KR20180018811A - 이동 오염원의 내연 기관으로부터 co2 포획 및 화력 생산 사이클에서 사용을 위한 통합 공정 - Google Patents
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Abstract
차량의 온 보드에서 액체 흡착제로 CO2의 적어도 일부를 포획하는 단계, 상기 흡착제로부터 CO2를 회수하는 단계 및 차량의 온 보드에서 임시 저장을 위해 CO2를 압축하는 단계에 의해, 차량에 동력을 공급하는데 사용되는 내연 기관 (ICE)에서 탄화수소 연료의 연소에 의해 생성된 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정으로서, 상기 공정은 반-폐쇄 시스템으로 작동되고, 여기서, CO2를 포획하는 액체 흡착제는 작동 유체로서 역할을 하고, 및 발전 사이클 동안 CO2를 보유하여, 기계적 에너지 또는 기계적 일을 생성하고, 그 후에 CO2는 본질적으로 순수한 가스 스트림으로서 치밀화 및 회수를 위해 탈착되며, 및 상기 작동 유체는 공정에서 사용하기 위해 재순환된다.
Description
본 발명은 대기로 이산화탄소 배출을 감소시키기 위해 내연 기관의 배기가스 스트림으로부터 이산화탄소 포획 및 에너지 회수에 관한 것이다.
현재 인정된 견해는, 지구 온난화가 이산화탄소 (CO2)와 메탄 (CH4)과 같은 온실 가스의 배출에 기인한다는 점이다. 인위적으로-발생된 전 세계 CO2 배출량의 약 4분의 1은, 현재 이동 오염원 (mobile sources), 즉 내연 기관 (ICE)으로 구동되는 자동차, 트럭, 버스 및 열차에서 나오는 것으로 추정된다. 이 기여율은 개발도상국에서의 자동차 및 트럭 소유에 대하여 예상된 급증으로 당분간 빠르게 성장할 것이다. 현재, 운송 부문은 원유의 주요 시장이며, 및 CO2 배출의 조절은, 대체 기술, 예를 들어, 전동기 및 축전지에 의해 구동되는 자동차로 인한 도전에 직면하여 운송 부문에서 원유 시장의 상업적 실행 가능성을 유지하기 위해 환경적으로 책임 있고 및 바람직한 목표이다.
이동 오염원 유래의 이산화탄소 관리는, 공간 및 중량 제한, 규모의 경제를 달성에 대한 불능 및 이동 오염원에 동력을 공급하는 ICE의 작동의 동적 성질 (dynamic nature)을 포함하는 많은 문제를 야기한다.
연소 가스로부터 CO2를 포획하기 위한 종래의 방법은, 발전소와 같은, 고정 오염원 (stationary sources)에 주로 집중되었다. 공정은, 실온으로부터 약 80℃까지의 온도 범위에서 CO2를 흡수하는, 예를 들어, 아민 및 아민-관능화된 (amine-functionalized) 액체 및 용액을 사용하는 것으로 개발되어 왔다. 100℃ 이상의 온도, 특히 ICE로 구동되는 차량에서 맞닥뜨리는 약 130℃ 내지 600℃의 범위에서, 아민은 CO2 흡수에 대해 저용량을 나타낸다. 따라서, 고온의 ICE 배기가스는, 액체 아민 용액으로 CO2를 제거하기 위한 직접적인 처리를 비현실적으로 만든다.
수성 암모니아는 또한 발전소에서 이산화탄소뿐만 아니라, SOx 및 NOx 화합물을 포획하는데 사용되어 왔다. 흡수 공정은, 상대적으로 낮은 온도에서 수행되어야만 효과적이어서, 용액은 반드시, 예를 들어, 약 27℃로 냉각되어야 한다. 소위 냉각 암모니아 공정 (chilled ammonia process)은, 국제 특허출원 WO 2006/022885호 (2006)에 기재되어 있으며, 이의 전체적인 개시는, 참조로 여기에 혼입된다.
열 에너지를 유용한 기계적 동력으로 전환하기 위한 발전 설비와 같은 고정 또는 설비된 오염원에 사용되는 허용된 종래의 열역학 공정은, 칼리나 사이클 (Kalina Cycle)이다. 칼리나 사이클은 연료 공급원으로부터 회수된 에너지의 전체 효율을 증가시키기 위해 구현될 수 있다. 상기 공정은, 암모니아-물 혼합물을 작동 유체 (working fluid)로 활용하여 시스템 효율을 개선하고, 및 주기적인 피크 에너지 수요 기간을 갖는 변하는 작동 조건하에서 더 많은 유연성을 제공하는, 폐쇄 시스템 (closed system)이다. 칼리나 사이클은, 랭킨 사이클 (Rankine Cycle) 시스템과 비교하여 부가 중량 (added weight) 및 관련 자본 비용으로 인해 분리된 기계 에너지/일 생성 시스템으로 이동 오염원의 온 보드 (on board)에서 사용하는데 적절하지 않다.
역사적으로, 이동 오염원 유래의 CO2의 포획은, 일반적으로 분산 시스템 및 역 규모의 경제 (reverse economy of scale)를 포함하기 때문에, 너무 비싼 것으로 여겨져 왔다. 이 문제에 대한 해법은, 온-보드 차량 공간 제한, 부가적인 에너지 및 장치 요건 및 차량의 작동 주기의 동적 성질, 예를 들어, 급격한 가속 및 감속의 간헐적인 주기의 실제 고려사항을 고려해야만 한다.
이동 오염원 유래의 CO2 배출을 감소시키는 문제를 다루는 몇몇 종래의 방법은, CO2 포획제 (capture agent)의 재생 및 재사용에 적용될 수 있고, 및 다양한 온-보드 공급원으로부터 회수된 폐열의 사용을 만들 수 있는 흡착제 물질 (sorbent materials)을 사용한다. 오직 산소를 사용하는 고정 오염원과 함께 사용된 산소-연소 공정은, 배기가스에서 CO2를 분리하는 것보다 더 에너지 집약적이고, 및 차량의 온 보드에서 시도된다면 더 문제가 될 수 있는, 산소-질소 분리 단계를 요구한다.
본 발명을 설명하는 목적을 위해, "이동 오염원"은, CO2를 함유하는 고온 배기가스 스트림을 생성하는 하나 이상의 내연 또는 외연 기관에 의해 동력을 공급받는, 상품 및/또는 사람을 수송하는데 사용될 수 있는 매우 다양한 알려진 수송 기관들 중 어느 하나를 의미한다. 이것은 열차 및 선박뿐만 아니라, 육상 여행을 하는 모든 종류의 차량을 포함하고, 여기서 연소로 인한 배기가스는, 대기로 방출되기 전에 함유 도관 (containing conduit)으로 방출된다.
여기에 사용된 바와 같은, 용어 "폐열"은, 고온 배기가스 (~300℃ 내지 650℃) 및 고온 냉각수 (~90℃ 내지 120℃)에 주로 함유된 통상적인 내연 기관 (ICE)이 생성하는, 열이다. 부가적인 열은, 엔진 블록 (engine block) 및 이의 관련 구성요소, 및 매니폴드, 파이프, 촉매 변환기 및 머플러를 포함하는, 배기가스가 통과하는 기타 구성요소의 대류 및 방사에 의해 방출되고 손실된다. 이 열 에너지는, 통상적인 탄화수소 (HC) 연료가 연소시 생성되는 에너지의 약 60%에 이른다.
여기서 사용된 바와 같은, 용어 "내부 열 교환기"는, 각각의 가열 및 냉각 유체가 이동 오염원에서 기원하는 열 교환기를 의미한다.
여기서 사용된 바와 같은, "고정 오염원"은, 탄소-함유 연료를 태우고 및 열, 일, 전기 또는 이들의 조합을 생성하기 위해 CO2를 방출하며, 및 물리적으로 고정된, 매우 다양한 알려진 산업 시스템 및 공정들 중 어느 하나를 의미한다.
여기에 사용된 바와 같은, 용어 "희박 로딩 (lean loading)"은 CO2 스트리퍼 (stripper)의 버텀에서 나오는 희박 흡착/흡수 용액 내에 잔류하는 CO2의 양을 의미한다. 현장에서 확립된 용법에 따르면, 로딩은, 흡착 또는 상대 흡수에 의해 CO2를 포획하는 아민 그룹 또는 기타 화합물의 몰당 CO2의 몰로서 정의된다. 여기에 사용된 바와 같은, 용어 "CO2-풍부 용액" 및 "CO2-희박 용액"은, "풍부하게 로딩된 CO2 용액" 및 "희박하게 로딩된 CO2 용액"과 동의어이다.
ICE에서 탄화수소 연료의 연소로부터 회수된 에너지의 효율을 개선하는 문제는, 엔진 냉각수, 배기가스 스트림 및 엔진 블록, 매니폴드 및 기타 금속 부품에 존재하는 폐열을 이용하여 해결되었다.
에너지 회수 시스템의 혼입은, 공간, 부가 중량 및 특정 자본 지출을 요구한다. 그러나, 이 투자는, 에너지 회수 시스템이 기계적 동력으로 연료 전환의 전체 효율을 개선하면서, 대기로의 CO2 배출을 감소시키고, 및 이것이 연료 소비를 실질적으로 증가시키지 않는다면, 가치가 있을 수 있다.
CFC (chlorofluorocarbon) 냉매의 사용 전에, 에어컨 시스템에서 비-독성 및 비-가연성 냉매 가스로서 CO2를 사용하는 것은 오랫동안 관행이었다. 이것은, 차량의 온 보드에 사용하기 위한 부가적인 동력을 발생시키기 위해 차량의 고온의 배기가스 스트림 유래의 열을 활용하여, 역으로 에어컨 시스템을 작동하도록 차량 효율을 개선시키기 위하여 좀 더 최근에 제안되었다. 예를 들어, Chen et al., Theoretical Research of Carbon Dioxide Power Cycle Application in Automobile Industry to Reduce Vehicle's Fuel Consumption, Applied Thermal Engineering 25 (2005) 2041-2053, 참조. 고려된 시스템은, 폐쇄 시스템이며, 및 CO2의 임계 압력의 중간 값을 기초로 한다. 환경으로 CO2 배출을 감소시키기 위해 배기가스 스트림 유래의 CO2를 포획 및 회수하지 않는다.
작동 유체로서 초임계 CO2 (ScCO2)를 사용하는 폐쇄 루프 시스템 (closed loop system)에서 고정 오염원에 의해 생성된 연도 가스 유래의 폐열을 사용하는, 소위 발전용 열 엔진은 기재되었다. Persichilli et al., Transforming Waste Heat to Power Through Development of a CO2-Based Power Cycle, Electric Power Expo 2011 (May 2011) Rosemont, IL., 참조. ScCO2는, 고온 연도 스택 가스 (flue stack gases)와 열 교환이 일어나고, 그 다음 터빈을 통하며, 여기서 폐열은 전기를 생산하기 위해 기계적인 축일 (shaft work)로 전환된다. 복열장치 (recuperator)는, 잔여 열의 일부를 회수하고, 및 나머지는 수냉식 또는 공냉식 응축기를 통해 시스템으로부터 방출되며, 이로부터 CO2는 펌프 주입구로 통과를 위해 과냉 액체 (subcooled liquid)로서 빠져나간다. 다시 말하면, 이 폐쇄 시스템은, 관련 시스템의 전체 효율을 개선하기 위해 산업용 열원과의 통합 사용을 위해 조정된다. 이것은, 배기가스로 대기로의 CO2의 배출을 직접적으로 감소시키기 위한 목적을 위해 CO2를 포획하지 않는다.
CO2 배출을 감소시키기 위해 이동 오염원의 온 보드에 CO2 포획 시스템의 혼입은, 중량, 에너지 소비, 자본 지출 및 유지비를 부가한다. 문제는 제조의 허용 가능하고 경쟁력 있는 비용으로 작동하고 유지하기 쉬운 소형 시스템 (compact system)을 제공하는 데 있다.
본 발명에 의해 다루어지는 또 다른 문제는, 온-보드 저장을 위해 CO2를 압축하고, 연관된 시스템을 작동하며, 및 이동 오염원 부속품에 동력을 공급하는데 필요한 전기 및/또는 기계적 에너지를 생산하기 위해, 어떻게 에너지 회수 및 전환 시스템과 조합하여 효과적이고 효율적인 CO2 포획 시스템을 제공하는 데 있다.
관련 문제는, 전체 효율을 증가시키고 및 전체 시스템 및 차량의 구성요소의 수, 중량, 자본 지출, 및 유지비를 감소시키기 위해, CO2 포획 및 에너지 회수 시스템을 어떻게 조합하는 데 있다.
이동 오염원 유래의 CO2 포획과 연관된 기술적인 문제는, 탄화수소 연료에 의해 동력을 공급받는 종래의 ICE의 작동이, 모든-전기 및 하이브리드 자동차와 경제적 및 환경적으로 경쟁력을 유지할 수 있도록, 온-보드 CO2 포획의 효율을 더욱 증가시키는 방법을 포함한다. 이들 전통적인 문제는, CO2 포획, 열 회수 및 CO2 포획제 재생 및 재사용 시스템을 통합하는, 예를 들어, WO/2012/100149호, WO/2012/100165호, WO/2012/100157호 및 WO/2012/100182호에 개시된 공정 및 시스템에 의해 다루어지며, 이하, "다중 시스템"으로 칭한다. 그러나, 이동성 적용 (mobile applications)에서 다중 시스템의 활용은 또한 차량 작동과 연관된 중량, 에너지 소비, 자본 지출, 및 유지비를 증가시킨다.
문제는, 이동 오염원에 동력을 공급하는 ICE로부터 고온의 배기가스 스트림 유래의 CO2의 효율적인 온-보드 포획을 더욱 개선하는 것이 여전히 남아있다.
본 발명은, 비가역적으로 감소되고 및 공정 및 작동 시스템의 전체 효율을 증가시키는 저장 및 CO2 포획 및 온-보드 CO2 고밀도화와 발전을 조합하고, 이에 의해 차량에 동력을 공급하는데 사용된 탄화수소 연료로부터 유용한 에너지의 회수를 최대화하는, 내연 기관 (ICE)에 의해 동력을 공급받는 차량의 온 보드에 사용을 위한 공정 및 통합 시스템을 폭넓게 포함한다.
좀 더 구체적으로, 본 발명은, 다양한 종래의 이동성 적용으로부터 CO2 배출을 감소시키기 위해 배기가스 스트림으로부터 에너지 회수 및 CO2 포획을 위한 공정 및 시스템에 관한 것이고, 여기서, 상기 포획된 CO2는 일을 생산하는 에너지 생산 사이클에서 작동 유체에 보유되고, 및 상기 CO2는 나중에 이동 오염원으로부터 궁극적인 온-보드 전환 또는 회수를 위해, 작동 유체로부터 분리되고, 압축되며 및 온-보드에 일시적으로 저장된다. 본 발명의 주요 방법 및 시스템은 또한, 예를 들어, 격리 (sequestration)에 의해, 폐기를 위해 회수된 고정 오염원 유래의 CO2에 적용 가능하다.
본 발명의 공정은, 대기 중으로 배출되는 CO2의 전부 또는 일부를 흡수하기 위해 CO2-함유 배기가스 스트림과, 예를 들어, 막 흡수체 (membrane absorber)를 사용하여, 직접 접촉 또는 간접 접촉에 의해 흡수 존 (absorption zone)에서, "용액" 또는 "흡착제 용액"으로서, 본 상세한 설명 및 청구 범위에서, 때때로 언급되는 CO2-흡수 액체를 사용한다.
물은 바람직한 용매이고, 여기서 아민 및 중탄산과 같은 다른 CO2 흡수제는 용해되어, 신선한 물로 대체를 위하여 시스템으로부터 이것이 방출되는 경우, 경제성, 유효성 및 환경 문제의 부재의 이유로 시스템을 작동시킨다. 알코올은 CO2를 포획하는데 사용할 수 있으며 및 용매 또는 용질로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 용매로서 물을 함유하는 콜로이드성 용액 (Colloidal solutions) 및 CO2를 포획하는 현탁된 고체 흡착제 (suspended solid sorbents)는 또한 본 발명의 공정에서 사용될 수 있다. 이러한 용액의 가열은, 고체 입자로부터 CO2 탈착 및 터빈을 구동하는 물의 증발을 결과할 것이다. 기술분야의 당업자에게 명백한 바와 같이, CO2 흡수제 및 흡착제 (adsorbent) 및 용매의 계열은, 기후, 흡착제 및 용질 물질의 유효성, 및 ICE의 타입을 포함하는 특정 사용의 조건에 기초하여 선택될 수 있다. 하기 설명의 목적을 위해, 물은 작동 유체로서 선택된다.
공정의 작동은, 칼리나 사이클 및 흡수 시스템과 같은, 종래의 시스템의 것과 유사하다. 그러나, 이들 공정 모두는 폐쇄 시스템이며, 칼리나 사이클의 경우에서 발전용으로 사용되며, 및 흡수 시스템의 경우에 냉각 또는 가열용으로 사용된다.
하기 상세한 설명 및 청구 범위에서 사용된 바와 같이, 용어 "외부 열 교환기"는 공-냉식 또는 수냉식인 열 교환기를 의미한다, 즉, 에너지 루프를 폐쇄하는데 요구된 에너지 싱크 (energy sink)는 공정 또는 시스템 외부에 있다.
흡수체를 빠져나온 CO2-풍부 용액은, 하나 이상의 열 교환기를 통해 가열되고, 및 ICE 유래의 고온의 배기가스 스트림에 의해 가열되는 보일러로 통과된다. 보일러에서, CO2는 흡착제 용액으로부터 탈착되고, 및 용액 중에 물의 적어도 일부는 증발되어 증기를 형성한다. 그 후, 증기 상 (vapor phase)은 분리 존으로 통과되고, 여기서 고온의 액체/증기 분리장치 (separator)는, 더 높은 농도의 CO2-흡수 화합물을 갖는 지금-농축된 흡착제 용액의 스트림을 생성한다.
분리 존 유래의 CO2/수증기 스트림은, 그 다음 과열 존으로 통과되고, 여기서, 이것은 200℃ 내지 800℃ 범위의 온도에 있는 ICE로부터 직접 통과된 고온의 배기가스 스트림과 열 교환에 적용된다. 과열된 증기 상은 하나 이상의 터빈에서 팽창되어 동력을 발생시킨다. 다중 터빈의 경우에서, 고온의 배기가스와 열 교환하여 단계-사이 (inter-stage) 가열은, 포획된 CO2를 함유하는 작동 유체의 사이클 효율을 최대화하기 위해 사용된다.
액체/증기 분리장치를 떠나는 액체 CO2-희박 용액은, CO2-풍부 용액을 가열하고 및 사이클 효율을 증가시키기 위해, 제1 내부 열 교환기로 통과된다. CO2-희박 용액은, 그 다음 터빈에서 또는 팽창 밸브 (expansion valve)를 통해 팽창되고, 및 이것은, 그 다음 흡수 존으로 통과를 위해 원하는 흡수체 온도로, 주변 공기 또는 엔진 냉각수와 접촉에 의해 외부 열 교환기에서 냉각된다.
터빈을 떠나는 CO2/물 스트림은, 주변 공기 또는 엔진 냉각수와 접촉에 의해 작동되는 외부 열 교환기에 의해, CO2-풍부 가스 스트림이 회수되고 및 응축수가 액체로 회수되는 CO2/물 분리장치의 온도로, 냉각되기 전에, CO2-풍부 용액에 열을 제공하고 및 사이클 효율을 증가시키기 위해, 제2 내부 열 교환기로 통과된다.
응축수의 전부 또는 일부는, 분리장치로부터 농축된 흡착제 용액과 혼합되어, 용액에 원하는 농도를 회복시킬 수 있으며, 그 다음 흡수체 주입구로 펌핑된다. CO2-풍부 가스 스트림은, 단계-사이 냉각을 갖는 다-단 CO2 압축기에서 압축되고 및 물은 녹아웃 (knock-out)되어 응축기/분리장치 유래의 CO2와 함께 이어진 임의의 물을 제거한다. 압축된 순수한 CO2는 최종 폐기를 기다리는 동안 일시적으로 온-보드 저장을 위해 고압 탱크로 통과된다. 보통의 또는 무 압축 (no compression)은, 또한 금속-유기 프레임워크 (MOFs) 및 공유-유기 프레임워크 (COFs)와 같은, 고-용량 보유 물질에서 CO2의 화학적 변화 또는 저장에 의한 CO2 전환을 위해 실용적일 수 있다. 영구적인 폐기를 위해 고정 CO2 오염원으로부터 포획된 CO2의 경우에서, 포획된 CO2는, 예를 들어, 지하 격리에 의한, 영구 저장을 위해 파이프라인으로 운반될 수 있다.
터빈(들)에 의해 생성된 동력은, 하나 이상의 흡수제 액체 펌프 및/또는 CO2 압축기를 구동하는데 사용될 수 있다. 임의의 과도한 동력은, 차량의 배터리를 충전하거나 또는 온-보드 전기 부품에 동력을 공급하는데 사용될 수 있다.
본 발명은, 차량의 온 보드에 펌프 및/또는 CO2 압축기의 요건을 충족하도록 기계적 및/또는 전기 에너지를 생산하는 공정에서 가열되고 가압된 작동 유체 내에 성분으로 포획된 CO2를 활용하여 배기가스 스트림의 폐열로부터 에너지를 회수하는 고효율 공정 및 시스템을 제공한다.
전술된 설명으로부터, 본 발명은, 차량의 온 보드에서 흡착제로 CO2의 적어도 일부를 포획하는 단계, 상기 흡착제로부터 CO2를 회수하는 단계 및 차량의 온 보드에서 임시 저장을 위해 CO2를 압축하는 단계에 의해, 차량에 동력을 공급하는데 사용되는 내연 기관 (ICE)에서 탄화수소 연료의 연소에 의해 생성된 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정에 관한 것으로, 상기 공정은:
a. 배기가스 스트림의 온도를 미리 결정된 온도 범위 내에 값으로 감소시키기 위해 제1 열 교환 존에서 복수의 열 교환기를 통해 ICE 유래의 고온의 배기가스 스트림을 통과시키는 단계;
b. 흡수 존에서 냉각된 배기가스 스트림을 미리 결정된 온도 범위 내에 온도에서 액체 CO2 흡착제 용액과 접촉시키는 단계로서, 상기 용액은, 배기가스 스트림 유래의 CO2의 적어도 일부를 포획하기 위해 CO2와 가역적으로 결합하여 적어도 하나의 화합물을 용해된 물을 포함하여 CO2-풍부 용액을 제공하는, 접촉 단계;
c. CO2 함량이 감소된 잔여 배기가스 스트림으로부터 CO2-풍부 용액을 분리하는 단계;
d. 감소된 CO2 함량의 잔여 배기가스 스트림을 대기 중으로 배출하는 단계;
e. 상기 CO2-풍부 용액의 온도를 상승시켜 CO2를 탈착시키고 및 농축된 CO2-희박 흡착제 용액을 제공하며, 및 상기 흡착제 용액으로부터 용매의 일부를 기화시켜 기화된 용매/CO2 혼합물을 제공하기 위해, CO2-풍부 용액을 가압하는 단계 및 이를 부분적으로-냉각된 배기가스 스트림과 제1 열 교환 관계에서 통과를 위한 보일러로 통과시키는 단계;
f. 상기 CO2-희박 흡착제 용액을 제1 분리 존에서 기화된 물/CO2 혼합물로부터 분리하는 단계;
g. 상기 기화된 물/CO2 혼합물을 과열 존으로 통과시키고, 상기 혼합물의 온도를 약 400℃로 더욱 증가시키기 위해 ICE로부터 직접 고온의 배기가스 스트림과 제2 열 교환 관계에서 이를 통과시키는 단계;
h. 상기 과열된 물/CO2 혼합물을 터빈으로 통과시키는 단계 및 상기 혼합물을 미리 결정된 더 낮은 압력 값으로 팽창시키는 단계;
i. 고온의 팽창된 물/CO2 혼합물을 가압된 CO2-풍부 용액과 열 교환에서 통과시키는 단계;
j. 상기 물/CO2 혼합물을 응축 열 교환기로 통과시켜 이의 온도를 낮추어 실질적으로 모든 수증기를 액체 상태로 응축시키는, 통과 단계;
k. 상기 응축수를 제2 분리 존 내에 CO2로부터 분리하는 단계 및 응축수의 전부 또는 일부와 흡수 존의 흡착제 용액 업스트림을 혼합하는 단계 또는 비히클로부터 물을 배출시키는 단계;
l. 상기 제2 분리 존으로부터 실질적으로 순수한 CO2를 회수하는 단계 및 상기 CO2를 밀도를 높이기 위해 이를 압축 존으로 통과시키는 단계 및 임의의 잔류하는 물을 배출시키는 단계;
m. 상기 가압된 순수한 CO2를 회수하는 단계 및 물리적 및/또는 화학적 상태의 변화에 의해 이의 부피를 줄이기 위한 추가 처리 또는 저장을 위해 용기의 온 보드로 이를 통과시키는 단계;
n. 상기 흡수 존 유래의 상기 가압된 CO2-풍부 용액의 온도를 증가시키기 위해 열 교환 관계에서 상기 제1 분리 존 유래의 상기 가압된 CO2-희박 용액을 통과시키는 단계;
o. 상기 가압된 CO2-희박 용액을 팽창 장치로 도입하여 기계적 에너지를 생산하는, 도입 단계;
p. 상기 팽창 장치 유래의 상기 감압 농축 CO2-희박 용액을 물이 첨가되는 혼합 장치로 통과시켜, 원하는 농도의 흡착제 용액을 회복시키는, 통과 단계;
q. 상기 CO2-희박 용액을 상기 흡수 존으로 통과시키기 전에 미리 결정된 온도 범위로 냉각시키는 단계; 및
r. 상기 흡수 존의 업스트림에서 CO2-희박 흡착제 용액을 가압하는 단계에 의해 특징화된다.
기술분야의 당업자에 이해될 수 있는 바와 같이, 단계 (g)에서 과열된 기화된 물/CO2 혼합물의 온도는, 400℃로부터 변화될 수 있고, 및 시스템의 최적 작동 조건에 의존할 것이다. CO2의 부피에서 감소는, 액체, 고체, 또는 초-임계 상태에서 이를 유지하여 달성될 수 있다. 또한, 전술된 바와 같이, 물 이외의 용매는, 공정의 실행에 사용될 수 있다.
본 발명은 동일하거나 유사한 요소가 동일한 번호로 식별되는, 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 더욱 설명될 것이다:
도 1은, CO2가 동력 생산 사이클에서 포획되고 압축되는, 기본 사이클에서의 본 발명의 공정의 구체 예의 개략도이다;
도 2는, 선택적 재-가열 단계를 포함하는 본 발명의 구체 예를 개략적으로 예시한다;
도 3은, 팽창 동력 회수를 증가시키기 위해 터빈 출구에서의 압력이 대기압 이하 (진공)로 감소되는 본 발명의 구체 예를 개략적으로 예시한다;
도 4는, 부가적인 내부 열 교환기가 배기가스 스트림으로부터 열을 추출하는 본 발명의 제4 구체 예를 개략적으로 예시한다; 및
도 5는, 도 2에서 기재된 공정와 유사한 공정에 대한 아스펜 시뮬레이션 (Aspen simulation)의 스크린샷 (screenshot)이다.
도 1은, CO2가 동력 생산 사이클에서 포획되고 압축되는, 기본 사이클에서의 본 발명의 공정의 구체 예의 개략도이다;
도 2는, 선택적 재-가열 단계를 포함하는 본 발명의 구체 예를 개략적으로 예시한다;
도 3은, 팽창 동력 회수를 증가시키기 위해 터빈 출구에서의 압력이 대기압 이하 (진공)로 감소되는 본 발명의 구체 예를 개략적으로 예시한다;
도 4는, 부가적인 내부 열 교환기가 배기가스 스트림으로부터 열을 추출하는 본 발명의 제4 구체 예를 개략적으로 예시한다; 및
도 5는, 도 2에서 기재된 공정와 유사한 공정에 대한 아스펜 시뮬레이션 (Aspen simulation)의 스크린샷 (screenshot)이다.
위에서 논의된 바와 같이, 본 발명의 공정은, ICE의 배기가스 스트림으로부터 CO2를 포획하고, 및 발전 사이클에서 CO2를 함유하는 작동 유체를 활용하여, 기계적 에너지, 또는 일을 생성하는, 반-폐쇄 시스템으로서 작동한다. 본 공정은 내연 기관 (ICE)에 의해 동력을 공급받는 이동 오염원으로부터 CO2 포획에 유리하게 사용될 수 있다.
도 1에 개략적으로 예시된 본 발명의 구체 예를 참조하면, 공정의 간략화된 사이클은 도시되고, 여기서, CO2는 포획되고 동력 생산 사이클에서 압축된다.
수성 탄산칼륨과 같은, 희박 하중 CO2 흡수 용액 (이하, "용액"이라 한다)은, 스트림 (102)으로서 펌프 (10)를 통해 흡수 유닛 (20)으로 이송되어, 대기압 또는 근 대기압 (near atmospheric pressure)에서 배기가스 스트림으로부터 CO2를 포획한다.
CO2 흡수 유닛 (20)은, 충전 컬럼 (packed column)과 같은 직접 접촉 액체/가스 컬럼 또는 가스-액체 막 접촉장치와 같은 간접 접촉 막 흡수 장치일 수 있다. 편의를 위해, 하기 설명은, 직접 접촉 흡수 유닛에서 본 발명의 공정의 실행을 언급할 것이다. 그러나, 기술분야의 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 간접 흡수체는 실질적으로 동일한 효과로 사용될 수 있다.
ICE를 빠져나가는 고온의 배기가스 스트림 (901)은, 먼저 과열장치 (31)를 통하여 통과시켜 냉각되고, 및 감소된 온도 스트림 (902)으로서 보일러 (30)로 유입된다. 보일러 (30)를 빠져나가는 배기가스 스트림 (903)은, 열 교환기 (36)에서 30℃ 내지 100℃의 미리 결정된 온도로 더욱 냉각되고, 및 냉각된 스트림 (904)은 흡수 유닛 (20)으로 유입되며, 여기서 CO2는 30℃ 내지 100℃의 온도에서 스트림 (102)을 통해 흡수체 (20)로 유입되는 냉각된 CO2-희박 로딩 용액에 의해 흡수된다.
잔여 배기가스 (905)는, CO2 포획 후에 흡수체 (20)를 떠나고, 및 대기로 방출된다.
CO2-풍부 용액은, 스트림 (200)을 통해 흡수체 (20)를 떠나고, 및 펌프 (11)에 의해 시스템의 높은 압력 값으로, 예를 들어, 4 MPa로 가압되며, 및 스트림 (201)으로서 제1 내부 열 교환기 (34)로 통과되고, 여기서, 이것은, 이하 더욱 상세히 기재되는 바와 같이, 터빈 (51)을 떠나는 CO2/물 스트림 (403)에 의해 약 100℃로 가열된다.
가압된 CO2-풍부 용액 (202)은, 내부 열 교환기 (34)를 빠져나오고, 및 더욱 가열하기 위해 제2 내부 열 교환기 (33)를 통해 통과한다. 제2 내부 열 교환기 (33)는, 고압의 CO2-희박 용액 (300)에 의해 가열된다. 고압의 CO2-풍부 용액 (203)은 그 다음 보일러 (30)로 유입된다.
고압의 CO2-풍부 용액 (203)은, ICE의 배기 매니폴드에 근접한 과열장치 (31)의 다운스트림에서 고온 배기가스 스트림 (902)에 의해 가열되는 보일러 (30)에서 부분적으로 증발되고; CO2 및 물은 이들의 더 낮은 정상 비등점 때문에 기화된다.
고압의 CO2-풍부 액체/가스 혼합물 (205)은, 예를 들어, 약 210℃의 증가된 온도에서 보일러 (30)를 떠나고, 및 잔여 고압의 CO2-희박 용액 (300)으로부터 가스성 CO2/물 혼합물을 분리하는 액체/증기 분리장치 (40)로 유입된다.
고압의 CO2-희박 용액 (300)은, 액체/증기 분리장치 (40)를 떠나고, 내부 열 교환기 (33)로 유입되며 및 스트림 (301)으로서 팽창 장치 (50), 예를 들어, 터빈 또는 스로틀 밸브 (throttle valve)로 통과하고, 여기서, 이것은, 스트림 (302)으로서 액체 헤더 (liquid header: 100)로 통과하기 전에 더 낮은 압력으로 팽창된다. 팽창 장치 (50)는, 폐열로부터 시스템용 동력 (P)을 회수하고 및 펌프들 (10 및 11)에 기계적 에너지를 제공한다.
액체/증기 분리장치 (40)를 빠져나가는 CO2/수증기 혼합물 (401)은, 배기가스 스트림 (901)에 의해 가열되고 및 과열된 스트림 (402)으로 대략 400℃의 온도에서 빠져나가며, 및 동력을 생산하기 위해 터빈 (51)에서 팽창하여, 스트림 (403)으로서 대략적으로 대기압에서 빠져나간다.
터빈 (51) 유래의 동력 (P)은, 시스템 내의 펌프를 작동시키고, CO2를 압축하며 및/또는 필요에 따라, 공정 유틸리티 (process utilities)를 작동시키는데 적용된다.
스트림 (403)으로서 터빈 (51)에서 빠져나가는 저압의 CO2/물은, 내부 열 교환기 (34)를 통해 통과하고, 및 스트림 (406)을 통해 또 다른 열 교환기 (37)로 빠져나가며, 여기서, 이것은, 물을 응축시키기 위해 대략 40℃로 더욱 냉각된다. 스트림 (407)을 통해 열 교환기 (37)를 빠져나온 후에, 저압의 CO2/물은, 분리장치 (41)로 통과하고, 여기서 응축수는 CO2 가스로부터 분리된다. 분리장치 (41)를 빠져나가는 응축수 스트림 (500)은, 약간 용해된 CO2를 갖는 물로 구성되고, 이의 일부 또는 전부는, 스트림 (502)으로서 액체 헤더 (100)로 통과될 수 있으며; 임의의 과잉의 물은 스트림 (501)으로서 시스템으로부터 방출될 수 있다.
액체 용액 (100)은, CO2 흡수체 (20)에 공급하는 펌프 (10)의 흡입 라인 (101)에 공급되기 전에 열 교환기 (35)에서 원하는 CO2 흡수 온도로 더욱 냉각된다.
주로 CO2로 이루어진 증기 스트림 (600)은, 분리장치 (41)로부터 압축 존 (60)으로 통과하고, 여기서, 이것은 압축되어 고-순도 CO2 스트림 (601)을 생성한다. 고-순도 CO2 스트림 (601)은, 이동성 적용에서 온-보드 저장으로 및 고정 또는 설비된 CO2 오염원의 경우에서 파이프 라인 및/또는 저장으로 통과될 수 있다. 임의의 남은 물은 중간냉각 및 상 분리에 의해 응축되고 및 물 스트림 (700)으로서 시스템으로부터 방출된다.
응축수 (700)의 전부 또는 일부 (704)는, 3-원 밸브 (702)를 통해 루프 (100) 또는 펌프 흡입 라인 (101)으로 선택적으로 반송되어, 공정에서 희박 흡수 용액의 수분 함량을 조절하고 및 염 침전 (salt precipitation)을 방지할 수 있다. 신선한 보충-수는 또한, 단독으로 또는 응축수 스트림 (700)과 조합하여 이 목적을 위해 사용될 수 있다. 선택적으로, 응축수 (700)는 시스템으로부터 방출될 수 있다 (706).
도 2에 개략적으로 예시된 본 발명의 또 다른 구체 예에서, 선택적 재-가열 단계는 제공되며, 여기서, 빠져나가는 증기 스트림은, 전체 사이클 효율을 증가시키기 위해 작동 유체의 제1 팽창 후에 재-가열된다.
이 구체 예에서, 고온의 배기가스 스트림 (900)은, 열 교환기 (32)를 통해 시스템으로 유입되고, 여기서, 예를 들어, 1 Mpa에서, 중간 압력의 CO2/물 혼합물 (403)은, 약 400℃로 재-가열되며 및 가열된 스트림 (404)으로 빠져나간다.
열 교환기 (32) 유래의 냉각된 배기가스 스트림 (901)은, 과열장치 (31)로 유입되고, 및 도 1에서 설명된 동일한 경로를 따른다.
과열장치 (31) 유래의 과열된 CO2/물 스트림 (402)은, 약 1 MPa의 중간 압력으로 터빈 (51)에서 팽창되고 및 스트림 (403)으로서 빠져나간다. 스트림 (403)은, 약 400℃의 온도로 유입 배기가스 스트림 (900)에 의해 재-가열되도록 열 교환기 (32)로 통과되고, 및 그 다음 터빈 (52)으로 스트림 (404)으로서 통과된다. 팽창된 저압 스트림 (405)은, 대략 대기압에서 터빈 (52)을 빠져나가고 및 고압의 CO2 풍부 용액 스트림 (201)과 열을 교환하기 위해 내부 열 교환기 (34)로 통과하며, 및 스트림 (406)으로서 빠져나간다.
스트림 (406)의 공정 단계는, 도 1의 구체 예와 관련하여 전술된 것과 동일하다.
재-가열 단계 다음에 시스템에서 비가역성을 줄이고 및 전체 시스템 효율을 증가시키기 위해 추가 팽창 단계는 수반된다. 공정에서 물 함량을 조절하고 및 염 침전을 방지하기 위해, 보충 수로 라인 (100 또는 101)을 통해 루프 내로 다시 주입될 수 있는 응축 스트림 (700)의 사용을 포함하는, 도 1의 공정의 다른 관점은, 또한 도 2의 구체 예에 적용 가능하다.
도 3에 개략적으로 예시된 본 발명의 제3 구체 예에서, 터빈 출구에서 압력은, 팽창 동력 회수를 증가시키기 위해 대기압 아래로, 예를 들어, 진공으로 감소된다.
이 장점은, 주변 온도에서 CO2 수 포화 압력 (water saturation pressure)이 대기압 미만이어서 본 발명의 공정의 순 동력 및 효율에서 증가, 및 유체 팽창으로부터 더 높은 동력 회수를 가능하게 하기 때문에 실현될 수 있다.
도 3에서 공정은, 도 1과 관련하여 전술한 제1 구체 예와 유사하지만, 터빈 (51)을 빠져나가는 스트림 (403)의 출구 압력이 감소, 즉, 20 kPa 절대 압력으로 감소되고, 및 펌프 (12)는 근 대기압으로 액체 스트림 (500)을 가압하기 위한 공정에 부가되는 점에서 차이가 있다.
과열장치 (31)를 떠나는 과열된 CO2/물 스트림 (402)은, 팽창 에너지를 회수하기 위해 터빈 (51)에서 20kPa로 팽창된다. CO2/물 스트림은 내부 열 교환기 (34)로 유입되기 위해 스트림 (403)을 통해 터빈을 떠나고 및 CO2 물 스트림은 스트림 (406)으로 빠져나온다.
CO2/물 스트림 (406)은 열 교환기 (37)에서 더욱 냉각되어 물을 응축시켜 CO2의 원하는 분리를 달성한다. 열 교환기 (37)를 빠져나가는 스트림 (407)은, 분리장치 (41)로 통과하고, 여기서, CO2-풍부 스트림 (600)은 진공하에서, 예를 들어, 20 kPa 하에서 회수되며, 및 다-단 압축기 (60)에서 필요한 출구 압력으로 압축되고 및 가압된 스트림 (601)을 저장 또는 추가 처리를 위해 통과시킨다.
주로 물로 구성된 응축물 스트림 (500)은, 펌프 (12)에 의해 액체 헤더 라인 (100) 압력, 예를 들어, 100kPa로 가압되어 사이클을 완성한다. 펌프 (12)를 빠져나가는 스트림 (510)은, 스트림 (502)을 통해 스트림 (100)에 부가를 위해 전체 또는 부분적으로 운반되며, 상기 잉여분은 스트림 (501)으로서 시스템으로부터 방출된다.
동일한 진공 응축 원리는, 부가적인 일 에너지를 회수하고 및 공정의 효율을 증가시키기 위해 터빈 (52)의 출구 압력을, 예를 들어, 20kPa로 감소시켜 재-가열 구성 (re-heat configuration)에 적용될 수 있다.
도 4에 개략적으로 예시된 본 발명의 제4 구체 예에서, 배기가스 스트림 (903)은, 전체 사이클 효율을 증가시키거나, 더 많은 CO2를 포획하거나, 또는 동일한 CO2 포획률에 대해 더 많은 동력을 제공하기 위해 단계에서 고압의 CO2-풍부 용액 스트림 (202)과 열을 교환하여 더욱 냉각된다.
도 4에서 공정은, 도 3과 관련하여 전술한 구체 예와 유사하지만, 열 교환기 (30)와 배기가스 라인 상에 외부 열 교환기 (36) 사이, 및 고압의 CO2-풍부 용액에 대한 열 교환기 (33)와 열 교환기 (34) 사이에 부가적인 내부 열 교환기 (39)가 포함된 점에서 다르다.
스트림 (903)에서 열 교환기 (30)를 떠나는 배기가스는, 열 교환기 (34)를 빠져나가는 고압의 CO2-풍부 용액 스트림 (202)을 가열한다. 냉각기 배기가스 스트림 (934)은, 열 교환기 (39)를 떠나, 열 교환기 (36)에 유입되고 및 도 3에서 기재된 바와 같은 공정을 계속한다.
열 교환기 (34)를 떠나는 고압의 CO2-풍부 용액 스트림 (202)은, 스트림 (222)을 통해 더욱 가열하기 위해 열 교환기 (33)에 유입하기 전에 고온 배기가스에 의해 열 교환기 (39)에서 가열된다. 그 뒤에, 고압의 CO2-풍부 용액은 공정의 도 3에 기재된 동일한 단계들을 거친다.
또 다른 구체 예에서, 열 교환기 (39)를 도 2에 기재된 바와 같은 시스템의 재-가열 구성에, 또는 본 발명의 도 1에 나타내고 전술된 바와 같은 상기 대기압 출구 구성에 통합하는 것이 가능하다.
공정 및 시스템의 상기 설명으로부터 당업자에게 명백한 바와 같이, 3개의 열 교환기 (예를 들어, 33, 34 및 39)로 순환되는 유체는, 공정의 작동 특징 및 요건에 의존하여 변화될 수 있다. 예를 들어, 열역학적 특징은, 이하 더욱 논의되는 바와 같이, 터빈 (50, 51, 52)으로부터 부가적인 동력을 얻기 위해 조정될 수 있다.
전술한 구체 예와 관련하여 전술한 바와 같이, 물 스트림 (700)의 전부 또는 일부는, 공정에서 사용된 용액의 물 함량을 조절하고 및 염 침전을 방지하기 위해 라인 (100 또는 101)에서 루프로 다시 주입될 수 있다. 신선한 보충 수는 또한, 단독으로 또는 스트림 (700)에서 물과 조합하여, 이 목적을 위해 사용될 수 있다.
도 4에 나타낸 공정이 또한 도 2에 이미 나타낸 바와 같은 재-가열 단계를 포함하여 공정 효율을 더욱 증가시키는 점이 주목된다.
본 발명에 따른 공정은, 미리 결정된 CO2 포획 목표, 예를 들어, 25%를 달성하거나, 또는 미리 결정된 요구된 동력의 양을 생성하도록 작동될 수 있다.
CO2 포획 적용에서, CO2 압축은, 시스템의 주요 에너지-집약적인 구성요소이며 및 순 동력 출력은 터빈에 의해 생성된 순 동력에서 펌프에 의해 및 CO2 압축 단계 또는 단계들에서 소비된 동력을 뺀 값이다.
펌프가 시스템의 작동에 필수적이기 때문에, 펌프의 작동을 위한 충족 요건에서 변화가 거의 또는 전혀 없을 수 있다; 그러나, CO2 압축의 정도는, 변화될 수 있으며 및 CO2 포획률 및/또는 온-보드 저장 용량에 의존한다.
CO2 포획률 요건이 없는 동력-지향적 작동 모드 (power-oriented operational mode)에서, 상기 포획률은 원하는 순 동력 출력에 따라, 예를 들어, CO2 포착률을 감소시켜 조정될 수 있어, CO2 압축 동력 요건을 감소시키며, 이에 의해 시스템의 순 동력 출력을 증가시킨다.
선택적으로, CO2 포획률이, 예를 들어, 주어진 범위 내에서, 또는 적어도 미리 결정된 값으로 고정되어야 한다면, 시스템은 순 동력 생산에 자유도가 없는 요구된 CO2 포획 유량율 (flow rate)로 작동해야 한다.
시스템 전반에 걸쳐 압력 및 온도의 선택은, 생산 주기의 파라미터 및 잠재적인 CO2 포획률에 영향을 끼친다. 예를 들어, 과열 및 재-가열은 동력 출력을 증가시키고 및 시스템에서 비가역성을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 결과적으로, 과열 및 재-가열은, CO2 포획률에 영향을 주지 않지만, 생산된 순 동력에 영향을 미친다.
CO2 포획률에 영향을 미치는 중요한 파라미터는, 스트림 (205)의 조건이 CO2 및 물을 분리장치 (40)에서 증기 상으로 얼마나 변하는지를 결정할 것이기 때문에, 열 교환기 (30)에서 빠져나오고 및 분리장치 (40)로 유입되는 스트림 (205)의 온도 및 압력이다.
분리장치 (41)의 작동 온도 및 압력뿐만 아니라, 열 교환기 (37)의 출구에서 온도 및 압력은, 분리장치 (41)의 온도 및 압력이 액체와 증기 상 사이에서 비율을 조절하기 때문에 실제 CO2 포획률과 연관된다. 따라서, 이들 장치 (37, 41)의 온도 및 압력을 조절하여 원하는 동력 생산 및/또는 CO2 포획 및 배출 감소의 수준을 달성하기 위해 시스템의 작동을 규제하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 공정은, 배기가스 스트림의 열에 부가하여, 엔진 냉각수 에너지, 태양 에너지, 또는 회수 가능한 열 에너지의 임의의 다른 이용 가능한 형태와 같은, 하나 이상의 다른 에너지원을 사용할 수 있어, 동력 생산을 최대화하기 위해 열 교환기 (30 및/또는 31 및/또는 32 및/또는 39)의 작동을 지원한다.
동역학적, 기계적 및/또는 전기 에너지와 같은, 회수 가능한 에너지는, 터빈의 출력을 증가시키고 및/또는 CO2 압축기를 작동시키기 위해 공정에 사용될 수 있다. 모든-전기 또는 하이브리드 모터 차량에 사용되는 에너지 회수 시스템 및 장치는, 또한 ICE에 의해 동력을 공급받는 차량에 사용될 수 있어 직접 또는 축전지 또는 기타 장치를 통해 전력을 제공한다.
주변 또는 외부 스트림으로 스트림을 냉각하는데 사용된 공정에서 임의의 냉각 장치는, 예를 들어, 공-냉식 열 교환기 (36)는, 에너지 회수 장치, 예를 들어, 열-전 장치 (thermo-electric device), 또는 에너지로 열을 전환 및 포획하면서 원하는 온도로 작동 유체 스트림을 냉각시키는 기타 장치에 의해 대체될 수 있고, 및 회수된 에너지는 공정에서 활용될 수 있다. 예를 들어, 열 교환기에서 배기가스 스트림을 200℃로부터 60℃로 냉각하는 대신에, 열전 장치는 원하는 온도로 스트림 (903)을 냉각하는데 활용될 수 있으면서 회수된 에너지로부터 전기를 생산한다.
본 발명의 공정은, 또한 펌프의 위치를 변경하거나 또는 이젝터 (ejectors)로 펌프를 대체하여 변경될 수 있다. 흡수체 (20)의 타입, 즉, 폐쇄형, 막 흡수체, 또는 기타에 의존하여, 더 낮은 용액 압력에서 흡수를 수행하기 위해, 흡수 유닛 (20)의 업스트림인 단일 펌프에서 또는, 바람직하게는 다운스트림 펌프 (11)의 위치에서 펌프 (10) 및 펌프 (11)를 조합하는 것이 또한 가능하다.
본 발명의 공정은 또한, 막 또는 다른 분리 수단과 같은, CO2 및 물 분리를 위한 다양한 공정을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 공정에 사용되는 CO2 흡수 용액은, 염 및/또는 아민 및/또는 물리적 또는 화학적 공정에 의해 CO2를 포획하는 기타 분자를 함유하는 수-계 용액일 수 있다. 본 발명의 공정에 사용되는 CO2 흡착제 용액은 다음으로부터 선택될 수 있다:
a. 염 및/또는 아민 및/또는 물리적으로 또는 화학적으로 CO2를 흡수하는 기타 분자를 함유하는 용매-계 용액;
b. 고체 CO2 흡착성 입자가 분산되고 및 CO2가 저온에서 상기 입자에 의해 흡수되며 및 고온에서 상기 입자로부터 탈착되는 용매-계 또는 수-계 캐리어 (carrier)로, 상기 입자는 재생되고 재순환되며, 및 상기 액체 캐리어는 또한 바람직하게는 유량율 및 접촉장치 크기를 감소시키기 위해 저온에서 물리적으로 또는 화학적으로 CO2를 흡착 또는 흡수하고 및 고온에서 CO2를 탈착함;
c. 적절한 조건에서 CO2를 탈착하는 및 CO2를 가역적으로 흡수 및/또는 흡착하는 콜로이드 유체 또는 결정질 유체; 및
d. 흡수 및 흡착 액체들 (adsorbing liquids)의 혼합물.
상기 설명 및 실시 예로부터 이해되는 바와 같이, 본 발명의 공정은, 비가역성을 감소시키는 통합 시스템에서 CO2 포획의 조합을 폭넓게 포함하고, 이에 의해 공정 및 작동 시스템의 전체 효율을 증가시킨다.
이동성 적용에서 폐열 회수 및 증가된 효율에 부가하여, 본 발명의 공정은, 열 회수 및 CO2 회수 시스템을 분리하는 것과 비교하여 감소된 수의 부품을 요구하는 장점을 포함한다. 통합 시스템은 이동 오염원의 온 보드에 공간 및 중량을 줄이고 및 자본 지출 및 작동 유지 비용을 감소시킨다.
도 5는 도 2에 도시된 공정과 유사한 본 발명의 구체 예를 나타내는 아스펜 플러스 시뮬레이션 (Aspen Plus Simulation) 흐름도의 스크린샷이다.
실시 예
이동성 적용을 위한 본 발명의 공정의 실행을 위해 도 3에 예시된 구체 예의 최적의 모드에 따른 공정은, 본 실시 예에 더욱 상세히 기재될 것이다. 희박 수성 탄산칼륨 CO2 흡수 용액은, 펌프 (10)에 의해 가압되고 및 냉각된 배기가스 스트림으로부터 CO2를 포획하기 위해 스트림 (102)으로서 흡수 유닛 (20)으로 도입된다. CO2 흡수 유닛 (20)은 대기압 또는 근 대기압에서 작동하는 직접 접촉 액체-가스 칼럼 또는 간접 접촉 막 흡수 장치일 수 있다.
고온의 배기가스 스트림 (901)은, 과열장치 (31) 및 보일러 (30)를 통한 통과에서 냉각된다. 보일러 (30)에서 빠져나오는 배기가스 스트림 (903)은, 열 교환기 (36)에서, 주변 조건에 의존하여, 30℃ 내지 100℃의 미리 결정된 온도로 더욱 냉각되고, 및 상기 냉각된 배기가스 스트림 (904)은, 흡수 유닛 (20)에 유입되고, 여기서, CO2는 CO2-희박 용액 (102)에 의해 흡수되어 흡수를 완성한다.
감소된 CO2 함량의 배기가스 스트림 (905)의 잔여 부분은, 흡수체 (20)를 빠져나오고 및 대기로 방출된다. 선택적인 구체 예에서, 대기로 방출되기 전에, 연도 가스 스트림 (905)은, 예를 들어, 이의 부피를 팽창시키기 위해 재가열될 수 있다. 스트림의 재가열은, 열 교환기 (36)에 유입되는 스트림 (903) 유래의 열을 사용하여 달성될 수 있다. 이 구체 예에서, 열 교환기 (36)는, 내부 열 교환기에 의해 대체될 수 있거나 또는 시스템은 스트림 (903)이 스트림 (905)에 열을 제공하는 열 교환기 (36)의 업스트림에서 내부 열 교환기를 혼입할 수 있다.
CO2-풍부 용액 (200)은, 흡수체 (20)를 빠져나오고 및 시스템의 높은 압력 값, 예를 들어, 4 MPa로 펌프 (11)에 의해 가압되며, 및 가압된 스트림 (201)으로서 제1 내부 열 교환기 (34)를 통과하고, 여기서, 하기에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 이것은 터빈 (51)을 떠나는 CO2/물 스트림 (403)에 의해 가열된다.
가열된 고압의 CO2-풍부 용액 (202)은, 제1 내부 열 교환기 (34)를 빠져나오고 및 부가적인 가열을 위해 제2 내부 열 교환기 (33)를 통해 통과한다. 제2 내부 열 교환기 (33)는, 고온 고압의 CO2-희박 용액 (300)에 의해 가열되고, 이로부터 CO2는 이전에 회수된다. 고압의 CO2-풍부 용액 (203)은 그 다음 보일러 (30)로 유입된다.
가압된 CO2-풍부 용액 (203)은, 고온의 배기가스 스트림 (902)에 의해 가열되는 보일러 (30)에서 부분적으로 증발되고; 흡수된 CO2의 일부는 탈착되며 및 약간의 물은 이들의 더 낮은 정상 비등점 때문에 기화된다. 탄산칼륨의 농도가 증가함에 따라, 용액의 비등점 또한 상승하여, 용액은 유동성 액체 상태로 유지된다.
고압의 CO2-풍부 용액 (205)은, 약 210℃의 온도에서 보일러로부터 통과하고, 및 잔여 가압된 CO2-희박 용액으로부터 CO2/물 가스성 혼합물을 분리시키는, 액체/증기 분리장치 (40)로 유입된다.
가압된 CO2-희박 용액 (300)은, 액체/증기 분리장치 (40)에서 떠나고, 내부 열 교환기 (33)를 통과한 다음, 및 스트림 (301)으로서 팽창 장치 (50), 예를 들어, 터빈 또는 스로틀 밸브로 유입되며, 여기서, 이것은, 스트림 (302)으로서 저압 공정 액체 헤더 또는 도관 (100)으로 통과하기 전에, 더 낮은 압력으로 팽창된다.
팽창 장치 (50)는 펌프 (10, 11) 및 도 4에서와 같이 펌프 (12)의 작동을 위해 필요한 동력 (P)을 회수하는 스로틀 밸브 또는 터빈일 수 있다. 팽창 장치 (50)는, 바람직하게는 고압 펌프 (11)의 축에 직접 연결된다. 선택적으로, 전력은 회수되어 펌프를 구동하는 전기를 전달하는 배터리를 충전할 수 있다. 또 다른 구체 예에서, 하나 이상의 펌프는, 터빈으로부터 공통 구동축 (common drive shaft)에 연결될 수 있다.
액체/증기 분리장치 (40)를 빠져나가는 CO2/수증기 혼합물 (401)은, 고온 배기가스 스트림 (901)에 의해 가열되고 및 약 400℃의 온도에서 과열된 CO2/물 혼합물 (402)로서 빠져나가는 과열장치 (31)를 통해 통과된다. 스트림 (402)은, 터빈 (51)에서 시스템의 진공 압력 값, 예를 들어, 20 kPa로 팽창되고, 및 시스템에서 펌프를 작동시키고, CO2를 압축하며 및 공정 유틸리티를 작동시키기 위해 필요에 따라 적용되는 동력 (P)을 생성한다.
저압의 CO2/물 혼합물은, 스트림 (403)으로서 터빈 (51)을 떠나, 내부 열 교환기 (34)로 및 그 다음 스트림 (406)으로서 열 교환기 (37)로 유입된다.
CO2/물 스트림 (406)은 냉각되어 CO2 및 물의 원하는 분리를 달성하기 위해 물을 응축시킨다. 스트림 (407)은, 열 교환기 (37)를 빠져나오고 및 분리장치 (41)로 통과하며, 여기서 CO2-풍부 스트림 (600)은, 진공, 예를 들어, 20 kPa 하에서 회수된다.
증기 스트림 (600)은 주로 CO2로 구성되고 및 압축 존 (60)으로 통과하며, 여기서, 이것은 압축되어 압축된 고-순도 CO2 스트림 (601)을 제공한다. 고순도 CO2 스트림 (601)은, 이동성 적용에서 온-보드 저장 장치로, 및 궁극적으로 파이프라인을 통해 영구적인 지하 또는 다른 저장으로 통과될 수 있다. 임의의 나머지 물은 중간냉각 및 상 분리에 의해 응축되고 및 폐수 스트림 (700)으로서 시스템으로부터 방출된다.
분리장치 (41) 유래의 응축물 스트림 (500)은, 주로 약간 용해된 CO2를 갖는 물로 구성되며 및 약 100 kPa의 압력에서 액체 헤더 라인 (100)으로 도입하기 위해 펌프 (12)에 의해 가압된다. 펌프 (12)를 빠져나가는 스트림 (510)은, 스트림 (502)으로서 전체적으로 또는 부분적으로 흡착제 용액 스트림 (100)으로 통과되며, 임의의 과잉은 스트림 (501)으로서 시스템으로부터 방출된다.
흡수제 용액 스트림 (100)은, 열 교환기 (35)에서 미리 결정된 CO2 흡수 온도로 더욱 냉각된 다음, CO2 흡수체 (20)로 도입하기 위해 펌프 (10)의 흡입 라인 (101)으로 통과된다.
CO2 배출 감소와 관련된 종래의 시스템은, 에너지 회수 시스템에서 작동 유체로서 배기가스 스트림 유래의 CO2의 활용을 고려하지 않는다.
실시 예
컴퓨터 분석/시뮬레이션은, 대상 시험 (bench testing) 대신에 Aspen Technology 프로그램 모델을 사용하여 준비된다. 모델은 일반적으로 도 1에 도시된 개략적인 배치에 상응한다. 계산은 장비 전체에 걸쳐 압력 강하 (pressure drop)가 없는 25% CO2 포획률을 기초로 한다.
결과는 지표이며 일부 불확실성은 남아 있지만, 결과는 특정 조건에 대해 유용한 데이터를 제공하는 것으로 이해될 것이다. 하기 표 1은, 도 5에 나타낸 아스펜 시뮬레이션에 대해 전술된 다양한 스트림의 특징을 포함한다.
본 발명의 다양한 대표적인 구체 예들이 상기 및 첨부된 도면들에 기재되었지만, 추가의 변형은 실시 예들 및 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 범주는 하기 청구 범위를 참조하여 결정될 것이다.
Claims (13)
- 차량의 온 보드에서 흡착제로 CO2의 적어도 일부를 포획하는 단계, 상기 흡착제로부터 CO2를 회수하는 단계 및 차량의 온 보드에서 임시 저장을 위해 CO2를 압축하는 단계에 의해, 차량에 동력을 공급하는데 사용되는 내연 기관 (ICE)에서 탄화수소 연료의 연소에 의해 생성된 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정으로서, 상기 공정은:
a. 배기가스 스트림의 온도를 미리 결정된 온도 범위 내에 값으로 감소시키기 위해 제1 열 교환 존에서 복수의 열 교환기를 통해 ICE 유래의 고온의 배기가스 스트림을 통과시키는 단계;
b. 흡수 존에서 냉각된 배기가스 스트림을 미리 결정된 온도 범위 내에 온도에서 액체 CO2 흡착제 용액과 접촉시키는 단계로서, 상기 용액은, 배기가스 스트림 유래의 CO2의 적어도 일부를 포획하기 위해 CO2와 가역적으로 결합하여 적어도 하나의 화합물을 용해된 액체 용매를 포함하여 CO2-풍부 용액을 제공하는, 접촉 단계;
c. CO2 함량이 감소된 잔여 배기가스 스트림으로부터 CO2-풍부 용액을 분리하는 단계;
d. 감소된 CO2 함량의 잔여 배기가스 스트림을 대기 중으로 배출하는 단계;
e. 상기 CO2-풍부 용액의 온도를 상승시켜 CO2를 탈착시키고 및 농축된 CO2-희박 흡착제 용액을 제공하며, 및 상기 흡착제 용액으로부터 용매의 일부를 기화시켜 기화된 용매/CO2 혼합물을 제공하기 위해, CO2-풍부 용액을 가압하는 단계 및 이를 배기가스 스트림과 제1 열 교환 관계에서 통과를 위한 보일러로 통과시키는 단계;
f. 상기 CO2-희박 흡착제 용액을 제1 분리 존에서 기화된 용매/CO2 혼합물로부터 분리하는 단계;
g. 상기 기화된 용매/CO2 혼합물을 과열 존으로 통과시키고, 상기 혼합물의 온도를 더욱 증가시키기 위해 ICE로부터 직접 고온의 배기가스 스트림과 제2 열 교환 관계에서 이를 통과시키는 단계;
h. 상기 과열된 용매/CO2 혼합물을 터빈으로 통과시키는 단계 및 상기 혼합물을 미리 결정된 압력 값으로 팽창시키는 단계;
i. 고온의 팽창된 용매/CO2 혼합물을 단계 (e)의 가압된 CO2-풍부 용액과 열 교환에서 통과시키는 단계;
j. 상기 용매/CO2 혼합물을 응축 열 교환기로 통과시켜 이의 온도를 낮추어 실질적으로 모든 용매 증기를 액체 상태로 응축시키는, 통과 단계;
k. 상기 응축된 용매를 제2 분리 존 내에 CO2로부터 분리하는 단계 및 응축된 용매의 전부 또는 일부와 흡수 존의 흡착제 용액 업스트림을 혼합하는 단계 또는 비히클로부터 용매를 배출시키는 단계;
l. 상기 제2 분리 존으로부터 실질적으로 순수한 CO2를 회수하는 단계 및 상기 CO2를 압축 및 밀도를 높이기 위해 이를 압축 존으로 통과시키는 단계 및 임의의 잔류하는 물을 배출시키는 단계;
m. 상기 가압된 순수한 CO2를 회수하는 단계 및 이의 물리적 상태를 변화시켜 이의 부피를 줄이기 위한 추가 처리 또는 저장을 위해 용기의 온 보드로 이를 통과시키는 단계;
n. 상기 흡수 존 유래의 상기 가압된 CO2-풍부 용액의 온도를 증가시키기 위해 열 교환 관계에서 상기 제1 분리 존 유래의 상기 가압된 CO2-희박 용액을 통과시키는 단계;
o. 상기 가압된 CO2-희박 용액을 팽창 장치로 도입하여 기계적 에너지를 생산하는, 도입 단계;
p. 상기 팽창 장치 유래의 상기 감압 농축 CO2-희박 용액을 용매가 첨가되는 혼합 장치로 통과시켜, 원하는 농도의 흡착제 용액을 회복시키는, 통과 단계;
q. 상기 CO2-희박 용액을 상기 흡수 존으로 통과시키기 전에 미리 결정된 온도 범위로 냉각시키는 단계; 및
r. 상기 흡수 존의 업스트림에서 CO2-희박 흡착제 용액을 가압하는 단계를 포함하는, 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정. - 청구항 1에 있어서,
상기 용매는 물인, 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정. - 청구항 2에 있어서,
단계 (g)에서 물/CO2 혼합물의 온도에서 증가는, 200℃ 내지 500℃의 범위인, 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정. - 청구항 1에 있어서,
상기 흡수 존 유래의 CO2-풍부 용액은, 펌프의 흡입구로 통과되어 이의 압력을 미리 결정된 시스템 압력까지 증가시키는, 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 열 교환 존은, 상기 흡수 존으로 유입되는 배기가스 스트림의 미리 결정된 온도에서 냉각 유체를 통과시키는 최종 열 교환기를 포함하는, 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정. - 청구항 1에 있어서,
상기 터빈 및/또는 상기 팽창 장치의 기계적 에너지 출력은, 하나 이상의 펌프 및/또는 하나 이상의 CO2 압축기를 직접 회전시키는 데 사용되는, 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정. - 청구항 1에 있어서,
상기 터빈 및/또는 팽창 장치의 기계적 에너지 출력은, 펌프 및/또는 압축기 모터에 동력을 공급하거나 및/또는 차량의 온 보드에서 저장 배터리를 충전하는데 사용되는 전기를 발생시키는데 사용되는, 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정. - 청구항 1에 있어서,
상기 흡착제 용액은, 물, 아민-관능화된 분자, 알칼리 금속 탄산염 및 중탄산염, 알칼리 토금속 탄산염, 알칼리 금속 및 알칼리토 금속 산화물, 수성 암모니아 및 탄산암모늄, 알코올, 폴리에테르, 아미드 화합물, 분자체, MOFs, COFs로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물로부터 제조되는, 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정. - 청구항 8에 있어서,
상기 폴리에테르는 폴리에틸렌 글리콜의 디메틸에테르인, 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정. - 청구항 8에 있어서,
상기 CO2 흡수 아미드 화합물은 N-메틸-2-피롤리돈인, 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정. - 청구항 8에 있어서,
상기 용매는 메탄올인, 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정. - 청구항 8에 있어서,
상기 CO2 흡수 아민은 모노에탄올아민인, 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정. - 청구항 8에 있어서,
상기 CO2 흡수 탄산염은 탄산칼륨인, 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 CO2의 양을 감소시키는 공정.
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