捕集和封存二氧化碳的系統(tǒng)和方法

專利名稱：捕集和封存二氧化碳的系統(tǒng)和方法
捕集和封存二氧化碳的系統(tǒng)和方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于從大氣中除去溫室氣體的系統(tǒng)和方法，具體地涉及用于從大氣中除去二氧化碳的系統(tǒng)和方法。美國申請(qǐng)序號(hào)12/124，864如同在美國申請(qǐng)序號(hào)12/124，864中所述的，a.當(dāng)前大量注意力集中在設(shè)法實(shí)現(xiàn)三個(gè)能量相關(guān)的且稍微沖突的能量相關(guān)的目標(biāo)1)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供承受得起的能量；2)實(shí)現(xiàn)能源安全性；和3)避免由全球變暖所引起的破壞性氣候變化。然而，如果我們要擁有經(jīng)濟(jì)繁榮所需的能量且避免可導(dǎo)致沖突的能量不足，則在本世紀(jì)的其余時(shí)間期間沒有避免使用化石燃料的可行途徑。b.幾乎毫無疑問的是，所謂溫室氣體例如二氧化碳(甲烷和水蒸氣為其它主要的溫室氣體)的量的增加將提高本行星的溫度。c.很明顯，除了降低人類對(duì)于二氧化碳排放的貢獻(xiàn)以外沒有可除去氣候變化風(fēng)險(xiǎn)的解決方案。利用空氣提取和增加或降低大氣中二氧化碳的量的能力，在原理上能夠補(bǔ)償其它溫室氣體例如甲烷，這可改變其濃度且引起氣候變化。發(fā)明概述本發(fā)明提供更新的且更有用的系統(tǒng)和方法概念，以通過引導(dǎo)載有CO2的空氣通過用于結(jié)合(捕集)co2的吸收劑結(jié)構(gòu)，并通過使用工藝熱、優(yōu)選蒸汽形式的工藝熱來加熱所述吸收劑結(jié)構(gòu)以從所述吸收劑結(jié)構(gòu)中除去CO2 (由此有效地再生所述吸收劑結(jié)構(gòu))，從而從載有二氧化碳的空氣物質(zhì)中除去二氧化碳。在該申請(qǐng)中，吸收劑結(jié)構(gòu)優(yōu)選包含結(jié)合CO2的胺，該胺通過基材承載，其能夠?yàn)楣腆w顆粒的形式或整體料型吸收劑結(jié)構(gòu)。無論所述基材是否是微粒材料形式的床或整體料型，優(yōu)選將所述吸收劑吸附在所述基材的表面上。此外，在該申請(qǐng)中，所提及的“載有CO2的空氣(或載有二氧化碳的空氣)”的“物質(zhì)”(“流”或“流股”)是指在特定位置處的具有一定CO2濃度的空氣，所述一定的CO2濃度類似于在該特定位置處且在所述位置處的溫度下大氣中的CO2濃度。先前認(rèn)為，引導(dǎo)載有二氧化碳的空氣通過涂布有(或其中嵌有)吸收劑的基材，以將二氧化碳從空氣中除去，所述吸收劑用于吸收或結(jié)合二氧化碳。將轉(zhuǎn)化成蒸汽或其他介質(zhì)(例如氣體)形式的工藝熱導(dǎo)向吸收劑，以將二氧化碳與所述吸收劑分離(由此能夠排出二氧化碳并封存)并對(duì)所述吸收劑進(jìn)行再生(從而能夠連續(xù)使用所述吸收劑以從空氣中除去二氧化碳)。 在其基本方面之一中，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N附加結(jié)構(gòu)和技術(shù)以從載有二氧化碳的空氣中分離二氧化碳，并使用工藝熱將二氧化碳與吸收劑分離并對(duì)吸收劑進(jìn)行再生。此外，在其方面的另一個(gè)方面中，本申請(qǐng)?zhí)峁┮恍└郊拥慕Y(jié)構(gòu)和技術(shù)，從載有二氧化碳的空氣中捕集二氧化碳，并使用工藝熱將二氧化碳與吸收劑分離并對(duì)所述吸收劑進(jìn)行再生，所述結(jié)構(gòu)和技術(shù)進(jìn)一步能夠用煙道氣源直接在線進(jìn)行二氧化碳的分離和再生，否則煙道氣將直接從所述源排放并將載有二氧化碳的空氣導(dǎo)入大氣中。另外，本發(fā)明提供一種相對(duì)低成本且相對(duì)純的CO2源，以將其有利地用作生產(chǎn)生物燃料的海藻農(nóng)場(chǎng)的進(jìn)料，其中捕集成本代表供應(yīng)CO2的全部成本。本發(fā)明的這些及其它特征在以下詳細(xì)說明以及附圖和顯示中進(jìn)行了描述或使其顯而易見。附圖和展示簡(jiǎn)述

圖1、顯示了在該同一發(fā)明人早期的美國申請(qǐng)即美國申請(qǐng)序號(hào)12/124，864中所描述的系統(tǒng)和方法概念；具體地，a.圖1為根據(jù)美國申請(qǐng)序號(hào)12/124，864的發(fā)明的不例性實(shí)施方案用于從大氣中除去二氧化碳的系統(tǒng)的概括性框圖；b.圖2為根據(jù)序號(hào)12/124，864的發(fā)明的示例性實(shí)施方案用于從大氣中除去二氧化碳的系統(tǒng)的框圖；c.圖3為根據(jù)序號(hào)12/124,864的發(fā)明的示例性實(shí)施方案的空氣提取系統(tǒng)的框圖；d.圖4為顯示根據(jù)序號(hào)12/124，864的發(fā)明的示例性實(shí)施方案的全球恒溫器的地圖；e.圖5為根據(jù)序號(hào)12/124，864的發(fā)明的示例性實(shí)施方案用于從大氣中除去二氧化碳的系統(tǒng)的框圖；f.圖6為根據(jù)序號(hào)12/124，864的發(fā)明用于從大氣中除去二氧化碳的介質(zhì)和用于從所述介質(zhì)中除去二氧化碳的一種變型的示意圖；g.圖7為根據(jù)序號(hào)12/124，864的發(fā)明用于從大氣中除去二氧化碳的介質(zhì)和用于從所述介質(zhì)中除去二氧化碳的另一變型的示意圖；h.圖8為根據(jù)序號(hào)12/124，864的發(fā)明用于從大氣中除去二氧化碳的介質(zhì)和用于從所述介質(zhì)中除去二氧化碳的又一變型的示意圖；和1.圖9為根據(jù)序號(hào)12/124，864的發(fā)明用于從大氣中除去二氧化碳的介質(zhì)和用于從所述介質(zhì)中除去二氧化碳的再一變型的示意圖；圖1Oa和10b_l、2示意性顯示了根據(jù)本發(fā)明的原理用于從載有二氧化碳的空氣中除去二氧化碳并對(duì)吸收或結(jié)合二氧化碳的吸收劑進(jìn)行再生的結(jié)構(gòu)和技術(shù)的兩種變型；圖10a，其中吸收時(shí)間明顯大于再生時(shí)間；且圖10b-l、2-l、21、2，其中吸收時(shí)間約等于再生時(shí)間。圖1Oc和IOd是在其操作位置之一中在圖1Oa和10b_l、2_l、2的系統(tǒng)和方法中所使用的升降機(jī)結(jié)構(gòu)的一種形式的頂視圖和側(cè)視圖；圖1Oe和IOf是在其操作位置的另一處中圖1Oc和IOd的升降機(jī)結(jié)構(gòu)的頂視圖和側(cè)視圖；圖1Og示意性顯示了根據(jù)本發(fā)明的原理能夠用于汽提捕集的CO2并再生吸收劑的結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)；圖1Oh是圖1Oa和10b_l、2_l、2的實(shí)施方案的升降機(jī)結(jié)構(gòu)基本原理的示意性放大
顯示;圖1la和Ilb示意性顯示了根據(jù)本發(fā)明的原理用于從載有二氧化碳的空氣中除去二氧化碳并對(duì)吸收或結(jié)合二氧化碳的吸收劑進(jìn)行再生的結(jié)構(gòu)和技術(shù)的兩種其他變型；圖12是根據(jù)本發(fā)明的原理由Corning制造的商標(biāo)為CELCOR 的一種整體料型吸收劑負(fù)載結(jié)構(gòu)的示意圖，所述吸收劑負(fù)載結(jié)構(gòu)能夠用作吸收劑基材。圖13(a廣(C)是合適的多孔基材的示意圖，其顯示了在各種基材的孔中的負(fù)載的胺；圖14顯示了實(shí)驗(yàn)用CO2去除設(shè)備的一個(gè)實(shí)例的示意圖；圖15描繪了典型的CO2脫附曲線，在此情況中，是I類吸附劑，PEI，吸附在微粒狀多孔二氧化硅基材上。發(fā)明詳述串請(qǐng)序號(hào)12/124,864的系統(tǒng)和方法概念的背景說明首先，認(rèn)為對(duì)美國申請(qǐng)序號(hào)12/124，864的方法和系統(tǒng)進(jìn)行描述是有用的，以為本發(fā)明進(jìn)一步開發(fā)那些原理的另外方式提供背景。圖1、顯示了美國申請(qǐng)序號(hào)12/124，864的系統(tǒng)和方法。圖1為根據(jù)該發(fā)明的示例性實(shí)施方案用于從大氣中除去二氧化碳的系統(tǒng)(通常以參考數(shù)字I標(biāo)明)的概括性框圖。系統(tǒng)I包括空氣提取系統(tǒng)40和收集系統(tǒng)50，收集系統(tǒng)50隔離所除去的二氧化碳到封存、儲(chǔ)存和可再生碳燃料的產(chǎn)生的至少一者的位置或非燃料產(chǎn)品例如肥料和建筑材料的產(chǎn)生的位置(或用于溫室中或用于提高生物燃料的微生物生產(chǎn)速率)。該空氣提取系統(tǒng)40優(yōu)選合并任何已知或以后發(fā)現(xiàn)的CO2提取法，包括使用介質(zhì)(也稱作吸收劑)以通過使所述介質(zhì)與捕集的空氣中的CO2進(jìn)行化學(xué)、電學(xué)和/或物理相互作用而從在2001處進(jìn)入的大氣空氣中吸收和/或結(jié)合(吸附)CO2的方法。所述介質(zhì)可為液態(tài)、氣態(tài)或固態(tài)，或液態(tài)物質(zhì)、氣態(tài)物質(zhì)與固態(tài)物質(zhì)的組合，其中在固體情況下，所述物質(zhì)優(yōu)選為多孔的。所述介質(zhì)優(yōu)選可再循環(huán)，以使得在CO2由介質(zhì)捕集且與介質(zhì)分離以封存之后，所述介質(zhì)可再次用于吸收/結(jié)合其它C02。如圖1中所示，CO2與介質(zhì)的分離以及通過封存系統(tǒng)50執(zhí)行的對(duì)通過2002進(jìn)入的CO2的封存，可通過利用管線2000向空氣提取系統(tǒng)40中加入熱量而變得更有效。在本發(fā)明中，熱量為例如通過將在下文進(jìn)一步詳細(xì)描述的太陽能產(chǎn)生器例如太陽能收集器產(chǎn)生的工藝熱。在其它實(shí)施方案中，工藝熱可由其它類型的能源例如化石燃料、地?zé)崮茉?、核能、生物質(zhì)及其它可再生能源提供。如本文中所使用的術(shù)語“工藝熱”是指在已使用較高溫度的熱量發(fā)電之后剩余的較低溫度的熱量。更一般地說，術(shù)語“工藝熱”是指在初級(jí)工藝之后剩余的任何低溫?zé)崃炕蛲ㄟ^工藝本身例如放熱的碳酸鹽化反應(yīng)(其中二氧化碳被儲(chǔ)存為礦物或?qū)嶋H上在其與介質(zhì)結(jié)合和捕集時(shí))加入的任何低溫?zé)崃?。此外，“工藝熱”可由為了產(chǎn)生除了電力或發(fā)電之外的產(chǎn)品而使用的能源提供。例如，初級(jí)加工，例如化學(xué)加工；水泥、鋼或鋁的生產(chǎn)；能量產(chǎn)品的生產(chǎn)例如煤炭生產(chǎn)液體能量產(chǎn)品、煉制，可使用熱量來驅(qū)動(dòng)所述初級(jí)加工，且在所述初級(jí)加工之后剩余的或在所述初級(jí)加工期間產(chǎn)生的未利用的熱量將成為這種加工的工藝熱，且能夠用于本發(fā)明的系統(tǒng)或方法中。用于提供工藝熱的尤其優(yōu)選方式是聯(lián)合發(fā)電(co-generation)工藝,其中初級(jí)工藝(例如用于發(fā)電)提供了工藝熱源(直接以蒸汽的形式、或以能夠用于對(duì)液體主體進(jìn)行加熱以生產(chǎn)蒸汽的形式)并將所述工藝熱以本文中所述的方式用于從基材中除去CO2并對(duì)基材所攜帶的吸收劑進(jìn)行再生。申請(qǐng)人:的從大氣中提取二氧化碳和使用工藝熱來將二氧化碳與收集介質(zhì)分開的優(yōu)選概念是解決全球變暖問題的重要途徑，且與本領(lǐng)域中的常規(guī)智慧反其道而行之(且違反本領(lǐng)域中的技術(shù)人員的直覺)。具體地說，使用工藝熱通過從低濃度環(huán)境空氣中提取二氧化碳(CO2)來解決全球變暖問題與從高濃度煙道氣源中提取CO2的常規(guī)方法和從環(huán)境大氣中提取CO2的本領(lǐng)域已知的其它方案相比是極具吸引力的。在前一情況下，其完全逆常規(guī)智慧而行，常規(guī)智慧將環(huán)境大氣中CO2濃度降低為1/300預(yù)期將多300倍的花費(fèi)，因?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為分離成本與所述濃度成反比。因此，大部分嘗試是針對(duì)從發(fā)電廠的煙道氣排放物(例如潔凈煤)中提取CO2且專家已公開聲稱與煙道氣相對(duì)比，使用環(huán)境空氣沒有意義。然而，與有限煙道氣源和多種源相比，無限大規(guī)模的環(huán)境空氣源通常是使申請(qǐng)人的方法能夠不管常規(guī)智慧和實(shí)踐而有效實(shí)現(xiàn)的一個(gè)特征。在煙道氣情況下，含有CO2的排放物處于較高溫度(65-70°C )下，且因此吸收介質(zhì)的再生使用較高溫度的熱量，其成本比冷環(huán)境空氣(約25-30°C )所需的成本高。申請(qǐng)人的方法有其它益處，包括使用還提供其它工藝改進(jìn)的非常薄的分離設(shè)備的能力。因此，其將通過將工藝熱以管輸送到根據(jù)申請(qǐng)人的發(fā)明的原理操作的全球恒溫器設(shè)施而不是直接清除其煙道排放物來更低成本地除去C02。另外，申請(qǐng)人的方法將產(chǎn)生負(fù)碳，實(shí)際降低大氣中CO2的量，而清除煙道氣將僅僅防止空氣中CO2含量的增加。進(jìn)一步的分析表明，通過簡(jiǎn)單清除大的固定化石燃料源例如煤電廠或在這方面通過節(jié)能或使用可再生物無法以及時(shí)的方式解決全球變暖問題以降低其施加的巨大風(fēng)險(xiǎn)。人們需要實(shí)際上能夠如同在本發(fā)明中的情況下從大氣中提取CO2，從而降低環(huán)境濃度(“負(fù)碳”)且降低全球變暖的威脅。用于從環(huán)境大氣中提取CO2的其它公開方案已經(jīng)通常使用較高溫度的熱量且明確地不使用工藝熱，因此由于其高能量成本而沒有被認(rèn)真考慮。圖2為根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案用于從大氣中除去二氧化碳的系統(tǒng)(通常以參考數(shù)字2標(biāo)明)的框圖。系統(tǒng)2包括太陽能收集器10、任選的補(bǔ)充能源20、發(fā)電機(jī)30、空氣提取系統(tǒng)42和收集系統(tǒng)50。系統(tǒng)I的這些部件中的每一者在下文詳細(xì)說明。太陽能收集器10不是本發(fā)明的特征且對(duì)于本領(lǐng)域是熟知的，例如聚光太陽能拋物面鏡和聚光太陽能塔。如在本領(lǐng)域中已知的，太陽能收集器10將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，該熱能可通過管線20031用于加熱工作流體以用來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)30。剩余熱能(即工藝熱)可通過管線20032用來驅(qū)動(dòng)空氣提取系統(tǒng)42和/或通過管線20033來驅(qū)動(dòng)收集系統(tǒng)50。例如，在太陽能熱量的初次使用之后殘余的所有工藝熱能夠用來改善在空氣提取系統(tǒng)42中用來從空氣中吸收CO2和/或從所述介質(zhì)中驅(qū)除CO2的化學(xué)和/或物理反應(yīng)的效率。
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發(fā)電機(jī)30可為例如將由太陽能收集器提供的熱能轉(zhuǎn)化為電的熱發(fā)電機(jī)。此外，由太陽能收集器10提供的熱能能夠由通過補(bǔ)充能源20產(chǎn)生的能量補(bǔ)充。此外，如上所述，“工藝熱”可由為了產(chǎn)生除了電力或發(fā)電之外的產(chǎn)品而使用的能源提供。例如，在聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，初級(jí)加工如化學(xué)加工；水泥、鋼或鋁的生產(chǎn)；煉制；能量產(chǎn)品如煤炭和液體能量產(chǎn)品的生產(chǎn)，可使用熱量來驅(qū)動(dòng)所述初級(jí)加工，且在所述初級(jí)加工之后剩余的或在所述初級(jí)加工期間產(chǎn)生的未利用的熱量將成為這種加工的工藝熱，且能夠在根據(jù)本發(fā)明的原理的系統(tǒng)或方法中加以使用。圖3為根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案的可與系統(tǒng)2 —起使用的空氣提取器系統(tǒng)42的框圖。所述空氣提取器系統(tǒng)42包括空氣接觸器41、苛化器43、石灰消和器45、煅燒爐47和捕集單元49?？諝饨佑|器41可使用吸收劑物質(zhì)從空氣中選擇性地捕集CO2,且其可由易于從空氣中吸收/結(jié)合CO2的吸收劑物質(zhì)構(gòu)成，所述吸收劑物質(zhì)可為在相對(duì)低溫(例如低于約120°C)下能夠操作(例如捕集CO2并進(jìn)行加工以收集CO2并再生吸收劑)的胺或在高得多的溫度下運(yùn)行的氫氧化鈉(NaOH)。如在本領(lǐng)域中已知的，可使用富含胺的固體吸收劑來吸收/結(jié)合C02。優(yōu)選使所述吸收劑物質(zhì)再生且所述捕集方法需要小于約10(Γ120 的熱量來使所述吸收劑物質(zhì)再生。由此，優(yōu)選的吸收劑物質(zhì)是胺。捕集單元49還可將捕集的CO2壓縮成液體形式，使得所述CO2能夠更加容易地封存。通過管線2014接收CO2的收集系統(tǒng)50隔離所除去的二氧化碳到封存、儲(chǔ)存和可再生碳燃料的產(chǎn)生中至少一者的位置或非燃料產(chǎn)品例如肥料和建筑材料的產(chǎn)生的位置。收集系統(tǒng)50可使用任何已知或?qū)戆l(fā)現(xiàn)的碳封存和/或儲(chǔ)存技術(shù)，例如注入地質(zhì)地層中或礦物封存。在注入的情況下，捕集的CO2可在地質(zhì)地層例如油氣儲(chǔ)藏、不可開采的煤層和深鹽儲(chǔ)藏中封存。在這方面，在很多情況下，將CO2注入地質(zhì)地層中可加強(qiáng)烴的采收，提供可彌補(bǔ)CO2捕集和收集成本的增值的副產(chǎn)物。例如，將CO2注入油或天然氣儲(chǔ)藏中推出工藝中的產(chǎn)物，即提高油采收率。捕集的CO2可在地下封存，且根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方案，可在系統(tǒng)2的其它部件的逆風(fēng)向的遠(yuǎn)處封存，以使得來自該處的任何滲漏都可由系統(tǒng)2再次捕集。在各種固體CO2吸附劑中，負(fù)載的胺具有許多有希望的特征，例如在低溫下運(yùn)行(環(huán)境溫度 120°C)。另外，其具有強(qiáng)的CO2吸收劑相互作用(5(Tl05kJ/mOl)，用作獨(dú)特的低溫化學(xué)吸收劑[4]。相反，大部分其他低溫吸附劑如沸石、碳和(某些)M0F依靠更弱的、物理吸附相互作用，在許多情況下使得煙道氣中的普通成分水將CO2排擠掉而吸附在吸附位點(diǎn)上。確實(shí)，在公開的文獻(xiàn)中超過70項(xiàng)的出版物對(duì)負(fù)載的胺吸附劑的CO2吸附性能進(jìn)行了探究。負(fù)載的胺CO2吸收劑在溫度擺動(dòng)過程中最有效地再生，因?yàn)閷?CO2鍵斷開需要顯著的能量。如上所述，最經(jīng)常的，在文獻(xiàn)報(bào)道中通過提供用于吸附的兩種驅(qū)動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)該操作，(i)通過在試樣上傳遞不含CO2的惰性氣體流的分壓驅(qū)動(dòng)力；和( )熱輸入，通常采用以熱方式加熱的反應(yīng)器的方式。實(shí)現(xiàn)吸收劑再生的兩種更實(shí)用的方法是⑴在純的、受熱的CO2流股中對(duì)吸收劑進(jìn)行加熱和(ii)蒸汽汽提。在前一種情況中，用于吸附的僅有的驅(qū)動(dòng)力是熱，且明顯的氣相CO2壓力嚴(yán)重限制了 CO2脫附的量。已經(jīng)顯示，這種 方法還能夠通過形成脲而導(dǎo)致胺的大量失活，Drage, T.C., etal., Thermal stability ofpolyethyleneimine based carbon dioxide adsorbents andits influence onselection of regeneration strategies.Microporous MesoporousMat.，2008.116:p.504-512。然而，這種方法可能有用，因?yàn)槠洚a(chǎn)生純的CO2流股以用于封存或其他用途?，F(xiàn)在參見第二種方法，蒸汽汽提，在從大氣中低溫捕集CO2的背景下，所述方法潛在地有希望地多。蒸汽汽提提供兩者:(i)用于脫附的熱驅(qū)動(dòng)力和(ii)分壓驅(qū)動(dòng)力，如同惰性氣體溫度擺動(dòng)的情況。更重要地，僅含有CO2和水的產(chǎn)物流股，易于通過壓縮進(jìn)行提純，將水作為液體除去以產(chǎn)生高度濃縮的CO2汽提流股，適用于封存或其他使用。此外，低級(jí)、低成本的蒸汽(飽和的，105°C-源自大部分工藝的非常低值的廢熱)足以從固體吸收劑中除去C02。現(xiàn)在首先表明，蒸汽汽提是以實(shí)踐方式對(duì)各種CO2飽和的負(fù)載的胺吸附劑進(jìn)行再生的一般性有用方法。存在三種有用的負(fù)載的胺吸收劑。I類吸附劑是以浸潰有單體或聚合胺的多孔載體為基礎(chǔ)的(圖X)。由此，胺物種物理裝載在載體上或裝載入載體中。這類吸收劑是由 Song 開拓的并在例如 Xu, X.C., et al., Preparation and characterization ofnovel CO2〃 molecular basket" adsorbents based on polymer-modified mesoporousmolecular sieveMCM-41.Microporous Mesoporous Mat.，2003.62 (1-2): p.29-45、Xu,X.C., et al., Influence of moisture on CO2Separation from gas mixturebya nanoporous adsorbent based on polyethyIenimine-modifiedmolecular sieveMCM-41.1nd.Eng.Chem.Res.，2005.44(21):p.8113-8119 以及 Xu, X.C.，et al., NovelpolyethyIenimine-modifiedmesoporous molecular sieve of MCM-41 type ashigh-capacityadsorbent for C02capture.Energy Fuels, 2002.16(6):p.1463-1469 的技術(shù)文獻(xiàn)中進(jìn)行了描述。2類吸附劑是以共價(jià)連接到固體載體上的胺為基礎(chǔ)的。這最經(jīng)常的是通過使用硅烷化學(xué)品或利用含胺的側(cè)鏈制備聚合載體將胺結(jié)合到氧化物上來實(shí)現(xiàn)。3類吸附劑是以多孔載體為基礎(chǔ)的，從含胺的單體開始，在所述多孔載體上就地對(duì)氨基聚合物進(jìn)行聚合。Hicks, J.C.，et al, Designing adsorbents for C02capture fromfluegas-hyperbranched aminosilicas capable of capturing C02reversibly.J.Am.Chem.Soc., 2008.1.30(10):p.2902-2903 和 Drese, J.H., et al., Synthesis-Structure-Property Relationships for HyperbranchedAminosilica CO2 Adsorbents.Adv.Funct.Mater.，2009.19(23):p.3821-3832對(duì)將這3種類型的吸附劑用作捕集CO2的吸附劑進(jìn)行了描述。制備了這些吸附劑種類中的各種代表性實(shí)例以用于CO2捕集和蒸汽再生的研究。I類吸附劑含有在工業(yè)多孔微粒狀二氧化硅載體上的低分子量的聚乙烯亞胺(“PEI ”)，其得自PQ Corporation。PEI載荷為35重量％，所述量是通過熱重分析(TGA)測(cè)得的。通過在甲苯載體中將3-氨基丙基三甲氧基硅烷接枝到同一二氧化硅載體(PQ-Mono)的另一部分上得到了 2類吸附劑。有機(jī)載荷為13重量％，所述量是通過TGA確定的。通過氮丙啶在甲苯載體中在介孔二氧化硅泡沫載體上的超支化原位聚合得到了 3類吸附劑，得到了 19%的有機(jī)載荷。參見圖13，其為在各種基材的孔中具有負(fù)載的胺吸附劑的多孔基材的示意圖，所述各種基材分別為Ι、Π和III。有用的多孔二氧化硅載體還可以以整體料型、但薄結(jié)構(gòu)的形式商購獲得，例如得自Corning。使用在氮?dú)庵邢♂尩腃O2作為試驗(yàn)氣體，將三種負(fù)載的胺吸附劑進(jìn)行循環(huán)吸附和脫附試驗(yàn)，隨后通過在帶夾套的反應(yīng)器容器中將負(fù)載的吸附劑與103°C的1.2g/分鐘的飽和蒸汽流接觸25分鐘對(duì)吸收劑進(jìn)行再生。隨后通過氮?dú)獯祾?，將產(chǎn)生的CO2-蒸汽混合物傳送至Horiba IR基0)2檢測(cè)器。圖14顯示了該實(shí)驗(yàn)設(shè)備的示意圖。圖15描繪了典型的CO2脫附曲線,在此情況中，對(duì)于I類吸附劑，PEI在微粒狀PQCorporation的多孔二氧化娃基材上。將所述吸附劑暴露在水飽和的、含CO2的進(jìn)料流股下，直至吸附達(dá)到飽和。隨后，在反應(yīng)器周圍的夾套中裝入105°C下的丙二醇-水溶液以限制蒸汽在壁上的冷凝，然后將飽和蒸汽(在約103°C下)從高壓釜引入反應(yīng)器中，從而穿過負(fù)載的吸附劑以對(duì)CO2進(jìn)行汽提。蒸汽流出物顯示了 CO2濃度的急劇增加，同時(shí)流出物中CO2的濃度在10分鐘內(nèi)基本降回至零。如同通過圖15中的脫附軌跡能夠看出，大部分(66%)0)2在104°C的試樣溫度下在首先的3分鐘內(nèi)被除去。這些數(shù)據(jù)清晰地表明，低溫蒸汽汽提對(duì)這些負(fù)載的胺吸附劑進(jìn)行再生是有效的。下表I中的數(shù)據(jù)顯示，所有三種吸附劑在使用蒸汽汽提的循環(huán)吸附/再生試驗(yàn)中都顯示了一定水平的穩(wěn)定性。有趣地，I類吸附劑在此處所使用的蒸汽汽提條件下非常穩(wěn)定。在其他工作中，更高溫度的惰性氣體變溫脫附，穩(wěn)定性低于在利用I類吸附劑進(jìn)行多次再生循環(huán)期間所期望的穩(wěn)定性。可以預(yù)期，這些材料是在蒸汽汽提條件下三種吸附劑最不穩(wěn)定的，這是由于在氨基聚合物和載體之間缺乏共價(jià)鍵以及低分子量的PEI在水中的可測(cè)量的溶解度。假設(shè)一部分蒸汽會(huì)在將熱傳遞到試樣上時(shí)在吸收劑上冷凝，則可推斷，一部分PEI能夠被從試樣上洗脫，如同在某些早期情況中所觀察到的。然而，這些數(shù)據(jù)表明，對(duì)于此處所示的至少三個(gè)循環(huán)，I類試樣相當(dāng)穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.一種從載有二氧化碳的空氣中除去并濃縮二氧化碳的方法，所述方法包括: 導(dǎo)引載有二氧化碳的空氣流穿過包含能夠吸附或可釋放地結(jié)合二氧化碳的吸收劑的二氧化碳捕集結(jié)構(gòu)以從所述空氣中除去二氧化碳，所述吸收劑保持在多孔固體物質(zhì)的表面上，從而將所述二氧化碳吸附或結(jié)合到在所述固體物質(zhì)表面上的所述吸收劑上； 將工藝熱導(dǎo)引至含二氧化碳的捕集結(jié)構(gòu)處以將二氧化碳作為更濃形式的CO2與所述吸收劑分離，并對(duì)所述吸收劑進(jìn)行再生；以及 導(dǎo)引另一個(gè)載有二氧化碳的空氣流穿過所述再生的二氧化碳捕集結(jié)構(gòu)，使得所述再生的吸收劑能夠吸附或結(jié)合另外的二氧化碳，以從所述另外的載有二氧化碳的空氣流中除去另外的二氧化碳。
2.權(quán)利要求1的方法，其中將載有二氧化碳的空氣流導(dǎo)引穿過去除室并將所述工藝熱導(dǎo)引至在再生室中的含二氧化碳的捕集結(jié)構(gòu)處；且所述方法還包括在所述去除室與所述再生室之間交替移動(dòng)所述含二氧化碳的捕集結(jié)構(gòu)。
3.權(quán)利要求2的方法，其中在所述去除室與所述再生室之間豎直移動(dòng)所述含二氧化碳的捕集結(jié)構(gòu)，當(dāng)所述含二氧化碳的捕集結(jié)構(gòu)在所述再生室中時(shí)，所述再生室是可密封的。
4.權(quán)利要求2的方法，其中流入所述去除室中的空氣基本處于環(huán)境溫度下。
5.權(quán)利要求2的方法，其中在進(jìn)入所述去除室之前，將所述空氣與小比例的含有二氧化碳的廢氣混合。
6.權(quán)利要求5的方法，其中將所述空氣與不超過25體積％的廢氣混合。
7.權(quán)利要求6的方法，其中將所述空氣與不超過5體積％的廢氣混合，其中所述廢氣為源自烴的燃燒的煙道氣。
8.權(quán)利要求2的方法，其中在將所述工藝熱導(dǎo)引至所述含二氧化碳的捕集結(jié)構(gòu)處之前，首先對(duì)所述再生室中的所述含二氧化碳的捕集結(jié)構(gòu)進(jìn)行空氣吹掃。
9.權(quán)利要求8的方法，其中在所述含二氧化碳的捕集結(jié)構(gòu)再生之后，對(duì)所述捕集結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻，然后返回至所述去除室。
10.權(quán)利要求2的方法，其中以在至多130°C的范圍內(nèi)的溫度下的飽和蒸汽的形式將所述工藝熱導(dǎo)引至所述含二氧化碳的捕集結(jié)構(gòu)處。
11.權(quán)利要求10的方法，其中所述飽和蒸汽在約105°C 120°C范圍內(nèi)的溫度下。
12.權(quán)利要求2的方法，其中對(duì)在穿過所述捕集結(jié)構(gòu)之后排出所述去除室的所述空氣中的CO2濃度進(jìn)行測(cè)量，以確定將所述捕集結(jié)構(gòu)移出所述去除室并移入所述再生室的時(shí)機(jī)。
13.權(quán)利要求12的方法，其中在利用CO2使得所述吸收劑完全飽和之前，將所述捕集結(jié)構(gòu)移入所述再生室中。
14.權(quán)利要求12的方法，其中對(duì)在穿過所述捕集結(jié)構(gòu)之后排出所述再生室的所述蒸汽中的CO2濃度進(jìn)行測(cè)量，以確定將所述捕集結(jié)構(gòu)移出所述再生室的時(shí)機(jī)。
15.權(quán)利要求14的方法，其中將所述捕集結(jié)構(gòu)從所述再生室中移出，然后從所述吸收劑中汽提所有的CO2。
16.權(quán)利要求2的方法，其中對(duì)在穿過所述捕集結(jié)構(gòu)之后排出所述去除室之后的CO2和蒸汽進(jìn)行冷卻并冷凝以將水與所述CO2分離，從而得到高純co2。
17.權(quán)利要求16的方法，還包括如下步驟: 通過含碳燃料的燃燒，向初級(jí)生產(chǎn)工藝提供熱能，以產(chǎn)生可使用的工藝熱，所述初級(jí)工藝排放一種或多種將所述工藝熱帶走的廢氣， 所述廢氣處于明顯比環(huán)境空氣更高的溫度下且含有的二氧化碳濃度明顯比環(huán)境空氣更高， 利用源自所述廢氣的所述工藝熱的一部分以聯(lián)合產(chǎn)生飽和蒸汽， 從所述廢氣中除去不期望的組分以產(chǎn)生經(jīng)處理的廢氣， 將所述經(jīng)處理的廢氣的一部分與所述環(huán)境空氣混合以產(chǎn)生具有含有小比例的所述經(jīng)處理廢氣的與空氣的混合物，使得在所述混合物中二氧化碳的濃度小于5%。
18.權(quán)利要求1的方法，其中所述多孔捕集結(jié)構(gòu)包含多個(gè)高度多孔的顆粒，其中各個(gè)顆粒在其孔中承載所述吸收劑。
19.權(quán)利要求17的方法，其中所述多個(gè)高度多孔的顆粒形成在去除部分與再生部分之間移動(dòng)的移動(dòng)床，其中各個(gè)顆粒包含在其孔內(nèi)承載所述吸收劑的基材，所述顆粒的基材包含陶瓷材料且所述吸收劑包含伯胺。
20.權(quán)利要求1所 限定的方法，其中所述多孔固體物質(zhì)包含在其孔的表面上承載所述二氧化碳吸收劑的高度多孔的整體料型基材，所述二氧化碳吸收劑用于從所述流體中吸收或結(jié)合二氧化碳。
21.權(quán)利要求19所限定的方法，其中所述基材包含陶瓷材料且所述吸收劑為伯胺。
22.權(quán)利要求19所限定的方法，其中所述多孔固體物質(zhì)包含整體料型聚合物物質(zhì)，遍布其表面形成有胺位點(diǎn)。
23.一種從載有二氧化碳的空氣中除去二氧化碳的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含: 二氧化碳捕集結(jié)構(gòu)，其包含具有高表面積并含有吸收劑的多孔固體物質(zhì)，所述吸收劑沿所述多孔固體物質(zhì)的表面分布并能夠可逆地吸附、或結(jié)合二氧化碳； 空氣導(dǎo)管，用于使得載有二氧化碳的空氣流到并穿過所述二氧化碳捕集結(jié)構(gòu)； 熱流體導(dǎo)管，用于將工藝熱導(dǎo)引至在所述捕集結(jié)構(gòu)上的所述載有二氧化碳的吸收劑處，以從所述吸收劑中汽提二氧化碳；以及 流體導(dǎo)管，用于運(yùn)載所分離的二氧化碳以離開所述捕集結(jié)構(gòu)。
24.權(quán)利要求22的系統(tǒng)，其中所述多孔固體物質(zhì)構(gòu)成高度多孔的二氧化硅顆粒的床，其中各個(gè)顆粒在其表面上支承所述吸收劑。
25.權(quán)利要求22所限定的系統(tǒng)，其中所述多孔固體物質(zhì)構(gòu)成高度多孔的整體料型陶瓷結(jié)構(gòu)，所述陶瓷結(jié)構(gòu)沿其表面區(qū)域上支承所述吸收劑。
26.權(quán)利要求22的系統(tǒng)，其中所述多孔固體物質(zhì)處于垂直取向的碳捕集結(jié)構(gòu)的形式，且所述系統(tǒng)還包含:去除室，用于容納所述捕集結(jié)構(gòu)并與所述空氣導(dǎo)管處于流體流動(dòng)的關(guān)系；再生室，用于容納所述捕集結(jié)構(gòu)并與所述熱流體導(dǎo)管處于流體流動(dòng)的關(guān)系； 當(dāng)容納所述捕集結(jié)構(gòu)時(shí)，所述再生室是可密封的；以及用于在所述捕集室與所述釋放室之間交替移動(dòng)所述吸收劑框架的托架。
27.權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其中所述熱流體導(dǎo)管運(yùn)送飽和蒸汽且所述系統(tǒng)還包含加壓裝置以用于在將所述飽和蒸汽引入所述再生室之前從所述捕集結(jié)構(gòu)與所述再生室中除去殘余空氣。
28.權(quán)利要求25的系統(tǒng)，還包含:位于所述去除室出口處的0)2測(cè)量檢測(cè)器以用于測(cè)量在接觸所述捕集結(jié)構(gòu)之后空氣的CO2含量，從而確定將所述捕集結(jié)構(gòu)從所述去除室中移出的時(shí)機(jī)；和位于所述再生室出口處的CO2測(cè)量檢測(cè)器以確定終止蒸汽流并將所述捕集結(jié)構(gòu)從所述再生室中移出的時(shí)機(jī)。
29.權(quán)利要求26的系統(tǒng)，包含一對(duì)豎直取向的碳捕集結(jié)構(gòu)，其中所述托架將各個(gè)這種垂直取向的碳捕集結(jié)構(gòu)交替并連續(xù)地移動(dòng)至所述去除室和所述再生室，同時(shí)另一對(duì)垂直取向的碳捕集結(jié)構(gòu)在相反方向上移動(dòng)，使得當(dāng)利用工藝熱對(duì)一個(gè)這種垂直取向的碳捕集結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱以將先前吸附的二氧化碳從所述吸收劑分離并使得在所述多孔載體上的所述吸收劑再生時(shí)，另一個(gè)在去除室中從空氣吸附C02。
30.權(quán)利要求23的系統(tǒng)，包含自動(dòng)運(yùn)行的閥門系統(tǒng)，所述閥門系統(tǒng)是為了交替并連續(xù)地將載有二氧化碳的空氣傳送至所述碳捕集結(jié)構(gòu)并將工藝熱傳送至所述碳捕集結(jié)構(gòu)以從所述吸收劑中分離所述二氧化碳并再生所述吸收劑而設(shè)計(jì)并采用的。
31.權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其通過利用再生的可使用的廢工藝熱向初級(jí)生產(chǎn)工藝提供能量而從環(huán)境空氣中捕集二氧化碳，且所述初級(jí)工藝排放一種或多種具有廢氣熱的廢氣，所述系統(tǒng)以組合的方式包含: 換熱器硬件， 導(dǎo)管，用于將源自所述初級(jí)工藝的工藝熱傳導(dǎo)至所述換熱器硬件，所傳導(dǎo)的工藝熱的特征是與所述廢氣熱基本無關(guān)， 鍋爐，其利用所述傳導(dǎo)的工藝熱的一部分以聯(lián)合產(chǎn)生飽和蒸汽， 支承所述吸收劑的吸收劑框架； 二氧化碳捕集室，所述捕集室與環(huán)境空氣相通； 二氧化碳釋放室； 托架，用于在所述捕集室與所述釋放室之間交替移動(dòng)所述吸收劑框架； 泵，用于所述釋放室中除去空氣并用于對(duì)從所述吸收劑框架釋放的二氧化碳加壓除去；以及 存儲(chǔ)裝置，用于保存加壓的二氧化碳。
32.—種能夠在環(huán)境條件下從環(huán)境空氣中捕集二氧化碳的方法，所述方法包括如下步驟: 利用聯(lián)合產(chǎn)生的可使用的工藝熱向初級(jí)生產(chǎn)工藝提供能量，應(yīng)用源自所述初級(jí)工藝的聯(lián)合產(chǎn)生的工藝熱以聯(lián)合產(chǎn)生在環(huán)境壓力下過熱的蒸汽， 交替重復(fù)使得吸收劑暴露以進(jìn)行捕集的階段和汽提/再生系統(tǒng)階段，所述階段包括:在所述捕集階段期間將所述吸收劑暴露于環(huán)境空氣流下，從而使得所述吸收劑能夠從所述環(huán)境空氣中捕集二氧化碳并形成載有CO2的吸收劑，和 在所述再生階段期間，將所述載有CO2的吸收劑暴露于所述聯(lián)合產(chǎn)生的蒸汽下，從而使得從所述吸收劑中汽提這種捕集的二氧化碳。
33.用于從環(huán)境空氣中捕集二氧化碳的權(quán)利要求32的方法，還包括: 將所述經(jīng)處理的廢氣的至少一部分與環(huán)境空氣混合以形成含有不超過5%的廢氣的空氣-廢氣共混物；和 將水從排出的二氧化碳/水混合物中分離以提供更濃的二氧化碳?xì)怏w并將所述CO2從所述再生室耗盡； 在所述再生室內(nèi)對(duì)所述吸收劑結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻；和將所述冷卻的吸收劑結(jié)構(gòu)從所述再生室移動(dòng)至其中所述冷卻的吸收劑結(jié)構(gòu)再次與所述空氣-廢氣共混物接觸的位置；以及 在所述富集CO2的氣體吸附位置與所述再生室之間交替移動(dòng)所述吸收劑結(jié)構(gòu)以循環(huán)吸附CO2并使得所述吸收劑再生。
34.權(quán)利要求33的方法，還包括對(duì)進(jìn)入和排出所述捕集位置的二氧化碳濃度進(jìn)行傳感的步驟。
35.權(quán)利要求33的方法，還包括在所述再生室內(nèi)部對(duì)所述二氧化碳濃度進(jìn)行傳感的步驟。
36.用于從環(huán)境空氣和廢氣中捕集二氧化碳的權(quán)利要求33的方法，所述方法以組合的方式還包括: 將所述經(jīng)處理的廢氣的至少一部分與環(huán)境空氣混合以形成含有不超過25體積％的廢氣的空氣-廢氣共混物。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠直接從環(huán)境空氣中除去二氧化碳以得到純CO2的方法和系統(tǒng)。所述方法包括如下步驟從生產(chǎn)工藝產(chǎn)生熱；將所述熱施加到水上以聯(lián)合產(chǎn)生飽和蒸汽，其中在所述去除階段期間將所述吸收劑交替暴露在環(huán)境空氣流下，由此使得所述吸收劑吸收并因此從所述環(huán)境空氣中除去二氧化碳，并在所述吸收劑已經(jīng)吸附所述二氧化碳之后，在所述再生和捕集階段期間將所述吸收劑暴露在所述聯(lián)合產(chǎn)生的蒸汽流下，由此使得這種吸收劑再生，且得到捕集的相對(duì)純形式的吸附的二氧化碳。所述系統(tǒng)提供用于實(shí)施上述方法的吸收劑基材和裝置，并提供所得到的提純的二氧化碳以進(jìn)一步用于農(nóng)業(yè)和化學(xué)工藝中。
文檔編號(hào)B01D53/00GK103079671SQ201180029044
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者彼得·艾森伯格爾 申請(qǐng)人:彼得·艾森伯格爾