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    本發明係關於用於自固體燃料爐(17)之煙道氣移除諸如汞等氣態污染物之系統，該系統包含接收過熱蒸汽及呈部分聚結狀態之諸如活性碳等吸附劑(28)之吸附劑磨機(34)，該磨機藉由將該吸附劑(28)解聚結並粉碎來處理該吸附劑(28)。噴射器(35)將該經處理之吸附劑(28)輸送至分佈器(36)，該分佈器在接觸位置處將該溫度介於500℉與900℉間之經處理吸附劑注入該等煙道氣中，由此該吸附劑(28)自該煙道氣吸附汞。顆粒收集器件(24)自該煙道氣移除該具有吸附汞之經處理吸附劑(28)。
    公开号:TW201321070A
    申请号:TW101134864
    申请日:2012-09-21
    公开日:2013-06-01
    发明作者:Richard C Laflesh；John Iovino；Shin G Kang；Carl D Edberg；Raymond W Cournoyer
    申请人:Alstom Technology Ltd；
    IPC主号:B01D53-00
    专利说明:
    汞排放物之移除
    本發明係關於用於自燃燒固體燃料之蒸汽發生器之煙道氣移除氣態污染物之裝置及方法，且更具體而言係關於自燃煤鍋爐之煙道氣移除元素汞及汞化合物之裝置及方法。
    本申請案主張於2011年9月23日提出申請的美國臨時專利申請案第61/538,475號之優先權。本申請案亦與2010年8月24日頒佈的美國專利7,780,765有關，其係於2004年10月8日提出申請的美國專利申請案第10/961,697號之接續，該美國專利申請案第10/961,697號係於2003年6月3日提出申請的美國專利申請案第10/453,140號(現美國專利第6,848,374號)之部分接續申請案，所有申請案皆如同其全文闡述於本文中一般以引用方式併入本文中。
    活性碳及碳質顆粒用於吸附諸如汞蒸氣等污染物氣體之用途已成功地展示於各種應用中，例如城市廢棄物焚化。然而，來自廢棄物焚化爐之汞濃度與燃煤發電廠相比存在顯著差異，其中來自燃煤發電廠之濃度低10至100倍不等。此外，來自廢棄物焚化爐之汞通常呈氯化汞之形式，而來自燃煤發電廠之較大百分比之汞通常呈元素汞之形式。該等差異皆使得較難自燃煤發電廠之煙道氣移除汞。
    吸附劑之效率受限於其表面積對質量比。相對較大顆粒具有限制污染物氣體吸附之低可用表面積/質量比。使用中值粒徑為約5微米、最大尺寸為約10微米之碳質吸附劑將改良吸附效率，但該等小顆粒極難儲存、處置、輸送及分散。
    在習用方法中，將吸附劑顆粒注入微粒移除器件(例如集塵室及靜電集塵器)上游及空氣加熱器下游之煙道氣導管中。然後顆粒移除器件收集具有所吸附污染物氣體之吸附劑。
    於2010年8月24日頒佈的美國專利7,780,765闡述藉由使用注入的壓縮空氣將活性碳注入煙道氣中。此減少煙道氣中之汞排放物，但可因需要提供壓縮空氣之設備及該設備使用之電力而使成本變得相當高。
    業內亦已知，自高溫鍋爐出現之煙道氣中之氣相汞係呈元素汞之形式。元素汞氧化成氧化汞(Hg2+)對控制汞有益，此乃因其可更容易地藉由碳質吸附劑移除。類似地，元素汞與鹵素之組合產生對吸附劑具有較大親和力之化合物。
    當前，業內需要自固體燃料鍋爐之燃燒煙道氣有效率地且經濟地移除氣態污染物(例如，元素汞及汞化合物)之系統。
    本發明可體現為自由燃燒固體燃料之鍋爐產生之煙道氣移除氣態污染物之方法，該方法包括：提供呈潛在具有一些聚結之粉末形式之碳質吸附劑；自鍋爐抽出過熱蒸汽；處理過熱蒸汽以提供適當壓力、溫度之低於預定濕氣含量之乾燥、高品質過熱蒸汽；將經處理之蒸汽提供至吸附劑磨機以處理吸附劑，從而使其解聚結且將粉末吸附劑之顆粒碎裂成較大數目之較小顆粒；注入經處理之吸附劑並使其與煙道氣接觸以吸附汞及汞化合物；及自煙道氣移除其上吸附有汞之吸附劑。
    本發明亦可體現為用於自固體燃料之蒸汽發生器之煙道氣較有效率地移除污染物氣體之污染移除器件，其包括：用於提供呈粉末形式之碳質吸附劑之吸附劑源；用於自該鍋爐18抽出過熱蒸汽之蒸汽分接線路；與蒸汽分接線路耦合之蒸汽處理器件，其用於接收來自蒸汽分接線路之過熱蒸汽且用於處理該蒸汽以提供期望壓力、溫度及濕氣含量之蒸汽；與蒸汽處理器件及吸附劑源耦合之吸附劑磨機，其適於接收來自吸附劑源之吸附劑，且採用經處理之蒸汽以藉由將吸附劑中之顆粒解聚結並粉碎來處理吸附劑；與吸附劑磨機耦合之分佈器，其適於接收吸附劑且將吸附劑注入鍋爐之該等煙道氣中，藉此吸附氣態污染物；及微粒收集器件，其適於收集煙道氣中之固體顆粒且將其自該等氣體移除。
    本發明之一目的係提供自煙道氣移除氣態污染物之較有效之方法。
    本發明之另一目的係提供自煙道氣移除汞及汞化合物之較有效之方法。
    本發明之另一目的係提供自煙道氣移除氣態污染物之較成本有效之方式。
    本發明之另一目的係提供自煙道氣移除汞之較成本有效之方式。
    自圖式及說明書將明瞭本發明之其他目的及優點。
    彼等熟習此項技術者藉由參考附圖，可更好地理解本發明且將易知本發明之多個目的及優點。
    圖1顯示納入燃燒固體燃料之蒸汽發生器或鍋爐18中之本發明之實施例。此可為燃煤發電廠之一部分。
    將原煤14進給至至少一個磨粉機/壓碎機(各稱為磨機16)，其中將原煤降至期望粒徑。將環境空氣提供至預熱空氣之空氣預熱器22。將預熱空氣作為一次空氣提供至磨機16(該磨機載有於磨機16中磨碎之固體燃料顆粒)，提供至鍋爐18之爐17，其中燃燒燃料顆粒以將水煮沸成蒸汽。
    空氣預熱器22亦將二次空氣直接提供至爐17。
    離開爐17之煙道氣之溫度在1400℉至2200℉之範圍內。
    將爐17中產生之蒸汽提供至過熱器19。亦將熱煙道氣提供至過熱器19。過熱器將熱自煙道氣轉移至蒸汽，從而在通常在600 psig下之集管中產生過熱蒸汽，將該過熱蒸汽提供至蒸汽渦輪機20。溫度為約600℉至800℉之煙道氣離開過熱器20。
    蒸汽渦輪機20進行各種工作，例如轉動發電機以產生電流。將運行經過蒸汽渦輪機20之至少一個階段後返回之過熱蒸汽提供至再熱器21之冷再熱入口23。再熱器21接收煙道氣且將熱轉移至自蒸汽渦輪機20返回之蒸汽以將其再熱且將該再熱蒸汽返回至蒸汽渦輪機20之另一階段。
    作為一個實例，將一些自渦輪機返回之過熱蒸汽按路徑發送至蒸汽處理器件100，此將更詳細地論述於下文中。
    然後按路徑發送煙道氣並使其經過空氣預熱器22。將來自煙道氣之熱轉移至大氣入口空氣，該空氣將用作磨機16及爐17中之一次及二次空氣。
    溫度在220℉至370℉範圍內之煙道氣離開空氣預熱器22且進入顆粒分離器件24。顆粒分離器件24可為靜電集塵器(ESP)、織物過濾器24或用於收集挾帶於氣體中之固體微粒之其他已知器件。顆粒分離器件24收集固體微粒且將其提供至用於處置之處置系統38。
    將呈粉末形式之碳質吸附劑28(例如活性碳顆粒或其他碳顆粒)儲存於儲倉30中。儲倉30中之吸附劑28通常聚集在一起，此乃因其極小顆粒往往彼此黏附並聚結。
    因此，藉由進料機32將吸附劑28進給至噴射器74，該噴射器將吸附劑28提供至吸附劑磨機34。由於此噴射器與吸附劑磨機34通常具有顯著距離，因此最佳使用空氣作為輸送介質以將吸附劑28吹送至吸附劑磨機34。若在系統之此部分中使用蒸汽作為輸送介質，則存在使溫度降至發生冷凝之程度之風險。
    自再熱器21之冷再熱入口23提供過熱蒸汽。在此實例中，亦可自鍋爐18(包含蒸汽流之摻和)獲得其他過熱蒸汽源。此經過蒸汽分接頭101達到蒸汽處理器件100，該蒸汽處理器件處理過熱蒸汽以降低過熱蒸汽之壓力及溫度並移除任何殘餘冷凝物。蒸汽處理器件100亦可回收一些熱能以供在工廠中別處使用。
    將經處理之蒸汽提供至吸附劑磨機34。吸附劑磨機34將吸附劑28中之團塊破碎且將其解聚結。吸附劑磨機34亦操作以將吸附劑顆粒粉碎成較大數目之具有較小尺寸之顆粒。較小尺寸增加可用表面/質量比，從而允許較快速反應時間，同時較大數目之顆粒引起煙道氣中之較大分散並增加顆粒將物理地接觸汞氣體之機會，從而增加系統之效率。
    在將吸附劑34解聚結並粉碎後，將其提供至蒸汽噴射器35及/或管道以接收來自蒸汽處理器件100之經處理之蒸汽作為動力。然後蒸汽噴射器35及/或管道將經處理之吸附劑28發送至分佈器36。
    一種與本發明相容之此類吸附劑磨機34係噴射磨機。在先前技術系統中，壓縮空氣且迫使其進入分離器件中以將聚結顆粒之團塊破碎。需要大量輔助設備能量以將空氣壓縮至分離器件所需之點。
    本發明不使用壓縮空氣作為將活性碳顆粒解聚結並粉碎之能量源。其使用發電廠或設施中可獲取之過熱蒸汽。由於蒸汽通常具有濕氣且濕氣造成粉末聚結，因此使用蒸汽之邏輯性違反公認邏輯性。
    然而，藉由將溫度保持在冷凝點以上，不會由其氣態形式產生濕氣，且不產生液滴。事實上，過熱蒸汽實際上自粉末吸附劑移除濕氣，從而減少聚結。
    不幸的是，系統之集管中之過熱蒸汽之壓力係約550 psig或更高。此遠遠高於吸附劑磨機34可使用之壓力(通常為約100 psig)。若過熱蒸汽之壓力過高，則分離器件34可受到損壞或失去功能。冷再熱入口23可用作過一個潛在過熱蒸汽源。冷再熱入口可具有壓力為約600 psig且溫度為635℉之過熱蒸汽。因此，蒸汽必須經改性以降低壓力及溫度。
    在開啟及關閉期間，蒸汽分接頭將具有低於冷凝溫度之溫度。因此，在蒸汽分接頭101中形成濕氣。如上文所示，濕氣造成聚結，此會降低系統之效率且應避免。因此，過熱蒸汽必須經處理以獲得適當壓力/溫度，同時亦移除濕氣或冷凝物。
    圖2顯示圖1之蒸汽處理器件100之更詳細圖。蒸汽處理器件100採用濕氣減少單元110，該單元可包含自過熱蒸汽移除冷凝物之水阱及/或乾燥器。
    然後將過熱蒸汽提供至降溫單元120，該單元可包含噴水器及/或熱交換器以將提供至該單元之蒸汽去過熱。可藉由將少量水噴灑至蒸汽中來降低蒸汽之溫度。必須精確計算並計量此量以使得蒸汽在整個系統中使用時將全部保持呈氣相且不會造成冷凝。
    將過熱蒸汽提供至降壓單元130，該單元可包含可藉由外部控制器操作之降壓閥。
    存在感測器140，其量測蒸汽處理器件100中之一或多個位置中之壓力及溫度其中至少一者。該等感測器140將其量測值進給至控制器150，該控制器可為蒸汽處理器件100之一部分或在其外部。
    若需要，則控制器150發揮作用以讀取來自濕氣減少單元110之感測器輸入，以確定是否存在應移除之冷凝物。然後控制器150啟動水阱閥及諸如乾燥器等其他設備以移除冷凝物。控制器150亦可讀取閥設定、流速、所移除之總累積水等以進行計算，並啟動降溫單元120之各部分。
    控制器150讀取感測器140以確定降溫單元120之位置處之過熱蒸汽的溫度及壓力、質量流速及其他必需參數，以計算欲噴灑至過熱蒸汽中之適當水量。若需要去過熱噴灑，則其亦操作以啟動降溫單元120內之閥，以分配所計算適當量之水。
    控制器150亦接收來自感測器140之指示降壓單元130之位置處之過熱蒸汽之溫度、壓力、質量流速及其他必需參數的輸入，以計算降壓單元130內之降壓閥之適當閥打開。
    在一實施例中，感測器140及控制器150交互地執行其職能以提供具有最少濕氣之壓力為約100 psig、溫度為550℉之過熱蒸汽。
    控制器150可接收來自系統之其他處理器之輸入及數據及/或操作者輸入。
    將經處理之蒸汽提供至吸附劑磨機34。過熱蒸汽具有呈蒸氣形式之過熱水。其焓顯著高於用於先前技術器件中之壓縮空氣。
    在吸附劑28之解聚結及粉碎期間消耗過熱蒸汽中之固有能量。此可達成較精細研磨且顯著降低操作能量成本。較精細研磨允許以相同體積分散更多顆粒。此減小顆粒間之間距並增加吸附劑顆粒與污染物氣體接觸之機率。
    吸附劑磨機34可為顆粒-顆粒分離器或噴射磨機，其中高壓過熱蒸汽係能量源。
    吸附劑磨機34執行三個功能：將顆粒-顆粒解聚結；減小粒徑；及將顆粒分類成：a)欲使用之精細顆粒及/或b)欲返回儲倉30或保留或返回以供進一步研磨(減小粒徑)之粗顆粒。
    藉由器件34粉碎一些較大顆粒。所得碳質吸附劑具有d50<15微米之碳質吸附劑之粒徑分佈，其中d50表示碳質吸附劑28中之整個分佈中之50質量%之顆粒。
    目標粒徑分佈係d50<15微米，較佳d50<8微米且最佳d50<4微米。
    離開分離器件34之空氣之靜壓力通常係在大氣壓力以上。連接至吸附劑磨機34之蒸汽噴射器35將經處理之吸附劑28移至分佈器36。約1-5 psig之壓力較佳。
    分佈器36具有多個注入噴槍37，該等噴槍將經處理之吸附劑28注入煙道氣中，且較佳在再熱器21與空氣加熱器22之間注入。此將吸附劑28分佈遍及與其物理接觸之煙道氣中，並吸附煙道氣中之氣態污染物，例如元素汞及汞化合物。亦可藉由吸附劑28吸附戴奧辛(Dioxins)及呋喃以及某些其他有害元素及化合物，例如HCl、硒、砷、銻、鈹、鎘、鈷、鉛、錳、鎳及其他。
    亦可在鍋爐18與對流通道/過熱器20之間、對流通道/過熱器20與空氣預熱器22之間或空氣預熱器22與ESP/織物過濾器24之間將吸附劑28注入煙道氣流12中。
    如此，用於移除元素汞或汞化合物之系統處置碳質吸附劑28。
    在替代性實施例中，在位置70處將磨粉機16中磨碎之一部分煤自該磨粉機抽出作為吸附劑28。在位置70處抽出較佳介於10 lb/hr至1000 lb/hr之間之煤(進給至鍋爐之總煤之約0.01至1.0%)、更佳介於50 lb/hr與500 lb/hr之間之煤且最佳介於100 lb/hr與200 lb/hr之間之煤。可需要鼓風機72以提供用於移動抽出之吸附劑固體28之必需動力。
    作為替代性實施例，過熱蒸汽係源自分接頭101且直接用於吸附劑磨機34而無蒸汽處理100。所回收之熱能可或可不利用此配置抽出。
    使抽出之吸附劑固體28經受一或多種製程。可用溶液29噴灑吸附劑固體28以在吸附劑顆粒28之表面上沈積鹵素。溶液29係選自碘化鉀、溶於碘化鉀中之碘、鹼鹵化物(例如NaCl)及鹵化物鹽(例如CaCl2)或溶於水中之氫鹵酸(例如HCl、HI、HBr、HF)。預計，吸附劑28中之典型添加劑量為約0至10重量%之鹵素濃度。
    亦可藉由以下步驟來添加添加劑29：將其注入吸附劑磨機34中且將其與碳質吸附劑28混合並將其加熱至一定溫度，該溫度將使添加劑局部地揮發，但藉由隨後吸附將其分佈於碳上。較佳地，將碳質材料及添加劑加熱到400℉以上且最佳500℉以上之溫度，以確保在彼等溫度下將該等碳質材料及添加劑注入煙道氣中時其將保持穩定。可以上述方式納入之添加劑29之實例係碘或溴。該等添加劑29在添加至吸附劑磨機34時較有效率地納入經處理之吸附劑28中，且將在吸附氣態污染物方面具有較高效率。
    以上實施例中解釋之蒸汽分接頭101自通常在635℉及600 psig之壓力下之冷再熱入口集管23抽出過熱蒸汽。在本發明之其他實施例中，蒸汽分接頭101可自鍋爐18內之其他位置抽出過熱蒸汽。例如，蒸汽分接頭101可自以下位置抽出蒸汽：1)低溫過熱器入口集管。此蒸汽通常係在650-850℉及2600-3000 psig下；2)650-850℉及2600-3600 psig之過熱器去過熱器出口集管；3)900-1150℉及2500-3600 psig之過熱器出口集管；4)900-1150℉及500-700 psig之再熱器出口集管；5)牆式吹灰器站。該等器件之溫度及壓力有所變化。所有該等器件將皆需要不同程度地降低壓力及溫度，此可藉由本發明交互地施加。
    本發明優於先前技術器件之若干優點包含將吸附劑28研磨成較精細粉末以減少經處理之吸附劑(28)中之濕氣之能力。因此，減少之濕氣使系統之設備內之腐蝕減少。此外，應注意，由於使用過熱蒸汽代替壓縮空氣，因此在吸附劑中具有較少靜電。此降低顆粒之磁引力及其在煙道氣中磁性聚結之傾向。
    儘管已顯示並闡述較佳實施例，但可對其作出各種修改及替代，此並不背離本發明之精神及範圍。因此，應理解，本發明係藉由舉例說明而非限制性方式進行闡述。
    12‧‧‧煙道氣流
    14‧‧‧原煤
    16‧‧‧磨機/磨粉機
    17‧‧‧固體燃料爐
    18‧‧‧鍋爐
    19‧‧‧過熱器
    20‧‧‧蒸汽渦輪機
    21‧‧‧再熱器
    22‧‧‧空氣預熱器/空氣加熱器
    23‧‧‧冷再熱入口/冷再熱入口集管
    24‧‧‧顆粒分離器件/顆粒收集器件
    28‧‧‧吸附劑
    29‧‧‧溶液/添加劑
    30‧‧‧儲倉
    32‧‧‧進料機
    34‧‧‧吸附劑磨機
    35‧‧‧蒸汽噴射器
    36‧‧‧分佈器
    37‧‧‧注入噴槍
    38‧‧‧處置系統
    70‧‧‧位置
    72‧‧‧鼓風機
    74‧‧‧噴射器
    100‧‧‧蒸汽處理器件
    101‧‧‧過熱蒸汽分接頭
    110‧‧‧濕氣減少單元
    120‧‧‧降溫單元
    130‧‧‧降壓單元
    140‧‧‧感測器
    150‧‧‧控制器
    圖1係本發明之系統之第一實施例之示意圖，其用於自由固體燃料鍋爐產生之煙道氣移除氣態污染物；且圖2係圖1之蒸汽處理器件之一實例之更詳細的放大視圖。
    12‧‧‧煙道氣流
    14‧‧‧原煤
    16‧‧‧磨機/磨粉機
    17‧‧‧固體燃料爐
    18‧‧‧鍋爐
    19‧‧‧過熱器
    20‧‧‧蒸汽渦輪機
    21‧‧‧再熱器
    22‧‧‧空氣預熱器
    23‧‧‧冷再熱入口
    24‧‧‧顆粒分離器件/顆粒收集器件
    28‧‧‧吸附劑
    29‧‧‧溶液/添加劑
    30‧‧‧儲倉
    32‧‧‧進料機
    34‧‧‧吸附劑磨機
    35‧‧‧蒸汽噴射器
    36‧‧‧分佈器
    37‧‧‧注入噴槍
    38‧‧‧處置系統
    70‧‧‧位置
    72‧‧‧鼓風機
    74‧‧‧噴射器
    100‧‧‧蒸汽處理器件
    101‧‧‧過熱蒸汽分接頭
    权利要求:
    Claims (16)
    [1] 一種自藉由燃燒固體燃料之鍋爐產生之煙道氣移除氣態污染物之方法，該方法包括：提供呈潛在具有一些聚結之粉末形式之碳質吸附劑；自該鍋爐抽出過熱蒸汽；處理該過熱蒸汽以提供適當壓力、溫度之低於預定濕氣含量之過熱蒸汽；將該經處理之蒸汽提供至吸附劑磨機以處理該吸附劑，從而使其解聚結且將該粉末吸附劑之顆粒碎裂成較大數目之較小顆粒；注入該經處理之吸附劑並使其與該煙道氣接觸以吸附汞及汞化合物；及自該煙道氣移除其上吸附有汞之吸附劑。
    [2] 如請求項1之方法，其中該污染物氣體係汞或汞化合物中之一者。
    [3] 如請求項1之方法，其中分離器件降低該吸附劑中之該等顆粒之尺寸，以使得接觸批料中之活性碳具有小於15微米之中值粒徑(d50)，其中d50表示該接觸批料中之整個分佈中之50質量%之該等顆粒。
    [4] 如請求項1之方法，其中該吸附劑磨機係噴射磨機。
    [5] 如請求項1之方法，其進一步包括：將鹵素物質及酸性物質中之至少一者沈積於該吸附劑磨機中之該吸附劑之該等顆粒上，隨後將其佈置成與該煙道氣接觸。
    [6] 如請求項1之方法，其中該吸附劑自該煙道氣吸附元素汞及汞化合物中之至少一者。
    [7] 如請求項1之方法，其中接觸位置處之該煙道氣之溫度介於500℉與900℉之間。
    [8] 一種用於自固體燃料之蒸汽發生器之煙道氣較有效率地移除污染物氣體之污染移除器件，其包括：用於提供呈粉末形式之碳質吸附劑之吸附劑源；用於自該鍋爐18抽出過熱蒸汽之蒸汽分接線路；與該蒸汽分接線路耦合之蒸汽處理器件，其用於接收來自該蒸汽分接線路之該過熱蒸汽且用於處理該蒸汽以提供期望壓力、溫度及濕氣含量之蒸汽；與該蒸汽處理器件及該吸附劑源耦合之吸附劑磨機，其適於接收來自該吸附劑源之吸附劑，且採用該經處理之蒸汽以藉由將該吸附劑中之顆粒解聚結並粉碎來處理該吸附劑；與該吸附劑磨機耦合之分佈器，其適於接收該吸附劑且將該吸附劑注入該鍋爐之該等煙道氣中，藉此吸附該氣態污染物；及微粒收集器件，其適於收集該煙道氣中之該等固體顆粒且將其自該等氣體移除。
    [9] 如請求項8之污染移除器件，其中該吸附劑源係用粉末活性碳填充之儲倉。
    [10] 如請求項8之污染移除器件，其中該吸附劑源係用於磨碎原固體碳質燃料之磨機。
    [11] 如請求項8之污染移除器件，其中該蒸汽分接頭自低溫過熱器入口集管抽出蒸汽。
    [12] 如請求項8之污染移除器件，其中該蒸汽分接頭自過熱器去過熱器出口集管抽出蒸汽。
    [13] 如請求項8之污染移除器件，其中該蒸汽分接頭自過熱器出口集管抽出蒸汽。
    [14] 如請求項8之污染移除器件，其中該蒸汽分接頭自再熱器出口集管抽出蒸汽。
    [15] 如請求項8之污染移除器件，其中該蒸汽分接頭自牆式吹灰器站抽出蒸汽。
    [16] 如請求項8之污染移除器件，其中該蒸汽分接頭自渦輪機中間階段源抽出蒸汽。
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