[发明专利]用于提取二氧化碳的模块化反应器和方法

说明书

发明领域

本发明涉及对于二氧化碳的吸收和解吸使用不同模块而能够从混合气体分离二氧化碳(CO₂)的反应器和方法。使用碳酸酐酶可促进CO₂的提取。混合气体为例如含有CO₂的气体，如来自煤或天然气发电厂的烟道气、沼气、垃圾填埋产生气(1andfill gas)、环境空气、合成气或天然气或任何含有二氧化碳的工业废气。

背景技术

二氧化碳(CO₂)排放是全球变暖现象的重要原因。CO₂是燃烧的副产物，且其造成操作、经济和环境问题。CO₂排放可通过在CO₂气体排放至空气之前将其捕捉来控制。有几种控制CO₂排放的化学方法。一种方法是让CO₂经过含有钙离子的水性液体，使得CO₂能够作为CaCO₃沉淀。从燃烧过程捕捉CO₂的优选技术为下述技术，其中捕捉过程的产物是以可压缩并运输至储藏位置，或用于有用目的的气体形式存在的CO₂。用于从气体进料提取CO₂并捕捉提取的CO₂气体以供使用或储藏的最成熟的技术是将CO₂吸收至胺溶液。许多类型的CO₂吸收胺溶液在本领域是已知的(参见例如US 4，112，052)。该方法的主要缺点是总体的高能耗(特别是在解吸步骤中)、缓慢的过程、胺的氧化和降解以及使用生态上可疑或有毒或腐蚀性化合物，如胺。

能够从气体流分离二氧化碳且并不需要胺或加热以再生其吸收能力的溶液在本领域是已知的。这些溶液是基于CO₂气体扩散至含有碱性化合物的水性液体如碱性盐溶液的能力，其中溶解的CO₂水合产生碳酸、碳酸氢根离子和碳酸根离子的平衡。生物催化剂(例如，碳酸酐酶)能够增加CO₂水合反应的速率。有报道称碳酸酐酶可以以非常高的速率催化CO₂至碳酸氢根的转化(报道称转换数高至每秒10⁵个CO₂分子)。为了捕捉CO₂，该离子可作为碳酸盐沉淀，并以固体形式从液体移除，或者可转化变回CO₂(脱水)，并以气体形式从液体移除。

已经描述了用于从气体如燃烧气体或呼吸气体使用液膜提取CO₂的反应器和方法。例如，包含中空纤维膜(包括液膜)的反应器描述于Majumdar等，1988，AIChE 1135-1145；US 4，750，918；US 6，156，096；WO 04/104160。在现有技术中，上述基于中空纤维膜的设计命名为中空纤维液膜(hollow fiber liquid membrane，HFLM)而基于这些的CO₂分离装置命名为中空纤维封闭液膜(HFCLM)透过器。HFCLM透过器的常见特征是围绕进样和吸扫(sweep)气流的中空纤维彼此靠近(即，“紧密填充(tightly packed)”或“紧挨着(immediately adjacent)”)，且其被封装于单一的刚性处理室而形成一个完整的透过器。在上述设计中，液体围绕紧密充满的进样和吸扫中空纤维外壳一侧。由于一个中空纤维外壁之间的距离非常接近邻接的中空纤维，其间液体层的厚度非常薄，类似膜，且液体的组分仅使得某些组分能够穿过，因此使用了术语“液膜”以描述围绕所述中空纤维的液体。包含液膜，在其中所述液膜夹在两个结构支持膜之间的封闭液膜透过器在本领域也有描述(Cowan等，2003，Ann.NY Acad Sci.984：453-469)；该设计基本上与HFCLM以相同方式运作。

描述了从气体如燃烧气体或呼吸气体使用直接气液接触来提取CO₂的反应器和方法。例如，常规的基于胺溶剂的CO₂捕捉反应器是基于吸收/解吸柱反应器(US 2008/0056972，Reddy等，Second National Conference on Carbon Sequestration，NETL/DOE，Alexandria，VA，May 5-8，2003)。另一个实例描述了基于胺的CO₂捕捉反应器，其基于吸收/解吸中空纤维膜模块(Kosaraju等，2005，Ind. Eng.Chem.Res.44：1250-1258)。