CO2、NOx和SO2的化学封存

相关申请的交叉引用

本申请要求根据37U.S.C.§119(e)对2019年1月28日提交的标题为“使用封闭锂技术进行CO

技术领域

本公开通常涉及大气气体的封存，更具体地涉及使用闭环技术对二氧化碳(CO

背景技术

大气气体如CO

科学研究证实，大气和海洋中的温室气体积累正在导致地球上支持生命的环境发生巨大变化。世界各地的大多数政府都认识到这一点，并正在采取措施扭转这一趋势，以减轻损害。2019年9月23日期间发生的事件就是这一承诺的示例。联合国气候变化峰会作出了以下决议和承诺：

欧盟宣布下一个欧盟预算的至少25％将用于与气候相关的活动。

法国宣布不与政策与《巴黎协定》背道而驰的国家签订任何贸易协定。

德国等65个国家承诺到2050年实现碳中和。

12个国家对绿色气候基金做出了财政承诺，该基金是协助发展中国家采取适应和减缓措施以应对气候变化的官方财政机制。这包括挪威、德国、法国和英国最近将其以前的捐款增加了一倍。

英国做出了重大的额外贡献，在2020年至2025年期间将其国际气候融资总额翻了一番，达到116亿英镑。

印度承诺到2022年将可再生能源产能提高到175GW，然后继续提高到450GW。

80个国家加入了国际太阳能联盟。

中国表示，将每年减排120亿吨以上，并将走高质量增长和低碳发展的道路。

俄罗斯联邦宣布将批准《巴黎协定》，使加入该协定的国家总数达到187个。

巴基斯坦表示，它将在未来五年内种植超100亿棵树。

联合国政府间气候变化专门委员会于9月23日发表了一份长达1170页的报告，记录了气候变化的影响，证实了气候紧急情况。

在伦敦举行的第三次会议也于9月23日达到高潮，这次会议与海运业直接有关。主要港口、银行、石油和航运公司于9月23日星期一举行会议，并发起了一项倡议，旨在到2030年在公海实现船舶和海洋燃料零碳排放。这是海事部门减少CO

60家商业集团，包括拥有世界上最大集装箱航运公司的马士基(MAERSKB.CO)等航运公司，中粮国际、嘉吉、托克、矿业集团英美资源集团(AAL.L)等大宗商品公司，以及花旗集团(C.N)、荷兰银行(ABNd.AS)和法国兴业银行(SOGN.PA)等银行，都致力于“零排放联盟”。该联盟正在推动船只和燃料在2030年前准备就绪，并得到所需基础设施的支持。

虽然在减少这些气体的产生方面取得了进展，但一旦释放到大气中，在捕集这些气体方面取得的成功有限。因此，本领域仍然需要新的方法和技术来有效和经济地封存大气气体，如CO

发明内容

所公开的方法提供了一种技术，该技术以高去除效率从点源气流或大气中有效地封存诸如CO

所公开的方法使用强制醇沉淀以能量有效的方式回收其中间试剂。这些醇去除由CO

本公开描述了在两个不同的循环过程组中协同配对的七个战略性选择的主要过程的组合。这些组被标识为单循环过程和双循环过程。两个过程循环通过一个新型的集成传感器和控制逻辑联系起来。这种过程和控制技术的结合包含了几种新型的CO

所有七个主要的CO

该方法独特地解决了与空间有限的应用相关的空间问题，例如处理海洋船只的废气。这是通过以下两种方式实现的：首先，不需要在船上储存过程试剂。该方法中的七个战略性选择的主要过程也具有从海水电化学处理中提供其主要消耗试剂的新型能力。其次，集成过程最大限度地减少了对反应室大小的需要，从而使技术设备的大小与海洋船舶或拥挤的陆地工业设施的有限空间相容。

由于所有反应的速率都取决于氢氧化钠(NaOH)或次氯酸钠(NaOCl)的消耗，因此该过程组合是新型的。

至少一个CO

新过程控制逻辑的第二个特征是它能够利用处理前和处理后CO

由于这七种过程是战略性地选择的，其中至少一种CO

过程和过程控制系统的集成组合的第四个特征是，能够在可以朝向任意方向的管道内使用雾或气相反应处理气态CO

这一战略性选择的七个过程组和新型的过程控制技术的第五个特点是能够根据需要单独调整所有过程的反应速度，以补偿CO

前面描述的CO

该专利还描述CO

无论在CO

利用KOH作为其消耗试剂的基于LiOH的CO

附图说明

根据一个或多个不同实施例，参照以下附图详细描述本公开。所提供的附图仅用于说明的目的，并且仅描述本公开的示例性实施例。提供这些附图是为了便于读者理解本公开，并且不应被认为是对本公开的广度、范围或适用性的限制。应该注意的是，为了清晰和便于说明，这些附图不一定按比例绘制。

图1示出了协同捕集CO

图2示出了在集成闭环系统(单循环过程)中不同pH环境下NaOCl/NaOCl百分比形态的实施例；

图3A和图3B示出了协同捕集CO

图4A和图4B示出了如何配置单循环过程和双循环过程的实施例；

图5示出了用于单循环过程和双循环过程的试剂生成、转化和分配技术的实施例；

图6示出了在单循环过程中使用的过程流量计的实施例；和

图7说明了在双循环过程中使用的过程流量计的实施例。

具体实施方式

提供了以下描述以使本领域普通技术人员能够制作和使用本文描述的实施例。对特定设备、技术和应用的描述仅作为示例提供。本文所描述的示例的各种修改对于本领域的那些普通技术人员而言将是极为明显的，并且本文所定义的一般原理可应用于其它示例和应用而不偏离本公开的精神和范围。因此，本公开并不旨在限于这里描述和示出的示例，而是要赋予与权利要求相一致的范围。

“示例性”一词在本文中用于表示“用作示例说明”。在此描述为“示例性”的任何方面或设计不应解释为比其他方面或设计更优选或有利。

现在将详细参照本主题技术的各个方面，其示例在附图中示出，其中相同的附图标记始终指代相同的元件。

本文公开的过程中步骤的特定序列或层次结构是示例性方法的示例。基于设计偏好，应当理解，在保持在本公开的范围内的同时，可以重新安排过程中步骤的特定序列或层次结构。任何附带的方法权利要求以示例序列呈现各个步骤的元素，并不意味着局限于所呈现的特定序列或层次结构。

本文公开的技术与上述致力于加强环境管理的团体的目标和任务相关。该技术为陆地和海洋提供了一种新的资源，用于CO

本公开的技术可应用于海洋和陆地排放CO

所公开的使用NaOH和NaOCl作为消耗性反应物的化学过程组合已经通过实验室规模的测试得到验证，可从燃烧和化学过程废气中去除99％CO

所公开的技术适用于陆地和海洋船舶应用。该技术还需要小的物理“足迹”，并且在处理过程中使用的电力生产产生的废气时是碳中性的。当使用太阳能或风能发电时，该技术也是碳中性的。所有目标气体在容器内以连续雾、干/湿气溶胶、气相或液相反应的形式去除，在给定的废气流量下，容器的直径不会比传统管道大很多。

CO

所有这些过程的主要消耗品是氯化钠(NaCl)或氯化钾(KCl)。将NaCl或KCl转化为过程中使用的其他消耗品所需的能量包括在下面所示的质量平衡和能量研究中。

在CO

设备运行所需的电力也包括在所提供的能量研究和质量平衡中。如果发电源是本地的，例如船舶或发电厂应用，则该过程可以处理由产生该过程所需的电力而产生的CO

用于协同管理本文所述过程的过程控制系统逻辑程序具有根据需要独立地单独调整所有过程的反应速率的能力，以实时补偿废气中CO

所公开的方法提供了有效封存点源和包括CO

本公开提供了用于去除CO

过程控制技术可以使用策略性放置的传感器的数据，这些数据通过传感器与已知化学公理之间的比较而被确认是准确的，过程逻辑控制(PLC)程序采用复杂的“if-then”逻辑和算法，以如下方式灵活地调节所有反应的反应速率：

调整三种目标化合物比例的变化。

调整目标化合物浓度的变化。

根据需要确定单独获得预定的CO

平衡了所有七个反应中两种主要反应物的摩尔比：NaOH和Cl

PLC的多变量if-then逻辑能够完成这些任务，由于处理目标化合物的七个主要反应是特意选择了使用NaOH/NaOCl作为其主要速率决定试剂的CO

由于平衡的试剂使得一个单一的电化学(E-Chem)过程通过将NaCl转化为NaOH和Cl

将NaHCO

因此，需要进行干预，以防止海洋pH值突变。幸运的是，本文公开的CO

因此，在一个实施例中，本公开提供了一种技术，该技术结合了用于使用单个反应器内的三个或更多个连续反应阶段或三个或更多个单独反应阶段的组合从废气或液体流中去除CO

如图1所示，单循环过程技术包括SO

SO

接下来，如图1所示，NO

NO+NO

接下来，如图1所示，CO

CO

接下来，如图1所示，NO

NO+NO

最后，如图1所示，CO

CO

在含有产物NaHCO

在含有NaNO

此外，如图1所示，可以将NaOCl和NaOH以及任意回收的H

图1所示的反应序列使用基于多种算法的过程控制序列，通过改变试剂剂量参数有效地调节五个略微重叠的序列反应的相互关联的反应速率。该过程控制可以使用多变量联立方程整合来自多个传感器的数据，该联立方程采用if-then逻辑，并参照已知的动力学反应参数来确定传感器数据的有效性。这一过程控制，还调节试剂注入到单一反应室的时间。该过程控制还包括对注入试剂的质量和所用试剂混合物的pH值的调节。通过调节NaOCl、NaOH和HCl三种反应物，可以实现对五个反应的多变量过程控制。

循环序列内反应的协同选择使得过程早期阶段的反应产物能够在同一容器内的半重叠环境中发生的后续反应中充当试剂。例如，在图1所示的反应序列中，在第一次捕集CO

能够对图1所示的反应进行精确的过程控制，由于为该过程选择的独特和不同的反应具有独特的不同的动力学反应速率，并且对NaHCO

对反应序列的了解和如前所述有意改变投入反应室的NaOCl试剂的pH、时间和量提供了一种可预测的方式来选择性地捕集和/或去除过程序列中的SO

图1循环中的第五个反应使用NaOH作为试剂。响应于预先确定的传感器数据，由PLC程序指定的引入NaOH的速度和时间也对该过程进行调节。

本系统中使用的过程控制逻辑需要来自传感器的可靠数据。氧化还原电位(ORP)等非特异性传感器可能提供不可靠的过程信息。例如，如果ORP被用来调节NaOCl在反应混合物中的剂量，则随着NaOCl的加入，ORP会发生变化，如果NaOCl是唯一能影响溶液ORP值的化合物，这将是一个有效的过程控制变量。但是由于ORP不是专门检测反应混合物中的HClO和ClO

例如，可以通过两个不同传感器的数据确定NaOCl的剂量：处理液的pH值和反应室中Cl

验证传感器数据的概念也适用于其他过程变量。反应室特定部分气体的特性和浓度的傅里叶变换红外光谱(FTIR)数据可以与已知的气体比例之间的关系进行比较，如SO

单个反应器内的多个过程的监控和调节集成是反应室比在单独的反应室中完成七个过程并用常规过程控制进行调节时所需的要小得多的主要原因。

在基于LiOH的CO

这一过程的关键是生成非离子二氧化氯，用上标有“0”区分，如下所示:ClO

5NO+2(ClO

5NO

由反应式[6]和反应式[7]生成的HCl和HNO

HCl+KOH→KCl+H

HNO

反应式[8]和反应式[9]所示的KCl和KNO

在另一实施例中，本公开提供了集成闭合双循环系统的双循环过程技术，其协同捕集CO

如图3A和图3B所示，双循环过程的循环1包括CO

在另一个实施例中，CO

上述方法中使用的CO

图3A所述的本方法中使用的所有CO

如下式[10A]所示，2摩尔LiOH可与1摩尔CO

2LiOH+CO

2LiOH·H

即，CO

接着，如图3A和图3B所示，通过分别用NaOH或氢氧化钾(KOH)处理，将反应式[11A或11B]中生成的Li

Li

Li

除了再生LiOH，生成的Na

如反应式[11A]和[11B]所示，Li

接着，使用上述气体/液体或液体/液体或气体/固体传质方法，将反应式[11A和11B]的反应产物再次暴露于CO

传质导致反应，其中1摩尔Na

Na

K

只要通过加入NaOH或KOH将pH升高到碱性，该反应就可以持续(取决于水相中固体的浓度)。

如图3A和图3B所示，并在质量平衡表(表5)中所述，LiOH被循环使用，整个过程要求每捕集的1摩尔CO

过程化学使用一种方法来调节过程停留时间。这包括液体流过双循环过程序列的循环1和循环2。循环2是循环1过程流的滑流。循环2实际上是两个或多个具有相同机械构造的过程循环，可能处理或不处理相同体积的过程液。多循环2过程设备系统可以具有相同或不同的反应容器横截面面积。

两个或多个循环2过程液流路的比例或百分比可以根据需要进行监控和调节，以提供理想的反应停留时间。整个循环2过程流的横截面积是根据需要进行调整的，以达到减缓或增加反应器内停留时间的液体流动速度。调整停留时间以使得循环内的反应能够达到所需的过程完成百分比。通过改变循环2过程路径的总横截面积，直到横截面积的任何进一步变化将对循环2内所需的过程完成百分比产生不利影响，从而实现最佳过程调整。

循环1进程路径停留时间也可以根据需要进行调整，以获得该循环中发生的进程的最佳完成百分百。这是通过调整经过循环的处理液流速来实现的，也就是通过改变分流到循环2反应器的液体分流来实现的。

过程控制逻辑通过响应确定液体和气体流中化合物浓度的分析传感器加上流量传感器数据和循环的已知循环横截面积，来有效地监测和调整循环2路径的数量以及循环1和循环2之间的分流比，以在循环1和循环2内产生期望的停留时间，从而在两个循环中实现期望的反应完成。这个过程会自动调整，以适应目标气体的浓度比例和每种目标气体的总量的变化。

本公开提供了从循环2再循环过程中去除NaHCO

两种醇被确定为该过程的理想选择。每一种都有一套独特的理想物理特性。由于甲醇能与在水混溶而不形成共沸物，与H

这种分离序列利用了NaHCO

NaHCO

可以将醇，优选甲醇或叔丁醇添加到循环2液体中。醇的体积与循环2液体流速、过程液温度和过程流中影响NaHCO

再生的LiOH留在含水反应混合物中，可通过循环1重新用于封存其他CO

如果循环1和可选的SO

2LiOH(saturated)+SO

Li

Li

Li

Li

已对照燃烧废气中常见的其他化合物检查了所公开的CO

图4A和图4B示出了如何配置本文公开的用于单循环过程和双循环过程的CO

图4A和图4B还示出了当废气高于环境温度时，单循环和双循环过程通常是如何由SO2洗涤器和/或废气冷却/节能器/淬火模块进行的。图的右侧还示出了试剂的生产及其流入单循环过程和双循环过程的情况。

图4A和图4B示出了图1的名为“单循环过程”的黑色矩形内分组的五个过程的序列如何可以集成到单个洗涤容器内的洗涤过程中的实施例。这种化学反应的组合被定义为单循环过程。其被设计用于处理燃烧或其他化学和生物来源的CO

图4A和图4B左侧的单循环和双循环过程图分别在图1、图3A和图3B中详细显示。图4A和图4B中所示的配置只是可能配置的一个示例，并不意味着是限制性的。图4A和图4B所示的试剂生成、转化和分配技术在图5中有更详细的描述。

图4A和图4B还示出了在电化学(E-Chem)生产NaOH和Cl

图5说明了七个单独的气体洗涤过程如何被分成两个洗涤组：

SO

另外两个CO

图5还示出，单个电化学发生器可以从海水或其他含有NaCl的溶液中制造所有七个过程的主要化学消耗品，而不会产生其他会干扰E-Chem过程的化合物。以NaCl为原料制备NaOH和Cl

将Cl

图5还示出了如何平衡电子化学过程中试剂的用量。目前存在多种捕集和再利用CO

图5中仅示出了一种用于捕集SO

在使用NaOH或NaOCl作为消耗品的整个过程中，多种CO

例如，本技术方案中特意包括了三种去除CO

本文所述的单循环过程被设计为作为双循环过程的先决条件。但是，单循环过程和双循环过程也可以在独立模式下使用。

单循环过程也可以充当抛光洗涤器。在一个示例中，单循环过程可以充当任意设计的SO

此外，如果气流中不含有可与过程化学制品反应的化合物，例如：SO

示例

示例1：图6和表2描述了单循环过程中使用的过程流量计：

表2

示例2：图7和表3描述了双循环过程中使用的过程流量计：

表3

本文公开的集成CO

反应室以一定速度处理废气，使得反应室的体积略微大于典型废气流所需的体积。

由于反应室利用雾状反应，因此反应室可以沿任意方向取向。图中所示的向上流动只是示例。

该方法可以从海水中生成NaOH和NaOCl，因此不需要在船上储存NaCl。

这些过程生成NaHCO

本文公开的方法将NaNO

在此公开的方法具有处理发电系统的废气的能力，所述发电系统需要产生运行所述方法所需的电力，从而由于操作所述组合组的方法，基本上不排放CO

如果使用过时的技术生产NaOH/KOH，使用E-Chem发电将会引起关注。在过去的几年中，生产NaOH/KOH的技术逐渐变得更加环保。电极技术的升级已经用于商业生产。其他最新技术突破表明，对细胞膜的需求是如何消除的。据报道，这一最新的变化将电力需求减少到传统电力需求的1/3至1/5之间。

表4示出了可用于制造所公开方法所需的NaOH和NaOCl的海水的化学成分组成。

表4

本研究中的质量平衡采用了NO

本公开还提供了用于单循环过程和双循环过程洗涤阶段的单独的质量平衡表。文献报道了海洋废气中NO

表5

*所有质量按100％物料的干重计算。

*蒸馏过程中通过H

表6示出了以单循环过程中捕集的1千克CO

表6

表7说明了以单循环过程中捕集的1千克SO

表7

*所有质量按100％物料的干重计算。

表8示出了以1千克经过单循环过程中的减排过程处理的95％NO/5％NO

表8

*所有质量按100％物料的干重计算。

描述以假定为累积的比例从废气中去除NO

表9说明了在100％发动机容量下，燃烧HFO燃料的2缸发动机的船舶排气中NO

表9

表10说明了在所公开的计算中使用的“典型船舶”的物理特性。

表10

表11说明了在规定的速度和风力条件下船只实际使用的燃料消耗。

表11

表12说明了二冲程船用发动机燃油燃烧的典型NO

表12

表13说明了上文所述典型船舶的NO

表13

*NO/NO

表14示出了在100％发动机容量下，基于HFO每小时二冲程船用燃烧的实际比例的CO

表14

1.H

2.NaOH、NaOCl和HOCl都是由船上携带的NaCl或从海水中捕集的NaCl生成

表14报告的数据用于调整表中所报告的NO

以下数据是指电化学过程中生成NaOH和NaOCl以及HOCl所需的能量，所需的能量是处理100％CO

通过单循环过程和双循环过程模块回收化学制品的所有其他能量完全来自燃烧源产生的废物能量。废热还含有产生化学加工中使用的泵、混合器和其他机械设备所需的电力所需的能量，但利用这些废热需要附加设备。因此，使用少量的附加燃料来产生这种电能是切实可行的。

从饱和NaCl溶液中产生1kg NaOH所需的理想能量为0.911kWh。如果用海水作为NaCl的来源，电能消耗会更大。表15说明了各种燃油中的能量*。

表15

1千瓦时＝3412BTU

根据表12和表15，只需要95,77加仑5号燃料油(重型)就可以处理表10和表11所述典型船舶每小时100％发动机容量产生的所有CO

虽然参照本公开的优选实施例特别示出和描述了本公开的特征，但本领域的技术人员将理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在其中进行前述和其他改变。同样，各种图可以描绘用于本公开的示例架构或其他配置，这样做是为了帮助理解可包括在本公开中的特征和功能。本公开不限于所示的示例架构或配置，而是可以使用各种替代架构和配置来实现。此外，尽管以上根据各种示例性实施例和实现描述了本公开，但应当理解，在一个或多个单独实施例中描述的各种特征和功能不限于其对描述它们的特定实施例的适用性，相反，它们可以单独或以某种组合应用于本公开的一个或多个其他实施例，无论是否描述了这些实施例，以及无论这些特征是否被呈现为所描述的实施例的一部分。因此，本公开的广度和范围不应受到上述示例性实施例中任何一个的限制。