JP5675364B2 - 湿式煙道ガス脱硫システムにおける水銀保持を促進する方法 - Google Patents

Description

本発明は、水銀を含有するプロセスガスから水銀を除去するシステム及び方法に係る。さらに詳述すれば、本発明は、煙道ガス流からCO₂を除去するための煙道ガス処理システムを対象とする。本発明は、水性脱硫液を煙道ガス流と接触させて、煙道ガス流に含有される水銀を捕捉することを提供する。液中の酸化した（酸化形）水銀が元素状水銀に還元されることを防止するため、プロモーターを液に混合する。

本願は、2007年１２月５日出願の米国仮出願第60/992,381号（発明の名称：湿式煙道ガス脱硫システムにおける水銀保持を促進する方法）の優先権を主張するものであり、その記載のすべてを参照することにより本書に含める。

例えば、化石燃料燃焼式ボイラー／ボイラーシステムから放出される煙道ガス流からの水銀の除去は、産業にとって、環境法令に適合するためのゴールとなりつつある。煙道ガス流のようなガス流から水銀を除去するために、各種のシステム及び方法が提案されている。これらの公知のシステム及び方法の多くは、水銀以外の元素状／化学的成分及び粒子状物質の除去を目的として設計された既存の汚染制御設備を使用するものである。

湿式煙道ガス脱硫（WFGD）システム／方法は公知である。これらのシステム及び方法は、代表的には、例えば、石炭燃焼式ボイラー／ボイラーシステムから放出される煙道ガス流から酸化イオウを除去するために使用される。これらのシステムは、煙道ガス流から水銀を除去するものではなく、また、除去を意図したものでもない。環境規制の傾向及びより清浄な環境についての一般社会の要求を考えると、将来的には、化石燃料燃焼式ボイラー／ボイラーシステムを含む産業設備及び発電設備の予測される数（増大する）に順応するために、これらのWFGDシステムをより多く設置する必要性が指摘されている。これらのWFGDシステムは、その建設及び作動は安価ではない。

煙道ガス流処理システム及び設備に伴うコストを考えると、限られた数よりも多くの汚染物を煙道ガス流から除去できる単一ガス処理システムを得ることが望ましい。このように、産業界では、上述の欠点及び課題を解決することが求められている。

本発明の具体例は、プロセスガス流から水銀を除去するためのシステム及び方法を提供するものである。簡単に述べれば、システムの１具体例は、水銀を含有する煙道ガス流及び水性液供給を受け取るように設定された反応容器及び反応容器の内部に配置された液−ガス物質移動装置を含むように構成される。

本発明の具体例は、煙道ガス流から水銀を除去する方法を提供するものでもある。これに関連して、このような方法の１具体例は、概略的には、水性液を、水銀を含有する煙道ガスと接触させ；及び水性液に含有される酸化形水銀が、元素状水銀に還元されることを防止するために、水性液を酸化剤と混合することによって要約される。

本発明の他のシステム、方法、特性、及び利点は、当業者には、明白であるか、又は添付図面及び詳細な説明を検討することによって明白になるであろう。このような追加のシステム、方法、特性、及び利点はこの記載に含まれるものであり、本発明の精神の範囲内にあり、特許請求の範囲によって保護されるものである。

本発明の多くの態様は、添付の図面を参照することによって、より良好に理解されるであろう。図面における要素は、必ずしも、原寸に比例していない、むしろ、本発明の原理を明確に説明する場合には、強調されている。さらに、図面では、同じ参照符号は、いくつかの図を通して、相当する部材を表わしている。次に、図面を参照して、本発明を詳述する。

代表的な煙道ガス処理システムを一般的に示す概略図である。 湿式煙道ガス脱硫システム（WFGD）100の詳細を一般的に示す概略図である。 酸化剤が特定の入口を介して反応容器150に提供される煙道ガス流（FG）から水銀を除去するように設定されたWFGDの１具体例を一般的に示す概略図である。 酸化剤が、酸化剤を補給水供給と混合することによって反応容器150に提供される煙道ガス流（FG）から水銀を除去するように設定されたWFGDの１具体例を一般的に示す概略図である。 酸化剤が、酸化剤を試薬において使用される石灰供給と混合することによって反応容器150に提供される煙道ガス流（FG）から水銀を除去するように設定されたWFGDの１具体例を一般的に示す概略図である。 酸化剤が、酸化剤を試薬供給と混合することによって反応容器150に提供される煙道ガス流（FG）から水銀を除去するように設定されたWFGDの１具体例を一般的に示す概略図である。 酸化剤が噴霧システムを介して反応容器150に提供される煙道ガス流（FG）から水銀を除去するように設定されたWFGDの１具体例を一般的に示す概略図である。

本発明は、水銀を含有する煙道ガスから水銀の少なくとも一部を除去するシステム及び方法を対象とする。水銀がこれらWFGDシステムによって捕捉される場合には、水銀の除去のみを対象とする新たな装置を設置する場合と比べて、潜在的に大きい設備費及び操作コストの節約が実現される。

図1Aは、例えば、発電プラント25の蒸気発生器システムにおいて使用されるボイラーシステム26の燃焼チャンバーによって放出される煙道ガス流FGから各種の汚染物を除去する際に使用される煙道ガス処理システム15を一般的に示す概略図である。このシステム15は、煙道ガス流から窒素酸化物を除去するよう設定された選択的触媒還元（SCR）システム40、煙道ガス流から粒子状物質を除去するように設定されたダスト除去システム50、煙道ガス流FGからイオウ酸化物（二酸化イオウ（SO₂）及び三酸化イオウ（SO₃）を含む）を除去するように設定されたスクラバーシステム60及び浄化された煙道ガスを排気筒90に放出する（又は追加の処理を行う）前に、煙道ガス流FGからCO₂を除去するように設定されたCO₂除去システム70を含む。スクラバーシステム60は、例えば、湿式煙道ガス脱硫（WFGD）システムである。

図1Bは、湿式煙道ガス脱硫システム（WFGD）100を含むスクラバーシステム60を一般的に示す概略図である。WFGD 100は、脱硫反応容器（反応容器）150を含む。反応容器150は、水性脱硫液（液状）を反応容器150の内部に噴霧するための１以上のスプレーヘッド装置及び／又は配管システム101を含む。試薬を貯蔵するための試薬供給タンクが設置される。試薬として作用する石灰石供給103が提供される。ボールミル133が設けられており、石灰石を所望のサイズ／粒度レベルに摩砕するよう設定されている。反応容器150は、空気供給（AIR）及び補給水供給105と共に、煙道ガス流（FG）を受け取るように設定されている。脱硫液は、例えば、石灰又は石灰石である。

石炭の燃焼から発生された煙道ガス中の水銀は、一般的には、２つの一般的性状、すなわち、元素状水銀及び酸化形水銀（いずれもガス状）として存在する。酸化形水銀は、水銀が他の元素、一般的には塩素と結合した化合物として煙道ガス中に存在する。元素状水銀は他の元素とは結合していない水銀である。

酸化形水銀はWFGDシステムにおいて効果的に捕捉されるが、元素状水銀は捕捉されない。例えば、石炭燃焼式ボイラーの燃焼チャンバーから排出された煙道ガス流において、煙道ガス流に含有される水銀の大部分（約９０％以下）は元素状であり、わずかに約１０％が酸化形である。

煙道ガス中の酸化形水銀の量を、例えば、臭化カルシウムの添加のような効果的な方法によって、又は煙道ガスを選択触媒反応（SCR）システム又はNOx除去システムにより処理することを介して増大させた後、酸化形水銀を、WFGDシステムの液によって容易に吸収できる。しかし、液によって吸収された酸化形水銀は不安定であり、一般的には、WFGD液中で還元されて元素状水銀となり、大気中に再放出される。

この還元プロセスは、液中の特別な化学種及びWFGD反応容器における物理的条件（例えば、温度及び静圧）によって影響される。亜硫酸イオン（SO₃ ^2-）は、予め捕捉された／吸収された酸化形水銀を還元して元素状態（Hg⁰）に戻す際のキーとなるファクターであると考えられる。亜硫酸イオンの大部分は、WFGDシステム／プロセスを介して、システムの反応タンクにおける硫酸イオン（SO₄ ^2-）への強制空気酸化によって、液の水部分から除去され、一方、亜硫酸イオンの少量部分（液の水部分における可溶性の亜硫酸イオン）は液中に残留し、水銀をその元素状に還元するには充分である。

例えば、煙道ガス流のようなプロセスガス中に含まれる水銀を捕捉するためには、湿式煙道ガス脱硫（WFGD）システムが、酸化剤を受け取り、WFGDシステムに供給される脱硫液（液）と混合させるように設定されているシステム又は方法が提案される。

脱硫液は、一般に、懸濁した固体及び溶解した固体を含んでなる。懸濁した固体としては、例えば、石灰／石灰石、硫酸カルシウム、亜硫酸カルシウム、石炭灰、及び石灰石不純物がある。溶解した固体としては、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム、カリウム、硫酸塩、亜硫酸塩、炭酸塩、塩化物及びフッ化物がある。脱硫液は、一般に、例えば、WFGD反応容器内に収容された液−ガス物質移動装置を介して、煙道ガス流と接触される。脱硫液を煙道ガス流と接触させることによって、煙道ガス流に含有されるSO₂及びSO₃は煙道ガス流（FG）から捕捉／除去される。化石燃料燃焼式ボイラー／ボイラーシステムからの煙道ガス中に含有され、脱硫液によって除去される他のガスはとしては、例えば、塩化水素及びフッ化水素がある。さらに、煙道ガス流に含有される酸化形水銀は脱硫液によって除去される。

本発明は、システム200に導入され、硫酸イオンへの空気酸化後にWFGD反応容器150に残留する亜硫酸イオンを酸化するために、脱硫液と合わせて使用される酸化剤を提供する。酸化剤は、好ましくは、例えば、過酸化水素（H₂O₂）のような強力な酸化剤である。このようにして、水銀を還元するように機能する化学種が除去される。

酸化剤は、酸化剤をWFGD反応容器に直接導入することを含む（これに限定されない）各種の方法を介して、一般的なWFGDシステム200に導入される。導入は、１以上のスプレー装置を介して、強力酸化剤貯蔵タンクからWFGD反応容器に強力な酸化剤をポンプ送給することによって達成される。また、脱硫液と直接混合し、混合物としてWFGD反応容器に導入することもできる。さらに、WFGD反応容器150の収集領域に、WFGD反応容器150の底部151に向けて導入し、底部において、反応容器に噴霧された脱硫液を、再生及びWFGDシステムにおける再循環のために容器からポンプ排出される前に収集することができる。強力な酸化剤を、酸化剤が最終的に移動され、脱硫液と混合／脱硫液に混入されるWFGDシステム内の各種の他の部位／位置で脱硫液と混合する。

図2Aは、脱硫液と混合されるように酸化剤225を導入する手段を含む湿式煙道ガス脱硫（WFGD）システム200の１具体例を示す。この具体例では、酸化剤は特定の入口202を介して反応容器150に提供され、煙道ガス流FGとの接触のために使用される脱硫液と混合される。液は、他の溶解した化合物及び懸濁した固体を含むこともできる。懸濁した固体は、非溶解石灰石＋液と煙道ガス流中の化学物質／化学成分との間の反応の生成物（反応生成物：主として硫酸カルシウム（石膏））の混合物である。

酸化剤は、煙道ガスとの接触には、必ずしも必要ではなく、単に、最後に吸収反応タンクとなるために必要である。酸化剤は、他の手段によって煙道ガス中において酸化されている水銀を酸化しない。酸化剤は、WFGD反応タンク150に収容された亜硫酸イオンを硫酸イオンに酸化するために提供される。亜硫酸イオンは、反応容器内に滞留する酸化形水銀を元素状水銀に還元するための重要な要因である。本発明は、反応容器における亜硫酸イオンの量を最小とすることによって、反応容器内に存在する酸化形水銀の元素状水銀への還元を低減することを対象とする。これは、酸化剤の添加を介して達成される。ついで、酸化形水銀を含有する液を、標準のWFGDシステムについて一般的に行われるように処分する。

過酸化水素以外の強力な酸化剤も使用される。本発明のシステム及び方法は、煙道ガス水銀酸化プロモーターの不在下、又は公知の煙道ガス水銀酸化増大法と組み合わせて又はこれに加えて、WFGDシステムにおける水銀の還元を防止するために使用される。本発明のシステムは、石炭、ガス、石油燃焼式又は他の手段にかかわらず、各種の燃焼チャンバーからの燃焼ガスを処理するために使用される。

例えば、スプレーヘッド101（201）を介して；及び／又は反応容器150（202）への直接導入を介して；及び／又は石灰石インプット103（203）への／と一緒での導入を介して；及び／又は試薬供給への／と一緒での導入；及び／又は補給水105（205）への／と一緒での導入を介して、酸化剤225をシステム200に導入できる。他の部位において又は他の手段を介しても、強力な酸化剤をシステム200に導入でき、ここに示す目的の結果を達成できることが認められるであろう。

図2Bは、酸化剤が、酸化剤（205）を補給水供給105と混合した後、反応容器150へ導入することを介して、システム200へ導入される湿式煙道ガス脱硫（WFGD）システム200の他の具体例を示す。

図2Cは、酸化剤が、酸化剤を、液のために使用される試薬供給において使用される石灰石供給と混合した後、反応容器150へ導入することを介して、システム200へ導入される湿式煙道ガス脱硫（WFGD）システム200の他の具体例を示す。

図2Dは、酸化剤が、酸化剤を試薬供給と混合した後、反応容器150へ導入することを介して、システム200へ導入される湿式煙道ガス脱硫（WFGD）システム200の他の具体例を示す。

図2Eは、酸化剤が、反応容器150へ導入すること（酸化剤はスプレーシステムを介して反応容器150に提供される）を介して、システム200へ導入される湿式煙道ガス脱硫（WFGD）システム200の他の具体例を示す。

図2A−図2Dは、強力な酸化剤をシステムに導入して、酸化剤を吸収剤供給と組み合わせるための可能ないくつかの手段を示している。これらの手段のいずれか１つ又はすべて、又はその組み合わせは、強力な酸化剤をシステム200に導入して、脱硫液と合わせるために設置される。さらに、酸化剤は、ここには示していない他の部位／手段を介してもシステム100に導入され、ここに示す目的の結果を達成できる。

本発明の上述の実施例、特に、各種の「好適な」具体例は、実施の単なる可能な実施例であり、本発明の原理を明確に理解するために設定したものに過ぎないことが強調されなければならない。本発明の精神及び原理を実質的に逸脱することなく、上述の本発明の具体例に、多くの変化及び変更が加えられる。このような変更及び変形は、本明細書及び本発明の範囲内に含まれるものであり、特許請求の範囲によって保護されるものである。

Claims (6)

1. 煙道ガス流からイオウ酸化物と共に水銀を除去する湿式煙道ガス脱硫システムであって、前記システムは、
   ボイラーから排出されるイオウ酸化物及び水銀を含有する煙道ガス流を直接受け取るように設定された脱硫反応容器；
   水性脱硫液を、脱硫反応容器の水性脱硫液供給入口を通って、脱硫反応容器に供給するように設定された水性脱硫液供給手段；
   脱硫反応容器の補給水入口；
   脱硫反応容器の空気供給入口；
   脱硫反応容器内に配置され、脱硫反応容器に水性脱硫液を供給して、煙道ガス流を前記水性脱硫液供給手段からの水性脱硫液と接触させて、煙道ガス流からイオウ酸化物と共に水銀を除去するように設定されたスプレー装置；及び
   脱硫反応容器の補給水入口の上流で補給水に酸化剤を添加することによって、酸化剤を脱硫反応容器の水性脱硫液に供給するように設定された酸化剤供給手段であって、前記酸化剤は、水性脱硫液と混合され、水性脱硫液に吸収された酸化形水銀が元素状水銀に還元されることを防止するものである酸化剤供給手段
   を含んでなり、前記水性脱硫液が、試薬としての石灰石もしくは石灰を含んでなるものであることを特徴とする、湿式煙道ガス脱硫システム。
2. 酸化剤が過酸化水素（H₂O₂）であることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
3. 請求項１または２記載の湿式煙道ガス脱硫システムにおいて煙道ガス流からイオウ酸化物と共に水銀を除去する方法であって、前記方法は、
   脱硫反応容器において、水性脱硫液を、イオウ酸化物及び水銀を含有する煙道ガス流と接触させること；及び
   脱硫反応容器において、水性脱硫液に酸化剤を混合して、水性脱硫液に吸収された酸化形水銀が元素状水銀に還元されることを防止すること
   を含んでなり、前記水性脱硫液が、試薬としての石灰石もしくは石灰を含んでなるものであることを特徴とする、水銀の除去法。
4. 酸化剤が過酸化水素（H₂O₂）であることを特徴とする、請求項３記載の方法。
5. 請求項１または２記載の湿式煙道ガス脱硫システムにおいて煙道ガス流からイオウ酸化物と共に水銀を除去する方法であって、前記方法は、
   脱硫反応容器において、水性脱硫液を、イオウ酸化物及び水銀を含有する煙道ガス流と接触させて、煙道ガス流からイオウ酸化物と共に水銀を除去すること；及び
   脱硫反応容器において、水性脱硫液に酸化剤を混合して、水性脱硫液に吸収された酸化形水銀が元素状水銀に還元されることを防止すること
   を含んでなり、前記水性脱硫液が、試薬としての石灰石もしくは石灰を含んでなるものであることを特徴とする、水銀の除去法。
6. 酸化剤が過酸化水素（H₂O₂）であることを特徴とする、請求項５記載の方法。

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