通过使汽车的二氧化碳转化为燃料以降低机动车源排放的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请号为201280052381. 7、申请日为2012年10月24日、发明名称为"通 过使汽车的二氧化碳转化为燃料以降低机动车源排放"的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及通过将二氧化碳转化为烃类燃料以降低机动车排放的方法。更具体而 言，本发明的实施方案利用车载换热器和催化转化器将机动车尾气转化为用于机动车内燃 机的烃类燃料。
【背景技术】
[0003] 几十年来，汽车工业已经认识到了机动车排放物对公共健康和环境的危害。同时 众所周知的是，减少机动车排放物的常规方法是低效的。通常，可通过提高发动机效率和/ 或在燃烧后净化排放物从而减少机动车排放物。例如，可使用二次空气喷射、尾气循环和/ 或催化转化来净化汽车尾气。
[0004] 通常，催化转化器包括用于将有毒排放物转化为无毒物质的金属催化剂（例如， 铂、钯、铑）。经转化的有毒排放物可包括一氧化碳、氮氧化物和未燃烃。例如，一氧化碳可 被氧化并转化为二氧化碳，其中催化剂促进了这种氧化。
[0005] 催化转化器的应用无法解决与减少机动车排放物相关的所有问题。例如，催化转 化器不能减少烃类燃料的燃烧量。此外，催化转化所产生的二氧化碳是造成全球变暖的温 室气体。
[0006] 因此，人们希望获得减少机动车排放物的改进方法。优选地，期望存在能将排放物 转化为可用燃料的方法。此外，期望获得也能减少二氧化碳排放量的方法。
【发明内容】
[0007] 在一个实施方案中，降低机动车源排放物的装置包括：换热器，其从内燃机的尾气 中提取热能，其中内燃机为机动车提供动力；膜分离器，其从尾气中分离出水和二氧化碳； 以及具有纳米催化剂的催化反应器，该催化反应器容纳有水和二氧化碳的反应以产生烃类 燃料，该反应由纳米催化剂催化。在一个实施方案中，催化反应器接收来自所述膜分离器的 水和二氧化碳，并利用来自换热器的热能以促进水和二氧化碳的反应。
[0008] 在一个实施方案中，所述纳米催化剂为多金属纳米催化剂，其包含钌、锰和镍中的 至少一种。在另一个实施方案中，所述纳米催化剂含有约2%至3%的钌、约20%至30%的 镍和约15%至20%的锰。在又一个实施方案中，所述纳米催化剂含有约2%的钌、约20% 的镍和约15%的锰。
[0009] 在一个实施方案中，所述膜分离器包括：选择性膜层，其为二氧化硅类膜层、碳类 膜层或沸石膜层；以及载体层，其为陶瓷载体、金属载体或氧化铝载体。
[0010] 在一个实施方案中，催化反应器被所述换热器围绕，使得热能流向催化反应器中 保持有纳米催化剂的部分。在一个实施方案中，催化反应器包括用于保持所述纳米催化剂 的复合管（multiple tube)，所述复合管提供了更大的表面积以接收来自换热器的热能。
[0011] 在一个实施方案中，所述烃类燃料包含乙醇和丙炔。
【附图说明】
[0012] 参照下面的说明书、权利要求书和附图，本发明的这些以及其他特征、方面和优点 将会变得更容易理解。但是需要注意的是，附图仅示出了本发明的若干实施方案，因此不能 认为附图是对本发明范围的限制，本发明的范围还承认其他等效的实施方案。
[0013] 图1示出了根据本发明的一个或多个实施方案的装置。
[0014] 图2示出了根据本发明的一个或多个实施方案的流程图。
[0015] 图3示出了根据本发明的一个或多个实施方案的装置的例子。
[0016] 图4示出了根据本发明的一个或多个实施方案的换热器和催化反应器。
[0017] 图5示出了根据本发明的一个或多个实施方案的换热器。
[0018] 发明详述
[0019] 虽然将会结合若干实施方案对本发明进行说明，但是应当理解的是，并不旨在将 本发明限于那些实施方案。相反，本发明旨在包括涵盖可以包括在由附加的权利要求书所 限定的本发明的精神和范围内的所有可供选择的方案、变型和等价形式。
[0020] 在一个实施方案中，减少机动车排放物的装置包括：换热器，其用于从内燃机的尾 气中提取热能，该内燃机为推动机提供动力；膜分离器，其用于从尾气中分离出水和二氧化 碳；以及含有纳米催化剂的催化反应器，该催化反应器中容纳有水和二氧化碳的反应以产 生烃类燃料。此外，由换热器提取的热能促进了水和二氧化碳的反应。
[0021] 如图1所示，装置100包括集成的换热器102A和催化反应器102B、催化转化器 104、蛇管式换热器106、膜分离器108和排气装置110整体。在一个实施方案中，如下面参 照图3所述，将装置100安装在机动车的排放系统中（例如，安装在机动车的底盘上）。
[0022] 在一个实施方案中，换热器102A和催化反应器102B被集成在一起，使得换热器 102A中从尾气提取的热能可被用于促进催化反应器102B中的反应。换热器102A接收来自 内燃机的尾气。随着尾气通过换热器102A，从尾气中提取热能，使得尾气在进入催化转化 器104之前冷却下来。换热器102A能够（1)从发动机中回收废热并将其用于催化反应器 102B，以及（2)使尾气在进入装置100的其它部分之前被冷却。例如，膜分离器108可以包 括这样的膜，该膜在相对高压和低于离开内燃机时的尾气温度的温度下工作。
[0023] 在一些实施方案中，催化反应器102B包括催化体系、光催化体系、电催化体系或 是它们适宜的组合。此外，催化反应器102B可以包括固定流化床和催化膜。催化剂可以为 担载型纳米结构催化剂，其包括氧化铝、二氧化硅和粘土作为载体，以及如下所述的活性单 金属、双金属和三金属材料作为活性成分。
[0024] 在一个实施方案中，催化反应器102B中包括将0)2和H20转化为烃类燃料的反应。 例如，所述反应可以为产生醇的通用反应，例如：nC02+(n+l)H20 - CnH2n+10H+(3n/2)02，其中 η = 1、2、3、4、5、6等（例如，当η = 1时，那么产物为CH30H(甲醇），当η = 2时，那么产物 为C2H50H(乙醇）等）。在另一个例子中，所述反应的目标是产生烷烃，例如：2nH 20+nC02- CnH2n+2+2n02，其中n= 1、2、3、4、5、6等。在又一个实施方案中，如下述反应所示，该反应可以 随着氧气的释放而产生甲烷（CH4)或混合产物：
[0025] ?在673K和大气压力下产生乙醇、丙炔和氧气的催化剂促进的反应一 5C02+5H20 - C2H50H+H3C-C = CH+702
[0026] ?产生甲醇、乙醇、氧气和丙炔的催化剂促进的反应一 6C02+7H20 - CH30H+C2H50H+1 7/202+H3C-C = CH
[0027] 在该例子中，可以设计催化剂和反应温度以将某些产物（例如，乙醇）的产量最大 化。此外，催化反应器102B所用的纳米催化剂可为包含钌、锰和/或镍的金属纳米催化剂。 具体而言，金属纳米催化剂含有约2 %至3 %的钌、约20 %至30 %的镍和约15 %至20 %的 锰（例如，2%的钌、20%的镍和15%的锰）。当H20(蒸汽）和0)2在纳米催化剂的表面分 解产并生氧气和氢气时，该反应可由催化剂促进。在该阶段，氢气和氧气可以与碳反应以生 成烃类燃料。在一些情况下，由反应得到的新生成的氧可以产生额外的能量，从而降低了对 外部热能的需求。
[0028] 在 Hussain S. T.等人的 Nano Catalyst for C02Conversion to Hydrocarbons, Journal of Nano Systems&Technology, Oct. 31，2009 中描述了不例性纳米 催化剂。在该文章中，所述示例性纳米催化剂按照如下方式制备：
[0029] 鲁在去离子H20中制备含有三氯化钌（0. 103g)、四水合硝酸锰（2. 285g)和六水合 硝酸镍（2. 47g)(分析试剂级）的溶液，并用稀盐酸进行酸化以抑制氢氧化物的沉淀。
[0030] ?然后在蒸发池中将部分浆料（10cm3)加至二氧化钛催化剂载体（3. 95g) (350m2g ^，其中对该混合物进行磁力搅拌20分钟并在395K的温度下干燥过夜。
[0031] ?然后在空气中于600°C的温度下，将制得的催化剂样品煅烧6小时。
[0032] 基于典型的运转循环（例如，US06运转循环），根据机动车的速度，尾气排放可为 6. 5克/秒至200克/秒。在这种情况下，运转循环中的最大速度为