TWI441671B - 自環境移除二氧化碳之系統及方法及使用彼等之全球性恆溫器 - Google Patents

自環境移除二氧化碳之系統及方法及使用彼等之全球性恆溫器 Download PDF

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Description

自環境移除二氧化碳之系統及方法及使用彼等之全球性恆溫器
本發明係關於用於自環境移除溫室氣體之系統及方法，且特定言之係關於用於自環境移除二氧化碳之系統及方法。
本申請案係以下美國專利申請案各者之部分連續案且主張其優先權：(a)2007年7月6日申請之美國專利申請案第11/825,468號(代理人檔案號碼6236.104US)，其又為2007年5月22日申請之美國專利申請案第11/805,477號(代理人檔案號碼6236.103US)之部分連續案，後者又為2007年5月21日申請之美國專利申請案第11/805,271號(代理人檔案號6236.102US)之部分連續案；(b)2007年5月22日申請之美國專利申請案第11/805,477號(代理人檔案號6236.103US)，其為2007年5月21日申請之美國專利申請案第11/805,271號(代理人檔案號6236.102US)之部分連續案；及(c)2007年5月21日申請之美國專利申請案第11/805,271號(代理人檔案號6236.102US)，所有該等申請案之標題均為"System and Method For Removing Carbon Dioxide From An Atmosphere and Global Thermostat Using The Same"。上述申請案各者之內容均以引用的方式併入本文中。
目前極大關注於嘗試達成三種能源相關且有些衝突之能源相關目標：1)為經濟發展提供可承擔之能源；2)達成能 源安全；及3)避免由全球暖化引起之破壞性氣候變化。正在考慮多種不同方法來解決氣候變化問題，包括增加使用清潔、無污染性可再生能源，諸如生物燃料、太陽能、風能及核能，試圖自化石燃料工廠捕獲及封存二氧化碳排放，以及增加保護努力。一些此等方法(諸如太陽能)之大規模實施因其與以化石為基礎之電力的成本相比目前存在高成本而受阻，而其他方法(諸如核能)因其環境及安全風險而受到限制。實際上，可再生能源之基礎設施及供應相當落後(例如，吾人能源中僅約0.001%係由太陽提供)，以致若吾人欲擁有經濟繁榮所需之能源且欲避免可能產生衝突之能源不足，則尚無切實可行之方法來避免在本世紀之剩餘時間裏使用化石燃料。
由全球暖化引起的氣候變化威脅及對於吾人需要使用對吾人之行星無害之可再生資源的更普遍認識自1972年第一個地球日(Earth Day)起不斷地增長。最無爭議的是所謂溫室氣體，如二氧化碳(甲烷及水蒸氣為其他主要溫室氣體)之量的增加將升高行星溫度。此等溫室氣體幫助減少自吾人之行星散逸至環境中之熱量。環境中溫室氣體濃度愈高，行星將愈暖。甚至在無人類影響之情況下，仍存在使二氧化碳及其他溫室氣體之量發生自然改變的複雜反饋。整個地質史中之氣候改變已造成多次滅絕。關於人類誘發之氣候改變(亦即全球暖化)之威脅的關注促成產生了京都議定書(Kyoto Protocol)，其已由165個以上國家批准且係約定發達國家減少其碳排放之國際協議。
跨政府氣候變遷專家委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)所考慮的全球暖化將帶來威脅的原因之一係由於隨著吾人之行星變熱，由冰河融化及海洋擴大所造成的海平面上升。若海平面甚至僅上升1米，無數居住在剛好位於海平面以上之島上或海岸上的人們將受到破壞性洪水的威脅而需要遷居或修築海堤。對於其他物種亦存在氣候改變的威脅，氣候改變將破壞無法適應人類引起之快速氣候改變的生態系統。其他威脅包括傳染病增加及更極端之天氣以及來自極熱的直接威脅。
吾人可使用簡單模型說明處理全球暖化的挑戰。以CCA (YN )表示YN 年中增加至環境中的二氧化碳，單位為每年十億噸。類似地，CEX (YN )等於抽取量，CEM (YN )等於人類排放量且CN (YN )為因碳循環之自然變化所引起的增加或移除量。現今，陸地每年儲存大約18億噸二氧化碳且海洋儲存大約105億噸(注意：二氧化碳比碳重3.66倍)，而人類藉由排放所增加之量為約240億噸二氧化碳。更一般而言，吾人得到：(1)CCA (YN )=-CEX (YN )+CEM (YN )+CN (YN )
(2)CA (YN+1 )=CA (YN )+CCA (YN )其中CA (YN )為YN 年環境中之碳量，現今為27800億噸二氧化碳。其他形式之碳亦導致全球暖化，最顯著的為甲烷，儘管以重量計其代表小組份。
若將CEX (YN )設定為零，則唯一可能停止在環境中增加二氧化碳之方法為將吾人之排放減少至等於自然吸收。然 而，CN (YN )本身變化極大且可能為自以約每年7500億噸碳增加及減少碳之大得多的自然碳循環在環境中的淨增加。其為此自然平衡中之偏移，此已在吾人之物種存在之前已引起氣候改變且亦將在未來繼續發揮此作用。因此，明顯不存在僅減少人類之二氧化碳排放貢獻而可移除氣候改變風險的解決方案。利用空氣抽取及增加或降低環境中二氧化碳量之能力，原則上可能補償其他可改變濃度且引起氣候改變之溫室氣體，如甲烷。
因此，對用於減少由燃燒化石燃料所產生的環境中二氧化碳之量及提供低成本無污染性可再生能源來替代化石燃料的系統及方法存在廣泛公認的需要。
根據本發明之一例示性實施例之用於自環境移除二氧化碳以減少全球暖化且可增加可再生能源或非燃料產品(諸如肥料及建築材料)之可利用性的系統包含經由介質自環境收集二氧化碳且藉由使用製程熱來加熱介質而自介質移除二氧化碳之空氣抽取系統，將所移除之二氧化碳分離至一用於封存、儲存及產生可再生碳燃料中至少一者之位置的收集系統，及一或多種為空氣抽取系統提供製程熱供應以自介質移除二氧化碳之能源。
在至少一個實施例中，一或多種能源係選自由以下各物組成之能源群：化石燃料、地熱能、核能、太陽能、生物質能及其他可再生能源。
在至少一個實施例中，空氣抽取系統包含空氣接觸器， 其包括用以自環境吸收二氧化碳之介質。
在至少一個實施例中，空氣接觸器係選自由以下各物組成之空氣接觸器群：對流塔、吸收池、填料洗氣塔及氣體分離系統，一些具有含有自空氣抽取二氧化碳之介質的扁平形面積基板。在最廣泛之範圍內，本發明涵蓋空氣於其中穿過以與抽取CO2 之介質接觸的結構。目前，在最可能的實施例中，該結構將具有垂直於空氣流動之大面積且在空氣流動方向上極薄，其中介質為胺或結合CO2 之替代物附著於其表面上的多孔基板--即介質將如同容納其之接觸器結構亦具有大橫截面且極薄。
在至少一個實施例中，介質係選自由以下各物組成之介質群：液體、多孔固體、氣體及其混合物。
在至少一個實施例中，介質為NaOH溶液。
在至少一個實施例中，介質包含胺。
在至少一個實施例中，空氣抽取系統收集二氧化碳且封存系統分離所移除之二氧化碳。
在至少一個實施例中，該位置係在地下。
在至少一個實施例中，該位置係處於逆風遠離系統之一或多個其他組件的位點。
根據本發明之一例示性實施例之用於自環境移除二氧化碳以減少全球暖化且增加可再生能源之可利用性的方法包含以下步驟：自環境收集空氣；藉由使用製程熱來加熱自所收集之空氣移除二氧化碳之介質而自所收集之空氣移除二氧化碳；及將所移除之二氧化碳分離至一用於封存、儲 存及產生可再生碳燃料中至少一者之位置，其中收集、移除及分離步驟中之至少一者係使用一或多種可再生能源來執行。
在至少一個實施例中，移除步驟包含使用吸收劑，較佳為由大表面積基板承載之介質形式的吸收劑來吸收二氧化碳。
在至少一個實施例中，吸收劑為NaOH溶液。
在至少一個實施例中，吸收劑包含胺，較佳為結合於大表面積多孔基板表面(由其承載)之胺。
在至少一個實施例中，分離步驟包含礦物封存或以加壓氣體形式注入地質構造中之至少一者。
可使用本發明之原理經由使用複數個根據本發明原理之系統來提供全球性恆溫器以控制行星環境之平均溫度，該等系統之各者能夠藉由自環境抽取二氧化碳且使用製程熱自介質抽取二氧化碳且使吸附劑(介質)再生以便用於另一吸附循環來對行星環境產生負二氧化碳效應。因此，複數個系統可一起有效地以快於環境中二氧化碳增加速率之速率自環境抽取二氧化碳(且可使用所抽取氣體產生可再生碳燃料)。
本申請者之自環境抽取二氧化碳及使用製程熱自收集介質分離二氧化碳之較佳概念係解決全球暖化問題的重要方法，且挑戰此項技術中之習知觀點(且有悖此項技術中之彼等常識)。特定言之，藉由自低濃度周圍空氣抽取二氧化碳(CO2 )來使用製程熱解決全球暖化問題與自高濃度廢 氣源抽取CO2 之習知方法及此項技術中已知之自周圍環境抽取CO2 之其他方案相比係極其引人注目的。在前一種情況下，其將直接挑戰習知觀點，即將周圍環境中之CO2 濃度降低300倍預期費用將高出300倍，因為通常認為分離成本與濃度成反比。因此，聯邦政府資助之努力係針對於自發電廠(例如，清潔煤)之廢氣排放抽取CO2 且專家已公開宣稱相較於廢氣，周圍空氣之使用毫無意義。然而，與有限的廢氣源相比，周圍空氣源之無限大規模通常係使本申請者之方法能夠無視習知觀點及實踐而仍有效的一項特徵。在廢氣之情況下，含有CO2 之排放具有較高溫度(攝氏65-70度)且因此再生使用較高溫度熱量，其成本高於用於周圍冷空氣(大約攝氏25-30度)所需之成本。本申請者之方法有其他益處，包括能夠使用極薄的分離裝置，此亦提供其他方法改良。因此，可藉由將製程熱管送至根據本申請者發明之原理運作之全球性恆溫器設施，而非直接淨化其廢氣排放而以較低成本來移除CO2 。另外，本申請者之方法將產生負碳，從而實際上減少環境中之CO2 量，而淨化廢氣將僅防止空氣中之CO2 含量增加。
進一步分析展示，不可能藉由簡單地淨化大型固定化石燃料源(如煤電廠)或就此而言藉由保護或使用可再生能源來及時地解決全球暖化問題以減輕其所具有之巨大風險。需要能夠實際上(如本發明之情況)自環境抽取CO2 ("負碳")，由此減少周圍濃度且減輕全球暖化之威脅。用於自周圍環境抽取CO2 之其他公開方案通常使用較高溫度熱量且未明 確使用製程熱，且因此因其高能源成本而未受到認真考慮。
另外，應注意本申請者之自環境抽取二氧化碳之較佳概念包含使用垂直於空氣流動之大面積基板，其可為多孔的，具有高表面積，含有自環境移除二氧化碳之介質(例如，胺)且使用製程熱自介質移除二氧化碳。使用垂直於空氣流動方向之相對大面積基板尤其適用，因為環境中之二氧化碳具有相對低之濃度(與通常存在於(例如)廢氣中之相對高濃度對比)。
本發明之該等及其他特徵描述於本發明之各種例示性實施例的以下實施方式(及附圖)中或可自其顯而易見。
參考以下圖式詳細描述本發明之各種例示性實施例。
圖1為根據本發明之一例示性實施例之用於自環境移除二氧化碳之系統(一般以參考數字1標明)的概括方塊圖。系統1包括空氣抽取系統40及收集系統50，後者將所移除之二氧化碳分離至一用於封存、儲存及產生可再生碳燃料或產生非燃料產品(諸如肥料及建築材料)中至少一者之位置。空氣抽取系統40較佳併入有任何已知或後來發現之CO2 抽取方法中，包括使用介質藉由使介質暴露於所捕獲空氣中而與CO2 發生化學、電及/或物理相互作用以自環境空氣吸收及/或結合CO2 的方法。介質可為液態、氣態或固態，或為液態、氣態及固態物質之組合，其中在固態之情況下，物質較佳為多孔的。介質較佳可再循環以使CO2 經 介質捕獲且自介質分離而用於封存之後，介質可再用於吸收/結合額外CO2 。然而，在其他實施例中，介質可與所捕獲之CO2 一起封存。如圖1中所示，可藉由為空氣抽取系統40添加熱量而更有效地實現自介質分離CO2 ，以及諸如吸收/結合CO2 及由封存系統50執行CO2 封存等之其他製程。在本發明中，熱量為(例如)由太陽能發生器(諸如太陽能收集器)產生之製程熱，下文將進一步詳細描述。在其他實施例中，製程熱可由其他類型之能源提供，諸如化石燃料、地熱能、核能、生物質能及其他可再生能源。如本文中所用之術語"製程熱"係指在較高溫度熱量已用於發電之後剩餘的較低溫度熱量。更一般而言，術語"製程熱"係指在初始製程後剩餘或由製程自身，諸如放熱碳酸化反應(其中將二氧化碳以礦物形式儲存或實際上當其與介質結合且被捕獲時)所添加之任何低溫熱量。此外，"製程熱"可藉由能源之使用來提供以製造產品而非發電。舉例而言，諸如化學處理，製造水泥、鋼或鋁，將如煤之能源產品製成液態能源產品，精煉等之初始處理可使用熱量來驅動初始處理，且初始處理後剩餘或在初始處理期間所產生之未使用熱量將為該處理之製程熱，且可用於根據本發明原理之系統或方法中。
本申請者之自環境抽取二氧化碳及使用製程熱自收集介質分離二氧化碳之較佳概念係解決全球暖化問題之重要方法，且挑戰此項技術中之習知觀點(且有悖此項技術中之彼等常識)。特定言之，藉由自低濃度周圍空氣抽取二氧 化碳(CO2 )來使用製程熱解決全球暖化問題與自高濃度廢氣源抽取CO2 之習知方法及此項技術中已知自周圍環境抽取CO2 之其他方案相比係極其引人注目的。在前一種情況下，其將直接挑戰習知觀點，即將周圍環境中之CO2 濃度降低300倍預期費用將高出300倍，因為通常認為分離成本與濃度成反比。因此，聯邦政府資助之努力係針對於自發電廠(例如，清潔煤)之廢氣排放抽取CO2 且專家已公開宣相較於廢氣，周圍空氣之使用毫無意義。然而，與有限的廢氣源相比，周圍空氣源之無限大規模通常係使本申請者之方法能夠無視習知觀點及實踐而仍有效的一項特徵。在廢氣之情況下，含有CO2 之排放具有較高溫度(攝氏65-70度)且因此再生使用較高溫度熱量，其成本高於用於周圍冷空氣(大約攝氏25-30度)所需之成本。本申請者之方法有其他益處，包括能夠使用極薄的分離裝置，此亦提供其他方法改良。因此，可藉由將製程熱管送至根據本申請者發明之原理運作之全球性恆溫器設施，而非直接淨化其廢氣排放而以較低成本來移除CO2 。另外，本申請者之方法將產生負碳，從而實際上減少環境中之CO2 量，而淨化廢氣將僅防止空氣中之CO2 含量增加。
進一步分析展示，不可能藉由簡單地淨化大型固定化石燃料源(如煤電廠)或就此而言藉由保護或使用可再生能源來及時地解決全球暖化問題以減輕其所具有之巨大風險。需要能夠實際上(如本發明之情況)自環境抽取CO2 ("負碳")，由此減少周圍濃度且減輕全球暖化之威脅。用於自周圍環 境抽取CO2 之其他公開方案通常使用較高溫度熱量且未明確使用製程熱，且因此因其高能源成本而未受到認真考慮。
圖2為根據本發明之一例示性實施例之用於自環境移除二氧化碳之系統(一般以參考數字2標明)的方塊圖。系統2包括太陽能收集器10、可選輔助能源20、功率發生器30、空氣抽取系統42及收集系統50。系統2之該等組件之每一者在下文詳細解釋。
太陽能收集器10可為任何已知或未來發現之太陽能收集系統，其可包括太陽能收集單元，諸如集光太陽能拋物面鏡及集光太陽能塔。如此項技術中所知，太陽能收集器10將太陽能轉化為熱能，其可用於驅動功率發生器30。殘餘熱能(亦即製程熱)可用於驅動空氣抽取系統42及/或收集系統50。舉例而言，製程熱可用於改良空氣抽取系統42中用於自空氣吸收CO2 及/或自介質驅除CO2 之化學及/或物理反應的效率。另外，在其他例示性實施例中，如圖2之虛線箭頭所示，可使用直接來自太陽能收集器10之熱量來驅動空氣抽取系統42及/或收集系統50。
功率發生器30可為(例如)將太陽能收集器所提供之熱能轉化成電力之熱功率發生器。如此項技術中所知，可將太陽熱量聚焦於諸如熔融鹽之介質上，接著將其用於產生高溫高壓蒸氣來驅動渦輪機發電。接著所產生之電力除作為電力網格之部分向普通居民供電之外，亦可用於向系統2之其他組件供電。就此而言，由太陽能收集器10所提供之 熱能可由輔助電源20所產生之能量來補充。舉例而言，輔助能源20可為垃圾焚燒廠，其提供額外熱能來驅動功率發生器30。亦應瞭解，除太陽能之外亦可使用任何其他類型之可再生能源，且較佳為產生作為發電前驅體之熱量的可再生能源。除太陽能之外可使用之其他潛在可再生能源包括(例如)核能、生物質能及地熱能源。
或者，功率發生器30可為任何已知或後來發現之化石燃料設施(工廠)，其依賴於燃燒化石燃料，諸如煤、燃料油、天然氣及油葉岩來發電。功率發生器亦可用於非發電目的(例如，功率發生器可用於化學處理，或如製鋁之各種其他目的)。由化石燃料發電廠30所產生之熱能用於發電，且殘餘熱能(亦即製程熱)可用於驅動空氣抽取系統42及/或封存系統50。舉例而言，來自化石燃料發電廠30之製程熱可用於改良空氣抽取系統42中用於自空氣吸收CO2 及/或自介質驅除CO2 之化學及/或物理反應的效率。由化石燃料發電廠30所提供之殘餘熱可由輔助電源所產生之能量來補充。舉例而言，輔助能源可為垃圾焚燒廠或可再生能源，諸如太陽能、核能、生物質能及地熱能源，其提供額外熱能來驅動空氣抽取系統42及/或收集系統50。來自輔助能源之製程熱亦可用於驅動空氣抽取系統42及/或收集系統50。
此外，如上所述，"製程熱"可由使用能源來提供以製造產品而非發電。舉例而言，諸如化學處理，製造水泥、鋼或鋁，精煉，製造如煤之能源產品及液態能源產品之初始 處理可使用熱量來驅動初始處理，且初始處理之後剩餘或在初始處理期間產生之未使用熱量將為該處理之製程熱，且可用於根據本發明原理之系統或方法中。
圖3為根據本發明之一例示性實施例可用於系統2之空氣抽取器系統42的方塊圖。空氣抽取器系統42包括空氣接觸器41、苛化器43、石灰消和器45、煅燒器47及捕獲單元49。空氣接觸器41可使用吸附劑材料來選擇性地自空氣捕獲CO2 ，且可由任何已知或後來發現之接觸器結構構成，諸如大型對流塔、開放靜態池及填料洗氣塔。在本實施例中，吸附劑材料可為氫氧化鈉(NaOH)，其易於自空氣吸收CO2 。應瞭解，可使用其他已知或未來發現之捕獲方法，諸如化學吸收、物理及化學吸收、低溫蒸餾、氣體分離膜、礦化/生物礦化及植被。作為另一實例，如此項技術中所知，可使用胺水溶液或富胺固體吸附劑來吸收CO2 。較佳地，使吸附劑材料再生且捕獲方法需要低於約100-120℃之熱量來使吸附劑材料再生。
在此實施例中，在空氣接觸器41處，CO2 可吸收於NaOH溶液中而形成碳酸鈉(Na2 CO3 )，其方式例如Stolaroff等人於標題為"A pilot-scale prototype contactor for CO2 capture from ambient air: cost and energy requirements"之論文中所述，該論文可見於www.ucalgary.ca/~keith/papers/84.Stolaroff.AirCaptureGHGT-8.p.pdf 中，且以引用的方式併入本文中。當然，亦可作為替代或除NaOH溶液之外使用其他已知或未來研發之吸收劑。接著將所產生之Na2 CO3 輸送至苛化器43，在彼處藉由 以分批法添加石灰(CaO)使NaOH再生。將所得CaCO3 固體輸送至煅燒器47，在彼處將其於窯中以稱為煅燒之製程加熱以使CaO再生而驅除CO2 。接著經由石灰消和器45輸送再生之CaO，其產生用於苛化器43中之經消和石灰Ca(OH)2 。
捕獲單元49使用任何已知或後來發現之在CO2 存在於環境中之低濃度下有效且僅需要低溫熱量來再生之CO2 捕獲方法來捕獲煅燒器47處所驅除之CO2 。舉例而言，捕獲單元49可使用以胺為主之捕獲系統，諸如Gray等人之美國專利第6,547,854號(註明日期2003年4月15日)以及Sirwardane之美國專利第6908497號(註明日期2005年6月21日)中所述之系統，兩專利均以引用的方式併入本文中。捕獲單元49亦可將所捕獲之CO2 壓縮成液態形式以使CO2 可更易於封存。
收集系統50將所移除之二氧化碳分離至一用於封存、儲存及產生可再生碳燃料或產生非燃料產品(諸如肥料及建築材料)中至少一者之位置。收集系統50可使用任何已知或未來發現之碳封存及/或儲存技術，諸如注入地質構造中或礦物封存。在注入情況下，可將所捕獲之CO2 封存於地質構造中，諸如油氣儲層、不可開採之煤層及深部鹽水儲層。就此而言，在多種情況下，將CO2 注入地質構造中可增強烴之回收，從而提供可抵消CO2 捕獲及收集成本的增值副產品。舉例而言，將CO2 注入油或天然氣儲層中可在稱為增強油回收之製程中產出產品。可將所捕獲之CO2 封存於地下，且根據本發明之至少一個實施例，封存於逆風遠離系統2之其他組件的位點以使得該位點之任何洩漏可由系統2再捕獲。
就礦物封存而言，可藉由與以礦床形式天然產生之矽酸鈣及矽酸鎂的碳酸化反應來封存CO2 。舉例而言，如以下反應(1)及(2)中所示，CO2 可與鎂橄欖石及蛇紋石反應，其在放熱反應中產生固體碳酸鈣及碳酸鎂。
(1)1/2Mg2 SiO4 +CO2 =MgCO3 +1/2SiO2 +95千焦/莫耳
(2)1/3Mg3 Si2 O5 (OH)4 +CO2 =MgCO3 +2/3SiO2 +2/3H2 O+64千焦/莫耳
該兩者反應均在低溫下有利。就此而言，本文中所述之空氣捕獲及空氣封存兩種製程均可使用太陽能收集器10所產生之電力及/或熱能(或其他可再生能源)來驅動必需反應及向適當系統組件供電。在本發明之一例示性實施例中，可將高溫載體加熱至高達約400℃至約500℃範圍內之溫度以產生蒸汽來運作發生器產生電力，且自發電渦輪機排出之較低溫度蒸汽可用於驅除CO2 及使吸附劑(例如，NaOH)再生。可調節高溫熱量之溫度、所發電力及發電後剩餘之較低溫度製程熱的溫度以產生對於既定應用而言視為最佳的發電與CO2 移除之組合。另外，在例示性實施例中，捕獲及封存步驟所放出之更低溫度製程熱可用於冷卻該等步驟中所用之設備。
一或多個用於自環境移除二氧化碳之系統可用作根據本發明之一例示性實施例之全球性恆溫器的一部分。藉由調整環境中之二氧化碳量及因此調整由二氧化碳及其他氣體 排放所引起之溫室效應，可使用本文中所述之系統來改變全球平均溫度。根據本發明之至少一個例示性實施例，可將數個二氧化碳捕獲及封存系統定位於全球之不同位置，以使得可使用多個系統之運作來改變環境中之CO2 濃度且因此改變行星之溫室氣體熱效應。可對位置進行選擇以便對諸如大型工業中心及人口高聚居城市之地區或CO2 之天然點源產生最大效應，該等區域各可能局部產生較高濃度之CO2 ，而可達成更具成本效益之捕獲。舉例而言，如圖4中所示，可將多個系統1散布在全球各地，且可利用國際合作(例如包括國際融資及協議)來管理系統1之建構及控制。就此而言，可改變溫室氣體濃度來改變行星之平均全球溫度，以避免可能破壞人類及生態系統之冷卻期及暖化期。在吾人行星之過往歷史中，例如已有多次引起破壞及甚至集群絕滅之冰河時期及快速溫度變化時期。未來之該等溫度變化可能是由潛在資源縮減所引起的衝突而使人類社會大規模破壞及不安定的直接原因。本文中所述之全球性恆溫器可能成為未來數十年防止該等災難的關鍵。
圖5為根據本發明之另一例示性實施例之用於自環境移除二氧化碳之系統(一般以參考數字100標明)的方塊圖。系統100包括可再生能源110、可選輔助能源120、功率發生器130、空氣抽取系統142及收集系統150。本實施例與圖2實施例的不同之處在於可再生能源110可為除太陽能之外的任何已知或未來發現之能源，諸如核能、地熱能及生物質能源。較佳地，可再生能源產生熱能，其可用於發電及 改良發生於空氣抽取系統142及收集系統150中之各種化學及/或物理反應的效率。就此而言，空氣抽取系統142及收集系統150可與關於先前實施例所述者相同，或可包括根據任何其他已知或未來發現之空氣抽取及收集系統的組件。另外，如關於先前實施例之圖4中所示，可將複數個系統100策略性地置放於全球各地，且可協調系統100之控制以使其共同發揮全球性恆溫器之作用。
圖6-9為根據本發明之原理可自環境移除二氧化碳之數種方法的圖解說明。
特定言之，在圖6中，說明一對基板600、602，其各自具有可與環境接觸以自環境移除二氧化碳之介質(例如，NaOH、胺)。基板600、602為扁平形(就與其厚度相比，其相對較大之面積而言)，垂直定向，且可各自為相對較大(表面積)且相對較薄(例如，約幾毫米，且較佳不厚於1米)。各基板可(例如)藉由滑輪系統(未圖示)在上部位置(在此位置使含二氧化碳之空氣與基板所承載之介質接觸以自空氣移除二氧化碳)與下部位置(在此位置將製程熱引向基板以自介質移除二氧化碳)之間移動。基板600、602為多孔的並具有大表面積，以使得引向基板之空氣可流過基板。當基板處於上部位置(例如，基板600之位置)時，將含二氧化碳之空氣引向基板(例如，藉由如虛線所示之風扇604)，以使得隨著空氣流過基板，二氧化碳與介質接觸且大體上自空氣中移除。因此，將含二氧化碳之空氣引向基板且使其穿過基板，以使得二氧化碳與介質接觸，二氧化 碳藉由介質而大體上自空氣中移除，且引導已大體上移除二氧化碳之空氣離開基板。當基板移至下部位置(例如，基板602之位置)時，將製程熱引向基板(例如，經由流體管道606)，且藉由引向基板之流體源(沿箭頭608所示之方向)及藉以將已自介質移除之二氧化碳抽離基板之抽吸源610來移除(驅除)二氧化碳。基板600、602可交替地在上部位置與下部位置之間移動，以使得上部位置之基板自空氣移除二氧化碳且在下部位置自基板移除二氧化碳。應注意若有強風可使用，則可使用自然風流而非風扇來驅動空氣穿過基板。另外，如下文所述，風扇可用太陽能驅動源(或由風或熱驅動空氣流)來替換，在此情況下可進一步改良自環境空氣抽取二氧化碳之效率及成本降低。此外，如熟習此項技術者顯而易見的，可在自空氣捕獲二氧化碳及接著自介質抽取二氧化碳時轉換用於產生空氣流、製程熱流及離開基板之二氧化碳流的構件，而非轉換基板位置。
圖7為根據本發明之原理用於自環境移除二氧化碳及自介質移除二氧化碳之介質的另一型式之圖解說明。特定言之，在圖7中，說明一對基板700、702，其各自具有可與環境接觸以自環境移除二氧化碳之介質(例如，NaOH、胺)。基板700、702係水平定向的，且可各自相對較大(表面積)且相對較薄(例如，約幾毫米或幾公分)。各基板可(例如)藉由滑輪系統(未圖示)在空氣抽取位置(在此位置使含二氧化碳之空氣與基板所承載之介質接觸以自空氣移除二氧化碳)與碳抽取位置(在此位置將製程熱引向基板以自 介質移除二氧化碳)之間水平移動。基板700、702為多孔的，以使得引向基板之空氣可流過基板。當基板處於空氣抽取位置(例如，基板700之位置)時，將含二氧化碳之空氣引向基板(例如，藉由如虛線所示之風扇704)，以使得隨著空氣流過基板，二氧化碳與介質接觸且大體上自空氣中移除。因此，將含二氧化碳之空氣引向基板且使其穿過基板，以使得二氧化碳與介質接觸，二氧化碳藉由介質而大體上自空氣中移除，且引導已大體上移除二氧化碳之空氣離開基板。當基板移至碳抽取位置(例如，基板702之位置)時，將製程熱引向基板(例如，經由流體管道706)，且藉由引向基板之流體源(沿箭頭708所示之方向)及藉以將已自介質移除之二氧化碳抽離基板之抽吸源710來移除(驅除)二氧化碳。基板700、702可交替地在空氣抽取位置與碳抽取位置之間移動，以使得空氣抽取位置之基板自空氣移除二氧化碳且自碳抽取位置之基板移除二氧化碳。應注意若存在可用強風，則可使用自然風流而非風扇來驅動空氣穿過基板。另外，如下文所述，風扇可用太陽能驅動源(或由風或熱驅動空氣流)來替換，在此情況下可進一步改良自環境空氣抽取二氧化碳之效率及成本降低。此外，如熟習此項技術者易於顯而易見，可在自空氣捕獲二氧化碳及接著自介質抽取二氧化碳時轉換用於產生空氣流、製程熱流及離開基板之二氧化碳流的構件，而非轉換基板位置。
圖9所示本發明之型式通常類似於圖7之水平定向型式，但在圖9之型式中，存在由太陽能加熱塔或煙囪(如圖9中 之912示意性展示)所產生之氣流源，而非以風扇作為使含碳空氣移動穿過空氣抽取位置處之基板(例如，基板900)的來源。太陽能煙囪可藉由以太陽加熱氣團而產生。太陽能煙囪可具有"裙套"(如圖9中之虛線913所示)，其使得經太陽能加熱之空氣能夠集中於煙囪中。因此，可使具有太陽能煙囪之太陽能發電場以關於圖7展示及描述之方式與自環境移除二氧化碳及自介質移除二氧化碳之系統及結構相關聯。然而，含二氧化碳之空氣係由太陽能加熱且使該空氣在太陽能煙窗或塔912中上升，而非以風扇704作為基板處含二氧化碳空氣之主要驅動器。由於熱空氣之上升趨勢，產生向上氣流，其將攜帶含二氧化碳之空氣，且可將基板900定位於該上升氣流之通道上。因此，以與關於圖7展示及描述相同之方式，將含二氧化碳之空氣引導穿過空氣抽取位置處之基板900，且將二氧化碳自碳抽取位置處之基板902移除。藉由以太陽能驅動自空氣抽取二氧化碳，可進一步降低抽取成本，且整個運作高度可再生。當然，需要為無日照之彼等時期作預先安排，且將需要一些類似於風扇704(圖7)之形式的驅動器。但在任何情況下，只要存在代替風扇，用太陽能驅動源(或由風或熱驅動空氣流)替換風扇之時期，即可進一步改良自環境空氣抽取二氧化碳之效率及成本降低。
圖8為根據本發明之原理用於自環境移除二氧化碳及自介質移除二氧化碳之介質的又一型式之圖解說明。在圖8中，將由其自環境空氣移除二氧化碳且由其自介質移除二 氧化碳之介質安置於不斷移動之基板800上。基板移動穿過空氣抽取區814，在彼處將含二氧化碳之空氣引向基板且使其穿過基板(其如同先前實施例亦為多孔的)，以使得自空氣移除二氧化碳。基板800接著移至碳抽取區816，在彼處以上文關於圖6、7所述之方式將製程熱引向基板且自基板抽離碳。接著，基板800移至且穿過熱交換區818，在彼處(例如)藉由在空氣抽取區中流經基板之空氣，及藉由可用於將基板溫度降低至使其在基板移回穿過抽取區814時能夠有效自空氣移除二氧化碳之程度的任何額外冷卻裝置來降低基板溫度。另外，圖8之系統可具有另一碳抽取區816，在彼處以上文關於圖6、7所述之方式將製程熱引向基板且自基板抽離碳。
亦應注意，在上文所述之所有本發明之型式中，自空氣移除二氧化碳均可至少部分地在非平衡條件下執行。另外應注意，本申請者之自環境抽取二氧化碳之較佳概念包含使用相對較薄的大表面積基板，其含有自環境移除二氧化碳之介質(例如，胺)及使用製程熱自介質移除二氧化碳。使用垂直於空氣流動方向之相對較大面積基板尤其適用，因為環境中之二氧化碳具有相對低的濃度(與通常可見於(例如)廢氣中之相對高濃度形成對比)。
儘管已結合上文概述之例示性實施例描述本發明，但顯然熟習此項技術者將顯而易見諸多替代、修改及變化。因此，如上文所述之本發明之例示性實施例意欲為說明性的而非限制性的。可在不悖離本發明之精神及範疇的情況下 作出各種改變。
1‧‧‧自環境移除二氧化碳之系統
2‧‧‧自環境移除二氧化碳之系統
10‧‧‧太陽能收集器
20‧‧‧可選輔助能源
30‧‧‧功率發生器
40‧‧‧空氣抽取系統
41‧‧‧空氣接觸器
42‧‧‧空氣抽取系統/空氣抽取器系統
43‧‧‧苛化器
45‧‧‧石灰消和器
47‧‧‧煅燒器
49‧‧‧捕獲單元
50‧‧‧收集系統
100‧‧‧自環境移除二氧化碳之系統
110‧‧‧可再生能源
120‧‧‧可選輔助能源
130‧‧‧功率發生器
142‧‧‧空氣抽取系統
150‧‧‧收集系統
600‧‧‧基板
602‧‧‧基板
604‧‧‧風扇
606‧‧‧流體管道
608‧‧‧箭頭
610‧‧‧抽吸源
700‧‧‧基板
702‧‧‧基板
704‧‧‧風扇
706‧‧‧流體管道
708‧‧‧箭頭
710‧‧‧抽吸源
800‧‧‧基板
814‧‧‧空氣抽取區
816‧‧‧碳抽取區
818‧‧‧熱交換區
900‧‧‧基板
902‧‧‧基板
912‧‧‧太陽能加熱塔/煙囪/太陽能煙窗
913‧‧‧裙套
圖1為根據本發明之一例示性實施例之用於自環境移除二氧化碳之系統的概括方塊圖；圖2為根據本發明之一例示性實施例之用於自環境移除二氧化碳之系統的方塊圖；圖3為根據本發明之一例示性實施例之空氣抽取系統的方塊圖；圖4為說明根據本發明之一例示性實施例之全球性恆溫器的地圖；且圖5為根據本發明之一例示性實施例之用於自環境移除二氧化碳之系統的方塊圖；圖6為根據本發明之原理用於自環境移除二氧化碳及自介質移除二氧化碳之介質的一種型式之圖解說明；圖7為根據本發明之原理用於自環境移除二氧化碳及自介質移除二氧化碳之介質的另一種型式之圖解說明；圖8為根據本發明之原理用於自環境移除二氧化碳及自介質移除二氧化碳之介質的又一種型式之圖解說明；且圖9為根據本發明之原理用於自環境移除二氧化碳及自介質移除二氧化碳之介質的又一種型式之圖解說明。
1‧‧‧自環境移除二氧化碳之系統
40‧‧‧空氣抽取系統
50‧‧‧收集系統

Claims (8)

  1. 一種用於控制行星環境(atmosphere)之平均溫度的全球性恆溫器，其包含複數個位在地理上分布於該行星上之位置的系統，該等系統之各者能夠藉由如下方法而對行星環境產生負二氧化碳效應：自環境抽取二氧化碳，且各個該等系統包含空氣接觸器位置及在該空氣接觸器位置時用以自環境吸收二氧化碳之可移動固體吸收介質；及操作上與製程熱源相連的收集腔，該製程熱係剩餘自使用初始能源之初始製程，且該收集腔係用於自該固體吸收介質抽取及收集二氧化碳，該固體吸收介質可在該空氣接觸器及該收集腔之間移動，以使得該複數個系統可一起有效地以至少可降低環境中因人類誘發之排放所產生的二氧化碳增加速率之速率自環境抽取二氧化碳，而至少降低平均全球溫度上升之速率。
  2. 如請求項1之全球性恆溫器，其中該複數個系統包含：用於自環境移除二氧化碳之抽取系統，其包含固體吸收介質，且該固體吸收介質可回收性地自環境移除二氧化碳；收集系統，其係用於自該固體吸收介質移除二氧化碳並將所移除之二氧化碳分離至一用於封存、儲存及產生可再生碳燃料或非燃料產品中至少一者之位置；及一或多種能源，其供應製程熱至收集系統以自該吸收介質移除二氧化碳進而再生該固體吸收介質以供繼續用於自環境吸收二氧化碳。
  3. 如請求項2之全球性恆溫器，其中該非燃料產品係選自肥料及建築材料。
  4. 如請求項2之全球性恆溫器，其中該複數個系統可一起有效地以一較環境中因人類誘發之排放所產生的二氧化碳增加速率為快之速率自環境抽取二氧化碳，而至少降低平均全球溫度上升之速率。
  5. 如請求項2之全球性恆溫器，其中該固態吸收介質包含結合於固體基板表面之胺化合物。
  6. 如請求項4之全球性恆溫器，其中該抽取系統及該收集系統係分別藉由使用由該一或多種能源提供之製程熱收集二氧化碳及分離所移除之二氧化碳。
  7. 如請求項2之全球性恆溫器，其中該一或多種能源係選自由以下各物組成之初級能源群：化石燃料、地熱能、核能、太陽能、生物質能及其他可再生能源及將其用於初始處理可產生剩餘製程熱供應之放熱化學製程。
  8. 如請求項5之全球性恆溫器，其中該固態吸收介質包含結合於固體扁平形基板表面之胺化合物，該固體扁平形基板表面之上係沉積之胺基團。
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