Спосіб зниження викидів ртуті з вугілля та газоподібних продуктів згоряння, спосіб спалення вугілля зі зниженням кількості ртуті та система для спалення вугілля зі зниженим вмістом ртуті

Реферат: Спосіб (варіанти) і система для зниження викидів ртуті з вугілля в процесі його спалення, в якому додають композицію, що включає використання композиції, що містить бром і/або бромовмісну сполуку, утворену з азотовмісної сполуки, або однієї або декількох її солей, у вугілля перед або під час його спалення. UA 97848 C2 (12) UA 97848 C2 UA 97848 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відомий рівень техніки У 2005 р. управління з охорони навколишнього середовища (ЕРА) видало правило чистого від ртуті повітря для локалізації і зменшення викидів ртуті від вугільних електростанцій. Це правило, разом з федеральним правилом чистого повітря (CAIR) ЕРА, зажадає значного зниження викидів ртуті від вугільних електростанцій до 2010 р. Деяка частина ртуті може бути видалена з топкового газу вугільних електростанцій пристроями для контролю SO2. Проте, топкові гази звичайно включають значні кількості елементарної і окисленої ртуті; і пристрої для контролю SO 2 придатні для видалення окисленої ртуті, але не елементарної ртуті. Низькі рівні брому або водних розчинів солей брому лужних або лужноземельних металів, таких як броміду кальцію, броміду натрію або броміду калію, можуть бути використані для окислення ртуті в топкових газах. Проте, коли бромід окислюється, це приводить до утворення брому. Щонайменше деяка кількість брому може взаємодіяти з елементарною ртуттю з утворенням нелетких солей ртуті, таких як HgBr 2. Надлишок брому відносно кількості Hg, що видаляється, приводить до того, що значна кількість брому залишається в топковому газі, що, як відомо, може привести до корозії газоочисних систем і іншого обладнання електростанції. Враховуючи вищевикладене, створення способів зниження викидів ртуті з топкових газів вугільних електростанцій, буде комерційно вигідним для використання при видаленні як окисленим, так і елементарної ртуті з топкових газів, не приводячи до корозії обладнання електростанції. Опис винаходу Даний винахід задовольняє вищезгадані потреби шляхом створення способів для зниження викидів ртуті з вугілля під час згоряння, що включають додавання композиції, що містить бром і/або бромовмісну сполуку, утворену щонайменше з одного азотовмісної сполуки або однієї або декількох її солей, у вугілля або до, або під час спалення. У даних процесах бром і/або бромовмісна сполука може містити азотовмісну сіль брому, таку як бромід амонію. Даний винахід забезпечує переваги, що одержаний таким чином бром і/або бромовмісна сполука має набагато меншу схильність викликати корозію обладнання електростанції в порівнянні з відомими сполуками для окислення ртуті в топкових газах, такими як бромід кальцію. Також запропоновані способи для зниження викидів ртуті з топкового газу, одержаного при спаленні вугілля, які включають додавання композиції, що містить бром і/або бромовмісну сполуку, утворену щонайменше з однієї азотовмісної сполуки або однієї або декількох її солей, в топковий газ. Також запропоновані способи спалення вугілля зі зниженням кількості ртуті, що викидається в атмосферу, які включають: (і) додавання композиції, що містить бром і/або бромовмісну сполуку, утворену щонайменше з однієї азотовмісної сполуки або однієї або декількох її солей, у вугілля; (іі) подачу вугілля у вугільну піч; (ііі) спалення вугілля, що містить композицію, у вугільній печі з одержанням попелу і газоподібних продуктів горіння; (iv) вимірювання вмісту ртуті в газоподібних продуктах горіння і (v) встановлення кількості композиції, що додається у вугілля, на основі величини вмісту ртуті. Також запропоновані системи для спалення вугілля зі зниженими рівнями вмісту ртуті, що викидається з системи, які включають: (а) композицію, що містить бром і/або бромовмісну сполуку, утворену щонайменше з однієї азотовмісної сполуки або однієї або декількох її солей; (b) піч для спалення вугілля, що включає камеру згоряння, конвекційний контур для проходження газоподібних продуктів згоряння, що проходять від камери згоряння до виходу з конвекційного контуру, і пристрій для збору частинок, розташований в конвекційному контурі; (с) пристрій для подачі вугілля до печі для спалення; (d) пристрій, розташований в конвекційному контурі, для вимірювання рівня ртуті в конвекційному контурі; (e) пристрій для доставки композиції у вугілля до надходження вугілля в піч; і (f) контролюючий пристрій, розташований для одержання зовнішнього сигналу від пристрою для вимірювання рівня ртуті, і оперативне з'єднання з пристроєм для доставки композиції з регулюванням кількості композиції по величині зовнішнього сигналу. Бром і/або бромовмісні сполуки Бром і/або бромовмісні сполуки, утворений щонайменше з однієї азотовмісної сполуки або однієї або декількох її солей, відповідні для використання в даному винаході, включають нижчевказані, але що не обмежують даний винахід: сполуки, утворені щонайменше аміаком, сульфаміновою кислотою, сечовиною, одним або декількома гідантоїном, біуретом, сукцинімідом, нижчою аліфатичною моно- або дизаміщеною сечовиною, що містить від приблизно 2 до приблизно 4 атомів вуглецю в кожній замінній групі, алкілсульфамідом і тому подібних; азотовмісні солі брому і інші сполуки, такі як бромід амонію; композиція, одержана з 1 UA 97848 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ВrСІ і сульфамату натрію (NaSO3NH2), що продається під торговою маркою STABROM 909 Albemarle Corporation (як описано, наприклад, в патенті США 6068861); і стабілізований водний розчин гідроброміту лужного або лужноземельного металу, що продається під торговою маркою STABREX Nalco (як описано, наприклад, в патенті США 5683654). Обробка вугілля для зниження викидів ртуті під час згоряння Способи і системи даного винаходу, композиції, що включають бром і/або бромовмісну сполуку, утворену щонайменше з азотовмісної сполуки або однієї або декількох її солей, або щонайменше частина композиції може бути додана у вугілля як до, так і під час згоряння вугілля для зниження викидів ртуті під час спалення. Композиція, що включає бром і/або бромовмісну сполуку, як описано в цьому документі, може бути додана в/на вугілля перед її спаленням. Наприклад, вугілля може бути подрібненим вугіллям і може бути необов'язково дроблене або приведене в стан порошку традиційними способами. Композиція може бути нанесена на вугілля як рідина або як тверда речовина. Загалом, тверді композиції знаходяться в формі порошку. Якщо композиція додана як рідина, вугілля може залишитися вологим при завантаженні в камеру згоряння. Композиція може наноситися на вугілля безперервно в установку спалення вугілля шляхом розпилення або змішування з вугіллям поки воно на конвеєрі, в черв'ячному екструдері або іншому подавальному пристрої. Крім того або як альтернативний варіант, композиція може бути окремо змішана з вугіллям у вугільній печі або при видобутку вугілля. Композиція може бути додана в рідкому стані або як порошок до вугілля поки він завантажується в камеру згоряння. Наприклад, композиція може бути нанесена з розбризкувачів, які подрібнюють вугілля до впорскування. При бажанні кількість композиції, що додається, може бути змінена для досягнення бажаного рівня викидів ртуті. Рівень ртуті в топкових газах може контролюватися, а рівень композиції, що додається може регулюватися нижче або вище, як то потрібно для підтримання бажаного рівня викиду ртуті. Композиція, що включає бром і/або бромовмісну сполуку, як описано в цьому документі, може додаватися до вугілля порціями або безперервно. При безперервній подачі рівні обробки можуть бути засновані на витраті вугілля, що спалюється. Коли композиція додається порціями, як при видобутку вугілля або на окремій установці змішування, рівень обробки може бути оснований на масі вугілля, що обробляється. Крім того, швидкість додавання або рівень обробки можуть бути встановлені на основі визначенні викинутої кількості ртуті. Обробка топкових газів вугільних електростанцій для зниження викидів ртуті Також в способах і системах даного винаходу композиція, що включає бром і/або бромовмісну сполуку, утворену щонайменше однією азотовмісною сполукою або однією або декількома її солями, або щонайменше частина композиції може бути додана в ртутевмісні відхідні гази для зниження викидів ртуті з газом. Наприклад, композиція може бути додана в топковий газ на вугільній електростанції для зниження викидів ртуті. Композиція може бути вміщена або впорснута в конвекційний контур вугільної печі для зниження рівня ртуті. Композиція може бути додана в зону конвекційного контуру нижче кулі полум'я (викликаного згорянням вугілля), причому ця зона має температуру вище приблизно 1500 °F (816 °C) і меншу, ніж температура полум'я приблизно 2200 °F (1204 °C). Що стосується додавання до спалення, композиція може бути у вигляді рідини і в твердому стані (порошок). Швидкість додавання композиції в конвекційний контур може бути змінена, в залежності від результатів спостереження за рівнем ртуті, як описано в цьому документі. Для будь-якої обробки вугілля або топкового газу, композиція може бути додана в такій кількості, що є щонайменше приблизно 2000 ч/млн. брому або броміду з розрахунку на кількість вугілля, що спалюється, щоб забезпечити щонайменше приблизно 90 % зниження викидів ртуті в топковому газі. Використовуючи приведені положення даного опису, фахівець в даній галузі може визначити кількість композиції, необхідну для забезпечення щонайменше приблизно 2000 ч/млн. брому або броміду, і може визначити кількість ч/млн. брому/бромід, бажану для досягнення, наприклад, 70 % зниження, 80 % зниження і т.д. Звичайно для рідкого розчину може бути використано більше в порівнянні з такою ж твердою композицією. Наприклад, коли композиція включає NH4Br, може бути додано щонайменше приблизно 7500 ч/млн. по масі 35 мас. %-ного розчину NH4Br, або щонайменше приблизно 2500 млн. ч по масі твердого NH4Br (100 % активних речовини), з розрахунку на масу вугілля, що спалюється. Також, використовуючи положення даного опису, фахівець в даній галузі може визначити відповідні кількості композиції для здійснення, наприклад щонайменше приблизно 70 % зниження у викидах ртуті в топковому газі щонайменше приблизно 80 % зниження і т.д. Коли використовуються способи і системи даного винаходу, викиди ртуті в довкілля від вугільних електростанцій знижуються щонайменше приблизно на 70 % щонайменше приблизно 2 UA 97848 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 на 80 %, або щонайменше приблизно на 90 %, з розрахунку на загальну кількість ртуті у вугіллі, що спалюється. Як використано в даний заявці, зниження вмісту ртуті щонайменше приблизно на 70 % означає, що щонайменше приблизно 70 % ртуті у вугіллі, що спалюється, зв'язується, і запобігається її викиду в атмосферу. Значна кількість композиції, що включає бром і/або бромовмісну сполуку, як описано в цьому документі, може бути додана у вугілля до або під час його спалення зі зниженням викидів ртуті в довкілля щонайменше на приблизно 70 % або більше, або може бути використана для обробки газоподібних продуктів горіння для одержання такого ж результату, або частина композиції може бути додана у вугілля до або під час його спалення, а частина композиції може бути використана для обробки газоподібних продуктів горіння. За вмістом ртуті можна стежити за допомогою традиційного аналітичного обладнання, використовуючи промислові стандартні способи виявлення і визначення. Моніторинг може проводитися періодично, як вручну, так і автоматично. Наприклад, викиди ртуті можуть спостерігатися один раз в годину для виконання урядових постанов. Наприклад, може бути використаний водний спосіб Онтаріо. У цьому відомому способі, гази збираються протягом попередньо визначеного проміжку часу, наприклад, протягом однієї години. Ртуть осаджують із зібраних газів, і вміст її кількісно визначається при використанні відповідного способу, такого як атомна абсорбція. Моніторинг також можна проводити більш або менш часто, ніж раз в годину, в залежності від технічної і комерційної можливості. Комерційні пристрої для проведення моніторингу вмісту ртуті безперервної дії можуть бути встановлені на вимірювання вмісту ртуті і виведення вимірювання з відповідною частотою, наприклад, раз на кожні 3-7 хвилин. Вихідні дані моніторів ртуті можуть бути використані для контролю швидкості подачі композиції, що включає бром і/або бромовмісну сполуку, як описано в цьому документі. У залежності від результатів моніторингу, швидкість подачі композиції може бути відрегульована як у бік збільшення, так і у бік зменшення або збереження на колишньому рівні. Наприклад, якщо моніторинг показує, що рівні вмісту ртуті вище бажаного, швидкість подачі композиції може бути збільшена, поки вміст ртуті не повернеться на бажаний рівень. Якщо вміст ртуті знаходиться на бажаному рівні, то швидкість подачі композиції може залишатися незмінною. У альтернативному варіанті швидкість подачі композиції може знижуватися доти, поки моніторинг не покаже необхідність її підвищення, щоб уникнути високих рівнів вмісту ртуті. Моніторинг ртуті можна проводити в конвекційному контурі у відповідних місцях. Наприклад, моніторинг і вимірювання вмісту ртуті, що вивільняється в атмосферу може проводитися на чистій стороні системи по контролю над частинками. Моніторинг ртуті також може проводитися в точці конвекційного контуру вище системи по контролю над частинками. Експерименти показують, що від 20 до 30 % ртуті у вугіллі залишається в попелі і не викидається в атмосферу, навіть коли не додається агент для зниження викидів ртуті. Додавання композиції згідно з даним винаходом збільшує кількість затриманої ртуті (і таким чином знижує кількість викидів ртуті) щонайменше приблизно до 70 %. Моніторинг викидів ртуті може проводитися з використанням промислових стандартних методів, таких як опубліковані Американським Товариством Тестування Матеріалів (ASTM) або міжнародні стандарти, опубліковані Міжнародною Організацією по Стандартизації (ISO). Пристрій, що включає аналітичний прилад, може розташовуватися в конвекційному контурі нижче точок введення композиції, що включає бром і/або бромовмісну сполуку згідно з даним винаходом. Наприклад, ртутний монітор може розташовуватися на чистій стороні системи по контролю над частинками. Вимірювані рівні вмісту ртуті можуть бути використані для подачі зворотних сигналів на насоси, соленоїди, розпилювачі і інші пристрої, які приводяться в дію або контролюються для регулювання швидкості подачі композиції в систему спалення вугілля. У альтернативному варіанті або крім того, швидкість подачі композиції може регулюватися обслуговуючим оператором на основі рівнів вмісту викидів ртуті, що спостерігаються. ПРИКЛАДИ Наступні приклади носять ілюстративний характер принципів даного винаходу. Потрібно розуміти, що даний винахід не обмежується жодним з нижченаведених конкретних варіантів його здійснення, як вказаним в прикладах, так і в іншій частині даної патентної заявки. Приклад 1 Твердий NH4Br додавали в Powder River Basin суб-бітумінозне вугілля. Вугілля мало наступні середні характеристики: вміст вологи 2,8 %; вміст попелу 4,2 % і теплотвірна здатність 10500 БТЕ/фунт. Твердий NH4Br додавали до подрібненого вугілля для досягнення рівня брому в суміші, що вийшла 0,2 мас. %. Змішане вугілля завантажували у вугільну піч і нагрівали до температури між 1500 °F (816°3) і 2200 °F (1204°3). Як встановили внаслідок вимірювань на лінії 3 UA 97848 C2 5 10 15 виходу, було досягнуто 90 % зниження вмісту ртуті в газоподібних продуктах горіння, що утворилися, в порівнянні з контрольним вимірюванням (без додавання NH 4Br). Приклад 2 STARBOM 909 додавали в таке ж Powder River Basin суб-бітумінозне вугілля, як і в прикладі 1. Вміст брому в суміші, що вийшла, становив 0,18 мас. %. Змішане вугілля завантажували у вугільну піч, як в прикладі 1, з одержанням зниження вмісту ртуті в газоподібних продуктах горіння на 93 %, як встановлено в прикладі 1. Способи даного винаходу мають особливо такі переваги, які полягають в тому, що присутність азоту сприяє зниженню кількість брому, що вимивається з системи із попелу, і утворенню органічних бромідів. Замість цього, основним джерелом брому, що вимивається з системи, є інертні бромідні солі, які вважаються більш безпечними для навколишнього середовища. Потрібно розуміти, що хоча даний винахід описаний в рамках одного або декількох переважних варіантів здійснення, можна робити і інші його модифікації, не відхиляючись від об'єму вимог даного винаходу, який сформульований в формулі винаходу нижче. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 45 50 55 1. Спосіб зниження викидів ртуті з вугілля в процесі його спалення, в якому додають композицію, що включає бром і/або бромовмісну сполуку, утворену щонайменше з однієї азотовмісної сполуки або однієї, або декількох її солей, у вугілля перед або під час його спалення. 2. Спосіб за п. 1, де бром і/або бромовмісна сполука є азотовмісною сіллю брому. 3. Спосіб за п. 2, де азотовмісна сіль брому є бромідом амонію. 4. Спосіб за п. 2, де азотовмісна сіль брому є 35 мас. % розчином броміду амонію в кількості щонайменше приблизно 7500 ч./млн. по масі з розрахунку на загальну масу вугілля. 5. Спосіб за п. 2, де азотовмісна сіль брому містить, в основному, твердий бромід амонію в кількості щонайменше приблизно 2500 ч./млн. по масі з розрахунку на загальну масу вугілля. 6. Спосіб зниження викидів ртуті з газоподібних продуктів згоряння, утворених при спаленні вугілля, який включає додавання композиції, що містить бром і/або бромовмісну сполуку, утворену щонайменше з азотовмісної сполуки або однієї, або декількох її солей, в газоподібні продукти згоряння. 7. Спосіб за п. 6, де бром і/або бромовмісна сполука є азотовмісною сіллю брому. 8. Спосіб за п. 7, де азотовмісна сіль брому є бромідом амонію. 9. Спосіб спалення вугілля зі зниженням кількості ртуті, яку викидають в атмосферу, в якому: (і) додають композицію, що містить бром і/або бромовмісну сполуку, утворену щонайменше з азотовмісної сполуки або однієї, або декількох її солей, у вугілля, (іі) подають вугілля у вугільну піч, (ііі) спалюють вугілля, що містить композицію, у вугільній печі з одержанням попелу і газоподібних продуктів згоряння, (iv) вимірюють вміст ртуті в газоподібних продуктах згоряння, і (v) регулюють кількість композиції, яку додають у вугілля, на основі величини вмісту ртуті. 10. Система для спалення вугілля зі зниженим вмістом ртуті, яку викидають з системи, яка включає: (a) композицію, що містить бром і/або бромовмісну сполуку, утворену щонайменше з азотовмісної сполуки або однієї, або декількох її солей, (b) вугільну піч, що включає камеру згоряння, конвекційний контур для газоподібних продуктів згоряння, що направляють від камери згоряння до виходу з конвекційного контуру, і пристрій для збору частинок, розташований в конвекційному контурі, (c) пристрій для подачі вугілля в піч для спалення, (d) пристрій, розташований в конвекційному контурі, для вимірювання рівня вмісту ртуті в конвекційному контурі, (e) пристрій для подачі композиції, призначений для подачі композиції у вугілля перед доставкою вугілля в піч, і (f) контролюючий пристрій для одержання вихідного сигналу від пристрою для вимірювання вмісту ртуті, оперативно з'єднаний з пристроєм подачі композиції з регулюванням подачі композиції на основі величини вихідного сигналу. 4 UA 97848 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5