KR20070113287A - Adsorbent for mercury removal from combustion gases - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분산된 할라이드 염으로 도핑된 활성탄소로부터 형성된 촉매 흡착제를 제공한다. 본원에서 제공되는 촉매 흡착제는 실온에서 안정하고 무해하며, 연소가스 스트림에 대해 전형적인 승온에서 화학적으로 흡착한다. 또한, 본 발명은 도핑된 활성탄소 흡착제의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a catalyst adsorbent formed from activated carbon doped with dispersed halide salts. The catalytic adsorbents provided herein are stable and harmless at room temperature and chemically adsorb at typical elevated temperatures for the flue gas stream. The present invention also provides a process for preparing the doped activated carbon adsorbent.
Description
본 발명은 일반적으로 연소가스 스트림으로부터의 수은의 제거에 사용하기 위한 촉매 흡착제 및 상기 촉매 흡착제의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention generally relates to a catalyst adsorbent for use in the removal of mercury from a flue gas stream and to a process for preparing said catalyst adsorbent.
인체 및 환경에 대한 수은의 독성은 오래 전부터 알려져 왔다. 예를 들어, 수은 노출이 인간에게 신경학적 손상을 일으킬 수 있다는 것이 알려져 있다. 수은의 유해한 효과의 특히 파괴적인 예는, 아세트알데히드 제조의 유기 수은 부생성물이 그 지역의 만(灣)에 방출된 1950년대 일본 미나마타에서 발생하였다. 상기 부생성물은 어류에 의해 섭취 및 대사되었다. 상기 만의 어류 소비에 의해 지역 집단에 신경학적 손상 및 기형아 출산이 널리 퍼진 것이 보고되었다. Mercury toxicity to humans and the environment has long been known. For example, it is known that mercury exposure can cause neurological damage in humans. A particularly destructive example of the detrimental effects of mercury occurred in Minamata, Japan, in the 1950s, when organic mercury by-products of acetaldehyde production were released into bays in the area. The byproducts were ingested and metabolized by fish. It has been reported that the consumption of fish in the bay has led to widespread neurological damage and birth defects in local populations.
전력 생성에 사용되는 석탄은 종종 약 0.1 ppm의 수은을 함유한다. 미국에서만도 매년 약 50톤의 수은이 배출가스 중에 증기로서 방출된다. 상기 수은은 화학적 및 생물학적 과정을 통해 어류내에 수천배로 농축되어 인간 식품 공급물에 유해한 수준으로 유입될 수 있다.Coal used for power generation often contains about 0.1 ppm of mercury. In the United States alone, about 50 tonnes of mercury are released as steam in the exhaust each year. The mercury can be concentrated thousands of times in fish through chemical and biological processes and enter harmful levels in human food feeds.
공기, 물, 천연 가스 및 기타 산업 스트림으로부터 미량의 수은을 제거하기 위한 노력이 오랫동안 진행되어 왔으나, 석탄 연소 연소가스 스트림으로부터 수은 을 제거하는 것은 매우 어려운 문제이다.Efforts have long been made to remove trace amounts of mercury from air, water, natural gas and other industrial streams, but removing mercury from coal combustion flue gas streams is a very difficult problem.
실온에서 공기 또는 탄화수소로부터 수은을 제거하는 종래 기술은 일반적으로 연소가스 스트림으로부터 수은을 제거하는 것과는 제한적으로 관련되어 있었다. 수은은 원자량이 크고, 흡착 온도가 중요한 문제이다. 실온에서, 탄소와의 분산 상호작용은 수은 원자를 고정시키기에 충분하다. 그러나, 약 300 ℉(많은 연소가스 스트림의 온도)에서, 물리적 흡착은 휘발성인 수은 원소를 더이상 잡아둘 수 없다.Prior art of removing mercury from air or hydrocarbons at room temperature has generally been limited to removing mercury from flue gas streams. Mercury has a large atomic weight and adsorption temperature is an important problem. At room temperature, the dispersion interaction with carbon is sufficient to fix mercury atoms. However, at about 300 [deg.] F. (temperature of many flue gas streams), physical adsorption can no longer trap elemental mercury.
또한, 빠르게 이동하는 연소가스 스트림과의 충분한 접촉 시간은 수은 제거에 대한 또다른 문제이다. 연소에 의한 생성부터 스택(stack)을 통한 출구까지 연소가스의 총 시간은 종종 10 초 미만이다. 주입된 분말로서 흡착제가 연소가스와 섞여 흩날리는 시간은 약 2초이거나, 또는 백 하우스(bag house)의 백(bag) 상의 필터 케이크로서 필터에 의해 포획된 활성탄소와 연소가스 간의 접촉 시간은 1초 미만이다.In addition, sufficient contact time with fast moving flue gas streams is another problem for mercury removal. The total time of combustion gases from the generation by combustion to the exit through the stack is often less than 10 seconds. As the injected powder, the adsorbent is mixed with the combustion gas and scattered about 2 seconds, or as the filter cake on the bag house bag, the contact time between the activated carbon captured by the filter and the combustion gas is 1 Less than a second.
연소가스 청정에 요구되는 반응성 및 반응 동역학은 종래 충전층에 의해 적합하게 시험될 수 없다. 종래 충전층은 연소가스 세정에 불충분한 데, 이는 연소가스의 부피가 너무 크기 때문에 이를 압축하여 충전층을 통해 밀어넣는데 드는 비용이 과중하기 때문이다. "공중 흡착" 또는 "필터 흡착"에서, 연소가스와의 접촉 시간은 종래 충전층보다 수배 짧다. 따라서, 종래 충전층으로부터의 시험 결과는 연소가스와 제한적으로 관련되어 있다.The reactivity and reaction kinetics required for combustion gas cleanup cannot be adequately tested by conventional packed beds. Conventional packed bed is insufficient for cleaning the flue gas because the cost of compressing it and pushing it through the packed bed is excessive because the volume of the flue gas is too large. In "air adsorption" or "filter adsorption", the contact time with the combustion gases is several times shorter than conventional packed beds. Thus, test results from conventional packed beds are of limited relevance to combustion gases.
연소가스로부터의 수은의 제거와 관련된 추가의 문제에는 연소가스 스트림 중의 수은의 농도 수준이 낮다는 것이 포함된다. 많은 다른 산업 공정 (예컨대, 쓰레기 소각)에서의 수은의 농도가 약 mg/㎥인 반면, 연소가스 스트림 중 수은의 농도는 ㎍/㎥이다. 매우 초기 작업은 석탄 보일러 외의 스트림을 포함하며 5 ㎍/㎥ 범위의 수은을 함유하는 배출물은 완전히 정제되는 것으로 여겨진다. 이는 연소가스 중의 초기 수은 농도보다 많이 낮지는 않다.Further problems associated with the removal of mercury from flue gases include low levels of mercury in the flue gas stream. In many other industrial processes (eg waste incineration), the concentration of mercury is about mg / m 3, while the concentration of mercury in the flue gas stream is μg / m 3. Very early operations include streams other than coal boilers and emissions containing mercury in the range of 5 μg / m 3 are believed to be fully purified. This is not much lower than the initial mercury concentration in the flue gas.
무엇보다, 종래 기술은 수은의 흡착이 흡착제와 수은 간에 일어난 것으로서 여긴다. 이는 실온에서 공기 또는 탄화수소 스트림 중에서 일어나는 것이 사실인 반면, 연소가스는 수은 제거를 방해하고 가능하게 하는 역할 둘 모두를 할 수 있는, 매우 극성이며 반응성인 성분을 함유한다. 연소가스에서 사용되는 조성물 모델 중 하나는 약 6% O2, 12% CO2, 8% H2O, 1600 ppm SO2, 400 ppm NO, 50 ppm HCl, 20 ppm NO2 및 12 ㎍/㎥ Hg 원소를 함유한다.Above all, the prior art regards the adsorption of mercury as occurring between the adsorbent and mercury. While this is true in air or hydrocarbon streams at room temperature, the flue gas contains very polar and reactive components that can both play a role in preventing and enabling mercury removal. One of the composition models used in the combustion gases is about 6% O 2 , 12% CO 2 , 8% H 2 O, 1600 ppm SO 2 , 400 ppm NO, 50 ppm HCl, 20 ppm NO 2 and 12 μg / m 3 Hg It contains an element.
석탄 보일러의 연소가스로부터 수은을 제거하는 종래의 시도에는 다양한 기술들이 포함된다. 그중 하나의 접근법은 연소 전에 할로겐 염을 석탄에 첨가하여 연소 공정이 할로겐화수소 기체를 생성시키고 그 다음 보다 낮은 온도에서 분말 탄소를 하류에서 연소가스로 주입하는데 초점이 있다. 일부 수은은 할로겐화수소 기체, 활성탄소 및 수은 사이의 상호작용에 의해 포획된다. 또다른 접근법은 할로겐화수소 또는 할로겐 원소를 활성탄소와 함께 보다 낮은 온도의 연소가스에 첨가하는 것이다.Conventional attempts to remove mercury from combustion gases in coal boilers include a variety of techniques. One approach focuses on adding halogen salts to coal before combustion so that the combustion process produces hydrogen halide gas and then injects powdered carbon downstream into the combustion gas at lower temperatures. Some mercury is captured by the interaction between hydrogen halide gas, activated carbon and mercury. Another approach is to add hydrogen halides or elemental halides with activated carbon to lower temperature combustion gases.
칼스루(Karlsruhe)의 미국 특허 제1,984,164호 (1934)는 실내공기로부터 수 은을 제거하기 위한, 탄소 또는 실리카 겔 또는 할로겐 원소를 함유하는 다른 흡착제를 제안한다. 다른 종래 시도에는 연소 전에 할라이드 염을 석탄에 첨가하는 것이 포함되며, 이는 이들 염이 매우 안정한 것으로 공지되어 있기 때문이다. 연소 공정은 할라이드를 할로겐으로 산화시키고, 추가로 수소와 반응시켜 할로겐화수소를 생성시킨다. 예를 들어, 펠스방(Felsvang) 등의 미국 특허 제5,435,980호 (1995)는 클로라이드 또는 염소를 함유하는 물질을 연소 전에 또는 연소 중에 석탄에 첨가하거나, HCl을 건조-흡수 구역의 상류에서 또는 건조-흡수 구역에서 연소가스에 첨가하는 것을 제안한다.Karlsruhe US Pat. No. 1,984,164 (1934) proposes carbon or silica gel or other adsorbents containing halogen elements for removing mercury from indoor air. Other prior attempts include adding halide salts to coal prior to combustion, since these salts are known to be very stable. The combustion process oxidizes the halide to halogen and further reacts with hydrogen to produce hydrogen halide. For example, US Pat. No. 5,435,980 (1995) to Felsvang et al. Adds chloride or chlorine containing materials to coal prior to or during combustion, or adds HCl upstream of the drying-absorption zone or drying- It is proposed to add to the combustion gases in the absorption zone.
넬슨 쥬니어(Nelson, Jr.)의 미국 특허 출원 제2004/0003716 A1호에는 흡착제를 연소 스트림에 주입함으로써 연소 기체로부터 수은 및 수은을 함유하는 화합물을 제거하는 방법이 개시되어 있다. 흡착제는 탄소질 기판을 브롬을 함유하는 기체로 처리함으로써 제조된다. 브롬 기체는 흡입, 섭취 또는 피부 접촉시 매우 독성인 것으로 알려져 있다. 또한, HBr은 부식성인 것으로 알려져 있다. 또한, 브롬 및 HBr 화합물은 반응성이 있으며, 알켄에 쉽게 첨가될 수 있다. 또한, 브롬은 방향족 화합물과 반응성이 있다.Nelson, Jr., US Patent Application 2004/0003716 A1, discloses a process for removing mercury and mercury-containing compounds from combustion gases by injecting adsorbents into the combustion stream. Adsorbents are prepared by treating a carbonaceous substrate with a gas containing bromine. Bromine gas is known to be very toxic upon inhalation, ingestion or skin contact. HBr is also known to be corrosive. In addition, bromine and HBr compounds are reactive and can be easily added to alkenes. Bromine is also reactive with aromatic compounds.
매스(Maes) 등의 미국 특허 제6,533,842 B1호에는 고온 고습의 기체 스트림으로부터 수은을 제거하기 위한, 약 40% 탄소, 40% 수산화칼슘, 10% 염화구리 및 10% KI3 함침된 탄소를 함유하는 분말 흡착제가 개시되어 있다.US Pat. No. 6,533,842 B1 to Maes et al. Discloses a powder containing about 40% carbon, 40% calcium hydroxide, 10% copper chloride and 10% KI 3 impregnated carbon for removing mercury from a high temperature, high humidity gas stream. Adsorbents are disclosed.
2000년 12월, 미국 환경보호국(Environmental Protection Agency; EPA)은 석 탄 연소 발전소로부터의 수은 방출을 조절할 필요가 있다는 규제 결정을 내렸다. In December 2000, the U.S. Environmental Protection Agency (EPA) made a regulatory decision that it was necessary to regulate mercury emissions from coal-fired power plants.
따라서, 연소가스 스트림으로부터의 수은 제거의 분야에서, 연소가스 온도 범위에서 개선된 흡착제 특징을 가지며 경제적이고 효율적으로 제조될 수 있는 흡착제를 제공하는 것이 바람직할 것이다.Thus, in the field of mercury removal from flue gas streams, it would be desirable to provide an adsorbent that has improved adsorbent characteristics over the flue gas temperature range and that can be manufactured economically and efficiently.
발명의 간단한 요약Brief summary of the invention
본 발명은 할라이드 염이 활성탄소 상에 분산되어 있고 활성탄소의 산화 촉매 활성이 할로겐화수은의 형성을 촉진시키는 촉매 흡착제를 제공한다. 동시에, 활성탄소의 흡착제 품질은 이렇게 형성되는 할로겐화수은을 유지시킨다. 본 발명은 할라이드 염이 실온에서 안정하고 무해한 반면, 도핑된 활성탄소가 연소가스 스트림에서 전형적인 승온에서 및 연소가스의 전형적인 반응성 성분의 존재하에 수은 할로겐 화합물을 형성시킬 수 있다는 것을 인식한다. 이들 수은 할로겐 화합물은 활성탄소의 표면 상에 유지된다. 또한, 증가된 흡착제 능력 및 더 빠른 흡착 속도는 상기 출발 물질로부터 형성된 도핑되지 않은 활성탄소와 비교하여 보다 소량의 흡착제를 필요로 하는 결과를 가져온다.The present invention provides a catalyst adsorbent in which a halide salt is dispersed on activated carbon and the oxidation catalytic activity of the activated carbon promotes the formation of mercury halide. At the same time, the adsorbent quality of activated carbon keeps the mercury halides thus formed. The present invention recognizes that while halide salts are stable and harmless at room temperature, doped activated carbon can form mercury halogen compounds at typical elevated temperatures in the flue gas stream and in the presence of typical reactive components of the flue gas. These mercury halogen compounds are retained on the surface of activated carbon. In addition, increased adsorbent capacity and faster adsorption rates result in the need for smaller amounts of adsorbent compared to the undoped activated carbon formed from the starting materials.
따라서, 연소가스 스트림으로부터 수은을 제거하기 위한 촉매 흡착제 조성물은 활성탄소 상에 분산된 도핑제 (즉, 할라이드 염)를 갖는 활성탄소를 포함한다. 본 발명에 따른 할라이드 염에 사용되는 도핑제의 양이온은 알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 전이 금속 (예를 들어, Na, Ca, Mg, Cu 및 K)일 수 있다. 포함된 음이온은 브로마이드 또는 클로라이드일 수 있다. 특히 바람직한 도핑제에는 NaCl, CaCl2, CuCl2, CuBr2, NaBr, KBr, CaBr2 및 MgBr2가 포함되나 이에 제한되지 않는다.Accordingly, the catalytic adsorbent composition for removing mercury from the flue gas stream comprises activated carbon with a dopant (ie halide salt) dispersed on the activated carbon. The cations of the dopant used in the halide salts according to the invention can be alkali metals, alkaline earth metals or transition metals (eg Na, Ca, Mg, Cu and K). Anions included may be bromide or chloride. Particularly preferred dopants include, but are not limited to, NaCl, CaCl 2 , CuCl 2 , CuBr 2 , NaBr, KBr, CaBr 2 and MgBr 2 .
할라이드 염은 실온에서 수은 및 활성탄소에 대해 불활성이다. 승온에서 (예를 들어, 200 ℉ 내지 570 ℉) 및 전형적인 연소가스 조성물의 존재하에, 수은 할로겐 화합물이 형성되며 활성탄소 상에 유지된다. 어떠한 이론에도 구속하려는 것은 아니지만, 하기의 임의의 또는 모든 또는 하기의 조합이 일어날 수 있다고 믿어진다. 산화제 (예를 들어, 연소가스를 형성시키는 산소 또는 활성탄소 상의 산화제)는 수은을 산화시키며, 도핑제의 음이온은 산화제에 의해 산화되는 수은 이온에 대한 카운터 이온을 제공한다. 별법으로 또는 추가로, 산화제는 염의 음이온을 산화시키며, 산화된 음이온은 다시 수은을 산화시켜 활성탄소 상에 수은 할로겐 화합물을 형성시킨다. 별법으로 또는 추가로, 연소가스에 존재하는 산성 기체는 도핑제 염과 반응하여 할로겐화수소를 형성시킨다. 그 후, 할로겐화수소는 산화제에 의해 산화되어 할로겐 종을 형성시킨다. 그 후, 할로겐 종은 수은과 반응하여 수은 할로겐 화합물을 형성시키며, 그 후 이는 활성탄소에 의해 흡착된다.The halide salt is inert to mercury and activated carbon at room temperature. At elevated temperatures (eg, 200 ° F. to 570 ° F.) and in the presence of typical flue gas compositions, mercury halogen compounds form and remain on the activated carbon. Without wishing to be bound by any theory, it is believed that any or all or the following combinations may occur. Oxidizers (eg, oxygen or oxidants on activated carbon to form combustion gases) oxidize mercury, and the anion of the dopant provides counter ions for the mercury ions that are oxidized by the oxidant. Alternatively or in addition, the oxidant oxidizes the anion of the salt, which in turn oxidizes mercury to form a mercury halogen compound on the activated carbon. Alternatively or in addition, the acid gases present in the flue gas react with the dopant salt to form hydrogen halides. The hydrogen halide is then oxidized by the oxidant to form halogen species. The halogen species then reacts with mercury to form a mercury halogen compound, which is then adsorbed by activated carbon.
또한, 본 발명은 경제적이고 안전한, 상기 도핑된 활성탄소 흡착제의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 촉매 흡착제는 여러 방법에 의해 제조할 수 있다. 한 실시양태에서, 촉매 흡착제는 할라이드 염을 함유하는 수용액 중에 활성탄소를 넣어 혼합물을 형성시키고, 균일한 슬러리가 형성될 때까지 혼합물을 교반하고, 활성탄소를 건조시켜 수용액으로부터 물을 증발시키고 할라이드 염을 분말 활성탄소의 표면 상에 분산시킴으로써 형성될 수 있다.The present invention further provides an economical and safe process for preparing the doped activated carbon adsorbent. The catalyst adsorbent of the present invention can be produced by several methods. In one embodiment, the catalytic adsorbent is placed in an aqueous solution containing a halide salt to form a mixture, the mixture is stirred until a uniform slurry is formed, the activated carbon is dried to evaporate water from the aqueous solution and the halide salt Can be formed by dispersing on the surface of the powdered activated carbon.
본 발명자들은 석탄을 연소시켜 전력을 생성시키는 조건과 탄소질 공급원료를 활성화시켜 활성탄소를 제조하는 조건이 실질적으로 상이하다고 여긴다. 예를 들어, 연소 챔버 중 보일러의 온도는 매우 높으며 존재하는 모든 탄소를 산화시키기에 충분한 산소가 존재한다. 따라서, 할라이드 염은 산화되고 복잡한 반응을 거쳐 할로겐화수소를 얻을 수 있다. 대조적으로, 탄소 활성화 중의 온도 범위는 보일러 온도보다 매우 낮은 약 1200 ℉ 내지 2000 ℉이다. 소량의 산화제가 빠르게 소모되며, 탄소의 표면은 환원성으로 남는다. 따라서, 할라이드 염은 활성화 공정을 완전한 상태로 통과할 수 있다. 따라서, 활성탄소의 도핑은 석탄을 도핑함으로써 성취될 수 있다. 약 270 ℉에서 연소가스에서 활성탄소 상 할라이드 염이 수은에 대해 반응성인 것을 고려할 때, 산화제를 함유하는 활성화 기체가 활성화 공정 중에 할라이드 염을 완전한 상태로 유지시킬 수 있다는 것을 발견한 것은 놀라운 일이다.The inventors consider that the conditions for burning activated coal to generate power and the conditions for activating carbonaceous feedstock to produce activated carbon are substantially different. For example, the temperature of the boiler in the combustion chamber is very high and there is enough oxygen to oxidize all the carbon present. Thus, the halide salt can be oxidized and undergo a complex reaction to yield hydrogen halides. In contrast, the temperature range during carbon activation is about 1200 ° F. to 2000 ° F., which is much lower than the boiler temperature. A small amount of oxidant is quickly consumed and the surface of the carbon remains reducing. Thus, the halide salt can pass through the activation process in perfect state. Thus, doping of activated carbon can be accomplished by doping coal. Given that the halide salts on the activated carbon in the combustion gas at about 270 ° F. are reactive to mercury, it is surprising to find that activating gases containing oxidants can keep the halide salts intact during the activation process.
다른 예시적 제조 방법에서, 촉매 흡착제는 탄소질 공급원료 및 할라이드 염의 예비침지되고 건조된 혼합물, 또는 할라이드 염 및 탄소질 공급원료의 건조 혼합물을 활성화 기체 스트림와 함께 반응 챔버에 공급함으로써 제조될 수 있다. (예비침지되고 건조된 또는 건조) 할라이드 염 및 탄소질 공급원료의 혼합물이 사용되는 경우, 활성화 기체 스트림은 공기 및/또는 스팀, O2, CO2, N2, CO 또는 그들의 혼합물을 함유할 수 있다. 분말 활성탄소의 표면 상에 분산된 할라이드 염을 갖는 분말 활성탄소를 형성시키기에 충분한 조건 하 및 체류 시간 동안 탄소질 공 급원료 및 활성화 기체가 반응 챔버에 주입된다. 상기 방법에서, 반응 챔버는 배치형 반응기, 예컨대 튜브 노(furnace), 혼합 챔버 또는 연속식 방식으로 고안된 반응기 (예를 들어, 유동화층 반응기, 버너 등)일 수 있다. 도핑제는 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 전이 금속 (예를 들어, Na, K, Mg, Ca 및 Cu)으로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온 및 브로마이드 및 클로라이드로부터 선택되는 음이온으로 형성된다. 몇몇 실시양태에서, 도핑제는 NaCl, KCl, CaCl2, CuCl2, CuBr2, NaBr, KBr, CaBr2 및 MgBr2로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.In another exemplary method of preparation, the catalyst adsorbent may be prepared by feeding a presoaked and dried mixture of carbonaceous feedstock and halide salt, or a dry mixture of halide salt and carbonaceous feedstock with the activation gas stream to the reaction chamber. When a mixture of halide salts and carbonaceous feedstocks (pre-soaked and dried or dried) is used, the activating gas stream may contain air and / or steam, O 2 , CO 2 , N 2 , CO or mixtures thereof. have. Carbonaceous feedstock and activating gas are injected into the reaction chamber under conditions sufficient to form powdered activated carbon with a halide salt dispersed on the surface of the powdered activated carbon and for a residence time. In this method, the reaction chamber may be a batch reactor such as a tube furnace, mixing chamber or a reactor designed in a continuous manner (eg fluidized bed reactor, burner, etc.). The dopant is formed with an anion selected from cations and bromide and chlorides selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals and transition metals (eg, Na, K, Mg, Ca and Cu). In some embodiments, the dopant may be selected from the group consisting of NaCl, KCl, CaCl 2 , CuCl 2 , CuBr 2 , NaBr, KBr, CaBr 2 and MgBr 2 .
본 실시양태에서, 탄소질 물질 및 할라이드 염의 혼합물은 석탄을 염 용액에 침지시키거나 건조 혼합함으로써 얻을 수 있다. 상기 두 방법은 도핑제가 도입되는 것을 제외하고는 유사하다. 건조 혼합에 의한 도핑은 가공 비용을 감소시킬 수 있기 때문에 바람직할 수 있다. 도핑을 위한 혼합은 분자 수준에서가 바람직하고 석탄 및 염 입자는 전형적으로 마이크로미터 크기 범위(즉, 분자 수준보다 훨씬 큼)인 것을 고려할 때 건조 도핑의 효율성의 정도는 예상치 못하였다.In this embodiment, a mixture of carbonaceous material and halide salts can be obtained by dipping coal in a salt solution or dry mixing. The two methods are similar except that a dopant is introduced. Doping by dry mixing may be desirable because it can reduce processing costs. Mixing for doping is preferred at the molecular level and considering the coal and salt particles are typically in the micrometer size range (ie, much larger than the molecular level), the degree of efficiency of dry doping was unexpected.
본 발명의 촉매 흡착제는 승온에서 산화제 및/또는 산성 기체를 함유하는 기체 스트림, 예컨대 보일러 또는 연소 공정에 존재하는 연소가스 스트림으로부터 수은을 제거하는데 사용하기에 적합하다. 상기 공정에서, 본 발명의 촉매 흡착제는 수은 포획의 공중 방식에서 연소가스 스트림에 주입된다. 상기 논의된 바와 같이, 도핑제는 실온에서 수은에 대해 불활성이다. 그러나, 연소가스 온도에서 및 활성탄소, 산화제 및/또는 산성 기체의 존재하에 도핑제는 연소가스 스트림으로부터 수 은을 효과적으로 제거한다. 수은은 수은 할로겐 화합물의 형태로 활성탄소 상에 유지되고, 날리는 재(ash)와 함께 연소가스 스트림으로부터 분리될 수 있다.The catalytic adsorbents of the present invention are suitable for use in removing mercury from gas streams containing oxidants and / or acidic gases at elevated temperatures, such as combustion gas streams present in boilers or combustion processes. In this process, the catalytic adsorbent of the present invention is injected into the flue gas stream in an aerial manner of mercury capture. As discussed above, the dopant is inert to mercury at room temperature. However, the dopant effectively removes mercury from the flue gas stream at flue gas temperatures and in the presence of activated carbons, oxidants and / or acid gases. Mercury is retained on the activated carbon in the form of mercury halogen compounds and can be separated from the flue gas stream with blowing ash.
본 발명 및 그 이점의 보다 완전한 이해를 위해서는, 첨부된 도면과 함께 하기 발명의 상세한 설명을 참조하기 바란다.For a more complete understanding of the present invention and its advantages, reference is made to the following detailed description of the invention in conjunction with the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 촉매 흡착제의 제조에 대한 한 실시양태를 예시한다. 1 illustrates one embodiment for the preparation of a catalyst adsorbent according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 촉매 흡착제를 사용하는 방법을 예시한다. 2 illustrates a method of using a catalyst adsorbent according to the present invention.
도 3 내지 6은 실시예 1에 관한 그래프를 예시한다. 3-6 illustrate a graph relating to Example 1. FIG.
도 7 내지 12는 실시예 2에 관한 그래프를 예시한다. 7-12 illustrate the graphs related to Example 2. FIG.
도 13은 실시예 3에 관한 그래프를 예시한다. 13 illustrates a graph relating to Example 3. FIG.
도 14 내지 20은 실시예 4에 관한 그래프를 예시한다. 14-20 illustrate the graphs related to Example 4. FIG.
동일한 도면 부호는 도면들 중 몇몇 도에서 동일한 부분을 가리킨다. Like numbers refer to like parts in some of the drawings.
본 발명은 승온에서 연소가스 스트림으로부터 수은을 제거하는데 사용하기에 적합한 촉매 흡착제를 제공한다. 본 발명의 촉매 흡착제는 활성탄소 상에 분산된 도핑제를 함유하는 활성탄소를 갖는 조성물을 포함한다. 도핑제는 할라이드 염이다. 도핑제의 양이온은 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 전이 금속일 수 있으며, 도핑제의 음이온은 브로마이드 또는 클로라이드일 수 있다. 본 발명의 촉매 흡착제는 다양한 방법으로부터 형성될 수 있다.The present invention provides a catalytic adsorbent suitable for use in removing mercury from flue gas streams at elevated temperatures. Catalytic adsorbents of the present invention include compositions having activated carbon containing a dopant dispersed on the activated carbon. The dopant is a halide salt. The cations of the dopant may be alkali metals, alkaline earth metals and transition metals, and the anion of the dopant may be bromide or chloride. The catalytic adsorbent of the present invention can be formed from various methods.
또한, 본 발명은 석탄 연소에 의해 생성되는 연소가스 스트림에서 통상적으로 발견되는 산성 기체 및/또는 산화성 기체의 존재하에 승온에서 수은 포획용 상기 조성물의 사용 방법을 제공한다.The present invention also provides a method of using said composition for mercury capture at elevated temperatures in the presence of acidic and / or oxidizing gases commonly found in flue gas streams produced by coal combustion.
수은 포획 작용은 연소가스 스트림 온도 뿐만 아니라 흡착제 조성물, 연소가스 스트림 중의 성분들의 상승적인 조합이다. 하기 제공된 실시예로부터 이해되는 바와 같이, 활성탄소 자체는 27O ℉에서 질소 스트림 중 수은을 흡착하지 않는다. KBr 도핑된 실리카 겔은 전체 연소가스의 존재하에서조차 상당한 양의 수은을 흡착하지 않는다. KBr 도핑된 흑연은 수은을 전혀 흡착하지 않는다. 그러나, 브로마이드 염 도핑된 활성탄소는 수은을 극히 낮은 수준으로 제거할 수 있기 때문에 연소가스에 특히 효과적인 흡착제이다. 또한, 이는 질소 스트림에서 일부 수은을 제거할 수 있다.Mercury capture is a synergistic combination of components in the flue gas stream, as well as adsorbent composition, as well as flue gas stream temperature. As will be appreciated from the examples provided below, the activated carbon itself does not adsorb mercury in the nitrogen stream at 2O <0> F. KBr doped silica gel does not adsorb a significant amount of mercury even in the presence of total combustion gases. KBr doped graphite does not adsorb mercury at all. However, bromide salt doped activated carbon is a particularly effective adsorbent for combustion gases because it can remove mercury at extremely low levels. It can also remove some mercury from the nitrogen stream.
상기 논의된 바와 같이, 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 전이 금속 할라이드는 무해한 염이며, 실온에서 수은 및 활성탄소에 대해 불활성이다. 그러나, 약 200 ℉ 내지 570 ℉ (예를 들어, 270 ℉)에서 및 연소가스의 산성 기체 및/또는 산화성 기체의 존재하에, 이들 도핑된 활성탄소 조성물은 높은 효율로 수은을 포획할 수 있다. 비사용된 할라이드 염은 그의 염 형태로 유지된다.As discussed above, alkali metal, alkaline earth metal and transition metal halides are harmless salts and are inert to mercury and activated carbon at room temperature. However, at about 200 ° F. to 570 ° F. (eg, 270 ° F.) and in the presence of acidic and / or oxidizing gases in the combustion gases, these doped activated carbon compositions can capture mercury with high efficiency. Unused halide salts remain in their salt form.
또한, 본 발명의 촉매 흡착제는 낮은 클로라이드 석탄 (예를 들어, 와이오밍(Wyoming)으로부터의 파우더 리버 베이신(PRB) 석탄)을 연소시킴으로써 생성된 연소가스 스트림에서 양호하게 수행하나, 노리트(Norit) FGD 탄소와 같은 현재 흡착제는 효율적으로 기능하지 않는다.In addition, the catalytic adsorbent of the present invention performs well in flue gas streams produced by burning low chloride coal (e.g., Powder River Basin (PRB) coal from Wyoming), but Norit Current adsorbents such as FGD carbon do not function efficiently.
따라서, 본 발명은 할라이드 염을 활성탄소 상에 분산시켜, 염이 실온에서 화학적 불활성으로 유지되나 고온 연소가스에서 수은과 반응하여 비휘발성 할로겐화수은을 제공한다. 보다 특히, 약 200 ℉ 내지 570 ℉ 범위의 온도에서 및 연소가스로부터의 산성 및/또는 산화성 기체의 존재하에, 할라이드 염은 수은과 반응하고 활성탄소가 연소가스 스트림 중에 매우 낮은 농도로 존재하는 수은을 포획하는 것을 돕는다. 본 발명의 촉매 흡착제는 승온에서 매우 급속의 동역학을 사용하여 화학적 흡착 뿐만 아니라 물리적 흡착 둘 모두를 최적화시킨다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 할라이드 염의 반응성은 협동적 현상이다.Thus, the present invention disperses the halide salt on the activated carbon so that the salt remains chemically inert at room temperature but reacts with mercury in a hot combustion gas to provide a nonvolatile mercury halide. More particularly, at temperatures ranging from about 200 ° F. to 570 ° F. and in the presence of acidic and / or oxidizing gases from the flue gas, the halide salt reacts with mercury and releases mercury where activated carbon is present at very low concentrations in the flue gas stream. Helps to capture. The catalytic adsorbent of the present invention uses very rapid kinetics at elevated temperatures to optimize both chemical adsorption as well as physical adsorption. Thus, the reactivity of halide salts as used herein is a cooperative phenomenon.
하기 논의된 바와 같이, 본 발명의 촉매 흡착제는 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다. 흡착제는 시판되는 분말 활성탄소 (PAC) 또는 원료 탄소질 물질로부터 제조될 수 있다. 본 발명에 사용하기에 적합한 예시적 PAC에는 FGD (노리트 아메리카, 인크.(Norit America, Inc.)로부터 시판됨), 정제 석유 코크로부터 제조된 재(ash)가 없는 활성탄소 분말 및 레이온 섬유의 탄소화에 의해 제조된 탄소 섬유 분말이 포함되나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 다른 활성탄소가 본 발명에 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.As discussed below, the catalytic adsorbents of the present invention can be prepared by a variety of methods. Adsorbents can be prepared from commercially available powdered activated carbon (PAC) or raw carbonaceous materials. Exemplary PACs suitable for use in the present invention include FGD (commercially available from Norit America, Inc.), ash-free activated carbon powders and rayon fibers made from refined petroleum coke. Carbon fiber powders prepared by carbonization include, but are not limited to. It will also be appreciated that other activated carbon may be used in the present invention.
본 발명의 촉매 흡착제는 다양한 기술에 의해 제조될 수 있다. 본 발명의 한 실시양태에서, 흡착제는 할라이드 염의 수용액 중에 활성탄소를 침지함으로써 제조될 수 있다. 상기 접근법은 활성탄소를 할로겐화수소 또는 할로겐 기체로 처리하는 것에 비해 경제적이고 안전한 공정이다.The catalytic adsorbent of the present invention can be prepared by various techniques. In one embodiment of the invention, the adsorbent may be prepared by dipping activated carbon in an aqueous solution of a halide salt. This approach is an economical and safe process compared to treating activated carbon with hydrogen halide or halogen gas.
본 실시양태에서, 염 용액을 제조하는데 필요한 최소량의 물이 사용된다. 도핑제의 양이온은 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 전이 금속일 수 있다. 포함된 음이온은 브로마이드 또는 클로라이드일 수 있다. 따라서, 본 발명에 사용하기에 적합한 염에는 NaCl, CaCl2, CuCl2, CuBr2, NaBr, KBr, CaBr2 및 MgBr2가 포함되나, 이에 제한되지 않는다. 몇몇 실시양태에서 KBr, NaBr 또는 CaBr2가 바람직할 수 있으며, 몇몇 실시양태에서 NaBr 또는 KBr이 가장 바람직한 염일 수 있다.In this embodiment, the minimum amount of water needed to prepare the salt solution is used. The cations of the dopant may be alkali metals, alkaline earth metals and transition metals. Anions included may be bromide or chloride. Thus, suitable salts for use in the present invention include, but are not limited to, NaCl, CaCl 2 , CuCl 2 , CuBr 2 , NaBr, KBr, CaBr 2 and MgBr 2 . In some embodiments KBr, NaBr or CaBr 2 may be preferred, and in some embodiments NaBr or KBr may be the most preferred salt.
PAC, 바람직하게는 분말 형태의 PAC는 수용액 중에 놓이며, 혼합물은 균일한 슬러리가 될 때까지 교반되고, 이렇게 하여 염 용액이 PAC 상에 분산되기에 염 용액과 PAC 간의 충분한 접촉 시간이 존재한다. 당업자는 PAC가 다공성을 가지므로 용액 및 할라이드 염은 PAC에 분산될 것이라는 것을 이해할 것이다.The PAC, preferably in powder form, is placed in an aqueous solution and the mixture is stirred until it is a uniform slurry, so that there is sufficient contact time between the salt solution and the PAC so that the salt solution is dispersed on the PAC. Those skilled in the art will understand that the solution and halide salts will be dispersed in the PAC since the PAC has porosity.
본 접근법에서, 수용액에 필요한 양의 염은 특정 흡착제에 바람직한 PAC의 양 및 염 대 PAC의 비율을 기초로 결정된다 (즉, 바람직한 PAC 중 도핑제 수준은 염 용액의 농도를 결정한다). 몇몇 실시양태에서, 도핑제 수준 대 PAC 수준의 비율은 1:10,000 내지 30:100이다. 보다 바람직한 실시양태에서, 도핑제 대 PAC의 비율은 1:4000 내지 10:100이고, 다른 실시양태에서, 도핑제 대 PAC의 비율은 0.1:100 내지 7:100이다.In this approach, the amount of salt required for the aqueous solution is determined based on the amount of PAC desired for the particular adsorbent and the ratio of salt to PAC (ie, the dopant level in the desired PAC determines the concentration of the salt solution). In some embodiments, the ratio of dopant level to PAC level is 1: 10,000 to 30: 100. In a more preferred embodiment, the ratio of dopant to PAC is from 1: 4000 to 10: 100 and in other embodiments, the ratio of dopant to PAC is from 0.1: 100 to 7: 100.
PAC를 함유하는 염 용액은 침지된 후 PAC가 자유롭게 유동하도록 충분하게 건조된다. 이러한 시간 동안, 물은 증발되고 염은 PAC의 공극 부피에 들어가며, PAC의 표면 상에 분산된다. PAC가 건조된 후, 분말 형태로 존재한다. 이는 분쇄되고, 적절한 크기의 바람직한 메쉬를 통해 통과될 수 있다. 제한적으로 해석되어서는 안되나, PAC는 200 메쉬를 통해 통과될 수 있다. 본 방법에서, PAC는 200 메쉬 미만 또는 200 메쉬와 동등한 물질에서 수은 제거를 위해 사용될 수 있다. 당업자는 흡착제가 흡착제의 의도된 용도에 따라 적절한 크기로 처리될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 몇몇 적용에서는 보다 작은 메쉬 (예를 들어, 400 메쉬)가 바람직할 수 있다.The salt solution containing the PAC is sufficiently dried to allow the PAC to flow freely after being immersed. During this time, water is evaporated and the salt enters the pore volume of the PAC and is dispersed on the surface of the PAC. After the PAC is dried, it is in powder form. It can be ground and passed through a desired mesh of the appropriate size. It should not be construed as limited, but the PAC can pass through 200 mesh. In this method, PACs can be used for mercury removal in materials less than 200 mesh or equivalent to 200 mesh. Those skilled in the art will appreciate that the adsorbent may be processed to a suitable size depending on the intended use of the adsorbent. For example, in some applications a smaller mesh (eg 400 mesh) may be desirable.
본 발명의 촉매 흡착제는 PAC의 표면 상에 분산된 염을 고려할 때 승온에서 연소가스 스트림으로부터의 수은 제거를 양호하게 수행할 것이라고 믿어진다. 어떠한 이론에도 구속하려는 것은 아니지만, 상기 염은 실온 및 고온 (즉, 연소 구역의 범위)에서 수은 원소에 대해 불활성이라고 믿어진다. 그러나, 약 200 ℉ 내지 570 ℉의 승온에서 (예를 들어, 약 270 ℉ 내지 300 ℉에서) 및 연소가스 중 산화성 및/또는 산성 기체 및 도핑된 활성탄소의 존재하에 연소가스 스트림 중 수은은 산화될 수 있으며, 이로부터 효과적으로 제거될 수 있다.It is believed that the catalytic adsorbent of the present invention will perform good mercury removal from the flue gas stream at elevated temperatures, given the salts dispersed on the surface of the PAC. Without wishing to be bound by any theory, it is believed that the salts are inert to mercury elements at room temperature and at high temperatures (ie, in the range of the combustion zone). However, mercury in the flue gas stream may be oxidized at elevated temperatures of about 200 ° F. to 570 ° F. (eg, at about 270 ° F. to 300 ° F.) and in the presence of oxidizing and / or acidic gases and doped activated carbon in the flue gas. And can be effectively removed from it.
상기 기재된 바와 같이 수용액 중에 PAC를 침지시키는 별법은 상기 논의된 바와 같이 할라이드 염이 분산되는 방식으로 PAC 상에 원하는 할라이드 염을 함유하는 물 액적을 분무하는 것이다. 이러한 접근법은 "Production of Activated Char Using Hot Gas"라는 표제의 불 (Bool) 등의 미국 특허 출원 제11/078,517호 (2005년 3월 14일 출원) 및 "Production of Activated Char Using Hot Gas"라는 표제의 불(Bool) 등의 미국 특허 출원 제 호 (동일자 출원)에서 제조된 활성탄과 관련하여 사용될 수 있으며, 상기 두 문헌은 그 전문이 본원에 참고문헌으로 도입된다.An alternative to immersing the PAC in aqueous solution as described above is to spray water droplets containing the desired halide salt on the PAC in such a way that the halide salt is dispersed as discussed above. This approach is described in U.S. Patent Application No. 11 / 078,517 (filed March 14, 2005), entitled "Production of Activated Char Using Hot Gas" and entitled "Production of Activated Char Using Hot Gas." U.S. Patent Application by Bool et al. It may be used in connection with the activated carbon produced in the same application (the same application), the two documents are incorporated herein by reference in their entirety.
본 발명에서 사용하기에 적합한 촉매 흡착제의 다른 제조 방법은 도 1에 나타낸다. 본 실시양태에서, 촉매 흡착제는 알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 전이 금속 할라이드 염의 수용액 중 예비분쇄된 탄소질 공급원료를 예비침지시킴으로써 제조될 수 있다. 별법으로, 예비분쇄된 탄소질 공급원료는 알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 전이 금속 할라이드 염을 함유하는 알콜 (예를 들어, 에탄올) 용액 중에 침지시킬 수 있다. 그 후, 예비침지된 공급원료는 반응 챔버에서 승온에서 공기 및 스팀과 같은 산화성 기체 혼합물에 노출되어 촉매 흡착제 및 배기 가스를 생성한다.Another method for producing a catalyst adsorbent suitable for use in the present invention is shown in FIG. 1. In this embodiment, the catalyst adsorbent may be prepared by presoaking the prepulverized carbonaceous feedstock in an aqueous solution of an alkali metal, alkaline earth metal or transition metal halide salt. Alternatively, the prepulverized carbonaceous feedstock may be immersed in an alcohol (eg ethanol) solution containing an alkali metal, alkaline earth metal or transition metal halide salt. The presoaked feedstock is then exposed to an oxidizing gas mixture such as air and steam at elevated temperature in the reaction chamber to produce a catalyst adsorbent and exhaust gas.
탄소질 공급원료로부터 직접 제조된 촉매 흡착제는 활성탄소를 먼저 제조한 후 활성탄소를 도핑하여 촉매 흡착제를 제조하는 방법에 비해 상당한 비용을 절약할 수 있다. 예비침지 대신에, 촉매 흡착제는 또한 알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 전이 금속 할라이드 염 분말을 예비분쇄된 탄소질 공급원료와 건조 혼합함으로써 제조될 수 있다. 혼합 작용은 철저한 것이 바람직하다, 즉, 가능한 한 분자 혼합에 가까운 것이 바람직하다. 예를 들어, 엔엘아이 알프르. 앤더슨 에이.에스.(NLI Alfr. Andersoen a.s.)의 멀티벡터 유동화 기술 또는 스코트 이큅먼트 코.(Scott Equipment Co.)에 의한 선단 작용을 하는 플로우 혼합기 (Plow Mixer)와 같은 혼합기가 충분한 혼합을 성취하는데 사용될 수 있다. 벤치 상단 수준에서, 매우 작은 스케일로 막자사발 및 막자 (pestle)로 분쇄함으로써 혼합을 성취하였다.Catalyst adsorbents prepared directly from a carbonaceous feedstock can save significant costs over the process for preparing activated carbon first and then doping the activated carbon to produce a catalytic adsorbent. Instead of preimmersion, catalytic adsorbents may also be prepared by dry mixing alkali metal, alkaline earth metal or transition metal halide salt powders with the prepulverized carbonaceous feedstock. It is preferable that the mixing action is thorough, that is, as close to the molecular mixing as possible. For example, NL Ai Alpr. Mixers such as NPP Alfr. Andersoen as multivector fluidization techniques or flow mixers with a tip action by Scott Equipment Co. Can be used. At the bench top level, mixing was achieved by grinding into a mortar and pestle on a very small scale.
이어서 건조 혼합된 공급원료를 1200 내지 2000 ℉와 같은 승온에서 반응 챔버 내에서 공기, 스팀, O2, N2, H2O, CO2, CO 또는 그들의 혼합물과 같은 성분을 함유하는 활성화 기체 혼합물에 노출시켜 촉매 흡착제 및 배출 기체를 생성한다. 활성화 기체 혼합물은 고도로 산화성이거나 또는 고도로 환원성이거나 또는 그 중간일 수 있다. 탄소질 물질의 화학적 조성이 활성화 기체 혼합물의 산화력의 요건을 결정하며, 이것은 다시 활성화 기체 혼합물의 조성을 결정한다. 예를 들어, 높은 등급 (탄소 함량이 높은 것)의 석탄은 활성 표면을 제공하기 위해 산화성 능력이 높은 혼합물을 필요로 할 수 있다. 갈탄 (lignite) 또는 다른 산소 함량이 높은 탄소질 물질의 경우, 활성탄소 생성물을 높은 수율로 제공하기 위해 산화성 능력이 낮은 기체가 필요하다.The dry mixed feedstock is then added to an activating gas mixture containing components such as air, steam, O 2 , N 2 , H 2 O, CO 2 , CO or mixtures thereof at elevated temperatures such as 1200 to 2000 ° F. The exposure produces a catalyst adsorbent and exhaust gas. The activating gas mixture may be highly oxidizing or highly reducing or intermediate. The chemical composition of the carbonaceous material determines the requirements of the oxidizing power of the activating gas mixture, which in turn determines the composition of the activating gas mixture. For example, high grade (high carbon content) coal may require a mixture of high oxidative capacity to provide an active surface. In the case of lignite or other high oxygen content carbonaceous materials, gases with low oxidative capabilities are required to provide activated carbon products in high yields.
건조 도핑은 또한 본 발명의 촉매 흡착제의 제조 공정을 추가로 간략화할 수 있다. 그것은 활성화를 위해서 도핑된 탄소질 공급원료를 제조하는데 필요한 건조 단계를 제거하기 때문에 바람직하다.Dry doping can also further simplify the process of preparing the catalyst adsorbent of the present invention. It is desirable because it eliminates the drying step required to prepare the doped carbonaceous feedstock for activation.
이 실시양태에서 반응 챔버 내의 연소로 인하여 탄소질 물질의 중량 손실이 고려되어야 한다는 것을 제외하고는, 촉매 흡착제 중의 할라이드 염의 최종 농도는 이전 실시양태에서와 같이 측정한다 (즉, 도핑제 대 활성탄소의 비율은 염 용액의 농도를 측정하기 위해서 미리측정된다). 따라서 최종 생성물의 수율을 기준으로 농도를 측정하여 활성화로 인한 중량 손실을 설명할 수 있다.In this embodiment the final concentration of the halide salt in the catalyst adsorbent is measured as in the previous embodiment, except that the weight loss of the carbonaceous material due to combustion in the reaction chamber is measured (ie the ratio of dopant to activated carbon). Is measured in advance to determine the concentration of the salt solution). Therefore, the weight loss due to activation can be accounted for by measuring the concentration based on the yield of the final product.
할라이드 염은 충분한 수은 제거를 위해 필수적이지만, 과량의 할라이드 염은 바람직하지 않을 수 있으며 추가의 제조 비용을 초래한다. 매우 양호한 본 발명의 촉매 흡착제는 약 1:1000 (중량) 비율의 할라이드 염 대 석탄으로 제조할 수 있다.Halide salts are essential for sufficient mercury removal, but excess halide salts may be undesirable and incur additional manufacturing costs. Very good catalyst adsorbents of the present invention can be prepared with a halide salt to coal in a ratio of about 1: 1000 (weight).
도 1에 나타낸 바와 같이, 탄소질 공급원료 (16)를 반응 챔버 (10)에 주입한다. 탄소질 공급원료 (16)은 아직 활성화되지 않았으며 석탄 또는 바이오매스 (biomass) 물질과 같은 다양한 유형의 공급원료로부터 선택될 수 있다. 제한하고자 함은 아니지만, 본 발명에서 사용하기에 적합한 석탄으로는 갈탄, 아역청탄, 역청탄 또는 무연탄이 포함되지만, 이에 제한되지는 않는다. 공급원료는 예를 들어 약 5 내지 200 마이크로미터의 적절한 크기로 예비분쇄할 수 있다.As shown in FIG. 1, a
바람직한 할라이드 염을 함유하는 용액이 있는 반응 챔버 (10) 내로 주입하기 전에, 상기에 논의된 바와 같이 바람직한 할라이드 염을 함유하는 용액과 건조 혼합 또는 예비침지시킴으로써 탄소질 공급원료 (16)을 예비혼합할 수 있다. 예비침지 실시양태에서, 물이 바람직할 수 있지만, 용액은 물 또는 에탄올로부터 형성할 수 있다.Prior to injection into the
활성화 기체 (12) 및 (14) (예를 들어, 공기 (12) 및 스팀 14)를 탄소질 공급원료 (16)와 동시에 또는 거의 동시에 반응 챔버 (10) 내로 주입한다. 바람직하게는, 스팀을 예비가열하여 약 1800 ℉의 온도에서 주입한다. 공급원료 중 몇몇 (예컨대 갈탄)은 산소에 대해 반응성이 더 양호하여 활성탄소 수율을 개선시키며, 활성화 기체는 또한 단지 스팀 및/또는 질소일 수 있다. 2000 ℉와 같은 매우 고온에서, 물은 탄소와 반응할 수 있고 활성탄소의 표면을 위한 산소 공급원이 될 수 있다. 활성화 기체는 또한 O2, N2, H2O, CO2, CO의 혼합물을 포함할 수 있고 혼합물의 조성을 사용하여 공급원료의 요건을 충족시키도록 기체 혼합물 환원 능력을 조정할 수 있다.
반응 챔버 (10)은, 공급원료가 유동화되거나 또는 (예컨대 필터 매질 상에서 현탁된) 층을 이루고 있고 반응물 기체가 공급원료를 통과하는 단일 배치식 반응기 (예를 들어 튜브 노), 또는 기체 온도, 조성 및 공급원료 체류 시간이 최적의 조건을 위해 제어될 수 있는 연속식 반응기 (예를 들어, 유동화층 반응기)로부터 선택할 수 있다. 공급원료는 활성화 기체 또는 스코트 이큅먼트 컴퍼니 (Scott Equipment Company)로부터 입수가능한 플로우 혼합기와 같은 유동화 장치 (연속식 공정에 대해서)로 유동화시킬 수 있다.The
반응 챔버 (10)의 가열은 다양한 공급원으로부터 제공될 수 있으며, 예를 들어 반응 챔버는 전기적으로 가열하거나 또는 불꽃으로 가열할 수 있다. 별법으로 또는 이러한 가열 이외에, 반응 챔버 (10)은 공급원료와 공기 간의 반응열로부터 가열될 수 있다. 당업자는, 반응 챔버의 바람직한 온도는 공급원료에 대한 산소 또는 산화성 기체의 화학량론적 비율, 접촉 시간 및 공급원료의 반응성을 비롯한 다양한 인자에 의존함을 인식할 것이다. 가열은 연소가스 (18) 및 흡착제 (19)를 발생시키기에 충분한 임의의 공급원으로부터 제공될 수 있다. 전형적으로, 로(furnace) 내의 온도는 약 1450 내지 2700 ℉, 보다 바람직하게는 약 1650 내지 2200 ℉일 것이다. 공급원료에 대한 산소의 화학량론적 비율이 1보다 큰 경우, 더 많은 공급원료가 잠재적으로 소모되어 생성물 수율에 영향을 줄 수 있기 때문에 산화성 기체와 공급원료 간의 접촉 시간이 더 중요해 진다. 화학량론적 비율이 1보다 작을 경우, 접촉 시간은 덜 중요할 것이다.Heating of the
탄소질 공급원료 (16), 반응성 활성화 기체 (예컨대 공기 (12) 및 스팀 (14))의 반응 챔버 (10)내의 체류 시간은 연소가스 (18) 및 흡착제 (19)가 챔버 (10) 내에 생성될 정도로 충분히 길다. 탄소의 체류 시간은 기체와는 독립적이며 독립적으로 제어할 수 있다. 공급원료를 액화시키고 (devolatilize) 부분적으로 산화시키기에 충분한 시간이 필요하기 때문에 이것이 중요할 수 있다. 체류 시간은 짧을 수 있지만, 탄소를 적절하게 활성화시키기에 충분히 긴 것이 중요하다. 몇몇 실시양태에서, 체류 시간은 약 수 분일 수 있지만, 또한 밀리초만큼 짧을 수 있다. 체류 시간이 너무 길거나 또는 산소 또는 스팀이 너무 많으면, 흡착제 수율에 부정적인 영향을 줄 것임을 인식할 것이다.The residence time in the
흡착제 (19)를 반응 챔버 (10)로부터 제거하여 승온에서 연소가스 스트림으로부터의 수은 제거 흡착제로 사용할 준비를 한다. 연소가스 (18)은 전형적으로 CO2, CO, N2 및 H2O와 같은 연소성 기체를 포함한다. 기체 스트림 (18) 중의 임의의 미반응되고 부분적으로 연소되거나 (예를 들어, CO) 휘발성인 기체를 추가로 연소시킬 수 있다.The adsorbent 19 is removed from the
본 발명에 따라서 사용하기 위한 촉매 흡착제를 제조하기 위한 다른 대안의 실시양태는 이들의 전문이 참고로 인용된, "Production of Activated Char Using Hot Gas"라는 표제의 불 (Bool) 등의 미국 특허 출원 제11/078,517호 (출원일 2005년 3월 14일) 및 "Production of Activated Char Using Hot Gas"라는 표제의 불 등의 미국 특허 출원 제11/224,590호 (출원일 2005년 9월 12일)에서 발견할 수 있다.Another alternative embodiment for preparing catalytic adsorbents for use in accordance with the present invention is described in U.S. Patent Application, such as Boul et al. Entitled "Production of Activated Char Using Hot Gas", which is incorporated by reference in its entirety. No. 11 / 078,517 (filed March 14, 2005) and US Pat. Appl. No. 11 / 224,590 (filed September 12, 2005), such as the fire entitled "Production of Activated Char Using Hot Gas." have.
이 실시양태에서, 상기에서 논의한 바와 같이 수성 또는 에탄올 용액으로 공급원료를 예비침지시킨다. 이어서 "Production of Activated Char Using Hot Gas"라는 표제의 미국 특허 출원 제11/078,517호 및 제11/224,590호에서 논의된 바와 같이 예비침지된 공급원료를 처리하여 활성화탄을 제조한다.In this embodiment, the feedstock is presoaked with aqueous or ethanol solution as discussed above. Subsequently, activated carbon is prepared by treating the pre-soaked feedstock as discussed in US Patent Application Nos. 11 / 078,517 and 11 / 224,590 entitled "Production of Activated Char Using Hot Gas."
본 발명의 촉매 흡착제는 또한 예비분쇄된 원료 탄소질 물질을 할라이드 염 분말과 건조 혼합함으로써 형성할 수 있다. 이 실시양태에서, 원료 탄소질 물질 및 할라이드 염 분말을 건조 형태로 함께 혼합한다. 이어서 "Production of Activated Char Using Hot Gas"라는 표제의 미국 특허 출원 제11/078,517호 및 제11/224,590호에서 나타낸 바와 같이 생성물을 주입할 수 있다. 반응 구역 내의 온도는 할라이드 염이 용융하여 탄소질 물질의 표면을 습윤시키도록 할라이드 염의 융점 이상일 것이다. 최종적으로, 염은 탄소질 물질 중에 분산될 수 있다.The catalyst adsorbent of the present invention may also be formed by dry mixing the prepulverized raw carbonaceous material with a halide salt powder. In this embodiment, the raw carbonaceous material and the halide salt powder are mixed together in dry form. The product can then be injected as shown in US Patent Application Nos. 11 / 078,517 and 11 / 224,590 entitled "Production of Activated Char Using Hot Gas." The temperature in the reaction zone will be above the melting point of the halide salt such that the halide salt melts and wets the surface of the carbonaceous material. Finally, the salt can be dispersed in the carbonaceous material.
이제 도 2를 살펴보면, 본 발명의 촉매 흡착제를 사용하기 위한 예시적 시스템을 나타내었다. 연소가스 (22)는 로(furnace) 또는 보일러 (20)에서의 연소의 결과로 형성된다. 연소가스 (22)는 조성 및 온도가 다양할 수 있지만, 모델 조성물은 6%의 O2, 12%의 CO2, 8%의 H2O, 1600 ppm의 SO2, 400 ppm의 NO, 50 ppm의 HCl, 20 ppm의 NO2, 및 12 ㎍/㎥의 Hg 원소를 포함할 수 있으며, 공기 중으로 방출되기 전에 다양한 열 교환기를 통과한 후에 온도 범위가 약 200 내지 570 ℉일 수 있다. 상기에 기재된 임의의 방법으로부터 형성할 수 있는 촉매 흡착제 (30a)를 미립자 수집 장치 (PCD) (24)의 상류에 주입할 수 있다. 미립자 수집 장치 (24)는 전형적으로 백 하우스 또는 전기 집진기 (electrostatic precipitator) (ESP)이다. 촉매 흡착제가 연소가스 (22)를 포획하여 그것으로부터 수은을 제거하기 위해 체류시간이 충분하도록 흡착제 (30a)를 PCD (24)의 상류에서 연소가스 스트림 (22) 내에 주입한다.Referring now to FIG. 2, an exemplary system for using the catalytic adsorbent of the present invention is shown.
수은 함유 미립자 및 흡착제를 스트림 (28)에 의해서 PCD (24)로부터 제거한다. 따라서 연소가스 (26)은 연소가스 (22)보다 수은 함량이 낮고 스택으로 보낼 수 있다.Mercury-containing particulates and adsorbents are removed from
몇몇 실시양태에서, 촉매 흡착제를 PCD의 하류에서 연소 가스 내로 주입하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 공정은 현재 다른 분야에서 연구되고 있다.In some embodiments, it may be desirable to inject a catalytic adsorbent into the combustion gas downstream of the PCD. This process is currently being studied in other fields.
상기에서 논의한 바와 같이, PAC의 표면 상에 분산된 염이 제공된 본 발명의 촉매 흡착제는 승온에서 연소가스 스트림으로부터의 수은 제거를 위해 널리 사용될 것으로 생각된다.As discussed above, it is contemplated that the catalytic adsorbents of the present invention provided with salts dispersed on the surface of the PAC will be widely used for mercury removal from the flue gas stream at elevated temperatures.
하기에 나타낸 바와 같이, 약 27O ℉에서의 PAC의 물리적 흡착은 촉진제로서의 HCl의 부재하에서는 수은 원소를 보유하기에 충분하지 않다. 반대로, 도핑된 PAC는 HCl의 부재하에서 잘 기능한다. 그러나, HCl, O2 및/또는 SO2의 존재는 도핑 된 PAC를 위한 촉진제로서 작용한다.As shown below, the physical adsorption of PAC at about 27O <0> F is not sufficient to retain the element of mercury in the absence of HCl as promoter. In contrast, doped PACs function well in the absence of HCl. However, the presence of HCl, O 2 and / or SO 2 acts as an accelerator for the doped PAC.
몇몇 실시예에서, 3가지 유형의 시판되는 PAC를 처리하여 도핑된 PAC를 제조하였다. 다른 실시예에서, 할라이드 염 처리된 석탄을 활성화시킴으로써 도핑된 PAC를 제조하였다.In some examples, three types of commercial PACs were treated to produce doped PACs. In another example, doped PACs were prepared by activating halide salt treated coal.
사용된 첫번째 시판 PAC는 노리트 아메리카, 인크. (Norit America, Inc.)로부터 입수가능한 FGD 탄소였다. 그것은 텍사스 갈탄으로부터 제조된 것이며 약 30 중량%의 재 (ash)를 함유하였다. 분말 형태로, 그것은 연소가스로부터 수은을 제거하기 위한 활성탄소에 대한 기준으로서 널리 시험되고 받아들여진다. 두번째 PAC는 카본 리소스 인크. (Carbon Resource Inc.)로부터 입수가능한 재가 없는 활성탄소였다. 그것은 전형적으로 정제 석유 피치로부터 제조된 것이며 미량의 재를 함유하였다. 그것은 일반적으로 비드 형태로 판매된다. 하기 실시예에서 수은 제거를 위해서, 그것을 분쇄하고 체로 걸러서 약 400 메쉬 부분을 사용하였다. 사용되는 세번째 PAC는 활성탄소 섬유 ACF-1300/200이었고, 또한 카본 리소스 인크.로부터 입수가능하다. 그것은 레이온으로부터 제조된 것이며 전형적으로 옷감 형태로 제공되었다. 사용하기 전에 이 물질을 분쇄하고 400 메쉬 체로 걸렀다.The first commercial PACs used were Norit America, Inc. FGD carbon available from Norit America, Inc. It is made from Texas lignite and contains about 30% ash by weight. In powder form, it is widely tested and accepted as a reference for activated carbon to remove mercury from combustion gases. The second PAC is Carbon Resource Inc. Ash-free activated carbon available from Carbon Resource Inc. It is typically prepared from refined petroleum pitch and contains trace amounts of ash. It is usually sold in bead form. In the following examples, about 400 mesh portions were used by grinding and sieving for mercury removal. The third PAC used was activated carbon fiber ACF-1300 / 200, which is also available from Carbon Resource Inc. It is made from rayon and is typically provided in the form of a cloth. This material was ground and sieved through a 400 mesh sieve before use.
석탄으로부터 할라이드 염 도핑된 PAC를 제조하기 위해서, 석탄을 수성 또는 에탄올 할라이드 염 용액 중에 침지시키거나 또는 석탄 및 염을 막자사발 내에서 막자로 함께 분쇄하였다. 도핑된 석탄을 약 1800 ℉ 내지 약 2070 ℉의 온도 범위에서 산소, 질소 및 스팀의 스트림 내에서 활성화시켰다.To prepare halide salt doped PACs from coal, coal was immersed in an aqueous or ethanol halide salt solution or coal and salt were ground together in a mortar with pestle. Doped coal was activated in a stream of oxygen, nitrogen, and steam in the temperature range of about 1800 ° F to about 2070 ° F.
상이한 석탄은 활성화 기체에 대해 상이하고 상당히 다른 정도로 대응하였 다. 예를 들어, 미국 노쓰 다코타주에 소재한 뷰라 (Beulah)로부터의 갈탄은 산화시키기 쉽고 미국 와이오밍(Wyoming)으로부터의 파우더 리버 베이신(PRB)으로부터의 아역청탄보다 낮은 수율로 활성탄소를 제공할 수 있다. 이것은 상이한 공급원료에 대해 상이한 활성화 조건이 필요할 수 있음을 나타낸다.Different coals corresponded to activating gases with different and significantly different degrees. For example, lignite from Beulah, North Dakota, USA is easy to oxidize and can provide activated carbon in lower yield than sub-bituminous coal from Powder River Basin (PRB) from Wyoming, USA. . This indicates that different activation conditions may be needed for different feedstocks.
상이한 할라이드 염뿐만 아니라 다양한 범위의 도핑제 수준을 고려하였다. 도핑은 1:1000 (도핑제 대 석탄) 만큼의 낮은 비율에서 잘 수행될 것이라 예상하지 않았으나, 그 결과는 7 내지 15%의 할라이드로 도핑된 활성탄소 (비활성화 석탄이 아님)에 비해 좋았다.Different ranges of dopant levels were taken into account as well as different halide salts. Doping was not expected to perform well at as low a ratio as 1: 1000 (doping agent to coal), but the results were good compared to activated carbon (not inactivated coal) doped with 7-15% halides.
2가지의 시험, 즉, 고정층 시험 및 체류 챔버 시험을 사용하여 흡착제를 평가하였다. 고정층 시험에서, 150 mg의 흡착제로 구성된 고정층을 직경이 약 63.5 mm인 석영 필터 상에 지지시켰다. 시험 설정의 상세사항은 예를 들어 미국 펜실베니아주 피츠버그에서 2003년 8월 12일에서 13일에 열린 "DOE Mercury Control Technology R&D Program Review Meeting"에서 공개된 바와 같이, EERC에 의해서 공개된 문헌에 기재되어 있다. 수은을 함유하는 기체 스트림 뿐만 아니라 연소가스의 성분을 얇은 층에 통과시켰다. 수은의 배출 (break through)을 모니터링하였고 다 쓴 흡착층을 수집하여 분석하였다.Adsorbents were evaluated using two tests, a fixed bed test and a retention chamber test. In the fixed bed test, a fixed bed consisting of 150 mg of adsorbent was supported on a quartz filter about 63.5 mm in diameter. Details of the test setup are described in the literature published by the EERC, for example, as disclosed in the "DOE Mercury Control Technology R & D Program Review Meeting" held August 12-13, 2003 in Pittsburgh, Pennsylvania, USA. have. The gas stream containing mercury as well as the components of the flue gas were passed through a thin layer. Mercury break through was monitored and the spent adsorption bed was collected and analyzed.
체류 시간 챔버 시험에서, 미국 위스콘신주 플레즌트 프레리 및 콜라라도주 푸에블로에 소재한 발전소로부터의 슬립 스트림을 상이한 길이의 챔버에 통과시켰다. 챔버의 한 말단에서 흡착제를 주입하여 연소가스 스트림과 부유시켰다. 챔버의 다른 말단에서, 흡착제를 연소가스 스트림으로부터 분리하고 깨끗한 연소가스를 Hg 함량에 대해 분석하여 흡착제의 효율을 측정하였다. 챔버 길이를 사용하여 연소가스와 흡착제 간의 접촉 시간을 결정하였다. "공중 흡착"에서, 높은 수은 제거 효율을 위해서 강한 흡착 친화도 및 빠른 흡착 동역학이 필요하다. 체류 시간 챔버 장치 (일렉트릭 파워 리서치 인스티튜트 (Electric Power Research Institute (EPRI)에서 설계함)의 상세사항은 공개된 문헌에서 발견할 수 있다 ("Combined Power Plant Air Pollutant Control Mega Symposium" (미국 워싱톤 디씨에서 2004년 8월 30일부터 9월 2일까지 개최됨)에서의 문헌 [Assessment of Low Cost Novel sorbents for Coal Fired Power Plant Mercury Control] 참고).In the residence time chamber test, slip streams from power plants in Pleasant Prairie, Wisconsin, and Pueblo, Colorado, were passed through chambers of different lengths. Adsorbent was injected at one end of the chamber to float with the flue gas stream. At the other end of the chamber, the adsorbent was separated from the flue gas stream and the clean flue gas was analyzed for Hg content to determine the efficiency of the adsorbent. The chamber length was used to determine the contact time between the flue gas and the adsorbent. In "air adsorption", strong adsorption affinity and fast adsorption kinetics are required for high mercury removal efficiency. Details of the residence time chamber device (designed by the Electric Power Research Institute (EPRI)) can be found in the published literature ("Combined Power Plant Air Pollutant Control Mega Symposium" (2004, Washington, DC, USA). (Assessment of Low Cost Novel sorbents for Coal Fired Power Plant Mercury Control).
실시예Example 1 One
본 실시예는 실온에서, 도핑되지 않은 PAC가 수은 원소에 대한 양호한 흡착제이며 촉진제는 추가 이점을 제공하지 않는 것임을 입증하였다. 그러나 270 ℉에서 물리적 흡착이 운동 에너지에 의해 압도되어 촉진제의 부재하에서, 도핑되지 않은 PAC 의한 흡착은 적절하지 않았다.This example demonstrated that at room temperature, undoped PAC is a good adsorbent for elemental mercury and accelerators do not provide additional benefits. However, at 270 ° F. physical adsorption was overwhelmed by kinetic energy, so in the absence of promoter, adsorption by undoped PAC was not appropriate.
질소 및 약 13 ㎍/㎥의 수은 원소를 함유하는 스트림 내에서 4개의 샘플에 대해 고정층 시험을 수행하였다. 시험 조건 및 결과를 표 1 및 도 3 내지 6에 요약하였다. 도핑되지 않은 FGD 탄소 샘플을 실온에서 시험하였고 수은 배출의 신호 없이 15시간 초과 동안 100% 수은 제거를 달성하였다. 270 ℉에서 시험된 샘플에 대해서, 3가지 유형의 활성탄소 모두는 즉시 거의 100% 배출 (0% 제거)에 도달하였다.A fixed bed test was performed on four samples in a stream containing nitrogen and about 13 μg / m 3 element of mercury. Test conditions and results are summarized in Table 1 and FIGS. 3 to 6. Undoped FGD carbon samples were tested at room temperature and 100% mercury removal was achieved for more than 15 hours without signal of mercury emissions. For samples tested at 270 ° F., all three types of activated carbon immediately reached nearly 100% emissions (0% removal).
샘플 번호 17343-13 및 17297-99에서 6 N HCl 추출을 사용하여 임의의 미량의 재를 제거하였다. N2에서 1800 ℉에서의 가열은 시판되는 PAC 상의 산화 종을 제거하여 선택된 시간에 산소 종을 도입할 수 있게 하기 위함이었다. 처리 중 어느 것도 PAC의 수은 흡착 특성을 변화시키지 않았다. 이 샘플들을 산소뿐만 아니라 질소 및 수은을 함유하는 시험 기체에 27O ℉에서 노출시켰다. 데이터를 하기 실시예에 기록하였다. 시험 기체 중의 산소는 단독으로는 PAC가 수은을 흡착시키기에 충분하지 않았다.6 traces of ash were removed using 6 N HCl extraction in Sample Nos. 17343-13 and 17297-99. The heating at 1800 ° F. at N 2 was to remove the oxidized species on the commercially available PAC so that the oxygen species could be introduced at the selected time. None of the treatments changed the mercury adsorption properties of the PACs. These samples were exposed at 27 ° F. to a test gas containing nitrogen as well as nitrogen and mercury. Data is recorded in the examples below. Oxygen in the test gas alone was not sufficient for PAC to adsorb mercury.
실시예Example 2 2
본 실시예는 도핑제로서의 할라이드 염이, 연소가스 스트림으로부터의 수은 흡착을 촉진시키기 위해서 연소가스, 수은 및 탄소 상호작용을 어떻게 변경하는지를 입증하였다. 이 실시예에서, PAC 샘플의 얇은 고정층을 상이한 기체 혼합물에 순차적으로 노출시켰다. 모든 실험은 질소 및 수은 (약 13 ㎍/㎤)에서 시작하였다. 연속적으로 또는 순차적인 조합으로 다른 성분의 연소물을 6%의 O2, 12%의 CO2, 8%의 H2O, 1600 ppm의 SO2, 400 ppm의 NO, 20 ppm의 NO2, 50 ppm의 HCl, 12 내지 14 ㎍/㎥의 Hg 및 나머지 양의 N2로 대표되는 합성 연소가스의 모델 조성물을 향해 스트림에 첨가하였다.This example demonstrated how the halide salt as the dopant alters the combustion gas, mercury and carbon interactions to promote mercury adsorption from the combustion gas stream. In this example, a thin fixed layer of PAC sample was sequentially exposed to different gas mixtures. All experiments started with nitrogen and mercury (about 13 μg / cm 3). Continuous or sequential combinations of the combustion products of the other components were 6% O 2 , 12% CO 2 , 8% H 2 O, 1600 ppm SO 2 , 400 ppm NO, 20 ppm NO 2 , 50 ppm HCl, Hg of 12-14 μg / m 3 and the remaining amount of N 2 were added to the stream towards the model composition of the synthesis flue gas.
2가지 유형의 PAC (재가 없는 것 및 FGD) 및 3종의 도핑제 (KBr, NaBr 및 NaCl)를 하기 실험에서 사용하였다. 실험의 상세사항 및 결과를 표 2에 요약하였다. 배출 곡선을 도 7 내지 12에 나타내었다. 그 결과는 기체의 조성이 수은 흡착에서 중요한 역할을 함을 입증하였다.Two types of PAC (without ash and FGD) and three dopants (KBr, NaBr and NaCl) were used in the following experiments. The details and results of the experiments are summarized in Table 2. Emission curves are shown in Figures 7-12. The results demonstrate that the composition of the gas plays an important role in mercury adsorption.
실시예Example 3 3
본 실시예는 KBr로 도핑된 실리카 겔과 같은 물리적 흡착제는 연소가스로부터 수은을 제거하지 못함을 입증하였다.This example demonstrated that physical adsorbents, such as silica gel doped with KBr, did not remove mercury from combustion gases.
실시예 1 및 2에서와 같이 동일한 얇은 고정층 방법을 이 실시예에서 사용하였다. 샘플 제조, 시험 조건 및 결과의 상세사항을 표 3 및 도 13에 나타내었다. The same thin fixed bed method was used in this example as in Examples 1 and 2. Details of sample preparation, test conditions and results are shown in Table 3 and FIG. 13.
실시예Example 4 4
본 실시예에서는 도핑제로서 다양한 할라이드 염의 효율성을 분석하였다. 도핑된 재가 없는 탄소를 실시예 1 내지 3에서와 같이 합성 연소물 내에서 얇은 고정층 방법으로 시험하였다. 결과는 도핑되지 않은 FGD와 비슷하였다.In this example, the effectiveness of various halide salts as dopants was analyzed. Doped ash-free carbon was tested in a thin fixed bed process in the synthetic combusted as in Examples 1-3. The results were similar to undoped FGD.
얇은 고정층 시험은 발전소 내의 백 하우스의 기능을 모의실험한 것이었다. 연소가스로부터의 수은 제거 백분율에 의해서 흡착제의 효율을 분석하였다.The thin fixed bed test simulated the function of the back house in the power plant. The efficiency of the adsorbent was analyzed by percent mercury removal from the flue gas.
얇은 고정층 및 공중 흡착 모두는 흡착 동역학에 상당히 의존하지만 둘 중에서 얇은 고정층이 흡착 수용량을 더 중요시한다. 제2 분획의 스트림 내의 모든 분자는 mm 두께의 조밀하게 패킹된 흡착제 분말을 통과할 기회가 존재한다. 그러나, 흡착제는 스트림으로부터 제거될 때까지 수은에 대해 유효한 상태이다.Both thin fixed bed and air adsorption are highly dependent on adsorption kinetics, but the thinner fixed bed is the more important of the adsorption capacity. All molecules in the stream of the second fraction have the opportunity to pass through the densely packed adsorbent powder of mm thickness. However, the adsorbent remains in effect for mercury until removed from the stream.
도핑된 샘플 모두는 도핑되지 않은 FGD 탄소보다 수은 제거가 더 양호하다. 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 배출 곡선을 도 14 내지 20에 나타내었다. All doped samples have better mercury removal than undoped FGD carbon. The results are shown in Table 4 below. Emission curves are shown in FIGS. 14-20.
실시예Example 5 5
본 실시예는, 체류 시간 챔버 시험을 사용하여 "공중 흡착"에서 브로마이드 염 도핑된 PAC의 효율성을 입증하였고 PAC의 품질은 브로마이드 염 도핑된 석탄의 직접 활성화로 제조하였다.This example demonstrated the efficiency of bromide salt doped PAC in "air adsorption" using a residence time chamber test and the quality of the PAC was prepared by direct activation of bromide salt doped coal.
체류 시간 챔버 시험: 이 실시예에서 사용한 체류 시간 챔버는 상기에서 논의한 바와 같은 8 인치 직경의 튜브 설정이었다. 이것은 일렉트릭 파워 리서치 인스티튜트 (Electric Power Research Institute (EPRI))에서 개발하였다. 30 acfm의 연소물의 슬립 스트림을 상기 튜브를 통하여 흐르는 석탄 연소성 보일러 덕트로부터 취출하였다. 흡착제를 튜브의 한 말단에서 주입하였다. 이 튜브의 중간 영역 및 출구 말단 각각에서, 출구 샘플링 튜브가 존재하여 2가지의 상이한 체류 시간에서 측정하는 것이 가능하였다. 입구뿐만 아니라 샘플링 출구에서 수은 농도를 측정하여 흡착제의 수은 제거 효율을 측정하였다.Dwell Time Chamber Test: The dwell time chamber used in this example was an 8 inch diameter tube setup as discussed above. It was developed by the Electric Power Research Institute (EPRI). A slip stream of 30 acfm of combusted product was withdrawn from the coal combustible boiler duct flowing through the tube. Adsorbent was injected at one end of the tube. In each of the middle region and the outlet end of this tube, there was an outlet sampling tube which made it possible to measure at two different residence times. The mercury removal efficiency of the adsorbent was measured by measuring the mercury concentration at the inlet as well as at the sampling outlet.
수은 원자는 흡착되기 위해서 흡착제 입자와 충돌해야 한다. 체류 챔버 시험에 대해서, 흡착제 입자는 부유 동안 챔버 내에서만 수은 분자와 충돌할 기회를 가질 수 있다. 체류 시간이 짧아서 (약 2 내지 4초), 흡착제에 대한 흡착 접근성이 극히 제한적이다. 챔버의 출구에서, 흡착제의 수용량은 고갈되지 않았다. 수은이 높은 백분율로 제거되었다는 사실은 촉매 흡착제의 빠른 동역학 및 강한 흡착 친화도의 증거이며, 다시 말해서 반응 경로에서의 충돌이 매우 효과적이라는 것을 나타낸다.Mercury atoms must collide with adsorbent particles in order to be adsorbed. For the retention chamber test, the adsorbent particles may have the opportunity to collide with mercury molecules only in the chamber during suspension. Due to the short residence time (about 2 to 4 seconds), adsorption access to the adsorbent is extremely limited. At the outlet of the chamber, the capacity of the adsorbent was not exhausted. The fact that mercury was removed at a high percentage is evidence of the fast kinetics and strong adsorption affinity of the catalyst adsorbent, that is to say that collisions in the reaction pathway are very effective.
체류 시간 챔버는 전기 집진기 (ESP) 만을 갖는 발전소의 상황을 모의실험한 것이므로, 수은 제거는 공중 흡착에 의존한다. 전형적인 공중 시간은 약 2초이다. 예에서, 샘플링 출구는 약 2 내지 4초의 체류 시간을 허용한다.Since the residence time chamber simulates the situation of a power plant with only an electrostatic precipitator (ESP), mercury removal depends on air adsorption. Typical airtime is about 2 seconds. In an example, the sampling outlet allows for a residence time of about 2-4 seconds.
3가지 군의 흡착제를 시험하였다. 수성 브로마이드 염 용액으로 FGD PAC를 도핑함으로써 제1 군의 샘플을 제조하였다. 할라이드 염 도핑된 석탄을 튜브 노 내에서 1650 ℉ 내지 2000 ℉에서 산소, 질소 및 물을 함유하는 스트림내에서 활성화시킴으로써 제2 군의 샘플을 제조하였다. "Production of Activated Char Using Hot Gas"라는 표제의 불 등의 미국 특허 출원 제11/078,517호 (출원일 2005년 3월 14일)에서와 같이, 1800 ℉에서의 추가의 스팀 활성화와 함께 또는 이러한 추가의 스팀 활성화 없이, 할라이드 염 도핑된 석탄을 버너에 의해서 활성화시켜 제3 군의 샘플을 제조하였다. Three groups of adsorbents were tested. Samples of the first group were prepared by doping FGD PAC with an aqueous bromide salt solution. A second group of samples was prepared by activating halide salt doped coal in a stream containing oxygen, nitrogen and water at 1650 ° F to 2000 ° F in a tube furnace. With or without additional steam activation at 1800 ° F., as in US patent application Ser. No. 11 / 078,517 (filed March 14, 2005), such as the fire entitled "Production of Activated Char Using Hot Gas." Without steam activation, halide salt doped coal was activated by a burner to prepare a third group of samples.
도핑되지 않은 FGD 탄소 샘플을 또한 시험하여 대조군으로서 제공하였다. 시험 결과를 하기 표 5에 나타내었다. 출구 수은 농도를 입구 수은 농도로 나누어서 Hg 제거의 백분율을 계산하였다. 실린더 벽에 의해서 얼마나 많은 양의 수은이 제거되는지는 측정할 방법이 없기 때문에, 기록된 수치는 공중 제거와 벽의 제거 효과의 합이다.Undoped FGD carbon samples were also tested to serve as controls. The test results are shown in Table 5 below. The percentage of Hg removal was calculated by dividing the outlet mercury concentration by the inlet mercury concentration. Since there is no way to measure how much mercury is removed by the cylinder wall, the recorded value is the sum of the air removal and wall removal effects.
3가지 군 모두로부터의 흡착제는 시판되는 FGD 탄소보다 성능이 양호하였다.Adsorbents from all three groups performed better than commercial FGD carbon.
실시예Example 6 6
PAC 중의 도핑제의 화학적 형태. 브로마이드 염 도핑된 석탄의 활성화는 1800 내지 2000 ℉ 근처의 온도에서 수행하였다. 이것은 브로마이드 염이 그의 이온 형태로 유지되는 지에 관한 의문을 증폭시켰다. 활성화 전 및 후의, 브로마이드 염 도핑된 석탄의 화학적 분석을 표 6에 나타내었다. 브로마이드 염은 그의 불활성 이온 형태로 유지되었다. 탄소의 브롬화가 미지의 바람직하지 않은 유기 브로마이드 화합물을 생성할 수 있기 때문에 이것은 특히 유리할 수 있다. 따라서 이러한 화합물의 형성을 피하는 것이 바람직하다.Chemical Form of Dopant in PAC. Activation of the bromide salt doped coal was performed at a temperature near 1800 to 2000 ° F. This amplified the question as to whether the bromide salt remained in its ionic form. The chemical analysis of bromide salt doped coal before and after activation is shown in Table 6. The bromide salt remained in its inactive ionic form. This can be particularly advantageous because bromination of carbon can produce unknown and undesirable organic bromide compounds. It is therefore desirable to avoid the formation of such compounds.
표 6의 데이터는 또한 NaBr 용액 중의 침지 후에 석탄 내의 염과 NaBr 간의 이온 교환 반응이 존재함을 나타내었다. Br 이온은 석탄 (석탄은 착물 혼합물임) 내의 양이온과 회합하고 Na는 석탄 내의 음이온과 회합한다. 석탄은, 신규 나트륨 염보다 신규 브로마이드 염을 보유하는 것이 더 양호하였다. 물을 증발시키는 동안, 나트륨 염은 수성 상 내에 남아있었다. 증발이 완결되면, 나트륨 염의 일부가 결국 용기에 부착되었다. 도핑된 석탄에서, 나트륨 이온 농도는 브로마이드보다 낮았다. 이것 때문에 습윤 도핑 실시양태에서 도핑제 수준의 균일성을 완전하게 유지시켜야 하는 주의가 필요하였다.The data in Table 6 also showed that there was an ion exchange reaction between the salt in the coal and NaBr after immersion in NaBr solution. Br ions associate with cations in coal (coal is a complex mixture) and Na associates with anions in coal. Coal was better to carry the new bromide salt than the new sodium salt. During evaporation of the water, the sodium salt remained in the aqueous phase. Once the evaporation was complete, some of the sodium salt eventually attached to the vessel. In the doped coal, the sodium ion concentration was lower than bromide. This necessitated the need to maintain complete uniformity of dopant levels in the wet doping embodiments.
혼합에 의한 건조 도핑에서는 이러한 염 분리가 존재하는 것이 가능하지 않기 때문에 표 6의 데이터에서와 같이 석탄 내의 나트륨 이온 농도가 항상 브로마이드보다 높다는 것을 나타내었다.In dry doping by mixing, it was not possible for such salt separation to be present, indicating that the sodium ion concentration in coal is always higher than bromide, as in the data in Table 6.
실시예Example 7 7
습윤 도핑을 위해서, 활성화 전에 습윤 석탄을 건조시키는 것이 필요하다. 따라서 이러한 건조 단계와 관련된 추가의 비용이 필요하다. 다른 한편, 분쇄를 사용하는 건조 혼합은 분자 수준의 혼합을 성취하는 것이 어려울 것이라고 예측되었다. 표면적이 큰 촉매 흡착제를 제조하기 위해서, 도핑제의 분자 수준 분산이 중요할 것이라고 예측할 것이다. 본 발명자들은 이러한 딜레마를 해결하는 것을 착수하였고, 예기치 않게 하기 표 7의 체류 챔버 데이터가 나타내는 바와 같이 도핑제 수준이 0.1 중량%로 매우 낮을 때 조차 건조 혼합이 습윤 도핑과 동일하거나 또는 보다 양호한 흡착제를 산출함을 발견하였다. 이것은 활성화 단계가 분자 수준의 충분한 혼합을 성취하도록 하는 메커니즘을 제공한다는 것을 제안한다.For wet doping, it is necessary to dry the wet coal prior to activation. Therefore, additional costs associated with this drying step are needed. On the other hand, dry mixing using grinding was predicted to be difficult to achieve molecular level mixing. It will be expected that molecular level dispersion of the dopant will be important to prepare catalyst adsorbents having a large surface area. We set out to solve this dilemma, and unexpectedly, even when the dopant level is very low at 0.1% by weight, as shown in the retention chamber data in Table 7, the adsorbent with the same or better wet doping was found. Found to yield. This suggests that the activation step provides a mechanism to achieve sufficient mixing at the molecular level.
도핑 수준. 측정할 필요가 있는 또다른 파라미터는 도핑제 수준이다. 가능한 낮은 도핑제 수준을 사용하는 것이 바람직하다. 1.5:100 및 0.1:100의 NaBr 대 PRB 석탄 비율로 제조한 샘플의 시험 결과를 하기 표 7에 나타내었다. 성능은 0.1% 수준에서 조차 나빠지지 않았다.Doping level. Another parameter that needs to be measured is the dopant level. It is desirable to use as low dopant levels as possible. The test results of the samples prepared with NaBr to PRB coal ratios of 1.5: 100 and 0.1: 100 are shown in Table 7 below. Performance didn't deteriorate even at the 0.1% level.
실시예Example 8 8
석탄 반응성 및 활성화 조건. Coal reactivity and activation conditions.
활성탄소는 표면에 활성 관능기가 있는 표면적이 큰 물질이었다. 석탄과 활성 기체 간의 반응이 이 공정을 용이하게 하였다. 갈탄은 반응성이라고 공지되어 있다. 본 발명자들은 미국 노쓰 다코타주에 소재한 부에라로부터의 노쓰 다코타 (ND) 갈탄에 대해 일련의 활성화 실험을 수행하였다. 표 8의 결과는 수은 제거를 위해 동등한 능력을 갖는 활성탄소를 제조하기 위해서, 산화 활성과 활성화 온도가 낮고 활성화 시간이 짧은 활성화 기체 혼합물이 활성화 공정의 수율을 상당히 증가시킬 수 있음을 나타내었다.Activated carbon was a large surface area material with active functional groups on its surface. The reaction between coal and active gas facilitated this process. Lignite is known to be reactive. We conducted a series of activation experiments on North Dakota (ND) lignite from Buera, North Dakota, USA. The results in Table 8 show that in order to produce activated carbon with equivalent capacity for mercury removal, activating gas mixtures with low oxidation activity and low activation temperature and short activation time can significantly increase the yield of the activation process.
첫번째 2개의 샘플의 결과는 1800 ℉에서 물이 산소를 공급하여 탄소를 휘발시킬 수 있고, 활성화 시간을 5분 증가시키는 것이 활성탄소 수율을 크게 다르게 함을 나타내었다. 두번째 샘플 및 세번째 샘플의 결과의 비교는 공기가 물보다 탄소를 휘발시키는데 더 효과적임을 나타내었다. 네번째 샘플의 결과는 활성화 시간을 감소시킴으로써 공기의 파괴 능력이 완화될 수 있음을 나타내었다. 다섯번째 샘플의 결과는 낮은 활성화 온도의 완화 효과를 나타내었다.The results of the first two samples indicated that at 1800 ° F. water can oxygenate and volatilize the carbon, and increasing the activation time by 5 minutes significantly varies the activated carbon yield. A comparison of the results of the second and third samples showed that air was more effective at volatilizing carbon than water. The results of the fourth sample showed that the breaking ability of air can be mitigated by reducing the activation time. The results of the fifth sample showed a relaxing effect of low activation temperature.
이 결과들은 활성화 기체의 산화력의 중요성을 보여주었다. 순수한 산소로부터 CO2 내지 CO까지, 그들은 단지 공기 및 물을 선택하여 보다 넓은 산화력 범위를 갖는다. 이 결과들은 또한 기체 조성, 온도 및 시간을 더 양호하게 제어할 수 있는 활성화 공정의 이점을 보여주었다.These results showed the importance of the oxidizing power of the activating gas. From pure oxygen to CO 2 to CO, they only have a wider range of oxidative power by choosing air and water. These results also showed the advantage of an activation process that allows better control of gas composition, temperature and time.
당업자는, 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위해서 다른 구조를 개질하거나 또는 설계하기 위한 기준으로서 상기에 개시한 특정 실시양태를 쉽게 활용할 수 있음을 인식해야 한다. 또한 당업자는, 이러한 등가의 구조물은 청구의 범위에서 기재한 바와 같은 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않음을 이해해야 한다.Those skilled in the art should appreciate that they may readily utilize the specific embodiments disclosed above as criteria for modifying or designing other structures for carrying out the same purposes of the present invention. Those skilled in the art should also understand that such equivalent structures do not depart from the spirit and scope of the invention as described in the claims.
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