[发明专利]用于吸收二氧化碳的组合物以及相关的方法和系统

说明书

技术领域

本发明通常涉及用于从气流中捕集二氧化碳（CO₂）的方法。

背景技术

二氧化碳从工业来源（如发电厂（power plant））排放至大气现在被视为导致全球变暖的“温室效应”的主要原因。作为响应，进行大量努力以降低CO₂的排放。已开发许多不同的方法以试图完成该任务。例子包括聚合物和无机膜渗透、通过吸附剂（如分子筛）去除CO₂、深冷分离、和使用溶剂洗涤，所述溶剂可与CO₂化学反应，或对气体具有物理亲和力。

一种技术由于从烟道气流（例如在发电厂产生的废气）中去除CO₂而备受关注。在该技术中，使用水性单乙醇胺（MEA）或诸如甲基二乙醇胺（MDEA）和2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）的受阻胺的水溶液作为吸收/洗涤型再生过程中的溶剂。所述技术已商业用于从燃煤发电厂和燃气轮机捕集（capture）CO₂。

在MEA和受阻胺基吸收过程中确实固有存在相当多的优点。然而，许多缺陷可能阻碍此类技术的更广泛的采用。例如，所述过程可有时导致液体吸收剂的粘度的急剧增加，这可导致管道的堵塞。为了避免该问题，MEA和其他胺的浓度有时保持在相对较低的水平，例如在MEA的情况中低于约30wt.%。然而，相比于纯吸收剂的理论能力，该较低的浓度可能大大降低吸收能力。

此外，很大程度上由于需要溶剂（例如水）加热和蒸发，MEA过程中的能量消耗可相当高。例如，所述过程可消耗在通过燃烧化石燃料而加热的锅炉中所产生的蒸汽的约10-30%。此外，在氧气的存在下，在再生温度通常达到至少约120℃的环境中，MEA基吸收系统可能不具有长期热稳定性。

另外的缺点可源自如下事实：在MEA或受阻胺过程中富含CO₂的液体吸收剂可仍然含有相当大量的游离胺和溶剂（通常为水）。所述胺和水通常在热解吸下在蒸汽相中去除，但可导致辅助设备中的腐蚀和其他劣化。为了解决该问题，专用腐蚀设备材料可用于所述设备，但这可转而增加工厂的资金成本。在一些情况中，可添加腐蚀抑制剂，但这些专用添加剂的使用也可增加作业成本。此外，MEA或受阻胺吸收剂的氧化可将一些存在的溶剂酸化。除了可能产生的腐蚀问题之外，这可降低用于CO₂捕集的可得碱性，由此降低过程效率。

商业CO₂后燃烧捕集过程的另一例子使用哌嗪促进的碳酸钾（K₂CO₃）的水溶液。然而，该过程通常极为能量密集，并且可能经济上不如MEA过程。又一例子涉及使用冷冻氨。在此情况中，通常要求将能量密集的冷却系统用于这种系统，并且与非预期的氨释放相关的风险是不可接受的。

相当引人关注的其他CO₂捕集过程要求使用氨基硅氧烷材料，如2009年7月30日提交的Perry等人的美国专利申请S.N.12/512,105中所述。这些材料能够与气体CO₂反应而形成固体材料，如本文所述。硅氧烷材料通常结合含羟基的溶剂（如一种或多种二醇基材料）使用。

就材料和操作而言，使用氨基硅氧烷材料或其他捕集剂的CO₂捕集系统易受多种其他相矛盾的要求的影响。这在气体的大规模工业捕集的情况中尤其如此。一个例证涉及前述粘度性质。CO₂吸收剂通常必须为相当高分子量的材料，以确保相对较低的挥发性。然而，当分子量增加，吸收剂的粘度可显著增加，尤其是在气体提取之后。这种现象可导致大规模系统中严重的传质局限性。此外，为了在低压下提供高CO₂容量，反应系统的总反应热需要相对较高。然而，也为了确保实际的低再生能量水平，该总反应热需要相对较低。

鉴于如上讨论，可以理解需要新的CO₂捕集技术，所述技术尽可能多地优化如上所需性质，而不导致对其他所需性质的显著损害。在最低限度下，为了在商业上可行，这种技术期望在相对较低的成本下使用，并且也使用具有低挥发性、低粘度、可接受的热稳定性和相对较高的对CO₂的净容量的材料。此外，方法将与相关系统（例如基于气化、燃烧等的发电系统等）可相容。

发明内容

本发明的一个实施例涉及一种二氧化碳吸收剂，其包含

a）液体非水性硅基材料，所述液体非水性硅基材料由与CO₂可逆反应和/或具有对CO₂的高亲和力的一个或多个基团官能化；和