[发明专利]从空气中除去二氧化碳

说明书

技术领域

本发明涉及从空气中除去被选择的气体。本发明尤其用于从空气中提取二氧化碳(CO₂)，并就这方面的用途加以说明，然而其他用途也应被考虑。

背景技术

有令人信服的证据表明大气中二氧化碳水平的急剧增加和全球表面温度的相应增加之间具有很强的相关性。这种影响通常被称为全球变暖。在CO₂排放的多种来源中有大量小而广泛分布的排放体，从源头上减轻它们是不切实际的。另外，大规模的排放体如碳氢燃料发电厂没有受到充分保护来防止排放CO₂进入大气。这些主要来源和其它来源结合起来导致产生了大气CO₂浓度的急剧增加率。在所有排放体在其源头被纠正之前，都需要其他技术来捕获不断增加的(尽管相对较低)背景水平的大气CO₂。人们正在努力提高现有的减排技术并开发用于直接捕获周围环境的CO₂的新型技术。这些努力需用方法学来管理由此产生的浓缩的CO₂废物流，以防止它被重新引入大气。

CO₂的产生发生在多种工业应用中，例如电力发电厂从煤中产生CO₂以及在碳氢化合物的使用中产生CO₂，碳氢化合物通常是在燃烧装置(如发动机)中燃烧的燃料的主要成分。从这些燃烧装置排出的废气包含CO₂气体，这些CO₂气体目前被简单地释放到大气中。然而，随着对温室气体的日益关注，必须缩减来自所有来源的CO₂排放。对于移动源来说，最佳的选择很可能是直接从空气中而不是从汽车或飞机的移动燃烧装置来收集CO₂。从空气中除去CO₂的优点在于它不再需要将CO₂储存在移动装置上。

从环境空气中提取二氧化碳(CO₂)使得有可能使用碳基燃料并在事后处理相关的温室气体排放。由于CO₂按百万分之几的数量计既无毒也无害，而仅仅是通过在大气中积累才造成环境问题，所以从空气中除去CO₂有可能可以弥补在不同时间其他地方同样大小的排放量。

本领域已经提出了通过用CO₂吸附剂使气体或空气经历压力摆动(swing)或热摆动，从燃烧废气或直接从空气中除去CO₂的多种方案。这些过程分别利用压力或温度变化来改变吸附剂材料的状态，由此释放CO₂。已经公开了不同的吸附剂材料，包括沸石、胺类和活性氧化铝。例如参见美国专利No.4,711,645；美国专利No.5,318,758；美国专利No.5,914,455；美国专利No.5,980,611；美国专利No.6,117,404；和共同未决的美国申请No.11/683,824，将其内容整体引用纳入本文。

然而，这些参考文献都没有提供特别有效的除去CO₂的工艺，主要是因为在CO₂回收以及吸附剂再生中消耗的能量的量。

发明内容

本发明提供对上述现有技术的改进。具体而言，本发明提供一种通过使用吸附剂从气流中除去污染物的方法和装置，该吸附剂在足够干燥时捕获污染物如二氧化碳(CO₂)，并且在暴露于水或湿气中时，将污染物释放到所控制的大气(contained atmosphere)中。在一种替代的实施方式中，可通过将吸附剂置于可再生单元中对其进行再生，该再生单元保持比气体流更高的温度，并且通过将吸附剂穿过热交换器来保存再生后吸附剂所保留的热量。最后，湿度和温度摆动的结合可用于优化吸附剂再生。

为保存能量，本发明可采用以水作为致冷剂的热交换器，其中水在疏散空间中蒸发以从再生的吸附剂中吸收热，然后水在负载有污染物的吸附剂上凝结。也考虑使用其他液体作为致冷剂。或者，致冷剂可以与吸附剂隔离，以便不会干扰吸附剂的热功能。

一方面，本发明提供一种从气体流中除去二氧化碳的方法，通过将所述气体流与表面嵌有阳离子的底物接触，并利用湿度摆动从所述底物释放二氧化碳。在该表面上最初包含有单独移动的阴离子，其中通过与所述阴离子反应，所述气体流中的二氧化碳结合到该底物上。在进一步的实施方式中，通过与所述阴离子反应形成碳酸氢盐，该二氧化碳被捕获。