[发明专利]用于从烟道气中捕捉CO2的溶剂和方法

说明书

本发明专利主张对在2010年9月15日申请的共同未决的美国临时申请第61/388,046号的优先权。

技术领域

本公开涉及用于从烟道气中捕捉(capture)二氧化碳(CO₂)的催化增强溶剂的使用，从而避免需求促进剂或较高反应焓的溶剂。

背景技术

对于烟道气应用，工艺条件(烟道气的稀释CO₂浓度、低分压力，低热容量)使得吸收工艺在对应放热反应期间被低吸收速率或被吸收器中温度的过度增长所限制。

在过去，这两个问题已经通过使用具有较高吸收焓的溶剂而解决。较高吸收焓与溶剂的较强碱性属性(较高的pKa)大致相关，并且因此与增长的反应速率以及溶剂中较高的CO₂溶解性大致相关。特别地，使用胺基溶剂从烟道气中捕捉CO₂中的某些主要工作推荐较高反应焓的溶剂用于烟道气应用[Rochelle]。

令人遗憾的是，较高反应焓的溶剂存在缺点，即它们参与溶剂的再生所需的能量的增加。吸收器中的CO₂溶剂的改良亲合性在其开始在再生器中逆转反应时成为缺点。因此，存在需要处理的权衡(trade-off)。

发明内容

本发明涉及有效使用例如酶的催化剂，以减少与如上所述的权衡相关的约束，从而对溶剂提供适当的实际循环(cyclic)容量，除非被它的吸收并且维持从烟道气中捕捉高浓度的CO₂的能力所限制。本发明可应用于非促进性(non-promoted)以及促进性溶剂并且应用于具有大范围反应焓的溶剂。

附图说明

图1是用于从气流中移除CO₂的常规系统的示意图。

图2是作为不同胺的酸解离常数(pKa)的函数的(基于热力学CO₂负荷容量(loading capacity/ 吸附容量))理论循环容量的图表。

具体实施方式

图1示出用于从气流中移除CO₂的常规系统。系统包括吸收器柱(column)(吸收器)111，其中，包含CO₂的气流(例如烟道气流)112例如以逆流模式与诸如胺基溶剂的溶剂溶液110接触。在吸收器中，来自气流的CO₂被吸收在溶剂中。富CO₂的已用溶剂经由路线101离开吸收器。富CO₂溶剂经由热交换器109和路线102传递至再生器103，其中，已用溶剂通过破坏CO₂与溶液之间的化学键而除去CO₂。再生溶剂经由路线104离开再生器底部。移除的CO₂和水蒸气在再生器的顶部处经由路线105离开工艺。另外，冷凝器可布置在再生器的顶部处以防止水蒸气离开工艺。

再生溶剂经由路线104传递至重沸器106。在位于再生器的底部处的重沸器中，再生溶剂被煮沸以产生蒸气107，其被返回至再生器以驱使从溶剂中分离CO₂。另外，重沸可提供用于从再生溶剂中进一步移除CO₂。

在重沸后，重沸且因而加热的溶剂经由路线108传递至热交换器109用于与来自吸收器的已用溶剂热交换。热交换容许溶液之间的传热，从而产生冷却的重沸溶剂和加热的已用溶剂。重沸且热交换的溶剂其后传递至吸收器中的下一轮吸收。在被供给至吸收器之前，溶剂110可被冷却至适于吸收的温度。因此，冷却器可布置在吸收器溶剂入口(未图示)附近。

常规胺基溶剂的示例包括例如胺化合物，诸如单乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)、二异丙基胺(DIPA)和氨基乙氧基乙醇(二甘醇胺)(DGA)。工业设备中的最常用胺化合物为链烷醇胺MEA、DEA、MDEA和常规胺与促进剂(例如哌嗪(piperazine))和/或抑制剂的某些混合物。

用于烟道气应用的典型胺基溶剂在大约100-140华氏度的温度下吸收CO₂。低于该下限温度，吸收的动力被限制或减缓，高于该上限温度，溶剂中CO₂的溶解性快速变小。由于吸收反应的放热性质，故吸收器内的溶剂的温度可高于它的入口或出口温度。这可导致内部热力学收缩(thermodynamic pinch)和用于传质(mass transfer)的吸收器柱的低利用率。