JP2005059005A - 石炭混合を使用して燃焼煙道ガス中の水銀を減少させるシステム及びその方法 - Google Patents

石炭混合を使用して燃焼煙道ガス中の水銀を減少させるシステム及びその方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 燃焼システム(16)において低級石炭(32、52)の燃焼からのガス放出物の中の水銀を減少させる方法を提供する。
【解決手段】 方法は、低級石炭の燃焼により生成される煙道ガスの中に元素水銀(Hg)が放出されるように、燃焼システムで塩素含有量の少ない石炭(32、52)を燃焼させる工程と、燃焼システムで塩素含有量の多い石炭(34、54)を燃焼させることにより、煙道ガス中に塩素を放出する工程と、煙道ガス中で元素水銀と放出された塩素とを反応させて、水銀を酸化する工程と、石炭の燃焼により生成された酸化水銀の少なくとも一部を煙道ガス中の吸着剤によって吸着する工程と、燃焼廃棄物処理システムで吸着剤を酸化水銀と共に回収する工程(19、26)とを含む。
【選択図】図1

Description

本発明は石炭の燃焼に関し、特に、石炭の燃焼中に生成される煙道ガスにおける水銀(Hg)の減少に関する。
水銀は石炭鉱物質の成分の1つである。石炭専焼発電所からの水銀の放出は環境中の水銀の主な発生源の1つである。合衆国環境保護局(EPA)は発電所からの水銀の放出が公衆衛生を害する重大な原因であると認定している。EPAは、石炭専焼発電所を運営している公益事業体に水銀の放出を最小限に抑えることを要求するであろう法規制を考慮している。従って、発電所からの水銀の放出を制御するための有効で、低コストの技術が必要とされている。
水銀は、一般に、石炭燃焼から出る廃棄生成物の中に排出される。水銀は石炭の燃焼中に元素水銀(Hg)として揮発する。この水銀の一部は煙道ガスが冷却する間に酸化される。煙道ガス中の酸化水銀(Hg+2)の大半は塩化水銀HgClとして存在すると考えられている。元素水銀と酸化水銀は共にフライアッシュに吸着させることができるが、酸化水銀を吸着させるほうが容易である。酸化水銀は水溶性であるので、二酸化硫黄(SO)の放出を制御するために使用されている湿式スクラバーにより酸化水銀を除去することが可能である。灰によって運ばれる水銀は、発電所内の粒子回収システムにより除去できるであろう。しかし、元素水銀として残留する水銀は煙道ガスの中にとどまる傾向にあり、従来の燃焼放出制御装置により除去するのは特に困難である。
東部(Eastern)瀝青炭は大量の、例えば、800百万分率(ppm)を超える量の塩素を有する。瀝青炭の燃焼中に放出される塩素は、石炭の燃焼中に放出される元素水銀をHgClに酸化するのを助ける。HgClはフライアッシュ、吸収剤、湿式スクラバー及び他の種類の放出物制御技術により容易に捕捉される。
Powder River Basin(PRB)炭及び褐炭を燃焼させる発電所からの水銀放出を制御することは特に必要である。PRB炭は合衆国のワイオミング及びモンタナのPowder River Basin(パウダー川流域)から採掘される。それらの石炭は発電用として利用可能な石炭のかなりの部分を占めている。PRM炭及び褐炭は硫黄の含有量が少ないため、ある点では望ましい。これらの石炭から出る煙道ガスは二酸化硫黄(SO)の放出が少ないという望ましい特徴を有する傾向にある。PRB炭及び褐炭(合わせて「低級石炭」)に含まれる水銀は煙道ガスの中に元素水銀としてとどまりがちであり、容易に酸化しないか、あるいは他の形態の水銀に容易に変換されない。低級石炭の塩素(Cl)含有量は少なく、例えば、通常は100百万分率(ppm)未満である。低級石炭の燃焼中、塩素(Cl)の含有量が少ないことと、低級石炭に他の成分が存在していることにより、煙道ガスにおける水銀の酸化は抑制される。
米国特許6,280,695号公報 米国特許6,471,506号公報
水銀は様々に異なる形態をとる可能性があるため、燃焼煙道ガスにおける水銀の放出の制御は複雑である。それらの水銀の形態は燃焼プロセスの間に、煙道ガスが冷却され、燃焼ガス制御システムを通って流れるにつれて変化する。水銀放出物を処理するための制御技術の有効度は、煙道ガスが制御装置を通過する間に存在する水銀の形態又は種分化によって決まる。水銀の形態又は種分化が正確にわからないか、又は放出物制御処理中に変化する場合、有効な水銀放出物制御技術を選択することは更に困難になる。
一実施例においては、本発明は、燃焼システムにおいて低級石炭の燃焼からのガス放出物の中の水銀を減少させる方法であって、低級石炭の燃焼により生成される煙道ガスの中に元素水銀(Hg)が放出されるように、燃焼システムで塩素含有量の少ない石炭を燃焼させることと、燃焼システムで塩素含有量の多い石炭を燃焼させることにより、煙道ガス中に塩素を放出することと、煙道ガスの中で元素水銀と放出された塩素とを反応させて、水銀を酸化することと、石炭の燃焼により生成された酸化水銀の少なくとも一部を煙道ガス中の固体吸着剤によって吸着することと、燃焼廃棄物処理システムで吸着剤を酸化水銀と共に回収することとを含む方法である。あるいは、酸化水銀を湿式スクラバーにより除去することが可能である。
別の実施例においては、本発明は、燃焼システムにおいて低級石炭の燃焼からのガス放出物の中の水銀を減少させる方法であって、燃焼により生成される煙道ガスの中に元素水銀(Hg)が放出されるように、燃焼システムで塩素含有量の少ないPowder River Basin(PRB)炭を燃焼させることと、燃焼システムで塩素含有量の多い瀝青炭を燃焼させることにより、煙道ガス中に塩素を放出することと、煙道ガスの中で元素水銀と放出された塩素とを反応させて、水銀を酸化し、塩化水銀(HgCl)を生成することと、石炭の燃焼により生成されたHgClの少なくとも一部を吸着剤によって吸着することと、燃焼廃棄物処理システムで吸着剤をHgClと共に回収することとを含む方法である。あるいは、酸化水銀を湿式スクラバーにより除去することが可能である。
更に別の実施例においては、本発明は、石炭燃焼ボイラからの煙道ガス放出物の中の水銀を処理するためのシステムであって、塩素含有量の少ない石炭及び塩素含有量の多い石炭を受け入れる石炭噴射器と、石炭噴射器から石炭を受け入れ、煙道ガス出力端を有する燃焼チャンバを有する燃焼器と、煙道ガス出力端及び捕捉された粒子廃棄物の排出口に結合された燃焼処理廃棄システムとを具備し、燃焼器は、塩素含有量の少ない石炭の燃焼により生成されて、煙道ガスの中へ放出される元素水銀(Hg)が塩素含有量の多い石炭の燃焼中に放出される塩素により酸化されるように、塩素含有量の少ない石炭と塩素含有量の多い石炭を燃焼させ、酸化された水銀は煙道ガス中の粒子により吸着されるようなシステムである。あるいは、酸化水銀を湿式スクラバーにより除去することが可能である。
別の実施例においては、本発明は、燃焼システムにおいて低級石炭の燃焼からのガス放出物の中の水銀を減少させる方法であって、低級石炭の燃焼により生成される煙道ガスの中に元素水銀(Hg)が放出されるように、燃焼システムで塩素含有量の少ない石炭を燃焼させることと、燃焼システムで塩素含有量の多い石炭を燃焼させることにより、煙道ガス中に塩素を放出することと、煙道ガスの中で元素水銀と放出された塩素とを反応させて、水銀を酸化することと、石炭の燃焼により生成された酸化水銀の少なくとも一部を水洗浄装置によって除去することとを含む方法である。
図1は、様々な種類の石炭の供給源12と、石炭混合ビン14と、石炭燃焼ボイラ16と、燃焼廃棄物処理システム18とを具備する石炭専焼火力発電装置10を示す。ボイラは石炭燃料噴射システム20と、空気噴射器22とを含む。燃焼廃棄物処理システムは吸収剤噴射システム24と、灰排出物28を有する粒子制御装置(PCD)26と、湿式スクラバー19と、煙道ガス排出物の排気煙突30とを含む。PCDは煙道ガス中のフライアッシュ及び吸収剤を捕捉する。湿式スクラバーは煙道ガスからSOを除去する。
石炭供給源12及び石炭混合ビンは、低級石炭32と、100〜2000百万分率(ppm)の平均塩素含有量を有する瀝青炭などの、相対的に塩素(Cl)含有量の多い別の種類の石炭34とを含む。これに対し、低級石炭32は、通常、100ppm未満の少ない塩素含有量を有する。低級石炭は塩素含有量の多い石炭、例えば、100ppmを超える塩素含有量を有する石炭と混合される。
低級石炭と塩素含有量の多い石炭は混合ビン14において混合される。低級石炭と瀝青炭の比は、ボイラ16の燃焼ゾーン36の中へ噴射される石炭における塩素の量が水銀放出の処理を助けるのに十分な塩素を煙道ガスの中で生成するように選択される。例えば、混合石炭は塩素含有量の多い石炭を30%、低級石炭を70%含んでいても良い。混合石炭はボイラ16の燃焼ゾーン36で燃焼される。あるいは、塩素含有量の少ない石炭32と塩素含有量の多い石炭34は燃焼ゾーン36の中へ別個に燃焼されて送り込まれることも可能である。
塩素含有量の多い石炭の中の塩素は、低級石炭の燃焼中に蒸発する水銀の酸化を助ける。酸化水銀は、吸収剤及びフライアッシュなどの、煙道ガス中の固体粒子により相対的に容易に吸着される。瀝青炭はフライアッシュの中で相対的に高いLOIを発生する傾向にあり、これを利用して煙道ガス中の水銀を吸着することができる。また、酸化水銀は湿式スクラバー19などのガス脱硫システム(FGD)により煙道ガスから相対的に容易に除去される。
煙道ガス中の塩素の量が増すと、水銀の酸化によって左右される水銀減少技法の効率が向上する。塩素が存在するため、煙道ガス中の水銀は様々な従来の放出物処理システムを使用して捕捉できる塩化水銀(HgCl)に変換される。このような処理システム24はPCDの上流側に活性炭(AC)を噴射するところを含む。更に、水銀の酸化を改善するために選択的接触還元(SCR)が使用されても良く、また、HgClの捕捉を改善するために湿式煙道ガス脱硫(FGD)が使用されても良い。煙道ガス中の酸化水銀を除去するための他の技法が採用されても良い。
活性炭又は他の吸収剤(合わせて「吸収剤」という)は図中符号24で示す箇所でボイラからの煙道ガスの中へ噴射されれば良い。吸収剤はボイラの下流側、廃棄物処理システム18の上流側で噴射される。
図2は、図1に示す発電装置10に類似する発電装置40を示す。図2に示す発電装置の構成要素のうち、図1に示す発電装置10の構成要素と同じであるものを示すために、同じ図中符号が使用されている。発電装置40では、ボイラ16の燃焼部分42が変形されている。燃焼部分42は、石炭の燃焼中に生成されるフライアッシュの中の炭素の量が石炭燃焼ボイラの従来の、効率の良い燃焼器で期待されるより多くなるように変形されている。
石炭燃焼ボイラにおける石炭の燃焼は通常は完全ではなく、幾分かの炭素が含有されたフライアッシュを生成する。瀝青炭の燃焼は、低級石炭の燃焼より多くの炭素をフライアッシュ中に生成する傾向にある。低級石炭に瀝青炭を追加することにより、燃焼中に生成されるフライアッシュの中の炭素の量が増加し、その結果、水銀に対するフライアッシュの反応度が増す。
更に、従来の低窒素酸化物(NO)燃焼(LNB)プロセスの間に、オーバファイア空気(OFA)噴射ゾーン44内で、他の従来の低NO燃焼技術と関連して、炭素含有量の多い活性フライアッシュが生成される場合が多い。ボイラの燃焼ゾーン42は、ボイラのガス流の多燃料ゾーンで活性フライアッシュが形成されるように構成されている。例えば、OFA噴射ゾーン44は、煙道ガスがOFA噴射ゾーンを通過する間にフライアッシュ中の炭素を完全には燃焼しつくさないように構成されていても良い。従って、ボイラを通って流れる、燃焼ゾーンの下流側のフライアッシュ中の炭素の量は効率の良い石炭燃焼ボイラで期待されるより多くなる。
炭素含有量の多いフライアッシュがボイラから下流側へ流れるにつれて、煙道ガスとフライアッシュは冷却される。140°Fから400°Fの温度範囲にあるとき、炭素含有量の多いフライアッシュはバッグハウス又は静電集塵器(ESP)として適している。フライアッシュが冷却されるにつれて、フライアッシュ中の活性炭素は煙道ガスから水銀を吸着する。フライアッシュはPCD26の上流側及び内部の水銀を吸着する。フライアッシュは吸着した水銀と共にPCD26で回収され、灰廃棄排出物28として排出される。反応性のフライアッシュを生成する発電装置40は、図1に示す発電装置10に示されている吸収剤噴射器24と共に使用されても良いし、あるいは吸収剤噴射器24なしで使用されても良い。
図3は、図1に示す発電装置10に類似する発電装置50を示す。図3に示す発電装置の構成要素のうち、図1に示す発電装置10の構成要素と同じである構成要素を示すために、同じ図中符号が示されている。発電装置50は、ボイラの燃焼部分42に低級石炭を送り出す低級石炭噴射システム52を含む。低級石炭32は塩素含有量が少なく、最初に塩素含有量の多い瀝青炭と混合されることなく、ボイラの主燃焼ゾーン42で燃焼される。
瀝青炭54又は他の塩素含有量の多い石炭は、炭素含有量の多いフライアッシュを形成し且つ石炭の燃焼中に放出される水銀を酸化するために必要とされる塩素を供給するために、ボイラの再燃焼ゾーン56で燃焼される。再燃焼ゾーンで瀝青炭を燃焼させることにより放出される塩素は、低級石炭及び瀝青炭を燃焼させることにより放出される水銀を酸化する。
更に、燃焼部分42と再燃焼ゾーン56は、石炭燃焼から炭素含有量の多いフライアッシュを生成するように構成されていても良い。炭素含有量の多いフライアッシュが冷却されるにつれて、フライアッシュ中の活性炭素は煙道ガスから水銀を吸着する。PCD26は炭素及び吸着されたHgと共にフライアッシュを回収する。
低級石炭を塩素含有量の多い石炭と共に燃焼させ、炭素含有量の多いフライアッシュを生成することの利点及び効果は以下に示す試験から明白である。試験は、石炭の組成がHgの除去に及ぼす影響を判定するために、1.0MMBTU/hrボイラシミュレータ設備(BSF)60で実行された。BSF設備は図4に概略的に示されている。BSFは実物大のボイラにおいて見られる煙道ガスの温度及び組成のサブスケールシミュレーションを行う。
図4に示すように、BSF60はバーナ62と、垂直下向き燃焼輻射炉64と、冷却部分66と、輻射炉から延出する水平対流パス68と、ESP68と、対流パスと連通する煙道ガスサンプリング計器70を有する煙突とを含む。バーナ62は軸方向燃料噴射器を有する可変渦拡散バーナであり、実物大の石炭燃焼ボイラにおける商用ボイラの大体の温度及びガス組成をシミュレートするために使用される。1次空気はボイラの燃焼ゾーンの中に軸方向に噴射される。燃焼ゾーンで制御された燃料/空気の混合を行うために、渦ベーン(図示せず)を通して2次空気が半径方向に噴射される。渦ベーンの角度を調整することにより、渦の数を制御することができる。設備の軸に沿って多数のアクセスポートが配置されているため、再燃焼噴射器、追加の噴射器、オーバファイア空気噴射器及びサンプリングプローブなどの補助機器の装着が可能である。
輻射炉64は内径が22インチ、総高さが20フィートの8つの耐火物内張りモジューラセクションを有する。対流パス68も耐火物で内張りされており、事業用ボイラの過熱器部分及び再熱器部分をシミュレートするために複数の空冷管束を含む。輻射炉及び対流パスにおける熱の取り出しは、滞留時間−温度プロファイルが典型的な実物大ボイラの滞留時間−温度プロファイルと一致するように制御されることが可能である。吸引高温計(図示せず)が煙道ガス温度を測定する。
BSFのESP70は、軸方向コロナ電極を有する12本の管から構成されるシングルフィールドユニットである。ESP出口でオンラインHg解析装置を使用して水銀濃度が測定された。解析装置は煙道ガス中の元素水銀(Hg)と水銀総量の双方を測定することが可能である。ESPを通過するフライアッシュによる水銀除去の効率を判定するために、Powder River Basin(PRB)炭、瀝青炭、及びPRB炭と瀝青炭の混合物を使用して試験が実行された。ESP通過時の平均温度は350°Fであった。
図5は、低級石炭、東部(Eastern)瀝青炭のみの石炭、及び低級石炭と東部瀝青炭の混合物の燃焼からの水銀放出に関するBSF試験の結果を示すグラフ80である。各々の試験中、エアステージングを使用して炭素含有量の多いフライアッシュが形成された。主燃焼ゾーンにおける化学量論比(SR)は0.5〜1.0の範囲であり、最終化学量論比(SR)は煙道ガスにおける約3%の過剰酸素に相当する1.16であった。オーバファイア空気(OFA)は1800〜2500°Fの範囲の煙道ガス温度で噴射された。OFA噴射ポートの場所を変えることにより、OFA噴射温度の変化が実現された。
PRB炭を使用した試験結果は、SR及びOFA噴射温度がPRB炭におけるフライアッシュ中の炭素含有量(LOI(強熱減量)のレベルにより示される)及びHg除去に小さな影響しか及ぼさないことを実証した。これらの試験パラメータを変化させると、その結果、0.2%〜0.8%の範囲のLOIが得られた。PRB炭におけるフライアッシュによる水銀の除去は、図5の破線により指示される領域82に示すように、6%〜35%の範囲であった。これらの試験82の結果は、煙道ガスに元素形態(Hg)で残留し、実質的に酸化されない水銀と一致していた。
瀝青炭を使用した試験結果84は、燃焼条件の変化がフライアッシュのLOIレベルに著しく大きな影響を与えることを実証した。LOIが大きくなるにつれて、水銀の吸着は増し、Hg吸着のレベルは5%のLOIで約60%に達した。これらの試験84は、瀝青炭が燃焼するにつれて放出された塩素により酸化され、HgClに変換された煙道ガス中の水銀と一致していた。
試験結果86は,70重量%のPRBと、30重量%の東部瀝青炭という組成を有するPRB/瀝青炭混合物(70/30)を使用して実行された。これらの試験86は、燃焼条件の変化がLOI及びフライアッシュによるHg吸着に著しく大きな影響を与えることを実証した。70/30石炭混合物における水銀吸着は、瀝青炭がその石炭混合物のわずか30%を構成しているにすぎないにもかかわらず、瀝青炭のみの場合とほぼ同じであった。
図6は、PRB炭、西部(Western)瀝青炭のみの石炭、及びPRB炭と西部瀝青炭の70/30混合物の燃焼からの水銀放出に関するBSF試験の結果を示すグラフ90である。各々の試験中に、エアステージングを使用して炭素含有量の多いフライアッシュが形成された。OFA空気は1800°Fで噴射された。SRとSRはそれぞれ1.05と、1.16であった。図6は、石炭混合物の場合の水銀除去効率が55%であり、PRB炭のみ及び瀝青炭のみの場合より高いことを実証している。試験的規模の実験結果は、低級石炭を瀝青炭と混合することにより、低級石炭の場合のフライアッシュによる水銀除去の効率を改善できることを示す。
本発明を現時点で最も実用的で、好ましい実施例であると考えられるものに関連して説明したが、本発明は開示された実施例に限定されるべきではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
石炭混合及び吸収剤噴射を有する石炭専焼火力発電装置の概略図。 石炭混合及び変形された燃焼システムを有する石炭専焼火力発電装置の概略図。 低級石炭噴射とは別個に瀝青炭噴射を有する石炭専焼火力発電装置の概略図。 ボイラシミュレーション設備を示す図。 PRB、東部瀝青炭及び石炭混合物の燃焼により生成されたフライアッシュの強熱減量(LOI)に関する水銀除去の効果を示すグラフ。 PRB、西部瀝青炭及び石炭混合物の燃焼により生成されたフライアッシュの強熱減量(LOI)に関する水銀除去の効果を示すグラフ。
符号の説明
10…石炭専焼発電装置、12…石炭供給源、14…石炭混合ビン、16…石炭燃焼ボイラ、18…燃焼廃棄物処理システム、19…湿式スクラバー、20…石炭燃料噴射システム、22…空気噴射器、24…吸収剤噴射システム、26…粒子制御装置、28…灰排出物、30…排気煙突、32…低級石炭、34…塩素含有量の多い石炭、36…燃焼ゾーン、40…発電装置、42…燃焼部分、44…OFA噴射ゾーン、50…発電装置、52…低級石炭噴射システム、54…瀝青炭、56…燃焼ゾーン、60…ボイラシミュレータ設備

Claims (10)

  1. 燃焼システム(16)における低級石炭(32、52)の燃焼からのガス放出物の中の水銀を減少させるための方法において、
    a.低級石炭の燃焼により生成される煙道ガスの中に元素水銀(Hg)が放出されるように、燃焼システムで塩素含有量の少ない石炭(32、52)を燃焼させることと、
    b.燃焼システムで塩素含有量の多い石炭(34、54)を燃焼させることにより、煙道ガス中に塩素を放出することと、
    c.煙道ガスの中で元素水銀と放出された塩素とを反応させて、水銀を酸化することと、
    d.石炭の燃焼により生成された酸化水銀の少なくとも一部を煙道ガス中の吸着剤によって吸着すること(86)と、
    e.燃焼廃棄物処理システムで吸着剤(24、26、28)を酸化水銀と共に回収することとから成る方法。
  2. 塩素含有量の少ない石炭(32、52)は100百万分率(ppm)未満の塩素を含み、塩素含有量の多い石炭(34、54)は100ppmを超える塩素を含む請求項1記載の方法。
  3. 塩素含有量の少ない石炭(32、52)は燃焼前に塩素含有量の多い石炭(34、54)と混合される(14)請求項1記載の方法。
  4. 塩素含有量の少ない石炭は工程(a)及び工程(b)の前に塩素含有量の多い石炭と混合される(14)請求項1記載の方法。
  5. 塩素含有量の多い石炭(34、54)は、塩素含有量の少ない石炭の燃焼により生成される煙道ガス中の煙道ガスダウンストリームの中で燃焼される(36)請求項1記載の方法。
  6. 燃焼廃棄物処理システムは粒子制御装置(26)を含み、酸化水銀の吸着は、水銀を吸着するために煙道ガス中に吸着剤として吸収剤(24)を噴射することを含む請求項1記載の方法。
  7. 燃焼廃棄物処理システムは粒子制御装置(26)を含み、酸化水銀はフライアッシュに吸着され、粒子制御装置により捕捉される請求項1記載の方法。
  8. 吸着剤は燃焼により生成されるフライアッシュであり、フライアッシュの強熱減量レベルは少なくとも0.5%である請求項1記載の方法。
  9. 吸着剤は燃焼により生成されるフライアッシュであり、前記方法は、吸着剤としてフライアッシュの中に過剰な炭素を生成することを更に含み、フライアッシュの強熱減量レベルは少なくとも0.5%である請求項1記載の方法。
  10. 吸着剤は燃焼廃棄物処理システムの湿式スクラバー(19)からの水である請求項1記載の方法。
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