用于吸附氣體分離過程的顆粒吸附床的低壓降結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于氣體分離過程的吸著劑床結(jié)構(gòu)以及這樣的結(jié)構(gòu)用于氣體分離、例 如用于從氣流中分離/捕集〇)2的用途。
【背景技術(shù)】
[0002] 通過吸附進行的氣體分離在工業(yè)中有許多不同的應用，例如從氣流中移出特定的 組分，其中期望的產(chǎn)品可以是從所述流中移出的組分、剩余的貧流或兩者。由此痕量組分以 及氣流的主要組分兩者都可以是吸附過程的目標。
[0003] -個重要應用是從氣流、例如從煙道氣、排放氣體、工業(yè)廢氣或大氣空氣中捕集二 氧化碳（CO2)。
[0004] 直接從大氣捕集CO2 (也稱為直接空氣捕集（DAC))是減輕人為溫室氣體排放的幾 種手段之一，并且具有作為用于商品市場和用于制造合成燃料的非化石的位置獨立性CO2源的有吸引力的經(jīng)濟前景。從大氣中捕集〇)2的具體優(yōu)點包括：（i) DAC可以解決分布式源 (例如汽車、飛機）的排放，其占據(jù)世界范圍內(nèi)溫室氣體排放的大部分，并且目前不能以經(jīng) 濟可行的方式在排放地點捕集；（ii)DAC可以解決過去的排放，并因此可以產(chǎn)生真實的負 排放；（iii)DAC系統(tǒng)不需要被附著至排放源，而是位置獨立性的，并且例如可以位于其他 CO2處理場所；和（iv)如果從大氣捕集的CO2用于由可再生能源生產(chǎn)合成烴類燃料，則可以 獲得用于運輸行業(yè)的真正的非化石燃料，其不產(chǎn)生向大氣的凈〇)2排放或產(chǎn)生非常少的凈 CO2排放。
[0005] 近來已經(jīng)開發(fā)了基于各種技術(shù)方式的幾種DAC方法。例如，US 8, 163,066 B2公 開了二氧化碳捕集/再生結(jié)構(gòu)和技術(shù)；US 2009/0120288 Al公開了一種用于從空氣中移出 二氧化碳的方法；US 2012/0174778公開了一種利用垂直升降機的二氧化碳捕集/再生方 法；以及W02010022339公開了一種二氧化碳捕集方法和設(shè)備。
[0006] -個具體的方式基于固體的、化學功能化的吸著劑材料上的循環(huán)吸附/脫附過 程。例如，在W02010/091831中，公開了基于胺功能化的固體吸著劑材料以及利用該材料的 循環(huán)吸附/脫附過程的用于從環(huán)境空氣提取二氧化碳的結(jié)構(gòu)。
[0007] 其中，吸附過程在其中空氣流過吸著劑材料并且包含在空氣中的CO2的一部分被 化學結(jié)合在吸著劑的胺功能化表面的環(huán)境條件下進行。在之后的脫附期間，該材料被加熱 到約50至110°C，并且通過施加真空或?qū)⑽鴦┍┞队诖祾邭饬鱽斫档臀鴦┲車亩?化碳的分壓。由此，從吸著劑材料中移出并以富集形式獲得之前捕集的二氧化碳。
[0008] 在W02012/168346A1中，公開了一種基于胺官能化纖維素的吸著劑材料，其可以 用于上述過程。
[0009] -般而言，對于基于吸附的氣體分離過程，期望對氣流幾乎不產(chǎn)生壓降的吸著劑 材料的構(gòu)造以使栗送氣體所需的能量最小化并且同時在吸著劑和氣流之間實現(xiàn)最大接觸 以使要從氣流中移出的組分的傳質(zhì)速率最大化。典型的構(gòu)造包括具有幾十厘米至幾米的典 型長度的填充床柱或流化床，其通常對氣流造成幾千帕斯卡至最多幾巴的壓降。
[0010] 如果從氣流中移出痕量組分，則對壓降的要求可能變得甚至更為苛刻。特別地，所 有的DAC方式都具有一個共同的主要挑戰(zhàn)，即必須要使非常大的空氣體積穿過任何捕集系 統(tǒng)以從空氣中提取一定量的CO2。其原因是大氣空氣中的CO2的濃度非常低，目前為390至 400ppm，即大致為0· 04%。因而，為了從大氣中提取1公噸CO2，必須使至少約1400000立 方米的空氣穿過捕集系統(tǒng)。這進而意味著在經(jīng)濟上可行的捕集系統(tǒng)必須對穿過它們的空氣 流具有非常低的壓降。否則，用于栗送空氣的能量需求會使該系統(tǒng)不經(jīng)濟。然而，任意的低 壓降構(gòu)造不應損害系統(tǒng)的傳質(zhì)性能。
[0011] 雖然對于DAC過程具有有前景的性能的許多材料通常為顆粒形式，但是將它們布 置在具有通常幾十厘米至幾米的長度的常規(guī)填充床柱或流化床中通常會是不可行的，原因 是所產(chǎn)生的壓降會超過容許極限一個或幾個量級。
[0012] 另一方面，在用于氣流的顆粒過濾器的領(lǐng)域、特別是用于排放氣體的灰顆粒過濾 器的領(lǐng)域中，開發(fā)了通常被稱為"壁流"過濾器的通道式過濾器結(jié)構(gòu)，參見例如EP 0 766 993 A2。在這些結(jié)構(gòu)中，氣流通過入口通道進入結(jié)構(gòu)，穿過多孔壁，并且通過出口通道離開 結(jié)構(gòu)，其中灰顆粒被截留在多孔壁處。
[0013] 在氣體分離和吸附的情形中也開發(fā)了包含吸著劑材料的整體結(jié)構(gòu)（例如 W02010/027929 A1、US 8,202,350 B2)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明涉及一種用于通過吸附進行氣體分離的顆粒狀吸著劑床的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu) 能夠?qū)崿F(xiàn)在穿過該結(jié)構(gòu)的氣流上的非常低的壓降和在氣相和吸著劑材料表面之間的非常 高的傳質(zhì)速率兩者。本發(fā)明結(jié)構(gòu)的基本原理是其中吸著劑材料的顆粒形成非常短的填充床 的布置，例如長度為〇. 5至2. 5cm，待分離的氣流穿過該填充床。然而，以單層布置的這樣的 床導致非常大的、在技術(shù)和經(jīng)濟上不可行的總吸附系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)。
[0015] 相應地，提出了一種用于用于從包含第一氣體、通常為二氧化碳以及不同于所述 第一氣體的其它氣體的混合物、通過為空氣或煙道氣的混合物中分離第一氣體的氣體吸附 單元，所述氣體吸附單元用于循環(huán)吸附/脫附過程并且還使用用于氣體吸附的松散顆粒狀 吸著劑材料。在該單元中，所述顆粒狀吸著劑材料布置在至少兩個堆疊層中，并且每個層都 包括能透氣的但是不能透過松散顆粒狀吸著劑材料的兩個柔性織物材料片，所述片或者安 裝在剛性框結(jié)構(gòu)上或者利用它們之間的間隔物或間隔元件以自支撐方式形成層，它們大致 平行地布置從而限定層的入口面和層的出口面，布置的距離為0. 5至2. 5cm，并且包圍顆粒 狀吸著劑材料位于其中的腔。所提出的單元具有供氣體混合物的流入物進入的氣體入口側(cè) 或氣體入口歧管和供氣體流出物離開單元的氣體出口側(cè)或氣體出口歧管，流入物和流出物 之間的氣體通路被限定在單元內(nèi)以穿過至少一個層。換言之，進入單元的氣體在任何情況 下都必須穿過所述層中的一個并且在標準吸附操作中沒有旁路，旁路可以通過相應的閥實 現(xiàn)以用于清潔和/或脫附過程。
[0016] 所述層以如下方式布置在單元中：流入物穿過入口面，然后穿過位于各個層的腔 中的顆粒狀吸著劑材料，然后通過出口面離開各個層（以形成氣體流出物）。另外，層以如 下方式布置：相鄰的層的入口面彼此面對從而包圍氣體入口通道并且出口面彼此面對從而 包圍出口通道。在大致垂直于主氣體流入物方向和主氣體流出物方向的方向上測量的在限 定所述通道的入口面和/或出口面之間的平均距離（定義為面對這些面的全表面范圍內(nèi)的 距離的平均值）分別為0.5至5cm。而且，在平行于主氣體流入物方向和主氣體流出物方向 的方向上入口面和/或出口面的長度分別為所述層中的片之間的距離的至少10倍（或甚 至為 40、50、80 或 100 倍）。
[0017] 與本發(fā)明提出的單元不同，現(xiàn)有技術(shù)的單元（例如參見W02009/148872 A2、 US6, 379, 437 BI)使用包埋到供氣流穿過直的流通式通道的結(jié)構(gòu)化吸附床中的顆粒狀吸著 劑材料。在這些吸附床構(gòu)造中，必須通過大致垂直于氣流的流動方向的擴散將待通過吸附 從氣流中移出的物質(zhì)從氣流輸送到吸附劑材料。在這些裝置中并未迫使氣流在離開裝置前 穿過相應的吸著劑材料層。然而，如果待從氣流中移出的物質(zhì)的濃度非常低（例如空氣中 的CO2)，則從氣流到吸著劑床的濃度梯度小，這限制可實現(xiàn)的傳質(zhì)速率并且需要長的停留 時間，進而可使該過程變得不經(jīng)濟。
[0018] 利用本發(fā)明公開的其中引導并迫使氣流穿過由粒狀吸著劑材料構(gòu)成的通道的結(jié) 構(gòu)，可以克服由擴散引起的傳質(zhì)限制，并且相對于現(xiàn)有技術(shù)可以顯著增加從空氣流到吸著 劑材料表面的例如CO2的傳質(zhì)速率。同時，與常規(guī)的填充柱床構(gòu)造相反，可以使本發(fā)明結(jié)構(gòu) 上的壓降保持得低。
[0019] 此外，由于一些現(xiàn)有技術(shù)如W02009/148872 A2依賴于所吸附的物質(zhì)從主氣流到 吸著劑材料層中的擴散，所以這些現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的吸著劑材料層的厚度通常被建議為非常 小，即優(yōu)選3mm，以使傳質(zhì)限制最小化。然而，這樣的薄吸著劑材料層制造昂貴且精細，并且 不耐久。本發(fā)明的一個重要優(yōu)點在于如下事實：以如下方式采用可更容易制造的結(jié)構(gòu)、即包 含比現(xiàn)有技術(shù)建議的更厚的吸著劑材料層（例如0. 5至2. 5cm)的結(jié)構(gòu)：不損害待吸附到吸 著劑材料表面的物質(zhì)的傳質(zhì)（因為氣流穿過吸著劑材料層），而如果利用更厚的、可更容易 制造的吸著劑材料層實施基于擴散的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)會損害待吸附到吸著劑材料表面的物 質(zhì)的傳質(zhì)。
[0020] 另外的現(xiàn)有技術(shù)裝置（例如TO2010/027929 AU US8, 202, 350 B2)使用其中能夠 引導氣流穿過多孔吸著劑材料層的結(jié)構(gòu)，但是這些結(jié)構(gòu)基于為在第三維度上擠出的基本上 2維的結(jié)構(gòu)的擠出式整體結(jié)構(gòu)。在這些結(jié)構(gòu)中，吸著劑材料為整體結(jié)構(gòu)，例如為凝膠形式或 沉積在通道壁上，因此其不是松散的。此外，這些結(jié)構(gòu)通常由單一材料擠出，并且擠出過程 不允許對任意的材料進行組合來構(gòu)建該結(jié)構(gòu)。
[0021 ] 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)相對于現(xiàn)有技術(shù)的擠出式整體結(jié)構(gòu)具有幾個優(yōu)點。
[0022] 第一，基于擠出式整體材料的結(jié)構(gòu)不能呈現(xiàn)更為復雜的3維結(jié)構(gòu)，例如具有通過 柔性織物片限定的松散顆粒狀吸著劑材料的各個層的堆疊體。這進而意味著，現(xiàn)有技術(shù)的 結(jié)構(gòu)不能呈現(xiàn)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)，例如連接至管道并且被包埋在包圍在兩個織物材 料層之間的吸著劑材料層中的傳熱結(jié)構(gòu)（見下文）。
[0023] 第二，現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)不能由多種不同的材料組合容易地構(gòu)建，如本發(fā)明的結(jié)構(gòu)那 樣，其相應的優(yōu)點在下文詳細列出，例如優(yōu)化的熱質(zhì)量/熱容量、優(yōu)化的傳熱結(jié)構(gòu)的熱導率 等。特別地，與現(xiàn)有技術(shù)相反，包圍吸著劑材料的柔性織物材料的并入允許（i)使用將吸著 劑材料保持為薄的均勻?qū)有螤畹娜嵝缘暮驮谝欢ǔ潭壬峡缮煺沟目椢锲?，即使顆粒層的體 積在操作期間有一定程度的收縮或膨脹（例如通過材料的干燥和潤濕）；和（ii)調(diào)整織物 片以剛好不可透過吸著劑材料但同時非常薄并且對流過它們的氣流施加非常低的壓降。與 此相反，現(xiàn)有技術(shù)的整體結(jié)構(gòu)的固定的剛性通道（i)不能適合于收縮和/或膨脹的吸著劑 填充，和（ii)相比優(yōu)化的柔性織物片通常會更厚或具有更低的供氣流穿過的孔隙率，這是 因為現(xiàn)有技術(shù)的整體結(jié)構(gòu)將需要更致密的結(jié)構(gòu)來維持其剛性結(jié)構(gòu)。
[0024] 第三，現(xiàn)有技術(shù)的整體結(jié)構(gòu)可能經(jīng)受繞過吸著劑材料層的大量流動，從而導致減 少的吸附過程期間的傳質(zhì)。其原因在于，在吸著劑材料與剛性結(jié)構(gòu)如整體材料的壁接觸的 那些位置處，可能形成吸著劑材料中的小腔（例如在填充或涂覆過程期間），這降低這些位 置處的對空氣流的阻力并進而引起穿過它們的旁路流動。在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，可以使吸著 劑材料的填充內(nèi)側(cè)的壁的數(shù)目保持為比現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)小得多。
[0025] 第四，所提出的與用于界定層的柔性織物相結(jié)合和與具有特定選擇的層厚度和通 道寬度的堆疊布置相結(jié)合的松散顆粒吸附材料的使用允許提供非常穩(wěn)健、低壓降、易于操 作和低制造成本的具有高吸附和脫附過程效率的裝置，所述裝置的