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从大气中除去二 氧化 碳和全球恒温器

阅读：535发布：2023-02-25

专利汇可以提供从大气中除去二氧化碳和全球恒温器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于从大气中除去二氧化碳以降低全球变暖的系统，其包括：空气提取系统，其通过介质从所述大气中收集二氧化碳并从所述介质中除去二氧化碳；封存系统，其隔离所除去的二氧化碳到储存的至少一者的位置且其能增加可再生能源或非燃料产品例如肥料和建筑材料的可得性；和一种或多种能源，其供应工艺热到所述空气提取系统以从所述介质除去所述二氧化碳且其可使所述介质再生以便继续使用。，下面是从大气中除去二氧化碳和全球恒温器专利的具体信息内容。

权利要求

1.通过从大气中除去二氧化碳以降低全球变暖来控制行星大气的平均温度的方法，所述方法包括：
设置多个CO2-提取系统，其分布在地球的每个有人居住的大陆上，临近CO2的化石燃料发电源，每个所述CO2-提取系统包括负载在多孔固体基材上的用于从环境大气空气中吸收CO2的胺吸收剂；
封闭的再生系统，其用于通过将CO2从所述吸收剂驱除到所述再生系统中来再生所述固体吸收剂；
封存系统，其隔离从所述吸收剂除去的二氧化碳用于在其它工艺中的储存或用途；
所述CO2-提取系统对大气开放以使得空气能够流过负载的胺吸收剂；
所述封闭的再生系统包括封闭室、温度小于约120℃的蒸汽源、和用于将所述蒸汽导引到封闭室中的负载的吸收剂上以从所述吸收剂分离CO2并再生所述吸收剂的管路；和所述封存系统包括除去装置以从所述封闭室除去再生的CO2并将其分离以用于封存或进一步的用途；
在对大气开放和在封闭室内之间移动所述负载的吸收剂；
其中所述多个系统共同地受到控制以使得所述多个系统一起行动能有效地从大气中提取足够的二氧化碳以对全球变暖和气候变化产生效果。
2.权利要求1的控制行星大气的平均温度的方法，其中所述多个系统分布在地球的每个有人居住的大陆上，临近重要的CO2生产源。
3.权利要求1的方法，其中来自封存系统的CO2包含浓缩的蒸汽，并且所述方法进一步包括压缩CO2以分离水并形成液态形式的CO2。
4.权利要求1的方法，其中用于封闭的再生系统的蒸汽源包括工艺热源。
5.权利要求1的方法，其中所述CO2的化石燃料发电源产生热量，所述热量被封闭的再生系统使用以在约100-120℃范围内的温度下从所述介质中除去二氧化碳。
6.权利要求5的方法，其中所述空气提取系统收集二氧化碳且所述封闭的再生系统使用由CO2的化石燃料发电源供应的蒸汽形式的热量分离所除去的二氧化碳。
7.权利要求1的方法，其中所述多个CO2提取系统的至少一个的位置为地下。
8.权利要求1的方法，进一步包括在开放大气和封闭的再生系统之间移动负载在多孔固体基材上的胺吸收剂，且其中在从大气中吸收CO2期间，所述用于吸收CO2的负载在多孔固体基材上的胺吸收剂位于对环境大气空气开放的位置，并且其中所述系统进一步包括用于在对环境大气空气开放的位置和封闭的再生系统之间移动所述负载在多孔固体基材上的胺吸收剂的装置。
9.从载有二氧化碳的环境空气中除去二氧化碳的方法，所述方法包括：
导引载有二氧化碳的空气流通过负载结合二氧化碳的胺吸收剂的薄饼状二氧化碳捕获结构，以通过将二氧化碳结合到吸收剂上而从空气中除去二氧化碳，
将所述薄饼状二氧化碳捕获结构移动到再生封闭空间中，和
将温度不大于约120℃的承载着工艺热的饱和蒸汽导引到在再生封闭空间中的二氧化碳捕获结构上，以从吸收剂中分离二氧化碳并再生所述吸收剂，
从所述再生封闭空间中与任何残留蒸汽一起回收二氧化碳，且
将所述薄饼状二氧化碳捕获结构选择性地移动到再生封闭空间外并回到在载有二氧化碳的环境空气流中的位置，以便再生的吸收剂能够继续用于结合二氧化碳，以从载有二氧化碳的空气流中除去二氧化碳。
10.从行星大气中提取二氧化碳以降低大气中CO2的环境浓度的方法，所述方法包括：
在第一位置，在环境条件下从大气中收集空气并使空气通过CO2吸收剂介质，所述介质包括在其表面上附着有胺吸收剂介质的多孔固体薄饼状基材，以使用胺吸收剂介质从大气中吸收二氧化碳；
将含有二氧化碳的吸收剂介质移动到封闭的收集器室中，并通入温度小于约120℃的工艺热与所述吸收剂介质接触，以从所述吸收剂介质中除去二氧化碳并再生所述吸收剂介质；
从收集器室中除去CO2并隔离所除去的二氧化碳到可再生碳燃料的储存和产生中的至少一者的位置；和
在再生所述吸附剂介质之后，使所述再生的吸附剂介质回到所述第一位置以从大气中提取另外的CO2。
11.权利要求10的方法，其中所述收集、除去和隔离步骤的至少一个使用一种或多种可再生能源进行。
12.权利要求10的方法，其中用于生成工艺热的一次能源选自：化石燃料、地热能源、核能、太阳能、生物质能源及其它可再生能源和其用于一次工艺的使用导致供应工艺热的放热化学过程。
13.权利要求10的方法，其中所述第一位置、收集室和隔离位置的至少一个的位置为地下。
14.权利要求10的方法，其中所述工艺热得自临近的二氧化碳排放源。
15.权利要求10的方法，其中所述提供到收集室的蒸汽的温度不大于100℃。
16.权利要求10的方法，其中将从收集室除去的二氧化碳用于所述可再生碳燃料的生成。
17.权利要求10的方法，进一步包括在横跨行星战略性放置的多个位置上进行所述方法，并协调以便共同起到从大气中提取CO2的作用。

说明书全文

从大气中除去二氧化 碳和全球恒温器

[0001] 本申请是申请日为2008年05月21日、申请号为200880016864.5、发明名称为“从大气中除去二氧化碳和全球恒温器”的中国专利申请的分案申请。发明领域

[0002] 本发明涉及用于从大气中除去温室气体的系统和方法，且具体地涉及用于从大气中除去二氧化碳的系统和方法。

[0003] 具有优先权的相关申请/权利要求

[0004] 本申请是下列美国专利申请中每一者的继续申请且要求它们的优先权：(a)2007年7月6日提交的美国专利申请序列号11/825,468(代理人案号6236.104US)，它又是2007年5月22日提交的美国专利申请序列号11/805,477(代理人案号6236.103US)的继续申请，美国专利申请序列号11/805,477又是2007年5月21日提交的美国专利申请序列号11/805,271(代理人案号6236.102US)的继续申请；(b)2007年5月22日提交的美国专利申请序列号11/
805,477(代理人案号6236.103US)，它又是2007年5月21日提交的美国专利申请序列号11/
805,271(代理人案号6236.102US)的继续申请；和(c)2007年5月21日提交的美国专利申请序列号11/805,271(代理人案号6236.102US)，它们的标题都是“从大气中除去二氧化碳的系统和方法和使用该系统和方法的全球恒温器(Sys tem and Method For Removing Carbon Dioxide From An Atmosphere and Global Thermos tat Us ing The Same)”。前述申请中的每一者的内容都通过引用并入本文。

[0005] 发明背景

[0006] 当前大量注意力集中在设法实现三个能量相关的和稍微冲突的能量相关的目标：1)为经济发展提供承受得起的能量；2)实现能源安全性；和3)避免由全球变暖所引起破坏性气候变化。已经研究了许多不同方法来解决气候变化，包括增加清洁无污染的可再生能源例如生物燃料、太阳能、风能和核能的使用，努力捕获并封存来自化石燃料设备的二氧化碳排放物以及增加节能效果。这些方法中的一些例如太阳能由于与基于化石的电力的成本相比当前成本高而使其大规模实施受阻，且其它方法例如核能受其环境及安全风险抑制。
实际上，对于可再生能源的基础设施和供应发展是此不充分的(例如，我们的能量中仅仅约
0.01％由太阳提供)，以致于如果我们要拥有经济繁荣所需的能量且避免可导致冲突的能量不足，则在本世纪的其余时间期间没有避免使用化石燃料的可行途径。

[0007] 由全球变暖引起的气候变化威胁和我们需要使用不损害我们的行星的可再生资源的更普遍认识自1972年的第一个地球日以来已稳定发展。几乎毫无疑问的是，所谓温室气体例如二氧化碳(甲烷和水蒸气为其它主要的温室气体)的量增加将增加本行星的温度。这些温室气体帮助降低从我们的行星逸散到大气中的热量。大气中温室气体的浓度越高，行星将变得越热。存在引起二氧化碳及其它温室气体的量即使在没有人类影响的情况下自然改变的复杂反馈。遍及地质史的气候变化已引起了许多灭绝。对人类引发的气候变化(即全球变暖)的威胁的关注产生了京都议定书，它已经由165个国家批准且为承诺发达国家降低其碳排放的国际协议。

[0008] 政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)认为全球变暖成为威胁的一个原因是随着我们的行星变得更热而使冰川熔融和海洋扩展，引起海平面升高。如果海平面升高即使1米，生活在岛屿或海岸上的刚好在海平面以上的数百万人们也将受到破坏性涨潮威胁，而需要重新安置或建造海堤。还存在气候变化对其它物种的威胁，它将破坏无法适应人类引起的快速气候变化的生态系统。其它威胁包括传染性疾病增加和气候更加恶劣以及源于极端热量的直接威胁。

[0009] 我们可证明使用简单模式处理全球变暖的挑战。使CCA(YN)表示YN年加到大气中的二氧化碳，十亿吨/年。类似地，使CEX(YN)等于提取的量，CEM(YN)为人类散发的量且CN(YN)为由于碳循环中的自然变化而加入或除去的量。现今，陆地每年储存约18亿吨(109吨)二氧化碳且海洋每年储存约105亿吨(注：二氧化碳比碳重3.66倍)，而由人类排放加入的量为约240亿吨二氧化碳。更一般地说，我们具有：

[0010] (1)CCA(YN)＝-CEX(YN)+CEM(YN)+CN(YN)

[0011] (2)CA(YN+1)＝CA(YN)+CCA(YN)

[0012] 其中CA(YN)为YN年大气中碳的量，现今27800亿吨二氧化碳。其它形式的碳促进全球变暖，最值得注意的是甲烷，虽然按重量它们代表小组分。

[0013] 如果CEX(YN)设定为零，则可能停止将二氧化碳加到大气中的唯一方式将是降低我们的排放使其等于自然吸收。然而，CN(YN)本身大大改变且可为从大得多的自然碳循环到大气的净附加量，该自然碳循环以约7500亿吨碳/年增加或减少碳。它是在我们的物种存在以前已引起气候变化的该自然平衡的转变且在将来还将继续如此。因此，很明显除了降低人类对于二氧化碳排放的贡献以外没有可除去气候变化风险的解决方案。利用空气提取和增加或降低大气中二氧化碳的量的能力，在原理上可补偿其它温室气体例如甲烷，这可改变其浓度且引起气候变化。

[0014] 因此，存在对于降低通过燃烧化石燃料产生的大气中的二氧化碳的量且对于提供低成本无污染的可再生能源作为化石燃料替代物的系统和方法的广泛认可的需要。

[0015] 发明概述

[0016] 根据本发明的示例性实施方案，用于从大气中除去二氧化碳以降低全球变暖且可增加可再生能源或非燃料产品例如肥料和建筑材料的可得性的系统包括：空气提取系统，其通过介质从所述大气中收集二氧化碳并通过使用工艺热来加热所述介质而从所述介质中除去二氧化碳；收集系统，其隔离所除去的二氧化碳到可再生碳燃料的封存、储存和产生中的至少一者的位置；和一种或多种能源，其供应工艺热到所述空气提取系统以从所述介质中除去二氧化碳。

[0017] 在至少一个实施方案中，所述一种或多种能源选自由以下各者组成的能源的集合：化石燃料、地热能源、核能、太阳能、生物质能源及其它可再生能源。

[0018] 在至少一个实施方案中，所述空气提取系统包含空气接触器，该空气接触器包括从大气中吸收二氧化碳的介质。

[0019] 在至少一个实施方案中，所述空气接触器选自由以下各者组成的空气接触器的集合：对流塔、吸收池、填充涤气塔和气体分离系统，一些具有带有从空气中提取二氧化碳的介质的薄饼状区域的基材。在其广泛上下文内，本发明设想在其中使空气与提取CO2的介质接触的结构。当前，在最有可能的实施方案中，该结构将具有垂直于空气流的大面积且在空气流动方向上非常薄，其中介质为多孔基材，结合CO2的胺或替代物附着到其表面上，该介质也将具有大的横截面且象容纳它的接触器结构一样非常薄。

[0020] 在至少一个实施方案中，所述介质选自由以下各者组成的介质的集合：液体、多孔固体、气体和它们的混合物。

[0021] 在至少一个实施方案中，所述介质为NaOH溶液。

[0022] 在至少一个实施方案中，所述介质包含胺。

[0023] 在至少一个实施方案中，所述空气提取系统收集二氧化碳且所述封存系统隔离所除去的二氧化碳。

[0024] 在至少一个实施方案中，所述位置为地下。

[0025] 在至少一个实施方案中，所述位置处于所述系统的一个或多个其它部件的逆风向的远处。

[0026] 根据本发明的示例性实施方案，用于从大气中除去二氧化碳以降低全球变暖且增加可再生能源的可得性的方法包括以下步骤：从大气中收集空气；通过使用工艺热加热从所收集的空气中除去二氧化碳的介质来从所收集的空气中除去二氧化碳；和隔离所除去的二氧化碳到可再生碳燃料的封存、储存和产生中的至少一者的位置，其中所述收集、除去和隔离步骤中的至少一个使用一种或多种可再生能源来进行。

[0027] 在至少一个实施方案中，所述除去步骤包括使用吸收剂优选由大表面积的基材承载的介质形式的吸收剂吸收二氧化碳。

[0028] 在至少一个实施方案中，所述吸收剂为NaOH溶液。

[0029] 在至少一个实施方案中，所述吸收剂包括胺，优选结合到大表面积的多孔基材(由其承载)的表面的胺。

[0030] 在至少一个实施方案中，所述隔离步骤包括矿物封存或作为压缩气体注入地质地层中的至少一者。

[0031] 本发明的原理可用来提供通过使用多个根据本发明原理的系统控制行星大气的平均温度的全球恒温器，每个系统能够通过从行星大气中提取二氧化碳而对行星大气产生负二氧化碳作用且使用工艺热来从介质中提取二氧化碳并使吸收剂(介质)再生用于另一次吸收循环。因此，多个系统能一起以比二氧化碳在该大气中的增加速率更快的速率从所述大气中有效提取二氧化碳(且能使用所提取的气体产生可再生的碳燃料)。

[0032] 申请人的从大气中提取二氧化碳和使用工艺热来从收集介质中分离二氧化碳的优选观念是解决全球变暖问题的重要途径且与本领域中的常规智慧反其道而行之(且违反本领域中的技术人员的直觉)。具体地说，使用工艺热通过从低浓度环境空气中提取二氧化碳(CO2)来解决全球变暖问题与从高浓度烟道气源中提取CO2的常规方法和从环境大气中提取CO2的本领域已知的其它方案相比是极具吸引力的。在前一情况下，其完全逆常规智慧而行，常规智慧将环境大气中CO2浓度降低300倍预期将多300倍的花费，因为通常认为分离成本与该浓度成反比。因此，联邦政府资助的工作项目已针对从发电厂的烟道气排放物(例如洁净煤)中提取CO2且专家已公开声称与烟道气相对比，使用环境空气没有意义。然而，与有限烟道气源相比，无限大规模的环境空气源通常是使申请人的方法能够不管常规智慧和实践而有效实现的一个特征。在烟道气情况下，含有CO2的排放物处于较高温度(65-70℃)下，且因此再生使用较高温度热量，其成本比冷环境空气(约25-30℃)所需的成本高。申请人方法有其它益处，包括能够使用还提供其它工艺改进的非常薄的分离设备。因此，其将通过将工艺热以管输送到根据申请人的发明的原理操作的全球恒温器设施而不是直接清除其烟道排放物来更低成本地除去CO2。另外，申请人的方法将产生负碳，实际降低大气中CO2的量，而清除烟道气将仅仅防止空气中的CO2含量的增加。

[0033] 进一步的分析表明，通过简单清除大的固定化石燃料源例如煤电厂或在这方面通过节能或使用可再生物无法以及时的方式解决全球变暖问题以降低其施加的巨大风险。人们需要实际上能够(例如在本发明中的情况下)从大气中提取CO2(“负碳”)从而降低环境浓度且降低全球变暖的威胁。用于从环境大气中提取CO2的其它公开方案通常使用较高温度的热量且明确地不使用工艺热，且因此由于其高能量成本而没有被认真考虑。

[0034] 另外，应注意到，申请人的从大气中提取二氧化碳的优选观念包括使用垂直于空气流动的大面积基材，它可为多孔的，具有高表面积，带有从大气中除去二氧化碳的介质(例如胺)并使用工艺热以从所述介质中除去二氧化碳。使用垂直于空气流动方向的相对大面积的基材由于大气中二氧化碳浓度相对低(例如，与通常将见于烟道气中的相对高的浓度相比)而特别有用。

[0035] 本发明的这些及其它特征在本发明的各种示例性实施方案的以下详细说明(和附图)中描述或自以下详细说明(和附图)显而易见。

[0036] 附图简述

[0037] 本发明的各种示例性实施方案将参考以下图详细描述，其中：

[0038] 图1为根据本发明的示例性实施方案用于从大气中除去二氧化碳的系统的概括性框图；

[0039] 图2为根据本发明的示例性实施方案用于从大气中除去二氧化碳的系统的框图；

[0040] 图3为根据本发明的示例性实施方案的空气提取系统的框图；

[0041] 图4为说明根据本发明的示例性实施方案的全球恒温器的地图；和

[0042] 图5为根据本发明的示例性实施方案用于从大气中除去二氧化碳的系统的框图；

[0043] 图6为根据本发明的原理用于从大气中除去二氧化碳的介质和用于从所述介质中除去二氧化碳的一种变型的示意图；

[0044] 图7为根据本发明的原理用于从大气中除去二氧化碳的介质和用于从所述介质中除去二氧化碳的另一变型的示意图；

[0045] 图8为根据本发明的原理用于从大气中除去二氧化碳的介质和用于从所述介质中除去二氧化碳的又一变型的示意图；和

[0046] 图9为根据本发明的原理用于从大气中除去二氧化碳的介质和用于从所述介质中除去二氧化碳的再一变型的示意图。

[0047] 优选实施方案的详细说明

[0048] 图1为根据本发明的示例性实施方案用于从大气中除去二氧化碳的系统(通常以参考数字1标明)的概括性框图。系统1包括空气提取系统40和收集系统50，收集系统50隔离所除去的二氧化碳到可再生碳燃料的封存、储存和产生的至少一者的位置或非燃料产品例如肥料和建筑材料的产生的位置。该空气提取系统40优选合并任何已知或以后发现的CO2提取法，包括使用介质以通过使所述介质与捕获的空气中的CO2进行化学、电学和/或物理相互作用而从大气空气中吸收和/或结合CO2的方法。所述介质可为液态、气态或固态，或液态物质、气态物质与固态物质的组合，其中在固体情况下，该物质优选为多孔的。该介质优选可再循环，以使得在CO2由介质捕获且与介质分离以封存之后，该介质可次用于吸收/结合其它CO2。然而，在其它实施方案中，所述介质可与捕获的CO2一起封存。例如图1所示，CO2与介质的分离以及其它工艺例如CO2的吸收/结合和通过封存系统50执行的CO2的封存，可通过向空气提取系统40加入热量而变得更有效。在本发明中，热量为例如通过将在下文进一步详细描述的太阳能产生器例如太阳能收集器产生的工艺热。在其它实施方案中，工艺热可由其它类型的能源例如化石燃料、地热能源、核能、太阳能、生物质能源及其它可再生能源提供。本文所用的术语“工艺热”是指在已使用较高温度热量发电之后剩余的较低温度热量。更一般地说，术语“工艺热”是指在初级加工之后剩余的任何低温热量或通过工艺本身例如放热的碳酸盐化反应(其中二氧化碳被储存为矿物或实际上在其与介质结合和捕获时)加入的任何低温热量。此外，“工艺热”可由为了产生除了电力或发电之外的产品而使用能源提供。例如，初级加工，例如化学加工；水泥、钢或铝的生产；能量产品的生产例如煤炭生产液体能量产品、炼制，可使用热量来驱动所述初级加工，且在所述初级加工之后剩余的或在所述初级加工期间产生的未利用的热量将成为这些加工的工艺热，且可在根据本发明的原理的系统或方法中使用。

[0049] 申请人的从大气中提取二氧化碳和使用工艺热来将二氧化碳与收集介质分开的优选观念是解决全球变暖问题的重要途径，与本领域中的常规智慧反其道而行之(且违反本领域中的技术人员的直觉)。具体地说，使用工艺热通过从低浓度环境空气中提取二氧化碳(CO2)来解决全球变暖问题与从高浓度烟道气源中提取CO2的常规方法和从环境大气中提取CO2的本领域已知的其它方案相比是极具吸引力的。在前一情况下，其完全逆常规智慧而行，常规智慧将环境大气中CO2浓度降低300倍预期将多300倍的花费，因为通常认为分离成本与该浓度成反比。因此，联邦政府资助的工作项目已针对从发电厂的烟道气排放物(例如洁净煤)中提取CO2且专家已公开声称与烟道气相对比，使用环境空气没有意义。然而，与有限烟道气源相比，无限大规模的环境空气源通常是使申请人的方法能够不管常规智慧和实践而有效实现的一个特征。在烟道气情况下，含有CO2的排放物处于较高温度(65-70℃)下，且因此再生使用较高温度热量，其成本比冷环境空气(约25-30℃)所需的成本高。申请人方法有其它益处，包括能够使用还提供其它工艺改进的非常薄的分离设备。因此，其将通过将工艺热以管输送到根据申请人的发明的原理操作的全球恒温器设施而不是直接清除其烟道排放物来更低成本地除去CO2。另外，申请人的方法将产生负碳，实际降低大气中CO2的量，而清除烟道气将仅仅防止空气中的CO2含量的增加。

[0050] 进一步的分析表明，通过简单清除大的固定化石燃料源例如煤电厂或在这方面通过节能或使用可再生物无法以及时的方式解决全球变暖问题以降低其施加的巨大风险。人们需要实际上能够(例如在本发明中的情况下)从大气中提取CO2(“负碳”)从而降低环境浓度且降低全球变暖的威胁。用于从环境大气中提取CO2的其它公开方案通常使用较高温度的热量且明确地不使用工艺热，且因此由于其高能量成本而没有被认真考虑。

[0051] 图2为根据本发明的示例性实施方案用于从大气中除去二氧化碳的系统(通常以参考数字2标明)的框图。系统2包括太阳能收集器10、任选的补充能源20、发电机30、空气提取系统42和收集系统50。系统1的这些部件中的每一者在下文详细说明。

[0052] 太阳能收集器10可为任何已知或将来发现的太阳能收集系统，其可包括太阳能收集单元例如聚光太阳能抛物面镜和聚光太阳能塔。如在本领域中已知的，太阳能收集器10将太阳能转化为热能，该热能可用来驱动发电机30。剩余热能(即工艺热)可用来驱动空气提取系统42和/或收集系统50。例如，所述工艺热可用来改善在空气提取系统42中用来从空气中吸收二氧化碳和/或从所述介质中驱除CO2的化学和/或物理反应的效率。另外，在其它示例性实施方案中，例如由图2中的虚线箭头所示，来自太阳能收集器10的直接热量可用来驱动空气提取系统42和/或收集系统50。

[0053] 发电机30可为例如将由太阳能收集器提供的热能转化为电的热发电机。如在本领域中已知的，太阳热量可被集中在介质例如熔融盐上，其随后用来产生高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽驱动涡轮机发电。所发的电除了作为部分电网为普通人群提供能量之外还可用来为系统2的其它部件提供能量。在这方面，由太阳能收集器10提供的热能可由通过补充能源20产生的能量补充。例如，补充能源20可为废物焚化设备，其提供额外的热能以驱动发电机30。同时，应该理解除太阳能以外还可使用任何其它类型的可再生能源，且优选产生热量作为前体来发电的可再生能源。除太阳能以外欲使用的其它潜在的可再生能源例如包括核能、生物质能源和地热能源。

[0054] 或者，发电机30可为依赖化石燃料例如煤炭、燃料油、天然气和油页岩燃烧来产生电力的任何已知或以后发现的化石燃料设施(设备)。所述发电机还可用于除发电之外的目的(例如，所述发电机可用于化学加工或各种其它目的例如生产铝)。由化石燃料发电设备30产生的热能被用来产生电力且剩余热能(即工艺热)可用来驱动空气提取系统42和/或封存系统50。例如，来自化石燃料发电设备30的工艺热可用来改善在空气提取系统42中用来从空气中吸收CO2和/或从所述介质中驱除所述CO2的化学和/或物理反应的效率。由化石燃料发电设备30提供的残余热量可由通过补充能源产生的能量补充。例如，所述补充能源可为废物焚化设备或可再生能源，例如太阳能、核能、生物质能源和地热能源，其提供额外的热能以驱动空气提取系统42和/或收集系统50。来自所述补充能源的工艺热还可用来驱动空气提取系统42和/或收集系统50。

[0055] 此外，如上所述，“工艺热”可由为了产生除了电力或电产生之外的产品而使用能源提供。例如，初级加工，例如化学加工；水泥、钢或铝的生产；炼制；能量产品例如煤炭和液体能量产品的生产，可使用热量来驱动所述初级加工，且在所述初级加工之后剩余的或在所述初级加工期间产生的未利用的热量将成为这些加工的工艺热，且可在根据本发明的原理的系统或方法中使用。

[0056] 图3为根据本发明的示例性实施方案可与系统2一起使用的空气提取器系统42的框图。该空气提取器系统42包括空气接触器41、苛化器43、消化器45、煅烧炉47和捕获单元49。空气接触器41可使用吸收剂物质从空气中选择性地捕获CO2，且其可由任何已知或以后发现的接触器结构例如大型对流塔、敞开式积水池和填充涤气塔组成。在本实施方案中，所述吸收剂物质可为氢氧化钠(NaOH)，其易于从空气中吸收CO2。应该理解，可使用其它已知或将来发现的捕获方法，例如化学吸收、物理和化学吸收、低温蒸馏、气体分离膜、矿化/生物矿化和植被。作为另一实例，如在本领域中已知的，可使用胺水溶液或富含胺的固体吸收剂来吸收CO2。优选使所述吸收剂物质再生且所述捕获方法需要小于约100-120℃的热量来使所述吸收剂物质再生。

[0057] 在该实施方案中，在空气接触器41处，CO2可例如以Stolaroff等人在题为“A pilot-scale prototype contactor for CO2capture from ambient air:cost and energy requirements”的文章中所述的方式被吸收到NaOH溶液中形成碳酸钠(Na2CO3)，所述文章可在www.ucalgary.ca/～keith/papers/84.Stolaroff.AirCaptureGHGT-8.p.pdf中见到且通过引用并入本文中。当然，也可使用其它已知或将来研发的吸收剂作为NaOH溶液的替代物或补充物。随后将产生的Na2CO3送到苛化器43，NaOH在此通过以间歇工艺加入石灰(CaO)再生。将产生的CaCO3固体送到煅烧炉47中，在那里将其在窑炉中加热以使CaO再生，驱除工艺中的CO2，称作煅烧。随后将再生的CaO穿过消化器45，其产生消石灰Ca(OH)2以便在苛化器43中使用。

[0058] 捕获单元49使用任何已知或以后发现的CO2捕获方法捕获在煅烧炉47处驱除的CO2，所述捕获方法在低浓度下有效，CO2在大气中以该低浓度存在且仅需要低温热量来再生。例如，捕获单元49可使用基于胺的捕获系统，例如在日期为2003年4月15日的Gray等的美国专利号6,547,854以及日期为2005年6月21日的Sirwardane的美国专利号6908497中所述的系统，该两个专利都通过引用并入本文中。捕获单元49还可将捕获的CO2压缩成液态，以使得所述CO2可更加容易地封存。

[0059] 收集系统50隔离所除去的二氧化碳到可再生碳燃料的封存、储存和产生的至少一者的位置或非燃料产品例如肥料和建筑材料的产生的位置。收集系统50可使用任何已知或将来发现的碳封存和/或储存技术，例如注入地质地层中或矿物封存。在注入的情况下，捕获的CO2可在地质地层例如油气储藏、不可开采的煤层和深盐储藏中封存。在这方面，在很多情况下，将CO2注入地质地层中可加强烃的回收，提供可弥补CO2捕获和收集成本的增值的副产物。例如，将CO2注入油或天然气储藏中推出工艺中的产物，即提高油采收率。捕获的CO2可在地下封存，且根据本发明的至少一个实施方案，可在系统2的其它部件的逆风向的远处封存，以使得来自该处的任何渗漏都可由系统2再次捕获。

[0060] 关于矿物封存，CO2可通过与硅酸钙和硅酸镁的碳酸盐化反应而封存，这作为矿床自然发生。例如，例如以下反应(1)和(2)所示，CO2可与镁橄榄石和蛇纹石反应，其以放热反应产生固体碳酸钙和碳酸镁。

[0061] (1)1/2Mg2SiO4+CO2＝MgCO3+1/2SiO2+95kJ/mol

[0062] (2)1/3Mg3Si2O5(OH)4+CO2＝MgCO3+2/3SiO2+2/3H2O+64kJ/mol

[0063] 这两个反应都在低温下有利。在这方面，本文所述的空气捕获和空气封存工艺都可使用由太阳能收集器10产生的电或热能(或其它可再生能源)以驱动必要的反应并供给适当系统部件以动力。在本发明的示例性实施方案中，可将高温载体加热到在约400℃到约500℃范围内的温度以产生蒸汽使发电机运转发电，且从发电涡轮机离开的较低温度蒸汽可用来驱除CO2且使吸收剂(例如NaOH)再生。可调整高温热量的温度、所产生的电力和在电力产生之后剩余的较低温度工艺热的温度以产生针对给定应用认为是经优化的电力生产与CO2除去的混合。另外，在示例性实施方案中，出自捕获和封存步骤的仍较低温度工艺热可用来冷却在这些步骤中使用的设备。

[0064] 根据本发明的示例性实施方案，一个或多个用于从大气中除去二氧化碳的系统可用作全球恒温器的一部分。通过调节大气中二氧化碳的量，且由此调节由二氧化碳及其它气体排放物引起的温室效应，本文所述的系统可用来改变地球平均温度。根据本发明的至少一个示例性实施方案，数个二氧化碳捕获和封存系统可位于横跨地球的不同位置，以使得操作该多个系统可用来改变大气中的CO2浓度且因此改变行星的温室气体加热。可选择位置以便对区域例如大型工业中心和人口众多的城市或CO2的天然地点源具有最大效果，所述区域中的每一者都可局部产生较高浓度的CO2，该较高浓度的CO2能被更成本有效地捕获。例如，例如图4所示，多个系统1可横跨地球散布，且可使用国际协作(例如包括国际基金和协议)来调节系统1的构造和控制。在这方面，可改变温室气体浓度以改变行星的平均全球温度以避免变冷期和变暖期，该变冷期和变暖期可损害人类和生态系统。在我们的行星的过去历史期间，例如，有许多冰川期和快速温度摆动，它们已产生了破坏且甚至生物绝灭。所述温度摆动在将来可为大规模损害和源于由潜在资源减少引起的冲突的人类社会不安定的直接原因。本文所述的全球恒温器可以是防止数十年中即将来临的这样的灾难的关键。

[0065] 图5为根据本发明的另一示例性实施方案用于从大气中除去二氧化碳的系统(通常以参考数字100标明)的框图。系统100包括可再生能源110、任选的补充能源120、发电机130、空气提取系统142和收集系统150。本实施方案与图2的实施方案的不同之处在于可再生能源110可为除太阳能之外的任何已知或将来发现的能源，例如核能、地热能源和生物质能源。优选所述可再生能源产生热能，该热能可用来产生电力且用来改善在空气提取系统
142和收集系统150内发生的各种化学和/或物理反应的效率。在这方面，空气提取系统142和收集系统150可与关于先前实施方案所述的相同，或可包括根据任何其它已知或将来发现的空气提取和收集系统的部件。另外，例如关于先前实施方案的图4所示，多个系统100可横跨地球战略性放置，且可协调系统100的控制以便共同起全球恒温器的作用。

[0066] 图6-9为根据本发明的原理可从大气中除去二氧化碳的数种方式的示意图。

[0067] 具体地说，在图6中，说明了一对基材600、602，各基材具有可与大气接触以从所述大气除去二氧化碳的介质(例如NaOH、胺)。基材600、602在垂直方向上为薄饼状(意味着与其厚度相比，其具有相对大的面积)且各自可以相对大(就表面积而言)且相对薄(例如大约数毫米，且优选不厚于1米)。各基材可在上部位置与下部位置之间移动(例如通过滑轮系统(图中未示出)移动)，在该上部位置中使载有二氧化碳的空气与由该基材承载的介质接触以从所述空气中除去二氧化碳，在该下部位置中在该基材处导引工艺热以从所述介质中除去二氧化碳。基材600、602为多孔的，具有大表面积，以使得在基材处导引的空气能流动穿过所述基材。当基材处于上部位置(例如基材600的位置)时，在该基材处导引载有二氧化碳的空气(例如通过以虚线展示的风扇604)，以使得随着空气流动穿过所述基材，所述二氧化碳接触所述介质且基本上从所述空气中除去。因此，在所述基材处导引载有二氧化碳的空气且使所述空气穿过所述基材，以使得二氧化碳与所述介质接触，二氧化碳由所述介质从所述空气中基本除去，且导引二氧化碳已从其中基本除去的空气远离所述基材。当基材移到下部位置(例如基材602的位置)时，在所述基材处导引工艺热(例如经由流体管路606)，且通过在所述基材处导引的流体源除去(驱除)二氧化碳(在箭头608所示的方向上)且将已经从所述介质中除去的二氧化碳通过吸气源610从所述基材上抽走。基材600、602可交替地在上部位置与下部位置之间移动，以使得处于上部位置的基材正从空气中除去二氧化碳且二氧化碳正被从处于下部位置的基材中除去。应注意到，如果存在强风，则可使用可得到的自然风来驱动空气穿过基材而不使用风扇。另外，如下所述，风扇可用太阳驱动源(或由风或热驱动的空气流)代替，在这种情况下，从大气空气中提取二氧化碳的效率和成本降低可得到进一步改善。此外，如本领域的技术人员将显而易见的是，随着从空气中捕获二氧化碳且随后从介质中提取二氧化碳，不是改变基材的位置，而是改变用于产生空气流、工艺热流和远离基材的二氧化碳流的方式。

[0068] 图7为根据本发明的原理用于从大气中除去二氧化碳的介质和用于从所述介质中除去二氧化碳的另一变型的示意图。具体地说，在图7中，说明了一对基材700、702，各基材具有可与大气接触以从所述大气中除去二氧化碳的介质(例如NaOH、胺)。基材700、702水平取向且各自可以相对大(就表面积而言)且相对薄(例如大约数毫米或数厘米)。各基材可在空气提取位置与碳提取位置之间水平移动(例如通过滑轮系统(图中未示出)移动)，在该空气提取位置中使载有二氧化碳的空气与由该基材承载的介质接触以从所述空气中除去二氧化碳，在该碳提取位置中在该基材处导引工艺热以从所述介质中除去二氧化碳。基材700、702为多孔的，以使得在基材处导引的空气可流动穿过所述基材。当基材处于空气提取位置(例如基材700的位置)时，在该基材处导引载有二氧化碳的空气(例如通过以虚线展示的风扇704)，以使得随着空气流动穿过所述基材，所述二氧化碳接触所述介质且基本从所述空气中除去。因此，在所述基材处导引载有二氧化碳的空气且使所述空气穿过所述基材，以使得二氧化碳与所述介质接触，二氧化碳被所述介质从所述空气中基本除去，且导引二氧化碳已从其中基本除去的空气远离所述基材。当基材移到碳提取位置(例如基材702的位置)时，在所述基材处导引工艺热(例如经由流体管路706)，且通过在所述基材处导引的流体源除去(驱除)二氧化碳(在箭头708所示的方向上)且将已经从所述介质中除去的二氧化碳通过吸气源710从所述基材上抽走。基材700、702可交替地在空气提取位置与碳提取位置之间移动，以使得处于空气提取位置的基材正从空气中除去二氧化碳且二氧化碳正从处于碳提取位置的基材中被除去。应注意到，如果存在强风，则可使用可得到的自然风来驱动空气穿过基材而不使用风扇。另外，如下所述，风扇可用太阳驱动源(或由风或热驱动的空气流)代替，在这种情况下，从大气空气中提取二氧化碳的效率和成本降低可得到进一步改善。此外，如本领域的技术人员将显而易见的是，随着从空气中捕获二氧化碳且随后从介质中提取二氧化碳，不是改变基材的位置，而是改变用于产生空气流、工艺热流和远离基材的二氧化碳流的方式。

[0069] 图9中所示的本发明的变型通常与图7的水平取向的变型类似，但在图9的变型中，不是风扇作为移动载有碳的空气穿过处于空气提取位置的基材(例如基材900)的源，而是存在由太阳能加热塔或烟囱(在图9中在912处示意性展示)产生的气流源。太阳烟囱可通过用太阳加热气团而产生。所述太阳烟囱将具有“裙部”(在图9中以虚线913展示)，其能够使被太阳加热的空气在所述烟囱中聚集。因此，具有太阳烟囱的太阳场可以以结合图7所示并描述的方式与从大气中除去二氧化碳且从介质中除去二氧化碳的系统和结构相连接。然而，不是风扇704作为在所述基材处的载有二氧化碳的空气的第一驱动器，而是所述载有二氧化碳的空气由太阳能加热且使空气在太阳烟囱或塔912中上升。由于热空气上升的趋势，产生上升气流，其将承载着载有二氧化碳的空气，且基材900将安置在上升气流的路径中。因此，将载有二氧化碳的空气导引穿过处于空气提取位置的基材900，且二氧化碳将以与结合图7所示且并描述的方式一样的方式从处于碳提取位置的基材902中除去。通过由太阳能驱动从空气中提取二氧化碳，提取成本进一步降低，且总体操作是可高度重复的。当然，对于太阳不照射的那些时间将需要做好预防措施，且将需要类似于风扇704(图7)的一些形式的驱动器。但在任何情况下，具有不用风扇而用太阳驱动源(或由风或热驱动的空气流)替换风扇的时间，从大气空气中提取二氧化碳的效率和成本降低就可得到进一步改善。

[0070] 图8为根据本发明的原理用于从大气中除去二氧化碳的介质和用于从所述介质中除去二氧化碳的又一变型的示意图。在图8中，介质(由其将二氧化碳从大气空气中除去且二氧化碳从其中被除去)置于不断移动的基材800上。所述基材移动穿过空气提取区814，其中在所述基材处导引载有二氧化碳的空气且使所述载有二氧化碳的空气穿过所述基材(正例如先前实施方案的情况一样，该基材也为多孔的)，以使得二氧化碳从所述空气中除去。随后基材800移动到碳提取区816，在那里以与以上结合图6、7所述的方式在所述基材处导引工艺热且使碳远离所述基材。随后，基材800移动到热交换区818且穿过热交换区818，在那里所述基材的温度被降低(例如由流动穿过在空气提取区中的基材的空气或由可用于降低基材的温度的任何其它冷却设备)到使得在所述基材穿过提取区814移回时其能够从所述空气中有效除去二氧化碳的程度。另外，图8的系统可具有另一碳提取区816，在那里以结合图6、7所述的方式在所述基材处导引工艺热且使碳远离所述基材。

[0071] 还应注意到，在上述本发明的所有变型中，从空气中除去二氧化碳至少部分可在非平衡条件下进行。另外，应注意到，申请人的用于从大气中提取二氧化碳的优选观念包括使用具有从大气中除去二氧化碳的介质(例如胺)的相对薄的大表面积的基材且使用工艺热以从所述介质中除去二氧化碳。使用垂直于空气流动方向的相对大面积的基材由于大气中的二氧化碳浓度相对低(与例如在烟道气中通常将见到的相对高的浓度相比)而特别有用。

[0072] 虽然已结合上文列出的示例性实施方案描述了本发明，但显然对于本领域的技术人员来说许多替代方案、改进和变化是显而易见的。因此，如上文阐述的本发明的示例性实施方案意图为说明性的，而非限制性的。可在不背离本发明的精神和范围的情况下进行各种改变。

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