专利名称：方法和设备的制作方法
方法和设备本发明涉及一种方法和设备，用于从至少包括可捕获的目标化合物(可捕获的靶化合物，captive target compound)和一种其它材料的气体和/或蒸气混合物捕获可捕获的目标化合物或用于从至少包括目标化合物和一种其它材料的液体混合物或溶液回收或浓缩目标化合物。本发明在环境改善方面具有特别的适用性，并且可以例如用来从大气 (气氛)中除去温室或污染气体或从废物流(废流股)(废水)中除去污染物。本发明还可以用来从废物流或从其它来源回收有用物质，并且可以例如用来从废物流回收和/或浓缩回收的污染物或用来实现目标化合物的结晶。本说明书将强调本发明用来实现碳捕获的适合性，尤其是从大气或从二氧化碳富集的空气或从包含大量二氧化碳的废物流除去二氧化碳，但从上文应当明了，本发明的方法和设备可以被更广泛地利用。目前大气中二氧化碳的浓度正在升高并已确定为是引起气候变化的主要温室气体。对发现一种降低或停止大气中二氧化碳水平的升高以便管理气候变化的方式(方法) 存在很大的需要。其它人开发从大气中提取二氧化碳的可行方法的先前尝试已遇到困难， 这是由于相对高的能源消耗、高建设成本以及经济困难。在本申请书中概述的方法旨在专门解决这些问题。本发明的方法还是高度可扩展的，因为将需要大规模地进行大气碳捕获以解决气候变化的问题。目前二氧化碳以大约385ppm存在于空气中。这意味着，它是非常扩散的并且大量的空气需要与吸收剂混合以提取任何有意义量的二氧化碳。这很难以有意义的比率常规实现并仍使用低能量。对于此已考虑使用风，但它通常不是连续的并且这具有降低基本构造的收益率和增加捕获设备的操作成本的效果。类似地，风扇具有基本费用并且需要显著的电力来操作。还存在紧迫的环境需求来提供目前可用方法的改善，用于从废物流中回收污染物和/或浓缩这样的材料用于随后的回收，以及用于实现从其溶液结晶目标化合物。本发明寻求解决这些困难。根据本发明，提供了一种用于从包含目标化合物和至少一种其它材料的混合物捕获或浓缩或结晶目标化合物的方法，该方法包括提供外壳(enclosure)，该外壳具有顶部区域、底部区域以及限定外壳的至少一个侧面，该外壳在它的顶部区域与气体和/或蒸气混合物连通，用于允许气体和/或蒸气混合物进入外壳；在它的底部区域与容器(贮存器)连通，用于接收捕获到的或浓缩的目标化合物；具有与其至少一个侧面和/或其底部区域相连的装置，用于允许气体和/或蒸气混合物从外壳流出；具有用于从顶部到底部至少部分地喷射液体混合物或溶液通过外壳的装置，其中目标化合物存在于气体和/或蒸气混合物中和/或存在于液体混合物或溶液中；
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喷射液体混合物或溶液通过外壳以产生气体和/或蒸气混合物通过外壳的下降气流；当目标化合物存在于气体和/或蒸气混合物中时，在液体混合物或溶液中或混合于液体混合物或溶液和/或在容器中提供活性剂，该活性剂具有与可捕获的目标化合物相互作用以使它可以以非气体和非蒸气形式被捕获的能力；当目标化合物存在于液体混合物或溶液中时，至少部分使在下降气流中的液体混合物或溶液蒸发以浓缩或结晶目标化合物；在容器中收集捕获到的、浓缩的或结晶的目标化合物；以及通过至少一个侧面和/或通过容器从外壳排出气体和/或蒸气混合物，可选地以至少部分可捕获的目标化合物耗尽形式。本发明在从气体和/或蒸气混合物捕获目标化合物方面，以及在从液体混合物或溶液捕获目标化合物方面具有适用性。在前一种情况下，在方法开始时，目标化合物存在于气体和/或蒸气混合物中。在后一种情况下，作为液体混合物或溶液或作为液体混合物或溶液的一部分或连同液体混合物或溶液一起来提供目标化合物。在一些情况下，当然可以的是，目标化合物存在于气体和/或蒸气混合物中并存在于液体混合物或溶液中，或第一目标化合物存在于气体和/或蒸气混合物中而第二目标化合物存在于液体混合物或溶液中。因此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于从至少包括可捕获的目标化合物和一种其它材料的气体和/或蒸气混合物捕获可捕获的目标化合物的方法，该方法包括提供外壳，该外壳具有顶部区域、底部区域以及限定外壳的至少一个侧面，该外壳在它的顶部区域与气体和/或蒸气混合物连通，用于允许气体和/或蒸气混合物进入外壳；在它的底部区域与容器连通，用于接收捕获到的可捕获的目标化合物；具有与其至少一个侧面和/或其底部区域相连的装置，用于允许至少部分可捕获的目标化合物耗尽形式的气体和/或蒸气混合物从外壳流出；具有这样的装置，该装置用于从顶部到底部至少部分地喷射液体混合物或溶液通过外壳，用于夹带在外壳中的气体和/或蒸气混合物并将夹带的气体和/或蒸气混合物朝向外壳的底部区域携带；通过外壳喷射液体混合物或溶液并夹带其中的气体和/或蒸气混合物，使得气体和/或蒸气混合物朝向外壳的底部区域流动；作为液体混合物或溶液或在液体混合物或溶液中或混合于液体混合物或溶液、和 /或在容器中，提供活性剂，该活性剂具有与可捕获的目标化合物相互作用以使它可以以非气体和非蒸气形式被捕获到的能力；在容器中收集捕获到的可捕获的目标化合物；以及从外壳通过至少一个侧面和/或通过容器排出以至少部分可捕获的目标化合物耗尽形式的气体和/或蒸气混合物。在这种情况下，可捕获的目标化合物可以选自任何一种或多种已知的气体或蒸气污染物、温室气体、或其它不期望的环境成分，和/或它可以选自有用的化合物，其可以是期望捕获的并重新用于有用目的或用于直接分解。可捕获的目标化合物的非限制性实例包括二氧化碳、甲烷以及一氧化二氮。二氧化碳是优选的可捕获目标化合物。气体和/或蒸气混合物可以是大气或可以是例如来自工业设备或矿井的废物流。在本发明的另一个方面中，本发明提供了一种用于从至少包括目标化合物和一种其它材料的混合物回收或浓缩目标化合物的方法，该方法包括提供外壳，该外壳具有顶部区域、底部区域以及限定外壳的至少一个侧面，该外壳在它的顶部区域与气体和/或蒸气混合物连通，用于允许气体和/或蒸气混合物进入外壳；在它的底部区域与容器连通，用于接收回收的或浓缩的目标化合物；具有与其至少一个侧面和/或其底部区域相连的装置，用于允许气体和/或蒸气混合物从外壳流出；具有这样的装置，该装置用于从顶部到底部至少部分地喷射包含目标化合物和至少一种其它材料的液体混合物或溶液通过外壳；通过外壳喷射液体混合物或溶液以产生气体和/或蒸气混合物通过外壳的下降气流；至少部分地蒸发在下降气流中的液体混合物或溶液以浓缩或结晶目标化合物；在容器中回收浓缩的或结晶的目标化合物；以及从外壳通过至少一个侧面和/或通过容器排出气体和/或蒸气混合物。在这种情况下，目标化合物可以选自任何一种或多种已知的污染物和/或它可以选自有用的化合物，其可以是期望回收的并重新用于有用目的。目标化合物的非限制性实例包括磷酸钠水合物或硫酸钠水合物。当溶解的盐(硫酸钠)的浓度逐渐增加超过它的溶解度点(其中在结晶以后发生结合水)时，水合物盐诸如芒硝(N%S04 IOH2O)特别适合于利用这种方法加以结晶。这具有进一步减少用来溶解其它硫酸钠的可用水的效应。该方法足够慢地蒸发水以使得可以生长较大晶体，但足够快速以成为用于产生大规模结晶的可行方法。所描述的结晶方法适用于非水合盐或化合物。在本发明的方法用来结晶目标化合物的情况下，所提供的混合于目标化合物的至少一种其它材料可以简单地是用于目标化合物的溶剂或溶剂混合物。在这方面，在本说明书中术语“混合物”明确包括包含溶质和溶剂的混合物的溶液。本发明的方法便于连同相对较低能量需求的过程一起来浓缩稀释材料。应用有许多，但包括浓缩在废水中的污染物以促进它们的最终回收和/或处置，以及来自采矿业的废物流的处理，例如从其回收硫酸钙或磷酸钠。在根据本发明的一种方法中，可能通过结晶来捕获可捕获的目标化合物。这样的化合物的一个实例是磷酸钠，在本发明的方法中，其可以在溶液中被供给到外壳并在下降气流中结晶，从而按照上述方法回收磷酸钠晶体。优选通过至少一个侧壁来限定外壳，所述侧壁优选具有圆形截面。然而，基本上任何构造的侧壁可以用来提供具有卵形、多边形或不规则截面的外壳。在外壳的整个长度上截面不需要是相同的，虽然它可以是相同的。可以选择外壳的截面积以适合应用，但通常是例如至少约lm2、或至少约5m2、或至少约10m2、或至少约50m2、或至少约IOOm2、或至少约250m2、或至少约500m2。所述至少一个侧壁可以是具有常规烟囱的方式的实心壁，其构造自任何合适的材料，如例如金属或塑料的块、砖(片，brick)、板。然而，在外壳的构造中，还设想使用柔性材料，例如帷、幕(帘)以及织物。合适的塑性材料(塑料)如例如聚丙烯或聚乙烯的空心圆柱体将构成用于外壳的合适布置。还设想，所述至少一个侧壁至少部分地由流体材料构成，该流体材料连续地从外壳的顶部流向底部以产生构成侧壁的流体幕。流体材料可以是流动固体如细分的颗粒材料，例如砂子，但将通常优选是液体，最优选水或至少基于水的材料(水基材料)。外壳在它的顶部可以是完全敞开的，从而便于外壳与气体和/或蒸气混合物之间的最大连通。然而，在一些情况下，它可以优选部分地关闭外壳的顶部，例如，以过滤碎屑或引导下降气流流动。在其底部，外壳还可以是完全敞开的并完全与容器连通。然而，再次，在一些情况下，它可以优选部分地关闭外壳的底部，例如，以过滤碎屑或引导循环流(循环流股)。用于允许以至少部分可捕获的目标化合物耗尽形式的气体和/或蒸气化合物流出的装置可以包括在至少一个侧壁中的一个或多个出口，优选朝向或在外壳的底部区域中。如果至少一个侧壁是连续流动的侧壁(例如水幕)，则例如，在至少一个侧壁中、围绕偏转板(折流板)或其它种类的突出物(突起)，通过偏转流体材料的流动，可以提供至少一个出口。为了防止在外壳内产生由吹过外壳的顶部的风引起的负压，有用的是，在外壳的顶部安装向下指示百叶窗以重新引导流动空气向下进入外壳。重要的是，防止在外壳内产生负压，这是因为这会严重干扰空气的向下流动。因此，根据本发明，还提供了一种按照上述的方法，其中提供了与外壳的顶部区域相连的装置，用于引导气体和/或蒸气混合物向下进入外壳。这样的装置可以包括例如向下定向的百叶窗。优选地，喷射装置朝向外壳的顶部区域定位。它可以位于外壳的顶部，但在所有情况下这可能不是优选的，例如当活性剂被提供为液体混合物或溶液或混合于液体混合物或溶液以及是挥发性化合物时，其中最好不应允许上述挥发性化合物从外壳逃逸。喷射装置通常将被布置成至少穿过外壳截面积的主要部分来分布液体混合物或溶液，使得下降的喷射的液体混合物或溶液在外壳中产生下降气流。本发明的方法的一个重要特点是与液体混合物或溶液的以下能力有关在外壳中产生相当大的下降气流并因此实现较大体积的气体和/或蒸气混合物通过其中的运动。如果液体混合物或溶液具有蒸汽压使得在外壳中发生液体混合物或溶液的至少部分蒸发，则情况尤其是如此。液体混合物或溶液的蒸发会引起在外壳中的残留液体混合物或溶液的温度下降，并且这又会加速下降气流。因此，在根据本发明的一种优选方法中，液体混合物或溶液具有蒸汽压，使得在外壳中发生液体混合物或溶液的至少部分蒸发。液体混合物或溶液可以选自任何合适的材料或材料的混合物，但将通常包括水， 其可以是盐水、废水或淡水。应当明了，当混合于液体混合物或溶液来提供活性剂时，这样的混合无需在喷射液体混合物或溶液以前进行。例如，如果期望的话，可以通过与液体混合物或溶液喷射器分开的第二喷射装置将活性剂喷射到外壳中。例如，本发明的方法可以使用双喷射系统，其中第一盐水喷射夹带气体和/或蒸气混合物，其然后在外壳中前进通过第二淡水喷射，其中提供有活性剂。以这种方式，至少主要借助于盐水蒸发来实现气体和/或蒸气混合物的夹带(带走)，并且因此发生相对很少或没有发生淡水的蒸发。在淡水供应有限的地方，这可能具有优点。当以至少部分可捕获的目标化合物耗尽形式的气体和/或蒸气混合物从外壳排出时，可能期望的是，在出口的区域中设置提取机构(strippingmechanism)，用于例如从排出流(vented stream)中除去外来活性剂。例如，可以引导排出流或至少部分排出流通过流动的提取介质(strippingmedium)，其本身可以是例如流动水幕。以这种方式，可以通过提取流从排出流中回收任何外来活性剂。然而，应当强调的是，提取介质不一定是水基的， 而是可以包括例如非挥发性油。活性剂可以选自这样的材料，其与可捕获的目标化合物化学反应或以其它方式破坏可捕获的目标化合物，优选以产生非气体和非蒸气产物，或其与可捕获的目标化合物物理上相互作用，例如以在活性剂的表面上吸附可捕获的目标化合物或在活性剂的基体(基质)内吸收或螯合可捕获的目标化合物。然而，在本说明书中，术语吸收剂在上下文中还将理解为是指化学相互作用的材料，其具有化学吸收可捕获的目标化合物以便例如产生新的化学实体，其中的可捕获的目标化合物或化学组分已被活性剂化学吸收的效果。例如，在本文中我们将氨称为碳吸收剂，因为它与二氧化碳化学反应以产生碳酸氢铵。在目标捕获化合物是二氧化碳的情况下，优选的活性剂是氨连同硫酸钙或石膏。 在这种情况下，驱动该过程的化学反应可以方便地总结如下1) 2NH3 (气体)+2H20 — 2NH40H 2) CaSO4 · 2H20 — CaSO4 (溶解的)+2H203) CaS04+C02+2NH40H — CaC03+H20+ (NH4) 2S04以这种方式，将可以看到，通过与氨和硫酸钙形式的活性剂的相互作用，可以将二氧化碳转化成捕获的形式，作为碳酸钙。石膏可以作为悬浮液被溶解或夹带。可以将氨溶解在水中或作为气体添加。如果将氨作为气体加入到系统中，则可以产生更高的捕获效率。 石膏的使用是特别有利的，这是因为可以以采矿废物的形式来供给石膏，其经常被氟化钙和放射性物质污染。本发明的方法便于从这样的废物流选择性地溶解硫酸钙并从而是用于回收硫酸钙供进一步使用的有效方式。因此，在根据本发明的一种优选方法中，以气体形式来提供活性剂并与可捕获的目标化合物发生直接气气反应以使可捕获的目标化合物能够被捕获。在一种特别优选的方法中，在这点上，可捕获的目标化合物是二氧化碳而活性剂是氨。可以认为，虽然本发明的方法不受该理论的束缚或限制，但是氨气可以直接与二氧化碳气体反应以形成氨基甲酸铵和碳酸氢铵。两者均是不稳定的并且遭受分解，但并不足以快速地使二氧化碳被有效地捕获到。可以在根据本发明的特别优选的方法中处理上述两种物质以与硫酸钙反应，以产生硫酸铵和碳酸钙，从而实现二氧化碳可捕获的目标化合物的长期捕获。如果期望的话，可以改变反应3)以产生干燥的反应产物。这可以通过仅向反应1 中添加一分子的水使得产生一分子的氨和氢氧化铵来实现，然后将其供应到反应3中使得没有产生水副产物。这产生干燥的碳酸钙(白垩)和硫酸铵。
反应1-3可以总结为以下方程式4) CaSO4 · 2H20+C02+2NH3 — CaCO3+ (NH4) 2S04+H20本发明的方法进一步设想以适合于下游使用的形式随后再生可捕获的目标化合物。例如，当可捕获的目标化合物是二氧化碳，并且以白垩的形式被捕获(通过与氨和石膏反应以产生白垩和硫酸铵)时，可以再生可捕获的目标化合物，供下游使用。存在两种途径来再生氨和石膏，其将在优选实施方式的描述中加以进一步说明。第一种途径是通过将硫酸铵热离解成硫酸和氨气。然后使硫酸与先前产生的白垩反应以产生二氧化碳的高压流股和石膏。反应是5) (NH4) 2S04 — 2 NH3+H2S046) CaC03+H2S04 — CaS04+C02 +H2O第二种途径是通过硫酸铵与白垩的直接反应。在高于60°C的加热温度下，在高压下使硫酸铵、白垩、以及水反应以形成石膏、氨气、以及二氧化碳。该反应需要热量的恒定输入以向前进行。反应是7) (NH4) 2S04+CaC03+H20 — 2ΝΗ3 +CaSO4 · 2H20+C02 个反应7是高度有利的，这是因为它可以由如发电过程产生的废热来提供动力。在方程式中概括描述的反应物是基于钙的。包括钙的任何碱金属是可适用的因此，根据本发明的一种优选方法包括至少一个再生可捕获的目标化合物的下游步骤，在这种情况下为二氧化碳，供进一步使用。优选地，通过碳酸钙与硫酸铵的反应，优选由来自工业过程如发电的废热所驱动，来进行二氧化碳的这样的下游再生。根据本发明，还提供了一种捕获槽，用于从至少包含可捕获的目标化合物和一种其它材料的气体和/或蒸气混合物捕获可捕获的目标化合物，或用于从包含目标化合物和至少一种其它材料的液体混合物或溶液捕获、浓缩或结晶目标化合物，该捕获槽包括外壳， 该外壳具有顶部区域、底部区域以及限定外壳的至少一个侧面，外壳在其顶部区域是至少部分敞开的以便在捕获槽的使用中与气体和/或蒸气混合物连通以及用于允许气体和/或蒸气混合物进入外壳；外壳在它的底部区域与容器连通，用于接收捕获到的可捕获目标化合物；具有与其至少一个侧面和/或其底部区域相连的装置，用于允许从外壳中流出至少部分可捕获的目标化合物耗尽形式的气体和/或蒸气混合物；以及具有这样的装置，该装置用于从顶部到底部至少部分地喷射液体混合物或溶液通过外壳，用于夹带在外壳中的气体和/或蒸气混合物以及用于将夹带的气体和/或蒸气混合物朝向外壳的底部区域携带。根据本发明，还提供了一种如本文前面描述的捕获槽，其被构造和布置成操作本发明的方法(如前文所述)。现在将参照许多优选方面连同碳捕获，尤其是二氧化碳，来更具体地描述本发明。 应当理解，借助于本发明的方法和设备，还可以捕获其它类型的温室气体或环境或工业污染物或有用的化合物，并且应基于此来理解以下描述。应当明了，一般来说，通过以下本发明可以克服现有技术概述的问题在外壳中引入空气流，以及通过蒸发冷却(在液体混合物或溶液是水的情况下通过水蒸发来冷却空气)产生逆向抽吸效应(逆向烟囱效应)、和/或借助于下降的水滴来夹带气体。当水蒸发时，它会冷却未蒸发的水和周围空气。冷却塔和动物利用这种效应来驱散热量。冷却塔是水的非常有效的蒸发器，这是因为它们混合由喷射细雾或使水薄膜通过
12具有大量空气的填充包所产生的大量的高表面积水。冷却塔可以对通过它们的空气和水产生10°C或更大的冷却效应。冷却塔并不产生空气的向下流动，这是因为它们辐射过剩的热量使得进入冷却塔的空气的温度低于离开该过程的空气的温度。喷射水或使水通过填充包的空气捕获过程将不会经受温度增加而是经受温度下降。如果这是在在底部具有开口的敞式拔顶槽中进行的(参见
图1)，则将产生向下的空气运动。这是因为进入槽顶部的空气将比在底部离开槽的冷却空气更温和。除通过蒸发来冷却空气以外，水的蒸发将提高离开槽的空气的湿度。湿空气重于非湿空气并会下沉。同样取决于所喷射的水滴的尺寸，存在从空气到水的向下动量的一些传输。由蒸发水产生的空气的向下流动可以是较大的并且通常可以按照烟囱方程来计算。该方程并没有考虑空气密度变化或水与空气夹带效应。该方程是Q = CA其中Q =烟囱效应气流(通风，draft) /通风流量，m3/sA =离开槽的空气的截面积，m3C =流量系数(孔流系数)(通常采取的是0. 65至0. 70)g =重力加速度，9. 81m/s2h=烟囱的高度，mTi =进入槽的空气的温度，KTtl =离开槽的空气的温度，K本质上，在本发明中使用的外壳作为相反的烟囱操作，即冷空气在底部而热空气在顶部。一个实例可用来进一步解释该效应对于具有400m2的顶部截面积的捕获槽，其中A = 324m3C = 0. 65g = 9. 81m/s2h = 15mTi = 298KT0 = 295K气流速率是362. 5m3/秒。通过顶部截面的气流速率的速度仅为1. 12米/秒。与活性剂(例如吸收剂)的空气接触时间为13. 4秒。本质上，可以在外壳中产生较大的气流，但空气的速率较慢。这对于可捕获的目标化合物(例如二氧化碳)的空气捕获是理想的，因为过程限制步骤是在气态可捕获的目标化合物与液体或固体表面(其包含活性剂)之间的相互作用的缓慢速率，例如二氧化碳扩散到吸收剂(其溶解在水中)中的缓慢速率。通常，气体扩散到吸收剂表面的速率比在目标化合物与吸收剂之间的反应速率小许多数量级。因此，它是全过程的限速步骤。更快的空气速率会减少可用于二氧化碳扩散到水中然后与碳吸收剂反应的时间长度。这倾向于是起反作用的并且必须取得平衡，使得足够的空气需要通过空气捕获槽，同时为目标气体到
13达吸收剂并起反应提供足够的时间。就基本构造费用而言，产生用于大体积的水的细喷雾(细喷射)来代替用填充包填充较大的空隙，通常是便宜的。如果使用水喷雾(喷射)，则有利的是，使用可行的细喷雾，因为这增加可用于使二氧化碳扩散到吸收剂中的表面积。这具有增加收获自空气的二氧化碳的量的效果。如果使用填充包，则相对于压力降具有高表面积的填充包是最有利的。 同样地，利用较大的开孔塑料泡沫(泡沫塑料)，可以产生较大的表面积。这样的泡沫具有以下优点可压缩的和可压紧的以便于运输并且当允许膨胀时能够返回到低密度材料。这大大降低了运输成本。所生产的产品如填充包本质上遭受高度大容量并且具有相对高的运输成本。可以结合使用喷雾、填充包和/或开孔泡沫。因此，根据本发明的以上描述和陈述，本发明还提供了一种用于可捕获的目标化合物的捕获槽，其中所述捕获槽设置有填充材料(填料)。优选地，该填充材料具有高表面积与容积比(体积比)。优选地，该填充材料具有开孔结构。例如，可以使用开孔泡沫。尤其优选的是可压缩的开孔材料，其可以被压缩以便于运输和储存。在空气离开捕获槽以前，细水喷雾或薄雾将不会从空气中沉降出来。为了避免吸收剂的损失，有必要具有粗喷雾的水幕以除去夹带的吸收剂或使空气通过偏移消除器。与提供的用于捕获大气物质的改善的方法一样，本发明的方法可以具有与水蒸气的生成相关的进一步的益处。诱导流捕获塔可以被看作是用低能量来蒸发大体积水的方式。可能的应用包括使用这样的蒸发来浓缩在废水中的稀污染物。如果使用废水(有用的湿度源)作为蒸发水源，则使非常稀的污染物变得显著更浓，然后可以被除去。本发明的另一个辅助益处可能在于在碳捕获中生产性使用由采矿(尤其是磷酸盐开采)或石膏循环利用所产生的废石膏。在磷酸盐采矿废物烟囱中的石膏目前被认为是无用的，因为它被天然存在的放射性矿物和氟化钙污染。本发明的方法可以用来溶解石膏， 但放射性矿物和氟化钙并不是可溶的。这使得可以进行分离和提纯(清除)。本发明的方法的另一个可能的益处在于为水泥制造提供中性碳白垩供应的可能来源。水泥制造采用石灰石或白垩并对它进行加热以释放co2。本发明的方法可以从空气中捕获(X)2并将它变成白垩以回料给水泥制造商。来自水泥制造的大约60 %的排放物来自碳酸钙的分解。本发明的另一个方面涉及多元喷射系统的应用，该系统采用盐水或废水以及淡水喷雾，目的在于使淡水的使用最小化，尤其在那些淡水的供给可能受限的地区。如将显而易见的，基于空气的碳捕获具有蒸发非常大量的水的潜力，这是由于需要处理的大量的空气。 甚至相对于空气(其通过上述过程)的少量水蒸发可以导致需要大量的补充水。淡水是压力正增加的有限资源。将进一步增加淡水需求的应用的产生很可能产生使用冲突。可以利用高度浓缩的碱性溶液来操作基于空气的碳捕获，使得发生很少或不发生蒸发，或可以使用选择性离子塑料板(塑料片材)，但这些方法经受许多缺点诸如高基本费用、碱偏移、以及需要操作风扇来产生连续气流。自生成气流的缺乏是一个重大问题，这是因为它将相当大的能源负担强加于基于空气的碳捕获的方法并限制防止上述方法发生碱漂移的能力。通常，更容易使用基于稀水的捕获溶液，因为可以控制蒸发水效应以通过该过程诱导气流。这可以节省能源和基本构造费用。有用的是，使喷雾位于湿度源喷雾(盐水或废水)和过程的捕获侧之间以从该过程(其可以包含吸收剂和产生的盐)中除去漂移物。这具有在碳捕获过程的碳吸收侧内不产生盐或化学污染的优点，因为污染物的后来分离会使该过程复杂化。污染物分离会增加成本并增加过程的能量消耗。在增湿源水中的盐或污染物的浓度可以被增加许多倍，使得离开过程的溶液具有比用来补充(构成)过程的容积小得多的容积。在本发明的一个方面，本发明因此涉及使用盐水或废水来产生诱导的气流以及限制来自碳吸收过程中的淡水蒸发。这可以通过最初使空气通过盐水或废水的细喷雾来实现，使得水蒸发并增加空气的湿度。然后使较冷和高湿度空气转到碳捕获过程，其可以是基于淡水的。高湿度空气处于或接近饱和湿度，因而将从过程的淡水侧蒸发很少的水或不蒸发水。可以优化这种双过程使得很少的水蒸发自过程的淡水侧而不是蒸发自盐水或废水。水的蒸发是高表面与空气比的函数。因此优选产生细水喷雾，因为这些细水喷雾将增加水的蒸发。还可以利用水的薄膜如将在冷却塔填充包中所产生的水的薄膜来实现相同的效应。喷雾或填充包将产生盐水或废水的漂移(漂浮物)，其将污染过程的碳吸收侧。 可以通过在盐水喷雾与过程的碳吸收侧之间的填充包上添加喷雾/薄流体膜来消除这种漂移。这将捕获污染漂移。它将产生少量的低污染物漂移(从第二喷雾)，但这可以通过控制污染物如在第二喷雾环中的盐的浓度来加以管理。还可以在填充包上添加另外的喷雾/ 薄流体膜以进一步减少污染物漂移。应该指出的是，在过程中额外步骤的添加将增加穿过全过程的压力降并将减少气流/增加需要给予风扇的能量，其中上述风扇(如果使用)驱动空气通过过程。在漂移减少步骤中管理污染物浓度的一种方式是将一定比例的洗涤液(如果它是基于水的)持续传输到湿度源喷雾。这将消耗少量但可接受量的淡水。先前描述的蒸发过程可以用来浓缩碳吸收剂，使得可以产生高度浓缩的溶液。这是有利的，因为更加浓缩的溶液通常需要较少的能量来处理。同样地，小容积的液体吸收剂通常需要较小容积的设备，这意味着需要较低的基本费用。它同样可用于从碳捕获过程产生副产物的浓缩溶液。在这点上，本发明的方法的一种操作模式涉及使用反向烟囱，通过水的蒸发，其产生空气冷却以及增加的空气密度，上述反向烟囱引起空气的较大的下降气流。在这种实施方式中，空气在烟囱的顶部进入并与盐水的喷雾混合，使得空气变得被湿气饱和。冷的更稠密的空气下降并通过淡水的喷雾，其从盐水喷雾中除去高盐漂移。通过将一定比例的洗涤水持续加入盐喷雾中并用淡水补充洗涤喷雾来控制洗涤喷雾的盐度。然后使空气传送到过程的碳吸收侧，其中从空气中除去二氧化碳。碳吸收剂系统可以或可以不是液体以及可以或可以不是基于吸收剂的淡水溶液。然后空气离开碳吸收侧并且在烟囱的底部离开以前可以或可以不通过漂移减少水雾。该方法通常被设计成从过程的盐水侧而不是从碳吸收侧来主要蒸发水。该方法被构造成使不同水喷雾的混合最小化。存在许多方式来做到这一点， 其将是本领域技术人员显而易见的。一个这样的解决方案的简单例证是笔直的竖式管，其在顶部和底部是敞开的。空气进入管的顶部并通过盐水喷雾，且增加湿度。在管的顶部附近是盐水喷雾落入的“底板”。使空气从位于盐水喷雾底板上方的管的封闭和突起侧掉出， 其中上述盐水喷雾底板位于管内。在突起侧内，喷射淡水以消除与空气混合的高盐漂移。空气持续下降并进入过程的碳吸收部分，其位于盐水喷雾底板下方。空气沿管下降通过捕获过程，然后在管的底部离开。将突出部和流体阻挡层安装在适当的位置以防止各种液体流到过程的其它部分。可以持续再次使用流体。
开发和实施从废物流和空气进行碳捕获的努力已严重受阻于在低温下再生二氧化碳吸收剂的困难。通常，再生吸收剂系统所需的温度为几百摄氏度。这将显著的成本和能量限制强加于碳捕获过程。本发明的另一个优点是，如果期望的话，该过程的捕获到的产物可以被再生，供下游使用，并且这样的再生可以在相对低的温度下进行，使得在低于100°C下再生吸收过程的副产物。先前已总结了在活性剂是氨和石膏的组合的情况下用于再生生产二氧化碳的化学反应。该再生反应(反应7)需要热量的输入。当将热量输入到系统中时，反应向前进行。 该反应在水的沸点和低于水的沸点下进行。过量的水并不阻碍反应并且通常是有利的。通常，如果使用细粉末状的白垩，则通过热量输入到系统中的速率来控制反应速率。更高的温度通常会增加反应速率。石膏通过反应产生并且具有低溶解度，并沉淀出来。与释放的二氧化碳一起，氨气离开系统。重要的是，保持释放的气体温热，使得没有形成碳酸氢铵。如果气体被保持高于铵和二氧化碳反应以形成稳定的碳酸氢铵和氨基甲酸铵的温度，则可以使气体通过水幕并使氨与二氧化碳分离。氨在水中是高度可溶的并且二氧化碳通常具有低水溶解度(如果压力被保持较低)。这便于直接分离。产生的氢氧化铵被再循环回到反应 3以固定更多的二氧化碳。可以通过再循环二氧化碳通过再生系统对过程进行进一步改善，在所述再生系统中正发生反应7以便从浆料中提取氨并改善反应速率。为了从高浓度(X)2气流捕获CO2，有必要喷射石膏和氨的水浆料，因为硫酸钙在水中的低溶解度会成为问题。这产生石膏和白垩的混合物。该混合物(或仅白垩)以及产生的溶解在水中的硫酸铵可以被加热以产生氨蒸气、二氧化碳以及石膏。可以使用来自如发电厂的来源的废过程热来提供为使反应7继续进行所需的热量。反应5和7产生氨和石膏，其可以被再循环以产生循环反应周期如在循环1和2中概述的周期。这些循环持续再循环除二氧化碳之外的反应物。净结果是能够将稀二氧化碳浓缩成纯二氧化碳流股的化学系统。在循环1中使用丰富的低级废热作为热源来再生吸附剂系统的能力是高度有利的。循环1是
1权利要求
1. 一种用于从包括目标化合物和至少一种其它材料的混合物捕获、浓缩或结晶所述目标化合物的方法，所述方法包括a.提供外壳，所述外壳具有顶部区域、底部区域以及限定所述外壳的至少一个侧面，所述夕卜壳1.在它的顶部区域与气体和/或蒸气混合物连通，用于允许所述气体和/或蒸气混合物进入所述外壳； 在它的底部区域与容器连通，用于接收被捕获的或浓缩的目标化合物；iii.具有与其至少一个侧面和/或其底部区域相连的装置，用于允许所述气体和/或蒸气混合物从所述外壳流出；iv.具有用于从顶部到底部至少部分地喷射液体混合物或溶液通过所述外壳的装置， 其中所述目标化合物存在于所述气体和/或蒸气混合物中和/或存在于所述液体混合物或溶液中；b.喷射所述液体混合物或溶液通过所述外壳以产生所述气体和/或蒸气混合物通过所述外壳的下降气流；c.当所述目标化合物存在于所述气体和/或蒸气混合物中时，提供作为所述液体混合物或溶液的活性剂，或在所述液体混合物或溶液中提供活性剂或提供混合于所述液体混合物或溶液中的活性剂和/或在所述容器中提供活性剂，所述活性剂具有与可捕获的目标化合物相互作用以使它以非气体和非蒸气形式被捕获的能力；d.当所述目标化合物存在于所述液体混合物或溶液中时，至少部分地蒸发在所述下降气流中的所述液体混合物或溶液以浓缩或结晶所述目标化合物；e.在所述容器中收集被捕获的、浓缩的或结晶的目标化合物；以及f.从所述外壳中通过所述至少一个侧面和/或通过所述容器排出所述气体和/或蒸气混合物，可选地以至少部分可捕获的目标化合物耗尽的形式。
2.根据权利要求1所述的方法，用于从至少包括可捕获的目标化合物和一种其它材料的气体和/或蒸气混合物中捕获所述可捕获的目标化合物，所述方法包括a.提供外壳，所述外壳具有顶部区域、底部区域以及限定所述外壳的至少一个侧面，所述夕卜壳i.在它的顶部区域与所述气体和/或蒸气混合物连通，用于允许所述气体和/或蒸气混合物进入所述外壳； 在它的底部区域与容器连通，用于接收被捕获的可捕获目标化合物；iii.具有与其至少一个侧面和/或其底部区域相连的装置，用于允许从所述外壳流出至少部分以可捕获的目标化合物消耗形式的所述气体和/或蒸气混合物；iv.具有用于从顶部到底部至少部分地喷射液体混合物或溶液通过所述外壳的装置， 用于夹带在所述外壳中的所述气体和/或蒸气混合物并将所夹带的气体和/或蒸气混合物朝向所述外壳的所述底部区域携带；b.喷射所述液体混合物或溶液通过所述外壳并在其中夹带所述气体和/或蒸气混合物，使得所述气体和/或蒸气混合物朝向所述外壳的所述底部区域流动；c.提供作为所述液体混合物或溶液的活性剂，或在所述液体混合物或溶液中提供活性剂或提供混合于所述液体混合物或溶液中的活性剂，和/或在所述容器中提供活性剂，所述活性剂具有与所述可捕获的目标化合物相互作用以使它以非气体和非蒸气形式被捕获的能力；d.在所述容器中收集被捕获的可捕获目标化合物；以及e.从所述外壳通过所述至少一个侧面和/或通过所述容器，排出至少部分可捕获目标化合物耗尽形式的所述气体和/或蒸气混合物。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述可捕获的目标化合物选自任何一种或多种已知的气体或蒸气污染物、温室气体、或其它不期望的环境成分，和/或选自期望用于捕获并重新用于有用用途的有用化合物。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述可捕获的目标化合物选自二氧化碳、甲烷以及一氧化二氮。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述可捕获的目标化合物是二氧化碳。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，所述气体和/或蒸气混合物包括大气或来自工业装置的废物流。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，与所述液体混合物或溶液分开地将所述活性剂喷射到所述外壳中。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，提供了双喷射系统，其中第一盐水或废水喷雾夹带所述气体和/或蒸气混合物，然后所述气体和/或蒸气混合物在所述外壳中通过第二淡水喷雾，其中提供了所述活性剂。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的方法，其中，所述活性剂选自与所述可捕获的目标化合物化学反应或与所述可捕获的目标化合物物理相互作用的材料。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述活性剂与所述可捕获的目标化合物之间的所述化学或物理相互作用的产物是非气体和非蒸气产物。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，其中，以气体的形式提供所述活性剂并且与所述可捕获的目标化合物发生直接气气反应以使所述可捕获的目标化合物被捕获到。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述可捕获的目标化合物是二氧化碳而所述活性剂是氨。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，所述可捕获的目标化合物是二氧化碳而所述活性剂包括连同碱金属或碱土金属的硫酸盐的氨。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述碱土金属的硫酸盐是硫酸钙。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，以来自矿井的废物流的形式提供所述硫酸钙并且所述硫酸钙被至少一种不期望的材料污染，其中，通过与所述目标化合物的选择性反应，所述方法允许从所述废物流回收硫酸钙。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，所述氨活性剂被提供为气体，所述气体直接与二氧化碳气体反应以形成氨基甲酸铵和碳酸氢铵。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述氨基甲酸铵和碳酸氢铵与所述碱金属或碱土金属的硫酸盐反应以产生硫酸铵和碱金属或碱土金属碳酸盐。
18.根据权利要求2至17中任一项所述的方法，其中，通过另外的反应来再生所述可捕获的目标化合物。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，另外的反应是与在所述活性剂和所述可捕获的目标化合物之间的相互作用的副产物。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，其中，所述可捕获的目标化合物是二氧化碳并且通过碳酸钙与硫酸铵或任何碱金属硫酸盐的反应来进行二氧化碳的再生。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中，通过来自发电厂的废热来驱动所述再生反应。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的方法，其中，容纳和加压被再生的可捕获目标化合物，供下游使用。
23.根据权利要求18至22中任一项所述的方法，其中，将被再生的可捕获目标化合物供给到所述容器作为提取剂以至少部分地从其中去除任何残留的活性剂。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的方法，用于从至少包括所述目标化合物和一种其它材料的混合物回收、浓缩或结晶所述目标化合物，所述方法包括a.提供外壳，所述外壳具有顶部区域、底部区域以及限定所述外壳的至少一个侧面，所述夕卜壳i.在它的顶部区域与气体和/或蒸气混合物连通，用于允许所述气体和/或蒸气混合物进入所述外壳； 在它的底部区域与容器连通，用于接收所回收的或浓缩的目标化合物；iii.具有与其至少一个侧面和/或其底部区域相连的装置，用于允许所述气体和/或蒸气混合物从所述外壳流出；iv.具有用于从顶部到底部至少部分地喷射包含所述目标化合物和至少一种其它材料的液体混合物或溶液通过所述外壳的装置；b.喷射所述液体混合物或溶液通过所述外壳以产生所述气体和/或蒸气混合物通过所述外壳的下降气流；c.至少部分地蒸发在所述下降气流中的所述液体混合物或溶液以回收、浓缩或结晶所述目标化合物；d.在所述容器中回收所回收的、浓缩的或结晶的目标化合物；以及e.从所述外壳通过所述至少一个侧面和/或通过所述容器排出所述气体和/或蒸气混合物。
25.根据权利要求M所述的方法，其中，所述目标化合物是可结晶材料并且在蒸发所述液体混合物或溶液以后在所述外壳中结晶。
26.根据权利要求M所述的方法，其中，在蒸发所述液体溶液或混合物以后，所述目标化合物被作为浓缩流回收。
27.根据权利要求1至沈中任一项所述的方法，其中，排出流或其至少一部分被引导通过流动提取介质以便从所述排出流回收任何外来活性剂或目标化合物。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述流动提取介质包括水幕。
29.根据权利要求1至观中任一项所述的方法，其中，提供与所述外壳的所述顶部区域相连的装置用于引导气体和/或蒸气混合物向下进入到所述外壳中。
30.根据权利要求1至四中任一项所述的方法，其中，所述喷射装置设置成穿过所述外壳的至少主要部分的截面积来分布所述液体混合物或溶液，使得下降的喷射的液体混合物或溶液在所述外壳中产生下降气流。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述液体混合物或溶液具有蒸汽压，使得在所述外壳中发生所述液体混合物或溶液的至少部分蒸发。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，在所述外壳中所述液体混合物或溶液的所述至少部分蒸发加速所述下降气流。
33.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中，所述液体混合物或溶液包括水。
34.根据权利要求1至33中任一项所述的方法，其中，所述外壳由至少一个侧壁限定。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述侧壁具有圆形截面。
36.根据权利要求34所述的方法，其中，所述侧壁具有卵形、多边形或不规则截面。
37.根据权利要求34至36中任一项所述的方法，其中，所述外壳的截面积为至少约 lm2、或至少约5m2、或至少约10m2、或至少约50m2、或至少约1OOm2、或至少约250m2、或至少约 500m2。
38.根据权利要求34至37中任一项所述的方法，其中，所述至少一个侧壁是实心壁。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述实心壁由选自块、砖以及板的材料构成。
40.根据权利要求34至37中任一项所述的方法，其中，所述至少一个侧壁由柔性材料构成。
41.根据权利要求34至37中任一项所述的方法，其中，所述至少一个侧壁至少部分地由流体材料构成，所述流体材料连续地从所述外壳的顶部流动至底部以产生构成所述侧壁的流体幕。
42.根据权利要求1至41中任一项所述的方法，其中，所述用于允许流出可选地以至少部分可捕获的目标化合物耗尽的形式的所述气体和/或蒸气化合物的装置包括在所述至少一个侧壁中的一个或多个出口。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述一个或多个出口被设置成朝向或在所述外壳的所述底部区域中。
44.根据权利要求1至43中任一项所述的方法，其中，所述喷射装置朝向所述外壳的所述顶部区域定位。
45.一种捕获槽，用于从至少包括可捕获的目标化合物和一种其它材料的气体和/或蒸气混合物中捕获所述可捕获的目标化合物，或用于从包括所述目标化合物和至少一种其它材料的液体混合物或溶液回收、浓缩或结晶目标化合物，所述捕获槽包括外壳，所述外壳具有顶部区域、底部区域以及限定所述外壳的至少一个侧面，所述外壳在它的顶部区域是至少部分敞开的以便在所述捕获槽的使用中与气体和/或蒸气混合物连通以及用于允许所述气体和/或蒸气混合物进入所述外壳；所述外壳在它的底部区域与容器连通，用于接收被捕获的可捕获目标化合物；具有与其至少一个侧面和/或其底部区域相连的装置，用于允许可选地以至少部分可捕获目标化合物耗尽形式的所述气体和/或蒸气混合物从所述外壳流出；以及具有用于从顶部到底部至少部分地喷射液体混合物或溶液通过所述外壳的装置，用于夹带在所述外壳中的所述气体和/或蒸气混合物以及将所夹带的气体和/或蒸气混合物朝向所述外壳的所述底部区域携带。
46.根据权利要求45所述的捕获槽，其被构造和布置成操作根据权利要求1至44中任一项所述的方法。
47.根据权利要求45或权利要求46所述的捕获槽，其中，所述捕获槽设置有填充材料。
48.根据权利要求47所述的捕获槽，其中，以填充包的形式设置所述填充材料。
49.根据权利要求47或权利要求48所述的捕获槽，其中，所述填充材料具有开孔结构。
50.根据权利要求49所述的捕获槽，其中，所述填充材料包括开孔泡沫。
51.根据权利要求47至50中任一项所述的捕获槽，其中，所述填充材料是可压缩的以便于运输和储存。
全文摘要
本发明涉及一种捕获槽以及用于其操作的方法，该捕获槽用于从至少包括可捕获的目标化合物和一种其它材料的气体和/或蒸气混合物中捕获可捕获的目标化合物，或用于从包含目标化合物和至少一种其它材料的液体混合物或溶液捕获、浓缩或结晶目标化合物，该捕获槽包括外壳，该外壳具有顶部区域、底部区域以及限定外壳的至少一个侧面，外壳在它的顶部区域是至少部分敞开的以在捕获槽的使用中与气体和/或蒸气混合物连通并用于允许气体和/或蒸气混合物进入外壳；外壳在它的底部区域与容器连通，用于接收所捕获的可捕获目标化合物；具有与其至少一个侧面和/或其底部区域相连的装置，用于允许以至少部分可捕获目标化合物耗尽形式的气体和/或蒸气混合物从外壳流出；以及具有用于从顶部至底部至少部分地喷射液体混合物或溶液通过外壳的装置，用于夹带在外壳中的气体和/或蒸气混合物并将夹带的气体和/或蒸气混合物朝向外壳的底部区域携带。
文档编号B01D53/14GK102159300SQ200980136266
公开日2011年8月17日 申请日期2009年9月16日 优先权日2008年9月17日
发明者戴维·塞维尔 申请人:碳循环有限公司