KR100449784B1 - 연소장치로부터의배기가스를촉매정제하기위한방법및장치 - Google Patents

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Abstract

정제될 배기 가스(a)가 변환 채널 및 혼합 채널(16)내로 유입됨으로써, 상기 배기 가스(a)는 예정된 종방향(18)으로 상기 채널(16)을 통과하게 된다. 그와 동시에, 변환 채널 및 혼합 채널(16) 내부에서의 상기 배기 가스(a)의 흐름내로 환원제(r)가 뿌려지는데, 상기 환원제는 특히 수성 요소 용액이다. 그 다음에, 상기 배기 가스(a)의 흐름은 변환 채널 및 혼합 채널(16)에 대해 평행하거나 또는 상기 채널을 외부에서 감싸는 반응 채널(34)내로 편향된다. 이 때 상기 배기 가스(a)는 반대 방향(32)으로 흐른다. 상기 반응 채널(34)내에는, 환원 가능한 상기 배기 가스(a) 성분을 환원시키는 환원 촉매 변환기(36, 38)가 있다. 그 다음에, 상기 방식으로 정제된 상기 배기 가스(a' )가 상기 반응 채널(34)로부터 배출된다.

Description

연소 장치로부터의 배기 가스를 촉매 정제하기 위한 방법 및 장치
본 발명은 고체, 액체 또는 가스 형태의 연료로 작동되는 연소 장치로부터의 배기 가스를 촉매 정제하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법에서, 예컨대 요소(尿素) 수용액 또는 가스 형태의 암모니아와 같은 액체 또는 가스 형태의 환원제를 예컨대 압축 공기와 같은 분무제를 이용하여 고온의 배기 가스 흐름내로 분무함으로써 상기 환원제가 분해되고, 그 다음에 (특히 SCR-방법에 따라) 가스 형태의 유해 배기 가스 성분의 촉매 환원이 이루어진다. 본 발명은 또한 연소 장치로부터의 배기 가스를 촉매 정제하기 위한 장치에 관한 것이다.
본 발명은, 예컨대 디젤 엔진, 디젤-가스-엔진, 희박 연소 방식으로 작동되는 가스 엔진, 오일, 가스, 목재 및 다른 연료에 의해 작동되는 보일러 연소 장치, 및 예컨대 제네레이터, 압축기, 상용차, 작업 기계, 배 및 기관차를 구동시키기 위해 또는 예컨대 열, 증기 및 온수를 발생시키기 위해 제공되는 가스 터빈과 같은 엔진 및 연소 장치로부터의 배기 가스를 특히 SCR-방법에 따라 촉매 정제하는데 이용된다.
유럽 특허 0 558 452호의 특히 도 1에는, 연소 장치로부터의 배기 가스를 정제하기 위한 서문에 언급된 방식의 방법 및 장치가 공지되어 있다. 공지된 상기 장치는 서로 평행하게 배치된 3개의 채널 또는 챔버를 갖는 하나의 하우징을 포함한다. 정제될 고온 배기 가스용 공급 라인은 열분해 채널이라 하는 상기 제 1채널의 제 1단부와 측면에서 통한다. 상기 제 1단부의 대략 중앙 영역에는 2성분 분무 노즐이 있다. 상기 노즐에는 요소 수용액과 같은 반응제, 및 1bar의 게이지 압력에서 압축된 공기와 같은 분무제가 제공된다. 상기 요소 용액 및 압축 공기는, 상기 열분해 채널의 종방향으로 지지되는 에어러졸 형태의 분무 콘(cone)을 형성한다. 이 때, 상기 요소가 미세한 암모니아 및 이산화탄소로 완전히 변환 또는 분해된다. 상기 암모니아 및 이산화탄소를 함유하는 배기 가스 흐름은 상기 열분해 채널의 제 2단부에서 평행하게 배치된 상기 제 2채널내로 흘러 들어가며, 상기 제 2채널은 혼합 채널이라 한다. 배기 가스는 특히 통상적인 소수의 직교류-혼합기를 통해 상기 혼합 채널내에서 반대 방향으로 흐른다. 그 다음에, 분해된 상기 반응제와 잘 혼합된 균일한 배기 가스 흐름이, 반응 채널이라 하는 평행하게 배치된 상기 제 3채널내로 방향 전환된다. 이 때 상기 배기 가스 흐름은 우선 서로 간격을 두고 배치된 2개의 환원 촉매 변환기를 통해, 특히 SCR-촉매 변환기(SCR = selective catalytic reduction)를 통해, 그리고 그 다음에는 선택적으로 마찬가지로 간격을 두고 배치되고, 구조적으로 동일하게 형성된 산화 촉매 변환기를 통해 진행된다. 상기 환원 촉매 변환기 및 경우에 따라 존재하는 산화 촉매 변환기는 벌집형 구조로 형성된다. 즉, 종으로 뻗는 채널이 장치된다. 이제 가스 형태의 모든 오염 물질이 제거된 배기 가스는 열교환기 내부로 흐르거나 예컨대 굴뚝 또는 배기 장치와 같은 배기구를 통해 배출된다.
배기 가스를 정제하기 위한 공지된 장치는 상기 3개의 채널이 평행하게 배치됨으로써 매우 콤팩트하게 구성될 수 있다. 그러나 바람직하게는, 동일한 성능을 가지면서도 더욱 콤팩트한 구성이 많이 이용된다. 왜냐하면, 특히 자동차에서는 이용가능한 공간이 종종 심하게 제한되기 때문이다.
독일 특허 출원 공개 명세서 42 03 807호에는 중앙 대칭 구조를 갖는 배기가스-정제-시스템이 공지되어 있다. 그러나 상기 시스템에는 방향 전환부가 존재하지 않는다. 상기 시스템은 상대적으로 과도하게 길기 때문에, 예를 들어 모든 유형의 차량에는 사용될 수 없다. 상기 시스템에서보다 콤팩트한 구성이 바람직하다.
본 발명의 실시예는 6개의 도면을 참조하여 하기에 자세히 설명된다. 동일한 그리고 상응하는 부품은 동일한 도면 부호로 표기된다.
도 1은 횡단면이 평행한 2개의 채널을 갖는 "병렬 타입"의 촉매 정제 장치를 나타낸 개략도이고(도 2의 단면 A-A),
도 2는 도 1의 정제 장치의 종단면도이며(도 1의 단면 B-B),
도 3은 서로에 대해 중앙에 배치된 2개의 채널을 갖는 "중앙 타입"의 제 1촉매 정제 장치의 종단면도이고,
도 4는 도 3의 정제 장치의 유입면을 도시한 평면도이며,
도 5는 서로에 대해 중앙에 배치된 2개의 채널을 갖는 "중앙 타입"의 제 2촉매 정제 장치의 종단면도이고,
도 6은 도 5의 정제 장치의 횡단면도이며(도 5의 단면 C-C),
도 7은 직사각형의 중앙 변환 및 혼합 채널을 비워두고 반응 채널내에 72개의 정방형 촉매 변환기 모듈을 배열한 개략도이고,
도 8은 원형의 중앙 변환 및 혼합 채널을 비워두고 반응 채널내에 4개의 활형 촉매 변환기 모듈을 배열한 개략도이며,
도 9는 직사각형의 중앙 변환 및 혼합 채널을 비워두고 반응 채널내에 4개의 정방형 촉매 변환기 모듈 및 4개의 활형 촉매 변환기 모듈을 배열한 개략도이다.
본 발명의 목적은, 선행 기술과 동일한 성능을 가지면서도 더욱 콤팩트하게 구성될 수 있는, 서문에 언급된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 상기 제 1채널 및 제 2채널이 일정한 경계 조건하에서 기능적으로 단 하나의 채널, 즉 결합형 변환 및 혼합 채널로 통합될 수 있다는, 다시 말해서 집중될 수 있다는, 실험에 의해 입증된 인식을 기초로 하고 있다; 상기 채널은 반응 채널에 평행하게 또는 반응 채널 내부에(바람직하게는 중앙에) 배치될 수 있다. 3개 채널로의 공간적인 분리는 놀랍게도 기능을 위해서는 필요치 않다.
상기 방법은 본 발명에 따라 전술한 목적을 해결하는 하기 단계로 이루어진다:
a) 배기 가스를 결합형 변환 및 혼합 채널내로 유입시킴으로써, 배기 가스가 상기 채널을 정해진 종방향으로, 바람직하게는 와류를 형성하면서 통과하는 단계,
b) 특히 요소 수용액과 같은 액체 환원제를 상기 변환 및 혼합 채널 내부에 있는 배기 가스 흐름내로 분무하는 단계,
c) 상기 변환 및 혼합 채널로부터의 배기 가스의 흐름을 상기 채널에 대해 평행하게 배치되거나 상기 채널의 외부를 감싸고 있는 반응 채널내로 방향 전환시킴으로써, 배기 가스를 반대 방향으로 흐르게 하는 단계,
d) 배기 가스의 환원 가능한 배기 가스 성분을 반응 채널내에 있는 환원 촉매 변환기(36, 38)에서 환원시키는 단계,
e) 정제된 배기 가스 흐름을 반응 채널로부터 배출시키는 단계.
전술한 목적을 해결하기 위해 본 발명에 따른 장치는
a) 배기 가스용 입구를 가지며, 배기 가스가 그 종방향으로 흐르는 결합형 변환 및 혼합 채널,
b) 환원제를 상기 변환 및 혼합 채널내로 분무하기 위한 공급 장치,
c) 상기 채널에 평행하게 배치되거나 환원 촉매 변환기를 포함하면서 상기 채널의 외부를 감싸고 있는 반응 채널,
d) 배기 가스가 반응 채널을 반대 방향으로 통과하도록, 배기 가스를 변환 및 혼합 채널로부터 반응 채널 내부로 이송하기 위한 방향 전환기,
e) 정제된 배기 가스를 반응 채널로부터 배출시키기 위한 배출구를 포함한다.
상기 반응 채널은 상기 변환 및 혼합 채널에 대해 평행하게 그리고 상기 채널에 인접하여 배치될 수 있다("병렬 타입"). 그러나 특히 바람직한 실시예에서는 상기 변환 및 혼합 채널이 중간 영역, 특히 반응 채널의 중앙에 배치된다("중앙 타입"). 따라서 본 발명에 따른 촉매 변환기 모듈을 가진 촉매 변환기 구성이 얻어진다. 여기서는 중간 영역에 -특히 중앙에- 배기 가스가 관류될 수 있는 내부 채널 또는 변환 및 혼합 채널이 형성된다. 바람직한 구성에 따르면, p행 및 q열로 배치된 촉매 변환기 모듈을 가진 촉매 변환기가 제공되는데, 중간 영역에는 - 바람직하게 중앙에는 - 변환 및 혼합 채널을 형성하기 위해 (m x n)개의 촉매 변환기 모듈이 빠져 있으며, 이 경우 m < p이고 n < q이다. 다른 바람직한 구성에 따르면, 원형 링형태의 형상을 갖는 촉매 변환기가 제공되는데, 상기 촉매 변환기는 다수의 활형 촉매 변환기 모듈로 구성되고, 상기 모듈의 내부 영역은 변환 및 혼합 채널을 형성하기 위해 원형의 횡단면을 가지며, 상기 모듈은 원형의 외부 형상을 갖는 하우징내로 삽입될 수 있다. 또다른 바람직한 구성에 따르면, 외부가 라운딩된(rounded) 형상의 촉매 변환기가 제공되는데, 상기 변환기에서는 평행육면체 및 활형 모듈이 사용된다.
다른 바람직한 실시예는 종속항에서 기술된다.
본 발명에 따른 장치에 의해 매우 콤팩트한 구성이 얻어질 수 있는데, 그 이유는 본 발명에 따른 장치에서는 서로 평행하게 배치된 단지 2개의 채널 및 서로 삽입 배치된 단지 2개의 채널만이 필요하기 때문이다. 상기 채널의 부피는 촉매 변환기 부피에 비해 작게 유지될 수 있다. 바람직한 실시예에서 이루어지는 매우 간단하면서도 실제로 대칭인 유동 분배의 결과로 인해, 주어진 기본 원칙이 상이한 구조적 크기에 대해서도 계속 지켜질 수 있다. 따라서, 비용면에서 매우 바람직한 "기본 원칙의 준수 가능성""(스케일-업)"이 존재하게 된다.
연소 장치로부터의 배기 가스를 촉매 정제하기 위한 장치는 도 1 및 도 2에 따라 평행육면체의 하우징(10)을 갖는다. 200 내지 500℃의 온도일 수 있는 배기가스(a)를 위한 2개의 공급 라인(12a, 12b)이 상기 하우징(10)내로 삽입된다. 도 2에는 하나의 배기 가스 공급 라인(12a)만이 도시되었다.
개관을 명확히 할 목적으로, 도 1에는 2개의 배기 가스 공급 라인(12a 또는 12b)의 유입 개구(14a, 14b)가 파선으로 도시되었다. 상기 입구는 일반적으로 도면 부호 (14)로 표기된다. 하기에서 변환 및 혼합 채널(16)로 표기되는, 2개의 유입 개구(14a, 14b)는 폭이 넓고 길이 방향으로 뻗은 주입 챔버내로 삽입된다. 상기 채널(16)은 평행육면체의 횡단면을 갖는다. 상기 채널의 종축은 도면 부호(18)로 표기되었다. 도면을 통해, 상기 2개의 배기 가스 공급 라인(12a, 12b)이 종축(18)에 대해 비스듬하게 정렬되어 있음을 알 수 있다. 실시예에서 상기 2개의 공급 라인은 또한 유입되는 배기 가스(a) 내부에 유입 와류를 형성하기 위해 종이의 평면에 대해 비스듬하게 그리고 반대 방향으로 정렬되어 있다. 상기 변환 및 혼합 채널(16)을 형성하기 위해 또한 종축(18)으로 뻗는 하나의 중간벽(20)이 이용될 수 있다.
하나의 2성분-분무 노즐(22)이 공급 장치로서 상기 채널(16)의 입구에, 특히 상기 2개의 유입 개구(14a 및 14b) 사이에 대칭으로 중앙에 배치된다. 상기 노즐(22)은 환원제(r) 특히 요소 수용액, 및 분무제(p) 특히 압축 공기로 작동된다. 작동시 형성되는 분무 콘(atomizing cone)은 도면 부호 (24)로 표기되었다. 상기 분무 콘은 10 내지 40°, 바람직하게는 20° 이상의 콘 각을 가질 수 있다. 이 경우 상기 2성분-분무 노즐(22)은 분무 콘, 분무 방울의 직경, 분무 범위 및 증발 경로의 선택에 의해, 변환 및 혼합 채널(16)내에서 상기 요소의 암모니아로의 변환, 상기 요소의 증발, 유입되는 배기 가스(a)와의 혼합이 이루어지도록 조절될 수 있다.
상기 변환 및 혼합 채널(16)내에는 가수 분해 촉매 변환기(28)가 선택적으로 제공될 수 있다. 상기 변환기는 특히 상기 요소의 필요한 최소 체류 시간으로 인해 그리고 다른 공정 파라미터로 인해 상기 결합형 변환 및 혼합 채널(16)의 길이가 완전 반응을 보장하기 위해 지나치게 길어지는 경우에 제공된다. 상기 가수 분해 변환기(28)가 또한 유입되는 물질의 혼합에 영향을 미침으로써, 변환기를 장치한 후에는 상기 변환 및 혼합 채널(16)의 길이가 충분히 감소될 수 있다. 중요한 것은, 상기 변환 및 혼합 채널(16)의 단부에서 요소가 실제로 완전히 암모니아로 변환된다는 점이다.
상기 채널(16)의 단부에는 제 1 방향 전환기(30)에 배치된다. 상기 제 1 방향 전환기(30)내에는 (도시되지 않은) 방향 전환 장치 또는 방향 전환 조절장치가 제공될 수 있다. 상기 제 1 방향 전환기(30)는 흐르는 물질을 반대 방향(32)으로 전환시킨다. 즉 180° 만큼 방향 전환시킨다.
방향 전환된 물질들은 반응 채널(34)내로 유입된다. 상기 반응 채널(34)내에는 적어도 하나의 환원 촉매 변환기(36), 특히 SCR-촉매 변환기가 제공된다. 본 경우에는, 서로 간격을 두고 배치된 2개의 환원 촉매 변환기(36, 38)(촉매 변환기 블록)가 상기 반응 채널내에 장치되며, 제공된 물질이 상기 변환기의 종방향 채널을 반대 방향으로 통과한다. 상기 환원 촉매 변환기(36, 38)는 공지된 방식으로 상기 배기 가스(a)의 바람직하지 않은 구성 요소 또는 성분들을 변환시키기 위해 이용된다. 즉, 특히 유해한 질산화물(NOX)을 없애기 위해 이용된다.
상기 하우징(10)의 콤팩트한 구성을 위해 중요한 것은, 흐름이 변환 및 혼합 채널(16)내에서의 상기 배기 가스(a)의 종축(18)을 따라 반응 채널(14)내에서의 흐름 방향(32)과 반대로 흘러 환원 촉매 변환기(36, 38)내로 흐르는 것이다.
환원 촉매 변환기(38)는 상기 환원 촉매 변환기(36)와 마찬가지로 실시예에서 서로 위아래로 겹쳐진 동일한 형태의 6개의 모듈로 구성된다. 이것은 도 1에서 알 수 있다.
하나의 산화 촉매 변환기(39)가 간격을 두고 또는 간격 없이 동일한 치수의 횡단면을 갖는 상기 제 2환원 촉매 변환기(38)에 연결될 수 있다. 상기 산화 촉매 변환기(39)는 CO, CnHn 및 산화 가능한 다른 배기 가스 성분을 촉매 변환시키기 위해 이용된다.
상기 환원 채널(34)의 출구에는 제 2 방향 전환기(40)가 연결된다. 상기 제 2 방향 전환기(40)에 의해, 정제된 배기 가스(a')를 위한 배출구(44)가 있는 배출 개구(42)의 방향으로 90° 만큼의 방향 전환이 이루어진다.
본 경우에는 상기 변환 및 혼합 채널(16)이 증발, 혼합 및 변환 구간으로 이용된다. 따라서, 증발되는 암모니아(NH3)를 배기 가스(a)와 양호하게 혼합시키기 위해 정적 혼합기가 상기 채널(16)에 제공되지 않아도 된다. 이것은 중요한 장점이다. 상기 혼합기가 제공되지 않음에도 불구하고, 분무된 환원제(r) 및 배기 가스(a)의 반응 및 균일한 혼합이 보장된다.
상기 2개의 배기 가스 공급 라인(12a, 12b)이 상기 변환 및 혼합 채널(16)의 종축(18)에 대해 대칭으로 배치되는 것이 또한 중요하다. 그럼으로써, 전술한 성분(a, p 및 r)의 우수한 혼합이 이루어진다.
도 3 및 도 4에는, 배기 가스(a)가 중앙의 제 1채널내로 유입되고 상기 채널의 외부에 배치된 제 2채널을 통해 역류되는 촉매 정제 장치의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 상기 실시예에서 유입 라인 또는 배기 가스 공급 라인(12)은 링형 예비 챔버(50) 내부로 비스듬하게 삽입된다. 상기 예비 챔버(50)는 또한 원판 형태로 형성될 수도 있다. 특히 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 배기 가스 공급 라인(12)은 비스듬하게 배치된다. 즉, 배기 가스(a)가 상기 예비 챔버(50)내부에서 종축(18)에 대해서 회전 동작을 하도록 배치된다. 상기 링형 예비 챔버(50)는 종축(18) 중앙에 하나의 링형 배출 개구(52)를 포함하며, 상기 개구는 조립벽(54)에 의해 형성된다. 상기 배출 개구(52)는 동시에 채널(16)용 유입구이다. 상기 조립벽(54)에는 공급 장치(22), 특히 환원제(r) 및 분무제(p)를 위한 2성분-분무 노즐이 부착된다. 상기 분무 노즐(22)의 분무 콘은 재차 도면 부호 (24)로 표기된다. 외부에 조립을 위한 자유 공간(56)이 존재하도록 구성된다. 상기 배출 개구(52)를 통해 배기 가스(a)가 변환 및 혼합 채널(16)내로 유입되고, 그곳에서 분무된 환원제(r)와 혼합된다.
여기서도 경우에 따라, 변환 및 혼합 채널(16)내에 가수 분해 촉매 변환기(28)가 제공될 수도 있다.
상기 변환 및 혼합 채널(16)의 단부에는 하나의 방향 전환기 또는 방향 전환 챔버(58)가 배치된다. 상기 방향 전환기 또는 방향 전환 챔버는 링형 반응 채널(34) 위로 뻗으며, 상기 반응 채널은 상기 변환 및 혼합 채널(16)을 외부에서 감싸고 있고, 실제로 환원 촉매 변환기(36)에 의해 완전히 채워진다. 상기 변환기의 종방향 채널은 종축(18)에 대해 평행하게 뻗는다. 가스 혼합물을 안내하기 위해 상기 방향 전환 챔버(58)내에는 방향 전환 플레이트 또는 방향 전환 가이드부(60)가 존재할 수 있다. 상기 채널(16)은 관형 시이트벽(61)으로 형성될 수 있다. 상기 시이트벽(61)은, 상기 반응 촉매 변환기(36)의 지지와 관련된 구조적인 조건들을 고려해서 생략될 수 있다. 채널(16)내에 있는 가스는 상기 촉매 변환기(36)의 표면에서 촉매 물질에 노출된다.
상기 방향 전환 챔버(58) 또는 변환 및 혼합 채널(16)의 뒷벽(62), 본 경우에 시이트벽(61)은 내부가 촉매 활성 층으로 코팅될 수 있다. 마찬가지로, 상기 방향 전환 가이드부(60)도 그러한 촉매 활성 층으로 코팅될 수 있다. 상기 층은 가수 분해 촉매층 또는 SCR-촉매층일 수 있다. 상기 방식의 코팅에 의해 상기 장소에 고형물의 침전이 피해지며, 그에 의해 막힘이 피해질 수 있다.
상기 가스 혼합물은 직사각형 또는 원형 횡단면을 가지고 링형으로 형성될 수 있는 상기 변환 및 혼합 채널(16)을 통과한 후에, 동일한 구조의 링형 유출 챔버(64)내에 이른다. 본 경우에 상기 유출 챔버(64)는 2개의 유출 채널 또는 배출구(66, 68)를 포함한다. 원칙적으로는 하나의 배출구로도 충분할 수 있다. 촉매 정제된 상기 배기 가스(a')는 상기 유출 채널 또는 배출구로부터, 경우에 따라서는 배기 가스-채널내에 있는 (열교환기, 후방 소음기와 같은) 다른 장치들을 통해 굴뚝 또는 배기 장치로 안내될 수 있다.
도 5 및 도 6에 따른 실시예는 대부분 도 3 및 도 4에 따른 실시예와 일치한다. 물론 도 5 및 도 6에서는, 상기 배출 챔버 또는 유출 챔버(64)가 직접 하나 또는 다수의 배출구를 포함하지는 않는다. 오히려, 상기 배출 챔버(64)에서 추가의 방향 전환이 이루어진다. 달리 말하면, 상기 배출 챔버(64)는, 가스 흐름이 종축(18)에 대해 평행하게 방향 전환되도록, 즉 소음(消音) 챔버(70)내로 방향 전환되도록 설계된다. 상기 소음 챔버(70)는 상기 채널(16)의 외부에 SCR-촉매 변환기(36)와 함께 배치된 링형 챔버이다. 본 경우에 상기 소음 챔버(70)는 2개의 배기 가스 배출부 또는 배출구(72, 74)를 포함하며, 상기 배출구로부터 정제된 배기 가스(a')가 배출된다. 본 경우에도 원칙적으로 하나의 배출구로 충분하다. 상기 하우징(10)의 외벽은, 상기 소음 챔버(70)의 소음 효과를 강화하기 위해 부가적으로(도시되지 않은) 흡음 재료로 코팅될 수 있다.
본 경우에도 또한 촉매 활성 코팅, 특히 SCR-코팅이 상기 방향 전환 챔버(58) 내부에 및 변환 및 혼합 채널(16)내에 제공될 수 있다.
본 경우에 환원제(r) 및 분무제(p)용 2성분-분무 노즐(22)은 분무 콘(24)이 미리 주어진 분무 각도를 형성하는 통상적인 노즐일 수도 있다. 상기 노즐은 하우징(10)에 대해 열 절연되어야 한다. 특히 배기 가스가 종축(18) 주위에서 소용돌이 치기 때문에 우수한 혼합이 이루어진다.
본 경우에 상기 SCR-촉매 변환기(36)는 개별 모듈로 구성된다. 이것은 특히 도 6에 분명히 도시되어 있다. 도 6에 따르면, 상기 모듈은 표준 치수를 가지고 전체적으로 (3 x 3) - 1 = 8개가 제공된다. 상기 모듈은 각각 하나의 직사각형, 특히 정방형의 횡단면을 갖는다. 그 대신에, 회전 대칭의 배치도 선택될 수 있다. 본 발명에 따라 제공된 모듈 구성 방식 때문에, 상기 변환 및 혼합 채널(16)의 우측 부분도 또한 직사각형, 본 경우에는 특히 정방형의 횡단면을 갖는다. 상기 입구 부분(챔버(50))의 좌측 부분은 도 6에 따라 원형이거나 라운딩될 수 있다. 즉, 상기 흐름은 - 유동 방향으로 볼 때 - 원형 횡단면에서 각진 횡단면으로 변동된다. 배기 가스(a)를 정제하기 위한 도시된 장치는 특히 화물 자동차의 디젤 엔진과 결합하여 사용되도록 설계되었다.
하기에는 또한 환원 촉매 변환기(36)에 대해 기술되어 있다. 상기 변환기는 (도시된 바와 같이) 각각 서로 위아래로 쌓아진 개별 모듈 또는 서로 앞뒤로 배치된 다수의 모듈을 포함할 수 있다. 상기 개별 모듈들을 서로 앞뒤로 배치하는 경우에는 이미 도 2에 도시된 중간 공간이 형성된다. 상기 중간 공간들은 상이한 촉매 변환기를 서로 분리시킬 수 있다. 예를 들어, 먼저 하나의 SCR-촉매 변환기 모듈이 사용되고, 그 다음에는 산화-촉매 변환기-모듈이 각각 사용될 수 있다.
도 7에는 상기 촉매 변환기(36)의 약간 다른 방식의 구성이 도시되어 있다. 이 경우 모듈들은 p = 9행으로 그리고 q = 9열로 배치되어 있다. (본 경우에는 중앙 구조) 중간 부분에 상기 변환 및 혼합 채널(16)을 위한 공간이 비어있다. 상기 공간으로 인해 (m x n) = 3 x 3개의 모들이 생략됨으로써, 전체적으로 (p x q) - (m x n) = 9 x 9 - 9 = 72개의 모듈이 상기 반응 채널(34)의 횡단면에 걸쳐 분배된다.
물론 대안적으로는, 3 x 3 - 1 = 8, 4 x 4 - 2 x 2 = 12, 5 x 5 - 3 x 3 = 16, 6 x 6 - 2 x 2 = 32, 7 x 7 - 3 x 3 = 40, 8 x 8 - 4 x 4 = 48, 10 x 10 - 4 x 4 = 84 등과 같은 개수의 촉매 변환기-모듈을 갖는 장치도 사용될 수 있다. 이 경우에는 각각 p = q 그리고 m = n이 선택된다. 또한, 예컨대 (7 x 5) - (3 x 3) = 26개의 모듈을 갖는 정방형뿐만 아니라 다른 직사각형 구성 형태도 가능하다. 또한, p ≠ q 및/또는 m ≠ n이 선택될 수도 있다.
그로부터, 하나의 직사각형 구조는 일반적으로 (p x q) - (m x n) (상기 식에서 p > m, q > n 이고, p, q, m, n은 각각 정수이다)과 같이 배치될 수 있음이 분명해진다. (m x n)개의 모듈이 삭제된 상기 채널(36)은 바람직하게 중앙에 배치된다("중앙 구조"); 그러나 상기 채널은 반드시 중앙에 배치될 필요는 없다.
상기 촉매 변환기(36) 및 하우징(10)이 전체적으로 둥글거나 라운딩된 구조적 형태를 가질 수 있다는 점도 강조될 수 있다. 달리 말하면, 상기 구조적 형태는 둥글거나 4각형의 내부 채널(16), 하나 이상의 링형 촉매 변환기(36) 및 둥근 외부 윤곽을 가질 수 있다. 상기 링형 촉매 변환기(16)는 바람직하게는 세그먼트 형태의 다수의 촉매 변환기 모듈로 이루어진다. 상기 촉매 변환기는 예를 들어 4개의 4분원-세그먼트로 이루어질 수 있다.
도 8에는 중앙의 원형 채널(16)이 제공된다. 상기 링형 시이트 벽(61)과 케이스 또는 하우징(10) 사이에 형성된, 둘러싸고 있는 채널(34) 내부에는 동일한 4분원 세그먼트 형태의 4개의 촉매 변환기 모듈(36r)이 배치된다. 이와는 달리, 예컨대 각각 45°이상으로 뻗는 8개의 모듈(36r)과 같이 더 많은 모듈(36r)이 사용될 수도 있다. 상기 개별 모듈(36r) 사이의 공간내에는 바람직하게 접착제 또는 예컨대 세라믹-섬유-재료와 같은 밀봉 재료가 제공된다. 또한 팽윤 매트(swellig mat)가 사용될 수도 있다. 상기 재료는 상기 모듈(36r)을 방사 방향으로 감싸고 있다. 도시된 둥근 구조적 형태로 인해 우수한 강도 특성이 얻어진다.
그와는 달리, 도 9에서는 라운딩된 구조적 형상이 다루어진다. 도 9에서 상기 촉매 변환기(36)는 동일하게 직사각형인 4개의 촉매 변환기 모듈(36z) 및 각각 교대로 배치된, 동일하게 4분원 세그먼트인 4개의 촉매 변환기 모듈(36r)로 이루어진다. 크기가 더 큰 실시예는 더 많은 모듈(36z 및 36r)을 포함할 수 있다. 상기 실시예에서는 예를 들어, p > 3개의 행(예컨대 p =12) 및 q > 3개의 열(예컨대 q = 12)이 제공될 수 있다. 모서리에는 각각 하나의 4분원 세그먼트형 모듈(36r) 또는 다수의 세그먼트형 모듈(36r)이 있다. 상기 모듈(36r) 사이의 틈(gap)은 마찬가지로 접착제 또는 밀봉 재료로 채워질 수 있다. 또한 팽윤 매트도 사용될 수 있다. 모서리가 라운딩 된 상기 실시예는 특히 기계적 응력에 대해 안정적이다.
도 7 내지 도 9에 도시된 촉매 변환기 장치는 특히 더 큰 설비에 이용될 수 있다.
도 3 내지 도 9에 도시된 실시예의 중앙 대칭 구조에 의해 하기의 장점들이 얻어진다:
- 환원제와 배기 가스가 우수하게 혼합되고;
- 환원제와 혼합된 배기 가스가 상기 촉매 변환기 및/또는 변환기들 위에 균일하게 분배되며;
- 구조물의 크기가 상이한 경우에도 기본적인 구성 원칙이 지켜질 수 있고(스케일-업);
- 동일한 구성 원칙에 따라 단계화된 구조물 크기를 갖는 모듈 방식의 구성이 가능하고, 동일한 유형의 컴포넌트(특히 촉매 변환기 모듈, 변환 및 혼합 채널)를 사용할 수 있으며;
- (중앙의) 유입 영역에 가수 분해-촉매 변환기를 장치할 수 있고(요소에 의한 SCR-방법);
- 방향 전환 가이드부(60)가 제공될 수 있으며,
- 예컨대 가수 분해하기 위한 또는 다른 방식으로 배기 가스를 정화하기 위한 촉매 활성 표면을 갖는 뒷벽(62) 또는 방향 전환 가이드부(60)를 제작할 수 있고;
- 예컨대 SCR- 및 산화 촉매 변환기와 같은 콤비 촉매 변환기를 링 챔버(16)내에 배열할 수 있으며;
- 뒷벽(62) 및/또는 방향 전환 가이드부(60)에서의 방향 전환에 의해 소음 효과가 우수하고, 여러 번의 횡단면 변동이 이루어지고/다수의 반향면이 제공되며;
- 부가의 소음 장치가 제공될 수 있거나 유동 채널이 형성될 수 있음으로써, 방해 형성에 의한 장애판 소음기의 효과가 달성된다;
- 예컨대 암모니아 또는 요소와 같은 환원제 또는 NH3를 방출하는 다른 환원제를 분무하기 위한 적합한 분무 각(약 10° 내지 40°)을 갖는 2성분 분무 노즐(22)이 사용되고;
- 콤팩트한 구성에 의해 외부 표면 영역에서 환원이 이루어짐으로써 열 손실이 최소화되며;
- 스프레이 후에 가수 분해 임계 장소에서 온도가 일정하게 유지되고;
- 상기 변환 및 혼합 채널을 상기 촉매 변환기 공간의 중앙에 배치함으로써 콤팩트한 구성이 이루어지며;
- 배기 가스(a)의 각각의 방향 전환이 혼합 효과에 영향을 미치기 때문에, 우수한 혼합 및 반응 변환율에 도달한다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는, 고체, 액체 또는 가스 형태의 연료로 작동되는 연소 장치로부터의 배기 가스를 촉매 정제하기 위해 이용된다.

Claims (20)

  1. 고체, 액체 또는 가스 형태의 연료용 연소 장치로부터의 배기 가스(a)를 정제하기 위한 방법으로서,
    a) 배기 가스(a)를 결합형 변환 및 혼합 채널(16)내로 유입시킴으로써, 배기 가스(a)가 정해진 종축(18)을 따라 상기 채널(16)을 와류를 형성하면서 통과하는 단계,
    b) 요소 수용액 또는 가스 형태의 암모니아와 같은 액체 또는 가스 형태의 환원제(r)를 변환 및 혼합 채널(16) 내부에 있는 배기 가스(a)의 흐름내로 분무하는 단계로서, 환원제(r)가 배기 가스(a)와 혼합되고 동시에 변환되는 단계;
    c) 변환 및 혼합 채널(16)로부터의 배기 가스(a) 흐름을 상기 채널에 대해 평행하게 배치하거나 상기 채널의 외부를 감싸고 있는 반응 채널(34)로 방향 전환시킴으로써, 배기 가스(a)를 반대 방향(32)으로 흐르도록 하는 단계,
    d) 배기 가스(a)의 환원성 배기 가스 성분을 반응 채널(34)내에 있는 환원 촉매 변환기(36, 38)에서 환원시키는 단계,
    e) 정제된 배기 가스(a') 흐름을 반응 채널(34)로부터 배출시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 반응 채널(34) 내부를 흐르는 배기 가스(a)를 반응 채널내에서 추가로 산화 촉매 변환기(39)에 노출시킴을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 변환 및 혼합 채널(16) 내부를 흐르는 배기 가스(a)를 반응 채널내에서 가수 분해 촉매 변환기(28)에 노출시킴을 특징으로 하는 방법.
  4. 고체, 액체 또는 가스 형태의 연료용 연소 장치로부터의 배기 가스(a)를 정제하기 위한 장치로서,
    a) 배기 가스(a)용 입구(14; 52)를 구비하고, 배기 가스(a)가 정해진 종축(18)을 따라 흐르는 결합형 변환 및 혼합 채널(16),
    b) 환원제(r)를 변환 및 혼합 채널(16)내로 분무하기 위한 공급 장치(22),
    c) 상기 채널(16)에 평행하게 배치되거나 환원 촉매 변환기(36, 38)를 포함하면서 상기 채널의 외부를 감싸는 반응 채널(34),
    d) 배기 가스(a)가 반응 채널(34)을 반대 방향(32)으로 통과하도록, 배기 가스(a)를 변환 및 혼합 채널(16)로부터 반응 채널(34) 내부로 계속 이송하기 위한 방향 전환기(30, 58),
    e) 정제된 배기 가스(a')를 반응 채널(34)로부터 배출시키기 위한 배출구(44; 66, 68; 72, 74)를 포함함을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 공급 장치(22)가 요소 수용액 및 압축 공기용 2성분 분무 노즐이며, 변환 및 혼합 채널(16)의 입구(14; 52) 중앙에 배치됨을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 배출구(44; 66, 68: 72, 74) 앞의 반응 채널(34)의 단부에 추가의 방향 전환기(40, 64)가 제공됨을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 반응 채널(34)내에 산화 촉매 변환기(39)가 제공됨을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 변환 및 혼합 채널(16)의 내부, 방향 전환기(30, 58)의 영역 또는 환원 촉매 변환기(36, 38) 앞의 반응 채널(34)내에 가수 분해 촉매 변환기(28)가 제공됨을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 변환 및 혼합 채널(16)이 반응 채널(34)의 중앙에 배치됨을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 환원 촉매 변환기(36, 38)가 사각형 또는 활형의 소수의 모듈(36z; 36r)로 구성되며, 변환 및 혼합 채널(16)은 직사각형, 또는 원형, 또는 에지가 라운딩된 횡단면을 가짐을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 변환 및 혼합 채널(16)의 입구(52)에 플레이트 형태의 또는 링형의 예비 챔버(50)가 제공됨을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 변환 및 혼합 채널(16)의 입구(52)에 2개 이상의 배기 가스(a)용 유입 개구(14a, 14b)가 제공됨을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 방향 전환기(30, 58)가 촉매 활성 표면을 포함함을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 6항에 있어서, 추가의 방향 전환기(40, 64)가 촉매 활성 표면을 포함함을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 반응 채널(34)이 소음(消音)을 위한 수단(70)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 다수의 촉매 변환기 모듈(36z, 36r)을 포함하며, 이러한 다수의 촉매 변환기 모듈내 중앙 영역에 변환 및 혼합 채널(16)이 형성되어 있는, 제 4항에 따른 장치의 반응 채널(34)내에 사용하기 위한 촉매 변환기(36, 38, 39).
  17. 제 16항에 있어서, p행 및 q열로 배치된 직사각형 촉매 변환기-모듈(36z)을 포함하고, 상기 모듈의 중간 영역에 내부 채널(16)을 형성하기 위한 (m x n)개의 촉매 변환기 모듈(36z)이 생략되며, 이 경우 m < p이고 n < q임을 특징으로 하는 촉매 변환기.
  18. 제 16항에 있어서, 둥근 링형의 형상을 가지며, 소수의 활형 촉매 변환기-모듈(36r)로 구성되고, 내부 채널(16)을 형성하기 위한 내부 영역이 둥근 횡단면을 가지며, 둥근 외부 윤곽을 갖는 하우징(10)내로 삽입될 수 있음을 특징으로 하는 촉매 변환기.
  19. 제 16항에 있어서, 라운딩된 형상을 가지며, 내부 채널(16)의 형성에 의해 소수의 직사각형 촉매 변환기-모듈(36z) 및 소수의 활형 촉매 변환기-모듈(36r)로 구성됨을 특징으로 하는 촉매 변환기.
  20. 제 10항에 있어서, 환원 촉매 변환기(36, 38)가 SCR-촉매 변환기임을 특징으로 하는 장치.
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