气态汞的氧化及捕获的制作方法
【专利说明】气态汞的氧化及捕获
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利揭示对在2012年10月16日提交的第61/714，382号美国临时专利申请(US Provis1nal Applicat1n 61/714，382)提出优先权要求，其中本说明书据此通过引用将上述临时专利申请之内容全部并入此中。
[0003]发明的
技术领域
[0004]本专利揭示涉及以颗粒氧化剂对汞(例如由煤燃烧产生的烟道废气中运载的汞)进行氧化及捕获。
【背景技术】
[0005]来自燃煤锅炉的烟道废气中含有的汞的氧化态可以是Hg(O)、Hg⑴及/或Hg(II)，而且经常是这三种氧化态的混合。随后汞吸附剂去除烟道废气中的汞的效率取决于所述吸附剂的化学性质及所述吸附剂与所述每一汞氧化态之间的反应性。
[0006]阳离子汞已经被提议作为所述金属的一种较为容易从烟道废气中螯合及去除的形式。相应地，人们对于在烟道废气中提供氧化的汞方面已经付出了许多努力。例如，人们曾在煤燃烧之前或在煤燃烧期间将添加剂加入到煤中，以促进汞在锅炉中氧化或在离开锅炉之后氧化，这些添加剂包括(例如)溴化钙及/或氯化钙。其他实例包括将气态氧化剂添加到锅炉下游的烟道废气中。气态氧化剂包括氯(Cl2)及/或盐酸(HCl)。
[0007]在2OO6 年 4O (I8)期“Environmental Science and Technology”(《环境科学与技术》)第 5601-5609 页的标题为 “Survey of Catalysts for Oxidat1n of Mercury inFlue Gas”(烟道废气中未的氧化的催化剂研宄)的文章中，Presto及Granite评论了催化汞氧化技术，催化汞氧化技术包括:(I)选择性催化还原(SCR)催化剂的应用；(2)飞灰上的“碳基”汞氧化，以及(3)基于金属/金属氧化物的氧化催化剂。选择性催化还原(SCR)催化剂及基于金属/金属氧化物的氧化催化剂都是在一固定床中或在一蜂窝催化剂载体被提供到烟道废气中。所述“碳基”汞氧化依赖飞灰中或飞灰上的通过仔细控制燃烧过程产生的活性碳中心。
[0008]先前的技术不能指导或建议一种包括“将一能催化地影响汞的氧化的固体材料注射到烟道废气中及从烟道废气中收集该固体材料”及“将一分别的能吸附或螯合氧化的汞的材料注射到烟道废气中及从烟道废气中收集该分别的材料”的过程。
【发明内容】
[0009]一种汞氧化及捕获过程，包括:提供来自一燃煤锅炉的燃烧废气，所述燃烧废气包括一初始浓度的Hg(O);将一足量的颗粒汞氧化剂预催化剂注射到所述燃烧废气中；提供一足量的所述颗粒汞氧化预催化剂在所述燃烧废气中的留驻时间，以将所述颗粒汞氧化剂预催化剂转化为一氧化催化剂；提供一足量的所述氧化催化剂在所述燃烧废气中的留驻时间，以在将所述氧化催化剂去除以免其与所述燃烧废气接触之前，将所述所述燃烧废气中至少80%的Hg(O)浓度氧化成为一氧化的汞(例如Hg⑴及/或Hg(II));将所述氧化催化剂去除以免其与所述燃烧废气接触；将一氧化的汞的吸附剂注射到所述燃烧废气中；以及接着收集一氧化的汞/吸附剂物种。
【附图说明】
[0010]为了更完整地了解本专利揭示，应参阅下述【具体实施方式】及参看下述附图。
[0011]图1为一通过注射本说明书中描述的颗粒汞氧化剂预催化剂(PMOP)及溴化钙而氧化的汞的百分比的比较图。
[0012]虽然附图中描绘特定的实施例，但按关于对本专利揭示的目的是在于描述本发明的理解，这些实施例并非意在限制本说明书中描述及图解的发明的范围。
【具体实施方式】
[0013]本说明书中描述的是一种“在汞悬浮于产生自一燃煤锅炉的烟道废气中时将所述汞从Hg(O)氧化成Hg(I)及/或Hg(II) ”以及“捕获所述氧化的汞，以从所述烟道废气及锅炉排放物中将汞螯合及去除”的过程。一第一实施例包括:提供来自一燃煤锅炉的燃烧废气，所述燃烧废气包括一初始浓度的Hg(O);将一足量的颗粒汞氧化剂预催化剂注射(例如混合)到所述燃烧废气中；提供一足量的所述颗粒汞氧化预催化剂在所述燃烧废气中的留驻时间，以将所述颗粒汞氧化剂预催化剂转化为一氧化催化剂；提供一足量的所述氧化催化剂在所述燃烧废气中的留驻时间，以在将所述氧化催化剂去除以免其与所述燃烧废气接触之前，将所述所述燃烧废气中至少80%的Hg(O)浓度氧化成为一氧化的汞(例如Hg(I)及/或Hg (II));将所述氧化催化剂去除以免其与所述燃烧废气接触，例如通过将所述颗粒收集在一袋滤捕尘室或静电沉淀器中；将一氧化的汞的吸附剂注射到所述燃烧废气中；以及收集一氧化的汞/吸附剂物种。
[0014]本说明书中使用了许多不同术语来区分添加到烟道废气中的多种成分、由烟道废气运载的多种成分以及收集自烟道废气的多种成分。例如，在本说明书中，术语“颗粒汞氧化剂预催化剂”指的是一种可以运载至或注射到烟道废气(燃烧废气)中的人工制造固体材料。根据暗示在氧化之前有一短暂诱导期的数据，假定所述预催化剂不是汞氧化的催化循环中的活性氧化催化剂。更确切地说，所述材料是一预催化剂，如本领域中所理解的术语“预催化剂”所指者。术语“氧化催化剂”指的是由所述预催化剂与一反应物在燃烧废气中发生的引发反应或激活反应形成的颗粒材料(例如汞、酸或其组合物)。本说明书中描述的过程进一步要求一氧化的汞的吸附剂，氧化的汞的吸附剂指的是一种添加到燃烧废气的、比吸附(互相作用、吸收、收集、保留)还原的汞(即Hg(O))更优先吸附(互相作用、吸收、收集、保留)氧化的汞的材料。由所述氧化的汞的吸附剂进行的对氧化的汞的吸附所得产物，在本说明书中称为“氧化的汞/吸附剂物种”。值得注意的是，所述氧化的汞/吸附剂物种的结构及成分取决于所收集的氧化的汞的量以及所述吸附剂的成分。
[0015]另一实施例为一种从一烟道废气中收集汞的过程，所述过程包括:提供来自一燃煤锅炉的燃烧废气，所述燃烧废气包括一初始浓度的Hg(O);将一颗粒汞氧化剂预催化剂注射到所述燃烧废气中；将所述燃烧废气中的Hg(O)氧化为选择自包括Hg(I)、Hg(II)及两者之混合物的组合的一种氧化的汞；将所述氧化的汞及一氧化的汞的吸附剂混合，以形成一氧化的汞/吸附剂物种；以及一齐收集或分别地收集所述氧化催化剂及所述氧化的汞/吸附剂物种。
[0016]在前述的实施例的一个例子中，所述颗粒汞氧化剂预催化剂与所述氧化的汞的吸附剂混合。所述颗粒汞氧化剂预催化剂与所述氧化的汞的吸附剂的混合可以在烟道废气(即燃烧废气)中发生，也可以在所述材料被注射到烟道废气(即燃烧废气)中之前发生。在一个过程中，所述颗粒汞氧化剂预催化剂及所述氧化的汞的吸附剂可以一齐注射到燃烧废气中。更确切地说，所述材料在被注射到烟道废气(燃烧废气)中之前混合。所述混合可以在一混合器中进行或在一注射喷嘴中进行。在所述过程的另一例子汇总，所述材料可以在烟道废气流动的同一直线上注射，所述颗粒汞氧化剂预催化剂可以在所述氧化的汞的吸附剂的上游注射，或所述氧化的汞的吸附剂可以在所述颗粒汞氧化剂预催化剂的注射位置的上游注射。在一个优选例子中，所述氧化催化剂及所述氧化的汞的吸附剂都是在一固体物料收集装置之前由烟道废气运载。
[0017]前述的实施例中描述的过程可以进一步包括从烟道废气中收集固体。在一个例子中，所述过程可以包括从烟道废气中收集飞灰。优选地，所述过程包括收集所述氧化催化剂与所述氧化的汞/吸附剂物种的混合物。更确切地说，所述氧化催化剂及所述氧化的汞/吸附剂物种由一颗粒收集装置一齐收集。所述颗粒收集装置可以是(例如)一静电沉淀器(ESP)、一旋风分离器及/或一袋滤捕尘室。在另一个例子中，所述氧化催化剂及所述氧化的汞/吸附剂物种分别地收集；例如，所述氧化催化剂可以由一固体物料收集装置收集，而所述氧化的汞的吸附剂可以添加到位于所述固体物料收集装置的下游的燃烧废气中。
[0018]所述颗粒汞氧化剂预催化剂优选包括一颗粒载体及一汞氧化剂。更确切地说，所述颗粒汞氧化剂预催化剂是带有一汞氧化剂的非氧化颗粒载体(优选包括非常轻微氧化颗粒载体)、包括至少两种成分的一种固体形式物料。术语“汞氧化剂”指的是由所述颗粒载体运载的、影响汞的氧化的化合物或化学成分，在本说明书中这个物种被称为“汞氧化剂”或简称“由颗粒载体运载的化合物”。
[0019]优选地，在温度处于所述颗粒汞氧化剂预催化剂被注射到烟道废气管道的位置处的温度及更高时，所述颗粒载体保持热稳定。颗粒载体的例子包括硅酸盐、铝酸盐、过渡金属氧化物、碱金属氧化物、碱土金属氧化物、聚合物载体及它们的混合物。优选地，所述颗粒载体选择自由页硅酸盐、水铝英石、石墨、石英及它们的混合物组成的组合。更优选地，所述颗粒载体是选择自由蛭石、蒙脱石、斑脱土及高岭土组成的组合的一种页硅酸盐。这些例子包括多孔聚合物载体、微多孔聚合物载体、多孔硅酸盐、多孔铝酸盐及/或多孔铝硅酸盐。
[0020]所述汞氧化剂可以是一直接氧化剂或一间接氧化剂。直接氧化剂与Hg(O)发生反应产生Hg(I)或Hg(II);不论是否存在其他燃烧废气成分。更确切地说，在存在一直接氧化剂的情况下，汞的氧化在所述汞氧化剂(由所述颗粒载体运载)的位点发生。间接氧化剂催化反应发生，产生一直接氧化剂。例如，一间接氧化剂可以与燃烧废气的其他成分发生反应，以产生所述直接氧化剂。更确切地说，在存在一直接氧化剂的情况下，汞的氧化是通过汞与由所述颗粒载体运载的所述汞氧化剂物种催化产生的一物种互相作用而发生。所述间接氧化可以是发生在所述颗粒载体上、发生在烟道废气中(例如从所述颗粒表面解吸附)、或其发生可以