DE102007057641A1

DE102007057641A1 - Verfahren zum Entfernen von Quecksilber aus dem Emissionsstrom einer Energieanlage und Vorrichtung zu dessen Ausführung

Info

Publication number: DE102007057641A1
Application number: DE102007057641A
Authority: DE
Inventors: Deborah Ann Haiko; Vitali Victor San Juan Capo Lissianski; Alison Liana Palmatier
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2008-06-05
Also published as: GB0723312D0; GB2444397A; CA2611817A1; US20080127631A1; GB2444397B

Abstract

Offenbart hierin ist eine Katalysator-Zusammensetzung, umfassend ein Halogenid eines Gruppe Ib-Elementes und eines inerten Pulvers. Offenbart hierin ist auch eine Zusammensetzung, umfassend ein Reaktionsprodukt eines Halogenids eines Gruppe Ib-Elementes, eines inerten Pulvers und von Quecksilber. Offenbart hierin ist auch ein Verfahren, umfassend Injizieren einer Katalysator-Zusammensetzung, umfassend ein Halogenid eines Gruppe Ib-Elementes und eines inerten Pulvers, in einen Emissionsstrom einer thermoelektrischen Energieanlage, Umwandeln einer elementaren Form von Quecksilber, die in dem Emissionsstrom vorhanden ist, in eine oxidierte Form, eine amalgamierte Form und/oder eine Teilchen-gebundene Form von Quecksilber, und Sammeln der oxidierten Form, der amalgamierten Form und/oder der Teilchen-gebundenen Form von Quecksilber vor dem Eintritt des Emissionsstromes in die Atmosphäre.

Description

HINTERGRUND
Diese Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entfernen von Quecksilber aus dem Emissionsstrom einer Energieerzeugungsanlage. Sie bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Ausführung der Entfernung des Quecksilbers.
Quecksilber ist ein reguliertes gefährliches Metall, das in Kohle vorhanden ist. Das Rauchgas in Kohlekraftwerken umfasst allgemein einen verhälnismäßig großen Prozentsatz an Quecksilber. Quecksilber existiert in zwei Formen, einer oxidierten Form und einer elementaren Form. Von den beiden Formen ist elementares Quecksilber im Allgemeinen schwieriger aus Emissionen zu entfernen, die in Energieerzeugungsanlagen entstehen. Die Abgabe von Quecksilber aus Kohle verbrennenden Anlagen an den Boden der USA summiert sich auf 48 Jahrestonnen. Es wurden Vorschriften erlassen, um die Quecksilberemissionen von Kohle verbrennenden Anlagen, wie Kohlekraftwerken, zu kontrollieren.
Es ist daher erwünscht, ein Verfahren zu haben, um Quecksilber aus Emissionen vor deren Eintritt in die Atmosphäre zu extrahieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Offenbart hierin ist eine Katalysator-Zusammensetzung, umfassend ein Halogenid eines Elementes der Gruppe Ib des chemischen Periodensystems und ein inertes Pulver.
Offenbart hierin ist ebenfalls eine Zusammensetzung, umfassend ein Reaktionsprodukt eines Halogenids eines Elementes der Gruppe Ib des chemischen Periodensystems, eines inerten Pulvers und Quecksilber.
Offenbart hierin ist auch ein Verfahren, umfassend das Injizieren einer Katalysator-Zusammensetzung, umfassend ein Halogenid eines Elementes der Gruppe Ib des chemischen Periodensystems und ein inertes Pulver, in einen Emissionsstrom einer thermoelektrischen Energieanlage, Umwandeln einer elementaren Form des Quecksilbers, die im Emissionsstrom vorhanden ist, in eine oxidierte Form, eine amalgamierte Form und/oder eine Teilchen-gebundene Form von Quecksilber und Sammeln der oxidierten Form, der amalgamierten Form und/oder der Teilchen-gebundenen Form von Quecksilber vor dem Eintritt des Emissionsstromes in die Atmosphäre.
Offenbart hierin ist auch ein Verfahren, umfassend das Injizieren eines ersten Teiles einer ersten Katalysator-Zusammensetzung, umfassend ein Halogenid eines Gruppe Ib-Elementes und ein inertes Pulver, in einen Emissionsstrom einer thermoelektrischen Energieanlage, Injizieren eines zweiten Teiles einer zweiten Katalysator-Zusammensetzung, umfassend ein Halogenid eines Gruppe Ib-Elementes und ein inertes Pulver, in den Emissionsstrom der thermoelektrischen Energieanlage, Injizieren eines dritten Teiles einer dritten Katalysator-Zusammensetzung, umfassend ein Halogenid eines Gruppe Ib-Elementes und ein inertes Pulver, in den Emissionsstrom der thermoelektrischen Energieanlage, Umwandeln einer elementaren Form des Quecksilbers, die in dem Emissionsstrom vorhanden ist, in eine oxi dierte Form, eine amalgamierte Form und/oder eine Teilchengebundene Form von Quecksilber und Sammeln der oxidierten Form, der amalgamierten Form und/oder der Teilchen-gebundenen Form von Quecksilber vor dem Eintritt des Emissionsstromes in die Atmosphäre.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 repräsentiert eine isometrische Ansicht einer beispielhaften thermoelektrischen Energieerzeugungsanlage 100, die für die Extraktion von Quecksilber aus den Rauchgasen benutzt werden kann;
2 repräsentiert eine Seitenansicht einer ähnlichen (nicht maßstabgerechten) beispielhaften thermoelektrischen Energieerzeugungsanlage 100;
3 ist eine grafische Darstellung, die Daten der Quecksilber-Konzentration in Rauchgas am Auslass der elek-trostatischen Abscheidungsvorrichtung (ESP) zeigt, und
4 zeigt die Rate der Entfernung von Quecksilber aus dem Emissionsstrom nach der Injektion der Katalysator-Zusammensetzung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Der Gebrauch der Begriffe "ein" und "eine" und "der/die/das" und ähnliche Bezugnahmen im Zusammenhang der Beschreibung der Erfindung (insbesondere im Zusammenhang der folgenden Ansprüche) sind dahingehend zu verstehen, dass sie sowohl die Einzahl als auch die Mehrzahl umfassen, sofern nichts Anderes hierin angegeben oder diesem durch den Zusammenhang deutlich widersprochen wird. Die Modifizierung "etwa", die in Verbindung mit einer Menge benutzt wird, schließt den genannten Wert ein und hat die durch den Zusammenhang diktierte Bedeutung (z.B. schließt sie den Grad des Fehlers ein, der mit der Messung der speziellen Menge verbunden ist). Alle hierin offenbarten Bereiche schließen die Endpunkte ein, und die Endpunkte sind unabhängig miteinander kombinierbar.
Offenbart hierin ist ein Verfahren zum Extrahieren von elementarem Quecksilber aus einem Emissionsstrom vor dem Eintritt des Emissionsstromes in die Atmosphäre. Das Verfahren kann vorteilhaft in Energieanlagen, wie, z.B., thermolelektrischen Energieanlagen, eingesetzt werden, um Emissionen von Quecksilber in die Atmosphäre zu verringern. In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren den Einsatz eines Halogenids eines Gruppe Ib-Elementes, um die Umwandlung von Quecksilber aus seiner elementaren Form in eine Form zu katalysieren, die in einer Vorrichtung zum Kontrollieren von Teilchen gesammelt werden kann, wie einem Sack- oder Beutelhaus oder einem elektrostatischen Abscheider. Die Form von Quecksilber, die in der Vorrichtung zum Kontrollieren der Teilchen gesammelt werden kann, kann eine oxidierte Form von Quecksilber, eine amalgamierte Form von Quecksilber oder Quecksilber sein, das an Teilchen gebunden ist (Teilchen-gebundenes Quecksilber).
In einer Ausführungsform umfasst die Katalysator-Zusammensetzung ein Halogenid eines Gruppe Ib-Elementes. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Katalysator-Zusammensetzung ein Halogenid eines Gruppe Ib-Elementes, vermischt mit einem inerten Pulver. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das inerte Pulver Flugasche. Die Katalysator-Zusammensetzung wird in den Emissionsstrom injiziert und tritt mit dem Quecksilber in Wechselwirkung und erleichtert seine Umwandlung in die Form, die in einer Vorrichtung zum Kontrollieren von Teilchen gesammelt werden kann.
1 zeigt eine isometrische Ansicht einer beispielhaften thermoelektrischen Energieerzeugungsanlage 100, die zur Extraktion von Quecksilber aus den Rauchgasen benutzt werden kann. 2 zeigt eine Seitenansicht einer ähnlichen (nicht maßstabgerechten) beispielhaften thermoelektrischen Energieerzeugungsanlage 100 und wird für die Zwecke dieser Diskussion benutzt. Es ist darauf hinzuweisen, dass 2 keine andere Ansicht von 1 ist, und dass 2 hierin für Diskussionszwecke und zur beispielhaften Erläuterung der Erfindung benutzt wird. Wie aus den 1 und 2 ersichtlich, umfasst die thermoelektrische Energieerzeugungsanlage 100 einen Brenner 20, einen vertikal nach unten brennenden Strahlungsofen 30, einen Kühlabschnitt 40, einen horizontalen konvektiven Durchgang 50, der sich vom Ofen aus erstreckt, und ein Beutelhaus 60 in Verbindung mit dem horizontalen konvektiven Durchgang 50. Der Brenner 20 ist ein Diffusionsbrenner mit variabler Verwirbelung mit einem axialen Brennstoffinjektor 22. Primärluft wird axial injiziert, während der sekundäre Luftstrom radial durch die (nicht gezeigten) Verwirbelungsschaufeln injiziert wird, um für ein kontrolliertes Brennstoff/Luft-Vermischen zu sorgen. Die Verwirbelungszahl kann kontrolliert werden durch Einstellen des Winkels der Verwirbelungsschaufeln, Zahlreiche Zugangsöffnungen, die entlang der Achse der Anlage angeordnet sind, gestatten Zugang zur Ergänzungsausrüstung, wie Wiederverbrennungs-Injektoren, Zusatz-Injektoren, Nachverbrennungsluft-Injektoren und Sonden zur Probenahme. Die Energieerzeugungsanlage ist allgemein eine mit Kohle gefeuerte Anlage, obwohl auch andere Quellen von Brennstoff eingesetzt werden können. Andere Quellen von Brennstoff, wie, z.B., Gasolin, Diesel oder Ähnliche, können auch in Verbindung mit Kohle oder unabhängig von Kohle benutzt werden, wie erwünscht.
Ein Emissionsstrom (auch als die "Rauchgase" bezeichnet), erzeugt durch die Verbrennung von Brennstoff in dem Brenner 20, bewegt sich nach unten zum Kühlabschnitt 40, dem horizontalen konvektiven Durchgang 50 und in das Beutelhaus 60. Teilchenförmiges Material, das in dem Emissionsstrom enthalten ist, wie, z.B., Flugasche, die durch die Verbrennung von Kohle erzeugt wird, wird im Allgemeinen in dem Beutelhaus 60 gesammelt. Quecksilber in seiner oxidierten Form, amalgamierten Form oder Teilchen-gebundenen Form wird auch im Allgemeinen in dem Beutelhaus 60 gesammelt. Quecksilber in seiner elementaren Form wird im Allgemeinen nicht in dem Beutelhaus 60 festgehalten.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Katalysator-Zusammensetzung in den Emissionsstrom an irgendeinem Punkt stromabwärts des Brenners injiziert werden, um die Umwandlung elementaren Quecksilbers in oxidiertes Quecksilber zu erleichtern, was sein Festhalten im Beutelhaus 60 fördert. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Katalysator-Zusammensetzung in die thermoelektrische Energieerzeugungsanlage 100 zwischen dem Brenner 20 und dem vertikal nach unten brennenden Strahlungsofen 30 injiziert werden. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann die Katalysator-Zusammensetzung in die thermoelektrische Energieerzeugungsanlage 100 zwischen dem vertikal nach unten brennenden Strahlungsofen 30 und dem Kühlabschnitt 40 injiziert werden. In noch einer anderen Ausführungsform kann die Katalysator-Zusammensetzung in die thermoelektrische Energieerzeugungsanlage 100 zwischen dem Kühlabschnitt 40 und dem horizontalen konvektiven Durchgang 50 injiziert werden. In noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann die Katalysator-Zusammensetzung in die thermoelektrische Energieerzeugungsanlage 100 zwischen dem horizontalen konvektiven Durchgang 50 und dem Beutelhaus 60 injiziert werden.
Wie oben ausgeführt, umfasst die Katalysator-Zusammensetzung ein Gruppe Ib-Element. Es ist allgemein erwünscht, dass die Katalysator-Zusammensetzung während des Transportes stromabwärts vom Brenner leicht in dem Emissi onsstrom dispergiert wird. In anderen Worten, es ist erwünscht, dass die Aufenthaltszeit der Katalysator-Zusammensetzung in dem Emissionsstrom maximiert wird, um die maximale Umwandlung der elementaren Form des Quecksilbers in die oxidierte Form zu bewirken. In einer beispielhaften Ausführungsform ist es erwünscht, dass die anfängliche Katalysator-Zusammensetzung in den Emissionsstrom an einem Punkt unmittelbar stromabwärts des Brenners 20 injiziert wird und im Emissionsstrom am Beutelhaus 60 vorhanden ist. In dieser Ausführungsform bleibt die Katalysator-Zusammensetzung im Emissionsstrom und wandelt kontinuierlich die elementare Form des Quecksilbers in die oxidierte Form, die amalgamierte Form oder die Teilchen-gebundene Form um.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Katalysator-Zusammensetzungen in den Emissionsstrom an irgendeinem Punkt von unmittelbar stromabwärts des Brenners bis zu einem Punkt unmittelbar stromaufwärts des Beutelhauses eingeführt werden können. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform können mehrere Katalysator-Zusammensetzungen in den Emissionsstrom an verschiedenen Stellen stromabwärts des Brenners 20 injiziert werden. Die jeweiligen Katalysator-Zusammensetzungen bleiben in dem Emissionsstrom (nach ihrer Einführung), bis sie das Beutelhaus 60 erreichen. So wird, z.B., ein erster Teil der Katalysator-Zusammensetzung in den Emissionsstrom an einem Punkt injiziert, der in einem Abstand 'x' unmittelbar stromabwärts des Brenners 20 angeordnet ist, während ein zweiter Teil der Katalysator-Zusammensetzung in den Emissionsstrom an einem Punkt injiziert wird, der an einem Abstand 'x + x'' stromabwärts des Brenners angeordnet ist, während ein dritter Teil der Katalysator-Zusammensetzung in den Emissionsstrom an einem Punkt injiziert wird, der in einem Abstand 'x + x' + x''' stromabwärts des Brenners 20 angeordnet ist, wobei x + x' + x'' größer oder etwa gleich x + x' ist und worin x + x' größer oder gleich etwa x ist. In diesem Beispiel kann der erste Teil der Katalysator-Zusammensetzung eine erste Zusammensetzung und eine erste Menge umfassen, während der zweite Teil der Katalysator-Zusammensetzung die gleiche Zusammensetzung und Menge wie der erste Teil oder eine andere Zusammensetzung und eine andere Menge, verglichen mit dem ersten Teil, umfassen kann. In anderen Worten, jede der Mengen und der Zusammensetzungen der jeweiligen Teile können gleich oder verschieden sein, verglichen mit den Mengen und den Zusammensetzungen der anderen Teile, die zu dem Emissionsstrom hinzugegeben werden.
In noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform können mehrere Katalysator-Zusammensetzungen in einen Emissionsstrom injiziert werden, wobei jede Katalysator-Zusammensetzung nur für eine ausgewählte Zeit in dem Emissionsstrom verbleibt. In diesem Beispiel wird ein erster Teil der Katalysator-Zusammensetzung an einem Punkt in den Emissionsstrom injiziert, der unmittelbar stromabwärts des Brenners 20 liegt. Der erste Teil der Katalysator-Zusammensetzung bleibt für eine erste Zeitdauer 't' dispergiert in dem Emissionsstrom, bevor er im Wesentlichen aus dem Emissionsstrom ausfällt. Der erste Teil der Katalysator-Zusammensetzung erleichtert im Allgemeinen eine wesentliche Umwandlung der elementaren Form von Quecksilber in die oxidierte Form von Quecksilber, während er in dem Emissionsstrom vorhanden ist. Ein zweiter Teil der Katalysator-Zusammensetzung wird auch gleichzeitig oder nacheinander an einem Punkt in den Emissionsstrom injiziert, der in einem Abstand 'x + x'' stromabwärts des Brenners 20 lokalisiert ist. Der zweite Teil der Katalysator-Zusammensetzung bleibt in dem Emissionsstrom für eine zweite Zeitdauer 't'' dispergiert, bevor er im Wesentlichen aus dem Emissionsstrom ausfällt, wobei t größer als oder gleich etwa t' oder geringer als t' sein kann. Auch hier können entweder die Mengen und die Zusammensetzungen der entsprechenden Teile gleich oder verschieden sein, verglichen mit den Mengen und den Zusammensetzungen der anderen Teile, die zu dem Emissionsstrom hinzugegeben werden. Der erste Teil und der zweite Teil der Katalysator-Zusammensetzung erleichtern im Allgemeinen eine wesentliche Umwandlung der elementaren Form des Quecksilbers in die oxidierte Form, die amalgamierte Form und/oder die Teilchen-gebundene Form von Quecksilber, während sie in dem Emissionsstrom vorhanden sind.
Wie oben ausgeführt, kann die Katalysator-Zusammensetzung zusätzlich zu dem Halogenid eines Gruppe Ib-Elementes ein inertes Pulver umfassen. Beispiele geeigneter Gruppe Ib-Elemente sind Kupfer, Silber, Gold und Ähnliche oder eine Kombination, umfassend mindestens eines der vorhergehenden Elemente. Beispiele geeigneter Halogenide sind Fluoride, Chloride, Bromide, Iodide oder Ähnliche oder eine Kombination, umfassend mindestens eines der vorhergehenden Halogenide.
Das Halogenid des Gruppe Ib-Elementes ist im Allgemeinen in der Katalysator-Zusammensetzung in einer Menge von etwa 2 bis etwa 100 Gewichtsprozent (Gew.-%), spezifisch etwa 15 bis etwa 90 Gew.-%, spezifischer etwa 20 bis etwa 85 Gew.-% und noch spezifischer etwa 30 bis etwa 80 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Katalysator-Zusammensetzung, vorhanden. Beispielhafte Katalysatoren sind Kupferiodid (CuI), Kupferbromid (CuBr) oder Ähnliche oder eine Kombination, umfassend mindestens einen der vorhergehenden Katalysatoren.
Das Halogenid des Gruppe Ib-Elementes hat im Allgemeinen eine Teilchengröße von etwa 0,1 bis etwa 50 μm, spezifischer etwa 2 bis etwa 25 μm, spezifischer etwa 3 bis etwa 20 μm.
Es ist allgemein erwünscht, dass das mit dem Katalysator vermischte inerte Pulver eine Dichte hat, die gestattet, dass die Katalysator-Zusammensetzung in dem Emissionsstrom dispergiert wird und zusammen mit diesem entlang seinem Pfad vom Brenner 20 bis zum Beutelhaus 60 transportiert wird. Dasinerte Pulver hat im Allgemeinen eine Dichte von etwa 1,5 bis etwa 3,5 g/cm³, spezifischer etwa 2,0 bis etwa 3,0 g/cm³ und spezifischer etwa 2,3 bis etwa 2,7 g/cm³.
Es ist allgemein erwünscht, dass das inerte Pulver, das mit dem Katalysator vermischt wird, eine Alkalität von etwa 4 bis etwa 9 hat. Eine beispielhafte Alkalität des inerten Pulvers ist etwa 5 bis etwa 7.
Beispiele geeigneter inerter Pulver sind Flugasche, abgerauchtes Siliciumdioxid, abgerauchtes Aluminiumoxid, Ton, Montmorillonit, Schlamm (z.B. Schiefer oder Ähnliches), Zeolith, Katalysator-modifizierter Ton, Keramikmaterialien, hochschmelzende Materialien (z.B. Magnesiumoxid, Calciumoxid, Siliciumcarbid, Zirkoniumdioxid), Kohleasche, pulverisierte Kohle oder Ähnliches oder eine Kombination, umfassend mindestens eines der vorhergehenden inerten Pulver. Ein beispielhaftes inertes Pulver ist Flugasche. Eine beispielhafte Flugasche hat eine Dichte von 2,5 g/cm³.
Flugasche (auch als Kohle-Verbrennungsprodukt oder CCP bekannt) ist ein fein zerteilter mineralischer Rest, der aus der Verbrennung pulverisierter Kohle in einer thermoelek-trischen Energieerzeugungsanlage resultiert. Flugasche umfasst anorganisches unbrennbares Material, das in der Kohle vorhanden ist, das während der Verbrennung zu einer glasartigen amorphen Struktur geschmolzen wurde. Flugasche umfasst im Allgemeinen Siliciumdioxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Eisenoxid (Fe₂O₃).
Inerte Pulverteilchen sind allgemein kugelförmig in der Gestalt, sie haben eine mittlere Teilchengröße von etwa 0,5 μm bis etwa 100 μm, spezifisch etwa 2 bis etwa 30 μm, spezifischer etwa 5 bis etwa 15 μm. Eine beispielhafte Teilchengröße der Flugascheteilchen beträgt etwa 10 μm.
In einer Ausführungsform mag es erwünscht sein, die Katalysator-Zusammensetzung in den Emissionsstrom einzuführen, wo die Temperatur des Stromes die maximale Wirksamkeit der Umwandlung der elementaren Form des Quecksilbers in die oxidierte Form des Quecksilbers erleichtert. In einer Ausführungsform kann die Katalysator-Zusammensetzung in den Emissionsstrom bei einer Temperatur von etwa 160 bis etwa 2750°F, spezifisch etwa 180 bis etwa 2000°F, spezificher etwa 200 bis etwa 1100°F, injiziert werden.
Die Katalysator-Zusammensetzung mit dem inerten Pulver wird allgemein in den Emissionsstrom in einer Menge von 0,1 bis 10 US-Pfund pro MMACF (US-Pfund Katalysator-Zusammensetzung pro Millionen Kubikfuß Rauchgas) injiziert, spezifisch etwa 0,2 bis etwa 0,8 US-Pfund pro MMACF und spezifischer etwa 1 bis etwa 4 US-Pfund MMACF.
Umfasst die Katalysator-Zusammensetzung Flugasche, dann ist es erwünscht, dass das Verhältnis des Gewichtes des Halogenids des Gruppe Ib-Elementes zum Gewicht der Flugasche etwa 2:98 bis etwa 20:80, spezifisch etwa 5:95 bis etwa 15:85, spezifischer etwa 7:93 bis etwa 17:83 beträgt. Ein Beispiel des Verhältnisses des Gewichtes des Halogenids eines Gruppe Ib-Elementes zum Gewicht der Flugasche beträgt etwa 10:90.
In einer Art der Herstellung der Katalysator-Zusammensetzung wird der Katalysator mit dem inerten Pulver in einer Mischvorrichtung vermischt. In einer Ausführungsform schließt das Vermischen allgemein das Trockenvermengen des Katalysators mit dem inerten Pulver ein. Das Vermischen der Katalysator-Zusammensetzung schließt den Einsatz von Scherkraft, Ausdehnungskraft, Kompressionskraft, Ultraschallenergie, elek-tromagnetischer Energie, thermischer Energie oder Kombinationen ein, umfassend mindestens eine der vorhergehenden Kräfte oder Energieformen, und wird in einer Verarbeitungs-Ausrüstung ausgeführt, in der die vorgenannten Kräfte durch eine einzige Schnecke, mehrere Schnecken, ineinander greifende gemeinsam oder gegensätzlich rotierende Schnecken, nicht ineinander greifende gemeinsam oder gegenläufig rotierende Schnecken, reziprok laufende Schnecken, Schnecken mit Stiften, Läufe mit Stiften, Walzen, Rammen, spindelförmige Rotoren oder Kombinationen ausgeübt werden, die mindestens eine der Vorhergehenden umfassen. Beispiele geeigneter Mischvorrichtungen sind Einzel- oder Mehrschnecken-Extruder, Buss-Kneter, Henschel-Mischer, Helikone, Ross-Mischer, Banbury-Mischer, Walzenmühlen oder Ähnliche.
In einer Art der Verringerung der Menge elementaren Quecksilbers in einem Emissionsstrom wird eine Katalysator-Zusammensetzung aus Kupferiodid, das auf Flugasche angeordnet ist, in den Emissionsstrom injiziert. In einer Ausführungsform kann das Kupferiodid mit dem elementaren Quecksilber in dem Emissionsstrom gemäß Gleichung (I) in Wechselwirkung treten. CuI + Hg⁰ → Cu₂HgI₄ (I)
Bei dieser Reaktion reagiert Kupferiodid mit elementarem Quecksilber unter Bildung eines Kupfer-Quecksilber-Iodid-Komplexes, der in dem Beutelhaus 60 aus dem Emissionsstrom abgetrennt werden kann.
In einer anderen Ausführungsform kann der Kupferiodid-Katalysator sich im Rauchgas unter Erzeugung eines Kupfer(II)ions und metallischen Kupfers zersetzen, wie in der folgenden Reaktion (II) gezeigt. CuI → Cu⁰ + Cu²⁺ (II)
Das metallische Kupfer reagiert dann mit dem elementaren Quecksilber unter Bildung eines Kupfer-Quecksilber-Amalgams, wie in der folgenden Reaktion (III) gezeigt. Cu⁰ + Hg⁰ → CuHg-Amalgam (III)
Das in der Reaktion (III) gezeigte Kupfer-Quecksilber-Amalgam wird in dem Beutelhaus 60 aus dem Emissionsstrom abgetrennt.
In noch einer anderen Ausführungsform zersetzt sich der Kupferiodid-Katalysator in dem Emissionsstrom unter Erzeugung von metallischem Kupfer und Iodid, wie in der folgenden Reaktion (IV) gezeigt: CuI → 2Cu⁰ + I₂ (IV)
Das in Reaktion (IV) freigesetzte Iodid reagiert mit dem elementaren Quecksilber unter Erzeugung von Quecksil-beriodid, wie in der folgenden Reaktion (V) gezeigt: I₂ + 2Hg⁰ → 2HgI (V)
Durch Entfernen des elementaren Quecksilbers aus dem Emissionsstrom haben die Emissionen, die man in die Atmosphäre lässt, beträchtlich weniger Quecksilbermengen, als wenn sie nicht mit der Katalysator-Zusammensetzung behandelt worden wären. Die Katalysator-Zusammensetzung kann vorteilhafterweise die Extraktion von etwa 1 bis etwa 80% des im Rauchgas einer Kohleverbrennungsanlage vorhandenen elementaren Quecksilbers erleichtern. Innerhalb dieses Bereiches kann die Katalysator-Zusammensetzung bis zu etwa 30%, spezifisch bis zu etwa 40%, spezifischer bis zu etwa 50% und noch spezifischer bis zu etwa 60% des im Rauchgas einer Kohleverbrennungsanlage vorhandenen metallischen Quecksilbers extrahieren.
Die folgenden Beispiele, die beispielhaft, nicht beschränkend, gemeint sind, veranschaulichen Zusammensetzungen und Verfahren zum Herstellen von einigen der verschiedenen Ausführungsformen der hierin beschriebenen Katalysator-Zusammensetzungen.
BEISPIELE
Dieses Beispiel wurde ausgeführt, um die Fähigkeit des Katalysators in der Katalysator-Zusammensetzung zu demon-strieren, die Menge des im Emissionsstrom einer thermoelektrischen Energieerzeugungsanlage vorhandenen Quecksilbers zu verringern. Die Katalysator-Zusammensetzung umfasste Kupferiodid und Flugasche. Das Kupferiodid wurde von Aldrich Chemical erhalten. Das Kupferiodid und die Flugasche wurden in einem Gewichtsverhältnis von Kupferiodid:Flugasche = 10:90 vermischt.
Tests wurden ausgeführt in einer 1,0 MMBTU/h (Millionen britische thermische Einheiten pro Stunde) Boilersimulatoranlage (im Folgenden BSF genannt), um die Wirkung des Katalysators auf die Quecksilber-Entfernung zu bestimmen. Die BSF ist in 1 abgebildet und ist entworfen, eine im Wesentlichen genaue Simulation der Fluggas-Temperaturen und Zusammensetzungen in einem geringeren Maßstab zu liefern, wie sie in einem Boiler vollen Maßstabes gefunden werden. Wie in 1 ersichtlich, schließt die BSF einen Brenner, einen vertikal nach unten brennenden Strahlungsofen, einen horizontalen konvektiven Durchgang, der sich vom Ofen aus erstreckt, und ein Beutelhaus in Verbindung mit dem horizontalen konvektiven Durchgang ein.
Der Brenner ist ein Diffusionsbrenner mit variabler Verwirbelung mit einem axialen Brennstoffinjektor und er wird benutzt, die etwaige Temperatur und Gaszusammensetzuzng eines kommerziellen Brenners in einem Boiler vollen Maßstabes zu simulieren. Primäre Luft wird axial injiziert, während der sekundäre Luftstrom radial durch die (nicht gezeigten) Verwirbelungsschaufeln injiziert wird, um eine kontrollierte Brennstoff/Luft-Vermischung zu ergeben. Die Verwirbelungszahl kann durch Einstellen des Winkels der Verwirbelungsschaufeln kontrolliert werden. Zahlreiche Zugangsöffnungen, die entlang der Achse der Anlage lokalisiert sind, gestatten den Zugang für Zusatzausrüstung, wie Wiederverbrennungs-Injektoren, zusätzliche Injektoren, Nachverbrennungsluft-Injektoren und Probennahmesonden.
Der Strahlungsofen ist aus acht modularen, mit hochschmelzenden Auskleidungen versehenen Abschnitten mit einem Innendurchmesser von 55,88 cm (22 inches) und einer Gesamthöhe von 6,33 m (20 feet) konstruiert. Der konvektive Durchgang ist ebenfalls mit hochschmelzendem Material ausgekleidet und er enthält luftgekühlte Rohrbündel, um die Supererhitzer- und Wiedererhitzer-Abschnitte eines benutzten Boilers zu simulieren. Wärmeextraktion in einem Strahlungsofen und konvektiven Durchgang kann derart kontrolliert werden, dass das Aufenthaltszeit-Temperaturprofil dem eines typischen Boilers vollen Maßstabes angepasst ist. Ein (nicht gezeigtes) Saugpyrometer wird zum Messen der Ofengas-Temperaturen benutzt.
Die Teilchenkontroll(sammel)-Vorrichtung für die BSF ist eine elektrostatische Dreifeld-Abscheidungsvorrichtung (im Folgenden ESP genannt). Die Quecksilber- Konzentration wurde am ESP-Ausgang unter Benutzung eines kontinuierlichen Überwachungssystems für die Emissionen gemessen, das in der Lage war, sowohl elementares Quecksilber (Hg⁰) als auch Gesamtquecksilber (Total-Hg) zu messen. Total-Hg umfasst die Summe elementaren Quecksilbers, oxidierten Quecksilbers, amalgamierten Quecksilbers und Teilchengebundenen Quecksilbers. Die Konzentration oxidierten Quecksilbers kann als ein Unterschied zwischen den Gesamt-Hg- und Hg⁰-Konzentrationen bestimmt werden.
3 ist eine grafische Darstellung, die Daten der Quecksilber-Konzentration im Rauchgas am ESP-Auslass zeigt. Die mittlere Strömungsrate des Emissionsstromes (Rauchgas) betrug 150 Standardkubikfuß pro Minute (SCFM).
Zu Beginn des Tests fand die Kohleverbrennung mit 3% überschüssigem O₂ ohne Injektion der Katalysator-Zusammensetzung statt. Dies repräsentiert die Grundlinien-Betriebsbedingungen. Die Katalysator-Zusammensetzung wurde stromaufwärts des ESP mit einer fortschreitend zunehmenden Rate injiziert. Die Injektionsrate der Katalysator-Zusammensetzung in US-Pfund pro Minute wurde durch das Volumen des Rauchgases in MMAC/min (Millionen Kubikfuß des Rauchgases pro Minute) an der Stelle der Injektion der Katalysator-Zusammensetzung normalisiert (US-Pfund der Katalysator-Zusammensetzung pro Millionen Kubikfuß des Rauchgases). Aus 3 ist ersichtlich, dass aufgrund der Injektion des Katalysators in den Emissionsstrom eine Verringerung im Quecksilbergehalt im Strom stattfindet.
4 zeigt die Rate der Entfernung von Quecksilber aus dem Emissionsstrom nach der Injektion der Katalysator-Zusammensetzung. Aus 4 ist ersichtlich, dass etwa 50% des Quecksilbers aus dem Emissionsstrom durch Injektion von 2,0 lb/MMACF der Katalysator-Zusammensetzung entfernt werden können.
Aus dem obigen Beispiel ist somit ersichtlich, dass bei Injektion einer Katalysator-Zusammensetzung, die ein Halogenid eines Gruppe Ib-Elementes und Flugasche umfasst, in einen Emissionsstrom, umfassend Rauchgas, der Quecksilbergehalt im Rauchgas um mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-%, spezifisch mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% und spezifischer mehr als oder gleich etwa 70 Gew.-% des Gesamtgewichtes des vorhandenen Quecksilbers verringert werden kann.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte es dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente anstelle von Elementen eingesetzt werden können, ohne dass man den Umfang der Erfindung verlässt. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne dass deren wesentlicher Umfang verlassen wird. Die Erfindung ist daher nicht auf die spezielle Ausführungsform zu beschränken, die als die beste Art der Ausführung dieser Erfindung angesehen wird.
Offenbart hierin ist eine Katalysator-Zusammensetzung, umfassend ein Halogenid eines Gruppe Ib-Elementes und eines inerten Pulvers. Offenbart hierin ist auch eine Zusammensetzung, umfassend ein Reaktionsprodukt eines Halogenids eines Gruppe Ib-Elementes, eines inerten Pulvers und von Quecksilber. Offenbart hierin ist auch ein Verfahren, umfassend Injizieren einer Katalysator-Zusammensetzung, umfassend ein Halogenid eines Gruppe Ib-Elementes und eines inerten Pulvers, in einen Emissionsstrom einer thermoelektrischen Energieanlage, Umwandeln einer elementaren Form von Quecksilber, die in dem Emissionsstrom vorhanden ist, in eine oxidierte Form, eine amalgamierte Form und/oder eine Teilchen-gebundene Form von Quecksilber, und Sammeln der oxidierten Form, der amalgamierten Form und/oder der Teilchen-gebundenen Form von Quecksilber vor dem Eintritt des Emissionsstromes in die Atmosphäre.

100: thermoelektrische Energieerzeugungsanlage
20: Brenner
30: vertikal nach unten brennender Strahlungsofen
40: Kühlabschnitt
50: horizontaler konvektiver Durchgang
60: Beutelhaus
22: axialer Brennstoffinjektor

Claims

Katalysator-Zusammensetzung, umfassend: ein Halogenid eines Elementes der Gruppe Ib des chemischen Periodensystems und ein inertes Pulver.
Zusammensetzung, umfassend: ein Reaktionsprodukt eines inerten Pulvers, eines Halogenids eines Elementes der Gruppe Ib des chemischen Periodensystems und von Quecksilber.
Katalysator-Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, worin die Katalysator-Zusammensetzung eine Mischung des inerten Pulvers und des Halogenids des Elementes der Gruppe Ib des chemischen Periodensystems umfasst.
Katalysator-Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, worin das inerte Pulver Flugasche ist.
Katalysator-Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, worin das inerte Pulver Flugasche, abgerauchtes Siliciumdioxid, abgerauchtes Aluminiumoxid, Ton, Montmorillonit, Schlamm, Zeolith, Katalysator-modifizierter Ton, Keramikmaterialien, hochschmelzende Materialien, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Siliciumcarbid, Zirkoniumdioxid, Kohleasche, pulverisierte Kohle oder eine Kombination ist, die mindestens eines der vorhergehenden inerten Pulver umfasst.
Katalysator-Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, worin das Halogenid des Elementes der Gruppe Ib des chemischen Periodensystems eine mittlere Teilchengröße von etwa 0,1 bis etwa 50 μm aufweist.
Katalysator-Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, worin das inerte Pulver eine mittlere Teilchengröße von etwa 0,1 bis etwa 100 μm aufweist.
Katalysator-Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, worin das inerte Pulver eine Alkalität von etwa 4 bis etwa 9 hat.
Katalysator-Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, worin das Gewichtsverhältnis eines Halogenids eines Elementes der Gruppe Ib des chemischen Periodensystems zum inerten Pulver etwa 2:98 bis etwa 20:80 beträgt.
Katalysator-Zusammensetzung nach Anspruch 4, worin das Gewichtsverhältnis des Halogenids eines Elementes der Gruppe Ib des chemischen Periodensystems zur Flugasche etwa 10:90 beträgt.
Katalysator-Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, worin das inerte Pulver eine Dichte von etwa 1,5 bis etwa 3,5 g/cm³ aufweist.
Verfahren, umfassend: Injizieren einer Katalysator-Zusammensetzung, umfassend ein Halogenid eines Elementes der Gruppe Ib des chemischen Periodensystems und eines inerten Pulvers, in einen Emissionsstrom einer thermoelektrischen Energieanlage; Umwandeln einer elementaren Form von Quecksilber, die in dem Emissionsstrom vorhanden ist, in eine oxidierte Form, eine amalgamierte Form und/oder eine Teilchen-gebundene Form von Quecksilber, und Sammeln der oxidierten Form, der amalgamierten Form und/oder der Teilchen-gebundenen Form von Quecksilber vor dem Eintritt des Emissionsstromes in die Atmosphäre.
Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend das Injizieren mehrerer Katalysator-Zusammensetzungen entweder gleichzeitig oder nacheinander in den Emissionsstrom.
Verfahren nach Anspruch 12, worin die Katalysator-Zusammensetzung in einer Menge von 0,1 bis 10 US-Pfund Katalysator-Zusammensetzung pro Million Kubikfuß des Rauchgases in den Emissionsstrom injiziert wird.
Verfahren, umfassend: Injizieren eines ersten Teiles einer ersten Katalysator-Zusammensetzung, umfassend ein Halogenid eines Elementes der Gruppe Ib des chemischen Periodensystems und eines inerten Pulvers, in einen Emissionsstrom einer thermoelektrischen Energieanlage; Injizieren eines zweiten Teiles einer zweiten Katalysator-Zusammensetzung, umfassend ein Halogenid eines Elementes der Gruppe Ib des chemischen Periodensystems und eines inerten Pulvers, in den Emissionsstrom der thermoelektrischen Energieanlage; Injizieren eines dritten Teiles einer dritten Katalysator-Zusammensetzung, umfassend ein Halogenid eines Elementes der Gruppe Ib des chemischen Periodensystems und eines inerten Pulvers, in den Emissionsstrom der thermoelektrischen Energieanlage; Umwandeln einer elementaren Form von Quecksilber, die in dem Emissionsstrom vorhanden ist, in eine oxidierte Form, eine amalgamierte Form und/oder eine Teilchen-gebundene Form von Quecksilber, und Sammeln der oxidierten Form, der amalgamierten Form und/oder der Teilchen-gebundenen Form von Quecksilber vor dem Eintritt des Emissionsstromes in die Atmosphäre.
Verfahren nach Anspruch 15, worin der erste Teil, der zweite Teil und der dritte Teil gleich oder verschieden im Gewicht sein kann.
Verfahren nach Anspruch 15, worin die erste Katalysator-zu, die zweite Katalysator-Zusammensetzung und die dritte Katalysator-Zusammensetzung gleich oder verschieden sein können.
Verfahren nach Anspruch 15, worin die erste Katalysator-Zusammensetzung in eine erste Stelle der thermoelektrischen Energieanlage injiziert wird, die zweite Katalysator-Zusammensetzung in eine zweite Stelle der thermoelektrischen Energieanlage injiziert wird und die dritte Katalysator-Zusammensetzung in eine dritte Stelle der thermoelektrischen Energieanlage injiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, worin die erste Stelle der thermoelektrischen Energieanlage, die zweite Stelle der thermoelektrischen Energieanlage und die dritte Stelle der thermoelektrischen Energieanlage gleich oder verschieden sind.