[发明专利]二氧化碳捕获方法和设施

说明书

本申请是申请人为碳工程合伙有限公司、国际申请日为2009年8月21日、申请号为200980137997.2(国际申请号为PCT/US2009/054626)、题为“二氧化碳捕获方法和设施”的PCT发明专利申请的分案申请。

本申请要求2008年8月21日提交的美国临时申请序列号61/090,867的优先权，该份申请通过引用全文纳入本文。

技术领域

本发明涉及气体-液体接触系统和方法，包括从大气中回收CO₂的二氧化碳捕获系统和方法。

背景技术

为避免危险的气候变化，必须终止并且可能必须减少大气二氧化碳浓度的增长。最重要的温室气体-二氧化碳的浓度已经从前工业时期的约280ppm增加到385ppm以上，目前全球CO₂排放每年增长超过3.3％，造成它以高于2ppm每年的速度增加(Canadell等，2007)。

碳捕获和储存(Carbon capture and storage，CCS)技术的目标在于除去诸如发电厂等大型定点来源的CO₂。但是，分散来源的排放量占全球CO₂排放量一半以上。从环境空气中直接捕获CO₂，即“空气捕获(air capture)”，是能够系统化控制分散排放的几种方法之一。因此，尽管空气捕获比从大型点来源捕获更加昂贵，其仍是重要的，因为其主要与从分散来源，例如运输的排放减少相竞争，而要减轻该排放可能非常昂贵。

1.1空气捕获

用碱溶液从大气中吸收二氧化碳已经研究了半个世纪(Spector和Dodge1946，Tepe和Dodge 1943)。Lackner在20世纪90年代后期首次提出大规模洗涤环境空气中的二氧化碳(Lackner等，1999)。在湿法洗涤技术中，CO₂吸收入氢氧化钠(NaOH)溶液，形成氢氧化钠和碳酸钠(Na2CO3)的水溶液。对于该过程，作为使CO₂与氢氧化钠之间接触的系统组件的接触器迄今为止一直是争论的焦点。大型对流塔(Lackner等，1999)和填料洗涤塔(Baciocchi等，2006和Zeman，2007)是最常提出的接触器设计。装备有苏采尔孔板波纹填料(Sulzer Mellapak)的填料塔由Baciocchi等(2006)提出，其使用2M NaOH溶液从空气中吸收CO₂，CO₂入口浓度为500ppm，出口浓度为250ppm。

Stolaroff等(2007)提出的替代策略是产生吸收溶液的细小喷雾以便为流经开放塔的气流提供大表面。该策略可能在小空气压降下操作，并避免填料的资金成本(capital cost)。Stolaroff等(2007)通过估算捕获每单位CO₂所需的成本和能源研究了NaOH喷雾接触器的可行性。水损失(该设计的主要关注点)已得到解决，并发现可通过调整NaOH浓度及空气温度和湿度来控制水损失，即，氢氧化钠浓度越高，水损失越低，例如，在15℃和65％相对湿度时使用约7.2M NaOH，可消除水损失。

常规的洗涤塔可充满整装填料(structured packing)，并且采用与通过所述整装填料的液体排出相对流的气流。

发明内容

本发明公开了一种二氧化碳捕获设施，其包括形成板的填料，和至少一个液体源。所述板有相对的主表面，所述相对的主表面至少部分透风以使风能流过所述填料。所述至少一个液体源定向成引导二氧化碳吸收剂液体进入所述填料以便流过所述板。所述板安置在风流(wind flow)中，该风流和所述相对的主表面之一具有非零入射角。

本发明还公开了一种二氧化碳捕获方法。将二氧化碳吸收液在连续脉冲中施加入填料中。使含有二氧化碳的气体流过填料，从而所述气体中的二氧化碳至少部分吸收入二氧化碳吸收液。所述气体可以连续地流动，即使在液体间歇性流动时。在一些实施方式中，所述液体和气体采取彼此错流(cross-flow)的几何结构流动。对于本说明书，“错流”是指气体流动的方向相对于液体流动的方向正交或垂直。

本发明还公开了一种二氧化碳捕获方法。二氧化碳吸收液采取平均液流方向(mean liquid flow direction)流过填料。使含二氧化碳的气体与平均液流方向倾斜或垂直地流过填料，从而该气体中的二氧化碳至少部分吸收入二氧化碳吸收液。