用于捕获和释放酸性气体的系统技术方案

本发明专利技术提供了用于在组合物中捕获CO2，从所述组合物中释放所述CO2，以及所述组合物的后续再生以再使用的方法，所述方法包括进行步骤(a)、步骤(b)和步骤(c)：(a)通过将所述CO2与捕获组合物接触捕获CO2，所述捕获组合物包括至少一种烃基单羧酸的碱金属盐、至少一种聚醚溶剂以及选自水和另一种质子溶剂或试剂的质子溶剂；其中所述至少一种烃基单羧酸的碱金属盐以1M至14M之间的水平初始存在于所述组合物中；(b)通过用空气流使所述组合物经历加热或汽提应用，释放所述CO2；以及(c)通过冷却再生所述捕获组合物。所述方法通常被应用至二氧化碳的捕获和后续的释放，并且所述方法使用便宜的消费品，提供了方便和简单的方法，相对于现有技术中的方法产生了显著的进步。有技术中的方法产生了显著的进步。有技术中的方法产生了显著的进步。

【技术实现步骤摘要】
用于捕获和释放酸性气体的系统
[0001]本申请是申请日为2014年12月19日、申请号为201480074448.6、名称为“用于捕获和释放酸性气体的系统”的中国专利申请的分案申请。


[0002]本专利技术涉及捕获二氧化碳的新方法，并提供替代性的材料，其可更方便和有效地被应用至二氧化碳气体和其他酸性气体的吸收和释放。

技术介绍

[0003]作为化石燃料使用增长的结果，大气中的二氧化碳浓度以从前工业化时代的280ppm上升至2013年的近乎400ppm
1,2
，导致全球平均温度的上涨。预计这在短期至中期内将进一步增加，直至建立起不再导致显著CO2排放的能源供应3。根据国际能源署世界能源展望(2002)，燃烧产生CO2排放的预计增长大约为每年1.8％，并且至2030，如果以那个速率继续，其将会在2000年水平的70％以上4。
[0004]因此，不显著减少CO2排放，到2100年全球平均温度可能增加1.4-5.8K5。由于煤在全球的丰富储量，这种燃料在世界上许多国家被广泛用于发电。然而，对于每单位电力的产生来说，与天然气相比，煤的燃烧产生大约2倍量的CO2。这个问题在将来可能会加重，因为为了维持发展中国家例如中国和印度的经济增长，用于发电机组的煤的燃烧预期将增加。其他重要的CO2制造者包括水泥制造厂和氨生产厂。然而，主要问题来自于燃煤发电站，目前超过33％的全球CO2排放来自于这样的工厂，并且这一高百分率为减少CO2排放提供了真正的机会，其中可以通过在源头处捕获CO26，将其集中，然后通过储存在地质构造(例如天然气井或海床)中、提高原油采收率或封存(sequestration)对其进行处理—最有可能是通过化学或生物化学转化成有用产物(例如甲酸、甲醇、聚碳酸酯塑料、聚羟基链烷酸酯和生物燃料)，来减少CO2排放。
[0005]目前在填料塔中吸收和汽提CO2的主要的方法被认为是成熟的技术，该方法通常使用单乙醇胺水溶液(30％w/w)或相关的胺共混物作为吸收介质
4,5,7
。然而，这种方法具有相当大的问题，特别是当用于处理具有低CO2浓度(典型地，对于天然气燃烧为3-5％，对于煤燃烧为10-15％)的大体积烟气时，因为这些过程要求使用大型设备，因此表现出具有高投资成本的主要工程挑战。目前的工艺也是高度能量密集型的，通常需要将整个捕获溶剂的温度从约40℃提升至大约120℃，后面的温度在加压下达到。在这样的温度和压力下操作的工艺也促进了溶剂降解、设备腐蚀和环境排放。
[0006]图1示出了常规燃烧后捕获(PCC)方法中使用的典型装置，其中将看到贫溶剂与冷却的烟气在吸收器中接触。CO2被从烟气中吸收至溶剂中，将所得富溶剂泵送通过贫-富换热器，其中通过从贫溶剂中吸收热量，将富溶剂向通常为90-115℃的汽提温度加热。然后在蒸汽的帮助下，将CO2在汽提器中解吸，在贫-富换热器中使用富溶剂冷却贫溶剂，然后将溶剂进一步冷却至吸收温度，并投回吸收器。从汽提器中释放的CO2随后被冷却，水蒸气冷凝。然后通常以六阶段将CO2从汽提压力压缩至例如CO2管线所需压力。
[0007]在燃煤发电厂中，汽提塔再沸器中的典型能耗可以高达发电量的15-30％。因此，据计算，将目前的CO2捕获技术应用于发电厂将使电价增加多达70％2。此外，CO2捕获技术的规模必须是有可能巨大的，以应对待处理的大体积烟气。大型发电站例如英国约克郡的Drax，每天产生约55,000吨CO
28
。这相当于每日需要处理大气压下约28Mm3的体积。以CO2占典型的由燃煤排出的烟气的10-15％为基础，待处理的实际气体体积典型地将为该量的7-10倍2。
[0008]原则上，化学工业中目前使用的气体分离技术，例如在化学溶剂中吸收、使用固体吸附剂吸附、膜分离和深度冷冻(cryogenic process)，都可以被适用于燃烧后捕获来自于热电厂的CO2。用于该目的的可替代方法也在开发之中7，例如在整体煤气化和联合循环(IGCC)厂中的燃烧前CO2捕获以及用纯氧代替空气燃烧(被称为全氧燃烧)用于制造可封存(sequestration-ready)CO2。
[0009]然而，这样的技术或者尚未完全发展至可推广应用(许多演示工厂目前正在建造中)，不适用于从大型发电厂排出的烟气中去除CO2或不能被改造以适应现有的设施。因此，在不远的将来，优选的选择似乎是通过在基于胺的溶剂中吸收(涤气)进行燃烧后捕获CO2，通过蒸汽汽提进行溶剂再生，因为这已是在化学工业中找到广泛用途的完善确立的方法
4,5
。
[0010]尽管吸收/汽提是成熟的技术，但当用于处理大体积的烟气时其具有相当大的问题。尽管这种技术已被广泛使用，但其中的潜在化学只是最近才被更充分理解，这主要是由于基于胺水溶液的体系的复杂表现9。利用混合的胺水溶液体系(例如单乙醇胺(MEA)和N-甲基二乙醇胺(MDEA))
11
和其他含有例如哌嗪(PZ)和2-氨基-2甲基丙醇(AMP)的共混物的最新进展使形势进一步复杂化
12
。然而，尽管这些材料给出更加有利的能量考量，但它们的相对费用、稳定性和挥发性表现出潜在的劣势，并且所需能量依旧过高
12,13
。
[0011]目前，MEA水溶液被广泛用于CO2捕获，并且它典型地被用作与潜在的新系统进行比较的基准；它还突出了关于基于胺的方法的一些重要问题。因此，已知MEA在长期使用后降解，特别是由于在烟气气流中存在残留的氧气。还重要的是在可行的商业化过程中，补充溶剂的成本不应该过高。还存在多种可用的其他溶剂，最近已对这些溶剂的优缺点和其他方面进行了评估
12
。就能量需求、稳定性和处理而言，氨在基于水溶液的系统中似乎提供了优于MEA和其他胺的某些优势，尽管排放的控制可能更具挑战。
[0012]对基于胺的溶剂的化学考察显示，如方案1中所示，胺可以通过三条主要途径吸收CO
22,10
。
[0013][0014]方案1
[0015]在任何给定情形中起作用的特定机制取决于方法的考虑因素，例如水或溶剂的存在、胺的浓度及其结构、pH和CO2的浓度和压力。在基于水的体系中，可能所有三种机制都起作用，但是总体机制主要涉及氨基甲酸盐和碳酸氢铵
10
。在高极性溶剂(例如DMSO)中往往有利于氨基甲酸，但是在非水溶液环境中，氨基甲酸铵是主要的种类。所有CO
2-胺加合物在加热后脱羧，释放CO2，并使胺再生。例如，在MEA水溶液的情况中，脱羧通常在120℃、0.2MPa下进行，这对整个过程具有显著的能量影响。
[0016]除了胺外，通常当一系列其他的有机分子转换成碱式盐，或如果它们自身具有内在碱性时，它们能可逆地捕获CO2。用于确定分子用于CO2捕获的适当性的最合适的方法是基于所述分子的pK
a
—也就是，共轭酸的酸性。
[0017]pK
a
被定义为K
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于在组合物中捕获CO2，从所述组合物中释放所述CO2，以及所述组合物的后续再生以再使用的方法，所述方法包括进行步骤(a)、步骤(b)和步骤(c)：(a)通过将所述CO2与捕获组合物接触捕获CO2，所述捕获组合物包括至少一种烃基单羧酸的碱金属盐、至少一种聚醚溶剂以及选自水和另一种质子溶剂或试剂的质子溶剂；其中所述至少一种烃基单羧酸的碱金属盐以1M至14M之间的水平初始存在于所述组合物中；(b)通过用空气流使所述组合物经历加热或汽提应用，释放所述CO2；以及(c)通过冷却再生所述捕获组合物。2.如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)中所述水或质子溶剂相对于总溶剂体积以5-20％v/v的水平存在。3.如权利要求1所述的方法，其中所述烃基单羧酸选自被取代或未取代的直链的、支链的或环羧酸。4.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一种烃基单羧酸的碱金属盐选自C
1-20
脂肪族羧酸盐。5.如权利要求1所述的方法，其中所述碱金属选自锂、钠或钾。6.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一种聚醚溶剂为乙二醇醚。7.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一种聚醚溶剂为(聚)亚烷基二醇(聚)烷基醚。8.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：碳捕获有限公司，
类型：发明
国别省市：