CN102963893B - Co2收集方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称是CO2收集方法和系统。公开了收集二氧化碳的方法和系统。在一个实例中，方法包括用冷凝器和干燥剂材料从大气中去除水以产生干燥空气、从干燥空气中将二氧化碳吸附至材料、将所吸附的二氧化碳释放至真空室和在真空室内将所释放的二氧化碳从气体转化为固体。

Description

CO2收集方法和系统
技术领域
本公开的领域一般地涉及二氧化碳(CO2)收集，并且更具体地涉及用于从大气中收集CO2的方法和系统。
背景技术
收集CO2用于许多用途。通常，开采CO2的天然来源以收集CO2用于各种工业用途。CO2也作为工业过程的副产物被收集以及为了从空气供应中去除过量CO2而收集。
大量CO2被用于提高采收率法采油(EOR)中。现今，石油正从许多已被废弃但仍具有大量原油的油井中被提取出来。一般地，在一次采油阶段期间油井仅提供其石油的大约30％。可使用二次采油技术如注水开发以升高地下压力而开采另外的20％。EOR提供了已用于从地下油层中开采另外20％或更多石油的三次采油技术。EOR阶段涉及将非常大量的气体注入地层，然后连同开采的石油一起回收许多气体。由于CO2能与原油混合并且使石油具有充分更小的粘性和更容易提取，所以CO2是优选气体。进行这些EOR操作需要大量的资本投资以获取地层内的残余石油。但是，目前的油层产量的下降和升高的石油价格使得今天EOR更加经济上可行，其引起对于CO2的巨大需求。
通常，用于工业过程如EOR中的CO2例如从天然来源或人为来源被收集并且被输送至它将被使用的位置。可通过罐、管道或其它适合的输送方法输送CO2。在许多情况中，使用的位置远离CO2收集的位置，因此增加了CO2使用者的成本。
发明内容
根据本公开的一个方面，收集二氧化碳的方法包括用冷凝器和干燥剂材料从大气中去除水以产生干燥空气、从干燥空气中将二氧化碳 吸附至材料、将所吸附的二氧化碳释放至真空室、以及在真空室内将所释放的二氧化碳从气体转化为固体。
在另一方面，用于收集二氧化碳的设备包括多个被配置来产生进入设备的大气流的气体输送装置(air moving device)，和用于从大气流中去除水的冷凝器。设备包括从大气流中去除其它水以产生基本上干燥的空气的干燥剂，和用于将干燥空气中的二氧化碳吸附至接触室中的材料的接触室。设备包括用于将所吸附的二氧化碳从所述接触室中抽出并将所抽出的二氧化碳从气体转化为固体的真空室。
在又另一方面，用于收集二氧化碳的设备包括多个被配置来产生进入设备的大气流的气体输送装置。设备包括用于从大气流中去除水的冷凝器、被配置来从来自冷凝器的气流中提取二氧化碳的第一收集组件、和被配置来从来自所述冷凝器的气流中提取二氧化碳的第二收集组件。设备包括被配置来将来自冷凝器的气流交替地引导至第一收集组件和第二收集组件的控制器。
已讨论的特征、功能和优势可在各种实施方式中独立地完成或可在其它实施方式中结合，参照下列说明和附图可理解这些实施方式的进一步细节。
附图说明
图1是收集二氧化碳的实例方法的流程图。
图2是根据图1中显示的方法用于收集二氧化碳的实例设备的方框图。
图3是根据图1中显示的方法用于收集二氧化碳的另一实例设备的方框图。
图4是用于收集二氧化碳的另一实例设备的图。
图5是使用图4中显示的设备收集二氧化碳的方法的流程图。
具体实施方式
如本文使用，以单数叙述以及用词语“一个”开始的元件或步骤应当理解为不排除多个元件或步骤，除非这种排除被明确地叙述。而且，提及本发明的“一个实施方式”或“示例性实施方式”不意欲解释为排 除同样并入所叙述特征的其它实施方式的存在。
本文描述了用于收集二氧化碳(CO2)的方法和系统。虽然就提高采收率法采油(EOR)和固定位置CO2收集厂中的应用描述了系统和方法，但本公开的方面可用于其它领域和应用中。而且，本文描述的方法和系统可放大或缩小以用于各种其它领域和应用中，包括可移动的或便携的CO2收集设备中的应用。本文描述的实施方式可提供比一些已知CO2收集方法增加的CO2产量。此外，所述的实施方式可在具有比一些已知方法能够操作的环境含更大水含量的大气的环境中提供CO2收集。而且，所述的实施方式提供水作为CO2收集的副产物并且与在收集CO2的过程中通过实施方式产生的CO2相比从环境中去除更多的CO2。
更具体而言，参照附图，图1是收集CO2的示例性方法——一般地通过指代数字100表示——的流程图。方法100包括用冷凝器和干燥剂材料从大气中去除102水以产生干燥空气。从干燥空气中将二氧化碳吸附104至材料，以及将所吸附的二氧化碳释放106至真空室。方法100包括在真空室内将所释放的二氧化碳从气体转化108为固体并且将固体CO2转化110为气体以便从真空室抽出。
图2是用于如通过上述方法100收集CO2的示例性设备200的方框图。大量的大气被吹过冷凝器202，所述冷凝器202从空气中去除大部分水。然后将较干燥的空气引导通过干燥室204，所述干燥室204含有干燥剂以基本上去除空气中所有残余的水。空气接下来进入接触室206，其包括从干燥空气中吸附CO2的材料。当足够量的CO2已被吸附至材料时，将所吸附的CO2释放至真空室208。将真空室208中的气态CO2转化为真空室208中的固体。
冷凝器202和干燥室204基本上去除空气中含有的所有水以产生用于收集CO2过程的剩余步骤中的干燥空气。从空气中去除的水作为该过程的副产物被收集。然后所收集的水可用于任何适合的用途。
干燥室204含有干燥剂材料以从已通过冷凝器202的空气中基本上去除所有残余的水。在示例性实施方式中，干燥剂材料是分子筛材料。在一些实施方式中，干燥剂材料是具有碱金属硅铝酸盐结构的分子筛材料，其具有3埃的有效孔口。在其它实施方式中，可使用其它 干燥剂材料，其包括例如具有不同结构和/或有效孔径大小的分子筛材料。可使用适于基本上去除通过冷凝器202的空气中残余的所有水的任何干燥剂材料。
接触室206包括从干燥空气中吸附CO2的材料。在示例性实施方式中，该材料是分子筛材料。在一些实施方式中，分子筛材料是具有10埃有效孔口大小的分子筛材料。在一些实施方式中，分子筛材料是沸石材料。在其它实施方式中，材料可以是适于从干燥空气中吸附CO2的任何材料。
在示例性实施方式中，通过使材料经历真空将所吸附的CO2从接触室206内的材料中释放。在一些实施方式中，接触室206基本上与气流隔离，并且通过真空室208将真空施加至接触室206。将所吸附的CO2从接触室206内的材料上释放至真空室208。
在真空室208内，气态CO2转化为固体。在示例性实施方式中，使用真空室208中的表面将CO2转化为固体，所述表面被冷却至足够低的温度以引起气态CO2在冷表面上固化。在一些实施方式中，真空室包括指形冷冻器，冷却剂通过指形冷冻器以降低指形冷冻器的外表面的温度，在指形冷冻器的外表面上CO2固化。在其它实施方式中，可使用任何其它适合的技术以固化所释放的CO2。
可通过任何适合的收集方法收集真空室208内的固体CO2。在示例性实施方式中，固体CO2被转化回气体并被提取用于贮藏和/或运输。通过升高真空室208内的温度直至固体CO2转化为气态CO2，将固体CO2转化为气体。在其它实施方式中，可利用使固体CO2转化为气体的任何其它适合的方法。
图3是根据方法100用于收集CO2的另一示例性设备300的方框图。设备300包括冷凝器202、干燥室204、接触室206和真空室208。设备300还包括干燥室304和接触室306。干燥室204和接触室206形成第一收集组件310，同时干燥室304和接触室306形成第二收集组件312。第一收集组件310和第二收集组件312的每一个可用于以上述方式从来自冷凝器202的气流中提取二氧化碳。第一收集组件310和第二收集组件312的每一个也可被描述为收集通道或通路。
控制器314控制设备300的操作并且将来自冷凝器202的气流交 替地引导至第一收集组件310和第二收集组件312。例如，在操作第一收集组件310基本上如上关于设备200所讨论的周期后，控制器314可关闭第一收集组件310并且打开第二收集312。来自冷凝器202的空气进入干燥室304并且如上关于设备200所述的进行干燥。干燥空气然后进入接触室306，在此CO2吸附至接触室306内的材料。在这正在发生的同时，干燥室204被再生以去除来自它的最后周期的收集的水(图3中未显示)。
当足够的CO2已吸附于接触室306内时，控制器314将接触室306与来自冷凝器202的气流隔离，并且连接彼此流体连通的接触室206和306。由于它的最后周期，接触室206比接触室306处于更低的压力下，并且使接触室206和306内的压力相等。控制器314流体地连接真空室208与接触室306并减小接触室206和306内的压力以从接触室306中的材料释放CO2。
当基本上所有CO2已从接触室306释放至真空室208时，关闭接触室206和306之间的连接。然后，控制器314可将来自冷凝器202的气流引导至第一收集组件310以用第一收集组件310开始提取过程，同时第二收集组件完成收集过程，并且再生干燥室304内的干燥剂。在真空室208内，以上述方式将气态CO2转化为固体。当基本上所有所吸附的CO2已被提取至真空室208时，关闭接触室306和真空室208之间的连接，并且控制器314增加真空室208内的温度以将固体CO2转化为气体。然后，CO2气体从真空室208中被提取至外部贮藏设备或管道(未显示)。
图4是根据本公开的一个或多个方面用于收集二氧化碳的另一实例设备或系统400的图。图5是用于收集二氧化碳的设备如设备400的操作的流程图500。
设备400包括冷凝器格栅402、第一收集组件410、第二收集组件412和真空室408。第一收集组件410和第二收集组件412每一个包括干燥室404和接触室406。第一收集组件410和第二收集组件412每一个还可被描述为收集通道或通路。第一收集组件410和第二收集组件412每一个包括多个闸门414以基本上密封干燥室404和/或接触室406。系统控制器420控制设备400的操作。在操作期间，当一个收集 组件410或412正在从大气中收集CO2时，另一个收集组件412或410正在通过从接触室406内释放CO2并且通过将干燥室404内的干燥剂干燥以释放它收集的水而再生。
设备400包括多个放置来形成通过冷凝器格栅402的大气流的气体输送装置416。在示例性实施方式中，气体输送装置416是风扇组件。在一些实施方式中，气体输送装置416是具有向后倾斜的风机叶片(fanblade)的工业级直接驱动、双宽度、双入口的风扇，其从设备400外部吸引空气。在示例性实施方式中，设备400包括空气过滤组件418。空气过滤组件418包括一个或多个过滤器，其放置来过滤通过气体输送装置416吸入设备400中的外部大气。
在示例性实施方式中，冷凝器格栅402包括冷凝器或冷凝脱水器，其通过使用含有冷氮的层流换热器使冷凝器格栅402的表面温度降低至露点以下而降低空气中的水含量。水在换热器上从大气中冷凝并作为次要产物被收集。在一些实施方式中，冷凝器格栅402减少空气中的水含量90％。
根据收集和再生的周期，控制器420将来自冷凝器402的输出空气转移至收集组件410和412。每个收集组件410和412中的干燥室404基本上去除从冷凝器402流出的空气内的所有残余的水。水在收集阶段中被干燥室404内的干燥剂捕获并在操作周期的再生阶段中被释放。每个干燥室404可被独立地并且周期地密封以再生。干燥室404的再生利用来自其它操作——如真空泵和低温冷却泵——的残余的真空和残余的热。在示例性实施方式中，捕获水的干燥剂材料是分子筛材料。在一些实施方式中，分子筛材料具有含3埃有效孔口的碱金属硅铝酸盐结构。
每个接触室406含有在其上吸附从干燥室404进入接触室406的干燥空气中的CO2的材料。在示例性实施方式中，该材料是分子筛材料。在一些实施方式中，材料包括具有10埃有效孔口大小的沸石13X分子筛材料。在CO2已吸附至接触室406中的材料后，CO2再生阶段开始。通过关闭闸门414基本上将接触室406与来自冷凝器402的气流隔离。打开连接第一集器组件410和第二收集器组件412的接触室406的阀(未显示)以连接两个接触室406。当一个收集器组件410或412 处于周期的收集阶段中时，另一个收集器组件412或410处于或已刚刚完成周期的再生阶段。处于再生阶段的收集器组件410或412的接触室406准备开始其收集阶段并且处于低压下。当两个接触室406通过打开连接它们的阀被连接时，两个接触室406内的压力相等。在一些实施方式中，该压力等于大约一半的大气压力。真空泵422通过真空室408从接触室406提取室空气并将空气排至设备400外部。真空泵422进一步降低接触室406内的压力，直至压力对于吸附剂材料足够低以将CO2释放至真空室408。
真空室408从接触室406提取CO2气体并通过使用冷壁表面捕获CO2作为固体。在示例性实施方式中，真空室包括指形冷冻器424。压缩机426压缩通过指形冷冻器424的冷却剂。在示例性实施方式中，冷却剂包括液氮。液氮降低指形冷冻器424的温度至华氏负150度以下。在冷却剂通过指形冷冻器424后，在返回压缩机426之前，冷却剂被传送通过冷凝器402。将指形冷冻器424的表面冷却至足以引起真空室408内的CO2从气态转化为固态的温度。从气态CO2至固体CO2的转化甚至更多地降低了真空室408内的压力，其从接触室406提取甚至更多的CO2。当大部分CO2已经从接触室406中被抽出时，关闭两个接触室406之间的阀。
为了从真空室408提取固体CO2，将真空室408与接触室406隔离，关掉指形冷冻器424的冷却，并加热至真空室408，直至固体CO2转化为气态。在示例性实施方式中，使用真空室408内的电阻加热器428加热至真空室408。在其它实施方式中，可使用能够控制真空室408的加热的其它加热装置。从固体至气体的转化增加了真空室408内的压力。打开至外部压缩机428的阀(未显示)并通过外部压缩机426将气态CO2提取至外部贮藏设备或管道(二者未显示)。
在接触室406材料的再生期间，干燥每个干燥室404内的干燥剂材料。在干燥室404由于来自冷凝器402的空气而接近饱和后，使用闸414密封干燥室404。打开干燥室404和冷凝室430之间的阀(未显示)。真空泵422在冷凝室430上抽吸，从而将干燥室404内的干燥剂材料的水吸出并吸入冷凝室430内。在干燥剂是干燥的之后，关闭阀，并且打开另一阀(未显示)以从冷凝室430排出水，以及将水送至与来自 冷凝器402的水一样的贮藏处。结果，水从冷凝器402和干燥室404中被收集。
系统控制器420监控系统操作参数以及环境参数如大气温度、压力和湿度。系统控制器420使用该信息以控制收集周期时间以及通过冷凝器402的冷却剂流。系统控制器420开启制动器以开启闸门和阀，从而操作设备400。在一些实施方式中，系统控制器420包括在启动时运行详细的系统操作测试的机内测试(built-in-test)(BIT)程序。在一些实施方式中，系统控制器420持续地监控系统操作并在显示板(未显示)上向用户显示当前的状态。在一些实施方式中，通过具有视觉和声音警报的系统控制器420警报设备400的故障。在一些实施方式中，系统控制器420可在故障发生时部分地或完全地自动关闭设备400。
在一个实例中，在具有大约四十英尺乘五十英尺的占地面积的平房内执行设备400。在该实例实施中，设备400包括每分钟产生大约五百万立方英尺的总气流的20个风扇416。该实施每天收集超过一百吨的CO2。对于收集的每一个100吨的CO2，在考虑为设备400供电的发电厂产生的CO2之后，该实施从大气中去除大约六十至七十吨的CO2。
总之，并参照图5中的流程图500，用于收集二氧化碳的设备如设备400的一个通道的操作，始于风扇将空气吹入水冷凝器。低温冷却剂流过冷凝器以冷凝来自空气的水。闸门将空气送入接触器敞开通道并且空气进入敞开通道内的分子筛干燥剂。现在是干燥的空气进入通过13X分子筛收集CO2的开口接触室。干燥空气通过开口接触室。在已收集足够的二氧化碳之后，接触室和干燥室与引入的气流隔离。抽空干燥室，将收集的水送至贮藏处，并且干燥干燥室内的干燥剂。同时，真空泵在接触室中形成部分真空，并将提取自收集室的空气排至外部。关闭至外部的空气排放口，并且收集室内的真空引起所收集的CO2从分子筛中被释放并在真空室内被收集。CO2在真空室内的指形冷冻器上凝固。使用低温冷却剂将指形冷冻器冷却至大约华氏负一百零九度。低温冷却剂循环通过指形冷冻器，然后传送至上述的冷凝器中。当已从接触室中提取基本上所有的CO2时，接触室与真空室隔离，并加热真空室。固体CO2转化为气体并且被管送至贮藏罐。如上所述， 设备400包括两个通道或通路，其以并行交替的循环操作。因此，当密封一个通道以提取所收集的CO2时，打开另一个通道以接收风扇吹来的空气并收集CO2。
本文所述的系统和方法可放大或缩小以满足期望的CO2捕获。例如，减少进入系统的气流——如通过使用更少或更小的风扇——将减少每天收集的CO2的量，但是可导致更小尺寸的系统。同样地，增加气体输送装置的数量、使用提供更大气流的风扇等可增加每天收集的CO2，伴随着系统尺寸的增加。此外，可使用多于两个的收集组件。例如，系统可包括成对周期地操作的4个收集组件(例如，两个收集组件用于收集和两个收集组件用于再生)。
在一些实施方式中，可在所收集的CO2将被利用的位置处或附近执行本文所述的系统和方法。例如，如果收集的CO2将用于EOR中，可在将进行EOR的油田执行该系统。此外，可在位于现有管道处或附近执行示例性系统，从而减少运输和/或管道成本。
因此，示例性实施方式可提供比一些已知CO2收集方法增加的CO2产量。此外，所述的实施方式可在具有比一些已知方法能够操作的环境含更大水含量的大气的环境中提供CO2收集。而且，所述的实施方式提供作为CO2收集的副产物的水并且与在收集CO2的过程中通过实施方式产生的CO2相比从环境中去除更多的CO2。因此，本公开的实施方式可从大气提供经济上可行的、环境友好的CO2收集。
该书面说明书使用实例以公开各种实施方式——其包括最佳模式，使得本领域任何技术人员能够实践那些实施方式，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。专利范围通过权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果它们具有未区别于权利要求的文字语言的结构元素，或如果它们包括具有与权利要求的文字语言无实质差异的等同结构元素，这种其它实例意欲在权利要求的范围内。
可要求保护可选实施方式，如下；
A10.用于收集二氧化碳的设备，所述设备包括：
多个气体输送装置(416)，其被配置来产生进入所述设备的大气流；
冷凝器(202)，其用于从所述大气流中去除水；
干燥剂，其用于从所述大气流中去除其它的水以产生基本上干燥的空气；
接触室(306)，其用于从所述基本上干燥的空气中将二氧化碳吸附至所述接触室内的材料；
真空室(208)，其用于从所述接触室中抽出吸附的二氧化碳并且将抽出的二氧化碳从气体转化为固体。
A11.根据A10所述的设备，其中所述接触室(306)内的材料包括分子筛材料。
A12.根据A10所述的设备，其中所述真空室包括指形冷冻器(424)，所述指形冷冻器被冷却至足以使所述抽出的二氧化碳从气体转化为固体的温度，所述固体二氧化碳在所述指形冷冻器上收集。
A13.根据A12所述的设备，其中所述指形冷冻器通过使冷却剂流过所述指形冷冻器(424)冷却，并且其中在流过所述指形冷冻器(424)后，所述冷却剂被引导至所述冷凝器(202)。
A14.根据A12所述的设备，其中所述真空室进一步包括加热器，其用于将所述真空室加热至足以使液体二氧化碳转化为气体的温度。

Claims (14)

1.一种收集二氧化碳的方法，所述方法包括：
用冷凝器(202)和干燥剂材料从大气中去除水以产生干燥空气；
在接触室内将二氧化碳从所述干燥空气中吸附至材料；
所述方法的特征在于：通过施加真空至所述接触室和至真空室将吸附的二氧化碳从所述接触室释放至所述真空室；和
在所述真空室内将释放的二氧化碳从气体转化为固体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述从大气中去除水包括通过使大气流通过所述冷凝器(202)和含有所述干燥剂材料的干燥室(204)从大气中去除水以产生干燥空气。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述吸附二氧化碳包括引导所述干燥空气通过接触室(206)中的分子筛材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述释放吸附的二氧化碳包括基本上密封所述接触室并且在所述接触室内形成足以引起所述分子筛材料释放所述吸附的二氧化碳至所述真空室(208)的真空。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述转化释放的二氧化碳包括将所述真空室(208)中的表面冷却至足够低的温度以引起所述真空室(208)内的所述释放的二氧化碳在所述表面上凝固。
6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括通过基本上密封所述真空室(208)、终止所述表面的冷却和加热所述真空室的内部将所述真空室内的二氧化碳从固体转化为气体以便收集。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述转化所述释放的二氧化碳包括用冷却剂冷却所述真空室内的表面。
8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括引导来自所述真空室的冷却剂通过所述冷凝器。
9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括收集用所述冷凝器和所述干燥剂材料从大气中去除的水。
10.一种用于收集二氧化碳的设备，所述设备包括：
多个气体输送装置(416)，其被配置来产生进入所述设备的大气流；
冷凝器(402)，其用于从所述大气流中去除水；
干燥室，其用于从大气流中去除其它的水以产生基本上干燥空气；
接触室(406)，其用于从所述基本上干燥空气中将二氧化碳吸附至所述接触室内的材料；
真空室(408)，其用于从所述接触室中抽出吸附的二氧化碳和将抽出的二氧化碳从气体转化为固体，其中布置所述接触室和所述真空室以便：通过施加真空至所述接触室和至所述真空室将吸附的二氧化碳从所述接触室释放至所述真空室。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述接触室(406)内的材料包括分子筛材料。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述真空室包括指形冷冻器(424)，所述指形冷冻器被冷却至足以使所述抽出的二氧化碳从气态转化为固态的温度，所述固体二氧化碳在所述指形冷冻器上收集。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述指形冷冻器通过使冷却剂流过所述指形冷冻器(424)冷却，并且其中在流过所述指形冷冻器(424)后，所述冷却剂被引导至所述冷凝器(402)。
14.根据权利要求12所述的设备，其中所述真空室进一步包括加热器，其用于将所述真空室加热至足以使固体二氧化碳转化为气体的温度。
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