[发明专利]用于捕获二氧化碳的工艺和系统

说明书

一种用于从包含二氧化碳的气流中吸收二氧化碳的工艺，所述工艺包括使气流与包含被取代的杂芳族化合物的含水组合物接触，所述杂芳族化合物包含六元杂芳环，所述六元杂芳环包含杂芳环中的从1个至3个氮原子和至少一个取代基，其中取代基中的至少一个具有式‑R¹NH₂，其中R¹选自由以下组成的组：C₁至C₆亚烷基和式‑R²‑O‑R³‑的醚，其中R²和R³是C₁至C₃亚烷基。

领域

本发明涉及用于从气流中捕获二氧化碳的工艺和系统。

背景

二氧化碳的排放被认为是温室效应和全球变暖的主要原因。在京都议定书(KyotoProtocol)中，联合国气候变化框架公约(United Nations Framework Convention onClimate Change)已经设定了用于减少温室气体排放的目标。

减少大气CO₂排放的一种方法是通过CO₂的捕获和随后的地质储存。在燃烧后捕获(post combustion capture)中，首先在吸收器中使用合适的溶剂将烟道气体中的CO₂与氮气和残余的氧气分离。然后在被称为汽提(或再生)的工艺中从溶剂中除去CO₂，从而允许溶剂被再利用。然后经汽提的CO₂通过压缩和冷却被液化，此步骤伴随适当的干燥步骤以防止水合物形成。以这种形式的燃烧后捕获适用于多种CO₂来源，包括发电站、钢铁厂、水泥窑、煅烧炉、沼气厂、天然气加工、甲烷重整和冶炼厂。

含水的胺溶液并且特别地烷醇胺溶液已经作为燃烧后CO₂捕获中的溶剂被研究。捕获工艺涉及一系列在水、胺和二氧化碳之间发生的化学反应。胺是弱碱，并且可以经历酸-碱反应。一旦溶解到胺溶液中，含水的CO₂与水和中性形式的胺反应以生成氨基甲酸盐、质子化胺、碳酸(H₂CO₃)、含水碳酸氢根(HCO₃^-)离子和含水碳酸根(CO₃^2-)离子。

CO₂解吸通过加热包含CO₂的含水胺溶液来实现。加热的两个主要效果是降低CO₂在溶液中的物理溶解度，以及降低胺的pKa，导致伴随的pH和CO₂吸收容量(absorptioncapacity)的降低，其净效果(net effect)是CO₂释放。pKa的降低的程度由胺质子化反应的焓来控制，胺质子化反应的焓又由胺化学结构来控制。所有其他反应(包括氨基甲酸盐形成)具有小的反应焓并且对于温度是不敏感的。通常，胺质子化的焓比碳酸盐反应的焓大四倍至八倍，并且比氨基甲酸盐形成的焓大两倍至四倍。正是在加热时pH的降低驱动在解吸期间氨基甲酸盐和碳酸盐/碳酸氢盐形成的逆转，而不是稳定性的任何显著降低。

含水胺溶液的循环容量(cyclic capacity)(α_循环)被定义为通过使吸收剂在低温(α_富)和高温(α_贫)之间循环，每摩尔的胺可以吸收和释放的CO₂的摩尔：α_循环＝α_富-α_贫。就化学而言，该循环容量主要由胺pKa随着温度的变化来控制。该循环容量越大，胺越有效。目前在工业CO₂捕获中使用的30wt％单乙醇胺具有大概α_循环＝0.11(40℃-80℃)的不期望的循环容量。