CN101883743A - 作为煅烧石膏中的汞释放控制剂的活性炭 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在石膏煅烧期间提供有效的汞释放控制的方法。该方法包括提供反应器和含有汞的石膏；向所述反应器中提供汞吸附剂，如活性炭和/或其衍生物；以及在反应器中煅烧石膏以形成灰泥。石膏中存在的汞污染物在煅烧过程中被汞吸附剂吸附。该灰泥的汞含量基本上与未煅烧石膏的汞含量近似。

Description

作为煅烧石膏中的汞释放控制剂的活性炭
技术领域
本发明涉及一种在煅烧石膏期间提供汞吸附的方法，其中该方法利用汞吸附剂，如活性炭和/或其衍生物，以捕获煅烧期间从石膏中释放的汞。
相关技术的说明
人们已经知道发电设备排放的如二氧化硫(SO2)，氮氧化物(NOx)和汞(Hg)对人体健康和环境产生有害的影响。在美国目前燃煤发电厂是SO2排放的主要原因。为减少SO2排放，国会通过了1990年《清洁空气法修正案》(法令)以调控由发电厂产生的SO2排放。
为遵守该法令，发电厂一般采用两种策略之一来控制SO2排放：1)使用高成本，低硫的煤；或者2)安装排气脱硫(FGD)系统以在废气流释放到大气之前吸收其中的SO2。目前，美国约22％的燃煤发电厂使用FGD系统来达到法定的SO2排放水平，并且该比例预计在下一个七年中会翻倍，以响应将来的调控。
应用最广泛的FGD系统是使用钙基吸附剂(如石灰、石灰石)和强制氧化的湿式除尘器。当载有SO2的废气通过FGD系统，当SO2暴露于水和石灰石中时，SO2作为硫酸钙二水合物(CaSO4·2H2O)，碧玄岩(2CaSO4·H2O)和无水石膏(CaSO4)的各种组合形式被吸收。典型地，沉淀物还包括方解石(CaCO3)，和少量的飞灰和碳粒。含有水合形式的硫酸钙的沉淀物称作FGD石膏，或者合成石膏，以便与以天然矿物质形式存在的石膏进行区分，后者实质上由硫酸钙二水合物组成。FGD石膏的商业应用包括但不限于，墙板、结构性填充、骨料、采矿用途、波特兰水泥、石膏(plaster)、玻璃制造、制药填料、纸、塑料、楼面系统、燃料添加剂和农业应用，如土壤稳定化和土壤中和。
FGD石膏的一种最常见的应用是墙板生产，其中生FGD石膏在反应器中于250至380°F煅烧(或烧成石灰)以形成灰泥，该灰泥被进一步再水合并加工成墙板。事实上，约70％的生FGD石膏用于商业墙板生产。
除SO2之外，痕量的汞也可存在于被湿式FGD系统处理的废气中。作为FGD系统中的石膏沉淀物，部分汞可用FGD石膏捕获。
FGD石膏中发现的汞一般源自于煤。美国地质勘探局(USGS)已收集世界范围的包括7000多个煤样品的煤信息数据。这些样品的分析统计显示平均汞含量为170ppb，最高汞含量高达1.8ppm。
当煤燃烧时，煤中的汞释放到废气流中。由此产生的“逃逸的”汞，无论或是元素汞的形式或者离子化的汞，可以利用现有的控制方法捕获。最常见的方法包括：汞吸附剂(如活性炭)注入到废气流中以吸附逃逸的汞，接着通过微粒控制设备随后捕获含有汞的活性炭。
尽管活性炭能够吸附逃逸的汞，但活性炭注入通常需要使用大量的活性炭，其成本高，并且可能不能充分地从废弃流中除去所有逃逸的汞。因此，FGD石膏通常包含一定量的汞，这些汞在煅烧过程中被释放到环境中。
FGD石膏煅烧期间释放的汞量不同。研究显示FGD石膏中包含的汞的0.6％至50％在煅烧期间被释放到环境中，取决于FGD石膏的类型和初始汞含量。
尽管活性炭注入在控制煤燃烧产生的汞释放中是最成熟的技术，然而它还不能用于控制石膏煅烧期间的汞释放。如上讨论，需要大量的活性炭来捕获废气流中的逃逸汞。然而，当用于石膏煅烧时，这样大量的活性炭可能影响所生产的灰泥的质量，包括如灰泥的外观、立方体强度、再水合时间以及泡沫产生/退化性质。
因此，在由FGD石膏制造墙板时，需要一种提供有效的汞释放控制的方法。更一般地说，在石膏煅烧期间，需要一种提供有效的汞释放控制的方法。此外，在石膏煅烧期间，需要提供一种有效的汞释放控制，而基本上不影响所得灰泥的性质。
发明内容
本发明涉及一种用于在煅烧包含汞的石膏期间控制汞释放的方法。更具体地，本发明涉及用于控制石膏煅烧期间汞释放的方法，该方法使汞被安全地保留在灰泥产品中。本方法包括提供含有汞的石膏，和煅烧反应器；在反应器中提供汞吸附剂，如活性炭和/或其衍生物；以及在反应器内煅烧石膏以形成灰泥。优选地，灰泥的汞含量基本上接近未煅烧的石膏的汞含量，同时存在相对少量的汞吸附剂的情况下，灰泥的应用性质基本上保持不受影响。
在精制中，应用性质包括但不限于，立方体强度、再水合时间和温度，和泡沫产生/退化性质及其结合。
优选地，石膏选自天然石膏、FGD(或合成)石膏及其混合物。石膏可选择地包含其他添加剂或者杂质。在优选的实施方式中，石膏是FGD石膏。
石膏在反应器内煅烧形成灰泥。不受任意具体理论的约束，石膏的煅烧除去了至少一部分起初包含于其中的水分。优选地，本发明的煅烧是批处理，其在密闭的反应器内进行，如熔炉、窑、釜或者其他封闭设施。其他煅烧工艺，如连续煅烧工艺，也可被利用并视为属于本发明的范围。
正常情况下，当在反应器内煅烧石膏时，汞可能以元素汞或者离子化汞的形式释放到环境中。然而，通过使用本发明的方法，将汞吸附剂提供在反应器中，用于吸附石膏煅烧期间释放的汞。在精制中，汞吸附剂是活性炭或其衍生物。在优选的实施方式中，汞吸附剂选自活性炭、卤化活性炭及其混合物。
优选地，汞吸附剂是在煅烧石膏之前提供在反应器中，例如在石膏装入反应器之前与石膏形成混合物，或者可选地，在煅烧开始之前，将汞吸附剂作为独立的批量装到反应器内。然而，尽管次优选的，汞吸附剂也可以在石膏煅烧期间或者煅烧之后提供到反应器中。在这种情况下，使用本领域普通技术人员已知的适宜方法或者设备，将汞吸附剂注入或者喷入反应器内。
在煅烧后，汞吸附剂优选地被掺入煅烧产品，即灰泥中，该汞吸附剂含有被吸附的汞。为评估汞吸附剂在石膏煅烧期间控制汞释放的有效性，测定灰泥中汞的含量，并与未煅烧石膏的汞含量进行比较。意料之外的是，发现在煅烧石膏期间，相对少量的汞吸附剂提供了有效的汞释放控制。
在优选的实施方式中，反应器中提供的汞吸附剂的量是基于装载在反应器内物质的总重量的0.01-2.00wt％。然而，发现较高量的汞吸附剂也可以提供在反应器中，以实现类似的或者稍微更好的汞释放控制，因此也应视为属于本发明的范围。然而，使用较高浓度的汞吸附剂可降低本发明方法的成本效益，增加吸附剂/石膏混合物的燃烧性和/或爆炸性，更重要地，可能不利地影响石膏产品的性质，因为灰泥产品中掺入了较高浓度的吸附剂。因此，优选的是在本发明的方法中使用低浓度的汞吸附剂，使得灰泥的应用性质，如立方体强度、再水合时间和温度、泡沫产生/退化性质，与用相同方法但不含汞吸附剂所生产的灰泥相比，保持基本不受影响。因为本领域这种应用性质的评价是众所周知的，并在本发明中作一般性描述，本领域的普通技术人员在无过度试验的情况下能够确定本发明方法中使用的汞吸附剂的用量限度，以生产具有基本上未受影响的应用性质的灰泥。
在一种实施方式中，汞吸附剂是以基于反应器内装载的物质总重量的约0.01％至约2.00％的量存在。然而，该示范性范围不应视为本发明范围的限制。其他浓度，或者低于0.01wt％或高于2.00wt％也是可以使用的，只要该浓度在石膏煅烧期间提供有效的汞释放控制，并基本上不影响煅烧产生的灰泥的应用性质。
以下将更加详细地描述本发明用于在煅烧石膏期间提供有效的汞释放控制，且基本上不影响灰泥的应用性质的方法的其他优点和特点。虽然本发明仅公开了有限的实施方式，但对于本领域的普通技术人员来说不同的变化是显而易见的。
附图简要说明
为了更彻底的理解本发明的方法，现参考附图，其中：
图1用图形说明用于煅烧石膏的示范性的反应器；
图2用图形说明活性炭的微观视图(SEM图像)；
图3用图形说明溴化活性炭的微观视图(SEM图像)；
图4用图表说明汞吸附剂对本发明方法生产的灰泥的立方体强度的影响；
图5用图表说明汞吸附剂对本发明方法生产的灰泥的再水合温度曲线的影响；
图6用图表说明汞吸附剂对本发明方法生产的灰泥的泡沫产生性质的影响；
图7用图表说明汞吸附剂对本发明方法生产的灰泥的泡沫退化性质的影响；
当然，应该理解的是本发明不限于此处显示的具体实施方式。
具体实施方式
总的来说，本发明涉及一种在反应器内煅烧石膏时提供有效的汞释放控制的方法，其中该方法包括在反应器内提供汞吸附剂，并煅烧该石膏以形成灰泥。该灰泥将含有汞和汞吸附剂。优选地，灰泥的汞含量很接近石膏的汞含量，同时与常规灰泥相比，在吸附剂和汞存在的情况下，所述灰泥的一个或多个应用性质保持基本不受影响。在优选的实施方式中，一个或多个应用性质选自立方体强度、再水合时间、再水合温度，泡沫发生性质、泡沫退化性质及其结合。
在优选的实施方式中，本发明的方法包括在反应器内提供低浓度的汞吸附剂，还有石膏，并煅烧该石膏以形成灰泥；该灰泥含有的汞含量与未煅烧的石膏的汞含量很接近，其中汞吸附剂选自活性炭、卤化活性炭及其混合物。
生石膏
本发明的被煅烧的石膏是一种包括硫酸钙二水合物(CaSO4·2H2O)的物质。该石膏可包括天然产生的石膏以及FGD石膏，FGD石膏是电厂利用上述讨论的烧煤锅炉通过FGD系统化学地产生。与实质上由硫酸钙二水合物组成的天然石膏不同，FGD石膏通常由硫酸钙二水合物(CaSO4·2H2O)、碧玄岩(2CaSO4·H2O)、无水石膏(CaSO4)、方解石(CaCO3)和有限量的飞灰和碳粒组成。生FGD石膏是带有低水分含量的细粒粉末。
为说明本发明，术语“石膏”可包括FGD石膏、天然产生的石膏，以及其他包含至少一部分硫酸钙二水合物的物质，其中该石膏还包含在煅烧石膏形成灰泥时需要含有的汞。为说明本发明，术语“灰泥”用于指煅烧的产品，其包含至少一部分脱水石膏。
石膏优选地是小颗粒的形式，如粉末或细粒，以允许对石膏进行均匀和有效的加热。在优选的实施方式中，石膏选自天然产生的石膏、FGD(或合成)石膏及其混合物。所述石膏还包含其他添加剂和杂质。在另一种优选的实施方式中，被煅烧的石膏是FGD石膏。
根据本发明的另一方面，该石膏包含汞。优选地，汞是包含于、嵌入或灌入石膏中。然而，汞也可以散布或涂覆在石膏的表面。石膏中的汞含量随石膏的来源和组成而变化。
煅烧
煅烧(calcination，也称作calcining)是应用于矿石和其他矿物的热处理过程，以便产生热分解、相转变、或除去挥发性成分。煅烧过程通常在低于产品材料熔点的温度下进行。根据本发明，石膏煅烧的温度和持续时间是可以变化的，取决于石膏的性质、石膏的量等因素。
根据本发明的一个方面，石膏在反应器内被煅烧形成灰泥。不受任意具体理论的约束，石膏的煅烧除去了至少一部分起初包含于其中的水分。本发明的煅烧可以是批处理，该处理过程在封闭的反应器如熔炉、窑、釜或其他封闭容器中于约300°F进行约2小时。在一些实施方式中，煅烧可以多阶段、在多反应器中或两者同时进行。其他的煅烧处理，如连续煅烧处理或者快速煅烧，也可用于本发明的方法中。
参考图1，用图形说明一种可用作本发明的煅烧反应器的管式燃烧釜。将常规的物料输送器(未示出)设置在釜11中的输入竖管(riser)19上，以便向釜11中提供石膏粉。釜11中还设置混合装置，用于混合包含于其中的研磨地石膏(ground gypsum)，以避免石膏粉加热中的死点。在图1给出的实施方式中，混合装置采用中心轴21的形式，该轴安装在轴承21a和21b上，并连接到用于旋转轴21的驱动装置22上。轴21包括多个水平延伸的混合刃23、24和25，用于混合釜11中包含的石膏粉。本领域普通技术人员通常所知的其他混合装置也可用于提供石膏粉的充分混合。
釜11包括釜外壳14，内部的线圈型燃烧器管装配15，以及外部的浸管式燃烧器16。燃烧器管线圈15是由釜外壳14内的支架17支撑，并排列成螺旋方式，以便均匀地加热包含在其中的石膏粉。浸管式燃烧器16是一种燃烧气体的燃烧器，其发射火焰到燃烧器管线圈15中，并使加热介质(典型地是燃烧气体和空气)流过管线圈15，以均匀地加热釜外壳14的内容物。所选择的燃烧器16的具体容量取决于具体的釜需要的输出温度和釜的内部容量，以及其他因素。
在操作中，物料输送器(未显示)将石膏通过输入竖管19传送到釜11内，燃烧器16和釜11中的燃烧器管15将其中包含的石膏加热至预定的温度。在一种实施方式中，釜11中的石膏被加热至约250-380°F，优选约300°F的温度，时间为约2小时。不受任何具体理论的约束，这种加热使至少部分石膏脱水形成包含硫酸钙半水合物的灰泥。然后将该灰泥转移出釜11，并可在之后再水合，用于不同的用途，包括墙板制造。
当石膏在反应器中煅烧时，石膏中含有的汞可能释放到环境中，或者它可粘附在反应器的内表面，或反应器中各种结构部件的表面。被汞吸附剂吸附的汞不应视为释放到环境中的汞，因为汞吸附剂被安全地掺入灰泥中。这样，通过本发明的技术，FGD石膏中存在的汞与脱水石膏产品一起被转移出反应器，而不是进入大气或环境中。
汞吸附剂
根据本发明的进一步方面，将汞吸附剂提供在反应器中，用于吸附石膏煅烧期间释放的汞。为说明本发明，术语“吸附”指通过吸收或吸附来吸纳和保持一种物质的过程。因此，本发明的汞吸附剂可通过不同的机制吸纳和保持石膏煅烧时释放的汞，这些机制包括但不限于，将汞保留在吸附剂的表面，将汞捕捉在吸附剂的孔或通道中，以及化学地或物理地使汞成为吸附剂的一个完整部分。
在精制中，汞吸附剂是活性炭或其衍生物。在优选的实施方式中，汞吸附剂选自活性炭、卤化活性炭或其混合物。
活性炭是一个通用术语，也称为活性木炭或者活性煤，其涵盖了主要源于木炭的炭物质。术语“活性”(activated)有时用“active”代替。无论哪个名称，活性炭材料具有异常高的表面积。例如，适用于本发明方法中的一种类型的活性炭和卤化活性炭的BET表面积分别是1580m2/g，1534m2/g(由ParticleTechnology Labs，Ltd.测定)
活性炭及其衍生物典型地包括大量微小的孔或通道，这使它们成为优异的吸附剂和/或表面活化剂。用于有益用途的充分的吸附或活化作用可能仅来源于高表面积，然而有时化学处理或者修饰，如卤化作用或者金属镀层，也可用于进一步增加对目标物质的吸附作用或催化作用。图2和3分别用图形说明适用于本发明方法的活性炭和溴化活性炭的微孔隙。
优选地，将汞吸附剂与石膏混合，随后在石膏被煅烧之前被装到反应器内。参考图1，汞吸附剂可以添加到石膏中，之后将所得的混合物通过竖管19装入釜11。在另一种实施方式中，在石膏煅烧期间或煅烧后将石膏提供到反应器内以捕获释放的汞。这种提供可以通过本领域普通技术人员通常知道的方法或装置来完成。例如，可以将汞吸附剂通过1个或者多个位于釜外壳14上的注入器或喷雾器注入或喷入釜11中。
在一种实施方式中，提供在反应器内的汞吸附剂的浓度为装入反应器内的物质总重量的约0.01％至约2.00％。然而，该示范性的范围不应视为对本发明范围的限制。其他浓度，或者低于0.01wt％或者高于2.00wt％，也可在石膏煅烧期间提供足够的汞吸附作用。
活性炭是一种以许多等级和物理形式获得的商业产品。例如，活性炭可以获得自Sigma-Alrdich公司，商品名
Figure GPA00001123033000081
为颗粒、粉末或湿粉末的形式，并且粒径高达4-12目，或者小至100-325目。随着活性炭及其作为吸附剂的用途被本发明的技术领域熟知，可以理解的是，当阅读本发明后，适用于本发明方法的汞释放控制的活性炭的物理形式或粒径对于普通技术人员是显而易见的。
除了活性炭，本发明的汞吸附剂还可包括一种或多种活性炭的衍生物。这些衍生物包括但不限于，卤化活性炭或金属镀层的活性炭。在活性炭表面至少一部分结合金属镀层，通过形成金属-汞汞齐来改善其汞吸附作用是本领域所熟知的。
此外，活性炭可以被卤化，如氯化、溴化或碘化以改善其汞吸附性能。这种卤化的活性炭可包括一种或者多种形式的卤素种类，如原子的、自由基的、离子化的或者分子的卤素种类。不受任意具体理论的约束，这些卤素种类可以吸附在活性炭上、被活性炭吸收、附着于活性炭上或者捕获在活性炭内，并可容易地与汞化学地/物理地相互作用，从而改善活性炭吸附石膏煅烧期间释放的汞的能力。活性炭卤化的方法和装置是本领域所熟知的。例如，以下提供了用于制备溴化活性炭的一般方法。
将活性炭(5g)置于烧杯中，将5ml HNO3(70％强度)，10ml HBr(50％强度；7.35g Br)和85ml水添加到烧杯中，搅拌该混合物，这些物质在烧杯中反应1小时。通过过滤回收固体反应物，并用水洗涤，然后在烘箱中于120℃空气干燥2小时。将干燥的溴化物在氩气中于400℃加热1小时，并冷却至室温。由此所得的溴化活性炭备用于本发明的方法。尽管这是制备溴化活性炭的示范性方法，不过它也适用于制备其他卤化活性炭。此外，可以理解的是，用于卤化活性炭的其他方法对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，因此不应视为对本发明范围的限制。
除了以上披露的金属镀层或卤化活性炭以外，其他已知的活性炭的修饰也可用于本发明方法中，并且应视为属于本发明的范围。
汞释放控制
煅烧之后，脱水石膏优选地实质上由灰泥组成。根据本发明的一个方面，汞吸附剂，与吸附在它上面或内部的汞一起掺入灰泥中。如上所讨论，可以理解的是，本发明中“汞释放”一般指被释放到环境而未保留在灰泥中的汞。
为评估汞吸附剂在控制石膏煅烧期间的汞释放的有效性，对灰泥的汞含量进行测量，并与石膏的汞含量比较。如果两者汞含量合理地彼此很近似，那么释放到环境中的汞是微量的，这反过来表明通过本发明的方法实现了有效的汞释放控制。
意外地，发现低浓度的汞吸附剂能够对石膏煅烧期间的汞释放提供有效的控制。具体地，通过在反应器内提供低浓度的汞吸附剂，所得灰泥的汞含量与未煅烧的石膏中的汞含量大致相同。
在优选的实施方式中，反应器中提供的汞吸附剂的浓度是基于装在反应器内的物质总重量的0.01-2.00wt％。然而，我们发现更高或更低浓度的汞吸附剂也可以提供在反应器中，以达到相似或更好的汞释放控制，因此也应视为属于本发明的范围。
为评估石膏煅烧期间的汞释放控制，用不同浓度的活性炭(AC)和溴化活性炭(BAC)进行实验室煅烧实验。三种生FGC石膏(FGD A、FGD B和FGD C)用于这些实验中。在实验中，将活性炭或者溴化活性炭(0.025-2wt％)分别添加到生FGD石膏中。由此得到的汞吸附剂/石膏混合物在熔炉或釜中于300°F煅烧2小时以生成灰泥。用DMA-80汞分析仪测定灰泥的汞含量，并与生FGD石膏的汞含量进行比较。
这些实验的结果列于表1中。首先，进行三个基准实验，以获得生FGD石膏的汞含量。第二，进行6个对照试验，以获得不存在汞吸附剂时生成的灰泥的汞含量。最后，对于每种类型的生FGD石膏，进行第一系列实验以获得带有不同浓度活性炭的灰泥的汞含量，进行第二系列实验以获得带有不同浓度溴化活性炭的灰泥的汞含量。
煅烧期间的汞释放用汞损失(ML)表示，其定义为：
ML＝(MCgyp-MCstu)/MCgyp×100％
其中MCgyp是生FGD石膏的汞含量；MCstu是生成的灰泥的汞含量。如果煅烧实验的ML是负值或者接近于零，则灰泥的汞含量与生FGD石膏的汞含量很接近，这说明实现了有效的汞释放控制。
如表1所示，在所有6个对照实验中，灰泥的汞含量明显低于对应的生FGD石膏的汞含量(汞损失为2.18-15.7％)，这证明在不存在汞吸附剂时，发生了大量汞释放。然而，通过添加汞吸附剂，煅烧期间的汞释放可以被显著地抑制甚至完全消除，通过与对照实验比较，汞吸附剂存在的煅烧过程的实验中显示汞损失显著降低，可以清楚地表明该结果(见表1)。
表1AC&BAC对石膏煅烧期间的汞释放的影响
  生FGD石膏 活性炭 浓度 温度 结合水 汞含量 汞损失
  (％)   (F)   (％)   (ppb)   (％)
  FGD A 基线   0 环境   20.26   163.8
  FGD B 基线   0   环境   20.300   100.8
  FGD C 基线   0 环境   20.228   1005.0
  FGD A   对照   0   300   6.349   138.1   15.7
  FGD A   AC   0.5   300   6.191   164.9   -0.66
  FGD A   AC   1.0   300   6.113   165.4   -0.94
  FGD A   AC   2.0   300   6.209   163.6   0.12
  FGD A   AC   0   300   6.427   146.1   10.80
  FGD A   AC   0.025   300   6.616   160.9   1.82
  FGD A   AC   0.050   300   6.557   165.6   -1.06
  FGD A   AC   0.075   300   6.458   164.9   -0.62
  FGD A   AC   0.1   300   5.988   169.4   -3.42
  生FGD石膏 活性炭 浓度 温度 结合水 汞含量 汞损失
  FGD B 对照   0   300   7.235   98.6   6.72
  FGD B   AC   0.025   300   6.258   101.8   3.65
  FGD B   AC   0.050   300   6.771   105.3   0.39
  FGD B   AC   0.075   300   7.068   104.3   1.25
  FGD B   AC   0.1   300   6.199   105.7   0.0
  FGD C   对照   0   300   6.458   954.5   5.02
  FGD C   AC   0.025   300   6.412   968.2   3.66
  FGD C   AC   0.050   300   5.791   988.5   1.64
  FGD C   AC   0.075   300   6.202   994.6   1.04
  FGD C   AC   0.1   300   6.417   984.8   2.01
  FGD A 对照   0   300   6.161   150.6   14.00
  FGD A   BAC   0.025   300   6.243   177.0   -1.09
  FGD A   BAC   0.050   300   6.055   176.0   -0.49
  FGD A   BAC   0.075   300   6.238   174.2   -0.53
  FGD A   BAC   0.1   300   5.830   175.1   -0.0
  FGD B   对照   0   300   6.407   89.1   11.53
  FGD B   BAC   0.025   300   6.436   102.1   -1.36
  FGD B   BAC   0.050   300   6.011   101.7   -0.98
  生FGD石膏 活性炭 浓度 温度 结合水 汞含量 汞损失
  FGD B   BAC   0.075   300   6.917   100.8   -0.01
  FGD B   BAC   0.1   300   6.419   101.1   -0.37
  FGD C 对照   0   300   6.17   965.4   3.94
  FGD C   BAC   0.025   300   6.501   988.8   1.61
  FGD C   BAC   0.05   300   6.256   1001.5   0.35
  FGD C   BAC   0.075   300   5.957   951.4   5.34
  FGD C   BAC   0.1   300   6.273   980.8   2.41
实验室煅烧实验的结果清楚地表明，汞吸附剂提供极好的汞保留，即使在非常低浓度如0.025wt％时也是如此。然而，增加汞吸附剂的浓度并不一定改善煅烧期间的汞释放控制。因此，使用过量的汞吸附剂可能在经济上并不是有益的。而且，因为煅烧过程是在相对高的温度下进行，包含过量的汞吸附剂可能增加石膏/汞吸附剂混合物的燃烧性和/或爆炸性，并因此可能出现使用本发明方法的不必要的安全风险。最后，因为汞吸附剂最终被掺入灰泥中，在煅烧反应器中提供过量的汞吸附剂可能导致灰泥的汞吸附剂含量更高，这可能不利地影响灰泥的应用性质。
因此，本发明方法的一个优点在于仅使用低浓度的汞吸附剂，提供石膏煅烧期间有效的汞释放控制，而基本不影响所生成的灰泥的应用性质。总的来说，当煅烧过程的汞损失低于相应的对照实验时，就实现了有效的汞释放控制。优选地，当煅烧过程的汞损失约为零或者接近零时，就实现了有效的汞释放控制。
还值得注意的是，汞吸附剂的有效性取决于石膏的汞含量。具体地，尽管在煅烧低汞含量的石膏(如FGD A和B)期间实现了有效的汞释放控制，但在煅烧高汞含量的石膏(如FGD C)期间，用相同浓度的汞吸附剂通常不够有效。在这种情况下，可能需要较高浓度的汞吸附剂以实现所需要的汞释放控制。
因为提供到反应器中的汞吸附剂优选地基本不影响灰泥的一个或多个应用性质，提供到反应器中的汞吸附剂的最大浓度可以由本领域普通技术人员根据本发明和本领域的一般常识来确定，不需要进行不必要的实验。这种应用性质包括立方体强度、再水合时间和温度，灰泥泡沫产生和泡沫退化。
灰泥性质-强度
为评估汞吸附剂对灰泥强度的影响，将不同浓度的汞吸附剂分别与FGDA-C混合，并于300°F下煅烧2小时以形成灰泥。石膏样品由灰泥和水、淀粉、促进剂和其他添加剂制成。几种对照石膏也类似地由灰泥制备，该灰泥是在不存在汞吸附剂的情况下通过煅烧FGD A-C生成。石膏样品或对照石膏都在立方体中铸造。根据本领域技术人员已知的标准程序测试立方体的强度。
立方体强度测试的结果列于表2，并进一步在图4中说明，两者都表明含有汞吸附剂的灰泥的立方体强度基本上与对照样品的强度(不含汞吸附剂的灰泥)相似。为说明本发明，当石膏样品的立方体强度在对照石膏立方体强度的15％变化范围内时，就达到基本相似的立方体强度。在本发明方法的一种实施方式中，提供到煅烧反应器内的汞吸附剂的浓度并不对该方法产生的灰泥强度产生不利影响。也就是说，含有汞吸附剂的灰泥的立方体强度是在不含汞吸附剂的灰泥强度的15％变化范围内。
表2汞吸附剂对立方体强度的影响
Figure GPA00001123033000131
Figure GPA00001123033000141
灰泥的性质-再水合
灰泥的另一个重要的应用性质是再水合时间和温度。在墙板生产期间，灰泥与水和其他添加剂混合以形成石膏(plaster)。然后将它在模具中铸造、挤压，用作表面的厚浆体，或者叠在纸板之间。添加剂用于改变石膏的密度，并且对于石膏板来说，有助于该石膏与纸机械地结合。
在生产过程中，添加过量水以确保石膏充分再水合重回到二水合物形式，并且为生产过程提供足够的流动性。典型地，再水合作用伴随着温度的增加和石膏的轻微膨胀。然后，简单地通过蒸发作用或者将其加热到高至250℃并保持多至60分钟使石膏干燥，除去过量的水，同时石膏凝固。再水合过程的重要参数包括达到50％再水合所需要的时间，再水合的硫酸钙达到最终凝固所需要的时间，以及再水合过程的温度曲线。
为评估汞吸附剂对本发明方法产生的硫酸钙的再水合作用的影响，进行温度上升凝固(TRS)试验，以测量和记录再水合时间，凝固时间，以及本发明方法产生的硫酸钙的再水合温度曲线。对于每种生石膏，还针对不存在汞吸附剂的情况下通过煅烧产生的硫酸钙再水合进行了对照TRS试验。
用于TRS试验的石膏配方与立方体强度试验中所用的相同。将石膏留下通过蒸发作用干燥，同时在整个再水合过程中监测和记录上述参数。TRS试验的结果列于表3，其清楚地显示低浓度的汞吸附剂并不会对石膏的50％再水合时间和最终凝固时间产生不利影响。例如，含有汞吸附剂的石膏的50％再水合时间和最终凝固时间都是在对照石膏的6％变化范围内。
表30.1％活性炭的LG&E和IPL灰泥的TRS数据和结果
Figure GPA00001123033000151
再水合过程的温度曲线也列于表3，并在图5中进一步说明。含0.1wt％汞吸附剂的石膏样品的温度曲线与对照石膏(不含汞吸附剂)的温度曲线很接近。例如，温度上升的最大速率，最终的凝固温度，和石膏样品总的温度上升都是在对照石膏的10％变化范围内，与使用的汞吸附剂的类型无关。
灰泥性质-泡沫产生/退化
图6和图7显示汞吸附剂对泡沫产生和退化的影响。两个图都显示汞吸附剂影响泡沫产生和退化。与对照品(不含汞吸附剂)相比，溴化活性炭产生更多泡沫体积，而活性炭产生较少。另一方面，它们对泡沫产生和退化的影响是相反的，活性炭与溴化活性炭相比显示更好的泡沫退化性能。然而值得注意的是，泡沫产生和退化试验是用2wt％汞吸附剂进行，这可能高于在石膏煅烧期间提供有效的汞释放控制所需要的量。
尽管仅提出某几种实施方式，但对于本领域技术人员来说，从以上描述得到替代的实施方式和各种变化是显而易见的。这些和其他替代的实施方式视为等同的，并且都属于本发明的范围。

Claims (20)

1.一种控制石膏煅烧期间的汞释放的方法，包括：
提供石膏和煅烧反应器，该石膏含有汞；
在所述煅烧反应器内提供汞吸附剂；
在所述反应器内煅烧石膏以形成灰泥；
使所述石膏中包含的汞被所述汞吸附剂吸附；和
将所述汞吸附剂保留在灰泥中。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述石膏是FGD石膏。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述汞吸附剂选自活性炭、卤化活性炭及其混合物。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述煅烧石膏是在约300°F进行。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述汞吸附剂是在煅烧石膏之前提供到反应器内。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述汞吸附剂是以基于所述反应器内放入的材料总重量的约0.01％至约2.00wt％的量提供到所述反应器中。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述汞吸附剂保留在灰泥中对所述灰泥的至少一种应用性质没有不利影响。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述灰泥的至少一种应用性质选自立方体强度、最终凝固时间、50％再水合时间、温度上升的最大速率、最终凝固温度和总的温度上升。
9.如权利要求1所述的方法，其中煅烧所述石膏期间的汞损失小于煅烧不含汞吸附剂的石膏期间的汞损失。
10.如权利要求1所述的方法，其中煅烧所述石膏期间的汞损失不超过约2％。
11.一种控制石膏煅烧期间的汞释放的方法，包括：
提供石膏和煅烧反应器，该石膏含有汞；
在所述煅烧反应器内提供汞吸附剂；
在反应器内煅烧所述石膏以形成灰泥；和
将所述汞吸附剂保留在灰泥中；
其中，在其他相同的条件下，煅烧所述石膏期间的汞损失小于煅烧不含汞吸附剂的石膏期间的汞损失。
12.如权利要求11所述的方法，其中煅烧所述石膏期间的汞损失不超过约2％。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述石膏是FGD石膏。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述汞吸附剂选自活性炭、卤化活性炭及其混合物。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述汞吸附剂提供到反应器中对所述灰泥的至少一种应用性质没有不利影响。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述灰泥的至少一种应用性质选自立方体强度、最终凝固时间、50％再水合时间、温度上升的最大速率、最终凝固温度和总的温度上升。
17.如权利要求11所述的方法，其中所述灰泥的立方体强度是在不含汞吸附剂所形成灰泥的参考立方体强度的约15％变化范围内。
18.如权利要求11所述的方法，其中所述灰泥的最终凝固时间是在不含汞吸附剂所形成灰泥的参考最终凝固时间的约6％变化范围内。
19.一种控制石膏煅烧期间的汞释放的方法，包括：
提供石膏和煅烧反应器，该石膏含有汞；
将汞吸附剂与所述石膏混合以形成混合物；
将所述混合物进料到所述煅烧反应器中；
在所述反应器内煅烧所述石膏以形成灰泥；和
将所述汞吸附剂保留在所述灰泥中，
其中煅烧所述石膏期间的汞损失小于煅烧不含汞吸附剂的石膏期间的汞损失。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述汞吸附剂选自活性炭、卤化活性炭及其混合物，并且所述汞吸附剂是以基于反应器内放置的材料总重量的约0.01至约2.00wt％的量提供到所述反应器中。
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