[发明专利]用于从混合气态进料流中分离CO2的包含多孔层和非多孔选择性聚合物层的复合膜的膜接触器

说明书

一种用于从包含CO₂的混合气态进料流中分离CO₂的膜接触器系统，所述接触器系统包括：(i)复合膜，所述膜具有渗透侧和滞留侧；(ii)所述滞留侧暴露于包含二氧化碳的混合气态进料流；(iii)所述渗透侧暴露于二氧化碳捕获有机溶剂；(iv)所述复合膜包含多孔层和非多孔选择性聚合物层，所述非多孔选择性聚合物层选择性地允许从所述混合气态进料流中输送CO₂穿过所述复合膜，使得CO₂溶解在所述捕获溶剂中，同时限制所述捕获溶剂输送穿过所述复合膜。

技术领域

本发明涉及复合膜在膜接触器中的用途，所述膜接触器用于使用第三代有机捕获溶剂(例如包括相变溶剂和具有高挥发性的吸收剂)从包含CO₂的气体混合物中分离CO₂。特别地，复合膜是通过用非多孔、化学稳定和选择性的聚合物层涂覆多孔载体而获得的，所述聚合物层允许输送CO₂穿过复合膜并且进入CO₂捕获溶剂中，但基本上防止了输送CO₂捕获溶剂(通常为含挥发性有机含氮的溶剂)进入气相。本发明还涉及使用所述复合膜从包含CO₂的混合气态进料流中选择性地分离CO₂的方法。

背景技术

化石燃料的燃烧已经满足了日益增长的能量需求，但却导致了二氧化碳排放的不受控制的水平。这些二氧化碳排放被认为是全球变暖和气候变化的罪魁祸首。由于酸性气体流的压力、温度和成分差异很大，碳捕获技术因点源而变化很大。已经对用于CO₂捕获的几种技术进行了研究，但高额的资本投资和经营成本是它们大规模工业应用的主要障碍。

碳捕获的一种方案是使用溶剂。胺基溶剂洗涤是目前仅有的规模接近用于发电厂烟道气CO₂捕获所需规模的工艺技术。然而，高能量负荷与使用传统的溶剂洗涤工艺相关，因为洗涤溶剂必须被再生。

传统上，溶剂和气体接触发生在吸收塔中，其中气体和液体之间没有物理边界，并且所有挥发性组分可以在相之间自由移动。一方面，这是一个优点，因为除了在气相和液相内部产生的组分之外，组分之间的界面处没有阻力。另一方面，挥发性化合物如溶剂分子和降解产物也不受限制，此外，物理相互作用可能产生液滴(即气溶胶和雾)，如果该液滴足够小，则其可以与气体一起被携带。

所谓的“第三代”CO₂捕获溶剂，其已被证明在再生节能方面具有巨大的潜力，这种溶剂非常不稳定，这可能是它们工业使用的主要障碍。事实上，当涉及到气相浓度时，高挥发性将需要延长和更全面的水洗。在某些情况下，纯水冲洗可能不够，并且需要加入酸洗，这不可避免地会导致溶剂损失和额外成本。在待处理气体(例如，SO₃)含有颗粒或其他前体以形成可能的气溶胶/雾的情况下，则溶剂和降解产物的挥发性将成为形成含有有机物的雾的决定性因素。在这个观点中，吸收塔并不代表开发第三代溶剂潜力的最合适的技术，并且需要新的方法使其在工业规模上更“环保”。

基于膜的气体分离技术可以克服上述用于基于溶剂工艺的再生能量损失，但并不完善。膜方案依靠选择性聚合物层从含CO₂的气体中除去CO₂。对于发电厂中烟道气碳捕获应用，基于膜的二氧化碳捕获工艺还需要大量的能量输入，因为在穿过膜之前，烟道气通常需要被压缩到高压。

本发明人试图使用膜和溶剂技术的组合。之前已经开发了组合这两种酸气除去技术(基于溶剂和基于膜)的一些技术。