CN103648618A

CN103648618A - 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***

Info

Publication number: CN103648618A
Application number: CN201280011015.7A
Authority: CN
Inventors: E·Z·哈马德
Original assignee: Saudi Arabian Oil Co
Current assignee: Saudi Arabian Oil Co
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: KR20140023274A; EP2673071A1; EP2673071B1; KR101606621B1; JP2017115891A; JP6141195B2; JP6267375B2; US9371755B2; US20130333354A1; JP2014508240A; CN103648618B; EP2673071A4; WO2012100182A1

Abstract

描述了一种方法和***，用于车载处理由烃燃料的内燃机(ICE)所排放的含有CO₂的废气流，以降低CO₂的排放量，其包括：与来自废热回收区的废气流排出口流体连通的膜分离区，该膜分离区包括膜组件，其具有CO₂所透过的渗透物侧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。

Description

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***

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***。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，***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***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***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%。

发明内容

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***，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***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***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***，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***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***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。另外的热也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。

需要能量来从废气中分离CO₂和压缩和液化或者冷冻全部或部分的从膜组件回收的CO₂，来有效地车载存储。该能量的功部分是使用部分的废热来产生这个功而产生的。

在CO₂分离和致密化循环启动过程中或者是为了特殊的需要，可以使用部分的发动机功率或者车载电池组所存储的电能来提供全部或者一部分的功/能量需求。在正常的运行过程中，分离和致密化所需的至少一部分的能量来自废热。

从废气中分离CO₂是通过将气态CO₂从氮气和其他燃烧产物中膜分离来进行的。用于有效的临时车载存储的CO₂的致密化是通过气体的压缩、液化和/或冷冻例如来形成干冰而实现的，并且最终密度是5-1600kg/m³。在环境温度，CO₂可以作为液体存在。CO₂的临界点是31℃和73bar。形成固体干冰的液体的冷冻点是-78℃。因此，冷冻需要大得多的温度降低，但是密度高到大约1.4-1.6g/cm³，由此降低了车载存储CO₂所需空间，直到加燃料和/或交给适当的接收设施。

目前优选的运行条件是温度为大约50℃-200℃。压力梯度将随着膜和/或膜组件或者***的类型而不同。所施加的压力梯度是这样的，其将在车辆长期的连续运行中保持最大的CO₂流通量。这些运行条件使得膜材料选择面更宽，允许从废气流回收热能，其可以转化成分离和致密化CO₂所需的功和/或电能，并且允许使用一定尺寸和质量的热交换装置，其对于在移动来源上安装和运行而言是实用的。

进行这种相变的方法是本领域已知的。通过使用热-功率转换装置(其是基于***和运行环境的特定需求来选择的)，致密化步骤和维持液化的和/或凝固的CO₂所需的部分或者全部的功能量来源于通常损失到大气中的热。内冷却可以通过与废气的高温热交换来相对容易的实现。选择可用于移动来源上有限体积中的特定的市售设备需要分析不同的相关因子，其完全处于本领域技术人员能力范围内。

制冷所需能量可以来源于下述方法。

1.压缩制冷循环，其中压缩所需的机械能量获自热回收单元，其将废热转化成电能或者机械功。另外，一些机械能量是通过膨胀排放到大气中的低CO₂废气来回收的。

2.将该废热直接供给到吸附制冷循环，该循环没有活动件，因此不从发动机传动系中消耗任何功。

3.使用亚音速或超音速喷嘴来快速膨胀和冷却透过的气体，这将产生液体或固体形式的CO₂沉淀，用于收集和临时车载存储。

部分压缩可以通过将废气送过涡轮增压器来实现，因此回收了废气流的一些流动能量。

本发明如下来解决了空间有限和辅助功率需求的问题：使用车辆上可得的废热中的自由能量来分离和致密化废气流中至少一部分的CO₂，由此明显降低它的体积用于临时存储，直到它可以在加燃料或其他适当的设施处回收为止。本发明包括：(a)冷却和膜分离方法，来从至少一部分的发动机废气流中除去全部或者主要部分的CO₂；(b)使用一些发动机废热来回收基本上纯净的CO₂；(c)将一些发动机废热转化成电和/或机械功率，即，功能量；和(d)使用该功率来产生沿着膜的压力差，用于分离，和用于提高用于临时车载存储的CO₂密度。使用废热提供用于分离和致密化的能量简化了将CO₂与废气流中的燃烧产物分离的过程，明显降低了成本，并且该致密化降低了临时车载存储CO₂所需体积。

本发明进一步包括任选使用一些部分的发动机功来运行一个或多个CO₂压缩机。当发动机是以减速模式运行并且将用于减慢该发动机时，和当发动机空转时，可以利用该发动机功。车载处理器和控制器可以用于将压缩机传动杆啮合到处于适当的预定发动机运行条件的发动机。

本发明可以在广泛的移动来源上使用，例如客运车辆、卡车、公共汽车、重型车辆、火车、轮船、飞机等，其是通过燃烧基于化石的或者烃燃料来运行的。本发明的***和设备可以安装在新的移动来源上和/或改进现有的移动来源。

本发明基于整合不同的部件来形成***，使用回收自车辆ICE的废热，用于从大部分气体废气中有效分离后燃CO₂、它的致密化和随后临时存储在车载的运输工具上。该***可以包括：(a)第一热交换区，用于回收一部分的废热和相关的能量，和由此降低发动机废气流中的CO₂和其他成分的温度；(b)膜分离区，用于从废气流中分离CO₂，其使用了一些发动机废热来产生压力差；(c)能量转化区，在这里一些废热被转化成电和/或机械功率(功能量)；和(d)致密化区，在这里来源于废热的功率被用于提高CO₂的密度；和(e)任选的隔热冷却存储区，用于临时车载存储处于液体或固体形式的致密化的CO₂。因为固体CO₂升华成气态形式，因此需要单独的存储区域。在本发明方法的实践中，运行该***所需的全部或者大部分的能量来源于发动机废热。

在CO₂捕集循环启动过程中，或者为了满足其他具体运行所需，可以使用部分的发动机功率或者替代地使用车载电池组所存储的电能。在所述***正常的稳态运行过程中，CO₂分离和致密化所需的至少一部分的能量将来自ICE废热。

本发明所具有的、相对于现有技术的一个优点，相对于降低来自固定来源的CO₂排放的方法来说，是相对高到中等温度废热的易得性。该热能的成本是从固定来源捕集CO₂所花费的主要项目，因为来自煤-或天然气-点火的发电设施的烟道气的温度被大幅降低，来使得燃料的能量值最大化和使得污染物如SO_x和废热向环境的排放最小。

附图说明

将在下面并且参考附图来进一步描述本发明，其中相同或者类似的元件用相同的数字表示，和其中：

图1是通过如现有技术所确定的典型的内燃机，将烃燃料能量转化成热和功率的示意图；

图2是一个示意图，其结合图1和说明了本发明的方法；

图3是本发明一个实施方案的示意图，其利用了膜下游的压力降低来提高CO₂的渗透；

图4是本发明一个实施方案的示意图，其利用了膜上游增加的压力来提高渗透；和

图5是本发明一个实施方案的示意图，其利用了液体吸收剂。

具体实施方式

参考图2的示意图，其提供了本发明的直接致密化方法的概述，其用于从废气流中将CO₂选择性气体渗透和分离，其中来自燃料燃烧的废热能被转化成其他形式的能量来进行分离和致密化。

本发明的几种代表性实施方案表示在图3、4和5中。首先参考图3，其表示了一种真空驱动的方法，将热废气流20送过在300℃-650℃温度运行的第一热回收(HR)单元30，来将一些废热转化成电或机械能，用“E”表示。

然后将该冷却的废气流22引入到包括一个或多个膜42的膜组件40中。膜42的渗透物侧处于相对低的压力，这归因于真空泵46所产生的部分真空。沿着膜42的压力差提供了增强CO₂流通量或者流过膜到渗透物侧所需的驱动力。将CO₂气体流44和任何水蒸气和/或其他透过的气体送过HR单元32，来在送到致密化步骤之前进一步降低气体温度。在CO₂冷却过程中该水蒸气冷凝和被除去。如果存在，则其他气体例如NO_x、SO_x和烃蒸气可以通过任何不同的已知处理(未示出)来除去。该压缩的、液化的和/或固体CO₂保持在临时车载存储中。任选将渗余物气体52送过HR34并且排出到大气。

图4表示了压缩驱动方法。将热废气流送过在温度300℃-650℃运行的第一热回收单元HR30，来将一些废热转化成电或者机械能量“E”。该较冷的废气流22流至涡轮增压器100来提高它的压力以及来***该废气流，这样将一部分24进行CO₂膜分离和捕集，将其余部分27排放到大气。这种体积分割可以基于与可用于CO₂捕集和致密化的组合能量有关的废气流22流速。如果涡轮增压器100不产生足够的压力来驱动膜组件处于最佳条件下，则部分的废气流24可以通过任选的压缩机102来进一步加压。

然后将加压的废气24引入到膜组件40中。膜42的渗透物侧处于相对低的压力，其是由致密化单元的风扇/压缩机的吸入端产生的。该压力差提供了驱动力，将CO₂送过膜42到渗透物侧。将该CO₂和任何水蒸气和/或其他透过气体送到致密化步骤。该压缩的、液化的和/或固体CO₂保持在临时车载存储中。任选将渗余物气体52送过HR34并且排出到大气。

从上面的图3和4的方法的说明显然看出，也可以任选将废气流20引入涡轮增压器中来部分地提高它的压力以及分割该废气流，以使得一部分在膜组件40中进行有效的CO₂除去，和其余部分27直接排出到大气中。这种体积分割可以基于与可用于CO₂捕集和致密化的能量有关的废气流流速。如果使用任选的涡轮增压器，则进入膜组件的废气流的压力将升高，由此提高由真空泵46所产生的压力差。

现在参见图5所示的***和设备，描述了一种所谓的混合方法。任选将热废气流20用改进的涡轮增压器100加压，并且以与CO₂回收区130中富含CO₂的液体吸收剂处于热交换的关系来传送，目的是将CO₂从液体吸收剂中释放出来。将较冷的加压的富含CO₂的废气流26送到膜分离组件140的渗余物侧，该CO₂透过膜142和被冷却的液体吸收剂144吸收。将作为渗余物的贫含CO₂的发动机废气流50送离膜分离组件140，并且在作为贫含CO₂的废气流52排出到大气之前，任选地以与热交换器150中贫含CO₂的吸收剂处于热交换关系来传送。替代地，可以将该吸收剂送到环境空气冷却器或者热回收单元30来降低它的温度。

如上所述，在单元30中通过热交换从吸收剂中解吸的CO₂流44是通过压缩机49压缩的，并且在压力容器80中累积用于临时存储，直到它从移动来源除去为止。如上所述，在加热的贫含CO₂的液体吸收剂146返回到膜分离组件140之前，将它以与环境空气、热回收单元或冷却器150中的贫含CO₂的发动机废气流处于热交换的关系，通过泵148进行循环。

HR装置的尺寸或能力、位置和运行条件是基于如来自发动机废气流的废热的可利用性来确定的。这将包括废热流的温度和体积流速二者，无论它是废气流还是发动机冷却剂。可以使用单个或多于一种类型的热回收装置，这取决于废热流的性质和它的温度和流动条件。HR装置的选择和分级处于本领域技术人员能力范围内。

热/能量回收***的运行可以通过预先编程的处理器和控制器来控制，其接收来自温度和流量传感器的数据，并且其与流量调节阀控制连通。例如在图5相关描述的实施方案中，其中将液体吸收剂用于膜的渗透物侧，发动机废气流的温度可以如下来降低：将它以与液体吸收剂材料热交换的关系传送，来将它的温度升高到足以解吸CO₂。然后可以任选将具有较低温度的较冷的废气流进一步与热电装置(未示出)热交换来产生电能。最终，可以将相对低的温度的废气引入到膜分离组件中，在这里CO₂透过膜，并且被液体吸收剂所吸收。

来自汽油或者柴油提供燃料的ICE的废气流包含大约13%水蒸气。该水蒸气将在致密化过程的早期阶段中冷凝来形成液体，并且可以通过本领域公知的方法和设备从所述过程中除去。水可以以液体形式排出到大气中，或者送至与热表面接触，来将它转化回蒸气形式，用于单独排出或者与处理过的低CO₂含量废气流一起排出。在任何情况下，基本上全部的水蒸气将与氮气和任何其余的CO₂一起排出到大气中。

优选的是将CO₂从装备在车辆上的催化转化器下游的废气流中除去，从而减少会对膜和/或致密化过程产生不良影响的污染物。另外，当发动机启动时较冷时，催化转化器下游的废气将比上游更热，这归因于转化器中所发生的放热反应。

已知现有的膜、组件和相关***用于处理天然气来将CO₂、水蒸气和H₂S作为渗透物来分离。在一个优选的实施方案中，将任何的H₂S和/或NH₃(其可能在用于处理废气流的催化转化器中形成)氧化为将不能通过膜的其他化合物。该转化可以例如通过将废气流与镍和/或锰化合物在膜上游的位置(例如在包括这些化合物的转化器中)接触来完成。

少量的SO_x和NO_x(其也可能存在于来自不同发动机的废气流中)可以通过与固体吸附剂接触，或者通过其他已知的方法(其目前用于不同类型的排放物控制装置中)来除去或者降低到预定水平。如本领域技术人员将会理解的，许多类型的膜能够有效地处理能够存在于ICE废气流中的这些和其他污染物的百万分率(ppm)水平的浓度。

CO₂致密化部分可以如下来完成：通过单级或多级压缩机，用适当的主动/被动冷却***来确保CO₂的压缩和液化或者凝固，来用于它的临时车载存储。CO₂可以存储在移动来源上的单个罐或者多个罐中。也可以使用燃料箱，通过在燃料侧和CO₂存储侧之间具有移动的隔离物如柔性囊，来存储致密化的CO₂。

需要热管理和控制来确保***的有效运行。必须将热通过热回收装置从热废气中除去。必须将热供给到其他部件来提供发电或者做功所需的热。热的供给和除去可以使用不同的方法来完成，包括传导、对流、辐射和/或这些方法的组合。全部***部件的控制可以与移动来源的发动机管理单元或者发动机控制***整合，或者通过单独的CO₂分离控制和管理***来优化性能。

在传导的情况中，可以使用热导材料如金属来提供或者除去热。如果将废气通过管，则热可以通过管壳使用传导从该管外除去。流体可以用于从管外壳供给或者除去热。可以使用管内翅片、金属网和其他设计和已知的技术来提高与热气体接触的表面积和增强传热。也可以在管外壳上使用翅片和其他表面变化来增强***的传热。也可以在管外传送CO₂废气，并且使用管内来供给或者除去传热流体。

图3和4确定了放置HR部件的合适位置。这些示意图被理解为表示了非限定性的例子。可以使用单个或多个工艺来将废热转化成电能量或者功，来压缩CO₂和为辅助装置提供动力。

本发明实践中所用的热回收(HR)部件的类型包括但不限于下面类型的设备。

1.用于将废热转化成电能量的热电装置可以置于不同的位置和排列来优化能量转化。可以确保该热电装置与作为装置的热端的排气管、捕集部件、发动机组或者其他发动机部件热传导接触。热电装置的冷端可以暴露于空气对流来冷却该装置。该热电装置的冷端也可以与主动冷却***例如循环液体接触，来促进传热以及控制热电组件的性能。

热电组件的热端安装在废气端上，并且冷端安装在称作主动***的封闭的冷却***上或者暴露于空气(被动***)。该热电组件从热端上除去了部分的热和产生电力，其可以用于运行致密化设备和/或其他车载装置。

该热电装置可以采用不同的形状例如圆柱形管或者矩形管来使得废气上的压力降低效应最小。也可以使用内部和/或外部翅片来增强热电装置的传热和由此增强它们的性能。热电装置可以安装得靠近发动机组或者安装到发动机组上，来利用高温。选择适当的材料来耐受高温。

2.可以将使用热电组件所产生的电力供给到电存储***如电池组，其依次将电力供给到致密化设备和/或其他装置。

选择用于热电组件的半导体基于应用的温度范围。可以使用不同的热电装置的堆叠来优化热回收和由此优化电能产生。

3.使用斯特林发动机(Stirling engine)，其中将来自ICE废气的废热供给到发动机的一个或多个气缸的壁来膨胀气缸中的气体，由此驱动活塞进行必需的机械功来运行致密化压缩机或者运行压缩制冷循环单元的压缩机，其提供了冷的制冷剂来液化或凝固CO₂。

4.使用蒸汽发生器来为涡轮提供蒸汽，其产生了机械功来运行致密化压缩机或者来运行压缩制冷循环单元的压缩机，其提供了冷的制冷剂来液化或凝固CO₂。

5.小的形状记忆合金发动机或压缩机，利用废热来改变合金(例如CuSn、InTi、TiNi和MnCu)的形状和产生机械功，其用于提高所捕集的CO₂的密度。该发动机压缩机通过具有合金的热端和冷端作业来产生所需的压缩。下面的专利描述了基于这些类型的非普通合金的热发动机：USP3913326；USP4055955；USP5442914；USP7444812；和公开的申请2009/0315489。这些专利文献的公开内容在此引入作为参考。

6.可以将单个或多个热回收***安装到废气和冷却剂***。

7.可以安装单个或多个热回收***来产生所需的动力和有效地降低废气的温度和由此降低液化和/或凝固CO₂所需的下游能量。

在本发明的另一实施方案中，将在捕集剂再生后所回收的一部分的CO₂经由合适的管道返回到发动机的空气入口，来与大气空气和燃料混合。***运行的这个方面类似于用于废气再循环(EGR)的已知方法，其目前被用于降低发动机运行温度和由此降低在燃料燃烧过程中所产生的NO_x化合物的量。可以将等价于废气体积的5-15%的CO₂的量返回到入口。CO₂的返回也降低了进入燃料混合物中的大气氮气的量，其也具有降低废气中NO_x化合物的有益效果。废气流中CO₂的百分比也增加。

CO₂的再循环可以用通常用于机动车辆上的废气再循环的相同装置和控制***来进行。CO₂的再循环也可以与现有的EGR***结合来使用。基于发动机运行条件或者根据目前的实践，CO₂可以代替全部或者预定部分的废气，例如在启动时当发动机较冷时，或者在快速加速的过程中和/或当ICE处于重负荷下时，中止整个再循环。

在本发明的另一实施方案中，将从膜组件回收的一部分的CO₂与水混合，并且使用已知方法催化反应，通过氢气和原位形成的一氧化碳的临时反应来形成甲烷和水。然后使用该甲烷和水补充供给到发动机入口的常规烃燃料。与CO₂反应的水可以从废气流或者从提供用于该目的单独的车载源回收。

本发明解决了来自移动来源的后燃CO₂捕集和车载存储。为了使得运行成本和装置需求最小化，将传统上排出到大气中的可利用的热应用到最大量的实践，来提供从燃烧气体中分离CO₂所需的能量，所述分离通过压缩来液化和/或凝固全部或者部分的所产生的CO₂用于有效的车载存储。捕集的CO₂可以车载存储，直到加燃料，这时它可以在加油站排出或者除去用于回收。与已经提出的方法(涉及化学反应如重整，或者涉及发动机设计中的重大变化)相比，本发明的设备更容易配置车载。

虽然在上面和附图中已经描述了本发明的不同的实施方案，但是从本说明书，其他的改进和变型对本领域技术人员将是显而易见的，并且本发明的范围是通过后面的权利要求来确定的。

Claims

1.一种用于降低由用来为车辆提供动力的烃燃料的内燃机(ICE)所排放的废气流排放到大气中的CO₂量的方法，该方法包括：

a.将来自ICE的热废气流送到车辆上车载的第一废热回收区，并且将高温废气流与至少一个热交换器接触，该热交换器具有入口和排出口，该入口用于接收来自ICE的热废气流来以热交换关系传送，该排出口用于排出处于较低温度的冷却的废气流，该热回收区进一步包括用于将废气流中的废热转化成电能和/或机械能的至少一个热回收装置；

b.将该冷却的废气流送到与废热回收区的废气流排出口流体连通的膜分离区，并且与具有膜的至少一个膜组件接触，该膜组件具有CO₂所透过的渗透物侧和与冷却的废气流接触的渗余物侧，该渗透物侧具有CO₂排出口，该渗余物侧包括处理过的废气流出口；

c.将来自膜组件的渗透物侧的CO₂送到致密化区和降低CO₂的温度和体积；

d.将致密化的CO₂转移到用于在车辆上车载临时存储的存储区；和

e.将CO₂含量降低的处理过的废气流送到与膜组件的处理过的废气流出口流体连通的废气管道，并且将该处理过的流排出到大气中。

2.权利要求1的方法，其随着车辆的ICE启动而基本上连续地运行。

3.权利要求1的方法，其包括将废气流的一部分热能用于产生沿着CO₂分离膜的压力差。

4.权利要求1的方法，其包括将废气流送过涡轮增压器，以提高至少一部分的废气流的压力。

5.权利要求4的方法，其包括将废气流送过涡轮增压器下游的第二废热回收区，以在废气流引入到膜组件之前降低它的温度。

6.权利要求1的方法，其中废气流的CO₂含量降低了至少10%。

7.一种用于车载处理由用来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量的***，该***包括：

a.车载到车辆上的第一废热回收区，该废热回收区用于以热交换关系接收高温废气流并且以较低温度排出该废气流，

该废热回收区包括至少一个热交换器，该热交换器具有入口和出口，该入口用于接收来自ICE的热废气流以热交换关系传送，该出口用于冷却的废气流，

该热回收区进一步包括至少一个热回收装置，该热回收装置与至少一个热交换器协同运行来将来自废气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，该膜分离区包括膜组件，该膜组件具有CO₂所透过的渗透物侧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的温度和体积降低来至少液化CO₂和来产生CO₂含量降低的处理过的废气流的装置；

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。

8.权利要求7的***，其包括分流阀，该分流阀用于调控送入膜组件中以分离CO₂的废气流的体积量。

9.权利要求8的***，其中基于ICE的运行条件来控制该分流阀。

10.权利要求8的***，其中基于致密化区中该装置的容量控制该分流阀来至少液化CO₂。

11.权利要求8的***，其包括控制装置，该控制装置用于将全部或一部分的废气流排出到大气中，而不通过第一废热回收区或者膜组件。

12.权利要求7的***，其包括涡轮增压器，该涡轮增压器用于提高进入膜组件的废气流的压力。

13.权利要求7的***，其包括与膜组件的渗透物侧流体连通的用于CO₂的低压入口。

14.权利要求1的方法，其包括将从膜组件的渗透物侧回收的一部分的CO₂送到ICE。

15.权利要求1的方法，其中使用由热回收装置所产生的至少一部分的电能和/或机械能为车辆车载的辅助电能和/或机械***提供动力。

16.权利要求1的方法，其中使用从膜组件的渗透物侧回收的一部分的CO₂作为车辆车载空调设备中的制冷气体。

17.一种用于降低由用来为车辆提供动力的烃燃料的内燃机(ICE)所排放的废气流排放到大气中的CO₂量的方法，该方法包含：

a.将来自ICE的热废气流送到车辆上车载的第一热交换区中，并且将处于高温流的该热废气与至少一个热交换器接触，该热交换器具有入口和排出口，该入口用于接收来自ICE的热废气流以热交换关系传送，该排出口用于排出处于较低温度的冷却的废气流，

该热交换区进一步包括至少一个用于接收空气流的入口，该入口将空气以与至少一个热交换器热交换的关系传送以降低废气流的温度；

18.权利要求17的方法，其中将环境空气送过热交换区中的热交换器。

19.权利要求17的方法，其包括在将空气送过热交换区中的热交换器之前，冷却该环境空气。