用于从气体流产生能量的方法以及用于从烟道气产生能量的系统与设备的制造方法
【专利说明】用于从气体流产生能量的方法以及用于从烟道气产生能量 的系统与设备
[0001] 本发明涉及用于从包含C02的气体流比如烟道气产生能量的方法。
[0002] 全世界的能量需求正在上升。尽管可再生能量和/或可持续能量如风能和太阳能 的使用正在增长，但预计化石燃料将仍然在一定时间段内是主要能源。发电厂比如发电站 和制炼厂（process plant)仍然排放不断增加的量的C02。很大程度上，该C02排放物由化 石燃料的燃烧造成。为了最小化该C02排放物可能对环境和气候的影响，捕获并且存储这 该C02排放物。针对应用这种技术的实际障碍之一是需要的能量输入。
[0003] 本发明的目的是提供用于从包含co2的气体流产生能量的方法，其消除或至少减 少上述问题并且有助于总体效率能量产生和使用。
[0004] 该目的通过根据本发明的用于从气体产生能量和/或从气体流分离气体组分比 如C02的方法来实现，所述气体包含气体组分比如C02，所述方法包括以下步骤：
[0005] -向流动通道提供气体流，其中气体流具有相对高分压的气体组分；
[0006] -向隔室提供气体，所述隔室用膜与流动通道分开，所述膜对气体组分具有选择 性；以及
[0007] -通过所述膜将气体组分从流动通道转移至气体隔室。
[0008] 在目前优选的实施方案中，气体组分是C02。通过从气体流分离气体组分来实现纯 化的气体流。此外，通过将气体组分转移至气体隔室，气体隔室中的气压将增大。这种增大 的气压可以有助于能量产生，例如通过将气体从气体隔室提供至涡轮机。
[0009] 在根据本发明的可选择的实施方案中，电极用于从气体流产生能量、更具体地从 co2流产生能量。这类方法包括以下步骤：
[0010] -向流动通道提供气体流；
[0011] -产生阳离子和阴离子；
[0012] -使阳离子朝向阳离子选择性电极扩散以及使阴离子朝向阴离子选择性电极扩 散；
[0013] -通过电极吸附阳离子和阴离子；以及
[0014] -通过电路运输电子以维持电极的电中性并且产生电能。
[0015] 提供能够吸着、优选地分别地吸收（包括吸附）阴离子和阳离子的至少两个电极 (其中一个电极是阴离子选择性的并且另一个电极是阳离子选择性），能量可以通过这种 吸着过程产生。这种吸着过程开始于还没有被离子饱和的至少两个电极。
[0016] 作为实施例，在本发明的目前优选的实施方案中，流动通道（包括任何类型的流 动隔室）中的气体是具有比如说15%的C02水平的烟道气。首先，根据反应L，气态0)2吸 收在水中： _7]~
[0018] 接着，被吸收的C02与水反应以产生碳酸（R2)，碳酸（R 2)可以离解成质子和碳酸氢 根离子（?)。根据反应r2、r#pr4，碳酸氢根离子可以进一步离解成碳酸根离子和第二质 子（R4):
[0019] R2: CO;.: (acf)+Fb〇 為 H2C〇h
[0020] 私：馬瑪 + H€〇i
[0021] R4:
[0022] 当电极还没有被离子饱和时，质子和碳酸氢根离子将自发地朝向电极扩散。碳酸 根可能几乎没有影响，因为预计该物质具有非常低的浓度。离子交换膜（一种离子交换膜 允许运输阳离子，一种离子交换膜允许运输阴离子）的存在导致质子和碳酸氢根离子被吸 收在不同的电极中：质子将被吸附在阳离子选择性电极中，并且碳酸氢根离子将被吸附在 阴离子选择性电极中。为了维持电中性，电子将通过（外部）电路从阴离子吸附侧朝向阳 离子吸附电极运输。这种选择性吸附过程从而引起电流。该过程将继续直到电极饱和。
[0023] 可以以不同的方式来实现阴离子选择性电极和阳离子选择性电极。例如，可以通 过由聚电解质凝胶填充碳颗粒之间的颗粒间孔隙和/或通过将离子选择性层比如膜放置 在电极前面来化学地改性（碳）电极。这类离子交换膜是薄的水填充的多孔结构，其包含 高的内部浓度的正号或负号的固定电荷基团（例如膜中5M/体积的水）。在这些基团是正 (例如，来自存在于膜中的季铵基）的情况下，膜具有高选择性以允许阴离子（负号的离 子）通过，而阻挡阳离子（比如质子）进入。这被称为阴离子交换膜。用磺酸基来实现相 反的情况，并且这被称为阳离子交换膜。提供选择性电极的其它选择包括使用化学选择性 无机材料。
[0024] 每个电极由将系统连接至外部电路的电流收集器组成。
[0025] 电流收集器与具有高电容的导电材料直接接触，所述导电材料优选地是多孔碳电 极。在多孔碳内的高的内表面区域处，离子可以靠近电荷存储：形成所谓的双电层（EDL)。 EDL实现在碳/水界面处，电荷仅仅可以处于碳中，并且离子（离子电荷）仅仅可以处于水 中。两种电荷将非常接近，仅仅间隔几纳米。在量值上，两种电荷彼此互相抵消：因此，整体 上，EDL是电中性的。当电荷是负号时，因此电极将吸引并且吸附碳中水填充的微孔中的阳 离子（靠近碳表面）。该电极被称为阴极。在相反的电极中，所有过程的符号相反，这是阳 极。
[0026] 在目前优选的实施方案中，电极、优选地多孔碳电极用阳离子交换膜或阴离子交 换膜密封或与流动通道分开。在目前优选的实施方案中，膜之间的间隔即流动隔室用水填 充，烟道气以气泡的形式流动通过水。水在两种不同电极之间提供离子连接。
[0027] 在可选择的实施方案中，电极通过0)2选择性膜或离子选择性膜分开，而没有电容 电极。如早期提到的，可以应用离子选择性电极，从而消除对膜的需求。
[0028] 根据前述操作，在开始时将存在高电势和高电流，并且两者将缓慢减小，而电极达 到饱和。在再生步骤中从电极移除阳离子和阴离子之后，电极可以被再次用于从气体流产 生能量。
[0029] 从具有相对高水平C02的气体流产生能量的优点之一是，这类气体流是通常可获 得的，例如烟道气。这致使根据前述方法的能量产生是非常成本有效的。尽管前述方法提到 质子和碳酸氢根作为阳离子和阴离子，但将理解，使用与其组合的其它阳离子和阴离子和/ 或作为对其的备选是可能的。烟道气的具体示例是由因大量产生co2而著名的发电站产生 的烟道废气。
[0030] 在根据本发明的有利实施方案中，所述方法还包括通过将受体气体提供至流动通 道而从电极解吸质子和离子的步骤。
[0031] 通过由受体气体替换供体气体，优选地提供C02，随着阳离子比如质子和阴离子解 吸至受体气体，电极再生。这提供了时间上交替发生的吸收和解吸的有效循环。
[0032] 这种具有电极再生的吸收和解吸的循环将被称为0)2的可逆电容吸收。该可逆电 容吸收是利用存在于烟道气中的混合能量的用途广泛的过程。
[0033] 在根据本发明的有利实施方案中，受体气体具有相对低的C02浓度，使得C0 2自发 地解吸。
[0034] 当供体气体在解吸步骤中被具有相对低的0)2浓度的受体气体替换时，这将导致 C02的自发解吸。该解吸将从水相开始并且因此还从电极扩散开始。为了维持电极的电中 性，电流将开始以相对于C02吸收步骤期间产生的电流相反的方向流动。这意味着在具有 电极再生的该解吸步骤期间，也可以产生能量。当电极的再生已经完成时，电极可以再次暴 露于供体气体并且循环将再次开始。
[0035] 在目前优选的实施方案中，受体气体是具有相对低的C02浓度的外部空气。
[0036] 为了维持受体气体的相对低的C02浓度，该气体应被定期地或甚至连续地补充。
[0037] 在根据本发明的另外有利的实施方案中，当从电极解吸阳离子和阴离子时，电极 被提供有电能以促使〇)2解吸至受体气体，以产生具有高的C0 2浓度的气体。
[0038] 通过提供和/或产生具有相对高的C02的受体气体，将产生C0 2流。与吸附步骤组 合，这有效地使C02与原始引入的气体例如烟道气分离。对于解吸，必须提供电势，因为当 电极已经再生时，与已经在解吸步骤开始时和确定在该解吸步骤结束时的供体气体相比， 受体气体的C02含量可以具有较高的C0 2含量。
[0039] 因此，这种分离方法为现有汽提操作提供备选方案。这可以能够实现C02排放物 的减少。与涉及需要有机溶剂、洗涤器和汽提塔，使用蒸汽从而需要热量，使得该过程的总 效率相当受限的碳捕获以及存储的常规技术相比，由于在第一吸附步骤中可以产生能量， 所以当汽提〇)2时，总能量使用可以保持为最小值。
[0040] 在根据本发明的另外有利的实施方案中，当将离子解吸至受体气体时产生的能量 被提供至第二组电