本部分的记述仅仅提供与本发明有关的背景信息，而不构成现有技术。
相信是温室气体的人为排放引起了全球气候变化(即全球变暖)。全球 变暖效应的模型预见了温度和海平面的全球性上涨、气候模式的改变、和更 极端的天气现象，包括洪水和干旱。温室气体包括二氧化碳、甲烷、一氧化 二氮、水蒸汽、臭氧和全氟化碳/含氯氟烃。据估计二氧化碳构成美国2000 年温室气体排放的大约84％。二氧化碳(CO2)和其他有害气体污染物的排 放率与经济和工业增长高度相关，并且自从19世纪中叶起有显著的增高。 通常CO2由烃、矿物燃料的燃烧，和/或各种产生二氧化碳副产物的工业过 程产生，所述工业过程包括水泥、石灰、铁和钢的生产。美国环境保护局 (EPA)和联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)根据燃料燃烧(主要 包括机动车和发电厂)和其他工业来源对排放物进行了分类。美国97％的人 为二氧化碳排放来自矿物燃料燃烧源，例如发电厂、焚化炉和机动车。二氧 化碳排放的其他重要点源包括水泥、石灰和铁/钢生产厂，所有这些厂都在 生产过程中产生大量的二氧化碳，既是反应副产物也是通过烃类燃料的燃烧 的产物。
除了是一种不希望有的温室气体外，二氧化碳还有产生操作和经济问题 的可能，因为它是没有任何燃烧价值的稀释剂。它是一种酸性气体而且会在 水存在下引起腐蚀问题，产生对一些合金非常有腐蚀性的碳酸。
通过国际条约，例如京都议定书，许多国家已经答应负责减少包括二氧 化碳在内的各种温室气体的排放。在美国，已经有将很大注意力集中在开发 可有效减少规定的空气污染物的排放的装置上的传统，其中空气污染物例如 微粒物质、硫氧化物和氮氧化物。但是，对于减少未规定的二氧化碳排放技 术的发展滞后于其他控制技术。然而，由于各个国家实施了限制各种温室气 体尤其是二氧化碳产生的规章和交易程序，所以急需更加有效且廉价的减少 二氧化碳的技术。
从气流中去除二氧化碳的现有方法包括用特有的溶剂系统的化学吸收/ 吸附(胺洗涤)、膜分离、低温分馏和/或用分子筛吸附。在一次性的系统 中，活性材料进行一次性通过反应器/洗涤器，然后就被丢弃。由于与处置 大量用过的活性材料相关的增加的费用和维护，一次性使用的系统不太理 想。再生系统被设计用来再生活性材料，使其适于随后生产性通过所述反应 器。分子筛，例如沸石和活性炭，被用于再生的变压吸附(PSA)或变温吸附 系统中，这些系统通过在高压和/或低温下选择性吸附一种或多种所述气体 分离气体混合物来从气流中除去不想要的成分。然后这些俘获的杂质通过降 低吸附系统的压力或升高吸附系统的温度来脱附(所以系统从高压到低压或 从低温到高温间“摆动”)。脱附步骤使吸附材料再生，来重复利用于后面 的吸附步骤中。PSA系统通常包括若干吸附床，气体通过这些吸附床，分离 所选择的气体种类。上述方法中的每一个都有缺点，包括高资本投资和运行 费用，以及某些情况下的相对小的吞吐容量和低去除效率。这些系统对于各 种应用是潜在的受成本限制的系统，特别对于那些产生大量二氧化碳和其他 排放物的高生产量的生产工厂。
所以，需要那种以有效且成本节约的方式减少固定来源的废气中的二氧 化碳排放的方法。并且，优选CO2排放减少装置在获得所需的去除效率的同 时，能处理与工业应用相关的高流量。优选的，这样的去除方法是可再生的， 并且采用再循环来体现可承担的发展主动性。

在各个方面，本发明提供了从含有二氧化碳的工业废物流体流中分离作为 污染物存在的二氧化碳的方法。在一个方面，本发明提供的方法包括通过将所 述流体流与洗涤材料相接触来减少流体流中的二氧化碳的量。所述洗涤材料包 括第一组分和第二组分。在某些方面中，反应在水存在下进行(例如，在浆料 中或在半干形式下进行)。第一组分不同于第二组分。进一步地，第一组分含有 氧化钙源和碱金属离子源，且第二组分含有具有一种或多种反应性硅酸盐化合 物的矿渣。
在某些实施方式中，第一组分含有选自由水泥窑粉尘(CKD)、石灰窑粉 尘(LKD)、甜菜石灰、熟料粉尘、熟石灰、生石灰及其混合物所组成的组中 的材料。在一些实施方式中，第二组分含有选自由高炉矿渣、钢渣及其混合 物所组成的组中的材料。合适的矿渣材料的例子包括：空气冷却的高炉矿渣、 颗粒状高炉矿渣、研磨的颗粒状高炉矿渣、膨胀的和/或成丸状的高炉矿渣、 顶吹氧转炉钢渣、平炉钢渣、电弧炉钢渣及其任何混合物。第二组分可以可 选择地含有源自熔炉生产和/或加工不锈钢的不锈钢钢渣。在某些实施方式 中，第一组分包含水泥窑粉尘(CKD)且第二组分包含不锈钢钢渣。在各个方 面，所述方法产生包括碳酸钙和用过的洗涤材料的产物。在某些实施方式中， 碳酸钙产物作为原料在工业过程中被重复利用。这种重复利用的一个例子是 使用所述碳酸钙产物作为水泥生产或石灰生产的原料。所述碳酸钙产物可以 可选择地用作在铁和/或钢加工中的助熔剂。
在各个方面，提供二氧化碳分离材料的浆料用于从含二氧化碳的流体流 中洗涤二氧化碳。所述浆料包括第一组分、第二组分和水。第一组分包括选 自由水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、甜菜石灰、熟料粉尘、熟石灰、生石灰及其 混合物所组成的组中的一种或多种材料。第二组分包括具有反应性硅酸盐化 合物的矿渣。所述浆料含有具有最大平均粒径小于或等于约500μm且平均 表面积大于或等于约1000cm2/g的微粒。
在又一个实施方式中，二氧化碳分离材料以浆料的形式提供，以用于从 含二氧化碳的流体流中洗涤二氧化碳。所述浆料包括含有水泥窑粉尘(CKD) 的第一组分和含有具有反应性硅酸盐源的矿渣的第二组分。所述浆料还含有 水。所述浆料包含具有最大平均粒径小于或等于约500μm且平均表面积大 于或等于约1000cm2/g的微粒。
在另一方面，本发明提供一种二氧化碳排放减少系统。该系统包括反应 腔室。所述反应腔室具有流体入口、浆料入口、混合区、流体出口和浆料出 口。含有二氧化碳的废物流与所述反应腔室流体联通，且通过流体入口引入 所述反应腔室。并且，浆料源与所述反应腔室流体联通。来自浆料源的浆料 通过浆料入口引入所述反应腔室。此外，所述混合区使所述浆料和所述废物 流进行湍流混合。所述反应腔室具有的体积可提供足够的停留时间来处理所 述废物流以减少至少约30％的二氧化碳量。所述浆料包括：含有氧化钙源和 碱金属离子源的第一组分，含有具有反应性硅酸盐源的矿渣的第二组分，和 水。用过的浆料和/或碳酸钙产物通过浆料出口从所述反应腔室中除去。
在其他实施方式中，提供了一种重复利用工业副产物的方法。通过掺混 第一制造组分与第二制造组分形成二氧化碳洗涤材料。第一组分含有氧化钙 源和碱金属离子源。第二组分含有具有一种或多种反应性硅酸盐化合物的矿 渣。然后使工业过程中产生的含有二氧化碳的废物流与所述洗涤材料进行接 触。产生能够在诸如工业过程中有益地再利用的包含碳酸钙的产物。在某些 实施方式中，在所述接触步骤之后和所述产生步骤之后，所述洗涤材料被用 过，且至少部分用过的洗涤材料与新鲜的第一制造组分和第二制造组分掺 混。
在各个其他方面中，本发明提供了减少来自废物流的二氧化碳排放的方 法，所述废物流从固定燃烧源(例如锅炉、焚化炉)、水泥窑、石灰窑、炼 铁炉和炼钢炉产生。以这种方式，本发明的各方面提供了去除二氧化碳排放 物的有效手段，从而控制了温室气体的排放，还进一步重新利用了至少一种 工业副产物，优选多种副产物材料来形成有用的产物。
通过这里的说明，其进一步的应用范围会变得显而易见。应理解的是， 说明书和具体实例是为了说明的目的，而不是为了限制本发明的范围。
附图说明
此处的附图仅仅为说明的目的，而不意味着以任何形式限制本发明的范 围。
图1为根据本发明的某些实施方式用于二氧化碳分离系统的示例性方 法流程图；
图2为示出具有洗涤塔式反应器的二氧化碳排放降低系统的本发明的 一个实施方式的示意图；
图3为示出二氧化碳去除系统的本发明的某些实施方式的流程图，在该 系统中，从二氧化碳去除设备中排出的处理过的废物流被空气污染物控制装 置进一步处理，以去除除二氧化碳之外的一种或多种其他污染物。
图4为示出二氧化碳去除系统的本发明的另外一些实施方式的流程图， 在该系统中，废物流在进入二氧化碳去除设备之前，被空气污染物控制装置 预处理，以去除一种或多种污染物。

下面的说明本质上只是示例性的，并不用于限制本发明、应用或使用。 应该理解，在全部附图中，相同的标记表示相同或对应的部件和特征。
本发明的教导从各个方面提供通过从气态的流体流中分离或洗涤二氧 化碳，来降低流体流中的气体二氧化碳含量的方法。在某些实施方式中，流 体流包括气体和/或水蒸气，但是也可能带有固体和/或液体，例如带有微粒、 小液滴和/或浮质。在各种实施方式中，流体流是工业过程中产生的废物流 或排出流。使流体流与二氧化碳洗涤或分离物质接触，以去除二氧化碳。在 与洗涤材料接触后，流体流中的二氧化碳含量被降低了。在某些实施方式中， 二氧化碳与洗涤材料反应，形成下面将详细说明的有用的产品。
在各方面，洗涤材料包括第一组份、第二组份和水。第一组份与第二组 份不同。在各实施方式中，第一组份包括氧化钙源和碱金属离子源。第二组 份包括具有一种或多种反应性硅酸盐化合物的矿渣。洗涤材料与二氧化碳反 应，形成包括碳酸钙和用过的洗涤材料的产品。
在不同的实施方式中，洗涤材料的第一组份包括氧化钙(CaO)。进一 步地，第一组份优选还包括碱金属离子源，例如钠和/或钾离子。在某些实 施方式中，第一组份包括工业过程中产生或制造的材料。如下面将要详细说 明的，某些实施方式中有益地再利用否则将被丢弃、堆放或埋入土壤的废料。 而各种合适的氧化钙源和碱金属离子源也可能是天然生成的物质，例如矿 物，也可能是制造的商业产品。在不同方面，第一组份包括从由水泥窑粉尘、 石灰窑粉尘、甜菜石灰(sugar beet lime)、熟料粉尘、消石灰、生石灰及其 混合物组成的组中选择的物质。这样的混合物包含两种或多种成分的任意组 合。在某些实施方式中，第一组份包括从由水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、甜菜 石灰及其混合物组成的组中选择的材料。在其它实施方式中，第一组份包括 石灰窑粉尘。在某些实施方式中，第一组份包括水泥窑粉尘。这些非限制性 的材料都是用于洗涤材料中的合适的氧化钙和碱金属离子源。第一组份能包 括其它氧化钙和碱金属离子源，例如包括本领域技术人员所公知的，污水处 理厂污泥、矿浆和纸浆、制造碳化钙的副产品和其它提供氧化钙和碱金属离 子的物质。
如本领域技术人员所理解的，许多所述氧化钙和碱金属离子源能具有变 化的组分，这取决于：其制造的具体方法；用来制造所述源的原材料和燃料 的具体成分；材料存储或堆放的条件和时间；以及其它多种因素。
在这点上，在一些实施方式中，第一组份优选包括从下列物质组成的组 中选择的一种或多种活性成分：CaO、K2O、Na2O及其混合物。在某些实施 方式中，第一组份包括从下列物质组成的组中选择的一种或多种活性成分： CaO、Na2O、K2O及其混合物，其中洗涤材料中所述活性成分的含量为大约30 wt％到大约60wt％。可选地，除氧化钙和碱氧化物外，第一组份还包括另外的 活性化合物，这样的活性成分不限于上面所述的。
在一些实施方式中，第一组份包括大约30wt％或更多的氧化钙。如在这 里使用的，除非另外指出，所有的百分比都基于重量。应该注意，这里所述 的各种材料的化学成分是根据从通常由X射线荧光技术测定的元素分析计 算得到的以简单氧化物的形式来表示。尽管各种简单氧化物可能以更加复杂 的化合物存在于材料中，并且经常如此，但是氧化物分析仍然是一种表示化 合物中所关心的各个组分含量的有用方法。
在某些实施方式中，第一组份包括大约3wt％或更多的游离石灰(游离 氧化钙)。“游离石灰”是指材料中可以容易地用于和水进行水合反应的游离 氧化钙(游离CaO)。未消化的石灰，也称作生石灰，包含能够和水进行反 应，即熟化的更高含量的脱水(游离)石灰或氧化钙(CaO)。相反，熟化 的或与水合的石灰已经与水反应形成Ca(OH)2。游离石灰的含量经常用作包含 氧化钙材料的反应活性的指标。在本发明的某些实施方式中，游离石灰可能为 大约5％或更高。
在一些实施方式中，第一组份优选包括大约1wt％或更多的氧化钠 (Na2O)和/或氧化钾(K2O)形式的碱金属离子源。应该注意，一些碱金属离 子与各种配阴离子，例如硫酸根配合，但是，通常的碱金属含量分析用碱金属 氧化物和硫酸盐分别表示。在某些实施方式中，氧化钠(Na2O)和/或氧化钾 (K2O)形式的碱金属离子源的含量大于或等于大约3wt％，可选地，大于或等 于大约4wt％。各种凝硬性和/或水泥质物质的碱金属含量也可以用通过下列公 式计算的，考虑了Na2O和K2O的存在的钠等价物(Na2Oc)来表示：
z＝x+(0.658-y)    (公式1)
其中z为钠等价物(Na2Oc)，x为组合物中Na2O的重量百分比，y为组合 物中K2O的重量百分比。这样的钠等价物的含量的范围可以从大于0.01wt％到 大于或等于约1wt％；可选择地大于或等于约2wt％；可选择地大于或等于约 3wt％；在一些实施方式中，大于或等于约5wt％。
如下面将更详细讨论的，碱金属离子促进用于洗涤材料的理想反应条件， 例如提供较高的pH值。相信较高的pH值会提供更快的反应速度并且促进在洗 涤材料与二氧化碳的反应中形成更想要的产品。
在某些实施方式中，除杂质和稀释剂外，第一组份的组成如表1中所示。
表1
  氧化物 大致的wt％ 氧化钙(CaO) 30～45 二氧化硅(SiO2) 10～20 氧化铝(Al2O3) 2～7 氧化铁(Fe2O3) 1～3 氧化镁(MgO) 0.5～3 硫酸盐(SO3) 1～15 氧化钠(Na2O) 0.1～1 氧化钾(K2O) 0.1～15
在一些实施方式中，第一组份优选包括通常是指在波特兰水泥制造过程中， 在水泥窑或相关处理设备中产生的副产品的水泥窑粉尘。可以在湿或干的工艺 窑中制造波特兰水泥。尽管湿和干的工艺是不同的，但是两种工艺都在某些阶 段中加热原材料。水泥制造原材料包括钙、二氧化硅、铁和氧化铝的源，并且 通常包括石灰石以及多种其它物质，例如粘土、沙子和/或页岩。
水泥制造的第一阶段为预热阶段，从原材料中驱除任何水分，除去水合的 水，并把材料温度提高到大约1500℉(大约800℃)。第二阶段为煅烧阶段，通 常在1500℉到2000℉(大约1100℃)之间进行，通过在煅烧反应中驱除二氧 化碳(CO2)来把石灰石(CaCO3)转变为石灰(CaO)。然后，在烧结区中， 把原材料加热到大约2500℉到3000℉之间(大约1400℃到1650℃)的最高温 度，这样，原材料基本熔化并且熔融，从而形成无机化合物，例如硅酸三钙、 硅酸二钙、铝酸三钙和铝铁酸四钙。对波特兰水泥的一个典型的分析显示，波 特兰水泥包括大约65～70％CaO、20％SiO2、5％Al2O3、4％Fe2O3和较少量的 其它化合物，例如镁、硫、钾和钠等的氧化物。熔化的原材料被冷却，以凝固 成通常称作“熟料”的小块的中间产品，并随后被从窑中移走。然后，精细地研 磨熟料并把它与其它添加剂(例如固化抑制剂和石膏)混合来形成波特兰水泥， 波特兰水泥随后可与集料和水混合来形成混凝土。
通常，CKD包括在窑、预处理装置和/或材料搬运系统的不同区域产生的不 同颗粒的组合，包括，例如熟料粉尘，部分至全部煅烧的材料粉尘和原材料(含 水的和脱水的)粉尘。如本领域技术人员所理解的，CKD的组分根据使用的原 材料和燃料、生产和加工条件、以及水泥生产过程中CKD收集点的位置不同 而改变。CKD可包括从窑废物(即排气)流、熟料冷却器废物、预煅烧废物、 空气污染物控制设备等处收集的粉尘或颗粒物质。熟料冷却器粉尘是指在窑 的熟料冷却器区域收集到的粉尘，通常具有与波特兰水泥非常相似的化学成分。
而CKD组分可根据窑的不同而改变，由于熟料粉尘和煅烧材料粉尘的存 在，通常CKD至少具有一些水泥质和/或火山灰性质。典型的CKD组分包括含 硅化合物，例如包括硅酸三钙、硅酸二钙的硅酸盐；含铝化合物，例如包括铝 酸三钙的铝酸盐；和含铁化合物，例如包括铝铁酸四钙的铁酸盐。CKD通常含 有相对较高含量的氧化钙(CaO)。示例性的CKD组分包括约10～约60wt％的 氧化钙，或者为约25～约50wt％，或者为约30～约55wt％。在一些实施方式 中，CKD包括的游离石灰的浓度为约1～约10％，或者为约1～约5％，在一些 实施方式中为约3～约5％。进一步地，CKD通常包括含量分别为约0.1到10 wt％，或者0.2到5wt％的钠和钾碱金属离子。CKD可以包括另外的碱金属离 子、碱土金属离子、硫及其他成分。CKD通常还包括约10到约20wt％的二氧 化硅(SiO2)、约2到约7wt％的氧化铝(Al2O3)和约1到约3wt％的氧化铁 (Fe2O3)。
示例性的CKD粉尘具有约2.6到2.8的特定粒度范围、约0.30mm(300μm) 的最大粒径和约4600到14000cm2/g的布莱因(Blaine)细微粒度(比表面积)。
在某些实施方式中，本发明洗涤材料的第一组份包括石灰(即生石灰)或 石灰窑粉尘(LKD)。LKD是一种制造石灰的副产品。LKD是从石灰窑或相关 加工装置中收集的粉尘或微粒物质。生产出的石灰可以分为高钙石灰或白云石 石灰，而LKD随石灰形成方法不同而改变。常常通过煅烧反应来制备石灰，煅 烧反应通过加热含钙原材料，例如碳酸钙，而形成游离石灰CaO和二氧化碳 (CO2)。高钙石灰具有高浓度的氧化钙，通常还含有一些杂质，包括含铝和含铁 的化合物。通常高钙石灰从高纯度的碳酸钙(纯度大约95％或更高)制得。由高 钙石灰的加工得到的LKD产物中通常的氧化钙含量与石灰产品自身的氧化钙 的含量相似，可大于等于约75wt％，或者大于等于约85wt％，在一些情况下大 于等于约90wt％。在一些石灰生产中，白云石(CaCO3-MgCO3)被加热分解，主 要产生氧化钙(CaO)和氧化镁(MgO)，从而形成已知的白云石石灰。在通过白云 石石灰加工产生的石灰或LKD中，氧化钙的含量大于等于约45wt％，或者大 于或等于约50wt％，在某些实施方式中，大于或等于约55wt％。尽管石灰和 LKD都随所使用的石灰加工的类型而变化，但是它们通常都有相对较高的 游离石灰含量。游离石灰在这样的石灰或LKD产品中通常含量为约10到约 50％，或约20到40％。
进一步地，LKD和石灰产品通常包括含量分别为约0.01到1wt％和约0.03 到约0.25wt％的钠和钾碱金属离子。石灰和/或LKD可能包括另外的碱金属离 子、碱土金属离子(例如上述的MgO)、硫及其他组份。LKD通常还包括约1 到约10wt％的二氧化硅(SiO2)、约0.1到约5wt％的氧化铝(Al2O3)和约0.5 到约2wt％的氧化铁(Fe2O3)。示例性的LKD具有约2.6到3.0的特定粒度范 围、约2mm(2000μm)的最大粒径和约1,300到10,000cm2/g的布莱因细微 粒度(比表面积)。
用作本发明的洗涤材料的第一组份的另一种示例性材料是精制糖的石灰副 产品。石灰用于从甘蔗、甜菜、枫糖和高粱得到的糖生产中。例如，收获甘蔗 和甜菜并用水进行处理，形成具有低pH并且包含溶解的杂质的原汁。因此， 该糖汁包含蔗糖、果肉、各种非糖，例如有机和无机盐、氨基酸、染料和诸 如蛋白质和胶质的高分子材料。向原汁中加入熟石灰来升高pH并与杂质反应 以形成能够被除去的、不溶的钙有机化合物。在常规的糖纯化方法中，加入了 石灰(CaO)和二氧化碳，这导致包括碳酸钙和部分上述非糖成分的沉淀物(渣) 的形成。脱水的渣包括通常为水合形式(Ca(OH)2)的氧化钙(CaO)。可以用 这种方式对糖汁进行进一步地连续精制。甜菜倾向于需要最大量的以石灰进行 的精制，而所得的渣副产品通常称作“甜菜石灰”。然而，使用术语“甜菜石灰” 仅表示适于用于本发明的洗涤材料的糖加工石灰副产品的一类材料。
在甜菜石灰中，氧化钙可能为大于或等于约25wt％，或大于或等于约30 wt％，在某些实施方式中，大于或等于约40wt％。甜菜石灰通常还包括碱金属 离子，例如钠和钾，其含量分别为组合物的约0.01wt％或更大，或者大于或等 于约0.05wt％，或者大于或等于0.1wt％，在某些实施方式中，大于或等于约1 wt％。
这样，洗涤材料的第一组份可能包括任何合适的氧化钙和碱金属离子源。 第一组份能够可选地包括提供所需含量的氧化钙和碱金属离子的一种合适的物 质或合适物质的混合物。
矿渣是金属制造的工业副产品。在不同的实施方式中，洗涤材料的第二 组份包括这样的提供反应性硅酸盐的矿渣材料。硅酸盐通常为能够被加入到链、 双链、片层、三维网络和其它聚合(“地聚合物”)形式的四面体形式。硅酸盐 包括硅和结合一个或多个金属和/或氢的氧原子。通常，硅和氧的形式为SixOy， 其中x通常为1或2，y的范围为2到7(例如，SiO2、SiO3、SiO4、和Si2O7) 尽管许多硅酸盐不能溶于水或在水中稳定，但是相信碱性条件和增加的温度有 助于更大的溶解度和/或有水情况下的某些硅酸盐化合物的反应性。水溶解度和 /或有水情况下的硅酸盐化合物的反应性取决于多种因素，包括硅阴离子与之配 合的阳离子(例如IA族碱金属离子元素和NH4+倾向于形成水溶的硅酸盐)。
某些硅酸盐种类更易于与离子种类反应并且显示出较高的水溶解度，相信 这样的硅酸盐会离子化而形成SiO-离子。例如，硅酸盐能够形成各种晶体结构， 从结晶体和高度有序相(例如石英)到潜晶质相(例如，象玉髓的超精细结晶 结构)，到无定形相或像玻璃的非结晶结构(例如蛋白石)。相信无定形晶格结 构允许硅酸盐网络的较易被离子攻击和破坏。这样，高度有序和结晶良好的相 是稳定且为非反应性的，而潜晶质和无定形硅酸盐晶格由于其无序和开放的晶 格结构而易受攻击，因此，这样的硅酸盐是反应性的。
根据本发明的不同的实施方式，洗涤材料的第二组份包括反应性的硅酸盐。 尽管不限制于本教导藉以生效的任何理论，但是硅酸二钙(2 CaO-SiO2，通常 缩写为C2S)和硅酸三钙(3 CaO-SiO2，通常缩写为C3S)的特定结晶相，特 别是γ-C2S、β-C2S和C3S结晶相，是能够在矿渣材料中形成的反应性硅酸盐， 从而在有水存在的情况下适于与二氧化碳反应。反应性硅酸盐化合物，意味着 材料中存在的总硅酸盐化合物物的10％将在有水、25℃(77℉)以及大于或等 于9pH的环境压力下，与二氧化碳反应。
进一步地，根据本发明的不同实施方式，当pH为碱性时，这样的硅酸盐 化合物在水中具有较高的反应性。优选地，洗涤材料的pH大于或等于7，更优 选地，大于或等于9，在一些实施方式中，为约11直到约14，以提高硅酸盐化 合物的溶解度。实际上，这样的系统中的pH通常不超过约13。提高的温度也 能增加硅酸盐组合物在水中的溶解度。根据本发明的不同的实施方式，优选地， 第二组份的矿渣包括大于或等于约5wt％的反应性硅酸盐，或者大于或等于约 10wt％，或者大于或等于约15wt％的反应性硅酸盐。
各种矿渣材料包括硅酸钙。优选地，在本发明各实施方式的洗涤材料中， 在水的存在的情况下，这些硅酸钙中的至少部分与二氧化碳和/或氧化钙反应。 如上所述，洗涤材料的第一组份优选地包括提供洗涤材料中的碱或碱性pH以 提高反应式硅酸盐组合物的溶解度的氧化钙和碱金属离子源。
作为背景，矿渣一般是金属生产和加工产生的副产物化合物。术语“矿渣” 包括广泛的副产物材料，通常包括铁金属和/或钢生产和加工的大部分的非金属 副产物。通常，把化渣剂或熔剂加入到熔炉中来在加工过程中从熔化的铁矿石、 废钢以及铁和/或钢原料中除去杂质。典型的熔剂为石灰石(CaCO3)和/或白云 石(CaCO3·MgCO3)。熔化的矿渣形成为硅酸盐熔体，流动到熔炉的顶部，冷 却形成复杂的硅酸盐和氧化物。矿渣的成分取决于熔炉中所加工的金属，经常 包括金属硫化物和元素形式的金属原子。矿渣的成分和性质也随熔炉的类型和 后处理而变化，其不仅能够影响矿渣的化学成分，还能够影响结晶度、相变化 和表面形态，而结晶度、相变化和表面形态能够影响反应性。例如，如上所述， 优选地，在矿渣中形成一种或多种反应性硅酸盐相，例如γ-C2S、β-C2S和C3S。 进一步地，矿渣的粒径、多孔性和表面积都影响反应性，这是因为较低的粒径、 较高的多孔性以及因此具有的较大的表面积的物质能够更多地暴露于CO2和 水，以促进更大的反应。
高炉加工铁矿石以形成精炼生铁。高炉矿渣通常被形成为3种主要类型： 空气冷却的、颗粒状的和成丸状的(或膨胀的)。空气冷却的高炉矿渣通过在环 境条件下允许熔化的矿渣相对缓慢地冷却而形成，其中最终的冷却可以通过诸 如喷水的冷却工艺来加速。颗粒状的矿渣通过在水中淬火熔化的矿渣，从而形 成小的无序结构的玻璃粒而形成。这样的颗粒状的矿渣经常会被进一步地研磨， 从而提高材料的水泥质性质。成丸状或膨胀的矿渣通过水射流来冷却，这导致 了水蒸气的迅速产生。而水蒸气的迅速产生在该材料中形成了大量的的泡结构。
在对炼钢炉中的生铁和其它钢材料的进一步加工过程中，形成钢渣。典型 的钢炉包括顶吹氧转炉(BOF)、平炉(OHF)和电弧炉(EAF)。现在，大多 数钢都是在采用一种顶吹氧转炉工艺的集成钢厂或采用电弧炉工艺的专业钢厂 中制造。平炉工艺较不流行。在示例性的顶吹氧转炉工艺中，把热的液体鼓风 炉金属、废料和熔剂加入到转炉(熔炉)中去。把一个喷枪下降到转炉中去并 注入高压氧气。在充气下，氧气杂质结合并除去这些杂质。这些杂质包括气态 一氧化碳形式存在的碳，和与石灰和/或白云石结合形成钢渣的以液态氧化物形 式存在的硅、锰、磷和一些铁。在精制操作的末尾，把液态钢倒入桶中，而钢 渣则留在容器中，随后轻轻敲打到独立的矿渣罐中。
可以生产很多不同级别的钢，而钢渣的性质随每个级别可能变化会很显著。 可以把钢的级别根据钢的碳含量分为高、中和低。高级的钢具有高的碳含量。 为了降低钢中的碳含量，在制造钢的工艺中需要更高的氧气水平。这也要求添 加更高水平的用于从钢中去除杂质的熔剂，并且增加了所形成的矿渣。
高炉矿渣通常包含较高含量的硅酸二钙和氧化钙。在制钢工艺过程中产生 的钢渣有几种不同类型，包括熔炉渣(或排出渣(tap slag))、耙地机渣(raker slag)、合成渣(或钢包渣)和坑渣(或清扫渣)。在生产钢的最初阶段中产生 的钢渣称作熔炉渣或排出渣。在被从熔炉中轻敲出后，熔化的钢被送到钢包中 进行进一步的精制来除去仍然包含在钢中的另外的杂质，这将由于再次向钢包 中加入熔剂来熔化而产生另外的钢渣。这些钢渣与熔炉渣的任何遗留物结合并 帮助吸收脱氧产物(内含物)、绝热和保护钢包的耐火材料。在制钢的这一阶段 产生的钢渣通常称为耙地机渣和钢包矿渣。坑矿渣和清扫矿渣是制钢操作中通 常能够发现的其它类型的矿渣。它们通常包括在操作的各个阶段中落到工厂地 板上的钢渣或在轻敲后从钢包中排出的钢渣。钢包精制阶段通常涉及相对高的 熔剂物质的加入，这些合成矿渣的性质通常与那些熔炉矿渣有显著的不同。 这些钢渣通常富含氧化钙和硅酸盐，很适合作为洗涤材料的第二组份的材料， 特别是这些合成矿渣由于原位膨胀而不能回收用作集料。
应该注意，第二组份可以包括从熔炉和/或工艺的不同位置产生的矿渣的结 合，或可以包括来自不同熔炉或工艺的矿渣的结合。术语熔炉包括铁矿石和 钢转炉二者。通常，高炉矿渣指那些在铁矿石熔炉中产生的，而钢渣则是那些 由任何制钢或精制刚工艺产生的，如下面将更详细地讨论的，包括不锈钢钢渣。 取决于其在工艺中产生的位置及随后的处理，许多矿渣具有不同的粒径分布、 不同的矿物学和结晶构成。可以进一步研磨这些矿渣以获得想要的粒径分布和/ 或细度(表面积)。
示例性矿渣包括含钙化合物、含硅化合物、含铝化合物、含镁化合物、含 铁化合物、含锰化合物和/或含硫化合物。在本发明的某些实施方式中，选择第 二组份的矿渣材料以包括约25到约60wt％，或者约30到约50wt％，或者约 30到约45wt％的氧化钙。在不同的实施方式中，第二组份包括大于或等于约 25wt％，或大于或等于30wt％，或大于或等于35wt％的二氧化硅(SiO2)。 应该注意，组合物中二氧化硅的含量是简单氧化物分析(如在有关第一组份的 上下文中所讨论的)的反映，并不能必然地反映反应性硅酸盐的含量，反应性 硅酸盐可能仅占材料中SiO2总含量的一部分。在某些实施方式中，第二组份进 一步包括大于或等于约25wt％，或大于或等于30wt％，或大于或等于35wt ％的氧化钙(CaO)。如上所述，氧化钙和氧化钙通常呈现硅酸钙的形式，然而， 根据全面简单氧化物分析，其各自的含量都大于或等于约25wt％。在某些实施 方式中，第二组份包括一种或多种从CaSiO3、CaO及其混合物中选择的活性成 分，活性成分在第二组份中的总含量为约35到约90wt％。
在某些实施方式中，除杂质和稀释剂外，包括矿渣的第二组份的组成如表 2中所示。
表2
  氧化物/金属 大约的wt％ 氧化钙(CaO) 35～55 二氧化硅(SiO2) 10～35 氧化铝(Al2O3) 0.1～10 氧化铁(FeO)(70-80％FeO 和20-30％Fe2O3)       0.1～40 氧化镁(MgO) 3～10 氧化锰(MnO) 3～10 硫酸盐(SO3) 0.01～15 磷(P2O5) 0.01～1 金属铁 0.5～10
通常具有水泥质性质和反应性二氧化硅的适宜矿渣的一个例子是研磨的颗 粒状高炉矿渣(GGBFS)。矿渣的冷却速度通常足够低，通常形成各种结晶的化 合物，包括主要的化合物，例如硅酸二钙、硅酸三钙、铁酸二钙、默硅镁钙石 (meriwinite)、铝酸钙、钙镁铁氧化物、游离石灰和游离氧化镁。相信当暴露于 湿气时，游离的石灰和氧化镁膨胀多数钢渣，这通常使得它们不适合于很多应 用，例如不适合用于集料。然而，在本发明中，这些不想要的材料可以回收并 且被有益地使用。
由于不锈钢钢渣通常包括较高含量的游离石灰和/或游离氧化镁，以及相对 高含量的硅酸盐，特别是由γ-C2S形成的反应性硅酸盐结晶，因而不锈钢钢渣 是特别优选的用于本发明某些实施方式的第二组份的材料。在晶体发展和相 转变过程中，相信γ-C2S相会引起C2S晶格的不稳定，这种不稳定由于自粉碎 而引起破碎成为细微粉末形式。
如本领域技术人员所理解的，可以把变化含量的诸如镍、铬、钼和锰等的 元素加入到精制的铁中形成钢：这些元素的含量越大，钢的级别越高。这些元 素倾向于被包括在用来精制金属的矿渣的化合物中。通常，不锈钢包含至少约 10.5％的铬。典型的奥氏体钢具有大于或等于约16％的铬和大于或等于约8％ 的镍。不锈钢包括高达约1.7wt％的钙。较高级别的不锈钢通常具有较低的碳含 量，并且可能包含钼和锰和其他元素。例如，低级别的304奥氏体不锈钢具有 小于或等于0.08％的碳(C)，约17到19.5％的铬(Cr)，约8到10.5％的镍(Ni) 和小于或等于约2％的锰(Mn)，不含钼(Mo)。另一种示例性的更高级别的钢 是316L，其含有小于或等于0.03％的碳(C)，约17％的铬(Cr)，约9％的镍 (Ni)，约2％的锰(Mn)，和约2.5％的钼(Mo)。“L”表示低碳含量。一种更 高级别的奥氏体不锈钢是317LMN，其具有小于或等于0.03％的碳(C)，约16.5 到18.5％的铬(Cr)，约13.5到17.5％的镍(Ni)，约1到2％的锰(Mn)，和 约4到5％的钼(Mo)。在317LMN级别中，标号“M”和“N”分别表示组分中包 含增加水平的钼和镍。不锈钢钢渣倾向于包括这些不同的元素，并进一步包括 较高含量的本发明的各实施方式中的洗涤材料非常理想的反应性和/或水溶性 硅酸盐。
除上述矿渣外，第二组份可以进一步包括其它反应性硅酸盐的源，只要它 们贡献所需的和/或必需的上述活性成分。例如，其他适宜的例子包括收集自连 接到高炉的空气污染物控制设备的高炉(熔铁炉)粉尘，例如熔铁炉集尘器滤 饼。另一个适宜的工业副产物源是纸脱墨浆灰。如本领域技术人员所认识到的， 有许多不同的制造/工业工艺副产品可以作为本发明的洗涤材料的反应性硅酸 盐的源。许多这种已知的副产物还含有氧化铝和/或二氧化硅。可预期示例性的 制造产品和/或工业副产品的任意组合可用于本发明的某些实施方式。
这样，本发明的洗涤材料包括第一组份和第二组份，第一组份包括氧化钙 源和碱金属离子源，第二组份包括矿渣，矿渣包括反应性硅酸盐。在某些实施 方式中，洗涤材料中的第一组份与第二组份之比为约10:1到约1:10。在某些实 施方式中，浆中的第一组份与第二组份之比为约3:4到约4:3。尽管不限于任何 特定的理论，但是相信，当可用钙的摩尔量大于可用硅的摩尔量时，二氧化碳 与洗涤材料中的氧化钙和硅酸盐反应速度增加并且反应转化更高。这样，当洗 涤材料中的有效成分为氧化钙和二氧化硅时，某些实施方式中的洗涤材料中钙 (Ca)与硅(Si)的摩尔比优选为约1:1到约10:1，以利于与二氧化碳的反应。
各实施方式的洗涤材料优选地包括水。水促进本发明的各种活性化合物的 运送、溶解和离子化。在各实施方式中，以浆料的形式提供洗涤材料。通过 使水与这里所述的第一组份和第二组份结合而形成浆料。浆料是可溶的化合 物和悬浮的不可溶的微粒的混合物。浆料中水的含量的范围为从低端的5wt％ 或10wt％直到高端的90wt％或95wt％。在各实施方式中，浆料具有大于或等 于约15wt％，或大于或等于约20wt％的水含量，在某些实施方式中，大于或 等于30wt％；在某些实施方式中，大于或等于40wt％。在某些实施方式中， 洗涤材料的水含量为约15到约85wt％，在示例性实施方式中，浆料包含20wt ％到85wt％、30wt％到85wt％、40wt％到85wt％或50wt％到85wt％的水 含量。在各实施方式中，浆料包含80wt％或更少的水，或70wt％或更少的水。 由于水含量增加，因而浆料的粘性降低，从而泵送和处理变得容易。在某些 方面，浆料具有的粘性使其能作为液体通过系统的各个部分泵送和大规模运 送。
当洗涤材料为浆料的形式并具有相对较高的水含量时，增强了二氧化碳从 气体流向液/固相浆料的大量输送，这是所想要的，尤其在高速流体流的应用中。 进一步地，本发明的洗涤材料通常具有水泥质和/或凝硬性性质。如本领域技 术人员所认识到的，系统中的水的含量控制水泥质相形成的量，并从而控制增 强、硬化和凝聚的程度。例如，混凝土优选最小化水的含量以提高强度和硬度， 例如，混凝土中的水与波特兰水泥之比的范围优选是从小于0.35到约0.40，完 成水泥组分的水合反应所需的最小水含量为0.25。典型的水泥组分为约7到15 ％水泥、14到21％水和余量微集料。为了废物的稳定性，理想的是完全发展强 度和硬度来防止各种金属的浸出。为了这样的废物的稳定性，已经建议水与固 体之比应该在约0.125用于反应性硅酸盐适宜的凝结和硬化反应。这样，在相 对较高含量的水存在的情况下，材料具有较小的凝结、硬化和凝聚的倾向。因 此，本发明的各实施方式提供相对较高的水含量，以防止硬化、凝结和凝聚， 从而材料能够在二氧化碳降低系统中作为洗涤材料而重复利用。
在一些实施方式中，洗涤器设备内的洗涤材料处理系统可以具有搅动 点。进一步地，某些实施方式可以包括离心分离机、过滤器、筛子和/或沉降区 来除去任何较大的微粒，以防止洗涤材料处理设备和线路中较大的团聚微粒的 产生。在一些实施方式中，使用增塑剂来最小化潜在的团聚并提高洗涤材料的 流动性。适宜的增塑剂包括糖(蔗糖)、混凝土应用中使用的超增塑剂(例如象 聚酯醚(polycarboxylate ether)、萘和/或三聚氰胺类聚合物和共聚物的聚合物增 塑剂)和柴油。增塑剂是本领域中所公知的，多种适当的化合物可用于本发明 的洗涤材料，包括那些本领域中已知的和将被开发的。
在某些实施方式中，用于从含二氧化碳的流体流中洗涤二氧化碳的碳分离 材料浆料主要包括第一组份，所述第一组份包括由下列材料所组成的组中选择 的一种或多种材料：水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、甜菜石灰、熟料粉尘、生石灰、 消石灰及其混合物。在这样的实施方式中，浆料还主要包括第二组份，所述第 二组份包括具有反应性硅酸盐源的矿渣以及水。在某些实施方式中，矿渣为不 锈钢钢渣。在本发明的其它实施方式中，洗涤材料可主要包括第一组份和第二 组份，其中第一组份包括水泥窑粉尘，第二组份包括诸如不锈钢钢渣等具有反 应性硅酸盐源的矿渣和水。
在某些实施方式中，洗涤材料浆料包括占总洗涤材料组分的约15到约50wt ％的第一组份、约15到约50wt％的第二组份和约15到约50wt％的水。
在洗涤材料为浆料形式的实施方式中，浆料优选包括平均最大粒径小于或 等于约500μm且平均比表面积大于或等于约1000cm2/g的微粒。在一些实施 方式中，微粒具有大于或等于约4000cm2/g；或大于或等于约7000cm2/g的平 均比表面积，在某些实施方式中，大于或等于10000cm2/g。进一步地，在一些 实施方式中，浆料的微粒具有小于或等于约300μm的平均最大粒径，在其它实 施方式中，小于或等于约100μm。较小的粒径倾向于具有较高的表面积，这将 促进活性成分的反应，使悬浮的微粒的沉降效应最小化，并使处理和加工设备 的堵塞最小化。在这点上，悬浮的微粒具有与废物流中的二氧化碳进行反应、 运送和加工(防止沉降等)的所需特性。这样的粒径和表面积可以通过选择第 一组份和第二组份来获得这些所需特性而得到，或进一步通过磨碎(milling) 或研磨(grinding)来加工材料而得到，例如通过在球磨机中掺混第一组份和第 二组份来减小粒径。还可以在混合器、搅拌器、搅拌机或磨浆机中加工浆料来 获得第一组份、第二组份和水的充分混合。
图1示出根据本发明的一个实施方式的二氧化碳去除系统的工艺流程图。 使第一组份10、第二组份12和水14结合以形成新鲜的洗涤材料16。在反应器 20中使用之前，新鲜的洗涤材料16可以存储在罐中。把新鲜的洗涤材料16引 入到反应器20中，并使之与包含二氧化碳的废物流22接触，来洗涤和去除二 氧化碳。反应器20包括混合区24，在这里新鲜的洗涤材料16与废物流结合， 优选地是以湍流结合。洗涤材料16与二氧化碳反应，形成反应器20中收集的 产物26。产物26包括碳酸钙和用过的洗涤材料。产物26排出反应器20，进入 分离器28，在这里把碳酸钙产物30与用过的洗涤材料32分离。
如上所述，相信有效化合物为反应性硅酸盐和氧化钙。尽管不限于本教导， 但是相信洗涤材料经历的是下列反应机制。水和二氧化碳在碱性pH溶液中形 成碳酸根阴离子。碳酸根阴离子与钙离子在有反应性硅酸盐存在的情况下反应， 形成碳酸钙。用过的洗涤材料16包括反应性硅酸盐。碱金属离子向溶液提供 所需的碱度，这会促进二氧化碳与氧化钙和硅酸盐的反应，并且，进一步地相 信碱金属离子有助于用过的洗涤材料中的反应性硅酸盐产物的形成。用过的洗 涤材料32仍然包含反应性硅酸盐和所需的较高的碱金属离子，这有助于保持 pH。相信碳酸化反应会降低洗涤材料的pH(更中性的条件)，因而第一组份的 碱度是理想的。
在某些实施方式中，洗涤系统是连续的、再生的。这样，在反应器20 的混合器24中进行接触之后，把用过的洗涤组合物32与产物分离。可选地， 把用过的洗涤材料32恢复为新鲜的洗涤材料16。如此，在随后的与包含二 氧化碳的流体流进行接触之前，可以把用过的洗涤材料32与新鲜的洗涤材 料16结合。这样，可以把一部分用过的洗涤材料32回收到新鲜的洗涤材料 16中，从而如想要的那样，既提供反应性硅酸盐，也提供碱度，以促进碱 性pH洗涤材料浆料。也可以把用过的洗涤材料32从系统除去而进行处置 34。
在某些实施例中，监测用过的洗涤材料32和/或新鲜的洗涤材料16来确定 回收了多少，或者，可替代地，确定是否必需要清除洗涤材料(通过处置)。例 如，可以在代表性的点36和38处监测用过的洗涤材料32和/或用过的和新鲜 的洗涤材料的混合物以检测用过的洗涤材料中碱离子含量。如果碱离子含量过 低或过高，即，如果碱金属离子含量偏离预定的设置点，则去除一部分用过的 洗涤材料。例如，如果碱金属离子的含量过低，那么对于回收使用来说，所需 的碱度可能就太低了。进一步地，如果碱金属离子的含量过高，则可以清除用 过的洗涤材料。预定的含量可用于控制系统中，并可通过对系统的经验的观 测和/或对系统建模计算来确定。同样地，可以在代表性的点36和38处监测 用过的洗涤材料32和/或用过的和新鲜的洗涤材料的混合物的pH。如果pH超 过预定的设置点，那么通过处置34去除一部分用过的洗涤材料32。预定pH的 范围可以通过经验的观测和/或计算确定。如前文所述，在某些方面，与二氧化 碳接触的洗涤材料具有大于或等于约7的碱性pH，优选地大于或等于约9，在 一些情况下，大于或等于约11。
如上所述，优选地，洗涤材料16在反应器20的湍流混合区24中与流体 流22进行接触。在洗涤材料为浆料的实施方式中，高能的浆料流接触气体流并 影响传质。混合区24优选地提供高表面积，以获得充分的传质。在典型的制 造设备中，来自不同的工艺的废物流或排出流的流速的范围为从约10,000实际 立方英尺/分钟(acfm)(约285m3/min)到约1,000,000acfm(约28,000m3/min)。 然而，如本领域技术人员所理解的，这样的流速随设备的容量和工艺的类型而 变化，难以统一。例如，典型的水泥制造设备的窑排气通常在约100,000acfm (约2,800m3/min)到约400,000acfm(约11000m3/min)，而典型的锅炉排气 流速的可能范围为从约100,000acfm(约2,800m3/min)到约600,000acfm(约 17,000m3/min)。这样，在某些实施方式中，反应器20能够处理典型的工业排 放气体流速。
在某些实施方式中，所述接触在环境压力条件下发生。在各实施方式中， 洗涤材料16和流出流22的接触在小于或等于约100℃(212℉)、环境压力的 环境下发生，以防止浆料中的水蒸发。在这点上，在接触洗涤材料之前，可能 需要冷却废物流22，例如通过图1中示出为40的热交换器来冷却，或可能需 要增加系统的压力以防止不希望的水的蒸发。在一些实施方式中，所述接触在 小于或等于约75℃(大约170℉)，或小于或等于约40℃(大约100℉)的环境 下发生。在一些实施方式中，洗涤材料与流体流的接触发生在环境压力和环境 温度环境下。如本领域技术人员所公知的，也如上面所讨论的，这样的实施方 式可能要求在进行接触之前冷却废物流。这样，处理过的废物流44排出反应器 20，比起未处理的废物流中的二氧化碳的初始含量，废物流44的二氧化碳的含 量降低了。在某些方面，反应器20的去除效率为大于20％，或大于30％。在 某些方面，优化去除效率使之大于50％，或大于75％，或大于90％，在一些实 施方式中，大于95％。
在废物流22中的二氧化碳与洗涤材料16反应后，产生了包括碳酸钙和用 过的洗涤材料的产物26。尽管在接触和反应过程中可能失去一些水，但是大部 分的水仍将留在产物26中。在一些实施方式中，可以搅动产物26以防止硅酸 盐材料的团聚和/或硬化。然后，可以通过分离器28把碳酸钙从用过的洗涤材 料中处理掉，例如通过过滤。在某些实施方式中，碳酸钙30可被有益地再利用， 并且可以用作另一工艺中的原材料，以被重复利用。在一些实施方式中，分离 的碳酸钙产物30的水含量可能过高。可以把碳酸钙产物与水分离，以达到取决 于最终用途的所需含水量。例如，可以通过蒸发、分离和/或过滤(图1中未示 出)来获得这样的碳酸钙的分离。这样，如本领域中所公知的，适当的设备可 以包括加热器、离心分离机、筛网式过滤器、压滤机、转盘过滤器、真空过滤 机等。当在分离器28中分离用过的洗涤材料32时，可以把它准备用于处置34 或通过把它重新引入到新鲜的洗涤材料16中而重复使用。对于这样的重复使用 来说，理想的是在输送过程中定期地搅动(非层流)，进一步地加水以降低粘性 并改善泵送(图1中未示出)。
在一些实施方式中，洗涤材料的接触发生在流化床反应器、浆料床反应器、 文丘里洗涤器、喷淋塔洗涤器、填充洗涤塔反应器、连续搅拌釜式反应器(CSTR) 和/或其任意组合中。在某些使用粘性洗涤材料浆料的实施方式中，接触发生在 浆料床反应器、喷淋塔洗涤器和/或CSTR中。在其它实施方式中，特别是洗涤 材料包括半干燥的微粒的实施方式中，可以使用流化床反应器或文丘里洗涤器。 由于本发明可以设想本领域中其它适当的已知反应器，因而以上列举的反应器 是非限定性的。
在反应过程中，流化床反应器使固体微粒悬浮在向上吹的气体射流上。流 化床反应器在本领域中是公知的。例如，大气流化床利用吸附剂来捕获矿物燃 料燃烧所产生的硫。在某些方面，流体应该向上流动并具有足够的流速，以通 过摩擦力举起微粒。如此，获得了固体和气体的湍流混合物。在本发明的某些 方面，废物流可能包括足够的水(或者是，如果需要，可以在进入反应器之前， 向废物流或洗涤材料中加入水)，以使得能够与流化床反应器中的半干燥洗涤材 料反应。
湿洗涤通常使用高能的液体流来与气体流接触，并影响传质。在连续搅拌 釜式反应器(CSTR)中，将一种或多种流体反应物引入配备了一个或多个叶轮 的釜式反应器中去。叶轮搅拌反应物以确保适当的混合。从釜中连续地去除 废物。CSTR经常包含折流板和多个入口和/或废物去除点，以提供混合的均匀 性。进一步地，可以在反应器内的多个位置向CSTR中注入废物流体流/气体， 以增强混合并增加气体/流体/固体接触面。
湿洗涤反应器经常用于烟道气直接脱硫过程。有几种主要的湿的洗涤反应 器，包括文丘里洗涤器、填充塔式洗涤器和喷淋塔洗涤器。文丘里洗涤器是管 道的会聚/发散区。会聚区把流体流加速到高速度。当在窄部或最大速度点处注 入浆料流时，由高气体速度引起的湍流把液体粉碎为小的微粒和/或小滴，这产 生了用于传质所需的表面积。文丘里洗涤器中的压强下降越大，粉碎的微粒就 越小，表面积就越大。
填充洗涤塔反应器包括一个塔，塔中设置了较小的物体。这些物体的形状 可以为鞍形、环形或设计为使排出气体和液体之间的接触面积最大化的专门形 状。填充塔通常在比文丘里洗涤器要低很多的压强降下运行，并且通常提供较 高的污染物去除效率。在某些方面，当用于这样的反应器中时，液体/浆料具有 较低的粘性。
大多数湿洗涤器被设计成喷淋塔。喷淋塔洗涤反应器具有相对简单的设 计，包括具有喷嘴的塔，喷嘴产生用于表面接触的小滴。由于喷淋塔通常避免 了物质的堵塞，因而是一种特别适宜的用作浆料洗涤器的反应器。
通常设计塔以使得在最大载荷下，平均表面气体速度不会超过设计气体速 度。对于大多数喷淋塔来说，根据洗涤器出口条件，平均气体速度在从约8到 13英尺/秒(2.4到4m/sec)间变化，然而本发明不限于任何特定的速度。废物 /烟道气从侧面流体入口进入吸收反应器。塔的设计受洗涤材料，所需的CO2 去除水平，风扇功率和再循环浆料泵送功率之间的平衡，以及其它几个本领域 技术人员公知的因素的影响。喷嘴按照惯例用于湿洗涤器中，并且这样的喷嘴 有助于控制洗涤材料浆料与排出气体之间的混合。运行压强通常在约5到20psi (34到138kPa)之间变化，但是本发明不限于这样的示例性的压强。没有内部 障碍物的喷嘴有助于通过捕获碎片最小化堵塞。喷淋塔/反应室底部的大罐通常 称为反应罐或再循环罐。该罐的体积允许完成几种化学和物理工艺。塔中气- 液-固的接触允许污染物质去除的高效率和反应物使用效率的最大化。气体沿 着反应室的壁到达吸收器的后端，并从吸收器的后面排出。
如图2中所示，在某些实施方式中，二氧化碳排放降低系统包括洗涤塔式 反应器100，洗涤塔式反应器100包括反应室102。反应室102与流体入口/入 口通道104之间流体连通，图2中的104被示作溢流管管道。流体入口104允 许废物流体流进入反应室102。优选地，在熔炉、焚化炉、锅炉或窑中向上游 产生废物流体流106，废物流体流106包括二氧化碳。浆料源108包括浆料110， 浆料110具有第一组份、第二组份和水，第一组份包括氧化钙源和碱金属离子 源，第二组份包括具有反应性硅酸盐源的矿渣。浆料源108与设置在反应室102 中、向反应室102供应浆料110的浆料入口112a之间流体流通。应该注意，在 可替代的实施方式中，可以把浆料110与废物流106一起引入到入口通道104 中，例如，在可替代的浆料入口112b处。进一步地，在某些实施方式中，可 以既在浆料入口112a处，也在浆料入口112b处，把浆料110引入。浆料源 108通常包括存储罐(未示出)和泵送系统113。
反应室102还包括设置在反应室102中的混合区114。设计混合区114以 湍流地混合废物流体流106和浆料110。混合区114可以进一步包括用来实现 湍流的另外装置，例如折流板或v形板116(为简单起见，仅在混合区的一小 部分中示出，但是其可以延伸到整个混合区114)，以提高反应器100内的流出 气体106和浆料110之间接触的机会。进一步地，确定反应室102的尺寸或者 反应室102具有足够的体积，来提供停留时间，停留时间使得对废物流的处理 成为可能，以把二氧化碳的含量降低一个适当的量，在一个优选的实施方式中， 该适当的量至少为约30％。停留时间通常指，该公式表示分子在 反应器100内的平均时间。同样地，根据本发明的某些方面，确定反应室102 的尺寸以使其具有使废物流106能有足够的与洗涤材料浆料110进行反应的停 留时间的体积。如本领域技术人员所理解的，可以通过待处理的废物流的流速 来确定这样的体积。
反应器系统100进一步包括流体出口通道118，流体出口通道118与反应 室102之间流体连通以允许处理过的排出流120从反应室102出去。反应室102 的底部126处的大贮液器124通常称为反应罐或再循环罐。确定贮液器124的 尺寸以使用过的浆料/浆料收集的产物不发生凝结或硬化的情况下，完成所需 的碳分离反应。尽管未示出，但是可选地，贮液器124包括促进防止用过的 洗涤材料凝结目的的搅拌设备，例如搅动筛子或泵。浆料出口/去除通道122 与反应室102之间流体连通，以去除用过的浆料和/或碳酸钙产物128。尽管图 2中未示出，但是可以把用过的浆料与碳酸钙分离，然后再循环到浆料源108 中。
图3示出二氧化碳去除系统的一个实施方式，大部分与图1中示出的相同， 但是包括一个或多个在废物流44排出反应器20后，对其进行进一步处理的空 气污染物控制设备50(APCD)。如本领域技术人员所理解的，除CO2之外，废 物流还包括一种或多种其他污染物。例如，除二氧化碳外，从锅炉、窑、熔炉 和焚化炉中发现的共同的空气污染物质包括一氧化碳、氢氯酸、含氯氟烃、氮 氧化物、硫氧化物、颗粒物质、挥发性有机化合物、浮质化合物、汞、铅、氨、 臭氧及其混合物和等价物。这样，在一些实施方式中，反应器20可以附带地去 除这些其它污染物质中的一部分，但是设想了可能需要另外的APCD 50来把一 种或多种其他污染物降低到可接受的含量。典型的示例性APCD 50包括静电沉 降器、袋滤室过滤器、旋风器、活性碳洗涤器、烟道气脱硫洗涤器、热氧化器、 压力旋转吸收器、选择性催化反应器和选择性非催化反应器等。
在某些实施方式中，如图4中示出的那些，二氧化碳去除系统进一步包括 一个或多个在废物流22进入反应器20之前对其进行预处理的空气污染物控制 装置60(APCD)。这样，可以除去任何可能引起与洗涤材料的不利反应或不需 要的反应或造成对设备硬件的腐蚀或损伤的其他污染物质。
在某些方面，本发明提供一种降低来自水泥制造设备的二氧化碳排放的方 法。该方法包括在窑中使制造水泥的原料(包括钙、硅、铝和铁的源)发生反 应以生产熟料和包括二氧化碳的废物流。把至少部分废物流与诸如之前的实施 方式中所述的那些的洗涤材料接触。产生了包括碳酸钙和用过的洗涤材料的产 物。上述实施方式中的任何工艺都可能用于本实施方式。例如，在把排出流与 洗涤材料接触之前，可以在一个或多个空气污染物控制装置(APCD)中处理 废物流，以去除一种或多种空气污染物质。石灰石或碳酸钙是制造石灰和水泥 的主要原料。在某些实施方式中，把包括碳酸钙的产物有益地再利用作为原料 来生产熟料和/或石灰。如此，在水泥制造中，把产生的碳酸钙随后与原料结合 以生产熟料。
如前文所述的，可以重复利用用过的洗涤材料。在一些实施方式中，这些 方法进一步包括在原料反应过程中产生水泥窑粉尘(CKD)。洗涤材料可以包 括至少部分产生的水泥窑粉尘(CKD)。可以通过颗粒物质APCD(例如，袋滤 室或ESP)来收集CKD，然后把CKD引入到洗涤材料中。然而，可预期的是 在某些实施方式中，在废物流进入具体的物质控制设备之前，废物流与洗涤材 料接触，这样CKD微粒被夹带到废物流中并且可能作为钙离子和碱金属离子 源补充洗涤材料。如上所述，在某些优选的方面，第一组份包括水泥窑粉尘 (CKD)，第二组份包括不锈钢钢渣。
一些制造的水泥设计为低碱性，这样，制造水泥的原料同样必须具有相对 较低的碱含量。如果碱金属离子被分到碳酸钙产物中，那么可能必须要降低 碳酸钙产物中的碱离子的含量，以提高分到用过的洗涤材料中的碱金属离子 的含量。如此，可以监控用过的洗涤材料和/或碳酸钙产物的碱离子含量，以防 止窑或熟料产物中不需要的碱的积累。
在本发明的其它实施方式中，提供一种降低来自水泥和/或石灰生产厂的二 氧化碳排放的方法。把洗涤材料与至少部分包括二氧化碳的废物流接触。在窑 中产生废物流。如前文任一实施方式中所述，洗涤材料包括第一组份、不同于 第一组份的第二组份和水。该方法进一步包括产生包括碳酸钙和用过的洗涤材 料的产物。然后把碳酸钙产物在窑中作为原料再利用。在一些实施方式中，原 料的反应进一步包括产生水泥窑粉尘(CKD)或石灰窑粉尘(LKD)，并且洗 涤材料包括至少部分所产生的水泥窑粉尘(CKD)或石灰窑粉尘(LKD)。
本发明进一步提供一种降低来自铁或钢生产厂的二氧化碳排放的方法。该 方法包括把洗涤材料与至少部分铁熔炉和/或钢制造工艺中产生的、包括二氧化 碳的废物流接触。熔炉可为在叙述矿渣来源的上文中所述的那些熔炉中的任意 一种，例如高炉(铁矿石加工)、平炉(钢加工)、顶吹氧转炉(钢加工)或电 弧炉(钢加工)。如上所述，洗涤材料包括第一组份、不同于第一组份的第二组 份和水。产生能够被再利用作为工业过程中的原料的、包括碳酸钙的产物。在 某些实施方式中，第二组份包括在铁和/或钢生产工艺中产生的矿渣。进一步地， 可以重复利用碳酸钙产物，并且是用作铁和/或钢生产工艺中的熔剂。在其它实 施方式中，可以把碳酸钙用作任何使用碳酸钙作为原料的产业中的原料，例如 水泥和石灰制造。
在又一个实施方式中，提供多种降低来自诸如发电厂锅炉或焚化炉的烃类 燃烧源的二氧化碳排放的方法。烃类燃烧源包括所有的燃烧烃类物质形成二氧 化碳的静止点源，包括那些燃烧矿物燃料(例如煤和沼气)、合成燃料(例如石 油焦、合成气和乙醇)或其它任何种类的烃类物质的设备。该过程包括把洗涤 材料与至少部分由燃烧矿物燃料产生的、包括二氧化碳的废物流接触。洗涤材 料为上述材料中的任一种。如此，产生了能够被再利用作为工业过程中的原料 的、包括碳酸钙的产物。
在不同的实施方式中，本发明提供多种重复利用否则将被堆放、埋入土壤 或丢弃的工业副产物的方法。例如，在某些实施方式中，提供重复利用工业副 产物的方法。通过混合第一制造成分与第二制造成分来形成二氧化碳洗涤材料。 第一组份包括氧化钙源和碱金属离子源。第二组份包括具有一种或多种反应性 硅酸盐化合物的矿渣。然后，把工业过程中产生的、包括二氧化碳的废物流与 洗涤材料接触。产生了能够被有益地再利用，例如用在工业过程中，并且包括 碳酸钙的产物。在一些实施方式中，在接触和产生所述产物之后，洗涤材料被 用过，并且至少部分用过的洗涤材料与新鲜的第一制造成分和新鲜的第二制造 成分混合。
如此，本发明的这些方法和洗涤材料促进可持续反展的发端，包括平衡当 前增长和发展的需要与为后代保护自然和人造环境的需要。进一步地，本发明 的方法和系统为各种静止点源提供降低的二氧化碳排放，这在降低温室气体排 放之外，还提供给这样的点源遵守各种规定的能力，以通过二氧化碳排放信誉 交易程序获得经济和商业利益，并且在废物流中存在二氧化碳的情况下，减少 潜在的腐蚀和无效伴随物。