KR20240068043A - 이산화탄소 포집을 위해 구성된 대형 2행정 유니플로 소기식 내연 엔진 및 방법 - Google Patents

이산화탄소 포집을 위해 구성된 대형 2행정 유니플로 소기식 내연 엔진 및 방법 Download PDF

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Abstract

대형 2행정 터보차지식 유니플로 소기식 내연 엔진 및 연소 챔버에 탄소 기반 연료를 공급하는 단계, 연소 챔버에서 탄소 기반 연료를 연소시켜 이산화탄소를 포함하는 배기 가스의 스트림을 생성하는 단계, 배기 가스의 스트림의 제1 부분을 재순환시키고, 배기 가스의 스트림의 제2 부분을 배기하는 단계, 열교환 매체의 스트림을 사용하여 배기 가스 시스템에서 재순환되는 배기 가스의 스트림의 제1 부분을 냉각함으로써 열교환 매체의 스트림을 가열하는 단계, 업소버(42)에 이산화탄소 희박 용매의 흐름을 공급하고 업소버(42)로부터 디소버(66) 및 리보일러(62) 조립체로 이산화탄소 농후 용매의 흐름을 배출함으로써 배기 가스의 스트림의 제2 부분으로부터 용매로 이산화탄소를 화학적으로 흡수시키는 단계, 및 용매를 가열하기 위해 디소버(66) 및 리보일러(62) 조립체에 열교환 매체의 가열된 스트림의 적어도 일부를 공급함으로써 가열을 통해 디소버(66) 및 리보일러(62) 조립체에서 탄소 농후 용매를 재생시키는 단계를 포함하는 엔진을 작동시키는 방법.

Description

이산화탄소 포집을 위해 구성된 대형 2행정 유니플로 소기식 내연 엔진 및 방법 {METHOD AND LARGE TWO-STROKE UNIFLOW SCAVENGED INTERNAL COMBUSTION ENGINE CONFIGURED FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE}
본 개시는 이산화탄소 배출을 줄이도록 구성된 대형 2행정 내연 엔진, 특히 탄소 기반 연료(기체 또는 액체 연료)로 작동하는 크로스헤드를 갖는 대형 2행정 유니플로 소기식 내연 엔진 및 이러한 유형의 엔진을 작동하는 방법에 관한 것이다.
크로스헤드를 갖는 대형 2행정 터보차지식 유니플로 소기식 내연 엔진은 예를 들어 대형 원양 선박의 추진 또는 발전소의 주요 동력원으로 사용된다. 이러한 2행정 디젤 엔진은 그 순수한 크기뿐만 아니라 다른 내연 엔진과 다르게 구성된다. 배기 밸브는 최대 400 kg의 무게가 나갈 수 있고 피스톤은 최대 100 cm의 직경을 가지며 연소 챔버의 최대 작동 압력은 일반적으로 수백 bar이다. 이러한 고압 수준과 피스톤 크기에 수반되는 힘은 엄청나다.
DK202170181B1은 배기 시스템에서 흡기 시스템으로 배기 가스의 흐름을 전달하기 위한 EGR 시스템을 갖는 유니플로 유형의 대형 터보차지식 멀티 실린더 2행정 내연 엔진을 개시한다. EGR 시스템은 EGR 블로어와 전자적으로 조정 가능한 EGR 교축 밸브를 포함한다. AC 전기 구동 모터는 EGR 블로어를 구동하기 위해 EGR 블로어에 연결된다. AC 전기 구동 모터는 미리 정해진 일정한 속도로 작동하도록 구성된다. 센서는 소기 가스 리시버의 산소 농도를 나타내는 신호를 제공하고, 컨트롤러는 상기 신호를 수신하며 전자적으로 조정 가능한 EGR 교축 밸브에 결합된다. 컨트롤러는 1차 조치로서 제1 신호의 함수로서 전자적으로 조정 가능한 EGR 교축 밸브의 위치를 조정함으로써 EGR 시스템을 통한 배기 가스의 흐름을 조절하도록 구성된다. 이 엔진은 탄소 연료의 연소 과정에서 생성된 CO2를 대기 중으로 배출한다. 대형 2행정 터보차지식 내연 엔진은 액체 연료(예컨대 연료유, 선박용 디젤, 중유, 에탄올, 디메틸에테르(DME)) 또는 기체 연료(예컨대 메탄, 천연 가스(LNG), 석유 가스(예: LPG), 메탄올 또는 에탄)로 작동된다.
기체 연료로 작동하는 엔진은 기체 연료가 실린더 커버 또는 실린더 라이너의 길이를 따라 가운데에 배치열된 연료 밸브에 의해 유입되는 Otto 사이클에 따라 작동할 수 있으며, 즉 이러한 엔진은 배기 밸브가 닫히기 훨씬 전에 시작하는 피스톤의 (BDC로부터 TDC로의) 상향 스트로크 동안 기체 연료를 유입하고 연소 챔버에서 소기 공기와 기체 연료의 혼합물을 압축하며 예를 들어 액체 연료 분사기와 같은 적시 점화 수단에 의해 TDC 또는 그 근처에서 압축된 혼합물을 점화시킨다.
액체 연료로 작동되는 엔진과 또한 고압 분사를 통해 기체 연료로 작동되는 엔진은 피스톤이 TDC 또는 그 근처에 있을 때, 즉 연소 챔버의 압축 압력이 최대 또는 그 근처일 때 기체 또는 액체 연료를 분사하며, 디젤 사이클, 즉 압축 점화에 따라 작동된다.
알려진 대형 2행정 터보차지식 유니플로 소기식 내연 엔진에 사용되는 액체 및 기체 연료는 일반적으로 탄소를 포함하며, 즉 이들은 탄소 기반 연료이고 그 연소는 대기 중으로 배출되는 이산화탄소의 생성을 낳는다. 이산화탄소 방출은 일반적으로 기후 변화에 영향을 미치고 최소화되거나 방지되어야 하는 것으로 간주된다.
알려진 탄소 포집 기술은 전형적으로 연소 후 CO2 포집, 연소 전 CO2 포집 및 산소 연료 연소의 세 카테고리로 분류된다. 연소 전이란 연료의 연소 전에 탄소 성분을 분리하고 포집하는 것을 의미한다.
연소 전 이산화탄소 포집에서 연료는 먼저 산소 및/또는 스팀과 반응된 다음 수성 가스 시프트 리액터에서 추가로 처리되어 H2와 CO2의 혼합물을 생성한다. CO2는 15% 내지 40% CO2를 함유하는 고압 가스 혼합물로부터 포집된다. 사전 연소의 장점은 처리에 필요한 가스 체적이 크게 감소되고 가스에서 CO2 농도가 증가된다는 것이다. 이는 분리 공정을 위한 에너지 소비와 장비 투자를 줄인다.
산소 연료 연소에서 탄소 기반 연료는 공기가 아닌, 재순환된 연도 가스와 순수 O2에서 연소된다. 이는 O2 분리의 높은 비용 때문에 상용화 가능성을 제약한다. 산소 연료 연소 기술은 질소가 공기에서 제거되는 공기 분리 유닛으로 구성된다. 그런 다음 탄소 기반 연료는 재순환된 연도 가스와 순수한 산소에서 연소된다. 주로 연소로부터의 입자상 물질, CO2, 연료로부터의 황산화물 및 물로 구성된 연도 가스는 물을 응축시키기 전에 입자상 물질 제거 유닛인 황 제거 유닛으로 보내져 압축될 수 있는 CO2의 스트림을 남긴다. 주요 장점은 거의 100% CO2 포집을 가능하게 한다는 것이다.
연소 후 기술에서 탄소 기반 연료는 기존 에너지 생성에서와 같이 연소되고 CO2는 배기 가스로부터 포집된다. 이러한 탄소 분리 기술은 크게 네 하위 영역, 즉 흡수, 흡착, 멤브레인, 극저온으로 구분된다. 아민 용매가 배기 가스로부터의 흡수에 의해 CO2를 포집하도록 사용될 수 있다. 여기서 CO2가 용매에 포집되고 아민의 재생 과정이 이어진다. 단점은 발전소의 대규모 확장과 이산화탄소 포집 과정에 필요한 상당한 에너지이다. 특히 아민 용매 재생에 매우 많은 양의 에너지가 요구된다.
위에서 언급한 문제를 극복하거나 적어도 감소시키는 엔진 및 방법을 제공하는 것이 목적이다.
상기 목적 및 다른 목적은 독립항의 특징에 의해 달성된다. 추가 구현 형태는 종속항, 설명 및 도면을 통해 명백해진다.
제1 양상에 따르면 크로스헤드를 갖는 대형 2행정 터보차지식 유니플로 소기식 내연 엔진이 제공되는데, 엔진은
실린더 라이너, 실린더 라이너에서 왕복하도록 구성된 피스톤, 및 실린더 커버에 의해 한정되는 적어도 하나의 연소 챔버,
적어도 하나의 연소 챔버로 소기 가스를 유입시키기 위해 실린더 라이너에 배열되는 소기 포트,
적어도 하나의 연소 챔버에 탄소 기반 연료를 공급하도록 구성되는 연료 시스템,
적어도 하나의 연소 챔버는 탄소 기반 연료를 연소시켜 이산화탄소를 포함하는 배기 가스의 스트림을 생성하도록 구성되는 것,
실린더 커버에 배열되고 배기 밸브에 의해 제어되는 배기 가스 아웃렛,
적어도 하나의 연소 챔버는 소기 포트를 통해 소기 가스 리시버에 연결되고 배기 가스 아웃렛을 통해 배기 가스 리시버에 연결되는 것,
배기 가스의 스트림에 의해 구동되는 터보차저 시스템의 터빈을 포함하는 배기 가스 시스템,
터보차저 시스템의 압축기를 포함하되, 압축기는 소기 가스 리시버에 가압된 소기 공기를 공급하도록 구성되는 공기 인렛 시스템,
적어도 하나의 연소 챔버에서 비롯되는 배기 가스의 일부를 소기 가스 리시버로 재순환시키도록 구성되고, 소기 공기 리시버로의 배기 가스의 흐름을 보조하기 위한 블로어를 포함하는 배기 가스 재순환 시스템,
용매에 이산화탄소를 흡수시키기 위한 업소버, 바람직하게는 흡수 타워,
용매로부터 이산화탄소를 탈착시키기 위한 디소버 및 리보일러 조립체,
업소버는 디소버로부터 이산화탄소 희박 용매를 수용하는 용매 인렛 및 디소버에 이산화탄소 농후 용매를 공급하는 용매 아웃렛을 갖는 것,
업소버는 배기 가스의 스트림으로부터 화학적 흡수에 의해 용매로의 이산화탄소의 분리를 위해 배기 가스의 스트림이 업소버를 관통하여 지나가도록 배열되는 것,
디소버 및 리보일러 조립체는 업소버로부터 이산화탄소 농후 용매를 수용하는 인렛 및 업소버에 이산화탄소 희박 용매를 공급하는 아웃렛을 갖는 것,
디소버 및 리보일러 조립체는 용매를 가열하여 용매로부터 이산화탄소를 방출시키도록 구성되는 것, 및
용매와 배기 가스 재순환 시스템에서 재순환되는 배기 가스 사이에 열을 교환하도록 구성되는 열교환 장치를 포함한다.
용매를 재생하는 데 필요한 에너지의 양은 상당하며 대형 2행정 내연 엔진에 의해 전달되는 엔진 샤프트 동력의 60% 이상에 달할 수 있다. 엔진의 에너지 효율에 대한 이러한 패널티는 이러한 이산화탄소 포집 시스템이 없는 엔진에 비해 더 비싼 이산화탄소 포집 시스템을 갖는 작동을 제공한다. 그러나 발명자들은 배기 가스 재순환으로 작동되는 대형 2행정 디젤 엔진이 재순환되는 배기 가스는 유리하게는 실린더로 재도입되기 전에 열교환 매체를 사용하여 냉각되기 때문에 과잉 에너지의 스트림을 생성한다는 것을 인지했다. 발명자들은 또한 이러한 열교환 매체(예를 들어 물 또는 스팀)가 가열을 위해 직접적으로 열교환 매체를 사용하기에 충분한 온도로 가열되어 리소버 및 리보일러 조립체에서 이산화탄소 농후 용매를 재생시킨다는 것을 인지했다.
제1 양상의 가능한 구현 형태에서, 열교환 장치는 열교환 매체와 배기 가스 재순환 시스템의 배기 가스 사이에 열을 교환하여 배기 가스 재순환 시스템의 배기 가스를 냉각하고 열교환 매체를 가열하도록 구성되는 배기 가스 재순환 시스템의 배기 가스 재순환 열교환기(32), 및 열교환 매체와 용매 사이에 열을 교환하여 용매를 가열하고 열교환 매체를 냉각하도록 구성되는 열교환기를 포함한다.
제1 양상의 가능한 구현 형태에서, 배기 가스 재순환 시스템은 스크러버, 바람직하게는 습식 스크러버를 포함하고, 스크러버는 배기 가스 재순환 열교환기의 하류의 배기 가스 재순환 시스템에 배열된다.
제1 양상의 가능한 구현 형태에서, 열교환 장치는 디소버 및 리보일러 조립체의 용매와 배기 가스 재순환 시스템의 재순환되는 배기 가스 사이에 열을 교환하도록 구성된다.
제1 양상의 가능한 구현 형태에서, 적어도 40%, 바람직하게는 40% 내지 55%로 소기 가스에서 재순환되는 배기 가스의 질량 백분율을 조절하도록 구성되는 컨트롤러를 포함한다.
제1 양상의 가능한 구현 형태에서, 컨트롤러는 소기 가스에서 재순환되는 배기 가스의 백분율을 조절하기 위해 블로어의 속도를 제어하도록 구성된다.
제2 양상에 따르면, 복수의 연소 챔버를 갖는 대형 2행정 터보차지식 유니플로 소기식 내연 엔진을 작동시키는 방법이 제공되는데, 본 방법은
연소 챔버에 탄소 기반 연료를 공급하는 단계,
연소 챔버에서 탄소 기반 연료를 연소시켜 이산화탄소를 포함하는 배기 가스의 스트림을 생성하는 단계,
배기 가스의 스트림의 제1 부분을 재순환시키고, 배기 가스의 스트림의 제2 부분을 배기하는 단계,
연소 챔버에 가압된 소기 가스의 스트림을 공급하는 단계로서, 가압된 소기 가스의 스트림은 재순환된 배기 가스를 포함하는 단계,
열교환 매체의 스트림을 사용하여 배기 가스 시스템에서 재순환되는 배기 가스의 스트림을 냉각함으로써 열교환 매체의 스트림을 가열하는 단계,
업소버에 이산화탄소 희박 용매의 흐름을 공급하고 업소버로부터 디소버 및 리보일러 조립체로 이산화탄소 농후 용매의 흐름을 배출함으로써 배기 가스의 스트림의 제2 부분으로부터 용매로 이산화탄소를 화학적으로 흡수시키는 단계, 및
용매를 가열하기 위해 디소버 및 리보일러 조립체에 열교환 매체의 가열된 스트림의 적어도 일부를 공급함으로써 가열을 통해 디소버 및 리보일러 조립체에서 탄소 농후 용매를 재생시키는 단계를 포함한다.
제2 양상의 가능한 구현 형태에서, 본 방법은 배기 가스의 스트림의 적어도 40 wt.%, 바람직하게는 배기 가스의 스트림의 40 내지 55 wt.%를 재순환시키는 단계를 포함한다.
제2 양상의 가능한 구현 형태에서, 본 방법은 가압된 소기 가스에서 재순환되는 배기 가스의 백분율을 조절하기 위해 배기 가스 재순환 시스템의 블로어의 속도를 제어하는 단계를 포함한다.
제2 양상의 가능한 구현 형태에서, 본 방법은 이산화탄소 및 수증기 또는 스팀을 분리하기 위해 세퍼레이터(69)에 디소버(66)에서 생성된 스팀 또는 수증기 및 이산화탄소를 포함하는 가스의 흐름을 공급하는 단계를 포함하고, 세퍼레이터는 바람직하게는 주로 이산화탄소를 포함하는 가스의 스트림과 주로 물을 포함하는 액체의 스트림을 얻기 위한 녹아웃 드럼이다.
제2 양상의 가능한 구현 형태에서, 본 방법은 액화 유닛에 주로 이산화탄소를 포함하는 가스의 스트림을 공급하고 액화 이산화탄소의 흐름을 얻기 위해 주로 이산화탄소를 포함하는 가스의 스트림을 액화하는 단계를 포함하고, 본 방법은 바람직하게는 액화 이산화탄소 저장 유닛으로 액화 이산화탄소의 스트림을 보내는 단계를 포함한다.
제2 양상의 가능한 구현 형태에서, 본 방법은 배기 가스 재순환 시스템의 배기 가스 재순환 열교환기를 사용하여 배기 가스 재순환 시스템의 재순환되는 배기 가스로부터 열을 추출하여 열교환 매체와 배기 가스 재순환 시스템의 배기 가스 사이에 열을 교환함으로써 배기 가스 재순환 시스템의 배기 가스를 냉각하고 열교환 매체를 가열하는 단계, 및 가열된 열교환 매체와 용매 사이에 열을 교환하여 용매를 가열하고 열교환 매체를 냉각하는 단계를 포함한다. 이들 및 다른 양상은 아래 설명된 실시예로부터 명백해질 것이다.
위에서 언급한 문제를 극복하거나 적어도 감소시키는 엔진 및 방법을 제공하는 것이 목적이다.
본 개시의 다음의 상세한 부분에서 양상, 실시예 및 구현이 도면에 도시된 예시 실시예를 참조하여 더 자세히 설명될 것이다.
도 1은 예시 실시예에 따른 대형 2행정 디젤 엔진의 사시도이다.
도 2는 도 1의 대형 2행정 엔진의 다른 각도의 사시도이다.
도 3은 실시예의 도 1 및 2에 따른 대형 2행정 엔진의 개요도이다.
도 4a는 도 1 내지 3의 실시예에 사용된 히트 펌프의 제1 실시예의 개요도이다.
도 4b는 도 1 내지 3의 실시예에 사용된 히트 펌프의 제2 실시예의 개요도이다.
도 5는 도 1 내지 4a의 실시예에 사용된 히트 펌프의 실시예의 더 상세한 개요도이다.
도 6은 다른 실시예의 도 1 및 2에 따른 대형 2행정 엔진의 개요도이다.
다음의 상세한 설명에서 내연 엔진이 예시 실시예의 대형 2행정 저속 터보차지식 내연 크로스헤드 엔진을 참조하여 설명될 것이다. 도 1, 2 및 3은 크랭크샤프트(8)와 크로스헤드(9)를 갖는 대형 저속 터보차지식 2행정 디젤 엔진의 실시예를 도시한다. 도 1 및 2는 다른 각도의 사시도이다. 도 3은 흡기 및 배기 시스템을 갖는 도 1 및 2의 대형 저속 터보차지식 2행정 디젤 엔진의 실시예의 개요도이다. 이 실시예에서 엔진에는 일렬로 6개의 실린더를 갖는다. 그러나 대형 저속 터보차지식 2행정 내연 엔진은 엔진 프레임(11)에 의해 마련되는 실린더 라이너와 함께 일렬로 4 내지 14개의 실린더를 가질 수 있다. 엔진은 예를 들어 해양 선박의 메인 엔진으로 또는 발전소의 발전기를 작동하기 위한 고정 엔진으로 사용될 수 있다. 예를 들어 엔진의 총 출력은 1,000 내지 110,000 kW일 수 있다.
엔진은 이 예시 실시예에서 실린더 라이너(1)의 하부 영역에 소기 포트(18)를, 그리고 실린더 라이너(1)의 상단에 있는 실린더 커버(22)에 중앙 배기 밸브(4)를 갖는 2행정 유니플로 소기식 유형의 엔진이다. 소기 가스는 피스톤(10)이 소기 포트(18) 아래에 있을 때 소기 가스 리시버(2)로부터 개별 실린더 라이너(1)의 소기 포트(18)를 관통하여 지나간다.
엔진이 프리믹스 엔진(Otto 원리)으로 작동될 때 탄소를 함유하는 기체 연료(예를 들어 메탄올, 석유 가스 또는 LPG, 메탄, 천연 가스 LNG 또는 에탄)는 피스톤(10)이 (BDC로부터 TDC로) 상향 이동을 할 때, 그리고 피스톤(10)이 연료 밸브(50')(가스 유입 밸브)를 지나가기 전에 전자 컨트롤러(100)의 제어하에 기체 연료 유입 밸브(50')로부터 유입된다. 기체 또는 액체 탄소 함유 연료(예를 들어 연료유)는 피스톤(10)이 TDC 또는 그 근처에 있을 때 고압(바람직하게는 300 bar 이상)으로 분사되어 연소 챔버 연료 밸브(50)로 분사된다. 연료 가스는 30 bar 미만, 바람직하게는 25 bar 미만, 더 바람직하게는 20 bar 미만인 상대적으로 저압으로 유입되고 기체 연료 공급 시스템(30')에 의해 공급된다. 연료 밸브(50)를 통해 분사하기 위한 연료를 포함하는 흐름은 연료 시스템(30)에 의해 공급된다. 고압은 연료 시스템(30)(커먼 레일)에 의해 또는 연료 밸브(50)에서 생성될 수 있다. 연료 유입 밸브(50')는 실린더 라이너의 원주 주위에 바람직하게는 균일하게 분포되고 실린더 라이너(1)의 길이의 중앙 영역에 배치된다. 기체 연료의 유입은 압축 압력이 상대적으로 낮을 때, 즉 피스톤이 TDC에 도달할 때 압축 압력보다 훨씬 낮을 때 발생하므로 상대적으로 저압으로 유입을 허용한다.
엔진이 압축 점화 엔진(디젤 원리)으로 작동될 때 가스 유입 밸브(50')는 없으며 탄소 함유 연료(기체 또는 액체)는 피스톤(10)이 TDC 또는 그 근처에 있을 때 연료 밸브(50)를 통해 고압으로 분사된다.
실린더 라이너(1)의 피스톤(10)은 소기 가스 및 기체 연료의 충전을 압축하고(또는 작동이 오직 TDC에서의 연료 분사를 갖는 경우 소기 가스를 압축하고) TDC 또는 그 근처에서 바람직하게는 실린더 커버(22)에 배열된 연료 밸브(50)로부터 또는 오직 TDC 또는 그 근처에서의 액체 연료 분사의 경우 압축을 통해 고압으로 연료의 분사에 의해 점화가 촉발된다. 이에 연소가 이루어지며 이산화탄소를 함유하는 배기 가스가 생성된다.
배기 밸브(4)가 개방될 때 연소 가스는 실린더(1)와 연관된 연소 가스 덕트를 통해 연소/배기 가스 리시버(3)로 흐르고 계속해서 배기 가스에서 아산화질소(Nox)의 감소를 위한 선택적 촉매 리액터(33)를 포함하는 제1 배기 가스 도관(19)을 통해 흐른다.
샤프트를 통해 터빈(6)은 공기 인렛(12)을 통해 신선한 공기가 공급되는 컴프레서(7)를 구동한다. 컴프레서(7)는 가압된 소기 공기를 소기 공기 리시버(2)로 이어지는 소기 공기 도관(13)으로 전달한다. 도관(13)의 소기 공기는 소기 공기를 냉각하기 위한 인터쿨러(14)를 지나간다.
인터쿨러(14)의 상류(도시) 또는 하류(미도시)에서 배기 가스 재순환 도관(35)은 소기 공기 도관(13)에 연결된다. 이 위치에서 재순환된 배기 가스는 소기 공기와 혼합되어 소기 가스 리시버(2)로 흐르는 소기 가스를 형성한다. 컨트롤러(100)(전자 제어 유닛)는 아래에 더 자세히 설명되는 바와 같이 소기 가스에서 배기 가스와 소기 공기 사이의 비율을 조정하도록 구성된다.
냉각된 소기 공기 또는 가스는 터보차저(5)의 컴프레서(7)가 소기 공기 리시버(2)에 충분한 압력을 전달하지 않을 때, 즉 엔진의 낮은 또는 부분적인 부하 조건일 때 소기 공기 흐름을 가압하는 전기 모터(17)에 의해 구동되는 보조 블로어(16)를 거쳐 지나간다. 더 높은 엔진 부하에서 터보차저 컴프레서(7)는 충분한 압축된 소기 공기를 전달하고 보조 블로어(16)는 역지 밸브(15)를 통해 바이패스 된다. 검사는 하나 이상의 터보차저(5)를 포함하여 터보차저 시스템을 형성할 수 있다.
컨트롤러의 기능을 수행하기 위한 프로세서 및 다른 하드웨어를 포함하는 몇몇 상호 연결된 전자 유닛으로 구성될 수 있는 컨트롤러(100)는 일반적으로 엔진의 작동을 제어하고 예를 들어 기체 연료 유입(양 및 타이밍), 액체 연료 분사(양 및 타이밍), 및 배기 밸브(4)의 개폐(리프트의 타이밍과 정도), 재순환되는 배기 가스 비율 및 다양한 쿨러, 펌프 및 기타 장비의 작동에 걸쳐 제어를 가한다. 이때 컨트롤러(100)는 센서로부터 컨트롤러(100)에 엔진의 작동 조건(엔진 부하, 엔진 속도), 블로어 속도, 소기 가스 온도, 다양한 위치의 이그절트(exalt) 가스 온도, 다양한 위치의 배기 가스 온도, 소기 시스템, 연소 챔버, 배기 가스 시스템 및 배기 가스 재순환 시스템의 압력을 알려 주는 다양한 신호를 수신한다. 바람직하게는 엔진은 각각의 연소 챔버에 대한 배기 밸브 타이밍의 개별 제어를 허용하는 가변 타이밍 배기 밸브 구동 시스템을 포함한다. 컨트롤러(100)는 신호 라인 또는 무선 연결을 통해 연료 밸브(50), 액체 연료 유입 밸브(50'), 배기 밸브 액추에이터, 크랭크샤프트의 각도를 감지하고 크랭크샤프트의 위치를 나타내는 신호를 생성하는 각도 위치 센서, 및 바람직하게는 실린더 커버(22)의 또는 대안적으로는 연소 챔버의 압력을 나타내는 신호를 생성하는 실린더 라이너(1)의 압력 센서에 연결된다.
엔진 크기에 따라 실린더 라이너(1)는 전형적으로 250 mm 내지 1000 mm의 실린더 보어 및 1000 mm 내지 4500 mm의 대응되는 전형적인 길이를 갖는 다양한 크기로 제조될 수 있다.
실린더 라이너(1)는 실린더 프레임(23)에 장착되며 실린더 커버(22)는 그 사이에 기밀 인터페이스를 갖는 각각의 실린더 라이너(1)의 상단에 배치된다. 피스톤(10)은 하사점(Bottom Dead Center, BDC)과 상사점(Top Dead Center, TDC) 사이를 왕복 이동하도록 배열된다. 피스톤(10)의 이들 두 극단 위치는 크랭크샤프트(8)의 180도 회전에 의해 이격된다. 실린더 라이너(1)는 피스톤(10)이 실린더 윤활 홀(25)을 통과할 때 실린더 윤활유의 공급을 제공하며 그 후에 피스톤(10)의 피스톤 링(미도시)이 실린더 윤활유를 실린더 라이너(1)의 작동 표면(내부 표면)에 분배하는 실린더 윤활 라인에 연결된 복수의 원주 방향으로 분포된 윤활 홀이 제공된다. 실린더 라이너는 재킷(미도시)이 제공되며 재킷 냉각수가 재킷과 실린더 라이너 사이의 공간에서 순환된다.
(전형적으로 실린더당 1개 이상, 바람직하게는 3개 또는 4개의) 액체 연료 밸브(50)는 실린더 커버(22)에 장착되고 가압된 탄소 함유 연료(30)의 공급원에 연결된다. 액체 연료 밸브(50)는 바람직하게는 배기 밸브(4) 주위에, 특히 실린더 커버(22)의 중앙 아웃렛(개구) 주위에 배열되며 원주 방향으로 고르게 분포된다. 중앙 아웃라인은 배기 밸브(4)에 의해 제어된다. 어퍼리션(apparition) 연료 분사의 타이밍과 양은 컨트롤러(100)에 의해 제어된다. 연료 밸브(50)는 엔진이 프리믹스 모드로 작동하고 있는 경우 소량의 점화 액체(파일럿)를 분사하는 데에만 사용된다. 엔진이 압축 점화 모드로 작동하는 경우 실제 엔진 부하로 엔진을 작동하는 데 필요한 액체 연료의 양은 액체 연료 밸브(50)를 통해 분사된다. 실린더(22) 커버는 프리챔버(미도시)가 제공될 수 있으며, 액체 연료 밸브(50)의 팁, 전형적으로는 하나 이상의 노즐 홀을 갖는 노즐이 제공된 팁은 파일럿 오일(점화 액체)이 프리챔버에 주입되고 분무되어 점화를 촉발하도록 배열된다. 프리챔버는 안정적인 점화를 보장하는 데 도움을 준다.
연료 유입 밸브(50')는 실린더 라이너(1)(또는 실린더 커버(22))에 설치되며, 그 노즐은 실린더 라이너(1)의 내부 표면과 실질적으로 나란하고, 연료 밸브(50')의 후방 단부는 실린더 라이너(22)의 외부 벽으로부터 돌출된다. 전형적으로 1개 또는 2개, 그러나 가능하게는 3개 또는 4개 정도의 연료 밸브(50')가 각각의 실린더 라이너(1)에 제공되어 실린더 라이너(1) 주위에 원주 방향으로 분포된다(바람직하게는 원주 방향으로 고르게 분포된다). 연료 유입 밸브(50')는 실시예에서 실린더 라이너(1)의 길이를 따라 실질적으로 가운데에 배열된다. 연료 유입 밸브(50')는 기체 연료(30')(예를 들어 메탄올, LPG, LNG, 에탄 또는 암모니아)의 가압된 공급원에 연결되며, 즉 연료는 연료 유입 밸브(50')로 전달될 때 기체 상태로 있다. BDC에서 TDC로의 피스톤(10)의 스트로크 중에 기체 연료가 유입되기 때문에 기체 연료의 공급원의 압력은 실린더 라이너(1)에 존재하는 압력보다 높기만 하면 되며, 전형적으로는 20 bar 미만의 압력이면 연료 유입 밸브(50')로 전달되는 기체 연료를 위해 충분하다. 연료 유입 밸브(50')는 연료 유입 밸브(50')의 개폐의 타이밍과 연료 유입 밸브(50')의 개방의 지속 시간을 결정하는 컨트롤러(100)에 연결된다.
점화를 위한 액체 연료는 실시예에서 연료유, 선박용 디젤, 중유, 에탄올 또는 디메틸에테르(DME)이다.
기체 작동 모드는 엔진의 몇몇 작동 모드 중 하나일 수 있다. 다른 모드는 엔진의 작동에 필요한 모든 연료가 액체 연료 밸브(50)를 통해 액체 형태로 제공되는 액체 연료 작동 모드를 포함할 수 있다. 기체 연료 작동 모드에서 엔진은 메인 연료로서, 즉 엔진에 공급되는 에너지의 대부분을 제공하는 것으로서 상대적으로 저압으로 BDC로부터 TDC로의 피스톤의 스트로크 동안 유입되는 기체 연료로 작동되는 반면 액체 연료는 이에 비해 엔진에 공급되는 에너지의 양에 상대적으로 작은 기여를 하는 상대적으로 적은 양의 연료를 구성하며, 액체 연료의 목적은 적시 점화로, 즉 액체 연료는 점화 액체로서 역할을 한다.
따라서 본 실시예의 엔진은 듀얼 연료 엔진일 수 있으며, 즉 엔진은 액체 연료로만 작동하는 모드와 거의 기체 연료로만 작동하는 모드를 갖는다.
이 실시예에서 엔진은 Otto 원리에 따라 작동하는 프리믹스 엔진으로 도시되어 있다. 그러나 엔진은 피스톤(10)이 TDC 또는 그 근처에 있을 때 탄소 기반 연료(기체 또는 액체)가 고압으로 분사되는 (디젤 원리에 따라 작동하는) 압축 점화 엔진일 수도 있다.
엔진은 연소 챔버에 탄소 기반 연료(액체 및/또는 기체 연료)를 공급하고, 연소 챔버에서 탄소 기반 연료를 연소시켜 이산화탄소를 포함하는 배기 가스의 흐름을 생성하며, 바람직하게는 배기 가스의 (또는 재순환되는 가스가 연소 챔버로부터 직접 취해지는 실시예에서 연소 가스의) 흐름의 제1 부분을 재순환시키고, 배기 가스로서 배기 가스의 흐름의 다른 (제2) 부분을 배기하며, 연소 챔버로 배기 가스를 함유하는 가압된 소기 가스를 공급하되 가압된 소기 가스는 실시예에서 재순환되는 배기 가스를 적어도 40 wt.%, 바람직하게는 40 내지 50 wt.% 포함하고, 이산화탄소 흡수 공정에서 배기 가스로부터 이산화탄소를 분리하며, 분리된 이산화탄소를 저장함으로써 작동된다.
터보차저의 터빈(6)의 하류에서 배기 가스는 스팀을 생성하도록 구성된 보일러(20)(이코노마이저라고도 함)로 배기 가스를 안내하는 제2 배기 도관(28)으로 들어간다. 스팀은 예를 들어 엔진이 다양한 목적을 위해 설치되는 해양 선박에 탑재되어 사용되거나 스팀은 아래에서 더 자세히 설명될 디소버(66) 및 리제너레이터(62) 조립체를 가열하기 위해 직접 사용될 수 있는데 이 스팀은 리제너레이터(66) 및 리보일러(62) 조립체에 직접 공급되기에 충분한 온도를 갖기 때문이다.
보일러(20)의 하류에서 제2 배기 도관(28)은 배기 가스가 아래에 더 자세히 설명되는 1차 매체와 자리를 교환하는 제1 열교환기(40)로 이어진다.
제1 열교환기(40)의 하류에서 제2 배기 도관(28)은 업소버(42)의 바닥에 있는 인렛으로 이어져 연결된다. 업소버(42)는 바람직하게는 흡수 타워, 예를 들어 패킹된 흡수 타워이다. 배기 가스는 업소버(42)를 통해 업소버(42)의 상단에 있는 아웃렛으로 흐른다.
업소버(42)는 용매를 사용하여 이산화탄소를 화학적으로 흡수하기 위한 시스템의 일부이다. 적합한 용매의 예는 아민 용액이다. 아민 용액은 1차, 2차 및/또는 3차 아민을 포함할 수 있다. 적합한 용액의 또 다른 예는 NaOH/KOH 용액, 바람직하게는 아민 NaOH/KOH 수용액이다.
이산화탄소는 패킹된 흡수 타워(업소버)(42)에 의해 배기 가스에서 제거된다. 이 반응은 발열 반응이며 흡수 타워(42)를 따라 용매 온도를 증가시킨다. 예를 들어 엔진으로부터의 배기 가스의 이산화탄소 농도는 4-5 vol.%(배기 가스 재순환 없음) 내지 9-10 vol.%(배기 가스 재순환 있음)이며 흡수 타워(42)의 상단으로 들어가며 이산화탄소 희박 용매라고 불리는 용매와 역류로 업소버(42)에 도입된다. 이러한 이산화탄소 희박 용매는 대략 35℃ 내지 55℃로 주변 압력에서 디소버(66)에 의해 공급된다. 업소버(42)의 상단에서 패킹된 베드로 구성된 세척수 섹션은 배기 가스로 빠져나가는 휘발성 아민 흡착제를 응축 및 용해시켜 제거한다. 흡수 타워(42)의 전체 높이는 최대 50 m까지 가능하다. 이산화탄소가 업소버(42)에 흡수됨에 따라, 업소버(42)의 바닥으로부터의 이산화탄소 농후 용매의 흐름은 디소버(66) 및 리보일러(62) 조립체에 도입되기 전에 이산화탄소 희박 용매의 흐름과 열교환을 위해 크로스 열교환기(60)로 펌프(44)에 의해 공급되는데, 용매로부터 이산화탄소를 방출시키기 위해 리보일러(62)에서 가열된다. 스트리핑(탈착) 온도는 120℃ 내지 150℃에서 가변하며 작동 압력은 최대 5 bar에 이른다.
물 포화된 이산화탄소 흐름은 디소버 컬럼(66)의 상단으로부터 방출되며 열교환기(68)에서 냉각되어 대부분의 수분 함량을 응축시키는데, 이는 녹아웃 드럼(69)에서 분리되어 디소버 컬럼(66)으로 복귀된다. 녹아웃 드럼(69)으로부터의 이산화탄소의 스트림은 이어서 액화 유닛(70)에서 압축/액화되고, 실시예에서 극저온 저장 탱크인 저장 탱크(88)에 일시적으로 저장된다. 임시 저장 탱크(85)로부터 액화 이산화탄소는 최종 저장소 또는 유틸리티 사이트(미도시)로 이송될 수 있다. 엔진이 해양 선박에 설치되는 경우, 임시 저장 탱크(88)는 해양 선박에 배열될 것이며 해양 선박이 액화 이산화탄소를 수용하기 위한 유틸리티가 제공되는 항구에 있을 때 비워질 것이다.
아민 용액의 재생 공정은 용액의 이산화탄소를 모두 제거하지 못하며, 재생된 이산화탄소 희박 용매는 펌프(64)의 작용에 의해 희박 이산화탄소 로딩과 함께 흡수 타워(42)으로 재순환된다. 흡수 타워(42)에 도달하기 전 이산화탄소 농후 용매는 크로스 열교환기(60) 및 열교환기(67)에서 이산화탄소 희박 용매와 열을 교환한다.
컬럼을 통해 이산화탄소를 흡수한 후의 용매의 이산화탄소 로딩은 이산화탄소 농후 용매로 불린다. 이 희박 로딩과 농후 로딩의 차이는 배기 가스로부터 포집된 이산화탄소의 양이다.
업소버(42)를 나는 배기 가스의 이산화탄소 농도는 업소버(42)에 들어가는 배기 가스의 이산화탄소 농도보다 최대 10배 더 낮다.
용매의 아민 중 일부는 업소버(42)를 나가는 배기 가스에 여전히 존재할 수 있으며, 이는 업소버(42)의 하류의 배기 도관(49)에 배열된 아민 스크러버(44)에 의해 제거된다.
엔진은 엔진의 여러 부분으로부터 폐열 흐름이라고도 불리는 많은 과잉 에너지 흐름(Q1, Q2, Qn)을 생성한다. 도 3의 실시예에서 이들은 다음을 포함한다.
- Q1: 소기 공기 쿨러(14)의 1차 냉각 매체(예컨대 물). 소기 공기 쿨러(14)로부터의 냉각수는 전형적으로 약 20 내지 240℃의 온도를 갖는다.
- Q2: 전형적으로 45 내지 55℃의 온도를 갖는 1차 중간 엔진 윤활유.
- Q3: 실린더 재킷 쿨러의 1차 냉각 매체(예컨대 물). 실린더 재킷으로부터의 냉각수는 전형적으로 약 70 내지 90℃를 갖는다.
- Q4: 전형적으로 약 50 내지 350℃의 온도를 갖는 배기 가스 재순환 도관 열교환기(쿨러)(32)의 1차 냉각 매체(예컨대 물).
- Q5: 전형적으로 약 160 내지 170℃의 온도로 스팀을 공급하는 보일러(20).
- Q6: 전형적으로 160 내지 170℃의 온도를 갖는 제1 열교환기(40)에 사용되는 1차 매체(예컨대 물).
- Q7: 전형적으로 100 내지 170℃의 온도를 갖는 제2 열교환기(67)에 사용되는 1차 매체(예컨대 물).
- Q8: 전형적으로 95 내지 105℃의 온도를 갖는 제3 열교환기(68)에서 사용되는 1차 매체(예컨대 물).
- Q9: 액화에 사용되는 기술의 유형 및 액화 유닛(70)에 사용되는 냉각 시스템의 유형에 따라 달라지는 온도를 갖는, 액화 유닛(70)을 냉각하는 데 사용되는 1차 매체(예컨대 물).
엔진에 의해 생성된 과잉 에너지 흐름의 이 목록은 완전한 것이 아니며 단지 그러한 공급원의 예를 제공하는 역할을 할 뿐이다.
위 나열된 과잉 에너지(Q1, Q2 , ... Qn)의 공급원 중 적어도 하나, 특히 디소버(66) 및 리제너레이터(62) 조립체를 가열하는 데 필요한 온도보다 낮은 온도를 갖는 것(적어도 120℃, 바람직하게는 적어도 110℃의 온도를 갖는 2차 매체를 필요로 함)은 히트 펌프(80)에 공급된다. 히트 펌프(80)는 적어도 120℃, 바람직하게는 적어도 130℃의 온도를 갖는 2차 매체(예를 들어 물 또는 스팀)의 흐름의 형태의 에너지(Qr)의 스트림을 생성하도록 구성된다. 바람직하게는 디소버(66) 및 리보일러(62) 조립체에 공급되는 2차 매체의 온도는 130 내지 140℃이고, 가장 바람직하게는 대략 136℃이다.
히트 펌프(80)의 구현의 제1 실시예가 도 4a에 도시되어 있다. 이 실시예에서 복수의 과잉 에너지(Q1, Q2 , ... Qn)의 공급원이 단일 히트 펌프(80)에 적용되고, 디소버(66) 및 리제너레이터(62) 조립체에 공급되는 에너지(Qr)의 스트림이 펌프(80)에 의해 생성된다.
펌프(80)의 구현의 제2 실시예가 도 4b에 도시되어 있다. 이 실시예에서 복수의 과잉 에너지(Q1, Q2 , ... Qn)의 공급원 중 하나가 복수의 히트 펌프(80) 중 하나에 적용되고 디소버(66) 및 리제너레이터(62) 조립체에 공급되는 에너지(Qr)의 스트림이 복수의 히트 펌프(80)에 의해 생성되며 바람직하게는 디소버(66) 및 리제너레이터(62) 조립체에 대해 하나의 에너지(Qr)의 스트림으로 결합된다.
히트 펌프(80)는 리보일러(62)의 아민 용액의 온도를 높이는 데 사용된다. 히트 펌프(80)는 적어도 증발기, 응축기, 압축기 및 교축 밸브를 포함한다. 히트 펌프(80) 내에서 히트 펌프(냉동) 유체는 도 5에 도시된 바와 같이 증발기, 응축기, 압축기 및 교축 밸브를 포함하는 사이클로 순환된다. 히트 펌프(80)는 에너지(Q2)의 흐름으로부터 열을 받는 증발기에 의해 기능을 한다. 히트 펌프 유체는 증발기에서 증발하여 압축기로 들어간다. 압축기는 예를 들어 예컨대 엔진의 크랭크샤프트로부터의 테이크오프 동력으로 구동되는 얼터네이터 또는 제너레이터로부터 전력을 받는 전기 모터에 의해 구동된다. 압축기는 히트 펌프 유체의 압력과 온도를 증가시킨다. 압축기의 하류에서 히트 펌프 유체가 응축기로 들어가고, 열이 히트 싱크로 전달되어 히트 펌프 유체가 응축된다. 그 후 히트 펌프 유체는 증발기로 다시 들어가기 전에 교축 밸브에서 팽창하고 그 사이클을 반복한다. 2차 매체, 예를 들어 물 또는 스팀은 바람직하게는 펌프에 의해 구동되는 사이클에서 응축기로부터 리보일러(62)로 열을 전달하며, 2차 매체는 적어도 120℃, 바람직하게는 적어도 130℃의 온도를 갖는다. 따라서 리보일러(62)는 히트 펌프(80)를 위한 히트 싱크를 형성한다.
히트 펌프(80)의 효율을 높이기 위해 응축기 부분은 실시예에서 과열기, 응축기 및 서브 쿨러의 세 열교환기(Heat Exchanger, HEX) 영역으로 분할된다. 과열기와 응축기 영역에서 추출된 열은 히트 싱크로 보내진다. 서브 쿨러에서 추출된 열은 증발기를 나가는 히트 펌프 유체를 예열하는 데 사용된다. 이러한 응축기 배열을 가짐으로써 컴프레서에 필요한 동작이 줄어들고 시스템 효율이 증가한다. 더욱이 스팀 HEX와 전기 코일을 갖는 물 루프가 응축기, 과열기 및 리보일러(62) 사이에 적용된다. 스팀 HEX에 들어가는 유체는 일 실시예에서 보일러(20)에서 생성된 스팀이다. 스팀 HEX 및 전기 코일은 리보일러(62)가 전체 엔진 부하 범위에서 충분한 에너지를 받도록 보장한다.
도 5에서 몇몇 에너지 흐름(Q1, Q2 , ... Qn)이 활용된다. 하나의 에너지 흐름(Q1, Q2 , ... Qn)만 적용될 경우 증발기의 아래의 디에어레이터는 제거될 수 있다.
실시예에서 엔진은 제1 배기 도관(19)을 소기 공기 도관(13)에 연결하는 배기 가스 재순환 도관(35)을 포함하는 배기 가스 재순환 시스템이 제공된다. 바람직하게는 배기 가스 재순환 도관(35)은 선택적 촉매 리액터(33)의 상류에서 제1 배기 가스 도관(19)에 연결된다. 바람직하게는 배기 가스 재순환 도관(35)은 소기 공기 쿨러(14)의 상류에서 소기 공기 도관(13)에 연결된다. 그러나 배기 가스 재순환 도관(35)은 소기 공기 쿨러(14) 하류에서 소기 공기 도관(13)에 연결될 수도 있다. 배기 가스 재순환 도관(35)은 배기 가스 도관으로부터 소기 공기 도관으로 배기 가스를 강제하는 블로어(34)를 포함하는데, 이는 소기 도관(13)의 압력이 전형적으로 엔진 작동 중 제1 배기 가스 도관(19)의 압력보다 높기 때문이다. 도시된 실시예에서 블로어(34)는 전기 모터에 의해 구동되지만, 블로어는 임의의 다른 회전 동력에 의해 구동될 수도 있다. 도시된 실시예에서 블로어(34)는 배기 가스를 냉각하는 배기 가스 재순환 열교환기(32)와 배기 가스 재순환 스크러버(36) 사이에 배열된다. 그러나 블로어(35)의 위치는 배기 가스 재순환 도관(35)의 다른 요소의 상류 또는 하류일 수 있다. 배기 가스 재순환 열교환기(32)는 배기 가스 재순환 스크러버(36)의 상류에 배열된다. 배기 가스 재순환 스크러버(36)의 주요 목적은 불순물(그을음)을 제거하는 것이다. 컨트롤러(100)는 가압된 소기 가스에서 재순환된 배기 가스의 백분율을, 바람직하게는 적어도 35 wt.%의 백분율로 조절하기 위해 배기 가스 재순환 시스템에서 블로어(34)의 속도를 제어하도록 구성되어 배기 가스에서 이산화탄소의 농도를 증가시킴으로써 이산화탄소 흡수 시스템의 효율성을 증가시킨다. 배기 가스 재순환 비율은 컨트롤러(100)에 의해 제어되는 밸브(미도시)에 의해 제어될 수도 있다. 따라서 컨트롤러(100)는 작동 조건에 따라 40% 이상 또는 50% 이상의 가압된 소기 가스에서 재순환 배기 가스의 백분율로 엔진을 작동시키도록 구성된다. 일반적으로 컨트롤러(100)는 가능한 한 가장 높은 백분율의 재순환된 배기/연소 가스로 작동하도록 구성되는데, 이는 배기 가스로부터의 현재 이산화물의 제거를 용이하게 하기 때문이다. "가능한 가장 높은"이란 연소 과정의 품질 저하, 연소 과정의 신뢰성, 엔진의 열 부하의 허용할 수 없는 증가 등과 같은 허용할 수 없는 부정적 영향을 야기하지 않는 가장 높은 비율을 의미한다. 배기 가스 재순환 열교환기(32)에서 배기 가스와 열을 교환하는 데 사용되는 매체(예컨대 물 또는 스팀)는 대략 130 내지 170℃의 온도로 배기 가스 재순환 열교환기(32)를 나가며 따라서 이 매체는 디소버(66) 및 리제너레이터(62) 조립체에 직접, 즉 히트 펌프(80)를 포함하지 않고 사용될 수 있다. 재순환된 배기 가스는 약 260 내지 400℃의 온도로 배기 가스 재순환 열교환기(32)로 들어가고 매체에 필요한 온도는 배기 가스 재순환 열교환기(32)를 관통하는 매체의 유량을 조정하여 얻어질 수 있다. 배기 가스 재순환은 업소버(42)에 공급되는 배기 가스의 이산화탄소 농도를 증가시켜 디소버(66) 및 리제너레이터(62) 조립체의 더 낮은 에너지 소비를 야기한다. 더 높은 배기 가스 재순환 비율은 업소버(42)로의 배기 가스의 흐름의 크기도 감소시키므로 배기 가스 재순환이 사용되거나 비율이 증가되는 경우 더 작은 직경을 갖는 업소버 타워가 사용될 수 있다. 또한, 배기 가스 재순환 열교환기(32)에서 추출된 에너지는 디소버(66) 및 리제너레이터(62) 조립체에 공급되는 과잉 에너지(폐열)로서, 디소버(66) 및 리제너레이터(62) 조립체를 작동시키기 위해 공급되어야 하는 에너지의 양을 상당히 감소시킨다. 배기 가스 재순환 열교환기(32)로부터 오는 매체는 엔진의 다른 과잉 열 스트림에 비해 높은 온도를 가지며(매체는 터보차저(5)의 터빈(6)을 통과하지 않은 배기 가스에 의해 가열되기 때문임) 따라서 디소버(66) 및 리제너레이터(62) 조립체에서 직접적 사용될 수 있다.
도 6은 엔진의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서 앞서 설명되거나 도시된 해당 구조 및 특징과 동일하거나 유사한 구조 및 특징은 단순화를 위해 앞서 사용된 것과 동일한 참조 번호로 표시되어 있다. 이 실시예에서 엔진 및 그 작동은 앞선 실시예와 거의 동일하므로 앞선 실시예와 차이점만 상세히 설명될 것이다.
이 실시예는 소기 공기 쿨러(14)의 하류에 선택적인 제2 소기 공기 쿨러(14a)를 포함한다. 소기 공기 쿨러(14)는 디소버(66) 및 리제너레이터(62) 조립체에서의 직접 사용에 충분한 온도로 디소버(66) 및 리제너레이터(62) 조립체에 대한 열교환 매체의 스트림을 생성하도록 구성될 수 있다. 제2 소기 공기 쿨러(14a)는 에너지의 흐름이 디소버(66) 및 리제너레이터(62) 조립체에 사용될 수 있기 전에 2차 매체의 스트림을 생성하기 위해 히트 펌프(80)의 사용을 필요로 하는 온도를 갖는 1차 매체(예를 들어 물)의 스트림의 형태의 과잉 에너지 흐름(Q10)을 생성한다. 제2 소기 공기 쿨러(14a)에서 생성된 에너지(Q10)의 스트림은 열교환기(80)로 보내진다.
이 실시예에서 제1 열교환기(40)의 하류에 추가적인 제4 열교환기(41)가 선택적으로 제공될 수 있다. 이러한 추가적인 제4 열교환기(41)는 히트 펌프(80)에 공급되는 또 다른 과잉 에너지 스트림(Q11)의 생성을 허용한다.
이 실시예에서 히트 펌프(80)에 공급되는 배기 가스 재순환 스크러버(36)로부터의 과잉 열로부터 추가적인 과잉 에너지 흐름(Q12)이 생성될 수도 있다.
다양한 양상 및 구현이 다양한 실시예와 관련하여 설명되었다. 실시예들은 다양한 방식으로 조합될 수 있다. 또한 개시된 실시예에 대한 다른 변형은 도면, 개시 및 첨부 청구항의 참조로부터, 청구된 대상을 실시함에 있어 당업자에 의해 이해되고 실행될 수 있다. 청구항에서 "포함"이라는 단어는 다른 요소나 단계를 배제하지 않으며, 부정관사 "한" 또는 "하나의"는 복수를 배제하지 않는다. 단일 프로세서, 컨트롤러 또는 기타 유닛은 청구항에 언급된 여러 항목의 기능을 수행할 수 있다. 특정 측정값이 서로 다른 종속항에 언급되어 있다고 해서 이러한 측정값의 조합이 이점을 위해 사용될 수 없는 것은 아니다. 청구항에 사용된 참조 기호가 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (11)

  1. 크로스헤드를 갖는 대형 2행정 터보차지식 유니플로 소기식 내연 엔진으로서,
    실린더 라이너(1), 실린더 라이너(1)에서 왕복하도록 구성된 피스톤(10), 및 실린더 커버(22)에 의해 한정되는 적어도 하나의 연소 챔버,
    적어도 하나의 연소 챔버로 소기 가스를 유입시키기 위해 실린더 라이너(1)에 배열되는 소기 포트(18),
    적어도 하나의 연소 챔버에 탄소 기반 연료를 공급하도록 구성되는 연료 시스템(30),
    적어도 하나의 연소 챔버는 탄소 기반 연료를 연소시켜 이산화탄소를 포함하는 배기 가스의 스트림을 생성하도록 구성되는 것,
    실린더 커버(22)에 배열되고 배기 밸브(4)에 의해 제어되는 배기 가스 아웃렛,
    적어도 하나의 연소 챔버는 소기 포트(18)를 통해 소기 가스 리시버(2)에 연결되고 배기 가스 아웃렛을 통해 배기 가스 리시버(3)에 연결되는 것,
    배기 가스의 스트림에 의해 구동되는 터보차저 시스템(5)의 터빈(6)을 포함하는 배기 가스 시스템,
    터보차저 시스템(5)의 압축기(7)를 포함하되, 압축기(7)는 소기 가스 리시버(2)에 가압된 소기 공기를 공급하도록 구성되는 공기 인렛 시스템,
    적어도 하나의 연소 챔버에서 비롯되는 배기 가스의 일부를 소기 가스 리시버(2)로 재순환시키도록 구성되고, 소기 공기 리시버(2)로의 배기 가스의 흐름을 보조하기 위한 블로어(34)를 포함하는 배기 가스 재순환 시스템을 포함하되,
    용매에 이산화탄소를 흡수시키기 위한 업소버(42), 특히 흡수 타워,
    용매로부터 이산화탄소를 탈착시키기 위한 디소버(66) 및 리보일러(62) 조립체,
    업소버(42)는 디소버(66)로부터 이산화탄소 희박 용매를 수용하는 용매 인렛 및 디소버(66)에 이산화탄소 농후 용매를 공급하는 용매 아웃렛을 갖는 것,
    업소버(42)는 배기 가스의 스트림으로부터 화학적 흡수에 의해 용매로의 이산화탄소의 분리를 위해 배기 가스의 스트림이 업소버(42)를 관통하여 지나가도록 배열되는 것,
    디소버(66) 및 리보일러(62) 조립체는 업소버(42)로부터 이산화탄소 농후 용매를 수용하는 인렛 및 업소버(42)에 이산화탄소 희박 용매를 공급하는 아웃렛을 갖는 것,
    디소버(66) 및 리보일러(62) 조립체는 용매를 가열하여 용매로부터 이산화탄소를 방출시키도록 구성되는 것, 및
    용매와 배기 가스 재순환 시스템에서 재순환되는 배기 가스 사이에 열을 교환하도록 구성되는 열교환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    열교환 장치는 열교환 매체와 배기 가스 재순환 시스템의 배기 가스 사이에 열을 교환하여 배기 가스 재순환 시스템의 배기 가스를 냉각하고 열교환 매체를 가열하도록 구성되는 배기 가스 재순환 시스템의 배기 가스 재순환 열교환기(32), 및 열교환 매체와 용매 사이에 열을 교환하여 용매를 가열하고 열교환 매체를 냉각하도록 구성되는 열교환기를 포함하는 엔진.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    배기 가스 재순환 시스템은 스크러버(36), 바람직하게는 습식 스크러버를 포함하고, 스크러버는 배기 가스 재순환 열교환기(32)의 하류의 배기 가스 재순환 시스템에 배열되는 엔진.
  4. 제1항에 있어서,
    적어도 40%, 바람직하게는 40% 내지 55%로 소기 가스에서 재순환되는 배기 가스의 질량 백분율을 조절하도록 구성되는 컨트롤러(100)를 포함하는 엔진.
  5. 제4항에 있어서,
    컨트롤러(100)는 소기 가스에서 재순환되는 배기 가스의 백분율을 조절하기 위해 블로어(75)의 속도를 제어하도록 구성되는 엔진.
  6. 복수의 연소 챔버를 갖는 대형 2행정 터보차지식 유니플로 소기식 내연 엔진을 작동시키는 방법으로서,
    연소 챔버에 탄소 기반 연료를 공급하는 단계,
    연소 챔버에서 탄소 기반 연료를 연소시켜 이산화탄소를 포함하는 배기 가스의 스트림을 생성하는 단계,
    배기 가스의 스트림의 제1 부분을 재순환시키고, 배기 가스의 스트림의 제2 부분을 배기하는 단계,
    연소 챔버에 가압된 소기 가스의 스트림을 공급하는 단계로서, 가압된 소기 가스의 스트림은 재순환된 배기 가스를 포함하는 단계,
    열교환 매체의 스트림을 사용하여 배기 가스 시스템에서 재순환되는 배기 가스의 스트림을 냉각함으로써 열교환 매체의 스트림을 가열하는 단계,
    업소버(42)에 이산화탄소 희박 용매의 흐름을 공급하고 업소버(42)로부터 디소버(66) 및 리보일러(62) 조립체로 이산화탄소 농후 용매의 흐름을 배출함으로써 배기 가스의 스트림의 제2 부분으로부터 용매로 이산화탄소를 화학적으로 흡수시키는 단계, 및
    용매를 가열하기 위해 디소버(66) 및 리보일러(62) 조립체에 열교환 매체의 가열된 스트림의 적어도 일부를 공급함으로써 가열을 통해 디소버(66) 및 리보일러(62) 조립체에서 탄소 농후 용매를 재생시키는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    배기 가스의 스트림의 적어도 40 wt.%, 바람직하게는 배기 가스의 스트림의 40 내지 55 wt.%를 재순환시키는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    가압된 소기 가스에서 재순환되는 배기 가스의 백분율을 조절하기 위해 배기 가스 재순환 시스템의 블로어(36)의 속도를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    이산화탄소 및 수증기 또는 스팀을 분리하기 위해 세퍼레이터(69)에 디소버(66)에서 생성된 스팀 또는 수증기 및 이산화탄소를 포함하는 가스의 흐름을 공급하는 단계를 포함하고, 세퍼레이터는 바람직하게는 주로 이산화탄소를 포함하는 가스의 스트림과 주로 물을 포함하는 액체의 스트림을 얻기 위한 녹아웃 드럼인 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    액화 유닛(70)에 주로 이산화탄소를 포함하는 가스의 스트림을 공급하고 액화 이산화탄소의 흐름을 얻기 위해 주로 이산화탄소를 포함하는 가스의 스트림을 액화하는 단계를 포함하고, 바람직하게는 액화 이산화탄소 저장 유닛(85)으로 액화 이산화탄소의 스트림을 보내는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    배기 가스 재순환 시스템의 배기 가스 재순환 열교환기(32)를 사용하여 배기 가스 재순환 시스템의 재순환되는 배기 가스로부터 열을 추출하여 열교환 매체와 배기 가스 재순환 시스템의 배기 가스 사이에 열을 교환함으로써 배기 가스 재순환 시스템의 배기 가스를 냉각하고 열교환 매체를 가열하는 단계, 및 가열된 열교환 매체와 용매 사이에 열을 교환하여 용매를 가열하고 열교환 매체를 냉각하는 단계를 포함하는 방법.
KR1020230149727A 2022-11-04 2023-11-02 이산화탄소 포집을 위해 구성된 대형 2행정 유니플로 소기식 내연 엔진 및 방법 Active KR102870397B1 (ko)

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