PRODUCCIÓN DE CARBÓN ACTIVADO USANDO GAS CALIENTE
Campo de la Invención La presente invención se refiere generalmente a métodos y sistemas para producir carbón activado de modo que la producción pueda ocurrir en o estar cerca del punto de uso final. Antecedentes de la Invención El carbón activado es un adsorbente ampliamente usado en los procesos industriales para eliminar contaminantes de corrientes de gas o líquidas. Por ejemplo, está siendo investigado intentar encontrar actualmente límites de emisiones de mercurio pendientes para plantas centrales de combustible fósil inyectando el carbón activado pulverizado (PAC, por sus siglas en inglés) en la corriente arriba del gas de combustión de un dispositivo de control de partícula para eliminar contaminantes del gas de combustión. El retiro de mercurio de las corrientes de gas de combustión de los procesos de combustión es de interés significativo. La toxicidad del mercurio a los humanos ha sido muy conocido. Un ejemplo de los efectos devastadores de la exposición de mercurio ocurrió en Minamata, Japón en 1950 donde subproductos de mercurio orgánico de la producción de acetaldehído fueron descargados en la bahía local, y fueron injeridos y metabolizados por peces. Consumiendo pescados en la bahía, fueron reportados daños neurológicos y defectos de nacimiento extendiéndose
ampliamente en la población local. Los carbones usados para los varios procesos de combustión contienen normalmente aproximadamente 0.1 de ppm de mercurio. Solamente en los Estados Unidos, aproximadamente 50 toneladas de mercurio son descargados como vapor en gas de chimenea cada año. A través de los procesos químicos y biológicos, tal mercurio puede concentrarse miles de veces en los peces, de esta forma los suministros de alimentos humanos entran en niveles nocivos. En diciembre 2000, la Environmental Protection Agency (EPA) tomó la decisión reglamentaria en que las emisiones de mercurio de plantas de generación eléctrica central de carbón, necesitan ser controladas. Sin embargo, una barrera al uso de adsorbentes ha sido el alto costo para ambos, producir y enviar PAC al punto de uso final. El PAC es producido normalmente de materiales de iniciación carbonosa tales como carbón, madera, materiales biomasa, cascaras de nuez (por ejemplo, cascaras de nuez, aceite de palmiche) o nogal (por ejemplo, coco) que no tienen inicialmente altas características adsorbentes. Los materiales de iniciación carbonosa son convertidos en materiales de PAC que exhiben propiedades altamente adsorbentes por los procesos intensivos de energía y capital que incluyen la pirólisis de la alimentación en un horno giratorio, activando el carbón con un medio de activación (es decir vapor), y moliendo o pulverizando el carbón resultante. El material de carbón activado debe entonces
enviarse a su punto de uso final, tal como una central de carbón.
Se han hecho esfuerzos para producir PAC cerca de un punto de uso final. Por ejemplo, el uso de un proceso de combustión para producir carbón para el control de mercurio ha sido discutido en la literatura de la patente. La Patente Norteamericana No. 6.451.094 B1 de Chang, y colaboradores discute la inyección de una alimentación en gas de combustión caliente y activar la alimentación in situ. La Patente Norteamericana No. 6.595.147 de Teller y colaboradores, se refiere a la adición de un carbón carbonoso al gas de combustión mientras que está todavía dentro de una unidad de recuperación de fuente a una temperatura suficientemente elevada para desvolatilizar el material para formar carbón activado in situ. También se han hecho esfuerzos para utilizar el carbón encontrado en cenizas volátiles para capturar mercurio del gas de combustión en procesos en centrales de carbón. La Patente Norteamericana No. 5.787.823 de Knowles propone un método en el cual las cenizas volátiles que contienen carbón son capturadas en un ciclón corriente arriba de un dispositivo de control de partículas convencional (PCD). El material capturado es entonces inyectado en un ducto para capturar mercurio. La Patente Norteamericana No. 6.027.551 de Hwang, y colaboradores enseña la separación del carbón de las cenizas volátiles capturadas en un PCD convencional y una inyección de la porción rica en carbón
como un sorbente de mercurio. La Patente Norteamericana No. 6.521.021 B1 de Pennline y colaboradores, enseña como eliminar el carbón parcialmente oxidado de la zona de combustión de una caldera. El carbón es separado e inyectado adicionalmente corriente abajo como un sorbente de mercurio. Lanier, y colaboradores (Patente Norteamericana No. 6.726.888 B2) sugiere controlar el proceso de combustión de modo que las emisiones de NOx y las características de las cenizas volátiles nativas para retirar mercurio sean controladas. Dado a que la restricción de la operación normal de la caldera, y al hecho de que la actividad del carbón residual nativo disminuye mientras que se mueve a través de la caldera, los procesos de producción separados para el carbón activado pueden proporcionar una mejor oportunidad para producir el carbón activado que tiene características favorables para un uso final particular y deseado. Por lo tanto sería deseable proporcionar sistemas y métodos para la producción en el lugar de carbón activado conveniente para un amplio intervalo de procesos, de tal modo mejorando el costo y la eficacia del uso de la producción de carbón activado. Breve Descripción de la Invención La presente invención proporciona métodos y sistemas para la producción de carbón activado que son suficientemente flexibles y eficientes de modo que la producción puede ocurrir
cerca o en el sitio de uso final del carbón activado. Los métodos y sistemas proporcionados en la presente pueden también utilizarse en otros arreglos. Por ejemplo, la presente invención puede implementarse en una instalación central para producir carbón activado como es descrito en la presente y para servir a múltiples utilidades o similares. En otra implementación, la presente invención puede ser usada por una empresa de energía para hacer el carbón activado en su propia planta y enviar el exceso de carbón activado a otras localizaciones. Tales métodos y sistemas incluyen precalentar una mezcla de gas a temperaturas altas usando un oxi-combustible, un aire-combustible enriquecido con oxígeno o un quemador de aire-combustible para formar una corriente de gas caliente. La corriente de gas caliente es mezclado y reaccionado con una alimentación carbonosa (es decir materia cruda carbonosa) de una manera tal que la alimentación carbonosa es por consiguiente desvolatilizada y parcialmente combustionada para producir un carbón residual activo que pueda implementarse en una variedad de aplicaciones que utilicen el carbón activado. El uso de gas caliente y alimentación molida carbonosa permiten que el equipo sea minimizado, permitiendo así que el carbón activado sea producido en o cerca del punto de uso, por ejemplo para reducir la utilidad de emisiones de mercurio de la caldera desde el gas de combustión. La presente ¡nvención incluye un método para producir
carbón activado en o cerca del punto de uso final. Una corriente comburente del gas caliente (preferiblemente aproximadamente 2000 - 3000°F) se mezcla y reacciona con materias primas carbonosas pulverizadas o molidas para crear carbón activado pulverizado con las propiedades adsorbentes similares al carbón activado pulverizado producido con la misma alimentación carbonosa. Alternativamente, un gas inerte podría calentarse y utilizarse para descomponer la alimentación. En aún otra alternativa, ajustando la relación de oxígeno y combustible, la corriente de gas caliente podría tener cualquier contenido de oxígeno deseable o sin oxígeno en nada (por ejemplo CO2 y/o H2O). Podría ser fuertemente oxidante, ligeramente oxidante o incluso reductivo. Por ejemplo, una fuente de calor para el tratamiento térmico de la alimentación carbonosa puede ser conveniente para uso en la presente invención. Será apreciado por los expertos en la técnica que tales propiedades adsorbentes son dependientes en la alimentación utilizada. También será apreciado por los expertos en la técnica que mientras que las propiedades adsorbentes de un carbón activado pueden ser suficientes para algunas aplicaciones, el carbón activado puede necesitar ser alterado para otras aplicaciones. La presente invención proporciona así varios beneficios ¡ncluyendo, pero no limitado a, la capacidad para producir carbón activado en o cerca del punto de uso final, un costo más bajo y métodos de producción más eficientes para el carbón activado
con relación a los métodos para horno grande y giratorio y una opción para utilizar una alimentación carbonosa para producir carbón activado que puede ser diferente del combustible usado en el proceso principal de combustión de una instalación dada. Por lo tanto, la presente ¡nvención proporciona la flexibilidad para alterar las propiedades del carbón activado para una aplicación específica en o cerca del punto de uso final. El área de superficie del carbón activado producido de acuerdo con la presente ¡nvención puede ser menos que, y en algunos casos significativamente menos que el área de superficie de PACs disponibles actualmente y comercialmente. Dado a lo eficiente y flexible de los métodos proporcionados en la presente, sin embargo, la economía global puede aún ayudar al uso del carbón activado producido de acuerdo con la presente invención, aún en situaciones donde más carbón activado puede ser necesario con relación a PACs disponibles ahora y comercialmente. La corriente de gas caliente, de la cual puede incluir vapor, oxígeno, o mezclas de gases, es producido por precalentamiento de una corriente de gas con un oxi-combustible, un aire-combustible enriquecido con oxígeno o un quemador de aire-combustible para crear una mezcla de gas caliente. La turbulencia alta de gas caliente sirve para mezclar rápidamente la alimentación carbonosa con gas caliente. En una modalidad preferida de la invención, la temperatura elevada y la
concentración de oxígeno de gas caliente causan la ignición rápida, desvolatilización y oxidación parcial de la alimentación carbonosa. Debido a que la temperatura elevada y las concentraciones altas de oxígeno han sido mostradas para aumentar significativamente el índice de desvolatilización de combustibles carbonosos, el uso de gas comburente caliente reduce el tiempo de residencia requerido para producir el material de carbón activado. Por consiguiente, los reactores pequeños pueden utilizarse para sustituir los hornos giratorios grandes usados normalmente para producir el carbón activado. Además, los subproductos (tales como CO y H2) producidos de acuerdo con este proceso pueden utilizarse ya sea como combustible para la caldera principal o como un combustible de recalentamiento. La presente invención proporciona métodos y sistemas para separar la producción de carbón activado separado del proceso principal de combustión, de tal modo haciendo posible producir carbón activado que tenga propiedades (por ejemplo, adsorbente) deseables para una aplicación específica. Por ejemplo y mientras que no sea interpretado como limitante, la presente invención permite la producción en el lugar (o cerca del uso final) de carbón activado para una utilidad de alimentación de combustible pulverizado para retirar el mercurio en una corriente de gas de combustión. Alternativamente o en adición, la presente invención permite a la producción de carbón activado ser medida para uso
en una disposición de lecho fijo para que el tratamiento de aguas residuales quite los hidrocarburos y otros contaminantes. Otra ventaja de la presente invención es la capacidad de utilizar la oxidación de gas parcial como combustible útil en el proceso, ya sea recirculando este material a un quemador de gas caliente o por calentamiento en una caldera que pueda, o no pueda, ser parte del proceso. Por ejemplo, los productos de gas podrían enviarse a la caldera como un combustible de recalentamiento para el control NOx. Como se discutió arriba, el oxígeno caliente o quemador de gas caliente como es utilizado de acuerdo con la presente invención permite la producción en el lugar de carbón activado. La combinación lograda de temperaturas altas y buen mezclado con este quemador permite la producción de carbón activado con el equipo de proceso relativamente pequeño, simple (especialmente con respecto a los hornos giratorios usados actualmente para producir PAC). Por otra parte, la activación de carbón activado de la presente ¡nvención ocurre como un resultado del proceso en comparación con los métodos de horno giratorio que requieren normalmente etapas separadas de activación. Por consiguiente, la presente invención puede reducir significativamente el costo de carbón activado para el usuario final por ambos, mejorando la eficacia y versatilidad de la producción así como minimizar los requisitos de envío
Breve Descripción de los Dibujos Para un completo entendimiento de la presente ¡nvención y de las ventajas de la misma, la referencia deberá hacerse a la siguiente Descripción Detallada de la Invención tomada en conjunto con los dibujos anexos en los cuales: La figura 1 ¡lustra una vista esquemática del aparato para producir carbón activado de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La figura 2 ilustra una vista esquemática del aparato para producir carbón activado de acuerdo con una modalidad alternativa de la invención; y La figura 3 ilustra una vista esquemática del aparato para producir el carbón activado de acuerdo con otra modalidad alternativa de la invención. Caracteres de referencia similares refieren a partes similares a través de las varias vistas de los dibujos. Descripción Detallada de la Invención La presente ¡nvención proporciona métodos y sistemas para la producción de carbón activado cerca o en el punto de uso final del carbón activado. Tales métodos y sistemas incluyen precalentar una mezcla de gas a temperaturas altas usando un oxi-combustible, un combustible de aire enriquecido con oxígeno o un quemador de aire combustible para formar una corriente de gas caliente. La corriente de gas caliente es mezclada y es reaccionada con una alimentación carbonosa (es decir materia
cruda carbonosa) en una manera de modo que la alimentación carbonosa es desvolatilizada y combustionada parcialmente para de este modo producir un carbón residual activo que pueda implementarse en aplicaciones que usen carbón activado. El uso de gas caliente y alimentación molida carbonosa permiten al equipo minimizarse, permitiendo así que el carbón activado sea producido en o cerca del punto de uso, por ejemplo reduce la utilidad de las emisiones de mercurio de la caldera desde el gas de combustión. La presente invención incluye un método para producir carbón activado en o cerca del punto de uso final. Una corriente comburente del gas caliente (preferiblemente, 2000-3000°F) se mezcla y reacciona con una alimentación carbonosa pulverizada o molida para crear el carbón activado pulverizado con propiedades adsorbentes similares al carbón activado producido con la misma alimentación carbonosa de métodos normales tales como los procesos de horno giratorio. Será apreciado por los expertos en la técnica que tales propiedades adsorbentes son dependientes en la alimentación utilizada. También será apreciado por los expertos en la técnica que mientras que las propiedades adsorbentes de un carbón activado pueden ser suficientes para algunas aplicaciones, el carbón activado pueda necesitar ser alterado para otras aplicaciones. La presente invención proporciona así varias ventajas incluyendo, pero no limitado a, la capacidad para producir carbón
activado en o cerca del punto de uso final, un costo más bajo y métodos de producción para carbón activado más eficientes con relación a los métodos de horno giratorio más grande, y una opción de utilizar una alimentación carbonosa para producir carbón activado que puede ser diferente del carbón usado en el proceso principal de combustión de una instalación dada. Por consiguiente, la presente invención proporciona la flexibilidad para alterar las propiedades de carbón activado para una aplicación específica en o cerca del punto de uso final. La corriente de gas caliente, la cual puede incluir vapor, oxígeno, o mezclas de gas, es producida precalentando una corriente de gas con un oxi-combustible, un aire-combustible enriquecido con oxígeno o un quemador de aire-combustible para crear una mezcla caliente de gas. La mezcla de gas es entonces rápidamente mezclada con la alimentación carbonosa. En una modalidad preferida de la invención, la temperatura elevada y la concentración de oxígeno de gas caliente causan la ignición rápida, desvolatilización y oxidación parcial de la alimentación carbonosa. Debido a la temperatura elevada y concentraciones altas de oxígeno ha sido mostrado un incremento significante del índice de desvolatilización de combustibles carbonosos, el uso de comburente de gas caliente reduce el tiempo de residencia requerido para producir el material de carbón activado. Por lo tanto, los reactores pequeños pueden utilizarse para sustituir a
los hornos giratorios grandes usados normalmente para producir el carbón activado. Además, los subproductos (tales como CO y H2) producidos de acuerdo con este proceso pueden utilizarse ya sea como combustible para la caldera principal o como un combustible de recalentamiento. La presente ¡nvención proporciona así métodos y sistemas para separar la producción de carbón activado del proceso principal de combustión, de tal modo haciendo posible producir carbón activado que tenga propiedades (por ejemplo, adsorbente) deseables para una aplicación específica. Por ejemplo y mientras que no sea interpretado como limitante, la presente ¡nvención permite a la producción de carbón activado en una utilidad de alimentación de combustible pulverizado retirar el mercurio en una corriente de gas de combustión. Alternativamente o en adición, la presente invención permite a la producción de carbón activado ser medida para uso en una disposición de lecho fijo para el tratamiento de aguas residuales para eliminar los hidrocarburos y otros contaminantes. Otra ventaja de la presente invención es la capacidad de utilizar la oxidación de gas parcial como combustible útil en el proceso, ya sea recirculando este material a un quemador de gas caliente o por calentamiento en una caldera que pueda, o no pueda, ser parte del proceso. Por ejemplo, los productos de gas podrían enviarse a la caldera como un combustible de recalentamiento para el control de NOx. Según lo discutido arriba, el oxígeno caliente o quemador de
gas caliente como es utilizado de acuerdo con la presente ¡nvención permite la producción en el lugar de carbón activado. La combinación lograda de temperaturas altas y buen mezclado con este quemador permite la producción de carbón activado con el equipo de proceso relativamente simple, pequeño
(especialmente con respecto a los hornos giratorios usados actualmente para producir PAC). Por otra parte, la activación de carbón activado de la presente invención ocurre como resultado del proceso en comparación con los métodos de horno giratorio que requieren normalmente etapas separadas de activación. Por consiguiente, la presente invención puede reducir significantemente el costo de carbón activado para el usuario final mejorando la eficacia y versatilidad de la producción así como minimizar los requisitos de envío. Como se discutió previamente, la presente invención puede utilizarse para producir carbón activado conveniente para una amplia gama de procesos industriales. La configuración óptima para la producción de carbón activado para una aplicación particular por lo tanto depende fuertemente del uso final y de las características deseadas del carbón. Para propósitos de ilustración, las relaciones de gas caliente con la alimentación carbonosa, tiempo de residencia, temperatura del gas caliente y los aditivos al proceso pueden determinarse basados en el uso final previsto del carbón activado y de los factores económicos. Con referencia ahora a la figura 1, una vista esquemática
del aparato para producir el carbón activado de acuerdo con una modalidad de la presente invención es mostrada. El quemador 1 puede utilizarse en una variedad de modos, con el diseño del quemador siendo alterado como sea necesaria para contar con el modo de operación. En una modalidad preferida, el quemador 1 es un quemador de oxi-combustible y opera en el combustible 10 y la fuente oxidante 11 produce un gas de combustión muy caliente. En esta modalidad, el oxidante 11 es oxígeno puro. En otra modalidad, el quemador 1 es utilizado en un modo de operación de oxígeno-enriquecido. Más específicamente, el oxidante 11 tiene una concentración de oxígeno menor que el oxígeno puro, pero mayor que el aire (por ejemplo, una concentración de oxígeno de entre aproximadamente 21 y menos que 100 %). Esta modalidad puede no ser preferida debido a la presencia de nitrógeno en el aire. El N2 en el gas caliente puede actuar como diluyente para la reacción con la alimentación carbonosa y baja la temperatura del gas caliente. En otra modalidad, el quemador 1 es operado como un quemador de aire. El oxidante 11 en esta modalidad es aire. Esta tercera modalidad puede también no ser preferida como el modo oxi-combustible debido a la presencia de N2 en el aire. La presencia de N2 en el gas caliente puede actuar como diluyente para la reacción con la alimentación carbonosa y baja la temperatura del gas caliente. El combustible 10 y oxidante 11 son alimentados al
quemador de oxígeno caliente 1. Los combustibles ejemplares para el combustible 10 incluyen, pero no se limitan a, gas natural (NG), metano, propano, hidrógeno, aceite ligero, LPG, aceite combustible y gas coqueo. El combustible 10 puede ser líquido, pero es preferiblemente un gas. En algunas modalidades, puede ser preferido introducir el gas 12 en el quemador 1 donde es mezclado y reaccionado con el oxidante 11 y combustible 10. El gas reactivo 12, que puede ser vapor, puede utilizarse principalmente para obtener una composición deseable para la corriente de gas 7 para la reacción apropiada con la alimentación carbonosa en el recipiente de reacción 3. El gas reactivo 12 es también utilizado para modificar las propiedades del carbón activado producido en el recipiente de reacción 3. Por ejemplo, el gas reactivo 12 puede utilizarse para mejorar el área de superficie del carbón resultante producido en la cámara de reacción 3. Será apreciado que el gas reactivo 12 no siempre es necesario. En las modalidades particulares donde el quemador 1 es utilizado en los modos de oxi-combustible o aire-combustible enriquecido con oxígeno, el quemador 1 puede configurarse como un quemador de oxígeno caliente tal como se describe en la Patente Norteamericana No. 5.266.024 de Anderson, cuyo contenido está incorporado por completo en la presente por referencia. Estos hornos de oxigeno caliente pueden producir una mezcla de gas altamente reactivo, de alta velocidad conocida
como "oxígeno caliente". No obstante si el horno 1 es operado en un modo de operación de oxi-combustible, oxígeno-enriquecido o aire, es necesario tener una suficiente cantidad de oxígeno en la corriente de gas 7 para quemar y parcialmente oxidar la alimentación carbonosa 13 para de tal modo generar carbón activado que tiene propiedades adsorbentes para su uso final deseado. El potencial de oxidación de la corriente de gas 7 es tal que la alimentación carbonosa 13 será parcialmente oxidada y no completamente consumida para generar el carbón activado deseado. La cantidad de oxígeno en la corriente de gas 7 es por consiguiente ajustada basada en la cantidad de reacción deseada de la alimentación 13. Para generar la cantidad apropiada de oxígeno en la corriente de gas 7, la cantidad de oxidante 11 y/o el combustible 10 pueden entonces ajustarse. Es importante que demasiado oxígeno no sea utilizado para evitar demasiada consumición de la alimentación 13, que resultaría en un rendimiento pobre del producto. Si el exceso de oxigeno con relación al combustible 10 es deseable en la corriente 7 (por ejemplo para mejorar la reacción con la alimentación carbonosa 13 cuando ninguna otras corrientes tal como vapor están siendo utilizadas), la relación estoquiométrica del oxidante 11 alimentado al quemador 1 será de exceso vasto para el combustible 10. En otros modos de operación, el quemador 1 será operado entre casi el exceso de oxígeno vasto y estoquiométrica del oxidante 11 para el
combustible 10. El quemador de oxigeno caliente 1 produce una corriente de gas de temperatura alta 7, preferiblemente teniendo una temperatura igual o mayor a 800°F y más preferiblemente mayor de 2000°F. La temperatura de la corriente de gas caliente 7 es suficientemente alta para causar la reacción deseada con la alimentación 13 (y cualquier material que lleve para la alimentación 13). La corriente de gas 76 contendrá principalmente productos de combustión (por ejemplo, CO2 y H2O), oxígeno residual, cualquier gas no reactivo de la corriente de gas 12 y posiblemente N2 si el aire es utilizado como parte o todo del oxidante 11. En algunas modalidades, la corriente de gas 7 puede contener mayor que 70 % por volumen de oxígeno residual con el balance de los productos de combustión. Como es además ilustrado en la figura 1, la alimentación carbonosa pulverizada o molida 13 es alimentada para mezclar la sección 2 y mezclarla con la mezcla de gas caliente 7. La alimentación carbonosa 13 puede seleccionarse de una variedad de materias crudas carbonosas tales como una variedad de carbones, petróleo coqueo, materiales de biomasa (por ejemplo, aserrín) o cascaras de nuez (por ejemplo, cascaras de nogal, nuez de palmiste) o corteza de nuez (por ejemplo, coco). La alimentación carbonosa 13 puede transportarse a la sección de mezclado 2 por una variedad de métodos. La alimentación carbonosa 13 puede transportarse a la
sección de mezclado 2 por arrastre en un gas portador tal como aire o gas de combustión, suministrado neumáticamente, en una pasta tal como una pasta en agua. Será apreciado por los expertos en la técnica que otros métodos de transportar la alimentación 13 pueden también usarse, incluyendo suministrar la alimentación por sí mismo, sin transportar o llevar un material. Cualquier oxígeno en la corriente transportadora deberá considerarse en la relación global del oxígeno a la alimentación (es decir, el oxígeno en la corriente transportadora combina con el oxígeno en la corriente 7). La velocidad de la corriente de gas 7 producida desde el quemador 1 y alimentada a la sección de mezclado 2 es suficientemente rápida de modo que la alimentación carbonosa 13 junto con cualquier material transportador, sin importar cómo la alimentación 13 es suministrada (por ejemplo arrastrada en un gas portador, suministrada neumáticamente, como una pasta) al mezclador 2, será arrastrada en la corriente de gas 7. Los expertos en la técnica apreciarán que la alimentación carbonosa 13 pueda seleccionarse basada en una variedad de criterios, incluyendo el uso final del carbón activado producido de acuerdo con la presente invención. Por ejemplo, puede ser deseable utilizar un carbón pulverizado particular para aplicaciones usando el carbón activado en un modo de fase de captura dispersa (por ejemplo, capturar el mercurio en una corriente de gas de combustión). En contraste, puede ser
preferido utilizar un carbón triturado en aplicaciones donde el carbón activado será utilizado en lechos compactados (por ejemplo, disposición de lechos fijos para el tratamiento de agua residual para eliminar hidrocarburos y otros contaminantes de corrientes de gas o líquidas). Será igualmente apreciado por los expertos en la técnica que el tiempo de residencia en el recipiente de reacción 3 (discutido en la presente) será afectado por la selección de la alimentación 13. Por ejemplo, el tiempo de residencia de las materias primas pulverizadas para los modos de fase dispersa de adsorción puede estar en el orden de segundos comparados a los tiempos de residencia para las materias primas trituradas, que pueden estar en el orden de minutos. La alimentación carbonosa 13 es así molida o pulverizada a un tamaño deseable dependiendo del uso final y el diseño del equipo. En algunas modalidades, puede ser deseable pre-tratar la alimentación carbonosa 13 con un adulterante. Por ejemplo, la alimentación carbonosa 13 puede pre-tratarse con una sal haloidea (por ejemplo, NaBr, KBr) de modo que la sal haloidea está dispersada en la alimentación carbonosa 13 antes de ser introducida en la sección de mezclado 2. Esto puede ser beneficioso en las aplicaciones donde el carbón activado será utilizado para la captura y retiro de mercurio de las corrientes de gases combustibles. La sal haloidea (por ejemplo, KBr) puede mejorar las características del carbón activado en este tipo de
aplicación. Los ejemplos preferidos de tal tratamiento pueden encontrarse en la Solicitud de Patente Norteamericana No. 11/078.509 de posesión común, titulada "Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor" de Chien-Chung y colaboradores, presentada el 14 de Marzo del 2005, y la Solicitud de Patente Serie No. No.11/224,149, de posesión común titulada "Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor" de Chien-Chung Chao y colaboradores, presentada el 12 de Septiembre del 2005, ambas están incorporadas en su totalidad en la presente por referencia. La corriente combinada 8 contiene así una mezcla de la alimentación 13 y gas reactivo caliente 7. La corriente 8 es introducida en el recipiente del reactor 3. El recipiente del reactor 3 puede ser una pipa alineada refractaria con agua fría como sea necesaria. Alternativamente, los rociadores de agua podrían utilizarse para controlar la temperatura en el reactor. Como es también mostrado en la figura 1, otros aditivos fluidos, sólidos o gaseosos 14b pueden agregarse en el recipiente de reacción 3. Ejemplarmente el aditivo 14b puede incluir, sin limitar, vapor, N2, agua y/o material (s) que tenga una actividad específica para un uso deseado del carbón activado. Por ejemplo, la corriente 14b puede utilizarse para ajustar la temperatura dentro del reactor 3 y/o para proporcionar el vapor para la reacción dentro del reactor 3. En alternativa o en adición al
aditivo 14b, el aditivo líquido, sólido o gaseoso (por ejemplo, cal) 14a pueden también mezclarse con la corriente 8 antes de la inyección en el recipiente de reacción 3. Como se discutió previamente, los materiales en el recipiente de reacción 3 experimentan la desvolatilización y oxidación parcial, resultando en una corriente de producto que contiene gases de oxidación parcial (por ejemplo, CO y H2) y carbón activado. Los gases de oxidación parcial y carbón activado salen del recipiente del reactor 3 como corriente 9. Los expertos en la técnica apreciarán que el tiempo de residencia, la relación oxígeno residual en la corriente de gas 7 a la alimentación carbonosa, y la temperatura del recipiente de reacción 3 son controlados basados en la alimentación carbonosa 13 y características deseadas del carbón activado. Por ejemplo, si el tiempo de residencia es demasiado largo, o la relación de oxígeno caliente a la alimentación es demasiado alta, mucha de la alimentación será consumida. Esto puede resultar en rendimientos de producto reducidos (es decir carbón activado). Si el tiempo de residencia o temperatura de reacción son demasiado bajos, la desvolatilización y activación pueden ser incompletas, de tal modo reduciendo la calidad del producto (es decir carbón activado). Los gases de oxidación parcial y la mezcla de carbón activado 9 que salen del recipiente de reacción 3 son enfriados con un medio de enfriamiento rápido 15 para enfriar los
productos. En algunas modalidades, puede ser deseable incluir aditivos (tales como una sal haloidea (por ejemplo, KBr) para uso del carbón activado en el retiro de mercurio de las corrientes de gas combustible) en el medio de enfriamiento rápido 15 que es mezclado con el carbón activado. Los ejemplos preferidos de tal tratamiento pueden encontrarse en la Solicitud de Patente Norteamericana No. 11/078.509 de posesión común, titluada " Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor" de Chien-Chung Chao y colaboradores presentado el 14 de Marzo del 2005, y la Solicitud de Patente Serie No. 11/224,149, de posesión común, titulada "Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor" de Chien-Chung Chao y colaboradores, presentado el 12 de Septiembre del 2005 las cuales son incorporadas en su totalidad en la presente por referencia. El medio de enfriamiento rápido podría ser una niebla de gotas de agua que contienen el aditivo deseado, o un gas tal como nitrógeno. La mezcla fría 21 puede entonces separarse en un ciclón 4 (u otro dispositivo de colección de partículas). El ciclón 4 puede no siempre no ser necesario, por ejemplo en modos de uso de inyección directa (ver por ejemplo, Figura 3). Una porción o todo el gas de oxidación parcial 16 (por ejemplo, monóxido de carbono e hidrógeno) que sale del ciclón 4
pueden entonces alimentarse a la caldera 5 como un combustible de recalentamiento 18a, o regresado a la zona de combustión de la caldera como combustible 18b. Alternativamente o en adición para usar el gas de oxidación parcial 16 como combustible de recalentamiento 18a y/o combustible 18b, una porción o todo el gas de oxidación parcial 16 pueden utilizarse en el quemador 1 como combustible quemador 19. El carbón activado producido de acuerdo con la invención, sale del ciclón 4 como corriente 17 y es procesado para su uso final deseado. Cuando el carbón activado debe ser utilizado para capturar mercurio en una corriente de gases de combustión, la corriente 17 es arrastrada con un gas portador (no mostrado) e inyectado en el gas de combustión en una localización donde la temperatura está dentro del intervalo deseado para la captura de mercurio. El carbón activado es entonces recogido junto con las cenizas volátiles en un dispositivo de control de partículas (PCD) 6 (por ejemplo, precipitador electrostático o filtro textil) similar a la inyección de PAC para control de mercurio convencional. Como una alternativa, el carbón activado podría inyectarse corriente abajo del PCD de modo que el contenido de carbón de las cenizas volátiles no destruya la capacidad de vender las cenizas volátiles como componente para el cemento. En otras modalidades, el carbón activado en la corriente 17 es transportado a su uso final deseado (por ejemplo, un lecho fijo para el tratamiento de aguas residuales).
La modalidad ilustrada en la figura 1 puede ser alterada de modo que las etapas del proceso pueden combinarse en el equipo de proceso actual. Por ejemplo y mientras que no sea interpretado como limitante, una representación esquemática de un sistema a escala de laboratorio para producir carbón activado de acuerdo con la presente invención es mostrada en la figura 2.
En esta modalidad, el quemador 1 y el reactor 3 están combinados dentro del equipo de proceso. La experiencia ha mostrado que la alimentación carbonosa 13 (carbón en este ejemplo) prende mientras que aún está en la sección de mezclado
2 (no mostrada en la figura 2), indicando que la ignición es extremadamente rápida. La sección de mezclado 2 está unida al recipiente del reactor 3, que es una pipa alineada refractaria. El diseño del reactor 3 puede ajustarse para contar el tiempo de residencia apropiado dentro de la zona de reacción 3. Los fluidos o gases aditivos 14, tales como agua o vapor, podrían mezclarse dondequiera en esta modalidad, incluyendo el mezclado corriente arriba de la boquilla de oxigeno caliente del quemador 1 o en el recipiente de reacción 3 (como es mostrado en la figura 2). Como se mostró adicionalmente en la figura 2, la corriente 9 puede contener CO, H2, CO2 y N2 (por ejemplo, aproximadamente 40 % de CO, 20 % de H2, 20 % de CO2 y 20 % de N2 de los gases en una base seca en la corriente 9) en adición al carbón producido en la zona de reacción 3. El nitrógeno 15 es utilizado para templar los productos que
son enviados al ciclón 4. El uso del nitrógeno 15 como un medio de enfriamiento rápido podría sustituirse con los tubos de enfriamiento de modo que la composición de la corriente 9 no sea alterada. Alternativamente, el vapor podría utilizarse como medio de enfriamiento rápido 15. En este caso, la concentración de hidrógeno y bióxido de carbono que entran en el ciclón serían alterados desde éste en la corriente 9. El ciclón 4 puede hacerse de acero inoxidable. Los gases combustibles pueden señalarse usando una llama apoyada de gas natural. El nitrógeno 22 es utilizado como un gas eductor para bombear los gases del ciclón. El gas 24 se concentra así duramente en nitrógeno. El quemador 26 mostrado en la figura 2 es utilizado para precauciones de protección para el quemado de los gases 24. Como es mostrado, los gases pueden funcionar a través de una señal de oxigeno de gas natural. Como además se muestra en la figura 2, el carbón activado 17 es recogido del ciclón 4 y puede además procesarse y utilizarse como se discutió arriba con referencia a la figura 1. La figura 1 ilustra el uso de gases de oxidación parcial calientes 19 como combustible para el quemador 1 para sustituir algo, si no todo el combustible 10 para calentar el oxidante 11. Otra configuración de la presente invención se muestra en la figura 3. En esta modalidad ejemplar, los productos 9 del recipiente de reacción 3 podrían inyectarse directamente en el gas de combustión 20 para el retiro de mercurio del gas de
combustión 20. Será apreciado que la corriente 9 podría utilizarse para los modos de inyección directa con excepción del retiro de mercurio. Como también es mostrado en la figura 3, la corriente 9 puede templarse usando la corriente 15 como es discutido arriba en la presente. No hay combustión de los gases de oxidación parcial en la modalidad ilustrada en la figura 3. Por consiguiente, el carbón activado y los gases de oxidación parcial formados en el reactor 3 son inyectados juntos en el gas de combustión 20. En situaciones donde no se utiliza ningún ciclón, el punto de inyección de la corriente 9 (que contiene carbón activado y gases de oxidación parcial) es probable que sea por corriente arriba en el gas de combustión 20 concerniente a una configuración donde es utilizado un ciclón. Esto es debido al tiempo adicional necesario para permitir a los gases de oxidación parcial completar la combustión. El tiempo de residencia y temperatura adicional del gas de combustión 20 permite que el monóxido de carbono queme (es decir combustión total). Más específicamente, la temperatura del gas de combustión en el punto de inyección en una configuración mostrada en la figura 3 puede ser de aproximadamente 2000°F opuesta a aproximadamente 600°F en el punto de inyección en la figura 1. Ejemplo 1 Varias muestras de carbón activado fueron producidas usando la el experimento establecido ¡lustrado en la figura 2. Con
referencia a la figura 2, el gas natural fue utilizado para la corriente 10, el oxígeno fue utilizado para la corriente 11 y el carbón Power River Basin (PRB), North Dakota Lignite (NDL) o Utah fue utilizado para la corriente 13. Las sales haloideas fueron agregadas al polvo de carbón por mezcla húmeda o seca. Listado en la tabla 1 están las relaciones estequiométricas (SR) usadas para hacer carbones activados y propiedades que resulten de los carbones. Para propósitos de comparación, las propiedades de Darco® FGD, un carbón activado en polvo disponible comercialmente de Norit America, Inc., está también listado en la tabla 1. SRHOB fue calculado dividiendo la cantidad de oxígeno alimentado en la corriente 11 por la cantidad de oxígeno requerido para completar la combustión del gas natural alimentado en la corriente 10. El SRreC?P?ente de reacción fue calculado dividiendo la cantidad de oxígeno que entra en el recipiente de reacción 3 por la cantidad de oxígeno necesario para completar la combustión del carbón alimentado en la corriente 13. El contenido de carbón del carbón activado fue determinado usando un horno de mufla para secar una muestra de carbón activado y entonces prender la muestra de carbón activado seco. El contenido de carbón fue entonces calculado dividiendo la diferencia entre la masa inicial y la masa final de la muestra prendida por la masa inicial del carbón activado seco. El área de superficie BET del carbón activado fue medida
usando un analizador Micromeritics® ASAP 2000. Se observó que el área de superficie BET del carbón crudo PRB es 5 m2/g. El rendimiento fue calculado usando el contenido de carbón del carbón activado y realizando un balance de material en el contenido de ceniza de carbón alimentado en la corriente 13. El contenido de ceniza en una base húmeda es 4.47 % para el carbón PRB y 7.4 % para el carbón lignito de North Dakota. Los retiros de mercurio por los carbones activados fueron evaluados usando al Electric Power Research Institute's (EPRI's) Pollution Control System (PoCT) en We Energies' Pleasant Prairie Power
Plant at Pleasant Prairie, Wisconsin, una unidad 605 MW, así como en una instalación de central de carbón en Western con una caldera de carbón pulverizado convencional en un intervalo de 350 MW. Ambas plantas de quema de carbón PRB. PoCT es una cámara de residencia usada para simular la inyección en el primer campo de una gran escala ESP. Durante la evaluación de retiro de mercurio, una corriente de salida situada corriente arriba del dispositivo de control de partículas del lugar hospedador fue extraída y después inyectada en el PoCT. Los tiempos de residencia de aproximadamente 2 y 4 segundos fueron probados y fue utilizado un intervalo de inyección de carbón activado de aproximadamente 6 Ib/MMacf. El porcentaje de retiro de mercurio fue calculado restando la concentración de salida de mercurio de la concentración de entrada de mercurio y entonces dividiendo la suma por la concentración del mercurio de entrada y
multiplicándose por 100. El experimento número tres no fue evaluado por el retiro de mercurio. Una descripción más detallada del experimento establecido de retiro de mercurio puede encontrarse en Sjostrom, y colaboradores. "Assessing Sorbents for Mercury control ¡n Coal-Combustion Flue Gas", Journal of the Air and Waste Management Association, Vol. 52, p. 902-911 (Agosto 2002). En los experimentos 1-3 en la tabla 1, el carbón usado fue PRB. En el experimento número 4, fue usado el carbón PRB con 1 % en peso NaBr formado por mezcla seca y en el experimento número 5, fue usado el carbón NDL con 0.5 % NaBr formado por mezcla seca. En el experimento 6, fue usado el carbón PRB con 7 % en peso KBr formado por mezcla seca. En el experimento 7, fue usado el carbón PRB con 7 % en peso KBR formado por mezcla húmeda. En el experimento 8, fue usado el carbón de Utah con 1 % en peso NaBr formado por mezcla seca. En el experimento 9, fue usado el carbón NDL con 1 % en peso NaBr formado por mezcla seca.
Tabla 1
En la tabla 1, "ND" se refiere a no determinado. Como se muestra en la tabla 1, como SRHOB fue disminuido, mientras que se mantenía constante el SRReC?p?ente de Reacción, el área de superficie creció. Está pensado para ser un resultado de la temperatura y cantidad de vapor creciente de la corriente que sale de la sección 1 de la figura 2. La temperatura, la cantidad oxidante y el tiempo de exposición del carbón al oxidante son factores importantes en la determinación del área de superficie.
Generalmente, incrementando cualquiera de los tres factores incrementa del área de superficie. También, cuando el SRRec?p?ente de Reacción fue incrementado, el rendimiento y contenido de carbón disminuyeron, el área de superficie creció y el retiro de mercurio creció. Se cree que el
rendimiento y el contenido de carbón disminuyeron porque fue suministrado más oxígeno al recipiente de reacción y como resultado fue consumido más carbón. También se cree que el área de superficie incrementó como resultado de la explicación dada arriba por el incremento de superficie debido al SR-HOB En los experimentos 7-9, el vapor fue inyectado en el producto 17 en la figura 2. Es conocido por los expertos en la técnica que la activación de vapor puede mejorar la capacidad de adsorción de carbones activados. Mientras que la activación de vapor puede no ser necesaria en cada caso, se cree que ésta junto con la adición de sales haloideas es la razón de los altos retiros de mercurio en los experimentos 7-9. Si la invención es utilizada para producir carbón activado en una instalación central tal como una utilidad u horno de cemento o una instalación donde el escape de gas pueda ser quemado, los gases de oxidación parcial podrían utilizarse en una caldera (u hornilla) y el carbón activado enfriado podría almacenarse para uso en otra parte. Alternativamente o en adición, el carbón activado podría además procesarse (es decir post-procesado) para lograr las características específicas deseadas (por ejemplo, tratamientos de vapor para aumentar el área de superficie) o el doping de carbón activado con una sal haloidea tal como las descritas en la Solicitud de Patente Norteamericana No. 11/078.509 de posesión común, titulada ""Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture
Therefor" de Chien-Chung Chao y colaboradores, presentada el 14 de Marzo del 2005. y Solicitud de Patente Norteamericana Serie No. 11/224,149, de posesión común, titulada " "Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor" de Chien-Chung Chao y colaboradores, referenciadas arriba. En otras modalidades de la invención, una corriente de gas caliente con excepción del oxígeno caliente puede crearse y utilizarse para activar el material de la alimentación carbonosa. Por ejemplo, el vapor podría ser dramáticamente sobrecalentado mezclando el vapor con los productos de un quemador de oxi-combustible estoiquiométrico cercano. Este vapor sobrecalentado entonces sería utilizado para reaccionar con, y activado con la alimentación carbonosa. También será apreciado por los expertos en la técnica que si es deseable solamente pirólisis (es decir, sin combustión), entonces otros gases tales como el nitrógeno podrían también ser sobrecalentados de una manera similar a la pirólisis del carbón. En esta modalidad particular, no hay oxígeno residual presente en la corriente 7 (ver figuras de arriba). Como se discutió arriba, la presente invención proporciona métodos y sistemas para la producción de carbón activado que son suficientemente flexibles y eficientes de modo que la producción puede ocurrir cerca o en del sitio de uso final del carbón activado. Será apreciado, sin embargo, que la producción de carbones activados de acuerdo con la presente invención no
esté limitada a la producción en el lugar. Los métodos y sistemas proporcionados en la presente pueden también utilizarse en otras disposiciones. Por ejemplo y mientras que no sea interpretado como limitante, el carbón activado producido por la presente invención podría producirse en una instalación central y usado para servir a múltiples utilidades o similares. Otra implementación ejemplar podría incluir producir el carbón activado en una utilidad para esa planta y enviar el exceso de carbón activado a otras localizaciones. También será apreciado que los carbones activados producidos de acuerdo con la presente invención pueden utilizarse para sustituir la producción de PAC usada para otras aplicaciones. La presente invención proporciona así flexibilidad y versatilidad con respecto al sitio de producción. Deberá ser apreciado por los expertos en la técnica que las modalidades específicas descritas arriba pueden utilizarse fácilmente como una base para modificar o diseñar otras estructuras para realizar los mismos propósitos de la presente invención. Deberá también ser observado por los expertos en la técnica que tales construcciones equivalentes no salen del espíritu y alcance de la invención de acuerdo a lo dispuesto en las reivindicaciones anexas.