CN108602014A - 用于汞修复的煤的酶处理 - Google Patents

Abstract

在燃烧前，通过用酶处理煤，任选地用某些不含溴的粉末吸附剂进一步处理煤，可降低汞、NO_x和/或SO_x的排放。将所述步骤一起使用，可将汞降低40％以上，NO_x降低20％以上。有利地，在修复步骤中不引入溴。

Description

用于汞修复的煤的酶处理

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年12月2日提交的美国临时申请号62/261,933的优先权。上述申请的全部公开内容以引证的方式纳入本申请。

引言

为了保护环境并改善公共健康，燃煤设备(例如电力设施)正采用各种策略来减轻或修复有害物质(例如NO_x、SO_x和汞)释放到环境中。为此，已经提供了许多基于吸附剂的修复方法。

当将活性炭注入燃煤熔炉下游的烟道中时可以除去汞。优选在位于颗粒收集装置下游的烟道区域中进行注入。以这种方式，飞灰在被碳污染之前被除去。

已发现卤素(尤其是溴)可有效降低汞的排放。无论在何处注入，都认为溴会促进单质汞——天然地存在于煤中——氧化成汞离子，其是水溶性的并且易于通过洗涤器等除去。在该领域中值得提及的是Vosteen教授在US 6,878,358和Oehr教授在US 6,808,692中的工作，尽管US 6,808,692的公开内容局限于将溴应用于熔炉下游的烟道气中。

尽管使用溴来除去汞具有优点，但已发现在一些装置中使用溴具有其他缺点。一个缺点是可能增强与溴接触的设备的腐蚀性。另一个缺点是溴是一种潜在的水污染物。由于这些原因，工业上正在寻求无需使用溴而减少或消除汞排放的解决方案。

概要

通过利用煤的酶处理，任选地使用某些不含溴的粉末吸附剂来进一步处理，可实现汞、NO_x和/或SO_x的显著降低。将所述步骤一起使用，可将汞降低40％以上，并且将NO_x降低20％以上。有利地，在修复步骤中不引入溴。酶处理包括将煤与氧化还原酶的水溶液接触，并且在施加后使酶与煤材料反应一段时间。

出乎意料地，观察到单独的酶处理有助于显著降低汞的排放。添加使用粉末吸附剂的处理可将NO_x的去除增加到预料不到的程度。所观察的结果是剂量依赖性的，因此可视需要通过增加酶或粉末吸附剂组分的施用率来实现更高的汞、NO_x和SO_x修复水平。

详述

在一个实施方案中，燃烧煤以降低汞排放的方法包括以下步骤：使用酶组合物处理煤，将酶组合物施加到煤上并反应一段时间以制备经酶处理的煤；然后在燃煤设备的熔炉中燃烧经酶处理的煤以产生热能和烟道气。在多种实施方案中，所述方法还包括测量烟道气中汞的量，并且如果所测量的汞的量高于或低于目标水平，则调节处理步骤。以这种方式可实现所需水平的汞排放。酶组合物包含水、酶以及任何所需的酶辅助因子，所有这些都在使酶呈活性的pH下的溶液中。

在多种实施方案中，调节处理步骤包括施加更大量的酶组合物、施加更少量的酶组合物、反应更短的时间或反应更长的时间。可在酶组合物包含在酶的EC编号分类中归类为EC 1的氧化还原酶的情况下进行该方法。在某些实施方案中，酶组合物包含催化氧化还原反应的氧化酶，所述氧化还原反应涉及分子氧作为电子受体。在一个实例中，酶组合物包含一种或更多种丙酮酸脱氢酶复合物组分。

某些酶需要辅因子来进行适当的操作。在示例性实施方案中，酶组合物包含一种或更多种已知的辅因子NAD、NADP和FADP。

在酶组合物的示例性实施方案中，酶包括漆酶、丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酰转乙酰酶或二氢硫辛酰脱氢酶，并且辅因子包括辅酶A、CoA-SH、硫胺素焦磷酸盐、硫辛酸、黄素腺嘌呤二核苷酸或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。

为提高减排量，所述方法可包括另外的步骤：在燃烧之前，将包含硅铝酸盐材料的粉末吸附剂施加到煤上；或者在将经酶处理的煤进料至熔炉中进行燃烧时，将包含硅铝酸盐材料的粉末吸附剂连同煤一起进料至熔炉中。例如，粉末吸附剂包括硅铝酸盐粘土和一种或更多种硅酸盐水泥和水泥窑粉尘。

在某些实施方案中使用低碱和低卤素粉末吸附剂。在一个实例中，粉末吸附剂包含小于0.5重量％的Na₂O、小于0.5重量％的K₂O或小于0.5重量％的氯。在另一个实例中，粉末吸附剂包含小于0.1重量％的Na₂O、小于0.1重量％的K₂O和小于0.5重量％的氯。在多种实施方案中，Na₂O和K₂O中的一者或两者小于或等于0.5重量％、小于或等于0.1重量％或小于或等于0.05重量％。除低碱含量外，粉末吸附剂还具有低含量的卤素。在多种实施方案中，氯的含量小于0.5％、小于0.3％、小于0.1％或小于0.03％。

在另一个实施方案中，提供了一种无需向燃煤系统中添加任何含溴组分而降低燃煤工厂的汞排放的方法。所述方法包括用酶处理煤，以及在包含硅铝酸盐材料的粉末吸附剂的存在下燃烧经酶处理的煤。

粉末吸附剂可具有上文列举的并在下文进一步描述的特征。例如，在一个实施方案中，粉末吸附剂包含二氧化硅、氧化铝和钙。在另一个实施方案中，粉末吸附剂包含硅铝酸盐粘土。在某些实施方案中，粉末吸附剂组分包含波兰特水泥或水泥窑粉尘。

在多种实施方案中，粉末吸附剂包含在酶处理之前、期间或之后添加到煤中的组分。替代地或另外地，将粉末吸附剂连同经酶处理的煤一起加入熔炉中。在某些实施方案中，粉末吸附剂另外包含钙粉。

在某些实施方案中，使用包含小于0.5重量％的Na₂O、小于0.5重量％的K₂O或小于0.5重量％的氯的低碱粉末吸附剂。在非限制性实例中，粉末吸附剂包含小于0.1重量％的Na₂O、小于0.1重量％的K₂O和小于0.5重量％的氯。在多种实施方案中，Na₂O和K₂O中的一者或两者小于或等于0.5重量％、小于或等于0.1重量％或小于或等于0.05重量％。除低碱含量外，粉末吸附剂还具有低含量的卤素。在多种实施方案中，氯的含量小于0.5％、小于0.3％、小于0.1％或小于0.03％。

在本文公开的这些和其他实施方案中，除低含量的氯外，粉末吸附剂还类似地具有低含量的溴(小于0.5重量％、小于0.1重量％、小于0.05重量％或小于0.01重量％的溴)或基本上不含溴。

煤厂操作员使用本文描述的方法可以实现这样的结果：其中，相对于煤在不进行酶处理且不使用粉末吸附剂的情况下进行燃烧时产生的排放，汞的排放减少至少40％和NO_x的排放减少至少20％。有利地，所述方法不会对工厂设备或在设施周围的环境中施加任何进一步的卤素或溴负荷。

下文为本发明的教导的各个方面的示例性而非限制性的说明。描述了使用酶、辅因子、缓冲剂、粉末吸附剂、硅铝酸盐、钙粉等的多种可行性，其中一个方面的任何变型可与其他方面的变型结合以获得其他实施方案的描述。

酶组合物——酶

除了用于将pH调节至使酶呈活性的pH的缓冲物质外，用于处理煤的酶组合物还包含酶和任何必需的辅因子。在优选的实施方案中，在使用前将酶组合物储存在低于15℃或在4℃至10℃范围内的温度下。

酶包括催化氧化还原反应的酶。这些酶称为氧化还原酶，例如在酶的EC编号分类中归类为EC 1的那些酶。进一步将氧化还原酶分为22个亚类：

·EC 1.1包括作用于供体的CH-OH基团的氧化还原酶(醇氧化还原酶)

·EC 1.2包括作用于供体的醛基或氧代基团的氧化还原酶

·EC 1.3包括作用于供体的CH-CH基团的氧化还原酶(CH-CH氧化还原酶)

·EC 1.4包括作用于供体的CH-NH₂基团的氧化还原酶(氨基酸氧化还原酶，单胺氧化酶)

·EC 1.5包括作用于供体的CH-NH基团的氧化还原酶

·EC 1.6包括作用于NADH或NADPH的氧化还原酶

·EC 1.7包括作用于作为供体的其他含氮化合物的氧化还原酶

·EC 1.8包括作用于供体的硫基团的氧化还原酶

·EC 1.9包括作用于供体的血红素基团的氧化还原酶

·EC 1.10包括作用于作为供体的二酚和相关物质的氧化还原酶

·EC 1.11包括作用于作为受体的过氧化物的氧化还原酶(过氧化物酶)

·EC 1.12包括作用于作为供体的氢的氧化还原酶

·EC 1.13包括作用于单个供体并掺入分子氧的氧化还原酶(加氧酶)

·EC 1.14包括作用于配对供体并掺入分子氧的氧化还原酶

·EC 1.15包括作用于作为受体的超氧化物自由基的氧化还原酶

·EC 1.16包括氧化金属离子的氧化还原酶

·EC 1.17包括作用于CH或CH₂基团的氧化还原酶

·EC 1.18包括作用于作为供体的铁-硫蛋白的氧化还原酶

·EC 1.19包括作用于作为供体的还原型黄素氧还蛋白的氧化还原酶

·EC 1.20包括作用于供体中的磷或砷的氧化还原酶

·EC 1.21包括作用于X-H和Y-H以形成X-Y键的氧化还原酶

·EC 1.97包括其他氧化还原酶

能够催化氧化和还原反应的酶的另一种分类方法参见由国家医学图书馆建立的医学主题词表(MeSH)。在MeSH中，分类D08.811用于酶类，其中亚类D08.811.682预留给氧化还原酶类。这些包括下列：

氧化还原酶类

[D08.811.682]

醇氧化还原酶类[D08.811.682.047]+

砷酸盐还原酶类[D08.811.682.113]

抗坏血酸氧化酶[D08.811.682.180]

血浆铜蓝蛋白[D08.811.682.226]

电子传递复合物IV[D08.811.682.285]

氢化酶[D08.811.682.400]

漆酶[D08.811.682.494]

荧光素酶类[D08.811.682.517]+

5,10-亚甲基四氢叶酸还原酶(FADH2)[D08.811.682.550]

NADH、NADPH氧化还原酶类[D08.811.682.608]+

固氮酶[D08.811.682.647]+

硝基还原酶类[D08.811.682.655]+

作用于醛基或氧代基团供体的氧化还原酶类

[D08.811.682.657]+

作用于CH-CH基团供体的氧化还原酶类[D08.811.682.660]+

作用于CH-NH基团供体的氧化还原酶类[D08.811.682.662]+

作用于CH-NH₂基团供体的氧化还原酶类

[D08.811.682.664]+

作用于硫基团供体的氧化还原酶类[D08.811.682.667]+

氧化还原酶类，O-脱甲基化[D08.811.682.670]+

加氧酶[D08.811.682.690]+

甲硫氨酸亚砜还原酶类[D08.811.682.730]

过氧化物酶类[D08.811.682.732]+

质体醌-质体蓝素还原酶[D08.811.682.771]

核糖核苷酸还原酶类[D08.811.682.810]+

琥珀酸盐细胞色素c氧化还原酶[D08.811.682.830]+

超氧化物歧化酶[D08.811.682.881]

尿酸氧化酶[D08.811.682.943]

表中的“+”表明存在归类于所述标题下的其他个别酶类。因此例如，醇还原酶类包括以下亚类：碳水化合物脱氢酶类(其中本文未进一步记录亚类的亚类)、羟基类固醇脱氢酶类、乳酸脱氢酶类、依赖NAD(+)和NADP(+)的醇氧化还原酶类、黄嘌呤脱氢酶和黄嘌呤氧化酶。所有这些市售可得的酶都被认为适用于根据本发明教导的酶处理煤。

因此，在多种实施方案中，具有合适的氧化还原能力的酶类选自在EC 1分类或D08.811.682MeSH标题中列举的那些。

在多种实施方案中，酶包括漆酶-同工酶、丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酰转乙酰酶或二氢硫辛酰脱氢酶。后三者为丙酮酸脱氢酶复合物的组分。

还可使用酶的组合。

酶组合物-辅因子

某些氧化还原酶类需要辅因子才能起作用。这些辅因子是众所周知的，并且包括NAD(烟碱腺嘌呤二核苷酸)、NADP(烟碱腺嘌呤二核苷酸磷酸)、FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)和FADP(黄素腺嘌呤二核苷酸磷酸)。这些辅因子中的每一种进而可以氧化形式或还原形式存在。例如，NAD+为NAD的氧化形式。它是一种氧化剂，接受来自其他分子的电子并被还原。NADH为相应的还原剂。视需要，并且如果辅因子未包含在购买的酶样品中，则可将辅因子连同酶一起提供在酶组合物中。

酶组合物-缓冲剂

大多数酶类在接近生理pH的pH下具有活性。因此，通常在约中性pH下，或取决于酶，在约5或5.5的pH至约8.5或9的pH下，对酶组合物进行缓冲。约6至8的pH涵盖了许多酶类的活性pH范围。缓冲体系是酶研究中的标准，在此不再进一步描述。可提及的是，视需要，缓冲剂浓度可以是低的，甚至在0.01M以下的量级。用于缓冲pH的化合物的非限制性且简单的实例为分子乙酸铵，其本身为弱酸和弱碱的离子盐，在接近7的pH下缓冲。

酶处理煤

酶处理煤意指将煤暴露于酶组合物中，并使酶在与煤接触时反应。尽管本发明的教导不受理论限制，但认为酶处理导致煤的部分氧化或还原，或酶处理破坏某些键或以其他方式反应以在随后的燃烧中改变煤的反应性。例如，酶组合物可分裂煤“分子”、裂解长链有机键和/或帮助分解纤维状碳、油蜡、凝胶和杂质。根据经验，观察到根据本发明的教导处理的煤在随后燃烧时排放较低水平的汞。

用酶组合物处理煤，方法是将组合物施加到煤上并反应足够的一段时间，使得煤在燃烧时相比未经这样处理的煤从烟道中排放更低水平的汞。在实践中，用酶组合物润湿煤是一种将所需量的酶输送到固体煤上的方法。以这种方式，将煤与溶液中的酶即酶组合物紧密接触。酶组合物的施加可使用任何合适的方式(例如喷雾法、倾倒法等)完成。目的是将酶尽可能多地施加到煤的表面上。

施加到煤上的酶的量取决于多种因素。在非限制性实施方案中，将酶以ppm(百万分之一重量份)的量施用于煤上。范围包括0.01至100ppm，其中下限受限于产生可测量的效果的需求，而范围的上限受限于诸如成本高昂的因素。在多种实施方案中，所述范围包括0.1至100ppm、0.1至25ppm、0.1至10ppm和1至10ppm。为了将这些ppm水平的酶施用于煤上，应考虑待处理的煤的量。然后计算酶的ppm重量，并将所述量的酶溶于水溶液中以制成酶组合物。然后将全部的酶组合物施用于煤上，如本文进一步所解释的。

反应的时间段同样取决于多种因素。已发现可以接受数小时至数天的时间段，如工作实施例中所示。通常，将时间段选择为至少1小时、至少3小时、至少12小时或至少一天(24小时)。将最大时间段限制在可行的范围内(以节省周转时间)，但可为5天、4天、3天、2天、1天、12小时或3小时。可结合这些最小值和最大值以提供合适的反应时间段的范围。其他因素为可被调节以增加或减少酶处理效果的那些因素，与未经酶处理相比，这种效果被测量为汞排放的降低。

本发明的“煤”指的是任何煤。例如，煤可为冶金煤或动力煤。煤包括无烟煤、半无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤和泥煤。煤可以是破碎的煤(例如，具有尺寸小于5mm的颗粒)或煤粉。煤的尺寸没有特别限制，但在一些实施方案中优选约100至300目。酶处理的效率可取决于煤尺寸的降低而得到提高。

在将酶组合物施用于煤之后，存在另一反应时间段，之后对经酶处理的煤进行燃烧。在该时间段期间，认为所施加的酶催化煤底物上的多种氧化和还原反应，并且这些反应以这样的方式对煤进行改性，使得根据经验所观察到的汞排放降低。这与目前对煤结构的理解是一致的，其被认为是提供了大批丰富的官能团，这些官能团被氧化或还原并且可以为酶类提供合适的底物。

取决于反应时间长度的实际问题，酶处理方法可以以连续方式或分批方法进行。对于连续方法，当将煤连续输送到料斗或料仓中时，可将酶组合物喷洒到煤上。同时，料斗或料仓中的输送装置将具有以连续方式施加的酶的煤输送到出口。将经酶处理的煤从出口处通过例如传送带连续进料至熔炉中进行燃烧。料斗、料仓或其他工厂组件的体积和尺寸，以及在组件的入口和出口处连续带的操作和速度，决定了平均停留时间，该时间相当于使酶与煤反应所需的时间段。

在分批方法中，将酶组合物施加到所测量的量的煤上，并将煤储存一段时间，该时间相当于反应时间段，然后分批输送到熔炉中进行燃烧。

将酶处理建模为其中酶催化煤底物上的反应的化学过程。然后，可通过提供影响这些化学反应的速率的条件来影响酶处理的进展。如果可以加快反应速率，则原则上可减少反应时间，以便用更少的反应时间实现相同的汞减排。相反，如果给定的条件提供了足够的减排量，则可以缩减反应或“降低”条件，以便使用更温和(和更廉价)的条件来实现相同的减排。或者，如果由于任何原因所实现的减排水平超出了所需的水平或高于某些工厂设备可以维持的水平，则同样可以调回条件以达到所需的降低水平。

影响用酶组合物对煤进行酶处理的时间段的因素，以非限制性方式，包括反应时间长度、反应温度、通过酶组合物施加到煤上的酶的量、颗粒煤的粒径、用于处理的一种或更多种酶的相对活性、就其天然底物而言使用的一种或更多种酶的性质以及它们与煤中存在的官能团的相对反应性、辅因子的存在和浓度。可改变这些因素中的任何一个以提供或多或少的汞减排。

以下通常会“加速”反应，并且预期会增加根据经验观察到的汞降低的量：1)提供更长的反应时间段；2)升高反应温度；3)提供较小粒径的煤，从而为反应提供较大的表面积；4)在处理步骤中施加更大量的酶；5)在酶组合物中为酶提供合适的辅因子或更高浓度的辅因子；和6)调节酶组合物的pH以提供更具活性的酶。

相反地，预期以下调节通过“减慢”酶促反应而降低对汞排放的影响：1)提供更短的反应时间段；2)降低反应温度；3)提供较大粒径的煤，从而为反应提供较小的表面积；4)在处理步骤中施加更少量的酶；5)在酶组合物中去除酶的适当的辅因子或使用更低浓度的辅因子；6)调节酶组合物的pH以提供活性较低的酶。

可以预期其他调节具有效果，尽管所述效果(增加或减少)可能是不可预测的。这些包括将一种酶替换成另一种酶，或提供酶的混合物。酶的混合物可通过提供多种酶来攻击煤结构中的不同官能团而潜在地增加酶效果。

在所有这些方式中，调节酶处理以实现所需结果。通常，如果目标是降低汞的排放，则煤操作员将会监测从工厂排放的汞水平。本发明的教导包括：在燃煤设备的熔炉中燃烧经酶处理的煤以产生热能和烟道气；测量烟道气中的汞的量；以及如果所测量的汞的量与目标水平不一致(即高于或低于目标水平)时，则调节处理步骤。

粉末吸附剂

除了酶处理之外，可在燃煤方法中使用粉末吸附剂来降低汞的排放。因此，降低来自燃煤工厂的汞排放的方法包括在粉末吸附剂的存在下用酶处理煤并燃烧经酶处理的煤。在多种实施方案中，粉末吸附剂提高了汞(Hg)、氮氧化物(NO_x)和硫氧化物(SO_x)中的一种或更多种的减排。

通常，粉末吸附剂包含多种组分，例如下文进一步描述的硅铝酸盐材料和钙粉。因此，可将粉末吸附剂施加在包含所有组分的单一吸附剂组合物中。或者，可将粉末吸附剂分为两种或更多种吸附剂，所有这些吸附剂一起包含本文所述的粉末吸附剂的所有组分。通常，可将粉末吸附剂(或其组分)在燃烧前(以及在酶处理之前、期间或之后)施加到煤上，可将其与经酶处理的煤一起输送到熔炉中进行燃烧，或者甚至可将其通过注入而引入到熔炉下游的烟道气中。可以在这些位置的两处或更多处添加粉末吸附剂或其组分。

将多种粉末吸附剂组分组合使用以在燃烧之前处理煤和/或将其添加到火焰中或火焰的下游，优选添加到最低温度的火焰中以确保完全形成耐火结构，这产生所述方法的多种优点。当在燃烧之前将组分添加到经酶处理的煤中时，产品为精炼煤，使用其降低了环境污染并且可在美国有资格享有某些税收优惠。

吸附剂组分包括氧化铝、二氧化硅和任选地钙。为了减少在燃烧次烟煤或褐煤(例如在粉河盆地(Powder River Basin)的那些)时结垢，已发现有利的是将吸附剂的K₂O保持在最大1％并将吸附剂的Na₂O保持在最大1％，其中百分比基于含有钙、氧化铝、二氧化硅和其他组分的粉末吸附剂的重量计。在实施方案中，Na₂O和K₂O各自小于0.5％或各自小于0.1％。在多种实施方案中，Na₂O和K₂O中的一者或两者小于或等于0.5重量％、小于或等于0.1重量％或小于或等于0.05重量％。除低碱含量外，粉末吸附剂具有低含量的卤素。此外，在多种实施方案中，还发现有利的是提供具有低氯(例如<0.5％、<0.3％、<0.1％或<0.03％)的粉末吸附剂。本文列举的吸附剂组分的所有重量百分比均基于粉末吸附剂的总重量计。

通过向粉末吸附剂中添加具有不可忽略量的钙的化合物或组合物来提供钙。例如，许多碱性粉末含有20％以上的钙，基于CaO计。实例为石灰石、石灰、氧化钙、氢氧化钙(熟石灰)、硅酸盐水泥和其他制造的工业方法的产品或副产品，以及含钙的硅铝酸盐矿物。二氧化硅和氧化铝的含量基于SO₂和Al₂O₃的当量计，尽管可以理解二氧化硅和氧化铝通常以更复杂的化学或分子形式存在。

在多种实施方案中，有利地是粉末吸附剂包含有效量的水泥窑粉尘(CKD)，认为其有助于减少燃煤设施中的NO_x。一些CKD具有较高的氯含量，甚至高达10％。如果使用CKD，取决于CKD的来源及其碱和氯的天然含量，所得粉末可避免具有过高的的碱和/或氯，以便在燃烧次烟煤或褐煤时获得最佳结果。如果是这样，将一些CKD与低钠和低钾的其他材料混合是有利的，优选达到<1％Na₂O和<1％K₂O或甚至<0.5％Na₂O和<0.5％K₂O的规格，以及如所述的低氯规格。这样的低碱材料包括磨料(水泥窑熟料，可能符合或不符合水泥产品规格，随后研磨以与CKD混合)；窑料(进入水泥窑的进料流，包括制造水泥的所有组分，例如Ca、Mg、Si、Al、Fe等)；过渡水泥(筒仓中的水泥产品，其被清空以便为特定的新水泥产品腾出空间)；风化熟料(现场蓄积的熟料，在加入CKD之前进行回收和研磨)；蓄积的CKD(来自现场蓄积或废物储存的CKD)；和石灰石。如果这些材料中的任何一种代表将会浪费或必须填埋的废品时，则将它们用于本文所述的吸附剂中可以获得额外的环境效益。

在多种实施方案中，粉末吸附剂的组分一起

·提高了仅通过酶处理实现的汞的减排；

·降低了汞、氮氧化物和硫氧化物的排放；

·降低了单质汞和氧化汞的排放；

·通过锅炉管的排渣提高了燃煤工艺的效率；

·防止不想要的沉积物污染熔炉；

·提高煤灰中Hg、As、Pb和/或Cl的含量；

·降低灰分中可浸出重金属(例如Hg)的含量，优选降低至低于资源保护和回收法案(the Resource Conservation and Recovery Act)(RCRA)或饮用水限值(DrinkingWater limits)的水平；和

·制备高度胶结的灰分产品。

如本文使用的，所有百分比均基于重量计，除非另有说明。应当指出的是，本文所述的多种材料的化学组成以经元素分析(通常通过x-射线荧光技术测定)计算的简单氧化物表示。尽管多种简单氧化物可以并且通常以更复杂的化合物存在于材料中，但氧化物分析仍是一种在各组合物中表达目标化合物浓度的有用方法。

在典型的燃煤设施中，煤以有轨车的形式运达。如果已施加吸附剂，则其为精炼煤。如果尚未施加吸附剂，则其为原煤。在典型的示例性实施方案中，将煤输送到接收带上，接收带将煤引导至搅拌机中。在多种实施方案中，煤是在搅拌机中用酶处理的。在搅拌机之后，将煤卸料到进料带上并堆积在煤储存区域中。在煤储存区域下方，通常有炉蓖和料仓区域(bin area)；输送带将煤从那里输送至储槽中。

可向加煤机熔炉(stoker furnace)进料来自储槽或轧碎机的经酶处理的煤。对于燃烧粉煤的熔炉，将原煤或精炼煤通过带或其他方式输送至研磨设备(例如轧碎机)，并最终输送至粉碎机。在储存系统中，将煤粉碎并通过空气或气体输送至收集器，从收集器中将粉煤转移到贮料仓中，在那里可对煤进行酶处理并根据需要将其进料至熔炉中。在直接燃烧系统中，即用于发电的最常见的商业规模系统，可将经酶处理的煤粉碎并且直接输送到熔炉中。在半直接系统中，经酶处理的煤从粉碎机进入旋风收集器。将煤直接从旋风收集器进料到熔炉中。在操作期间，将煤进料到熔炉中并在氧气的存在下进行燃烧。对于高Btu燃料，在燃烧室中的典型火焰温度为约2700℉(约1480℃)至约3000℉(约1640℃)或甚至更高，例如3300℉(约1815℃)至3600℉(约1982℃)。

通过在燃烧之前将吸附剂添加到经酶处理的煤中来生产精炼煤。吸附剂可由煤生产商添加并运送到熔炉操作员，或者可以在操作员附近或现场的单独设施中生产精炼煤。对于精炼煤，将包含所有吸附剂组分的煤进料至熔炉中进行燃烧。

替代地或另外地，在燃烧经酶处理的燃料期间，通过将吸附剂组分注入熔炉中而将其添加到燃煤系统中。在优选的实施方案中，将其注入火球中或接近火球处，例如在温度高于2000℉、高于2300℉或高于2700℉处。根据燃烧器的设计和熔炉的操作参数，有效的吸附剂添加与燃料一起、与主燃烧空气一起、在火焰上方、与过热空气一起或在其上方等方式进行。还取决于熔炉的设计和操作，将吸附剂从熔炉的一个或更多个面和/或从熔炉的一个或更多个拐角处注入。当注入处的温度足够高和/或燃烧器和熔炉的空气动力学设置导致粉末吸附剂与燃料和/或燃烧产物充分混合时，添加粉末吸附剂和粉末吸附剂组分往往是最有效的。

替代地或另外地，向火焰和熔炉下游的对流通道中添加吸附剂。在多种实施方案中，通过对熔炉进行建模和选择参数(注入速率、注入位置、在火焰上方的距离、与炉壁的距离、粉末喷洒的模式等)而发现吸附剂的最佳注入或施用点，以便提供吸附剂、煤和燃烧产物的最佳混合，获得所需的结果。

在燃煤体系中，热的燃烧气体和空气在下游方向(即相对于火球的下游)上通过对流通道远离火焰。设施的烟道气通道包括多个区域，其以在各区域中气体和燃烧产物的温度为特征。通常，燃烧气体的温度随着其在火球下游的方向上移动而下降。在一个实例中，煤在熔炉中在约2700℉-3600℉(约1480℃-1982℃)的温度下燃烧，来自该熔炉的飞灰和燃烧气体在对流通道内向下游移动至温度不断降低的区域。作为示例，火球的下游是温度低于2700℉的区域。再向下游，达到温度已冷却至约1500℉的点。在这两点之间是温度为约1500℉至约2700℉的区域。还向下游，达到低于1500℉的区域，依此类推。气体和飞灰进一步沿对流通道经过温度更低的区域直至到达袋式除尘器或静电除尘器，其在气体沿烟囱向上排放之前通常具有约300℉的温度。

燃烧气体含有二氧化碳以及多种不希望的含硫、氮和汞的气体。对流通道还充满了与高温气体一起被扫除的各种灰分。为了在排放到大气中之前除去灰分，使用颗粒去除系统。通常将各种这样的去除系统(例如静电除尘器和袋式除尘器)配置在对流通道中。此外，还可将化学洗涤器置于对流通道中。另外，还可提供多种仪器来监测气体的组分，例如硫(作为SO_x)、氮(作为NO_x)和汞。

因此，在多种实施方案中，根据本发明的教导的方法要求在燃烧期间将吸附剂直接施加到熔炉中(“共燃”添加)；在燃烧前直接加入燃料例如煤或经酶处理的煤中(“预燃”添加以制成精炼煤)；在燃烧后直接加入气流中，优选加入高于500℃和优选高于800℃的区域(“后燃”添加)；或以预燃、共燃和后燃添加的组合方式添加。

当粉末吸附剂以预燃的方式添加时，吸附剂可在酶处理之前、酶处理期间或酶处理之后添加。例如，可将煤与粉末吸附剂结合，之后将酶组合物施加至煤上。或者，在完成酶处理的反应时段期间或之后将粉末吸附剂添加到煤中。

吸附剂可以以预燃、共燃或后燃模式中的任意一种，或以其任意组合的方式施用于“燃煤系统中”。当将吸附剂添加到燃煤系统中时，煤或其他燃料在多种吸附剂、吸附剂组合物或吸附剂组分的“存在下”进行燃烧。

在优选的实施方案中，在温度为约1500℉(815℃)至约2700℉(1482.2℃)的地方进行下游添加。在一些方面，并且根据熔炉设计的细节和对流通道的布局，在“加入熔炉”、“加入火球”和“加入对流通道”之间的分界点或临界点可以是相当任意的。在某点处，燃烧气体离开明显为燃烧室或熔炉的区域并进入明显为熔炉下游气体的烟道或对流通道的单独结构中。然而，许多熔炉是相当大的，因此允许距离进料燃料和空气形成火球的地方相当大的距离处将吸附剂“加入熔炉”。例如，一些熔炉具有特殊设计的二次空气注入口等，以便在火球上方的位置处提供额外的氧气以实现更完全的燃烧和/或对排放物例如氮氧化物的控制。二次空气口可在燃料注入处上方20英尺或更高处。在多种实施方案中，在煤进料上方、高于或低于二次空气口的位置处，或在燃烧室内一个更高的位置处，例如在熔炉的折焰角(nose)处或恰好在炉的折焰角下方，将吸附剂组分或吸附剂组合物与进料的煤一起直接注入火球中。这些位置中每一处的特征在于温度和湍流状态，湍流有助于吸附剂与燃料和/或燃烧产物(例如飞灰)的混合。在涉及将吸附剂组合物施用于熔炉中或熔炉下游的实施方案中，优选施用于温度高于1500℉、优选高于2000℉的区域，更优选温度高于2300℉的区域，且最优选高于2700℉的区域。

在本文中记载的多种实施方案中，粉末吸附剂组合物往往使燃煤设备的汞、氮和/或硫的释放减少或修复，其还具有使燃料燃烧产生的灰分具有粘结性的有益效果。从而，在商业中，灰分可用作各种水泥和混凝土产品中的硅酸盐水泥的部分或完全代替物。

在多种实施方案中，将本文记载的吸附剂组合物与用酶处理的煤一起燃烧产生灰分，与在无吸附剂条件下燃烧煤相比，所述灰分中重金属含量得以提高，然而，其中所含的可浸出重金属的量较无吸附剂时所产生的灰分中的更低。因此，所述灰分可安全地处理或商业出售，例如作为一种粘结性材料出售。

为了制备灰分产品，将碳质燃料例如用酶处理的煤燃烧以从碳质燃料的燃烧中产生热能。未燃烧的物质和颗粒燃烧产物形成灰分，部分灰分在熔炉底部收集，但大部分灰分通过聚尘器或过滤器(例如燃煤设备上的袋式除尘器)从烟道中以飞灰的形式收集。炉底灰和飞灰的内容物取决于煤的化学组成和在燃烧期间加入燃煤设备中的吸附剂组分的量和组成。

在多种实施方案中，监测燃煤设备的汞排放。排放是以单质汞、氧化汞或单质汞和氧化汞两者的形式进行监测的。单质汞意指基态或零氧化态的汞，而氧化汞意指+1或+2氧化态的汞。如果需要，可通过考虑测得的排放控制粉末吸附剂的添加。根据设备排放之前烟道气中的汞的含量，使预燃、共燃和/或后燃添加的吸附剂组合物的量提高、降低或使其保持不变。

在添加粉末吸附剂组分的条件下燃烧用酶处理的煤的多种实施方案中，汞和煤中的其他重金属例如砷、锑、铅和其他被认为进入袋式除尘器或静电除尘器，并成为燃煤设备总灰分内容物的一部分；可选地或另外地，在炉底灰分中发现了汞和重金属。因而，降低了设备中汞和其他重金属的排放。

通常，即使相对于在不添加本文所述吸附剂组分时燃烧煤而产生的灰分而言，汞和其他重金属倾向于以更高的含量存在于灰分中，但形成的灰分中的汞和其他重金属对在酸性条件下的浸出具有抗性。有利地是，灰分中重金属的浸出量不会超过规定水平；事实上，可观察到在灰分中基于μg/L计的可浸出重金属含量降低，即使灰分由于与吸附剂一起燃烧而通常含有较高绝对含量的重金属。在多种实施方案中，由于灰分的粘结特性得以提高，因此燃烧形成的灰(煤灰)对于商业销售和使用是有用的，例如作为粘结性材料以制备硅酸盐水泥以及混凝土产品和预混合物。

在一个实施方案中，本发明提供了一种降低烟道气中氧化汞的量并同时产生粘结性灰分产物的方法，所述烟道气通过含汞碳质燃料(例如用酶处理的煤)的燃烧产生。所述方法包括在碱性粉末吸附剂的存在下燃烧所述用酶处理的煤，其中在碱性粉末吸附剂中的粉末吸附剂包含钙、二氧化硅和氧化铝。将所述碱性粉末添加到预燃的煤中、注入燃烧期间的熔炉中、施用于熔炉下游的烟道气中(优选温度为1500℉或更高的区域)或以上述任意组合的方式添加。所述粉末是碱性的，其特征在于与水结合时pH大于7、优选大于8且优选大于9。有利地，所述吸附剂含有的碱例如Na₂O和K₂O各自小于1重量％、小于0.5重量％，或各自小于0.1重量％。在多种实施方案中，所述吸附剂还含有铁和镁。在多种实施方案中，吸附剂中铝含量高于硅酸盐水泥的氧化铝含量，优选大于约5％或大于约7％的氧化铝。

为监测燃料燃烧时的排放，测量熔炉下游的烟道气中汞(氧化汞、单质汞或二者)的含量。将测量的汞含量与目标含量相比，如果所测含量高于目标含量，则增加所添加的粉末吸附剂相对于被燃烧的燃料的量。或者，如果所测含量即为目标含量或低于目标含量，则可降低吸附剂添加比率或保持不变。

在另一个实施方案中，粉末组合物为含有碱性钙组分以及较大量二氧化硅和氧化铝的碱性吸附剂组合物。在非限制性实施方案中，粉末组合物包含2重量％至50重量％的硅铝酸盐材料和50重量％至98重量％的含钙的碱性粉末。在优选的实施方案中，碱性粉末包含石灰、氧化钙、硅酸盐水泥、水泥窑粉尘、石灰窑粉尘和甜菜石灰中的一种或多种，而所述硅铝酸盐材料含有选自一种或更多种以下材料：钙蒙脱土、钠蒙脱土和高岭土。在具体实施方案中，粉末吸附剂包含CKD和其他材料以满足低碱规格和/或低氯规格。

将粉末组合物以约0.1重量％至约10重量％的比率添加到煤中，基于分批方法中用吸附剂处理的煤的量计，或基于连续方法中通过燃烧消耗的煤的速率计。在实施方案中，所述比率为0.1％-5％、0.1％-2％、0.1％-1.5％、0.1％-1％，1重量％至8重量％、2重量％至8重量％、4重量％至8重量％、4重量％至6重量％或约6重量％。在某些实施方案中，在燃烧期间将粉末组合物注入火球或熔炉中和/或在环境条件下在其燃烧前将其施用于煤。注入点的温度优选为至少约1000℉或更高。对一些低热值燃料而言，这相当于注入火球中或接近火球处。

在某些实施方案中，本发明方法提供含汞量相当于将燃烧前煤中初始汞的至少40％捕获在灰分中的煤灰和/或飞灰。在一些实施方案中，由于将汞捕获在灰分中而未将其释放到大气中，因此汞含量比已知飞灰中的汞含量高。由所述方法产生的飞灰含有高达200ppm的汞或更高的汞；在一些实施方案中，飞灰中的汞含量在250ppm以上。由于灰分的体积因使用吸附剂而增加，因此测得的汞含量的增加表明在不添加吸附剂条件下被释放到环境中的汞，将会被大量地捕获在灰分中。飞灰中汞和其他重金属例如铅、铬、砷和镉的含量通常比没有添加吸附剂或吸附剂组分条件下燃烧煤而产生的飞灰中的更高。

优选地，煤灰中的汞是非浸出的，因为当使用如以引用的方式引入的40CFR§260.11，“Test Methods for Evaluating Solid Waste，Physical/Chemical Methodsm,”EPA Publication SW-846-第3版中的毒性浸出程序(the Toxicity CharacteristicLeaching Procedure)(TCLP)、测试方法方法1311检测时，提取物中所显示的汞浓度小于0.2ppm。通常可以观察到，在本文所述吸附剂条件下来自燃烧煤而产生的飞灰中的可浸出的汞较在没有该吸附剂条件下燃烧煤而产生的灰分中的更少，即使在来自吸附剂处理的煤而产生的灰分中的汞总含量比在没有吸附剂条件下燃烧而产生的灰分中的汞含量高达2倍或更多。作为示例，燃烧PRB煤产生的典型的灰分中含有约100-125ppm的汞；在多种实施方案中，通过在约6重量％的本文所述吸附剂条件下燃烧PRB煤所产生的灰分含有约200-250ppm或更多的汞。

在另一个实施方案中，本发明提供水硬性水泥产品，该产品含有硅酸盐水泥，以及基于该水泥产品的总重量计，约0.1重量％至约99重量％的上述煤灰或飞灰。

在另一个实施方案中，本发明提供凝硬性的产品，该产品包含火山灰，以及基于该凝硬性产品总重量计，约0.01重量％至约99重量％的上述灰分。

本发明还提供含有所述水硬性水泥产品的粘结性混合物。

本发明还提供含有骨料和所述水硬性水泥产品的混凝土预混产品。

在另一个实施方案中，粘结性混合物含有本文所述的煤灰作为唯一的粘结性组分；在这些实施方案中，所述灰分是常规水泥例如硅酸盐水泥的完全替代品。所述粘结性混合物含有水泥和任选地骨料、填料和/或其他掺合物。通常将所述粘结性混合物与水结合使用，用作混凝土、砂浆、薄浆、可流动填充物、稳定基底和其他应用。

因此，所述方法包括燃烧添加有吸附剂的煤以产生煤灰和用来产生热或发电的能量。然后将灰分回收并用来制备包括水泥、砂浆和薄浆的粘结性混合物。

在优选的实施方案中，本文所述粉末吸附剂组合物含有一种或多种含钙的碱性粉末，以及较少量的一种或多种硅铝酸盐材料。有利地，所述吸附剂的使用引起燃煤系统中的硫、氮、汞、其他重金属例如铅和砷和/或氯排放量或释放量的降低。

在上述及此处所述的本发明多种实施方案使用的吸附剂组合物，含有能提供钙、二氧化硅和/或氧化铝的组分，优选以碱性粉末的形式。在多种实施方案中，所述组合物还含有氧化铁。在非限制性实施例中，所述粉末吸附剂含有约2-10重量％的Al₂O₃、大于40％例如约40-70％的CaO、>10％的SiO₂、约1-5％的Fe₂O₃，以及<2％、优选小于1％的总量的碱例如氧化钠和氧化钾。将包含钙、二氧化硅和氧化铝——和可能存在的其他元素——的组分一起组合单一的组合物加入到燃料燃烧体系中，或将各组分单独加入到燃料燃烧体系中，或将各组分的任意组合作为组分加入到燃料燃烧体系中。在优选的实施方案中，吸附剂的使用使释放到大气中的NO_x、SO_x和/或汞的量减少。

有利地，所述吸附剂组合物含有适宜的高含量的氧化铝和二氧化硅。人们认为氧化铝和/或二氧化硅的存在产生了由吸附剂的使用中可见的几种优点。作为示例，人们认为氧化铝和/或二氧化硅和/或作为二氧化硅/氧化铝的余量的钙、铁和其他成分的存在，有助于汞和/或其他重金属的低的酸浸出量，这可在通过吸附剂存在下，煤或其他含汞燃料的燃烧所产生的灰分中观察到。

如指出的那样，优选将提供钙、二氧化硅和/或氧化铝的组分作为碱性粉末提供。不囿于理论，人们认为吸附剂组分的碱性特性至少在某种程度上产生了上述所需特性。例如，认为所述粉末的碱性特性使硫点蚀减少。中和后，认为在吸附剂的存在下形成了地聚合物灰分(geopolymeric ash)，其与存在于吸附剂中的二氧化硅和氧化铝耦合以形成被报导称为稳定灰渣的类陶瓷基质。所述稳定灰渣的特征在于汞和其他重金属的浸出量非常低。在一些实施方案中，汞的浸出量在监测限以下。然而，对一些煤而言，还观察到吸附剂组分中的高碱趋于促成不希望的结垢。因此，本发明记载了如何使用较低碱度(以Na₂O和K₂O的含量测得)和/或较低氯的吸附剂、特别是使用次烟煤和褐煤来克服所述缺点的方法。

钙的来源包括，但不限于，钙粉末例如碳酸钙、石灰石、白云石、氧化钙、氢氧化钙、磷酸钙和其他钙盐。工业产品例如石灰石、石灰、熟石灰等在该类钙盐中占较大比重。同样地，它们是合适的组分。

其他钙源包括各种制成品。这样的产品是商业可得的，并且有一些是作为其他工业工艺的废品或副产品出售的。在优选的实施方案中，所述产品还向本发明组合物提供二氧化硅、氧化铝或两者都提供。除钙以外还含有二氧化硅和/或氧化铝的工业产品的非限制性实例包括硅酸盐水泥、水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、甜菜石灰、炉渣(例如钢渣、不锈钢钢渣和高炉矿渣)、纸脱墨泥渣灰、化铁炉集尘器滤渣和化铁炉炉尘。

将这些和任选地其他材料组合以提供含有钙、并且优选也含有二氧化硅和氧化铝的碱性粉末或碱性粉末的混合物。含有钙、二氧化硅和氧化铝的其他碱性粉末包括凝硬性材料、木灰、稻壳灰、C类飞灰和F类飞灰。在多种实施方案中，这些及类似材料是吸附剂组合物的合适组分，特别是如果所得的含有上述物质作为组分的组合物落在优选的范围内，即2重量％至10重量％的Al₂O₃、大于40重量％的CaO、大于10重量％的SiO₂、约1％至5％的Fe₂O₃和小于2重量％的总量的碱。也使用这些材料的混合物。非限制性实施例包括硅酸盐水泥和石灰的混合物，以及含有水泥窑粉尘的混合物，例如水泥窑粉尘和石灰窑粉尘。

甜菜石灰是从甜菜生产糖的过程中得到的一种固体物质。其钙含量高，并且还含有在用石灰处理甜菜过程中沉淀的多种杂质。甜菜石灰作为一种商品，通常作为一种土壤改良剂出售给园林学家、农民等。

水泥窑粉尘(CKD)通常指在硅酸盐水泥生产过程中在水泥窑或相关处理设备中产生的一种副产物。

通常，CKD包含一种在窑、预处理设备和/或材料处理系统的不同区域中产生的不同微粒的组合物，包括例如熟料粉尘、部分至完全煅烧的材料粉尘和原材料(水合的和脱水的)粉尘。CKD的组成随所用原材料和燃料、生产和加工条件以及在水泥生产过程中CKD采集点的位置而变化。CKD可包括从窑的排放(即，废气)物流、熟料冷却器排放物、预煅烧炉排放物、空气污染控制设备等中收集的粉尘或颗粒物质。根据其来源，商用CKD具有一系列的碱度。在一些实施方案中，通过使用低碱CKD可满足本文所述粉末吸附剂的低碱规格。如果只有高碱CKD是可用的，用上述较低的碱性材料与高碱CKD产品混合或替换部分高碱CKD产品可能是必要的。

尽管对于不同的窑，CKD的组成会发生变化，但是由于熟料和煅烧材料粉尘的存在，CKD通常具有至少一些粘结的和/或火山灰的性质。典型的CKD组合物包括含硅化合物，例如硅酸盐，包括硅酸三钙、硅酸二钙；含铝化合物，例如铝酸盐，包括铝酸三钙；和含铁化合物，例如铁酸盐，包括铁铝酸四钙。CKD中通常含有氧化钙(CaO)。示例性的CKD组合物包含约10重量％至约60重量％、任选地约25重量％至约50重量％和任选地约30重量％至约45重量％的氧化钙。在一些实施方案中，CKD包含约1％至约10％、任选地约1％至约5％和在一些实施方案中约3％至约5％的浓度的游离石灰(可用于与水的水合反应)。此外，在某些实施方案中，CKD包括含有碱金属、碱土金属和硫及其他物质的化合物。

含有钙并优选地还含有二氧化硅和氧化铝的碱性粉末的其他示例性来源，包括各种与水泥相关的副产品(除上述硅酸盐水泥和CKD之外)。混合水泥产品是这类来源的一个合适的实例。这些混合水泥产品通常包含硅酸盐水泥和/或其熟料与炉渣和/或火山灰(例如，飞灰、硅灰、烧页岩)结合的混合物。火山灰通常是本身没有粘结特性的硅质物质，但当与游离石灰(游离CaO)和水反应时就会形成水硬水泥特性。其他来源为圬工水泥和/或水硬石灰，它们包括硅酸盐水泥和/或硅酸盐水泥的熟料与石灰或石灰石的混合物。其他合适的来源为矾土水泥，矾土水泥是通过燃烧石灰石和铝土矿(一种天然生成的非均匀材料，它包含一种或多种氢氧化铝矿物以及二氧化硅、氧化铁、二氧化钛、硅酸铝和其他少量或痕量杂质的各种混合物)的混合物而生成的水硬水泥。而另一实例为火山灰水泥，它是含有大量火山灰的混合水泥。所述火山灰水泥通常含有氧化钙，但基本上不含硅酸盐水泥。广泛使用的火山灰的常见实例包括天然火山灰(例如某种火山的灰或凝灰岩，某种硅藻土、煅烧黏土和页岩)和人造火山灰(例如硅灰和飞灰)。

石灰窑粉尘(LKD)是一种来自石灰生产过程的副产品。LKD是从石灰窑或相关的加工设备中收集的粉尘或颗粒物质。生产的石灰可分为高钙石灰或白云石石灰，并且LKD基于其形成的工艺而改变。石灰通常通过煅烧反应来生产，所述煅烧反应通过加热钙质原料例如碳酸钙(CaCO₃)而进行，以形成游离石灰CaO和二氧化碳(CO₂)。高钙石灰具有高浓度的氧化钙且通常具有一些杂质，包括含铝和含铁化合物。高钙石灰通常由高纯度的碳酸钙(纯度约95％或更高)形成。在由高钙石灰加工得到的LKD产品中，氧化钙含量通常为大于或等于约75重量％、任选地大于或等于约85重量％，且在一些情况下大于或等于约90重量％。在一些石灰生产过程中，通过加热使白云石(CaCO₃·MgCO₃)分解成氧化钙(CaO)和氧化镁(MgO)，由此形成所谓的白云石石灰。在由白云石石灰加工而成的LKD中，氧化钙的存在量可为大于或等于约45重量％、任选地大于约50重量％且在某些实施方案中大于约55重量％。尽管LKD基于所用的石灰加工过程的类型而改变，但LKD通常含有相当高浓度的游离石灰。根据生成的石灰产品中存在的氧化钙的相对浓度，LKD中游离石灰的量通常为约10％至约50％、任选为约20％至约40％。

炉渣通常是通过金属生产和加工生成的副产品化合物。术语“炉渣”包括多种副产品化合物，通常包括黑色金属和/或钢铁生产和加工过程的大部分非金属副产品。通常炉渣被认为是多种金属氧化物的混合物，但其中经常含有金属硫化物和以元素形式存在的金属原子。

可用于本发明的某些实施方案中的炉渣副产品的各种实例包括含铁的炉渣，例如在高炉(也称作化铁炉)中生成的炉渣，例如包括气冷高炉炉渣(ACBFS)、膨胀或泡沫状高炉炉渣(expanded or foamed blast furnace slag)、丸状高炉炉渣(pelletized blastfurnace slag)、颗粒状高炉炉渣(GBFS)等。钢渣可从碱性氧气炼钢炉(BOS/BOF)或电弧炉(EAF)中生成。正如本领域的技术人员所认识到的，许多炉渣被认为具有粘结和/或凝硬特性，但是炉渣具有这些特性的程度取决于它们各自的组成和得到它们的方法。示例性炉渣包括含钙的化合物、含二氧化硅的化合物、含铝的化合物、含镁的化合物、含铁的化合物、含锰的化合物和/或含硫的化合物。在某些实施方案中，炉渣包含的氧化钙为约25重量％至约60重量％、任选地约30重量％至约50重量％、和任选地约30重量％至约45重量％。一种合适的通常具有粘结特性的炉渣的实例为粉碎的粒状高炉炉渣(GGBFS)。

如上所述，其他合适的实例包括从连接到高炉的空气污染控制设备中收集到的高(化铁)炉灰，例如化铁炉集尘器的滤渣。另一合适的工业副产品来源是纸脱墨泥渣灰。正如本领域的技术人员所认识到的，有许多不同的生产/工业工艺的副产品，可作为形成本发明的吸附剂组合物的碱性粉末的钙源。许多这些熟知的副产品中也包含氧化铝和/或二氧化硅。一些副产品例如石灰窑粉尘中包含大量的CaO和相对少量的二氧化硅和氧化铝。也可考虑将示例性的制造产品和/或工业副产品的任意组合用作本发明某些实施方案的碱性粉末。

在多种实施方案中，所需的二氧化硅和/或氧化铝的处理水平高于通过添加材料例如硅酸盐水泥、水泥窑粉尘、石灰窑粉尘和/或甜菜石灰所提供的水平。因此，在需要提供优选的二氧化硅和氧化铝含量时，可使用硅铝酸盐材料例如但不限于黏土(例如，蒙脱土、高岭土等)以增补该类物质。在多种实施方案中，增补的硅铝酸盐材料占添加到燃煤系统中的各种吸附剂组分的至少约2重量％并优选至少约5重量％。一般而言，从技术角度看，硅铝酸盐的比率没有上限，只要保持足够的钙含量即可。但是从成本观点来看，通常希望限制更加昂贵的硅铝酸盐材料的比率。因此，吸附剂组分优选含有约2重量％至50重量％、优选2重量％至20重量％和更优选约2重量％至10重量％的硅铝酸盐材料例如示例性的黏土。吸附剂的非限制性实例为约93重量％的CKD和LKD的掺合物(例如50:50的掺合物或混合物)与约7重量％的硅铝酸盐黏土。

在多种实施方案中，碱性粉末吸附剂组合物含有一种或多种含钙粉末例如硅酸盐水泥、水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、各种炉渣和甜菜石灰，以及硅铝酸盐黏土例如但不限于蒙脱土或高岭土。所述吸附剂组合物优选包含足够的SiO₂和Al₂O₃，目的是与通过CaO吸附剂组分存在下的含硫煤的燃烧而产生的硫酸钙一起形成类似耐火材料的混合物，以便通过颗粒控制系统对硫酸钙进行处理；并且目的是与汞和其他重金属形成耐火材料混合物，使得在酸性条件下，汞和其他重金属不会从灰分中浸出。在优选的实施方案中，所述含钙的粉末吸附剂包含最少10重量％的二氧化硅和2-10重量％的氧化铝。优选地，氧化铝含量比在硅酸盐水泥中发现的氧化铝含量高，即氧化铝含量高于约5重量％、优选高于约6重量％，基于Al₂O₃计。

在多种实施方案中，碱性粉末吸附剂组合物中的吸附剂组分与任选添加的一种或多种卤素(例如溴)化合物一起作用以将氯以及汞、铅、砷和其他重金属捕获在灰分中，使重金属在酸性条件下不会浸出，并且改进所产生的灰分的粘结特性。因此，减弱、降低或消除有害元素的排放，并且有价值的粘结性材料作为煤燃烧的副产品而产生。

合适的硅铝酸盐材料包括多种无机矿物和材料。例如，许多矿物、天然材料及含有与氧环境有关的硅和铝的合成材料，以及任选的其他阳离子(例如但不限于Na、K、Be、Mg、Ca、Zr、V、Zn、Fe、Mn)和/或其他阴离子(例如氢氧根、硫酸根、氯离子、碳酸根)以及任选的水合水。这些天然材料和合成材料在本文中称作硅铝酸盐材料，并且通过上文提到的黏土以非限制性的方式例证。

在硅铝酸盐材料中，硅倾向于以四面体的形式存在，而铝以四面体、八面体或四面体与八面体相结合的形式存在。在这样的材料中，链状或网状硅铝酸盐通过共享硅和铝四面体或八面体之间的1个、2个或3个氧原子而建立。这样的矿物具有多种称谓，例如二氧化硅、氧化铝、硅铝酸盐、地聚合物、硅酸盐和铝酸盐。但不管如何表述，含有铝和/或硅的化合物在暴露于氧气存在下的燃烧的高温时，易生成二氧化硅和氧化铝。

在一个实施方案中，硅铝酸盐物质包括SiO2·Al₂O₃的多晶型物。例如，硅铝多晶体(silliminate)含有二氧化硅八面体和均匀地分配在四面体和八面体之间的氧化铝。蓝晶石基于二氧化硅四面体和氧化铝八面体。红柱石是另一种SiO₂·Al₂O₃多晶型物。

在其他实施方案中，链状硅酸盐向本发明组合物提供硅(以二氧化硅的状态)和/或氧化铝(以氧化铝的状态)。链硅酸盐包括但不限于辉石和似辉石硅酸盐，似辉石硅酸盐由通过共享氧原子连接的SiO₄四面体的无穷链构成。

其他合适的硅铝酸盐材料包括薄片材料，例如但不限于，云母、粘土、温石棉(例如石棉)、滑石、皂石、叶腊石和高岭土。这类材料的特征在于具有层状结构，层状结构中的二氧化硅和氧化铝八面体和四面体共享两个氧原子。层状的硅铝酸盐包括粘土，例如亚氯酸盐、海绿石、伊利石、坡缕石、叶腊石、锌蒙脱石、蛭石、高岭石、钙蒙脱石、钠蒙脱石和膨润土。其他实例包括云母和滑石。

合适的硅铝酸盐材料还包括合成的和天然的沸石，例如但不限于方沸石、方钠石、菱沸石、钠沸石、钙十字沸石和丝光沸石类。其他沸石材料包括片沸石、锶沸石、柱沸石、辉沸石、汤河原沸石(yagawaralite)、浊沸石、镁碱沸石、方碱沸石和斜发沸石。沸石为具有以下特征的矿物质或合成物质：具有硅铝酸盐四面体骨架、可离子交换的“大型阳离子”(例如Na、K、Ca、Ba和Sr)及松散保持的水分子。

在其他实施方案中，使用骨架或3D硅酸盐、铝酸盐和硅铝酸盐。骨架硅铝酸盐的特征在于其中SiO₄四面体、AlO₄四面体和/或AlO₆八面体三维连接的结构。既含有二氧化硅也含有氧化铝的骨架硅酸盐的非限制性实例包括长石，例如钠长石、钙长石、中长石、倍长石、拉长石、微斜长石、透长石和正长石。

一方面，吸附剂粉末组合物的特征在于其含有大量的钙，基于氧化钙计优选大于20重量％或大于40重量％，吸附剂粉末组合物的特征还在于其所含的二氧化硅和/或氧化铝的量比在市售产品例如硅酸盐水泥中发现的更高。在优选的实施方案中，所述吸附剂组合物包含大于5重量％的氧化铝、优选大于6重量％的氧化铝、优选大于7重量％的氧化铝和优选大于约8重量％的氧化铝。

以有效控制燃烧时释放到大气的氮、硫和/或汞的量的比率，采用吸附剂组分对于用酶处理的煤进行处理。在多种实施方案中，当吸附剂为含有钙、二氧化硅和氧化铝的粉末吸附剂时，吸附剂组分的总的处理水平在约0.1重量％至约20重量％的范围内，基于被处理的煤的重量或燃烧消耗煤的速率计。当吸附剂组分被合并成单一组合物时，组分的处理水平相当于吸附剂的处理水平。用这种方法，可提供和计量或测量加入燃煤体系的单一吸附剂组合物。通常，希望使用最少量的吸附剂以便不使体系过载过量的灰分，但仍要提供足够的吸附剂以在硫和/或汞的排放量方面具有预期的效果。因此，在多种实施方案中，吸附剂的处理水平在约0.1重量％至约10重量％的范围内，在一些实施方案中为约1重量％或2重量％至约10重量％。已发现，对于多种煤而言，6重量％的粉末吸附剂的添加比例是可接受的。

在优选的实施方案中，使用工业标准方法例如美国材料试验学会(AmericanSociety for Testing and Materials)(ASTM)出版的那些工业标准方法或由国际标准化组织(ISO)出版的国际标准监测氮、汞和硫。优选在粉末吸附剂添加点下游的对流通道中配置包含分析仪器的装置。在优选的实施方案中，将汞监测器配置在颗粒控制系统的清洁侧。可选地或另外地，无需安装仪器或监测装置，而是在对流通道中的合适位置处采集烟道气样品。在多种实施方案中，将测量的汞或硫的含量用于为泵、螺线管、喷雾器和其他被驱动或控制的装置提供反馈信号，以调整粉末吸附剂组合物加入燃煤体系中的比率。可选地或另外地，操作员可基于观察到的汞、氮和/或硫的含量调整粉末吸附剂的添加比率。

在多种实施方案中，在本文中所述吸附剂的存在下，由燃煤产生的灰分具有的粘结性在于，当与水结合时，灰分凝固并产生强度。由于所述灰分具有相对高含量的钙，因此灰分趋于自凝。所述灰分可单独或与硅酸盐水泥结合作为适用于形成各种粘结性混合物例如灰浆、混凝土和薄浆的水硬性水泥。

按本文所述生成的灰分的粘结特性例如可通过考虑灰分，或更准确地说，考虑含有所述灰分的粘结性混合物的强度活性指数来证明。如ASTM C311-05中所述，强度活性指数的测量是通过比较100％的硅酸盐水泥混凝土与其中20％的硅酸盐水泥用等重量的测试水泥代替的测试混凝土的固化行为和特性形成而进行的。在标准化测试中，在第7天和第28天比较强度。当测试混凝土的强度是硅酸盐水泥混凝土强度的75％或更大时，则认为“通过”。在多种实施方案种，在ASTM测试种，本发明的灰分具有100％至150％的强度活性指数，这表明强“通过”。当对硅酸盐水泥与灰分的混合比并不是80：20的测试混合物进行测试时，可观测到类似的高数值。在多种实施方案中，使用85：15至50：50的混合物可达到100％至150％的强度活性指数，其中比例中的第一个数是硅酸盐水泥，比例中的第二个数是根据本发明制备的灰分。在具体实施方案中，全灰分的测试粘结性混合物(即在测试混合物中，灰分代表100％水泥的混合物)所形成的强度比全硅酸盐水泥对照样的强度大50％，且优选大75％，更优选大100％或更多，例如100％-150％。这样的结果表明在本文所述吸附剂组分存在下，通过燃烧煤或其他燃料产生的灰分的高粘结性。

因为由用酶处理的煤燃烧产生的灰分含有的汞为非浸出形式，所以所述灰分可在市面出售。燃尽或废弃的飞灰或炉底灰的非限制性用途包括作为水泥产品例如硅酸盐水泥中的组分。在多种实施方案中，水泥产品含有约0.1重量％至高达约99重量％的由燃烧本发明组合物产生的煤灰。一方面，在所述煤灰中的汞和其他重金属的非浸出性使得其适合于煤灰的所有已知的工业用途。

煤灰，尤其是由颗粒控制系统(袋式除尘器、静电除尘器等)收集的飞灰被用在硅酸盐水泥混凝土(PCC)中作为硅酸盐水泥的部分或完全替代品。在多种实施方案中，将所述灰分用作矿物掺合物或用作混合水泥的组分。用作掺合物时，所述灰分可为硅酸盐水泥的完全或部分替代品并可直接添加到分批装置的预混混凝土中。可选地或另外地，将所述灰分与水泥熟料共同研磨或与硅酸盐水泥混合以生产混合水泥。

例如在美国标准ASTM C 618中定义了F类和C类飞灰。当将飞灰用作硅酸盐水泥的部分替代品时以所述ASTM标准作为飞灰的规格。应当指出的是，与在ASTM C 618中F类和C类飞灰的规格中要求的相比，通过本文中记载的方法生产的煤灰倾向于具有较高的钙含量和较低的二氧化硅和氧化铝含量。本发明飞灰的值通常CaO>50重量％和SiO₂/Al₂O₃/Fe₂O₃<25％。在多种实施方案中，所述飞灰为51重量％至80重量％的CaO和约2重量％至约25重量％的二氧化硅、氧化铝和氧化铁的总量。可以观察到根据本发明的飞灰具有高粘结性，使得可将这类粘结性材料中使用的硅酸盐水泥替换或消减50％或更多。在多种实施方案中，在本文所述吸附剂条件下燃烧煤而产生的煤灰具有足够的粘结性，以成为这类组合物中硅酸盐水泥的完全(100％)替代品。

进一步举例说明，美国混凝土学会(ACI)建议用F类飞灰替换15％至25％的硅酸盐水泥和用C类飞灰替换20％至35％的硅酸盐水泥。已经发现，根据本文所述方法产生的煤灰具有足够的粘结性，可替换高达50％的硅酸盐水泥，同时保持28天所形成的强度，其相当于在使用100％硅酸盐水泥产品中所形成的强度。即，尽管在多种实施方案中，所述灰分并不被看作像根据ASTM C 618的C类或F类灰分那样的化学组成，但其可用于形成高强度混凝土产品。

根据本发明制得的煤灰还可用作可流动填充物的生产中的组分，所述可流动填充物也称为受控低强度材料或CLSM。将CLSM用作自流平(self-leveling)、自密实的回填材料，以替代压实土或其他填充物。在多种实施方案中，本文所述的灰分用作这类CLSM材料中的硅酸盐水泥的100％替代品。这类组合物用水、水泥和骨料配制，以提供所需的流动性和极限强度的发展。例如，如果需要可固化材料的可移除性，则可流动填充物的极限强度不应超过1035kPa(150磅每平方英寸)。如果配制成具有更高的极限强度，则可能需要使用千斤顶锤进行移除。然而，当需要将可流动填充混合物配制成用于更高的载荷应用时，可以设计在固化时具有更大范围的压缩强度的混合物。

根据本文所述的方法制备的煤灰还可用作稳定的基底和底基层混合物的组分。自1950年代以来，已使用碱性石灰/飞灰/骨料制剂的多种变型作为稳定的基底混合物。稳定的基底的用途的实例是用作稳定的道路基底。为了说明，可替代使用组合物的灰分而重复利用砂砾路。将已有的路面粉碎并重新沉积在其原来的位置。例如，将通过本文所述的方法制备的灰分铺展在粉碎的道路材料上并混合。压实后，将密封表面涂层置于道路上。本发明的灰分可用于这类应用中，因为其不含浸出量在法规要求之上的重金属。相反，与在没有本文所述的吸附剂的情况下通过燃烧煤而产生的煤灰相比，由本发明的方法产生的灰分含有较少的可浸出的汞和较少的可浸出的其他重金属(例如砷和铅)。

因此，本发明提供了消除对煤灰或飞灰的填埋需求的多种方法，所述煤灰或飞灰由含有高水平汞的煤燃烧产生。可将该材料出售或用作原料，而不是进行昂贵的处置。

在优选的实施方案中，使用粉末吸附剂产生了水泥灰，其在多种应用中可全部或部分替代硅酸盐水泥。由于水泥产品的再利用，避免了至少一些硅酸盐水泥的制造，节省了制造水泥所需的能量，并且避免了在水泥制造中将会产生的二氧化碳的大量释放。其他的二氧化碳减排源于脱硫洗涤器中对石灰或碳酸钙的需求减少。因此，在多种实施方案中，本发明提供节省能量和降低温室气体(例如二氧化碳)排放的方法。本发明在这一方面的多种实施方案的进一步细节将在下文中给出。

实施例

实施例1-燃料制备

烟煤是从电力公司的煤堆中获得的样品。

在接收时检查所收到的原料煤的表面水分，并且视需要在地板上进行干燥。将风干的样品粉碎至1/4-英寸的最大尺寸并进料至锤式磨碎机(hammer mill pulverizer)中，通过200目产生约70重量％的尺寸分布，以在测试期间使用。

将粉碎的煤分成原料样品和两种加工成精炼煤的煤样品。通过在制煤设施的地板上铺放称重的量(约500lb)来制备精炼煤。将称重量的酶溶液、乙酸铵和粉末吸附剂施加至煤上，在施加吸附剂的同时定期进行混合。直接用手分布粉末吸附剂，在煤堆范围内形成数条通道，在每次通过后与燃料混合。将酶的水溶液和乙酸铵置于小的加压金属喷雾罐中，使得喷雾罐的喷嘴产生雾，并将雾施用于暴露的煤堆表面。需要数条通道进行处理以完全分布吸附剂。在每次通过后，用耙子将煤堆翻过来，从而暴露新的表面以进行下一次处理。在每种情况下，将数份小部分的吸附剂分布在煤堆上，随后进行混合直至达到规定的处理速率。处理后，精炼煤是均质产品，其可与精炼煤设施中生产的产品相当。

将每个样品(原料煤和精炼煤)转移到储料斗中，以便在下文所述的中试规模测试中使用。在测试期间，这些储料斗直接位于煤进料斗的上方。使用旋转阀将原料煤和精炼煤样品从储料斗转移到进料斗中。在每次测试后使用稀酸溶液清洗储料斗和进料斗，以除去处理燃料的任何痕迹。

烧制的原料煤(无粉末吸附剂且无酶处理)在3.05重量％的水分含量下具有12,964Btu/lb的热值。经测定的无水分热值和灰分含量分别为13,371Btu/lb和9.56重量％。在无水分的基础上，经测定的硫含量为1.10重量％(1.635lb SO₂/MMBtu)。经分析的汞含量为0.0867μg/g(6.484lb Hg/TBtu，干基)，其中氯含量为921μg/g(干基)。

烧制的煤1(仅用酶处理)在2.54重量％的水分含量下具有13,071Btu/lb的热值。经测定的无水分热值和灰分含量分别为13,412Btu/lb和9.34重量％。在无水分的基础上，经测定的硫含量为1.10重量％(1.653lb SO₂/MMBtu)。经分析的汞含量为0.0824μg/g(6.144lb Hg/TBtu，干基)，其中氯含量为915μg/g。

烧制的精炼煤2(经粉末吸附剂和酶处理)在2.77重量％的水分含量下具有13,026Btu/lb的热值。经测定的无水分热值和灰分含量分别为13,396Btu/lb和9.63重量％。在无水分的基础上，经测定的硫含量为1.11重量％(1.653lb SO₂/MMBtu)。经分析的汞含量为0.0849μg/g(6.144lb Hg/TBtu，干基)，其中氯含量为943μg/g。

实施例2–操作条件

使用清晨的数小时建立原料煤燃烧时的基线排放，原料煤以42.46lb/小时(0.550MMBtu/小时)的平均速率燃烧以达到平均2169℉的FEGT。在熔炉出口处将过量的氧气控制在3.06％的平均值(约17.03％的过量空气)，以平均21.71％的总燃烧空气来利用三次空气。

在上午晚些时候和下午早些时候，使用0.0010重量％(10.0ppm)的酶和0.00083重量％(8.3ppm)的乙酸铵处理烧制的精炼煤1。该煤以42.65lb/小时(0.557MMBtu/小时)的平均速率燃烧，在熔炉出口处在平均3.03％的过量氧气水平(约16.87％的过量空气)下达到平均2160℉的FEGT，以平均21.97％的总燃烧空气来利用三次空气。在该精炼煤测试期间，未实现NO_x的减排目标，但实现了Hg的减排目标。

在下午晚些时候，使用0.0010重量％(10.0ppm)的酶、0.00083重量％(8.3ppm)的乙酸盐和0.25重量％的粉末吸附剂处理烧制的精炼煤2。该煤以44.07lb/小时(0.576MMBtu/小时)的平均速率燃烧，在熔炉出口处在平均2.99％的过量氧气水平(约16.60％的过量空气)下达到平均2151℉的FEGT，以平均21.97％的总燃烧空气来利用三次空气。在该精炼煤测试期间，均实现了NO_x和汞的减排目标。

实施例3-排放

由连续排放监测仪(CEM)取样的烟道气排放从熔炉和湿式除尘器(WS)出口处的管道中获得。由连续汞监测仪(CMMs)取样的Hg排放也在WS出口处收集。使用烟囱排放(WS出口)计算NO_x和总Hg的降低，并将烟囱排放校正至3.0％的O₂以弥补WS出口处的系统空气泄露。本文记录的所有降低是在质量基础(lb/MMBtu或lb/TBtu)上计算的。

表1总结了CTF操作条件以及原料煤和精炼煤在WS出口处的的质量排放水平，其中在煤测试期间，在所述WS出口处所得的减排水平在表2中提供。

表1–对CTF操作条件和质量排放水平的总结

NO_x排放

在精炼煤开始燃烧和计算NO_x降低的时刻之间存在时间延迟，并且在计算之前分配足够的时间以达到所需的NO_x降低。因为用于制备精炼煤的吸附剂没有热值，并且基于lb/MMBtu记录减排量，因此吸附剂不会对排放造成稀释。

在原料煤燃烧期间，在WS出口处获得的经校正的NO_x排放平均为305ppm(0.420lbNO_x/MMBtu)。在使用0.0010重量％(10.0ppm)浓度的酶和0.00083重量％(8.3ppm)的乙酸盐处理的精炼煤1的燃烧期间进行取样，校正的NO_x排放增加至平均318ppm(0.431lb NO_x/MMBtu)，表示由原料水平增加了2.62％。

在使用0.0010重量％(10.0ppm)的酶、0.00083重量％(8.3ppm)的乙酸盐和0.25重量％的S-吸附剂处理的精炼煤2的燃烧期间进行取样，校正的NO_x排放降低至平均234ppm(0.316lb NO_x/MMBtu)，表示由原料排放水平降低了24.76％。

Hg排放

在每次测试期间，将CMM安装在WS出口处。取样活动的特征是原料Hg排放和在精炼煤燃烧期间获得的那些Hg排放。对于每个测试时段，将各Hg数据点校正至恒定的烟道气O₂浓度，并且还校正在每个记录时间内去除的CO₂浓度。因为用于制备精炼煤的吸附剂没有热值，并且基于lb/TBtu记录减排量，因此吸附剂不会对排放造成稀释。

表2–NO_x和Hg排放水平的总结---WS出口处和BH出口处

SO₂排放

对于本文记录的测试系列，规定了90％-95％的WS效率，并且由CEM在熔炉出口处和WS出口处收集的数据测定。

在原料煤的燃烧期间，校正的SO₂排放在WS系统之前平均为812ppm(1.557lb SO₂/MMBtu)，在WS系统之后平均为42ppm(0.080lb SO₂/MMBtu)，这相当于94.86％的去除效率。由精炼煤1的燃烧获得的校正的SO₂排放在WS系统之前平均为792ppm(1.493lb SO₂/MMBtu)，在WS系统之后平均为26ppm(0.050lb SO₂/MMBtu)，这相当于96.65％的去除效率。由精炼煤2的燃烧获得的校正的SO₂排放在WS系统之前平均为770ppm(1.446lb SO₂/MMBtu)，在WS系统之后平均为37ppm(0.069lb SO₂/MMBtu)，这相当于95.23％的去除效率。

实施例4–飞灰分析

在原料煤和精炼煤测试期间均通过BH收集飞灰。在测试期间，平均BH入口温度为约300℉。在原料煤和精炼煤测试周期结束后，对BH进行脉冲反吹，收集飞灰并通过XRF分析提交本体无机元素氧化物组成，以及Hg、Cl和灰分碳含量。表3记录了这些分析和BH操作条件的总结。

表3–飞灰分析——BH料斗捕获

在原料煤和精炼煤测试期间，从BH获得的飞灰样品的本体无机化学表明原料煤和精炼煤1的飞灰在组成上相似。相对于原料煤的飞灰，精炼煤2的飞灰样品富含CaO和SO₃，并相应损耗SiO₂和Fe₂O₃。经测定的原料煤飞灰的Hg含量为0.89μg/g，氯含量为65.2μg/g。在精炼煤1的飞灰中，Hg含量为1.20μg/g，氯含量为48.8μg/g。在精炼煤2的飞灰中，Hg含量为1.29μg/g，氯含量为60.9μg/g。经测定的飞灰碳含量在原料煤灰分中为8.00重量％、在精炼煤1灰分中为8.19重量％，在精炼煤2灰分中为6.38重量％。

实施例5-毒性特征浸出程序

对原料煤和精炼煤的灰分样品进行毒性特征浸出程序以测定资源保护和回收法(RCRA)的总污染金属(砷、钡、镉、铬、铅、汞、硒和银)的浓度。TCLP是一种用于化学分析的样品提取方法，用作模拟垃圾填埋场浸出的分析方法。TCLP程序通常用于对废料进行分类处置。分析TCLP浸出液中污染物的浓度以确定适合该方案的物质；就本发明的记录而言，为RCRA污染金属。在原料煤和精炼煤的燃烧期间产生的飞灰的TCLP分析结果示于表4中。

表4-对总RCRA金属-BH灰分的TCLP结果的总结

¹最大污染水平

按照国内税收法(Internal Revenue Code)第45节的要求，在对精炼煤的降低的热能进行调整后，相对于原料煤的燃烧，精炼的1CAPP烟煤(仅用酶处理)的燃烧使得NO_x排放降低小于20％和Hg排放降低至少40％。按照国内税收法第45节的要求，在对精炼煤的降低的热能进行调整后，相对于原料煤的燃烧，精炼的2CAPP烟煤的燃烧使得NO_x排放降低至少20％和Hg排放降低至少40％。

当与原料煤的NO_x和Hg排放水平相比时，使用0.0010重量％(10.0ppm)酶和0.00083重量％(8.3ppm)乙酸盐处理的精炼煤1，使得NO_x排放平均增加2.62％和总Hg排放在WS出口处平均降低46.77％和在BH出口处平均降低42.83％。当与原料煤的NO_x和Hg排放水平相比时，使用0.0010重量％(10.0ppm)酶、0.00083重量％(8.3ppm)乙酸盐和0.25重量％粉末吸附剂处理的精炼煤2，使得NO_x排放平均降低24.76％和总Hg排放在WS出口处平均降低51.61％和在BH出口处平均降低47.79％。

Claims (21)

1.一种用于降低汞排放的燃烧煤的方法，所述方法包括:

用酶组合物处理煤，即将酶组合物施加到煤上并反应一段时间以制成经酶处理的煤；

在燃煤设施的熔炉中燃烧经酶处理的煤以产生热能和烟道气；

测量烟道气中汞的量；和

如果所测量的汞的量高于或低于目标水平，则调节处理步骤，

其中在使酶呈活性的pH下，酶组合物包含水、酶和任何所需的辅因子。

2.根据权利要求1所述的方法，其中调节处理步骤包括施加更大量的酶组合物、施加更少量的酶组合物、反应更短时间或反应更长时间。

3.根据权利要求1所述的方法，其中酶组合物包含在酶的EC编号分类中归类为EC 1的氧化还原酶。

4.根据权利要求1所述的方法，其中酶组合物包含催化氧化还原反应的氧化酶，所述氧化还原反应涉及分子氧作为电子受体。

5.根据权利要求1所述的方法，其中酶组合物包含一种或更多种丙酮酸脱氢酶复合物的组分。

6.根据权利要求1所述的方法，其中酶组合物包含NAD、NADP或FADP。

7.根据权利要求1所述的方法，其中酶包括漆酶、丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酰转乙酰酶或二氢硫辛酰脱氢酶，辅因子包括辅酶A、CoA-SH、硫胺素焦磷酸盐、硫辛酸、黄素腺嘌呤二核苷酸或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括在燃烧之前将包含硅铝酸盐材料的粉末吸附剂施加至煤上，或在将煤进料至熔炉中进行燃烧时，将包含硅铝酸盐材料的粉末吸附剂连同煤一起进料至熔炉中。

9.根据权利要求9所述的方法，其中粉末吸附剂包含硅铝酸盐粘土和一种或更多种硅酸盐水泥和水泥窑粉尘。

10.根据权利要求9所述的方法，其中粉末吸附剂包含小于0.5重量％的Na₂O、小于0.5重量％的K₂O或小于0.5重量％的氯。

11.根据权利要求10所述的方法，其中粉末吸附剂包含小于0.1重量％的Na₂O、小于0.1重量％的K₂O和小于0.5重量％的氯。

12.一种降低燃煤工厂的汞排放的方法，其中无需向燃煤系统中添加任何含溴组分，所述方法包括：

用酶处理煤；和

在包含硅铝酸盐材料的粉末吸附剂的存在下，燃烧经酶处理的煤。

13.根据权利要求12所述的方法，其中粉末吸附剂包含二氧化硅、氧化铝和钙。

14.根据权利要求12所述的方法，其中粉末吸附剂包含硅铝酸盐粘土。

15.根据权利要求12所述的方法，其中粉末吸附剂组分包含硅酸盐水泥或水泥窑粉尘。

16.根据权利要求12所述的方法，其中粉末吸附剂包含在酶处理之前、期间或之后添加到煤中的组分。

17.根据权利要求12所述的方法，包括将粉末吸附剂连同经酶处理的煤一起添加到熔炉中。

18.根据权利要求12所述的方法，其中粉末吸附剂包含小于0.5重量％的Na₂O、小于0.5重量％的K₂O或小于0.5重量％的氯。

19.根据权利要求12所述的方法，其中粉末吸附剂包含小于0.1重量％的Na₂O、小于0.1重量％的K₂O和小于0.5重量％的氯。

20.根据权利要求12所述的方法，其中粉末吸附剂还包含钙粉。

21.根据权利要求12所述的方法，其中相对于煤在不进行酶处理且不使用粉末吸附剂的情况下进行燃烧时产生的排放，汞的排放降低至少40重量％和NO_x的排放降低至少20重量％。