CN104487170A - 增强飞灰收集 - Google Patents

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Abstract

一种在不需要向废气添加硫酸酐(SO3)的情况下增强飞灰收集的过程可以包括：提供一种包括飞灰及由一燃煤锅炉产生的多种燃烧气体的废气；向所述废气注入一微粒电阻率辅助剂；以及随后以一冷侧静电除尘器(ESP)收集所述飞灰及所述微粒电阻率辅助剂。

Description

增强飞灰收集
相关申请的交叉引用
本申请对在2012年7月20日提交的美国61/674,283号临时专利申请(U.S.Provisional Patent Application Number 61/674,283)提出优先权要求，而且据此将所述美国临时专利申请全部并入本文。
技术领域
本发明涉及用于俘获飞灰(例如因煤炭燃烧而产生的飞灰)的多种药剂以及使用静电除尘器对飞灰俘获过程进行的多种改进。
背景技术
静电除尘器(electrostatic precipitators,ESPs)已经用于许多工业，例如用于水泥、炼油与石油化学、纸浆与造纸以及发电等工业。虽然静电除尘器的物理操作颇为简单，而且用于每一工业的静电除尘器实质上一样，都涉及微粒充电、收集、沉积及清除，但静电除尘器的大小分级较为复杂。
用于除尘器的大小分级的典型方程是下列德国修正方程：
Efficiency＝1-e-(A/V·w)y(注：Efficiency为效率)。其中A为收集电极表面积、V为气体容积、w为沉淀率。指数y为一变数，其基于每一具体应用的测试数据。影响除尘器的大小分级的其他因素包括：气体容积、除尘器入口负荷、除尘器出口负荷、出口不透明度、微粒电阻率、以及微粒大小。
微粒电阻率用于描述一介质对电流流动的电阻特性的物理量。根据定义，以ohm-cm为单位的电阻率是体积为1cm3的粉尘采样的电阻。电阻率水平一般分成三种范围：低于1x108ohm-cm为“低”；介于1x108ohm-cm至2x1011ohm-cm之间为“中”；高于2x1011ohm-cm为“高”。
对静电除尘器而言，中电阻率范围中的微粒是最可接受的。低电阻率范围中的微粒容易充电；然而在与收集电极接触时，这些低电阻率微粒迅速地失去它们的负电荷，而且被重新夹带到气流中而逃脱或被电晕场再充电。高电阻率范围中的微粒可能引起负效电晕，负效电晕是一种因收集电极的表面被一层不导电材料涂敷而引起在收集电极发生的局部放电现象。
电阻率受废气温度及调节剂的影响，比如受废气中湿气及灰化学的影响。导电化学物质将趋向减低电阻率水平，而绝缘化学物质(比如二氧化硅、三氧化二铝及钙)将趋向增加电阻率。在遇到高电阻率的情况下，比如在电力工业使用低硫煤时，以硫酸酐(SO3)来调节废气可以使电阻率减低至一更佳值，因此得以减低所需要的除尘器的大小。
静电除尘器也按照进入静电除尘器的废气的温度来分组：冷侧静电除尘器用于温度大约为204℃(400°F)或更低的废气；热侧静电除尘器用于温度高于300℃(572°F)的废气。
在描述安装于工业锅炉或电站锅炉或安装于使用热回收设备的静电除尘器时，冷侧及热侧也指静电除尘器相对于燃烧空气预热器的放置。冷侧静电除尘器位于空气预热器的后面，而热侧静电除尘器则位于空气预热器的前面。空气预热器是一管段，其预热在锅炉中用于燃烧燃料的燃烧空气。当来自一工业过程的热废气流经一空气预热器时，热交换过程发生；通过热交换过程，来自所述废气的热传递到燃烧气流。因此废气在其流经燃烧空气预热器时“冷却”。加热的燃烧空气被送到燃烧器，用于燃烧燃气、燃油、煤炭或其他燃料(包括垃圾)。
发明内容
本发明的第一实施例是一种在不需要向废气添加硫酸酐(SO3)的情况下增强飞灰收集的过程。所述过程涉及：提供一种包括飞灰及由一燃煤锅炉产生的多种燃烧气体的废气；向所述废气注入一微粒电阻率辅助剂；以及随后以一冷侧静电除尘器(ESP)收集所述飞灰及所述微粒电阻率辅助剂。
本发明的另一实施例是一种增强飞灰收集的过程，所述过程涉及：提供一种包括温度介于大约150℃至大约250℃的范围之间、电阻率介于大约1011ohm-cm至大约1014ohm-cm的范围之间(例如电阻率高于2x1011ohm-cm)的飞灰及由一燃煤锅炉产生的多种燃烧气体的废气；向所述废气注入一微粒电阻率辅助剂；以及随后以一冷侧静电除尘器(ESP)收集所述飞灰及所述微粒电阻率辅助剂。
本发明的再另一实施例是一种增强飞灰收集的过程，所述过程涉及：提供一种包括飞灰及由一燃用美国“粉河盆地”(Powder Ri ver Basin)煤炭的燃煤锅炉产生的多种燃烧气体的废气；向所述废气注入一微粒电阻率辅助剂，从而使所述飞灰的电阻率减低一个数量级(ohm-cm)；以及随后以一冷侧静电除尘器(ESP)收集所述飞灰及所述微粒电阻率辅助剂。
本发明的又另一实施例是选自由一硅酸盐、一铝酸盐、一金属氧化物、一聚合物担体及它们的多种混合物组成的组合的一种微粒担体；以及由所述微粒担体承载的一电阻率药剂的一种微粒电阻率辅助剂。
附图说明
为了更完整地理解本发明，应结合参阅下列具体实施方式及附图，其中：
图1为一描绘飞灰及存在本说明书中所描述的微粒电阻率辅助剂(“R.A.”)的飞灰的电阻率的图形。
虽然附图中图解具体的实施例，但因本发明意在例证，因此这些实施例并非意在限制本说明书中所描述及图解的发明的范围。
具体实施方式
本说明书中描述的是一种在不需要向废气添加硫酸酐(SO3)的情况下增强飞灰收集的过程。优选地，所述过程基本上或完全不需要向废气添加硫酸酐(SO3)；次优选地，所述过程包括减少向废气添加硫酸酐(SO3)，但不是免除向废气添加硫酸酐(SO3)。所描述的过程包括减低飞灰的电阻率，从而在静电除尘器(ESP)中增强飞灰的收集。重要的是，所述过程包括所述影响飞灰的电阻率的药剂(即所述微粒电阻率辅助剂)的收集。
本说明书中使用的“飞灰”一词具有其通常理解的意思；更确切地说，“飞灰”是指由化石燃料(包括煤、石油及褐煤)燃烧产生的(硅酸盐、铝酸盐及其他)不可燃固体微粒。产生自所述燃烧过程的飞灰的电阻率以单位ohm-cm来测量。在本说明书中，“天然飞灰电阻率”一词是指飞灰在离开锅炉之后及在(为了增大电阻率)而通过向飞灰添加化学物之前的电阻率。更确切地说，“天然飞灰电阻率”是指在考虑(例如)可能影响锅炉及静电除尘器(ESP)之间的飞灰的电阻率的内嵌式处理单元(例如选择性催化还原(SCR)单元)的情况下，所产生的飞灰在到达静电除尘器(ESP)时的电阻率。本说明书中使用的“混合物电阻率”一词是指所述飞灰及本说明书中所描述的微粒电阻率辅助剂的混合物的电阻率。值得注意的是，“天然飞灰电阻率”及“混合物电阻率”作为温度的函数而变化，不同电阻率(不论是飞灰电阻率及/或混合物电阻率)之间的任何比较，其温度条件相同或处于一足够小的温度范围内，以消除温度对电阻率的影响。
在第一实施例中，所述增强飞灰收集的过程包括：提供一种包括飞灰及由一燃煤锅炉产生的多种燃烧气体的废气；向所述废气注入或添加一微粒电阻率辅助剂(例如形成一种包括所述飞灰及所述微粒电阻率辅助剂的混合物)；以及随后以一冷侧静电除尘器(ESP)收集所述飞灰及所述微粒电阻率辅助剂(所述混合物)。优选地，所述过程在不需要向废气添加硫酸酐(SO3)的情况下增强飞灰收集。
在另一实施例中，所述增强飞灰收集的过程包括：提供一种温度介于大约120℃或大约150℃至大约250℃或大约300℃的范围之间的废气，所述废气包括电阻率(天然飞灰电阻率)介于大约1011ohm-cm至大约1014ohm-cm的范围之间(优选电阻率高于2x1011ohm-cm)的飞灰及由一燃煤锅炉产生的多种燃烧气体；向所述废气注入一微粒电阻率辅助剂；以及随后以一冷侧静电除尘器(ESP)收集所述飞灰及所述微粒电阻率辅助剂。优选地，飞灰电阻率减低至大约108ohm-cm至大约1011ohm-cm的范围之间(混合物电阻率)；更优选地，所述混合物电阻率低于2x1011ohm-cm。
在又另一实施例中，所述增强飞灰收集的过程可以包括：提供一种包括飞灰及由一燃用美国“粉河盆地”(Powder River Basin)煤炭的燃煤锅炉产生的多种燃烧气体的废气；向所述废气注入一微粒电阻率辅助剂，从而使所述飞灰的电阻率减低至少大约一个数量级(ohm-cm)；以及随后以一冷侧静电除尘器(ESP)收集所述飞灰及所述微粒电阻率辅助剂。
在这些实施例中，所述过程优选地使来自所述静电除尘器(ESP)的微粒排放(例如飞灰排放)最少减低大约10％、大约20％、大约30％、大约40％或大约50％。在多电场静电除尘器(ESPs)中，微粒排放的减低可以在每一电场之后测量。在一个优选实施例中，一第一电场静电除尘器(ESP)所收集的质量分数至少增加5％。更确切地说，由所述静电除尘器(ESP)中的第一电场收集的微粒百分比至少增加5％(例如从大约90％增加至大约95％)。
在这些实施例中，所述微粒电阻率辅助剂优选地包括一微粒担体及一电阻率辅助剂。优选地，所述微粒担体承载所述电阻率药剂，其中“承载”包括所述微粒担体与所述电阻率药剂之间的任何物理化学关系。更确切地说，“承载”可以包括所述电阻率药剂粘附到所述微粒担体的一表面、所述电阻率药剂向所述微粒担体的一表面离子键合或静电键合、所述电阻率药剂嵌入至所述微粒担体内或嵌入至所述微粒担体的多层内或多层之间。优选地，“承载”排除在与一气体混合时或在散布至一气体中时完全分离的、所述微粒担体与所述电阻率药剂的混合物。更优选地，所述微粒电阻率辅助剂主要由承载所述电阻率药剂的所述微粒担体组成。
所述微粒担体可以选自多种硅酸盐、铝酸盐、金属氧化物(例如过渡金属-如钛酸盐、钒酸盐、钨酸盐、钼酸盐及高铁酸盐；以及碱及/或碱土金属氧化物-如氧化钙)、聚合物担体以及它们的混合物。微粒担体的例子包括但不限于页硅酸盐(例如蛭石、蒙脱石、斑脱岩及高岭石)、水铝英石、石墨、石英以及它们的混合物。
优选地，所述微粒担体不影响飞灰的电阻率，即不影响天然飞灰电阻率。更优选地，所述微粒担体不减低天然飞灰电阻率。更为优选地，在以少于大约50wt.％、25wt.％、10wt.％、5wt.％或2.5wt.％的重量比率添加至所述飞灰时，所述微粒担体不使天然飞灰电阻率减低超过大约五的因数。更为优选地，在不含所述电阻率药剂时，所述微粒担体的微粒担体电阻率等于或大于天然飞灰电阻率。
所述微粒电阻率辅助剂包括由所述微粒担体承载的一电阻率药剂。所述电阻率药剂优选地影响飞灰的电阻率。在一个实施例中，一未被承载的电阻率药剂可能有能力影响飞灰的电阻率，但已发现由所述微粒担体承载的所述电阻率药剂对飞灰的电阻率有增强影响。更确切地说，由所述微粒担体承载的所述电阻率药剂的活性(按天然飞灰电阻率的减低而测定者)在电阻率药剂的克/克基础上高于所述未被承载的电阻率药剂。例如，一千克的被承载的电阻率药剂(由足够数量的所述微粒担体承载)的活性高于一千克的未被承载的电阻率药剂的活性。所述被承载的电阻率药剂的活性增强(与所述未被承载的电阻率药剂的活性相比)，尽管所述微粒担体(在不含所述电阻率药剂时)的电阻率。在成份上，所述电阻率药剂可以包括铁、铜、锡、钛、钙、钠及它们的混合物。在一优选实施例中，所述电阻率药剂包括铁、铜、锡、钛、钙、钠等元素的硫化物或它们的混合物。所述硫化物可以是电极硫化物、聚硫化物或硫醇盐。所述电阻率药剂的一个特别优选组合包括铜及硫(例如铜硫化物)。所述电阻率药剂的另一个特别优选组合包括钠及硫(例如钠硫化物)。
一个特别优选的微粒电阻率辅助剂由承载一电阻率药剂的所述微粒担体组成。在这里，所述微粒担体是页硅酸盐，优选地是斑脱岩。所述电阻率药剂可以是由所述页硅酸盐承载的一种或多种化合物，但包括一种水溶性碱金属盐。所述水溶性碱金属盐可选自钠盐、钾盐及其混合物；优选地，所述水溶性碱金属盐是钠盐(例如氯化钠、天然碱、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠或它们的混合物)。值得注意的是，除了所述水溶性碱金属盐之外，所述电阻率药剂还可以包括过渡金属(例如第一行过渡金属)或过渡金属化合物。
值得注意的是，在所述微粒电阻率辅助剂中，所述微粒担体对所述电阻率药剂的重量比率优选地介于大约1:1(大约50wt.％的电阻率药剂)至大约99:1(大约1wt.％的电阻率药剂)的范围之间，或介于大约4:1(大约20wt.％的电阻率药剂)至大约19:1(大约5wt％的电阻率药剂)的范围之间。例如，所述微粒电阻率辅助剂可以包括大约0.5wt.％、大约1wt.％、大约2wt.％、大约3wt.％、大约4wt.％、大约5wt.％、大约10wt.％、大约15wt.％、大约20wt.％、大约25wt.％、大约30wt.％、大约35wt.％、大约40wt.％、大约45wt.％或大约50wt.％的所述电阻率药剂。
所述微粒电阻率辅助剂的制造，可以通过任何提供由所述微粒担体承载的所述电阻率药剂的方法来进行。一个例子是一种初湿含浸过程，其中所述电阻率药剂及所述微粒担体以足够的液体(以水为优选)剪切以促进所述电阻率药剂与所述微粒担体之间的相互作用或反应，以及随后去除全部或大部分液体。优选地，所述微粒电阻率辅助剂不是通过干掺合所述微粒担体及所述电阻率药剂来制造，这是由于干掺合程序一般产生所述材料的混合物，而不是产生本说明书中揭示的微粒电阻率辅助剂。在受限制的情况下，当所掺合的材料足够溶剂化(例如足够水合)而可在掺合过程期间产生自由溶剂(水)时，使用干掺合法是可能的。
所述增强飞灰收集的过程进一步包括向所述废气注入所述微粒电阻率辅助剂。所述微粒电阻率辅助剂的注入位置可以是在一空气预热器与所述静电除尘器(ESP)之间，或是在所述空气预热器的上游/之前。当所述微粒电阻率辅助剂在所述空气预热器之前注入时，所述微粒电阻率辅助剂在由所述静电除尘器(ESP)收集之前流经所述空气预热器。
在一优选实施例中，向所述飞灰注入所述微粒电阻率辅助剂，以产生所述飞灰及所述微粒电阻率辅助剂的混合物，混合物包括大约0.1wt.％至大约5wt.％或大约0.1wt％至大约1wt％的所述微粒电阻率辅助剂；例如，包括大约0.1wt.％、大约0.2wt.％、大约0.3wt.％、大约0.4wt.％、大约0.5wt.％、大约0.6wt.％、大约0.7wt.％、大约0.8wt.％、大约0.9wt.％、大约1wt.％、大约1.25wt.％、大约1.5wt.％、大约1.75wt.％、大约2wt.％、大约2.5wt.％、大约3wt.％、大约3.5wt.％、大约4wt.％、大约4.5wt.％或大约5wt.％的所述微粒电阻率辅助剂的混合物。当飞灰以一每小时平均重量的流率流经废气管之时，所述微粒电阻率辅助剂可以注入所述废气管，从而使废气与飞灰以一每小时平均重量的速率混合，产生包括大约1wt.％至大约5wt.％的所述微粒电阻率辅助剂的飞灰-微粒电阻率辅助剂混合物。例如，如果一燃煤锅炉每小时产生80kg的飞灰，可以以每小时大约0.8kg(大约1wt.％)至大约4kg(大约5wt.％)的速率，向运载飞灰的所述废气管注入所述微粒电阻率辅助剂。

Claims (22)

1.一种增强飞灰收集的过程，包括：
提供一种包括具有一天然飞灰电阻率的飞灰及由一燃煤锅炉产生的多种燃烧气体的废气；
向所述废气添加一种主要由承载一电阻率药剂的一微粒担体组成的微粒电阻率辅助剂；
使所述天然飞灰电阻率减低至一混合物电阻率；以及随后
以一冷侧静电除尘器(ESP)收集所述飞灰及所述微粒电阻率辅助剂的混合物；
其中所收集的飞灰的质量分数在没有添加硫酸酐(SO3)的情况下增加。
2.根据权利要求1所述的过程，其中一第一电场静电除尘器(ESP)所收集的质量分数至少增加5％。
3.根据权利要求1所述的过程，其中来自所述静电除尘器(ESP)的飞灰排放最少减低10％。
4.根据权利要求1所述的过程，其中所述微粒电阻率辅助剂在一空气预热器与所述静电除尘器(ESP)之间注入所述废气。
5.根据权利要求1所述的过程，其中所述微粒电阻率辅助剂在一空气预热器之前注入所述废气；及其中所述微粒电阻率辅助剂在由所述静电除尘器(ESP)收集之前流经所述空气预热器。
6.根据权利要求1所述的过程，其中向所述飞灰注入所述微粒电阻率辅助剂的步骤产生所述飞灰及所述微粒电阻率辅助剂的混合物，所述混合物包括的所述微粒电阻率辅助剂的重量比率介于大约0.1wt.％至大约5wt.％的范围之间。
7.根据权利要求1所述的过程，其中所述微粒担体不减低所述天然飞灰电阻率。
8.根据权利要求1所述的过程，其中所述微粒担体具有的担体电阻率大于所述天然飞灰电阻率。
9.根据权利要求1所述的过程，其中所述电阻率药剂包括一种水溶性碱金属盐。
10.根据权利要求9所述的过程，其中所述水溶性碱金属盐选自一种钠盐、一种盐及其一种混合物。
11.根据权利要求10所述的过程，其中所述水溶性碱金属盐是一种钠盐。
12.根据权利要求9所述的过程，其中所述电阻率药剂进一步包括一过渡金属。
13.根据权利要求1所述的过程，其中在所述微粒电阻率辅助剂中，所述微粒担体对所述电阻率药剂的重量比率介于大约1:1(50wt.％)至大约99:1(1wt.％)的范围之间。
14.根据权利要求13所述的过程，其中所述微粒担体对所述电阻率药剂的重量比率介于大约4:1(20wt.％)至大约19:1(5wt.％)的范围之间。
15.一种增强飞灰收集的过程，包括：
提供一种包括温度介于大约150℃至大约250℃的范围之间、电阻率介于大约1011ohm-cm至大约1014ohm-cm的范围之间的飞灰及由一燃煤锅炉产生的多种燃烧气体的废气；
向所述废气注入一微粒电阻率辅助剂；以及随后
以一冷侧静电除尘器(ESP)收集所述飞灰及所述微粒电阻率辅助剂。
16.根据权利要求15所述的过程，其中注入所述微粒电阻率辅助剂的步骤使所述混合物电阻率减低至大约108至2x1011ohm-cm的范围之间。
17.一种增强飞灰收集的过程，包括：
提供一种包括飞灰及由一燃用美国“粉河盆地”(Powder Ri ver Basin)煤炭的燃煤锅炉产生的多种燃烧气体的废气；
向所述废气注入一微粒电阻率辅助剂，从而使所述飞灰的电阻率减低一个数量级(ohm-cm)；以及随后
以一冷侧静电除尘器(ESP)收集所述飞灰及所述微粒电阻率辅助剂。
18.一种微粒电阻率辅助剂，包括：
一微粒担体，所述微粒担体选自由一硅酸盐、一铝酸盐、一金属氧化物、一聚合物担体及它们的多种混合物组成的组合；以及
一电阻率药剂，所述电阻率药剂由所述微粒担体承载。
19.根据权利要求18所述的微粒电阻率辅助剂，其中所述电阻率药剂包括一种水溶性碱金属盐。
20.根据权利要求18所述的微粒电阻率辅助剂，其中所述微粒电阻率辅助剂主要由所述微粒担体及所述电阻率药剂组成，
其中所述电阻率药剂包括一种水溶性碱金属盐。
21.根据权利要求18所述的微粒电阻率辅助剂，其中在所述微粒电阻率辅助剂中，所述微粒担体对所述电阻率药剂的重量比率介于大约1:1至大约99:1的范围之间。
22.根据权利要求21所述的微粒电阻率辅助剂，其中所述微粒担体对所述电阻率药剂的重量比率介于大约4:1至大约19:1的范围之间。
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