CN103958030A - 用于从烟道气中快速除汞的多官能组合物 - Google Patents

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Abstract

可用于注入到烟道气流中以从所述烟道气流中除去汞的物质的多官能组合物。物质的多官能组合物可以包括吸附剂(如粉末活性炭)，以及提高汞物类氧化的氧化反应动力学的其它材料，以及用于提高汞物类的质量扩散动力学的材料。物质的多官能组合物尤其可用于具有较高含量卤素(如氯)的烟道气流的处理。

Description

用于从烟道气中快速除汞的多官能组合物
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 ProtectionAgency(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 carboninjection)。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。
在一种示例性的实施方式中，提供了物质的多官能组合物。物质的多官能组合物可以包括至少约20wt.％且不多于50wt.％的矿物、至少约20wt.％且不多于约80wt.％的固定炭、和至少约3wt.％且不多于约15wt.％的基于水的溶解介质(solubilizing medium)。物质的多官能组合物可以具有小的平均粒度，如不大于约15μm的中值平均粒度。
在一方面，物质的多官能组合物可以包括至少约25wt.％的矿物。矿物可以包括选自含钙矿物、含钾矿物、含铁矿物、含硅矿物、含硅酸盐矿物、含钠矿物、含锡矿物、含锌矿物、含镁矿物、含铝硅酸盐矿物及其组合的矿物。在一方面，矿物包括氧化物矿物，在一种具体的方面，矿物包括至少约1wt.％的含铁矿物。
在另一方面，物质的多官能组合物可以包含不多于约12wt.％的用于溶解汞物类的基于水的溶解介质，例如不多于约10wt.％的基于水的溶解介质。例如，基于水的溶解介质可以基本上由水组成。在进一步的方面，物质的多官能组合物包含少量卤素(如，Br或Cl)或不含卤素，在一种实施方式中，物质的多官能组合物包含不多于约1wt.％的卤素。
在另一方面，物质的多官能组合物的中值平均粒度可以为至少约8μm且不大于约12μm。在另一方面，物质的多官能组合物的哈氏可磨性系数可以为至少约90，如哈氏可磨性系数(HGI)为至少约100。
如上所指出，物质的多官能组合物可以具有控制良好的物理性质，如颗粒密度、平均孔尺寸和孔尺寸分布。在一方面，物质的多官能组合物的汞颗粒密度为至少约0.5g/cc且不大于约0.9g/cc。在另一方面，物质的多官能组合物的包封颗粒密度(envelope particle density)为至少约0.5g/cc且不大于约1.0g/cc。
孔体积和孔尺寸分布也可以是控制良好的。将本申请所使用的孔体积表示为每克多官能组合物中炭吸附剂的孔体积。因此，在一方面，在组合物中炭吸附剂的总孔体积为至少约0.25cc/g。在另一方面，活性炭吸附剂的介孔体积为至少约0.1cc/g。在又一进一步的方面，活性炭吸附剂的微孔体积为至少约0.1cc/g。例如，活性炭吸附剂的介孔体积可以为至少约0.10cc/g且不大于约0.15cc/g，而活性炭吸附剂的微孔体积可以为至少约0.10cc/g且不大于约0.15cc/g。
可以将物质的多官能组合物注入到烟道气流中，以有效地从烟道气流中除去汞从而满足政府的法规，而同时对作为水泥替代物出售的从烟道气流中移出的多官能组合物和飞灰的混合物的能力不具有显著的不利影响。在这点上，例如在使用从烟道气流中回收的混合物作为水泥替代物来生产混凝土期间，有利的是所述物质的多官能组合物可以吸附不多于约1mg的加气剂(airentrainment agent)每1g的多官能组合物。在另一方面，物质的多官能组合物适合于与包括加气剂和水的水泥组合物共混，其中共混物的泡沫体稳定时间不多于约45分钟，如不多于约30分钟。本申请所使用的泡沫体稳定时间是直至初始稳定的泡沫体不再需要加气剂来保持稳定的时间量。
本申请中还披露了处理烟道气流以从其中除去汞的方法，其包括根据本申请所披露的实施方式和方面使烟道气流与物质的多官能组合物接触的步骤。在一方面，处理烟道气流以从其中除去汞的方法包括使烟道气流与物质的多官能组合物接触不超过约5秒，如不超过约1秒。烟道气流可以包含在锅炉中燃烧进料的燃烧期间原位形成的卤素(例如，Cl和/或Br)和/或注入到(例如在物质多官能组合物的上游注入到)烟道气流中的卤素(例如，Cl和/或Br)。有利的是可以在静电沉降器(ESP)或织物滤袋集尘室中使物质的多官能组合物与飞灰一起从烟道气流中分离。
附图说明
图1说明了物质的多官能组合物的示意图。
图2说明了生产物质的多组分组合物的流程图。
图3说明了用于捕获和隔离来自烟道气流中的汞的工厂布局和方法。
具体实施方式
提供物质的多官能组合物的多种实施方式，所述物质的多官能组合物在注入到流体气流如烟道气流(例如来自燃煤锅炉或余能锅炉)中时尤其可用于快速有效地从烟道气流中捕获和除去汞。在这点上，有利的是物质的多官能组合物包括若干不同的组分，所述组分可以协同地(1)增加与在烟道气中的汞物类接触的概率，(2)减少汞氧化和捕获所需的时间(例如，作为提高的氧化反应动力学和/或质量扩散动力学的结果)，和(3)有利地减少为了回收足够量的汞以满足汞的移除标准(如可适用的政府法规)而必须注入的材料的总量。此外，当在汞捕获(如，在静电沉降器或织物滤袋集尘室中)之后从烟道气流中移出物质的多官能组合物以及来自锅炉的飞灰时，物质的多官能组合物可以与该飞灰一起用作在生产混凝土或类似水泥产品中的可接受的水泥替代物。
在这点上，物质的组合物是物质的多官能组合物。即，物质的组合物有利地包括若干不同的组分，所述组分协同地可减少从烟道气流中氧化和捕获汞(例如，提高氧化反应动力学和/或质量扩散动力学)所需的时间和可有利地减少必须注入到烟道气流中用以回收足够量的汞来满足可适用政府法规的吸附剂(例如，粉末活性炭吸附剂)的总量。
在这点上，物质的多官能组合物可以包括促进(例如，催化)通过氧化剂(例如，在烟道气流中含有的氧化剂)进行的汞单质氧化的矿物、用于溶解氧化的汞和提高质量扩散动力学的基于水的溶解介质(如水)、和具有控制良好的孔尺寸和孔尺寸分布的吸附剂(如粉末活性炭)，所述吸附剂用于提供大表面积(两种动力学机制发生于其上)以及提供足够的隔离氧化的汞的微孔率。物质的多官能组合物还可以具有较小的中值平均粒度，即，与用于注入到烟道气流中的典型吸附剂组合物相比。
因此，物质的多官能组合物的一个组分包括矿物。矿物可以有利地催化在烟道气流中汞单质的氧化。因而这些矿物的存在可以提高汞氧化的动力学，使得为了从烟道气流中氧化和移出足够量的汞而所需的与烟道气流接触的时间减少。
矿物可以有利地包括如下所述的矿物：所述矿物包括但不限于含铝矿物、含钙矿物、含铁矿物、含硅矿物、含硅酸盐矿物、含钠矿物、含钾矿物、含锌矿物、含锡矿物、含镁矿物及其组合。矿物可以主要是基于氧化物的矿物，如金属氧化物矿物(例如，CaO、Fe2O3、Fe3O4、FeO、Al2O3)和硅酸盐(例如，Al2SiO5)。在一种表征中，矿物主要包括金属氧化物，尤其是氧化铝和铁氧化物。在另一表征中，矿物包括含钙矿物、含铁矿物和铝硅酸盐。这些类型的矿物尤其良好地适合于催化汞的氧化反应。含铁的矿物尤其良好地适合于催化该氧化反应，在一种表征中，矿物包括至少1wt.％的含铁矿物。在促进汞的氧化、捕获和移除的控制良好的多孔结构内，矿物紧密地缠结于物质的多官能组合物之中。为了提供足够的反应活性和快速的氧化动力学，物质的多官能组合物可以包括至少约20wt.％的矿物，如至少25wt.％的和甚至至少约30wt.％的矿物。然而，在物质的多官能组合物中过量的矿物可能对于汞的捕获是不利的。在这点上，物质的多官能组合物可以包括不多于约50wt.％的矿物，如不多于约45wt.％。有利的是物质的多官能组合物可以包括不多于约40wt.％的矿物，如不多于约35wt.％的矿物。可以通过TGA701热重分析仪(LECO公司,St.Joseph,MI)测定总矿物含量。可以通过NitonXL3t X-射线荧光(XRF)分析仪(Thermo Fisher Scientific Inc.,Waltham,MA)测定特定矿物的具体类型和用量。
此外，物质的多官能组合物还可以包括一定量的基于水的溶解介质(如水)。通过使氧化的汞物类溶解在吸附剂表面上(例如在介孔和微孔内)，最低水平的溶解介质的存在可以有利地提高汞氧化和隔离的质量扩散动力学。在这点上，物质的多官能组合物可以包括至少约2wt.％的溶解介质，如至少约3wt.％或至少约6wt.％。然而，在物质的多官能组合物中溶解介质的量应不多于约15wt.％，如不多于约12wt.％，或甚至不多于约10wt.％，以避免干扰汞氧化反应。
物质的多官能组合物还包括适合于为汞氧化提供大表面积以及适合于从烟道气流中隔离氧化的汞的吸附剂。在一方面，吸附剂可以包括具有高表面积和控制良好的孔结构的固定炭，如多孔碳材料(例如，粉末活性炭)。
多官能组合物可以包括至少约10wt.％的固定炭，如至少约15wt.％或甚至至少约20wt.％的固定炭。然而，优选多官能组合物的固定炭不超过约80wt.％，如不多于约6wt.％，或甚至不多于约55wt.％。由于控制良好的孔结构和在多官能组合物中存在其它组分，所以需要较低量的固定炭(例如，活性炭)用于汞氧化和隔离，例如，与典型的吸附剂组合物相比，每单位体积的烟道气流需要低用量的活性炭。
为了进一步提高氧化反应动力学和质量扩散动力学，尤其与用于活性炭注入的典型吸附剂组合物相比，物质的多官能组合物可以具有较小的平均粒度(例如，中值平均粒度，在本领域中也称为d50)。在这点上，物质的多官能组合物的中值平均粒度可以为不大于约18μm，如不大于约15μm，甚至不大于约12μm。在另一方面，物质的多官能组合物的中值平均粒度可以为至少约5μm，如至少约6μm或甚至至少约8μm。可以使用诸如光散射技术(例如，使用Saturn DigiSizer，得自Micromeritics Instrument Corporation,Norcross,GA)等技术来测量中值平均粒度。较小的中值粒度(如不大于约15μm)意味着每体积物质的多官能组合物具有较大的表面积。增加的表面积导致了多个好处，包括但不限于增加的汞在矿物中的暴露、增加的可用于发生反应的面积和因而改进的整个反应动力学。
物质的多官能组合物的特征还可以在于具有控制良好的颗粒密度。控制颗粒密度与对物质的组合物的表面积和总孔体积的控制有关，它们继而影响汞捕获性能。测量颗粒密度的两种方法如下所述。
可以通过液态汞体积置换(volume displacement)来测量颗粒密度，在该情况中将结果称为汞颗粒密度。在这点上，物质的多官能组合物的汞颗粒密度可以为至少约0.5g/cc，如至少约0.6g/cc。相反地，物质的多官能组合物的汞颗粒密度可以不大于约0.9g/cc，如不大于约0.8g/cc。可以通过Micromeritics AccuPyc Pycnometer(Micromeritics Inc.,Norcross,GA,USA)测量汞颗粒密度。
还可以通过沉淀体积置换来测量颗粒密度，在该情况中将结果称为包封颗粒密度。在这点上，物质的多官能组合物的包封颗粒密度可以为至少约0.5g/cc，如至少约0.6g/cc或至少约0.7g/cc。物质的多官能组合物的包封颗粒密度可以为不大于约1.0g/cc，如不大于约0.9g/cc，或甚至不大于约0.8g/cc。可以使用Micromeritics GeoPyc包封密度分析仪(Micrometrics,Inc.,Norcross,GA,USA)来测量包封颗粒密度。
物质的多官能组合物还可以具有高孔体积和控制良好的孔分布，尤其是在介孔(即，20至500宽度)和微孔(即，不大于20宽度)当中。已发现对于汞从烟道气流中的有效移除，控制良好的微孔和介孔的分布是合乎期望的。在这点上，尽管不意图受任何理论约束，但是认为相对于微孔，介孔是捕获和运输氧化的汞物类的主要结构，然而微孔是用于隔离氧化的汞物类的主要结构。
在这点上，物质的多官能组合物的微孔体积加上介孔体积的总和(例如，总孔体积)可以为至少约0.10cc/g，如至少0.20cc/g，和至少约0.25cc/g或甚至至少约0.30cc/g。物质的多官能组合物的微孔体积可以为至少约0.10cc/g，如至少约0.15cc/g。此外，物质的多官能组合物的介孔体积可以为至少约0.10cc/g，如至少约0.15cc/g。在一种表征中，微孔体积与介孔体积的比例可以为至少约0.7，如至少约0.9，且可以不大于约1.5。微孔体积相对于介孔体积的所述水平有利地能够实现物质的多官能组合物对氧化的汞物类(如HgCl2或HgBr2)的有效捕获和隔离。可以使用气体吸附技术(例如，N2吸附)利用诸如TriStar II表面积分析仪(Micromeritics Instruments公司，Norcross,GA,USA)的仪器来测量孔体积。
尽管不意图受任何特定理论约束，但是图1示意性地说明了认为是造成使用本申请所述的物质的多官能组合物从烟道气流中快速氧化和隔离汞的原因的机理。固定炭102为汞单质110提供了大表面积来与矿物106和物质的多官能组合物100的其它组分在卤素108(如Cl-)的存在下反应。与在表面上或在表面附近的其它氧化剂紧密靠近的矿物106有利地催化、氧化、提高、和/或以其它方式促进汞的氧化和氧化的汞物类112(如Hg2+)的形成，所述氧化的汞物类112可以与卤素键合，从而形成该物类114，例如HgCl2。对于物质的多官能组合物，基于水的溶解介质(如，水116)的存在促进了氧化还原活性，在孔结构104之内的这些汞物类114的传输，和在孔104之内这些汞物类114的溶解，以将汞物类114隔离在其中。因此，提高了汞氧化动力学和质量扩散动力学，从而使得物质的多官能组合物100能够快速有效地氧化和隔离汞。
因此，固定炭102为汞单质提供大表面积来与卤素(如Cl-)反应。例如当供给到锅炉中的燃烧进料包括氯物类时，可以在烟道气流中原位提供卤素。该燃烧进料的实例包括烟煤(例如，来自美国东部区域的煤)和全部或部分地包含生物质的燃烧进料。例如当在多官能组合物的注入点的附近或上游将含卤素的化合物(例如，溴盐溶液)注入到烟道气流中时，还可以非原位地将卤素加入到烟道气流中。物质的多官能组合物还可以包括少量的卤素(例如，卤素盐或其它卤素部分)，如不多于约1wt.％。
在任何情况下，氧化反应均通过矿物得到催化，所述矿物与在碳颗粒表面之上或附近的氧化剂紧密靠近。这些矿物有利地催化了汞的氧化和氧化的汞物类(如一种或多种卤化汞物类)的形成。水(H2O)的存在促进了在孔(例如，微孔)内这些汞物类的传输和这些汞物类的溶解，以将汞物类隔离在其中。因此，提高了汞氧化动力学和质量扩散动力学，从而使得通过活性炭能够快速氧化和隔离汞。
图2是说明根据一种实施方式制备物质的多官能组合物的示例性方法的流程图。制备过程从碳质原料201(如低阶褐煤，其具有较高含量的自然(native)矿物的天然沉淀)开始。在制备过程中，使该原料在放热条件下经受升高的温度和一种或多种氧化性气体一段时间，所述一段时间足以增加表面积、产生孔隙、改变表面化学和使先前包含在原料内的自然矿物暴露和片状脱落。在该过程中的具体步骤包括：(1)脱水202，其中加热原料以除去自由水和结合水，通常发生在100℃至150℃的温度；(2)脱挥处理203，其中除去自由的挥发性有机成分和弱键合的挥发性有机成分，通常发生在高于150℃的温度；(3)碳化204，其中继续除去非碳元素，浓缩碳单质，并且将碳单质转变成无规无定形结构，通常发生在约350℃至约800℃的温度；和(4)活化205，其中加入蒸汽、空气或其它氧化剂并且形成孔，通常发生在高于800℃的温度。可以例如在多膛(multi-hearth)炉或回转炉中实施制备过程。该制备过程不是分离的，各步骤可以重叠和使用在各步骤范围内的多种温度、气体和保留时间，以促进得到所制备产物的期望的表面化学和物理特性。
在活化205之后，可以使产物经受粉碎步骤206，以减小活化产物的粒度(例如，减小中值粒度)。粉碎206可以发生在例如碾磨机(mill)(如辊磨机(roll mill)、喷磨机(jet mill))或其它类似工艺中。可以进行粉碎206一段时间，所述时间足以使热处理的产物的中值粒度减小到不大于约15μm，如不大于约12μm。
有利的是物质的多官能组合物可以具有较高的哈氏可磨性系数(HGI)，其通过ASTM方法D409测量。研究HGI，从而在经验上测定将煤研磨为在煤锅炉中完全燃烧所必需的粒度的相对难度。已将HGI的使用扩展到研磨用于其它用途(如炼铁、水泥生产和用煤的化学工业)的煤。与具有高HGI值的那些粒料相比，低HGI值的粒料较难进行研磨。当研磨具有较低HGI的材料时，碾磨能力(mill capacity)也下降。在这点上，物质的多官能组合物的HGI可以为至少约80，如至少约90、至少约100或甚至至少约110。较高的HGI能够在较低能耗的情况下减小平均粒度。此外，与具有低HGI的较硬材料相比，物质的多官能组合物的较软材料将导致粉碎设备的腐蚀(例如，磨损)的减少。尽管不意图受任何理论约束，但是已观察到使用褐煤物质原料将导致较高的HGI。
在另一实施方式中，提供了处理烟道气流以从其中除去汞的方法，其包括了使烟道气流与本申请所述的物质的多官能组合物接触的步骤。烟道气流301离开锅炉302，在此煤已燃烧。如图3中所示，随后烟道气流301可以进入空气加热器单元304，在此烟道气流301的温度降低。此后，可以将烟道气流301引入分离单元307(例如静电沉降器(ESP)或织物滤袋集尘室)中，所述分离单元307在烟道气离开烟囱308之前从烟道气中移出颗粒物。例如，可以使用冷侧(即在空气加热器单元之后)静电沉降器。那些本领域技术人员将认识到该工厂可以包括图3中未示出的其它装置，如选择性催化还原单元(SCR)等，且可以具有多种其它构造。为了从烟道气中捕获汞，可以将物质的多官能组合物引入到(例如，注入到)烟道气流301中，该步骤可以在303A空气加热器单元304之前或在303B空气加热器单元304之后，但在将会从烟道气中将它移出的分离单元307之前。
有利地，物质的多官能组合物的性质可以使得相对于典型的吸附剂组合物，注入到烟道气流中以获得高的汞移除率的物质的多官能组合物的用量减少。从烟道气流中移除汞所需的物质的多官能组合物的用量根据煤的组成和处理排放控制步骤而变化。因此，有利的是，将从在锅炉中燃烧的燃料或煤中移除的汞的百分比定义为以汞的磅数每万亿BTU的燃料量热热值(lbHg/Tbtu)计的从煤中移除的百分比，根据US EPA MATS方法在工厂的烟囱308处测得。在注入较少的吸附剂材料的同时捕获高水平的汞的能力可以有利地为发电厂经营者减少材料成本。
尽管分离单元307可以选自多种装置，包括ESP或织物滤袋集尘室，但是当将ESP用作分离单元307时，本申请所述的物质的多官能组合物尤其可用于从烟道气流301中移除汞。例如，分离单元307可以是冷侧ESP。尽管ESP单元通常具有低于织物滤袋集尘室单元的资本成本，但是常常使用织物滤袋集尘室单元来增加吸附剂组合物和烟道气流之间的接触时间，这是因为该单元捕集吸附剂，烟道气继续穿过在过滤器上的吸附剂，直至敲打过滤器以除去吸附剂和其它所捕集的材料。该保留时间常认为是在低于约177℃的温度从烟道气流中充分捕获汞所必需的。然而，在使用本申请所述的物质的多官能组合物时(所述物质的多官能组合物提供了快速的汞物类的氧化反应动力学和质量扩散动力学)，甚至非常短的在烟道气流和物质的多官能组合物之间的保留时间(例如，接触时间)可足以从烟道气流中除去至少约85％的汞，如至少约90％的汞。在这点上，保留时间可不多于约5秒(如不多于约3秒或甚至不多于约1秒)而同时达到该移除率。
如前所述，分离单元307将物质的多官能组合物连同飞灰一起从烟道气流中分离出，所述飞灰是由锅炉中煤的燃烧产生的。通过将混合物306与包括加气剂的水泥组合物共混，该混合物306可以有利地用于水泥材料(如混凝土)的生产中。在这点上，尽管不意图受任何理论约束，但是认为由于在物质的多官能组合物中含有较少量的固定炭，所以物质的多官能组合物吸附的加气剂的量相较于典型的吸附剂组合物有所减少。因此，与飞灰一起回收的物质的多官能组合物可以与水泥组合物进行共混，以与典型的吸附剂组合物相比，制造出较高品质的水泥。
具体地，在混凝土生产期间，将加气剂(例如，表面活性剂)添加到混合物中，以将空气夹带到混凝土中形成稳定的泡沫体，所述稳定的泡沫体对于混凝土强度是必需的。在加气剂的引入时，混泥土生产商优选泡沫体在较短时间内(例如，少于约30分钟内)稳定。对于在预拌的混凝土中的使用，该短时间的设计是尤其重要的。然而，大多数含有常规吸附剂的飞灰混合物既需要高浓度的加气剂(由于吸附剂争夺加气剂)，又导致泡沫体随时间不稳定。
在这点上，特殊的优势在于物质的多官能组合物可以吸附不多于800份的加气剂每百万份的物质的多官能组合物，例如不多于750份的加气剂每百万份的物质的多官能组合物(基于重量)。由于物质的多官能组合物吸附较少量的加气剂，所以较多的加气剂可用于将空气夹带到混凝土混合物中，并且使泡沫体稳定时间减少到不多于30分钟，例如不多于10分钟。此外，由于物质的多官能组合物的协同效应，与典型的吸附剂组合物相比，可以将用量减少的活性炭注入到烟道气流中以除去汞，这导致了从分离装置307中与混合物306一起提取得到的固定炭的量减少。
在锅炉302中燃烧的燃烧进料可以包括较高的氯含量，如至少约250ppm Cl、至少约500ppm Cl、或甚至至少约750ppm Cl。这种燃烧进料的实例可以包括但不限于烟煤和生物质进料。高氯的燃烧进料可以有利地在烟道气流内原位形成氧化剂(如，Cl)。可替换地，或作为补充，可以在例如注入物质的多官能组合物的上游将氧化剂(例如，溴盐溶液)非原位地注入到烟道气流中。
尽管已详细描述了本发明的多种实施方式，但是显而易见的是，那些本领域技术人员将想到那些实施方式的变型和修改。然而，应明确理解的是这些变型和修改是在本发明的实质和范围之内的。

Claims (27)

1.物质的多官能组合物，所述物质的组合物包含至少约20wt.％且不多于约50wt.％的矿物、至少约20wt.％且不多于约80wt.％的固定炭、和至少约3wt.％且不多于约15wt.％的基于水的溶解介质，其中所述物质的多官能组合物的中值平均粒度不大于约15μm。
2.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物包含至少约25wt.％的矿物。
3.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述矿物包括选自含钙矿物、含钾矿物、含铁矿物、含硅矿物、含硅酸盐矿物、含钠矿物、含锡矿物、含锌矿物、含镁矿物、含铝硅酸盐矿物及其组合的矿物。
4.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述矿物包括氧化物矿物。
5.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述矿物包括至少约1wt.％的含铁矿物。
6.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物包括不多于约1wt.％的卤素。
7.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物包括不多于约12wt.％的基于水的溶解介质。
8.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物包括不多于约10wt.％的基于水的溶解介质。
9.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的中值平均粒度为至少约8μm且不大于约12μm。
10.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的哈氏可磨性系数为至少约90。
11.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的哈氏可磨性系数为至少约100。
12.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的汞颗粒密度为至少约0.5g/cc且不大于约0.9g/cc。
13.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的包封颗粒密度为至少约0.5g/cc且不大于约1.0g/cc。
14.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述活性炭吸附剂的总孔体积为至少约0.25cc/g。
15.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述活性炭吸附剂的介孔体积为至少约0.1cc/g。
16.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述活性炭吸附剂的微孔体积为至少约0.1cc/g。
17.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述活性炭吸附剂的介孔体积为至少约0.10cc/g且不大于约0.15cc/g，所述活性炭吸附剂的微孔体积为至少约0.10cc/g且不大于约0.15cc/g。
18.权利要求1的物质的多官能组合物，其中每1g的所述多官能组合物中所述物质的多官能组合物吸附不多于约1mg的加气剂。
19.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物适合于与包括加气剂和水的水泥组合物共混，其中共混物的泡沫体稳定时间不多于约30分钟。
20.处理烟道气流以从其中除去汞的方法，所述方法包括使所述烟道气流与前述权利要求中任一项的物质的多官能组合物接触的步骤。
21.权利要求20的方法，其包括使所述烟道气流与所述物质的多官能组合物接触的步骤进行不超过约5秒。
22.权利要求20的方法，其包括使所述烟道气流与所述物质的多官能组合物接触的步骤进行不超过约1秒。
23.权利要求20的方法，其中所述烟道气流包含卤素。
24.权利要求20的方法，其中所述烟道气流包含至少约百万分之250份的氯。
25.权利要求23的方法，其中所述卤素是在锅炉中燃烧进料期间原位形成的。
26.权利要求23的方法，其中在所述烟道气流离开锅炉之后，将至少一部分所述卤素注入所述烟道气流中。
27.权利要求20的方法，其中在静电沉降器或织物滤袋集尘室中使所述物质的多官能组合物与所述烟道气流分离。
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