CN105879582A - 一种用于二氧化碳捕集的多污染物治理设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过废气与溶液接触的方式，来去除工业废气中多污染物的治理方法,是使水性液体通过高压喷头产生高压水雾与废气接触，以使废气中的CO2扩散到所述水性液体中形成含有CO2的水性溶液，所述废气与高压水雾以交叉流的形式接触，且废气与高压水雾喷射方向的角度范围为45‑135°。本发明还公开了使单个或组合吸收容器中烟气流速和水雾速率之间暂时保持压差的专有设计，以实现CO2的去除，而无需任何化学品或其他过程的协助来捕集CO2分子。在冷凝过程中，CO2分子被水捕集/吸收而转移到废水中。采用本发明的技术可捕获的CO2体积远高于CO2在水中的溶解度。

Description

一种用于二氧化碳捕集的多污染物治理设备及方法
技术领域
本发明属于工业废气治理技术领域，涉及一种捕集废气中污染物的方法及其设备，特别是涉及一种捕集废气中包括二氧化碳在内的多污染物的方法及其设备，同时，具有较高的脱硫脱硝效率。
背景技术
碳氢燃料（化石燃料）的燃烧副产物主要包括：氮(N2)、二氧化碳(CO2)、水(H2O)、一氧化碳(CO)、未燃烧的碳氢化合物(UHC)、硫氧化物(SOx)、颗粒物（烟尘）、氮氧化物(NOx)、单质汞(Hg)、汞氧化物(Hg(Ⅱ))和氯化氢(HCl)等。而CO、CO2、Hg、Hg2、HCl、UHC、SOx、颗粒物和NOx这类物质是有害的且不需要产生的。这些污染物被称作标准污染物，且世界各地的许多监管机构已经建立了控制这类污染物的标准。
世界各国越来越关注全球气候变化问题及其对未来的影响，希望控制并减少大气中的二氧化碳(CO2)排放量。CO2的来源很广，其中煤、天然气、燃料油、生物燃料和甲烷等有机燃料的燃烧是其主要来源，特别是用于发电或供热的燃烧过程是产生CO2的重要来源。为了使人为气候变化引起灾难性环境损害的可能性降低，需要减少大气中二氧化碳(CO2)的排放量，并对大气中CO2和其他温室气体(GHG)浓度的稳定性进行控制。这就需要使CO2排放量在目前排放水平上有一个大幅减少，很多提案均指出要在本世纪中叶减少目前CO2排放量的80%。
可以通过不同方式对CO2进行捕集，包括燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧。燃烧后捕集是用溶剂（化学吸收剂）和/或水来捕集燃烧产生废气中的CO2。燃烧前捕集是将燃料与空气或氧气反应生成CO2与H2的混合物，将CO2从混合物中分离出来，余下H2用作燃料。富氧燃烧则是用氧气代替空气作为氧源，以使燃烧后的主要产物为CO2，并有将其进行储存的潜能。
在燃烧后捕集的过程中，溶于水中的二氧化碳与碳酸发生如下平衡：
CO2 + H2O ⇌ H2CO3
在25℃时，水合平衡常数Kh= 1.70×10−3，因此，大部分二氧化碳并不能转化成碳酸，而是以二氧化碳分子的形式存在。在没有催化剂的情况下，达到平衡的速度是相当缓慢的，正反应(CO2 + H2O→H2CO3)的反应速率常数为0.039 s−1，逆反应(H2CO3→CO2 + H2O)的反应速率常数为23s−1。
通过亨利定律来进一步理解CO2溶于水的理论，亨利定律规定“在一定温度下，气体在给定体积的溶液中的溶解度与该气体在该溶液中的平衡分压成正比”。该定律的一种等效描述是气体在溶液里的溶解度与溶液上方该气体的平衡分压成正比。亨利定律可以用p=kHc（一定温度下）表示，式中：p代表溶液上方气相中溶质的分压，c代表溶质浓度，kH为亨利常数，其与溶质、溶剂和温度有关。以下为298k条件下测定的几种气体在水中的亨利常数kH：氧气(O2)：769.2L·atm/mol，二氧化碳(CO2)：29.41L·atm/mol，氢气(H2)：1282.1L·atm/mol。亨利定律还有其他多种表达形式，不同表达形式中kH的定义不同，相应的kH单位也不同。尤其是，溶液中溶质的“浓度”可以用摩尔分数或摩尔浓度表示。普朗克化学研究所大气化学系的罗尔夫·桑德(Rolf Sander: Air Chemistry Department: Max-PlanckInstitute of Chemistry)在其发表的技术文献中列出了表1所示的亨利定律的其他多种表达形式。
式中：
caq为溶液中气体的浓度 (或摩尔浓度) (摩尔/升)；
cgas为溶液上方气体的浓度(摩尔/升)；
p为溶液上方气体的分压 (标准大气压)；
x为溶液中气体的摩尔分数 (无量纲)。
比较上表中的各种表达式可以看出，亨利定律中的常数kH,pc与kH,cp互为倒数关系。由于所有的kH都可以被称作亨利定律常数，因此需要仔细识别亨利定律所采用表达式的版本。
还应该指出，亨利定律是一个仅适用于“足够稀”溶液的限制性定律，体系偏离理想状态越多，即溶质与溶剂的化学性质越不同，亨利定律适用的浓度范围越窄。通常，亨利定律只适用于气体溶质摩尔分数小于0.03的情况。
亨利定律只适用于溶剂与所溶解的气体不发生化学反应的溶液体系。气体与溶剂发生反应的一个常见例子是CO2，CO2与水发生一定程度的反应形成碳酸(H2CO3)。
当系统温度发生变化时，亨利常数也随之发生变化，这就是为什么有些人更喜欢将亨利常数称为亨利系数的原因。温度对亨利常数的影响可以通过多个方程进行评估。如下是范特霍夫方程的一些表达式：
式中：
kH代表给定温度下的亨利常数（如本文第一部分定义）。值得注意的是，C的符号取决于kH,pc或kH,cp的选用；
T代表任何给定温度，单位：K；
To代表标准温度(298 K)。
这个方程只是一个估算式，仅适用于没有通过实验得出更好公式的气体。
下表列举了方程式中的一些常数C值(K)：
通常永久性气体的溶解度会随温度（室温附近）的增加而降低，液体中给定气体浓度的分压必将增加。将水（饱和氮气）从25℃加热到95℃时，水中氮气的溶解度将大约降低至初始值的43%。这可以通过加热容器中的水得到验证：在水加热远未达到沸点之前，会产生小气泡，且小气泡将会上升。类似地，当碳酸饮料不凉时，饮料中CO2的逃逸速度更快，这是因为在较高的温度下，达到相同溶解度所需要的CO2的分压会随之增加。在达到平衡状态的海水中，海水温度每增加16K，其CO2的分压将增加一倍。
常数C可以用如下公式表示：
式中：
ΔsolvH代表溶液的焓；
R代表气体常数。
当然，气体的溶解度并不会随温度的增加而一直降低。对于水溶液，亨利定律常数通常会有最大值（当溶解度达到最低时）。对于大多数永久性气体，低于120℃时会有最小值。通常，气体的分子量越小（且气体在水中的溶解度越低），亨利定律常数达到最大值时所需的温度越低。因此，氦气达到亨利常数最大值时的温度约为30℃，氩气、氮气和氧气达到亨利常数最大值时的温度为92-93℃，氙气达到亨利常数最大值时的温度为114℃。
亨利定律已被证明广泛适用于“无限稀释”(x→0)的溶质中，如适用于蔗糖或氯化钠等非挥发性物质。
发明内容
本发明公开了一种用于二氧化碳捕集的多污染物治理设备及方法，是使水性液体通过高压喷头产生高压水雾与废气接触，以使废气中的CO2扩散到所述水性液体中形成含有CO2的水性溶液，并通过对喷雾段中高压喷头的喷射方向和废气的流动方向的相对角度进行调整，使废气与喷雾之间保持较高的压差，从而提高废气中二氧化碳捕集率。
本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明公开了一种除去工业废气中污染物的方法，是使水性液体通过高压喷头产生高压水雾与废气接触，以使废气中的CO2扩散到所述水性液体中形成含有CO2的水性溶液，所述废气与高压水雾以交叉流的形式接触，且废气与高压水雾喷射方向的角度范围为45-135°。
作为一种优选实施方式，所述水性液体以高压水雾的形式与废气接触后，经冷凝形成含有废气中污染物和/或污染物转化产物的水性溶液，并从所述水性溶液中提取回收污染物和/或污染物转化产物。
其中，所述水性液体是水，或含有与废气中污染物作用的物质的水溶液。
为了对废气中SO2等气体有更好的治理效果，所述水性液体中含有H2O2。
为了对废气中NO等气体有更好的治理效果，所述废气在与水性液体接触前，先与O3接触，将NO转化成NO2，提取热量。
优选地，所述高压喷头以喷雾阵列的形式存在。
本发明还公开了一种提高废气中二氧化碳捕集率的设备，所述设备包括至少一个雾化段及连接在所述雾化段之后的冷凝段，在所述雾化段内至少安装一级由高压喷头组成的喷雾阵列，所述喷雾阵列中高压喷头的喷射方向与雾化段内废气的流动方向呈45-135°，所述冷凝段为变径流量喷咀结构。
作为一种优选实施方式，所述变径流量喷咀的入口为收缩型喷嘴结构，出口为发散型喷嘴结构。
优选地，冷凝段填充的冷凝介质为氯化聚氯乙烯(CPVC)。
通常，所述废气是由化石燃料燃烧而产生的，所述化石燃料包括煤、石油和生物燃料等，当然也可以是由天然气燃烧而产生的。
还可以在所述雾化段的上游设置如下的配置：
废热锅炉，用于接收废气并除去废气中的热量；
静电除尘器，用于接收废气并除去废气中的颗粒物；
臭氧吸引器，接收来自于锅炉的含NO废气，并使含NO废气与O3接触，将NO转化成NO2，形成含有NO2和剩余NO的废气；
省煤器，用于废气余热回收。
此外，该设备还包括风机，用于将处理后干净的废气排出；还可以包括废水处理系统，用于接受高压喷雾阵列及相应的冷凝段中形成的冷凝液。
本发明还公开了一种捕集溶液中CO2的方法，将包含CO2气体的溶液排出，并将溶液中的CO2进行分离、压缩。
本发明还公开了一种废水处理系统，包括：
储罐，连接到冷凝段上，用于将冷凝段表面积累的废水进行存储；排汽口，引排储罐内冷凝液中的CO2，并将废水中所包含的CO2进行排放。
在废水处理系统中，可以将从废水中排出的CO2进行压缩、干燥、液化、存储。
本发明通过对喷雾阵列中高压喷头的喷射方向和废气的流动方向的相对角度进行调整，使喷雾阵列中高压喷头的喷射方向与雾化段内废气的流动方向维持在45-135°范围内，以便使喷向废气流中的高压细水滴与废气充分接触，将废气中尽可能多的CO2溶于高压水雾中；同时，在喷向废气流中的高压细水滴与废气接触的过程中，废气中的NOx、SOx、HCl、Hg和颗粒物等物质与高压水雾也将发生反应；本发明还公开了通过使废气与冷凝介质接触的方式，来提取含有NOx、SOx、HCl、Hg和颗粒物的溶液。
本发明所公开的设备与前边所申报的两个专利并不相同，以前申报的两个专利分别是专利名称为废热回收及污染物治理设备的美国专利6,344,177，和专利名称为将二氧化碳转化成醇的美国专利8,084,652，在之前申报的设备中，高压细水滴与废气流以对流的形式接触，进而将废气中的各组分进行溶解、反应、转化。此外，在本发明中，冷凝介质段采用变径流量喷咀设计，其入口是一个收缩型喷嘴结构，出口是一个发散型喷嘴结构，这种设计能够降低本发明设备单元内的流通面积。这种独特设计能够在高压喷雾段产生与废气流方向相反，快速移动的冲击波和/或频率波，并在高压喷雾和废气流之间保持大的压差。
具体的讲，本系统可以包括第一级雾化装置或喷雾阵列、第一级冷凝装置或冷凝介质、第二级雾化装置或喷雾阵列、第二级冷凝装置或冷凝介质；其中，第一级雾化装置或喷雾阵列，用于接收废气，并将废气与含有过氧化氢(H2O2)的水性液体喷雾接触生成含有硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、碳酸(H2CO3)和盐酸(HCl)酸液；第一级冷凝装置或冷凝介质，用于从含有硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、碳酸(H2CO3)和盐酸(HCl)酸液的废气流中冷凝出酸液，并从冷凝装置或冷凝介质的表面收集由HNO3、H2SO4、H2CO3和HCl形成的第一残留液体混合物。第二级雾化装置或喷雾阵列，用于接收废气，并将废气与水雾接触生成由硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、碳酸(H2CO3)和盐酸(HCl)形成的酸液；第二级冷凝装置或冷凝介质，用于从含有硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、碳酸(H2CO3)和盐酸(HCl)的酸液的废气中冷凝出酸液，并从冷凝装置或冷凝介质的表面收集由HNO3、H2SO4、H2CO3和HCl形成的第二残留液体混合物。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的CO2脱除率效果图。
图2为本发明实施例中高压水流与废气流逆（对）流的示意图。
图3为本发明实施例的装置图。
图4为本发明实施例中以煤、石油或生物燃料为化石燃料的多污染物治理装置的工艺流程图。
图5本发明实施例中以天然气为化石燃料的多污染物治理装置的工艺流程图。
图6为本发明系统的燃烧过程，燃烧过程中产生包含NO、NO2、SO2、HCl、Hg、Hg2、CO2和颗粒物的废气流。
图7为本发明实施例中用于收集烟气的接收系统。
图8为本发明实施例中多污染治理设备模块系统的不同视图。
图9为本发明实施例中的高压喷雾阵列及相关设备。
图10为本发明实施例中的废水处理系统。
图11为本发明实施例中的CO2压缩系统。
具体实施方式
为对本发明有更透彻的理解，下面将结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，并在以下实施例的详细说明中对许多细节进行阐述。然而，对于本领域技术人员而言，即使没有这些细节描述，本发明也可以实施。除此之外，本发明并没有对公知常识进行详细的介绍，以避免因不必要的描述而冗长复杂化。
总体上，本发明在具体实施方式中公开了一种多污染物治理设备和方法。具体地说，在本发明的一个或多个实施例中公开了一种从含有CO2的废气中捕集CO2的设备和方法，以在压差和水的综合作用下将废气中的CO2溶解。本发明还包括从废气中产生酸，这种酸包括但并不仅限于硫酸(H2SO4)和硝酸(HNO3)，并将这些酸与一种或多种试剂结合生成伯醇和仲醇。本发明设备中所使用的管道及配套管件、泵、阀门和其它装置都是由耐受材料制备而成的，该材料可承受在其中输送的被转化、加压、反应后新生成的或被其它方式处理的化学物质。本发明中使用的术语“酸”或“混酸”至少可以适用于碳酸、硫酸或硝酸。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述多污染物治理设备包括冷凝介质，例如但不限于氯化聚氯乙烯(CPVC)填料。为了降低进入多污染物治理设备之前废气的温度，在一个实施方式中，将省煤器设置在多污染物治理设备之前。此外，在本发明的一个或多个实施方式中配置了喷雾阵列或雾化装置，用于除去废气中的CO2。尽管本发明所公开的多污染物治理设备的实施方式中各阶段装置是按照特定顺序进行部署的，但各阶段中装置的顺序或数量并不仅限于此。本行业的技术人员应该了解，不同阶段的任何顺序和数量的调整都应该落入本发明要求保护的范围内。例如，在任何阶段应用任何数量的省煤器、喷雾阵列或雾化装置、除雾器、（引）风机都应落入要求保护的本发明范围内。因此，本发明的一个或多个实施方式中公开了一种灵活的、模块化的多污染物治理设备，能够从不同类型的工业废气中除去多种污染物。
本发明的一个或多个实施方案中的多污染物治理设备能够将产自于工业厂房废气中的污染物去除，这里的工业厂房涉及到多个领域的加工和制造业，包括但不限于食品加工和包装、纸浆和造纸、印刷、化工及相关产品、橡胶、塑料、医院、大学、金属工业、药品生产、废水和污水处理、饮料、公用事业、焚烧（火葬）、钢铁、化妆品、纺织品、电子产品和石油精炼等。
CO2、NOx、SOx、HCl、Hg、Hg(Ⅱ)和颗粒物这类不需要的和/或目标污染物的去除需要借助某些反应才能实现。下面介绍了一些用于除去废气中不同污染物的反应、方法和装置。
CO2
二氧化碳(CO2)是由两个氧原子和一个碳原子通过共价键形成的化合物，可溶于水，与水(H2O)接触生成碳酸(H2CO3)，该反应为可逆反应。然而，大部分的CO2并没有转化成H2CO3，而作为溶解的CO2存留在水中。因此，如果对水施加振动、低频波或热这类能量，水中的CO2分子将被释放到大气中。
NOx
NOx是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)的总称。NO和NO2都是燃烧过程中空气中的氮与氧发生反应形成的。NO2可通过将其与以水汽或烟气流中的蒸汽形式存在的水接触生成废水，再将废水收集并引流至废水处理厂进行中和处理。由于NO不能通过与水接触的方式除去，因此需要将NO通过化学反应转化成NO2，可以通过在废气中注入臭氧(O3)发生如下反应实现上述转化。
NO + O3→ NO2 + O2。
SOx
SOx是二氧化硫(SO2)和三氧化硫(SO3)的总称。这些氧化物是由如煤或石油这类含硫化石燃料在燃烧过程中形成的，借助于燃烧过程中的湿度，部分SO2转化成了SO3。通过向水中添加双氧水形成溶液，如5%的双氧水溶液，使SO2和SO3与双氧水溶液接触快速转化为含有H2SO4的废水。烟气中的废水冷凝后排至废水处理厂进行中和处理。
HCl
氯化氢(HCl)是一元酸，其与水接触转化成盐酸而除去。在盐酸溶液中，H+能够与一个水分子结合形成水合氢离子H3O+。
HCl + H2O → H3O+ + Cl。
Hg(0)和Hg(Ⅱ)
正常条件下，汞的性质非常稳定，极不容易氧化，通常都是以汞元素(Hg(0))的形式存在。在化石燃料（如煤）的燃烧过程中，汞元素(Hg(0))挥发（气化）变成汞(Hg(0))蒸气，此外，通过烟气中的氧化反应，部分汞(Hg(0))蒸气可以转化成汞离子Hg(Ⅱ)化合物。汞化合物Hg(Ⅱ)通常具有水溶性，因此可以通过将汞化合物Hg(Ⅱ)与水（水汽或蒸汽）接触，并将溶有Hg(Ⅱ)的蒸汽冷凝形成的废水引流至废水处理厂而除去。然而，汞蒸气(Hg(0))不溶于水(H2O)，因此，汞蒸气(Hg(0))不能通过与水接触的方式除去。幸运的是，在烟气温度下，汞蒸气(Hg(0))可以与气态的氯反应生成氯化汞(HgCl2)，而氯化汞(HgCl2)易溶于水，因此，可以将生成的氯化汞与水(H2O)（水汽、蒸汽或液态）接触而除去。
图1展示了与本发明相关的两个专利中CO2的脱除示意图，该两个专利分别是名称为“废热回收及污染物治理设备”的美国专利6,344,177，以及名称为“将二氧化碳转化成醇”的美国专利8,084,652。当废气流的流速为80英尺/分钟(MPM) (101)或24.384米/分钟时，CO2的脱除率为86%（如图1A所示，图1A中：1为CO2的脱除率，2为入口处CO2的浓度，3为出口处CO2的浓度）。然而，由于高压水滴与废气流的作用，当废气流的流速增加时，CO2的脱除率将发生变化，当废气流的流速增加至120英尺/分钟(102)或36.576米/分钟时，CO2的脱除率显著下降至11.1%（如图1B所示，图1B中：1为CO2的脱除率，2为入口处CO2的浓度，3为出口处CO2的浓度）。这一现象与亨利定律中“当一个流速增加，其他流速保持恒定时，将会引起压差的降低”相符合。
图2显示的示意图中，当废气流(201)以80英尺/分钟或24.384米/分钟的流速与2500psi的高压水流(202)接触时，会产生一个显著的压差(∆P)用于溶解CO2分子。在本发明的一个或多个实施例中，压差是由2500psi的高压水流(202)与流速为80英尺/分钟或24.384米/分钟的废气流(201)对流接触产生的。然而，当废气流(204)增加到120英尺/分钟或36.57米/分钟时，再与2500psi的高压水流(205)接触，产生的压差(206) (∆P)将降低，从而引起CO2分子的溶解或捕捉效率降低。
此外，当废气流(207)以80英尺/分钟或24.384米/分钟的流速与2500psi的高压水流(208)接触时，产生一个显著的压差(∆P)用于溶解CO2分子。在本发明的一个或多个实施例中，压差是由2500psi的高压水流(208)与流速为80英尺/分钟或24.384米/分钟的废气流(207)交叉流接触产生的。而且，本发明所述多污染物治理设备中，冷凝段采用变径流量喷咀设计，在与废气流流经变径流量喷咀时，产生频率波/冲击波(210)，对气流产生振荡效果，进而使压差(209)拥有更长的滞留时间，来溶解CO2分子。
此外，当废气流(211)的流速增加到120英尺/分钟或36.57米/分钟后，在废气流与保持在2500psi的高压水流(212)接触的过程中，压差(213) (∆P)降幅很小，从而获取较高的CO2分子的溶解或捕捉效率。此外，废气流以120英尺/分钟或36.57米/分钟的速率与2500psi的高压水流(212)接触时，废气流与高压水流之间保持着可观的压差(213) (∆P)，用于溶解CO2分子。此外，在本发明的一个或多个实施例中，多污染物治理设备冷凝段采用变径流量喷咀设计，在与废气流流经变径流量喷咀时，产生频率波/冲击波(214)，对气流产生振荡效果，进而使压差(213)拥有更长的滞留时间，来溶解CO2分子。
图3给出了本发明具体实施方式中多污染物治理设备的流程图。所述多污染物治理设备可以应用于化石燃料的锅炉或熔炉，如图所示，当选择煤、石油或生物燃料作为化石燃料时，可使用废热锅炉和静电除尘器这类相关设备。该设备包括一个热回收盘管(302)，通过热回收盘管(302)内一系列的管子来回收废气中的余热，并将回收的余热定向输送到换热器(303)，继而将换热器(303)中流体的热量传输至助燃空气(304)来预热空气，以更好地提高锅炉的工作效率。该设备还包括臭氧吸引器(305)及相关装置，如臭氧发生器(307)和O2供应单元(306)。该设备还包括第一级高压喷雾阵列(308)及相应的第一级高压泵(309)、反渗透系统(318)、第一级水供应单元(310)和H2O2供应单元(311)。所述多污染物治理设备还包括第一级冷凝介质 (312)，如氯化聚氯乙烯(CPVC)填料，该冷凝介质与排水管相连接，将所有冷凝的废水引流到污水处理中心(313)。该设备还包括第二级高压喷雾阵列(315)，其包括第二级高压泵(316)、反渗透系统和第二级供水单元(317)。此外，该设备还包括第二级冷凝介质(319)，如氯化聚氯乙烯(CPVC)填料，该冷凝介质与排水管相连接，将所有冷凝的废水也引流到污水处理中心(313)，用于对包含CO2在内的所有酸液进行收集处理。污水处理中心(313)中的CO2输送到CO2处理中心(314)进行压缩存储。此外，该设备还包括风机(320)，将洁净后的烟气经厂区排气烟囱排放。此外，该设备还包括反渗透系统，将经过反渗透系统处理的洁净水输送到供水单元(310)和(317)。
本领域技术人员应该了解，本发明的实施方式并不仅限于图3所示的装置构造。图3中直接或间接展示的各组件，从系统中的某一单元（如：上游单元）获得物料，并将物料（同样的物料或者在某种程度上改进后的物料）输送到系统中的另一单元中（如：下游单元）。在任何情况下，可以通过一系列的管道、泵或类似的配件从上游单元中接收物料。此外，尽管图3所示的实施例展现了各阶段，或多污染治理设备的特定顺序，但是各阶段的顺序或数量并不仅限于图3所示的特定安排。本领域的技术人员应该了解，在不脱离本公开范围的情况下，改变任何阶段数量和顺序排列都是允许的。例如：在该设备中用任何数量的省煤器、喷雾装置或喷雾阵列、冷凝介质或冷凝装置、除雾器和风机都不偏离本公开范围。
本发明通过具体实施方式展示了以煤或石油作主要燃料的多污染物治理方法。结合图4可看出，步骤(401)，废气进入省煤器进行热量提取(BTU)，将提取的热量再利用以达到节约能量的目的。步骤(402)，废气中的NO在与O3 (臭氧)接触的过程中转化为NO2。步骤(403)，使废气与水雾和双氧水充分接触生成酸液混合物。根据一个或多个实施例可知，在一个典型的化石燃料燃烧过程中，产生的废气中包括但不仅限于NO、NO2、SO2、Hg(Ⅱ)、HCl、CO2和颗粒物中的一种或多种。相应地，步骤(403)形成的酸液混合物中可能包括HNO3、H2SO4、Hg、HgCl2和废水中的一种或多种。酸液混合物中可能还包括其他化学品和材料（重金属、烟尘）。步骤(404)，通过与冷凝介质，如，CPVC填料段，接触的方式，从废气中提取形成的酸液混合物。步骤(405)，废气中残余的组分，如，NO、NO2、SO2、Hg、Hg(Ⅱ)、HCl、CO2和颗粒物，通过再次与水雾接触形成HNO3、H2SO4、H2CO3、HgCl2和废水的酸液混合物。步骤(406)，通过再次与冷凝介质如CPVC填料段进行接触，从废气中提取形成的酸液混合物。步骤(407)，可以通过将干净的废气与除雾器接触除去多余的水分形成干净的废气流。
在本发明的具体实施方式中，可以通过在溶液中加入冷冻胺来对CO2进行捕集，而不发生CO2逃逸。
将CO2的温度控制在10℃左右，能够确保胺和CO2结合形成化学结构。此外，在具体实施方式中，胺吸收CO2成为醇的起始基，如COOH或ROH，而所生成醇的种类则取决于胺的种类。如果温度高于120℃，胺和CO2将会分离，因此，即使可能有高温废气的存在，冷水也有利于使胺和CO2保持在合适的温度。此外，如下面实施方式中更详细的描述，在天然气燃烧应用中，胺溶液可用于吸收CO2，还可以向溶液中加入氯化铝锂，而不必将溶液进行蒸馏。详细描述见美国专利号8,084,652，本专利虽仅提供其名称，却视同全文引用，纳入此专利中。
如图5所示，本发明通过具体实施方式展示了以天然气作为化石燃料的多污染物治理方法的流程图。步骤(501)，在天然气燃烧过程产生的包含NO、NO2、CO2和颗粒物的废气进入省煤器进行热量提取(BTU)，并将提取的热量再利用以达到节约能量的目的。步骤(502)，将废气与O3接触，使废气中的NO 转化为NO2。步骤(503)，废气与水雾接触生成包含HNO3、H2CO3和废水的酸液混合物。该酸液混合物中可能还包括其它化学品和材料。通过将废气与冷凝介质(504)，如CPVC填料段进行接触，从废气中提取形成的酸液混合物。步骤(505)，废气中的残余组分，如NO2、CO2和颗粒物与水雾接触形成包含HNO3、H2CO3和废水的酸液混合物。步骤(506)，通过与冷凝介质（如CPVC填料段）进行再次接触，从废气中提取酸液混合物。步骤(507)，可以通过将干净的废气与除雾器接触除去多余的水分形成干净的废气流。
如图6所示，本发明通过具体实施方式所展示的设备，在燃烧过程中生成含有NO、NO2、SO2、HCl、Hg、Hg(Ⅱ)、CO2和颗粒物的废气。锅炉(600)是一个能够产出每小时以百万计的能量(BTUs)用于发电的火管锅炉或水管锅炉。锅炉(600)可以采用常规设计，包括燃烧器(601)，用于接收并控制预热燃烧空气(602) 和燃料(603) (如，煤)加入量，和一个液位控制器(604)，以保证锅炉给水水平。锅炉废气直接通过一系列的烟道导管(605)进入废热锅炉(606)，用于将废气的高温热量除去。
本领域技术人员应该理解，本发明的一个或多个实施方式并不局限于图6所示的配置。一个典型的废热锅炉(606)和/或余热发生器（热回收蒸汽发生器）组安装在化石燃料锅炉的废气出口，废气出口处的热废气通过废热锅炉(606)和/或余热发生器组内的许多组件，这些组件可以是蒸发器、省煤器、过热器和再热器的组合。蒸发器、省煤器、过热器和再热器的数量是由驱动汽轮机所需的压力级别决定的。废热锅炉(606)和/或余热发生器基于废气流的方向可以分为垂直或水平两种类型。对于水平类型，废气水平流过垂直管道，和/或垂直流过水平管道。废热锅炉(606)和/或余热发生器有单压力应用或多压力应用，而单压废热锅炉(606)具有单气包，且蒸汽是在单一的压力等级下产生的，多压废热锅炉(606)可用于两个或三个压力等级。
蒸发器部分的类型是非常重要的，通常是针对废热锅炉(606)单元的整体结构定义的。尽管余热发生器的类型和结构有很多种，本文将仅对以下五个一般类型的蒸发器进行描述。
1)D-Frame蒸发器布局：
D-Frame蒸发器对于需要从小型燃气轮机和柴油发动机中回收热量的废热锅炉机组非常适合。D-Frame蒸发器的设计非常紧凑，并且能在完全组装好后进行运输。然而，对于气流量大的单元，弯管的排列方式会导致模块超过运输载重限制，从而使其应用受到了一定程度的限制。
2)O-Frame蒸发器布局：
O-Frame蒸发器可能比其它任何一种配置的蒸发器的使用时间都长，其具有作为蒸汽分离包的上封头的优点。或者，上封头通过立管与蒸汽包连接，可以允许一个以上的O-Frame蒸发器连接到相同的蒸汽包，使气量大的模块可被运输。
3)A-Frame蒸发器布局：
这种A-Frame 蒸发器是O-Frame蒸发器的一个简单变形。因其能处理大量的灰而受欢迎，在较低的蒸汽包之间的中心区域可以配置用于收集和清除固体颗粒物的料斗。
4)I-Frame 蒸发器布局：
在过去的20年中，这种I-Frame蒸发器是所有蒸发器设计中最受欢迎的。此类蒸发器可以作为模块安装在多轴向模块或多侧向模块内，可以将其被设计为能够接受任何气流的配置。这种设计有多种变形，每个管汇可能包括一、二或三行管。通常，这种蒸发器在制造、装运和现场建造时更经济。这些管束可以组装成模块或者以零散的形式运到现场进行安装。
5)水平管式蒸发器布局：
采用水平管式蒸发器，不仅可以从燃气轮机排气中回收余热，也可以从炼油厂和石油化工炉的烟气中回收余热。由于运输限制，因此，该蒸发器具有与O-Frame 蒸发器类似的尺寸限制。通常，这种蒸发器比其它配置蒸发器的制造成本低，但如果这种蒸发器是一个与大管道，如：一些CO锅炉，或很长管道的自然循环设计，需要特别考虑，以确保所有的管子都能满足系统的排水需求。
废热锅炉的过热器部分是用于干燥蒸汽包中分离饱和蒸汽。在一些单元中，可能只需要预热到略高于泡点温度，而在其他单元中，可能需要额外存储能量，而被过热到一个较高的温度。过热器部分通常位于蒸发器前面的较热气流中。过热器的设计通常会随所使用蒸发器的类型而定，过热器的三种基本设计类型分别是水平管、垂直管和I-Frame。如果出口处的气流垂直向上，水平管过热器的设计通常用于D-Frame蒸发器。水平管过热器的设计预计也将用于水平蒸发器中。垂直管过热器的设计一般用于A-Frame 或O-Frame蒸发器中，但是，如果废气的出口采用水平设计，也可以用在D-Frame蒸发器中。I-Frame过热器将用于I-Frame蒸发器中，但也可以用在其它类型的蒸发器中。废热锅炉(606)产生的高温、高压蒸汽驱动蒸汽涡轮机 (607)，进而通过发电机 (608)发电，从而减少电厂的消耗，为整个工厂节约能源。
废热锅炉(606)中产生的废气进入静电除尘器(609)后，废气中的浮尘和其它大颗粒物被除去，静电除尘器(609)将会对废气中的颗粒物进行充电，形成带电粒子。带电粒子被吸引并沉积在金属板或其它收集装置上。处理过的空气从静电除尘器中流出，通过烟道排至大气中。当收集装置中累积了足够多的颗粒物时，可以通过机械敲击的方式来抖落收集器上的颗粒物。这些干的或湿的颗粒物落入该收集装置底部的料斗中进行处理或回收。静电除尘器(609)中通常会与用于脱除氮氧化物的脱硝单元和用于除去二氧化硫的洗涤器或其他设备搭配使用。
静电除尘器(609)最基本的设计是由垂直细导线和大平面垂直金属板组成的。根据应用目的的不同，金属板的之间的间隔可以从小于0.5英寸（1.3厘米）到7英寸（约17.8厘米）。废气流水平流过导线与层叠式金属板之间，在导线与金属板之间施加几千伏的负电荷，来达到除去气流中杂质的目的。
板式沉降器经常作为空气净化器或炉内过滤器的永久替代品而公开销售。不像其它空气净化技术，板式沉降器通常不会成为有害细菌滋生的温床。然而，板式沉降器的板很难清洁，并且能产生臭氧和氮氧化物。一些沉降过滤器通常会带着特殊的浸泡清洁器一起进行销售，可将整个组板拆下浸泡几小时后，以松动板上的颗粒物。
在许多工厂，在制造过程中产生的颗粒物作为灰尘释放到热废气中。如果这些含尘热废气释放到大气中，这些灰尘颗粒物会降低能见度，加剧气候变化，并致使人类产生如肺损伤和支气管炎这类严重的健康问题。直径小于2.5微米（0.0001英寸）的小颗粒物被吸到肺部后能引起炎症反应，因此是特别危险的。
在烟道气的清理过程中，静电除尘器是重要的工具，可以非常有效地降低直径约1微米（0.00004英寸）的颗粒物污染，一些静电除尘器甚至可以除去直径0.01微米的颗粒物。此外，静电除尘器可以处理在不同温度和流速下大量气体中的固体颗粒物或液滴。
依据于各种灰尘和水滴的特性和气流速度而设计的静电除尘器(609)具有不同的尺寸和类型。某些类型的静电除尘器是为了能在特定温度和湿度的气流中正常工作而设计的。为了除去烟尘中的杂质，干式静电除尘器在气流露点以上的温度工作。与此相反，湿式静电除尘器在相对湿度100%的饱和气流中工作。湿式静电除尘器通常是用来除去工业烟气中的油、树脂、沥青和硫酸雾等这类液滴。湿式静电除尘器主要用于湿度很充足、含有可燃性颗粒物或粘性颗粒物的气体中。
特大型的发电厂中，可能在每个单元中设有多个静电除尘器，而一般工厂中可能仅需要一个比家用吸尘器略大的静电除尘器。一些除尘器能从烟气中收集99.9%甚至更多的粉尘（可能含砷、酸和其他化学物质），这主要取决于气体的温度和流速、颗粒物的大小与化学组成、静电除尘器的设计及所应用的电压。静电除尘器内部，两电极之间，可产生一个单向静电场，该电场可将通过其中的废气流中的灰尘扫除。沉积在静电除尘器腔室外表面的灰尘或浮尘可以通过周期性振动的方式除去。
废气依次通过静电除尘器(609)和臭氧吸引器(610)。O2供应单元(611)与臭氧发生器(612)相连，臭氧发生器(612)中产生的臭氧输送至臭氧控制面板内的臭氧控制阀(614)对臭氧的流量进行调节，然后将臭氧输送至流量计(613)中，并通过流量计(613)对将进入臭氧吸引器(610)中臭氧的线性体积流速进行测定。
根据本发明的具体实施方式可知，臭氧吸引器(610)是一个烟气流通过的变径流量喷咀装置，在其中被注入物质的动能在绝热情况下增加。更具体地说，根据一个或多个实施例可知，在臭氧吸引器(610)输入端形成一个收缩型喷嘴结构，从而降低了排气烟道的流通面积，在几英尺后，臭氧吸引器(610)输出端形成一个发散型喷嘴结构，将增加排气烟道的流通面积。动能的增加引起压力的降低，它是通过流速的变化实现的。臭氧吸引器(610)是一个将作为氧化剂的臭氧通过喷嘴引入到废气中的装置，用于将废气中的一氧化氮(NO)氧化为二氧化氮(NO2)。在一个或多个实施例中，按照1:1的体积比，将臭氧引入到废气中。由此，将臭氧引入到废气中，将会发生如下化学反应：
NO + O3→ NO2 + O2
与臭氧混合后的废气可以带压流体的形式通过省煤器（热转换传递设备）(615)，该设备由钢管构成，钢管内给水以高于蒸汽涡轮机(607)的压力和锅炉单元输出蒸汽量相对应的速率供应。在一个或多个实施例中，任何类型或分类的省煤器的应用都没有超出本公开的范围。通常，省煤器可以根据不同的分类标准进行分类。例如，根据省煤器的几何布置形式可以分为水平或垂直型。根据废气流与省煤器管道的相对方向，省煤器可以划分成纵向或横向流动。根据排气和水流的流动方向，省煤器还可以分为顺流或逆流。根据热性能（给水被加热的程度），省煤器还能进一步分为沸腾式或非沸腾式。省煤器分类的其它例子还包括回管或连续管（取决于设计的细节）和基管或翅片式（根据受热面的类型）。省煤器内还可以采用交错或线管布置。省煤器内管子的排列情况影响许多因素，包括但不限于管束内的排气、通风损耗、传热特性及清洗的容易度。
再回到图6中，通过省煤器(615)，并借助流经一些列管件和阀门的如水这类的传热流体，将废气中的热传递到预热燃烧空气阶段(602)。通过管道、配件和泵将液体的热量消耗后，被转移到预热燃烧空气阶段(602)中的燃烧空气中的热又返回到省煤器(615)。在这种情况下，省煤器中的水被蒸发掉，此时，可以通过控制阀(618)向省煤器中补充自来水。
此外，锅炉(600)中的水变成蒸汽消耗后可以通过给水泵(617)从(D/A)脱泡桶(616)中抽取水向锅炉(600)中补充，通常称为“锅炉补给”或“锅炉给水”。来自于(D/A)脱泡桶(616)中的锅炉给水通过给水泵(617)来向锅炉中供水，并通过锅炉给水阀(620)对给水量进行调控。在具体实施中，锅炉给水阀(620)可以通过液位控制器(605)进行调节，使锅炉内的水始终保持在预定量。此外，废热锅炉(606)中变成水蒸汽而消失的水可以通过自来水进行补充，并通过控制阀(619)对废热锅炉(606)中的补水量进行控制。
根据本发明的具体实施方式可知，存在于省煤器(615)中的废气通过一系列烟道输送到多污染物治理设备中。
如图7所示实施例描述了一个用于接收废气的接收系统。具体而言，图7所示的接收系统仅代表本发明多污染物治理设备具体实施方式中的一样本。如上述图6所示实施例中来自于省煤器(615)中的废气直接输送到多污染物治理设备单元(700)。多污染物治理设备单元(700)包括第一级高压喷雾阵列(701)、第一级冷凝介质（CPVC填料）(702)、第二级高压喷雾阵列(703)、第二级冷凝介质（CPVC填料）(704)、除雾器(705)、风机(706)及排气烟囱(707)。
进入多污染治理设备单元(700)的废气与第一级高压喷雾阵列(701)接触，废气遇到高压溶液细水雾发生水解反应。此处所述的水解反应是一个化合物（或组合物）与水之间的化学反应，能够产生一种或多种新的化合物（或组合物）。第一级高压喷雾阵列(701)中每个高压喷头的配置都是为了释放高压液体水雾。高压水雾由小液滴（直径约10微米）组成，而小液滴具有较大的比表面积。例如图7所示的多污染物治理设备单元(700)中的高压喷雾阵列是由一系列连接到管道及配件上的高压喷头构成的。因此，高压喷雾阵列形成的喷雾模式对废气流进行喷洒，以确保废气中的各种污染物与水雾进行接触。小液滴和极大比表面积的雾状液滴的组合有利于废气中各种污染物与高压雾化溶液反应。此外，高压溶液液滴被引导与废气流以交叉流形式接触时，可使废气流与高压水雾之间保持一个显著的压差，以保证各种污染物均有较高的脱除效率。
在本发明的具体实施方式中，第一级高压喷雾阵列(701)中用于产生水雾的溶液来自于用于收集和贮存反渗透水的储罐(711)。高压喷雾泵(715)从反渗透储罐(711)中抽取反渗透水，并将抽取的反渗透水输送至第一级高压喷雾阵列(701)，同时，H2O2储罐(712)中的双氧水溶液通过H2O2化学计量泵(714)输送至高压喷雾泵(715)。向高压喷雾泵(715)中引入与水混合的H2O2的量通过控制阀(710)进行调控。从高压喷雾泵(715)输出的混合溶液通过控制阀(716)来对混合溶液的流量进行调控，以对废气流施加适量的混合溶液。混合溶液被输送到高压喷头中，高压喷头通过一系列管道及配件的连接构成第一级高压喷雾阵列(701)。混合溶液通过高压喷头进行喷射，其喷射压力约为1500psi至3000psi，以实现废气中各成分最大程度的水解。喷射液滴吸收NO2、SO2、HCl、Hg和Hg(Ⅱ)之类的污染物，并能溶解CO2。
例如，向废气中引入H2O2和H2O的混合溶液可能发生如下反应：
SO2 + H2O2→ H2SO4
3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO
HCl + H2O → H3O+1 + Cl-1
Hg(Ⅱ) + 2Cl-1→ Hg2Cl2
在本发明的具体实施方式中，通过第一级高压喷雾阵列(701)的废气与第一级冷凝介质(702)（如CPVC填料段）接触。饱和废气在第一级冷凝介质(702)表面形成一个湿润膜，H2SO4、HNO3、(H3O+1)(Cl-1)和Hg2Cl2在重力的作用下被湿润膜捕获形成包含上述各类型酸液的浓酸，并输送至排水管及配件(723)，排水管和及配件(723)引导浓酸进入废水槽(724)，然后，这些浓酸随后被分入中和操作工序。
此外，在一个或多个实施例中，第一级冷凝介质(702)的设计为一个变径流量喷咀，第一级冷凝介质(702)段的入口是一个收缩型喷嘴结构，这种设计能够减少多污染物治理设备单元内的流通面积，出口是一个发散型喷嘴结构。这种独特设计使得第一级高压喷雾阵列(701)段内产生快速移动地冲击波和/或高频率波，同时保持高压水雾溶液和废气流之间的较大压差。为了溶解CO2，需要在高压喷雾和废气流之间形成相当大的压差。可以观察到当高压喷雾与废气之间以对流形式接触时，在一般应用情况下，当废气的排气量较低，如80fpm (英尺/分钟)至 120fpm(英尺/分钟)时能够除去废气中的CO2。然而，当废气的排放量增加时，废气中CO2的去除效率将会降低。此外，在本发明的具体实施中，即使废气排放量很高时，多污染物治理设备单元也可以保持较高的CO2去除率，如能够在150fpm(英尺/分钟)至 1200fpm(英尺/分钟)的排放量间保持较高的CO2去除效率。
本发明所使用的“冷凝介质”包括任何能增强去除废气流中所夹带液滴的填料装置。例如，CPVC填料具有高孔隙比、压降小、传质单元高度低、 溢流点高、气液接触均匀、比重小、传质效率高等优点。一些旨在聚集细雾使之成为足够重，可从废气中分离的液滴的结构可被采用。用于多污染物治理设备单元的CPVC填料可以起到减少分离给定尺寸液滴所需的停留时间的作用。本领域技术人员应当理解，本发明所公开的各种类型的填料，如可由直径在0.1-0.3mm范围内的互锁非对称金属或塑料编织而成。这种类型的填料对液滴和低压下的液滴具有较高的去除效率。进一步，本发明的实施例可以适用本领域已知的或待开发的任何填料。
图7所示的实施方式中有废水处理中和槽(726)，其中包含的废水酸贮槽(724)通过污水泵(725)来对废水处理中和槽(726)中的pH值进行调控，废水处理中和槽(726)中的酸与石灰石这类的碱性化学品混合，以达到中和混酸的目的，使其处理起来更安全。当混酸进入控制pH值的废水处理中和槽(726)，pH值自动控制传感器(727)将信号发送到化学品储罐(730)，进而通过化学泵(729)控制向中和废水处理罐(726)中输送的化学品（如石灰石）量，以达到石灰石与酸混合发生中和反应。控制pH值的废水处理中和槽(726)中有一个化学搅拌器(728)，用于对控制pH值的废水处理中和槽(726)中接收的化学品进行混合。本发明中来自于控制pH值的废水处理中和槽(726)中和酸指的是盐，通过污水泵(731)输送至废水压滤机(732)中，将盐和颗粒物中的水挤出，仅留下挤压后的含水固体。从固体中分离出来的水作为循环水被重复使用，这些循环水通过一系列管道和及配件(733)输送至循环泵(734)，循环泵(734)将循环水再引流至循环水罐(735)中，在这个过程中循环水被重新使用。通过自动化控制阀(757)对进入到循环水罐(735)中循环水的体积和流量进行控制。此外，在具体实施方式中，循环水罐(735)中的循环水通过反渗透泵(736)引流至反渗透系统(708)，并通过自动控制阀(738)对进入反渗透系统(708)中的水流量和流速进行调控。
经过CPVC填料(702)的废气进入第二级高压喷雾阵列(703)进行接触。第二级高压喷雾阵列(703)可配置成能释放含有液滴的高压溶液水雾，其中，水雾中的液滴非常小（直径约10微米）且比表面积很大，从而使高压溶液水雾与废气中没有被第一阶段高压喷雾系统转化或捕获的各种污染物进行反应。高压喷雾泵(718)从反渗透水储罐中抽出反渗透水，并将反渗透水引流至高压控制阀(719)，对反渗透水的水量和压力进行调控，并通过一系列管道和及配件(738)引流至第二级高压喷雾阵列(703)。
在具体实施方式中，废气通过第二级高压喷雾阵列(703)后变成饱和废气与第二级冷凝介质(704)（如CPVC填料段）接触。饱和废气在第二级冷凝介质(704)表面形成一个湿润膜，H2SO4、HNO3、(H3O+1)(Cl-1)和Hg2Cl2在重力作用下被湿润膜捕获形成包含上述酸的混酸，并输送至排水管和及接头配件(723)。
此外，在本发明的具体实施中，第二级冷凝介质(704)的设计为一个变径流量喷咀，第二级冷凝介质(704)段的入口是一个收缩型喷嘴结构，这种设计能够降低多污染物治理设备单元内的流通面积，出口是一个发散型喷嘴结构。这种独特设计使得第二级高压喷雾阵列(703)段内产生快速移动地冲击波和/或高频率波，同时保持高压水雾溶液和废气流之间的较大压差。为了溶解CO2，需要在高压喷雾和废气流之间形成相当大的压差。
通过第二级冷凝介质(704)的废气流进入除雾器(705)接触，除雾器(705)通常安装在汽液分离器容器上来提高废气流中所夹带液滴的去除效率。除雾器(705) 可以是网格型分离器，叶片包或其它结构，旨在聚集细雾成足够重液滴使得能够从废气流中分离出来。除雾器(705)能减少分离所需要的给定尺寸液滴停留时间，从而减少分离器设备的体积和相关费用。
此外，在本发明的具体实施方式中，废气通过除雾器(705)后，直接通过风机(706)，风机(706)可补偿由多污染物治理设备单元或烟道中零件引起的任何摩擦损失，使废气流保持选定的流量和流速。废气流通过风机(706)，随后被引入排气烟囱(707)，然后废气通过排气烟囱(707)直接排放到大气中。
由图7可以看出，设备中还有第三个高压喷雾泵(721)作为备用，以防其它高压喷雾泵发生故障，同时，该泵也可与其余高压喷雾泵按顺序交替时间运行，以使三台泵的磨损程度相同。当使用高压喷雾泵(721)时，高压喷雾泵(721)将高压液体输送至控制阀(722)并将高压液体引流至高压喷雾阵列。
此外，在实施例中，反渗透系统(745)是一种利用半透膜将饮用水中较大颗粒物去除的水净化技术。在反渗透系统中，所施加的压力是用于克服渗透压，渗透压是一种依数性质，依数性由热力学参数化学势能决定。从反渗透系统输出的过滤、水输送至控制阀(710)并对过滤水的流量和压力进行调控，然后再输送至反渗透水储罐(711)。当反渗透系统(745)需要水时，可以通过自来水控制阀(709)对水量进行调制以满足反渗透系统(745)的需求。
此外，来自于第二级高压喷雾阵列(703)、第二级冷凝介质(704)和除雾器(705)中的冷凝液通过一系列管道和及配件(738)引流至CO2搅拌罐(739)。
此外，有些细节并没有在图或实施方式中体现出来，但并不代表其不存在，如：CO2搅拌罐(739)内有一个用于搅拌水的振动器或搅拌器（虽然未在图上标记出来），通过对其移动将水中溶解的CO2释放变成蒸汽和/或气体。CO2通过一系列管道和及配件(740)输送至CO2储罐(741)。CO2储罐(741)有足够的存储空间用于存储CO2，其存储量为系统20分钟的CO2处理量。
在具体实施中，当CO2作为产品被输送至其他地点时，为了运输的安全，需要将CO2加压液化。将CO2从CO2储罐(741)输送至罗茨泵(742)。罗茨型增压器或罗茨鼓风机是一种正位移凸轮泵，通过一对与齿轮相似的啮合凸轮来泵取CO2。在瓣周围捕获的CO2从进气侧向排气侧移动。从罗茨泵(742)中出来的CO2进入螺杆压缩机(743)，用于增加CO2的压力。来自于螺杆压缩机(743)中的高压CO2通过气体干燥器（未在实施例中标出），用于除去纯高压CO2中的水分。
进一步，高压CO2进入液化器(744)，在液化器(744)中高压CO2冷却成液体形式。通过标准制冷循环来液化压缩CO2气体。这种特殊CO2冷凝液化装置的应用大大降低了CO2的排放量，淘汰了不美观的塔顶冷凝器，并大大减少CO2冷凝液化系统的占地面积。
此外，在图8所示实施例中，多污染物治理设备单元中各阶段的数量和顺序并不限于这种特定顺序。本领域技术人员应该理解，任何阶段，数目及任何排列顺序的应用均不脱离本公开范围。例如，使用任何数量的省煤器、高压喷雾阵列、冷凝介质、除雾器和（引）风机都不脱离本公开范围。
图8A-8D展示了本发明具体实施方式中多污染物治理设备单元的各个视图，该单元是由800-804模块部分构建而成的，由此，允许单元根据厂房的规格尺寸配置及选型。
图8A为模块化多污染物治理设备的俯视图。第一部分(800)用于容设第一级高压喷雾阵列（如，第一级高压喷雾阵列(801))，其中第二部分(801)用于安装第一级填料部分，即第一级冷凝介质，（如，填料段(802))。第三部分(802)用于容设第二级高压喷雾阵列（如，第二级高压喷雾阵列(803))，第四部分(803)容设第二级填料部分，即第二级冷凝介质，（如，填料段(804))。第五部分(804)安装除雾器（如，除雾器部分(805))。
图8B所示的是本发明的一个或多个实施例的模块化多污染物治理设备的侧视图。进一步在一个或多个实施例中，通过侧视图中的单扇门(805)能够进入多污染物治理设备单元的内部组件中，例如，用于年度检查内部衬里和所有内部组件。
图8C展示了该设备单元的后视图。在具体实施方式中，外部衬里(806)可以是由蚀刻的预镀锌钢板（例如，16 gauge (2.4mm)）、环氧树脂涂层和成品耐久漆构建而成的；面板之间的内部介质(808)采用玻璃钢材质，这种材质由弹性长丝与热固性树脂粘结制成的，具有阻燃性能。此外，内部介质(808) 为可防崩坏或断裂的耐细菌和真菌的材料。在具体的实施例中，需内部介质(808)使用纤维，经具有资质实验室评估，满足要求纤维性质，并符合如：MVSS-302和UL94HF1的标准；内部衬里(809)可以为英科耐尔合金(incornel alloy)结构，如2gauge(6.4mm)并对其进行水密焊接使其能够耐受高温和潮湿的酸性环境。此外，内部衬里(809)可选择，但并不仅限于由高镍、高铬、耐氧化和还原环境的英科耐尔合金。在某些情况下，可以选择能够耐各种有机酸、氯化物应力腐蚀开裂(ClSCC)和其它化学还原剂的哈氏合金来替代。
结构框架(812)可以选择，但不仅限于6”×6”×0.187”的强度不锈钢，框架单元内部的切割边缘均使用高品质的焊接接头和/或螺栓接头(807)。在设备底部有一个连续、倾斜的底板(810)，以便将所有冷凝介质中的冷凝酸液滴引流至位于地面最低点的地漏(811)中。在具体的实施例中，倾斜底板也可以是由英科耐尔合金构建而成，如12gauge (6.4mm)，并对倾斜底板进行水密焊接来抵御高浓度酸液。
图8D所示的是本发明具体实施例中检修门的一个示例。多污染物治理设备单元的检修门(813)大小不一，带有多个铬门铰链(815)、凸轮型门闩（门锁存器）(816)和检查窗口(814)检修门(813)安装在钢板（未标出）上。检修门(813) 上设有橡胶密封垫片(817)用于承受异常温度条件，如，240-350℃。检查窗口(814)是安装在通道和密封(819)上的双层铁丝增强玻璃。检修门的内部竖壁(820)由英科耐尔合金构建而成的，并采用水密焊接。门之间的绝缘或介质材料(821)是玻璃钢材质，这种材质由弹性长丝与热固性树脂粘结制成的，具有阻燃性能。
图9A-E展示了本发明具体实施例中的一个高压喷雾阵列(901)，其中，图9A为喷雾阵列的侧视图，图9B为喷雾阵列的立体图，图9C为喷雾阵列安装详图-1，图9D为喷雾阵列安装详图-2，图E为喷雾阵列系统示意图。例如，高压喷雾阵列(901)可作为如图7所述的多污染物治理设备中的第一、二、三级高压喷雾阵列。配置在框架(902)上的高压喷雾阵列(901)能够侧装许多行和许多高压喷头，作为多污染物治理设备单元的一部分，高压喷雾阵列的侧/表面(903)用螺栓固定并密封在该设备单元上。高压喷雾阵列框架的每一行都包括多个管道、配件及高压喷头(904)。有利的是，当需要更换高压喷头(904)和/或高压喷雾阵列(901)时，可以从多污染物治理设备单元的侧边将高压喷雾阵列框架拖拉出来，无需关闭设备单元。此外，具体的实施例中，带有托盘的每个高压喷雾阵列可以从设备单元的顶部或侧部拖拉出来进行更换，无需关停设备单元。
在本发明的具体实施例中，高压喷头的喷嘴(905)可用316L不锈钢制成的，并具有能够拧入不锈钢管内螺纹端(906)的标准的外螺纹端。此外，高压喷雾阵列框架面板(909)可很容易地用螺栓固定和密封到多污染物治理设备上。
在本发明的具体实施例中，高压喷雾阵列的结构可以是垂直和水平的U型管槽(907)，高压喷雾阵列的管道和配件可通过U型支架(908)在管槽中固定。此外，还可以在高压喷雾阵列框架面板(909)上设有多个螺栓孔(910)，用于将高压喷雾阵列框架密封螺栓固定到多污染物治理设备上。
此外，在高压喷雾阵列框架面板的外表面，316L不锈钢管道及配件(911)固定到高压喷雾阵列框架面板(909)上，并与每一行的高压喷雾阵列连接。在高压喷雾阵列框架面板(909)的底部有一个316L不锈钢快速接头(912)，当需要将高压喷雾阵列框架(902)拉出时，断开316L不锈钢快速接头(912)连接即可。
此外，在本发明的具体实施例中，可以通过高压喷雾泵装置向高压喷雾阵列(901)提供高压液体，然后，高压喷雾阵列(901)又将高压液体提供给高压喷头(904)。
此外，在具体实中，反渗透水可以引流到高压泵装置，然后再进入雾化过滤装置(917)将所有颗粒物（如，管炉渣和灰尘）除去，再将过滤后的反渗透水输送至高压喷雾泵装置(916)待反渗透水增压到所需的压力后，将增压后的反渗透水引流至高压喷雾阵列(901)。此外，高压反渗透水可以通过水流量计(914)来记录水流的体积和压力；然后高压反渗透水流至控制阀(913)，在控制阀(913)中将水的流量和流速调至高压喷雾阵列的要求值。进一步，高压喷雾泵装置(916)的每一侧均设有可视压力表(915)，用于定期检查高压喷雾泵装置中的任何故障。
图10展示了本发明具体实施例中的废水中和系统。例如，从多污染物治理设备单元冷凝/浓缩得到的酸液引流至废水管道系统(1000)，这使得酸液废水自由流动到废水管道系统进行中和操作。废水管道系统(1000)和配件是由CPVC和/或316L不锈钢材料构建而成的，用于防止管道回路中的高浓度酸液对管道进行侵蚀和腐蚀。
此外，在本发明具体的实施例中，废水管路中的酸液可以通过用于对酸液流量和流速进行调控的三通自动控制阀(1001)。三通自动控制阀(1001)引导酸液进入螺旋反应器-1(1002)和或进入螺旋反应器-2 (1004)。
此外，在本发明具体的实施例中，酸液进入螺旋反应器-1(1002)和螺旋反应器-2(1004)中，使酸液与石灰石混合。石灰石是通过斗式提升机(1003)进入到螺旋反应器-1(1002)和螺旋反应器-2 (1004)中的。
在本发明具体的实施例中，可以通过斗式提升机(1003)将石灰石坑中的石灰石输送到螺旋反应器-1(1002)和螺旋反应器-2 (1004)中。此外，螺旋反应器-1(1002)和螺旋反应器-2 (1004)是用来处理工业或商业活动中产生的副产物-废水的处理设备，处理后的工业废水可以重新使用或外放。
在本发明具体的实施例中，螺旋反应器-1(1002)和螺旋反应器-2 (1004)中的废水进入化学搅拌罐(1005)，通过pH控制和混合器来确保化学搅拌罐(1005)中所有的酸已被中和。化学搅拌罐(1005)中的废水可以通过化学泵-1(1006)和化学泵-2(1007)（备用）引流至废水压滤机-1(1011) 和废水压滤机-2(1013)。
此外，在本发明具体的实施例中，废水可以通过一套管道和配件进入三通自动控制阀(1009)，通过对三通自动控制阀(1009)设定参数来对处理后的水的流量、压力和方向进行调控。处理后的水从三通自动控制阀(1009)流至废水压滤机-1(1011) 和废水压滤机-2(1013)，再引流至废水压滤机控制阀-1(1010)和废水压滤机控制阀-2(1012)。
在本发明的具体的实施例中，废水压滤机控制阀-1(1010)和废水压滤机控制阀-2(1012)，用于控制处理后的水进入到废水压滤机-1(1011) 和废水压滤机-2(1013)中的体积和压力参数。在废水压滤机-1(1011) 和废水压滤机-2(1013)中，通过挤压处理后的水，将盐和颗粒物从水中挤压出来，从而仅留下挤压后的含水固体。从固体中分离出来的水作为循环水被重新使用，并通过一系列管道和及配件(1014)输送至循环水贮水箱(1015)。此外，来自于循环水贮水箱(1015)中的水可以通过循环水泵(1016)和(1017)进入到机械过滤器-1(1018)和机械过滤器-2(1019)，并通过机械过滤器-1(1018)和机械过滤器-2(1019)除去水中任何剩余的悬浮物和盐后形成循环水，然后将循环水通过管道和配件(1020)返回至反渗透系统。
图11展示了具体实施例中的一个CO2压缩站，将捕集的CO2进行压缩以便于运输。此外，CO2可以通过一系列管道及配件(1101)输送至罗茨泵-1(1102)和罗茨泵-2(1103)。罗茨泵-1(1102)和罗茨泵-2(1103)没有内部压缩或排气/出口阀。
当吸入腔被打开时，气体体积激增返回至吸入腔，然后必须克服出口压力重新排放。由于这种作用，特别是在进口和出口之间存在高压差会产生一个高水平的能量耗散，导致在低气流流动时，罗茨泵有显著地散热，仅能输送出少量的热量。
在本发明的具体实施例中，CO2被输送至螺杆压缩机-1(1104)和螺杆压缩机-2(1105)进行压缩。当CO2进入到螺杆压缩机-1(1104)和螺杆压缩机-2(1105)时，经由压缩机的进气过滤器低压端进入，达到需要的压力时再进入中间冷却器，然后进入压缩机的下一阶段，将CO2冷却至所需的温度，最终将具有所需压力的CO2输送至空气干燥器-1(1106)和至空气干燥器-2(1107)。
由于压缩CO2中含有相当数量以蒸汽形式存在的水分，当温度下降时，蒸汽会凝结成液体，这些液体将是导致设备和系统生锈的主要原因。防止CO2中蒸汽冷凝的唯一方法是安装一个合适的干燥器，以压缩CO2的方式来降低露点温度。压缩后的CO2先经空气干燥器-1(1106)和至空气干燥器-2(1107)干燥后，再输送至液化器-1(1108)和液化器-2(1109)将压缩后的CO2液化。
本发明具体实施例中的液化器-1(1108)和液化器-2(1109)可以使用氮气作为主要的工作流体。而液化器的设计容量则视散装液体产品的预期平均每日需求量及同一空气分离装置中与CO2一起生成的其他额外液体的消耗需求情况而定。
此外，可以将CO2液体输送至一个灌装、运输和储存的地方，准备装运。

Claims (14)

1.一种用于二氧化碳捕集的多污染物治理方法，是使水性液体通过高压喷头产生高压水雾与废气接触，以使废气中的CO2扩散到所述水性液体中形成含有CO2的水性溶液，其特征在于：所述废气与高压水雾以交叉流的形式接触，且废气与高压水雾喷射方向的角度范围为45-135°。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述水性液体以高压水雾的形式与废气接触后，经冷凝形成含有废气中污染物和/或污染物转化产物的水性溶液，并从所述水性溶液中提取回收污染物和/或污染物转化产物。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述水性液体是水，或含有与废气中污染物作用的物质的水溶液。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述水性液体中含有H2O2。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述废气在与水性液体接触前，先与O3接触，将NO转化成NO2，提取热量。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述高压喷头以喷雾阵列的形式存在。
7.一种用于二氧化碳捕集的多污染物治理设备，所述设备包括至少一个雾化段及连接在所述雾化段之后的冷凝段，其特征在于：在所述雾化段内至少安装一级由高压喷头组成的喷雾阵列，所述喷雾阵列中高压喷头的喷射方向与雾化段内废气的流动方向呈45-135°，所述冷凝段为变径流量喷咀结构。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于：所述变径流量喷咀的入口为收缩型喷嘴结构，出口为发散型喷嘴结构。
9.如权利要求7所述的设备，其特征在于：冷凝段填充的冷凝介质为氯化聚氯乙烯。
10.如权利要求7所述的设备，其特征在于：所述废气是由化石燃料燃烧而产生的，所述化石燃料包括煤、石油和生物燃料。
11.如权利要求7所述的设备，其特征在于：所述废气是由天然气燃烧而产生的。
12.如权利要求10所述的设备，其特征在于，在所述雾化段的上游配置有：
废热锅炉，用于接收废气并除去废气中的热量；
静电除尘器，用于接收废气并除去废气中的颗粒物；
臭氧吸引器，接收来自于锅炉的含NO废气，并使含NO废气与O3接触，将NO转化成NO2，形成含有NO2和剩余NO的废气；
省煤器，用于废气余热回收。
13.如权利要求7所述的设备，其特征在于：还包括风机，用于将处理后干净的废气排出。
14.如权利要求7所述的设备，其特征在于：还包括废水处理系统，用于接收雾化段及冷凝段中产生的液体。
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