KR100819396B1 - 배기가스로부터 매연 입자를 제거하기 위한 방법 및 이와 관련된 집진요소 - Google Patents

배기가스로부터 매연 입자를 제거하기 위한 방법 및 이와 관련된 집진요소 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연기관 (1), 특히 디젤엔진의 배기가스로부터 매연 입자를 제거하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법에 따르면, 배기가스는 집진요소 (5) 를 통해 공급되며, 배기가스는 상기 집진요소 (5) 를 통해 자유롭게 유동할 수 있고 상기 집진요소는 다수의 편향체 및/또는 와류생성 및 안정화 영역을 구비한다. 입자들 중의 적어도 일부는, 집적된 입자의 대부분이 제거될 때까지 이산화질소와 충분하게 반응할 수 있도록 상기 집진요소 내에 유지되거나 소용돌이된다. 이러한 유형의 집진요소 (5) 는 유로 (13; 23) 를 구비하며, 이 유로를 통해 배기가스가 자유롭게 유동할 수 있고, 상기 유로 (13; 23) 는 편향체 (15, 16; 25, 26) 또는 와류생성 및 안정화 영역을 형성하도록 구성된다.

Description

배기가스로부터 매연 입자를 제거하기 위한 방법 및 이와 관련된 집진요소 {METHOD FOR REMOVING SOOT PARTICLES FROM AN EXHAUST GAS AND CORRESPONDING COLLECTING ELEMENT}
본 발명은 배기가스, 특히 내연기관의 배기가스로부터 매연 입자를 제거하기 위한 방법 및 이러한 목적에 적합한 집진요소로서, 특히 재생가능하며 차량 배기라인 등의 파이프 등에 장착될 수 있는 집진요소에 관한 것이다.
기체 성분 외에, 내연기관의 배기가스는 또한 입자를 포함하고 있다. 이들 입자는 배기가스와 함께 직접 대기에 유입되는데, 이는 바람직하지 못하고, 또는 이들 입자는 배기 시스템의 어딘가에 자주 축적되어, 예를 들어 부하가 변동하는 경우에 입자 덩어리의 형태로 배출된다.
입자를 집진하기 위해서는 필터를 사용하는 것이 보통이다. 그러나, 폐쇄식 필터 시스템의 사용으로 인해 2가지의 매우 큰 단점이 수반되는데, 그 하나는 이들 필터가 폐색될 수 있다는 것이고, 그 다른 하나는, 이들 필터로 인해 불필요한 압력 강하가 일어난다는 것이다. 필터를 사용하지 않으면, 대기에 직접 배출되지 않은 이들 입자가, 다른 오염 성분의 배기가스를 정화하기 위해 설치된 촉매의 피복물에 축적될 수 있어서, 촉매 활성 표면 영역의 오염 또는 적어도 축소를 가져온다. 환경 보호를 위해, 규제가 더 강화되므로 오염물과 입자의 배출을 더 감소시켜야만 한다. 입자의 제거 외에, 질소산화물의 절감 또한 배기-가스 정화에 중요한 역할을 한다. 독일특허 제 42 03 807 호에서는, 산화제를 주입시키고 이 산화제를 배기가스와 혼합시키는 장치가 개시되어 있다.
본 발명의 목적은, 배기가스로부터 매연 입자를 제거하기 위한 방법 및 배기가스 유동 내의 입자에 대한 집진요소를 제공하는 것이다.
이들 목적은 청구항 제 1 항의 특징을 갖는 방법 및 청구항 제 5 항의 특징에 따른 집진요소에 의해 달성된다. 추가의 바람직한 개량은 각각의 종속항에 개시되어 있다. 집진요소의 바람직한 용도 또한 개시되어 있다.
배기 시스템에 주입된 첨가물을 더 양호하게 분배하기 위한 실험, 예를 들어 WO 91/01807 호 또는 WO 91/01178 호에 개시된 종류의 혼합요소를 가지고 한 실험에서, 이들 혼합요소가 매연 입자의 감소도 가져올 수 있다는 놀라운 사실을 발견하였다. 입자는, 혼합요소 내 유동의 편향지점에서 발생하는 와류에 의해 유지되거나, 그 혼합요소 내의 벽에 쓸리고(중력 분리에 견줄 수 있는 효과), 견고히 고착된다. 가능한 금속/매연 상호작용 및/또는 배기가스/덕트벽 온도 구배는 입자의 고착시 매우 큰 역할을 한다. 또한, 특히 코팅되지 않은 금속벽의 경우에 있어서 입자의 명백한 응집 작용이 관찰된다. 본 발명은, 배기가스 내에 존재하는 이산화질소와의 적절한 반응가능성을 보장하도록 매연 입자를 충분히 오래 유지시킬 수 있는 집진요소를 구성함으로써 상기 식견을 활용하고 있다.
따라서, 선택한 방법은 다공벽 등에 의해 매연 입자를 강제적으로 100% 여과하는 통상의 방법이 아니라, 집진요소 내 매연 입자의 체류 시간을 연장하여 매연 입자와 이산화질소 사이의 반응가능성을 증가시키는 간단한 방법이다. 이 방법은, 자유롭게 횡단가능한 유로를 유지하면서, 충분한 수의 와류생성 및 안정화 영역 (swirl-inducing and calming zones) 및/또는 입자의 벽에 대한 고착을 촉진시키는 편향체를 구비함으로써 구현된다. 입자가 배기가스와 함께 유동하면 입자가 이 배기가스의 다른 구성성분과 반응할 가능성이 거의 없지만, 입자가 와류생성 영역에 유지되거나 벽에 고착되면 반응가능성이 대폭 증가하게 된다. 이렇게 되면 통과하는 모든 이산화질소가 반응에 사용되어 매연 입자를 신속하게 제거한다. 따라서, 집진요소는 폐색되지 않고 계속해서 재생된다.
느린 유속의 덕트 내 영역을 안정화 영역으로 부르고, 유체 운동이 없는 영역은 정체 (dead) 영역으로 부른다.
상기 집진요소는, 폐쇄식 시스템과는 달리, 유동에 대한 정체 단부(dead end)가 존재하지 않기 때문에 자유 횡단가능하다고 말한다. 그 결과, 상기 집진요소는, 폐색이 일어나기 전에 유동이 입자를 반출하기 때문에, 구멍이 막힐 수 있는 종래의 필터 시스템처럼 그 구멍이 폐색되지 않는다. 동시에, 배기가스에 여전히 포함된 약 2% 내지 15% 의 입자가 각 경우, 바람직하게는 4% 내지 8% 범위에서 집진요소 (5) 의 벽 (11, 12, 21, 22) 에 충돌하도록 편향체를 구성하면 특히 바람직하다. "배기가스에 여전히 함유된 입자" 라는 표현은 배기가스 유동의 비교적 빈번한 편향에 의해 입자의 양이 유동 방향으로 감소한다는 사실을 고려한 것이다. 상기 목적을 위한 편향체의 수는, 배기가스의 전체 유동이 집진요소의 벽에 의해 안내되도록 적어도 통계적으로 특히 선택되어야 한다. 충돌 입자에 대한 양적 제한 또는 편향되는 배기가스 유동에 대한 양적 제한은 상기 집진요소에 걸쳐 매우 적은 압력손실만이 발생하는 장점을 갖는다.
차량의 구동 시스템의 여러 가지(동적인) 부하변동의 경우에 대처하기 위해서는 원뿔형 시스템이 바람직하다. 예컨대, WO 93/20339 호에 개시된 바와 같은 시스템은 확장 덕트를 구비하고 있으며, 덕트에 적절한 편향 구조물 또는 와류생성 구조물이 제공된다면, 어떤 덕트 지점, 어떤 질량 유량(mass flow rate)에서는 입자 집진에 있어 특히 양호한 상태가 반드시 되게 된다.
집진요소용으로 바람직한 재료는 금속이지만, 무기 (세라믹, 섬유 재료), 유기 또는 유기 금속계 플라스틱 및/또는 소결재일 수 있다. 집진요소의 벽은 워시 (wash) 코팅 및/또는 촉매 활성재료로 코팅될 수 있고, 아니면 코팅되지 않을 수도 있다.
벽 두께는 바람직하게는 0.02 ~ 0.11 mm 사이의 범위이고, 특히 바람직하게는 0.04 ~ 0.08 mm 사이의 범위이다.
집진요소의 셀 밀도 (단위 단면적당 덕트 수) 는 바람직하게는 평방인치 (cpsi) 당 25 내지 1000 셀의 범위이고, 특히 바람직하게는 200 내지 400 cpsi 범위이다.
통상적인 집진요소는 200 cpsi 를 가지며, 예컨대 디젤기관에 관련하여서는, 그 유로에 3 내지 20 mm의 간격으로 편향 구조물 또는 와류생성 구조물을 가지면서 100 kW 당 약 0.5 내지 0.8 리터의 부피 및 100 kW 당 1 내지 2 ㎡ 의 기하학적 표면적을 가지게 된다.
상기 집진요소는 연속적으로 또는 주기적으로 재생될 수 있으며, 디젤 엔진 배기라인의 경우, 대략 250 ℃ 이상의 온도에서 이산화질소 (NO2) 에 의해 매연을 산화시키거나 또는 500 ℃가 넘는 온도에서 공기 또는 산소 (O2) 를 가지고 열적으로 및/또는 첨가제(예를 들어, 세륨)를 주입함으로써 매연을 산화시켜 재생될 수 있다.
예를 들어,
C + 2NO2 -> CO2 + 2NO
와 같은 연속 재생 트랩 (CRT) 메커니즘을 이용하는 이산화질소 (NO2) 에 의한 매연 산화의 경우, 적절한 양의 일산화질소 (NO) 를 이산화질소 (NO2) 로 산화시키기 위해, 산화촉매가 배기라인에서 집진요소의 상류에 배치되어야 한다. 연구에 의하면, 화학량적인(stoichiometric) 완전한 매연 산화에 요구되는 바의 두 배에 이르는, 바람직하게는 1.2 배(대략 2.4 몰에 상당)에 이르는 양의 이산화질소 NO2 가 상기 집진요소에 공급되어야 한다. 그러나, 반응 상대자의 양적 비율은 유체의 혼합에 매우 의존적이므로 집진요소의 구성에 따라 다양한 양적 비율이 이용되어야 한다.
다양한 실시예의 경우, 예를 들어 자동차 배기라인에 장착될 경우, 상기 집진요소는 많은 바람직한 부가적 효과를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 예를 들어 SCR (선택적 촉매 환원) 방법을 이용할 경우, 예를 들어 환원을 위해 디젤 배기가스를 암모니아 또는 우레아 (urea) 용액과 혼합하는 것과 같은 경우, 상기 집진요소는, 입자를 제거하는 기능뿐만 아니라 배기가스를 또 다른 유체와 혼합하는 기능도 가진다. 이를 위해, 상기 집진요소는 하나 이상의 첨가제 공급부와 결합된다.
상기 집진요소의 바람직한 개량에 있어서는, 예를 들어 환원 촉매로의 후속하는 공급을 위해 통과하는 유체의 유동 분배도 최적화된다. 일 실시예에 따르면, 상기 집진요소는 상류의 첨가제 공급부와 조합되어 이용된다.
일 실시예에 따르면, 상기 집진요소는 하나 이상의 촉매와 결합되어 이용된다. 이러한 목적을 위한 적절한 촉매 및/또는 전 (front) 촉매는, 특히, 산화촉매, 상류 또는 하류의 가열 디스크로 가열된 촉매, 가수분해 촉매 및/또는 환원촉매이다. 이용되는 산화촉매는 질소가스 (NOx) 를 이산화질소 (NO2) 로 산화시키는 것뿐만 아니라 탄화수소 및 일산화탄소를 이산화탄소 (CO2) 로 산화시키는 촉매를 포함한다. 상기 촉매는 관상 (tubular) 이거나 원뿔형이다.
상기 집진요소를 하나 이상의 촉매 및 하나 이상의 과급기와 결합하면 바람직하고, 또는 하나의 집진요소를 하나의 과급기와 결합하는 것도 바람직하다. 과급기 하류의 집진요소는, 엔진 가까이 장착되거나 또는 언더플로어 (underfloor) 위치에 장착될 수 있다.
상기 집진요소는 또한 상류 또는 하류 매연 필터와 결합되어 이용되며, 입자형의 매연이 제거되도록 하는 보호물로서의 역할만을 제공하면 되므로, 상기 하류 매연 필터는 통상적인 매연 필터보다 상당히 작을 수 있다. 집진요소가 없이는 100 kW 당 대략 4 ㎡ 의 필터 크기가 요구되는데, 100 kW 의 디젤 엔진에 대해 0.5 내지 1 ㎡ 면적을 가지는 필터로서 충분하다.
이하의 실시예는, 촉매, 과급기, 매연 필터 및 첨가제 공급부와, 집진요소의 자동차의 배기라인을 따른 수많은 가능한 조합을 보여준다.
A) 산화촉매 - 과급기 - 집진요소 (이 집진요소는 엔진 가까이 또는 언더플로어 위치에 배치되는 것이 가능함)
B) 전촉매 - 집진요소 - 과급기
C) 산화촉매 - 과급기 - 산화촉매/집진요소
D) 가열된 촉매 - 집진요소 1 - 집진요소 2 (상기 집진요소 1 및 집진요소 2 는 동일하거나 상이할 수 있음)
E) 집진요소 1 - 배기라인의 원뿔형 개구 - 집진요소 2
F) 첨가제 공급부 - 집진요소 - 가수분해 촉매 - 환원촉매
G) 전촉매 - 산화촉매 - 첨가제 공급부 (매연 필터 가능함) - 집진요소 (예를 들어 원뿔형태이며, 필요시 가수분해 코팅됨) - (매연 필터 가능함) - (튜브의 단면을 증가시키기 위해 가능한 원뿔) 환원촉매.
실시예에 따라, 집진요소는 각각의 기능을 갖는 각종의 코팅을 가질 수 있다. 저장, 혼합 및 유동-분배기능에 더하여, 집진요소는 예를 들어, 가수분해 촉매로서도 작용할 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1 은 내연기관의 배기 시스템의 개략도이고,
도 2 는 본 발명에 따른 집진요소의 실시예의 세부도이고, 그리고
도 3 은 본 발명에 따른 집진요소의 다른 실시예의 세부도이다.
도 1 은 내연기관 (1), 특히 디젤기관을 도시하고 있으며, 상기 기관의 배기가스가 배기라인 (2) 으로 공급된다. 상기 배기라인은 적어도 하나의 산화촉매 (3) 를 구비하는데, 이 산화촉매는 출구 매우 가까이 배치된 전촉매(비도시)의 앞에 있을 수 있다. 또한, 이 영역에 과급기 (비도시) 가 존재할 수 있다. 배기라인을 따라 더 아래에는 첨가제, 특히 우레아용 공급부 (4) 가 더 존재한다. 이 공급부의 하류에는 본 발명에 따른 집진요소가 배치되며, 그 뒤를 따라 SCR 촉매가 있다.
도 2 는 본 발명에 따른 집진요소의 전형적인 실시예의 세부도이다. 이 집진요소는 구조시트 금속층 (11) 및 평탄시트 금속층 (12) 으로부터 구성되어, 자유횡단 유로 (13) 가 얻어지는 동시에, 구조시트 금속층 (11) 의 특별한 구조로 인해 편향체 (15, 16) 가 형성된다. 이러한 편향체는 배기가스에 소용돌이를 주어, 입자들이 집진요소내에 더 오래 머물러 배기가스의 다른 성분들과 더 용이하게 반응할 수 있게 한다. 편향체 (15, 16) 를 정밀하게 구성하면, 시트 금속층 (11, 12) 에 의해 형성된 유로 (13) 의 벽에 입자들이 충돌하여 고착될 수 있다. 상기 편향체 (15, 16) 는, 예를 들어 20°내지 90°의 입사각 또는 개구각을 갖는다. 유동방향에 대한 입사각이 클수록, 습득되는 편향 및 와류는 더 크지만, 이것은 압력손실의 지수함수적 증가와 연관된다. 최적의 각은 40°과 50°사이이며, 이것은 허용가능한 압력손실에 대한 양호한 소용돌이를 제공한다, 상기 편향체 (15,16) 는 바람직하게 구조시트 금속층 (11) 내 개구 (17) 와 결합하여, 보다 강력한 소용돌이를 일으켜 인접한 유로 (13) 내의 유동의 혼합을 보장한다.
다른 전형적인 실시예가 도 3 에서 집진요소의 세부도로서 도시되어 있다. 집진요소는 구조시트 금속층 (21) 및 구멍 (28) 을 갖는 평탄시트 금속층 (22) 으로 구성되며, 자유횡단 유로 (23) 를 형성한다. 곡선개구 (27) 와 결합하는 날개형 편향체 (25,26) 는 전술한 것과 동일한 효과를 일으킨다. 평탄시트 금속층 (22) 내의 구멍 (28) 은 소용돌이의 형성 및 집진요소 내의 배기가스의 혼합을 보조한다.
입자의 침착은, 특히 상기 집진요소의 입구 및 출구 표면의 영역에서 발생한다는 것이 관찰되었다. 그러므로, 일 실시예에 따르면, 집진요소는, 연속하여 연결된 디스크 요소와 같은, 폭이 좁은 다수의 벌집체 형상을 갖는다. 이에 따라, 각 디스크의 입구 및 출구 영역에서 편향 및/또는 와류가 발생된다. 집진요소의 수는 10 개까지가 바람직하다.
본 발명은, 종래의 필터시스템을 대체할 수 있으며 종래의 필터시스템에 비해 상당한 이점을 제공하는 매연 입자용 집진시스템을 제안한다.
또한, 유동 외부에 입자들이 고착되기 때문에, 본 발명에 따른 매연 입자용 집진시스템은, 필터시스템에서와 같이, 폐색되지 않으며, 또한 그 자신의 작동수명에 걸쳐 그 시스템에 의한 압력강하가 급격히 증가하지 않으며, 또한, 개방 시스템이기 때문에 압력손실이 비교적 적다.

Claims (15)

  1. 디젤엔진 등의 내연기관 (1) 의 배기가스로부터 매연 입자를 제거하기 위한 방법으로서,
    배기가스는 집진요소 (5) 를 통해 공급되며, 배기가스는 상기 집진요소 (5) 를 통해 자유롭게 유동할 수 있지만 상기 집진요소는 다수의 편향체 (15, 16; 25, 26), 와류생성 및 안정화 영역, 또는 다수의 편향체 (15, 16; 25, 26) 및 와류 생성 및 안정화 영역을 구비하고, 집적된 입자가 제거될 때까지 배기가스 내에 존재하는 이산화질소와 반응할 수 있도록 오랜 기간 동안 적어도 일부 입자를 상기 집진요소 내에 유지시키거나 소용돌이시키는, 배기가스로부터의 매연 입자 제거방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 집진요소 (5) 는 환원제의 균일한 배분을 위한 혼합요소의 역할을 동시에 하며, 상기 환원제는 집진요소의 상류의 공급부 (4) 에서 공급되는 것을 특징으로 하는 배기가스로부터의 매연 입자 제거방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 입자는 배기가스의 편향체 (15, 16; 25, 26) 에 의해 집진요소 (5) 의 벽에 충돌하여 다른 입자들과 고착하거나, 덩어리지거나, 또는 고착하여 덩어리지는 것을 특징으로 하는 배기가스로부터의 매연 입자 제거방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 각각의 경우에 편향체 (15, 16; 25, 26) 각각에 의해, 배기가스에 여전히 포함되어 있는 입자 중의 2% 내지 15% 가 집진요소 (5) 의 벽에 충돌하며, 모든 입자를 벽에 충돌시킬 수 있는 개수의 편향체 (15, 16; 25, 26) 를 설치하는 것을 특징으로 하는 배기가스로부터의 매연 입자 제거방법.
  5. 배기가스로부터 매연 입자를 제거하기 위한 집진요소 (5) 로서,
    이 집진요소 (5) 를 통해 배기가스가 유동하며, 상기 집진요소 (5) 는 유로 (13; 23) 를 구비하고, 이 유로를 통해 배기가스가 자유롭게 유동할 수 있고 상기 유로 (13; 23) 는 편향체 (15, 16; 25, 26) 또는 와류생성 및 안정화 영역이 형성되도록 구성되는 집진요소.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 집진요소 (5) 는 시트 금속층 (11, 12; 21, 22) 으로 이루어진 하나 이상의 금속 벌집체를 포함하며, 상기 시트 금속층 (11, 12; 21, 22) 은, 적어도 부분적으로 배기가스를 자유롭게 통과시키며 장애물 또는 편향체 (15, 16; 25, 26) 를 구비하는 유로 (13; 23) 가 형성되는 것을 특징으로 하는 집진요소.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 편향체 (15, 16; 25, 26) 는, 각각의 경우에 배기가스에 여전히 포함되어 있는 입자 중의 2% 내지 15% 가 집진요소 (5) 의 벽에 충돌하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 집진요소.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서, 집진요소 (5) 의 유로 (13; 23) 의 벽 중의 적어도 일부는 산화알루미늄의 워시 코팅 등에 의해 코팅되는 것을 특징으로 하는 집진요소.
  9. 제 5 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 집진요소 (5) 는 원뿔형태인 것을 특징으로 하는 집진요소.
  10. 제 5 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 따른 하나 이상의 집진요소 (5) 를 사용하는 장치로서, 디젤엔진 등의 내연기관 (1) 의 배기라인 (2) 내에 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 5 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 따른 집진요소 (5) 를 사용하는 장치로서, 하나 이상의 상류 또는 하류의 첨가제 공급부와 함께 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 5 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 따른 집진요소 (5) 를 사용하는 장치로서, 하나 이상의 촉매 (3, 6) 와 함께 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 5 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 따른 집진요소 (5) 를 사용하는 장치로서, 질소가스 (NOx) 를 이산화질소 (NO2) 로 산화시키는 하나 이상의 상류 또는 하류 산화촉매 (3) 와 함께 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 5 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 따른 집진요소 (5) 를 사용하는 장치로서, 엔진 가까이 장착되거나, 언더플로어 위치에 장착되거나, 또는 엔진 가까이 장착되며 언더플로어 위치에 장착되고, 하나 이상의 상류 또는 하류 과급기와 함께 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 5 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 따른 집진요소를 사용하는 장치로서, 상류에 배치된 산화촉매를 구비하는 상류 과급기와 함께 디젤엔진의 배기라인 내에 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
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