二氧化碳分离材料和方法

专利名称：二氧化碳分离材料和方法
技术领域：
本发明涉及排放物消除方法，具体涉及从含二氧化碳的流体流中分离二氧化碳的方法。
背景技术：
本部分的记述仅仅提供与本发明有关的背景信息，而不构成现有技术。相信是温室气体的人为排放引起了全球气候变化(即全球变暖)。全球变暖效应的模型预见了温度和海平面的全球性上涨、气候模式的改变、和更极端的天气现象，包括洪水和干旱。温室气体包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、水蒸汽、臭氧和全氟化碳/含氯氟烃。据估计二氧化碳构成美国2000年温室气体排放的大约84%。二氧化碳(CO2)和其他有害气体污染物的排放率与经济和工业增长高度相关，并且自从19世纪中叶起有显著的增高。通常CO2由烃、矿物燃料的燃烧，和/或各种产生二氧化碳副产物的工业过程产生， 所述工业过程包括水泥、石灰、铁和钢的生产。美国环境保护局(EPA)和联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)根据燃料燃烧(主要包括机动车和发电厂)和其他工业来源对排放物进行了分类。美国97 %的人为二氧化碳排放来自矿物燃料燃烧源，例如发电厂、焚化炉和机动车。二氧化碳排放的其他重要点源包括水泥、石灰和铁/钢生产厂，所有这些厂都在生产过程中产生大量的二氧化碳，既是反应副产物也是通过烃类燃料的燃烧的产物。除了是一种不希望有的温室气体外，二氧化碳还有产生操作和经济问题的可能， 因为它是没有任何燃烧价值的稀释剂。它是一种酸性气体而且会在水存在下引起腐蚀问题，产生对一些合金非常有腐蚀性的碳酸。通过国际条约，例如京都议定书，许多国家已经答应负责减少包括二氧化碳在内的各种温室气体的排放。在美国，已经有将很大注意力集中在开发可有效减少规定的空气污染物的排放的装置上的传统，其中空气污染物例如微粒物质、硫氧化物和氮氧化物。但是，对于减少未规定的二氧化碳排放技术的发展滞后于其他控制技术。然而，由于各个国家实施了限制各种温室气体尤其是二氧化碳产生的规章和交易程序，所以急需更加有效且廉价的减少二氧化碳的技术。从气流中去除二氧化碳的现有方法包括用特有的溶剂系统的化学吸收/吸附(胺洗涤)、膜分离、低温分馏和/或用分子筛吸附。在一次性的系统中，活性材料进行一次性通过反应器/洗涤器，然后就被丢弃。由于与处置大量用过的活性材料相关的增加的费用和维护，一次性使用的系统不太理想。再生系统被设计用来再生活性材料，使其适于随后生产性通过所述反应器。分子筛，例如沸石和活性炭，被用于再生的变压吸附(PSA)或变温吸附系统中，这些系统通过在高压和/或低温下选择性吸附一种或多种所述气体分离气体混合物来从气流中除去不想要的成分。然后这些俘获的杂质通过降低吸附系统的压力或升高吸附系统的温度来脱附(所以系统从高压到低压或从低温到高温间“摆动”)。脱附步骤使吸附材料再生，来重复利用于后面的吸附步骤中。PSA系统通常包括若干吸附床，气体通过这些吸附床，分离所选择的气体种类。上述方法中的每一个都有缺点，包括高资本投资和运行费用，以及某些情况下的相对小的吞吐容量和低去除效率。这些系统对于各种应用是潜在的受成本限制的系统，特别对于那些产生大量二氧化碳和其他排放物的高生产量的生产工厂。所以，需要那种以有效且成本节约的方式减少固定来源的废气中的二氧化碳排放的方法。并且，优选CO2排放减少装置在获得所需的去除效率的同时，能处理与工业应用相关的高流量。优选的，这样的去除方法是可再生的，并且采用再循环来体现可承担的发展主动性。

发明内容
在各个方面，本发明提供了从含有二氧化碳的工业废物流体流中分离作为污染物存在的二氧化碳的方法。在一个方面，本发明提供的方法包括通过将所述流体流与洗涤材料相接触来减少流体流中的二氧化碳的量。所述洗涤材料包括第一组分和第二组分。在某些方面中，反应在水存在下进行(例如，在浆料中或在半干形式下进行)。第一组分不同于第二组分。进一步地，第一组分含有氧化钙源和碱金属离子源，且第二组分含有具有一种或多种反应性硅酸盐化合物的矿渣。在某些实施方式中，第一组分含有选自由水泥窑粉尘(CKD)、石灰窑粉尘(LKD)、 甜菜石灰、熟料粉尘、熟石灰、生石灰及其混合物所组成的组中的材料。在一些实施方式中， 第二组分含有选自由高炉矿渣、钢渣及其混合物所组成的组中的材料。合适的矿渣材料的例子包括空气冷却的高炉矿渣、颗粒状高炉矿渣、研磨的颗粒状高炉矿渣、膨胀的和/或成丸状的高炉矿渣、顶吹氧转炉钢渣、平炉钢渣、电弧炉钢渣及其任何混合物。第二组分可以可选择地含有源自熔炉生产和/或加工不锈钢的不锈钢钢渣。在某些实施方式中，第一组分包含水泥窑粉尘(CKD)且第二组分包含不锈钢钢渣。在各个方面，所述方法产生包括碳酸钙和用过的洗涤材料的产物。在某些实施方式中，碳酸钙产物作为原料在工业过程中被重复利用。这种重复利用的一个例子是使用所述碳酸钙产物作为水泥生产或石灰生产的原料。所述碳酸钙产物可以可选择地用作在铁和/或钢加工中的助熔剂。 在各个方面，提供二氧化碳分离材料的浆料用于从含二氧化碳的流体流中洗涤二氧化碳。所述浆料包括第一组分、第二组分和水。第一组分包括选自由水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、甜菜石灰、熟料粉尘、熟石灰、生石灰及其混合物所组成的组中的一种或多种材料。第二组分包括具有反应性硅酸盐化合物的矿渣。所述浆料含有具有最大平均粒径小于或等于约500 μ m且平均表面积大于或等于约1000cm2/g的微粒。在又一个实施方式中，二氧化碳分离材料以浆料的形式提供，以用于从含二氧化碳的流体流中洗涤二氧化碳。所述浆料包括含有水泥窑粉尘(CKD)的第一组分和含有具有反应性硅酸盐源的矿渣的第二组分。所述浆料还含有水。所述浆料包含具有最大平均粒径小于或等于约500 μ m且平均表面积大于或等于约1000cm2/g的微粒。在另一方面，本发明提供一种二氧化碳排放减少系统。该系统包括反应腔室。所述反应腔室具有流体入口、浆料入口、混合区、流体出口和浆料出口。含有二氧化碳的废物流与所述反应腔室流体联通，且通过流体入口引入所述反应腔室。并且，浆料源与所述反应腔室流体联通。来自浆料源的浆料通过浆料入口引入所述反应腔室。此外，所述混合区使所述浆料和所述废物流进行湍流混合。所述反应腔室具有的体积可提供足够的停留时间来处理所述废物流以减少至少约30%的二氧化碳量。所述浆料包括含有氧化钙源和碱金属离子源的第一组分，含有具有反应性硅酸盐源的矿渣的第二组分，和水。用过的浆料和/或碳酸钙产物通过浆料出口从所述反应腔室中除去。在其他实施方式中，提供了一种重复利用工业副产物的方法。通过掺混第一制造组分与第二制造组分形成二氧化碳洗涤材料。第一组分含有氧化钙源和碱金属离子源。第二组分含有具有一种或多种反应性硅酸盐化合物的矿渣。然后使工业过程中产生的含有二氧化碳的废物流与所述洗涤材料进行接触。产生能够在诸如工业过程中有益地再利用的包含碳酸钙的产物。在某些实施方式中，在所述接触步骤之后和所述产生步骤之后，所述洗涤材料被用过，且至少部分用过的洗涤材料与新鲜的第一制造组分和第二制造组分掺混。在各个其他方面中，本发明提供了减少来自废物流的二氧化碳排放的方法，所述废物流从固定燃烧源(例如锅炉、焚化炉)、水泥窑、石灰窑、炼铁炉和炼钢炉产生。以这种方式，本发明的各方面提供了去除二氧化碳排放物的有效手段，从而控制了温室气体的排放，还进一步重新利用了至少一种工业副产物，优选多种副产物材料来形成有用的产物。通过这里的说明，其进一步的应用范围会变得显而易见。应理解的是，说明书和具体实例是为了说明的目的，而不是为了限制本发明的范围。


此处的附图仅仅为说明的目的，而不意味着以任何形式限制本发明的范围。图I为根据本发明的某些实施方式用于二氧化碳分离系统的示例性方法流程图；图2为示出具有洗涤塔式反应器的二氧化碳排放降低系统的本发明的一个实施方式的示意图；图3为示出二氧化碳去除系统的本发明的某些实施方式的流程图，在该系统中， 从二氧化碳去除设备中排出的处理过的废物流被空气污染物控制装置进一步处理，以去除除二氧化碳之外的一种或多种其他污染物。图4为示出二氧化碳去除系统的本发明的另外一些实施方式的流程图，在该系统中，废物流在进入二氧化碳去除设备之前，被空气污染物控制装置预处理，以去除一种或多种污染物。
具体实施例方式下面的说明本质上只是示例性的，并不用于限制本发明、应用或使用。应该理解， 在全部附图中，相同的标记表示相同或对应的部件和特征。本发明的教导从各个方面提供通过从气态的流体流中分离或洗涤二氧化碳，来降低流体流中的气体二氧化碳含量的方法。在某些实施方式中，流体流包括气体和/或水蒸气，但是也可能带有固体和/或液体，例如带有微粒、小液滴和/或浮质。在各种实施方式中，流体流是工业过程中产生的废物流或排出流。使流体流与二氧化碳洗涤或分离物质接触，以去除二氧化碳。在与洗涤材料接触后，流体流中的二氧化碳含量被降低了。在某些实施方式中，二氧化碳与洗涤材料反应，形成下面将详细说明的有用的产品。在各方面，洗涤材料包括第一组份、第二组份和水。第一组份与第二组份不同。在各实施方式中，第一组份包括氧化钙源和碱金属离子源。第二组份包括具有一种或多种反应性硅酸盐化合物的矿渣。洗涤材料与二氧化碳反应，形成包括碳酸钙和用过的洗涤材料的产品。在不同的实施方式中，洗涤材料的第一组份包括氧化钙(CaO)。进一步地，第一组份优选还包括碱金属离子源，例如钠和/或钾离子。在某些实施方式中，第一组份包括工业过程中产生或制造的材料。如下面将要详细说明的，某些实施方式中有益地再利用否则将被丢弃、堆放或埋入土壤的废料。而各种合适的氧化钙源和碱金属离子源也可能是天然生成的物质，例如矿物，也可能是制造的商业产品。在不同方面，第一组份包括从由水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、甜菜石灰(sugar beet lime)、熟料粉尘、消石灰、生石灰及其混合物组成的组中选择的物质。这样的混合物包含两种或多种成分的任意组合。在某些实施方式中， 第一组份包括从由水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、甜菜石灰及其混合物组成的组中选择的材料。 在其它实施方式中，第一组份包括石灰窑粉尘。在某些实施方式中，第一组份包括水泥窑粉尘。这些非限制性的材料都是用于洗涤材料中的合适的氧化钙和碱金属离子源。第一组份能包括其它氧化钙和碱金属离子源，例如包括本领域技术人员所公知的，污水处理厂污泥、 矿浆和纸浆、制造碳化钙的副产品和其它提供氧化钙和碱金属离子的物质。如本领域技术人员所理解的，许多所述氧化钙和碱金属离子源能具有变化的组分，这取决于其制造的具体方法；用来制造所述源的原材料和燃料的具体成分；材料存储或堆放的条件和时间；以及其它多种因素。在这点上，在一些实施方式中，第一组份优选包括从下列物质组成的组中选择的一种或多种活性成分Ca0、K20、Na20及其混合物。在某些实施方式中，第一组份包括从下列物质组成的组中选择的一种或多种活性成分CaO、Na2O, K2O及其混合物，其中洗涤材料中所述活性成分的含量为大约30wt%到大约60wt%。可选地，除氧化钙和碱氧化物外，第一组份还包括另外的活性化合物，这样的活性成分不限于上面所述的。在一些实施方式中，第一组份包括大约30wt %或更多的氧化钙。如在这里使用的， 除非另外指出，所有的百分比都基于重量。应该注意，这里所述的各种材料的化学成分是根据从通常由X射线荧光技术测定的元素分析计算得到的以简单氧化物的形式来表示。尽管各种简单氧化物可能以更加复杂的化合物存在于材料中，并且经常如此，但是氧化物分析仍然是一种表示化合物中所关心的各个组分含量的有用方法。在某些实施方式中，第一组份包括大约3wt%或更多的游离石灰(游离氧化钙)。 “游离石灰”是指材料中可以容易地用于和水进行水合反应的游离氧化钙(游离CaO)。未消化的石灰，也称作生石灰，包含能够和水进行反应，即熟化的更高含量的脱水(游离)石灰或氧化钙(CaO)。相反，熟化的或与水合的石灰已经与水反应形成Ca(0H)2。游离石灰的含量经常用作包含氧化钙材料的反应活性的指标。在本发明的某些实施方式中，游离石灰可能为大约5%或更高。在一些实施方式中，第一组份优选包括大约Iwt %或更多的氧化钠(Na2O)和/或氧化钾(K2O)形式的碱金属离子源。应该注意，一些碱金属离子与各种配阴离子，例如硫酸根配合，但是，通常的碱金属含量分析用碱金属氧化物和硫酸盐分别表示。在某些实施方式中，氧化钠(Na2O)和/或氧化钾(K2O)形式的碱金属离子源的含量大于或等于大约3wt%， 可选地，大于或等于大约4wt%。各种凝硬性和/或水泥质物质的碱金属含量也可以用通过下列公式计算的，考虑了 Na20和K2O的存在的钠等价物(Na2Oc)来表示z = X+ (O. 658-y) (公式 I)其中z为钠等价物(Na2Oe)，x为组合物中Na2O的重量百分比，y为组合物中K2O的重量百分比。这样的钠等价物的含量的范围可以从大于0.01wt%到大于或等于约lwt% ； 可选择地大于或等于约2wt%;可选择地大于或等于约3wt%;在一些实施方式中，大于或等于约5wt%0如下面将更详细讨论的，碱金属离子促进用于洗涤材料的理想反应条件，例如提供较高的PH值。相信较高的pH值会提供更快的反应速度并且促进在洗涤材料与二氧化碳的反应中形成更想要的产品。在某些实施方式中，除杂质和稀释剂外，第一组份的组成如表I中所示。表I
权利要求
1.一种从含二氧化碳的流体流中去除二氧化碳的方法，该方法包括通过在水的存在下将流体流与包括第一组分和第二组分的二氧化碳分离洗涤材料进行接触来减少流体流中的二氧化碳的量，其中第一组分不同于第二组分，第一组分包含氧化钙和碱金属离子源，且第二组分包含具有一种或多种反应性硅酸盐化合物的矿渣。
2.如权利要求I所述的方法，其中所述二氧化碳分离洗涤材料的PH值为9或更高，且碱金属离子用来提高所述二氧化碳分离洗涤材料的pH值，从而增加二氧化碳与所述二氧化碳分离洗涤材料的反应率。
3.如权利要求I所述的从含二氧化碳的流体流中去除二氧化碳的方法，其中所述流体流由燃烧源产生，且所述方法进一步包括减少一种或多种其他空气污染物的量，所述其他空气污染物选自由一氧化碳、含氯氟烃、氢氯酸、氮氧化物、硫氧化物、微粒物质、挥发性有机化合物、浮质化合物、汞、铅、氨、臭氧及其混合物所组成的组中。
4.如权利要求I至3中任意一项所述的方法，其中第一组分包含选自由水泥窑粉尘 (CKD)、石灰窑粉尘(LKD)、甜菜石灰、熟料粉尘、熟石灰、生石灰及其混合物所组成的组中的材料，和/或第二组分包含选自由高炉矿渣、钢渣及其混合物所组成的组中的材料。
5.如权利要求I至4所述的方法，其中第二组分包含选自由空气冷却的高炉矿渣、颗粒状高炉矿渣、研磨的粒化高炉矿渣、膨胀的和/或成丸状的高炉矿渣、顶吹氧转炉钢渣、平炉钢渣、电弧炉钢渣及其混合物所组成的组中的材料。
6.如前述任意一项权利要求所述的方法，其中第一组分包含水泥窑粉尘(CKD)，且第二组分包含不锈钢钢渣。
7.如前述任意一项权利要求所述的方法，其中所述二氧化碳分离洗涤材料中第一组分与第二组分的比例为约10 : I至约I : 10。
8.如前述任意一项权利要求所述的方法，其中所述二氧化碳分离洗涤材料中钙(Ca) 与硅(Si)的摩尔比为约I : I至约10 I。
9.如前述任意一项权利要求所述的方法，其中第一组分含有选自由Ca0、Na20、K20及其混合物所组成的组中的一种或多种活性成分，其中所述洗涤浆料材料中活性成分的总量为约 30wt% 至约 60wt%。
10.如前述任意一项权利要求所述的方法，其中第二组分包含选自由CaSi03、CaO及其混合物所组成的组中的一种或多种活性成分，其中第二组分中所述活性成分的总量为约 35wt% 至约 90wt%。
11.如前述任意一项权利要求所述的方法，其中第一组分包含大于或等于约30wt%的氧化钙(CaO)以及大于或等于约Iwt%的氧化钠(Na2O)和/或氧化钾(K2O)形式的碱性离子源。
12.如前述任意一项权利要求所述的方法，其中第一组分包含30 45wt%的氧化I丐(CaO)；10 20wt%的二氧化硅(SiO2)；2 7被％的氧化铝(Al2O3)；I 3 ^%的氧化铁(Fe2O3)；O. 5 3wt%的氧化镁；I 15 ^%的硫酸盐(SO3)；2、O. I Iwt %的氧化钠(Na2O);和、O. I 15wt%的氧化钾(K2O) ο
13.如前述任意一项权利要求所述的方法，其中第二组分包含10 35wt%的二氧化硅(SiO2)；35 55￥七％的氧化钙(CaO)；3 IOwt %的氧化镁(MgO)；O. I 40wt%的氧化铁(FeO);和O. I IOwt % 的氧化招(Al2O3) ο
14.如前述任意一项权利要求所述的方法，其中所述接触减少二氧化碳的总量至小于或等于所述接触前二氧化碳初始量的约50%。
15.如前述任意一项权利要求所述的方法，其中所述流体流由选自锅炉、熔炉、焚化炉、 水泥窑、石灰窑及其组合的一种或多种中的燃烧源产生。
16.如前述任意一项权利要求所述的方法，其中所述接触为连续法，所述流体流的流速为大于或等于约10，000实际立方英尺/分钟(acfm)到小于或等于约1，000, 000实际立方英尺/分钟(acfm)，且所述接触发生在选自由流化床反应器、床反应器、文丘里洗涤器、喷淋塔洗涤器、填充洗涤塔反应器、连续搅拌釜式反应器及其组合所组成的组中的反应器中。
17.—种减少来自生产过程中的排放的方法，所述方法包括在水的存在下使生产过程中产生的至少部分废物流与洗涤材料进行接触，其中所述洗涤材料包括(i)含有氧化钙源和碱金属离子源的第一组分和(ii)含有具有一种或多种反应性硅酸盐化合物的矿渣的第二组分，其中第一组分不同于第二组分，且所述废物流包括二氧化碳和至少一种其他污染物，所述其他污染物选自由氮氧化物、硫氧化物、氢氯酸、微粒物质、挥发性有机化合物、汞、及其混合物所组成的组中，其中所述接触减少二氧化碳的总量至小于或等于所述接触前二氧化碳初始量的约50 %，并且还减少所述废物流中的至少一种其他污染物的量。
18.如权利要求17所述的方法，其中第一组分的所述碱金属离子用来提高所述洗涤材料的PH值至约9或更高，以增加二氧化碳与所述洗漆材料的反应率。
19.如权利要求17至18所述的方法，其中所述接触为连续法，所述废物流的流速为大于或等于约10，000实际立方英尺/分钟(acfm)到小于或等于约1，000, 000实际立方英尺 /分钟(acfm)，且所述接触发生在选自由流化床反应器、床反应器、文丘里洗涤器、喷淋塔洗涤器、填充洗涤塔反应器、连续搅拌釜式反应器及其组合所组成的组中的反应器中。
20.如权利要求17至19所述的方法，进一步包括在所述接触后产生包括碳酸钙和用过的洗涤材料的产物，并在生产过程中再利用所述碳酸钙。
21.如权利要求17至20所述的方法，其中第一组分包含选自由水泥窑粉尘(CKD)、石灰窑粉尘(LKD)、甜菜石灰、熟料粉尘、熟石灰、生石灰及其组合所组成的组中的材料，且第二组分包含高炉矿渣、钢渣及其组合。
22.如权利要求17至21所述的方法，其中所述生产过程为具有产生水泥窑粉尘(CKD) 或石灰窑粉尘(LKD)的水泥生产过程或石灰生产过程，且所述方法进一步包括将至少部分所产生的水泥窑粉尘(CKD)或石灰窑粉尘(LKD)引入到所述洗涤材料中。
23.如权利要求17至21所述的方法，其中所述生产过程包括产生所述废物流的燃烧源，其中所述燃烧源选自由锅炉、熔炉、焚化炉、水泥窑、石灰窑及其组合所组成的组中。
全文摘要
本发明提供了分离和/或减少存在于含有二氧化碳的工业废物流中的二氧化碳的方法和系统。包括第一组分、第二组分(不同于第一组分)和优选还包括水的洗涤材料与所述废物流相接触。第一组份包含氧化钙源和碱金属离子源。第二组份包含具有一种或多种反应性硅酸盐化合物的矿渣。本发明提供了从燃烧源、石灰和/或水泥窑、炼铁和/或炼钢炉等产生的废气中减少二氧化碳的方法。还公开了一种二氧化碳排放减少系统。本发明进一步提供了重复利用工业副产物的方法。
文档编号B01D53/62GK102600707SQ20121001699
公开日2012年7月25日 申请日期2007年3月8日 优先权日2006年3月10日
发明者道格拉斯·C·科姆里 申请人:C-广思技术国际有限公司