CN110475601A - 用于从有限空间中除去代谢二氧化碳的改进方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于分离和除去运载工具客舱内部的空气中的由一个或多个乘客产生的CO2的装置和方法。所提供的是：‑从客舱内部到容器内部的第一空气流，所述容器容纳用于CO2的松散颗粒吸附剂；‑从容纳吸附剂的容器内部到客舱内部的CO2耗尽的第二空气流；‑从客舱外部到容纳吸附剂的容器内部的第三空气流；以及‑从容纳吸附剂的容器内部到客舱外部的富含CO2的第四空气流。

Description

用于从有限空间中除去代谢二氧化碳的改进方法和装置
技术领域
本发明涉及用于将从诸如运载工具(例如，汽车、卡车、公共汽车、船艇或飞机)的客舱的有限空间中的空气中分离二氧化碳(CO2)的方法和装置。本发明尤其涉及使用含胺的颗粒材料分离和除去由处于运载工具客舱内的空气中的乘客产生的CO2的方法和装置，所述含胺的颗粒材料能够被加工以选择性地吸附CO2并随后解吸CO2。本发明尤其涉及用于从运载工具客舱内的空气中分离和除去CO2从而将CO2浓度保持在运载工具客舱内的期望水平以下的方法和装置。
背景技术
供热、通风和空气调节(HVAC)系统可以非常显著地满足乘用车的能量要求。降低HVAC系统的能量负荷由于潜在地给运载工具提供改进的能量效率和燃料经济性而已经引起相当大的兴趣。在客机的情况下，维持可行气氛的能量成本甚至更高，其中消耗大量能量用于对外部空气进行加压和加热。
WO 2016/038340A1描述了一种用于降低从运载工具的客舱中除去CO2的能量需求的系统。该系统使用：
-再生CO2吸附剂材料；
-用于使空气从客舱内部移动到再生CO2吸附剂材料上以从空气中除去CO2随后使空气返回客舱的装置；以及
-用于使解吸气体(例如，来自客舱外部的经加热空气)移动到吸附剂材料上以从吸附剂材料中解吸CO2随后将解吸的CO2排到客舱外的装置。
该系统被描述为能够将客舱中的CO2水平维持在1000ppm以下持续至少5分钟，同时将来自客舱外部的空气流量限制在10L/s或更低。
但是，该系统仍然需要相对大量的能量以在压力下将空气从客舱内部移动到再生CO2吸附剂材料床上从而有效地从空气中除去CO2以及在压力下将解吸气体移动到吸附剂材料上从而有效地从吸附剂材料中解吸CO2。当该系统长时间(例如1-5小时)连续运行时，这种能量需求变得尤其巨大。
为了进一步降低该系统的能量需求，WO 2016/038340 A1提出使用吸附剂材料颗粒的“径向流动床”，而不是使用其上涂覆有吸附剂材料的整料或者吸附剂材料的颗粒或珠粒的床。同样为了进一步降低能量需求，WO 2016/038340A1已经提出使用由运载工具产生的废气作为用于解吸CO2的热空气源。
与WO 2016/038340A1类似，WO 2016152363 A1描述了一种用于使用容器中的CO2吸附剂从来自室内的气流中除去CO2的系统。该容器具有用于允许室内空气和外部空气进入容器的入口以及用于将CO2耗尽的空气送至室内和送至外部的出口。该系统的特征在于对容器中的CO2吸附剂进行感应加热或介电加热。
然而，需要寻求进一步降低用于从运载工具的客舱除去CO2的这种系统的能量需求的方法。
发明内容
根据本发明，提供了用于分离和除去运载工具的客舱内部的空气中的由一个或多个乘客产生的CO2的方法和装置。该方法和装置具有降低的能量需求。
在本发明的装置中提供了：
a)密闭容器，更有利地为单个密闭容器，其具有内部，所述内部容纳松散、轻质且多孔的固体吸附剂颗粒，优选地容纳所述吸附剂颗粒的填充床或流化床，更优选地容纳所述吸附剂颗粒的流化床：
i)当第一空气流与所述吸附剂接触时，所述吸附剂颗粒能够从所述第一空气流中除去CO2，以形成CO2耗尽的第二空气流；以及
ii)当第三空气流与所述吸附剂接触时，CO2能够被从所述吸附剂颗粒中移除，以形成富含CO2的第四空气流；
b)第一入口导管，所述第一入口导管将来自所述客舱内部的第一空气流流体连通到所述容器的内部并且流体连通到所述容器的内部中的吸附剂颗粒；
c)第一出口导管，所述第一出口导管将来自所述容器的内部并且来自所述容器的内部中的吸附剂颗粒的CO2耗尽的第二空气流流体连通到客舱内部；
d)第二入口导管，所述第二入口导管将来自客舱外部的第三空气流流体连通到所述容器的内部并且流体连通到所述容器的内部中的吸附剂颗粒；以及
e)第二出口导管，所述第二出口导管将来自所述容器的内部并且来自所述容器的内部中的吸附剂颗粒的富含CO2的第四空气流流体连通到客舱外部。
有利地，每个入口导管与所述容器的内部的下部部分、优选地与所述容器的内部的底部直接流体连通，并且与所述容器中的吸附剂的下部部分、优选地与所述容器中的吸附剂的底部直接流体连通。
还有利地，多孔分配器，更有利地为多孔烧结金属或多孔陶瓷板，位于所述容器的内部的下部部分内，优选地位于所述容器的内部的底部内，并且位于每个入口导管与容器中的吸附剂的下部部分之间、优选地位于每个入口导管与容器中的吸附剂的底部之间。
还有利地，每个出口导管与所述容器的内部的上部部分、优选地与所述容器的内部的顶部直接流体连通，并且与所述容器的吸附剂的上部部分、优选地与所述容器的吸附剂的顶部直接流体连通。
还有利地，吸附剂是含胺的颗粒材料，更有利地是用伯胺苄胺官能化并负载在与二乙烯基苯交联的多孔聚酯结构上的游离碱胺珠。
还有利地，提供加热器，更有利地是连接到运载工具马达的加热器，其用于在客舱外部和容器内部之间对第三空气流进行加热。
还有利地，第二入口导管延伸通过吸附剂，更有利地延伸通过松散颗粒吸附剂的流化床，以及通过来自第三空气流的热交换加热吸附剂。
本发明的方法包括以下步骤：
a).将来自运载工具的客舱内部的第一空气流通过权利要求1至13中任一项所述的装置的第一导管提供到所述装置的容器的内部并且提供到容器的内部中的松散、轻质且多孔的吸附剂颗粒、有利地提供到吸附剂颗粒的填充床或流化床，更有利地提供到吸附剂颗粒的流化床；以及随后
b).将来自权利要求1至13中任一项所述的装置的容器的内部并且来自容器的内部中的吸附剂颗粒的CO2耗尽的第二空气流通过所述装置的第一出口导管提供到客舱内部；以及随后
c).将来自客舱外部的第三空气流通过权利要求1至13中任一项所述的装置的第二入口导管提供到所述装置的容器的内部并且提供到容器的内部中的吸附剂颗粒；以及随后
d).将来自权利要求1至13中任一项所述的装置的容器的内部并且来自容器的内部中的吸附剂颗粒的富含CO2的第四空气流通过所述装置的第二出口导管提供到客舱外部。
有利地，第三空气流在客舱外部和容器内部之间被加热，更有利地，第三空气流被运载工具的马达加热。
具体实施方式
根据本发明，提供了一种密闭容器，其用于：从运载工具(例如，汽车、卡车、公共汽车、船艇或飞机)的客舱中的空气中除去CO2。密闭容器优选地包括刚性圆筒形真空室，其容纳松散、轻质且多孔的固体吸附剂颗粒。除了如下所述的空气入口和出口外，真空室是不透气密封的，优选地是真空密封的。密闭容器的真空室中的吸附剂适于以远远大于对客舱内空气的其它成分(主要是氮气)的吸附量来吸附CO2，优选地在大约环境温度和压力下(例如，在20至40℃和0.7至1.3巴的绝对压力下)。该吸附剂还适于使其吸附的CO2随后解吸，优选地在温和条件下(例如通过加热，例如高达50至120℃)。优选地，密闭容器中的固体吸附剂颗粒布置在填充床或流化床中，更优选地布置在流化床中。密闭容器具有用于来自客舱的空气的入口以及用于经加热空气的入口(例如，来自运载工具马达)，并且具有用于使空气返回到客舱的出口以及用于使包含被解吸的CO2的空气如下文所述地排出运载工具外部的出口。优选地，入口位于密闭容器的真空室的竖向相反两侧上。空气通过密闭容器的真空室中的吸附剂的路径提供了压降非常低的系统，其不需要高压泵送空气通过吸附剂。
吸附剂可以是任何常规吸附剂，CO2将优先(相对于来自运载工具客舱的空气的其它气态组分)附着到该吸附剂，但CO2可以从吸附剂中回收，优选地使用温和条件。吸附剂优选地适于在环境条件下(例如在20至40℃和0.7-1.3巴的绝对压力下)优先地吸附期望的气态组分，并且随后在温和条件下再生，优选地通过加热，例如加热到50至120℃。虽然无机吸附剂可以是有用的，这是由于其通常具有高物理强度，但其通常需要高温和高压来吸附和/或解吸气态组分。因此，这种吸附剂不是优选的，并且通常不适合家庭使用或在温和条件下的其它应用。也可以使用活性炭，例如DEA嵌入式活性炭。但是，这种吸附剂对于长期使用通常不够稳定，并且在两个月后在室内条件下趋于劣化。
合适的吸附剂包括：沸石(也被称为分子筛)，陶瓷基材料，例如氧化铝、二氧化硅和硅铝，二氧化钛，硅胶，活性炭和有机聚合物，例如胺改性的聚苯乙烯，例如二乙醇胺(DEA)或聚乙烯亚胺(PEI)或二乙烯基苯基胺或乙二胺。优选的是可以容易地再生以再利用的吸附剂，尤其是在回收吸附的CO2时可以容易地再生以再利用的吸附剂。例如，吸附剂可以是基于纤维素的胺改性的特定材料，例如在WO 2014/170184 A1和WO 2010/091831 A1中描述的胺改性的纳米纤维化纤维素或者在WO 00/02643 A1中描述的具有苄胺基团的离子交换树脂。更优选地用于吸附和解吸CO2的是如在WO 2016/037668 A1中描述的具有伯氨基官能团的聚合物吸附剂。更为优选的吸附剂是用伯胺苄胺官能化并负载在与二乙烯基苯交联的多孔聚酯结构上的游离碱胺珠，尤其是呈与8-10％用甲胺改性的二乙烯基苯交联的聚苯乙烯球形珠粒形式的吸附剂。
吸附剂优选地具有被表示为总容量至少2当量/升、更优选至少2.1当量/升并且还更优选至少2.2当量/升的活性。固体吸附剂颗粒优选地具有至多1.9、更优选至多1.8的均匀系数。
优选地使用包括聚合物载体的吸附剂颗粒。所用聚合物的选择应取决于聚合物在解吸过程中不得过度分解、本质上应是非挥发性的、不应影响吸附剂的吸附或化学性质的要求。其也不应该被气流或水分溶解或分解。可以使用的聚合物是聚酰胺，如尼龙；聚酯，如涤纶；乙烯基，如聚氯乙烯；丙烯酸类，如聚甲基丙烯酸甲酯，聚氨酯，任选官能化的聚苯乙烯，如磺化或羧化苯乙烯和二乙烯基苯共聚物，季铵烷基取代的苯乙烯和二乙烯基苯共聚物，天然和合成粉末沸石等，硅藻土，活性炭，活性氧化铝，活性硅胶，蒙脱石，膨润土和表面活性粘土。也可以使用这些材料的混合物。
可以采用任何合适的流动方向，包括轴向流动或径向流动，或者其组合。本文的轴向流动是指与流动通道平行的流动，而径向流动是与流动通道垂直的流动。吸附剂中的流动方向可以优选地至少部分地包括径向分量，其可以具有避免“空气引导”的优点，并且促进吸附剂颗粒或珠粒的良好混合，并因此促进CO2吸收和解吸。
吸附剂颗粒的性质可以根据空气流的流量和浓度而变化，其中CO2将从空气流中被吸附和解吸。优选的吸附剂颗粒是轻质且多孔的固体颗粒或者珠子，其每体积表面积较高。轻质且多孔固体吸附剂颗粒的尺寸和密度并不重要，只要该颗粒能够在密闭容器中在常规条件下由通过颗粒低压空气流(优选由风扇提供)容易地流化。吸附剂颗粒可以在很宽的平均粒径范围内变化。当然，粒径越大，每单位重量吸附剂的表观表面积越小。本发明的一个重要优点是吸附剂可以是细碎的形式，并且因此具有小的粒径。因此，吸附剂的大表观表面积暴露以用于吸附目的。这意味着可以对吸附剂物质的每个重量单位进行更有效和高效的使用，这对于航空器而言尤其重要，且对于乘用运载工具也是如此。
用于固体吸附剂颗粒的密闭容器优选地具有：
-用于第一入口导管的第一入口，所述第一入口导管将来自运载工具的客舱内部的第一空气流流体连通到容器内部及其吸附剂；
-用于第一出口导管的第一出口，所述第一出口导管将来自容器内部及其吸附剂的CO2耗尽的第二空气流流体连通到客舱内部；
-用于第二入口导管的第二入口，所述第二入口导管将来自客舱外部的第三空气流流体连通到容器内部及其吸附剂；以及
-第二出口导管，所述第二出口导管将来自容器内部及其吸附剂的富含CO2的第四空气流流体连通到客舱外部。
传统的压缩机或风扇可以用于将每个空气流提供到密闭容器及其真空室的入口中或者使每个空气流从其出口流出，并且使每个空气流通过密闭容器及其真空室的吸附剂，并且优选地还使吸附剂的固体颗粒流化。
如果需要，在本发明的装置和方法中使用多个，优选地为一个或两个，更优选仅一个密闭的吸附剂容器。多个吸附剂容器使得能，例如：
-一个容器中的吸附剂接触第一空气流，而另一个容器中的吸附剂接触第三空气流；或者
-一个容器中的吸附剂接触第一空气流，另一个容器中的吸附剂接触第二空气流，又一个容器中的吸附剂接触第三空气流，并且再一个容器中的吸附剂接触第四空气流。
本发明的装置和方法提供了用于除去运载工具客舱内部中的空气中的由乘客产生的CO2的CO2除去装置，该CO2除去装置可以制造成：
-简单可靠，这是由于其将密闭容器用于吸附剂颗粒并且使用专用气体导管；
-紧凑，这是由于其可以优选地使用填充床、更优选地使用流化床来讲其吸附剂颗粒布置在其密闭容器中；
-构造和操作是经济的，这是由于其优选的填充床，更优选的流化床，使得仅需要低能量操作其吸附剂颗粒，即仅低气压，而这可以由低能量风扇提供。
本发明的装置可以用于循环吸附/解吸过程，以：i)通过将运载工具客舱内部的空气中的由乘客产生的CO2吸附在特定的吸附剂上来将CO2与客舱空气的其余部分分离；以及ii)随后从吸附剂解吸CO2以再生吸附剂，从而使吸附剂在步骤i)中重复使用。在这两个步骤中，空气优选地通过密闭容器上的吸附剂颗粒的填充床或流化床，更优选地通过流化床。在本发明的流化床中，吸附剂颗粒的特定密度和重量不被认为是关键的。同样地，通过本发明的流化床的空气流的特定速度和/或压降不被认为是关键的。本发明的流化床的特定床膨胀比、床波动比或流化质量也不是关键的。
在每个密闭容器中的吸附剂颗粒的填充床或流化床中，每个入口导管优选地与容器内部的下部部分、更优选地与容器内部的底部直接流体连通，以及优选地与吸附剂的下部部分、更优选地与吸附剂的底部直接流体连通。还优选地，在每个密闭容器中，单独的多孔分配器，更优选地为多孔烧结金属或多孔陶瓷板，位于容器内部的下部部分内，优选地位于容器内部的底部内，并且位于其每个入口导管与其吸附剂的下部部分之间，优选地位于其每个入口导管与其吸附剂的底部之间。还优选地，在每个密闭容器中，每个出口导管与容器内部的上部部分、优选地与容器内部的顶部直接流体连通，以及与其吸附剂的上部部分、优选地与其吸附剂的顶部直接流体连通。
在吸附步骤期间，压缩机或风扇(优选地为风扇)可以迫使来自客舱的空气流流过密闭容器，优选在环境条件下，更优选在20至40℃和0.7至1.3巴绝对压力下。因此，客舱空气中的CO2将结合在密闭容器中的吸附剂颗粒的表面。此后，CO2减少的密闭容器中的空气可以返回到客舱。
在随后的解吸步骤中，可以停止来自客舱的空气流通过密闭容器，并且可以加热密闭容器中的吸附剂颗粒，优选地在温和条件下，更优选地加热到50至120℃。该步骤可以提供来自密闭容器的气流流出物，其CO2含量高并且可以被排出到客舱外。对吸附剂颗粒的加热能够以任何常规方式进行，例如使来自车厢外部的经加热的空气流通过密闭容器中的吸附剂颗粒，所述空气流优选地通过运载工具的马达加热和/或在至少部分电动推进运载工具的情况下通过电池系统加热。为此目的，经加热的空气可以由压缩机或风扇供应，优选地由风扇供应。可选择地，吸附剂颗粒可以通过密闭容器中的热交换元件或加热元件加热，同时来自客舱外部的空气通过吸附剂颗粒。
加热可以有利地使用来自运载工具马达和/或运载工具电池系统的废热。因此，本发明还涉及使用由运载工具马达和/或运载工具电池系统产生的废热来再生吸附剂。

Claims (18)

1.一种用于分离和除去运载工具的客舱内部的空气中的由一个或多个乘客产生的CO2的装置，包括：
a)一个或多个密闭容器，每个所述容器具有内部，所述内部容纳松散、轻质且多孔的固体吸附剂颗粒，优选地容纳所述吸附剂颗粒的填充床或流化床：
i)当第一空气流与所述吸附剂接触时，所述吸附剂颗粒能够从所述第一空气流中除去CO2，以形成CO2耗尽的第二空气流；以及
ii)当第三空气流与所述吸附剂接触时，CO2能够被从所述吸附剂颗粒中移除，以形成富含CO2的第四空气流；
b)第一入口导管，所述第一入口导管将来自所述客舱内部的第一空气流流体连通到每个所述容器的内部并且流体连通到每个所述容器的内部中的吸附剂颗粒；
c)第一出口导管，所述第一出口导管将来自每个所述容器的内部并且来自每个所述容器的内部中的吸附剂颗粒的CO2耗尽的第二空气流流体连通到所述客舱内部；
d)第二入口导管，所述第二入口导管将来自所述客舱外部的第三空气流流体连通到每个所述容器的内部并且流体连通到每个所述容器的内部中的吸附剂颗粒；
e)第二出口导管，所述第二出口导管将来自每个所述容器的内部并且来自每个所述容器的内部中的吸附剂颗粒的富含CO2的第四空气流流体连通到所述客舱外部；以及
f)加热器，所述加热器用于在所述客舱外部与每个所述容器的内部和位于每个所述容器的内部中的吸附剂颗粒之间加热所述第三空气流。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置具有用于所述固体吸附剂颗粒的单个密闭容器。
3.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，所述固体吸附剂颗粒包括在每个所述容器中的流化床。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，每个入口导管与所述容器中的一个的内部的下部部分、优选地与所述容器中的一个的内部的底部直接流体连通，并且与所述容器中的一个的吸附剂的下部部分、优选地与所述容器中的一个的吸附剂的底部直接流体连通。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，单独的多孔分配器，优选地为多孔烧结金属或多孔陶瓷板，位于每个所述容器的内部的下部部分内，优选地位于每个所述容器的内部的底部内，并且位于所述容器的每个入口导管与所述容器的吸附剂的下部部分之间，优选地为位于所述容器的每个入口导管与所述容器的吸附剂的底部之间。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，每个出口导管与所述容器中的一个的内部的上部部分、优选地与所述容器中的一个的内部的顶部直接流体连通，并且与所述容器中的一个的吸附剂的上部部分、优选地与述容器中的一个的吸附剂的顶部直接流体连通。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述吸附剂是含胺的颗粒材料。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述吸附剂是用伯胺苄胺官能化并负载在与二乙烯基苯交联的多孔聚酯结构上的游离碱胺珠。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述吸附剂呈与8-10％用甲胺改性的二乙烯基苯交联的聚苯乙烯球形珠粒的形式。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述吸附剂具有被表示为分离和除去CO2的总容量为至少2当量/升、更优选至少2.1当量/升并且还更优选至少2.2当量/升的活性。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述吸附剂颗粒具有至多1.9的均匀系数，优选地具有至多1.8的均匀系数。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述加热器连接到所述运载工具的马达，或者在至少部分电动推进的运载工具的情况下连接到电池系统。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，被与所述马达或所述电池系统连接的加热器加热的第三空气流通过压缩机或风扇、优选地通过风扇供应通过所述密闭容器中的吸附剂颗粒。
14.根据权利要求12或13的装置，其特征在于，每个所述容器的第二入口导管延伸通过每个所述容器中的吸附剂颗粒，优选地延伸通过所述吸附剂颗粒的流化床，以及通过与所述第三空气流的热交换加热所述吸附剂颗粒。
15.一种用于分离和除去运载工具的客舱内部的空气中的由一个或多个乘客产生的CO2的方法，包括以下步骤：
a)将来自客舱内部的第一空气流通过权利要求1至14中任一项所述的装置的第一导管提供到所述装置的每个密闭容器的内部并且提供到每个密闭容器的内部中的吸附剂颗粒；以及随后
b)将来自权利要求1至14中任一项所述的装置的每个容器的内部并且来自每个密闭容器的内部中的吸附剂颗粒的CO2耗尽的第二空气流通过所述装置的第一出口导管提供到客舱内部；以及随后
c)将来自客舱外部的第三空气流通过权利要求1至14中任一项所述的装置的第二入口导管提供到所述装置的每个容器的内部并且提供到每个容器的内部中的吸附剂颗粒；以及随后
d)将来自权利要求1至14中任一项所述的装置的每个容器的内部并且来自每个容器的内部中的吸附剂颗粒的富含CO2的第四空气流通过所述装置的第二出口导管提供到客舱外部；
其中，所述方法的特征在于，在客舱外部与所述容器的内部和所述容器的内部中的吸附剂颗粒之间加热所述第三空气流。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在至少部分电动推进的运载工具的情况下，所述第三空气流由运载工具马达和/或电池系统加热。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，加热所述第三空气流通过来自所述运载工具的马达和/或运载工具电池系统的废热来完成。
18.使用由运载工具马达和/或运载工具电池系统产生的废热来再生吸附剂。
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