CN105992642A - 用于气体转化的利用超声波的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于将工艺气体转化成一种或多种其它气体的气体转化设备（100），包括：用于将工艺气体引入柱（125）中的液体介质内的器件（105）；以及被设置成生成超声波能量的超声波能量发生器（140），该设备（100）被构造成将由发生器（140）生成的超声波能量投入液体介质内，使得工艺气体暴露于超声波能量，该设备（100）被设置成允许收集已经暴露于超声波能量的工艺气体。该设备（100）也优选地包括微气泡发生器（120），以生成工艺气体的微气泡，以便暴露于超声波能量。超声波能量发生器（140）可以被构造成由于从中通过的驱动气体的流动生成超声波能量。

Description

用于气体转化的利用超声波的设备和方法

通过引用合并

WO2013/093527的内容特此通过引用并入本文。Wang et al, J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 48-53的内容特此通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及温室气体的处置和处理。具体地但不排他地，本发明涉及处置和处理温室气体，诸如从工业来源（诸如煤、油或燃气发电站）或者从一个或多个其它来源（诸如内燃发动机）排出的燃烧气体。在某些方面，本发明也涉及存储容器中的液体的处理。

背景技术

应该理解的是，来自工业厂房（诸如煤、油或燃气发电站）和其它来源（包括内燃发动机）的燃烧气体的排放对环境是有害的。二氧化碳的排放是受到特别关注的，并且对于减少排放到大气中的二氧化碳的量存在大量的兴趣。

减少排放的一种方法是捕集并且存储二氧化碳直到可用经济的处理方法将二氧化碳转化成害处更少的或甚至有益的形式，诸如碳和氧（O₂）。不过，二氧化碳的存储是昂贵的并且仅仅推迟了气体的转化的问题。

本发明的目标是解决与现有技术相关联的缺点。

发明内容

参考所附权利要求，可以理解本发明的实施例。

本发明的方面提供一种设备和一种方法。

在本发明要求保护的方面中，提供用于将工艺气体所包含的一种或多种反应物化学物种转化成一种或多种产物化学物种的气体转化设备，其包括：

用于将工艺气体引入载体液体介质内的器件；以及

设置成生成超声波能量的超声波能量发生器，

该设备构造成将由发生器生成的超声波能量投入液体介质内，使得工艺气体暴露于超声波能量，

该设备设置成允许收集一种或多种产物化学物种。

本发明的实施例具有如下特征：工艺气体可以经受超声波能量，从而导致工艺气体或其一种或多种化学物种转化成一种或多种其它化学物种（诸如一种或多种其它气体）。

通过将超声波能量投入已经引入工艺气体的液体介质内，工艺气体可以经受溃灭气泡（collapsing bubble）中的空化（cavitation），从而导致工艺气体从一种化学物种（诸如二氧化碳）向一种或多种其它化学物种（诸如一种或多种碳氢化合物和/或可选地一种或多种其它物种）的转化。例如，在一些实施例中，工艺气体可以是或者可以包括二氧化碳作为反应物化学物种，二氧化碳被转化成产物化学物种甲烷和氧。也可以使用其它转化反应。例如在一些实施例中，二氧化碳可以额外地或替代地转化成不同的碳氢化合物，诸如乙烷、丙烷或者碳氢化合物中的任意其它合适的碳氢化合物。在一些实施例中，二氧化碳可以被转化成非碳氢化合物材料。在一些实施例中，除了二氧化碳之外的一种或多种化合物可以被转化成一种或多种其它形式，无论是元素形式、化合物形式还是任意其它形式。

此外，本发明的一些实施例提供在用在工业中的化学化合物的生产中采用替代性能源（诸如可再生能源）的可能性，该化学化合物例如当反应时（例如当被氧化时，可选地通过在含氧气氛中燃烧）用作进料材料或用作化学能量源的化合物。因此，本发明的一些实施例在提供用于存储由可再生能源（诸如太阳能、风能、波能和/或潮汐能）所生成的能量的器件方面可以是有用的。这种可再生能量可以例如用于对压缩机提供动力以便驱动超声波能量发生器，和/或对分离器提供动力以便在工艺气体暴露于超声波能量之后分离化学物种。

在一些实施例中，工艺气体可以包括二氧化碳，其通过暴露于超声波能量而转化成一种或多种碳氢化合物。碳氢化合物随后可以用作进料材料，或者当需要时作为燃料燃烧。在一些实施例中，一种或多种碳氢化合物可以转化成一种或多种其它化合物，诸如一种或多种高级烷烃（higher alkane）、一种或多种烷烃、醇或者任意其它合适的化合物。

在一些实施例中，一种或多种催化剂材料可以用于促进一种或多种反应物化学物种向一种或多种产物化学物种（诸如铜、氧化锌、氧化铝（矾土、Al₂O₃））的转化。在一些实施例中，可以采用这些催化剂中的一种或多种以促进甲醇的合成。在一些实施例中，二氧化碳工艺气体可以或者直接地或者经由一种或多种中间化合物（诸如甲醇）转化成短链烯烃（诸如乙烯和丙烯）。

应该理解的是，短（1-4）C-链长度的烷烃碳氢化合物（甲烷、乙烷、丙烷、丁烷）在室温和常压下是气态，并且在这种温度和压力下仅C-5（戊烷）或C-5以上的烷烃会变成液体。在这些条件下，在C16或C-16以上它们通常是固态。本发明的一些实施例可以可选地通过使用合适的催化剂生成C-n烷烃，其中n大于1。如果产生呈液体或固体形式的一种或多种碳氢化合物，则可以采用用于将碳氢化合物与液体介质或者其它气体或固体介质分离的合适手段。

有利地，超声波发生器可以被构造成响应于从中通过的驱动气体的流动生成超声波能量。

这具有如下优势：工艺气体可以以极高效的方式经受超声波能量。应该理解的是，可以借助于驱动气体通过合适的发生器的流动来生成相对高强度的超声波能量，该发生器可以例如包括气哨装置（whistle device）。需要输入发生器以便生成相对高强度的超声波能量的能量的量可以少于如果采用其它超声波能量生成技术（诸如发电技术，诸如基于压电装置技术的超声波生成技术）时将需要的能量的量。

该设备可以被构造成引起载体液体介质中的工艺气体通过导管的流动，并且将工艺气体暴露于导管中的超声波能量。在一些实施例中。导管可以具有任意所需要的取向，诸如实质上水平。该设备可以被构造成在其中，当工艺气体沿实质上水平的方向行进通过导管时，工艺气体暴露于超声波辐射。在沿实质上竖直的方向安装的导管的情况下，可以引起工艺气体根据需要向上或向下行进。在一些实施例中，可以采用具有既非水平也非竖直的取向的导管。在一些实施例中也可以使用其它设置。

有利地，超声波能量发生器可以包括气哨装置，气哨装置被设置成当驱使驱动气体通过该装置时生成超声波能量。

该设备可以设置成在驱动气体通过超声波能量发生器之后将驱动气体馈送到液体介质内。

该设备可以被设置成其中，工艺气体提供或构成驱动气体。

即，可以引起工艺气体穿过超声波能量发生器来生成超声波能量，从而提供或构成驱动气体，随后通过进入液体介质，在该处气体经受由超声波能量发生器生成的超声波能量。

在一些替代性实施例中，驱动气体和工艺气体可以是不同的或者可以来自不同的源。例如，在一些实施例中，可以在闭合环路设置中供应驱动气体，由此已被迫通过气哨装置的驱动气体可以在实质上连续的环路中被再次压缩并被迫通过气哨装置。

驱动气体可以是任意合适的气体，诸如空气、氮气、二氧化碳、氩气或者任意其它合适的气体或者气体混合物。

该设备可以包括微气泡发生器，该设备被构造成引起工艺气体的微气泡将在液体介质中生成并且将经受由超声波能量发生器所生成的超声波能量的照射。

这个特征的优点在于，可以引起工艺气体的微气泡的空化。已经发现，如果工艺气体呈包含二氧化碳的微气泡的形式，则由于超声波能量以高度有效的方式照射，二氧化碳可以转化成碳氢化合物和氧。

该设备可以可操作成使已暴露于超声波能量的气体通过分离器（诸如气体分离器），以根据化学物种分离气体分子。分离器可以是任意合适的分离器，诸如中空纤维膜分离器。

应该理解的是，以上文所描述的方式暴露于超声波能量的工艺气体可以不再具有与暴露于超声波能量之前的工艺气体相同的化学物种或者组分。不过应该理解的是，作为工艺气体引入的气体和一种或多种产物化学物种可以随后穿过气体分离器以根据化学物种分离气体分子。在一些实施例中，已暴露于由超声波能量发生器所生成的超声波能量的气体被引入分离器以便从其分离产物化学物种。在一些实施例中，已暴露于超声波能量的气体和液体被引入分离器。分离器可以被构造成可选地除了从液体分离气体之外，还从其它液体分离液体化学物种（诸如一种或多种碳氢化合物物种）。因此，如果在一些实施例中，产物化学物种包括诸如分子氧的气体和诸如液体碳氢化合物（例如乙醇或者任意其它液体碳氢化合物）的液体，则分离器可以将分子氧和产物液体从设备的液体介质（其可以例如包括水）分离。

该设备可以被构造成将碳氢化合物气体从一种或多种其它气体分离。

该设备可以可操作成将产物化学物种（诸如如碳氢化合物气体的碳氢化合物化学物种）从工艺气体的化学物种分离。因此，该设备可以将诸如碳氢化合物气体的产物化学物种从用超声波能量照射之前的工艺气体所包括的一种或多种化学物种（诸如尚未反应以形成产物化学物种的一种或多种反应物化学物种）分离。

该设备可以可操作成将工艺气体中存在的已分离的化学物种返回到液体介质，以便进一步暴露于超声波能量。因此，用超声波能量照射之前的工艺气体所包括的一种或多种化学物种（诸如二氧化碳）可以再次经受超声波能量的照射。

该设备可以进一步包括：

气举柱（gas lift column），可以通过气举（gas lift）将液体介质泵送通过该气举柱；以及用于将工艺气体引入柱内以引起气举泵送柱中的液体介质的器件，

该设备被构造成将由超声波能量发生器生成的超声波能量投入柱中的液体介质内，使得经过柱的工艺气体暴露于由发生器生成的超声波能量。

该设备可以包括：

气举柱；和

用于引起由气举泵送柱中的液体介质的器件，

该设备被构造成将由超声波能量发生器生成的超声波能量投入柱中的液体介质内，使得液体介质和任意固体、液体和/或气体（诸如液体介质中的工艺气体）暴露于由发生器生成的超声波能量。

可选地，用于引起气举泵送柱中的液体介质的器件包括用于将气体引入柱内的器件。用于将气体引入柱内以引起气举泵送液体介质的器件可以包括用于引入工艺气体的器件。

该设备可以被构造成引起引入柱内以引起泵送的工艺气体暴露于由发生器生成的超声波能量。

在一些实施例中，超声波能量发生器由驱动气体提供动力。在一些实施例中，发生器可以包括一种或多种气哨装置。驱动气体可以具有与工艺气体实质上相同的化学组分。驱动气体可以为设备提供工艺气体。因此在一些实施例中，可以将驱动超声波能量发生器的工艺气体的至少一部分引入柱内。这可以至少部分地提供用于引起由气举泵送柱中的液体介质的器件。可选地，将工艺气体引入柱内可以提供实质上所有的提供泵送液体通过柱的气举。在一些实施例中，可以将工艺气体引入柱内以便暴露于超声波能量。

柱可以浸没在液体介质中，可选地在其中包含液体介质的槽（tank）中。替代性地，可以在槽的外部设置柱。

本申请人已经发现，气举泵装置的柱提供了有益环境以在其中使工艺气体经受超声波能量。这至少部分是因为引入柱中的液体介质内的工艺气体的至少一些在暴露于超声波能量期间可以被限制在柱内。因此，相比于如果将气体不受约束地引入槽内的情况，工艺气体可以以更加受控的方式暴露于超声波能量。应该理解的是，工艺气体经受的超声波能量的强度可以至少部分地取决于由发生器提供的超声波能量的源和工艺气体（当其通过或经过发生器）之间的距离，例如，由发生器提供的超声波能量的源和液体介质中的工艺气体的气泡之间的距离。在一些实施例中，距离越大，超声波能量的强度越小。因此，总体上有利的是，使工艺气体尽可能地靠近超声波能量的源地暴露于超声波能量。工艺气体穿过其并且工艺气体在其中暴露于超声波能量的导管的存在辅助促进工艺气体靠近源地暴露于超声波能量。

该设备可以被构造成将驱动气体馈送到气举装置的柱中的液体介质内，使得驱动气体在柱中暴露于超声波能量。

额外地或者代替地，该设备可以被构造成引起由微气泡发生器生成的微气泡经受由超声波能量发生器生成的超声波能量的照射。

该设备可以被设置成其中工艺气体包括二氧化碳。

该设备可以被设置成其中工艺气体按体积包括至少大约50%的二氧化碳。

该设备可以被设置成其中工艺气体基本上由二氧化碳构成。

该设备可以被构造成将碳氢化合物气体从已经穿过柱的气体分离。在一些实施例中，该设备可以被构造成将甲烷从已经穿过柱的气体分离。

在本发明要求保护的另一方面，提供安装在液体槽，可选地安装在液体保持槽中的根据本发明的前述方面或其任意实施例的设备。

可选地，槽包含液体。

可选地，液体设有悬浮、溶解或以其它方式分散在其中的催化剂材料的颗粒。

催化剂颗粒可以包括铁，可选地氧化铁，可选地含赤铁矿的化合物，可选地其中催化剂颗粒实质上由赤铁矿构成。

在本发明要求保护的一方面，提供在加工设施中，可选地在液体加工设施中，可选地在废液加工设施中成列安装的根据本发明的前述方面或其任意实施例的设备。该设备可以被构造成用工艺气体和超声波能量处理诸如废液的液体，可选地以处理废水，可选地污水。该设备可以被构造成消灭一种或多种生物物种，诸如生物体（诸如细菌或病毒生物体）或者其它生物物种，以便杀死所述一种或多种生物物种。在一些实施例中，该设备可以被构造成将液体中的一种或多种化学物种转化成一种或多种其它化学物种。

在本发明要求保护的另一方面，提供将工艺气体转化成一种或多种其它气体的方法，包括：

将工艺气体引入液体介质内；以及

借助于超声波能量发生器生成超声波能量，该方法包括将由发生器生成的超声波能量投入液体介质内，使得工艺气体暴露于超声波能量。

可以响应于通过发生器的驱动气体的流动生成超声波能量。

这种特征具有如下优点：相比于诸如借助于压电发电机电气地生成超声波能量的器件，可以以相对能量有效的方式生成超声波能量。

该方法可以进一步包括收集已暴露于超声波能量的工艺气体。

该方法可以包括通过驱动驱动气体通过气哨装置借助于发生器的该气哨装置生成超声波能量。

该方法可以包括在使气体通过气哨装置之后，将驱动气体馈送到液体介质内。

可选地，工艺气体提供或构成驱动气体。

该方法可以包括引起微气泡在液体介质中生成并且经受由超声波能量发生器生成的超声波能量的照射。

这个特征的优点在于，可以引起工艺气体的微气泡的空化。已经发现，如果工艺气体包括二氧化碳，则在超声波能量的照射过程中，二氧化碳可以转化成碳氢化合物和氧。

该方法可以包括引起借助于气体分离器根据化学物种分离已经受超声波能量的气体。

可选地，引起气体被分离包括将碳氢化合物气体从一种或多种其它气体分离。

可选地，引起气体被分离包括将碳氢化合物气体从工艺气体所包括的一种或多种其它气体分离。例如，引起气体被分离可以包括将碳氢化合物气体从不是碳氢化合物气体的气体分离。非碳氢化合物气体可以包括来自至少一些工艺气体（诸如工艺气体所包括的一种或多种化学化合物或者物种）向碳氢化合物的转化的一种或多种进一步的反应产物。额外地或者代替地，非碳氢化合物气体可以包括工艺气体初始包括的且实质上未改变的一种或多种化学化合物或物种。

该方法可以包括使工艺气体初始包括的所分离的一种或多种化学物种返回液体介质并且使所分离的化学物种在液体介质中经受超声波能量。替代性地或者额外地，该方法可以包括使不需要从设备提取的任意气体和/或液体返回液体介质，使得它们能够在液体介质中暴露于超声波能量。

可选地，将工艺气体引入液体介质内包括将工艺气体引入气举泵设备的柱内并且引起由气举泵送液体介质通过柱，由此将由发生器生成的超声波能量投入液体介质内包括将超声波能量投入柱中的液体介质内，从而通过柱的工艺气体暴露于超声波能量。

工艺气体可以包括二氧化碳。

工艺气体可以按体积包括至少大约10%的二氧化碳。

可选地，工艺气体可以按体积包括至少大约14%的二氧化碳，进一步可选地按体积包括至少大约20%，仍进一步可选地按体积包括至少大约40%，再进一步可选地按体积包括至少大约50%的二氧化碳。

工艺气体可以基本上由二氧化碳构成。

该方法可以包括将碳氢化合物气体从已经穿过柱的其它气体分离。可选地，该方法包括将甲烷气体从已经穿过柱的其它气体分离。

该方法可以包括将一种或多种其它化学物种（诸如氧气）从已经穿过柱的其它气体和液体分离。

该方法可以包括将液体介质从液体存储槽抽取到柱内。

液体可以具有悬浮、溶解或以其它方式分散在其内的催化剂材料颗粒。

可选地，该方法包括提供悬浮的、溶解的或以其它方式分散在液体中的催化剂材料颗粒，其中催化剂颗粒包括铁，可选地氧化铁，可选地含赤铁矿的化合物，可选地其中催化剂颗粒实质上由赤铁矿构成。

在一些实施例中，催化剂材料可以包括CdSe。该设备可以包括用于使催化剂材料暴露于可见光的器件，可选地带有超过大约420 nm的波长的光，以促进二氧化碳向一种或多种碳氢化合物的转化。CdSe可以用作光催化剂以促进CO₂的转化。CdSe可以与溃灭气泡中的空穴结合作用以促进二氧化碳向一种或多种碳氢化合物的转化。在一些实施例中，催化剂材料可以呈CdSe/Pt/TiO₂异质结构催化剂的形式，诸如在Wang et al, J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 48-53中所描述的那样，该文献的内容特此通过引用并入本文。额外地或代替地，也可以使用其它的催化剂材料。

在本发明要求保护的另一方面，提供将工艺气体转化成一种或多种其它气体的设备，包括：

用于将工艺气体引入气举装置的柱内的器件；以及

超声波能量发生器，其被设置成响应于从中通过的驱动气体的流动生成超声波能量，

该设备被构造成将由发生器生成的超声波能量投入液体介质中，使得工艺气体经受超声波能量，

该设备被设置成允许收集已暴露于超声波能量的工艺气体。

在本发明要求保护的另一个方面，提供将包括二氧化碳的工艺气体转化成可选地包括甲烷的一种或多种碳氢化合物的方法，包括：

将工艺气体引入气举泵的柱内，以引起由气举泵送柱中的液体介质；以及

通过驱动驱动气体从中通过借助于超声波能量发生器生成超声波能量，该方法包括将由超声波能量发生器生成的超声波能量投入柱中的液体介质内，由此使沿柱经过的工艺气体经受由发生器生成的超声波能量，

该方法进一步包括捕获已经通过柱的气体。

该方法可以包括除了一种或多种碳氢化合物之外还生成氧气。

已经通过柱的气体可以经受分离，由此将至少部分地由超声波照射工艺气体所生成的一种或多种产物化学物种从已经通过柱的气体分离。所述一种或多种产物化学物种可以包括诸如甲烷的碳氢化合物。

在本发明要求保护的另一个方面，提供用于将二氧化碳转化成一种或多种碳氢化合物（例如甲烷）和/或氧的设备，包括：

用于使液体介质中或通过液体介质的二氧化碳起泡的器件；以及

用于将液体介质中的二氧化碳气泡暴露于超声波能量的器件，

该设备被设置成允许收集已暴露于超声波能量的气体。

该设备可以包括气哨装置，其可操作成通过气体从中通过的通行生成超声波能量。该设备可以被设置成使二氧化碳通过气哨装置以生成超声波能量。

在气体通行通过气哨装置之后可以将该气体释放到液体介质内。替代性地，可以使气体再循环通过气哨装置。更进一步替代性地，气体可以排至大气。可选地，可以将气体存储在存储器件（诸如存储容器）中。

该设备可以被设置成借助于微气泡发生器在液体介质中生成二氧化碳微气泡，并且将微气泡暴露于超声波能量。将微气泡暴露于超声波能量可以被设置成导致二氧化碳转化成至少甲烷和氧。

该反应可以由下述方程表示：

CO₂+4H₂O=CH₄+2H₂O+2O₂

或者，替代性地，

CO₂+2H₂O=CH₄+2O₂。

在本发明要求保护的一方面，提供用于将二氧化碳转化成一种或多种碳氢化合物（例如甲烷）和/或氧的设备，包括：

用于使通过液体介质的二氧化碳起泡的器件；以及

用于将液体介质中的二氧化碳气泡暴露于超声波能量的器件，

该设备被设置成允许收集已暴露于超声波能量的化学物种。该化学物种可以呈液体和/或气体的形式。

在本发明要求保护的另一方面，提供用于将二氧化碳转化成一种或多种碳氢化合物（例如，包括甲烷）和/或氧的设备，包括：

用于将包括二氧化碳的气体暴露于超声波能量的器件，以及

用于收集已暴露于超声波能量的气体的器件。

超声波能量可以由超声波气哨装置生成。

在本发明要求保护的进一步的方面，提供用于将二氧化碳转化成一种或多种碳氢化合物（例如，包括甲烷）和/或氧的设备，包括：

气举柱，可以由气举将液体介质泵送通过该气举柱；以及

流体递送装置，其用于将二氧化碳流体的流动递送到柱内，

该设备包括用于由从中通过的二氧化碳的流动生成超声波能量的装置，该装置可操作成将超声波能量投入柱中的液体介质，从而使二氧化碳经受超声波能量，

该设备进一步包括用于捕获已通过柱的气体的器件。

用于生成超声波能量的装置可以包括气哨装置，其可操作成由气体从中通过的通行生成超声波能量。该设备可以被设置成使二氧化碳通过气哨装置以生成超声波能量。气体可以在气体通行通过气哨装置之后可以将该气体释放到液体介质内。

替代性地，通过气哨装置的气体可以被重新加压并且再次被迫通过气哨装置。应该理解的是，在一些实施例中，额外于或代替于二氧化碳，可以使除二氧化碳之外的气体通过气哨装置。

该设备可以被设置成借助于微气泡发生器在液体介质中生成包含二氧化碳或实质上由二氧化碳构成的气体的微气泡，并且将微气泡暴露于超声波能量。实验表明，在合适的条件下，将包含二氧化碳的微气泡暴露于超声波能量可以产生二氧化碳向甲烷和氧的转化。

可以将微气泡有利地形成为具有在大约50微米或更小的范围中的直径。可以将微气泡有利地形成为具有在大约1微米至大约50微米的范围中的直径。

在本发明要求保护的另一方面，提供用于将工艺气体转化成一种或多种其它气体的气体转化设备，包括：

用于将工艺气体引入液体介质内的器件；以及

设置成生成超声波能量的超声波能量发生器，

该设备被构造成将由发生器生成的超声波能量投入液体介质内，使得工艺气体暴露于超声波能量，

该设备被设置成允许收集已暴露于超声波能量的工艺气体。

在本发明要求保护的进一步方面，提供用于将二氧化碳转化成一种或多种碳氢化合物（例如，包括甲烷）和/或氧的设备，包括：

气举柱，可以由气举将液体介质泵送通过该气举柱；以及

流体递送装置，其用于将二氧化碳流体的流动递送到柱内，

该设备包括用于生成超声波能量的装置，该装置可操作成将超声波能量投入柱中的液体介质内，从而使二氧化碳经受超声波能量，

该设备进一步包括用于捕获和/或容纳已经通过柱的气体的器件。

在一些实施例中气体可以容纳在液体槽的空部空间（ullage space）中，至少初始地在通行通过柱之后。替代性地或者额外地，可以将气体从柱直接馈送到分离的存储或加工容积，可选地通过分离器。在一些实施例中，柱可以联接或延伸以形成导管，沿该导管经过的气体通过该导管被输送到存储或加工容积。

可选地，用于生成超声波能量的装置被构造成通过从中通过的气体的流动生成超声波能量。

构成本发明要求保护的又一方面是气泡发生器的某些构造本身，其用于用在本发明的任意上文限定的方面的气体转化设备的实施例中，以及用在其它处理设备中，诸如各种气举泵设备，例如用于船舶（vessel）的液体存储槽或压舱槽中的液体的循环。

因此，在要求保护的本发明的另一方面，提供用于在处理设备中在液体介质中生成气体的气泡，优选地微气泡的气泡发生器，该气泡发生器包括：

位于液体介质中并且被构造成用于在其中形成所述气体的气泡的气泡形成部分；

用于将气体的输入流动递送到气泡形成部分的输入部分；以及

用于将成形的气体气泡的输出流动从气泡形成部分发出的输出部分；

其中，气泡形成部分包括一个或多个涡旋诱发元件，其被构造成在从中通过的气体的流动中诱发涡旋。

在要求保护的本发明的进一步的方面，提供用于在处理设备中在液体介质中生成气体的气泡，优选地微气泡的气泡发生器，该气泡发生器包括：

涡旋诱发部分；

用于将气体的输入流动递送到气旋诱发部分的输入部分；以及

用于发射气体气泡的输出流动的输出部分；

其中涡旋诱发部分包括一个或多个涡旋诱发元件，其被构造成在从中通过的气体的流动中诱发涡旋。

在上文限定的气泡发生器的一些实施例中，所述一个或多个涡旋诱发元件可以包括位于输入部分和出口部分之间的气体流动路径内的一个或多个，优选地多个，涡旋诱发叶片元件。所述叶片元件或每个叶片元件优选地包括冲击面并且所述叶片元件或每个叶片元件的冲击面可以优选地定向成不平行于输入部分中的输入气体流动的方向。以此方式，当气体流动到叶片元件上并且经过叶片元件时，迫使冲击到叶片元件的冲击面上的气体的输入流动改变方向，从而当其从输入部分流动到输出部分时，在气体流动路径中产生旋涡或涡旋效应。

在上文限定的气泡发生器的一些实施例中，可以提供多个叶片元件，并且它们可以优选地是围绕正交于输入部分中的输入气体流动的方向的纵轴线相对于彼此等间距的，尤其在环形设置中。

在上文限定的气泡发生器的一些实施例中，涡旋诱发部分可以包括圆顶构件，其用于将流入涡旋诱发部分内的气体通导向涡旋诱发元件。在优选形式中，圆顶构件可以具有辐射状（radiused）内部形状，其被构造成用于当气体在其内的气体流动路径中流动时，减少涡流的生成。

在上文限定的气泡发生器的一些实施例中，可以进一步在其中提供在所述一个或多个涡旋诱发元件下游的加速器部分，以便加速气体的输出流动，尤其是沿朝向输出部分（气体的流动在该处进入设备中的液体介质）的出口的方向的气体的输出流动。加速器部分可以例如限定气体流动路径的一部分，包括锥形通路，该通路具有朝向其出口径向向内组件变细的内部形状。以此方式，可以增强气体的涡旋或旋涡流动，从而尤其是在优选的实践实施例中，当他，它们暴露于由也可以存在的一个或多个超声波能量发生器提供的超声波能量时，改进液体介质中的气体的起泡的空化的程度。

在上文限定的气泡发生器的一些实践实施例中，用于将气体的输入流动递送到涡旋诱发部分的输入部分可以包括导管，该导管经由其近端，例如以悬臂型固定的方式安装在设备中，并且在其远端承载涡旋诱发部分。导管可以远离设备的侧壁（诸如存储槽、管线或气举泵设备的柱的侧壁）在液体介质中支撑涡旋诱发部分，可选地在气举泵设备的柱内。为了辅助导管的支撑，尤其是假定在该设备中或通过该设备的液体介质的流动可以在导管的外部施加相对高的力，则通过一个或多个支撑构件或腹板，例如设置在导管及其在设备上或在设备中的锚定位置之间的一个或多个加强腹板、托架、扶壁或类似元件或构件，可以增强导管在设备中的安装。在一些实施例中，导管中的气体流动的方向和经过输入部分的液体的流动的方向可以被定向成实质上彼此垂直。

在上文限定的气泡发生器的优选实施例中，气泡发生器本身优选地是微气泡的发生器，这优选地意味着其被构造且布置成生成具有在大约50微米或更小的范围中的直径的气体气泡。气泡发生器可以被构造成生成具有在从大约1微米至大约50微米的范围中，可选地从大约10微米至约50微米的范围中，进一步可选地从大约20微米到大约50微米的范围中的直径的气泡。

将在下文结合本发明的其它方面的某些具体描述的实施例进一步描述根据本发明的这种替代性方面的气泡发生器的实施例的进一步有利的特征。

本发明的这种替代性方面的上文限定的气泡发生器的实施例本身可以用于多种处理设备中的各种用途。在一些优选应用中，处理设备可以是气体转化设备，并且气体是用于由该设备转化成一种或多种其它气体的工艺气体。这样的气体转化设备可以是根据本发明的各种实施例在如本文上文所限定的其各种方面中的气体转化设备。

然而，在其它应用中，处理设备可以是气举泵设备，例如用在或当使用时处于船舶（诸如船只或其它海上航行的或水运船艇）的液体存储槽或压舱槽中的气举泵设备，例如以便在杀死细菌或非细菌的水生有害物种（ANS）的过程中使其中的水或者其它液体循环。

因此，根据保求保护的本发明的另一替代性方面，提供一种气举泵设备，包括：

柱，其在使用中具有实质上直立的部分，液体介质可以由气举泵送通过该直立部分；以及

根据本发明的另一方面的气泡发生器，以便在液体介质中生成气体的气泡。

可选地，该设备可以包括气体递送装置，以便在柱的第一位置处将气体的流动递送到柱内，以引起气举泵送液体介质。

气泡发生器可以被设置成引起当液体介质通过柱时在液体介质中形成气泡。替代性地，气泡发生器可以被设置成引起在之后被供应到柱的液体介质中形成气泡。

在上文限定的气举泵设备的优选实施例中，可以进一步提供至少一个超声波能量发生器，其被构造成向由气泡发生器形成的气体气泡施加超声波能量。这样的一个或多个超声波能量发生器可以是结合本发明的其它方面的实施例在本文中限定的那些如应用于气体转化设备的那些超声波能量发生器中的任意超声波能量发生器。

压舱水处理设备可以包括气举泵设备，或者气举泵设备可以构成压舱水处理设备的至少一部分。可以在船舶上提供该设备。该设备可以被构造成处理一个或多个压舱槽的压舱水。该设备可以被构造成在压舱水中生成微气泡，并且可选地，将压舱水中的微气泡暴露于超声波能量。微气泡可以包括船只烟道气体，可选地是燃烧气体，并且包括二氧化碳。由微气泡发生器所采用以生成微气泡的气体可以具有小于2%，可选地小于1.5%，进一步可选地小于1%的氧浓度。氧浓度可以大于0.1%。在一些实施例中，氧浓度可以是约0.5%或者约0.6%。

在上文限定的气举泵设备的优选实施例中，气泡发生器的气泡形成部分可以有利地定位成在柱内实质上同轴。

上文限定的气举设备的实施例可以采取多种形式。一些特别有用的形式是如在我们的共同未决国际专利申请WO2013/093527中所公开和示出的那些形式，该公布的申请的说明书和附图的全部内容特此无保留地通过引用并入本文。

在本申请的范围内，明确地预想到的是，可以独立地或以任意组合采用在之前的段落中、在权利要求中和/或在以下描述和附图中陈述的各种方面、实施例、示例和替代方案，以及具体地其各个特征。结合一种实施例描述的特征可以应用于所有实施例，除非明确地另外说明或者这样的特征是不兼容的。

附图说明

现在将参考附图，仅通过示例的方式，描述本发明在其各种方面的各种实施例，附图中：

图1是根据本发明的实施例的设备的示意图；

图2是以（a）沿实质上水平的轴线的横截面视图和（b）当沿设备的柱向下观察时的根据本发明的实施例的微气泡发生器的示意图；

图3是以（a）侧视图和（b）当沿设备的柱沿流体流动方向观察时的图1的设备中所采用的超声波发生器阵列的示意图；

图4示出（a）适于在根据本发明的实施例的设备中使用的气哨装置的侧视图，以及（b）沿与（a）中相同的观察方向的横截面视图；

图5以（a）截面图和（b）平面图示出根据本发明的进一步的实施例的转化器部分；

图6示出图5的实施例的微气泡发生器；

图7示出图5的实施例的超声波发生器；

图8是以（a）侧视图、（b）沿（a）的方向V1的视图和（c）沿（b）的线B-B的截面图示出的图7的实施例的喷嘴构件的放大视图；

图9是被设置成加工发电站锅炉废气的根据本发明的实施例的锅炉废气加工系统的示意图示；以及

图10是气举泵设备的进一步的实施例的示意图示，其中提供了图6的实施例的微气泡发生器。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例的气体转化设备100的示意图示。图1的设备100被构造成将二氧化碳工艺气体转化成甲烷气体和氧气。

设备100具有压缩机105，以便压缩从外部源供应到设备100的二氧化碳工艺气体。已经由压缩机105压缩的工艺气体被供应到设备100的转化器部分115，其位于液体保持槽110内。槽110包含足够量的水，以实质上浸没转化器部分115。也可以使用除水之外的液体。液体可以包含一种或多种添加剂以便促进气体转化、抑制腐蚀和/或抑制细菌生长。

转化器部分115具有连接至直立导管或者柱125的微气泡发生器部分120。微气泡发生器部分120被构造成在气体入口130G处接收二氧化碳工艺气体，并且在液体入口120L处接收来自槽110的液体。如下文更具体地描述的那样，微气泡发生器部分120生成微气泡并且允许它们向上升到柱125内。

柱部分125在其下部设有超声波发生器部分140。超声波发生器部分140具有气哨装置150的阵列，当迫使加压的气体通过它们时，其生成超声波能量。超声波能量引起微气泡的空穴（cavitation）上升通过柱部分125，从而导致至少一些二氧化碳转化成甲烷和氧。

在柱中上升通过超声波发生器部分140的气体在柱140的自由端140E处从柱140排出，并且上升到槽110中的液面110LL上方的槽110的顶部空间110H。甲烷、氧和未转化的二氧化碳的混合物因此聚集在顶部空间110H中。在一些实施例中，额外地或代替地，一种或多种其它碳氢化合物可以聚集在顶部空间110H中。

槽110具有第一气体出口端口110G1和第二气体出口端口110G2，气体出口端口在使用中的槽110中的最大预期液面上方的水平处通过槽110的上壁110U连接到槽110。

第一气体出口端口110G1联接到气体分离器部分190，同时第二气体出口端口110G2联接到压缩机105的入口。经由第二气体出口端口110G2从槽110离去的气体因此再循环通过转化器部分115。这种特征使得顶部空间110H中的二氧化碳的浓度能够减少，从而减少来自顶部空间110H的必须由分离器190加工以便获得给定量的甲烷的气体的量。可以控制从顶部空间110H流动至压缩机105和分离器190的气体的相对量，以便控制顶部空间110H中的二氧化碳和一种或多种其它气体的浓度。

微气泡发生器

图1的设备100的微气泡发生器部分120是旋流（或者'旋流式'）微气泡发生器120。其被设置成在进入发生器120的气泡剪切部分130内的液体中诱发涡旋。诱发涡旋以便促进穿过气泡剪切部分130的液体中的微气泡的形成。

图2中更具体地示出了微气泡发生器部分120。图2（a）是当正交于微气泡发生器部分120的圆筒轴线A观察时的发生器部分120的横截面视图。图2（b）是当沿箭头B的方向观察时沿圆筒轴线A的视图。

发生器部分120设有液体入口120L，以便允许槽110中的液体流入转化器部分115内。如从图2（a）能够看出的那样，通过入口120L进入发生器部分120的液体沿与发生器部分120的内壁实质上相切的方向进入发生器部分120。这种特征促进通过发生器部分120的液体的涡旋流动。

流过微气泡发生器部分120的液体被迫流过节流部分或文丘里（Venturi）部分121。文丘里部分121具有：收缩部分C，其是这样的一部分，在收缩部分C上，发生器部分140的横截面积随着距液体入口120L的距离减小；横截面积实质上恒定的喉部部分T，其恰在收缩部分C的下游；以及，横截面积增加的发散部分D，其恰在收缩部分C的下游。

气体入口123设置在文丘里部分121的喉部部分T中，并且被布置成允许工艺气体喷射到通过喉部部分T的液体内。入口123设置在围绕喉部部分T的圆周的间隔分开的位置处，相邻入口123实质上彼此等间距。在所示的实施例中设有十二个入口123。其它数量的入口123和入口123的其它布置也是可用的。

在使用中，通过文丘里部分121的液体被布置成引起对在通过发生器部分120的液体中形成的气体气泡的剪切。通过入口123喷射作为气体的气泡形式。与形成在静止液体中的气体气泡的平衡大小相比，气泡的剪切引起气泡的大小减小。已发现图2中所示的类型的微气泡发生器部分120对于在转化器部分115中产生微气泡的稳定流动高度有效。

超声波能量发生器

转化器部分115被构造成在使用中将液体的流动以及夹带于其中的工艺气体的微气泡从微气泡发生器部分120传递到超声波发生器部分140。

图3中更具体地示出了超声波发生器部分140。图3（a）以侧视图示出了超声波发生器部分140，同时图3（b）如从上方沿轴线A观察的那样示出超声波发生器部分140。超声波发生器部分140包括气哨装置的两个线性阵列，分别是141AA、141AB。每个阵列具有四对气哨装置141，每对当中的一个装置安装在实质上水平的气体馈送线GA、GB上方，同时另一个安装在其下方。沿每条馈送线GA、GB流动的气体被迫流动通过气哨装置141，该气体被排到柱125内的液体。

参考图4，每个气哨装置141具有呈腔室141C的形式的一部分，其也提供气哨主体。喷嘴构件141N和接受器构件141R联接到气哨主体141C。气哨主体141C被布置成以与接受器构件141R实质上固定间隔地分开并且与喷嘴构件141N实质上同轴的关系来支撑接受器构件141R。喷嘴构件141N被示为联接到气体供应头141GH，其形成相应的气体馈送线GA、GB的一部分。

喷嘴构件141N被布置成引导工艺气体流动通过接受器构件141R的开口141RO进入由接受器构件141R限定的开放腔141RC内。接受器构件141R被布置成旋拧到气哨主体141C中的内螺纹（tapped）孔内，从而将接受器构件141R联接到气哨主体141C。接受器构件141R因此被布置成闭合腔室141C的一端。从喷嘴构件141N到腔141RC的气体的流动导致以哈特曼型（Hartmann-type）气哨装置的方式生成超声波能量。其它的气哨装置也可以是可用的。

通过接受器构件141R的旋转借助于螺纹可以调整接受器构件141R的开口141RO与喷嘴141N之间的距离。

在一些布置中，可以调整由接受器构件141R限定的腔141RC的深度D。在一些布置中，借助于进一步的螺旋调整，例如通过调整在一端处限定腔141RC的内基底表面的螺旋（screw）的位置进行调整。这种特征具有以下优点：可以优化由装置141产生的许多声能。在一些实施例中，通过调整深度D可以调整声能的频率（即，由装置141生成的声波的频率）。

气哨主体141C提供与喷嘴构件141N和接受器构件141R同轴的实质上管状套筒，该套筒具有在其中形成的一对孔141A，以适应来自喷嘴构件141N的流出主体141C并且流入柱125中的液体内的气体流动。气哨装置141由此用作气体递送装置，从而将气体的流动递送到柱中的液体内。气体在液体中上升，从而引起气举泵送液体通过转化器部分115。

用于驱动超声波发生器的气体可以被称为驱动气体。驱动气体可以是与工艺气体类型相同的，并且可选地来自与工艺气体相同的源。替代性地，驱动气体可以是不同的气体。

在一些实施例中，工艺气体可以是燃烧反应的产物。工艺气体可以根据燃烧条件包括约13-14%的二氧化碳或者其它的量，其余部分是氮、硫氧化物（SO_x）和氮氧化物（NO_x）。例如，可以从煤、油或者燃气发电站递送工艺气体。在一些实施例中，工艺气体可以是舰只的烟道气体。包含二氧化碳的其它气体源（诸如来自内燃发动机的废气）也是可用的。

在一些替代性实施例中，该设备被布置成使得驱动气体不排放到柱中的液体内。在一些实施例中，可以再次加压驱动气体并使其循环通过气哨装置141。

转化反应

应该理解的是，二氧化碳的微气泡暴露于转化器部分110的柱125中的超声波能量引起微气泡溃灭，从而引起气体迅速且急剧的加热和自由基的生成。相信这会导致二氧化碳通过下述等式向甲烷和氧的转化。

该反应可以由下述等式表示：

CO₂+4H₂O=CH₄+2H₂O+2O₂

或者，替代性地，

CO₂+2H₂O=CH₄+2O₂。

在一些实施例中，可以提供催化剂以便催化反应。可以以颗粒形式提供催化剂，催化剂的颗粒悬浮在槽110中的液体介质中。在一些实施例中，催化剂颗粒包含铁或者其氧化物。在一些实施例中，赤铁矿颗粒或者含赤铁矿的颗粒是可用的。

本发明的实施例具有如下特征，可能对环境有害的一种或多种气体（诸如二氧化碳）可以以相对简单的方式并且借助于能量有效的工艺被转化成有用的形式。相比于生成超声波能量的其它方法（诸如电气换能器装置），借助于加压气体的流动生成超声波能量使得能够提供相对稳固且适应性强的设备。

在转化由发电站排出的燃烧气体中存在的待转化成氧和甲烷气体的二氧化碳时，本发明的实施例是有用的。在本发明的一些实施例中，生成的氧气可以被释放到环境中或者存储在氧气容器中并且被使用或销售，例如作为工业工艺气体。

生成的甲烷气体可以用作燃料，或者用于任意其它合适的目的，诸如化学物质加工中。

应该理解的是，在一些实施例中，不执行已经通过柱125的气体的再循环。在一些实施例中，在不再次循环的情况下将气体供应到分离器190。在一些实施例中，不将已沿柱125经过的气体递送到分离器190。在一些实施例中，气体被存储在存储槽中。

应该理解的是，根据本发明一些实施例的气体转化设备可以借助于由可再生能源（诸如太阳能）生成的电能来操作。应该理解的是，在一些实施例中，可以在足够高的压力下将工艺气体供应到设备，以使得超声波能量发生器的气哨装置能够在不需要压缩工艺气体的情况下操作，使得不需要压缩机105。此外，可以在足够高的压力下供应工艺气体，以使得能够向压缩机提供动力，以便压缩在从顶部空间110H抽出之后进行再循环通过柱125的气体，使得需要很少或实质上不需要额外动力来操作压缩机105。

在一些实施例中，在顶部空间110H中聚集的气体（在一些实施例中至少是甲烷和氧的混合物）可以呈可以用作燃料或可以用在不需要分离甲烷和氧的工业过程中的形式。在顶部空间110H中存在残余的二氧化碳工艺气体的实施例中，通过使气体再循环通过压缩机105直到二氧化碳的浓度足够低使得气体可用作燃料或用在具体工业过程中，可以降低二氧化碳的浓度。其它的布置也是可用的。

在本发明的一些替代性实施例中，可以采用不同的微气泡发生器和/或不同的超声波能量发生器。

图5中在215处示出了转化器部分的一个替代性实施例。图5的转化器部分215具有不同的微气泡发生器220和不同的超声波能量发生器240。与图1的实施例的那些特征相似的图5的实施例的特征用增加了100的相似的附图标记示出。

图5示出在图5（b）的截面A-A处观察的转化器部分215。图5（b）以平面图示出转化器部分215。转化器部分215具有柱225，其在其基底处具有液体入口220L，该液体入口220L被布置成允许液体从其下端被吸入或泵入柱内。

图5（a）的实施例是实质上按比例的，并且长度L1是大约160 mm并且长度L2是大约1100 mm。其它尺寸也可以是可用的。

微气泡发生器220设置在入口220L上方并且包括凸缘220F1，其被布置成将发生器220联接到柱225的对应凸缘225F1。应该理解的是，柱225可以以任意期望的取向布置。在本实施例中，柱225布置成沿实质上直立的竖直方向，并且柱225的圆筒轴线A实质上竖直。在图5的实施例中，微气泡发生器220的凸缘220F1安置在实质上竖直的平面中。

如图6（a）所示，微气泡发生器220具有气体导管230GB，其穿过并且固定地联接到凸缘220F1。导管230GB从凸缘220F1延伸，实质上正交于凸缘220F1并且与其同轴，并且限定杆状结构以便在杆的自由端处支撑气体起泡装置221。一对竖立腹板部分230W在一端处附接到凸缘220F1，并且沿导管230GB延伸并沿导管230GB的长度的大部分联接到导管230GB。腹板部分230W直接布置在导管230GB的上方和下方，并且用于加固和加强导管230GB。应该理解的是，在柱225内通过导管230GB的液体的流动可以在导管230GB上施加并非假想（insubstantial）的力。因此，腹板部分230W的存在至少部分用于减少导管230GB的弯曲。腹板部分230W被设置成实质上平行于沿平行于柱225的圆筒轴线A的方向的液体流动。

起泡装置221具有外壳221H，其限定向下开放的腔， 其中设有中空圆顶构件221D，该构件221D是具有辐射状内部形状的圆顶形的或杯子形的构件。圆顶构件221D布置在进入起泡装置221的工艺气体的流动的上方，并且被设置成辅助将流入起泡装置221内的气体通导向下朝向插入构件221I，如下文所述。圆顶构件221D的辐射状内部形状用于当工艺气体流入圆顶构件221D时减少外壳221H中的涡流的生成。

引起进入起泡器221的工艺气体向下流动通过实质上圆筒形的中空插入构件221I，其被设置成在组装期间从下方（相对于所示取向）引入，从而在起泡器221的外壳221H内形成滑动配合。插入构件221I设有五个诱发旋涡或诱发涡旋的竖立叶片元件221IB，叶片元件221IB围绕插入构件221I的上部周缘等间距地分开。也可以使用其它数量的叶片元件221IB。叶片元件221IB与导管230GB的纵向圆筒轴线对齐，使得它们的冲击面直接定位在工艺气体通过导管230GB进入外壳221H内的流动路径中。叶片元件221IB被定位成围绕正交于工艺气体通过导管230GB进入外壳221H内的气体流动方向的纵向轴线呈环形对称布置。因此，进入起泡器221的工艺气体直接冲击在叶片元件221IB的面上，这引起工艺气体开始在起泡器221内旋动。即，工艺气体呈现涡旋状流动路径。工艺气体被迫向下流动通过由插入构件221I限定的流体通路。该通路呈圆锥形式，向内逐渐变细，使得通路从其上端到其下端缩窄。因此，工艺气体向下并且远离叶片元件221IB流动的速度随距叶片元件221B的距离而增加。

在插入构件221I的下端，提供圆筒形孔盖构件221AP，其旋拧到外壳221H的自由端上，从而将插入构件221I保持在外壳221H内。孔盖构件221AP具有设置在其头部221APH中的并且与外壳221H同轴的孔221APA。孔221APA被设置成允许工艺气体流出起泡器221并且进入浸没有起泡器221的液体内。引起工艺气体呈现旋涡流动且随后被迫沿插入构件221I加速的特征具有可以将气体以相对高的速度并且在带有高密度旋涡或旋转的情况下喷射到柱225中的液体内的特征。本申请人已经发现，可以引起由以此方式将气体喷射入液体内形成的气体气泡具有特别小的大小，并且在一些实施例中直径小于50微米，从而使得气体能够与柱225中的液体紧密地混合。此外，已经发现，当在向上通过柱225的液体流动中向上抽取气体气泡或迫使气体气泡向上朝向超声波能量发生器240时，气体气泡是稳定的并且保持实质上相同的大小。

在图6的实施例中，起泡器221被设置成实质上与柱225同轴，使得其圆筒轴线（实质上与插入构件221I和孔盖221AP的圆筒轴线重合）实质上与柱225的圆筒轴线重合。也可以使用其它布置。不过，已经发现，通过布置起泡器221使得其相对于柱225实质上居中，可以相对于柱的横截面区域建立相对均匀的微气泡流动。

图7更具体地示出超声波能量发生器240。图7（a）是发生器240的3D视图，同时图7（b）是形成发生器240的一部分的十九个气哨装置241之一的外部视图。图7（c）示出沿图7（b）的截面B-B观察的装置241，同时图7（d）是装置241的3D视图。与图4的装置的特征类似的图7的装置的特征用增加了100的相似附图标记示出。

如能够在图7（a）中看到的那样，十六个气哨装置围绕转化器部分215的柱225周向布置，并且三个气哨装置沿柱225的直径布置在间隔分开的位置处，面向使用中通过柱225的液体流动方向的上游。其它数量的气哨装置和气哨装置的其它布置也是可用的。在所示实施例中，设置气哨装置241使得沿柱225行进的实质上所有流体在至少一个气哨装置241的主体的50 mm的部分内通过。这样以确保流体中夹带的微气泡暴露于足够高强度的超声波辐射。也可以使用其它距离。

根据图4中所示的实施例的气哨装置141，图7的气哨装置241具有限定了内螺纹气哨主体的腔室241C。喷嘴构件241N和接受器构件241R借助于相应的螺纹联接到气哨主体241C。在所示实施例中，接受器构件241R实质上整个容纳在气哨主体241C内，并且相对于喷嘴构件241N呈实质上固定的、间隔分开的并且实质上同轴的取向。在所示实施例中，喷嘴构件241N由与气体供应头联接件241GHC相同的部件一体地形成。联接件241GHC设有内螺纹，其被布置成允许喷嘴构件241N联接到气体供应头。外螺纹允许喷嘴构件241N联接到气哨主体241C。

图8示出分离于外壳241C的喷嘴构件241N和气体供应头联接件241GHC。图8实质上按比例绘制并且在本实施例中长度L1是40 mm并且直径DGHC是近似31 mm。也可以使用其它尺寸。

如图8中所示，喷嘴构件241N具有分流导叶元件，其也可以被描述为湍流器241NT。湍流器241NT是实质上平坦的矩形元件，其被设置成将从喷嘴构件241N流出的气体分成两半。已经发现湍流器241NT的存在使得能够将气哨装置241生成的超声波能量的频率调谐成实质上恒定的可重现频率。在一些实施例中，频率在从大约20 kHz至大约30 kHz的范围中，可选地在从大约20 kHz至大约26 kHz的范围中。额外地或代替地，也可以使用大于30 kHz和/或小于20 kHz的其它频率。湍流器241NT相对于喷嘴构件241N的纵轴线A（其在使用中与柱125的纵轴线实质上重合）的长度LNT是近似1 mm。也可以使用其它尺寸，并且可以由技术人员经验地确定湍流器241NT的长度的合适值。

喷嘴构件241N被布置成引导气体流动通过喷嘴构件241N进入由接受器构件241R限定的开放腔241RC内。气体从喷嘴构件241N流动进入腔241RC导致以哈特曼型的气哨装置的方式生成超声波能量。流动通过气哨装置241的气体通过气哨主体241C中的孔241A从装置流出，从而导致柱225中的气体提升。

在所示实施例中，气哨装置241可以被调谐成生成具有在从20至大约26 kHz的范围中的频率的超声波能量。如上所述，在一些实施例中，可以使用更高频率。应该理解的是，技术人员将能够确定用于驱动气哨装置的最佳气体压力，和喷嘴构件241N和接受器构件241R之间的最佳距离，以生成具有适当频率和幅值的超声波能量。本申请人已经确定，在气哨装置241在新鲜水（fresh water）表面下方2 m或更深的深度处且工艺气体压力为1-4 bar，可选地在1-5 bar的范围中的情况下，通过合适地调整喷嘴构件241N和腔241RC之间的距离，可以生成具有合适的幅值和频率的超声波能量。借助于螺纹通过接受器构件141R的旋转可以调整接受器构件141R与喷嘴141N之间的距离。在一些实施例中，用于驱动气哨装置241的驱动气体在大约1.5 bar的压力下被供应到液体存储槽110中的液面下方2 m深处的气哨装置241。在一些实施例中，可以使用高于5 bar的更高压力。

已经发现本发明的实施例使得能够在转化器部分115、215的柱中的液体中非常高效地生成微气泡。当微气泡经受由超声波能量发生器生成的超声波能量时，微气泡发生空化。确信的是，如果微气泡包含二氧化碳，则溃灭的微气泡中的空化导致二氧化碳如上所述的那样转化成碳氢化合物气体和氧。

在一些实施例中，可以生成甲烷气体。在一些实施例中，额外地或代替地，可以生成一种或多种其它碳氢化合物。例如，在一些实施例中，除甲烷之外或代替甲烷，可以产生甲醇和/或乙醇。额外地或代替地，在一些实施例中可以产生其它烷烃，诸如乙烷、丙烷和一种或多种其它烷烃。在液体保持槽110、210中的液体中可以提供一种或多种催化剂材料，以便促进具体产物的形成。

在一些实施例中，可以特定地产生非碳氢化合物气体。

图9是示出煤、油或燃气发电站380的示意图示，其连接到锅炉废气转化设备300，该设备300被构造成将包括二氧化碳的工艺气体转化成甲烷气体和氧气。设备300具有液体保持槽310，液体保持槽310中提供实质上如关于图5（a）至图8所描述和示出的那样的三个转化器部分215。也可以使用其它数量的转化器部分215，诸如1、2、4、5、10或者任意其它合适的数量。

设备300被布置成接收呈发电站锅炉废气形式的工艺气体，并且使气体初始地通过气体冷却洗涤器（scrubber）381。洗涤器381借助于水冷系统使气体冷却，并且额外地去除悬浮在气体中的颗粒（诸如烟灰颗粒）。在一些实施例中，额外地或代替地，可以去除气体的一种或多种其它成分，诸如SO_x和/或NO_x。

之后，在工艺气体或者直接行进到转化器部分215或者经由氮分离系统383行进到转化器部分215之前，工艺气体通过气体压缩系统382。分离系统383被设置成将氮气从工艺气体中分离。分离系统383可以包括膜分离系统，可选地中空纤维膜分离（HFMS）系统，其被构造成去除氮。分离出的氮被传递到氮气输出处置系统384，借助于该处置系统384，可以将氮排放到大气、存储或者用于一种或多种其它目的。其余的气体被馈送到转化器部分215。

如上文所述，保持槽具有三个转化器部分215，每个均被布置成在其柱225中生成工艺气体的微气泡，其中柱225浸没在保持槽310中的液体中。转化器部分215被布置成使微气泡经受高强度超声波辐射。将已经通过至少一个转化器部分215的柱225的气体从液体槽310中抽出并且馈送到气体压缩系统388。设备300被设置成允许将气体直接馈送到气体压缩系统388或者经由氮分离系统386馈送到气体压缩系统388。如果设备300被操作成使得将气体经由氮分离系统386馈送到气体压缩系统388，则由氮分离系统386从气体中分离出的氮被馈送到氮气输出处置系统387，在此可以将氮排放到大气、存储或者用于一种或多种其它目的。

在一些使用情形中，锅炉废气转化设备300被设置成使得流动通过系统到达气体压缩系统388的气体仅通过两个氮气分离系统383、386中的一个。在一些替代性情形中，设备300被设置成允许气体流动通过两个分离系统383、386。

在一些实施例中，设备300仅具有这两个氮气分离系统383、386中的一个。在一些实施例中，该设备300可以不被构造成使气体通过任意单独的氮气分离器383、386。

通过气体压缩系统388的气体随后被馈送到甲烷分离器389，其将甲烷从进入分离器389的气体中分离。分离出的甲烷被存储在甲烷存储槽390中。

将已经从中分离出甲烷的气体从分离器389馈送到氧分离器391，氧分离器391将氧从馈送到分离器391的气体中分离。分离出的氧被存储在氧存储槽392中。已由分离器391从中分离出氧的气体可以在被排放之前经受进一步处理。

因此，可以采用设备300以从发电站锅炉废气，具体地从发电站锅炉废气中所包含的二氧化碳中生成和分离出碳氢化合物和氧。

应该理解的是，氮分离系统383、386中的每一个都可以具有压缩机以便在气体通过其分离器部分（诸如膜分离器）之前压缩气体。

在本发明的实施例中，可以由任意合适的分离器（诸如膜分离器，例如中空纤维膜分离器HFMS，或者任意其它合适的分离器）执行气体的分离。

在一些实施例中，提供设备以便将二氧化碳转化成碳氢化合物燃料，该设备由电能提供动力。电能的主要消耗者是气体压缩机、气体分离器装置和被设置成控制设备的控制模块。采用该设备以通过使用来自可再生能源（诸如太阳能、地热能、风能、波能或潮汐能）的电能将二氧化碳转化成碳氢化合物气体、液体或固体。在本实施例中，设备被设置成将二氧化碳转化成甲烷。在一些实施例中，设备可以适于安装在家庭或者商业建筑环境中，并且甲烷气体被用于当需要时加热水或者其它物质，例如以便洗涤或者烹饪。在一些实施例中，如此生成的二氧化碳可以被收回到设备以便转化回甲烷。也可以使用其它布置。

在一些实施例中，可以结合可再生能量捕集装置或设备（诸如具有太阳能面板、功率逆变器和控制电子器件的太阳能光电池能量发生器）来提供设备。

图10是示出在气举泵设备450的示例中使用图5和图6中所示的实施例的新颖的微气泡发生器220的示意图示，该设备450诸如用于循环在船舶（例如船只或其它水上航行船舶）的液体存储槽或压舱槽中的液体，诸如出于杀死其中的水生有害物种（ANS）的目的。应该理解的是，可以在气举设备的其它实施例和结构中利用微气泡发生器220或者本文所限定的本发明的该方面的范围内的微气泡发生器的其它实施例，包括在WO2013/093527（其全部内容特此通过引用并入本文）中所公开的那些。

如图10所示，气举泵设备450包括如图5中所示的且在图6中以放大的细节示出的新颖的微气泡发生器220，以及声能发生器400，其设置在大体竖直的（在使用中）气举柱460中。声能发生器400可以是如在本发明的其它方面中的本发明的其它实施例中所使用的任意示例声能发生器，或者实际上可以是如WO2013/093527的任意实施例中所公开和示出的结合的流体递送装置/声能发生器。柱460填充有液体，例如水（诸如在其中设有该设备的船舶的压舱槽中），其在气举的作用下作为流动L被泵送通过柱460。

微气泡发生器220可操作成将气体P（诸如二氧化碳）的流动经由起泡器221喷射到柱460内，输出气体流动朝向声能发生器400上升。优选地，起泡器221实质上同轴地位于在柱460内（即，沿共同的纵轴线X对齐），以便当气体微气泡离开起泡器221并在柱460中朝向声能发生器400上升时，增强气体微气泡流动的均匀性（相对于柱460的横截面区域Di）。设备450可操作成通过气举的作用从抽吸管460H将水或者其它液体L泵送通过柱460，其中气举是由于经由声能发生器400喷射到柱内的气体以及起泡器221所导致的。如上文所述，在一些实施例中，用于引起声能发生器400生成声能的驱动气体可以由设备450再循环，而不是被排放到气举柱460内。

气体气泡以如关于图6在上文描述的那样的相同方式在气泡发生器220的起泡器221内形成并从起泡器221喷射出。当将气体P经由导管230GB喷射通过起泡器221并在从其底部（出口）喷出时，气泡的大小由其所经历的剪切力被减小到微米级水平。

如WO2013/093527中所公开的那样，图10中所示的利用新颖的微气泡发生器220（或者本文所限定的其各种其它新颖实施例）的气举泵设备的这种示例布置可用于处理例如水运船舶中的压舱水，例如用于杀死细菌ANS以及非细菌ANS。

虽然图10的实施例示出微气泡发生器220定位在来自抽吸管460H的液体L的流动流中，但是应该理解的是，可以采用这些部件的各种替代性构造，如例如在WO2013/093527中教导和公开的那样。比如，微气泡发生器220可以替代性地设在具有闭合下端的柱的基底处，并且在该处设有专用的单独入口以便向其中供应待由设备泵送的水或者其它液体，例如以与图1的设备的液体入口120C相似的方式。

贯穿本说明书的描述和权利要求，词语“包括”和“包含”和该词语的变型，例如“包括有”和“包括了”表示“包括但不限于”并且不旨在（并且不）排除其它部分、添加物、部件、整体（integer）或步骤。

贯穿本说明书的描述和权利要求，单数也涵盖复数，除非上下文另外地要求。具体地，在使用不定冠词的情况中，说明书应被理解为考虑到复数以及单数，除非上下文另外地要求。

结合本发明的具体方面、实施例或示例所描述的特征、整体、特性、化合物、化学组成部分或化学基团应当被理解为适用于本文所描述的任何其它方面、实施例或示例，除非与之不兼容。

Claims (67)

1.一种用于将包括在工艺气体中的一种或多种反应物化学物种转化成一种或多种产物化学物种的气体转化设备，其包括：

用于将工艺气体引入液体介质内的器件；以及

被设置成生成超声波能量的超声波能量发生器，

所述设备被构造成将由所述超声波能量发生器生成的超声波能量投入所述液体介质内，使得工艺气体暴露于超声波能量，以便将所述反应物化学物种中的一种或多种转化成一种或多种产物化学物种，

所述设备被设置成允许收集所述产物化学物种中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述超声波能量发生器被构造成响应于从中通过的驱动气体的流动生成超声波能量。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述超声波能量发生器包括气哨装置，所述气哨装置被设置成当驱动驱动气体通过所述装置时生成超声波能量。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的设备，其被设置成在驱动所述气体通过所述超声波能量发生器之后，将所述驱动气体馈送到所述液体介质内。

5.根据权利要求2-4中任一项权利要求所述的设备，其被设置成其中，工艺气体提供所述驱动气体。

6.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的设备，还包括：

气举柱，可以由气举将液体介质泵送通过所述气举柱；以及

其中，用于将工艺气体引入所述液体介质内的所述器件包括用于将工艺气体引入所述柱内的器件，

所述设备被构造成将由所述超声波能量发生器生成的超声波能量投入所述柱中的液体介质内，使得由于气举通过所述柱的工艺气体暴露于由所述发生器生成的超声波能量。

7.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的设备，其中，用于将工艺气体引入所述液体介质内的所述器件包括微气泡发生器，所述设备被构造成引起工艺气体的微气泡在所述液体介质中生成并且经受由所述超声波能量发生器生成的超声波能量的照射。

8.根据从属于权利要求6的权利要求7所述的设备，其中，所述微气泡发生器被构造成在所述超声波能量发生器的上游将工艺气体的微气泡引入所述柱中的所述液体介质内。

9.根据从属于权利要求6的权利要求7或权利要求8所述的设备，其中，所述气举柱限定纵轴线，并且所述微气泡发生器被定位成与所述柱的纵轴线实质上同轴。

10.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的设备，其可操作成使已暴露于超声波能量的气体通过气体分离器，以根据化学物种分离气体分子。

11.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的设备，其被构造成使已暴露于超声波能量的流体通过分离器，以从所述流体中分离出至少一种产物化学物种。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的设备，其被构造成将碳氢化合物气体从一种或多种其它气体中分离。

13.根据权利要求12所述的设备，其被构造成将碳氢化合物气体化学物种从由所述工艺气体包括的一种或多种化学物种中分离。

14.根据权利要求13所述的设备，其可操作成使由所述工艺气体所包括的一种或多种已分离的化学物种返回所述液体介质，以便进一步暴露于超声波能量。

15.当从属于权利要求2时，根据权利要求6或从属于权利要求6的任一项权利要求所述的设备，其被构造成将驱动气体馈送到所述气举装置的所述柱中的液体介质内，使得所述驱动气体暴露于所述柱中的超声波能量。

16.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的设备，其被设置成其中，所述工艺气体包括二氧化碳。

17.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的设备，其被设置成其中，所述工艺气体包括按体积至少10%的二氧化碳，按体积可选地至少14%，进一步可选地至少20%，又进一步可选地至少40%，再进一步可选地至少50%的二氧化碳。

18.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的设备，其被设置成其中，所述工艺气体基本上由二氧化碳构成。

19.根据权利要求6或从属于权利要求6的任一项权利要求所述的设备，其被构造成将碳氢化合物从已经通过所述柱的气体中分离。

20.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的设备，其安装在液体存储槽中。

21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述液体存储槽包含液体。

22.根据权利要求21所述的设备，其中，所述液体设有分散或悬浮在其中的催化剂材料的颗粒。

23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述催化剂颗粒包括选自铁和含赤铁矿的化合物当中的至少一种，或者其中，所述催化剂颗粒实质上由赤铁矿构成。

24.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的设备，其联接到发电站或结合根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的设备的发电站，其被设置成其中，由所述站生成的燃烧气体提供所述设备的所述工艺气体的至少一部分，可选地所述工艺气体的全部。

25.结合根据权利要求1-23中任一项权利要求所述的设备的燃料燃烧发动机，其被设置成其中，由所述发动机生成的燃烧气体提供所述设备的所述工艺气体的至少一部分，可选地所述工艺气体的全部。

26.包括根据权利要求25所述的发动机的船舶。

27.一种将包括在工艺气体中的一种或多种反应物化学物种转化成一种或多种产物化学物种的方法，包括：

将工艺气体引入液体介质内；以及

借助于超声波能量发生器生成超声波能量，

所述方法包括将由所述超声波能量发生器生成的超声波能量投入所述液体介质内，使得工艺气体暴露于超声波能量，以便将所述反应物化学物种中的一种或多种转化成一种或多种产物化学物种，

所述方法还包括收集一种或多种产物化学物种。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，借助于超声波能量发生器生成超声波能量包括响应于通过所述超声波能量发生器的驱动气体的流动生成超声波能量。

29.根据权利要求28所述的方法，包括通过驱动驱动气体通过所述超声波能量发生器借助于所述所述超声波能量发生器的气哨装置生成超声波能量。

30.根据权利要求28或权利要求29所述的方法，包括在使驱动气体通过所述气哨装置之后，将所述气体馈送到所述液体介质内。

31.根据权利要求28-30中任一项权利要求所述的方法，其中，所述工艺气体提供所述驱动气体。

32.根据权利要求27-31中任一项权利要求所述的方法，包括引起微气泡在所述液体介质中生成并且经受由所述超声波能量发生器生成的超声波能量的照射。

33.根据权利要求27-32中任一项权利要求所述的方法，包括引起已经经受超声波能量的气体借助于气体分离器根据化学物种分离。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，引起气体分离包括将碳氢化合物气体从一种或多种其它气体中分离。

35.根据权利要求34所述的方法，其中，引起气体分离包括将碳氢化合物气体从工艺气体中分离。

36.根据权利要求35所述的方法，包括将已分离的工艺气体返回所述液体介质并且使所述已分离的工艺气体在所述液体介质中经受超声波能量。

37.根据权利要求27-36中任一项权利要求所述的方法，其中，将工艺气体引入液体介质内包括将工艺气体引入气举泵设备的柱内，并且引起气举将液体介质泵送通过所述柱，并且其中，将由所述发生器生成的超声波能量投入所述液体介质内包括将超声波能量投入所述柱中的液体介质内，由此，通过所述柱的工艺气体暴露于超声波能量。

38.根据权利要求27-37中任一项权利要求所述的方法，其中，所述工艺气体包括二氧化碳。

39.根据权利要求27-38中任一项权利要求所述的方法，其中，所述工艺气体包括按体积至少10%的二氧化碳，按体积可选地至少14%，进一步可选地至少20%，又进一步可选地至少40%，再进一步可选地至少50%的二氧化碳。

40.根据权利要求27-39中任一项权利要求所述的方法，其中，所述工艺气体基本上由二氧化碳构成。

41.根据权利要求37或从属于权利要求37的权利要求38-40中的任一项权利要求所述的方法，包括将甲烷从已经通过所述柱的其它气体中分离。

42.根据权利要求37或从属于权利要求37的权利要求38-41中的任一项权利要求所述的方法，包括将液体介质从液体存储槽抽取到所述柱内。

43.根据权利要求27-42中任一项权利要求所述的方法，其中，所述液体设有分散或悬浮在其中的催化剂材料的颗粒。

44.根据权利要求43所述的方法，其中，所述催化剂颗粒包括选自铁、氧化铁和含赤铁矿的化合物当中的至少一种，或者其中，所述催化剂颗粒实质上由赤铁矿构成。

45.一种用于在处理设备中的液体介质中生成气体的气泡的气泡发生器，所述气泡发生器包括：

涡旋诱发部分；

用于将所述气体的输入流动递送到所述涡旋诱发部分的输入部分；以及

用于发射气体气泡的输出流动的输出部分；

其中，所述涡旋诱发部分包括一个或多个涡旋诱发元件，其被构造成在从中通过的气体的流动中诱发涡旋。

46.根据权利要求45所述的气泡发生器，其中，所述一个或多个涡旋诱发元件包括位于所述输入部分和所述输出部分之间的气体流动路径内的一个或多个涡旋诱发叶片元件。

47.根据权利要求46所述的气泡发生器，其中，所述叶片元件或每个叶片元件包括冲击面，并且所述叶片元件或每个叶片元件的所述冲击面被定向成不平行于所述输入部分中输入气体流动的方向。

48.根据权利要求45-47中任一项权利要求所述的气泡发生器，其中，提供多个叶片元件，并且所述叶片元件围绕正交于所述输入部分中的输入气体流动的方向的纵轴线相对于彼此等间距地分开，优选地呈环形设置。

49.根据权利要求45-48中任一项权利要求所述的气泡发生器，其中，所述涡旋诱发部分包括圆顶构件，以便将流入所述涡旋诱发部分的气体通导向所述涡旋诱发元件。

50.根据权利要求49所述的气泡发生器，其中，所述圆顶构件具有辐射状内部形状，其被构造成用于当气体在其内的所述气体流动路径中流动时减少涡流的生成。

51.根据权利要求45-50中任一项权利要求所述的气泡发生器，还包括在所述一个或多个涡旋诱发元件的下游的加速器部分，以便使所述气体气泡朝向所述输出部分的所述输出流动加速。

52.根据权利要求51所述的气泡发生器，其中，所述加速器部分限定所述气体流动路径的一部分，其包括锥形通路，所述通路具有朝向其出口径向向内逐渐变细的内部形状。

53.根据权利要求45-52中任一项权利要求所述的气泡发生器，其中，用于将所述气体的输入流动递送到所述涡旋诱发部分的所述输入部分包括导管，所述导管经由其近端安装在所述设备中，并且在其远端承载所述涡旋诱发部分。

54.根据权利要求53所述的气泡发生器，其中，所述导管在所述设备中的安装由一个或多个支撑构件或腹板增强。

55.根据权利要求53或权利要求54所述的气泡发生器，其中，所述导管中的气体流动的纵向方向和所述涡旋诱发部分中的气体流动的纵向方向被定向成实质上彼此垂直。

56.根据权利要求45-55中任一项权利要求所述的气泡发生器，所述气泡发生器是微气泡发生器。

57.根据权利要求56所述的气泡发生器，其被构造并且设置成生成具有50微米或更小的直径的气体气泡。

58.根据权利要求45-57中任一项权利要求所述的气泡发生器，其中，所述处理设备是气体转化设备，并且所述气体是用于由所述设备转化成一种或多种其它气体的工艺气体。

59.根据权利要求45-58中任一项权利要求所述的气泡发生器，其中，所述处理设备是气举泵设备。

60.一种气举泵设备，包括：

柱，其具有在使用中实质上直立的部分，可以由气举将液体介质泵送通过所述实质上直立的部分；

气体递送装置，其用于在所述柱的第一位置处将气体流动递送到所述柱内，以引起气举泵送液体介质；以及

根据权利要求45-59中任一项权利要求所述的气泡发生器，其用于在所述液体介质中生成所述气体的气泡。

61.根据权利要求60所述的气举泵设备，还包括至少一个超声波能量发生器，其被构造成向由所述气泡发生器形成的气体气泡施加超声波能量。

62.根据权利要求60或权利要求61所述的气举泵设备，其中，所述气泡发生器的气泡形成部分定位成在所述柱内实质上同轴。

63.包括或包含根据权利要求60-62中任一项权利要求所述的气举泵设备的液体存储槽。

64.包括或包含根据权利要求60-62中任一项权利要求所述的气举泵设备的船舶的液体存储槽或压舱槽。

65.包括根据权利要求64所述的液体存储槽或压舱槽的船舶。

66.实质上如前文中参考附图所描述的那样的设备、发电站、燃料燃烧发动机或方法。

67.实质上如前文中参考附图所描述的那样的微气泡发生器、气举泵设备、船舶的压舱槽的液体存储，或船舶。