专利名称：从气流回收co2的喷雾方法和相关设备的制作方法
从气流回收C02的喷雾方法和相关设备关于联邦资助的研究和开发的声明本发明根据能源部授予的合同号NETL DE-NT0005310在政府支持下作出。政府拥有本发明的某些权利。
背景技术：
本发明总的涉及从含有成分混合物的气流捕集ニ氧化碳(CO2)的方法。现在认为，ニ氧化碳从エ业源(如发电厂)排放到大气中是造成全球变暖的“温室效应”的主要原因。作为回应，正在为减少CO2排放做出巨大努力。为了尝试完成这一任务，已开发出很多不同的方法。实例包括聚合物和无机膜滲透；通过吸附剂如分子筛去除CO2 ；低温分离；和用溶剂洗涤，该溶剂可与CO2化学反应或对气体具有物理亲合性。从烟道气流(例如，在发电厂产生的废气)去除CO2的一种技术已得到很多关注。在此技术中，在吸收/剥离类型的再生方法中，用含水单こ醇胺(MEA)或受阻胺(如甲基ニこ醇胺(MDEA)和2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP))作为溶剤。此技术已エ业用于从燃煤发电厂和燃气涡轮机捕集CO2。在基于MEA和受阻胺的吸收方法中确实固有显著的优点。然而，一些缺陷可妨碍此类技术的较宽采用。例如，此方法有时可导致液体吸收剂粘度急剧增加，这可引起阻塞管线。为了避免这ー问题，MEA和其它胺的浓度有时保持在相对低的水平，例如在MEA的情况下，低于约30重量％。然而，与纯吸收剂的理论容量比较，较低浓度可极大减小吸收容量。另外，MEA方法中的能量消耗可相当高，这大部分是由于需要溶剂(例如，水)加热和蒸发。例如，此方法可能消耗通过化石燃料燃烧加热的锅炉中产生的蒸汽的约10-30%。另外，在氧存在下，在再生温度一般达到至少约120°C的环境中，基于MEA的吸收系统可能没有长期热稳定性。另外的缺陷可能是由于以下事实在MEA或受阻胺方法中富有CO2的液体吸收剂可能仍含有实质量游离胺和溶剂(通常为水)。胺和水在热解吸下在气相中去除，但可引起伴随设备的腐蚀和其它劣化。为了解决此问题，可将专用腐蚀设备材料用于设备，但这又可增加设备的资本成本。在某些情况下，可加入腐蚀抑制剂，但使用这些专用添加剂也可増加操作成本。另外，MEA或受阻胺吸收剂的氧化可使存在的一些溶剂酸化。除了可能产生的 腐蚀问题外，这可降低用于捕集CO2的可用碱度，从而降低方法效率。エ业CO2燃烧后捕集方法的另ー个实例使用哌嗪促进的碳酸钾(K2CO3)的水溶液。然而，此方法通常非常能量密集，并且可能在经济上劣于MEA方法。另ー个实例包括使用冷冻氨。在此情况下，此系统通常需要能量密集的冷却系统，并且与非故意氨释放相关的风险可能不可接受。鉴于这些考虑，处理含有CO2的气流的新方法在本领域受到欢迎。新方法应在ー些エ业环境中经济可行的条件下从气流有效去除ー些部分的co2。另外，这些方法应与相关系统相容，例如基于气化、燃烧的发电系统等。发明概述本发明的一个实施方案涉及从气流回收ニ氧化碳(CO2)的方法。所述方法包含以下步骤a)使气流中的CO2与液体吸收剂微滴反应，以形成其中结合CO2的固体材料；b)将固体材料输送到解吸部位；c)在解吸部位加热固体材料，以释放实质上纯的CO2气体；并且d)收集CO2气体。本发明的另ー个实施方案涉及从气流回收ニ氧化碳(CO2)的设备。所述设备包含(i)反应室，所述反应室适用于使CO2气体与反应剂反应，以形成其中结合CO2的固体材料； (ii)解吸部位，所述解吸部位用于加热固体材料，以释放CO2气体，并使反应剂再生；和 (iii)输送机构，所述输送机构用于将固体材料从反应室输送到解吸部位。附图
简述图I为用于从气流回收CO2的示例性设备的示意图。图2为用于从气流回收CO2的另ー个设备的不意图。图3为用于从气流回收CO2的另ー个不例性设备的不意图。图4为用于使CO2和试剂反应的试验设备的示意图。发明详述本文公开的组成范围为包含性并且可以组合(例如，“最多约25重量或更具体的“约5重量％至约20重量的范围包含端点和范围的所有中间值)。除非另外说明，重量水平基于整个组合物的重量提供，比率也基于重量提供。另外，术语“组合”包括掺合物、混合物、合金、反应产物等。另外，本文术语“第一”、“第二”等不表示任何次序、量或重要性，而是用于区分ー个元素与另ー个元素。本文术语“一(a)”和“一(an)”不表示量的限制，而是表示存在至少ー个所引用的项目。与量相关使用的修饰词“约”包含所述值，并且具有上下文指定的意义(例如，包括与具体量的測量相关的误差度)。本文所用后缀“(S) ”旨在包括它所修饰的术语的单数和复数两者，从而包括ー个或多个该术语(例如，“化合物”可包括ー种或多种化合物，除非另外说明)。在整个说明书中对“ー个实施方案”、“另ー个实施方案”、“实施方案”等的引用意味着与实施方案相关所述的具体元素(例如特征、结构和/或特性)包括在本文所述的至少ー个实施方案中，并且可或可不存在于其他实施方案中。另外应了解，所述的发明特征可以任何适合方式在不同的实施方案中组合。如本文进ー步描述，ニ氧化碳存在于可根据本发明的实施方案处理的多种多样的气流中。非限制实例包括来源于燃烧过程、气化过程、垃圾填埋、炉(例如，高炉或化学还原炉)、蒸汽发生器、锅炉及其组合的气流。在一些实施方案中，CO2气流为源于燃煤发电厂的烟道气流。在其它实施方案中，CO2气流源自煤气化设备，其示例为集成气化组合循环(IGCC)设备。除了 CO2外，烟道气流可包括一些其它成分，如氧、氮、氩、一氧化碳、氮氧化合物、硫化合物(例如，ニ氧化硫、硫化羰)、烟灰颗粒和水蒸汽。可使多种液体吸收剂与ニ氧化碳反应。通常，可用能够通过与ニ氧化碳反应转化成固体的任何液体CO2吸收剂进行本文所述方法。ー些液体吸收剂描述于以下文献“Reversible Gelation of Polyethyleneimide Solutions Using CO2，，(使用 CO2 的聚こ烯亚胺溶液的可逆胶凝)，Kitchens 等，AIChE Annual Meeting, San Francisco, CA,2006 (会议录第 520f 页)；和 “Reversible, Room-Temperature Chiral Ionic Liquids.Amidinium Carbamates Derived From Amidines And Aliphatic Primary Amines WithCarbon Dioxide”(利用ニ氧化碳从脒和脂族伯胺衍生的可逆室温手性离子液体氨基甲酸脒)，Yamada 等，Chem. Mater.，19, (5)，967-969 (2007)。通常，液体吸收剂包含至少ー种胺材料。多种胺化合物(本文所用术语也包括聚合材料)是适用的。很多落入以下种类脂族伯、胺和叔胺及聚胺；聚亚胺(例如，聚烯亚胺)；环胺、脒化合物；受阻胺；氨基-硅氧烷化合物；氨基酸；及其组合。这些材料的非限制实例在下面提到。示例性脂族胺和聚胺为环己胺、こニ胺、ニこ三胺、三こ四肢、四こ五胺等。另外，也可使用例如取代胺的材料，例如烷醇胺。示例性聚亚胺为聚烯亚胺。很多这些材料通过ー种或多种烯亚胺聚合获得，如こ烯亚胺、丙烯亚胺和1，2_ 丁烯亚胺。在一些实施方案中，优选的聚亚胺为聚こ烯亚胺。说明性环胺包括哌啶、哌嗪和基于吡啶的化合物，如4-氨基吡啶。也可使用各种ニ环化合物，如I，5- ニ氮杂ニ环[4. 3. O]壬-5-烯(DBN)或I，8- ニ氮杂ニ环[5. 4. O] i^—碳-7-烯(DBU)。也可使用ー些脒和胍化合物。大多数脒符合一般结构RC ( = NR) NR2,其中各R基团可单独为氢或低级烷基。很多脒化合物被认为是酮酸衍生物。(在母体酮酸为羧酸时，所得脒为羧酸脒)。ー些脒化合物描述于美国专利4，162，280 (Kranz)和4，129，739 (Tracy等)。这些文献分别通过引用结合到本文中。脒的非限制实例包括甲脒(HC ( = NH) NH2)。胍为具有一般结构(R1R2N) (R3R4N)C = N-R5的一组有机化合物，其中各“R”可独立为氢或烷基。胍的非限制实例包括1，1，3，3_四甲基胍((Me2) N) 2C = NH)。可用作液体吸收剂的受阻胺化合物也在本领域已知。一些这些化合物描述于美国专利 4，405，579 (Sartori 等)和6，117，995 (Zedda等)及欧洲专利申请0588175B1 (Yoshida等)。这些文献分别通过引用结合到本文中。非限制实例包括多烷基取代的哌啶衍生物，如2，2，6，6_四甲基哌啶。其它实例包括2，2，6，6_四甲基哌啶、叔丁胺、环己ニ胺、2-( ニ甲基氨基)-こ醇、2-( ニこ基氨基)-こ醇、2-(こ基甲基氨基)-こ醇、I-( ニ甲基氨基)-こ醇、1-( ニこ基氨基)-こ醇、1-(こ基甲基氨基)-こ醇、2_( ニ异丙基氨基)-こ醇、1-( ニこ基氨基)-2-丙醇、3- ( ニこ基氨基)-I-丙醇及其组合。氨基-硅氧烷组合物也在本领域已知。这些化合物的各种类型描述于美国专利5, 939, 574(Schilling, Jr.等)和4，487, 883 (Homan),所述专利通过引用结合到本文中。本领域的技术人员应能够确定哪种具体氨基-硅氧烷能够与气态CO2反应以形成固体材料，如本文所述。可用于本发明的ー些氨基-硅氧烷描述于2009年7月30日提交的Perry等的待审美国专利申请S. N. 12/512，105，所述专利通过引用结合到本文中。多种氨基-硅氧烷描述于引用的公开中。适合的氨基-硅氧烷的非限制实例包括包含以下化学结构(I)的组合物
权利要求
1.一种从气流回收ニ氧化碳(CO2)的方法，所述方法包含以下步骤 a)使气流中的CO2与液体吸收剂微滴反应，以形成其中结合CO2的固体材料； b)将固体材料输送到解吸部位； c)在解吸部位加热固体材料，以释放实质上纯的CO2气体；并且 d)收集CO2气体。
2.权利要求I的方法，其中CO2与微滴的反应在喷雾塔或在文丘里涤气器中进行。
3.权利要求I的方法，其中微滴通过喷雾雾化技术形成。
4.权利要求I的方法，其中微滴具有不大于约1000微米的平均直径。
5.权利要求4的方法，其中微滴具有约500微米至约1000微米的平均直径。
6.权利要求I的方法，其中固体材料包含具有至少约I.lg/cc密度的固体颗粒。
7.权利要求6的方法，其中固体颗粒具有约1000微米至约2000微米的平均粒径。
8.权利要求I的方法，其中液体吸收剂包含至少ー种胺化合物。
9.权利要求8的方法，其中胺化合物选自聚亚胺、聚胺、环胺、胍、脒、受阻胺、氨基酸、氨基-硅氧烷化合物及其组合。
10.权利要求9的方法，其中聚亚胺包含聚こ烯亚胺。
11.权利要求9的方法，其中环胺选自4-氨基吡啶、1，5_ニ氮杂ニ环[4.3.0]壬-5-烯(DBN)和 1，8_ ニ氮杂ニ环[5. 4. 0] -j^一碳-7-烯(DBU)。
12.权利要求9的方法，其中脒包含甲脒(HC( = NH) NH2)。
13.权利要求9的方法，其中受阻胺选自2，2，6，6_四甲基哌啶、叔丁胺、环己ニ胺、2_( ニ甲基氨基)-こ醇、2-( ニこ基氨基)-こ醇、2-(こ基甲基氨基)-こ醇、1-( ニ甲基氨基)-こ醇、1-( ニこ基氨基)-こ醇、1-(こ基甲基氨基)-こ醇、2- ( ニ异丙基氨基)-こ醇、I- ( ニこ基氨基)~2~丙醇、3- ( ニこ基氨基)-I-丙醇及其组合。
14.权利要求9的方法，其中氨基-硅氧烷化合物为 (NH2C3H6Si (Me)2OSiMe2C3H6NH2)， 其中“ Me”为甲基。
15.权利要求9的方法，其中液体吸收剂和胺化合物之间的反应生成氨基甲酸盐、碳酸氢盐或其组合。
16.权利要求I的方法，其中加热步骤(c)使至少一部分液体吸收剂再生，所述液体吸收剂从收集的CO2气体分离。
17.权利要求16的方法，其中加热步骤(c)在适应对其中结合CO2的固体材料施加热量的室中进行，或在挤出机中进行。
18.权利要求16的方法，其中将再生的液体吸收剂引回到反应部位，用干与来自气流的另外的CO2反应，以形成另外的固体材料。
19.权利要求16的方法，其中反应部位包含喷雾塔或文丘里涤气系统。
20.权利要求18的方法，其中将再生的液体吸收剂通过泵抽装置或压カ装置引回到反应部位。
21.权利要求I的方法，其中加热步骤(c)在足以使通过CO2和液体吸收剂反应生成的固体材料实质分解的温度进行。
22.权利要求I的方法，其中反应步骤(a)生成贫CO2烟道气。
23.权利要求22的方法，其中贫CO2烟道气含有挥发性液体吸收剂，并且该挥发性液体吸收剂冷凝并引回到储存室或引回到反应部位用于与另外的CO2反应。
24.权利要求I的方法，其中气流源选自燃烧过程、气化过程、垃圾填埋、炉、蒸汽发生器、锅炉及其组合。
25.权利要求24的方法，其中气流源为燃煤发电厂。
26.权利要求I的方法，其中在步骤(c)释放的实质上纯的CO2气体在単独位置隔离。
27.一种从源于燃煤发电厂或气化设备的气流回收ニ氧化碳(CO2)的方法，所述方法包含以下步骤 A)使CO2与液体吸收剂微滴在喷雾塔或文丘里涤气器中反应，以形成其中结合CO2的固体材料； B)将固体材料输送到解吸室； C)在解吸室加热固体材料，以释放实质上纯的CO2气体；并且使至少一部分液体吸收剂再生； D)收集CO2气体；并且 E)将再生的液体吸收剂引回到喷雾塔或文丘里涤气器。
28.一种从气流回收ニ氧化碳(CO2)的设备，所述设备包含 (i)反应室，所述反应室适用于使CO2气体与反应剂反应，以形成其中结合CO2的固体材料； (ii)解吸部位，所述解吸部位用于加热固体材料，以释放CO2气体并使反应剂再生；和 (iii)输送机构，所述输送机构用于将固体材料从反应室输送到解吸部位。
29.权利要求28的设备，所述设备还包含至少ー个导管，所述导管用于使再生的反应剂返回到反应室用于与另外的CO2气体反应。
30.权利要求28的设备，其中反应室包含喷雾塔或文丘里涤气器。
31.权利要求28的设备，其中解吸部位包含(I)适应对其中结合CO2的固体材料施加热量的室，或(II)在挤出机中。
32.权利要求28的设备，所述设备还包含至少ー个冷凝器，所述冷凝器与反应室连通，并且能够使来自反应室中形成的贫CO2烟道气的残余液体吸收剂冷凝。
全文摘要
本发明公开一种从气流回收二氧化碳(CO2)的方法。该方法包括使气流中的CO2与液体吸收剂微滴反应，以形成其中结合CO2的固体材料的步骤。然后将固体材料输送到解吸部位，在此加热，以释放实质上纯的CO2气体。然后可以收集CO2气体并按任何期望的方式使用或输送。本文还描述从气流回收二氧化碳(CO2)的相关设备。
文档编号B01D53/14GK102665859SQ201080049722
公开日2012年9月12日 申请日期2010年6月8日 优先权日2009年10月30日
发明者B·R·伍德, G·L·索洛维基克, R·J·佩里, S·E·格诺韦斯 申请人:通用电气公司