在来自烃燃料源的烟道气中进行碳捕捉并去除多种污染物以及回收多种副产物的方法及设备

本申请要求2007年4月12日申请的标题为“在来自化石燃料燃烧源 的烟道气中进行碳捕捉并去除多种污染物以及从中回收多种副产物的 方法及设备”的美国临时专利申请序号60/923,373的优先权，在此以引用 方式将其全文并入本文。

本发明涉及纯化的二氧化碳气体的选择性捕捉并去除、二氧化硫及氮氧 化物加上重金属和痕量金属(例如，但不限于汞、硒、镉、砷、锗、铀及铍， 这些重金属和痕量金属来自含有这些组分的气态混合物，尤其是来自具有低 浓度的烟道气流)的选择性去除及回收方法。这些气态混合物包括发电厂以 及工业、农业及市政炉灶的煤炭、油、天然气及其它烃燃料燃烧以及类似排 气源所产生的燃烧烟道气或废气。

通过传统手段特别难以从这些烟道气混合物去除例如一氧化氮的较低价 氮氧化物及包括汞蒸气的痕量金属而不需在它们所发生的低浓度下事先的预 氧化步骤。通过传统手段，尽管二氧化硫及二氧化碳有时候单独以更大浓度 发生但是由于与液体溶解度有关或在其它材料存在之下，亦难以从这些烟道 气流去除二氧化硫及二氧化碳。

所有上述组分皆被视为在大气及相关的人类环境中具有各种负面效应的 空气污染物。采用许多国家已充分建立且规定的排放标准及环境空气品质标 准，二氧化硫和氮氧化物是以中等浓度存在于烟道气流中的空气污染物。汞 蒸气及类似的痕量金属组分皆为空气污染物，它们以非常低的浓度存在于烟 道气流中，这对于人类健康而言是潜在的问题，其排放标准才正要开始发展。 二氧化碳为以较高浓度存在于这些烟道气流中的气态组分，其逐渐被联系为 现在倍受关注的全球变暖及气候变化的推因。

本发明能以某种方式遵守这些空气污染控制的管制命令，这使得它们能 以商业上可行的副产物的形式以一定的数量和质量被回收以致控制且再利用 这些组分在最好的情形中可能变得有益，而在最坏的情形中比传统排放控制 手段更便宜。

本发明包括气体动力学反应器系统，重金属和微粒状气溶胶在其中除去， 而且在汞蒸气、氮氧化物及有机化合物氧化之后接着在其中将二氧化硫、二 氧化碳及氮氧化物与流出气流分离开。

先前已经揭示不同形式的湿式洗涤器。举例来说：Raymond的美国专利 号467,264显示利用水蒸气湿润烟然后离心地分离固体粒子而纯化烟的早期 方法。Jackson的美国专利号723,531揭示利用一对洒水器使烟、烟雾或气 体冷凝而且通过重力或通过过滤分离粒子的设备。英国专利号925,711揭示 一种液体灰尘过滤器，其中使含灰尘的气体加速经过窄化的通道或喷嘴，然 而导向液流。Gorman的美国专利号3,894,851利用水蒸气所冷凝的水滴与被 污染的气体混合。之后，在旋风分离器中分离湿润的微粒。Barnhart的美国 专利号3,812,656揭示一种风扇驱动的文丘里管，含灰尘的空气通过该文丘 里管排出。将水喷洒到该文丘里管的喉部以湿润该含灰尘的空气，而且通过 重力来分离灰尘和水同时通过该风扇排出空气。Baum的美国专利号 3,898,308中揭示另一种形式的文丘里管洗涤器，为了气/液接触其在该文丘 里管的喉部提供一系列的可调整的水射流。

最近，发表了一系列专利，其中通过将微粒包封或夹带于小液滴中来捕 捉精细微粒，之后使该液滴尺寸长大直到它们易于根据离心或流动分离的分 离原理与气体分离。这些专利包括Ewan等人的美国专利号3,852,408； Martin、Ewan等人的美国专利号3,852,409；Ewan等人的美国专利号 3,912,469；Ewan等人的美国专利号4,141,701；Cason、Ewan等人的美国专 利号4,272,499以及Frier、Bass及Ewan的美国专利号6,447,574 B1。在 后面的专利中，流过该系统的烟道气完全为亚音速的而且该系统不能单独去 除微粒状污染物及酸性气体污染物，或单独回收它们且以有价值的副产物的 形式再生它们。再者，上述专利无一含有与二氧化碳的捕捉相关的任何技术 或机理。上述专利有些也揭示通过例如碳酸钠、氢氧化钠、氧化钙、氢氧化 钙、氧化镁、氢氧化铵和高锰酸钾的碱性化学试剂来去除酸性气体例如二氧 化硫及氮氧化物。就全部上述专利而言，这些去除方法的最终产物要么是较 低价值的物质例如石膏或铵基肥料要么是可抛弃的物质例如污泥或固态废弃 残余物。

本发明的另一个方面是以例如硫酸钾或硝酸钾的形式从流出气体中分离 且回收硫、氮及碳化合物，该硫酸钾或硝酸钾作为肥料是有价值的。被捕捉 且回收的二氧化碳可作为最终产品出售，该最终产品用于强化三次采油或用 于增进蔬菜作物生长，或生产用于生物柴油燃料的藻类，或被隔离起来。二 氧化碳也可作为生产商业终端产品例如甲醇、乙醇(它们可被视为生产生物柴 油及运输燃料的原料)及乙烯(而乙烯，或更明确地说1，2-二氯乙烷，为聚氯 乙烯塑料生产的中间物)的原料。

Cooper的美国专利号4,425,313及4,426,364中揭示从发电厂的例如燃 烧气体的气态混合物中去除且回收氮氧化物及硫氧化物的方法。在这些专利 中氮氧化物及硫氧化物单独或一起被去除而且被转化成可能用作肥料的硫酸 盐和硝酸盐。然而，这些早期专利并未揭示如何分离气体以便防止该烟道气 中的重金属及极精细的微粒状物质(PM)污染所回收的硫酸盐和硝酸盐以使它 们可以较纯的肥料形态出售(1)或以气体力学或化学的方式避开捕捉而被释 放至大气中(2)。如上文提到的，重金属例如汞及其它痕量金属及极精细的微 粒状物质一般都避开捕捉而且现在被认为是显著影响环境及人类健康的空气 污染物。

美国专利号6,132,692及7,052,662所述的Powerspan电催化氧化法为 铵基而非钾基的方法(同时使用干式及湿式去除法)，其生产价值较低的铵基 肥料例如硝酸铵及硫酸铵的有潜在危险性及爆炸性的混合物作为其终端产 品。而且，该Powerspan方法使用元素汞及一氧化氮的催化氧化，其效率比 本发明所用的高温气相热氧化更差，而且Powerspan法将可能造成催化剂阻 塞或积垢。

美国专利号6,315,976、6,375,824及6,334,990所述的Airborne碳酸 氢钠法为钠基的传统化学方法，对比之下，本发明一般其优选实施方案中为 钾基的气动物理及化学方法的结合。结果，该Airborne法无法回收二氧化 碳而且必需额外使用氢氧化铵作为补给的化学品，其造成类似于前述 Powerspan法形成硫酸铵及潜在危害性硝酸铵的情况。

Gansley的美国专利号6,638,342最近揭示另一种用于去除二氧化硫、 二氧化氮及痕量或毒性金属的铵基传统化学法。当该痕量金属与二氧化硫及 二氧化氮同时被去除时，铵基肥料(由Gansley法所生产)必然被沉淀的金属 盐污染，而无法为前述毒性问题提高提供任何补救。该Gansley法仅试图部 分去除该毒性金属；然而，此效果似乎非常耗费能量而且没有效率，而且无 法从该烟道气生产商业上可出售的且无毒的副产物。

美国专利申请号20060185985所述的Skyonic碳酸钠法采用氯化钠电解 成氢氧化钠来以碳酸钠及碳酸氢钠的形式捕捉二氧化碳。接着通过由氢气和 氯气所生产的氢氯酸从该碳酸盐溶液中释出二氧化碳气体(其打算为经纯化 的气体)。然而，该方法并未涉及硫氧化物、氮氧化物及痕量金属的去除，而 且仅生产呈副产物化学品形式的低价值碳酸钠及碳酸氢钠。既然Skyonic并 不能使汞或其它痕量金属在鼓泡过程的上游氧化，则金属固体将累积在液体 溶液中。此外，未反应及未处理的元素汞蒸气或者能以气体力学的方式逸散 至该烟道气流本体中，或者也能累积在吸收液中然后与二氧化碳气体一起释 放出来而污染二氧化碳。该Skyonic法宣称仅能去除所排放的二氧化碳的70 ％但消耗掉发电厂总能量输出量的30％。因此，存在毒性、不可实行性及无 成本效益的顾虑。

Cooper的美国专利号6,969,486及6,676,912涉及使用紫外光将过氧化 氢光解氧化成羟基自由基以分别将一氧化氮、一氧化碳及有机蒸气氧化成二 氧化氮、二氧化碳及水。这些早期专利并未陈述元素汞蒸气能在上游单独地 且选择性地被氧化成汞盐而因此变得在下游洗涤步骤中与氮氧化物分离开， 从而避免硝酸钾的污染(其它痕量金属类似)。本发明在此提出、揭示并产生 了一种解决该问题的解决方案。再者，在所有前述早期的专利中，与本发明 对照之下，没有回收且生产甲醇或乙醇或乙烯。

发明概述

选择性氧化元素汞并加入二氧化氯、氯气以及氯基(chloro)、氯氧基 (chloroxyl)和由过氧化氢所产生的羟基自由基，以通过气体动力学反应 器系统通过碱金属氯化物反应在下游去除汞微粒及金属气溶胶。通过碱金属 硫酸盐再循环来回收汞和其它金属化合物固体以再生用于电解槽的碱金属氢 氧化物和/或氯化物物质。从碱金属氯化物电解作用生产氯气及氢气以通过该 气体动力学反应器及气体聚结器(aero-coalescers)依次产生用于吸收二 氧化硫、二氧化氮及二氧化碳的碱金属氢氧化物碱性液体。氯气与乙醇发酵 所产生的乙烯利用氢气催化起反应以生产1，2-二氯乙烷中间体，而与额外的 乙烯反应生产氯乙烯单体及聚氯乙烯塑料。氢气与氯气反应以生产氢氯酸， 该氢氯酸用于提取并回收汞及其它金属例如铝，以再生碱金属氯化物和/或氢 氧化物电解原料，并用于产物再循环及回收。氢气及二氧化碳发生反应而由 从该烟道气流捕捉而收集到的二氧化碳变成合成气，该合成气用于生产乙醇、 甲醇、乙烯和它们的衍生物。

本发明有可能有效地捕捉且去除(1)来自燃煤发电厂及其它烃燃料工业 源所产生的烟道气流的高浓度二氧化碳；(2)来自这些烟道气流的中等浓度二 氧化硫及氮氧化物；及(3)来自这些气流的小浓度的汞蒸气及其它金属和其它 精细微粒气溶胶。接着可在通过多个连续的预氧化、去除、回收及再生阶段 通过多个循环过程的系列对呈气态及微粒状形态的各类物质进行处理和吸收 之后，从该烟道气流中回收如此除去的这些空气污染物。该空气污染物可从 不可收集的形式转化成可收集的形式，然后从发电厂或工业燃烧器烟道气流 中去除。预期这些污染物后继转化及回收成可用的副产物，并通过一系列循 环过程再生呈再循环吸收溶液形式的收集液介质，显示消耗性资源的高转化 率及硫氧化物及氮氧化物回收以生产硫酸钾和硝酸钾肥料的高度经济的方 法，及回收二氧化碳以致该二氧化碳可转化成各式各样可用的化学品及清洁 的燃料副产物。

本发明涉及经纯化的二氧化碳气体的选择性捕捉和去除，用于去除及回 收燃煤发电厂及其它烃燃料工业来源所排放的附加汞及其它金属气溶胶的气 流混合物中的二氧化硫及氮氧化物及其它气体的选择性方法。这些空气污染 物为就保护公共卫生及环境而言越来越关心的问题，其需要用于排放控制的 综合再循环的生产及再生系统，该系统运用碱氯化物作为再循环原料物质以 供去除及回收，以有效且经济为基础，以生产可用的化学及肥料副产物。这 些烟道气流最初通过多阶段气体动力学反应器来处理，该反应器运用使一氧 化氮变成二氧化氮、使汞蒸气变成离子汞化合物附带使一氧化碳及有机化合 物变成二氧化碳和水蒸气的预氧化作用。该气态方法涉及在具有碱金属氯化 物试剂溶液的气体动力学反应器系统中依次选用可压缩流体，例如水蒸气/ 空气(或气体)，连同水、氯气、二氧化氯、过氧化氢及选用经光解的氯气、 二氧化氯及过氧化氢来处理，接着在第一阶段气体聚结器气/液分离单元中去 除汞盐及金属气溶胶及微粒。

所得的化学去除及回收系统接着顺序通过过滤、沉淀及脱二氧化碳然后 通过酸性及碱性提取而从该第一阶段气体聚结器流出液体系中去除汞化合物 及其它金属气溶胶盐。所得的回收固体接着利用氢氯酸及碱金属氢氧化物来 处理以便从固态残余物流中回收金属。使再生的碱金属卤化物溶液以来自该 固体分离步骤的再循环液流的形式返回至该气体动力学反应器以建立再循环 再生程序而使额外的化学补给需求最少化。

使经金属及微粒去除之后持续向前移动的烟道气流穿过使用碱金属氢氧 化物、碳酸盐及碳酸氢盐的再循环试剂溶液的第二气体动力学反应器系统(其 优选包括具有气/液分离功能的气体聚结器，但是其它气/液分离器也可使用) 以去除二氧化硫及二氧化碳。然后该气流的剩余部分继续行至使用碱金属氢 氧化物、碳酸盐和碳酸氢盐的类似再循环试剂溶液的第三阶段气体动力学反 应器系统(其优选地也包括具有气/液分离功能的气体聚结器)以去除二氧化 氮及其余的二氧化碳。

第二阶段气体动力学反应器和第三阶段气体动力学反应器皆使用其本身 各自的气体聚结器以分离气体与液体流出物流。来自第二阶段二氧化硫去除 系统和第三阶段二氧化氮去除系统的液体流出物流接着依次通过氧化、脱二 氧化碳及蒸发加上结晶来处理以促使各自的碱金属硫酸盐和硝酸盐作为回收 固体而去除。在二氧化硫及二氧化氮去除步骤中通过碱金属碳酸氢盐分解成 碳酸盐而从该脱二氧化碳单元排出的气体以单独经纯化气流的形式捕捉且回 收二氧化碳。在二氧化硫及二氧化氮去除步骤中从蒸发及结晶步骤所产生的 回收的碱金属碳酸盐溶液接着以水稀释而且在添加来自化学产生-再生系统 补给的碱金属氢氧化物之后再循环且返回到其各自的反应器中。结果，然后 可使用再循环及再生液试剂溶液来额外去除进来的烟道气流中的污染物。

独立的再循环化学产生-再生系统运用并联的碱金属氯化物及乙烯处理 单元，该单元都使用现有的技术。从乙醇的催化热转化通过与来自该单独电 解单元的氢气的反应生产而生成乙烯，而乙醇通过上游的玉米或其它农作物 来源或生物来源的发酵反应，或通过氢气和二氧化碳的合成生产而产生。使 该碱金属氯化物盐溶液通过电解槽，碱金属氢氧化物在该电解槽中以液体溶 液的形式产生以补给用于二氧化硫及二氧化氮吸收步骤的化学品。相反的电 极处也有氢气及氯气流产生，其中氢气行至单独的催化反应器以将甲醇或乙 醇转化成乙烯及它们的相关衍生物，或单独用于生产化学副产物过氧化氢， 该过氧化氢后继用于锅炉烟道气的预氧化步骤。此外，甲醇及乙醇及所有它 们相关的衍生物，包括例如生物柴油，皆可由该电解步骤所产生的氢气及从 该烟道气流中作为可用且有价值的副产物而去除的二氧化碳来合成。如上所 述的所有副产物的生产皆为本发明的结果。

本发明首次针对从燃烧气体混合物去除所有污染物、污染物质及温室气 体以使最终流出气体基本上为纯空气的问题提供出乎意外的完整解决方法。 近乎40年以前，主要由1970年代初期发表的不同Ewan专利所证实的气动 方法证明了以浆料的形式从燃烧气体中去除甚至是亚微米的微粒、金属及酸 性气体的能力。然而，该浆料至多包含例如受微粒及金属所污染的石膏的产 物，而且可捕捉小量的，若有的话，二氧化碳。另一方面，开始于几乎40 年前的已经开始研发出来而且依赖标准化学反应器在1970年代发表的 Cooper专利示范的Cooper方法尽管能分离硫及氮产物，但是这些产物必定 会受到微粒及金属的污染。尽管在至少30年内本领域技术人员可取得Ewan 及Cooper方法，但是无一，直到本发明人，想出一种特定方式将这些各自有 缺陷的方法合并而形成一种方法，该方法第一次能单独去除所有污染物及污 染物质以便提供未被污染且有价值的副产物，同时，消除温室气体的问题。 在清洁煤炭技术、煤气化和烟道气处理上已经花费非常大量的努力及金钱， 但是此努力无一得到能去除超过90％二氧化碳以及二氧化硫及氮的氧化物的 经济方法。事实上，已发现数个被提出的方法并不经济而且研究计划已被取 消。鉴于某些发明人本身研究的这些失败及缺点，本发明的成功既是非显而 易见的又是出乎意料之外的。

附图简述

图1a及1b显示该系统的流程图，通过该系统从烃燃料燃烧过程的流出 气体中去除并回收微粒、重金属、二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳，和它们 各自用于副产物回收的再循环化学试剂产生-再生系统；

图2以部分截面显示了超音速及次音速喷嘴的排列及相关的混合/反应 室；

图3以部分截面显示了运用多个超音速喷嘴的替代性喷嘴排列；

图4显示了沿着图3的A-A线取得的超音速喷嘴配件的截面；

图5显示了用于水蒸气或空气喷射的超音速喷嘴的详细截面图；

图6显示了用于从该烟道气流中分离液体的气体聚结器的详细截面图；

图7显示了用于从液体及气体生产自由基的紫外光光解单元；

图8显示了用于从该烟道气中去除及回收汞的液体处理系统；

图9显示了用于从该烟道气中去除及回收硒的液体处理系统；

图10显示了对图1a和1b的系统的补充流程图，由此可由藻类合成及发 酵来生产生物柴油燃料油；

图11显示了对图1a和1b的系统的补充流程图，由此可由氢气、氯气及 二氧化碳来合成甲醇、乙醇、乙烯、1，2-二氯乙烷和生物燃料；及

图12a和12b显示了特别适用于将二氧化碳的回收和生产最大化的图1a 和1b图的系统的变型的流程图。

图中的附图标记也列在附录1中。

优选实施方案的详细描述

本发明能有效地捕捉且去除：(1)来自燃煤发电厂及其它烃燃料工业源所 产生的烟道气流的高浓度二氧化碳；(2)来自这些烟道气流的中等浓度的二氧 化硫及氮氧化物；及(3)来自这些气流的小浓度的汞蒸气及其它金属和精细微 粒气溶胶。接着可在通过多个连续的预氧化、去除、回收及再生阶段通过多 个循环过程的系列对呈气态及微粒状形态的各类物质进行处理和吸收之后， 从该烟道气流中回收如此除去的这些空气污染物。该空气污染物可从不可收 集的形式转化成可收集的形式，然后从发电厂或工业燃烧器烟道气流中去除。 预期这些污染物后继转化及回收成可用的副产物，并通过一系列循环过程再 生呈再循环吸收溶液形式的收集液介质，显示消耗性资源的高转化率及硫氧 化物及氮氧化物回收以生产硫酸钾和硝酸钾肥料的高度经济的方法，及回收 二氧化碳以致该二氧化碳可转化成各式各样可用的化学品及清洁的燃料副产 物。

进行该预氧化预处理过程以转化该一氧化氮、元素汞蒸气及其它具有表 现得像汞蒸气的特征的痕量金属蒸气，加上一氧化碳及有机蒸气，加上精细 微粒气溶胶，以便将它们从不可收集的状态变成可收集的状态。将一氧化氮 转化成二氧化氮及将元素汞变成离子汞盐化合物而且变成更易于从该烟道气 流中捕捉且去除的更大尺寸的粒子。用于将一氧化氮预处理成二氧化氮的预 氧化过程通过一系列气相氧化反应进行，该反应运用经光解的过氧化氢加上 在碱金属氯化物液体试剂溶液中的氯气及二氧化氯气体。此外，该预氧化步 骤造成一氧化碳部分氧化成二氧化碳以及将有机蒸气氧化成二氧化碳和水蒸 气，以使它们能更容易地从该气流中去除。

现在参照图1a和图7，用于将不可溶的元素汞蒸气转化成可溶性的氧化 后的汞盐化合物的预氧化预处理过程通过所述的气相多步骤处理来进行。氯 气和二氧化氯流56及过氧化氢18进料至光解单元14中而且施以紫外光20 以便生产氯基、氯氧基、羟基及过氧氢自由基流22，306。在图7中，管线 306中的一部分自由基流通过用于自由基的加热器308来导引以使该物流的 液体成分蒸发。优选地，穿过进料管道11的空气19通过空气加热器309来 加热并导入混合室311，在那里它与自由基、水、水蒸气及过氧化氢的蒸发 了的物流混合。合并的物流通过管道24离开该混合室311并注入锅炉排出管 道26中，在那里该烟道气的温度仍然是高的。优选地，如图1a所示，该点 可介于空气预热器13与节热器15之间。在一些工厂中，该节热器可位于该 空气预热器的上游。在这种情况下，注入点优选在该节热器的上游以得到较 高烟道气温度的优点，较高烟道气温度将促使预期的氧化反应发生以使污染 物然后转化成更易于收集的形式。

来自该锅炉的排出管道26与初级粒子收集装置28的入口相通，该初级 粒子收集装置28可例如为现有的静电沉淀器、旋风分离器或布袋室。该初级 收集装置的功能为将大型微粒状物质例如飞灰与热烟道气分离开，且如果如 果希望的话，降低该热气10的温度至140℃至160℃(285°至320°F)的范 围以及提供该气流的增湿。代替该初级收集装置28，在一些工厂中可使用包 含装配洒水器的喷雾塔的调节室。用于将该精细的微粒气溶胶从不可收集的 形式转化成可收集的形式的预处理过程涉及使该烟道气在液体溶液存在下通 过包括音速及超音速自由射流二者的第一阶段气体动力学反应器30以产生 湍流的混合、成核、粒子生长及冷凝而促使通过气体聚结器32从该烟道气流 去除以分开液体与气相。此步骤允许所捕捉的微粒状物质及氧化后的汞化合 物被移入液体溶液中以供后续通至金属分离及回收单元34，并在那里接着使 该液体试剂溶液再生并再循环以在气相去除过程中经济地再使用以去除额外 的空气污染物。

现在参照图1a、2和5，所述第一气体动力学反应器30包含进入管道36， 其使来自初级收集装置28的排出管道38与混合/反应室40之间相通。亚音 速喷嘴42位于该进入管道36的出口与该混合/反应室40的入口之间。优选 为超音速喷嘴44的喷嘴位于该进入管道36内并可通过可压缩流体例如物流 47或空气或气体来驱动。“超音速”在本发明中意指可压缩流体在比声音在 被污染气流的介质中的速度更高的速度下从该超音速喷嘴44排出，该被污染 气流的介质在设置该超音速喷嘴的通风管36中流动。集管43，其设在该优 选的超音速喷嘴44的出口端附近，装配有多个喷雾喷嘴45。水和化学试剂 溶液164(若使用的话，其包括碱金属氯化物盐例如氯化钾或氯化钠的)，通 过58，和自由基22可经过该喷嘴45以液体或蒸气的形式加入。如果希望的 话，氯气和二氧化氯气体56也可经过该喷嘴45加入到该气流中。从该超音 速喷嘴44排出的超音速自由射流46接触该亚音速喷嘴42的喉部48并起到 喷射泵的作用以抽引、强加及冲压该被污染的流出气体10进入并经过该超音 速自由射流46并从那里经过该亚音速喷嘴42并进入亚音速自由射流50中。 在气体动力学科学中，术语“自由射流”意指不受束缚、不受约束且不受限 制的喷射强气流。在本发明中，对用于初始驱动及混合功能的亚音速喷嘴的 使用而言，该超音速喷嘴，其生产超音速自由射流，的使用系优选的，因为 该超音速喷嘴将利用比该亚音速喷嘴更低的能量需求来提供大大改善的混合 效果。另一方面，位于该反应室入口的亚音速喷嘴42足以使通过该可压缩流 体、注入液体连同被污染的气流所形成的合并射流内发生物理和化学反应。 如果希望的话，额外的水或化学试剂溶液可优选地通过装配有喷雾喷嘴51 且位于该亚音速喷嘴42出口端周围的集管49导入到亚音速自由射流50中。 由于尚存于该超音速自由射流46中的冲击波和能量以及气相和液相中的布 朗运动造成的分子扩散，在该被污染的气体10、试剂(若使用的话)及超音速 自由射流46之间发生亲密且无可避免的撞碰以致使该气流中的所有分子将 会存在有效且亲密的气/液接触和混合。

该混合/反应室40包括接触该亚音速自由射流50以致形成第二喷射泵的 截面渐减段52。在此称为孔口54的一系列送气开口设置于该亚音速喷嘴42 的喉部48。该孔口54与在该混合/反应室40内但在该亚音速自由射流50外 侧的更大内径的区域相通。由于该气体流过具有朝该孔口54送气或向内部吸 气的效应的亚音速喷嘴42的喉部48，使在该亚音速自由射流50外侧的混合 /反应室40区域中的压力降至低于大气压力。刚好在该亚音速喷嘴42下游的 压力也由于该喷嘴排出射流的渐增速度及气体喷出且扩展的空间膨胀而变成 低于大气压力。从而发生受此影响的气流的显著且快速的冷却。既然该流出 气流，已经完全与液滴或蒸气混合，且(若使用)化学试剂，通过且排出该亚 音速喷嘴而形成第二湍流自由射流，其将送气并在该亚音速自由射流50的区 域外侧产生低于大气压力的区域。因此与该亚音速自由射流相关的排出气体 将在该混合/反应室内膨胀并经历快速温降，其增进该亚微米微粒及气溶胶上 的湿气冷凝，该亚微米微粒及气溶胶充作将它们包封在水滴的成核点。由于 该亚音速自由射流内的湍流条件，含有该亚微米微粒及气溶胶的液滴的尺寸 将由于多重碰撞、冲击及成核以及进一步的冷凝而迅速长大，直到它们达到 可轻易地与流出气流分离开的尺寸为止。该气/液分离装置优选为气体聚结 器，其中含污染物的液滴在截面渐增室中以气体动力学的方式分离，该截面 渐增室以液滴的形式从剩余的气流中去除该液体及其夹带的气溶胶。

在气体动力学反应器30内低于大气压力的区域将通过去除该气溶胶周 围的边界层而补充且帮助该自由射流中的混合作用，从而增进预期的化学反 应(若有的话)及液滴的形成及生长，该液滴已经包封该微粒物质及化学反应 产物(若有的话)，由此能通过气体聚结器或其它气/液分离器来确保分离及收 集。这是应用于分子物理及不同于传统化学的表面化学背景中的气体动力学 反应器系统和方法的结果。再者，气体动力学系统的内部自动清洁和去除效 率是供应至该气体动力学反应器的能量的函数，并可通过调节供应至该气体 动力学反应器的加压水蒸气或化学试剂的量而予以控制。

尽管单个超音速/亚音速喷嘴配件及混合/反应室一般足以去除重金属及 包含非常小的微粒的气溶胶，但是如果希望的话，可在它与随后的气体聚结 器或其它气/液分离器之间安装第二个类似的喷嘴配件及混合/反应室。以类 似的方式在替代性排列中，如图2中所示的单个超音速喷嘴，可被如图3中 所示的均朝向该亚音速喷嘴42的喉部48的多个小型超音速喷嘴来代替。如 果希望的话，上文所谈到的一部分或全部化学试剂可通过一个或多个超音速 喷嘴以液体或蒸气形式导入。然而，这些试剂优选通过与各自的超音速喷嘴 相连的集管和喷雾喷嘴导入。优选地，该超音速/亚音速喷嘴配件和混合/反 应室垂直放置以使该超音速和亚音速自由射流垂直朝下以便促使该液滴与该 气流组分之间的迅速混合与接触。另一方面，也可配置水平配件，但结果是 它可能提高该地点的物理空间需求。

图3和图4分别显示了图2的超音速喷嘴44的替代性排列。在图3和图 4中，显示了三个超音速喷嘴44a、44b及44c。这三个喷嘴44a、44b和44c 中的每一个朝向亚音速喷嘴42的喉部48。水蒸气47或空气可用于驱动超音 速喷嘴44a、44b及44c以促使有效的气/液接触。自由基羟基和氢过氧基加 上氯基及氯氧基以及化学试剂氯气、二氧化氯及碱金属氯化物可经过集管 43a、43b及43c并经过该喷雾或雾化喷嘴45a、45b和45c导入。“雾化喷 嘴”，本发明意指当其喷射液体时能使该液体分裂成非常小的液滴的喷嘴。 尽管图3和图4示出了三个超音速喷嘴，可以理解的是，如果希望的话可提 供额外的喷嘴。如图1所示，(若使用的话)该化学试剂氯气和二氧化氯将通 过管线56进入该管道36，而碱金属氯化物和氯基、氯氧基、羟基和氢过氧 基自由基22将通过管线58进入该管道36。如上文提及的，这些化学试剂优 选通过对应的集管43和喷雾或雾化喷嘴45以液体或蒸气形式导入该超音速 射流46中，但是它们也可导入管道36内的气流10中，然后与一股或多股超 音速射流46混合。

部分清洁后的烟道气及含污染物的液滴排出该垂直取向的气体动力学反 应器30，进入弯头60中并从那里进入图6所示的水平取向气体聚结器32中。 参照图6，用于将液滴与气体分离开的气体聚结器32包含截面渐增部分62 及截面固定或均匀部分64。气体动力学流体分离装置66，其可为固定的或可 调节的或弯曲的条、阻障物、刀片或流体流，其位于该气体聚结器32的截面 渐增部分62的入口附近。该流体分离装置66造成该气流的液滴部分朝向该 气体聚结器32的壁被向下导引，而该气流的气体部分在旋转旋涡效应下向上 升起且通过管道68离开该气体聚结器。离开该气体聚结器32的气流的气体 部分含有来自热气10的二氧化硫、氮氧化物及二氧化碳，而所分离出的较重 的并因此向下流动的并通过管线70从该气体聚结器排出的液体含有微粒状 物质和重金属、痕量金属和其它从热气流10中捕捉到的微粒，接着再收集且 回收它们。

尽管不想受任何理论所束缚，但是下文将提供可能的机械装置及理论上 的讨论。

气体动力学机械装置

如上述第一气体动力学气体清洁反应器(在此称为ADGC)所显现的，该 ADGC设备本身在机械上极为简单并且不包括移动零件，并且三个或四个气体 动力学反应器中的每一个(用于后文中本发明的完整系统及方法全文当中时) 实质上为相同的，并因此它们各自的描述是类似的。然而，在各个气体动力 学反应器及其各自的气体聚结器内执行的过程是极其复杂的并且不像传统污 染控制装备中执行的过程。

所述超音速喷嘴44(或喷嘴44a、44b、44c)位于入口管道36中，且与 所述亚音速喷嘴42联合形成喷射泵，该喷射泵抽吸被污染的气流10穿过该 系统。图2、3和5中所示的超音速及亚音速喷嘴的设计本领域技术人员众所 周知并不需在此详细描述。与该超音速喷嘴44相连的喷雾或雾化喷嘴45将 经雾化的水或化学试剂直接喷雾至超音速自由射流46内。该经雾化的液滴被 粉碎并进一步减小尺寸且与该超音速自由射流46紧密混合，该超音速自由射 流46由喷嘴44产生并在超过1,180英尺/秒的速度下运动。为了使排出该 喷嘴的该自由射流成型且完全有效，该入口管道36的截面积应至少为射流喷 嘴44出口的截面面积的约四倍。较小的面积比将不利地影响该反应器的性 能。部分由于存在于该超音速自由射流46中的冲击波及能量，在该超音速自 由射流46的冲击波区域中的自由射流46内，将发生最初以40至60英尺/ 秒的标称速度行进的被污染的气流10与非常精细的水滴及化学试剂(若使用 的话)的湍流及紧密混合。该混合物，经过该湍流混合之后，将掺混它们各自 的行进速度并平均化为150至250英尺/秒的速度。

当该气流混合物被推入或被迫进入并通过亚音速喷嘴42时，因为该气体 内容物被强迫通过喷嘴42，所以此物流的速度将大幅提高至在喷嘴42出口 处的音速范围的速度。此加速物流现在突然进入直径大得多的反应室40中， 反应室40具有为该亚音速喷嘴42的出口截面积的至少四(4)至五(5)倍的内 部室截面积，并该气流在体积上突然膨胀，而该物流的压力在进入该室40 之后突然降至低于大气压力的程度。如上文提及的，较小的面积比将不利地 影响该反应器的性能。由此，当该亚音速自由射流50从该亚音速喷嘴42发 出时，压力将变得明显低于大气压力并温度将变得明显更低。此外，由于在 该亚音速喷嘴42的喉部48中的孔口54的送气或向内吸气效应，使刚好在该 亚音速自由射流50外侧的混合/反应室40中的压力也会在一定距离内低于大 气压力。降低的压力造成非常小或经雾化的蒸气或气溶胶粒子及液滴，以及 试剂(若使用的话)上的表面边界层剥离，从而使该气溶胶、粒子、液滴及试 剂(若使用的话)全都立即相互接触并迅速反应。此过程吸热。由于该液滴及 试剂(若使用的话)非常小的尺寸，所以接触面的面积对体积的比例可为正常 条件下传统化学反应相关的或所涉及的比例的数千倍。此外，该湍流的气/ 液混合物的气相和液相中将会有分子扩散或布朗运动。若使用化学试剂的话， 该化合物的离子与它们各自的目标物的分别带相反电荷的离子反应，导致预 期的反应，并发生吸热反应从而吸收能量。

由于使用气体动力学科学原理的反应室40内产生低于大气压力且吸热 的条件，预期的化学反应可在数毫秒内完成，并该主要过程或机理将变成一 种分子表面化学，而非传统化学。该预期的反应将在至高约150°F的迅速温 降范围内进行。降低的温度将造成水蒸气冷凝在由所述微粒及反应产物所提 供的成核点上。由于在亚音速自由射流50内的湍流，包封该微粒及反应产物 的液滴通过极度迅速和反复的冲击、截留、扩散、反应、成核及冷凝而生长。 持续的冲击、截留、扩散、反应及成核部分是由于非常小的粒子及离子的布 朗运动造成的。此方法本身以不规则顺序非常迅速地重复并造成又更大的液 滴的“生长”及又更多成核点的包封-再包封直到该物流行至反应区域的外侧 并超出该反应区域。

当气体及液滴的混合物朝向该反应室40的后面部分行进且超出该反应 室40的后面部分时，发生了压力恢复：(1)放热条件开始发生，其提供约50° F至75°F的温度恢复，及(2)在收敛段52内，压力开始恢复至正常大气压 力水平，同时液滴持续成长。由此，超出该反应区，有时候介于该收敛段52 与气体聚结器32之间，预期的化学反应将达到平衡点，并重新建立传统化学 的放热及正压条件。

在垂直取向的气体动力学反应器30与气体聚结器32之间的弯头60用作 延伸或额外混合管，在那里通过持续的冲击、成核及冷凝发生进一步的液滴 生长。当该气体混合物进入气体聚结器32时，它包含气体与较大液滴的混合 物，该较大液滴含有所捕捉的重金属和痕量金属以及其它通过凝聚被包封或 再包封到非常大的液滴中的微粒，该非常大的液滴可接着被分离出来。

如图6所示，气体聚结器32包含为气相组分提供一些额外的压力恢复的 发散段62和固定直径段64以及位于该发散段62入口附近的流体分离装置 66。该流体分离装置66使完全包封的液滴转而朝向该气体聚结器32的底部 壁并经设计以引发一系列的旋转的旋涡，这造成其余的液滴以液体形式沉降， 而该气相组分走掉并上升经过该柱状排出管道68。一个或更多额外的成形的 流体分离装置67可位于该气体聚结器内，该气体聚结器经设计以确保具有更 多能量的气相与包封目标反应产物的载满水分的液滴的最终分离，该载满水 分的液滴具有更少能量且较冷并将以液滴的形式向下运动，累积成细流，并 通过该气体聚结器的承接盘(catch-pan)底部流出去。风机69(如果希望的 话)可位于该排出管道68中以协助牵引该气相经过该排出管道68且向上，并 补给4至5英寸水柱的合并压力损失，该压力损失发生于该气体动力学反应 器30中并可能无法在气体聚结器32中被充分恢复。尽管独立的风机69可位 于各个聚结器的排出管道中，但是更希望在集成的多阶段气体动力学反应器 系统末端和进入该烟道98之前采用单个的引导式引风机97，或者替代但是 较不合意地，当可能需要替代性工程设计时，在进入该第一气体动力学反应 器之前设置强迫性的通风机。

通过管道68离开该气体聚结器32的经部分清洁的气体被导入第二气体 动力学反应器72的入口以去除二氧化硫。经管线74的碱金属氢氧化物加上 碳酸盐和碳酸氢钠的合并溶液，加上经管线23的羟基和氢过氧基自由基(如 果希望的话)，通过与该反应器的超音速喷嘴44相连的各自的喷雾或雾化喷 嘴45进料至该第二气体动力学反应器72中。该反应器排出的液体和气体在 第二气/液分离器或气体聚结器76中分离开，而排出的液体通过管线78通往 二氧化硫和三氧化硫化学回收系统以获得化学副产物。通过前述的气体动力 学方法以99.0％或更大的效率完成二氧化硫的去除。一部分二氧化碳也随着 该硫副产物一起回收在该液流中。

经部分清洁的气体(在很大程度上含有NOx及其余的CO2)通过管道84离 开该硫的氧化物反应器系统72，76并被导入第三气体动力学反应器85的入 口以去除氮氧化物。此反应器实质上与第一和第二气体动力学反应器相同。 通过管线86供入第二碱金属氢氧化物-碳酸盐-碳酸氢盐溶液，以及通过管线 23供入羟基及氢过氧基自由基(如果希望的话)。该试剂溶液通过与该反应器 的超音速喷嘴44相连的各自的喷雾或雾化喷嘴45进料至该第三气体动力学 反应器85中。因为与氮氧化物的化学反应进行得比与硫氧化物的化学反应慢 得多，可能希望提供以相同方式串联在该第三气体动力学反应器85之后的第 四气体动力学反应器88。再循环试剂溶液86也可经过与该第四气体动力学 反应器88的超音速喷嘴44相连的各自的喷雾或雾化喷嘴45导入该气流中。

离开该第四气体动力学反应器88的气体及液滴被导入气/液分离器或气 体聚结器90中，在那里将含有碱金属亚硝酸盐和硝酸盐成分加上其余部分的 二氧化碳的用过的试剂液体92以及碱金属碳酸盐-碳酸氢盐试剂溶液通往副 产物回收系统，该副产物回收系统类似于用于二氧化硫的副产物回收系统。 在该氮氧化物去除过程中，可通过在此所述的气体动力学方法实现99.0％或 更高的效率。

来自氮氧化物气体动力学反应器85、88的清洁后的气体通过管道96排 出该系统。如早先所解释的，可能希望运用引导式引风机97来帮助此点处的 清洁后的气体向上运动。在释放至该烟道98之前，该清洁后的气体可在再加 热器100中再加热。此外，可能希望在排出管道68、84、96(如图1a和1b 中所示)和407(如图12b所示)中的一个或多个中增加加热器以控制进入各 自的气体动力学反应器72、85(如图1b所示)和404(如图12b所示)的气 流的温度。通过管线108将从该烟道冷凝液中回收的水导至水处理设备110 以供后继再利用。

综合回收及副产物回收系统

现在参照图9，来自用于去除硫氧化物的第二气体动力学反应器72和第 二气体聚结器76的出口液体78首先通过预滤器188以通过用水或碱金属氯 化物溶液190洗涤而去除不溶性物质。所去除的不溶性物质和含有水及钾盐 的洗涤溶液接着通过管线193进入金属分离及回收单元34(参见图8)。然 后使经过滤的用过的试剂液体192在进入再循环混合槽140之前通过管线 205通往硒去除步骤。在该混合槽140中，接着加入来自蒸发器-结晶器132 的碱金属碳酸盐返回溶液136以及碱金属氢氧化物补给进料流138和水162 以产生再循环液体74，该再循环液体74接着返回该第二阶段(二氧化硫)气 体动力学反应器72以捕捉额外的气态污染物。

在步骤188中过滤用过的溶液78(来自用于去除硫氧化物的气体动力学 反应器72和气体聚结器76)并接着使该液体192通入离子交换除矿物质树脂 床198中以选择性地去除呈硒离子形式的硒。一部分或全部的硒可通过该离 子交换除矿物质树脂床198靠离子选择性去除而被除去。其余的溶液根据所 需或所想的硒去除通过液体旁路物流200来配置，同时在去除硒之后使经清 洁且除矿物质的溶液205返回至混合槽140。该硒通过额外的离子交换除矿 物质步骤201选择性地与硫酸盐离子分离开，然后送到硒回收步骤202。该 离子交换除矿物质树脂床201由于添加再生剂溶液203的结果而再生，而经 清洁的离子交换除矿物质树脂199则返回树脂床198以便在完成该循环再生 步骤之后经济地再利用。

接着将由该离子交换除矿物质树脂再生201所产生的硒溶液204送去处 理或送至进一步的化学回收步骤202。若在合格设施中处置该废硒溶液，该 废硒溶液可被蒸发并利用石灰或其它物质固化并置于罐中。替代方法是通过 蒸发使该废溶液富含硒并部分浓缩它，接着回收该硒以供后续在电气或电子 零件或太阳能光伏电池的生产中再利用或用于其它经济的用途。可能需要将 硒转化为碳化物或氧化物化合物，或转化为纯元素形式以促使其回收及再利 用于制造可用产品例如电气及电子工业零件。

现在对图1b及图8所示的化学金属回收及补给化学品再生过程34进行 评述。过滤后的洗液193(来自该硒去除预滤器单元188)和过滤后的洗液194 (来自该固体预滤器93)被合并为过滤器洗液物流195，使其与富含金属的液 流70合在一起。先过滤31该液流70、195以去除不可溶性粒子然后通过活 性炭吸附床33以去除任何残余的元素汞和有机物。

将碱金属氯化物溶液164用作该预滤单元31的洗液并将洗涤流出液165 接着通往离心分离器39以去除固体。该液流接着通过沉淀单元37，在那里 加入来自混合槽130的碱金属硫酸盐化合物131和水162(参见图1a)以使 该可溶性氯化汞化合物以硫酸汞133的形式沉淀。该液流接着被离心处理39 以去除硫酸汞及其它不溶性固体，然后对该液流进行水洗220，然后进行酸 提取222，并行至碱提取224系统(参见图1a)。来自该离心分离器39的可 溶性液体是再生的碱金属氯化物118，它被再循环至该化学回收系统的入口 以再生该碱金属氢氧化物溶液。

现在对图1b所示的二氧化硫化学再生过程进行评述。该二氧化硫化学回 收系统采用热脱二氧化碳单元124，在那里将不稳定的碱金属碳酸氢盐转化 为稳定的碱金属碳酸盐化合物。由水蒸气加热128所释放出来的二氧化碳气 体127，接着在该水蒸气冷凝之后作为纯二氧化碳气体排放。再者，一部分 留在溶液中的未释放的二氧化碳可通过该脱二氧化碳单元的操作通过管线 159再循环以提高作为有价值副产物形式的二氧化碳气体的最终产率。在脱 二氧化碳之后，该二氧化硫回收系统利用过氧化氢18(分支到管线146中) 及空气125采用氧化步骤126将该不稳定的碱金属亚硫酸盐化合物氧化成稳 定的金属硫酸盐化合物。接着使来自该脱二氧化碳步骤的含碱金属硫酸盐及 碳酸盐的经氧化且脱二氧化碳的液体溶液通往蒸发-结晶单元132以浓缩至 足以去除呈固体134形态的碱金属硫酸盐化合物的固体程度。其余的碱金属 碳酸盐溶液136、水162及碱金属氢氧化物138被经济地再循环并作为补给 化学品添加，之后再通过混合槽140。接着使这些组分返回气体动力学反应 器72中以通过一系列多个再循环步骤通过管线74从烟道气流10中去除额外 的二氧化硫。

现在对图1b所示的相关氮氧化物化学-再生过程进行评述。该氮氧化物 化学回收系统类似于用于去除二氧化硫的系统。利用水或碱金属氯化物洗涤 溶液190使从该氮氧化物气体动力学反应器系统85、88去除的液体溶液92 通过预滤器单元93，然后通过混合槽142。该入口进料洗涤溶液190经过管 线194和195通往金属分离和回收单元34。来自混合槽142的液体溶液92 则穿过管线143到达氧化步骤144，该氧化步骤144主要利用过氧化氢溶液 146，以便将碱金属亚硝酸盐转化为碱金属硝酸盐。氧化后的液流，其含有碱 金属硝酸盐加上碱金属碳酸盐和碳酸氢盐，接着被通往热脱二氧化碳单元 148以通过水蒸气加热128来分解碱金属碳酸氢盐化合物而变成稳定的碱金 属碳酸盐化合物。

然后移出来自该氮氧化物脱二氧化碳步骤的二氧化碳气体152并与来自 二氧化硫脱二氧化碳步骤的二氧化碳排出气体127合并。再者，一部分留在 溶液中未释放的二氧化碳可通过脱二氧化碳单元148的操作通过管线149再 循环以增加呈有价值副产物形态的二氧化碳气体的最终产率。该经纯化的二 氧化碳气体接着在冷凝器154中除湿并泵抽到装置外以便通过注入油田而用 于三极级强化油回收，或用于其它用途，例如通过物流155用于封存。这是 用于碳管理、捕捉及二氧化碳利用以形成有价值的副产物的综合化学系统的 一部分，该有价值的副产物包括作为化学品或生物燃料的甲醇、乙醇和乙烯。 步骤154中去除的水通过管线109及113被送到水处理厂110使其能被加工 再利用。

含有碱金属硝酸盐和碳酸盐的脱二氧化碳的液体溶液接着通过穿过冷冻 单元156而被冷却。此溶液接着通过蒸发-结晶单元158以回收呈晶体160 形态的碱金属硝酸盐化合物。其余的碱金属碳酸盐溶液161接着在混合142 及通过管线86加水稀释162之后再循环至氮氧化物气体动力学反应器85、 88。将该碱金属氢氧化物进料溶液138加入混合槽142中作为化学品补给物 以补偿结晶步骤158中呈硝酸盐形态去除的氮氧化物，以维持化学回收系统 的平衡。

加至二氧化硫及氮氧化物气体动力学反应器72、85、88的碱金属氢氧化 物溶液138由电解槽120(参见图1a)中的碱金属氯化物溶液164的电解而 产生。该碱金属氯化物盐的电解导致生成氢气166和氯气168以及碱金属氢 氧化物溶液138。该氢气可接着或者在裂解单元170中用于将乙醇转化为乙 烯或者在单元172中与氧气反应生产过氧化氢，该二者皆为本发明的污染物 去除系统的补给化学品。氯气可与氢气反应以生产用于单元174中的金属提 取的氢氯酸，或在单元176中与乙烯反应制成1，2-二氯乙烷，其可接着用于 生产氯乙烯单体178，且接着生产聚氯乙烯塑料材料180。本发明的再循环及 再生化学系统的多重用途是经过设计的以使资源保存及经济地再利用最优 化，以由从烟道气中捕捉到的空气污染物获得多种有价值的副产物。

自由基的光解以促使去除痕量金属及NOx

光解单元14经设计以从过氧化氢生产羟基(OH*)和氢过氧基(HO2*)自由 基并从氯气和二氧化氯气体生产氯基(Cl*)及氯氧基(ClO*)自由基。在高温 下，这些自由基促使较低价的氮氧化物迅速氧化为二氧化氮，而在较低温度 下这些自由基将有助于硫氧化物及氮氧化物与碱金属碳酸盐和碳酸氢盐的反 应。在500-600℃(930-1,110°F)的高温下，该自由基也会促使元素汞、 汞蒸气、重金属和痕量金属(例如镉、砷、锗、铀及铍)的迅速反应以形成然 后可被该气体动力学反应器30捕捉的微粒。在该光解单元内的停留时间应为 至少介于0.1与3.0秒之间。在较低温度(甚至低到120℃或250°F)下，想 要的反应可能需要更长的驻留时间才发生。

现在参照图7，该光解单元14优选包含延长的圆柱形金属段266及通过 多个螺钉271固定在那里的端板268、270。优选地，该圆柱段266的内表面 是抛光的或装备反射面272。石英或玻璃圆柱体274被可密封地固定于端板 268、270上以便基本上与该段266同中心从而在该圆柱段266内限定中心空 间276及环状空间278。通过空气管线282在压力下供应来自泵280的空气 19，其通过端板268至环状空间278。如果希望的话，适当的空气喷嘴284 可位于环状空间278内的空气管线282上。过氧化氢18以液流的形式提供 并经过端板268进入环状空间278及中心空间276内。雾化喷嘴286位于环 状空间278及中心空间276内，并在该过氧化氢管线的末端以将该过氧化氢 雾化。如果希望的话，可提供多个过氧化氢管线及雾化喷嘴286以更均匀地 在环状空间278及中心空间276内分散过氧化氢。氯气168及二氧化氯气体 16通过穿过端板268的管线56传送至光解单元14。如果希望的话，可提供 适合的喷嘴288以在环状空间278内分散氯气及二氧化氯。当然，如果希望 的话，可提供多个氯气及二氧化氯喷嘴。水17以液流的形式通过穿过端板 268且终止于旋流喷嘴(swirl nozzle)292的水管线290提供至中心空间 276。尽管图7中显示了两个此类喷嘴292，但是可以明白的是，如果希望的 话，可提供额外的喷嘴，以改善液滴的分布。

多个紫外光灯294位于环状空间278中并通过固定于延长的圆柱段266 内表面的环296设置于环状空间278内。优选地，在该环296所形成的孔口 中所放置的索环297将该紫外光灯294锁紧。如果希望的话，可提供石英或 玻璃管(未显示)以保护该紫外光灯以免受周围的气体影响。电源供应器298 通过电线300提供电力给该紫外光灯，并供应空气风机及水泵。操作时，空 气、经雾化的过氧化氢以及氯气及二氧化氯气体的混合物通过来自灯294的 紫外光进行光解作用以便在环状空间278中产生羟基、氢过氧基、氯基及氯 氧基自由基，以及未反应的空气、过氧化氢、氯气及二氧化氯。以类似的方 式，中心空间276中的水及过氧化氢通过来自灯294的紫外光进行光解作用 以便产生待注入烟道气内的羟基及氢过氧基自由基和未反应的水及过氧化 氢。

该光解单元14的中心及环状空间276、278中所产生的光解产物连同未 反应的空气、水、过氧化氢、氯气及二氧化氯在该光解单元14的出口处合并。 自由基产物管线302从环状空间278延伸经过端板270，而自由基产物管线 304从中心空间276延伸经过端板270。自由基产物管线302及304汇和， 形成自由基管线306。管线306进入位于混合室311内的加热器308中。管 线306中的自由基流的液体组分被加热器308蒸发然后与来自管道11经过 空气加热器309的受热空气混合。合并的空气及自由基流接着通过管道24 回注到锅炉排出管道26中，注入点处温度仍高到足以促进化学反应。

优选地，如图1a所示，该注入点可介于该空气预热器13及节热器15 之间。在一些工厂中，该节热器可位于该空气预热器上游。在这种情况下， 该注入点优选在该节热器的上游以取得较高烟道气温度的优点，该较高烟道 气温度将促使想要的氧化反应发生以使得该污染物接着被转化为更易于收集 的形式。

含有自由基羟基、氢过氧基、氯基及氯氧基的液体溶液的初级注入点可 为该热气流在500-600℃(930-1,110°F)的温度范围下行进之处。优选 地，对于某些类型的煤来说，此点在节热器的上游，而对于其它类型的煤炭， 可在节热器的下游。

一氧化氮至二氧化氮的氧化反应主要部分发生于这些高温下，伴随着元 素汞蒸气转化为氧化汞气溶胶。有一些氧化汞可接着在作为初级微粒收集装 置28的下游静电沉淀器或织物过滤器(它们也可用作用于粒子去除的调节 室)中去除。此外，至少一部分一氧化碳可在该空气加热器下游在这些提高 的温度下氧化成二氧化碳。还有一部分以燃烧副产物的形式存在的有机蒸气 及气溶胶可被转化为二氧化碳和水蒸气以完成该氧化过程。

离开该光解单元14的自由基产物管线302及304汇和而形成自由基管 线22。用于注入富含自由基的水性液流22的第二导入点可在135-150℃ (275-300°F)的温度下位于初级微粒去除装置下游的第一气体动力学反应 器30的入口处(参见图1a、7、8)。在此位置，将汞蒸气额外氧化为氧化汞 并转化为可溶性的氯化汞气溶胶。该氧化汞粒子可接着通过与氯化钾或水溶 液的反应在预处理溶液中去除。呈可溶形式的溶解的氯化汞接着通往金属分 离及回收段34，在那里添加来自硫氧化物去除步骤的碱金属(钾)硫酸盐131 以使汞呈不可溶的硫酸汞133的形式沉淀。该硫酸汞沉淀物133接着被去除 且分离出来并接着干燥并置于罐中或经进一步处理以供回收制成可用的副产 物。

单独且替代地，从该光解单元14的中心室276延伸出来的专用管线23 仅将羟基及氢过氧基自由基分配至与气体动力学反应器72、85及88相关的 注入点三和注入点四(参见第1a、1b、7、9及10图)。

选定的来自紫外光光解单元的富含自由基的液体溶液的第三注入点可在 用于去除硫氧化物的第二气体动力学反应器系统72的入口气流上。如果希望 仅添加该羟基及氢过氧基自由基，此步骤可通过使用如上所述的自由基管线 23而完成。做此注入的主要理由在于通过为该气相反应提供充分的停留时间 而促使一氧化氮完全氧化成二氧化氮发生于后继氮氧化物气体动力学反应器 85、88的上游。然而，还有一些二氧化硫气相氧化为三氧化硫的益处也会发 生以助于将溶液中的亚硫酸根离子转化为硫酸根离子而促进碱金属(钾)硫酸 盐肥料的形成，以及免除在此阶段的三氧化硫排放。此外，转移到液相内的 羟基自由基留存物也可增进该用过的试剂溶液中的亚硫酸根氧化为硫酸离子 以促进结晶。

用于注入选定的来自紫外光光解单元的富含自由基的溶液的第四注入位 置可在用于去除氮氧化物的第三和第四气体动力学反应器85、88的入口处。 如果希望仅添加该羟基及氢过氧基自由基，此步骤可通过使用如上所述的自 由基管线23而完成。此羟基及氢过氧基自由基的添加使其有可能将一氧化氮 氧化为二氧化氮以使其可转化为碱金属(钾)硝酸盐肥料。此外，多个部分的 二氧化碳(经由一氧化碳气体加上该气流中的有机蒸气及气溶胶在空气加热 器后的氧化加上从锅炉燃烧区直接进来的二氧化碳而形成)可在下游的硫氧 化物及氮氧化物气体动力学反应器二者中去除。这是用于碳管理、二氧化碳 的捕捉和利用以形成有价值的副产物的综合化学系统的一部分，该有价值的 副产物包括作为化学品或生物燃料的甲醇、乙醇及乙烯。

金属回收及副产物回收系统

现在参照图1a，该金属回收系统116运用三阶段水洗涤220、利用氢氯 酸175的酸提取222及利用该金属分离液体流出物35的碱金属(钾)氢氧化 物138的碱提取224以分离可回收的金属，其中所述金属分离液体流出物流 夹带来自第一气体动力学反应器系统30、32的固体物质。

该金属回收系统231截取来自煤燃烧的飞灰208及底灰206固体流进行 处理。该处理的目的在于将可用的金属及其它组分与煤灰分离开以便再循环 且以有价值的金属材料形态回收并去除有潜在毒性的物质以供后继分离及处 理。来自飞灰208的未回收、无毒性的组分210可用于生产水泥，而未回收 的底灰212可作为可用的副产物制成路基材料。

该底灰及飞灰回收系统231运用三步骤的固-液接触系统以便相继使用 水洗219、氢氯酸提取112及碱金属(钾)氢氧化物提取114来处理该飞灰及 底部固体流以去除金属。完全构成该灰金属回收系统231的流出液体216、 228、230(分别地，来自该灰洗水系统提取单元219、氢氯酸提取步骤112 和碱金属(钾)氢氧化物提取步骤114，它们含有溶解了的金属组分)接着被送 至该金属回收系统232以供分离成各自的金属组分，这些各自的金属组分可 接着在装置外的金属熔炼厂进一步加工成有用的产物。

该金属回收系统232由氧化提取234、硝酸盐提取236、碳酸盐提取238 及有机物提取240串联组成的四个连续液体提取步骤中的任何一个或全部构 成，目的是使用易从其它现场工艺物流得到的化学溶液将金属分离为具体的 各自组分。铝可直接从该酸性提取流228以氯化铝的形式回收以便通过在单 元250中利用碱金属(钾)氢氧化物138处理及后继的干燥252转化为氧化铝。 所回收的氧化铝可接着载运至矾土处理设施，或将氧化铝加工成铝金属的铝 熔炉。镁可以以氢氧化镁的形式通过干燥物流233从碱性提取步骤114及224 中直接回收而产生固体残余物。

此外，铀可通过类似的两步骤顺序256利用硝酸和硝酸钾以物流255中 的可溶性硝酸铀的形式从硝酸盐提取单元236回收，其接着通过氢氧化钾在 单元257中进行沉淀而转化，以形成不可溶的氢氧化铀固体258。该氢氧化 铀固体258接着进行热干燥以在单元260中形成氧化铀261，而液体经由管 线259再循环至碳酸盐提取单元238以回收和再利用。所回收的氧化铀被载 运至铀处理设施用于转化为燃料棒，以便经由复杂的多步骤顺序依次采用研 磨、转化、浓缩及生产，用于在核反应堆中产生电力。

其它的金属可通过穿过四阶段提取利用过氧化氢氧化溶液18、146和硝 酸盐提取水溶液160和硝酸溶液229进行选择性连续处理而在单元236中单 独地回收。利用碱金属(钾)碳酸盐进料流管线139进行水溶液处理可导入该 碳酸盐提取单元238以供进一步去除残余的铀及其它金属，并且乙醇119或 其它反应剂可导入最终的有机物提取步骤240以去除可以以有机络合物的形 式提取的其它金属。从任何或全部阶段中回收的液体可接着通过改变离子交 换树脂或其它步骤来处理以视需要去除其它衍生自煤或任何烃燃料的金属。 个别的提取液流可接着进一步经处理以去除且回收个别金属，这些个别金属 在现场或被载运至其它位置以供熔解或精炼或其它金属回收操作以形成各种 有用产物。

在该金属提取系统232中，氧化液体提取物流235离开该氧化单元234 并且进入硝酸盐提取单元236。硝酸盐液体提取物流237离开该硝酸盐提取 单元236并且进入碳酸盐提取单元238。碳酸盐液体提取物流239离开该碳 酸盐提取单元238并且进入有机物提取单元240。有机物液体提取物流241 离开该有机物提取单元240并且进入返回液体处理单元243，在那里用碱金 属(钾)氯化物164来处理该液体。该返回液体洗涤固体215被送去废弃固体 处理218，和未被提取的钾盐及其它液体214返回液体清洁单元213。在单 元213中，去除不可溶的固体218并使再生的碱金属(钾)氢氧化物进料溶液 118返回混合槽209。来自该混合槽209的液体被送至电解槽120以生产碱 金属(钾)氢氧化物。因此，本发明的资源保存也通过在化学再生系统内再循 环用于金属回收及电解的溶液以经济地使用而得以实现。

将从氧化提取单元234、硝酸盐提取单元236、碳酸盐提取单元238、有 机物提取单元240及返回液体处理单元243所提取的金属送至回收金属储存 设施244，并从那里经由管线242送到适合的装置外金属熔炉、精炼炉或其 它回收厂。

用于资源最佳保存的化学试剂的再循环

经部分清洁的烟道气流10在第一气体动力学反应器30的金属去除步骤 之后接着通过第二气体动力学反应器72，在那里二氧化硫及三氧化硫通过吸 收至再循环的碱金属氢氧化物-碳酸盐-碳酸氢盐溶液74内而去除。该二氧化 硫去除在反应温度为约50-60℃(120-140°F)、全部循环溶液74对补给 进料液体138的再循环-流动比位约4.0-5.0、碱金属试剂对硫氧化物(二氧 化物加三氧化物)浓度比位约2.0-3.0、液体pH为约7.0-7.5的条件下进 行。在大于99.0％的二氧化硫与基本上全部的三氧化硫一起被去除之后，该 经清洁的气流接着继续来到该氮氧化物气体动力学反应器85、88。此外，通 过该阶段，在整个烟道气处理过程的该第二阶段，也将50-75％的二氧化碳连 同二氧化硫一起从烟道气中捕捉到出口试剂液体系统中。

以下描述了用于该过程且通过化学产生-再生综合体所提供的试剂液流 再循环，所述化学产生-再生综合体是为了资源最佳保存和经济性而设计的。 来自该二氧化硫反应器系统的排出液流78含有由二氧化硫及三氧化硫的去 除所造成的碱金属亚硫酸盐及亚硫酸氢盐化合物与来自二氧化碳的去除的碱 金属碳酸氢盐和碳酸盐合在一起的混合物。也可能有非常少量的碱金属亚硝 酸盐和硝酸盐化合物存在于来自二氧化硫反应器单元72的液流中，它们也可 能是从该烟道气流移出的。此液流行至脱二氧化碳单元124，在那里先释放 并去除绝大部分的二氧化碳气体127，而一部分留在溶液中未释放的二氧化 碳作为物流159的形式再循环至脱二氧化碳单元124以通过循环强化后继的 二氧化碳释放和总产率。

将再循环的液体排出流196从混合槽140送出并进料至热脱二氧化碳单 元124以利用水蒸气128汽提。到该脱二氧化碳单元的入口液体含有碱金属 亚硫酸盐和亚硫酸氢盐加上硫酸盐连同碳酸盐及碳酸氢盐。利用水蒸气128 加热该液流至沸腾，这造成该碱金属碳酸氢盐分解为碱金属碳酸盐及二氧化 碳气体127。二氧化碳气体以湿式饱和气流的形式从该脱二氧化碳单元逸出 并释放，该湿式饱和气流通过冷凝器154以去除夹带的水蒸气并以经纯化的 气流155的形式回收自硫氧化物及氮氧化物回收系统，作为本发明的用于转 化为一系列可用的副产物的综合碳管理及二氧化碳捕捉系统的一部分，该可 用的副产物可包括甲醇、乙醇和乙烯或它们的衍生物。

该脱二氧化碳的液流接着通往氧化单元126，在那里碱金属亚硫酸盐经 由添加空气125而转化为碱金属硫酸盐，其中氧气与亚硫酸根离子反应以生 产呈可溶性盐类的碱金属硫酸盐。该空气氧化步骤126也使用过的试剂液体 经过水蒸发到该排放气流中然后该排放气流通到大气中而部分浓缩。亚硫酸 盐变成硫酸盐的转化联合溶液中的碱金属离子也使来自该空气氧化单元的用 过的试剂溶液的pH值降低。来自该空气氧化单元的排出液体接着通常以粘稠 浆料的形式通往蒸发结晶单元132以回收硫酸盐化合物。

硫酸钾在水中具有比亚硫酸钾明显更低的溶解度，并在碳酸钾溶液中具 有甚至更低的溶解度，所以其可经由结晶轻易地从产物水性介质中去除。亚 硫酸盐氧化器的排放物由于去除了大量的水和硫酸钾在该产物水性介质中的 低溶解度而一般为浆料。该浆料可接着被冷却并在蒸发器-结晶器132中去除 硫酸钾134。所回收的硫酸钾134一般都经离心处理并去除以干燥245及包 装246为有价值的肥料，并该产物水性介质从该离心单元排出。来自该结晶 器的产物水性介质136主要为碳酸钾，并也可含有少量硫酸钾加上任何未氧 化的亚硫酸钾。使该水性母液再循环，其中存在抽出物流(bleed stream) 137以预防该试剂溶液中的非反应性物质的过量累积。接着将碱金属(钾)氢 氧化物138加入该混合槽140中以使该再循环产物水性介质136可补偿在硫 酸钾产物134生产时已经被去除的二氧化硫成分，以维持适当的化学平衡。

从该二氧化硫气体动力学反应器72、76排出的其余的经部分清洁的烟道 气流(包含氮氧化物及其余的二氧化碳)接着通往氮氧化物气体动力学反应器 单元85(其可采用第二气体动力学反应器88)，经由管线23向二者中加入 经光解的过氧化氢，同时加入pH值为约9.0-9.5的碱金属氢氧化物-碳酸 盐-碳酸氢盐试剂液体86，从而去除多达98％的氮氧化物和多达总共90％的剩 余的二氧化碳。经清洁的气体(由N2及O2、水蒸气及可能的痕量的不固定的 排放物构成)经由管道96冒出。以化学的方式，事先在气体聚结器76中除去 二氧化硫大大降低所需的氧化剂数量，并避免了在去除及回收氮氧化物的过 程中生成硫酸钾。生产硝酸钾产物所需的再循环的氢氧化钾补给化学品可由 碳酸钾再循环86加入，或由氯化钾进料流164在该电解槽120中电解生产 的氢氧化钾138加入。

来自氮氧化物ADGC反应器单元85、88的用过的液体92接着行至氮氧 化物回收系统141，其与二氧化硫产物化学品回收单元123所运用的类似。 过氧化氢溶液146最初加至该氧化器单元144以促使碱金属亚硝酸盐氧化为 硝酸盐。包含再生的或未消耗的过氧化氢、硝酸钾及亚硝酸钾、碳酸钾及碳 酸氢钾的产物水性介质再循环物流143从混合槽142通过并再循环至氧化器 单元144入口直到亚硝酸盐或硝酸盐或二者的浓度达到足够的浓度为止。之 后，至少一些产物水性介质进入副产物回收循环。优选地，待进行副产物回 收的产物水性介质通过硝酸盐转化步骤，在那里加入过氧化氢溶液以将该亚 硝酸根离子氧化为硝酸盐晶体，该硝酸盐晶体将产出呈有价值的副产物形式 的硝酸盐肥料。

在碱金属亚硝酸盐氧化成硝酸盐之后该液流接着通往热脱二氧化碳单元 148，该单元使用水蒸气汽提128，其方式与用于二氧化硫去除的方式类似。 溶液中未释放的二氧化碳经由管线149从该出口再循环以使碱金属碳酸氢盐 的生成最大化，其中二氧化碳经过该脱二氧化碳单元再循环以有助于将碳酸 盐转化为碳酸氢盐，由此将pH值降至小于约9.0并通过未消耗的氧化剂过氧 化氢促使亚硝酸盐氧化为硝酸盐。产物水性介质，现在富含硝酸钾及碳酸氢 钾，从热脱二氧化碳148通往冷却单元156接着到达蒸发器-结晶器158。因 此，绝大部分的碳酸氢盐通过在热脱二氧化碳单元148中的热分解转化为碳 酸盐及二氧化碳气体。

二氧化碳和水蒸气接着上升和经纯化的二氧化碳可被回收、干燥且用于 别处。它也可被再循环以将碳酸钾转化为碳酸氢钾并促使亚硝酸钾氧化为硝 酸钾。加压的二氧化碳有助于将碳酸盐转化为碳酸氢盐并促使在该产物水性 介质中生成碳酸。当该液流中存在碳酸且不存在碳酸盐时亚硝酸钾氧化为硝 酸钾可进行得更快，这暗示着该液相中的温和酸性至中性的pH将伴随硝酸钾 的结晶。

离开该脱二氧化碳单元148的产物水性介质主要含有硝酸钾和亚硝酸钾 加上碳酸钾，并被冷却单元156冷却至大约10℃(50°F)，然后行进至蒸发 器-结晶器158，在那里硝酸钾160被结晶。该硝酸钾晶体160在离心分离之 后从该液体中去除。然后对该硝酸钾进行干燥247并包装248。残余的碱性 水性介质流161的第一部分被再循环回到混合槽142。混合之后，它与该富 含碳酸盐的水性试剂介质溶液86的再循环合在一起，其被再循环至氮氧化物 去除系统的ADGC反应器85、88的入口，同时添加氢氧化钾进料溶液138及 水162。一些再循环水性介质161可掺入分离流体137中以使惰性固体的浓 度最小化。留在该产物水性介质流161中的第二部分的残余亚硝酸钾可通过 可调节阀装置转移，并经由直接管线以物流145的形式再循环至氧化单元144 内，或与经由管线146添加且亦进料到该氧化单元144的氧化剂过氧化氢合 在一起，以使硝酸盐的提取最大化。

用于二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳、汞及其它金属的化学再生及回收 系统采用一系列循环过程以去除空气污染物。该碱金属硫酸盐和硝酸盐化合 物连同二氧化碳气体的副产物回收直接与汞化合物及其它金属组分一同从该 烟道气流进行。从碱金属氯化物盐164的电解生产碱金属氢氧化物溶液138 使其可能从相反电极产生氢气166和氯气168。然后可生产氢氯酸175及二 氧化氯气体16，加上1，2-二氯乙烷176及聚氯乙烯180副产物，以及在整 个排放控制系统综合体内作为补给化学品的过氧化氢18及乙烯121。若乙烯 在进行该烟道气处理的场所以外产生的话，可进一步使碱金属氯化物盐115 及乙醇119变成唯一必须作为原料供入该系统的由外界补给的化学品。本发 明的再循环及再生化学系统的多重用途经设计以使资源保存及经济的再利用 最优化以获得多种有价值的副产物。因此，这是资源系统的保存及所有的所 需试剂溶液的总体再生的一个例子。

在本系统中，利用一系列循环再生过程去除个别的空气污染物并将它们 转化为可用的副产物同时将补给化学品回收再利用。有独立的循环化学品回 收过程来处理汞及金属回收、硫氧化物回收及氮氧化物回收加上氯气循环成 为用于金属回收的氢氯酸。再者，也产生氢气以供后继用于生产过氧化氢及 乙烯气体作为总体过程的再循环化学品。

整个化学品补给和回收系统中的循环再生驱动器及关键步骤是碱金属氯 化物盐164变成碱金属氢氧化物液体溶液138的电解作用120，加上释放出 氢气166及氯气168，以及对于总体去除过程钾作为优选的碱金属氯化物， 因为KCl可进一步用于生产硫酸钾(K2SO4)134、246和硝酸钾(KNO3)160、 248，二者皆为有价值的肥料。补给的氢氧化钾138在该电解槽120中生产 很方便，其中将氯化钾164的浓缩溶液进料至阳极室，在那里它在液体中以 电解方式转化为氢氧化钾138，而氢气166及氯气168以气流的形式直接在 该电解槽120的相反电极端释放出来。使用阳离子膜来过滤并生产不含氯化 物的氢氧化钾产物溶液138，其在全部后继过程中有多种用途。

来自电解槽120的氢气166可用于生产乙烯121及过氧化氢18。该过氧 化氢可由氢气加氧气在现场生产，其中氧气或来自空气分离单元171，或来 自外部来源。当现场生产过氧化氢时，氢气与空气反应。优选地，氢气166 全部或部分由该电解槽120供应以生产过氧化氢溶液18、146。该过氧化氢 接着利用紫外光20在紫外光光解单元14中光解以生产在全部后继过程中有 多种用途的羟基及氢过氧基自由基。尽管一部分氢气会在氢氯酸生产及乙烯 裂解时消耗掉，但是有过量的氢气存在，其可能不被本发明所涉及的化学过 程所需要。此过剩的氢气可以被提取并压缩为纯化的气体或液体并作为额外 的有价值的副产物出售，例如出售给炼油厂用于将原油裂解成例如汽油的产 物，或出售给使用者用于氢燃料电池中或作为运输燃料源。

来自该电解槽120的氯气168可有益地用于生产液体氢氯酸175或二氧 化氯气体16。该氯气168与氢气166反应以直接生产用于金属提取操作的氢 氯酸液体175。二氧化氯气体16可用于将一氧化氮氧化为二氧化氮以及从元 素汞蒸气变为氯化汞。该电解槽120所生产的氯气168的主要用途在于使其 与由乙醇119所生产的乙烯气体121反应。再者，该氯气可经由与乙烯反应 生产1，2-二氯乙烷(EDC)176、通过氯乙烯单体(VCM)中间物178作为生产聚 氯乙烯(PVC)塑料180的构成原料(其中必须在各个步骤添加额外的乙烯气 体121)而生产非常有价值的副产物链。现在有一个此类副产物的市场，因 为它们是由石化工业所供应的更昂贵许多的原料制成的相同化学品的直接替 代物。

碳捕捉及管理系统以及氢气生产

燃烧气体的二氧化碳(CO2)含量可在该燃烧气体体积的约5％至约60％的 范围内。现在广泛相信二氧化碳明显造成全球变暖。已经进行努力来限制二 氧化碳释放到大气中且政府规定可能马上要求进一步的限制。本发明独特地 设计了二氧化碳的管理，因为硫氧化物及氮氧化物的化学回收过程的脱二氧 化碳步骤将释放出呈纯气体形态的二氧化碳，其接着可以作为所收获的气体 而回收或加压成液体。大部分剩余的碳都以碱性金属碳酸盐的形式出现，其 被再循环至硫氧化物及氮氧化物反应器。结合使用碱-碳酸盐-碳酸氢盐溶液 作为碳含量及碳值的管理工具为本发明的新颖的益处。当该溶液中有过量的 储存碳值时，额外的碱金属碳酸盐及碳酸氢盐就可以某种形式出售给使用者 或用于转化为合成燃料(如图11所示)。这是用于碳管理、二氧化碳的捕捉及 利用以形成有价值的副产物的综合化学系统的一部分。本发明的结果是，仅 痕量的碳氧化物及其它组分可能变成难以捕捉且以废气的形式逸出烟道。

非常有价值的副产物为二氧化碳气体，其通过在硫氧化物及氮氧化物化 学回收步骤过程中利用水蒸气和加热来热脱二氧化碳过程中从碱金属(钾)碳 酸氢盐溶液中释放出来而产生。在各个情形中通过将来自各自的硫氧化物及 氮氧化物化学回收过程的碱金属碳酸盐-碳酸氢盐的液体再循环物流加热至 沸腾的条件而从溶液中释放出二氧化碳。在各个物流中的碱金属(钾)碳酸氢 盐接着分解以从溶液中释放饱和润湿气体127、152形式的二氧化碳加上碱金 属(钾)碳酸盐。该二氧化碳接着通过用于除湿的冷凝器154并接着作为产物 离开，该产物用于三次强化采油及其它应用例如促进温室中的蔬菜生长，或 利用光合作用生长藻类以生产合成燃料或生物柴油燃料(如图10所示)。

一般的工艺操作模式是使用氯化钾(钾盐)作为输入的化学品补给溶液以 便能生产作为肥料的有价值的硫酸钾(K2SO4)和硝酸钾(KNO3)。

以纯化的气体的形式回收的二氧化碳(CO2)是具有相当高价值的副产物， 其要么用于限制性封存要么用于商业用途。一部分回收的二氧化碳气体可以 通过注水注入附近的油田中以提高岩石孔隙度且降低流体密度而用于三次强 化采油。该二氧化碳注入的结果为多孔地层中的原油分子具有更大的流动空 间并能更容易地从岩层中流出。则可回收更大量的油，由此导致改善的原油 产率，提高油田蕴藏量估算，并延长现存油田寿命。用二氧化碳作为用于三 次强化采油的试剂，无论同时注入水蒸气还是通过其本身，在增加潜在能源 方面对油市场都具有很大的经济益处。

该二氧化碳也可单独或与输入的空气同时导入到水-无土栽种温室 (hydro-aeroponic greenhouse)以增进例如蔬菜、水果及幼树的农作物的生 产量。然后可使用来自发电厂的电力利用人造光将作物及农业生长季节延长 至寒冷气候以助于来自发电厂的二氧化碳。该二氧化碳副产物也可用于生产 乙醇、甲醇、乙烯、合成燃料及其它化学品或利用光合作用生长藻类用于生 产生物柴油燃料。简而言之，由这样的解决方案，本发明具有调节并控制二 氧化碳释放的能力，该解决方案含有实际上全部碳捕捉、碳再利用及碳管理 的新颖方法，并从而使二氧化碳逸散至大气中降至最少，并生产一系列非常 有价值的碳衍生的副产物。

氢气330、166为碱金属(钾)氯化物原料电解的额外产物。该氢气的一 部分经由与氧反应用于过氧化氢(H2O2)的生产，该过氧化氢作为化学试剂将 一氧化氮氧化为二氧化氮以促进二氧化氮去除并且伴随着使元素汞与氯气化 合而变成氯化汞。该氢气的其它部分用于与氯气反应而生产氢氯酸(HCl)，该 氢氯酸用于从来自煤的灰提取物中提取铝及其它有价值的金属。另一部分由 电解所生产的氢气通过与乙醇反应消耗掉而形成乙烯气体(C2H4)，该乙烯气 体接着与一部分氯气结合以生产作为聚氯乙烯塑料生产的构造单元的1，2- 二氯乙烷(C2H4Cl2)中间体。再者，可能的话，任何其它未使用的氢气都可接 着以未来运输燃料的形式在厂外出售或作为任何附近炼油厂的裂解及转化化 学试剂或用于其它用途，例如运输燃料。

用于生产其它副产物的替代性碱金属试剂

可能有某些情形下该氯化钾供应可能无法轻易取得，或从本发明实行所 产生的钾基肥料副产物可能不适合现存市场的适当数量。就此情况来看，可 能有利的是使用另一种化学底物来代替氯化钾(钾盐)进行电解。钾盐的另一 替代原料为使用氯化钠盐(NaCl)，其生产作为工业化学品的价值较低的硫酸 钠(Na2SO4)和硝酸钠(NaNO3)。

有时候为了调整或节约的缘故，需要在较低成本下的高二氧化碳去除效 率，那么可使用混合的钾和钠化学底物，或甚至通过较不贵且更易取得的钠 基盐来代替钾基试剂物质用于电解过程。

在另一个替代情形中，本发明的有些气体动力学反应器可利用钾基化学 品来实现硫氧化物及氮氧化物的去除，而用于去除二氧化碳的增加的气体动 力学反应器阶段可利用钠基化学品。此安排需要用于不同碱金属溶液的独立 的电解槽及化学回收系统，其中实现钠-及-钾基双重原料的使用。该双重化 学品基安排就多种情况而言增加本发明操作的灵活性，尤其是在现存油田中 三级强化采油需要大量二氧化碳或是要符合例如“零排放”条件的未来限制 标准的情形。

图10中显示了实际利用钠基化学品回收系统的例子，它是通过光合作用 从藻类生产生物柴油的工艺流程图。要理解的是，图10补充图1a及1b，其 中二氧化硫气体动力学反应器72及氮氧化物气体动力学反应器85、88是利 用碳酸钠-氢氧化钠试剂溶液来操作。具体参照图10，来自第一气体动力学 反应器30及气体聚结器32的烟道气流10经由管道68进入第二气体动力学 反应器72并穿过气体聚结器76，该气体聚结器76将液体部分78与气体部 分分离开，其中液体部分78包含碳酸氢钠及碳酸钠溶液以及来自硫氧化物的 亚硫酸盐及硫酸盐组分，而气体部分包含二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、 空气和水蒸气。

在管道84中，来自该气体聚结器76的其余烟道气接着持续向前并穿过 第三和第四氮氧化物气体动力学反应器85、88及气体聚结器90，该气体聚 结器90将排放气流的液体及气体组分分离开。包含碳酸钠和碳酸氢钠以及亚 硝酸盐和硝酸盐组分的液体组分经由管线92被送至氮氧化物化学回收混合 槽142。管道96中包含空气、水蒸气及痕量难以捕捉的碳氧化物(若有的话 主要为二氧化碳)的排放气体，作为基本清洁的空气导引至烟道98。

在图10中，被要求作为补给化学品的氢氧化钠通过电解槽322中的盐溶 液的电解作用而产生。盐(NaCl)324及水326与电力327一起输入该电解槽 322。结果，电解槽322生产氢氧化钠328、氢气330及氯气332。该氢氧化 钠328被传送至混合槽140、142，而氢气330及氯气332可用于此过程如本 文先前描述的其它地方或以副产物的形式出售。接着该氢氧化钠作为补给化 学品用于从该烟道气流去除二氧化硫及二氧化氮。

用过的试剂液体334可各自从硫氧化物及氮氧化物化学回收系统的混合 槽140、142再循环至混合槽336内，在那里它与额外的盐水溶液338混合。 该盐水溶液338可由任何便利的来源提供，例如盐324与水326在槽340中 的直接混合物或含盐的水342的局部供应。来自油田的液体流出废盐水344 也可在油-水浮法分离单元346中处理以从该盐水344去除油之后用作盐水溶 液的替代来源。所回收的油然后可回收再利用，而清洁后的眼水则用来通过 光合作用生产藻类以使得它可以制成生物柴油燃料。

包含碳酸钠与碳酸氢钠及氯化钠的溶液348用作藻塘350的主要原料。 为了促使该池塘350中的藻类快速生长，硫酸钠和硝酸钠(二者皆作为本发 明的方法的副产物而产生)直接加至该池塘中或，如果希望的话，加至混合 槽336中。此外，可加入适当的种子生物352，例如酵母乳或酵母菌，以促 使藻类生长。最后，磷酸(H3PO4)354可加入该池塘350中。该磷酸354几乎 无法在本发明的方法内取得，因此，必须从商业或其它来源提供。

该池塘350内，施加日光或人造光356将导致光合反应，其消耗二氧化 碳并生产藻类且释放氧358。来自该池塘350的过量水360可再循环至混合 槽336或再利用于其它地方111。一部分藻类固体可经由管线363再循环至 该藻塘350以促使藻类更迅速地生长。其余部分的藻类固体362可送至生物 柴油提炼单元364以生产生物柴油366，一种有价值的运输燃料。该生物柴 油提炼过程为本领域中众所周知的并在此不需详加描述。

可通过光合反应生产藻类以生成氧气或氢气及藻类固体。对于包括硫酸 盐化合物形式的硫以及硝酸盐、磷酸盐及其它养分在内的液体进料流来说， 该光合反应将在日光存在下由二氧化碳与水的反应生产藻类细胞加上氧气。 对于含有硝酸盐、磷酸盐及其它养分加上有机废物的液体进料流来说，当硫 化合物不存在时在日光存在下该光合反应可生产藻类细胞加上氢气而不是氧 气。

碳捕捉和生产甲醇、乙醇、生物燃料、乙烯和它们的衍生物

要明白的是，根据本发明当通过藻类生产来补充时，几乎所有由发电厂 中或其它工业过程的烃燃料燃烧所产生的二氧化碳皆被捕捉或消耗掉以变成 有价值的商业副产物，并且不能够逸散至环境中，除非是难以捕捉的痕量物。 从该烟道气捕捉到的二氧化碳也可经由与氢气的反应转化为乙醇、甲醇或乙 烯，所述氢气来自氯化钾(或氯化钠)向氢氧化钾(或氢氧化钠)的电解作用， 该氢氧化钾(或氢氧化钠)作为来自发电厂或工业工厂烟道气流的二氧化硫、 二氧化氮及二氧化碳的吸收溶液。结果是，该二氧化碳的几乎全部余量都可 转化为有用的副产物化学品(甲醇、乙醇、乙烯及所有它们的衍生物)，这些 有用的副产物化学品可作为工业化学品原料或运输燃料。简而言之，本发明 如下描述了一种从捕捉到的烟道气生产烃燃料及衍生化学品的新颖途径，所 述捕捉到的烟道气包含二氧化碳、有机物、氢气或氯气，该衍生化学品作为 由石化工业所供应的原料化学品的直接替代物。本发明此种独特的方法仅通 过应用利用分子表面化学的气体动力学科学及传统化学才能达到，它们的给 合至今尚无人知道或实现过。

参照图1a、1b和11，由二氧化硫及二氧化氮化学回收系统123及141 从发电厂或工业工厂的烟道气流收集二氧化碳气体。将来自水蒸气冷凝器 154的合并的二氧化碳气流155引至变换转化反应器368的入口，在那里来 自电解槽120的氢气166与水蒸气128一起反应以在根据下列化学反应的合 成中生成一氧化碳和水蒸气：

CO2+H2→CO+H2O

包含一氧化碳的合成气370可接着通过氧化铬-氧化锌催化剂372与氢气 166反应以根据下列化学反应生产液体甲醇374：

由此所生产的甲醇374可接着直接作为工业化学品或通过加热单元或裂 解炉376以通过用水蒸气或气体128以及氢气166(为保持还原环境)加热而 根据下列化学反应生产乙烯气体378：

该乙烯气体378(其可由甲醇产生)可接着与来自电解槽120的氯气168 反应以根据下列化学反应在反应器单元176中生产1，2-二氯乙烷177：

C2H4+Cl2→C2H4Cl2        (1，2-二氯乙烷)

该1，2-二氯乙烷(EDC)177可接着与额外的乙烯气体121反应以生产氯 乙烯单体179，然后进一步与额外的乙烯气体121反应以生产聚氯乙烯塑料 (PVC)180，而未使用的或过剩的乙烯气体可送到其它地方且也可用于生产 其它石油化学品。乙烯121、378也可与水111及氢气166(以维持还原环境) 在乙醇合成反应器380中反应以根据下列化学反应生产乙醇液体382，该乙 醇液体可接着用于生产化学品或作为运输燃料源：

C2H4+H2O→C2H5OH        (乙醇)

此外，甲醇或乙醇可直接转化为生物燃料(及燃料原料，例如生产汽油 384的组分)，并可经由通过催化剂386，例如沸石，而获得帮助。

从热的燃烧气体(烟道气)生产空气

如截至此处的发明内容所证实的，本发明的方法先分离可能存在于气体 动力学反应器的热的燃烧气体中的这些金属(硒以外)及微粒，并分离它们以 便尽可能最经济地回收或处理。然后，该方法去除硒(若存在的话)以供回收 或处理以及呈固体碱金属硫酸盐形式的硫氧化物连同一部分以纯气体形态从 碱金属碳酸氢盐的分解中释放出来(并被回收且再利用)的二氧化碳。最后， 此方法去除呈固体碱金属硝酸盐形式的氮氧化物连同一部分以纯气体形态从 碱金属碳酸氢盐的分解中释放出来(并被回收且再利用)的二氧化碳。

从该燃烧气体中去除金属、微粒、硫氧化物、氮氧化物及二氧化碳之后， 该排出气体包含氧气、氮气、水蒸气及，可能的话，痕量的其它难以捕捉的 组分。因为该组合物基本上为空气(如普通及普遍了解的)，所以本发明的方 法可被恰当地定义为从燃烧气体中生产空气的方法。简而言之，本发明的方 法从肮脏的烟道气生产清洁的空气。

使二氧化碳回收及生产最大化的方法

尽管截至此处本发明的方法已经描述到其应用于烃燃料锅炉，例如用于 发电或工业过程共生工厂或海运锅炉及涡轮引擎操作，但是利用一些修改， 其也可应用于使二氧化碳回收及生产最大化，例如用于都市或工业焚化厂， 或用于石油精炼过程废气，或用于农业发酵及过程排放气体(例如碳封存)， 导致全面性的烟道气再捕捉及管理。现在参照图12a及12b，它们显示了图 1a及1b所显示的流程图的重新排列及修改。为求清晰及一致性，在两组图 形中执行相同或类似功能的零件将通过在图12a及12b中后缀为“A”的相同 的标志来识别。

在图12a中，将固体废弃物400供给到该锅炉12A，并且如果希望的话， 供入辅助燃料402，例如天然气、油或粉末状煤及空气19A。当然，在许多过 程中不需要使用该固体废弃物。热的烟道气10A通过预热器13A、管道26A、 节热器15A及初级收集装置28A。向采用紫外光20A的光解单元14A中供入 空气19A、水17A、过氧化氢18A及氯气与二氧化氯56A并生产羟基、氢过 氧基、氯基及氯氧基自由基，它们与经加热的空气11A一起经由管线24A传 送至管道26A。分别来自锅炉12A及初级粒子收集装置28A的底灰206A及飞 灰208A被传送至金属回收系统231以如图1a所示进行进一步处理。

该热的烟道气10A通过管道38A离开该初级粒子收集装置28A并通过入 口管道36A进入第一阶段气动气体清洁反应器30A。气体动力学反应器30A 通过水蒸气47A、空气或气体来驱动并被供以来自管线164A的碱金属氯化物 溶液，来自管线22A的羟基、氢过氧基、氯基及氯氧基自由基及经由管线56A 的氯气及二氧化氯气体。在该反应器30A内，该微粒、金属及气溶胶如前文 所述被包封于液滴中。该液滴在从如前文所述的气/液分离器32A中与气流分 离开并经由管线70A离开该气/液分离器32A，而经部分清洁的气体通过管道 68A离开该气/液分离器32A并通过入口管道36A进入第二阶段气动气体清洁 反应器72A。

气体动力学反应器72A通过水蒸气47A、空气或气体来驱动并经由管线 74A被供以碱金属氢氧化物、碳酸盐-碳酸氢盐溶液，及经由管线23A被供以 羟基及氢过氧基自由基。在该反应器72A内，烟道气10A中所含的二氧化硫 及一些二氧化碳如前文所述包封于液体反应产物中，并将该气/液混合物传送 至第二阶段气/液分离器76A。液滴在该气/液分离器76A中如前文所述与气 流分离开，并经由管线78A离开该气/液分离器76A，而经部分清洁的气体通 过管道84A离开该气/液分离器76A并通过入口管道36A进入第三阶段气动 气体清洁反应器85A。

气体动力学反应器85A通过水蒸气47A、空气或气体来驱动。如果希望 的话，额外量的羟基及氢过氧基自由基可通过管线23A供入反应器85A，同 时该反应器经由管线86A被供以碱金属氢氧化物、碳酸盐-碳酸氢盐溶液。在 该反应器85A内，烟道气10A中所含的氮氧化物及另一部分二氧化碳如前文 所述作为反应产物而被包封。反应器85A中所形成的液滴如前文所述在气/ 液分离器90A从烟道气10A中分离出来并经由管线92A离开该气/液分离器 90A，而更全面清洁的气体通过排出管道407离开该气/液分离器90A。

碱金属氢氧化物、碳酸盐-碳酸氢盐溶液74A在约7.0至7.5的pH水平 下加入反应器72A中，在那里它优先与二氧化硫反应，而碱金属氢氧化物、 碳酸盐-碳酸氢盐溶液86A在约9.0至9.5的pH水平下加入反应器85A中， 在那里它优先与氮氧化物反应。由此，二氧化硫在反应器72A中被捕捉，而 氮氧化物在反应器85A中被捕捉。在每个反应器中都以碱金属碳酸盐-碳酸氢 盐溶液的形式捕捉一部分二氧化碳。

排出管道407中经更全面清洁的烟道气通过入口管道36A进入第四阶段 气动气体清洁反应器404。气体动力学反应器404的设计及操作与如前文所 述的反应器30A、72A及85A类似。它通过水蒸气47A、空气或气体来驱动并 被供以碱金属氢氧化物碳酸盐-碳酸氢盐溶液408。在该反应器404内剩余 的二氧化碳以及任何痕量的二氧化硫及氮氧化物在约10.0至11.0的pH下 作为碳酸盐-碳酸氢盐、亚硫酸盐和亚硝酸盐以液体的形式被捕捉并在气/液 气体聚结分离器406中分离。经清洁的气体通过管道96A离开该气体聚结分 离器406，穿过任选的由水蒸气128A来加热的预热器100A，和任选的引导 式引风机97A并进入烟道98A。如前文所述，处理并再利用从该烟道98A回 收的水108A。

用于图12a及12b的化学品产生-再生系统与图1a及1b中所运用的类 似。首先，在碱金属氯化物混合槽209A中混合碱金属氯化物盐进料溶液115A (优选为钾盐或氯化钾)及水17A以形成碱金属氯化物进料溶液164A。将该碱 金属氯化物溶液164A的一部分引至碱金属氯化物电解槽120A，在那里生成 碱金属氢氧化物138A以及氢气166A及氯气168A。如图1a及1b所示，使用 氢气166A及氯气168A，连同来自空气分离设备171的氧气，以生成该工艺 的不同点所需的过氧化氢18A、氢氯酸175A和二氧化氯16A及56A。

该碱金属氯化物溶液164A被传送至反应器30A，而使来自气/液气体聚 结分离器32A的用过的液体70A返回图1a所示的金属回收-再生系统34。

碱金属氢氧化物溶液138A亦被传送至混合槽410、412及414。包含该 碱金属氢氧化物以及碱金属亚硫酸盐、亚硝酸盐及碳酸盐-碳酸氢盐的再循环 溶液74A从混合槽412循环至反应器72A，而使用过的溶液在通过该过滤器 418之后返回混合槽412。通过管线416抽出该混合槽412中的一部分溶液 并随后使其通过热脱二氧化碳器420、氧化器422及蒸发器-结晶器426。将 液体流出物428再循环至混合槽412，而采用抽出物流429来使惰性固体的 浓度最小化。在该热脱二氧化碳器420中，使用水蒸气128A来将碳酸氢盐分 解为碳酸盐并释出饱和的二氧化碳气体430。如图12b所示，该饱和的二氧 化碳气体430可经由使冷凝器462中所含的水冷凝而纯化。在氧化反应器422 中，使用过氧化氢146A将该碱金属亚硫酸盐及亚硝酸盐转化为碱金属硫酸盐 和硝酸盐。之后，用水蒸气128A蒸发该溶液并在蒸发器-结晶器426中结晶。 该蒸发器-结晶器426的输出物为碱金属硫酸盐晶体432，如图1b所示，其 可被干燥，包装并作为肥料出售。

被传送至混合槽410的碱金属氢氧化物138A以物流86A的形式进料至 反应器85A，同时使来自气/液气体聚结分离器90A的用过的溶液在通过过滤 器450之后经由管线92A返回至混合槽410。在混合槽410中的一部分溶液 通过管线452被抽出，然后继续通过氧化器454、热脱二氧化碳器456、冷 却器458及蒸发器-结晶器460。将水蒸气128A供应至该热脱二氧化碳器456 以释放饱和的二氧化碳气体430。将过氧化氢146A供应至氧化器454并将水 蒸气128A供应至蒸发器-结晶器460以生产碱金属硝酸盐晶体434，如图1b 所示，其可被干燥，包装并作为肥料出售。使来自该蒸发器-结晶器460的流 出液流经由管线464返回混合槽410，同时通过抽出物流466移出惰性固体 以避免不想要的累积。

被传送至混合槽414的碱金属氢氧化物138A以物流408的形式进料至 反应器404，同时使来自气/液气体聚结分离器406的用过的溶液经由返回管 线436及过滤器440返回该混合槽414。混合槽414中的一部分溶液通过管 线438被抽出，通过供以氢氯酸175A的酸化反应器470并从那里到热脱二 氧化碳器442，在那里它被水蒸气128A加热以释放出饱和的二氧化碳气体 430。将氢氯酸175A加入该酸化反应器470中以与由管线438所供入的碱金 属碳酸盐-碳酸氢盐溶液反应以便有利于耗费较稳定的碳酸根离子而生成化 学上较不稳定的碳酸氢根离子，所以会发生从液相优先释放二氧化碳气体。 饱和的二氧化碳气体430可通过在冷凝器462中冷凝而纯化。将流出液流446 再循环至混合槽414同时采用抽出物流448使惰性固体的浓度最小化。

应理解的是，图12a及12b所示的系统为本发明的综合碳管理系统应用 于控制工业过程产生污染的问题的另一个例子。具体地，来自本发明的经纯 化的二氧化碳可用于如图10及11所示生产燃料、在油田中三级采油及作为 商业的终端产物。

用于燃烧高钠烃燃料，例如褐煤及其它低级煤的解决方案

高钠含量煤，例如来自北达科塔、德州及其它地区的褐煤的燃烧由于灰 分残留物中有增加的钠浓度存在，将会造成相当多的操作问题。利用褐煤时 灰分中具有增加的钠浓度会造成的操作问题可包括锅炉积垢及阻塞，或具有 降低的热效率的传热表面不想要的涂层。此外，由于与煤中的高钠浓度有关 的过低灰分阻力水平(滑溜性)，所以会有经由溜过普通用于微粒收集的静电 沉淀器或布袋室过滤器而逃过捕捉的精细粒子留存物。结果，经常难以在传 统燃烧设备中适当地且有效地燃烧褐煤及其它具有高钠含量的煤。

传统的褐煤燃烧通过粉末点火进行，其中将该煤磨成精细粒子并通过悬 浮于空气流中燃烧。结果为存在该灰分中的钠最初在该煤中的有机材料燃烧 时熔融，接着再次冷凝并固化为精细的气体动力学粒子，该粒子被夹带于该 烟道气内，而后继无可避免地沉积在锅炉管道或传热表面上。部分熔融的钠 灰粒子会接着沉积且贴在表面上以致附着或粘牢于表面或其它粒子上，并难 以通过传统吹灰操作去除。此外，此精细的钠灰粒子会轻易地沉积在并衬着 到静电沉淀器的收集板上，然后由于其低阻力水平而再夹带于该气流中，接 着以气体动力学的方式作为可见的烟逸散至大气中。

缓和上述此褐煤灰分中具有的高钠含量的问题的一种方法是在锅炉中使 用气旋点火代替粉末点火。在气旋点火的情形中，将该煤炭磨成小但不精细 的粒子并在进入主第二燃烧室之前利用空气在初级圆柱管中燃烧，而不是被 磨成精细粉末悬浮物并利用空气直接注入该主燃烧室中。该二步气旋点火过 程允许高挥发性煤在燃烧之前被蒸发并使该煤中的高钠含量在燃烧之前预先 熔融。因此，气旋点火允许该挥发性气体及蒸气首先且迅速地被燃烧，伴随 着高热量释放至该初级燃烧管内，同时固定碳的较慢燃烧主要发生于第二燃 烧室内。该燃烧管中的高热量释放速率将熔融钠及其煤灰物质。因此，为了 较易去除及后继回收，熔融的排出物可由该锅炉底部以液体熔渣的形式去除， 而不是被夹带至如利用粉末煤点火的排出烟道气内。

气旋点火能以最低的操作难度通过在有限的圆柱管中高温预燃烧伴随离 心空气混合而有效地燃烧具有高钠灰分含量的高挥发性褐煤。气旋点火能迅 速燃烧该褐煤中的挥发性轻质有机化合物同时将水分迅速蒸发为水蒸气并使 该灰分熔融为熔化的液流而从该锅炉底部予以去除。结果，进入下游粒子收 集装置的烟道气流中的飞灰留存物明显减少，从而降低其总体工作量及维护。

然而，与该初级燃烧管中的褐煤气旋点火相关的高温也会造成显著量的 氮氧化物的产生，其比同等的粉末煤点火的排放量大许多。这些与褐煤及其 它低级煤的传统气旋点火相关的固有的较高氮氧化物排放导致其几乎被当局 宣布为不合法以视为环境保护一部分抑制氮氧化物污染产生。另一方面，本 发明用于氮氧化物消除的革新方法能使气旋点火成为用于燃烧高钠及高挥发 物含量褐煤及其它低级煤且伴随最少操作问题的适合且理想的技术。本发明 有效地去除且消除先前所排放的氮氧化物污染，并且它有效地将它们转化为 可用的硝酸钾肥料副产物，其量之大接近于几乎完全回收可取得的氮化合物。 后续应该没有从烟道排放的可检测到的有害NOX。因此，它是使用已知的气 旋点火方法并使其优于传统粉末煤炭点火的一种新颖并补充性的解决方案。

已经运用的术语及措辞被用作描述的术语而非限制性的，并在使用此等 术语及措辞时并无意排除任何所显示且描述的特征的等效物或它们的一部 分，并且要承认，不同的修改可能落在本发明所要求保护的范围以内。

尽管并不想受到任何理论的束缚，但还是在附录2中提供所涉及的化学 反应。

附录1

附图标记

4加至锅炉的煤燃料

6液体紫外光光解段

8气态紫外光光解段

9氯基及氯氧基自由基

10热的烟道气流

11进料至自由基混合室的空气管道

12锅炉(以煤为燃料)

13空气预热器交换器

14紫外光光解单元

15节热器热交换器

16二氧化氯气流

17水液流

18过氧化氢液流

19周围的空气源

20紫外光

22至第一阶段ADGC反应器的氯基、氯氧基、羟基及氢过氧自由 基进料管线

23至后面阶段的ADGC反应器的羟基及氢过氧自由基进料管线

24含有与来自光解单元的自由基流混合的热空气的管道

26锅炉排出管道

28初级粒子收集装置(通常称为ESP)

30第一阶段气动气体清洁(ADGC)反应器(或金属清洁ADGC反应 器)

31金属分离预过滤器

32第一气体聚结器分离器

33活性炭吸附器

34金属分离及回收/再生处理单元

35金属分离单元流出液

36气动气体清洁反应器入口管道

37化学沉淀单元

38粒子收集装置排出管道

39多阶段离心分离器

40混合/反应室

42亚音速喷嘴

43与超音速喷嘴相连的集管

44超音速喷嘴

45用于超音速喷嘴的喷雾喷嘴

46超音速自由射流

47用于ADGC反应器的物流/空气喷射驱动介质

48亚音速喷嘴喉部

49与亚音速喷嘴相连的集管

50亚音速自由射流

51用于亚音速喷嘴的喷雾喷嘴

52混合/反应室渐减或收敛截面段

54喷嘴孔口

56氯气及二氧化氯入口管线

58用于金属反应器的碱金属氯化物进入管线

60至气体聚结器的弯头连接器

62气体聚结器截面渐增段部分

64气体聚结器固定或均匀截面段部分

66气体动力学流体分离装置

67气体动力学流动分离装置(不同形状)

68第一气体聚结器排出管道

69位于气体聚结器的排出管道处的风机(任选的)

70第一气体聚结器液体排出管线

72第二气体动力学气体清洁(ADGC)反应器(或硫氧化物ADGC 反应器)

74用于再循环溶液的碱金属氢氧化物碳酸盐-碳酸氢盐进料管 线

76第二气体聚结器

78第二气体聚结器液体去除管线

84第二气体聚结器排出管道

85第三气体动力学气体清洁(ADGC)反应器(或第一氮氧化物 ADGC反应器)

86用于再循环溶液的碱金属氢氧化物-碳酸盐-碳酸氢盐进料管 线

88第四气体动力学气体清洁(ADGC)反应器(或第二氮氧化物 ADGC反应器)

90第三气体聚结器

92第三气体聚结器液体去除管线

93固体预过滤器单元

96第三气体聚结器排出管道

97位于所有气体聚结器之后的下游管线的引导式引风机

98出口排放烟道

100出口烟道气体预热器

102出口烟道气除雾器(任选的)

104出口烟道气冷凝器(任选的)

106除雾器供水管线(任选的)

108烟道气体除水管线

109二氧化碳冷凝器液体管线

110冷凝水处理设备

111经处理的水去除管线

112灰流流酸性提取单元

113CO2及H2O冷凝器水及烟道气体水管线(流到水处理设备的入 口物流)

114灰流碱性提取单元

115碱金属(钾盐)盐进料溶液

116金属-固体回收系统

117乙醇发酵单元

118再生的碱金属氯化物进料物流

119乙醇液流

120碱金属(钾)氯化物电解槽

121乙烯气流

122碱金属(钾)氯化物溶液混合槽(备用槽/储存-任选的)

123硫氧化物化学回收系统

124硫氧化物热脱二氧化碳单元

125空气供应管线

126硫氧化物/亚硫酸盐/硫酸盐氧化单元

127硫溶液的二氧化碳气体放空管线

128水蒸气加热管线

130碱金属硫酸盐混合槽

131碱金属硫酸盐沉淀溶液

132硫酸盐蒸发结晶单元

133硫酸汞沉淀固体流

134碱金属(钾)硫酸盐

136碱金属碳酸盐返回溶液

137返回溶液抽出物流

138碱金属氢氧化物溶液

139碱金属(钾)碳酸盐进料物流

140来自硫反应器系统的再循环液混合槽

141氮氧化物化学回收系统

142用于来自氮反应器系统用过的液体的混合槽

143氮氧化物回收溶液进料管线

144氮氧化物/亚硝酸盐/硝酸盐氧化单元

145碱金属亚硝酸盐/硝酸盐溶液的再循环产物液体介质

146过氧化氢溶液，管线18的分支

148氮氧化物热脱二氧化碳单元

149碱金属硝酸盐脱二氧化碳再循环管线

150来自硫酸盐蒸发器的水蒸气排出放空管线

151水蒸气冷凝器

152来自硝酸盐脱二氧化碳单元的二氧化碳气体放空管线

153来自硝酸盐蒸发器的水蒸气排出管线

154二氧化碳冷凝器

155二氧化碳排出气流

156冷冻冷却单元

157水蒸气冷凝器液体冷凝物管线

158硝酸盐蒸发结晶单元

159碱金属硫酸盐脱二氧化碳再循环管线

160碱金属(钾)硝酸盐

161来自硝酸盐系统的返回碱金属碳酸盐溶液

162水管线

163工艺热输入

164碱金属氯化物进料溶液

165流出洗涤液

166氢气管线

168氯气管线

170乙烯裂解单元

171空气分离设备

172过氧化氢产生单元

174氢氯酸生产单元

175氢氯酸液流

1761，2-二氯乙烷生产单元

1771，2-二氯乙烷产物流

178氯乙烯生产单元

179氯乙烯单体产物流

180聚氯乙烯生产单元

181聚氯乙烯(PVC)产物

184二氧化氯生产单元

186硒去除系统

188硒去除预过滤器单元

190原料水或碱金属氯化物溶液

192经过滤的用过的试剂溶液

193至金属分离处理单元34的用过的液体进料管线

194来自氮化合物再循环洗涤溶液的用过的液体

195金属预过滤器再循环洗涤溶液与金属气体聚结器液体流出物 的合并物流

196脱硫化学回收溶液

198硒离子交换除矿物质床

199清洁并再生的离子交换除矿物质树脂

200液体旁路物流

201额外的离子交换除矿物质步骤

202硒回收步骤

203离子交换再生剂溶液

204硒溶液

205从硒离子交换步骤198至混合槽140的排放管线

206底灰物流

208飞灰流

209碱金属(钾)溶液混合槽

210未回收的飞灰

212未回收的底灰

213返回液体清洁单元

214未提取的钾盐及其它液体

215返回液洗涤固体

216灰水流出物流

217合并的水洗涤液

218待处理的废弃固体

219灰水洗涤单元

220水洗涤单元

222回收的金属酸性提取单元

224回收的金属碱提取单元

225回收的金属碱提取液

228氢氯酸提取流出物

229硝酸提取溶液

230碱金属(钾)氢氧化物提取流出物

231灰流金属回收系统

232合并流金属提取系统

233合并的碱提取液(来自#225及#230)

234金属氧化提取单元

235氧化提取液流

236硝酸盐提取单元

237硝酸盐提取排出液

238金属碳酸盐提取单元

239碳酸盐提取液流

240金属有机物提取单元

241有机物提取排出液

242回收的金属产物排出流

243返回液处理单元

244回收的金属储存设备

245硫酸钾干燥单元

246硫酸钾装袋单元

247硝酸钾干燥单元

248硝酸钾装袋单元

249氧化铝回收系统

250铝金属回收系统

251回收的氢氧化铝固体

252氢氧化铝干燥单元

253回收的氧化铝流

255硝酸盐提取排出溶液

256氧化铀回收系统

257氢氧化铀沉淀单元

258氢氧化铀排出固体

259至碳酸盐提取进料管线的铀回收排出液体

260氢氧化铀干燥单元

261回收的氧化铀固体

262氧化铝干燥器排出气体(至水蒸气冷凝器#151)

263氧化铀干燥器排出气体(至水蒸气冷凝器#151)

264混合氧化物干燥器排出气体(至水蒸气冷凝器#151)

266延长的圆柱段

268端板-进入端

270端板-离去端

271螺钉

272反射性表面

274石英或玻璃本体

276中心空间

278环状空间

280空气泵

282空气管线

284空气喷嘴

286H2O2雾化器喷嘴

288Cl2&ClO2喷嘴

290水管线

292水旋流喷嘴

294紫外光灯

296环

297索环

298UV灯电源供应器

300电线

302自由基管线(环状)

304自由基管线(中心)

306汇合的自由基管线

308自由基加热器

309空气管道加热器

310氢氧化钠(硫氧化物系统)

311用于混合自由基及热空气的混合室

312碳酸及碳酸氢钠

314混合槽(硫氧化物系统)

316氢氧化钠(氮氧化物系统)

318碳酸钠及碳酸氢钠

320混合槽(氮氧化物系统)

322电解槽

324盐(NaCl)

326水

327电力

328氢氧化钠

330氢气

332氯气

334用过的洗涤液

336混合槽

338盐水溶液

340槽

342含盐水

344盐水

346油浮法分离单元

348溶液

350藻塘

352种子生物

354磷酸

356日光或人造光

358氧气

360过量水

362藻类固体

363藻类固体再循环管线

364生物柴油或炼油单元

366生物柴油

368变换转化反应器

370一氧化碳

372甲醇合成

374甲醇

376乙烯裂解单元

378乙烯

380乙醇合成反应器

382乙醇

384汽油

386用于合成汽油的催化剂

图12a及12b的附图标记

400固态废弃物

402辅助燃料

404第四阶段气体动力学气体清洁(ADGC)反应器

406第四阶段气体聚结器

407气体聚结器90A的排出管道

408碱金属氢氧化物碳酸盐-碳酸氢盐溶液

410混合槽

412混合槽

414混合槽

416抽出管线

418过滤器

420热脱二氧化碳器

422氧化器

424冷却器

426蒸发器-结晶器

428液体流出物

429抽出物流

430饱和二氧化碳气体

432钾(碱金属)硫酸盐

434钾(碱金属)硝酸盐

436返回管线

438管线

440过滤器

442热脱二氧化碳器

446流出液流

448抽出物流

450过滤器

452抽出管线

454氧化器

456热脱二氧化碳器

458冷却器

460蒸发器-结晶器

462冷凝器

464管线

466抽出物流

468过滤器

470酸化反应器

附录2

工艺化学反应列表

过氧化氢化学反应

过氧化氢生成

H2O2+UV光--------→2OH*

H2O2+OH*--------→HO2*+H2O

氮氧化物反应

NO+OH*--------→HNO2

NO2+OH*--------→HNO3

NO+HO2*--------→HNO3

NO+HO2*--------→NO2+OH*

2NO+O2--------→2NO2

元素汞反应

Hg+2OH*-------→HgO+H2O

Hg+HO2*------→HgO+OH*

Hg+2Cl*--------→HgCl2

Hg+2OCl*--------→Hg(OCl)2

过氧化氢反应

2NO2+H2O--------→HNO2+HNO3

2NO2+H2O2-------→2HNO3

HNO2+H2O2-------→HNO3+H2O

K2SO3+H2O2-------→K2SO4+H2O

氯化合物化学反应

氯气反应

Cl2+UV光------→2Cl*

Cl2+H2O------→HOCl+HCl

Cl2+NO+H2O------→2HCl+NO2

汞化合物反应

Hg+Cl2-------→HgCl2

HgO+H2O-------→Hg(OH)2

Hg(OH)2+2HCl------→HgCl2+2H2O

Hg(OH)2+2HOCl------→Hg(OCl)2+2H2O

Hg(OCl)2+H2O------→HgCl2+H2O2

二氧化氯反应

ClO2+UV光------→2ClO*+O*

O2+Cl2+2H2O2-------→2ClO2+2H2O

NO+ClO2+H2O------→HNO3+HCl

NO2+ClO2+H2O------→HNO3+HCl+O2

Hg(OH)2+2HOCl-------→Hg(OCl)2+2H2O

碳和有机物反应

一氧化碳反应

2CO+O2-------→2CO2

CO+2OH*-------→CO2+H2O

CO+HO2*------→CO2+OH*

CO+2HO2*-----→CO2+2OH*+O*

2CO+O2------→2CO2

CO+O*------→CO2

有机化合物反应

[CH]+O2-------→CO2+H2O

[CH]+OH*------→CO2+H2O

[CH]+HO2*-------→CO+OH*

烟道气流化学反应

硫氧化物反应

SO2+H2O-------→H2SO3

H2SO3＝＝＝＝H++HSO3-＝＝＝＝＝2H++SO3--2

2H2SO3+O2--------→2H2SO4

H2SO3+2KOH-------→K2SO3+2H2O

H2SO4+2KOH-------→K2SO4+2H2O

氮氧化物反应

2NO2+H2O--------→HNO2+HNO3

2NO2+H2O2--------→2HNO3

HNO2+H2O2--------→HNO3+H2O

HNO2＝＝＝H++NO2-＝＝＝HNO2+KOH＝＝＝KNO2+H2O

二氧化碳反应

CO2+H2O--------→H2CO3

H2CO3＝＝＝＝H++HCO3-＝＝＝＝2H++CO3--2

H2CO3+2KOH-------→K2CO3+H2O

H2CO3+KOH--------→KHCO3+H2O

硫氧化物去除反应

H2O+SO2-------→H2SO3

H2O+SO3-------→H2SO4

H2SO3+2KOH-------→K2SO3+H2O

H2SO3+KOH-------→KHSO3+H2O

H2SO3+2K2CO3-------→K2SO3+H2CO3

2K2SO3+O2-------→2K2SO4

SO2+2KHCO3-----→K2SO3+2CO2+H2O

SO2+2KHCO3+H2O2--------→K2SO4+2CO2+2H2O

K2SO3+H2O2-------→K2SO4+H2O

SO2+K2CO3--------→K2SO3+CO2

2KHCO3+热--------→K2CO3+CO2+H2O

KHSO3+热--------→发生可忽略的反应

KHSO3+KHCO3-------→K2SO3+CO2+H2O

2K2SO3+O2--------→2K2SO4

K2CO3+O2--------→发生可忽略的反应

氮氧化物去除反应

H2O+2NO2---------→HNO2+HNO3

HNO2+KOH---------→KNO2+H2O

HNO3+KOH--------→KNO3+H2O

2KNO2+O2---------→2KNO3

KNO2+H2O2---------→KNO3+H2O

2NO+H2O2+2K2CO3----→2KNO3+2KHCO3

NO+H2O2+K2CO3---------→KNO2+KNO3+H2O

2KHCO3+热---------→K2CO3+CO2+H2O

KHSO3+KHCO3--------→K2SO3+CO2+H2O

KNO2+H2O2--------→KNO3+H2O

2HNO2+K2CO3--------→2KNO2+H2O+CO2

2HNO3+K2CO3-------→2KNO3+H2O+CO2

金属去除及回收反应

金属洗涤处理反应

金属+无机物+水----→金属提取物+不可溶的灰

金属+无机物+HCl----→金属氯化物+不可溶的灰

金属+无机物+KOH----→金属氢氧化物+不可溶的 灰

金属提取化学反应

金属+无机物+H2O2----→氧化的金属+不可溶的灰

金属+无机物+K2CO3----→金属碳酸盐+不可溶的 灰

金属+无机物+C2H5OH---→金属有机物+不可溶的 灰

金属+无机物+KCl------→金属氯化物+不可 溶的灰

铝回收反应

Al2O3(固体)+3H2O(液体)------→2Al(OH)3(在溶液中 的沉淀物)

2Al(OH)3(碱)+6HCl(酸)-------→2AlCl3(盐)+3H2O (液体)

AlCl3(盐)+3KOH(碱)-------→Al(OH)3(碱)+3KCl (盐)

2Al(OH)3+热-------→Al2O3(固体)+3H2O(蒸 气)

铀提取单元

U3O8+H2O2------→3UO3+H2O

UO3+6HNO3------→U(NO3)6+3H2O

U(NO3)6+6KOH------→U(OH)6+6HNO3

U(OH)6+热------→UO3+3H2O

肥料干燥操作

硫酸钾

K2SO4xH2O(固体)+热-------→K2SO4(晶体)+H2O(蒸 气)

硝酸钾

KNO3xH2O(固体)+热--------→KNO3(晶体)+H2O(蒸 气)

藻类光合作用及生物柴油生产

盐电解作用

苛性钠碳酸化

NaOH+H2CO3----------→NaHCO3+H2O

2NaOH+H2CO3----------→Na2CO3+2H2O

碳酸解离

H2O+CO2＝＝＝H2CO3＝＝＝H++HCO3-＝＝＝2H++CO3--2

藻类光合作用

提炼生物柴油

运输燃料生产

一氧化碳变换反应

CO+H2O--------→CO2+H2

CO2+H2--------→CO+H2O

甲醇生产反应

乙醇生产反应

C2H4+H2O--------→C2H5OH    (乙醇)

氢气产生反应