KR100844750B1 - 배기가스의 질소산화물 저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선택적 촉매환원법을 이용한 배기가스의 질소산화물 저감장치에 관한 것으로서, 특히 최적의 믹싱효과를 갖는 배기유동이 형성되고, 질소산화물의 정화율과 균일도를 향상시키는데 그 목적이 있다.

이러한 본 발명의 목적은 배기관의 직경을 D라 할때, 환원촉매부의 유입구 앵글각을 5도 이상 12.5도 이하, 노즐 후단 직선거리를 0.01D 이상 5D 이하, 믹서의 송풍기 날개각도를 5도 이상 30도 이하의 범위로 설계하여, 배기관의 직경에 따라 이 장치의 레이아웃이 결정되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 저감장치의 제공으로 달성된다.

질소산화물, 배기가스, 배기관, 환원촉매, 유레아, 센서, 노즐

Description

배기가스의 질소산화물 저감장치{NOx reduction apparatus of exhaust gas}

도 1은 종래 질소산화물의 저감장치의 전체 구성도,

도 2는 차량 배기가스의 유동현상 개시도,

도 3은 유레아 SCR의 질소산화물 정화 균일도,

도 4는 레이아웃별 정화율의 비교도,

도 5는 레이아웃별 균일도의 비교도,

도 6은 본 발명에 따른 배기가스의 질소산화물 저감장치의 전체 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

600 : 배기관 610 : 노즐

620 : 믹서 630 : 환원촉매부

640, 650 : 질소산화물 센서

본 발명은 선택적 촉매환원법을 이용한 배기가스의 질소산화물 저감장치에 관한 것으로, 특히 배기관의 직경에 따라 이 장치의 레이아웃이 설계됨으로써, 질소산화물의 정화율과 균일도가 향상되는 배기가스의 질소산화물 저감장치에 관한 것이다.

일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스는 배기 파이프의 도중에 형성된 촉매 컨버터(Catalytic converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 배기파이프를 통해 대기 중으로 방출된다.

상기한 촉매 컨버터는 매연여과장치(DPF, Diesel Particulate Filter)의 일종으로 배출가스에 포함되어 있는 오염물질을 처리하는 역할을 하는 것이다.

그리고, 상기한 촉매컨버터 내부에는 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 포집하기 위한 촉매담체가 형성되어 엔진에서 배출되는 각종 배기가스를 화학적 변환과정을 통하여 정화시키게 되는 것이다.

상기와 같은 역할을 하는 촉매 컨버터에 적용되는 촉매형식 중의 하나로 선택적 촉매 환원 장치(SCR, Selective Catalytic Reduction)가 있고, 선택적 촉매 환원 장치(SCR)는 CO 등과 같은 환원제가 산소와 NOx 중에서 NOx와 더 잘 반응하도록 한다는 의미에서 '선택적' 촉매환원이라고 명명되고 있다.

선택적 환원 촉매 중에서 암모니아-SCR은 NOx를 정화하기 위한 환원제로 암모니아를 사용하는 것으로 NOx에 대한 선택도가 매우 우수할 뿐만 아니라, 산소가 존재하는 경우에 NO와 암모니아 사이의 반응이 촉진되는 장점이 있어 디젤 배기가스에 적용하기에 유리한 것으로 알려져 있다.

실제로 암모니아-SCR은 대형 고정오염원인인 화력발전소에 적용되어 그 성능 이 입증된 바 있고, 이러한 암모니아-SCR을 자동차에 적용하여 NOx를 선택적으로 제거하고자 하는 것이 유레아-SCR(유레아-SCR)이다.

상기한 유레아-SCR은 유레아 수용액을 SCR 촉매 상류에 주입하여 유레아가 분해되면서 생성되는 암모니아를 사용하여 NOx를 선택적으로 환원시키는 것이기 때문에 SCR 촉매를 기준으로 보았을 때에는 암모니아-SCR이라고 볼 수 있다.

보통 유레아-SCR에서는 유레아의 주입량이 증가하게 되면 NOx 정화율도 증가하는 경향을 보이지만, 일정량 이상의 유레아를 주입하게 되면, 주입된 유레아 중 일부가 분해되지 않거나 반응하지 않고 남게 되는 암모니아의 양이 증가하게 되므로, 유레아 SCR에서는 유레아의 사용량을 최소화하면서 NOx 정화율을 높이는 것이 매우 중요하다.

도 2에 따르면, 엔진 배기가스의 유동은 배기계 레이아웃에 따른 유동의 치우침 현상이 발생하며, 치우침 현상이 발생한 곳(200)으로 스페이스 속도(Space velocity)가 증가하고, 유동이 치우치지 않은 곳은 감소하는 현상이 나타난다.

이러한 배기유동을 보이는 예는 매우 일반적이며, 본 배기관 내에 유레아 수용액을 분사한다고 하여도 균일 혼합을 기대하기는 어렵고, 이에 유레아 수용액의 치우침 현상이 발생하고 유레아 수용액의 액적화 진행에 따른 수용액 고임현상이 발생하는 문제점이 있다.

도 1에 도시한 바와 같이 유레아 SCR 후처리시스템은 유레아 노즐(120), 믹서 그리고 유레아 SCR 촉매(110)로 간단하게 구성되어 있고, 이때 NOx 센서의 위치 및 온도 센서의 위치도 매우 중요한 역할을 하고 있는데, 이에 대한 정확한 위치 가이드 라인 없이는 이러한 유레아 SCR 후처리시스템을 설계하기 어렵게 된다.

각각의 시스템 위치에 따라 유동이 편중되기도 하고, 쏠림 현상이 완화되기도 하기 때문에 각 시스템의 용도 및 위치에 따라 순서와 거리 그리고 유동의 퍼짐각을 조절하는 것이 필수적이다.

따라서, 이러한 유레아 SCR 후처리시스템의 레이아웃을 제시하지 못한 시스템에서는 유레아 수용액의 외벽습윤(wall wetting) 현상이 발생할 뿐만 아니라 배기관 내 고임현상이 발생하고, 유레아 수용액의 분사가 정밀하게 제어되지 못하는 문제점이 있다.

또한, 유레아 수용액의 응착 현상이 발생하여 고온 운전시 탈착됨으로써, 의도하지 않은 암모니아를 분사한 결과를 초래하게 되어 2차 오염의 문제가 유발되고, 완전하게 혼합되지 않은 이유에 따라 배기가스 및 분사 유레아 수용액의 일부 치우침 현상이 나타나는 곳은 유레아 수용액의 과다 분사 현상 및 유레아 응착화 현상이 발생하여 암모니아의 과다 발생 및 배출 가스 중 암모니아의 슬립현상을 초래하게 된다.

본 암모니아 가스는 대기 중에 10ppm 이상이 배출 될 경우, 매우 역겨운 냄새를 유발 시키며, 이는 고가의 차량 상품성에 매우 치명적인 영향을 준다 하겠다.

결국, 이러한 엔진 및 차량 상황에서 유레아 수용액을 분사한다는 것은 매우 위험한 상황을 초래할 수 있는바, 이를 미연에 방지할 수 있는 최적화된 유레아 SCR 후처리시스템 레이아웃에 대한 제시안이 시급한 실정이다.

단순히 이러한 유동의 쏠림 현상과 유레아 수용액 고임현상을 물리적 혼합 장치의 적용을 통하여 해결하려는 것은 불가능하며, 이러한 혼합장치를 부가적으로 사용한다손 치더라도 적절한 위치의 제시가 선행되어야 한다는 점이다.

결국, 최적의 유동해석을 통하여 엔진 배기가스의 치우침 현상을 배제하고 이를 효과적으로 보완할 수 있는 레이아웃의 가이드 라인을 가지고 있지 않다면 유레아 SCR 후처리시스템을 개발하는데 있어 단순한 변수를 변화시킨다고 하더라도 질소산화물의 정화 효율을 재현성를 잃게되는 결과를 초래할 수 밖에 없을 것이다.

따라서, 본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 배기관의 직경을 D라 할때, 환원촉매부의 유입구 앵글각을 5도 이상 12.5도 이하, 노즐 후단 직선거리를 0.01D 이상 5D 이하, 믹서의 송풍기 날개각도를 5도 이상 30도 이하의 범위로 설계하여, 배기관의 직경에 따라 이 장치의 레이아웃이 결정됨으로써, 질소산화물의 정화율과 균일도가 향상되는 배기가스의 질소산화물 저감장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 선택적 촉매환원법을 이용한 배기가스의 질소산화물 저감장치에 있어서, 배기가스가 통과하고, 일정한 직경(D)이 형성된 원통형의 배기관과; 상기 배기관내로 유레아가 유입되는 노즐과; 상기 노즐로부터 유입된 유레아가 혼합되도록 상기 배기관 중앙부에 형성된 믹서와; 상기 노 즐로부터 분사된 유레아와 질소산화물의 반응이 촉진되도록 배기관 하류부에 형성된 환원촉매부와; 상기 배기관 상류부에 형성된 질소산화물 센서로 구성되고, 이 환원촉매부의 유입구 앵글각(A)은 7.5도 이상 12.5도 이하로 형성된것을 특징으로 한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 믹서로부터 상기 배기관의 후단부까지의 직선거리(B)가 0.01D 이상 5D 이하인것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 믹서는 날개각도(C)가 5도 이상 30도 이하인것을 특징으로 한다.

이와 같은 배기관 직경에 따른 레이아웃은 차량의 배기관에 유레아 SCR 후처리 시스템을 적용할 경우, 차량의 종류에 관계없이 최적의 믹싱효과를 갖는 배기유동이 이루어진다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 3은 유레아 SCR의 질소산화물 정화 균일도(Uniformity) 이다.

도 3에서 도시한 바와 같이, 좌측도는 균일도가 좋지 않은 분포가 형성되고, 우측도는 균일도가 향상된 분포가 형성되는바, 레이아웃의 설계에 따라 균일도가 상이한것을 볼 수 있다.

따라서, 질소산화물 저감장치의 레이아웃 설계에 의해 도 3의 우측도에서 형성된 분포로 이루어지는 것이 설계시 중요한 목적이다.

이에, SCR을 이용한 질소산화물 저감장치에서 정화율도 중요하지만, 환원촉매의 전체 면적에서 유동 균일도가 이루어져야 하고, 이를 위해서는 질소산화물의 발생량을 정확히 파악하여 유레아가 배기관에 균일하게 분사되어야 한다.

이하의 수학식 1은 상기 균일도를 판단하는 것으로, 질소산화물의 농도와 면적을 변수로 형성되었다.

여기서, U는 균일도, xi는 i위치의 질소산화물 농도, x는 질소산화물의 평균 농도, Si는 i위치의 면적, S는 평균 면적이다.

상기 식 1에서 질소산화물의 농도는 질소산화물 센서에 의해 측정되고, 면적은 질소산화물 농도가 측정된 위치의 면적이다.

또한, 질소산화물 농도의 평균치는 측정 농도를 평균한 값이고, 면적의 평균치는 질소산화물 농도가 측정된 위치의 면적을 평균한 값이다.

여기서, 균일도의 값이 1에 가까울수록 환원촉매를 통과한 후 질소산화물의 정화가 고르게 이루어짐을 나타낸다.

이와같은 균일도와 정화율을 향상기키기 위한 질소산화물 저감장치의 기본적인 구성을 이하에서 하나씩 설명하기로 한다.

첨부한 도 6은 본 발명에 따른 배기가스의 질소산화물 저감장치의 전체 구성도이다.

도 6에서 도시한 바와 같이, 상기 배기관(600)은 원통형상이고, 내부에 배기가스가 통과할 수 있도록 관통 형성되며, 상기 배기관(600) 상류부와 하류부에는 질소산화물 센서(640, 650)가 형성된다.

여기서, 배기관의 원통 직경(D)은 설계당시 레이아웃의 기준이 되어, 이에따라 질소산화물 센서(640)의 위치, 믹서(620)의 위치, 노즐(610)과 환원촉매부(630)와의 수평거리, 환원촉매부(630)의 수직 거리 등이 결정된다.

상기 노즐(610)은 유레아가 분사되고, 믹서(620)는 분사된 유레아가 혼합되도록 배기관(600) 중앙부에 형성된다.

상기 환원촉매부(630)는 노즐(610) 다음 경로에 형성되어. 기화된 유레아와 질소산화물이 반응하는 것을 촉진시킨다.

여기서, 상기 질소산화물 센서의 위치, 센서로부터 노즐까지의 거리, 믹서의 위치, 믹서와 노즐과의 거리, 믹서로부터 환원촉매부까지의 거리, 환원촉매부의 콘앵글각에 따라 질소산화물의 정화율과 균일도가 다르게 나타난다.

따라서, 보다 효율적인 질소산화물의 정화가 이루어지는 배기가스의 질소산화물 저감장치의 레이아웃을 설계하기위해 DFSS(Design for six sigma) 기법을 이용한 분석방법을 사용하였다.

이하의 표 1은 레이아웃 설계시 주요 변수이다.

	제어 인자	1-수준	2-수준	3-수준
A	콘 엥글각(각도)	12.5	10	7.5
B	노즐 후단 직선 거리	0	2.5D	5D
C	믹서 종류(날개각도)	5	30	메탈담체

상기 표 1에서 D는 배기관의 직경으로 6센티미터(cm)이다.

여기서, 도 4에서 도시한 바와 같이, 콘앵글각(A)은 환원촉매부 전단의 배기관 경사각이고, 노즐 후단의 직선거리(B)는 믹서로부터 배기관 하류부까지의 거리이며, 믹서의 날개각도(C)는 배기가스를 혼합시키는 송풍날개의 각도이다.

이하의 표 2는 각 케이스별 질소산화물의 정화율 및 균일도이다.

	제어 인자			정화율(퍼센트)	균일도(U)
케이스	A	B	C
1	1	1	1	43.6	0.89
2	1	2	2	60.8	0.93
3	1	3	3	50.9	0.91
4	2	1	3	64.4	0.89
5	2	2	1	62.6	0.88
6	2	3	2	43.7	0.88
7	3	1	2	63.1	0.88
8	3	2	3	48.4	0.90
9	3	3	1	60.8	0.98

상기 표 2에서 정화율은 배기관 상류부의 센서에 의해 측정된 질소산화물 농도와 배기관 하류부의 환원촉매부 통과후 센서에 의해 측정된 질소산화물의 농도를 대비한 정화율이고, 균일도는 상기 식 1에 의한 값이다.

표 2에서 도시한 바와 같이 각각의 케이스에 따라 질소 산화물의 정화율과 균일도가 다르게 나타나고 있다.

이에, 표 2의 결과를 토대로 정화율과 균일도 측면에서 각 인자의 최적조건을 판단하기위해 도 4와 도 5에서 도시한 분석방법을 이용하였다.

첨부한 도 4는 레이아웃별 정화율의 비교도이고, 도 5는 레이아웃별 균일도의 비교도이다.

도 4에서 도시한 바와 같이 질소산화물의 정화율은 A2-B1-C2 케이스에서 가장 최대치가 형성된다.

도 5에서 도시한 바와 같이 균일도는 A2-B2-C2 케이스에서 가장 최대치가 형성된다.

정화율과 균일도의 최적조건 케이스가 서로 다르게 형성되나, 정화율은두 케이스가 3퍼센트 차이고, 균일도는 0.06의 차이가 나는바, 균일도 측면에서 A2-B2-C2 케이스가 최적의 레이아웃으로 설계된다.

상기 케이스의 레이아웃으로 확인시험을 한 결과 질소산화물의 정화율 62퍼센트 이상, 균일도 0.96 이상이 확보 되었다.

여기서, 시험결과를 토대로 배기관의 직경(D)을 기준으로 한 레이아웃을 설계하고, 본 레이아웃으로 재시험한 결과 최적의 질소산화물 정화율과 균일도가 구현되었다.

또한, 상기 최적의 케이스 뿐만 아니라 배기가스의 직경에 따라 질소산화물 센서의 위치, 믹서와 환원촉매부 전단부까지의 거리, 콘앵글 각도, 믹서의 날개각도 등을 제한된 범위내에서 조절하는 경우 배기가스 유동의 치우침 현상이 줄어들고, 레이아웃을 수정하지 않고도 유동의 균일성이 향상되며, 요소 수용액의 배기관 분사와 같은 2상 성분계의 혼합에 물리적으로 기여함으로써, 수용액 액적의 분산, 혼합이 개선된다.

상기 표 1의 제어인자 수치를 바탕으로 레이아웃을 구체적으로 설계하면 다음과 같다.

첨부한 도 6은 본 발명에 따른 배기가스의 질소산화물 저감장치의 전체 구성도이다.

우선, 콘 앵글각(A)은 7.5도에서 12.5도로 한정하고, 노즐후단거리(B)는 0에서 5D로 한정되며, 믹서의 날개각도(C)는 5도에서 30도로 한정된다.

여기서, 상기 범위내에서 설계된 질소산화물 저감장치로 시험시 도 4와 도5에서 도시한 바와 같이 모든 케이스가 대체적으로 57퍼센트 이상의 정화율과 0.9이상의 균일도가 형성되었고, 그외의 범위에서는 정화율과 균일도가 저하되는 현상이 발생한다.

또한, 반복적인 시험결과 질소산화물 센서로부터 노즐 전단부까지의 거리(G)는 1.5D 이상 10D 이하, 배기관 전단부에서 환원촉매부까지의 거리(H)는 3D이상 10D 이하, 배기관 전단부에서 믹서까지의 거리(I)는 1.5D 이상 10D 이하, 노즐로부터 믹서까지의 직선거리(J)는 1D 이상 3D 이하, 환원촉매부 전단부터 환원촉매부까지의 거리는(K) 1D 이상 5D 이하, 환원촉매부의 수직거리(L)는 1.5D 이상 4D 이하로 설계시 배기관내 유레아와 질소산화물이 균일하게 분표되고, 질소산화물의 정화율이 향상된다.

모든 차량에 획일적인 레이아웃으로 설계된 질소산화물 장치를 장착하는 것은 효율성이 떨어지는바, 차량의 종류에 관계없이 배기관의 직경에 따라 설계함으로써, 질소산화물의 정화율과 균일도가 최적으로 형성된다.

이하 본 발명에 따른 배기가스의 질소산화물 저감장치의 정화 과정을 설명하면 다음과 같다.

질소산화물이 함유된 배기가스가 배기관 상류부로 유입되고, 노즐로부터 유입된 유레아는 배기관내 고온에 의해 암모니아로 열적 가수분해되고, 이는 열과 시간의 경과에 의해 이루어진다.

다음으로, 질소산화물과 가수분해된 암모니아는 환원촉매부를 통과하고, 암모니아의 환원제 역할로 인해 질소산화물은 질소와 물로 변환됨으로써, 배기가스의 정화가 이루어진다.

이상에서 본 바와 같이 본 발명에 따른 배기가스의 질소산화물 저감장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 차량 배기관에 유레아 SCR 후처리 시스템의 적용시, 차량의 종류에 관계없이 배기관의 지름에 따라 최적의 믹싱효과를 갖는 배기유동이 형성되고,

둘째, 연료의 2차분사를 통한 배기관내 혼합 및 유레아 수용액의 배기관 분사를 통한 혼합 등에 적용 가능하여, 질소산화물의 정화율과 균일도가 향상되고,

세째, 배기관의 직경에 따른 설계요소와 믹서의 날개 각도 등을 조절함으로 써, 혼합의 정도를 조절하여 사용하는 것이 용이하게 이루어지는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 삭제
3. 배기가스가 통과하고 일정한 직경(D)이 형성된 원통형의 배기관(600)과, 상기 배기관(600)내로 유레아가 유입되는 노즐(610)과, 상기 노즐(610)로부터 유입된 유레아가 혼합되도록 상기 배기관(600) 중앙부에 형성된 믹서(620)와, 상기 노즐(610)로부터 분사된 유레아와 질소산화물의 반응이 촉진되도록 배기관(600) 하류부에 형성된 환원촉매부(630)와, 상기 배기관(600) 상류부에 형성된 질소산화물 센서(640)로 구성되고, 이 환원촉매부(630)의 앵글각(A)은 5도 이상 30도 이하로 형성된 배기가스의 질소산화물 저감장치에 있어서,

   상기 믹서(620)는 날개각도(C)가 5도 이상 30도 이하인것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 저감장치.

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