专利名称：借助于利用氢氧化钠溶液吸收用于从空气和从来自燃烧器和内燃机的燃烧气体中除去酸 ...的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及减少温室气体(GHG)，如酸性气体(酸气)二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、以及二氧化氮(NO2)，后两者没有被宣布为GHG的一部分；并且具体涉及通过可以产生用于其销售的碳酸钙或碳酸钠的化学方法，根据京都议定书获得碳信用；对于后者，该方法在具有最小经济规模的工业设施中进行。
背景技术：
在1997年12月11日，在日本京都市，工业化国家致力于执行一套措施以实现温室气体(GHG)的减少。这些国家的签署政府一致同意，以1990年的水平作为参考，在2008年到2012年之间平均减少至少5%的污染物排放。在2004年11月18日得到俄罗斯政府同样的承诺之后，该协议在2005年2月16日生效。这份协议叫做“关于气候变化的京都议定书”。作为“京都议定书”的一部分，创建了国际性净化机制以实现向环境中排放污染物方面的污染减少，建立信托基金，从而向已经在其自己的工艺中采取措施以改善环境质量并且从他们的生产方法控制污染物排放的私营公司提供经济激励，有权将CO2作为能够以市场上建立的价格进行交易的商品而排放。碳信用交易，一个碳信用代表排放一吨二氧化碳的权利，可以减轻温室气体的产生，提高那些不产生或减少其温室气体排放的公司的利益，并让那些产生超过允许的公司付费。相关地，捕获CO2(或任何温室气体)的任何组织有权可以使用碳信用，并且还可以得到相应的经济激励。通过利用NaOH溶液吸收从空气和燃烧气体中捕获CO2产生了在溶液中的碳酸钠，其可以被浓缩和结晶用于其销售，或者用石灰浆处理碳酸钠溶液以获得碳酸钙并将其销售，在这种情况下重新生成氢氧化钠。为了证明碳信用，重要的是在碳酸钠的应用中这种盐不会分解从而使CO2返回至大气中。已开展用于减少温室气体的大多数工作集中在生物工艺方法或树木的耕种和生长，其中使大量扩展的陆地耕种有捕获CO2的植物和树木，并且每年实现得到一定数量碳信用的权利。为了通过与传统不同的方式，但同时与其它方式同样有效地获得有效的碳信用的目的，开发了化学方法，该方法持续“清洗”大气气体以及伴随着燃烧器和内燃机中的燃烧而产生的那些气体，所述燃烧器和内燃机利用化石燃料如汽油、柴油、天然气等并且除了CO2以外还会产生二氧化硫和二氧化氮(SO2和NO2)。
发明内容
用于从大气或从燃烧器和内燃机(内燃发动机，internal combustionmotor)排放中捕获酸性气体的方法的特征在于，在特别设计的吸收装置中，用2N氢氧化钠标准溶液(8 %的NaOH) “洗涤”所述气体。用于从大气和从排放的气体中有效进行酸性气体除去方法的装置是水平吸收器，其中气体沿着装置(以水平方式)流动，并且通过分散喷嘴，以喷洒器(sprinkler)的形式并且在与垂直线成90°的侧部，垂直地接收碱性溶液,所述碱性溶液溶解溶质酸性气体并且与溶质酸性气体进行反应，产生以下反应2Na0H+C02------ Na2C03+H202Na0H+S02------ Na2S03+H20 2Na0H+2N02——-NaN03+NaN02+H20在该方法中处理的二氧化碳浓度从对于城市大气空气(大气)的O. 44%变化可达到利用天然气作为燃料的燃烧气体中的16%。二氧化硫的浓度从60ppm变化可达到O. 2%(2000ppm),而二氧化氮从20ppm变化到69ppm。为了研究酸性气体吸收机理的目的，使用两个水平喷射吸收的装置来证明该方法的有效性，其中一个以50cm的连接部分由奥氏体不锈钢制成，内径为30cm。其它吸收器具有60cm直径和75cm长的部分。该吸收器部分中的每一个都具有三个喷嘴系列，对于30cm直径，每个隔开10cm，而对于60cm直径的装置，每个隔开15cm，一个系列位于上部区域，其它两个以90°位于每侧，每个部分总共有15个喷嘴。选择两种气体流量，伴随约为3m/s和7m/s整体速度，使得流量为800m3/h和·1，800m3/h。以垂直的方式，使2N氢氧化钠溶液以I. O至I. 2Kg/m2s的流量密度通过喷嘴。对于这些情况，每个喷嘴的吸收液体体积流量范围是341/h至401/h。利用60cm直径的装置进行同样测试，且仅有各自为75cm的两个部分，并且管隔开15cm,每个部分具有15个管，且气体流量是3000m3/h，其相应于约5m/s的整体平均速度。在这种情况下，液体流量密度(2NNa0H的溶液)是2. lkg/m2s，每个喷嘴的体积流量是2121/h。利用化学反应的吸收方法结果，可以达到以下结论I.对于传质的控制阻力在气体这方面，实际上将液体方面的阻力看作是没有价值的。2.与体积区域结合的传质系数，仅随气体的整体平均速度而变化，并不取决于液体流量。参见表I。表I
气体整体平均速度m/s 与体积区域结合的传质系数，Kg mol/h m3315
516
7173.流过吸收器的气体应该具有在3m/s至7m/s之间的整体平均速度，当低于3m/s时，装置的效率降低，而超过7m/s，则需要更高的压力以使气体流动，并且增加液体拖曳，使其利用安装在烟道内的挡板(baffle)分离更困难。4.吸收液体流量密度可以从I. 0Kg/m2S变化到3. 3Kg/m2s。实际上，如果液体密度会低于I. OKgAi2s也不会有问题，只要它会吸收包含在气流中的酸性气体。如果使用更高的液体流量密度，超过3. 3Kg/m2s，装置中就会有溢出的危险，还要具有不必要且也是昂贵的大型抽吸设备。酸性气体捕获方法通过重新生成可重复利用的氢氧化钠而得到补充，对于碳酸钠而言，利用氢氧化钙的乳浊液(石灰乳溶液)，而对于硝酸钠而言，利用氢氧化铵，利用氧化剂将亚硝酸钠氧化成硝酸盐。应当预先通过氧化剂试剂将亚硫酸钠氧化成硫酸盐，利用氯化钡对其进行处理用于形成析出的硫酸钡和留在溶液中的氯化钠。化学反应如下Na2C03+Ca (OH) 2----- CaC03+2Na0HCaS04+BaCl2----- BaS04+CaCl2NaN03+NH40H----- NH4N03+Na0H将所形成的碳酸钙在洗涤和干燥以后，当通过泰勒(Taylor)系列的325目筛 (mesh)时，几乎未被感受到，并可以用于墨西哥手工艺品的制造。所形成的硫酸钡具有在制药工业上的潜在应用，且硝酸铵可以用作肥料。用于来自大气负荷或内部燃烧气体任一种中的酸性气体捕获的全部方法的主要目的是验证碳信用，且其示意性流程显示在图I中。对于工业方法，要考虑通过利用NaOH溶液吸收从空气和燃烧气体中捕获的CO2来获得碳酸钠。该方法包括下列步骤和操作条件(a)用于洗涤气体的液体是2N氢氧化钠溶液(80g/l)，工作的液体流量密度在2. 7至3. 4Kg/m2s之间，这些值是最佳的工业操作值。(b)待处理的气体流量是10，000m3/h，产生了在3m/s至7m/s之间的对于大气气体和燃烧气体的整体平均速度。(c)气体和吸收溶液的温度应当是22°C，即使当热的烟气(废气)进入到吸收器中时，在非常短的时间内，它会获得吸收器溶液的温度。(d)在吸收器入口处的气体压力将是20mmHg压力(Hgmanometric)。将吸收器通过一端连接至大气气体或烟气输出，在另一端连接至大气用于洗涤过的气体的输出；要考虑其中安装装置的地点的大气压力。在另一个优选的实施方式中，进行从大气和燃烧气体中捕获二氧化碳方法并生产碳酸钠的装置，包括I.水平吸收器，从而气体沿着装置(在水平方向上)流动并且通过分散喷嘴相对于垂直线形成90°角，在顶部和侧部以喷洒器的形式垂直地接收碱性溶液，所述碱性溶液溶解酸性气体的溶质并与酸性气体的溶质反应，所述酸性气体特别是CO2 ;所发生的化学反应如下2Na0H+C02----- Na2C03+H202.工业吸收器由七个长为lm、内径为O. 85m的由奥氏体不锈钢制成的根据需要可连接和可拆卸的模块构成。在顶部和在侧部，分散喷嘴彼此相距20cm分布，使得每一个Im的模块都具有15个尺寸为1/4英寸的喷嘴。这些喷嘴将液体“喷射”成小滴，其增加了传质面积，导致需要被捕获的CO2的吸收。3.在吸收器的底部，存在用于吸收液体流出的穿孔(perforation),其通到高30cm的、用作静压密封(hydraulic seal)的通道。图2和图3 (a)、图3 (b)和图3(c)。4.待洗涤的气体由风机驱动，通过吸收器的一端进入，不改变方向，一旦酸性成分已经被吸收液体捕获，气体经由吸收器的另一端到达改变方向的烟道而出来，且利用挡板来保持由纯净气体拖曳吸收液体，将纯净气体送到大气中。图4(a)、图4(b)和图4(c)。用于操作水平吸收器进行的操作条件是(a) 80g NaOH/1 (即2N)的吸收溶液具有50m3/h的流量以吸收CO2,当气流为空气其产生了 3. 22Kg/m2s的流量密度，当它们是燃烧气体时产生了 3. 26Kg/m2s的流量密度；这些值包括在工业推荐的吸收液体的流量密度之内。(b) 10, OOOmVh的气流，对于CO2浓度为O. 044%的空气而言，具有4. 5Kg/m2s的气体流量密度，对于认为16%浓度CO2的燃烧气体而言，具有4. 8kg/m2s的气体流量密度。(c)在需要洗涤10，OOOmVh的烟气的情况下，吸收器的长度为5. 47m,使得会有6个各自为Im的部分参与，因而会具有90个喷嘴用于50. 0m3/h的吸收溶液,喷嘴流量将是 O. 556m3/h。(d)离开吸收器的吸收液体以Na2CO3的形式携带C02，将其再循环到其进料罐(feed tank)中，在进料罐中恢复被消耗的苏打，直到Na2CO3的浓度达到接近饱和，然后将该溶液通到热交换器和篮式结晶器(basketcrystallizer)从而通过结晶分离出这种副产品，将副产品用水洗涤并用热空气干燥然后将其研磨至所需的商业粒度。将残留的液体送至NaOH溶液的进料罐。图5为流程图。
图I示出了全部的流程图，可替换地产生碳酸钙或碳酸钠。在第一种中，通过添加石灰浆而重新生成(再生)氢氧化钠，而在第二种中，消耗氢氧化钠。图2示出了具有三个组装部分的水平吸收器的图，每部分长为lm，内径为O. 85m,代表下述分散喷嘴在顶部的5个彼此相隔20cm，两个5个喷嘴的排也各自相等地相对于垂直线成90°隔开。还示出了用于吸收液体出口的高30cm的通道，其用作静压密封。图3示出了三个图图3(a)是内径为O. 85m的吸收器和用作静压密封的高30cm的吸收液体的输出通道的直接横截面；图3(13)是长为Im的吸收器的直接横截面，示出了彼此相隔20cm的吸收液体分布的喷嘴排,一排位于上排,其它两排以相对于垂直线成90°角位于第一排的每侧，具有相同数量的等距的喷嘴，还示出了作为静压密封的高30cm的用于吸收液体的输出通道；以及图3 (C)，吸收器部分的立体图(等距视图)，具有用于吸收液体分散喷嘴的标记和用于其出口的通道的标记，其尺寸与图3(a)和图3(b)显示的相同。图4示出了吸收器中纯净气体的出口管(排气管)图4(a)是气体出口的直接部分至内径为O. 85m的烟道的剖面；图4(b)是水平吸收器的三个部分及长为Im的管至纯净气体出口至烟道的直接横截面，每个部分的长度为lm，烟道具有其吸收液体保持隔板(屏，screen)，吸收液体被离开吸收器的气体携带，还示出了具有高度为30cm的水封的吸收液体的输出通道，以及图4(c)，吸收器的三个部分及长Im的出口管的立体图，每个部分长为lm，出口管具有用于保持被烟气带入烟道的吸收液体的其隔板，还在吸收器的部分中显示了用于静压密封的高30cm的通道和喷嘴排，每个部分有5个，彼此分开20cm，用于分散到吸收器入口的吸收液体；吸收器的部分具有三排，每排有五个喷嘴，第一排位于上部，其它两排相对于垂直线成90°角。所用的装置、反应和原料
装置和配件:如上面描述的未被填充的两个水平喷射吸收器，直径为30cm和60cm,且对于第一个而言，以50cm部分，对于第二个而言，以75cm部分，每个部分具有15个喷嘴。这些装置由奥氏体不锈钢制成。由奥氏体不锈钢制成的Im3的一个罐用于吸收液体分配(2N NaOH溶液)。2个用于氯化钡溶液和氢氧化铵溶液的1001的碳钢罐。3个桶(hooper), 一个Im3的用于碳酸钠与石灰乳(乳池液)的反应和碳酸I丐的回收；其它2001的用于氯化钡与硫酸钠反应并生成硫酸钡，以及最后，其它2001的桶用于氨水与硝酸钠反应并生成硝酸铵。3个用于回收副产品的容器。I个离心通风机用于处理从800m3/h至3，OOOm3A的气体。 IHP(马力)的I个泵用于处理吸收液体。O. 5HP的I个泵用于送回再生的吸收液体。I个烟道用于排放无酸性气体的纯净气体，利用挡板来保持拖曳气体至吸收器出口的液体。如流程图I中指出的管和阀。用于固体氢氧化钠的I个IOOKg容器。用于氯化钡的I个IOKg容器。用于氢氧化铵的I个1001的罐。试剂甲基橙溶液酚酞的乙醇溶液pH 试纸O. IN的盐酸溶液测试仪器:测定二氧化碳、硫和作为硝酸盐或亚硝酸盐的氮的气体分析仪电位计泰勒系列的325目筛灵敏度为O. Img的分析天平灵敏度为O. Ig的格令天平(Grain balance)原材料:用于保持副产品的容器用于保持副产品的塑料袋轰I实验仪器数量材料
2 50 ml滴定管
4 1,000 ml带有磨砂盖的实验室广口瓶 6 试验管
1用于试验管的网格
2用于滴定管的钳 I 通用支架
I1,000 mi 丨“:朴
4100 ml沉淀杯I5 ml量杯
I 刮勺对于工业仪器，在表3中，集中了本发明所需要的相关设备，其标记按照图5。表3处理10，OOOmVh烟气的最小经济设施设备的关系
标记设备说明
E-Ol 内径为83 cm的水平吸收器和每部分具有15个分散喷嘴 的长I m的七个部分、和具有30 cm的静压密封用于液体 输出的通道，以奥氏体不锈钢构造
E-02 直径为3 m和高为7 m的50m3吸收液体进料罐。具有用 于底面和底部出口的加强件和固定器，以奥氏体钢构造。
E-03 6 m3的篮式结晶器，用于处理13.16 m3/h的30%的Na^CC^ 溶液，产生5.24吨/h的晶体。
E-04 热交换器和冷凝器，用于处理13.16 m3的30%的Na2CO3溶液。
E-05 球磨机，用于产生5.24吨/h的碳酸钠。
E-06 旋转过滤器，用于分离和洗涤碳酸钠。
E-07 装设运输带的隧道式千燥器，用于5 B屯/h的碳酸钠，并利 用干燥的和热的空气。
E-08 由奥氏体钢制成的5.3m3的Na2CO3溶液的保持罐,直径为1.5 m，高为3 m。
E-09 以碳钢制成的用于苟性废液(bitter waste liquid)的3.3m3 的罐，直径为1.5 m，高为3 m。
E 10 10 CV的锅炉
E-Il 用于Na2CO3的300袋/h的装袋器所需设施的抽吸装置列于表4中。表4泵组标记说明容量
B-Ol 10,000 m3/气体/h和最大压力为1.5大气压的离 3 HP 心风机
B-02 奥氏体钢离心泵，50 m3碱性溶液/h (进料到吸 2 HP 收器)
B-03 奥氏体钢离心泵，50 m3碱性溶液/h (回收 2HP Na2CO3溶液的NaOH罐) B-04 奥氏体钢离心泵，50m3碱性溶液/h (使Na2CO3 I HP
溶液返回至保持罐)
B-05 用于Na2CO3结晶缓慢进行的结晶器的马达减速 I HP
興
薇
B-06 碳钢离心泵，2mbK/h3/4 HP
B-07 用于热空气的风机，3,000 m3热空气/h1.5 HP
B-08 奥氏体钢离心泵，5 m3酸废液/h (没有在图4的 I HP 流程图中示出)
总电力12.25 HP该方法的进料列于表5中，用于处理10，OOOmVh燃烧气体所需的操作条件列于表6中。表5方法的供给
标记供给说明
A-I供应工艺用水
A-2片状NaOH进料
A-3向锅炉中供应天然气
A-4供应燃烧气体
A-5供应大气空气
A-6供应用于Na2CO3的袋表6操作条件和用于从烟气中捕获CO2的工业设施的要求
操作变量量
待处理气体体积流量10,000 m3/h
吸收液体体积流量(80 g/1 NaOH)50.0 m3/h
氢氧化钠的质量流量(薄片)4.0吨/h
工艺用水1.5m3/h
权利要求
1.借助于氢氧化钠溶液从大气空气或来自使用化石燃料的燃烧器和内燃机的燃烧气体中吸收酸性气体，其特征在于下列步骤 (a)借助于风机捕获来自大气空气和来自燃烧器和内燃机的燃烧气体中的酸性气体，用于将它们引导到水平喷射吸收器中； (b)供给水平喷射吸收器中包含酸性气体的空气和燃烧气体，在所述水平喷射吸收器中气体沿着装置(在水平方向上)流动； (c)借助于8%NaOH溶液吸收酸性气体，通过分散喷嘴以喷洒器的形式垂直地喷射所述NaOH溶液并且以相对于垂直线成90 °将所述NaOH溶液喷射至侧部，所述NaOH溶液溶解所述酸性气体并与所述酸性气体反应，产生Na2C03、Na2SO3^ NaNO2和NaNO3 ； (d)借助于添加石灰浆以碳酸钙形式从吸收器溶液中分离碳酸盐，并且重新生成氢氧化钠；将沉淀的碳酸盐用水洗涤并用热空气干燥用于销售，所述碳酸盐是通过泰勒系列的325目筛的细微粉末； (e)借助于添加氯化钡和氧化剂分离亚硫酸盐，以将其沉淀为硫酸钡并且形成氯化钠，将获得的硫酸钡用水洗涤并用热空气干燥，用于其销售； (f)借助于添加氢氧化铵以与硝酸盐和氧化剂反应从而仅获得硝酸铵来分离亚硝酸盐和硝酸盐，将硝酸铵晶体用水洗涤并用热空气干燥用于其销售； (g)在工业替代方案中，不添加石灰浆来分离碳酸钠，其特征在于，通过将溶液再循环到吸收器溶液的沉淀池达到饱和而浓缩，将溶液通到热交换器中用于加热溶液，然后将溶液通到篮式结晶器中用于结晶Na2CO3，在用水洗涤以后，用热空气干燥，最后研磨至商业所需粒度。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，将重新生成的氢氧化钠溶液送至吸收器液体的供给沉淀池，从而在将浓度调节至8%以后被重复利用。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述吸收器进行下列步骤 (a)通过在溶液中产生碳酸钠并除去气流中存在的CO2来吸收包含在待清洁气体中的二氧化碳； (b)通过在溶液中产生亚硫酸钠并除去气流中存在的SO2来吸收包含在待清洁气体中的二氧化硫； (c)通过在溶液中产生亚硝酸钠和硝酸钠并除去气流中存在的NO2来吸收包含在待清洁气体中的二氧化氮。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，平均气体速度范围从3m/s至7m/s，且吸收液体流量从I. 0Kg/m2s变化至3. 3Kg/m2So
5.一种用于从空气和来自燃烧器和内燃机的燃烧气体中吸收酸性气体的水平喷射吸收器，其特征在于包括 (a)被分割成两个或三个部分的管状体； (b)具有彼此等距离隔开的三个喷嘴系列的每个部分，一个喷嘴系列位于顶部，其它两个喷嘴系列位于第一个的每一侧，形成90°的角，使得每个部分总共15个喷嘴； (c)位于所述管状体的底部的通道，用于通过穿孔收集具有被吸收的酸性气体的吸收液体；所述通道作为静压密封具有IOcm的高度。
6.基于根据权利要求3所述的(a)、(b)和(C)项所获得的副产品，可以计算根据京都议定书会被认可的碳信用。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，将在步骤(g)中形成的碳酸钠溶液送至吸收器液体供应沉淀池以恢复消耗的氢氧化钠从而将浓度调节至8%。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在水平喷射吸收器中进行在步骤(c)中的CO2捕获以产生碳酸钠、清洁的所述空气和燃烧气体，从而降低环境的温室效应。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，气体流量是10，000m3/h，对于含有O. 044% CO2的空气，流量密度为4. 5Kg/m2s，对于含有16% CO2的烟气，流量密度为 4. 8Kg/m2s。
10.一种用于从空气和来自燃烧器和内燃机的燃烧气体中吸收二氧化碳的水平喷射吸收器，其特征在于包括 (a)由奥氏体钢制成的被分割成七个部分的管状体，每个部分长lm，内径为O.85m ； (b)具有它们之间等距离地隔开的三个喷嘴系列的每个部分，一个喷嘴系列位于顶部，其它两个喷嘴系列位于第一个的每一侧，形成90°的角，使得每个部分总共15个喷嘴； (c)位于所述管状体的底部的通道，用于通过穿孔收集具有被吸收的CO2的吸收液体；所述通道作为静压密封具有30cm的高度。
全文摘要
本发明包括利用化学反应从环境空气和从来自利用化石燃料的燃烧器和内燃机的燃烧气体中捕获酸性气体如二氧化碳、二氧化硫和二氧化氮的吸收方法；本发明的目的在于获得根据关于气候变化的京都议定书的碳信用。该方法在水平喷射吸收器中进行，利用8％的氢氧化钠溶液作为吸收液体，获得碳酸钠、亚硫酸钠、亚硝酸钠和硝酸钠作为副产品。这些副产品被转变为商品如碳酸钙、硫酸钡和硝酸铵；为了这个目的，必须预先借助于氧化剂将亚硫酸钠和亚硝酸钠两者转化为硫酸钠和硝酸钠。
文档编号B01D53/60GK102946976SQ201080067112
公开日2013年2月27日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年3月29日
发明者罗伯托·托马斯·米克洛斯伊尔科维奇 申请人:罗伯托·托马斯·米克洛斯 伊尔科维奇