專利名稱：：通過碳酸鹽水溶液捕獲和電滲析回收CO₂的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本申請涉及碳捕獲和再生，具體而言，涉及基于溶劑的C02捕獲和再生，所述C02產(chǎn)生于供給化石燃料的發(fā)電裝置、煤氣化設(shè)備或其他來源。
背景技術(shù)：
：盡管基于溶劑的捕獲技術(shù)很有前景，但它們并非沒有不足之處。相對于發(fā)電設(shè)備煙道氣提取、煤氣化設(shè)備的預(yù)燃?xì)怏w提取和其他來源中的C02提取之所需而言，捕獲及再生能量效率仍然很低。溶劑成本和系統(tǒng)組成部分的退化也成為令人關(guān)注的問題。此外，還需處理潛在的溶劑和溶劑降解副產(chǎn)物的排放問題。C02的無機(jī)水溶液捕獲法具有某些優(yōu)點(diǎn)，并且應(yīng)用于方法條件允許之處，其產(chǎn)品的價(jià)值也高到可以合理接受其提高的成本的程度。一類具體的無機(jī)水溶液法凈皮稱為Benfield高溫KC03水溶液捕獲系統(tǒng)。該方法在不希望使用有機(jī)溶劑且成本亦不成為問題時(shí)很適宜。Benfield系統(tǒng)是天然氣和煉油工業(yè)中為除去C02所常用的溶劑捕獲技術(shù)之一。雖然Benfield系統(tǒng)教導(dǎo)的C02的水溶液捕獲快速高效，但再生過程所耗費(fèi)的能量很高，并且需要對進(jìn)氣流進(jìn)行加壓，這就使其在煙道氣捕獲方面不那么有吸引力。因此，需要其他更有效的水性溶劑再生系統(tǒng)和方法。C02的水溶液捕獲領(lǐng)域中的一個(gè)特別創(chuàng)新是使用了雙極性膜電滲析(BPMED)，它已被用于酸/堿回收和/或其他的廢物流處理。BPMED利用了以下原理水在外電場的存在下自然解離成氫氧根和水合氫離子從而產(chǎn)生彼此獨(dú)立的酸性水液流和堿性水液流。根據(jù)出版物Nagasawa,H，Yamasaki，A"Yanagisawa，Y,NETL-SixthAnnualConferenceonCarbonCapture&Sequestration(2007),Nagasawa等人已對BPMED'用于回收煙道氣中的C02進(jìn)行了研究，上述出版物通過援引的方式全文納入說明書。所示圖1為一個(gè)利用例如Nagasawa等人提出的電滲析系統(tǒng)和方法從堿金屬碳酸鹽溶液中回收C02和堿溶液的系統(tǒng)100。根據(jù)圖1的系統(tǒng)實(shí)施電滲析C02回收方法時(shí)，堿金屬碳酸鹽(M2C03)水溶液與氣相中的C02相接觸時(shí)發(fā)生以下反應(yīng)C02+H20eH2C03(1)H2C03&H++HC03_(2)HC03-eH++C032-(3)升高溫度或者向系統(tǒng)中加入質(zhì)子(即減小pH)可使該平衡向左側(cè)移動(dòng)，從而增加C02分壓。前一種機(jī)制對應(yīng)于從碳酸鹽溶液中回收C02的熱回收法。而將要描述的方法對應(yīng)于后一種機(jī)制。具體而言，通過解離水分子(如下所示)可提供質(zhì)子，H20oH++Otf(4)在能夠回收C02之前，需將質(zhì)子與氫氧根離子分離，然后將其供給加料溶液。在此之后，為了保持溶液電中性，應(yīng)除去加料溶液中的堿金屬離子。除去的氫氧根離子和堿金屬離子將形成可重復(fù)用于C02吸收的堿性溶液。為實(shí)現(xiàn)上述過程，如圖1的系統(tǒng)100所示，堿池102和加料池104夾在兩個(gè)雙極性膜106、108和一個(gè)陽離子交換膜110之間。雙極性膜106、108的另一側(cè)分別與陰極池112和陽極池114相接觸，其中電極116、118被插入相應(yīng)的電解質(zhì)溶液120、122中。將碳酸鹽堿溶液124從進(jìn)料池104加入，具有與堿溶液124相同陽離子的電解質(zhì)溶液126從堿池102加入。128示出了C02釋放。陽離子交換膜為一類專門轉(zhuǎn)運(yùn)陽離子的離子交換膜。雙極性膜具有陽離子交換層和陰離子交換層(未分別示出)的雙層層狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)通過電源(未示出)向電極116、118施加大于水的電滲析分解電壓的電勢差時(shí)，雙極性膜108將水分子分成成對的質(zhì)子(H+)和氫氧根離子(OH-)。生成的質(zhì)子順電勢差被轉(zhuǎn)運(yùn)到加料池104。同時(shí)，加料池104中的堿金屬離子(M+)通過陽離子交換膜110被轉(zhuǎn)運(yùn)到堿池102中。因此，加料溶液的pH降低，溶液根據(jù)以下原理生成C02氣體c032-+h+—hccv(3')hc03+h+—h2c03(2')h2c03—c02t+h2o(r)另一方面，與堿池102接觸的雙極性膜106向堿池提供氬氧根離子(OH-)，其中堿溶液借助從加料池104轉(zhuǎn)運(yùn)而來的堿金屬離子(M+)而得到再生。再生的堿溶液可重復(fù)用于廢氣中C02的捕獲。電滲析為潛在的節(jié)能方法，因?yàn)樗稍诮谱钚崃W(xué)能量消耗下進(jìn)行。然而，該方法效率將由于電極池中的電解過程而顯著降低。例如，在透析池電極末端，一部分電力將被消耗用于產(chǎn)生氧氣和氫氣。然而，增加兩個(gè)電極之間的加料池和堿池對的數(shù)目將減少電解中分散的能量消耗并提高該方法的效率。更具體而言，不論兩個(gè)電極間的加料池和堿池對的數(shù)目如何，在恒定電流下電解損耗的電力(在電極末端形成112和02)恒定。增加堿池和加料池對，將減少每個(gè)池電解的能量消耗。然而，Nagasawa等人所述的系統(tǒng)存在不足之處。使用BPMED技術(shù)回收C02的障礙有操作上的考慮(例如池中C02逸出)所致的系統(tǒng)在物理方面退化的可能，以及投資成本和運(yùn)4亍成本，例如未控制的系統(tǒng)pH所致的能量成本。這些不足并不是根本性問題，因此有利地考慮對現(xiàn)有構(gòu)思進(jìn)行改進(jìn)以克服碳酸鹽/碳酸氫鹽提取和C02濃縮方面的局限性。
發(fā)明內(nèi)容一種用于回收C02的系統(tǒng)和方法，包括含捕獲溶液的水溶液捕獲裝置。所述水溶液捕獲裝置被設(shè)置成用于接收氣體和從該氣體中捕獲至少含C02的成分。與所述捕獲裝置可操作連接的電滲析單元對至少含C02的捕獲溶液進(jìn)行電滲析操作，其中由所述至少含C02的捕獲溶液形成富含C02的生產(chǎn)液流和再生的捕獲溶液。所述富含C02的生產(chǎn)液流為一種在電滲析單元中處于能將C02基本上維持在所述富含C02的生產(chǎn)液流中的壓強(qiáng)下的加壓生產(chǎn)液流。在另一個(gè)供選方案中，至少所述捕獲液流的pH受到控制。圖1為表示用電滲析方法從堿固定溶液中回收C02和堿溶液的回收系統(tǒng)的示意框圖2為包含本申請構(gòu)思的方法流程示意圖3示出了可用于圖2系統(tǒng)的三層雙極性膜電滲析層疊；和圖4示出了另一個(gè)可用于圖2系統(tǒng)的構(gòu)思的雙層池構(gòu)造雙極性膜電滲析層疊；和圖5為包含例如圖3和4所述池的雙極性膜層疊。具體實(shí)施例方式在一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種回收C02的系統(tǒng)，包括一個(gè)含捕獲溶液的水溶液捕獲裝置，所述水溶液捕獲裝置被設(shè)置成用于接收氣體和從該氣體中捕獲至少含C02的成分；和一個(gè)與所述捕獲裝置可操作連接的對所述至少含C02的捕獲溶液進(jìn)行電滲析操作的電滲析單元，其中由所述至少含C02的捕獲溶液形成富含C02的生產(chǎn)液流和再生捕獲溶液，所述再生捕獲溶液被輸送回所述水溶液捕獲裝置，所述富含C02的生產(chǎn)液流為一種在電滲析單元中處于能將C02基本上維持在所述富含C02的生產(chǎn)液流中的壓強(qiáng)下的加壓生產(chǎn)液流。在一些實(shí)施方案中，上述系統(tǒng)還可包括用于監(jiān)測所述系統(tǒng)pH的監(jiān)測儀；進(jìn)一步地，上述系統(tǒng)還包括一個(gè)根據(jù)該監(jiān)測儀提供的信號控制所述捕獲溶液的流速的控制器。在一些實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)中的電滲析單元可為雙極性膜電滲析單元。另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種回收C02的方法，包括在一個(gè)水溶液捕獲裝置中接收氣體；通過所述水溶液捕獲裝置中的捕獲溶液捕獲至少部分的至少含C02的氣體；和通過一個(gè)電滲析單元對所述捕獲溶液進(jìn)行電滲析操作，其中由所述至少含C02的捕獲溶液產(chǎn)生富含C02的生產(chǎn)液流和再生捕獲溶液，所述富含C02的生產(chǎn)液流為一種在電滲析單元中處于能將C02基本上維持在所述富含C02的生產(chǎn)液流中的壓強(qiáng)下的加壓生產(chǎn)液流。在一些實(shí)施方案中，上述方法還可包括將所述再生捕獲溶液輸送回水溶液捕獲裝置，所述再生捕獲溶液基本上被去除C02;通過氣體釋出/分離罐對富含C02的生產(chǎn)液流至少部分地減壓以從所述生產(chǎn)液流中7除去C02;和將去除了C02的生產(chǎn)液流輸送回并通過電滲析單元。進(jìn)一步地，在電滲析單元處理所述富含C02的生產(chǎn)液流時(shí)，所述捕獲溶液有利地被施以可足以基本上消除C02從富含C02的生產(chǎn)液流中的逸出的壓力。在一些實(shí)施方案中，所述方法還可包括，在用電滲析單元對捕獲溶液進(jìn)行操作前至少控制所述捕獲溶液的pH。有利地，電滲析單元中的捕獲溶液生產(chǎn)液流的pH可為8至10;富含C02的生產(chǎn)液流的壓強(qiáng)可為2-200個(gè)大氣壓。在一些實(shí)施方案中，所述方法還可包括在電滲析單元內(nèi)提供一種緩沖生產(chǎn)液流。再一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種回收C02的方法，包括在一個(gè)水溶液捕獲裝置中接收氣體；通過所述水溶液捕獲裝置中的捕獲溶液捕獲至少部分的至少含C02的氣體；通過一個(gè)電滲析單元對所述捕獲溶液進(jìn)行電滲析操作，其中由所述捕獲溶液產(chǎn)生富含C02的生產(chǎn)液流和再生捕獲溶液；和在所述電滲析單元對所述捕獲液流進(jìn)行操作前至少控制所述捕獲液流的pH。在一些實(shí)施方案中，該方法還可包括將所述再生捕獲溶液輸送回水溶液捕獲裝置，所述再生捕獲溶液被基本上去除C02;除去所述富含C02的生產(chǎn)液流中的C02;和將去除了C02的生產(chǎn)液流輸送回并通過電滲析單元。在該方法的一些實(shí)施方案中，所述富含C02的生產(chǎn)液流可為一種在所述電滲析單元中處于能將C02基本上維持在所述富含C02的生產(chǎn)液流中的壓強(qiáng)下的加壓生產(chǎn)液流。此時(shí)，除去富含C02的生產(chǎn)液流中的co2的步驟可有利地包括對所述富含C02的生產(chǎn)液流至少部分地減壓。富含C02的生產(chǎn)液流的壓強(qiáng)可有利地為2-200個(gè)大氣壓。并且，有利地，在電滲析單元處理富含C02的生產(chǎn)液流時(shí)，所述捕獲溶液被施以可足以基本上消除C02從富含C02的生產(chǎn)液流中的逸出的壓力。在該方法的一些實(shí)施方案中，電滲析單元中捕獲液流的生產(chǎn)液流的pH可有利地為8至10。在一些實(shí)施方案中，所述方法可進(jìn)一步包括在電滲析單元內(nèi)提供一種緩沖生產(chǎn)液流。I)系統(tǒng)方法流程現(xiàn)參照圖2，該圖所示為包含本申請構(gòu)思的示意方法流程200，它例如可克服諸如圖1所示系統(tǒng)的缺點(diǎn)。更具體而言，圖2為一個(gè)閉環(huán)的水溶液捕獲高壓雙極性膜電滲析再生系統(tǒng)。應(yīng)理解，雖然圖2示出了包含本申請構(gòu)思的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案，所公開的構(gòu)思同樣適于并且可用于具有非圖2所示的組成部分和流程的系統(tǒng)。此外，盡管該部分引入了本申請的構(gòu)思，但隨后的部分中可對所引入的構(gòu)思予以擴(kuò)展。首先，來自產(chǎn)生C02的裝置204的空氣和/或其他氣體202在環(huán)境條件下即在與入口空氣和/或氣體相同的條件下通過水溶液捕獲裝置例如噴霧塔206。本領(lǐng)域公知，可進(jìn)行任選的、除去環(huán)境污染物例如S02，Hg，NOx和固體顆粒(煙塵)的氣體預(yù)處理(圖2未示出)。噴霧塔206由10%-50%K2C03/KHC03水溶液逆流組成，其中捕獲溶液208收集于罐210中。捕獲溶液在此處捕獲并包含入煙道氣和/或大氣空氣中所含的組分，該組分至少含C02。從噴霧塔206排出的固體212得到分離并從捕獲溶液208中移除。此后，含煙道氣和/或空氣的剩余組分的捕獲溶液208被泵入離子交換裝置214中，所述離子交換例如為二價(jià)陽離子交換，其中二價(jià)陽離子被除去。在實(shí)施方案中，也可除去三價(jià)或者更高價(jià)的多價(jià)離子。通過該操作除去可能對透析膜材料有害的多價(jià)陽離子。然后，通過加壓泵216將捕獲溶液208加壓至2-200個(gè)大氣壓，并將該溶液導(dǎo)入雙極性膜電滲析單元218中。該系統(tǒng)在此處控制捕獲溶液的pH，從而使捕獲溶液在進(jìn)入電滲析單元前具有已知的pH。在電滲析單元218(在一些實(shí)施方案中，它可被構(gòu)建成對應(yīng)于圖3、4和5的結(jié)構(gòu))中，通過電滲析對捕獲溶液208部分脫除碳酸氫鹽。該碳酸氫鹽被轉(zhuǎn)移至經(jīng)緩沖的富含C02的生產(chǎn)液流220中，其具有約3.0至4.0的恒定pH。該富含C02的高壓生產(chǎn)液流220通過P調(diào)節(jié)器222被轉(zhuǎn)移至氣體釋出/分離罐224中，其中罐224的壓強(qiáng)隨著C02的釋放而降低。之后，用冷凝器226除去釋出的C02中的水蒸汽。隨后，對0)2加壓至約2000PSI，該C02即可用于儲存和/或運(yùn)輸。在一些實(shí)施方案中，可能并不需要冷凝溶液，而有利地只是形成碳酸鹽溶液，并將其運(yùn)輸儲存或保管。此外，在實(shí)施方案中，應(yīng)理解，所述富含C02的生產(chǎn)液流應(yīng)理解為其C02濃度為捕獲液流中溶解的C02濃度的至少兩倍。將現(xiàn)除去C02的生產(chǎn)液流228通過再次加壓泵230和熱交換器232返回至電滲析單元218中，而再生的K2C03/KHC03煙道氣捕獲溶液234通過P調(diào)節(jié)器236返回至噴霧塔206中。富含C02的生產(chǎn)液流220和捕獲溶液208在電滲析單元218中保持彼此分離。應(yīng)理解，如本文所使用的，所述的除去、部分除去和/或基本上除去再生的捕獲溶液中的C02意為從C02產(chǎn)生裝置204(或其他來源)生成的空氣和/或其他氣體202中除去的C02的量高到足以達(dá)到所需的C02去除量。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)從空氣和/或其他氣體202中除去10%或更多C02時(shí)，即可達(dá)到所需的C02去除量。如此處所述，亦如隨后部分中所展開的，本發(fā)明系統(tǒng)的一個(gè)具體方面為向捕獲溶液施加壓力并控制系統(tǒng)pH值。關(guān)于pH的控制，現(xiàn)有的其他領(lǐng)域中的雙極性膜電滲析(BPMED)系統(tǒng)的實(shí)施通常是在沒有控制pH的情況下進(jìn)行。由于雙極性膜電滲析系統(tǒng)很容易產(chǎn)生酸和堿，如果不對其進(jìn)行調(diào)控，該系統(tǒng)的酸側(cè)的pH將會在很短時(shí)間內(nèi)基本上降到1或0，堿側(cè)也會形成堿性很強(qiáng)的環(huán)境。因此，在一個(gè)未受調(diào)控的系統(tǒng)內(nèi)可很快出現(xiàn)例如14的pH差異。這種情況是在用BPMED進(jìn)行C02回收時(shí)特別不想出現(xiàn)的，原因是，如此高的pH差異會增加進(jìn)行電滲析方法所必須使用的能量。為解決該問題，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法實(shí)行對pH值的監(jiān)測和控制。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，系統(tǒng)200包括探測該過程中多種特征的監(jiān)測儀。例如，C02監(jiān)測儀238檢測進(jìn)入噴霧塔206的C02的量，pH監(jiān)測儀240檢測從噴霧塔206排出的捕獲溶液208的pH值。該系統(tǒng)借助監(jiān)測儀238和240的讀數(shù)調(diào)節(jié)方法操作以確保維持所需的pH值。例如，根據(jù)接收到噴霧塔206中的C02的量，可增大或減小捕獲溶液的流速。本領(lǐng)域中已公知，可通過多種不同機(jī)制增大和/或減小生產(chǎn)液流的流速。在一個(gè)實(shí)施方案中，P調(diào)節(jié)器236被置于與控制器242可操作連接的位置，控制器242也可接收監(jiān)測儀238、239和240中至少一個(gè)的信號?；趶谋O(jiān)測儀238和240接收的信息，控制器242調(diào)節(jié)P調(diào)節(jié)器236的工作狀態(tài)從而增大和/減小進(jìn)入噴霧塔206中的再生捕獲溶液234的液流。該信號可通過任何已知方式例如電路連接和/或無線連接進(jìn)行傳遞。例如，在該圖中，示出控制器242與P調(diào)節(jié)器236電路連接，而監(jiān)測儀238、239和240以及控制器242之間為無線通訊。當(dāng)然應(yīng)理解，以上所述的只是系統(tǒng)200中如何監(jiān)測和控制pH的一10個(gè)實(shí)施方案，其他監(jiān)測儀和控制方法也可使用于其中。例如，在另一個(gè)實(shí)施方案中，如果根據(jù)來自噴霧塔的捕獲溶液的pH確定需要加入額外的捕獲溶液，則可在捕獲溶液208離開噴霧塔后，例如在捕獲溶液208進(jìn)入離子交換裝置214前，向該捕獲溶液208液流中加入(例如碳酸鉀的)補(bǔ)充液流244。在又一個(gè)實(shí)施方案中，來自P調(diào)節(jié)器236的再生液流可通過合適的閥裝置由噴霧塔206轉(zhuǎn)向捕獲溶液208，如虛線246所示。再次說明，這些僅為如何將pH維持在所需水平的一些實(shí)例，其他這里未提及的實(shí)例也可使用。II)噴霧塔吸收現(xiàn)深入討論C02的捕獲，對于在純的以及被促進(jìn)的碳酸鹽/碳酸氫鹽水溶液中的這類捕獲已有近IOO年的研究歷史。未經(jīng)促進(jìn)的以及得到促進(jìn)的捕獲反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和能量學(xué)已廣為人知，并且已在Tseng,P.C.，Ho，W.S.，Savage,D.W.，AIChEJournalVol.34，No.6(1988)922-931.(和其中所引的參考文獻(xiàn))和Lee，Y.，Noble,R.D.，Yeomb，B.Y.，Park,Y.I.，Lee，K.H.，JournalofMembraneScience194(2001)57-67詳細(xì)描述，所述文獻(xiàn)的每一篇均通過引用的方式全文納入本文。因此，與例如本申請等所述的系統(tǒng)有關(guān)的稀溶液的純粹的水動(dòng)力學(xué)和能量學(xué)在下表l中示出表lC02水溶液吸收的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>還應(yīng)理解，雖然圖2使用噴霧塔進(jìn)行水溶液捕獲，但可使用許多其他已知的水溶液捕獲裝置和方法，包括但不限于填料塔、文丘里滌氣器和中空纖維膜等等。盡管通常在封閉系統(tǒng)中使用可防止溶劑損失的促進(jìn)劑，但純粹的碳酸鹽水溶液捕獲在能允許碳酸鹽溶劑的低C02負(fù)載的情況下特別可行。組分和液流的流速和大小根據(jù)裝置類型和具體結(jié)構(gòu)而定；但碳酸鹽捕獲的流速在大型的氣體/液體裝置可接受的范圍內(nèi)。例如圖2所示的系統(tǒng)中的溶劑(水)損失保持在最低程度。對于煙道氣捕獲，煙道氣流的高露點(diǎn)可使蒸發(fā)損失保持在最小程度。由于BPMED再生對于二價(jià)粒子例如Ca"敏感，可對噴霧塔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制以限制它們的溶解。具體而言，可能需要合適的塔內(nèi)聚合物涂層和其他流體處理組成部分。III)高壓雙極性膜電滲析再生如上所述，借助于電滲析的碳酸鹽/碳酸氫鹽液流的再生已在實(shí)驗(yàn)室水平上得到證實(shí)。除了前述的Nagasawa，"a/.，還可參見Chlanda，F(xiàn).P.，Mani，K.N.，"ElectrodialyticWaterSplittingProcessforGaseousProducts,"美國專利4592817，1986年6月；Chlanda，F(xiàn).P.，Mani，K.N.，"ProcessforRecoveringSodiumCarbonatefromTronaandOtherMixturesofSodiumCarbonateandSodiumBicarbonate,"美國專利4584077，1986年4月；以及Chlanda,F.P.，Mani，K.N.，"SolutionMiningofSodiumMineralswithAcidsGeneratedbyElectrodialyticWaterSplitting,"美國專利4636289，1987年1月，上述每一篇文獻(xiàn)均通過援引的方式全文納入本文。這些現(xiàn)有方法的缺陷包括，由于捕獲溶液中C02釋放引起膜層疊結(jié)構(gòu)內(nèi)形成氣泡所致的膜退化。該膜層疊結(jié)構(gòu)中的氣泡形成導(dǎo)致電流聚集和局部發(fā)熱。此外，溶液的低電導(dǎo)率和生產(chǎn)液流的混合不均會導(dǎo)致膜層疊結(jié)構(gòu)內(nèi)的內(nèi)阻很高、電勢尤其高以及效率降低。膜層疊結(jié)構(gòu)體可通過商業(yè)途徑購得，它們通常為約1mxlm的以平方米為單位的薄片，其中膜間距約為lmm，或者如果可能甚至更小。由于氣泡容易阻滯可產(chǎn)生離子電流的離子轉(zhuǎn)移，因此氣泡的形成會導(dǎo)致膜層疊結(jié)構(gòu)的退化和破壞。因此，由于氣泡形成，離子電流就趨向繞過氣泡而不釆用所希望的電流路徑，從而導(dǎo)致膜局部發(fā)熱，最終將膜破壞。并且，在這類層疊結(jié)構(gòu)中還不能快速高效地除去氣泡。為應(yīng)對這一狀況，本申請?jiān)诟邏合峦瓿稍摲椒ǖ闹饕糠?。具體而言，已知C02可溶于水，并且壓強(qiáng)越高其溶解量越多。因此，通過在2個(gè)大氣壓以上，以及在2-200個(gè)大氣壓范圍內(nèi)，優(yōu)選在30個(gè)大氣壓或更高壓強(qiáng)下進(jìn)行透析操作，可基本上抑制膜層疊結(jié)構(gòu)中C02氣泡形成，從而將C02基本維持在富含C02的生產(chǎn)液流中，這就意味著層疊結(jié)構(gòu)中的C02氣體形成被降到最低水平或者被消除。該壓強(qiáng)為流體靜壓強(qiáng)，因此仍會發(fā)生電滲析反應(yīng)(即，C02進(jìn)入膜層疊結(jié)構(gòu)并被酸化)，但只要C02濃度保持在形成氣泡的閾值水平或高于該水平，它就仍會維持在溶液形式中。這與使蘇打水處于壓力條件下時(shí)維持蘇打水的碳酸化作用類似。因此，將膜層疊結(jié)構(gòu)的壓強(qiáng)維持在較高水平，并且只在膜層疊結(jié)構(gòu)下游降低該方法的壓強(qiáng)。之后，捕獲溶液就會逐漸冒泡，C02從捕獲溶液液流中逸出。對于圖2的系統(tǒng)200的討論，已經(jīng)描述了使用加壓泵216提供壓力。應(yīng)理解，這只是所述系統(tǒng)中進(jìn)行加壓的一種設(shè)置和/或方式。或者，水溶液捕獲裝置自身可被加壓或者可在不同于加壓泵216的位置上提供加壓源。再者，盡管已經(jīng)描述了可對捕獲液流施加壓強(qiáng)，但本文所述的構(gòu)思是關(guān)于將C02維持在溶液中。因此，本發(fā)明的構(gòu)思也可表述為指出所述富含C02的生產(chǎn)液流為一種處于能將C02基本上維持在所述富含C02的生產(chǎn)液流中的壓強(qiáng)下的加壓生產(chǎn)液流。這一表述強(qiáng)調(diào)，不論如何對系統(tǒng)施加壓力，為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的有益效果，C02被維持在系統(tǒng)中的溶液狀態(tài)下。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，需應(yīng)用于所述富含C02的生產(chǎn)液流以確保將C02基本上維持在所述富含C02的生產(chǎn)液流中的壓強(qiáng)最小閾值比該壓強(qiáng)計(jì)算值高5%。在一些實(shí)施方案中，向所述富含C02的生產(chǎn)液流施加該壓強(qiáng)是通過向捕獲溶液施加壓強(qiáng)而實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，如果一個(gè)系統(tǒng)能夠以更準(zhǔn)確的方式調(diào)控該系統(tǒng)的壓強(qiáng)，則其最小值可更接近計(jì)算值。先前述及的本申請的另一方面是需要對系統(tǒng)pH進(jìn)行控制。通過控制系統(tǒng)pH來實(shí)現(xiàn)更加能量有效的再生。pH問題涉及熱力學(xué)問題。具體而言，雙極性膜通過水分解而產(chǎn)生酸和堿。電滲析層疊結(jié)構(gòu)利用了水的天然解離并驅(qū)使氫氧根陰離子向陽極移動(dòng)，驅(qū)使水合質(zhì)子陽離子穿過雙極性膜的陽離子交換部分向陰極移動(dòng)。與該過程有關(guān)的能量與跨雙極性膜的pH差直接相關(guān)。例如，如果陽離子側(cè)pH為7并且陰離子側(cè)的pH也為7，則將一個(gè)質(zhì)子從一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)至另一側(cè)(即，從膜的中部至陽離子側(cè)，或者對于氫氧根而言，轉(zhuǎn)運(yùn)至另一側(cè))所需的能量增量無窮小。然而，如果出現(xiàn)一側(cè)pH為0而另一側(cè)pH為14的情形，進(jìn)行該過程所需的能量就要高得多。例如，如果兩側(cè)的差值為pH14,則當(dāng)乘以0.06(由于分解水所需的每一側(cè)的每一個(gè)pH單位的電壓差為0.05至0.06)時(shí)，進(jìn)行該過程需要約略小于1伏的電壓(或者14x0.06=0.84v)。在現(xiàn)有的系統(tǒng)中，由于PH未得到控制，通常膜層疊結(jié)構(gòu)中每個(gè)雙極性膜需要略小于約1伏的最小電壓。由于這些膜層疊結(jié)構(gòu)可具有一百(100)個(gè)或更多的雙極性膜，這就需要大量能量。因此，上述討論說明了將膜兩側(cè)pH調(diào)控為所用濃度所需的pH的益處。在酸側(cè)，pH控制依賴于氣體逸出時(shí)壓強(qiáng)。因此，需要將pH保持在剛好高于C02從溶液中逸出時(shí)的水平(參見表II的示例值)。由此，該系統(tǒng)可使用該過程所需的最小能量。作為部分從表11得出的實(shí)例，在一種情況中，控制將pH降至約3或者稍高一些，并且在堿側(cè)，pH將為約pHll,由此產(chǎn)生約為8的pH差。應(yīng)理解，所需電壓與pH差成線性正比例。因此，pH差由14降為7或8時(shí)將會使所需電壓從略小于l伏降至約0.5伏，這樣就使得在既定電流下運(yùn)行該過程所需的能量(電壓x電流)幾乎減半。再次說明，這是僅僅一個(gè)膜時(shí)的情形，而每個(gè)層疊結(jié)構(gòu)可含一百個(gè)或者更多個(gè)這樣的膜。將該溶液用作緩沖溶液也是有用的，因?yàn)榭赡軙霈F(xiàn)局部pH變得非常低或者非常高的情況。因此，盡管溶液整體上可能具有所需的pH，但如果溶液未混合均勻并且緩沖容量非常小，則可能存在局部pH較高或較低的區(qū)域，為克服局部pH的問題，仍須如之前一樣花費(fèi)額外的能量。因此，擁有較高的緩沖容量將pH維持在所需水平會非常有益。改善該系統(tǒng)的工作情況的另一方面是確保溶液的流速或者流速的性質(zhì)被優(yōu)化到能最大程度地混合以避免較高或較低的局部pH。小的緩沖分子由于易于混合會很有利，它們將會盡可能減小膜表面的邊界層。因此，本申請描述了一種通過在適宜電流密度時(shí)使用較低電壓、同時(shí)限制膜層疊結(jié)構(gòu)中的氣體逸出而實(shí)現(xiàn)高效溶劑再生的方法和系統(tǒng)。下面繼續(xù)關(guān)注高壓雙極性膜電滲析再生，現(xiàn)參照圖3，圖3是一個(gè)被設(shè)計(jì)用于應(yīng)對高壓的市售三層雙極性膜電滲析膜池裝置300的示意圖，該裝置可被納入一個(gè)例如圖5所示的更大的膜池層疊結(jié)構(gòu)500構(gòu)造中。這類膜池裝置層疊結(jié)構(gòu)可用于從含鹽廢液流中回收酸和堿。雖然它們在物理形態(tài)上與形成于膜池層疊結(jié)構(gòu)中的市售膜基本相似，但它們在化學(xué)方面不盡相同，因?yàn)楸幻摮鼵02的捕獲溶液中含緩沖劑，而緩沖劑是在整個(gè)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)的化學(xué)物質(zhì)。因此層疊結(jié)構(gòu)(例如圖5所示)在進(jìn)行電滲析過程前得到緩沖以確保適當(dāng)?shù)谋榧俺潭取D3的膜池裝置300的結(jié)構(gòu)與圖l所示的膜類似，只是存在附加的結(jié)構(gòu)，該膜池裝置300由陰離子交換膜304、陽離子交換膜306和雙極性膜308組成。代表電源的陽極310和陰極312供給的電流穿過層疊結(jié)構(gòu)300傳遞，當(dāng)用于層疊結(jié)構(gòu)500時(shí)，則是跨過許多個(gè)重復(fù)的透析膜池裝置300單元傳遞。多個(gè)(包括一百個(gè)或更多個(gè))重復(fù)膜池單元可設(shè)置在單個(gè)透析膜層疊結(jié)構(gòu)內(nèi)。借此，在終端電極(即陽極310、陰極312)上只有1-2%或者更少的總電勢被消耗形成112和02。生成的&和02的價(jià)值包含在具體的成本分析中。每個(gè)陰離子交換膜304和陽離子交換膜306之間引入含鹽液流MX(例如KHC03或K2C03),其中產(chǎn)生的池中電勢驅(qū)使離子跨過各自的轉(zhuǎn)運(yùn)層轉(zhuǎn)運(yùn)。雙極性膜層表面被提供水合氫離子和氫氧根離子，從而分別生成酸性和堿性產(chǎn)物流HX和MOH。該過程已被證明在許多應(yīng)用中具有高電流效率，單位池電勢與理論值接近，參見H,g，C.，Xu，T.，Zhang，Y.，Xue，Y.，Chen，G.，JournalofMembraneScience288(1-2)，(2007),1-12頁，該文獻(xiàn)通過援引的方式全文納入本^L明書。圖4示出具有不同于圖3的膜池裝置300的另一種池結(jié)構(gòu)的用于本申請的方法和系統(tǒng)的膜池裝置400。膜池裝置400的設(shè)計(jì)為雙極性膜404位于陰離子交換膜406兩側(cè)的形式。被設(shè)計(jì)為該形式的多個(gè)(例如，在一個(gè)實(shí)施方案中包括一百個(gè)或更多個(gè))重復(fù)膜池裝置可被安置在單個(gè)透析膜層疊結(jié)構(gòu)例如層疊結(jié)構(gòu)500中，陽極408和陰極410代表電源。當(dāng)圖3和圖4的裝置用于例如圖2所示的系統(tǒng)中時(shí)，在所述裝置中，從噴霧塔獲得碳酸氫鉀/碳酸鉀溶液，對其加壓以抑制C02氣泡形成，并將其以鹽MX形式注入膜池裝置(300、400)。該碳酸氫鹽/碳酸鹽跨過陰離子交換層(304、406)轉(zhuǎn)運(yùn)至被緩沖為pH3-4的排出生產(chǎn)液流中。緩沖通過組分濃度以及維持足夠的流速而得以維持。碳酸氫鹽/碳酸鹽C02捕獲溶液通過來自雙極性膜的氫氧根離子流而再生，同時(shí)排出的富含C02的生產(chǎn)液流(圖中為HX液流)吸收水合氫離子流。捕獲溶液被緩沖以防止由于存在大量碳酸氫根離子而使pH過度升高(pH8-10)。任選地，用酸性緩沖液以及通過維持足夠流速來調(diào)控該富含C02的生產(chǎn)液流的pH，從而防止pH過低(目標(biāo)值約pH3-4)。再生的捕獲液流返回噴霧塔，而C02生產(chǎn)液流被輸送至氣體釋出和分離罐。氣體釋出和分離罐的壓強(qiáng)被略微降低(但仍高于大氣壓)以使C02逸出。從該罐中獲得C02，將其干燥和壓縮進(jìn)一步用于運(yùn)輸和儲存。使被去除C02的生產(chǎn)液流返回并泵送通過膜層疊結(jié)構(gòu)以重復(fù)該循環(huán)。對包括捕獲溶液和其他生產(chǎn)液流在內(nèi)的生產(chǎn)液流的pH的持續(xù)監(jiān)測確保了在電滲析中只需要最小的電勢，由此使得能量效率最大化。IV)系統(tǒng)性能和操作不同于傳統(tǒng)溶劑系統(tǒng)，基于水的碳酸鹽吸收和BPMED再生不需要由生產(chǎn)液流再生溶劑，它們也不易于發(fā)生溶劑損失。溶劑(水和碳酸氯鹽)價(jià)廉，在工作條件下極其穩(wěn)定，并且毒性低。在環(huán)境溫度和壓強(qiáng)下的碳捕獲切實(shí)可行，盡管熱的煙道氣或加壓的氣流(已存在)所致的稍稍升高的溫度可能會有利。污染物例如H2S、S02和N0,在碳捕獲噴霧塔中一定程度上會被水解，并且將會進(jìn)入碳捕獲排出液流。這些陰離子污染物可降低可能需要補(bǔ)給溶劑的碳捕獲塔的容量。通過根據(jù)具體的安裝特性提供合適的膜工作條件和過程控制來控制再生成本。所需的再生電力是電滲析中電流利用率和池電勢的函數(shù)。在BPMED中，根據(jù)工作條件，電流利用率可為80%-90%。對于涉及跨雙極膜的水分解的反應(yīng)，較高固定電荷的理論膜電勢與濃度梯度有關(guān)。這一觀點(diǎn)在例如Ramirez,P，Mafe，S，Manzanares，JA，Pellicer，J.，JElectroanalChem1996;404:187;和Alcaraz，A.etal.Polymer41(2000)6627-663中有論述，上述每一篇文獻(xiàn)均通過援引的方式全文納入本說明書，其中，該觀點(diǎn)可以如下方式示例<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>(5)或者，在室溫下相當(dāng)于0M=(O.OS91O,(6)其中，在第一個(gè)方程(5)中，R為氣體常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，F(xiàn)為法拉第(Faraday)常數(shù)，在第二個(gè)方程(6)中，ApH為跨雙極性膜的pH差。通常，在雙極性膜電滲析中，水合氫離子和氫氧根離子濃度接近單位活性。這就導(dǎo)致pH差大于14、池電勢約為1V或者更高，以及電力消耗較高。然而，如上述方程中所見，如果對溶液的pH進(jìn)行調(diào)控，池電勢可降低。表II.002飽和溶液的選定的pH值和壓強(qiáng)<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>如果使用BPMED進(jìn)行碳酸氫鹽/碳酸鹽液流的再生，該系統(tǒng)將在C02近飽和條件下工作。表11示出了飽和C02溶液的pH和壓強(qiáng)之間的關(guān)系。在工作壓強(qiáng)升高的條件下，碳酸鹽溶液的pH將在3-4范圍內(nèi)。碳酸鹽/碳酸氫鹽C02捕獲液流的pH將會在捕獲速度和對溶液緩沖以使透析池中的HCO3—多于CO廣所需的pH之間取得一個(gè)平衡。對于一種系統(tǒng)能量效率被最優(yōu)化的情形，捕獲液流的pH約為8-9。在這種情況中，池將在約0.23-0.35V的電勢下工作。然而應(yīng)理解，可控制捕獲溶液使其酸性更強(qiáng)或堿性更強(qiáng)。例如，可將捕獲液流的pH控制在10-12。對于這種情形，捕獲速度可以更高，噴霧塔可更小，但再生能量則需要更高。V)系統(tǒng)容量和投資系統(tǒng)容量受到噴霧塔吸收系統(tǒng)和BPMED池層疊結(jié)構(gòu)中有效膜面積的限制。對電解液的電導(dǎo)率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)控，則在這類系統(tǒng)中可采用50-100inA/cm2的電流密度。權(quán)利要求1.一種回收CO2的系統(tǒng)，包括一個(gè)含捕獲溶液的水溶液捕獲裝置，所述水溶液捕獲裝置被設(shè)置成用于接收氣體和從該氣體中捕獲至少含CO2的成分；和一個(gè)與所述捕獲裝置可操作連接的對所述至少含CO2的捕獲溶液進(jìn)行電滲析操作的電滲析單元，其中由所述至少含CO2的捕獲溶液形成富含CO2的生產(chǎn)液流和再生捕獲溶液，所述再生捕獲溶液被輸送回所述水溶液捕獲裝置，所述富含CO2的生產(chǎn)液流為一種在電滲析單元中處于能將CO2基本上維持在所述富含CO2的生產(chǎn)液流中的壓強(qiáng)下的加壓生產(chǎn)液流。2.權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)。3.權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述水溶液捕獲裝置為壓力水溶液捕獲裝置，該裝置在足以運(yùn)行所述電滲析單元的高壓下運(yùn)行，所述電滲析單元為雙極性膜電滲析單元。4.權(quán)利要求l的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)與所述電滲析單元可操作連接并被配置成用于接收所述富含C02的生產(chǎn)液流的氣體釋出罐/分離罐，所述富含C02的生產(chǎn)液流至少被部分減壓并被除去C02，所述去除了C02的生產(chǎn)液流被輸送回至所述電滲析單元。5.—種回收C02的方法，包括在一個(gè)水溶液捕獲裝置中接收氣體；通過所述水溶液捕獲裝置中的捕獲溶液捕獲至少部分的至少含C02的氣體；和通過一個(gè)電滲析單元對所述捕獲溶液進(jìn)行電滲析操作，其中由所述至少含C02的捕獲溶液產(chǎn)生富含C02的生產(chǎn)液流和再生捕獲溶液，所述富含C02的生產(chǎn)液流為一種在電滲析單元中處于能將C02基本上維持在所述富含C02的生產(chǎn)液流中的壓強(qiáng)下的加壓生產(chǎn)液流。6.—種回收C02的方法，包括在一個(gè)水溶液捕獲裝置中接收氣體；通過所述水溶液捕獲裝置中的捕獲溶液捕獲至少部分的至少含C02的氣體；通過一個(gè)電滲析單元對所述捕獲溶液進(jìn)行電滲析操作，其中由所述捕獲溶液產(chǎn)生富含C02的生產(chǎn)液流和再生捕獲溶液；和在所述電滲析單元對所述捕獲液流進(jìn)行操作前至少控制所述捕獲液流的pH。全文摘要一種回收CO₂的系統(tǒng)和方法，包括含捕獲溶液的水溶液捕獲裝置。所述水溶液捕獲裝置被設(shè)置成用于接收氣體和從該氣體中捕獲至少含CO₂的成分。一個(gè)與所述捕獲裝置可操作連接的電滲析單元對所述至少含CO₂的捕獲溶液進(jìn)行電滲析操作，其中由所述至少含CO₂的捕獲溶液形成富含CO₂的生產(chǎn)液流和再生捕獲溶液。所述富含CO₂的生產(chǎn)液流為一種在電滲析單元中處于能將CO₂基本上維持在所述富含CO₂的生產(chǎn)液流中的壓強(qiáng)下的加壓生產(chǎn)液流。在另一個(gè)供選方案中，至少所述捕獲液流的pH受到控制。文檔編號C01B31/20GK101670236SQ200910169599公開日2010年3月17日申請日期2009年9月8日優(yōu)先權(quán)日2008年9月8日發(fā)明者F·E·托雷斯,K·A·利陶申請人:帕洛阿爾托研究中心公司