专利名称：二氧化碳捕集/再生结构和技术的制作方法
ニ氧化碳捕集/再生结构和技术
背景技术：
美国申请序号12/124，864
如同在公布的美国申请序号12/124，864中所述的，a.当前大量注意力集中在设法实现三个能量相关的且稍微冲突的能量相关的目标1)为经济发展提供承受得起的能量；2)实现能源安全性；和3)避免由全球变暖所引起的破坏性气候变化。已经研究了许多不同方法来解决气候变化，包括増加清洁无污染的可再生能源例如生物燃料、太阳能、风能和核能的使用，努力捕集并封存来自化石燃料设备的ニ氧化碳排放物以及增加节能效果。这些方法中的ー些例如太阳能由于与基于化石的电カ的成本相比当前成本高而使其大規模实施受阻，且其它方法例如核能受其环境及安全风险抑制。实际上，对于可再生能源的基础设施和供应发展是如此不充分的(例如，我们的能量中仅仅约O. 01 %由太阳提供)，以致于如果我们要拥有经济繁荣所需的能量且避免可导致冲突的能量不足，则在本世纪的其余时间期间没有避免使用化石燃料的可行途径。b.由全球变暖引起的气候变化威胁和我们需要使用不损害我们的行星的可再生资源的更普遍认识自1972年的第一个地球日以来已稳定发展。几乎毫无疑问的是，所谓温室气体例如ニ氧化碳(甲烷和水蒸气为其它主要的温室气体)的量的増加将提高本行星的温度。这些温室气体帮助降低从我们的行星逸散到大气中的热量。大气中温室气体的浓度越高，行星将变得越热。存在引起ニ氧化碳及其它温室气体的量即使在没有人类影响的情况下自然改变的复杂反馈。遍及地质史的气候变化已引起了许多灭绝。对人类引发的气候变化(即全球变暖)的威胁的关注产生了京都议定书，它已经由165个国家批准且为承诺发达国家降低其碳排放的国际协议。c.政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)认为全球变暖成为威胁的ー个原因是随着我们的行星变得更热而使冰川熔融和海洋扩展，引起海平面升高。如果海平面即使升高I米，生活在岛屿或海岸上的刚好在海平面以上的数百万人们也将受到破坏性涨潮的威胁，而需要重新安置或建造海堤。还存在气候变化对其它物种的威胁，它将破坏无法适应人类引起的快速气候变化的生态系统。其它威胁包括传染性疾病増加和气候更加恶劣以及源于极端热量的直接威胁。d.我们可证明使用简单模式处理全球变暖的挑战。使Ca(Yn)表示Yn年加到大气中的ニ氧化碳，以十亿吨/年计。类似地，使Cex(Yn)等于提取的量，Cem(Yn)为人类散发的量ICn(Yn)为由于碳循环中的自然变化而加入或除去的量。现今，陆地每年储存约18亿吨(IO9吨)ニ氧化碳且海洋毎年储存约105亿吨(注ニ氧化碳比碳重3. 66倍)，而由人类排放加入的量为约240亿吨ニ氧化碳。更一般地说，我们具有Cca (Yn) = -Cex (Yn) +Cem (Yn) +Cn (Yn)CA(YN+1) = Ca (Yn)+Cca (Yn)其中Ca(Yn)为Yn年大气中碳的量，现今有27800亿吨ニ氧化碳。其它形式的碳促进全球变暖，最值得注意的是甲烷，虽然按重量它们代表小组分。e.如果Cex(Yn)设定为零，则可能停止将ニ氧化碳加到大气中的唯一方式将是降低我们的排放使其等于自然吸收。然而，Cn(Yn)本身变化很大且可为从大得多的自然碳循环到大气的净増加量，该自然碳循环以约7500亿吨碳/年増加或減少碳。它是在我们的物种存在以前已引起气候变化的该自然平衡的转变且在将来还将继续如此。因此，很明显除了降低人类对于ニ氧化碳排放的贡献以外没有可除去气候变化风险的解决方案。利用空气提取和増加或降低大气中二氧化碳的量的能力，在原理上可补偿其它温室气体例如甲烷，这可改变其浓度且引起气候变化。f.因此，存在对于降低通过燃烧化石燃料产生的大气中的ニ氧化碳的量且对于提供低成本无污染的可再生能源作为化石燃料替代物的系统和方法的广泛认可的需要。g.公布的美国专利申请序号12/124，864描述了用于解决所述需要的几种系统和方法概念。发明概述
本发明提供更新的且更有用的系统和方法概念，以通过引导载有CO2的空气通过用于结合(捕集)CO2的吸收剂结构，并通过使用エ艺热来加热所述吸收剂结构以从所述吸收剂结构中除去CO2(由此有效地再生了所述吸收剂结构)，从而从大量载有ニ氧化碳的空气中除去ニ氧化碳。在该申请中，吸收剂结构优选包含结合CO2的胺，该胺通过基材承载，或形成整体料型吸收剂结构的一部分。此外，在该申请中，所提及的“大量”(“流”或“流股”)的“载有CO2的空气(或载有ニ氧化碳的空气)”是指在特定位置处的具有一定CO2浓度的空气，所述一定的CO2浓度类似于在该特定位置处大气中的CO2浓度。在公布的美国申请序号12/124,864的系统和方法概念中，引导载有ニ氧化碳的空气通过涂布有(或其中嵌有)吸收剂的基材，以将ニ氧化碳从空气中除去，所述吸收剂用于吸收或结合ニ氧化碳。将转化成蒸汽或其他介质(例如气体)形式的エ艺热导向吸收剂，以将ニ氧化碳与所述吸收剂分离(由此能够排出ニ氧化碳并封存)并对所述吸收剂进行再生(从而能够连续使用所述吸收剂以从空气中除去ニ氧化碳)。在其基本方面之一中，本申请提供一种附加结构和技术以从载有ニ氧化碳的空气中分离ニ氧化碳，并使用エ艺热将ニ氧化碳与吸收剂分离并对吸收剂进行再生，从而进一步改善了在申请序号12/124，864中所公开的系统，具体为该申请的图6。此外，在其方面的另ー个方面中，本申请提供一些附加的结构和技术，以使得用烟道气源直接在线进行分离ニ氧化碳和再生的方式，从载有ニ氧化碳的空气中捕集ニ氧化碳，并使用エ艺热将ニ氧化碳与吸收剂分离并对所述吸收剂进行再生，否则烟道气将直接从所述源排放并将载有ニ氧化碳的空气导入大气中。本发明的这些及其它特征在以下详细说明以及附图和显示中进行了描述或使其显而易见。附图简述图I 9显示了在公布的美国申请序号12/124，864中所描述的系统和方法概念；具体地，a.图I为根据序号12/124，864的发明的示例性实施方案用于从大气中除去ニ氧化碳的系统的概括性框图；b.图2为根据序号12/124，864的发明的示例性实施方案用于从大气中除去ニ氧化碳的系统的框c.图3为根据序号12/124,864的发明的示例性实施方案的空气提取系统的框图； d.图4为显示根据序号12/124，864的发明的示例性实施方案的全球恒温器的地图；e.图5为根据序号12/124，864的发明的示例性实施方案用于从大气中除去ニ氧化碳的系统的框图；f.图6为根据序号12/124，864的发明用于从大气中除去ニ氧化碳的介质和用于从所述介质中除去ニ氧化碳的一种变型的示意图；g.图7为根据序号12/124，864的发明用于从大气中除去ニ氧化碳的介质和用于从所述介质中除去ニ氧化碳的另ー变型的示意图；h.图8为根据序号12/124，864的发明用于从大气中除去ニ氧化碳的介质和用于从所述介质中除去ニ氧化碳的又一变型的示意图；和i.图9为根据序号12/124，864的发明用于从大气中除去ニ氧化碳的介质和用于从所述介质中除去ニ氧化碳的再一变型的示意图；图IOa和IOb示意性显示了根据本发明的原理用于从载有ニ氧化碳的空气中除去ニ氧化碳并对吸收或结合ニ氧化碳的吸收剂进行再生的结构和技术的两种变型；图IOc和IOd是在其操作位置之一中在图IOa和IOb的系统和方法中所使用的升降机结构的ー种形式的顶视图和侧视图；图IOe和IOf是在其操作位置的另ー处中图IOc和IOd的升降机结构的顶视图和侧视图；图IOg示意性显示了根据本发明的原理能够用于汽提捕集的CO2并再生吸收剂的结构的细节；图IOh是图IOa和IOb的实施方案的升降机结构基本原理的示意性放大显示；图Ila和Ilb示意性显示了根据本发明的原理用于从载有ニ氧化碳的空气中除去ニ氧化碳并对吸收或结合ニ氧化碳的吸收剂进行再生的结构和技术的两种其他变型；
图12是根据本发明的原理由Corning制造的商标为Celcor 的一种整体料型吸收剂支承结构的示意图，所述吸收剂支承结构能够用作吸收剂基材。展示A B是图IOa IOb的放大的彩色图像，同时具有对图IOa IOb的实施方案的结构和操作进ー步描述的叙述；以及展示C和D是图11a、Ilb放大的彩色图像，同时具有对图11a、Ilb的实施方案的结构和操作进ー步描述的叙述。发明详述申请序号12/124,864的系统和方法概念的背景说明首先，认为对美国申请序号12/124，864的方法和系统进行描述是有用的，以为本发明进ー步开发那些原理的另外方式提供背景。图I 9显示了申请序号12/124，864的系统和方法。图I为根据该发明的示例性实施方案用于从大气中除去ニ氧化碳的系统(通常以附图标记I标明)的概括性框图。系统I包括空气提取系统40和收集系统50，收集系统50隔离所除去的ニ氧化碳到封存、储存和可再生碳燃料的产生的至少ー者的位置或非燃料产品例如肥料和建筑材料的产生的位置(或用于温室中或用于提高生物燃料的微生物生产速率)。该空气提取系统40优选合并任何已知或以后发现的CO2提取法，包括使用介质(也称作吸收剂)以通过使所述介质与捕集的空气中的CO2进行化学、电学和/或物理相互作用而从大气空气中吸收和/或结合(吸附)CO2的方法。所述介质可为液态、气态或固态，或液态物质、气态物质与固态物质的组合，其中在固体情况下，该物质优选为多孔的。所述介质优选可再循环，以使得在CO2由介质捕集且与介质分离以封存之后，该介质可再次用于吸收/结合其它co2。然而，在其它实施方案中，所述介质可与捕集的CO2—起封存。如图I中所示，CO2与介质的分离以及其它エ艺例如CO2的吸收/结合和通过封存系统50执行的CO2的封存，可通过向空气提取系统40中加入热量而变得更有效。在本发明中，热量为例如通过将在下文进ー步详细描述的太阳能产生器例如太阳能收集器产生的エ艺热。在其它实施方案中，エ艺热可由其它类型的能源例如化石燃料、地热能源、核能、生物质及其它可再生能源提供。如本文中所使用的术语“エ艺热”是指在已使用较高温度的热量发电之后剰余的较低温度的热量。更一般地说，术语“エ艺热”是指在初级エ艺之后剰余的任何低温热量或通过エ艺本身例如放热的碳酸盐化反应(其中二氧化碳被储存为矿物或实际上在其与介质结合和捕集吋)加入的任何低温热量。此外，“エ艺热”可由为了产生除了电カ或发电之外的产品而使用能源提供。例如，初级加工，例如化学加工；水泥、钢或铝的生产；能量产品的生产例如煤炭生产液体能量产品、炼制，可使用热量来驱动所述初级加工，且在所述初级加工之后剰余的或在所述初级加工期间产生的未利用的热量将成为这些加工的エ艺热，且可在根据本发明的原理的系统或方法中使用。用于提供エ艺热的尤其优选方式是联合发电(co-generation)エ艺,其中初级エ艺(例如用于发电)提供了エ艺热源(直接以蒸汽的形式、或以能够用于对液体主体进行加热以生产蒸汽的形式)并将所述エ艺热以本文中所述的方式用于从基材中除去CO2并对基材所携帯的吸收剂进行再生。申请人:的从大气中提取ニ氧化碳和使用エ艺热来将ニ氧化碳与收集介质分开的优选概念是解决全球变暖问题的重要途径，且与本领域中的常规智慧反其道而行之(且违反本领域中的技术人员的直觉)。具体地说，使用エ艺热通过从低浓度环境空气中提取ニ氧化碳(CO2)来解决全球变暖问题与从高浓度烟道气源中提取CO2的常规方法和从环境大气中提取CO2的本领域已知的其它方案相比是极具吸引力的。在前ー情况下，其完全逆常规智慧而行，常规智慧将环境大气中CO2浓度降低为1/300预期将多300倍的花费，因为通常认为分离成本与该浓度成反比。因此，联邦政府资助的工作项目已针对从发电厂的烟道气排放物(例如洁净煤)中提取CO2且专家已公开声称与烟道气相对比，使用环境空气没有意义。然而，与有限烟道气源相比，无限大規模的环境空气源通常是使申请人的方法能够不管常规智慧和实践而有效实现的ー个特征。在烟道气情况下，含有CO2的排放物处于较高温度(65-700C )下，且因此再生使用较高温度热量，其成本比冷环境空气(约25-30°C )所需的成本高。申请人的方法有其它益处，包括能够使用还提供其它エ艺改进的非常薄的分离设备。因此，其将通过将エ艺热以管输送到根据申请人的发明的原理操作的全球恒温器设施 而不是直接清除其烟道排放物来更低成本地除去C02。另外，申请人的方法将产生负碳，实际降低大气中CO2的量，而清除烟道气将仅仅防止空气中的CO2含量的増加。进ー步的分析表明，通过简单清除大的固定化石燃料源例如煤电厂或在这方面通过节能或使用可再生物无法以及时的方式解决全球变暖问题以降低其施加的巨大风险。人们需要实际上能够(例如在本发明中的情况下)从大气中提取CO2从而降低环境浓度(“负碳”)且降低全球变暖的威胁。用于从环境大气中提取CO2的其它公开方案已经使用较高温度的热量且明确地不使用エ艺热，且因此由于其高能量成本而没有被认真考虑。图2为根据本发明的示例性实施方案用于从大气中除去ニ氧化碳的系统(通常以附图标记2标明)的框图。系统2包括太阳能收集器10、任选的补充能源20、发电机30、空气提取系统42和收集系统50。系统I的这些部件中的每ー者在下文详细说明。太阳能收集器10可为任何已知或将来发现的太阳能收集系统，其可包括太阳能收集单元例如聚光太阳能抛物面镜和聚光太阳能塔。如在本领域中已知的，太阳能收集器10将太阳能转化为热能，该热能可用来驱动发电机30。剩余热能(即エ艺热)可用来驱动空气提取系统42和/或收集系统50。例如，所述エ艺热可用来改善在空气提取系统42中用来从空气中吸收ニ氧化碳和/或从所述介质中驱除CO2的化学和/或物理反应的效率。 另外，在其它示例性实施方案中，例如由图2中的虚线箭头所示，来自太阳能收集器10的直接热量可用来驱动空气提取系统42和/或收集系统50。发电机30可为例如将由太阳能收集器提供的热能转化为电的热发电机。如在本领域中已知的，太阳热量可被集中在介质例如熔融盐上，其随后用来产生高温高压蒸汽，所述高温高压蒸汽驱动涡轮机发电。所发的电除了作为部分电网为普通人群提供能量之外还可用来为系统2的其它部件提供能量。在这方面，由太阳能收集器10提供的热能可由通过补充能源20产生的能量补充。例如，补充能源20可为废物焚化设备，其提供额外的热能以驱动发电机30。同时，应该理解，除太阳能以外还可使用任何其它类型的可再生能源，且优选产生热量作为前体来发电的可再生能源。欲使用的除太阳能以外的其它潜在的可再生能源例如包括核能、生物质能源和地热能源。或者，发电机30可为依赖化石燃料例如煤炭、燃料油、天然气和油页岩燃烧来产生电カ的任何已知或以后发现的化石燃料设施(设备)。所述发电机还可用于除发电之外的目的(例如，所述发电机可用于化学加工或各种其它目的例如生产铝)。由化石燃料发电设备30产生的热能被用来产生电カ且剩余热能(即エ艺热)可用来驱动空气提取系统42和/或封存系统50。例如，来自化石燃料发电设备30的エ艺热可用来改善在空气提取系统42中用来从空气中吸收/结合CO2和/或从所述介质中驱除所述CO2的化学和/或物理反应的效率。由化石燃料发电设备30提供的エ艺热可由通过补充能源产生的能量补充。例如，所述补充能源可为废物焚化设备或可再生能源，例如太阳能、核能、生物质能源和地热能源，其提供额外的热能以驱动空气提取系统42和/或收集系统50。来自所述补充能源的エ艺热还可用来驱动空气提取系统42和/或收集系统50。此外，如上所迷，“エ艺热”可由为了产生除了电カ或发电之外的产品而使用的能源提供。例如，在联合发电系统中，初级加工如化学加工；水泥、钢或铝的生产；炼制；能量产品如煤炭和液体能量产品的生产，可使用热量来驱动所述初级加工，且在所述初级加工之后剰余的或在所述初级加工期间产生的未利用的热量将成为这种加工的エ艺热，且可在根据本发明的原理的系统或方法中加以使用。当初级加工用于发电吋，以蒸汽的形式(或以能够对流体主体进行加热以产生蒸汽的形式)产生エ艺热，并以本文中所述的方式使用所述蒸汽以从基材上除去CO2并对基材所携帯的吸收剂进行再生。图3为根据本发明示例性实施方案的可与系统2 —起使用的空气提取器系统42的框图。该空气提取器系统42包括空气接触器41、苛化器43、石灰消和器45、煅烧炉47和捕集单元49。空气接触器41可使用吸收剂物质从空气中选择性地捕集CO2,且其可由任何已知或以后发现的接触器结构如大型对流塔、敞开式积水池和填充涤气塔组成。在本实施方案中，易于从空气中吸收/结合CO2的所述吸收剂物质可为在相对低温下能够操作(例如捕集CO2并进行加工以收集CO2并再生吸收剂)的胺或在高得多的温度下运行的氢氧化钠(NaOH)。应该理解，可使用其它已知或将来发现的捕集方法，例如化学吸收、物理和化学吸附、低温蒸馏、气体分离膜、矿化/生物矿化和植被。作为另ー实例，如在本领域中已知的，可使用胺的水溶液或富含胺的固体吸收剂来吸收/结合C02。优选使所述吸收剂物质再生且所述捕集方法需要小于约100 120°C的热量来使所述吸收剂物质再生。由此，优选地吸收剂物质是胺。还应注意，还可使用具有在低温热量下可再生能力的未来改进的吸收剂。此外，诸如NaOH(因为其需要高温)的吸收剂仅可用于本发明的联合发电模式中，以用于在完成初级エ艺之后因产生热而可获得具有更高温度的エ艺热的エ艺如炼铁中。然而，由于此时很少得到这种热，且成本高，所以其用途将本发明的整个范围限制为不足以解决气候变化的效果，因此，此时不优选将NaOH用作吸收剂。捕集単元49使用任何已知或以后发现的CO2捕集方法捕集在煅烧炉47处驱除的CO2，所述捕集方法在低浓度下有效，CO2在大气中以该低浓度存在且仅需要低温热量来再生。例如，捕集单元49可使用基于胺的捕集系统，例如在日期为2003年4月15日的Gray等人的美国专利号6，547，854以及日期为2005年6月21日的Sirwardane的美国专利号6908497中所述的系统，该两个专利都通过引用并入本文中。捕集单元49还可将捕集的CO2压缩成液体形式，以使得所述CO2可更加容易地封存。收集系统50隔离所除去的ニ氧化碳到封存、储存和可再生碳燃料的产生至少ー者的位置或非燃料产品例如肥料和建筑材料的产生的位置。收集系统50可使用任何已知或将来发现的碳封存和/或储存技术，例如注入地质地层中或矿物封存。在注入的情况下，捕集的CO2可在地质地层例如油气储藏、不可开采的煤层和深盐储藏中封存。在这方面，在很多情况下，将CO2注入地质地层中可加强烃的采收，提供可弥补CO2捕集和收集成本的增值的副产物。例如，将CO2注入油或天然气储藏中推出エ艺中的产物，即提高油采收率。捕集的CO2可在地下封存，且根据本发明的至少ー个实施方案，可在系统2的其它部件的逆风向的远处封存，以使得来自该处的任何渗漏都可由系统2再次捕集。关于矿物封存，CO2可通过与硅酸钙和硅酸镁的碳酸盐化反应而封存，这作为矿物沉积而自然发生。例如，如以下反应(I)和(2)所示，CO2可与镁橄榄石和蛇紋石反应，其以放热反应产生固体碳酸钙和碳酸镁。(I) l/2Mg2Si04+C02 = MgCO3+1/2Si02+95kJ/moI(2) l/3Mg3Si205 (OH) 4+C02 = MgC03+2/3Si02+2/3H20+64kJ/mol这两个反应都在低温下有利，这有利于胺作为吸收剂。在这方面，本文所述的空气捕集和空气封存エ艺两者都可使用由太阳能收集器10产生的电和/或热能(或其它可再生能源)以驱动必要的反应并供给适当系统部件以动力。在本发明的示例性实施方案中，可将高温载体加热到在约400°c到约500°C范围内的温度以产生蒸汽使发电机运转发电， 且从发电涡轮机离开的较低温度和压カ的蒸汽能够用来驱除CO2且使吸收剂(例如在低温下的胺或在更高温度下的NaOH)再生。能够调整高温热量的温度、所产生的电カ和在电カ产生之后剰余的较低温度的エ艺热的温度以产生针对给定的联合发电应用认为是最佳的电カ生产与CO2除去的混合。另外，在示例性实施方案中，出自捕集和封存步骤的仍较低温度的エ艺热可用来冷却在这些步骤中使用的设备。根据本发明的示例性实施方案，一个或多个用于从大气中除去ニ氧化碳的系统可用作全球恒温器的一部分。通过调节大气中二氧化碳的量，且由此调节由ニ氧化碳及其它气体排放物引起的温室效应，本文所述的系统可用来改变地球平均温度。根据本发明的至少ー个示例性实施方案，数个ニ氧化碳捕集和封存系统可位于横跨地球的不同位置，以使得该多个系统的操作可用来改变大气中的CO2浓度且因此改变行星的温室气体加热。可选择位置以便对区域例如大型エ业中心和人口众多的城市或CO2的天然地点源具有最大效果，所述区域中的每ー者都可局部地产生较高浓度的CO2，该较高浓度的CO2能被更成本有效地捕集。例如，如图4中所示，多个系统I可横跨地球散布，且可使用国际协作(例如包括国际基金和协议)来调节系统I的构造和控制。在这方面，能够改变温室气体的浓度以 改变行星的平均全球温度以避免变冷期和变暖期，该变冷期和变暖期可损害人类和生态系统。在我们的行星的过去历史期间，例如，有许多冰川期和快速温度摆动，它们已产生了破坏且甚至生物绝灭。这种温度摆动在未来可为大規模损害和源于由潜在资源減少引起的冲突的人类社会不安定的直接原因。本文中所述的全球恒温器可以是防止数十年中即将来临的这种灾难的关键。图5为根据本发明另一示例性实施方案的用于从大气中除去ニ氧化碳的系统(通常以附图标记100标明)的框图。系统100包括可再生能源110、任选的补充能源120、发电机130、空气提取系统142和收集系统150。本实施方案与图2的实施方案的不同之处在于可再生能源110可为除太阳能之外的任何已知或将来发现的能源，例如核能、地热能源和生物质能源。优选所述可再生能源产生热能，该热能可用来产生电力且用来改善在空气提取系统142和收集系统150内发生的各种化学和/或物理反应的效率。在这方面，空气提取系统142和收集系统150可与关于先前实施方案所述的相同，或可包括根据任何其它已知或将来发现的空气提取和收集系统的部件。另外，例如关于先前实施方案的图4所示，多个系统100可横跨地球战略性放置，且可协调系统100的控制以便共同起到全球恒温器的作用。图6 9为根据本发明的原理能够从大气中除去ニ氧化碳的数种方式的示意图。具体地，在图6中，显示了一对基材600、602，各基材具有能够与大气接触以从所述大气除去ニ氧化碳的介质(例如NaOH、胺或其它合适的吸收剂)。基材600、602为竖直取向的薄饼状(意味着与其厚度相比，其具有相对大的面积)且各自可以相对大(就表面积而言)且相对薄(例如大约数毫米的级别，且优选不厚于I米)。各基材能够在上部位置与下部位置之间移动(例如通过滑轮或液压系统(图中未示出)移动)，在该上部位置中使载有ニ氧化碳的空气与由该基材载有的介质接触以从所述空气中除去ニ氧化碳，在该下部位置中将エ艺热导引至该基材处以从所述介质中除去ニ氧化碳。基材600、602为多孔的，具有大表面积，以使得在基材处导引的空气能流动穿过所述基材。当基材处于上部位置(例如基材600的位置)时，在该基材处导引载有ニ氧化碳的空气(例如通过以虚线展示的风扇604)，以使得随着空气流动穿过所述基材，所述ニ氧化碳接触所述介质且基本上从所述空气中除去。因此，将载有ニ氧化碳的空气导引至所述基材处且使所述空气穿过所述基材，以使得ニ氧化碳与所述介质接触，ニ氧化碳由所述介质从所述空气中基本除去，且导引ニ氧化碳已从其中基本除去的空气远离所述基材。当基材移到下部位置(例如基材602的位置)时，将エ艺热导引至所述基材(例如经由流体管路606)，且通过在所述基材处导引的流体源除去(驱除)ニ氧化碳(在箭头608所示的方向上)且将已经从所述介质中除去的ニ氧化碳通过吸气源610从所述基材上抽走。基材600、602可交替地在上部位置与下部位置之间移动，以使得处于上部位置的基材正从空气中除去ニ氧化碳且ニ氧化碳正被从处于下部位置的基材中除去。应注意到，如果存在强风，则能够使用可得到的自然风来驱动空气穿过基材而不使用风扇。另外，如下所述，风扇可用太阳驱动源(或由风或热驱动的空气流)代替，在这种情况下，从大气空气中提取ニ氧化碳的效率和成本的降低可得到进ー步改善。此外，如本领域的技术人员将显而易见的是，随着从空气中捕集ニ氧化碳且随后从介质中提取ニ氧化碳，不是改变基材的位置，而是改变用于产生空气流、エ艺热流和远离基材的ニ氧化碳流的装置。图7为根据本发明的原理用于从大气中除去ニ氧化碳的介质和用于从所述介质中除去ニ氧化碳的另ー变型的示意图。具体地，在图7中，显示了一对基材700、702，各基材具有可与大气接触以从所述大气中除去ニ氧化碳的介质(例如NaOH、胺或其他合适的吸收剂)。基材700、702水平取向且各自可以相对大(就表面积而言)且相对薄(例如大约 数毫米或数厘米的级别，至多I米)。各基材可在空气提取位置与碳提取位置之间水平移动(例如通过滑轮系统(图中未示出)移动)，在该空气提取位置中使载有ニ氧化碳的空气与由该基材载有的介质接触以从所述空气中除去ニ氧化碳，在该碳提取位置中将エ艺热导引至该基材处以从所述介质中除去ニ氧化碳。基材700、702为多孔的，以使得在基材处导引的空气可流动穿过所述基材。当基材处于空气提取位置(例如基材700的位置)时，在该基材处导引载有ニ氧化碳的空气(例如通过以虚线展示的风扇704)，以使得随着空气流动穿过所述基材，所述ニ氧化碳接触所述介质且基本从所述空气中除去。因此，将载有ニ氧化碳的空气导引至所述基材处且使所述空气穿过所述基材，以使得ニ氧化碳与所述介质接触，ニ氧化碳被所述介质从所述空气中基本除去，且导引ニ氧化碳已从其中基本除去的空气远离所述基材。当基材移到碳提取位置(例如基材702的位置)时，将エ艺热导引至所述基材(例如经由流体管路706)，且通过在所述基材处导引的流体源除去(驱除)ニ氧化碳(在箭头708所示的方向上)且将已经从所述介质中除去的ニ氧化碳通过吸气源710从所述基材上抽走。基材700、702可交替地在空气提取位置与碳提取位置之间移动，以使得处于空气提取位置的基材正从空气中除去ニ氧化碳且ニ氧化碳正从处于碳提取位置的基材中被除去。应注意到，如果存在强风，则可使用可得到的自然风来驱动空气穿过基材而不使用风扇。另外，如下所述，风扇可用太阳驱动源(或由风或热驱动的空气流)代替，在这种情况下，从大气空气中提取ニ氧化碳的效率和成本的降低可得到进ー步改善。此外，如本领域的技术人员将显而易见的是，随着从空气中捕集ニ氧化碳且随后从介质中提取ニ氧化碳，不是改变基材的位置，而是改变用于产生空气流、エ艺热流和远离基材的ニ氧化碳流的装置。图9中所示的本发明的变型通常与图7的水平取向的变型类似，但在图9的变型中，不是风扇作为移动载有碳的空气穿过处于空气提取位置的基材(例如基材900)的源，而是存在由太阳能加热塔或烟囱(在图9中在912处示意性显示)产生的气流源。太阳烟囱可通过用太阳加热气团而产生。所述太阳烟囱将具有“裙部”(在图9中以虚线913显示)，其能够使被太阳加热的空气在所述烟囱中聚集。因此，具有太阳烟囱的太阳场可以以结合图7所示并描述的方式与从大气中除去ニ氧化碳和从介质中除去ニ氧化碳的系统和结构相连接。然而，不是风扇704作为在所述基材处的载有ニ氧化碳的空气的第一驱动器，而是所述载有ニ氧化碳的空气由太阳能加热且使空气在太阳烟囱或塔912中上升。由于热空气上升的趋势，产生上升气流，其将随其携带载有ニ氧化碳的空气，且基材900将安置在上升气流的路径中。因此，将载有ニ氧化碳的空气导引穿过处于空气提取位置的基材900，且ニ氧化碳将以与结合图7所示且并描述的方式 一祥的方式从处于碳提取位置的基材902中除去。通过由太阳能驱动从空气中提取ニ氧化碳，提取成本进ー步降低，且总体操作是可高度重复的。当然，对于太阳不照射的那些时间将需要做好预防措施，且将需要类似于风扇704(图7)的ー些形式的驱动器。但在任何情况下，由于具有不用风扇而用太阳驱动源(或由风或热驱动的空气流)替换风扇的时间，所以从大气空气中提取ニ氧化碳的效率和成本的降低能够得到进ー步改善。图8为根据本发明的原理用于从大气中除去ニ氧化碳的介质和用于从所述介质中除去ニ氧化碳的又一变型的示意图。在图8中，介质(由其将ニ氧化碳从大气空气中除去且ニ氧化碳从其中被除去)置于不断移动的基材800上，所述基材由例如载有吸收剂的球粒构成。所述基材移动穿过空气提取区814，其中将载有ニ氧化碳的空气导引至所述基材处且使所述载有ニ氧化碳的空气穿过所述基材(正例如先前实施方案的情况一祥，该基材也为多孔的)，以使得ニ氧化碳从所述空气中除去。随后基材800移动到碳提取区816，在那里以与以上结合图6、7所述的方式将エ艺热导引至所述基材且将碳驱离所述基材。随后，基材800移动到热交換区818且穿过热交换区818，在那里所述基材的温度被降低(例如由流动穿过在空气提取区中的基材的空气或由可用于降低基材的温度的任何其它冷却设备)到使得在所述基材穿过提取区814移回时其能够从所述空气中有效除去ニ氧化碳的水平。另外，图8的系统可具有另ー碳提取区816，在那里以结合图6、7所述的方式将エ艺热导引至所述基材且将碳驱离所述基材。还应注意到，在上述该发明的所有变型中，从空气中除去ニ氧化碳至少部分能够在非平衡条件下进行。另外，应注意到，申请人的用于从大气中提取ニ氧化碳的优选概念包括使用具有从大气中除去ニ氧化碳的介质(例如胺)的相对薄的大表面积的基材且使用エ艺热以从所述介质中除去ニ氧化碳。使用垂直于空气流动方向的相对大面积的基材由于大气中的ニ氧化碳浓度相对低(与例如在烟道气中通常将见到的相对高的浓度相比)而特别有用。根据本发明从载有ニ氧化碳的空气中除去ニ氧化碳的新系统、组件和方法概念吸收剂结构和吸收剂的一般操作图12是根据本发明的原理由Corning制造的商标为Celcor 的一种蜂窝状、陶瓷基材结构的示意图，所述陶瓷基材结构能够用于吸收剂结构中。所述吸收剂(例如胺)承载在ー种或多种的Celcor 蜂窝状陶瓷基材的内部(例如涂覆或其他方式固定在其上)，其在载有CO2的空气流动穿过所述基材时，提供高表面积和低压降。所述吸收剂结构能够包含例如具有结合图6的上述薄饼状类型(即表面积远大于厚度)的多个Celcor 蜂窝状陶瓷基材或单个基材，且将载有CO2的空气导引穿过所述吸收剂结构的蜂窝。还可预期，通过将吸收剂材料嵌入所述Celcor 蜂窝状陶瓷基材中以形成整体料型吸收剂结构，能够形成所述吸收剂结构。另外，应注意，尽管所述基材优选为陶瓷，即ー种无机材料，但还能够为有机材料。载有CO2的空气通过所述吸收剂结构，所述吸收剂结构优选为薄饼状，且所述吸收剂结构结合CO2直至吸收剂结构达到规定的饱和水平，或者在吸收剂结构出ロ处CO2的水平达到表示CO2已经开始突破的规定值(CO2突破是指吸收剂结构对于CO2已经足够饱和而导致吸收剂结构不能捕集明显量的其他CO2)。当期望以结合图IOa h的下面进ー步描述的方式从吸收剂结构中除去并收集CO2(并再生吸收剂结构)时，将吸收剂结构从载有ニ氧化碳的空气流股中移出并将其与空气流股和进入空气的其它源隔离。然后，将蒸汽穿过所述吸收剂结构。所述蒸汽最初冷凝并将其冷凝潜热传递给吸收剂结构。最終，吸收剂结构达到饱和温度且蒸汽将穿过所述吸收剂结构而不冷凝。随着冷凝物和随后的蒸汽穿过并加热所述吸收剂结构，被吸收剂结构捕集的CO2从吸收剂结构中释放出来，产生更多的冷凝水，从而提供所需要的反应热以从吸收剂结构中释放CO2并通过蒸汽将所述CO2从吸收剂结构中推出或通过风扇/泵提取。由此，所述蒸汽穿过所述吸收剂结构并从吸收剂中释放CO2，且基于能量高效的成本原因，人们希望減少蒸汽的用量并将其与CO2混合。由此，无论在离开再生室时是否(或能够)冷凝，将所述冷凝物添加至在所述再生室产生的物质中，并再循环去加热并将其转化回蒸汽并加以使用。将这种技术称作“蒸汽汽堤”，另外，下面将做进一步说明。图IOa IOf和IOh的坚官升降机概念图10a、10b是根据本发明原理的结构和方法的概念的示意图，所述结构和方法的概念进ー步发展了所述原理，据此能够从载有CO2的空气中除去ニ氧化碳。特别地，图10a、IOb进ー步发展了在美国申请序号12/124，864的图6中所公开的原理。图IOc h和展示A和B进ー步显示了图IOa和IOb的结构和方法的细节。具体地，在图IOa中，显示了矩形ニ氧化碳捕集结构1000，其具有本文中所述的吸收剂结构，所述吸收剂结构能够与载有CO2的空气接触以从载有CO2的空气中将ニ氧化碳除去。所述矩形ニ氧化碳捕集结构，在其具有比其厚度相对更大的面积方面，类似于图6的薄饼状结构，且所述矩形ニ氧化碳捕集结构相对于载有CO2的空气流垂直取向。所述ニ氧化碳捕集结构1000包含顶部构件1002和从所述顶部构件1002悬垂的吸收剂结构1004，所述顶部构件1002优选为固体金属板。当位于载有CO2的空气流股中时，所述吸收剂结构1004在大面积的面上对载有CO2的空气流股开放，通过风扇或盛行风导引空气穿过所述面且所述吸收剂结构1004载有用于结合流动穿过所述吸收剂结构的ニ氧化碳的吸收剂，以从被导引通过所述吸收剂结构的载有ニ氧化碳的空气流中捕集ニ氧化碳。在载有CO2的空气流动穿过所述吸收剂结构1004时，所述吸收剂结构1004提供了高表面积和低压降。利用升降机结构来支承所述ニ氧化碳捕集结构1000以使其竖直运动，在结合图IOa和IOb的综述中有显示和描述，且结合图IOc f和IOh进ー步描述和显示了其细节。如图IOa中所示，将液压缸1006与所述顶部构件1002连接并使其在结构框架1008中可移动，所述结构框架1008保护所述液压缸免受外部环境的影响。所述液压缸1006能够在ニ 氧化碳捕集位置与下面进ー步描述的再生位置之间选择性地移动所述ニ氧化碳捕集结构1000，所述ニ氧化碳捕集位置与载有CO2的空气流在一条直线上。在所述ニ氧化碳捕集位置中，载有ニ氧化碳的空气流(在图IOa中标记为“新鲜空气入口”)通过所述ニ氧化碳捕集结构1000(例如，利用通过由电动机1012驱动的风扇1010而产生的诱导气流)。载有ニ氧化碳的空气流动穿过所述吸收剂支承结构1004，在那里所述吸收剂结合ニ氧化碳，以从空气中除去ニ氧化碳，使得离开所述ニ氧化碳捕集结构1000的空气基本耗尽了ニ氧化碳(优选耗尽约95%的ニ氧化碳)。所述ニ氧化碳捕集结构1000能够选择性地移动到再生位置(通过液压缸1006或通过滑轮系统，其将发挥在吸附位置与再生位置之间移动所述ニ氧化碳捕集结构的类似功能)，在那里将ニ氧化碳与所述吸收剂结构1004分离，以使得ニ氧化碳能够被收集并封存，并使得所述吸收剂结构可被再生，从而随后能够将所述吸收剂结构移动回到与载有ニ氧化碳的空气流在一条直线上的位置处，从而从所述空气中除去另外的ニ氧化碳。再生箱1014位于ニ氧化碳捕集结构1000的下方。所述再生箱1014优选在5侧为固体金属板，且其顶部打开，从而当ニ氧化碳捕集结构1000下降至所述箱1014内时，顶板1002将关闭所述再 生箱1014的顶部。出于热量保持的目的，所述再生箱1014应绝热良好井能够通过エ艺热流进行选择性加热(所述エ艺热优选来自联合发电系统和方法，如同本文中所进ー步描述的)。在再生箱1014受热时(优选通过本文中所述的“蒸汽汽提”エ艺加热)，ニ氧化碳与吸收剂分离并驱除ニ氧化碳，从而能够将ニ氧化碳封存。在将ニ氧化碳与所述吸收剂结构分离并从再生箱1014中抽取时，所述吸收剂结构再生，从而能够将ニ氧化碳捕集结构1000移动到与所述载有ニ氧化碳的空气流在一条直线上的位置，以从载有ニ氧化碳的空气中除去ニ氧化碳。图IOb示意性显示了图IOa的结构和技术的替代方案，其中提供了一对ニ氧化碳捕集结构1000，其中每ー个按照图IOa的ニ氧化碳捕集结构配置，且每ー个通过液压缸1002在碳捕集位置与再生位置之间移动，其中在所述碳捕集位置中所述碳捕集结构与载有碳的空气流在一条直线上，且在所述再生位置中将所述ニ氧化碳捕集结构降至再生箱1014内，所述再生箱1014具有与图IOa的再生箱1014类似的构造并以类似的方式运行。图IOa和IOb的碳捕集结构和技术仅有的本质差别在于，在图IOb中，ー个ニ氧化碳捕集结构始终与载有ニ氧化碳的空气流在一条直线上，而另ー个ニ氧化碳捕集结构以结合图IOa所述的以上方式进行再生。由此，在图IOb中(且以类似于图6中所示的方式)，当ニ氧化碳捕集结构1000处于上部位置时(例如图IOb中所示的上部位置)，将载有ニ氧化碳的空气导引穿过吸收剂结构，使得吸收剂结构结合载有ニ氧化碳的空气中的ニ氧化碳。当将ニ氧化碳捕集结构1000移动至下部位置并降入再生箱1014中时，将エ艺热导引至基材处，并将ニ氧化碳从所述吸收剂支承结构除去(驱除)(再次优选利用本文中所述的“蒸汽汽提”エ艺)。所述ニ氧化碳捕集结构1000对能够交替地在上部位置与下部位置之间移动，使得在上部位置中的ニ氧化碳捕集结构正从载有ニ氧化碳的空气中除去ニ氧化碳且ニ氧化碳正从处于下部位置中的吸收剂结构中被除去。尽管图IOa和IOb各自显示了用于从载有ニ氧化碳的空气中除去ニ氧化碳和用于再生ニ氧化碳吸收剂结构的单个吸收剂结构(本文中有时将这种吸收剂结构称作单元)，但是实际上，全球恒温器系统将具有大量単元，其中根据上述结构和技术来构造并运行各个单元，这对本领域技术人员是熟知的。此外，图IOh更加详细地显示并描述了升降机结构，且如图10c、d、e和f中所示，所述升降机结构能够包含例如以不会干扰载有ニ氧化碳的空气流动穿过吸收剂结构的方式放置的液压缸对。
展示A和B是图10a、IOb放大的彩色图像，其叙述进ー步描述了图10a、10b的实施方案的结构和运行。
此外，还应注意图IOa和IOb以及展示A和B的结构和技术的如下其他特征。a.用于低级エ艺热源/供应集管(典型地为低压蒸汽)的管线、阀等，其最有可能类似于位于水平排的相同的全球恒温器(GT)単元下方的水平管道架排列(run)，平行于图IOaUOb和展示A和B中所示的“方向W”延伸。如果通过在适当高度处建造具有其他平台水平面的结构使得全球恒温器(GT)単元的数目也垂直向上扩展，则在位于水平排的相同GT单元的最末端处也存在垂直的集管或垂直的管道架排列(run)，其与在适当高度处含有其他平台水平面的结构相邻。b.用于低级エ艺热返回集管(典型地为低压蒸汽冷凝物)的管线、阀等，其最有可能类似于位于水平排的相同全球恒温器(GT)単元下方的水平管道架排列，平行于图10a、IOb和展示A和B中所示的“方向W”延伸。如果通过在适当高度处建造具有其他平台水平面的结构使得全球恒温器(GT)単元的数目也垂直向上扩展，则在位于水平排的相同GT单元的最末端处也存在垂直的集管或垂直的管道架排列，其与在适当高度处含有其他平台水平面的结构相邻。c.用于任选的冷却水供应(CWS)集管的管线、阀等，其最有可能类似于位于水平排的相同全球恒温器(GT)単元下方的水平管道架排列，平行于图10a、IOb和展示A和B中所示的“方向W”延伸。如果通过在适当高度处建造具有其他平台水平面的结构使得全球恒温器(GT)单元的数目也垂直向上扩展，则在位于水平排的相同GT单元的最末端处也存在垂直的集管或垂直的管道架排列，其与在适当高度处含有其他平台水平面的结构相邻。d.用于任选的冷却水返回(CWR)集管的管线、阀等，其最有可能类似于位于水平排的相同全球恒温器(GT)単元下方的水平管道架排列，平行于图10a、10b和展示A和B中所示的“方向W”延伸。如果通过在适当高度处建造具有其他平台水平面的结构使得全球恒温器(GT)单元的数目也垂直向上扩展，则在位于水平排的相同GT单元的最末端处也存在垂直的集管或垂直的管道架排列，其与在适当高度处含有其他平台水平面的结构相邻。e.用于C02( > 95. OOmol % )到CO2产物储存集管的管线、阀等，其最有可能类似于位于水平排的相同全球恒温器(GT)単元下方的水平管道架排列，平行于图10a、10b中所示的“方向W”延伸。如果通过在适当高度处建造具有其他平台水平面的结构使得全球恒温器(GT)单元的数目也垂直向上扩展，则在位于水平排的相同GT单元的最末端处也存在垂直的集管或垂直的管道架排列，其与在适当高度处含有其他平台水平面的结构相邻。f. CO2接收/储存容器，和需要连接到或接头到高压CO2处理管道的任意一种和全部设备。g.到现有エ业设施(发电设备、化学エ厂或炼厂等)的低级エ艺热源的供应和返回接头(管线、阀等)，其最类似于普通的低压蒸汽供应/低压蒸汽冷凝物返回。h.到现有エ业设施(发电设备、化学エ厂或炼厂等)的低级冷却源的供应和返回接头(管线、阀等)，其最类似于普通或通常的冷却水供应(CWS)/冷却水返回(CWR)。i.所有仪器、所有电カ设施(例如变发电设备、配线等)、所有的公用工程连接(例如仪表气源、饮用水等)、所有的安全和关闭系统等。这还包括具有典型的计算机数据记录器/计算机控制系统的控制室。
j.图10a、10b以及展示A和B中所示的所有隔断阀应规定为“最少泄露”或TSO(严格切断)隔断阀，任意一个都是最实际的或最可行的。k.图10a、IOb以及展示A和B中所示的所有隔断阀都是全自动的隔断阀(电动、液压或气动操作的)。所有这些隔断阀都由计算机控制的计时器/时序系统互锁在一起。液压流体泵和CO2产物/循环气体鼓风机也连接到由计算机控制的计时器/时序系统，并利用所述由计算机控制的计时器/吋序系统进行互锁。I.尽管本文中所述的优选吸收剂结构包含由Celcor 蜂窝状基材内部载有(例如涂覆或其他的固定方式)的吸收剂物质(即，胺)，但是能够预期，通过将吸收剂材料嵌入所述Celcor 蜂窝状基材中以形成整体料型吸收剂结构，也能够形成所述吸收剂结构。m.应认识到，可能重要的是，在吸收剂结构再生之前和之后两者处，从吸收剂结构周围的环境中除去氧，以避免氧污染吸收剂结构(这是通过氧化吸收剂结构使得吸收剂结构发生氧中毒而造成的)。下面结合称作“利用吹扫气的蒸汽汽堤”的技术对能够除去氧的方式进行说明。 蒸汽汽提存在2种预计用于蒸汽汽提エ艺的技木。一种技术称作“仅利用蒸汽的蒸汽汽堤”。另ー种技术称作“利用吹扫气的蒸汽汽堤”。两种技术都利用图IOg中示意性显示的系统组件和エ艺步骤。称作“仅利用蒸汽的蒸汽汽堤”的技术以如下方式工作a.将空气穿过吸收剂结构中的通道并通过吸收剂结构将CO2从空气中除去，直至吸收剂结构达到规定的饱和水平或在吸收剂结构出ロ处的CO2含量达到表示CO2已经开始突破的规定值或持续通过试验确定的规定时间段。b.将吸收剂结构从空气流股中移出并与空气流隔离，以防止空气进入并防止CO2迁移至外部空气中。c.将低压蒸汽穿过吸收剂结构中的通道。蒸汽最初冷凝并在吸收剂结构的前端部分将其冷凝潜热传递给吸收剂结构。所述冷凝热升高吸收剂结构的温度并提供能量以驱动CO2从吸收剂结构中的脱附エ艺。最終，吸收剂结构的前端部分达到饱和温度且释放的CO2被蒸汽推出或被风扇提取。该过程从蒸汽进入的吸收剂结构的前端部分移动而深入到所述吸收剂结构内，直至释放CO2 (应注意，释放的比例取决于吸收剂结构和所使用的蒸汽温度)。只有提供足够量的蒸汽，才能实现CO2从吸收剂结构的脱附，从而使所使用的蒸汽最少化并使与释放的CO2混合的蒸汽量最少化。在冷凝物以及随后的蒸汽穿过所述吸收剂结构并对所述吸收剂进行加热时，将从所述吸收剂结构中释放CO2并将所述CO2传输至蒸汽和冷凝物内。所述冷凝物具有有限的“保持”CO2的能力且一旦饱和，“酸”水将不再保持任何更多的CO2且当通过蒸汽推出或利用风扇提取时CO2将保留在气相中。一旦蒸汽穿过吸收剂结构，则必须对其冷凝以释放CO2。在冷凝器中实现该操作，所述冷凝器使用冷却水来移出热量。收集的流股具有ー些混合在其中的蒸汽，应将所述蒸汽降至尽可能最少的程度，且必须对所述蒸汽冷凝以将其与CO2分离。或者，在非绝热管道或细管道中使用到大气中的热损失对蒸汽进行冷凝。这种热对系统是ー种损失，但或者，可使用在吸附步骤(上述步骤I)中离开吸收剂结构的空气来冷凝所述蒸汽。这会升高吸收剂结构出口处的空气温度并提供额外的驱动カ以移动空气通过所述吸收剂结构并减少能量需求。
d. 一旦吸收剂结构已经除去CO2，则将吸收剂结构升高以返回至空气流股中。空气对吸收剂结构进行冷却并除去所有残留的水汽。然后，吸收剂结构除去CO2，直至发生规定的突破(參见步骤I)并然后将吸收剂结构降至再生位置并重复所述エ艺。e.源自脱附エ艺(从吸收剂结构中除去CO2)的冷凝物含有饱和水平的C02。该冷凝物接近饱和温度(因为仅将足够量的蒸汽添加至系统以实现CO2的去除)并将所述冷凝物循环至锅炉中，在那里将源自设施(石化エ厂或公用发电设备)的低压蒸汽用于产生对吸收剂结构进行加热所使用的蒸汽。CO2饱和的蒸汽的再利用，消除了对大量的酸水进行处理的需要。称作“利用吹扫气的蒸汽汽堤”技术以如下方式工作
a.将空气穿过吸收剂结构中的通道并通过吸收剂结构将CO2从空气中除去，直至吸收剂结构达到规定的饱和水平或在吸收剂结构出ロ处CO2的含量达到表示CO2已经开始突破的规定值或持续通过试验确定的规定时间段。b.将吸收剂结构从空气流股中移出并与空气流隔离，以防止空气进入并防止CO2迁移至外部空气中。c.为了从吸收剂结构中的通道中除去氧，吹扫惰性气体以穿过吸收剂结构并持续短时间段。d.将低压蒸汽穿过吸收剂结构中的通道。蒸汽最初冷凝并在吸收剂结构的前端部分将其冷凝潜热传递给吸收剂结构。所述冷凝热升高吸收剂结构的温度并提供能量以驱动CO2从吸收剂结构中的脱附エ艺。最終，吸收剂结构的前端部分达到饱和温度且释放的CO2被蒸汽推出或被风扇提取。该过程从蒸汽进入的吸收剂结构的前端部分移动而深入到所述吸收剂结构内，直至释放CO2 (应注意，释放的比例取决于吸收剂结构和所使用的蒸汽温度)。只有提供足够量的蒸汽，才能实现CO2从吸收剂结构的脱附，从而最少化所使用的蒸汽并最少化与释放的CO2混合的蒸汽的量。在冷凝物以及随后的蒸汽穿过所述吸收剂结构并对所述吸收剂进行加热时，从所述吸收剂结构中释放CO2并将所述CO2传输至蒸汽和冷凝物内。所述冷凝物具有有限的“保持”CO2的能力且一旦饱和，“酸”水将不再保持任何更多的CO2且当通过蒸汽推出或利用风扇提取时CO2将保留在气相中。一旦蒸汽穿过吸收剂结构，则必须对其冷凝以释放co2。在冷凝器中实现该操作，所述冷凝器使用冷却水移出热量。收集的流股具有ー些混合在其中的蒸汽，应将所述蒸汽降至尽可能少的程度，且必须对所述蒸汽冷凝以将其与CO2分离。或者，在非绝热管道或细管道中使用到大气的热损失对蒸汽进行冷凝。这种热对系统是ー种损失，但或者，可使用在吸附步骤(上述步骤I)中排出吸收剂结构的空气来冷凝所述蒸汽。这会升高吸收剂结构出ロ处的空气温度并提供额外的驱动カ以移动空气通过所述吸收剂结构并减少能量需求。e.为了在吸收剂结构在空气流股中进行置換之前对其进行冷却，将惰性气体穿过吸收剂结构，直至将其冷却至规定温度，以使得在放置回空气流股中时吸收剂结构不会受到损伤。f. 一旦吸收剂结构已经除去CO2且吸收剂结构冷却，则将吸收剂结构升高以返回至空气流股中。空气将继续对吸收剂结构进行冷却并除去所有残留的水汽。然后，吸收剂结构除去CO2，直至发生规定的突破(參见步骤I)并然后将吸收剂结构降至再生位置并重复所述エ艺。
g.源自脱附エ艺(从吸收剂结构中除去CO2)的冷凝物含有饱和水平的C02。该冷凝物接近饱和温度(因为仅将足够量的蒸汽添加至系统以实现CO2的去除)并将所述冷凝物循环至锅炉中，在那里将源自设施(石化エ厂或公用发电设备)的低压蒸汽用于产生对吸收剂结构进行加热所使用的蒸汽。CO2饱和的蒸汽的再利用，消除了对大量的酸水进行处
理的需要。应注意，在上述各种蒸汽汽提技术中，存在由换热器连接的两种封闭蒸汽回路。一种蒸汽回路供应エ艺热并将通过对回路进行加热而获得的热冷凝物返回至锅炉中，其中通过所述对回路进行加热来实施所述蒸汽汽提。另ー种蒸汽回路是实施蒸汽汽提并使得吸收剂结构再生的蒸汽回路。以上述方式实施如上所述的蒸汽汽堤，同时将吸收剂结构布置在结合图10a、10b所示和所述的再生箱1014中。一旦吸收剂结构中已经除去CO2，则将吸收剂结构从再生箱 1014中升高以返回至载有ニ氧化碳的空气流股中，这也结合图10a、10b进行了显示和描述。载有ニ氧化碳的空气流股会冷却吸收剂结构并除去所有剰余的水汽。然后，所述吸收剂结构将除去CO2，直至发生规定的突破并然后将吸收剂结构降至再生箱1014内的再生位置。吸收剂的特征通常，形成吸收剂结构的吸收剂的特征在于，其具有在低温和低浓度下吸收(结合CO2)并在高温和高浓度(因为被吸收剂结构捕集的CO2具有高CO2浓度)下再生的能力。由于载有CO2的空气中CO2的浓度为烟道气(大气中存在的CO2的主要贡献者)中CO2的浓度的约1/300倍，所以在环境温度(例如在许多气候中为约20°C )下从载有CO2的空气流股中捕集CO2且在上述蒸汽汽提エ艺中使用的蒸汽温度为约100 120°C的温度，根据Langmuir等温或Langmuir吸附方程(这对本领域技术人员是已知的)，在捕集CO2的较低温度下吸收剂结构的吸收剂覆盖率不能太高，因为如果太高会升高从吸收剂结构除去CO2所需要的温度。由此，尽管吸收剂物质优选为胺，但是可改变具体的胺物质或其它合适的吸收剂以用于不同气候，从而在使用本发明的系统和方法的各个捕集和再生循环期间使得收集的的净CO2最佳化。联合发电和エ艺热如上所述，根据本发明，使用エ艺热来提供在本文中所述的“蒸汽汽提”エ艺和系统中所使用的蒸汽，以从吸收剂结构中除去CO2并使得吸收剂结构再生。还优选的是，通过联合发电エ艺和系统提供所述エ艺热，其中初级エ艺(例如石化装置、公用设施等)产生可直接提供给本发明的系统并用于从吸收剂结构中除去CO2和对所述吸收剂结构进行再生的蒸汽。エ业装置如发电站和石化装置产生大量蒸汽。产生的蒸汽的压力越高，则能够实现的热效率越高，且根据本发明的原理，使用联合发电系统(其中气体涡轮机产生电カ且使用源自涡轮机的热气体产生更多蒸汽)还可改进CO2捕集系统和方法的总体热效率。由于泵和压缩机用电カ和涡轮驱动器、塔再沸器所需要的温度以及预热负荷的不同混合，导致在石化工业范围内存在许多不同的蒸汽系统设计。这些影响了所产生的蒸汽量以及将蒸汽供应至エ艺中的压力水平数两者。给定了这些条件，“典型的”石化蒸汽系统设计包括通过大型锅炉和联合发电设施在非常高的压カ(VHP)下产生的蒸汽。将这种VHP蒸汽传送至用于驱动发动机或压缩机的涡轮并产生在更低温度下的废蒸汽。下一等级的蒸汽为由提取涡轮机提供的或通过源自VHP蒸汽主体部分直接降级的HP和MP。最終的蒸汽等级为LP并通过从涡轮排出的蒸汽或通过直接降级来。各种蒸汽等级为不同的用户提供蒸汽并将所有过剩蒸汽传递给下ー蒸汽等级。由此，LP蒸汽接收在更高蒸汽等级下不能使用的所有蒸汽。重要的是要认识到，在石化设施中，蒸汽系统必须是柔性的，因为エ艺的不同部分可以为离线或启动、关闭，或在不同时间下可以在低于设计速率下。这与公用发电设备不同，在所述公用发电设备中蒸汽仅必须提供ー种功能即发电。蒸汽的价值取决于压カ等级。通过发电的资本成本和运行成本来确定VHP蒸汽的基础成本。然而，在通过穿过涡轮机降低蒸汽的压カ时，产生能量且这会降低蒸汽的成本。在建议使用LP蒸汽以从吸收剂结构中释放CO2的情况中，对典型的大型石化设施看来存在如下优势a.在用于本发明的建议的蒸汽等级(2 IOpsig)下，对于典型设施，所需要的蒸汽的成本非常低，尽管这会在设施之间发生变化，取决于可获得的LP的量。 b.与需要在约60psig下的蒸汽的常规胺系统相比，在该等级下的蒸汽成本比2 IOpsig的蒸汽明显更高。另外，更有可能的是，不能足够供应可获得的60psig且必须产生其他的VHP蒸汽。这会增加60psig蒸汽的成本,因为其必须在VHP蒸汽的全成本下收费或必须安装另外的涡轮机以回收电力，但这涉及明显的资本成本。在大部分发电设备中，从低压涡轮中提取蒸汽供应以对向系统中供应的水进行加热。这种提取蒸汽适用于所主张的从吸收剂结构中除去CO2的エ艺，因为其处于电和エ业热的联合产生的状态。在该实施方案中所述的电和CO2的联合产生中，可使用非常低的压カ(比大气压高21b且温度为约105°C )井能够将冷凝物返回以加热锅炉，因为使用的エ艺热仅为蒸汽的潜热。尽管电和エ业热的联合产生減少了所产生的电，但是其确实提高使用所产生热的总体热效率，将有用能从35 40%提高至85 95%。由此有助于在附近使用低温和低压蒸汽(通常为120°C，比常压蒸汽高21bs)。在电和CO2捕集的联合发电中，人们能够对设施就近选址以足以使用低温和低压蒸汽，并通过能够使用低得多的压カ和温度的蒸汽并将エ艺热流股回路中的冷凝物循环返回以加热锅炉，可最小化对发电的影响并由此最小化蒸汽的成本。图IlaUlb的吸收剂涂覆的球粒结构和概念图Ila和Ilb显示了根据本发明原理的另ー种结构和技术的2个实例，所述结构和技术用于从载有ニ氧化碳的空气流中除去ニ氧化碳、并对吸收或结合ニ氧化碳的吸收剂进行再生。在图Ila和Ilb的结构和技术中，颗粒，优选球粒大小的颗粒，因重力而流入球粒进料源/储藏柜1100中。所述球粒涂覆有吸收剂(例如胺)，所述吸收剂用于吸收或结合流动穿过所述球粒的载有ニ氧化碳的空气流中的ニ氧化碳。该球粒能选择性地穿过阀结构1102进入空气接触容器1104，并将载有ニ氧化碳的空气流导引穿过该容器1104，使得吸收剂吸收或结合ニ氧化碳并从空气中除去ニ氧化碳。再生柜1106在空气接触容器1104下方提供。球粒能被选择性地导引入再生柜1106，在那里将エ艺热导引在球粒上，以从吸收剂中除去ニ氧化碳并再生吸收剂。然后，将具有再生的吸收剂的球粒向垂直上升的结构1108导弓丨，在那里将其重新导引至能够使其流入进料源/储藏柜1100内的位置，以继续ニ氧化碳去除エ艺。所述垂直上升结构1108能够包含例如空气鼓入结构、升降机、螺旋传送器等，其导引球粒返回至使它们能够重新开始ニ氧化碳去除エ艺的位置。图Ila和Ilb的系统和技术之间的差别在于，在图Ila的系统和技术中，载有ニ氧化碳的空气向下流动穿过在空气接触容器1104中所含有的大量球粒，而在图Ilb的系统和技术中，载有ニ氧化碳的空气水平流动穿过所述球粒并然后流入空气接触容器1104中。图IlaUlb的结构和技术对于从 载有ニ氧化碳的空气除去ニ氧化碳是有用的，且对于除去也是有用的。展示C和D是图lla、llb放大的彩色图像，同时其叙述进ー步描述了图IlaUlb的实施方案的结构和运行。应注意，尽管图IlaUlb的结构是竖直取向的，但是可以期望，特定的结构(例如颗粒床)可以倾斜(以便于在再生期间从蒸汽中冷凝的水滴落到颗粒床的底部且不会堵塞颗粒床)，或者甚至水平取向(也是用于解决冷凝水的问题)。关于将空气流) 与烟道气合并的其他评论本发明的原理能够以新颖且有用的方式应用于从载有CO2的空气与烟道气(例如源自化石燃料设备)的组合中除去CO2。相对大体积比(例如98 99% )的载有CO2的空气与相对小体积的烟道气(其含有相对高浓度的CO2，所述CO2将最终被从载有CO2的空气中除去)在一起，以产生其中烟道气中的CO2向空气中添加足够量的CO2的流体流股以使得除去CO2的成本更具有优势，且在载有CO2的空气对烟道气进行冷却方面也提供了益处。将本发明的原理应用于产生这种流体流股，被认为将使得本发明的上述原理特别有效。根据申请人的范例的基本概念，在相对大体积的载有CO2的空气中的CO2浓度仍相对较低，且小体积量的烟道气提高了所述流体流股中的CO2浓度，并使得申请人的方法以其从环境流体流股中除去CO2的方式使得成本更加高效得多。同时，环境空气以使得所述方法以与作为吸收剂的胺一起发挥作用的方式来冷却烟道气，认为这是高效的，因为所述方法能够从吸收剂中除去CO2并在低温范围内进行再生，井能够高效地使得胺再生。总结因此，利用图IOa IOh的结构和技术，将载有ニ氧化碳的空气导引穿过具有吸收或结合ニ氧化碳的吸收剂的竖直取向的ニ氧化碳捕集结构1000，以从空气除去ニ氧化碳，将所述竖直取向的ニ氧化碳捕集结构降至再生外壳1014内，在那里在ニ氧化碳捕集结构处导引エ艺热，以将ニ氧化碳与吸收剂分离，并使得吸收剂再生，所述ニ氧化碳捕集结构1000选择性地升高并离开所述再生外壳且升至位于载有ニ氧化碳的空气流的位置处，使得再生的吸收剂能够继续用于吸收或结合ニ氧化碳，以从载有ニ氧化碳的空气流中除去ニ氧化碳。而且，利用图IlaUlb的结构和技术，将载有吸收剂的颗粒流选择性地供应至ニ氧化碳去除室1104中，将流体导引穿过ニ氧化碳去除室中的颗粒，使得ニ氧化碳被吸收剂吸收或结合，以从流体中除去ニ氧化碳，将所述颗粒导引至碳分离/再生室1106，在那里使用エ艺热将ニ氧化碳与吸收剂分离，并使得颗粒所载有的吸收剂再生，将具有再生的吸收剂的颗粒导引回颗粒进料源，使得具有再生吸收剂的颗粒能够重新用于吸收或结合流体中的ニ氧化碳。还另外，在捕集CO2的方法中能够提供本发明的原理，其中提供载有CO2的空气流，将少量(按体积计)烟道气添加至载有CO2的空气流中，以产生与载有CO2的空气流中的CO2浓度相比CO2浓度明显提高的流体流，并将所述流体流穿过吸收剂结构，该吸收剂结构结合流体流中的CO2。由此，本发明的原理可用于进ー步开发美国申请序号12/124，864中所述的原理(特别是该申请的图6的实施方案)，并根据美国申请序号12/124，864的一般原理进ー步 公开了用于从流体中除去ニ氧化碳的概念。考虑上述公开内容，可以认为，根据本申请的原理，从流体中除去ニ氧化碳的多种其他方式对本领域中的技术人员变得显而易见。
权利要求
1.一种从载有二氧化碳的空气中除去二氧化碳的方法，所述方法包括 导引载有二氧化碳的空气流穿过具有吸收或结合二氧化碳的吸收剂的竖直取向的二氧化碳捕集结构，以从所述空气中除去二氧化碳， 将所述竖直取向的二氧化碳捕集结构移入再生外壳内，并将工艺热导弓I入所述再生外壳中的所述二氧化碳捕集结构处以将二氧化碳与所述吸收剂分离，并对所述吸收剂进行再生，以及 选择性移动所述竖直取向的二氧化碳捕集结构以离开所述再生外壳并移动至位于所述载有二氧化碳的空气流中的位置处，使得所述再生的吸收剂能够继续用于吸收或结合二氧化碳，以从所述载有二氧化碳的空气流中除去二氧化碳。
2.权利要求I的方法，其中所述竖直取向的碳捕集结构包含顶部支承构件、以及从所述顶部支承构件悬垂的吸收剂支承结构，且其中所述再生外壳除了顶部开口之外基本上是封闭的，当将所述二氧化碳捕集结构移入所述再生外壳中时，利用所述顶部支承结构封闭所述顶部开口。
3.权利要求2的方法，其中提供一对竖直取向的碳捕集结构，其中每一个被选择性地构造并能以权利要求2中所述的方式运行，且其中所述竖直取向的碳捕集结构对中的一个处于载有二氧化碳的空气的路径中，而所述竖直取向的碳捕集结构对中的另一个以权利要求2中所述的方式利用工艺热进行加热以将二氧化碳与所述吸收剂分离并对所述吸收剂进行再生。
4.权利要求I的方法，其中提供一对竖直取向的碳捕集结构，其中每一个被选择性地构造并能以权利要求I中所述的方式运行，且其中所述竖直取向的碳捕集结构对中的一个处于载有二氧化碳的空气的路径中，而所述竖直取向的碳捕集结构对中的另一个以权利要求I中所述的方式利用工艺热进行加热以将二氧化碳与所述吸收剂分离并对所述吸收剂进行再生。
5.—种从流体中除去二氧化碳的方法，所述方法包括 导引颗粒流进入颗粒进料源，所述颗粒进料源能够选择性地向二氧化碳去除室供应所述颗粒，其中各个颗粒载有用于吸收或结合流体中的二氧化碳的吸收剂，以从所述流体中除去二氧化碳， 导引所述流体穿过所述二氧化碳去除室中的颗粒，使得二氧化碳被所述吸收剂吸收或结合，以从所述流体中除去二氧化碳， 导引所述颗粒从所述二氧化碳去除室到碳分离/再生室，并导引工艺热进入所述二氧化碳分离/再生室中，以将二氧化碳与所述吸收剂分离，并使由所述颗粒载有的所述吸收剂再生，以及 将具有再生吸收剂的所述颗粒导引回到所述颗粒进料源，使得具有再生吸收剂的所述颗粒能够以本权利要求中的上述方式重新用于吸收或结合所述流体中的二氧化碳。
6.权利要求5所述的方法，其中导引所述流体向下穿过在所述二氧化碳去除室中的大量的载有吸收剂的颗粒，使得所述吸收剂能够吸收或结合所述流体中的二氧化碳。
7.权利要求5所述的方法，其中载有吸收剂的颗粒竖直落入所述二氧化碳去除室中，并水平导引所述流体穿过竖直落入所述二氧化碳去除室中的载有吸收剂的颗粒，使得竖直落入所述二氧化碳去除室中的载有吸收剂的颗粒上的吸收剂能够吸收或结合所述流体中的二氧化碳。
8.一种从载有二氧化碳的空气中除去二氧化碳的系统，所述系统包含 竖直取向的二氧化碳捕集结构，其具有用于吸收或结合二氧化碳以从所述空气中除去二氧化碳的吸收剂， 运动装置，其用于将所述竖直取向的二氧化碳捕集结构移入载有二氧化碳的空气流的路径中； 再生外壳，以及构造用于选择性地将所述竖直取向的二氧化碳捕集结构移入所述再生外壳中的所述运动装置， 流体管道，其用于将工艺热导引入所述再生外壳中的所述二氧化碳捕集结构处以将二氧化碳与所述吸收剂分离并对所述吸收剂进行再生，以及 构造的运动装置，其用于选择性地将所述竖直取向的二氧化碳捕集结构移动至载有二氧化碳的空气流中的位置，使得再生的吸收剂能够继续用于吸收或结合二氧化碳，以从载有二氧化碳的空气流中除去二氧化碳。
9.权利要求8的系统，其中所述竖直取向的碳捕集结构包含顶部支承构件、以及从所述顶部支承构件悬垂的吸收剂支承结构，其中所述再生外壳除了顶部开口之外基本上是封闭的，当将所述二氧化碳捕集结构移入所述再生外壳中时，利用所述顶部支承结构封闭所述顶部开口。
10.权利要求9的系统，其中提供一对竖直取向的碳捕集结构，其中每一个被选择性地构造并能以权利要求9中所述的方式运行，且其中所述竖直取向的碳捕集结构对中的一个处于载有二氧化碳的空气的路径中，而所述竖直取向的碳捕集结构对中的另一个以权利要求9中所述的方式利用工艺热进行加热以将二氧化碳与所述吸收剂分离并对所述吸收剂进行再生。
11.权利要求8的系统，其中提供一对竖直取向的碳捕集结构，其中每一个被选择性地构造并能以权利要求8中所述的方式运行，且其中所述竖直取向的碳捕集结构对中的一个处于载有二氧化碳的空气的路径中，而所述竖直取向的碳捕集结构对中的另一个以权利要求8中所述的方式利用工艺热进行加热以将二氧化碳与所述吸收剂分离并对所述吸收剂进行再生。
12.一种从流体中除去二氧化碳的系统，所述系统包含 颗粒进料源，其经构造用于选择性地将颗粒流导引入二氧化碳去除室中，其中各个颗粒载有用于吸收或结合被导引入所述二氧化碳去除室中的流体中的二氧化碳的吸收剂，以从所述流体中除去二氧化碳， 碳分离/再生室和流体管道，放置所述碳分离/再生室以从所述二氧化碳去除室中接收颗粒，且所述流体管道将工艺热引导入所述二氧化碳分离/再生室中，以将二氧化碳与所述吸收剂分离，并使得由所述颗粒载有的所述吸收剂再生，以及 颗粒运动系统，其将具有所述再生吸收剂的所述颗粒导引回到所述颗粒进料源，使得具有再生吸收剂的所述颗粒能够以本权利要求中的上述方式重新用于吸收或结合所述流体中的二氧化碳。
13.权利要求12的系统，其中对所述流体管道进行定向以导引流体向下穿过在所述二氧化碳去除室中的大量的载有吸收剂的颗粒，使得所述吸收剂能够吸收或结合所述流体中的二氧化碳。
14.权利要求12的系统，其中对所述颗粒进料源和所述二氧化碳去除室彼此相对定向，使得载有吸收剂的颗粒竖直落入所述二氧化碳去除室中，并对所述流体管道进行构造以水平导引流体穿过竖直落入所述二氧化碳去除室中的载有吸收剂的颗粒，以使得竖直落入所述二氧化碳去除室中的载有吸收剂的颗粒上的吸收剂能够吸收或结合所述流体中的二氧化碳。
15.一种捕集CO2的方法，其包括 a.提供载有CO2的空气流， b.将少量(按体积计)烟道气添加至载有CO2的空气流中，以产生与所述载有CO2的空气流中的CO2浓度相比CO2浓度明显提高的流体流，以及 c.将所述流体流穿过固体吸收剂结构，该固体吸收剂结构结合所述流体流中的C02。
16.权利要求I或8中任一项的方法，其中通过联合发电工艺提供导引至所述二氧化碳捕集结构处的所述工艺热，其中将由初级工艺提供的工艺热导引至所述二氧化碳捕集结构处。
17.权利要求16的方法，其中以蒸汽的形式提供在所述二氧化碳捕集结构处导引的所述工艺热。
18.权利要求17的方法，其中以使得所述蒸汽从所述二氧化碳捕集结构中释放所捕集的二氧化碳并将所释放的二氧化碳传输至预定位置的方式将所述蒸汽导引至所述二氧化碳捕集结构处。
19.权利要求I或8中任一项的方法，其中以蒸汽的形式提供导引至所述二氧化碳捕集结构处的所述工艺热。
20.权利要求19所述的方法，其中以使得所述蒸汽从所述二氧化碳捕集结构中释放所捕集的二氧化碳并将所释放的二氧化碳传输至预定位置的方式将所述蒸汽导引至所述二氧化碳捕集结构处。
全文摘要
本发明提供了一种新颖并有用的系统和方法概念，以用于从载有二氧化碳的空气流中除去二氧化碳。更具体地，在新颖并有用的结构和技术中使用吸收剂结构来结合载有二氧化碳的空气流股中的二氧化碳，并使用工艺热将二氧化碳与所述吸收剂结构分离并对所述吸收剂结构进行再生。
文档编号B01D53/02GK102639209SQ201080019211
公开日2012年8月15日 申请日期2010年3月17日 优先权日2009年3月17日
发明者彼得·艾森伯格尔 申请人:彼得·艾森伯格尔, 格雷谢拉·奇奇尔尼斯基