KR102447580B1

KR102447580B1 - Co₂분리 시스템

Info

Publication number: KR102447580B1
Application number: KR1020210027412A
Authority: KR
Inventors: 고우세키 스기야마
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2022-09-26
Also published as: EP3885028A1; US11590450B2; JP2021146318A; JP7160062B2; CN113426254A; KR20210118740A; US20210291109A1; BR102021003498A2; SA121420585B1

Abstract

CO₂ 를 포함하는 혼합 가스로부터 CO₂ 를 분리하도록 구성된 CO₂ 분리 시스템은, CO₂ 분리 장치 (20) 와, CO₂ 회수 장치 (50) 와, 압력차 발생 장치 (40) 를 포함한다. 상기 CO₂ 분리 장치 (20) 는, 상기 혼합 가스로부터 CO₂ 를 분리시키도록 구성된 분리막과 당해 분리막에 의해 구획되는 분리막 상류실 및 분리막 하류실을 갖고 당해 분리막 상류실에 상기 혼합 가스가 유입되도록 배치된다. 상기 압력차 발생 장치 (40) 는, 적어도 부압 발생 장치를 갖는다. 상기 부압 발생 장치는, 상기 분리막 하류실과 상기 CO₂ 회수 장치를 접속시키는 투과 가스의 가스 경로 상에 배치된다.

Description

CO₂분리 시스템{CO₂SEPARATION SYSTEM}

본 발명은 CO₂ 분리 시스템에 관한 것이다.

일본 특허 제6359544호에는, CO₂ 분리 시스템으로서, 내연 기관으로부터 배출된 배기 중의 CO₂ (이산화탄소) 를, 촉진 수송막을 사용하여 선택적으로 분리시키고, 분리시킨 CO₂ 의 농축 및 저류를 실시하도록 구성된 것이 개시되어 있다.

그러나, 전술한 일본 특허 제6359544호에는, 분리시킨 CO₂ 를 최종적으로 어떻게 하여 회수할지는 명시되어 있지 않아, 분리시킨 CO₂ 를 효율적으로 회수할 수 없을 우려가 있다.

본 발명은 CO₂ 를 포함하는 혼합 가스로부터 분리시킨 CO₂ 를 효율적으로 회수할 수 있는 CO₂ 분리 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 양태에 관련된 CO₂ 분리 시스템은, CO₂ 를 포함하는 혼합 가스로부터 CO₂ 를 분리하도록 구성된다. CO₂ 분리 시스템은, 혼합 가스로부터 CO₂ 를 분리시키도록 구성된 분리막과 당해 분리막에 의해 구획되는 분리막 상류실 및 분리막 하류실을 갖고 당해 분리막 상류실에 혼합 가스가 유입되도록 배치된 CO₂ 분리 장치와, 분리막을 투과하여 분리막 하류실로부터 유출된 CO₂ 를 포함하는 투과 가스가 도입됨과 함께 투과 가스 중의 CO₂ 를 회수하는 CO₂ 회수 장치와, 분리막 상류실의 압력이 분리막 하류실의 압력보다 높아지도록 분리막 상류실과 분리막 하류실에 압력차를 발생시키도록 구성된 압력차 발생 장치를 구비한다. 압력차 발생 장치는, 적어도 부압 발생 장치를 갖는다. 부압 발생 장치는, 분리막 하류실과 CO₂ 회수 장치를 접속시키는 투과 가스의 가스 경로 상에 배치된다.

본 발명의 일 양태에 의한 CO₂ 분리 시스템에 의하면, CO₂ 가 분리막을 투과할 때의 투과 추진력이 되는 분리막 상류실과 분리막 하류실 사이의 CO₂ 분압차를, 투과 가스의 가스 경로 상에 부압 발생 장치를 형성하기만 하는 간소한 구성으로 확보하여 CO₂ 의 투과를 촉진시킬 수 있음과 함께, 부압 발생 장치로부터 배출된 대기압 상당의 압력을 갖는 CO₂ 농도가 높은 투과 가스 (즉 CO₂ 분압이 높은 투과 가스) 를 CO₂ 회수 장치에 도입할 수 있다. 그 때문에, CO₂ 회수 장치에 있어서의 CO₂ 회수량을 증대시킬 수 있다. 또, CO₂ 회수 장치 내가 부압이 되는 경우도 없으므로, CO₂ 회수 장치 내의 CO₂ 가 투과 가스의 가스 경로 등을 통하여 외부로 누출되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, CO₂ 를 포함하는 배기 (혼합 가스) 로부터 분리시킨 CO₂ 를, CO₂ 회수 장치에 의해 효율적으로 회수할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 관련된 CO₂ 분리 시스템에 있어서, 상기 투과 가스를 제습하도록 구성된 제습 장치를 구비해도 된다. 상기 제습 장치 및 상기 부압 발생 장치는, 상기 투과 가스의 가스 경로 상에, 상기 투과 가스의 흐름 방향 상류측에서부터 상기 제습 장치, 상기 부압 발생 장치의 순서로 배치되어도 된다. 본 발명의 일 양태에 관련된 CO₂ 분리 시스템에 있어서, 촉매 장치를 추가로 구비해도 된다. 상기 혼합 가스는, 이동체에 탑재된 내연 기관, 또는 정치형 (定置型) 의 내연 기관으로부터 배출된 배기여도 된다. 상기 촉매 장치는, 상기 내연 기관의 배기 경로 상에 배치되고, 상기 배기 중의 유해 물질을 정화하도록 구성되어도 된다. 상기 CO₂ 분리 장치는, 상기 촉매 장치보다 배기 흐름 방향 하류측의 상기 배기 경로 상에 배치되고, CO₂ 회수 장치는, 상기 분리막을 투과하여 상기 분리막 하류실로부터 유출된 CO₂ 및 수증기를 포함하는 투과 가스가 도입되도록 구성되어도 된다. 상기 제습 장치 및 상기 부압 발생 장치는, 상기 분리막 하류실과 상기 CO₂ 회수 장치를 접속시키는 상기 투과 가스의 가스 경로 상에, 상기 투과 가스의 흐름 방향 상류측에서부터 상기 제습 장치, 상기 부압 발생 장치의 순서로 배치되어도 된다.

본 발명의 일 양태에 관련된 CO₂ 분리 시스템에 있어서, 상기 촉매 장치와 상기 분리막 상류실 사이의 상기 배기 경로 상에 형성되고, 상기 촉매 장치로부터 유출된 배기를, 상기 분리막 상류실에 도입할지, 또는 상기 분리막 상류실에 도입하지 않고 외기로 배출할지를 전환하도록 구성된 배기 전환 밸브를 구비해도 된다. 본 발명의 일 양태에 관련된 CO₂ 분리 시스템에 있어서, 가열 장치를 구비해도 된다. 상기 제습 장치는, 열매체와의 열교환에 의해 상기 투과 가스를 냉각시킴으로써 상기 투과 가스 중의 수분을 응축시켜 상기 투과 가스를 제습하도록 구성되어 있어도 된다. 상기 가열 장치는, 상기 투과 가스와의 열교환에 의해 수열 (受熱) 한 열매체의 열을 사용하여 상기 CO₂ 회수 장치를 가열하도록 구성되어도 된다.

본 발명의 일 양태에 관련된 CO₂ 분리 시스템에 있어서, 상기 가열 장치는, 상기 투과 가스와의 열교환에 의해 수열한 열매체의 열을 축열하도록 구성된 축열부와, 상기 축열부의 열을 상기 CO₂ 회수 장치에 전달하여 상기 CO₂ 회수 장치를 가열하도록 구성된 전열기를 구비해도 된다. 본 발명의 일 양태에 관련된 CO₂ 분리 시스템에 있어서, 상기 혼합 가스는, 이동체에 탑재된 내연 기관, 또는 정치형의 내연 기관으로부터 배출된 배기여도 된다. 본 발명의 일 양태에 관련된 CO₂ 분리 시스템에 있어서, 상기 혼합 가스는, 공기여도 된다.

본 발명의 예시적인 실시형태들의 특징들, 장점들 및 기술적 그리고 산업적 중요성은 첨부된 도면을 참조하여 이하 설명되고, 동일한 도면부호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 CO₂ 분리 시스템의 개략 구성도이다.
도 2 는, 투과 가스의 CO₂ 분압과 고체 흡착제의 단위 질량당의 CO₂ 흡착량의 관계를 나타낸 도면이다.
도 3 은, 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 CO₂ 분리 제어에 대해 설명하는 플로 차트이다.
도 4 는, 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 CO₂ 분리 시스템의 개략 구성도이다.
도 5 는, 본 발명의 제 3 실시형태에 의한 CO₂ 분리 시스템의 개략 구성도이다.
도 6 은, 본 발명의 제 3 실시형태에 의한 CO₂ 분리 제어에 대해 설명하는 플로 차트이다.
도 7 은, 압력차 발생 장치로서 감압 펌프 대신에 가압 펌프를 사용한 경우의 CO₂ 분리 시스템의 개략 구성도이다.

이하, 도면을 참조하여, 차량이나 선박 등의 이동체에 탑재된 내연 기관, 또는 공장 등에 형성된 정치형의 내연 기관으로부터 배출된 배기나, 대기 (공기) 로부터 CO₂ (이산화탄소) 를 분리하기 위한 본 발명에 의한 CO₂ 분리 시스템의 각 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 번호를 붙인다.

(제 1 실시형태)

도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 CO₂ 분리 시스템 (100) 의 개략 구성도이다.

본 실시형태에 의한 CO₂ 분리 시스템 (100) 은, 내연 기관 (10) 과, CO₂ 분리 장치 (20) 와, 제습 장치 (30) 와, 압력차 발생 장치 (40) 와, CO₂ 회수 장치 (50) 와, 전자 제어 유닛 (200) 을 구비하고, 내연 기관 (10) 으로부터 배출된 배기 중의 CO₂ 를 분리한다.

내연 기관 (10) 은, 그 내부에 형성된 연소실 내에서 연료를 연소시켜, 예를 들어 차량을 구동시키기 위한 동력을 발생시킨다. 내연 기관 (10) 은, 연소실 내에서 발생한 배기 (연소 가스) 를 대기 중으로 배출하기 위한 배기 통로 (11) 를 구비하고 있고, 배기 통로 (11) 에는, 배기 중의 유해 물질을 정화하기 위한 촉매 장치 (12) 가 형성되어 있다.

CO₂ 분리 장치 (20) 는, 분리막 (21) 과, 분리막 (21) 에 의해 구획된 분리막 상류실 (22) 및 분리막 하류실 (23) 을 구비한다. CO₂ 분리 장치 (20) 는, 분리막 상류실 (22) 에 배기가 유입되도록, 촉매 장치 (12) 보다 배기 흐름 방향 하류측의 배기 통로 (11) 에 형성된다.

분리막 (21) 은, 배기 중의 CO₂ 를 투과시켜 배기로부터 분리시키는 기능을 가짐과 함께, 배기 중에 수증기가 포함되어 있는 경우에는, CO₂ 와 함께 수증기도 투과시켜 배기로부터 분리시키는 기능을 갖는다. 분리막 (21) 으로는, 예를 들어, 촉진 수송막이나 유기 고분자막, 무기 재료막, 액체막 등을 사용할 수 있다. 분리막 상류실 (22) 에 유입된 배기 중의 CO₂ 및 수증기는, 분리막 (21) 에 의해 가로막힌 분리막 상류실 (22) 과 분리막 하류실 (23) 의 압력차 (분압차) 를 투과 추진력으로 하여, 분리막 (21) 을 투과하여 분리막 하류실 (23) 에 유입된다. 이하에서는, 이 분리막 (21) 을 투과하여 분리막 하류실 (23) 에 유입되어 온 CO₂ 및 수증기를, 필요에 따라「투과 가스」라고 한다.

분리막 상류실 (22) 에 유입되고, 분리막 (21) 에 의해 CO₂ 가 분리되어 CO₂ 농도가 저하된 배기는, 분리막 상류실 (22) 보다 배기 흐름 방향 하류측의 배기 통로 (11) 에 배출되고, 최종적으로 외기로 배출된다. 한편으로, 분리막 상류실 (22) 에 유입되고, 분리막 (21) 을 투과하여 분리막 하류실 (23) 에 유입되어 온 CO₂ 농도가 높은 투과 가스는, 일단이 분리막 하류실 (23) 에 연결되고, 타단이 CO₂ 회수 장치 (50) 에 연결된 투과 가스 통로 (60) 에 배출된다.

제습 장치 (30) 는, 기체 중의 수분을 제거하기 위한 장치이다. 본 실시형태에 의한 제습 장치 (30) 는, 라디에이터 (31) 와, 냉각수 순환 통로 (32) 와, 수분 제거부 (33) 와, 순환 펌프 (34) 를 구비하고, 수분 제거부 (33) 에 있어서 투과 가스 중의 수분을 제거할 수 있도록, 수분 제거부 (33) 가 투과 가스 통로 (60) 에 형성되어 있다.

라디에이터 (31) 는, 냉각수 입구부 (31a) 와, 코어부 (31b) 와, 냉각수 출구부 (31c) 를 구비하고, 냉각수 입구부 (31a) 로부터 도입된 고온의 냉각수를, 코어부 (31b) 에 있어서 예를 들어 공기 등의 저온의 기체와의 열교환에 의해 냉각시켜 냉각수 출구부 (31c) 로부터 배출한다.

냉각수 순환 통로 (32) 는, 라디에이터 (31) 의 냉각수 출구부 (31c) 로부터 배출된 냉각수를, 투과 가스를 냉각시키기 위해 수분 제거부 (33) 에 공급한 후, 라디에이터 (31) 의 냉각수 입구부 (31a) 로 되돌려 순환시키기 위한 통로이다.

수분 제거부 (33) 는, 투과 가스 통로 (60) 에 형성되고, 수분 제거부 (33) 의 내부에 유입되어 온 상대적으로 고온의 투과 가스와, 냉각수 순환 통로 (32) 를 흘러 수분 제거부 (33) 에 공급되는 상대적으로 저온의 냉각수 사이에서 열교환을 실시하여 투과 가스를 냉각시킴과 함께, 투과 가스를 냉각시킴으로써 발생시킨 응축수를 외부로 배출함으로써, 투과 가스 중의 수분을 제거할 수 있도록 구성된다.

순환 펌프 (34) 는, 냉각수 순환 통로 (32) 에 형성된다. 순환 펌프 (34) 는, 투과 가스를 수분 제거부 (33) 에서 제습 (냉각) 할 때에 구동되어, 냉각수 순환 통로 (32) 의 냉각수를 순환시킨다.

이와 같이 본 실시형태에서는, 분리막 (21) 에 의해 CO₂ 및 수증기가 분리되기 전의 배기에 대하여 제습을 실시하는 것이 아니라, 분리막 (21) 을 투과해 온 투과 가스에 대하여 제습을 실시하고 있다. 이것은, 이하의 이유에 의한 것이다.

분리막 (21) 은, 일반적인 특성으로서, CO₂ 의 막 투과 속도보다 수증기의 막 투과 속도의 쪽이 크다는 특성을 갖는다. 그 때문에, 배기에 수증기가 포함되어 있는 경우에는, 막 투과 속도가 큰 수증기에 의해 분리막 하류실 (23) 내의 CO₂ 가 희석되어, CO₂ 의 몰분율이 저하된다. 그 결과, CO₂ 의 투과 추진력이 되는 분리막 상류실 (22) 과 분리막 하류실 (23) 사이의 CO₂ 분압차가 커지기 때문에, CO₂ 의 투과가 촉진되어, CO₂ 분리 장치 (20) 에서의 CO₂ 의 분리를 촉진시킬 수 있다. 즉, 수증기가 포함된 배기를 분리막 상류실 (22) 에 도입하는 쪽이, CO₂ 분리 장치 (20) 에서의 CO₂ 의 분리를 촉진시킬 수 있다. 그 때문에 본 실시형태에서는, 분리막 (21) 에 의해 CO₂ 및 수증기가 분리되기 전의 배기에 대하여 제습을 실시하는 것이 아니라, 분리막 (21) 을 투과해 온 투과 가스에 대하여 제습을 실시하고 있는 것이다.

또한 본 실시형태에서는, 제습 장치 (30) 는, 투과 가스를 냉각시킴으로써 발생시킨 응축수를 배출함으로써, 투과 가스 중의 수분을 제거하도록 구성되어 있다. 그러나, 제습 장치 (30) 는 이와 같은 구성에 한정되는 것이 아니며, 예를 들어 흡수성이 양호한 건조제에 투과 가스 중의 수분을 흡착시킴으로써, 투과 가스 중의 수분을 제거하도록 구성된 것이어도 된다.

압력차 발생 장치 (40) 는, 분리막 상류실 (22) 의 압력이 분리막 하류실 (23) 의 압력보다 높아지도록, 분리막 상류실 (22) 과 분리막 하류실 (23) 에 압력차를 발생시키기 위한 장치이다. 본 실시형태에서는, 압력차 발생 장치 (40) 로서 적어도 감압 펌프를 사용하고, 감압 펌프를 수분 제거부 (33) 보다 가스 흐름 방향 하류측의 투과 가스 통로 (60) 에 형성하여 분리막 하류실 (23) 의 압력을 대기압보다 작은 압력 (부압) 이 될 때까지 저하시키고 있다. 이로써, 분리막 상류실 (22) 의 압력 (≒ 대기압) 이 분리막 하류실 (23) 의 압력 (＝ 부압) 보다 높아지도록, 분리막 상류실 (22) 과 분리막 하류실 (23) 에 압력차를 발생시키고 있다.

또한, 이와 같이 압력차 발생 장치 (40) 로서의 감압 펌프를 제습 장치 (30) 보다 가스 흐름 방향 하류측의 투과 가스 통로 (60) 에 형성함으로써, 감압 펌프에 흡입되는 가스는 제습 장치 (30) 에 의해 제습된 가스가 되기 때문에, 흡입된 가스 중의 수증기 (수분) 에서 기인하여, 감압 펌프가 고장나거나 또는 열화되거나 하는 것을 억제할 수 있다.

CO₂ 회수 장치 (50) 에는, 전술한 바와 같이 투과 가스 통로 (60) 의 타단부가 연결되어 있으며, 제습 장치 (30) 에 의해 제습되고, 감압 펌프로부터 배출된 대기압 상당의 투과 가스가 도입된다. CO₂ 회수 장치 (50) 는, 그 내부에 예를 들어 제올라이트나 활성탄 등의 고체 흡착제를 갖고 있으며, 투과 가스 통로 (60) 를 통하여 내부에 도입된 투과 가스 중의 CO₂ 를 고체 흡착제에 흡착시킴으로써 회수한다.

또한 본 실시형태에서는, CO₂ 회수 장치 (50) 의 고체 흡착제에 흡착되어 있는 CO₂ 흡착량을 추정하기 위해, 압력차 발생 장치 (40) 와 CO₂ 회수 장치 (50) 사이의 투과 가스 통로 (60) 에, CO₂ 회수 장치 (50) 에 도입되는 투과 가스의 유량 및 투과 가스 중의 CO₂ 농도를 검출하는 CO₂ 센서 (201) 가 형성되어 있다.

고체 흡착제에 의해 CO₂ 가 흡착되어 CO₂ 농도가 저하된 투과 가스는, CO₂ 회수 장치 (50) 로부터 외기로 배출된다. 또, CO₂ 회수 장치 (50) 에 의해 회수된 CO₂, 즉 고체 흡착제에 흡착된 CO₂ 는, CO₂ 회수 장치 (50), 나아가서는 고체 흡착제를 가열하여 고체 흡착제에 흡착된 CO₂ 를 고체 흡착제로부터 탈리시킴으로써, CO₂ 회수 장치 (50) 의 임의의 지점에 형성된 CO₂ 취출구 (도시 생략) 로부터 외부로 취출할 수 있도록 되어 있다.

또한, 제올라이트 등의 고체 흡착제는, 투과 가스 중에 수증기가 포함되어 있으면 흡착 성능이 악화되는 경향이 있다. 그 때문에, 본 실시형태와 같이, 제습된 투과 가스를 CO₂ 회수 장치 (50) 에 도입함으로써, 고체 흡착제의 흡착 성능이 악화되는 것을 억제할 수 있다.

또 도 2 는, 기체 중의 CO₂ 분압과 고체 흡착제의 단위 질량당의 CO₂ 흡착량의 관계를 나타낸 도면으로서, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 기체 중의 CO₂ 분압이 높아질수록, 고체 흡착제의 단위 질량당의 CO₂ 흡착량이 증대되는 경향이 있다. 즉, 배기의 CO₂ 분압에 대하여, 투과 가스의 CO₂ 분압을 높일수록, 고체 흡착제의 단위 질량당의 CO₂ 흡착량을 증대시킬 수 있다.

따라서 본 실시형태와 같이, 투과 가스 통로 (60) 에 가스 흐름 방향 상류측에서부터 순서대로 제습 장치 (30) 및 압력차 발생 장치 (40) 를 배치함으로써, 제습 장치 (30) 에 의해 제습이 실시되고, 또한 압력차 발생 장치 (40) 로서의 감압 펌프로부터 배출된 대기압 상당의 압력을 갖는 CO₂ 농도가 높은 투과 가스 (즉 CO₂ 분압이 높은 투과 가스) 를 CO₂ 회수 장치 (50) 에 도입할 수 있다. 그 때문에 CO₂ 회수 장치 (50) 의 CO₂ 흡착량을 증대시킬 수 있다.

도 1 로 되돌아가, 전자 제어 유닛 (200) 은, 쌍방향성 버스에 의해 서로 접속된 중앙 연산 장치 (CPU), 판독 출력 전용 메모리 (ROM), 랜덤 액세스 메모리 (RAM), 입력 포트, 및 출력 포트를 구비한 마이크로컴퓨터이다. 전자 제어 유닛 (200) 은, 내연 기관 (10) 의 운전 중에, 배기 중의 CO₂ 를 분리하여 CO₂ 회수 장치 (50) 에 회수하기 위한 CO₂ 분리 제어를 실시할 수 있도록 구성된다. 그 때문에 전자 제어 유닛 (200) 에는, 전술한 CO₂ 센서 (201) 등, CO₂ 분리 제어를 실시하기 위해 필요한 각종 센서류로부터의 신호가 입력된다.

도 3 은, 전자 제어 유닛 (200) 이 실시하는 본 실시형태에 의한 CO₂ 분리 제어에 대해 설명하는 플로 차트이다.

스텝 S1 에 있어서, 전자 제어 유닛 (200) 은, 내연 기관 (10) 의 운전이 실시되고 있는지의 여부, 즉 내연 기관 (10) 으로부터 배기 통로 (11) 에 배기가 배출되고 있는지의 여부를 판정한다. 전자 제어 유닛 (200) 은, 내연 기관 (10) 의 운전이 실시되고 있으면 스텝 S2 의 처리로 진행된다. 한편으로 전자 제어 유닛 (200) 은, 내연 기관 (10) 의 운전이 실시되고 있지 않으면, 본 처리를 종료한다.

스텝 S2 에 있어서, 전자 제어 유닛 (200) 은, CO₂ 회수 장치 (50) 의 고체 흡착제에 흡착되어 있는 CO₂ 흡착량이, 소정의 흡착 상한량 미만인지의 여부를 판정한다. 전자 제어 유닛 (200) 은, CO₂ 센서 (201) 의 검출값에 기초하여 추정된 CO₂ 흡착량이 흡착 상한량 미만이면, 스텝 S3 의 처리로 진행되고, 한편으로 흡착 상한량 이상이면, CO₂ 회수 장치 (50) 에 의한 CO₂ 의 회수를 흡착 상한량 이상 실시할 수 없으므로, 본 처리를 종료한다.

스텝 S3 에 있어서, 전자 제어 유닛 (200) 은, 압력차 발생 장치 (40) 를 구동시켜, 분리막 상류실 (22) 의 압력이 분리막 하류실 (23) 의 압력보다 높아지도록, 분리막 상류실 (22) 과 분리막 하류실 (23) 에 압력차를 발생시킨다. 즉, 분리막 상류실 (22) 과 분리막 하류실 (23) 사이에, CO₂ 가 분리막 (21) 을 투과할 때의 투과 추진력이 되는 CO₂ 분압차를 발생시킨다. 또 전자 제어 유닛 (200) 은, 순환 펌프 (34) 를 구동시켜, 수분 제거부 (33) 에 있어서 투과 가스의 제습을 실시한다.

이상 설명한 본 실시형태에 의하면, CO₂ 를 포함하는 배기 (혼합 가스) 로부터 CO₂ 를 분리시키는 CO₂ 분리 시스템 (100) 이, 배기로부터 CO₂ 를 분리시키는 기능을 갖는 분리막 (21) 과 당해 분리막 (21) 에 의해 구획되는 분리막 상류실 (22) 및 분리막 하류실 (23) 을 갖고 분리막 상류실 (22) 에 배기가 유입되도록 배치된 CO₂ 분리 장치 (20) 와, 분리막 상류실 (22) 의 압력이 분리막 하류실 (23) 의 압력보다 높아지도록 분리막 상류실 (22) 과 분리막 하류실 (23) 에 압력차를 발생시키는 압력차 발생 장치 (40) 와, 분리막 (21) 을 투과하여 분리막 하류실 (23) 로부터 유출된 CO₂ 를 포함하는 투과 가스가 도입됨과 함께, 투과 가스 중의 CO₂ 를 회수하는 CO₂ 회수 장치 (50) 를 구비한다. 그리고, 압력차 발생 장치 (40) 는 적어도 부압 발생 장치의 일례인 감압 펌프를 갖고, 감압 펌프는, 분리막 하류실 (23) 과 CO₂ 회수 장치 (50) 를 접속시키는 투과 가스 통로 (60) (투과 가스의 가스 경로 상) 에 배치되어 있다.

이로써, CO₂ 가 분리막 (21) 을 투과할 때의 투과 추진력이 되는 분리막 상류실 (22) 과 분리막 하류실 (23) 사이의 CO₂ 분압차를, 투과 가스 통로 (60) 에 감압 펌프를 형성하기만 하는 간소한 구성으로 확보하여 CO₂ 의 투과를 촉진시킬 수 있음과 함께, 감압 펌프로부터 배출된 대기압 상당의 압력을 갖는 CO₂ 농도가 높은 투과 가스 (즉 CO₂ 분압이 높은 투과 가스) 를 CO₂ 회수 장치 (50) 에 도입할 수 있다. 그 때문에, CO₂ 회수 장치의 CO₂ 흡착량을 증대시킬 수 있다. 또, CO₂ 회수 장치 (50) 내가 부압이 되는 경우도 없으므로, CO₂ 회수 장치 (50) 내의 CO₂ 가 투과 가스 통로 (60) 등을 통하여 외부로 누출되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, CO₂를 포함하는 배기 (혼합 가스) 로부터 분리시킨 CO₂ 를, CO₂ 회수 장치 (50) 에 의해 효율적으로 회수할 수 있다.

또 본 실시형태에 의한 CO₂ 분리 시스템 (100) 은, 투과 가스를 제습하는 제습 장치 (30) 를 추가로 구비하고, 제습 장치 (30) 및 상기 압력차 발생 장치 (40) 로서의 감압 펌프는, 투과 가스 통로 (60) (투과 가스의 가스 경로 상) 에 가스 흐름 방향 상류측에서부터 제습 장치 (30), 감압 펌프의 순서로 배치되어 있다.

이와 같이, 분리막 (21) 에 의해 CO₂ 및 수증기가 분리되기 전의 배기에 대하여 제습을 실시하는 것이 아니라, 수증기가 포함된 배기를 분리막 상류실 (22) 에 도입하고, 분리막 (21) 을 투과해 온 투과 가스에 대하여 제습을 실시함으로써, 전술한 바와 같이, CO₂ 분리 장치 (20) 에서의 CO₂ 의 분리를 촉진시킬 수 있다.

또, 제습 장치 (30) 보다 가스 흐름 방향 하류측의 투과 가스 통로 (60) 에 압력차 발생 장치 (40) 로서의 감압 펌프를 형성하도록 하였으므로, 가스 중의 수증기 (수분) 에서 기인하는 감압 펌프의 고장이나 열화를 억제할 수 있다.

또한, 제습된 투과 가스를 CO₂ 회수 장치 (50) 에 도입함으로써, 제올라이트의 흡착 성능이 악화되는 것을 억제할 수 있다.

(제 2 실시형태)

다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해 설명한다. 본 실시형태는, 제습 장치 (30) 의 배열을 이용하여 CO₂ 회수 장치 (50) 의 가열을 실시할 수 있도록 한 점에서, 제 1 실시형태와 상이하다. 이하, 그 상이점을 중심으로 설명한다.

도 4 는, 본 실시형태에 의한 CO₂ 분리 시스템 (100) 의 개략 구성도이다.

전술한 바와 같이, CO₂ 회수 장치 (50) 에 의해 회수된 CO₂ 를 CO₂ 회수 장치 (50) 로부터 외부로 취출하려면, CO₂ 회수 장치 (50), 나아가서는 고체 흡착제를 가열하여, 고체 흡착제에 흡착된 CO₂ 를 고체 흡착제로부터 탈리시킬 필요가 있다. 이 때, 예를 들어 전기 히터 등에 의해 CO₂ 회수 장치 (50) 를 가열하면, CO₂ 를 취출할 때에 전기 에너지가 새로 필요해져 에너지 소비량이 증대된다.

그래서 본 실시형태에 의한 CO₂ 분리 시스템 (100) 은, CO₂를 취출할 때의 소비 에너지를 가능한 한 억제하기 위해, 제습 장치 (30) 의 배열을 이용하여 CO₂ 회수 장치 (50) 를 가열하기 위한 가열 장치 (70) 를 구비한다.

가열 장치 (70) 는, 제습 장치 (30) 의 배열을 이용하여 CO₂ 회수 장치 (50) 의 가열을 실시할 수 있도록 구성되어 있고, 삼방 밸브 (71) 와, 냉각수 분기 통로 (72) 와, 축열부 (73) 와, 전열기 (74) 를 구비한다.

삼방 밸브 (71) 는, 수분 제거부 (33) 에 있어서 고온의 투과 가스와의 사이에서 열교환이 실시된 후의 상대적으로 고온인 냉각수가 흐르는 냉각수 순환 통로 (32) 에 형성된다. 본 실시형태에서는, 이 삼방 밸브 (71) 에 의해, 수분 제거부 (33) 에 있어서 고온의 투과 가스와의 사이에서 열교환이 실시된 후의 상대적으로 고온인 냉각수를, 그대로 라디에이터 (31) 에 도입할지, 또는 냉각수 분기 통로 (72) 에 의해 축열부 (73) 를 경유시켜 라디에이터 (31) 에 도입할지를 전환할 수 있도록 되어 있다. 또한 삼방 밸브 (71) 의 전환은, 전자 제어 유닛 (200) 에 의해 실시된다.

축열부 (73) 는, 냉각수 분기 통로 (72) 에 형성되고, 냉각수 분기 통로 (72) 를 흐르는 상대적으로 고온인 냉각수로부터 열에너지를 받고, 받은 열에너지를 비축할 수 있도록 구성된다.

전열기 (74) 는, CO₂ 회수 장치 (50) 로부터 CO₂ 를 취출할 때, 축열부 (73) 의 열을 CO₂ 회수 장치 (50) 에 전달하여, CO₂ 회수 장치 (50) 를 가열할 수 있도록 구성된다. 전열기 (74) 로는, 예를 들어 히트 파이프 등을 사용할 수 있다.

이상 설명한 본 실시형태에 의하면, 제습 장치 (30) 는, 냉각수 (열매체) 와의 열교환에 의해 투과 가스를 냉각시킴으로써 투과 가스 중의 수분을 응축시켜 투과 가스를 제습하도록 구성되어 있고, CO₂ 분리 시스템 (100) 은, 투과 가스와의 열교환에 의해 수열한 냉각수 (열매체) 의 열을 사용하여 CO₂ 회수 장치 (50) 를 가열하도록 구성된 가열 장치 (70) 를 추가로 구비한다. 가열 장치 (70) 는, 구체적으로는, 투과 가스와의 열교환에 의해 수열한 냉각수 (열매체) 의 열을 축열하는 축열부 (73) 와, 축열부 (73) 의 열을 CO₂ 회수 장치에 전달하여 CO₂ 회수 장치를 가열하는 전열기 (74) 를 구비한다.

이로써, CO₂ 회수 장치 (50) 에 의해 회수된 CO₂ 를 CO₂ 회수 장치 (50) 로부터 외부로 취출할 때, 제습 장치 (30) 의 배열을 이용하여 CO₂ 회수 장치 (50) 의 가열을 실시할 수 있으므로, CO₂ 를 취출할 때의 소비 에너지를 억제할 수 있다.

(제 3 실시형태)

다음으로 본 발명의 제 3 실시형태에 대해 설명한다. 본 실시형태는, 배기를 CO₂ 분리 장치 (20) 에 공급할지의 여부를 전환할 수 있도록 한 점에서, 제 1 실시형태와 상이하다. 이하, 그 상이점을 중심으로 설명한다.

도 5 는, 본 실시형태에 의한 CO₂ 분리 시스템 (100) 의 개략 구성도이다.

도 5 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 의한 CO₂ 분리 시스템 (100) 은, 촉매 장치 (12) 로부터 배출된 배기를, 필요에 따라 CO₂ 분리 장치 (20) 의 분리막 상류실 (22) 에 공급하지 않고 분리막 상류실 (22) 을 바이패스시켜 외기로 배출할 수 있도록 구성된다.

구체적으로는, 본 실시형태에 의한 CO₂ 분리 시스템 (100) 은, 촉매 장치 (12) 보다 배기 흐름 방향 하류측, 또한 CO₂ 분리 장치 (20) 의 분리막 상류실 (22) 보다 배기 흐름 방향 상류측에 형성된 배기 전환 밸브 (13) 와, 촉매 장치 (12) 로부터 배출된 배기를, 분리막 상류실 (22) 을 바이패스시켜 외기로 배출하기 위한 배기 바이패스 통로 (14) 를 구비한다.

배기 전환 밸브 (13) 는, 촉매 장치 (12) 로부터 배출된 배기를, 그대로 배기 전환 밸브 (13) 보다 배기 흐름 방향 하류측의 배기 통로 (11) 에 유입시킬지, 또는 배기 바이패스 통로 (14) 에 유입시킬지를 전환할 수 있도록 구성된 삼방 밸브로서, 전자 제어 유닛 (200) 에 의해 그 전환이 제어된다.

이로써, 예를 들어 촉매 장치 (12) 로부터 배출된 배기의 온도가, 분리막 (21) 의 내열 온도를 초과할 때에는, 배기 전환 밸브 (13) 에 의해, 촉매 장치 (12) 로부터 배출된 배기를 배기 바이패스 통로 (14) 에 흐르도록 할 수 있으므로, 분리막 (21) 의 열화를 억제할 수 있다.

도 6 은, 전자 제어 유닛 (200) 이 실시하는 본 실시형태에 의한 CO₂ 분리 제어에 대해 설명하는 플로 차트이다. 또한, 도 6 에 있어서, 스텝 S1 내지 스텝 S3 에서는, 전술한 제 1 실시형태와 동일한 처리를 실시하고 있으므로, 여기서는 설명을 생략한다.

스텝 S11 에 있어서, 전자 제어 유닛 (200) 은, 촉매 장치 (12) 로부터 배출된 배기의 온도가, 소정의 분리막 내열 온도 (예를 들어 180 ℃) 미만인지의 여부를 판정한다. 전자 제어 유닛 (200) 은, 촉매 장치 (12) 로부터 배출된 배기의 온도가 분리막 내열 온도 미만이면, 스텝 S2 의 처리로 진행되고, 한편으로 분리막 내열 온도 이상이면 스텝 S13 의 처리로 진행된다.

스텝 S12 에 있어서, 전자 제어 유닛 (200) 은, 촉매 장치 (12) 로부터 배출된 배기가 분리막 상류실 (22) 에 유입되도록, 배기 전환 밸브 (13) 를 제어한다.

스텝 S13 에 있어서, 전자 제어 유닛 (200) 은, 촉매 장치 (12) 로부터 배출된 배기가 배기 바이패스 통로 (14) 에 유입되도록, 배기 전환 밸브 (13) 를 제어한다.

이상 설명한 본 실시형태에 의한 CO₂ 분리 시스템 (100) 과 같이, 촉매 장치 (12) 로부터 배출된 배기를, CO₂ 분리 장치 (20) 의 분리막 상류실 (22) 에 유입시킬지, 또는 배기 바이패스 통로 (14) 에 유입시킬지를 전환할 수 있도록 함으로써, 전술한 바와 같이, 배기의 온도가, 분리막 (21) 의 내열 온도를 초과할 때에는, 배기 전환 밸브 (13) 에 의해, 촉매 장치 (12) 로부터 배출된 배기를 배기 바이패스 통로 (14) 에 흐르도록 할 수 있으므로, 분리막 (21) 의 열화를 억제할 수 있다. 또, 배기를 분리막 상류실 (22) 에 유입시킬 필요가 없을 때에는, 배기를 배기 바이패스 통로 (14) 에 유입시켜 외기로 배출할 수 있으므로, 분리막 (21) 이 배기에 의해 오염되는 것을 억제할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명하였지만, 상기 실시형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시형태의 구체적 구성에 한정하는 취지는 아니다.

예를 들어 상기 각 실시형태에서는, 압력차 발생 장치 (40) 로서 감압 펌프를 사용하고 있었지만, 감압 펌프와 함께, 또는 감압 펌프 대신에 가압 펌프를 사용하도록 해도 된다.

도 7 은, 압력차 발생 장치 (40) 로서 감압 펌프 대신에 가압 펌프를 사용한 경우의 CO₂ 분리 시스템 (100) 의 개략 구성도이다.

도 7 에 나타내는 CO₂ 분리 시스템 (100) 은, 전술한 제 3 실시형태와 동일하게, 촉매 장치 (12) 로부터 배출된 배기를, 필요에 따라 CO₂ 분리 장치 (20) 의 분리막 상류실 (22) 에 공급하지 않고 분리막 상류실 (22) 을 바이패스시켜 외기로 배출할 수 있도록 구성된다.

그리고 도 7 에 나타내는 CO₂ 분리 시스템 (100) 에서는, 배기 전환 밸브 (13) 와 CO₂ 분리 장치 (20) 의 분리막 상류실 (22) 사이의 배기 통로 (11) 에, 압력차 발생 장치 (40) 로서의 가압 펌프가 형성되어 있다. 이와 같이, 압력차 발생 장치 (40) 로서 가압 펌프를 사용하고, 가압 펌프를 분리막 상류실 (22) 보다 배기 흐름 방향 상류측의 배기 통로 (11) 에 형성하여 분리막 상류실 (22) 의 압력을 대기압보다 큰 압력으로 함으로써, 분리막 상류실 (22) 의 압력이 분리막 하류실 (23) 의 압력보다 높아지도록, 분리막 상류실 (22) 과 분리막 하류실 (23) 에 압력차를 발생시켜도 된다.

또 상기 각 실시형태에서는, 분리막 상류실 (22) 에 내연 기관 (10) 으로부터 배출된 배기를 도입하고 있었지만, 배기가 아니라 대기 (공기) 를 분리막 상류실 (22) 에 도입하여, 대기 중의 CO₂ 를 CO₂ 분리 장치 (20) 에서 분리하도록 해도 된다. 또한, 이 경우에는, 예를 들어 도 7 에 나타낸 바와 같이, 압력차 발생 장치 (40) 로서 가압 펌프를 사용하고, 공기를 분리막 상류실 (22) 에 압송함으로써, 효율적으로 대기 중의 CO₂ 를 CO₂ 분리 장치 (20) 에 도입하여 분리할 수 있다.

또 상기 각 실시형태에서는, CO₂ 회수 장치 (50) 에 있어서, 고체 흡착제와 CO₂ 함유 가스 (투과 가스) 를 접촉시킴으로써 CO₂ 를 고체 흡착제에 흡착시키고, 가열 (또는 감압) 함으로써 고체 흡착제로부터 CO₂ 를 탈리시켜 회수하는 이른바 물리 흡착법에 의해 CO₂ 를 회수하고 있었지만, CO₂ 의 회수 방법은 특별히 한정되는 것이 아니며, 물리 흡수법, 화학 흡수법, 심랭 분리법 등의 각종 방법에 의해 회수할 수 있다.

또한, 물리 흡수법은, CO₂ 를 용해시키는 것이 가능한 흡수액 (예를 들어 메탄올이나 에탄올) 과 CO₂ 함유 가스를 접촉시켜 고압·저온하에서 물리적으로 CO₂ 를 흡수액에 흡수시키고, 가열 (또는 감압) 함으로써 흡수액으로부터 CO₂ 를 회수하는 방법이다.

화학 흡수법은, CO₂ 를 선택적으로 용해시키는 것이 가능한 흡수액 (예를 들어 아민) 과 CO₂ 함유 가스를 접촉시킴으로써 화학 반응에 의해 CO₂ 를 흡수액에 흡수시키고, 가열함으로써 흡수액으로부터 CO₂ 를 해리시켜 회수하는 방법이다.

심랭 분리법은, CO₂ 함유 가스를 압축, 냉각시켜 CO₂ 를 액화시키고, 액화시킨 CO₂ 를 선택적으로 증류시킴으로써 CO₂ 를 회수하는 방법이다.

Claims

CO₂ 를 포함하는 혼합 가스로부터 CO₂ 를 분리하도록 구성된 CO₂ 분리 시스템으로서,
상기 혼합 가스로부터 CO₂ 를 분리시키도록 구성된 분리막과, 상기 분리막에 의해 구획되는 분리막 상류실 및 분리막 하류실을 갖고, 상기 분리막 상류실에 상기 혼합 가스가 유입되도록 배치된, CO₂ 분리 장치 (20) ;
상기 분리막을 투과하여 상기 분리막 하류실로부터 유출된 CO₂ 를 포함하는 투과 가스가 도입됨과 함께, 상기 투과 가스 중의 CO₂ 를 회수하도록 구성된 CO₂ 회수 장치 (50) ;
상기 분리막 상류실의 압력이 상기 분리막 하류실의 압력보다 높아지도록, 상기 분리막 상류실과 상기 분리막 하류실에 압력차를 발생시키도록 구성된 압력차 발생 장치 (40) ;
상기 투과 가스를 제습하도록 구성된 제습 장치 (30) ; 및
가열 장치 (70) 를 포함하고,
상기 압력차 발생 장치 (40) 는, 적어도 부압 발생 장치를 갖고, 상기 부압 발생 장치는, 상기 분리막 하류실과 상기 CO₂ 회수 장치 (50) 를 접속시키는 상기 투과 가스의 가스 경로 상에 배치되고,
상기 제습 장치 (30) 및 상기 부압 발생 장치는, 상기 투과 가스의 가스 경로 상에, 상기 투과 가스의 흐름 방향 상류측에서부터 상기 제습 장치 (30), 상기 부압 발생 장치의 순서로 배치되고,
상기 제습 장치 (30) 는, 열매체와의 열교환에 의해 상기 투과 가스를 냉각시킴으로써 상기 투과 가스 중의 수분을 응축시켜 상기 투과 가스를 제습하도록 구성되어 있고,
상기 가열 장치 (70) 는, 상기 투과 가스와의 열교환에 의해 수열한 열매체의 열을 사용하여 상기 CO₂ 회수 장치 (50) 를 가열하도록 구성된, CO₂ 분리 시스템.
제 1 항에 있어서,
촉매 장치 (12) 를 추가로 포함하고,
상기 혼합 가스는, 이동체에 탑재된 내연 기관, 또는 정치형의 내연 기관으로부터 배출된 배기이고,
상기 촉매 장치 (12) 는, 상기 내연 기관의 배기 경로 상에 배치되고, 상기 배기 중의 유해 물질을 정화하도록 구성되고,
상기 CO₂ 분리 장치 (20) 는, 상기 촉매 장치 (12) 보다 배기 흐름 방향 하류측의 상기 배기 경로 상에 배치되고,
CO₂ 회수 장치 (50) 는, 상기 분리막을 투과하여 상기 분리막 하류실로부터 유출된 CO₂ 및 수증기를 포함하는 투과 가스가 도입되도록 구성되고,
상기 제습 장치 (30) 및 상기 부압 발생 장치는, 상기 분리막 하류실과 상기 CO₂ 회수 장치 (50) 를 접속시키는 상기 투과 가스의 가스 경로 상에, 상기 투과 가스의 흐름 방향 상류측에서부터 상기 제습 장치 (30), 상기 부압 발생 장치의 순서로 배치된, CO₂ 분리 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 촉매 장치 (12) 와 상기 분리막 상류실 사이의 상기 배기 경로 상에 형성되고, 상기 촉매 장치 (12) 로부터 유출된 배기를, 상기 분리막 상류실에 도입할지, 또는 상기 분리막 상류실에 도입하지 않고 외기로 배출할지를 전환하도록 구성된 배기 전환 밸브 (13) 를 추가로 포함하는, CO₂ 분리 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 장치 (70) 는, 상기 투과 가스와의 열교환에 의해 수열한 열매체의 열을 축열하도록 구성된 축열부와, 상기 축열부의 열을 상기 CO₂ 회수 장치 (50) 에 전달하여 상기 CO₂ 회수 장치 (50) 를 가열하도록 구성된 전열기를 구비한, CO₂ 분리 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 혼합 가스는, 이동체에 탑재된 내연 기관, 또는 정치형의 내연 기관으로부터 배출된 배기인, CO₂ 분리 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 혼합 가스는, 공기인, CO₂ 분리 시스템.
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