[发明专利]用于从烟道气中快速除汞的多官能组合物

说明书

技术领域

本申请涉及用于从流体流(如烟道气流)中快速有效地除汞的组合物的领域和结合了该组合物的混凝土相容的副产物。

背景技术

汞(Hg)是高毒性的化合物，且在可测量水平的暴露可对于各年龄阶层的人造成不利的健康影响，包括对脑部、心脏、肾、肺和免疫系统的伤害。汞是天然存在的，但也从多种人类活动(如燃烧化石燃料和其它工业过程)中释放出来。例如，在美国约40％的引入到环境中的汞来自于火力发电厂。

在美国和加拿大，已实施或正在考虑联邦和州/省法规来减少汞的排放，尤其是来自火力发电厂、炼钢厂、水泥窑、废物焚烧炉和锅炉、工业燃煤锅炉和其它燃煤设备的汞排放。例如，United States Environmental Protection Agency(U.S.EPA)已发布Mercury Air Toxics Standards(MATS)，它尤其要求火力发电厂在大约2016年初截留约90％的它们的汞排放。

对火力发电厂的汞控制的领先技术是活性炭注入(activated carbon injection)。活性炭注入涉及将吸附剂(具体地为粉末活性炭)注入到发电厂的锅炉所释放的烟道气中。粉末活性炭是具有高表面积的多孔碳材料，其暴露有相当量的有利化学官能和反应位点，且其对于多种化合物产生了高吸附潜力，包括从烟道气中捕获汞。在大多数火力发电厂中，甚至是在可通过为其它污染物所设计的控制装置(如用于控制二氧化硫和酸性气体的湿式洗涤器或干式洗涤器)实现一些汞控制的那些工厂中，活性炭注入技术已显示了控制汞排放的潜力。

除了汞之外，锅炉的烟道气流夹带了多种化合物，包括颗粒物(如飞灰)。使用仪器如静电沉降器(ESP)或织物滤袋集尘室(fabric filter bag house)来除去这种颗粒物，发电厂经营者可以将飞灰出售给混凝土生产商作为硅酸盐水泥的替代物。这些销售对于发电厂经营者是极为有利的，这是因为它们产生了另外的收入来源，且消除了埋填飞灰的需要。

发明内容

根据本申请，通过活性炭注入从锅炉烟道气中捕获和除去汞的特征可以在于三个主要步骤，这些步骤可以依序进行或同时进行：(1)所注入的吸附剂与汞物类的接触，所述汞物类通常在烟道气中以非常稀的浓度(如，<十亿分之100份)存在；(2)汞单质(即Hg⁰)转化为氧化的汞物类(如，Hg⁺和Hg²⁺)，所述汞单质相对惰性且不易于被吸附，所述氧化的汞物类更易于被吸附且显著地更可溶于水性溶解介质(如水)中；和(3)氧化的汞物类扩散进入孔中，它紧紧地保留(例如，被隔离)在孔中而未被释放。烟道气流以非常高的速度如超过25英尺/秒(例如，超过7.6米/秒)穿过管道系统。因此，一旦注入，吸附剂必须快速完成这三个步骤，从而接触、氧化和隔离汞。在某些情况中，吸附剂在烟道气中仅具有1至2秒的保留时间。常规的粉末活性炭和其它类似吸附剂产品在这些限制下未有效地完成这三个所需的步骤。

提供如下所述的新型物质的组合物是有利的：其克服了常规吸附剂的传统限制，并且例如为了满足关于汞排放的政府法规，其可以有效地充当吸附剂、催化剂和溶剂，以有效地从烟道气流中除去汞。在这点上，提供了多官能的物质的组合物的多种实施方式。这些物质的多官能组合物在如下所述的方面克服了常规吸附剂的限制：例如为了满足关于汞排放的政府法规，可以将它们注入到烟道气流中，以有效快速地从烟道气流中除去汞。

在这点上，本申请披露了物质的多官能组合物，尤其可用于注入到来自锅炉(例如，燃煤和/或燃生物质锅炉)的烟道气流中以从其中除去汞。物质的多官能组合物可以包括矿物、基于水(aqueous-based)的溶解介质(例如，用于溶解汞物类)和具有控制良好的孔结构的吸附剂(例如粉末活性炭)。物质的多官能组合物还可以具有较小的中值平均粒度，如不大于约15μm。组合物的多官能度、吸附剂的吸附性能和较小的平均粒度使得组合物能够有效快速地从烟道气流中捕获汞。所得的从烟道气流中提取的飞灰和物质的多官能组合物的混合物可以用作混凝土生产中的水泥(cement)替代物，其中在混凝土生产期间混凝土泡沫体在非常短的时间内稳定。