TW201211465A - Reduction of particulates in gas streams - Google Patents

Description

201211465 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及含顆粒的氣流導向通過的靜 火花速率的降低。 【先前技術】 有關顆粒排放存在環境上的關注：通過 集至少一些顆粒，靜電除塵器通常用於從含 中減少顆粒排放，特別關注是顆粒從燃燒源 的排放。從發電廠的排放在美國由聯邦政府 二清况下由當地政府管理。熟知有關來自燃 煤的燃燒的顆粒排放的環境關注。 如剛才所述’一種降低顆粒排放的方式 除塵器。靜電除塵器（ESP)具有至少一對相反 或板其產生含顆粒的氣流通過的電場，通 列電極和板。氣流中的帶電顆粒收集在帶相 極或板上。收集的顆粒藉由物理（例如敲拍i 聲方式（例如超聲喇π八爆炸）振動電極或板而 或板上除去。 靜電除塵器在高電壓下運行以產生較強 ，強’離子化然後收集到ESP的收集器板上的 多。因此’靜電除塵器較佳在最高電場（最； 情况下運行。Esp典型地以這樣的方式運行， 入功率躍彳，直到在收集板上產生火花，或 大的功率輪入。以這樣方式運行提供最大 入’並且典型地導致最高的顆粒收集效率， 電’除塵器中 從氣流中收 顆粒的氣流 例如發電廠 管理，在— 燒、特別是 是使用靜電 電荷的電極 常使用一系 反電荷的電 乞敲打）或超 定期從電極 電場。電場 顆粒的量越 b電壓）實際 該方式為輪 達到預定最 量的功率輪 #進而降低 201211465 從氣流的顆粒排放。 當被用於從燃燒氣流除去顆粒時，ESP可在氣體加熱 器的上游或氣體加熱器的下游。在氣體加熱器的上游的 E S P通常稱為熱端靜電除塵器，典型地在這樣的環境中運 行，其中溫度高於約400〇F(204〇C)。在氣體加熱器的下 游的ESP通常稱為冷端靜電除塵器，並且典型地在這樣的 環境中運行，其中溫度低於約4〇〇〇f(2040C)。 漠化碳質基材對於ESP收集效率的影響首先在這樣 的試驗中觀察’該試驗在燃煤電廠中在這樣的單元中進 行’其中冷端ESP在320。F(160°C)運行。只監控不透明 度’沒有顆粒物質排放《觀察現存氣體的不透明度的降 低’特別地在試驗過程中通過注射溴化碳質基材但沒有 S〇3，不透明度保持為平均2丨％。典型地，在比較期間， 在加入S Ο3的該體系中測定2 〇 〇/〇至3 〇 〇/〇的不透明度。參見 R. Landreth et. al., Brominated Sorbents for Small Cold-Side ESPs, Hot-Side ESPs, and Fly Ash Use in Concrete, DOE/NETL Mercury Control Technology

Conference，Pittsburgh, PA，December 2007。 影響靜電除塵器的收集效率的一種因素是收集的顆 粒的電阻。具有高電阻率的顆粒在ESP的收集板上的堆積 提出性能方面的問題。一種問題，有時稱為「反電暈」 放電’是火花或電弧穿過電場，該電場源自穿過收集板 上的顆粒層而堆積的電壓梯度。如果電壓由於顆粒層的 南電阻率而’艾彳寸太大’則捕獲在該顆粒層中的氣體可離 子化並引起火花。每次發生時，顆粒「喷出」（putt)從收 201211465 集板釋放，並且喷出增加現有氣流中顆粒的排放，其觀 察為氣體不透明度的增加。增加火花速率要求施加的電 壓降低’這進而降低ESP的收集效率。 為了增強通過ESP的顆粒收集，—種以上調節劑可加 入ESP上游的含顆粒的氣流，以増強顆粒易被Ε§ρ收集。 通常，調節劑據信改變氣流中顆粒的電阻率。調節劑的 使用在ESP的運行過程中增加電壓，目此增加Esp的收集 效率。 一種這樣的調節劑是s〇3。儘管有益於Esp的顆粒收 集，但是觀察到S〇3對於水銀吸附劑的效率具有顯著不良 影響。為了抵消s〇3的這種不良影響，鎂或鈣吸附劑可在 合適的點注射到煙道氣流以除去S03。然而，這些鎂和鈣 吸附劑增加煙道氣體中飛灰的電阻率，這進而不利地影 響靜電除塵的顆粒收集》另外’ S〇3的使用可增加硫的 排放。 硫酸或磷酸也可用作調節劑以增強顆粒收集。由於 這些酸的有害性質，因此需要特別設備和處理，除非酸 被吸附到惰性顆粒載體上（例如矽酸鈣、石夕藻土、經石、 矽酸鎂鈉、蒙脫石或炭黑）。用於控制顆粒，Ν0χ和S0x排 放的其他煙道氣體調節劑包括氨和銨化合物，例如硫酸 銨和磷酸銨、硫酸氫鈉和磷酸鈉。這些調節劑通常必須 在仔細控制下加入，可能污染設備下游，和/或是氣流中 不期望的排放組分。 期望增加ESP的顆粒收集效率，特別無需增加不期望 排放或需要縮小操作條件的調節劑。 201211465 【發明内容】 導致產 部、國家能 05NT42308 些權利。 本發明 法。藉由允 電阻率和/ 率，這些方 的收集效率 加入調節劑 有它們自身 該材料可以 的、含顆粒 的方法可成 況中；因此 的腐Ί虫。 本發明 •端靜電除塵 中所述靜電 將由碳質基 鹵化碳質基 中，和未注 低約40%以_ 本發明 生該專利申請中所述的發明的工作在由能源 L源技術實驗室授予的契約No. DE-FC26-的政府支持下進行。政府可具有本發明的某 提供減少氣流包括燃燒氣流中顆粒排放的方 許更大電壓而不會增加收集板上的顆粒層的 或不會增加靜電除塵器（ESPs)中的火花速 法增加靜電除塵器（ESP)、特別是冷端ESPs 。令人驚訝地’這在下列條件下完成：無需 ’特別是那些需要縮小條件的調節劑，或具 排放缺點的調節劑，而是使用這樣的材料， 注射到含顆粒的氣流中，甚至在氣流是熱 的燃燒氣體時也是如此。特別地，本文所述 功用於缺少注射s Ο3到含顆粒的氣流中的情 ’本發明的方法的另一益處是降低體系組分 的實施方案是在含顆粒的氣流導向通過的冷 器中降低火花速率和/或增加電壓的方法，其 除塵器具有火花速率和電壓。所述方法包括 材與函素元素和/或氫南酸形成的一定量的 材注射到靜電除塵器上游的含顆粒的氣流 射所述_化碳質基材相比，使得火花速率降 L，和/或使得電壓可増加約20%以上。 的這二#/、他只她方案與特徵從下面說明書 201211465 和所附申請專利範圍將是進一步明顯的。 在本說明書全文+，術語「顆粒」是指混懸在氣流 中的小微粒（通常直徑約20 μιη或更小卜如本說明書全文L 使用的’術t吾「氣流」是指沿著一定方向運行的一定量 的氣體。如本說明書全文使用的，措詞「燃燒氣體」是 指源自燃燒的氣體（混合物）。煙道氣體是一種燃燒氣體 的類型。就此而言，「燃燒氣流」中使用的術語「流姐 是指沿著一定方向運行的一定量的燃燒氣體。 」 本發明的方法的—個俱赴θ丨 ……材是顆粒，：且含顆㈣氣流中 中存在的其他顆粒—起# 义靜電除塵态和氣流 略攸虱流中除去。 本發明涉及冷端靜電除塵器。、' 。 . 氣流（然後通過靜電除塵主射_化碳質基材到 花速率（減少或防止火花產生）。氐靜龟除塵器中的火 這允許靜電除塵器 據信收集的顆粒的表面電阻率減=、希望受到理論束缚， 中的更大的收集效率。 ’ i化碳質基材可是氣化、 佳地，鹵化碳質基材是“心碳=化碳質基材。較 材稍微不利，因為滲入的 基材。碘化碳質基 下你础哲装从越以 A 八儿合物通常在中等高溫 下仗妷資基材釋放。當含顆粒 、田ΠΓ沾曲*丨⑻咕γ 4 礼成是燃燒氣流時，高 溫下的典型燃燒氣流，住 U U Φ m -tir Λ ^ 、磉或碘化物中的多數 將從材枓中釋放。鹵素負載 沾在太旦也反貝基材通常為使得鹵素 的存在里為_化石反質基材的總 0/ ^ , Λ本 里里的約0.25至約1 5重量 /〇，較佳約1至約1 0重量％，更 上， 馬約2 · 5至約7.5重量％。 _化碳質基材通常由_音调去 自素源和噥質基材形成。碳質 201211465 基材是碳基吸附劑例如活性碳或較佳為微細粉末活性碳 (PAC)。合適的齒素源包括元素（雙價）鹵素和氫鹵酸（氫 函化物）。使用元素齒素和/或氫_酸合成_化碳質基材 描述於美國專利No. 6,953,494。較佳的鹵化碳質基材是 由粉末活性碳和溴氣形成的那些，其是市售的（B_pAC， C-PAC，H-PAC 和 Q_PAC; Albemarle c〇rp〇mi〇n)。當鹵 化碳質基材由金屬鹵化物鹽形成時，未觀察到有益的效 果（例如減少火花）。 任選地，其他試劑例如調節劑可注射，如果需要或 期望。較佳地，除了鹵化碳質基材不加入試劑。較佳在 缺少調節劑的條件下實施本發明。此外較佳為在缺少注 射的s〇3的條件下運行，因此觀察到s〇3降低溴化碳質基 材的效率。 函化破質基材典型地以約〇 5至約15 lb/MMacf (8x10 6至24〇xl〇-6 kg/m3)的速率注射。較佳注射速率是 約 1至約 10 lb/MMacf(16xl(T6 至 i60x10-6 kg/m3);更佳 注射速率是約2至約5 lb/MMacf(32xlO_6至80χ1(Γ6 kg/m )，儘管應該理解較佳注射速率隨著特定體系構造 而改變。 本發明提供靈活的方法，其可應用於多種燃燒氣流 以及較寬範圍的廢氣系統設備構造。通常，i化碳質基 材可在靜電除塵器上游的任何點注射。建議，鹵化碳質 基材在這樣的點注射到含顆粒的氣體中，使得_化碳質 基材不暴露於高於約的溫度。在該溫度或 之上’ _化碳質基材容易降解。注射_化碳質基材的較 201211465 佳時點可隨著系統的槿1 基材接觸流動的含顆粒==變：當注射時，鹵化碳質 從靜電除塵器中的氣…切地混合氣流’並且 對於燃燒氣流，：：起從氣流中分離。 器或預熱器之前注身士 /質基材可在氣體通過熱交換 端」，或在氣體通過謂燃燒氣體排氣系統的「熱 謂燃燒氣體排氣系統的、「=器或預熱11之後注射，即所 材注射到冷端。冷端的，冷二」。較佳地，函化碳質基 以下。 、運行溫度通常為約400°F(204〇C) 如上所述，注射南 未注射到含顆粒的基材和所述_化碳質基材 4〇〇/〇α , $ 孔机中時相比，使火花速率降低約 4υ /。以上、和/或允 射的鹵化碳質基材的曰σ、力20 /。以上。較佳地，注 含顆粒的氣流中時相比？ 斤述齒化碳質基材未注射到 和/或使得電壓可增加/吏得火花速率降低約6〇%以上 化碳f # 、力30%以上。通常，當使用存在鹵 化石厌貝基材運行的過 ^ ^ 3 , 中在相比的運行中盡可能多的 又數疋㈣的條件進行最佳的比較。 期望靜電除塵器中火亦 ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ 火化速率減小，因為更少的顆粒 中的顆粒排放。本發==而減小現有氣流 . ^供的另一優點是電壓可增加， 更大的電場在靜電除塵器中產生使得更多量的 _ …、傻收木在静電除塵器的收集器板上。 當漠化碳質基材注射到燃燒氣流中日夸，和不存在漠 化碳質基材的操作相比’觀察到在通過靜電除塵器後燃 燒氣流的不透明度降低約3%以上，有時降低約6%以上。 201211465 在較低和較其备Iτ 1 負載下都觀察到該效果，對於兩種負載， 不透明度増加類似。a 士〜w 裡貝m， M 、乜认 田確疋猙電除塵器下游的含顆粒的 亂流的不透明产+ 从“月度的降低時，當使用存在鹵化碳質基材操 在相比的操作中盡可能多的變數是相同的 條件進仃最佳的比較。 如上所述，#電除塵器用於通過從氣流中收集至少 二顆粒而從含顆粒的氣流中降低顆粒排放。多種工業 過程產生含顆粒的氣流。這些過程的例子包括垃圾焚 燒/0金過程、金屬回收過程、燃燒和水泥生產。在較 佳實細方案中’含顆粒的氣流來自除了燃燒以外的過程。 下列例子展示用於描述的目的，並且不旨在對 明的範圍施加限制。 【實施方式】 實例1 在該實例中，處理的燃燒（煙道）氣體來自發電廠單 凡’其具有用次煙煤燃燒的234 MW汽鍋。發電廠單元 包括兩個單獨汽鍋（過熱和重新加熱），其作為—個汽鍋 運行’然而’各汽鋼具有獨立的管道系統，並且*端 五3?8在3 10°?(154。〇運行。各£5?具有的特定收集:^ (SCA)為 118 ft2/l〇〇〇 acfm(實際立方英尺 /分 m/472L/sec)。各ESP的流的尺寸為ii7MWe，並且户理 的氣流為460,00〇3〇【111(217，12〇1^/56〇)。煙道氣體從^8卩 運行至通常的煙自和通常不透明度監控器◊注射在重新 加熱汽鍋中進行。 鹵化碳質基材是溴化活性碳，其含約7重量％漠 -10- 201211465 (C-PAC，Albemarle Sorbent Technologies Corporation)。 在空氣預熱器後，鹵化碳質基材使用吸附.劑注射系統引 入。在測試期間注射是連續的；注射速率是4.6 lb/MMacf(78.3xlO~6 kg/m3) 〇 在高負載運行期間的不透明度在測試期間降低總共 4%，從開始注射降低直到測試結束。由於在煙囱測量的 煙道氣體是來自兩個汽锅的混合物，該不透明度降低可 被認為對於處理的汽鍋相當於8 %。該不透明度效果已經 被記錄’參見 S. Nelson，jr.，et. al., Effects 〇f Aetivated

Carbon Injection on Particulate Collectors and

Particulate Emissions; Electric Utility Environmental Conference, 2007 ° 之前沒有報導注射的C-PAC對火花速率的影響。當 開始注射時，火花速率立即降低’並且在整個測試中持 續降低。當測試停止時，火花速率在整個測試期間都降 低’並且回復至基線（比較）水準。 在測試期間ESP的第一場的火花速率顯示於第i圖。 第1圖是對於一月長的時間期限每隔五天測定的重新加 熱汽鍋的前場中的火花速率/分的圖。第j圖顯示出在開 =連續注射B-PAC(5天）之前ESP前場中的火花速率較 高。-旦開始注射，火花速率立即降低，並且在整個測 試中持續降低。降低的火花速率允許Esp的功率（電壓） 增加，並且改善ESP的收集效率。 土 實例2 進行兩個系列的試驗以評價不同注射速率對於顆粒 -11- 201211465 物質排放差異的影響。在該實例中的系列試驗中使用的 發電場單元為5000 acfm(2360 L/sec)彙集測試設施，其使 用來自兩個單元中的一個的煙道（燃燒）氣體。兩個單元 都燒煤。對於這些試驗，設備裝有在高達345°F(174°C) 的溫度運行的兩個場冷端E S P s。鹵化碳質基材使用計重 給料機引入，以實現可靠和可測量的流量。發電廠裝有 線上顆粒物質（PM)監控器（RM320，SICK AG)，以提高 mg/m3形式的PM資料。鹵化碳質基材是溴化活性碳，其含 約 7重直 ％的 >臭（B-PAC，Albemarle Sorbent Technologies

Corporation) ° 對於第一系列的試驗’使用的、注射速率為〇 5至5 3 lb/MMacf(8xl(T6 t0 84.9χ1(Γ6 kg/m3)。注射是序列的： 第一注射是0.5 MMacf(8xl0 —6 kg/m3);第二注射是添加 的’使得加入的B-PAC的總量為1.2 ]ν[Μ&εί(19.2χ1〇-6 kg/m3)等。 從開始測試時的數值，在出口測量的顆粒物質排放 減少多於50%。結果概述於第2圖。第2圖顯示出Esp出口 測量的顆粒對時間的圖。第2圖中的階梯狀重疊是注射的 B-PAC的ϊ ;圖中的幾乎直的線是顆粒去除百分數 對於第二操作，使用較低注射速率1至〇 $ MMacf(1.6〇xl〇-6 至 8χ1〇-6 kg/m3)。按照和該實例中第 系列中所述的相同的方式使用序列注射 資料顯示顆粒 物質排放速率改善，甚 此。結果概述於第3a_3b 顆粒對時間的圖。第3 至在這些低注射水準下也是如 圖。第3 a圖顯示E S P出口測量的 a圖中的階梯狀重疊是注射的 -12- 201211465 B - P A C的量。第3 b圖顯示第3 a圖中所示相同時間期間顆 粒去除百分數的圖；第3 b圖中的階梯狀重疊是注射的 B-PAC的量。 實例3 在發電廠進行三個月的耐腐触試驗，所述發電廠具 有 320,000 acfm(151，040 L/sec)和總容量 80 MW的汽鋼， 其燒東部中等含硫煙煤》設備裝有冷端ESP，其在高達 300°F(149°C)的入 口溫度運行。ESP 在 320。？（160。〇的 SCA為 330 ft2/l〇〇〇 acfm(9.34 m3 / 472 L/sec; 3個場）。 由低碳鋼製成的4個測試取樣片放置於管道系統的 煙道（燃燒）氣流中，從而導致ESP充滿。S03在空氣預熱 器之前（上游）注射，在整個測試期間注射速率為j 5 ppm。在SO3測試結束後，取樣片除去，並且將由低碳鋼 製成的另外4個測試取樣片放置在相同位置的煙道氣流 中’如用於S Ο3測試的那些所述。溴化粉末活性碳（b _ p a匚，

Albemarle Sorbent Technologies Corporation)注射到空 氣預熱器的上游，在整個測試期間注射速率為8 MMacf(128xl(T6 kg/m3)。在 B-PAC測試期間不注射 s〇3。 測5式取樣片被調節有S Ο3的煙道氣體的腐钮通過下 列方式來定量化：在暴露23天後稱重取樣片；重量損失 記錄為mg/天。取樣片被溴化的PAC-調節的煙道氣體腐 蝕的量通過下列方式來定量化：在暴露1 2天後稱重取樣 片；重量損失記錄為mg /天。由於暴露於各物質的所有取 樣片的腐触的平均總量損失也提供在表1中。表1示出相 比於暴露於含有SO3的煙道氣體的取樣片，暴露於含 -13- 201211465 Β-PAC-的煙道氣體的取樣片.重量損失減小 表1 物質 天 損失 物質 天 損失 S〇3 23 1.674 mg/天 B-PAC 12 0.383 mg/天 S〇3 23 1.748 mg/天 b~PAC 12 0.367 mg/天 S〇3 23 2.348 mg/天 ------- B-PAC 12 0.308 mg/天 S〇3 23 1.617 mg/天 B-Pac 12 0.258 mg/天 S〇3 1.847 mg/天 平均 B-PAC 0.329 mg/天 表1中的結果清楚顯示對於低碳鋼齒化碳質基材明 顯比S〇3具有更小的腐蝕性。 在實施本發明時’從含顆粒的氣流降低顆粒排放的 方法不限於附圖中所述的姓中 π疋的特疋排列。附圖僅被提供來顯 示普通的例子；在本發明的範圍内可以進行改變。 本發明可包括本文引用的材料和/或方法、由本文引 用的材料和/或方法構成、或基本上由本文引用 /或方法構成。 如本文使用的，在太恭ζ Α 本發月的組合物中調節成分的量 或用於在本發明的方法中的術語「約」是指數量的變化 該數量<例如藉由下列方式產生：典型測量和用於製備 濃縮物的液體處理過程，或使用現實世界中的溶液.、言 些過程中的不小心的錯誤；生產、來源或用於製備二 物的成分的純度或實施方法的差異等。術語「約」還= 括對於源自特定初始混合物的組合物由於不同平衡條= 的差異而弓丨起的量。無論是否被術語「約」修飾，.上 -14- 201211465 專利範圍包括數量的等同形式。 除非可清楚地表示，本文如果使用並且使用的冠^ 「一種」不旨在進行限制，並且不應該理解為限制冠1 所涉及的單一元素的說明書或申請專利範圍。相反地， 本文如果使用並且使用的冠詞「一種」旨在覆蓋_ · 庙—種或 夕種這些元素，除非明顯地說明。 丰發明容易 明 q凡*上述說 .不旨在限制，並且不應該理解為使本發明限制為上述 展示的特定例子。 ~ 【圖式簡單說明】 第！圖是使用溴化碳質基材在實例丨的注射試驗之 和期間冷端E S P中的火花速率的圖。 弟2圖是在實例2的一種注射續私β 耵4驗期間ESP出口測晉 的顆粒對時間的圖。 第3 a圖是在實例2的一種注射試％ 八驗期間E S P出口測量 的顆粒對時間的圖。 第3b圖第是第3a圖所示期間顆粒去除百分數對 時間的圖。 【主要元件符號說明】 無。 -15-

Claims (1)

1. 201211465 七、申請專利範圍： 1 · 一種在含顆粒之氣流導向通過之冷端靜 降低火花速率和/或增加電壓之方法’其中 塵器具有火花速率和電壓。所述方法包括 材與齒素元素和/或氫_酸形成之定量 基材注射到所述靜電除塵器上游之含身 中，和未注射所述鹵化碳質基材相比，使 降低約4 0 %以上，和/或使得電壓玎增加約 2 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中 率降低約6 0 %以上和/或使得所得電廢叮^ 上。 3 .如申請專利範圍第1項所述之方法’其中 質基材是〉臭化碳質基材。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之方法’其中 材是活性碳。 5.如申請專利範圍第3項所述之方法’其$ 質基材是溴化活性碳。 ^ 法 6 _如申請專利範圍第1項或第5項所述之力/ 斤各劍 方法在不存在注射之S03或不存在裯即 行0 7 .如申請專利範圍第1項或第5項所述之 / 方法在不存在其他試劑之條件下進行° 8.如申請專利範圍第1-7項中任一頊所述 所述氣流是燃燒氣流，並且其中在 前，所述鹵化碳質基材在所述氟 電除塵器中 所述靜電除 將由碳質基 之鹵化碳質 須粒之氣流 得火花速率 20%以上。 所述火花速 r力口約3 〇 %以 Μ述1¾化破 Μ述碳質基 述邊化碳 .，其中所述 之條件下進 .，其中所述 万法，其中 熱交換器之 身古到所述氣 -16- 201211465 流中。 9 .如申請專利範圍第1 -7項中任一項所述之方法，其中 所述氣流是燃燒氣流，並且其中所述鹵化碳質基材在 所述氣流通過熱交換器之後注射到所述氣流中。 1 0 .如申請專利範圍第1 -7項中任一項所述之方法，其中 所述鹵化碳質基材之量為約0.5至約15 lb/MMacf。 1 1.如申請專利範圍第1 -7項中任一項所述之方法，其中 所述含顆粒之氣流來自垃圾焚燒、冶金過程、金屬回 收過程或水泥生產。 12.如申請專利範圍第1-7項中任一項所述之方法，其中 所述含顆粒之氣流來自除了燃燒之外之過程。 -17-