CN107921363A

CN107921363A - 用于施加叠加的时变频率电磁波以便从烟气中去除SOx、CO2和NOx的方法和系统

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Publication number: CN107921363A
Application number: CN201680044439.1A
Authority: CN
Inventors: 周辉煌; 王宝贵
Original assignee: Technical Research And Development Private Ltd Co
Current assignee: Technical Research And Development Private Ltd Co
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2036-07-29
Also published as: EP3329595A4; WO2017018944A1; CN107848616A; CN107852151B; EP3328727A4; US10561986B2; WO2017018942A1; KR20180023901A; CN107849709A; WO2017018947A1; DK3328798T3; SG10201913465SA; US20180201526A1; DK3329595T3; US10807886B2; EP3328798B1; US20180221821A1; EP3337594A1; US10858268B2; CN107848847B

Abstract

本发明涉及一种用于对烟气进行处理的方法和系统，包括：通过将直流叠加在低频时变脉动电磁波信号上来生成叠加的DC时变脉冲波，提供包括水的处理介质，使用叠加的DC脉冲波来对处理水介质进行处理，使经处理的处理水介质带负电荷，以及将如此处理的处理水介质传递到包含烟气的腔室中，以使得经处理的处理水影响烟气的气体组分并分别将气体组分转化成硫酸盐、氮气、氧气、碳酸氢盐、碳酸盐和碳中的一者或多者，经转化的气体组分随后可以与使用过的处理水或废气一起去除。具体而言，本发明涉及用于以脉动方式施加包括AC和DC分量两者的叠加的时变频率电磁波来实现从烟气中去除污染气体的方法和系统。

Description

用于施加叠加的时变频率电磁波以便从烟气中去除SOX、CO2和 NOX的方法和系统

发明领域

本发明一般涉及对物体或区域的处理以便利用一个或多个处理效果的领域。更具体而言，本发明涉及用于以脉动方式施加包括AC和DC分量两者的叠加的时变频率电磁波来处理烟气以去除污染气体的方法和系统。

发明背景

市场上有许多用于洗涤烟气以去除污染气体的可用方法，并且市场上常见的可用方法可以分为以下几类：-

1.化学中和洗涤方法，使用碱性化学物质(诸如NaOH、MgO、CaO)或使用海水碳酸氢盐/碳酸盐来中和酸性气体。

2.尿素选择性催化还原(SCR)方法，该方法减少NO_X。

3.碳捕获和存储(CCS)方法，该方法掩埋或存储CO₂(这不是去除过程)。

4.DC电解和时变电磁波处理。

上述方法中的每种方法具有某些缺陷，并且要么实现起来不实际，要么不能够完全解决环境问题，因此限制了它们作为“完全绿色解决方案”的应用。

化学中和洗涤方法用于去除SO_X气体。然而，它们产生二次污染问题，诸如酸化海水、在产生洗涤化学物(诸如CaO)的过程中排放CO₂、以及在使用海水洗涤SO_X时生成更多的CO₂。另外，对化学反应终产物的处置一直是主要的环境问题。

SCR方法仅去除NO_X并且不能够去除SO_X或CO₂。另外，烟气中的SO₂容易使SCR的催化剂中毒，并且这使得SCR在包含SO₂的气体中难以实现。

CCS方法实际上不去除CO₂。它们具体地是存储方法并且不能被视为污染物去除过程。在实践中，它们在存储过程中实际上可排放更多CO₂并且它们还需要首先去除SO_X。

DC电解和时变电磁波处理覆盖各种不同的方法。Sukheon An和Osami Nishida(JSME International Journal Series B，第46卷，第1期，第206-213页(2003))教导了使用DC电解，通过使用DC电解过程中产生的化学物的化学中和工艺来去除SO_X、CO₂和NO_X气体。然而，在该DC电解过程中，阳极水变得非常酸性并造成严重的腐蚀和处置问题。

WO2010/139114(其描述开环方法)和WO2011/147085(其描述闭环方法)描述了使用DC电解和时变电磁波方法来去除SO_X、CO₂和NO_X。

如WO2010/139114中所描述的，使用预电解的碱性水通过化学中和工艺来去除SO₂。CO₂和NO_X的去除是通过电解和使用经时变电磁处理的水将CO₂分解成C和O₂并将NO_X分解成N₂和O₂。

在WO2010/139114和WO2011/147085两者中，通过在水中产生电解等离子体的DC电解过程来执行气体去除功能。DC电解中的碱产生处理效果也被用于维持相应碱性阶段中的水pH。然而，DC电解在许多应用中具有主要缺点，因为在淡水或海水中发生DC电解时，将不可避免地生成氢气和氯/亚氯酸盐。如果使用镁作为阳极材料，则可以消除氯/亚氯酸盐，但不可避免地生成氢气。另外，如果使用镁电极，则它是可消耗的并引起高成本。氢气和氯气的生成由于其爆炸性和毒性属性而是危险的，这对于工业应用，特别是对于海洋油轮、LNG运输船、炼油厂或其它安全敏感型应用是非常不希望的。

在WO2010/139114中，时变电磁处理的使用基于PCT/SG2006/000218的公开。在该公开中，时变电磁波是纯AC波并且它使用间接电感线圈外场处理方法来处理水。使用纯AC脉冲波来激励电感线圈或发射器的这种时变电磁波处理不能够控制pH。在实践中，当水与酸性气体接触时，不能发生完美的等离子体气相反应，因此不可避免地将发生副液相反应，并且水将逐渐变成酸性，尽管速度较慢。

WO2011/147085具有在pH 2～4的非常酸性条件下操作的第一阶段，这是高度腐蚀性的。这需要用于洗涤塔、泵、电极、相关联的管道材料和箱等的特殊合金材料。WO2011/147085的教导基于使用“完全饱和”溶液来促进气体分解反应并防止SO_X、CO₂和NO_X进入水介质的原理。当使用完全饱和溶液时，容易发生溶质沉淀并且它们会堵塞喷嘴、管道等。

WO2011/147085的公开的另一缺点在于，由于存储和处置由分解过程产生的硫的困难性(特别是对于海洋或船上应用)，因此将SO₂分解成S和O₂产生了另一环境问题。

WO2011/147085的公开的又一缺点在于，需要在三个不同的阶段中执行SO_X、NO_X和CO₂的洗涤，并且这三个阶段应该分开并作为具有其自己特定洗涤介质和操作条件的三个独立系统来操作。这是因为如WO2011/147085中所描述的那样去除SO_X、NO_X和CO₂分别需要不同的反应环境条件集合，并且重要的是它们不应当被交叉污染。一旦被污染，则反应环境就会改变并且气体去除性能受损害。在实际实践中，由于WO2011/147085中描述的三个阶段共享相同的公共气体路径来进行洗涤过程，因此在这三个阶段中使用的介质将被携带并且将发生污染。关键的是，当第一阶段的酸性pH介质被携带到阶段2和阶段3的碱性环境时，阶段2和阶段3的pH条件被改变，并且每个缓冲介质的化学组成也被改变。这导致性能恶化，并且在实践中，如果将三个分开的反应环境敏感型系统安装在一个公共的垂直通道气体路径轴中，则难以根除这些系统之间的污染，从而限制了三阶段方法在许多行业中的应用。

更确切地，WO2011/147085教导了SO_X、CO₂或NO_X气体在分开的阶段中一次只能被去除一种气体，因为它需要特定的临界反应环境和条件来去除每种特定气体。然而，在该方法中，在一个处理塔中去除所有三种气体。这包括三个不同的阶段并且不同时去除各气体。

开发用于获得有效的各种处理效果并且不对环境造成危害的替换技术一直是一项挑战。因此，需要能够实现从烟气中有效去除污染气体并且不对大气或周围环境造成危害的新的方法和系统。

本说明书中明显事先公布的文件的列举或讨论不一定被视为承认文件是现有技术的一部分或是一般的公知常识。

发明概述

已开发了本发明以满足上面提到的需求并且因此具有提供一种用于向目标物体或目标区域施加叠加的时变频率电磁波的、环保并且不会使化学物产物浸出进入到环境中的系统的优点。本发明利用本申请要求其优先权的申请中所描述的方法和系统，并进一步提供了用于从烟气中去除污染气体的特定方法和系统。

本发明的另一优点在于，它可以提供用于从烟气中去除污染气体的、比现有技术显著更加经济并且便于利用的方法和系统。

本发明的优点在于，提供了可以使用一个公共介质同时去除SO_X、NO_X和CO₂而不会生成氢气和氯气的方法和系统。另外，本发明能够提供一种能够为用户实现“完全绿色解决方案”的实际且工业可实现的解决方案。

本发明提供了一种根据所附权利要求中的权利要求1的用于对烟气进行处理的方法。本发明进一步提供了一种根据所附权利要求中的权利要求19的烟气处理系统。

通过一个公共介质在一个公共环境下并且在相同的反应条件下去除SO_X、CO₂和NO_X这三种类型的气体，而不是如WO2011/147085中所描述的为了去除SO_X、CO₂和NO_X中的每一者而创建了三种不同的特定环境。优选地，处理介质在具有从6至12的pH范围的接近中性至碱性条件下操作，以避免酸性腐蚀或高碱性腐蚀问题，尽管非酸性气相反应在小于6或超过12的pH下仍然能够发生。所使用的介质可以是淡水、海水、河水、湖水、钻井水或者来自任何适当供应源的水。可以在没有添加化学物的情况下直接将水用于通过本发明的叠加的DC时变脉冲波处理的气体去除，但是如果单独地或组合地添加硫酸盐、碳酸氢盐、碳酸盐或硝酸盐基化学物(诸如举例而言Na₂CO₃、NaHCO₃、Na₂SO₄)，则可以增强气体去除和pH稳定性维持功效。这些化学物的添加浓度不需要完全饱和。通常，这些化学物的百分之几的浓度将增强性能，并且优选浓度可以在现场优化，这取决于水源质量和气体负荷和组成。为方便起见，可通过将水与化学物预先混合来制备介质，诸如与大约1至25％的Na₂CO₃预先混合，与或不与大约1至25％的Na₂SO₄预先混合。在系统的后续连续操作中，硫酸盐和碳酸盐离子/碱度随时间由SO_X和CO₂气体的洗涤过程的次要副液相反应逐渐补充到介质中。在初始的预先混合化学物添加中，可以使用其它正离子硫酸盐和碳酸盐(诸如镁、钙等)，但是必须考虑它们在洗涤过程中沉淀的倾向。

本发明使用具有优于纯AC的性能的叠加的DC时变脉冲波。本发明使得可以仅使用一个洗涤介质，但能够在一个阶段中(而不是现有技术所需要的三个阶段)去除SO_X、CO₂和NO_X。另外，叠加的DC时变脉冲波能够将水pH校正成更碱性的水平而无需任何分开的DC电解。此外，叠加的DC时变脉冲波还可以被控制成使得不生成氢气或氯气。

当在海水中使用DC电解时，即使在非常低的驱动电压下，也会在阳极侧生成氯气并且会在阴极侧生成氢气。然而，叠加的DC时变频率波可以被控制成使得不生成氯气或氢气，并且仅通过组合分开的DC电解和AC时变波的两个系统不可实现这种效果。

实质上，当它们独立操作时，从电极表面排出的DC电流独立于水中的交变波。在此类条件下，电极表面仅经受DC放电电流影响，并且一旦其达到氯释放电势就将在阳极表面处生成氯气。相比之下，在使用DC施加的时变频率脉冲波的本发明中，电极表面不排出DC电流。事实上，电极表面排出脉动交变波但具有DC偏置。在此类交变电流/电压抑制效果下，它改变了电极过电势，并且因此即使在较高的施加的电极电压和电极放电电流下也能够防止氯气的生成。

在WO2011/147085的现有技术系统中，仅能够在2-4的pH下(其是硫酸的pKa)并且在硫酸盐饱和条件下去除SO_X。然而，在本发明中，去除SO_X而不需要在2-4的pH下操作，这意味着不需要通过使用pH接近pKa的介质来发挥去除特定的气体的功能。另外，对于SO_X气相去除，不需要利用硫酸盐来使介质完全饱和。在本发明中，可添加低或者非常低浓度的Na₂CO₃，并且这将足以非常显著地阻滞并减少酸性SO₂液相反应和SO₂→SO₄的非酸性气相反应。

当在本发明的叠加的DC时变脉冲波处理下使用这种不饱和化学物添加洗涤时，SO₂被转化为硫酸根离子+电荷，而不是将SO₂转化为其元素S形式，这解决了元素硫的处置和存储问题。取决于气体组成和用于产生烟气的燃料类型，烟气中的CO₂可以转化为碳酸氢盐、碳酸盐和/或元素C形式。在使用本发明时所产生的硫酸盐和碳酸氢盐/碳酸盐离子都将存在于水中以及经处理的气体中。然而，这些离子的大部分在经处理的气体中作为气态离子存在。在处理高硫柴油燃料排放时，CO₂的大部分被转化为存在于水中或经处理的气体中的碳酸盐/碳酸氢盐离子。对于包含非常少量SO_X的烟气(诸如从馏分柴油燃油产生的烟气)，一些CO₂可能主要转化成元素C。元素碳(如果产生的话)将仅存在于水中而不存在于经处理的气体中。与CO₂转化同时，NO_X仅转化成氮气和氧气，而不会在水中或经处理的气体中产生任何硝酸盐。

叠加的DC脉冲波处理增加了水的内能，包括其振动和旋转能，并产生携带电子的水簇(H₂O)n^-，如水氧化还原电势(ORP)的负移中所反映的。携带电子的水簇(H₂O)n^-将中和由副液相酸性气体反应产生的次酸性H+。如果存在更多的副酸化液相反应，则需要增加叠加的DC时变脉冲波处理的强度，或者可以引入用于利用负电荷水簇(H₂O)n^-对水簇充电的机械装置以帮助pH校正。替换地，如果预计气体载物波动显著，则还可以采用碱性水离子发生器。

本发明的效果的原理从振动和旋转能效果来确定。在一般热力学原理中，确定反应是否可以进行的自由能包括焓和熵分量。在大多数教科书和科学论文中给出的SO_X、CO₂和NO_X的键能一般仅指焓能部分，并假定熵部分(其是键的振动和旋转能)没有变化。在本发明的气体去除处理概念中，目的是经由水介质使SO_X、CO₂和NO_X经受正确的振动和旋转能处理以激励分子和键。给定正确的振动和旋转能激励处理，可以以比使用纯热能进行转化低得多的能量水平将SO_X、CO₂和NO_X转化成其它化合物或元素。在实践中，振动和旋转能的变化可以由FTIR和拉曼光谱来测量。在本发明中，将SO_X、CO₂和NO_X转化为其相应的激励物种主要基于振动和旋转量子能量输入而不是热焓能，尽管排气温度也有助于焓能输入。

本发明首先使用叠加的DC脉冲波来处理水介质。该波处理改变水的内部振动和旋转能，这随后改变水的聚簇布置，并且重要的是，能量在被完全耗散到环境之前可以存储在水中达一时间段。当将经处理的水介质喷洒到反应腔室中时，所存储的能量被释放，从而允许气体/水界面反应进行并导致污染气体在界面处转化为其激励物种、化合物、离子或元素。

水介质以以下方式之一经受叠加的DC脉冲波(SDCPW)的激励：

1.通过使SDCPW直接通过放置在水中的具有或不具有铁氧体磁芯的线圈。这可以用于金属或非金属水箱中。

2.通过使SDCPW直接通过线圈并使水通过由线圈包封的导管。铁氧体磁芯还可以被放置在线圈导管中心以增加磁通量。

3.通过使用金属水箱壁作为接收方发射器和放置在水箱中(在水箱中心或分布在水箱中)的一个或多个放电发射器。

4.如果两个或更多个发射器用于在金属或非金属水箱中处理水，则SDCPW放电发射器材料有利地由非消耗性材料制成，例如磁铁矿、镀铂钛、涂覆有金属氧化物的钛等。如果使用其它金属，则只要计算并接受金属消耗率和对应的设计寿命，就也可以使用其它金属或导电材料。

另外，介质可以与碳酸氢盐/碳酸盐混合，与或者不与硫酸盐离子混合。

根据本发明，DC偏置单元可以选自包含以下各项的组：开关模式DC电源、AC至DC转换器、可再充电DC电池以及电感二极管滤波器。用于生成叠加的时变频率电磁波的设备可被提供为预先制造的电子电路。DC偏置单元可根据特定情况的实际需要和要求来提供可变的DC偏置电压或固定的DC偏置电压。

在一些情形中，DC偏置电压被选择成使得叠加的时变频率电磁波被产生为具有极性非对称性或变成单向脉动波，或者DC偏置单元被选择成产生具有半波畸变或全波畸变的叠加的时变频率电磁波。

第一激励位点和第二激励位点的位置可根据实际需要和要求而变化。

在本发明的一个实施例中，所述AC波发生器包括：被配置成以期望的扫描时间生成具有所述时变频率AC电磁波的信号的控制单元，以及耦合到所述控制单元以用于接收从所述控制单元生成的所述信号的一个或多个桥接型电路，所述桥接型电路由所接收到的信号驱动以生成并放大所述时变频率AC电磁波的所述AC驱动信号，其中，所述桥接型电路被配置成包括一个或多个半桥驱动器集成电路(IC)以及耦合到相应半桥驱动器IC的一个或多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在另一实施例中，所述控制单元包括用于对所述AC驱动信号的频率进行时变的可编程集成电路(IC)，以及可任选地用于稳定所述AC驱动信号的稳定器电路。

有利地，所述叠加的时变频率电磁波的频率在大约500Hz至大约1MHz之间，优选地在大约100Hz至大约200KHz之间。所述叠加的时变频率电磁波的扫描频率在大约1Hz至大约1KHz之间，优选地在大约10Hz至大约500Hz之间。

不同于现有技术中已知的方法和系统，本发明的实质是使用叠加的时变频率电磁波来施加于待处理的并随后用于处理烟气的处理介质上。因此，处理介质同时经受电场和磁场的影响以及脉动DC分量的影响。作为结果，在导电介质中产生的电流可携带脉动的带正电荷和负电荷的离子、电子或其它电荷，这增加了分子簇和溶解离子的振动和旋转内能，并引起对介质的直接激励。

一旦介质被充电，则该介质的内能将改变并且它可以由FTIR和拉曼光谱检测来监视。当水介质的内能被充分充电时，介质被输送到烟气反应腔室或塔中并以合适的方式来馈送，优选地被喷洒到腔室中以执行气相转化反应。

可任选地，本发明的方法包括：在所述处理水介质中产生一个或多个带负电荷的和/或携带电子的(H₂O)n^-水簇。

进一步可任选地，本发明的方法包括：在处理水介质中实现水氧化还原电势(ORP)的负移。

为了更好地理解本发明，结合附图参考本发明的以下非限制性描述及其实施例。

附图简述

图1是根据本发明的第一实施例构造的叠加的时变频率电磁波系统的示例性布置的示意图。

图2是根据本发明的第二实施例构造的叠加的时变频率电磁波系统的示例性布置的示意图。

图3A和3B是根据本发明的第三实施例构造的叠加的时变频率电磁波系统的示例性布置的示意图。

图4A和4B是根据本发明的第四实施例构造的叠加的时变频率电磁波系统的示例性布置的示意图。

图5A至5C是叠加的时变频率电磁波的第一示例性波形的示意图。

图6A至6D是叠加的时变频率电磁波的第二示例性波形的示意图。

图7A至7D是叠加的时变频率电磁波的第三示例性波形的示意图。

图8A至8C是叠加的时变频率电磁波的第四示例性波形的示意图。

图9A和9B是叠加的时变频率电磁波的第五示例性波形的示意图。

图10是示例性AC波发生器的示意图。

图11是根据本发明的烟气处理系统的示例性布置的示意图。

在附图中，类似的部分由类似的参考标记来指定。

优选实施例的详细描述

虽然相对于本发明的非限制性优选实施例来解说和描述本发明，但可以以许多不同的配置、大小、形式并使用许多不同材料来产生用于向目标物体或目标区域施加叠加的时变频率电磁波的系统，所有这些落入所要求保护的本发明的范围内。

本文所使用的术语“介质”可以指可以用于提供处理效果的液体。介质包括水，诸如海水或淡水。

本文所使用的术语“致动器”或“发射器”可以指能够采用叠加的时变频率电磁波来激励目标物体或目标区域，以使得该目标物体或区域经受叠加的时变频率电磁波的处理的元件。

图1至10以及下面的对应描述涉及用于产生叠加的DC脉动离子波电流的方法和系统。图11和对应的描述涉及关于用于对烟气进行处理的方法和系统的特定发明。

参照附图，图1提供了被构造成与本发明的第一实施例一致的用于对容器中的处理水介质进行处理的系统100。在该实施例中，系统100包括用于生成叠加的时变频率电磁波的设备110。设备110包括交流(AC)波发生器112以及与AC波发生器112串联电耦合的直流(DC)偏置单元116。

系统100进一步包括两个致动器120，这两个致动器120各自与设备110的相应输出端子电耦合。

如图1中所示，致动器120浸入被容纳在容器140中的导电液体130(水)中。本发明的致动器用于利用叠加的时变频率电磁波来激励导电液体130。第一激励位点150和第二激励位点160在液体中以分开的关系来布置。它们与致动器120的连接不会造成任何短路的问题。设备110、致动器120和导电液体130一起形成闭环电路。在图1中所解说的实施例中，可以出于数个可能目的，包括用作为处理介质，对液体(水)130进行处理。致动器120的(诸)材料可以是任何金属、固体导电材料或涂覆有导电材料的材料，并且可以选自包含以下各项的组：钢、铜、锌、石墨、不锈钢、钛、涂覆有金属氧化物的钛等等。致动器120的(诸)形状可以是任何几何形状，包括圆形、正方形、矩形、三角形，并且可以以条、棒、管、盘、板、球、立方体、空心制品、实心制品、穿孔制品、网格等形式或者其组合来提供。致动器120可以浸入液体中，或者可以对使用金属和非金属材料或结构的导电材料实现直接激励。

AC波发生器112与电源电耦合并且被配置用于以期望的扫描时间生成具有时变频率的AC电磁波的AC驱动信号。电源可以是DC或AC电源。在本发明的优选实施例中，电源有利地具有DC性质并且向AC波发生器112提供输入DC信号。如图10中所解说的，AC波发生器112在该实施例中包括控制单元114，该控制单元114被配置和编程为以期望的扫描时间生成具有期望的时变频率的信号。由控制单元114生成的该信号处于毫安的数量级。

AC波发生器112进一步包括一个或多个桥接型电路115，这些桥接型电路115电耦合到控制单元114以接收由控制单元114生成的信号。桥接型电路115被配置成由接收到的信号驱动以生成并放大例如在毫安到安的幅值范围中的AC驱动信号。该AC驱动信号对应于具有期望扫描时间的时变频率AC电磁波，并且被传递给DC偏置单元116以便叠加在DC输出上。如所解说的，桥接型电路115包括两组并联的子电路。每个子电路包括与两个或更多个MOSFET连接的半桥驱动器集成电路。如果施加主AC源，则AC至DC转换器可被嵌入到AC波发生器112中以用于将AC电源转换成DC电源，随后将该DC电源施加于控制电路114。电源根据实际应用向AC波发生器112施加电压，例如在大约12V至大约200V之间。

可以在印刷电路板(PCB)上提供AC波发生器112中的各个电子组件。如果需要AC至DC转换器或整流器，则该AC至DC转换器或整流器还可以被安装在PCB上作为紧凑结构。

如上所述，控制单元114以期望的扫描时间生成时变频率信号。扫描时间被选择成确保液体具有正确的时间范围以在正确的暴露时间段内使其暴露于对应的频率。对于不同的应用，可选择宽泛范围的频率。优选地，本发明中使用的叠加的时变频率电磁波的频率可以在100Hz至1MHz的范围中，优选地在100Hz至200kHz的范围中，其中扫描频率在大约1Hz至1kHz之间，优选地在10Hz至100Hz的范围中。叠加的时变频率电磁波的波形可以是正方形、三角形、矩形、正弦或其他形式。在该实施例中，控制单元114包括用于对AC驱动信号的频率进行时变的可编程集成电路(IC)，以及用于稳定AC驱动信号的稳定器电路。

直流(DC)偏置单元116与AC波发生器112串联电耦合并且被配置用于产生具有可以是变化的或固定的预定义DC偏置电压的DC输出。DC偏置单元116被编程为使得DC输出与从AC波发生器112接收的经放大的AC驱动信号混合以产生叠加的时变频率电磁波，其中时变AC波加载在预定义的DC偏置电压上。在该实施例中，DC偏置单元116是开关模式DC电源。可再充电DC电池或AC至DC整流器电源对于DC偏置单元116是可能的。当可再充电DC电池被用作DC偏置单元116时，可以生成极纯DC输出并且该DC输出特别适合用于需要极纯DC源的一些应用。

DC偏置电压与来自AC波发生器112的AC脉动波的电压和频率匹配是有利的。一般而言，DC偏置电压低于时变脉动波电压。DC偏置电压因此可调节以适应不同的现场处理要求。在一些情形中，DC偏置源被配置成：假如时变脉动AC波涌入DC偏置源，则能够吸收电流/电压的流入。

本发明的一个特征在于：仅当AC波发生器112、DC偏置单元116和致动器120的正确组合彼此串联连接时才能生成唯一的叠加的时变频率电磁波。

本发明的叠加的时变频率电磁波不同于施加DC分量和分开的时变频率AC波的简单组合。如果将DC分量分开地施加于时变频率AC波，则液体中不产生或呈现叠加的DC脉动波。DC分量是静态的并将分开地施加其自己的DC影响，并且分开的时变频率AC波(其在正和负振幅上平衡而没有DC特性)也将施加其自己的影响。

当向AC波发生器112提供输入DC信号时，发生器112以特定的扫描时间生成并放大与时变频率AC电磁波相对应的AC驱动信号，该电磁波是例如正弦波形的波(参见图5A至5C)。时变频率AC交变电磁波的经放大的AC驱动信号被传递给DC偏置单元116，其中具有预定义偏置电压V_DC的DC偏置输出与该AC驱动信号混合。该混合的结果是AC-DC叠加信号，其中时变AC电磁波加载在DC预设电平上，以产生具有混合频率电压的叠加的时变频率电磁波(后文称为“DAC”波)。在DAC波中，DC分量不是静态的，而是随着AC分量以脉动和时变的方式行进。因此，液体130中将产生包含DC分量的脉动离子波电流，即，存在在液体130中流动的物理离子或电荷，这是本发明的重要和区别特征。在经受这种离子波电流之后，包括液体的振动和旋转能的内能将改变，这得到携带电子的液体分子簇。这可以改变液体分子的聚簇布置，并且更重要的是，能量在被完全耗散到环境之前能够存储在液体中达一时间段。液体中所存储的能量对于各种处理效果起到重要作用。

在一些情形中，控制DAC波以具有可控制的DC叠加幅值是必要的。一般而言，DC施加幅值的最大极限由安全操作限制确定并被控制成小于脉动波峰值电压。负极性和正极性可以永久地设置，或者通过以预编程的频率或手动切换端子极性来控制。

DAC波的极性主要由DC分量表征，并且取决于DC分量的极性和整个环路电源电流的流向。DAC波的平均电压可以被视为具有两个分量，一个是AC振幅并且另一个是DC偏置电压。这些幅值中的每一者具有其自己的功能，但它们往往也彼此提供协同效应。在一些场景中，DC幅值(即，DC偏置电压)是重要的，例如，在腐蚀控制中提供覆盖要保护的结构表面的足够的电流密度以满足完全腐蚀保护准则。因此，可以根据DAC波所要求的实际应用来调节和选择AC振幅电压和DC偏置电压。

在该实施例中，DAC波的极性将非对称地改变，如图5A至5C中所示。在图5A中DAC正弦波从未变负，在图5C中DAC正弦波从未变正，并且在图5B中DAC正弦波为正所花费的时间比为负的时间更多。用于改变DAC波的极性的一种方法是将DC偏置单元配置成给出不同的DC偏置电压V_DC以使得如果期望则可以改变DAC正弦波的极性。

非正弦波形对于本发明是可能的，例如正方形波、矩形波、三角形波等等。图6A至6D和图7A至7D解说了波形的一些可能变型。在DAC波的某些应用中，畸变波形而不是常规波形可以得到更好的效果控制。在图8A至8C中，解说了波形畸变的一些示例。可以通过滤波二极管、滤波器电路来获得畸变波，或者AC波发生器可被编程为产生许多其它可能的畸变波形。

现在转到图2，解说了被构造成与本发明的第二实施例一致的系统200。该实施例的系统200在结构上与上面第一实施例中所示的系统相同，不同之处在于电感二极管滤波器216被选择为DC偏置单元。电感二极管滤波器216用于过滤时变频率AC电磁波的正半波或负半波中的全部或部分，以产生仅具有正分量或负分量的非对称波。在该实施例中，DAC波被偏置成具有仅朝向正或负方向的振幅并生成如图9A和9B中所示的波形。

图3A和3B解说了被构造成与本发明的第三实施例一致的系统300。该实施例的系统300在结构上与上述第一实施例中所示的系统相同，不同之处在于管道340和在管道340中流动的流体(诸如水)330一起形成为待处理的目标区域。在图3A中，管道340由非金属材料制成，以使得两个致动器320被放置成与位于流体中的第一和第二激励位点连接。如果需要，电感器可被布置成与激励位点中的一者连接，以增强电磁效应。在图3B中，管道340由金属材料制成。在该情形中，一个致动器320被放置在流体中。另一激励位点被置于管道340自身上，并且该激励位点与用于生成DAC波的设备的输出端子直接电耦合。DAC波在液体330中和管道340中可以随机地朝向不同方向行进，这确保DAC波可以到达液体中和管道中的许多盲点或盲区，并且因此这些盲点或盲区经受DAC波处理。

图4A和4B解说了被构造成与本发明的第四实施例一致的系统400。该实施例的系统400在结构上与上面第一实施例中所示的系统相同，不同之处在于以线圈420的形式提供致动器以激励目标区域。铁氧体可被纳入线圈内或线圈外部以增强磁场效应。同样地，线圈420可以浸入液体中(图4A)或在液体上方(图4B)。

上面实施例中所讨论的系统可以唯一地产生所需要的DAC波。针对特定的应用可以选择正确的系统以获得期望的处理效果。

本发明提供了上述时变DC脉动波的特定应用以便对烟气进行处理以去除污染物。

图11解说了本发明的一个实施例。将水介质530(诸如海水、淡水或河口水)导入到容器540中。水530经受由叠加的DC脉冲波(SDCPW)进行的激励。电源501为设备110提供功率以用于产生如上所述的叠加的DC脉冲波(SDCPW)。发射器520被放置在水530中并形成电路以实现由SDCPW进行的激励。发射器520被解说为线圈，但是不同的布置是可能的，包括具有铁氧体磁芯的线圈、水中的两个发射器、或者一个发射器在水中并且一个发射器形成在容器壁上。替换地，可以在外部腔室(未示出)中激励水介质，其中水介质从容器540流经外部腔室，在该处由SDCPW进行激励，并返回到容器540中。

在所描述的实施例中，至SDCPW板110的DC输入电压通常的范围为从12至48V。如果需要，可以施加比该范围更高或更低的电压，但是通常在该范围之外的处理功效不是最佳。SDCPW波形可以是正方形、正弦、三角形或其它随机形式，并且输出频率范围可以是100Hz至1MHz，优选地在500Hz～200KHz范围中。以1至1,000Hz之间、并且优选地10～100Hz的任何所选扫描频率对该频率范围进行进一步时变。扫描频率也可以是随机的。

为了产生至线圈或发射器520的叠加的DC脉动波，SDCPW板110的一个输出端子进一步连接到可调节DC源550。该DC源550可以是电子整流型DC源。在常规的电子实践中，DC电池一般不会连接到SDCPW板输出端子，因为这可能影响DC电池。然而，已发现，通过将SDCPW板DC输出连接到电子整流型DC源，不仅能够将DC偏置的电压叠加到AC时变波上，而且还不会损害DC施加电源。这种连接概念在电子线路系统中是不常见的实践。

取决于实现最佳充电所需要的水内部充电电荷，SDCPW电源的正和负端子连接还可以交替或反向。所产生的叠加的DC脉冲时变波随后被发送给放置在容器540(或外部腔室)中的水530中的线圈或发射器520，以向水530提供处理效果。

在水中产生的SDCPW波可以是任何适当的波形，诸如正方形、三角形、正弦或其它随机或畸变波形，但是SDCPW波是以DC偏置的脉动形式产生的。DC叠加的脉动频率具有100Hz至1MHz的量级，并且优选地在500～200KHz的范围中。脉动波频率范围的全范围也以1至1,000Hz之间、并且优选地10～100Hz的任何所选扫描频率进行时变。

改变DC叠加电压以实现良好的内部充电效果，但该DC叠加电压保持在低于SDCPW板所施加电压的电平。用于连接到SDCPW板110和发射器520的DC电源501极性也可以反向，以实现水中的最佳能量充电变化，如FTIR和拉曼光谱所指示的。

在本发明中，通过调节AC脉冲电压幅值和DC电压幅值的相对幅值来防止或控制氯气或氢气的产生。在纯DC电解系统中，即使在非常低的电解驱动电压下，也会生成氯气或氢气。这是由于DC电解中电流在阳极表面不断放电。然而，在本发明中，电极表面经受kHz频率量级的交流抑制电流。这改变了电极的过电势并抑制了氯气的生成。另外，使用铱和钽混合氧化物和涂覆的钛作为电极也可以增强抑制氯气的生成。

在本发明中，使DC叠加分量保持在最低可能电平，以使水箱表面保持在相对于Ag/AgCl参考细胞电平小于-1.0V的水电势，以便避免氢气生成。如果使用海水，则本发明的所有方法将避免氢气和氯气的生成。这与通常的DC电解系统形成对比，在通常的DC电解系统中，需要高电流以产生所需要的水处理效果，这引起不可避免的氢气和氯气生成。在本发明的该实施例中，DC叠加分量也最小以进一步缓解气体生成。

如果发射器520包括电感线圈，则线圈材料可以是铜、铝、银或其它导电材料。电感线圈还可以纳入铁氧体磁芯以增加由线圈产生的磁通场强。线圈布置也可以是扁平的平面同心圆形布置，或者单一平面或三维形式的其它线圈形状布置。

经处理的水530经由管道560传递到烟气处理腔室570。在入口590处将烟气580导入到腔室570中，并且经处理的气体经由出口600从腔室离开。经处理的水530经由喷嘴610被导入到腔室570中。

本发明中的又一重要特征是使用机械装置来产生水簇上的负电荷，从而形成带负电荷的水簇(H₂O)n^-，以中和由次要副液相酸化反应所产生的H+离子。这校正、维持或防止水/介质pH的下降。如图11中所示，增加负电荷并且因此增加水pH的机械装置包括喷嘴610。喷嘴可包括直接的直线或螺旋喷洒方法并且这在所喷洒的水上感生负电荷。

替换地(未示出)，通过利用诸如氮气、氧气、空气等气体使水起泡可以实现类似的效果。通过在水中产生(H₂O)n^-带负电荷的水簇，这也能够利用负电荷对水充电。带负电荷的水簇随后将能够中和酸化的H+离子并控制水pH。以此方式，不需要化学物来校正酸化水pH。一般而言，起泡大小越精细或者为了增加接触机会而增加的水/空气接合面积将产生更快的pH上升效果。

涉及水和气体两者的界面相互作用的气穴动作的其它手段也能够产生带负电荷的水簇来中和H+离子。这些动作包括搅拌、螺旋桨旋转动作、二相空气/水旋流器、气穴内爆等。

一旦腔室570中的烟气580已被所喷洒的经处理水介质530接触并影响，则使用过的洗涤水630在腔室570的底部收集并经由管道620返回到容器540以便再充电和再使用。

在一个实施例中，如果需要，则洗涤水630的pH可通过使用洗涤水管620中以及容器540或其他合适位置的起泡装置来校正，这取决于现场条件和易于安装。

在反应塔570中喷洒水可使用螺旋喷嘴或其他类型的喷嘴610，该喷嘴能够提供良好的滤水网，以最小气体泄漏具有与气体的良好接触。腔室或塔570可以水平地或垂直地布置，其中滤水网处于水平、垂直或倾斜位置。

取决于最终经处理的气体的所需质量，经处理的气体可以从腔室排出，或者可以在串联布置的类似腔室570中进一步处理，以进一步减少污染物载物含量。

如果气体去除需要高百分比的气体去除效率，则可通过一系列附加反应腔室来重复上述处理布置，以进一步处理来自第一反应腔室的经清洗气体。可以从相同的水处理箱或分开的水处理箱获取用于一个或多个附加腔室的洗涤水。当使用多个反应腔室时，取决于现场整合条件，腔室可以串联堆叠或分开布置。

本发明由此提供了一种用于施加叠加的时变频率电磁波以用于对烟气进行处理的系统和方法，该系统和方法非常简单、相对不昂贵、并且比现有技术更加环保。

除非上下文另外指示，否则本发明的给定方面、特征或参数的偏好和选项应当被视为已结合本发明的所有其它方面、特征和参数的任何和所有偏好和选项被公开。

尽管本文所描述的各实施例旨在作为示例性系统和方法，但是本领域技术人员将领会，本发明不限于所解说的各实施例。本领域技术人员将借助技术人员的常识预想到许多其他可能的变化和修改而不脱离本发明的范围；然而，这样的变化和修改应当落入本发明的范围内。

Claims

1.一种用于从烟气中一起去除气体组分SOx、NOx和CO₂的方法，包括以下步骤：

通过将直流叠加在低频时变脉动电磁波信号上来生成叠加的DC时变脉冲波，其中，具有时变频率的AC驱动信号加载在具有预定义DC偏置电压的DC输出上；

提供包括水的处理介质；

通过使所述处理介质经受所生成的叠加的DC时变脉冲波以便激励处理水介质来对所述处理介质水进行处理，其中，所述激励使具有DC分量的离子电流的流动以脉动和时变的方式在所述处理水介质中行进，并感生所述处理水介质的电子和分子的振动；

使如此处理的处理水介质传递到包含烟气的腔室中，其中，所述经处理的处理水介质影响所述气体组分并分别将所述气体组分转化成硫酸盐、氮气、氧气、碳酸氢盐、碳酸盐和碳中的一者或多者；以及

将所述经转化的气体组分与使用过的处理水介质或来自所述烟气腔室中的废气一起去除。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过机械充电器在所述处理水介质中产生负电荷。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述水介质被喷洒到所述烟气腔室中。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述水介质被喷洒到所述烟气腔室中时，所述水介质通过喷洒动作而带负电荷。

5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述介质被传递到所述烟气腔室中之前，所述水介质通过诸如搅拌、气旋、气穴内爆等物理气穴动作而带负电荷。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述处理介质包括水和一个或多个处理化学物，诸如硫酸盐、碳酸氢盐、碳酸盐、硝酸盐。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述处理介质包括水和1至25％的Na₂CO₃或其它正离子碳酸盐。

8.如权利要求6或权利要求7所述的方法，其特征在于，所述处理介质包括水和1至25％的Na₂SO₄或其它正离子碳酸盐。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述介质被传递到所述烟气腔室之前，所述水介质通过将经过所述介质的气体起泡而带负电荷以产生(H₂O)n^-带负电荷的水簇。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述气体包括氮气、氧气和空气中的一者或多者。

11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述处理水介质具有从6至12的pH范围。

12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，处理水介质从所述烟气腔室被收集并通过以下操作被再循环：使用所述叠加的DC时变脉冲波来处理所收集的处理介质，并将所收集的经处理的处理介质传递到包含烟气的所述腔室中。

13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述经处理的水介质通过一系列烟气腔室被传递。

14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述叠加的时变频率电磁波的频率在大约500Hz至大约1MHz之间，优选地在大约0.1KHz至大约200KHz之间。

15.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述叠加的时变频率电磁波具有在大约1Hz至大约1KHz之间、优选地在大约10Hz至大约500Hz之间的扫描频率。

16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所生成的时变叠加的DC脉动离子波电流是具有固定频率、时变频率或随机变化频率的偏置的交变DC电流。

17.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括：在所述处理水介质中产生一个或多个带负电荷的和/或携带电子的(H₂O)n^-水簇。

18.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括：在所述处理水介质中实现水氧化还原电势(DRP)的负移。

19.一种用于从烟气中将气体组分SOx、NOx和CO₂一起去除的系统，所述系统包括：

包含处理水介质的容器；

用于生成叠加的时变频率电磁波并具有至少两个输出端子的设备，所述设备包括：交流(AC)波发生器，所述AC波发生器用于以期望的扫描时间生成具有时变频率的AC电磁波的AC驱动信号，以及直流(DC)偏置单元，所述DC偏置单元与所述AC波发生器串联电耦合并且用于产生具有预定义DC偏置电压的DC输出，所述DC偏置单元被配置成使得所述DC输出与所述AC驱动信号混合以产生叠加的时变频率电磁波，其中，时变频率AC波加载在所述预定义DC偏置电压上，以及发射器，所述发射器在所述处理介质中或所述处理介质和所述处理介质容器中的第一激励位点和第二激励位点两者中的一者或每一者处被提供并且与所述设备的输出端子串联电耦合，以用于将DC偏置的脉动电磁波传送给所述处理介质，其中，所述设备直接或通过所述发射器与所述处理介质中或所述处理介质和所述处理介质容器中的所述第一激励位点和所述第二激励位点串联电耦合，以使得所述叠加的时变频率电磁波被施加于所述处理介质或所述处理介质和所述处理介质容器中，以及其中，所述DC偏置输出和所述AC驱动信号被叠加成使得所述叠加的时变频率电磁波能够感生具有DC分量的离子电流的流动以脉动和时变的方式在所述处理介质中或所述处理介质和所述处理介质容器中行进，并实现所述处理水介质的电子和分子的感应振动以及在所述处理水介质中产生携带电子的(H₂O)n^-簇；

腔室，所述腔室包含烟气并具有处理水介质入口和处理水介质出口；

用于将如此处理的处理水介质通过所述入口传递到所述烟气腔室中的装置；以及

用于从所述水介质出口去除所述处理水介质的装置。

20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，进一步包括：用于使所述处理水介质带负电荷的机械充电器。

21.如权利要求19或权利要求20所述的系统，其特征在于，进一步包括：用于将所去除的处理水介质再循环返回到所述处理水介质容器的装置。

22.如权利要求19至21中任一项所述的系统，其特征在于，所述烟气腔室由串联堆叠或分开布置的一个以上腔室组成。

23.如权利要求19至22中任一项所述的系统，其特征在于，用于将所述处理水介质传递到所述烟气腔室中的装置包括喷洒系统。

24.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述喷洒系统包括直接的直线、涡流或螺旋喷洒器。

25.如权利要求23或权利要求24在从属于权利要求20时所述的系统，其特征在于，所述喷洒系统进一步包括用于使所述经处理的处理水介质带负电荷的所述机械充电器。

26.如权利要求20或21至25中任一项在从属于权利要求20时所述的系统，其特征在于，用于使所述经处理的处理水介质带负电荷的所述机械充电器包括：用于在所述经处理的处理水介质被传递到所述烟气腔室中之前通过所述经处理的处理水介质使气体起泡以产生(H₂O)n^-带负电荷的水簇的装置。

27.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述气体包括氮气、氧气和空气中的一者或多者。

28.如权利要求20或21至25中任一项在从属于权利要求20时所述的系统，其特征在于，用于使所述处理水介质带负电荷的机械充电器包括搅拌器或旋风器。

29.如权利要求19至28中任一项所述的系统，其特征在于，所述DC偏置单元选自包含以下各项的组：开关模式DC电源、AC至DC转换器、可再充电DC电池以及电感二极管滤波器。

30.如权利要求19至29中任一项所述的系统，其特征在于，所述预定义DC偏置电压被设置为可变的或固定的。

31.如权利要求19至30中任一项所述的系统，其特征在于，所述DC偏置电压被选择成使得所述叠加的时变频率电磁波被产生为具有极性非对称性或者变成单向脉动波。

32.如权利要求19至31中任一项所述的系统，其特征在于，所述叠加的时变频率电磁波是正方形、三角形、矩形或正弦形式。

33.如权利要求19至32中任一项所述的系统，其特征在于，所述叠加的时变频率电磁波的频率在大约500Hz至大约1MHz之间，优选地在大约0.1KHz至大约200KHz之间。

34.如权利要求19至33中任一项所述的系统，其特征在于，所述叠加的时变频率电磁波的扫描频率在大约1Hz至大约1KHz之间，优选地在大约10Hz至大约500Hz之间。

35.如权利要求19至34中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一激励部位和所述第二激励部位两者都以间隔开的关系被置于所述处理水介质中，或者所述第一激励部位和所述第二激励部位中的一者被置于所述处理水介质容器上，并且所述第一激励部位和所述第二激励部位中的另一者被置于所述处理水介质中。