CN102202766A - 二氧化碳捕获方法和设施 - Google Patents

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B·哈特
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M·弗尼恩克
M·玛墨克哈尼
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碳工程合伙有限公司
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Abstract

本发明公开了一种二氧化碳捕获设施,其包括形成板的填料,和至少一个液体源。所述板有相对的主表面,所述相对的主表面至少部分透风,以使风能流过所述填料。定向所述至少一个液体源以引导二氧化碳吸收液进入填料进而流过板。所述板安置在风流中,所述风流和所述相对的主表面之一具有非零入射角。本发明还公开了一种二氧化碳捕获方法。二氧化碳吸收液在连续脉冲中施加至填料中。含有二氧化碳的气体流过填料,从而该气体的二氧化碳至少部分吸收入二氧化碳吸收液。

Description

二氧化碳捕获方法和设施

[0001] 本申请要求2008年8月21日提交的美国临时申请序列号61/090,867的优先权, 该份申请通过引用全文纳入本文。

技术领域

[0002] 本发明涉及气体-液体接触系统和方法,包括从大气中回收(X)2的二氧化碳捕获系统和方法。

背景技术

[0003] 为避免危险的气候变化,必须终止并且可能必须减少大气二氧化碳浓度的增长。 最重要的温室气体-二氧化碳的浓度已经从前工业时期的约^Oppm增加到385ppm以上, 目前全球(X)2排放每年增长超过3. 3 %,造成它以高于2ppm每年的速度增加(Canadell等, 2007)。

[0004] 碳捕获和储存(Carbon capture and storage, CCS)技术的目标在于除去诸如发电厂等大型定点来源的co2。但是,分散来源的排放量占全球CO2排放量一半以上。从环境空气中直接捕获CO2,即“空气捕获(air capture) ”,是能够系统化控制分散排放的几种方法之一。因此,尽管空气捕获比从大型点来源捕获更加昂贵,其仍是重要的,因为其主要与从分散来源,例如运输的排放减少相竞争,而要减轻该排放可能非常昂贵。

[0005] 1. 1空气捕获

[0006] 用碱溶液从大气中吸收二氧化碳已经研究了半个世纪(Spector和Dodge 1946, T印e和Dodge 1943)。Lackner在20世纪90年代后期首次提出大规模洗涤环境空气中的二氧化碳(Lackner等,1999)。在湿法洗涤技术中,CO2吸收入氢氧化钠(NaOH)溶液,形成氢氧化钠和碳酸钠(Na2C03)的水溶液。对于该过程,作为使CO2与氢氧化钠之间接触的系统组件的接触器迄今为止一直是争论的焦点。大型对流塔(Lackner等,1999)和填料洗涤塔(Baciocchi等,2006和kman,2007)是最常提出的接触器设计。装备有苏采尔孔板波纹填料(Sulzer Mellapak)的填料塔由Baciocchi等Q006)提出,其使用2M NaOH溶液从空气中吸收C02,CO2入口浓度为500ppm,出口浓度为250ppm。

[0007] Molaroff等Q007)提出的替代策略是产生吸收溶液的细小喷雾以便为流经开放塔的气流提供大表面。该策略可能在小空气压降下操作,并避免填料的资金成本 (capital cost)。Molaroff等Q007)通过估算捕获每单位CO2所需的成本和能源研究了 NaOH喷雾接触器的可行性。水损失(该设计的主要关注点)已得到解决,并发现可通过调整NaOH浓度及空气温度和湿度来控制水损失,S卩,氢氧化钠浓度越高,水损失越低,例如, 在15°C和65%相对湿度时使用约7. 2M NaOH,可消除水损失。

[0008] 常规的洗涤塔可充满整装填料(structured packing),并且采用与通过所述整装填料的液体排出相对流的气流。

[0009] 发明概述

[0010] 本发明公开了一种二氧化碳捕获设施,其包括形成板的填料,和至少一个液体源。所述板有相对的主表面,所述相对的主表面至少部分透风以使风能流过所述填料。所述至少一个液体源定向成引导二氧化碳吸收剂液体进入所述填料以便流过所述板。所述板安置在风流(wind flow)中,该风流和所述相对的主表面之一具有非零入射角。

[0011] 本发明还公开了一种二氧化碳捕获方法。将二氧化碳吸收液在连续脉冲中施加入填料中。使含有二氧化碳的气体流过填料,从而所述气体中的二氧化碳至少部分吸收入二氧化碳吸收液。所述气体可以连续地流动,即使在液体间歇性流动时。在一些实施方式中, 所述液体和气体采取彼此错流(cross-flow)的几何结构流动。对于本说明书,“错流”是指气体流动的方向相对于液体流动的方向正交或垂直。

[0012] 本发明还公开了一种二氧化碳捕获方法。二氧化碳吸收液采取平均液流方向 (mean liquid flow direction)流过填料。使含二氧化碳的气体与平均液流方向倾斜或垂直地流过填料,从而该气体中的二氧化碳至少部分吸收入二氧化碳吸收液。

[0013] 本发明还公开了一种使液体与气体接触的方法。所述液体以在连续脉冲中施加于填料中,使所述气体流过填料。

[0014] 本发明还公开了一种使液体与气体接触的方法。使所述液体采取均值液流方向流过填料。使所述气体与平均液流方向倾斜或垂直地流过填料。

[0015] 本发明还公开了一种气体-液体接触器,其包括填料和至少一个液体源。所述填料形成板,所述板有相对的主表面,所述相对的主表面至少部分透风,以使风能流过填料。 所述至少一个液体源定向成引导液体进入填料进而流过板。所述板安置在风流中,所述风流和相对的主表面之一具有非零入射角。

[0016] 本发明还公开了一种包括板结构和液体源的气体-液体接触器。所述板结构包括填料。所述液体源定向成引导所述液体以平均液流方向流入所述填料。所述板结构安置在与平均液流方向倾斜或垂直流动的风流中。

[0017] 本发明还公开了一种使液体与流动气体接触的方法。所述液体流过填料,并驱动所述流动气体以驱动方向流过填料,所述驱动方向至少部分朝向流动气体的环境流动方向 (ambient flow direction)0

[0018] 可能包含于权利要求的本发明的一个或多个非限制性实施方式的细节如附图和下文描述所示。通过阅读本说明书,本领域普通技术人员将明白本发明的其他实施方式。例如,尽管本发明与从环境空气中除去二氧化碳特别相关,但不难改进本文所述的方法和产品以便从环境空气中去除其他组分,例如S0x,N0x和氟化物。普通技术人员通过阅读本说明书,应当理解为了捕获其他组分需要作出何种改进(如果有的话),比如对液体源的选择。

[0019] 附图简要说明

[0020] 现在将参考附图来描述实施方式,其中类似的指示标志通过举例的方法表示类似元件,其中:

[0021] 图1是垂直的板式接触器的透视图。

[0022] 图2是水平的板式接触器的剖面侧视图。

[0023] 图3是图2接触器的透视图。

[0024] 图4是具有中央处理设施的一系列二氧化碳捕获设施的俯视图。

[0025] 图5是水平板式接触器透视图,包括其一系列分解图,部分是剖面图。

[0026] 图6和7说明了空气通过根据本文公开的实施方式构建的填料和泵送不同浓度NaOH(图6)和KOH(图7)吸收剂时的CO2去除。连续流动由Y轴上的点图示,而一次流动脉冲后的捕获效率由描绘出的线图示。

[0027] 图8通过显示不同NaOH浓度下每次脉冲的(X)2去除来说明脉冲式泵送液体吸收剂通过填料的效率。

[0028] 图9是具有多个板的垂直板式接触器的侧视图。

[0029] 发明详述

[0030] US61/074, 458和相关的 US 12/488,230 以及PCT PCT/US2009/047999通过引用全文纳入本文。

[0031] 本发明提供从环境空气中除去碳和/或其他空气组分的方法,以及从环境空气中去除环境(X)2和/或其他空气组分的装置。

[0032] 在一些实施方式中,该方法包括至少用风能、一个或多个风扇或两者一起引导环境空气通过包含填料的接触器;使二氧化碳吸收液间歇性流过填料,以获得平均流速;和, 从环境空气中将(X)2捕获入液体,从而二氧化碳捕获率相对于液体以平均流速恒定流动的类似方法得到增加,或者填料表面的清洁效率相对于液体以平均流速恒定流动的类似方法得到改善,或者两者都得到改善。“间歇性流动”表示流体以第一速率流动,而该第一速率高于至少一个第二速率(即,改变通过接触器的液流),从而导致平均流速,其中所述至少一个第二速率可以为零。在一些此类实施方式中,所述至少一个第二速率是零,且间歇性流动产生连续脉冲。

[0033] 在一些实施方式中,所述方法包括使高摩尔浓度的液体间歇性流过接触器,和使环境空气流过接触器,从而捕获环境空气中的co2。在一些实施方式中,该方法包括使高摩尔浓度液体以相对于环境空气流动方向的错流几何结构间歇性流过接触器,从而捕获环境空气中的co2。在一些实施方式中,该方法包括使高摩尔浓度液体以基本垂直于环境空气流动方向的方向间歇性通过接触器,从而捕获环境空气中的co2。在本段述及的一些实施方式中,可以使液体以脉冲方式通过接触器(流过填料)来实施“间歇性流过”。例如,在液体高速地短暂流动以便均勻覆盖填料与关闭液体流一段时间之间反复切换。

[0034] 在一些实施方式中,该装置是碳(或其他环境空气组分)捕获设施,包括至少一种有二氧化碳(或其他环境气体组分)吸收容量的液体;至少一种相对于液体具有持液率 (holdup)的填料;以及至少一个泵以使所述液体流过所述填料,该泵设置成可刻意改变流速以产生平均流速,其中选择所述液体的容量和所述填料的持液率以协作实现二氧化碳捕获率相对于类似二氧化碳捕获设施(其中所述泵以平均流速恒定操作)得到增加,或者相对于类似二氧化碳捕获设施(其中所述泵以平均流速恒定操作)改善填料表面的清洁效率,或者二者都实现。

[0035] 在一些实施方式中,该碳捕获设施包括具有足够持液率,从而可被CO2 (或其他环境气体组分)捕获溶液间歇性润湿的填料,该捕获设施具有垂直板状几何结构。在一些实施方式中,该捕获设施包括能被间歇性润湿并以错流几何结构使用的填料,该捕获设施具有垂直板状几何结构。在一些实施方式中,该捕获设施包括可被间歇性润湿并以基本上垂直的几何结构使用的填料,该捕获设施具有垂直的板状几何结构。在一些实施方式中,该捕获设备还包括去除灰尘污染的装置,例如可将捕获设施举离地面,例如至少离地面5米的结构性支撑物,从而使灰尘在该设施底下吹动。[0036] 该碳捕获设施可以用模块建造,例如图1所示。作为一个实例,各模块可以具有约 5米X约5米X约7米的尺寸。所述模块包括填料并能支撑风扇。一旦模块组装形成碳捕获设施,所述填料可最后占据约200米X约20米X约3米的尺寸。该模块可由钢材建造。最终结构可包括位于底部的盛有液体的储槽。设置一个泵将液体周期性地从储槽移动到填料顶端的分配器。利用风、风扇或其组合使气相通过填料。在图示的实施方式中,各模块支撑一个风扇,形成了一堵风扇壁。

[0037] “填料”是填充空间并促进气流和液流之间接触的材料。填料可是不规则的或整装的。不规则的填料包含适当材料形成的小形状,将其倒入液体和气体接触的空间。整装填料可是任意填料,其设计成以系统性和计划的方式适合某一区域,从而产生特定的空气和液体流动模式。

[0038] 在一些实施方式中,适用于本发明范围的填料具有:错流几何结构,其设计成限制或最大程度减少吸收每单位(X)2的空气压降;可被间歇性液流有效润湿;并且具有一定持液率从而能在每次润湿之间的较长间隔时间进行间歇性操作。在一些实施方式中,适用于本发明范围的填料可容许操作失误,即,即使填料的显著部分没有润湿。对于本发明的目的,在文中,“显著”表示超过整装填料通常认为可接受的程度。在一些实施方式中,适用于本发明范围的填料可包括不能被润湿的瑕疵或死点,只要这些死点不显著增加捕获每单位 CO2的负担,或者换言之,当考虑到资金和运行成本都可能阻止该填料使用的程度时,这些死点的作用不会影响到每吨所捕获CO2的总成本。在一些实施方式中,当资金和运行成本都考虑时,死点的作用不会增加每吨所捕获(X)2的总成本。在一些实施方式中,适用于本发明范围内的填料包括最多10%的死点或瑕疵。使用有瑕疵或气体部分(gas part)的填料可降低填料的资金成本。

[0039] 在一些实施方式中,适用于本发明的填料易于清洁空气传播的污染物。在一些实施方式中,可利用间歇性流动进行清洁。

[0040] 在一些实施方式中,将适用于本发明范围内的碳捕获设施的填料设计成具有液体持液率,对气流阻力低(如气流为2米/秒时阻力约为100½或更小),和/或可以通过间歇性润湿来冲洗。

[0041] 在一些实施方式中,填料可从低密度商品化整装填料中选择。不想受理论的束缚,但据认为与低空隙分数填料(void fraction)相比,低密度商品化整装填料,即具有高空隙分数的填料具有较大面积以供气相通过,从而有利影响(即,降低)穿过填料的压降。 据认为,压降的降低可减少气相穿过填料能耗的能量。合适填料的非限制性实施例包括 Brentwood AccuPak CF—1200, Brentwood XF74, Sulzer 250X, Sulzer I-ring, Montz-Pak M型。

[0042] “垂直板”指平行于气流的尺寸小于垂直于气流的尺寸的填料布局。例如,在一些实施方式中,所述垂直板的厚度(平行于气流的尺寸)约为3米,而其他两个尺寸约为200 米左右(长)和20米(高)。

[0043] 与所述碳捕获设施联用的液体或(X)2捕获溶液可以是能够从环境空气除去至少一些CO2的任意液体。在一些实施方式中,利用碱性溶液。在一些实施方式中,利用KOH或 NaOH溶液。在一些实施方式中,所述KOH溶液的摩尔浓度是小于1摩尔到约6摩尔。在一些实施方式中,所述NaOH溶液的摩尔浓度是小于1摩尔到约6摩尔。可根据多个因素来选择所述溶液的摩尔浓度,包括位置、填料结构、操作条件、设备和(X)2的捕获值。通常选择单位体积具有足够的(X)2吸收容量的液体从而能间歇性流动或润湿填料。

[0044] 在本发明之前,据信环境二氧化碳捕获应采用逆流几何结构的填料塔。比如, 见H. Herzog,“从空气捕获CO2可行性评估”(麻省理工大学能量与环境实验室,2003) ("Assessing the Feasibility of Capturing CO2 from the Air"(MIT Laboratory for Energy and the Environment,2003))。与常识相反,在一些实施方式中显示与包含填料但具有采用逆流设计的圆柱形塔几何结构的常规环境空气碳捕获设施,特别是…中描述的塔形几何结构的碳捕获设施相比,所述碳捕获设施改进了运行成本、资金成本和压降(填料以外的任意地方)中的一种或多种。

[0045] 在一些实施方式中,通过改善从环境风中提取能量以减少能量使用来改善操作成本,例如定向接触器以从风中获得最大能量,其中定向是风向和空气处理设备呈函数关系。 在一些实施方式中,将板定向,从而盛行的风向不与通过填料的碳捕获溶液的流动方向平行(即,盛行的风向不与板的方向平行)。在一些实施方式中,采用错流设计提高从环境空气中提取能量。在一些实施方式中,盛行的风向相对于板的方向在约80度到约100度不等。 总之,应当根据起风和当地地形选择方向从而最大程度减小年平均风扇能量。在一些实施方式中,盛行风向相对于板的方向约为90度。

[0046] 在一些实施方式中,通过用碳捕获液间歇性润湿,而非连续浸渍填料来改善操作成本。在一些实施方式中,使碳捕获液脉冲,该脉冲具有足够的持续时间以将一些用过的溶液(捕获CO2速率降低)从填料冲洗去,并替换以捕获CO2速率更快的新鲜溶液。在一些实施方式中,考虑到系统运行所需的能量和建造系统所使用资金成本,选择脉冲之间的时间以减少或最大程度减少CO2捕获成本。在一些实施方式中,填料的气体入口表面积约为200 米x20米,厚度约为3米,脉冲持续时间从约30秒到约60秒,脉冲之间的时间可以是约1 分钟到约20分钟。在一些实施方式中,脉冲持续时间可以是约60秒到约200秒,脉冲之间的时间可以是约1分钟到约20分钟。在一些实施方式中,泵可开启150秒,关闭240秒。

[0047] 在一些实施方式中,可通过减少每单位容积的占地面积和总结构规模减少资金成本。

[0048] 从空气捕获(X)2的低能耗接触器。本文公开的一些实施方式与三个概念有关:

[0049] 1.与高摩尔浓度苛性溶液联用的低密度商品化整装填料显示足够低的压降从而其对于空气捕获在成本上有效。

[0050] 2.当使用高摩尔浓度苛性溶液时,可利用间歇液流操作此类填料。可利用高速液流(即,匹配制造商提供的说明书的液流)润湿表面,所述表面随后展示出足够的“持液率” 以使其能够从空气中捕获(X)2 100秒,同时捕获效率损失最低。相比于常规对流塔形几何结构,这种操作模式可提高总能量效率三倍或更多,因为基本消除了液体泵送功。在一些实施方式中,在以分钟计的时间跨度内摄取率降低小于30%体现了“捕获效率损失最低”。填料制造商宣称如果液流低于某一阈值(各类填料不同),溶液和气体间的接触会显著下降, 导致摄取率下降10倍甚至最多100倍的多种情形。

[0051] 3.构建大规模接触器,其填料区与总占地面积之比高并与环境空气相互作用,从而最大程度减少或降低低(X)2空气进入接触器入口的再循环。如果建造矩形排列的常规填料塔,从一个单位离开的CO2浓度低于周围的空气会被吸入它的下风向的塔。该塔将随后发生CO2捕获效率降低,但是成本仍然与操作第一塔一样。在任意排列的标准填料塔中(而不是成一列的填料塔),这将影响这些塔的大部分并降低(X)2总的设施捕获(率),却不改变操作成本。如果拥有并操作该系统的成本恒定,但捕获率下降,则每捕获的ω2的成本增加。板形接触器的几何结构每单位空气洗涤容量的资金成本远低于常规“塔形”几何结构可达到的。

[0052] 图6-8提供了证明前两个构思的实验室数据。该数据阐述了商品化整装填料(如 Sultzer 250X)可与高摩尔浓度NaOH或KOH共同操作,例如,以小于全部时间的例如10% (例如,按设计液流速度操作约30秒,然后没有液流约600秒)的脉冲方式流动,而能获得 >80%的设计液流速度获得的捕获率。该数据将使人能够选择特定接触液和填料的最佳循环时间,也将为改善本申请填料设计提供了基础。

[0053] 图6-8公开了采用连续和间歇性液流时,宽浓度范围的NaOH和KOH溶液的性能数据。对于本文所述的任一实施方式,总的机械功需求小于每吨C02 100千瓦时(IOOkWhr/ t-C(^),捕获率大于每年每平方米20吨C02(20t-C02/m2-yr)。尽管本发明各部分强调的是垂直板形几何结构,但本文作为实施方式公开的是两种板形几何结构接触器:垂直板形几何结构(图1)和水平板形几何结构(图2、3和5)。应理解提供该公开的实施方式是为了说明,在任何情况下不应解释为限制。

[0054] 图1说明了一种二氧化碳捕获设施10,包括形成板15的填料12,所述板15具有相对的主表面14,所述相对的主表面14至少部分透风以容许风流过填料12。将至少一个液体源16定向以引导二氧化碳吸收液进入填料12并流过板15。将所述板15安置在与所述相对主表面14之一具有非零入射角的风流18中。可将所述填料12定向以引导二氧化碳吸收液以平行于所述相对的主表面14限定的平面22的平均流动方向20流过板15。应当理解的是,相对的主表面14并不一定是精确平行的。例如,在一个实施方式中,所述表面 14可以是汇聚的、发散的或弯曲的。如附图所示,可将填料12定向以使二氧化碳液体吸收剂在重力作用下流过填料12。在一些实施方式中,填料的尺寸可以是约200米χ约20米χ 约3米,并包含在约200米x25米x7米大小的结构内。在一些实施方式中,尺寸可以是约 10米χ约7米χ约2米到约1000米χ约50米χ约15米。

[0055] 根据图1,所述非零入射角是指风流18以大于零的角度撞击表面14的实际情况。 这可能与传统的填料排列形成对比,其中气体从最底部开始通过填料塔的填料流过。在一些实施方式中,所述非零入射角与相对的主表面之一正交。应当理解,所述非零入射角可以在完全正交的10%以内。所述非零入射角也可表示风流的平均角度。所述风流的平均角度可以是在一段时间内的平均值。

[0056] 根据图2,在一些实施方式中,填料12还包括整装填料。例如,填料12可以在相对的主表面14之间有1-2米厚。在其他实施方式中,填料12可以更厚或更薄。术语整装填料可指一系列专门设计的材料以便用于吸收和蒸馏柱以及化学反应器中。整装填料通常包括薄的波浪形材料M,诸如排列成迫使液体以复杂路径通过柱,从而为不同相之间的接触产生大表面积的金属板或金属网(gauze)。整装填料可以由交叉排列的波浪形片材制造, 以产生气相的流动通道。所述波浪形片材的交叉形成液相和气相的混合点。可使用壁擦拭器(wall wiper)以避免液体和/或气体沿柱壁绕过。绕柱轴旋转各整装填料层可交叉混合使气体和液体流并使它们向所有方向扩散。[0057] 根据图1,所述相对的主表面14可垂直定向。表面14的方向可相对于例如地面来确定。在其他实施方式中,表面14可与地面成一定角度定向,S卩,倾斜的。根据图5,相对的主表面14可以水平定向。该实施方式易于具有比所述垂直板形实施方式更大的占地面积。 根据图9,填料12形成多个板15。例如,多个板也可以是端对端排列的多个板,如相反于图 9所示堆放定向。在一些实施方式中,所述板可以是垂直分区的,从而有效提供了端对端,一个在另一个上面的多个板。这可能是为在如此狭窄的高径比(例如20米高xl. 5米)下得到足够好的液体分布所需的。在垂直的部分之间可以有收集器/分布器系统,收集从上面流下来的液体并将其重新平均分散到下面的填料板。在一些实施方式中,此类收集器/分布器系统可以存在于本文公开的任意板中。

[0058] 根据图1,所述至少一个液体源16还可包括至少一个泵26。泵沈可具有受阀门 (未显示)控制的数个分配管28,以便将液体选择性地施加入填料12的各部分。可将所述至少一个泵26构建成在连续脉冲中提供二氧化碳吸收液。

[0059] 根据图1,可定向至少一个风扇30以影响风流通过填料12的相对主表面14之一的至少一部分。风扇30可以反转。在一些实施方式中,风扇30可以阻止已经流过填料12 的风流循环回来进入填料12。根据图5,在一些实施方式中,至少一个风扇30可驱使风流进入填料12。根据图1,所述至少一个风扇30还可包括多个风扇,所述多个风扇各自定向以影响通过至少填料12各部分的风流。在一些实施方式中,所述各部分应理解为是填料12 中通过风扇30的气流受影响最多的那部分,例如,最邻近或接近风扇30的填料12。提供的所述至少一个风扇30可作为临近相对主表面14中至少一个的风扇壁32的一部分。应当理解,风扇壁(未显示)可临近各表面14。在本文中,临近应理解为表示靠近,可包括其中风扇壁32与表面14隔开,但临近的实施方式(如附图所示)。根据图1,所述风扇32可临近相对的主表面14中风流18穿过其离开填料12的那面。在风扇壁32中,各风扇可被非透过性材料隔开。风扇30产生跨壁32的压降,该压降驱动风流通过填料12。在一些实施方式中,风扇壁32设计成在某风扇失效和最终阻断其各自风流的情况下,穿过填料12的风流几乎不受影响,即使不是完全不受影响。例如,可通过接近地放置相邻的风扇,以及使风扇壁32与填料12隔开来实现。

[0060] 根据图2,设施10还可包括被定向以引导风18流入填料12的风导(wind guide)34。设施10还可包括引导风18流出填料12的风导36。风导34和36可以是例如百叶窗。如图2所示,风导34和36可以是可独立控制的。在图2的实施方式中,风流18 从右侧引向左侧。因此,上风导34打开,而下风导34关闭。类似地,上风导36关闭,而下风导36打开。这样,风流18具有从上风导M到下风导36的净流动,并在该过程中穿过填料12。根据图2,设施10可以是至少部分闭合的结构38的一部分。因为本文所公开的实施方式的性质是它们可涉及大量风的处理,所以将设施10与包括动物和昆虫在内的自然环境隔离可能至关重要。风导36和34连同环绕结构有助于此,所述环绕结构适应于选择性地使风流进入并处理风流。在一些实施方式中,可在填料12之上提供保护性遮盖物(未显示)以阻止动物侵入但允许风流通过。根据图1,可提供清洁装置40以便清洁至少部分闭合的结构38的壁。如图所示,清洁装置40可以是例如绕轴旋转以清洁风扇壁32外部的擦拭器。风导;34和36可被例如水平定向。

[0061] 根据图2,设施10还可包括至少一个风通道42,延伸通过相对的主表面14以选择性地递送风流至相对的主表面14之一。根据图2,风通道42可附有风扇30以影响气流通过风通道42。风通道42允许风穿过表面14,在其中风被释放入凹槽44,在凹槽中风可自由穿过表面14A进入填料12中,并穿过表面14B离开填料12。这样,风流可被引导流过填料 12的平行板的平行表面14。风通道42可以是例如10米高的空气管道。在图示的实施方式中,风通道42是垂直的管道,其中富含CO2的入口空气向下移动。这些管道可覆盖表面积的约1/5(例如,直径约1.2米的管排列成5米间隔网格状)。

[0062] 根据图1,可提供接收器46以收集已经流过填料12的二氧化碳吸收液。根据图 2,所述接收器是所示的凹槽44。凹槽44可以是例如混凝土衬砌的凹槽,其盛有氢氧化物并包含维持填料的支撑物。根据图5,如图所示在填料12和凹槽44之间可以有一个间隙60, 该间隙60可以是例如约1米到1.5米。在一些实施方式中(未显示),接收器46可以是例如直接从填料12运输液体的导管或一系列管线。该类系统可包括漏斗或排水设备,其设计成将液体排进单个导管或导管道网络中。接触的液体随后可通过填料再循环,或可回收随后再循环。根据图4,在一些实施方式中,设施10还包括回收系统48以再生消耗的二氧化碳吸收液。所述合适系统可以是,例如,构成本说明书一部分的附件A中公开的用作回收消耗的二氧化碳液体吸收剂的任意系统。如附录A所公开的,所述二氧化碳吸收液可包括氢氧化物溶液,例如氢氧化钠溶液。液体源16优选提供回收的二氧化碳吸收液。

[0063] 图1和图2说明了一种二氧化碳捕获方法。将二氧化碳吸收液在连续脉冲中施加入填料12。根据图9,每一个脉冲50可包括,例如一个短的时间段,这期间液体源16将液体供应入填料12。各脉冲并不一定是一个很短暂的应用,而可以是一段时间,在这期间提供液体。含有二氧化碳的气体,例如风流18所示的空气流过填料12以将气体中的二氧化碳至少部分吸收入二氧化碳吸收液。施加还可包括泵送。流动还可包括含二氧化碳的气体至少在施加二氧化碳吸收液时流过所述填料。根据图1,可使用例如风扇30来控制气体流动。根据图2,可使用风扇30和风导34和36来控制气体流动。根据图1和图2,在施加二氧化碳吸收液时气体流动受限制最低。根据图1,可以设想,当液体脉冲应用于填料12时, 风扇壁32的风扇30停止旋转和拉动风流通过填料12。

[0064] 在一些实施方式中,所述连续脉冲具有1-50%的负载循环(duty cycle)。在其他实施方式中,诸如图9所示的,负载循环可以是例如5%。所述负载循环指施加液体的脉冲持续时间与周期总持续时间之比。例如,50%的负载循环指液体仅在设施运转的一半时间内流动。这表示所述脉冲作用时间占系统运转时间的1 %到50 %,因此1 %的负载循环是指液体每流动1秒钟就关闭100秒钟。在更多实际的数值中,液流开启30秒并关闭3000秒, 并且50%的负载循环指泵运转30秒,随后关闭30秒。在一些实施方式中,所述连续脉冲具有10-1000秒的关闭时间。在其他实施方式中,所述连续脉冲具有100-10000秒的关闭时间。

[0065] 根据图1,所述施加步骤还可包括在第一连续脉冲中将二氧化碳吸收液施加入填料12的第一部分,并在第二连续脉冲中将二氧化碳吸收液施加入填料12的第二部分。通过分配管28A和28B将液体选择性施加于填料12来设想这点。因为管28A和28B仅供应填料12的一部分(即最左面的部分),所以液体仅施加于该部分。然后通过管28C和28D 施加液体,从而将液体选择性地施加到填料12的右手部分。例如,所述第一和第二连续脉冲可以是彼此同步的、异步的、完全不同的、或同步异相的,从而允许从连续运转的泵中间歇性地提供液体。在这些实施方式中,气体流动还可包括当未施加二氧化碳吸收液时至少限制含二氧化碳的气体流过填料的第一部分,以及当未施加二氧化碳吸收液时至少限制含二氧化碳的气体流经过填料的第二部分。这样,当所述第一部分施加有液体时,例如液体经过管28A和28B施加于表面14的左手部分时,气体流动可被整个限制或停止通过表面14 的左手部分。这可通过例如减缓、停止、或甚至反转风扇30A和30B来实现。类似地,当第二部分施加有液体时,例如液体正经过管28C和28D施加于表面14的右手部分时,所述气体流可被整个限制或停止通过表面14的右手部分。这可通过例如减缓、停止、或甚至反转风扇30D和30E来实现。

[0066] 在一些实施方式中,所述第一连续脉冲和第二连续脉冲是交错的。根据图2,这可以是有益的,如上所述,当表面14的左部分施加有液体时,右手部分和中间部分就没有。 类似地,当左手部分的液体供应停止时,液体源16随后可将液体施加至例如中间或右手部分。这样,液体源16可以更有效的方式将液体循环供给填料12的整个体积,而不是将液体连续供给填料12的整个体积体液。根据图5,还可构想具有水平板填料12的此类实施例。 在这个实施方式中,可控制所述风流过任意的风管42,以便获得与上述具有垂直板的实施方式相同的效果。图2说明的实施方式中只有一个风管42A有风正沿其驱动往下。这可通过例如选择性开动风扇30A来实现。这样,最接近风管42A出口的填料12可具有供给其的气流。

[0067] 在一些实施方式中,所述连续脉冲的关闭周期(off-cycle)可小于或等于用于二氧化碳吸收液在一个脉冲以后停止从填料排出所花的时间。应当是理解的是,这不是全部脉冲从填料12除去所需的时间,因为一些液体总会残留在填料12中。在其他实施方式中, 连续脉冲的关闭周期时间可小于或等于二氧化碳吸收液的脉冲损失70-80%的脉冲二氧化碳吸收容量所花的时间。

[0068] 根据图1,可定向所述填料以使二氧化碳吸收液以平均液流方向20流过填料12。 流动还可包括使气体与平均液流方向20倾斜或垂直地流过填料12。如上所述,当气流相比于液体的平均液流方向20具有不同的流动方向并且不与所述液体平均液流方向20对流时是有益的。因此,可采用较大的填料表面积以在一定时间内有助于大大增加接触填料12 中液体的风或气体的量同时仍允许液体通过并排出填料12。在这些实施方式中,板并不是完全必要的,实际上也设想了填料12的其他形状,包括但不限于立方体、圆柱体以及其他各种形状。根据图1,在一些实施方式中,使气体流动还包括使气体垂直于平均液流方向20 流过所述填料12。应当理解并不需要精确的垂直。使流动还可包括使所述气体流过相对主表面14中至少一个,例如所示的通过表面14的两个表面。

[0069] 如上所述,这些方法可以包括回收二氧化碳吸收液。仍然如上所述,该方法可以包括影响气体流过填料。影响可以包括,例如阻止已经流过填料12的气体循环回来进入填料 12。影响还可包括驱动气体流向至少部分根据环境风流方向定向的驱动方向。这可以使用风扇30来实现,所述风扇30可以是可反转的以便实现该功能。此外,这些方法可包括,例如使用已公开的百叶窗来引导气体流进或流出所述填料。

[0070] 根据图1,在一些实施方式中,风扇30可以是可反转的从而可驱动气流朝向环境风场,这比引导气流面对盛行风向更有效率。根据图4,板15的定向可以使得盛行风18垂直于板15,并且风扇壁(未显示)工作最有效的方向。填料设计可使用垂直方向的板。这是对,例如能够使得液体和气体流动方向正交的常规整装填料设计的改进。填料可以用于间歇性液体流动,从而最大程度提高填料内液体吸收剂的持液率。根据图1,如上所述,所述风扇壁32可分区,从而在液体流动时降低或终止(气体)流动速度以便最大程度减少流动液体损失。各分区可非同步操作以使一次只有一个分区接受液流,从而能使液体泵连续运转。例如,如果1000秒中需要100秒的液体流动,可以分成11个部分,并引导液体一次进入其中一个。

[0071] 与平行的板几何形状相比,垂直板:最大程度减小每单位容量的占地面积和总的结构规模以减少资金成本,降低峰值速度(peak velocity),改善效率,以及使得填料能够以较高的峰值速度操作以进一步减少资金成本。

[0072] 如上所示,一些实施方式可包括使用百叶窗以驱动气流朝向环境风向而不改变风扇的运转。根据图5,填料设计可使用共轴气流或对流气流,同时仍然能从较大的板表面积获益以便增加流过平板的风量。所述流动几何特征甚至可以得到流过安装在液体蓄器之上的大平行板的气流,同时保持空气速度低于约5米/秒。空气速度的限制决定了所述结构的高径比。具体地说,高度/宽度大约等于填料中空气速度/出口处的空气速度。相比于垂直板几何结构,平行板的占地面积更大,成本可能更高,但是其益处是可以使用更多常规填料和液体分布。

[0073] 图4的草图阐述了具有8个捕获单位的英里X英里的网格(例如北美洲大草原上的道路),每个捕获单位具有,例如300X50m占地面积的设施10以及具有连接管道56的中心处理站48。该规模的系统每年有望捕获1-5兆吨C02。

[0074] 图3显示了完整单元,例如50米宽乘300米长乘20米高的视图。在一些实施方式中,所述平板的高度可以是10-30米如果风从右向左吹,使用者可以打开百叶窗,以使入口空气从右下方流进并从左上方流出。(这和图2所示的交叉部分所显示的相反)。顶部58 可以是粗糙的,就像这里所示的之字形设计,其在结构上是有效率的。在一些实施方式中, 所述顶部58不需要防水,它只需要防止风负载。根据图5,液体源可以是例如填料12顶部的液体分配系统。

[0075] 图1显示了另一二氧化碳捕获方法。二氧化碳吸收液以平均液流方向20流过填料12,包含二氧化碳的气体与平均液流方向20倾斜或垂直地流过填料12以将气体中的二氧化碳至少部分吸收入二氧化碳吸收液。使二氧化碳吸收液流过填料12还可包括在连续脉冲中将二氧化碳吸收液施加入填料12。所述连续脉冲已经在本文件通篇详细公开,在此无需赘述。如上所述,使气体流动还可包括使气体垂直于平均液流方向20流过填料12。

[0076] 本发明还公开了使液体和气体相接触的方法,包括在连续脉冲中将液体施加入填料12并使气体流过填料12。根据图8,在施加脉冲50后,各曲线向下的斜率表示(X)2仍然被正在缓慢排出或停滞的液体吸收。这说明填料12的设计是高效的,因为其连续有效率地使气体和液体接触而不需要持续的泵送。图6和7说明并对比了持续液流(由y轴上的点图示)和单个脉冲液流(由描绘出的线图示)的CO2捕获效率。时间尺度是关闭脉冲液流的流动后的时间。向下的斜线显示了 200-1000秒内捕获效率逐渐下降,但是说明即使经过了数百秒,液体仍有高捕获效率。尽管在本文的一些实施方式中也构想了该方法,其并不如脉冲方法有效,因为需要更多的泵送动作。因此,脉冲方法可以适用于任意气体-液体接触器,因为本文已经证明尽管缺少持续的泵送,其仍可提供足够的气体-液体接触。该方法的示例性应用见,例如冶炼厂的洗涤单位。应当理解的是,所述气体-液体接触器可以具有本文公开的二氧化碳捕获设施的所有相同特征。

[0077] 本发明还公开了使液体和气体相接触的方法,包括使液体以平均液流方向流过填料,并使气体与平均液流方向倾斜或垂直地流过填料。该方法可通过附图所示实施方式来实现。与所述气体-液体接触器类似,图6-8的结果确认了该方法可适用于任何气体-液体接触系统。通过使气体以某一角度流过填料,可极大简化采用该方法的该接触器结构,因为气体入口和出口可位于填料中的不同位置,而不是液体源和水槽。这与以液流的对流方向供应气体的先前系统形成相反。应当理解的是,该方法可以具有本文公开的二氧化碳捕获方法的所有相同特征。例如,使液体流过填料还可包括在连续脉冲中将液体施加入填料。 此外,使气体流动还可包括使气体垂直于平均液流方向流过填料。

[0078] 图1还公开了气体-液体接触器(由设施10图示)。根据图1,接触器(图示为设施10)包括形成板15的填料12,所述板15具有相对的主表面14,所述相对的主表面14 至少是部分透风的,以使风可以流过填料12。定向至少一个液体源16以引导液体进入填料 12并流过板15。所述板安置在风流18中,风流18和相对的主表面14之一具有非零入射角。类似于所述气体-液体接触器和上述方法,图6-8的结果证实了该方法可适用于任意气体-液体接触器。应当理解的是,该气体-液体接触器可具有本文公开的二氧化碳捕获设施和接触器的所有相同特征。

[0079] 图1还公开了一种气体-液体接触器(由设施10图示),包括板15结构,板15包括填料12以及被定向以引导液体以平均液流方向20流入填料12的液体源16。所述板结构安置在风流18中,风流18与平均液流方向20倾斜或垂直地流动。类似于所述气体-液体接触器和上述方法,图6-8的结果证实该方法可以适用于任何气体-液体接触器。应当理解的是,该气体-液体接触器可具有本文公开的二氧化碳捕获设施和接触器的所有相同特征。

[0080] 图1公开了使液体和移动的气体(图示为风流18)相接触的方法。该方法包括使液体流过填料12,并驱动移动的气体以驱动方向通过填料12 (图18B所示,与该实施方式中的风向18相同),驱动方向至少部分根据移动气体的环境流动方向18定向。在一些所示实施方式中,所述流动气体是风,并且环境流动方向是环境风向18。该方法还可包括当环境流动方向18反转时反转驱动方向18B。以此方式反转风扇方向(或更通常的,反转迫使通过填料的气流)以驱动至少部分根据环境风18定向的矢量方向空气可减少所需的风扇能量。 另外,这可减少回收进入系统入口的低CO2空气量,从而改善其效率。因此,排列填料以使相对主表面14之一大体垂直于盛行风,从而最大程度增大风扇的效率是有益的。

[0081] 在本文件中,风流应理解为包含(X)2的移动空气。

[0082] 产生碳信用

[0083] 采用本文所述方法从包含二氧化碳的气体中吸收的碳可等同于例如环境信用额, 如碳信用额。通过为年度排放总量设置上限并让市场为可交易的单位分配货币价值,将碳信用额用来为减少温室气体排放提供激励。本文所用的碳信用额包括在申请时由适当条款定义的碳信用额,但不限于此。碳信用额还涉及任何类型的用于估价吸收的碳量、减少的温室气体排放量或任何其他类型的碳中性或碳负性行为的有形或无形现金、股票、债券、票据、或其他可交易或可销售的单位。类似的环境信用额,例如可应用于实现环境土地实践相关的最佳实践。

[0084] 可通过例如申请并接收减少的碳排放量(例如吸收的碳量、没有释放到大气中的 CO2和其他温室气体量)的认证来获取碳信用额。该信用额的质量部分依赖于作为碳项目赞助者的基金或开发公司的认证过程和复杂性。参见例如,美国专利公布号2002/0173979 和2007/0073604中证实和估价碳信用额的代表性方法。碳信用额可在公司间交换或以现行市场价在国内或国际市场买卖。另外,公司可出售碳信用额给自愿抵消其碳足迹的感兴趣商业或个人客户。这些公司可以从例如多个单个项目中收集了碳信用额的投资基金或碳开发公司购买信用额。

[0085] 申请、获得和/或批准一个或多个碳信用额的过程可以包括或不包括采取实际的措施。只是作为举例,在欧洲,各碳信用额的转让由ETS批准,各国际转让由联合国气候变化框架公约(UNFCCC)批准。

[0086] 在权利要求中,词语“包括”以包括性含义使用,并不排除存在其他要素。权利要求特征前的不定冠词“一(种/个)”不排除存在多于一个的特征。本文所述的各单独特征可用于一个或多个实施方式,不应仅根据本文所所述解释为权利要求限定的所有实施方式必需的。

Claims (22)

1. 一种从环境空气中除去二氧化碳的二氧化碳捕获设施,包括:至少一种有二氧化碳吸收能力的液体;至少一种相对于液体具有持液率的填料;和至少一个使液体流过所述填料的泵,该泵被配置成刻意改变流速以产生平均流速,其中选择所述液体的容量和所述填料的持液率以相互协作,从而实现与其中泵以平均流速持续运转的类似的二氧化碳捕获设备相比,二氧化碳捕获率提高。
2.如权利要求1所述的二氧化碳捕获设施,其特征在于,所述填料形成板,所述板具有相对的主表面,所述填料被定向以引导液体以平行于所述相对的主表面限定的平面的平均流动方向流过所述板。
3.如权利要求2所述的二氧化碳捕获设施,其特征在于,其所述填料被定向以使所述二氧化碳液体吸收剂在重力作用下流过所述填料。
4.如权利要求1所述的二氧化碳捕获设施,其特征在于,所述填料包括整装填料。
5.如权利要求2所述的二氧化碳捕获设施,其特征在于,所述相对的主表面垂直定向。
6.如权利要求2所述的二氧化碳捕获设施,其特征在于,所述相对的主表面限定的所述填料的厚度为约1米到约3米。
7.如权利要求2所述的二氧化碳捕获设施,其特征在于,所述设施还包括至少一个风扇,所述风扇被定向以影响风流,使其穿过所述填料的相对主表面之一的至少一部分。
8.如权利要求7所述的二氧化碳捕获设施,其特征在于,所述至少一个风扇中的至少一个是可反转的。
9.如权利要求6所述的二氧化碳捕获设施,其特征在于,所述至少一个风扇作为毗邻至少一个所述相对的主表面的风扇壁的一部分而提供。
10.如权利要求1所述的二氧化碳捕获设施,其特征在于,所述设施还包括包含所述填料的模块结构,所述二氧化碳捕获设施包括数个彼此相连的模块结构。
11.如权利要求6所述的二氧化碳捕获设施,其特征在于,所述设施还包括包含填料的模块结构,其中各模块结构的尺寸为约5米X约5米X约7米,所述模块结构互相连接获得二氧化碳捕获设施,其中所述填料占据约200米X约20米X约3米的尺寸。
12. 一种捕获环境二氧化碳的方法,包括:采用风能或风扇中的至少一个弓I导环境空气通过包含在二氧化碳捕获设施中的填料;和,利用泵改变二氧化碳流动液的流速以使所述二氧化碳吸收液以平均速率施加于所述填料,其中所述流速在第一速率和至少一个第二速率间变化,其中所述第一速率高于所述至少一个第二速率,且所述至少一个第二速率可以为零;和与利用泵使二氧化碳吸收液以平均流速恒定流过所述填料的类似方法相比,将二氧化碳捕获入所述液体的捕获率增加;或者,与利用泵使二氧化碳吸收液以平均流速恒定流过所述填料的类似方法相比,将二氧化碳捕获入所述液体并改善清洁所述填料表面的效率。
13.如权利要求12所述的方法,其特征在于,所述液体以相对于气流方向的错流模式流动。
14.如权利要求12所述的方法,其特征在于,所述至少一个第二速率是仅有的一个第二速率并且该第二速率为零,从而液体流动的改变包括在连续脉冲中将液体施加给填料,以及所述连续脉冲具有约1到约50%的负载循环。
15.如权利要求14所述的方法,其特征在于,所述连续脉冲具有约10秒到约1000秒的关闭时间。
16.如权利要求15所述的方法,其特征在于,所述连续脉冲具有约100秒到约10000秒的关闭时间。
17.如权利要求14所述的方法,其特征在于,施加包括:在第一连续脉冲中将所述二氧化碳吸收液施加入所述填料的第一部分;和在第二连续脉冲中将所述二氧化碳吸收液施加入所述填料的第二部分。
18.如权利要求17所述的方法,其特征在于,所述第一连续脉冲和第二连续脉冲是相互交错的。
19.如权利要求14所述的方法,其特征在于,所述连续脉冲的关闭周期小于或等于脉冲后二氧化碳吸收液停止从所述填料流出所花的时间。
20.如权利要求12所述的方法,其特征在于,定向所述填料以使二氧化碳吸收液以平均液流方向流过填料,并且引导气体空气与平均液流方向倾斜或垂直地通过填料。
21.如权利要求20所述的方法,其特征在于,引导气体空气与平均液流方向垂直地通过填料。
22. —种产生碳信用额的方法,包括:采用风能或风扇的至少一种引导环境空气通过包含在碳捕获设施中的填料;利用泵改变二氧化碳流动液的流速从而将所述二氧化碳吸收液以平均速率施加于所述填料,其中所述流速在第一速率和至少一个第二速率之间变化,其中所述第一速率高于所述至少一个第二速率,且所述至少一个第二速率可以为零;和,将二氧化碳捕获入所述液体,从而产生基于从环境空气所除去二氧化碳的碳信用额, 其中与利用泵使二氧化碳吸收液以平均流速恒定流过所述填料的类似方法相比,二氧化碳的捕获率增加;或者,与利用泵使二氧化碳吸收液以平均流速恒定流过所述填料的方法相比,将二氧化碳捕获入液体并改善清洁所述填料表面的效率。
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