KR101332480B1 - 자동차 배기 가스로부터의 co2의 온-보드 회수 및 저장 - Google Patents

자동차 배기 가스로부터의 co2의 온-보드 회수 및 저장 Download PDF

Info

Publication number
KR101332480B1
KR101332480B1 KR1020137021746A KR20137021746A KR101332480B1 KR 101332480 B1 KR101332480 B1 KR 101332480B1 KR 1020137021746 A KR1020137021746 A KR 1020137021746A KR 20137021746 A KR20137021746 A KR 20137021746A KR 101332480 B1 KR101332480 B1 KR 101332480B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
exhaust gas
gas stream
ice
internal combustion
atmosphere
Prior art date
Application number
KR1020137021746A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130101154A (ko
Inventor
이삼 자키 하마드
Original Assignee
사우디 아라비안 오일 컴퍼니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 사우디 아라비안 오일 컴퍼니 filed Critical 사우디 아라비안 오일 컴퍼니
Publication of KR20130101154A publication Critical patent/KR20130101154A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101332480B1 publication Critical patent/KR101332480B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/14—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by absorption
    • B01D53/1456—Removing acid components
    • B01D53/1475—Removing carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/14—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by absorption
    • B01D53/1425—Regeneration of liquid absorbents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/14—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by absorption
    • B01D53/1493—Selection of liquid materials for use as absorbents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F01N3/04—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust using liquids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/0807—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents
    • F01N3/0828—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents characterised by the absorbed or adsorbed substances
    • F01N3/0857—Carbon oxides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2252/00—Absorbents, i.e. solvents and liquid materials for gas absorption
    • B01D2252/20—Organic absorbents
    • B01D2252/204—Amines
    • B01D2252/20421—Primary amines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/504—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2258/00—Sources of waste gases
    • B01D2258/01—Engine exhaust gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/45—Gas separation or purification devices adapted for specific applications
    • B01D2259/4566—Gas separation or purification devices adapted for specific applications for use in transportation means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/02—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/26—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being an exhaust gas reservoir, e.g. emission buffer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2570/00—Exhaust treating apparatus eliminating, absorbing or adsorbing specific elements or compounds
    • F01N2570/10—Carbon or carbon oxides
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Abstract

하기를 포함하는 방법 및 시스템은 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키기 위하여, 차량의 동력을 공급하기 위해 사용된 탄화수소-연료 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리를 위해 기술된다:
a. 상기 배기 스트림으로부터 CO2를 추출하기 위해 사전결정된 용량을 갖는, 액체, 슬러리 또는 미분된 유동가능한 고체인 포획제를 함유하는 차량 온-보드 처리 구역,
상기 처리 구역은 상기 배기 가스 스트림을 허용하는 유입구 및 감소된 CO2 함량을 갖는 상기 포획제와 접촉하는 처리된 배기 스트림의 통과용 유출구를 구비하고,
상기 처리 구역은, CO2를 배출하고 상기 포획제를 재생하기 위해 상기 포획제와 관련한 열 교환 통과를 위한 상기 ICE로부터의 뜨거운 배기 가스 스트림을 수용하기 위한 유입구, 및 냉각된 배기 가스 스트림을 위한 유출구를 갖는 열 교환기를 포함하고,
상기 처리 구역은 재생된 포획제로부터 배출된 CO2용 CO2 방출 유출구를 구비하며;
b. 상기 처리 구역으로부터 CO2 방출 유출구와 유체 연통하고, CO2의 부피를 감소시키기 위한 하나 이상의 압축기를 포함하는 압축 구역;
c. 상기 차량 온-보드에 일시적인 저장을 위해 상기 압축된 CO2를 수용하기 위한 저장 구역;
d. 상기 처리 구역으로부터 처리된 배기 가스 스트림 유출구와 유체 연통하는 배기 가스 도관; 및
e. 전기적 또는 기계적 에너지로 전환하기 위해, 상기 ICE로부터 직접, 상기 ICE 냉각 시스템 및/또는 상기 배기 가스 스트림으로부터 열 에너지를 회수하기 위한 적어도 하나의 폐열 회수 구역.

Description

자동차 배기 가스로부터의 CO2의 온-보드 회수 및 저장 {On-Board Recovery and Storage of CO2 From Motor Vehicle Exhaust Gases}
본 발명은 폐열을 생산하는 내연기관 (internal combustion engines) 및 여러 열 기관에 의해 동력이 공급되는 차량의 배기 가스 스트림 (exhaust gas stream)으로부터 이산화탄소 배출의 감소에 관한 것이다.
현재 지구 온난화는 이산화탄소 (CO2) 및 메탄 (CH4)과 같은 온실 가스의 배출 때문이라고 여겨지고 있다. 전세계적으로 사람-유래의 CO2 배출의 약 1/4은 이동 오염원, 즉, 내연기관 (ICE)에 의해 동력이 공급되는 자동차, 트럭, 버스 및 기차로부터 발생된다고 현재 추정된다. 이러한 비율적인 기여는 개발도상국에서 자동차 및 트럭 소유의 계획된 급상승으로 가까운 장래에 빠르게 성장할 것이다. 현재, 운송 업종 (transportation sector)이 원유에 대한 주시장이고, CO2 배출의 제어는 대안 기술, 예를 들면, 전기 모터 및 저장 배터리에 의해 동력이 공급되는 차량과 같은 대안 기술로부터의 도전에 직면하여 상기 운송 업종에서 원유 시장의 생존력을 유지시키기 위한 환경적인 의무이고 원하는 목표이다.
이동 오염원으로부터의 이산화탄소 관리는 공간 및 중량 제한, 어떤 규모의 경제의 부족 및 이동 오염원에 동력을 공급하는 ICE의 운전의 동적 특성을 포함하는 많은 난재들이 존재한다.
연소 가스로부터의 CO2의 포획을 위한 종래의 방법은 발전소 (power plants)와 같은 고정 오염원 (stationary source)에 주로 촛점이 맞춰져 있다. 이들 방법들은 산소를 사용하는 연소를 이용하고, CO2 포획제 (capture agent)의 재생 및 재사용을 위한 수단을 제공하지 않으며, 및/또는 뜨거운 오염원으로부터 회수된 폐열을 사용하지 않는, 이동 오염원으로부터의 CO2 배출을 감소시키는 문제점을 거론한다. 산소를 사용하는 연소는 배기 가스로부터 CO2를 분리하는 것보다 좀더 에너지-집약적이고, 만약 차량 온 보드에 시도된다면 더욱 어려울 수 있는 산소-질소 분리 단계를 요구한다.
CO2 포획 기술의 초점은 정지된 (stationary) 또는 고정된 (fixed) 오염원에 있어 왔다. 개발되어 온 공정들은 약 80℃까지의 주변 온도 범위에서 CO2를 흡수하기 위해 아민들 및 아민 관능화된 (functionalized) 액체 및 용액을 사용한다. ICE에 의해 동력이 공급된 차량에 직면된 100℃ 이상 온도, 구체적으로는 약 130℃ 내지 300℃의 범위에서, 상기 아민들은 CO2 흡착에 대해 낮은 용량을 나타낸다. 따라서, 상기 고온의 ICE 배기 가스는 비실용적으로 액체 아민 용액으로 CO2를 제거하기 위해 직접 처리한다.
이동 오염원으로부터 CO2의 포획은 규모의 경제를 역행하는 분산 시스템 (distributed system)을 포함하기 때문에, 일반적으로 매우 고가로 여겨져왔다. 상기 문제점에 대한 해법은 차량 온-보드 공간 제약, 부가적인 에너지 및 장치 요구조건 및 차량의 운전 사이클, 예를 들면, 급격한 가속 및 감속의 단속적 기간의 동적 특성 때문에 실행불가하다고 여겨지고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 CO2의 일시적 온-보드 저장에 의해 차량으로부터의 CO2 배출을 감소시키는 효율적이고 비용 절감의 문제점을 처리하는 방법, 시스템 및 장치를 제공하는 것이다. 이러한 시스템의 대량 생산을 위한 능력은 이들 이동 오염원의 분산 특성과 관련된 기타 비용을 적어도 부분적으로 상쇄할 것이다.
본 발명에서 사용된 바와 같은, 용어 "내연 기관", 또는 ICE는 탄소-함유 연료가 동력을 생산하거나 운전하도록 연소되고, 반드시 소실되거나 제거되어야 하는 폐열을 발생시키는 열 기관을 포함한다.
본 발명에서 사용된 바와 같은, 용어 "이동 오염원 (mobile source)"은 CO2를 함유하는 배기 가스 스트림을 생산하는 하나 이상의 내연 기관에 의해 동력이 공급되는, 물품 및/또는 사람을 운송하는데 사용될 수 있는 어떤 폭넓게 다양한 알려진 수송기관 (conveyance)을 의미한다. 이러한 수송기관은 기차 및 선박뿐만 아니라 육상을 이동하는 모든 타입의 자동차를 포함하고, 여기서 상기 ICE로부터의 배기는 대기로 방출되기 전에 함유 도관 (containing conduit)으로 방출된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "차량"은, 상기 사용된 바와 같이, "이동 오염원"과 같은 의미로서 편리하게 약칭되었고 "수송기관"으로도 사용됨을 알 수 있을 것이다.
본 발명에 사용된 바와 같은 용어 "CO2 포획제" 및 "포획제"는 상당한 횟수의 흡수/흡착 및 탈착 사이클에 걸쳐 가역적으로 CO2를 흡수 또는 흡착하기 위한 예측가능한 용량을 갖는, 흡착제 (absorbent) 액체 또는 미세하게 쪼개진 고체 흡착 물질 또는 조성물, 예를 들어, 분말 형태에서 유동가능한 고체 흡착제를 의미한다. 상기 분말 고체 흡착제는 적절한 조건하에서 마치 유체인 것처럼 펌프되거나 그렇지 않으면 운반되는 능력을 갖는다. 유동가능한 고체 흡착제 물질은 기계적 스크류 컨베이어 (mechanical screw conveyors), 공압적 수단 (pneumatic means), 및 이와 같은 기술분야에서 알려진 어떤 수단에 의해 운반될 수 있다. 상기 용어는 또한 액체에서 고체 흡착제 물질의 유동가능한 슬러리를 의미하고, 여기서 선택적으로 상기 액체는 접촉시 CO2를 흡수할 수 있거나, 또는 상기 슬러리는 새로운 화합물, 예를 들어, 수화물 (hydrate)을 형성한다.
본 발명에서 사용된 바와 같은, 용어 "폐열"은 전형적인 엔진이 생산하는 열이며, 상기 열은 뜨거운 배기 가스 (~300-650℃) 및 뜨거운 냉각수 (~90-120℃)에 주로 함유된다. 부가적인 열은 엔진 블럭 및 상기 엔진 블럭과 관련된 구성요소, 및 매니폴드 (manifold), 파이프, 촉매 변환기 및 머플러를 포함하는, 배기 가스가 통과하는 여러 구성요소로부터 대류 및 복사에 의해 배출 및 손실된다. 이러한 열 에너지를 다 합치면 전형적인 탄화수소 (HC) 연료가 제공하는 에너지의 약 60%이다.
본 발명은 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키기 위하여, 차량에 동력을 공급하도록 사용된 탄화수소-연료 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 스트림의 온-보드 처리를 위한 방법 및 시스템으로 폭넓게 포함하며, 상기 방법 및 시스템은:
a. 상기 배기 스트림으로부터 CO2를 추출하기 위해 사전결정된 용량을 갖는 포획제를 함유한 차량 온 보드 처리 구역,
상기 처리 구역은 상기 배기 가스 스트림이 상기 포획제와의 접촉을 허용하는 유입구, 및 감소된 CO2 함량을 갖는 처리된 배기 스트림의 통과를 위한 유출구를 갖고,
상기 처리 구역은 CO2를 배출하고 포획제를 재생하도록 상기 포획제와 열 교환 관계로 통과하기 위해 상기 ICE로부터의 뜨거운 열 교환 유체, 예를 들어, 뜨거운 배기 가스 스트림 (hot exhaust gas stream)을 수용하기 위한 유입구, 및 냉각된 열 교환 유체, 예를 들어, 상기 배기 가스 스트림용 유출구를 갖는 열 교환기를 더욱 포함하고,
상기 처리 구역은 재생된 포획제로부터 배출된 CO2용 CO2 방출 유출구를 구비하며;
b. 상기 처리 구역으로부터의 CO2 방출 유출구와 유체 연통하고, 상기 CO2의 부피를 감소시키기 위한 하나 이상의 압축기를 포함하는 압축 구역 (compression zone);
c. 차량 온 보드에 일시적 저장을 위해 압축된 CO2를 수용하는 저장 구역;
d. 상기 처리 구역으로부터 상기 처리된 배기 가스 스트림의 유출구와 유체 연통하는 배기 가스 도관; 및
e. 선택적으로, 상기 배기 가스 스트림, 상기 ICE 및/또는 전기적 또는 기계적 에너지로 전환하기 위한 ICE로부터 직접적으로 열 에너지의 회수를 위한 적어도 하나의 폐열 회수 영역을 포함한다.
본 발명의 방법 및 시스템은 상기 CO2 포획제로서, 액체 흡착제, 또는 유동가능한 분말 흡착제, 또는 양자 특성을 갖는 슬러리 각각을 사용하여 차량 온 보드의 ICE의 배기 가스 스트림으로부터 CO2의 흡수 또는 흡착으로 이해된다. 바람직한 구체 예에 있어서, 상기 흡수는, 예를 들어, 또 다른 사용을 위해 방출될 흡수/흡착된 CO2 및 재생될 흡착제/흡착제 물질을 유발하기 위해 온도를 증가 및/또는 압력을 감소함에 따라 가역적이다.
본 발명을 더욱 설명하는데 편리를 위하여, 상기 설명이 유동가능한 분말 흡착제 및 흡착 공정, 및 또한 수화물 화합물, 예를 들어, 클라트레이트 수화물 (clathrate hydrate)의 형성뿐만 아니라, 액체 구성요소에 의해 흡수 및 고체에 의한 흡착 모두를 선택적으로 포함할 수 있는 슬러리를 사용하는 공정에 동일하게 적용가능하다는 이해하에서, 기준 (reference)은 상기 액체 흡착제 및 액체 흡수 공정에 대해 만들어질 것이다.
본 발명은 CO2를 포획하고 재급유까지 일시적 저장을 위해 그 밀도를 증가시키기 위해, 폐열로 차량 온 보드에서 이용가능한 자유 에너지를 사용함으로써, 공간 제약 및 보조 동력 요구조건의 문제점을 해결한다. 본 발명은 (a) 엔진 배기 가스로부터의 상기 CO2의 전부 또는 실질적인 부분을 제거하기 위해 포획제를 활용하는 흡수 분리 방법; (b) 실질적으로 순수한 CO2의 회수 및 약간의 엔진 폐열을 사용한 포획제의 재생; 선택적으로, (c) 약간의 엔진의 폐열을 동력, 즉, 일 에너지로 전환; 및 (d) 일시적 온-보드 저장을 위해 포획된 CO2의 밀도를 증가시키기 위한 상기 동력의 사용으로 이루어진다. 포획, 재생 및 치밀화 (densification)를 위한 에너지를 제공하는데 상기 폐열의 사용은 포획 비용을 상당하게 감소시키고, 상기 치밀화는 상기 CO2의 일시적 온-보드 저장을 위한 부피 요구조건을 감소시킬 것이다. 전기적 또는 다른 이용가능한 에너지의 형태로 폐열을 전환하는 것은 또한 치밀화 단계에 할당되는 연료의 양을 감소시키고, 이에 의해 상기 배기 스트림에서 전체 양의 CO2는 상기 ICE에 의해 수행된 동력 출력 또는 일 (work)과 연관된다.
본 발명은 CO2 압축기를 운전시키는 엔진 일의 일부의 선택적인 사용을 더욱 포함한다. 상기 엔진의 일은 엔진이 감속 모드에서 운전하고, 상기 엔진을 느리게 제공하는 경우, 및 상기 엔진이 공회전하는 경우에 활용될 수 있다. 온-보드 프로세서 및 제어기는 적절하게 사전결정된 엔진 운전 조건에서 압축기 구동 링크 (link)를 상기 엔진에 결합시키는데 활용될 수 있다.
본 발명은 화석-계, 또는 탄화수소 연료의 연소를 통해 운전하는 승용차, 트럭, 버스, 중장비 차량, 기차, 선박 등과 같은 넓은 범위의 이동 오염원에 사용될 수 있다. 본 발명의 시스템 및 장치는 새로운 이동 오염원 및/또는 기존 이동 오염원을 개조 (retrofitting)시킴으로써 설치될 수 있다.
본 발명은 차량의 ICE로부터 회수된 폐열을 사용하여, 수송기관 온 보드에서의 효율적인 후-연소 CO2 포획, 치밀화 및 이어지는 일시적 저장을 위한 시스템을 형성하는 다양한 구성요소의 통합에 기초한다. 상기 시스템은 (a) 엔진 배기 가스로부터의 CO2의 포획을 위한 흡수/분리용 처리 구역; (b) 약간의 엔진 폐열을 사용하는 상기 포획제로부터 CO2의 배출을 위한 재생 구역; (c) 약간의 폐열이 동력 (일 에너지)으로 전환되는 전환 구역; 및 (d) 상기 폐열로부터 유도된 동력이 포획된 CO2의 밀도를 증가시키는데 사용된 치밀화 구역, 및 일시적 온-보드 저장을 위한 저장 구역을 포함할 수 있다. 본 발명의 방법의 실시에 있어서, 상기 시스템을 운전시키기 위한 전부 또는 실질적인 부분의 에너지가 상기 ICE의 폐열로부터 나온다.
전형적인 엔진이 생산하는 폐열은 뜨거운 배기 가스 (~300 내지 650℃) 및 뜨거운 냉각수 (~90℃ 내지 120℃)로 주로 이루어진다. 도 1의 도면에 도시된 바와 같이, 이러한 열 에너지의 총량은 통상적 탄화수소(HC) 연료가 ICE에서 연소될 때 생산되는 에너지의 약 60%이다. 에너지는 상기 배기 가스로부터 CO2를 분리시키고, 효율적인 온-보드 저장을 위해 포획된 CO2의 전부 또는 일부를 압축하고, 액화하거나 또는 냉동시키는데 필요하다. 이러한 에너지는 통상적으로 일 에너지와 열 에너지의 혼합 에너지다. 상기 에너지의 일의 구성요소는 이러한 일을 생산하는데 폐열의 일부를 사용함으로써 발생된다. 약간의 폐열은 반응 생성물로 형성된 고체 탄산염 또는 흡착제와 같은, 상기 CO2 분리에 사용된 어떤 물질을 재생시키는데 사용될 수 있다.
상기 배기 가스로부터의 CO2 분리는 물리적 흡수, 화학적 흡수, 및/또는 탄산염이나 기타 화합물을 형성하는 화학적 반응의 하나 이상의 가역 공정에 의해 이루어진다. 이들 메커니즘은 기술분야에 잘 알려져 있고, 이들 메카니즘의 일부는 도 2 및 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 연료의 에너지 값의 약 60%는 폐열로 전환되고, 이러한 폐열의 일부가 CO2를 탈착시키고 포획제를 재생시키며, 그리고 상기 CO2를 압축하는데 요구된 동력 또는 일의 및 전기 에너지 및 기타 형태를 발생시키는데 사용될 수 있다. 도 3은 상기 CO2를 탈착하고 포획제를 재생하기 위해 배기 가스의 열을 사용하는 일 실시 예를 나타낸 도면이다. 물은 또한 냉각된 배기 가스로부터 응축물로 제거되고, 감소된 CO2 함량의 배기 가스는 대기로 방출될 수 있다.
어떤 구체 예에 있어서, 상기 배기 스트림의 전부 또는 사전결정된 부분의 온도는 상기 CO2의 흡착을 최적화하기 위하여 열 교환에 의해 먼저 감소된다. 상기 열 교환은 물 또는 기타 액체, 또는 주변 공기 냉각기, 또는 이들의 조합를 사용하는 적절한 장치로 달성된다. 상기 냉각된 배기 스트림의 사전결정된 부분은 공지의 액체 아민 및/또는 관능화된 아민 용액과 접촉하여 CO2 포획을 위해 변환된다. 존재하는 CO2를 제거 또는 감소시키기 위해 효과적으로 처리될 수 있는 상기 배기 가스의 부피 흐름 (volumetric flow)은 사용된 상기 열교환기 및 냉각 유체의 타입 및 특성에 기초하여 사전결정된다. 예를 들어, 주변 공기 온도가 고도, 계절적 변화, 빠른 야간 냉각 등 때문에 상대적으로 낮은 경우의 지리적 영역에서, 더 큰 부피 비율의 상기 배기 가스 스트림은 처리될 수 있다. 만약 있다면, 배기 가스 스트림의 미처리된 밸런스 (balance)는 대기로 방출된다. 장치의 크기 및 액체의 부피를 최소화하기 위하여, 자금 및 어떤 대체 비용을 절약하기 위하여, 그리고 시스템에 의해 차량에 부가된 중량을 최소화하기 위하여 액체 아민 포획 시스템의 운전을 최적화하는 것이 바람직하다. 상기 열 교환기의 냉각 용량은 차량은 사용될 수 있는 상기 지리적 영역에 대해 알려진 평균 주변 조건에 기초하여 결정될 수 있다.
대기 온도의 계절적 변화를 고려한다면, 상기 시스템은 예를 들어, 공기 온도가 더 낮은 겨울의 경우에 열교환기로 배기 가스 스트림의 더 큰 비율 및 온도가 상승하는 여름의 경우에 더 작은 비율을 허용하도록 잘 알려지고 상업적으로 구매가능한 엔진-조절 공정/조절기를 사용하여 프로그램될 수 있다. 상기 부피 흐름은 배기 스트림 변환 조절 밸브 (diverter control valve)에 의해 조절될 수 있다. 상기 밸브 조절기는 주변 공기 센서, 배기 가스 스트림, 열 교환 냉각기의 유출구 온도 및/또는 흡수체에서 액체 온도의 하나 이상으로부터의 온도 데이터에 반응하도록 프로그램될 수 있다. 따라서, 냉각용으로 변환된 배기 가스 스트림의 분획 및 대기에 분출된 분획 대 CO2 흡수의 결정의 자동화를 위한 조절 전략은 제거 및 치밀화된 CO2의 양을 최대화하는 것에 기초된다. 상기 배기 변환 밸브는 빠른 가속, 무거운 하중, 급격한 제동 또는 이와 같은 엔진 운전 조건하의 환경에 대해 상기 배기 가스의 전부 또는 실질적인 전부를 방출하기 위해 프로그램될 수 있고, 여기서 정상-상태 조건 (steady-state condition)은 일시적으로 중단되고, 상기 온도, 압력 및 다른 센서 신호는 실시간 치밀화를 위해 CO2 포획을 최적화하기 위하여 엔진 조절 유닛 또는 다른 프로그램된 조절기에 의해 신뢰할 수 있게 처리될 수 없다.
온 보드 이동 오염원에 이용가능하게 만들어질 수 있는 한정된 공간에서의 특별한 사용은 많은 파라미터의 면밀한 분석을 필요로 한다. 상기 포획제의 재생은 바람직하게는 온도 스윙 (swing) 공정 또는 압력 스윙 공정에 의해 온 보드에서 발생할 것이다. 그러나, 상기 포획제가 상기 CO2를 포획하고 치밀화하는데 사용되는 매우 큰 용량을 갖는 경우에, 재생은 재급유 동안에 또는 고정 상태 (fixed station)에서 완성될 수 있다. 상기 흡착제 물질은 적절한 설비에서 재생을 위해 제거될 수 있는 카트리지 또는 여러 제거가능한 컨테이너에서 보관될 수 있다. 다수의 카트리지는 확장된 차량 운전을 위해 병렬로 설치될 수 있다.
재생 단계 및 치밀화 단계는 또한 동시에 진행할 수 있다. 만약 포획제가 가열된다면, 포획제는 CO2의 배출을 시작할 것이다. 만약 CO2가 제거되지 않거나 또는 팽창 공간을 제공하지 않는다면, 이후 고압 및 고온 CO2는 축적될 것이다. 이러한 경우에 있어서, 상기 포획제의 재생은 배출된 CO2가 제거된 경우만큼 완전하지 않을 것이다. 그러나, 상기 액체의 동일한 동적 용량은 재생 온도를 증가시켜 유지될 수 있다.
바람직한 구체 예에 있어서, 양압 (positive pressure)을 생성하는 장치에서 포획제로부터 방출된 CO2 및 상기 CO2 압축기의 흡입은 다운-스트림 저압 구역을 생산할 것이고, 이에 의해 압축을 위한 탈착된 CO2 가스 스트림의 흐름을 결과한다. 탈착동안 상기 CO2의 회수는 상기 CO2 압축기의 진공 펌프 다운스트림에 의해 또한 촉진될 수 있다. 상기 CO2의 사전결정된 양이 탈착된 경우, 상기 흡수 유닛은 엔진 배기 스트림을 수신하는 서비스로 전환될 수 있다. 운전의 바람직한 모드에 있어서, 액체 또는 유동가능한 고체 흡수제 (sorbent)는 흡착 구역 및 탈착 구역을 통해 순환되고, 이것은, 예를 들어, 고체 흡수제를 사용하는 열적 스윙 (thermal swing)에서와 같은 회분식 운전 (batch operation)과 대비된다.
효율적인 온 보드 일시적 저장을 위해 고밀도의 CO2의 형성은 고체 CO2, 즉, 드라이 아이스를 형성하기 위해, 상기 가스를 압축, 액화 또는 냉동시켜 달성된다. 상기 CO2의 최종 밀도는 그 상태, 즉; 가스, 액체 및/또는 고체에 따라, 5-1600 ㎏/㎥일 것이다. 상기 치밀화에 요구된 총 일 에너지의 적어도 일부가 열의 동력 변환을 사용하여 폐열로부터 얻어진다.
상기 CO2 포획 사이클의 시동 동안에, 또는 여러 특별한 운전 요건의 요구조건을 만족시키기 위하여, 엔진의 동력의 일부 또는, 선택적으로, 온 보드 배터리에 저장된 전기가 사용될 수 있다. 상기 시스템의 정상적인 안정된-상태 운전 동안에, CO2 포획 및 치밀화에 요구된 에너지의 적어도 일부는 ICE의 폐열로부터 나올 것이다.
고정된 발생원으로부터의 CO2 배출을 감소시키기 위한 종래 기술 공정을 넘는 본 발명의 하나의 장점은 적당한 온도 폐열에 대해 상대적으로 높은 용이한 이용가능성이다. 상기 열 에너지의 비용은, 석탄- 또는 가스-발화된 발전 설비로부터의 연도 가스의 온도가 상기 연료의 에너지 값을 최대화하고, 주변 환경으로의 폐열의 SOx과 같은 공해물질의 방출을 또한 최소화하기 위하여 감소되기 때문에, 고정된 발생원으로부터의 CO2 포획을 위한 지출이 주요 항목이다.
본 발명은 폐열을 생산하는 내연기관 및 여러 열 기관에 의해 동력이 공급되는 차량의 배기 가스 스트림으로부터 이산화탄소 배출을 감소시킬 수 있다.
이하 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 좀더 구체적으로 설명하며, 첨부된 도면에서 동일하거나 유사한 요소는 동일한 참조번호에 의해 표시된다:
도 1은 전형적인 내연 기관에 의해, 탄화수소 연료 에너지를 열 및 동력, 또는 일으로의 전환을 개략적으로 나타낸 도면이고;
도 2는 본 발명의 방법과 도 1을 통합하여 개략적으로 도시한 도면이며;
도 3은 포획제를 재생하기 위해 ICE로부터의 폐열을 사용하는 본 발명의 방법의 구체 예를 개략적으로 도시한 도면이고;
도 4는 액체 포획제 및 대표적일 열 회수 기기를 사용한 시스템 및 장치의 일 구체 예의 개략적인 도면이며;
도 5는 흡수 엔진 냉각수가 포획제로서 활용되는 또 다른 구체 예의 개략적인 도면이고;
도 6은 슬러리가 포획제로 활용되는 한 구체 예의 개략적인 도면이며;
도 7은 액체 흡착제가 포획제로 활용되고, 배기 가스는 열교환기에 의해 냉각되는 한 구체 예의 개략적인 도면이고;
도 8은 수증기가 있거나 없는 순수 CO2 가스 스트림에 대한 고체 알루미네이트 (aluminate) 흡착제 화합물의 상기 CO2 흡수 용량을 온도의 증가에 따라 설명하는 차트이며;
도 9는 고체 알칼리 토 금속 및 알칼리 금속 화합물의 운전 온도에 비례하는 CO2 흡수 용량의 통상적 변화를 설명하는 차트이고;
도 10은 매우 작은 입자의 고비등점 온도 콜로이드 용액 (high boiling temperature colloidal solution)의 운전 온도에 비례하는 CO2 흡수 용량의 통상적 변화를 설명하는 차트이며;
도 11은 가역 상-변화 흡수제 (reversible phase-changing sorbent)를 활용하는 본 발명의 구체 예의 개략적인 도면이고;
도 12는 가역 CO2 흡수제 물질로 코팅된 자성 입자 (magnetic particles)를 활용하는 한 구체 예의 개략적인 도면이다.
본 발명은 CO2가 상기 포획제의 용량이 도달될 때까지 엔진의 배기 가스로부터 추출되고, 그 다음 상기 CO2가 상기 포획제로부터 탈착되고 회수되며, 동시에 재생되는 구체 예를 참고하여 설명될 것이다. 그 다음, 가스 스트림으로 회수된 CO2는 가스, 액체 및/또는 고체로 저장하기 위해 압축된다. 몇몇 단계 또는 모든 단계에 대해 요구된 약간의 에너지 또는 모든 에너지는 상기 엔진 배기 스트림으로부터 회수된 폐열로부터 유도되고, 이것은 포획제의 재생을 위해 직접적으로 사용될 수 있고, 및/또는 다른 종래 기기에 의해 전기 또는 일로 전환될 수 있다. 폐열 에너지는 또한 상기 냉각수 시스템 및/또는 엔진 블럭 및 관련된 부품으로부터 유도될 수 있다.
도 3에 개략적으로 도시된 본 발명의 일 구체 예에 있어서, 상기 배기가 CO2-풍부 흡수제와 관련된 열 교환에서 흡수제 재생 구역 (40)을 통과한 후에 상기 CO2가 배기 가스 스트림 (20)으로부터 흡수되는 적절한 시스템 및 장치가 도시되었다. 상기 시스템은 두 개의 서브시스템 (subsystems), 또는 셀들 (40) ("재생 구역") 및 (50) ("CO2 흡착 구역")을 실례로 들어 도시되었지만; 부가적인 서브시스템은 포획제의 용량, 배기 가스 유량 (flow rates) 및 상기 시스템의 다른 특성에 기초하여 사용될 수 있다. 각각의 서브시스템은 CO2를 탈착하기 위하여 액체 흡착제의 온도를 상승시키는 열 교환기를 포함하는, 디자인과 유사할 수 있고, 각각의 서브시스템은 더 큰 비율의 CO2를 회수하기 위하여 병렬로, 또는 직렬로 배열될 수 있다.
본 발명의 대표적인 구체 예는 도 4 및 5에서 개략적으로 도시되었다. 흡수 공정의 개요는 도 4에 나타내었다. 상기 뜨거운 배기 가스 스트림 (20)은 전기적 또는 기계적 에너지로 약간의 폐열을 전환시키기 위해 300℃-650℃의 범위의 온도에서 운전되는 열 회수 (HR) 유닛 (30)을 통과한다. 그 다음, 냉각된 배기 가스 스트림은 CO2를 탈착하는데 필요한 낮은 온도의 열을 제공하고, 이에 의해 CO2로 포화된 액체 흡착제 (42)를 재생시키는 재생 유닛 (40)에서 열 교환기를 통과한다.
그 다음 더욱 냉각된 배기 가스 스트림은 HR (30)보다 더 낮은 온도에서 운전되는 또 다른 열 회수 유닛 (32)으로 통과되고, 여기서 부가적인 폐열은 전기적 또는 기계적 에너지로 전환된다. 상기 더욱 냉각된 배기 가스 스트림 (26)은 여기서 상기 CO2를 흡수 또는 포획하는 재생된 액체 (44)와 접촉하는 흡수 유닛 (50)으로 통과된다. 상기 재생 유닛 (40)으로부터 액체 흡착제 (44)는 최적 흡수 용량에 대한 원하는 값으로 이의 온도를 낮추는 열 회수 유닛 (32)을 통과하고, 상기 회수된 열은 부가적인 전기적 또는 기계적 에너지로 전환된다. 감소된 CO2 함량을 갖는 처리된 배기 가스 스트림 (52)은 대기로 방출된다.
본 발명의 또 다른 구체 예는 도 5에 개략적으로 도시되었고, 여기서 ICE의 종래의 냉각수는 상기 ICE을 냉각시킬 뿐만 아니라, 상기 배기 가스 스트림으로부터 CO2를 흡수시키도록 작용하는 액체 혼합물로 대체된다. 이러한 특별한 냉각수는 "흡수 냉각수"로서 하기에 언급된다. 상기 엔진에 있어서, 상기 탄화수소 연료 및 공기는 CO2를 포함하는 에너지 및 배기 가스를 생산하기 위해 연소된다. 상기 뜨거운 배기 가스로부터 고온에서 CO2 흡수의 용량은 매우 제한적이다. 이러한 가스를 냉각시키고, 동시에 나중의 CO2 치밀화에 대한 동력 또는 일 에너지를 제공하기 위하여, 상기 뜨거운 배기 가스 스트림은 열전 소자 (thermoelectric devices) 또는 스팀-발전기-터빈 조합과 같은, 열의 동력 변환기 (100)를 통해 통과된다. 상기 변환기 (100)로부터 동력은 CO2를, 예를 들어, 압축기 (110)을 통해 고밀도화하는데 사용될 수 있다.
CO2를 함유하는 냉각된 배기 가스 스트림 (26)은 상기 CO2의 대부분을 흡수하는 상기 차가운 흡수 냉각수와 접촉되고, CO2 함량이 감소된 잔여 배기 가스는 대기로 방출된다. 상기 차가운 흡수 냉각수 (cool absorbing coolant)는 상기 엔진 블럭으로 보내지고, 여기서 이것은 실린더에서 연료의 연소에 의해 가열된다. 상기 뜨거운 흡수 냉각수는 CO2에 대한 적은 용량을 갖고, 상기 압력이 감소되자마자, 대부분의 상기 CO2는 가스로 방출되고, 분리기 (120)에서 액체 냉각수로부터 분리된다. 상기 흡수 냉각수는 그 다음 순환되고, 상기 공정은 계속된다. 상기 흡수 냉각수 (coolant)의 특성은 이의 CO2 흡수 용량, 이의 냉각 용량, 및 시간에 따른 이의 기능적 성능을 최적화하기 위하여 온도 및 압력의 운전 조건에 기초하여 결정된다. 상기 냉각 루프 (cooling loop)에서 금속에 대한 흡수 냉각수의 부식성은 또한 고려되어야 한다. 분리기 (120)로부터 회수된 가스질의 CO2 (122)는 유닛 (100)에 의해 발생된 동력를 사용하여 유닛 (110)에서 치밀화가 적용된다.
선택적인 구체 예에 있어서, (도시되지 않음), 종래의 엔진 냉각수는 라디에이터 (radiator)에서 대기로 열을 교환하기보다는 흡수 액체를 가열하는데 사용된다. 또 다른 구체 예에 있어서, 상기 흡착제는 상기 배기 가스 스트림 (20)과 접촉하기 전에 CO2 흡수 용량을 향상시키기 위해 냉동 사이클 (refrigeration cycle)에서 냉각된다.
슬러리 수화물 공급기 (slurry hydrate generator)가 포획제로서 활용된 구체 예는 도 6에 개략적으로 도시하였다. 이전에 기술된 도 4의 구체 예와 같이, 상기 뜨거운 배기 가스 스트림 (20)은 열 회수 기기 (30), 흡수제 재생 구역 (40) 및 그 다음 열 회수 기기 (34)를 통과하고, 여기서 배기 가스 스트림 (26)으로 더욱 냉각된다. 삼-원 밸브 (70)는 상기 슬러리 수화물 공급기 (50)로 사전결정된 양의 배기 가스 스트림 (28)을 허용하도록 프로그램된 밸브 조절기 (72)에 의해 작동된다. 본 구체 예에서 사용하기 위한 적절한 포획제는 CO2의 분자가 또 다른 분자내에 완전하게 밀봉된 함유물 복합체를 형성하는 클라트레이트 (clathrate) 화합물이다. 최종 물질은 CO2 클라트레이트 수화물의 슬러리이다. 상기 CO2 포획은 주변 이하, 예를 들어, 주변에서 -10℃까지의 다소 아래의 온도에서 일어난다. 상기 클라트레이트 수화물은 대기압 또는 다소 더 높은, 즉, 1-10 bar에서 형성될 수 있다.
도 6을 계속 참조하면, 압축 또는 흡수를 사용하는 냉동 사이클 (80)은 효과적인 CO2 포획을 위해 활용된다. 차가운 냉각제 (refrigerant) (82)는 공급기 (50)에서 슬러리와의 열 교환으로 냉동 장치 (80)로부터 순환시킨다. 상기 냉각제의 냉각은 주변 공기 통로 (ambient air passage), 예를 들어, 코일 (86)에 의해 일어날 수 있다. 운전의 또 다른 모드에 있어서, 상기 냉동 사이클은 상기 뜨거운 배기 가스 스트림 (20)으로부터 코일 (84)을 통해 유도된 열을 사용하여 운전된다.
가솔린 또는 디젤 연료의 ICE로부터 배기 가스 스트림은 약 13% 수증기를 함유한다. 상기 수증기의 존재는 상기 배기 스트림으로부터 CO2를 제거하기 위한 특정 흡착제 물질의 능력에 양성 효과, 음성 효과, 또는 효과가 없을 수 있다. 예를 들어, 도 8에서 도시된 바와 같이, 상기 수증기의 존재는 상대적으로 낮은 온도에서 고체 흡착제 물질의 퍼센트로서 CO2의 중체량 (weight gain)을 증가시킨다. 500℃의 온도 및 물의 부재에서, 상기 흡착제에 대한 중체량은 약 22%인 반면, 상기 수증기 존재에서 상기 중체량은 약 42%로 거의 두 배이다. 300℃ 및 400℃에서 얻어진 상대적 중체량은 수증기의 존재하에서 CO2에 대해 약 세배이다. 상기 수증기의 존재가 상기 물질의 CO2 흡수 용량을 향상시키는 이들 흡착제의 경우에 있어서, 더 적은 흡착제 물질은 사용될 수 있고, 주어진 용량의 CO2에 대해 사용될 수 있다. 상기 배기 스트림에서 물의 존재가 도움이 되는 흡착제는 칼슘 알루미네이트, 폴리(알릴아민)과 같은 알루미네이트-계 및 아민-계 물질, 및 다공성 고체상에 지지된 고비점 (boiling point) 액체 아민을 포함한다.
만약 상기 물질이 처음 두 개의 카테고리에 들어가는 화합물의 CO2 보유에 대한 용량을 초과하는 초기 고용량을 갖는다면, 수증기에 의한 역작용이 있는 흡착제 물질은 본 발명의 실시에 활용될 수 있다.
여하튼, 실질적으로 모든 수증기는 질소 및 어떤 잔여 CO2로 대기로 방출될 것이고, 또는 상기 CO2의 궁극적인 치밀화 동안 응축수 (condensate)로 제거될 것이다.
본 발명에서 사용된 CO2 포획제는 고정 발생원에서 사용된 통상적 아민 용액 및 천연 가스 정제 시스템과는 다르다. 내연 기관으로부터의 통상적인 뜨거운 배기 가스는 상기 배기 시스템/파이프에 따른 엔진 회전의 빈도, 하중 및 위치에 의존하는 온도에서 변화한다. 130℃ 내지 650℃의 온도 범위는 아민 용액의 사용에 대해 너무 높은데, 이는 통상적인 아민 용액이 실온에서 60℃까지 CO2를 흡수하고, 80℃ 내지 120℃에서 재생되기 때문이다. 열 교환기 또는 열 회수 시스템은 전체 배기 가스 스트림의 온도를 낮추기 위해 사용될 수 있지만, 상대적으로 더 큰 배기 가스의 부피를 생산하는 ICE을 갖는 몇몇 이동 오염원에서 이용가능한 공간의 제약 때문에, 이들 발생원에서 60℃로 전체 배기 가스 스트림의 온도를 낮추기 위해 열교환기를 사용하는 것은 실용적이지 않을 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 상기 배기 가스 스트림의 일부는 CO2 포획을 위해 가공될 수 있다. 상업적 자동차의 다양한 타입의 시험에 기초하여, 이들의 배기 가스 스트림의 온도가 열 교환에 의해 50℃까지 낮출 수 있다는 것을 확인하였다.
반면, 고온의 ICE 배기 가스 스트림은 더 빠른 동역학의 흡수 및 탈착의 장점을 갖는다. 발전소, 더 낮은 온도, 및 낮은 열의 재생과 같은 CO2의 고정 발생원에 있어서, CO2 포획 비용을 감소시키는 것은 중요한 목표이지만, 이동 오염원에서 상기 배기 가스 스트림에서의 에너지는 통상적으로 대기로 손실되고, 그래서 비슷한 처벌은 없다.
CO2 포획 구성요소의 구체 예는 하기에 기재된 바를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다:
1. 상기 포획제는 배기 가스로부터 분리를 위한 CO2의 화학적 또는 물리적 흡수, 즉, 화학적-흡수제나 물리적-흡수제에 기초할 수 있다. 물리적 흡착제는 활성 탄소, 제올라이트, 금속 유기 골격구조 (Metal Organic Framework) (MOF) 물질 및 유기-무기 하이브리드를 포함할 수 있다.
2. 상기 포획제는 이온성 액체 (ionic liquids) 및 열매체유 (heat transfer fluids)와 같은, 가역적 방법에서 CO2를 물리적 흡수 또는 이와 화학적으로 반응하는 고비등점 온도 액체 또는 공융 혼합물 (eutectic mixture)일 수 있다.
3. 상기 포획제는 CO2와 화학적으로 반응하는 물질의 고비등점 온도 용액일 수 있다. 적절한 시약은 상기 구체 예 (2)에 기술된 바와 같이 고비등점 온도 액체에서 알칼리 금속 탄산염 (alkali metal carbonates)의 용액에서 가역적인 화학적 흡수를 포함한다. 상기 알칼리 금속 탄산염은 수소 탄산염 (hydrogen carbonates), 예를 들어, 바이카보네이트 (bicarbonates)를 형성한다. 칼륨 수소 탄산염은 100℃ 이상에서 재생을 개시하고, 리비듐 수소 탄산염 (rubidium hydrogen carbonate)은 175℃ 이상에서 재생을 개시한다. 또 다른 예는 이미다졸리움 (imidazolium)-계 및 피리드니움 (pyridnium)-계 탄산염/수소 탄산염과 같은 이온성 액체 탄산염이다. 이들 이온성 액체 탄산염은 순수한 상태에서 통상적으로 안정하지 않지만, 용액에서는 안정하다.
4. 상기 포획제는 매우 작은 입자의 고비등점 온도 콜로이드 용액일 수 있고, 액체에서 분산되고, 동역학적으로 또는 열역학적으로 안정되어, CO2와 화학적으로 또는 물리적으로 상호 작용한다. 예로는 상기 구체 예 (2)에 기술된 액체에서 분산될 수 있는 고온에서 높은 CO2 용량을 갖는 고체로 만들어진 입자이다.
5. 상기 포획제는 고비등점 온도 액체에서 동역학적으로 현탁된, CO2를 물리적으로 흡수하거나 또는 이와 반응하는 고체 입자일 수 있다. 이들 입자는 이전 구체 예에서 기술된 것보다 더 큰 크기이다.
6. 상기 포획제는 상기 재생이 수성 아민 용액보다 더 높은 온도에서 발생하기 때문에, 종래의 아민 용질 (amine solute)의 카바메이트 (carbamate)를 안정화시키는 고비등점 온도 용매일 수 있다.
7. 상기 포획제는 CO2를 흡수할 수 있는 고체 흡착제, 고체 카보네이트 또는 다른 물질의 형태로 존재할 수 있다. 포획제의 예로는 금속 산화물, 하이드로탈사이트 (hydrotalcites), 지르코늄산 (zirconates), 실리케이트, 알루미네이트, 카보네이트, 및 지지된 아민을 포함한다. 상기 포획제는 칼륨-촉진 알루미나와 같은, 촉진된 고-표면적 지지체의 형태일 수 있다. 상기 CO2 포획제는 물질의 단일 클래스 또는 다중 클래스를 포함할 수 있다.
8. 상기 포획제는 4차 암모늄염, 테트라하이드로퓨란 (THF) 및 CO2 수화물 형성을 촉진하는 다른 촉진제의 수성 용액으로서 제조될 수 있고, 상기 다른 촉진제는 또한 본 발명에서 상 변화, 낮은 압력에서, 및 주변 온도에 근접한 것으로 언급된다.
이동 제품에 대한 중요한 파라미터는 CO2 흡수 용량, 열적 및 화학적 안정성, 및 비-부식성을 포함한다. 원하는 특성은 흡수/재생의 낮은 열, 낮은 열 용량에 대한 온건성 및 낮은 증기압을 포함한다. 상기 구체 예 (2)에 기술된 액체 포획제는 가장 단순하지만, 상기 용매 용량은 물리적 흡수에 대해 충분히 높지 않을 수 있다. 상기 구체 예 (3)에 기술된 원하는 액체 포획제는 가장 최선이고, 상기 카보네이트에 의한 화학적 흡수뿐만 아니라 액체에 의한 물리적 흡수를 결합시킨다. 예를 들어, 탄산나트륨의 유동가능한 분말은 물 및 CO2의 존재에서 다음의 화학적 반응식 1을 수행한다:
[반응식 1]
Na2CO3 + H2O + CO2 → 2Na HCO3
상기 포획제를 선택함에 있어서, 고려사항은 특정 차량 타입 및 이것이 배치될 시스템의 각각의 배기 가스 온도에서 장시간 안정성을 제공하는 것이다. 가솔린 엔진 및 디젤 엔진에 대한 배기 가스 온도는 변화할 수 있고, 가솔린-연료 엔지 배기는 일반적으로 비교할 만한 운전 조건하에서 더 뜨겁다. 고려해야할 여러 요인은 다음을 포함한다:
a. 어떤 오염원의 타입은 다른 제조자에 의해 활용된 정제 공정에 내재된 제한 때문에 상기 연료에서 존재하고;
b. 화학적 화합물은 연료의 특정 타입에 내재되고, 연소 동안 NOx 및 SOx과 같이 산화되며;
c. 화학적 화합물은 계면활성제, 염료, 안티-녹 (anti-knock) 및 윤활성 첨가제와 같이, 정제에서 연료에 도입되고;
d. 상기 엔진에서 연소 동안 형성된 어떤 미립자의 양 및 어떤 미립자 여과 시스템이 존재한다.
하기 실시 예는 액체 흡착제의 설명이다.
실시 예 1
상기 배기 가스의 조성물은 몰 퍼센트로 13% CO2, 13% 수증기 (H2O), 73% 질소 및 1% 의 다른 불활성 가스이다. 실온에서, 이온성 액체 (p-비닐벤질) 트리메틸암모늄 헥사플루오로포스페이트 ((p-vinylbenzyl) trimethylammonium hexafluorophosphate)에서 CO2의 용해도는 상기 액체의 77 wt%로 평가된다. 참고문헌으로 본 발명에 도입된 Somsak Supasitmongkol et al., "High CO2 Solubility In Ionic Liquids And A Tetraalkylammonium-based Poly(이온성 액체)." Energy & Environmental Science, 2010, 3, 1961-1972을 참조.
가스성 CO2에 대해 특히 유용한 고체 흡수제가 MgCO3 또는 MgO와 같은, 마그네슘 화합물의 혼합된 염, 및 그룹 IA 금속의 적어도 하나의 염을 포함하는 혼합된 염 조성물이라는 것을 발견하였고, 여기서 Mg 대 그룹 IA 금속의 몰비는 8:1 내지 3:1의 범위일 수 있고, 바람직하게는 6:1 내지 4:1이다. 상기 마그네슘 화합물은 바람직하게는 MgO이고, 그룹 IA 금속의 적어도 하나의 염은 바람직하게는 카보네이트, 및/또는 질산염 (nitrate salt)이다. 특히 바람직한 흡수제 조성물은 MgO:Na2CO3:NaNO3이고, 여기서 Mg:Na의 몰비는 약 4 : 8 내지 1이다. Li, K, 또는 Rb의 염은 상기 바람직한 조성물에서 나트륨염으로 대체할 수 있다.
본 발명의 혼합된 염 흡수제는 하기 실시 예 1에 기술된 바와 같이, 예를 들어, 겔화 반응 (gelation reaction), 또는 바람직하게는 하기 실시 예 2에 기술된 바와 같은 침전 반응 (precipitation reaction)을 통해 제조될 수 있다. 마그네슘 염 및 그룹 IA 금속염은 반응 혼합물을 형성하기 위해 용액에서 제조되고, 형성되며, 결합된다. 이러한 반응은 침전제로 선택적으로 수행된다. 상기 염은 서로 반응하여 MgO 또는 MgCO3가 침전물에서 형성되도록 선택된다. 바람직하게는, 높은 용해성 Mg 화합물은 MgO 그 자체, Mg(OH)2 또는 가장 바람직하게는 Mg(NO3)2와 같이 사용된다. 상술된 바와 같이, MgCl2 또는 Mg(CH3COO)2는 또한 사용될 수 있다. 상기 Mg 염이 선택되었을 때, 당업자는 원하는 MgO / MgCO3를 생산하기 위해 Mg 염과 반응할 염들 또는 어떤 Na 염을 결정할 수 있다.
제조 후에, 상기 흡수제 분말은 버마이트 (boehmite)와 같은, 바인더를 첨가하여, 또는 흡수도 (sorbency)에서 손실을 초래할 수 있는 기술분야에서 알려진 특정 제조 기술로 압출물로 제조될 수 있지만; 상기 기술은 고정층 (packed bed)에서 떨어진 압력을 유지하는데, 및 쉽게 물질의 취급하는데 유용하다.
전술된 분말 염을 사용하여, 더 큰 CO2 흡착 용량은 300℃에서 약 20 wt%의 CO2 로드 (loads)가 달성된, 바인더 없이 제조된 압출물에서 확인되었다. 바인더 없는 압축물의 파쇄 강도 (crush strength)는 버마이트 (0.55 MPa)로 제조된 압출물에 등가인, 0.51 MPa 라는 것을 확인하였다.
상기 반응은 Mg:그룹 IA 금속의 비는 3:1 내지 8:1, 가장 바람직하게는 4:1 내지 6:1로 제공하는 반응성 염의 농도로 수행된다. 상기 비율의 선택은, 전술된 바와 같이, 다른 특성을 갖은 흡수제를 생산하는 비율을 변화시킬 수 있기 때문에 당업자에게 남겨둔다. 상기 흡수제가 운전될 조건에 대한 정보는 사용될 비를 결정할 것이다. 선택적으로, 침전제 (precipitating agent)는 NaNO3와 같이, 반응을 촉진시키기 위해 첨가될 수 있다. 상기 침전제는 바람직하게는 그룹 IA 금속의 염이다.
실시 예 1
본 실시 예는 겔화 공정으로 언급되는 본 발명의 공정에 사용하기 위한 고체 CO2 흡수제의 제조를 기술한다. 수산화 마그네슘 카보네이트 (magnesium carbonate hydroxide) (MgCO3·Mg(OH)2 x H2O)의 양 (395g)은 탈이온수에 용해된 800ml의 탄산나트륨 (42.18 g) 및 질산나트륨 (21.63 g)의 용액에 첨가된다. 이것은 30분 동안 교반된 혼합 염 슬러리를 생산한다. 상기 슬러리는 그 다음 덮고, 주변 온도에서 16 시간동안 방치하며, 이후 MgO:Na2CO3:NaNO3의 건조 케이크를 형성하기 위해 16 시간동안 120℃에서 건조된다. 분석은 75.8:16:8.2의 질량비 및 약 4.8의 Mg:Na의 몰비를 나타낸다. 본 건조 케이크는 그 다음 4 시간 동안 450℃까지, 3℃/분의 램프 속도로 120℃에서 450℃까지 가열하여 하소된다. 상기 하소된 케이크는 분쇄시켜 150-425 메쉬 분획을 수집하기 위해 체로 거르고, 이것은 어떤 나머지 부피를 채우기 위한 SiC와 같은 불활성 물질과 함께 고정층에 사용하기에 적절하다. 시험 결과는 상기 흡수제 상에 CO2의 로딩이 300℃에 최대로 달성되지만, 상기 흡수제가 넓은 온도 범위에 걸쳐 효과적이라는 것을 나타낸다.
실시 예 2
본 실시 예는 침전 공정으로 언급되는 본 발명에서 사용하기 위한 동일한 혼합된 염 조성물의 고체 CO2 흡수제의 제조를 기재하고 있다. 3000 ml 탈이온수에서 Na2CO3의 233.4 g의 용액은 5.0 리터 플라스틱 비이커에 놓고, 기계적 교반기로서 격렬하게 교반시킨다. 500 ml의 탈이온수에 188.4 g Mg(NO3)2 : 6 H2O의 제2 용액은 대략적으로 30 ml/분의 속도로 제1 용액으로 펌프된다. 결과된 슬러리는 한 시간 동안 교반된다. 상기 슬러리는 전술한 바와 같이, 밤새도록 저장되고, 그 다음 습식 침전물 케이크를 산출하도록 여과된다. 약 3200 ml의 여과액이 수집되었다. 이는 실시 예 1에 기재된 바와 같이 처리되어, 24 시간 동안 120℃에서 건조되어 드라이 케이크를 형성한다. 테스트 결과는, 흡수제에 로딩된 CO2의 양이 325℃에서 그 피크에 도달하였고, 실시 예 1로부터의 흡수제와 같이, 본 실시 예로부터의 흡수제 생성물이 또한 넓은 온도 범위에 걸쳐 효과적이었다는 것을 나타내었다.
상기 혼합된 염 흡수제 조성물에서의 알칼리 구성성분의 효과는 최종 흡수제 생성물을 제조하기 위하여 Li, Na, 또는 K 염을 사용하여 평가되었다. 염은 6:1의 Mg : 알칼리 금속의 몰비를 사용하여, 전술한 방식으로 제조되었다. 최종 생성물은 모의 배기 가스 스트림으로부터 CO2를 제거하기 위한 그 능력에 대해 시험되었다. 흡착은 3,125/시간의 GHSV에서, 100 - 450℃ 온도 범위에서 실행되었다. 상기 흡수제는 10℃/분의 속도, 및 2500/시간의 GHSV에서, 온도를 450℃로 램프시켜 재생되었다.
결과는 Na이 최상의 운전 온도 범위를 생산하고, Li 및 K 알칼리 금속이 상이한 온도에서 잘 작용하는 것으로 나타났다. 소듐 함유 흡수제는 200℃ 내지 400℃의 온도 범위에 걸쳐 CO2를 흡수하고, 325℃에서 최대치에 도달하였다. 리튬을 함유 분말은 200℃에서 가장 효과적이었고, 약 250℃에서 효과적인 반면, 칼륨 함유 화합물은 약 300℃ 내지 약 400℃의 더 높은 온도 범위에서 CO2를 흡착했다.
부가적인 테스트는, 본 발명의 혼합된 염 조성물이 구성요소로서 Mg2CO3 또는 MgO를 구비할 수 있고, 이들 흡수제의 제조에서, 선택된 바람직한 Mg 화합물이 이들 중 하나를 유도하는 것으로 나타났다.
Mg(NO3)2, MgO, 및 Mg(OH)2는 실시 예 1 및 실시 예 2의 동일한 파라미터를 사용해 모두 시험되었다. 모두 CO2를 흡착하지만, 질산염은 MgO 또는 Mg(OH)2 염보다 CO2를 흡착하는데 상당히 큰 능력을 갖는 흡수제를 생산하였다.
Mg(NO3)2가 물에서의 용해성이 다른 화합물보다 상당히 더 크다는 것에 주목할만하다. 용해성에서의 차이는 또한 최종 생성물이 상이한 반응성 메커니즘을 결과하는 것을 나타낸다. 예를 들면, 질산염은 나트륨염과 음이온 교환에 참여하는 반면, 산화물 및 수산화물은 참여하지 않는다. 그러므로, 마그네슘염이 더욱더 용해가능하면 할수록, 최종 생성물의 흡착 능력은 더욱더 커진다. 따라서, Mg(NO3)2, MgCl2, Mg(CH3COO)2 및 다른 높은 용해가능한 마그네슘염이 본 발명의 흡수제를 만드는데 바람직하다.
소듐의 농도는 상이한 온도에서 최적의 흡착 용량으로, 흡수제의 성능에 영향을 미친다. Na에 대한 Mg의 농도의 감소는 피크 CO2 로딩 온도에서의 변화를 결과하여, 325℃ - 350℃에 비해 250℃ 내지 275℃를 형성한다. 이와 달리, 상기 흡수제에 로딩된 CO2의 증가는 더 높은 농도에 대한 12-13 wt%와 비교하였을 경우보다는 약 20 wt%에서 관찰되었다.
상기 시험이 침전제로 Na2CO3를 사용한 반면, (NH4)2CO3로 예시된 바와 같이, 다른 것이 사용될 수 있다.
Na2CO3로 상기 흡수제를 제조하기 위하여, 침전제는 용액의 형태로 MgNO3의 용액에 느리게 첨가되었다. 상기 (NH4)2CO3는 MgNO3 및 Na2NO3의 용액에 첨가되는 동안, 6:1의 Mg:Na 몰비를 유지하였다.
결과는 Na2CO3로 얻어진 생성물이 넓은 범위의 활성도를 나타내는 반면, (NH4)2CO3로 제조된 생성물은 300℃에서 CO2 흡착 (adsorbence) 활성도에서 매우 날카로운 급격한 상승 (spike)과, 다른 온도에서 매우 작은 활성도를 나타내는 것으로 나타났다. 이들 결과는 침전제에서의 변화가 다른 적용에 대한 흡수제를 제조하는데 사용될 수 있다는 것을 제시한다.
본 발명의 실시에 있어서, CO2는 흡수제가 배기 가스 스트림으로부터 전부 또는 일부의 CO2를 제거하기 위한 충분한 시간 동안에, 약 100℃ 내지 약 450℃, 바람직하게는 약 250℃ 내지 약 350℃ 범위의 온도에서 전술된 혼합된 염 흡수제와의 접촉에 의해 배기 가스 스트림으로부터 흡착된다. 전술한 바와 같이, 상기 흡수제는 CO2로 포화될 것이고, 이는 상기 흡수제와의 접촉 이전 및 이후의 배기 가스 스트림의 CO2의 함량을 측정하고 비교함으로써 결정될 수 있다. 더 이상의 CO2가 상기 배기 스트림으로부터 제거되지 않은 것이 명확한 경우, 상기 흡수제는, 예를 들면, 상기 CO2를 그의 탈착 온도, 예를 들면, 약 500℃로 가열시킴으로써 재생될 수 있다. 다시 말하자면, 존재하는 가스에 함유된 CO2의 양을 측정함으로써, 당업자는 상기 흡수제가 재사용을 위해 준비된 때를 결정할 수 있다.
상기 흡수 및 탈착 셀들은 다른 디자인일 수 있다. 쉘-및 튜브 교환기 (Shell-and-tube exchangers)는 사용될 수 있고, 여기서 상기 흡착제는 상기 튜브를 통해 순환된다. 다른 타입의 열 교환기는 상기 포획제들이 순환시키기 위해 사용될 수 있다. 이들은 평판형, 나선형, 교차-유동형, 및 다른 타입들을 포함한다. 흡수/탈착의 열의 매우 효과적인 교환 및 압축을 허용하기 위해 단일 유닛에서 흡수 및 탈착 구역 모두를 결합하는 것은 가능하다. 상기 흡수 열은 상기 CO2가 포획됨에 따라 방출할 것이고, 상기 흡착제의 재생을 위해 요구된 열의 적어도 일부를 제공하기 위하여 다른 면에 전도되거나 또는 전달될 것이다. 상기 흡수 유닛은 상기 배기 가스 및 포획제 사이에 직접 접촉을 제공할 수 있다. 적절한 기기는 정적 및 동적 혼합기 (static and dynamic mixer), 팩 및 트레이 컬럼 (packed and tray columns) 및 막 컨택터 (membrane contactors)를 포함한다.
두 개의 포획 셀들은 흡수 및 탈착 사이에 스윙 순환 공정을 위해 계획되었고, 다중 셀은 다른 흡수/탈착 사이클을 제공하는데 사용될 수 있다.
도 3의 개략적인 도시에 개략적으로 기술되고, 도 4의 도시에 부가적인 특이성으로 기술된 상기 온도 스윙 흡수에 부가적으로, 압력 스윙, 진공 스윙, 및 전기 스윙 흡수와 같은 다른 공정들은 단독 또는 결합으로 사용될 수 있다. 상기 포획 셀을 통한 포획제의 가스 유량은 배기 유출구에서 검출된 CO2 농도, 사전 결정된 한정 운전 시간, 및 상기 포획제의 CO2 용량의 최대/최적 활용을 보장하기 위하여 선택된 다른 기준을 기초하여 조절될 수 있다.
도 5 및 6은 또한 열 회수 (HR) 구성요소 (30, 32, 34)에 대한 선택적 위치를 나타내고, 이것은 열 에너지를 시스템의 치밀화 장치 및 센서, 열전대, 시스템 조절 유닛 및 밸브와 같은 여러 보조 설비를 운전하는데 사용될 수 있는 기계적 일 또는 전기적 동력으로 전환하는데 제공한다. 액체 열 전이제 (transfer agent)로 이들 기기의 낮은 온도 면의 활성 냉각은 액체가 많은 양의 열을 운반 및 전달할 수 있기 때문에 바람직하며, 이들 포획제는 흡수 및 재생 동안 교환가능하다. 부피의 단위당 액체의 열 용량, 즉, 이들의 부피 열 용량은 가스보다 약 100배 더 크다. 따라서, 동일한 부피에 대하여, 액체는 가스보다 약 100배 이상의 비율로 열을 제거 또는 제공할 수 있다. 유사하게, 첨가 또는 제거될 열의 동일한 양에 대하여, 필요한 액체의 부피는 요구된 가스의 부피의 약 1/100th 이다.
상기 CO2는 장착된 차량에 촉매 변환기의 배기가스 다운스트림으로부터 제거되는 것이 바람직하다. 이것은 상기 배기가 상기 흡착제에 역효과를 일으킬 수 있는 오염원을 적게 갖기 때문이다. 부가적으로, 상기 엔진이 시동시 차가운 경우, 상기 촉매 변환기의 배기 가스 다운스트림은 상기 변환기에서 발생한 발열 반응 때문에 업스트림보다 더 뜨거울 것이다.
상기 CO2 치밀화 구성요소가 일시적 온-보드 저장을 위해 CO2의 가압, 액화 또는 고화를 보장하도록 적당한 능동/수동 냉각 시스템을 갖는 단단 또는 다단 압축기에 의해 달성될 수 있다. 상기 CO2는 이동 오염원 온 보드의 단일 탱크나 다수 탱크에 저장될 수 있다. 상기 연료 탱크는 또한 연료 측과 상기 CO2 측 사이에 이동 칸막이 (moving partition)를 구비함으로써 포획된 CO2를 저장하는데 사용될 수 있다. 모든 시스템 구성요소의 제어는 성능을 최적화하기 위하여, 이동 오염원의 제어 시스템 또는 별도의 제어 시스템으로 통합될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 시스템 (10)의 구체 예는, 예를 들어, 코일 또는 배기 가스 스트림 (26)이 통과하는 다른 채널에 대해 주변 공기를 유도하는 공기 냉각 유닛 (64) 및/또는 물 또는 다른 액체-냉각된 열 교환 (62)을 포함하는, 상기 배기 가스 스트림의 온도를 감소시키기 위한 주변 냉각 구역 (60)에 도입하는 것을 개략적으로 도시된다. 상기 냉각된 배기 가스 스트림 (28)은 그 다음 흡착 구역 (50)에 들어가고, 여기서 이것은 상기 냉각된 배기 가스 스트림 (28)에서의 상기 CO2의 전부 또는 실질적인 부분을 흡수에 의해 포획하는 액체 아민 용액과 접촉한다. CO2 함량이 없거나 또는 감소된, 잔여 배기 가스 (52)는 대기로 방출된다.
상기 흡착 구역 (50)은 평형 흡수체로 스윙 순환 모드에서 운전될 수 있다. 상기 스윙 모드의 운전에 있어서, 하나의 흡수체의 내용물은 재생 구역 (40)에서 뜨거운 배기 가스 스트림과 교환하여 재생된다. 상기 포화된 아민 용액 (42)은 도관 (42)을 통해 흡착 구역 (50)으로부터 상기 CO2 풍부 가스 스트림 (48)이 치밀화 및 저장을 위해 회수되는 상기 재생 구역 (40)으로 통과한다. 새롭게 재생된 아민 스트림 (44)은 열 회수 기기 (32)를 통한 통과에 의해 냉각된 후 흡착 구역 (50)으로 반송된다. 상기 재생 구역 (40)을 통해 통과하는 흡착제 스트림 (42)의 온도는 CO2의 전부 또는 실질적으로 전부를 탈착하고, 그것이 상기 흡착제 구역 (50)으로 재순환하기 위해 반드시 냉각되어야 하기 때문에 용액을 과가열하는 것을 피하도록 제어된다.
선택적인 구체 예에 있어서 (도시되지 않음), 스트림 (42 및 44)은 열 회수 유닛 (32) 대신에 서로 열 교환하면서 통과한다. 뜨거운 스트림 (44)은 냉각기 (cooler) 스트림 (42)을 부분적으로 가열할 것이고, 따라서 더 좋은 전체 열 관리를 허용한다. 동일한 열 교환 배열은 도 4, 6, 7, 11, 및 12의 구체 예에 적용될 것이다.
삼-원 밸브 (70)는 하나 이상의 압력 및/또는 온도 센서 (도시되지 않음)로부터 신호를 수신하는 프로그램된 프로세서/제어기 (72)에 의해 작용된다. 도 7의 구체 예에 있어서, 밸브 (70)는 열 회수 기기 (34)의 다운스트림이고, 상기 흡착 구역 (50)으로 통과되는 배기 가스 스트림 (26)의 비율 또는 분획을 조절하며, 밸런스는 도관 (27)을 통해 대기로 방출된다. 밸브 (70)는 경로 시스템 운전 센서 분석 및 흡수 유닛 (50)으로 변환될 수 있는 상기 배기 가스 스트림 (26)의 분획의 프로그램된 제어를 방해하는 빠른 가속 또는 증가된 부하와 같은, ICE의 운전 조건에 있어서 대기로 상기 배기 가스 스트림 (27)의 전부를 방출하도록 작용될 수 있다.
열 관리는 상기 CO2 포획제의 흡착 및 탈착 사이클을 제어하는데 요구된다. 도 9는 하기에 기술된 바와 같이, 고체 알칼리 토금속 및 알칼리 금속 조성물의 운전 온도와 관련한 CO2 흡착 용량의 통상적 변화를 설명하는 차트이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 흡착제의 CO2 흡착 용량은 온도에 따라 상당하게 변화할 수 있다. 실시 예에서 나타낸 바와 같이, 고체 알칼리 금속 화합물-함유 흡착제의 용량은 상기 온도가 350℃에 근접함에 따라 최대로 증가하고, 그 다음 350℃ 및 400℃ 사이에서 빠르게 감소한다.
도 10은 고체 입자의 운전 온도와 관련하여 CO2 흡착 용량의 통상적 변화를 설명하는 차트이다. 상기 CO2 흡착 용량은 스프레이 건조된 입자에 대해 300℃에서 약 23%이고, 이는 이러한 타입의 흡착제를 사용하는데 최적 온도이다. 열은 상기 CO2가 물리적 또는 화학적으로 흡착되고, 흡착된 열은 방출됨에 따라 포획 구성요소로부터 제거되어야 할 것이다. 열은 상기 CO2가 상기 제제로부터 방출된 경우, 요구된 탈착/재생의 열을 제공하도록 포획 구성요소에 공급되어야 할 것이다. 열의 공급 및 제거는 전도, 대류, 방사, 열 발생, 및/또는 이들 방법의 조합을 포함하는 방법을 사용하여 달성될 수 있다.
전도의 경우에 있어서, 열은 금속과 같은, 열전도성 물질을 사용하여 상기 CO2 포획제로부터 공급되거나 제거될 수 있다. 만약 상기 CO2 포획제가 튜브를 통과한다면, 상기 열은 상기 튜브 쉘을 통한 전도를 이용하여 튜브의 외부로부터 제거될 수 있다. 핀 (Fins), 다른 디자인 및 튜브 내부의 금속 메쉬 및 공지의 기술은 포획제와 접촉하는 표면적을 증가시키고, 열 전이를 향상시키는데 사용될 수 있다, 핀 및 다른 표면 변화는 또한 시스템의 열 전이를 향상시키기 위해 튜브의 외부 쉘에 사용될 수 있다. 상기 CO2 포획제는 또한 유체를 사용하여 열을 공급 또는 제거하는데 사용된 상기 튜브의 외부 및 튜브의 내부를 통과될 수 있다.
일반적으로, 상업적으로 이용가능한 판-형의 컴팩트한 열 교환기는 상기 배기 가스 스트림의 온도를 감소시키는데 효과적이라고 알려져 있다. 이들은 다양한 크기 및 물질로 제조되어 사용될 수 있다. 큰 열 전이 표면은 상대적으로 보다 작은 기기의 사용을 가능하게 하여, 차량에 부가된 부피 및 중량 모두를 줄인다.
복사 열 교환에 대하여, 열은 재생을 위한 제제에 공급될 수 있다. 고-온 발생원 또는 마이크로파는 열을 공급하는데 사용될 수 있다. 열은 또한 예를 들어, 열전 소자에 의해 동력이 공급되는 전기 가열기와 같은 열 발생 구성요소를 통해, 상기 CO2 포획제에 공급될 수 있다.
도면들은 HR 구성요소의 배치에 대한 위치를 확인한다. 단일 또는 다중 기술은 상기 CO2를 압축하고, 보조 장비에 동력을 공급하기 위해 상기 폐열을 전기적 에너지 또는 일로 전환하는데 사용될 수 있다. 상기 HR 구성요소의 크기 또는 용량, 위치 및 운전 조건은 예를 들어, 엔진 배기 스트림으로부터 폐열의 이용가능성을 기초로 결정된다. 이것은 그것이 배기 또는 엔진 냉각수이든지, 폐열 스트림의 온도 및 부피 유량 모두를 포함할 수 있다.
단일 또는 하나 이상의 타입의 열 회수 구성 요소는 폐열 스트림의 특성 및 이것의 온도 및 유동 조건에 의존하여 사용될 수 있다.
상기 열/에너지 회수 시스템의 운전은, 온도 및 유동 센서로부터 데이터를 수신하고, 유동-조정 밸브와의 연통을 제어하는 사전-프로그램된 프로세서 및 제어기에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 엔진 배기 가스의 온도가 CO2를 방출하는데 충분한 온도로 상승시키기 위하여, 포화된 포획 물질의 컨테이너와 열 교환 접촉으로 상기 배기 가스를 통과시킴으로써 제어될 수 있다. 보다 저온의 배기 가스가 이후 전기를 생산하는 열전 소자와 열을 더욱 교환할 수 있다. 결론적으로, 상대적으로 낮은 온도의 배기 가스가 대기로 방출되기 전에, 상기 배기 가스의 CO2 함량의 감소를 위해 흡착 구역으로 도입될 수 있다.
본 발명의 실시에 사용된 열 회수 (HR) 구성요소의 타입은 하기 타입의 장치를 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
1. 전력을 발생시키는 열전 소자, 또는 모듈. 상기 열전 모듈의 뜨거운 측은 배기 가스 측에 설치되고, 차가운 측은 활성 시스템이라 하는 폐쇄된 냉각 시스템에 설치되거나 공기 (수동 시스템)에 노출된다. 상기 열전 모듈은 고온 측으로부터의 열의 일부를 제거하고, 치밀화 장치 및/또는 다른 온 보드 장비를 운전하는데 사용될 수 있는 전력을 발생시킨다.
상기 폐열을 전기 에너지로 전환시키는데 사용된 열전 소자는 에너지 전환을 최적화하기 위한 상이한 위치 및 배열에 위치될 수 있다. 상기 열전 소자는 상기 소자의 뜨거운 측으로 배기 파이프, 포획 구성요소, 엔진 블럭 또는 다른 엔진 구성요소와 가열 전도성 접촉이 보장될 수 있다. 상기 열전 소자의 차가운 측은 상기 소자를 냉각하도록 공기 대류에 노출될 수 있다. 상기 열전 소자의 저온 측은 또한 능동형 냉각 시스템, 예를 들면, 순환하는 액체와 접촉할 수 있어, 열 전이를 용이하게 하고, 또한 열전 모듈의 성능을 제어한다. 전술된 바와 같이, 액체 냉각수의 열 용량은 전이 열에 대해 가스 용량의 약 100 배이다.
상기 열전 소자는 배기 가스에서의 압력 강하 영향을 최소화하는 원통형 파이프 또는 직사각형 파이프와 같은 상이한 형상을 취할 수 있다. 내부 핀 및/또는 외부 핀은 또한 열전 소자의 열 전달과 이에 따른 상기 열전 소자의 성능을 향상시키도록 사용될 수 있다. 열전 소자는 고온에 사용되도록, 엔진 블럭 상에 또는 상기 엔진 블럭과 매우 근접하여 장착될 수 있다. 적당한 재료가 고온을 견디도록 선택된다.
2. 열전 모듈을 사용해 발생된 전력은 전기 저장 시스템, 예를 들면, 전력을 순차로 치밀화 장치 및/또는 다른 설비에 공급하는 배터리에 공급될 수 있다. 열전 모듈용 반도체의 선택은 적용 온도 범위에 기초한다. 상이한 열전 소자를 스택하는 것은 열 회수 및 이에 따른 전기 에너지 발생을 최적화시키도록 사용될 수 있다.
3. 실린더에서의 가스를 팽창시켜 ICE 배기로부터의 폐열이 엔진의 하나 이상의 실린더의 벽에 공급되는 스터링 엔진은 CO2를 액화하거나 고화시키기 위한 차가운 냉각제를 제공하는 압축 냉동 사이클 유닛의 압축기를 가동시키거나 치밀화 압축기를 가동시키는 필요한 기계적인 일을 실행할 수 있는 피스톤을 구동시킨다.
4. 스팀 발생기는 CO2를 액화하거나 고화시키기 위한 차가운 냉각제를 제공하는 압축 냉동 사이클 유닛의 압축기를 가동시키거나 치밀화 압축기를 가동시키는 기계적인 일을 발생시키는 터빈에 스팀을 제공한다.
5. 소형의 형상 기억 합금 엔진이나 압축기가 (CuSn, InTi, TiNi, 및 MnCu와 같은) 합금의 형상을 변경시키는 폐열을 사용하고, 포획된 CO2의 밀도를 증가시키는데 사용되는 기계적인 일을 발생시킨다. 엔진 압축기가 필요한 압축을 발생시키도록 합금의 고온 측과 냉각 측을 구비함으로써 운전한다. 아래 기재된 특허문헌은 이들 타입의 진귀한 합금에 기초한 열 기관을 기술하고 있다: USP 3,913,326; USP 4,055,955; USP 5,442,914; USP 7,444,812; 및 공개특허문헌 2009/0315489. 이들 특허문헌의 내용은 참조로서 본 발명의 명세서에 도입된다.
6. 단일 또는 다수의 열 회수 시스템은 상기 배기 가스 및 냉각수 시스템에 설치될 수 있다.
7. 단일 또는 다수의 열 회수 시스템은 요구된 동력을 발생하고, 상기 배기 가스의 온도를 효과적으로 제어하도록 설치될 수 있다.
8. 동력 공급에 부가하여, 상기 열 회수 구성요소가 배기 가스의 온도를 제어하여 상기 CO2 포획제의 성능을 최적화하도록 사용될 수 있다.
상기 상세한 설명 및 실시 예로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 방법 및 시스템은 승합차, 트럭, 버스, 중장비 차량, 기차, 선박 및 탄화수소 연료의 연소로 운전되는 다른 것들과 같은 넓은 범위의 이동 오염원에 사용하는데 적절하다. 본 발명은 새로운 이동 오염원 또는 현 이동 오염원을 개량하여 설치될 수 있다.
본 발명은 후-연소 CO2 포획 및 이동 오염원으로부터 온-보드 저장을 설명한다. 운전 비용 및 설비 조건을 최소화하기 위하여, 통상적으로 대기로 방출된, 이용가능한 열은 상기 흡착제 물질, 또는 포획제로부터의 연소가스에서 추출된 CO2를 분리하고, 효과적인 온-보드 저장을 위해 생산된 CO2의 전부 또는 일부를 압축/액화하기 위해 필요한 에너지를 제공하는데 사용된다. 상기 포획된 CO2는 그것이 연료 공급기에서 회수를 위해 방출 또는 제거된 경우, 급유될 때까지 온 보드에 적색일 수 있다. 본 발명의 장치는 재형성과 같은, 화학적 변화, 또는 CO2를 삼투할 수 있는 실린더 벽을 제공하는 것과 같이, 엔진 디자인에서 주요 변화를 포함하는 제한된 방법과 비교하여 온 보드에 배치하는 것이 더 용이하다.
150℃에서, 상기 이온성 액체 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트에 대해 일정한 Henry의 법칙은, 0.01wt%의 매우 낮은 CO2 용해도를 제공하는, 265로 외삽 (extrapolation)에 의해 평가되고, 따라서 상기 화합물은 본 발명의 방법에 사용하기에 적절하지 않다. USP 6,579,343호를 참조.
실시 예 3
배기 가스의 조성물은 몰 퍼센트로 13% CO2, 13% 수증기 (H2O), 73% 질소 및 1%의 산소 및 다른 가스이다. 표 1은 최적 CO2 포획 온도, CO2 용량 및 여러 액체 흡착제의 재생 온도를 나타낸다.
최적 CO2 포획 온도의 평가된 범위, ℃ 평가된 재생 온도, ℃ 25wt% 용액에 대해 평가된 최대 CO2 용량 50wt% 용액에 대해 평가된 최대 CO2 용량
Na2CO3의 액체용액 60-75 >120 10 wt% 20 wt%
K2CO3의 액체용액 100-125 >150 25wt% 용액에 대해: 8 wt% 50wt% 용액에 대해: 16 wt%
Ru2CO3의 액체용액 175-200 >250 25wt% 용액에 대해: 5 wt% 50wt% 용액에 대해: 10 wt%
액체에서 촉진된 MgO의 고체 입자의 현탁액 260-325 >400 25wt% 현탁액에 대해: *
14 wt%		 50wt% 현탁액에 대해:*
27 wt%
상기 표에 대한 데이터를 준비하는데 있어서, 상기 용매가 없거나 또는 매우 낮은 CO2 흡착 용량을 갖는다고 전제한다. 용매는 (a) 100℃ 이상에서 수증기화되는 것을 예방하기 위해 증가된 압력에서의 물, (b) 이온성 액체, 및 (c) 최대 온도에서 사용하기 위한 용융염으로부터 선택될 수 있다. 상기 용액은 최적 포획 온도를 증가함에 따라 구성된다. 상대적으로 낮은 포획 온도는 상기 배기 가스 스트림을 냉각하기 위해 큰 열 교환기를 요구할 것이지만, 더 많은 현열 (sensible heat)은 배기 가스로부터 CO2 포획의 더 큰 퍼센트를 유도하는 더 큰 부피의 용액을 재생하기 위해 뜨거운 배기 가스로부터 이용가능하다. 상기 배기 가스로부터 포획된 CO2의 퍼센트가 상기 표에서 기재된 최대 용액 용량과 다르다는 것을 주목해야 한다. 상기 용량은 물리적, 즉, 열동력학적 특성이고, 상기 배기 가스 스트림으로부터 포획된 CO2의 퍼센트는 사용된 용액의 상대적 양 및 다른 요인 사이에서, 이의 순환율에 주로 의존한다.
상기 표에 있어서, 이것은 또한 MgO의 오직 1/2이 CO2와 반응을 위해 이용가능하다고 전제된다.
전술된 바와 같이, 고체 CO2 흡착제는 또한 사용되는데, 특히 이들은 그룹 IA 금속 염, 예를 들어, Mg 염뿐만 아니라, Na, Li, K, Rb, 바람직하게는 Na를 함유한다.
본 발명의 또 다른 구체 예는 화학적 상-변화 흡수제를 사용하여 CO2 흡수 공정의 실행을 위한 시스템 및 장치를 설명하는 도 11을 참조하여 기술될 것이다. 상기 시스템은 재생 유닛 (40), 화학적 흡수/흡착 유닛 (50), 및 여러 열 회수 (HR) 기기 (30, 32, 34 및 36)를 포함한다. 액체 디-아민과 같은 화학 흡수제 및 CO2와 가역적인 화학 결합을 형성할 수 있는 아민 그룹으로 관능화된 다른 액체는 본 구체 예에서 사용될 수 있다. 이러한 화학적 흡수제의 예는 CO2와 화학적으로 반응한 후에 고체 상으로 가역적으로 변화하는 액체 GAP-0 카바메이트이다. 상기 반응 공정은 다음과 같다:
H2N-(------)-NH2 + CO2 → H3N+-(------)-NHCO2 - (1)
(액체) (고체)
상기 포획된 CO2는 고체 물질을 가열하여 상기 흡수제로부터 방출될 수 있고, 이러한 공정에서 상기 고체 흡수제는 다음과 같이 나타낸 바와 같이, 액체 상으로 다시 변화한다:
H3N+-(------)-NHCO2 - + 열 → H2N-(------)-NH2 + CO2 (2)
(고체) (액체)
CO2 포획 및 재생의 화학적 공정에 있어서, 차량의 ICE로부터 뜨거운 배기 가스 스트림 (20)은 약간의 폐열을 전기적 또는 기계적 에너지로 전환하기 위하여, 상대적으로 높은 온도, 예를 들어, 300℃-650℃에서 운전하는 제1 열 회수 유닛 (30)을 통해 통과한다. 적절히 냉각된 배기 가스 스트림 (22)은 그 다음 재생 유닛 (40)까지 통과되고, 여기서 고체 흡수제 (42)는 상기 배기 가스 스트림 (22)으로부터 열을 사용하는 열 교환에서, 상기 반응 (2)에 의해 가열되고 재생된다. 상기 배기 가스 스트림 및 흡수제는 재생 유닛 (40)에서 서로 직접 접촉하지 않는다. 재생 유닛 (40)으로부터 방출된 액체 흡수제 (44)는 CO2와 접촉 및 반응을 위해 사전 결정된 값으로 상기 흡수제의 온도를 낮추기 위해 열 회수 유닛 (34)으로 통과된다. 재생 유닛 (40)으로부터 방출된 냉각기 배기 가스 스트림 (24)는 사전 결정된 값으로 배기 가스 스트림의 온도를 낮추기 위해 열 회수 유닛 (36)으로 이송된다. HR 기기 (36)를 나오는 배기 가스 스트림 (26)은 상기 배기 가스에 함유된 CO2가 반응 (1)에 따른 액체에 의해 흡수되는 화학적 흡수 유닛 (50)에서 액체 흡수제와 접촉하여 운반된다. 흡착 유닛 (50)에서 형성된 포획된 CO2를 갖는 고체 흡수제는 유닛 운전 (51)에서 사이클론 (cyclone) 또는 필터 (filter)와 같은 적절한 유닛을 사용하여 상기 배기 가스로부터 분리되고, 새로운 액체 흡수제를 생산하기 위해 재생 유닛 (40)을 통해 재순환된다. 감소된 양의 CO2를 함유하는 잔여 배기 가스 스트림 (52)은 대기로 방출된다.
상기 재생 유닛 (40)의 한정된 공간에 방출된 CO2 스트림 (48)의 압력 및 온도는 상대적으로 높다. 상기 CO2 가스의 온도는 열 회수 유닛 (32)를 통하는 통로에서 감소된 후에 상기 CO2는 일시적 저장을 위한 압력 탱크로 전달, 또는 전술된 방법 및 장치로 치밀화가 적용된다.
본 발명의 공정의 또 다른 구체 예는 자기 코어 (magnetic core)를 구비한 고체 포획제를 사용한 CO2 포획 공정에 대한 시스템 및 장치를 설명하는 도 12에 관련하여 기술될 것이다. 상기 시스템은 흡수/흡착 유닛 (50), 재생 유닛 (40), 자기장 발생원 (56)을 갖는 자기 분리 유닛 (55), 및 여러 열 회수 (HR) 기기 (30, 32, 34 및 36)를 포함한다. 상기 CO2 포획은 화학적 흡수 또는 물리적 흡착에 기초된다. 각 경우에 있어서, 상기 CO2는 포획제를 가열하여 방출되고, 도 12의 시스템의 전체 운전은 전술된 바와 같은 도 11과 유사하다. 적절한 고체 포획제는 금속 카보네이트, 바이-카보네이드, 산화물, 활성탄소, 제올라이트, 금속 유기 골격 (metal organic framework) (MOF) 물질 및 유기-무기 하이브리드를 포함한다. 상기 자기 코어는 철, 코발트, 및 이들의 산화물과 같은 자기 물질을 포함할 수 있다. (예를 들어, The American Institute of Chemical Engineers (AIChE) Journal, November 2004 Vol. 50, No. 11, page 2835를 참조).
상기 액체 운반은 (a) 동역학 또는 열역학 (thermodynamic) 수단에 의해 입자에 안정성을 제공하는 고비등점 온도 액체 또는 공융 염 (eutectic salt) 혼합물; 또는 (b) 동역학 또는 열역학 수단에 의해 현탁된 입자를 안정화시키는 고비등점 온도 용액 또는 물질의 하나 또는 조합일 수 있다.
도 12를 계속 참조하면, 자기 코어를 구비한 고체 포획제의 액체 현탁액 (53, 54)은 CO2 포획 및 방출에 위한 시스템에서 순환된다. 상기 흡수 단계 후에, 상기 액체 현탁액은 입자 분리 용기 (55)에 보내지고, 여기서 자기장 쪽으로 빠르게 이동하는 입자를 유발하는 자기장 (56)이 적용되고, 이에 의해 상기 흡수/흡착 구역 (50)에 도입을 위해 배기 가스 스트림 (26)에 재순환 및 혼합되는 운반 액체 (54)로부터 입자를 분리 및 농축시킨다.
CO2 함유 입자 (42)는 상기 CO2를 방출하기 위해 배기 가스 스트림 (22)에 관련한 열 교환에서 가열된 상기 재생 구역 (40)으로 이송된다. 상기 뜨거운 재생된 입자 (44)는 HR 장치 (34)를 통해 통과하고, 상기 흡수 (50)에 재도입을 위해 냉각되며, 여기서 이들은 도입 담체 액체 스트림 (incoming carrier liquid stream) (54) 및 냉각된 배기 가스 스트림 (26)과 혼합된다.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, CO2의 일부는, 포획제의 재생이 적당한 도관을 통해 엔진의 공기 흡입부로 회수되어 대기 공기 및 연료와 혼합된 이후에, 회수된다. 시스템 운전의 이러한 특징은 엔진 운전 온도를 낮추고 이에 따라 연료의 연소 동안에 만들어진 NOx 화합물의 양을 감소시키도록 현재 사용된 배기 가스 재순환 (EGR)용 공지된 방법과 유사하다. 배기 가스 부피의 5 내지 15 퍼센트에 상당하는 CO2의 양이 흡입으로 회수될 수 있다. CO2의 회수가 또한 연료 혼합물에서 같이, 빼내어진 대기 질소의 양을 감소시키고, 이는 또한 배기에서의 NOx 화합물을 감소시키는 유리한 효과를 갖는다. 배기 가스 스트림에서의 CO2의 퍼센트는 또한 증가되어, 회수를 향상시킨다.
CO2의 재순환은 자동차에서의 배기 가스 재순환을 위해 전통적으로 사용된 동일한 기기와 제어 시스템에 의해 실행될 수 있다. 상기 CO2의 재순환은 또한 현 EGR 시스템과 관련하여 실행될 수 있다. 상기 CO2는 엔진 운전 조건에 기초하여 또는 현 실시에 따르면, 엔진이 차가울 때의 시동시, 또는 급격한 가속 동안 및/또는 ICE가 과부하 상태일 때에서와 같이 전반적으로 재순환을 중단시키는 것에 기초하여 배기 가스의 전부 또는 사전결정된 부분을 대체할 수 있다.
본 발명의 다른 구체 예에 있어서, 상기 배기 가스 스트림 또는 고밀도화된 저장 컨테이너로부터 직접적으로 회수된 CO2의 일부가 물과 혼합되고, 공지된 방법을 사용하여 촉매적으로 반응하여, 인시튜 형성된 수소 및 일산화탄소의 중간 (interim) 반응에 의해 메탄 및 물을 형성한다. 상기 메탄 및 물은 이후 엔진 흡입부에 공급된 종래의 탄화수소 연료를 보충하는데 사용된다. 상기 CO2와 반응된 물은 이러한 목적을 위해 제공된 배기 가스 스트림 또는 별도의 온-보드 발생원으로부터 회수될 수 있다.
본 발명의 방법 및 시스템의 또 다른 장점은 차량의 공조 시스템에 사용하기 위한 차량 온 보드에 가압된 CO2의 이용가능성이다. 상기 CO2는 환경을 훼손하는 위험을 야기하는 것으로 드러난 프레온 타입의 냉각제 및 인공의 수소불화탄소 화학약품 대신에 사용된다.
본 발명은 특정 실시 예 및 첨부된 예시적인 도면을 참조하여 기술된 반면, 기술분야의 당업자에게는 다양한 변형 및 변화가 하기 청구항에 의해 결정된 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 만들어질 수 있음은 분명할 것이다.
10: 시스템 20: 배기 가스 스트림
30: 열 회수 (HR) 유닛 40: 재생 유닛
50: 흡수 유닛 100: 동력 변환기
110: 압축기

Claims (32)

  1. 차량의 동력을 공급하기 위해 사용된 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법으로서,
    a. 상기 배기 스트림으로부터 CO2를 추출하기 위한 사전결정된 용량을 갖는, 차량 온-보드 (on-board)의 CO2 포획제와 상기 배기 가스 스트림을 접촉시키는 단계;
    b. 감소된 CO2 함량을 갖는 처리된 배기 가스 스트림을 대기로 방출시키는 단계;
    c. 상기 포획제에 의해 추출된 CO2의 농도가 사전결정된 수준에 도달할 때, 상기 포획제와 상기 배기 가스 스트림의 접촉을 중단시키는 단계;
    d. 상기 추출된 CO2를 방출하고 상기 포획제를 재생시키기 위해 상기 CO2 포획제를 가열하는 단계;
    e. 본질적으로 순수한 CO2 가스 스트림을 회수하는 단계;
    f. 회수된 CO2 가스의 부피를 감소시키기 위하여, 상기 차량 온-보드의 상기 회수된 CO2 가스를 압축시키는 단계; 및
    g. 상기 차량 온-보드의 상기 압축된 CO2를 일시적으로 저장하는 단계를 포함하는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은 에너지 전환 매체와 접촉시켜, 상기 ICE로부터 배출된 뜨거운 배기 가스 스트림의 열과 에너지를 회수하는 단계 및 단계 (f)에서의 CO2를 압축하기 위해 회수된 에너지를 사용하는 단계를 포함하는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은 상기 차량의 ICE의 시동 이후에 실질적으로 연속적으로 운전하는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은 상기 처리된 배기 가스 스트림에 남아있는 CO2 수준을 측정하는 단계 및 상기 측정된 수준의 값을 사전결정된 한계 값과 비교하는 단계를 더욱 포함하는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 사전결정된 한계 값은 상기 CO2 포획제의 사전결정된 용량에 대응하고, 상기 CO2 포획제와 상기 배기 가스 스트림의 접촉은, 상기 한계 값에 도달 시, 중단되는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2 포획제는 뜨거운 배기 가스 스트림과의 열 교환에 의해 단계 (d)에서 가열되는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 열 교환은 상기 포획제가 이동하는 동안에 발생하는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2 포획제는 CO2를 흡착하는 액체 및 CO2를 흡착하는 미분된 유동가능한 분말의 고체 물질로부터 선택된 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2 포획제는 액체 흡착제인 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2 포획제는 고비등점 온도 액체 또는 공융 혼합물인 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 고비등점 온도 액체는 이온성 액체인 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 고비등점 온도 액체는 열매체유인 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2 포획제는 고비등점 온도 액체에서의 알칼리 금속 탄산염의 용액인 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2 포획제는 이온성 액체 탄산염인 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2 포획제는 작은 입자의 고비등점 온도 콜로이드 용액인 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2 포획제는 고비등점 온도 액체에 현탁된 고체 입자를 포함하는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2 포획제는 통상의 아민 용질의 카바메이트를 안정화시키는 고비등점 온도 용매인 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2 포획제는 대향류 (counter-current flow) 관계에서 상기 배기 가스 스트림과 접촉되는 미분된 유동가능한 고체 흡착제인 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기 스트림의 열 에너지의 일부는 재생 단계 (d) 및 압축 단계 (g)에서 활용되는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기 가스 스트림의 CO2 함량은 적어도 5% 만큼 감소되는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 포획제는 상기 배기 가스 스트림를 접촉하는 흡착 구역 및 CO2를 배출하기 위해 가열되고, 상기 포획제가 재생되는 재생 구역으로부터 연속적으로 유동하는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  22. 청구항 1에 있어서,
    상기 차량의 엔진으로부터의 배기 가스 스트림은 상기 포획제를 재생하기 위해 단계 (d)에서의 열 교환 관계에서 통과되는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  23. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기 스트림의 CO2 함량은 상기 포획제의 하류에서 측정되는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  24. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은 상기 배기 가스 스트림으로부터 상기 ICE로 회수된 CO2의 일부를 재순환시키는 단계를 포함하는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  25. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기 가스 스트림으로부터 회수된 CO2의 일부는 차량 온 보드의 공조장치 (air conditioning apparatus)에 냉각제 가스 (refrigerant gas)로 활용되는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  26. 청구항 2에 있어서,
    상기 에너지 전환 매체 (conversion medium)에 의해 생성된 전기적 및/또는 기계적 에너지의 적어도 일부는 차량 온 보드의 보조 전기적 및/또는 기계적 시스템에 동력을 공급하는데 사용되는 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  27. 차량으로부터 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키기 위하여, 차량의 동력을 공급하기 위해 사용된 탄화수소-연료 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템으로서,
    a. 상기 배기 스트림으로부터 CO2를 추출하기 위해 사전결정된 용량을 갖는 포획제를 함유하는 차량 온-보드 처리 구역,
    상기 처리 구역은 상기 포획제 스트림을 허용하는 유입구 및 증가된 CO2 함량을 갖는 상기 포획제의 통과용 유출구를 구비하고,
    상기 처리 구역은 또한 상기 배기 가스 스트림용 유입구 및 유출구 및 상기 배기 가스 스트림이 상기 포획제와 접촉하는 중간 혼합 수단을 포함하며,
    상기 처리 구역은, CO2를 배출하고 상기 포획제를 재생하기 위해 상기 포획제와 관련한 열 교환 통과를 위한 상기 ICE로부터의 뜨거운 배기 가스 스트림을 수용하기 위한 유입구, 및 냉각된 배기 가스 스트림을 위한 유출구를 갖는 열 교환기를 더욱 포함하고,
    상기 처리 구역은 재생된 포획제로부터 배출된 CO2용 CO2 방출 유출구를 구비하며;
    b. 상기 처리 구역으로부터 CO2 방출 유출구와 유체 연통하고, CO2의 부피를 감소시키기 위한 하나 이상의 압축기를 포함하는 압축 구역;
    c. 상기 차량 온-보드에 일시적인 저장을 위해 상기 압축된 CO2를 수용하기 위한 저장 구역;
    d. 상기 처리 구역으로부터 처리된 배기 가스 스트림 유출구와 유체 연통하는 배기 가스 도관; 및
    e. 전기적 또는 기계적 에너지로 전환하기 위해, 상기 ICE로부터 직접, 상기 ICE 냉각 시스템 및/또는 상기 배기 가스 스트림으로부터 열 에너지를 회수하기 위한 적어도 하나의 폐열 회수 구역을 포함하는 탄화수소-연료 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템.
  28. 청구항 27에 있어서,
    상기 처리 시스템은 적어도 하나의 흡착 구역에 차량의 배기를 안내하기 위한 적어도 하나의 밸브를 갖는 적어도 하나의 흡착 구역 및 하나의 재생 구역을 포함하는 탄화수소-연료 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템.
  29. 청구항 27에 있어서,
    상기 시스템은 대기로 방출되기 이전에, 상기 처리 구역으로 통과하는 상기 배기 가스 스트림의 부피 양을 조절하기 위한 변환 밸브 (diverter valve)를 포함하는 탄화수소-연료 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템.
  30. 청구항 29에 있어서,
    상기 변환 밸브는 상기 ICE의 운전 조건에 기초하여 제어되는 탄화수소-연료 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템.
  31. 청구항 27에 있어서,
    상기 시스템은 처리 구역의 통과 없이, 대기로 상기 배기 가스 스트림의 전부 또는 일부를 방출하기 위한 제어 수단을 포함하는 탄화수소-연료 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템.
  32. 청구항 27에 있어서,
    상기 시스템은 CO2가 상기 처리 구역에 남음에 따라 상기 처리된 배기 가스 스트림의 CO2 농도를 결정하기 위한 수단을 포함하는 탄화수소-연료 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템.
KR1020137021746A 2011-01-20 2012-01-20 자동차 배기 가스로부터의 co2의 온-보드 회수 및 저장 KR101332480B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201161434659P 2011-01-20 2011-01-20
US61/434,659 2011-01-20
PCT/US2012/022034 WO2012100165A1 (en) 2011-01-20 2012-01-20 Οn-board recovery and storage of c02 from motor vehicle exhaust gases

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130101154A KR20130101154A (ko) 2013-09-12
KR101332480B1 true KR101332480B1 (ko) 2013-11-26

Family

ID=46516115

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020137021746A KR101332480B1 (ko) 2011-01-20 2012-01-20 자동차 배기 가스로부터의 co2의 온-보드 회수 및 저장

Country Status (7)

Country Link
US (2) US9180401B2 (ko)
EP (1) EP2665808B1 (ko)
JP (1) JP2014504695A (ko)
KR (1) KR101332480B1 (ko)
CN (1) CN103403142B (ko)
ES (1) ES2616910T3 (ko)
WO (1) WO2012100165A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180047989A (ko) * 2016-11-02 2018-05-10 명지대학교 산학협력단 공융혼합물 증진제 및 산화마그네슘/산화알루미늄 복합체를 포함하는 이산화탄소 포집용 흡착제 및 이의 제조방법

Families Citing this family (60)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9427697B2 (en) * 2010-07-30 2016-08-30 General Electric Company Methods and systems for CO2 separation
US9267415B2 (en) * 2010-12-29 2016-02-23 Delphi Technologies, Inc. Heat exchanger equipped with thermal electric device for engine exhaust carbon dioxide collection system
JP6121445B2 (ja) * 2012-01-20 2017-04-26 サウジ アラビアン オイル カンパニーＳａｕｄｉ Ａｒａｂｉａｎ Ｏｉｌ Ｃｏｍｐａｎｙ 混合塩ｃｏ２吸着剤、その製造プロセス及びその利用
US20130287663A1 (en) * 2012-04-26 2013-10-31 University Of Connecticut System, sorbents, and processes for capture and release of co2
ES2719780T3 (es) 2012-07-19 2019-07-16 Res Triangle Inst Sorbente regenerable para la eliminación de dióxido de carbono
US9708947B2 (en) 2013-08-01 2017-07-18 Elwha Llc Systems, methods, and apparatuses related to vehicles with reduced emissions
US9435239B2 (en) 2013-08-01 2016-09-06 Elwha Llc Systems, methods, and apparatuses related to vehicles with reduced emissions
US9175591B2 (en) * 2012-10-05 2015-11-03 Saudi Arabian Oil Company Process and system employing phase-changing absorbents and magnetically responsive sorbent particles for on-board recovery of carbon dioxide from mobile sources
GB2497867A (en) * 2012-12-20 2013-06-26 Daimler Ag Removing carbon dioxide from exaust using an amine solution
EP2765285B1 (en) * 2013-02-11 2016-04-06 Delphi Technologies, Inc. Heat exchanger equipped with thermal electric device for engine exhaust carbon dioxide collection system
JP6143895B2 (ja) * 2013-03-08 2017-06-07 エクソンモービル アップストリーム リサーチ カンパニー 発電及びメタンハイドレートからのメタン回収
US9708556B2 (en) * 2013-04-12 2017-07-18 Elwha Llc Systems, methods, and apparatuses related to the use of gas clathrates
EP2789377A3 (en) * 2013-04-12 2015-01-21 Delphi Technologies, Inc. Carbon dioxide absorbent fluid for a carbon dioxide sequestering system on a vehicle.
US9416702B2 (en) * 2013-04-12 2016-08-16 Elwha Llc Systems, methods, and apparatuses related to the use of gas clathrates
US9494064B2 (en) * 2013-08-01 2016-11-15 Elwha Llc Systems, methods, and apparatuses related to vehicles with reduced emissions
US9574476B2 (en) 2013-08-01 2017-02-21 Elwha Llc Systems, methods, and apparatuses related to vehicles with reduced emissions
US20160059179A1 (en) * 2014-08-27 2016-03-03 Calvin Billings Carbon dioxide removal system
WO2016040799A1 (en) * 2014-09-11 2016-03-17 King Abdullah University Of Science And Technology On-board co2 capture and storage with metal organic framework
JP6261759B2 (ja) * 2014-11-13 2018-01-17 株式会社日立製作所 内燃機関のｃｏ２回収装置
US9546621B2 (en) * 2014-11-21 2017-01-17 Tenneco Automotive Operating Company Inc. Carbon dioxide recirculation system
US9598993B2 (en) 2015-06-19 2017-03-21 Saudi Arabian Oil Company Integrated process for CO2 capture and use in thermal power production cycle
EP3243560A1 (en) * 2016-05-11 2017-11-15 Yara Marine Technologies AS Desulphurization of marine exhaust flue gas
DE102016219301A1 (de) * 2016-10-05 2018-04-05 Audi Ag Verfahren und Vorrichtung zur Abgasreinigung
US20180216532A1 (en) * 2017-01-31 2018-08-02 General Electric Company System and method for treating exhaust gas
US10563555B2 (en) * 2017-10-19 2020-02-18 Saudi Arabian Oil Company Rotary contactor for vehicle carbon dioxide capture
US20190170046A1 (en) 2017-12-01 2019-06-06 Saudi Arabian Oil Company Conversion of carbon dioxide from vehicle exhaust to liquid fuels and fuel additives
US10688686B2 (en) * 2017-12-01 2020-06-23 Saudi Arabian Oil Company Simultaneous cement enhancement and carbon dioxide utilization by mounting a carbon dioxide capture system onboard a concrete mixer vehicle
JP7119875B2 (ja) * 2018-10-10 2022-08-17 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
EP3646935A1 (en) 2018-10-30 2020-05-06 Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) System for co2 capture from internal combustion engine
JP7124790B2 (ja) 2019-06-04 2022-08-24 トヨタ自動車株式会社 車両
JP7111064B2 (ja) * 2019-06-11 2022-08-02 トヨタ自動車株式会社 Ｃｏ２回収システム
JP7103310B2 (ja) * 2019-06-21 2022-07-20 トヨタ自動車株式会社 Ｃｏ２捕捉装置
JP7103311B2 (ja) 2019-07-01 2022-07-20 トヨタ自動車株式会社 情報管理システム及び情報管理方法
JP7088144B2 (ja) * 2019-08-23 2022-06-21 トヨタ自動車株式会社 Ｃｏ２回収装置を搭載した車両の制御装置
JP7103321B2 (ja) * 2019-08-27 2022-07-20 トヨタ自動車株式会社 車両
JP7167885B2 (ja) * 2019-09-02 2022-11-09 トヨタ自動車株式会社 Ｃｏ２取出システム
JP7276060B2 (ja) * 2019-10-09 2023-05-18 トヨタ自動車株式会社 Ｃｏ２回収装置を制御する制御装置
JP7156234B2 (ja) * 2019-10-09 2022-10-19 トヨタ自動車株式会社 車両及びｃｏ２回収方法
US11187124B2 (en) 2020-01-03 2021-11-30 Saudi Arabian Oil Company Internal combustion engine systems including criteria pollutant mitigation
EP3858468A1 (en) * 2020-02-03 2021-08-04 Basf Se Process and absorption unit for removal of co2 from vehicle exhaust gas
US11161076B1 (en) 2020-08-26 2021-11-02 Next Carbon Solutions, Llc Devices, systems, facilities, and processes of liquid natural gas processing for power generation
US11512656B2 (en) * 2020-10-15 2022-11-29 Saudi Arabian Oil Company Oxycombustion engine systems including recirculation management features
US11519311B1 (en) * 2021-01-11 2022-12-06 Alexander Kian Motey Techniques to synthesize greenhouse gases
US11767777B1 (en) 2021-01-11 2023-09-26 Nataqua, Inc. Techniques to synthesize greenhouse gases
US11473463B1 (en) 2021-01-11 2022-10-18 Alexander Kian Motey Tailpipe apparatus to capture greenhouse gas emissions
US11560984B2 (en) 2021-03-24 2023-01-24 Next Carbon Solutions, Llc Processes, apparatuses, and systems for capturing pigging and blowdown emissions in natural gas pipelines
US11286832B1 (en) * 2021-04-07 2022-03-29 Scuderi Group, Inc. Bottoming cycle power system
CN113565601A (zh) * 2021-08-11 2021-10-29 哈尔滨工程大学 一种船用柴油机尾气固碳装置
US20230130504A1 (en) * 2021-10-22 2023-04-27 Aramco Services Company Process for capturing co2 from a mobile source using exhaust heat
WO2023081125A1 (en) * 2021-11-02 2023-05-11 Chart Energy & Chemicals, Inc. Carbon capture system and method with exhaust gas recirculation
GB2617806A (en) * 2021-11-17 2023-10-25 Equinor Energy As Hydrocarbon production system with reduced carbon dioxide emission
US11865494B2 (en) 2021-11-22 2024-01-09 Next Carbon Solutions, Llc Devices, systems, facilities and processes for bio fermentation based facilities
CN114146444B (zh) * 2021-12-14 2023-03-21 桐乡市思远环保科技有限公司 一种硫酸镁结晶的方法
US11484825B1 (en) * 2021-12-20 2022-11-01 Next Carbon Solutions, Llc Devices, systems, facilities and processes for carbon capture optimization in industrial facilities
TWI821847B (zh) * 2021-12-30 2023-11-11 國立成功大學 低溫式空氣污染防制系統及方法
US20230256812A1 (en) * 2022-02-16 2023-08-17 Echeneidae Inc. System and method for exhaust gas conditioning
US11852376B2 (en) 2022-03-15 2023-12-26 Next Carbon Solutions, Llc Devices, systems, facilities and processes for CO2 capture/sequestration and direct air capture
US20240003276A1 (en) * 2022-06-30 2024-01-04 Saudi Arabian Oil Company Emissions reduction from vehicles by consuming low carbon fuel blends and utilizing carbon capture using adsorbent material
CN115318097A (zh) * 2022-08-05 2022-11-11 北京工业大学 一种voc废气的处理方法和处理装置
CN115178054A (zh) * 2022-09-09 2022-10-14 西安多普多信息科技有限公司 二氧化碳捕集系统和方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090305388A1 (en) * 2008-06-06 2009-12-10 Dressler Lawrence V Method for eliminating carbon dioxide from waste gases

Family Cites Families (114)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3658043A (en) 1969-08-20 1972-04-25 Aerojet General Co Closed cycle power system
US3932987A (en) 1969-12-23 1976-01-20 Muenzinger Friedrich Method of operating a combustion piston engine with external combustion
JPS4864320A (ko) 1971-12-10 1973-09-06
US3909206A (en) 1974-04-10 1975-09-30 United Technologies Corp High performance carbon dioxide scrubber
US3913326A (en) 1974-04-11 1975-10-21 Us Energy Energy conversion system
US4055955A (en) 1976-08-16 1977-11-01 Alfred Davis Johnson Memory alloy heat engine and method of operation
US4290268A (en) 1978-07-20 1981-09-22 Purification Sciences, Inc. Vehicle braking and kinetic energy recovery system
US4729879A (en) 1979-06-07 1988-03-08 Black Robert B Production of nitrogen and carbon dioxide
US4341088A (en) * 1980-06-11 1982-07-27 Mei Viung C Highway vehicle exhaust gas refrigeration system
DE3468724D1 (en) 1983-03-02 1988-02-18 Cosworth Eng Internal combustion engines
DE3437750A1 (de) 1984-10-16 1986-05-07 Helmut 2420 Eutin Krueger-Beuster Hilfseinrichtung
JPS61254221A (ja) * 1985-05-02 1986-11-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Ｃｏ２除去装置
US4899544A (en) 1987-08-13 1990-02-13 Boyd Randall T Cogeneration/CO2 production process and plant
IT1223213B (it) 1987-12-04 1990-09-19 Tecnomare Spa Sistema per il trattamento e lo stoccaggio criogenici dei prodotti di combustione di motori termici
US4786294A (en) 1987-12-21 1988-11-22 Allied-Signal Inc. Integrated gas purification and thermal conditioning system utilizing molecular sieve adsorption
US4810266A (en) 1988-02-25 1989-03-07 Allied-Signal Inc. Carbon dioxide removal using aminated carbon molecular sieves
DK0407559T3 (da) 1989-02-02 1993-08-23 Cdss Ltd Recirkulationsanlæg
US5100635A (en) 1990-07-31 1992-03-31 The Boc Group, Inc. Carbon dioxide production from combustion exhaust gases with nitrogen and argon by-product recovery
US5141620A (en) 1990-12-18 1992-08-25 United Technologies Corporation Device and method for separating and compressing carbon dioxide from a carbonate salt
JPH04347307A (ja) * 1991-05-21 1992-12-02 Kawasaki Heavy Ind Ltd 排ガスから二酸化炭素を分離する方法及び装置
DE4140573A1 (de) 1991-12-10 1993-06-17 Haeberle Wilhelm Verfahren zur umwandlung von waermeenergie in nutzbare mechanische energie
US5281254A (en) 1992-05-22 1994-01-25 United Technologies Corporation Continuous carbon dioxide and water removal system
US5233837A (en) 1992-09-03 1993-08-10 Enerfex, Inc. Process and apparatus for producing liquid carbon dioxide
US5272891A (en) 1992-10-21 1993-12-28 Erickson Donald C Intermittent sorption cycle with integral thermosyphon
US5617719A (en) 1992-10-27 1997-04-08 Ginter; J. Lyell Vapor-air steam engine
US5442914A (en) 1993-12-07 1995-08-22 Otsuka; George K. Shape memory alloy heat engine
DE4411281B4 (de) 1994-03-31 2004-07-22 Daimlerchrysler Ag Kraftfahrzeug mit einer Klimaanlage
US5467722A (en) 1994-08-22 1995-11-21 Meratla; Zoher M. Method and apparatus for removing pollutants from flue gas
US5667561A (en) 1995-01-26 1997-09-16 Agency Of Industrial Science & Technology, Ministry Of International Trade & Industry Method for selective separation of carbon dioxide from waste gas of combustion
US6170264B1 (en) 1997-09-22 2001-01-09 Clean Energy Systems, Inc. Hydrocarbon combustion power generation system with CO2 sequestration
US5680764A (en) 1995-06-07 1997-10-28 Clean Energy Systems, Inc. Clean air engines transportation and other power applications
FR2738755B1 (fr) * 1995-09-14 2001-10-26 Grumbach Marc Dispositif pour fixer chimiquement les gaz d'echappement
US5857324A (en) 1995-12-14 1999-01-12 Scappatura; Dominic E. Internal combustion engine exhaust treating apparatus and method
US6024774A (en) * 1996-09-26 2000-02-15 Kabushiki Kaisha Toshiba Chemical reaction apparatus and method of collecting main product gas
US5876488A (en) 1996-10-22 1999-03-02 United Technologies Corporation Regenerable solid amine sorbent
US6079373A (en) * 1997-05-13 2000-06-27 Isuzu Ceramics Research Institute Co., Ltd. Gas engine with a gas fuel reforming device
WO1999035455A1 (en) 1998-01-08 1999-07-15 Satish Reddy Autorefrigeration separation of carbon dioxide
JP3817912B2 (ja) 1998-01-27 2006-09-06 日産自動車株式会社 微生物の反応浄化装置を備えるエンジンシステム
EP0939199B1 (de) 1998-02-25 2004-03-31 ALSTOM Technology Ltd Kraftwerksanlage und Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit einem CO2-Prozess
WO2000010691A1 (en) 1998-08-18 2000-03-02 United States Department Of Energy Method and apparatus for extracting and sequestering carbon dioxide
JP3760053B2 (ja) 1998-09-30 2006-03-29 本田技研工業株式会社 内燃機関の排気ガス浄化装置
NO990812L (no) 1999-02-19 2000-08-21 Norsk Hydro As Metode for Õ fjerne og gjenvinne CO2 fra eksosgass
US6263659B1 (en) 1999-06-04 2001-07-24 Air Products And Chemicals, Inc. Air separation process integrated with gas turbine combustion engine driver
US7250150B1 (en) 1999-06-10 2007-07-31 Questair Technology, Inc. Chemical reactor with pressure swing adsorption
US6352576B1 (en) 2000-03-30 2002-03-05 The Regents Of The University Of California Methods of selectively separating CO2 from a multicomponent gaseous stream using CO2 hydrate promoters
US6387337B1 (en) 2000-07-14 2002-05-14 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Carbon dioxide capture process with regenerable sorbents
JP2002079052A (ja) * 2000-09-08 2002-03-19 Toshiba Corp 二酸化炭素回収方法およびシステム
US6625977B2 (en) 2000-12-20 2003-09-30 Caterpillar Inc Method and a system for removing particulates and toxic substances from an exhaust of an engine that use hydrocarbons as a fuel
FR2820052B1 (fr) 2001-01-30 2003-11-28 Armines Ass Pour La Rech Et Le Procede d'extraction du dioxyde de carbone par anti-sublimation en vue de son stockage
JP3600163B2 (ja) 2001-02-13 2004-12-08 三洋電機株式会社 車載空気調和機
US6591614B2 (en) 2001-05-02 2003-07-15 David C. Smith Kinetic cooling and heating
US6582498B1 (en) 2001-05-04 2003-06-24 Battelle Memorial Institute Method of separating carbon dioxide from a gas mixture using a fluid dynamic instability
US6374630B1 (en) 2001-05-09 2002-04-23 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Carbon dioxide absorption heat pump
PE20030297A1 (es) 2001-08-09 2003-06-19 Fernandez Rafael Vidal Proceso quimico-mecanico para reducir la contaminacion producida por la combustion de combustibles fosiles, petroleo y sus derivados
FI20011854A (fi) 2001-09-20 2003-03-21 Fortum Oyj Menetelmä ja sovitelma polttomoottorin käyttämiseksi
JP3591724B2 (ja) 2001-09-28 2004-11-24 株式会社東芝 炭酸ガス吸収材および炭酸ガス分離装置
DE10302356A1 (de) 2002-01-30 2003-07-31 Denso Corp Kältekreislauf mit Ejektorpumpe
JP3814206B2 (ja) 2002-01-31 2006-08-23 三菱重工業株式会社 二酸化炭素回収プロセスの排熱利用方法
US20040074235A1 (en) 2002-08-16 2004-04-22 Lampkin Beatrice Campbell Electricity produced by CO2, air and water
US6912872B2 (en) 2002-08-23 2005-07-05 The Boc Group, Inc. Method and apparatus for producing a purified liquid
US6889508B2 (en) 2002-10-02 2005-05-10 The Boc Group, Inc. High pressure CO2 purification and supply system
US6945029B2 (en) 2002-11-15 2005-09-20 Clean Energy Systems, Inc. Low pollution power generation system with ion transfer membrane air separation
US6866702B2 (en) 2003-01-29 2005-03-15 International Environmental Conservative Association, Inc. Device for absorbing carbon dioxide, and a method for absorbing carbon dioxide
US7618606B2 (en) 2003-02-06 2009-11-17 The Ohio State University Separation of carbon dioxide (CO2) from gas mixtures
US7067456B2 (en) 2003-02-06 2006-06-27 The Ohio State University Sorbent for separation of carbon dioxide (CO2) from gas mixtures
BR0300426A (pt) 2003-02-27 2004-11-03 Wahler Metalurgica Ltda Conjunto válvula defletora de gás
US20040213705A1 (en) 2003-04-23 2004-10-28 Blencoe James G. Carbonation of metal silicates for long-term CO2 sequestration
DE10324300B4 (de) 2003-05-21 2006-06-14 Thomas Dr. Weimer Thermodynamische Maschine und Verfahren zur Aufnahme von Wärme
US20050115230A1 (en) 2003-12-02 2005-06-02 Tsung Jang Shi Auxiliary airflow booster of engine
US6925821B2 (en) 2003-12-02 2005-08-09 Carrier Corporation Method for extracting carbon dioxide for use as a refrigerant in a vapor compression system
US6955052B2 (en) 2003-12-11 2005-10-18 Primlani Indru J Thermal gas compression engine
US7065962B2 (en) 2003-12-30 2006-06-27 Boncodin Franz B Exhaust gas purifying system
ES2253964B1 (es) 2004-01-05 2007-07-16 Manuel Mariscal Muñoz Motor de explosion de ciclo combinado basado en el aporte de anhidrido carbonico (co2) a los gases de combustion.
US7329307B2 (en) 2004-01-28 2008-02-12 Micropore, Inc. Method of manufacturing and using enhanced carbon dioxide adsorbent
US7207170B2 (en) 2004-03-19 2007-04-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Warm-up method and warm-up system for internal combustion engine
WO2005103467A1 (en) 2004-04-20 2005-11-03 David Lange System and method for operating an internal combustion engine with hydrogen blended with conventional fossil fuels
US20070193254A1 (en) 2004-07-29 2007-08-23 Johannes Erik P Combustion engine exhaust after-treatment system incorporating syngas generator
DE102004039164A1 (de) 2004-08-11 2006-03-02 Alstom Technology Ltd Verfahren zur Erzeugung von Energie in einer eine Gasturbine umfassenden Energieerzeugungsanlage sowie Energieerzeugungsanlage zur Durchführung des Verfahrens
US7275395B1 (en) 2004-09-15 2007-10-02 Ventura Entreprises Method and apparatus for making dry ice
FR2875265B1 (fr) 2004-09-16 2006-12-01 Renault Sas Dispositif et procede de separation des gaz d'echappement d'une unite de production d'energie, notamment d'un moteur a combustion interne de vehicule automobile
US7444812B2 (en) 2005-01-27 2008-11-04 Scott Ryan Kirkpatirck Shape memory alloy MEMS heat engine
JP4745682B2 (ja) 2005-02-23 2011-08-10 関西電力株式会社 Ｃｏ２回収装置および方法
US7390444B2 (en) 2005-02-24 2008-06-24 Wisconsin Electric Power Company Carbon dioxide sequestration in foamed controlled low strength materials
JP2006298707A (ja) 2005-04-21 2006-11-02 Murata Mfg Co Ltd 二酸化炭素の分離回収方法および二酸化炭素の分離回収装置
US7266940B2 (en) 2005-07-08 2007-09-11 General Electric Company Systems and methods for power generation with carbon dioxide isolation
US7692091B2 (en) 2005-09-27 2010-04-06 Karim Altaii Shape memory alloy motor as incorporated into solar tracking mechanism
US8298986B2 (en) 2005-12-12 2012-10-30 Georgia Tech Research Corporation Structures for capturing CO2, methods of making the structures, and methods of capturing CO2
JP4645447B2 (ja) * 2005-12-28 2011-03-09 株式会社エクォス・リサーチ 車両用二酸化炭素回収装置及びそれを備えた車両
JP3988787B2 (ja) 2006-02-28 2007-10-10 株式会社村田製作所 炭酸ガス吸収材およびそれを用いた炭酸ガス吸収方法
US7981171B2 (en) 2006-04-16 2011-07-19 Georgia Tech Research Corporation Hydrogen-generating reactors and methods
JP4197005B2 (ja) 2006-05-15 2008-12-17 トヨタ自動車株式会社 排気熱回収装置
WO2008017577A1 (de) 2006-08-07 2008-02-14 Alstom Technology Ltd Verfahren zur abtrennung von co2 aus einem gasstrom, co2-abtrennvorrichtung zur durchführung des verfahrens, dralldüse für eine co2-abtrennvorrichtung sowie anwendung der co2-abtrennvorrichtung
JP5230088B2 (ja) 2006-09-06 2013-07-10 三菱重工業株式会社 Ｃｏ２回収装置及び方法
CA2664674C (en) 2006-09-25 2014-09-23 The Ohio State University High purity, high pressure hydrogen production with in-situ co2 and sulfur capture in a single stage reactor
US20080127632A1 (en) 2006-11-30 2008-06-05 General Electric Company Carbon dioxide capture systems and methods
US7966829B2 (en) 2006-12-11 2011-06-28 General Electric Company Method and system for reducing CO2 emissions in a combustion stream
KR100898816B1 (ko) 2007-02-12 2009-05-22 한국에너지기술연구원 수증기 전처리기를 포함한 ｃｏ2 분리회수장치
US7736416B2 (en) 2007-02-26 2010-06-15 Hamilton Sundstrand Corporation Thermally linked molecular sieve beds for CO2 removal
CN201031677Y (zh) 2007-03-30 2008-03-05 辽河石油勘探局 锅炉烟道气加压吸收二氧化碳液化注井采油装置
EP1992799B1 (de) * 2007-05-03 2011-07-13 Stadtwerke Mainz AG System zur Rückgewinnung und Rückführung von CO2
US8397509B2 (en) 2007-06-06 2013-03-19 Herng Shinn Hwang Catalytic engine
DE102007035110A1 (de) 2007-07-20 2009-01-22 Visteon Global Technologies Inc., Van Buren Klimaanlage für Kraftfahrzeuge und Verfahren zu ihrem Betrieb
US8122704B2 (en) 2007-08-07 2012-02-28 Efficient Hydrogen Motors Motor system for diminution of carbon dioxide in the atmosphere
WO2009086460A1 (en) 2007-12-28 2009-07-09 Calera Corporation Methods of sequestering co2
US7703528B2 (en) 2008-01-15 2010-04-27 Halliburton Energy Services, Inc. Reducing CO2 emissions from oilfield diesel engines
BRPI0801753A2 (pt) 2008-04-18 2015-12-22 José Vanderlei Taques catalizador com bioreator para motores de combustão
US20090275120A1 (en) 2008-04-30 2009-11-05 Edward John Koch Extraction of co2 gas from engine exhaust
US8321839B2 (en) 2008-05-12 2012-11-27 Microsoft Corporation Abstracting test cases from application program interfaces
CN201196111Y (zh) 2008-05-27 2009-02-18 蒋红良 燃油发动机二氧化碳收集处理装置
US20090313997A1 (en) 2008-06-23 2009-12-24 Frederick John Bayley Unitary engine and energy accumulation system
US20100024651A1 (en) 2008-07-30 2010-02-04 General Electric Company Membrane contactor systems for gas-liquid contact
US20100071559A1 (en) 2008-09-19 2010-03-25 Sylvain Miachon Membranes and devices for gas separation
US8007761B2 (en) 2008-12-24 2011-08-30 Praxair Technology, Inc. Carbon dioxide emission reduction method
US20110167798A1 (en) 2010-01-08 2011-07-14 Lincoln Evans-Beauchamp System and method for sequestering emissions from engines

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090305388A1 (en) * 2008-06-06 2009-12-10 Dressler Lawrence V Method for eliminating carbon dioxide from waste gases

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180047989A (ko) * 2016-11-02 2018-05-10 명지대학교 산학협력단 공융혼합물 증진제 및 산화마그네슘/산화알루미늄 복합체를 포함하는 이산화탄소 포집용 흡착제 및 이의 제조방법
KR101984561B1 (ko) 2016-11-02 2019-05-31 명지대학교 산학협력단 공융혼합물 증진제 및 산화마그네슘/산화알루미늄 복합체를 포함하는 이산화탄소 포집용 흡착제 및 이의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012100165A8 (en) 2013-07-04
ES2616910T3 (es) 2017-06-14
EP2665808A1 (en) 2013-11-27
KR20130101154A (ko) 2013-09-12
WO2012100165A1 (en) 2012-07-26
US9180401B2 (en) 2015-11-10
CN103403142B (zh) 2016-02-03
CN103403142A (zh) 2013-11-20
US20130298761A1 (en) 2013-11-14
US9486733B2 (en) 2016-11-08
EP2665808A4 (en) 2014-08-20
EP2665808B1 (en) 2016-12-07
US20160059180A1 (en) 2016-03-03
JP2014504695A (ja) 2014-02-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101332480B1 (ko) 자동차 배기 가스로부터의 co2의 온-보드 회수 및 저장
JP5760097B2 (ja) Ｃｏ２の車両内回収及び貯蔵のための廃熱を利用した可逆的な固体吸着方法及びシステム
US9175591B2 (en) Process and system employing phase-changing absorbents and magnetically responsive sorbent particles for on-board recovery of carbon dioxide from mobile sources
JP6763889B2 (ja) 移動源の内燃機関からのｃｏ２捕捉のための統合されたプロセス、及び熱発電サイクルにおける使用
US10563555B2 (en) Rotary contactor for vehicle carbon dioxide capture
US9371755B2 (en) Membrane separation method and system utilizing waste heat for on-board recovery and storage of CO2 from motor vehicle internal combustion engine exhaust gases
JP6018084B2 (ja) 自動車内燃機関排気ガスに由来するｃｏ２の車両内回収及び貯蔵のための廃熱を利用する直接高密度化方法及びシステム
KR20140127825A (ko) 혼합 염 co2 흡수제, 이의 제조공정 및 용도
US20240066461A1 (en) Carbon capture device
EP4331706A1 (en) A co2 capture device

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161103

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171107

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181106

Year of fee payment: 6