专利名称：用来从流体流中除去元素态的痕量污染物的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来从流体流中除去元素态的痕量污染物，例如元素态汞的方法和 系统。
背景技术：
有害污染物的排放由于会对人类健康造成危害，因此成为日益受到关注的环境 问题。例如，燃煤电厂以及医疗垃圾焚烧是与汞排放到大气中有关的人类活动的主要来 源。元素态汞及其变体，例如甲基汞，成为全球性的污染物。已报道，人体摄入元素态汞对肾脏和中枢神经系统(CNS)会造成急性的作用， 例如轻度的暂时性蛋白尿症，急性肾衰竭，震颤，应激性，失眠，失忆，神经肌肉变 化，头痛，感觉神经-运动神经功能减缓以及认知功能降低。严重摄入元素汞，会对胃 肠系统以及呼吸系统造成影响，引起胸口痛，呼吸困难，咳嗽，肺功能受损和间质性肺 炎。研究还表明，慢性接触元素态汞会给肾脏和CNS带来不利影响，包括兴奋增盛(兴 奋性提高)，应激性，过度胆怯，失眠，严重流涎，龈炎，震颤和使蛋白尿症发展。人类接触甲基汞的主要途径是通过饮食，例如通过吃鱼摄入。严重接触甲基汞 会造成CNS影响，例如致盲、致聋和意识水平降低。慢性接触甲基汞会导致一些症状， 例如感觉异常(皮肤有刺痛感)，视力模糊，不适，语言困难以及视野缩小。据估计，美国的燃煤电厂每年排放的汞高达48吨。一篇DOE-能源信息局年度 能源展望预计，随着利用燃煤发电能力的提高，用于发电的煤炭消耗将从2002年的9亿7 千6百万吨增加到2025年的14亿7千7百万吨。但是，对于燃煤发电厂，汞排放控制 条例并未严刻执行。一个主要的原因是缺乏能够以合理的成本有效进行控制，特别是对 元素态汞进行控制的技术。US 2007/0261557所揭示的活性炭蜂窝体可以用来以高去除水平除去痕量的污染 物，例如有毒的金属。这些活性炭蜂窝体还可以包含助催化剂，例如某些金属，金属化 合物，CaO，CaSO4, CaCO3, Al2O3, SiO2, ΚΙ, Fe2O3, CuO,沸石，高岭石，石灰，石
灰石，飞尘，硫，硫醇，黄铁矿，铝土矿，氧化锆，卤素和含卤素的化合物，以及硫和 含硫化合物。因此，例如，这些活性炭蜂窝体可以用来对元素态的有毒金属进行氧化， 也可以在相同材料中进行氧化的金属的吸附。但是，人们仍然需要设计用来从流体流中除去元素态的痕量污染物(例如汞)的 系统水平。对于这一点，吸附剂上存在的氧化催化剂有可能会堵塞孔，或者对痕量污染 物扩散到吸附基质中的路径造成不利影响，从而限制吸附剂能力。本发明人发现了一种新的系统水平的多段方法，用来氧化元素态的痕量污染物，将其收集在吸附剂中。所述方法和系统包括通过位于流通式整体件上的氧化催化 剂，对元素态的痕量污染物进行氧化，以及将氧化的痕量污染物吸附在不含氧化催化剂 的吸附剂上。吸附剂上没有氧化催化剂使吸附剂基质能保持清洁，可以用来吸附痕量的 污染物。所述两段在材料、设计和制造上可以是独立的。它们可以各自对性能、成本和 操作系统进行优化，并在系统水平组合在一起。附图简要说明可单独通过以下详述或以下详述以及附图来理解本发明。包括的附图提供了对 本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附示说 明了本发明的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来说明本发明的原理和操作。
图1显示了本发明的一个实施方式的实例系统，其包括互相接触的氧化段和吸 附段。图2显示了本发明的一个实施方式的实例系统，其包括隔开预定距离的氧化段 和吸附段。图3显示了本发明的一个实施方式的实例系统，其包括位于同一蜂窝整体件内 的氧化段和吸附段。图4显示了本发明的一个实施方式的实例系统，其包括隔开预定距离的氧化段 和吸附段，包括蜂窝整体件的层叠结构。本发明实施方式的描述本发明的一个实施方式涉及一种用来从流体流除去元素态的痕量污染物的方 法，所述方法包括使得包含元素态的痕量污染物的流体流流过包含氧化催化剂的流通式整体件， 使得所述元素态的痕量污染物氧化；以及使得所述包含氧化的痕量污染物的流体流与不含氧化催化剂的吸附剂接触，以 吸附所述氧化的痕量污染物。本发明的另一个实施方式涉及一种用来从流体流除去元素态的痕量污染物的系 统，所述系统包括流通式整体件，其包括氧化催化剂，该氧化催化剂用来对可流过所述流通式整 体件的流体流中的元素态的痕量污染物进行氧化；以及位于所述氧化催化剂下游的不含氧化催化剂的吸附剂，用来吸附被氧化催化剂
氧化的痕量污染物。在本文中通常将所述包含氧化催化剂的流通式整体件称为“氧化段”，但是应 当理解，元素态或氧化的痕量污染物可以被吸附在所述流通式整体件上，也可以未被吸 附在所述流通式整体件上。在本文中，通常将所述不含氧化催化剂的吸附剂称为“吸附 段”。通常将这两段的组合称为“多段”法。与在一种材料上同时进行氧化和吸附的方法相比，以上所述的实施方式可能采 用的多段法可具有一个或多个优点。例如，由于在吸附段没有氧化催化剂，可以改进其 吸附能力。还可以针对特定发电厂烟道气中典型的元素态/氧化的汞的比例，对氧化段 和吸附段进行单独的定制，以获得最佳的性能。单独优化的流通式整体件和吸附剂长度 或者体积总体来说可以为需要较少的材料创造条件，因此以单一产品几何结构的“一种尺寸适合于所有应用”的方法相比，可以使压降较低和成本较低。发电厂停机时期可能需要替换氧化段或吸附段，但是可能无需同时替换它们。 由于可以替换其中的一个，而不替换另一个，可以降低材料的需要量，从而可降低操作 成本，同时减少需要处理的材料。多段法还可以提供再生或重复利用方面的优点。关于 这一点，各段可以比单一基材的解决方案更有效地再生。多段法还可以为设备提供灵活性。由于已有的结构，发电厂可能优选在一个上 游位置安装氧化段，在不同的但是附近的下游位置，在拐弯处周围、在输送管上等处安 装吸附段。所述多段法还可能使各段的关键位置处于烟道气路径中的多个温度区域内， 使得各段各自能够更有效地操作。本发明可以用来从流体流中吸附任何元素态的痕量污染物。所述流体流可以为 气体或液体的形式。所述气体或液体还可以包含另一相，例如气流或液流中的固体微 粒，或者气流中的液滴。气流的例子包括燃烧烟道气(例如由烟煤和次烟煤或褐煤产生) 以及煤气化工艺产生的合成气流。元素态的痕量污染物占流体流的3重量％或更少，例如等于或小于2重量％， 或者等于或小于1重量％。元素的痕量污染物还可以包括例如流体流中等于或小于 10,000 μ g/m3的元素态污染物。示例性的痕量污染物包括金属元素，包括有毒的金属元素。示例性的有毒金属 元素包括镉，汞，铬，铅，钡和铍。在一个实施方式中，所述有毒金属是汞。其它的示 例性的金属元素态的痕量污染物包括镍，钴，钒，锌，铜，锰，锑，银和铊。另外的元 素态的痕量污染物包括砷和硒。所述元素态的痕量污染物可以处于可流过包含氧化催化剂的流通性整体件的任 意相中。因此，所述痕量污染物可以例如以气体流体流中的液体，或者液体流体流中的 液体的形式存在。或者，所述痕量污染物也可以以气体或液体流体流中的气相的形式存 在。在一个实施方式中，所述痕量污染物是燃烧烟道气流或合成气流中的汞蒸气。本发明的实施方式包括使得包含元素态的痕量污染物的流体流流过包含氧化催 化剂的流通性整体件，从而对所述痕量污染物进行氧化。在本发明中，元素态的痕量污 染物的氧化将污染物从元素态形式转化为氧化态。例如，在一个实施方式中，将元素态 汞(Hg。)转化为氧化态(Hg+或Hg2+)。氧化的汞的例子包括HgO和卤化的汞，例如 Hg2Cl2*HgCl2。因此，例如，金属的氧化态包括含有该金属的任意有机或无机化合物或 组合物。所述流通式整体件可以将所述氧化催化剂包含在整体件主体的任何合适的部分 中。在一个实施方式中，所述流通式整体件在整个流通式整体件中包含氧化催化剂，或 者至少在会接触流体流的整体件的整个表面上包括氧化催化剂。在其它的实施方式中， 所述流通式整体件在流通式整体件的一个或多个不同的部分中包含氧化催化剂。可以通 过以下方式在所述流通式整体件上提供所述氧化催化剂使得所述氧化催化剂存在于用 来形成所述流通式整体件的批料混合物中，或者可以(例如通过外涂层涂覆技术)将氧化 催化剂涂覆在已经形成的整体件上。所述包含氧化催化剂的流通式整体件可以为任何合适的形式，例如为蜂窝体整 体件。所述流通式整体件，例如蜂窝体整体件可以包含，例如包含氧化催化剂涂层的玻璃、玻璃-陶瓷、陶瓷、或者金属蜂窝体。氧化催化剂的例子包括金属元素，金属化合物，卤素和卤化化合物。例如，所 述氧化催化剂可以包含过渡金属或者过渡金属化合物。示例性的氧化催化剂包括Au， Pt, Pd, Cu，Ni，Ru，Rh, Ir，Co, Fe，Mn,以及包含这些元素的无机化合物或有机 化合物。在一些实施方式中，所述流通式整体件中包含氧化催化剂的部分不吸附或基本 不吸附氧化的痕量污染物。在其它的实施方式中，所述流通式整体件会吸附氧化的痕量 污染物。因此，将包含氧化催化剂的流通式整体件称作“氧化段”并不排除在包含氧化 催化剂的流通式整体件上氧化的痕量污染物会发生吸附。本发明的实施方式还包括使得所述包含氧化的痕量污染物的流体流与不含氧化 催化剂的吸附剂接触，以吸附所述氧化的痕量污染物。所述不含氧化催化剂的吸附剂还 可以吸附那些仍然残留在流体流中的元素态的痕量污染物。所述不含氧化催化剂的吸附 剂甚至还可以吸附流体流中在流过所述包含氧化催化剂的流通式整体件之前就已经存在 的氧化的痕量污染物。在本发明中，术语“吸附”、“被吸附”和“吸附的”表示用物理、化学、或 者同时用物理和化学的方法进行的痕量污染物的吸附、吸收或其它的截留。所述不含氧化催化剂的吸附剂可以由任何适合用来实施本发明的材料制成。例 如，所述吸附剂可以包含活性炭，可以为连续的活性炭主体的形式，在活性炭基质中可 以包含另外的材料，或者不含另外的材料。或者，所述不含氧化催化剂的吸附剂可以是 涂覆了活性炭的玻璃、玻璃-陶瓷、陶瓷、或金属主体。在任一情况下，活性炭材料可 以进一步包含硫和/或能够催化来自流体流的痕量污染物吸附的催化剂。所述硫和/或 催化剂可以存在于用来形成活性炭材料的批料混合物中，或者可以例如通过外涂层涂覆 技术涂覆在已经形成的材料上。对于这一点，术语“硫”表示元素态硫和任意氧化态的 硫，包括包含硫的化合物和组合物。所述不含氧化催化剂的吸附剂可以为任何适合用来实施本发明的形式。例如， 所述不含氧化催化剂的吸附剂可以是填充床，注入流体流内的微粒，或者不同于所述包 含氧化催化剂的流通式整体件的流通式整体件。示例性的流通式整体件包括，例如任何 包括通道或多孔网络的整体型结构，所述通道或多孔网络允许所述流体流流过所述整体 件。如上文所讨论，流通式整体件可以用于氧化段、吸附段，或者同时用于此两 段。对于两段均使用流通式整体件的情况，所述整体件的任意一种或多种物理性质和/ 或化学性质可以构造成不同的。例如，所述整体件可以具有不同的整体件结构，不同 的组成，对于蜂窝体的情况，可以具有例如不同的孔道密度，具有不同厚度的多孔通道 壁，或者具有不同的尺寸或截面几何形状的孔通道。示例性的蜂窝体的孔几何结构可以 包括圆形、正方形、三角形、矩形、六边形、正弦曲线形，或者它们的任意组合。还可 以确定蜂窝体的位置，使得蜂窝体的孔道互相偏移。这种构造可以促进流体流从一个蜂 窝体的孔道分流到另一个下游的蜂窝体的两条或更多条孔道中。图1显示了根据本发明一个实施方式的实例系统100。在此情况下，不含氧化催 化剂的流通式整体件106不同于包含氧化催化剂的流通式整体件104。流体流可以从系统102的入口端流入，通过系统108的出口端，从而对流体流中的元素态的痕量污染物进行 氧化，并吸附氧化的痕量污染物。在图1中，两个流通式整体件都是包括入口端、出口端、以及从所述入口端延 伸到出口端的多条孔道的蜂窝体形式，所述孔道由交叉的多孔孔道壁限定。各段中的蜂 窝体可以任选地包括一个或多个选择性堵塞的蜂窝体孔道端部，以提供壁流通式结构， 便于流体流和孔道壁之间能够更紧密地接触。在一些实施方式中，如图1所示，所述氧化段和吸附段都包括蜂窝体。在此情 况下，氧化段的蜂窝体的以下至少一种性质可以与吸附段的蜂窝体相同或不同蜂窝体 长度、孔道尺寸和孔道几何形状。在其它的实施方式中，仅有氧化段或吸附段包括蜂窝 体吸附剂。图2显示了根据本发明一个实施方式的另一个实例系统200。在此情况下，不含 氧化催化剂的流通式整体件吸附剂206与包含氧化催化剂的流通式整体件204隔开预定的 距离。流体流可以从系统202的入口端流入，通过系统208的出口端，从而对流体流中 的元素态的痕量污染物进行氧化，并吸附氧化的痕量污染物。在所述段之间可以采用预定的距离，例如使得流体流更大程度地混合，或者提 供用来设置汞浓度检测器或者去除飞尘的系统的空间。所述段之间的空间可以具有任意 的所需长度，例如6英寸至数英尺或更长。所述段之间的任意空间可以任选地包含其它的材料，例如填充层，用来提供以 下效果，例如附加的从流体流除去痕量污染物的作用，或者可以与流体流中的痕量污 染物发生化学相互作用。适合用于所述填充层的材料包括例如，活性炭粒料，飞尘，堇
青石，氧化铁或氧化铝。图3显示了根据本发明一个实施方式的另一个实例系统300。在此情况下，在同 一个蜂窝体整体件中包括沿蜂窝体304长度L1的氧化段以及沿蜂窝体304长度L2的吸附 段。流体流可以从系统302的入口端流入，通过系统306的出口端，从而对流体流中的 元素态的痕量污染物进行氧化，并吸附氧化的痕量污染物。最后，图4显示了根据本发明又一个实施方式的实例系统400。在此情况下，氧 化段404和吸附段406均为蜂窝体整体件的层叠结构，互相隔开一段预定的距离。流体 流可以从系统402的入口端流入，通过系统408的出口端，从而对流体流中的元素态的痕 量污染物进行氧化，并吸附氧化的痕量污染物。所述系统的氧化段和吸附段可以设置在适合实施本发明的任何环境中。例如， 所述一段或两段可以设置在输送流体流(例如燃烧烟道气或合成气)的输送管或者其它外 壳中。可以在任一区段上游或下游处，在流体流之内设置一个或多个其它的部件，例如 微粒收集器。例如，可以将静电除尘器设置在系统的上游。使用一段时间之后，在氧化段或不含氧化催化剂的吸附段内的流通式整体件会 被消耗，使得它们各自不再为痕量污染物提供所需程度的氧化或吸附效率。为此，可以 在系统之内的任意位置或者系统出口端处或出口端附近设置一个或多个痕量污染物检测 器或传感器，用来检测元素形式或氧化态的痕量污染物的含量。例如，可以将检测器设 置在氧化段的上游、氧化段下游-吸附段上游，以及/或者吸附段的下游。所述检测器 或传感器可以提供表明系统内任意给定位点或者系统出口端附近或出口端处的流体流内的痕量污染物(元素态和/或任意氧化态)的浓度的反馈值。在一个示例性的实施方式 中，合适的汞传感器可以是PS分析公司(PS Analytical，型号PSA10.680)或日本仪器公 司(Nippon Instruments，型号DM_6)制造的连续检测汞分析器。因此，当氧化段下游处流体流中元素态的痕量污染物的浓度超过预定水平的时 候，表明氧化效率等于或低于特定的标准，则可以对包含氧化催化剂的流通式整体件进 行替换。类似地，当系统出口处的氧化的痕量污染物的浓度超过预定水平的时候，表明 吸附效率等于或低于特定标准，则可以对不含氧化催化剂的吸附剂进行替换。应理解，虽然参照本发明的一些说明性实施方式描述了本发明，但是不应该认 为它们构成对本发明的限制，因为在不偏离所附权利要求书定义的本发明的广义精神和 范围的情况下，可以进行许多修改。
权利要求
1.一种用来从流体流除去元素态的痕量污染物的方法，所述方法包括使得包含元素态的痕量污染物的流体流流过包含氧化催化剂的流通式整体件，使得 所述元素态的痕量污染物氧化；以及使得所述包含氧化的痕量污染物的流体流与不含氧化催化剂的吸附剂接触，以吸附 所述氧化的痕量污染物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述元素态的痕量污染物选自镉、 汞、铬、铅、钡、铍、砷和硒。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述元素态的痕量污染物是汞。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体流选自煤燃烧烟道气和合成气流。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化催化剂包括金属元素、金属化合 物、卤素或卤化化合物。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述包含氧化催化剂的流通式整体件是蜂 窝体整体件。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述包含氧化催化剂的流通式整体件包 括具有氧化催化剂涂层的玻璃、玻璃-陶瓷、陶瓷或金属蜂窝体。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述包含氧化催化剂的流通式整体件的部 分基本上不吸附氧化的痕量污染物。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不含氧化催化剂的吸附剂是连续的活 性炭主体。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不含氧化催化剂的吸附剂是填充床。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不含氧化催化剂的吸附剂包括注入 流体流中的吸附剂微粒。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不含氧化催化剂的吸附剂是不同于 所述包含氧化催化剂的流通式整体件的流通式整体件。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述不含氧化催化剂的流通式整体件吸 附剂与所述包含氧化催化剂的流通式整体件隔开预定的距离。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述不含氧化催化剂的流通式整体件吸 附剂与所述包含氧化催化剂的流通式整体件连接或者接触。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述不含氧化催化剂的流通式整体件吸 附剂是蜂窝体整体件。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述不含氧化催化剂的流通式整体件吸 附剂是蜂窝体整体件并且其以下性质中的至少一种不同于所述包含氧化催化剂的流通式 整体件，所述包含氧化催化剂的流通式整体件也是蜂窝体整体件蜂窝体长度，孔道尺 寸和孔道几何结构。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不含氧化催化剂的吸附剂位于包含 氧化催化剂的相同流通式整体件的下游部分内。
18.一种用来从流体流除去元素态的痕量污染物的系统，所述系统包括流通式整体件，其包括氧化催化剂，该氧化催化剂用来对可流过所述流通式整体件 的流体流中的元素态的痕量污染物进行氧化；以及位于所述氧化催化剂下游的不含氧化催化剂的吸附剂，用来吸附被氧化催化剂氧化 的痕量污染物。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述不含氧化催化剂的吸附剂是不同于 所述包含氧化催化剂的流通式整体件的流通式整体件。
20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述不含氧化催化剂的吸附剂位于包含 氧化催化剂的相同流通式整体件的下游部分内。
21.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述包含氧化催化剂的流通式整体件的 部分基本上没有吸附氧化的痕量污染物的能力。
全文摘要
本发明揭示了一种用来从流体流除去元素态的痕量污染物的方法，所述方法包括使得包含元素态的痕量污染物的流体流流过包含氧化催化剂的流通式整体件，使得所述元素态的痕量污染物氧化；以及使得所述包含氧化的痕量污染物的流体流与不含氧化催化剂的吸附剂接触，以吸附所述氧化的痕量污染物。
文档编号B01D53/04GK102015067SQ200980115760
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月1日 优先权日2008年4月2日
发明者T·M·韦瑟里尔 申请人:康宁股份有限公司