫度低于或等于約20(TC。在燃燒室
內(nèi)許多位點(diǎn)可達(dá)到該溫度，如在工藝管中，在如集塵室或靜電沉積室("ESP")
這樣的氣體清潔單元收集的顆粒塊中，或者在填充床/氣體反應(yīng)器中。 可以被熱轉(zhuǎn)化工藝產(chǎn)生的頁(yè)巖吸附劑焦和無(wú)機(jī)灰去除的其他揮發(fā)性和半
揮發(fā)性的金屬包括鉛、砷、鈹以及通過(guò)熱轉(zhuǎn)化工藝從含碳燃料釋放的其他金屬。
按照反應(yīng)11-19所示的化學(xué)方式，燃燒油頁(yè)巖產(chǎn)生的碳酸鹽或氧化物化合 物還可以用來(lái)除去含硫污染物，如H2S04、 S03、 S02、 H2S、 COS、 CSs或它們
的混合物
Mx-(C03)y+熱能一Mx-Oy + yC02 (11)
CaC03 + S02+l/202 — CaS04 + CO2 (12)
CaC03 + S03 — CaS04+ C02 (13)
CaC03 + H2S04 — CaS04 + C02 + H20 (14)
CaC03 + H2S — CaS + H20 + C02 (15)
CaO + S02 + l/202 — CaS04 (16)
CaO + S03 — CaS04 (17)
CaO + H2S03 — CaS04 + H20 (18)
CaO + H2S — CaS + H20 (19)
其中，M是如Ca、 Mg、 Na、 K、 Fe或Zn的金屬，x和y可依據(jù)油頁(yè)巖中存在 的金屬碳酸鹽而變化。例如，x可以為l或2， y可以為l、 2或3。雖然上面 示出的反應(yīng)是S02、 S03、 HaS04或H2S與碳酸鈣或氧化鈣之間的反應(yīng)，但是在 S02、 S03或H2S與Mg、 Na、 K、 Fe或Zn的碳酸鹽或氧化物之間可發(fā)生類似 的反應(yīng)。
當(dāng)熱轉(zhuǎn)化工藝如熱解工藝或氣化器產(chǎn)生的氣體中存在C0S、CS2或COS和cs2 的組合時(shí)，按照反應(yīng)20-21，使用變換反應(yīng)器將C0S和CS2變換為H2S，反應(yīng)20-21 在反應(yīng)15和19后進(jìn)行
COS + H20 — H2S + C02 (20)
CS2 + 2H20 — 2H2S + C02 (21)
Ca、 Mg、 Na (校注應(yīng)為Na，原文有誤)、K、 Cu、 Fe、 Al以及油頁(yè)巖或頁(yè)巖吸附劑中所含的其他元素或礦物化合物，可促進(jìn)反應(yīng)式20和21所示的
變換反應(yīng)。
頁(yè)巖礦物如碳酸鹽化合物可以通過(guò)加熱油頁(yè)巖至高于或等于約450。C的溫 度進(jìn)行煅燒。含硫污染物的吸附可發(fā)生在燃燒室中溫度相對(duì)較高的位置。該溫 度可以足夠高，以達(dá)到促進(jìn)含硫污染物與油頁(yè)巖中存在的堿金屬化合物、堿土 金屬化合物或其它金屬氧化物反應(yīng)，產(chǎn)生硫酸鹽或硫化物。但是，該溫度可以 低于化合物的分解溫度。為達(dá)到頁(yè)巖礦物與H2S04、 S02、 S03、 H2S、 COS或 CS2之間的反應(yīng)，可采用的溫度范圍為高于或等于約45(TC至低于約115(TC。
按照反應(yīng)22和反應(yīng)23所示的示例化學(xué)方式，諸如碳酸鹽或氧化物的頁(yè)巖 礦物還可以用來(lái)除去HC1和Cl2:
CaO + 2HC1 — CaCl2 + H20 (22)
CaO + Cl2 — CaCl2 + 1/2 02 (23)。
雖然上面示出的反應(yīng)是氧化鈣與含氯化合物之間的反應(yīng)，但是在HC1或Cl2與 Mg、 Na、 K、 Fe或Zn之間可以發(fā)生類似的反應(yīng)。還可以與氟、含氟化合物、 碘、含碘化合物、溴、含溴化合物、磷酸鹽、含磷酸鹽化合物發(fā)生類似的反應(yīng)。 氟、含氟化合物、碘、含碘化合物、溴、含溴化合物、磷酸鹽、含磷酸鹽化合 物可以在熱轉(zhuǎn)化工藝室中溫度相對(duì)較高的位置發(fā)生吸附。該溫度應(yīng)足夠高，以 促進(jìn)氟、含氟化合物、碘、含碘化合物、溴、含溴化合物、磷酸鹽、含磷酸鹽 化合物與油頁(yè)巖中存在的堿金屬化合物、堿土金屬化合物或其它金屬氧化物之 間的反應(yīng)。但是，該溫度應(yīng)低于化合物的分解溫度。例如，為使HCl與頁(yè)巖礦 物反應(yīng)，反應(yīng)溫度應(yīng)保持在高于或等于約45(TC至低于約1150°C。
在如美國(guó)專利申請(qǐng)11/004,698中所述的那些工藝中，輸入燃燒室中使用 的油頁(yè)巖可以是從常規(guī)油頁(yè)巖礦獲得的礦石并粉碎成顆粒。油頁(yè)巖可以從在猶 他州、科羅拉多州或懷俄明州的礦中獲得，這種油頁(yè)巖可產(chǎn)生約10-80加侖油/ 噸礦石。也可以使用世界上其他的油頁(yè)巖來(lái)源，各種來(lái)源含有不同濃度的油母 質(zhì)和其他礦物。最初將油頁(yè)巖磨碎或碾磨至要求的小于或等于約5 cm (約2英 寸)的粗粒度?？梢圆捎妙愃朴诿洪_采中采用的粉碎和磨碎的常規(guī)技術(shù)，來(lái)磨碎 油頁(yè)巖。油頁(yè)巖顆?？蛇M(jìn)一步研磨成微米級(jí)顆粒，其粒度范圍為約2-15(Him， 將這種顆粒引入燃燒室?？梢圆捎妙愃朴趯?duì)煤進(jìn)行粉碎、分級(jí)和夾帶在空氣流 中的常規(guī)技術(shù)，對(duì)微米級(jí)顆粒進(jìn)行粉碎、分級(jí)和夾帶在空氣流中。因此，可以
16使用現(xiàn)有的煤粉碎機(jī)、分級(jí)機(jī)和注射器來(lái)產(chǎn)生油頁(yè)巖顆粒并將油頁(yè)巖顆粒注入 燃燒室。油頁(yè)巖顆?？梢允俏捶磻?yīng)的，因?yàn)橛晚?yè)巖顆粒未發(fā)生熱解或脫揮發(fā)分。 但是，油頁(yè)巖干餾物(脫除揮發(fā)分的油頁(yè)巖顆粒)也可以用于燃燒室中。
為了減少初級(jí)燃料燃燒產(chǎn)生的污染物的量，可以將油頁(yè)巖顆粒引入燃燒 室，該燃燒室可以是例如粉煤燃燒器("PCC")、爐、鍋爐、流化床燃燒器或氣化 器、循環(huán)床燃燒器或氣化器、分段式反應(yīng)燃燒器或氣化器、夾帶流燃燒器或氣
化器、廢氣管、廢氣清潔輸送式反應(yīng)器(offgas cleanup transport reactor)、填充
床燃燒器或氣化器、旋轉(zhuǎn)床燃燒器或氣化器、或如水泥窯這樣的煅燒裝置。油 頁(yè)巖顆粒還可以用于金屬化工藝，如在鐵礦石的生產(chǎn)或者金屬的冶煉或精煉 中。燃燒室可以配置成能燃燒煤或其它礦物燃料、生物質(zhì)、MSW、 RDF，或其 他含碳原料。雖然這里的一些實(shí)施方式描述了在PCC中使用油頁(yè)巖顆粒，但是 所述油頁(yè)巖顆?？梢杂糜谄渌愋偷臒徂D(zhuǎn)化室，只要熱轉(zhuǎn)化室能夠達(dá)到油頁(yè)巖 顆粒發(fā)生反應(yīng)所需的溫度。此外，雖然這里的實(shí)施方式描述了使用煤作為初級(jí) 燃料，但可以使用其它燃料，如石油、天然氣、油頁(yè)巖、油砂以及其他含碳燃 料原料(例如林業(yè)產(chǎn)品、副產(chǎn)品和殘留物；農(nóng)作物、副產(chǎn)品和殘留物；動(dòng)物 廢物和畜體；城市固體廢物、污水污泥固體、建筑和爆破碎片、廢棄輪胎以及
其他形式的廢物衍生的燃料)。
PCC設(shè)計(jì)成燃燒作為初級(jí)燃料的煤，并將燃燒的煤的化學(xué)能(焓)轉(zhuǎn)化為熱 能，熱能被傳遞到蒸汽管，產(chǎn)生過(guò)熱高壓蒸汽。PCC可產(chǎn)生約50 MWe-1000 MWe 的能量。PCC通常包括長(zhǎng)的垂直燃燒器箱體，排列有蒸汽管或者有懸掛排列的 蒸汽管。PCC為本領(lǐng)域公知，因此，在此不進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖l示出可引入油 頁(yè)巖顆粒120的PCC 100的示意圖。該P(yáng)CC 100包括燃燒器區(qū)106、過(guò)熱區(qū)108、 再熱區(qū)110、燃料節(jié)約裝置區(qū)112、空氣預(yù)熱區(qū)114和氣體清潔單元116。為了 減少煤在PCC100中燃燒時(shí)產(chǎn)生的污染物，控制上述各區(qū)的溫度，實(shí)現(xiàn)在污染 物與油母質(zhì)以及污染物與吸附劑顆粒之間的所需反應(yīng)。
將粉煤128引入PCC100的燃燒器區(qū)106，與空氣130—起燃燒。加入到 PCC 100的粉煤128的量取決于PCC 100的效率和其要求的功率輸出。將粉煤 128引入PCC 100中的進(jìn)料速度可以根據(jù)PCC 100的效率和要求的功率輸出來(lái) 計(jì)算，如本領(lǐng)域所公知的。粉煤128可以?shī)A帶在空氣130中并通過(guò)多級(jí)燃燒器 (未示出)注入PCC 100中，這些燃燒器在本領(lǐng)域也稱作燃燒器定位器(burner register)或燃燒器箱?；蛘?，可以將粉煤128通過(guò)初級(jí)端口(primary port)(未示出)注入燃燒器區(qū)106中?？諝?30可以與粉煤128—起注入或者通過(guò)二級(jí)或三級(jí) 端口(未示出)注入。為燃燒粉煤128，該燃燒器區(qū)106的溫度可以保持在約 1085-1625。C(約2000-3000。F)。燃燒后，存在于粉煤128中的氮與空氣130可 轉(zhuǎn)化為含氮污染物。粉煤128中的硫如有機(jī)結(jié)合的硫或無(wú)機(jī)硫或黃鐵礦相硫可 釋放并被氧化或轉(zhuǎn)化為含硫污染物，如H2S04、 S02、 S03、 H2S、 COS、 CS2 或它們的混合物。粉煤128中的氯可轉(zhuǎn)化為HC1、 Cl2或其它揮發(fā)性氯化合物。 粉煤128中的碘可以轉(zhuǎn)化為HI、 12或其它揮發(fā)性碘化合物，而粉煤128中的氟 可轉(zhuǎn)化為HF、 F或其它揮發(fā)性氟化物。粉煤128中的溴可轉(zhuǎn)化為HBr、 Br或 其它揮發(fā)性溴化物。粉煤128中的磷酸鹽可轉(zhuǎn)化為含磷化合物。粉煤128中的 汞可作為Hg?；騂gCl2釋放。砷、鉛、鈹和其他有毒金屬可以作為揮發(fā)性和半 揮發(fā)性化合物釋放。
油頁(yè)巖顆粒120可以?shī)A帶并注入PCC 100中的燃燒器區(qū)106、過(guò)熱區(qū)108 和再熱區(qū)110中的至少一個(gè)中，取決于PCC 100的溫度分布以及油頁(yè)巖的性質(zhì)。 為了清楚和簡(jiǎn)單，圖1中示出了要注入過(guò)熱區(qū)108中的油頁(yè)巖顆粒120。該油 頁(yè)巖顆粒120可以通過(guò)多級(jí)燃燒器(未示出)、初級(jí)端口(未示出)或二級(jí)端口或三 級(jí)端口(未示出)注入PCC 100中。油頁(yè)巖顆粒120不注入PCC 100中的會(huì)使油 頁(yè)巖顆粒120熔融和成熔渣的區(qū)中，因?yàn)檫@會(huì)影響油頁(yè)巖顆粒120在氣體排放 路徑的后階段中捕集污染物的能力。將油頁(yè)巖顆粒120引入PCC 100中的進(jìn)料 速度取決于吸附劑反應(yīng)的效率。該進(jìn)料速度可以按本領(lǐng)域已知的方法確定。在 一個(gè)實(shí)施方式中，油頁(yè)巖顆粒120注入燃燒器區(qū)106的上部區(qū)域或者過(guò)熱區(qū)108 的下部區(qū)域。油頁(yè)巖干餾物(脫揮發(fā)分的油頁(yè)巖顆粒)也可以注入再熱區(qū)110。注 入PCC100后，油頁(yè)巖顆粒120開始發(fā)生脫揮發(fā)分并釋放油母質(zhì)，該油母質(zhì)與 含氮污染物反應(yīng)，如反應(yīng)l-4所描述的。保持燃燒器區(qū)106、過(guò)熱區(qū)108和再 熱區(qū)110中的至少一個(gè)的溫度，以促進(jìn)含氮污染物化學(xué)還原為N2、 C02和H20， 明顯降低從PCC 100排放的含氮污染物的量。
釋放油母質(zhì)后產(chǎn)生的頁(yè)巖礦物可以與氣態(tài)H2S04、 S03、 S02、 HC1、 H2S、 COS、 CS2或它們的混合物反應(yīng)，如反應(yīng)9-17所示。當(dāng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱動(dòng)力學(xué) 有利于形成CaS04或CaS時(shí)，來(lái)自油頁(yè)巖的氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵和其它金 屬氧化物可與H2S04、 S03、 S02、 HC1、 H2S、 COS、 CS2或它們的混合物反應(yīng) 并將它們捕集。通常，在約450-1125'C的溫度范圍可以發(fā)生有利的反應(yīng)。過(guò)熱 區(qū)108、再熱區(qū)110和燃料節(jié)約區(qū)112中的至少一個(gè)的溫度在該溫度范圍之內(nèi)。
18因此，當(dāng)油頁(yè)巖顆粒120經(jīng)過(guò)過(guò)熱區(qū)108并進(jìn)入再熱區(qū)110和燃料節(jié)約裝置區(qū)
112時(shí)，捕集HC1、 H2S04、 S03、 S02、 H2S、 COS、 CS2或它們的混合物。捕 集HCl、 H2S04、 S03、 S02、 H2S、 COS、 CS2或它們的混合物還可持續(xù)到空氣 預(yù)熱區(qū)114的下部。停留時(shí)間或頁(yè)巖礦物與污染物之間的接觸時(shí)間可大于或等 于5秒，以捕集這些污染物。
汞或氯化汞可以通過(guò)以下兩種機(jī)理與頁(yè)巖礦物或焦粒發(fā)生反應(yīng)物理吸收 或化學(xué)吸附。當(dāng)頁(yè)巖礦物或焦粒通入PCC100的溫度較低的部分時(shí)，汞或氯化 汞可以被吸附或吸收，如反應(yīng)5-8所示。例如，汞或氯化汞可以在空氣預(yù)熱區(qū) 114或氣體清潔單元116被吸附劑顆粒吸附或吸收。當(dāng)溫度下降至低于約200 "C(約392。F)時(shí)會(huì)發(fā)生這些反應(yīng)。因?yàn)榭諝忸A(yù)熱區(qū)114或氣體清潔單元116的溫 度在此范圍內(nèi)，在PCC100的這些部分能最有效地除去汞或氯化汞。為能有效 捕集這些污染物，吸附劑顆粒與汞或氯化汞之間的接觸時(shí)間可大于30秒。這 樣長(zhǎng)的接觸時(shí)間可以在氣體清潔單元116內(nèi)達(dá)到。
通過(guò)燃燒粉煤128產(chǎn)生的熱氣體和夾帶的飛灰顆?？梢詮娜紵鲄^(qū)106排 出并通入過(guò)熱區(qū)108，在那里熱氣體與蒸汽管140接觸。蒸汽管140從熱氣體 獲取熱量并升高蒸汽溫度。在過(guò)熱區(qū)108中，熱氣體的溫度約為975-132(TC(約 1800-2400°F)。熱氣體和夾帶的飛灰顆?？赏ㄈ朐贌釁^(qū)110，該區(qū)是過(guò)熱區(qū)108 和燃料節(jié)約裝置區(qū)112之間的過(guò)渡區(qū)。再熱區(qū)IIO中也可以有蒸汽管140。再 熱區(qū)110的溫度在約650-98(TC(約1200-1800。F)間變化。熱氣體在燃料節(jié)約裝 置區(qū)112內(nèi)被另外的蒸汽管140冷卻。熱氣體在燃料節(jié)約裝置區(qū)112的溫度約 為535-650。C(約1000-1200。F)。
從燃料節(jié)約裝置區(qū)112排出的氣體在本領(lǐng)域稱作煙道氣。這里，所述煙道 氣可包含空氣、燃燒產(chǎn)物、水蒸氣、二氧化碳、汞和顆粒物質(zhì)。煙道氣基本上 不含含氮污染物、含硫污染物和HC1，因?yàn)檫@些污染物在燃燒器區(qū)106、過(guò)熱 區(qū)108或再熱區(qū)110中被除去。煙道氣可以通過(guò)空氣預(yù)熱區(qū)114中的氣-氣熱交 換器(未示出)進(jìn)一步冷卻來(lái)對(duì)輸入的燃燒用空氣進(jìn)行預(yù)熱。在空氣預(yù)熱區(qū)114 中，煙道氣的溫度約為120-23(TC(約250-450GF)。煙道氣150可以流入氣體清 潔單元116，如袋濾器(baghouse)或靜電沉積器(ESP)，以除去顆粒物質(zhì)如飛 灰152。飛灰152可以收集在氣體清潔單元116的過(guò)濾器中。
由于將油頁(yè)巖顆粒120引入PCC IOO釆用了許多現(xiàn)有的煤加工和處理工藝，因此這種降低煙道氣150中污染物的量的方法能夠方便地在現(xiàn)有PCC中實(shí) 施，原因是不需要安裝新的設(shè)備。油頁(yè)巖顆粒120的應(yīng)用也可以結(jié)合到未來(lái)的
PCC設(shè)計(jì)中，而沒有明顯增加成本。
如上所述，油頁(yè)巖顆粒120可以用來(lái)降低煙道氣150中的單一類型污染物 的量，所述污染物例如是含氮污染物、H2S04、 S03、 S02、 H2S、 COS、 CS2、 汞或氯化汞。油頁(yè)巖顆粒120還可以用來(lái)降低煙道氣150中不同類型的污染物 的量。因此，油頁(yè)巖顆粒120可提供多重污染物控制。此外，因?yàn)橛晚?yè)巖顆粒 120的熱解能產(chǎn)生多孔吸附劑顆粒，故可以獲得較高的污染物負(fù)載量。因此， 可以采用較低的油頁(yè)巖顆粒120注入速度，這樣可以減少固體物質(zhì)的處理量。 雖然油頁(yè)巖顆粒120能有效降低煙道氣150中污染物的量，但油頁(yè)巖顆粒120 也可以與其它工藝如LIMB、 LIDS、 SNCR和NOx再燃燒工藝結(jié)合使用，以進(jìn)
一步降低污染物的量。
除了除去污染物外，油頁(yè)巖顆粒120可增加焓值(即熱值)，因?yàn)橛晚?yè)巖顆 粒120與初級(jí)燃料一起進(jìn)行燃燒。油頁(yè)巖燃燒期間產(chǎn)生的焦粒以及輕質(zhì)烴和重 質(zhì)烴可以全部燃燒或部分燃燒，以提供額外的熱量，如反應(yīng)24-31所示
CxHy+(x + y/4)02 — xC02 + y/2H20 (24)
CO + 1/2 02 — C02 (25)
CxHy + x/2 02 — xCO + y/2H2 (26)
CxHy + xH20 — xCO + (X+y/2) H2 (27)
焦碳+02 — C02 (28)
焦碳+ 1/2 02 — CO (29)
焦碳+C02 — 2CO (30)
焦碳+H20 — CO + H2 (31)
雖然反應(yīng)24-31不都是放熱反應(yīng)，這些反應(yīng)或產(chǎn)生熱能，或產(chǎn)生反應(yīng)性氣 體，這些氣體可用來(lái)產(chǎn)生熱能。油頁(yè)巖燃燒可提供凈的正熱能，該熱能在約4.7 MJ/kg (或約2,000 BTU/lb)至約9.3 MJ/kg (或約4,000 BTU/lb)范圍內(nèi)。燃燒油頁(yè) 巖提供的能量可彌補(bǔ)由于污染物吸附反應(yīng)導(dǎo)致的熱損失。
未反應(yīng)的重質(zhì)烴和輕質(zhì)烴可在過(guò)熱區(qū)108或再熱區(qū)110與通入的過(guò)量氧或 空氣(未示出)完全反應(yīng)。此外，在需要燃燒重質(zhì)烴和輕質(zhì)烴時(shí)可以在過(guò)熱區(qū)108 或再熱區(qū)110中加入補(bǔ)充的氧(未示出)。大多數(shù)的燃燒室配備有煙炱吹除空氣注射器或空氣槍，這些器件可用來(lái)調(diào)節(jié)氧濃度，以實(shí)現(xiàn)重質(zhì)烴和輕質(zhì)烴的完全 燃燒。
在該燃燒工藝中使用油頁(yè)巖顆粒120還可以改善對(duì)初級(jí)燃料燃燒期間產(chǎn)生
的飛灰的處置。燃燒油頁(yè)巖還可以產(chǎn)生飛灰152和礦渣154 (煤和油頁(yè)巖的副產(chǎn) 礦物)。油頁(yè)巖顆粒120可用來(lái)制備適合用垃圾填埋法處理的飛灰152或礦渣 154。燃燒期間，油頁(yè)巖顆粒120煅燒并轉(zhuǎn)化為包含氧化物的火山灰物質(zhì)。所 述火山灰物質(zhì)可包封和固定燃燒期間產(chǎn)生的金屬、礦渣154和飛灰152。飛灰 152還可用作路基材料或結(jié)構(gòu)材料。
油頁(yè)巖不僅可以用作減少燃燒工藝、金屬熱解工藝、煅燒工藝或其他工藝 中的污染的物質(zhì)，而且可以使用脫揮發(fā)分的油頁(yè)巖作為污染物控制材料。油頁(yè) 巖中的油母質(zhì)可以在離位熱轉(zhuǎn)化工藝中反應(yīng)并脫除揮發(fā)分，產(chǎn)生頁(yè)巖礦物和焦 粒以及可燃性的基于油母質(zhì)的燃料?？梢詫㈨?yè)巖礦物和焦粒送入另一個(gè)聯(lián)用的 熱轉(zhuǎn)化工藝，例如但不限于燃燒工藝、水泥窯、或礦石冶煉或金屬精煉工藝， 以吸收或吸附污染物，其方式與通過(guò)向燃燒工藝加入油頁(yè)巖產(chǎn)生的頁(yè)巖礦物吸 收或吸附污染物一樣。此外，可以將基于油母質(zhì)的燃料送入該工藝，作為還原 劑來(lái)去除污染物。或者，可以使用基于油母質(zhì)的燃料作為加熱燃料，或者處理 為有用的燃料產(chǎn)品。
本發(fā)明的實(shí)施方式涉及對(duì)來(lái)自油頁(yè)巖的油母質(zhì)脫揮發(fā)分，產(chǎn)生頁(yè)巖吸附劑 和基于油母質(zhì)的燃料。對(duì)來(lái)自油頁(yè)巖的油母質(zhì)脫揮發(fā)分進(jìn)行控制，以便能夠從 油頁(yè)巖釋放具有所需特性的頁(yè)巖吸附劑和油母質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，可對(duì)油頁(yè)巖進(jìn)行氣化、熱解、脫揮發(fā)分或干 餾，以產(chǎn)生具有污染物吸附功能的固體灰或頁(yè)巖吸附劑?？梢詫⒂晚?yè)巖引入氣 化工藝，以控制自油頁(yè)巖釋放油母質(zhì)。對(duì)自油頁(yè)巖釋放油母質(zhì)進(jìn)行控制可能導(dǎo) 致形成具有污染物控制特性的固體灰。例如，頁(yè)巖吸附劑可以用作污染物的吸 附劑或作為污染物的還原劑。
例如，將油頁(yè)巖引入氣化工藝，該工藝中油頁(yè)巖發(fā)生氣化，從油頁(yè)巖釋放 油母質(zhì)。對(duì)該氣化進(jìn)行控制，釋放大量?jī)?chǔ)存在油頁(yè)巖中的油母質(zhì)。脫揮發(fā)分的 油頁(yè)巖從該氣化工藝排出，作為頁(yè)巖吸附劑。將頁(yè)巖吸附劑粉碎或者進(jìn)行其他 處理，產(chǎn)生具有所需粒度的頁(yè)巖吸附劑，用于吸附或吸收污染物的處理工藝， 或者用作污染吸附劑。在一些實(shí)施方式中，可將頁(yè)巖吸附劑輸入一過(guò)程中以控
21制該過(guò)程中的污染物，或與工藝產(chǎn)物接觸，以減少產(chǎn)物中的污染物。
根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方式，對(duì)油頁(yè)巖氣化進(jìn)行控制，以產(chǎn)生污染物吸附 劑的固體顆粒，所述顆粒包含固定碳，所述固定碳有助于吸收或吸附污染物。 控制油頁(yè)巖的氣化以保證油頁(yè)巖一部分被焦化，產(chǎn)生頁(yè)巖吸附劑，在該吸附劑 顆粒內(nèi)或顆粒上含有一定量的碳。收集焦化的頁(yè)巖吸附劑并用作控制污染物的 吸附劑。
根據(jù)本發(fā)明的又一些實(shí)施方式，油頁(yè)巖氣化可產(chǎn)生還原氣體，用于污染物 控制。例如，按照本發(fā)明的實(shí)施方式可以制備用于對(duì)排放的NOx進(jìn)行還原的氣 體。對(duì)引入氣化工藝以產(chǎn)生還原氣體的來(lái)自油頁(yè)巖的油母質(zhì)進(jìn)行脫揮發(fā)分，可 包括對(duì)脫揮發(fā)分工藝進(jìn)行控制和最優(yōu)化，以產(chǎn)生高含量的還原形式的碳(如CH4、
C2H4、 C2H6、 C3H8)和低含量的重質(zhì)烴的氣體?？梢詫⑦€原氣體直接輸入一個(gè)過(guò)程
或工藝產(chǎn)物流中用作還原劑，或按照常規(guī)方法儲(chǔ)存并用于其他工藝。
在本發(fā)明其它的實(shí)施方式中，通過(guò)對(duì)油頁(yè)巖氣化可產(chǎn)生烴氣體。對(duì)來(lái)自油
頁(yè)巖的油母質(zhì)脫揮發(fā)分進(jìn)行控制，以產(chǎn)生烴氣體?？梢钥刂泼摀]發(fā)分的條件， 使得從氣化工藝產(chǎn)生特定量的所需烴。這樣，可以將形成的烴氣體分離并作為 合成天然氣銷售，或者改變?yōu)樯a(chǎn)合成氣和氣體產(chǎn)品。也可以將生產(chǎn)的經(jīng)氣體 進(jìn)行冷卻、冷凝，然后蒸餾、裂解或加氫，以生產(chǎn)高價(jià)值的合成石油粗產(chǎn)品。
圖2示出用于進(jìn)行本發(fā)明的實(shí)施方式的熱解或氣化器系統(tǒng)的簡(jiǎn)化的材料流 程圖。如圖2所示，將粉碎的油頁(yè)巖210與蒸汽212以及一種或多種氧化劑氣 體214引入氣化器200。引入氣化器200的油頁(yè)巖210進(jìn)行氣化，使來(lái)自油頁(yè) 巖210的油母質(zhì)脫揮發(fā)分，可產(chǎn)生熱解氣體220和頁(yè)巖吸附劑230。從氣化器 200除去熱解氣體220，并將該熱解氣體220儲(chǔ)存、燃燒、使用，或者按照需 要進(jìn)行處理。類似地，可使用頁(yè)巖吸附劑230作為按照本發(fā)明實(shí)施方式的污染 吸附劑，或者用于其他工藝。
在圖2所示的框圖中表示的氣化器200可包括能夠?qū)?lái)自油頁(yè)巖的油母質(zhì) 脫揮發(fā)分并能對(duì)頁(yè)巖煅燒制備頁(yè)巖吸附劑的任何類型的氣化器200或熱轉(zhuǎn)化裝 置。例如，本發(fā)明的實(shí)施方式可以使用常規(guī)的固定床氣化器、流化床氣化器或 夾帶流氣化器。其他常規(guī)的氣化器或旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)熱解操作也可用于本發(fā)明的實(shí)施 方式。
根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施方式，其中，對(duì)油頁(yè)巖210進(jìn)行油母質(zhì)的脫揮發(fā)分， 以制備頁(yè)巖吸附劑230來(lái)捕集來(lái)自其他工藝的污染物時(shí)，可使用固定床氣化器或鼓泡流化床氣化器來(lái)氣化油頁(yè)巖210。如果進(jìn)行油母質(zhì)脫揮發(fā)分的油頁(yè)巖210
的顆粒包括粒徑例如約為0. 5-10毫米的粉碎的粗油頁(yè)巖210顆粒，更優(yōu)選使 用這類氣化器。使用固定床氣化器或鼓泡流化床氣化器能幫助產(chǎn)生高質(zhì)量的頁(yè) 巖吸附劑230，在該氣化器200中，包含在油頁(yè)巖210中的大部分油母質(zhì)被從 油頁(yè)巖210中除去。按照這種方式產(chǎn)生的頁(yè)巖吸附劑230具有高的"燃燒損失 (loss on ignition)"值。還可以使用其他類型的氣化器來(lái)制備這種頁(yè)巖吸附 劑230。
在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，其中，油頁(yè)巖210包括細(xì)粉碎的油頁(yè)巖210， 如粒徑約為0. 001-0. 1毫米的油頁(yè)巖時(shí)，可以使用夾帶式氣化器作為氣化器 200，對(duì)來(lái)自油頁(yè)巖210的油母質(zhì)脫揮發(fā)分。例如，可以將粒徑約為0.001-0.01 毫米的油頁(yè)巖210顆粒引入夾帶式氣化器200，對(duì)油母質(zhì)脫揮發(fā)分。由該脫揮 發(fā)分工藝產(chǎn)生的熱解氣體可以在氣化器200內(nèi)燃燒，促進(jìn)脫揮發(fā)分工藝。
選擇用于本發(fā)明實(shí)施方式的氣化器200還取決于該工藝所需的熱解氣體 220。例如，當(dāng)熱解氣體220進(jìn)行燃燒或者用作還原氣體以還原存在的N0x污 染物或其他氣體物流中的其他污染物時(shí)，選擇氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝， 使還原形式的碳如014和C2H4的產(chǎn)生達(dá)到最佳狀態(tài)。
不希望在熱解氣體中產(chǎn)生重質(zhì)烴；因此，選擇氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工 藝，以限制產(chǎn)生這類重質(zhì)烴。例如，自氣化器200至二級(jí)工藝的原料物流中存 在重質(zhì)烴可能引起該原料物流發(fā)生不希望發(fā)生的縮合。在一些實(shí)施方式中，從 氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝排出的熱解氣體220可以被發(fā)送至焦油裂解器 (未示出)或氣體轉(zhuǎn)化器(未示出)，以進(jìn)一步分解熱解氣體220或者從熱解氣體 220除去重質(zhì)烴?？刹捎贸Ｒ?guī)方法在將熱解氣體220送入另一個(gè)工藝之前改變 熱解氣體220物流中的重質(zhì)烴。
在本發(fā)明的其他實(shí)施方式中，不希望在熱解氣體220中產(chǎn)生還原形式的烴。 例如，在合成氣和合成燃料的生產(chǎn)工藝中，優(yōu)選使熱解氣體220中的烴量最少。 相反，優(yōu)選使一氧化碳("CO")和氫("H2")的形成最大化。因此，選擇氣化 器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝，使油頁(yè)巖210在氣化器200中熱解期間的一氧化碳 和氫氣的產(chǎn)量最大。在一些實(shí)施方式中，甚至可以選擇氣化器200或?qū)饣?200進(jìn)行適當(dāng)操作，以產(chǎn)生適合費(fèi)-托(Fischer-Tropsch)合成燃料生產(chǎn)工藝的 一氧化碳與氫的最佳比值。
將油頁(yè)巖210、水蒸汽212和氧化劑氣體214引入圖2所示的氣化器200中，可能在氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝中發(fā)生許多不同反應(yīng)。例如，在氣化 器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝中加熱油頁(yè)巖時(shí)，產(chǎn)生頁(yè)巖礦物、焦粒和油母質(zhì)。頁(yè)
巖礦物和焦粒構(gòu)成頁(yè)巖吸附劑230。頁(yè)巖礦物、焦粒和油母質(zhì)的產(chǎn)生類似于將 油頁(yè)巖210直接引入燃燒室或其他熱轉(zhuǎn)化工藝如粉煤鍋爐的燃燒室時(shí)發(fā)生的反 應(yīng)。頁(yè)巖吸附劑230和油母質(zhì)的形成可以用反應(yīng)32來(lái)表示
油頁(yè)巖+熱—頁(yè)巖吸附劑+油母質(zhì) (32)
在氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝中可以采用高于或等于20(TC的溫度來(lái)熱 解油頁(yè)巖。在加熱油頁(yè)巖210時(shí)，在對(duì)頁(yè)巖礦物進(jìn)行煅燒的同時(shí)，熱量使油母 質(zhì)解聚和脫揮發(fā)分。油頁(yè)巖210發(fā)生解聚、脫揮發(fā)分、熱解和形成焦的程度可 依據(jù)顆粒的加熱速度、顆粒溫度、周圍氣體的溫度、以及油頁(yè)巖210在氣化器 200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝中的加熱時(shí)間長(zhǎng)短而變化。當(dāng)油母質(zhì)從油頁(yè)巖脫揮發(fā)分 或釋放時(shí)，氧化物、碳酸鹽或硅酸鹽的多孔基質(zhì)可能保留，包括但不限于:二 氧化硅("Si(V，)和氧化物，以及鈣("Ca")、鎂("Mg")、鈉(〃Na〃)、鉀("K")、 鐵("Fe")或鋅("Zn")的碳酸鹽。僅為了示例，頁(yè)巖礦物可包括，但不限于 氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵、碳酸鈣或它們的混合物。油母質(zhì)從油頁(yè)巖210脫揮 發(fā)分后可能仍保留有焦?；驓堄嗵碱w粒。頁(yè)巖吸附劑230包含頁(yè)巖礦物和焦粒。 頁(yè)巖吸附劑230可包含增大了表面積的多孔顆粒。因此，頁(yè)巖吸附劑230相對(duì) 于油頁(yè)巖210提高了吸附和吸收容量，并可用于吸附或吸收汞和其他污染物。 此外，頁(yè)巖吸附劑230可以是多孔性的，能夠使污染物擴(kuò)散到頁(yè)巖吸附劑230 內(nèi)并與其中的氧化物、碳酸鹽和硅酸鹽反應(yīng)。
在氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝中引入的水蒸汽212可以和頁(yè)巖吸附劑 230的焦粒反應(yīng)，在頁(yè)巖吸附劑230內(nèi)或其上形成活性炭，可由反應(yīng)33表示 油頁(yè)巖+熱—頁(yè)巖礦物+焦粒+油母質(zhì)+烴衍生物 (33)
油頁(yè)巖210中的油母質(zhì)可以在氣化器200內(nèi)釋放。從油頁(yè)巖210釋放的油 母質(zhì)可提供用于在其他工藝中還原污染物的還原劑源。如反應(yīng)34所示，使油 母質(zhì)接觸附加的熱能，油母質(zhì)發(fā)生裂解或分裂，形成輕質(zhì)烴和重質(zhì)烴 油母質(zhì)+熱+自由基—重質(zhì)烴和輕質(zhì)烴(CxHy) + CO + H2 + (34)
其中，x和y取決于油母質(zhì)中的碳和氫的比值以及當(dāng)時(shí)的條件。例如，對(duì) 輕質(zhì)烴，x可為1-7，對(duì)中等烴為8-12，對(duì)重質(zhì)烴可為12-42。相關(guān)地，y可為 1-90，對(duì)指定的烴，y通常等于x的兩倍。可以采用高于或等于35(TC的溫度 進(jìn)行聚合油母質(zhì)的裂解和分裂。因此，重質(zhì)烴逐漸轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)烴。水蒸汽的存在能幫助重質(zhì)烴的裂解和重整。
本發(fā)明的實(shí)施方式可以與任何產(chǎn)生污染的工藝結(jié)合，以減少工藝中產(chǎn)生的
污染量。例如，可以將用于轉(zhuǎn)化油頁(yè)巖210為熱解氣體220和頁(yè)巖吸附劑230 的氣化器200結(jié)合在以下裝置或工藝中粉煤鍋爐、水泥生產(chǎn)工藝、合成燃料
或合成氣生產(chǎn)工藝、冶金熱解工藝、粉煤燃燒器、爐子、鍋爐、流化床燃燒器 或氣化器、循環(huán)床燃燒器或氣化器、分段式反應(yīng)器燃燒器或氣化器、夾帶流動(dòng)
(entrained-flow)燃燒器或氣化器、廢氣導(dǎo)管、或廢氣清潔輸送式反應(yīng)器?？?采用本發(fā)明的實(shí)施方式制備用于吸收或吸附在不同工藝中產(chǎn)生的污染物的頁(yè) 巖吸附劑230或制備能用于各工藝的油母質(zhì)基燃料。本發(fā)明的實(shí)施方式不限于 列舉的這些應(yīng)用，應(yīng)理解，用于制備頁(yè)巖吸附劑230、熱解氣體220或污染物 還原氣體的氣化器可與常規(guī)工藝結(jié)合，尤其是希望控制產(chǎn)生的污染物的工藝。
圖3示出按照本發(fā)明的實(shí)施方式的氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝與形成污 染物的工藝的結(jié)合。按照本發(fā)明的實(shí)施方式的氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝與 粉煤鍋爐系統(tǒng)300的結(jié)合，可以用來(lái)向粉煤鍋爐系統(tǒng)300提供頁(yè)巖吸附劑230、 熱解氣體220或還原氣體。雖然圖3所示的系統(tǒng)包括與煤燃燒器系統(tǒng)300結(jié)合 的氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝，但是應(yīng)理解，本發(fā)明的實(shí)施方式可以與許
多產(chǎn)生污染物的不同系統(tǒng)和要求減少這類污染物的不同系統(tǒng)結(jié)合。
如圖3所示，常規(guī)煤燃燒器系統(tǒng)300可包括燃燒器區(qū)306、過(guò)熱區(qū)308、 再熱區(qū)310、燃料節(jié)約裝置區(qū)312、空氣預(yù)熱區(qū)314和氣體清潔區(qū)316。將煤 328如粉煤引入燃燒器區(qū)306，煤在燃燒器區(qū)燃燒，形成氣體和爐渣354。還可 以將空氣330引入燃燒器區(qū)306，促進(jìn)煤328在煤燃燒器系統(tǒng)300中的燃燒。 引入空氣330可包括引入為常規(guī)煤燃燒器系統(tǒng)300已知的燃燒空氣、初進(jìn)空氣 (primary air)和滲透空氣(infiltration air)。如通常所了解的，可以從煤 燃燒器系統(tǒng)300除去在燃燒器區(qū)306產(chǎn)生的爐渣354。
煤328可以在燃燒器區(qū)306中燃燒，燃燒器區(qū)溫度保持在約800-1650°C。 燃燒器區(qū)306內(nèi)的反應(yīng)包括與煤328的燃燒有關(guān)的反應(yīng)，例如反應(yīng)35-44:
C + 02 — C02 (35)
2H + 1/202 — H20 (36)
N + 1/202 — NO (37)
2 N — N2 (38)
2C1 + H20 — 2 HC1 + 1/202 (39)
25S + 02 — S02 (40)
2 0 — 02 (41) 2 FeS2 + 1 1/2 02 — Fe203 + 4 S02 (42) HgS — Hg° + S02 (43) 碳酸鹽一氧化物+ C02 (44)
如在上述煤328的燃燒工藝中所發(fā)生的反應(yīng)所示，可能產(chǎn)生污染物，如S02、 N0和HC1。還可能形成其他污染物。不希望有污染物，可以按照本發(fā)明的實(shí)施 方式，通過(guò)燃燒來(lái)自氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝的熱解氣體來(lái)除去污染物， 或者通過(guò)將頁(yè)巖吸附劑230引入煤燃燒器系統(tǒng)300來(lái)除去污染物。
在煤32S的燃燒工藝中形成的氣體和顆粒從燃燒器區(qū)306排出，進(jìn)入過(guò)熱 區(qū)308。將來(lái)自過(guò)熱區(qū)308的氣體和顆粒通入再熱區(qū)310，然后進(jìn)入燃料節(jié)約 裝置區(qū)312，之后再進(jìn)入空氣預(yù)熱區(qū)314。在各區(qū)的溫度可通過(guò)各區(qū)中的蒸汽 管340來(lái)控制。將從空氣預(yù)熱區(qū)314排出的煙道氣350輸入氣體清潔區(qū)316(如 袋濾器(baghouse)或靜電沉積器(ESP))中?？梢宰詺怏w清潔區(qū)316收集顆粒物 質(zhì)如飛灰352，并將來(lái)自煤燃燒器系統(tǒng)300的廢氣釋放或輸入其他氣體清潔工 藝。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在燃燒器區(qū)306以及煤燃燒器系統(tǒng)300的所有其 余區(qū)域產(chǎn)生的污染物可以通過(guò)以下方式被還原，即，將頁(yè)巖吸附劑230或熱解 氣體220引入煤燃燒器系統(tǒng)300或者引入該系統(tǒng)產(chǎn)生的產(chǎn)物流中。例如，在煤 燃燒器系統(tǒng)300的燃燒器區(qū)306中產(chǎn)生的NOx污染物可以在對(duì)油頁(yè)巖210燃燒 器區(qū)306中氣化形成的熱解氣體220進(jìn)行燃燒的同時(shí)被還原。將來(lái)自氣化器200 的熱解氣體220輸入煤燃燒器系統(tǒng)300的燃燒器區(qū)306中的進(jìn)口。將熱解氣體 220輸入或注入燃燒器區(qū)306時(shí)，根據(jù)前面所示的反應(yīng)3和4，熱解氣體220 被存在的NOx氧化，因而將含氮污染物還原為N2或其他含氮化合物、二氧化碳 ("C。2")和水("H20")。
在將熱解氣體220引入燃燒器區(qū)306時(shí)還可能發(fā)生其他的氧化反應(yīng)。例如， 除了反應(yīng)3和4所示的NOx還原反應(yīng)外，燃燒器區(qū)306中可能發(fā)生以下反應(yīng)45 和46:
CxHy + (x + y/4) 02 — xC02 + y/2 H20 (45) CO + l/202 —C02 (46)
式中，對(duì)輕質(zhì)烴，x可為l-7，對(duì)中等烴約為8-12，對(duì)重質(zhì)烴約為13-42。相關(guān)地，y可為l-90，對(duì)指定的烴，y通常等于x的兩倍。在有些情況下，可 以在兩個(gè)或更多個(gè)位置將熱解氣體220引入燃燒器區(qū)。在一個(gè)以上的位置引入 熱解氣體220能同時(shí)促進(jìn)反應(yīng)3和4所示的NOx污染物的還原反應(yīng)以及反應(yīng)45 和46所示的氧化反應(yīng)。將多個(gè)熱解氣體220進(jìn)料輸入燃燒器區(qū)306的說(shuō)明性 例子是圖3所示的兩個(gè)熱解氣體220進(jìn)口 220(a)和220(b)。如圖所示， 一個(gè) 或多個(gè)熱解氣體220進(jìn)口 220 (b)可位于在燃燒器區(qū)306和過(guò)熱區(qū)308之間的分 界區(qū)(dividing zone)，或者位于自燃燒器區(qū)306至過(guò)熱區(qū)308的入口 。
將來(lái)自燃燒器區(qū)306的氣體和顆粒物質(zhì)通入過(guò)熱區(qū)308，進(jìn)行其他反應(yīng)。 過(guò)熱區(qū)308的溫度保持在約675-1320°C。如對(duì)常規(guī)煤燃燒器系統(tǒng)300的了解那 樣，在過(guò)熱區(qū)308中可設(shè)置蒸汽管340，以提供熱量。
在燃燒器區(qū)306產(chǎn)生的氣體和顆粒物質(zhì)中的污染物可以通過(guò)引入過(guò)熱區(qū) 308的頁(yè)巖吸附劑230的吸附或吸收作用至少被部分除去。將來(lái)自氣化器200 的頁(yè)巖吸附劑230在一個(gè)或多個(gè)位置引入過(guò)熱區(qū)308。例如，將頁(yè)巖吸附劑230 自氣化器200引入煤燃燒器系統(tǒng)300的過(guò)熱區(qū)308，以吸收和吸附從燃燒器區(qū) 306轉(zhuǎn)移至過(guò)熱區(qū)308的污染物。將頁(yè)巖吸附劑230研碎至所需粒度，并夾帶 在空氣中，以便注入煤燃燒器系統(tǒng)300。圖3示出引入頁(yè)巖吸附劑230的一個(gè) 例子，該圖中，將來(lái)自氣化器200的頁(yè)巖吸附劑230在進(jìn)口 230 (a)注入過(guò)熱區(qū)。 雖然圖中示出只有一個(gè)頁(yè)巖吸附劑230進(jìn)入過(guò)熱區(qū)308的進(jìn)口 230(a)，但是， 應(yīng)理解，可以使用一個(gè)或多個(gè)進(jìn)口，并且可按照客戶特定要求確定頁(yè)巖吸附劑 230輸入過(guò)熱區(qū)308的進(jìn)口的位置，以最大程度或按照客戶要求從過(guò)熱區(qū)308 中的氣體和顆粒物質(zhì)中除去污染物。
從煤燃燒器系統(tǒng)300的過(guò)熱區(qū)308通過(guò)并進(jìn)入再熱區(qū)310的污染物還可以 通過(guò)將頁(yè)巖吸附劑230引入再熱區(qū)310實(shí)現(xiàn)至少部分去除。按照與將吸附劑引 入過(guò)熱區(qū)308的相同的方式，將來(lái)自氣化器200的頁(yè)巖吸附劑230在一個(gè)或多 個(gè)進(jìn)口 230(b)引入再熱區(qū)。還可以將頁(yè)巖吸附劑230引入燃料節(jié)約裝置區(qū)312 或空氣預(yù)熱區(qū)314，以幫助從煤燃燒器系統(tǒng)300中的氣體和顆粒中除去污染物。
在空氣預(yù)熱區(qū)314中的頁(yè)巖吸附劑230能幫助從通入空氣預(yù)熱區(qū)314的顆 粒物質(zhì)中捕集汞和汞基污染物?？梢詫㈨?yè)巖吸附劑230自氣化器200或其他來(lái) 源引入空氣預(yù)熱區(qū)。此外，可以將在煤燃燒器系統(tǒng)300的初期處理步驟中引入 的頁(yè)巖吸附劑230通入空氣預(yù)熱區(qū)314，頁(yè)巖吸附劑230可以與該區(qū)域存在的 顆粒物質(zhì)中的含汞污染物反應(yīng)。頁(yè)巖吸附劑230與汞的反應(yīng)可包括如本文所示
27的反應(yīng)5至反應(yīng)8的反應(yīng)。
在本發(fā)明的其他實(shí)施方式中，頁(yè)巖吸附劑230不必直接從氣化器200或其 他熱轉(zhuǎn)化工藝輸入煤燃燒器系統(tǒng)300。替代的方式是，按照本發(fā)明的實(shí)施方式 將氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝中產(chǎn)生的頁(yè)巖吸附劑230儲(chǔ)存?zhèn)溆茫谛枰獣r(shí) 可以將儲(chǔ)存的頁(yè)巖吸附劑230按照要求的方式引入煤燃燒器系統(tǒng)300。例如， 將儲(chǔ)存的頁(yè)巖吸附劑230從儲(chǔ)存設(shè)施引入煤燃燒器系統(tǒng)300的過(guò)熱區(qū)308中的 一個(gè)或多個(gè)頁(yè)巖吸附劑進(jìn)口 230(a)，并引入煤燃燒器系統(tǒng)300的再熱區(qū)310中 的一個(gè)或多個(gè)頁(yè)巖吸附劑進(jìn)口 230(b)。
將頁(yè)巖吸附劑230引入煤燃燒器系統(tǒng)300能夠?qū)⒋嬖谟诿喝紵飨到y(tǒng)300 的產(chǎn)物(如顆粒物質(zhì)和氣體)中的污染物還原。頁(yè)巖吸附劑230可以吸附或吸 收某些污染物并能與其他污染物反應(yīng)。例如，包含鈣和鎂的頁(yè)巖吸附劑230能 按照以下反應(yīng)47和48減少污染物
Ca/Mg 0 + S02 + 1/2 02 — Ca/Mg-硫酸鹽 (47) Ca/Mg 0 + 2 HC1 — Ca/Mg Cl2 + H20 (48) 通過(guò)將頁(yè)巖吸附劑230夾帶在空氣中并將在空氣流中的頁(yè)巖吸附劑230注 入煤燃燒器系統(tǒng)300的方式將頁(yè)巖吸附劑230引入煤燃燒器系統(tǒng)300。使用的 頁(yè)巖吸附劑230的粒度可取決于所需的反應(yīng)以及煤燃燒器系統(tǒng)300中燃燒的煤 308的類型對(duì)污染物的控制要求。例如，在許多煤燃燒器系統(tǒng)300中，引入煤 燃燒器系統(tǒng)300的頁(yè)巖吸附劑230的粒徑約為0. 002-0. 015毫米。具有要求的 粒度的頁(yè)巖吸附劑230可以在氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝中通過(guò)以下方式制 得將油頁(yè)巖210引入氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝，所述油頁(yè)巖210的粒度 適合產(chǎn)生所要求的頁(yè)巖吸附劑230粒度。在其他實(shí)施方式中，可將氣化器200 或其他熱轉(zhuǎn)化工藝產(chǎn)生的頁(yè)巖吸附劑230研碎至要求的粒度，然后將該頁(yè)巖吸 附劑230引入煤燃燒器系統(tǒng)300。例如，如圖3所示，本發(fā)明的實(shí)施方式中可 結(jié)合研磨機(jī)/分級(jí)機(jī)290，將氣化器200產(chǎn)生的頁(yè)巖吸附劑230研碎至要求的粒 度。還可以將夾帶空氣291引入研磨機(jī)/分級(jí)機(jī)290，以?shī)A帶頁(yè)巖吸附劑230， 將其傳送至煤燃燒器系統(tǒng)300。
在本發(fā)明的其他實(shí)施方式中，可使用熱解氣體220來(lái)幫助點(diǎn)燃燃燒器區(qū)306 中的燃燒器，或者使熱解氣體220燃燒以加熱水并形成水蒸汽，水蒸汽被輸送 到蒸汽管340。例如，可以將在油頁(yè)巖210氣化期間通過(guò)氣化器200或其他熱 轉(zhuǎn)化工藝產(chǎn)生的一部分或全部的熱解氣體220直接送入煤燃燒器系統(tǒng)300，作為燃燒器或蒸汽產(chǎn)生工藝的燃料源。還可以對(duì)來(lái)自氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工
藝的熱解氣體220進(jìn)行處理或者加工，以產(chǎn)生具有所需燃料組成的熱解氣體 220，然后使用這種氣體作為煤燃燒器系統(tǒng)300的燃料。
根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施方式，可以將來(lái)自氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝 的頁(yè)巖吸附劑230和熱解氣體220引入水泥窯或其他煅燒工藝，以幫助控制在 水泥窯和水泥生產(chǎn)工藝中形成的污染物。例如，許多水泥窯工藝不能滿足環(huán)境 保護(hù)署頒布的新的污染控制條例。在這種水泥窯工藝中結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施方式 能有效改進(jìn)水泥窯的工藝，使熱解氣體220和頁(yè)巖吸附劑230能用于還原水泥 窯工藝產(chǎn)生的污染物。
圖4中示出按照本發(fā)明的特定實(shí)施方式與水泥窯400結(jié)合的氣化器200或 其他熱轉(zhuǎn)化工藝。水泥窯400可包括任何類型的常規(guī)水泥窯或者設(shè)計(jì)用于生產(chǎn) 水泥或水泥熔塊的窯。如圖4所示，水泥窯400可包括脫水區(qū)410、煅燒區(qū)420 和熔結(jié)區(qū)(clinkering zone) 430。按照常規(guī)方法，將制備水泥熔塊用的粘土 402 在固體進(jìn)口 404引入脫水區(qū)。在水泥窯400的脫水區(qū)410去除粘土 402中的水 分?？刂泼撍畢^(qū)410中的溫度，以根據(jù)送入水泥窯400中的粘土 402的水含量 達(dá)到要求的脫水量。例如，脫水區(qū)410中的溫度設(shè)定在約400-50(TC。
將脫水后的粘土 402自脫水區(qū)410轉(zhuǎn)移到煅燒區(qū)420，也對(duì)煅燒區(qū)420的 溫度加以控制。煅燒區(qū)420的溫度例如約為500-1250°C。粘土 402按照常規(guī)煅 燒方法在煅燒區(qū)420中進(jìn)行煅燒。
煅燒后的粘土 402可前進(jìn)到熔結(jié)區(qū)430，在該區(qū)域?qū)褵恼惩?402進(jìn)行 最終加熱，形成熔塊450，該熔塊可用于水泥。熔結(jié)區(qū)430中的溫度控制在約 1250-1550"。按照常規(guī)工藝將熔塊450從水泥窯400排出并使用。
按照常規(guī)工藝向水泥窯400提供熱量，例如通過(guò)使用設(shè)置在水泥窯400的 熔結(jié)區(qū)430中或其周圍的燃?xì)?燃油燃燒器440來(lái)提供熱量?？刂圃谌?xì)?燃油 燃燒器440中的氣體或油品的燃燒，使得能夠在熔結(jié)區(qū)430、煅燒區(qū)420和脫 水區(qū)410達(dá)到要求的溫度。
在水泥窯400中產(chǎn)生的廢氣460自該水泥窯排出，并輸送到清潔污染物廢 氣460的工藝中，然后釋放到環(huán)境或者生物大氣層中。例如，如圖4所示，將 廢氣460自水泥窯400排出并輸送至反應(yīng)器470，該反應(yīng)器能夠?qū)U氣460進(jìn)
行清洗，或者降低廢氣中的污染物量。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，來(lái)自氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝的熱解氣體220在燃?xì)?燃油燃燒器440中燃燒，向水泥窯400提供熱量。如圖4所示，可以 將來(lái)自氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝的熱解氣體220的一部分輸送至燃?xì)?燃 油燃燒器440。氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝的運(yùn)行使得在氣化器200或其他 熱轉(zhuǎn)化工藝中產(chǎn)生的熱解氣體220能容易地在水泥窯400的燃?xì)?燃油燃燒器 440中燃燒。按照這種方式，通過(guò)按照本發(fā)明實(shí)施方式使油頁(yè)巖210在氣化器 200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝中熱解或氣化，可為燃?xì)?燃油燃燒器440提供另外的加 熱氣體源。
在本發(fā)明的其他特定實(shí)施方式中，將氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝產(chǎn)生的 熱解氣體220的至少一部分送入水泥窯400的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域，以幫助還原水 泥窯400的各個(gè)區(qū)域中的污染物。
將熱解氣體220引入水泥窯400的各個(gè)區(qū)域，可使水泥窯400中的熱解氣 體220氧化并使氣體和固體中包含的污染物還原。例如，按照前面所述的反應(yīng) 3和4，引入水泥窯400各區(qū)域中的熱解氣體220在水泥窯400中存在的NOx 下氧化，因而將含氮污染物還原為N2或其他含氮化合物、二氧化碳("C02") 和水("H20")。將熱解氣體220或熱解氣體220的產(chǎn)物引入水泥窯400的各個(gè) 區(qū)域，還可能導(dǎo)致其他氧化反應(yīng)的發(fā)生，如反應(yīng)45和46所示的反應(yīng)?？衫?這些反應(yīng)來(lái)降低水泥窯400中的污染物量。
根據(jù)本發(fā)明又一些實(shí)施方式，可將熱解氣體220自儲(chǔ)存設(shè)施或其他傳送工 藝輸送到水泥窯400。例如，采用常規(guī)方法，將按照本發(fā)明實(shí)施方式由氣化器 200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝產(chǎn)生的熱解氣體220儲(chǔ)存起來(lái)，然后用于水泥窯400， 作為燃?xì)?燃油燃燒器440的氣體或燃料進(jìn)料，或者作為水泥窯400的各個(gè)區(qū) 域中的污染物控制氣體。還可以對(duì)按照本發(fā)明實(shí)施方式來(lái)自氣化器200或其他 熱轉(zhuǎn)化工藝的熱解氣體220進(jìn)一步加工，然后輸送到按照本發(fā)明實(shí)施方式的水 泥窯400中。例如，可以對(duì)熱解氣體220進(jìn)行加工，形成合成氣或合成燃料， 用作水泥窯400的燃?xì)?燃油燃燒器440的燃料。
熱解氣體220在水泥窯400中燃燒還能夠減少在水泥窯400中燃燒廢棄輪 胎，通常在水泥窯400中燃燒廢棄輪胎是為了提高水泥窯400中的熱量并使NOx 污染物還原。由熱解氣體220提供的熱量可替代燃燒廢棄輪胎產(chǎn)生的熱量，同 時(shí)還能還原NOx污染物。此外，去除在水泥窯400中燃燒廢棄輪胎的步驟可以 減少水泥窯400中燃燒廢棄輪胎產(chǎn)生的含硫污染物和含汞污染物的量。
在本發(fā)明的其他特定實(shí)施方式中，水泥窯400中形成或釋放的污染物可以通過(guò)在該水泥窯400中引入頁(yè)巖吸附劑230得到還原。頁(yè)巖吸附劑230可與粘 土 402 —起引入水泥窯400，或者在水泥窯400的其他位置引入。如圖4所示， 將來(lái)自氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝的頁(yè)巖吸附劑230先與粘土 402組合再引 入水泥窯400中，或者與粘土 402同時(shí)分別引入水泥窯400中。在將頁(yè)巖吸附 劑230引入水泥窯400之前，可以將頁(yè)巖吸附劑230研碎或者進(jìn)行其他處理， 以達(dá)到頁(yè)巖吸附劑230能進(jìn)入水泥窯400的粒度。引入水泥窯400的頁(yè)巖吸附 劑230，對(duì)于水泥窯400中存在的NOx污染物，特別是在水泥窯400的上端在 脫水區(qū)410和煅燒區(qū)420周圍的污染物，可以起到還原劑的作用。
根據(jù)其他實(shí)施方式，引入水泥窯400的熔結(jié)工藝的頁(yè)巖吸附劑230可能夾 帶在該工藝中產(chǎn)生的污染物。例如，在熔結(jié)工藝中形成的含汞污染物可以被加 入該熔結(jié)工藝的頁(yè)巖吸附劑230吸附或吸收。在水泥窯400中形成的汞或氯化 汞可夾帶在能形成水泥熔塊450的水泥干餾物中，該汞或氯化汞可與加入熔結(jié) 工藝的頁(yè)巖吸附劑230接觸。頁(yè)巖吸附劑230和含汞化合物之間的接觸導(dǎo)致汞 被捕獲在頁(yè)巖吸附劑230中，其捕獲方式類似于反應(yīng)7-10。在要求去除汞或氯 化汞污染物的情況，可在氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝中形成頁(yè)巖吸附劑230， 使得頁(yè)巖吸附劑230中焦或活性炭的量最大，用于還原或捕集含汞化合物。
按照本發(fā)明的實(shí)施方式，在熔結(jié)工藝中將頁(yè)巖吸附劑230引入水泥窯400 還能降低水泥窯400的水泥干餾物或水泥熔塊450中存在的其他污染物的量。 可以對(duì)氣化器200產(chǎn)生的頁(yè)巖吸附劑230進(jìn)行改進(jìn)，使頁(yè)巖吸附劑230中的焦 或活性炭量達(dá)到加入該頁(yè)巖吸附劑230的特定熔結(jié)工藝所要求的水平。此外， 加入水泥400的頁(yè)巖吸附劑230顆粒的粒度可以按水泥窯400中所需的反應(yīng)進(jìn) 行調(diào)節(jié)。例如，可以對(duì)來(lái)自氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝或來(lái)自儲(chǔ)存設(shè)施的頁(yè) 巖吸附劑230進(jìn)行研碎或加工，制得具有特定熔結(jié)工藝所要求的粒度的頁(yè)巖吸 附劑230。
將頁(yè)巖吸附劑230引入水泥窯400還可以提供用于形成水泥熔塊450的材 料的附加來(lái)源。通常使用油頁(yè)巖作為水泥熔塊450的制備組分。隨著油頁(yè)巖的 熔結(jié)，頁(yè)巖吸附劑230的烙結(jié)可提供希望的水泥熔塊450。對(duì)用于制備水泥熔 塊450的頁(yè)巖吸附劑230的粒度加以控制，如圖4所示，在將頁(yè)巖吸附劑230 引入水泥窯400之前，將在氣化器200中形成的頁(yè)巖吸附劑230送入研磨機(jī)/ 分級(jí)機(jī)290中。
本發(fā)明的另一些實(shí)施方式中，在氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝中產(chǎn)生的頁(yè)
31巖吸附劑230可用于對(duì)來(lái)自水泥窯400的廢氣460中的污染物進(jìn)行清洗或去除。 例如，如圖4所示，將氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝產(chǎn)生的頁(yè)巖吸附劑230輸 入反應(yīng)器470，在該反應(yīng)器中，來(lái)自水泥窯400的廢氣460中的污染物被清除。 反應(yīng)器470可以包括固定式或輸送式反應(yīng)器吸附劑床，其中使用頁(yè)巖吸附劑230 來(lái)去除污染物，如含汞污染物、含硫污染物、含氮污染物和氫氯酸。
如圖4所示，將來(lái)自水泥窯400的廢氣460與來(lái)自氣化器200或其他熱轉(zhuǎn) 化工藝或者其他來(lái)源的頁(yè)巖吸附劑230 —起輸入反應(yīng)器470中。廢氣460中的 污染物可與頁(yè)巖吸附劑230按照本文所述的反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)。例如，含硫污染物 可按照反應(yīng)9-15與頁(yè)巖吸附劑230反應(yīng)；含汞污染物可按照反應(yīng)7-10與頁(yè)巖 吸附劑230反應(yīng)；氫氯酸("HC1")可按照反應(yīng)22-23與頁(yè)巖吸附劑230反應(yīng)。
達(dá)到其污染物吸收或吸附極限的用過(guò)的頁(yè)巖吸附劑230可從反應(yīng)器470中 移除，并按照常規(guī)方法儲(chǔ)存或者進(jìn)行處置。
雖然參照?qǐng)D4所示，就來(lái)自氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝的頁(yè)巖吸附劑230 和熱解氣體220的使用描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是，還應(yīng)理解，用于水泥 窯400的頁(yè)巖吸附劑230或熱解氣體220可以從其他來(lái)源獲得。例如，可以將 來(lái)自氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝的熱解氣體220儲(chǔ)存起來(lái)或者用其他方式離 位(offsite)加工，然后例如通過(guò)管道或者油罐卡車運(yùn)送至水泥窯。類似地， 由氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝產(chǎn)生的頁(yè)巖吸附劑230可以儲(chǔ)存起來(lái)，以后再 輸送到水泥窯400，用于熔結(jié)工藝或者控制洗滌廢氣460中的污染物。
加入到水泥窯400的頁(yè)巖吸附劑230還提供能量，產(chǎn)生用于水泥窯400系 統(tǒng)的熱(焓)。例如，向水泥窯400中加入頁(yè)巖吸附劑230能夠?yàn)樗喔G400提 供一定的熱焓，其方式類似于按照反應(yīng)24-31加入油頁(yè)巖來(lái)提高系統(tǒng)的焓。
根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施方式，氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝的頁(yè)巖吸附 劑230和熱解氣體220產(chǎn)物可用于制備合成氣體或合成氣，以及合成的燃料或 合成燃料。如圖5所示，按照本發(fā)明實(shí)施方式的氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝 可以與合成氣或合成燃料的生產(chǎn)工藝500結(jié)合。
在合成氣生產(chǎn)工藝中，將原料560，如煤、城市廢物、廢棄輪胎、生物質(zhì) 或其他的合成的氣體原料輸入合成氣的氣化器550中，該氣化器中原料560被 燃燒形成一氧化碳("CO")和氫氣("H2")，或者合成氣565。然后，將一氧 化碳和氫用于合成氣或合成燃料的生產(chǎn)工藝?？梢詫⒄羝?12和氧化劑空氣514 輸入合成氣的氣化器550，以促進(jìn)原料560在合成氣的氣化器550中的燃燒。來(lái)自合成氣氣化器550的廢物568可能包括如含汞污染物和其他金屬污染物的
污染物。
根據(jù)本發(fā)明特定的實(shí)施方式，來(lái)自氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝的熱解氣 體220可與合成氣565在反應(yīng)器570中合并，所述反應(yīng)器例如是固定床反應(yīng)器 或流化床反應(yīng)器。將熱解氣體220與合成氣565合并可以形成產(chǎn)物氣體572， 該氣體可用于合成氣和合成燃料的進(jìn)一步加工。例如，產(chǎn)物氣體572可包含諸 如以下的組分 一氧化碳、二氧化碳、氫氣、輕質(zhì)烴和重質(zhì)烴。產(chǎn)物氣體572 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行加工，形成合成氣和合成燃料。
還可以將來(lái)自氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝的頁(yè)巖吸附劑230輸入反應(yīng)器 570。反應(yīng)器570中的頁(yè)巖吸附劑230用于吸收或吸附來(lái)自熱解氣體220和合 成氣565的污染物，所述熱解氣體220和合成氣565在反應(yīng)器中合并。
還可以將來(lái)自氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝的頁(yè)巖吸附劑230輸送到輸送 式反應(yīng)器580中，如固定床反應(yīng)器或流化床反應(yīng)器。還可以將來(lái)自合成氣氣化 器550的廢物產(chǎn)物568輸入輸送式反應(yīng)器580中。在輸送式反應(yīng)器580中，廢 物產(chǎn)物568與頁(yè)巖吸附劑230的合并物能夠使頁(yè)巖吸附劑230自廢物產(chǎn)物568 吸收或吸附污染物。例如，輸入輸送式反應(yīng)器580的頁(yè)巖吸附劑230可從廢物 產(chǎn)物568吸附或吸收污染物，如含硫污染物、鹵化物、含汞污染物或其他污染 物。
使用過(guò)的頁(yè)巖吸附劑231可回收用于建筑材料，或按照常規(guī)方法進(jìn)行填埋 處理。在某些情況中，將廢棄頁(yè)巖231儲(chǔ)存在垃圾填埋地時(shí)，廢棄頁(yè)巖231的 凝硬特性將有助于固定被頁(yè)巖吸附劑230吸收或吸附的污染物和致污物。
雖然圖5所示的輸送式反應(yīng)器580是單一反應(yīng)器，但可以使用一系列的輸 送式反應(yīng)器。在某些情況中，可控制一系列反應(yīng)器的溫度，使不同的污染物被 輸入各輸送式反應(yīng)器中的頁(yè)巖吸附劑230吸收或吸附。
根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施方式，來(lái)自氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝的頁(yè)巖 吸附劑230和熱解氣體220可用于冶金工藝。例如，在冶金工藝如礦石冶煉或 精煉工藝中，使用大量能量向所述工藝提供熱量。所述工藝還產(chǎn)生污染物，在 處置廢棄物之前，這些污染物必須被捕集或者從廢棄物中還原。按照本發(fā)明的 實(shí)施方式的氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝與冶金工藝結(jié)合能提供以下材料加 熱氣體、污染物還原氣體以及從該工藝產(chǎn)生的廢棄物中吸附或吸收污染物的吸 附劑。
33在冶金工藝中，來(lái)自氣化器200或其他熱轉(zhuǎn)化工藝的熱解氣體220可用作
加熱氣體或燃料，以幫助提供冶金工藝所需的熱量。熱解氣體220還可以燃燒 或者進(jìn)行氧化，以還原該工藝中的污染物如NOx污染物。由氣化器200產(chǎn)生的 頁(yè)巖吸附劑230可以與該工藝結(jié)合或與來(lái)自該工藝的廢棄物結(jié)合，以從該廢棄 物除去污染物。例如，可使用頁(yè)巖吸附劑230從廢棄物除去含硫污染物、含汞 污染物、鹵化物、金屬污染物或其他污染物。
因此，可以使用本發(fā)明的實(shí)施方式，或?qū)⒈景l(fā)明的實(shí)施方式與許多不同工 藝結(jié)合，向這些工藝提供另外的加熱氣體、污染物還原氣體、或污染物吸附劑。 雖然參照特定工藝描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是，應(yīng)理解，本發(fā)明的實(shí)施方 式以及本發(fā)明的熱解氣體220和頁(yè)巖吸附劑230可以與其他工藝以及需要另外 的加熱源或需要另外的污染物控制機(jī)制的特定工藝結(jié)合。
雖然本發(fā)明可以有各種修改和替代形式，但是具體的實(shí)施方式已以舉例方 式在附圖中示出，并在本文中作了詳細(xì)描述。然而，應(yīng)理解本發(fā)明并不限于揭 示的具體形式。而是本發(fā)明覆蓋了由權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍之 內(nèi)的所有修改、等價(jià)和替代形式。
3權(quán)利要求
1.一種降低熱轉(zhuǎn)化工藝中產(chǎn)生的污染物的方法，該方法包括在熱轉(zhuǎn)化工藝中產(chǎn)生至少一種污染物；將許多頁(yè)巖吸附劑顆粒引入該熱轉(zhuǎn)化工藝；和使所述的至少一種污染物與所述許多頁(yè)巖吸附劑顆粒中的至少一種接觸。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生至少一種污染物的步驟包括產(chǎn)生至少一種選自下組的污染物含氮污染物、硫酸、三氧化硫、硫 化羰、二硫化碳、氯、氫碘酸、碘、氫氟酸、氟、氫溴酸、亞溴酸、溴、磷酸、 五氧化二磷、磷化氫、錟化合物、元素汞和氯化汞。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述熱轉(zhuǎn)化工藝步驟包括選 自下組的熱轉(zhuǎn)化工藝煤鍋爐工藝、粉煤燃燒器工藝、水泥窯工藝、礦物精煉 工藝、金屬精煉工藝、煅燒工藝和金屬熱解工藝。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述熱轉(zhuǎn)化工藝包括從裝置 產(chǎn)生熱能的熱轉(zhuǎn)化工藝，所述裝置選自下組熔爐、燃燒室、粉煤燃燒室、流 化床燃燒室、循環(huán)床燃燒室、分段反應(yīng)器燃燒室、夾帶流燃燒室、鍋爐、反應(yīng) 器、干餾甑、熱解器、氣化器、煅燒裝置、礦物精煉工藝、金屬精煉工藝、廢 氣導(dǎo)管、廢氣清潔輸送式反應(yīng)器和水泥窯。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述許多頁(yè)巖吸附劑顆粒包 含通過(guò)燃燒油頁(yè)巖產(chǎn)生的至少一種頁(yè)巖吸附劑顆粒。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述將許多頁(yè)巖吸附劑顆粒 引入熱轉(zhuǎn)化工藝的步驟還包括將許多頁(yè)巖吸附劑顆粒的至少一部分與選自下 組的物質(zhì)引入熱轉(zhuǎn)化工藝產(chǎn)生水泥熔塊的材料、煤、粉煤、燃料、燃燒產(chǎn)物、 可燃燒材料和氣體。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述將許多頁(yè)巖吸附劑顆粒 引入熱轉(zhuǎn)化工藝的步驟包括將許多頁(yè)巖吸附劑顆粒引入熱轉(zhuǎn)化工藝的產(chǎn)物物 流。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，使至少一種污染物與許多頁(yè) 巖吸附劑顆粒中的至少一種接觸的步驟還包括使至少一種污染物被許多頁(yè)巖 吸附劑顆粒中至少一種吸附。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，使至少一種污染物與許多頁(yè)巖吸附劑顆粒中的至少一種接觸的步驟還包括使至少一種污染物被許多頁(yè)巖 吸附劑顆粒中至少一種吸收。
10. 如權(quán)利要求l所述的方法，該方法還包括 將熱解氣體引入熱轉(zhuǎn)化工藝；和 使至少一種污染物與熱解氣體接觸。
11. 如權(quán)利要求io所述的方法，其特征在于，所述將熱解氣體引入熱轉(zhuǎn) 化工藝的步驟包括將燃燒油頁(yè)巖產(chǎn)生的熱解氣體引入熱轉(zhuǎn)化工藝。
12. 如權(quán)利要求l所述的方法，該方法還包括.-將油頁(yè)巖引入熱轉(zhuǎn)化工藝；和使所述油頁(yè)巖在熱轉(zhuǎn)化工藝中發(fā)生熱轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生熱解氣體和頁(yè)巖吸附劑顆ik丄權(quán)。
13. —種制備控制污染物的物質(zhì)的方法，該方法包括 使油頁(yè)巖接觸熱源；和 由接觸熱源的油頁(yè)巖產(chǎn)生頁(yè)巖吸附劑。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，使油頁(yè)巖接觸熱源的步驟 包括使油頁(yè)巖進(jìn)行至少一種選自以下的工藝對(duì)油頁(yè)巖加熱、對(duì)油頁(yè)巖熱解、對(duì)油頁(yè)巖脫揮發(fā)分、對(duì)油頁(yè)巖煅燒、對(duì)油頁(yè)巖重整、對(duì)油頁(yè)巖氣化、對(duì)油頁(yè)巖 干餾、對(duì)油頁(yè)巖焦化和對(duì)油頁(yè)巖燃燒。
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，使油頁(yè)巖接觸熱源的步驟 包括使油頁(yè)巖在設(shè)備中接觸熱源，所述設(shè)備選自下組水泥窯燃燒室、煅燒反應(yīng)器、煤燃燒室、粉煤燃燒室、氣體燃燒室、熔爐、鍋爐、流化床燃燒室、循 環(huán)床燃燒室、分段反應(yīng)器燃燒室、夾帶流燃燒室、廢氣導(dǎo)管和廢氣清潔輸送式 反應(yīng)器。
16. 如權(quán)利要求13所述的方法，該方法還包括將至少一部分頁(yè)巖吸附劑傳送至至少一個(gè)選自下組的工藝儲(chǔ)存工藝、燃?xì)?燃油燃燒工藝、水泥窯燃燒工藝、煅燒工藝、礦物精煉工藝、金屬精煉工藝、煤燃燒工藝、費(fèi)-托工藝 和燃料精煉工藝。
17. 如權(quán)利要求13所述的方法，該方法還包括使至少一部分頁(yè)巖吸附劑與污染物接觸。
18. 如權(quán)利要求13所述的方法，該方法還包括從與熱源接觸的油頁(yè)巖產(chǎn) 生熱解氣體。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，該方法還包括將至少一部分熱解氣體傳送至至少一個(gè)選自下組的工藝儲(chǔ)存工藝、燃?xì)?燃油燃燒工藝、水泥窯燃燒 工藝、煤燃燒工藝、煅燒工藝、礦物精煉工藝、金屬精煉工藝、費(fèi)-托工藝和 燃料精煉工藝。
20. 如權(quán)利要求18所述的方法，該方法還包括使至少一部分熱解氣體與污染物接觸。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，使至少一部分熱解氣體與 污染物接觸的步驟包括使至少一部分熱解氣體與污染物在約450-115(TC的溫 度進(jìn)行接觸。
22. —種燃燒設(shè)備，其包括配置成能燃燒可燃性材料并產(chǎn)生至少一種污染物的熱轉(zhuǎn)化區(qū)，所述污染物 選自下組含氮污染物、硫酸、三氧化硫、硫化羰、二硫化碳、氯、氫碘酸、 碘、氫氟酸、氟、氫溴酸、亞溴酸、溴、磷酸、五氧化二磷、磷化氫、錟化合 物、元素汞和氯化汞；配制成能接受污染物控制材料的至少一個(gè)污染控制材料進(jìn)料區(qū)；和 污染物接觸區(qū)，該接觸區(qū)配制成能使引入至少一個(gè)污染控制材料進(jìn)料區(qū)的 污染物控制材料與在熱轉(zhuǎn)化區(qū)產(chǎn)生的至少一種污染物之間進(jìn)行接觸。
23. 如權(quán)利要求22所述的燃燒設(shè)備，其特征在于，所述至少一個(gè)污染控制材料進(jìn)料區(qū)配制成能將污染物控制材料引入熱轉(zhuǎn)化區(qū)。
24. 如權(quán)利要求22所述的燃燒設(shè)備，其特征在于，所述污染物控制材料 包含選自以下的污染物控制材料燃燒油頁(yè)巖產(chǎn)生的頁(yè)巖吸附劑、以及燃燒油 頁(yè)巖產(chǎn)生的熱解氣體。
25. 如權(quán)利要求22所述的燃燒設(shè)備，其特征在于，所述污染物控制材料 包括在一種設(shè)備中燃燒油頁(yè)巖產(chǎn)生的污染物控制材料，所述設(shè)備選自下組水 泥窯燃燒室、煅燒反應(yīng)器、煤燃燒室、粉煤燃燒室、氣體燃燒室、熔爐、鍋爐、 流化床燃燒室、循環(huán)床燃燒室、分段反應(yīng)器燃燒室、夾帶流燃燒室、廢氣導(dǎo)管 和廢氣清潔輸送式反應(yīng)器。
26. 如權(quán)利要求22所述的燃燒設(shè)備，其特征在于，所述熱轉(zhuǎn)化區(qū)在約 450-115(TC的溫度下運(yùn)行。
27. 如權(quán)利要求22所述的燃燒設(shè)備，其特征在于，所述燃燒設(shè)備包括至 少一個(gè)選自下組的部件水泥窯燃燒室、煅燒反應(yīng)器、煤燃燒室、粉煤燃燒室、 氣體燃燒室、熔爐、鍋爐、氣化器、流化床燃燒室、循環(huán)床燃燒室、分段反應(yīng)器燃燒室、夾帶流燃燒室、固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、移動(dòng)床反應(yīng)器、蒸 汽重整反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)床反應(yīng)器、廢氣導(dǎo)管和廢氣清潔輸送式反應(yīng)器。
全文摘要
本文公開了由燃燒油頁(yè)巖形成的污染控制物質(zhì)，燃燒油頁(yè)巖可產(chǎn)生油母質(zhì)基熱解氣體和頁(yè)巖吸附劑，熱解氣體和頁(yè)巖吸附劑各自都可用于在產(chǎn)生污染的燃燒工藝、熱解工藝或其他反應(yīng)工藝中還原、吸收或吸附污染物。在燃燒油頁(yè)巖或氣化油頁(yè)巖工藝中產(chǎn)生的熱解氣體還可以用作燃燒氣體，或者進(jìn)行加工或精煉，以制備合成氣體和燃料。
文檔編號(hào)B01D47/00GK101495211SQ200780028196
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2007年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月27日
發(fā)明者R·A·卡林頓, R·D·寶德曼 申請(qǐng)人:巴特勒能源同盟有限公司