KR20130140641A - 차량 배출 제어 시스템에서 우레아-함유 물질을 가열하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

차량 배출 제어 시스템에서 우레아-함유 물질을 가열하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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안드레이 네스토로비치 소코작
데이비드 에이치 뱅크
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다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨
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Abstract

본 발명은, 열 에너지 저장 물질(320), 예를 들어 상 변화 물질에 저장된 열을 사용하여, NOx 선택적 촉매작용 환원('SCR')을 위해 우레아-함유 물질과 같은 고체 또는 액체 환원 물질(902)을 가열하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 저장된 열은 폐기물, 예를 들어 내연소 엔진의 배기가스(700)로부터의 열일 수 있다. 환원 물질은 고체 환원 물질일 수 있다. 다른 환원 물질은 우레아 및 물을 함유하거나, 이들로 필수적으로 구성되거나, 이들로 구성된 수용액과 같은 수용액을 포함한다. 하나의 양태에서, 상기 방법은 즉각적인 우레아 가수분해를 위해 우레아의 수용액을 증발시키는 단계를 포함할 수 있다.

Description

차량 배출 제어 시스템에서 우레아-함유 물질을 가열하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICES FOR HEATING UREA-CONTAINING MATERIALS IN VEHICLE EMISSION CONTROL SYSTEM}
본 발명은, 열 에너지 저장 물질, 예를 들어 상 변화 물질에 저장된 폐기물 폐열을 사용하는 NOx 선택적 촉매 환원(NOx selective catalytic reduction, SCR)을 위한 고체 또는 액체 환원 물질, 예를 들어 우레아-함유 물질로부터, 환원 가스, 예를 들어 암모니아를 발생시키는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 액체 환원 물질(예를 들어, 우레아 및 중간체 우레아 가수분해의 수용액)의 증발 방법, 및 고체 환원 물질의 가열 방법에 관한 것이다.
본원은, 모든 목적을 위해 본원에서 그 전체를 참고로 인용중인 것으로, 2010년 8월 19일자로 출원된 미국 가특허출원 제 61/375,077 호 및 2011년 8월 15일자로 출원된 미국 특허출원 제 13,209,630 호의 출원일의 이점을 주장한다.
산업은 일반적으로 폐열을 효율적으로 포획하고 저장하여 보다 적절한 시간에 사용될 수 있도록 하는 신규한 접근법을 적극적으로 구하고자 해 왔다. 추가로, 빽빽한 공간에서의 에너지 저장을 달성하고자 하는 요구는, 단위 중량 및 단위 체적 당 높은 에너지 내용물을 저장할 수 있는 신규한 물질의 개발을 요구한다. 돌파 기법의 잠재적인 적용례의 영역은, 수송, 태양 에너지, 산업 제조 공정, 뿐만 아니라 시영 및/또는 상업적 건물 난방을 포함한다.
수송 산업에서, 배출 제어 장치로도 공지된 폐기물 후처리 시스템은, 오염물질 배출을 줄이기 위해서 사용된다. 이러한 후처리 시스템은, 연소실로부터 배출된 후 배기가스로부터 오염물질을 전형적으로 제거한다. 이들은, 예를 들어 촉매작용 변환기, 디젤 입자형 필터, 및 디젤 산화 촉매를 포함한다.
일부 적용례에서, 차량의 배출 제어 시스템 내, NOx(즉, 질소 옥사이드), 예를 들어 질소 II 옥사이드(즉, NO) 및/또는 질소 IV 옥사이드(즉, NO2)의 환원을 보조하기 위해서, 우레아 용액을 차량의 배기가스 스트림으로 주입하는 것이 공지되어 있다. 배출 제어 시스템(예를 들어, 배출 제어 시스템의 암모니아 제조 반응기)에서, 우레아 용액은 암모니아(NH3) 및 CO2로 전환된다. 암모니아는, SCR 반응기에서 배기가스 내에 함유되어 있는 질소 산화물인 NOx와 반응하여, 해로운 NOx를 온화한 반응 생성물인, 질소 가스(즉, N2) 및 물(즉, H2O)로 전환한다. 그러나, 이러한 적용례에서 우레아 용액을 사용하는 경우, 일부 단점들이 존재한다. 예를 들어, 우레아(예를 들어, 애드블루(AdBlue; 상표), 32.5중량% 우레아)의 시판중인 수용액은, 우레아의 NH3 및 CO2로의 화학양론적 가수분해를 위해 요구되는 것보다 거의 7배 많은 물이 요구된다. 우레아 용액의 주입은, 배기가스와 함께 SCR 반응기로 도입되기 전에, 암모니아 생성 반응기로 분사됨으로써 전형적으로 수행된다. 우레아의 시판중인 수용액(예를 들어, ISO 2224 요구사항을 충족시키고 독일자동차공업협회(the German Association of the Automobile Industry)에 의해 애드블루(상표)로 표시된 32.5중량% 우레아/ 67.5중량% 물의 용액, 예를 들어 큐민스 필트레이션(Cummins Filtration)에서 시판 중인 플리트가드(Fleetguard, 등록상표) 디젤 폐기물 유체(DEF), 및 다임러 아게(Daimler AG)에서 시판 중인 블루테크(등록상표))는, 우레아의 NH3 및 CO2로의 화학양론적 가수분해에서 요구되는 것보다 거의 7배 많은 물을 요구한다. 만약 이러한 용액이 직접 암모니아 생성 반응기에 주입되면, 과량의 물이 열(예를 들어, 증발 잠열 및 현열)을 소비하기 때문에, 과량의 물은 배기가스의 냉각을 유발할 것이다. 이는, 결과적으로 온도 감소를 발생시켜, 암모니아 생성 반응기 및/또는 SCR 반응기가, 특히 우레아 용액이 분사되는 온도가 비교적 낮은(예를 들어, 약 300℃ 이하 또는 약 250℃ 이하) 경우, 효율적으로 작용하지 않을 수 있도록 한다. 저온은, 도심 운전 조건 하에서 폐기물 온도 및 유속이 낮은 경우 및/또는 차량이 그의 엔진 무부하 완속 운전(idling)으로 멈춘 경우에, 일반적으로 발생한다. 이것이 발생하면, SCR 반응기 내에 고형물 침착 형성 및/또는 부적당한(suboptimal) 온도를 유발할 수 있다. 또한, 이러한 냉각 효과는 배출된 NOx의 양을 낮게 유지하기 위해서 요구되는 높은 수준의 배기가스 재순환(EGR)으로 인하여 보다 높은 연료 소비를 유발하는데, 그 이유는 SCR 반응기 내 저온으로 인하여 SCR 반응이 너무 느린 경우, EGR은 단지 NOx 배출 환원 수단만을 유지하기 때문이다. 추가로, NOx 배출을 줄이기 위하여, 우레아는 분해되어 암모니아(NH3)를 배출하여, 화학 반응이 SCR 반응기에서 효율적으로 수행될 수 있도록 할 필요가 있다. 우레아 용액 내 과량의 물의 증발 및 암모니아를 생성하기 위한 우레아의 분해의 과정은 둘다 흡열 반응이다.
우레아 용액을 사용하면 다른 단점들이 있다. 차량이 수송해야만 하는, 우레아 용액 내 과량 및 불필요한 물의 중량으로 인하여, 차량의 연료 효율은 절충된다. 일부 시판중인 우레아 용액은 -11℃에서 언다. 이것이 발생하는 경우, 우레아 용액을 녹이기 위한 단계들이 수행되어야 할 것이다. 예를 들어, 엔진실이 연소열로부터 예열되어 우레아 용액을 녹이기 전까지, 차량의 폐기물 시스템은, 부적당하게, 최소로 또는 심지어 전혀 NOx 배출을 감소시키지 않은 채 작동할 수 있다.
차량 폐기물 후처리 시스템에서의 NOx 환원에서의 우레아 용액의 사용의 대안이, 본원에서 그 전체를 참고로 인용하는 미국특허 공개공보 제 2008/0260597 호에 개시되었다. 이러한 특허 공개공보는, 요구시, SCR를 위한 암모니아를 생성하기 위한 수단으로서, 가열 구성요소에 대해 가압된 고체 환원 막대를 개시하고 있다. 이는 우레아 용액의 과량의 물에 의해 발생된 문제들을 해소할 수 있지만, 이 특허 공개공보에서 개시된 발명은, 환원 가스를 발생시키는 환원제를 분해하기 위하여, 고체 환원제 반응기 내 고체 환원제 근처에서의 열 발생을 요구한다. 열 발생 요구사항은 엔진 및 교류 발생기에 대한 기생 부하(parasitic load)를 추가하여, 다시 차량의 엔진 효율을 감소시킨다.
일부 차량 적용례에서 고체 환원제를 사용하는 이점에도 불구하고, 수용액(약 32.5중량% 우레아 함유)은, 예를 들어 액체의 취급, 투여, 및 수송 이점으로 인하여, 환원제 제공의 바람직한 수단이다.
특히 배기가스의 온도가 일반적으로 낮은 경우, NOx의 배출을 효율적으로 줄이기 위해서, 고체 및 액체(예를 들어, 수용액) 환원 물질 둘다를 가열할 필요가 있다. 이와 같이, NOx의 효율적인 감소를 위해 배기가스의 충분한 온도를 유지하도록, 대안의 열원이 요구되고 있다. 예를 들어, 열을 발생시키기 위해 엔진 및/또는 교류 발전기에 기생 부하를 추가하지 않는 차량 폐기물 시스템에 열을 제공하기 위한, 장치, 시스템 및 방법이 요구되고 있다. 또한, 저온(예를 들어, 약 -15℃ 이하)에서 효율적으로 작용하는 NOx 배출을 감소하기 위한, 장치, 시스템, 공정 및 물질이 요구되고 있다.
본 발명은, 폐기물 온도 및 유속이 낮은 경우에도 디젤 엔진으로부터 질소 옥사이드 배출을 감소시키기 위한 우레아-함유 물질(예를 들어, 우레아 용액 또는 고체 우레아-함유)의 효율적인 사용을 제공한다. 상기 발명은 하기 공정 단계들 중 하나 또는 하기 공정 단계들의 임의의 조합(예를 들어 전체)을 위한 충분한 고온을 제공한다: (1) 물, 예를 들어 과량의 물의 증발(예를 들어, 우레아 용액으로부터의 물의 증발); (2) 우레아의 NH3 및 아이소시안산 HNCO로의 열분해; 또는 (3) HNCO의 NH3 및CO2로의 가수분해. 본 발명은 저장된 열, 예를 들어 디젤 엔진에 의해 원래 발생된 저장된 열에 의해 이러한 열을 제공한다. 예를 들어, 저장된 열은, 포획되어 저장된 배기가스의 폐열일 수 있다. 저장된 열은 열 에너지 저장 물질을 함유하는 열 저장 장치(즉, 열-에너지 저장(thermal-energy storage, "TES") 장치)에 저장된다. 열 에너지 저장 물질은 상 변화 물질일 수 있다. 바람직하게, 열 에너지 저장 물질은 금속 용기, 예를 들어 금속 캡슐에 캡슐화된다. 본 발명에 사용된, 열 저장 장치, 열 저장 시스템, 물질 및 공정은, 둘다 본원에서 그 전체를 참고로 인용하는, 미국특허 공개공보 제 20090211726 호 및 제 20090250189 호에 교시된 특징부 중 하나 또는 임의의 조합을 포함할 수 있다. 열 저장 장치는 암모니아 생성 반응기와 열적 연통되어 있어서, 열이 열 저장 장치로부터 암모니아 생성 반응기로 전달될 수 있다(예를 들어, 배기가스의 온도가 효율적으로 암모니아를 생성하기에 너무 낮은 경우, 또는 배기가스 온도가 SCR 반응기에서 질소 옥사이드를 효율적으로 환원시키는데 너무 낮은 경우). 열 저장 장치와 암모니아 생성 반응기 사이의 열 전달은, 단일상 열 전달 유체("HTF") 또는 2상 HTF를 사용하여 제공될 수 있다. 열 전달 유체는 액상, 증기상 또는 둘다를 사용할 수 있다. 열 전달 유체는 기계적으로 펌핑되거나 자가-펌핑될 수 있다. 예를 들어, 열 전달은 예를 들어 그 전체를 본원에서 참고로 인용중인 미국 가특허출원 제 61/245,767 호(소코작 등에 의해 2009년 9월 25일자로 출원됨)에서 개시된 바와 같이, 액상 및 증기상을 포함하는 자가-펌핑된 열 전달 유체를 사용할 수 있다.
본 발명의 장치, 시스템 및 방법은, 암모니아가 SCR 반응기에서의 NOx와의 반응을 위해 효율적으로 생성되도록 저장된 열(예를 들어, 포획되고 저장된 배기가스의 폐열)을 적어도 부분적으로 사용하여, 암모니아 생성 반응기에서 액체 우레아-함유 물질을 가열하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 액체 우레아-함유 물질은 과량의 물을 포함할 수 있고 열 저장 장치 내에 포획되고 저장된 폐열은 과량의 물의 온도를 증가시키기 위해, 과량의 물을 증발시키기 위해, 또는 둘다를 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 장치, 시스템 및 방법은, 저장된 열(예를 들어, 열 저장 장치에 포획되고 저장된 배기가스의 페열)을 적어도 부분적으로 사용하여 고체 또는 액체 환원 물질을 가열하여 SCR 반응기에서 NOx와의 반응을 위해 암모니아가 효율적으로 생성되도록 할 수 있다. 상기 장치, 시스템 및 방법은 NOx를 생성하는 임의의 배기가스 및 예를 들어 내연소 엔진(예를 들어, 자동차 적용례에 사용되는 내연소 엔진)을 위해 사용될 수 있다.
열 저장 장치를 사용함으로써, 하기 장점들 중 하나 이상이 달성될 수 있다: 전기 가열기에 의해 발생된 열을 사용하여 고체 또는 액체 환원 물질을 가열할 필요의 감소 및/또는 배제; 엔진이 무부하 완속 운동 또는 저속으로 운행하는 경우, NOx 배출 감소에서의 증가된 효율; 고체 또는 액체 환원 물질의 중량 및/또는 체적의 감소; 또는 연소실로의 배기가스(배출 가스)의 재순환의 필요성을 배제함에 의한 엔진의 효율성 증가. 열 저장 장치는, 엔진 작동 중 전술한 시간들 중 하나 이상에서 측정시, SCR 반응기에서 배기가스와 반응하기 전에 고체 또는 액체 환원 물질을 가열시키기 위해 저장된 열을 사용하지 않는 시스템에 비해, NOx 배출을 약 5% 이상, 바람직하게는 약 15% 이상, 보다 바람직하게는 약 25% 이상, 가장 바람직하게는 약 35% 이상까지 감소시키는 시스템 및/또는 방법에 사용될 수 있다.
본 발명의 하나의 양태는, 고체 또는 액체 환원 물질의 공급을 함유하기 위한 용기를 포함하는 시스템에 관한 것으로, 여기서 상기 용기는 환원 물질이 용기로부터 제거될 수 있도록 하는 하나 이상의 배출구; 고체 또는 액체 환원 물질의 적어도 일부를 암모니아 및 이산화탄소로 전환시키기 위한 가스 생성 반응기를 갖고, 여기서 상기 가스 생성 반응기는 상기 용기와 유체 연통되어 있고; 열 저장 장치는 상기 가스 생성 반응기 및/또는 용기의 하나의 배출구의 영역과 열적 연통되고 있고, 여기서 열 저장 장치는 충분량으로 하나 이상의 열 에너지 저장을 포함하여, 열 저장 장치가 적어도 가스 생성 반응기의 고체 표면 및/또는 적어도 상기 용기의 하나 이상의 배출구를 암모니아 및/또는 이산화탄소를 생성하기에 충분한 온도까지 가열할 수 있도록 한다.
본 발명의 또다른 양태는, 저장된 폐열을 사용하여 차량 암모니아-생성 반응기의 고체 표면 온도를 200℃ 초과로 유지하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또다른 양태는, 고체 또는 액체 환원 물질의 공급 분량을 가스 생성 반응기에 공급하는 단계; 상기 고체 또는 액체 환원 물질의 공급 분량을, 열 저장 장치에 저장된 열을 사용하여, 열분해 및/또는 가수분해가 발생하기에 충분하게 높은 온도까지 가열하는 단계를 포함하는 방법으로서, 상기 고체 또는 액체 환원 물질의 우레아 농도는 고체 또는 액체 환원 물질의 총 중량을 기준으로 약 50중량% 이상이고, 열 저장 장치는 열 에너지 저장 물질로부터의 잠열 및/또는 현열을 사용하여 고체 또는 액체 환원 물질이 가열될 수 있도록 충분히 높은 액상선 온도를 갖열 에너지 저장 물질을 포함한다. 고체 또는 액체 환원 물질은 바람직하게는 우레아-함유 물질이다.
본 발명은 본 발명의 실시양태의 비-제한적인 예에 의해, 잘 알려져 있는 복수개의 도면들을 참고로 후술되는 상세한 설명에서 추가로 기술되며, 상기 도면에서 유사한 참고번호는 도면들의 몇 개의 도면들 전반에 걸쳐 유사한 부품을 나타낸다.
도 1은, 배기가스에서 질소 옥사이드를 환원시키기 위한 가스 생성 반응기를 포함하는 시스템의 일부 주요 성분들의 특징부를 설명하는 개략도이다. 도 1에서 도시한 바와 같이, 가스 생성 반응기는 폐기물 튜브 내부의 적어도 일부에 또는 전체에 배치될 수 있다.
도 2는 배기가스 내 질소 옥사이드를 환원시키기 위한 시스템의 일부 주요 성분들의 특징부를 설명하는 또다른 개략도이다. 도 2에서 도시한 바와 같이, 가스 생성 반응기는 폐기물 튜브의 외부에 배치될 수 있다.
도 3a, 3b, 및 3c는 캐리어 가스를 사용하는 시스템의 특징부를 도시하는 개략도이다.
도 4a 및 4b는 폐기물 파이프의 내부에 사용될 수 있는 가스 생성 반응기의 특징부를 설명하는 개략도이다.
도 5a 및 5b는 하나 이상의 열 전달 유체의 유동을 제어하기 위한 제어기의 특징부를 도시하는 개략도이다. 도 5a 및 5b에서 설명하는 바와 같이, 상기 시스템은 열 저장 장치를 충전(charge) 및 방출(discharge)하기 위한 하나의 유로를 포함하는 열 저장 장치를 사용할 수 있다.
도 6은 환원 가스를 발생시키기 위해 고체 환원 물질을 사용하는 시스템의 특징부를 도시하는 개략도이다.
도 7은 100% 고체-차단인 열 전달 유체 코일 구조의 예의 단면도의 개략도이다.
* 도면 부호에 대한 간단한 설명
10 폐기물로부터 질소 옥사이드를 제거하기 위한 시스템
100 가스 생성 반응기(GPR)(예를 들어, 암모니아 생성 반응기)
102 GPR과 용기를 분리하는, 바람직하게는 개구를 갖는 판(예를 들어, 금속판)
104 환원 가스의 유동
106 가열된 표면과 고체 환원 물질 사이의 접촉부
108 판 내 개구
110 고체 또는 액체 환원 물질(예를 들어, 우레아 함유 물질)을 수송하기 위한, 수송 시스템, 예를 들어 스프레이 시스템
112 열 전달 유체로부터의 열의 고체 환원 물질로의 유동
116 액체 환원 물질의 분사물
120 가스 생성 반응기의 단열층
122 가스 생성 반응기의 벽
130 환원제 가스 수송 라인(예를 들어, 암모니아를 배기가스로 유동하기 위한 것임)
140 캐리어 가스를 가스 생성 반응기에 제공하기 위한 캐리어 가스 라인
150 캐리어 가스를 가스 생성 반응기에 제공하기 위한 팬, 블로워, 또는 펌프
160 반응실
170 캐리어 가스 유동 제어기
180 GPR로부터 폐기물 스트림으로의 환원제 가스(예를 들어, 암모니아)의 유동
190 캐리어 가스의 유동
200 SCR 반응기
300 열 저장 장치(HSD)
310 열 전달 유체의 유동을 위한 열 저장 장치 내 유로
320 열 에너지 저장 물질
400 제어기
410 온도 측정
420 밸브를 제어하기 위한 연결부
430 펌프와 같이, 유동 제어기를 제어하기 위한 연결부
500 배기가스로부터의 열을 (예를 들어, 열 저장 장치로) 제거하기 위한 열 교환기
510 폐기물로부터의 열(열 교환기(500))로 HSD를 충전하기 위한 충전 루프
512 열 전달 유체(HTF)의 HSD로의 유동을 위한 (충전 루프의) 수송 라인
514 열 교환기(500)로의 HTF의 유동을 위한 (충전 루프의) 반환 라인
516 충전 루프 내 HTF의 유동을 제어하기 위한 밸브 또는 펌프
518 HTF를 HSD로부터 유동하기 위한 열 교환기(500)의 주입구
520 HTF를 HSD로 유동하기 위한 열 교환기(500)의 배출구
522 충전 루프에서의 HTF의 유동 방향
524 열 교환기(500)으로부터 HTF의 유동을 위한, HSD의 주입구
526 열 교환기(500)로의 HTF의 반환을 위한 HSD의 배출구
528 충전 루프의 수송 라인 내 HTF의 온도
530 충전 루프의 반환 라인 내 HTF의 온도
600 가스 생성 반응기(GPR)를 위해 열을 제공하기 위한 열 교환기
610 열 저장 장치로부터의 열을 가스 생성 반응기로 유동하기 위한 방출 루프
612 HSD로부터의 열 전달 유체의 GPR로의 유동을 위한 (방출 루프의) 수송 라인
614 GPR로부터 HSD로의 HTF의 유동을 위한 반환 라인
616 방출 루프 내 HTF의 유동을 제어하기 위한 밸브 또는 펌프
622 방출 루프 내 HTF의 유동 방향
624 HTF를 (예를 들어 반환 라인으로부터) HSD로 유동하기 위한 주입구
626 HTF를 HSD로부터 (예를 들어 수송 라인으로) 유동하기 위한 배출구
628 방출 루프의 수송 라인에서의 HTF의 온도
630 방출 루프의 반환 라인에서의 HTF의 온도
642 열 교환기 튜브
644 열 전달 유체
646 캐리어 가스의 유동을 개질하기 위한 차단막 구조물
648 일체형 충전/방출 루프
650 가스 생성 반응기 내 가열된 표면
700 배기가스
710 폐기물 튜브 또는 폐기물 파이프
720 배기가스의 유동 방향
730 SCR 반응기에서 반응하기 전의 배기가스
740 SCR 반응기에서 반응한 후의 배기가스
900 환원 물질을 위한 용기
902 고체 또는 액체 환원 물질
910 투여 시스템
912 투여 시스템 펌프
914 투여 시스템 펌프 또는 밸브로의 수송 라인(예를 들어, 수송 튜브)
916 투여 시스템 펌프 또는 튜브로부터 열 교환기(600)로의 수송 라인(예를 들어, 수송 튜브)
920 가스 생성 반응기에 도입되는(예를 들어, 분사물로서 도입되는) 고체 또는 액체 환원 물질
930 환원 물질에 대한 힘
940 (예를 들어, 환원 물질에 힘을 적용 및/또는 분배하기 위한) 마주보는 판 또는 구조물
하기 상세한 설명에서, 본 발명의 구체적인 실시양태가 그의 바람직한 실시양태와 관련하여 기술되어 있다. 그러나, 하기 설명은 본 발명의 기법의 구체적인 실시양태 또는 구체적인 용도에 대해 구체적인 정도로, 단지 설명하기 위한 것이며 예시적인 실시양태의 정확한 설명을 단순히 제공하고자 하는 것이다. 따라서, 본 발명은 후술하는 구체적인 실시양태로 한정되지 않으며, 오히려 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 진의에 속하는 모든 대안, 변형물 및 동등물을 포함한다.
저온인 배기가스로부터 질소 옥사이드를 제거하는 것과 관련된 문제들 중 하나 이상은, 고체 또는 액체 환원 물질로부터 환원제 가스가 효율적으로 생성되도록 가스 생성 반응기에 열을 제공하기 위한 열 저장 장치를 포함하는 시스템을 사용함으로써, 극복될 수 있다. 예를 들면, 고체 또는 액체 환원 물질은 암모니아, 아이소시안산, 또는 둘다를 발생시킬 수 있는 물질, 예를 들어 우레아 함유 물질일 수 있다. 열 저장 장치는 저장된 열(예를 들어, 폐열, 예를 들어 디젤 엔진의 폐기물 또는 다른 성분들)의 사용을 허용하여, (예를 들어, 전기적, 기계적 또는 화학 반응을 통한) 열을 발생시킬 필요성을 감소 또는 제거한다. 열 저장 장치는 가스 생성 반응기와 열 접촉할 수 있다. 예를 들어, 열 저장 장치는 암모니아-생성 반응기의 내부 고체 표면과 열 접촉될 수 있다. 전형적으로, 열 저장 장치는 가스 생성 반응기에 부착될 것이다. 열 저장 장치와 가스 생성 반응기의 부착은, 열 저장 장치로부터 가스 생성 반응기로의 열을 전달하기 위한 방출 루프를 포함할 수 있다. 방출 루프는, 열 저장 장치로부터 가스 생성 반응기로 유동시킬 수 있거나, 가스 생성 반응기로부터 열 저장 장치로 열 전달 유체를 유동시킬 수 있거나, 둘다 할 수 있는 하나 이상의 라인을 포함할 수 있다. 상기 열 저장 장치는 바람직하게는 선택적 촉매작용 환원(즉, SCR) 반응기로 유동하는 환원제 가스 이전에 가스 생성 반응기로 열을 제공한다. 전형적으로, 상기 가스 생성 반응기는 SCR 반응기의 상류에 위치한다. 열 저장 장치는 바람직하게는 SCR 반응기로부터 하류에 위치한 폐기물 시스템 또는 상기 폐기물 시스템의 구성요소로부터의 열을 사용하여 가열된다. 상기 폐기물 시스템은, 엔진 파워가 높을 때 및/또는 폐기물 온도가 높을 때, 폐기물 열(예를 들어, 폐열)을 포획하기 위한 열 교환기를 포함할 수 있다. 열 교환기로부터의 열을 열 저장 장치로 수송하기 위해서 충전 루프가 사용될 수 있다. 충전 루프 및 방출 루프는 비동기적으로(asynchronously) 작용할 수 있다. 이와 같이, 폐기물 온도가 비교적 높은 경우, 열 저장 장치가 충전될 수 있고, 폐기물 온도가 비교적 낮은 경우, 열 저장 장치로부터 배출될 수 있다. 바람직한 열 저장 장치는 충분량의 열을 저장할 수 있어서 이것은 엔진 파워가 낮은 경우에 흡열 공정을 유지하기 위해서 (예를 들어, 우레아-함유 화합물로부터 암모니아를 생성하고/생성하거나 우레아-함유 화합물에서 임의의 과량의 물을 증발시키기 위해서) 필수적인 열을 방출할 수 있다.
도 1은, 질소 옥사이드의 촉매작용 환원을 위한, 시스템(10)에서의 일부 주요 구성요소를 도시한 개략도이다. 도 1에서 도시한 바와 같이, 열 저장 장치(300)는 가스 생성 반응기(100)의 내부 고체면(650)에 부착되어 있다. 부착부는 가스 생성 반응기(100)에 연결되어 있거나 그의 내부인 열 교환기와 열 저장 장치(300) 사이로 열 전달 유체를 순환시킬 수 있는 방출 루프(610)일 수 있다. 이러한 열 저장 장치(300)는, 엔진 파워가 높고/높거나 배기가스(700)의 온도가 높은 경우, SCR 반응기(200)로부터 하류인 열 교환기(500)로부터 (예를 들어 충전 루프를 사용하여) 폐기물 열을 흡수할 수 있다. 열 저장 장치(300)는, 엔진 파워가 낮고/낮거나 배기가스(700)의 온도가 낮은 경우, 가스 생성 반응기(100)에서 하나 이상의 흡열 공정을 유지하기에 필수적인 열을 방출할 수 있다.
가스 생성 반응기는, 배기가스 내 질소 옥사이드의 농도가 감소하도록 질소 옥사이드를 환원시키기 위한 하나 이상의 가스를 생성할 수 있다. 가스 생성 반응기는 고체 또는 액체 환원 물질을 하나 이상의 환원 가스(즉, 가스 환원제)로 전환시킬 수 있다. 고체 또는 액체 환원 물질은 하나 이상의 질소 옥사이드와 반응할 수 있는 환원 가스로 전환될 수 있는 임의의 물질일 수 있다. 환원 가스는 바람직하게는 (예를 들어 촉매의 존재하에서) 질소 옥사이드와 반응하여 질소 가스(즉, N2(g))를 형성할 수 있다.
고체 또는 액체 환원 물질은, 가열시 암모니아, 아이소시안산(즉, HNCO) 또는 둘다를 생성하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 가열시, 암모니아, 가스상 아이오시안산, 또는 둘다를 생성하는 분자들은, 우레아; 암멜라이드; 암멜린; 암모늄 카보네이트; 암모늄 바이카보네이트; 암모늄 카바메이트; 암모늄 시아네이트; 황산 및 인산을 포함하는, 무기산의 암모늄 염; 폼산 및 아세트산을 포함하는 유기산의 암모늄 염; 비우렛; 트라이우렛, 시아누르산; 아이소시안산; 우레아 폼알데하이드; 멜라민; 트라이시안우레아 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합물을 포함할 수 있다. 질소 옥사이드와의 반응을 위한 환원 가스를 제조하기 위해 사용될 수 있는 다른 분자들은 HNCO를 형성하지 않지만 분해되어 탄화수소를 포함하는 가스 혼합물을 형성하는 분자들을 포함한다. 이러한 화합물의 예는, 아민 및 그의 염(예를 들어, 카보네이트), 예를 들어 구아니딘, 구아니딘 카보네이트, 메틸 아민 카보네이트, 에틸 아민 카보네이트, 다이메틸 아민 카보네이트, 헥사메틸아민; 헥사메틸아민 카보네이트; 및 화학 공정으로부터의 우레아를 함유하는 분산물 폐기물을 포함한다. 고급 알킬을 포함하는 이러한 아민은, 방출되는 탄화수소 성분들이 질소 옥사이드 환원 반응(예를 들어, SCR 반응기에서)을 방해하지 않는 정도로 사용될 수 있다. 암모니아, 아이소시안산, 또는 둘다의 발생을 위해 사용될 수 있는 물질의 예는, 본원에서 그 전체를 참고로 인용하는 미국 특허출원 공개공보 제 2009/0297417 A1 호에 기술된 것을 포함한다(예를 들어, 0020 단락 내지 0022 단락 참조). 고체 또는 액체 환원 물질은 추가로 하나 이상의 고체 또는 액체 희석제를 포함할 수 있다. 사용되는 경우, 고체 또는 액체 희석제는 고체 또는 액체 환원 물질(예를 들어, 우레아)의 다른 구성요소와 반응하여 환원 가스를 형성할 수 있거나, 약 120℃ 및 약 1 기압의 압력에서 가스일 수 있거나 바람직하게는 둘다일 수 있다. 바람직하게, 고체 또는 액체 환원 물질은 우레아를 포함하거나 우레아로 필수적으로 구성되거나 우레아만으로 완전히 구성된다. 예를 들어, 고체 또는 액체 환원 물질은 우레아 및 물을 포함하거나, 우레아 및 물로 필수적으로 구성되거나 우레아 및 물로 완전히 구성된 수성 혼합물일 수 있다.
고체 또는 액체 환원 물질은 물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 물은 HNCO와 반응하여 암모니아 및 이산화탄소를 형성할 수 있도록 사용될 수 있다. 물은 개별적인 구성요소로서, 고체 또는 액체 환원 물질의 일부로서, 가스 생성 반응기를 통해 유동하는 가스 스트림(예를 들어, 배기가스 스트림 또는 공기 스트림)의 일부로서, 또는 이들의 임의의 조합으로서, 가스 생성 반응기에 제공될 수 있다. 물에 대한 요구는, 우레아 열분해(반응식 1) 및 가수분해(반응식 2)를 나타낸 하기 반응식으로 나타낸 바와 같이, (NH2)2CO(즉, 우레아)의 NH3 및 CO2로의 가수분해를 위한 화학양론적 반응을 고려함으로써 이해될 수 있다:
[반응식 1]
(NH2)2CO + 열 → HNCO + NH3(g)
[반응식 2]
HNCO + NH3(g) + H2O → 2 NH3(g) + CO2(g)
[반응식 3]
(NH2)2CO + H2O + 열 → 2 NH3(g) + CO2(g) (전체 반응식)
전체 반응식에 따르면, 1 몰(약 60.06 g)의 우레아 및 1 몰(약 18.02 g)의 물을 반응하여 약 2 몰의 암모니아 및 약 1 몰의 이산화탄소를 생성할 수 있다. 우레아 대 물의 화학양론적 비는 중량 기준으로 약 3.33이다. 우레아 및 물의 화학양론적 농도는 각각 약 76.9중량% 및 약 23.1중량%이다.
고체 또는 액체 환원 물질이 물을 포함하는 경우, 과량의 물이 존재할 수 있는데, 예를 들면 물에 대한 우레아의 중량비가 약 3.3 미만(예를 들어, 약 3.0 미만, 또는 약 2.7 미만)인 경우이다. 가스 생성 반응기에 과량의 물이 존재하면, 가스 생성 반응기로부터의 열은 과량의 물의 온도를 상승시키고/상승시키거나 과량의 물을 증발시키기 위해 사용될 것이다. 이것은 환원 가스의 생성 및 가열을 위한 상승된 열 요구사항을 유발할 것이다. 물의 증발열은 약 100℃에서 약 40.66 KJ/몰이다. 이와 같이, 열 저장 장치는, i) 과량의 물을 증발 및/또는 가열하는 것, ii) 환원 가스를 생성하기 위한 반응물을 열적으로 분해하는 것, iii) 촉매의 존재하에 질소 옥사이드와 반응하기 위한 충분한 온도까지 환원 가스를 가열하는 것 중 하나 이상, 또는 심지어 전체를 위해 충분한 열을 제공할 수 있다. 열 저장 장치로부터의 저장된 열의 사용 없이, 과량의 물의 증발열은 전형적으로 배기가스의 온도의 감소 및/또는 추가 열을 생성하는 것에 대한 요구를 유발함이 인식될 것이다.
가스 생성 반응기에 제공된 물의 양은 바람직하게는 암모니아 및 이산화탄소를 형성하기 위해 반응기에 존재하는 임의의 아이소시안산과 반응하기에 충분하다. 암모니아를 발생시키기 위해서 우레아를 사용하는 경우, 중량 기준으로 물에 대한 우레아의 비는 약 0.25 이상, 약 0.4 이상, 약 0.6 이상, 약 0.8 이상, 약 1.5 이상, 또는 약 2.7 이상일 수 있다. 중량 기준으로 물에 대한 우레아의 비는, 가스 생성 반응기에 제공된 물 및 우레아의 총량을 기준으로, 바람직하게는 약 6 이하, 보다 바람직하게 약 4 이하이다.
액체 또는 고체 환원 물질은 가스 생성 반응기에 도입된 임의의 물로부터 개별적으로 제공될 수 있거나, 상기 물의 일부 또는 전체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 액체 또는 고체 환원 물질은 실질적으로 물이 없을 수 있거나(예를 들어, 약 20% 이하의 물, 약 10중량% 이하의 물, 약 5중량% 이하의 물, 또는 약 1중량% 이하의 물을 포함함), 또는 심지어 전혀 물이 없을 수 있다. 고체 또는 액체 환원 물질은 암모니아, 아이소시안산, 또는 둘다(예를 들어, 우레아)를 생성하는 제 1 화합물 및 물로 필수적으로 구성된 우레아-함유 물질일 수 있다. 예를 들어, 환원 물질 내 제 1 화합물(예를 들어, 우레아) 및 물의 총 농도는 약 80중량% 이상, 약 85중량% 이상, 약 90중량% 이상, 또는 약 95중량% 이상일 수 있다. 우레아-함유 물질은 고체, 예를 들어 제 1 화합물(예를 들어, 우레아)로 필수적으로 구성된 고체일 수 있다. 액체 또는 고체 환원 물질(예를 들어, 우레아-함유 물질)은 일반적으로 낮은 액상화(liquidud) 온도(예를 들어, 융점)를 갖는 수용액일 수 있어서, 상기 용액은 용이하게 얼지 않는다. 제 1 화합물(예를 들어, 우레아) 및 물을 포함하고 낮은 융점을 갖는 수용액은, 전형적으로 약 5중량% 이상, 바람직하게 약 10중량% 이상, 보다 바람직하게 약 20중량% 이상, 가장 바람직하게 약 30중량% 이상의 우레아 농도; 및 약 30중량% 이상, 바람직하게 약 40중량% 이상, 더욱 보다 바람직하게 약 50중량% 이상, 더욱 보다 바람직하게 약 60중량% 이상, 및 가장 바람직하게 약 65중량% 이상의 물 농도를 갖는다. 수용액의 예는, 물 및 우레아의 이원 공융 혼합물, 예를 들어 애드블루(상표, 독일자동차공업협회), 플리트가드(등록상표) DEF(큐민 필트레이션에서 시판중임), 및 블루테크(등록상표)(다임러 아게에서 시판중임)를 포함한다.
열 저장 장치는, 가스 생성 반응기의 온도를, 최소 가스 생성 온도보다 높게 유지하여, 고체 또는 액체 환원 물질이 하나 이상의 환원 가스로 열적으로 분해될 수 있도록(즉, 질소 옥사이드를 환원하여 N2 가스를 형성할 수 있도록) 고안될 수 있다. 최소 가스 생성 온도는 고체 또는 액체 환원 물질에 좌우할 것이다. 암모니아를 생성하기 위해서 우레아 및 물을 사용하는 경우, 최소 가스 생성 온도는, 약 200℃ 이상, 바람직하게 약 250℃ 이상, 보다 바람직하게는 약 300℃ 이상일 수 있다. 전체 가스 생성 반응기가 최소 가스 발생 온도이거나 이를 초과할 필요는 없을 것이다. 예를 들어, 액체 또는 고체 환원 물질은, 환원 물질이 가열되는 가열된 표면(예를 들어, 고체 표면)에 침착되거나 그렇지 않으면 상기 표면과 접촉할 수 있다. 예를 들어, 액체 환원 물질은 가스 생성 반응기에 분사될 수 있다. 액체 분사물은, 액체가 가열되는 고체 표면(예를 들어, 최소 가스 발생 온도 이상으로 가열된 고체 표면)과 접촉할 수 있다. 또다른 예로서, 가스 생성 반응기내 열 교환기의 고체 표면은 최소 가스 발생 온도 또는 그 이상으로 가열될 수 있다. 열 교환기의 고체 표면은 직접적으로 또는 간접적으로 고체 또는 액체 환원 물질을 가열시킬 수 있다. 예를 들어, 열 교환기의 고체 가열된 표면은, 가스 생성 반응기를 통해 유동하는 캐리어 가스를 가열하여, 상기 캐리어 가스가 열을 고체 또는 액체 환원 물질에 전달하도록 할 수 있다.
열 저장 장치는, 엔진이 높은 파워로 작동하는 경우 및/또는 배기가스의 온도가 일반적으로 높은 경우, 열을 포획하도록 고안될 수 있다. 예를 들어, 열 저장 장치는, 배기가스의 온도가 (예를 들어, SCR 반응기의 하류의 위치에서) 약 300℃ 이상, 바람직하게 약 325℃ 이상, 또는 약 350℃ 이상인 경우 열을 포획할 수 있다. 높은 엔진 파워 작동 중, 상기 배기가스 온도는 약 300℃ 이상, 예를 들어, 약 350℃ 내지 약 550℃에 도달할 수 있음을 인식할 것이다.
가스 생성 반응기는, 폐기물 유체(예를 들어, 배기가스)로 도입되기 위한 하나 이상의 환원 가스를 생성하도록 고안되어, 폐기물 유체가 SCR 반응기를 통과하는 경우 질소 옥사이드의 농도가 감소될 수 있다. 가스 생성 반응기는 고체 또는 액체 환원 물질의 공급원과 연결되어(예를 들어, 유체 연통되어), 고체 또는 액체 환원 물질이 가스 생성 반응기에 투여되거나 그렇지 않으면 제공될 수 있다.
가스 생성 반응기는 하나 이상의 환원 가스를 SCR 반응기로 유동시킬 수 있는 SCR 반응기와의 하나 이상의 유체 연결부를 포함할 수 있다. SCR 반응기와의 유체 연결부에는 가스 생성 반응기로부터, SCR 반응기의 상류에 위치한 폐기물 시스템의 일부까지 연결된 라인이 제공될 수 있다. 가스 생성 반응기와 SCR 반응기의 유체 연결부는, 폐기물 시스템의 구성요소 내부에 부분적으로 또는 전체적으로 SCR 반응기를 위치시킴으로써 제공될 수 있다. SCR 반응기와의 유체 연결부는, 가스 제공 반응기를 통하여, 폐기물 유체의 적어도 일부와 같은 캐리어 가스를 유동함으로써 제공될 수 있다. 예를 들어, 배기가스는 캐리어 가스로서 사용될 수 있다. 배기가스의 일부가 캐리어 가스로서 사용되는 경우, 캐리어 가스 유동 조절기가 사용될 수 있다. 캐리어 가스 유동 조절기의 예로는 방열공(louver)과 밸브를 포함한다. 캐리어 가스 유동 조절기는, 사용되는 경우, 바람직하게는 다양한 제어 조절기여서, 유속이 제어될 수 있다. 캐리어 가스 유동 제어기는 가스 생성 반응기의 상류일 수 있다. 캐리어 가스 유동 제어기(예를 들어, 방열공)는 공기압 또는 전자기 작동기로 제어될 수 있다.
가스 생성 반응기는 하나 이상의 단열층(insulating layer)들을 포함하여 가스 생성 반응기로부터의 열 손실은 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 특히 폐기물 유체가 찬(예를 들어, 약 200℃ 미만의 온도)인 경우, 가스 생성 반응기는 폐기물 파이프의 내측에 있거나 폐기물 파이프와 접촉할 수 있고, 가스 생성 반응기로부터 폐기물 파이프 및/또는 파이프내 폐기물 유체로의 열 손실을 줄이기 위해서 단열층을 사용할 수 있다. 가스 생성 반응기의 단열층은, 사용되는 경우, 임의의 당업계의 공지된 단열 물질 또는 단열 시스템일 수 있다. 예를 들어, 단열층은 낮은 열 전도도를 갖는 하나 이상의 물질, 공기 또는 다른 가스로 충전된 하나 이상의 간극, 하나 이상의 진공 공간(즉, 부분적 진공을 갖는 공간) 또는 이들의 임의의 조합을 사용할 수 있다. 본원에서 기술된 열 저장 장치를 단열하기 위한 수단이 가스 생성 반응기를 단열하는데 사용될 수도 있다.
가스 생성 반응기는 고체 또는 액체 환원 물질을 가열하는 하나 이상의 가열 수단을 포함한다. 가스 생성 반응기는 저장된 열, 예를 들어 열 저장 장치에 저장된 폐열을 사용하여 고체 또는 액체 환원 물질을 가열하는 수단을 포함한다. 예를 들어, 가스 생성 반응기는 열 저장 장치와의 열적 연결부를 포함할 수 있다. 이와 같이, 가스 생성 반응기는 열 저장 장치로부터의 열로 가열될 수 있는 하나 이상의 고체 표면을 포함할 수 있다. 배기가스의 온도가 고체 또는 액체 환원 물질을 가열 및 반응하기에 충분히 높은 경우(예를 들어, 배기가스의 온도가 우레아 및 물을 암모니아 및 이산화탄소로 전환시키기에 충분히 높은 경우), 가스 생성 반응기는 또한 배기가스 내 열 에너지를 사용하여 고체 또는 액체 환원 물질을 가열하는 하나 이상의 수단들을 포함할 수 있다.
열 저장 장치와 가스 생성 반응기 사이의 열적 연결부는, 열 저장 장치로부터의 열을 가스 생성 반응기로 효과적으로 수송하는 임의의 방식으로 배열될 수 있고 바람직하게는 열 저장 장치와 가스 생성 반응기 사이의 열 전달 유체를 순환시킬 수 있는 하나 이상의 배출 루프를 포함한다. 예를 들어, 가스 생성 반응기는 열 교환기를 포함할 수 있다. 사용되는 경우, 열 교환기는, 고체 또는 액체 환원 물질이 도입 및/또는 반응되는 반응실 내부에 있을 수 있거나, 열 교환기가 반응실에 부착되거나 연결될 수 있거나(예를 들어, 열 교환기가 반응실의 하나 이상의 표면과 접촉될 수 있거나), 열 교환기가 반응기의 상류에 위치할 수 있다. 열 교환기는 도 3a에서 도시한 바와 같이, 가스 생성 반응기의 반응실 내부에 위치할 수 있다. 열 교환기는 도 3a 및 3b에서 설명한 바와 같이, 가스 생성 반응기의 반응실의 상류에 위치할 수 있다. 이와 같이, 가스 생성 반응기는 2개 이상의 구성요소, 예를 들어 열 교환기 구성요소(예를 들어, 캐리어 가스를 가열시키기 위한 것) 및 반응실 구성요소(예를 들어, 고체 또는 액체 환원 물질을 수용하고/수용하거나 환원 가스를 생성하도록 상기 물질을 반응시키기 위한 것)으로 나눠질 수 있다.
가스 생성 반응기는 고체 또는 액체 환원 물질로 열을 제공하기 위한 복수개의 수단을 가질 수 있다. 가스 생성 반응기는, 배기가스의 온도가 낮은 경우 열 저장 장치로부터의 저장된 열을 사용할 수 있고 배기가스의 온도가 높은 경우 배기가스로부터의 열을 사용할 수 있다. 이러한 배열에서, 배기가스는 캐리어 가스로서 작용할 수 있다. 이와 같이, 가스 생성 반응기는 가스 생성 반응기를 통해 배기가스의 적어도 일부를 유동하기 위한 캐리어 가스 라인을 포함할 수 있다. 캐리어 가스는 연속적으로 유동시킬 수 있거나 유속이 하나 이상의 유동 제어기를 사용하여 제어될 수 있다. 캐리어 가스 유동 제어기의 예는, 펌프, 밸브, 방열공 등을 포함한다. 제어기는 가스 생성 반응기를 통해 캐리어 가스의 유동을 감소 또는 억제하기 위해서 사용될 수 있다. 예를 들어, 유동 제어기는, 배기가스의 온도가 낮을 때 캐리어 가스의 유동을 감소 또는 억제할 수 있고, 배기가스의 온도가 높을 때 캐리어 가스의 유동을 허용할 수 있다. 캐리어 가스는, 가스 생성 반응기의 반응실로 가스 생성 반응기의 열 교환으로부터의 열을 전달하기 위해서 사용될 수 있다. 이와 같이, 도 3b에서 도시한 바와 같이, 배기가스의 온도가 낮을 때조차, 캐리어 가스는 가스 생성 반응기를 통해 유동시킬 수 있다. 여기서, 배기가스가 저온일 때만, 열 저장 장치로부터의 저장된 열이 요구될 수 있다. 엔진의 높은 파워 작동으로 인하여 배기가스의 온도가 증가함에 따라, 열 저장 장치의 열 방출 루프를 통한 열의 유동이 감소 또는 정지될 수 있다. 예를 들어, 열 저장 장치의 열 방출 루프는, 예를 들어 배기가스의 온도가 낮을 때, 간헐적으로 작동할 수 있다. 하나 이상의 밸브, 하나 이상의 센서, 또는 둘다가 열 방출 루프를 제어하기 위해서 사용될 수 있다.
캐리어 가스가 사용되는 경우, 캐리어 가스는 배기가스 이외의 가스일 수도 있다. 예를 들어, 캐리어 가스는 공기, 예를 들어 주위 공기일 수 있다. 배기가스 이외의 가스가 캐리어 가스로 사용되는 경우, 가스 생성 반응기는 펌프, 블로워, 팬, 또는 캐리어 가스의 유동을 제어하기 위한 기타 수단들, 예를 들어 도 3c에서 예시한 펌프, 블로워 또는 팬(150)을 포함할 수 있다. 캐리어 가스가 다른 수단에 의해 가열될 수도 있지만, 이것은 일반적으로 상온에서 또는 거의 상온에서 가스 생성 반응기에 도입된다. 예를 들어, 열 저장 장치는 가스 생성 반응기를 위한 주된 또는 단독 열원일 수 있다. 이와 같이, 열 저장 장치의 배출 루프는, 환원 가스가 SCR 반응기에 대해 요구되는 경우, 연속 모드에서 작동할 수 있다.
가스 생성 반응기에 대한 열의 적어도 일부는 열 저장 장치로부터 제공된다. 열 저장 장치는 바람직하게는 열을 저장하는 하나 이상의 구성요소 또는 장치로부터 열을 수용할 수 있고, 나중에 상기 열을 하나 이상의 구성요소 또는 장치로 배출할 수 있다. 예를 들어, 엔진이 비교적 높은 파워로 작동하고/작동하거나 과량의 열을 발생시키는 때, 열 저장 장치는 폐기물 유체로부터 열을 수용할 수 있다. 열 저장 장치는, 이것이 요구될 때까지, 예를 들어 엔진이 낮은 파워로 작동하는 나중까지 열을 저장할 수 있다. 전형적으로, 열 저장 장치에 의해 열을 수용하는(흡수하는) 시간과 열을 방출하는 시간 사이는, 약 1초 내지 약 30분이다. 열 저장 장치에 의한 열을 보다 길게 저장하는 것이 요구되는 경우, 열 저장 장치 내부의 상 변화 물질을 보유하는 캡슐 또는 장치가 사용될 수 있다. 이러한 단열은, 진공 단열 또는 기타 일반적으로 사용되는 열 단열 물질 및 방법을 설치함으로써 달성될 수 있다.
열 저장 장치는, 열을 가스 생성 반응기를 가열하기 위해서 나중에 사용하도록 열을 저장할 수 있는 임의의 장치일 수 있다. 열 저장 장치는 충분히 높은 온도에서 열을 저장하여, 열이 가스 생성 반응기로 수송되는 경우, 가스 생성 반응기의 온도(예를 들어, 가스 생성 반응기 내 고체 표면의 온도)가 하나 이상의 환원 가스를 생성하기에 충분히 높아지도록 한다. 열 저장 장치는 하나 이상의 열 에너지 저장 물질을 포함할 수 있다. 열 저장 장치 내 열 에너지 저장 물질의 양은, 엔진이 낮은 파워에서 무부하 완속 운동 또는 작동하면서 열 저장 장치가 하한치 작동 온도 초과로 가스 생성 반응기의 온도를 증가 및/또는 유지하기에 충분한 양의 열을 저장할 수 있도록 하는 양이다. 예를 들어, 열 저장 장치는 지연된 시간(예를 들어, 약 1분 이상, 약 3분 이상, 약 10분 이상, 약 30분 이상, 또는 약 100분 이상) 동안 약 0℃ 이하 내지 약 200℃ 이상까지 고체 또는 액체 환원 물질의 온도를 증기시키기 위한 충분한 양의 열을 저장할 수 있다. 이후에 기술된 바와 같이, 열 저장 장치에 사용하기 위해 특히 바람직한 열 에너지 저장 물질은, 가스 생성 반응기의 하한치 작동 온도 초과의 온도에서 하나 이상의 고상으로부터 액상으로의 전이를 보유한다.
열 저장 장치는, 열 전달 유체를 열 저장 장치로 유동하는 것을 허용하는 하나 이상의 개구(예를 들어, 오리피스) 및 열 전달 유체를 열 저장 장치 밖으로 유동하는 것을 허용하는 하나 이상의 개구(예를 들어, 오리피스)를 포함할 수 있다. 작동 중 방출 모드 동안, 비교적 찬 열 전달 유체가 (예를 들어, 주입구 오리피스를 경유하여) 열 저장 장치로 유동하고, 열 저장 장치내에 저장된 열 에너지를 사용하여 가열되고, (예를 들어 배출구 오리피스를 경유하여) 열 저장 장치로부터 빠져나가서, 이것이 열 저장 장치로 도입될 때의 온도보다 열 저장 장치로부터 배출되는 열 전달 유체의 온도가 높아지도록, 열 전달 유체는 유체 경로를 포함한다. 열 저장 장치로부터 배출되는 열 전달 유체의 온도는, 고체 또는 액체 환원 물질을 환원제 가스로 전환시키기에 충분하며, 바람직하게 약 200℃ 이상, 보다 바람직하게 약 250℃ 이상, 가장 바람직하게 약 300℃ 이상이다. 예를 들어, 일시적인 시간 동안, 예를 들어 열 전달 유체의 순환의 개시 동안에는, 열 저장 장치에서 배출되는 열 전달 유체의 온도는 낮을 수 있음(예를 들어, 200℃ 미만)이 이해될 것이다. 작동 중 방출 모드 동안, 열 전달 유체는 가스 생성 반응기와 열 저장 장치 사이에서 순환시킬 수 있다.
열 저장 장치는 추가 오리피스(예를 들어, 주입구, 배출구 또는 둘다) 및/또는 유로를 포함하여, 장치는 하나 이상의 추가 구성요소와 열적 연통될 수 있다. 열 저장 장치의 추가 오리피스 및/또는 유로는, 방출 모드와는 상이한 모드에서 열 저장 장치를 작동하기 위해서 사용될 수 있다. 예를 들어, 열 저장 장치는, 엔진 배기가스로부터의 열을 수용하는 열 교환기와 같은, 열원과 열 저장 장치 사이의 유체 회로(즉, 유체 루프)에 사용되는 제 2 유로를 포함할 수 있다. 이와 같은 회로 또는 루프는 충전 루프(즉, 열을 열 저장 장치에 제공할 수 있는 유체 루프)일 수 있다. 충전 루프는, 열 전달 유체의 온도가 증가하고/증가하거나 열 전달 유체가 증발되는 열 교환기로 열 전달 유체가 유동하고 나중에 상기 열 전달 유체가 상기 열의 일부 또는 전부를 흡수하는 열 저장 장치로 유동하여, 열 전달 유체의 온도를 감소시키고/감소시키거나 열 전달 유체를 응결시키도록 열 전달 유체를 순환시킴으로써, 작용할 수 있다. 충전 루프가 방출 루프 이외의 열 저장 장치를 경유하는 상이한 유로를 사용하는 경우, 2개의 루프가 동일하거나 상이한 열 전달 유체를 사용할 수 있다. 열 전달 유체가 동일한 경우, 이는 유체 연결부를 가질 수 있거나(예를 들어, 이는 공급 저장소를 공유할 수 있거나), 또는 어떠한 유체 연결부도 가질 수 없다.
열 저장 장치는 복수개의 작동 모드에 사용되는 유로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 폐기물 유체의 온도가 열 저장 장치의 온도보다 높은 경우 열 저장 장치를 충전하기 위한 유로가 사용될 수 있고, 폐기물 유체의 온도가 열 저장 장치의 온도보다 낮은 경우 열 저장 장치를 방출하기 위해서 동일한 유로가 사용될 수 있다. 이와 같이, 충전 루프 및 방출 루프는 열 저장 장치를 통한 유로와 같은 구성요소를 공유할 수 있다. 여기서, 유동 제어기, 예를 들어 하나 이상의 밸브는, 열 전달 유체가 유동하는 유체 순환(fluid circuit)을 제어하기 위해서 사용될 수 있다.
본 발명에 사용하기 위해 특히 바람직한 열 저장 장치는 본원에서 그 전체를 참고로 인용하는 국제특허 공개공보 제 PCT/US11/22662 호(2011년 1월 27일자로 속호제크 등에 의해 출원됨)의 008 내지 117 단락 및 132 내지 141 단락에서 기술된 열 저장 장치이다. 예를 들어, 열 저장 장치는 하기 특징부들 중 하나 또는 임의의 조합(예를 들어, 하기 특징부 전체)을 갖는 하나 이상의 제품들(예를 들어, 제품들의 조합)을 포함할 수 있다: 상기 제품은 하나 이상의 밀봉된 공간을 갖는 캡슐 구조물을 포함할 수 있고, 밀봉된 공간은 하나 이상의 열 에너지 저장 물질을 캡슐화할 수 있다는 점; 캡슐 구조물이 하나 이상의 유체 통로를 통해 열 전달 유체가 유동하는 것을 허용할 정도로 충분히 큰 하나 이상의 유체 통로를 가질 수 있다는 점; 또는 열 전달 유체가 캡슐 구조물과 접촉하는 경우, 열 에너지 저장 물질이 열 전달 유체로부터 분리될 수 있다는 점.
예를 들어, 열 에너지 저장 물질은, 기밀하게 부착된 2개의 금속 층들 사이에서 캡슐화되어 하나 이상의 단리된 캡슐을 형성할 수 있다. 제한하지 않으면서, 열 저장 장치는, 본원에서 그 전체를 이용하는, 2009년 10월 8일자로 공개된 미국특허 공개공보 제 2009/0250189 A1에서 기술된 캡슐 또는 캡슐의 배열(예를 들어, 블리스커 팩 또는 블리스커 팩들의 스택)을 사용할 수 있다.
제한하는 것은 아니지만, 열 저장 장치를 위한 적합한 열 에너지 저장 물질(즉, TESM)은, 현열, 잠열 또는 바람직하게는 둘다와 같은, 비교적 높은 밀도의 열 에너지를 보일 수 있는 물질을 포함한다. 열 에너지 저장 물질은 바람직하게는 열 저장 장치의 작동 온도 범위와 상용성이다. 예를 들어, 열 에너지 저장 물질은, 바람직하게는, 열 저장 장치의 낮은 작동 온도에서는 고체이거나, 열 저장 장치의 최대 작동 온도에서는 적어도 부분적으로 액체(예를 들어, 완전한 액체)이거나, 상기 장치의 최대 작동 온도에서 상당히 열화 또는 분해되지 않거나, 이들의 임의의 조합이다. 열 에너지 저장 물질은 바람직하게는 약 1,000 시간 이상, 또는 심지어 약 10,000 시간 이상의 최대 작동 온도까지 가열될 때, 상당히 열화 또는 분해되지 않는다.
열 에너지 저장 물질은 고체로부터 액체로의 전이 온도를 갖는 상 변화 물질일 수 있다. 열 에너지 저장 물질의 고체로부터 액체로의 전이 온도는, 액체화 온도, 융점 또는 공융 온도일 수 있다. 고체로부터 액체로의 전이 온도는, 융해 잠열이 가스 생성 반응기를 가열하는데 사용되도록 충분히 높을 수 있다. 바람직하게, 열 에너지 저장 물질의 고체로부터 액체로의 전이 온도는, 가스 생성 반응기의 하한치 작동 온도보다 높아서, 가스 생성 반응기의 온도가 증가되거나 하한치 작동 온도보다 높게 유지될 수 있고, 열 에너지 저장 물질의 적어도 일부는 액상이다. 보다 바람직하게, 열 에너지 저장 물질의 고체로부터 액체로의 전이 온도는, 약 10℃ 이상, 약 20℃ 이상, 약 30℃ 이상, 또는 약 50℃ 이상으로 가스 생성 반응기의 하한치 작동 온도보다 크다. 고체로부터 액체로의 전이 온도는, 열 전달 유체, 가열될 하나 이상의 대상 또는 둘다가, 이것이 열화될 수 있는 온도까지 가열되지 않도록 충분히 낮아야만 한다. 고체로부터 액체로의 전이 온도의 바람직한 온도는 열을 전달하는 방법, 열 저장 장치 또는 방출 루프에서 예상될 수 있는 열 손실, 또는 열 저장 장치를 사용하여 추가로 가열될 수 있는 임의의 다른 대상, 또는 이들의 임의의 조합에 좌우될 수 있다. 고체로부터 액체로의 전이 온도는 바람직하게 약 190℃ 이상, 보다 바람직하게 약 200℃ 이상, 더욱 보다 바람직하게 약 230℃ 이상, 더욱 보다 바람직하게 약 250℃ 이상, 더욱 보다 바람직하게 약 270℃ 이상, 가장 바람직하게 약 300℃ 이상이다. 열 에너지 저장 물질의 고체로부터 액체로의 전이 온도는 바람직하게는 약 450℃ 이하, 보다 바람직하게 약 400℃ 이하, 더욱 보다 바람직하게 약 380℃ 이하, 가장 바람직하게 약 250℃ 이하이다. 예를 들어, 고체로부터 액체로의 전이 온도는 약 200℃ 내지 약 450℃, 약 190℃ 내지 약 400℃, 약 200℃ 내지 약 375℃, 약 225℃ 내지 약 400℃, 또는 약 200℃ 내지 약 300℃일 수 있다.
열 에너지 물질이 작은 공간에서 효율적으로 에너지를 저장하는 것이 바람직할 수 있다. 이와 같이, 열 에너지 저장 물질은, 융해열(메가줄/킬로그램으로 표현됨)과 밀도(약 25℃에서 측정되고 킬로그램/리터의 단위로 표현됨)의 곱으로 정의되는, 높은 융해열 밀도(메가줄/리터의 단위로 표현됨)를 가질 수 있다. 열 에너지 저장 물질의 융해열 밀도는 약 0.1 MJ/리터 이상, 바람직하게 약 0.2 MJ/리터 이상, 보다 바람직하게 약 0.4 MJ/리터 이상, 가장 바람직하게 약 0.6 MJ/리터 이상일 수 있다. 전형적으로, 열 에너지 저장 물질의 융해열 밀도는 약 5 MJ/리터 이하이다. 그러나, 높은 융해열 밀도를 갖는 열 에너지 저장 물질도 사용될 수 있다.
열 에너지 저장 물질이 가벼운 중량을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 열 에너지 저장 물질의 밀도(약 25℃에서 측정함)는 약 5 g/cm3 이하, 바람직하게 약 4g/cm3 이하, 보다 바람직하게 약 3.5g/cm3 이하, 가장 바람직하게 약 3g/cm3 이하일 수 있다. 밀도의 하한치가 실용적이다. 열 에너지 저장 물질의 밀도(약 25℃에서 측정함)는 약 0.6g/cm3 이상, 바람직하게 약 1.2g/cm3 이상, 보다 바람직하게 약 1.7g/cm3 이상일 수 있다.
밀봉된 공간은 임의의 당업계에 공지된 열 에너지 저장 물질을 함유할 수 있다. 열적 열 저장 장치에 사용될 수 있는 열 에너지 저장 물질의 예는 둘다 본원에서 그 전체를 참고로 인용하는, 문헌[Atul Sharma, V.V. Tyagi, C.R. Chen, D. Buddhi, "Review on thermal energy storage with phase change materials and applications ", Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 318-345] 및 문헌[Belen Zalba, Jose Ma Marin, Luisa F. Cabeza, Harald Mehling, "Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications", Applied Thermal Engineering 23 (2003) 251-283]에서 기술된 물질을 포함한다. 열 전달 장치에 사용될 수 있는 적절한 열 에너지 저장 물질의 기타 예는, 둘다 본원에서 그 전체를 참고로 인용하는, 미국특허 공개공보 제 US 2009/0250189 A1 호(공개일: 2009년 10월 8일) 및 제 US 2009/0211726 A1 호(공개일: 2009년 8월 27일)에 기술된 열 에너지 저장 물질을 포함한다.
열 에너지 저장 물질은, 하나 이상의 제 1 금속 함유 물질, 보다 바람직하게는 하나 이상의 제 1 금속 함유 물질과 하나 이상의 제 2 금속 함유 물질의 조합을 포함할 수 있다(또는 이들로 필수적으로 구성되거나 구성될 수 있다). 제 1 금속 함유 물질, 제 2 금속 함유 물질, 또는 둘다는 실질적으로 순수한 금속, 실질적으로 순수한 금속과 하나 이상의 부가적인 합금 성분(예를 들어, 하나 이상의 기타 금속)을 포함하는 것과 같은 합금, 금속간화합물(intermetallic), 금속 화합물(예를 들어, 염, 옥사이드 또는 기타 등등) 또는 임의의 이들의 조합일 수 있다. 하나의 바람직한 접근법은, 금속 화합물의 일부로서 하나 이상의 금속 함유 물질을 사용하는 것이고; 보다 바람직한 접근법은 2종 이상의 금속 화합물의 혼합물을 사용하는 것이다. 예를 들어, 적합한 금속 화합물은 옥사이드; 하이드록사이드; 질소와 산소를 포함하는 화합물(예를 들어, 니트레이트, 니트라이트 또는 둘다); 할라이드; 또는 그의 임의의 조합일 수 있다. 사용될 수도 있는, 3원, 4원, 또는 기타 다중 구성요소 물질이 사용될 수 있는 것도 가능하다. 본원의 열 에너지 저장 물질은 공융을 나타내는 2종 이상의 물질의 혼합물일 수 있다.
TESM은 리튬 양이온, 칼륨 양이온, 나트륨 양이온, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. TESM은 TESM 내 양이온의 총 몰을 기준으로, 약 20% 내지 약 80 몰%, 바람직하게 약 30% 내지 약 70%의 농도로 리튬 양이온을 포함할 수 있다. TESM은, TESM 내 염의 총 몰을 기준으로, 약 20 몰% 내지 약 80 몰%의 농도로 리튬 니트레이트를 포함할 수 있다. TESM은 약 30 몰% 내지 약 70 몰%의 리튬 니트레이트 및 약 30 몰% 내지 약 70 몰%의 나트륨 니트레이트를 포함할 수 있다. TESM는 TESM의 총 중량을 기준으로 약 90중량% 이상(예를 들어, 약 95중량% 이상)의 총 농도로 리튬 니트레이트 및 나트륨 니트레이트를 포함할 수 있다. TESM은 니트레이트 이온, 니트라이트 이온 또는 둘다를 포함하는 하나 이상의 제 1 금속 화합물; 하나 이상의 제 2 금속 화합물을 포함하는 물질을 함유하는 하나 이상의 제 2 금속을 포함할 수 있고, 물이 존재하는 경우, 물의 농도가 약 10중량% 이하로 존재하도록 선택적으로 물을 포함할 수 있다. TESM은 리튬 니트레이트, 나트륨 니트레이트, 리튬 니트라이트, 나트륨 니트라이트, 또는 이들이 임의의 조합을 포함하는 공융 조성물일 수 있다.
열 저장 장치로 및/또는 열 저장 장치 밖으로 열을 전달하기 위해서 사용되는 열 전달 유체(HTF)는 열 저장 장치 및 기타 구성요소(예를 들어, 열 제공 구성요소, 하나 이상의 연결 튜브 또는 라인, 열 제거 구성요소, 또는 이들의 임의의 조합)을 통해 유체가 (예를 들어, 고화되지 않으면서) 유동되도록 임의의 액체 또는 가스일 수 있다. 열 전달 유체는 단일상(액체 또는 증기) 열 전달 유체 또는 2상(예를 들어, 액체-증기) 열 전달 유체일 수 있다. 열 전달 유체는 열 저장 장치에 사용되는 온도에서 열을 전달할 수 있는 임의의 당업계에 공지된 열 전달 유체 또는 냉매일 수 있다. 예를 들어, 열 전달 유체는 바람직하게는 열 저장 장치 및/또는 열 교환기의 온도에 노출될 때 열화되지 않는다. 열 전달 유체는 액체 또는 가스일 수 있다. 바람직하게, 열 전달 유체는 사용 동안 노출될 수 있는 최저 작동 온도(예를 들어, 최저 예상 주위 온도)에서 유동시킬 수 있다. 예를 들어, 열 전달 유체는 약 1 기압의 압력에서 약 25℃, 바람직하게 약 0℃, 보다 바람직하게 -20℃, 가장 바람직하게 약 -40℃의 온도에서 액체 또는 가스일 수 있다. 제한하는 것은 아니지만, 열 저장 장치로 및/또는 열 저장 장치 밖으로 수송하기 위한 바람직한 열 전달 유체는 약 40℃에서 액체이다.
열 전달 유체는, 다량의 열 에너지, 전형적으로 현열로서 전달될 수 있어야 한다. 적합한 열 전달 유체는 다량의 열 에너지를 수송하기에 충분한 비열을 가질 수 있고, 바람직하게는 약 1 J/g·K 이상, 보다 바람직하게 약 2 J/g·K 이상, 더욱 보다 바람직하게 약 2.5 J/g·K 이상, 가장 바람직하게 약 3 J/g·K 이상의 비열을 가질 수 있다. 바람직하게 열 전달 유체는 액체이다. 예를 들어, 임의의 당업계에 공지된 엔진 냉매는 열 전달 유체로서 사용될 수 있다. 시스템은 열을 열 저장 장치로(예를 들어 열 저장 장치 내 열 에너지 저장 물질로) 수송하고 열 저장 장치로부터(예를 들어 열 저장 장치 내 열 에너지 저장 물질로부터) 열을 제거하기 위해서 단일 열 전달 유체를 사용할 수 있다. 다르게는, 시스템은 열을 열 에너지 저장 물질로 수송하기 위한 제 1 열 전달 유체 및 열을 열 에너지 저장 물질로부터 제거하기 위한 제 2 열 전달 유체를 사용할 수 있다. 제 1 열 전달 유체 및 제 2 열 전달 유체를 포함하는 시스템에서, 제 1 열 전달 유체는 열 저장 장치 내 제 1 유로를 통해 유동하고 제 2 열 전달 유체는 열 저장 장치 내 제 2 유로를 통해 유동한다.
제한하는 것은 아니지만, 단독으로 또는 혼합물로 사용될 수 있는 열 전달 유체는, 당업계에 숙련자들에게 공지된 열 전달 유체를 포함하고, 바람직하게는 물, 하나 이상의 알킬렌 글리콜, 하나 이상의 폴리알킬렌 글리콜, 하나 이상의 오일, 하나 이상의 냉매, 하나 이상의 알콜, 하나 이상의 베타인, 또는 이들의 임의의 조합을 함유하는 유체를 포함한다. 열 전달 유체는 (예를 들어 전술한 유체 이외에 또는 대신에) 후술하는 것과 같은 작업 유체를 포함하거나, 또는 후술하는 것과 같은 작업 유체로 필수적으로 구성될 수 있다. 사용될 수 있는 적합한 유체는, 천연 오일, 합성 오일, 또는 이들의 조합을 포함한다. 예를 들어, 열 전달 유체는 광유, 피마자유, 실리콘유, 플루오로카본유, 또는 이들의 임의의 조합을 함유하거나 이들로 필수적으로 구성될 수 있다(예를 들어, 80중량% 이상, 90중량% 이상 또는 95중량% 이상).
예시적인 열 전달 유체는 하나 이상의 알킬렌 글리콜을 포함하거나, 이들로 필수적으로 구성된다. 제한하는 것은 아니지만, 바람직한 알킬렌 글리콜은 약 1 내지 약 8개의 알킬렌 옥시기를 갖는다. 예를 들어, 알킬렌 글리콜은 약 1 내지 약 6개의 탄소 원자를 함유하는 알킬렌 옥시기를 포함할 수 있다. 알킬렌 글리콜 분자 내 알킬렌 옥시기는 동일하거나 상이할 수 있다. 선택적으로, 알킬렌 글리콜은 상이한 알킬렌 옥시기 또는 상이한 비율의 알킬렌 옥시기 각각를 함유하는 상이한 알킬렌 글리콜의 혼합물을 포함할 수 있다. 바람직한 알킬렌 옥시기는 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드, 및 부틸렌 옥사이드를 포함한다. 선택적으로, 알킬렌 글리콜은 치환될 수 있다. 예를 들어, 알킬렌 글리콜은 하나 또는 2개의 알킬 기, 예를 들어 약 1 내지 약 6개의 탄소 원자를 함유하는 하나 또는 2개의 알킬 기로 치환될 수 있다. 이와 같이, 알킬렌 글리콜은 하나 이상의 알킬렌 글리콜 모노알킬 에터, 하나 이상의 알킬렌 글리콜 다이알킬 에터, 또는 이들의 조합을 포함하거나, 이들로 필수적으로 구성될 수 있다. 알킬렌 글리콜은 폴리알킬렌 글리콜을 포함할 수도 있다. 특히 바람직한 알킬렌 글리콜은 에틸렌 글리콜, 다이에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 및 부틸렌 글리콜을 포함한다. 전술한 글리콜 중 임의의 글리콜은 단독으로 또는 혼합물로 사용될 수 있다.
단일상 열 전달 유체의 예는, 바이페닐, 다이페닐 옥사이드, 또는 이들의 혼합물, 예를 들어 바이페닐과 다이페닐 옥사이드의 공융 혼합물(다우 케미칼 캄파니(Dow Chemical Company)에서 다우썸(DOWTHERM, 상표) Q로 시판중임); 실리콘 유체(예를 들어, 다우 케미칼 캄파니에서 시판중인 실썸(SYLTHERM, 상표) Q); 및 알킬 치환된 방향족 화합물(예를 들어, 솔루티아 인코포레이티드(Solutia Inc.)에서 시판 중인 써미놀(THERMINOL, 등록상표) 59)을 포함한다.
선택적으로, 열 전달 유체는 2상의 열 전달 유체(즉, 작업 유체)를 포함하거나, 이들로 필수적으로 구성되거나, 전체적으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 시스템은 작업 유체를 포함할 수 있는데, 상기 작업 유체는, 작업 유체가 가열되어 증발되는 열 저장 장치를 통과하고, 작업 유체가 응축되는 하나 이상의 구성요소(예를 들어, 가열될 구성요소)로 유동한다. 이와 같이, 열 저장 장치는 작업 유체를 위한 증발기로서 작용할 수 있고, 가열될 구성요소는 작업 유체를 위한 응축기로 작용할 수 있다. 작업 유체가 사용되는 경우, 응축기에 제공되는 열은 바람직하게는 작업 유체의 증발열을 포함한다. 상기 시스템은 작업 유체를 열 저장 장치로 되돌리기 위한 냉각 라인, 및 작업 유체를 열 저장 장치로부터 제거하기 위하 가열 라인을 포함할 수 있다. 상기 냉각 라인 및 가열 라인은 바람직하게는, 작업 유체가 루프를 통해 유동함에 따라 누설 없이 작업 유체를 함유할 수 있다. 열 저장 장치(예를 들어, 열 저장 장치 내 열 에너지 저장 물질)가, 작업 유체의 모든 구성요소의 증기압의 합이 약 1 기압을 초과하도록 하기에 충분한 온도이고 작업 유체의 유동을 허용하도록 밸브가 개방되어 있는 경우, 상기 작업 유체는 a) 모세관 구조물에 의해 펌핑되고; b) 적어도 부분적으로 증발되고; c) 적어도 부분적으로 응축기로 수송되고; d) 적어도 부분적으로 상기 응축기에서 응축되어, 열이 열 저장 장치로부터 제거될 수 있다. 이와 같이, 상기 시스템은 선택적으로 모세관 펌핑 루프를 포함한다.
작업 유체는, 열 에너지 저장 물질이 그의 액체화 온도이거나 그 초과인 경우, 열 저장 장치에서 부분적으로 또는 완전히 증발(액체로부터 기상 상태로 전이)될 수 있는 임의의 유체일 수 있다. 적합한 작업 유체(예를 들어, 모세관 펌핑 루프의 경우)는, 하기 특성들 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 갖는, 순수한 물질 및 혼합물을 포함한다: 최대 열 에너지 저장 시스템 온도에서의 우수한 화학적 안정성, 낮은 점도(예를 들어, 약 100 mPa·s 이하), 모세관 구조물의 우수한 습윤화(예를 들어, 우수한 흡상 습윤화), 모세관 펌핑 루프의 재료(예를 들어, 용기 재료, 열 에너지 저장 물질을 캡슐화하기 위해서 사용되는 물질, 증기 및 액체 라인의 물질, 등)과의 화학적 상용성(예를 들어, 작업 유체가 모세관 펌핑 루프의 물질의 마모를 적게 유발함), 증발기 및 응축기 온도 둘다에 전도성인 온도 의존성 증기압, 증발의 높은 체적 잠열(예를 들어, 메가줄/리터 단위로 약 25℃에서 작업 유체의 밀도 및 융해 잠열의 곱은 약 4 MJ/리터 초과일 수 있다), 응축기의 열 전달 유체의 어는점 이하의 어는점(예를 들어, 부동액(antifreeze)의 어는점 이하의 어는점), 또는 약 -40℃ 이하의 어는점. 예를 들어, 작업 유체의 평형 상태는, -40℃의 온도 및 1 기압의 압력에서 90% 이상일 수 있다.
작업 유체의 증기압은 증발기에서 충분히 높아서, 작업 유체를 펌핑하기에 충분한 증기 스트림이 생성되어야 한다. 바람직하게, 작업 유체의 증기압은 증발기에서 충분히 높아서, 증발기로부터 응축기로 목적하는 열적 파워(와트로 측정됨)를 수송하기에 충분한 증기 스트림이 제조되어야 한다. 증발기 내 작업 유체의 증기압은, 바람직하게는, 모세관 펌핑 루프가 누설 및 파열되지 않도록 충분히 낮다.
모세관 구조물에 대한 작업 유체의 습윤화는, 모세관 구조물의 물질 위의 작업 유체의 접촉각에 의해 특성화될 수 있다. 바람직하게, 상기 접촉각은 약 80° 이하, 보다 바람직하게 약 70° 이하, 더욱 보다 바람직하게 약 60° 이하, 가장 바람직하게 약 55° 이하이다.
작업 유체는, 바람직하게는 약 200℃ 이하, 약 150℃ 이하, 또는 약 90℃ 이하의 온도에서 중간(moderate) 압력에서 응축된다. 예를 들어, 작업 유체는 약 2 MPa 이하, 바람직하게 약 0.8 MPa 이하, 보다 바람직하게 약 0.3 MPa 이하, 더욱 보다 바람직하게 약 0.2 MPa 이하, 가장 바람직하게 약 0.1 MPa 이하의 압력에서, 약 90℃에서 응축될 수 있다.
작업 유체는 바람직하게는 매우 낮은 온도에서 유동시킬 수 있다. 예를 들어, 작업 유체는 매우 낮은 주위 온도에 노출될 수 있고, 바람직하게는 약 0℃, 바람직하게 약 -10℃, 보다 바람직하게 약 -25℃, 더욱 보다 바람직하게 약 -40℃, 가장 바람직하게 약 -60℃의 온도에서 응축기로부터 열 저장 장치로 유동시킬 수 있다. 작업 유체는 바람직하게는, 이것이 충분히 충전된 열 저장 장치의 온도에서, 예를 들어 열 에너지 저장 물질이 액체 상태인 경우, 가스 상태이다.
열 저장 장치로부터의 일정량의 열을 제거하기 위해 요구되는 작업 유체의 양이, (열을 제거하기 위해서 작업 유체가 아닌 열 전달 유체를 사용하는 장치에 비해) 상대적으로 적도록, 작업 유체는 열 저장 장치로부터의 열 에너지를 효과적으로 수송할 수 있다. 바람직하게, 작업 유체에 의해 수송된 열의 많은 부분은, 증발열의 형태로 수송된다. 작업 유체의 체적, 작업 유체의 유속, 또는 둘다는, 작업 유체가 아닌 열 전달 유체를 사용하고 동일한 초기 파워를 갖는 시스템에 비해 열 에너지 저장 측면에서 비교적 낮을 수 있다.
전술한 바와 같이, 작업 유체는 증발열의 형태로 열 에너지의 일부를 수송할 수 있다. 작업 유체는 바람직하게는, 전달될 수 있는 열의 양이 높도록 높은 증발열을 갖는다. 열 저장 장치에 대한 적합한 작업 유체의 증발열은, 약 200 kJ/몰 이상, 바람직하게 약 500 kJ/몰 이상, 보다 바람직하게 약 750 kJ/몰 이상, 더욱 보다 바람직하게 약 1000 kJ/몰 이상, 가장 바람직하게 약 1200 kJ/몰 이상일 수 있다.
2상 열 전달 유체는 적절한 비등 온도를 갖는 임의의 2상 시스템일 수 있다. 예를 들어, 2상 열 전달 유체는, 물, 암모니아, (예를 들어, 물-암모니아 혼합물), 또는 용융 금속을 포함하거나, 이들로 필수적으로 구성될 수 있다.
열 전달 유체(예를 들어, 작업 유체)와 접촉하는 물질은 유체로부터의 부식에 대해 내성을 가질 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, 열 전달 유체와 접촉할 수 있는 열 저장 장치 또는 열 저장 시스템의 표면 중 임의의 표면 또는 전체 표면(예를 들어, 작업 유체 증기 라인의 내부, 작업 유체 액체 라인의 내부, 열 교환기와 열 저장 장치의 내부 표면, 하나 이상의 밸브의 내부 표면, 펌프의 표면, 유체 저장기의 내부 표면 등)은 내식성 물질, 예를 들어 스테인레스 강으로 제조되고/제조되거나 코팅될 수 있다.
본원에서 기술한 열 에너지 저장 시스템에 사용되는 작업 유체 또는 열 전달 유체 중 임의의 것이 첨가제 팩키지를 포함할 수 있음이 인식될 것이다. 이러한 첨가제 팩키지는 당업계의 숙련자들에게 공지되어 있고 본 발명의 장치가 사용될 시스템에 맞도록 적응된다. 예를 들어, 첨가제 팩키지들은 안정화제, 부식 억제제, 윤활제, 극압 첨가제, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
열 전달 유체는 열원으로부터 열 수용기로(예를 들어, 열 저장 장치로부터 가스 생성 반응기로, 또는 열 교환기로부터 열 저장 장치로) 열을 전달하기 위해서 기계적으로 펌핑될 수 있거나, (예를 들어, 중력을 사용하여, 예를 들어 열 사이펀, 또는 모세관 작용을 사용하여) 자가 펌핑될 수 있다. 바람직하게 단일상 HTF류는 기계적으로 펌핑된다. 바람직하게, 2상 열 전달 유체는 자가-펌핑된다. 자가 펌핑된 열 전달 유체는, 열 파이프, 루프 열 파이프 또는 모세관 펌핑 루프를 사용하여, 열 수용체에 부착된 응축기에서 응축된 액체를, 열원에 부착된 증발기로 되돌릴 수 있다.
환원 가스를 발생시키기 위한 시스템은, 질소 옥사이드의 환원을 위해 요구되는 만큼 충분량의 환원 가스가 발생될 수 있도록, 고체 또는 액체 환원 물질을 저장 및/또는 투여하기 위한 하나 이상의 구성요소를 포함할 수 있다. 환원 물질을 저장 및/또는 투여하기 위한 시스템은 물질의 상태(예를 들어, 액체 상태, 또는 고체 상태)에 좌우될 수 있다.
고체 환원 물질을 저장 및/또는 투여하기 위해 시스템에 사용될 수 있는 특징부는 도 6 및 7에 도시되어 있다. 고체 환원 물질은 용기(예를 들어, 저장소)에 저장 및/또는 충전을 위해 충분한 임의의 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 고체 환원 물질은, 블록으로서, 복수개의 입자로서, 예를 들어 플레이크, 분말, 과립, 펠렛 또는 이들의 임의의 조합으로서 제공될 수 있다. 고체 환원 물질이 블록으로서 제공되면, 일반적으로 일정한 단면을 갖는 블록으로서 제공되는 것이 바람직하다. 고체 환원 물질은 임의의 형태를 갖는 용기에 저장될 수 있다. 하나의 바람직한 배열에서, 상기 용기는, 한쪽 말단에서(예를 들어, 용기의 바닥부에서) 고체 환원 물질을 발달시키도록 힘 분배 판이 상기 물질의 마주보는 말단에(예를 들어, 용기의 상부 근처에) 적용될 수 있도록 일반적으로 일정한 단면의 구획을 갖는다. 일반적으로 일정한 단면을 사용함으로써, 용기 내에서 물질이 발달함에 따라 힘 분배를 유지하는 것이 가능할 수 있다. 고체 환원 물질을 저장하기 위한 용기는 가스 생성 반응기에 일체화될 수 있다. 예를 들어, 고체 환원 물질은 가열된 표면, 예를 들어 가열된 판의 표면으로서 또는 다른 구조물에 의해 가스 생성 반응기로부터 분리될 수 있다. 판 또는 다른 구조물은 바람직하게는 하나 이상의 개구를 가져서 환원 물질이 가스 생성 반응기의 가열된 영역으로 도입되는 것을 허용한다. 환원 물질에 수송된 열의 양에 따라, 환원 물질이 고체, 액체, 가스 또는 이들의 임의의 조합으로서, 가스 생성 반응기의 가열된 영역에 도입될 수 있다. 판은 가열 구성요소, 예를 들어 열 전달 유체-함유 코일에 의해 가열될 수 있다. 이와 같이, 판은 가스 생성 반응기 내 열 교환기의 일부일 수 있다. 열 교환기는 바람직하게는 가스 생성 반응기에 인접한 고체 환원 물질의 영역과 열적 연통되어서, 고체 환원 물질이 액화되거나, 증발되거나, 또는 임의의 이들의 조합이 된다. 저장 용기는 가열된 표면에 대해 고체 환원 물질을 가압하거나, 또는 다르게는 고체 환원 물질을 가열된 표면에 전달하기 위한 하나 이상의 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 용기는 탈취제 막대의 작동과 유사하게, 플랫폼에 저장된 고체 환원 물질을 밀기 위해서 나사대를 갖는 플랫폼(예를 들어, 힘 분배 판)을 포함할 수 있다. 상기 나사대는 전자기 작동기/모터에 의해 또는 공기압/수압 작동기 또는 기타 유사한 수단에 의해 회전될 수 있다. 고체 환원 물질이 부분적으로 또는 완전히 소모되면, 상기 용기는 추가 고체 환원 물질로 재충전될 수 있다. 예를 들어, 상기 용기를 적어도 부분적으로 충전한 고체 환원 물질의 하나 이상의 블록들이 상기 용기에 첨가될 수 있다. 상기 용기는, 다양한 수준의 사용량 이후(예를 들어, 용기의 약 10% 이상, 약 20% 이상, 약 30% 이상, 약 50% 이상, 또는 약 60% 이상이 빈 후)에 용기가 편리하게 재충전될 수 있도록 복수개의 블록들을 수용할 수 있다. 다르게는, 고체 환원 물질을, 펠렛, 플레이크, 분말, 입자, 과립 또는 용기로 유동시킬 수 있는 다른 형태로 첨가함으로써, 용기를 재충전할 수 있다. 고체 환원 물질의 담지는, 플랫폼을 제거하는 단계, 및/또는 상기 플랫폼에 고체 환원 물질을 부착하는 단계를 포함할 수 있다.
고체 환원 물질을 사용하는 경우, 코일과 고체 환원 물질 사이의 계면의 영역 밖으로 환원 가스를 용이하게 유동하는 것을 허용하도록 가스 생성 반응기에 HTF 코일이 배치될 수 있다. 바람직하게, 상기 HTF 코일은 임의의 고체 환원 물질이 비가스화된 상태로 코일을 통과하는 것을 억제하도록 고안 및/또는 위치한다. 이는, 가스 유동을 위한 간격을 갖지만, 고체 환원 물질이 미끄러지는 방향으로는 어떠한 가시선(line of sight)도 갖지 않는 적절한 코일 구조에 의해 달성될 수 있다. 즉, 코일을 통한 가스 유동을 위한 모든 경로는 도 7에서 도시한 바와 같이 구불구불하다. 용어 HTF 코일이 사용되면, 코일의 임의의 구조가 고체 환원 물질에 열을 제공하거나 환원 가스의 유동을 허용하거나 일반적으로 미반응된 고체 환원 물질의 유동을 차단하거나 이들의 조합을 허용하는 한, 어떠한 구조의 코일도 사용될 수 있다. 예를 들어, 고체 또는 환원 물질의 직류 중 전부 또는 실질적으로 전부를 차단하는 하나 이상의 HTF 코일이 사용될 수 있다. 바람직하게, 단일의 100% 고체-차단 HTF 코일이 사용된다. 가스 발생 반응기는 고체 환원 물질의 직류 중 일부, 본질적으로 전체 또는 100%를 차단하는, 고체-차단 구조물, 예를 들어 핀, 공개-셀 발포체, 또는 둘다를 포함할 수 있다. 사용되는 경우, 고체 차단 구조물은 HTF 코일, 가열된 판 또는 둘다와 접촉하고/접촉하거나 여기에 부착될 수 있다. HTF 코일, 고체 차단 구조물, 가열된 판, 또는 이들의 임의의 조합은, 고체 환원 물질로의 열 전달을 증가 및/또는 극대화시키도록 고안될 수 있다.
가스 생성 반응기에서 고체 환원 물질을 가열하기 위한 가열된 판은 금속 판일 수 있다. 가열된 판는, 도 7에서 도시한 바와 같이, 코일과의 계면으로부터 열을 전달하도록 충분한 열 전도도를 갖는다. 가열된 판은, 고체 환원 물질과 접촉하는 표면 위에 홈 또는 채널을 가져서, 계면에서 발생된 임의의 가스가 가스 생성 반응기로 전달될 수 있다. 홈 또는 채널은 에칭에 의해, 드릴링에 의해, 또는 기타 기계적 공정에 의해 형성될 수 있다. 홈 또는 채널은 임의의 형태 또는 패턴을 가질 수 있다. 예를 들어, 이들은 고도로 비스듬하거나, 직선이거나, 곡선이거나, 균일하거나 다양한 폭 또는 깊이를 갖거나, 이들의 임의의 조합일 수 있다. 가열된 판은, 예를 들어 메쉬 물질(예를 들어, 금속 메쉬)의 여러개의 층들을 사용함으로써, 또는 분말 야금을 사용하여(예를 들어, 분말을 소결하는 단계를 사용하여) 판을 제조함으로써 다공성일 수 있다. 가열된 판, 뿐만 아니라 HTF 코일은 바람직하게는 높은 열 전도도, 고체 환원 물질 및/또는 환원 가스에 대한 높은 화학적 내성, 또는 둘다를 갖는 물질로 구성된다. 가열된 판, 가스 생성 반응기 내 HTF 코일, 또는 둘다에 사용될 수 있는 물질의 예는, 고-열-전도도 물질, 예를 들어 구리, 알루미늄, 또는 구리 또는 알루미늄을 포함하는 합금을 포함한다. 흑연 함유 물질도 사용될 수 있다. 가열된 판, 가열된 HTF 코일 또는 둘다는, 고체 또는 액체 환원 물질 및/또는 환원 가스에 화학적으로 내성인 물질의 보호층을 포함할 수 있다. 사용되는 경우, 이러한 층은 바람직하게는 충분히 얇아서, 열 전도도가 희생되지 않는다. 이러한 얇은 층은 예를 들어 전기도금에 의해, 얇은 코팅으로서 적용될 수 있다. 보호층은 (예를 들어 고체 또는 액체 환원 물질 또는 환원 가스에 대해) 화학적으로 불활성인 임의의 물질을 포함하거나 이로써 구성될 수 있다. 화학내성 층을 위해 사용될 수 있는 물질의 예는, 니켈, 백금, 금 또는 이들의 합금(예를 들어, 50원자% 이상의 니켈, 백금, 또는 금을 포함하는 합금)을 포함한다.
상기 용기는 용기 내 고체 또는 액체 환원 물질의 충전 수준을 측정하기 위해 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 용기는 이동하는 플렛폼의 위치를 측정하기 위해 위치 센서를 포함할 수 있고, 용기내 잔류하는 고체 또는 액체 환원 물질의 양을 측정하고/측정하거나 그의 소모 속도를 측정하기 위해서 위치 센서가 바람직하게 상기 시스템에 추가된다. 본원에서 논의한 바와 같이, 하나 이상의 스핀들을 돌리고 환원 가스를 전진시키기 위해서, 스텝퍼 모터가 사용될 수 있다. 여기서, 플랫폼의 위치는, (예를 들어, 마지막 환원 물질의 재담지, 또는 담지 위치에 대해) 모터에 의해 수행되는 누적 회전(cumulative turn)의 트랙을 유지함으로써 결정될 수 있다.
열 저장 장치, 배기가스 및 가스 생성 반응기 중 열 전달/교환의 속도는 바람직하게는 하나 이상의 열 전달 유체의 유속에 의해 제어된다. 열 전달 유체의 유속은 밸브에 의해, 펌프(예를 들어, 기계적 펌프)에 의해, 또는 다른 일반적으로 공지된 엔진화 방법/장치에 의해 제어될 수 있다. 열 전달 유체의 유동은 바람직하게는 수압으로 제어된다. 제어기는 하나 이상의 구성요소의 온도를 기준으로, 엔진의 파워를 기준으로, 배기가스의 유동을 기준으로, 유체 스트림 내에 질소 옥사이드의 농도를 기준으로, 또는 이들의 임의의 조합을 기준으로 열 전달 유체의 유동을 제어할 수 있다. 이와 같이, 하나 이상의 온도 센서(예를 들어, 열전쌍)가 설치될 수 있다. 온도 센서는, (예를 들어, 수송(delivery) 라인에서, 반환 라인에서, 구성요소에서, 또는 이들의 임의의 조합에서의) 열 전달 유체, 열 저장 장치(예를 들어, 열 저장 장치 내 열 에너지 저장 물질), 가스 생성 반응기(예를 들어, 가스 생성 반응기 내 가열된 표면, 또는 가스 생성 반응기 내 환원 가스), 배기가스(예를 들어, 열 교환기에서), SCR 반응기, 폐기물 튜브, 캐리어 가스, 열 교환기, 또는 이들의 임의의 조합의 온도를 측정하기 위해서, 설치될 수 있다. 예를 들어, 온도 센서는 가스 생성 반응기의 온도를 측정하여 열 저장 장치와 반응기 사이에 수송될 필요가 있는 열의 속도 및/또는 열의 양을 측정하기 위해서 설치될 수 있다. 상기 제어기는, 열 전달 유체의 유동 방향, 열 전달 유체의 유로, 열 전달 유체의 유속, 또는 이들의 임의의 조합을 제어하기 위해서 사용될 수 있다. 예를 들어, 제어기는 (예를 들어, 폐기물 유체와 열적 연통되어 있는) 열 교환기와 열 저장 장치 사이의 열 전달 유체의 유동 및/또는 유속, 열 저장 장치와 가스 생성 반응기 사이의 열 전달 유체의 유동 및/또는 유속, 또는 둘다를 제어할 수 있다. 유동 제어기는, 충전 모드, 저장 모드(예를 들어, 열 저장 장치가 충전되어 있고 어떠한 열 전달 유체도 장치를 통해 유동하지 않을 때), 방출 모드, 이중 충전/방출 모드(예를 들어, 2개의 열 전달 유체의 유동을 포함함), 일체형 충전/방출 모드(예를 들어, 열 교환기, 열 저장 장치 및 가스 생성 반응기를 포함하는 회전 루프를 사용함), 또는 이들의 임의의 조합을 제어함으로써 작용할 수 있다.
제어기는 시스템에서 하나 이상의 위치에서 유체 유속을 모니터링할 수 있다. 제어기는, 시스템의 하나 이상의 온도를 모니터링하거나, 예정된 값에 대해 시스템의 온도를 비교하거나, 시스템의 상이한 온도에 대해 시스템의 온도를 비교하거나, 이들의 임의의 조합을 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 가스 생성 반응기의 온도가 예정된 온도 하한치 밑일 때, 열 저장 장치의 온도가 가스 생성 반응기의 온도보다 높을 때, 또는 바람직하게는 둘다일 때, 유체가 열 저장 장치를 통해 그다음 가스 생성 반응기를 통해 유동하도록 제어기가 상기 시스템을 제어할 수 있다. 상기 제어기는, 열 저장 장치의 온도가 예정된 상한치 온도 미만인 경우, 열 교환기의 온도(예를 들어, 열 교환기와 열적 연통되어 있는 배기가스의 온도)가 열 저장 장치의 온도보다 높은 경우, 또는 바람직하게 둘다인 경우, 열 전달 유체가 열 교환기와 열 저장 장치 사이에서 순환되도록, 상기 시스템을 제어할 수 있다. 상기 제어기는, 열 저장 장치의 온도가 예정된 상한치 온도보다 높은 경우, 열 교환기의 온도가 열 저장 장치의 온도보다 낮은 경우, 또는 둘다인 경우, 열 저장 장치와 열 교환기 사이의 열 전달 유체의 유동을 억제할 수 있다. 상기 제어기는, 열로부터 이득을 볼 수 있는 장치 또는 장치들에 유용한 열이 제공되도록 하나 이상의 유동을 제어함으로써 제어기가 작동할 수 있다. 상기 제어기는 그의 열 관리의 측면에서 유연성을 가질 수 있고, 상기 제어기는 예를 들어 하나 이상의 온도를 모니터링하고 하나 이상의 밸브들을 제어함으로써, 이러한 열 관리를 위한 제어를 제공할 수 있다.
열 저장 장치는 바람직하게는 하나 이상의 모드로 작동할 수 있다. 상기 열 저장 장치는, 저장된 열이 열 저장 장치로부터 제거되고 가스 생성 반응기로 수송되는, 방출 모드로 작동할 수 있다. 상기 방출 모드는 전형적으로, 환원 가스가 SCR 반응기를 위해 요구되는 경우, 및 배기가스의 온도가 열 저장 장치의 온도보다 낮은 경우, 사용된다. 방출 모드 동안, 열은 열 전달 유체를 사용하여 열 저장 장치로부터 유동될 수 있다. 열은, 가스 생성 반응기 내 고체 표면을 가열하기 위해 사용될 수 있다. 방출 모드 동안, 열 저장 장치의 온도는 감소할 수 있거나, 액체 상태인 열 에너지 저장 물질의 농도는 감소할 수 있거나 둘다일 수 있다. 예를 들어, 가스 생성 반응기로 수송되는 열의 일부 또는 전부는 잠열, 예를 들어 열 에너지 저장 물질을 고화시킴으로써 방출되는 잠열일 수 있다. 방출 모드 동안, 열 전달 유체는 방출 루프를 통해 순환하지만, 열 전달 유체는 전형적으로 충전 루프를 통해 순환하지 않는다.
열 저장 장치는 바람직하게는 하나 이상의 추가 모드, 예를 들어 충전 모드, 이중 충전/방출 모드, 바이패스 모드, 또는 이들의 임의의 조합으로 작동한다. 충전 모드 동안, 엔진의 작동에 의해 발생되는 열(예를 들어, 엔진에 의해 생성된 배기가스로부터의 열)은 열 저장 장치로 수송된다. 충전 모드 동안, 열 전달 유체는 충전 루프를 통해 순환하지만, 열 전달 유체는 전형적으로 방출 루프를 통해 순환하지 않는다(예를 들어, 어떠한 열도 가스 생성 반응기에 제공되지 않는다). 충전 모드는 열 저장 장치에 열을 저장하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 충전 모드는 열 저장 장치내 열 에너지 저장 물질의 온도를 증가시키는 단계, 액체 상태인 열 에너지 저장 물질의 농도를 증가시키는 단계, 또는 둘다를 포함할 수 있다. 배기가스의 온도(예를 들어, 열 교환기의 위치에서, 바람직하게는 SCR 반응기의 하류에 위치하는 열 교환기의 위치에서 배기가스의 온도)는 열 저장 장치의 온도보다 높다(예를 들어, 열 저장 장치 내 열 에너지 저장 물질의 온도보다 높다). 이중 방출/배출 모드 동안, 열 전달 유체는 방출 루프를 통해 순환하고 열 전달 유체는 충전 루프를 통해 순환한다. 이중 작동 모드는, 양쪽 폐열이 열 교환기를 사용하여 포획되고 열이 가스 생성 반응기에 제공된다는 점에서 특징화된다. 배기가스의 온도가 열 저장 장치의 온도보다 높은 경우(예를 들어, 열 저장 장치내 열 에너지 저장 물질의 온도보다 높은 경우), 이중 작동 모드가 사용될 수 있다. 열 저장 장치의 온도가 온도 상한치에 도달하거나 능가하는 경우, 이 방법은 가스 생성 반응기를 가열하기 위해서 충전 모드 또는 다르게는 바이패스 모드를 사용할 수 있다. 바이패스 모드는, (예를 들어, SCR 반응기의 하류의) 열 교환기와 가스 생성 반응기 사이로 열 전달 유체를 순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 바이패스 모드 동안, 열 전달 유체는 바람직하게는 열 저장 장치를 통해 순환하지 않는다.
폐기물 유체(예를 들어, 배기가스)(700)로부터 질소 옥사이드의 농도를 감소 또는 배제하기 위한 시스템(10)은, 도 1에서 도시한 바와 같이, 폐기물 파이프(710) 내부에 적어도 부분적으로 위치한 가스 생성 반응기(100)를 포함할 수 있거나, 도 2에서 도시한 바와 같이, 폐기물 파이프(710) 밖에 위치할 수도 있다. 도 1 및 2는, 상기 시스템에 포함될 수 있는 특징부를 도시한다. 가스 생성 반응기는 가스 생성 반응기(100)로 고체 또는 액체 환원 물질(902)을 수송하는 것 또는 수단들(110)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스 생성 반응기는 분사물(예를 들어, 미스트와 같은 액적의 분사물(920))로서 가스 생성 반응기(100)로 고체 또는 액체 환원 물질(902)을 전달하기 위한 스프레이 시스템(110)을 포함할 수 있다. 가스 생성 반응기는 전형적으로 고체 또는 액체 환원 물질(902)에 열을 제공하기 위해 하나 이상의 가열된 표면(650)을 포함한다. 가스 생성 반응기는 가스 생성 반응기(100)로부터의 열 손실, 예를 들어 반응기의 하나 이상의 벽들(122)을 통한 열 손실을 감소하거나 배제하기 위해서 하나 이상의 단열층(120)을 포함할 수 있다. 가스 생성 반응기(100)는 환원 가스가 생성되도록 충분히 높은 온도로 고체 또는 액체 환원 물질(902)을 가열할 수 있다. 일단 발생되면, 환원 가스는 가스 생성 반응기(100) 밖으로 및 배기가스의 유동(700)으로 유동한다. 예를 들어, 환원 가스는 가스 생성 반응기 내 하나 이상의 개구(182)(예를 들어, 배출구)를 통해 유동시킬 수 있고(180) 배기가스(700)와 조합될 수 있다. 환원 가스는, 도 2에서 도시된 바와 같이, 환원 가스 수송 라인(130)을 통해 유동시킬 수 있다(180).
가스 생성 반응기(100)는 고체 또는 액체 환원 물질에 열을 제공하기 위한 열 교환기(600)를 포함할 수 있다. 가스 생성 반응기(100)의 열 교환기(600)는, 열 전달 유체가 유동시킬 수 있는 하나 이상의 코일을 포함할 수 있다. 가스 생성 반응기(100)의 열 교환기(600)는, 열 저장 장치(300)로부터 열 교환기(600)로 열을 유동시킬 수 있는 방출 루프(610)을 사용하여 열 저장 장치(300)와 유체 연통될 수 있다. 열 전달 유체(622)의 순환 방향은 바람직하게는 결과적으로 연속적인 경로(예를 들어, 루프)를 형성한다. 방출 루프(610)는 열 전달 유체를 개별적으로 열 저장 장치(300) 안으로 및 밖으로 유동하기 위한 주입구(624) 및 배출구(626)를 포함할 수 있다. 방출 루프(610)는, 열 전달 유체를 열 저장 장치(300)로부터 가스 생성 반응기(100)로 유동하기 위한 수송 라인(612), 가스 생성 반응기(100)로부터의 열 전달 유체를 열 저장 장치(300)로 유동하기 위한 반환 라인(614), 또는 둘다를 포함할 수 있다. 방출 루프(610)는 열 전달 유체의 유동 및/또는 열 전달 유체의 유속을 제어하기 위한 유동 제어기(616), 예를 들어 펌프, 밸브 또는 기타 장치를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 하나 이상의 온도, 예를 들어 (예를 들어, 수송 라인(612), 반환 라인(614) 또는 둘다에서의) 열 전달 유체의 온도, 열 저장 장치(300)의 온도, 가스 생성 반응기(100)(예를 들어, 가스 생성 반응기(650)의 가열된 표면)의 온도, 또는 이들의 임의의 조합을 측정할 수 있는, 하나 이상의 온도 센서(628, 630)를 포함할 수 있다.
열 저장 장치(300)는 바람직하게는 열을 수용하고(예를 들어, 열을 흡수하고), 열을 저장하고, 열을 방출할 수 있다. 열 저장 장치는, 열을 수용하거나, 열을 방출하거나, 또는 둘다를 위한 하나의 유로(310)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열 저장 장치는 방출 루프(610) 및 충전 루프(510) 둘다를 통해 유동하는 하나의 유로를 포함할 수 있다. 열 저장 장치는, 예를 들어 도 1에서 도시한 바와 같이, 여러개의 유로들(310), 예를 들어 방출 루프(610)의 일부인 제 1 유로, 및 충전 루프(510)의 일부인 제 2 유로를 포함할 수 있다.
충전 루프(510)는 열원, 예를 들어 폐열의 공급원으로부터 열 저장 장치(300)로 열을 전달하기 위해서 사용될 수 있다. 예를 들어, 충전 루프는 배기가스(700)로부터의 열을 사용할 수 있다. 배기가스(700)가 열원으로서 사용되는 경우, SCR 반응기(200)의 하류의 위치에서 배기가스로부터 열을 바람직하게 제거한다. 배기가스(700)로부터의 열은 열 저장 장치(300)와 배기가스(700) 사이의 임의의 열적 연결부를 사용하여 배기가스로부터 제거될 수 있다. 예를 들어, 열 교환기(500)은 배기가스로부터 열을 제거하기 위해서 사용될 수 있다. 열 교환기(500)는 충전 루프를 통해 순환하는 열 전달 유체를 사용하여 열 저장 장치(300)와 열적 연통되는 파트일 수 있다. 충전 루프는 열원(예를 들어, 열 교환기(500)로부터) 열 저장 장치(300)로 열 전달 유체를 유동하기 위한 수송 라인(512), 열 저장 장치로부터 열원으로 열 전달 유체를 유동하기 위한 반환 라인(514), 또는 바람직하게는 둘다를 포함할 수 있다. 열 저장 장치는 열 전달 유체를 장치로 유동하기 위한 주입구(524), 및 상기 유체를 장치 밖으로 유동하기 위한 배출구(526)를 포함할 수 있다. 열 교환기는 열 전달 유체를 열 교환기쪽으로 및 열 교환기 밖으로 유동하기 위한 주입구(518) 및 배출구(520)를 각각 포함할 수 있다. 충전 루프(510)는, 열 전달 유체가 충전 루프를 통해 유동하는 경우 제어하기 위해 및/또는 열 전달 유체의 유속을 제어하기 위해 유동 제어기(516)를 포함할 수 있다. 유동 제어기는 펌프, 하나 이상의 밸브, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 충전 루프는 열 교환기, 열 전달 유체(예를 들어, 수송 라인 내, 반환 라인 내, 또는 둘다), 배기가스, 열 저장 장치, 또는 이들의 임의의 조합의 온도를 측정하기 위해 하나 이상의 온도 센서(528, 530)를 포함할 수 있다.
시스템은 바람직하게는 질소 옥사이드의 농도가 감소되도록 환원 가스와 질소 옥사이드를 촉매작용 반응할 수 있는 SCR 반응기(200)를 포함한다.
시스템은, 이후의 사용을 위해(예를 들어, 가스 생성 반응기(100)에서 환원 가스로 나중에 전환시키기 위해) 고체 또는 액체 환원 물질(900)을 저장하기 위한 하나 이상의 용기, 및/또는 가스 생성 반응기로 고체 또는 환원 물질(900)을 제공하기 위한 투여 시스템(910)을 포함할 수 있다. 용기(900)는 바람직하게는, 질소 옥사이드가 배기가스(700)로부터 약 1 시간 이상, 약 10 시간 이상, 약 50 시간 이상, 약 150 시간 이상, 또는 약 300 시간 이상 동안 제거될 수 있도록, 충분량의 고체 또는 액체 환원 물질을 저장할 수 있다. 투여 시스템(910)은 하나 이상의 펌프(912), 밸브, 공급 스크류, 또는 용기(900)로부터 가스 생성 반응기(100)로 고체 또는 액체 환원 물질을 계량하고/계량하거나 유동하기 위한 임의의 조합을 포함할 수 있다. 투여 시스템은, 상기 물질을 펌프(912)로 수송하기 위한 수송 라인(914)(예를 들어, 수송 튜브), 상기 물질을 펌프로부터 반응기(100)로 수송하기 위한 수송 라인(916)(예를 들어, 수송 튜브), 또는 둘다를 포함할 수 있다.
열 저장 장치(300)가 열을 가스 생성 반응기(100)에 제공하여 환원 가스가 발생하는 경우, 하류 배기가스(740)에서(즉, 배기가스가 SCR 반응기(200)를 통과한 이후)의 질소 옥사이드의 농도가 바람직하게는 상류의 배기가스(730)(즉, 배기가스가 환원 가스와 조합하기 전)의 질소 옥사이드의 농도보다 낮다. 배기가스(700)는 하나 이상의 폐기물 파이프(710), 배기가스가 환원 가스와 혼합하는 영역, SCR 반응기(200), 열 교환기(500) 또는 이들의 임의의 조합을 통해 유동시킬 수 있다.
가스 생성 반응기(100)는, 도 3a, 3b 및 3c에서 도시한 바와 같이, 고체 또는 액체 환원 물질(902) 및/또는 반응실(710) 또는 둘다를 가열하기 위해서, 가스 생성 반응기(100)로부터 폐기물 파이프(710)로 환원 가스를 수송하기 위한 캐리어 가스를 사용할 수 있다. 상기 시스템은 캐리어 가스를 가스 생성 반응기(100)(예를 들어, 열 교환기(600) 및/또는 반응실)에 제공하기 위한 캐리어 가스 라인(140)을 포함할 수 있다. 도 3a 및 도 3b에서 도시하는 바와 같이, 캐리어 가스의 일부 또는 전부가 배기가스로부터 수득될 수 있거나, 도 3c에서 도시한 바와 같이, 캐리어 가스는 배기가스(예를 들어, 공기) 이외의 공급원으로부터 수득될 수 있다. 배기가스가 캐리어 가스로서 사용되는 경우, 열 저장 장치로부터의 열이 모든 배기가스를 가열하기 위해서 요구되지 않도록, 바람직하게는 배기가스의 단지 일부(예를 들어, 소량, 예를 들어 30% 미만, 10% 미만, 3% 미만)가 캐리어 가스 수송 라인(140)을 통해 유동시킬 수 있다. 캐리어 가스 라인(140)은 폐기물 파이프(710)와의 유체 연결부일 수 있다. 캐리어 가스 라인(140)은 블로워(150) 또는 시스템으로 공기를 도입하기 위한 기타 장치와의 유체 연결부일 수 있다. 상기 시스템은 캐리어 가스의 유동을 제어하기 위한 하나 이상의 캐리어 가스 유동 조절기(170) 및/또는 하나 이상의 팬 또는 블로워(150)를 포함할 수 있다. 캐리어 가스(190)의 유동은 캐리어 가스의 공급원으로부터, 가스 생성 반응기를 통해, 폐기물 시스템으로 진행할 수 있으며, 상기 폐기물 시스템에서 캐리어 가스는 SCR 반응기(200)의 상류에서 배기가스(예를 들어, 가스 생성 반응기를 통해 유동하지 않은 배기가스의 일부)와 조합된다.
캐리어 가스가 찬 경우(예를 들어, 가스 생성 반응기의 하한치 작동 온도 미만인 경우), 열 저장 장치(300)로부터의 열, 예를 들어 가스 생성 반응기(100)의 열 교환기(600)로 수송된 열을 사용하여(예를 들어, 방출 루프(610)에서 순환하는 열 전달 유체를 사용하여) 캐리어 가스가 가열될 수 있다. 가스 생성 반응기(100)의 열 교환기(600)는, 예를 들어 도 3a에서 도시하는 바와 같이, 반응실(160)의 내부(예를 들어, 환원 가스가 생성됨)일 수 있다. 가스 생성 반응기의 열 교환기(600)는, 도 3b 및 3c에서 도시한 바와 같이, 반응실(160)의 밖에 위치할 수 있다. 예를 들어, 캐리어 가스는, 먼저 열 교환기(600)를 통해 유동시킬 수 있어, 캐리어 가스의 온도가 증가하고 그다음 캐리어 가스가 반응실(160)로 유동시킬 수 있으며, 반응실(160)에서 캐리어 가스의 열이 고체 또는 액체 환원 물질을 가열하기 위해서 사용될 수 있다.
배기가스가 캐리어 가스로서 사용되는 경우, 캐리어 가스 및/또는 고체 또는 액체 환원 물질을 가열하기 위해서 방출 루프가 요구되지 않는 시간이 있을 수 있다. 예를 들어, 배기가스가 충분히 뜨거운 경우(예를 들어, 엔진이 일반적으로 높은 파워로 작동하는 경우), 가스 생성 반응기(100)는 열 저장 장치(300)로부터 열을 제공받지 않으면서 작동할 수 있다.
도 3a, 3b 및 3c가 열 저장 장치(300)로 열을 제공하기 위한 개별적인 충전 루프를 나타내지는 않지만, 캐리어 가스의 온도가 열 저장 장치를 충전하기 위해 및 환원 가스를 생성하기 위해 충분히 높은 경우, 이러한 루프가 포함될 수 있거나 상기 시스템이 가스 생성 반응기(100)의 열 교환기(600)와 열 저장 장치(300) 사이의 유체 연결부(예를 들어, 방출 루프)를 사용할 수 있다.
도 1에서 도시한 바와 같이, 캐리어 가스를 가열하기 위해 따라서 고체 또는 액체 환원 물질을 가열하기 위해 보다 많은 열을 제공하기 위해 열이 요구되지 않는 경우, 환원 가스는 캐리어 가스를 요구하지 않으면서, 가스 생성 반응기를 배출할 수 있다.
가스 생성 반응기(100)는, 도 4a에서 도시하는 바와 같이, 폐기물 파이프(710)의 내부에 또는, 배기가스(700)의 일부 또는 전부가 유동하는 기타 구성요소(720) 내부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 가스 생성 반응기는 열 저장 장치(300)(도시하지 않음)로의 유체 연결부(예를 들어 방출 루프(610))를 갖는 관형 반응기(118)일 수 있다. 유체 연결부는 열 전달 유체를 유동(622)하기 위한, 수송 라인(612) 및 반환 라인(614)을 포함할 수 있다. 수송 라인(612) 및 반환 라인(614)은, 가스 생성 반응기(100) 내부에 위치한 열 교환기(600)에 연결될 수 있다.
도 4b는 도 4a의 가스 생성 반응기의 특징부를 도시하는 단면도이다. 배기가스의 일부를 가스 생성 반응기(100)를 통해 유동하는 캐리어 가스(190)로서 사용할 수 있다. 캐리어 가스는 열 교환기(600)를 통해 유동시킬 수 있다. 가열된 캐리어 가스는 액체 환원 물질의 분사물(116)과 접촉하여 환원 가스를 발생하기 충분하도록 상기 물질을 가열할 수 있다. 환원 가스는 캐리어 가스(190)의 유동과 함께 가스 생성 반응기 밖으로 유동(180)할 수 있다. 캐리어 가스(190) 및 환원 가스(180)의 유동은 SCR의 반응기의 상류 위치에서 배기가스의 나머지와 조합되어, 조합된 유동물이 배기가스내 질소 옥사이드를 환원시키기 위해 충분량의 환원 가스를 포함할 수 있다.
캐리어 가스로 수송되는 열의 양이 증가되도록, 캐리어 가스의 유속이 감소되도록, 또는 둘다를 위해, 열 교환기를 통한 캐리어 가스의 유동이 구불구불할 수 있다. 예를 들어, 캐리어 가스는 나선형 경로, 예를 들어 감긴 열 전달 튜브(642)의 바깥쪽에 의해 정의된 나선형 경로로 유동시킬 수 있다. 열 전달 유체(644)는, 도 4b에서 도시하는 바와 같이, 반응기를 통해 나선형 경로(622)를 통해 유동시킬 수 있다. 캐리어 가스는, 예를 들어 캐리어 가스의 유동을 변형할 수 있는 차단막 구조물(646)의 사용에 의해, 일부 또는 모든 가스 생성 반응기(100)(예를 들어, 열 교환기(600)를 통해) 직선 경로로 유동하는 것을 막을 수 있다. 열 전달 튜브(642), 차단막 구조물(646), 및 관형 반응기(118)의 크기는, 열 전달 튜브(642)와 관형 반응기(118) 사이의 캐리어 가스의 유동이 감소되거나 최소화되도록, 또는 열 전달 튜브(642)와 차단막 구조물(646) 사이의 캐리어 가스의 유동이 감소되거나 최소화되도록, 또는 둘다이도록, 선택될 수 있다.
시스템은, 도 5a 및 도 5b에서 도시하는 바와 같이, 하나 이상의 열 전달 유체의 유동을 제어하기 위한 제어기(400)를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 제어기와 하나 이상의 온도 센서(410) 사이의 연결부를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 제어기와 하나 이상의 밸브(420) 사이에 연결부를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 제어기와 하나 이상의 펌프(430) 사이에 연결부를 포함할 수 있다. 제어기(400)은 충전 루프, 방출 루프, 캐리어 가스 유동, 투여 시스템, 또는 이들의 임의의 조합을 제어할 수 있다.
도 5a 및 도 5b에서 도시하는 바와 같이, 방출 루프는 하나 이상의 다른 루프들(예를 들어, 방출 루프)을 사용하여, 열 전달 유체를 수송하기 위한 하나 이상의 라인을 공유할 수 있다. 도 5a에서, 열 전달 유체가 방출 루프를 통해 순환하여, 열 저장 장치(300)에 저장된 열이 가스 생성 반응기(100)로 수송되도록, 밸브(634)가 배치된다. 도 5b에서, 열 전달 유체는 일체형 충전/방출 루프를 통해 순환하되 여기서 열 전달 유체가 배기가스(700)에 의해 가열되고, 그다음 상기 열의 일부가 열 저장 장치로 수송되고 상기 열의 일부가 가스 생성 반응기를 가열하기 위해서 사용되도록, 밸브(634)가 위치한다. 도 5a에서 도시한 바와 같이, 열 저장 장치는 열 저장 장치를 충전 및 방출하기 위해 열 저장 장치를 통한 단일 경로를 사용할 수 있다.
도 6은 저장된 열을 사용하여 고체 환원 물질(902)을 가열하기 위한 시스템의 일부 주요 구성요소를 도시한 개략도이다. 도 6에서 도시한 바와 같이, 열은, 열 에너지 저장 물질(320)(예를 들어, 상 변화 물질)을 함유하는 열 저장 장치(300)에 저장될 수 있다. 열 저장 장치는, 배기가스(700), 예를 들어 열 교환기(500)를 통해 폐열을 포획(예를 들어, 흡수)할 수 있다. 열 저장 장치(300)는 추가 사용을 위한 폐열을 저장할 수 있다. 예를 들어, 열 저장 장치(300)는, 바람직하게는 요구에 따라, 저장된 열의 일부 또는 전부를, 고체 환원 물질(902)을 함유하는 가스 생성 반응기로 방출하여, 환원제 가스를 생성할 수 있다.
도 6에 도시한 전체 시스템은, 배기가스(700), 배기가스 열 교환기(500)로부터의 열을 열 저장 장치(300)로 수송하기 위한 구성요소(512, 514), 및 열 저장 장치(300)로부터의 저장된 열을 가스 생성 반응기(100)로 수송하기 위한 구성요소(612, 614)와 열적 연통되어 있는 열 교환기(500)를 포함할 수 있다. 열 전달 공정은, (예를 들어, 모세관 펌핑 루프, 열 사이펀 기작 등을 사용하여) HTF에서의 액체-가스 상 전이로 인하여 자가 펌핑되거나 기계적으로 펌핑되는 열 전달 유체에 기반을 둘 수 있다. 열 저장 장치, 열원(배기가스), 및 열 흡수원(환원 가스 생성 반응기) 중 열 교환 속도는, HTF의 유속에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 이러한 열 교환은, 밸브 또는 기계적 펌프에 의해 수압으로 제어될 수 있다. 고체 환원 물질(902)는 용기(900)에 저장될 수 있다. 가스 생성 반응기는 판(102) 또는 가스 생성 반응기(100)로부터 용기(900)를 일반적으로 분리하기 위한 기타 구조를 포함할 수 있다. 판(102)은 금속판 또는 가열될 수 있는 다른 판일 수 있다. 판(102)은, 환원 물질 또는 환원 가스가 용기(900)로부터 가스 생성 반응기(100)로 유동시킬 수 있도록, 개구를 가질 수 있다. 고체 환원 물질(902)은 판(102)(예를 들어, 가열된 판)과 또다른 마주보는 판 또는 구조물(예를 들어, 상판)(940) 사이에 위치할 수 있다. 상기 시스템은 가열된 판(102)을 향해 마주보는 판을 가압하여 마주보는 판(940)이 일반적으로 고체 환원 물질(902)을 가열된 판(102)의 표면을 향하게 하도록 하는 하나 이상의 특징부를 포함할 수 있다. 가열된 판은 가스 생성 반응기의 가열된 표면(650)일 수 있고/있거나 가스 생성 반응기의 하나 이상의 다른 가열된 표면과 접촉할 수 있다.
도 7은 도 6의 가스 생성 반응기(100)와 용기(900)의 특징부를 도시한다. 가스 생성 반응기(100)는 열 교환기(600), 예를 들어, 열 전달 유체(644)를 수송할 수 있는 튜브(642)를 포함하는 열 교환기를 포함할 수 있다. 열 전달 유체(642)로부터의 열이 튜브(644)로 유동시킬 수 있다. 상기 튜브(644)는, 판이 가열되도록, 판(102)과 열적으로 접촉될 수 있다. 열 유동(112)은 열 전달 유체로부터 튜브로의 열 유동, 튜브로부터 판으로의 열 유동, 판을 따라 흐르는 열 유동, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 고체 환원 물질은 가열된 표면(650), 예를 들어 판(102)의 가열된 표면, 튜브(642)의 가열된 표면, 또는 둘다와 접촉할 수 있다. 튜브(642)는, 이것이 고체 환원 물질(902)이 튜브(642)를 통과하지 못하도록 100% 차단하도록, 배치될 수 있다. 실로, 고체 환원 물질이 가스 생성 반응기의 영역에 도입(920)됨에 따라, 환원 가스가 생성되고 튜브(644)를 지나 유동하도록(104), 고체 환원 물질이 가열된 표면(650)에 의해 가열된다.
본원에서 기술된 다양한 특징부, 예를 들어 도면에서 도시한 특징부들이 조합될 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 도시한 바와 같은, 제어기는 임의의 다른 특징부에서 도시한 예시적인 시스템과 함께 사용될 수 있다. 추가로, 본 발명은 추가적인 요소/구성요소/단계들과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 시스템은 배기가스 폐열로부터 포획된 열의 일부를 유용한 기계적 또는 전기적 작업으로 전환하고 따라서 상기 엔진의 전체 효율을 개선시키기 위해 터빈을 포함할 수 있다.
열 저장 장치는 가스 생성 반응기 이외에 하나 이상의 구성요소를 가열하기 위해 추가로 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들어, 열 저장 장치는 추가로 엔진 오일(예를 들어, 엔진 오일의 저장소)을 위해, 승객실의 난방을 위해, 촉매작용 전환기의 가열을 위해, 차량 배출물, 와이퍼액을 포함하는 저장소, 창의 성에 제거를 위한 공기 스트림을 가열하기 위해, 또는 이들의 임의의 조합을 위해 열을 추가로 제공할 수 있다.
본 발명은 다양한 변형 및 개조 형태를 허용할 수 있지만, 앞에서 논의된 예시적인 실시양태가 예로서 제공되어 왔다. 그러나, 본 발명은 본원에서 개시된 구체적인 실시양태로 제한하고자 하는 것이 아님이 이해되어야만 한다. 실로, 본 발명의 기법은 첨부된 특허청구범위에 의해 정의되는 바와 같은 발명의 진의 및 범주에 속하는 모든 변형, 동등물, 및 개조물을 포괄하고자 한다.

Claims (20)

  1. i. 고체 또는 액체 환원 물질의 공급원(supply)을 함유하기 위한 용기로서, 상기 환원 물질을 용기로부터 제거할 수 있도록 하나 이상의 배출구를 갖는, 용기;
    ii. 상기 고체 또는 액체 환원 물질의 적어도 일부를 암모니아 및 이산화탄소로 전환시키기 위한 가스 생성 반응기로서, 상기 용기의 하나 이상의 배출구와 유체 연통되어 있는, 가스 생성 반응기; 및
    iii. 상기 가스 생성 반응기 및/또는 상기 용기의 하나 이상의 배출구의 영역과 열적 연통되어 있는 열 저장 장치로서, 하나 이상의 열 에너지 저장 물질을 충분량으로 포함하여, 열 저장 장치가 상기 가스 생성 반응기의 적어도 고체 표면 및/또는 상기 용기의 적어도 하나 이상의 배출구를, 암모니아 및/또는 이산화탄소를 생성하기에 충분한 온도까지 가열할 수 있는, 열 저장 장치
    를 포함하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 저장 장치와 상기 가스 생성 반응기 및/또는 상기 용기의 하나 이상의 배출구의 영역과의 열적 연통부가, 열이 상기 열 저장 장치로부터 제거되어 상기 가스 생성 반응기 및/또는 상기 용기의 하나 이상의 배출구의 영역으로 전달될 수 있도록 열 전달 유체를 순환시킬 수 있는 하나 이상의 경로를 포함하는, 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 시스템이, 열 에너지를, 연소 엔진의 폐기물로부터
    i) 상기 폐기물과 상기 열 저장 장치 사이에서 열적 연통되어 있는 열 파이프;
    ii) 상기 폐기물과 상기 열 저장 장치 사이에서 열적 연통되어 있고 열 전달 유체를 유동시킬 수 있는 루프; 또는
    iii) 상기 열 저장 장치를 통과하는 폐기물의 적어도 일부의 유동(flow)
    중 하나 또는 임의의 조합을 포함하는 열 저장 장치로 수송하기 위한 하나 이상의 경로를 포함하는, 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 에너지 저장 물질의 액체화 온도가 약 150℃ 이상이고;
    상기 열 저장 장치가 적어도 상기 가스 생성 반응기의 고체 표면 및/또는 상기 용기의 적어도 하나 이상의 배출구를 약 200℃ 이상으로 가열할 수 있도록 충분량의 열 에너지 저장 물질을 포함하는, 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 또는 액체 환원 물질이 액체이고, 상기 가스 생성 반응기가 고체 또는 액체 환원 물질을 가스 생성 반응기에 분사하기 위한 분사기를 포함하는, 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 또는 액체 환원 물질이 고체이고, 상기 열 저장 장치가 상기 용기의 하나 이상의 배출구와 열적 연통되어 있어서 상기 고체 또는 액체 환원 물질이 상기 가스 생성 반응기에 도입되기 전에 200℃ 이상의 온도까지 가열될 수 있는, 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 생성 반응기가 열 전달 유체로부터의 열을 가스 생성 반응기의 고체 표면으로 수송하기 위한 열 교환기를 포함하는, 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    배기가스의 일부가 캐리어 가스로서 사용될 수 있도록 상기 가스 생성 반응기가 배기가스의 일부를 수용하기 위한 배기가스 주입구를 포함하고,
    상기 캐리어 가스가 고체 또는 액체 환원 물질과 접촉하기 이전에 약 200℃ 초과의 온도를 갖는 가스 생성 반응기의 고체 표면을 통과하여 환원 물질 및/또는 이로부터의 반응 생성물을 가열 및 전달하도록 상기 배기가스 주입구가 배열되어 있는, 시스템.
  9. 저장된 폐열을 사용하여 차량 암모니아-생성 반응기의 고체 표면 온도를 200℃ 초과로 유지하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 고체 표면 온도를 유지하는 단계가 열 저장 장치를 적어도 부분적으로 방출(discharge)하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    저장된 폐열이 열 저장 장치에 저장되고,
    상기 열 저장 장치가 약 150℃ 이상의 액체화 온도를 갖는 열 에너지 저장 물질을 포함하고,
    상기 방법이, 상기 열 에너지 저장 물질의 온도가 증가하고/증가하거나 액체 상태인 열 에너지 저장 물질의 농도가 증가하도록, 내연소 엔진의 폐기물로부터의 열을 사용하여 상기 열 저장 장치를 적어도 부분적으로 충전하는 단계를 포함하고,
    상기 충전 및 방출 단계가 비동기적인(asynchronous), 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 부분적으로 방출하는 단계가, 열 파이프 또는 유체 루프를 사용하여, 암모니아-생성 반응기 및/또는 암모니아-생성 반응기와 열적 연통되어 있는 구성요소와 열 저장 장치 사이에 제 1 열 전달 유체를 순환시킴을 포함하고,
    상기 열 저장 장치를 적어도 부분적으로 충전하는 단계가, 열 파이프 또는 유체 루프를 사용하여, 내연소 엔진의 폐기물 및/또는 상기 폐기물과 열적 연통되어 있는 구성요소와 열 저장 장치 사이에 제 2 열 전달 유체를 순환시킴을 포함하는, 방법.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법이,
    암모니아가 생성되도록 충분히 높은 온도까지 우레아를 가열시키는 열 분해 단계;
    암모니아 및 이산화탄소가 생성되도록 충분히 높은 온도에서의 가수분해 단계; 및
    N2가 생성되도록, 촉매의 존재하에 암모니아와 NO 및/또는 NO2 분자, 및 선택적으로 O2를 반응시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  14. 고체 또는 액체 환원 물질의 공급 분량을 가스 생성 반응기에 공급하는 단계; 및
    상기 고체 또는 액체 환원 물질의 공급 분량을, 열 저장 장치에 저장된 열을 사용하여, 열 분해 및/또는 가수분해가 발생되기에 충분히 높은 온도까지 가열하는 단계
    를 포함하는 방법으로서,
    상기 고체 또는 액체 환원 물질이 상기 고체 또는 액체 환원 물질의 총 중량을 기준으로 약 50중량% 이상의 우레아의 농도를 갖고,
    상기 열 저장 장치가, 열 에너지 저장 물질로부터의 현열 및/또는 잠열을 사용하여 우레아-함유 물질이 가열될 수 있도록 충분히 높은 액체화 온도를 갖는 열 에너지 저장 물질을 포함하는, 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 열 에너지 저장 물질의 액체화 온도가 약 150℃ 내지 약 450℃인, 방법.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 고체 또는 액체 환원 물질이 우레아-함유 물질이고,
    상기 방법이,
    우레아-함유 물질을 반응시켜 암모니아를 생성하는 단계;
    상기 암모니아를, 내연소 엔진 중의 하나 이상의 질소 옥사이드 함유 배기가스에 첨가하는 단계; 및
    배기가스 내 질소 옥사이드의 농도가 감소되도록, 상기 암모니아를, 질소 옥사이드와 촉매작용(catalytically) 반응하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    물을 증발시키는데 낭비되는 열 에너지의 양이 감소되도록, 상기 고체 또는 액체 환원 물질이 40중량% 미만의 물을 포함하는, 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 고체 또는 액체 환원 물질이 우레아-함유 물질이고, 상기 우레아-함유 물질이, 우레아-함유 물질의 총 중량을 기준으로 약 15 내지 약 30중량%의 물을 포함하는, 방법.
  19. 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 또는 액체 환원 물질이 우레아-함유 물질이고, 상기 우레아-함유 물질이 고체 물질로서 저장소에 저장되고;
    상기 방법이, 우레아-함유 물질의 공급 분량이 약 200℃ 이상의 온도를 갖는 고체 표면과 접촉하도록 고체 우레아-함유 물질의 공급 분량을 수송함을 포함하는, 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 우레아-함유 물질을 수송하는 단계가, 상기 저장소로부터 우레아-함유 물질이 진행되도록 스크류를 회전시키는 단계를 포함하고;
    상기 스크류가,
    i) 저장소로부터 우레아-함유 물질에 힘을 가하는 판 또는 플러저를 진행시키는 배치 스크류(positioning screw); 또는
    ii) 공급물 튜브 내부에 배치된 수송 스크류(상기 우레아-함유 물질은 상기 수송 스크류의 회전 동안 공급물 튜브를 따라 진행된다)인, 방법.
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