KR100373433B1 - 연소 장치의 배기 가스에 함유된 질소 산화물을환원시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

연소 장치의 배기 가스에 함유된 질소 산화물을환원시키기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소 장치의 배기 가스에 함유된 질소 산화물을 환원시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. SCR 방식에 따른 촉매에 의한 질소 산화물의 환원을 위해, 연소 장치(1), 특히 디젤 엔진의 배기 가스(A)내에 첨가될 환원제 용액의 양을 결정할 때, 연소 장치(1)의 작동 상태, 배기 가스(A) 및/또는 촉매 변환기(5)를 특성화하는 파라미터와 더불어, 환원제 용액에서의 환원제의 농도가 부가적으로 고려된다. 이를 통해, 환원제 유출을 피하기 위해 필요한 안전 마진은 이론상 최적한 비로 환원될 수 있음으로써, 질소 산화물의 변환율이 개선된다.

Description

연소 장치의 배기 가스에 함유된 질소 산화물을 환원시키기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR REDUCING THE NITROGEN OXIDES PRESENT IN THE WASTE GAS OF A COMBUSTION UNIT}
연소 장치에 함유된 석유 또는 석탄과 같은 화석 연료, 특히 디젤 엔진에 함유된 디젤 연료의 연소시, 다량의 유해 물질이 생겨날 수 있으며, 상기 유해 물질은 배기 가스를 통해 환경으로 유출되어 환경에 해를 끼칠 수 있다. 특히 질소 산화물이 큰 문제를 야기한다. 왜냐하면, 상기 질소 산화물은 산성비 및 삼림 황폐화를 일으키는 원인물질로 알려져 있기 때문이다.
질소 산화물이 환경에 유입되는 것을 피하기 위해, 연소 장치의 배기 파이프 내에 배치되어서, 배기 가스 내에 함유된 질소 산화물을 촉매에 의해 무해한 물질로 변환시키는 촉매 변환기의 사용이 공지되어 있다.
예컨대 디젤 엔진과 같은 과잉 공기에 의해 작동하는 내연 기관에 있어서, 선택적인 촉매에 의한 환원 방식(SCR 방식)에 따라 배기 가스로부터 질소 산화물을 제거시키는 것이 공지되어 있다. 상기 방식에서는, 소위 SCR 또는 NOx제거 촉매 변환기를 관류하기 전에 배기 가스내로 환원제가 제공되며, 상기 환원제는 산소가 존재하는 가운데, 배기 가스 내에 함유된 질소 산화물을 촉매 변환기에서 무해한 질소 및 물로 변환시킨다. 이 경우, 환원제로는 통상적으로 암모니아가 사용된다. 상기 환원제를 공급하기 위해 환원제 용액을 배기 가스 내에 제공하며, 상기 환원제 용액으로부터 고유한 환원제를 방출시키는 것도 또한 공지되어 있다. 암모니아의 경우, 이와 같은 환원제 용액은 예컨대 우레아 수용액 또는 암모니아수이다. 이것에 대해 지멘스 회사 문서인 "SINOx, 정상적인 디젤 엔진을 위한 질소 산화물 감소" 1997, Best. -Nr.: A96001-U91-A232 를 참조하라.
상기 SCR 방식에 따른 질소 산화물의 감소에 있어서, 질소 산화물의 높은 변환율을 촉매 변환기에서 달성하기 위해, 항상 실제적인 질소 산화물 방출에 적합한 양의 환원제가 배기 가스 내에 제공된다. 상기 방식에서는, 암모니아의 경우라면 환경에 유해할지도 모르는 환원제의 유출이 나타나지 않는다.
예컨대 잦은 부하 변동에 의해 작동되며, 화물 자동차 또는 승용차를 견인하는데 사용되는 디젤 엔진과 같은, 특히 비정상 연소 장치에 있어서, 환원제의 투입량의 결정은 극도로 어렵게 이루어진다. 지금까지 배기 가스 내에 함유된 질소 산화물의 농도의 직접적인 검출을 위한 빠른 센서는 공지되어 있지 않기 때문에, 상기 질소 산화물 농도는 연소 장치의 작동 상태를 특성화하는 파라미터, 예컨대 회전수, 토크(torque) 또는 제어 로드 경로로부터 검출되어야만 한다. 이 목적을 위해, 질소 산화물의 농도는 각각 시험중인 연소 장치의 정해진 작동 상태에서 검출되어, 제어 장치의 특성 필드에 저장된다. 상기 특성 필드로부터, 작동시 상기 연소 장치의 작동 상태를 특성화하는 파라미터로부터 질소 산화물의 농도가 확인되고, 상응하는 양의 환원제 또는 환원제 용액이 추가로 투입된다. 그러나 환원제의 유출을 확실히 피하기 위해서는, 배기 가스의 온도가 심하게 변동되거나 고정된 특성 곡선에 의한 연소 장치 또는 촉매 변환기의 노화시, 항상 실제로 필요한 양의 환원제에 대한 소정의 안전 마진이 환원제에서 유지되어야만 한다. 또한 질소 산화물의 변환을 위해 필요한 양보다 항상 약간 더 적은 환원제가 공급된다. 유출을 피하기 위해, 이론상 가능한 변환율하에서 작동된다.
정확한 투입량 및 안전 마진의 최소화를 위해, DE 19536571 A1호에는 환원제의 추가 투입량을 결정할 때 부가적으로 온도, 압력 또는 화학적 조성과 같은 배기 가스의 파라미터, 및 예컨대 환원제를 위한 저장 용량, 온도, 촉매에 의한 활성 또는 구조와 같은 촉매 변환기를 특성화하는 파라미터가 고려되는 것이 공지되어 있다. 특히, 촉매 변환기의 저장 용량의 고려는 안전 마진의 추가 감소, 및 변환율의 상승을 가져온다. 왜냐하면, 촉매 변환기에 의해 저온에서는 흡수를 통해 저장되고, 고온에서는 방출을 통해 배기 가스로 방출되는 환원제도 함께 고려되기 때문이다.
본 발명은 연소 장치, 특히 디젤 엔진의 배기 가스 내에 함유된 질소 산화물을 촉매에 의해 변환시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 디젤 엔진의 개략도이다.
본 발명의 목적은, 환원제 유출을 확실히 피하는 동시에 선행 기술에 비해 질소 산화물의 변환율이 상승되는, 연소 장치의 배기 가스내에 함유된 질소 산화물을 촉매에 의한 변환시키기 위한 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 연소 장치, 특히 디젤 엔진의 배기 가스내에 함유된 질소 산화물을 촉매에 의해 환원시키기 위한 방법이 제공되며, 연소 장치의 작동 상태, 배기 가스 및/또는 촉매 변환기를 특성화하는 파라미터에 따라 환원제 용액의 투입량이 결정되며, 상기 환원제 용액은 배기 가스의 흐름 방향에서 볼 때 촉매 변환기의 앞에서 배기 가스내로 공급되며, 상기 환원제 용액으로부터 환원제가 방출되고, 촉매 변환기에서 질소 산화물과 반응하며, 본 발명에 따라 환원제 용액의 농도가 배기 가스 내로 환원제 용액을 공급할 때 및/또는 공급하기 전에 불연속적으로 측정되고, 투입량이 검출된 농도에 따라 조절된다.
본 발명은, 촉매 변환기의 저장 용량 및 배기 가스 조성의 고려 하에 산출된 환원제의 추가 투입량에 있어서, 소정의 작동 조건하에서 환원제 유출이 검출될 수 있다는 관찰로부터 출발한다. 환원제의 유출은, 실제의 환원제가 환원제 용액으로부터 방출될 때 증대된다.
본 발명은, 관찰된 환원제 유출이 사용된 환원제 용액의 상이한 농도의 결과라는 숙고로부터 출발한다. 종래의 투입 방식에서는 고정된 농도로부터 출발하기 때문에, 제조에 기인한 또는 증발 효과에 의해 생성되는 다양한 농도는 미리 제공된 것에 비해 실제적으로 제공된 환원제 양과는 큰 편차를 가져온다. 그러나, 환원제 용액의 공급시 발생하는 상기와 같은 투입량 오류는, 실제로 배기 가스내에 뿌려진 환원제 양을 결정하는데 환원제 용액의 농도가 이용됨으로써 피할 수 있다. 상기 환원제 용액의 실제 농도가 공지되어 있다면, 환원제 용액의 부피 단위에 대한 환원제의 양 또는 환원제를 방출하는 물질의 양이 공지되어 있다. 따라서, 상기 환원제 용액의 사전 설정된, 다시 말해 가정된 농도로부터 산출된 투입량은 실제적인 농도에 따라 조절될 수 있다. 상기 실제적 농도에 따른 조절이 예컨대 보정 인자에 의해 이루어질 수 있음으로써, 부피 분석에 의한 추가 투입시, 환원제 용액의 추가 투입된 부피는 실제 농도가 승인된 농도에 비해 감소된 경우에는 증대되거나, 실제 농도가 승인된 농도에 비해 증대된 경우에는 감소된다. 그러나, 또한 예컨대 제어 장치에 기억된 환원제 용액의 승인된 농도값을 실제값으로 대체하고, 상기 환원제 용액의 추가 투입량을 산출하기 위해 상기 값을 이용할 수도 있다.
본 발명은, 환원제의 유출이 나타나지 않으면서, 선행 기술에 비해 환원제의 실제로 공급된 양과 이론상 최적의 양 사이의 안전 마진이 더 감소되는 것을 가능하게 한다. 이를 통해, 비정상 연소 장치, 특히 디젤 엔진에서도 질소 산화물의 높은 변환율이 달성될 수 있다.
환원제 용액은 통상적으로 폐쇄된 용기에 보존되기 때문에, 상기 환원제 용액의 농도의 신속한 농도 변동을 기대할 수 없다. 따라서, 환원제 용액의 농도는 예컨대, 사전 설정된 시간 간격으로 주기적으로 측정될 수 있다.
바람직하게는, 환원제 용액으로 저장기를 채울 때마다, 환원제 용액의 농도가 불연속적으로 측정된다. 따라서, 채울 때에는 제조에 기인한 농도차가 고려될수 있거나, 투입시에는 환원제 탱크내에 상황에 따라 존재하는 다른 농도의 오래된 환원제 용액의 혼합도 고려될 수 있다. 이는 특히 비정상 연소 장치, 예컨대 견인을 위해 사용되는 디젤 엔진에서는, 다양한 위치에서 상이한 출처의 환원제 용액이 규칙적인 간격으로 채워지는 것이 바람직하다.
투입의 정확성은, 배기 가스내에 함유된 환원제 용액의 공급시에 및/또는 공급전에 환원제 용액의 순간적인 농도가 측정될 때 더 높아질 수 있다. 이를 통해, 예컨대 온도 변동시의 밀도 변동, 환원제 용액의 투입시 환원제 용액의 증발 및 오염과 같이 농도에 영향을 끼치는 인자들이 고려되고 보정될 수 있다.
상기 환원제 용액의 농도는, 환원제 용액의 전도도가 측정됨으로써 바람직하게 결정된다. 이 경우에는, 예컨대 우레아 수용액의 경우에서 처럼, 상기 환원제 용액이 전도된다는 것이 전제되어야만 한다. 그러나, 상기 환원제 용액의 농도가 상기 환원제 용액의 pH-값 측정에 의해 결정될 수도 있다. 이는 예컨대, 환원제 용액으로서 암모니아수를 사용함으로써 가능하다.
본 발명의 목적에 맞는 실시예에서는, 환원제 용액으로서 우레아 수용액이 사용되며, 상기 우레아 용액으로부터 암모니아가 방출된다. 방출된 암모니아는 NOx제거 촉매 변환기에서 V2O5, MoO3및/또는 WO3을 혼합한 TiO2를 기재로 하여, 질소 산화물과 반응한다.
본 장치의 목적은, 배기 파이프, 촉매 변환기, 배기 가스내에 정해진 양의 환원제 용액을 공급하기 위해 배기 가스의 흐름 방향으로 볼 때 상기 촉매 변환기의 앞에 배치된 투입 장치, 그리고 연소 장치의 작동 상태, 배기 가스 및/또는 촉매 변환기를 특성화하는 이용가능한 파라미터로부터 상기 환원제 용액의 투입될 양을 입력하고 결정하기 위해 상기 투입 장치에 연결된 제어 장치를 포함하는 연소 장치, 특히 디젤 엔진의 배기 가스내에 함유된 질소 산화물을 촉매에 의해 환원시키기 위한 장치에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 장치에서는 제어 장치에 접속된, 환원제 용액의 농도를 측정하기 위한 센서가 제공되고, 상기 제어 장치는 상기 센서에 의해 처리될 수 있는 농도에 맞춰 투입량을 조절하기 위해 부가적으로 형성된 것이다.
상기 제어 장치는 설정된 특성 필드를 통해 먼저 상기 연소 장치의 작동 상태, 배기 가스 및/또는 촉매 변환기를 특성화하는 처리가능한 파라미터로부터 배기 가스에 할당된 질소 산화물의 양을 검출하며, 상기 검출로부터 배기 가스내에 함유된 질소 산화물을 위해 필요한 환원제 양을 산출한다. 또한, 적합한 센서는 환원제 용액의 농도를 검출하고, 상기 농도를 제어 장치에 전달한다. 상기 제어 장치는 배기 가스내에 공급될 환원제 용액의 양을 센서에 의해 측정된 농도에 따라 조절시키며, 상기 환원제 용액의 공급될 양은 배기 가스의 순간적인 질소 산화물 함량에 필요한 환원제 양을 포함한다.
상기 제어 장치가 환원제 용액의 농도에 대해 미리 정해진 값(예를 들어, 제조자지시에 따라)에 의해 작동할 경우, 순간적인 농도로부터 이에 상응하는 보정 인자가 결정된다. 또한, 상기 환원제 용액의 농도에 대한 제어 장치에 저장된 값을 실제 값으로 대체할 수 있고, 상기 값을 환원제 용액의 추가 투입량을 산출하기 위해 직접 이용할 수 있다. 결국 상기 제어 장치는 투입 장치를 통해 적합한 양의 환원제 용액이 배기 가스내로 공급되도록 한다.
바람직하게, 환원제 용액의 농도를 측정하기 위한 센서는 전도도 센서로서 형성된다. 상기 전도도 센서는 전압원에 접속가능하고, 환원제 용액내에 침지가능한 두 개의 전극을 포함한다. 상기 전극에 공지된 전압이 공급될 경우, 상기 환원제 용액에는 전류가 흐르며, 상기 전류를 통해 환원제 용액의 저항 및 상기 환원제 용액에 있는 환원제의 농도가 추정될 수 있다. 상기 전도도 센서의 높은 신뢰도는 연소 장치의 전체 작동 시간동안, 농도의 동일하게 우수한 검출을 가능하게 한다.
우레아 수용액의 경우, 센서는 바람직하게 예컨대 특수강과 같은 요소 저항 물질로 이루어진다.
첨부된 도면에 의해 본 발명의 실시예를 살펴보면 하기와 같다. 도 1은 디젤 엔진의 개략도를 보여주며, 상기 디젤 엔진은 SCR 방식에 따라 배기 가스내에 함유된 질소 산화물의 촉매적 환원을 위해 배기 파이프에 접속된 장치를 가지며, 상기 배기 가스내에 공급되는 환원제 용액의 농도가 고려된다.
도 1에는 연소 장치(1)로서 배기 파이프(3) 및 촉매 변환기(5)를 포함하는 디젤 엔진이 나타난다. 상기 촉매 변환기(5)는 벌집형 NOx제거 촉매 변환기로서 SCR 방식에 따라 질소 산화물을 환원시키기 위해 실행되고, 주성분으로는 TiO2및 WO3, V2O5및 MoO3의 혼합물을 포함한다. 상기 촉매 변환기(5)에는 촉매 변환기(5)의 온도(T)를 측정하기 위한 온도 프로브(temperature probe)(6)가 제공된다. 배기 파이프(3)에는 배기 가스(A)의 흐름 방향으로 볼 때 상기 촉매 변환기(5)의 앞에, 환원제 용액(R)을 위한 투입 장치(7)가 배치되며, 상기 투입 장치는 분사 노즐(9) 및 밸브(11)를 포함한다. 투입 장치(7)는 공급 라인(13)에 의해 저장기(15)에 접속된다. 환원제 용액(R)으로서 우레아 수용액이 사용되며, 상기 우레아 용액은 디젤 엔진의 고온 배기 가스(A)내에 제공될 때 환원제로서 암모니아를 방출한다.
상기 저장기(15)의 가장 깊은 지점인 상기 공급 라인(13)의 개구 영역에는 환원제 용액(R)의 농도를 측정하기 위한 센서(17)가 위치한다. 상기 센서(17)는 전도도 센서로서 형성되며, 상기 전도도 센서는 전압원에 접속되고, 환원제 용액내에 침지되는, 자세히 도시되지 않은 두 개의 전극을 포함한다. 상기 전극에 인가된 전압에 의해, 유동 전류를 통해 전기 저항, 및 우레아 수용액의 농도를 추정할 수 있다.
상기 센서(17)는 제어 장치(19)에 접속되며, 상기 제어 장치(19)는 데이터 라인(21)을 통해 디젤 엔진의 작동 상태를 특성화하는 파라미터로서 토크, 회전수, 작동 온도 및 연료 소비를 기록한다. 또한, 상기 제어 장치(19)는 제어 라인(23)을 통해 투입 장치(7)의 밸브(11)에 접속된다. 또한, 상기 제어 장치는 데이터 라인(24)을 통해 촉매 변환기(5)의 온도(T)를 나타낸다.
상기 제어 장치(19)는 상기 데이터 라인(21)을 통해 나타나는, 디젤 엔진의 작동 상태를 특성화하는 파라미터로부터 상기 디젤 엔진의 질소 산화물의 방출을 검출한다. 이 목적을 위해, 상기 제어 장치(19)에 저장된 특성 필드로부터 상응하는 파라미터의 값에 속하는 질소 산화물 방출이 판독 출력된다. 또한, 상기 제어 장치(19)는 촉매 변환기(5)의 온도에 의해 환원제의 촉매 변환기 충전 상태를 고려하며, 결국 배기 가스(A)에 공급되는 환원제의 양은 특히 환원제 용액(R)내에 함유된 사전 설정된 환원제 농도로부터 환원제 용액(R)의 투입량을 산출한다.
분사하기 전, 상기 제어 장치(19)는 센서(17)에 의해 저장기(15)내의 환원제 용액(R)의 실제 농도를 검출하고, 보정 인자를 이용하여 상기 실제 농도에 상응하게 조절된 환원제 용액의 양을 결정한다. 결국 제어 라인(23)을 통해, 투입 장치(7)는 적절한 양의 환원제 용액(R)이 밸브(11) 및 분사 노즐(9)을 통해 배기 가스(A)내에 공지된 방식으로 분사되도록 한다.

Claims (10)

  1. 연소 장치(1)의 작동 상태, 배기 가스(A) 및/또는 촉매 변환기(5)를 특성화하는 파라미터에 따라 환원제 용액(R)의 투입량이 결정되어, 배기 가스(A)의 흐름 방향에서 볼 때 촉매 변환기(5)의 앞에서 배기 가스(A)내로 공급되며, 환원제가 환원제 용액(R)으로부터 방출되고, 촉매 변환기(5)에서 질소 산화물과 반응하는, 연소 장치(1)의 배기 가스(A)내에 함유된 질소 산화물을 촉매에 의해 환원시키기 위한 방법에 있어서, 환원제 용액(R)의 농도가 배기 가스 내에 환원제 용액을 공급할 때 및/또는 공급하기 전에 불연속적으로 측정되고, 투입될 양이 검출된 농도에 따라 조절됨을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 환원제 용액(R)의 농도가 환원제 용액(R)이 저장기(15)를 채울 때마다 불연속적으로 측정됨을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 환원제 용액(R)의 농도가 환원제 용액(R)의 전도도 측정에 의해 측정됨을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 또는 2항에 있어서, 환원제 용액(R)으로서 우레아 수용액이 제공되고, 촉매 변환기(5)가 NOx제거 촉매 변환기임을 특징으로 하는 방법.
  5. 배기 파이프(3), 촉매 변환기(5), 배기 가스(A)내에 정해진 양의 환원제 용액을 공급하기 위해 배기 가스(A)의 흐름 방향으로 볼 때 촉매 변환기(5)의 앞에 배치된 투입 장치(7), 그리고 연소 장치(1)의 작동 상태, 배기 가스(A) 및/또는 촉매 변환기(5)를 특성화하는 파라미터로부터 환원제 용액(R)의 투입량을 결정하기 위해 투입 장치(7)에 연결된 제어 장치(19)를 포함하는 연소 장치(1)의 배기 가스(A)내에 함유된 질소 산화물을 촉매에 의해 환원시키기 위한 장치에 있어서, 환원제 용액(R)의 농도 측정을 위한 센서(17)가 제공되며, 센서가 제어 장치(19)에 접속되며, 제어 장치(19)가 부가적으로 센서(17)에 의해 측정될 수 있는 농도에 맞춰 환원제 용액(R)의 투입량을 조절하도록 형성됨을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 센서(17)가 전도도 센서임을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 전도도 센서가 전압원에 접속 가능하고 환원제 용액(R)내에 침지가능한 두 개의 전극을 포함함을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 5항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 환원제 용액(R)이 우레아 수용액이고, 촉매 변환기(5)가 NOx제거 촉매 변환기임을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 연소 장치(1)가 디젤 엔진임을 특징으로 하는 장치.
  10. 삭제
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