JP2010532460A - 石炭燃焼期間中の水銀放出を低減させるための、ハロゲンおよび窒素含有化合物の使用 - Google Patents

Abstract

石炭燃焼中の水銀放出を低減させるための、アンモニア、スルファミン酸、あるいは１種または複数のその塩のような窒素含有化合物から誘導される臭素および／または臭化物含有化合物を使用するための方法およびシステムが提供される。
【選択図】 なし

Description

２００５年、ＥＰＡは石炭を燃料とする発電所からの水銀放出を制限し、低減させるための「清浄空気の水銀基準」を公布した。この基準はＥＰＡの清浄空気州間基準（ＣＡＩＲ）と併せて、早くも２０１０年に石炭燃料発電所からの水銀放出の著しい低減を要求するであろう。

幾らかの水銀はＳＯ_２抑制装置により石炭燃料発電所の排煙から除去することができる。しかし排煙は通常、かなりの量の元素水銀および酸化水銀を含んでなり、そしてＳＯ_２抑制装置は酸化水銀を除去するのには適するが、元素水銀の除去には適さない。排煙中の水銀を酸化するためには、低レベルの臭素、あるいは臭化カルシウム、臭化ナトリウムまたは臭化カリウムのような、臭素のアルカリまたはアルカリ土類金属塩の水溶液を使用することができる。しかし、臭化物が酸化される時に、それは臭素の形成をもたらす。少なくとも臭素の幾らかは元素の水銀と反応して、ＨｇＢｒ_２のような不揮発性水銀塩を形成することができる。除去されるべきＨｇの量に対する過剰臭化物値は排煙中に残留する有意な量の臭素をもたらし、それは発電所の洗浄システムおよび他の装置に腐食性であることが知られている。

以上から、発電所内に腐食を引き起こさずに、排煙から酸化水銀および元素水銀の双方を除去するために適する、石炭燃料発電所の排煙からの水銀放出を最少にする方法を見いだすことは営業的に有益であると考えられる。

本発明は、燃焼前または燃焼中のいずれかに、少なくとも１種の窒素含有化合物あるいはその１種または複数の塩から誘導される臭素および／あるいは臭化物含有化合物を含んでなる組成物を石炭に添加する工程を含んでなる、燃焼中の石炭からの水銀放出を低減させる方法を提供することにより、前述の要請を満たす。このような方法においては、臭素および／または臭化物含有化合物は臭化アンモニウムのような窒素含有臭化物塩を含んでなることができる。本発明は、このように誘導された臭素および／または臭化物含有化合物が臭化カルシウムのような、排煙中の水銀を酸化するための知られた化合物に比較して、発電所の設備の腐食を引き起こす傾向がずっと低い点で有益である。

更に、少なくとも窒素含有化合物あるいは１種または複数のその塩から誘導される臭素および／または臭化物含有化合物を含んでなる組成物を排煙に添加する工程を含んでなる、石炭の燃焼から生成される排煙からの水銀放出を低減させる方法が提供される。

更に、（ｉ）少なくとも窒素含有化合物あるいは１種または複数のその塩から誘導される臭素および／または臭化物含有化合物を含んでなる組成物を石炭に添加する工程、（ｉｉ）石炭を石炭燃焼炉中に送達する工程、（ｉｉｉ）石炭燃焼炉内で該組成物を含む石炭を燃焼して、灰および燃焼ガスを生成する工程、（ｉｖ）燃焼ガス中の水銀レベルを測定する工程、および（ｖ）水銀レベルの値に基づき、石炭に適用された組成物の量を調整する工程：を含んでなる、大気中に放出される水銀量を低減させるための、石炭を燃焼する方法が提供される。

更に、（ａ）少なくとも窒素含有化合物あるいは１種または複数のその塩から誘導される臭素および／または臭化物含有化合物を含んでなる組成物、（ｂ）燃焼室、燃焼室から対流経路の外側の出口に誘導する燃焼ガスの対流経路、および対流経路内に配置された粒
子収集装置を含んでなる石炭燃焼炉、（ｃ）燃焼炉に石炭を送達する装置、（ｄ）対流経路内の水銀レベルを測定するための対流経路内に配置された装置、（ｅ）炉内への石炭の送達前に石炭中に組成物を送達するようになっている組成物送達装置、並びに（ｆ）水銀測定装置からの出力信号を受信するようになっており、そして出力信号の値に基づき組成物の送達を調整するように組成物送達装置に操作可能に接続された制御装置：を含んでなる、低減したレベルの水銀がシステムの外側に放出される、石炭を燃焼するシステムが提供される。

臭素および／または臭化物含有化合物
本発明に有用な、少なくとも窒素含有化合物あるいは１種または複数のその塩から誘導される臭素および／または臭化物含有化合物は、これにより本発明を限定することなく、以下：少なくともアンモニア、スルファミン酸、尿素、１種または複数のヒダントイン、ビューレット、スクシンイミド、各置換基中に約２〜約４個の炭素原子を含む低級脂肪族モノ−もしくはジ置換尿素、アルキルスルファミド、等から誘導される化合物；臭化アンモニウムのような、窒素含有臭化物塩および他の化合物；Ａｌｂｅｍａｒｌｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより商品名ＳＴＡＢＲＯＭ ９０９として販売されるＢｒＣｌおよびスルファミン酸ナトリウム（ＮａＳＯ_３ＮＨ_２）から誘導される組成物（例えば、米国特許第６，０６８，８６１号中に記載のような）；並びにＮａｌｃｏにより商品名ＳＴＡＢＲＥＸとして販売されるアルカリまたはアルカリ土類金属の次亜臭素酸塩の安定化水溶液（例えば、米国特許第５，６８３，６５４号に記載のような）を含む。

燃焼中の水銀放出を低減するための石炭の処理
本発明の方法およびシステムにおいて、燃焼中の水銀放出を低減するために、石炭燃焼前または石炭燃焼中のいずれかに、少なくとも窒素含有化合物あるいは１種または複数のその塩から誘導される臭素および／または臭化物含有化合物を含んでなる組成物、あるいは該組成物の少なくとも一部を、石炭に添加することができる。

本明細書に記載される臭素および／または臭化物含有化合物を含んでなる組成物は、その燃焼の前に石炭に／石炭上に添加することができる。石炭は例えば、粒子状石炭であってもよく、そして場合により、従来の方法に従って微粉砕または粉砕することができる。組成物は液体としてまたは固形物として、石炭上に添加することができる。固形物の組成物は一般に粉末の形態にある。組成物が液体として添加される時は、石炭は燃焼装置中に供給される時に湿ったままであってもよい。組成物はそれがコンベヤー、スクリュー押し出し機または他の供給装置上にある間に、石炭上に噴霧または混合することにより、石炭燃焼設備において石炭上に連続的に添加することができる。更に、またはそれに代わって、組成物は石炭燃焼設備または石炭生産装置において石炭と別に混合してもよい。組成物はそれが燃焼装置中に供給されている時に、液体または粉末として石炭に添加することができる。組成物は例えば、注入前に石炭を粉砕する粉砕装置中に適用することができる。所望される場合は、組成物の添加速度は所望される水銀放出レベルを達成するように変えることができる。排煙中の水銀レベルは監視されて、所望の水銀レベルを維持するために必要なように、組成物添加レベルを上下に調整することができる。

前述のような臭素および／または臭化物含有化合物を含んでなる組成物はバッチとしてまたは連続的に石炭に添加することができる。連続的添加においては、処理レベルは燃焼されている石炭の供給速度に基づくことができる。組成物が石炭生産装置または別の混合設備におけるようなバッチで添加される場合は、処理レベルは処理されている石炭の重量に基づくことができる。更に、添加速度または処理レベルは水銀の放出レベルの決定値に基づき調整することができる。

水銀放出を低減するための石炭燃料発電所からの排煙の処理
更に、本発明の方法およびシステムにおいて、少なくとも窒素含有化合物あるいは１種または複数のその塩から誘導される臭素および／または臭化物含有化合物を含んでなる組成物、あるいは該組成物の少なくとも一部は、水銀含有排気ガスに添加されて、ガスと一緒の水銀の放出を低減させることができる。組成物を例えば、石炭燃料発電所における排煙に添加して、水銀放出を低減させることができる。

組成物を石炭燃焼設備の対流経路中に挿入または注入して、水銀レベルを低減させることができる。組成物は火柱（石炭の燃焼により誘発される）の対流経路の下流区域中に添加することができ、その区域は約１５００°Ｆ（８１６℃）を超え、そして約２２００°Ｆ（１２０４℃）の火柱温度未満の温度を有する。燃焼前の添加においては、組成物は液体または固形物（粉末）の形態にあることができる。対流経路中への組成物の添加速度は本明細書に記載のような水銀監視の結果に応じて変更することができる。

石炭または排煙いずれかの処理に対して、組成物は、燃焼される／燃焼されている石炭に基づいて少なくとも約２０００ｐｐｍの臭素または臭化物値が存在するような量で添加されて、排煙中の水銀放出において少なくとも約９０％の低減をもたらすことができる。本明細書の説に従うと、当業者は少なくとも２０００ｐｐｍの臭素または臭化物値を提供するために要する組成物の量を決定することができ、そして例えば、７０％の低減、８０％の低減、等を得るために所望される臭素／臭化物値のｐｐｍを決定することができる。液体溶液に対しては典型的には、同一組成の固形物に比較してより大量を使用することができる。例えば、組成物がＮＨ_４Ｂｒを含んでなる時は、燃焼される／燃焼されている石炭に基づき、３５重量％のＮＨ_４Ｂｒ溶液の重量ベースで少なくとも約７５００ｐｐｍ、または固形物のＮＨ_４Ｂｒ（１００％活性）の重量ベースで少なくとも約２５００ｐｐｍを添加することができる。更に、本明細書の教示に従うと、当業者は、例えば、排煙中の水銀放出において少なくとも約７０％の低減、少なくとも約８０％の低減、等をもたらすための組成物の適量を決定することができる。

本発明の方法およびシステムが使用されると、燃焼されている石炭中の総水銀量に基づいて、石炭燃焼設備から環境中への水銀放出が少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、または更に少なくとも約９０％までも低減される。本明細書に使用される少なくとも約７０％の水銀低減は、燃焼されている石炭中の少なくとも約７０％の水銀が大気中へのその放出を妨げるように捕捉されることを意味する。本明細書に記載の臭素および／または臭化物含有化合物を含んでなる十分量の組成物を燃焼前または燃焼中に石炭に添加して、環境中への水銀放出を少なくとも約７０％以上まで低減することができるか、あるいは排煙を処理するために使用して、同様な結果を得ることができるか、あるいは組成物の一部を燃焼の前または燃焼中に石炭に添加することができ、そして組成物の一部を、排煙を処理するために使用することができる。

工業規格の検出法および決定法を使用して、従来の分析設備により水銀レベルを監視することができる。監視は手動でも自動でも、定期的に実施することができる。例えば、水銀放出を１時間毎に監視して、政府の規制とのコンプライアンスを確認することができる。具体的に示すために、Ｏｎｔａｒｉｏ Ｈｙｄｒｏの方法を使用することができる。この知られた方法においては、前以て決められた時間、例えば１時間、ガスを収集する。水銀を収集ガスから沈殿させ、そのレベルを原子吸収のような適当な方法を使用して定量する。監視はまた、技術的および営業的実行可能性に応じて１時間に１回より多少頻繁に実施することができる。市販の連続的水銀モニターを適当な頻度、例えば３〜７分毎に１回、水銀を測定し、数値を示すように設定することができる。水銀モニターの出力は本明細書に記載の臭素および／または臭化物含有化合物を含んでなる組成物の添加速度を制御するために使用することができる。監視の結果に応じて、組成物の添加速度は添加レベルを高める、それを低下させる、または不変のままにすることにより調整することができる。
具体的に表すために、監視が、水銀レベルが所望値より高いことを示す場合は、水銀レベルが所望レベルに復帰するまで、組成物の添加速度を増加することができる。水銀レベルが所望レベルにある時は、組成物添加速度は不変のままに維持することができる。あるいはまた、高い水銀レベルを回避するために添加量を増加するべきであることを監視が示すまで、組成物添加速度を低下させることができる。

水銀は適当な部位の対流経路中で監視することができる。例えば、大気中に放出される水銀は粒状物制御システムの清浄側で監視し、測定することができる。水銀はまた、粒状物制御システムの対流経路の上流の１地点で監視することができる。実験により、水銀放出低減剤が添加されない時は、石炭中の２０〜３０％までもの水銀が灰分中に捕捉され、大気中に放出されないことが示される。本発明に従う組成物の添加は、少なくとも約７０％まで水銀捕捉量を上昇させる（そして従って水銀放出量を低減させる）。

水銀放出は米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）により刊行されたものおよび国際規格協会（ＩＳＯ）により刊行された国際規格のような工業規格法を使用して監視することができる。分析器具を含んでなる装置を本発明に従う臭素および／または臭化物含有化合物を含んでなる組成物の添加地点の対流経路の下流に配置することができる。例えば、水銀モニターを粒状物制御システムの清浄側上に配置することができる。水銀の測定レベルを使用して、石炭燃焼システム中への組成物の添加速度を調整するように起動または制御されるポンプ、ソレノイド、噴霧装置、および他の装置へのフィードバック信号を提供することができる。あるいはまた、または更に、組成物添加速度は水銀放出の観察レベルに基づいてヒトのオペレーターにより調整されることができる。

以下の実施例は本発明の原理を示すものである。本発明は、実施例中にあろうと、または本特許出願書の残り中にあろうと、本明細書に例示されたいずれの１つの特定の実施態様にも限定されないことが理解される。

ＮＨ_４Ｂｒの固形物をＰｏｗｄｅｒ Ｒｉｖｅｒ盆地の亜瀝青炭に添加する。石炭は以下の平均特性：湿度含量２．８％；灰分含量４．２％および発熱量１０，５００ＢＴＵ／ｌｂを有する。固形物のＮＨ_４Ｂｒを粉砕石炭に添加すると０．２重量％の生成混合物中の臭素値を与える。混合石炭を石炭燃焼炉内に供給し、１５００°Ｆ（８１６℃）〜２２００°Ｆ（１２０４℃）間に加熱する。対照（ＮＨ_４Ｂｒを添加されない）に対する比較に基づき、バグ・ハウスの出口における測定値により決定されるように生成排煙中に９０％の水銀低減をもたらす。

ＳＴＡＢＲＯＭ ９０９を実施例１におけるものと同様なＰｏｗｄｅｒ Ｒｉｖｅｒ盆地の亜瀝青炭に添加する。生成ブレンドにおける臭素値は０．１８重量％である。混合石炭を実施例１と同様に石炭燃焼炉中に供給し、実施例１で決定されたように排煙中の水銀の９３％低減をもたらす。

本発明の方法は、窒素の存在が、灰からの、システムを浸出する臭素量を低減させ、有機臭化物を形成する点で特に有利である。それどころか、システムを浸出する臭素の主要源は不活性臭化物塩であり、それは環境により許容され得ると考えられる。

本発明は１種又は複数の好ましい実施態様に関して説明されてきたが、以下の請求項中に示される本発明の範囲から逸脱せずに、他の変更を実施することができることが理解される。

Claims (10)

1. 燃焼中の石炭からの水銀放出を低減する方法で、燃焼前または燃焼中のいずれかに、少なくとも１種の窒素含有化合物あるいは１種または複数のその塩から誘導される臭素および／または臭化物含有化合物を含んでなる組成物を、石炭に添加する工程を含んでなる方法。
2. 臭素および／または臭化物含有化合物が窒素含有臭化物塩を含んでなる、請求項１の方法。
3. 窒素含有臭化物塩が臭化アンモニウムを含んでなる、請求項２の方法。
4. 窒素含有臭化物塩が、石炭の重量に基づき、重量ベースで少なくとも約７５００ｐｐｍの量の３５重量％臭化アンモニウム溶液を含んでなる、請求項２の方法。
5. 窒素含有臭化物塩が本質的に、石炭の重量に基づき、重量ベースで少なくとも約２５００ｐｐｍの量の固形臭化アンモニウムよりなる、請求項２の方法。
6. 石炭の燃焼から生成される排煙からの水銀放出を低減する方法であって、少なくとも窒素含有化合物あるいは１種または複数のその塩から誘導される臭素および／または臭化物含有化合物を含んでなる組成物を、排煙に添加する工程を含んでなる、方法。
7. 臭素および／または臭化物含有化合物が窒素含有臭化物塩を含んでなる、請求項６の方法。
8. 窒素含有臭化物塩が臭化アンモニウムを含んでなる、請求項７の方法。
9. （ｉ）少なくとも窒素含有化合物あるいは１種または複数のその塩から誘導される臭素および／または臭化物含有化合物を含んでなる組成物を、石炭に添加する工程、
   （ｉｉ）石炭燃焼炉中に石炭を送達する工程、
   （ｉｉｉ）石炭燃焼炉内で組成物を含む石炭を燃焼して灰および燃焼ガスを生成する工程、
   （ｉｖ）燃焼ガス内の水銀レベルを測定する工程、並びに
   （ｖ）水銀レベルの値に基づき、石炭に適用される組成物の量を調整する工程：
   を含んでなる、大気中に放出される水銀の量を低減するための石炭を燃焼する方法。
10. （ａ）少なくとも窒素含有化合物あるいは１種または複数のその塩から誘導される臭素および／または臭化物含有化合物を含んでなる組成物、
    （ｂ）燃焼室、燃焼室から対流経路の外側の出口に誘導する燃焼ガスの対流経路、および対流経路内に配置された粒子収集装置を含んでなる石炭燃焼炉、
    （ｃ）燃焼炉に石炭を送達する装置、
    （ｄ）対流経路内の水銀レベルを測定するための対流経路内に配置された装置、
    （ｅ）炉内への石炭の送達前に石炭中に組成物を送達するようになっている組成物送達装置、並びに
    （ｆ）水銀測定装置からの出力信号を受信するようになっており、そして出力信号の値に基づき組成物の送達を調整するために組成物送達装置に操作可能に接続された制御装置：
    を含んでなる、低減されたレベルの水銀をシステムの外側に放出する、石炭を燃焼するためのシステム。