[发明专利]用于吸附气体分离过程的颗粒吸附床的低压降结构

说明书

技术领域

本发明涉及用于气体分离过程的吸着剂床结构以及这样的结构用于气体分离、例如用于从气流中分离/捕集CO₂的用途。

背景技术

通过吸附进行的气体分离在工业中有许多不同的应用，例如从气流中移出特定的组分，其中期望的产品可以是从所述流中移出的组分、剩余的贫流或两者。由此痕量组分以及气流的主要组分两者都可以是吸附过程的目标。

一个重要应用是从气流、例如从烟道气、排放气体、工业废气或大气空气中捕集二氧化碳(CO₂)。

直接从大气捕集CO₂(也称为直接空气捕集(DAC))是减轻人为温室气体排放的几种手段之一，并且具有作为用于商品市场和用于制造合成燃料的非化石的位置独立性CO₂源的有吸引力的经济前景。从大气中捕集CO₂的具体优点包括：(i)DAC可以解决分布式源(例如汽车、飞机)的排放，其占据世界范围内温室气体排放的大部分，并且目前不能以经济可行的方式在排放地点捕集；(ii)DAC可以解决过去的排放，并因此可以产生真实的负排放；(iii)DAC系统不需要被附着至排放源，而是位置独立性的，并且例如可以位于其他CO₂处理场所；和(iv)如果从大气捕集的CO₂用于由可再生能源生产合成烃类燃料，则可以获得用于运输行业的真正的非化石燃料，其不产生向大气的净CO₂排放或产生非常少的净CO₂排放。

近来已经开发了基于各种技术方式的几种DAC方法。例如，US 8,163,066 B2公开了二氧化碳捕集/再生结构和技术；US 2009/0120288 A1公开了一种用于从空气中移出二氧化碳的方法；US 2012/0174778公开了一种利用垂直升降机的二氧化碳捕集/再生方法；以及WO2010022339公开了一种二氧化碳捕集方法和设备。

一个具体的方式基于固体的、化学功能化的吸着剂材料上的循环吸附/脱附过程。例如，在WO2010/091831中，公开了基于胺功能化的固体吸着剂材料以及利用该材料的循环吸附/脱附过程的用于从环境空气提取二氧化碳的结构。

其中，吸附过程在其中空气流过吸着剂材料并且包含在空气中的CO₂的一部分被化学结合在吸着剂的胺功能化表面的环境条件下进行。在之后的脱附期间，该材料被加热到约50至110℃，并且通过施加真空或将吸着剂暴露于吹扫气流来降低吸着剂周围的二氧化碳的分压。由此，从吸着剂材料中移出并以富集形式获得之前捕集的二氧化碳。

在WO2012/168346A1中，公开了一种基于胺官能化纤维素的吸着剂材料，其可以用于上述过程。

一般而言，对于基于吸附的气体分离过程，期望对气流几乎不产生压降的吸着剂材料的构造以使泵送气体所需的能量最小化并且同时在吸着剂和气流之间实现最大接触以使要从气流中移出的组分的传质速率最大化。典型的构造包括具有几十厘米至几米的典型长度的填充床柱或流化床，其通常对气流造成几千帕斯卡至最多几巴的压降。

如果从气流中移出痕量组分，则对压降的要求可能变得甚至更为苛刻。特别地，所有的DAC方式都具有一个共同的主要挑战，即必须要使非常大的空气体积穿过任何捕集系统以从空气中提取一定量的CO₂。其原因是大气空气中的CO₂的浓度非常低，目前为390至400ppm，即大致为0.04％。因而，为了从大气中提取1公吨CO₂，必须使至少约1400000立方米的空气穿过捕集系统。这进而意味着在经济上可行的捕集系统必须对穿过它们的空气流具有非常低的压降。否则，用于泵送空气的能量需求会使该系统不经济。然而，任意的低压降构造不应损害系统的传质性能。

虽然对于DAC过程具有有前景的性能的许多材料通常为颗粒形式，但是将它们布置在具有通常几十厘米至几米的长度的常规填充床柱或流化床中通常会是不可行的，原因是所产生的压降会超过容许极限一个或几个量级。

另一方面，在用于气流的颗粒过滤器的领域、特别是用于排放气体的灰颗粒过滤器的领域中，开发了通常被称为“壁流”过滤器的通道式过滤器结构，参见例如EP 0 766 993 A2。在这些结构中，气流通过入口通道进入结构，穿过多孔壁，并且通过出口通道离开结构，其中灰颗粒被截留在多孔壁处。