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

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。中回收的热供应。中回收的热供应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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


[0001]本专利技术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，本专利技术涉及用于进行所述方法的设备。

技术介绍

[0002]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)。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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；US 2012/0174778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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]Walmsley等(Proceedings of the 12
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】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，所述气体混合物优选为空气、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(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其中实施(i)或(ii)中的至少一者以及(iii)。2.根据权利要求1所述的方法，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)，和/或其中根据步骤操作(iii)的加热所述单元(1)中的所述吸附剂材料所需的热的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(14)供应。
3.根据权利要求2所述的方法，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，优选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，其中进一步优选地，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。4.根据权利要求3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，其中优选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，其中优选地，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，和/或根据前述权利要求中的任一项，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℃，优选小于20℃，以及其中优选地，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℃，优选小于30℃或20℃。5.根据权利要求3或4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(2)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进一步加热所述分层罐的区域或所述分层罐的全部。6.根据前述权利要求所述的方法，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(Q
pc
)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(Q
pc
)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，以及其中优选地，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。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，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优选基本上在所述分层罐的整个高度沿向下流动方向通过分层罐(14)内包括的内部热交换器，由此所述冷凝热基本上在与冷凝温度相对应的水平下直接传递至所述分层罐(14)，以及其中优选地，在进入所述分层罐内包括的所述内部热交换器之前，优选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)，优选至少1.1巴(a)、或至少1.4巴(a)、或至少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，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，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(14)，以及其中优选地，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)，优选至少1.1巴(a)、或至少1.4巴(a)、或至少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。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤(c)...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托夫，
申请(专利权)人：克莱姆沃克斯有限公司，
类型：发明
国别省市：