專利名稱：利用燃燒副產(chǎn)物未燃燒的炭控制汞的排放的制作方法
背景技術(shù)：
和綜述汞一直被認(rèn)為是潛在的影響健康和環(huán)境的公害。對燃煤發(fā)電廠、石油和化學(xué)煉廠、煅燒爐、金屬萃取操作和其它汞排放設(shè)備的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的需求越來越高?，F(xiàn)在新的規(guī)則章程處于發(fā)展當(dāng)中，以便降低來自上述設(shè)備的可允許的汞排放水平。為了迎接這樣的挑戰(zhàn)，科學(xué)技術(shù)也處于發(fā)展之中。一種技術(shù)是利用活性炭來控制自燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的汞排放。但是，費(fèi)用評估表明，該種技術(shù)的商業(yè)化將導(dǎo)致用電價格增長5％，并且該增長的95％是由于活性炭的費(fèi)用。
本發(fā)明的一個目的是找到較低費(fèi)用的炭材料，以用于控制汞的排放。我們的研究已經(jīng)揭示，飛塵、木灰和其它炭化的含炭材料中或來自飛塵的、木灰和其它炭化的含炭材料中的未燃燒的炭是汞的有效吸收劑。這些炭資源在此將被統(tǒng)一稱作“飛塵”。這些炭可用作活性炭的替代物。與活性炭相比，來自飛塵中的未燃燒的炭因其通常作為副產(chǎn)物燃燒而很便宜。雖然飛塵可能僅含有很少部分的炭，但是將飛塵升級到較高炭含量的技術(shù)費(fèi)用是有效的。炭的表面處理(例如表面氧化)也將提高其對汞的吸附能力。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，未燃燒的炭具有類似于或者比活性炭更高的吸附能力。其原因可能在于炭的孔結(jié)構(gòu)和汞的吸附特性。例如在活性炭的注入系統(tǒng)中，干燥的活性炭被來自空氣壓縮機(jī)的高速空氣載帶，并噴霧到煙道氣管中，即微粒收集裝置的上游。據(jù)報道，炭的注入速率是汞排放速率的1000-10000倍，煙道氣中炭濃度為30-80mg/m3。在炭的注入排放控制系統(tǒng)中影響炭性能的因素包括溫度、相對濕度、汞濃度和煙道氣的其它組分。在吸附過程中，炭-汞接觸時間非常短，并且很難達(dá)到吸附平衡。據(jù)估計，由于活性炭中的許多孔是微孔(即小于2納米)，活性炭因擴(kuò)散控制而很少有機(jī)會吸附汞。結(jié)果，活性炭潛在的吸附能力不能有效地利用。
對于未燃燒的炭，孔的大多數(shù)是大孔(即大于50納米)。盡管這些炭與活性炭相比具有很低的表面積(例如一種飛塵炭的表面積為15-200m2/g，許多活性炭的表面積為500-1000m2/g)，但是在炭的注入系統(tǒng)中它們可能和商用的活性炭一樣有效地吸附汞。在顯示大孔比微孔更加重要，而且需要最小的吸附劑/氣體比率。最小的固體/氣體比率通常保證吸附物分子(在此為汞)在氣相中有適當(dāng)?shù)臋C(jī)會和吸附劑粒子碰撞。
與活性炭相比，一般來說具有適當(dāng)?shù)奈侥芰Φ奈慈紵奶康馁M(fèi)用較低。未燃燒的炭有更多的大孔，其允許快速吸附和負(fù)載后易再生。而且，未燃燒的炭中存在的微量和較少的元素或化合物可能提高汞的吸附能力。用未燃燒的炭來除去汞的最初應(yīng)用是用在來自燃煤發(fā)電廠的煙道氣中。但是，它也可用于除去來自煅燒爐煙道氣、天然氣和氯-堿工藝過程的通風(fēng)空氣中的汞。
結(jié)合附圖，下面的說明和后附的權(quán)利要求將使本發(fā)明的其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯。
附圖簡述

圖1是比較在未燃燒的炭上和在活性炭上汞吸附的曲線圖；圖2是比較在未燃燒的炭上汞吸附的曲線圖，該炭是通過兩種不同的工藝過程、自飛塵得到的；圖3是表示未燃燒的炭的熱氧化對汞吸附的影響因素的曲線圖；圖4是闡明在氮?dú)庵屑訜釡囟葘ω?fù)載了汞的未燃燒的炭的再生作用影響的條形圖；圖5是闡明在空氣中加熱溫度對負(fù)載了汞的未燃燒的炭的再生作用影響的條形圖；圖6是比較未燃燒的炭和再生后的未燃燒的炭之間的汞吸附的曲線圖；和圖7是從煙道氣流中除去汞的工藝過程的流程圖。
圖1表示自飛塵源回收的未燃燒的炭的吸附能力。通過重力和靜電分離使得含炭量升級(不包括化學(xué)分離)。為了進(jìn)行比較，商業(yè)用活性炭的吸附能力(BPL)也包括在圖1中。可以看出在較低的汞濃度(5-250μg/m3，對應(yīng)于燃煤發(fā)電廠的煙道氣中的汞)時，未燃燒的炭比活性炭具有更高的吸附能力。未燃燒的炭的吸附能力高達(dá)在5μg/m3時為50μg/g，在280μg/m3的汞濃度條件下為70μg/g。在相同的條件下，活性炭的吸附能力分別僅有10-50μg/g。
圖2表示通過不同回收過程自飛塵凈化得到的未燃燒的炭的吸附能力。未燃燒的炭來自相同的飛塵源，但是通過不同的分離過程進(jìn)行升級。未燃燒的炭-GE通過重力和靜電分離過程進(jìn)行升級。未燃燒的炭-F是通過使用浮選試劑進(jìn)行泡沫浮選升級的?？梢钥闯銮€的形狀基本上相同，并且吸附能力大約相同。這表明在炭表面殘留的浮選試劑沒有妨礙汞吸附，因此未燃燒的炭的吸附能力沒有通過制備方法而顯著地改變。
通過未燃燒的炭表面的氧化可提高炭的汞吸附。在炭表面富含氧的位置被認(rèn)為是從周圍環(huán)境俘獲汞的活性位。支持這一現(xiàn)象的解釋是，這些氧基團(tuán)將跟汞反應(yīng)形成氧化汞，氧化汞是熱力學(xué)有利的。通過各種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)未燃燒的炭表面氧的富集，該技術(shù)包括在不同溫度在富含氧氣的氣氛中的熱氧化、利用各種化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)氧化(例如硝酸、氯、碘、臭氧、含鐵的鹽)和其它方法。圖3描述了，通過表面熱氧化可提高在未燃燒的炭上的汞吸附的效果。未燃燒的炭來自飛塵并通過泡沫浮選升級。氧化的未燃燒的炭來自同樣的資源，但是在400℃的空氣中熱氧化。當(dāng)未燃燒的炭在此溫度下熱氧化時，吸附能力提高了四倍。在300℃或高于300℃時發(fā)生顯著的改進(jìn)。這種能力提高的原因被認(rèn)為是歸功于在炭表面氧基團(tuán)的增加。
炭可以放置在煙道氣流經(jīng)的固定床上。但是，炭最有可能直接注入到煙道氣流中。如果直接在微粒收集裝置的上游注入，炭將隨著煙道氣中的飛塵除去。收集到的飛塵和炭被送于從飛塵中分離炭。然后炭經(jīng)再生作用來回收汞。然后再生的炭重新注入到煙道氣流中。
將飛塵從煙道氣中除去后也可注入炭。這將需要另一個微粒收集裝置，但是收集的炭將不能在再生和重新注入到煙道氣之前從飛塵中分離出來?？梢允褂迷S多微粒收集裝置，例如那些傳統(tǒng)的用于從燃煤工廠的煙道氣中除去飛塵粒子的裝置。
圖7表示這種系統(tǒng)的一個概念性流程圖，其在微粒分離器的上游注入炭。該系統(tǒng)包括從飛塵中分離負(fù)載汞的炭、再生分離后的炭并回收汞、以及將炭黑重新注入到煙道氣中。
通過加熱和濕法冶金的方法可使得汞解吸來再生炭。圖4和5分別描述了在氮?dú)庵泻涂諝庵形慈紵奶康脑偕芰?。未燃燒的炭首先以與吸附實(shí)驗(yàn)相同的方式負(fù)載汞。生成的炭中具有的汞濃度為18,000ppb。在吸附實(shí)驗(yàn)中，負(fù)載汞的炭放置在實(shí)驗(yàn)室中的馬福爐中，使用氮?dú)饣蚩諝鈦砜刂茪夥?。從圖4和5可以看出，在400℃的溫度下、在氮?dú)庵?圖4)或空氣中(圖5)，負(fù)載了汞的炭可全部再生。吸附后的汞含量大約是5ppb。表示在這些圖中的再生和溫度的依賴關(guān)系說明汞的吸附在本質(zhì)上是物理的和化學(xué)的吸附。在較低的再生溫度下，只有物理吸附的汞可以解吸。化學(xué)吸附的汞直到溫度接近于汞的沸點(diǎn)時才會解吸。在解吸過程中降低壓力將導(dǎo)致解吸需要的溫度降低。
圖6描述了再生后未燃燒的炭的可重用性。在空氣中在400℃的溫度下可進(jìn)行再生作用。未燃燒的炭是一種通過重力和靜電分離升級的飛塵炭。在研究的汞濃度范圍內(nèi)，再生后的未燃燒的炭的吸附能力接近于初始的未燃燒的炭只是稍微低一點(diǎn)。這表明未燃燒的炭經(jīng)再生后可重復(fù)用于吸附。
應(yīng)該理解，本發(fā)明并不只局限于上面列舉的和描述的那些，在沒有偏離本發(fā)明的主旨和下面的權(quán)利要求定義的范圍內(nèi)，可以進(jìn)行各種變化和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種利用自飛塵中收集的未燃燒的炭、從煙道氣流中除去汞蒸汽的方法，其包括步驟通過從飛塵中分離一部分非炭粒子來制備炭吸附劑，使得該吸附劑比最初的飛塵具有更大的未燃燒的炭濃度；隨后將炭吸附劑加入到煙道氣流中，吸附劑中的未燃燒的炭將煙道氣流中的汞吸附；和隨后從煙道氣流中收集負(fù)載了汞的炭吸附劑。
2.權(quán)利要求1的方法，還包括在升溫下使吸附劑中未燃燒的炭的表面氧化的步驟。
3.權(quán)利要求2的方法，其中未燃燒的炭表面的氧化是在大于300℃的溫度下進(jìn)行。
4.權(quán)利要求2的方法，其中未燃燒的炭表面的氧化是在大于400℃的溫度下進(jìn)行。
5.權(quán)利要求1的方法，還包括使負(fù)載了汞的炭吸附劑的再生步驟，該步驟包括，加熱炭吸附劑以除去在其上富集的汞；和將再生了的炭吸附劑加入到煙道氣流中。
6.權(quán)利要求5的方法，其中將吸附劑加熱到約300℃或更高的溫度下進(jìn)行再生。
7.權(quán)利要求5的方法，其中將吸附劑加熱到約400℃或更高的溫度下在空氣中進(jìn)行再生。
8.權(quán)利要求5的方法，其中將吸附劑在氮?dú)鈿夥罩屑訜徇M(jìn)行再生。
9.權(quán)利要求1的方法，其中在吸附劑中未燃燒的炭粒子的表面積為15-200m2/g。
10.權(quán)利要求1的方法，其中分離工藝將使得吸附劑具有至少60％的燒失量(LOI)。
11.權(quán)利要求1的方法，其中分離工藝將使得吸附劑具有至少80％的燒失量(LOI)。
12.權(quán)利要求1的方法，其中通過一次或多次重力分離、靜電分離、摩擦電分離、泡沫浮選分離、磁性分離和粒子大小分類，將非炭粒子從飛塵中除去來形成炭吸附劑。
13.權(quán)利要求1的方法，其中通過重力分離和隨后的靜電分離，將非炭粒子從飛塵中除去來形成炭吸附劑。
14.權(quán)利要求1的方法，其中通過泡沫浮選法和隨后的研磨及其隨后的附加的泡沫浮選法，將非炭粒子從飛塵中除去，來形成炭吸附劑。
全文摘要
通過向煙道氣中注入未燃燒的炭來控制自煙道氣(例如燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的煙道氣)的汞的排放,該未燃燒的炭由諸如飛塵或木灰之類的物質(zhì)提純得到。未燃燒的炭吸附汞,隨后通過粒子分離器從煙道氣中除去。與現(xiàn)在應(yīng)用于該工藝的活性炭相比,自飛塵收集到的未燃燒的炭的費(fèi)用是非常低的。通過一種或多種用于從飛塵中除去非炭粒子的分離工藝,使得未燃燒的炭在吸附劑中濃縮。這些工藝過程包括重力分離、靜電分離、泡沫浮選、磁性分離和粒子大小分類。通過炭表面的氧化可更進(jìn)一步增加汞的吸附。
文檔編號B01D53/10GK1332652SQ99813363
公開日2002年1月23日 申請日期1999年10月5日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月7日
發(fā)明者J－Y·黃, Z·李 申請人:密執(zhí)安技術(shù)大學(xué)管理委員會