通過使汽車的二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料以降低機動車源排放的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及通過將尾氣轉(zhuǎn)化為烴類燃料來降低機動車排放物的裝置和方法。所述裝置和方法彌補了常規(guī)排放控制技術(shù)，進一步降低了機動車排放有害物質(zhì)。所述裝置包括：換熱器(102A)，其從為機動車提供動力的內(nèi)燃機的尾氣中提取熱能；膜分離器(108)，其從尾氣中分離出水和二氧化碳；以及催化反應(yīng)器(102B)，其容納有納米催化劑。所述催化反應(yīng)器(102B)接收來自膜分離器(108)的水和二氧化碳，容納有水和二氧化碳的反應(yīng)以產(chǎn)生烴類燃料，并且該反應(yīng)由納米催化劑催化，并且來自換熱器(102A)的熱能促進了該反應(yīng)。催化反應(yīng)器(102B)容納在換熱器(102A)本體內(nèi)從而有利于熱能的轉(zhuǎn)移。
【專利說明】通過使汽車的二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料以降低機動車源排放
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通過將二氧化碳轉(zhuǎn)化為烴類燃料以降低機動車排放的方法。更具體而言，本發(fā)明的實施方案利用車載換熱器和催化轉(zhuǎn)化器將機動車尾氣轉(zhuǎn)化為用于機動車內(nèi)燃機的烴類燃料。
【背景技術(shù)】
[0002]幾十年來，汽車工業(yè)已經(jīng)認識到了機動車排放物對公共健康和環(huán)境的危害。同時眾所周知的是，減少機動車排放物的常規(guī)方法是低效的。通常，可通過提高發(fā)動機效率和/或在燃燒后凈化排放物從而減少機動車排放物。例如，可使用二次空氣噴射、尾氣循環(huán)和/或催化轉(zhuǎn)化來凈化汽車尾氣。
[0003]通常，催化轉(zhuǎn)化器包括用于將有毒排放物轉(zhuǎn)化為無毒物質(zhì)的金屬催化劑(例如，鉬、鈀、銠)。經(jīng)轉(zhuǎn)化的有毒排放物可包括一氧化碳、氮氧化物和未燃烴。例如，一氧化碳可被氧化并轉(zhuǎn)化為二氧化碳，其中催化劑促進了這種氧化。
[0004]催化轉(zhuǎn)化器的應(yīng)用無法解決與減少機動車排放物相關(guān)的所有問題。例如，催化轉(zhuǎn)化器不能減少烴類燃料的燃燒量。此外，催化轉(zhuǎn)化所產(chǎn)生的二氧化碳是造成全球變暖的溫
室氣體。 [0005]因此，人們希望獲得減少機動車排放物的改進方法。優(yōu)選地，期望存在能將排放物轉(zhuǎn)化為可用燃料的方法。此外，期望獲得也能減少二氧化碳排放量的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一個實施方案中，降低機動車源排放物的裝置包括:換熱器，其從內(nèi)燃機的尾氣中提取熱能，其中內(nèi)燃機為機動車提供動力；膜分離器，其從尾氣中分離出水和二氧化碳；以及具有納米催化劑的催化反應(yīng)器，該催化反應(yīng)器容納有水和二氧化碳的反應(yīng)以產(chǎn)生烴類燃料，該反應(yīng)由納米催化劑催化。在一個實施方案中，催化反應(yīng)器接收來自所述膜分離器的水和二氧化碳，并利用來自換熱器的熱能以促進水和二氧化碳的反應(yīng)。
[0007]在一個實施方案中，所述納米催化劑為多金屬納米催化劑，其包含釕、錳和鎳中的至少一種。在另一個實施方案中，所述納米催化劑含有2%至3%的釕、20%至30%的鎳和15 %至20 %的錳。在又一個實施方案中，所述納米催化劑含有2 %的釕、20 %的鎳和15 %的猛。
[0008]在一個實施方案中，所述膜分離器包括:選擇性膜層，其為二氧化硅類膜層、碳類膜層或沸石膜層；以及載體層，其為陶瓷載體、金屬載體或氧化鋁載體。
[0009]在一個實施方案中，催化反應(yīng)器被所述換熱器圍繞，使得熱能流向催化反應(yīng)器中保持有納米催化劑的部分。在一個實施方案中，催化反應(yīng)器包括用于保持所述納米催化劑的復(fù)合管(multiple tube)，所述復(fù)合管提供了更大的表面積以接收來自換熱器的熱能。
[0010]在一個實施方案中，所述烴類燃料包含乙醇和丙炔。【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]參照下面的說明書、權(quán)利要求書和附圖，本發(fā)明的這些以及其他特征、方面和優(yōu)點將會變得更容易理解。但是需要注意的是，附圖僅示出了本發(fā)明的若干實施方案，因此不能認為附圖是對本發(fā)明范圍的限制，本發(fā)明的范圍還承認其他等效的實施方案。
[0012]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方案的裝置。
[0013]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方案的流程圖。
[0014]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方案的裝置的例子。
[0015]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方案的換熱器和催化反應(yīng)器。
[0016]圖5不出了根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方案的換熱器。 [0017]發(fā)明詳述
[0018]雖然將會結(jié)合若干實施方案對本發(fā)明進行說明，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，并不旨在將本發(fā)明限于那些實施方案。相反，本發(fā)明旨在包括涵蓋可以包括在由附加的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有可供選擇的方案、變型和等價形式。
[0019]在一個實施方案中，減少機動車排放物的裝置包括:換熱器，其用于從內(nèi)燃機的尾氣中提取熱能，該內(nèi)燃機為推動機提供動力；膜分離器，其用于從尾氣中分離出水和二氧化碳；以及含有納米催化劑的催化反應(yīng)器，該催化反應(yīng)器中容納有水和二氧化碳的反應(yīng)以產(chǎn)生烴類燃料。此外，由換熱器提取的熱能促進了水和二氧化碳的反應(yīng)。
[0020]如圖1所示，裝置100包括集成的換熱器102A和催化反應(yīng)器102B、催化轉(zhuǎn)化器104、蛇管式換熱器106、膜分離器108和排氣裝置110整體。在一個實施方案中，如下面參照圖3所述，將裝置100安裝在機動車的排放系統(tǒng)中(例如，安裝在機動車的底盤上)。
[0021]在一個實施方案中，換熱器102A和催化反應(yīng)器102B被集成在一起，使得換熱器102A中從尾氣提取的熱能可被用于促進催化反應(yīng)器102B中的反應(yīng)。換熱器102A接收來自內(nèi)燃機的尾氣。隨著尾氣通過換熱器102A，從尾氣中提取熱能，使得尾氣在進入催化轉(zhuǎn)化器104之前冷卻下來。換熱器102A能夠(I)從發(fā)動機中回收廢熱并將其用于催化反應(yīng)器102B,以及(2)使尾氣在進入裝置100的其它部分之前被冷卻。例如，膜分離器108可以包括這樣的膜，該膜在相對高壓和低于離開內(nèi)燃機時的尾氣溫度的溫度下工作。
[0022]在一些實施方案中，催化反應(yīng)器102B包括催化體系、光催化體系、電催化體系或是它們適宜的組合。此外，催化反應(yīng)器102B可以包括固定流化床和催化膜。催化劑可以為擔(dān)載型納米結(jié)構(gòu)催化劑，其包括氧化鋁、二氧化硅和粘土作為載體，以及如下所述的活性單金屬、雙金屬和三金屬材料作為活性成分。
[0023]在一個實施方案中，催化反應(yīng)器102B中包括將CO2和H2O轉(zhuǎn)化為烴類燃料的反應(yīng)。例如，所述反應(yīng)可以為產(chǎn)生醇的通用反應(yīng)，例如:nC02+(n+l)H20 —Cn Η2η+10Η+(3n/2)O2，其中η = 1、2、3、4、5、6等(例如，當(dāng)η = I時，那么產(chǎn)物為CH30H(甲醇)，當(dāng)η = 2時，那么產(chǎn)物為C2H50H(乙醇)等)。在另一個例子中，所述反應(yīng)的目標是產(chǎn)生烷烴，例如:2nH20+nC02 — CnH2n+2+2n02，其中η = 1、2、3、4、5、6等。在又一個實施方案中，如下述反應(yīng)所示，該反應(yīng)可以隨著氧氣的釋放而產(chǎn)生甲烷(CH4)或混合產(chǎn)物:
[0024].在673K和大氣壓力下產(chǎn)生乙醇、丙炔和氧氣的催化劑促進的反應(yīng)一5C02+5H20 — C2H50H+H3C-C = CH+702
[0025]?產(chǎn)生甲醇、乙醇、氧氣和丙炔的催化劑促進的反應(yīng)一 6C02+7H20 — CH30H+C2H50H+17/202+H3C-C = CH
[0026]在該例子中，可以設(shè)計催化劑和反應(yīng)溫度以將某些產(chǎn)物(例如，乙醇)的產(chǎn)量最大化。此外，催化反應(yīng)器102B所用的納米催化劑可為包含釕、錳和/或鎳的金屬納米催化劑。具體而言，金屬納米催化劑含有約2%至3%的釕、約20%至30%的鎳和約15%至20%的錳(例如，2%的釕、20%的鎳和15%的錳)。當(dāng)H20(蒸汽)和CO2在納米催化劑的表面分解產(chǎn)并生氧氣和氫氣時，該反應(yīng)可由催化劑促進。在該階段，氫氣和氧氣可以與碳反應(yīng)以生成烴類燃料。在一些情況下，由反應(yīng)得到的新生成的氧可以產(chǎn)生額外的能量，從而降低了對外部熱能的需求。
[0027]在Hussain S.T.等人的 Nano Catalyst for CO2Conversion toHydrocarbons, Journal of Nano Systems&Technology, Oct.31, 2009 中描述了不例性納米催化劑。在該文章中，所述示例性納米催化劑按照如下方式制備:
[0028].在去離子H2O中制備含有三氯化釕(0.103g)、四水合硝酸錳(2.285g)和六水合硝酸鎳(2.47g)(分析試劑級)的溶液，并用稀鹽酸進行酸化以抑制氫氧化物的沉淀。
[0029].然后在蒸發(fā)池中將部分漿料(IOcm3)加至二氧化鈦催化劑載體(3.95g)(350111?-1)，其中對該混合物進行磁力攪拌20分鐘并在395K的溫度下干燥過夜。
[0030].然后在空氣中于600°C的溫度下，將制得的催化劑樣品煅燒6小時。
[0031]基于典型的運轉(zhuǎn)循環(huán)(例如，US06運轉(zhuǎn)循環(huán))，根據(jù)機動車的速度，尾氣排放可為
6.5克/秒至200克/秒。 在這種情況下，運轉(zhuǎn)循環(huán)中的最大速度為80mph左右，其可用于計算用于商業(yè)目的的催化劑的量。在實驗室測試中，所用催化劑的量為0.5克，其中尾氣通過反應(yīng)器的相應(yīng)空間速度為eOOOhr—1至7200111*'相比較而言，通過機動車的尾氣的質(zhì)量流率可以為6.5克/秒至200克/秒。在一些實施方案中，基于實驗室數(shù)量和典型的運轉(zhuǎn)循環(huán)，催化反應(yīng)器102B中使用的催化劑的總量為約120克。在這種情況下，反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化水平取決于尾氣質(zhì)量流率(即，反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化率隨著尾氣質(zhì)量流率的降低而升高)。
[0032]在一個實施方案中，催化轉(zhuǎn)化器104凈化來自機動車尾氣的有毒物質(zhì)。具體而言，催化轉(zhuǎn)化器104可以包括用于(I)氧化一氧化碳以生成CO2的金屬催化劑、以及用于(2)氧化未燃烴以生成H2O和CO2的金屬催化劑。催化轉(zhuǎn)化器104中的反應(yīng)提高了尾氣在通過蛇管式換熱器106之前的溫度。
[0033]在一個實施方案中，在將尾氣供給至膜分離器108之前，蛇管式換熱器106將尾氣的溫度降低。蛇管式換熱器106可將尾氣的熱能轉(zhuǎn)移至朝向催化反應(yīng)器102B行進的反應(yīng)物。
[0034]在一個實施方案中，膜分離器108從由蛇管式換熱器106處接收到的尾氣中的其他氣體中分離出CO2和H20。膜分離器108可以包括各種膜，其中根據(jù)操作條件(如溫度)的不同，CO2和H2O被分離為滲透物或截留物質(zhì)。分離出的CO2和H2O流向催化反應(yīng)器102B，并且其他氣體流向尾氣110。然后排氣裝置110將其他氣體排出機動車。
[0035]參照圖2，示出了將尾氣轉(zhuǎn)化為烴類燃料的示例性流程圖。在202中，離開機動車發(fā)動機的尾氣以約850°C的溫度進入雙管式換熱器102A(即，尾氣包含由機動車發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的熱能)。在203排出尾氣之前，在尾氣離開雙管式換熱器102A并進入203之前，雙管式換熱器102A從尾氣中提取熱能。在進入催化轉(zhuǎn)化器104之前，尾氣以大約350°C至500°C的溫度離開雙管式換熱器102A。在催化轉(zhuǎn)化器104中，發(fā)生反應(yīng)從而將未燃燒的氣態(tài)組分轉(zhuǎn)化為N2、CO2, H2O等。在204中，經(jīng)轉(zhuǎn)化的氣體以大約500°C _600°C的溫度離開催化轉(zhuǎn)化器106。
[0036]然后，經(jīng)轉(zhuǎn)化的氣體通過蛇管式換熱器106，從而進一步將熱傳遞給流向催化反應(yīng)器102B的反應(yīng)物。在206中，經(jīng)轉(zhuǎn)化的氣體以大約200°C _300°C的溫度進入膜分離器108。在膜分離器108中，CO2和H2O從經(jīng)轉(zhuǎn)化的氣體中分離出來。在210中，經(jīng)分離的CO2和H2O通過蛇管式換熱器106，從而將CO2和H2O的溫度提高至約500°C。在110中，剩余的氣體離開膜分離器108，并以尾氣的形式從機動車中排出。在212中，經(jīng)加熱的CO2和H2O流入催化反應(yīng)器102B。在催化反應(yīng)器102B中，納米催化劑促進了將CO2和H2O轉(zhuǎn)化為烴類燃料的反應(yīng)。在214中，烴類燃料再循環(huán)至汽車發(fā)動機216中(例如，烴類燃料可以流至燃料管路，化油器或燃料箱)，從而減少機動車中的二氧化碳排放。
[0037]圖2的工藝流程布置(process flow arrangement)將尾氣冷卻，使得在膜分離器108中可從尾氣中分離出低溫的CO2和!120。同時，通過來自雙管式換熱器102A和蛇管式換熱器106的熱轉(zhuǎn)移，從而提高了分離后流向催化反應(yīng)器102B的CO2和H2O的溫度。在一些實施方案中，這種工藝流程布置利用了尾氣的廢熱，從而可在沒有外部能量的條件下進行反應(yīng)。如下文中參照圖3所述，這種工藝流程布置可沿著尾氣管安裝在機動車的底盤上。
[0038]參照圖3，示出了 安裝在機動車底盤302上的一個示例性裝置。機動車的排氣總管(exhaust head pipe) 306接收來自內(nèi)燃機(未示出)的尾氣。集成的換熱器102A和催化反應(yīng)器102B被安裝至排氣總管306。在本例中，排氣總管306與集成的換熱器102A和催化反應(yīng)器102B位于該機動車的發(fā)動機部分304下方(即，位于機動車的內(nèi)燃機下方)。排氣總管306的尾氣通過換熱器102A輸送至催化轉(zhuǎn)化器104。
[0039]鄰近發(fā)動機部分304的是隔熱罩306，當(dāng)尾氣通過該示例性裝置時，隔熱罩306用于保護機動車免受尾氣熱量的影響。在這個例子中，隔熱罩306包括催化轉(zhuǎn)化器104、蛇管式換熱器106、膜分離器108和排氣裝置110，這些部件分別與上文中參照圖1和圖2所描述的相應(yīng)部件大致類似。如圖3所示，來自膜分離器108的滲透物210(即，COjPH2O)被輸送至蛇管式換熱器106，其將來自于尾氣的熱能轉(zhuǎn)移至滲透物210。經(jīng)加熱的反應(yīng)物212隨后穿過催化轉(zhuǎn)化器104并到達催化反應(yīng)器102B。隨著經(jīng)過加熱的反應(yīng)物流向催化反應(yīng)器102B并在其間流動，可由催化轉(zhuǎn)化器104和換熱器102A向經(jīng)加熱的反應(yīng)物212傳遞其他熱能。催化反應(yīng)器102B將經(jīng)加熱的反應(yīng)物212轉(zhuǎn)化為烴類燃料214，然后將其用作機動車的再循環(huán)燃料。
[0040]參見圖4，示出了集成的換熱器和催化反應(yīng)器102AU02B實例。如上所述，集成的換熱器和催化反應(yīng)器102AU02B可以安裝在位于機動車底盤上的內(nèi)燃機和催化轉(zhuǎn)化器之間。尾氣202通常以大約800°C至900°C的溫度離開發(fā)動機，并在離開集成的換熱器和催化反應(yīng)器102AU02B的外管402之前快速冷卻至約500°C至600°C。集成的換熱器和催化反應(yīng)器102AU02B位于這樣的位置，該位置使得能從尾氣202中回收廢熱并補充在集成的換熱器和催化反應(yīng)器102A、102B的內(nèi)管404中發(fā)生的吸熱反應(yīng)的熱需求。
[0041]在該實例中，集成的換熱器和催化反應(yīng)器102AU02B為標準的雙管式換熱器，其中內(nèi)管404容納用于反應(yīng)的催化劑406，并且外管402提供尾氣的通道。在另一個實例中，集成的換熱器和催化反應(yīng)器102AU02B可以是殼管式換熱器，其包括具有復(fù)合管的內(nèi)殼，該復(fù)合管中容納有催化劑406，其中該復(fù)合管可連接至雙管式換熱器的兩端的管板。該復(fù)合管提供更大的表面積以用于熱傳遞。在任一個實例中，外管402均可以經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕^熱處理，以保存熱量并促進傳熱。
[0042]參照圖5，示出了膜分離器108的實例。膜分離器108包括膜502，其用于從由催化轉(zhuǎn)化器206處接收的尾氣中分離出滲透物210 (CO2和H2O)。在一些實施方案中，膜502可以具有中空纖維結(jié)構(gòu)。在這種情況下，膜502包括涂布在穩(wěn)定載體(例如，陶瓷中空纖維等)上的選擇性膜層(未示出)。在其它實施方案中，膜502可具有管狀結(jié)構(gòu)。在這種情況下，選擇性膜層被涂覆在管式多孔載體(例如，多孔氧化鋁管、陶瓷管、多孔金屬管等)上。任選地，吹掃氣體(未示出)可以注入到膜分離器108中，以有利于收集滲透物210。下面的表1示出了在膜分離器108中可以使用的膜實例。
[0043]表1:膜分離器108中可以使用的示例性膜。
【權(quán)利要求】
1.一種車載催化裝置，其特征在于: 換熱器(102A)，其能夠從內(nèi)燃機的尾氣中提取熱能，該內(nèi)燃機為機動車提供動力； 膜分離器(108)，其能夠從所述尾氣中分離出水和二氧化碳；以及 催化反應(yīng)器(102B)，其容納在所述換熱器(102A)本體內(nèi)，所述催化反應(yīng)器(102B)能夠: 接收來自所述膜分離器(108)的水和二氧化碳； 容納水和二氧化碳的反應(yīng)以產(chǎn)生烴類燃料，該反應(yīng)由納米催化劑催化；并且 使用來自所述換熱器(102A)的熱能來促進所述水和所述二氧化碳的反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述納米催化劑為包含釕、錳和鎳中的至少一種的多金屬納米催化劑。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的裝置，其中所述納米催化劑含有2%至3%的釕、20%至30%的鎳和15%至20%的錳。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述納米催化劑含有2%的釕、20%的鎳和15%的猛。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的裝置，其中所述膜分離器(108)包括: 選擇性膜層，其為二氧化硅類膜層、碳類膜層或沸石膜層；以及 載體層，其為陶瓷載體、金屬載體或氧化鋁載體。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的裝置，其中所述催化反應(yīng)器(102B)被所述換熱器(102A)圍繞，使得所述熱能流向所述催化反應(yīng)器(102B)中容納有所述納米催化劑的部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述催化反應(yīng)器(102B)包括用于容納所述納米催化劑的復(fù)合管，該復(fù)合管提供了更大的表面積以接收來自所述換熱器(102A)的所述熱能。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的裝置，其中所述烴類燃料包含乙醇和丙炔。
9.一種將汽車的二氧化碳轉(zhuǎn)化為烴類燃料的方法，所述方法的特征在于以下步驟: 從內(nèi)燃機的尾氣中提取熱能，所述內(nèi)燃機為機動車提供動力； 從所述尾氣中分離出水和二氧化碳； 通過由納米催化劑催化的反應(yīng)將所述水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為烴類燃料，從所述尾氣中提取的熱能促進了該反應(yīng)；以及 將所述烴類燃料供給至內(nèi)燃機以用于燃燒。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述納米催化劑為包含釕、錳和鎳中的至少一種的多金屬納米催化劑。
11.根據(jù)權(quán)利要求9至10中任意一項所述的方法，其中所述納米催化劑含有2%至3%的釕、20%至30%的鎳和15%至20%的錳。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述納米催化劑含有2%的釕、20%的鎳和15%的錳。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任意一項所述的方法，其特征還在于包括在從所述尾氣中分離出水和二氧化碳之前，將該尾氣冷卻至200°C至300°C的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中任意一項所述的方法，其特征還在于包括氧化所述尾氣中的一氧化碳以產(chǎn)生二氧化碳的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14中任意一項所述的方法，其中所述烴類燃料包含乙醇和丙炔。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述反應(yīng)為5C02+5H20— C2H5OH+H3C-C ^ CH+702,其中CO2為二 氧化碳，H2O為水，C2H5OH為乙醇，H3C-C = CH為丙炔，并且O2為氧氣。
【文檔編號】C10G2/00GK103975043SQ201280052381
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月24日
【發(fā)明者】哈?！ひ聊诽m, 穆阿賽德·薩利姆·穆薩德·阿勒-加米·阿勒-加姆迪, 阿代什·哈拉利, 讓-皮埃爾·R·巴拉蓋, 阿基爾·賈邁勒 申請人:沙特阿拉伯石油公司