用于從氣體和液體中除去污染物的顆粒基系統的制作方法
【專利說明】用于從氣體和液體中除去污染物的顆粒基系統
[0001]相關申請交叉引用
[0002]本申請要求2013年3月6日提交的美國臨時專利申請No 61/773，550和2013年3月13日提交的美國臨時專利申請N0.61/780，230的優先權利益。通過引用將這些申請的全部內容并入本文中。
發明領域
[0003]本發明一般性地涉及使用復合納米級/微米級顆粒和其它顆粒材料從氣體和液體如煙道氣中除去污染物如汞的系統、組合物和方法。
[0004]發明背景
[0005]燃煤發電廠是世界上重要的能源。世界電力供應的約41%由煤產生(參見 URLwww.worldcoal.0rg/coal/uses-of-coal/coal-electricity)ο 2010 年美 國電力的約45 %由煤產物，提供1.85萬億千瓦/小時能量(U.S.Energy Informat1nAdministrat1n，Annual Energy Review 2010)。
[0006]煤燃燒產生大量污染物，控制這些污染物對公共衛生和環境保護而言是必要的。由于汞對人神經系統的破壞性影響以及它在環境中的積累和長停留時間，汞是由燃煤發電廠產生的特別顯著的污染物。汞在357°C下沸騰，并且由于燃煤裝置在高得多的溫度下操作，汞以揮發形式從燃煤裝置中排放。
[0007]來自發電廠的汞排放通常由政府管制。美國設定了關于發電廠的汞排放的逐級降低水平的目標(Mercury and Air Toxics Standards)。在降低煙道氣中的萊方面的努力包括將活性碳注入煙道氣中，除去汞以及硫的濕煙道氣脫硫(濕洗滌器)、碳過濾床、廢鹽水洗滌和砸過濾器。還使用在燃燒以前從煤中除去汞。取決于幾個因素(煤的質量、已存在于發電廠中的其它控制技術等)，用于從煙道氣中除去汞的系統可使操作電站鍋爐的成本提高約 I %至 11% (U.S.Environmental Protect1n Agency, Mercury Study Reportto Congress，第 VIII 卷:An Evaluat1n of Mercury Control Technologies and Costs，1997)o
[0008]因此，需要其它除汞技術以便以合理的成本滿足越來越嚴格的規章要求。
[0009]發明概述
[0010]本發明實施方案提供用于從流體或流體料流中除去物質的復合脫除顆粒和包含復合脫除顆粒的組合物，其中流體或流體料流可以為氣體、液體、氣流或液流，以及使用復合脫除顆粒從流體或流體料流，即液體、氣體、液流或氣流中除去物質的系統和方法。
[0011]在一個實施方案中，本發明包括復合脫除顆粒和包含復合脫除顆粒的組合物，其中復合脫除顆粒包含載體顆粒和反應性顆粒。載體顆粒可由金屬氧化物、氧化鐵(II)、氧化鐵(III)、混合鐵氧化物、氧化銅、二氧化鈦、氧化鋁、氧化猛、氧化鋪、氧化鉬、金屬氮化物、氮化鈦、氮化鉬、金屬碳化物、碳化鐵、碳化鈦、碳化鉬、碳、無機氧化物、無機氮化物、二氧化硅、碳化硅、混合金屬氧化物-氫氧化物、陶瓷、膨潤土或沸石制造。在一個實施方案中，載體顆粒由二氧化娃制造。在另一實施方案中，載體顆粒由碳制造。在一個實施方案中，反應性顆粒可由材料如鋅、金、銀、錫、鎂、鉛、元素硫、砸、碲、鈾或鈀，或者其任何組合制造。當反應性顆粒包含多于一種材料時，兩種材料可混合在一起地存在于反應性顆粒中，或者不同材料的反應性顆粒可粘附在相同的載體顆粒上，或者包含帶有含有第一反應性材料的反應性顆粒的載體顆粒的第一復合脫除顆粒可與包含帶有含有不同反應性材料的反應性顆粒的載體顆粒的其它復合脫除顆粒結合。在一個實施方案中，反應性顆粒由鋅制造。在另一實施方案中，反應性材料由金制造。
[0012]在另一實施方案中，載體顆粒的平均直徑為約250nm至約500 μπι。在另一實施方案中，載體顆粒的平均直徑為約500nm至約10 μπι。在另一實施方案中，反應性顆粒的平均直徑為約0.5nm至約lOOnm。在另一實施方案中，反應性顆粒的平均直徑為約Inm至約lOOnm。在另一實施方案中，反應性顆粒的平均直徑為約3nm至約20nm。
[0013]在另一實施方案中，本發明包括進一步包含活性碳除汞材料的復合反應性顆粒。
[0014]在一個實施方案中，復合反應性顆粒附著于陶瓷或金屬結構上。在另一實施方案中，陶瓷或金屬結構具有蜂窩狀結構。在另一實施方案中，復合反應性顆粒通過洗涂層(washcoat)附著于陶瓷或金屬結構上。
[0015]在另一實施方案中，本發明包括用于降低含汞煙道氣中的汞含量的系統，所述系統包含復合脫除顆粒或者包含復合脫除顆粒的組合物，其中復合脫除顆粒包含載體顆粒和反應性顆粒，且其中復合脫除顆粒的反應性顆粒與煙道氣中的汞結合以形成帶汞復合脫除顆粒；和用于除去帶汞復合脫除顆粒的捕集器，由此降低煙道氣的汞含量。在系統的另一實施方案中，本發明包括用于降低含汞煙道氣中的汞含量的系統，所述系統包含活性碳除汞材料，并且包含復合脫除顆粒或者包含復合脫除顆粒的組合物，其中復合脫除顆粒包含載體顆粒和反應性顆粒，且其中復合脫除顆粒的反應性顆粒與煙道氣中的汞結合以形成帶汞復合脫除顆粒，并且其中煙道氣中的汞吸附到活性炭的表面上以形成帶汞活性炭；和用于除去帶汞復合脫除顆粒和帶汞活性炭的捕集器，由此降低煙道氣的汞含量。
[0016]在另一實施方案中，本發明包括用于降低含汞材料如天然氣、液化天然氣或其它燃料中的汞含量的系統。在另一實施方案中，本發明包括用于降低含汞材料如烴、石油化學品或精煉廠料流中的汞含量的系統。含汞材料可以為氣體形式或液體形式。系統包含復合脫除顆粒或者包含復合脫除顆粒的組合物，其中復合脫除顆粒包含載體顆粒和反應性顆粒，且其中復合脫除顆粒的反應性顆粒與含汞材料中的汞結合以形成帶汞復合脫除顆粒；和用于除去帶汞復合脫除顆粒的捕集器，由此降低含汞材料的汞含量。在系統的另一實施方案中，本發明包括用于降低含汞材料中的汞含量的系統，所述系統包含活性碳除汞材料，并且包含復合脫除顆粒或者包含復合脫除顆粒的組合物，其中復合脫除顆粒包含載體顆粒和反應性顆粒，且其中復合脫除顆粒的反應性顆粒與含汞材料中的汞結合以形成帶汞復合脫除顆粒，并且其中含汞材料中的汞吸附到活性炭的表面上以形成帶汞活性炭；和用于除去帶汞復合脫除顆粒和帶汞活性炭的捕集器，由此降低材料的汞含量。
[0017]載體顆粒可由金屬氧化物、氧化鐵(II)、氧化鐵(III)、混合鐵氧化物、氧化銅、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鎂、氧化鋪、氧化鉬、金屬氮化物、氮化鈦、氮化鉬、金屬碳化物、碳化鐵、碳化鈦、碳化鉬、碳、無機氧化物、無機氮化物、二氧化娃、碳化娃、混合金屬氧化物-氫氧化物、陶瓷、膨潤土或沸石制造。在一個實施方案中，載體顆粒由二氧化硅制造。在另一實施方案中，載體顆粒可由碳制造。在一個實施方案中，反應性顆粒可由材料如鋅、金、銀、錫、鎂、鉛、元素硫、砸、碲、鉑或鈀，或者其組合制造。在一個實施方案中，反應性顆粒由鋅制造。在另一實施方案中，反應性材料由金制造。
[0018]在另一實施方案中，載體顆粒的平均直徑為約250nm至約500 μπι。在另一實施方案中，載體顆粒的平均直徑為約500nm至約10 μπι。在另一實施方案中，反應性顆粒的平均直徑為約0.5nm至約lOOnm。在另一實施方案中，反應性顆粒的平均直徑為約Inm至約lOOnm。在另一實施方案中，反應性顆粒的平均直徑為約3nm至約20nm。
[0019]在系統的一個實施方案中，復合脫除顆粒為疏松本體復合脫除顆粒使用，并且作為疏松本體復合脫除顆粒使用。在系統的另一實施方案中，復合反應性顆粒附著在陶瓷或金屬結構上，并且作為附著在結構上而使用。在系統的另一實施方案中，陶瓷或金屬結構具有蜂窩狀結構。在系統的另一實施方案中，復合反應性顆粒通過洗涂層附著在陶瓷或金屬結構上。
[0020]在另一實施方案中，本發明包括降低含汞煙道氣的汞含量的方法，所述方法包括步驟:使煙道氣與復合脫除顆粒接觸，所述復合脫除顆粒包含載體顆粒和反應性顆粒，其中復合脫除顆粒的反應性顆粒與煙道氣中的汞結合以形成帶汞復合脫除顆粒；和將帶汞復合脫除顆粒從煙道氣中除去。在方法的一個實施方案中，使煙道氣與復合脫除顆粒接觸的步驟包括將復合脫除顆粒注入煙道氣中。在方法的另一實施方案中，使煙道氣與復合脫除顆粒接觸的步驟包括使煙道氣流過復合脫除顆粒附著于其上的載體。在方法的另一實施方案中，本發明包括復合脫除顆粒或者包含復合脫除顆粒的組合物與包含活性碳的除汞材料的用途。
[0021]在另一實施方案中，本發明包括降低含汞材料如天然氣、液化天然氣或其它燃料，或者含汞材料如烴、石油化學品或精煉廠料流的汞含量的方法，所述方法包括步驟:使含汞材料與復合脫除顆粒接觸，所述復合脫除顆粒包含載體顆粒和反應性顆粒，其中復合脫除顆粒的反應性顆粒與含汞材料中的汞結合以形成帶汞復合脫除顆粒；和將帶汞復合脫除顆粒從材料中除去。在方法的一個實施方案中，使含汞材料與復合脫除顆粒接觸的步驟包括將復合脫除顆粒注入含汞材料中。在方法的另一實施方案中，使含汞材料與復合脫除顆粒接觸的步驟包括使含汞材料流過復合脫除顆粒附著于其上的載體。在方法的另一實施方案中，本發明包括復合脫除顆粒或者包含復合脫除顆粒的組合物與包含活性碳的除汞材料的用途。
[0022]在一個實施方案中，本發明包括包含復合脫除顆粒的組，其中復合脫除顆粒包含載體顆粒和反應性顆粒，且其中該組包含足夠的復合脫除顆粒以從來自發電廠的煙道氣中，或者從含汞材料如天然氣、液化天然氣或其它燃料中，或者從含汞材料如烴、石油化學品或精煉廠料流中除去汞。該組可包含關于使用復合脫除顆粒除汞的說明書，例如印刷材料或計算機可讀材料。載體顆粒可由金屬氧化物、氧化鐵(II)、氧化鐵(III)、混合鐵氧化物、氧化銅、二氧化鈦、氧化鋁、氧化錳、氧化鈰、氧化鉬、金屬氮化物、氮化鈦、氮化鉬、金屬碳化物、碳化鐵、碳化鈦、