利用废热来车载回收和存储来自机动车内燃机废气的CO2的膜分离方法和系统与流程

利用废热来车载回收和存储来自机动车内燃机废气的CO2的膜分离方法和系统发明领域本发明涉及降低来自由内燃机和产生了废热的其他热发动机提供动力的车辆的废气流的二氧化碳的排放。发明背景目前公认的观点是全球变暖是由于温室气体如二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的排放造成的。大约四分之一的全球人类导致的CO2排放目前估计是来自于移动来源，即，由内燃机(ICE)提供动力的轿车、卡车、公共汽车和火车。在可以预见的未来，随着发展中国家私人拥有的轿车和卡车的迅猛发展，这个比例很可能快速增加。目前，运输领域是原油的主要市场，并且控制CO2排放既是环境责任也是令人期望的目标，目的是在面对来自替代技术如由电动机和蓄电池提供动力的轿车的挑战时，保持运输领域中原油市场的活力。来自移动来源的二氧化碳的管理具有诸多挑战，包括空间和重量限制、缺乏任何的规模经济性和为移动来源提供动力的ICE运行的动态性能。现有技术中捕集来自燃烧气体的CO2的方法主要集中在固定来源例如动力设备。那些解决降低来自移动来源的CO2排放问题的方法使用了利用氧气的燃烧，没有提供用于再生和再利用CO2捕集剂的手段，和/或没有利用回收自热源的废热。仅仅使用氧气的燃烧需要氧-氮分离，其相比于从废气中分离CO2而言是更能量密集的，并且如果在车辆车载上进行尝试，该分离问题将变得甚至更困难。CO2捕集技术的焦点集中于静止的或者固定来源。来自移动来源的CO2捕集通常被认为太昂贵，因为它包括了具有反规模经济的分配系统。解决这个问题的方案看起来是不切实际的，这归因于车载车辆的空间限制、额外的能量和设备需求和车辆运行周期的动态性能(例如快速加速和减速的间歇期)。所以本发明的一个目标是提供一种方法，系统和设备，其通过临时车载存储CO2而解决了有效地和成本有效地降低车辆的CO2排放问题。这样的系统的大规模生产能力将至少部分的抵消了与这些移动来源的分配性质相关的其他成本。本发明的另一目标是提供系统和方法，其用于捕集和存储基本纯净的CO2(其否则会从机动车辆排入大气中)，这样它可以用于任何的需要CO2的许多商业和工业过程中，或者送到永久性存储位置。作为此处使用的，术语“内燃机”或ICE包括热发动机，其中含碳燃料燃烧来产生功率或者功和产生必须除去或者消散的废热。作为此处使用的，术语“移动来源”表示任何的多种已知的运输工具，其可以用于运输货物和/或人，其是通过产生含有CO2的废气流的一种或多种内燃机来提供动力的。这包括在陆地上行进的全部类型的机动车辆、火车和船舶，其中来自ICE的废气在它排放到大气中之前排放到容纳管道中。作为此处使用的，术语“车辆”被理解为是一种方便的简写，并且与“移动来源”同义，并且通常当如上使用该术语时，通常与“运输工具”外延相同。作为此处使用的，术语“废热”是典型的发动机产生的热，其主要包含在热废气(～300-650℃)和热冷却剂(～90-120℃)中。另外的热是从发动机组和它的相关部件以及废气所穿过的其他部件(包括歧管、管道、催化转化器和消音器)通过对流和辐射来排放和损失的。这个热能总计为典型的烃(HC)燃料所提供的能量的大约60%。

技术实现要素：
上述目标和其他优点是通过本发明来获得的，其广泛的包括一种方法和系统，用于通过来自废气流的CO2的选择性气体透过，来车载处理由用于为车辆提供动力的烃燃料的内燃机(ICE)所排放的含有CO2的废气流，以降低排放到大气中的CO2的量。从废气流中膜分离CO2的方法包括将废气与膜渗余物侧在预定的、对于所用具体类型的膜组件来说最佳的温度，压力和流速条件下接触。CO2在驱动力下透过膜，并且被送到膜的渗透物侧，在这里它被收集。基本上纯净的CO2气体是从膜的渗透物侧回收的，并且送到用于致密化步骤的压缩机入口，来压缩该气体和形成液体和/或固体CO2。其后，该致密化的CO2保持在车辆车载存储中，直到它可以在车辆加燃料设施或者其他适当的接收站被除去为止。沿着膜的压力差可以提供驱动力，其使得CO2透过该膜。它可以是渗透物侧的真空或者渗余物侧废气流原料的较高压力。例如，膜组件如芳族聚酰胺中空纤维可以在相对高的压力差下运行。除了CO2之外，H2O和H2S(如果存在)也将透过这种类型的膜。因为压缩是特别耗能的，因此可以利用下面的一种或多种措施来降低将从废气流回收的CO2致密化所需的压缩能。1.热废气流可以引入到涡轮增压器中，由此使用移动的废气流的一些动能来压缩气体。2.热能可以从初始温度为300℃-650℃的废气流来回收，并且转化成机械能和/或电能，其用于压缩废气。3.将预定部分的废气流压缩和引入到膜组件中。本发明系统和设备的主要部件是膜组件、真空泵、涡轮增压器和/或压缩机、热回收装置和用于致密化的装置。膜组件的作用是从废气中选择性分离CO2。用于本发明的合适的膜组件可以选自下面的一种或组合：a.中空纤维膜单元；b.螺旋缠绕的膜组件单元；和c.平片膜。该膜可以由下面的材料构成：a.选择性透过CO2的非多孔聚合物，包括这样的材料如纤维素、乙酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚砜、聚碳酸酯和聚醚酰亚胺；b.均质膜；c.由多孔载体层和CO2选择性透过材料极薄的非多孔层形成的复合材料；d.液体载体膜，其中选择液体来优先透过CO2；e.促进传输膜；和f.陶瓷膜。目前与汽油废气流一起使用的优选的膜材料是聚合物，因为它相对不太昂贵，具有高渗透性，并且有诸多材料可以选择。为了从柴油废气(典型地包含未燃烧的氧，这归因于使用具有过量氧的贫化燃料混合物，氧的存在会经时降解聚合物)中分离CO2，优选的膜材料是陶瓷和更昂贵的聚合物，其配制来抗氧降解。在一种替代的实施方案中，该膜可以是选择性透过氮气的非多孔聚合物。在这种实施方案中，N2渗透物排放到大气中，而CO2渗余物如上所述进行致密化和存储。废气到膜组件的流速可以基于废气出口中所检测的CO2的浓度水平、所规定的经验确定的运行时间或者其他的保证完全利用膜组件能力的手段来调整。在一种运行模式中，废气的压力、温度和流速条件保持在预定的水平，来优化CO2的透过，并且任何过量的废气从膜转移且未经处理地排出到大气中。该方法和系统可以包括：a.车载到车辆上的第一废热回收区，该废热回收区用于接收高温废气流，至少一个热交换器，其具有入口和排出口，该入口用于接收来自ICE的热废气流以热交换关系传送，和该出口用于排出处于较低温度的废气流，该热回收区进一步包括至少一个热回收装置，该热回收装置用于将来自废气流的废热转化成电能和/或机械能；b.与废热回收区的废气流排出口流体连通的膜分离区，该膜分离区包括具有至少一个膜的膜组件，该膜具有CO2透过的渗透物侧，该渗透物侧具有CO2排出口，和与冷却的废气流接触的渗余物侧，该渗余物侧包括处理过的废气流出口；c.与膜组件的渗透物侧流体连通的致密化区，该致密化区用于接收透过的CO2，该致密化区包括用于将CO2的温度和体积降低的装置，来至少液化该CO2和产生CO2含量降低的处理过的废气流；d.存储区，该存储区用于接收致密化的CO2以在车辆上车载临时存储；和e.与膜组件区的处理过的废气流出口流体连通的废气管道。在一个实施方案中，用于膜组件的CO2渗透驱动力是通过在它与膜接触之前，例如使用压缩机、涡轮增压器或其他已知的手段加压该废气来提供的。在另一实施方案中，与膜的渗透物侧流体连通的真空泵产生了低压区和沿着膜的相应的压力差。在另一实施方案中，载体流体如蒸汽进入到膜组件中，并且吹扫过膜的渗透物侧来带走CO2和维持沿着膜的CO2分压差，由此消除对于渗透物侧上的真空或者渗余物侧上的压力的需要。用于吹扫的蒸汽可以如下来提供：将水以与热废气流热交换的方式例如在小的管壳式蒸汽锅炉中传送，并且将蒸汽导入膜组件的渗透物侧中。将从组件排出的CO2和蒸汽/水送到冷却器/分离器，并且抽出CO2用于致密化；该水可以排出到大气中或者再循环到蒸汽发生热交换器。这种实施方案中所用的水可以从废气流中作为废气冷却和CO2捕集过程的一部分抽出或者从单独的容器中抽出。还可以使用上述的驱动力的组合。本发明提供了方法和系统，用于分离来自发动机废气的基本纯净的CO2，随后通过它的致密化和车辆车载临时存储该致密化的CO2，以备用于任何的多种已知的商业和工业应用。分离和致密化步骤所需的全部或者部分的能量来源于发动机废热，其可以包括废气流、发动机冷却系统和发动机组和相关的金属部件。本发明的环境优势是显而易见的。本发明的方法和系统整合了不同的部件，使用由用于为车辆提供动力的烃燃料燃烧所产生的废热，通过选择性气体渗透、致密化和临时车载存储，来有效分离后燃CO2。如上所述和参考图1的图表，典型的内燃机产生的总废热是典型的烃(HC)燃料所提供的能量的大约60%。这个能量主要包含在热废气(～300-650℃)和热冷却剂(～90-120℃)中。另...