基于膜片的废气洗涤方法和系统 |
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| 申请号 | CN201480003139.X | 申请日 | 2014-04-08 | 公开(公告)号 | CN104812465A | 公开(公告)日 | 2015-07-29 |
| 申请人 | 优拿大有限公司; | 发明人 | 爱德华多·潘齐耶拉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 揭示一种通过气体膜片分离和液体载体化学吸收从例如 船舶 发动机 排气等燃烧排气减少例如硫 氧 化物、氮氧化物和 碳 氧化物等目标排放气体的排放的方法和设备。膜片分离系统由含有半透性中空 纤维 膜片的吸收系统组成，液体 吸附 剂循环通过所述膜片。废气 接触 所述膜片的外表面，且目标气体选择性渗透过膜片壁且由孔内的液体载体吸收且进而从排气流移除。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于减少来自发动机废气的源的目标排放气体(TEG)的浓度的方法，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 基于膜片的废气洗涤方法和系统[0001] 相关申请案的交叉参考 技术领域背景技术[0004] 船舶柴油发动机为用于船舶运输的大部分船提供动力。这些发动机通常燃烧重燃料油(HFO)，其含有高浓度的硫和其它杂质。燃烧过程产生高浓度的硫氧化物(SOX)、氮氧化物(NOX)、例如CO2的碳氧化物(COX)，以及随着新的新兴排放要求而经受增加的限制的其它气体。 [0005] 减少船舶发动机排放的一个方法是转换到较高提纯的燃料或馏出物。这些馏出物比HFO更昂贵。替代方案是在将燃烧废气排放到大气中之前对燃烧废气进行后处理、清洁或洗涤。 [0006] 已经开发海水洗涤器作为清洁船舶发动机排气的后处理解决方案。常用过程是将含水的碱或氨吸附剂喷射到排气流中。然而，这些“湿式”海水洗涤器可需要大量的水且因此产生大量废水，所述废水可包含例如硫酸钙等金属盐、烟尘、油和重金属。这可产生有毒沉淀物，其需要复杂的船上水处理以及在指定端口的沉淀物弃置。所得系统是大的、复杂的、昂贵且能量密集的，从而使船燃料消耗增加多达百分之三。虽然常规海水洗涤器系统可较适合于固定的基于陆地的电厂，但它们只是太大且复杂而无法在船舶应用中有效操作。同样，此些系统无法很好地适合于从船舶发动机排气移除CO2。 [0007] 船舶排气的处理可主要通过修改现有基于陆地的技术以将船舶废气鼓泡通过离子液体而实现。然而，此方法由于船舶排气的高流动速率以及鉴于船舶的空间和重量约束所需的离子液体的所得大体积而可能是不实际的。压缩废气以鼓泡通过离子液体所需的能量可能超过从船可用的总能量。 [0008] 中国专利200710012371.1中已提出用于使用膜片技术洗涤船舶发动机废气的系统。 [0009] 本发明的一个目的是提供用于减少来自例如船舶柴油发动机等源的一或多个目标排放气体的浓度的经改善的方法和系统。 发明内容[0010] 用于从船舶发动机废气移除不希望的化合物的常规海水洗涤器使用的替代方案是使用膜片技术从所述废气分离和处理一或多种目标排放气体(TEG)，例如SOX、NOX和/或COX。使用膜片优于例如基于海水的洗涤器等基于传统溶剂的提取过程的优点包含与常规基于水的洗涤器相比潜在地更小、更能量有效且产生较少的废水。虽然在过去已经提出基于膜片的系统，但本发明涉及在包含关于船舶用途的多种应用中使这些系统高效的改进。 [0011] 根据一个方面，本发明涉及一种用于减少来自发动机废气的源的目标排放气体(TEG)的浓度的方法，包括以下步骤：： [0012] -将所述气体引导到含有至少一个中空纤维陶瓷膜片阵列的封闭空间中，其中所述废气接触所述膜片的外表面，在所述外表面上所述废气内的TEG选择性渗透通过所述膜片，进而降低所述废气内的所述TEG的浓度； [0013] -使能够保持所述TEG的载体液体循环通过所述中空纤维陶瓷膜片的孔，进而升高所述载体液体内所述TEG化合物的浓度； [0014] -从所述封闭空间排放含有减少TEG浓度的所述废气且从所述中空纤维陶瓷膜片阵列排放所述液体，其中所述排放的液体含有溶解于其中的TEG分子。 [0015] 所述液体可在“开放”操作模式或者可使用的闭合环路模式中的一者中从膜片组合件排放到环境中，例如其中所述TEG与所述液体分离且所述液体经再循环通过所述膜片阵列。 [0016] 所述载体液体可包括离子液体、氢氧化钠、淡水或海水中的一者。所述离子液体可包括对所述TEG特定的任务特定离子液体(TSIL)。如果所述载体液体是离子液体，那么所述方法可包括在所述液体进入排放导管之后执行的进一步步骤：分离所述TEG与所述载体液体以用于存储以及使所述载体液体再循环通过所述膜片。 [0017] 所述TEG可包括硫氧化物、氮氧化物或例如CO2的碳氧化物中的一或多者。 [0018] 方法可包含进一步步骤：确定未处理废气内的TEG的浓度，确定将所述未处理气体中的TEG浓度减少到目标水平所需的液体流的最佳速率，以及选择性控制通过所述膜片阵列的液体流的速率以匹配液体流的所述最佳速率。 [0019] 所述方法可包含进一步步骤：通过确定穿过所述阵列的所述液体是否经历超过预定水平的压降或小于预定水平的pH下降中的一者或两者来确定在所述TEG的减少浓度下所述膜片阵列的有效性。 [0020] 所述膜片阵列可包括容纳于模块化外壳中的模块，其中所述液体基于所述废气中的TEG浓度的水平和/或所述废气的流动速率的确定而循环通过选定数目的所述模块。如果所述模块中的选定模块已经确定为较低效达到预定水平，那么可移除且替换这些模块。 [0021] 根据另一方面，本发明涉及一种用于降低来自发动机废气的源的至少一种目标排放气体(TEG)的浓度的设备，包括： [0022] -罩壳，其用于接收发动机排气流 [0023] -至少一个中空纤维陶瓷膜片阵列，其具有孔且经配置以使得在所述废气循环通过所述阵列时所述排气接触所述膜片，所述膜片中的每一者包括对所述TEG为渗透性但对所述排放气体中的非TEG为非渗透性的半透性膜片壁以及中空的孔； [0024] -液体入口，用于在不饱和状态中将载体液体馈送到所述膜片孔中； [0025] -液体出口，用于在关于所述TEG饱和的状态中在通过其中的循环之后从所述孔接收所述载体液体；以及 [0026] -载体液体循环子系统，用以使所述载体液体循环通过所述膜片孔以及所述入口和出口歧管； [0027] -其中所述设备经配置，其中循环通过所述阵列的废气在所述膜片的外表面上接触所述膜片，所述液体在所述膜片的相对表面上接触所述膜片且所述TEG进而从外部膜片表面渗透通过所述膜片进入孔以使所述TEG从所述废气转移到所述载体液体中。 [0028] 所述设备可进一步包括与主要载体出口和入口连通的载体再循环子系统，所述再循环子系统包括用于从所述载体液体移除至少一种TEG的TEG剥离装置，其中所述载体在基本上闭合环路中循环通过所述设备。 [0029] 所述载体液体可包括在开放环路中循环通过所述设备的水，所述设备包括用于水通过所述膜片阵列的非再循环循环的水入口和水出口。 [0030] 所述设备可包括并行或串行布置以用于接触排放气体的所述膜片阵列的多个膜片阵列，用于循环所述液体的并行模式或顺序模式中的一者中的操作。 [0031] 根据再一方面，本发明涉及一种用于降低来自发动机废气的源的至少一种目标排放气体(TEG)的浓度的系统，包括： [0032] -罩壳，其用于接收发动机排气流 [0033] -用于安装在所述罩壳内的至少一个气体处理模块，所述模块包括外壳和支撑于所述外壳内且具有孔的中空纤维膜片阵列，且经配置以使得当所述模块安装在所述罩壳内时在所述废气循环通过所述阵列时所述排气接触所述膜片，所述膜片中的每一者包括对所述TEG为渗透性但对所述排放气体中的非TEG为非渗透性的半透性膜片壁和中空的孔； [0034] -液体入口，用于在不饱和状态中将载体液体馈送到所述膜片孔中； [0035] -液体出口，用于在关于所述TEG饱和的状态中在通过其中的循环之后从所述孔接收所述载体液体；以及 [0036] -载体液体循环子系统，用以使所述载体液体循环通过所述膜片孔以及所述入口和出口歧管； [0037] -其中所述设备经配置，其中循环通过所述阵列的废气在所述膜片的外表面上接触所述膜片，所述液体在所述膜片的相对表面上接触所述膜片且所述TEG进而从外部膜片表面渗透通过所述膜片进入孔以使所述TEG从所述废气转移到所述载体液体中。 [0038] 所述系统可进一步包含与载体液体出口和入口连通的载体再循环子系统，所述再循环子系统包括用于从所述载体液体移除至少一种TEG的TEG剥离装置，其中所述载体在基本上闭合环路中循环通过所述设备。 [0039] 或者，所述载体液体包括在开放环路中循环通过所述设备的水，所述设备包括用于水通过所述膜片阵列的非再循环循环的水入口和水出口。 [0040] 所述模块可进一步包括分别在所述孔的入口和出口端处与所述孔成流体连通的液体入口歧管或液体出口歧管中的一者或两者。 [0041] 所述系统可进一步包括用于确定所述液体载体因循环通过所述膜片阵列的pH下降的pH传感器系统和用于确定所述液体载体因循环通过所述膜片阵列的压降的压力传感器系统中的至少一者，所述传感器以操作方式链接到信号处理器，所述信号处理器用于确定所述pH下降和/或压降是否指示在TEG的减少浓度下所述膜片阵列的减少水平的有效性。 [0042] 所述系统可进一步包括用于测量来自所述源的未处理废气内的TEG浓度的传感器以及与所述传感器且与用于控制所述载体液体通过所述系统的流动速率的泵操作连通的控制系统，所述控制系统经配置以确定为了实现选定水平的TEG浓度减少所需要的所述载体液体通过模块的流动速率且控制所述流动速率以提供所述流动速率。 [0043] 本发明进一步涉及一种成套装置，其包括如本文中所描述的设备或系统以及用于溶解所述TEG的至少一种载体液体。所述载体液体是离子液体或氢氧化钠中的一或多者。所述离子液体可包括以下各者中的一或多者： [0044] 1,1,3,3-四甲基胍乳酸盐[TMG][L] [0045] 单乙醇铵乳酸盐[MELA][L] [0046] 1-丁基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐[BMIm][BF4] [0047] 1-丁基-3-甲基咪唑鎓甲基硫酸盐[BMIm][MeSO4] [0048] 1-己基-3-甲基咪唑鎓甲基硫酸盐[HMIm][MeSO4] [0049] 1-乙基-3-甲基咪唑鎓甲基硫酸盐[EMIm][MeSO4] [0050] 1-丁基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸盐[BMIm][PF6]。 [0051] 与适当半透性膜片相关联而使用的离子液体可在闭合环路可逆过程中从废气分离、俘获且存储目标排放气体(TEG)，例如SOX、NOX和/或COX。此替代方案与某些其它溶剂相比可消除或减少废水和废沉淀物的产生。 [0052] 离子液体(IL)是含有有机阳离子(例如咪唑鎓、吡啶鎓、吡咯烷鎓、磷、铵)和多原子无机阴离子(例如四氟硼酸盐、六氟磷酸盐、氯化物)或有机阴离子(例如三氟甲基磺酸酯、双[(三氟甲基)磺酰基]酰亚胺的溶液。IL的主要优点是其可忽略的挥发性、不可燃性以及良好的化学和热稳定性。它们与易失性有机溶剂相比被视为环境良性的载体，其减少空气污染的环境风险。此外，通过选择阳离子和阴离子的特定组合可调谐IL的某些性质(疏水性、粘度、可溶性、酸性和碱性等)以改善IL内一或多种TEG的可溶性，可通过更改阳离子或组合阴离子上的取代基团可改变IL的某些性质。 [0053] 离子液体可为“任务特定的”。此任务特定离子液体(TSIL)的实例是在处理和阴离子交换之后通过1-丁基咪唑与3-溴丙基胺氢溴酸盐的反应而形成。这产生在室温下活性的离子液体，其并入具有附加胺基的阳离子。离子液体与CO2可逆地反应，从而可逆地螯合所述气体作为氨基甲酸盐。可重复再循环的离子液体在CO2俘获的效率上与商业的胺螯合反应剂相当，且还是非挥发性的且并不需要水来起作用。离子液体的独特性质使其尤其好地适合于物理和化学吸收过程。通过在其结构中取代阳离子和阴离子可易于调整离子液体，且进而“调谐”以在包含温度和压力的指定处理条件上通过物理及或化学吸收而吸收特定气体。这些任务特定离子液体提供化学吸收效率中优于其它溶剂的大量改进[0054] 离子液体应用于各种液体化学分离过程中。IL应用的实例是由BASF开发的BASIL(利用离子液体的两相酸清除)工艺，其中1-烷基咪唑从现有过程清除酸。IL化合物也用于化学合成，例如伊士曼(Eastman)的用于2,5-二氢呋喃的合成工艺，以及丁烯二聚工艺，基于IL的工艺，其为对其中将短链烯烃分支为较高分子量的烯烃的丙烯二聚工艺的修改。另一基于IL的工艺是由Petrochina开发的Ionikylation工艺，用于四碳烯烃以异丁烷的烷基化。 [0055] 本发明是基于如下原理：通过使用循环通过例如陶瓷膜片等半透性膜片系统的液体载体可从船舶废气选择性移除SOX、NOX和/或COX。这些杂质当溶解到液体中时大体上视为排放安全的，但不应作为气体排放到大气中。借助使用膜片来分离此些化合物，TEG可渗透通过膜片，而船舶排气内包含灰尘、烟尘和油的颗粒并不渗透通过膜片。载体保持清洁且不含有毒杂质，且可安全地排放、再使用或更新。 [0056] 根据本发明的系统可在由以下各项中的一者组成的操作模式中操作：开放模式、闭合环路或零排放模式。 [0057] 在开放模式中使用的液体载体可为船舶所漂浮的水，其可为淡水或海水。膜片分离系统包括多孔中空纤维膜膜片的阵列，其中淡水或海水在所述膜片的内部内循环。淡水或海水从周围水吸入到器皿中且循环通过中空纤维膜膜片。烟气通过且接触多孔中空纤维膜膜片的外部且渗透通过所述膜片。一或多种TEG由水吸收且从排气流移除。吸收的气体形成酸，所述酸由淡水的硬度或海水的盐度中和作为沉淀，例如硫化物。含有沉淀的淡水或海水随后排放到船的周围水中。 [0058] 在闭合环路模式中使用的载体液体可为例如氢氧化钠的碱性溶液，其循环通过中空纤维膜片阵列。烟气接触多孔中空纤维膜片且渗透通过所述膜片进入载体在其内循环的孔中。TEG由膜片孔内的溶液吸收且因此从排气流移除。吸收的气体形成酸，所述酸由碱中和。载体液体在其穿过膜片阵列时吸收的热提升载体温度且维持溶液中的TEG化合物。载体液体可随后在解吸附器皿内经冷却，其致使TEG化合物以例如硫化物沉淀等固体形式沉淀。可随后通过例如过滤等机械分离过程移除沉淀的固体。不饱和载体液体可随后作为闭合循环环路而再循环。可通过使用其中海水作为冷却流体循环的器皿内的热交换来提供解吸附器皿内的载体液体的冷却。 [0059] 在零排放模式中使用的液体载体是离子液体(IL)。零排放模式包括闭合环路可逆过程，其中产生极少或不产生化学沉淀。所述膜片分离系统包括IL循环通过的多孔中空纤维膜膜片阵列以及用于分离TEG与饱和IL的解吸附器皿(DV)。通过应用差压、温度和/或电位中的一或多者可从DV内的离子液体分离硫氧化物、氮氧化物和碳氧化物。经分离气体随后以纯状态或作为化合物存储，且再使用所述离子液体。吸收的气体经存储且用于商业应用。解离气体所需要的差温度是借助于热交换器由废气提供。 [0060] 借助于本发明，废气渗透通过陶瓷多孔膜片，而船舶排气内的包含灰尘、烟尘和油的有毒颗粒太大而不会渗透通过膜片孔。载体保持清洁且不含有毒杂质，且可在开放环路、闭合环路或零排放模式中安全地排放、再使用或更新。相比之下，常规湿式水洗涤器可将载体直接喷射到船舶排气中。有毒颗粒变为截留且悬置于载体内，且必须使用复杂的、能量密集的且昂贵的清洁系统从载体移除。清洁过程产生沉淀物副产品，所述副产品在陆地上的弃置是昂贵的。 [0061] 定义 [0063] “气体”指代在温度和压力的周围条件下以气相存在的化合物或化合物的混合物。 [0064] “柴油机”指代具有压缩点火设计的内燃发动机。柴油发动机可燃烧多种燃料，包含(不限于)柴油、船用原油、生物柴油等。术语“柴油机”或“柴油机排放”不限于任何特定燃料类型，而是包含可在柴油机型发动机中燃烧的任何烃燃料。 [0065] “目标排放气体”或“TEG”指代既定从由燃烧过程产生的废气流移除的任何气体。TEG可包含(但不限于)硫氧化物、氮氧化物和例如CO2的碳氧化物。将理解，在不同条件下，例如当溶解到溶液中或结合到液相化合物时，TEG可以气相或液体或固相存在。 [0066] “排放”指代来自发动机或其它废气源的总燃烧废气，包含目标排放气体以及其它气体。 [0067] “载体”指代含有能够结合到TEG的化合物的液体或可将TEG溶解到溶液中以便在膜片系统中操作以选择性减少来自富气体环境的TEG的浓度的液体中的任一者。 [0068] “半透性膜片”也可以称为选择性渗透膜片、部分渗透膜片或差异渗透膜片，且是允许选定分子或离子通过扩散穿过的膜片。通过膜片的速率可取决于任一侧上的分子或溶质的压力、浓度和温度，以及膜片对每一溶质的渗透性。取决于膜片的组成和其它因素，膜片可在厚度上变化。附图说明 [0069] 图1是展示根据本发明的一个实施例的排放减少系统的示意图； [0070] 图2是根据本发明的气体吸收模块的透视图。 [0071] 图3是图2的气体吸收模块的分解透视图。 [0072] 图4是气体吸收模块以及相关联外壳和气体管道组件的横截面图。 [0073] 图5是气体吸收模块的内部组件的示意图。 [0074] 图6是气体吸收模块内的中空纤维陶瓷膜片的示意图，其示意性地展示TEG的选择性吸收。 [0075] 图7是根据本发明的一个实施例的气体处理系统的示意图。 [0076] 图8是根据本发明的第二实施例的气体处理系统的示意图。 [0077] 图9是根据本发明的第三实施例的气体处理系统的示意图。 [0078] 图10是根据本发明的第四实施例的气体处理系统的示意图。 [0079] 图11是根据本发明的第五实施例的气体处理系统的示意图。 [0080] 图12是根据本发明的第六实施例的气体处理系统的示意图。 [0081] 图13是根据本发明的实施例的气体处理系统的示意图，其具体展示系统控制装置。 [0082] 图14是展示根据本发明的一个实施例的控制系统的操作的流程图。 [0083] 图15是展示本发明的气体吸收模块内水温对SOx吸收率的影响的曲线图。 [0084] 图16是展示本发明的气体吸收模块内通过中空纤维膜片阵列的水流速率对SOx吸收率的影响的曲线图。 [0085] 图17是展示本发明的气体吸收模块内废气流比率(实际流动速率/设计流动速率)对SOx吸收率的影响的曲线图。 [0086] 图18是根据本发明的另一方面的气体解吸附器皿的示意图。 具体实施方式[0087] 图1是根据本发明的废气处理系统20的实施例的示意图，其可用于减少来自废气流1的一或多种目标排放气体(TEG)2的浓度。气体流1包括TEG分子2和非TEG分子3的混合物。废气1可由船舶柴油发动机或其它燃烧过程产生。举例来说，所述系统可适于处理来自加热器、炉头或燃气涡轮机以及各种类型的内燃发动机的排气。图1中所示的气体处理系统20是“闭环”系统，其一般来说包括气体吸收单元22、用于使螯合TEG化合物与载体液体分离的TEG解吸附单元24，以及用于循环废气、载体和经分离TEG的相关联导管、阀、泵和其它组件，如下文所描述。在图1的实施例中，气体处理系统20进一步包括气体存储模块28，其存储呈压缩气体或其它合适存储形式的经隔离TEG。如下文所论述，至少一些TEG可无需存储而处置，例如在水溶液中排放到海中。 [0088] 气体吸收单元22包括主外壳30，详细参见图4，其容纳一或多个吸收模块26。废气从气体入口气室32循环通过主外壳30，所述气体入口气室接收来自发动机导管34的气体。废气循环通过安装于主外壳30内的一或多个吸收模块26，之后经处理废气排出通过出口气室36进入气体出口导管38以排放到环境中。 [0089] 多个模块26可以阵列配置于主外壳30内用于并行或串行操作以从发动机排气移除选定的TEG。系统20的并行操作指代其中载体并行馈送到多个模块26以使得每一模块接收相等不饱和载体液体的操作模式。系统20的串行操作指代其中载体液体串行馈送通过多个模块26从而所述液体在其通过相应模块时变得渐增地饱和的操作模式。图1描绘含有单个模块26的系统；图7-12描绘其中吸收系统20包括多个吸收模块26的替代的处理系统。每一吸收模块26其中含有膜片组合件66。 [0090] 废气通过入口导管34进入气体吸收单元22且在处理之后排放通过出口导管38。不饱和液体载体通过液体入口导管40馈送到气体吸收单元22中。饱和液体载体通过出口导管42退出单元22且随后馈送到解吸附单元24，其中从载体移除TEG。如下文所论述，载体液体从废气吸收一或多种TEG以输送到用于存储或弃置的单独位置。现在不饱和的载体随后再循环进入入口导管40。如图1中所见，液体流由出口导管42内的第一泵44和入口导管40内的第二泵172加压。来自解吸附单元24的气体流出由泵或压缩机46加压。热交换器48与液体导管40内联以从再循环的载体移除过热。冷却剂流体(气体或液体)通过入口导管49进入热交换器48且通过出口导管51退出，用于船舶上的任选机载使用。 [0091] 如图1中大体上所示，来自分离吸收单元22的饱和载体液体进入解吸附罐24，其中饱和载体经受相对减压及或增加温度的条件。在这些条件下，溶解和/或结合的TEG脱气且鼓泡出。溶解的矿物盐沉淀析出溶液且沉淀到罐的底部。经分离气体在罐24的顶部积累，从该处所述气体释放通过气体出口25。从罐24释放的气体流动穿过管45且在其中由气体泵47加压，所述气体泵将TEG泵送到一或多个加压气体存储器皿28中，用于机载或岸上的安全弃置。现在不饱和的载体随后通过入口导管40由管道送回到吸收单元22中。 [0092] 气体处理系统20进一步包括用于测量出口导管42内的载体液体的pH的pH传感器54。系统20进一步包括用于测量入口导管40内的载体液体压力的第一压力传感器56和用于测量出口导管42内的载体压力的第二压力传感器58。提供一或多个第一TEG传感器60用于检测发动机排气导管34内未处理排气进入系统20内的选定TEG的水平。提供一或多个第二TEG传感器62用于检测排放导管38中的经处理排气内的选定TEG的水平。相应传感器60和62与控制系统200操作性连通从而将由此检测的值实时发射到控制系统 200用于系统的高效操作，如下文更详细描述。 [0093] 如图2-5中更详细所见，气体吸收模块26包括用于容纳膜片组合件66的外壳64。未处理废气1进入外壳64以接触组合件66，之后经洗涤气体3退出外壳64。经洗涤废气至少部分耗尽一或多种TEG 3。在外壳64内，TEG 3使用基于载体的气体吸收过程通过与中空纤维半透性膜片接触而从废气1剥离。新鲜(不饱和)的相对冷载体通过载体入口导管40进入外壳64，且饱和的满载TEG的载体液体72通过出口导管42退出。 [0094] 模块外壳64可在配置上为模块化的，以准许呈单个单元形式的多个模块26的方便组装以安装在船舶中或别处。如下文所论述，取决于应用，多个模块26可并行或串行链接。在一个实例中，外壳64是矩形的且具有50cm x 50cm x 100cm的尺寸。外壳64可从例如重规格不锈钢薄片等金属薄片制造。多个模块26可紧固于机架中用于取用和容易更换。 [0095] 外壳64由金属片制造且包括相对侧壁74a和74b以及相对端壁76a和76b。出于描述的目的，伸长轴线“a”可视为在端壁76a与76b之间延伸。外壳64的内部由平行于端壁76的中央分隔壁78划分成两个基本上相等的空间。分隔壁78支撑外壳64内的中空膜膜片80，如下文所描述。可提供外部斜撑部件82用于外壳64的额外结构完整性。外壳64在上方及下方开放以允许气体自由流动通过外壳。 [0096] 外壳64在其内部内保持第一和第二穿孔壁84a和84b(见图3中)，每一穿孔壁具有穿孔86的阵列。穿孔壁84a和84b固定到对应端壁76a和76b，且是基本上与其相同的配置以大体上覆盖相应端壁76。 [0097] 端壁76a和76b分别具有凹入的中央部分88a和88b，其对外壳64的内部开放。凹部88a和88b由相应穿孔壁84a和84b覆盖，所述穿孔壁由安装条带85和垫圈87密封且固定到端壁76。凹部88a和88b各自界定封闭歧管，凹部88b界定入口歧管且凹部88a界定出口歧管。 [0099] 外壳64在其内部内容纳一或多个膜片组合件66。每一组合件66由横跨外壳64的内部在端壁76a与76b之间轴向延伸的多孔陶瓷中空纤维膜片80的阵列组成。膜片80(图6中详细展示其中的一者)各自包括管状陶瓷膜片壁90和中空中央孔92。在图5中示意性地展示的操作中，液体载体流动穿过孔92，同时废气接触膜片壁90的外部。膜片80是半透性的，因为膜片壁具有孔，所述孔准许TEG渗透过壁进入孔，同时其它废气被阻挡。在孔 92内循环的液体载体不能够渗透膜片壁90。不饱和载体通过孔92的流动维持载体内TEG的较低气体分压，进而产生TEG跨越膜片壁90从分压相对高的气体侧到分压较低的载体侧的流动。因此，膜片80能够使TEG与通过外壳64以通道输送的废气流分离。 [0100] 合适的陶瓷中空纤维膜片包含市售的氧化铝(Al2O3)中空纤维膜片，例如 膜片。此膜片的描述在以下可用：http://www.pall.com/main/food-and-beverage/product.page？id＝41052。合适的膜片80的代表性尺寸是：微孔大小：100A；ID：4mm；长度：1020mm。 [0101] 膜片80的相对端紧固于壁84a和84b中的开口86内。膜片孔92与膜片80的任一末端处的相应开口86连通。膜片140与每一对应开口86之间的相交点经密封以防流体(气体及或液体)泄漏。举例来说，膜片80可通过焊接或胶合过程在开口86处紧固到壁84。膜片80穿过分隔壁78内的开口94，所述分隔壁在其中点处支撑膜片80。因此将见到，进入入口歧管88b的流体跨越膜片阵列96而分布，其中流体进入膜片80的孔92。载体随后流动穿过孔92且排放到出口歧管88a中。外壳64内的所有液体填充的空间经密封以防泄漏。 [0102] 不饱和载体液体通过液体入口98(见图3中)进入入口歧管88b，从该处所述液体分布到膜片80中。在穿过膜片阵列96之后，现在饱和的载体进入出口歧管88a，所述载体也从该处排放通过出口。入口98和出口100连接到图1-3中示意性地展示的导向系统3的其它组件的软管或其它液体导管。 [0103] 未处理的废气通过入口气室32进入外壳64，所述入口气室从发动机或含有TEG的被污染气体的其它源排放未处理(原始)废气。气体流过外壳64的内部，在气体行进到出口气室36时接触膜片阵列96。膜片阵列96基本上填充外壳64的内部，从而在气体流过外壳时气体的大部分接触至少一个膜片壁90。废气与膜片表面之间的接触量将由若干因素决定，包含阵列96的配置、膜片80的大小和间距，以及通过外壳64的气流的速度。通过膜片的更接近间距及其较大数目可获得增加的接触，但这必须针对背压的可能增加和其它因素而进行平衡。因此，包含在给定大小的外壳内可包含的管状膜片的数目的膜片阵列96的配置将取决于提供预期排放源的发动机的参数上的某个范围以及例如装置3在不造成发动机性能的显著减小的情况下可施加的背压等因素。 [0104] 图5和6中示意性地展示通过外壳64的相应气体和载体流径，其中气体和液体流接触膜片80的相对表面。如图所示，液体72流动穿过孔92或膜片80，同时排放气体1接触膜片80的。在原始排放气体1接触膜片80的表面时，气体1内的TEG分子68从高气体浓度(高气体分压)的区渗透通过膜片80到低气体浓度(低气体分压)的区。非TEG分子147从膜片80排除且因此聚集在外壳64内膜片80的外部，形成富含非TEG组分且含有减少量的TEG的浓缩排放气体。 [0105] 膜片80的外部因此由膜片壁90的高分压侧组成，其中废气内的TEG的分压与在孔92内循环的载体的分压相比相对高。分压差异将TEG从膜片80的外部驱动到内部。载体72流动穿过膜片80的内部以维持TEG的一致低的气体分压。 [0106] TEG分子68根据菲克(Fick)扩散定律扩散通过膜片且在低压侧退出膜片材料，在此它们溶解到渗透物液体72中或另外与液体72组合。富含非TEG分子3且TEG分子68含量低的经剥离废气随后退出外壳64以排放到大气中。 [0107] 载运呈溶解或结合形式(取决于载体)的TEG 68的载体液体72随后退出外壳64且循环到气体解吸附器皿24。解吸附器皿24示意性地在图19中描绘。器皿24包括用于在其中保持IL的罐，且包括用于气体承载IL的入口102、用于经再循环(非气体承载)IL的液体出口104，以及用于与离子液体分离的气体到气体导管108中的排放的气体出口25。所述罐可包括不锈钢或低碳钢的罐壁。罐内的压力相对于导管内的流体压力减少。罐24还经由热交换器维持在升高的温度。加热的流体进入入口360且退出出口361。离子液体通过入口102进入罐24且被允许在罐内脱气。在解吸附器皿24内，在相对于吸收模块26内的这些条件的减压和/或升高温度的条件下，已溶解到离子液体中的TEG(例如SOX、NOX或COX)脱气且作为气泡从溶液释放。任选地，可在器皿24内施加电荷以改善气体分离步骤的效率。释放的气体在罐24中在液体入口102上文的上部区处积聚。经分离气体从气体出口25释放。排放的气体随后由压缩机46加压用于存储在气体储存罐28内。压缩气体可随后安全地在陆地上处置。IL在从出口104排放之前经由热交换器冷却且再使用。冷却剂流体进入入口362且退出出口363。罐24内的盐和不溶的化合物的沉淀物沉淀在底部且可经由阀365周期性地清除。 [0108] 载体液体72可包括任务特定离子液体(TSIL)，其与TEG分子结合且通过通常被称为促进性输送的现象增加扩散效率。 [0109] 本发明中可单独或组合使用的TSIL的实例包含： [0110] 1,1,3,3-四甲基胍乳酸盐[TMG][L] [0111] 单乙醇铵乳酸盐[MELA][L] [0112] 1-丁基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐[BMIm][BF4] [0113] 1-丁基-3-甲基咪唑鎓甲基硫酸盐[BMIm][MeSO4] [0114] 1-己基-3-甲基咪唑鎓甲基硫酸盐[HMIm][MeSO4] [0115] 1-乙基-3-甲基咪唑鎓甲基硫酸盐[EMIm][MeSO4] [0116] 1-丁基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸盐[BMIm][PF6] [0117] 1-丁基-3-甲基咪唑鎓三氟甲烷磺酸盐[BMIM]OTf [0118] 1-丁基-3-甲基-咪唑鎓六氟磷酸盐([C4mim][PF6]) [0119] 或者，载体150可包括氢氧化钠，其可用以从排放流吸收硫氧化物且中和硫酸。 [0120] 图7-12描绘气体处理系统20的替代实施例。 [0121] 见图7中的系统20的一个实施例是安装于船舶300中的“开放”系统。在此实施例中，载体液体72包括从船舶的周围水环境泵送且随后在一或多种TEG化合物已溶解到水中之后排放回到水中的例如海水或淡水的水。水(具体来说是海水)可从排放流吸收硫氧化物且中和硫酸。由船舶柴油发动机302产生的气体排放进入排气导管34。导管34经由入口歧管32打开到吸收单元22。解吸附单元22内安装有多个(在此情况下四个)气体吸收模块26a-d，其线性地串联布置在外壳30内。废气穿过外壳30，接触模块26a-d内的相应膜片组合件66且通过排放导管38排放到大气。 [0122] 在图7的实施例中，海水(或淡水，如果船舶在淡水环境中行进)通过入口管304从周围水吸入，所述入口管在一个末端打开到船舶300的外部。管304进入管分裂器306，其中水流通过4个个别管308a-d分流，所述个别管又各自馈送进入相应吸收模块26a、26b、26c和26d的对应入口歧管。模块26a-d相对于载体循环并行地操作，其中载体是通过相应模块并行地馈送。海水或淡水循环通过相应模块，其中海水或淡水从穿过相应模块的排气变成以溶于其中的TEG饱和。饱和水随后收集进入共同排放导管310且排放回到海里。 水是由水循环系统的出口端处的泵312泵送通过系统。泵312由如下文所论述的泵控制器 314控制。 [0123] 所述多个模块可相同或不同。在不同模块的情况下，其中的膜片组合件可经配置有不同微孔大小和/或膜片壁厚度以吸收不同TEG。此外，虽然图7描绘四个模块26a-d，但取决于废气的流动速率、所要TEG减少水平和其它参数可提供任何数目的模块。 [0124] 图8中所描绘的实施例是类似于图7的“开放”系统。然而，并非载体到模块26a-d的并行递送，在图8的实例中，载体(海水/淡水)串行地(即连续地)递送到模块26a-d。因此，水入口导管304初始地递送水到模块26a，从该处水排放进入模块26b等等，直到最后从模块26d排放，回到周围海水中。图8描绘分配例如MgOH等中和化合物的任选的组件，所述中和化合物可在排放进入海里之前选择性引入到饱和海水中以减少排放水的酸性以便遵守针对酸溶液排放的任何适用的监管限制。碱性溶液存储在罐316中且通过管318排放进入水导管310。所述碱性溶液由泵320泵送，所述泵由控制器200响应于如pH传感器 54检测的饱和水的pH水平而控制。所述碱性溶液以经选择以减少其中的酸性达选定水平的速率与饱和载体液体组合，例如用于规则遵守。 [0125] 图9描绘系统20的“闭环”版本，其中载体液体72由循环通过系统20的百分之五十(50％)V:V NaOH:水溶液组成。在此实施例中，发动机排气通过气体吸收单元22以通道输送，所述气体吸收单元在此实例中包括四个TEG吸收模块26a-d。来自解吸附器皿24的不饱和载体液体由变速泵44泵送通过吸收单元22且依序循环通过模块26a-d。泵44又由与控制器200操作性连通的泵控制器控制。在吸收单元22内，来自发动机排气1的热提升载体液体的温度且致使其吸收溶解到载体液体72内的溶液中的例如硫氧化物等TEG化合物68。酸性硫氧化物分子在氢氧化钠载体溶液内中和。在解吸附器皿24内，载体液体72经冷却，其致使溶解的TEG沉淀析出作为固体沉淀322。如果TEG包括硫氧化物，那么沉淀包括硫化物。沉淀322在器皿24的底部积聚且可周期性地移除以进行岸上弃置。解吸附器皿24内载体液体72的冷却可由热交换器324执行。来自周围环境的水通过水管道326由泵325循环通过热交换器324。泵325由与控制器200操作性连通的泵控制器328控制。 [0126] 图10描绘系统20的实施例，其中不饱和载体液体72由泵46加压且通过入口导管40进入吸收单元22。载体按顺序流动通过多个吸收模块26a-d。现在饱和的载体随后流动穿过排放导管42，在该处所述载体由泵44加压且进入解吸附器皿24。在解吸附器皿24内，载体液体经历使吸收TEG化合物68从液体72脱气的条件，例如减少器皿24内的压力。经分离TEG化合物68通过器皿24的开口25以气相释放进入导管45。TEG气体由压缩机47加压进入存储器皿28。不饱和载体随后通过入口导管40泵送回到吸收单元22中。 图10的实施例经配置以在“零排放”模式中操作，其中循环的载体液体可为离子液体。 [0127] 图11描绘类似于图10的实施例，其具有两个吸收模块26a和26b。载体液体在模块26a和26b内变成饱和。饱和载体液体经由导管42输送到解吸附器皿24中，在该处所述液体借助于对所述液体进行降压而脱气。不饱和液体经由导管40再循环通过模块26a和26b。在此实施例中，提供单个泵46以使载体液体循环通过系统且仅通过使器皿24内的液体减压而执行饱和载体液体的脱气。 [0128] 图12描绘经配置以在零排放模式中独立地分离且存储多个选定TEG的系统20的实施例，其中所述选定TEG经独立地移除且存储。在此实施例中，吸收单元包括6个吸收模块26a-f。所述模块布置成三对，26a和26b是第一对，26c和26d是第二对，等等。每对模块经配置以串行地用通道输送载体通过所述对的相应模块。不同载体液体循环通过独立回路中的相应对模块以个别地分离选定TEG。第一闭合载体液体环路包括第一载体入口40a，其循环载体通过模块26a和26b。来自第一环路的饱和载体随后排放进入排放导管42a进入第一解吸附器皿24a。在器皿24a内，第一TEG 68a与载体液体分离且加压进入第一气体存储器皿28a。第二闭合环路包括导管40b和42b，其循环不饱和载体通过第二对模块26c和26d和第二解吸附器皿24b。提供第二气体存储器皿28b以存储第二TEG 68b。第三闭合环路成相似配置以用于分离且存储第三TEG 68c。载体液体72通过管42a-c流动回到模块26a-f而完成三个独立流体回路。相应载体液体可包括经选择以吸收特定TEG的三种不同离子液体。举例来说，载体液体可包括:1)用于吸收SOx的1-丁基-3-甲基咪唑鎓甲基硫酸盐[BMIm][MeSO4]，2)用于吸收CO2的1-丁基-3-甲基咪-唑鎓六氟磷酸盐([C4mim][PF6])，和3)用于吸收NOx的1-丁基-3-甲基咪唑鎓三氟甲烷磺酸盐[BMIM]OTf。 [0129] 图18中展示TEG解吸附系统的另一替代实施例。在此实施例中，饱和载体液体通过入口导管102进入解吸附腔室24，所述入口导管在其上部部分处通出到器皿24中。进入腔室24上的压降致使液体脱气而释放TEG。气相TEG随后通过导管25排放且由压缩机46泵送通过导管108进入存储器皿28。腔室24内的液体通过使冷却剂流体循环通过腔室25内的密封管而冷却。冷却剂流体经由管360进入且由管361排放。不饱和载体液体邻近于腔室24的基底退出腔室24，且进入辅助器皿。载体液体进一步在所述辅助器皿内由额外冷却剂流体冷却，所述额外冷却剂流体循环通过辅助器皿的内部内的密封管。所述额外冷却剂经由管362进入且经由管363退出。经冷却的载体液体随后通过排放导管104退出辅助器皿，以在一或多个气体吸收模块26(未图示)内循环。 [0130] 在“零排放模式”实施例中使用的载体可为任务特定离子液体“TSIL”。TSIL包括可逆的载体。这准许通过应用差压、温度和/或电位而在解吸附器皿28a-c中分离TEG+TSIL溶液7(具有溶解于其中的TEG的IL)。 [0131] 处理系统20正常能够在发动机压力下操作。在一些情况下，取决于发动机设计或制造商施加的要求以及例如涡轮单元、热交换器、管弯头等贡献于背压的其它系统的数目，系统20可产生过量的背压。如果背压超过预定最大值，那么可提供升压器风扇10以使系统20上游的排气压力提升以减少由系统20施加的背压。 [0132] 在一个实施例中，来自发动机排气的热在进入外壳64之前用热交换器进行提取。这提供两个益处。第一益处在于船舶排气的温度降低到某些聚合物膜片和TSIL的较低操作温度内。第二益处是应用俘获的热能来提供差温度以解离TEG+TSIL。系统的总热效率经改善，从而减少用来操作系统的能量。 [0133] 解吸附器皿24在接近真空压力下操作以改善TEG和TSIL的解离速率。也可以施加电位以改善TEG和TSIL的解离。 [0134] TEG作为解吸附器皿24a-c内的气体而释放，且收集且存储在加压器皿28a-c中，或组合为用于作为固体存储的化合物。TSIL保持作为解吸附器皿24a-c内的液体。TSIL随后经泵送回到气体吸收单元22。 [0136] 如图13中示意性地所示，吸收系统20包括下文描述的监视器和检测器，其在系统的操作期间监视选定系统操作参数且将所得数据发射到控制器200。这些包含：上游液体压力检测器56，其在载体进入膜片模块26之前测量载体压力；多个下游液体压力检测器58，其测量每一膜片组合件下游的载体压力，其中压力之间的所检测差异表示大部分在相应膜片组合件66内发生的压降；以及位于相应膜片组合件66下游的多个pH传感器54，用于测量退出每一膜片模块26的载体的pH。任选地，pH传感器可提供于膜片模块26的上游以在流动穿过膜片模块26之前检测载体液体的pH水平，进而允许确定pH差异。 [0137] 下文描述用于气体处理系统20的操作的控制系统200。系统20的操作经配置以优化质量转移或吸收废气以确保废气充分接触膜片外表面以利用质量转移或亨利定律的原理准许通过所述膜片吸收废气。控制系统200一般来说包括包含随机存取存储器(RAM)的计算机处理器、例如硬盘驱动器的数据存储模块，以及包括显示器和数据输入终端的用户接口330。控制系统200经由无线或有线数据通信链路与本文所描述的传感器和检测器以及本文所描述的各种可控组件操作性连通，所述各种可控组件包含可调节的阀、泵、压缩机和本文所描述的准许气体处理系统20的操作的其它可调节的组件。 [0138] 如图13中所见，相应载体排放导管42内提供多个pH传感器54和压力传感器58。pH传感器54将数据发射到pH信号处理器350且压力传感器58将数据发射到压力信号处理器352。相应信号处理器可包括与控制器200通信或并入其中的独立单元。相应载体入口导管40内提供载体液体阀332a-d以控制进入相应吸收模块26a-d的载体流。阀332a-d由伺服马达值控制器354独立地控制。排气排放导管38内提供TEG水平传感器62以检测选定TEG的水平。TEG信号处理器356响应于由TEG水平传感器62产生的信号。泵马达控制器334与水泵44相关联以控制泵44的操作。上述检测器、传感器和控制剂操作上链接到控制系统200的主处理器，所述主处理器又经由系统总线336操作上链接到用户接口 356。 [0139] 图14是展示控制系统200的操作的流程图。此图中： [0140] TEGc＝在穿过吸收单元22之后在漏斗(排气出口)处以传感器62测得的目标排放气体浓度。 [0141] TEGa＝目标排放气体可允许的限制，例如针对SOX的25ppm。 [0142] X＝用于计数器的指数，其跟踪在操作中和不在操作中的气体吸收模块26的数目。 [0143] N＝系统20中可使用的模块26的总数目，例如对于8MW发动机N＝20个模块。 [0144] 控制系统200操作根据以下步骤初始化系统的操作且监视吸收模块20的性能： [0145] 1.在步骤400处，从备用模式对控制系统200加电。此步骤可在船舶发动机加电之前或之后进行。 [0146] 2.在步骤402处，从用户接口将系统中可用的气体吸收模块26的总数目输入到控制系统200中。此步骤可预编程到控制系统中。如果未先前执行，那么也可以输入模块26的正常操作压力。 [0147] 3.在步骤404处，以气体传感器62测量TEGc且在步骤406处将此值与TEGa进行比较。步骤406进一步包括确定为了系统20在最佳效率水平操作而应当致动的系统20的模块的数目。举例来说，系统可含有20个模块，且控制系统200可确定仅需要15个模块来提供目标TEG减少。 [0148] 4.如果未处理的发动机排气含有低于选定值(TEGc小于TEGa)的低水平的TEG，那么系统将不接通，且系统在步骤408处返回到备用模式。如果TEGc水平超过TECa值，那么系统在410投入运行。 [0149] 5.如果系统投入运行，那么在412致动用于第一模块26a的液体流阀332a，且在步骤414处致动液体泵44以在1/N速度下运行。这提供变速控制。举例来说，如果系统含有20个模块，且控制系统200确定仅需要15个模块来提供目标TEG减少，那么泵44在完全操作速度的15/20下运行，进而减少用于操作系统的电力要求。系统随后根据下文描述的步骤对选定数目的模块执行测试。泵312由泵控制器314控制，所述泵控制器是响应于控制器200或并入其中的单元。 [0150] 6.在步骤416处由pH传感器54在第一吸收模块26a的出口处测量液体熔液的pH。此值在图14中指示为pHx。在步骤418处将此pH水平与预定值进行比较。当例如SOX、NOX、COX等酸性气体被提取到液体中时，这使循环通过膜片的液体酸化。酸化水平用以确定膜片组合件是否已变为结垢且不能吸收TEG，其中超过目标水平(pHt)的pH下降指示完全功能的膜片且未能超过此水平的pH下降指示已变为结垢的膜片组合件。这可避免视觉上检查膜片的需要。如果跨越模块的pH差异小于0.1，那么这指示模块26不在吸收酸性气体且膜片其中结垢。出于参考目的，海水pH通常限于7.5与8.4之间的范围。 [0151] 7.如果pH X未能达到pHt，指示膜片组合件66a的结垢，那么在步骤420处关闭阀门332a，关掉所述单元，且在步骤422处致动需要维护指示符426。这发送对受影响模块进行维护的信号。任选地，所述信号可发送到机载监视器并且还可将无线发射信号发送到岸上操作者，所述操作者随后可在船舶的下一停靠港口安排替换模块。如果在步骤416处检测的pH保持小于pHt，那么系统前进到步骤424。 [0152] 8.在步骤424处，在载体排放导管内在膜片出口侧处测量载体压力(Px)。在步骤425处，将此压力与由压力传感器56检测的输入压力进行比较以确定压降。超过预定水平(压力容限水平Pt)的压降指示例如由打破的管或密封引起的渗漏。 [0153] 9.如果存在渗漏或打破的管，那么控制系统将在步骤428处关闭阀，且在步骤430处发出警报声。这可发送卫星信号到下一停靠港口以调度对系统的维护。 [0154] 10.如果未检测到过量的压降，那么在步骤432和434处针对后续模块26b、26c等重复以上步骤(X＝X+1)以确定这些模块中的任何者是否结垢或渗漏。一旦已执行以上步骤达到如在步骤406处确定的对于在目标效率下操作所需的模块的最佳数目，控制器200便如在步骤408处所示以用于最佳效率的此数目的模块且以对应泵速度继续运行系统。 [0155] 已经执行测试以展示以本系统获得的操作结果。此些测试的结果在下文描述的曲线图中概括。 [0156] 图15展示水载体温度对SOX的吸收率的影响。较低水温增加吸收率。 [0157] 图16展示水(载体)流动速率对SOX的吸收率的影响。较快的流动速率增加吸收率。 [0158] 图17展示废气流与SOX的吸收率之间的关系。随着流动速率增加到高于预定“设计”流动速率，效率下降。 |
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