DE102010036804A1

DE102010036804A1 - Verfahren zum Entschwefeln eines Fluids und Verfahren zum Betreiben eines Kohleverbrennungssystems

Info

Publication number: DE102010036804A1
Application number: DE102010036804A
Authority: DE
Inventors: Chandrashekhar Sonwane
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2011-02-24
Also published as: CH701636A2; US20110030593A1; CN101992018A; JP2011036854A; CH701636B1

Abstract

Ein Verfahren (60) zum Entschwefeln eines Fluids (82), das mindestens eine Schwefelverbindung umfasst, wird bereitgestellt. Das Verfahren (60) schließt das Bereitstellen einer Oxid-Zusammensetzung (68) ein, die mindestens ein Nebenprodukt-Oxid (82) aus einem Verfahren (10) zum Entfernen einer oder mehrerer Verunreinigungen aus Kohle (12) umfasst und das in Berührung bringen der Oxid-Zusammensetzung (68) mit dem Fluid (62) ein. Die Oxid-Zusammensetzung (68) reagiert mit der mindestens einen Schwefelverbindung unter Bildung eines festen Niederschlages. Verfahren zum Betreiben eines Kohleverbrennungssystems werden auch bereitgestellt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Beschreibung bezieht sich allgemein auf Verfahren zum Entschwefeln eines fluiden Mediums (kurz: Fluids), das Schwefelverbindungen einschließt, und spezieller bezieht sie sich auf Verfahren zum Entschwefeln eines Rauchgases unter Benutzung von Nebenprodukt-Oxiden aus einem Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen aus Kohle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Verbrennung verschiedener Arten von Kohle, einschließlich ultrareiner Kohle, kann Schwefelverbindungen, wie Schwefeldioxid (SO₂) und Schwefeltrioxid (SO₃), im Rauchgas erzeugen. In vielen Ländern gibt es Regulierungen, die strikte Begrenzungen der Emission von Schwefelverbindungen, wie SO₂ und SO₃, verlangen, da sie sauren Regen, Beeinträchtigung der Sicht, Atmungsprobleme, Schädigungen an Pflanzen und Verunreinigungen von Wasser verursachen können.
Existierende Rauchgas-Entschwefelungseinheiten (FGDs) sind entweder Nasswäscher oder Trockenwäscher. Nasswäscher sprühen in einem Sprühturm flüssiges Sorptionsmittel in das Rauchgas. Als Sorptionsmittel werden Kalkstein oder gelöschter Kalk benutzt. Schwefeloxide reagieren mit dem Sorptionsmittel unter Bildung von Calciumsulfat (CaSO₄) oder Calciumsulfit (CaSO₃), das zur Bildung von Gips oxidiert werden kann. Der Gips kann dann als ein weiterverwertbares Produkt in Zement- und Boden-Anwendungen vertrieben werden. In Trockenwäschern wird ein Aufschlämmung eines alkalischen Reagenz (z. B. Kalk oder auf Natriumbasis) in einen Turm gesprüht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Beschreibung befasst sich mit einem Verfahren zum Entschwefeln eines Fluids, das mindestens eine Schwefelverbindung umfasst. Das Verfahren schließt das Bereitstellen einer Oxid-Zusammensetzung, die mindestens ein Nebenprodukt-Oxid aus einem Verfahren zum Entfernen einer oder mehrerer Verunreinigungen aus Kohle umfasst und das Kontaktieren der Oxid-Zusammensetzung mit dem Fluid ein. Die Oxid-Zusammensetzung reagiert mit der mindestens einen Schwefelverbindung unter Bildung eines festen Niederschlages.
Die vorliegende Beschreibung befasst sich auch mit einem Verfahren zum Betreiben eines Kohleverbrennungssystems. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen von Kohle, die eine Vielzahl von Verunreinigungen umfasst, und das Entfernen einer oder mehrerer der Verunreinigungen aus der Kohle zum Erzeugen mindestens eines Nebenprodukt-Oxids. Das mindestens eine Nebenprodukt-Oxid umfasst eine oder mehrere der Verunreinigungen, ein Produkt einer Umsetzung zwischen einer oder mehrerer der Verunreinigungen und mindestens einem Reaktanten oder beides. Das Verfahren schließt weiter das Abtrennen des mindestens eines Nebenprodukt-Oxids von der Kohle, Verbrennen der Kohle zum Erzeugen eines Rauchgases, das mindestens eine Schwefelverbindung umfasst, und Kontaktieren des mindestens einen Nebenprodukt-Oxids mit dem Rauchgas ein. Das mindestens eine Nebenprodukt-Oxid reagiert mit der mindestens einen Schwefelverbindung unter Bildung eines festen Niederschlages.
Die vorliegende Beschreibung befasst sich weiter auf ein anderes Verfahren zum Betreiben eines Kohleverbrennungssystems. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen von Kohle, die eine Vielzahl von Verunreinigungen umfasst, das Umsetzen einer Fluorid-Verbindung mit einer Säure zur Erzeugung von Fluorwasserstoffsäure und einem Nebenprodukt-Oxid, das Kontaktieren der Fluorwasserstoffsäure mit der Kohle zum Entfernen einer oder mehrerer der Verunreinigungen aus der Kohle, das Abtrennen der Fluorwasserstoffsäure von der Kohle, das Verbrennen der Kohle zum Erzeugen eines Rauchgases, das mindestens eine Schwefelverbindung umfasst, und das Kontaktieren des Nebenprodukt-Oxids mit dem Rauchgas. Das Nebenprodukt-Oxid reagiert mit der mindestens einen Schwefelverbindung in dem Rauchgas unter Bildung eines festen Niederschlages.
Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 veranschaulicht ein Verfahren 10 zum Entfernen von Verunreinigungen aus Kohle, das Nebenprodukt-Oxide gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt.
2 veranschaulicht ein Verfahren 60 zum Entschwefeln eines Rauchgases, das Schwefelverbindungen umfasst, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie oben zusammengefasst, umfasst diese Offenbarung ein Verfahren zum Entschwefeln eines Fluids und Verfahren zum Betreiben eines Kohleverbrennungssystems. Es sollte klar sein, dass irgendein System, wie Gasturbinensysteme (z. B. kohlegefeuerte Gasturbinensysteme, mit pulverisierter Kohle betriebene Energieanlagen und integrierte Vergasungssysteme mit kombiniertem Zyklus) oder Ähnliche die Ausführungsformen der Verfahren zum Entschwefeln eines Fluids und Verfahren zum Betreiben eines Kohleverbrennungssystems der vorliegenden Offenbarung nutzen können. Eine Ausführungsform des Betreibens eines Kohleverbrennungssystems ist unten beschrieben und in den 1 und 2 veranschaulicht. 1 veranschaulicht ein Verfahren 10 zum Entfernen einer oder mehrerer Verunreinigungen aus Kohle 12 vor dem Verbrennen der Kohle in dem Kohleverbrennungssystem.
Das Verfahren 10 stellt zuerst Kohle 12 bereit, die eine Vielzahl von Verunreinigungen umfasst. Ausführungsformen des Verfahrens 10 können Kohle 12 in Form von Anthrazitkohle, bituminöser Kohle, subbituminöser Kohle, Lignitkohle oder Kombinationen davon bereitstellen.

In einigen Ausführungsformen schließen die Verunreinigungen Oxide von Aluminium, Eisen, Kalium, Calcium, Natrium und anderer Metalle, Mineralien, anorganische und organische Schwefelverbindungen, Alkaliverbindungen, Asche oder Kombinationen davon ein, sind jedoch darauf nicht beschränkt. Der Begriff „Asche”, wie er hierin benutzt wird, bezieht sich sowohl auf die nicht-brennbaren Komponenten in der Kohle vor der Verbrennung als auch die nicht-brennbaren Nebenprodukte, die aus der Verbrennung der Kohle resultieren, einschließlich Schlacke und Flugasche. In gewissen Ausführungsformen können die Verunreinigungen in der Kohle 12 in einer Menge im Bereich von etwa 2 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% vorhanden sein. In anderen Ausführungsformen können die Verunreinigungen in der Kohle 12 in einer Menge im Bereich von etwa 3 Gew.-% bis etwa 8 Gew.-% vorhanden sein. In noch anderen Ausführungsformen können die Verunreinigungen in der Kohle 12 in einer Menge im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 7 Gew.-% vorhanden sein. Tabelle 1. Beispiele von Bereichen chemischer Zusammensetzung von Flugasche, die aus verschiedenen Kohlearten erzeugt ist (ausgedrückt als Gewichtsprozent).

Komponente	Bituminös	Subbituminös	Lignit
SiO₂	20–60	40–60	15–45
Al₂O₃	5–35	20–30	10–25
Fe₂O₃	10–40	4–10	4–15
CaO	1–12	5–30	15–40
MgO	0–5	1–6	3–10
SO₃	0–4	0–2	0–10
Na₂O	0–4	0–2	0–6
K₂O	0–3	0–4	0–4
LOI	0–15	0–3	0–5

Quelle: http://www.tfhrc.gov

Das Verfahren 10 bringt die Kohle 12 mit einer ersten Auslauglösung 14 in einem ersten Reaktor 16 in Berührung. In einer Ausführungsform kann die erste Auslauglösung 14 eine Säure als einen ersten Recktanten umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die erste Auslauglösung 14 eine Fluorwasserstoffsäurelösung, eine Salpetersäurelösung, eine Chlorwasserstoffsäurelösung, eine Hydrofluorkieselsäurelösung, eine Kombination davon oder andere Lösungen starker Säuren einschließen, die Oxide auflösen, darauf jedoch nicht beschränkt.
In einer Ausführungsform reagiert die erste Auslauglösung 14 mit einer oder mehreren der Verunreinigungen, um mindestens ein erstes Nebenprodukt-Oxid zu erzeugen. In einer anderen Ausführungsform reagiert die erste Auslauglösung 14 mit der Kohle 12 zur Entfernung einer oder mehrerer der Verunreinigungen zur Erzeugung eines ersten Nebenprodukt-Oxids. In gewissen Ausführungsformen kann die erste Auslauglösung 14 sowohl mit einer Verunreinigung zur Erzeugung eines ersten Nebenprodukt-Oxids reagieren als auch eine Verunreinigung als ein erstes Nebenprodukt-Oxid aus der Kohle 12 entfernen.
In speziellen Ausführungsformen können die ersten Nebenprodukt-Oxide Metalloxide umfassen. So können, z. B., die ersten Nebenprodukt-Oxide Metalloxid-Verunreinigungen sein, die durch die erste Auslauglösung 14 aus der Kohle entfernt wurden. In einigen Ausführungsformen können die ersten Nebenprodukt-Oxide Kaliumoxid, Natriumoxid, Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Eisenoxid oder Kombinationen davon umfassen. In anderen Ausführungsformen können die ersten Nebenprodukt-Oxide weiter mit Wasser umgesetzt werden, um ein Hydrat (z. B. Metalloxidhydrat) zu bilden. In gewissen Ausführungsformen können die ersten Nebenprodukt-Oxide in der ersten Auslauglösung 14 löslich sein.
In speziellen Ausführungsformen können zusätzliche Reaktionen aus dem Kontaktieren der ersten Auslauglösung 14 mit der Kohle 12 unter Erzeugung eines oder mehrerer erster Produkte resultieren, die in der ersten Auslauglösung löslich sind. In einigen Ausführungsformen umfassen die ersten Produkte ein oder mehrere Fluoride, Hydroxide, Hydroxyfluoride, Oxide oder Kombinationen davon. In Ausführungsformen, bei denen die ersten Produkte ein oder mehrere Fluoride umfassen, können die Fluoride Siliciumfluorid, Aluminiumfluorid, Eisenfluorid, Calciumfluorid, Natriumfluorid oder Kombinationen davon sein. Ein Beispiel einer zusätzlichen Reaktion der ersten Auslauglösung 14 mit einer Verunreinigung in der Kohle 12 ist unten in Gleichung (I) angegeben: SiO₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O (I)
In gewissen Ausführungsformen hat die erste Auslauglösung 14 eine Konzentration des ersten Reaktanten, die im Bereich von etwa 3 M bis etwa 10 M liegt. In anderen Ausführungsformen hat die erste Auslauglösung 14 eine erste Konzentration des ersten Reaktanten im Bereich von etwa 3 bis etwa 6 M. In noch anderen Ausführungsformen hat die erste Auslauglösung 14 eine erste Konzentration des ersten Reaktanten im Bereich von etwa 4 M bis etwa 6 M.
In besonderen Ausführungsformen liegt das Gewichtsverhältnis der ersten Auslauglösung 14 zur Kohle 12, die zum ersten Reaktor 16 hinzugegeben werden, im Bereich von etwa 10:1 bis etwa 10:5. Sofern nichts Anderes angegeben, sind alle Verhältnisse Verhältnisse von Gewicht zu Gewicht. In anderen besonderen Ausführungsformen liegt das Gewichtsverhältnis der ersten Auslauglösung 14 zur Kohle 12, die zum ersten Reaktor 16 hinzugegeben werden, im Bereich von etwa 10:2 bis etwa 10:4. In noch anderen besonderen Ausführungsformen liegt das Gewichtsverhältnis der ersten Auslauglösung 14 zur Kohle 12, die zum ersten Reaktor 16 hinzugegeben werden, im Bereich von etwa 10:2,5 bis etwa 10:3,5.
In gewissen Ausführungsformen umfasst die erste Auslauglösung 14 eine Fluorwasserstoffsäurelösung, die eine Konzentration an Fluorwasserstoffsäure im Bereich von etwa 3 M bis etwa 10 M aufweist. In anderen Ausführungsformen umfasst die erste Auslauglösung 14 eine Fluorwasserstoffsäurelösung, die eine Konzentration der Fluorwasserstoffsäure im Bereich von etwa 3 M bis etwa 6 M aufweist. In noch anderen Ausführungsformen umfasst die erste Auslauglösung 14 eine Fluorwasserstoffsäurelösung, die eine Konzentration der Fluorwasserstoffsäure im Bereich von etwa 4 M bis etwa 6 M aufweist. In besonderen Ausführungsformen liegt das Gewichtsverhältnis der Fluorwasserstoffsäurelösung 14 zur Kohle 12, die zum ersten Reaktor 16 hinzugegeben werden, im Bereich von etwa 10:1 bis etwa 10:5. In anderen besonderen Ausführungsformen liegt das Gewichtsverhältnis von Fluorwasserstoffsäurelösung 14 zur Kohle 12, die zum ersten Reaktor 16 hinzugegeben werden, im Bereich von etwa 10:2 bis etwa 10:4. In noch anderen besonderen Ausführungsformen liegt das Gewichtsverhältnis von Fluorwasserstoffsäurelösung 14 zur Kohle 12, die zum ersten Reaktor 16 hinzugegeben werden, im Bereich von etwa 10:2,5 bis etwa 10:3,5.
In besonderen Ausführungsformen befindet sich Kohle 12 im ersten Reaktor 16 mit der ersten Auslauglösung 14 für etwa 1 Stunde bis etwa 10 Stunden in Kontakt. In anderen speziellen Ausführungsformen befindet sich die Kohle 12 in dem ersten Reaktor 16 mit der ersten Auslauglösung 14 für etwa 3 Stunden bis etwa 5 Stunden in Kontakt. In noch anderen besonderen Ausführungsformen befindet sich die Kohle 12 im ersten Reaktor 16 mit der ersten Auslauglösung 14 für etwa 4 Stunden bis etwa 5 Stunden in Kontakt.
In speziellen Ausführungsformen befindet sich die Kohle 12 im ersten Reaktor 16 mit der ersten Auslauglösung 14 bei einer Temperatur im Bereich von etwa 70°F bis etwa 200°F in Kontakt. In anderen besonderen Ausführungsformen befindet sich die Kohle 12 im ersten Reaktor 16 mit der ersten Auslauglösung 14 bei einer Temperatur im Bereich von etwa 110°F bis etwa 170°F in Kontakt. In noch anderen besonderen Ausführungsformen befindet sich die Kohle 12 im ersten Reaktor 16 mit der ersten Auslauglösung 14 bei einer Temperatur im Bereich von etwa 140°F bis etwa 160°F in Kontakt.
In besonderen Ausführungsformen befindet sich die Kohle 12 im ersten Reaktor 16 mit der ersten Auslauglösung 14 bei einem Druck in einem Bereich von etwa 14 psia bis etwa 1000 psia in Kontakt. In besonderen Ausführungsformen befindet sich die Kohle 12 im ersten Reaktor 16 mit der ersten Auslauglösung 14 bei einem Druck in einem Bereich von etwa 14 psia bis etwa 42 psia in Kontakt. In noch anderen besonderen Ausführungsformen befindet sich die Kohle 12 im ersten Reaktor 16 mit der ersten Auslauglösung 14 bei einem Druck im Bereich von etwa 14 psia bis etwa 20 psia in Kontakt.
Das Verfahren 10 umfasst weiter das Abtrennen mindestens eines Teiles der ersten Auslauglösung 14 von der Kohle 12. Durch Abtrennen mindestens eines Teiles der ersten Auslauglösung 14 von der Kohle 12 wird auch mindestens ein Teil der ersten Nebenprodukt-Oxide, die in der ersten Auslauglösung löslich sind und mindestens ein Teil der ersten Produkte ebenfalls von der Kohle abgetrennt. In besonderen Ausführungsformen kann im Wesentlichen die gesamte erste Auslauglösung 14, die im Wesentlichen die gesamten ersten Nebenprodukt-Oxide und im Wesentlichen die gesamten ersten Produkte einschließt, von der Kohle 12 abgetrennt werden. In dem in 1 veranschaulichten Verfahren 10 werden die erste Auslauglösung 14, die ersten Nebenprodukt-Oxide, die ersten Produkte und die Kohle 12 von dem ersten Reaktor 16 als eine Aufschlämmung 20 zu einem Trommelfilter 22 transportiert. Der Trommelfilter 22 filtriert die Aufschlämmung 20 zur Abtrennung der Kohle als Nasskohle 26 von der ersten Auslauglösung, den ersten Nebenprodukt-Oxiden und den ersten Produkten als einem ersten Filtrat 24.
Die Nasskohle 26 wird dann einem zweiten Reaktor 30 zugeführt, wo die Kohle 12 mit einer zweiten Auslauglösung 28 in Berührung gebracht wird. In einer Ausführungsform kann die zweite Auslauglösung 28 eine Nitratlösung umfassen, die Nitrate als einen zweiten Reaktanten einschließt. In gewissen Ausführungsformen umfasst die zweite Auslauglösung 28 einen zweiten Reaktanten, der Salpetersäure, Aluminiumnitrat, Eisen(III)nitrat, Fluornitrat, andere Nitrate, Hydroxid, Hydroxylfluorid, Hydroxynitrat, Ionen davon oder Kombinationen davon umfasst, darauf jedoch nicht beschränkt ist.
In einer Ausführungsform reagiert die zweite Auslauglösung 28 mit einer oder mehreren der Verunreinigungen, um mindestens ein zweites Nebenprodukt-Oxid zu erzeugen. In einer anderen Ausführungsform reagiert die zweite Auslauglösung 28 mit der Nasskohle 26, um eine oder mehrere der Verunreinigungen zu entfernen, um ein zweites Nebenprodukt-Oxid zu erzeugen. In gewissen Ausführungsformen kann die zweite Auslauglösung 28 sowohl mit einer Verunreinigung zur Erzeugung eines zweiten Nebenprodukt-Oxids reagieren als auch eine Verunreinigung aus der Nasskohle 26 als ein zweites Nebenprodukt-Oxid entfernen. In besonderen Ausführungsformen können die zweiten Nebenprodukt-Oxide Oxide umfassen, die die Gleichen sind wie die ersten Nebenprodukt-Oxide oder diesen ähnlich sind. In gewissen Ausführungsformen können die zweiten Nebenprodukt-Oxide in der zweiten Auslauglösung 28 löslich sein.
In gewissen Ausführungsformen können zusätzliche Reaktionen aus dem Kontaktieren der zweiten Auslauglösung 28 mit der Nasskohle 26 zum Erzeugen zweiter Produkte resultieren, die in der zweiten Auslauglösung löslich sind. Beispiele zusätzlicher Reaktionen der zweiten Auslauglösung 28 mit Verunreinigungen in der Kohle 26 sind unten in den Gleichungen (II) und (III) angegeben: FeS₂ + 14Fe(NO₃)₃ + 8H₂O → 2SO 2– / 4 + 16H⁺ + 15Fe²⁺ + 42NO^3– (II) SiF₄ + 2(Al, Fe)(NO₃)₃ + 2H₂O → SiO_2(s) + 2(Al, Fe)F + / 2 + 4H⁺ + 6NO – / 3 (III) In einem anderen Beispiel kann Siliciumfluorid mit der zweiten Auslauglösung 28 unter Bildung eines festen Siliciumoxid-Niederschlages reagieren. In einer anderen Ausführungsform löst sich fester Calciumfluorid (CaF₂)-Niederschlag, der im ersten Reaktor 14 gebildet wurde, der in der Nasskohle 26 vorhanden ist, in dem zweiten Reaktor 30, wenn er mit der zweiten Auslauglösung 28 zum Bilden löslicher Nitrate oder Nitro/Hydroxyl/Fluoride reagiert. Ein Beispiel einer solchen Reaktion ist in der folgenden Gleichung (IV) gegeben: CaF₂(s) + Fe³⁺(aq) → CaF₂(aq) + Ca²⁺(aq) (IV)
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens 10 umfassen die einen oder mehreren zweiten Produkte Nitrationen, Sulfationen, Eisenionen, Hydroxyfluoride, Oxide, Fluornitrate oder Kombinationen davon. Festes Eisensulfid (FeS₂), das in der Kohle 12 vorhanden ist, wird im zweiten Reaktor 30 gelöst.
In besonderen Ausführungsformen hat die zweite Auslauglösung 28 eine Konzentration des zweiten Reaktanten im Bereich von etwa 0,1 M bis etwa 5 M. In anderen besonderen Ausführungsformen hat die zweite Auslauglösung 28 eine Konzentration des zweiten Reaktanten im Bereich von etwa 0,1 M bis etwa 0,4 M. In noch anderen besonderen Ausführungsformen hat die zweite Auslauglösung 28 eine Konzentration des zweiten Reaktanten im Bereich von etwa 0,1 M bis etwa 0,3 M.
In gewissen Ausführungsformen liegt das Gewichtsverhältnis der zweiten Auslauglösung 28 zur Nasskohle 26, die zum zweiten Reaktor 30 hinzugegeben werden, im Bereich von etwa 10:1 bis etwa 10:5. In anderen Ausführungsformen liegt das Gewichtsverhältnis der zweiten Auslauglösung 28 zur Nasskohle 26, die zu dem zweiten Reaktor 30 hinzugegeben werden, im Bereich von etwa 10:2 bis etwa 10:4. In noch anderen Ausführungsformen liegt das Gewichtsverhältnis der zweiten Auslauglösung 28 zur Nasskohle 26, die zum zweiten Reaktor 30 hinzugegeben werden, im Bereich von etwa 10:2,5 bis etwa 10:3,5.
In besonderen Ausführungsformen umfasst die zweite Auslauglösung 28 eine Salpetersäurelösung, die eine Konzentration der Salpetersäure im Bereich von etwa 0,1 M bis etwa 5 M aufweist. In anderen besonderen Ausführungsformen umfasst die zweite Auslauglösung 28 eine Salpetersäurelösung mit einer Konzentration der Salpetersäure im Bereich von etwa 0,1 M bis etwa 0,4 M. In noch anderen besonderen Ausführungsformen umfasst die zweite Auslauglösung 28 eine Salpetersäurelösung mit einer Konzentration der Salpetersäure im Bereich von etwa 0,2 M bis etwa 0,3 M. In gewissen Ausführungsformen liegt das Gewichtsverhältnis der Salpetersäurelösung 28 zur Nasskohle 26, die zum zweiten Reaktor 30 hinzugegeben werden, im Bereich von etwa 10:1 bis etwa 10:5. In anderen Ausführungsformen liegt das Gewichtsverhältnis der Salpetersäurelösung 28 zur Nasskohle 26, die zum zweiten Reaktor 30 hinzugegeben werden, im Bereich von etwa 10:2 bis etwa 10:4. In noch anderen Ausführungsformen liegt das Gewichtsverhältnis der Salpetersäurelösung 28 zur Nasskohle 26, die zum zweiten Reaktor 30 hinzugegeben werden, im Bereich von etwa 10:2,5 bis etwa 10:3,5.
Gemäß gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung befindet sich die zweite Auslauglösung 28 in dem zweiten Reaktor 30 mit der Nasskohle 26 für etwa 20 Stunden bis etwa 30 Stunden in Kontakt. In anderen besonderen Ausführungsformen befindet sich die zweite Auslauglösung 28 in dem zweiten Reaktor 30 mit der Nasskohle 26 für etwa 22 Stunden bis etwa 26 Stunden in Kontakt.
In besonderen Ausführungsformen befindet sich die zweite Auslauglösung 28 in dem zweiten Reaktor 30 mit der Nasskohle 26 bei einer Temperatur im Bereich von etwa 70°F bis etwa 190°F in Kontakt. In anderen besonderen Ausführungsformen befindet sich die zweite Auslauglösung 28 im zweiten Reaktor 30 mit der Nasskohle 26 bei einer Temperatur im Bereich von etwa 150°F bis etwa 190°F in Kontakt. In noch anderen besonderen Ausführungsformen befindet sich die zweite Auslauglösung 28 in dem zweiten Reaktor 30 mit der Nasskohle 26 bei einer Temperatur im Bereich von etwa 140°F bis etwa 160°F in Kontakt.
In besonderen Ausführungsformen befindet sich die zweite Auslauglösung 28 im zweiten Reaktor 30 mit der Nasskohle 26 bei einem Druck im Bereich von etwa 14,4 psia bis etwa 100 psia in Kontakt. In anderen besonderen Ausführungsformen befindet sich die zweite Auslauglösung 28 im zweiten Reaktor 30 mit der Nasskohle 26 bei einem Druck im Bereich von etwa 14,4 psia bis etwa 43 psia in Kontakt. In noch anderen besonderen Ausführungsformen befindet sich die zweite Auslauglösung 28 im zweiten Reaktor 30 mit der Nasskohle 26 bei einem Druck im Bereich von etwa 14,4 psia bis etwa 28 psia in Kontakt.
Das Verfahren 10 umfasst weiter das Abtrennen mindestens eines Teiles der zweiten Auslauglösung 28 von der Kohle. Durch Abtrennen mindestens eins Teiles der zweiten Auslauglösung 28 von der Kohle wird mindestens ein Teil der zweiten Nebenprodukt-Oxide, die in der zweiten Auslauglösung löslich sind, und mindestens ein Teil der zweiten Produkte ebenfalls von der Kohle abgetrennt. In besonderen Ausführungsformen wird im Wesentlichen die gesamte zweite Auslauglösung 28einschließlich im Wesentlichen aller zweiten Nebenprodukt-Oxide und im Wesentlichen aller zweiten Produkte von der Kohle abgetrennt. In dem in 1 veranschaulichten Verfahren 10 werden die zweite Auslauglösung 28, die zweiten Nebenprodukt-Oxide, die zweiten Produkte und die Kohle von dem zweiten Reaktor 30 als eine Aufschlämmung 32 zu einem Trommelfilter 34 transportiert. Der Trommelfilter 34 filtriert die Aufschlämmung 32, um Nasskohle 38 von der zweiten Auslauglösung, den zweiten Nebenprodukt-Oxiden und den zweiten Produkten als ein zweites Filtrat 36 abzutrennen.
Das Verfahren 10 kann weiter ein Waschen der Nasskohle 38 mit Wasser in einer Wasserwasch-Vorrichtung 40 umfassen, um irgendwelche restlichen Reaktanten oder Produkte von der Kohle zu entfernen. Die mit Wasser gewaschene Kohle 42 kann über ein (nicht gezeigtes) Förderband zu einem (nicht gezeigten) Kohletrockner übertragen werden, der weiter als ein Filter wirkt, um Wasser von der Kohle abzutrennen.
Asche kann in besonderen Ausführungsformen der mit Wasser gewaschenen Kohle 42 in einer Menge von weniger als etwa 0,2 Gew.-% vorhanden sein. In gewissen Ausführungsformen des Verfahrens 10 ist Asche in der mit Wasser gewaschenen Kohle 42 in einer Menge im Bereich von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 0,5 Gew.-% vorhanden. In anderen Ausführungsformen des Verfahrens 10 ist Asche in der mit Wasser gewaschenen Kohle 42 in einer Menge im Bereich von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 0,2 Gew.-% vorhanden. In gewissen Ausführungsformen kann die mit Wasser gewaschene Kohle 42 Spurenmengen an Fluoriden, Nitraten, Oxiden oder einer Kombination davon einschließen.
Das Verfahren der vorliegenden Offenbarung kann daher benutzt werden, ultrareine Kohle zu produzieren. Der Begriff „ultrareine Kohle”, wie er hierin benutzt wird, bezieht sich auf eine Kohle, die einen verringerten Aschegehalt (z. B. etwa unter 0,2%) und/oder einen beträchtlich verringerten Schwefelgehalt derart aufweist, dass die Kohle direkt Prozessen zugeführt werden kann, wie Gasturbinenprozessen, und Vorteile, wie, z. B., verbesserte thermische Effizienz, bereitstellen kann.
In besonderen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiter das Rühren der ersten Auslauglösung in dem ersten Reaktor, Rühren der zweiten Auslauglösung in dem zweiten Reaktor oder beides. In anderen Ausführungsformen können mehr oder weniger Auslauglösungen eingesetzt werden.
In (nicht gezeigten) anderen Ausführungsformen können die Verfahren in einer Reaktionskammer in einem ansatzweisen Verfahren ausgeführt werden, um die Übertragung von Chemikalien und die Benutzung mehrerer Reaktoren, mehrerer Filter und Förderausrüstung (z. B. Pumpen und Förderbänder) und dazugehörige Kosten- und Raumanforderungen zu vermeiden. Zusätzlich wird das Aussetzen von Kohle außerhalb des Reaktors vermindert, sodass Kohleverluste verringert und Gefahren vermieden werden, die mit der Übertragung von Chemikalien verbunden sind.
Das erste Filtrat 24 und das zweite Filtrat 36 können weiter durch zusätzliche Vorrichtungen 44 (z. B. Filter, Destillationssäulen usw.) behandelt werden, um die erste Auslauglösung 14, die zweite Auslauglösung 28 oder Vorstufen davon als rückgewonnene Reaktanten 48 (z. B. Fluorwasserstoffsäure, Nitrate usw.) zu gewinnen, während ein Nebenprodukt-Oxidstrom 48 verbleibt.
Zusätzlich kann die erste Auslauglösung 14 in dem Kohleverbrennungssystem in einem Reaktor 50 für die erste Auslauglösung aus Vorstufen 52 erzeugt werden. Die Erzeugung der ersten Auslauglösung 14 kann in mindestens einem dritten Nebenprodukt-Oxid 54 resultieren. So kann, z. B., die erste Auslauglösung 14 Fluorwasserstoffsäure umfassen, die aus den Vorstufen 52 Calciumfluorid und Schwefelsäure hergestellt ist. Das dritte Nebenprodukt-Oxid 54, das aus dieser Erzeugung von Fluorwasserstoffsäure resultiert, kann Calciumoxid umfassen. Vorteilhafterweise vermeidet die Erzeugung von Fluorwasserstoffsäure im Kohlverbrennungssystem den Transport der Fluorwasserstoffsäure zum Kohleerzeugungssystem, was die dazugehörigen Sicherheitsbedenken vermeidet und ein drittes Nebenprodukt-Oxid 54 erzeugt, das zur Entschwefelung eines Fluids, wie eines Rauchgases, eingesetzt werden kann.
2 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Verfahrens 60 zum Entschwefeln eines Rauchgases, das mindestens eine Schwefelverbindung umfasst. Das Rauchgas 62, das aus der (nicht gezeigten) Verbrennung von Kohle resultiert, wird in einen Wärmeaustauscher 64 geleitet, um die Temperatur des Rauchgases 62 an die geeignete Temperatur für die Entschwefelung anzupassen. Ein Teil der Wärme des Rauchgases 42 kann durch den Wärmeaustauscher 64 entfernt werden, doch sollte klar sein, dass das Verringern der Temperatur des Rauchgases aufgrund der Kondensation von Wasserdampf im Rauchgas zur Bildung von Schwefel- und schwefeliger Säure führen kann, die Kanäle, Rohre und Komponenten der Rauchgas-Entschwefelungseinheit korrodieren können. Ein Fachmann würde daher verstehen, wie die im Wärmeaustauscher 64 ausgetauschte Wärmemenge geeignet eingestellt wird, um die Kondensation von Wasserdampf im Rauchgas 62 zu vermeiden oder zu verringern. Es sollte einem Fachmann auch klar sein, dass die Temperatur des Rauchgases auf der Grundlage der Art der Oxid-Zusammensetzung und/oder anderer benutzter Sorptionsmittel, der Menge der Oxid-Zusammensetzung und/oder anderer benutzter Sorptionsmittel und verschiedener anderer Prozessparameter entsprechend eingestellt werden kann.
Als Nächstes wird das Rauchgas dann in die Rauchgas-Entschwefelungseinheit (FGD) 66 geleitet, wo es mit einer Oxid-Zusammensetzung 68 in Berührung gebracht wird. In gewissen Ausführungsformen kann die FGD 66 einen Nasswäscher (z. B. einen Sprühturm), einen Trockenwäscher oder Ähnliches umfassen. In gewissen Ausführungsformen kann das Rauchgas eine anorganische Schwefelverbindung umfassen. So kann, z. B., das Rauchgas Schwefeldioxid und/oder Schwefeltrioxid (d. h., Schwefelverbindungen, die aus der Verbrennung resultieren) umfassen.
Die Oxid-Zusammensetzung 68 schließt eines oder mehrere oben beschriebene Nebenprodukt-Oxide des Verfahrens 10 zum Entfernen einer oder mehrerer Verunreinigungen aus Kohle ein. Die Oxid-Zusammensetzung 68 reagiert mit mindestens einer Schwefelverbindung in dem Rauchgas unter Bildung eines festen Niederschlages 72. In einer Ausführungsform kann die Oxid-Zusammensetzung 68 Calciumoxid umfassen. Das Calciumoxid kann mit Schwefelverbindungen in dem Rauchgas 62, wie Schwefeldioxid und/oder Schwefeltrioxid, unter Bildung eines festen Niederschlages 72 reagieren, der Calciumsulfit und/oder Calciumsulfat umfasst, wie in den folgenden Gleichungen (IV) und (V) gezeigt: SO₂ + CaO → Ca²⁺ + SO 2– / 3 (IV) SO₃ + CaO → Ca²⁺ + SO 2– / 4 (V) In anderen Ausführungsformen können andere Oxide, wie Natriumoxid, Aluminiumoxid und Eisen(II)oxid in der Oxid-Zusammensetzung 68 vorhanden sein und mit mindestens einer Schwefelverbindung in dem Rauchgas unter Erzeugung entsprechender Sulfate oder Sulfite reagieren.
Das entschwefelte Rauchgas 70 tritt dann am Oberteil der FGD 66 aus, während der feste Niederschlag 72 am Boden der FGD 66 austritt. In einigen Ausführungsformen können in dem entschwefelten Rauchgas 70 Schwefelverbindungen in einer Menge im Bereich von etwa 10 ppm bis etwa 300 ppm vorhanden sein. In anderen Ausführungsformen können in dem entschwefelten Rauchgas 70 Schwefelverbindungen in einer Menge im Bereich von etwa 100 ppm bis etwa 500 ppm vorhanden sein. In noch anderen Ausführungsformen können in dem entschwefelten Rauchgas 70 Schwefelverbindungen in einer Menge im Bereich von etwa 50 ppm bis etwa 80 ppm vorhanden sein.
Wie in 2 veranschaulicht, umfasst der feste Niederschlag 72 Calciumsulfit und Calciumsulfat und wird weiter zur Bildung von Gips (d. h., CaSO₄·2H₂O) behandelt. Im Einzelnen wird der feste Niederschlag 72 zu einem Wärmeaustauscher 74 geschickt und dann durch eine Pumpe 76 zu einem dritten Reaktor 80 transportiert. Der Fachmann sollte verstehen, dass die Temperatur des festen Niederschlages 72 auf der Grundlage der erwünschten Reaktionstemperatur im dritten Reaktor 80 und verschiedener anderer Prozessparameter entsprechend eingestellt werden kann. Es sollte weiter klar sein, dass in besonderen Ausführungsformen die Reaktion von Rauchgasen, wie SO₂ und SO₃, mit Metalloxiden exotherm ist und es eine Notwendigkeit geben mag, die Temperatur des festen Niederschlages 72 zu verringern, sodass weniger teuere Konstruktionsmaterialien in dem Verfahren 60 benutzt werden können.
Die Nebenprodukt-Oxide 82 vom Verfahren 10 zum Entfernen einer oder mehrerer Verunreinigungen werden dann durch eine Pumpe 84 ebenfalls zu dem dritten Reaktor 80 transportiert. In gewissen Ausführungsformen können die Nebenprodukt-Oxide 82 die ersten Nebenprodukt-Oxide, die zweiten Nebenprodukt-Oxide, die dritten Nebenprodukt-Oxide 54, den Nebenprodukt-Oxidstrom 48 oder Kombinationen davon umfassen. Eine Oxidationssäure 78 wird ebenfalls in den dritten Reaktor 80 geleitet. Wasser und Sauerstoff werden weiter als Teil des Stromes des festen Niederschlages 72, des Stromes der Oxidationssäure 78 und/oder des Stromes der Nebenprodukt-Oxide 82 oder als (nicht gezeigte) separate Ströme in den dritten Reaktor 80 geleitet. Der dritte Reaktor 80 wandelt den festen Niederschlag 72 in Gips um, wie in den folgenden Gleichungen (VI), (VII) und (VIII) gezeigt: 2HSO – / 3 + O_2(g) → 2SO 2– / 4 + 2H⁺ (VI) 2SO 2– / 3 + O_2(g) → 2SO 2– / 4 (VII) Ca²⁺ + SO 2– / 4 + 2H₂O → CaSO₄·2H₂O_(s) (VIII)
Irgendein resultierendes Gas 88 wird abgelassen und der Gips 92 wird von dem übrigen Wasser, löslichen Nebenprodukt-Oxiden, Nebenprodukt-Oxidhydraten (d. h., der Oxid-Zusammensetzung 68) durch einen Trommelfilter 90 abfiltriert.
Durch Benutzen von Nebenprodukt-Oxiden aus dem Kohlereinigungs-Verfahren zur Rauchgas-Entschwefelung wird die Menge an Kalkstein, Kalk und/oder anderer Alkalimaterialien, die als Sorptionsmittel zum Entfernen von Schwefelverbindungen aus dem Rauchgas benötigt werden, verringert. Die Ausführungsformen der offenbarten Verfahren können einen beträchtlichen Teil oder die gesamten anorganischen Schwefelverbindungen aus der Kohle unter Einsatz der Auslauglösung(en) entfernen und einen beträchtlichen Anteil oder alle organischen Schwefelverbindungen durch die Entschwefelung des Rauchgases entfernen.
Es sollte klar sein, dass sich das Vorhergehende nur auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung bezieht, und dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen durch einen Fachmann vorgenommen werden können, ohne vom allgemeinen Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.
Ein Verfahren 60 zum Entschwefeln eines Fluids 82, das mindestens eine Schwefelverbindung umfasst, wird bereitgestellt. Das Verfahren 60 schließt das Bereitstellen einer Oxid-Zusammensetzung 68 ein, die mindestens ein Nebenprodukt-Oxid 82 aus einem Verfahren 10 zum Entfernen einer oder mehrerer Verunreinigungen aus Kohle 12 umfasst und das in Berührung bringen der Oxid-Zusammensetzung 68 mit dem Fluid 62 ein. Die Oxid-Zusammensetzung 68 reagiert mit der mindestens einen Schwefelverbindung unter Bildung eines festen Niederschlages. Verfahren zum Betreiben eines Kohleverbrennungssystems werden auch bereitgestellt.
Bezugszeichenliste

10: Verfahren
12: Kohle
14: erste Auslauglösung
16: erster Reaktor
20: Aufschlämmung
22: Trommelfilter
24: erstes Filtrat
26: Nasskohle
28: zweite Auslauglösung
30: zweiter Reaktantenreaktor
32: Aufschlämmung
34: Trommelfilter
36: zweites Filtrat
38: Nasskohle
40: Wasserwasch-Vorrichtung
42: mit Wasser gewaschene Kohle
44: zusätzliche Vorrichtungen
46: zurückgewonnene Reaktanten
48: Nebenprodukt-Oxidstrom
50: Reaktor für erste Auslauglösung
52: Vorstufen
54: drittes Nebenprodukt-Oxid
60: Verfahren
62: Rauchgas
64: Wärmeaustauscher
66: Rauchgas-Entschwefelungseinheit
68: Oxid-Zusammensetzung
70: entschwefeltes Rauchgas
72: fester Niederschlag
74: Wärmeaustauscher
76: Pumpe
80: dritter Reaktor
82: Nebenprodukt-Oxide
84: Pumpe
88: resultierendes Gas
90: Trommelfilter
92: Gips

Claims

Verfahren (60) zum Entschwefeln eines Fluids (62), das mindestens eine Schwefelverbindung umfasst, wobei das Verfahren (60) umfasst: Bereitstellen einer Oxid-Zusammensetzung (68), die mindestens ein Nebenprodukt-Oxid (82) umfasst, das durch ein Verfahren (10) zum Entfernen einer oder mehrerer Verunreinigungen aus Kohle (12) produziert ist, und in Berührung bringen der Oxid-Zusammensetzung (68) mit dem Fluid (62), wobei die Oxid-Zusammensetzung (68) mit der mindestens einen Schwefelverbindung unter Bildung eines festen Niederschlages reagiert.
Verfahren (60) nach Anspruch 1, worin die Oxid-Zusammensetzung (68) ein Metalloxidhydrat umfasst.
Verfahren (60) nach Anspruch 1, worin die Oxid-Zusammensetzung (68) Kaliumoxid, Calciumoxid, Natriumoxid, Aluminiumoxid, Eisen(II)oxid oder Kombinationen davon umfasst.
Verfahren (60) nach Anspruch 1, worin das Fluid (62) ein Rauchgas umfasst.
Verfahren (60) nach Anspruch 1, worin die mindestens eine Schwefelverbindung eine anorganische Schwefelverbindung umfasst.
Verfahren (60) nach Anspruch 1, worin das Verfahren (10) zum Entfernen einer oder mehrerer Verunreinigungen aus Kohle (12) das Bereitstellen von Kohle (12), die eine Vielzahl von Verunreinigungen aufweist, das in Berührung bringen der Kohle (12) mit mindestens einer Auslauglösung (14, 28), wobei die mindestens eine Auslauglösung (14, 28) mit einer oder mehreren der Verunreinigungen reagiert, eine oder mehrere der Verunreinigungen aus der Kohle (12) entfernt oder beides, umfasst, um das mindestens eine Nebenprodukt-Oxid (82) zu erzeugen.
Verfahren zum Betreiben eines Kohleverbrennungssystems, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen von Kohle (12), die eine Vielzahl von Verunreinigungen umfasst, Entfernen einer oder mehrerer der Verunreinigungen aus der Kohle (12), um mindestens ein Nebenprodukt-Oxid (48, 54) zu produzieren, wobei das mindestens eine Nebenprodukt-Oxid (48, 54) eine oder mehrere der Verunreinigungen, ein Produkt einer Reaktion zwischen einer oder mehrerer der Verunreinigungen und mindestens einem Reaktanten oder beides umfasst, Abtrennen des mindestens einen Nebenprodukt-Oxids (48, 54) von der Kohle (42), Verbrennen der Kohle (42), um ein Rauchgas (62) zu erzeugen, das mindestens eine Schwefelverbindung umfasst, und In Berührung bringen des mindestens eines Nebenprodukt-Oxids (48, 54, 82) mit dem Rauchgas (62), wobei das mindestens eine Nebenprodukt-Oxid (48, 54, 82) mit der mindestens einen Schwefelverbindung unter Bildung eines festen Niederschlages reagiert.
Verfahren nach Anspruch 7, worin das mindestens eine Nebenprodukt-Oxid (48, 54, 82) ein Metalloxidhydrat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, worin das mindestens eine Nebenprodukt-Oxid (48, 54, 82) Kaliumoxid, Calciumoxid, Natriumoxid, Aluminiumoxid, Eisen(II)oxid oder Kombinationen davon umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines Kohleverbrennungssystems, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen von Kohle (12), die eine Vielzahl von Verunreinigungen umfasst, Umsetzen einer Fluoridverbindung mit einer Säure zum Erzeugen von Fluorwasserstoffsäure und einem Nebenprodukt-Oxid (54), in Berührung bringen der Fluorwasserstoffsäure mit der Kohle (12) zum Entfernen einer oder mehrerer der Verunreinigungen aus der Kohle, Abtrennen der Fluorwasserstoffsäure von der Kohle (12), Verbrennen der Kohle (42) zum Erzeugen eines Rauchgases (62), das mindestens eine Schwefelverbindung umfasst, und In Berührung bringen des Nebenprodukt-Oxids (54, 82) mit dem Rauchgas (62), wobei das Nebenprodukt-Oxid (54, 82) mit der mindestens einen Schwefelverbindung unter Bildung eines festen Niederschlages reagiert.