隔离污染物的间接法和直接法

具体实施方式

本发明的实施方案一般来说涉及用于隔离燃烧过程例如燃煤装置的二氧化碳的方法。特别地，本发明涉及通过使用高的传质系统和高效的pH摆动反应来实现超过现有无机碳酸化法的性能的显著提升。

实施方案涉及创新的碳捕集和隔离系统，其能够解决CO₂无机碳酸化的技术、能量和经济可行性的问题，并提供对隔离CO₂的有益利用。在本发明的实施方案中，使用了例如于2009年7月6日提交的US专利申请号12/459,685(名称为“Gas Liquid Contactor and Effluent Cleaning System and Method”)所描述的高性能质量传递系统，在此如该本文所充分说明的将通过引入结合在此。与传统的捕集系统相比，该具有新碳酸化系统的气液接触器的尺寸小约三十倍，其成本少约60％。

本发明的一个实施方案涉及直接的隔离生产流程。该直接的隔离生产流程允许在一个步骤中隔离二氧化碳，例如通过用气液接触器使碱性材料的含水浆料与含有CO₂的烟道气接触，从而形成碳酸钙或碳酸镁。

本发明的另一个实施方案涉及一种隔离气相的方法，包括形成多个基本上平面的液体射流，每个所述的液体射流包含平面的含水浆料溶液层，且多个液体射流以基本上平行的平面排列。可以提供气相分子，至少部分气相分子可通过气相分子与含水浆料之间的传质相互作用而被矿物化。

隔离在气液接触器内进行。使用2009年7月6日提交的US专利申请12/459,685的所描述的气液接触器，其名称为“gas liquid contactor and Effluent Cleaning System and Method”，如本文所充分说明的通过引用将其结合在此。在本发明的实施方案中，气相分子包括燃烧气、烟道气、二氧化碳及它们的组合。在优选实施方案中，气相分子包括待隔离的二氧化碳。

在本发明的实施方案中，含水浆料可以包括固体材料和水。固体材料包括碱性材料如硅酸盐和/或工业废料碱性材料。硅酸盐可以是硅酸钙/硅酸镁，例如橄榄石、硅灰石和蛇纹石硅酸盐及它们的组合。工业废料碱性材料可以包括钢渣、水泥窑灰尘、飞灰中的至少一种，及它们的组合。在优选的实施方案中，该含水溶液包含约5重量％-约10重量％的Ca(OH)₂。固体可以在约1重量％到约20重量％的范围内。

在优选的实施方案中，含水溶液还包括用于CO₂吸收的促进剂如胺。胺可以包括单乙醇胺、1，4-哌嗪二乙醇、哌嗪、羟乙基哌嗪及本领域已知的可与二氧化碳进行快速反应的其它胺。

在优选的实施方案中，含水溶液可以包括防腐蚀剂和消泡剂。防腐蚀剂可以包括偏钒酸钠(NaVO₃)和碳酸铜(CuCO₃)。消泡剂可以包括基于硅化合物的消泡剂，其包括聚二甲基硅氧烷、疏水的二氧化硅、硅酮二醇及其它硅油。

在本发明的实施方案中，该气液接触器还可以包括如2009年7月6日提交的名称为“Gas Liquid contactor and Effluent Cleaning System and Method”的US专利申请12/459,685所描述的多个操作组件，如本文中所充分说明的将其引入结合在此。

当形成均匀间隔的水平(flat)液体射流阵列时，该方法包括在约2psig-约25psig的液体正压室压力下形成水平液体射流。该水平液体射流包括在该阵列中的至少一个宽度大于约1cm的水平液体射流。在该阵列中，至少一个水平液体射流包括约5cm-约15cm的宽度、约10μm到约250μm的厚度、约5cm到约30cm的长度，并且在该阵列中至少一个水平液体射流具有小于15m/sec的速度。

在优选的实施方案中，在温和条件下的直接碳酸化是将CO₂转换成固体碳酸盐的优选方式。整个碳酸化反应是：

Ca(OH)₂+CO₂→CaCO₃+H₂O    R1

Mg(OH)₂+CO₂→MgCO₃+H₂O    R2

使用如US专利申请第12/459,685号(于2009年7月6日提交的名称为“gas liquid contactor and Effluent Cleaning System and Method”，在此如本文所充分说明的通过引用将其结合在此)所述的气液接触器，使包含氢氧化镁或钢渣固体的含水浆料与烟道气接触。在该实施方案中，接触器的直接碳酸化可提供两个明显的优点。第一个优点是液体的恒定搅拌，其会促进固体的溶解速度。第二个优点是高的表面再生/更新率，这会增加CO₂捕集的速度。

在三个步骤中进行碳酸化，第一个步骤是溶解固体：

Mg(OH)₂→Mg²⁺+2OH^-    R3

在该实施方案中，氢氧化镁基本上被溶解。在溶解产生了氢氧离子之后，这些离子与从烟道气捕集的CO₂反应：

CO₂+OH^-→HCO₃^-        R4

在将CO₂转变为碳酸氢盐离子以及随后转变为碳酸盐离子之后，碳酸盐离子与金属离子起反应，形成固体碳酸盐，例如以下反应所示：

Mg²⁺+CO₃^2-→MgCO₃     R5

在碳酸盐方法中，所涉及的有比R3-R5所表示的更多的反应和物质，但是为了继续讨论，不包括简单的那些附加反应和物质。如上所述，本发明的气液接触器改善了R3和R4过程的速度。

在一个实施方案中，溶解过程(R3)的速度可以定义为：

$\frac{d[\mathrm{Mg}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2]}{\mathrm{dt}}=-k_{\mathrm{sd}}{S}_{\mathrm{solids}}=-k_d\left[\mathrm{Mg}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2\right]$式1

溶解速度与固体的总表面积S_solids成正比。速度常数k_sd具有的单位。因为固体的总表面积S_solids与浆液中的固体重量成正比，因此可以使用另一个溶解速度常数k_d。这个溶解速度常数具有的单位。因此，CO₂捕集过程的速度可以定义为：

$\frac{d\left[{\mathrm{CO}}_2\right]}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{kS}\overline{\left[{\mathrm{CO}}_2\right]}$式2

其中k是传质系数，S是界面表面积，是平均CO₂驱动力。对于从烟道气除去的CO₂的给定百分比而言，反应器内的平均CO₂浓度与入口CO₂浓度成正比。该传质系数k视氢氧化物的浓度而定。在9＜pH＜13的范围内，该传质系数不会显著改变。

假定在稳定状态下R5不是速度限制步骤，则溶解速度就等于CO₂捕集率。可通过查看pH计读数来核查稳态条件。当稳态条件达成时，pH保持恒定。该溶解速度与该浆液中氢氧化镁的重量百分数成正比。CO₂捕集率与反应器入口的CO₂浓度成正比。通过调节在浆液中的固体重量百分数和改变入口处的CO₂浓度，就可以实现稳态条件，并可以根据经验测量氢氧化镁固体的溶解速度。

进行了六个直接隔离的实施例，表1中所示为细节和结果。实施例1-6的实施例细节显示如下。传质系数的统计误差小于约20％。传质系数的系统误差主要基于由接触器的比表面积所导致的不确定性。

碱性固体溶解的一个参数是速度限制步骤。在实施例中，只有当CO₂浓度下降到3％，和氢氧化镁的重量百分数增加到5％时，才能实现溶解速度和CO₂捕集率之间的均势。钢渣的溶解速度可与氢氧化镁的溶解速度相比，即使钢渣包含大量的会迟缓溶解的惰性二氧化硅。钢渣和氢氧化镁的溶解速度相类似的事实与氢氧化镁的溶度积(solubility product)常数远小于氢氧化钙的溶度积常数相关。

本发明的另一个实施方案涉及一种隔离气相的方法。该方法包括在气液接触器中形成多个基本上平面的液体射流。每个液体射流包括平面的含水溶液层，其中多个液体射流以基本上平行的平面排列。在这个方法中，气体具有气相分子，气相分子可通过气相分子与含水溶液之间的传质相互作用而反应形成反应过的组成物。

该含水溶液包括哌嗪和酸，例如哌嗪和盐酸。在优选的实施方案中，盐酸与哌嗪的摩尔比是约0.5-2。这个方法的下一步包括在连续式反应器中与硅酸盐反应，形成碳酸盐。矿物化包括使反应过的材料与碱性材料反应形成碳酸盐，和使至少部分起反应过的组成物在反应器内矿物化而形成碳酸盐。在另一个步骤中，回收至少一部分含水溶液，并且将其再循环到气液接触器中。

在优选的实施方案中，该连续式反应器是连续搅拌槽反应器。热力学有利的无机碳酸化法使用胺(例如，哌嗪二盐酸盐，HN(CH₂)₄NH·2HCl或Pz·2HCl)，如以下反应(6)和(7)所描述的：

2Pz·2HCl+CaO·SiO₂(s)→CaCl₂+SiO₂(s)+H₂O+2Pz·HCl  R6

2Pz·HCl+CO₂+CaCl₂+H₂O→CaCO₃(s)+2Pz·2HCl          R7

在该实施方案中，进行如所记载的碱性物提取反应(R6)，因为对于该步骤的pH条件，单个质子化的哌嗪产物是热力学有利的物种。进行如所记载的碳酸化反应(R7)，因为对于此步骤的pH条件，双重质子化的哌嗪产物是热力学有利的物种。总的说来，硅酸盐转换成碳酸盐的反应是放热的，其中ΔH＝-87kJ/mol，ΔG＝-44kJ/mol。基于使用PZ的碳酸化化学过程的一个重要优点是不必单独除去SOx(或NOx)。通过分析和实施例，已经证明了此显著改进的捕集和隔离法是能量高效和成本有益。

现在详细参考本发明的实施方案，其实例在各附图中说明。

图1所示为本发明实施方案用于生产水平射流的系统的方块图。

参考图1，气液接触器通常描述为附图标记100。该气液接触器用于本发明的直接和间接矿物化方法的实施方案中。该气液接触器包括液体入口和气体入口。通常将该气液接触器描述为附图标记100。在该实施方案中利用了交叉流结构，气体从左至右流过接触器100。液体穿过入口正压室104、并被强制通过在接触室108顶部的喷嘴板106而进入该接触器100的顶端102。在该实施方案中，将稳定性装置与喷嘴板连接，并设置该稳定性装置，以减少由气液接触器形成的射流的不稳定性。

由喷嘴形成基本上稳定的水平液体射流，并使其向下流动并穿过该室。在图1所述的系统中，气体在平行射流之间从左至右流动，其中要进行质量传递，然后通过低压降除雾器110，由此从入口113到达出口112。通过在接触器底部的防溅格栅112收集液体，根据需要处理液体，以及可能地进行再循环。防溅格栅子模112是具有孔口的格栅，孔口的形状可接受水平射流。还可构建设置防溅格栅或气液分离器，以基本上最小化操作中液体的反向飞溅。防溅格栅112的孔口可以与液体捕集出口正压室118的出口114和/或116微微成一定角度，以促进液体的离开，无需对该液体施加压力。该装置可以包括不同的模块和喷嘴，如US专利申请第12/459,685号中所描述的，该申请于2009年7月6日提交，名称为“Gas Liquid contactor and Effluent Cleaning System and Method”，在此如本文所充分说明的通过引用将其结合在此。

图2所示为本发明另一个实施方案的直接隔离方法。

在此实施方案中，参考三个部分描述直接隔离方法。部分1包括气液接触器202、气体入口204、液体入口206、液体出口208和气体出口210。在形成碳酸盐例如碳酸钙或碳酸镁的条件下，通过利用气液接触器202，使入口206中含有碱性材料的含水浆料与来自气体入口204的烟道气接触，运行气液接触器202。烟道气可以来自煤炭发电厂或其它的工业生产过程，其包括待隔离的污染物。在此实施方案中，烟道气中包括二氧化碳，并且如本文所述在直接法中将该二氧化碳矿物化，例如使用气液接触器202的一步法。

在此实施方案中，碱性材料可以包括氢氧化镁、氢氧化钙、钢渣、水泥窑灰尘、飞灰、及它们的组合。碱性固体可以通过将该粗碱性材料研磨，直到其粒径足够小来制备，以便提供良好的碳酸盐转化率。

部分2包括用于使该粗碱性材料适合于无机碳酸化的设备。原料流212进入研磨系统214，该研磨系统214包括本领域已知的研磨设备。原料可以包括碱性材料如氢氧化镁、氢氧化钙、硅灰石、钢渣、水泥窑灰尘等。在研磨之前，可以将该原料压碎，使其适用于研磨系统。研磨材料经由料流218进入粒度分选系统216。粒度分选系统216可以是旋风分离器或任何其它本领域已知的能按大小分离磨碎固体的系统。将较小尺寸的固体(筛目尺寸200目或更小的)经由流220送入另外的预处理步骤218。将较大尺寸的固体经由料流222送回研磨系统214。该另外的预处理步骤218可以包括磁分离、固体的加热或任何可以增加碱性材料溶解速度的其它步骤。将磨碎的碱性固体送入混合器224内。

部分3包括固体分离系统228，该固体分离系统228具有进料口208和出口230，该进料口是气液接触器202的液体出口208，该出口230包括送入混合器224的固体反应产物和液体料流232。

固体分离系统228包括脱水系统如带式过滤器或压滤机，以及将固体浓缩到该脱水系统操作最佳水平的系统。浓缩固体的系统可以是基于重力的系统，如增浓池或沉淀池。或者，浓缩固体的系统可以是旋液分离器。

混合器224将来自液体料流232的液体与碱性固体混合，形成期望的含水浆料，含水浆料以料流206排出。或者，可以在捕集系统202中混合液体料流232和固体流226。

图3所示为本发明另一个实施方案的间接隔离方法。在该实施方案中，参考三个部分说明该间接隔离法。部分1包括气液接触器302、气体入口304、液体入口310、液体出口308和气体出口306。在使烟道气例如包含二氧化碳的烟道气反应，形成捕集二氧化碳的反应过的分子的条件下运行该气液接触器302。该烟道气可以来自煤炭发电厂或其它的工业生产过程，其包括待隔离的污染物。在该实施方案中，液体入口310包括哌嗪二盐酸盐。

部分2包括用于使该粗碱性材料适合于无机碳酸化法的设备。原料流312进入研磨系统314，该研磨系统314包括本领域已知的研磨设备。原料可以包括钙和镁的硅酸盐，以及钢渣和/或其它碱性材料。在研磨之前，可以将该原料压碎，使其适用于该研磨系统。研磨材料经由料流318进入粒度分选系统316。该粒度分选系统316可以是旋风器，或任何其它本领域已知的能按大小分离磨碎固体的系统。将较小尺寸的固体(筛目200或更小)经由料流320送入另外的预处理步骤318。将较大尺寸的固体经由料流322送回研磨系统314。该另外的预处理步骤318可以包括磁分离、固体的加热或任何可以增加碱性材料溶解速度的其它步骤。将磨碎的碱性固体经由料流326送入部分3。

部分3包括用于形成碳酸盐以及使哌嗪再循环的间歇式反应器324，所述哌嗪经由料流310被送回到气液接触器302。该间歇式反应器还经由料流316接收碱性固体。在该实施方案中，该碱性材料可以包括氢氧化镁、氢氧化钙、钢渣、水泥窑灰尘、飞灰、及它们的组合。

在连续式反应器中，用反应(8)和(9)说明使用胺(例如哌嗪二盐酸盐HN(CH₂)₄NH·2HCl或Pz·2HCl)的热力学有利的无机碳酸化法。

2Pz·2HCl+CaO·SiO₂(s)→CaCl₂+SiO₂(s)+H₂O+2Pz·HCl  R8

2Pz·HCl+CO₂+CaCl₂+H₂O→CaCO₃(s)+2Pz·2HCl          R9

在该实施方案中，进行如所记载的碱性物提取反应(R8)，因为对于该步骤的pH条件而言，单个质子化的哌嗪产物是热力学有利的物质。进行如所记载的碳酸化反应(R9)，因为对于该步骤的pH条件而言，双质子化的哌嗪产物是热力学有利的物质。总的说来，硅酸盐转换成碳酸盐的反应是放热的，其中ΔH＝-87kJ/mol，ΔG＝-44kJ/mol。基于使用PZ的碳酸化化学过程的一个重要优点是不必单独除去SOx(或NOx)。通过分析和实施例，已经证明了此显著改进的捕集和隔离法是能量高效和成本有益的。

在优选的实施方案，由于哌嗪的热力学性质而使用哌嗪。例如，与直接法相比，高传质系数和高的二氧化碳容量允许减小气液接触器302的尺寸。另外，用哌嗪进行操作会降低溶剂的漏失(slip)，由此产生优异的热稳定性和溶剂补充成本(makeup cost)。还有快速的无机溶解动力学。另外，还可将含哌嗪的水溶液分离成富含哌嗪的相和富含盐的相。还可利用含哌嗪溶液的相分离性质，以控制方式进行碳酸钙的沉淀，由此改善该方法的坚固耐用性。对于该无机碳酸化法，还可以使用其它的胺或胺的混合物。

最后，因为溶剂补充成本是任意系统的重要方面，因此应该考虑该参数。因为有低的蒸气压，由烟道气挟带而导致的哌嗪损失最小，而且由哌嗪与固体一起脱离而导致的损失也最小。即，可以迅速地再循环哌嗪。

图4所示为本发明另一个实施方案的隔离方法。

图4是用于从例如来自燃煤装置的燃气料流去除二氧化碳的无机碳酸化法的生产流程。参考图4，该生产流程包括十个部分。

部分1是任选的烟气调节系统。参考部分1，其包括烟道气进入任选的热交换器/冷却器404的入口402和出口406。该烟气调节系统接收入口气体，该入口气体可以已经经历了一些处理，例如处理除去酸性气体如SO₂、HCl等等。该热交换器/冷却器404是任选的，这取决于入口气体的组成和本领域已知的吸收器化学过程，例如氨/碳酸铵就需要冷却器。根据本发明的实施方案，该烟道气已被冷却，且洗涤掉了SO₂，例如来自接触器系统(未显示)的。在该实施方案中，烟道气402包含污染物如CO₂、N₂、H₂O、O₂及其它痕量气体。

烟气流通过气体调节系统(部分1)流入二氧化碳洗涤器(部分2)，在二氧化碳洗涤器中，通过与溶剂接触从该气流中除去大部分的CO₂。

部分2是CO₂吸收器回路。参考部分2，该吸收器回路包括气液接触器408和捕集槽410。该液体接触器是如US专利申请第12/459,685号(于2009年7月6日提交，名称为“gas liquid contactor and Effluent Cleaning System and Method”)中所描述的气液接触器，在此如本文所充分说明的通过引用将其结合在此。部分5的热交换器/冷却器412是任选的部件。此外，热交换器/冷却器410是任选的，这取决于如本领域技术人员所知道的进气成份和吸收器化学过程。在该实施方案中，气液接触器与部分1的出口406连接。气液接触器408与捕集槽410和热交换器/冷却器412(部分5)连接，作为再循环回路的一部分。

在操作中，引导包含CO₂的烟道气通过气液接触器408的入口414，去除一部分CO₂。根据如本领域已知的适于液体流动和再循环以及操作的需要，部分2的CO₂吸收器回路包括不同的阀和泵。在接触器408中与气体接触后，此刻的吸收剂溶液将额外量的CO₂传送到作为再循环回路一部分的捕集槽410中。

在该实施方案中，用部分5的热交换器/冷却器412操控CO₂吸收器回路的能量需求。当在低于如典型系统所示的烟气温度下冷却时，在本文描述的使用碳酸铵、胺或烷醇胺的常规化学过程下会更优选地吸收CO₂。因此，如果需要，部分5的热交换器/冷却器412提供了保持吸收剂溶液最佳运行条件的冷却能力。

部分3是CO₂脱除器(stripper)回路。部分3包括与热交换器/冷却器418连接的入口416，热交换器/冷却器418具有出口420和422。出口422经由再循环回路与气液接触器408连接。

部分4是氨或胺吸收器回路。部分4被设计用来在其离开CO₂吸收器408之后捕集烟道气中的氨或胺漏失。这可能是使用NH₃的特别结果，取决于吸收剂溶液的温度(越冷导致漏失越少)。这个回路包括与入口424连接的气液接触器426。再次地，所述气液接触器是如US专利申请第12/459,685号(于2009年7月6日提交的，名称为“gas liquid contactor and Effluent Cleaning System and Method”)中所描述的，在此如本文所充分说明的通过引用将其结合在此。

气液接触器426包括与捕集槽430连接的出口428、再循环回路和出口432。如果使用胺如哌嗪或烷醇胺作为吸收剂溶液时，可能很小程度地需要部分4，因而可通过检验全过程的要求和温度来决定该部分的实施。部分4是任选的，因为可以漏失较小分子量的胺可能会漏失，所以捕获它们是有利的；较高分子量的胺不会漏失，因此不需要处理它们。可以将出口432引导到具有出口436的烟道气烟囱(stack)434。

部分6描绘了无机碳酸化在沉淀反应器438中的沉淀。该沉淀反应器438是本领域已知的连续式搅拌罐式反应器。在此反应器438中，富含碳酸盐离子的料流420与富含钙离子的料流456混合。随着足够的停留时间，沉淀反应器碳酸钙形成，含沉淀碳酸钙的液体料流440被送入分离系统442。

部分7描述了在分离系统442中液体料流与固体料流的分离。可以使用许多方法来进行分离，包括带式过滤器和压滤机。特别是该分离系统可以包括连续运转的带式过滤器。分离系统442可以包括给带式过滤器或压滤机提供最佳浓度的固体的方法。这些方法可以包括浓缩池或其它类型的重力沉降方法。替换地或者与重力结合，可以使用沉降旋液分离器来给带式过滤器或压滤机提供最佳浓度的固体。分离系统442还可以包括洗涤固体的方法，以便减少胺损失。包含大部分固体碳酸钙和残余水的固体料流444可被埋入土壤中或被用来制造水泥。将液体料流446送去碱性物提取器450。碱性物提取器450是本领域已知的连续搅拌罐式反应器。

部分8描述了从碱性无机物如硅灰石中提取碱性物或从碱性工业副产物如钢渣、水泥窑灰尘等等中提取碱性物。在碱性物提取反应器450中混合液体料流446和固体料流474。该碱性物提取反应器包括混合器和加热器。该混合器和加热器有助于加快溶解的速度。用料流452传送溶解的碱性物质，而料流448包含惰性固体如二氧化硅和未溶解的材料。将料流452送入相分离器454中，在该相分离器中氯化钙与胺分离。将氯化钙料流456送入沉淀反应器438，而将胺料流经由料流458送入CO₂吸收器中。

部分9描述了将料流452分离成富含钙的料流和富含胺的料流。对于哌嗪，该过程可以如Cullinane， Thermodynamics and Kinetics of Aqueous piperazine with Potassium Carbonate for Carbon Dioxide Absorp

部分10描述了用于使粗碱性材料适合于该无机碳酸化过程的方法。使原料流460进入研磨系统462，该研磨系统包括本领域已知的研磨设备。在研磨之前，可以将该原料压碎以使其可适用于研磨系统。磨碎材料经由料流464进入粒度分选系统468。该粒度分选系统可以是旋风器或任何其它能按大小分离磨碎固体的系统。将较小尺寸的固体(筛目200或更小)经由料流470送入另外的预处理步骤472。将较大尺寸的固体经由料流466送回研磨系统462。该另外的预处理步骤472可以包括磁分离、固体的加热或任何可以增加碱性材料溶解速度的其它步骤。

现在描述在图4中的系统的运行。使用这个系统用于通过与含钙的碱性材料反应而使CO₂和烟道气内的其它组分无机碳酸化而形成碳酸钙。在该实施方案中，用以下反应说明总反应：

CaSiO₃+CO₂→CaCO₃+SiO₂

在该实施方案中，二氧化碳CO₂经由料流402进入矿物化工序。碱性材料经由料流460进入该工序。该碳酸钙产物通过料流444脱离该系统。沉淀的碳酸钙产物具有足够用于石灰石烟道气脱硫系统、或其它应用如本领域已知的涂料添加剂的性能。二氧化硅和未反应的碱性供应材料经由料流448脱离该矿物化工序。

烟气通过气体调节系统(部分1)流入二氧化碳洗涤器(部分2)，在二氧化碳洗涤器中通过与溶剂例如哌嗪盐酸盐接触而从气流中除去大部分的CO₂。将从二氧化碳洗涤器离开的烟道气送入通过任选的洗涤器(部分4)，以便除去在CO₂洗涤工序期间夹带在烟道气中的任何胺蒸汽。取决于烟囱的要求，可能需要其它的烟气调节步骤，这可以在部件434中进行。

溶剂流动回路包括料流416、420、440、446、452、458和422。包含高浓度CO₂(富含的料流416)的溶剂进入由部分6-9组成的溶剂处理子系统。在溶剂流过该溶剂处理系统后，将包含低浓度CO₂的溶剂(稀薄的料流422)送回到CO₂气液接触器。

该水溶剂包含弱碱(胺)和强酸(HCl)。在这个工序中可以改变酸与碱的比例。酸与碱的最高比例在碱性物提取步骤450之前的料流446中。酸与碱的最低比例是在碱性物提取步骤450之后的料流450中。

实施例

实施例1

在实施例1中，利用小规模的喷嘴阵列试验装置，以便量化确定在正常工作状态下各种化学品的质量传递。这是直接矿物化的实施例，其使用利用喷嘴板的气液接触器，使在气液接触器中所用的KOH溶液直接结合来自错流气体的CO₂。

参考图5A-5B和6A-6D，以附图标记500概括描述了喷嘴设备。该喷嘴设备包括正压室罩502、流动调节器504和喷嘴板506。在气液接触器中使用该喷嘴设备来形成多个液体射流。

正压室罩502包括正压室508和液体入口510。该正压室用聚氯乙烯(PVC)制成。设置压力计(未显示)以测量在喷嘴板506之上的正压室508中的流体压力。正压室是在喷嘴板506上方形成的密封室，其尺寸是约142mm宽×约76毫米高×约6.4mm深。该喷嘴板506包括四个喷嘴组512、514、516和518。在此结构中，每个喷嘴组包括12个喷嘴506。每个喷嘴隔开均一的距离-在喷嘴之间的距离是4mm。在喷嘴组512、514、516和518之间的距离是一致的。在此实施例中，喷嘴组之间的距离是3cm。

在该实施方案中，通过将该喷嘴磨铣(milling)成316L不锈钢板来形成该喷嘴。用CNC机床进行磨铣。图5E中显示了喷嘴的入口侧，图5D中显示了出口侧。将每个喷嘴组(504、506、508、510)磨铣成不锈钢板，在该板的一边，使用球磨机切割伸入该板5.5mm的槽，如图5E所示(504，506，508，510)。将该板502的另一侧(图5D)磨铣掉，以在该开槽上方保留4个排。跨过该排以0.056英寸的深度切割V-形槽，从而形成该喷嘴。

此外，将流动调节器504插入正压室。存在的该调节器用于沿着垂直于该喷嘴表面的路径将该液体传送到喷嘴。该流动调节器504具有四个开槽(520，522，524，526)，其与该喷嘴板502的四个喷嘴组504、506、508、510同轴。流槽的高度是10.4mm，每个槽的宽度是6.4mm。

此实施例的目的是确定用于矿物化二氧化碳的0.1M KOH溶液的传质系数。在先前的实例中(未显示)，0.1M KOH溶液的传质系数是约0.1cm/s。因此，在此实施例中，传质系数也应该是约0.1cm/s。

在此实施例中，CO₂的浓度是约3％(v/v)，以便在长的时间段内使pH保持恒定。这有助于更精确的质量传递结果。此实施例使用0.1M KOH溶液，该溶液被传递到捕集槽(未显示)中，并将射流的正压室压力设置为约20psi。将3％的CO₂气体以不同的流速送入傅里叶转换红外(FTIR)光谱仪，并且记录参考吸收。下表2显示了用参考吸收获得的样品(pulled with reference absorption)。用于测量吸收的波数是2308.636cm^-1。分别记录由于稀释而使CO₂浓度降至3％的方法所产生较好准确度的单个流速的参考吸收值。

表2：3％CO₂气流的参考吸收

然后用0.1M KOH溶液使3％CO₂气体在不同流速下错流。记录CO₂流速和它们相应的FTIR吸收级。下表3显示了用参考吸收获得的样品，用来测量吸收的波数是2308.636cm^-1。

表3：用不同的CO₂气流测量的CO₂吸收

使用上述表2和3的数据，利用等式3计算传质系数：

-ln(n/n₀)＝k·a_s·t    等式3

其中n是当用KOH溶液错流时测量的吸收级，n₀是在3％CO₂流动下的参考吸收，t是气体通过喷射组件时的停留时间。接着，绘制-ln(n/n₀)对停留时间的图，产生以s^-1为单位的ka_s斜率。在该等式中，k是传质系数(cm/s)，a_s(cm^-1)是喷射组件的比表面积，t是时间(秒)。测得喷射组件所用的比表面积是约3cm^-1。可以使用这个比表面积计算传质系数。

图7是根据实施例1的-ln(n/n₀)对停留时间的图。在此图中，通过绘制三个吸收值数据点来确定直线的斜率。该斜率是传质系数与该喷射组件比表面积的乘积。除以该比表面积(3cm^-1)得到约.09cm/s的传质系数。因此，这个值接近基于在先测量所设想的值。在此实施例中，由于CO₂较低的浓度，在这个试验中0.1M KOH溶液的pH也保持恒定。

实施例2

在实施例2中，用如实施例1所述的试验台设备形成射流阵列。这是直接矿化的实施例，其使在气液接触器中使用的KOH溶液与来自错流气体的CO₂直接结合。当将Mg(OH)₂添加到水中时，溶液的pH是11.8。这将允许直接比较KOH和Mg(OH)₂之间的溶解速度。理论上，Mg(OH)₂的溶解速度是该系统中的速度限制步骤，而且如果我们增加Mg(OH)₂的浓度，则会增加利用率。然而，Mg(OH)₂和水的混合物形成浆液，因此，需要将浓度增加到足够高，以获得良好的利用率，但是不阻塞喷口。CO₂的浓度是3％，以便在长的时间段内使pH保持恒定。这有助于更精确的质量传递结果。

将该溶液转入捕集槽，并将射流的背压设置为20psi。将3％的CO₂气体以5-20SLM的流速错流，并送入FT-IR，其中记录参考吸收。分别记录由于稀释使CO₂浓度至3％的方法而产生较好准确度的单个流速的参考吸收，以便在长时间段内将pH保持恒定。这有助于更精确的质量传递结果。

在此实施例中，将KOH加入到5加仑的水中，直到pH稳定在11.8。将该溶液转入捕集槽(未显示)，并且将射流的正压室压力设置为20psi。将3％的CO₂气体以不同的流速送入FTIR，其中记录参考吸收。下表4显示了用参考吸收获得的样品。用于测量吸收的波数是2308.636cm^-1。分别记录由于稀释使CO₂浓度降至3％的方法而产生较好准确度的单个流速的参考吸收。

表4-3％二氧化碳气流的参考吸收

然后用该KOH溶液使3％CO₂气体在不同流速下错流。记录CO₂流速和它们相应的FTIR吸收级。下表5显示了用参考吸收获得的样品，用来测量吸收的波数是2308.636cm^-1。

表5-在不同CO₂气流下测量的CO₂吸收

如参考实施例1所述，使用表4和5的数据以及等式3，可以计算传质系数。图8是根据实施例3的-ln(n/n₀)对停留时间的图。在此图中，通过绘制四个吸收值数据点来确定直线斜率。该斜率是传质系数与该喷射组件比表面积的乘积。在此实施例中，发现斜率是0.2328s^-1。除以约3cm^-1的比表面积得到约0.08cm/s的传质系数。用这些参数，现在可以直接将此实施例的质量传递数据与测试的Mg(OH)₂相比较，以便确定Mg(OH)₂的溶解速度是否是CO₂捕集的限制反应。

实施例3

在实施例3中，用如实施例1所述的试验台设备形成射流阵列。在此实施例中，使用pH为11.8的1重量％的Mg(OH)₂溶液。使在气液接触器中使用的Mg(OH)₂溶液直接结合来自错流气体的CO₂来进行直接矿物化。当将Mg(OH)₂添加到水中时，溶液的pH是11.8。因此，这将允许直接比较KOH(实施例2)和Mg(OH)₂之间的溶解速度。理论上，Mg(OH)₂的溶解速度是该系统中的速度限制步骤，如果Mg(OH)₂的量增加，则利用率增加。然而，Mg(OH)₂和水的混合物形成浆液，因此，需要将浓度增加到足够高，以获得良好的利用率，但是不硬阻塞喷嘴。CO₂的浓度是3％，以便在长的时间段内使pH保持恒定。这有助于更精确的质量传递结果。

将181g的Mg(OH)₂添加到5加仑水中，以产生在此实施例中使用的1％的溶液。将该固体通过200目的筛孔进行精选，产生约75微米的粒径。将该溶液转入捕集槽(未显示)，并且将射流的正压室压力设置为约20psi。

将3％的CO₂气体以不同的流速送入FTIR，并在其中记录参考吸收。下下表6显示了参考吸收获得的样品。用于测量吸收的波数是2308.636cm^-1。分别记录由于稀释使CO₂浓度降至3％的方法而产生较好准确度的单个流速的参考吸收。

表6-3％CO₂气流的参考吸收

然后用1％的Mg(OH)₂溶液使3％CO₂气体在不同流速下错流。记录CO₂的流速和它们相应的FTIR吸收级。下表7显示了用参考吸收获得的样品，用来测量吸收的波数是2308.636cm^-1。

表7-在不同CO₂气流下测量的CO₂吸收

参考实施例1所述，使用上述数据以及利用等式3，可计算传质系数。图9是根据实施例3的-ln(n/n₀)对停留时间的图。在此图中，通过绘制三个吸收值数据点来确定直线斜率。该斜率是传质系数与该喷射组件比表面积的乘积。在此实施例中，发现斜率是0.2064s^-1。除以3cm^-1的比表面积得到约0.07cm/s的传质系数。

此传质系数比在相同pH下的KOH溶液的传质系数低，因此，这表明在KOH溶液中的溶解速度更高。如果Mg(OH)₂的溶解速度是该CO₂捕集系统中的限制反应，则当增加Mg(OH)₂浓度时，其传质系数应会增加，利用率也将增加。

此实施例表明，可以无副作用地在该设备上运行含水浆料，例如，不会堵塞喷嘴。另外，其表明液体的不停搅动会促进固体的溶解速度。此外，还表明，高的表面再生和更新率会增加捕集率，例如CO₂的捕集率。

实施例4

在实施例4中，用如实施例1所述的试验台设备形成射流阵列。这个实验的目的是确定浓度为5重量％的Mg(OH)₂溶液的传质系数。在此实施例中，使用该Mg(OH)₂溶液进行直接矿物化。将这个实验的结果直接与实施例3比较，以便验证Mg(OH)₂溶液的溶解速度是限制的。

将905g的Mg(OH)₂添加到5加仑的水中以产生的5重量％的溶液。将该固体通过200目的筛孔进行精选以产生约75微米的粒径。将该溶液转入捕集槽(未显示)，并且将射流的正压室压力设置为约20psi。

将3％的CO₂气体以不同的流速送入FTIR，并记录参考吸收。下表8举例说明了用参考吸收获得的样品。用于测量吸收的波数是2308.636cm^-1。分别记录由于稀释使CO₂浓度降至3％的方法而产生较好准确度的单个流速的参考吸收。

表8-3％CO₂气流的参考吸收

然后用该5％Mg(OH)₂溶液使3％CO₂气体在不同流速下错流。记录CO₂流速和它们相应的FTIR吸收级。下表9显示了用参考吸收获得的样品，用来测量吸收的波数是2308.636cm^-1。

表9-在不同CO₂气流下测量的CO₂吸收

参考实施例1所述，使用上述数据以及使用等式3可计算传质系数。图10是根据实施例4的-ln(n/n₀)对停留时间的图表。在此图中，通过绘制三个吸收值数据点来确定直线斜率。该斜率是传质系数与该喷射组件比表面积的乘积。在此实施例中，发现斜率是0.2998s^-1。除以约3cm^-1的比表面积得到约0.10cm/s的传质系数。这个传质系数比在相同pH下的KOH溶液(实施例1和2)和1％的Mg(OH)₂溶液(实施例3)的传质系数都高。

还可以调整由这两个测试产生的质量传递图，以便集中在10SLM和15SLM之间的流速。这表明，尽管KOH溶液中的溶解速度更高，但是由于增加的浓度，因此该5％的Mg(OH)₂溶液可以具有良好的利用率。在此实验期间，由于在该溶液中氢氧化物的浓度较高，因此5％的Mg(OH)₂的pH也保持恒定。此实施例表明，KOH溶液和Mg(OH)₂溶液之间的传质系数非常相似。

实施例5

在实施例5中，用如实施例1所述的试验台设备形成射流阵列。这个实验的目的是确定1重量％的钢渣溶液的传质系数。在此实施例中，使用该钢渣溶液进行直接矿物化。此实施例容许直接比较钢渣和Mg(OH)₂的溶解速度。可以使用这两个溶液，以便当与CO₂反应时产生碳酸盐固体。此实施例表明，在可比的浆液浓度下，该溶液产生良好的利用率。在此实施例中，钢渣和水的混合物形成浆液，因此，需要将浓度增加到足够高，以便获得良好的利用率，但是不应阻塞喷口。

将181g的钢渣添加到5加仑的水中，以产生1重量％的溶液。使该固体通过200目的筛孔进行精选以产生约75微米的粒径。将该溶液转入捕集槽(未显示)，并将射流的背压设置为约20psi。

将3％的CO₂气体以不同的流速送入FTIR，并且记录参考吸收。下表10说明了用参考吸收获得的样品。用于测量吸收的波数是2308.636cm^-1。分别记录由于稀释使CO₂浓度降至3％的方法而产生较好准确度的单个流速的参考吸收。

表10-3％CO₂气流的参考吸收

然后用1％的钢渣溶液使3％CO₂气体在不同流速下错流。记录CO₂流速和它们相应的FTIR吸收级。下表11显示了用参考吸收获得的样品，用来测量吸收的波数是2308.840cm^-1。

表11-在不同CO₂气流下测量的CO₂吸收

参考实施例1所述，使用上述数据以及利用等式3，可以计算传质系数。

图10是根据实施例5的-ln(n/n₀)对停留时间的图表。在此图中，确定此图的斜率是0.2744s^-1，该斜率是传质系数与该喷射组件比表面积的乘积。除以约3cm^-1的比表面积得到约0.09cm/s的传质系数。这个传质系数比KOH溶液和1％的Mg(OH)₂溶液的都高。还可以调整由这两个测试产生的质量传递图，以便集中在10SLM和15SLM之间的流速。这个试验表明，KOH溶液和1％的钢渣溶液之间的传质系数是相似的。

实施例6

在实施例6中，用如实施例1所述的试验台设备形成射流阵列。这个实验的目的是确定浓度为约5重量％的钢渣溶液的传质系数。此实施例容许直接比较5％钢渣和Mg(OH)₂的溶解速度。可以使用这两个溶液，以便当与CO₂反应时产生碳酸盐固体。此实施例表明，其具有可比的浆液浓度。在此实施例中，钢渣和水的混合物形成浆液，因此，需要将浓度增加到足够高，以便获得良好的利用率，但是不应阻塞喷口。将CO₂的浓度从12％下降至3％，以便使其pH在较长的时间段下保持恒定。这有助于更精确的质量传递结果。

将905g的钢渣添加到5加仑的水中，以产生5重量％的溶液。将该固体通过200目的筛孔进行精选以产生约75微米的粒径。将该溶液转入捕集槽，并且将射流的背压设置为约20psi。将3％的CO₂气体以不同的流速送入FTIR，并记录参考吸收。下表12说明了用参考吸收获得的样品。用于测量吸收的波数是2308.840cm^-1。分别记录由于稀释使CO₂浓度降至3％的方法而产生较好准确度的单个流速的参考吸收。

表12-3％CO₂气流的参考吸收

然后用5％的钢渣溶液使3％CO₂气体在不同流速下错流。记录CO₂流速和它们相应的FTIR吸收级。下表13显示了用参考吸收获得的样品，用来测量吸收的波数是2308.840cm^-1。

表13-在不同CO₂气流下测量的CO₂吸收

参考实施例1所述，使用上述数据以及利用等式3，可计算传质系数。图10是根据实施例5的-ln(n/n₀)对停留时间的图。确定此图的斜率是0.3457s^-1，该斜率是传质系数与该喷射组件比表面积的乘积。除以约3cm^-1的比表面积得到约0.12cm/s的传质系数。这个传质系数比KOH溶液、1％的Mg(OH)₂溶液、5％的Mg(OH)₂溶液和1％的钢渣溶液的传质系数都高。还可以调整由这些实施例产生的质量传递图，以便集中在10SLM和15SLM之间的流速。用于所述实验的流量控制器在测量中具有更好的准确度。该流量控制器的范围可以更好地匹配期望的流速。

在不背离本发明精神或范围的情况下可以进行不同的修改和变化，这对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，本发明意欲覆盖这个发明的修改和变化，前提是它们落入所附的权利要求及其等同物的范围内。