KR100273993B1

KR100273993B1 - 코로나 방전 오염 물질 분해 장치에서의 NOx의 처리를 위한 연료 주입 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR100273993B1
Application number: KR1019970039285A
Authority: KR
Inventors: 존 에이치.에스. 왕; 넬소 윌리엄 소르보; 웰던 에스. 윌리암슨; 에드워드 제이. 팔렌
Original assignee: 글렌 에이치. 렌젠, 주니어; 레이티언 캄파니
Priority date: 1996-08-19
Filing date: 1997-08-19
Publication date: 2001-03-02
Also published as: JPH10165754A; KR19980018759A; US5807466A; EP0825694A3; JP3068040B2; EP0825694A2

Abstract

산화질소 화합물들(NO_x)을 환원시키기 위해 코로나 방전 반응기를 이용하는 기체 오염 물질 분해 장치에서, 연료 주입 시스템은 코로나 방전 반응기에 정밀하게 제어된 소량의 탄화수소 연료를 제공하여 NO_x의 분해를 용이하게 한다.

Description

코로나 방전 오염 물질 분해 장치에서의 ＮＯｘ의 처리를 위한 연료 주입 시스템 및 방법{FUEL INJECTION SYSTEM AND METHOD FOR TREATMENT OF NOx IN A CORONA DISCHARGE POLLUTANT DESTRUCTION APPARATUS}

본 발명은 코로나 방전 오염 물질 분해 장치에서의 산화질소 화합물들(NO_x)의 분해를 위한 연료 주입 시스템 및 방법에 관한 것이다.

오염 물질을 함유한 가스를 코로나 방전 사이트(corona discharge site)를 통과시키는 것은 가스로부터 오염 물질을 제거하는 공지된 방법이다. 이와 같은 기법의 일반적인 고찰이 푸카레프 등(Puchkarev et al.)이 플라즈마 과학에 관한 1994 국제 학술회의 논문집(Proceedings of the 1994 International Conf. on Plasma Science, 6-8 June, 1994, Santa Fe, New Mexico), 논문번호 1E6, 88 페이지에 개재한 "표면 방전에 의한 유독성 가스 분해(Toxic Gas Decomposition by Surface Discharge)"에 기재되어 있다.

제목이 "코로나 방전을 생성하기 위한 코로나원과 코로나 방전을 이용한 액체 폐기물 처리(Corona Source for Producing Corona Discharge and Fluid Waste Treatment with Corona Discharge)"이고, 1994년 8월 25일에 출원되고, 현재는 휴즈 전자(Hughes Electronics)로 영업하고 있는 휴즈 에어크래프트 캄파니(Hughes Aircraft Company)에 양도된 미합중국 출원 번호 제08/295,959호에 개시되어 있는 바와 같이, 액체에 대해서도 코로나 오염 물질 제거가 제안되었다.

오염 물질 제어를 위한 비열 플라즈마 기법,나토 에이 에스 아이 시리즈, G34권, 파트 B, 비 엠 페니트란트 및 에스 이 슐티스 편집, 스프링거 베락 베르린 하이델베르그, 1993 (Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control,NATO ASI Series Vol. G34 Part B, Ed. by B. M. Penetrante and S. E. Schultheis, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1993) 87-89 페이지에 야마모토(Yamamoto) 등이 개재한 "밀집된 베드 반응기와 펄스형 코로나 플라즈마 반응기에 의한 휘발성 유기화합물의 분해(Decomposition of Volatile Organic Compounds by a Packed Bed Reactor and a Pulsed-Corona Plasma Reactor)"에서 설명된 한 시스템에서는 지속 시간이 120 내지 130 나노세컨드인 짧은 고전압 펄스를 동축(coaxial) 코로나 반응기 -이를 통해 가스가 흐르고 있음- 의 중심 전도체에 인가한다. 각 펄스는 활동 전자(energetic electron)가 5 내지 10keV이고, 중심 와이어로부터 발산하여(emanate) 반응기 내부에 가득 퍼지는(floods) 코로나 방전을 생성한다. 유사한 시스템이 미합중국 특허 제4,695,358호에 설명되어 있는데, 여기에서는 양성(positive) DC 전압 펄스가 DC 바이어스 전압에 부가되어(superimposed) 가스 흐름으로부터 SO_x, NO_x를 제거하기 위한 스트리머(streamer) 코로나를 생성한다. 이와 같은 과정의 에너지 효율은 비교적 낮다. 선택된 반응기 형태(geometry)에 따라, 전극간의 아크 브레이크다운(arc breakdown)과 이에 따른 손상을 방지하기 위해 매우 짧은 펄스를 전달하여야 한다. 펄스 형성 회로는 고전압 전원으로부터의 전력의 반 정도를 충전 저항(charging resistor)에서 소실하고, 에너지가 이중 스파크 간극(double spark gap)에서 더 소모된다. 더욱이, 동축 코로나 반응기의 용량성 부하(capacitive load)가 충전되어야 하고, 이 충전 에너지는 전형적으로 코로나 반응에서 실제로 사용되는 에너지보다 훨씬 크고, 오염 물질 제거에 기여하는 바 없이 각 펄스 발생후에 열로 소실된다(decay away into heat).

오염 물질 제어를 위한 비열 플라즈마 기법, 나토 에이 에스 아이 시리즈, G34권, 파트 B, 비 엠 페니트란트 및 에스 이 슐티스 편집, 스프링거 베락 베르린 하이델베르그, 1993(Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control,NATO ASI Series Vol. G34 Part B, Ed. by B. M Penetrante and S. E Schultheis, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1993) 79-80 페이지에 로소샤(Rosocha) 등이 개재한 "정적-방전 플라즈마를 이용한 위험한 유기 폐기물의 처리(Treatment of Hazardous Organic Wastes Using Silent-Discharge Plasmas)"에 다른 반응기 형태를 이용하는 유사한 접근 방법이 개시되어 있는데 여기에서는 평행 플레이트간에 코로나 방전이 발생하도록 되어 있다. 이 시스템은 펄스 형성이 비효율적이고 반응기 충전 에너지가 회복되지 않기 때문에 유효 에너지가 적다는 단점을 가진다(suffer from a poor specific energy).

일반적인 싱글-스테이지 코로나 방전 오염 물질 제거 장치의 블록도가 도 1에 도시되어 있다. 코로나 방전 반응기(2)는 엔진(6)으로부터 유입 도관(inlet conduit, 8)을 거쳐 오염 물질 함유 배기 가스(12)를 취하여, 배기가스를 처리하고 처리된 배기 가스(14)를 유출 도관(outlet conduit, 10)을 거쳐 방출한다. 엔진(6)으로부터의 배기 가스(12)에 포함된 주 오염 물질은 전형적으로 다양한 형태의 산화질소(NO_x)와 탄화수소(HC), 및 일산화탄소(CO)를 포함한다. HC와 CO는 고에너지 레벨 오염 물질로서, 산화되어 물(H₂O)과 이산화탄소(CO₂)를 생성한다. NO_x화합물은 저에너지 오염 물질로서, 무해한 2원자 질소 (N₂)와 산소(O₂)로 분해되기 위해서는 에너지를 흡수하여야 한다. 전원(4)이 고전압 펄스를 코로나 방전 반응기(2)에 공급하면, HC는 산화되어 H₂O와 CO₂가 되고 CO는 산화되어 CO₂가 된다. 각 전압 최대치에서 코로나 방전이 반응기 내에서 방사되어(emitted), HC를 산화시켜 H₂O와 CO₂를 생성하고 CO를 산화시켜 CO₂를 생성하는 자유기(free radical)를 생성한다. 일반적으로, HC 및 CO를 분해하는 데 고전압 펄스들이 매우 효과적이지만, NO_x를 N₂및 O₂로 환원시키는 데는 도움이 되지 않는다. 실험에 의하면, (12 kV까지의) 고전압은 얼마간의 부가적인 NO_x를 생성할 수도 있음이 밝혀졌다. 다른 한편으로, 저전압 펄스들은 NO_x를 환원시키는 데는 매우 효과적이지만, HC를 산화시키는 데는 부족하다.

코로나 방전 반응기에서 NO_x합성물의 실질적인 감소를 위한 공지된 방법으로는 하이드로카본 첨가제 또는 암모니아(NH₃)의 주입이 있다. NH₃또는 하이드로카본 첨가제의 주입에 대한 일반적인 개관이 G. E. Vogtlin과 B. M. Penetrante의 "연료 가스로부터 NO_x의 제거를 위한 펄스된 코로나 방전",오염 조절을 위한 비열 처리 플라즈마 기술, NATO ASI Series Vol. G34, Part B, 187페이지, 1993에서 개시되어 있다. NH₃가 주입되면, 이것은 반응기에서 형성된 산과 반응하여 암모니아 염을 생성하고, 이것은 여과 시스템이나 그 외 입자 제거 시스템에 의해 모아지게 된다. 이 방법에서는 축적된 고형 암모니아 염이 주기적으로 제거되어야만 하고, 이에 따라 자동화에는 불편하다는 단점이 있다. 코로나 방전 반응기에 NH₃를 첨가함으로써 NO_x를 감소하는 것은 정지 소오스 (stationary source) 연소 위치에서만 성취될 수 있다. 하드웨어 제작 및 동작 비용 때문에 자동차 내연 기관 배기의 처리시에는 NH₃가 NO_x감소에 이용되지 않는다. 하이드로카본 첨가제의 주입은 산화와 NO의 감소 동안 히드록실 라디칼(OH)을 리사이클링함으로써 유효한 것으로 나타난다. OH 라디칼 리사이클링의 효율은 하이드로카본 첨가제와 OH 라디칼과의 반응률에 따라 다른데, 이것은 G. E. Vogtlin 등에 기술되어 있다.

디젤 엔진 배기 가스를 처리하는 플라즈마 반응기에서의 엔진 오일의 주입은, M. Higashi 등의 "방전 플라즈마와 오일 동력학의 조합에 의해 디젤 엔진 배기시의 매연 제거 및 NO_x와 SO_x의 감소",플라즈마에 대한 IEEE 회보, Vol. 20, No. 1 , 1992에 개시되어 있다. 이 논문은 엔진 오일 방울이 주입된 반응기 내의 방전 플라즈마를 이용하여 디젤 엔진 배기 가스로부터의 NO_x제거를 기록하고 있다. 엔진 오일이 일단 챔버 내에 있으면, 플라즈마는 NO_x와 SO_x합성물 뿐만 아니라 매연의 감소를 자극하는 미세한 오일 연막을 발생한다.

본 발명은 NO_x화합물이 N₂및 O₂로 환원되는 것을 용이하게 하기 위해 코로나 방전 NO_x환원 반응기에 연료를 주입하기 위한 시스템을 제공한다. 본 시스템은 NO_x화합물을 환원시키는 것을 목적으로 하는 하나 이상의 코로나 방전 반응기 스테이지들을 갖는 코로나 방전 오염 물질 분해 장치에 응용할 수 있다. 환원 반응기들에서 NO_x를 분해하는 탄화수소를 공급하기 위해 연료를 이용하는 것의 하나의 이점은 연료가 엔진에서의 연소에 이용되는 것과 동일할 수 있으며, 따라서 연료 저장이 상당히 간단해진다는 점이다.

바람직한 실시예에서는, 컴퓨터에 의한 제어 모듈이 배기 센서로부터 엔진의 배기 가스 내의 오염 물질의 종류 및 양을 분석하고 환원 반응기에서 NO_x를 효과적으로 분해하는 데 필요한 연료의 양을 판정한다. 제어 모듈은 환원 반응기에 연료를 공급하는 펌프로부터의 연료 전송 속도를 정밀하게 제어한다.

첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 당 기술 분야의 숙련자라면 상기한 것들을 포함한 본 발명의 기타 특징들 및 이점들을 분명히 알 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 코로나 방전 오염 물질 분해 장치의 블록도.

도 2는 자동차의 코로나 방전 NO_x환원 반응기용 연료 주입 시스템의 블록도.

도 3은 도 2의 것과 유사하지만, 펌프 대신에 정밀 제어 연료 밸브를 갖는 연료 주입 시스템의 블록도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

2 : 코로나 방전 반응기

4, 80 : 전원

6, 60 : 엔진

8, 64 : 유입 도관

10, 82 : 유출 도관

12, 62 : 배기 가스

14 : 처리된 배기 가스

20 : 자동차

66 : NO_x환원 반응기

68 : 코로나 방전 반응기 스테이지

70 : 컴퓨터에 의한 제어 모듈

72 : 센서

74 : 연료 펌프

75 : 노즐

76 : 연료 탱크

78 : 연료

79 : 연료 안개

본 발명은 NO_x의 분해를 용이하게 하기 위해 코로나 방전 NO_x환원 반응기에 탄화수소를 공급하기 위한 연료 주입 시스템 및 방법을 제공한다. 그것은 바람직하게는 멀티-스테이지 코로나 방전 오염 물질 분해 장치에서의 NO_x화합물의 환원을 목적으로 하는 하나 이상의 코로나 방전 반응기들에 의해 구현된다. 멀티-스테이지 장치에 의해 본 발명을 구현하는 것의 주요 이점은, 그 스테이지들 중 적어도 하나는 주로 NO_x를 처리하되, 동시에 HC 및 CO 산화 -그 요건은 NO_x환원의 요건과 상충함- 에 관여하지 않도록 설계될 수 있다는 점이다. 예를 들면, HC 및 CO의 산화는 일반적으로 고전압 펄스에 의한 코로나 발생을 필요로 하는 반면, NO_x환원을 위한 최적 전압은 일반적으로 그보다 낮다. 따라서, 주로 NO_x의 환원에 관여하는 코로나 방전 반응기에 의해 본 발명을 구현하는 것이 바람직하다.

산화 반응기가 환원 반응기에 선행할 경우, 산화 반응기에 의해 소량의 HC가 남도록 하여 환원 반응기에서의 NO_x의 환원을 위한 에너지를 제공하는 것이 바람직하다. 그러나, HC의 산화가 매우 효과적이면, HC가 충분히 남지 않을 수 있다. 본 발명에 따르면, NO_x분자를 분해하여 N₂및 O₂를 형성하는 데 필요한 에너지를 방출함으로써 NO_x화합물의 환원을 용이하게 하는 탄화수소를 공급하기 위해 하나 이상의 환원 반응기들에 연료가 주입된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 자동차(20)는 CO₂, H₂O 및 O₂와 같은 무해 가스와, CO, HC 및 NO_x와 같은 오염 물질의 혼합물을 포함하는 배기 가스(62)를 방출하는 내부 연소 엔진(60)을 가진다. 배기 가스(62)는 NO_x화합물을 환원시키도록 설계된 NO_x환원 반응기(66)의 유입 도관(inlet conduit, 64)을 통과한다. 배기 가스(62)는, 바람직하게는, HC 및 CO와 같은 높은 에너지 레벨 오염 물질들을 산화시키는 1 스테이지 이상의 코로나 방전 반응기들(68)들에 의해 처리되며, 필요하다면, NO_x화합물이 NO_x환원 반응기에 도달하기 전에 NO_x화합물의 부분 처리를 위한 1 스테이지 이상의 환원 반응기들에 의해 처리된다. NO_x환원 반응기(66)는 처리된 배기 가스(62)를 대기에 방출하거나 또는 추가 오염 물질 처리를 위한 또 다른 반응기 스테이지에 방출하는 유출 도관(outlet conduit, 82)을 가진다.

연료 탱크(76)는 NO_x환원 반응기(66)에 주입될 연료를 저장한다. 연료 탱크(76)는, 바람직하게는, 엔진에서의 연소를 위한 연료를 공급하는 것과 동일하며, 따라서 별도의 연료 저장소에 대한 필요성이 제거된다. 바람직한 실시예에서는, 연료 탱크(76)로부터 환원 반응기(66)로 연료를 운반하는 연료 펌프(74)가 연료(78)를 분무하여 연료 안개(79)를 형성하는 노즐(75)과 함께 구비된다. 그 후 연료 안개(79)는 이전의 반응기 스테이지들(68)로부터의 뜨거운 배기 가스(62)에 의해 증발되고, 유입 도관(64)에서 배기 가스(62)와 혼합된다. 연료는 이전 산화 스테이지들에 의한 처리 후에 남은 탄화수소와 화합하고, 화합된 연료 증기 및 배기 가스(62) 내에 남아 있는 탄화수소는 반응기(66)에서 NO_x화합물이 이원자 N₂및 O₂로 환원하는 것을 증진시킨다. 이 구성에 의해 연료(78)는 배기 가스(62)와 고르게 혼합하기에 충분한 시간을 갖고, 그에 따라 NO_x함유 배기 가스(62)의 모든 부분들이 완전히 처리될 수 있다.

바람직한 실시예에서는, 연료 펌프(74)는 컴퓨터에 의한 제어 모듈(70)에 의해 제어될 수 있는 정밀 펌프이며, 컴퓨터에 의한 제어 모듈(70)은, 바람직하게는, 배기 온도 및 CO, HC 및 NO_x의 양을 포함하여, 엔진(60)으로부터 수 개의 파라미터들을 측정하는 엔진 센서(72)로부터 입력 데이터를 판독한다. 컴퓨터에 의한 제어 모듈(70)은 NO 및 NO₂를 포함하는 각종 NO_x화합물들의 양을 판정하고, NO_x환원 반응기(66)에서 NO_x화합물들을 효과적으로 분해하는 데 필요한 연료의 양을 계산한다. 제어 모듈(70)은, NOx 환원 반응기(66)에 주입될 연료의 계산된 양에 기초하여, 연료가 NO_x환원 반응기(66)에 소정의 속도로 운반되도록 정밀 연료 펌프(74)를 구동하는 데 필요한 전력을 판정한다. 제어 모듈(70)은 연료 펌프(74)의 전력을 조정하기 위한 명령들을 전송함으로써 환원 반응기(66)로의 연료 흐름 속도를 조정한다.

제어 모듈(70)은, 반응기(66)에서의 NO_x환원의 효율을 증가시키기 위하여, NO_x환원 반응기(66)를 위한 전력을 발생시키는 전원(80)을 또한 제어한다. 전원(80)은, 바람직하게는, 실질적으로 사인 곡선의 펄스-변조 전압 파형(substantially sinusoidal pulse-modulated voltage waveform)을 발생시킨다. 코로나 발생의 평균 전력은, 펄스 폭과 펄스 반복 주파수의 곱으로서 정의되는, 발진 주파수 및/또는 듀티 사이클을 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 제어 모듈(70)은 전압, 발진 주파수, 펄스 폭 및 펄스 반복 주파수와 같은 전원의 전력 발생 특성에 대한 값들을 계산하고, 계산된 연료 흐름 속도와 그것을 결합하면, 환원 반응기(66)에서의 NO_x의 효율적인 처리가 제공될 것이다.

본 발명은 멀티-스테이지 코로나 방전 장치에 보다 적합하지만, 주로 NO_x의 환원에 관여하는 싱글-스테이지 장치에도 적용할 수 있다. NO_x의 환원에 바람직한 코로나 발생을 위한 전압은 HC 및 CO의 산화에 바람직한 전압보다 일반적으로 낮다. 싱글-스테이지 환원 반응기에서는, 그 전압이 충분히 낮아서, 바람직하게는 5 내지 10 kV 정도이므로, 환원 처리를 위한 에너지를 제공하는 연료는 고전압 코로나에 의해 산화되지 않는다. 연료 주입을 갖는 싱글-스테이지 장치는 주로 NO_x를 포함하고 비교적 소량의 HC 및 CO와 같은 높은 에너지 레벨 오염 물질들을 포함하는 오염 물질들을 처리하는 데 적당하다.

본 발명은, 엄중한 대기 품질 표준을 충족시키기 위해 코로나 방전 오염 물질 분해 반응기들을 이용할 것으로 기대되는 미래의 자동차 전자 촉매 컨버터에 매우 적합할 것이다. NO_x환원을 위한 연료는 엔진에서의 연소를 위한 것과 동일하기 때문에, 별도의 저장소가 불필요하며, 따라서 하드웨어 제조, 자동차 운전 및 유지 보수가 상당히 간단해지며, 또한 자동차 구매자에게는 비용이 절감된다.

또 다른 실시예에서는, 연료 탱크가 NO_x환원 반응기보다 높은 위치에 배치되어, 도 3에 도시된 바와 같이, 연료가 중력에 의해 반응기에 운반될 수 있으며, 따라서 연료 펌프에 대한 필요성이 제거된다. 정밀 제어 밸브(86)는 컴퓨터에 의한 제어 모듈(70)에 의해 제어되고, 컴퓨터에 의한 제어 모듈(70)은 센서(72)로부터의 입력에 따라 밸브(86)의 연료 흐름의 속도를 조정하며, 센서(72)는 엔진(60)에 의해 생성된 NO_x의 양을 감지한다. 노즐(75)은, 바람직하게는, 정밀 밸브(86)의 하류에 배치되어 연료(78)를 분무하여 연료 안개(79)를 형성하고, 그 후, 연료 안개(79)는 배기 가스(62)와 혼합되고 그 뜨거운 온도에 의해 증발되어 유입 도관(64)에서 연료 증기를 형성한다. 연료 증기 및 배기 가스 내에 남아 있는 탄화수소는 반응기(66)에서의 NO_x의 환원을 증진시킨다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면, NO_x화합물이 N₂및 O₂로 환원되는 것을 용이하게 하기 위해 코로나 방전 NO_x환원 반응기에 탄화수소를 공급하기 위한 연료 주입 시스템 및 방법을 제공한다.

이상, 본 발명의 몇 개의 예시적인 실시예들에 대해 도시하고 서술하였지만, 당 기술 분야의 숙련자들에게는 다수의 변형 및 대체 실시예들이 발생할 것이다. 그러한 변형 및 대체 실시예들은, 첨부된 특허 청구의 범위에 정의된 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 계획되고, 또한 수행될 수 있다.

Claims

코로나 방전 오염 물질 분해 장치(corona discharge pollutant destruction apparatus)에 있어서, 탄화수소 연료를 연소시켜, 하나 이상의 산화질소(NO_x) 화합물을 포함하는 배기 가스를 발생시키는 오염 물질 발생기; 상기 산화 질소(NOx)를 질소(N₂) 및 산소(O₂₎로 환원시키도록 접속된 코로나 방전 반응기; 및 상기 반응기에서의 NO_x의 환원을 용이하게 하기 위한 상기 연료의 일부를 운반하도록 접속된 연료 주입 시스템을 포함하고, 상기 연료 주입 시스템은, 상기 NOx와의 반응을 위한 상기 연료를 상기 코로나 방전 반응기 안으로 운반하도록 접속된 연료 도관(fuel conduit); 및 상기 연료 도관 및 상기 오염 물질 발생기에 연료를 공급하도록 접속된 연료저장소(fuel storage)를 포함하며, 상기 배기 가스를 유입시키기 위한 반응기 유입 도관(reactor inlet conduit)이 상기 코로나 방전 반응기에 접속되고, 상기 연료 도관은 상기 연료의 일부를 상기 유입 도관에 운반하도록 접속됨으로써, 상기 연료가 상기 배기 가스의 온도에 의해 증발되어 상기 유입 도관 내에 상기 연료와 상기 배기 가스의 혼합물이 생성될 수 있으며, 상기 반응기는 상기 혼합물을 수용하고 상기 혼합물 내의 NO_x를 분해하도록 접속되며, 상기 코로나 방전 오염 물질 분해 장치는 상기 연료 도관으로 운반되어 상기 배기 가스와 혼합되도록 하기 위해 상기 연료의 일부를 액체 상태에서 안개 상태로 변환시키도록 접속된 상기 연료 도관 내의 분무 노즐; 상기 연료 저장소에서 상기 코로나 방전 반응기로의 연료 흐름을 추진시키는 상기 연료 도관 내의 연료 펌프; 상기 연료 펌프를 제어하도록 접속되어 연료 흐름 속도를 조정하기 위한 제어 모듈; 및 상기 오염 물질 발생기에 접속된 배기 센서로부터 상기 배기 가스 내의 오염 물질의 종류 및 양을 분석하여 상기 반응기에서 NOx를 효과적으로 분해하는 데 필요한 연료의 양을 결정하는 컴퓨터 제어 모듈(computerized control module)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 오염 물질 분해 장치.