[发明专利]用于CO2分离系统的联合CO2相变吸收剂

说明书

发明背景

本发明涉及一种用于从含有废物成分混合物的流出物气体流捕获二氧化碳(CO₂)的方法，并具体涉及一种使用显著提高CO₂分离效率的相变吸收剂材料用于分离和捕获二氧化碳气体排放的联合方法和系统。本研究作为U.S. Department of Energy Advanced Research Project Agency (ARPA) Qeontract No. DE-AR0000084的一部分进行。政府具有本发明中的某些权利。

认为将二氧化碳和一氧化碳从工业来源(例如依赖化石燃料的电厂)排放至大气中是造成全球变暖的“温室效应”的主要起因。因此，近年来，已提出各种方法以致力于降低CO₂排放，特别是在工业应用中。用于从流出物排气流除去CO₂的一些已知方法包括化学吸收、无机膜渗透(设计使CO₂与其它废物成分物理分离)、分子筛、低温分离和使用与CO₂反应或对CO₂具有物理亲和力的吸收剂洗涤化学废物流的方法。

作为从烟道气流(特别是由燃煤发电厂产生的排气)除去CO₂的可行方法而受到近来关注的一种吸收技术依赖于使用水性单乙醇胺(MEA)和/或“受阻”胺，例如甲基二乙醇胺(MDEA)和2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)，作为在吸收/汽提再生过程中的溶剂。MEA过程的一个实例可见于共有的美国专利号8,007,570 (题为Systems, Methods and Apparatus for Capturing CO₂, using a solvent(使用溶剂用于捕获CO₂的系统、方法和设备))。近来，由于胺吸收剂在富CO₂环境中潜在的分离效率，基于MEA和/或受阻胺的吸收过程已变得更加流行。然而，在基于MEA的过程中已发现存在许多固有的缺陷，这妨碍已知的胺吸收技术被更广泛地采用。

例如，在长期使用后，MEA过程总会导致液体吸收剂粘度的显著提高，通常导致流体输送系统和/或过程设备主要部件的堵塞。分离效率随时间的实际和潜在的降低不利地影响整个CO₂分离，特别是在长期操作后。为了避免堵塞问题，MEA的浓度必须保持在相对低的水平，例如，处于或低于约30重量%。较低的浓度使系统的吸收容量与吸收剂的理论容量相比降低。相对低的MEA浓度还导致更高的过程和设备成本并且显著降低总体CO₂处理效率。

由于需要有效的溶剂载体(通常为水)作为分离和再生过程的一部分，在基于MEA的过程中消耗的能量的量也会过高。MEA/水吸收剂必须经历加热和蒸发，以便有效分离和回收MEA。大多数再生过程通过使用燃烧燃料加热混合物来回收水载体。已知的MEA再生过程还具有随时间引起过程设备腐蚀和劣化的高可能性。虽然耐腐蚀材料和抑制剂可降低腐蚀，但是它们通常提高资本和操作成本。使用MEA的许多已知的吸收系统还遭受在氧气存在下MEA的长期热稳定性的困扰，特别是在再生温度接近或超过约120℃的环境中。受阻MEA体系同样呈现使存在于系统中的其它溶剂酸化的趋势，进而降低其可用于CO₂捕获的碱性。

基于MEA的系统的另一个限制涉及处理含有由商业和工业的电厂、燃煤设备或气体涡轮发动机生产的CO和CO₂排放的大体积的烟道气。通常，烟道气流包括CO₂、H₂O、O₂、N₂、氩、CH₄、CO、SO_x、NO_x、C₂H₆和可能包括少量的其它烃。将基于MEA的CO₂捕获系统按比例扩大至这些设备所需的尺寸，导致显著提高设备用电的总体成本，使得基于MEA的CO₂捕获不太可能是大规模商业化的选择。因此，使用MEA从工业排气流有效除去CO₂的先前尝试已被证明其构造和操作过于昂贵，并且出于过程工程的观点仅边际有效。