[發明專利]用于吸附氣體分離過程的顆粒吸附床的低壓降結構

有效

• 申請號: 201480022234.4
• 申請日: 2014-04-09
• 公開（公告）號: CN105163830B
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 克里斯托夫·格巴爾;尼古拉斯·皮亞考斯基;托拜厄斯·呂埃施;簡·安德烈·維茨巴赫爾
• 申請（專利權）人: 克萊姆沃克斯有限公司
• 主分類號: B01D53/04
• 分類號: B01D53/04;B01D53/047
• 代理公司: 北京柏杉松知識產權代理事務所(普通合伙)11413
• 代理人: 劉繼富,王春偉

技術領域

本發明涉及用于氣體分離過程的吸著劑床結構以及這樣的結構用于氣體分離、例如用于從氣流中分離/捕集CO₂的用途。

背景技術

通過吸附進行的氣體分離在工業中有許多不同的應用，例如從氣流中移出特定的組分，其中期望的產品可以是從所述流中移出的組分、剩余的貧流或兩者。由此痕量組分以及氣流的主要組分兩者都可以是吸附過程的目標。

一個重要應用是從氣流、例如從煙道氣、排放氣體、工業廢氣或大氣空氣中捕集二氧化碳(CO₂)。

直接從大氣捕集CO₂(也稱為直接空氣捕集(DAC))是減輕人為溫室氣體排放的幾種手段之一，并且具有作為用于商品市場和用于制造合成燃料的非化石的位置獨立性CO₂源的有吸引力的經濟前景。從大氣中捕集CO₂的具體優點包括：(i)DAC可以解決分布式源(例如汽車、飛機)的排放，其占據世界范圍內溫室氣體排放的大部分，并且目前不能以經濟可行的方式在排放地點捕集；(ii)DAC可以解決過去的排放，并因此可以產生真實的負排放；(iii)DAC系統不需要被附著至排放源，而是位置獨立性的，并且例如可以位于其他CO₂處理場所；和(iv)如果從大氣捕集的CO₂用于由可再生能源生產合成烴類燃料，則可以獲得用于運輸行業的真正的非化石燃料，其不產生向大氣的凈CO₂排放或產生非常少的凈CO₂排放。

近來已經開發了基于各種技術方式的幾種DAC方法。例如，US 8,163,066 B2公開了二氧化碳捕集/再生結構和技術；US 2009/0120288 A1公開了一種用于從空氣中移出二氧化碳的方法；US 2012/0174778公開了一種利用垂直升降機的二氧化碳捕集/再生方法；以及WO2010022339公開了一種二氧化碳捕集方法和設備。

一個具體的方式基于固體的、化學功能化的吸著劑材料上的循環吸附/脫附過程。例如，在WO2010/091831中，公開了基于胺功能化的固體吸著劑材料以及利用該材料的循環吸附/脫附過程的用于從環境空氣提取二氧化碳的結構。

其中，吸附過程在其中空氣流過吸著劑材料并且包含在空氣中的CO₂的一部分被化學結合在吸著劑的胺功能化表面的環境條件下進行。在之后的脫附期間，該材料被加熱到約50至110℃，并且通過施加真空或將吸著劑暴露于吹掃氣流來降低吸著劑周圍的二氧化碳的分壓。由此，從吸著劑材料中移出并以富集形式獲得之前捕集的二氧化碳。

在WO2012/168346A1中，公開了一種基于胺官能化纖維素的吸著劑材料，其可以用于上述過程。

一般而言，對于基于吸附的氣體分離過程，期望對氣流幾乎不產生壓降的吸著劑材料的構造以使泵送氣體所需的能量最小化并且同時在吸著劑和氣流之間實現最大接觸以使要從氣流中移出的組分的傳質速率最大化。典型的構造包括具有幾十厘米至幾米的典型長度的填充床柱或流化床，其通常對氣流造成幾千帕斯卡至最多幾巴的壓降。

如果從氣流中移出痕量組分，則對壓降的要求可能變得甚至更為苛刻。特別地，所有的DAC方式都具有一個共同的主要挑戰，即必須要使非常大的空氣體積穿過任何捕集系統以從空氣中提取一定量的CO₂。其原因是大氣空氣中的CO₂的濃度非常低，目前為390至400ppm，即大致為0.04％。因而，為了從大氣中提取1公噸CO₂，必須使至少約1400000立方米的空氣穿過捕集系統。這進而意味著在經濟上可行的捕集系統必須對穿過它們的空氣流具有非常低的壓降。否則，用于泵送空氣的能量需求會使該系統不經濟。然而，任意的低壓降構造不應損害系統的傳質性能。

雖然對于DAC過程具有有前景的性能的許多材料通常為顆粒形式，但是將它們布置在具有通常幾十厘米至幾米的長度的常規填充床柱或流化床中通常會是不可行的，原因是所產生的壓降會超過容許極限一個或幾個量級。

另一方面，在用于氣流的顆粒過濾器的領域、特別是用于排放氣體的灰顆粒過濾器的領域中，開發了通常被稱為“壁流”過濾器的通道式過濾器結構，參見例如EP 0 766 993 A2。在這些結構中，氣流通過入口通道進入結構，穿過多孔壁，并且通過出口通道離開結構，其中灰顆粒被截留在多孔壁處。