CO2分离系统的制作方法

co2分离系统
技术领域
1.本发明涉及co2分离系统。


背景技术：

2.日本特许第6359544公开了一种co2分离系统，其利用促进输送膜从内燃机排出的排气中选择性地分离出co2(二氧化碳)，并对分离出的co2进行浓缩和储存。


技术实现要素：

3.但是，上述日本特许第6359544中，没有揭示最终如何将分离出的co2回收，有可能无法效率良好地将分离出co2进行回收。
4.本发明提供一种co2分离系统，其能够效率良好地将从包含co2的混合气体中分离出的co2进行回收。
5.本发明的一技术方案涉及的co2分离系统，用于从包含co2的混合气体中分离co2。co2分离系统具备co2分离装置、co2回收装置和压力差产生装置，co2分离装置具有使co2从混合气体中分离的分离膜、以及由该分离膜划定的分离膜上游室和分离膜下游室，co2分离装置被配置成混合气体向该分离膜上游室流入，co2回收装置将透过分离膜而从分离膜下游室流出的包含co2的透过气体导入到其中，并且将透过气体中的co2回收，压力差产生装置以分离膜上游室的压力大于分离膜下游室的压力的方式，在分离膜上游室和分离膜下游室产生压力差。压力差产生装置至少具有负压产生装置。负压产生装置配置在将分离膜下游室和co2回收装置连接的透过气体的气体路径上。
6.通过本发明的一技术方案涉及的co2分离系统，能够以仅在透过气体的气体路径上设置负压产生装置的简单结构来确保co2透过分离膜时的透过推进力即分离膜上游室与分离膜下游室之间的co2分压差，促进co2的透过，并且能够将从负压产生装置排出的具有与大气压相当的压力的co2浓度高的透过气体(即co2分压高的透过气体)导入到co2回收装置中。因此，能够增大co2回收装置的co2回收量。另外，由于co2回收装置内不会成为负压，因此能够抑制co2回收装置内的co2经由透过气体的气体路径等向外部漏出。所以，能够通过co2回收装置效率良好地将从包含co2的排气(混合气体)中分离出的co2进行回收。
7.在本发明的一技术方案涉及的co2分离系统的基础上，可以具备对所述透过气体进行除湿的除湿装置。所述除湿装置和所述负压产生装置，可以在所述透过气体的气体路径上，从所述透过气体的流动方向上游侧起以所述除湿装置、所述负压产生装置的顺序配置。在本发明的一技术方案涉及的co2分离系统的基础上，可以还具备催化剂装置。所述混合气体可以是从搭载在移动体上的内燃机或固定式内燃机排出的排气。所述催化剂装置可以配置在所述内燃机的排气路径上，净化所述排气中的有害物质。所述co2分离装置可以配置在比所述催化剂装置靠排气流动方向下游侧的所述排气路径上，co2回收装置可以将透过所述分离膜而从所述分离膜下游室流出的包含co2和水蒸气的透过气体导入到其中。所述除湿装置和所述负压产生装置，可以在将所述分离膜下游室和所述co2回收装置连接的
所述透过气体的气体路径上，从所述透过气体的流动方向上游侧起以所述除湿装置、所述负压产生装置的顺序配置。
8.在本发明的一技术方案涉及的co2分离系统的基础上，可以还具备排气切换阀，所述排气切换阀设置在所述催化剂装置与所述分离膜上游室之间的所述排气路径上，进行切换以使得从所述催化剂装置流出的排气被导入所述分离膜上游室、或者不导入所述分离膜上游室而是向外部气体排出。在本发明的一技术方案涉及的co2分离系统的基础上，可以还具备加热装置。所述除湿装置可以通过与热介质的热交换而将所述透过气体冷却，由此使所述透过气体中的水分冷凝，对所述透过气体进行除湿。所述加热装置可以利用通过与所述透过气体的热交换而受热的热介质的热对所述co2回收装置进行加热。
9.在本发明的一技术方案涉及的co2分离系统的基础上，所述加热装置可以具备蓄热部和传热器，所述蓄热部将通过与所述透过气体的热交换而受热的热介质的热存储，所述传热器将所述蓄热部的热传到所述co2回收装置而对所述co2回收装置进行加热。在本发明的一技术方案涉及的co2分离系统的基础上，所述混合气体可以是从搭载在移动体上的内燃机或固定式内燃机排出的排气。在本发明的一技术方案涉及的co2分离系统的基础上，所述混合气体可以是空气。
附图说明
10.下面，参照附图对本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义进行说明。附图中，相同的标记表示相同的元件。
11.图1是本发明的第1实施方式的co2分离系统的大致结构图。
12.图2是表示透过气体的co2分压与固体吸附剂的每单位质量的co2吸附量之间的关系的图。
13.图3是对本发明的第1实施方式的co2分离控制进行说明的流程图。
14.图4是本发明的第2实施方式的co2分离系统的大致结构图。
15.图5是本发明的第3实施方式的co2分离系统的大致结构图。
16.图6是对本发明的第3实施方式的co2分离控制进行说明的流程图。
17.图7是使用加压泵替换减压泵作为压力差产生装置的情况下的co2分离系统的大致结构图。
具体实施方式
18.以下，参照附图，对用于从搭载在车辆、船舶等移动体上的内燃机或设置在工厂等的固定式内燃机排出的排气、大气(空气)中分离co2(二氧化碳)的本发明的co2分离系统的各实施方式进行详细说明。再者，以下的说明中，对同样的构成要素附带相同的参照符号。
19.(第1实施方式)
20.图1是本发明的第1实施方式的co2分离系统100的大致结构图。
21.本实施方式的co2分离系统100，具备内燃机10、co2分离装置20、除湿装置30、压力差产生装置40、co2回收装置50和电子控制单元200，用于将从内燃机10排出的排气中的co2分离。
22.内燃机10，在形成于其内部的燃烧室内使燃料燃烧，产生例如用于驱动车辆的动
力。内燃机10具备用于将在燃烧室内产生的排气(燃烧气体)向大气中排出的排气通路11，在排气通路11设有用于将排气中的有害物质净化的催化剂装置12。
23.co2分离装置20具备分离膜21以及由分离膜21划定的分离膜上游室22和分离膜下游室23。co2分离装置20以排气向分离膜上游室22流入的方式，设置在比催化剂装置12靠排气流动方向下游侧的排气通路11上。
24.分离膜21具有使排气中的co2透过而使其从排气中分离的功能，并且具有在排气中包含水蒸气的情况下，使水蒸气与co2一起透过而使其从排气中分离的功能。作为分离膜21，例如可以使用促进输送膜、有机高分子膜、无机材料膜、液体膜等。流入到分离膜上游室22的排气中的co2和水蒸气，以由分离膜21隔开的分离膜上游室22与分离膜下游室23的压力差(分压差)作为透过推进力，透过分离膜21向分离膜下游室23流入。以下，根据需要会将该透过分离膜21而流入分离膜下游室23的co2和水蒸气称为“透过气体”。
25.流入分离膜上游室22、通过分离膜21分离出co2而使co2浓度降低了的排气，向比分离膜上游室22靠排气流动方向下游侧的排气通路11排出，最终向外部气体排出。另一方面，流入分离膜上游室22、透过分离膜21流入分离膜下游室23的co2浓度高的透过气体，向一端与分离膜下游室23连结、另一端与co2回收装置50连结的透过气体通路60排出。
26.除湿装置30是用于除去气体中的水分的装置。本实施方式的除湿装置30具备散热器31、冷却水循环通路32、水分除去部33和循环泵34，水分除去部33设置于透过气体通路60，以使得能够在水分除去部33将透过气体中的水分除去。
27.散热器31具备冷却水入口部31a、芯部31b和冷却水出口部31c，对于从冷却水入口部31a导入的高温的冷却水，在芯部31b中通过与例如空气等的低温气体的热交换来进行冷却，并从冷却水出口部31c排出。
28.冷却水循环通路32是用于将从散热器31的冷却水出口部31c排出的冷却水供给到水分除去部33以冷却透过气体后，使其返回散热器31的冷却水入口部31a进行循环的通路。
29.水分除去部33设置于透过气体通路60，在流入水分除去部33内部的相对高温的透过气体、与在冷却水循环通路32中流动并向水分除去部33供给的相对低温的冷却水之间进行热交换，将透过气体冷却，并且使通过将透过气体冷却而产生的冷凝水向外部排出，由此能够将透过气体中的水分除去。
30.循环泵34设置于冷却水循环通路32。循环泵34在通过水分除去部33对透过气体进行除湿(冷却)时被驱动，使冷却水循环通路32的冷却水循环。
31.像这样在本实施方式中，不是对通过分离膜21将co2和水蒸气分离前的排气进行除湿，而是对透过了分离膜21的透过气体进行除湿。其原因如下。
32.分离膜21具有作为一般特性的水蒸气的膜透过速度大于co2的膜透过速度的特性。因此，在排气含有水蒸气的情况下，通过膜透过速度大的水蒸气将分离膜下游室23内的co2稀释，使co2的摩尔分数降低。其结果，成为co2的透过推进力的分离膜上游室22与分离膜下游室23之间的co2分压差变大，因此co2的透过被促进，能够促进co2分离装置20中的co2的分离。即、将含有水蒸气的排气导入分离膜上游室22，能够促进co2分离装置20中的co2的分离。因此在本实施方式中，不是对通过分离膜21将co2和水蒸气分离前的排气进行除湿，而是对透过分离膜21的透过气体进行除湿。
33.再者，在本实施方式中，除湿装置30将由于对透过气体进行冷却而产生的冷凝水
排出，由此除去透过气体中的水分。但是，除湿装置30并不限于这样的结构，例如也可以是通过使吸水性好的干燥剂吸附透过气体中的水分，从而除去透过气体中的水分。
34.压力差产生装置40是用于以分离膜上游室22的压力大于分离膜下游室23的压力的方式，在分离膜上游室22和分离膜下游室23产生压力差的装置。在本实施方式中，作为压力差产生装置40至少使用减压泵，将减压泵设置于比水分除去部33靠气体流动方向下游侧的透过气体通路60，使分离膜下游室23的压力降低至比大气压小的压力(负压)。由此，以分离膜上游室22的压力(≈大气压)大于分离膜下游室23的压力(＝负压)的方式，在分离膜上游室22和分离膜下游室23产生压力差。
35.再者，通过这样将作为压力差产生装置40的减压泵设置于比除湿装置30靠气体流动方向下游侧的透过气体通路60，由于减压泵所吸入的气体成为被除湿装置30除湿后的气体，因此能够抑制由吸入的气体中的水蒸气(水分)引起的减压泵的故障或劣化。
36.如上所述，co2回收装置50与透过气体通路60的另一端部连结，导入由除湿装置30除湿并从减压泵排出的与大气压相当的透过气体。co2回收装置50在其内部具有例如沸石、活性炭等固体吸附剂，通过使固体吸附剂吸附经由透过气体通路60导入到内部的透过气体中的co2来进行回收。
37.再者，在本实施方式中，为了推定co2回收装置50的固体吸附剂所吸附的co2吸附量，在压力差产生装置40与co2回收装置50之间的透过气体通路60，设有用于检测向co2回收装置50导入的透过气体的流量和透过气体中的co2浓度的co2传感器201。
38.通过固体吸附剂吸附co2而使co2浓度降低了的透过气体，从co2回收装置50向外部气体排出。另外，将co2回收装置50和固体吸附剂加热而使固体吸附剂所吸附的co2从固体吸附剂脱离，由此能够将由co2回收装置50回收了的co2、即固体吸附剂所吸附的co2，从形成在co2回收装置50的任意位置的co2取出口(未图示)向外部取出。
39.再者，沸石等固体吸附剂，在透过气体中含有水蒸气时存在吸附性能变差的倾向。因此，通过像本实施方式这样将除湿后的透过气体导入co2回收装置50，能够抑制固体吸附剂的吸附性能变差。
40.另外，图2是表示气体中的co2分压与固体吸附剂的每单位质量的co2吸附量之间的关系的图，如图2所示，有随着气体中的co2分压越高，固体吸附剂的每单位质量的co2吸附量增大的倾向。即、相对于排气的co2分压，越提高透过气体的co2分压，能够使固体吸附剂的每单位质量的co2吸附量增大。
41.因此，像本实施方式这样，通过在透过气体通路60从气体流动方向上游侧起依次配置除湿装置30和压力差产生装置40，能够由除湿装置30进行除湿，进而将从作为压力差产生装置40的减压泵排出的具有与大气压相当的压力的co2浓度高的透过气体(即co2分压高的透过气体)导入co2回收装置50。因此，能够使co2回收装置50的co2吸附量增大。
42.回到图1，电子控制单元200是具备通过双向总线彼此连接的中央运算装置(cpu)、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、输入口和输出口的微型计算机。电子控制单元200能够在内燃机10的运行中实施co2分离控制，将排气中的co2分离并回收到co2回收装置50中。因此，来自于上述co2传感器201等为了实施co2分离控制所需的各种传感器类的信号被输入电子控制单元200。
43.图3是用于对电子控制单元200实施的本实施方式的co2分离控制进行说明的流程
图。
44.在步骤s1中，电子控制单元200判定内燃机10的运行是否正在进行，即是否从内燃机10向排气通路11排出排气。如果内燃机10的运行正在运行，则电子控制单元200向步骤s2的处理推进。另一方面，如果内燃机10的运行没有进行，则电子控制单元200结束本处理。
45.在步骤s2中，电子控制单元200判定co2回收装置50的固体吸附剂所吸附的co2吸附量是否小于预定的吸附上限量。如果基于co2传感器201的检测值而推定出的co2吸附量小于吸附上限量，则电子控制单元200向步骤s3的处理推进，另一方面，如果为吸附上限量以上，则co2回收装置50无法进行吸附上限量以上的co2的回收，因此结束本处理。
46.在步骤s3中，电子控制单元200驱动压力差产生装置40，以使分离膜上游室22的压力大于分离膜下游室23的压力的方式，在分离膜上游室22和分离膜下游室23产生压力差。即、在分离膜上游室22与分离膜下游室23之间，产生成为co2透过分离膜21时的透过推进力的co2分压差。另外，电子控制单元200驱动循环泵34，在水分除去部33中进行透过气体的除湿。
47.根据以上说明的本实施方式，用于从包含co2的排气(混合气体)中分离co2的co2分离系统100，具备co2分离装置20、压力差产生装置40和co2回收装置50，co2分离装置20具备具有从排气中使co2分离的功能的分离膜21、以及由该分离膜21划定的分离膜上游室22和分离膜下游室23，co2分离装置20被配置成排气向分离膜上游室22流入，压力差产生装置40以分离膜上游室22的压力大于分离膜下游室23的压力的方式，在分离膜上游室22和分离膜下游室23产生压力差，co2回收装置50将透过分离膜21而从分离膜下游室23流出的包含co2的透过气体导入到其中，并且将透过气体中的co2回收。压力差产生装置40至少具有作为负压产生装置的一例的减压泵，减压泵配置在将分离膜下游室23和co2回收装置50连接的透过气体通路60(透过气体的气体路径上)。
48.由此，能够以仅在透过气体通路60设置减压泵的简单结构来确保co2透过分离膜21时的透过推进力即分离膜上游室22与分离膜下游室23之间的co2分压差，促进co2的透过，并且能够将从减压泵排出的具有与大气压相当的压力的co2浓度高的透过气体(即co2分压高的透过气体)导入到co2回收装置50中。因此，能够增大co2回收装置的co2吸附量。另外，由于co2回收装置50内不会成为负压，因此能够抑制co2回收装置50内的co2经由透过气体通路60等向外部漏出。所以，能够通过co2回收装置50效率良好地将从包含co2的排气(混合气体)中分离出的co2进行回收。
49.另外，本实施方式的co2分离系统100还具备用于将透过气体除湿的除湿装置30，除湿装置30和作为所述压力差产生装置40的减压泵，在透过气体通路60(透过气体的气体路径上)，从气体流动方向上游侧起以除湿装置30、减压泵的顺序配置。
50.像这样，不是对通过分离膜21将co2和水蒸气分离前的排气进行除湿，而是将含有水蒸气的排气导入分离膜上游室22，对透过了分离膜21的透过气体进行除湿，由此如上所述，能够促进co2分离装置20中的co2的分离。
51.另外，在比除湿装置30靠气体流动方向下游侧的透过气体通路60，设置了作为压力差产生装置40的减压泵，因此能够抑制由气体中的水蒸气(水分)引起的减压泵的故障和劣化。
52.另外，通过将除湿后的透过气体导入co2回收装置50，能够抑制沸石的吸附性能变
差。
53.(第2实施方式)
54.接着，对本发明的第2实施方式进行说明。本实施方式，在能够利用除湿装置30的废热来进行co2回收装置50的加热这一点上，与第1实施方式不同。以下，以该不同点为中心进行说明。
55.图4是本实施方式的co2分离系统100的大致结构图。
56.如上所述，为了将由co2回收装置50回收了的co2从co2回收装置50向外部取出，需要对co2回收装置50和固体吸附剂加热，使固体吸附剂所吸附的co2从固体吸附剂脱离。此时，如果通过例如电加热器等对co2回收装置50加热，则在取出co2时需要新的电能，能量消耗量增大。
57.因此，本实施方式的co2分离系统100，为了尽可能抑制将co2取出时的耗能，具备用于利用除湿装置30的废热来加热co2回收装置50的加热装置70。
58.加热装置70能够利用除湿装置30的废热进行co2回收装置50的加热，其具备三通阀71、冷却水分支通路72、蓄热部73和传热器74。
59.三通阀71设置于冷却水循环通路32，在水分除去部33中与高温的透过气体之间进行热交换后的相对高温的冷却水在冷却水循环通路32中流动。在本实施方式中，通过该三通阀71能够使得在水分除去部33中与高温的透过气体之间进行热交换后的相对高温的冷却水，在直接导入散热器31、与通过冷却水分支通路72而经由蓄热部73导入散热器31之间切换。再者，三通阀71的切换通过电子控制单元200实施。
60.蓄热部73设置于冷却水分支通路72，能够从在冷却水分支通路72中流动的相对高温的冷却水接受热能，并将接受的热能存储。
61.传热器74能够在从co2回收装置50取出co2时，将蓄热部73的热传到co2回收装置50，从而加热co2回收装置50。作为传热器74，例如可以使用热管等。
62.根据以上说明的本实施方式，除湿装置30被构成为通过与冷却水(热介质)的热交换而将透过气体冷却，由此使透过气体中的水分冷凝而将透过气体除湿，co2分离系统100还具备加热装置70，加热装置70被构成为利用通过与透过气体的热交换而受热的冷却水(热介质)的热来加热co2回收装置50。具体而言，加热装置70具备蓄热部73和传热器74，蓄热部73将通过与透过气体的热交换而受热的冷却水(热介质)的热存储，传热器74将蓄热部73的热传到co2回收装置而对co2回收装置进行加热。
63.由此，在将由co2回收装置50回收了的co2从co2回收装置50向外部取出时，能够利用除湿装置30的废热进行co2回收装置50的加热，因此能够抑制取出co2时的耗能。
64.(第3实施方式)
65.接着，对本发明的第3实施方式进行说明。本实施方式中，在能够进行切换以使得排气是否向co2分离装置20供给这一点上，与第1实施方式不同。以下，以该不同点为中心进行说明。
66.图5是本实施方式的co2分离系统100的大致结构图。
67.如图5所示，本实施方式的co2分离系统100，能够将从催化剂装置12排出的排气，根据需要不向co2分离装置20的分离膜上游室22供给，而是绕过分离膜上游室22向外部气体排出。
68.具体而言，本实施方式的co2分离系统100具备排气切换阀13和排气旁通通路14，排气切换阀13设置在比催化剂装置12靠排气流动方向下游侧且比co2分离装置20的分离膜上游室22靠排气流动方向上游侧，排气旁通通路14用于使从催化剂装置12排出的排气绕过分离膜上游室22而向外部气体排出。
69.排气切换阀13是三通阀，其构成为能够进行切换以使得从催化剂装置12排出的排气直接流入比排气切换阀13靠排气流动方向下游侧的排气通路11、或者流入排气旁通通路14，通过电子控制单元200控制该切换。
70.由此，例如从催化剂装置12排出的排气的温度超过分离膜21的耐热温度时，通过排气切换阀13，能够使从催化剂装置12排出的排气向排气旁通通路14流动，因此能够抑制分离膜21的劣化。
71.图6是对电子控制单元200实施的本实施方式的co2分离控制进行说明的流程图。再者，图6中，步骤s1～步骤s3实施与上述第1实施方式同样的处理，因此在此省略说明。
72.在步骤s11中，电子控制单元200判定从催化剂装置12排出的排气的温度是否低于预定的分离膜耐热温度(例如180℃)。如果从催化剂装置12排出的排气的温度低于分离膜耐热温度，则电子控制单元200向步骤s2的处理推进，另一方面，如果为分离膜耐热温度以上，则向步骤s13的处理推进。
73.在步骤s12中，电子控制单元200控制排气切换阀13，以使得从催化剂装置12排出的排气流入分离膜上游室22。
74.在步骤s13中，电子控制单元200控制排气切换阀13，以使得从催化剂装置12排出的排气流入排气旁通通路14。
75.如以上说明的本实施方式的co2分离系统100这样，能够进行切换使从催化剂装置12排出的排气流入co2分离装置20的分离膜上游室22、或者流入排气旁通通路14，由此如上所述，能够在排气的温度超过分离膜21的耐热温度时，通过排气切换阀13使得从催化剂装置12排出的排气向排气旁通通路14流动，因此能够抑制分离膜21的劣化。另外，在不需要使排气流入分离膜上游室22时，能够使排气流入排气旁通通路14而向外部气体排出，因此能够抑制分离膜21被排气污染。
76.以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式仅表示本发明的应用例的一部分，其主旨并不是将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体技术构成。
77.例如，在上述的各实施方式中，作为压力差产生装置40使用了减压泵，但也可以与减压泵一起或代替减压泵而使用加压泵。
78.图7是使用加压泵替换减压泵作为压力差产生装置的情况下的co2分离系统100的大致结构图。
79.图7所示的co2分离系统100，与上述第3实施方式同样，能够根据需要使从催化剂装置12排出的排气不向co2分离装置20的分离膜上游室22供给，而是绕过分离膜上游室22向外部气体排出。
80.图7所示的co2分离系统100中，在排气切换阀13与co2分离装置20的分离膜上游室22之间的排气通路11，设有作为压力差产生装置40的加压泵。像这样，可以使用加压泵作为压力差产生装置40，将加压泵设置在比分离膜上游室22靠排气流动方向上游侧的排气通路11，使分离膜上游室22的压力成为大于大气压的压力，由此以分离膜上游室22的压力大于
分离膜下游室23的压力的方式，在分离膜上游室22和分离膜下游室23产生压力差。
81.另外，在上述的各实施方式中，将从内燃机10排出的排气导入了分离膜上游室22，但也可以不导入排气，而是将大气(空气)导入分离膜上游室22，通过co2分离装置20对大气中的co2进行分离。再者，该情况下，例如图7所示，通过使用加压泵作为压力差产生装置40，将空气向分离膜上游室22压送(泵送)，能够效率良好地将大气中的co2导入co2分离装置20中进行分离。
82.另外，在上述的各实施方式中，在co2回收装置50中，通过使固体吸附剂与含有co2的气体(透过气体)接触而使co2吸附于固体吸附剂，并通过加热(或减压)使co2从固体吸附剂脱离而进行回收，采用了所谓的物理吸附法回收co2，但对于co2的回收方法没有特别限定，可以采用物理吸收法、化学吸收法、深冷分离法等各种方法进行回收。
83.再者，物理吸收法是使能够溶解co2的吸收液(例如甲醇或乙醇)与含有co2的气体接触，在高压低温下使吸收液物理性地吸收co2，并通过加热(或减压)而从吸收液中回收co2的方法。
84.化学吸收法是使能够选择性地溶解co2的吸收液(例如胺)与含有co2的气体接触，利用化学反应使吸收液吸收co2，并通过加热而使co2从吸收液中解离来进行回收的方法。
85.深冷分离法是将含有co2的气体压缩、冷却而使co2液化，通过选择性地使液化了的co2蒸馏而将co2回收的方法。