KR100220447B1 - 배기가스 탈질방법 및 장치 - Google Patents

배기가스 탈질방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질소 산화물 환원제인 암모니아를 배기가스를 외부로 방출하기 위한 배기가스 덕트의 중간부분에 설치된 암모니아 공급장치로부터 내연 기관에서 나오는 배기가스에 공급하고, 암모니아 공급장치로부터 하류에 설치한 절대습도계 및/또는 온도계로 내연 기관 연소용 흡입공기의 절대습도 및/또는 온도를 측정하고, 상기 측정장치(또는 측정장치들)로부터 수신된 신호(또는 신호들)를 제어장치로 보내어 암모니아 공급장치에 있어서의 암모니아 공급량을 제어하는 배기가스 탈질방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

배기가스 탈질(脫窒)방법 및 장치
제1도는 본 발명의 일실시예에 있어서의 배기가스 탈질장치의 개략도.
제2도는 배기가스중의 질소 산화물 농도와 연소용 흡입공기의 절대습도와의 관계를 나타낸 그래프.
제3도는 배기가스중의 질소산화물 농도와 연소용 흡입공기의 온도와의 관계를 나타낸 그래프.
제4도는 내연 기관에서 나오는 배기가스중의 질소 산화물량과 내연기관의 부하와의 관계를 나타낸 그래프.
제5도는 암모니아 공급량을 부하와 흡입공기의 절대습도에 의거하여 조절한 경우에 있어서 질소 산화물의 감소 목표치와 측정치 사이의 차의 분포를 나타낸 그래프.
제6도는 암모니아 공급량을 단지 부하에 의거하여 조절한 경우에 있어서 질소산화물의 감소 목표치와, 측정치와의 차의 분포를 나타낸 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 디젤 기관 배기 가스 덕트 2 : 탈질탑
3 : 암모니아 저장 실린더 4 : 유량 조절 밸브 제어기
5 : 암모니아 공급량 연산 유니트 6 : 디젤 기관 부하 신호선
7 : 유량 조절 밸브 8 : 암모니아 주입기
9 : 배기가스 덕트 10 : 배기가스 배출 덕트
11 : 발전기 12 : 습도 검출기
13 : 절대습도계 14 : 절대습도 신호선
15 : 흡기구
본 발명은 암모니아를 환원제로서 배기가스에 가하여 내연기관에서 나오는 배기가스로부터 질소 산화물을 제거하는 탈질 방법과 또한 이탈질방법을 수행하는데 사용되는 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 배기가스중의 질소산화물의 농도에 따라 결정된 양의 암모니아를 배기가스에 공급하는 탈질방법과 또한 이러한 탈질방법에 사용되는 장치에 관한 것이다. 본 방법 및 장치는 디젤기관으로부터 나오는 배기가스의 탈질 처리에 적합하다.
내연기관으로부터 나오는 배기가스는 질소 산화물을 함유한다. 이 배기가스가 그 자체로서 대기중에 방출되면 대기는 오염된다. 따라서, 배기가스에 질소 산화물을 제거하기 위한 처리를 가한다. 배기가스를 처리하는 전형적인 수단으로서 암모니아를 배기가스에 첨가하여 이들을 반응시킴으로써 질소 산화물을 질소로 환원시키는 방법이 있다. 이러한 처리를 하는데 필요한 암모니아의 양은 질소 산화물의 양에 대해 측정된 화학적 양론양이다. 암모니아는 그 자체가 유해한 물질이기 때문에, 과량의 암모니아가 첨가되지 않도록 암모니아의 공급량을 제어하는 것이 보통이다.
지금까지, 배기가스 탈질 장치에 있어서의 암모니아 주입 제어는, 시동-정지신호 발생기로부터 수신된 기관의 기동 및 정지 신호에 따라 암모니아 도입 밸브를 개폐하는 방법이나 탈질 반응기 내부에서의 배기가스 온도가 탈질 반응에 가장 적합하게 되었을 때 밸브를 여는 방법으로 수행되어 왔다.
그러나, 상기한 조건에 의한 밸브의 개폐만으로는, 암모니아 공급량을 질소 산화물의 발생량에 따라 민감하게 제어하는 것이 불가능하기 때문에, 배출 규제치를 만족시키지 못하거나 미반응 암모니아의 방출량이 증가할 수 있는 위험도 있다.
이 때문에, 발생된 질소 산화물의 양에 따라 암모니아 공급량을 제어하는 방법이 강구되고 있으나, 이 방법에서는 항상 질소 산화물 농도, 배기가스량 등을 측정하여 암모니아 공급량을 계산할 필요가 있기 때문에, NOx측정장치의 조정 및 가스 샘플링 파이프의 세척과 같은 관리가 필요하여 관리비용이 높아진다는 문제가 있다.
지금까지는 다른 제어 수단으로서, 관련된 내연기관의 부하에 의해 암모니아 공급량을 제어하는 방법이나, 일본국 특허출원 공개 제 2-223623호에 기술되어 있는 바와 같은, 시퀀서가 기관 부하량에 의거하여 필요한 아모니아 공급량을 미리 감지하여 암모니아 공급을 조절하도록 한 장치를 사용해 왔다. 그러나, 질소 산화물의 발생원인이 복잡하기 때문에, 이러한 종래의 방법들로는 암모니아의 공급량이 발생된 질소 산화물의 양에 만족스럽게 부합되도록 암모니아의 공급을 적절하게 제어할 수가 없다.
따라서, 내연기관에서 나오는 배기가스중의 질소산화물의 양에 따라 가장 밀접하게 관련되고, 가장 용이하게 측정할 수 있는 요인들을 규명해 냄으로써 암모니아의 공급량을 적절하게 제어할 수 있는 방법을 개발하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은, 암모니아 공급의 제어가 적절히 행해지지 않는다는 선행기술 방법이 지닌 단점을 해소하여, 배기가스중의 질소산화물의 양에 밀접하게 관련되고 용이하게 측정할 수 있는 요인을 이용하여 암모니아의 공급을 적절하게 제어할 수 있는 탈질방법을 제공하는데 있다.
본 발명자들은, 상기한 문제점들을 해결하기 위해, 질소산화물 환원제로서 암모니아를 공급하는 장치를 내연기관의 배기가스덕트에 설치한 배기가스 탈질 장치를 사용하여 배기가스 중의 질소 산화물의 농도와 관련된 각종 요인들에 대해 시험하였다.
본 발명자들은, 기관 부하와 흡입 공기 온도가 일정한 조건하에, 질소 산화물 농도와, 질소산화물 농도에 영향을 미치는 인자 중 하나인 것으로 생각되는, 내연기관의 연소용 흡입공기의 절대 습도간의 관계를 조사하였다. 이 결과, 본 발명자들은 절대 습도가 질소 산화물 농도와 매우 밀접한 상관관계를 가지고 있으며, 따라서, 제2도에 표시된 것과 같이, 질소 산화물 농도를 흡입공기의 절대습도의 1차 함수로서 나타낼 수 있다는 것을 알게 되었다. 이와같이, 질소 산화물의 양은 배기가스의 양이 일정한 경우에 질소산화물 농도에 비례하므로, 질소 산화물 양은 또한 흡입공기의 절대습도에 비례하게 된다. 본 발명자들은 또한 기관 부하량과 흡입공기의 절대습도가 일정한 조건하에, 질소 산화물 농도와 흡입공기의 절대습도에서와 같은 방식으로 질소 산화물 농도에 영향을 주는 인자 중 하나인 것으로 생각되는 흡입공기 온도와의 관계에 대해서도 조사하였다. 이결과, 본 발명자들은 흡입공기 온도가 질소 산화물 농도와 매우 밀접한 상관 관계를 갖고 있으며, 따라서, 제3도에 표시한 것과 같이, 질소 산화물 농도를 흡입 공기온도의 1차 함수로서 나타낼 수 있다는 것을 알게 되었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 시험 결과를 토대로 하여 완성한 것으로서 다음의 수단으로 이루어진다. :
(1) 내연기관에서 나오는 배기 가스를 외부로 배출하는 배기가스 덕트의 중간부분에서 질소 산화물의 환원제로서의 암모니아를 공급하고, 암모니아를 공급한 상기 배기가스를 질소 산화물 제거용 촉매에 통과시켜 이들이 반응하도록 하는 배기가스 탈질 방법으로서, 변수의 하나로서 내연기관의 연소용 흡입공기의 절대습도를 사용하여 배기가스에 공급하는 암모니아량을 조절하는 것을 포함하는 방법.
(2) 내연기관의 연소용 흡입공기의 온도를 변수로 사용하여 배기가스에 공급되는 암모니아량을 제어하는 상기(1)항에 기재된 배기가스 탈질방법.
(3) 내연기관에서 나오는 배기가스를 외부로 배출하는 배기가스 덕트의 중간부분에서 질소 산화물의 환원제로서의 암모니아를 공급하고, 암모니아를 공급한 상기 배기가스를 질소 산화물 제거용 촉매에 통과시켜 이들이 반응하도록 하는 배기가스 탈질방법으로서, 가변요인의 하나로서 내연기관의 연소용 흡입공기의 온도를 사용하여 배기가스에 공급되는 암모니아량을 제어하는 것을 포함하는 방법.
(4) 내연기관에서 나오는 배기가스를 외부로 배출하기 위한 배기가스 덕트의 중간부분에, 질소 산화물 환원제로서 암모니아를 공급하기 위한 장치를 설치하고, 암모니아 공급장치로부터 하류에 질소 산화물 제거용 촉매를 함유한 반응기를 설치한 배기가스 탈질 장치로서, 내연기관의 연소용 흡입공기의 절대습도를 측정하는 장치와 이 측정장치로부터 수신된 신호에 의거하여 암모니아 공급장치에 있어서의 암모니아 공급량을 제어하는 장치를 포함하여 이루어진 장치.
(5) 내연기관의 연소용 흡입공기의 온도를 측정하는 장치와, 습도 측정장치 및 온도 측정장치로부터 수신된 신호에 의거하여 암모니아 공급량을 제어하는 제어장치가 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 제4항에 기재된 배기가스 탈질장치.
(6) 내연기관에서 나오는 배기가스를 외부로 배출하기 위한 배기가스 덕트의 중간부분에, 질소산화물 환원제로서 암모니아를 공급하기 위한 장치를 설치하고, 암모니아 공급 장치로부터 하류에 질소 산화물 제거용 촉매를 함유한 반응기를 설치한 배기가스 탈질장치로서, 내연기관의 연소용 흡입공기의 온도를 측정하는 장치와 이 측정장치로부터 수신된 신호에 의거하여 암모니아 공급장치에 있어서의 암모니아 공급량을 제어하는 장치를 포함하여 이루어진 배기가스 탈질장치.
본 발명에서, 일반적으로 사용되고 있는, 절대 습도계 또는 온도계를 사용하여 연소용 흡입공기의 절대습도 또는 온도를 측정하는 것이 매우 용이하다. 측정 대상이 공기이기 때문에, 절대습도계 또는 온도계가 오염될 염려도 없다. 또, 흡입공기의 절대습도 및 온도가 내연기관 주위의 공기의 그것들과 동일하기 때문에 공기 흡기관 속에서 측정할 필요가 없으며, 내연기관 주위 또는 흡기관 흡기구 부근의 적당한 위치에서 측정하면 된다.
암모니아 공급 장치에 있어서의 암모니아 공급량은 흡입공기의 절대습도 및/또는 온도의 측정치에 따라 변화한다. 절대습도의 측정치에 의거하여 암모니아 공급량을 변화시키는 경우, 제2도에 표시한 상관관계에 따라 변화시킨다. 실제로, 예를 들면 습도 검출기를 장착한 절대습도계로 흡입공기의 절대 습도를 측정하고, 절대습도계로부터 수신된 신호가, 유량 조절 밸브의 개방도를 조절하기 위해 연산 유니트가 장치된 조절 장치로 보내어지게 됨으로써 암모니아 공급량은 적절하게 제어된다.
내연기관에서 나오는 배기가스중의 질소 산화물 농도에 관련된 다양한 요인에 대해 수행한 상기 검토에 있어서는, 기관의 부하가 증가함에 따라 배기가스량이 증가하기 때문에, 질소산화물 농도와 배기가스량의 곱인 질소 산화물의 양도 증가하게 되며, 따라서, 내연기관 부하와 질소 산화물의 양은 제4도에 나타낸 바와 같이, 비교적 높은 상관관계를 갖게되나, 이 상관 관계는 여전히 넓은 분포를 갖는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 질소 산화물의 양이 상기한 바와 같이, 내연기관 부하와 연소용 흡입공기의 절대습도 각각에 대한 1차 함수로서 나타날 경우, 상기 상관관계의 정확도는 높다. 즉, 탈질에 요구되는 암모니아의 양을 내연기관의 부하와 연소용 흡입공기의 절대습도의 1차 함수로서 제어할 수 있다. 이 방법에 의하면, 질소 산화물 농도에 영향을 주는 ,연소용 흡입공기의 습도 변화에 대응할 수 있기 때문에, 내연기관의 부하만으로 제어를 행하는 경우에 비해 암모니아 공급량을 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.
더욱이, 내연기관에서 나오는 배기가스중의 질소산화물 농도가 제3도에 표시한 것과 같이, 연소용 흡입공기의 온도에 선형적으로 관련이 되기 때문에, 상술한 바와 같이, 질소 산화물의 양을 내연기관 부하와 연소용 흡입공기의 온도의 1차 함수로서 나타낼 수 있다. 따라서, 탈질에 요구되는 암모니아의 양은 내연기관 부하와 연소용 흡입공기의 온도의 1차 함수로서 제어할 수 있다. 이 방법에 의해서도, 내연기관의 부하만으로 제어를 행하는 경우에 비해 연소용 흡입공기의 온도변화에 대응할 수 있어 암모니아 공급량을 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.
암모니아 공급량의 제어 인자로서 작용할 수 있는 연소용 흡입공기의 온도와 절대습도 양자를 사용하여 조절하면 더욱 정밀하게 제어할 수 있다. 이 제어방법에서, 내연기관의 부하도 제어인자로 사용하기도 한다.
상기한 조절 수단에 의한 탈질 방법 및 장치에 있어서는, 고가이고 비번한 관라기 요구되는 NOX측정장치를 필요로 하지 않으며, 단지 온도계 및/또는 습도계만을 사용하여 탈질을 할 수 있다. 이외에도, 이들 측정장치의 검출기를 배기가스 중에 설치할 필요가 없기 때문에, 측정장치가 오염될 염려가 없다.
본 발명의 탈질방법 및 장치를 실시하는데 필요한 탈질반응기, 그것에 사용되는 촉매, 측정장치, 제어장치 등에 있어서, 공지된 것을 개별적으로 사용할 수 있다. 탈질장치의 구체적인 예는 실시예의 설명란에 예시하였다. 본 발명은 암모니아를 공급하여 탈질을 실시하기 위한 내연기관, 예를 들면 대형 디젤 기관에서 나오는 배기가스를 처리하는데 적합하다.
상술한 바와같이, 내연기관의 연소용 흡입공기의 절대 습도 및 온도는 내연기관에서 나오는 배기가스중의 질소 산화물 농도와 매우 밀접산 상관관계를 갖고 있으며, 질소 산화물 농도에 대해 선형적인 관련을 갖고 있다. 따라서, 이들 요인들을 사용하여 암모니아 공급량을 적절하게 제어할 수 있다.
본 발명의 상기한 목적과 다른 목적들, 특징과 잇점은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적이 실시예로서 나타낸, 다음의 기술 내용으로부터 명확하게 알 수 있을 것이다.
한 실시예에 의하여 다음과 같이 본 발명을 더욱 상세히 기술한다. 그러나, 본 발명은 본 실시예에 한정되는 것은 아니다.
디젤 기관의 배기가스의 탈질은 제1도에서 표시한 것과 같은 탈질 장치로 수행한다. 제1도에서, 디젤 기관(1)은 전력을 발생하기 위한 발전기(11)를 구동시키기 위해 사용되며, 디젤 기관(1)에서 배출된 배기가스는 배기가스 덕트(9)에 설치된 암모니아 주입기에서 주입된 암모니아와 혼합되어 탈질탑(2)로 들어가고 여기서 배기가스는 탈질탑 내에 설치된 촉매의 작용에 의해 탈질된다. 이어서 탈질된 배기가스는 배기기스 배출덕트(1)로부터 외부 공기에 배출된다. 암모니아 저장 실린더(3)로부터 공급되고, 유량 조절밸브(7)를 거쳐 암모니아 주입기(8)에서 주입되는 암모니아의 공급량은 디젤 기관(1)으로부터 부하 신호선(6)을 통해 보내지는 신호와 절대 습도 측정장치(13)로부터 흡입공기의 절대습도 신호선(14)을 통해 보내지는 신호에 대한 1차 함수로서 암모니아 공급량 연산 유니트(5)에서 계산된다. 암모니아의 공급량은, 예를 들면,다음 공식에 따라 계산된다.
상기 식에서,
y : 암모니아 공급량
X1: 기관부하
X2: 절대습도
a, b, c : 계수이다.
암모니아 공급량 연산 유니트(5)는 유량 조절밸브(7)가 필요한 암모니아 공급량에 대응하는 개구부를 갖도록 유량 조절밸브 제어기(4)에 신호를 보낸다. 절대 습도계(13)는 디젤 기관(1)의 흡기구(15) 부근에 습도 검출기(12)를 설치하여, 연소용 흡입 공기의 절대 습도를 측정한다. 이 제어방법에서는, 디젤 기관의 부하와 흡입 공기의 절대 습도의 변화를 만족할 정도로 추적할 수 있으며, 따라서 최적량의 암모니아를 공급할 수 있다.
제5도 및 제6도는 본 발명과 종래의 방법에 의한 암모니아 공급량 제어 시험결과를 보여주고 있다. 제5도는 부하 그리고 흡입 공기 절대 습도 양쪽에 기초하여 암모니아 공급량을 조절한 경우의 질소산화물의 감소 측정치 사이의 오차 또는 차의 분포를 보여주는 그래프이고, 제6도는 단지 부하만에 의거하여 암모니아 공급량을 제어한 경우에 있어서의 질소 산화물의 감소 목표치와 측정치 사이의 차의 분포를 보여주는 그래프이다. 이들 그래프로부터, 제5도에 표시한 본 발명에 의한 오차의 분포가 제6도에서 표시한 통상의 방법에 의한 것보다 상당히 작음을 알 수 있다. 이와 같이, 제어인자로서 흡입 공기의 절대 습도와 부하를 사용하여 매우 정밀한 제어가 가능하다.
또한, 본 실시예에서는, 절대 습도계(13)를 사용하였으나, 그 대신에 흡입공기 온도계를 사용할 수 있다. 이 경우에, 다음 식에 의거하여 암모니아 공급량을 계산할 수 있다. :
상기 식에서,
y : 암모니아 공급량
X1: 기관부하
X2: 온도
a, b, c : 계수.
또한, 절대 습도계(13)와 흡입공기 온도계 양자를 사용할 수도 있다.
이 경우에, 다음 식을 사용하여 계산할 수 있다.
상기 식에서,
y : 암모니아 공급량
X1: 기관부하
X2: 절대습도
X3: 온도
a, b, c, d : 계수이다.
본 발명은, 상기 수단을 가짐으로써 다음과 같은 유리한 효과를 제공한다. :
(1) 암모니아는 항상 배기 가스중의 질소 산화물의 양에 대응되는 양으로 적절하게 공급되기 때문에, 효과적이고 안정된 탈질반응을 수행할 수 있으며, 이와 동시에 암모니아 누출의 위험을 최소화 할 수 있다.
(2) 암모니아 유량 조절을 절대 습도 및/또는 연소용 흡입 공기의 온도, 그리고 실제상 그것들과 함께 내연기관의 부하에 의해 행해지므로, NOx측정장치가 불필요하게 되어, 장치를 단순화시키고, 원가도 절감할 수 있다. 또한 NOx측정장치가 차지할 공간 만큼의 공간을 절약할 수 있다. 또, 사용되는 측정장치의 오염도 사실상 없다.
(3) 암모니아 공급량을 결정하는 연산 유니트에서 사용되는 계수를 용이하게 변경할 수 있으므로, 간단한 조정으로서 확실한 제어를 할 수 있다.

Claims (6)

  1. 내연기관에서 나오는 배기 가스를 외부로 배출하는 배기가스 덕트의 중간부분에서 질소 산화물 환원제로서의 암모니아를 공급하고, 암모니아가 공급된 상기 배기가스를 질소 산화물 제거용 촉매에 통과시켜 이들을 반응시킨는 배기가스 탈질 방법에 있어서, 변수의 하나로서 내연기관의 연소용 흡입공기의 절대습도를 사용하여 배기가스에 공급되는 암모니아량을 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 탈질방법.
  2. 제1항에 있어서, 변수로서 내연기관의 연소용 흡입공기의 온도를 추가로 사용하여 배기가스에 공급하는 암모니아량을 제어하는 것을 특징으로하는 배기가스 탈질방법.
  3. 내연기관에서 나오는 배기가스를 외부로 배출하기 위한 배기가스 덕트의 중간부분에서 질소 산화물 환원제로서의 암모니아를 공급하고, 암모니아가 공급된 상기 배기가스를 질소산화물 제거용 촉매를 통과시켜 이들을 반응시키는 배기가스 탈질방법에 있어서, 변수의 하나로서 내연기관의 연소용 흡입공기의 온도를 사용하여 배기가스에 공급하는 암모니아량을 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 탈질방법.
  4. 내연기관에서 나오는 배기가스를 외부로 배출하기 위한 배기가스 덕트의 중간부분에서, 질소 산화물 환원제로서 암모니아를 공급하기 위한 장치를 설치하고, 암모니아 공급장치로부터 하류에 질소 산화물 제거용 촉매를 함유한 반응기를 설치한 배기가스 탈질 장치에 있어서, 내연기관의 연소용 흡입공기의 절대습도를 측정하는 장치와, 이 측정장치로부터 수신된 신호에 의거하여 암모니아 공급장치에 있어서의 암모니아 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 탈질장치.
  5. 제4항에 있어서, 내연기관의 연소용 흡입공기의 온도를 측정하는 장치와, 습도 측정장치 및 온도 측정장치로부터 수신된 신호에 의거하여 암모니아 공급량을 제어하는 제어장치가 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 탈질장치.
  6. 내연기관에서 나오는 배기가스를 외부로 배출하기 위한 배기가스 덕트의 중간부분에, 질소산화물 환원제로서 암모니아를 공급하기 위한 장치를 설치하고, 암모니아 공급장치로부터 하류에 질소 산화물 제거용 촉매를 함유한 반응기를 설치한 배기가스 탈질장치에 있어서, 내연기관의 연소용 흡입공기의 온도를 측정하는 장치와, 이 측정장치로부터 수신된 신호에 의거하여 암모니아 공급장치에 있어서의 암모니아 공급량을 제어하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 탈질장치.
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