專利名稱：用于從氣流中去除CO₂的新穎的固態(tài)材料和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從在燃料燃燒期間產(chǎn)生的過程氣體中去除二氧化碳的系統(tǒng)，所述 系統(tǒng)包括過程氣體可運送通過其中的至少一個吸附容器。所述吸附容器設(shè)有吸附劑材料， 吸附劑材料起作用以便從被運送通過吸附劑材料的過程氣體中可逆地收集二氧化碳。本發(fā)明還涉及形成吸附劑材料的方法，以及從在燃料燃燒期間產(chǎn)生的過程氣體中 去除二氧化碳的方法。
背景技術(shù)：
在諸如煤、油、泥煤、廢料等的燃料在諸如動力設(shè)備的燃燒設(shè)備中燃燒時，會產(chǎn)生 熱的過程氣體，除了別的成分之外，這種過程氣體含有水蒸氣、氮氣和二氧化碳(CO2)?？紤]到與將二氧化碳釋放到大氣中相關(guān)的與日俱增的對環(huán)境的關(guān)注，已經(jīng)提出了 用于從過程氣體中去除二氧化碳的若干種系統(tǒng)。在US 6，755，892中公開了一個這種系 統(tǒng)。US 6，755，892的系統(tǒng)包括兩個并聯(lián)的吸附劑床，其中各個都設(shè)有吸附劑。在低溫處 在其中一個床中捕獲二氧化碳，而另一個床在高溫處被再生，以釋放二氧化碳，二氧化碳可 隨后運送給二氧化碳存儲設(shè)施。但是，吸附劑床上的高的壓降和不佳的(X)2去除效率使US 6，755，892的系統(tǒng)在更高氣體流率的應(yīng)用(例如發(fā)電站(諸如，例如燃煤的發(fā)電站)的那些 應(yīng)用，其中存在過程氣體的高CO2濃度以及高氣體流率)中不那么高效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供用于從在燃料燃燒期間產(chǎn)生的過程氣體中高效地去除 二氧化碳的系統(tǒng)。此目的通過一種用于從在燃料燃燒期間產(chǎn)生的過程氣體中去除二氧化碳的系統(tǒng) 來實現(xiàn)，所述系統(tǒng)包括過程氣體可運送通過其中的至少一個吸附容器，所述吸附容器設(shè)有 吸附劑材料，吸附劑材料起作用以便從被運送通過該吸附劑材料的過程氣體中可逆地收集 二氧化碳，其中，所述吸附劑材料包含至少一種胺、至少一種二氧化碳活化催化劑、以及支 承至少一種催化劑和至少一種胺的至少一種多孔材料。此系統(tǒng)的優(yōu)點在于，二氧化碳的去除變得非常高效，S卩，相當(dāng)少量的吸附劑材料可 在短的時段里吸附大量的二氧化碳。少量所需的吸附劑材料不僅降低了用于去除二氧化碳 的系統(tǒng)的投資成本(與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)的投資成本相比)，而且，還降低了通過吸附容器的 過程氣體所經(jīng)歷的壓降。由于減少了將過程氣體抽送通過吸附容器所需的風(fēng)扇功率的原 因，降低的壓降降低了運行成本。根據(jù)一個實施例，至少一種二氧化碳活化催化劑包括選自有機金屬絡(luò)合催化劑、無機金屬絡(luò)合催化劑、金屬氧化物和金屬商化物所組成的催化劑組的催化劑。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這 些催化劑類型在改進(jìn)二氧化碳在胺上的吸附和解吸上是高效的。根據(jù)一個優(yōu)選實施例，該至少一種二氧化碳活化催化劑包括選自有機過渡金屬絡(luò) 合催化劑和無機過渡金屬絡(luò)合催化劑所組成的催化劑組的催化劑。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種催化劑 在促進(jìn)二氧化碳在胺上的吸附和解吸上是非常高效的。根據(jù)一個實施例，至少一種胺包括仲胺。根據(jù)另一個實施例，該至少一種胺包括具 有至少一個羥基的胺。根據(jù)一個優(yōu)選實施例，該至少一種胺包括具有至少兩個羥基的仲胺。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過使二氧化碳活化并且因此使二氧化碳更易于吸附在胺上或從胺中解吸出 來的催化劑來促進(jìn)這種吸附和解吸時，這些類型的胺在二氧化碳的吸附和解吸上是特別高 效的。根據(jù)一個實施例，支承該至少一種二氧化碳活化催化劑和該至少一種胺的多孔材 料具有至少50m2/g的BET比面積。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種多孔材料在高效地使二氧化碳與催化劑 和胺接觸上是非常高效的。根據(jù)一個優(yōu)選實施例，至少一種多孔材料具有100-1000m2/g的 BET比面積。根據(jù)一個實施例，至少一種二氧化碳活化催化劑也用作支承至少一種胺的多孔材 料。此實施例的優(yōu)點在于，需要更少的構(gòu)件，因為除了其催化活性以外，催化劑還用作胺可 支承在其上的、具有高BET面積的多孔材料。還用作多孔材料的這種催化劑的實例包括MgO 和堿改性的沸石和粘土。根據(jù)一個實施例，將支承催化劑和胺的多孔材料作為吸附劑層提供在襯底上。此 實施例的優(yōu)點在于，施用到襯底上的吸附劑層提供了與過程氣體的高效接觸，而不增加壓 降。因此，多孔材料在微尺度水平上在過程氣體、胺和催化劑之間提供了高效的接觸，而該 支承在微尺度水平上提供了高效地將過程氣體傳送通過吸附劑材料。根據(jù)一個實施例，襯底形成起作用以便接收過程氣體流的至少一部分的至少一個 通道的至少一部分。此實施例的優(yōu)點在于，可在與催化劑和胺良好接觸的情況下將煙道氣 運送通過所述通道，仍然導(dǎo)致低的壓降，這提供了低的運行成本，在動力設(shè)備的大過程氣體 流率的情況下也是這樣。根據(jù)一個實施例，襯底形成整體單元。整體單元對于在過程氣體和在整體單元的 內(nèi)部形成的吸附劑層之間獲得良好的接觸以及獲得低的壓降是有效的。根據(jù)一個優(yōu)選實施 例，整體單元是通流(flow-through)式整體單元。此實施例的優(yōu)點在于，通流式整體單元 具有特別低的壓降。根據(jù)另一個優(yōu)選實施例，整體單元是壁流式整體單元。此實施例的優(yōu) 點在于，當(dāng)過程氣體直接流過壁和吸附劑層時，獲得了過程氣體和整體單元的壁上的吸附 劑層之間的特別好的接觸。根據(jù)一個優(yōu)選實施例，襯底是包括至少一個湍流促進(jìn)裝置的規(guī)整填料。此實施例 的優(yōu)點在于，獲得了過程氣體和在規(guī)整填料的壁上提供的吸附劑層之間的良好的接觸，而 不會在過程氣體中導(dǎo)致顯著的壓降。本發(fā)明的另一個目的是提供形成對于從燃料燃燒期間產(chǎn)生的過程氣體中可逆地 吸附二氧化碳高效的吸附劑材料的高效的方法。此目的通過一種形成適于在燃料燃燒期間產(chǎn)生的過程氣體可運送通過其中的吸 附容器中可逆地吸附二氧化碳的吸附劑材料的方法來實現(xiàn)，該方法包括通過使至少一種胺和至少一種二氧化碳活化催化劑固定在至少一種多孔材料上來形成所述吸附劑材料。此方法的一個優(yōu)點在于，可以以高效的方式形成在過程氣體中產(chǎn)生低的壓降的有 效的吸附劑材料。根據(jù)一個實施例，至少一種胺和至少一種二氧化碳活化催化劑共同固定在多孔材 料上。在一個單獨的步驟中共同固定催化劑和胺的一個優(yōu)點在于需要更少的過程步驟。另 一個優(yōu)點在于，當(dāng)催化劑和胺在單個步驟中固定在多孔材料上時，更容易獲得催化劑和胺 的良好的混合和分布。根據(jù)一個實施例，包含固定在其上的至少一種胺和至少一種二氧化碳活化催化劑 的多孔材料涂覆在襯底上，以在其上形成吸附劑層。此實施例的優(yōu)點在于，多孔材料在微尺 度水平上在過程氣體、胺和催化劑之間提供了高效的接觸，而該支承在微尺度水平上提供 了高效地將過程氣體傳送通過吸附劑材料。根據(jù)一個實施例，在使至少一種胺和至少一種二氧化碳活化催化劑固定在多孔材 料上之前將多孔材料涂覆在襯底上。根據(jù)一個實施例，形成吸附劑材料的過程包括以下步驟A)用多孔材料、溶劑和粘合劑形成漿料，B)將所述漿料施用到襯底上，后面進(jìn)行干燥，并且然后在200-1000°C的溫度處煅
；Bs Am，C)將至少一種胺和至少一種二氧化碳活化催化劑浸漬到多孔材料上，以及D)使所述襯底干燥，以獲得所述吸附劑材料?？蛇x地，在步驟D)之后可包括步驟E)，所述步驟E)包括在200-1000°C的溫度 處在催化劑和胺被施用到多孔材料上的情況下煅燒襯底?？蛇x地，在步驟B)中的干燥可在 20-150°C的溫度處進(jìn)行?？蛇x地，在步驟D)中的干燥可在20-150°C的溫度處進(jìn)行。根據(jù)另一個實施例，形成吸附劑材料的過程包括以下步驟A)將至少一種二氧化碳活化催化劑濕法浸漬在多孔材料上，B)使多孔材料干燥，C)用所述多孔材料、溶劑和粘合劑形成漿料，D)將所述漿料施用到襯底上，E)使所述襯底干燥，之后在200-100(TC的溫度處煅燒襯底，以使多孔材料固定在 其上，F(xiàn))將至少一種胺濕法浸漬在固定到襯底上的多孔材料上，以及G)使襯底干燥，以獲得所述吸附劑材料?？蛇x地，在使多孔材料干燥的步驟之后，此方法的步驟B)可額外地包括在 200-100(TC的溫度處煅燒多孔材料的步驟?？蛇x地，在步驟B)中的使多孔材料干燥可在 20-150°C的溫度處進(jìn)行?？蛇x地，在步驟E)中的使所述襯底干燥可在20-150°C的溫度處進(jìn) 行?？蛇x地，在步驟G)中的使所述襯底干燥可在20-200°C的溫度處進(jìn)行。根據(jù)另一方面，可通過使至少一種胺固定在包含二氧化碳活化催化劑的至少一種 多孔材料上，來形成適于在燃料燃燒期間產(chǎn)生的過程氣體可運送通過其中的吸附容器中可 逆地吸附二氧化碳的吸附劑材料。使胺固定在包括多孔材料的屬性和適當(dāng)?shù)拇呋钚缘膶傩詢烧叩牟牧仙咸峁┝水a(chǎn)生吸附劑材料的簡單的方式。本發(fā)明的又一個目的是獲得從在燃料燃燒期間產(chǎn)生的過程(氣體)中去除二氧化 碳的高效的方法。此目的通過一種從在燃料燃燒期間產(chǎn)生的過程氣體中去除二氧化碳的方法來實 現(xiàn)，所述方法包括使過程氣體與起作用以便從過程氣體中可逆地收集二氧化碳的吸附劑材 料接觸，所述方法包括使所述過程氣體與包含至少一種胺、至少一種二氧化碳活化催化劑 以及支承該至少一種催化劑和該至少一種胺的至少一種多孔材料的吸附劑材料接觸，從而 使得二氧化碳在所述至少一種二氧化碳活化催化劑的影響下被所述至少一種胺吸附。根據(jù)說明書和權(quán)利要求書，本發(fā)明的另外的目的和特征將是顯而易見的。


現(xiàn)在將參照附圖來對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中圖1是包括用于從過程氣體中去除二氧化碳的系統(tǒng)的動力設(shè)備的示意性側(cè)視圖。圖加是起作用以用于二氧化碳的吸附和解吸的整體單元的示意性截面。圖2b是沿圖加的箭頭Ilb-Ilb的方向看到的整體單元的示意性截面。圖2c是圖加的整體單元的壁的放大的示意性截面。圖3a是根據(jù)一個備選實施例的整體單元的示意性截面。圖北是沿圖3a的箭頭Illb-Illb的方向看到的整體單元的示意性截面。圖3c是圖3a的整體單元的壁的放大的示意性截面。圖如是起作用以用于二氧化碳的吸附和解吸的規(guī)整填料的三維圖。圖4b是圖如的規(guī)整填料的板的側(cè)視圖。
具體實施例方式圖1是示意性側(cè)視圖，并且示出了動力設(shè)備1。動力設(shè)備1設(shè)有鍋爐2，諸如煤、油、 泥煤或廢料的燃料在鍋爐2中燃燒，并且產(chǎn)生熱量。燃燒還產(chǎn)生通常稱為煙道氣的熱的過 程氣體。煙道氣通過管道4離開鍋爐2，并且被運送到氣體清潔系統(tǒng)6。氣體清潔系統(tǒng)6為 本質(zhì)上已知的類型，并且可包括諸如靜電除塵器的飛灰去除裝置(在US4，502，872中示出 了其一個實例)、用于去除二氧化硫和鹽酸的濕式洗滌器(例如EP 0 162 536中所公開的 濕式洗滌器)，以及用于去除氮氧化物的選擇性催化還原單元(例如US 6，146，605中所公 開的選擇性催化還原單元)。因此，通過管道8離開氣體清潔系統(tǒng)6的煙道氣主要包括二氧 化碳?xì)?、氮氣和水蒸氣。然后煙道氣被運送到二氧化碳去除系統(tǒng)10。二氧化碳去除系統(tǒng)10的主要構(gòu)件是 第一吸附器容器12和第二吸附器容器14。兩個吸附器容器12、14在設(shè)計上相同，并且以并 聯(lián)模式運行，吸附器容器中的一個處于從煙道氣中吸附二氧化碳的吸附模式，而另一個吸 附器容器處于釋放二氧化碳的解吸模式，從而使得使二氧化碳去除能力再生。第一吸附器 容器12設(shè)有設(shè)有斷流閥18的煙道氣供應(yīng)管道16、設(shè)有斷流閥22的煙道氣處理管道20， 以及設(shè)有斷流閥26的二氧化碳處理管道對。類似地，第二吸附器容器14設(shè)有設(shè)有斷流 閥30的煙道氣供應(yīng)管道觀、設(shè)有斷流閥34的煙道氣處理管道32，以及設(shè)有斷流閥38的二 氧化碳處理管道36。
在圖1所示的實例中，第一吸附器容器12處于吸附模式，并且起作用以便從煙道 氣中吸附二氧化碳。因此，閥18是打開的，以允許來自管道8的煙道氣通過煙道氣供應(yīng)管 道16進(jìn)入吸附器容器12。此外，閥22是打開的，從而使得已經(jīng)從中至少部分地去除了二 氧化碳的煙道氣可通過煙道氣處理管道20離開第一吸附器容器12，煙道氣可通過煙道氣 處理管道20通過煙囪40排到環(huán)境空氣中。閥沈是關(guān)閉的。第二吸附器容器14處于解吸 模式，并且起作用以便對之前已經(jīng)從煙道氣中去除的二氧化碳進(jìn)行解吸。因此，閥30是關(guān) 閉的，從而使得沒有煙道氣可通過煙道氣供應(yīng)管道觀進(jìn)入吸附器容器14。閥34也是關(guān)閉 的，從而使得沒有氣體可通過煙道氣處理管道32離開吸附器容器14。此外，閥38是打開 的，從而使得已經(jīng)從第二吸附器容器14中釋放的二氧化碳可通過二氧化碳處理管道36離 開容器14。二氧化碳處理管道36將二氧化碳運送到二氧化碳存儲罐42，二氧化碳存儲在 二氧化碳存儲罐42中直到其最終被處理。兩個吸附容器12、14以交替的方式運行，從而使得一個吸附容器從煙道氣中收集 二氧化碳，而使另一個吸附容器再生。因此，當(dāng)一個吸附容器充滿二氧化碳時，使該吸附容 器脫機以進(jìn)行再生，而使剛好已經(jīng)再生的另一個吸附容器聯(lián)機。從煙道氣中去除二氧化碳是在降低的溫度下完成的，并且為此冷卻器44安裝在 煙道氣管道8中，以在允許煙道氣進(jìn)入相應(yīng)的吸附容器12、14之前冷卻煙道氣。典型地，相 應(yīng)的容器12、14的內(nèi)部的溫度在吸附模式期間是20-50°C。另一方面，吸附容器的再生是在 升高的溫度下實現(xiàn)的。因此，第一吸附容器12設(shè)有加熱器46，且第二吸附容器14設(shè)有加熱 器48。在圖1所示的實例處，加熱器46不起作用，而加熱器48起作用，以實現(xiàn)第二吸附容 器14的再生。典型地，相應(yīng)的容器12、14的內(nèi)部的溫度在解吸模式期間是60-150°C。各個吸附容器12、14設(shè)有固態(tài)吸附劑材料50，現(xiàn)在將對其進(jìn)行更詳細(xì)的描述。圖加是吸附劑材料50的放大的截面?zhèn)纫晥D。吸附劑材料50包括具有若干個通 道M的整體單元52，如圖加中的F所示的氣體可流過通道M。因此，整體單元52是所謂 的通流類型的。在吸附模式中，氣體F是煙道氣，并且在解吸模式中，氣體F是二氧化碳。 圖2b是沿圖加的線Ilb-Ilb看到的示出了整體單元52的截面。單元52可具有正方形 截面，如圖2b所示，或作為備選方案可具有圓形截面或適于裝填到吸附容器12和14中的 另一種形狀。通道討可具有正方形截面，具有典型地為l_5mm的如圖加所示的寬度WC。 作為備選方案，通道可例如具有長方形、三角形或圓形截面。典型地，整體單元52的高度H 是50-2000mm，更常見的是高度H小于250mm，并且如圖2b中最佳地示出的寬度W典型地是 40-600mm。吸附劑材料50可包括一個單獨的整體單元52，但是可包括已經(jīng)一起裝填在相應(yīng) 的吸附容器12、14中的若干個整體單元(這通常更優(yōu)選)。圖2c示出了整體單元52的壁56的放大部分。壁56的中心部分是襯底58。襯底 58有助于單元52的物理強度，并且還提供實現(xiàn)與氣體F的有效接觸的較大的表面積。在襯 底58的兩側(cè)上提供了吸附劑層60。吸附劑層60包含胺和催化劑，胺和催化劑已經(jīng)固定到 多孔材料上，以形成粉刷涂層(washcoat)，然后粉刷涂層被施用到襯底58上(其方式將在 下文中進(jìn)行更詳細(xì)的描述)，以形成所述吸附劑層60。當(dāng)在吸附模式中煙道氣通過整體單元52的通道M時，煙道氣的二氧化碳將有效 地吸附在吸附劑層60的胺上，這是由于吸附劑層60的多孔材料的大的表面積和包含在吸 附劑層60中的使這種吸附高效進(jìn)行的催化劑的原因。當(dāng)在解吸模式中整體單元52的溫度上升時，二氧化碳將有效地從吸附劑層60的胺中釋放出來，這是由于吸附劑層60的多孔材 料的大的表面積和包含在吸附劑層60中的使這種解吸高效進(jìn)行的催化劑的原因。因此，與 現(xiàn)有技術(shù)相比，吸附劑層60使二氧化碳在吸附劑材料50中的吸附和解吸兩者高效進(jìn)行。圖3a是備選吸附劑材料150的放大的截面?zhèn)纫晥D。吸附劑材料150包括整體單 元152，整體單元152是所謂的壁流類型，并且其具有第一類型的通道巧4和第二類型的通 道155，通道巧4和155以交替的方式布置在整體單元152中，如圖3a和北所示。第一類 型的通道巧4在它們的上端處受到阻擋，而第二類型的通道155在它們的下端處受到阻擋， 其也在圖北中示出，圖北是沿圖3a的箭頭Illb-Illb的方向看到的截面。與前文參照圖 加所示的情況相反，如圖3a中的F所示的氣體不能流過通道，而是具有通過實際壁156的 兩個流，如圖3a中所示。圖3c示出了整體單元152的壁156的放大部分。壁156的中心部分是襯底158， 襯底158是足夠多孔的，以允許氣體F流過其中，并且襯底158在其兩側(cè)上設(shè)有吸附劑層 160，吸附劑層160具有與前文所述的吸附劑層60相同的屬性和功能。如可看到的那樣，氣 體流過壁156，從而導(dǎo)致吸附劑層160和氣體F之間有高效的接觸。將理解到，作為備選方 案，襯底158可在其僅一側(cè)上設(shè)有吸附劑層160。除了其它供應(yīng)商之外，上面所參照的類型的整體單元可從美國紐約州的Corning Incorporated Environment Technologies 公司獲得。圖如是備選吸附劑材料250的放大的截面?zhèn)纫晥D。吸附劑材料250包括規(guī)整填 料252。規(guī)整填料包括已經(jīng)一起裝填的若干個壁或板256。如示出了單個板256的圖4b最 佳地示出的那樣，板256具有圖案化表面255。一起裝填的若干個板256將在它們之間形成 通道254，圖4b中F示出的氣體可從通道邪4中流過。這種通道可成角度、成波浪形(如圖 4b所示)或具有任何其它適當(dāng)?shù)男问?。通?54的形狀本身可對煙道氣提供湍流，從而增 加氣體和已經(jīng)提供于板256上的吸附劑層之間的接觸，所述吸附劑層類似于前文參照圖2c 所述的吸附劑層60。因此，通道邪4本身可為湍流促進(jìn)裝置。作為通道254的形狀的備選 方案或除了通道254的形狀之外，板256也可設(shè)有其它湍流促進(jìn)裝置，例如開口 259和帶紋 理的部分沈1。板256可由鋼、塑料、陶瓷或可形成襯底(前文參照圖2c所述的吸附劑層類型 60的吸附劑層可施用到其上)的另外的適當(dāng)?shù)牟牧现瞥伞？捎米饕r底(其用來起作用以 用于二氧化碳的吸附和解吸的吸附劑層)的適當(dāng)?shù)囊?guī)整填料類型的實例包括FLEXIPAC和 INTAL0X規(guī)整填料類型，它們可從美國堪薩斯州威奇托市的Koch-Glitsch LP公司獲得。在一個優(yōu)選實施例中，前文參照圖2c所述的吸附劑層60可包括以下構(gòu)件1)具有高的比表面積的多孔材料；2)胺；以及3)能夠促進(jìn)胺與二氧化碳的相互作用的催化劑；其中胺和催化劑優(yōu)選共同固定到多孔材料上。多孔材料是優(yōu)選具有一定的比面積的固態(tài)材料，該比面積限定為至少50m2/g的 BET比面積，更優(yōu)選為100-1000m2/g的BET比面積，這可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1069-09來測量。 具有高BET比面積的多孔材料可例如是氧化物(例如氧化鋁Al2O3或石英SiO2)、沸石、粘 土、離子交換樹脂、分子篩材料、堿和/或酸改性粘土或聚合吸附劑樹脂(例如丙烯酸酯聚合物、聚苯乙烯二乙烯基苯以及它們的混合物)。胺可為適于二氧化碳的吸附和解吸的任何類型。二氧化碳在胺上的吸附和解吸 背后的化學(xué)(原理)在本質(zhì)上是已知的，并且例如公開在M. L. Gray等人發(fā)表在Elsevier B. V.的《分離和凈化技術(shù)》(S印aration and Purification Technology)的 2004 年 35期31-36頁的文章“通過富含胺的飛灰碳吸附劑進(jìn)行的CO2捕獲(O)2 capture by amine-enriched fly ash carbon sorbents) ”中 0胺可為伯胺、仲胺或叔胺，或者它們的混合物。伯胺使氨中的三個氫原子中的一個 由結(jié)合到氮原子上的有機取代基替代。仲胺具有結(jié)合到氮原子上的兩個有機取代基以及一 個氫原子。在叔胺中，所有三個氫原子被結(jié)合到氮原子上的有機取代基替代。胺優(yōu)選為仲 胺，或仲胺與伯胺和/或叔胺的混合物。更優(yōu)選地，如US5，876，488中所公開的那樣，包括 多個羥基(-0H)的仲胺包含在吸附劑層60中。除了二氧化碳的高效吸附和解吸之外，胺應(yīng) 當(dāng)優(yōu)選具有低的揮發(fā)性，從而使得胺在相應(yīng)的吸附器容器12、14的吸附和/或解吸模式期 間不易從吸附劑層60中揮發(fā)以及損失。優(yōu)選地，胺的局部壓力在20°C處且在吸附容器的 運行壓力下低于約0. 05mm Hg，更優(yōu)選地在那些條件下低于約0. Olmm Hg。將理解的是，因 為更高溫度的原因，在解吸模式期間揮發(fā)通常更高，并且考慮到解吸過程可用的時間，使解 吸溫度保持盡可能低在使胺的損失保持盡可能低以獲得吸附劑材料50的長的使用壽命上 是一個重要方面。此外，胺應(yīng)當(dāng)優(yōu)選對環(huán)境和對人類具有低的毒性。特別適于結(jié)合在吸附 劑層60中的胺是為仲胺的胺，和/或包括酒精(OH)功能性的胺，這種胺的實例為二乙醇胺 (DEA)，二異丙醇胺(DIPA)和2-羥乙基哌嗪(HEP)。可稱為二氧化碳活化催化劑的催化劑對于使二氧化碳活化和使二氧化碳(CO2)分 子更加可用于在吸附模式中與胺反應(yīng)或更加可用于在解吸模式中從胺中釋放出來是有效 的。因此，催化劑是能夠吸附CO2分子且使CO2分子活化的化合物?？赏ㄟ^摻雜額外的成分 來改進(jìn)這種催化劑，以增強催化劑的性能。因此，與非催化吸附相比，催化劑通過在二氧化 碳在胺上吸附時提供不同的過渡狀態(tài)和更低的活化能來起作用。此外，與非催化解吸相比， 催化劑還在二氧化碳從胺上解吸時提供不同的過渡狀態(tài)和更低的活化能。催化劑可為同質(zhì)和/或異質(zhì)類型的催化劑。催化劑優(yōu)選為具有適當(dāng)堿強度的材 料，例如MgO和BaO、堿(鋰、納、鉀、銣、銫)改性的沸石或粘土，或有機金屬絡(luò)合物(例如雙 吡啶鎳)。同質(zhì)類型的催化劑可包括，例如，有機和/或無機金屬絡(luò)合物(包括過渡金屬，例 如鎳(Ni))，以及一種或多種無機和/或有機配體(例如包括例如雙吡啶、芳族基(例如苯 基)和/或鹵素基(例如氯(Cl))的配體)。這種同質(zhì)催化劑的有機和/或無機過渡金屬 絡(luò)合物是使惰性ω2分子活化的非常高效的方式。配體在過渡金屬周圍的配位導(dǎo)致配體的 反應(yīng)性改變，并且產(chǎn)生對于配體與二氧化碳分子的相互作用有利的空間排列條件，以使二 氧化碳分子活化。適當(dāng)?shù)挠袡C和/或無機過渡金屬絡(luò)合催化劑的一個實例包括鹵素類型的 絡(luò)合物，Ni (雙吡啶)3C12。異質(zhì)催化劑可包括例如金屬或它們的化合物，例如氧化物和鹵化物，包括例如氯 化物。這種異質(zhì)催化劑的實例包括MgO和MgCl2。根據(jù)一個實施例，催化劑為也可用作多孔材料的類型。這種催化劑的實例包括氧 化鎂(MgO)、堿(鋰、納、鉀、銣、銫)改性的沸石或粘土，它們可具有用作催化劑和用作胺固定在其上的多孔材料的組合作用。多孔材料、胺和催化劑可借助于所謂的粉刷涂覆方法施用在襯底58上，以形成所 述吸附劑層60，該粉刷涂覆方法本身從如在US6，759，358中公開的其它技術(shù)領(lǐng)域中獲知。在粉刷涂覆方法的第一步驟中，催化劑(例如Ni (雙吡啶)3C12)和胺(例如二乙醇 胺(DEA))共同固定在多孔材料上，該多孔材料可為丙烯酸酯聚合物或氧化鋁(Al2O3)。在使 催化劑和胺共同固定在多孔材料上的過程中，用所述催化劑、所述胺、溶劑(例如水和/或 酒精)和潛在的改性劑(例如Ba2+，Na+，K+，NH3)形成混合物。該混合物然后被濕法浸漬到 多孔材料上，多孔材料隨后在優(yōu)選20-150°C的溫度處干燥，更優(yōu)選在50-120°C的范圍中的 溫度處干燥。在干燥過程之后，多孔材料在高于干燥溫度的溫度處煅燒。典型地，煅燒步驟 在200-1000°C的溫度處進(jìn)行，通常在200-700°C的范圍中進(jìn)行，確切溫度取決于多孔材料、 催化劑和胺的類型。US 5，876，488公開了使胺固定在丙烯酸酯聚合物上的一種方法。同樣 在本發(fā)明中可采用類似的方法，區(qū)別在于，施用在丙烯酸酯聚合物上的溶液也可包含催化 劑。在粉刷涂覆過程的第二步驟中，用胺和催化劑已經(jīng)浸漬在其上的多孔材料和溶劑 (例如水)形成漿料。該漿料也可包含粘合劑。適于將多孔材料結(jié)合到襯底上的粘合劑的 一個實例是A1203。然后漿料被施用到例如整體單元52、152或規(guī)整填料252的通道M的 壁56上。整體單元或規(guī)整填料優(yōu)選由陶瓷、鋼材料或塑料材料制成。漿料的施用可通過將 整體單元或規(guī)整填料浸到容納所述漿料的容器中來實現(xiàn)。其它施用技術(shù)也是可行的，包括 將所述漿料噴到通道中。最后，整體單元52典型地在20-150°C的溫度處干燥，接下來在典 型地為200-700°C的更高的溫度處煅燒，以使溶劑蒸發(fā)，從而在壁56上僅留下胺和催化劑 已經(jīng)浸漬到其上的多孔材料，胺和催化劑已經(jīng)浸漬到其上的所述多孔材料形成所述吸附劑 層60。在制備吸附劑材料的備選方法中，在第一步驟中，多孔材料可涂覆在諸如整體單 元的襯底上，這種涂覆包括用多孔材料、溶劑和粘合劑(例如Al2O3)形成漿料，并且將所述 漿料施用到整體單元上，接下來在前文所說明的溫度處干燥和煅燒。然后，在多孔材料已 經(jīng)涂覆在整體單元上之后，在第二步驟中，使胺和催化劑固定在已經(jīng)在整體單元上就位的 多孔材料上。這種固定可通過這樣來執(zhí)行在諸如水和/或酒精的溶劑中形成所述胺和所 述催化劑的混合物，并且將所述混合物施用到在其上承載多孔材料的襯底上。襯底例如在 20-150°C的溫度處干燥，從而使胺和催化劑保持固定在多孔材料上。在又一種備選方法中，胺在一個過程操作中固定在多孔材料上，而催化劑在與使 胺固定的過程操作分開的另一個過程操作中涂覆在多孔材料上。在另外的又一種備選方法中，在第一步驟中，至少一種二氧化碳活化催化劑被濕 法浸漬在多孔材料上。然后多孔材料例如在20-150°C的溫度處干燥，并且可選地例如在 200-1000°C的溫度處煅燒。然后用在其上承載有催化劑的多孔材料、溶劑(例如水和/或 酒精)和粘合劑(例如Al2O3)形成漿料。漿料施用到諸如整體單元或規(guī)整填料的襯底上。 然后襯底例如在20-150°C的溫度處干燥，接下來在200-1000°C的溫度處煅燒襯底，以使多 孔材料固定在其上。然后至少一種胺被濕法浸漬在固定到襯底上的多孔材料上。最后，襯 底在例如20-200°C的溫度處被干燥，以獲得所述吸附劑材料。將理解的是，在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，上面所述的實施例的許多變型是可行的。 上面已經(jīng)描述了動力設(shè)備1設(shè)有兩個并聯(lián)的吸附容器12、14。將理解到，動力設(shè)備 也可設(shè)有3個、4個或甚至更多個并聯(lián)吸附容器。吸附容器的數(shù)量由例如冗余的需要、二氧 化碳的解吸的時間-二氧化碳的吸附的時間等的因素來確定。用一個單獨的容器來運行也 是可行的，但比較不優(yōu)選。在后一種情況下，動力設(shè)備在解吸模式期間將需要停機，或者過 程氣體在解吸模式中將需要通過旁路裝置來釋放而不從中去除任何二氧化碳。
權(quán)利要求
1.一種用于從在燃料燃燒期間產(chǎn)生的過程氣體中去除二氧化碳的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 所述過程氣體可從中運送通過的至少一個吸附容器，所述吸附容器設(shè)有吸附劑材料，所述 吸附劑材料起作用以便從被運送通過所述吸附劑材料的所述過程氣體中可逆地收集二氧 化碳，所述吸附劑材料包含至少一種胺、至少一種二氧化碳活化催化劑，以及支承所述至少 一種催化劑和所述至少一種胺的至少一種多孔材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一種二氧化碳活化催化劑包括 選自有機金屬絡(luò)合催化劑、無機金屬絡(luò)合催化劑、金屬氧化物和金屬商化物所組成的催化 劑組的催化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一種二氧化碳活化催化劑包括 選自有機過渡金屬絡(luò)合催化劑和無機過渡金屬絡(luò)合催化劑所組成的催化劑組的催化劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一種胺包括仲胺。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一種胺包括具有至少一個羥基 的胺。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一種胺包括具有至少兩個羥基 的仲胺。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，支承所述至少一種二氧化碳活化催化劑 和所述至少一種胺的所述至少一種多孔材料具有至少50m2/g的BET比面積。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一種多孔材料具有IOO-IOOOm2/ g的BET比面積。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一種二氧化碳活化催化劑還用 作支承所述至少一種胺的多孔材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，將支承所述至少一種二氧化碳活化催化 劑和所述至少一種胺的所述多孔材料作為吸附劑層提供在襯底上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述襯底形成起作用以便接收所述過 程氣體的流的至少一部分的至少一個通道的至少一部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述襯底形成整體單元。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述整體單元是通流式整體單元。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述整體單元是壁流式整體單元。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述襯底是包括至少一個湍流促進(jìn)裝 置的規(guī)整填料。
16.一種形成適于在燃料燃燒期間產(chǎn)生的過程氣體可從中運送通過的吸附容器中可逆 地吸附二氧化碳的吸附劑材料的方法，所述方法包括通過使至少一種胺和至少一種二氧化 碳活化催化劑固定在至少一種多孔材料上來形成所述吸附劑材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述至少一種胺和所述至少一種二氧 化碳活化催化劑共同固定在所述多孔材料上。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，包含固定在其上的所述至少一種胺和 所述至少一種二氧化碳活化催化劑的所述多孔材料涂覆在襯底上，以在襯底上形成吸附劑 層。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，在使所述至少一種胺和所述至少一種二氧化碳活化催化劑固定在所述多孔材料上之前將所述多孔材料涂覆在襯底上。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括A)用所述多孔材料、溶劑和粘合劑形成漿料，B)將所述漿料施用到襯底上，之后進(jìn)行干燥，并且然后在200-1000°C的溫度處煅燒，C)將所述至少一種胺和所述至少一種二氧化碳活化催化劑浸漬到所述多孔材料上，以及D)使所述襯底干燥，以獲得所述吸附劑材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟A)將所述至少一種二氧化碳活化催化劑濕法浸漬在所述多孔材料上，B)使所述多孔材料干燥，C)用所述多孔材料、溶劑和粘合劑形成漿料，D)將所述漿料施用到襯底上，E)使所述襯底干燥，之后在200-100(TC的溫度處煅燒所述襯底，以使所述多孔材料固 定在所述襯底上，F(xiàn))將所述至少一種胺濕法浸漬在固定到所述襯底上的所述多孔材料上，以及G)使所述襯底干燥，以獲得所述吸附劑材料。
22.—種形成適于在燃料燃燒期間產(chǎn)生的過程氣體可從中運送通過的吸附容器中可逆 地吸附二氧化碳的吸附劑材料的方法，所述方法包括通過使至少一種胺固定在包含二氧化 碳活化催化劑的至少一種多孔材料上來形成所述吸附劑材料。
23.一種從在燃料燃燒期間產(chǎn)生的過程氣體中去除二氧化碳的方法，所述方法包括 使所述過程氣體與起作用以便從所述過程氣體中可逆地收集二氧化碳的吸附劑材料進(jìn)行接觸；以及使所述過程氣體與包含至少一種胺、至少一種二氧化碳活化催化劑以及支承所述至少 一種催化劑和所述至少一種胺的至少一種多孔材料的吸附劑材料進(jìn)行接觸，使得二氧化碳 在所述至少一種二氧化碳活化催化劑的影響下被所述至少一種胺吸附。
全文摘要
一種用于從在燃料燃燒期間產(chǎn)生的過程氣體中去除二氧化碳的系統(tǒng)(10)，其包括過程氣體可運送通過其中的至少一個吸附容器(12，14)。吸附容器(12，14)設(shè)有吸附劑材料(50)，吸附劑材料(50)起作用以便從被運送通過該吸附劑材料(50)的過程氣體中可逆地收集二氧化碳。吸附劑材料(50)包含至少一種胺、至少一種二氧化碳活化催化劑，以及支承該至少一種催化劑和該至少一種胺的至少一種多孔材料。
文檔編號B01D53/02GK102143792SQ200980135108
公開日2011年8月3日 申請日期2009年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月5日
發(fā)明者A·W·費爾古森, N·B·罕達(dá)加馬, 劉征 申請人:阿爾斯托姆科技有限公司