CN102217152B

CN102217152B - 气液接触器和排放物清洁系统及方法

Info

Publication number: CN102217152B
Application number: CN2009801459322A
Authority: CN
Inventors: D·K·诺依曼; N·J·米勒; B·R·尼扎莫夫; T·L·亨肖; A·R·阿乌特里; J·K·布拉瑟尔; K·R·霍布斯; J·A·托拜厄斯; W·E·麦克德莫特
Original assignee: Neumann Systems Group Inc
Current assignee: Neumann Systems Group Inc
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2009-07-06
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2029-07-06
Also published as: CN102217152A; CA2737637A1; JP2012503541A; NZ592100A; AU2009297005A1; MX2011003098A; EP2329567A4; WO2010036436A1; AU2009297005B2; JP5777215B2; KR20110091658A; EP2329567A1

Abstract

本发明涉及气液接触器和排放物清洁系统及方法，更具体地涉及被构建成能够产生均匀间隔的水平液体射流的喷嘴阵列，其形状能使来自气流的干扰最小化。本发明的一个实施方案涉及包括液体入口和出口以及气体入口和出口的气液接触器模块。喷嘴阵列与液体入口和气体入口连通。喷嘴阵列被构建成能够产生均匀间隔的水平液体射流，其形状能使来自气流的干扰最小化，并且能使气流和液流的相互作用最大化，同时又能迅速补充液体。

Description

气液接触器和排放物清洁系统及方法

本申请是2008年2月4日提交的题为“Two Phase Reactor”的申请12/012,568的部分继续申请，后者是2005年2月14日提交的题为“Two Phase Reactor”的美国专利申请11/057,539的部分继续申请，其现专利号为US 7,379,487，其要求属于2008年9月26日提交的题为“System for Gaseous Pollutant Removal”的美国临时申请61/100,564、2008年9月26日提交的题为“Liquid Gas Contactor Systemand Method”的美国临时申请61/100,606、和2008年9月26日提交的题为“Liquid Gas Contactor and Effluent Cleaning System andMethod”的美国临时申请61/100,591的权利；以上全部公开内容在此全部通过引用结合在此。

技术领域

本发明涉及气液接触器和排放物清洁系统及方法，更具体地涉及被构建成能够产生均匀间隔的水平液体射流的喷嘴阵列，其形状能使来自气流的干扰最小化，同时又能迅速补充液体。

背景技术

将气体吸收到液体中是许多气液接触系统的关键工艺步骤。气液接触器又称气液反应器，可以分成表面反应器和体积反应器，其中，分别在液体表面和液相本体内产生两相之间的界面表面积(interfacialsurface area)。有许多气液表面反应器的实例，如转盘接触器和液体射流接触器。转盘发生器是部分浸于液体中并且暴露于气体料流中的圆盘(转子)。液体溶液的薄膜形成在转子表面上，并与共流试剂气流接触。旋转圆盘更新液体试剂与气体的接触。在体积气液反应器中，气相作为小气泡分散到本体液相中。气泡在形状上可以是球形或不规则的，并通过气体鼓泡器引入到液体中。可以对气泡进行机械搅拌，以增强传质。

在许多气液接触系统中，可通过本体流体和气液界面之间的液相传质系数k、界面表面积A和浓度梯度ΔC来控制气体输送至液相的速度。因而，气体吸收到液体中的速度的实用公式为：

Φ = φα = k_{G} a (p - p_{i}) = k_{L} a (C_{L}^{*} - C_{L})

其中变量Φ为反应器单位体积的气体吸收速度(摩尔/cm³)；φ为单位界面面积的平均吸收速度(摩尔/cm²)；a为单位体积的气液界面面积(cm²/cm³或cm^-1)；p和pi分别为气体本体中和界面上的试剂气体分压(巴)。C_L ^*为将要与存在的气相浓度p_i平衡的液体侧浓度(摩尔/cm³)；C_L(摩尔/cm³)为液体本体中溶解气体的平均浓度；而k_G和k_L分别为气体侧和液体侧的传质系数(cm/s)。

在现有技术中，有许多使气体接触器系统中的传质和比表面积进行最大化的方法。主要方法包括气体鼓泡器、湿壁喷射、和喷雾或雾化。气液接触器的选择取决于反应条件，包括气体/液体流动、传质和化学反应的性质。表1总结了一些现有技术的气液反应器的各种传质性能特征。为了优化气体吸收速度，必须要使参数k_L、和(C_L*-C_L)最大化。在许多气液反应体系中，溶解度C_L*非常低，因此对浓度梯度的控制有限。这样，设计高效的气液流反应器时考虑的主要参数是传质和界面表面积与反应器的体积比，又称比表面积。

表1：传统气液反应器的性能比较

存在性能取决于界面接触面积的各种气液接触反应器。例如，化学氧碘激光器(COIL)从由氯气(Cl₂)和碱性过氧化氢(BHP)组成的化学燃料产生激光能量。该反应的产物是单重态Δ氧，以此驱动COIL。现有技术使用混合了Cl₂气体的液体BHP圆形射流产生单重态Δ氧。在典型的发生器中，射流直径为约350微米或更小。为了产生射流，将液体BHP在压力下推压通过有高密度孔的喷嘴板。这可产生高的界面表面积，以与Cl₂气接触。表面积越高，发生器越小，可送往激光器腔体的激发态氧的收率越高。更小且更密实堆积的射流可改善比表面积，但易于堵塞和破裂。堵塞是严重的问题，因为氯和碱性过氧化氢之间的反应会产生用于生产碱性过氧化氢的碱金属氢氧化物的氯盐。堵塞还会限制碱性过氧化氢的摩尔浓度范围，从而降低单重态氧的收率和激光功率。COIL系统的最重的元件是该化学燃料。总体上来说，生产燃料中固有的问题会增加重量并降低COIL激光器的效率。因此，对比现有设计效率更高而重量更低的COIL激光器存在需求。

在另一个实例中，气液接触器还用于需氧发酵方法。在需氧发酵中氧最重要的试剂之一。其在水溶液的溶解度低，但是其需求量却高，以用于维持培养体的生长。商业发酵罐(＞10,000L)使用搅拌鼓泡分散，以提高体积传质系数k_La。搅拌有助于使溶解的氧移动通过本体流体，打破鼓泡聚结，以及减少围绕气泡的边界层。提高这些系统中的界面面积的方法包括增加反应器中的气泡数量及降低气泡直径的尺寸。然而，氧向微生物的传质仍受气泡相对较小的界面表面积和气泡的短停留时间制约。目前的鼓泡器系统(鼓泡分散)表现出相对较小的体积传质系数k_La(约0.2/s)；因此，希望有能够产生最大界面表面积的新方法以克服这些传质限制。

在设计用于工业应用的系统时，必须考虑成本和效率两个因素。传统的认识通常否定这两者可以同时最佳得到。在气液接触器的情况下，传统的认识通常停留在如下工业应用：化学处理、工业生物应用、污染控制、或要求气相化学体系在动力学流动系统中与液相反应或溶解的类似方法。

在污染控制的实例中，在湿法工艺中除去一种或多种目的化合物的标准方法是利用液相微滴反向180°降落通过流动气相的逆流系统。通常，利用重力将液相吸引到柱或塔基部的捕集池中。气相则通过同一柱或塔向上流动。然后收集气相进一步进行处理或向大气释放。

为了适配更大规模的化学过程，所述柱或塔必须与所要求方法的尺寸在长度或直径上线性放大。目前合乎逻辑的方法是提高单个单元过程的规模，因为单个单元过程的投资成本通常不会随着尺寸线性放大。

标准的逆流、重力或气溶胶/微滴气液接触器的不利一面是气体流的速度必须足够低，这样重力的作用会大于微滴的浮力。虽然如此，通常的确会出现液体反应物的明显蒸发，因为接触时间长，所以要求在二次处理或释放前捕集大量的蒸气。

发明内容

相应地，本发明针对能够基本上避免由于现有技术的局限和缺点所引起的一个或多个问题的气液接触器，和排放物清洁系统及方法。

本发明的一个优点是提供大的体积质量传递系数，以及由此产生的尺寸小、压力低的吸收操作，对全系统只要求最低的泵送能力。

本发明的另一个优点是提供比现有技术系统底部尺寸(footprint)减小的气液接触器。

本发明的另一个优点是提供模块设计的气液接触器。

本发明的还有一个优点是提供使用比表面积增加的水平射流(如薄的水平液体射流)的气液接触器，可改善气液反应器的性能。

本发明的另一个优点是提供模块系统，所述模块系统由于尺寸小、底部尺寸小、在工厂建造、并且接触面积高，因此与反应或洗涤(scrubbing)能力相同的传统系统相比，成本和选址影响小，潜在质量更高，并且单元与单元之间的一致性好。

本发明的其它特征和优点将在以下说明书中阐述，有些部分从说明书显而易见，或可以通过实施本发明而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在本申请书面说明书和权利要求中特别指出的结构及附图得以实现并达到。

本发明的一个实施方案涉及气液接触器模块(module)。该气液接触器模块包括液体入口、气体入口、和气体出口。气液接触器模块还包括与液体入口和气体入口连通的喷嘴阵列。喷嘴阵列被构建成能够产生均匀间隔的水平液体射流，其形状能使来自气体的干扰最小化。气液分离器能够允许液体通过，同时基本上可以防止气体穿过。液体出口与气液分离器流体连通。

本发明的另一个实施方案涉及用气液接触器处理气相分子的方法。该方法包括形成基本上平面的多个液体射流，其中每个所述液体射流包含平面的液体层(sheet of liquid)，并且，其中多个液体射流以基本上平行的平面排列。此外，此方法包括提供含至少一种反应或可溶性气相分子的气体，并可通过气相分子和液体射流之间的传质相互作用，除去至少一部分气相分子，或者使其反应。

本发明的另一个实施方案涉及气液接触系统。气液接触器系统包括反应室、气体入口、气体出口、和与反应室连接的液体正压室。喷嘴阵列与液体正压室连接；喷嘴阵列被构建成可提供基本上平面的液体射流，其中每个所述液体射流包含平面的液体层，并且其中多个液体射流以基本上平行的平面排列。系统还包括与反应室连接的气液分离器。

本发明的还有另一个实施方案涉及气液接触器。该气液接触器包括被构建成能提供接触液体的流体正压室、和被构建成能接收来自流体正压室的接触液体的与流体正压室连接的接触室。气体入口和出口与接触室连通。气液接触器系统被构建成能提供传质相互作用，其体积传质系数为约5sec^-1-250sec^-1。

本发明的另一个实施方案涉及气相分子处理系统。该气相分子处理系统包括多个模块化的气液接触器，其被构建成能并联或串联布置，以便能根据气相分子处理的需要调节大小。

本发明的另一个实施方案涉及气液接触系统，所述气液接触系统使用比表面积增加的水平射流(如，薄的水平液体射流)，可改善气液流反应器的性能。在该实施方案中使用了刚性(rigid)喷嘴板，所述刚性喷嘴板包括能够产生多个非常薄的水平射流的孔口(orifice)。该水平射流的孔口在一个构造中有连接到液体试剂源的V形室。该水平射流孔口可以有一对连接到V形室顶点上的对置的平面壁(planar wall)。该水平射流喷嘴可以有锥形喷嘴，所述锥形喷嘴连接到对置的平面壁的对面以作为V形室。在另一个构造中，射流孔口可以有连接到液体源室的圆形孔口。该水平射流喷嘴可以有与圆形孔口交叉的V形槽，以产生椭圆形的孔口。水平射流孔口可以垂直取向，对置或并行于气体的入口源。水平射流喷嘴的最小通道可以是大于约250μm。喷嘴可以产生其宽度至少为厚度十倍的水平液体射流。产生的水平射流可以是约10μm薄或更薄，并且只通过多出或减少1mm来分离，以产生高度密实的射流密度(β＝0.01)，和约20cm^-1的大比表面积。这比表1中列出的比表面积的值明显改善约5-约10倍。该薄的射流可允许更多的液体暴露于气流中，从而使单位液体的质量流量比传统的接触器产生更高的反应产物收率。

本发明的另一个实施方案涉及提供可产生多个薄的水平射流的气液接触器，所述多个薄水平射流紧密且均匀地间隔开，有高的比表面积，有均匀的射流速度，其空气动力外形可使气流对液体射流的干扰最小化，其孔口没有盐的堵塞和阻塞，而且其可在错流、共流、逆流和并流的气体工艺料流中进行操作。

本发明的另一个实施方案涉及改进的COIL。COIL包括含氯源入口和BHP源水平射流喷嘴的激发态氧发生室。喷嘴有在长度方向最小尺寸大于约600μm的多个(multitude)孔口，可产生高比表面积的薄的水平射流。光子发生室有与激发态氧发生室连接的通道和碘入口。BHP孔口可以产生宽度至少为厚度十倍的碱性过氧化氢的水平射流。过氧化氢的来源可以使用单一碱或多种碱混合物的碱性过氧化氢。单一的碱可以是氢氧化钾或任何碱金属氢氧化物。喷嘴可以有一对平行的对置板，其第二端连接到锥形喷嘴上。喷嘴可以有一对V形板，V形板连接到该对平行对置板的第一端。

本发明还另一个实施方案涉及包括激发态氧发生室的改进的COIL，所述激发态氧发生室具有过氧化氢源入口和碱金属(Li、Na、K)和碱土金属(Mg、Ca)次氯酸盐的水平射流喷嘴。在该实施方案中，过氧化氢是气体。喷嘴有在长度方向上的最小尺寸大于约600μm的众多孔口，可产生高比表面积的薄的水平射流。光子发生室有与激发态氧发生室连接的通道和碘入口。

本发明的还另一个实施方案涉及改进的发酵反应器，所述发酵反应器包括氧、CO₂、或一些其它养分或原料气的入口源以及含众多孔口的喷嘴，用于产生发酵介质的水平射流。

本发明的另一个实施方案是提供高表面积的水平射流发生器，用于气体洗涤方法，在所述方法中，通过液体接触，使气体如氨、二氧化碳、酸性气体、硫化氢或二氧化硫与某种气体分离。

本发明的还另一个实施方案是提供高表面积的喷射装置，可用于气液射流燃烧器发动机。

本发明的还另一个实施方案涉及高性能气液接触器。气液接触器包括用于提供接触液体的流体正压室。气液接触器还包括与流体正压室连通、并接收来自流体正压室的接触液体的接触室。该气液接触器还包括与接触室连通的提供气体的气体入口，和与接触室连通的带走气体的气体出口。此外，该气液接触器的特征在于比表面积为约1cm^-1-约50cm^-1，且气体压降低于约5托。

另一个特征包括比表面积为约10cm^-1-约20cm^-1。在该实施方案中，通过气液接触器的气体压降为约5托-约10托。该实施方案的一个特征包括通过低于约15立方英尺的反应器体积、或在气体流速与反应室体积比为100min^-1-1000min^-1时，燃煤电厂输出(output)的反应器气流体积对于每分子量(MW)的工厂输出可以是大于约2500立方英尺/分钟的实际流量。另一个特征包括置换接触液体到接触室中的液体驱动压力处于低压，如低于50磅/平方英寸(psi)。另一个特征包括液体驱动压力低于约20磅/平方英寸(psi)。又一个特征包括可除去约99％的液体夹带物。还有一个特征包括接触液体通过产生水平液体射流的多个喷嘴得到置换，该多个喷嘴布置成使射流可形成多个平行的射流排(row)。另一个特征包括接触室中的气体流平行于该射流排。

本发明的另一个实施方案涉及液体接触气体的方法。该方法包括提供气液接触器，所述气液接触器包括提供接触液体的流体正压室，提供与流体正压室连通并接收来自流体正压室的接触液体的接触室。接触室包括与接触室连通的提供气体的气体入口，和与接触室连通的带走气体的气体出口。该气液接触器的特征在于，比表面积为约1cm^-1-约50cm^-1。驱动气体的压降为接触器气流低于约0.05psi/线性英尺(linealfoot)。

另一特征包括比表面积为约10cm^-1-约20cm^-1。另一特涉及对在低于20磅/平方英寸的压力下驱动接触液体到接触室中的方法。另一特征包括可除去约99％的液体夹带物。另一个特征包括接触液体通过可产生水平液体射流的多个喷嘴得到置换，该多个喷嘴布置成能使射流形成多个平行的射流排。另一特征包括接触室中的气体流平行于射流层。

本发明的另一个实施方案涉及气液接触器，其包括多个基本上平面的液体射流，每个液体射流包含平面的液体层，所述多个液体射流位于平行的平面中。接触器室容纳平面的液体射流，其中接触器室具有限定了气体流量的入口和出口。一个特征包括平面的层的厚度为约10μm-约1000μm。另一个特征包括厚度为约10μm-约100μm。另一个特征包括厚度为约10μm-约50μm。另一个特征包括每个平面的液体层与相邻的平面层在单排中隔开大于约10μm的距离，在相邻的喷嘴排中隔开低于约2cm的距离。另一个特征是气液接触器包括能够产生多个液体射流的多个喷嘴，然而其它的几何构造也能运转。另一个特征包括多个喷嘴的每一个都有近似椭圆形的出口。另一个特征包括多个喷嘴布置在板上。另一个特征包括多个喷嘴布置在所述板上，其方式能使气体流平行于水平液体射流的水平面。另一个特征包括多个喷嘴布置在形成喷嘴和液体射流阵列的多个排中。另一个特征是气液接触器模块包括防溅格栅。另一个特征包括多个防溅格栅构件形成一定的角度，在液体流通过接触器室后促进液体的流动。另一个特征是气液接触器模块包括除雾器(mist eliminator)。

本发明的另一个实施方案涉及用于产生水平液体射流的喷嘴，所述喷嘴包括用于容纳喷嘴的板。该实施方案还包括截面为V形的喷嘴的流体进入孔眼(aperture)，和截面有圆锥形出口的喷嘴的流体出口孔眼。一个特征是，流体进入孔眼的最窄孔径满足(meet)流体出口孔眼的最窄孔径，以形成喷嘴的最窄孔径。喷嘴最窄孔径的另一个特征是其大于约600μm。另一个特征是流体出口孔眼的底部近似于椭圆形。

本发明的还另一个实施方案涉及用于产生薄的水平液体射流的多个喷嘴，包括近似V形的通道，用于形成多个喷嘴的流体进入孔眼。该实施方案还包括在所述通道中的多个流体出口孔眼，所述流体出口孔眼有圆锥形的截面。另一个特征是多个流体出口孔眼有椭圆的形状。一个特征是圆锥截面和多个喷嘴的最窄孔径大于约600μm。

本发明的另一个实施方案涉及排放物处理系统，所述处理系统包括用于喷射溶剂的多个喷嘴板。多个喷嘴板的每一个有多个喷嘴。本发明还包括用于清洁烟道气的洗涤器单元，其容纳多个喷嘴板。所述系统的一个特征是产生水平液体射流阵列的多个喷嘴。另一个特征是多个水平液体射流平行于烟道气流。另一个特征是多个水平液体射流布置成排。另一个特征是系统包括烟道气冷却器。另一个特征是系统包括烟道气加热器。另一个特征是系统包括第二洗涤器单元。另一个特征是洗涤器单元包括气液流体分离器。另一个特征是系统包括用于泵送溶剂到洗涤器单元和多个喷嘴的溶剂泵。另一个特征是系统包括用于收集流过洗涤器单元的溶剂的溶剂捕集槽。另一个特征是多个喷嘴板可从洗涤器单元拆卸。

本发明的另一个实施方案涉及排放物处理系统，所述系统包括用于喷射溶剂的多个喷嘴。该实施方案还包括用于清洁烟道气的洗涤器单元容纳多个喷嘴。一个特征是产生多个水平液体射流。另一个特征是多个水平液体射流平行于气体流。另一个特征是多个水平液体射流布置成排。

本发明的另一个实施方案涉及使液体接触气体的方法。所述方法包括提供含有液体进入点(liquid entrance point)的接触室，可在接触室中产生多个水平液体射流，还提供平行于多个水平液体射流的气体流。一个特征是液体进入点包括用于容纳多个喷嘴的板。另一个特征是多个喷嘴有截面为U形的流体进入孔眼，和截面有圆锥形出口喷嘴的流体出口孔眼。另一个特征是该方法还包括将多个液体射流布置成多个排。

本发明的另一个实施方案涉及气液接触器，其包括提供接触液体的流体正压室、与流体正压室连通且接收来自流体正压室的接触液体的接触室、与接触室连通而提供气体的气体入口、和与接触室连通而带走气体的气体出口。接触室的比表面积为约10cm^-1-约20cm^-1，并且接触室的液体侧传质系数大于约0.02cm/s。一个特征可以是液体侧传质系数大于约0.1cm/s。另一个特征可以是液体侧传质系数大于约1cm/s。另一个特征可以是液体侧传质系数大于约10cm/s。另一个特征可以是液体侧传质系数大于约25cm/s。另一个特征可以是液体侧传质系数小于或等于约50cm/s。

另一个实施方案涉及气液接触器，其包括提供接触液体的流体正压室、与流体正压室连通且接收来自流体正压室的接触液体的接触室、与接触室连通而提供气体的气体入口、和与接触室连通而带走气体的气体出口。比表面积为约10cm^-1-约20cm^-1，体积传质系数大于约0.2sec^-1。一个特征可以是体积传质系数大于约1sec^-1。另一个特征可以是体积传质系数大于约10sec^-1。另一个特征可以是体积传质系数大于约100sec^-1。另一个特征可以是体积传质系数大于约1000sec^-1。另一个特征可以是体积传质系数小于2500sec^-1。

还另一个实施方案涉及气液接触器，其包括用于提供接触液体的流体正压室。接触器还包括多个喷嘴，所述喷嘴与流体正压室流体连通，可产生多个水平液体射流。接触包括一个室，所述室与流体正压室连通、并接收通过多个喷嘴来自流体正压室的接触液体。气体入口与接触室连通而提供气体。气体出口与接触室连通而带走气体。一个特征可以是射流长度与射流宽度之比为约10∶1。另一个特征可以是射流长度与射流宽度比大于约8∶1，但小于约12∶1。另一个特征可以是射流长度与射流宽度比大于约10∶1。另一个特征是多个水平液体射流的每个的厚度为约10μm-约100μm。另一个特征是多个水平液体射流的每一个的射流长度通常大于约5cm，但小于约30cm。另一个特征是多个水平液体射流的射流速度约10m/s。

还另一个实施方案涉及高性能的气液接触器。该气液接触器包括用于提供接触液体的流体正压室。该接触器还包括与流体正压室连通并接收来自流体正压室的接触液体的接触室。气体入口与接触室连通而提供气体，气体出口与接触室连通而带走气体。气液接触器的特征在于，其具有约1cm^-1-约50cm^-1的提高的比表面积，和低于约5托或约1psig的非常低的气体压降。另一个特征是非常低的气体压降，气液接触器每线性接触距离低于约0.05psi。另一个特征是，对于包括气体加热器、气体冷却器和除雾器的整个气液接触系统而言，其非常低的气体压降为低于约1psi。另一个特征是，当液体流动通过多个喷嘴时，接触液体通过可产生水平液体射流的多个喷嘴得到置换，而多个喷嘴的布置使射流能够形成多个平行的射流排。另一个特征是在接触室中气体流平行于射流排。

另一个实施方案涉及高性能的气液接触器。该气液接触器包括用于提供接触液体的流体正压室。气液接触器包括与流体正压室连通并接收来自流体正压室的接触液体的接触室。气体入口与接触室连通而提供气体，气体出口与接触室连通而带走气体。气液接触器的特征在于，其具有约1cm^-1-约50cm^-1的提高的比表面积，和低于约15psi的用于将接触液体置换到接触室中的液体驱动压力。一个特征是用于将接触液体置换到接触室中的液体驱动压力低于约10psi。另一个特征是当液体流动通过多个喷嘴时，接触液体通过可产生水平液体射流的多个喷嘴得到置换，而多个喷嘴的布置能使射流形成多个平行的射流排。另一个特征是接触室中的气体流平行于射流排。

本发明的另一个实施方案涉及高性能的气液接触器模块。该模块包括用于提供接触液体的流体正压室，和与流体正压室连通、接收来自流体正压室的接触液体的接触室。气体入口与接触室连通而提供气体，气体出口与接触室连通而带走气体。气液接触器的特征在于污染物去除百分率大于约80％。一个特征是接触器体积小于约0.5m3。另一个特征是污染物去除百分率大于约90％。另一个特征是污染物去除百分率大于约95％。另一个特征是污染物去除百分率大于约99％或更高。另一个特征是多个模块化的气液接触器被构建成并联布置，以便能根据需要调节组合系统的大小。另一个特征可以是多个模块化的气液接触器垂直布置。另一个特征可以是多个模块化的气液接触器水平布置。另一个特征可以是多个模块化的气液接触器串联布置。另一个特征可以是系统的寄生负荷(parasitic load)低于约5％。另一个特征可以是系统的寄生负荷低于约1％。另一个特征是诸如SO₂的污染物的洗涤去除百分率大于约90％。另一个特征是诸如SO₂的污染物的洗涤去除百分率大于约95％。另一个特征是诸如SO₂的污染物的洗涤去除百分率大于约99％。

还另一个实施方案涉及包括数个组合特征的气液接触器模块。该模块包括液体入口，为接触器模块提供反应或溶剂液体。它还包括气体入口和出口，所述入口和出口为反应气体或气体溶质或气相反应物提供通过接触器模块的管道。通过喷嘴阵列提供流经接触器的流体的分布，所述喷嘴与液体入口液体连通，其中喷嘴阵列被构建成能够产生均匀间隔的水平液体射流，其形状能使来自流经接触器的气体的干扰最小化。从这些液体射流喷嘴开始横跨接触器室的是气液分离器，其允许液体通过，同时基本上可防止气体流过，其又与液体出口保持液体接触。

本发明的另一个实施方案涉及用气液接触器处理气相分子的方法。该方法包括多个基本上平面的液体射流，其中这些液体射流的每一个都包括平面的液体层。多个液体射流以基本上平行的平面排列。该方法还提供含至少一种反应或可溶性气相分子的气体。在该方法中，至少一部分气相分子通过气相分子和液体射流之间的传质相互作用而去除。

本发明的另一个实施方案涉及包括数个组合的子系统的气液接触系统。这些组合的子系统包括反应室、与反应室连接的气体入口、与反应室连接的气体出口、与反应室连接的液体正压室、与液体正压室连接的喷嘴阵列、和与反应室连接的气液分离器。就喷嘴阵列而言，该喷嘴阵列被构建成能提供基本上平面的液体射流。进一步，每个液体射流包含平面的液体层，并且这些射流排列在本质上位于基本上平行的平面中的多个液体射流中。

本发明的另一个实施方案涉及气液接触器，其中流体正压室被构建成能向接触室提供接触液体。第二特征是接触室与流体正压室连通，并且其自身被构建成能接收来自流体正压室的接触液体。第三，接触器有与接触室连通的气体入口和气体出口。总的说来，气液接触器系统被构建成能提供传质相互作用，其体积传质系数为约5sec^-1-250sec^-1。

应当理解，上述一般说明及以下详细说明都是示例性和说明性的，目的是对要求权利的本发明提供进一步的解释。

附图说明

以下附图举例说明了本发明的实施方案，其和说明书一起用来解释本发明的原理，所包括的附图用于进一步理解本发明，其被引入本申请中，并构成说明书的一部分。

在附图中：

图1为根据本发明一个实施方案用于产生水平射流的系统的框图；

图2为根据本发明另一实施方案用于产生激发态氧的系统的框图；

图3为根据本发明另一个实施方案的改进化学氧碘激光器的框图；

图4为根据本发明另一个实施方案的水平射流喷嘴的右俯视图；

图5是图4的水平射流喷嘴的左仰视图；

图6是根据本发明另一实施方案的喷嘴组(bank)的前体(precursor)的剖面图；

图7是图6所示的喷嘴组的前体的侧视图；

图8是根据本发明另一个实施方案的喷嘴组的俯视图；

图9是图8的喷嘴组的侧视图；

图10是沿图9所示切口B的图8的喷嘴组剖视图；

图11是图9所示切口A所定义的图8的喷嘴组的详图；

图12是图8的喷嘴组的透视图；

图13是焊接喷嘴的板的透视图；

图14是根据本发明另一个实施方案的喷嘴板的侧视图；

图15是图14的喷嘴板的俯视图；

图16是图14的喷嘴板的透视图；

图17是沿图15所示切割线A的图14喷嘴板的详细放大图；

图18是通过图14的喷嘴板产生的又平又薄的水平液体射流阵列的透视图。

图19是通过图14的喷嘴板产生的又平又薄的水平液体射流阵列的前视图。

图20是通过图14的喷嘴板产生的又平又薄的水平液体射流阵列的侧视图。

图21是根据本发明另一个实施方案的喷嘴板的流体侧出口的视图；

图22是图21的喷嘴板的流体入口侧视图；

图23是本发明另一个实施方案中的喷嘴板的流体侧出口的视图；

图24是图23的喷嘴板的流体入口侧视图；

图25是拆除了喷嘴组的喷嘴板的流体侧出口视图；

图26是图25的喷嘴板的流体入口侧视图；

图27是喷嘴组的前体的俯视图；

图28是图27的前体的侧视图；

图29是根据本发明另一实施方案的气液接触器的示意性剖视图。

图30描绘了根据本发明另一个实施方案的多个气液接触器的示意性布置图。

图31是根据本发明另一个实施方案的多污染物去除系统的示意图；

图32是根据本发明另一个实施方案的多污染物去除系统的示意图；

图33是根据本发明另一个实施方案的能使气相和液相之间相互作用的通用气液接触器的示意图。

图34是NO₂去除系统的吸收率与运行时间的关系图；

图35是氨水液体射流打开和关闭时的CO₂ FTIR(傅里叶变换红外)吸收光谱图；

图36是2MW原型系统的图；

图37是气液接触器的图；

图38是图41系统的溶剂泵的图；

图39是使用H₂O、NaOH(0.1重量％)的SO₂洗涤结果图，0.13MW的规模；

图40是使用19重量％氨水的CO₂洗涤试验的图，0.13MW的规模；

图41是使用H₂O、NaOH(0.1重量％)的SO₂洗涤结果图，2MW的规模；

图42是60MW洗涤单元和支持结构的说明图；

图43是图47的洗涤器塔的部分2MW部分的前视图；

图44是图47的洗涤器塔的部分2MW部分的侧视图；

图45显示了入口通道和射流组件区的几何结构；

图46显示了含可拆卸的喷嘴板的射流组件区的说明图；

图47显示了图51的射流组件区中的喷嘴板的构造；

图48显示了图46的射流组件区的密封系统；

图49是本发明另一实施方案的污染物去除系统的方法流程图；以及

图50是根据另一实施方案的污染物去除系统的方法流程图。

具体实施方式

本发明涉及气液接触器和排放物清洁系统及方法，更具体地涉及被构建成能够产生均匀间隔的水平液体射流的喷嘴阵列，其形状能使来自气流的干扰最小化。而且，各种实施方案直接提供了多个小的单一单元方法，可组合成模块，通过其设计，可克服传统设计的缺点。单一单元方法模块化使得小系统适配方法的规模能够以方便的整数简单地将模块倍增而进行放大。

此外，能够产生薄的水平液体射流的单一气液接触器可以轻易地倍增并组合成一个或多个模块，所述模块可以以非常紧凑的设计在气体流速范围内执行，其显著小于同等反应收率的传统逆流反应器。组合成一个或多个模块可以串联或并联进行。

在串联实施方案中，模块一个接着一个结合，气体相继流经每一模块。当然，一些模块可以被旁路绕过或具有再循环回路。此外，模块可以运行相同的液相或不同的液相，这取决于气体分子捕集和顺序所要求的目标反应的选择性。

在并联实施方案中，模块彼此紧跟或彼此上下结合，以使所有模块处理或洗涤相同的气体物料，其中每一模块处理与相邻模块大致等量的气体或气体分子。通常，并联模块彼此运行相同的液相，因为每一模块中的处理与相邻模块是同时发生的。

本发明一个实施方案的目的是适配(accommodate)比该单一模块的设计标准更高的气体流速或更小的传质系数，模块自身可以以适当的整数单元倍增成接触时间更长的更大的功能模块，而不会在形式上将目标方法分割成冗余系统。此外，该设计逻辑可以延伸到化学处理系统中的其它子模块，如液体捕集系统和液体输送系统，所有都可以适配单一的气流主正压室和单一的液体处理段。昂贵的资本设备如气体流和/或液体流系统的泵和鼓风机可以线性放大，以便能给增加的模块供料；这些模块通过其独特的设计，在非常紧凑的设计中连接在一起而形成功能上单一的工艺。

在本发明的另一个实施方案中，模块可以被构建成使用液体射流，例如薄的水平射流，以很高的速度压迫液相，从而消除对重力或浮力的依赖来提供质量传递。液体可以以很高的速度流动，气相也可以以很高的速度流动，沿着相同的向量(vector)，或以逆流流动。因为全部的流动都处于高速中，所以流动方向可以通过设计手段来选择，而不受重力或热对流的局限。此外，传质和体积传递系数可以非常高，并且接触长度可以再次模块化放大，以同时适配负荷和反应收率。

在本发明的另一个实施方案中，气液接触器被构建成能从高的体积气体流速实现有选择性的且高的气体反应物传质速度，连续补充约束在小系统体积中的液体。还有，在本发明的各种方法中，高速稳定液体射流的大量密实堆积的阵列，例如，薄的水平液体射流阵列被构建成能与高速气流相互作用。可以基于液体吸收剂或反应物的如粘度和表面张力的特性，优化形成射流的孔口和密度。不用考虑室的大小或总的处理规模，一般来说，随着液体粘度增加，液体射流稳定性也增加。因而，喷嘴阵列中喷嘴密度可以增加，喷嘴尺寸可以减小。然而，这并非是必须的，而是可以满意地用来减少射流与射流之间的间距，由此增加和优化接触器的比表面积。相反，更低的表面能易于使射流不稳定，在一些条件下会导致形成小的微滴，这并不是本发明所希望的，而在现有技术中却是更典型的现象。在更低表面能的情况下，可能表明需要更低的液体压力和更大的喷嘴尺寸来优化给定流体的射流性能。

本发明的实施方案比传统的方法和系统明显提高气体反应物和液体反应物的方法效率。由于液体射流的低阻力以及设计的模块化和可组合特点，从大的体积质量传递系数以及产生的对整个系统只要求最低泵送能力的小尺寸、低压吸收操作，可以实现所述方法和系统的高效率。因此，本发明实施方案实现了出乎意料的结果，例如，相比于传统的反应器，可达到大致相同的性能，但是与传统的气液接触器相比，底部尺寸可以至少小十倍，投资成本至少低一半。

本发明的一个实施方案涉及气液接触器模块。该气液接触器模块包括液体入口和出口、以及气体入口和出口。该模块还包括与液体入口和气体入口连通的喷嘴阵列，其中该喷嘴阵列被构建成能够产生均匀间隔的水平液体射流，其形状能使来自气体的干扰最小化。模块还包括气液分离器，其能够允许液体通过，同时基本上可防止气体穿过。该模块可以串联或并联连接至其它模块。

模块可以由多种不同材料制造，例如，铜、镍、铬、钢、铝、涂敷的金属、及其组合。此外，模块可以包括塑料材料，或至少一种结构聚合物、聚酰亚胺、复合材料及其组合。

喷嘴阵列可以形成为多种不同的构造，例如错位(staggered)构造。在一个错位构造中，布置第一排喷嘴、第二排喷嘴和第三排喷嘴，使第二排喷嘴偏移，并位于第一排喷嘴和第三排喷嘴之间。

阵列还可以包括以预先确定的尺寸隔开的多个喷嘴。这些喷嘴可以包括至少两个以大于约0.2cm的距离分隔开的喷嘴。这些喷嘴可以包括任何数量的排和列。在一个优选实施方案中，提供至少三排喷嘴并且以均匀的距离将其分开。喷嘴之间的距离可以是约0.1cm-约5.0cm。

喷嘴可以由一些不同几何形状的液体通道形成，例如，U形通道、V形通道等。通道可以用各种方法形成，包括但不限于金属、复合材料、陶瓷片的机械加工或其它成型，或通过对管或管的一部分中的喷嘴孔口进行机械加工。机械加工单块板时，V形或U形通道可加工成板的液体一侧。这些通道然后可通过第二V形槽在板的加工侧切成两部分，其深度穿透到液体通道的空间。取决于第二槽的深度，由液体通道和加工侧通道的交叉形成得到的孔或喷嘴可以有不同的大小。

更多的渗透交叉导致更大的喷嘴。也即，锥形交叉进入V形或U形通道的量导致产生更大的喷嘴。在管中形成喷嘴时，在与管的半径轴成大约90°的角度在半径的外面(加工侧)进行切线方向的切割。取决于切割的深度和管的半径，得到的喷嘴尺寸(最小和最大的截面)和大小两者都可以变化；更深的切割产生更大的喷嘴。向喷嘴送料的液体通道可以有大于约2mm的深度。在本发明的实施方案中，通道可以有约2mm-约20mm的深度。

在另一个实施方案中，喷嘴的形状形成为基本上椭圆，这样喷嘴包括小于0.5的短轴(minor axis)与长轴(major axis)之比。在其它的实施方案中，喷嘴可以有约0.25mm²-约20mm²的投影截面面积。从投影到二维表面上的背光进行剖视，估算喷嘴的二维形状，可以确定投影截面面积，尽管承认实际形状是三维且复杂的，这取决于切割深度和通道曲率的半径和/或形状。

本发明的另一个实施方案涉及用气液接触器处理气相分子的方法。该方法包括形成多个基本上平面的液体射流，其中这些液体射流的每一个都形成平面的液体层。多个液体射流以基本上平行的平面排列。该方法还提供含至少一种反应性或可溶性气相分子的气体。

在该实施方案中，至少一部分气相分子通过气相分子和液体射流之间的传质相互作用得到去除。气相分子可以包括来自工业过程的排放物，例如，燃煤工厂或其它的工业排放物，例如，杂质或污染物可以包括SO_x、NO_x、CO₂、Hg和这些的组合。当然也可以除去其它的气态分子，如酸性气体，像HCl、HBr、HF、H₂SO₄和HNO₃、CO、H₂S，胺(包括氨)、烷醇胺、尿素、甲酰胺、醇、羧酸酯(如乙酸酯)、这些的组合和种类广泛的其它气相分子。本发明的限制只要求能提供气相分子反应物或溶质，及可在其中相应反应或溶解的液相。尽管本发明说明书中的主要说明集中在水性体系，本领域技术人员可方便认识到本气液接触器发明也适于非水体系。例如，如本领域已知的药物部分氟化或石化原料的氯化。

在本发明的实施方案中，可以选择如本领域已知可从气体中除去杂质的液体。可以使用碱性水溶液除去SO₂和其它烟道气组分，例如，溶液含有约0.1-1.0M的NaOH、NH₄HCO₃、Na₂SO₃。如本领域已知，可以根据气液相互作用的传质和优选的产物来调节这些液体反应物的浓度。

此外，液体的一些实例包括水、氨、铵盐、胺、烷醇胺、碱金属盐、碱土金属盐、过氧化物、次氯酸盐、钙盐、镁及其组合的至少一种的溶液。其它溶液可以包括海水、卤水、及其组合等。

海水或卤水可用于洗涤SO₂或CO₂，或者两者，取决于pH控制和其它的工程因素。此外，这些液体对于洗涤其它酸性气体如HCl或HF也有效。

该方法形成至少一种射流。射流可以被构建成有各种物理尺寸。如射流长度可以是5cm-20cm，射流宽度为1cm-15cm，射流厚度为10μm-1000μm。此外，射流的长度与宽度之比可以是0.3-20。

本发明的另一个实施方案提供了包括一些组合子系统的气液接触系统。这些组合的子系统包括反应室、与反应室连接的气体入口、与反应室连接的气体出口、与反应室连接的液体正压室、与液体正压室连接的喷嘴阵列、和与反应室连接的气液分离器。就喷嘴阵列而言，其被构建成能提供基本上平面的液体射流。进一步，每一液体射流包含平面的液体层，且多个液体射流排列在本质上位于基本上平行的平面中。

现对本发明的实施方案进行详细引述，其实例在附图中举例说明。

图1为根据本发明的实施方案用于产生水平射流的系统的框图。参考图1，系统0包括用于产生液体射流如薄的水平液体射流的水平射流孔口阵列，所述水平射流孔口高度密集并且有高的表面积。在该实施方案中，喷嘴阵列的一小段由单个板机械加工而成。由此显示为V形的液体通道，但在该实施例中，加工侧的孔口以锥形对着凹槽与V形液体通道交叉。然而，得到的喷嘴孔口仍是椭圆形的。喷嘴阵列包括错位的孔口，其错位方法能使孔口隔开一定的距离。X方向的距离可以是约0.1cm-约5cm，而y方向的距离为0.1cm-约2mm。在一个优选实施方案中，在x方向的距离为2cm，在y方向为2mm。当然，不要求孔口之间的距离在孔口阵列中始终不变。

孔口有V形入口1和圆锥形出口2的通道，用于产生射流。入口1通道和出口2的通道的交叉产生孔口。喷嘴板3的剖面图显示了入口4和出口5通道的轮廓。7近似地显示了离开孔口的射流。还提供了入口8和出口9的通道的截面特写。薄的水平液体射流可以形成由可变的长度形成，例如，射流长度与射流宽度之比可以是大约10∶1，其中射流厚度为约10μm-约100μm。射流长度可以是约5cm-约20cm。射流宽度可以是约0.5cm-约20cm。

图2为根据本发明的另一个实施方案用于产生激发态氧的系统的框图。该COIL比以前的设计更高效、更轻且更小，因为它使用根据本发明实施方案的能够产生大比表面积的液体如碱性过氧化氢的喷嘴阵列。参考图2，COIL用附图标记10表示。COIL 10用于产生激发态氧。COIL 10包括连接到歧管14的气体反应物源12，例如氯气。歧管14有一些被构建成能够允许气体射流进入激发态氧发生室20的开口(opening)，例如孔(未显示)。COIL 10还有液体反应物22的源，例如用单一的碱形成的碱性过氧化氢。在一个实施方案中，单一的碱为氢氧化钾(KOH)。碱性过氧化氢22的源通过管线24与多个喷嘴26连接。喷嘴26被构建成能够产生液体碱性过氧化氢的薄的水平射流28。过氧化氢22的薄的水平射流28与氯气射流反应，产生激发态氧32。COIL 10还可以包括收集碱性过氧化氢用于再利用的方法，例如，再循环回路。

使用所述液体射流可提高过氧化氢22的比表面积，从而提高与氯气12的反应效率。试验表明，薄的水平液体射流的比表面积大于现有技术圆形射流的三倍以上。除了可提高过氧化氢的表面积，水平射流还不要求以前的喷嘴所要求的小喷喉。更具体地，以前的喷嘴的喉径为约150μm-约350μm。喷嘴26可以使用大于约250μm的喷喉，或进一步优选，大于600μm。因此，喷嘴26不大可能因杂质而阻塞，例如，由过氧化氢与氯气反应所形成的盐。此外，这可允许系统10使用更高的碱性过氧化氢溶液初始摩尔浓度，例如可以使用高达约10摩尔/L的摩尔浓度。以前的系统由于杂质堵塞系统，例如，形成堵塞的盐，通常限于5摩尔/L的初始摩尔浓度。大部分系统再利用过氧化氢，然而一旦摩尔浓度下降至2.5摩尔/L，系统的性能就会严重下降。结果是，大部分以前的系统限于约2.5摩尔/L-约5摩尔/L的Δ摩尔浓度，而本实施方案允许Δ摩尔浓度为约2.5摩尔/L-约10摩尔/L。因此，本装置可以携带以前系统三分之一的碱性过氧化氢，或者具有其三倍的能力。

在另一个实施方案中，COIL包括激发态氧发生室，所述发生室具有过氧化氢源的入口和碱金属(Li、Na、K)和碱土金属(Mg、Ca)次氯酸盐的水平射流喷嘴。过氧化氢为气体。喷嘴有在长度方向上最小尺寸大于约300μm的众多孔口，能够产生高比表面积的薄的水平射流。光子发生室有与激发态氧发生室连接的通道和碘入口。

图3为根据本发明另一个实施方案的改进的COIL的框图。参考图3，改进COIL通常用附图标记50来表示。COIL 50有气体源52，例如氯气，其物理上通过导管或管54经过一些入口与激发态氧发生室56连接。液体反应物58如碱性过氧化氢58的源通过管60输送给水平射流喷嘴62的阵列。喷嘴62允许液体的碱性过氧化氢58与氯气52混合。反应产生激发态氧64，包括单重态Δ氧。激发态氧64输送给光子发生室66。碘68的源与光子发生室66的入口70连接。碘68导致激发态氧64衰变并释放光子。光子发生室66有反射面(mirror)，可允许激光发生体系(lasing)72具有与激发态氧流垂直的输出。用过的氧74离开光子发生室66。激光器50可以包括回收碱性过氧化氢进行再利用的系统。COIL50使用喷嘴62的阵列增加过氧化氢的表面积，并允许有更高的碱性过氧化氢初始摩尔浓度。结果是COIL 50更有效率，可允许比以前的系统有更小的尺寸和重量，或者有更大的激光发射能力。

图4为根据本发明一个实施方案的水平射流喷嘴实施方案的右俯视图。参考图4，喷嘴80有V形室82，V形室82的顶83与一对对置板86的第一端84相接。对置板86的第二端88与锥形喷嘴90相接。液体例如碱性过氧化氢流入V形的液体输送通道或室82，并受迫经过对置板86之间的通道92，流出喷嘴90，产生水平的液体射流94。取决于喷嘴面积、射流流量和速度，射流厚度96可以是约5μm-100μm，宽度98可以是1cm-约5cm。

在该实施方案中，宽度与厚度之比明显大于10倍。例如，对于约10m/s的射流速度，水平射流的长度可以是约15厘米或更长。最窄的通道100是锥形喷嘴90与对置平面板86会合的地方，为大于约600μm。喷嘴80可允许液体如碱性过氧化氢有大的表面积，这可明显提高碱性过氧化氢与氯之间的反应效率。进一步，由于大的射流表面积和小的射流厚度，喷嘴80可产生约10cm^-1-约20cm^-1的非常大的比表面积，这可造成更小的发生器体积和输送给激光腔的激发态氧有更高收率。此外，喷嘴80不要求有可能造成杂质，例如氯和碱性过氧化氢反应形成盐来阻塞的小的喷喉或通道，从而允许系统有高得多的碱性过氧化氢初始摩尔浓度。

图5是图4的水平射流喷嘴的左仰视图。参考图5，水平射流喷嘴80包括许多锥形喷嘴，所述喷嘴可与对置平面板86的第二端88相接。应当注意，对置平面板86的第二端88的唯一出口经过锥形喷嘴。应注意到，虽然本说明书关注COIL的应用，这些实施方案也可应用于任何的两相反应器或接触系统。该两相反应器体系的应用可明显增强气相反应物与液相反应物之间的相互作用。结果是，反应比以前的两相反应器设计明显更有效。

因此，文中说明了比类似能力的以前的COIL激光器更轻、更小并且更有效的COIL。这可以使激光器使用时的输送系统更小，或者可提高现有输送系统的能力。

排放物接触系统和方法

如上所述，系统0提供喷嘴阵列，其用于产生高表面积的薄的、高度密集的水平射流。结合使用COIL，对系统0进行了描述。在替代的实施方案中，系统0的许多原理可以应用于污染物减缓的系统和方法中。在一个实施方案中，污染物减缓的系统和方法包括气液接触器。该气液接触器包括多个喷嘴板。在该实施方案中，每个喷嘴板包括如图6-17描绘的多个喷嘴，喷嘴1010形成喷嘴阵列。

污染物减缓系统和方法从由下向上的透视进行描述，首先关注所使用的独特的创新喷嘴1010，然后是喷嘴板和喷嘴的独特布置，然后是液体气体反应器的构造，然后是污染物减缓的整个系统和方法布置，随后是系统针对各种污染物的措施。污染物减缓系统和方法的次级组件有许多与污染物减缓系统和方法无关的应用，这从以下说明书中清楚可见。

喷嘴

如以上介绍，对于系统0，根据说明孔口是用来提供过氧化氢水平射流的。该孔口有含V形入口1和圆锥形出口2的通道，用于产生射流。入口1和出口2通道的交叉产生孔口。喷嘴板的剖面图显示了入口3通道和出口4通道的轮廓。孔口出来的射流的近似说明如5所示。提供了入口6通道和出口7通道的截面特写。射流长度与射流宽度之比为大约10∶1，其中厚度为约10μm-约100μm。

除了提高反应物或吸收剂的表面积，水平射流还不要求现有技术中的喷嘴所要求的小喷喉。如前面说明的，现有技术喷嘴的喉径的最大尺寸为约150-约350μm。相比之下，本发明实施方案的构造能使水平射流喷嘴在更小尺寸的喷嘴中可以有约250μm或者更大的喷喉。例如，水平射流喷嘴的喉径可以是约250μm-2000μm。因此，本发明实施方案的喷嘴不大可能因杂质而阻塞，例如，由液体吸收剂和气体反应所形成的盐，从而使本发明的系统坚固耐用。此外，还可允许该系统使用更高的反应物初始摩尔浓度或甚至细的吸收剂浆液。可以使用高达约10摩尔/L的摩尔浓度，而以前的系统通常限于约5摩尔/L的初始摩尔浓度，因为会形成堵塞的盐和/或固体副产物或沉淀物。大部分系统再利用液体吸收剂或反应物，然而一旦摩尔浓度明显下降，系统的性能会严重受损。在本发明的实施方案中，通过简单的浓度监测以及向液体系统适当地滴定反应物，就可以很容易地补充吸收剂或反应物液体。

如图8-13所示，喷嘴1010类似于以上所描述的锥形喷嘴90。例如，其相似程度使得到的喷嘴切口可以描述成近似锥形与U形通道的交叉，尽管它是使用不同于圆锥状机械工具套件(bit)的方法制造的。当液体流经时，喷嘴1010产生水平射流，并且可以被构建成能够产生均匀间隔的水平液体射流，其形状使气液接触器系统中来自气流的干扰最小化。还可以产生带柱塞流特征的水平射流。产生的水平射流开始时有非常低的湍流特征，这使所述水平射流能保持其有明显长度的特征。

图6是喷嘴组的前体的实施方案的剖面图。图7是图6所示喷嘴组的前体的侧视图。参考图6-8，前体的棒1012用来形成喷嘴1010和喷嘴组1011。棒1012可以有各种尺寸，并且通常类似于已经弄扁的管的一半。前体的材料可以采用一些不同几何形状的形式，例如，类椭圆、椭圆和半圆。

棒1012有棒壁(shell rod)厚度1015，棒直线高度1016和棒总高度1017。在本发明的实施方案中，棒壁厚度1015可以是约0.015英寸-约0.055英寸，棒直线高度1016可以是约0.05英寸-约0.75英寸，棒总高度1017可以是约0.25英寸-约0.95英寸。在一个优选实施方案中，棒的棒壁厚度1015为约0.035英寸，棒宽度1014的最大测量处为约0.323英寸，棒直线高度1016为约0.10英寸，棒总高度1017为约0.31英寸，棒长度1018为约7.470英寸。总宽度1014为约0.323英寸，喷嘴边缘1019从喷嘴组1011的边缘约0.035英寸处开始，如图9所示。

在该实施方案中，产生喷嘴组1011的方法如下：喷嘴组1011使用级进冲模(progressive die)产生。冲切(die cut)的第一级产生要形成的合适大小的金属矩形件。用于冲模的材料可以是单一的金属或合金，例如不锈钢。此外，金属的选择可取决于所使用的液体化学体系及其腐蚀性或反应性，因此，可以选择其它的金属，包括铜、镍、铬、铝、或包括这些金属的合金。

在第二级中，产生图6和7中的棒1012的特殊几何结构。优选棒1012去掉毛边，除去锐边或拐角。接下来将喷嘴1010机械加工到棒1012中，形成多个喷嘴1010。在一个优选实施方案中，喷嘴1010用电火花线切割加工(EDM)机器形成。例如，棒1012安装到夹具上，放入到生产EDM机器中，将喷嘴形成到棒1012中，例如图8-11中所示。

如图12所示，将端盖1023焊接到喷嘴组1011上，并将喷嘴组1011焊接到板中，如图13所示。可以如本领域已知进行焊接，例如进行激光焊接。在图8-13中显示了具有完成了的喷嘴1010的喷嘴排1011。喷嘴1010以约90度的角度切割，如图11中可见。喷嘴切口的深度可以是约1mm-约2.5mm。在一个优选实施方案中，喷嘴1010切割成约0.058英寸的喷嘴深度1020。通道的深度可以是约2mm-约20mm。

喷嘴可以形成为在中心1021之间有均匀或不均匀的距离。在本发明的实施方案中，中心之间的距离可以是约0.1cm-约5cm。在一个优选实施方案中，喷嘴中心1021之间的距离为约0.158英寸。此外，喷嘴组1011中可以有任何数量的喷嘴。在优选的实施方案中，喷嘴组1011中形成有45个喷嘴。此外，在喷嘴组1011的两端形成有端部空间1022。在一个优选实施方案中，端部空间1022形成为约0.235英寸。图12显示了喷嘴端盖1023焊接的地方。图13显示了喷嘴组1011如何沿通道缝1025焊接到板1024中。本实施方案的构造的优点在于，与液体的体积相比，它能提供大的表面积，并且可进一步在标准大气压下在小容量的容器中提供大量的射流。在另一个实施方案中，通道还可以直接机械加工在板中，而不是如在此所述的焊接。此外，喷嘴可以被构建成有窄的近似椭圆的裂缝，还可以产生小于约0.5mm、但长度大于约50mm的最小尺寸。尽管与优选实施方案相比，该喷嘴有不希望的高液体流量体积，但它的确能形成高表面积的薄的水平液体层。

喷嘴板

喷嘴1010在喷嘴组1011或板1024上的布置使得喷嘴产生的液体射流密实堆积在小的体积中。流体流动可预见的特性使得射流能够密集堆积，而不会产生干扰及导致湍流。在一个优选实施方案中，流体流动被构建成能使进来的液体以与液体喷嘴进料通道方向成约90°流动。已经发现，水流体可产生最佳的液体射流性能；沿着或并行于液体进料通道的流体流动可导致得到的射流沿流体流动的方向偏斜，这是不希望的效果。相比之下，喷嘴板1020产生的射流的平面流可产生密集堆积的射流，不会有相邻排中料流的交叉。因此，几乎不会产生湍流，并且流体的分布保持均匀。

图14是根据本发明另一个实施方案的喷嘴板的侧视图。图15是图14的喷嘴板的俯视图。图16是图14的喷嘴板的透视图。图17是沿图15所示切割线A的图14的喷嘴板的详细放大图。

现参考图14-17，喷嘴板通常用附图标记1020描述。在该实施方案中，每个单独的喷嘴1010切进成形的通道1015中，在通道1015中产生一排喷嘴。在板1020中会产生几个通道，形成孔口板或喷嘴阵列。通道1015可以是如上所述焊接到板中的喷嘴组1011。或者，通道和喷嘴可以由单一的板通过机械加工形成，典型的效果如图21-24所示。

在该实施方案中，喷嘴1010被准确地隔开，使所产生射流填充的体积最大化，以便射流填充目的体积，但不会互相交叉。射流的间隔过密可能会导致射流相碰，与连贯的水平射流相比，其会破裂成小的液滴，这是不希望的结果，会降低本实施方案的效果。此外，射流的间隔分开过远可能会导致能够与气相分子反应的比表面积更低，这也会降低本实施方案的效果。最佳间隔主要是喷嘴设计与尺寸、反应效果(或传质)、流体粘度、以及流体表面能的综合函数。

图18是通过图14的喷嘴板产生的又平又薄的水平液体射流阵列的透视图。图19是通过图14的喷嘴板产生的又平又薄的水平液体射流阵列的前视图。图20是通过图14的喷嘴板产生的又平又薄的水平液体射流阵列的侧视图。

参考图18-20，其举例说明了当液体受迫经过喷嘴时形成的水平射流阵列或矩阵。在该实施方案中，每个喷嘴1010被构建成能够产生水平的稳定射流1050。在一个优选实施方案中，射流被构建成约2cm宽，约25cm长，约0.1mm厚。当然，也可以使用其它的尺寸。每一排喷嘴1055产生一排射流1060，并且所述排被排序成能够产生水平液体射流1065的矩阵或阵列。所述板被构建成产生24排射流1055。当然，排的数量可以增加或减少。射流排的优选数量可以根据以下选定：气液接触器的应用尺寸、和喷嘴阵列或射流板制造的实际情况，以及辅助的流体处理硬件。然而，对上限没有根本的大小限制。对于非常小的反应器，例如，研究用的大小，实际的排数为三个，以提供两个液体通道(通道的一半在每个边缘上，因为一半是反应器壁)。在操作中，气体被构建成在水平射流之间流动，平行于射流的水平一侧，从而产生非常大的表面积供紧密接触。

图21是根据本发明另一个实施方案的喷嘴板的流体侧出口视图。图22是图21的喷嘴板的流体入口侧视图。

参考图21-22，喷嘴板通常用附图标记1101表示。喷嘴板1101包括偏移或错位构造的喷嘴1010。在一个实施方案中，如图18所示，气体可以被构建成平行于射流产生的水平面流动。与不错位的构造相比，喷嘴1010的错位或偏移构造可允许轻微改善流动，因为错位构造可阻塞气体错流的通道，避免可能引起的湍流。

图23是本发明另一个实施方案中的喷嘴板的流体侧出口视图。图24是图23的喷嘴板的流体入口侧视图。

参考图23-24，喷嘴板通常用附图标记1110表示。如所示，流体离开图23所示的面，气体可以被构建成平行于水平的射流面流动。图24显示了喷嘴板1110的背面。喷嘴板包括多个喷嘴1010，并且如上所述布置在喷嘴阵列1112(参见喷嘴组1011)中。在一个替代实施方案中，喷嘴阵列1112可以被构建成可拆卸的。能够移动拆卸的喷嘴阵列使得能够在喷嘴腐蚀或要求改变喷嘴尺寸时(例如，使用不同粘度的不同流体的情况下)对阵列进行维护。

图25是拆除了喷嘴组的喷嘴板的一个实施方案的流体侧出口视图。图26是图25的喷嘴板的流体入口侧视图。参考图25-26，其显示了喷嘴排1113是可从喷嘴阵列组件1120拆卸的，其中拆除了喷嘴组1113。能够拆除喷嘴组1113可有助于使用者可能清洁喷嘴板1120或更换破裂的喷嘴组1113，而不必更换整个板。此外，由于可以调节接触器的比表面积，可拆卸的喷嘴组1113可以有助于制造过程；例如，传质很高的气相分子可能不要求太高的比表面积就可实现捕集或反应收率。这样，有可能在现有系统中拆除喷嘴组，从而减少总的液体流速。

例如，在一个实施方案中，将图25和26中所示的喷嘴组或排1113从弄平的管1130(图27和28所示)中切割出。管1130由合适的管纵向切割并轻微弄平，或者备选地，由平板在芯模(mandrel)上形成。多个喷嘴1010被切入管1130中。这是形成喷嘴组的替代方法。管1130显示是弄平的，并且具有电火花线EDM形成的凹槽，用于孔口制作。在管1130被纵向切割并切除未弄平的端部后，凹槽件1113就基本上完工，已准备好用于装配到喷嘴板1120中。

气液接触器

图29是根据本发明另一个实施方案的气液接触器的示意性剖视图。气液接触器可提高效率并且减少用于COIL的气液接触器的夹带(如在本说明书中所描述的)。气液接触器中的喷嘴被构建成能够产生稳定的平面的液体射流，其能够在气流中保持其形状。

这些喷嘴可以以阵列制造到喷嘴板中(如本说明书中所述)，所述阵列可产生水平液体射流的密集且平行的矩阵。水平射流阵列有良好的空气动力外形，并且可在相对较高的气体流速时提供形成稳定的射流。即，喷嘴阵列被构建成能够产生均匀间隔的水平液体射流，其形状能使来自气体的干扰最小化。此外，喷嘴阵列可产生平行于气流的液层，提供很高的接触面积和低的气体侧压降。气体流可以横跨液体射流(错流)，可以是逆流或共流。

用喷嘴产生射流所要求的液体压降也低，这样能造成液体侧和气体侧两者的泵送成本均低。液体压降发生在横跨主要的约束性孔口，如喷嘴阵列。例如，本实施方案中操作的液体压力范围为2psi-50psi，最佳范围为3psi-15psi。另外，低于2psi的液体压力仍可以提供薄的水平射流(取决于喷嘴尺寸)，然而，液体速度可能变低，会因高速气体流而导致明显偏斜。类似地，高于50psi的压力可以产生出色的薄的水平射流，但是提供液压所要求的能量会变高，这会增加系统的寄生能量损耗。

除了这些优点，由于喷嘴并没有雾化液体，所以与雾化液体的系统相比，气体中的液体夹带极大减少。气液接触器有很高的比表面积，例如20cm^-1，这可产生高的接触效率和小的底部尺寸，例如，对于接触器和配套的泵为低于100ft²/MW的同等值。另外，气液接触器的比表面积和其它参数在表2中显示。

参考图29，气液接触器通常用附图标记1600来表示。在该实施方案中使用错流构造，气体从左到右流经接触器1600。液体通过入口正压室1630进入接触器1600的顶部1610，并受迫通过在接触室1650顶部的喷嘴板1640。水平液体射流由喷嘴形成，并向下流过所述室。系统中气体从左向右流动，在图29中描绘在平行射流之间，其中发生传质，然后通过低压降除雾器1660，并继续通往出口1670。液体在接触器的底部通过防喷溅格栅1680收集，根据需要进行处理，并且有可能再循环利用。防喷溅格栅子模块1680是孔眼形状可接收水平射流的格栅。防喷溅护板或气液分离器还被构建成能在操作中使液体回喷溅充分最小化。防喷溅格栅1680的孔眼可以略微朝液体捕集出口正压室1620的出口1700和/或1690构成角度，帮助流体流出，而不会使压力作用在流体上。

以下表2和3比较了一些包括本发明的气液接触器的接触效率和优/缺点。

表2：常见气液接触器的工作特性

表3：常见气液接触器的比较

气液接触器原来用于COIL激光器中的化学反应器，但是对其应用没有这样的限制。气液接触器可以用于许多不同的应用中，例如要求气体和液体之间有高效率、单段、低成本、小底部尺寸接触的任何应用。有些实例包括其中气体和液体直接接触的传热，例如对气体进行冷却，传质，例如从烟道气流吸收污染物，液体和气体之间的化学反应，例如COIL应用，以及生物反应，例如需氧消化。多段错流接触可通过串联连接接触器来实现，将液体从下游接触器出口泵送到下一个上游接触器的入口。可替代地，两种不同的液体吸收剂或反应物可独立泵送到串联安装的气液接触器中，提供两级反应，而在单序列(train)的气流中没有干扰。气液接触器的实施方案可产生体积传质系数很高、气压降低、液压降低、尺寸相对较小、耐堵塞、液体夹带少、并且投资和运营成本低的气液接触器。其实现方法包括使用含特殊喷嘴阵列的孔口板(如文中所述的喷嘴板)，所述喷嘴可产生水平的、稳定的、非雾化的液体射流矩阵，所述射流矩阵密集填充，互相平行且平行于气流。单段式气液接触器的一个实施方案说明如下。射流排的气体流速和数量决定了该单段的接触时间。

在本实施方案中，射流板容纳在气液接触器1600中。气体从左侧1672进入，继续前进通过接触室1650的水平液体射流，通过除雾器1660，并从气体出口1670出来。液体进入入口正压室1630，受迫向下通过一系列喷嘴板1640而形成水平液体射流，然后落下通过气液分离器1680，并在接触器底部进入液体收集室1620。液体然后继续通往出口1690和1700，进行处理和/或再循环。

图30描绘了根据本发明另一个实施方案的多个气液接触器的示意性布置图。参考图30，多段错流装置接触器通常用附图标记3000表示，并且串联连接。多段错流装置接触器3000包括第一气液接触器3002、第二气液接触器3004和第三气液接触器3006。当然，可以有超过三个的气液接触器，例如，气液接触器的数量可以根据应用来决定。即，使用的接触器数量是具体化学体系所要求的最终捕集量或反应收率的函数。连续的接触器可与本领域中熟知的连续化学萃取大致相当。气体依次通过每个接触器，液体从序列的下游端3008错流通往上游端3010。

每段之间的液体泵(未显示)向每个接触器提供液体。任选地，一个液体输送正压室可以服务串联安装的全部气液接触器模块，只要求单一的液体泵向单一的串联液体输送正压室输送液体，或从单一的泵正压室并联输送。

气液接触器可以由各种不同的材料制造。例如，接触器可以由不锈钢制造。材料还可以基于液体和/或气体化学体系以及其腐蚀性或反应性进行选择，例如，铜、镍、铬、铝、及其合金。此外，也可以使用涂覆组件或管线材料，例如，玻璃衬里的、环氧或粉末涂覆的等。可替代地，接触器的一些结构和/或流体处理部件可以用塑料或聚合物、纤维增强环氧或聚合物、结构聚合物、聚酰亚胺和复合材料及其组合制作。

氨水污染物的去除

本说明书中所述的本发明实施方案可以通过使用氨而用于在排放物中去除污染物。污染物去除的一个明显的成本因素是烟道气中污染物的分压低，气体吸收速度慢。例如，反应速度通常是反应物初始浓度的函数；浓度越高反应越快。然而，如果初始浓度低，传质会在反应或除去气体或液体分子中变为限制性的变量。在本发明的实施方案中，低的传质系数被高的相对比表面积和高的流速抵销。

在相关领域中，已开发出烟道气脱硫(FGD)系统并安装在发电厂中，用于处理造成酸雨和空气污染的SO₂和SO₃。大部分FGD系统使湿石灰接触烟道气，将SO₂吸收为CaSO₃，然后将其氧化为CaSO₄(石膏)，进行沉淀，或供出售或倾倒于填埋场中。基于石灰或石灰石的FGD的缺点是它不能处理多种污染物，例如，NO_x、Hg或CO₂。另一个缺点是FGD系统的底部尺寸大，并且例如喷洒塔和氧化槽要求的资本投资高。

气体吸收和去除的优选吸收剂是那些表现出液体射流性能高、气体承载能力高、氧化稳定性好、反应热低、吸收剂成本低、腐蚀性低并且产物料流销路好的体系。一种示例性的吸收剂是氨水。将氨、铵盐和尿素注入到蒸煮器(boiler)或烟道气中，通过选择性催化还原(SCR)或选择性非催化还原(SNCR)还原NO_x。氨及其盐可以控制SO_x和多种污染物。

此外，相关领域中使用含水收剂控制多污染物要求将烟道气中NO_x的主要成分NO或者通过选择性催化还原(SCR)或选择性非催化还原(SNCR)还原成N₂，或者氧化成NO₂，因为NO在水中的溶解度非常低。如果氧化成NO₂，则NO_x可以用任何碱溶液或硝酸吸收。如果使用基于氨的系统，可生产有价值的副产物。硝酸铵和硫酸铵可以用作化肥。氨甚至比用一乙醇胺(MEA)或二乙醇胺(DEA)捕获CO₂更有效，而CO₂可以用于提高油田采收率。

本发明的实施方案可以捕集若干人们所关心的污染物，例如但不限于，酸性气体、氨、VOC、SO_x、NO_x、CO₂、Hg及其组合。进一步，本发明的一些实施方案被构建成含有底部尺寸小的、单一的系统，并且能生产有价值的副产物。此外，实施方案不与浆液接触，因此可避免相关的原料处理难题。不使用浆液可避免在氨再生器(或CO₂汽提塔)中完成相变化所需的热量。

在本发明的实施方案中，在布袋收尘室或静电沉淀器(ESP)中使烟道气除去飞尘，然后如第一湿发接触所要求的进行冷却。烟道气中的SO₂和NO然后可以用气态过氧化氢氧化，或在第一洗涤器中用含水过氧化氢氧化。洗涤器是本说明书中所描述的高效、小底部尺寸、水平错流气液接触器。洗涤器用碱性硫酸铵水溶液洗涤烟道气，除去酸性气体，如SO₂、SO₃、NO₂、HCl、HF。加入补充的氨以控制pH，并提供氢氧离子与水解气体产生的氢离子反应。这可将气体转换成可溶性的铵盐，并将其蒸气压力降低至接近零。可以实现超过约99％的SO_x吸收率。也可以通过氧化和/或吸收方法除去汞，例如，HgO_x比元素Hg易溶得多。本发明实施方案去除污染物的一些反应机理包括：

NH₃水解：

SO₂捕集：

H₂O+SO₂→H⁺+HSO₃ ^- (2)

1/2O₂+HSO₃ ^-→HSO₄ ^- (3)

2NH₃+HSO₄ ^-+H₂O→(NH₄)₂SO₄+OH^-(硫酸铵) (4)

NO_x捕集：

H₂O₂+OH^-→HO₂ ^-+H₂O (6)

HO₂ ^-+NO→NO₂+OH^- (7)

2NO₂+H₂O₂→2HNO₃ (8)

NH₃+HNO₃→NH₄NO₃(硝酸铵) (9)

Hg捕集：

H₂O₂+Hg⁰→Hg(II)+产物 (10)

H₂S捕集：

H₂S(水性的)→HS^-+H⁺ (11)

HS^-+NH₃+H⁺→NH₄HS (12)

在硫和氮氧化物被捕集为盐(NH₄)NO₃和(NH₄)₂SO₄后，对接触溶液可以进行浓缩并沉淀，用于出售或处理。重金属(Hg)和卤化物(Cl和F)可以在pH调节步骤中单独沉淀。贫接触溶液可再循环到洗涤器中。

经过这些处理后，烟道气已脱掉了高于约95％的全部污染物，并已准备好进行部分CO₂脱除。第二洗涤器使用氨水和/或铵盐组合物用于所述液体。CO₂被吸收，并且与碳酸铵和水反应，形成碳酸氢铵。低温和高pH有助于CO₂吸收。补充氨以控制洗涤溶液中的pH和游离氨的含量。更高的氨浓度可提高pH，并且增加CO₂吸收和CO₂负荷，但是也会增加氨的蒸气压。根据发明实施方案的CO₂捕集的一些简化的反应机理包括：

来自接触器的富液被送往CO₂汽提塔，其中温度上升至逆转反应，并释放出气态的CO₂，产生碳酸铵。高温和低pH都有助于CO₂的形成。低pH有利于氨吸收，因此低pH有助于形成CO₂，但却将氨保持在溶解状态。对CO₂进行分离和压缩，并将碳酸铵送回洗涤器。

基于氨的相关领域系统的常见问题是氨漏失(slip)，其中溶解在吸收液中的氨返回到气相中，并在烟道气中沿烟囱向上带。如果氨与烟道气中的组分反应，则会沉淀产生固体，这将会导致可见的烟缕(plume)。此外，氨漏失极大增加了试剂成本。

在一个实施方案中，如图30所示的多个气液接触器用于污染物脱除。在该实施方案中，每个气液接触器都可以被构建成用于不同的目的。例如，气液接触器3006可以专门被构建成捕集任何可能分别通过前面的两个接触器3002、3004漏失的氨。在该实施方案中，吸收酸性气体(SO_x、NO_x和CO₂)的最佳pH远高于7，因为这些气体的蒸气压在高pH时最低，但氨的蒸气压在高pH时却最高。在最佳条件下，第一气液接触器3002可以捕集高于约99％的SO₂。第三接触器3006使第一气液接触器3002和第二气液接触器3004可在适合吸收酸性气体的最佳条件下操作，允许有高的氨漏失，因为第三接触器3006是在捕集氨的最佳条件下运行。所收集的氨被返回到前面的两个气液接触器中。所述气液接触器的高效率和小尺寸意味可以承受第三气液接触器，并可以有很高的捕集效率。

该实施方案可在许多方面产生效益，包括：通过降低脱除系统的能量消耗和成本，使脱除来自烟道气的多种污染物的效率更高；通过脱除系统的尺寸最小化，使脱除来自烟道气的多种污染物的效率更高；通过产生模块化系统，使脱除来自烟道气的多种污染物的效率更高，所述模块化系统可以工厂生产并且可以并联组合，以提供所要求水平的烟道气处理能力；通过产生模块化系统，使脱除来自烟道气的多种污染物的效率更高，所述模块化系统可并联组合以适应各种设备大小；通过产生模块化系统，使脱除来自烟道气的多种污染物的效率更高，所述模块化系统有非常低的流动阻力(压降)，可串联组合用于污染物的选择性的和连续的脱除；通过产生模块化系统，使脱除来自烟道气的多种污染物的效率更高，所述模块化系统可进行组合，提供重复性(高的利用率)和可维护性(在定期维护或发生单元故障时可选择性接近)；通过产生模块化系统，使脱除来自烟道气的多种污染物的效率更高，所述模块化系统可以通过装配流水作业大批量生产；并且脱除排放气中多种污染物的效率更高，所述排放气可来自各种类型和大小的电力产生设施和化学处理设施。

另外，本实施方案可以描述为实现烟道气污染物选择性和高传质速度的方法和系统，所述烟道气污染物来自以高的体积流速进入约束在小的系统体积中的连续补充液体的烟道气流。在所述方法和系统中，大而密实充填的、高速的、又宽又薄又长且稳定的射流阵列与高速烟道气流相互作用。形成射流的孔口根据诸如粘度和表面张力的液体吸收剂特性进行优化。错流和逆流设计代表两种不同的实施方案。

由于良好空气动力外形的射流的低阻力以及设计的模块化和可组合的特点，通过大的体积质量传递以及产生的对整个系统只要求最低泵送能力和低烟道气压降的小尺寸、低压吸收操作，可以实现所述方法和系统的效率。也参见表3-4。这可明显提高烟道气污染物脱除方法的效率，并使诸如CO₂、SO_x、NO_x和Hg的污染物脱除在经济上可行。

在另一个实施方案中，小规模形式的污染物脱除可随时改变成大型商用车废气的污染物脱除。在还另一个实施方案中，可以从废气中除去来自化工厂的挥发性有机化合物。在另一实施方案中，利用低温液流可以实现非常干的空气流。在另一个实施方案中，可以使气体湿润或除湿，颗粒物质也可去除。

图31是一个多污染物脱除系统实施方案的示意图。参考图31，多污染物脱除系统通常用附图标记2100表示。系统2100可以被构建成捕集SO_x、NO_x、CO₂、Hg、HCl和HF。在该实施方案中，来自蒸煮器2110的烟道气2120首先被清除掉颗粒，例如，在特定的脱除点2130(例如沉降室或网滤器)清除飞尘，并根据需要在冷却站2140冷却。在该点2150，烟道气主要含N₂、H₂O、CO₂、SO₂、NO、Hg、HCl和HF。当然这取决于蒸煮器2110的处理。烟道气然后在本说明书所描述的高效气液接触器2160中与氨水和溶解的铵盐接触。溶解的铵盐来自再循环料流2170，和来自沉淀步骤2190的上清液2210，并且包括亚硫酸铵(SO₃)、硫酸盐(SO₄)、硝酸盐(NO₃)、氯化物(Cl)、氟化物(F)，在有些情况下还有少量的碳酸盐(CO₃)和碳酸氢盐(HCO₃)。使用近似化学计量配比的补充氨，可将碳酸铵和碳酸氢铵保持在最低。

在步骤2165中，氧化发生在气液接触器中的液相中，如本发明实施方案所描述的。当然，可以使用几种氧化剂使NO转化成NO₂有更好的吸收。SO₃ ^-也在液相中氧化成SO₄ ^2-。液体的排污(bleed)料流2220被送往沉淀器，以除去重金属和铵盐。在第一步骤2230中，调节pH可沉淀2210中诸如Hg的重金属。在第二步骤2190中，浓缩液体并沉淀铵盐。来自沉淀步骤的重金属固体可进行适当处置2240，并且铵盐固体可作为化肥2250出售。如果铵盐可以作为浓缩液形式的化肥(除去Hg后)出售，则可以省去第二沉淀。

接下来，只含N₂、H₂O和CO₂的烟道气2120在本说明书所述的另一个高效气液接触器2260中与氨和溶解的碳酸铵/碳酸氢铵接触。再一次，氨是补充料流，溶解的盐来自再循环料流2270。加入氨，使接触液的pH达到最佳目标。CO₂在液体中被吸收为碳酸氢铵，其被送往CO₂汽提塔2280。在此，提高温度(并且如有必要，调节pH)以反向驱动反应，并且释放CO₂作为气体2290，使碳酸铵留在待循环到CO₂吸收塔的液相2300中。然后可以压缩CO₂ 2310，以及可出售或隔离2320。隔离包括例如注入到采尽的天然气井、二次采油及其它方法，在此不再详细说明，因为其已不属于本发明的范围。

CO₂吸收步骤后，使烟道气如本说明书所述在第三高效接触器2330中与水接触，从而脱除可能从前面的接触器漏失的任何氨。接触液(水)的pH可根据需要调节，以保证氨的完全吸收。排污料流2340可以送往CO₂汽提塔2300或SO_x吸收塔。

最后对仅由氮、水、一些氧、和任何未吸收的CO₂组成的清洁烟道气2350进行加热2360以减少冷凝，并将其送至引风机(ID风机)2370和烟囱。烟道气加热器2360和冷却器2140通过液态热介质相互连接，从而使方法更经济。使冷却液在气液热交换器2140中与热烟道气接触。冷却烟道气继续前往第一吸收塔2160。现在变热的液体送往下游至烟道气加热器2360，在此它与来自最后的吸收塔2330的冷却烟道气2350接触。该气液热交换器2360冷却要送回冷却器2140的液体，并且加热烟道气2350，作好排入大气的准备。热的液体也可以用作CO₂汽提塔2300中的热输入。

任选地，来自工业过程的余热可以用作CO₂汽提或废气再加热以避免水汽冷凝的热源。例如，在发电厂中这可来自飞尘布袋收尘室。

任选地，如需要，可将方法改为免去CO₂捕集。即，系统可集中于捕集SO_x、NO_x、Hg、HCl和HF，以及生产硫酸铵和硝酸铵作为化肥。

图32是根据本发明另一个实施方案的多污染物脱除系统的示意图。参考图32，所述方法可以简化为只捕集SO_x、HCl和HF。方法2400被构建成只捕集最容易吸收的那些酸性气体。来自蒸煮器2110的烟道气2120首先在特定的脱除点2130(例如沉降室或网滤器)清除掉飞尘，并根据需要在冷却站2140冷却。在该点2150，烟道气主要含N₂、H₂O、O₂、SO₂、NO、Hg、HCl和HF。

烟道气2150然后在本说明书所述的高效气液接触器2410中与来自再循环料流2420的氢氧化钠和硫酸钠/亚硫酸钠接触。氧化步骤2430在气液接触器中的液相中进行。利用来自空气或来自烟道气的氧将亚硫酸盐(SO₃ ^2-)在液相中氧化成硫酸盐(SO₄ ^2-)。液体的排污料流2440被送往沉淀器2450，以除去重金属和硫酸盐。在第一步骤中，调节pH 2460沉淀诸如Hg的重金属。在第二步骤中，加入氢氧化钙2470，沉淀硫酸钙，可以在沉淀器2480中硫酸钙其分离、干燥、并除去。来自所述沉淀器的上清液2490返回到再循环料流。来自沉淀步骤的重金属固体可以适当处置2510，而硫酸钙可作为石膏2520出售。

最后对仅由氮、水、NO_x和CO₂组成的清洁烟道气2530在加热器2360进行加热以减少冷凝，并送至引风机和烟囱2370。如上所述，烟道气加热器2360和冷却器2140通过液态热介质相互连接，从而使所述方法更经济。

SO₂的除去

提高SO₂捕集能力的各性能领域包括降低反应容器的尺寸、降低压降以及使用副产物有销路的高效传质吸收剂体系。实现这些目标性能要求有创新的设计方法，使高的SO₂吸收动力学与增值产品流相结合。

气液传质操作在整个气液界面进行。气体被吸入液体吸收剂中的吸收速度可通过液相传质系数k_L、比表面积(气液界面表面积与体积之比)、本体流体浓度C_L与气液界面浓度C_L*之间的浓度梯度来控制。在许多气液反应体系中，C_L*溶解度非常低，因此对浓度梯度的控制有限。为了提高气体吸收速度，气液接触器的实施方案增强了传质动力学、气液混合和/或界面表面积与体积之比。

在本发明实施方案中，为了有效捕集SO₂，接触器可以和种类广泛的水基吸收剂一起使用，其包括但不限于石灰石/石灰(CaCO₃)、碳酸钠(Na₂CO₃)/氢氧化钠(NaOH)、氢氧化铵(通常称为氨水，并缩写为AA)、双碱(氢氧化钠NaOH加石灰)、氧化镁(MgO)和氧化锌(ZnO)。加入氧化剂(OX)可增强SO₂的氧化，促进硫酸盐SO₄ ^2-的形成。在一个优选实施方案中，OX试剂是过氧化氢(H₂O₂)。氨水和过氧化氢组合特别有利，因为可以产生诸如硫酸铵(一种化肥)的销路好、可产生收入的副产物流。此外，H₂O₂的分解产物(水和氧)对环境和设备更友好。

存在水溶性氢氧化铵和过氧化氢时想到的SO₂氧化的可能化学步骤如下：

NH₃+H₂O+SO₂→NH₄ ⁺+HSO₃ ^- (1)

NH₄ ⁺+HSO₃ ^-+NH₃→2NH₄ ²⁺+SO₃ ^2- (2)

H₂O₂+SO₃ ^2-→H₂O+SO₄ ^2- (3)

2NH₄ ⁺+SO₄ ^2-→NH₄SO₄(硫酸铵) (4)

在本发明的实施方案中，气体排放物清洗方法允许高效脱除二氧化硫。所述实施方案中的系统包括含孔口板(或如本说明书所述的喷嘴板)的喷嘴阵列，可对其进行重新定形及流体组合物工程设计，以适应范围广泛的流体和操作条件。使气体通过如上所述的高表面积体积比的气液接触器单元，进行SO₂脱除。使气体排放物水平通过(称为错流)与现有技术相比接触器体积和气流压降已大为减少的气液接触器。与错流的气流交叉的是多个低压的垂直定向的水平射流阵列，其由水基吸收剂构成，并且具有很大的表面积。水平射流阵列具有良好的空气动力外形，这样可在相对较高的气体速度时提供液体颗粒夹带低的稳定射流。

在一个优选实施方案中，用于二氧化硫吸收和脱除的吸收剂是那些表现出高SO₂容量、高氧化稳定性、低反应热、低吸收剂成本、低腐蚀性且产品流销路好的体系。用于有效脱除SO₂的示例性吸收剂是28重量％的氨水溶液。为了优化接触器，从流体和射流性能角度来说，向氨水溶液加入约1％-约2％的聚合物或悬浮体，以提高接触器的性能。添加剂的实例是既不与氨水反应也不干扰传质过程的添加剂。聚合物或悬浮体可以允许对吸收剂性能如粘度进行定制，用于以最低的液体侧压降实现最大的射流性能(射流宽度、长度、厚度、表面积)。示例性的聚合物添加剂是二甘醇。其它的聚合物添加剂包括聚环氧乙烷或聚乙烯醇。示例性的无机添加剂是膨润土(bentonite)。

还优选其它的化合物，以促进SO₂的氧化速度，由此促进传质动力学。向优选的吸收剂体系中加入的示例性添加剂为过氧化氢。为了避免过量的过氧化氢在高pH时分解，可向吸收剂混合物中加入稳定剂。高pH时的示例性过氧化氢稳定剂为聚(α-羟基丙烯酸)。加入过氧化氢催化剂可以进一步提高过氧化氢的氧化能力。示例性的过氧化氢催化剂是铁(III)四酰胺大环配体(TAML)。

图33是根据本发明另一个实施方案、能使气相和液相之间相互作用的通用气液接触器系统设计的示意图。该气液接触器系统包括与气体分配单元2605连接的气体入口2600，以向气液接触器2645提供气体。该系统还包括与泵2615和液体捕集槽2620连接的液体试剂罐2610。捕集槽2620与气液接触器2645连接，用于收集来自气液接触器2645的液体。捕集槽260任选与液体再循环泵2625连接。液体再循环泵2625能实现液体再循环方法。流量控制阀2630与液体正压室2635连接，用于控制液体进入液体正压室2635。用于形成液体射流的喷嘴阵列2640与液体正压室和气液接触器2645连接。气液接触器2645包括液体气体射流接触区。从液体吸收剂射流分离气体的气液分离器2650布置在气液接触器2645中。能从出口气体中除去小的气体液滴的去雾器2660布置在气体出口2655附近。

气体入口可以包括多种不同气体。例如，它可以包括工业排放物如污染物或污物，其可以包括SO_x、NO_x、CO₂、Hg及其组合。当然也可以除去其它的气态分子，比如类似HCl、HBr、HF、H₂SO₄和HNO₃、CO、H₂S的酸性气体，和胺(包括氨)、烷醇胺、尿素、甲酰胺、醇、羧酸酯(如乙酸酯)，这些物质的组合和种类广泛的其它气相分子。本发明的局限只是要求能提供气相分子反应物或溶质，以及可在其中相应地反应或溶解的液相。尽管本发明说明书中的主要说明集中在水性体系上，本领域技术人员很容易认识到，本发明的气液接触器发明也适用于非水体系。

在本实施方案中，描述了向气液室中注入含SO₂的气体排放物。气体正压室向整个水平液体射流均匀分配气流。通过将吸收剂泵入液体正压室而产生液体射流，其可向所有喷嘴孔口均匀地分配吸收剂。产生的射流垂直向下流动，进入接触器室，并通过气液分离器进入捕集槽。在气液室中，垂直流动的吸收剂与气体错流交叉。二氧化硫被吸收到吸收剂液体中，并从气体排放物流中除去。清洁的气体排放物在接触器室的出口排出。吸收剂被再循环，用于从排放物气体流中连续脱除SO₂。

气液接触器的性能在小型次级规模的试验床上演示，如图33中所举例说明的。表4归纳了该实例的几何参数。

表4：气液接触器的几何尺寸

用于该实例的射流孔口的几何结构如以上在涉及喷嘴板和气液接触器时所描述的。在操作之前，改变泵对射流孔口板的背压，针对射流长度、宽度和厚度对液体射流的表面积进行优化。使用添加剂(例如二甘醇)提高吸收剂粘度/表面张力性能，或对孔口喷嘴重新定形，射流的表面积(长度和宽度)可以进一步得到优化。

气液接触器操作条件和性能的实例在表5中给出。测试含约28重量％氨水的吸收剂体系。没有向吸收剂混合物加入粘度或氧化添加剂。排放物气体由混合了500ppmv SO₂的N₂组成。气体混合物在环境温度和压力条件下注入接触器中，并使用标定的质量流量控制器进行测量。在测量时间区间内记录注入到标定的接收容器中的液体射流的量，以测定液体的体积流速。所述试验条件下SO₂吸收的试验结果显示，没有氧化增强剂(即H₂O₂)时有95％的SO₂脱除。

表5：气液接触器操作条件和SO₂吸收结果

NO_x捕集装置

本发明的另一个实施方案涉及利用气液接触器捕集NO_x。NO_x是主要由一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)构成的主要污染物。取决于燃烧过程，超过90％的NO_x是一氧化氮。NO_x产生于氮和氧在高燃烧温度(＞2700℉)下的反应以及燃料中氮的氧化。提高NO_x捕集能力的各性能领域包括降低反应容器尺寸、降低压降以及使用高效传质的吸收剂体系。

气液传质操作在整个气液界面进行。气体吸入液体吸收剂的吸收速度可通过液相传质系数k_L、比表面积(气液界面表面积与体积之比)a、本体流体浓度C_L与气液界面浓度C_L*之间的浓度梯度来控制。在许多气液反应体系中，溶解度C_L*低，所以对浓度梯度的控制有限。为了提高气体吸收速度，气液接触器设计应该能表现出可提高传质动力学、气液混合和界面表面积与体积之比。

本发明的一个实施方案包括高性能气液接触器(如本说明书中所描述，例如图33)。所述系统基于高密度、高表面积、良好空气动力外形的薄的水平射流阵列，所述阵列可改善总的传质和接触器性能。气液接触器的特征在于其提高的比表面积，范围是约1cm^-2-约50cm^-2，其为相关领域填充塔体积的约1/10的发生器体积，整个接触器小于5托/线性英尺的低气压降，小于50psi且更优选地小于20psi的液体射流驱动压力，以及气流中最小的液体夹带。

在一个优选实施方案中，该体系包括约10cm^-1-约20cm^-1的比表面积，为相关领域填充塔体积的约1/10的发生器体积，接触器每线性英尺小于1托的气体压力降，约5-10psi的射流驱动压力，以及气流中最小的液体夹带。

为了有效捕集NO_x，气液接触器可以和种类广泛的水基吸收剂一起使用，其包括但不限于氢氧化铵(通常称为氨水，并且缩写为AA)、金属螯合物或尿素。加入氧化剂(OX)可增强NO氧化成NO₂，可提高吸收剂的吸收速度。各种OX试剂包括亚氯酸钠(NaClO₂)、次氯酸钠(NaOCl)、氢氧化钠-高锰酸钾(KOH-KMnO₄)和过氧化氢(H₂O₂)。在优选实施方案中，接触器可使用氨水和过氧化氢，因为H₂O₂的分解产物对环境和设备友好(水和氧)，即，不会腐蚀正常的建造材料，还可产生硝酸铵，而硝酸铵可作为作物化肥出售，从而减少运营成本。

存在氢氧化铵和过氧化氢时相信NO和NO₂氧化的化学机理为：

NH₃+H₂O→NH₄ ⁺+OH^- (1)

H₂O₂+OH^-→HO₂ ^-+H₂O (2)

HO₂+NO→NO₂+OH^- (3)

NO₂+NO₂→N₂O₄ (4)

N₂O₄+H₂O→HNO₂+HNO₃ (5)

HNO₂+H₂O₂→HNO₃+H₂O (6)

HNO₃(水溶液)→H⁺+NO₃ ^- (7)

NH₄ ⁺+NO₃ ^-→NH₄NO₃(硝酸铵) (8)

在一个实施方案中，使用高效脱除氧化氮的气体排放物清洗方法。该系统包括喷嘴阵列。喷嘴阵列包括孔口板(喷嘴板)，可对其进行重新定形及流体组合物工程设计，以适应范围广泛的流体和操作条件。根据该实施方案，使气体通过本说明书中所描述的高表面积体积比的气液接触器单元而进行NO_x脱除。使气体排放物水平通过(称为错流)接触器体积和气流压降已大为减少的气液接触器。与错流的气流交叉的是多个低压的垂直定向的水平射流阵列，其由水基吸收剂构成，并具有很大的表面积。喷嘴阵列被构建成能够产生有良好空气动力外形的水平射流阵列，这样可在相对较高的气体流速时提供液体颗粒夹带低的稳定射流。

在本发明的实施方案中，用于氧化氮吸收和脱除的吸收剂可以包括那些表现出NO_x容量高、氧化稳定性好、反应热低、吸收剂成本低、腐蚀性低并且产品流销路好的体系。在一个优选实施方案中，用于有效脱除NO_x的示例性吸收剂是28重量％的氨水溶液。通过向氨水溶液加入约1％-约2％的聚合物或悬浮体，可以从流体和射流性能角度优化(本说明书中所述的)喷嘴板，提高接触器性能。优选的添加剂应满足既不与氨水反应也不干扰传质过程。可以使用允许对吸收剂性能(例如粘度)进行定制的聚合物或悬浮体，以最低的液体侧压降实现最大的射流性能(射流宽度、长度、厚度、表面积)。示例性的聚合物添加剂是二甘醇。其它的聚合物添加剂包括聚环氧乙烷或聚乙烯醇。示例性的无机添加剂是膨润土。还优选其它化合物，以促进NO的氧化速度，由此促进传质动力学。向优选的吸收剂加入的示例性添加剂为过氧化氢。为了避免过量的过氧化氢在高pH时分解，可向吸收剂混合物中加入稳定剂。高pH时的示例性过氧化氢稳定剂为聚(α-羟基丙烯酸)。加入过氧化氢催化剂可以进一步提高过氧化氢的氧化能力。示例性的过氧化氢催化剂是铁(III)四酰胺大环配体(TAML)。

如针对图33所讨论的，所述系统可以用于NO_x捕集。根据描述，该方法包括向气液室2645中注入含有NO_x的气体排放物。气体正压室2605向整个水平液体射流均匀分配气流。吸收剂被泵入液体正压室2635，产生液体射流，该正压室向所有射流孔口均匀分配吸收剂。产生的射流垂直向下流动进入接触器室，并且通过气液分离器进入捕集槽2620。在气液室2645中，垂直流动的吸收剂与气体错流交叉。氧化氮被吸收到吸收剂液体中，并从气体排放物料流中除去。清洁的气体排放物2655在接触器室的出口排出。吸收剂被再循环用于从排放物气体流中连续脱除NO_x。气液接触器的性能在小型次级规模的试验床上演示，如图33中所举例说明的。表6总结了该实例的几何参数。

表6：气液接触器的几何尺寸

用于该实例的射流孔口的几何结构如以上所述。在操作之前，通过改变泵对射流孔口板的背压，针对射流长度、宽度和厚度对液体射流表面积进行优化。使用添加剂(例如二甘醇)提高吸收剂粘度/表面张力性能或通过对孔口喷嘴重新定形，可进一步优化射流表面积(长度和宽度)。

气液接触器操作条件和性能的实例在表7中给出。在表2中给定的操作条件下测试含约28重量％氨水的吸收剂体系。吸收剂不含增强NO₂脱除的氧化剂(Ox)或粘度添加剂。排放物气体由混合了500ppmv NO2的氮(N₂)组成。气体混合物在环境温度和压力条件下注入接触器中，并且使用标定的质量流量控制器进行测量。在测量时间区间内记录注入到标定的储存容器的液体射流的量，测定液体体积流速。测量400nm时NO₂的光学吸收，确定离开接触器的NO₂浓度的减少。在每次试验运行前记录背景NO₂的浓度。首先产生稳定的NO₂/N₂流，并且记录没有射流时的吸收率A_off。然后向反应器室注入射流(28重量％的AA)，并且记录吸收率。NO2减少(吸收)的量用以下以百分率来表达：

NO₂减少量％＝100x(A_off-A_on)/A_off (1)

图34是NO₂脱除系统的吸收率与运行时间的关系图。参考图34，其给出了有和没有液体氨水射流时的代表性的NO₂吸收光谱。y轴代表400nm时的吸收率，而x轴以秒为单位代表时间。如该实例所示，射流刚开始后的短暂吸收率尖峰归因于室中的流动扰乱(perturbation)。对每个试验结果进行四次试验运行的平均。所述试验条件下NO₂吸收的试验结果显示，即使没有氧化增强剂(即，H₂O₂)也脱除了足够的NO₂(-35％)。

Hg捕集装置

本发明的另一个实施方案涉及利用气液接触器捕集Hg。气液传质操作在整个气液界面进行。气体吸入液体吸收剂的吸收速度可通过液相传质系数k_L、比表面积(气液界面表面积与体积之比)a、本体流体浓度C_L与气液界面浓度C_L*之间的浓度梯度来控制。在许多气液反应体系中，溶解度C_L*低，所以对浓度梯度的控制有限。因此为了提高气体吸收速度，要求增强传质动力学和界面表面积与体积之比。

本发明的一个实施方案包括高性能气液接触器(如本说明书中所描述，例如图33)。所述系统基于高密度、高表面积、良好空气动力外形的薄的水平射流阵列，其可改善总的传质和接触器性能。气液接触器的特征在于约1cm^-2-约50cm^-2的提高的比表面积，为相关领域填充塔体积的约1/10的发生器体积，整个接触器小于5托/线性英尺的低气压降，小于约50psi且更优选地小于约20psi的液体射流驱动压力，以及气流中最小的液体夹带。

在一个优选实施方案中，系统包括约10cm^-1-约20cm^-1的比表面积，为相关领域填充塔体积的约1/10的发生器体积，小于约1托的气压降，约5psi的射流驱动压力，以及气流中最小的液体夹带。

该气液接触器可以与能将元素汞(Hg⁰)氧化成Hg(II)的各种水基吸收剂一起使用。一旦处于Hg(II)状态，汞变为可溶于水溶液，Hg(II)可以从烟道气流中催化脱除元素汞(Hg⁰)。氧化剂(OX)包括但不限于次氯酸钠(NaOCl)和过氧化氢(H₂O₂)。用在接触器中的优选氧化剂是含催化(Cat)添加剂来增强Hg⁰氧化速度的过氧化氢(H₂O₂)。示例性的添加剂是HgCl₂、TAML(铁(III)四酰胺大环配体)、催化酶或过氧化酶。

存在过氧化氢水溶液时相信Hg氧化的可能化学机理为：

H₂O₂+Hg⁰→Hg(II)+产物 (1)

H₂O₂+Cat+Hg⁰→Hg(II)+产物 (2)

在该实施方案中，用于高效脱除汞的气体排放物清洗方法使用该高效气液接触器。该系统包括喷嘴阵列，例如孔口板(如以上关于喷嘴板的说明)，可对其进行重新定形及流体组合物工程设计以适应范围广泛的流体和操作条件。如其公开内容通过引用结合在此的美国专利7,379,487所述，可使气体通过高表面积体积比的气液接触器单元而进行Hg脱除。使气体排放物水平通过(称为错流)接触器体积和气流压降已大为减少的气液接触器。与错流的气流交叉的是多个低压的垂直定向的水平射流阵列，所述水平射流阵列由水基吸收剂组成，并且有很大的表面积。水平射流阵列有良好的空气动力外形，这样可在相对较高的气体流速时提供液体颗粒夹带低的稳定射流。

在一个优选实施方案中，用于汞吸收和脱除的吸收剂是那些表现出Hg容量大、氧化稳定性好、反应热低、吸收剂成本低、腐蚀性低并且产品流销路好的体系。示例性的吸收剂是含过氧化氢的水溶液约10重量％，和含有催化剂约0.1重量％，以加强将元素Hg⁰氧化成Hg(II)。通过向过氧化氢水溶液加入约1％-约2％的悬浮体，可以优化喷嘴板的结构，提高接触器性能。添加剂可以被构建成既不与过氧化氢水溶液反应，也不干扰传质过程。添加剂可以允许对吸收剂性能(例如，粘度)进行定制设计，用于以最低的液体侧压降实现最大的射流性能(射流宽度、长度、厚度、表面积)。示例性的添加剂是膨润土。

还优选其它化合物，以促进Hg的氧化速度，因此促进传质动力学。向优选的吸收剂加入的示例性添加剂为过氧化氢。为了避免过量的过氧化氢在高pH时分解，可向吸收剂混合物中加入稳定剂。高pH时的示例性过氧化氢稳定剂为聚(α-羟基丙烯酸)。加入过氧化氢催化剂可进一步提高过氧化氢的氧化能力。示例性的过氧化氢催化剂是铁(III)四酰胺大环配体(TAML)。

如针对图33时所讨论的，所述系统可以用于Hg捕集。根据描述，该方法包括向气液室2645中注入含有Hg的气体排放物。气体正压室2605向整个水平液体射流均匀分配气流。将吸收剂泵入液体正压室2635可产生液体射流，该正压室可向所有射流孔口均匀分配吸收剂。产生的射流垂直向下流动进入接触器室，并且通过气液分离器进入捕集槽2620。在气液室2645中，垂直流动的吸收剂与气体错流交叉。汞被吸收到吸收剂液体中，并从气体排放物中脱除。清洁的气体排放物2655在接触器室的出口排出。吸收剂被再循环，用于从排放物气体流中连续脱除Hg。

H₂S捕集装置

本发明的另一个实施方案涉及利用气液接触器捕集H₂S。硫化氢是高毒性的易燃性难闻气体。人们认为它的毒害范围很广；然而，其主要影响中枢神经系统。人为产生的硫化氢源主要来自处理天然气和高硫含量的原油。天然气可以含有浓度高达约28％的H₂S。人为排放占全球H₂S总排放的约10％。石油炼厂通过加氢脱硫过程而成为工业H₂S排放的最大部分。H₂S的其它工业源包括炼焦炉、造纸厂和制革厂。

对炼油厂H₂S排放和高硫含量燃料产品(汽油和柴油)的环境忧虑导致了严格的政府控制。这些规定导致了天然气和石炼油厂运行明显的成本增加。脱除H₂S的许多技术都已有示范。

最普遍的方法是本领域中已知的克劳斯(Claus)方法，该方法通过氧燃烧将H₂S转化成元素硫。克劳斯方法的一个问题是原料中存在的CO₂会与H₂S反应形成氧硫化碳(carbonyl sulfide)和二硫化碳。另一个问题是由于考虑到平衡，一些未反应的H₂S会夹带在元素硫产物中。脱除H₂S的其它方法包括与烷醇胺(单乙醇胺、二乙醇胺和甲基二乙醇胺)、氧化铁/碳酸钠、硫代砷酸盐、奎宁和金属钒方法反应。然而，没有一种单一的商业方法能证明其能够高容量和高成本效率从烟道气排放物脱除H₂S。H₂S捕集的明显成本因子(不包括人工和建造设备)是试剂成本、处理和废物处理、硬件(吸收塔容器、烟道气处理和管道系统)和安装空间限制。

实现高效且成本效益好的硫化氢脱除能力是主要的技术挑战。提高H₂S捕集能力的各性能领域包括降低反应容器尺寸、降低压降以及使用副产物有销路的高效传质吸收剂体系。本发明的一个实施方案涉及以创新的设计方法实现这些目标性能，所述创新设计方法结合了高的H₂S吸收动力学和增值型产品流。

水平射流喷雾接触器

气液传质操作在整个气液界面进行。气体吸入液体吸收剂的吸收速度可通过液相传质系数k_L、比表面积(气液界面表面积与体积之比)a、本体流体浓度C_L与气液界面浓度C_L*之间的浓度梯度来控制。在许多气液反应体系中，溶解度C_L*低，所以对浓度梯度的控制有限。因此为了提高气体吸收速度，要求增强传质动力学和界面表面积与体积之比。

本发明的一个实施方案包括高性能气液接触器(如本说明书中所描述，例如图33)。所述系统基于高密度、高表面积、良好空气动力外形的薄的水平射流阵列，所述水平射流阵列可改善总的传质和接触器性能。气液接触器的特征在于约1cm^-2-约50cm^-2的提高的比表面积，为相关领域填充塔体积的约1/10的发生器体积，整个接触器小于5托/线性英尺的低气压降，小于约50psi且更优选地小于约20psi的液体射流驱动压力，以及气流中最小的液体夹带。

在一个优选实施方案中，体系包括约10cm^-1-约20cm^-1的比表面积，为相关领域填充塔体积的约1/10的发生器体积，小于约1托的气压降，约5psi的射流驱动压力，以及气流中最小的液体夹带。

所述接触器可以与能氧化H₂S和其它硫基化合物的各种传统的液体(水基)吸收剂一起使用。氧化剂(OX)包括但不限于氨水、烷醇胺(单乙醇胺、二乙醇胺和甲基二乙醇胺)、氧化铁/碳酸钠、硫代砷酸盐、奎宁、金属钒方法、次氯酸钠(NaOCI)和过氧化氢(H₂O₂)。用于接触器中的优选氧化剂是碱性(pH＞7)的过氧化氢(H₂O₂)溶液，所述过氧化氢溶液含有用来提高氧化速度的催化(Cat)添加剂和控制过氧化氢分解的稳定剂。示例性的催化添加剂是TAML(铁(III)四酰胺大环配体)。示例性的稳定剂是聚α羟基丙烯酸、硅酸钠或二亚甲基三胺五乙酸。

在存在碱性过氧化氢水溶液时相信H₂S氧化的可能化学机理为：

H₂S+OH^-→HS^-+H₂O (1)

4H₂O₂+HS^-→SO₄ ^2-+H⁺+4H₂O (2)

H₂S的脱除方法

该实施方案涉及高效脱除硫化氢的气体排放物清洗方法。本发明包括喷嘴阵列，所述喷嘴阵列包括孔口板(参见以上喷嘴板的说明)，可对其进行重新定形及流体组合物工程设计，以适应范围广泛的流体和操作条件。使气体通过如上所述的高表面积体积比的气液接触器单元而进行H₂S脱除。使气体排放物水平通过(称为错流)接触器体积和气流压降已大为减少的气液接触器。与错流的气流交叉的是多个低压的垂直定向的水平射流阵列，该阵列由水基吸收剂构成，并且有很大的表面积。

该水平射流阵列有良好的空气动力外形，这样可在相对较高的气体流速时提供液体颗粒夹带低的稳定射流。用于硫化氢吸收和脱除的吸收剂是那些表现出H₂S容量大、氧化稳定性好、反应热低、吸收剂成本低、腐蚀性低并且产品流销路好的体系。示例性的吸收剂是含约10重量％过氧化氢的水溶液，且含有催化剂约0.1重量％，以增强H₂S的氧化。为了优化接触器，可以向过氧化氢水溶液加入约1％-约2％的悬浮体，以提高接触器性能。添加剂的实例应满足既不与过氧化氢水溶液反应也不干扰传质过程。添加剂的实例可以允许对吸收剂性能(例如粘度)进行定制设计，用于以最低的液体侧压降实现最大的射流性能(射流宽度、长度、厚度、表面积)。示例性的添加剂是膨润土。

在一个优选实施方案中，还使用其它化合物促进H₂S氧化的速度，由此促进传质动力学。向优选的吸收剂加入的示例性添加剂为过氧化氢。为了避免过量的过氧化氢在高pH时分解，可以向吸收剂混合物加入稳定剂。高pH时的示例性过氧化氢稳定剂为聚(α-羟基丙烯酸)。加入过氧化氢催化剂可以进一步提高过氧化氢的氧化能力。示例性的过氧化氢催化剂是铁(III)四酰胺大环配体(TAML)。

如针对图33时所讨论，系统可以用于H₂S脱除。根据描述，该方法包括向气液室2645中注入含有H₂S的气体排放物。气体正压室2605向整个水平液体射流均匀分配气流。将吸收剂泵入液体正压室2635可产生液体射流，该可向所有射流孔口均匀分配吸收剂。产生的射流垂直向下流动，进入接触器室并且通过气液分离器进入捕集槽2620。在气液室2645中，垂直流动的吸收剂与气体错流交叉。硫化氢被吸收到吸收剂液体中，并从气体排放物中脱除。清洁的气体排放物2655在接触器室的出口排出。吸收剂被再循环，用于从排放物气体流中连续脱除H₂S。

CO₂捕集装置水平射流喷雾接触器

另一个实施方案涉及利用气液接触器捕集CO₂。气液传质操作在整个气液界面进行。气体吸入液体吸收剂的吸收速度可通过液相传质系数k_L、比表面积(气液界面表面积与体积之比)a、本体流体浓度C_L与气液界面浓度C_L*之间的浓度梯度来控制。在许多气液反应体系中，溶解度C_L*低，所以对浓度梯度的控制有限。为了提高气体吸收速度，气液接触器设计应该能表现出可提高传质动力学、气液混合和/或界面表面积与体积之比。

本发明的一个实施方案涉及如上所述的高性能气液接触器，并且基于高密度、高表面积、良好空气动力外形的薄的水平射流阵列，所述水平射流阵列可改善总的传质和接触器性能。

为了有效捕集CO₂，接触器可以和种类广泛的水基吸收剂一起使用，其包括但不限于单乙醇胺(MEA)、如氨基甲基丙醇(AMP)和哌嗪(PZ)的受阻胺、碳酸钾(K₂CO₃)和氢氧化铵(通常称为氨水并且缩写为AA)。与氨水一起使用接触器特别有益，因为可产生碳酸氢铵，碳酸氢铵可以转化为尿素(化肥)或作为化学原料出售，从而减少运营成本。相信在氨水溶液中捕集CO₂并生成副产物的可能的化学机理为：

2NH₃+H₂O+CO₂→(NH₄)₂CO₃(碳酸铵) (1)

(NH₄)₂CO₃+CO₂+H₂O→2NH₄HCO₃(碳酸氢铵) (2)

NH₄HCO₃+热、压力→(NH₂)₂CO(尿素) (3)

CO₂脱除方法

该实施方案是通过本发明实施方案的气液接触器高效脱除二氧化碳的气体排放物的清洗方法。该系统包括喷嘴阵列，所述喷嘴阵列包括喷嘴孔口板(以上所述的喷嘴板)，可对其进行重新定形及流体组合物工程设计以适应范围广泛的流体和操作条件。使气体通过如上所述的高表面积体积比的气液接触器单元而进行CO₂脱除。使气体排放物水平通过(称为错流)接触器体积和气流压降已大为减少的气液接触器。与错流的气流交叉的是多个低压的垂直定向的水平射流阵列，其由水基吸收剂组成，并且有很大的表面积。水平射流阵列有良好的空气动力外形，这样可在相对较高的气体流速时提供液体颗粒夹带低的稳定射流。用于二氧化碳吸收和脱除的吸收剂可以是那些表现出二氧化碳容量大、氧化稳定性好、反应热低、吸收剂成本低、腐蚀性低并且产品流销路好的体系。用于有效脱除CO₂的示例性吸收剂是28重量％的氨水溶液。为了优化气液接触器，向氨水溶液加入约1％-约2％的聚合物或悬浮体，以提高接触器性能。

添加剂的实例是既不与氨水反应也不干扰传质过程的添加剂。优选的聚合物或悬浮体允许对吸收剂性能(例如，粘度)进行定制设计，以最低的液体侧压降实现最大的射流性能(射流宽度、长度、厚度、表面积)。示例性的聚合物添加剂是二甘醇。其它的聚合物添加剂包括聚环氧乙烷或聚乙烯醇。示例性的无机添加剂是膨润土。

如针对图33时所讨论，系统可以用于CO₂脱除。根据描述，该方法包括向气液室2645中注入含有CO₂的气体排放物。气体正压室2605向整个水平液体射流均匀分配气流。将吸收剂泵入液体正压室2635可产生液体射流，该正压室向所有射流孔口均匀分配吸收剂。产生的射流垂直向下流动进入接触器室，并且通过气液分离器进入捕集槽2620。在气液室2645中，垂直流动的吸收剂与气体错流交叉。二氧化碳被吸收到吸收剂液体中，并从气体排放物中除去。清洁的气体排放物2655在接触器室的出口排出。吸收剂被再循环，用于从排放物气体流中连续脱除CO₂。

气液接触器的性能在小型次级规模的试验床上演示，如图33中所举例说明的。表7总结了该实例的几何参数。

表7：气液接触器的几何尺寸

用于所述实例的射流孔口几何结构如以上所述。在操作之前，通过改变泵对射流孔口板的背压，针对射流长度、宽度和厚度对液体射流表面积进行优化。使用添加剂(例如，二甘醇或膨润土)提高吸收剂粘度/表面张力性能或对孔口喷嘴重新定形，射流表面积(长度和宽度)可以得到进一步优化。

气液接触器操作条件和性能的实例在表8中给出。在给定操作条件下对两种吸收剂体系，氨水和MEA，进行测试。没有向吸收剂混合物加入粘度添加剂。排放物气体由混合CO₂的空气组成，典型的CO₂∶空气稀释比为1∶9。气体混合物在环境温度和压力条件下注入接触器中，并且使用标定的质量流量控制器进行测量。在测量时间区间内记录注入到标定的储存容器的液体射流的量，测定液体体积流速。CO₂减少(吸收)的量用以下以百分率来表达：

CO₂减少量％＝100x(C_in-C_out)/C_in (1)

其中C_in和C_out分别为CO₂进入接触器和离开接触器的浓度。通过用傅里叶变换红外(FTIR)光谱法积分4.2μm附近的CO₂基本吸收带，确定进入及离开接触器的CO₂的相对量。

图35是氨水液体射流打开和关闭时的CO₂ FTIR(傅里叶变换红外)吸收光谱图。参考图35，对每一试验结果进行四次试验运行的平均。在每次试验运行前记录背景CO₂的浓度。在所述试验条件下CO₂吸收的试验结果显示CO₂脱除大于90％。该图说明了CO₂分子的光吸收发生在其基本光学吸收区2400cm^-1-2250cm^-1的光学范围内。所述图清楚地表明在该CO₂基本区域吸收物种的减少，其显示有高效的脱除。对这些光谱进行标准的数学分析可提供说明这些吸收水平的浓度，然后通过比率对其进行检验，可确定脱除百分比。

表8：气液接触器操作条件及吸收剂总液体射流流速(LPM)CO₂吸收结果

用于气体污染物脱除的水平射流喷雾接触器的系统

在本发明的实施方案中，可以在气体流中通过气液接触器除去污染物。系统从一个相(气)向另一个相(液)传递质量。在该方法中，气体流通过液体喷雾形式或液池形式的吸收剂，或与其接触。因为气体污染物可溶于吸收剂，因此其被溶解或吸收到吸收剂中，并从气体流中脱除。吸收过程的程度取决于传质操作，包括气体和液体的扩散、溶解度和化学反应性。

气液传质操作在整个气液界面进行。气体被吸入液体吸收剂的吸收速度可通过液相传质系数k_L、比表面积(气液界面表面积与体积之比)a、本体流体浓度C_L与气液界面浓度C_L*之间的浓度梯度来控制。在许多气液反应体系中，溶解度C_L*低，所以对浓度梯度的控制有限。为了提高气体吸收速度，气液接触器设计应该能表现出可提高传质动力学、气液混合和/或界面表面积与体积之比。

本发明的一个实施方案包括高性能气液接触器(如本说明书中所描述)。所述系统基于高密度、高表面积、良好空气动力外形的薄的水平射流阵列，所述水平射流阵列可改善总的传质和接触器性能。气液接触器的特征在于约1-约50cm^-2的提高的比表面积，为相关领域填充塔体积的约1/10的发生器体积，整个接触器小于5托/线性英尺的低气压降，小于约50psi且更优选地小于约20psi的液体射流驱动压力，以及气流中最小的液体夹带。

种类广泛的水基吸收剂与聚合物添加剂组合使用，可增强射流表面积，取得高效的气体污染物捕集。用烷醇胺、单乙醇胺(MEA)和二乙醇胺(DEA)可典型地脱除诸如H₂S和CO₂的酸性气体。基准的SO₂和NO_x吸收剂分别包括碳酸钙混合物(石灰石/石灰)和氢氧化铵(氨水)。优选能够产生整合的(all in one)污染物捕集系统的定制的吸收剂系统，因为它可简化并减少污染控制接触器的尺寸。该整合的系统可以串联或并联构造。此外，该整合系统利用如本说明书所述的气液接触器。

在优选的实施方案中，增强射流表面积的添加剂为聚乙烯醇、聚乙烯基氧化物、乙二醇或二甘醇。如膨润土的无机悬浮体还优选作为用于提高射流表面积的处理。氨水是优选的吸收剂，因为它能够脱除CO₂、SO₂、NO_x和H₂S。加入诸如过氧化氢的氧化剂有助于氧化NO和Hg，否则它们难以吸收在水溶液中。高pH时操作的过氧化氢活化催化剂是铁(III)四酰胺大环配体(TAML)。高pH时的优选过氧化氢稳定剂为聚(α-羟基丙烯酸)。氨水是特别优选的吸收剂，因为碳酸氢铵、硝酸铵和硫酸铵是NO_x和SO₂与氨水反应的副产物。这些产品可以作为化肥出售，减少工厂运营成本。整合的污染物捕集和副产物生成体系的基本化学机制是：

SO₂捕集：

NH₃+H₂O+SO₂→NH₄ ⁺+HSO₃ ^- (1)

NH₄ ⁺+HSO₃+NH₃→2(NH₄)+SO₃ ^2- (2)

2H₂O₂+SO₃ ^2-→H₂O+H₂SO₄(硫酸) (3)

H₂SO₄+H₂O→2H⁺+SO₄ ^2-+H₂O (4)

2NH₄ ⁺+SO₄ ^2-→(NH₄)₂SO₄(硫酸铵) (5)

NO_x捕集：

NH₃+H₂O→NH₄ ⁺+OH^- (1)

H₂O₂+OH^-→HO₂ ^-+H₂O (2)

HO₂ ^-+NO→NO₂+OH^- (3)

NO₂+NO₂→N₂O₄ (4)

N₂O₄+H₂O→HNO₂+HNO₃ (5)

HNO₂+H₂O₂→HNO₃+H₂O (6)

HNO_3(水溶液)→H⁺+NO₃ ^- (7)

NH₄ ⁺+NO₃→(NH₄)NO₃(硝酸铵) (8)

Hg捕集：

H₂O₂+Hg⁰→Hg(II)+产物 (1)

H₂S捕集：

H₂S+H₂O→HS^-+H₃O⁺ (1)

HS^-+NH₃+H₂O→NH₄HS+OH^- (2)

气体污染物脱除的系统方法

本发明的一个实施方案涉及用于气体污染物脱除的包括喷嘴阵列的系统。该喷嘴阵列包括喷嘴孔口板，可对其进行重新定形及流体组合物工程设计以适应范围广泛的流体和操作条件。使气体通过如上所述的高表面积体积比的气液接触器单元来进行污染物气体的脱除。使气体排放物水平通过(称为错流)接触器体积和气流压降已大为减少的气液接触器。与错流的气流交叉的是多个低压的垂直定向的水平射流阵列，其由水基吸收剂组成，并且有很大的表面积。水平射流阵列有良好的空气动力外形，这样可在相对较高的气体流速时提供液体颗粒夹带低的稳定射流。

在一个优选实施方案中，气体吸收和脱除的优选吸收剂是那些表现出液体射流性能高、气体承载能力高、氧化稳定性好、反应热低、吸收剂成本低、腐蚀性低并且产品流销路好的体系。在一个实施方案中，可以通过向吸收剂溶液加入约12％的聚合物或悬浮体来优化射流喷嘴板的构造(如上所述)，提高接触器的性能。

优选的添加剂应既不与吸收剂反应，也不干扰传质过程。优选的聚合物或悬浮体允许对吸收剂性能(例如粘度)进行定制设计，以最低的液体侧压降实现最大的射流性能(射流宽度、长度、厚度、表面积)。示例性的吸收剂是约28重量％的氨水，还含有聚合物添加剂或悬浮体，以增强液体粘度，在最低的驱动压力下获得最佳的射流宽度、长度和厚度。示例性的聚合物添加剂是二甘醇。示例性的无机悬浮体是膨润土。

还可以使用其它添加剂，促进污染物氧化的速度，由此促进传质动力学。增强污染物分子(包括但不限于Hg⁰和SO₂)氧化的示例性添加剂为过氧化氢。为了避免过量的过氧化氢在高pH时分解，可向吸收剂混合物中加入稳定剂。高pH时的示例性过氧化氢稳定剂为聚(α-羟基丙烯酸)。可通过加入过氧化氢催化剂进一步提高过氧化氢的氧化能力。示例性的过氧化氢催化剂是铁(III)四酰胺大环配体(TAML)。

在一个实施方案中，如图33所述的气液接触器可以用于气体污染物的脱除。根据描述，该方法包括向气液室2645中注入气体排放物2600。气体正压室2605向整个水平液体射流均匀分配气流。将吸收剂泵入液体正压室2635可产生液体射流，该正压室向所有射流孔口均匀分配吸收剂。产生的射流垂直向下流动进入接触器室2645，并且通过气液分离器2650进入捕集槽2620。在气液室2645中，垂直流动的吸收剂与气体错流交叉。气体污染物被吸收到吸收剂液体中，并从气体排放物中脱除。清洁的气体排放物2655在接触器室的出口排出。吸收剂被再循环，用于从排放物气体流中连续脱除污染物。表9总结了用于该实施方案的几何参数的优选实施方案。

表9：气液接触器的几何尺寸

在操作之前，通过改变泵对射流孔口板的背压，针对射流长度、宽度和厚度对液体射流表面积进行优化。使用优选的添加剂提高吸收剂粘度/表面张力或对孔口喷嘴重新定形，射流表面积(长度和宽度)可进一步得到优化。然而，这些试验中未向液体吸收剂添加聚合物添加剂。

气液接触器操作条件和性能的实例在表10中给出。在给定操作条件下对两种吸收剂体系(氨水和MEA)进行测试。未向吸收剂混合物加入粘度或氧化添加剂。排放物气体由混合CO₂的空气组成，典型的CO₂∶空气稀释比为1∶9。气体混合物在环境温度和压力条件下注入接触器中，并且使用标定的质量流量控制器进行测量。在测量时间区间内记录释放到标定的储存容器中的液体射流的量，确定液体体积流速。CO₂减少(吸收)的量用以下以百分数来表达：

CO₂减少量％＝100*(C_in-C_out)/C_in (1)

其中C_in和C_out分别是CO₂进入接触器和离开接触器的浓度。通过用傅里叶变换红外(FTIR)光谱法积分4.2μm附近的CO₂基本吸收带，确定进入及离开接触器的CO₂的相对量。有和没有液体氨水的薄的水平液体射流的代表性CO₂ FTIR吸收光谱在图39中给出。对每一试验结果进行四次试验运行的平均。在每次试验运行前记录背景CO₂的浓度。在所述试验条件下CO₂吸收的试验结果显示，CO₂脱除率大于90％。

表10：气液接触器操作条件和CO₂吸收结果

燃煤电厂的中间试验

在该试验中，设计并制作装在拖车上的2MW单元(10,000ACFM的气流)，用于燃煤电厂的中间试验。装置系统包括气体正压室、烟道气鼓风机、热交换器子模块、气液接触器模块，包括液体捕集和防喷溅子模块，去雾器子模块、喷嘴阵列组件、吸收剂泵、液体处理子模块、诊断和其它辅助组件。系统设计成能在闭合回路稳态或间歇构造中运行，并能满足发电厂主要污染物废水排放要求。初期中间试验以0.13MW规模(标称650ACFM烟道气)在漏失流(slipstream)上进行，以减少开发时间和危险。使用两个六英寸的管子，将650ACFM漏失流转向洗涤器。使用0.2ft²的入口通道面积，使接触器中的烟道气速度与发电厂排放物输送速度(56ft/s，17m/s)匹配。接触器中的气体停留时间为约0.04秒。系统液体侧压力降为5psi下操作，观察到约0.1psi的最低烟道气压降。使用环境保护署(EPA)性能检验烟道气分析仪，测量烟道气的SO₂、NO、NO₂、CO和CO₂排放。在温度和压力分别为150F和11.2psiA时，使漏失流进入单元。0.1wt％的NaOH溶液通过系统循环，洗涤SO₂。

图36是2MW原型系统的图。图37是气液接触器的图。图38是图36系统的溶剂泵的图。

参考图36，气液接触器3210含有如本说明书所述的水平液体射流接触系统。溶剂输送正压室3220提供与接触器3210接触的溶剂。在图37中，烟道气进入烟道气进入点3230，并继续前往接触器3210。烟道气在烟道气出口点3250离开。图38中显示了溶剂泵3260。图39-40是图表，相对X轴上的时间，Y轴显示了有和没有使用气液接触器时来自燃煤电厂的烟道气的目标污染物浓度。三个分析测量全部使用TESTO 335电化学分析器。图39显示在第一个小规模试验中使用接触器的SO₂浓度，抽出的烟道气等值于0.13MW的。随着烟道气打开，SO₂浓度达到约200ppm的大致稳态。使用接触器系统立即将SO₂的这些排放水平减少到接近仪器的检测极限，并再一次达到了稳态。断开接触器后，TESTO仪器继续对系统采样，其显示SO₂浓度立即上升到原来的污染物水平。图40描述在相同的机械装置中使用不同的吸收剂时的CO₂水平。TESTO分析仪清楚显示，CO₂水平在4分钟的时间内下降，并在该水平达到稳态。

此外，为了满足排放要求以及烟道气CO₂污染物高效脱除的预处理，可以要求有SO₂深度脱除的效率(＞99％)。使用0.13MW的洗涤器时，SO₂脱除效率为约99.5％，平均可实现约99％，如图39所示。还进行使用约19重量％的氨水脱除多污染物的范围测试，如图40所示。尽管系统没有针对CO₂吸收(低的及短的停留时间)进行优化，该单元仍在这些条件下吸收了超过50％的漏失流CO₂。此外，超过99.5％的SO₂和超过80％的NO_x被氨水同时脱除。通过射流和溶剂优化，预测只需要两个单元就可实现脱除90％CO₂的效率。

迅速放大结果，并成功地用来示范约2MW(8400ACFM)的模块化中试洗涤器的操作，所述模块化中试洗涤器在相同的发电厂中包括平行的气液接触器模块。气液接触器入口通道面积为约3.9ft²，可提供与约58ft/s(18m/s)的发电厂排放物和约0.07秒的停留时间相匹配的流动速度。溶剂流速为2800GPM，可产生约330GPM/1000ACFM的L/G。跨越射流的液体压降为大约6psi。对于包括除雾器子模块和射流组件子模块的总共约2MW的接触器段，整个气体侧压降为0.4psi，其中跨越约3.3ft的射流组件的气体压降为约0.1psi(0.03psi/ft)。输入和输出烟道气温度分别为约250℉和约115℉。在稳态(含溶剂排出)下操作，进行二十四小时的试验，其中SO₂平均洗涤效率大于99％。

图41提供了约2MW的等值烟道气流通过更大的接触器进行SO₂捕集放大试验的视图。进行多次开/关循环，证实操作的一致性。参考图41，其显示了使用H₂O、NaOH(0.1重量％)的2MW的规模的SO₂洗涤结果的图表。所述图包括x轴上以小时为单位的时间，浓度则在y轴上，以ppm为单位。如图所示，排放SO₂作为污染物分子超过350ppm的烟道气。气液接触器模块的操作几乎脱除其全部的SO₂。更具体地，为了测试其是否可重复，关闭接触器液体射流，于是SO₂浓度再次超过350ppm，如图41所示。使用液体射流模块可将SO₂浓度降低至接近基准。重复该过程，可一致地产生相同的结果，如图41所示。同样，最近的后续试验也证实了SO₂的脱除效率。此外，对在实验室中使用过的溶剂进行模拟废水处理试验，示范硫酸钙的沉淀。

本发明实施方案涉及模块化的气液接触器或包括后燃烧技术的气液接触器，所述后燃烧技术可在很宽的烟道气条件范围内脱除多种烟道气污染物(SO_x、NO_x、CO₂和微粒)。湿法洗涤器系统易于受由于机械故障或未能履行排放规定的操作停车的影响。气液接触器洗涤器系统被构建成具有小底部尺寸的成套设备，能满足连续的在线操作，有良好的性能、适应性、维护保养便利性和可靠性。

尽管实际性能的规格指标(例如，SO₂脱除)可与传统方法和设备设计直接相比，本发明的设计、方法和系统可保证方法有令人惊讶的等同指标；然而产生这些结果的尺寸和成本与传统的系统相比分别可以小十倍以上，而投资成本至少是一半。

模块化气液接触器洗涤器单元的制造和放大使用模块化设计方法。可并联或串联添加洗涤器模块，以实现要求的污染物脱除性能。实现原因包括低压降如约0.4psi的压降，和低的寄生功率如每段小于约0.8％。该方法使制造标准化，然而可允许根据安装地点的要求对洗涤器单元进行用户化定制。模块化气液接触器是以流水线生产方法在工厂制造。

气液接触器模块

图42是对60MW洗涤单元和支持结构的说明。图43是图42的洗涤器塔的部分2MW部分的前视图。图44是图42的洗涤器塔的部分2MW部分的侧视图。图45所示为入口通道和射流组件区的几何结构。在该实施方案中，系统被构建成低于约600lbs，并且尺寸为约5ftx10ftx10ft。这些单元还可以处理超过约85,000cfm的烟道气流，并且可以根据需要放大或缩小。

这些单元是被设计成能并联叠放、并且大小可根据发电厂需要调节的模块。在一个并联构造中，模块可以相互上下布置，也可以一个接一个布置(并排)。进来的气体流可以在并联模块中分流，例如等量地，每一模块提供等量的处理。在一个实施方案中，通过垂直叠放十个2MW的基础模块产生20MW的组合模块(85,000cfm)。三个20MW的模块然后水平地连接产生60MW的系统，其中进来的气体流在60MW系统所包括的三个20MW模块之间等量分流。

在该实施方案中，并且如图42所示，吸收剂从吸收剂储罐3315被输送到溶剂进料正压室3305的洗涤系统，其中吸收剂被溶剂泵送通过喷嘴阵列中配置的多个喷嘴。喷嘴阵列被构建成能提供基本上平面的液体射流，每个所述的液体射流包含平面的液体层，所述多个液体射流位于实际上平行的平面中。水平液体射流在洗涤器塔3345中形成，其中气体流3320平行于射流的水平面通过。吸收剂落到塔底后，热交换器3340捕获已经被吸收剂在接触过程中吸收的热量。吸收剂然后在管道3335中流向泵站3330，随后其被泵送到水处理系统3325。

3325描绘的水处理系统只用作示意性参考，因为取决于液体的二级或三级处理，接触器系统的3325段可大可小。例如，小的系统可以只包括用于溶解所收集的气相分子的热交换器，并且可以装入到图42描绘的“盒子”里。大的系统可以包括沉淀池、沉降池和可能较大的固体压缩子系统，这取决于所使用的化学体系和应用。

3330描绘的泵站可以是大小合适的液体泵，如本领域已知的向接触器系统输送体积合适的液体。3330中描绘的图框是任选的，但取决于安装地点环境和泵的选用，以及泵的选用是否要求防雨雪保护。

现参考图43-45，其举例说明了喷雾组件基本单元的几何结构。本实施方案中的基本单元或基本模块的组成包括约25cmx130cm的入口通道和约1.7m2的喷雾组件区，根据喷雾组件中的3400个总喷嘴数(40排×85个喷嘴)，所述喷雾组件区含有约5个喷射器(spray)/cm²。图43所示为排放物入口3360、排放物出口3350和射流组件区3355。射流组件区3355是液体射流和气体分子相互接触的实际接触器体积。在图45中，以侧剖面显示了射流洗涤组件3365，随后是除喷雾或除雾器3370，用于消除来自排放物的夹带流体。尽管液体射流的速度高，一些液体仍会夹带在气流中，特别是在气体速度变得更高时。该夹带物包括小的液滴；例如气溶胶或雾。除雾器提供小的区域，其中小的雾液滴穿过包括图29中通过1660表示的元件的区域，在那些元件表面上冷凝并且回流进入液体污池系统。在本具体实施方案中，这些元件是垂直的棒，但可以设想任何设计，只要能提供小的压降并且与冷凝/聚结表面接合时能引起湍流气流，包括但不限于网、热交换器元件、或空气动力板或挡板。

图46所示为根据本发明另一个实施方案的含可拆卸喷嘴板的射流组件区的说明图。图47所示为图46的射流组件区中的喷嘴板的构造。图48所示为图46的射流组件区的密封系统。如所示，模块化的气液接触器被设计成具有维护保养方便性、可接近性和可靠性。所述系统，例如气液接触器或洗涤单元，可以针对包括孔口板的喷嘴组使用扣合(snap-fit)设计方法，这样可以对用坏或堵塞的孔口进行更换而不用中止操作。系统还可以对机械设备和支持系统设计有冗余度。例如，大的工厂装置包括约20％的多余原则，这样，如有必要可以对并联单元进行维护，不必中断装置运行。

现参考图46，在部分拆除的位置上显示了可拆卸的板3410。该可拆卸的板3410包括含多个喷嘴排的多个喷嘴板，用于产生多个并联的水平液体射流。图47所示为可拆卸的板3410的整个部分。可拆卸的板3415显示为处于坐放位置，而可拆卸的板3410显示为已拆卸。图48显示了密封机构3440，其被构建成用弹性密封件3430密封射流板3425到密封面3435。即，显示为射流板3425边缘小剖面的侧视图为标准射流板如3410或3415的边缘的小倍率放大。在本实施方案中，射流板根据3415安装，有一系列小角度凹槽的3415的边缘安装到凹槽3445中，其中插头3440与框架3435相接。凹槽3445的角度应能使施加在密封件方向的扭矩造成凹槽角度起到相对于插头3440的凸轮(cam)作用，导致产生对弹性密封件3430的压力。尽管这是一个具体的实施方案，机械系统和液压表面密封领域的技术人员可以很好地设想有同样作用的替代方法。

用于SO_x、NO_x和颗粒方法的模块化气液接触器

另一个实施方案涉及一个设计，其研究采用Na/Ca双碱法用于烟道气SO₂深度脱除，所述双碱法结合紧凑、高性能、低成本、低水用量和高能效的气液接触器系统或洗涤器系统，具有先进的废水和产品流处理。用于该方法的设计要求在下表11中提供。

表11：用于GLC SO₂脱除的设计要求

烟道气调节系统

在使用本发明实施方案处理烟道气的应用中，可以对所采用的方法进行通用说明。这些通用原则可以根据场所和应用要求进行客户化定制，但大致可分为四个部分。图49是污染物脱除系统的方法流程图。参考图49，气液接触器系统的基础工艺流程图显示了主要的系统组件和关键料流点。四个部分包括：部分1.烟道气或过程气体部分，部分2.洗涤器或反应器部分，部分3.吸收剂或反应物输入，和部分4.反应产物处理和吸收剂再循环(或释放)。尽管，为了本实施方案的目的，将对这四个部分就烟道气脱硫应用的一个应用事例进行更为详细的描述，本领域技术人员将会理解，所述方法可以进一步修改，以处理能从高效气液接触系统受益的许多各种方法。

参考部分1，工业过程例如用燃煤工厂产生并且释放烟道气5402。烟道气在方法点1(PP 1)进入部分2，气体在部分2中经PP 2流过并得到处理，然后在任选的烟道气加热器5404(如果需要)被加热，然后再在PP 3流向风扇或鼓风机，从而强迫烟道气在PP 4进入烟道气烟囱5406释放。取决于燃料源和燃烧效率，烟道气可以含多种污染物。在本实施方案中，在图49所述的反应器系统进料锅炉中假定只形成SO_x、NO_x、H₂O、CO₂、HCl和HF。在烟道气5402的产生与释放之间，烟道气流的漏失流(部分或全部)被重新导向污染减缓或洗涤器系统，例如部分2-4。

根据本发明的各种实施方案，部分2包括起洗涤器或反应器作用的气液接触器模块化组件5408。该部分使用图49中所描述的化学体系脱除来自烟道气的SO₂、HCl、HF和一些NO₂。图49中描述的化学体系对来自烟道气流的CO₂的脱除效率可能是较少的；取决于使用的化学体系和吸收剂的pH，CO₂的脱除可显著得到改进，但在本实施方案中将假定CO₂没有被大量捕集。接触器5408捕集SO₂、HCl和HF。包括液体射流液体的流体为水溶液。该溶液包括气体夹带的在捕集槽5410中被收集。在部分2中，使用再循环泵、通过PP 6循环利用捕集的流体。通过过程阀5418抽出该再循环流体的漏失流，用于在部分4中进行二次处理。

部分3是吸收剂和溶剂补充流体部分，其被构建成用来调节化学活性、液体pH、或补充反应物。蒸发损失的任何液体都由本地水源5412通过PP 7补充。使液体确立在相对较高的pH(7以上)，并且通过NaOH源5414经PP 8保持在这一水平，或者一旦可溶性亚硫酸盐浓度达到更稳定的状态，则通过在部分4中添加石灰5416保持pH。

部分4是二次处理部分，其中溶解或反应的气相分子在化学上转化或矿物化为固态产物如CaSO₄，固体废物如CaSO₃，或其它可用的产品，例如化肥/NH₄SO₄或NH₄NO₃。过程液体从部分2通过PP 12抽出，送往沉淀池5420，其中石灰/Ca(OH)₂5416在PP 15添加，既用来提高pH，也用来提供Ca²⁺，以便与SO₃ ^2-(或以完全氧化方式，SO₄ ^2-)反应/沉淀。得到的CaSO₃混合物流过PP 16进入沉降池5422，并在沉降后贮存在浆液贮槽5424中。一旦收集到足够量的CaSO₃，就转移到压滤机5426以除去液体，并通过PP 29转移到卤水贮槽5428。来自压滤机5426的固体5430既可以通过填埋处理，也可以出售用于三级处理，例如用于石膏/石膏板的CaSO₄。来自卤水槽5428的液体通过PP 26转移，用于在软化步骤5432中再循环和再生，除去过量的Ca²⁺，并通过加入苏打灰(Na₂CO₃)5434补充Na⁺。再生的吸收剂然后通过PP 33经第二处理阀5436返回部分2。

在图49所示的具体实施方案中，20MW的系统接受来自140MW的燃煤电厂的部分烟道气。烟道气通过燃烧低硫煤产生，例如来自PowderRiver Basin River Basin(Wyoming)的煤。该实施方案中考虑的具体指标见表12中所示。煤燃烧在烟道气中大致产生约350-约400ppm的SO₂，它是本系统实例主要脱除的目标污染物。其它杂质包括HCl、HF、NO_x和一些Hg。这是部分1的正面，该漏失流中的气体流速为约84,000ACFM，如方法点1(PP 1)所示。在PP 1进来的烟道气的温度为约250℉-约300℉，其来自发电厂的飞尘布袋收尘室。飞尘的布袋收尘室除去燃煤产生的大部分飞尘，并且还用来使温度降低到与规定相一致的范围。所述烟道气中的水的浓度为约6％-约7质量％。

在PP 1，烟道气漏失流进入部分2的洗涤器部分。烟道气以大约10m-sec^-1的气体流速流经气液接触器5404。该气液接触器如本说明书中说明。使用的吸收剂液体是NaOH与SO₂初次起动反应形成的亚硫酸钠。将50重量％的氢氧化钠溶液加入到吸收剂回路的水中，初始形成并保持大约6.5的pH。NaOH可以在连续运行过程中使用，以将该pH保持在大约6.5，如有必要的话。启动时，水可以吸收一些SO₂，但这会迅速导致pH下降，并造成溶液酸性。因此，NaOH用来保持大致中性的pH，并提供Na⁺作为SO₃ ^2-的平衡离子。以下方程式说明了所关心的可导致SO₂脱除的该系统的主反应。

SO₂+H₂O→2H⁺+SO₃ ^2- (1)

2NaOH+2H⁺+SO₃ ^2-→2Na⁺+SO₃ ^2-+2H₂O (2)

在稳态运行时，正是该亚硫酸钠溶液与SO₂有效反应，积累达到约0.5M浓度，在水中反应形成亚硫酸氢钠。描述的总反应化学方程式是：

Na₂SO₃+SO₂+H₂O→2NaHSO₃ (1)

离开接触器的烟道气已显著地蒸发冷却至约100℉-约125℉的温度。在接触器下游但在模块内部的除雾器除去多余水分。一旦烟道气被捕尽了SO₂(PP 2)而离开气液接触器区域，它可以任选用烟道气加热器5404进行加热(将温度增加到远高于露点)，经过引风机(ID风机)5440，并释放到烟道气排放烟囱5406。烟道气调制的其它选项包括使用气体-气体热交换器，转换成湿的烟囱构造，或使用发电厂废蒸汽进行再加热。在一些情况下，可以使用来自整个吸收剂处理系统的余热，如同使用来自汽提塔的热解吸步骤的热解吸气体，有利地用来再加热烟道气。气液接触器5408连续运行会导致亚硫酸氢钠积累，并降低SO₂的吸收效率，除非除去SO₂的反应产物。因而，将部分2中的液体吸收剂再循环系统的漏失流(PP 12)连续地抽出，并进入二次化学处理系统。

在部分4中所示的二次处理系统中，SO₂完全矿物化，形成亚硫酸钙的固态产物(PP 16)。亚硫酸钙随后被过滤(PP 18)，脱除多余水分，再进行适当处理，例如在填埋场(PP 24)。使用石灰(Ca(OH)₂)将亚硫酸盐矿物化为固体沉淀物(PP 15)，并且还用来进一步将pH保持在合适的水平，代替向吸收剂回路中进一步添加NaOH。二次处理中进行的反应是：

2Ca(OH)₂+4NaHSO₃→(CaSO₃)₂H₂O+2Na₂SO₃+3H₂O

然后在“软化”步骤(PP 26)用标准的离子交换方法利用碳酸钠(溶于水的-PP 31)形成碳酸钙(在此pH下不溶)，脱除过量的钙，从而避免钙结垢问题，然后转移到压滤机过程(PP 32)。在所述同一步骤中，可以添加硫代硫酸钠(PP 34)，这有助于抑制亚硫酸盐(SO₃ ^2-)氧化为硫酸盐(SO₄ ^2-)。该方法还用来再生捕集SO₂的主要试剂Na₂SO₃：

CaSO₃+Na₂CO₃→CaCO₃+Na₂SO₃

活性吸收剂化学体系得到软化和再生后，再将其循环回到主接触器方法回路(PP 33)中。

SO₂和方法模块脱除系统

根据表12中的设计参数进行方法分析和气液接触器洗涤器吸收塔系统大小调整。

表12：20MW GLC吸收塔系统的设计参数

气液接触器(吸收塔)以连续稳态方式，使用水平射流喷雾嘴在错流构造结构中操作。吸收塔证明有高的总体积传质(Kca-64s^-1)，可使SO₂脱除效率最大化，而水用量、反应器体积、压降和接触时间最低。

吸收塔表现出低的气体侧和液体侧压降，可理解为功耗低。跨越液体射流孔口的压降小于约10psi，可极大降低操作对液压功率的要求。溶剂循环的28,000gpm的液体泵构成了吸收塔回路中的大部分功耗。对于大约28,000gpm时约8psi的压降和约65％的泵效率，功率损耗(power draw)的P(kW)＝[.75x流速(gpm)xΔP]/[1714x泵效率)]为约150kW(或大约为20MWe时的功率损耗)。水平射流系统中的气体侧压降小，在跨越约3.3ft的射流组件为大约0.1psi(2.7in w.c.)。

比较而言，现有技术的填料塔平均压降为大约1.0英寸H₂O/英尺的装填，或对于典型的10英尺厚吸收塔床为约10英寸H₂O。与传统技术相比，所述气液接触器的功率消耗降低，吸收塔可以更高的L/G比(330gal/1000ACFM)运行，因此比传统的吸收塔(L/G 90-130)有更高的脱除效率。

吸收塔系统不但可捕集来自烟道气的目的污染物，如SO_x、NO_x和颗粒物，而且还可捕集重金属、氯化物和氟化物。颗粒物大多数是从布袋收尘室带出的飞尘，其2.5μm或更小。金属和卤化物源自从煤，并取决于所燃烧的具体的煤。所有这些组分都在溶剂处理系统中从吸收回路脱除。从烟道气进入吸收塔回路的所有组分的摩尔流速等于在溶剂工艺系统中从吸收塔回路出来的这些污染物的摩尔流速，然后在固体和卤水流中排出。吸收塔回路中所有组分的浓度达到稳态。

气体溶解度、溶剂温度和pH也在污染物吸收中起关键作用。该实施方案的系统在相对较低的液体温度时操作，例如100℉-约125℉，以便优化气体溶解度并最小化溶剂蒸发。气相中的污染物p_a和水相中的污染物C_a的平衡溶解度(300°K)由亨利系数决定，K_H＝C_a/p_a.

SO₂(g)→H₂SO₃，K_H＝1.4M/atm (1)

H₂SO₃→H⁺+HSO₃ ^-，K₁＝0.014M (2)

HSO₃ ^-→H⁺+SO₃ ^2-，K₂＝7.1x10-8M (3)

HSO₃ ^-+1/2O₂→SO₄ ^2-+H⁺，k＞106M-1s-1 (4)

为了讨论目的，S(IV)是+4氧化态的所有形式的硫之和，[S(IV)]_tot＝[SO₂]+[HSO^3-]+[SO₃ ^2-]，S(VI)是+6氧化态的所有形式的硫之和[S(VI)]_tot＝[SO₃]+[HSO₄ ^-]+[SO₄ ^2-]。SO₂气体溶解进入水中，溶质根据受K_H、K₁和K₂支配的平衡转变为亚硫酸氢根(HSO₃ ^-)和亚硫酸根(SO₃ ^2-)产物。考虑到H⁺产物的形成，过程与pH相关。随着更多H⁺的形成(降低了pH)，平衡移向反应物形成。PH值低于3.5时，溶剂释放出大量的SO₂气体。为了优化SO₂脱除效率和成本，向溶剂回路注入稳态量的氢氧化钠或其它化学碱，使系统pH保持接近约6-7：

SO₂(g)+1/2O₂(g)+2NaOH(aq)→Na₂SO₄(aq)+H₂O (1)

亚硫酸盐氧化系统

将亚硫酸盐强制氧化成硫酸盐可以在分离池中用简单的空气喷洒器(sparger)实现(使用14kW的空压机)。喷洒器虽然简单，但气液接触效率低，因此空气的流速要设定为完全氧化所要求的化学计量的约3倍。假设100％氧化，将有约533lb/hr的亚硫酸盐氧化为硫酸盐。对于全尺寸的系统，用另外的高效率气液接触器代替喷洒器可以有更好的成本效益。

溶剂处理系统

如果以全氧化方式运行系统，也即大部分的硫为硫酸根(SO₄ ^2-)，硫酸盐沉淀和脱除的设计标准在表13中给出。系统针对稳态运行时液体中HSO₃ ^-＜50ppm，并且SO₄ ^2-为14.4％设计。溶剂方法流的流速直接取决于稳态回路的SO_x浓度，并由此确定了溶剂方法系统设计的尺寸要求。

表13：硫酸盐脱除的设计标准

先进的设计、吸收剂和方法选项

替代的吸收剂如表14所示，包括氢氧化钠、氨、碳酸钠、氢氧化镁、氢氧化钙、石灰石(碳酸钙)、和可能地飞灰。每种吸收剂要求有特定的吸收剂处理系统，并且每个发电厂地点可能有具体的固体和液体处理要求。

表14：先进的设计、溶剂和方法选项

性能、试剂成本和现场副产品处理要求促进了选择吸收剂/吸收剂处理/处置系统。填料塔中SO₂脱除最常用的试剂关于反应性和操作成本的比较在表15中给出。

表15：反应物反应性和成本比较

基于苛性碱和氨的系统可提供最高的反应性和潜在的SO₂深度脱除，但代价是成本更高。通过将溶剂再循环回吸收塔的双回路操作，可明显抵消这些反应物的成本。在所有这些可能性中，最有前景的是NaOH/Ca(OH)、NaCO/Ca(OH)、NH/Ca(OH)双回路。飞灰选项可提供零反应物成本的可能性，但也存在最高的风险。

尽管可优选Na/Ca双回路，NH/Ca双回路也是可行的替代方法。它具有的优点包括极具反应性和可溶性的吸收剂、清洁的接触溶液，和循环利用相对较昂贵的氨的吸收剂处理回路。氨相对于钠的优点在于沉淀步骤将氨作为气体分离，因此返回回路不含有可能使吸收塔结垢的钙或其它杂质。此外，如果本发明实施方案的气液接触器系统与CO₂吸收系统相结合，则氨可以用于两者，因为氨是挥发性的，所以要在烟道气的放空管线中安置另外的(小的)洗涤装置，防止氨漏失到烟囱里。

飞灰由于其碱性性质且容易得到而显示出作为FGD吸收剂的前景。表16列出了C类飞灰(次沥青质)的典型组成。然而，Kohl等在Gaspurification，Gulf Professional Publishing，第5版(1997)中披露，因为下游堵塞和FGD浆液的处理特点，FGD与飞灰捕集相结合的早期尝试遇到了困难，该文献内容通过引用结合在此。然而，小心准备飞灰(如在优化的SO₂-CaO/MgO化学计量水平下)，避免在气液接触器自身内部发生水泥反应，可以使接触器在飞灰不在气体洗涤操作时结垢的条件下操作。或者，可以希望有与Ca/Mg的相同反应，因为这可以用来在吸收剂处理区产生胶接材料(cementitious material)作为商业产品。此外，如果商业石膏是所要求的副产品，那么就需要有溶剂处理系统和用于分离石膏和飞灰的处置方案。

表16：C类飞灰的组成(ASTM标准C 618)

系统概述

Na/Ca双碱接触器方法和系统以其高的技术经济性能而提供超过传统系统的优点。表17总结了对于20MW的案例和一般化的(每MW)系统的本实施方案中接触器系统的关键基准性能参数。

表17：关键操作参数和值一览

SO₂的深度脱除要求有快速并且高效的传质动力学，利用NaOH可满足这一要求。尽管氢氧化钙/碳酸盐系统是低成本的溶剂，但它们也是低反应性的溶剂。为了提高反应性，基于石灰/石灰石的吸收塔与浆液(固体)一起使用。然而，固体易于(通过形成亚硫酸钙/硫酸钙)在吸收塔表面结垢，并且在有些情况下甚至会阻碍传质。使用Na/Ca方法可实现明显的成本降低，因为钠(NaOH)在溶剂处理回路中回收。双回路系统的操作成本等于或低于单回路石灰石系统的，尤其是对于高硫燃料，如Kohl等在Gas purification，Gulf Professional Publishing，第5版(1997)中所述的，该文献通过引用结合在此，如同已在本说明书中充分叙述。便宜的试剂是钙(Ca(OH)₂)，其被用于沉淀石膏，这是一种商业副产品。双回路系统方法的优点是它可以处理更高的硫负荷，接触液体是非腐蚀性的，并且其可以实现有效得多的气液接触器操作。缺点是增加了的复杂性，并且要求使用两种试剂。相比之下，在单回路的湿石灰石FGD方法中，要求的所有步骤都在单个容器中进行，要求的步骤包括溶解石灰石作为碳酸钙，气液接触吸收SO₂，与钙反应，氧化及沉淀。这可导致单一的相对较简单的系统。其缺点是浆液的腐蚀/磨损性质要求独特的喷嘴材料，并且喷雾塔效率低，要求有大的接触面积，因此要大的塔。

表18中总结了本申请所述的20MW和大于200MW的接触器系统的主要设备组件的寄生功率。在这些实施方案中，假定烟道气排风机(ID风机)早在存在，因此没有计算。功率损耗(power draw)的主要部分与溶剂循环泵有关。接触器系统由于大(10X传统喷雾嘴)的水平射流孔口面积，可在低液体侧液压和机械功率下操作。在本实施方案中，所述20MW液体泵(28,000GPM)由于泵效率一般(-65％)，从系统中吸走了相当可观的功率。可用于全尺寸操作(＞200MW)的更大的液体泵(＞100,000GPM)将会明显更为有效(-85％)，因此能够实现更低得多(1.7X)的寄生功率负荷。

表18：GLC系统的寄生功率负荷

用于CO₂方法的气液接触器

这些优点说明了先进的成本和能源节省的方法，其包括紧凑的低成本、低压降和高能效的洗涤系统，可满足CO₂脱除效率(＞90％)和能量成本(＜20％)的环境目的。Yeh等在Fuel Processing Technology，Vol.86，Issues 14-15，1533-1546页(2005年10月)中给出了三个可能的使用氨溶液的吸收/再生反应，其内容通过引用结合在此。

2NH_3(aq)+CO_2(g)+H₂O→(NH₄)₂CO_3(l)，ΔH_r＝-24.1千卡/摩尔(-986BTU/lb CO₂) (1)

NH_3(l)+CO_2(g)+H₂O→NH₄HCO_3(l)，ΔH_r＝-15.3千卡/摩尔(-622BTU/1b CO₂) (2)

(NH₄)₂CO_3(l)+CO₂+H₂O→2NH₄HCO_3(l)，ΔH_r＝-6.4千卡/摩尔(-262BTU/lb CO₂) (3)

所述反应被描述为用于吸收的，因此是放热的。CO₂捕集和溶剂再生能源效率最高的路线是方程式(1)中的碳酸盐/碳酸氢盐反应。因为低温有利于吸收反应，所以将洗涤液冷却至90℉，汽提塔液则加热至140℉，在1atm下释放CO₂气体。与基于烷醇胺的溶剂相比，碳酸铵/碳酸氢铵化学体系提供明显更低的操作成本的可能性，因为其再生能耗低于MEA(乙醇胺)的一半。

用于CO₂的气液接触器方法流程图及分析

图50是根据另一个实施方案的污染物脱除系统的方法流程图。烟道气首先进入接触器以除去污染物，如SO_x、NO_x和颗粒物。然后进入CO₂吸收塔，在此其与例如冷冻的碳酸铵溶液或哌嗪接触，相当一部分CO₂分别以碳酸氢铵或哌嗪的氨基甲酸酯被捕集。其它的胺、烷醇胺和/或碱(如，KOH、NaOH等)也可以在本回路中使用。如果使用的化学体系是氢氧化铵/碳酸铵体系，一些氨作为氨漏失会进入烟道气，其被带到氨气洗涤器并得到脱除。

清洁的烟道气继续通往冷凝换热器，并被加热到高于其露点约40℉，然后通过烟囱离开。碳酸铵/碳酸氢铵的吸收剂料流通过冷却器和热泵，在回到洗涤塔前再循环回来。移除吸收剂液体的支流，将其加热并送往汽提塔，释放捕集的CO₂。贫溶液回到吸收塔回路。汽提过的CO₂带有一些水蒸汽和氨，其在冷凝换热器中以及在压缩期间被脱除。水和氨回到吸收塔回路。清洁的CO₂被送往压缩机序列并进行隔离。节能方法的关键步骤是使用热泵来冷却碳酸铵吸收剂液体，并且将热排斥(reject)到汽提塔液体，以提高其分离CO₂的温度。使用热泵捕集吸收塔料流中的能量，并将它输送到汽提塔料流中可节省约10％的寄生功率。

系统大小调整和分析的设计标准在表20中显示。所述方法分成如图50所示的六个主要的方法部分，包括部分1的烟道气调节系统，部分2的CO₂吸收塔回路，部分3的CO₂汽提塔回路，部分4的氨或胺漏失吸收塔回路，部分5的冷冻系统，和部分6的CO₂压缩机序列。所有的流速和热负荷都以20MW的示范系统计算。

表19：20MW CO₂气液接触器的设计标准

烟道气调节系统

在如图50所示的本实施方案中，烟道气调节系统包括烟道气进入任选的热交换器/冷却器5004的入口5002和出口5006。烟道气调节系统接收入口气体，所述入口气体可能已经经过一些处理，如已经处理脱除酸性气，如SO₂、HCl等。热交换器/冷却器5004是任选的，如本领域已知这取决于入口气体的组分和吸收塔的化学体系，例如，氨/碳酸氨会要求冷却器。烟道气已经过冷却并且洗涤过SO₂，例如，从根据本发明实施方案的接触器系统(未显示)。在本实施方案中，烟道气5002含有污染物如CO₂、N₂、H₂O、O₂和其它的痕量气体。

CO₂吸收塔回路

参考部分2，吸收塔回路包括气液接触器5008和捕集槽5010。部分5的热交换器/冷却器5012是任选的组件。还有，热交换器/冷却器5010是任选的，如本领域已知这取决于入口气体的组分和吸收塔的化学体系。在本实施方案中，气液接触器连接到部分1的出口5006。气液接触器5008连接到捕集槽5010和热交换器/冷却器5012(部分5)，作为循环回路的一部分。

在操作中，含有CO₂的烟道气通过气液接触器5008的入口5014被导引，脱除掉一部份CO₂。部分2的CO₂吸收塔回路包括各种阀(value)和泵，如本领域已知的根据适当的液体流和循环以及操作的要求。在接触器5008中接触气体后，吸收剂液体现在带有额外量的CO₂到捕集槽5010，以作为再循环回路的一部分。

在本实施方案中，CO₂吸收塔回路的能量需求由部分5的热交换器/冷却器5012处理。在此所述的通用化学体系使用碳酸铵、胺或烷醇胺，当冷却至低于典型系统中所见的烟道气温度时可进一步有利于CO₂的吸收。因此，如果需要，部分5的热交换器/冷却器5012可提供保持吸收剂液体最佳操作条件的致冷能力。

CO₂汽提塔回路

参考部分3，部分3包括入口5016，其连接到具有出口5020的热交换/冷却器5018。出口5020连接到气液接触器5022。气液接触器5022具有出口5024，其连接到具有循环回路的捕集槽5023。气液接触器5022被构建成能脱除来自吸收剂液体的被捕集的CO₂。有多种手段可实现CO₂汽提，包括压力摆动(swing)、pH调节、或通过对CO₂/吸收剂液体加热。部分3的组件可以根据选用的方法变化。在任何情况下，有利的是在释放CO₂之后捕集吸收剂，并且将吸收剂液体再循环回到部分2的主吸收塔回路。部分3的输出物被送往烟囱5034。

NH₃/PZ吸收塔回路

部分4的氨或胺吸收塔回路被构设计用来捕集烟道气中的氨或胺在其离开CO₂吸收塔5008之后的漏失。这可能是涉及NH₃的具体问题，取决于吸收剂液体的温度(更冷产生较少的漏失)。NH₃/PZ吸收塔回路包括连接到入口5024的气液接触器5026。气液接触器5026包括连接到捕集槽5030的出口5028、循环回路、和出口5032。如果胺如哌嗪或烷醇胺用作吸收剂液体，就不太需要部分4，因此要通过检验总体的方法要求和温度来决定是否实施这一部分。部分4是任选的，因为分子量较小的胺可能漏失，并且当分子量较高的胺可能没有漏失时捕集较为有利，因此，较高分子量胺可能不需要处理。输出5032可以导向烟道气烟囱5034。

CO₂压缩机序列

部分6描述了汽提来自吸收剂液体的CO₂的方法区域。CO₂压缩机序列中，压缩机5036连接到气液接触器5022。该部分被构建成用于捕集来自气液接触器5022的纯CO₂并对其增压。即，在那部分后，为了使二次工业用途能以方便的方式运输，要求有二次步骤的强化油回收(EnhancedOil Recovery)(EOR)或隔离。这些选项之一可以包括在压缩机序列中将CO₂冷凝，并且在超临界压力下隔离，形成液体CO₂，液体CO₂可以通过卡车或管线输往其最终应用。

CO₂捕集的其它溶剂体系

在图50的部分2和3中，可以使用各种吸收剂来进行CO₂捕集和/或汽提。该吸收剂可以包括选择作为基准溶剂的基于碳酸铵的溶剂。然而，该系统也可以被设计成用来与种类广泛的后燃烧湿法洗涤溶剂一起操作，溶剂包括胺，如氨、二乙醇胺(DEA)和单乙醇胺(MEA)，以及高级溶剂体系，如活化的(promoted)碳酸酯，哌嗪，叔胺和位阻胺，如甲基二乙醇胺(MDEA)和2-氨基甲基丙醇胺(AMP)，有机金属构架物(framework)和分子包封物(encapsulation)。

CO₂系统的实施方案为后燃烧CO₂的捕集提供一些强有力的方法和优点。在小的接触器体积中有非常大的接触表面积。这可在两方面转化为经济上的节省，要求小的底部尺寸可转化为低的投资成本，而低的气体测和液体侧压降意味低的操作费用。低的投资和操作成本增加了可能的CO₂吸收剂的范围。例如，如果便宜的吸收剂的反应速度慢并且要求大的接触面积，如海水或深卤水含水层，在CO₂气液接触器系统中可能仍然经济上可行，而这些在诸如泡罩塔或喷雾塔的标准气液接触器中通常可能不会考虑。

在最成熟的烟道气CO₂捕集系统中，烷醇胺和碳酸铵/碳酸氢铵(AC/ABC)，最大的能量消耗与反应热有关。与AC/ABC反应相关的能源消耗了CO₂吸收和解吸所要求总能源的几乎70％。ABC溶液必须冷却至55℉以吸收CO₂，而在汽提塔中必须加热至265℉以释放CO₂。减少所要求的能源的选项有两方面：找到一种CO₂吸收和解吸反应热较小的系统，或者将吸收期间释放的热输送给解吸反应。碳酸铵/碳酸氢铵是目前能耗最低的化学吸收剂。物理溶剂几乎不要求再生能源，但最好在高压下操作。膜系统可将吸收能源输送给解吸过程，但目前仅应用于小的系统。以下各段描述可以用来捕集来自烟道气的CO₂的替代方法的分类和说明。

在替代的CO₂吸收系统的探索中，吸收剂必须与技术相配。正在开发三种不同的后燃烧吸附技术：气液接触器，干式接触系统，和膜接触系统。气液接触器系统要求液体吸收剂。气液系统将吸收和解吸在两个不同容器中分成压力和温度不同的两个单独的方法步骤。该系统通常在两个步骤都要求消耗能量，放热吸收的要冷却，吸热解吸的要加热。该方法要求温度和/或压力摆动，而这是能耗密集的。使用碳酸氢钠的干式可再生吸收剂系统与气液接触器一样操作，除了吸收剂相是固体。

然而，膜系统是根本不同的。在膜系统中，膜是可分离两股物流的非常薄的渗透材料壁，可以是保持在海绵状材料下的固体或液体。膜被设计成对要分离的气体有选择性。无论膜材料是固体还是液体，膜在浓缩侧吸收CO₂，并将其转移到稀释侧以解吸CO₂。驱动力是跨越非常薄的膜的CO₂的浓度梯度。膜系统的优点是吸收和解吸在同一温度、在几乎相同的压力下在同一容器中进行。因为吸收和解吸彼此在几个微米内在非常薄的膜中进行，因此吸收的能量在恒温下被传递给解吸反应。因此熵变是零，净能量要求是零。膜中的液体可以定制成有选择性地迁移CO₂。缺点是造价、膜寿命、要求非常清洁的烟道气、以及要求的巨大接触面积(对于完全放大的商用系统几乎需要一百万平方米)。在截面高达100m²的管道中移动的几十万ACFM的烟道气，必须引导到每个纤维截面为60nm²的亿万个的纤维中。

适用于气液接触器中后燃烧吸收的替代溶剂体系可以是化学的和物理的。湿法化学吸收剂包括胺、碳酸酯、助催化剂、混合物、和pH摆动。湿法物理吸收剂包括有机金属构架物、离子液体、海水和咸地下水。不讨论二醇类，因为它们是高压系统，更适于前燃烧吸附。聚乙二醇二甲醚(Selexol)是目前用来清洁天然气的商业化的二醇系统的实例，为高压方法。以下讨论应用于CO₂气液接触器的每种湿法吸收剂。

含水胺是本领域技术人员公认的目前用于发电厂CO₂捕集的现有技术。胺吸收剂包括氨(NH₃)、单乙醇胺(MEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)、2-氨基甲基丙醇胺(minomethylpropanolamine)(AMP)、PZ哌嗪(PZ)等。所有都最初与CO₂反应形成氨基甲酸胺

此外，胺和水可以与CO₂反应生成碳酸氢胺

吸附/解吸可以利用能量最低的反应，

所有的胺系统都需要气液接触器和汽提塔。在此所述的此系统的优点是非常有效率的气液接触器。尽管有利于任何的胺系统，但是选用碳酸铵/碳酸氢铵吸收剂，因为氨不太昂贵，并且氨的反应能低于如MEA的烷基醇胺。

碱金属碳酸盐包括Na、K、和Ca的碳酸盐/碳酸氢盐。尽管早在1900年代碱金属碳酸盐就已广泛用于环境温度和压力下的CO₂吸收，它们已经被更有效的烷醇胺代替。因为CO₂吸收到水溶液中的速度通常缓慢，因此经常加助催化剂(催化剂或酶)以增加速度。

在Kohl等Gas purification，Gulf Professional Publishing，第5版(1997)中，助催化剂的实例是甲醛、MEA、DEA、氨基乙酸和碳酸脱水酶，该文献通过引用结合在此。吸收CO₂可以使用的最快的催化剂是碳酸脱水酶，如MC Trachtenberg，L Bao，SL Goldman.，2004，SeventhInt.Conf.On Greenhouse Gas Control Technologies(GHGT-7)，Vancouver，BC中所述，该文献通过引用结合在此。氨基酸也可促进CO₂的吸收，和MEA或DEA一样好或更好，如Jacco van Holst，Patricia.P.Politiek，John P.M.Niederer，Geert F.Versteeg在Proceedings of 8th International Conference on Greenhouse GasControl Technologies，2006上的CO₂ capture from flue gas usingamino acid salt solutions中所述，该文献通过引用结合在此。尽管酶和催化剂不会改变反应的能量或其平衡点，但它们的确可以降低活化能，并且可以将反应速度提高几个数量级。CO₂在水中的水解以及随后生成碳酸氢盐的反应相当缓慢。提高速度的作用是减少接触所要求的停留时间，因此可减少所要求的接触面积。然而，因为是生物酶，CA对温度敏感，不适用于解吸温度高的温度摆动方法。这就意味要求用压力摆动方法。因为烟道气中的CO₂分压为约0.15大气压，如果要捕集纯的CO₂，解吸总压必须基本上低于0.1大气压。对于CA的其它替代方法是在接触以前对全部烟道气进行增压。其它助催化剂如DEA目前在热碳酸钾方法中在高温高压下使用。

混合吸收剂使用吸收剂和碳酸盐加胺的组合。目前的实例是K₂CO₃/PZ，一种哌嗪(PZ)促进的碳酸钾水溶液，其预计比MEA使用更少的能量。位于Austin的德州大学目前正在研究该体系。他们发现K₂CO₃/PZ对CO₂的吸收速度和负荷比MEA明显更高。此外，PZ损失和降解也比MEA明显更低，如Plasynski等Carbon Dioxide Capture by Absorption withPotassium Carbonate，Carbon Sequestration，Project Facts，USDOE，NETL，April，(2008)中所述。GLC吸收塔对该体系的主要贡献是提高接触效率，使底部尺寸更小，压降更小，从而导致更低的资本和操作成本。

最后的化学吸附/解吸体系是pH摆动，其通常不被提及，因为能源成本很高。CO₂用如NaOH的碱吸附，用如HCl的酸解吸。得到的盐然后电解再生为酸和碱。输入的能量投向了电化学，而不是压力或温度摆动。计算得出所要求的能量比其它方法高许多。然而，该方法已经商业化用于SO₂吸附。物理吸收剂包括二醇类、有机金属构架物(MOF)、离子液体、海水和咸地下水。这些不依赖于与吸收剂的化学反应，是物理吸附。尽管没有与化学反应相关的能耗，但解吸方法的确需要变化压力。

在压力摆动方法中二醇在高压下作用最佳，如提出用于在合成气中燃烧前CO₂分离的Selexol方法是在700psi下。气液接触器系统与高压吸收方法并不相匹配。

有机金属构架物(MOF)是可以围住CO₂气体的微小气泡的分子“笼”。MOF选择性高，吸附/解吸速度好，CO₂容量大。它们适用于气液接触器和液体膜。风险是试剂成本高，而且它们没有在气液接触器中得到验证。

离子液体是在室温下为液体的有机盐。它们不是水溶液。离子液体对CO₂和SO₂均可以吸收，因此用于烟道气清洁的潜在可能很大。它们适用于气液接触器和液体膜。与MOF一样，离子液体仅在实验室规模合成，试剂成本可能很高。它们也没有在气液接触器中试验过。

因为一种优选的CO₂隔离方法是将其注入到深盐水层中，所以地下盐水或海水是既能捕集又能隔离的可能方法，用天然碱性的地下盐水吸收CO₂，并将其作为溶液重新注入。这可完全避免CO₂作为气体注入进行解吸和压缩所要求的能量。取决于地下水的碱度，吸收速度可能很慢，并且需要大的接触面积。GLC接触器非常高的比表面积可能是理想的解决方案。此外，尽管许多天然存在的盐水层天然含有丰富的Ca和/或Mg，地下水的碱度仍可以用石灰提高，以便在资本和操作成本之间进行最优的平衡。

该方法类似于CO₂或SO₂之一/两者的海水吸收，所述海水吸收利用了吸收剂和处理基本上没有限制的可利用性(当然，与地点有关)。此外，海水含有一定含量的天然丰度的Ca和Mg，其可以现成地形成碳酸盐或硫酸盐的固体沉淀物。其比例或要求的其它比例也可以人为地使用各种镁和/或钙盐产生，包括硝酸盐、氢氧化物、硫酸盐、碳酸盐、或卤化物。这些盐的溶解度变化很大，其取决于目标解决方案的初始化合物、pH、和温度，本领域技术人员可以针对它们的目的和目标化合物是什么进行考虑。

下表比较了可用于气液接触器的各种CO₂吸收剂体系的优点、缺点、和估算成本。

表20：CO₂吸收剂体系比较

对本领域技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的精神或范围下，本发明中可以进行各种修改和变化。因此，目的是本发明覆盖了本发明的修改和变化，只要其落在附后的权利要求以及其等同权利要求的保护范围内。

Claims

1.气液接触器模块，其以串联或并列构造连接至另一个气液接触器模块，该模块包括：

液体入口；

气体入口；

气体出口；

连接至平面的喷嘴板、并且与液体入口和气体入口连通的喷嘴阵列，其中所述喷嘴阵列被构建成在液体入口压力为5psi-10psi下产生均匀间隔的水平液体射流，其形状使得来自气体的干扰最小化，其中所述喷嘴阵列具有U形通道，且所述通道具有2mm–20mm的深度；

能够允许液体通过、同时阻止气体通过的气液分离器；和

与气液分离器流体连通的液体出口。

2.权利要求1的模块，其中气液接触器模块包含塑料材料。

3.权利要求1的模块，其中气液接触器模块包括结构聚合物、聚酰亚胺、复合材料、及它们的组合的至少一种。

4.权利要求1的模块，其中喷嘴阵列包括错位结构的喷嘴。

5.用至少两个以串联或并列构造连接的气液接触器处理气相分子的方法，其包括以下步骤：

控制液体进入液体正压室；

形成多个平面的液体射流，所述液体射流的每一个包括平面的液体层，所述多个平面液体射流以平行的平面排列，并且所述液体射流在液体正压室压力为5-10psi下产生；

提供含至少一种反应性的或可溶的气相分子的气体；以及

通过气相分子和液体射流之间的传质相互作用而脱除至少一部分气相分子。

6.用包含权利要求1的模块的装置脱除气相分子的方法。

7.权利要求6的方法，其中气相分子至少包括以下之一：硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳、氨、酸性气体、胺、卤素和氧。

8.权利要求5的方法，其中平面的液体射流至少包括以下之一：水、氨、铵盐、胺、烷醇胺、碱金属盐、碱土金属盐、过氧化物和次氯酸盐。

9.权利要求5的方法，其中平面的液体射流至少包括以下之一：钙盐溶液和镁盐溶液。

10.权利要求5的方法，其中平面的液体射流包含海水。

11.气液接触系统，其包括多个气液接触器模块，其中每个气液接触模块包括：

反应室；

与反应室连接的气体入口；

与反应室连接的气体出口；

与反应室连接的液体正压室；

与液体正压室连接的喷嘴阵列，其中喷嘴阵列被构建成提供平面的液体射流，所述液体射流的每一个包含平面的液体层，所述多个液体射流位于平行的平面中，并且所述液体射流在液体正压室压力为5-10psi下产生；

与反应室连接的气液分离器，以及

能够从出口气体中除去小的气体液体的去雾器。

12.权利要求11的系统，其还包括与液体正压室流体接触的二次化学处理子系统。

13.权利要求11的系统，其中气液接触系统被构建成将吸收的硫氧化物矿物化成亚硫酸盐或硫酸盐。

14.权利要求11的系统，其中气液接触系统被构建成将吸收的CO₂矿物化成碳酸盐。

15.权利要求11的系统，其中气液接触系统被构建成释放纯CO₂用于三次处理。

16.权利要求11的系统，其中气液接触系统将吸收的氮氧化物反应成可溶性的硝酸盐。

17.权利要求11的系统，其中喷嘴阵列包括V形通道。

18.权利要求11的系统，其中喷嘴阵列包括深度为2mm-20mm的通道。