KR101504797B1 - 흡착제 또는 흡수제를 재생하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 잠수함 내에서 흡착제 또는 흡수제를 재생하기 위한 방법에 관한 것으로, 흡착제 또는 흡수제는 대사작용으로 발생된 CO2-함유 유해 가스를 흡수하기 위해 잠수함의 내부에 제공되며, 대사작용으로 발생된 CO2-함유 유해 가스는 압축기에 의해 외부로 내보내진다. 본 발명에 따라서, 흡착제 또는 흡수제를 재생하기 위한 열 에너지는 산소와 탄화수소 연료를 연소시킴으로써 생성되고, 대사작용으로 발생된 CO2-함유 유해 가스와 함께 하나 이상의 연소 생성물은 압축기에 의해 외부로 내보내진다.

Description

흡착제 또는 흡수제를 재생하기 위한 방법{METHOD FOR REGENERATING AN ADSORBER OR ABSORBER}
본 발명은 청구항 제1항의 전단부에 따르는 잠수함 내의 흡착제 또는 흡수제를 재생하기 위한 방법에 관한 것이다.
잠수함은 통상적으로 객실 공기로부터의 유해한 가스를 흡수하기 위한 고상 또는 액상 흡착제 또는 흡수제가 장착된다. 이 경우, 유해한 가스는 사람에 의해 객실 공기로 발산되는 대사작용성 생성물, 재료 및 프로세스의 가스 방출 생성물일 수 있으며, 또한 유닛으로부터도 새어 나온다.
대사작용성 생성물의 경우, 방출된 CO2의 흡수는 정량적으로 가장 중요하다. 추가로, 수많은 휘발성 유기 화합물(VOCs)이 사람들에 의해서만 방출되지 않고 재료와 프로세스에 의해서도 방출된다.
반면, 잠수 시간이 짧은 잠수함의 경우, 종종 CO2를 흡수하기 위해 수산화리튬 또는 소다 라임과 VOCs를 흡수하기 위해 활성 탄소와 같은 비-가역 흡수 컨셉이 사용되며, 핵-추진 잠수함 또는 공기 불요 추진(AIP) 잠수함과 같이 잠수 시간이 비교적 긴 잠수함의 경우 재생 흡수 방법(regenerative binding method)이 사용된다. 바인더는 소비되지 않기 때문에, 바인더를 보관하기 위한 공간 요건이 줄어든다. 이러한 장점은 비용이 많이 소요되며, 한편 재생을 위해 에너지 요구량이 증가된다. 핵-추진 잠수함 내에서, 이는 통상적으로 문제가 되질 않는다. 그러나, AIP 잠수함의 경우, 유해한 가스를 흡수하는 재생 시스템을 위한 전기적 에너지는 단지 상당히 제한된 정도로 허용될 수 있다.
재생 흡수 방법은 팬, 유해 가스를 외부로 내보내기 위한 가스 압축기, 또는 제어 요소에 대해 전기적 에너지가 필요하다. 종종, 재생을 위한 증기를 생성하거나 또는 흡착제/흡수제를 가열하기 위하여 에너지가 필요하다. 이는 전기적 에너지 또는 열 에너지일 수 있다.
요구된 수준으로 폐열이 생성되고, 예를 들어 스털링 엔진, 연료 전지용으로 리포머(reformer) 또는 밀폐 디젤 엔진이 장착된 잠수함의 경우와 같이 사용될 수 있는 AIP 드라이드 설계를 갖는 잠수함은 열 또는 증기를 생성하는데 선호된다.
연료로서 H2/O2와 연료 전지를 갖는 잠수함 내에서, 통상적으로 리포머는 필요치 않으며, 연료 전지의 폐열은 적절히 사용될 수 있도록 상당히 낮은 수준이다. 따라서, 이러한 잠수함의 경우, 열 에너지의 요건을 충족시키기 위해 새로운 설계가 요구된다.
DE　10　2006　048　716　B3호에 공개된 방법에서, 연료 전지를 조작하기 위한 임의의 경우 내부에 존재하는 H2와 O2는 CO2 흡수 시스템의 공정 중 액체 수로부터의 증기를 생성하기 위해 반응열을 이용하여 순차적으로 연소된다. 또한, 추가 변형은 재생을 위해 H2와 O2의 반응으로부터 야기된 증기의 이용을 제공한다. 이러한 반응에서, 예를 들어, CO2 또는 CO와 같은 추가 배출 가스 성분이 생성되지 않는다.
그러나, 이러한 공지된 공정은 수소를 저장하기 위해 큰 탱크가 필요하다는 단점을 갖는다. 통상적으로, 이를 위해 로딩 밀도가 3 중량% 미만인 금속 수소화물 보관고가 사용된다.
DE　690　02　112　T2호 및 또한 FR　2　552　160　A1호는, 스털링-힌(Stirling-Hirn) 사이클 공정에서 작동 매체로서 사용되는 물이 산소와 함께 탄화수소 연료의 연소로부터의 초과열된 증기로 변환되는, 잠수함 내에서 사용하기 위한 열 증기 엔진을 각각 공개한다. DE　690　02　112　T2호에서, 연소 중 생성된 CO2는 잠수함의 선미 외측에 배열된 실린더 내에 보관되고, 실린더 내에는 연소를 위해 필요한 산소가 수용된다. FR　2　552　160　A1호에서, 생성된 CO2는 압축기에 의해 외부로 내보내진다.
따라서, 본 발명의 목적은, 재생을 위해 필요한 연료의 저장 체적이 상당히 감소될 수 있는, 잠수함 내에서 대사작용성 CO2가 로딩된 흡착제/흡수제를 재생하기 위한 방법에 관한 것이다.
이러한 목적은 청구항 제1항에 따르는 방법에 의해 구현된다. 선호되는 실시예는 종속항의 주안점이다.
본 발명에 따라서, 열 에너지를 생성하기 위하여 O2와 연소되는 예를 들어, 에탄올, 메탄올, 프로판, 부탄, 등등과 같이 통상적인 탄화수소계의 액체 연료가 사용된다.
증기에 추가하여 이러한 연료가 연소될 때 생성된 가스는 압축기를 사용하여 본 발명에 따라서 외부로 내보내진다. 대사작용성 CO2를 제거하기 위한 재생 CO2 흡수 시스템의 경우, 통상적으로 CO2 압축기가 이미 내부에 존재하고, 이 압축기는 또한 배출 가스를 외부로 내보내기 위해 사용될 수 있다.
이러한 동안 압축기에 대해 배출 가스의 양을 가능한 작게 유지시키기 위하여, 응축물을 분리하는 배출 가스 냉각기가 업스트림에 연결될 수 있다.
주요하게, 연소에 의해 생성된 열 에너지는 재생을 위해 2가지의 상이한 방법으로 사용될 수 있다.
1. 연소 열은 물을 기화시키기 위해 사용될 수 있다. 이에 따라 생성된 증기는 흡착제 또는 흡수제를 재생하기 위해 사용된다.
이의 특정의 사용은 재생 공정인데, 이 재생 공정에서 예를 들어, 대사작용성 CO2를 흡수 한 후 제오라이트 베드의 재생 또는 고상 아민에 기초한 CO2 흡착제의 재생 시와 같이 80˚C 내지 150˚C의 포화된 또는 초가열된 증기가 흡착제로부터의 유해한 가스를 배출시키기 위해 필요하다. 게다가, 적합한 흡착제는 특히, DE　198　30　470　C1호에 공개된 것과 같이 CO2를 흡수하기 위한 이온-교환 수지 또는 고상 아민이다. 게다가, 흡착제는 VOCs 또는 프레온, 특히 R134a를 흡수하기 위한 제올라이트를 포함할 수 있다. 본원에서 전술된 모든 흡착제는 에너지 유입에 통한 재생용으로 적합할 수 있다(하기에서 2를 참조).
연소 열에 의해 기화된 액체 수만이 재생을 위해 사용되는 반면 연소 생성물(CO2 , H2O 및 임의의 추가 부산물)은 압축기에 대해 흡착제와 흡수제를 바이패싱함으로써 이로부터 개별적으로 안내되어 외부에 놓인다.
2. 연소 열은 또한 흡착제 또는 흡수제를 재생하기 위해 물을 기화시키는 중간 단계 없이 직접적으로 사용될 수 있다. 여기서, 특히 흡수제는 예를 들어, 모노에탄올아민 MEA와 같은 액상 아민의 형태로 사용될 수 있다.
본 발명은, 탄화수소 연료가 비교적 높은 로딩 밀도와 에너지 밀도로 보관되어 공지된 H2/O2 연소 방법에서보다 현저히 낮은 보관 체적 결과치가 구현되는 장점을 갖는다.
본 발명은 예를 들어, 연료 전지에 기초한 AIP 드라이브 설계를 갖는 잠수함 내에서 사용하기에 특히 적합하다.
본 발명은 특정의 예시적 실시예에 따라서 기술될 것이다.
도 1은 증기를 사용하여 재생 공정이 수행되는, 본 발명에 따르는 방법의 제 1 실시예를 도시하는 도면.
도 2는 재생 공정이 고상 흡착제 내의 직접적인 열 커플링에 의해 수행되는, 본 발명에 따르는 방법의 추가 실시예를 도시하는 도면.
도 3은 재생 공정이 액상 흡착제 내의 직접적인 열 커플링에 의해 수행되는, 본 발명에 따르는 방법의 추가 실시예를 도시하는 도면.
도 1은 본 발명에 따르는 공정의 제 1 실시예를 도시하며, 흡착제(adsorber) 또는 흡수제(absorber)는 증기에 의해 재생된다.
증기는 연소 챔버(combustion chamber, BK) 내에서 생성되며, 상기 연소 챔버 내에는 액체 수를 수용하는 증기 솥(steam kettle, DK)이 위치된다. 물은 외측으로부터 라인(3)을 통해 공급된다. 보관 중 액체의 형태로 종종 존재하는 연료(energy carrier, ET)는 연소 챔버(BK) 내로 유동하기 전 팽창되거나 또는 기화된다. 산소(O2)도 또한 연소 챔버(BK) 내로 유입된다. 증기 솥(DK)은 또한 연소 챔버(BK)의 외측에 위치될 수 있다.
연소 챔버 내에 형성된 열은 액체 수가 기화되는 증기 솥(DK)으로 공급된다. 결과적인 증기는 재생을 위해 흡착제/흡수제 베드(A)로 이동된다. 디조르베이트(desorbate), 실질적으로 대사작용성(metabolic) CO2는 압축기(K)로 공급되고, 이를 통해 외부로 제거된다.
CO2, H2O 및 그 외의 다른 가능한 부산물로 구성된 연소 생성물은 라인(1)을 통해 연소 챔버(BK)를 빠져나가며, 배출 가스를 냉각시키고 이러한 동안 기화될 물을 라인(3)에서 예비가열하는 가스/물 열 교환기(WT) 내로 유입된다. 이에 따라, 물의 기화는 콘덴싱-보일러 기술(condensing-boiler technology)을 사용하여 구현될 수 있다. 버너 배출 가스로부터 생성되는 응축물은 라인(2)을 통해 제거된다. 응결된 응축물에 의해 감소된 버너 배출 가스는 라인(4)을 통해 가스/물 열교환기(WT)를 빠져나가며, 디조르베이트(대사작용성 CO2)가 외부로 보내지는 동일한 압축기(K)에 의해 외부로 제거된다.
도 2는 본 발명에 따르는 공정의 추가 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 연소 챔버(BK) 내에서 연소로부터 발산되는 에너지는 흡착제/흡수제(A)를 재생하기 위해 직접적으로 사용된다. 따라서, 재생을 위한 증기의 생성은 본 실시예에서는 요구되지 않는다. 흡착제/흡수제는 예를 들어, 고상(solid)이다. 연소 배출 가스는 열 교환기(WT)로 공급되고, 이를 통해 열이 흡착제/흡수제(A) 내로 전달된다. 열 교환기(WT)를 빠져나가는 연소 가스는 도 1에서와 같이 대사작용성 CO2 디조르베이트(라인(8)으로부터)와 함께 응축물 분리(condensate separation)에 따라 배출 가스 냉각기(AK)를 통과한 후 압축기(K)를 통해 외부로 제거된다. 연소 챔버(BK) 및 열 교환기(WT)와 일체로 구성된 흡착제/흡수제 유닛(A)은 서로 개별적으로 구성될 수 있거나 또는 하나의 부품으로 구성될 수 있다.
도 3은 대사작용성 CO2용 흡수제로서 액상 아민(liquid amine)(모노에탄올아민, MEA)을 갖는 시스템에 대해 사용되는 본 발명에 따르는 공정의 추가 실시예를 도시한다. 재생용 액상 CO2-로딩 흡수제 MEA는 흡수제 유닛(A)으로부터 라인(9)을 통해 탈착기 유닛(desorber unit, D) 내로 이동되며, 재생이 수행된 후 라인(10)을 통해 재차 흡수제 유닛(A) 내로 이동된다. 탈착기 유닛(D)을 빠져나간 따뜻한 흡수제 유체는 탈착기 유닛(D)으로 이동된 흡수제 유체를 예비가열하기 위해 열 교환기(WT)를 통하여 재차 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서와 같이, 도 3에 따르는 실시예에서 연소 챔버(BK) 내에서 연소로부터 발산되는 에너지는 탈착기 유닛(D) 내에 위치된 흡수제를 재생하기 위해 물의 기화의 중간 단계 없이 직접적으로 사용된다. 이를 위해, 히터(H)가 탈착기 유닛(D)에 일체구성되며, 이러한 히터를 이용하여 연소로부터의 열이 재생되어질 흡수제 매체로 공급된다. 이를 위해, 연소 챔버(BK)로부터의 연소 배출 가스는 라인(11)을 통해 히터(H)로 이동된다.
연소 가스가 응축물 분리 상태로 배출 가스 냉각기(AK)를 통과한 후 히터(H)를 빠져나간 연소 가스는 압축기(K)로 공급되고, 디조르베이트와 함께 외부로 제거된다(라인(12)으로부터).

Claims (13)

  1. 잠수함 내에서 흡착제 또는 흡수제를 재생하기 위한 방법으로서, 흡착제 또는 흡수제는 대사작용으로 발생된 CO2-함유 유해 가스를 흡수하기 위해 잠수함의 내부에 제공되며, 대사작용으로 발생된 CO2-함유 유해 가스는 압축기에 의해 외부로 내보내지고, 흡착제 또는 흡수제를 재생하기 위한 열 에너지는 산소와 탄화수소 연료를 연소시킴으로써 생성되고, 대사작용으로 발생된 CO2-함유 유해 가스와 함께 하나 이상의 연소 생성물은 압축기에 의해 외부로 내보내지는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 산소와 탄화수소 연료를 연소시킴으로써 생성된 열은 물을 기화시키기 위해 사용되며, 생성된 수증기는 흡착제 또는 흡수제를 재생하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 기화되는 액체 수는 연소 생성물을 이용하여 열 교환기에 의해 예비가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 산소와 탄화수소 연료를 연소시킴으로써 생성된 열은 물을 기화하는 중간 단계 없이 흡착제 또는 흡수제를 재생하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 흡수제는 액상 아민, 또는 고상인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 액상 아민은 모노에탄올아민 MEA인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 응축물을 분리하는 배출 가스 냉각기는 압축기의 업스트림에 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 흡착제는 CO2 흡수를 위한 고상 아민 또는 이온-교환 수지인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 흡착제는 CO2 흡수를 위한 고상 아민 또는 이온-교환 수지이며, 응축물을 분리하는 배출 가스 냉각기는 압축기의 업스트림에 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 흡착제는 VOCs 또는 프레온을 흡수하기 위한 제올라이트인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 흡착제는 R134a를 흡수하기 위한 제올라이트인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 흡착제는 VOCs 또는 프레온을 흡수하기 위한 제올라이트이며, 응축물을 분리하는 배출 가스 냉각기는 압축기의 업스트림에 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 흡착제는 R134a를 흡수하기 위한 제올라이트이며, 응축물을 분리하는 배출 가스 냉각기는 압축기의 업스트림에 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
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