KR100916401B1 - 입자상물질 및 질소산화물 정화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입자상물질 및 질소산화물 정화장치에 관한 것으로서, 입자상물질을 포집하여 포집한 입자상물질을 산화연소시켜 제거하는 CPF필터와, 상기 CPF 후단에 구비되어 NOx를 저감시키는 LNT촉매와, 상기 LNT촉매 후단에 구비되어, HC-SCR반응을 일으키는 성분으로 된 HC-SCR촉매를 포함한다. 상기 HC-SCR촉매는, 다공물질로 된 지지체에 활성화금속이 첨가된 것을 특징으로 하며, 상기 활성화금속은 1개 이상 첨가됨을 특징으로 하며, 상기 지지체는, Zeolite, Alumina, Silica-alumina 성분 중 어느 하나의 성분으로 됨을 특징으로 한다.
차량, 디젤, 배기, 가스, 매연, CPF, SCR, LNT, HC, NOx

Description

입자상물질 및 질소산화물 정화장치{Apparatus for PM - NOx conversion}
본 발명은 입자상물질 및 질소산화물 정화장치에 관한 것이다.
일반적으로, 디젤 자동차에 적용되는 엔진은 뛰어난 연비, 출력 등에도 불구하고, 디젤 엔진의 특성상 공기 과잉율이 큰 상태에서 연소가 이루어지기 때문에 배출가스 중에는 가솔린 엔진과는 달리 일산화탄소(CO)나 탄화수소(HC)의 배출량이 적은 반면 질소산화물(이하, "NOx" 라 함)과 입자상물질(PM)이 상당히 많이 배출되는 단점이 있다.
입자상 물질(PM)의 배출에 대하여 연소 제어를 통해 많은 저감이 이루어지고 있으나, 입자성 물질(PM)과 NOx는 서로 상반되는 관계가 있어 NOx를 줄이면 입자상 물질(PM)이 증가하고, 입자상 물질(PM)을 줄이면 반대로 NOx가 증가하게 되어 양자를 동시에 저감 제어하는데 있어 다소간의 곤란한 상황이 발생된다.
입자상물질(Particulate Matters)을 저감시키기 위한 후처리 기술로 CPF(Catalyzed Particulate Filter)를 이용한 DPF 기술이 차량에 적용되며, 또한, 질소산화물(이하, NOx라 함)을 저감시키기 위한 후처리 장치로 LNT(Lean NOx Traps), SCR(Selective Catalytic Reduction), DeNOx 촉매(Catalyst) 등의 질소산 화물 저감촉매 기술이 적용되고 있다.
도 1은 유럽 배기가스 규제인 EURO-4에 대응하기 위한 CPF + LNT 조합으로서 입자상물질(PM) 저감 후 질소산화물(NOx)를 저감시키는 장치를 도시한 그림이다.
디젤 엔진으로부터 배출되는 입자상 물질(PM)을 CPF필터(10) 내에 물리적으로 포집후 후분사 제어(Post Injection)로 배기가스의 온도를 일정온도 이상으로 승온하여 필터에 포집된 입자상물질(PM)을 연소시켜 제거하고, 상기와 같이 입자상물질을 제거한 후에 LNT촉매(20)를 이용하여 질소산화물을 저감시킨다.
상기 LNT촉매(20)와 같은 흡장형 NOx저감촉매는 디젤 자동차의 일반적인 운전 조건인 연료가 적은 상태에서 배기가스 중의 NOx를 흡장했다가, 엔진의 후 분사나 2차 분사시스템에 의해 추가적으로 공급되는 연료에 의해 탈착되고 환원되어 무해한 질소와 이산화탄소로 전환시키는 촉매이다.
그런데, 도 2에 도시한 바와 같이 LNT촉매(20)는 낮은 온도 영역(21)에서는 NO-NO2 산화 반응이 충분히 활성화되지 못해 NOx 정화활성이 낮다. 또한, 높은 온도 영역(23)에서도 흡장물질과 NOx 흡착(adsorption) 화학적 안정성이 낮아 NOx 정화활성이 낮다.
따라서 결국, LNT촉매의 경우, NOx 정화활성을 나타내는 온도창 영역(22)이 좁게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 NOx 정화활성을 향상시킬 수 있는 방안이다.
본 발명은, 입자상물질을 포집하여 포집한 입자상물질을 산화연소시켜 제거하는 CPF필터와, 상기 CPF 후단에 구비되어 NOx를 저감시키는 LNT촉매와, 상기 LNT촉매 후단에 구비되어, HC-SCR반응을 일으키는 성분으로 된 HC-SCR촉매를 포함한다.
상기 HC-SCR촉매는, 다공물질로 된 지지체에 활성화금속이 첨가된 것을 특징으로 하며, 상기 활성화금속은 1개 이상 첨가됨을 특징으로 하며, 상기 지지체는, Zeolite, Alumina, Silica-alumina 성분 중 어느 하나의 성분으로 됨을 특징으로 한다.
상기 HC-SCR촉매는, Titania, Zirconia와 같은 단일 지지체로서 구성됨을 특 징으로 특징으로 한다.
본 발명은 LNT촉매 후단에 HC-SCR촉매를 구비함으로써, NOx 정화활성 온도창을 넓힐 수 있는 효과가 있다. 또한, LNT촉매에서 미처 정화되지 않은 NOx, CO, HC를 정화할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 입상자물질 및 질소산화물 정화 장치를 도시한 그림이다.
본 발명은 질소산화물(NOx) 정화를 위하여 LNT촉매 후단에 하이드로카본-SCR촉매(HC-SCR촉매)를 두어, 저온 및 고온에서 NOx 정화활성을 향상시킴으로써 NOx 정화활성을 나타내는 온도창 영역을 넓게 한다.
CPF필터(10)는 입자상물질 저감필터로서, 디젤엔진으로부터 배출되는 입자상물질(PM) 을 필터 내에 물리적으로 포집 후에, 일정온도 이상으로 승온하여 입자상물질을 제거한다.
LNT촉매(20)는 상기 CPF필터의 후단, 즉, 디젤 엔진(10)의 배기 다기관에 장착되며, 배기가스 중에 포함된 Nox 성분을 포집 흡장한 다음 일정 조건에 도달되는 경우 N2의 성분으로 탈착시키는 NOx 흡장 촉매이다.
본 발명은 상기 LNT촉매(20)의 후단에 HC-SCR촉매(30)를 구비한다. 상기 HC-SCR촉매(30)는 하기 [화학식]에 의해 HC-SCR 반응을 일으키는 성분으로 된 물질로 구현되어, 촉매 종류에 따라 저온 또는 고온에서 활성을 나타낼 수 있다. 즉, 도 4에 도시한 바와 같이 Pt/Al2O3 성분으로 된 HC-SCR촉매의 경우 200℃ 이하의 저온에서 활성화되며, 또한 Cu/ZSM5 성분으로 된 HC-SCR촉매의 경우 400℃ 이상의 고온에서 활성화된다.
[화학식]
HC-SCR반응: CmHm + (2m + 1/2n)NO = (m + 1/4n)N2 + mCO2 = 1/2nH2O
상기와 같이 HC-SCR촉매는 해당 촉매 종류에 따라 저온 또는 고온에서 활성을 나타낼 수 있어 LNT촉매와 같이 사용할 경우 도 5와 같이 NOx 정화 활성 온도 창을 넓힐 수 있는 이점이 있다.
한편, 상기 HC-SCR촉매(30)를 LNT촉매 후단에 두어 상기와 같이 NOx 정화 활성 온도 창을 넓힐 수 있을 뿐만 아니라 또 다른 효과로서 LNT촉매에서 미처 정화되지 못한 NOx를 정화할 수 있는 추가적인 저감 효과가 있다.
도 6에 도시한 바와 같이 LNT촉매(20)를 거쳐 미반응된 NOx(질소산화물), CO(산화탄소), HC(탄화수소)와 같은 배기가스가 HC-SCR촉매(30)를 거치며 N2로 정화된다.
도 7은 각 온도별 LNT촉매에서 미처 정화되지 못한 NOx, HC(THC;total HC)를 도시한 그래프로서, slip이란 표현은 LNT촉매에서 미처 정화되지 않은 양을 말한다. 상기 도 7의 그래프롤 보면 미처 정화되지 않은 NOx와 HC의 시간대를 보면, 그 시간대가 동기 일치함을 알 수 있다. 따라서 이렇게 미처 정화되지 않은 NOx, HC, CO를 HC-SCR촉매에서 추가 정화한다.
상기 HC-SCR촉매는 상기 [화학식]에 의해 HC-SCR 반응을 일으키는 성분으로 된 물질로 구현되어야 하는데, 상기 HC-SCR촉매의 구성 성분을 도 8의 테이블에 도시하였는데, 지지체+활성금속의 구조를 가지거나, 또는 지지체 단일 물질로 구성될 수 있다.
HC-SCR촉매가 지지체+활성금속으로 구성될 경우, Zeolite, Alumina, Silica-aluina 성분과 같은 다공체 물질로 이루어진 지지체에 한가지 이상의 활성금속이 더해져서 HC-SCR촉매가 구성되어 HC-SCR 반응을 일으킨다.
또한, HC-SCR촉매가 Titania, Zirconia의 단일 지지체로 이루어질 경우에는 해당 지지체 하나로 이루어져, 상기와 같은 HC-SCR 반응을 일으킨다.
상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 특허 범위는 상기 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위뿐 아니라 균등 범위에도 미침은 자명할 것이다.
도 1은 CPF + LNT 조합으로된 종래의 입상자물질 및 질소산화물 정화 장치를 도시한 그림이다.
도 2는 온도에 따른 LNT 정화율 특성을 나타낸 그림이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 입상자물질 및 질소산화물 정화 장치를 도시한 그림이다.
도 4는 촉매 종류에 따른 온도별 HC-SCR 정화율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 HC-SCR촉매를 적용할 경우 온도별 HC-SCR 정화율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 LNT촉매에서 정화되지 않은 NOx, HC, CO가 HC-SCR촉매에서 정화되는 모습을 도시한 그림이다.
도 7은 각 온도별 LNT촉매에서 미처 정화되지 못한 NOx, HC(THC;total HC)를 도시한 그래프이다.
도 8은 HC-SCR촉매의 구성성분을 도시한 테이블이다.

Claims (5)

  1. 입자상물질을 포집하고 포집한 입자상물질을 산화연소시켜 제거하는 CPF필터;
    상기 CPF 후단에 구비되어 NOx를 저감시키는 LNT촉매;
    상기 LNT촉매 바로 후단에 구비되고, LNT촉매의 NOx 정화활성 온도범위 외에서 NOx 정화활성 온도범위를 가지며, HC-SCR반응을 일으키는 성분으로 된 HC-SCR촉매;를 포함하는 장치로서, 상기 HC-SCR촉매는 다공물질로 된 지지체에 활성화금속이 1개 이상 첨가되어 구성되거나 단일 지지체만으로 구성되는 것을 특징으로 하는 입자상물질 및 질소산화물 정화 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 HC-SCR촉매의 다공물질로 된 지지체는 제올라이트(Zeolite), 알루미나(Alumina), 또는 실리카-알루미나(Silica-alumina) 성분 중 어느 하나의 성분으로 됨을 특징으로 하는 입자상물질 및 질소산화물 정화 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 HC-SCR촉매의 단일 지지체는 티타니아(Titania), 또는 지르코니아(Zirconia) 성분 중 어느 하나의 성분으로 됨을 특징으로 하는 입자상물질 및 질소산화물 정화 장치.
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