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CN101175693B - 使用热气制备活性炭 - Google Patents

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CN101175693B CN2006800166208A CN200680016620A CN101175693B CN 101175693 B CN101175693 B CN 101175693B CN 2006800166208 A CN2006800166208 A CN 2006800166208A CN 200680016620 A CN200680016620 A CN 200680016620A CN 101175693 B CN101175693 B CN 101175693B
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Abstract

一种使用含氧燃料、富含样的空气燃料或空气燃料燃烧器预热到较高温度的气体混合物用于对含碳进料进行脱挥发份作用和部分氧化，由此产生可以用于使用活性炭的装置中的活性残余炭。热气和颗粒状含碳进料的使用可使装置最小化，由此使活性炭可以在使用位置或附近进行制备，例如在用于降低来自废气流的汞排放物的电站锅炉处或其附近制备活性炭。

Description

使用热气制备活性炭
技术领域
本发明通常涉及用于制备活性炭使该制备可以发生在最终使用位置的方法和系统。
发明背景
活性炭是在用于从气流或液流中去除污染物的工业工艺中广泛使用的吸附剂。例如，研究了通过将粉末活性炭(PAC)注入到微粒控制装置废气上游以从废气中去除污染物的方法来满足目前需要解决的化石燃料燃烧发电装置的汞排放限制的尝试。
从来自燃烧工艺的废气流中去除汞是人们非常关心的。汞对人体的毒性是长期已知的。在1950′s在Minamata，Japan发生过汞暴露的破坏性影响的实例，其中乙醛制备的有机汞副产物被排放到当地海湾，被鱼吸收并代谢。通过食用该海湾的鱼，报道了当地居民广泛的神经系统损害和出生缺陷。
用于各种燃烧工艺的煤通常包含约0.1ppm的汞。仅在美国，每年有50吨的汞作为烟道气中的蒸汽被排放。经过化学和生物处理，这种汞可以被千倍浓缩到鱼中，由此以有害的水平进入人类的食物供应中。在2000年12月，Environmental Protection Agency(EPA)做出了需要控制从煤燃烧发电装置中排放的汞的规章决定。
然而，使用吸附剂的障碍是制备PAC并将其运输到最终使用位置的高昂费用。PAC通常是由最初具有吸附性质的含碳原料(例如煤、木材、生物质材料、坚果壳(例如胡桃壳、棕榈壳)或坚果外壳(例如椰子))制备的。通过耗费能源和资金的工艺使该含碳原料转化为表现出更高吸附性质的PAC材料，该工艺包括将该进料在回转窑中热解，用活化介质(例如蒸汽)使该碳活化，将形成的活性炭研磨或粉碎。然后必须将该活性炭原料输送到其最终使用位置，例如煤燃烧电厂。
对在最终使用位置附近制备PAC进行了一些尝试。例如，在专利文献中讨论了使用燃烧工艺制备用于汞控制的活性炭。Chang等的美国专利号6,451,094讨论了原位将进料注入热废气中并使该进料活化。
Teller等的美国专利号6,595,147涉及添加含碳的炭到废气中，同时其仍在温度足够高用于使该材料脱挥发份作用原位形成活性炭的资源回收单元中。
还尝试了使用飞灰中发现的碳来从煤燃烧工艺中的废气中捕获汞。Knowles在美国专利号5,787,823提出了一种方法，其中将含碳的飞灰捕获在常规的颗粒控制装置(PCD)的气旋上游。然后将该捕获的材料注入到管子中捕获汞。Hwang等的美国专利号6,027,551教导了将来自在常规PCD中捕获的飞灰的碳分离出来并将该富含碳的部分作为汞吸附剂注入。
Pennline等的美国专利号6,521,021 B1教导了从锅炉的燃烧区中去除部分氧化的煤，将该煤分离出并进一步作为汞吸附剂注入到下游中。
Lanier等(美国专利号6,776,888 B2)建议控制燃烧工艺，以控制NOx排放和天然飞灰去除汞的性能。
假定正常的锅炉操作的约束和天然残余碳的活性随着其运动通过锅炉逐渐降低的情况，活性炭的单独制备过程可以提供更好的机会来制备具有适用于所需和特定用于最终用途的性质的活性炭。因此适于提供用于原位制备适用于广泛工艺的活性炭由此提高获悉更南谈制备使用的费用和效率的系统和方法。
发明简述
本发明提供了足够灵活和有效使得该制备可以发生在活性炭的最终使用位置或其附近的用于制备活性炭的方法和系统。在此提供的该方法和系统也可以用于其它设置中。例如，本发明可以用于制备如上所述的活性炭并适用多种公用设施的中心装置中。在另一实施方式中，本发明可以用于为其自身的装置制备活性炭并将过剩的活性炭运输到其它位置的公用设施。
这种方法和系统包括使用氧-燃料、富氧的空气燃料或空气-燃料燃烧器对气体混合物预加热到高温，形成热气流。该热气流与含碳进料(即含碳原料)混合并反应，其方式使得该含碳进料经过脱挥发份作用和部分燃烧，由此制备可以应用到使用活性炭的应用中的活性残余碳。
热气体和颗粒状含碳进料的使用使得该装置可以最小化，由此使该活性炭可以在使用(例如用于降低来自废气的电站锅炉的汞排放)位置或其附近进行制备。
本发明包括一种在最终使用位置或其附近制备活性炭的方法。将热的(优选为2000～3000
Figure 2006800166208_5
)的氧化气流与颗粒状或粉末状含碳进料混合并反应，制备具有用相同的含碳进料制备的粉末状活性炭相同的吸附性质的粉末状活性炭。可选择地，可以将惰性气体加热并用于使进料热解。在另一可选择的方式中，通过调节氧气和燃料比，该热气流可以具有任何所需的氧气含量或根本没有氧气(例如CO2和/或H2O)。其可以具有较强的氧化性、温和的氧化性或甚至具有还原性。例如，用于对含碳进料进行热处理的热源可以适用于本发明中。本领域的技术人员将认识到这种吸附性质取决于所用的进料。本领域的技术人员也将认识到尽管活性炭的吸附性质足以用于一些应用，但对于其它应用可能需要改变该活性炭。
因此本发明提供了几个优点，包括但不局限于：在最终使用位置或其附近制备活性炭的能力、较低的费用和相对于大型的回转窑方法更有效的制备活性炭的方法、可以选择使用与给定装置的主燃烧工艺中使用的煤不同的含碳进料用于制备活性炭。因此，本发明提供了对于特定应用在最终使用位置或其附近改变活性炭性质的灵活性。
依照本发明制备的活性炭的表面积可以小于，在一些情况下明显小于目前可购得的PAC的表面积。然而，给定此处提供的有效和灵活性的方法，使用依照本发明制备的活性炭仍可以有利于总的经济性，甚至在相对于目前可购得的PAC相比需要更多活性炭的情况下。
通过用氧-燃料、富含氧的空气-燃料或空气-燃料燃烧器对气流进行预加热产生热气混合物，来制备可以包含蒸汽、氧气或气体混合物的热气流。来自热气的高度湍流用于快速混合该含碳进料与热气体。在本发明的优选实施方式中，升高温度和热气体的氧气含量会导致含碳进料的快速点燃、脱挥发份作用和部分氧化。
因为显示升高温度和较高的氧气浓度都能显著提高含碳燃料的脱挥发份作用速率，因此热氧化气体的使用会降低用于制备活性炭材料所需的滞留时间。因此，可以使用更小的反应器来替代通常用于制备活性炭的大型回转窑。此外，依照本工艺制备的副产物(例如CO和H2)可以用作主锅炉的燃料或这用作再燃烧燃料。
因此本发明提供了用于从主燃烧工艺中分离活性炭生产的方法和系统，由此可以制备具有特定应用所需性质(例如吸附性)的活性炭。例如且不用于限定，本发明可以原位(或接近最终使用)制备用于在废气流中去除汞的粉末燃料-发电装置的活性炭。可替代地或初次之外，本发明可以制备用于废水处理以去除烃、水和其它污染物地固定床设置中定制的活性炭。本发明的另一优点在于在该工艺中可以使用部分氧化气体作为有用的燃料，通过使该物质再次返回到热气燃烧器中或通过将其在可以是或不是该工艺的一部分的锅炉中点燃。例如，气体产物可以输送到锅炉中，作为用于控制NOx的再燃烧燃料。
如上所讨论的，依照本发明的热氧气或热气体燃烧器可以原位制备活性炭。高温和该燃烧器实现的良好混合的结合使得可以使用相对小型、简单的工艺装置(特别是与目前用于制备PAC的回转窑相比)制备活性炭。而且，与通常需要单独的活化步骤的回转窑方法不同，本发明的活性炭的活化是作为该工艺的结果而发生的。
因此，本发明通过提高制备效率和通用性，以及使输送需要最小化，可以显著降低用于最终用户的活性炭费用。
附图简述
为了对本发明及其优点进行更全面的理解，将结合以下附图对以下的发明详述极性参考，其中：
图1示出了依照本发明的一种实施方式制备活性炭的装置的示意图；
图2示出了依照本发明的一种替代性实施方式的制备活性炭的装置的示意图；和
图3示出了依照本发明的另一种替代性实施方式的制备活性炭的装置的示意图。
在几个附图中相同的附图标记指代相同的部分。
发明详述
本发明提供了用于在活性炭的最终应用位置或其附近制备活性炭的制备方法和系统。这种方法和系统包括使用氧-燃料、富氧的空气燃料或空气-燃料燃烧器对气体混合物进行预加热，形成热气流。该热气流与含碳进料(即含碳原料)混合并反应，其方式使得该含碳进料经过脱挥发份作用和部分燃烧，由此制备可以应用到使用活性炭的应用中的活性残余碳。
热气体和颗粒状含碳进料的使用使得该装置可以最小化，由此是该活性炭可以在使用(例如用于降低来自废气的电站锅炉的汞排放)位置或其附近进行制备。
本发明包括一种在最终使用位置或其附近制备活性炭的方法。将热的(优选为2000～3000
Figure 2006800166208_6
)的氧化气流与颗粒状或粉末状含碳进料混合并反应，制备具有与由常规方法(例如回转窑工艺)用相同的含碳进料制备的活性炭相同的吸附性质的粉末状活性炭。本领域的技术人员将认识到这种吸附性质取决于所用的进料。本领域的技术人员也将认识到尽管活性炭的吸附性质足以用于一些应用，但对于其它应用可能需要改变该活性炭。
因此本发明提供了几个优点，包括但不局限于：在最终使用位置或其附近制备活性炭的能力、较低的费用和相对于大型的回转窑方法更有效的制备活性炭的方法、可以选择使用与给定装置的主燃烧工艺中使用的煤不同的含碳进料用于制备活性炭。因此，本发明提供了对于特定应用在最终使用位置或其附近改变活性炭性质的灵活性。
通过用氧-燃料、富含氧的空气-燃料或空气-燃料燃烧器对气流进行预加热产生热气混合物，来制备可以包含蒸汽、氧气或气体混合物的热气流。然后将该气体混合物与含碳进料快速混合。在本发明的一种优选的实施方式中，升高温度和热气体的氧气含量会导致含碳进料的快速点燃、脱挥发份作用和部分氧化。
因为显示升高温度和较高的氧气浓度都能显著提高含碳燃料的脱挥发份作用速率，因此热氧化气体的使用会降低用于制备活性炭材料所需的滞留时间。因此，可以使用更小的反应器来替代通常用于制备活性炭的大型回转窑。此外，依照本工艺制备的副产物(例如CO和H2)可以用作主锅炉的燃料或这用作再燃烧燃料。
因此本发明提供了用于从主燃烧工艺中分离活性炭生产的方法和系统，由此可以制备具有特定应用所需性质(例如吸附性)的活性炭。例如且不用于限定，本发明可以制备用于在废气流中去除汞的粉末燃料-发电装置的活性炭。可替代地或另外的，本发明可以制备用于废水处理以去除烃、水和其它污染物地固定床设置中定制的活性炭。本发明的另一优点在于在该工艺中可以使用部分氧化气体作为有用的燃料，通过使该物质再次返回到热气燃烧器中或通过将其在可以是或不是该工艺的一部分的锅炉中点燃。例如，气体产物可以输送到锅炉中，作为用于控制NOx的再燃烧燃料。
如上所讨论的，依照本发明的热氧气或热气体燃烧器可以原位制备活性炭。高温和该燃烧器实现的良好混合的结合使得可以使用非常小型、相对简单的工艺装置(特别是与目前用于制备PAC的回转窑相比)制备活性炭。而且，与通常需要单独的活化步骤的回转窑方法不同，本发明的活性炭的活化是作为该工艺的结果而发生的。
因此，本发明通过提高制备效率和通用性，以及使输送需要最小化，可以显著降低用于最终用户的活性炭费用。
如上所讨论的，本发明可以用于制备适用于广泛工业工艺的活性炭。因此用于特定应用的活性炭的制备的最佳设置非常取决于其最终应用和所需的活性炭性质。为了说明，可以根据该活性炭的预期最终应用和经济因素决定热气体与含碳进料之比、滞留时间、热气体的温度和该工艺中的添加剂。
现在参照图1，示出了依照本发明的一种实施方式的用于制备活性炭的装置的示意图。
燃烧器1可以使用各种形式，随着说明操作方式的需要，改变燃烧器的设计。在一种优选的实施方式中，燃烧器1是氧-燃料燃烧器，操作燃料10和氧化剂源11来制备非常热的废气。在另一实施方式中，燃烧器1是在富氧的操作方式下使用的。更特别地，氧化剂11具有低于纯氧气但大于空气的氧气含量(例如在约21～小于100％的范围内的氧气浓度)。热气中的N2可以作为用于与含碳进料进行反应的稀释剂，并降低热气的温度。在另一实施方式中，燃烧器1是作为空气燃烧器进行操作的。这第三种实施方式也可能不如氧-燃料方式优选，因为空气中N2的存在。热气中N2的存在可以作为用于与含碳进料进行反应的稀释剂，并降低热气的温度。
燃料10和氧化剂11被输送到热氧气燃烧器1中。示例性的用于燃料10的燃料包括但不局限于：天然气(NG)、甲烷、丙烷、氢气、轻油、LPG、燃料油和焦炉煤气。燃料10可以是液态，但优选为气态。
在一些实施方式中，优选可以将反应物气体12引入到燃烧器中1，在此将其与氧化剂11和燃料10混合并反应。反应物气体12可以为蒸汽，可以主要用于获得气流7所需的组合物，用于和反应容器3中的含碳进料适当反应。反应物气体12也用于改性反应容器3中制备的活性炭的性质。例如，反应物气体12可以用于提高反应腔3中制备的合成碳的表面积。将认识到反应物气体12并不一定总是必需的。
在特定的实施方式中，燃烧器1以氧-燃料或富含氧的空气-燃料模式应用时，燃烧器1可以成型为热氧气燃烧器，例如Anderson的美国专利号5,266,024中所公开的那些，其整个内容引入此处作为参考。这些热氧气燃烧器可以制备高速的、热和非常活性的气体混合物，即“热氧气”。
无论燃烧器1是以氧-燃料、富氧或空气的操作模式操作，在气流7中需要具有足够量的氧气以使含碳进料13燃烧和部分氧化，由此产生具有用于其预期最终应用的吸附性质的活性炭。气流7的氧化能力使得含碳进料13将部分氧化并不会完全消耗，以产生所需的活性炭。因此气流7中的氧气量使基于进料13所需的反应量来调节的。为了在气流7中产生适当量的氧气，然后可以调节氧化剂11和/或燃料10的量。为了避免将会导致较差的产物产率的过多的进料消耗而不使用过量的氧气是很重要的。
如果需要在物流7中相对于燃料10有过量的氧气(例如在不使用其它物流例如蒸汽时，为了提高与含碳进料13的反应)，输入到燃烧器1中的氧化剂11的化学计量比对于燃料10是大量过量的。在其它操作模式下，燃烧器将在接近化学计量比和大量氧气过量的氧化剂11和燃料10之间操作。
热氧气燃烧器1产生高温气流7，优选其温度等于或高于800
Figure 2006800166208_7
，最优选高于2000
Figure 2006800166208_8
。热气流7的温度足够高以造成与进料13发生所需的反应(和其它用于进料13的运送物质)。气流7将主要包含燃烧产物(例如CO2和H2O)、剩余氧气、任何来自气流12的未反应的气体和可能的N2(如果使用空气作为氧化剂11的一部分或全部)。在一些实施方式中，气流7可以包含大于70体积％的剩余氧气，其余为燃烧产物。
作为对图1的进一步描述，将颗粒状或粉末状的含碳进料13输送到混合部分2，与热气混合物7进行混合。含碳进料13可以选自多种含碳原料，例如各种煤、石油焦、生物质材料(例如锯屑)或坚果壳(例如胡桃壳、棕榈壳)或坚果外壳(例如椰子)。含碳进料13可以通过各种方法被输送到混合部分2中。
含碳进料13可以被通过夹带在载气(例如空气或废气)中、气动输送、在浆液(例如水浆液)中被输送到混合部分2中。本领域的技术人员将认识到其它输送进料13的方法也可以使用，包括自身输送进料，而不使用负载材料或输送材料。输送气流中的任何氧气都应当考虑在氧气和进料的总比例中(即输送气流中的氧气与气流7中氧气相结合)。
由燃烧器1中制备并输送到混合部分2中的气流7的速度足够快，使得含碳进料13与任何传送材料一起，无论该进料13被如何输送(例如夹带在载气中、气动输送、作为浆液)，都将夹带在气流7中。
本领域的技术人员将认识到含碳进料13可以根据多种标准选择，包括依照本发明制备的活性炭的最终用途。例如，对于在分散相捕获模式下(例如在废气流中捕获汞)使用活性炭的应用，可以适当使用颗粒粉煤。相反，在使用活性炭在填充床(例如用于废水处理以从气流或液流中去除烃和其它杂质的固定床装置)中，可以优选使用碎煤。
同样地，本领域的技术人员将认识到反应容器3(在此讨论的)中的滞留时间将受到进料13的选择的影响。例如，对于分散相吸附模式的粉末进料的滞留时间可以为大约几秒，相反对于碎进料的支流时间可以为几分钟。因此含碳进料13经过研磨或粉碎到适当的尺寸取决于其最终用途和装置设计。
在一些实施方式中，可以适当地用掺杂剂对含碳进料13进行预处理。例如，可以用卤化物盐(例如NaBr、KBr)对含碳进料13进行预处理，使得在引入混合部分2之前，将该卤化物盐分散在含碳进料13中。这在使用活性炭用于从废气流中进行汞捕获和去除的应用中是有益的。卤化物盐(例如KBr)可以提高活性炭在这种应用中的性质。这种处理的优选实施例可见于Chein-Chung Chao等共有的2005年3月14日提出的名称为“Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gasand Methods of Manufacture Therefor”的美国专利申请号11/078,509、Chein-Chung Chao等共有的2005年9月12日提出的名称为“CatalyticAdsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods ofManufacture Therefor”的美国专利申请号11/224,149中，这两篇文献全文引入此处作为参考。
因此混合物流8包含进料13和热反应物气体7的混合物。物流8引入反应容器3中。反应容器3可以是耐火材料衬里的管，如果需要具有水冷凝。可选择地，可以使用水喷射来控制反应器内的温度。
图1中还示出了可以将其它添加剂流体、固体或气体14b添加到反应容器3中。示例性的添加剂14b可以包括但不局限于：蒸汽、N2、水和/或对活性炭的最终用途具有特定活性的物质。例如，物流14b可以用于调节反应器3中的温度和/或提供用于反应器3中的反应的蒸汽。可选择地或除添加剂14b之外，也可以在注入反应容器3之前，将添加剂流体、气体或固体(例如石灰)与物流8混合。
如上所讨论地，反应容器3中的物质经过脱挥发份作用和部分氧化，产生包含部分氧化气体(例如CO和H2)和活性炭的产物流。该部分氧化气体和活性炭作为物流9离开反应容器3。
本领域的技术人员将认识到滞留时间、气流7中的剩余氧气和含碳介质之比和反应容器3的温度都是基于含碳进料13和活性炭的所需性质进行控制的。例如，如果滞留时间过长，或者热氧气与进料之比过高，将会消耗过多的进料。这会导致产物(即活性炭)的产率降低。如果滞留时间或反应温度过低，脱挥发份作用和活化可能会不完全，由此导致产物(即活性炭)质量的降低。
使用淬火介质15对离开反应容器3的部分氧化气体和活性炭的混合物9进行淬火，使产物冷却。在一些实施方式中，其适当可以在与活性炭混合的淬火介质15中包含用添加剂(例如用于从废气流中去除汞的活性炭所用的卤化物盐(例如KBr))。这种处理的优选实施例可以见于Chein-Chung Chao等共有的2005年3月14日提出的名称为“Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methodsof Manufacture Therefor”的美国专利申请号11/078,509、Chein-ChungChao等共有的2005年9月12日提出的名称为“Catalytic Adsorbents ForMercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor”的美国专利申请号11/224,149中，这两篇文献全文引入此处作为参考。
该淬火介质可以使包含所需添加剂的水滴雾，或例如氮气的气体。
然后在气旋(或其它颗粒收集装置)4中分离该冷却的混合物21。气旋4并不总是需要，例如在直接注入的使用模式下(参见实施例、图3)
然后将离开气旋4的部分氧化气体16的一部分或全部(例如一氧化碳和氢气)作为再燃烧燃料18a输入到锅炉5中，或者作为燃料18b返回到锅炉的燃烧区域。可选择地或除使用部分氧化气体16作为返回燃料18a或燃料18b之外，可以使用燃烧器1中所用的部分氧化气体16的一部分或全部作为燃烧器19的燃料。
依照本发明制备的活性炭作为物流17离开气旋4，经过处理用于其预期的最终用途。当使用活性炭来捕获废气流中的汞使，例如，将物流17夹带在载气(未示出)中，在温度在汞捕获所需的范围内的位置注入到废气中。然后与常规的用于汞控制的PAC注入相同，将该活性炭与飞灰一起收集在颗粒控制装置(PCD)6(例如静电沉淀器或滤布)中。作为替代方法，可以将活性炭注入PCD的下游，使飞灰的碳含量不会损害将飞灰作为水泥组分销售的能力。在其它实施方式中，物流17中的活性炭输送到其预期的最终用途(例如用于废水处理的固定床)。
图1中所示的实施例可以改变，使得可以在试剂工艺装置中结合许多该工艺步骤。例如但不用于限定，图2中示出了用于制备依照本发明的活性炭的实验室规模系统的示意图。
在该实施方式中，燃烧器1和反应器3结合到工艺装置中。试验表明还在混合部分2(图2中未示出)中时，含碳进料13(在该实施例中为煤)点燃，表明点燃非常快。混合部分2与反应容器3相连，其是耐火材料衬里的管。反应器3的涉及可以进行调节，以考虑反应区域3中适当的滞留时间。在该实施方式中的任何位置可以混合添加剂流体或气体14(例如水或蒸汽)，包括混合燃烧器1的热氧气喷嘴上游或混合到反应容器3中(如图2中所示)。
如图2中进一步所示的，物流9除了包含在反应区域3中制备的活性炭之外，可以包含CO、H2、CO2和N2(例如物流9中以干基计约40％CO、20％H2、20％CO2和20％N2的气体)。
氮气15用于对输送到气旋4中的产物淬火。氮气15作为淬火介质的使用可以用冷却管来代替，使得物流9的组成不会变化。可替代地，可以使用蒸汽作为淬火介质15。在这种情况下，进入气旋的氢气和二氧化碳的浓度与物流9中的相比会有所变化。
气旋4可以由不锈钢制成。可以使用天然气支持的火焰点燃可燃烧的气体。使用氮气22作为用于将气体排出气旋的喷射气。因此气体24将具有较高浓度的氮气。图2中所示的燃烧器24用于安全防范，用来燃烧气体24。如此所述，可以通过天然气-氧气火焰处理该气体。
如图2中进一步所示的，可以如上述参考图1中讨论的，将来自气旋4的活性炭17收集并可以进行进一步处理和应用。
图1描述了热的部分氧化气体19作为燃烧器1的燃料取代部分(或者全部)的用于热氧化剂11的燃料10的应用。图3中示出了本发明的另一种构造。在该示例性的实施方式中，可以直接将来自反应容器3的产物9注入到废气20中，用于从废气20中除去汞。将认识到物流9除了用于汞去除之外，还可以使用直接注入模式。图3中还示出物流9可以使用上述讨论的物流15进行淬火。
在图3中所示的实施方式中没有部分氧气气体的燃烧。因此，在反应器3中形成的活性炭和部分氧化气体一起注入到废气20中。在不使用气旋的情况下，相对于使用气旋的构造，气流(包含活性炭和部分氧化气体)9的注入位置通常在废气20的上游。这是由于使部分氧化气体完全燃烧需要额外的时间。该额外的滞留时间和废气20的温度使一氧化碳烧尽(即完全燃烧)。更特别地，与图1中注入点处约600
Figure 2006800166208_9
相反，在图3中所示的构造中注入点的废气温度可以为2000
Figure 2006800166208_10
。
实施例1
使用图2中所示的试验装置制备活性炭的几种样品。参照图2，使用天然气作为物流10，使用氧气作为物流11，使用Powder River Basin(PRB)、North Dakota Lignite(NDL)或Utah煤作为物流13。通过干法或湿法混合在煤粉末中添加卤化物盐。
表1中所列的是用于制备活性炭的化学计量比(SR)和活性炭的结果性能。为了对比，表1中还列出了可获自Norit America，Inc.的粉末活性炭Darco
Figure 2006800166208_11
FGD的性质。
SRHOB是通过将物流11中的氧气量除以使物流10中天然气进料完全燃烧所需的氧气量而计算得出的。SRreaction vessel是通过将进入反应容器3的氧气量除以使物流13中输入的煤完全完全燃烧所需的氧气量而计算得出的。
活性炭的碳含量使通过使用马弗炉干燥活性炭的样品并然后点燃干燥的活性炭样品来测定的。然后通过将该点燃样品的最初质量和最终质量之差除以干燥活性炭的最初质量计算该碳含量。
活性炭的BET表面积是使用Micromeritics
Figure 2006800166208_12
ASAP 2000分析仪测量的。注意原始PRB煤的BET表面积为5m2/g。
通过使用活性炭的碳含量并通过在输入到物流13中的煤的灰分含量上进行物料衡算来计算产率。PRB煤的湿基灰分含量为4.47％，NorthDakota褐煤为7.4％。使用位于Pleasant Prairie，Wisconsin的We Energies’Pleasant Prairie Power Plant的Power Research Institute’s(EPRI’s)Pollution Control System (PoCT)的605 MW单元以及额定功率为350MW的具有常规粉煤燃烧器的Western Coal-fired装置评价活性炭的汞去除。两种装置都燃烧PRB煤。PoCT是用于模拟注入到大型ESP的第一场的滞留腔。在汞去除评估过程中，萃取位于原址的颗粒控制装置上游的滑流，然后将其注入到PoCT中。测试约2和4秒的滞留时间，使用约6lb/Mmacf的活性炭注入速率。通过用汞的入口浓度减去汞的出口浓度然后将该差除以入口汞浓度并乘以100来计算汞去除百分比。试验号3没有评估汞去除。汞去除试验装置的更详细描述可见于Sjostrom等，“Assessing Sorbents for Mercury Control in Coal-Combusting FlueGas”，Journal of the Air and Waste Management Association，Vol.52，P.902-911(August 2002)。
在表1中的试验号1-3中，使用的煤是PRB。在试验号4中，使用通过干法混合形成的具有1wt.％NaBr的PRB煤，在试验号5中，使用通过干法混合形成的具有0.5％NaBr的NDL煤。在试验6中，使用通过干法混合形成的具有7wt.％KBr的PRB煤。在试验7中，使用通过湿法混合形成的具有7wt.％KBr的PRB煤。在试验8中，使用通过干法混合形成的具有1wt.％NaBr的Utah煤。在试验9中，使用通过干法混合形成的具有1wt.％NaBr的NDL煤。
表1
    试验号    SRHOB     SRreacti on vessel     碳含量     产率     BET表面积  汞去除2秒滞留时间  汞去除4秒滞留时间
    ％     lbcharlbcoal     m2g  ％  ％
    1    6     0.7     58     0.11     237  41  44
    2    6     0.3     82     0.25     225  22  24
    3    3     0.3     81     0.24     361  ND  ND
    Darco
Figure 2006800166208_13
FGD		    NA     NA     72     NA     474  48  56
    4    3     0.5     60     0.11     ND  68  76
    5    3     0.45     53     0.16     ND  30  63
    6    3     0.3     81     0.24     ND  65  72
    7    6     0.5     48     0.09     519  93  94
    8    3     0.3     ND     ND     ND  56  82
    9    4     0.3     ND     ND     ND  85  90
在表1中，“ND”表示未测定。如表1中所示，随着SRHOB降低，同时保持SRreaction vessel不变，表面积增大。这被认为是由于温度和离开图2的部分1的物流的蒸汽量的升高导致的。温度、氧化剂的量和活性炭暴露于氧化剂的暴露时间是决定表面积的重要因素。通常，这三个因素中任一种的增加都会提高表面积。
而且，当SRreaction vessel增大时，产率和碳含量会降低。认为产率和碳含量的降低是由于有更多的氧气被输送到反应容器中以及消耗了更多的碳的结果。还认为表面积的增大是作为上面对于由于SRHOB增加而使表面积增加的解释的结果。
在实施例7-9中，将蒸汽注入到来自图2中17的产物。本领域的技术人员已知蒸汽活化会提高活性炭的吸附能力。由于在各实例中不一定需要蒸汽活化，因此相信其与卤化物盐的添加使试验7-9中较高汞去除率的原因。
如果使用本发明在中心装置(例如公共设施或水泥窑或可以燃烧废气的装置)来制备活性炭，可以在锅炉(或燃烧器)中使用部分氧化气体，可以储存冷却的活性炭用于其它用途。可选择地或另外地，该活性炭可以进行进一步处理(即后处理)以实现特定的所需性质(例如用蒸汽处理以提高表面积)或者用卤化物盐对活性炭进行掺杂，例如如上所引用的Chein-Chung Chao等共有的2005年3月14日提出的名称为“Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methodsof Manufacture Therefor”的美国专利申请号11/078,509、Chein-ChungChao等共有的名称为“Catalytic Adsorbents For Mercury Removal FromFlue Gas and Methods of Manufacture Therefor”的美国专利申请号11/224,149。
在本发明的其它实施方式中，可以产生热气流而不是热氧气，并用于活化该含碳进料材料。例如，可以通过将蒸汽与接近化学计量的氧-燃料燃烧器的产物相混合使蒸汽显著过热。然后这种过热的蒸汽可以用于与该含碳进料反应并使其活化。本领域的技术人员也将认识到如果仅需要热解(即不需要燃烧)，那么可以以相似的方式使其它气体(例如氮气)过热以使该煤热解。在这种特定实施方式中，在物流7中不存在滞留的氧气(参见上述附图)。
如上所述，本发明提供了用于制备具有足够灵活性和有效性的活性炭以可以在活性炭的最终使用地点或其附近进行制备的方法和系统。然而，也将认识到依照本发明的活性炭的制备并不陷于现场制备。此处所提供的方法和系统也可以用于其它设置，例如且不用于限定地，本发明制备的活性炭可以在中心装置制备，并用作市政公共设施等。其它示例性的实施方式可以包括在公共设施上为该设备制备活性炭，而将过量的活性炭输送到其它位置。也将认识到依照本发明制备的活性炭可以用于替代用于应用的PAC制备。因此本发明提供了对于制备位置的通用性和灵活性。
本领域的技术人员应当认识到上述公开的特定实施方式可以容易地用作改进或设计其它用于实现本发明相同目的的结构的基础。本领域的技术人员还应当认识到这种等效构造并不脱离在后附的权利要求中所提出的本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于制备活性炭的方法，该方法包括：
产生至少一种包含氧化剂的气流，该气流具有至少800℉的温度；
将含碳进料与该至少一种气流混合，使该含碳进料经过脱挥发份作用和部分氧化，由此产生活性炭和副产物，和
用淬火介质使该粉末状的活性炭淬火，其中该淬火介质包括水滴雾。
2.权利要求1的方法，其中该淬火介质包括掺杂该活性炭的掺杂剂。
3.权利要求2的方法，其中该掺杂剂是KBr。
4.权利要求1的方法，其中用蒸汽对该活性炭进一步进行处理，以提高其表面积。
5.权利要求1的方法，其中该产生至少一种气流的步骤包括将氧化剂和燃料混合，和将蒸汽与该氧化剂和该燃料混合。
6.一种用于制备活性炭的方法，该方法包括：
产生一种过热气流，该气流具有至少800℉的温度；
将含碳进料与该过热气流混合，使该含碳进料经过脱挥发份作用和部分氧化，由此产生活性炭和副产物，和
用淬火介质使该粉末状的活性炭淬火，其中该淬火介质包括水滴雾。
7.权利要求6的方法，其中该淬火介质包括掺杂该活性炭的掺杂剂。
8.权利要求7的方法，其中该掺杂剂是KBr。
9.权利要求6的方法，其中用蒸汽对该活性炭进一步进行处理，以提高其表面积。
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