CN103241738A - 用于捕获二氧化碳的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于从气流中形成二氧化碳的方法，其包含使气流中的二氧化碳与液体相变吸附剂化学反应以形成固体反应产物，其中所述固体反应产物形式为干固体、湿固体、浆料或微悬浮体，储存所述固体反应产物并加热所述固体反应产物以形成二氧化碳气体和所述液体相变吸附剂。

Description

用于捕获二氧化碳的系统和方法
发明背景
本公开总的涉及用于从气体流中捕获二氧化碳(CO2)的方法和系统，并更特别地涉及处理和储存捕获的CO2的方法和系统。
目前认为，从工业来源(例如发电厂)至大气的二氧化碳气体排放是导致全球变暖的“温室效应”的一个主要原因。作为应对，人们正进行努力以减少CO2排放。已开发很多不同方法以完成这个任务。实例包括聚合物和无机膜渗透；通过吸附剂(例如分子筛)去除CO2；低温分离；和用可与CO2化学反应或对该气体具有物理亲和性的溶剂洗涤。
大多数碳捕获技术(例如在酸性气体脱除系统中使用的那些或气化单元中的低压CO2吸收器)使用在约40℉或以下的低温下操作的稀释的水溶液，以从烟道气流(例如，在发电厂产生的废气)中去除CO2，以产生高纯度的CO2流。然后把高纯度CO2产物用于强化石油回收(EOR)气化应用或隔离在盐水层中。
在气化工厂瞬变期期间，例如当气化器中的一个或通往EOR系统的高压CO2流压缩机跳闸并变得不可用时，把CO2流送至低压(LP)CO2吸收器以临时捕获并避免CO2从工厂排放。用于临时CO2捕获的常规方法具有很多与它们有关的缺点。常规方法利用液体溶剂，因此在低压下的操作仅对短时期(例如，约1小时)实用。基于LP CO2吸收器中有限的体积容量，所用溶剂的体积实际上受限。在仅仅短时期后，溶剂达到饱和。因此，需要大量溶剂以在延长的时期操作，使得LP CO2吸收器的延长或连续的使用在经济上不实用。类似的缺点与常规酸性气体脱除(AGR)系统有关，该系统也依靠大体积的稀释液体溶剂来捕获CO2。
另外，捕获的二氧化碳气体(以压缩气体形式或被如上所述液体溶剂所吸收)的储存(例如，用于运输)也需要大体积容量并造成更多缺点，例如液体夹带、泄漏或溢出的可能性。
因此，存在对高效并有效地从气体流中去除和储存二氧化碳的方法和系统的需要。
发明简述
根据本发明的一个方面，一种用于从气流中形成二氧化碳的方法包含使气流中的二氧化碳与液体相变吸附剂化学反应以形成固体反应产物(其中固体反应产物形式为干固体、湿固体、浆料或微悬浮体)，储存固体反应产物并加热固体反应产物以形成二氧化碳气体和液体相变吸附剂。
根据本发明的另一个方面，一种用于从气流中形成二氧化碳的系统包含：包含气流入口的气-液接触器，所述气流包含二氧化碳气体；液体相变吸附剂，其中该液体相变吸附剂可与二氧化碳化学反应以形式固体反应产物，其中该固体反应产物形式为干固体、湿固体、浆料或微悬浮体；储存室，其中储存固体反应产物；和发生室，其中加热固体反应产物以形成二氧化碳气体和液体吸附剂。
参考附图和详述，将进一步了解本系统和方法的上述及其他特征。
附图简述
认为是本发明的主题在本说明书结尾处的权利要求书中具体指出并清楚地请求保护。结合附图，由以下详述，本发明的上述及其他特征和优势是显而易见的，在附图中：
图1是用于从气流中回收CO2的系统的示意图；且 
图2是用于从气流中回收CO2的系统的示意图
100 用于从气流中捕获/形成二氧化碳的系统
110 气-液接触器
120 气流入口
130 气流
140 液体相变吸附剂
142 液体吸附剂供应室
144 吸附剂-共溶剂混合室
146 共溶剂
148 共溶剂供应室
150 固体反应产物
160 固体储存室
170 发生室
180 二氧化碳气体
190 液体吸附剂(经发生)
200 固-液相分离器
210 大量液体相
220 固体浓缩器
240 文丘里洗涤器
250 静态混合器
260 固-气分离器
270 运输机构
280 (第二)运输机构
参考附图，通过实施例，详述说明本发明的实施方案，连同优势和特征。
发明详述
本文公开方法和系统，其总的涉及从气流中捕获二氧化碳(CO2)，且更特别地涉及固体递送方法和系统以处理和储存含有捕获的CO2的固体材料。在从气流中捕获CO2气体方面，所述方法有利地利用在CO2存在下形成固体的液体相变吸附剂和便于储存及产生经纯化的CO2气体和液体相变吸附剂的递送方案。
如关于图1和图2中的系统的进一步细节描述，一种用于从气流中捕获或形成二氧化碳的方法包含使气流中的二氧化碳与液体相变吸附剂化学反应以形成固体反应产物(其中固体反应产物形式为干固体、湿固体、浆料或微悬浮体)、储存固体反应产物和加热固体反应产物以形成二氧化碳气体和液体相变吸附剂。
参考图1，在一个实施方案中，用于从气流中捕获或形成二氧化碳的系统100包含含有气流入口120的气-液接触器110。气流130包含二氧化碳气体。系统100也包含液体相变吸附剂140。液体相变吸附剂140可与二氧化碳化学反应以形成固体反应产物150。固体反应产物150形式为干固体、湿固体、浆料或微悬浮体。系统100进一步包含储存室160，其中储存固体反应产物150。该系统也包含发生室170，其中加热固体反应产物150以形成二氧化碳气体180和液体吸附剂190。
在系统100中，液体吸附剂供应室142位于气-液接触器110上游。任选地，系统100进一步包含位于气-液接触器110上游的共溶剂供应室148。任选地，系统100还进一步包含吸附剂-共溶剂混合室144，其位于吸附剂供应室142和共溶剂供应室148下游和气-液接触器110上游。气-液接触器110位于固体储存室160上游。发生室170位于固体储存室160下游。任选地，系统100进一步包含位于气-液接触器110下游的固-液相分离器200。该系统也任选地包含位于固体储存室160上游的固体浓缩器220。液体吸附剂190从发生室170再流通至液体吸附剂供应室142，其中发生室170与液体吸附剂供应室142流体连通。
包含二氧化碳气体的气流130通过气流入口120布置在气-液接触器110内。二氧化碳以通过本文所述的方法和系统处理的各种各样的气流存在。非限制性的实例包括源自以下的气流：燃烧过程；气化过程；一体化气化联合循环(IGCC)过程；填埋；炉(例如，鼓风炉或化学还原炉)；蒸汽发生器；锅炉；炼油或化学厂；天然气纯化设备和包含上述至少一个的组合。在一个实施方案中，气流130为烟道流，例如，废气，其源于燃烧化石燃料(例如煤、天然气或石油)的发电厂。在一个具体实施方案中，气流130为来自酸性气体脱除(AGR)系统的捕获的CO2气体。
在另一个实施方案中，气流130为来自AGR系统的合成气体。更具体地，气流130为燃烧前合成气体，或“合成气”。合成气为氢气、一氧化碳和二氧化碳的组合，其产生自煤、液态烃、天然气、炼油厂废物、生物质或其它材料的气化(由此一氧化碳和水反应以形成二氧化碳气体和氢气)。“燃烧前”合成气指在其燃烧产生功率前的合成气。在该实施方案的一方面，在气流130布置于反应室内之前，去除合成气中的一种或多种腐蚀性元素。在使用本文方法和系统捕获CO2之前，合成气中的腐蚀性元素或化合物的去除减少或防止污染及后续的暴露于合成气的设备(由于腐蚀性元素的存在)的腐蚀。在一个实施方案中，在使用本文所述的方法和系统从合成气中捕获CO2之前去除硫。
在另一个实施方案中，气流130包含二氧化碳气体和不同于二氧化碳的至少一种元素或化合物。二氧化碳气体存在于气流130中的量为按体积计约3%(体积%)-约90体积%。不同于二氧化碳的至少一种元素或化合物存在于气流130中的量为约10体积%-约97体积%。存在于气流中的不同于二氧化碳的至少一种元素或化合物的实例是氮、氢、水和一氧化碳。通过本文所述方法和系统产生的捕获或形成的二氧化碳气体130为经纯化的二氧化碳气体，由此形成的二氧化碳气体180为至少约60体积%二氧化碳气体，具体地至少约90体积%，更具体地至少约99体积%二氧化碳气体(基于捕获和形成的二氧化碳气体的总体积)。
在气流130从气流入口120布置于气-液接触器110内之前、之后或同时，把液体相变吸附剂140从液体吸附剂供应室142转移至气-液接触器110。通过一个或多个导管把液体相变吸附剂140转移至气-液接触器110。在一个实施方案中，液体相变吸附剂140为净的或纯的形式(例如，未稀释的)，并在不存在共溶剂的情况下布置于气-液接触器110内。共溶剂，或载体流体，不吸收CO2，而且它们增加材料的大体积，其导致低的净CO2负载(按体积计)。不仅必须把系统设计为容纳这个大体积(增加资本成本)，而且需要额外的能量以泵送它、加热它、冷却它等(增加操作成本)。通过消除对共溶剂或载体流体的需求，节省用于泵送经转化的吸附剂和CO2通过系统以及加热和冷却所述材料的能量。此外，通过不稀释吸附剂，该过程的一个步骤及与之有关的系统设备得以消除。
在另一个实施方案中，液体相变吸附剂140为浓缩形式。在该实施方案的一方面，浓缩的液体相变吸附剂140允许用于二氧化碳回收系统的部件的较低设计体积，例如，较低容量泵和储存室。
在又一个实施方案中，把不是液体相变吸附剂(例如，不吸收二氧化碳或不与二氧化碳化学反应)的任选共溶剂146从共溶剂供应室148转移至气-液接触器110。共溶剂146充当液体相变吸附剂140的稀释剂或载体流体。连同液体相变吸附剂140使用的任选共溶剂146的实例为烃(例如十二烷)、芳烃(例如甲苯或石脑油)和酯。在一个实施方案中，系统进一步包含吸附剂-共溶剂室144，其中组合液体相变吸附剂140和共溶剂146。把吸附剂140和共溶剂通过一系列导管引入吸附剂-共溶剂室144和气-液接触器110。在一个实施方案中，连同液体相变吸附剂140使用任选共溶剂146允许：提高的流动性、较低的泵送粘度、在使用基于惯性的分离装置(例如水力旋流器)期间从液体共溶剂146中较易分离含CO2固体反应产物150，或上述至少一个的组合。
在一个实施方案中，选择特定的液体相变吸附剂140(形式为净的、浓缩的或稀释的)以调节液体相变吸附剂140对存在于气流130中的除二氧化碳以外的一种或多种元素或化合物的亲和性。选择液体相变吸附剂140或任选共溶剂146或两者的特定组成以吸收残留水分、硫化氢或其它污染物的期望量。例如，在一个具体实施方案中，共溶剂为茴香醚，其允许从液体和蒸气中吸收水分。
本文所用的“吸附剂”是指能吸收或吸附另一物质的材料。液体相变吸附剂140包含能在与CO2气体化学反应(或吸收或吸附CO2气体)后，从液体转变成固体的材料。液体相变吸附剂材料依靠化学反应(和任选地物理吸附)以去除二氧化碳，从而形成新的固体分子(例如，形成新的键)。在一个实施方案中，吸附剂也依靠温度摇摆过程以促进CO2的吸附和解吸。
在一个实施方案中，液体相变吸附剂140包含至少一种胺材料。不同的胺化合物(本文所用的该术语也包括聚合材料)用于液体吸附剂中。很多胺落入以下的种类：脂族伯胺和仲胺，及聚胺；聚酰亚胺(例如，聚亚烷基亚胺)；环胺，脒化合物；胍化合物，位阻胺；氨基-硅氧烷化合物；氨基酸；和包含上述至少一个的组合。在一个具体实施方案中，液体相变吸附剂为氨基硅氧烷化合物。示例性的氨基-硅氧烷化合物包括包含化学结构(I)的组合物：
Figure 2013100469255100002DEST_PATH_IMAGE001
其中R为线性或支化的C1-C6烷基；且其任选地包含至少一个羟基；R1在每次出现时独立地为C1-C8烷基或芳基；R2为R1或RNR3R4，其中R3和R4独立地为键、氢或C1-C8烷基(线性或支化)或R-NR3R4；其中n为1-10；其中R5为R1或-R-NR3R4或-O-Si(R1)2R5。
以下提供氨基-硅氧烷化合物的一个具体的说明性实例，为化合物(Ia)，其中“Me”为甲基： 
Figure 157879DEST_PATH_IMAGE002
。
氨基-硅氧烷化合物的其它具体的说明性实例包括：
Figure 2013100469255100002DEST_PATH_IMAGE003
；
；
Figure 2013100469255100002DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 792440DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 2013100469255100002DEST_PATH_IMAGE007
；和
。
通过液体吸附剂140与气流130中的CO2反应形成的固体颗粒的特性将在很大程度上取决于使用的具体液体吸附剂140。在胺吸附剂的情况下，固体颗粒将取决于胺的特性。在很多情况下，固体颗粒包含氨基甲酸盐、重碳酸盐化合物或包含上述至少一个的组合。在一个示例性实施方案中，液体相变吸附剂140为氨基-硅氧烷化合物，而在与二氧化碳气体反应后形成的固体反应产物150为氨基甲酸盐。相对于其它非相变的有机基液体胺溶剂，氨基-硅氧烷提供提高的热和氧化稳定性(即，允许较少降解和较低使用成本)、较低的蒸气压和较高的沸点(即，降低的由挥发(volatization)造成的错误(slip)或损失以及较低的使用成本)、比有机胺的水溶液更低的热容(即，使用更少热量使CO2解吸)或上述至少一个的组合。
在一个实施方案中，液体相变吸附剂140具有相对低的[]约0.001 bara-约0.05 bara的蒸气压(于120℃)，具体地约0.002 bara-约0.03 bara(于120℃)，且更具体地约0.003 bara-约0.01 bara(于120℃)。[在具有高蒸气压的液体吸附剂140的情况下，液体吸附剂140在典型的大气条件下可挥发。在这些实施方案中，液体相变吸附剂的小微滴被气流从气-液接触器110和/或发生室170、或气-液接触器110下游的其它室中带出。因此，在这些实施方案中，期望在过程中包括至少一个冷凝步骤。通过这种方式，从富CO2气流(在固体富CO2材料分解后产生)中回收额外的吸附剂，或从贫CO2气流(在从原料烟道气吸收CO2后产生)中回收。在一个实施方案中，冷凝器(未显示)配备有任何类型的冷却剂系统或装置(例如，冷却管或夹套，其利用多种冷却剂流体，例如水)。使贫气流通过冷凝器用于液化残余吸附剂，同时也使任何小的液体微滴凝结。然后把采集的吸附剂引导至例如储存容器，或再循环至吸收容器。
布置于液-气接触器110内的液体吸附剂在接近大气压力下的温度为约30℃-约70℃，具体地约40℃-约60℃，且更具体地约45℃-约55℃。温度由以下控制：通过控制液体吸附剂供应室142、气-液接触器110的温度，或(如果使用任选共溶剂)通过控制共溶剂供应室148、吸附剂-共溶剂室144的温度，或它们的组合。
在一个实施方案中，液体吸附剂140为未稀释的并在相对低的粘度(例如具有低的体积流速)下操作。在一个具体实施方案中，液体吸附剂为具有低粘度的氨基-硅氧烷，从而增加CO2至液体吸附剂140的传质，并使载体流体的添加不必须。在该实施方案的一方面，液体吸附剂140的低粘度也通过使用较低温度供CO2气体的热再生而节省能量。在另一个实施方案中，不使用额外的压力以进行热再生。在一个更具体的实施方案中，液体吸附剂140的动态粘度为约1 cP-约500 cP，具体地约2-约100 cP，且更具体地约3 cP-约20 cP。
配置气-液接触器110以提供液体吸附剂140与气流130的接触使得液体吸附剂140与气流130中的CO2的反应发生。气-液接触器110包含至少一个反应室(例如，封闭的容器)，或一系列两个或更多个流体连通的反应室，其中气流130与液体相变吸附剂140接触。气流130通过气流入口120布置于气-液接触器110内。把气流130通过一个导管或多个导管从气流入口120引入气-液接触器110，所述导管传递气流至气-液接触器110中的一个或多个位置。在一个实施方案中，液体相变吸附剂140通过通往气-液接触器110内多个位置的多个导管进料至气-液接触器110。在一个具体实施方案中，液体相变吸附剂140的供应点位于气-液接触器110的上部区域，例如，以提供与CO2的充足接触时间。
在布置于气-液接触器110内之后，使液体相变吸附剂140和气流130彼此接触或混合。液体相变吸附剂140与气流130中的CO2气体化学反应以形成固体反应产物150，固体反应产物150形式为干固体、湿固体(例如，粗悬浮体)、浆料(例如，固相线连续相)或微液体悬浮体(例如，稀释的微颗粒悬浮体)。
液体吸附剂140和气流130中的二氧化碳气体的反应在任何大型室或封闭物中进行，所述室或封闭物能在反应条件(例如，温度、压力或它们的组合)下操作，并允许期望的停留时间。例如，设计气-液接触器110以允许气流130和液体吸附剂140之间的充分接触，例如，以使液体吸附剂和CO2之间的反应最大化。用作系统100中气-液接触器110的示例性反应室不受限制地包括吸附塔、湿壁塔、喷淋塔、文丘里洗涤器(任选地装备有夹带分离器)等。此外，虽然图1中描绘水平的室，但应理解垂直取向的室或多个室可代替使用。
在不同实施方案中，雾化器(未显示)(例如孔、喷嘴等)与气-液接触器110流体连通地布置(例如，位于反应室的物理邻近或之内)以将液体吸附剂140分散成微滴。例如，在一个实施方案中，雾化气体(例如，空气)从喷嘴管供应进入气-液接触器110的反应室内部。可选地或额外地，设计雾化器以(由于反应室的压力和从雾化器进入反应室的入口的大小)雾化液体吸附剂。在一个实施方案中，雾化器位于进入反应室的导管的出口附近。在一些实施方案中，多个喷嘴在不同高度跨反应室放置，以使吸附剂微滴的数量最大化，和/或把雾化器并入导管或反应室的一部分。在另一个实施方案中，水压喷嘴用于雾化液体吸附剂而不使用雾化气体。
液体吸附剂的微滴所选的大小取决于不同因素，例如吸附剂的组成(例如，吸附剂与CO2气体的反应性)；和反应室的类型和设计。微滴大小是以下之间的平衡：最大化表面积用于与CO2接触、提供充足的质量用于固体颗粒形成和防止形成的固体颗粒在气流中被带出反应室。在一个实施方案中，例如当在气-液接触器110中使用液体相变吸附剂140时，微滴的平均直径小于或等于约1,000微米(μm)。在另一个实施方案中，例如当文丘里洗涤器用作气-液接触器110中的反应室时，微滴的平均直径为约10 μm-约100 μm。
在一个实施方案中，把气流130通过气流入口120引导到气-液接触器110(或反应室)相对于上部区域的下部区域中。通过这种方式，诱导的逆流流动将气流130暴露于(当它具有最低的CO2浓度时)最新鲜的液体吸附剂140。同时，把带有最高CO2浓度的气流130暴露于最大程度“经转化”的吸附剂。这种类型的流动方案容许得到的固体材料150较容易聚集，导致较快固化。
选择进入液-气接触器110的反应室的烟道气的流速以实现期望的CO2去除，例如以提供停留时间以降低气流中的CO2水平至可接受水平(例如，小于或等于1.9体积百分数(体积%))。气流入口120压力将取决于气-液接触器110的设计和运行条件，以及雾化器的类型。例如，进入反应室的气流130的压降在喷淋塔(例如，在英寸水柱的数量级)的情况下相对小，但对于其它类型的反应室较大。
如前文所述，气流130中的CO2和液体吸附剂140微滴之间的化学反应导致固体颗粒150的形成。颗粒的大小、形状和密度取决于不同因素，例如初始微滴的大小；液体吸附剂的含量；在反应室内的停留时间；和气体流速。期望地，固体反应产物颗粒150小到足以固结为至少非粘性的表面质地，但大到足以提供充足的质量以有效运输出气-液接触器110。总的来说，固体反应产物材料150形式为颗粒，例如，形状为球形或基本球形。平均颗粒密度显著变化，但在一个示例性实施方案中范围为约1.1克每立方厘米(g/cc)-约1.5 g/cc。颗粒的大小变化，例如，取决于所用的初始喷淋技术。例如，平均颗粒大小类似于微滴的那些，小于或等于1,000 μm(不计算单个颗粒的任何聚集)。
固体材料150的形成从气流130中除去CO2的大量的量，例如，在一些实施方案中，按体积计大于或等于50%(体积%)；具体地大于或等于70体积%，更具体地大于或等于90体积%。在一个实施方案中，剩余的贫CO2烟道气然后作为出口气从气-液接触器释放。可选地，把贫气流再循环回到气-液接触器110中的反应室或另一个反应室或气-液接触器110供附加处理或使用。然后把固体反应产物材料150运输至储存室160并随后，当期望解吸时，运输至发生室170。
在一个实施方案中，系统100进一步包含布置于液-气接触器110和固体储存室160之间的固-液相分离器200。把固体反应产物150从气-液接触器110传递至固-液相分离器200。固-液相分离器200从大量液体相210中分离固体反应产物150(其形式为干固体、湿固体、浆料或微悬浮体)。大量液体相210包含未反应液体吸附剂140和不吸收CO2的共溶剂(如果任选共溶剂146连同液体吸附剂140使用)。
在另一个实施方案中，系统进一步包含布置于固-液相分离器200和固体储存室160之间的固体浓缩器230。在固-液相分离器200内把固体反应产物150从大量液体相中分离以后，固体浓缩器230从任何剩下的残余液体中分离固体反应产物150。残余液体包含任何残余液体吸附剂140和共溶剂(如果使用任选共溶剂146)，得到固体团块。在一个具体实施方案中，固体团块为氨基甲酸盐。
在一个实施方案中，固体反应产物150至固-液相分离器200和固体浓缩器220的传递通过导管完成，所述导管排列成使得重力或惯性把固体从气-液接触器110分别推动至固-液相分离器200和固体浓缩器220。在另一个实施方案中，运输由传送器设备、重力或上述至少一个的组合完成。在一个具体实施方案中，液-气接触器110和固体储存室160之间的运输机构是加压的。
把固体团块反应产物150传递至固体储存室160。在该实施方案的一方面，储存包含二氧化碳气体和液体相变吸附剂的固体反应产物150直到期望捕获的CO2气体的形成。在该实施方案的另一个方面，储存的固体反应产物150特别有利，这是由于把二氧化碳以固体形式运输至最终的CO2解吸、隔离或进一步处理的地点，比以气体或液体形式更容易和安全。固体产物的运输通过任何用于把材料从起点物理运输至终点的装置(例如，发动机车辆、火车、船、飞机等)完成。比起使用液体溶剂的常规碳捕获方法，固体反应产物150更容易装载或运输，需要更少的体积容量供储存和运输，减少在操作期间液体夹带的可能性，和/或消除在运输期间化学品溢出的可能性。
当期望固体反应产物150中的CO2气体解吸时，把固体反应产物150从固体储存室160传递至发生室170。解吸通过在升高的温度下的热分解完成。如上所述，形成的二氧化碳流180适合于隔离和/或其它进一步处理。在一个实施方案中，把液体吸附剂140再循环至液体吸附剂供应室142、吸附剂-共溶剂室144(如果使用任选共溶剂)或液-气接触器110。
配置发生室170以在升高的温度下从固体反应产物颗粒150中解吸CO2，释放CO2气体和液体吸附剂。在一个实施方案中，在储存、进一步使用的运输前，在压力下压缩CO2气体。在一个实施方案中，在递送至发生室170前，运输机构对固体反应产物颗粒150加压，相比于接近大气压力下解吸CO2的系统，CO2隔离所需的压缩负荷降低。发生室170是用于从固体颗粒中分离挥发性化合物的任何类型的解吸单元。总的来说，发生室170为容器或室，其能提供变化的热量和/或压力条件以从固体反应产物颗粒150中释放CO2。用于系统100中的示例性的发生室不受限制地包括连续搅拌釜反应器(CSTR)，及其它如解吸容器。
设计解吸单元(也称“热解吸单元”)，以在相对低的温度下操作，例如，约200℉-600℉(93℃-316℃)，或在相对高的温度下操作，例如，约600℉-1,000℉(316℃-538℃)。在一个具体实施方案中，再生室170为在约80-200℃下且更具体地在120-180℃下操作的解吸单元。
在施加的温度方面，热解吸单元通常分组为三种过程类型：直接加热单元、间接加热单元和原位单元。此外，单元的配置变化，例如，取决于正在处理什么类型的固体材料，和需要什么温度。在一些情况下，再生单元在真空或极低的压力条件，和/或低氧条件下操作，例如，以降低解吸所需的热量需求。总的来说，固体反应产物颗粒150的解吸通过加热颗粒进行。热处理范围将取决于固体颗粒的组成和大小；结合在颗粒内的CO2的量；和再生单元36内的压力条件。期望地，温度高到足以从固体颗粒中尽可能多地释放CO2。一般地，温度大于或等于颗粒的分解温度。然而，温度不应过分高(即，需要过分的能源使用)；否则可能导致吸附剂分解为在全过程中难以处理的副产物。总的来说，吸附剂在以下压力下形成(例如CO2从固体材料中释放同时固体材料转化回液体吸附剂)：大于或等于1 atm，具体地大于或等于2 atm，且更具体地4-20 atm。解吸温度应大于70℃并小于液体吸附剂的分解温度。在一个具体实施方案中，固体颗粒为氨基甲酸盐，且解吸温度为约80℃-约200℃，具体地约120-180，更具体地约120-150℃。在一些实施方案中，降低发生室170的室中的内部压力以加速解吸过程。在一个实施方案中，压力小于1 atm。
把基本纯的经再生的CO2气体180释放或另外通过一个导管或多个导管引导出发生室170。在一个实施方案中，压缩和/或纯化CO2气体，例如，供再使用或供运输至一定位置。
解吸步骤还作用于形成液体相变吸附剂190的大量的量。在一些实施方案中，把形成的液体相变吸附剂190引导至处理、储存或处置设备。在一个示例性实施方案中，把形成的液体相变吸附剂190通过一个或多个导管引导回到液体吸附剂供应室142或气-液接触器110。
参考图2，在系统100的一个更具体的实施方案中，系统100有利地利用标准工厂设备以完成吸收、传递和解吸。液-气接触器110包含文丘里洗涤器240。文丘里洗涤器包括多个区段，例如，会聚段、喉段和分叉段。入口气流进入会聚段，并随着面积减小，气体速度增加。在喉段或会聚段入口引入液体。迫使气流以很高的速度在小的喉段移动，从容器壁剪切液体物质。这种作用产生大量与气流反应的极小的微滴。在一个实施方案中，文丘里洗涤器240为圆锥形状。在其它实施方案中，文丘里(venture)洗涤器为任何形状，其有效产生液体吸附剂140的微滴与气流130反应。文丘里洗涤器240还任选地进一步包含雾化器(未显示)。
在该实施方案的一个方面，液-气接触器110进一步包含混合管或包含与文丘里洗涤器240流体连通的静态混合器250的容器。操作静态混合器250以促进气流130中的CO2气体与液体相变吸附剂140的密切接触。
在该实施方案的另一个方面，系统100进一步包含固-气分离器260。如图2中描绘，固-气分离器260为旋风分离器，其中重力或惯性力从干固体、湿固体、浆料或微悬浮体反应产物150内的固体和液体中转移气体。固-气分离器260布置于液-气接触器110和固体储存室160之间。配置固-气分离器260以从“经洗涤”的气流(即，已从中把CO2去除至期望水平(即，基本无CO2)的气流)中分离固体反应产物颗粒150。固体反应产物颗粒150落至固-气分离器260旋风分离器的底部，其中固体材料被排空，例如，通过料斗(hopper)(未显示)，进入运输机构270。然后料斗把固体反应产物150进料至运输机构270的入口。把经分离或经洗涤的气流再循环回到气-液接触器110供进一步提取或回到气体出口或燃烧器(flare)。
运输机构270布置于固-气分离器260和固体储存室160之间。运输机构为传送带，其运输固体反应产物(现已从经洗涤气体中分离，形式为干固体、湿固体、浆料或微悬浮体)至固体储存室160，供运输至非现场发生室170或现场发生室170。运输机构270进一步包含固-液相分离器200和固体浓缩器220，其分别从来自固体反应产物150的未反应液体相变吸附剂140和/或任选共溶剂146中分离大量和残余的液体。在该实施方案的一方面，真空传送带充当运输机构270、固-液相分离器200和固体浓缩器220，形成反应产物固体团块，例如，氨基甲酸盐固体团块。固体团块允许再生室和相关设备中较低的体积容量，使解吸后提取的经再生的CO2气体的量最大化，并压缩固体材料使得储存和运输能力最大化。在一个实施方案中，把大量和/或残余的液体再循环至各自的液体吸附剂供给室142和共溶剂供给室148或至液-气接触器110。在一个具体实施方案中，操作充当运输机构270的真空传送带以施加以下真空吸力：约1-约100 mm汞柱，具体地50-100 mm汞柱或约1-约10 mm汞柱。
在另一个实施方案中，系统100进一步包含布置于固体储存室160和发生室170之间的另一个运输机构280以运输固体反应产物150至发生室170供解吸。如图2中描绘，运输机构280为传送器(例如，带或螺旋驱动(Auger-driven))。可选地，运输机构270和280为任何在系统100中将固体反应产物150从一个点传递至另一个的物理装置。
本文描述的方法和系统有利地使用捕获的CO2以固体形式储存、释放或按期望地使用捕获的CO2。本文描述的方法和系统允许并调和从中捕获CO2的给定气流中CO2的量的波动，并允许捕获的CO2至期望应用的稳定的递送流。本文描述的方法和系统有利地用于任何需要二氧化碳气体的捕获或纯化(或它们的组合)的气化单元操作。在一个实施方案中，本文描述的系统和方法在气化器、CO2压缩机的瞬变或跳闸状态或其它的工厂扰动期间使用。例如，当高压CO2气体压缩机变得不可用时，把CO2气流从酸性气体脱除系统(AGR)送至低压CO2吸收器以临时捕获CO2并避免CO2排放。本文的方法和系统用于部分或完全地代替常规低压CO2吸收器。由于体积约束和资本成本(与溶剂的大体积及用于其处理的设备相关)，使用常规LP CO2吸收器在低压下的操作仅对短持续时间(例如，约1小时)实用。本文的方法和系统在LP CO2吸收器之外或完全代替LP CO2吸收器使用。本文的方法和系统在延长的时期连续地操作，在比常规的仅液体的LP CO2吸收器更高的温度和压力下操作，不需要冷冻及有关的功率消耗并降低CO2工厂排放。
本文描述的方法和系统还用于部分或完全地代替常规AGR系统，所述常规AGR系统使用液体溶剂用于从任何燃烧前燃料气体发生体(例如合成气)中去除CO2。不同于常规CO2捕获系统，本文的方法和系统包含固体的处理和浓缩。本文的方法和系统克服与常规LP CO2吸收器和AGR系统有关的缺点，这是因为本文的方法和系统不需要稀释液体的大体积、或冷冻或冷却所需的高功率消耗，从而降低资本成本并允许在延长的时期(例如，几小时乃至几天)操作。本文的方法和系统也允许包含吸收的CO2气体的固体反应产物的储存和运输，需要较低体积容量并降低夹带、泄漏或溢出的可能性。
另外，上述运输机构有利地连同本文提供的液体CO2吸附剂使用，以有效地捕获CO2，用于以比目前方法更成本有效的方式形成。通过以下节省能量：使用液体吸附剂以形成成浆的或湿的固体材料，从而不需泵送、加热或冷却系统所用的液体的较大体积，所述系统全部使用液体吸附剂(即，非相变吸附剂)和/或需要非吸收的共溶剂或不同于吸附剂的载体流体。此外，本发明的系统不需要额外的液体。这减少材料和资本成本(例如，较少储存罐等)，提高效率，简化CO2捕获过程，并减少系统的体积/大小/底座。如此处理的过程流为任何气流，其中CO2在其中的水平期望地降低，且在很多过程中，至少在由此产生的排气流中，CO2期望地降低。本文的方法和系统还产生经纯化的CO2气流，降低初始气流中存在的污染物的存在。
经再生的二氧化碳气体用于CO2隔离或供其它进一步处理。这些应用的实例包括强化石油回收和盐水层。
本文公开的范围是包含性和可结合的(例如，“最多约25重量%，或，更具体地，约5重量%-约20重量%”的范围包含“约5重量%-约25重量%”等的范围的端点和所有中间值)。“组合”包含共混物、混合物、合金、反应产物等。此外，术语“第一”、“第二”等，在本文不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于区分一个要素和另一个，且术语“一个”在本文不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所指项目。与数量有关使用的修饰语“约”包含所指的值并具有通过上下文限定的意义(例如，包括与特定数量的测量有关的误差度)。本文所用的后缀“(s)”旨在包括其修饰的术语的单数和复数两者，从而包括该术语的一个或多个(例如，着色剂(s)包括一个或多个着色剂)。遍及说明书提到“一个实施方案”、“另一个实施方案”、“一个实施方案”等，是指描述的与该实施方案有关的特定要素(例如，特性、结构和/或特征)包括在本文描述的至少一个实施方案中，并可能或可能不存在于其它实施方案。另外，应理解描述的要素可以任何合适的方式在不同的实施方案中组合。
虽然已参考示例性实施方案描述本发明，但本领域技术人员了解，可作出多种变化且等价物可代替其要素而不脱离本发明范围。另外，可作出许多修改来使特定情形或材料适合本发明的教导而不脱离其基本范围。因此，旨在本发明不限于作为预期用于实施本发明的最佳方式公开的特定实施方案，但本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施方案。

Claims (20)

1. 一种用于从气流中形成二氧化碳的方法，其包含：
使气流中的二氧化碳与液体相变吸附剂化学反应以形成固体反应产物，其中所述固体反应产物形式为干固体、湿固体、浆料或微悬浮体；
储存所述固体反应产物；和
加热所述固体反应产物以形成二氧化碳气体和所述液体相变吸附剂。
2. 权利要求1的方法，其中所述液体相变吸附剂为氨基-硅氧烷化合物，且形成的所述固体反应产物为氨基甲酸盐。
3. 权利要求1的方法，其中所述液体相变吸附剂与所述气流中的所述二氧化碳在不存在共溶剂的情况下化学反应。
4. 权利要求1的方法，其中所述液体相变吸附剂与所述气流中的所述二氧化碳在共溶剂存在下化学反应，该共溶剂不是液体相变吸附剂。
5. 权利要求1的方法，进一步包含把所述液体相变吸附剂再循环至液体相变吸附剂供应室或气-液接触器。
6. 权利要求1的方法，进一步包含在所述液体相变吸附剂与所述气流中的所述二氧化碳化学反应前雾化所述液体相变吸附剂。
7. 权利要求1的方法，进一步包含从来自所述气流的未反应气体、未反应液体吸附剂和任选的不是液体相变吸附剂的共溶剂中分离所述固体反应产物。
8. 权利要求7的方法，进一步包含把所述未反应气体从所述气流中再循环至气-液接触器。
9. 权利要求1的方法，其中所述气流包含约3-20体积%二氧化碳，且其中形成的所述二氧化碳气体包含经纯化的包含约50-99体积%二氧化碳的二氧化碳气体。
10. 一种用于从气流中形成二氧化碳的系统，其包含：
包含气流入口的气-液接触器，所述气流包含二氧化碳气体；
液体相变吸附剂，其中所述液体相变吸附剂可与二氧化碳化学反应以形成固体反应产物，其中所述固体反应产物形式为干固体、湿固体、浆料或微悬浮体；
储存室，其中储存所述固体反应产物；和
发生室，其中加热所述固体反应产物以形成二氧化碳气体和所述液体吸附剂。
11. 权利要求10的系统，其中所述储存的固体反应产物在被传递至所述发生室前被运输至二氧化碳气体隔离应用或处理应用。
12. 权利要求11的系统，其中所述二氧化碳气体隔离应用为强化石油回收系统、合成气生产系统、一体化气化联合循环系统、天然气纯化过程、炼油或化学厂或煤气化系统。
13. 权利要求10的系统，其中所述系统在气化系统中的二氧化碳气体压缩机瞬变或跳闸状态期间使用。
14. 权利要求10的系统，其中所述系统代替气化系统中的低压二氧化碳气体吸收器。
15. 权利要求10的系统，其中所述系统代替气化系统中的酸性气体脱除二氧化碳气体吸收器。
16. 权利要求10的系统，其中所述气流通过气化系统使用煤、天然气或生物质产生。
17. 权利要求10的系统，其中所述气-液接触器进一步包含用于雾化所述液体相变吸附剂的装置。
18. 权利要求10的系统，其中所述气-液接触器进一步包含静态混合器。
19. 权利要求10的系统，其中所述系统进一步包含： 
布置于所述气-液接触器和所述储存室之间的固-气分离器；和
布置于所述气-液接触器和所述储存室之间的运输机构，其中所述运输机构从残余液体相变吸附剂和任选的共溶剂中分离所述固体反应产物，其中所述任选的共溶剂不是液体相变吸附剂。
20. 权利要求19的系统，其中所述运输机构为真空传送带，该真空传送带具有约1 mm-约100 mm汞柱的真空压力。
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