CN112312993B - 用热回收单元从气体流中吸附/解吸二氧化碳的方法和设备 - Google Patents

用热回收单元从气体流中吸附/解吸二氧化碳的方法和设备 Download PDF

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Abstract

用于通过使用吸附二氧化碳的吸附剂材料、使用包括吸附器结构(6)的单元(1)的循环吸附/解吸从气体混合物中分离所述气态二氧化碳和水的方法，其中所述方法包括以下重复步骤：(a)在吸附步骤中使所述气体混合物与所述吸附剂材料接触；(b)在解吸步骤中进行抽空所述单元(1)和加热所述吸附剂材料中的至少一者，提取气态二氧化碳和水蒸气，以及在单元(1)的下游从水蒸气中分离气态二氧化碳；(c)冷却具有所述吸附剂材料的吸附器结构(6)，以及对单元再加压；其中(i)在步骤(c)中，将释放的热回收并储存在第一储热装置中；(ii)在步骤(b)期间，将作为产物气体的气态二氧化碳和水蒸气的显热和潜热中的至少一者回收并储存在第二储热装置中；以及(iii)其中在步骤(b)期间，加热所述单元(1)中的所述吸附剂材料所需的热由所述单元(1)的先前步骤操作(i)和(ii)中的至少一者中回收的热供应。

Description

用热回收单元从气体流中吸附/解吸二氧化碳的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于通过使用吸附气态二氧化碳的吸附剂材料的循环吸附/解吸从气体混合物中分离所述气态二氧化碳和水的有效方法，所述气体混合物优选为空气或烟道气或沼气。此外，本发明涉及用于进行所述方法的设备。
背景技术
通过吸附进行的气体分离在工业中具有许多不同的应用，例如从气体流中除去特定组分，其中期望的产物可以为从所述流中除去的组分、剩余的贫化流、或二者。从而，气体流的痕量组分以及主要组分二者均可以为吸附过程的目标。一个重要的应用是从气体流中例如从烟道气、排气、工业废气、沼气或大气中捕获二氧化碳(CO2)。
直接从大气中捕获CO2(称为直接空气捕获(direct air capture，DAC))是减轻人为温室气体排放的几种手段之一，并且对于商品市场、对于合成燃料的生产以及为了能够实现负CO2排放，作为非化石、不受位置限制的CO2来源具有有吸引力的经济前景。
从大气的CO2捕获的具体优点包括：(i)DAC可以处理分散来源(例如汽车、飞机)的排放，所述排放占全球温室气体排放的大部分，并且目前可能无法以经济可行的方式在排放地点处捕获；(ii)DAC可以处理来自过去的排放，并因此可以产生真正的负排放；(iii)DAC系统不需要附接至排放源，而是不受位置限制的，并且可以例如位于进一步CO2处理的地点处；以及(iv)如果从大气中捕获的CO2被用于由可再生能源生产合成烃类燃料，则可以获得不向大气产生或产生非常少的净CO2排放的用于运输行业的真正的非化石燃料。基于吸附/解吸的DAC系统的积极的副作用是它们供应来自大气的水，所述水可以用于不同的应用，例如合成可再生燃料，如例如WO2016161998所述。
近来基于不同技术手段开发了几种DAC方法。例如，US 8,163,066公开了二氧化碳捕获/再生结构和技术；US 2009/0120288公开了用于从空气中除去二氧化碳的方法；US2012/0174778公开了使用垂直升降机的二氧化碳捕获/再生方法；以及WO2010022339公开了二氧化碳捕获方法和设备。
一种特定的手段是基于关于固体、化学官能化的吸附剂材料的循环吸附/解吸过程。例如，在WO2010091831中，公开了基于胺官能化的吸附剂材料的结构，以及使用该材料的用于从环境大气空气中提取二氧化碳的循环吸附/解吸过程。
WO2016005226描述了使用用于从空气中捕获二氧化碳的吸附剂的蒸汽辅助真空解吸工艺。其中，吸附过程在环境大气条件下进行，此时空气流过吸附剂材料，并且空气中包含的部分CO2在吸附剂的表面处化学结合。在随后的解吸期间以及为了随后的解吸，对材料进行加热并通过施加真空(在一些实施方案中，与注入蒸汽一起)来降低吸附剂周围的二氧化碳的分压。由此，先前捕获的二氧化碳从吸附剂材料中除去并以浓缩形式获得。
除了从环境空气的CO2捕获之外，这些工艺还可以有效地应用于从具有较高CO2浓度的其他气体流例如烟道气流中捕获CO2。
在WO2012168346中，公开了基于胺官能化的纤维素吸附剂的吸附剂材料，其在几种替代方案中可以用于上述工艺。在WO2014170184中，公开了可以用于上述工艺的由颗粒吸附剂床构成的低压降结构。
典型的吸附/解吸工艺包括压力波动、真空波动、温度波动、微波波动或用惰性气体的吹扫工艺或其组合。这些已知工艺具有特定的应用领域；然而，它们中的许多部分或完全不适用于DAC应用。例如，由于环境大气中的CO2浓度仅为约400ppm，即约0.04％，因此任何纯压力波动过程将需要在吸附期间压缩大体积空气，或者需要将解吸设备抽空至非常低的绝对压力即低于0.04毫巴(a)以驱动解吸。这样的在吸附期间的压缩以及这样的真空系统二者对DAC应用所需的非常大的规模均可能是不可行或不经济的。
纯温度波动工艺在其使用中也被限制，因为用于DAC的典型吸附剂(例如胺官能化的吸附剂)在升高的温度下易于降解，这再次限制了温度波动的程度，并因此限制了当在环境大气条件下从空气中吸附CO2时可实现的循环产率。
虽然已证明用氮气或者甚至空气的惰性气体吹扫解吸的使用，但由于解吸的CO2以稀释形式获得，因此这些方法对DAC具有有限的应用。然而，蒸汽是可冷凝的惰性气体，使得其既可回收又可分离。蒸汽已用于气体分离、土壤处理领域中的解吸，并且近来用于DAC工艺。
还使用了上述方法的某些组合。GB 1129543应用氮气、空气和蒸汽来补充真空波动解吸，以回收烃。US 5540758用使用空气作为吹扫气体利用真空波动使在升高的压力下吸附的各种气体解吸。US 7285154通过为真空波动应用氮气吹扫流以及为温度波动应用氮气吹扫流来解吸氙气。WO2014073004应用温度-真空-波动工艺以用于从封闭环境的CO2吸附/解吸。EP 1142623在高温下应用蒸汽作为吹扫气体以在真空下使CO2解吸。GB1296889、WO2011137398和US2012174779将大气压力下的纯蒸汽吹扫施加至固体吸附剂以使从空气中捕获的CO2解吸。
通常期望提供低能量需求的用于从空气或从其他气体流中捕获CO2的吸附/解吸工艺。WO2016005226中描述的方法和设备通过描述以下可能性而实现低能量需求：第一，通过蒸汽辅助真空解吸工艺提高系统的循环CO2容量，以及第二，回收来自源于注入的蒸汽或从吸附剂解吸的水的水蒸气的冷凝的热。WO2015103401描述了包括至少两组二氧化碳捕获结构的用于从载有CO2的气体流中除去CO2的系统，其中CO2通过注入蒸汽再生，并且其中在蒸汽注入之后，通过将真空引入热结构中来将热从热结构回收至第二冷却结构，随后使结构中剩余的水蒸发并以这样将结构冷却。由此产生的蒸汽用于对第二结构进行预热。
WO2014012966中检查了循环解吸工艺的能量管理，其中将解吸物的热能直接用于蒸汽产生。
Song等(Energy Procedia 61(2014)365-368)报道了新的自热回收技术已应用于PSA工艺以降低CO2捕获成本，其中将含CO2的烟道气高度加压以用于吸附阶段。使用工艺模拟器对提出的工艺的详细能量输入进行模拟，并且模拟结果表明，高压吸附阶段(放热反应)的热可以通过反应热变换器(reaction heat transformer，RHT)显著回收，并重复用于吸附剂再生(吸热反应)。同时，添加膨胀器以回收与残余气体相关的废弃压力。因此，提出的工艺的能量消耗降低至常规工艺的能量消耗的40％。该文献未能公开热储存或缓冲单元。该文献公开了蒸气压缩循环，因此在一个地方获得的热必须立即在另一个地方消耗，从而需要两个地方的运行时间基本相同。
Walmsley等(Proceedings of the 12th international conference on processintegration,modelling and optimization for energy saving and pollutionreduction,AIDIC,罗马,2009)一般地指出分层罐对于使非连续工艺和半连续工艺的热能效率最大化是有用的。
Bonjour等(Ind.Eng.Chem.Res.2002,41,5802-5811)报道了包括用于间接冷却和加热的快速热交换器的TSA工艺的实验结果。进行了从氮气流中除去和回收乙烷(模拟空气中的VOC)的实验。此外，开发了工艺的简化的一维非等温非平衡模型。由于温度波动是该工艺中的驱动力，因此做出了特定努力以评估加热或冷却介质与气体流之间的传热系数。从实验结果和数值结果的组合确定在回收质量和能量消耗二者的方面分析的一些参数(例如再生温度、初始进料组成)对工艺效率的影响。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于从气体混合物中单独分离气态二氧化碳(或者气态二氧化碳和水二者)的热力学更优化的方法。所述气体混合物优选为空气、烟道气和沼气中的至少一者，并且其优选在环境条件即0.8巴(a)至1.2巴(a)下，在-40℃至60℃，更通常地-30℃至45℃，或者甚至更优选地通常在10℃至35℃范围内的温度下在工艺中被提供和被吸附。所述气体混合物包含所述气态二氧化碳和水蒸气以及不同于气态二氧化碳和水蒸气的另外的气体。分离通过使用吸附至少所述气态二氧化碳的吸附剂材料的循环吸附/解吸来进行。
该目的通过根据权利要求1所述的方法来实现。
提出的方法使用包括具有所述吸附剂材料的吸附器结构的至少一个单元，所述单元
·在环境条件下可打开以使所述气体混合物流过，并用于使所述气体混合物与吸附剂材料接触以进行吸附步骤，
·可抽空至550毫巴(a)或更小的真空压力(毫巴(a)代表对于海平面标准化的绝对压力)，以及
·位于所述单元中的吸附器结构可加热至至少50℃的温度，以使至少所述气态二氧化碳或者二氧化碳和水蒸气解吸。
虽然在化学和物理上相同，但在此在水蒸气与蒸汽之间进行术语区分，所述水蒸气为存在于气体混合物例如吸附物空气中或存在于与解吸物气体的混合物中的气态水，所述蒸汽为作为所述方法的一部分的有目的地供应至设备的气态水。
提出的方法包括以下顺序的且以该顺序重复的步骤：
(a)在吸附步骤中，在0.8巴(a)至1.2巴(a)范围内的环境大气压力条件下使所述气体混合物与所述吸附剂材料接触，以使至少所述气态二氧化碳伴随或不伴随有水蒸气吸附在吸附剂材料上。优选地，该步骤在环境温度条件下，即在与运行时的周围空气基本相同的温度条件下进行。进一步优选地，该步骤在与运行时的周围空气基本相同的压力条件下进行。因此，优选地，使气体混合物在基本上没有任何预处理(例如加压和/或加热)的情况下与所述吸附剂材料接触，使气体混合物优选周围大气空气仅仅循环通过吸附剂材料。通常，吸附步骤期间的比流量在30(Nm3/小时)/kg吸附剂至1000(Nm3/小时)/kg吸附剂的范围内，更优选在40(Nm3/小时)/kg吸附剂至350(Nm3/小时)/kg吸附剂的范围内，其中N代表标准温度和压力，其为0℃和100kPa；
(b)在解吸步骤中，进行以下中的至少一者：将所述单元抽空至20毫巴(a)至400毫巴(a)范围内的压力，和将所述单元中的所述吸附剂材料加热至50℃至180℃范围内，优选80℃至120℃范围内的温度，以及
从所述单元中提取至少解吸的气态二氧化碳和解吸的水蒸气或者解吸的气态二氧化碳和来源于注入的蒸汽的水蒸气，以及在所述单元的下游通过水冷凝从水蒸气中分离气态二氧化碳；
(c)将所述单元中的具有所述吸附剂材料的吸附器结构主动冷却至大于或等于环境大气温度的温度，以及将所述单元再加压至环境大气压力条件(优选地，首先将所述单元中的具有所述吸附剂材料的吸附器结构冷却至大于或等于环境大气温度的温度，然后才进行将所述单元再加压至环境大气压力条件，以避免在高温下吸附剂被氧损坏)。
步骤(c)内的主动冷却应被理解为冷却不仅依赖于向环境的热损失。因此，主动冷却可以包括相应管道中的除热流体，例如热交换液体，而且还包括例如流过结构的加压环境大气。此外，在一种可能的主动冷却的方式中，吸附器结构可以暴露于从步骤(b)的例如通过真空系统产生的压力逐渐减小的压力，由此将使保留在吸附剂材料上或保留在吸附剂材料中的任何水蒸气蒸发，从而使吸附器结构冷却。任选地，如此蒸发的水蒸气的冷凝潜热可以用本文中描述的设备和方法来回收。
特别地，该方法的特征在于以下要素(步骤操作)：
(i)在步骤(c)中，将在冷却期间由所述单元中的具有所述吸附剂材料的吸附器结构释放的热的至少部分回收并储存在第一储热装置中，并用于所述单元中或以基本相同的方式并联运行的至少一个不同但等效的单元中的其他工艺步骤；和/或
(ii)其中在步骤(b)期间，将从所述单元中提取的气态二氧化碳和水蒸气的显热和潜热中的至少一者的至少部分回收并储存在第二储热装置中，并用于所述单元中或以基本相同的方式并联运行的至少一个不同但等效的单元中的其他工艺步骤；以及
(iii)其中在步骤(b)期间，加热所述单元(1)中的所述吸附剂材料所需的热的至少部分由所述单元(1)和/或以基本相同的方式并联运行的至少一个不同但等效的单元的先前步骤操作(i)和(ii)中的至少一者中回收的热供应。
优选地，(i)或(ii)中的至少一者与(iii)组合实施，更优选地，同时实施(i)、(ii)以及(iii)。因此，(i)与(iii)组合使用，或者(ii)与(iii)组合使用，或者使用(i)、(ii)和(iii)的组合。
优选地，这些过程以使得步骤a)比步骤b)花费更长时间的方式来运行。通常，对于DAC应用或对于烟道气二氧化碳回收，流过步骤a)比解吸步骤b)长1.5倍至6倍，优选2倍至3倍。因此，优选地，这些过程由并联运行的多于两个的单元运行，例如以同时具有处于步骤a)中的两个单元和同时处于步骤b)中的一个单元。
应注意，包括吸附器结构的单元可以是同时为相应的步骤提供可抽空以及可加热和可冷却的功能的单个单元。然而，所述单元也可以是模块化的，并且包括可以被抽空的第一区域，和例如可以被加热或冷却的第二区域，并且吸附器结构根据系统在该时刻所处的相应步骤而在两个区域之间及时移动。
因此，根据需要和期望，步骤(a)至(c)以(a)-(b)-(c)-(a)-(b)-(c)-…或类似表达的[(a)-(b)-(c)-]n(其中n为大于2，通常在至少100或至少1000或至少10’000的范围内的任意整数)意义上的这种顺序进行。
在本公开内容的上下文中，表述“环境大气压力”和“环境大气温度”是指户外运行的设备暴露于的压力和温度条件，即通常的环境大气压力代表对于海平面标准化的0.8巴(a)至1.1巴(a)范围内的压力，以及通常的环境大气温度是指-40℃至60℃，更通常地-30℃至45℃范围内，更优选地10℃至35℃范围内的温度。优选地，用作所述过程的输入物的气体混合物为大气空气，这通常意味着0.03体积％至0.06体积％范围内的CO2浓度。然而，具有更低或更高CO2浓度例如具有0.1体积％至0.5体积％的浓度的空气也可以用作用于所述过程的输入物，因此一般地说，优选地，输入物气体混合物的输入物CO2浓度在0.01体积％至0.5体积％的范围内。
根据提出的方法的第一优选实施方案，所述第一储热装置和所述第二储热装置为一个组合储热装置，优选为能够接受不同水平的温度并使得可获得不同水平的温度的组合储热装置。
根据又一个优选实施方案，根据步骤操作(iii)的加热所述单元中的所述吸附剂材料所需的热至少部分或全部由所述第一储热装置和所述第二储热装置中的至少一者或者由所述组合储热装置供应。
所述组合储热装置可以优选为分层罐，所述分层罐具有不同温度的区域和用于从这些区域中选择性提取的装置。分层罐可以包含至少一种相变材料和/或热交换流体，其中所述热交换流体优选为水或水/甘醇混合物。
进一步优选地，从同一分层罐中，从分层罐中从其不同区域中提取用于步骤(b)的加热液体和用于步骤(c)的冷却液体。
根据又一个优选实施方案，在步骤(c)中的冷却期间，通过从吸附器结构中的热交换器元件回流至分层罐的热交换流体来回收热。然而，另一方面，还可以使用解吸物气体本身或加压环境大气空气流作为工作流体，并且可以通过从该解吸物气体或加压环境大气空气流中的相应热提取来回收步骤(c)中的冷却热，然后根据(i)对其进行使用。
优选地，将从吸附器结构回流的热交换流体或者被来自解吸物气体或加压环境大气空气流的热传递加热的交换流体例如通过防止混合到分层罐中的机械流分配器的系统(非主动调节)，或者通过主动调节的一组隔离阀根据从吸附器结构回流的热交换流体/解吸物气体/加压空气的温度以及根据各个区域的温度引入至分层罐的相应区域。
进一步优选地，将从吸附器结构回流的或者被来自解吸物气体或加压环境大气空气流的热传递加热的热交换流体引入到分层罐的相对于从吸附器结构回流的热交换流体/解吸物气体/加压空气的温度具有相同温度或在+/-5℃范围内的温度的区域中。
在工艺步骤(b)和/或(c)期间，可以通过顺序打开和关闭隔离阀并且任选地用混合阀将所得流中的至少两者混合来从储热装置中提取热交换流体或被来自解吸物气体的热传递加热的热交换流体。在工艺步骤(b)期间传到所述单元的进给热交换流体的温度比所述单元的温度高优选小于40℃，更优选小于20℃，以及优选地，在步骤(c)期间，进给热交换流体的温度比所述单元的温度低小于30℃，优选小于20℃。阀的数量——限定可用温度水平的数量可以在2至10，优选2至6的范围内。
可以例如采用外部热源以经由分层罐中的内部热交换器和/或经由在热交换器元件与分层罐之间循环的热交换流体的入口流或返回流中的热交换器进一步加热分层罐的区域或全部。
另一个优选实施方案的特征在于，在步骤(b)期间回收的水蒸气(例如解吸期间来源于吸附剂和/或注入的蒸汽)的显热和潜热被至少一个热交换器，优选串联连接的多于一个的热交换器接收，所述热交换器进而将所述热传到循环热交换流体，所述循环热交换流体进而将热传到作为储存装置的分层罐，以及其中优选地，在进入至少一个热交换器之前，通过压缩机或真空泵将来自所述单元的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流压缩至至少0.3巴(a)或至少1.1巴(a)，优选至少1.4巴(a)或1.7巴(a)的压力，从而提高蒸汽和/或水蒸气的冷凝温度。
可以优选地使来自所述单元的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流优选地基本上在分层罐的整个高度上沿向下流动方向通过分层罐内包括的内部热交换器，由此冷凝热基本上在与冷凝温度相对应的水平下直接传递至分层罐，以及其中优选地，在进入分层罐内包括的内部热交换器之前，通过压缩机或真空泵将来自所述单元的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流压缩至至少0.3巴(a)或至少1.1巴(a)，优选至少1.4巴(a)或1.7巴(a)的压力，从而提高蒸汽和/或水蒸气的冷凝温度。
根据又一个优选实施方案，任选地，在使来自所述单元的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流通过分层罐内部或外部的热交换器并由此将水蒸气的冷凝热以及所述流的部分显热直接或间接地传到分层罐中的热交换流体之前，第一预冷凝器可以从来自所述单元的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流中除去至少部分水蒸气，从而产生冷凝物的喷出流和冷凝热Qpc的流，其可以在优选地将剩余的气态流传到压缩机或真空泵之前传到储热装置，所述压缩机或真空泵将来自所述单元的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流的压力从仅真空压力增加至至少0.3巴(a)的中间压力。
根据又一个优选实施方案，在使来自所述单元的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流通过分层罐内部或外部的热交换器并由此将水蒸气/蒸汽的冷凝热以及所述流的部分显热直接或间接地传到分层罐中的热交换流体之前，将从所述单元中提取的初始气态流或预冷凝器下游的剩余气态流传到第一压缩机或真空泵，所述第一压缩机或真空泵将来自所述单元的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流的压力从真空压力增加至至少0.3巴(a)的中间压力。
根据又一个优选实施方案，任选地，后冷凝器任选地除去冷凝物的最后部分，并将冷凝热Qpc的另一部分传到储热装置，并将剩余气态流传到下游的第二压缩机或真空泵，所述第二压缩机或真空泵实现最终压力增加至至少1.0巴(a)的输送压力，以及其中优选地，可以灵活地调节水蒸气和/或提取的气态二氧化碳的中间压力和从分层罐中的提取点，以调节在热交换器中冷凝的水蒸气与不可冷凝的气体含量的比率。
步骤(c)可以包括在20毫巴(a)至400毫巴(a)范围内的压力下将所述单元中的具有所述吸附剂材料的吸附器结构主动冷却至大于或等于环境大气温度的温度，以及随后将所述单元再加压至环境大气压力条件。
根据另一个优选实施方案，在步骤(b)中，在所述单元中的压力水平下在饱和蒸汽条件或过热蒸汽温度高至180℃的过热蒸汽条件下将蒸汽注入到所述单元中以流过并接触吸附剂材料，以及其中在整个步骤(b)期间注入的蒸汽与在整个步骤(b)期间释放的气态二氧化碳的摩尔比小于40:1或小于100:1，其中所述比率可以适应于所使用的吸附剂的性质。
可以将注入的蒸汽的至少部分冷凝热与在步骤(b)期间从吸附剂材料中提取的解吸气体的显热和潜热一起回收并储存在储热装置中或用于其他工艺步骤，优选回收并储存在与步骤操作(i)和/或(ii)中限定的储存相同的储热装置中，最优选以分层罐的形式。
步骤(b)中注入的蒸汽可以优选至少部分地使用根据步骤操作(i)和/或(ii)回收的热产生，其中优选地，蒸汽至少部分地由从优选以分层罐的形式的储热装置中提取的热产生。
根据又一个优选实施方案，在步骤(b)期间注入到所述单元中的蒸汽优选至少部分地通过使通过来自至少30℃至100℃或至少30℃至180℃的温度水平的分层罐的(循环)热交换流体进给的或埋置在来自至少30℃至100℃或至少30℃至180℃的温度水平的分层罐的(循环)热交换流体中的热交换器中的水蒸发来产生，其中热交换流体可以来源于通过经由特定隔离阀的提取来自分层罐中的特定点的流，其中任选地将所述提取流混合。
在步骤(b)期间注入到所述单元中的蒸汽可以至少部分地通过使基本上在分层罐的整个高度上在分层罐内包括的内部热交换器中沿向上流动方向流动的水蒸发来产生，由此蒸发热基本上在与蒸发温度相对应的水平下从分层罐直接传递至水，并且优选地通过解吸单元的当前压力水平进行自调节。
根据本发明的以上方面，并且特别是当使用内部结合到储热装置中的热交换器时，主冷凝器或一组主冷凝器以及蒸发器或一组蒸发器的比热交换面积可以位于10m2/吨吸附剂材料至400m2/吨吸附剂材料的范围内，优选在40m2/吨吸附剂材料至100m2/吨吸附剂材料的范围内。此外，对于其中热交换器或一组热交换器在储热装置外部并且循环流传递来自储热装置的传热流体的配置，比面积可以位于5m2至250m2的范围内。应理解，不同的合适吸附剂材料、工序以及蒸汽和蒸气含量分别限定所需的比热交换面积。
根据又一个优选实施方案，在步骤(b)和(c)期间，向所述单元中的吸附器结构和/或吸附剂材料的热传递和来自所述单元中的吸附器结构和/或吸附剂材料的热传递至少部分地通过设置在吸附器结构中的热交换器元件，优选包括循环通过热交换器元件的热交换流体来实现。
优选地，在本上下文中，步骤(b)包括至少以下顺序步骤：
(b1)将所述单元中的所述吸附剂材料预热至35℃至80℃范围内，优选45℃至75℃范围内的温度，同时在该预热阶段期间，热交换器元件的最高温度以及优选地，循环通过热交换器元件的热交换流体的入口温度低于80℃；
(b2)将所述单元中的吸附剂材料进一步加热至80℃至180℃范围内，优选90℃至140℃范围内的温度。
在步骤(c)中的冷却期间，可以将从所述单元回收的热直接传递至第二单元，优选经由设置在吸附器结构中的热交换器元件和传热流体直接传递至第二单元，所述第二单元在其吸附器结构中包括热交换器元件，所述第二单元此时处于步骤(b)中，并且接收热以加热其吸附剂材料。
另一个优选实施方案的特征在于，在步骤(c)中的冷却期间，将从至少两个单元的组中回收的热经由通过设置在以串联流动配置的所述单元的组的吸附器结构中的热交换器元件的热交换流体直接传递至至少两个单元的第二组，所述至少两个单元的第二组在其吸附器结构中包括以串联流动配置的热交换流体也通过的相应热交换器元件。
根据本发明的另外的优选方面，可以应用控制策略以将储热装置的热能含量保持在总是能够实现循环运行并且尤其是在蒸发器中生产吹扫蒸气的足够的水平。根据本方面，在解吸时，从储热装置提取的传热流体在传递到吸附器结构上之前通过外部热源，其中在低于40℃，优选低于25℃的温度下，将从储热装置提取的进料传热流体的温度设定为比外部热源下游的所述传热流体的温度低0.1℃至5℃，优选小于2℃，其中优选地，所述温度降低通过经由特定隔离阀改变进料传热流体的提取点，或者通过改变两个或更多个提取流的混合比率来实现，此外，其中优选地，外部热源通过增加外部热输送来补偿温度的降低。
至少两个单元或更多个，例如3个、4个、5个、6个或7个或甚至8个单元可以通过具有独立的流体流的两个或相应更多个平行的传热回路的组连接，但通过至少一个共同的储热装置连接。
在吸附步骤(a)的至少最后5分钟期间，可以有利地使热交换流体循环通过所述单元的热交换器元件，从而将吸附器结构和吸附剂材料加热至高于环境空气温度，并因此与空气流的初始环境温度下的相对湿度相比，降低环境空气流的相对湿度，
和/或其中在吸附步骤(a)的至少部分期间，使热交换流体循环通过所述单元的热交换器元件，以回收释放的吸附热。
此外，本发明涉及如上详述的方法用于从环境空气流中分离二氧化碳的用途。
此外，本发明涉及用于进行如上详述的方法的设备，所述设备包括
至少一个单元，所述至少一个单元包括具有所述吸附剂材料的吸附器结构，所述单元可打开以使所述气体混合物流过，并用于使所述气体混合物与吸附剂材料接触以进行吸附步骤，
可抽空至550毫巴(a)或更小的真空压力，以及
位于所述单元中的吸附器结构可加热至至少50℃的温度，以使至少所述气态二氧化碳和水蒸气解吸，
其中所述设备适应于且适用于以下顺序的且以该顺序重复的步骤：
(a)在吸附步骤中，在0.8巴(a)至1.2巴(a)范围内的环境大气压力条件下使所述气体混合物与所述吸附剂材料接触，以使至少所述气态二氧化碳伴随或不伴随有水蒸气吸附在吸附剂材料上。优选地，该步骤在环境温度条件下，即在与运行时的周围空气基本相同的温度条件下进行。进一步优选地，该步骤在与运行时的周围空气基本相同的压力条件下进行。因此，优选地，使气体混合物在基本上没有任何预处理(例如加压和/或加热)的情况下与所述吸附剂材料接触，使气体混合物优选周围大气空气仅仅循环通过吸附剂材料。通常，吸附步骤期间的比流量在30(Nm3/小时)/kg吸附剂至1000(Nm3/小时)/kg吸附剂的范围内，更优选在40(Nm3/小时)/kg吸附剂至350(Nm3/小时)/kg吸附剂的范围内，其中N代表标准温度和压力，其为0℃和100kPa；
(b)在解吸步骤中，进行以下中的至少一者：将所述单元抽空至20毫巴(a)至400毫巴(a)范围内的压力，以及将所述单元中的所述吸附剂材料加热至50℃至180℃范围内，优选80℃至120℃范围内的温度，以及
从所述单元中提取至少解吸的气态二氧化碳和水蒸气，以及在所述单元的下游通过水冷凝从水蒸气中分离气态二氧化碳；
(c)将所述单元中的具有所述吸附剂材料的吸附器结构主动冷却至大于或等于环境大气温度的温度，以及将所述单元再加压至环境大气压力条件；
其中所述设备还包括
(i)用于在步骤(c)中回收在冷却期间由所述单元中的具有所述吸附剂材料的吸附器结构释放的热的至少部分的装置，和用于将回收的热储存以用于所述单元中或以基本相同的方式并联运行的至少一个不同但等效的单元中的其他工艺步骤的第一储热装置；以及
(ii)用于在步骤(b)期间回收作为产物气体的气态二氧化碳和水蒸气的显热和潜热中的至少一者的至少部分的装置，和用于将回收的热储存以用于所述单元中或以基本相同的方式并联运行的至少一个不同等效的单元中的工艺步骤的第二储热装置；以及
(iii)其中设置所述单元和/或以基本相同的方式并联运行的至少一个不同但等效的单元的所述第一储热和所述第二储热中的至少一者，以供应在步骤(b)期间加热所述单元中的所述吸附剂材料所需的热的至少部分。
优选地，(i)或(ii)中的至少一者与(iii)组合实施，更优选地，同时实施(i)、(ii)以及(iii)。
优选地，在这样的设备中，吸附器结构包括热交换流体流过的内部热交换器元件。或者，也可以使用解吸物气体本身或加压环境大气空气流作为工作流体，并且可以通过从该解吸物气体或加压环境大气空气流中的相应热提取来回收步骤(c)中的冷却热，然后根据(i)对其进行使用。
进一步优选地，在这样的设备中，至少一个单元，优选多个单元连接至具有分开的且多个温度水平的组合有所述第一储热和所述第二储热的共同的分层罐，从而允许在解吸期间，在同时提取60℃至180℃，优选60℃至150℃范围内的较高温度下的热以用于加热时，使用30℃至60℃范围内的低温区域以进行工艺冷却。
根据所述设备的一个优选实施方案，而且在以上方法的上下文中，吸附剂材料为优选浸渍到多孔颗粒状载体优选活性炭上的胺官能化的固体吸附剂或X2CO3，其中X为K、Na、Li或其混合物。例如，所述材料可以为弱碱离子交换树脂和/或胺官能化的纤维素和/或胺官能化的二氧化硅和/或胺官能化的碳(carbons)和/或胺官能化的金属有机骨架和/或其他胺官能化的聚合物吸附剂。
从属权利要求中主张了本发明的另外的实施方案。
附图说明
以下参照附图描述本发明的优选实施方案，所述附图是出于说明本发明的当前优选的实施方案的目的，而不是出于限制本发明的目的。在附图中，
图1示出了显示出用于在一个单元内回收和使用的可能的能量流动的一般能量管理方案；
图2示出了显示出用于在三个单元和储热装置中回收和使用的可能的能量流动的一般能量管理方案；
图3示出了具有内部冷凝热交换器和蒸发热交换器以及热流和介质流的分层罐储热装置的细节；
图4示出了参与直接显热回收的两个单元的温度分布的实例；
图5a和5b示出了由输送至单元的单温度水平进料传热流体和多温度水平进料传热流体产生的加热分布的实例；
图6a和6b示出了由输送至单元的单温度水平进料传热流体和多温度水平进料传热流体产生的冷却分布的实例；
图7示出了在1.4巴(a)下CO2和水蒸气的混合物的冷凝曲线和相关的可回收的显热和潜热Qd的实例；
图8示出了压缩过程的P-v曲线的实例，所述压缩过程包括a)等温压缩、b)多变压缩以及c)具有中间冷却和中间冷凝的多变压缩；
图9a和9b在a)中示出了从每吨产物CO2的解吸气体的潜热和显热Qd中回收的热能作为中间压力水平Pint和传到初次压缩装置的蒸气分数VF的函数的曲线，以及b)中示出了每吨产物CO2的压缩机功W作为中间压力水平Pint和传到初次压缩装置的蒸气分数VF的函数的曲线；
图10示出了在可能的吸附/解吸过程的三个阶段处在可能的储热装置的高度上的实验温度分布。
具体实施方式
图1中示出了可能的能量管理系统的第一实施方案，其实施了用于回收解吸过程所需的投入的热能的方法。设置包括具有吸附剂材料的吸附结构2的单元1。对于以上步骤(a)，空气沿路径30进入单元1以进行吸附，贫化的空气沿路径31离开。
单元1连接至进料传热流体3，所述进料传热流体3供应40℃至180℃，优选65℃至150℃的温度下的热流Qh，并经由回流传热流体4离开单元。在以上步骤(b)中用于解吸过程的热Qh由相关物质的解吸热、单元的显热和损失构成。对于步骤(b)中的解吸，可以通过路径9注入另外的蒸汽。
对于(c)中的冷却步骤，冷“加热”液体与单元中相同的热交换装置一起使用，如通过经由管线11的Qc示意性示出的。如图1所示，在储存装置14提供不同水平的温度的提取的情况下，例如在分层储存罐的情况下，冷液体可以通过该储存装置14供应。或者，可以设置单独的供应系统。
经由真空管线6通过初次压缩装置7(优选非冷凝真空泵)从单元1中提取作为可冷凝物质和惰性物质的混合物优选CO2和H2O的来自步骤(b)的产生的解吸气体5，从而将所述压缩混合物输送至1.0巴(a)至1.8巴(a)，优选1.1巴(a)至1.6巴(a)的压力下的主冷凝器8，所述主冷凝器8将投入的解吸气体的潜热和显热Qd的至少部分作为Qh的一部分提取到解吸过程中，其中所述热Qd可以直接重复使用或储存在单元14中。
以这种方式供应至过程的工艺热Qh可以至少部分地来源于解吸气体的回收的潜热和显热Qd。由于并非解吸热Qh所需的全部能量都可以从显热Qs以及解吸气体的潜热和显热Qd中回收，因此必须施加外部热Qe。
此外，在步骤(c)中进料传热流体进料3可以将冷传热流体Qc供应至热单元1，从而通过回流传热流体4从所述单元中提取显热Qs，其中热Qs可以重复使用或储存在单元14中。
因此，本文中描述了这样的设备：其用于回收呈解吸气体的潜热和/或显热形式的用于解吸过程的投入的热的至少部分以及单元显热的至少部分，从而改善循环吸附解吸过程的能量效率。
图2示出了运行包括如下的工序：回收在多个并行的等效单元的情况下的显热Qs，以及三个单元1a、1b、1c上的解吸气体的显热和潜热，所述单元1a、1b、1c各自包括吸附器结构2a、2b、2c，全部以上述顺序工作，但随步骤及时移动，使得恰好在给定的时刻下，一个单元可以解吸(步骤b)，一个可以吸附(步骤a)，以及一个可以处于另外的中间步骤中，例如处于步骤c中。
然而，提出的方法同等地适用于如给出的图1中仅存在一个单元的情况。
单元的数量和工艺步骤的分配不限于三个，而是受整个设备的规模、各步骤的持续时间和传热流体回路设计的类型影响，并且应理解，相同的原理可以扩展至多于三个单元。
单元1连接至储热装置14，所述储热装置14包括通过传热流体管道的至少一个回路填充有至少传热流体，而且还可能填充有至少一种相变材料的至少一个罐。任选地，两个传热流体回路可以独立地用于热传热流体和冷传热流体。此外，所述单元可以由可旁通式循环泵19a、19b、19c彼此连接，这使得能够直接回收单元之间的Qs。
为了说明所述方法的运行，假设在一个时间点，单元1a待被加热以进行解吸(工艺步骤b))，单元1b待被冷却(工艺步骤c))。
为了实现此，首先循环泵19a可以参与，其在单元1a与1b之间以闭合回路(图中逆时针方向，参见箭头Qs)泵送传热流体，从而将单元1b的至少部分显热Qs传递至单元1a，从而加热单元1a并冷却单元1b。
一旦两个单元的温度基本相等，就可以使进料传热流体从储存装置14流动至冷却单元1b，其中通过循环泵19c通过至少一个控制阀15(任选地通过混合阀17)从储存装置中提取适当的冷传热流体，以实现特定的冷却温度，并使离开单元1b的热传热流体回流至储存装置14，从而回收单元1b的剩余显热Qs的至少另外的部分。
一旦实现单元的最终冷却温度，就改变进料传热流体的流动以将热传热流体从储存罐14输送至单元1a，由此将回流冷传热流体重新注入到罐中，以及其中40℃至180℃，优选65℃至150℃的温度范围内的工艺热Qh可以至少部分地来源于先前回收的显热Qs。该过程的实例在以下实施例1中进一步描述。
在采用并行的热传热回路和冷传热回路的实施方案中，单元之间的显热Qs的直接回收以相同的方式进行，然而，需要具有独立运行的循环泵的至少两个储存罐——一个用于60℃至180℃，优选60℃至150℃范围内的热传热流体，一个用于30℃至60℃范围内的冷传热流体。热传热流体回路可以具有前述方法的任一者以用于添加来自外部热源例如储存罐中或者进料传热流体管线或回流传热流体管线中的具有外部热供应的界面热交换器的Qe，而冷传热流体罐必须具有除热的方法。一种可能性是在吸附期间使传热流体流过单元1——有效地使用该设备作为空气冷却器，同时提供调节吸附条件(温度和相对湿度)的可能性。并行回路实施方案提供优于单个回路的许多优点，因为其允许缩短的循环次数，缓和单元中的吸附器结构以减弱吸附条件的波动，并回收吸附热。
储存装置14的一个可能的实施方案是分层罐，所述分层罐可以储存30℃至180℃，优选40℃至150℃的温度范围内的传热流体，通过从分层罐中的不同温度区域中提取进料传热流体3来由分层罐供应进料传热流体3。分层罐在传热流体中建立并保持温度范围，其中温度从罐的底部朝顶部升高。分层罐可以配备有至少一个，优选至少5个进料管线，所述进料管线各自具有隔离阀15和温度测量仪器16。以这种方式，可以提取并监测在特定的期望温度水平下的进料传热流体。提取点在加热和冷却过程期间可以变化以最好地匹配过程需求。此外，可以使用混合阀17以进一步改善进料传热流体3的温度控制。回流传热流体4可以经由至少一个口和机械流分配器18例如扩散器或挡板进给到分层罐14中，所述机械流分配器18允许回流传热流体基于其温度和密度在罐内自身分配而没有能量破坏混合。因此，单元1可以供应有从分层罐的上部提取的热传热流体和热能Qh，同时使冷传热流体回流至分层罐的下部。一旦所述单元待被冷却，先前回流的冷传热流体就可以再次流动到单元中，吸收单元的显热Qs，将显热Qs回流至分层罐14以用于储存和将来使用。此外，单元可以供应有针对传热的速度进行优化，同时使能量破坏最小化的进料传热流体的温度。该过程的细节在以下实施例2和3中进一步描述。来自储存装置的另外的工艺热可以用于其他工艺步骤，例如产生可以作为吹扫气体供应至单元的蒸气9。
在步骤(b)中产生解吸气体5——为可冷凝物质和惰性物质的混合物(以1:0.001至1:50的摩尔比的CO2和水)期间，首先可以使气体通过预冷凝器12——例如空气冷却器——其中在通过初次压缩装置7之前，可以将解吸气体中存在的至少部分可冷凝物质作为冷凝物21除去，所述初次压缩装置7将解吸气体5的压力初次提高至0.3巴(abs)至1.8巴(abs)，并随后将其潜热和/或显热传到储热装置14，在所述储热装置14中，解吸气体的潜热和显热Qd的至少部分被吸收，并且如果需要的话被储存，从而产生产物气体流20和冷凝物流21。部分冷凝热Qpc也可以被传到储热装置14。
可以调节预冷凝器12和初次压缩装置7的运行以实现用于压缩的施加机械功和可回收能量Qd的优化。解吸气体5中较低的水含量(更多冷凝水)使可回收能量Qd和用于压缩的投入机械功W二者减小。以下给出的实施例8示出了多种运行设置的影响。如果产物气体20低于消费者所需的压力，则可以应用后冷凝器13和第二压缩装置27的另外的组合，从而提供用于最终回收冷凝热Qpc的选择。这样的组合的优点在于，可以除去产物气体的不期望的可冷凝物质，并且可以降低投入的机械能。冷凝物流21从多个冷凝阶段提取，并且可以被设置或用于生产通过蒸汽管道10输送的作为单元的吹扫气体的蒸汽9。
图3中示出了所述设备的一个实施方案，其中储存装置14是具有30℃至180℃，优选40℃至150℃的温度范围的分层罐，其可以具有内部主冷凝器8以及蒸发器25，以及图2中呈现的用于提取Qh的多个提取点和用于由机械流体分配器18例如扩散器或一组机械盖补充的回流传热流体的至少一个口，所述机械流体分配器18防止回流传热流体与罐中的流体混合。主冷凝器8接收解吸气体，所述解吸气体为300毫巴(a)至1800毫巴(a)，优选400毫巴(abs)至1400毫巴(abs)的压力和100℃至200℃的温度下的以1:0.01至1:50的比率的惰性物质和可冷凝物质的混合物例如CO2和H2O，使所述气体沿向下方向通过所述冷凝器的管道，并因此通过分层罐内的不同温度区域。可冷凝物质在由局部气体组成和饱和条件限定的特定温度下经历冷凝，从而将显热和潜热Qd传递至分层罐内的传热流体。产物气体20a与冷凝物21一起离开，在分离器26处被提取。此外，液体进料水22可以被引入到蒸发器中，向上通过所述分层罐的不同温度区域，由此从罐内的传热流体获得能量，并最终形成蒸汽以离开系统，如待被供应至消费者或单元的水蒸气9为吹扫气体。和解吸气体5中的其他可冷凝物质一样，作为吹扫气体通过单元的水蒸气9的潜热也可以用所述方法进行回收和重复使用，从而显著降低净能量需求。优选地，冷凝物流21和液体水进料22可以如所示通过分离器26经由泵结合。用于供应Qe的许多——但不限于此——选择可以为进料传热流体管线中或如所示安装在罐中的电加热器24。又一个选择可以为用于与外部热供应23联接的经由循环泵19结合到储存罐中的界面热交换器28。主冷凝器8和蒸发器25覆盖分层罐温度范围的至少一部分但不一定相同的部分。分层罐内部的冷凝器和蒸发器的精巧在于，显热和潜热Qd回收以及蒸气产生在仅由相应介质的饱和条件限定的完全适当的温度下进行，而无需外部循环、重新分配传热流体或过程控制。主冷凝器8可以具有如通过产物气体流20b所示的多于一个的提取点，所述产物气体流20b可以在可以高于分层罐14中的最低温度的温度下被提取，从而输送分别选择以匹配下游应用(例如材料或燃料合成)的特定的水含量或CO2:H2O含量。在另一个实施方案中，如图7所示，至少一个冷凝器8可以在罐的外部，其中补充循环回路在特定温度下从分层罐中提取传热流体以实现Qd的回收。在以下给出的实施例4中详细讨论这样的实施方案的运行。如果将多个罐用于储热装置，则根据罐的温度水平，冷凝器8和蒸发器25可以横穿多于一个罐。分层罐的体积可以与工艺步骤(b)和(c)的持续时间以及同时经历这些步骤的单元的数量相关，并且应位于3m3/单元至10m3/单元，优选7m3/单元至10m3/单元之间。
如将在实施例1至5中详细示出的，所公开的解吸过程在能量上和经济上可行的运行关键在于结合储热装置14回收显热Qs以及解吸气体的潜热和显热Qd二者。
首先，仅两种形式的能量回收可以覆盖解吸所需的热的全部温度范围。其次，Qs的回收代表解吸所需的总热的至多1/3至1/4，并且可以——特别是对于如某些吸附剂材料所需的高吹扫蒸气流9——低至1/20。在没有Qd的回收的情况下——特别是对于高吹扫蒸气流9——解吸过程将需要过高地供应外部能量Qe。第三，由于瞬态加热过程的性质，解吸的各个阶段随着升高温度顺序地发生，其中首先是从环境条件至约60℃的纯显性加热(sensible heating)过程，然后释放解吸物物质，例如CO2和H2O，然后通常是施加吹扫蒸气流。如果先前回收的热可以储存在各个单元的解吸之间，则这些过程阶段中的每一者可以仅由该热供应。虽然解吸过程总是需要外部热供应，但利用可回收的热流Qs和Qd二者以及储存装置允许这样的外部热供应具有比将需要适应瞬态加热和解吸过程的强烈波动热负荷的系统小得多的容量。因此，这显著降低了设备成本，但仅对于储存装置是可行的。
最后，如上所述的基本吸附/解吸过程需要以下二者：单元从解吸温度冷却至环境大气温度——提取显热Qs——一些形成解吸气体从真空条件至至少大气条件的压缩使得产物气体可以传递至下游消费者，以及从产物气体流中提取至少部分水——提取Qd。如此，Qs和Qd二者的热流均固有存在于所述过程中，并且通过应用储热装置以及本文中公开的方法和设备而简单地缓冲和用于改善的能量效率。
实施例1：利用回收的显热Qs以及CO2和H2O的解吸气体混合物的潜热和显热Qd减少解吸过程的热能需求。
表1示出了用于确定单个DAC CO2捕获模块的解吸过程的热能需求以及过程变型的外部热需求的假设。
表1——DAC CO2捕获工艺的能量需求。
Figure BDA0002833839470000191
Figure BDA0002833839470000201
显然，存在与本文中公开的回收方法有关的非常大的能量益处，其中可以节省约2500kWh/吨CO2的外部热能。考虑到典型的CO2市场成本为300$US/吨，以及典型的外部热价格为20$US/MWh，所呈现的能量节省为50$US/吨CO2，这对于CO2捕获工艺是非常重要的成本节省。
表2示出了作为温度水平的函数的上述解吸过程所需的总热。可以看出大多数热需要低于80℃，低于80℃主要与单元的显性加热和吹扫蒸汽生产有关，其中高于90℃的能量主要用于使CO2解吸。
表2——DAC CO2捕获工艺在六个温度水平上的热需求。
温度 用于解吸的总热(kWh/吨CO2)
>110℃ 0
90℃至110℃ 654
80℃至90℃ 0
65℃至80℃ 1538
50℃至65℃ 548
20℃至50℃ 593
总计 3334
实施例2：由加热/冷却单元直接回收显热Qs。
本实施例涉及具有两个顺序运行的单元的图2的实施方案。为了本实施例的目的，一个单元1a已经完成解吸并且是热的，另一个单元1c是冷的并且待开始加热。单元直接联接，传热流体通过泵19a循环。图4示出了单元1a和1c的温度。对于本实施例，单元1a待从110℃冷却至10℃，同时单元1c待从10℃加热至110℃。在时间t1处，通过在两个单元之间泵送传热流体而在两个单元之间直接开始Qs的交换，使得渐近接近中间温度。由于经历加热和解吸的单元的每度能量需求高于经历冷却的单元的每度显能供应，因此中间温度将更接近于被加热的单元的起始温度。在如实施例1中最终解吸温度为110℃且吸附温度为10℃的情况下，在直接显热交换期间在时间t2处达到的中间温度将为例如50℃。此后，单元1c通过补充热输送经历加热至110℃的最终温度，单元1a经历进一步冷却至10℃的最终温度。基于1536kJ/K的单元热质量，这种实施允许从单元1a回收1088kWh/吨CO2的显热Qs。
实施例3：通过分层罐和分阶段过程在加热和冷却期间回收单元的显热Qs。
本实施例示出了与通过如图2的具有多个提取点的分层罐进行加热和冷却有关的潜力。图5a示出了供应有温度为110℃的恒定进料传热流体3的单元的加热分布。单元1的温度以下降指数升高。然而，相对于进料3，回流传热流体4的温度显著降低，这使得传热流体的能量由于在加热过程开始时进料传热流体3与单元1之间的大温差而强烈损失。图5b示出了分阶段加热多个温度水平的进料传热流体3的效果，其中传热流体4的回流温度更接近于进料传热流体1，这保持了传热流体的能量。最初，将进料传热流体3的温度选择为例如比单元1的温度高10℃。一旦单元1的温度升高的速率由于与进料传热流体3的减小的温差而减慢，就将下一个更高的温度水平选择为进料，直至达到最终温度水平。以这样的方式，有价值的且通常更昂贵的高温热较少降级。
类似地，图6a示出了如图5的具有和不具有分层罐的冷却的效果。单元1由进料传热流体3冷却，引起单元的沿下降指数的冷却分布。单元温度1与冷进料传热流体3之间的初始大差异产生60℃的低回流传热流体温度。如实施例1所示，仅小部分热需求可以被低于60℃的热覆盖。为了进一步允许有效地冷却单元，必须另外地对回流传热流体4进行冷却——例如用空气冷却器——并因此使单元的高温能量损失。图6b示出了施加来自具有多个提取点的分层罐的分阶段冷却的影响。最初，首先可以用进料传热流体3(例如10℃更冷)对单元进行冷却，从而产生保持单元的大部分能量并且可以被进给回到分层罐中的返回流。一旦冷却速率由于进料传热流体3与单元1之间的温差减小而减慢，就从分层罐中选择下一个更低的温度水平用于进料传热介质3。以这种方式，单元的大部分显热可以在适合应用于随后加热过程的温度下回收。
对于实施例1的解吸过程，可以计算以一个单元运行的分层罐的热平衡。为了该计算的目的，将分层罐分离成如表3所示的6个温度水平。可以看出由于将冷进料传热流体的最高温度假设为80℃，因此高于90℃没有热被回收，从而产生90℃回流。然而，在这些温度水平下的热仍可以重新用于另外的单元的解吸。以单个进料冷却温度运行将产生相同的总回收热，但全部低于60℃，如此，在有吸引力的温度水平下保留多于500kWh/吨CO2的热。
表3——以分阶段方式被冷却的单个解吸单元的回收的显热。
温度 回收的显热(kWh/吨CO2)
>110℃ 0
90℃至110℃ 0
80℃至90℃ 265
65℃至80℃ 288
50℃至65℃ 203
20℃至50℃ 367
总计 1124
实施例4：使用分层罐和单个压缩阶段从H2O和CO2气体的混合物回收显热和潜热Qd。
本实施例示出了图2的一个实施方案的潜力，所述图2的一个实施方案包括进给有来自单个储存罐14的传热流体的分层罐外部的三个冷凝器。图7示出了本文中讨论的实施方案，以及在1400毫巴(a)的总压力下在初次压缩装置的下游从200℃冷却至20℃的摩尔比为3:1的H2O和CO2的混合物的冷凝曲线。由于仅可以回收气体的显热，因此从200℃至110℃的初始温度降低伴随着按比例少的可回收能量量(10％)。一旦在110℃(为1400毫巴(a)下的饱和温度)下开始冷凝，就可以回收更大量的热。在110℃与90℃之间，高于90℃可以回收另外62％的水的显热和主要潜热。在90℃与80℃之间，高于80℃可以回收另外16％的热。低于80℃可以回收最后12％的热。假设在主冷凝器(例如8a、8b、8c)上的最小温差为dTmin，所述冷凝器中的每一者中的传热流体的温度分布将遵循图7的虚线。
表4示出了使用图2的实施方案每温度水平可从CO2和水蒸气的混合物回收的热Qd。为了本实施例的目的，将罐限定成6个温度区域。
表4——CO2和H2O混合物的解吸的回收的显热和潜热Qd。
温度 回收的显热和潜热Qd(kWh/吨CO2)
>110℃ 113
90℃至110℃ 920
80℃至90℃ 121
65℃至80℃ 83
50℃至65℃ 53
20℃至50℃ 82
总计 1373
可以看出大多数能量是在90℃至110℃的温度水平下回收的，其对应于在1400毫巴(a)的压力下与CO2的混合物中的水蒸气的冷凝潜热。高于110℃的少量回收的能量部分对应于高于冷凝条件的气体混合物的显热。将上表4与表1进行比较，可以看出回收的热Qd可以用于解吸。
实施例5：包括回收单元的显热Qs以及CO2和H2O的混合物的显热和潜热Qd的解吸过程的净热平衡。
将实施例1、3和4的热平衡结果进行比较并考虑图2和3的实施方案，可以为分层罐配制净热平衡，所述净热平衡由DAC解吸过程的总热需求和以下两种来源的可回收的热构成：单元的显热Qs以及解吸气体的显热和潜热Qd。为了本实施例的目的，将分层罐再次分为6个温度水平。各温度水平的净能量通过解吸过程的热需求和回收的热来确定。负值表示必须提供外部热Qe的温度水平。正值表示在该温度水平下热的过剩。
温度 解吸的净热需求(kWh/吨CO2)
>110℃ 113
90℃至110℃ 266
80℃至90℃ 387
65℃至80℃ -1167
50℃至65℃ -293
20℃至50℃ -144
总计 -838
该表显示出高于80℃观察到热的净过剩，而在低于80℃的温度水平下观察到热的净不足。这是由于具有110℃的饱和温度(和潜热的温度)的1400毫巴(a)的压缩压力。这提出如何向低于80℃的解吸过程供应必要的热的问题。一种选择是施加外部热源，例如图3的外部热源。另一种选择是通过将例如90℃的温度流施加至当前温度为50℃的解吸单元来降级罐中的高温热，从而有效地重新分配罐内的热。然而，这带来的代价是，先前投入的将解吸气体的温度水平升级至高于80℃的压缩功因此立即损失。实施例6和7中呈现在更好地平衡解吸的净热需求的同时降低所需压缩功的潜在的另外的替代方案。
实施例6：单阶段压缩对具有中间冷却和蒸气冷凝的两阶段压缩的压缩功。
图8示出了三种压缩过程的理想化曲线。曲线(x)是已知使压缩机功最小化的理想等温压缩。曲线(z)是已知代表大多数实际压缩系统的多变压缩曲线。曲线(y)是可以以例如图2呈现的包括中间冷却和蒸气冷凝的两阶段压缩运行的曲线。y'部分是与中间冷却相关的体积减小，y″部分是来自例如预冷凝器、后冷凝器或主冷凝器中的任一者中的中间冷凝的体积减小。两种体积减小均在例如分层罐中的冷凝器8中发生。曲线(z)与(y)之间的所得差异对应于实际压缩机系统的节省的机械功。表5示出了源于实施例1的解吸过程的CO2和H2O的解吸气体混合物的压缩功W的值，并且显示出从0.15巴(a)至相同的最终压力1.3巴(a)，相对于单阶段压缩，通过包括中间冷却和中间冷凝的两阶段压缩可以节省接近200kWh功/吨CO2。
表5——CO2和H2O的混合物的不具有和具有中间冷却和中间冷凝的单阶段压缩和双阶段压缩的压缩功W。
Figure BDA0002833839470000241
实施例7：使用分层罐和两个压缩阶段回收解吸气体的显热和潜热Qd。
本实施例提出解吸气体的两阶段压缩的另外的优点，并处理实施例5中描述的温度水平的不匹配。为了本实施例的目的，使100毫巴(a)、100℃下且摩尔H2O:CO2组成为3:1的解吸气体5进入预冷凝器12，其中在将气体传到初次压缩装置7之前，气体的组成不变，所述初次压缩装置7在180℃的温度下将压力增加至400毫巴(a)。气体混合物进入分层罐14并继续通过冷凝热交换器8，所述冷凝热交换器8通过罐的所有温度水平。大多数能量将大约在约75℃的温度(对应于400毫巴(a)下水蒸气的饱和温度)下回收。在本实施例中，气体在20℃的温度下与作为冷凝物的几乎全部水一起离开罐。与具有0.06:1的H2O:CO2摩尔比的解吸气体5的状态相比，现在过程气体组成的H2O含量显著降低。然后，该气体可以在没有进一步冷凝的情况下进入第二压缩装置27，所述第二压缩装置27将1.1巴(a)的压力下的产物气体20输送至消费者。
与先前的实施例类似，分层罐的热平衡可以通过将其分离成(为了计算的目的)六个温度水平来确定。重要的是要注意，解吸过程的净热不足基本保持相同，然而，各个温度水平下的热分配与需求分布更好地匹配。具体地，与实施例6相比，在<80℃的温度范围内出现小得多的不足，同时存在低得多的压缩机械能的投入。
温度 回收的能量Qd(kWh/吨CO2)
>110℃ 111
90℃至110℃ -630
80℃至90℃ 278
65℃至80℃ -346
50℃至65℃ -150
20℃至50℃ -107
总计 -838
实施例8：可回收的热能和用于压缩的施加的机械功的优化。
本实施例以及图9a和9b示出了图2所示的配置的各种运行条件的影响。相对于初次压缩装置7下游的中间压力Pint，由CO2和H2O构成的气体的解吸的可回收的显热和潜热Qd——在本实施例中在高于65℃的温度下——以及用于所述气体的压缩的投入的机械功示于y轴上。VF为蒸气分数，并且代表通过预冷凝器12的解吸气体5中保留的水蒸气的部分。VF为1表示未冷凝，并且相应地显示出回收解吸气体5的潜能和显能Qd的最高潜力。然而，同时，由于在VF 1.0的情况下气体体积流最高，用于压缩的机械功W相应地最高。降低VF使可回收的Qd和机械功W二者降低。
增加Pint自然使机械功W增加，然而也使水蒸气的饱和温度升高，这允许高于65℃回收更多Qd(低至20℃的总潜在可回收能量基本上保持恒定)。在300毫巴(a)至约500毫巴(a)的范围内>65℃的可回收的Qd的强烈变化是在相应的蒸气分数下解吸气体的冷凝曲线的平坦形式的反映(参见图7)，其中小的温度变化引起大的能量变化。
通过用预冷凝器12调节VF和中间压缩压力Pint，可以例如基于热和电的现场具体成本以及解吸所需的吸附剂具体温度水平实现可回收能量Qd相对于投入的压缩机械功W的优化。
实施例9：在循环运行期间储热罐中的温度分布的演变
本部分示出了证实在可能的吸附/解吸过程的解吸(步骤b)和冷却(步骤c)阶段期间热能的回收的功能的实验数据并参照图10，其中示出了沿根据本发明的一个优选实施方案的一个可能的储热罐的高度的温度分布。随着时间的推移的第一分布是“后冷却”的分布，并且对应于工艺步骤(a)期间储热装置的状态。
随着时间的推移的第二分布是如传统温度-真空波动过程中的“后TVS”的分布，其在本实施例中对应于步骤(b)的其中吸附器结构的温度升高(与CO2和H2O的释放相关)的部分。可以看出罐中的各位置处的温度由于显能以及解吸能传递至吸附器结构而降低。然而，由于解吸的CO2和H2O的至少部分显热和潜热的回收或者步骤(b-ii)中描述的过程，能量减少小于总解吸能量。
随着时间的推移的下一个分布是“后STVS”的分布，其示出了在蒸汽注入结合加热以及使吸附剂暴露于真空另外一段时间——步骤(b)的至少另一部分——之后储热装置的状态。尽管向吸附器输送另外的热，但该分布与“后TVS”分布相比基本上保持不变。这是步骤(b-ii)的热回收方法的有效性的证据。实际上，由于产生于注入的蒸汽的水蒸气和解吸的水蒸气的潜热的回收，罐的上部0.5m的温度甚至升高了约10℃。由于所述混合物的再压缩和随后的冷凝，该回收在罐中的最高温度处发生，并且证实热回收概念的有效性。
最后，储热罐将返回至“后冷却”分布，其中由于在步骤(c-i)中从吸收器结构回收显热，传热流体的温度在罐的整个高度上升高。由于在步骤(a)中没有与吸附器结构交换热，因此该分布还代表在步骤(a)的吸附过程期间的储热状态。
附图标记列表
1                包括吸附器结构的单元
2                吸附器结构(包括热交换器元件)
3                进料传热流体
4                回流传热流体
5                解吸气体
6                真空管道
7                初次压缩装置
8                用于步骤(b)的主冷凝器
9                蒸汽
10               蒸汽管道
11               用于冷却流体的进料传热管线
12               预冷凝器
13               后冷凝器
14               储热装置
15               隔离阀
16               温度测量仪器
17               混合阀
18               机械流体分配器
19a、19b、19c      循环泵
20a、20b          产物气体，CO2
21               冷凝物，H2O
22               液体进料
23               外部传热流体连接
24               电加热器
25               蒸发器
26               冷凝物罐
27               第二压缩装置
28               界面热交换器
30               进气
31               出(贫化)气
Qc               用于步骤(c)的冷却能
Qe               外部热能
Qh               用于步骤(b)的工艺热
Qd               来自步骤(b)的解吸气体显热和潜热
Qs               来自(c)中的冷却的单元的显热
Qpc              来自预冷凝器/后冷凝器的冷凝热
T                温度
t                时间
W                机械压缩功
dTmin            最小温差
Pint             中间压力
VF               蒸气分数
v                比体积
x、y、z            压缩曲线

Claims (46)

1.一种用于通过使用吸附气态二氧化碳的吸附剂材料的循环吸附/解吸从气体混合物中分离所述气态二氧化碳或者所述气态二氧化碳和水的方法，
所述气体混合物为空气、烟道气和沼气中的至少一者，并且包含所述气态二氧化碳和水蒸气以及不同于气态二氧化碳和水蒸气的另外的气体，
所述方法使用含具有所述吸附剂材料的吸附器结构(2)的至少一个单元(1)，所述单元(1)
能够打开以使所述气体混合物流过，并用于使所述气体混合物接触所述吸附剂材料以进行吸附步骤，
能够抽空至550毫巴(a)或更小的真空压力，以及
位于所述单元(1)中的所述吸附器结构(2)能够加热至至少50℃的温度以使至少所述气态二氧化碳或者二氧化碳和水蒸气解吸，其中所述方法包括以下顺序的以及以该顺序重复的步骤：
(a)在吸附步骤中，在0.8巴(a)至1.2巴(a)范围内的环境大气压力条件下使所述气体混合物接触所述吸附剂材料，以允许至少所述气态二氧化碳伴随或不伴随有水蒸气吸附在所述吸附剂材料上；
(b)在解吸步骤中，进行以下中的至少一者：将所述单元(1)抽空至20毫巴(a)至400毫巴(a)范围内的压力，和将所述单元(1)中的所述吸附剂材料加热至50℃至180℃范围内的温度；以及
从所述单元(1)中提取至少解吸的气态二氧化碳和解吸的水蒸气或者解吸的气态二氧化碳和来源于注入的蒸汽的水蒸气，以及在所述单元(1)的下游通过水冷凝从水蒸气中分离气态二氧化碳；
(c)将所述单元(1)中的具有所述吸附剂材料的所述吸附器结构(2)主动冷却至大于或等于环境大气温度的温度，以及将所述单元再加压至环境大气压力条件；
其中
(i)在步骤(c)中，将在冷却期间由所述单元(1)中的具有所述吸附剂材料的所述吸附器结构(2)释放的热的至少部分进行回收并储存在第一储热装置中，并用于所述单元(1)中或以相同的方式并联运行的至少一个不同但等效的单元中的其他工艺步骤；以及
(ii)其中在步骤(b)期间，将从所述单元(1)中提取的气态二氧化碳和水蒸气的显热和潜热中的至少一者的至少部分进行回收并储存在第二储热装置中，并用于所述单元(1)中或以相同的方式并联运行的至少一个不同但等效的单元中的其他工艺步骤；以及
(iii)其中在步骤(b)期间，加热所述单元(1)中的所述吸附剂材料所需的热的至少部分由所述单元(1)和/或以相同的方式并联运行的至少一个不同但等效的单元的先前顺序的步骤操作(i)和(ii)中回收的热供应，
其中实施(i)和(iii)，以及实施(ii)，
其中所述第一储热装置和所述第二储热装置为一个组合储热装置(14)，
其中所述组合储热装置(14)为分层罐，所述分层罐具有不同温度的区域和用于从这些区域中选择性提取的装置，以及
其中根据步骤操作(iii)的加热所述单元(1)中的所述吸附剂材料所需的热至少部分或全部由所述组合储热装置(14)供应。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述组合储热装置(14)包含至少一种相变材料和/或热交换流体。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述热交换流体为水或水/甘醇混合物。
4.根据权利要求3所述的方法，其中从同一分层罐中，从其不同区域中提取用于步骤(b)的加热液体和用于步骤(c)的冷却液体。
5.根据权利要求2所述的方法，其中在步骤(c)中的冷却期间，通过从所述吸附器结构(2)中的热交换器元件返回至所述分层罐的热交换流体来回收热，
和/或其中在工艺步骤(b)和/或(c)期间，通过顺序地打开和关闭隔离阀(15)，以及任选地用混合阀(17)混合所得流中的至少两者来从所述储热装置(14)中提取热交换流体，以及其中在所述工艺步骤(b)期间传到所述单元(1)的进给热交换流体的温度比所述单元(1)的温度高小于40℃。
6.根据权利要求5所述的方法，其中将从所述吸附器结构返回的所述热交换流体根据从所述吸附器结构(2)返回的所述热交换流体的温度以及根据所述分层罐的各区域的温度而引入到所述分层罐中、至所述分层罐的相应区域。
7.根据权利要求6所述的方法，其中将从所述吸附器结构返回的热交换流体引入到所述分层罐的相对于从所述吸附器结构返回的所述热交换流体的温度具有相同温度或在+/-5℃范围内的温度的区域中。
8.根据权利要求5所述的方法，其中在所述工艺步骤(b)期间传到所述单元(1)的进给热交换流体的温度比所述单元(1)的温度高小于20℃。
9.根据权利要求5所述的方法，其中在步骤(c)期间所述进给热交换流体的温度比所述单元(1)的温度低小于40℃。
10.根据权利要求5所述的方法，其中在步骤(c)期间所述进给热交换流体的温度比所述单元(1)的温度低小于30℃。
11.根据权利要求5所述的方法，其中在步骤(c)期间所述进给热交换流体的温度比所述单元(1)的温度低小于20℃。
12.根据权利要求5所述的方法，其中采用外部热源以经由所述分层罐中的内部热交换器和/或经由在所述热交换器元件与所述分层罐之间循环的所述热交换流体的入口流或返回流中的热交换器加热所述分层罐的区域或所述分层罐的全部。
13.根据权利要求12所述的方法，其中预冷凝器(12)从来自所述单元的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流中除去至少部分所述水蒸气，从而产生能够传到储热装置的冷凝热流和冷凝物排出流，
和/或其中在使来自所述单元(1)的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流通过分层罐内部或外部的所述热交换器并由此将水蒸气/蒸汽的冷凝热以及所述流的部分显热直接或间接地传到分层罐中的所述热交换流体之前，将从所述单元(1)中提取的初始气态流或所述预冷凝器(12)下游的剩余气态流传到第一压缩机或真空泵，所述第一压缩机或真空泵将来自所述单元(1)的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流的压力从真空压力增加至至少0.3巴(a)的中间压力，
和/或其中后冷凝器(13)除去冷凝物的最后部分，以及将冷凝热的另一部分传到分层罐，以及将所述剩余气态流传到所述热交换器下游的第二压缩机或真空泵，从而实现最终压力增加至至少1.0巴(a)的输送压力。
14.根据权利要求13所述的方法，其中能够灵活地调节水蒸气和提取的气态二氧化碳的中间压力和从所述热交换器的提取位置，以调节产物气体中水蒸气与不可冷凝气体含量的比率。
15.根据权利要求13所述的方法，其中使来自所述单元(1)的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流沿向下流动方向通过分层罐内包括的内部热交换器，由此所述冷凝热在与冷凝温度相对应的水平下直接传递至所述分层罐，
和/或其中在步骤(b)期间回收的所述水蒸气的显热和/或潜热被至少一个热交换器接收，所述热交换器进而将所述热传到热交换流体，所述热交换流体进而将所述热传到作为储存装置的分层罐。
16.根据权利要求15所述的方法，其中使来自所述单元(1)的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流在所述分层罐的整个高度沿向下流动方向通过分层罐内包括的内部热交换器，由此所述冷凝热在与冷凝温度相对应的水平下直接传递至所述分层罐。
17.根据权利要求15所述的方法，其中在进入所述分层罐内包括的所述内部热交换器之前，通过压缩机或真空泵将来自所述单元(1)的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流压缩至至少0.3巴(a)的压力，从而提高所述蒸汽和/或水蒸气的冷凝温度。
18.根据权利要求15所述的方法，其中在进入所述分层罐内包括的所述内部热交换器之前，通过压缩机或真空泵将来自所述单元(1)的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流压缩至至少1.1巴(a)的压力，从而提高所述蒸汽和/或水蒸气的冷凝温度。
19.根据权利要求15所述的方法，其中在进入所述分层罐内包括的所述内部热交换器之前，通过压缩机或真空泵将来自所述单元(1)的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流压缩至至少1.4巴(a)的压力，从而提高所述蒸汽和/或水蒸气的冷凝温度。
20.根据权利要求15所述的方法，其中在进入所述分层罐内包括的所述内部热交换器之前，通过压缩机或真空泵将来自所述单元(1)的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流压缩至至少1.7巴(a)的压力，从而提高所述蒸汽和/或水蒸气的冷凝温度。
21.根据权利要求15所述的方法，其中在步骤(b)期间回收的所述水蒸气的显热和/或潜热被串联连接的多于一个的热交换器接收，所述热交换器进而将所述热传到热交换流体，所述热交换流体进而将所述热传到作为储存装置的分层罐。
22.根据权利要求15所述的方法，其中在进入所述至少一个热交换器之前，通过压缩机或真空泵将来自所述单元(1)的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流压缩至至少0.3巴(a)的压力，从而提高所述蒸汽和/或水蒸气的冷凝温度。
23.根据权利要求15所述的方法，其中在进入所述至少一个热交换器之前，通过压缩机或真空泵将来自所述单元(1)的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流压缩至至少1.1巴(a)的压力，从而提高所述蒸汽和/或水蒸气的冷凝温度。
24.根据权利要求15所述的方法，其中在进入所述至少一个热交换器之前，通过压缩机或真空泵将来自所述单元(1)的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流压缩至至少1.4巴(a)的压力，从而提高所述蒸汽和/或水蒸气的冷凝温度。
25.根据权利要求15所述的方法，其中在进入所述至少一个热交换器之前，通过压缩机或真空泵将来自所述单元(1)的蒸汽和/或提取的气态二氧化碳和水蒸气的流压缩至至少1.7巴(a)的压力，从而提高所述蒸汽和/或水蒸气的冷凝温度。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，其中步骤(c)包括在20毫巴(a)至400毫巴(a)范围内的压力下将所述单元(1)中的具有所述吸附剂材料的所述吸附器结构(2)主动冷却至大于或等于环境大气温度的温度，以及随后将所述单元再加压至环境大气压力条件。
27.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，其中在步骤(b)中，在所述单元(1)中的压力水平下在饱和蒸汽条件或过热蒸汽温度最高至180℃的过热蒸汽条件下将蒸汽注入到所述单元(1)中以流过并接触所述吸附剂材料，以及其中在整个步骤(b)期间注入的蒸汽与在整个步骤(b)期间释放的所述气态二氧化碳的摩尔比小于100:1，和/或
其中将注入的蒸汽的冷凝热的至少部分与在步骤(b)期间从所述吸附剂材料中提取的解吸气体的显热和潜热一起回收并储存在储热装置中或用于其他工艺步骤。
28.根据权利要求27所述的方法，其中在步骤(b)中，在所述单元(1)中的压力水平下在饱和蒸汽条件或过热蒸汽温度最高至180℃的过热蒸汽条件下将蒸汽注入到所述单元(1)中以流过并接触所述吸附剂材料，以及其中在整个步骤(b)期间注入的蒸汽与在整个步骤(b)期间释放的所述气态二氧化碳的摩尔比小于40:1，和/或
其中将注入的蒸汽的冷凝热的至少部分与在步骤(b)期间从所述吸附剂材料中提取的解吸气体的显热和潜热一起回收并储存在与步骤操作(i)和/或(ii)中限定的储存相同的储热装置中。
29.根据权利要求27所述的方法，其中步骤(b)中注入的所述蒸汽至少部分地使用根据步骤操作(i)和/或(ii)回收的热产生，
其中在步骤(b)期间注入到所述单元(1)中的所述蒸汽至少部分地通过使在30℃至100℃的温度水平的所述分层罐的热交换流体中所埋置的热交换器中的水蒸发来产生
和/或其中在步骤(b)期间注入到所述单元(1)中的所述蒸汽至少部分地通过使在所述分层罐的整个高度在所述分层罐内包括的内部热交换器中沿向上流动方向流动的水蒸发来产生，由此蒸发热在与蒸发温度相对应的水平下从所述分层罐直接传递至水。
30.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，其中在步骤(b)和(c)期间传递至所述单元(1)中的所述吸附器结构(2)和/或所述吸附剂材料的热以及来自所述单元(1)中的所述吸附器结构(2)和/或所述吸附剂材料的热至少部分地通过设置在所述吸附器结构(2)中的热交换器元件来实现。
31.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，其中在步骤(b)和(c)期间传递至所述单元(1)中的所述吸附器结构(2)和/或所述吸附剂材料的热以及来自所述单元(1)中的所述吸附器结构(2)和/或所述吸附剂材料的热至少部分地通过设置在所述吸附器结构(2)中的热交换器元件，涉及循环通过所述热交换器元件的热交换流体来实现。
32.根据权利要求30所述的方法，其中步骤(b)包括至少以下顺序步骤：
(b1)将所述单元(1)中的所述吸附剂材料预热至35℃至80℃范围内的温度，同时在该预热阶段期间，所述热交换器元件的最高温度低于80℃；
(b2)将所述单元(1)中的所述吸附剂材料加热至80℃至180℃范围内的温度。
33.根据权利要求32所述的方法，其中步骤(b)包括至少以下顺序步骤：
(b1)将所述单元(1)中的所述吸附剂材料预热至45℃至75℃范围内的温度，同时在该预热阶段期间，所述热交换器元件的最高温度以及循环通过所述热交换器元件的所述热交换流体的入口温度低于80℃；
(b2)将所述单元(1)中的所述吸附剂材料加热至90℃至140℃范围内的温度。
34.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，其中在步骤(c)中的冷却期间，将从所述单元(1)中回收的热直接传递至第二单元，所述第二单元在其吸附器结构(2)中包括热交换器元件，所述第二单元此时处于步骤(b)中，并且接收热以加热其吸附剂材料，
和/或其中在步骤(c)中的冷却期间，将从至少两个单元(1)的组中回收的热经由流过在所述单元(1)的组的所述吸附器结构(2)中设置的以串联流动配置的热交换器元件的热交换流体直接传递到至少两个单元(1)的第二组，所述至少两个单元(1)的第二组在其吸附器结构(2)中包括以串联流动配置的相应热交换器元件，所述热交换流体也通过所述相应热交换器元件。
35.根据权利要求34所述的方法，其中在步骤(c)中的冷却期间，将从所述单元(1)中回收的热经由设置在所述吸附器结构(2)中的热交换器元件和传热流体直接传递至第二单元，所述第二单元在其吸附器结构(2)中包括热交换器元件，所述第二单元此时处于步骤(b)中，并且接收热以加热其吸附剂材料。
36.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，其中至少两个单元经由具有独立的流体流但通过至少一个共同的储热装置连接的两个并行的传热回路的组连接。
37.根据权利要求5至25中任一项所述的方法，其中在吸附步骤(a)的至少最后5分钟期间，使热交换流体循环通过所述单元(1)的所述热交换器元件，将所述吸附器结构(2)和所述吸附剂材料加热至高于环境空气温度，并因此与空气流的初始环境温度下的相对湿度相比，降低了环境空气流的相对湿度，
和/或其中在至少部分所述吸附步骤(a)期间，使热交换流体循环通过所述单元(1)的所述吸附器结构(2)的所述热交换器元件，以回收至少部分释放的吸附热。
38.一种根据权利要求1至37中任一项所述的方法用于从环境空气流中分离二氧化碳的用途。
39.一种用于进行根据权利要求1至37中任一项所述的方法的设备，所述设备包括
至少一个单元(1)，所述至少一个单元(1)包括具有所述吸附剂材料的吸附器结构(2)，所述单元(1)
能够打开以使所述气体混合物流过，并用于使所述气体混合物与所述吸附剂材料接触以进行吸附步骤，
能够抽空至550毫巴(a)或更小的真空压力，以及
位于所述单元(1)中的所述吸附器结构(2)能够加热到至少50℃的温度，以使至少所述气态二氧化碳和水蒸气解吸，
其中所述设备适应于且适用于以下顺序的以及以该顺序重复的步骤：
(a)在吸附步骤中，在0.8巴(a)至1.2巴(a)范围内的环境大气压力条件下使所述气体混合物与所述吸附剂材料接触，以允许至少所述气态二氧化碳伴随或不伴随有水蒸气吸附在所述吸附剂材料上；
(b)在解吸步骤中，进行以下中的至少一者：将所述单元(1)抽空至20毫巴(a)至400毫巴(a)范围内的压力，和将所述单元(1)中的所述吸附剂材料加热至50℃至180℃范围内的温度；以及
从所述单元(1)中提取至少解吸的气态二氧化碳和水蒸气，以及在所述单元(1)的下游通过水冷凝从水蒸气中分离气态二氧化碳；
(c)将所述单元(1)中的具有所述吸附剂材料的所述吸附器结构(2)主动冷却至大于或等于环境大气温度的温度，以及将所述单元再加压至环境大气压力条件；
其中所述设备还包括
(i)用于在步骤(c)中回收在冷却期间由所述单元(1)中的具有所述吸附剂材料的所述吸附器结构(2)释放的热的至少部分的装置，和用于将回收的热储存以用于所述单元(1)中或以相同的方式并联运行的至少一个不同但等效的单元中的其他工艺步骤的第一储热装置；以及
(ii)用于在步骤(b)期间回收作为产物气体的气态二氧化碳和水蒸气的显热和潜热中的至少一者的至少部分的装置，和用于将回收的热储存以用于所述单元(1)中或以相同的方式并联运行的至少一个不同的等效的单元中的工艺步骤的第二储热装置；以及
(iii)其中所述单元和/或以相同的方式并联运行的至少一个不同但等效的单元的所述第一储热装置和所述第二储热装置中的至少一者被设置成供应在步骤(b)期间加热所述单元(1)中的所述吸附剂材料所需的热的至少部分，
其中实施(i)和(iii)，以及实施(ii)，
其中所述第一储热装置和所述第二储热装置为一个组合储热装置(14)，
其中所述组合储热装置(14)为分层罐，所述分层罐具有不同温度的区域和用于从这些区域中选择性提取的装置，以及
其中根据步骤操作(iii)的加热所述单元(1)中的所述吸附剂材料所需的热至少部分或全部由所述组合储热装置(14)供应。
40.根据权利要求39所述的设备，
其中所述吸附器结构(2)包括热交换流体所流过的内部热交换器元件。
41.根据权利要求40所述的设备，
其中至少一个单元连接至具有分开的且多个温度水平的组合有所述第一储热装置和所述第二储热装置的分层罐，从而允许在解吸期间，在同时提取60℃至180℃范围内的较高温度的热以用于加热时，使用30℃至60℃范围内的低温区域以进行工艺冷却。
42.根据权利要求40所述的设备，
其中多个单元连接至具有分开的且多个温度水平的组合有所述第一储热装置和所述第二储热装置的分层罐，从而允许在解吸期间，在同时提取60℃至150℃范围内的较高温度的热以用于加热时，使用30℃至60℃范围内的低温区域以进行工艺冷却。
43.根据权利要求41所述的设备，其中所述吸附剂材料为胺官能化的固体吸附剂或X2CO3，其中X为K、Na、Li或其混合物。
44.根据权利要求43所述的设备，其中所述吸附剂材料为浸渍到多孔颗粒状载体上的胺官能化的固体吸附剂或X2CO3，其中X为K、Na、Li或其混合物。
45.根据权利要求43所述的设备，其中所述吸附剂材料为浸渍到活性炭上的胺官能化的固体吸附剂或X2CO3，其中X为K、Na、Li或其混合物。
46.根据权利要求43所述的设备，其中所述吸附剂材料为弱碱离子交换树脂和/或胺官能化的纤维素和/或胺官能化的二氧化硅和/或胺官能化的碳和/或胺官能化的金属有机骨架和/或其他胺官能化的聚合物吸附剂。
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