KR102693897B1 - 탄소 격리의 개선 방법 및 시스템 그리고 탄소 네거티브 전력 시스템 - Google Patents

탄소 격리의 개선 방법 및 시스템 그리고 탄소 네거티브 전력 시스템 Download PDF

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Abstract

열분해 피스톤 엔진 전력 시스템의 탄소 격리의 개선된 방법 및 시스템이 제공된다. 시스템은 전력 및 배기 가스를 생성하기 위한 열분해 피스톤 엔진 및 배기 가스를 수용하고 배기 가스로부터 물을 냉각 및 제거하여 C02 가스 공급을 생성하는 수냉식 분리 유닛을 포함한다. 시스템은 또한 수냉식 분리 유닛으로부터 C02 가스 공급의 적어도 일부를 수용하고 C02 가스 공급을 산소와 혼합하여 피스톤 엔진에 제공될 작동 유체를 생성하는 혼합 압력 용기 및 산소를 혼합 압력 용기에 제공하기 위한 산소 발전기를 포함한다. 시스템은 또한 열분해 시스템으로부터의 부산물을 입력하기 위한 열분해 인터페이스를 포함하며, 여기서, 열분해 인터페이스는 열분해 가스 인터페이스 및 열분해 가스/오일 인터페이스를 포함한다.

Description

탄소 격리의 개선 방법 및 시스템 그리고 탄소 네거티브 전력 시스템
관련 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은 이하에 열거된 출원(들)("관련 출원들")의 모든 발명 대상에서 그러한 발명 대상이 일치하지 않는 범위까지 관련하여, 가장 빠른 가용 유효 출원일(들)을 주장하고(예를 들어, 가특허 출원들 이외의 가장 빠른 가용 우선일들을 주장하며; 35 USC § 119(e) 하에서 가특허 출원들에 대한 이익들을 주장함), 이를 전체적으로 참조로 통합하며; 본 출원은 또한 관련 출원(들)의 임의의 및 모든 부모, 조부모, 증조부모 등의 출원들에서 그러한 발명 대상이 일치하지 않는 범위까지 가장 빠른 가용 유효 출원일(들)을 주장하고, 또한 이를 전체적으로 참조로 통합한다:
2017년 8월 15일자로 출원된, 발명자로서 Paul M. Dunn을 명명한, 발명의 명칭이 "Improved Method of Carbon Sequestration"인, 미국 가특허 출원 제62545497호.
배경
1. 사용 분야
본 발명은 일반적으로 더 낮은 비용의 CO2 포집 장비가 이용되게 할 수 있는, 반-폐쇄 사이클 전력 시스템들 및 보다 구체적으로는 탄소 포집 장비를 포함하거나 적어도 농축된 배기가스 CO2 레벨들을 갖는 전력 시스템들에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 고체 공급원료로부터, 열분해 또는 부분 (산소 부족) 연소를 통해 합성 가스(일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 수소, 및 다른 탄화수소 가스들) 및 다른 연료들을 생산하는, 열분해(pyrolysis) 시스템들, 또는 가스화 시스템들에 관한 것이다.
2. 종래 기술의 설명(배경)
종래의 전력 시스템들은, 내부 연소이든 외부 연소이든, 공기와 함께연료를 연소시키고 일반적으로 연소 생성물들(배기가스 / 연도 가스)을 공기로(또는 수중 인터페이스를 통해 공기로) 배출시킨다. 이는 천연 가스, 가솔린, 및 디젤 피스톤 엔진들, 및 또한 가스 터빈들, 제트 엔진들, 또는 심지어 스팀 보일러-기반 발전소들에 대해서도 마찬가지다. 비처리된 연도 가스를 공기로 방출하는 것은, 실행하기 간단하지만, 환경적인 이유들로 인해 바람직하지 않다. S02, NOx, CO, HC (미연소 탄화수소) 및 보다 최근에 C02와 같은 가스들은 오염물질들로서 정의되고 규정된다. 특수 목적 응용들에서, 특히 해저 응용들의 경우, 시스템 배기 압력을 주변 압력(상승된 배압)에 결부시키기 위한 요건은 엔진 사이클 효율을 상당히 낮출 수 있다. 다른 특수 목적 응용들에서, 특히 더 높은 고도들에서, 시스템 압력을 주변 압력(감소된 입구 압력)에 결부시키기 위한 요건은 특정 전력을 상당히 감소시킬 수 있고, 또한 효율성에 영향을 미칠 수 있다.
결과적으로, 국부적 주변 압력들로부터 비-방출적으로 되고/되거나 악영향을 덜 갖고자 하는 요구가 있었고, 다양한 폐쇄 또는 반-폐쇄 전력 시스템들에 대한 많은 선행 작업이 발생하여, 긴 특허 목록을 야기하였다. 역사적으로(1900년의 초반), 이 작업은 대부분 특수 목적 응용들에 관련되었으며, 보다 최근에 그것은 대부분 더 높은 효율을 제공하고/하거나 효율적으로 배출물들(emissions)을 제어하거나 심지어 시스템 배출물들, 특히 C02를 포집하는 능력에 관한 것이다. 또한 본 발명자에 의해, 본원에 참조로 통합되는 US 9,194,340 B2는 관련 특허들의 이력 및 인용을 제공한다.
열분해 및 가스화 시스템들은 일반적으로 2개의 범주들에 속한다: 연속 공급 머신들, 또는 배치(오토클레이브) 타입 머신들. 바람직한 머신은 공급원료에 의존할 것이고 그 공급원료가 반응 구역으로 컨베이어, 스크류 또는 다른 수단에 의해 효과적으로 이송될 수 있는지 여부에 상당 정도 의존할 것이며; 그것이 가능할 때, 연속 공급 타입 머신이 바람직하다. 모 특허(parent patent) 및 자 특허(child patent)를 갖는 US 8,784,616 B2는 이 분야에서 12개 이상의 특허 및 비-특허 문서들에 대한 완전한 세트의 인용문들을 제공한다.
3. 기술 상태를 개선하기 위한 동기
대기의 CO2 레벨들은 상승하고 있고, 그 상승은 20 세기 초의 급속한 산업 개발과 상관되며, 레벨들은 1950년대의 약 300 ppm으로부터 오늘날 400 ppm을 너머 상승한다. 훨씬 더 탄소 중립적이고, 사실 고 탄소 네거티브이지만, 여전히 전력을 생성하는 시스템들은 스케일에서 그리고 시간에 걸친 그들의 동작이 대기의 CO2 레벨들을 교정하는 것을 시작할 것이므로 관심 대상이다.
이산화탄소는 많은 장소들에서 규제된 오염물질이다. NOx와 같은 다른 온실 가스들, 및 미연소 HC/메탄을 포함하는 엔진 배기가스의 다른 성분들이 또한 고도로 규제된다. 화석 연료 연소 엔진들, 예컨대, 예를 들어, 피스톤 엔진들, 가스 터빈들, 또는 화석 연료 연소 보일러들은 에너지 생산의 MW-시간 당 +1,000 lb. 미만 내지 +2,000 lb. 초과 사이의 CO2를 생산한다.
예를 들어, 수력, 풍력, 및 태양력과 같은 소스들로부터의 재순환(재생)가능 전력은 이들 소스들이 동작 동안 MW-시간 당 제로 CO2를 방출하므로, 탄소 중립으로서 생각된다. 원자력은 동작 동안 동일한 탄소 중립 속성(attribute)을 가지며; 그러나, 재생가능 및 원자력 둘 다는 시스템 제작, 구성, 및 동작 동안의 다른 지원 활동들의 결과로서 발생하는 탄소 방출로 인해 여전히 탄소 포지티브이다.
예를 들어, 엔진에서 매립지 가스, 소화조 가스, 바이오-물질 유도 가스와 같은 재생가능 연료의 사용은 또한 탄소 중립으로서 생각되거나, 탄소 중립으로서 조절기들에 의해 정의된다. 그럼에도 불구하고, 많은 이들 엔진들은 대기에 방출되는 배기가스를 갖고, 이들 "재생가능 연료들"은 CO2에서 실제로 상당히 높은 배기가스들을 생성한다. 매립지 가스는 아마도 그것이 시작과 함께 약 50%의 CO2 이므로 최악이며, 그것은 물리적으로 대기로 +3,000 lb. CO2 / MW-시간 방출을 야기한다. 이는 거의 임의의 석탄 플랜트 이상이지만, 여전히 매립지 가스 전력은 재생가능 및 탄소 중립으로서 생각된다.
상승된 온도들에서 재료들의 열적 분해인 열분해(Pyrolysis)는 피스톤 또는 터빈 엔진에 대해 탄소 중립 연료를 생성할 수 있다. 탄소 네거티브 전력 시스템들을 생성하기 위한 가능성이 존재하며, 이는 열분해 기술과 탄소 포집을 조합함으로써, 환경에 대해 양호하고, 개발자/운영자에 대해 유리하다.
그러나, 본 발명이 해결하기 위해 추구하는 열분해에 대하여 다수의 문제들 및 비효율성들이 존재한다. 게다가, 본 발명과 반-폐쇄 사이클 엔진들의 통합은 유사한 문제들 및 비효율성을 처리할 것이다. 이들 이슈들은 하기를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다: 구성(construction)에 사용되는 이색 합금들(exotic alloys)로 인한 고가의 열분해 장비; 요구된 온도들을 유지하기 위해 사용되어야만 하는 열분해 시스템이 생산하는 많은 부분의 고가(가스) 연료; 특정 공급원료들로부터 생성되는 열분해 오일 / 타르로부터의 가치 부족; 및 열분해 반응기들에서 요구된 온도들을 유지하기 위해 사용되는 버너들로부터, CO2 배출물들 및 다른 규제된 오염물질들을 포함하는, 배출물들.
반-폐쇄 사이클(semi-closed cycle; SCC)은 또한 SCC 개선들 모두를 통해 그리고 열분해와의 통합을 통한, 본 발명을 통해 처리되는 장점들 및 단점들을 갖는다. 그들 이슈들은 하기를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다: 너무 높은 배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR)의 레벨들로의 동작은 SCC에서 발생할 수도 있는 임의의 액상의 물에 용해되는 CO2의 결과로서, 탄산의 생성을 초래할 수 있고; 높은 레벨들의 EGR로의 동작은 또한 전형적으로 불활성 성분들을 보상하기 위해 고순도 산소 소스를 요구하여, 더 높은 산소 비용 및 이색 산소 플랜트들을 초래하고; 높은 EGR 레벨들은, 더 높은 순도의 산소 혼합물들과 결합될 때, (분자량 및 다른 인자들로 인한) 밀도 및 비열비(specific heat ratio) 둘 다에 관하여 공기와 근본적으로 상이한 작동 유체(working fluid)를 야기하고; 공기와 근본적으로 상이한 작동 유체는 일반적으로 피스톤 엔진에서 상당한 엔진 수정들(예를 들어: 압축비, 밸브 타이밍)을 요구하고 가스 터빈의 경우에서 SCC 작동 유체를 위해 특별히 설계되는 새로운 터보 기계류(예를 들어, 고압 초임계 C02 터빈들 대 공기 흡입 종래 가스 터빈들)를 요구할 것이고; 산소가 낭비되지 않는 한, SCC는 린(lean) 연소 피스톤 엔진들 및 가스 터빈들을 포함하는, 초과 공기 머신들에서 "설계 포인트(design point)"보다 더 낮은 배기가스 02 레벨을 갖는 경향이 있을 것이고; 배기가스 02 레벨들이 강하되고, EGR을 통해 사이클로 되돌아오는 추가적인 작동 유체를 보상하고 02 플랜트 비용들을 절약하도록 허용되면, 그 다음, 일부 포인트에서 그들 레벨들은 너무 낮아서 연소를 전혀 유지할 수 없을 것이고(메탄에서 가연성을 위한 02 한계는 약 12%임) 거의 모든 경우들에서 엔진 제어 시스템에 대한 그리고 가스 터빈 연소의 가스에서의 수정이 요구된다.
본 발명은 열분해 시스템에서 탄소 격리(carbon sequestration)의 개선된 방법 및 시스템을 제공한다. 이 장점 및 다른 장점을 달성하기 위해 그리고 본 발명의 목적에 따라, 구체화되는 바와 같이, 본 발명은 일 양태에서, 개선된 열분해 피스톤 엔진 반-폐쇄 사이클 전력 시스템을 포함한다. 본 발명의 추가 양태는 시스템이 소형이고, 주위 배기가스 압력들보다 더 높은 배기가스 압력들에서 동작가능하고, 엔진 동작, 열 회수, 산소 생성, 및 가스 정화(clean-up)가 효율을 개선하고 자본 비용을 낮추는 방식으로 통합되는 것이다.
본 발명은 1) 열분해 공정의 효율을 개선하여, 온도를 유지하기 위해 생산된 연료를 덜 소비하고, 2) 열분해 시스템들, 및 열분해 시스템 관련 보조 구성요소들에 대한 대한 자본 비용 지출을 감소시키고, 3) 열분해 공정으로부터 오일 및 연료 둘 다를 사용하는 방식으로 엔진 전력을 생산하고, 4) 엔진 배기가스로부터 탄소를 포집하고, 5) 열분해 배기가스로부터 탄소 및 다른 오염물질들을 포집하고, 6) 새로운 주요 엔진 구성요소들(피스톤 엔진들을 위한 피스톤들 / 헤드들 또는 가스 터빈들을 위한 터보 기계류), 또는 다른 중요한 엔진 수정들을 요구하지 않는 방식으로 반-폐쇄 사이클 전력 시스템을 동작시키고, 7) 열분해와 결합된, 또는 독립형의, 반-폐쇄 사이클의 비용을 낮추고 최적화하고, 8) 열분해 시스템 및 전통적인 엔진들 둘 다에서 허용가능한 연료들의 범위를 확장시키고, 9) 탄소 포집 공정의 효율성을 개선시킨다. 언급된 속성들(attributes)의 조합은 재생가능 공급원료, 예컨대 나무 또는 도시 고형 폐기물(municipal solid waste)로 동작할 때 고도의 순(net) 탄소 네거티브 전력 시스템을 야기할 것이다.
본원에 설명되는 탄소 격리 발명의 방법 및 시스템은 하기를 포함한다: 연료를 연소시키고 전력을 생성할 수 있는, 반-폐쇄 사이클 상에서 동작하는, 내부 또는 외부 연소 타입의 엔진; 엔진 배기가스에 의해 예열되고, 그 배기가스에서 과잉 산소를 소비하고, 열분해 시스템들에서 전형적인 것보다 더 낮은 온도에서 동작하고, 엔진 배기 가스와 혼합되는 모든 열분해 버너 연도 가스로, 생성된 연료의 작은 부분을 소비하는, 열분해 시스템; 가스 정화 시스템 재생을 위한 고온 건식 가스를 옵션으로 제공하면서, 추가적인 전기를 생성하는, 폐열-전력 시스템; 배기가스 냉각 및 물 응축 시스템; 포집된 CO2를 탈수하고, 압축하고, 정제하는 가스 정화 시스템; 엔진 동작을 지원하기 위한 인공 대기(인공 분위기, artificial atmosphere)를 생성함으로써, 엔진 설계가 이 사이클 - 이 사이클은 엔진의 관점으로부터, 연소 및 엔진 동작을 지원하기 위해 더 높은 C02에 의해 보상되는 더 낮은 N2를 갖는, 거의 구별할 수 없는 인공 대기를 포함함 - 상에서 동작하기 위한 변경들을 요구하지 않는, 엔진 흡입 박스; 및 고순도 산소를 제공하지 않는, 공기로부터 질소의 일부를 제거하는 이 사이클에서 실질적인 목적을 갖는 "산소 플랜트(oxygen plant)".
본 발명은 일반적으로 3개의 타입들인, 리치(rich) 연소 피스톤 엔진, 린(lean) 연소 피스톤 엔진, 또는 소형 가스 터빈 중 하나에 속하는 엔진으로 시작한다.
자연적으로 흡입되고/되거나, 과급되고/되거나, 터보 충전될 수 도 있는 농후 연소 엔진에서, 연료 혼합물은 거의 화학양론적인, 즉 완벽하게 균형을 이루는 연료 "공기(air)" 혼합물을 생성하도록 제어됨으로써, 이상적인 연소 생성물들은 CO2 및 물(H20)이다. 실제로, 공기 연료비 컨트롤러는 일반적으로 0.5%의 CO(약간 농후) 내지 2.0%의 O2(약간 희박)의 범위로, 배기가스에서 고정된 CO 또는 O2 레벨을 유지하도록 설정된다. 공기 및 천연 가스로 동작하는 농후 연소 엔진은 전형적으로 대부분 질소 및 수증기로 균형을 이루는, 약 10%의 CO2인 배기가스 혼합물을 생산한다. 농후 연소 엔진들은 항상 스파크 점화된다.
희박 연소 피스톤 엔진은 압축 점화 타입 및 스파크 점화 타입 둘 다를 포함할 수도 있다. 또한, "이중 연료(dual fuel)" 디젤 엔진들이 존재하며 여기서 디젤은 가스 혼합물을 점화시키는, 등가의 스파크를 제공하는, 압축 점화에 의해 점화된다. 희박 연소 엔진들은 일반적으로 1.5 내지 2.0의 람다 값(lambda value)으로 작동한다. 농후 연소 엔진은 연료 및 산소의 완벽한 화학양론적 비율인, 람다 1.0 주위로 설계된다. 공기(21%의 O2) 상에서 작동하는 동안, 람다 1.0 농후 연소 엔진은 배기가스에서 본질적으로 제로의 O2를 가질 반면에, 람다 1.5는 약 약 5.25%를 가질 것이며, 람다 2.0(100%의 과잉 공기)은 약 10.5%의 O2를 가질 것이다. 부분 부하에서의 디젤 엔진들, 및 모든 부하들에서의 가스 터빈들은 일반적으로 심지어 더 높은 배기가스 O2 레벨들을 가질 것이며, 이는 또한 중요하게는 그들이 더 낮은 CO2 레벨들을 가져서, 탄소 포집을 더 어렵게 만든다는 것을 의미한다.
SCC에서, 배기가스로부터 엔진 흡입구(intake)로 CO2, N2, 및 일부 H2O를 반송하는 냉각된 EGR 및 질소 중 일부가 제거된 공기의 조합은 엔진을 위한, 인공 대기(artificial atmosphere), 및 따라서 작동 유체를 생성한다. 이러한 배기가스의 재순환은 CO2를 농축시키며, 이는 탄소의 경제적인 포집을 가능하게 한다. 전형적인 엔진 배기가스 O2 및 CO2 레벨들이 도 10에 도시되며, 모든 경우들에서 21%의 O2(EGR을 포함하는 공기 또는 공기 등가물)가 엔진에 공급된다.
물의 응축 후, CO2 순도(purity)는 증가하고, 마지막 경우는 냉각된 EGR 스트림에서 약 70%의 CO2를 나타낸다. 희박 연소 머신들, 피스톤 또는 가스 터빈에서, 배기가스의 5-15%의 O2는 SCC 경우들에서 위에 도시된 CO2의 농도를 감소시킨다. 전형적으로 농후 연소 엔진에서 1,000 deg. F인 배기가스는 그 다음, 냉각되며, 일부 경우들에서 그 배기가스 열은 궁극적으로 대부분의 연소 물이 응축하고 분리되는 지점까지, 추가적인 전력을 생성하기 위해 사용된다.
냉각된 배기가스는 여전히 전형적으로 100-130 deg. F에서, 수증기로 포화되며, 115 deg. F는 피스톤 엔진들에 양호한 설계 포인트 입구 온도(inlet temperature) 이다. 냉각된 배기가스는 엔진을 위한 인공 대기를 생성하기 위해 공기, 및/또는 공기와 "산소"(질소의 일부가 제거된 농축 공기)와 혼합된다. (농후 연소에 대한) 시뮬레이션 및 시험 데이터는 적당한 레벨들의 산소 농축이 22-50%이고, 25-35%가 바람직하고, 결과적으로 보다 적당한 레벨들의 EGR로, 엔진이 압축비 또는 타이밍 변경들 없이, 그리고 특정 연료 소비에서 거의 또는 현저한 차이 없이, 매우 잘 작동할 것이라는 것을 나타내었다.
냉각된 EGR 스트림의 일부는 2개의 기능들을 갖는 가스 정화 시스템(Gas Cleanup System; GCS)으로 전환된다. 첫째, 배기가스가 제거되는 레이트(rate)는 나머지가 재순환되는 레이트를 간접적으로 결정하며, 따라서 GCS는 EGR 레벨들 및 엔진 흡입(intake) CO2 레벨들을 관리하는 것을 돕는다. 둘째, 91%의 O2 소스의 경우에도, EGR 스트림의 미가공의(로우) CO2의 농도는 상업적 용도들 또는 심지어 경제적인 격리(economic sequestration)에 대해 너무 낮다. 결과적으로, GCS는 또한 미가공의 CO2를 탈수시키고, 그것을 여전히 존재할 수 있는 N2, Ar, 및 O2로부터 분리시킴으로써 CO2를 정제하는 기능들을 갖는다. 마지막으로, GCS는 격리 또는 고객 용도를 위해 CO2를 가압하도록 요구되는 구성요소들을 포함한다. GCS는 아민-기반 CO2 흡착, 분자체(molecular sieve) 포집, 증류(상 분리 기반), 또는 조합일 수도 있다. GCS 기술의 선택은 CO2 레벨들, 시스템 크기, 및 일부 경우들에서 포집된 CO2 사양들에 결부된다. CO2의 단순 상 분리는 분리가 극저온 온도를 요구하는 것 없이 발생할 수 있는 충분히 높은 CO2의 분압이 존재하는 것을 요구할 것이며, 따라서 50-90%의 CO2가 적당한 압축 레벨들로 바람직하다. 아민들 및 분자체들은 공기에서 400 ppm의 CO2를 포함하는, 매우 낮은 CO2 농도들로 물리적으로 작동하지만, 이들 공정들이 경제적이 되도록 하기 위해 14% 초과의 CO2가 요구되며, 따라서, SCC는 농후 연소보다 희박 연소 엔진들 및 가스 터빈들에 대해 더 그렇지만, SCC 및 EGR의 일부 레벨들이 탄소 포집을 위한 임의의 이들 엔진들을 최적화하기 위해 요구된다.
SCC에서 경제적인 탄소 포집을 위한 가능한 기술은 산소 플랜트, 또는 보다 정확하게는 질소 제거 플랜트이다. SCC에 이용되는 엔진들은, 그들이 농후 연소 피스톤, 희박 연소 피스톤, 또는 가스 터빈인지 여부에 관계없이, 고정된 설계 포인트, 또는 허용가능한 동작의 범위를 가지며, 이는 작동 유체의 유동률의 특정 범위를 요구한다. 냉각된 EGR을 통해 작동 유체에 CO2를 추가하는 경우, 엔진 동작들에서의 변경을 달성하기 위해 노력하지 않는 한(이는 때때로 배출들을 감소시키기 위해 수행됨), 이때, 공기로부터 거의 동일한 양의 N2(또는 불활성)의 제거에 의해, 엔진 공정들에서 불활성인, 추가적인 CO2를 보상해야 한다. 산소 플랜트들의 타입은 압력 스윙 흡수(Pressure Swing Absorption; PSA), 진공 압력 스윙, 흡수(Vacuum Pressure Swing Absorption; VPSA), 멤브레인, 또는 극저온 증류를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. (단일 스테이지에서) 멤브레인 이외의, 전술한 모든 것들은 >90%의 순도 O2를 생산할 수 있으며, 멤브레인 플랜트는 30-40%의 O2를 생산하지만, 또한 동시에 고순도 N2를 생산한다. 4개의 타입들 중, 본 발명이 초점을 둔 스케일에서, VPSA는 최상의 비출력(specific power)을 갖지만, 두 번째로 가장 높은 비용을 갖고, 멤브레인은 최저 비용을 갖지만, 최악의 비출력을 갖는다. PSA 및 멤브레인은 그들이 부스터 압축기의 사용 없이 적당한 압력들(15-25 psig)에서 O2를 생산할 수 있다는 장점을 갖는다.
고온 배기가스는 공정의 일부로서 냉각될 필요가 있지만, 또한 GCS에서 분자체 베드들(beds) 또는 아민들을 재생하는 것을 돕기 위해 열의 소스로서 사용될 수 있으며, 배기가스 폐열은 또한 폐열-전력 시스템을 구동하기 위해 사용될 수 있으며(옵션), 이는 본 발명과 연관되는 다른 보조 전력 요건들을 오프셋시키는 것을 도울 것이다. US 9,194,340에 따르면, 폐열-전력 시스템을 설계하는 것이 가능하며, 이 경우 CO2를 작동 유체로서 사용하고, 또한 뜨거운 CO2를 GCS로 흐르게 하여 시스템을 재생시키거나, GCS 포집된 CO2를 사용하여 폐열-전력 시스템에서 작동 유체를 증대시킨다. 대부분의 폐열-전력 시스템들은 더 높은 온도들을 선호하고, 또한 배기가스 온도를 적당히 증가시키는 기술들이 9,194,340 내에 존재한다.
마지막으로, 열분해 시스템(옵션)은 본 발명의 일부이다. 방법들은, 특허된 일부 경우들에서, 공지된 기술 상태 및 상업적 논문들로서 달리 존재하여, 열분해를 통해 피스톤 엔진들 또는 터빈들을 위한 연료들을 생성한다. 열분해는, 상승된 온도들에서 본질적으로 산소가 없는 용기(vessel)에서, 예를 들어 나무 또는 도시 고형 폐기물인, 유기 재료의 열화학 분해이다. 생체(biogenic) 및 비-생체 재료들의 열분해는 하기를 야기한다: 1) 낮은 BTU 가스(전형적으로 H2, CO, CH4 및 CO2의 혼합), 2) 일부 경우들에서 오일, 및 3) 모든 경우들에서 숯 / 탄소 고형 생성물. 열분해의 모든 3개의 생성물들은 가치(value)를 가지며, 심지어 고형이다. 실제로, 야외 그릴링(grilling)을 위해 종종 사용되는 "목탄(charcoal)" 조개탄은 나무의 열분해를 통해 제조된다.
종래 기술의 열분해 기술들의 문제는 통상적으로 가스인 생산된 연료의 많은 부분이 공정을 위한 열을 유지하기 위해 소비된다는 것이며, 이는 목표가 목탄 조개탄인 경우라면 양호하지만, 목표가 엔진을 작동시키는 경우라면 도움이 되지 않는다. 본 발명에서, 전형적으로 1 ,000 deg F이지만, 일반적으로 엔진 타입에 따라 500 deg F와 1500 deg F 사이인 고온 SCC 배기가스는 열분해 시스템 버너에서 공기 대신에 사용된다. 농후 연소 엔진의 경우, 이는 일부 추가적인 O2가 SCC 배기가스로 주입되는 것을 요구할 것이지만, 희박 연소 엔진들 또는 가스 터빈의 경우, 충분한 O2가 열분해를 위해 요구되는 온도들을 산출하는 연소를 지원하기 위해 배기가스에 존재한다. 더 양호한 것은, 그 O2를 소비하는 것은 CO2 농도가 증가할 것이므로, 우리의 GCS 시스템을, 포집된 단위 CO2 당, 더 작게 만들 것이다.
구체적으로, 예를 들어, 약 5,000 hp의 희박 연소 엔진은 EGR 전에 38%의 순도 O2로 SCC 상에서 동작하는 동안, 815 deg F에서, 배기가스에서 9%의 O2를 가질 수도 있다. (열분해로부터의) 연료를 이 배기가스에 추가하는 것은 온도를 2,300 deg F로 상승시키고, 고온 CO2 백분율을 23%로 증가시켜, GCS의 크기를 상당히 감소시킬 것이다.
열분해는 전형적으로 상기 버너로부터의 2,000+ deg. F 연소 온도(firing temperature)와 일치하는, 900-1800 F의, 반응 구역 내의 온도들을 요구한다. 전형적으로, 설계자는 가스 성분 생산을 증가시키고, 액체들 또는 숯의 양을 감소시키기 위해, 가능한 한 높게 온도를 푸시할 것이다. 결과적으로, 인코넬(Inconel)과 같은 재료들이 열분해 반응기들에 사용된다. 상승된 온도들인, 1600-1800 F에서, 인코넬 또는 다른 이색(exotic) 니켈 합금들은 크리프(creep) 또는 파열 시간과 관련하여 허용가능한 강도를 가질 것이며 이는 전형적인 스테인리스 강도의 약 10배이다. 이들 재료들은 또한 전형적인 스테인리스의 가격의 약 10배를 갖는다.
약 300 deg F만큼의 공정 온도의 감소는 여전히 공급원료를 처리할 것이지만, 더 많은 오일 / 타르, 및 더 적은 가스를 생산할 것이며, 그러나 스테인리스 스틸의 사용을 가능하게 한다. 배기가스에서 산소의 존재, 및 더 높은 순도의 산소로 연소 구역에서 증대하는 능력은 가열 연료로서 열분해 오닐의 사용을 가능하게 하며, 따라서 열분해 반응기 내의 반응 온도들, 및 따라서 스크류의 및 다른 응력 구성요소들의 온도를 낮출 수 있을지라도, 반응 온도들을 유지하기 위해 그 가스를 사용하지 않으므로,엔진에서 사용을 위한 거의 동일한 양의 순 가스(net gas)를 여전히 생산한다.
마지막으로, 더 낮은 온도들에서 열분해 유닛의 동작으로도, 열분해 유닛으로부터의 배기가스는 여전히 SCC 엔진으로부터의 배기가스가 달리 그랬었던 것 보다 더 높은 온도일 것이고, 그 배기가스의 유동률(flowrate)은 또한 약간 더 높다. 순 결과(net result)는 설계의 폐열-전력 구성요소에서 생산될 수 있는 전력이 열분해 서브시스템의 추가의 결과로서, 이제 증가된다는 것이다. 전술한 것의 조합은 감소된 자본 및 동작 비용으로, 고 탄소 네거티브 전력 시스템에 이른다는 관점에서 가치를 생성한다.
요약하면, 본 발명은 엔진: 리치 또는 희박 연소, 피스톤 또는 터빈; 전력 및 배기 가스를 생성하기 위해; 분자체 기반 산소 플랜트; 산소, 냉각된 배기 가스, 및 공기의 혼합물들이 엔진을 위한 인공 대기 작동 유체로서 생성되는 것을 허용하기 위한 혼합 용기를 포함하는 반-폐쇄 사이클 탄소 네거티브 전력 시스템; 배기가스 수 분리기 및 데미스터(demister); 직접 또는 간접적으로, 엔진 배기가스 폐열을 이용하는, TSA 공정 상에서 동작하는, 분자체 기반 탈수 유닛; 및 진공 압력 스윙 흡수(Vacuum Pressure Swing Absorption; VPSA) 공정 상에서 동작하는, 분자체 기반 포집 유닛과 결합되는, 배기가스를 냉각시키는 방법에 관한 것이며, 여기서, 공정 가스는 또한 열 스윙 흡수(Thermal Swing Absorption; TSA) 베드들을 재생하기 위해 사용된다.
또한, 반-폐쇄 사이클 탄소 네거티브 전력 시스템은 다음 특성들을 갖는, 열분해 유닛을 포함한다: 엔진 배기가스로부터 과잉 산소를 소비하도록 설계되는 버너; 액상의 열분해 생성물들을 사용하도록 설계되는 버너; 엔진 배기가스와 결합되어, 후속 탄소 포집을 가능하게 하고, 스테인리스 스틸 구조와 일치하는, 비-방출 열분해 시스템 저온 동작, 및 증가된 오일/타르 생산을 생성하는 버너 배기가스. SCC 엔진 "이중 연료"(디젤 천연 가스) 대 스파크 점화의 경우들에서, 생산되는 추가적인 열분해 오일은 디젤 대신에 또는 이를 증대시키기 위해 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 이상적으로 CO2 기반이고, 브레이튼(Brayton) 사이클 상에서 동작하는, 폐수-전력 유닛을 포함하며; 여기서: 배기 가스를 300 F로 냉각시키기에 충분한 압력비가 이용되며; 고온 CO2 블리드(bleed)는 시스템 분자체들의 부분들을 재생시키기 위해 사용된다.
본 발명은 또한 단일 스테이지에서 23-40%의 순도에서 O2를 생성하는, 멤브레인 공정을 통해 동작하는 산소 플랜트; 압력 스윙 흡수(Pressure Swing Absorption; PSA) 또는 진공 압력 스윙 흡수(Vacuum Pressure Swing Absorption; VPSA)을 통해 동작하는 산소 플랜트; 농후 연소 엔진들로부터 15%의 CO2 순도를 산출하는, 23-28%의 O2 사이의 혼합된 O2 및 공기 레벨들; 및 엔진 변경들을 요구하지 않는 것을 포함한다. 그리고, 23-50%의 O2 사이의 혼합된 02 및 공기 레벨들은, 희박 연소 엔진들로부터 20%의 CO2 순도, 및 농후 연소 엔진들로부터 더 큰 순도를 산출하고, 내부 기계적인 변경들 없이, 단지 엔진 제어 파라미터들에 대한 변경을 요구하며; 엔진 입구에서 21% 미만의 O2 순도는, 엔진 제어(람다 설정) 변경들만을 요구한다.
본 발명은 또한 낮은 O2 순도가 엔진의 부분들에 대한 직접 O2 분사에 의해 보상되는 경우; 및 원하는 것보다 더 낮은 배기가스 O2 순도가 열분해 버너의 부분들에 대한 직접 O2 분사에 의해 보상되는 경우; 및 분자량 및 다른 중요한 가스 속성들, 예컨대 비열비 및 밀도가 터보 기계류에서의 변경 또는 상당한 효율성 영향 없이, 소형 가스 터빈들의 동작의 범위와 호환가능하게 남아 있도록, 낮은 O2 순도인, 23-45%의 O2로 동작되는 때에 관한 것이다.
본 발명은 또한 감소된 EGR 및 증가된 O2를 갖는 동작을 포함하여, 일반적으로 그러한 엔진에 대한 정상 최소값의 1/3만큼 낮은, 매우 낮은 BTU 연료들 상에서의 피스톤 엔진 동작을 전형적으로 150 BTU/SCF까지 가능하게 한다. 대안적으로, 본 발명은 증가된 EGR 및 일부 경우들에서 감소된 O2를 갖는 동작을 포함하여, 피스톤 엔진 동작을, 넉(knock) 또는 디-레이트(de-rate) 없이, 일반적으로 순수 프로판의 연료만큼 높거나 더 높은, 높은 BTU 연료들 상에서의 엔진 동작을 4000 BTU/SCF까지 가능하게 한다.
본 발명으로 간주되는 발명 대상은 명세서의 결론의 청구항들에서 특히 지적되고 명백하게 청구된다. 본 발명의 상술한 및 다른 목적들, 특징들, 및 장점들은 첨부 도면과 함께 취해지는 다음의 상세한 설명으로부터 명백하다.
도 1은 N2 제거, GCS, 및 압축을 포함하는, 일반적인 SCC 전력 시스템의 기본 구성요소들을 개략적으로 예시한다.
도 2는 PSA 02 생성, SC CO2 폐열-전력, 및 TSA 및 상 분리 둘 다를 이용하는 GCS를 갖는, SCC 피스톤 엔진 전력 시스템의 구성요소들을 개략적으로 예시한다.
도 3은 일반적인 연속 공급 열분해 반응기의 기본 구성요소들을 개략적으로 예시한다.
도 4는 열분해 시스템의 종래 기술의 구현이 더 복잡하고, 다수의 버너들, 배기관들, 배플들, 덕팅, 및 공급원료의 제조와 연관되는 구성요소들을 포함할 수 있다는 것을 개략적으로 예시한다.
도 5는 SCC 엔진 서브시스템, 열분해 서브시스템, 폐열-전력 서브시스템, 배기가스 냉각 및 수 분리 서브시스템, SCC 흡입 서브시스템, 산소 / 질소 제거 서브시스템, 압축을 이용한 가스 정화 서브시스템, 및 열분해 산소 유입 밸브(admission valve)를 포함하는, 본 발명에서 구성요소들 및 구성요소들의 배열을 개략적으로 예시한다.
도 6은 도 5에 도시된 엔진 서브시스템을 예시한다.
도 7은 도 5에 도시된 폐열-전력 및 배기가스 수 분리기 서브시스템들을 예시한다.
도 8은 도 5에 도시된 SCC 흡입, 산소 플랜트(질소 제거) 서브시스템들, 및 열분해 밸브에 대한 추가적인 O2를 예시한다.
도 9는 도 5에 도시된 GCS 서브시스템을 예시한다.
도 10은 전형적인 엔진 배기가스 O2 및 CO2 레벨들을 도시하는 표이다.
도 11은 3 MW 등급에서, 희박 연소 중속 엔진에 대한 시뮬레이션 결과들을 도시하는 표이다.
도 12는 메탄 연료(열분해 없음)를 갖는, 소형 산업용 가스 터빈 상에서 EGR을 갖는 SCC의 화학 공정 계통도의 시뮬레이션으로부터의 결과들을 도시한다.
도 13은 본원에 설명되는 본 발명에 따른 탄소 네거티브 전력 시스템을 제공하는 개선된 방법 및 시스템을 위한 하나의 방법을 도시하는 흐름도이다.
이제, 본 발명은 본 발명의 예시된 실시예가 도시되는, 첨부 도면들을 참조하여 보다 충분히 설명된다. 본 발명은 아래에 설명되는 예시된 실시예가 당업자에 의해 이해되는 바와 같은, 다양한 형태들로 구체화될 수 있는, 본 발명의 단지 예시임에 따라 예시된 실시예에 임의의 방식으로 제한되지 않는다. 따라서, 본원에 설명되는 임의의 구조적 및 기능적 상세들은 제한적인 것으로서 해석되어서는 안되고, 단지 청구항들에 대한 기초로서 그리고 본 발명을 다양하게 이용하는 당업자를 교시하기 위한 대표로서 해석되어야 한다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 본원에 사용되는 용어들 및 구들(phrases)은 제한적인 것으로 의도되지 않으며 오히려 본 발명의 이해가능한 설명을 제공하는 것으로 의도된다.
값들의 범위가 제공되는 경우, 그 상한과 하한 사이의, 맥락이 달리 명백하게 지시하지 않는 한 하한의 유닛의 10분의 1까지인, 각각의 개재 값(intervening value), 범위 및 그 진술된 범위의 임의의 다른 진술된 또는 개재 값은 본 발명 내에 포함된다는 것이 이해된다. 더 작은 범위들에 독립적으로 포함될 수 있는 이들 더 작은 범위들의 상한 및 하한은 또한 본 발명 내에 포함되며, 진술된 범위에서 임의의 특별히 배제된 제한을 받는다. 진술된 범위가 제한들 중 하나 또는 둘 다를 포함하는 경우, 이들 포함된 제한들의 둘 중 어느 하나를 배제하는 범위들이 또한 본 발명에 포함된다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술의 당업자에 의해 통상 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원에 설명되는 것들과 유사하거나 등가인 임의의 방법들 및 재료들이 또한 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 예시적 방법들 및 재료들이 이제 설명된다. 본원에 언급되는 모든 간행물들은 간행물들이 인용되는 것과 관련하여 방법들 및/또는 재료들을 개시 및 설명하기 위해 참조로 본원에 통합된다.
본 발명은 일반적으로 열분해를 통해 그 자체 연료 또는 기타 용 연료를 처리하는 동안, 비-방출이고, 압력 및 전력에서 CO2를 포함하는 생성물을 생산하는 방식으로, 반-폐쇄 사이클에서, 압축 점화, 스파크 점화, 리치 또는 희박 연소 왕복 피스톤 엔진, 또는 희박 연소 가스 터빈을 동작시키는 시스템에 관한 것이다. 전력 시스템은 산소를 제공하는 통합 분자체-기반 공기 분리 유닛을 공급받는다. (대안적으로, 그것은 멤브레인-기반 공기 분리 유닛, 또는 극저온 기반 공기 분리 유닛을 공급받을 수 도 있다).
엔진으로부터의 배기 가스는 O2를 소비하고, 열분해 반응기를 위한 열 소스를 제공하기 위해 재가열되며, 엔진 및 열분해 버너로부터의, 결합된 배기가스(예를 들어, 다양한 백분율의, CO2, N2, Ar, O2, 및 수증기)는 연소 희석제(combustion diluent) 및 작동 유체를 제공하기 위해 재순환된다. 시스템 고 등급 폐열은 배기가스를 냉각시키고(공정의 일부) 미임계/초임계 CO2 브레이튼 사이클을 통해 추가적인 전력을 생성하기 위해 사용된다. 생성된 생성물인 CO2는 압축되고, 정제되고, 사용자를 위한 압력으로, 그리고 열 회수 시스템의 작동 유체로서 제공된다. 열 회수 시스템은 또한 차례로 가스 정제 열 스윙 흡착 분자체들을 재생시 사용하기 위한 건식 고온 CO2를 제공한다.
본 발명은 압력에서 전력 및 CO2 둘 다가 공정을 위해 사용되는 곳에서 특히 사용된다는 것이 이해되어야 한다. 개선된 오일 회수(Enhanced Oil Recovery)는 그러한 공정의 일 예이다. 본 발명은 2 행정 또는 4 행정 피스톤 엔진들, 리치 또는 희박 연소, 회전 피스톤 엔진들, 또는 소형 가스 터빈들에 적용가능하다는 것이 더 이해되어야 한다. 중속 엔진들(연소 공정을 위해 더 큰 시간을 가짐), 및 특히 높은 "부스트(boost)"(흡입 매니폴드) 순 평균 유효 압력에서의 동작을 견딜수 있는 엔진들(예컨대 중속 대향 피스톤 엔진들 또는 헤비 듀티 중저속(heavy duty low to medium speed) 4 행정 엔진들)은 사이클에 적합하지만 본 발명은 그러한 중속 엔진들에 제한되는 것으로 이해되지 않아야 한다.
이제, 설명적으로 도면을 참조하며, 여기서 유사한 참조 문자는 수개의 도면들에 걸쳐 유사한 요소를 나타낸다:
도 1은 N2 제거, GCS, 및 압축을 포함하는, 일반적인 SCC 전력 시스템의 기본 구성요소들을 개략적으로 예시한다. 도 1을 참조하면, 항목(1)은 공기를 (전통적으로) 흡입하는 동안 또는 SCC의 구성요소들의 조합에 의해 생성되는 인공 대기(artificial atmosphere)를 흡입하는 동안 전력 및 배기가스를 생산하기 위해, 연료를 소비하는 엔진을 나타낸다. 농후 연소(Rich burn)인, 스파크 점화 피스톤 엔진들은 항목(1)으로서 사용될 수도 있는 엔진들의 서브세트이다. 희박 연소(Lean burn)인, 스파크 또는 압축 점화 피스톤 엔진들은 항목(1)으로서 사용될 수도 있는 엔진들의 서버세트이다. 희박 연소 엔진들은 2 또는 4 행정 구성들에서 이용가능하다. 압축 점화 변형예들 중 일부는 또한 이중 연료를 제공받는다. 희박 연소 엔진들은 소형 크기들에서 이용가능하지만, 본원의 인센티브(incentive)는 더 큰 중속(900 rpm) 희박 연소 엔진을 사용하는 것일 것이다.
또한 기술적으로 희박 연소 엔진인 소형 가스 터빈은 항목(1)으로서 사용될 수도 있는 엔진들의 서브세트이다. 항목(1)의 엔진은 이론적으로 제로(농후 연소) 내지 20%의 범위(아이들 상태에서의 압축 점화 엔진)의 어딘가에 배기가스 산소 레벨을 가질 수 도 있지만, 실제로, 0-10%는 피스톤 엔진들에 대한 표준이며, 8-15%는 공기가 사용될 때 또는 보다 구체적으로 엔진 입구의 산소 함량이 약 21%일 때, 터빈 엔진들에 대한 표준이다.
여전히 도 1을 참조하면, 엔진 항목(1)은 (다른 기능들을 수행하는 동안 특정 경우들에서) 배기를 냉각시키는 항목(2)인 시스템을 피딩하고, 그 다음, 이는 응축을 통해 배기가스로부터 대부분의 연소 수(combustion water)를 궁극적으로 분리하는 항목(3)인 배기가스 수(exhaust water) 분리기를 피딩한다. 배기의 가스 성분들은 항목(3) 내부에서 또는 그 하류에서 분리되고 항목(4)인 흡입 서브시스템, 및 항목(6)인 가스 정화 서브시스템에 공급된다.
여전히 도 1을 참조하면, 항목(5)은 엔진을 위한 인공 대기를 생성하기 위해, O2 소스, 냉각된 배기가스 재순환, 및 옵션으로 공기의 혼합을 용이하게 하는 항목(4)인 흡입 서브시스템에, 전형적으로 멤브레인 플랜트인 경우 30-40%의 O2 또는 PSA 또는 VSPA 플랜트인 경우 90%의 O2, 또는 극저온 플랜트인 경우 99%의 O2인 산소 스트림을 제공하는 서브시스템이다.
여전히 도 1을 참조하면, 항목들(6, 6A, 6B)은 가스 정화 시스템 (gas cleanup system; GCS)에서 발생하는 스테이지들(stages)을 언급한다. GCS의 이들 스테이지들은 미가공의 C02 순도 및 시스템 설계에 따라, 상이한 순서로 발생할 수 있지만, 일반적으로 그것은 고압에서 또는 압력 하에서 액체로 저장되는, 약 99%의 순도의 CO2 생성물을 산출하기 위해, 탈수인 항목(6), 다음에 이어지는 포집인 항목(6A), 다음에 이어지는 압축인 항목(6B)일 것이다. 이들 공정들의 상세들은 본원에서 이후에 논의될 것이다.
또한, 도 2를 참조하면, 이는 PSA O2 생성, SC C02 폐열-전력, 및 TSA 및 상 분리 둘 다를 이용하는 GCS를 갖는, SCC 피스톤 엔진 전력 시스템의 구성요소들을 계략적으로 예시한다. 도 2를 참조하면, 도 1의 항목(1)과 유사한 항목(21)은 엔진이다. 여전히 도 2를 참조하면, 항목(22)인 폐열-전력 또는 "CO2 SC 터빈 열 회수" 서브시스템은 배기가스를 냉각시킨다. 여전히 도 2를 참조하면, 항목(23)은 배기가스 수 분리기이며, 이는 항목(24)인 흡입 서브시스템으로 다시, 대부분의 물이 제거된 상태로, 냉각된 배기가스를 공급한다. 항목(24) 서브시스템은 도시된 바와 같이 PSA 산소 플랜트인 항목(25)으로부터 산소를 수용하지만, 이는 또한 멤브레인, VPSA, 또는 극저온 이었을 수도 있을 것이다.
여전히 도 2를 참조하면, 항목(26)은 GCS이며, 이 GCS는, 도시된 바와 같이, 상 분리에 의해 CO2를 액화 및 분리하기 위해, 냉동 전에, TSA 공정에 기초한 탈수 부분을 갖는다. 항목(26)은 또한 모든 분자체, 아민 기반, 또는 조합이었을 수도 있을 것이다. 최종적으로, 도 2를 참조하면, 항목(27)은 항목(25) 산소 플랜트의 서브세트인 압축기 이지만, 이 경우 전기적으로 구동되기 보다는 엔진에 직접 연결된다.
여전히 도 2를 참조하면, EGR 루프에서 50-90%의 CO2 순도를 갖는 이 설계는 항목(24)에서 공기를 혼합하는 것 없이, 이 경우 PSA로부터 약 90%의, 고 순도 O2 소스와 일치한다. 이들 높은 미가공의 CO2 레벨들은 상 분리 GCS 접근을 가능하게 한다.
도 3을 또한 참조하면, 도면은 일반적인 연속 공급 열분해 반응기의 기본 구성요소들을 개략적으로 예시한다. 도 3을 참조하면, 항목(338)은 공급원료이며, 이는 입구 호퍼(inlet hopper) 및 관련 구성요소 항목(339)으로 공급된다. 열분해를 위한 공급원료는 장비의 온도 범위에서 열적으로 분해가능한 임의의 것을 포함할 수 있으며, 석탄, 플라스틱, 타이어들, 도시 고형 폐기물, 자동 분쇄기 잔류물, 또는 목재, 종이, 바이오-매스를 포함하는 재생가능 공급원료 스트림들, 및 다른 재생가능 폐기물 스트림들를 포함한다. 공급원료가 더 낮은 온도 분해 포인트를 갖고, 플라스틱과 같은 재 함량(ash content)을 갖지 않을 때, 그리고 연속 공급 열분해 유닛이 사용될 때, 그것은 또한 공정을 통해 공급원료를 운반하는 기계적 수단이 존재하도록, 재, 또는 석탄과 같은 재 함유 공급원료 애더(adder)를 포함하는 것이 중요하다.
여전히 도 3을 참조하면, 열분해 반응 챔버는 본질적으로 공정을 통해 저속으로 재료들을 운반하여, 항목(313)인 분리기 용기로 공급하는, 스크류 피팅된 항목(312)을 갖는, 항목(311)인 가열 재킷에 의해 둘러싸이는, 항목(310)인 파이프이다.
여전히 도 3을 참조하면, 항목(311)인 가열 재킷에 피팅되는 항목(314)인 버너는 재료들이 거의 제로 산소 환경에서, 열에만 노출되도록, 파이프(310) 외부에서, 공정에 열을 제공한다. 버너(314)는 항목(315)을 통해 공기 또는 산소 함유 스트림을 공급받고, 항목(316)을 통해, 연료를 공급받는다. 항목들(317)인 배플들은 버너(314)로부터 항목(310)인 공급원료 파이프로 어느 정도의 역류(counter flow) 열 교환 공정을 가능하게 하기 위해 재킷(311) 내에 존재한다. 항목(318)인 열분해 버너 배기가스는 전형적으로 대기로 배출된다.
여전히 도 3을 참조하면, 시스템의 분리기 부분은 항목(319)인 가스 생성물, 항목(320)인 액체 / 타르 생성물, 및 항목(321)인 숯 생성물을 도시되지 않은 수용 장비에 제공한다. 바람직한 실시예에서, 통상적으로 많은 값이 아닌 항목(320)인 액체 생성물은 항목(316)에서 연료로서 제공되거나, 적어도 항목(316)에서 연료를 증대시킨다.
또한, 도 4를 참조하면, 도면은 열분해 시스템의 실제 구현이 더 복잡하고, 다수의 버너들, 배기관들, 배플들, 도관들, 및 공급원료의 제조와 연관되는 구성요소들을 포함할 수 있다는 것을 개략적으로 예시한다.
또한, 도 5를 참조하면, 도면은 SCC 엔진 서브시스템, 열분해 서브시스템, 폐열-전력 서브시스템, 배기가스 냉각 및 수 분리 서브시스템, SCC 흡입 서브시스템, 산소 / 질소 제거 서브시스템, 압축을 갖는 가스 정화 서브시스템, 및 열분해 산소 유입 밸브를 포함하는, 본 발명의 구성요소들 및 구성요소들의 배열을 시스템 레벨에서 개략적으로 예시한다.
여전히 도 5를 참조하면, 항목(522)은 엔진 서브시스템이며, 이는 바람직한 실시예에서, 5-15%이지만, 공칭적으로 9%인 산소를 포함하는 고온 배기 가스를 열분해 서브시스템 항목(523)의 버너에 공급한다. 열분해 배기가스는 항목(523)으로부터 항목(524)으로 흐르며, 여기서, 그것은 열을 SC CO2 터빈 폐열-전력 서브시스템으로 거부한다.
여전히 도 5를 참조하면, 항목(524)인 폐열-전력 시스템으로부터, 이제 추가적인 미가공의 CO2, 및 감소된 O2를 갖는 배기가스는 연소 수(combustion water)의 대부분이 응축되는 항목(525)인 배기가스 수 분리기로 흐른다. 이 냉각된 배기가스는 2개의 스트림들로 분할되며, 그 중 일부는 항목(526)인 흡입 어셈블리로 흐른다. 항목(526)인 흡입 어셈블리는, 항목(522)인 엔진을 위한, 인공 대기를 생성하기 위해 항목(527)으로부터의 냉각된 배기가스, 공기, 및 산소를 혼합한다.
여전히 도 5를 참조하면, 항목(525)으로부터의 흐름 중 일부는 항목(528)인 가스 정화 서브시스템에 제공된다. 항목(528) 내에서, 미가공의 CO2는 탈수되고, 정제되고, 압축되고, 저장된다. 최종적으로, 항목(529)인 밸브는 엔진 배기가스가 단독으로 충분하지 않은 경우들에서(일반적으로 이는 농후 연소 엔진들 만을 갖는 경우임), 추가적인 산소를 서브시스템(523)인 열분해 서브시스템으로 제공하기 위해 사용된다. 청구범위로 이어지는 이들 서브시스템들, 및 그들의 동작의 세부사항은 하기의 보다 상세한 도면들과 연관하여 논의될 것이다.
또한 도 6을 참조하면, 도면은 도 5의 항목(522)인 엔진 서브시스템을 예시한다. 여전히 도 6을 참조하면, 항목(630)인 샤프트 구동 과급기, 또는 블로어(옵션)는 작동 유체를 항목(631)인 터보 차저의 압축기에, 항목(632)인 엔진에 공급한다. 엔진(632)은 부하에, 또는 대부분의 경우들에서 항목(633)인 발전기에 결합된다. 항목(634)인 터보 차저(옵선), 터빈 배기가스는 항목(635)인 배기가스 라인을 통해 후속 시스템들에 공급된다. 전형적으로, 항목(632)인 엔진, 또는 엔진 흡입구(intake)는, 존재하는 경우 항목(630)이든 항목(631)이든, 매우 약간의 서브-기압을 공급받는다. 엔진 배기가스 배압은, 항목(635)에서, 일반적으로 흡입구보다 더 높은 단지 2-7" 인치의 물이다. 그러나, 항목(632) 흡입구, 또는 항목(631) 배출구에서의 절대 압력은, 일부 엔진들이 >30 psig인 터보 부스트 조건들에서 작동하는, 수개의 대기들(분위기들, atmospheres)일 수도 있다. 그것은 냉각이 종종 본원에 도시되지 않은 구성요소들 사이에 존재하고, 이는 대부분의 경우들에서 SCC의 일부로서 변경되지 않을 것이라는 것이 엔진 설계에 경험을 갖는 사람들에 의해 인식된다. 고온 가스를 냉각시키는 중간냉각기들(Intercoolers)은 종종 항목(630)인 과급기와 항목(631)인 터보 압축기 사이에 존재할 것이다. 고온 가스를 또한 냉각하는 후단냉각기들(Aftercoolers)은 종종 항목(631)인 터보 압축기와 항목(632)인 엔진 사이에 존재할 것이다. 다단 터보 차저들, 또는 병렬의 다중 터보 차저들은 일반적이고 본원에서 배제되지 않는다.
이후 논의되는 바와 같이, "터보 부스트" 압력만큼 높은 압력을 포함하는, 양압에서, 흡입 서브시스템인 서브-시스템(526)을 동작시키고, 그렇게 함으로써 엔진(632)이 구성요소 항목들(630, 631, 또는 634), 또는 그들 구성요소들과 연관되는 냉각기들의 사용 없이, 그것의 정격 출력(rated output)을 제공할 수 있게 한다. 이것이 수행될 때, 항목(635)의 온도는, 그것이 항목(634) 배출구가 아닌, 항목(634) 입구를 나타낼 것이므로, 더 높을 것이며, 이는 정격 전력의 중속 엔진에서 약 300 deg F만큼 상이하다. 후속 서브시스템들의 효율성이 더 증가될 수 있고, 엔진 유지 비용이 감소될 수 있고, 신뢰성이 개선된다는 것이 이해될 것이다.
또한 도 7을 참조하면, 도면은 도 5의 폐열-전력 및 배기가스 수 분리기 서브시스템들을 예시한다. 도 7을 참조하면, 서브시스템(524)인 초임계 / 미임계 C02 브레이튼(Brayton) 사이클 폐열-전력 발전기는 열분해가 존재할 때 318을 통해 포인트(718)에서, 또는 그것이 없을 때 엔진 배기가스 라인(635)에서 직접적으로 고온 엔진 배기가스를 수용하고, 그것을 고온-측 열 교환기인 736을 통해 냉각시킨다. 이는 서브-시스템(524) 터빈 입구인 포인트(737)에서 1050 F(배기가스 온도보다 더 낮은 약 50 deg F), 및 공칭적으로 6000 psia인 초임계 압력의 조건들을 야기한다.
여전히 도 7을 참조하면, 서브-시스템(524)은 순수 CO2를 작동 유체로서 사용한다. 작동 유체는 (설계 포인트에서) 터빈(738)을 통해 1200 psia로 팽창되어, 발전기(739) 및 압축기(740)를 구동시킨다. 하측 열 교환기(741)는 포인트(742)에서 초임계 CO2를 대략 110 F로 냉각시킨다. 작동 유체(CO2)는 압축기(740)에서 재압축되고, 대략 6000 psia인 275 F에서 열 교환기(736)에 제공된다. 순 결과(net result)는 피스톤 엔진 배기가스가 포인트(35 또는 718)의 1100 F로부터 포인트(743)의 300 F로 냉각되었다는 것이다. 이들 압력들 및 온도들 모두는 설계 포인트의 추정치들이고, 부하에 따라 변할 수도 있다는 점을 주목한다. 또한, 폐쇄 초임계 CO2 브레이튼 사이클 열 회수 시스템은 (정속, 따라서 정압비로 작동하는) 발전기(739)에서 부하의 관리를 통해, 그리고 사이클에서 총 질량을 변화시킴으로써 제어된다는 점을 주목한다. 1200 psia 입구, 6000 psia 출구가 최대 전력에서 압축기 설계 포인트일 수도 있지만, 1/10의 전력에서 공칭적으로 120 psia, 및 동일한 포인트에서 600 psia를 예측할 수 있고 - 사이클 효율은 이론적으로 변경되지 않을 것이다(사실, 그것은 사이클이 초임계 압력에서 최적에 더 가까워 지므로, 약간 저하된다). 압력비, 및 열 교환기 설계 압력에서의 다른 선택들이 물론 가능하다. 5의 압력비는 브레이튼 사이클 단독에 대해 최적은 아니지만, 상당히 낮은 압축기 배출 온도들을 제공하여, 이용가능한 엔진 또는 엔진 및 열분해 서브-시스템 배기가스 폐열의 양호한 사용을 가능하게 한다.
여전히 도 7을 참조하면, 서브시스템(525)인, 항목(744)인 배기가스 수 분리기는 항목(745)인 액체 섬프(sump)로 구성되며, 이는 보통 수중 고 유량 펌프, 및 레벨 제어 시스템(미도시)을 포함한다. 항목(745)으로부터의 온수는, 도시되지 않은 열 교환기를 통해, 냉각되고, 이 서브시스템의 상류 라인(743)으로 주입된다. 이는 항목(745)으로부터의 약 100 F 물을 사용하여, 항목(524)인 라인(743)으로부터의 300 deg F 배출 온도가, 약 115 F로, 빠르게 감소되게 할 수 있다. 물 분무의 결과로서 수온, 유속 및 온도 변화에 대한 상이한 설계 포인트들이 가능하고, 계절적 변화, 및 전력 레벨-기반 변화가 발생할 가능성이 있다. 서브시스템(525) 내의 정확한 수온, 및 따라서 가스 온도는 물의 응축이 엔진의 모든 포인트들에서 방지되도록, 그리고 부식이 발생하지 않도록, 수증기 분압을 관리하기 위해 선택된다. 항목(744)은 또한 항목(746)인 배플 플레이트들, 및 항목(747)인 데미스터 패드를 포함하며, 이는 항목(748) EGR 라인에 포화되었지만, 가스 냉각된 배기가스를 제공하기 위해 협력하여 작동한다.
또한 도 8을 참조하면, 도면은 도 5에 도시된 SCC 흡입, 산소 플랜트(질소 제거) 서브시스템들, 및 열분해 밸브에 대한 추가 O2를 예시한다(항목 526, 항목 527 및 항목 529). 도 8을 참조하면, 항목(848)인 냉각된 배기가스는, (증기 이외의) 물이 제거된 채, 항목(526)인 흡입 서브시스템으로 들어가며, 이는 항목(849)에서, 엔진을 위한 인공 대기를 생성한다. 흡입 서브시스템은 임의의 응축수를 위한 물 배출구(water drain)을 갖는 항목(850)인 압력 용기로 구성되며, 이는 선택적으로 항목(852)인 블로어를 통해 항목(851)인 공기를 공급받는다. 항목(852)인 블로어가 존재할 때, 그것은 엔진을 위한 정상 정격 터보 부스트 압력까지, 양압에서 SCC EGR 시스템을 동작시키는 것이 가능하다. 블로어가 존재하지 않을 때, 항목(850) 용기는 정상적으로 공기에 개방되고, 약간의 서브 대기압으로 작동하여, 필요에 따라 공기를 회수한다.
여전히 도 8을 참조하면, 서브시스템(526)인 흡입 서브시스템은, 밸브(853)에서, 산소 소스 타입 및 설계 포인트에 따라, 30-90+%의 순도의, 산소를 수용한다. 이 산소 라인은 또한 버너가 추가적인 산소를 요구하는 그러한 경우들에서 밸브(529)를 통해 열분해 버너(서브시스템(523))로 제공된다. 또한, 열분해 시스템은 다수의 버너들을 가질 수 있고, 따라서 항목(529)의 배수들에 대한 가능성이 존재한다는 것이 인식된다. 더욱이, 일부 엔진들에서, 그 엔진을 21%보다 실질적으로 더 낮은 항목(849)에서의 벌크 O2 레벨로 동작시키는 것이 유리할 수 있으며, 그러나 선택 연료 및 산소의 가연 한계(예를 들어 메탄의 최소 O2 레벨은 12%임)는 추가적인 O2가 스파크 셀에서 엔진으로 블리딩되거나, 연소기가 특히 설계 포인트 동작을 시작하거나, 해제하는 것을 보조할 수 있다는 것을 나타낼 수 있다.
여전히 도 8을 참조하면, 항목(527)인 산소 서브시스템은 다음과 같이 도시된다. 항목(854)인 공기는 항목(855)인 블로어, 및 그 다음 항목(856)인 밸브 어셈블리에 공급되며, 이는 타이밍에 따라 그 다음 항목(857)인 분자체 용기들로 흐른다. 분자체들은 우선적으로 N2를 흡수하고 농축 산소(감소된 N2)의 스트림은 밸브 어셈블리(858)를 통해, 버퍼 탱크(859)에 제공되어, 항목(853)인 배출 밸브에 이른다.
여전히 도 8을 참조하면, 주기적으로, 분자체 용기들(857)은 N2 및 공기의 다른 원하지 않는 성분들로 포화될 것이고, 그것이 포화되거나, 포화에 접근하고 있는 것으로 산출될 때, 활성 용기는 밸브 어셈블리 항목들(856 및 858)을 통해 전환된다. 종종, 항목(860)인 등화(equalization) 밸브들은 급격한 압력 변화들로 인한 서징(surging) 또는 베드 리프트(bed lift)를 방지하기 위해 잠시 개방된다. 온 라인이 아닌 베드는 밸브 어셈블리 항목(861) 및 진공 펌프 항목(862)을 통해, 재충전된다(N2 및 다른 오염물들은 제거됨). 전형적으로, VPSA 산소 플랜트 상의 압력비는 3 또는 4 대 1이며, 따라서 항목(862)에서 7.5 psia 진공은 항목(855)에서 약 25+ psia(11 psig) 블로어에 의해 매칭된다.
또한 도 9를 참조하면, 도면은 도 5에 도시된 GCS 서브시스템(528)을 예시한다. 도 9를 참조하면, 2단(two-stage) 분자체-기반 GCS가 도시된다. 서브시스템(528)의 상세들을 논의하기 전에, 시스템 설계 및 동작 트레이들(trades)을 논의하는 것이 중요하다. US 9,194,340 B2 및 다른 저작물에 따르면, 50%를 초과하는 냉각된 배기가스에서의 미가공의 CO2 레벨들을 갖는 SCC 전력 시스템을 설계하는 것이 가능하다. 이론적으로, 100%의 O2 소스를 갖고, 공기 유입(air admission)이 없으면, 항목(848)에서 CO2 및 수증기를 제외한 어떤 것도 갖지 않는 것이 가능할 것이다. 이때, CO2의 순도는 대부분 물의 분압의 함수일 것이다. 라인(848)이 15 psia 이었고, 물의 분압이 3 psia인, 약 140 deg F인 경우, 이때, 라인(848)에서 볼륨 당 80%의 CO2를 가질 것이다. 이 경우, 도 2에 정확히 도시된 바와 같이, GCS 관점으로부터 CO2를 단지 압축하고, 탈수하고, 액화시키는 것이 바람직할 것이다. 극단적으로 취해지면, 일부 다른 유형의 엔진에서, 라인(848)이 300 psia보다 더 큰 경우, 이때, CO2 순도는 GCS 전에, 99%에 있을 것이다. 80% 또는 99%의 미가공의 CO2를 갖는 이들 전력 시스템들 둘 다는 거의 100%의 O2 소스를 요구할 것이며, 이는 거의 극저온만일 수 있고, 이는 특히 본 발명에 의해 집중되는 스케일에서, 비용이 많이 들 것이다. 본 발명은 대형 정지 발전소에 대한, 분산 발전소에 더 집중되며, 이는 연료의 소스, 및 C02 격리 또는 사용을 위한 위치와 근접될 필요성 둘 다에 관련된다. 결과적으로, 이론적으로 본 발명 및 기술을 넓은 범위에 적용할 수도 있지만, 본원의 논의는 일반적으로 약 500 kW에서 약 5 MW까지의 출력들을 각각 갖는, 피스톤 엔진들, 또는 농후 연소 또는 희박 연소 타입, 및 일반적으로 출력에서 30 MW 미만인, 소형 산업용 머신들에서 더 작은 항공기 파생 가스 터빈들까지의, 소형 가스 터빈들을 포함하는 이동식, 반-영구식 또는 모듈식 전력 시스템들에 집중될 것이다. 결과적으로, 본 발명은 이들 머신들 중 단지 하나의 용도이고, 본 발명은 경제적 관점으로부터 이들 머신들의 디자인들에 대한 중요한 (만약에 있다면) 변화를 정당화하기에는 너무 작으며, 결과적으로, 본 발명은 표준 엔진들에 대한 수정들이 가능한 많지 않는 것을 초래하는 방향으로 열분해 및 SCC 구성요소들을 강조한다.
대안적으로, 더 낮은 비용의 산소 소스들, 또는 더 작은 산소 소스들은, 그 산소가 서브시스템(526)에서 공기와 혼합되는 경우, 근본적으로 산소 플랜트 비용들을 감소시킨다. 저 순도 산소를 갖는 동작은 또한 전적으로 새로운 분류의 산소 소스들인 멤브레인들을 개시하며, 이는 볼륨 당 40% 초과의 산소 레벨들을 생산하기 위해 애쓴다. 더 낮은 순도의 O2의 사용은 GCS 비용들을 증가시킬 것이지만, 여전히 순 절감들이 존재한다. 더 낮은 미가공의 CO2 레벨들을 갖는 이들 더 낮은 산소 순도 경우들은 여전히 경제적으로 실행 가능한 GCS 시스템들, 및 분자량, 비열비, 흡입 밀도에 관한 엔진 파라미터들에 대한 변경들과 양립할 수 있게 이루어질 수 있음으로써, SCC를 갖는 엔진 동작이 원래 엔진 설계의 파라미터들 내에 속한다. 일부 경우들에서, 엔진이 이미 배기가스에서 상당히 높은 CO2 레벨로 작동하고 있는 경우, 산소 농축 및 SCC 재순환의 레벨은 상당히 낮다.
예를 들어, 엔진은 배기가스 CO2가 거의 10%인, 공기 흡입으로 작동한다. 이는 경제적으로 실행 가능한 분자체 포집을 위해서는 너무 낮지만, 근본적으로 그렇지는 않다. EGR 이전에 25%로 O2 레벨들의 적당한 증가는 14%의 미가공의 CO2 레벨들을 가능하게 할 것이고, 35%의 경우 21% 미가공의 CO2를 얻는다.
도 11에 도시된 표는 3 MW 등급에서, 희박 연소 중속 엔진에 대한 시뮬레이션된 결과들을 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 36% 내지 43%의 적당한 O2 레벨들은 물 제거 후의 C02 레벨들을 거의 20%까지 획득하기에 충분하고, 그 동안 배기가스 O2는 람다 2.0의 설계 조건들에 유지된다. 그것은 여전히 희박 연소이지만, 가연성 지수와 일치하는 이 수치를 낮추고, CO2 레벨들을 25%인, 거의 5배의 공기 흡입을 획득하는 것이 합리적이다.
유사한 결과들은 물론 배타적으로 희박 연소인, 가스 터빈들에 대한 경우와 동일하다. 산소 플랜트가 본 발명의 가장 비싼 부분인 것을 고려하면, 시스템의 최적화는 종동 더 낮은 레벨들의 산소, 그러나 더 큰 GCS 시스템들로 발생할 것이다. 가스 터빈들의 경우, 배기가스 O2 레벨들이 통상 10-15%이므로, 설계 포인트 O2로부터의 편차는 종종 위의 미가공의 CO2의 동일 레벨들에 도달하도록 요구되지만, 이들 편차들은 불합리하지 않다.
보다 현저하게는, 아마도, SCC EGR은 CO2의 존재로 인해 흡입 밀도를 증가시키지만, 그것은 물의 존재로 인해, 그리고 더 높은 온도들로 인해 흡입 밀도를 감소시킨다. 흡입 밀도의 순 변화는 그러한 대부분의 EGR 유량이 여전히 N2이므로, 상대적으로 큰 EGR 비율들인 경우에도, 상당하지 않고, 사실 가스 터빈 설계의 범위 내에 있다. 소형 산업용 가스 터빈, 또는 소형 항공기 파생 터빈, 특별히 단일 샤프트 설계들에 대한 가장 현저한 변화는 ISO 흡기 온도들보다 더 높은 것으로 인한 감소율들(de-rates)의 변화이다. 이들 감소율들은 정격 전력의 25%까지, 현저하지만, 회피되는 대안은 명백히 넌-스타터(non-starter)인, 소형 크기에서, 소형 시장을 위한, 완전히 새로운 가스 터빈의 설계이다.
메탄 연료(열분해 없음)를 갖는, 소형의 산업용 가스 터빈 상의 EGR을 사용한 SCC의 화학적 공정 계통도로부터의 결과들이 도 12에 요약되고 O2 및 공기의 혼합물, 더 큰 양들의 SCC EGR로, CO2를 모두 농축시킬 수 있어서, 분자량에서의 매우 적당한 변화들만으로, GCS 동작을 가능하게 한다는 것을 나타낸다. 이는 열분해가 추가될 때 CO2 농도에 관하여 훨씬 더 양호하게 될 것이다. 주목: 12%보다 더 낮은 SCC 대기를 갖는 경우들은 연소기로 O2의 직접적인 유입을 요구할 것이며, 이는 이 특정 터빈에서 용이하게 달성된다.
상기를 배경으로, 도 9를 다시 참조하면, 서브시스템(528)은, 도시된 바와 같이, 2단 분자체-기반 탈수 및 포집 시스템으로 구성된다. 항목(963)은 블로어이며, 25-30 psia의 전형적인 배출 압력을 갖는다. 라인(848)이 이미 이 압력 이상에도 동작하고 있는 경우들에서, 이 구성요소는 요구되지 않고, 제어 밸브로 대체된다. 항목(963)인 블로어는 추가적인 액체 물을 퇴거하기 위해, 배출 열 교환기, 및 물 분리기를 포함한다. 분자체 용기들(964)은 적절한 용기(964)를 공급하기 위해, 타이머들에 의해 구동되는, 밸브 매니폴드들(965 및 966)에 의해 서빙된다. 우리의 설계들에서 가장 공통적인 수인 3개의 용기들은 포트들(967, 및 968)에 의해 모두 서비스된다. 항목(967)은 고온 건조 가스 공급장치에 연결되며, 이는 서브시스템(524) 터빈(738)에서 포트를 통해 직접 제공될 수도 있거나, 본원에서 나중에 다음과 같이 대안으로 제공될 수도 있다.
여전히 도 9를 참조하면, 항목(968)에서의 포트는 대기에 노출되고, 수증기, 및 불활성 가스로 구성될 것이다. 3개의 용기들은 이것이 하나의 용기가 공정 상에 있게 하고, 하나가 재생하기 위해 고온 건조 가스로 가열되게 하고, 하나가 수동적으로 다시 처리할 준비가 되도록 냉각할 수 있게 하므로 표준이다. 이는 또한 2개의 용기들로 달성될 수 있지만, 용기 크기는 약간 더 커야 한다.
흡수 공정은 분자체들(964) 상에 1800 BTU/lb.인 열을 생성하며, 따라서 TSA로부터의 배출 건조 가스는 열 교환기(969)를 통해, 다음 스테이지인, VPSA 포집 시스템으로 공급된다. 현재 구현되는 바와 같이, GCS는 냉각수 루프에 의해 제공되지만, 공랭식(air-cooled) 열 교환기들이 시스템 위치 및 다른 사양들에 따라 가능하다.
여전히 도 9를 참조하면, 밸브 매니폴드들(971, 972, 및 973)에 의해 서빙되는 항목들(970)은 VPSA 포집 용기들이다. 이들은 CO2, CO, HC, NOx를 포집하는 분자체들로 로딩되고, 특대화되고, 그와 같이 모든 규제된 오염물질들을 포집하여, 시스템을 비-방출로 만든다. 통상적으로 대기에 대한 방출의 관점에서 엔진 배기가스에서의 문제인 CO, HC, 및 NOx의 레벨들(ppm 레벨들)은 격리 또는 EOR 적용에 대한 문제가 아니다. 진공 펌프(974)는 포집된 CO2 및 다른 미량 가스들을 주기적으로 제거하고, 그것을 열 교환기(975)를 통해 버퍼 탱크(976)로, 그 다음, 다단(multi-stage) 압축기(977) 및 저장 탱크(978) 상으로 전달한다.
또한 도 13을 참조하면, 본원에서 설명되는 본 발명에 따른 탄소 네거티브 전력 시스템을 제공하기 위한 하나의 방법이 도시된다. 3개의 입력 단계들이 방법 흐름도를 구동하며, 단계(142)는 전력 요건들을 계획하고; 단계(152)는 연료 소스를 계획하고, 단계(132)는 CO2 요건들을 계획한다. 단계(132)는 단계(133)인 SCC가 필요한지를 결정하기 위해 사용된다. 계획된 CO2 요건들은 또한 단계(143)인 엔진 크기 및 타입을 결정하기 위해 단계(142)인 예상된 전력 요건들과 함께 사용된다. SCC를 결정하는 단계(133)는 단계(134)인 요구되는 O2 순도 및 O2 플랜트의 크기를 결정하기 위해 연료 LHV 및 다른 엔진 요건들을 결정하는 단계(144)와 사용되며, 이는 단계(135)인 GCS 방법 및 단계(136)인 GCS 플랜트의 크기의 선택을 구동시킨다. 단계들(134 및 136)은 GCS 및 O2 플랜트들의 결합된 크기 및 요구되는 전력을 최소화하는 단계(137)를 초래한다. 단계(138)는 시스템 순 전력, 연료비(율), 및 CO2 비율을 요건들과 비교하며, 단계(138)의 츨력은 폐열-전력 시스템을 크기화하는 단계(139)를 구동시킨다. 계획된 연료 소스인 단계(152)는 열분해가 필요한지를 결정하고 단계(145)는 엔진 선택 및 크기화하는 단계(143)와 함께 열분해 크기화(sizing)를 결정한다. 단계(160)는 탄소 네거티브 전력 시스템을 구축 및 동작시키는 단계(170) 전에 경로(161)를 통해 정제 및 최적화하고 필요에 따라 반복한다.
다른 시스템 속성들
다수의 도면들을 참조하여, 단지 시스템 레벨에서 논의될 수 있는 다른 시스템 속성들 및 고유 이점들이 존재한다. 엔진에서 연료를 사용하는 능력은 그 엔진 연료 상세에 결부되며, 이는 압력 및 온도와 같은 명백한 것들, 그러나 또한, 다른 파라미터들 중에서, 최소 가열 값, 최대 가열 값, 메탄 수, 웨버 지수 (Wobbe Index; WI), 오염 레벨들(예를 들어 ¾S)을 포함할 수도 있다. 21%의 산소 순도보다 더 낮거나 더 높은 것, 또는 더 큰 또는 더 작은 EGR을 포함하는 인공 대기를 변경하는 능력은 엔진의 공차를 변경할 수 있다. 구체적으로: CO2는 넉(knock)을 감소시키며, 따라서 더 뜨거운 연료들이 더 많은 EGR과 함께 사용될 수 있으며; 연료의 비활성 성분, 또는 상기 다른 방식의 낮은 연료 가열 값은 인공 대기에서 비활성 성분을 제거함으로써, EGR의 감소, O2의 증가, 또는 둘 다에 의해 보상될 수 있으며; 낮은 O2, 또는 다른 혼합물 관련 문제들로 인한 연소 정지(flame out)는 벌크 인공 대기를 조정함으로써, 또는 (예를 들어 연소기 캔 또는 스파크 셀로의) O2의 직접 주입에 의해 보상될 수 있다.
열분해, 특히 저온 열분해는 완벽한 파이프라인 품질 연료들을 만들지 않을 것이고, 공급원료의 함수로서 변하는 연료들을 만들 것이며, 이는 일부 타입의 공장을 지원하고 있지 않는 계절에 따라 그리고 날씨(수분 레벨, 화학 성분)와 함께 변하는 경향이 있을 것이다. 가변 연료 파라미터들을 조정하는 SCC 엔진의 능력은 열분해 공급원료 자원의 보다 복잡한 사용을 가능하게 한다.
엔진 설계에서 근본적인 변화처럼 보이는, 여전히 터보 부스트 압력 미만인, 더 높은 SCC EGR 압력들에서의 동작은 실제로 이 사이클에 매우 유리하다. 모든 배관은 더 작아지고, 블로어(963)와 같은 구성요소들은 제거되고, 블로어(852)에서의 전력 레벨은 블로어(963)가 그러한 것보다 더 낮고, 더 높은 압력은 상대 분압, 및 수증기 함량을 감소시키고, 종종 산소 플랜트들은 이 적당한 압력에서 O2를 전달하는 고유한 능력을 갖는다.
더 높은 SCC 압력에서의 동작을 통한 터보 차저의 제거는 배기가스가 약 300 deg F만큼 더 뜨거워질 것이고, 또한 서브시스템(524)인, 폐열-전력 서브시스템을 통해 생성될 수 있는 전력의 양을 증가시키는 경향이 있을 것으므로, 이미 증가된 열분해 효율의 증가를 가능하게 할 것이다.
희박 연소 피스톤 엔진들은 농후 연소 피스톤 엔진들보다 보다 효율적이지만, 높은 배기가스 O2 레벨들과 연관되는 SCC에서 문제를 갖는다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 희박 연소 피스톤 엔진과 열분해의 조합은 그 문제를 해결하고, 또한 열분해 시스템을 비-방출로 만든다.
가스 터빈 엔진들은 희박 연소 피스톤 엔진들보다 소형 크기들에서 보다 효율적이지 않지만, 그들은 더 높은 배기가스 온도들, 및 훨씬 더 높은 배기가스 O2 레벨들을 가지며, 이는 열분해 시스템과 동일한 유리한 통합, 및 폐열-전력 서브시스템과 통합될 때 훨씬 더 큰 이점을 야기할 수 있다.

Claims (17)

  1. 반-폐쇄 전력 생성 시스템에 있어서,
    엔진 서브시스템;
    상기 엔진 서브시스템에 연결가능한 반-폐쇄-사이클(semi-closed-cycle; SCC) 산소 플랜트 서브시스템으로서, 질소의 일부를 제거하여 22-50%의 산소를 갖는 혼합물을 제공하는, 반-폐쇄-사이클(semi-closed-cycle; SCC) 산소 플랜트 서브시스템;
    상기 SCC 산소 플랜트 서브시스템에 연결가능한 흡입 서브시스템; 및
    상기 SCC 산소 플랜트 서브시스템에 연결가능한 가스 정화 시스템(gas cleanup system; GCS)을 포함하는, 반-폐쇄 전력 생성 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진 서브시스템에 연결가능한 열분해 서브시스템;
    상기 열분해 서브시스템에 연결가능한 폐열-전력 서브시스템;
    및 상기 폐열-전력 서브시스템에 연결가능한 배기가스 수 분리기 서브시스템을 더 포함하는, 반-폐쇄 전력 생성 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열분해 서브시스템은:
    입구 호퍼
    열분해 반응 챔버 - 상기 상기 열분해 반응 챔버는:
    파이프;
    상기 파이프를 둘러싸는 가열 재킷;
    분리기 용기 - 상기 분리기 용기는 액체/타르 생성물, 가스 생성물, 및 숯 생성물을 제공함 -;
    재료를 상기 파이프를 통해 상기 분리기 용기로 이동시키기 위한 상기 파이프에 동심인 스크류을 포함함 -; 및
    상기 가열 재킷에 연결가능한 버너를 포함하고, 상기 분리기 용기는 상기 버너에 연결가능한, 반-폐쇄 전력 생성 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 폐열-전력 서브시스템은:
    브레이튼 사이클 폐열-전력 서브시스템을 포함하며, 상기 브레이튼 사이클 폐열-전력 서브시스템은:
    제1 터빈;
    상기 제1 터빈에 연결가능한 구동 발전기;
    상기 구동 발전기에 연결가능한 압축기;
    초임계 CO2를 냉각시키기 위해 상기 압축기에 연결가능한 제1 열 교환기; 및
    초임계 CO2를 냉각시키기 위해 상기 압축기에 연결가능한 제2 열 교환기를 포함하는, 반-폐쇄 전력 생성 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 엔진 서브시스템은: 전력 및 배기 가스를 생성하기 위한 엔진을 포함하는, 반-폐쇄 전력 생성 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 엔진 서브시스템은:
    상기 엔진에 연결가능한 샤프트 구동 과급기; 및/또는
    상기 엔진에 연결가능한 터보 차저를 더 포함하는, 반-폐쇄 전력 생성 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 흡입 서브시스템은:
    압력 용기;
    상기 압력 용기에 연결가능한 블로어; 및
    상기 압력 용기에 연결가능한 흡기 산소 밸브를 포함하는, 반-폐쇄 전력 생성 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 SCC 산소 플랜트 서브시스템(oxygen plant subsystem; OPS)은:
    OPS 블로어;
    상기 OPS 블로어에 연결가능한 OPS 밸브 어셈블리;
    상기 OPS 밸브 어셈블리에 연결가능한 적어도 하나의 OPS 분자체 용기;
    버퍼 탱크; 및
    상기 버퍼 탱크 및 상기 적어도 하나의 OPS 분자체 용기에 연결가능한 적어도 하나의 등화 밸브를 포함하는, 반-폐쇄 전력 생성 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 OPS 밸브 어셈블리에 연결가능한 상기 적어도 하나의 OPS 분자체 용기는 PSA 공정 상에서 동작하는, 반-폐쇄 전력 생성 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 OPS 밸브 어셈블리에 연결가능한 상기 적어도 하나의 OPS 분자체 용기는 멤브레인 공정 상에서 동작하는, 반-폐쇄 전력 생성 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 가스 정화 시스템(GCS)은:
    2단 GCS 분자체-기반 탈수 및 포집 시스템;
    상기 2단 GCS 분자체-기반 탈수 시스템에 연결가능한 GCS 블로어; 및
    상기 2단 GCS 분자체-기반 탈수 시스템에 연결가능한 열 교환기를 포함하는, 반-폐쇄 전력 생성 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 가스 정화 시스템(GCS)은:
    열 교환기에 연결가능한 적어도 2개의 진공 압력 스윙 흡수(Vacuum Pressure Swing Absorption; VPSA) 용기들;
    상기 VPSA 용기들로부터 포집된 가스들을 제거하기 위한 진공 펌프;
    상기 진공 펌프에 연결가능한 버퍼 탱크;
    상기 버퍼 탱크에 연결가능한 다단 압축기(multi-stage compressor); 및
    상기 다단 압축기에 연결가능한 저장 탱크를 더 포함하는, 반-폐쇄 전력 생성 시스템.
  13. 반-폐쇄 사이클 탄소 네거티브 전력 시스템에 있어서,
    엔진 서브시스템;
    상기 엔진 서브시스템에 연결가능한 반-폐쇄-사이클(semi-closed-cycle; SCC) 산소 플랜트 서브시스템으로서, 질소의 일부를 제거하여 22-50%의 산소를 갖는 혼합물을 제공하는, 반-폐쇄-사이클(semi-closed-cycle; SCC) 산소 플랜트 서브시스템;
    상기 SCC 산소 플랜트 서브시스템에 연결가능한 흡입 서브시스템; 그리고
    상기 SCC 산소 플랜트 서브시스템에 연결가능한 가스 정화 시스템(gas cleanup system; GCS);
    상기 엔진 서브시스템에 연결가능한 열분해 서브시스템;
    상기 열분해 서브시스템에 연결가능한 폐열-전력 서브시스템;
    상기 폐열-전력 서브시스템에 연결가능한 배기가스 수 분리기 서브시스템,
    입구 호퍼;
    열분해 반응 챔버로서, 상기 열분해 반응 챔버는:
    파이프;
    상기 파이프를 둘러싸는 가열 재킷;
    분리기 용기로서, 상기 분리기 용기는 액체/타르 생성물, 가스 생성물, 및 숯 생성물을 제공하는, 분리기 용기;
    재료를 상기 파이프를 통해 상기 분리기 용기로 이동시키기 위한 상기 파이프에 동심인 스크류를 포함하는, 열분해 반응 챔버; 및
    상기 가열 재킷에 연결가능한 버너를 포함하고, 상기 분리기 용기는 상기 버너에 연결가능하고 상기 버너는 액체 열분해 생성물들을 사용하도록 설계되는, 반-폐쇄 사이클 탄소 네거티브 전력 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 흡입 서브시스템은:
    산소, 냉각된 배기 가스, 및 공기의 혼합물들이 상기 엔진에 대한 인공 대기 작동 유체로서 생성되는 것을 허용하는 혼합 용기;
    압력 용기에 연결가능한 블로어; 및
    상기 혼합 용기에 연결가능한 흡기 산소 밸브를 포함하는, 반-폐쇄 사이클 탄소 네거티브 전력 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 SCC 산소 플랜트 서브시스템(OPS)은:
    OPS 블로어;
    OPS 진공 펌프;
    상기 OPS 블로어에 연결가능한 OPS 밸브 어셈블리;
    상기 OPS 밸브 어셈블리에 연결가능한 적어도 하나의 OPS 분자체 용기;
    버퍼 탱크;
    상기 버퍼 탱크 및 적어도 하나의 OPS 분자체 용기에 연결 가능한 적어도 하나의 등화 밸브를 포함하고;
    상기 SCC 산소 플랜트 서브시스템(OPS)은 진공 압력 스윙 흡수(Vacuum Pressure Swing Absorption; VPSA) 공정을 통해 동작하는, 반-폐쇄 사이클 탄소 네거티브 전력 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 가스 정화 시스템(GCS)은:
    열 스윙 흡수(Thermal Swing Absorption; TSA) 배드 공정 상에서 동작하는 2단 GCS 분자체-기반 탈수 및 포집 시스템;
    상기 2단 GCS 분자체-기반 탈수 시스템에 연결가능한 GCS 블로어; 및
    상기 2단 GCS 분자체-기반 탈수 시스템에 연결가능한 열 교환기를 포함하는, 반-폐쇄 사이클 탄소 네거티브 전력 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 가스 정화 시스템(GCS)은:
    상기 열 교환기에 연결가능한 적어도 2개의 진공 압력 스윙 흡수(Vacuum Pressure Swing Absorption; VPSA) 용기들;
    상기 VPSA 용기들로부터 포집된 가스들을 제거하기 위한 진공 펌프;
    상기 진공 펌프에 연결가능한 버퍼 탱크;
    상기 버퍼 탱크에 연결가능한 다단 압축기;
    상기 다단 압축기에 연결가능한 저장 탱크를 더 포함하고;
    포집된 가스들은 또한 TSA 베드들을 재생하기 위해 사용되는, 반-폐쇄 사이클 탄소 네거티브 전력 시스템.
KR1020207006283A 2017-08-15 2018-08-15 탄소 격리의 개선 방법 및 시스템 그리고 탄소 네거티브 전력 시스템 KR102693897B1 (ko)

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