用于吸收二氧化碳的組合物以及相關的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種二氧化碳吸收劑。所述吸收劑組合物含有液體非水性硅基材料和至少一種氨基醇化合物，所述液體非水性硅基材料由與CO2可逆反應和/或具有對CO2的高親和力的一個或多個基團官能化。本發(fā)明也描述了一種用于降低過程流中的二氧化碳的量的方法。所述方法包括使所述流與所述二氧化碳吸收劑組合物接觸的步驟。本發(fā)明也描述了一種包括基于所述二氧化碳吸收劑的二氧化碳去除單元的發(fā)電廠。
【專利說明】用于吸收二氧化碳的組合物以及相關的方法和系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明通常涉及用于從氣流中捕集二氧化碳(CO2)的方法。
【背景技術】
[0002]二氧化碳從工業(yè)來源(如發(fā)電廠(power plant))排放至大氣現(xiàn)在被視為導致全球變暖的“溫室效應”的主要原因。作為響應，進行大量努力以降低CO2的排放。已開發(fā)許多不同的方法以試圖完成該任務。例子包括聚合物和無機膜滲透、通過吸附劑(如分子篩)去除CO2、深冷分離、和使用溶劑洗滌，所述溶劑可與CO2化學反應，或對氣體具有物理親和力。
[0003]一種技術由于從煙道氣流(例如在發(fā)電廠產生的廢氣)中去除CO2而備受關注。在該技術中，使用水性單乙醇胺(MEA)或諸如甲基二乙醇胺(MDEA)和2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)的受阻胺的水溶液作為吸收/洗滌型再生過程中的溶劑。所述技術已商業(yè)用于從燃煤發(fā)電廠和燃氣輪機捕集(capture) CO2。
[0004]在MEA和受阻胺基吸收過程中確實固有存在相當多的優(yōu)點。然而，許多缺陷可能阻礙此類技術的更廣泛的采用。例如，所述過程可有時導致液體吸收劑的粘度的急劇增加，這可導致管道的堵塞。為了避免該問題，MEA和其他胺的濃度有時保持在相對較低的水平，例如在MEA的情況中低于約30wt.%。然而，相比于純吸收劑的理論能力，該較低的濃度可能大大降低吸收能力。
[0005]此外，很大程度上由于需要溶劑(例如水)加熱和蒸發(fā)，MEA過程中的能量消耗可相當高。例如，所述過程可消耗在通過燃燒化石燃料而加熱的鍋爐中所產生的蒸汽的約10-30%。此外，在氧氣的存在下，在再生溫度通常達到至少約120°C的環(huán)境中，MEA基吸收系統(tǒng)可能不具有長期熱穩(wěn)定性。
[0006]另外的缺點可源自如下事實:在MEA或受阻胺過程中富含CO2的液體吸收劑可仍然含有相當大量的游離胺和溶劑(通常為水)。所述胺和水通常在熱解吸下在蒸汽相中去除，但可導致輔助設備中的腐蝕和其他劣化。為了解決該問題，專用腐蝕設備材料可用于所述設備，但這可轉而增加工廠的資金成本。在一些情況中，可添加腐蝕抑制劑，但這些專用添加劑的使用也可增加作業(yè)成本。此外，MEA或受阻胺吸收劑的氧化可將一些存在的溶劑酸化。除了可能產生的腐蝕問題之外，這可降低用于CO2捕集的可得堿性，由此降低過程效率。
[0007]商業(yè)CO2后燃燒捕集過程的另一例子使用哌嗪促進的碳酸鉀(K2CO3)的水溶液。然而，該過程通常極為能量密集，并且可能經(jīng)濟上不如MEA過程。又一例子涉及使用冷凍氨。在此情況中，通常要求將能量密集的冷卻系統(tǒng)用于這種系統(tǒng)，并且與非預期的氨釋放相關的風險是不可接受的。
[0008]相當引人關注的其他CO2捕集過程要求使用氨基硅氧烷材料，如2009年7月30日提交的Perry等人的美國專利申請S.N.12/512，105中所述。這些材料能夠與氣體CO2反應而形成固體材料，如本文所述。硅氧烷材料通常結合含羥基的溶劑(如一種或多種二醇基材料)使用。[0009]就材料和操作而言，使用氨基硅氧烷材料或其他捕集劑的CO2捕集系統(tǒng)易受多種其他相矛盾的要求的影響。這在氣體的大規(guī)模工業(yè)捕集的情況中尤其如此。一個例證涉及前述粘度性質。CO2吸收劑通常必須為相當高分子量的材料，以確保相對較低的揮發(fā)性。然而，當分子量增加，吸收劑的粘度可顯著增加，尤其是在氣體提取之后。這種現(xiàn)象可導致大規(guī)模系統(tǒng)中嚴重的傳質局限性。此外，為了在低壓下提供高CO2容量，反應系統(tǒng)的總反應熱需要相對較高。然而，也為了確保實際的低再生能量水平，該總反應熱需要相對較低。
[0010]鑒于如上討論，可以理解需要新的CO2捕集技術，所述技術盡可能多地優(yōu)化如上所需性質，而不導致對其他所需性質的顯著損害。在最低限度下，為了在商業(yè)上可行，這種技術期望在相對較低的成本下使用，并且也使用具有低揮發(fā)性、低粘度、可接受的熱穩(wěn)定性和相對較高的對CO2的凈容量的材料。此外，方法將與相關系統(tǒng)(例如基于氣化、燃燒等的發(fā)電系統(tǒng)等)可相容。

【發(fā)明內容】

[0011]本發(fā)明的一個實施例涉及一種二氧化碳吸收劑，其包含
[0012]a)液體非水性硅基材料，所述液體非水性硅基材料由與CO2可逆反應和/或具有對CO2的高親和力的一個或多個基團官能化；和
[0013]b)至少一種氨基醇化合物。
[0014]本發(fā)明的另一實施例涉及一種用于降低過程流中的二氧化碳的量的方法，其包括使所述流與如上所述且進一步在本公開的剩余部分中描述的二氧化碳吸收劑接觸的步驟。
[0015]包括含有二氧化碳吸收劑的二氧化碳去除單元的發(fā)電廠代表本發(fā)明的又一實施例。
[0016]本發(fā)明的再一實施例涉及一種具有降低了的二氧化碳排放的發(fā)電方法，其包括如下步驟:燃燒燃料以產生含有二氧化碳的廢氣，并將所述廢氣引導至含有本文所述的二氧化碳吸收劑的氣體去除單元。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為顯示了 CO2吸收和粘度隨本文所述的CO2吸收劑組合物中的硅氧烷和胺成分的比例而變化的圖。
【具體實施方式】
[0018]本文公開的組成范圍為包括性的和可組合的(例如“至多約2 5Wt% ”或更具體的“約5wt%至約20wt%”的范圍包括端點和范圍的所有中間值)。除非另外指出，否則重量水平以整個組合物的重量計而提供，且比例也以重量計提供。此外，術語“組合”包括共混物、混合物、合金、反應產物等。此外，術語“第一”、“第二”等不表示任何順序、量或重要性，而是用于區(qū)分一個要素與另一個要素。術語“一種”不表示量的限制，而是表示存在所指項目中的至少一個。
[0019]與量相連使用的修飾語“約”包括所述的值，并具有上下文所示的含義(例如包括與特定量的測量相關的誤差程度)。如本文所用的后綴“(S) ”旨在包括單數(shù)和復數(shù)的其修飾的術語，由此包括一個或多個所述術語(例如，除非另外指出，否則“化合物”可包括一種或多種化合物)。在整個說明書中提及的“一個實施例”、“另一實施例”等意指與該實施例有關的所描述的特定要素(例如特征、結構和/或特性)包括于本文描述的至少一個實施例中，并且可存在于或不存在于其他實施例中。另外，應了解描述的本發(fā)明的特征可在各個實施例中以任何合適的方式組合。
[0020]如本文進一步描述，二氧化碳存在于可根據(jù)本發(fā)明的實施例處理的多種氣流中。非限制性的例子包括源自燃燒過程、氣化過程、垃圾填埋地、爐子(例如鼓風爐或化學還原爐)、蒸汽發(fā)生器、鍋爐和它們的組合的氣流。在一些實施例中，CO2氣流為在燃煤發(fā)電廠中產生的煙道流。在其他實施例中，CO2氣流在煤氣化廠中產生，如整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)廠所示例。除了 CO2之外，煙道流可包含多種其他成分，如氧氣、氮氣、氬氣、一氧化碳、氮氧化物、硫化合物(例如二氧化硫、羰基硫化物)、煤煙粒子和水蒸氣。
[0021]如上所述，二氧化碳吸收劑包含液體非水性硅基材料?！肮杌牧稀倍x為具有I至20個之間的重復單元的分子，因此可包括包含硅的小分子(即包含I至5個硅原子的分子)或包含約5至20個之間的硅原子的低聚物材料。
[0022]在這些材料中，有機硅特別適用于本發(fā)明的吸收劑中。也恰當?shù)胤Q為聚合的“硅氧烷”或“聚硅氧烷”的有機硅為具有化學式[R2SiO]n的混合無機-有機聚合物或低聚物，其中R包含任意碳數(shù)量的直鏈、支鏈或芳族有機基團，例如甲基、乙基、苯基等。因此，這些材料包含無機硅-氧主鏈(一S1-O-S1-O-S1-O-")和附接至四配位的硅原子的有機側基。這些有機硅可為帶R和0R’封端基團的鏈狀，或為僅含有重復單元的環(huán)狀基團。后者的一個例子為八甲基環(huán)四硅氧烷。
[0023]有機硅即使在短鏈長下也具有低揮發(fā)性，并且在室溫下通常為液體。它們通常為低成本的，并在高溫(例如至多約150°C)下穩(wěn)定。有機硅也易于官能化，因此可使用增加它們對CO2的親和力的基團進行官能化，如下進一步描述。
[0024]有機硅低聚物鏈的長度可容易地在合成過程中進行控制，由此允許控制諸如粘度和沸點的物理性質。另外，硅氧烷鍵為熱穩(wěn)定的，并在不存在強酸或強堿下為水解穩(wěn)定的。許多有機硅前體為商業(yè)可得的，因此有利的是不必開發(fā)大規(guī)模生產能力。這些中的許多可用于本發(fā)明中。適用于本發(fā)明中的官能化，并可得自多種來源的有機硅的一個例子包括含氫聚甲基硅氧烷(polyhydridomethylsiloxane)。
[0025]在另一實施例中，本發(fā)明的吸收劑包含例如包含約I至約5個硅原子的親CO2的硅基小分子。如本文所用，術語“親CO2的硅基小分子”意指與CO2可逆反應或具有對CO2的親和力的材料。(如下進一步描述，硅基材料通常含有一個或多個甲硅烷氧基單元)。
[0026]在一些實施例中，硅基小分子包含如式(I)所示的一個硅原子，其中L=C1-C18連接
基團，并可為脂族、芳族、雜脂族、雜芳族或它們的混合物:
[0027]
【權利要求】
1.一種二氧化碳吸收劑,其包含 a)液體非水性硅基材料，所述液體非水性硅基材料由與CO2可逆反應和/或具有對CO2的高親和力的一個或多個基團官能化；和 b)至少一種氨基醇化合物。
2.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳吸收劑，其特征在于，所述氨基醇化合物具有大于約90°C的沸點。
3.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳吸收劑，其特征在于，所述氨基醇化合物在40°C下具有小于約200cP的粘度。
4.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳吸收劑，其特征在于，所述氨基醇化合物具有式
5.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳吸收劑，其特征在于，所述氨基醇化合物具有式

6.根據(jù)權利要求5所述的二氧化碳吸收劑，其特征在于，式(XV)的氨基醇化合物為叔胺，其中R、R’和R’’中的每一個為脂族基團。
7.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳吸收劑，其特征在于，所述氨基醇化合物選自由二乙醇胺、三乙醇胺、三丙醇胺、二甲基乙醇胺、甲基二乙醇胺、二乙基乙醇胺、二-(3-羥基丙基)胺、N-三(3-羥基丁基)胺、N-三-(4-羥基丁基)胺、N，N-三-(2-羥基丙基)胺、N，N- 二異丙基乙醇胺、N，N- 二乙基丙醇胺、N，N- 二乙基-(2，3- 二羥基丙基)胺、N-乙基二乙醇胺、N-丙基二乙醇胺和它們的組合組成的組。
8.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳吸收劑，其特征在于，所述經(jīng)官能化的硅基材料包括含有一個或多個甲硅烷氧基單元的化合物。
9.根據(jù)權利要求8所述的二氧化碳吸收劑，其特征在于，所述硅基材料由一種或多種含氮基團官能化。
10.根據(jù)權利要求9所述的二氧化碳吸收劑，其特征在于，所述官能團包括伯或仲脂族或芳族胺、亞胺、脒、雜環(huán)氨基化合物或它們的組合。
11.根據(jù)權利要求10所述的二氧化碳吸收劑，其特征在于，所述官能團包括至少一個伯脂族胺或二胺、三胺或多胺。
12.根據(jù)權利要求11所述的二氧化碳吸收劑，其特征在于，所述官能團包括氨基甲基、氨基乙基、氨基丙基、氨基丁基、氨基異丁基、氨基乙基氨基丙基、4-甲基氨基丁基、4，4- 二甲基氨基丁基、3-(2-氨基丁基)氨基丙基、2，2-雙(氨基甲基)丁基、4，4-雙(氨基甲基)己基、4，4-雙(氨基甲基)丁基、哌嗪丙基、氨基乙基氨基甲基、或這些基團的組合。
13.根據(jù)權利要求8所述的二氧化碳吸收劑，其特征在于，所述經(jīng)官能化的硅基材料選自由直鏈、支鏈、星形或環(huán)狀 氨基丙基_、氨基丁基-或氨基異丁基-取代的硅氧烷組成的組。
14.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳吸收劑，其特征在于，所述經(jīng)官能化的硅基材料即組分(a)與所述氨基醇即組分(b)的比例(以重量計)足以在使用了所述吸收劑的至少一個作業(yè)周期中提供沸點大于約90°C且粘度小于約lOOOOcP的二氧化碳吸收劑，其中所述作業(yè)周期的溫度在約25°C至約200°C的范圍內。
15.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳吸收劑，其特征在于，所述經(jīng)官能化的硅基材料即組分(a)與所述氨基醇即組分(b)的比例以重量計在約20:80至約80:20的范圍內。
16.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳吸收劑，其特征在于，組分(a)和組分(b)作為物理混合物存在。
17.一種用于降低過程流中的二氧化碳的量的方法，其包括使所述流與二氧化碳吸收劑接觸的步驟，所述二氧化碳吸收劑包含 a)液體非水性硅基材料，所述液體非水性硅基材料由與CO2可逆反應和/或具有對CO2的高親和力的一個或多個基團官能化；和 b)至少一種氨基醇化合物。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其特征在于，所述過程流包括來自燃燒系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)或它們的組合的廢氣流。
19.一種包括二氧化碳去除單元的發(fā)電廠，所述二氧化碳去除單元含有二氧化碳吸收劑，所述二氧化碳吸收劑本身包含: a)液體非水性硅基材料，所述液體非水性硅基材料由與CO2可逆反應和/或具有對CO2的高親和力的一個或多個基團官能化；和 b)至少一種氨基醇化合物。
【文檔編號】B01D53/14GK103764258SQ201280041469
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年8月14日 優(yōu)先權日:2011年8月25日
【發(fā)明者】J.L.戴維斯, R.J.佩里 申請人:通用電氣公司