KR102304669B1 - 내연 기관으로부터의 오염 물질의 활용 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 내연 기관에서 생성되는 질소 산화물의 활용에 관한 것이다. 본 발명은, 질소 산화물이 그에 의해 액체 또는 고체 화학 물질의 생성을 위해 활용될 수 있는, 시스템 및 방법을 창출한다.

Description

내연 기관으로부터의 오염 물질의 활용
본 발명은 내연 기관에서 형성되는 질소 산화물의 재활용에 관한 것이다. 질소 산화물이 그에 의해 액체 또는 고체 화학 물질의 제조에 사용될 수 있는, 시스템 및 방법이 제공된다.
내연 기관은 공기의 공급 하에 연료를 연소시켜 배기 가스를 형성한다. 배출 기준은, 오염 물질(예를 들어, NOx)의 배출에 대한 상한을 설정하고 있다. 한계값은 점점 엄격해지고 있다. 오염 물질 배출을 감소시키기 위해, 현재 오염 물질의 생성을 최소화하도록 다양한 효율적 수단 및 경량 구조가 사용되고 있다. 또한, 효율적인 배기 가스 후처리가, 오염 물질의 배출을 또한 감소시킨다.
오염 물질 배출을 감소시키기 위한 한 가지 수단은, 흡착 방식의 배기 가스 후처리로서, 예를 들어 배기 가스 흐름으로부터 NOx를 제거할 수 있다. 이 경우 배기 가스는, 흡착 재료를 갖는 유닛을 통해 안내된다. 배출물은 최대 100 %까지 포획되어, 재료 상에 축적된다. 필터 재료의 흡착 용량이 소진되면, 이는 교환되거나 또는 재생된다.
예를 들어, DE 10 2012 208 072 A1으로부터, 입자 필터 요소를 갖는 차량 배기 가스를 클리닝하기 위한 장치가 공지되어 있다. 필터 요소는 교체 가능하며, 로딩이 충분할 때 교체된다.
DE 11 2006 001 296 T5로부터, 내연 기관용 배기 가스 라인이 공지되어 있다. 배기 가스 라인은, 질소 산화물 트랩에서 질소 산화물을 수집하는 필터 장치를 포함한다. 질소 산화물 트랩의 용량 한계에 도달하면, 이는 재생된다. 이를 위해, 엔진은 농후한 혼합물(rich mixture)로 작동되며, 그리고 생성된 배기 가스는 질소 산화물 트랩으로부터의 질소 산화물을 사용하여 질소 및 이산화탄소로 변환된다.
EP 2 476 473 A1은, 주변 공기 중에 존재하는 입자를 흡착하고 및/또는 예를 들어 도로 또는 철도에서 자동차의 작동 시에 또는 다른 연소 과정에서 발생하는 가스 공기 오염 물질을 변환하기 위한, 필터 모듈에 관한 것이다. 필터 모듈은, 미세 먼지, 질소 산화물 또는 휘발성 탄화수소와 같은, 오염 물질을 주변 공기로부터 필터링하여, 이들을 덜 유해한 화합물로 촉매 반응 변환한다. 사용된 필터 재료는 교체될 수 있다.
설명된 방법에서, 소비된 필터 재료 형태의 폐기물이 발생하거나, 또는 흡착된 오염 물질이, 필터 재료의 재생 도중에 다시 방출되거나 또는 다른 가스 오염 물질의 형성하도록 반응된다.
이러한 배경에 대하여, 본 발명의 목적은, 위에서 설명된 단점들을 회피하는, 내연 기관에서 형성되는 질소 산화물의 배출을 감소시키기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 상기 목적은 본원의 청구항 제1항의 특징을 갖는 방법 및 청구항 제5항의 특징을 갖는 시스템에 의해 달성된다. 개선예들은 종속 청구항으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 특징은, NOx 저장 장치의 흡착 재료 상에 흡착됨으로써 배기 가스로부터 제거되어 NOx 저장 장치에 축적되는, 내연 기관에서 형성되는 질소 산화물(NOx)이, 로딩된 NOx 저장 장치의 제거 이후에 탈착(desorption)되며 그리고 변환 프로세스에 공급된다는 것이다. 이러한 변환 프로세스는, 액체 또는 고체 질소 함유 화합물을, 예를 들어 비료를, 제조하기 위해, 흡착 재료로부터 탈착된 질소 산화물을 사용한다. 흡착 재료는, 질소 산화물의 탈착(흡착 재료의 재생) 이후에, 질소 산화물의 흡착을 위해 다시 사용될 수 있다.
본 발명의 대상은, 내연 기관에서 형성되는 질소 산화물을 재활용하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법은, 제1 단계로서, 흡착기 유닛에서 내연 기관의 배기 가스 흐름으로부터 질소 산화물(NOx)을 흡착시키는 단계를 포함한다. 이를 위해, 내연 기관의 작동 도중에 내연 기관의 배기 가스 흐름이 흡착 유닛을 통해 안내된다. 배기 가스 흐름에 포함된 질소 산화물(NOx)은 흡착기 유닛 내에서 흡착된다. 이를 통해 흡착기 유닛에는 NOx가 충전된다. 상기 방법의 일 실시예에서, 이러한 단계는, 흡착기 유닛의 질소 산화물 흡착의 용량 한계가 도달될 때까지, 수행된다.
일 실시예에서, 흡착기 유닛은, 질소 산화물을 구속할 수 있는 흡착 재료를 수용하고, 질소 산화물(NOx)은, 흡착기 유닛 내에 배열되는 흡착 재료에 의해 흡착된다.
일 실시예에서, 흡착 재료는, 적어도 하나의 제올라이트(zeolite)를 포함한다. 질소 산화물을 흡착할 수 있는 제올라이트는 원칙적으로, 당업자에게 공지되어 있다. 이에 대한 예들은, ZSM-5, 제올라이트 Y 및 모데나이트(mordenite)를 포함한다.
다른 실시예에서, 흡착 재료는, 알칼리 산화물 또는 알칼리 토금속 산화물 또는 알칼리 탄산염 또는 알칼리 토금속 탄산염을 포함한다. 특별한 실시예에서, 흡착 재료는, 선택적으로 백금 및 로듐과 조합으로, 산화 바륨을 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 제1 단계의 완료 후, 특히 흡착기 유닛의 용량 한계에 도달한 후, 질소 산화물(NOx)이 로딩된 흡착기 유닛은, 배기 가스 흐름으로부터 제거된다. 이어서, 흡착기 유닛에 포획되는 흡착된 질소 산화물(NOx)은, 탈착되며 그리고 질소 산화물(NOx)의 액체 또는 고체 질소 함유 화합물로의 변환에 공급된다.
본 방법의 일 실시예에서, 질소 산화물(NOx)이 로딩된 흡착기 유닛은, 로딩되지 않은 흡착기 유닛으로 교체된다. 다른 실시예에서, 흡착기 유닛 내의 질소 산화물(NOx)이 로딩된 흡착 재료는, 로딩되지 않은 흡착 재료로 교환된다. 추가의 실시예에서, NOx가 로딩된 흡착 재료는, 수집 지점에서 수집되며 그리고 질소 산화물이 흡착 재료로부터 탈착되기 이전에 일시적으로 저장된다.
일 실시예에서, 흡착기 유닛으로부터 질소 산화물을 탈착하는 것은, 흡착기 유닛을 가열하거나 또는 흡착기 유닛 예를 들어 고온 증기, 고온 가스 또는 액체 용제, 예를 들어 물을 통과시킴으로써, 수행된다. 이를 통해, 흡착된 NOx는, 증기 상 또는 액체 상으로 변환된다.
일 실시예에서, 흡착 유닛으로부터 제거된, NOx가 로딩된 흡착 재료로부터 질소 산화물을 탈착하는 것은, 흡착 재료를 열, 고온 증기, 고온 가스 또는 액체 용제(예를 들어, 물)로 처리함으로써, 수행된다. NOx는 증기 상 또는 액체 상으로 변환되고, 흡착 재료는 변화되지 않고 유지된다. 흡착 재료는, 배기 가스로부터 질소 산화물을 제거하기 위해 다시 사용될 수 있기 전에, 건조되어야만 할 수도 있을 것이다. 온도는 바람직하게, 탈착 시 그리고 건조 시 양자 모두에서, 최대 200 ℃이다.
흡착기 유닛으로부터 분리된 NOx는, 추가적인 변환에 공급된다. 이 경우, 질소 산화물(NOx)은 액체 또는 고체 질소 함유 화합물을 형성하도록 반응한다. 예를 들어, NOx는, 질산, 질산염 또는 NO2 기반 비-수성 용제의 생산 체인 내에 도입될 수 있다. 일 실시예에서, 액체 또는 고체 질소 함유 화합물은, 질산염, 특히 질산암모늄을 포함한다.
본 발명에 따른 방법은, 일련의 이점을 제공하며, 특히 환경 오염 및 에너지 소비를 감소하도록 기여할 수 있다. 전체 프로세스를 살펴보면, 공기 질소가 내연 기관에서의 변환에 의해 NOx로 산화되고, 이 NOx는, 흡착기 유닛 내에 일시적으로 저장되며 그리고 탈착 이후에 액체 또는 고체 질소 함유 화합물로 변환된다.
질소 산화물은 대기로 들어가지 않는다. 본 발명에 따른 방법을 사용함으로써, 내연 기관을 갖는 차량의 질소 산화물 배출은, 상당히 감소될 수 있다.
생성된 반응 생성물은, 다른 목적을 위해, 예를 들어 비료로서, 사용될 수 있다. 이와 동시에, 그렇지 않은 경우 제품을 제조하기 위해 생성되어야만 하는, NO2가, 대체된다. 변환 반응에서의 NO2의 대체는 에너지를 절약한다.
내연 기관의 배기 가스에 포함된 질소 산화물은, 아둘아 탈착 후에 농축된 형태로 이용 가능하며 그리고 다른 배기 가스 성분에 의해 더 이상 희석되지 않기 때문에, 본 발명에 따른 방법에 의해, 산업적으로 이용 가능할 수 있다. 다양한 산업 공정에서 다량의 질소 산화물이 소비되기 때문에, 배기 가스로부터 획득되는 막대한 양의 질소 산화물이 추가로 처리될 수 있고, 즉, 질소-회로는, 사실상 임의의 크기로 구성될 수 있다.
본 발명의 대상은 또한, 내연 기관에서 형성되는 질소 산화물을 재활용하기 위한 시스템에 관한 것이다. 시스템은, 내연 기관의 배기 가스 흐름으로부터 질소 산화물을 흡착하도록 구성되는 흡착기 유닛, 흡착기 유닛 내에 흡착된 질소 산화물을 탈착시키도록 구성되는 탈착 모듈, 및 탈착된 질소 산화물을 액체 또는 고체 질소 함유 화합물로 변환하도록 구성되는 반응 유닛을 포함한다. 시스템은, 본 발명에 따른 방법을 수행하는데 특히 적합하다.
시스템은, 내연 기관의 배기 가스 흐름으로부터 질소 산화물(NOx)을 흡착하도록 구성되는 흡착기 유닛을 포함한다. 일 실시예에서, 흡착기 유닛은, 내연 기관의 배기 라인 내에 배치되고, 따라서 배기 가스 흐름은, 내연 기관이 작동 중일 때, 흡착기 유닛을 통해 안내된다.
일 실시예에서, 흡착기 유닛은, 질소 산화물(NOx)을 흡착하도록 구성되는 흡착 재료를 수용한다. 특별한 실시예에서, 흡착 재료는, 적어도 하나의 제올라이트, 예를 들어 ZSM-5, 제올라이트 Y 또는 모데나이트를 포함한다. 다른 실시예에서, 흡착 재료는, 알칼리 산화물, 알칼리 토금속 산화물, 알칼리 탄산염 또는 알칼리 토금속 탄산염을 포함한다. 특별한 실시예에서, 흡착 재료는, 선택적으로 백금 및 로듐과 조합으로, 산화 바륨을 포함한다.
일 실시예에서, 흡착기 유닛은, 교환 가능한 카트리지로서 설계될 수 있다. 그 결과, 흡착기 유닛은, 적은 노력으로 그리고 파손 없이 내연 기관의 배기 라인 내의 그의 위치로부터 제거될 수 있으며, 그리고 다른 동일한 유형의 카트리지로 교체될 수 있다.
흡착 재료가 흡착기 유닛 내에 배열되는 추가의 실시예에서, 흡착기 유닛은, 질소 산화물(NOx)이 로딩된 흡착 재료가 비-파괴적으로 제거될 수 있으며 그리고 로딩되지 않은 흡착 재료로 교체될 수 있도록, 설계된다. 예를 들어, 흡착기 유닛은, 다시 폐쇄 가능한 용기로서 설계될 수 있으며, 흡착 재료는 이로부터, 예를 들어 플랩을 열고, 나사 결합을 해제함으로써 또는 커버 또는 플랩을 개방함으로써, 용기를 개방한 후에 제거될 수 있다. 로딩되지 않은 흡착 재료를 내부에 충전한 후에, 흡착 유닛은, 다시 폐쇄될 수 있으며 그리고 내연 기관의 배기 가스 흐름 내로 다시 도입될 수 있다.
본 발명에 따른 시스템은, 흡착기 유닛 내의 흡착된 질소 산화물을 이로부터 탈착시키도록 구성되는, 탈착 모듈을 포함한다.
일 실시예에서, 탈착 모듈은, 흡착기 유닛을 가열하거나 또는 흡착기 유닛에 고온 증기, 고온 가스 또는 액체 용제를 공급하여, 이를 통해 흡착기 유닛으로부터 질소 산화물을 탈착시키도록 구성된다.
다른 실시예에서, 탈착 모듈은, 질소 산화물이 로딩된 흡착 재료를 가열하거나 또는 로딩된 흡착 재료를 고온 증기, 고온 가스 또는 액체 용제로 처리하여, 이를 통해 흡착 재료로부터 질소 산화물을 탈착시키도록 구성된다.
본 발명에 따른 시스템은 또한, 탈착 모듈로부터 탈착된 질소 산화물을 액체 또는 고체 질소 함유 화합물로 변환하도록 구성되는 반응 유닛을 포함한다. 반응 유닛은, 탈착 모듈로부터의 질소 산화물 함유 추출물 흐름을 수용하고, 질소 산화물을 추가의 반응물과 반응시켜 변환하도록 구성된다. 일 실시예에서, 반응 유닛은, 질소 산화물을 질산으로 변환하기 위한 반응기를 포함한다. 추가의 실시예에서, 반응 유닛은, 질산을 암모니아와 반응시켜 질산암모늄으로 변환하기 위한 반응기를 포함한다.
위에서 언급된 특징들 및 아래에서 또한 설명될 특징들은, 각각의 경우에, 지정된 조합뿐만 아니라, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 다른 조합으로 또는 그 자체로도 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 발명은 예시적인 실시예를 사용하여 아래에서 예시되며, 예 및 관련 도면을 참조하여 추가로 설명된다.
도 1은 내연 기관에서 형성되는 질소 산화물을 활용하기 위한 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예의 개략도를 도시한다.
도 1은 내연 기관(11)에서 형성되는 질소 산화물을 재활용하기 위한 본 발명에 따른 시스템(10)의 일 실시예를 개략적으로 도시한다.
도시된 실시예에서, 내연 기관(11)은 차량 내에 배치된다. 내연 기관(11)의 배기 가스 흐름(12)은, 차량의 배기 라인을 통해 유동한다. 배기 라인 내에는, 흡착기 유닛(13)이, 예를 들어 배기 가스 흐름(12)으로부터 질소 산화물(NOx)을 흡착하도록 구성되는 흡착 재료를 수용하는 교환 가능한 카트리지가, 배치된다. 내연 기관(11)의 작동 도중에, 차량의 흡착기 유닛(13)에서 NOx의 흡착이 이루어진다. 주행 중에, 배기 가스 흐름(12)은, 예를 들어 흡착에 의해 NOx를 구속할 수 있는 흡착 재료를 수용하는 흡착기 유닛(13)을 통해 안내된다. 이에 의해, 흡착기 유닛(13)은, NOx에 노출되며 그리고 흡착기 유닛의 수용 한계까지 NOx를 흡착할 수 있다.
흡착기 유닛(13)의 교체는, 아무리 늦어도 수용 한계에 도달한 후에, 즉, 흡착 재료가 NOx로 완전히 포화될 때, 수행된다. 흡착기 유닛(13)은 전체로서 교환되거나 또는 차량의 흡착기 유닛(13) 내의 흡착 재료가 새로운 로딩되지 않은 재료로 교체된다. 따라서, 흡착기 유닛(13)은 바람직하게, 교환 가능한 카트리지로서 설계되거나, 또는, 많은 조립 노력 없이 그리고 특히 흡착기 유닛(13)이 프로세스에서 파손되지 않는 가운데, 로딩된 흡착 재료를 제거하는 것을 그리고 로딩된 흡착 재료를 로딩되지 않은 흡착 재료로 교체하는 것을 허용한다.
NOx가 로딩된 재료는, 다음 단계에서 이용 가능한 더 많은 양의 로딩된 재료를 확보하여, 이를 통해 재활용 프로세스를 보다 효율적으로 구성하기도록 하기 위해, 수집 지점에서 수집되고 일시적으로 저장될 수 있다.
그 후, 흡착기 유닛(13) 또는 그 내부에 수용되는 로딩된 흡착 재료는, 탈착 모듈(14)로 이송된다. 탈착 모듈(14)에서, 흡착기 유닛(13)에 흡착된 질소 산화물이, 탈착된다. 일 변형예에서, NOx가 로딩된 흡착 재료는, 열, 고온 증기, 고온 가스 또는 액체 용제(예를 들어, 물)로 처리된다. NOx는, 증기 상 또는 액체 상으로 변환되며, 흡착 재료는 변화되지 않고 유지된다. 선택적으로, 흡착 재료는, 재사용 이전에 건조되어야만 할 수도 있을 것이다. 탈착 및 건조는, 최대 200 ℃의 온화한 온도에서 수행되어야 한다. 분리된 NOx는, 추가적인 변환을 위해 반응 유닛(15)에 공급된다.
반응 유닛(15)에서, 탈착된 질소 산화물은, 액체 또는 고체 질소 함유 화합물(20)로 변환된다. 예를 들어, NOx는, 질산, 질산염 또는 NO2 기반 비-수성 용제의 생산 체인 내에 도입될 수 있다.
일 변형예에서, 질소 산화물(NOx)은, 우선 반응 유닛(15)에서 질산(HNO3)으로 변환된다. 이어서 질산은, 예를 들어 질소 비료로서 사용되는 질산암모늄(NH4NO3)을 형성하기 위해, 암모니아(NH3)와 반응된다.
10: 시스템 11: 내연 기관
12: 배기 가스 흐름 13: 흡착기 유닛
14: 탈착 모듈 15: 반응 유닛
20: 반응 생성물(액체 또는 고체 질소 함유 화합물)

Claims (10)

  1. 내연 기관(11)에서 형성되는 질소 산화물을 재활용하기 위한 방법으로서,
    적어도 하나의 제올라이트(zeolite)를 포함하는 흡착 재료를 수용하는 흡착기 유닛(13)에서 상기 내연 기관의 배기 가스 흐름(12)으로부터 질소 산화물(NOx)을 흡착하는 단계, 질소 산화물(NOx)이 로딩된 상기 흡착기 유닛(13)을 제거하거나 또는 상기 흡착 재료를 상기 흡착기 유닛(13)으로부터 제거하는 단계, 흡착된 질소 산화물(NOx)을 상기 흡착 재료로부터 탈착(desorption)시키는 단계, 및 상기 질소 산화물(NOx)을 액체 또는 고체 질소 함유 화합물(20)로 변환하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체 또는 고체 질소 함유 화합물(20)은, 질산염을 포함하는 것인, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 질산염은, 질산암모늄인 것인, 방법.
  4. 내연 기관(11)에서 형성되는 질소 산화물을 재활용하기 위한 시스템(10)으로서,
    적어도 하나의 제올라이트를 포함하는 흡착 재료를 수용하는 흡착기 유닛(13)으로서, 상기 내연 기관(11)의 배기 가스 흐름(12)으로부터 질소 산화물(NOx)을 흡착하도록 구성되는 것인, 흡착기 유닛(13), 상기 흡착기 유닛(13) 내에 흡착된 질소 산화물(NOx)을 탈착시키도록 구성되는 탈착 모듈(14), 및 상기 탈착된 질소 산화물(NOx)을 액체 또는 고체 질소 함유 화합물(20)로 변환하도록 구성되는 반응 유닛(15)을 포함하고,
    상기 탈착 모듈(14) 및 상기 반응 유닛(15)은, 상기 내연 기관(11)과 연결되지 않으며, 그리고 상기 배기 가스 흐름(12)과 접촉하지 않는 것인, 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 흡착기 유닛(13)은 교환 가능한 카트리지로서 설계되는 것인, 시스템.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 흡착기 유닛(13)은, 질소 산화물(NOx)이 로딩된 흡착 재료를 손상 없이 제거할 수 있으며 그리고 로딩되지 않은 흡착 재료로 교체될 수 있도록 설계되는 것인, 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 흡착기 유닛(13)은, 다시 폐쇄 가능한 용기로서 설계될 수 있고, 상기 흡착 재료는 상기 용기의 개방 후에 상기 용기로부터 제거될 수 있는 것인, 시스템.
  8. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 탈착 모듈(14)은, 상기 흡착기 유닛(13)을 가열하거나 또는 상기 흡착기 유닛에 고온 수증기, 고온 가스 또는 액체 용제를 공급하여, 이를 통해 상기 흡착기 유닛(13)으로부터 질소 산화물(NOx)을 탈착시키도록 구성되거나; 또는 질소 산화물(NOx)이 로딩된 흡착 재료를 가열하거나 또는 로딩된 흡착 재료를 고온 수증기, 고온 가스 또는 액체 용제로 처리하여, 이를 통해 상기 흡착 재료로부터 질소 산화물(NOx)을 탈착시키도록 구성되는 것인, 시스템.
  9. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 반응 유닛(15)은, 질소 산화물을 질산으로 변환하기 위한 반응기를 포함하는 것인, 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반응 유닛(15)은, 질산을 암모니아와 반응시켜 질산암모늄으로 변환하기 위한 반응기를 포함하는 것인, 시스템.
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