KR101451541B1 - 자동차 내연기관 배기 가스로부터의 co₂의 온-보드 회수 및 저장을 위해 폐열을 사용하는 가역 고체 흡착 방법 및 시스템 - Google Patents

자동차 내연기관 배기 가스로부터의 co₂의 온-보드 회수 및 저장을 위해 폐열을 사용하는 가역 고체 흡착 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키기 위하여, 차량에 동력을 공급하도록 사용된 탄화수소-연료 사용 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 스트림의 온-보드 처리를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이며, 상기 시스템은:
a. 상기 배기 스트림으로부터 CO2를 추출하기 위해 사전결정된 용량을 갖는 포획제를 함유한 차량 온 보드 처리 구역;
상기 처리 구역은 배기 가스 스트림을 진입시키기 위한 유입구와, 감소된 CO2 함량을 갖는 처리된 배기 스트림의 통과를 위한 유출구를 갖고,
상기 처리 구역은 CO2를 배출하고 포획제를 재생하도록 상기 포획제와 열 교환 관계로 통과하기 위한 ICE로부터의 고온의 배기 가스 스트림을 수용하기 위한 유입구와, 냉각된 열 교환 유체, 예를 들면, 배기 가스 스트림용 유출구를 구비한 열 교환기를 더욱 포함하고,
상기 처리 구역은 재생된 포획제로부터 배출된 CO2용 CO2 방출 유출구를 구비하고,
b. 상기 처리 구역으로부터의 CO2 방출 유출구와 유체 연통하고, CO2의 부피를 감소시키기 위한 하나 이상의 압축기를 포함한 압축 구역;
c. 차량 온 보드에 임시 저장을 위해 압축된 CO2를 수용하는 저장 구역; 및
d. 상기 처리 구역으로부터 상기 처리된 배기 가스 스트림의 유출구와 유체 연통하는 배기 가스 도관을 포함한다.

Description

자동차 내연기관 배기 가스로부터의 CO₂의 온-보드 회수 및 저장을 위해 폐열을 사용하는 가역 고체 흡착 방법 및 시스템{REVERSIBLE SOLID ADSORPTION METHOD AND SYSTEM UTILIZING WASTE HEAT FOR ON-BOARD RECOVERY AND STORAGE OF CO₂}
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.
일반적으로 지구 온난화가 이산화탄소 (CO2) 및 메탄 (CH4)의 온실 가스의 배출 때문이라고 여겨지고 있다. 전 세계 인구의 약 1/4로부터 야기되는 CO2 배출은 이동발생원, 즉, 내연기관 (ICE)에 의해 동력이 공급되는 자동차, 트럭, 버스 및 기차로 발생된다고 현재 여겨진다. 이러한 CO2 배출은 개발 도상국의 자동차 및 트럭 소유주의 계획된 쇄도에 의해 가까운 미래의 급격한 성장에 비례적으로 기여할 것이다. 현재, 운송 구역 (transportation sector)이 원유의 주요 수출처이고, CO2 배출이 환경적 응답도 및 바람직한 목표로 제어되어, 대안적인 기술, 예를 들면, 전기 모터 및 저장 배터리에 의해 동력이 공급되는 차량에 대한 도전에도 불구하고 운송 구역에서의 원유 시장의 생존력을 유지시킨다.
이동발생원으로부터의 이산화탄소 조정은 공간 제한과 중량 제한, 임의의 규모의 경제의 부재 및 이동발생원에 동력을 공급하는 ICE의 작동의 동적 특성을 포함한 많은 도전에 직면하게 된다.
연소 가스로부터의 CO2의 포획을 위한 종래 기술의 방법은 주로 발전소 (power plants)와 같은 고정 오염원 (stationary source)에 촛점이 맞춰져 있다. 이동발생원으로부터의 CO2 배출을 감소시키는 문제점을 처리하는 이들 방법은 산소를 사용하는 연소를 이용하고, CO2 포획제 (capture agent)의 재생 및 재사용을 위한 수단을 제공하지 않고, 및/또는 고온의 발생원으로부터 회수된 폐열을 사용하지 않는다. 산소를 사용하는 연소는 CO2와 배기 가스를 분리하는 것보다 더 많은 에너지를 소비하고 차량 온 보드에 시도된다면 더욱 어려울 수 있는 산소-질소 분리를 필요로 한다.
CO2 포획 기술은 고정의, 즉 고정된 발생원 (fixed source)에 촛점이 맞춰져 있으며, 이동발생원으로부터의 CO2의 포획은 일반적으로 규모의 경제에 역행하게 분산 시스템 (distributed system)을 포함하기 때문에 매우 고가라 여겨지고 있다. 문제점에 대한 해결책은 차량의 작동 사이클, 예를 들면, 급격한 가속 및 감속의 단속적인 기간의 동적 특성과 기기 요구조건, 첨가적인 에너지, 및 차량 온-보드 공간 제약 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 명세서에서 사용된 바와 같이, "CO2 포획제" 및 "포획제"라는 용어는 ICE의 배기 가스 스트림으로부터의 가역 가능한 추출 및 추출된 CO2를 보유하는 고체 흡수제 물질이나 조성물을 의미한다. 또한, 액체 흡수성 조성물으로써 코팅 및/또는 스며드는 고체의 물질이 포함된다. 또한, 용어는 새로운 화합물을 형성하기 위하여 CO2와 가역 반응하는 시약을 의미할 수 있다.
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. 첨가적인 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 사용 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 스트림의 온-보드 처리를 위한 방법 및 시스템으로 폭넓게 이해되며, 상기 시스템은:
a. 배기 스트림으로부터 CO2를 추출하기 위해 사전결정된 용량을 갖는 포획제를 함유한 차량 온 보드 처리 구역;
상기 처리 구역은 배기 가스 스트림을 진입시키기 위한 유입구와, 감소된 CO2 함량을 갖는 처리된 배기 스트림의 통과를 위한 유출구를 갖고,
상기 처리 구역은 CO2를 배출하고 포획제를 재생하도록 상기 포획제와 열 교환 관계로 통과하기 위한 ICE로부터의 고온의 배기 가스 스트림을 수용하기 위한 유입구와, 냉각된 열 교환 유체, 예를 들면, 배기 가스 스트림용 유출구를 구비한 열 교환기를 더욱 포함하고,
상기 처리 구역은 재생된 포획제로부터 배출된 CO2용 CO2 방출 유출구를 구비하고,
b. 상기 처리 구역으로부터의 CO2 방출 유출구와 유체 연통하고, CO2의 부피를 감소시키기 위한 하나 이상의 압축기를 포함한 압축 구역 (compression zone);
c. 차량 온 보드에 임시 저장을 위해 압축된 CO2를 수용하는 저장 구역; 및
d. 상기 처리 구역으로부터 상기 처리된 배기 가스 스트림의 유출구와 유체 연통하는 배기 가스 도관을 포함한다.
본 발명은 CO2를 포획하고 재급유까지 임시 저장을 위해 그 밀도를 증가시키기 위해 폐열과 같은, 차량 온 보드에서 이용가능한 자유 에너지를 사용함으로써, 공간 제약 및 보조 파워 요구조건의 문제점을 해결한다. 본 발명은 (a) 엔진 배기 가스로부터의 CO2의 모든 부분이나 실질적인 부분을 제거하기 위해 포획제를 사용하는 흡착 분리 방법; (b) 실질적으로 순수한 CO2의 회수 및 엔진 폐열의 일부를 사용한 포획제의 재생; (c) 파워, 즉, 작업 에너지로의 엔진의 일부의 폐열의 변환; 및 (d) 임시 온-보드 저장을 위해 포획된 CO2의 밀도를 증가시키는 상기 파워의 사용으로 이루어진다. 포획, 재생 및 치밀화를 위해 에너지를 제공하는 폐열의 사용은 상당하게 포획 비용을 감소시키고, 그리고 치밀화는 CO2의 임시 온-보드 저장을 위한 부피 요건을 감소시킬 것이다.
본 발명은 CO2 압축기를 작동시키는 엔진 일의 일부의 선택적인 사용을 더욱 포함한다. 엔진의 일은 엔진이 감속 모드에서 작동할 때 사용될 수 있고 그리고 상기 엔진이 공회전일 때에도 상기 엔진을 감속시키도록 사용될 수 있다. 온-보드 프로세서 및 제어기는 적당한 사전결정된 엔진 작동 조건에서 압축기 구동 링크 (link)를 엔진과 결합시키도록 사용될 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 임시 저장을 위한 시스템을 형성하는 다양한 구성요소의 통합에 기초한다. 시스템은 (a) 엔진 배기 가스로부터의 CO2의 포획을 위한 흡착/분리 구역; (b) 엔진 폐열의 일부를 사용하는 포획제로부터 CO2의 배출을 위한 재생 구역; (c) 폐열의 일부가 파워(작업 에너지)로 전환되는 전환구역; 및 (d) 폐열로부터 유도된 파워가 임시 온-보드 저장을 위해 포획된 CO2의 밀도를 증가시키도록 사용된 치밀화 구역을 포함할 수 있다. 본 발명의 방법의 실시에 있어서, 시스템을 작동시키기 위한 모든 에너지나 또는 실질적인 부분의 에너지가 엔진 폐열로부터 나온다.
전형적인 엔진이 만드는 폐열이 ~90 내지 120℃의 온도에서의 고온의 냉각수와, ~300 내지 650℃ 범위의 온도에서의 고온의 배기 가스로 주로 이루어진다. 도 1의 도면에 도시된 바와 같이, 이러한 열 에너지의 총량은 전형적인 탄화수소(HC) 연료가 ICE에서 연소될 때 만들어지는 에너지의 대략 60%이다. 에너지가 CO2를 배기 가스와 분리시키고, 효율적인 온-보드 저장을 위해 포획된 CO2의 일부나 모두를 압축하거나, 액화하거나 또는 냉각시키는데 필요하다. 이러한 에너지는 통상적으로 작업 에너지와 열 에너지의 혼합 에너지다. 에너지의 일의 구성요소는 이러한 일을 만들도록 폐열의 일부를 사용함으로써 발생된다. 일부의 폐열이 반응 생성물로 형성된 고체 탄산염이나 흡수제와 같은, CO2 분리에 사용된 임의의 물질을 재생시키는데 사용될 수 있다.
배기 가스로부터의 CO2 분리는 물리적 흡착, 화학적 흡착, 및/또는 화학적 반응의 하나 이상의 가역 공정에 의해 발생되어 탄산염이나 여러 화합물을 형성한다. 이들 메카니즘은 기술상 잘 알려져 있고, 이들 메카니즘의 일부가 도 2 및 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연료의 대략 60%의 에너지 값이 폐열로 전환되고, 이러한 폐열의 일부가 CO2를 탈착시키고 포획제를 재생시키도록 그리고 상기 CO2를 압축하는데 요구된 동력 또는 일의 및 전기 에너지 및 기타 형태를 발생시키는데 사용될 수 있다. 도 3은 CO2를 탈착하고 포획제를 재생하기 위해 배기 가스의 열을 사용하는 일 실시 예를 나타낸 도면이다. 물이 또한 냉각된 배기 가스로부터 응축물로 제거되고 그리고 감소된 CO2 함량의 배기 가스가 대기로 방출된다.
온보드 이동발생원에서 이용가능하게 만들어질 수 있는 한정된 공간에서의 특정된 사용은 많은 파라미터의 면밀한 분석을 필요로 한다. 포획제의 재생은 바람직하게는 온도 스윙(swing) 공정이나 또는 압력 스윙 공정에 의해 온 보드에서 발생할 것이다. 그러나, 포획제가 CO2를 포획하고 치밀화하는데 사용되는 매우 큰 용량을 갖는 경우에, 재생은 재급유 동안에 또는 고정 상태 (fixed station)에서 완료될 수 있다. 고정 상태에서, 재생 온도 요구조건, 및/또는 열 전달 조건은 차량 온 보드에서 실제로 달성될 수 없다. 흡수제 물질은 적당한 설비에서 재생을 위해 제거될 수 있는 여러 제거가능한 컨테이너나 또는 카트리지에서 유지될 수 있다. 다수의 카트리지가 차량 작동의 확장을 위해 병렬로 설치될 수 있다.
재생 단계 및 치밀화 단계가 또한 동시에 진행할 수 있다. 만약 포획제가 가열된다면, 포획제는 CO2의 배출을 개시할 것이다. 만약 CO2가 제거되지 않거나 실내에 주어져 팽창된다면, 이후 고 압력 및 고온 CO2가 축적될 것이다. 이러한 경우에 있어서, 포획제의 재생은 배출된 CO2가 제거될 때만큼 완전하지 않을 것이다.
종래 기술의 공정에 따르면, 흡착층과 탈착층 사이나 또는 셀 사이의 스윙 작동은 폐기물(effluent)의 조성물의 모니터링에 기초한다. 흡수제 층으로부터의 CO2의 사전결정된 농도의 파과(Breakthrough)는 흡수제 물질의 완전한 포화나 포화에 가깝다는 것을 나타낸다. 유사하게, 탈착층로부터의 유동에서 감소된 또는 최소의 CO2 농도가 흡수제 물질의 재생 완료를 나타낸다.
본 발명에 따라, 새로운 기준이 흡수제로의 배기 가스 스트림의 유동을 종결하고 관련된 탈착 단계를 개시하기 위한 시기를 결정하기 위해 개발되어 오고 있다. 새로운 기준이 흡착 셀 및 탈착 셀에서의 온도 프로파일과 압력에 기초한다. 흡착 셀에서의 흡수제의 온도의 증가는 계속된 흡착을 지시하는 한편, 탈착 셀에서의 압력의 증가는 CO2의 계속된 재생을 지시한다. 이러한 공정 제어 전략은 CO2 농도 측정보다는, 흡착 셀과 탈착 셀 사이를 스위치하는 압력 지시기와 온도에 따라 결정된다는 점에서 독창적인 것이다.
특정 시스템에 대한 온도 프로파일 및 압력 프로파일의 결정은 흡수제의 사용가능한 사이클 수명 내내 시험 되는 동안에 얻어진 실험적인 데이터에 기초할 수 있다. 스윙 포인트는 온도나 압력 중 어느 하나에 또는 다른 하나에 기초하거나 또는 이들 모두에 기초할 수 있다. 스윙 포인트는 또한 온도 및 압력 중 어느 하나에 기초하거나 또는 이들 모두의 변화율에 기초할 수 있다. 이러한 결정은 기술 숙련도 내에서 그리고 흡수제 물질과 접촉하고 셀에 위치된 센서로부터의 데이터에 기초할 수 있다.
바람직한 실시 예에 있어서, 튜브-및-쉘(shell) 유닛에서의 포획제로부터 배출된 CO2는 양압을 만들 것이고 그리고 압축기의 다운-스트림 저 압력 구역을 만들어, 압축을 위해 탈착된 CO2 가스 스트림의 유동을 초래할 것이다. CO2의 사절결정된 양이 탈착될 때, 흡착 유닛은 엔진 배기 스트림을 사용하고 수용하도록 복귀될 수 있다.
효율적인 임시 온 보드 저장을 위해 고밀도의 CO2의 형성은 고체 CO2, 또는 드라이 아이스를 형성하기 위해, 압축, 액화에 의해 달성되거나 또는 가스를 얼림으로써 달성된다. CO2의 최종 밀도의 범위는 그 상태, 즉; 가스, 액체 및/또는 고체에 따라, 5-1600 kg/㎥일 것이다. 치밀화에 필요한 총 작업 에너지의 적어도 일부가 열-대-파워 전환을 사용하여 폐열로부터 얻어진다.
CO2 포획 사이클의 시동 동안에, 또는 여러 특별한 운전 요건의 요구조건을 만족시키기 위하여, 엔진의 동력의 일부나 또는, 선택적으로, 온 보드 배터리에 저장된 전기가 사용될 수 있다. 시스템의 정상적인 안정된-상태 작동 동안에, CO2 포획 및 치밀화에 필요한 에너지의 적어도 일부가 ICE의 폐열로부터 나올 것이다.
고정된 발생원로부터의 CO2 배출을 감소시키기 위한 종래 기술 공정을 넘는 본 발명에 의한 하나의 장점은 적당한 온도 폐열에 대한 용이한 이용가능성이 비교적 크다는 것이다. 열 에너지의 비용은, 석탄-발화되거나 또는 가스-발화된 발전 설비로부터의 연료 가스의 온도가 연료의 에너지 값을 최대화하고, 주변 환경으로의 폐열의 방출을 최소화하기 위하여 감소되기 때문에, 고정된 발생원로부터의 CO2 포획을 위한 지출이 주요 항목이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 기재되어 있고 상기 도면에서 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 부재번호로 지시되어 있다.
도 1은 전형적인 내연기관에 의해, 열 및 동력, 즉 일으로의 탄화수소 연료 에너지의 전환을 개략적으로 도시한 도면이고;
도 2는 본 발명의 방법과 도 1을 통합하여 개략적으로 도시한 도면이고;
도 3은 포획제를 재생하기 위해 ICE로부터의 폐열을 사용하여, 스윙 모드에서 작동된 본 발명의 시스템에 사용된 일 실시 예의 방법과 기기를 개략적으로 도시한 도면이고;
도 4는 2개의 병렬 CO2 포획/재생 서브시스템 및 대표적인 열 회수 장치를 구비한 일 실시 예의 시스템 및 기기의 개략적인 도면이고;
도 4a는 CO2 포획 서브시스템 중 하나의 서브시스템이 재생되고 다른 서브시스템이 냉각된 배기 가스 스트림으로부터의 CO2를 추출하는 작동 사이클에서의 단계의 도 4의 시스템의 개략적인 도면이고;
도 4b는 서브시스템의 작동이 역전되는, 도 4a와 유사한 개략적인 도면이고;
도 5는 2개의 병렬 서브시스템 및 대표적인 열 회수 장치를 구비한 다른 일 실시 예의 시스템의 개략적인 도면이고;
도 5a는 서브시스템 중 하나의 서브시스템은 재생되고 다른 서브시스템은 배기 가스 스트림으로부터의 CO2를 추출하도록 구성된 도 5a의 시스템의 개략적인 도면이고;
도 5b는 서브시스템의 작동이 역전되는 도 5a와 유사한 개략적인 도면이고;
도 6은 고체 알칼리 토금속 화합물 및 알칼리 금속 화합물의 작동 온도와 관련된 CO2 흡착 용량의 전형적인 변화를 도시한 차트이고;
도 7은 수증기가 있는 경우와 없는 경우의 CO2 가스 스트림에 대한 온도의 고체 알루미네이트 (aluminate) 흡수제 화합물의 CO2 흡착 용량의 증가를 나타낸 차트이고;
도 8은 고체 흡수제를 포함한 한 쌍의 셀 중 하나의 셀로부터의 CO2의 탈착을 위한 본 발명의 방법에 따라 작동된 일 실시 예의 시스템의 개략적인 도면이고;
도 9는 상기 한 쌍의 셀 중 다른 하나의 셀에서의 CO2의 흡착을 위한 도 8의 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고;
도 10은 배기 가스 스트림이 셀을 바이-패스하는 것을 나타낸 도 8의 시스템의 개략적인 도면이고;
도 11은 본 발명의 시스템의 시동 및 셧다운으로 사용하기 위한 일 실시 예의 순차적으로 진행되는 프로토콜의 공정 플로우 다이어그램이고;
도 12는 본 발명의 시스템에서의 탈착 공정 및 기기의 제어를 위한 일 실시 예의 순차적으로 진행되는 프로토콜의 공정 플로우 다이어그램이고;
도 13은 도 10 내지 도 12에 대응하는 공정 및 기기의 바이패스의 기동 제어를 위한 일 실시 예의 순차적으로 진행되는 프로토콜의 공정 플로우 다이어그램이며;
도 14는 도 8 내지 도 12에서 도시된 바와 같은 본 발명의 시스템에서 송풍기 제어를 위한 일 실시 예의 순차적으로 진행되는 프로토콜용 공정 플로우 다이어그램이다.
본 발명은 CO2가 포획제의 용량이 도달될 때까지 엔진의 배기 가스로부터 CO2 가스가 추출되고, 그 다음 상기 포획제로부터 회수되며, 동시에 상기 포획제가 재생되는 구체 예를 참조하여 기재되어 있다. 가스 스트림으로서 회수된 CO2는 이후 가스, 액체 및/또는 고체로 저장하기 위해 압축된다. 몇몇 단계 또는 모든 단계에 대해 요구된 약간의 에너지나 모든 에너지가 엔진 배기 스트림으로부터 회수된 열로부터 유도되고, 상기 엔진 배기 스트림은 포획제의 재생을 위해 직접적으로 사용될 수 있고 및/또는 여러 종래의 장치에 의해 전기나 또는 일로 변환될 수 있다. 배기 가스 처리 시스템을 사용하면, 상기 배기 가스 스트림의 CO2 함량은 적어도 10% 만큼 감소된다.
도 4에 개략적으로 도시된 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 배기가 열 회수 장치를 통과한 이후에 CO2가 배기 스트림으로부터 흡착될 수 있는 적당한 시스템 및 기기가 상기 도면에 도시되어 있다. 각각의 셀 내의 점선은 도관에서의 유체의 유동 경로를 지시하고 있으며 상기 유동 경로와 상기 도관이 연결된다. 가스 유동 경로 및 작동 방법이 다음 도면에 도시되어 있다. 시스템은 2개의 서브시스템 (subsystems), 즉 셀로 도시적으로 도시되어 있지만; 그러나, 첨가적인 서브시스템이 포획제의 용량, 배기 가스 유량 (flow rates) 및 시스템의 여러 특성에 기초하여 사용될 수 있다. 각각의 서브시스템은 포획제가 복수의 튜브 중 각각의 튜브에서 고정 베드로 배치되는 튜브-및-쉘 열 교환기에 대한 디자인과 유사할 수 있다. 포획제는 또한 가열 가스 및 냉각 가스가 튜브를 통과하는 경우에 셀의 셀 측에 배치될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 2개의 셀 사이의 스윙 작동 방법을 나타내고 있고, 상기 도면에서 CO2가 하나의 셀(흡착 셀)에서 포획되는 동안 소모된 포획제, 예를 들면, 고체 흡수제 물질의 재생은 다른 셀(탈착 셀)에서 발생한다. 이러한 일련의 도면에서 흰색의 밸브는 개방 위치를 나타내고 그리고 검은색의 밸브는 폐쇄된 즉, 무-유동 위치를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b의 실시 예에 있어서, 고온의 배기 가스가 탈착 셀의 쉘 측을 통과하고, 여기서 폐열이 포획제에 대한 탈착의 열을 공급하도록 사용되며, 이는 CO2를 배출하고 상기 포획제를 재생할 것이다. 고온의 배기 가스가 탈착 셀의 쉘 측을 통과한 이후에 열 손실되고 온도 감소된다.
배기 가스는, CO2가 포획제에 물리적 및/또는 화학적으로 흡착되는, 흡착 셀의 튜브 측에 진입한다. 배기 가스는 CO2가 적은 흡착 셀을 빠져나온다. CO2가 포획제에서 흡착됨에 따라, 흡착 열을 배출한다. 공기가 쉘 측을 통과함으로써, 열이 제거될 수 있다. 포획제가 최대 용량에 도달할 때, 배기 가스 및 냉각 공기가 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 포획 셀 사이에서 스윙한다. 흡착 셀과 탈착 셀 사이의 스윙 공정은 배기 가스의 CO2 농도를 모니터링 함으로써 개시될 수 있거나 또는 작동 경험에 기초한 사전결정된 최적의 작동 시간 이후에 발생할 수 있다.
희박 CO2 가스가 대기로 배출된다. 농후 CO2 가스가 임시 온-보드 저장을 위해 가압되거나, 액화되거나 또는 고화되는 치밀화 구역으로 통과된다. 저장된 CO2가 차량이 재급유될 때나, 특정된 회수 설비에서 회수될 수 있다.
이러한 실시 예가 물리적 또는 화학적 흡착을 위해 사용될 수 있다. 물리적 흡수제는, 흡착 열이 일반적으로 화학적 흡수제와 비교하여 이들 물질에 대해 상대적으로 낮기 때문에, 현재 바람직하다. 일반적으로, 화학적 흡수제가 고체 물질에서 CO2의 고 부하 용량의 장점을 가지므로, CO2의 비교 부피에 대해 보다 작은 흡수제 셀을 초래한다.
가솔린 또는 디젤 연료공급되는 ICE으로부터의 배기 가스 스트림은 약 13%의 수증기를 함유한다. 수증기의 존재는 배기 스트림으로부터의 CO2를 제거하기 위한 특정 흡수제 물질의 능력에 아무 영향이 없거나, 긍정적이거나 또는 부정적일 수 있다. 예를 들면, 도 7에서 도식적으로 나타낸 바와 같이, 수증기의 존재는 비교적 낮은 온도에서의 고체 흡수제 물질의 퍼센티지로 CO2의 중량 게인을 증대시킨다. 500℃의 온도에서 그리고 물이 없는 경우, 흡수제에 대한 중체량(중량 게인)이 대략 22%인 한편, 수증기가 존재할 때 게인은 약 42%로 거의 2배이다. 300℃ 및 400℃에서의 관련 중량 게인은 수증기 존재시 CO2의 약 3배이다. 수증기가 존재하여 물질의 CO2 흡착 용량을 보강하는 상기 흡수제의 경우에, 보다 적은 흡수제 물질이 CO2의 주어진 용량에 대해 사용될 수 있다. 배기 스트림의 물의 존재로부터 유리한 흡수제는 다공성 고체상에 지지된 고 고비 점 (boiling point) 액체 아민, 폴리(알릴아민) 및 칼슘 알루미네이트과 같은 아민-계 물질 및 알루미네이트-계 물질을 포함한다.
수증기에 의해 악 영향을 받는 흡수제 물질은, 상기 물질이 처음 2개의 카테고리의 화합물의 용량을 초과하는 CO2를 유지하기 위해 초기 고 용량을 갖는다면, 본 발명의 실시 예에서 사용될 수 있다.
아무튼, 실질적으로 모든 수증기가 질소 및 임의의 잔여 CO2와 함께 대기로 방출될 것이다.
도 5, 도 5a, 및 도 5b를 살펴보면, 본 발명의 시스템의 다른 하나의 실시 예가 도시되어 있고 상기 도면에서 흡착 열이 제거되고 탈착 열이 열 교환 액체를 사용하여 폐쇄된 루프에 공급된다. 시스템 및 기기가 도 5에서 전반적으로 확인되고 특정 작동 방법이 도 5a 및 도 5b에서 확인된다. 고온의 배기 가스 및 공기가 셀의 쉘 측에 의해 통과되지 않는다. 열이 열 교환기를 통해 액체에 공급된다. 액체는 이후 탈착 열을 포획제에 제공하기 위하여 제 1 셀의 쉘 측을 통과한다. 액체는 탈착 셀을 통과한 이후에 열을 잃고 온도가 감소된다. 열 교환 액체의 온도는 공기-냉각된 열 교환기를 사용하여 더욱 감소될 수 있다.
냉각된 액체는, 배기 가스 스트림이 튜브 측을 통과하고 그리고 CO2가 포획제에 의해 물리적 및/또는 화학적으로 흡착됨으로서, 이후 흡착 셀의 쉘 측을 통과하여 흡착 열을 제거한다. 상기 기재한 바와 같이, 흡착 셀과 탈착 셀 사이의 스윙 공정은, 아래에서 더욱 상세하게 기재한 바와 같이, 배기 가스에서의 CO2 농도, 또는 실험적으로 사전결정된 작동 시간의 간격 이후에, 또는 엔진 조정 시스템에 의해 처리된 데이터와 다양한 타입의 센서에 의해 모니터된 여러 다른 파라미터를 검출함으로써 개시될 수 있다.
잔여 희박 CO2 배기 가스 스트림이 대기로 배출되고, 그리고 농후 CO2 가스 스트림이 수집될 수 있을 때까지 온 보드에 임시 저장되기 전에, 가압되거나, 액화되거나 또는 고체화되는 치밀화 구역을 통과한다.
본 발명의 실시 예의 다른 한 작동 모드가 도 8, 도 9 및 도 10을 참조하여 기재되어 있다. 이러한 실시 예에 있어서, 고체 흡수제가 스윙 모드에서 작동되는 쌍의 셀 중 각각의 셀에 배치되고, 즉, 하나의 셀은 CO2를 흡착하는 한편, 다른 셀은 사전에 포획된 CO2를 탈착함으로써 재생된다. 셀은 전반적으로 쉘을 교호로 통과하는 고온/저온의 가스에 의한 열 교환을 위해 튜브에 배치된 흡수제를 갖는 튜브 디자인 및 쉘이다. 이러한 실시 예에 있어서, 포획된 CO2가 가스로 저장하기 위해 압축된다. 한층 더한 압축 및 급격한 팽창이 CO2를 더욱 고 밀도화하는데 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도면을 참조하여 더욱 상세하게 기재한 바와 같이, 실선은 개략적으로 엔진(10)으로부터 배출된 배기 스트림(20)을 나타내고, 도트(dot) 선은 흡수제 셀의 하류의 배기 가스 스트림(56)의 나머지를 나타내고, 대쉬(dash) 선은 탈착에 이은 농후 CO2 스트림(52)을 나타내고, 대쉬-도트(dash-dot) 선은 냉각수 공기를 나타내고, 대쉬-도트-도트(dash-dot-dot) 선은 열전 소자 냉각 회로를 나타내며, 그리고 대쉬-대쉬-도트(dash-dash-dot) 선은 기재된 특별한 작동 모드 동안에 능동형 유동이 없는 도관과 폐쇄된 밸브를 나타낸다.
도 8은 셀(50A)에서 발생하는 탈착 공정과, 그리고 흡착 즉, 셀(50B)에서 발생하는 CO2의 흡착, 즉 포획으로서 엔진(10)의 시동 이후 안정된-상태 동안의 시스템 작동을 개략적으로 나타낸 도면이다. 배기 가스 스트림(20)은 흡수제를 가열시키는 셀(50A)의 쉘 측을 통과하여 CO2를 배출하는데 필요한 탈착 열을 제공한다. 배기 스트림은 이후 열전 소자(30)를 통과하여 눈에 띌 정도의 폐열의 일부를 회수하고 전기 전도체(32)를 통해 회수된 전력을 만든다. 배기 스트림은 이후 CO2가 접촉하는 셀(50B)의 내부나 또는 튜브 측을 통과하고, 흡수제 물질에 의해 흡착된다. 공기가 또한 발열성 흡착 열을 제거하고 최적의 흡수제 온도를 셀 내에서 유지하는 흡착 공정하에서 상기 셀을 냉각하기 위해 부재번호 84로 공급된다. NOx, 수증기 및 흡착되지 않은 임의의 잔여 CO2를 포함한 잔여 배기 가스 스트림(56)이 유출구(58)를 통해 대기로 배출된다.
탈착된 CO2 스트림(52)이 셀(50A)로부터 배출되고 진공 펌프(72)에 의해 빼내진다. 농후 CO2 스트림이 CO2 압축기(74)에 의해 압축되고 CO2 저장 탱크(70)에 저장되기 전에 일련의 공기 및 액체 열 교환기(62, 64, 66)를 통해 냉각된다. 저장 탱크(70) 내의 압력이 상기 탱크의 사전결정된 최대 값에 도달할 때, 탱크 셧-오프 밸브(79)가 시스템 조정 유닛의 제어기로부터 액츄에이터까지의 시그널에 의해 폐쇄된다.
열전 소자(30)는 냉각수 펌프(36) 및 열 교환기(38)를 포함한 폐쇄 순환식 액체 냉각 시스템(34)을 사용하여 냉각된다. 공기-냉각된, 핀(fin) 형성된 또는 박판 열 교환기를 포함한, 다른 냉각 수단이 사용될 수도 있다.
열전 소자(30)에 의해 만들어진 전기 에너지는 냉각수 펌프(36), 공기 송풍기(82), 진공 펌프(72) 또는 CO2 압축기(74)와 같은 임의의 하나 이상의 시스템에 동력을 공급하도록 사용될 수 있다. 선택적으로, 전기 에너지가 차량의 저장 배터리(도시 생략)로 나아갈 수 있다.
탈착 공정이 셀(50B)에서 발생하고 흡착이 셀(50A)에서 발생할 때 연속 작동 단계를 나타낸 도 9를 참조하기 바란다. 3-방향 밸브(54)가 흡수제와 내측에 흡착된 CO2를 가열하고 필요한 탈착 열을 제공하도록 셀(50B)의 셀 측을 현재 통과하는 배기 스트림(20)을 분기시키도록 기동된다. 배기 스트림(20)은 이후 열전 소자(30)를 통과하여 상기 배기 스트림의 폐열 값의 일부를 변환하고 전력을 만든다. 배기 스트림은 이후 CO2가 흡수제 물질에서 흡착되는 셀(50A)의 튜브 측이나 내부로 유도되고; 배기 스트림(56)의 나머지가 셀(50A)로부터 통과하고 그리고 유출구(58)를 통해 대기로 배출된다.
다른 관점에서는, 시스템의 기능과 상기 시스템의 작동 방법이 실질적으로 도 8과 관련하여 상기 기재된 바와 같다.
도 10을 살펴보면, 작동 모드가 도시되어 있고 상기 도면에서 CO2 포획 시스템이 완전히 바이-패스되고 배기 가스 스트림(20)이 배기 유출구(58)를 통해 대기로 직접 배출된다. 이러한 작동 모드를 필요로 하는 조건은 저장 탱크(70)에서 도달되는 최대 압력 한계나, 또는 시스템의 제어 용량을 초과할 만큼 안정된-상태 조건을 매우 벗어나는 엔진(10)의 급격한 가속을 포함할 수 있다. 즉, 변환 밸브는 상기 ICE의 작동 조건에 기초하여 제어된다.
또한 조정가능한 3-방향 바이-패스 밸브(76) 및 CO2 바이-패스 도관(78)이 진공 펌프(72)와 CO2 압축기(74) 사이의 라인에 위치된다. 바이-패스 밸브(76)는 예를 들면, 저장 탱크(70)에서의 CO2의 사전결정된 최대 압력이 달성되고 CO2의 시스템을 깨끗하게 하는 것이 바람직한 환경에서, 온-보드 엔진 조정 프로세서/제어기에 의해 기동된다. 바이-패스 밸브(76) 및 도관은 이러한 경우에 CO2를 대기(도시 생략)로 방출할 수 있다. 아래에서 더욱 상세하게 기재된 바와 같이, 바이-패스 도관(76)으로부터의 CO2는 또한 엔진(10)으로 리사이클될 수 있다.
당업자에게 자명한 바와 같이, 시스템의 작동은 바람직하게는 온-보드 컴퓨터를 구비한 기술의(art) 엔진 조정 프로그램의 상태를 사용하여 자동화된다. 간략하게 하기 위하여, 압력 센서 및 온도 센서가 첨부된 개략적으로 도시된 도면에 나타나 있지는 않다. 작동 피드백 루프가 진공 펌프(72), CO2 압축기(74), 액체 냉각수 펌프(36) 및 냉각 공기 송풍기(82)를 포함한 구성요소에 통상적으로 제공된다.
알람 시그널 및/또는 자동식 셧-오프 스위치를 구비한 압력 센서가 공기 송풍기(82), CO2 진공 펌프(72), CO2 압축기(74) 및 CO2 저장 탱크(70)의 작동 특성과 관련이 있다. 온-보드 처리 시스템은 대기로 방출되기 이전에, 상기 처리 구역으로 통과하는 상기 배기 가스 스트림의 부피 양을 조절하기 위한 변환 밸브 (diverter valve)를 포함하고, 특히, 탱크(70)에서의 압력이 최대로 될 때, 프로그램된 시그널은 배기 유출구(58)를 통해 대기로 모든 엔진 배기(20)를 방출시키도록 변환 밸브(90)를 기동시킨다. 상기 시스템은 처리 구역의 통과 없이, 대기로 배기 가스의 전부 또는 일부를 방출하기 위한 제어 수단을 포함한다.
써모커플 형태의 온도 센서가 유리하게도 시스템 작동을 제어하도록 사용될 수 있다. 예를 들면, 흡수제나 또는 흡수제 컨테이너의 온도가 복수의 써모커플을 통해 측정되고 프로그램에 의해 모니터되어 사전결정된 온도에 도달될 때가 결정되며, 이는 흡수제가 상기 흡수제의 CO2의 원하는 용량에 도달하였는지를 나타낸다. 프로그램 제어기는 이후 배기 가스 스트림(20)을 다른 셀로 분기시키고, 상기 셀은 그 동안에 탈착 모드에서 작동하고 있고 그리고 그 흡수제 물질은 재생되며 CO2 흡착을 개시하는 한편, 인접한 셀은 그 탈착 사이클을 개시한다.
여러 자동식 밸브 및 스위치 기능은, 단지 예를 들자면, 압력이 사전결정된 최소치, 예를 들면, 1.5 psig로 떨어지거나 최대 값, 예를 들면, 1600 psig에 도달할 때 CO2 저장 탱크 유입구 밸브(71)를 폐쇄하는 단계; 및 CO2 저장 탱크 온도가 사전결정된 수준, 예를 들면, 50℃을 초과하거나 최대 압력에 도달하면 CO2 압축기를 터언 오프하는 단계를 포함한다.
작동 프로그램은 또한 셀(50A 및 50B)에서의 흡수제 물질의 흡착 용량에 대한 종래의 실험이나 개발(prototype) 시험에 의해 실험적으로 보정된 예를 들면, 엔진 rpm 등으로부터 유도된 배기 가스 스트림 유동율과 관련된 데이터를 수신한다. 이들 보정은 배기 가스 시스템의 총 부피 유량에 기초한 셀에 대한 흡착 사이클 시간과 관련되며, 이는 이후 사이클 시간을 제어하는 변수로 사용된다. 따라서, 셀의 전환 시기를 맞추기 위해 배기 가스 스트림 유량을 사용하는 것은 보다 낮은 엔진 rpm에서, 즉, 보다 느린 차량 속도에서나 엔진이 아이들 상태인 경우에 보다 긴 작동 사이클을 초래하고, 그리고 보다 고 rpm 및 차량 속도에서 상대적으로 더욱 짧은 시간의 사이클을 초래한다.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 포획제의 재생 이후에 회수된 CO2의 일부가 바이-패스 도관(76)을 통해 대기 공기 및 연료와 혼합될 엔진(10)의 흡입부로 복귀된다. 이러한 시스템의 작동 특징은 엔진 작동 온도 및 이에 따른 연료의 연소 동안에 만들어진 NOx 화합물의 양을 감소시키는데 현재 사용되는 배기 가스 재순환(EGR)과 유사하다. 배기 가스 부피의 5 내지 15 퍼센트에 상당하는 CO2의 양이 흡입부로 복귀될 수 있다. CO2의 복귀는 또한 연료 혼합물으로써 빼내어진 대기 질소의 양을 감소시키며, 이는 또한 배기에서의 NOx 화합물을 감소시키는 유리한 효과를 갖는다. 배기 가스 스트림에서의 CO2의 퍼센트가 또한 증가된다.
CO2의 재순환은 자동차에서의 배기 가스 재순환을 위해 통상적으로 사용된 제어 시스템과 동일한 장치에 의해 실행될 수 있다. CO2의 재순환은 또한 현 EGR 시스템과 관련하여 개시(undertake)될 수 있다. CO2는 엔진 작동 조건에 기초하여 또는 현 실시에 따라 배기 가스의 모든 부분이나 사전결정된 부분을 대체할 수 있으며, 엔진이 차가울 때의 시동, 또는 급격한 가속 동안 및/또는 ICE가 과 부하 상태에 있을 때처럼 완전하게 재순환을 중단시킨다.
써모커플은 유리하게도 시스템 작동에 대한 제어 전략에 사용된다. 하나의, 그러나 바람직하게는 복수의 써모커플은, 특별한 타입의 셀 및 상기 셀에 위치된 특별한 흡수제 물질에 대해 실험적으로 사전결정되는 목표 흡착 온도나 탈착 온도와 흡수제 온도를 비교함으로써, 셀(50A)과 셀(50B) 사이의 스윙 작동을 결정하도록 사용된다. 써모커플은 또한 흡착 열을 소산시키기 위해 흡착 사이클 동안에 요구되는 바와 같이 포획 셀을 냉각시키는 공기 송풍기를 작동시키도록 사용된다. 써모커플은 또한 배기 가스 스트림의 온도가 열전 소자용 한계치를 초과하는 경우에 손상되지 않도록 바이-패스 밸브를 제어하도록 사용될 수 있다. 또한 CO2의 유입구 온도가 최대 값을 초과하는 경우에 별도의 써모커플이 CO2 압축기(70)를 보호하도록 사용되고, 이러한 경우에 바이-패스 밸브(76)가 도관(78)을 통해 CO2를 방출시키도록 기동된다.
압력 센서가 또한 시스템 제어를 용이하게 하는데 사용된다. 예를 들면, 시스템을 가로지른 압력 강하가 엔진의 성능에 영향을 미치는 값을 초과하는 경우에 엔진 배기에서의 압력 센서가 시스템 바이-패스 밸브(90)를 기동시키도록 사용된다. 흡입 압력이 사전결정된 최소 값 이하로 떨어지는 경우에 압력 센서가 CO2 압축기(74)를 터언 오프하도록 사용된다. 축적된 압력이 탱크의 설계 압력과 가까운 값에 도달한다면, 별도의 압력 센서가 CO2 압축기(74)를 터언 오프하고 CO2 저장 탱크(70)를 격리시키도록 사용된다.
바람직한 실시 예에 있어서, CO2 포획 시스템의 작동 및 제어와 본 발명의 공정은 자동식이다. 프로그램된 엔진 조정 유닛은 시스템을 모니터하는 여러 장치 및 센서로부터의 데이터 및 시그널에 기초하여 작동하는 제어기와 프로세서를 포함한다. 다양한 작동 특성에 대한 적당한 제어 프로토콜의 실시 예가 도 11 내지 도 14의 상세한 공정 플로우 다이어그램에 제공된다. 이러한 일련의 다이어그램에서, "TE"는 "열전 소자"를 의미한다.
도 11을 살펴보면, 시스템을 시동 및 셧다운 시, 다양한 기기 및 개폐 지시 밸브를 기동시키는 단계를 포함한 작동 시퀀스가 개략적으로 나타나 있다. 시스템 셧다운 동안에, 모든 밸브가 프로세서/제어기에 의해 밸브 액츄에이터에 야기된 시그널에 응답하여 폐쇄된다. 진공 저장부 바이패스는, 시스템이 셧오프 되었을 경우에서도 열 유지 효과(heat soaking effect)에 의한 온도 상승을 피하기 위하여, CO2 압축기 유입구를 100℉ 이하로 유지시키도록 작동한다.
도 12를 살펴보면, 단계 체크 및 센서 체크의 상세한 시퀀스가 탈착 유닛 작동 제어 전략을 위해 나타나 있다.
도 13을 살펴보면, 단계 체크 및 센서 체크의 시퀀스가 바이패스 제어 전략에 대해 도시되어 있다. 이러한 실시 예에 있어서, 시스템 바이패스 밸브용 디폴트 위치가 개방되고; 배기 가스 스트림을 CO2의 포획용 흡수제로 통과시키기 위하여, 밸브 액츄에이터는 프로세서/제어기로부터의 시그널이나 "폐쇄" 명령을 수신한다. 도시된 시퀀스는 단계 "차량 성능이 심각하게 저해되었는가?"를 포함한다. 엔진 속도, 가속기 페달 위치 및 엔진 매니폴드 배 압력과 같은 작동은, CO2 수착 시스템이 바이패스 되는지에 대한 여부를 결정하도록, 사용된다. 차량 성능의 심각한 장애는 차량 운전자에게 인지가능한 파워의 감소로 정의된다. 배기 가스 스트림이 탈착기를 통과하는 언제라도 차량의 성능이 상당하게 감소되지 않는다고 알려졌다면 다이어그램에서의 이러한 단계는 생략될 수 있다.
도 14를 살펴보면, 공기 송풍기를 제어하는 단계 및 작동의 시퀀스가 도시되어 있다. 도 8 내지 도 10을 참조하여 제공된 각각의 단계의 상세한 특징을 고려하여, 자세한 설명은 생략되어 있다. 본 발명의 시스템은 차량에 전통적으로 설치된 촉매 변환기 하류의 배기 가스 스트림으로부터 CO2를 수용하고 포획하도록 설치되는 것이 바람직하다. 배기 가스 스트림에서의 질소-함유 화합물의 질소로의 변환은 흡수제 용량 및 흡수제 물질의 사이클 수명시간에 영향을 줄 수 있는 연소 생성물의 잠재적인 존재를 최소화한다. 촉매 변환기의 하류의 배기 가스 스트림 온도가 더 높고 그리고 더 많은 발열량이 회수될 수 있다. 더욱이, 엔진이 시동 시 차가울 때, 촉매 변환기의 하류의 배기 가스가 변환기에서 발생하는 발열성 반응 때문에 상류에서 더욱 고온일 것이다. 설계된 엔진 성능 특성에 악영향을 미치는 것을 피하기 위하여, 촉매 변환기의 하류의 배기 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하고 온도를 감소시키는 것과 관련된 압력 강하를 만드는 것이 또한 바람직하다. 차량의 촉매 변환기의 하류에 시스템을 위치시키는 것은 또한 흡수제 셀을 통과한 이후에 이어서 잔여 배기 가스 스트림의 방출을 간략화한다.
CO2 포획 구성요소의 실시 예가 아래 기재된 바와 같은 구성을 단지 예시적으로 포함할 수 있다:
1. 포획제는 배기 가스로부터 분리를 위한 CO2의 화학적 또는 물리적 흡착, 즉, 화학적-흡수제나 물리적-흡수제에 기초할 수 있다. 물리적 흡수제는 활성 탄소, 제올라이트, 금속 유기 골격구조(MOF, Metal Organic Framework) 물질 및 유기-무기 하이브리드를 포함할 수 있다.
2. 포획제를 선택하는 경우, 배치될 특별한 차량의 타입 및 시스템의 각각의 배기 가스 온도에서의 오랜-기간의 안정성이 반드시 고려되어야만 한다. 가솔린 기관 및 디젤 기관용 배기 가스 온도는 변할 수 있고, 그리고 가솔린 연료공급된 엔진의 배기는 일반적으로 유사한 작동 조건 하에서 보다 고온이다. 고려될 다른 인자는 아래 기재된 바와 같다:
a. 상이한 가스발생기 (producer)에 의해 사용된 정련 공정 본래의 제한에 의한, 연료에 존재하는 임의의 타입의 오염물;
b. 본래 특별한 타입의 연료이면서 연소 동안에 산화되는, NOx 및 SOx와 같은 화학적 화합물; 및
c. 정제기에서 연료로 유입되는, 세정제, 염료, 인터녹(anti-knock) 및 윤활 첨가제와 같은 화학적 화합물.
3. 포획제는 CO2 흡착가능한 고체 흡수제, 고체 탄산염 또는 다른 여러 물질로 사용될 수 있다. 포획제의 실시 예는 금속 산화물, 하이드로탈사이트(hydrotalcite), 지르코산염, 규산염, 알루미네이트, 탄산염, 및 지지된(supported) 아민을 포함한다. 포획제는 칼륨-촉진된(potassium-promoted) 알루미나와 같은 촉진된 고 표면적 지지체의 형태를 취할 수 있다. CO2 포획제는 단일의 등급(class)이나 다수의 등급의 물질을 포함할 수 있다.
4. 포획제의 형상은 상이할 수 있다. 고체 흡수제는 예를 들면, 무엇보다도, 구형 파티클, 펠릿, 그래뉼(granule), 모놀리스, 파우더 및 압출물(extrudate)로 팩(pack)될 수 있다. 포획제는 중공의 섬유 흡수제의 형태를 취할 수 있다. 얇은 섬유 매트릭스 튜브는 CO2 포획제를 지지 매트릭스 내에서 포함할 수 있고 내측 불침투성 튜브를 수용할 수 있다. 유체가 CO2 포획제의 흡착 및 재생을 조정하는데 필요한 열을 공급하고 제거하기 위해 단열된 내측 튜브 내측에 사용될 수 있다. 현 바람직한 실시 예에 있어서, 열 전조성 물질로 만들어지고 고 온을 견딜 수 있는 섬유 매트릭스가 사용된다. 많은 평행한 중공의 섬유 흡수제 튜브가 CO2 포획 구성요소로 사용될 수 있다. 배기 가스가 외측 튜브를 통과할 때, CO2가 포획제와 반응하고 열이 유체를 사용하여 내측 튜브로부터 제거된다. CO2의 재생을 위하여, 유체가 내측 튜브로부터의 탈착을 위한 열을 공급한다.
포획제가 또한 본 발명에서 정의된 모놀리스의 표면에 적용될 수 있고, 상기 모놀리스는 상기 모놀리스의 길이를 따라 뻗어있는 홈을 구비한 파이프처럼, 상이한 형상을 취할 수 있는 고-표면적 지지체이다. 흡수제는 모놀리스의 표면에 도포되어 가스와의 고 표면 상호작용을 제공하고 또한 압력 강하를 감소시킬 수 있으며, 이는 ICE 효율에 필수적이다. 흡수제는 또한 모놀리스의 홈 내에 적재될 수 있다. 모놀리스는 열 전조성 물질, 예를 들면, 흡착/탈착 동안에 포획 구성요소의 열 전달 특성을 강하하는 금속으로 구성될 수 있다.
고 다공성으로 형성된 금속이 또한 포획제용 담체로 사용될 수 있다. 상기 기재한 모놀리스와 같이, 다양한 구조적 형상첨가 강성의 발포 금속으로 형성될 수 있고 포획제로 코팅 및/또는 스며들 수 있다.
5. 흡착 셀 및 탈착 셀이 상이하게 설계될 수 있다. 도 4 및 도 5는 쉘-및-튜브 교환기와 같은 포획 구역의 구성요소를 도시하고 있으며, 상기 도면에서 흡수제가 튜브에서 팩(pack)되어 있다. 다른 타입의 열 교환기가 포획제를 보유하도록 사용될 수 있다. 이들은 판형, 나선형, 교차-유동(cross-flow), 및 다른 타입을 포함한다. 하나의 유닛에서의 흡착 구역 및 탈착 구역 모두가 합쳐져 흡착/탈착의 매우 컴팩트하고 매우 효율적인 열의 교환이 가능하다. 예를 들면, 흡수제가 스윙 타입의 장치의 양 측에 적재될 수 있다. 흡착 열은 CO2가 포획됨에 따라 배출되고 전도될 것이며 그렇지 않으면 흡수제의 재생에 필요한 열의 일부를 적어도 제공하는 다른 측으로 이송된다.
팩된-층의 작동에 더하여, 한 세트의 유동 베드가 포획 구성요소에 대해 사용될 수 있다.
6. 2개의 포획 셀이 흡착과 탈착 사이의 스윙 공정에 대해 도시되어 있고; 다수의 셀이 상이한 흡착/탈착 사이클을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
7. 도 3, 도 4 및 도 5와 관련하여 기재된 온도 스윙 흡착에 더하여, 압력 스윙, 진공 스윙 및 전기 스윙 흡착과 같은 여러 공정이 사용될 수 있다. 포획 셀을 통해 가스 유동을 스윙하는 것은 배기 유출구, 한정된 작동 시간 및 포획제의 CO2 용량의 최대의/최적의 사용을 보장하도록 선택된 여러 기준에서 검출된 CO2 농도에 기초하여 개시될 수 있다.
가스상의 CO2에 대해 특별히 사용가능한 고체 흡수제가 MgCO3나 또는 MgO와 같은 마그네슘 화합물의 혼합된 염, 그룹 IA 금속의 적어도 하나의 염을 포함한 혼합된 염 조성물이라고 알려져 있으며, 이 경우 그룹 IA 금속에 대한 Mg의 몰비의 범위는 8:1 내지 3:1일 수 있고, 바람직하게는 6:1 내지 4:1일 수 있다. 마그네슘 화합물이 MgO인 것이 바람직하고 그리고 그룹 IA 금속의 적어도 하나의 염가 탄산염, 및/또는 질산(nitrate) 염인 것이 바람직하다. 특히 바람직한 흡수제 조성물은 MgO:Na2CO3:NaNO3이며, 이 경우 Mg:Na의 몰비는 약 4:8 내지 1이다. Li, K, 또는 Rb의 염은 바람직한 조성물에서 나트륨염을 대체할 수 있다.
본 발명의 혼합된 염 흡수제가 예를 들면, 실시 예 1에서 아래 기재된 바와 같은 겔화(gelation) 반응을 통해서 만들어지거나, 또는 바람직하게는 실시 예 2에 기재된 바와 같은 침전 반응에 의해 만들어질 수 있다. 마그네슘 염 및 그룹 IA 금속 염은 용액 형태로 준비되고, 반응성 혼합물을 형성하도록 합쳐진다. 이러한 반응이 침전제로 선택적으로 실행된다. 염은 서로 반응할 때, MgO 또는 MgCO3가 침전물에서 형성되도록 선택된다. 바람직하게는, 고 용해가능한 Mg 화합물이 MgO 자체, Mg(OH)2, 또는 가장 바람직하게는 Mg(NO3)2와 같이 사용된다. 상기 기재한 바와 같이, MgCl2 또는 Mg(CH3COO)2가 또한 사용될 수 있다. Mg 염이 일단 선택되면, 당업자는, Na 염 또는 염가 Mg 염과 반응하여 원하는 MgO / MgCO3을 만들어내는 것을, 결정할 수 있다.
조제(preparation)에 이어서, 흡수제 파우더가 버마이트(boehmite)과 같은 결합제의 첨가를 통해, 또는 흡수도(sorbency)의 손실을 초래할 수 있는 기술상 알려진 특별한 준비 기술을 통해 압출물로 만들어질 수 있지만; 그러나, 기술은 압력 강하를 팩된 층에서 낮게 유지하고, 물질의 조정을 보다 용이하게 하는데 유용하다.
기재된 파우더의 염을 사용하여, 보다 큰 CO2 흡착 용량이 300℃에서 대략 20 wt%의 CO2 적재 (loads)로 달성된 결합제 없이 만들어진 압출물에 대해 발견되었다. 결합제가 없는 압출물의 파쇄 강도 (crush strength)는 버마이트로 준비된 이들 압출물(0.55 MPa)에 상당하는 0.51 MPa로 알려졌었다.
반응은 Mg:그룹 IA 금속의 비는 3:1 내지 8:1, 가장 바람직하게는 4:1 내지 6:1로 제공된 반응성 염의 농도로 실행된다. 상기 기재한 바와 같이, 비(ratio)를 변경시킴으로써, 상이한 특징을 갖는 흡수제를 만들 수 있기 때문에, 비의 선택은 당업자에게 남겨둔다. 흡수제가 작용하는 조건을 아는 것은 사용된 비를 결정할 것이다. 선택적으로, NaNO3와 같은, 침전제 (precipitating agent)가 반응을 용이하게 하기 위해 첨가될 수 있다. 침전제가 그룹 IA 금속의 염인 것이 바람직하다.
실시 예 1
이러한 실시 예는 본 발명의 공정에 사용하기 위한 고체 CO2 흡수제의 조제를 기술하고 있으며 이를 젤라틴 공정이라 한다. 마그네슘 탄산염 수산화물(MgCO3 · Mg(OH)2 x H2O)의 양(395g)은 탈이온화된 물에 용해된 질산나트륨(21.63 g) 및 소듐 탄산염(42.18 g)의 800 ml의 용액에 첨가되었다. 이는 30분 동안 교반되었던 혼합된 염 슬러리를 만들었다. 슬러리는 이후 퍼지고(cover) 주위 온도에서 16 시간 동안 놓여질 수 있으며, 이후 16 시간 동안 120℃에서 건조되어 MgO:Na2CO3:NaNO3의 건조 케이크(dry cake)를 형성한다. 75.8:16:8.2의 질량 비 및 약 4.8의 Mg:Na의 몰비가 분석되었다. 이러한 건조 케이크는 4 시간 동안 450℃에 이어서 3℃/분의 램프(ramp) 율로 120℃ 내지 450℃로 가열함으로써 하소되었다. 하소된 케이크는 150-425 메쉬 소부분(fraction)을 수집하도록 분쇄되고 체로 걸러지며, 이는 임의의 잔여 부피를 차지한 SiC와 같은 불활성 물질과 팩된 층에 사용하기에 적당하다. 시험 결과는 흡수제에서의 CO2의 적재가 300℃에서 그 최대에 도달하였지만, 상기 흡수제가 보다 넓은 범위의 온도 내내 유효하였다는 것을 지시하고 있다.
실시 예 2
이러한 실시 예는 본 발명에서 사용하기 위한 동일한 혼합된 염 조성물의 고체 CO2 흡수제의 조제를 기재하고 있으며, 이를 침전 공정이라 한다. 3000 ml 탈이온화된 물에서의 Na2CO3의 233.4 g의 용액이 5.0 리터 플라스틱 비이커에 놓여졌었고, 기계적 교반기로서 격렬하게 교반되었다. 탈이온화된 물의 500 ml에서의 188.4 g Mg(NO3)2 : 6 H2O의 제 2 용액은 대략적으로 30 ml/분의 속도로 제 1 용액으로 펌프되었다. 슬러리가 초래되어 한 시간 동안 교반되었다. 슬러리는 상기 기재한 바와 같이, 밤새도록 저장되었고, 그리고 이후 습식 침전물 케이크를 초래하도록 여과되었다. 약 3200 ml의 여과액이 수집되었다. 이는 24 시간 동안 120℃에서 건조되어 건조 케이크를 형성하였고, 실시 예 1에 기재된 바와 같이 처리되었다. 시험 결과는, 흡수제에 적재된 CO2의 양이 325℃에서 그 피크에 도달하였고, 그리고 실시 예 1로부터의 흡수제를 사용한 경우처럼, 이러한 실시 예로부터의 흡수제 생성물이 또한 넓은 온도 범위 내내 효과적이었다는 것을 지시하였다.
혼합된 염 흡수제 조성물에서의 알칼리 성분의 효과는 최종 흡수제 생성물을 준비하기 위하여 Li, Na, 또는 K 염을 사용하여 평가되었다. 염은 6:1의 Mg : 알칼리 금속의 몰비를 사용하여, 상기 설명된 방식으로 준비되었다. 최종 생성물이 모의 배기 가스 스트림으로부터 CO2를 제거하기 위한 그 능력에 대해 시험되었다. 흡착이 3,125/시간의 GHSV에서, 100 - 450℃ 범위의 온도에서 실행되었다. 흡수제가 10℃/분의 비율에서, 그리고 GHSV 2500/시간의 GHSV에서, 온도를 450℃로 램프 시킴으로써 재생되었다.
결과는 Na이 최상의 작동 온도 범위를 만들고 그리고 Li 및 K 알칼리 금속이 상이한 온도에서 잘 작동한다는 것을 나타내었다. 200℃ 내지 400℃의 온도 범위 내내 소듐 흡착된 CO2를 함유한 흡수제가 325℃에서 최대치에 도달하였다. 리튬을 함유한 파우더는 200℃에서 가장 효과적이었고 대략 250℃에서 효과적이었던 한편, 칼륨 함유 화합물은 약 300℃ 내지 약 400℃ 범위의 보다 고 온도에서 CO2를 흡착했다.
부가적인 시험은, 본 발명의 혼합된 염 조성물이 구성요소로서 Mg2CO3나 또는 MgO를 구비할 수 있고, 그리고 이들 흡수제의 조제에서, Mg 화합물이 바람직하게는 이들 흡수제 중 하나의 흡수제를 유도하도록 선택된다는 것을 나타내었다.
Mg(NO3)2, MgO, 및 Mg(OH)2는 실시 예 1 및 실시 예 2의 동일한 파라미터를 사용해 모두 시험되었다. 질산염은 MgO 또는 Mg(OH)2 염 보다 흡착 CO2, 그러나 모든 흡착된 CO2에 대해 상당히 더욱 큰 능력을 갖는 흡수제를 만들었다.
Mg(NO3)2의 물에서의 용해성이 다른 화합물보다 상당히 더 크다는 것에 주목할만하다. 용해성에서의 차이는 또한 최종 생성물이 상이한 반응성 메카니즘을 초래하는 것을 나타낸다. 예를 들면, 질산염은 나트륨염과의 음이온 교환에 관여하는 반면, 산화물 및 수산화물은 관여하지 않는다. 따라서, 마그네슘 염이 더욱 더 용해가능하면 할수록, 최종 생성물의 흡착 능력이 더욱더 크다. Mg(NO3)2, MgCl2, Mg(CH3COO)2 및 여러 고 용해가능한 마그네슘 염이 따라서 본 발명의 흡수제를 만드는데 바람직하다.
소듐의 농도는 상이한 온도에서 최적의 흡착 용량으로, 흡수제의 성능에 영향을 미친다. Na에 대한 Mg의 농도의 감소는 피크 CO2 적재 온도에서의 변화를 초래하여, 325℃ - 350℃에 비해 250℃ 내지 275℃를 형성하였다. 이와 달리, 흡수제에 적재된 CO2의 증가는 더욱 고 농도를 위한 12-13 wt%와 비교하였을 경우보다는 대략 20 wt%에서 관찰되었다.
상기 시험이 침전제로 Na2CO3를 사용하는 한편, (NH4)2CO3로 예시된 바와 같이, 다른 것이 사용될 수 있다.
Na2CO3를 갖는 흡수제를 준비하기 위하여, 침전제가 용액의 형태로 MgNO3의 용액에 느리게 첨가되었다. (NH4)2CO3가 MgNO3 및 Na2NO3의 용액에 첨가된 한편, 6:1의 Mg:Na 몰비를 유지하였다.
결과는, Na2CO3로 얻어진 생성물이 넓은 범위의 활동도를 나타낸 반면, (NH4)2CO3로 준비된 생성물이 300℃에서 CO2 흡착(adsorbence) 활동도의 매우 날카로운 급격한 상승(spike)과, 다른 온도에서 매우 작은 활동도를 나타내었다는 것을, 보여준다. 이들 결과는 침전제의 변화가 상이한 적용에 대해 흡수제를 준비하도록 사용될 수 있다는 것을 제안한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, CO2가 배기 가스 스트림으로부터의 모든 또는 일부의 CO2를 제거하기 위한 흡수제에 충분한 시간 동안에, 약 100℃ 내지 약 450℃, 바람직하게는 약 250℃ 내지 약 350℃ 범위의 온도에서 기술된 혼합된 염 흡수제와의 접촉에 의해 배기 가스 스트림으로부터 흡착된다. 상기 기재한 바와 같이, 흡수제가 CO2로 포화될 것이고 그리고 이는 상기 흡수제와의 접촉 이전이나 이후에 배기 가스 스트림의 CO2의 함량을 측정해 비교함으로써 결정될 수 있다. 그 이상의 CO2가 배기 스트림으로부터 제거되지 않음이 명확한 경우, 흡수제가 예를 들면, 상기 CO2를 그 탈착 온도, 예를 들면, 대략 500℃로 가열시킴으로써 재생될 수 있다. 다시 말하자면, 현 가스에 함유된 CO2의 양을 측정함으로써, 당업자는 흡수제가 재사용 준비될 때를 결정할 수 있다.
CO2 치밀화 구성요소가 임시 온-보드 저장을 위한 CO2의 가압화나, 액화나 또는 고화를 보장하도록 적당한 능동/수동 냉각 시스템과 단일의 또는 다수의 저장 압축기에 의해 달성될 수 있다. CO2가 이동발생원 온 보드의 단일의 탱크나 다수의 탱크에 저장될 수 있다. 연료 탱크가 또한 연료 측과 CO2측 사이에 가동 파티션을 가짐으로써 포획된 CO2를 저장하는데 사용될 수 있다. 모든 시스템 구성요소의 제어는 성능을 최적화하기 위하여, 이동발생원의 제어 시스템이나 또는 별도의 제어 시스템과 통합될 수 있다.
가열 조정은 CO2 포획제의 흡착 사이클 및 탈착 사이클을 제어하는데 필요하다. 도 6에서 도식적으로 나타난 바와 같이, 흡수제의 CO2 흡수 용량은 온도로 상당하게 변할 수 있다. 도시된 실시 예에 있어서, 용량은 350℃에 도달하는 온도로 최대로 증가하고, 이후 350℃와 400℃ 사이의 온도로 급격하게 감소한다.
일반적으로, 상업적으로 이용가능한 판형-타입의 컴팩트한 열 교환기는 배기 가스 스트림의 온도 감소에 효과적이라고 알려져 있다. 이들 열 교환기는 다양한 크기 및 물질로 제조되어 사용될 수 있다. 큰 열 전달 표면이 비교적 보다 작은 장치의 사용을 가능하게 하여, 차량에 첨가된 부피 및 중량 모두를 절약한다.
CO2가 (물리적으로 또는 화학적으로) 작용제에 흡착되고 그리고 흡착 열이 배출됨에 따라, 열이 포획 구성요소로부터 제거되어야 할 것이다. CO2가 작용제로부터 배출될 때 탈착/재생에 필요한 열을 제공하기 위해 포획 구성요소에 열이 공급되어야 할 것이다. 열의 공급 및 제거가 전도, 대류, 복사, 생성, 및/또는 이들 방법의 조합을 포함하는 상이한 방법을 사용하여 달성될 수 있다.
전도의 경우에 있어서, 열이 금속과 같은 열 전도 물질을 사용하여 CO2 포획제로부터 제거되거나 공급될 수 있다. CO2 포획제가 튜브에 팩된다면, 열이 튜브 쉘을 통한 전도를 사용해 튜브의 외측으로부터 제거될 수 있다. 유체가 튜브의 외측 쉘로부터의 열을 제거하거나 공급하도록 사용될 수 있다. 튜브 내측의 핀, 금속 메쉬 및 다른 디자인과 공지된 기술이 작용제와 접촉하는 표면적을 증대시키고 열 전달을 향상시키도록 사용될 수 있다. 핀 및 여러 표면 변화가 또한 시스템의 열 전달을 향상시키도록 튜브의 외측 쉘에 사용될 수 있다. CO2 작용제는 또한 유체를 사용하여 열을 공급하거나 제거하도록 사용된 튜브의 외측과 상기 튜브의 내측에 팩될 수 있거나 적재될 수 있다. CO2 포획제는 모놀리스-타입의 포획 구성요소에 코팅되거나 적재될 수 있으며, 상기 포획 구성요소에서 지지체 물질이 금속과 같은, 우수한 열 전도체이다. 열이 모놀리스식 지지체를 통한 열 전도를 사용하여 공급되거나 제거될 수 있다.
대류 열 교환을 위하여, 열이 유체를 사용하여 CO2 포획제로부터 공급되거나 제거된다. 예를 들면, CO2 포획제가 튜브 내측에 적재된다면, 유체가 튜브의 외측 쉘로부터 또는 작용제와의 직접적인 접촉을 통해 열을 공급하거나 제거할 수 있다. CO2 포획제가 모놀리스-타입의 포획 구성요소에 코팅되거나 적재된다면, 유체가 예를 들면, 모놀리스식 지지체를 관통하는 튜브를 사용함으로써 또는 작용제와 직접 접촉함으로써, 상기 모놀리스의 외측 쉘로부터 열을 공급하거나 제거할 수 있다.
복사 열 교환을 위하여, 열이 재생을 위한 작용제에 공급될 수 있다. 고-온 발생원이나 또는 마이크로파는 열을 공급하는데 사용될 수 있다. 열이 또한 예를 들면, 열전 소자로써 동력이 공급되는 전기 가열기와 같은 열 발생 구성요소를 통해, CO2 포획제에 공급될 수 있다.
도 4, 도 4a, 도 4b, 도 5, 도 5a 및 도 5b는 또한 시스템 및 밸브와 같은 여러 보조 설비의 치밀화 장치를 작동시키도록 사용될 수 있는 기계적인 일이나 전력으로 열 에너지를 변환시키는데 사용되는 열 회수(HR) 구성요소에 대한 선택적인 위치를 나타내고 있다. 액체는 이들 흡수제가 흡착 및 재생 동안에 교환하는 많은 양의 열을 유지해 이송할 수 있다. 단위 부피당 액체의 열 용량, 즉, 그 부피측정의 열 용량은 가스의 열 용량보다 약 100 배 더 크다. 따라서, 동일한 부피에 대하여, 액체가 가스보다 약 100배 더 큰 속도로 열을 제거하거나 공급할 수 있다. 이와 유사하게, 첨가되거나 제거될 동일한 열량에 대하여, 필요한 액체의 부피는 그러나 요구되는 가스의 부피의 약 1/100th이다.
단일의 기술이나 또는 다수의 기술이 CO2를 압축하고 보조 설비에 동력을 공급하는 전기 에너지나 일로 폐열을 전환시키는데 사용될 수 있다. HR 구성요소의 크기 즉 용량 조건, 위치 조건 및 작동 조건이 예를 들면, 엔진 배기 스트림으로부터의 폐열의 이용가능성에 기초하여 결정된다. 이는 배기나 또는 엔진 냉각수 이건 간에, 폐열 스트림의 온도 및 부피 유동율 모두를 포함할 것이다. 단일의 또는 하나 이상의 타입의 열 회수 구성요소가 폐열 스트림의 특성과 그의 온도 조건 및 유동 조건에 따라 사용될 수 있다.
열/에너지 회수 시스템의 작동은, 온도 센서 및 유동 센서로부터 데이터를 수신하고, 유동-조정 밸브와의 연통을 제어하는 사전-프로그램된 프로세서와 제어기에 의해, 제어될 수 있다. 예를 들면, 엔진 배기 가스의 온도가 CO2를 배출하는데 충분한 온도로 상승시키기 위하여, 포화된 흡수제 물질의 컨테이너와 열 교환 접촉부로 상기 배기 가스를 통과시킴으로써 제어될 수 있다. 보다 저온의 배기 가스가 이후 전기를 만드는 열전 소자와 열을 더욱 교환할 수 있다. 결론적으로, 비교적 낮은 온도의 배기 가스가 대기로 방출되기 이전에, 상기 배기 가스의 CO2 함량의 감소를 위해 흡수제 구역으로 안내될 수 있다.
본 발명의 실시에 사용된 타입의 열 회수(HR) 구성요소는 단지 예를 들자면, 다음 기재된 타입의 기기를 포함할 수 있다.
1. 전력 만드는 열전 소자, 또는 모듈. 고온 측의 열전 모듈이 배기 가스 측에 설치되고 저온 측이 (능동 시스템)으로 불리는 폐쇄된 냉각 시스템에 설치되거나 공기 (수동 시스템)에 노출된다. 열전 모듈은 고온 측으로부터의 열의 일부를 제거하고 그리고 치밀화 장치 및/또는 다른 온 보드 설비를 작동시키도록 사용될 수 있는 전력을 발생시킨다.
폐열을 전기 에너지로 전환시키는데 사용된 열전 소자는 에너지 전환을 최적화하기 위한 상이한 위치 및 장비에 놓일 수 있다. 열전 소자는 배기 파이프, 포획 구성요소, 엔진 블럭 또는 고온 측의 열전 소자와 같은 여러 엔진 구성요소와 열 전도성 접촉하여 체결될 수 있다. 열전 소자의 저온 측이 상기 열 전기 장치를 냉각하도록 공기 대류에 노출될 수 있다. 열전 소자의 저온 측이 또한 능동형 냉각 시스템, 예를 들면, 순환하는 액체와 접촉하여, 열 전달을 용이하게 하고 또한 열전 모듈의 성능을 제어할 수 있다.
열전 소자는 배기 가스에서의 압력 강하 영향을 최소화하는 원통형 파이프나 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 물질이 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 고화하기 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 고화하기 위한 차가운 냉각제를 제공하는 압축 냉동 사이클 유닛의 압축기를 가동시키거나 치밀화 압축기를 가동시키는 기계적인 일을 발생시키는 터빈에 스팀을 제공한다.
5. 소형의 형상 메모리 합금 엔진이나 압축기가 (CuSn, InTi, TiNi, 및 MnCu와 같은) 합금의 형상을 변경시키는 폐열을 사용하고 그리고 포획된 CO2의 밀도를 증가시키는데 사용되는 기계적인 일을 발생시킨다. 엔진 압축기가 필요한 압축을 발생시키도록 합금의 고온 측과 냉각 측을 구비함으로써 작동한다. 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. 단일의 또는 다수의 열 회수 시스템이 배기 가스 시스템 및 냉각수 시스템에 설치될 수 있다.
7. 단일의 또는 다수의 열 회수 시스템이 필요한 동력을 생성하고 배기 가스의 온도를 효과적으로 제어하도록 설치될 수 있다.
8. 동력 공급에 더하여, 열 회수 구성요소가 배기 가스의 온도를 제어하여 CO2 포획제의 성능을 최적화하도록 사용될 수 있다.
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 작동의 이러한 특징은 엔진 작동 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 퍼센트가 또한 증가되어, 회수를 향상시킨다.
CO2의 재순환은 자동차에서의 배기 가스 재순환을 위해 전통적으로 사용된 동일한 장치와 제어 시스템에 의해 실행될 수 있다. CO2의 재순환은 또한 현 EGR 시스템과 관련하여 착수될 수 있다. CO2는 엔진 작동 조건에 기초하여 또는 현 실시에 따라 배기 가스의 일부나 모두를 대체할 수 있어, 엔진이 차가울 때, 또는 급격한 가속 동안에 및/또는 ICE가 과 부하 상태일 때의 시동시에서와 같이 완전하게 재순환을 중단시킨다.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 배기 가스 스트림이나 또는 고 밀도화된 저장 컨테이너로부터 직접적으로 회수된 CO2의 일부가 물과 혼합되고 공지된 방법을 사용하여 촉매적으로 반응하여, 원 위치에 형성된 수소 및 일산화탄소의 중간(interim) 반응에 의해 메탄 및 물을 형성한다. 메탄 및 물이 이후 엔진 흡입부에 공급된 종래의 탄화수소 연료를 보충하도록 사용된다. CO2와 반응된 물이 이러한 목적을 위해 제공된 배기 가스 스트림이나 또는 별도의 온-보드 발생원(source)으로부터 회수될 수 있다.
본 발명의 방법 및 시스템의 다른 장점이 차량의 공기 조화 시스템에서의 사용을 위하여 차량 온 보드에서 가압된 CO2의 이용가능성이다. CO2는 인공의 수소불화탄소 화학약품과, 주변환경을 위해 할 위험을 노출시키는 프레온 타입의 냉각제 대신에 사용된다.
본 발명의 방법 및 시스템은 승용차, 트럭, 버스, 중량 자동차, 기차, 선박 및 탄화수소 연료의 연소를 통해 작동하는 여러 것과 같은 넓은 범위의 이동발생원에 적당하게 사용된다. 본 발명은 새로운 이동발생원에 또는 현 이동발생원을 개장시킴으로써 설치될 수 있다.
본 발명은 이동발생원으로부터의 후-연소 CO2 포획 및 온-보드 저장을 처리한다. 작동 비용 및 설비 요구조건을 최소화하기 위하여, 대기로 전통적으로 방출된 이용가능한 열이 연소 가스로부터 추출된 CO2를 흡수제 물질이나 또는 포획제와 분리시키도록, 그리고 효율적인 온-보드 저장을 위해 만들어진 모든 또는 일부의 CO2를 압축/액화하는데 필요한 에너지를 제공하도록 사용된다. 포획된 CO2는 연료공급 스테이션에서 회수를 위해 방출되거나 제거될 때, 재급유될 때까지 온 보드에 저장될 수 있다. 본 발명의 기기는 개질과 같은 화학적 반응, 또는 CO2에 투과가능한 실린더 벽을 제공하는 것과 같은 엔진 설계의 주요 변경을 포함하는 것으로 제안된 방법에 비해 보다 용이하게 온 보드 배치한다.
본 발명의 다양한 실시 예가 상기 기재되어 있고 첨부된 도면에 나타나 있지만, 본 발명에 대한 여러 변경 및 수정이 아래 첨부된 청구범위로 결정된 본 발명의 범주 내에서 행해질 수 있다는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다.

Claims (21)

  1. 차량의 동력을 공급하기 위해 사용된 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로써 대기에 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법으로서,
    a. 상기 배기 가스 스트림으로부터 CO2를 추출하기 위한 사전결정된 용량을 갖는, 상기 차량의 온-보드 (on-board)의 CO2 포획제와 접촉시켜 상기 배기 가스 스트림을 통과시키는 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 접촉하는 상기 배기 가스 스트림의 통과를 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. 에너지 전환 매체와 접촉시켜, 상기 ICE로부터 배출된 뜨거운 배기 가스 스트림의 열과 에너지를 회수하는 단계;
    g. 단계 (f)에서 회수된 에너지를 사용하여 회수된 CO2 가스의 부피를 감소시키기 위하여, 상기 차량 온-보드의 상기 회수된 CO2 가스를 압축시키는 단계; 및
    h. 상기 차량 온-보드의 상기 압축된 CO2를 일시적으로 저장하는 단계를 포함하는 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은 상기 차량의 ICE의 시동 이후에 연속적으로 작동하는 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  3. 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 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 한계 값은 상기 CO2 포획제의 사전결정된 용량에 대응하고, 상기 CO2 포획제와 접촉하는 상기 배기 가스 스트림의 통과는, 한계 값에 도달 시, 중단되는 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2 포획제는 뜨거운 배기 가스 스트림과의 열 교환에 의해 단계 (d)에서 가열되는 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 열 교환은 튜브 및 쉘 열 교환기에서 발생하는 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2 포획제는 화학적 흡수제 및 물리적 흡수제로 이루어진 군으로부터 선택된 고온 고체 흡수제인 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2 포획제는 고체 담체 상의 고체 흡수제 및 액체 흡수제로부터 선택되는 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2 포획제는 고정층 또는 유동층에서 상기 배기 가스 스트림과 접촉되는 고체 흡수제인 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기 스트림의 열 에너지의 일부는 재생 단계 (d) 및 압축 단계 (g)에서 활용되는 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기 가스 스트림의 CO2 함량은 적어도 10% 만큼 감소되는 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 포획제는 2개의 별도의 스윙 구역들에서 보유되고, 상기 배기 가스가 상기 스윙 구역 중 하나의 구역을 통과하는 동안, 다른 스윙 구역이 가열되어 CO2를 배출하고 상기 포획제를 재생시키는 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 차량의 엔진으로부터의 뜨거운 배기 가스는 상기 포획제를 재생하기 위해 단계 (d)와 관련하여 열 교환되어 통과되는 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    단계 (c)에서 상기 포획제와 접촉하는 배기 가스 스트림의 통과는, 상기 포획제의 온도 또는 온도 증가율이 사전결정된 값에 도달할 때, 중단되는 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 온도는 상기 포획제와 접촉하는 복수의 온도 센서에 의해 측정되는 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  16. 청구항 1에 있어서,
    단계 (c)에서 상기 포획제와 접촉하는 배기 가스 스트림의 통과는, 단계 (d)에서의 가열 동안에 상기 포획제를 함유한 용기의 압력, 또는 압력 증가율이 사전결정된 값에 도달할 때, 중단되는 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법.
  17. 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키기 위한, 차량의 동력을 공급하기 위해 사용된 탄화수소-연료 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템으로서,
    a. 상기 배기 가스 스트림으로부터 CO2를 추출하기 위해 사전결정된 용량을 갖는 포획제를 함유하는 차량 온-보드 처리 구역,
    상기 처리 구역은 상기 배기 가스 스트림을 허용하는 유입구 및 감소된 CO2 함량을 갖는 처리된 배기 가스 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 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 압축된 CO2를 수용하는 저장 구역; 및
    d. 상기 처리 구역으로부터 처리된 배기 가스 스트림 유출구와 유체 연통하는 배기 가스 도관을 포함하는 탄화수소-연료 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 처리 시스템은, CO2 추출을 위한 적어도 두 개의 서브시스템 중 하나의 서브시스템과 이후 다른 하나의 서브 시스템으로 차량의 배기를 안내하는 밸브를 구비하며, 동시에 상기 적어도 두 개의 서브시스템 중에서 다른 하나의 서브시스템에서 상기 포획제를 재생하는, 스윙 모드에서 작동하도록 설계 및 조립된 적어도 두 개의 병렬 서브시스템을 포함하고, 이에 의해 상기 시스템은 엔진 배기 스트림을 연속적으로 처리하도록 작동가능한 온-보드 처리 시스템.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 시스템은 대기로 방출되기 이전에, 상기 처리 구역으로 통과하는 상기 배기 가스 스트림의 부피 양을 조절하기 위한 변환 밸브 (diverter valve)를 포함하는 온-보드 처리 시스템.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 변환 밸브는 상기 ICE의 작동 조건에 기초하여 제어되는 온-보드 처리 시스템.
  21. 청구항 17에 있어서,
    상기 시스템은 처리 구역의 통과 없이, 대기로 배기 가스의 전부 또는 일부를 방출하기 위한 제어 수단을 포함하는 온-보드 처리 시스템.
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