水分?jǐn)[動(dòng)二氧化碳富集方法
【專利摘要】公開(kāi)了一種可逆地將二氧化碳吸收至堿金屬或堿土金屬吸收劑的方法。對(duì)于吸收,吸收劑與第一氣體組合物接觸。對(duì)于解吸,吸收劑與第二氣體組合物接觸??刂频谝缓偷诙怏w組合物的含濕量,使得在吸收步驟期間吸收劑轉(zhuǎn)化成碳酸氫鹽,在解吸步驟期間吸收劑轉(zhuǎn)化成碳酸鹽水合物。與現(xiàn)有技術(shù)的方法比較,本發(fā)明的方法要求的能量輸入更少。本發(fā)明的方法特別適合于制造用于加速溫室中植物生長(zhǎng)的富二氧化碳?xì)怏w。
【專利說(shuō)明】水分?jǐn)[動(dòng)二氧化碳富集方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明通常設(shè)及用于增加含有二氧化碳的氣體的二氧化碳含量的吸收/解吸方 法,更具體地,設(shè)及包括水分?jǐn)[動(dòng)(swing)的吸收/解吸方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我們共同未決的專利申請(qǐng)PCT/EP 2013/065074描述了一種用于產(chǎn)生二氧化碳濃 度相對(duì)較高的氣體的溫度擺動(dòng)方法,在此將其并入作為參考。該方法包括加熱大體積的氣 體,運(yùn)要求大量的能量。
[0003] 因此,對(duì)于制造富二氧化碳?xì)怏w的改進(jìn)的擺動(dòng)吸收/解吸方法存在需求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明通過(guò)提供將C〇2可逆地吸收至堿金屬或堿±金屬吸收劑的方法來(lái)解決運(yùn)些 問(wèn)題,所述方法包括:〇)2吸收步驟,其中使堿金屬或堿±金屬吸收劑與第一氣體組合物接 觸;和C〇2解吸步驟,其中使堿金屬或堿±金屬吸收劑與第二氣體組合物接觸,控制第一和 第二氣體組合物各自的含濕量,使得在吸收步驟期間堿金屬或堿±金屬吸收劑轉(zhuǎn)化成碳酸 氨鹽,在解吸步驟期間堿金屬或堿±金屬吸收劑轉(zhuǎn)化成碳酸鹽水合物。
[0005] 該方法具體適合于為溫室提供二氧化碳,W促進(jìn)植物生長(zhǎng)。
【附圖說(shuō)明】
[0006] 圖1是表示進(jìn)行本發(fā)明方法的裝置的示意圖。
[0007] 圖2是表示環(huán)境空氣二氧化碳濃度隨時(shí)間變化的圖。
[000引圖3表示如圖2中測(cè)量的環(huán)境空氣的平均二氧化碳濃度。
[0009] 圖4是表示通過(guò)圖1反應(yīng)器的氣流溫度的圖。
[0010] 圖5是表示通過(guò)圖1反應(yīng)器的水蒸氣壓的圖。
[0011] 圖6是表示氣流二氧化碳濃度的圖。
[0012] 圖7是進(jìn)行本發(fā)明方法的裝置的另外可選的實(shí)施方式的示意圖?!揪唧w實(shí)施方式】
[0013] W下是發(fā)明詳述。
[0014] 室義
[0015] 如本文所用,術(shù)語(yǔ)"倍半水合物"(sesquihy化ate)是指每摩爾鹽具有1.5摩爾結(jié)晶 水的鹽,例如碳酸鹽。
[0016] 在其最廣泛的方面,本發(fā)明設(shè)及用于將C〇2可逆地吸收至堿金屬或堿±金屬吸收 劑的方法,所述方法包括:〇)2吸收步驟,其中使堿金屬或堿±金屬吸收劑與第一氣體組合 物接觸;和C〇2解吸步驟,其中使堿金屬或堿±金屬吸收劑與第二氣體組合物接觸,并且控 制第一和第二氣體組合物各自的含濕量,使得在吸收步驟期間堿金屬或堿上金屬吸收劑轉(zhuǎn) 化成碳酸氨鹽,在解吸步驟期間堿金屬或堿±金屬吸收劑轉(zhuǎn)化成碳酸鹽水合物。
[0017] 吸收劑可W是任何堿金屬或堿±金屬碳酸鹽,特別是碳酸鋼或碳酸鐘,特別優(yōu)選 碳酸鐘。本發(fā)明將參考碳酸鐘作為吸收劑更詳細(xì)地說(shuō)明,但應(yīng)當(dāng)理解到,本發(fā)明并無(wú)意于w 任何方式限于使用該吸收劑。
[0018] 吸收反應(yīng)可W寫成:
[0019] K2C〇3+0)2+出 0一 2K 肥〇3 (1)
[0020] 解吸反應(yīng)為:
[0021] 2KHC03 一 K2CO3+CO2+出 0 (2)
[0022] 吸收反應(yīng)(1)是放熱的(Δ H = -141kJ/mol),而解吸反應(yīng)(2)是吸熱的(Δ H = + 141kJ/mol)??蒞進(jìn)行兩項(xiàng)觀察。首先,解吸反應(yīng)要求大量的能量輸入。第二,吸收步驟存在 水分是有利的,而解吸步驟使用盡可能干燥的沖洗氣體是有利的。
[0023] Duan等人的研究(參見(jiàn)Duan,Y.等人(2012) .Ab Initio Thermodynamic Study of the C〇2Capture Properties of Potassium Carbonate Sesquihydrate K2CO3 · 1.5出0.The Journal of Physical 化emishy,14461-14470)提出了通過(guò)中間體物種即碳 酸鐘倍半水合物K2C〇3 · 1.5出0的路徑。因此,反應(yīng)(1)可W寫成兩個(gè)連續(xù)的反應(yīng):
[0024] K2CO3+I.5出0一K2CO3 · 1.5出0 (la)
[00巧]K2CO3 · 1.5出0+C02一 2KHC03+0.5出0 (lb)
[0026] 反應(yīng)(2)可W寫成:
[0027] 2KHC03+0.甜2〇一K2CO3 · 1.5出0+C02 (2a)
[002引 K2CO3 · 1.5出0一K2CO3+I.5出0 (2b)
[0029] 反應(yīng)(la)和(化)是放熱的(分別地,AH = -100kJ/mol和-40kJ/mol)。逆反應(yīng)當(dāng)然 是吸熱的,反應(yīng)(2a)的Δ Η為+40kJ/mo 1,反應(yīng)(2b)為+1 OOkJ/mo 1。
[0030] 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn),可W操作吸收/解吸擺動(dòng)方法,使得碳酸鹽水合物在吸收反應(yīng)的起 始點(diǎn),而不是反應(yīng)中間產(chǎn)物。不同的是,吸收/解吸擺動(dòng)方法使用反應(yīng)對(duì)(lb)/(2a),而不是 反應(yīng)對(duì)(1)/(2)。運(yùn)一點(diǎn)通過(guò)控制吸收氣體和解吸氣體的含濕量來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0031] 需要進(jìn)行若干項(xiàng)觀察。首先,吸收反應(yīng)Qb)產(chǎn)生水,因此使用含濕量相對(duì)較低的吸 收氣體是有利的。第二,解吸反應(yīng)(2a)消耗水,因此使用含濕量相對(duì)較高的解吸氣體是有利 的。第Ξ,與反應(yīng)(2)141kJ/mol相比較,解吸反應(yīng)(2a)的反應(yīng)熱要求40kJ/mol的能量輸入。
[0032] 本發(fā)明的方法特別適合于從環(huán)境空氣吸收二氧化碳。吸收氣體優(yōu)選地水的蒸氣壓 為0.001己至0.0150己,水的蒸氣壓優(yōu)選在該范圍的低端。對(duì)吸收氣體進(jìn)行干燥步驟可W是 合意的,例如,通過(guò)使吸收氣流通過(guò)干燥器床或干燥沸石。在許多情況下,干燥步驟的額外 能量成本大于通過(guò)更大的吸收效率補(bǔ)償。
[0033] 在吸收步驟過(guò)程中必須小屯、地不要從碳酸鹽材料除去結(jié)晶水。不同的是,必須避 免反應(yīng)(2b)。出于該原因,解吸氣體優(yōu)選地水的蒸氣壓為0.020己至0.2己。由于第一或第 二、吸收氣體或解吸氣體具有不同的含濕量,該方法可W稱作水分?jǐn)[動(dòng)吸收/解吸方法。
[0034] 將水分?jǐn)[動(dòng)與溫和的溫度擺動(dòng)結(jié)合是有利的。例如,第一氣體的溫度范圍可W是 250K至300K,第二氣體的溫度范圍可W是300K至400K。
[0035] 在高度優(yōu)選的實(shí)施方式中,第一氣體組合物是任選的干燥的環(huán)境空氣,第二氣體 組合物獲自溫室,或者經(jīng)加熱和加濕的環(huán)境空氣。通常,溫室中的氣氛相對(duì)潮濕,運(yùn)使得其 特別適合用作解吸氣體。任選地,在其用作解吸氣體之前,可W任選地向其加入額外的水 分。在接觸吸收劑之前,獲自溫室的氣體組合物可W任選地進(jìn)行加熱。
[0036] 類似地,在吸收步驟中,在接觸吸收劑之前,環(huán)境空氣可W任選地進(jìn)行干燥。也可 W對(duì)空氣進(jìn)行冷卻步驟。
[0037] 在該實(shí)施方式中,第二氣體組合物在與吸收劑接觸之后,富含二氧化碳。該富含二 氧化碳的氣體組合物特別適合用于植物生長(zhǎng)(富含C〇2的溫暖、潮濕的空氣)??蒞將其用管 道輸入至溫室中,W加速植物生長(zhǎng)。
【具體實(shí)施方式】
[0038] W下是本發(fā)明某些實(shí)施方式的說(shuō)明,其僅僅W實(shí)施例的方式給出。
[0039] 圖1顯示了在低溫下通過(guò)相對(duì)濕度擺動(dòng)從空氣中捕獲C〇2的系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有兩個(gè) Ξ通閥。吸收過(guò)程中閥的位置W黃色顯示。解吸過(guò)程中閥的位置W藍(lán)色顯示。
[0040] 通過(guò)負(fù)載在活性炭(AC)蜂巢狀元件表面上的K2C03 · 1.5出0形成吸附劑,其用作熱 力學(xué)載體。在整個(gè)C〇2捕獲/釋放循環(huán)中不提供外部加熱。
[0041] 元件的制備
[0042] 蜂巢狀整料(monolith)的大?。?0*5*5cm。將AC蜂巢狀整料浸泡在2:1 (質(zhì)量比) Κ2〇)3溶液中大約2秒。然后將元件在烘箱中在空氣中在100°C下干燥8小時(shí)。該處理之后,將 整體材料的表面負(fù)載有K2CO3和K2CO3 · 1.5出0鹽的混合物,其根據(jù)上文化學(xué)反應(yīng)(1)和(化) 用作C〇2捕獲劑。
[0043] AC的水吸收平行于運(yùn)些過(guò)程發(fā)生。水吸收反應(yīng)的Δ Η可W近似于水的蒸發(fā)熱的負(fù) 值:
[0044] 出 O(vap) 一出 0(ads)AH=-45KJ/mol 在 25°C 下[3]
[0045] 最初對(duì)反應(yīng)器供W外部空氣(不經(jīng)任何處理),使得吸收經(jīng)由兩種鹽的碳酸飽和發(fā) 生,導(dǎo)致KH(X)3形成。在接下來(lái)的階段,通過(guò)使其通過(guò)水燒瓶循環(huán)對(duì)進(jìn)料空氣(未經(jīng)處理的外 部空氣)進(jìn)行預(yù)加濕,增加其水蒸氣含量。將加濕的空氣供給反應(yīng)器,從而發(fā)生KHC03降解 (經(jīng)由反應(yīng)2a)。40.67KJ/mo 1的能量要求通過(guò)AC結(jié)構(gòu)中水蒸氣的吸附提供(反應(yīng)[3 ])。
[0046] 實(shí)驗(yàn)
[0047] C〇2背景水平
[004引測(cè)量2天在空氣中的C02濃度。結(jié)果顯示于表2??諝庵械钠骄鵆02濃度為406ppm(參 見(jiàn)圖3)
[0049] 實(shí)驗(yàn)條件
[0050] 0)2吸附在夜間進(jìn)行,運(yùn)時(shí)外部空氣的T低于白天。0)2解吸在白天進(jìn)行。反應(yīng)器入口 處的氣流為6.667升/分鐘;反應(yīng)器出口處的氣流為6.333升/分鐘。
[0051] 表1顯示了 AC整料上存在的鹽的量。干的碳酸鐘的分子量為138.18;倍半水合物的 分子量為165.18。為進(jìn)行計(jì)算,假設(shè)第一吸附/解吸循環(huán)之后所有的鹽均W倍半水合物存 在。
[0化2] 表1 [0化3]
[0054] 供至反應(yīng)器內(nèi)部的空氣的溫度Τ的行為繪于圖4。由于過(guò)程的吸熱性質(zhì)(水從AC解 吸),在吸附模式中反應(yīng)器中的T低于供給的空氣。在C〇2解吸模式中,由于過(guò)程的放熱性質(zhì) (水吸附在AC上),反應(yīng)器的T高于氣流。由于解吸模式中繞開(kāi)回路,即,通過(guò)累提供的熱不轉(zhuǎn) 移,從吸附到解吸模式氣流的T發(fā)生變化(參見(jiàn)圖1)。
[0055] 圖5顯示了循環(huán)過(guò)程中供至反應(yīng)器的和獲自反應(yīng)器的空氣的水蒸氣含量。入口和 出口線表示反應(yīng)器入口和出口處氣流中的PH20,其條件在于在加濕器的上游測(cè)量解吸期間 入口的水蒸氣壓。飽和線表示飽和水蒸氣壓,運(yùn)是當(dāng)氣流通過(guò)儲(chǔ)水器(加濕器)鼓泡時(shí)解吸 模式中在入口處的預(yù)計(jì)值,達(dá)100%畑。
[0056] 圖6顯示了C〇2吸附-解吸循環(huán),其將反應(yīng)器出口處的[C02] Wppm(mol/mol) W及也 在反應(yīng)器出口處的扣20[己]相對(duì)于時(shí)間比]作圖。紅色水平線表示平均[C02]背景值40化pm。
[0057] 圖7顯示了本發(fā)明另外可選的實(shí)施方式。在該實(shí)施方式中,吸收劑是顆粒狀、丸粒 狀或粉末狀多孔載體,其上沉積有稱作吸附材料的C〇2吸附鹽。圖7顯示了吸附/解吸系統(tǒng) 70。吸附材料從吸附區(qū)71經(jīng)由脫氣區(qū)72到解吸區(qū)73連續(xù)循環(huán)。在吸附器71中,吸附劑與要由 其吸附C〇2的氣體接觸。運(yùn)可W是空氣,任選地干燥并冷卻,W有助于C〇2吸附,或者是煙道氣 (flue gas),其任選地干燥并冷卻,或者是任何其他含有C〇2的氣流。另外可選地,吸收材料 可W與溫和的干燥劑或干燥沸石混合,W通過(guò)經(jīng)由反應(yīng)化同時(shí)吸附在吸附過(guò)程中釋放的水 分,將吸附過(guò)程中的平衡移動(dòng)至接觸氣體中的最終C〇2濃度更低。
[0058] 在脫氣器72中,將夾帶有飽和吸附劑的要從其中吸附C〇2的氣體用更適合下游過(guò) 程的氣體置換。對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō),下游氣體中的氧可W是不希望有的,(例如ccs(碳捕獲 和存儲(chǔ)W及ccu(碳捕獲和利用)),吸附劑可W用例如氮?dú)饷摎狻?duì)于其他應(yīng)用,例如溫室, 可W省略脫氣步驟。
[0059] 在解吸器73中,吸附劑與加熱的氣體接觸,任選地加入水分,W有助于解吸。在解 吸器中,吸附劑經(jīng)由反應(yīng)2a再生,如果存在的話,干燥劑或沸石也得W再生。干燥劑或沸石 再生釋放的水分有助于將反應(yīng)2a移動(dòng)至進(jìn)一步解吸C〇2。為解吸提供的熱表示成輸入流74 和75。吸附器71中的吸附溫度T1低于解吸器73中的解吸溫度T2。例如,T1的范圍可W是250K 至300K,溫度T2的范圍可W是300K至400K。
[0060] 在圖7的實(shí)施例中,使用氮作為熱載體和載氣,W在解吸再循環(huán)過(guò)程中從吸附劑除 去C〇2,通過(guò)利用其不同的飽和壓力從該氣體分離C〇2,通過(guò)壓縮使出自載氣料流的C〇2液化。 然后(部分)回收壓縮載氣消耗的能量,0)2的冷凝熱也可W(部分)用作解吸步驟的熱源。運(yùn) 種模式的操作特別適合于CCS和CCU應(yīng)用。
[0061] 因此,本發(fā)明已結(jié)合上文討論的某些實(shí)施方式加 W說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到,運(yùn)些實(shí)施方 式易于進(jìn)行各種修改,另外可選的方式是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。
[0062] 除上文所述者W外,還可W在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下對(duì)本文所述的結(jié) 構(gòu)和技術(shù)進(jìn)行許多種修改。因此,盡管描述了具體的實(shí)施方式,運(yùn)些僅僅是實(shí)施例,并不對(duì) 本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可逆地將C〇2吸收至堿金屬或堿土金屬吸收劑的方法,所述方法包括:C〇2吸收步 驟,其中使所述堿金屬或堿土金屬吸收劑與第一氣體組合物接觸;和c〇 2解吸步驟,其中使 所述堿金屬或堿土金屬吸收劑與第二氣體組合物接觸,控制所述第一和第二氣體組合物各 自的含濕量,使得在吸收步驟期間所述堿金屬或堿土金屬吸收劑轉(zhuǎn)化成碳酸氫鹽,在解吸 步驟期間所述堿金屬或堿土金屬吸收劑轉(zhuǎn)化成碳酸鹽水合物。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法,其中所述吸收劑是鈉或鉀吸收劑。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其中所述吸收劑是鉀吸收劑。4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法,其中所述碳酸鹽水合物是碳酸鉀倍半水合 物。5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法,其中所述第一氣體組合物是水蒸氣壓為 0.001巴至0.0150巴的環(huán)境空氣。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法,其中所述第一氣體組合物的溫度為250K至300K。7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法,其中所述第二氣體組合物的水蒸氣壓為 0.020巴至0.2巴。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法,其中所述第二氣體組合物的溫度為300K至400K。9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法,其中所述第一組合物是任選地干燥的環(huán)境 空氣,所述第二氣體組合物獲自溫室。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法,其中在與所述吸收劑接觸之前對(duì)所述第二氣體組合物 進(jìn)行加熱。11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法,其中在與所述吸收劑接觸之前向所述第二氣體組 合物中加入水分。12. 根據(jù)權(quán)利要求5-11中任一項(xiàng)所述的方法,其中所述第一氣體組合物是環(huán)境空氣,并 且在與所述吸收劑接觸之前對(duì)其進(jìn)行冷卻。13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法,其中在與所述吸收劑接觸之前使所述第 一氣體組合物與干燥裝置接觸,并且間歇地對(duì)所述干燥裝置進(jìn)行再生。
【文檔編號(hào)】B01D53/96GK105992630SQ201480074252
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2014年12月3日
【發(fā)明人】A·拜吉爾, T·勒斯特恩伯格, R·羅德里格斯莫斯克達(dá), G·布雷姆, P·奧康納
【申請(qǐng)人】安特西有限公司