BRPI0620353A2 - composição absorvente para reduzir emissões a partir da queima de combustìveis carbonáceos - Google Patents

Abstract

COMPOSIçãO ABSORVENTE PARA REDUZIR EMISSõES A PARTIR DA QUEIMA DE COMBUSTìVEIS CARBONáCEOS. A presente invenção refere-se a emissões de enxofre a partir da combustão de carvão e outros combustíveis que são reduzidas usando cal de beterraba como absorvente durante o processo de queima do carvão. Em várias modalidades, a cal de beterraba é adicionada ao carvão antes da combustão, junto com o carvão no forno, é injetado diretamente no carvão em brasa ou é adicionado aos gases de combustão a jusante do forno, O teor relativamente alto de cálcio da cal de beterraba leva à captura de enxofre eficiente em níveis de processamento adequadamente baixos. Cinza em excesso é evitada no processo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMPOSI- ÇÃO ABSORVENTE PARA REDUZIR EMISSÕES A PARTIR DA QUEIMA DE COMBUSTÍVEIS CARBONÁCEOS".

INTRODUÇÃO

A presente invenção refere-se a processos 6 composições para diminuição de emissões de gases de enxofre quando da combustão de ma- teriais carbonáceos. Em particular, composições,absorventes são adiciona- das a carvão para capturar enxofre na cinza e prevenir liberação de óxidos de enxofre para a atmosfera.

Fontes de energia dé custo eficaz necessárias para sustento do crescimento econômico e bem-estar nacional estão se tornando mais difíceis de identificar e desenvolver. Altos custos de combustíveis tal como óleo, gás e propanò levaram a um exame extensivo de outras fontes de energia dis- poníveis. Duas das fontes de energia de custo mais eficaz são energia nu- cjear e energia de carvão. Dadas as preocupações públicas com energia nuclear e seus desafios de descarte e longo prazo, mais ênfase está sendo posta na energia gerada por carvão.

Recursos de carvão significantes existem nos Estados Unidos e outro lugar qualquer. De acordo com algumas estimativas, reservas conhe- Cidas são capazes de satisfazer grandes porções de nossas necessidades de energia nos próximos dois séculos. Nos Estados Unidos, carvão de valor de BTU baixo é encontrado na Powêr River Basin de Wyoming/Montana, depósitos de Iignita na região norte central (Dakota do Norte e do Sul), de- pósitos sub-betumiriosos da camada de East Pittsburgh na Pensilvânia, Ohio e Oeste da Virgínia, e carvão betuminoso é encontrado na Illinois Basin. Ex- ceto pelos carvões da Powder River Basin, os carvões dos Estados Unidos tendem a ser caracterizados como tendo um teor. de enxofre álto. Embora carvão com pouco enxofre possa ser enviado para outros locais pára prover ura combustível de queima relativamente limpa, é de custo mais eficaz para as empresas queimar carvão produzido localmènte. Na maioria das partes do mundo isto significa queima de um carvão com mais enxofre para satisfa- zer as necessidades da sociedade. A queima de carvão com muito enxofre libera uma quantidade significante de gases contendo enxofre, que pode causar chuva ácida e ou- tros efeitos prejudiciais se deixados escapar da instalação de queima de carvão. Quando carvão queima, vapor de mercúrio pode ser também libera- do para a atmosfera. Empresas e outros consumidores de carvão estão constantemente tentando reduzir ou eliminar a quantidade de emissões por usina elétricas e caldeiras alimentadas com carvão, a fim de proteger o am- biente e a saúde de seus trabalhadores e consumidores. Uma estratégia eficaz envolve melhora de instalações de queima de carvão mais velhas com purificadores úmidos para captura de enxofre. Essas instalações são tipica- mente de tamanho grande e consomem até 5% da energia gerada pela usi- na. Embora amplamente usada, seu custo está se tornando quase proibiti- vamente caro, o que leva a aumentos de taxa que devem ser tolerados por último pelo consumidor ou pagador da taxa.

Uma alternativa para um purificador a úmido para remoção de enxofre é a aplicação de materiais de absorção e estabilização de enxofre ao carvão. Muito trabalho tem sido feito nesta área devido à sua facilidade de aplicação e eliminação de custos de capital altos para equipamento con- forme necessário em operações de purificação a úmido. Aplicação de absor- vente de enxofre diretamente ao carvão tem a vantagem de um tempo de retenção longo com gases de forno então permitindo captura de enxofre maior.

A Patente U.S. No. 4.824.414 de Kindig discute vários métodos que foram tentados na tentativa de melhorar captura de enxofre. Kelly e ou- tros concluíram (first joint symposium on Dry SO2 and simultaneous S02/N0x Controle Technologies, EPA 600/9-85-020a, Paper no. 14, Julho, 1985) que absorventes de enxofre deveriam ser injetados a jusante para evitar tempe- raturas de pico altas na zona de combustão. Foi também sugerido que o tempo de residência de absorventes à base de cálcio deve ser maximizado na zona de 982,239C a 1232,23QC (1800-2250°F) do forno. Trabalho condu- zido por Dykema (Patente U.S. No. 4.807.542) sugere o uso de silício para ajudar a otimizar a captura de enxofre quando combinado com CaO como um agente de remediação. Steinberg nas Patentes U.S. No. 4.602.918 e 4.555.392 sugeriu o uso de cimento Portland como um absorvente para car- vão.

Como essas referências indicam, há a necessidade de remedia- ção de custo eficaz de enxofre, nitrogênio e cloro resultante da combustão de carvão. Técnicas dé remoção mais eficientes e de menos custo são ainda necessárias a fim de desenvolver e utilizar eficazmente recursos de carvão de alto teor de enxofre.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Emissões prejudiciais da combustão de combustíveis carboná- ceos são reduzidas usando um absorvente durante o processo de queima do carvão. Em várias modalidades, uma composição absorvente compreenden- do cal de beterraba é adicionada sobre o carvão antes da combustão, junto com o carvão ao forno, diretamente na bola de fogo através de injeção, ou é adicionada aos gases de combustão a jusante do forno. O teor relativamente alto de cálcio da cal de beterraba leva à captura de enxofre suficiente em níveis de tratamento adequados. Cinza em excesso é evitada no processo.

Em outra modalidade, uso de cal de beterraba como um absor- vente de enxofre permite a operação de uma instalação de queima de car- vão através da aplicação do absorvente ao carvão, pulverizando o carvão e alimentando o carvão ao forno. Emissões de enxofre nos gases de combus- tão são monitoradas e a taxa ou quantidade de adição de cal de beterraba sobre o carvão é ajustada para manter as emissões de enxofre abaixo de um nível desejado.

Áreas adicionais de aplicabilidade da presente invenção se torna- rão aparentes a partir da descrição detalhada provida abaixo.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Em uma modalidade, a invenção provê um método para redução do teor de enxofre de gases produzidos a partir da combustão de combustí- veis contendo enxofre tal como carvão em um sistema de queima de carvão. O método envolve adição de uma composição absorvente contendo cal de beterraba ao sistema de queima de carvão durante a combustão. Em várias modalidades, a cal de beterraba é adicionada sobre o carvão antes do car- vão tratado ser levado ao forno para combustão. Em algumas modalidades, a composição absorvente é adicionada diretamente sobre o carvão pulveri- zado. Opcionalmente ou adicionalmente, cal de beterraba é injetada no forno durante a combustão ou é injetada nos cursos convectivos contendo gases de combustão a jusante do forno, de preferência em uma zona onde a tem- peratura é pelo menos 500°C e com mais preferência pelo menos 800°C. Em uma modalidade, a temperatura é de cerca de 816°C a 1482°C (de a partir de 1500°F a 2700°F).

Em outra modalidade, um material combustível é provido, o qual compreende uma quantidade grande de carvão ou outro material carboná- ceo contendo enxofre e uma quantidade menor, por exemplo, cerca de 0,1% a cerca de 10% em peso, de uma composição absorvente compreendendo cal de beterraba. Em várias modalidades, o material combustível contém 0,1% a 10% em peso de cal de beterraba. Em uma modalidade preferida, o carvão é provido na forma de partículas onde pelo menos 50% em peso das partículas são menores do que 75 μηι (200 mesh). Em uma modalidade, a composição é preparada misturando o absorvente com o carvão e pulveri- zando a mistura para atingir a distribuição de tamanho apontada. Vantajo- samente, a composição é preparada em batelada ou continuamente em uma instalação de queima de carvão, com o que a composição absorvente é mis- turada com carvão bruto e a mistura resultante é pulverizada antes de levar ao forno de queima de carvão. Em uma modalidade preferida, a composição contém cerca de 1% a cerca de 6% em peso da composição absorvente.

Em outra modalidade, a invenção provê um método para queima de carvão carregando enxofre com emissões reduzidas de enxofre. O méto- do compreende combinação de carvão e uma composição absorvente con- tendo cal de beterraba para formar uma mistura de carvão contendo de a partir de 0,1% a 10% em peso de beterraba. A mistura de carvão é então de preferência pulverizada e aplicada ao forno de uma instalação de queima de carvão. A mistura de carvão pulverizada é então queimada no forno. O teor de enxofre do gás de combustão resultante da combustão é reduzido em comparação com o gás de combustão resultante da queima de carvão sem a cal de beterraba. Em várias modalidades, a mistura de carvão compreende 0,1% a 10% em peso, 0,1% a 6% em peso, de a partir de 0,5% a 5% em peso ou de a partir de 1% a 5% em peso da cal de beterraba. De preferên- cia, a cal de beterraba é provida na mistura de carvão em uma quantidade suficiente para prover pelo menos um mol de cálcio por mol de enxofre no carvão.

Em outra modalidade, a invenção provê um método de operação de uma instalação de queima de carvão. O método envolve combustão de um carvão contendo enxofre. Durante a combustão, isto é, enquanto a com- bustão está acontecendo no forno da instalação de queima de carvão, cal de beterraba é adicionada como um absorvente de enxofre ao sistema em uma taxa de adição de 0,1% a 10%, com base na taxa de consumo do carvão durante a combustão. Durante a combustão, o teor de enxofre dos gases de combustão a jusante do forno é medido. O teor de enxofre medido dos ga- ses de combustão é comparado com um teor de enxofre alvo que é deseja- do ser atingido por razões ambientais, de segurança ou outras. Se o teor de enxofre medido nos gases de combustão estiver acima do alvo, a taxa de adição da cal de beterraba ao sistema de queima de carvão é ajustada con- sequentemente. Se o teor de enxofre medido estiver no ou abaixo do alvo, o método inclui a etapa de deixar a taxa de adição da cal de beterraba ao sis- tema sem modificação ou reduzi-la.

Em várias modalidades, cal de beterraba é adicionada ao carvão bruto ou ao carvão pulverizado. A cal de beterraba é adicionada à instalação de queima de carvão diretamente no forno (co-combustão), sobre o carvão antes da combustão (pré-combustão) ou nos cursos convectivos a jusante do forno (pós-combustão), a última de preferência em uma zona onde a temperatura é de a partir de cerca de 816°C a 1482°C(1500°F a 2700°F).

Carvão é um combustível carbonáceo preferido para uso na in- venção. Carvão adequado para uso na invenção inclui carvões betuminosos, carvões antracita e carvões lignita. Outros combustíveis carbonáceos inclu- em, sem limitação, vários tipos de óleos combustíveis, misturas de carvão óleo, misturas de carvão óleo água e misturas de carvão água. Outros com- bustíveis carbonáceos adequados incluem refugo sólido municipal, refugo industrial de lodo de esgoto, refugo médico, refugo de instalações de trata- mento de água servida e pneus gastos. Quando o combustível carbonáceo é outro que não um carvão em partícula ou outro combustível conforme descri- to, o método de adição do absorvente acima descrito é adaptado para uso com os combustíveis líquidos de acordo com os princípios conhecidos na técnica.

Combustível carbonáceo para uso na invenção é usado conforme fornecido, ou é preparado para tratamento com composições absorventes da invenção. Em uma modalidade preferida, carvão é moído ou pulverizado an- tes da aplicação da composição absorvente. As composições absorventes em pó da invenção são geralmente aplicadas ao carvão em partícula direta- mente. Em uma modalidade preferida, o carvão em partícula e as composi- ções absorventes sólidas são misturados em misturadores ou dispositivos similares.

Sistemas e instalações que queimam combustíveis carbonáceos contendo enxofre serão descritos com atenção particular ao exemplo de uma instalação de queima de carvão tal como usada por empresas elétricas. Tais instalações geralmente têm um mecanismo de alimentação para levar car- vão a um forno onde o carvão é queimado. O mecanismo de alimentação pode ser qualquer dispositivo ou aparelho adequado para uso. Exemplos não-limitantes incluem sistemas de esteira, sistemas de extrusão com para- fuso e similar. Em várias modalidades, carvão pulverizado é aplicado por meios de deslocamento de ar tal como sopradores. Em operação, um com- bustível contendo enxofre tal como carvão é alimento ao forno em uma taxa adequada para atingir o produto desejado do forno. Geralmente, o produto de calor do forno é capturado para ferver água para vapor para prover calor direto, ou então o vapor é usado para girar turbinas que eventualmente re- sulta na operação de geradores para produzir eletricidade.

Em uma instalação de queima de carvão típica, carvão bruto chega em locomotivas e é posto em um leito de recepção, que leva o carvão para um misturador do tipo pug mill. Depois do pug mill, o carvão é descar- regado para uma correia de alimentação e depositado em uma área de ar- mazenamento de carvão. Sob a área de armazenamento de carvão há ge- ralmente uma área de crivo e estocagem; de lá uma correia transporta o car- vão para uma área de estocagem em pilha aberta, algumas vezes chamada bunker. Do bunker, o carvão é levado pela correia ou outro meio para um pulverizador. Do pulverizador o carvão pulverizado é levado para o forno para combustão. Composições absorventes de acordo com a invenção po- dem ser adicionadas em várias modalidades ao carvão bruto, no pug mill, na correia de recepção ou correia de alimentação, na área de armazenamento de carvão, no pulverizador antes ou durante a pulverização e/ou enquanto sendo transportado do pulverizador para o forno para combustão. Conveni- entemente, os absorventes são adicionados ao carvão durante processos que misturam o carvão tal como no pug mill ou no pulverizador. Em uma modalidade preferida, os absorventes são adicionados ao carvão nos pulve- rizadores.

A eficácia de combustão em um forno é uma função da reativida- de e da distribuição de tamanho de partícula do carvão. Processamento de carvão para reduzir tamanho de partícula aumenta a área de sgperficie por partícula, e proporcionalmente melhora a eficiência de combustão. Pulveri- zadores são geralmente usados para moagem de pedaços de carvão gran- des em partículas pequenas, tipicamente através do uso de métodos tal co- mo impacto dinâmico, atrito contra barras de tela, cisalhamento entre super- fícies duras, moagem por compressão e suas combinações. Pulverizadores produzem carvão em pó ou pulverizado, que é então injetado no forno para combustão. Tal carvão é caracterizado por partículas com uma distribuição de tamanho. De preferência, carvão pulverizado contém pelo menos 10% em peso de partículas menores do que 75 μm (200 mesh). Em várias moda- lidades, o carvão pulverizado tem pelo menos 20% em peso e de preferência pelo menos 50% em peso de partículas que são de diâmetro para passar por uma tela de 200 mesh. Em uma modalidade típica, o carvão pulverizado tem 78% em peso ou mais em peso de suas partículas abaixo de 75 μm. Em vá- rias modalidades, composições absorventes compreendendo cal de beterra- ba são aplicadas sobre carvão pulverizado ou sobre carvão antes da pulveri- zação.

Em adição ao uso de absorvente com carvão a montante do for- no, conforme descrito no parágrafo acima, os absorventes em várias modali- dades são adicionados ao forno durante a combustão e/ou nas seções de instalação a jusante do forno onde os gases de combustão de preferência têm uma temperatura acima de 500°C, com mais preferência acima de 800°C.

Durante a operação, carvão é alimentado ao forno e queimado na presença de oxigênio. Para combustíveis carbonáceos de valor alto (Btu al- to) tal como carvão, temperaturas de chama típicas na temperatura de com- bustão são da ordem de cerca de 1480°C (2700°F) a cerca de 1640°C (3000°F). Combustíveis carbonáceos, ou misturas de combustíveis carboná- ceos contendo menos teor de energia (por exemplo, hidrocarbonetos liqui- dos, madeira, lascas de madeira, borracha de refugo e outros refugos) ten- dem a queimar em temperaturas menores, dependendo também do teor de água do combustível. A jusante do forno ou caldeira onde o combustível ali- mentado sofre combustão, a instalação provê cursos conectivos para os ga- ses de queima, que para conveniência são algumas vezes referidos como gases de combustão. Gases de combustão quentes e ar se movem através de convecção para longe da chama através do curso convectivo em uma direção a jusante (isto é, para longe da bola de fogo). O curso convectivo da instalação contém várias zonas caracterizadas pela temperatura dos gases e produtos de combustão em cada zona. Geralmente, a temperatura do gás de combustão cai conforme ele se move em uma direção a jusante da bola de fogo. Os gases de combustão contêm dióxido de carbono, vários gases in- desejáveis contendo enxofre e vapor de mercúrio. Os cursos convectivos são também cheios com uma variedade de cinza que é arrastada junto com os gases em alta temperatura. Para remover a cinza antes da emissão para a atmosfera, sistemas de remoção de partícula são usados. Uma variedade de tais sistemas de remoção, tal como precipitadores eletrostáticos e filtro de mangas, é geralmente disposta no curso convectivo. Em adição, purificado- res químicos podem ser posicionados no curso convectivo. Adicionalmente, podem ser providos vários instrumentos para monitorar componentes do gás, tal como óxidos de enxofre.

Do forno, onde o carvão tipicamente queima em uma temperatura de aproximadamente 1480°C a 1650°C (cerca de 2700°F a 3000°F), a cinza volante e os gases de queima se movem a jusante no curso convectivo para zonas de temperatura sempre decrescente. Imediatamente a jusante da bola de fogo está uma zona com temperatura de menos do que 1480°C (2700°F). Mais a jusante, um ponto é atingido onde a temperatura esfriou para cerca de 815,56eC (1.500°F). Entre os dois pontos está uma zona tendo uma tem- peratura de a partir de cerca de 815,56Q a cerca de 1480s0 (1500°F a cerca de 2700°F). Mais a jusante, uma zona de menos do que 815,56SC (1500°F) pode ser atingida, e assim por diante. Mais adiante no curso convectivo, os gases e cinza volante passam por zonas de temperatura menores até que a casa de filtro de manga ou precipitador eletrostático seja atingido, que tipi- camente tem uma temperatura de cerca de 148,89- (300°F) antes dos gases serem emitidos até a chaminé.

Em vários aspectos, a invenção envolve a adição de absorvente independentemente e em combinação sobre carvão (pré-combustão), no forno durante a combustão (co-combustão) e/ou nos cursos convectivos a jusante do forno (pós-combustão). Em várias modalidades, uma combinação de adições de pré-combustão, co-combustão e pós-combustão é realizada.

Quando uma composição absorvente de enxofre é inserida ou in- jetada no curso convectivo da instalação de queima de carvão para reduzir os níveis de enxofre, ela é de preferência adicionada em uma zona do curso convectivo a jusante da bola de fogo (causada pela combustão do carvão), zona que tem uma temperatura acima de cerca de 500°C, de preferência acima de cerca de 8009C, e com mais preferência acima de cerca de 815°C (1500°F), e menos do que a temperatura da boa de fogo de cerca de 1482°C a 16499C (2700°F a 3Ò00°F). Em várias modalidades, a temperatura na zona de adição de absorvente está acima de cerca de 927°C (1700°F). A zona tem de preferência uma temperatura abaixo de aproximadamente 1482SC (cerca de 2700°F). Em várias modalidades, a zona de injeção tem uma tem- peratura abaixo de 1426,67s (2600°F), abaixo de cerca de 1371,12eC (2500°F) ou abaixo de cerca de 1315,56°C (2400°F). Em exemplos não- limitantes, a temperatura de injeção é de a partir de 926,67°C a 1260-C (1700°F a 2300°F), de a partir de 926,67°C a 1204,45°C (1700°F a 2200°F) ou de a partir de cerca de 815,56°C a cerca de 1204,45°C (1500°F a cerca de 2200°F). Em várias modalidades, a taxa de adição de absorvente no cur- so convectivo é variada dependendo dos resultados do monitoramento de enxofre conforme acima descrito com relação à adição de pré-combustão de absorvente.

Quando a temperatura da chama é menor do que 1482°C- 1648,89°C (2700-3000°F), considerações similares são válidas. Injeção de absorvente contendo cal de beterraba é de preferência feita em uma zona de curso convectivo onde a temperatura está acima de 500°C. Em várias moda- lidades em temperaturas de chama menores, redução de mercúrio é obser- vada quando do uso de absorventes. Tais temperaturas menores incluem 10 537,78°C-1426,67°C (1000°F-2600°F), de preferência 537,78°C-1093,.34°C (1000°F-2000°F) e com mais preferência 537,789C-1204,45°C (1000°F- 1500°F).

As composições absorventes de enxofre da invenção contêm cal de beterraba e opcionalmente outros componentes, incluindo outros absor- ventes de enxofre (isto é, compostos que contribuem para a redução de en- xofre). A composição absorvente de enxofre de preferência contém cálcio em um nível pelo menos igual, em uma base molar, ao nível de enxofre pre- sente no carvão sendo queimado. Como um princípio geral, o nível de cálcio é de preferência de não mais do que cerca de três vezes, em uma base mo- lar, o nível de enxofre. O nível de Ca:S 1:1 é preferido para remoção de en- xofre eficiente, e a razão superior 3:1 é preferida para evitar produção de cinza em excesso a partir do processo de combustão. Níveis de tratamento fora das faixas preferidas são também parte da invenção. Absorventes de enxofre adequados em adição à cal de beterraba são descritos, por exem- pio, no pedido provisório de co-propriedade 60/583.420 depositado em 28 de junho de 2004, cuja descrição é aqui incorporada a título de referência.

Absorventes de enxofre exemplares em adição à cal de beterraba incluem pós básicos contendo sais de cálcio tal como oxido, hidróxido e car- bonato de cálcio. Outros pós básicos incluem cimento Portland, pó de forno de cimento e pó de forno de cal.

Em várias modalidades, níveis de tratamento desejados de sílica e/ou alumina estão acima daqueles providos por materiais de adição tal com cimento Portland, pó de forno de cimento, pó de forno de cal e/ou cal de be- terraba. Deste modo, é possível suplementar tais materiais com materiais de aluminossilicato, tal como sem limitação argilas (por exemplo, montmoriloni- ta, caulins e similar) onde necessário para prover níveis de sílica e alumina preferidos. Em, várias modalidades, materiais de aluminossilicato suplemen- tares constituem até pelo menos cerca de 2%, e de preferência pelo menos cerca de 5% em peso dos vários componentes absorventes adicionados ao sistema de queima de carvão. Em geral, não há nenhum limite superior de um ponto de vista técnico contanto que níveis adequados de cálcio sejam mantidos. No entanto, de um ponto de vista de custo, é normalmente dese- jável limitar a proporção de materiais de aluminossilicato mais onerosos. En- tão, os componentes absorventes compreendem de preferência de a partir de cerca de 2 a 50%, de preferência 2 a 20% e com mais preferência cerca de 2 a 10% em peso de material de aluminossilicato tal como as argilas e- xemplares. Um exemplo não-limitante de um absorvente é cerca de 93% em peso de uma mistura de CKD e LKD (por exemplo, uma combinação ou mis- tura 50:50) e cerca de 7% em peso de argila de aluminossilicato.

Em várias modalidades, uma composição alcalina absorvente em pó contém um ou mais pós contendo cálcio tal como cimento Portland, pó de forno de cimento, pó de forno de cal, escórias variadas e cal de beterraba, junto com uma argila de aluminossilicato tal como, sem limitação, montmori- lonita e caulim. A composição absorvente contém de preferência SiO2 e

Al2O3 suficientes para formar uma mistura tipo refratária com sulfato de cál- cio produzido pela combustão do carvão contendo enxofre na presença do componente absorvente CaO de modo que o sulfato de cálcio é manuseado pelo sistema de controle de partícula; e para formar uma mistura refratária com mercúrio e outros metais pesados de modo que o mercúrio e outros metais pesados não sejam lixiviados da cinza sob condições ácidas. Em modalidades preferidas, o absorvente em pó contendo cálcio contém em peso um mínimo de 2% de sílica e 2% de alumina, de preferência um míni- mo de 5% de sílica e 5% de alumina. De preferência, o nível de alumina é maior do que aquele encontrado em cimento Portland, isto quer dizer maior do que cerca de 5% em peso, de preferência maior do que cerca de 6% em peso, com base em Al203. Em várias modalidades, os componentes absorventes da compo- sição absorvente em pó alcalina trabalham juntos com composto ou compos- tos halogênio adicionados opcionais (tal como bromo) para capturar cloro bem como mercúrio, chumbo, arsênico e outros metais pesados na cinza, tornar os metais pesados não-lixiviáveis sob condições ácidas e melhorar a natureza de cimento da cinza produzida. Como resultado, emissões de ele- mentos prejudiciais são mitigadas, reduzidas ou eliminadas e um material de cimento valioso é produzido como um subproduto de queima de carvão.

Materiais de aluminossilicato adequados incluem uma ampla va- riedade de minerais e materiais inorgânicos. Por exemplo, vários minerais, materiais naturais e materiais sintéticos contêm silício e alumínio associados com um ambiente óxi junto com outros cátions opcionais tal como, sem limi- tação, Na, K, Be, Mg, Ca, Zr, V, Zn, Fe, Mn e/ou outros ânions, tal como hi- dróxido, sulfato, cloreto, carbonato, junto com águas de hidratação opcio- nais. Tais materiais naturais e sintéticos são aqui referidos como materiais de aluminossilicato e são exemplificados de uma maneira não-limitante pelas argilas acima mencionadas.

Em materiais de aluminossilicato, o silício tende a estar presente como tetraedros, enquanto o alumínio está presente como tetraedros, octae- dros ou uma combinação de ambos. Cadeias ou redes de aluminossilicato são formadas em tais materiais através do compartilhamento de 1, 2 ou 3 átomos de oxigênio entre tetraedros e octaedros de silício e alumínio. Tais materiais se passam por uma variedade de nomes, tal como sílica, alumina, aluminossilicatos, geopolímero, silicatos e aluminatos. Seja lá conforme a- presentado, compostos contendo alumínio e/ou silício tendem a produzir síli- ca e alumina quando da exposição a altas temperaturas de combustão na presença de oxigênio.

Em uma modalidade, materiais de aluminossilicato incluem poli- morfos de SiO2.Al2O3. Por exemplo, silimanita contém octaedros de sílica e alumina igualmente divididas entre tetraedros e octaedros. Cianita é basea- da em tetraedros de sílica e octaedros de alumina. Andalusita é outro poli- morfo de SiO2.Al2O3. Em outras modalidades, silicatos em cadeia contribuem com silí- cio (como sílica) e/ou alumínio (como alumina) para as composições da in- venção. Silicatos em cadeia incluem sem limitação silicatos piroxeno e piro- xenóide feitos de cadeias infinitas de tetraedros de SiO4 ligadas por átomos de oxigênio de compartilhamento.

Outros materiais de aluminossilicato adequados incluem materi- ais em folha tal como, sem limitação, micas, argilas, crisotilo (tal como as- bestos), talco, pedra-sabão, pirofilita e caulinita. Tais materiais são caracteri- zados por terem estruturas em camada onde octaedros e tetraedros de sílica e alumina compartilham dois átomos de oxigênio. Aluminossilicatos em ca- mada incluem argilas tal como clorita, glauconita, ilita, poligorskita, pirofilita, saucolita, vermiculita, caulinita, montmorilonita de cálcio, montmorilonita dé sódio e bentonita. Outros exemplos incluem mica e talco.

Materiais de aluminossilicato adequados também incluem zeóli- tos sintéticos e naturais, tal como, sem limitação, grupos analcima, sodalita, chabazita, natrolita, filipsita e mordenita. Outros materiais de zeólito incluem heulandita, brewsterita, epistilbita, estilbita, yagawaralita, laumontita, ferrieri- ta, paulingita e clinoptilolita. Os zeólitos são materiais minerais ou sintéticos caracterizados por uma estrutura tetraedral de aluminossilicato, "cátions grandes" trocadores de íon (tal como Na, K, Ca, Ba e Sr) e moléculas de água frouxamente seguras.

Em outras modalidades, silicatos, aluminatos e aluminossilicatos tipo "framework" ou 3D são usados. Aluminossilicatos do tipo "framework" são caracterizados por uma estrutura onde tetraedros de SiO4, tetraedros de AIO4 e/ou octaedros de AIOe são ligados em três dimensões. Exemplos não- limitantes de silicatos do tipo "framework" contendo ambos sílica e alumina incluem feldspato tal como albita, anortita, andesina, BYTOWNITA, Iabrado- rita, microlina, sanidina e ortoclase.

Em várias modalidades, o absorvente de enxofre também contém um nível adequado de magnésio na forma de MgO, contribuído, por exem- plo, por dolomita ou como um componente de cimento Portland. Em um e- xemplo não-limitante, um absorvente de enxofre usado junto com cal de be- terraba contém 60% a 71% de CaO, 12% a 15% de SiO2, 4% a 18% de AI2O3, 1 % a 4% de Fe2O3, 0,5% a 1,5% de MgO e 0,1 % a 0,5% de NaO.

Em várias modalidades, emissões de enxofre da instalação de queima de carvão são monitoradas. Dependendo do nível de enxofre no gás de combustão antes da emissão da fábrica, a quantidade de composição absorvente adicionada à pré-, co- e/ou pós-combustão de combustível é aumentada, diminuída ou é mantida sem modificação. Em geral, é desejável remover o nível mais alto possível de enxofre. Em modalidades típicas, re- moção de enxofre de 90% ou mais é conseguida, com base na quantidade total de enxofre no carvão. Este número refere-se ao enxofre removido dos gases de combustão de modo que enxofre não é liberado através da chami- né para a atmosfera. Para minimizar a quantidade de absorvente adicionado ao processo de queima de carvão de modo a reduzir a quantidade geral de cinza produzida no forno, é desejável em muitas modalidades usar as medi- ções de emissões de enxofre para ajustar a taxa de adição de composição absorvente para atingir a redução de enxofre desejada sem adicionar mate- rial em excesso ao sistema.

Para controlar emissões de mercúrio, em várias modalidades mercúrio é monitorado no gás de combustão. Uma composição absorvente de mercúrio contendo um composto halogênio é opcionalmente usada junto com a composição absorvente que contém cal de beterraba. Em várias mo- dalidades, a composição contendo cal de beterraba também contém um ha- logênio. De acordo com o nível de mercúrio medido, a taxa de adição de ab- sorvente é diminuída, aumentada ou mantida.

Composições absorventes compreendendo um composto de ha- logênio contêm um ou mais compostos orgânicos ou inorgânicos que contêm um halogênio. Halogênios incluem cloro, bromo e iodo. Halogênios preferi- dos são bromo e iodo. Os compostos de halogênio são fontes de halogênios, especialmente de bromo de iodo. Para bromo, fontes do halogênio incluem vários sais inorgânicos de bromo incluindo brometos, bromatos e hipobrome- tos. Em várias modalidades, compostos de bromo orgânicos são menos pre- feridos por causa de seu custo ou disponibilidade. No entanto, fontes orgâni- cas de bromo contendo um nível adequadamente alto de bromo são consi- deradas dentro do escopo da invenção. Exemplos não-limitantes de compos- tos de bromo orgânicos incluem brometo de metileno, brometo de etila, bro- mofórmio e tetrabrometo de carbono. Fontes inorgânicas não-limitantes de iodo incluem hipoiodito, iodatos e iodetos, com iodetos sendo preferidos. Compostos de iodo orgânicos podem ser também usados.

Quando o composto de halogênio é um substituinte inorgânico, ele é de preferência um sal contendo bromo ou iodo de um elemento alcali- no-terroso. Elementos alcalino-terrosos exemplares incluem berílio, magné- sio e cálcio. De compostos de halogênio, particularmente preferidos são bromos e iodos de metais alcalino-terrosos tal como cálcio. Compostos de bromo e iodo de metal alcalino tal como brometos e iodetos são eficazes na redução de emissões de mercúrio. Mas em algumas modalidades, eles são menos preferidos uma vez que eles tendem a causar corrosão nos tubos da caldeira e outras superfícies de aço e/ou contribuem para degradação do tubo e/ou degradação do tijolo queimado Em várias modalidades, foi deseja- do evitar sair de potássio de halogênios com o objetivo de evitar problemas no forno.

Em várias modalidades, composições absorventes contendo ha- logênio são providas na forma de um líquido ou de uma composição sólida. Em várias modalidades, a composição contendo halogênio é aplicada ao carvão antes da combustão, é adicionada ao forno durante a combustão e/ou é aplicada aos gases de combustão a jusante do forno. Quando a com- posição de halogênio é um sólido, ela pode ainda conter os componentes de cálcio, sílica e aluminà descritos aqui como o absorvente em pó. Alternati- vãmente, uma composição de halogênio sólida é aplicada ao carvão e/ou outro local no sistema de combustão separadamente dos componentes ab- sorventes compreendendo cálcio, sílica e alumina. Quando ela é uma com- posição líquida, ela é geralmente aplicada separadamente.

Em várias modalidades, absorvente de mercúrio líquido compre- ende uma solução contendo 5% a 60% em peso de um sal contendo bromo ou iodo solúvel. Exemplos não-limitantes de sais de bromo e iodo preferidos incluem brometo de cálcio e iodeto de cálcio. Em várias modalidades, absor- ventes líquidos contêm 5% a 60% em peso de brometo de cálcio e/ou iodeto de cálcio. Para eficiência de adição ao carvão antes da combustão, em vá- rias modalidades é preferido adicionar absorventes de mercúrio tendo o nível mais alto possível de composto de bromo ou iodo. Em uma modalidade não- limitante, o absorvente líquido contém 50% ou mais em peso do composto de halogênio, tal como brometo de cálcio ou iodeto de cálcio.

Para ilustrar mais, uma modalidade da presente invenção envol- ve a adição de absorvente de mercúrio líquido diretamente a carvão bruto ou moído antes da combustão. Por exemplo, absorvente de mercúrio é adicio- nado ao carvão nos alimentadores de carvão. Adição de absorvente de mer- cúrio líquido varia de 0,01% a 5%. Em várias modalidades, tratamento é a menos do que 5%, menos do que 4%, menos do que 3% ou menos do que 2%, onde todas as porcentagens estão baseadas na quantidade de carvão sendo tratado ou na taxa de consumo de carvão por combustão. Níveis de tratamento mais altos são possíveis, mas tendem a desperdiçar material, como nenhum benefício adicional é obtido. Níveis de tratamento preferidos são de a partir de 0,025% a 2,5% em peso em uma base úmida. A quantida- de de sal de brometo ou iodeto sólido adicionado por meio do absorvente líquido é com certeza reduzida por sua fração em peso no absorvente. Em uma modalidade ilustrativa, adição de composto de bromo ou iodo está em um nível baixo tal como de a partir de 0,01% a 1% em peso com base no sólido. Quando uma solução a 50% em peso é usada, o absorvente é então adicionado em uma taxa de 0,02% a 2% para atingir os níveis baixos de adi- ção. Por exemplo, em uma modalidade preferida, o carvão é tratado por um absorvente líquido em uma taxa de 0,02% a 1%, de preferência 0,02% a 0,5% calculado supondo que o brometo de cálcio seja cerca de 50% em pe- so do absorvente. Em uma modalidade típica, aproximadamente 1%, 0,5% ou 0,25% de absorvente líquido contendo 50% de brometo de cálcio é adi- cionado ao carvão antes da combustão, a porcentagem sendo baseada no peso do carvão. Em uma modalidade preferida, tratamento inicial é começa- do em níveis baixos (tal como 0,01% a 0,1%) e é crescentemente aumenta- do até que um nível desejado (baixo) de emissões de mercúrio seja atingido, com base no monitoramento de emissões. Níveis de tratamento similares de halogênio são usados quando o halogênio é adicionado como um sólido ou em composições muIticomponentes com outros componentes tal como cál- cio, sílica, alumina, oxido de ferro e assim por diante.

Quando usado, o absorvente líquido é pulverizado, gotejado ou de outro modo. aplicado ao carvão ou outro local no sistema de queima de carvão. Em várias modalidades, adição é feita ao carvão ou outro combustí- vel em condições ambientes antes da entrada do combustível/ composição absorvente no forno. Por exemplo, absorvente é adicionado sobre carvão em pó antes da sua injeção no forno. Alternativamente ou em adição, absorven- te líquido é adicionado ao forno durante a combustão e/ou aos gases de combustão a jusante do forno. Adição da composição absorvente de mercú- rio contendo halogênio é freqüentemente acompanhada por uma queda nos níveis de mercúrio medidos nos gases de combustão dentro de um minuto ou alguns minutos; em várias modalidades, a redução de mercúrio é em adi- ção a uma redução conseguida através do uso de um absorvente em pó al- calino baseado em cálcio, sílica e alumina.

Em outra modalidade, a invenção envolve a adição de um com- ponente de halogênio (ilustrativamente uma solução de brometo de cálcio) diretamente ao forno durante a combustão. Em outra modalidade, a inven- ção provê uma adição de uma solução de brometo de cálcio tal conforme acima discutido, na corrente gasosa a jusante do forno em uma zona carac- terizada por uma temperatura na faixa de 1482,23°C a 815,56°C (2700°F a 1500°F), de preferência 1204,45°C a 815,56°C (2200°F a 1500°F). Em vá- rias modalidades, níveis de tratamento de compostos de bromo, tal como brometo de cálcio, são divididos entre adição de co-, pré- e pós-combustão em qualquer proporção.

Cal de beterraba é um artigo de comércio e um subproduto de produção de açúcar a partir de beterrabas açucareiras. Em uma instalação de processamento, raízes de beterraba são primeiro lavadas e então fatia- das em tiras finas chamadas lascas. As lascas, contendo altos níveis de sa- carose, são então submetidas a uma extração com água quente, de prefe- rência usando métodos de fluxo contracorrente. O líquido resultante é cha- mado caldo cru (raw juice). A lasca ou polpa da qual a sacarose foi extraída é então prensada para remover líquido e o líquido é adicionado ao caldo cru. O caldo cru contém uma variedade de impurezas que devem ser removidas antes da produção final de sacarose. Para remover impurezas, o caldo é misturado com leite de cal e submetido a tratamento com dióxido de carbono. O tratamento precipita várias impurezas incluindo vários ânions bem como proteínas e outras macromoléculas. Dióxido de carbono é usado para precipitar a cal como carbonato de cálcio bem como as impurezas. Isto é, algumas das impurezas são aprisionadas com o carbonato de cálcio em precipitação e outras impurezas são absorvidas sobre o carbonato de cálcio. Após sedimentação, os sólidos formam uma lama da qual, após uma série de lavagens, a cal de beterraba é recuperada.

Cal de beterraba é usada como um absorvente de enxofre sem carvão e outros combustíveis carbonáceos. Tratamento do carvão (ou adi- ção ao sistema de queima de carvão em taxas apropriadas) está em um ní- vel eficaz para prover a redução desejada em emissões de enxofre. Níveis de tratamento exemplares são de a partir de cerca de 0,1% a 10% em peso de uma composição absorvente contendo cal de beterraba e opcionalmente outros absorventes de enxofre. Tratamento em níveis menores tendem a ser não tão eficaz conforme desejado, enquanto tratamento em níveis altos ten- dem a desperdiçar material. Em exemplos não-limitantes, um absorvente de enxofre compreendendo cal de beterraba é usado em níveis de 1% a 10%, 1% a 8% em peso, 1% a 6% em peso e 2% a 5% em peso com base no pe- so total do carvão ou outro combustível contendo enxofre a ser queimado. O nível de tratamento refere-se à quantidade de composição absorvente sólida adicionada à pré-combustão de carvão, ou à taxa de adição de absorvente de enxofre em uma instalação de queima de carvão. Então, processos con- tínuos compreendem a adição de absorvente ao forno ou aos gases de combustão a jusante do forno em taxas de adição de 0,1% a 10% da taxa de consumo de carvão com base na combustão.

Em vários aspectos, a eficácia da cal de beterraba como um ab- sorvente de enxofre para carvão e outros combustíveis contendo enxofre é acreditada ser atribuível ao seu alto teor de cálcio e/ou sua natureza alcali- na. Em várias modalidades, cal de beterraba é usada junto com outros mate- riais contendo cálcio para prover níveis eficazes de cálcio ou outros compo- nentes para reduzir emissões de enxofre e/ou mercúrio resultantes da com- bustão do combustível. Vantajosamente, o alto teor de cálcio da cal de beter- raba resulta em cargas de peso de absorvente que não produzem cinza ex- cessiva no processo de combustão. A cinza resultante, que é enriquecida em enxofre como um resultado de captura pelo cálcio na cal de beterraba, pode ser descartada através de métodos convencionais e/ou vendido a vá- rias indústrias como matéria-prima industrial.

A invenção foi descrita com relação a várias revelações de possi- bilidade, mas deve ser compreendido que a invenção não é limitada às mo- dalidades descritas. Variações e modificações que ocorram a uma pessoa versada na técnica quando da leitura da revelação estão também dentro do escopo da invenção, que é definido pelas reivindicações apensas. A revela- ção é meramente exemplar em natureza e, então, variações que não se a- fastem do espírito da invenção pretendem estar dentro do escopo da inven- ção. Tais variações não devem ser consideradas como um afastamento do espírito e escopo da invenção.

Claims (26)

1. Método de redução do teor de enxofre de gás emitido a partir de um sistema de queima de combustível carbonáceo durante a combustão de um combustível carbonáceo contendo enxofre, o método compreendendo adição de uma composição absorvente compreendendo cal de beterraba no sistema durante a combustão.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, em que o combustí- vel carbonáceo contendo enxofre compreende carvão.

3. Método de acordo com a reivindicação 2 compreendendo tra- tamento do carvão através da adição da composição absorvente em um ní- vel para aplicar de a partir de 0,1% a 10% em peso de cal de beterraba com base no peso do carvão, aplicação do carvão tratado ao forno e combustão do carvão tratado.

4. Método de acordo com a reivindicação 3, em que a composi- ção absorvente é adicionada sobre carvão pulverizado.

5. Método de acordo com a reivindicação 1 compreendendo in- jeção da composição absorvente no forno.

6. Método de acordo com a reivindicação 1 compreendendo inje- tar a composição sorvente em um curso convectivo a jusante do forno.

7. Método de acordo com a reivindicação 6, em que a tempera- tura do gás de combustão no ponto de injeção é de a partir de 926,67SC a -1371,12-C (1700°F a 2500°F).

8. Composição compreendendo um combustível carbonáceo contendo enxofre e 0,1% a 10% em peso de cal de beterraba.

9. Composição de acordo com a reivindicação 8, em que o com- bustível carbonáceo contendo enxofre compreende carvão.

10. Composição de acordo com a reivindicação 9, em que o car- vão está na forma de partículas onde pelo menos 10% em peso do carvão estão em partículas de 75 μηι ou menor.

11. Composição de acordo com a reivindicação 9 preparada mis- turando cal de beterraba e carvão e pulverizando a mistura.

12. Composição de acordo com a reivindicação 9 compreenden- do 1% a 6% em peso de cal de beterraba.

13. Método para queima de combustível carbonáceo carregando enxofre com emissões reduzidas de enxofre compreendendo: combinação de combustível carbonáceo carregando enxofre e um absorvente, compreendendo cal de beterraba para formar uma mistura compreendendo 0,1 % a 10% em peso de cal de beterraba; pulverização da mistura; aplicação da mistura pulverizada ao forno de uma instalação de queima de combustível carbonáceo; e combustão da mistura pulverizada no forno.

14. Método de acordo com a reivindicação 13, em que o com- bustível carbonáceo carregando enxofre compreende carvão.

15. Método de acordo com a reivindicação 14, em que a mistura compreende 0,1 % a 6% em peso de cal de beterraba.

16. Método de acordo com a reivindicação 14, em que a mistura compreende 0,5% a 6% em peso de cal de beterraba.

17. Método de acordo com a reivindicação 14, em que a mistura compreende 1% a 5% em peso de cal de beterraba.

18. Método de acordo com a reivindicação 14, em que a mistura de carvão contém pelo menos um mol de cálcio por um mol de enxofre no carvão.

19. Método de operação de uma instalação de queima de carvão compreendendo: combustão de um carvão contendo enxofre; durante a combustão, adicionar cal de beterraba ao sistema em uma taxa de adição de cerca de 0,1% a 10% em peso, com base na taxa de consumo de carvão pela combustão; medição do teor de enxofre de gases combustíveis a jusante de combustão; comparação do teor de enxofre medido a um teor de enxofre alvo; e se o teor de enxofre medido estiver acima do alvo, aumentar a taxa de adição de cal de beterraba.

20. Método de acordo com a reivindicação 19 compreendendo adição de uma composição absorvente compreendendo cal de beterraba ao carvão bruto.

21. Método de acordo com a reivindicação 19 compreendendo adição de uma composição absorvente compreendendo cal de beterraba ao carvão pulverizado.

22. Método de acordo com a reivindicação 19 compreendendo adição de uma composição absorvente compreendendo cal de beterraba diretamente ao forno da instalação de queima de carvão.

23. Método de acordo com a reivindicação 19 compreendendo adicionar uma composição absorvente compreendendo cal de beterraba em um curso convectivo a jusante da instalação de queima de carvão em uma zona onde a temperatura dos gases de combustão é 815,569C a 1482,23QC (1500°F a 2700°F).

24. Método de acordo com a reivindicação 19 compreendendo adicionar uma composição absorvente compreendendo cal de beterraba na pré-combustão do carvão e combustão da mistura de carvão/cal de beterra- ba.

25. Método de acordo com a reivindicação 24, em que a mistura de carvão/cal de beterraba compreende 0,1% a 10% em peso de cal de be- terraba.

26. Método de acordo com a reivindicação 24, em que cal de beterraba está presente na mistura em uma quantidade para prover pelo menos um mol de cálcio por um mol de enxofre no carvão.