KR100949383B1 - Ｓｃｒ 시스템 - Google Patents

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KR100949383B1
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황성철
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광성(주)
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Abstract

여기에서는 선박의 배출가스 설비로부터 나온 배출가스를 선박에서 정화하여 배기하기 위한 선박의 SCR 시스템이 개시된다. 개시된 선박의 SCR 시스템은, 전단에서 상기 배출가스 설비에 연결되고, 촉매를 내부에 포함하되, 상기 촉매는 재가열 없이 내부로 들어온 배기가스에 의해 활성화되는, SCR 리액터와, 상기 SCR 리액터 내로 NH3 또는 우레아를 공급하기 위한 환원제 공급라인을 포함한다.
Figure R1020090098679
선박, SCR 리액터, 배출가스, 촉매, 재가열, 환원제, 우레아, NH3

Description

ＳＣＲ 시스템{SCR SYSTEM}
본 발명은 배기가스 중의 질소산화물(NOx)을 저감하는 SCR 시스템에 관한 것으로서, 특히, 선박에서 발생하는 배기가스를 정화하는 SCR 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 모든 선박에 적용 가능하며 각종 규제에 만족하도록 개발된 것이다.
SCR 시스템이 선박 운전 중 발생하는 배기가스 중의 NOx 저감에 이용되고 있다. 예로써, 선박의 엔진 또는 LNG 운반선에 장착된 보일러의 질소산화물 저감을 위해서도 SCR 시스템이 요구되고 있다. SCR 시스템은, 선택적 촉매 환원법을 이용한 NOx 저감 시스템으로서, 촉매 중에 배기가스와 환원제를 동시에 통과시키면서 NOx를 환원제와 반응시켜 질소와 수증기로 환원처리하도록 구성된다. 근래 들어 선박의 SCR 시스템을 개선하기 위한 많은 노력이 있어 왔는데, 그러한 노력에도 불구하고, 선박이 갖는 특수성, 예컨대, 해상에서의 이동 및 진동, 그리고, 그에 따라 부하 변수의 많음으로 인해, 눈에 뜨일 만한 결과가 도출되지 못하고 있는 실정이다.
일반적으로, SCR 시스템은 NOx 저감을 위한 환원제로 NH3와 우레아를 이용한다. 또한, SCR 시스템은 330℃ 내지 400℃의 활성 온도 범위를 갖는 고온 촉매를 이용한다. 따라서, 종래의 SCR 시스템은, 상기 활성 온도 범위의 조건을 맞추어 반응 효율을 높이기 위해, 촉매가 설치된 SCR 리액터의 케이싱 전단에 배기가스를 가열하는 리히팅 시스템(reheating system)이 설치된다. 또한, 종래의 SCR 시스템은, SCR 리엑터에서 반응을 마친 배기가스 중에 내포된 PM(Particle Material), 분진, 미세 먼지를 감소시키기 위해, SCR 리액터 케이싱의 후단에 집진 설비를 구비한다.
리히팅 시스템 및/또는 집진 설비로 인해 SCR 시스템의 전체 크기는 증대된다. 따라서, 상대적으로 협소한 선박에 종래 SCR 시스템을 적용하는 것은 선박의 유휴 공간을 더욱 줄인다는 점에서 매우 불리하다. 또한, SCR 시스템은 선박의 조건을 고려해 설계되어야 하는데, 상기 리히팅 시스템 및/또는 집진 설비는 선박의 조건을 고려한 SCR 시스템의 전체적인 설계를 어렵게 하는 원인이 될 수 있다. 게다라, 리히팅 시스템 및/또는 집진 설비로 인해 SCR 시스템의 설치 비용이 크게 증가할 것이며, 리히팅 시스템과 집진 설비의 운전에 따라 추후 발생 비용도 크다.
따라서, 당해 기술분야에는 SCR 리액터 전단의 리히팅 시스템 및/또는 SCR 리액터 후단의 집진 설비가 제거되어야 할 필요성이 존재한다. 그러나, 단순히 리히팅 시스템을 제거하는 경우 NOx 등의 저감 효율을 떨어뜨려 대기 환경 규제를 만족하기 어렵게 되며, 또한, 단순히 집진 설비를 제거하는 경우에도, 최종배출 가스 중에 포함된 PM, 분진, 미세 먼지 함유량이 많아져 대기 환경 규제를 만족하기 어렵게 된다.
본 발명의 일 목적은, SCR 리액터 전단의 리히팅 시스템을 제거하고도, 대기 환경 규제를 만족시킬 수 있는 선박의 SCR 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, SCR 리액터 후단의 집진 설비를 제거하고도, 대기 환경 규제를 만족시킬 수 있는 선박의 SCR 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따라, 선박의 배출가스 설비로부터 나온 배출가스를 선박에서 정화하여 배기하기 위한 선박의 SCR 시스템이 제공된다. 상기 SCR 시스템은, 전단에서 상기 배출가스 설비에 연결되고, 촉매를 내부에 포함하되, 상기 촉매는 재가열 없이 내부로 들어온 배기가스에 의해 활성화되는, SCR 리액터와, 상기 SCR 리액터 내로 NH3 또는 우레아를 공급하기 위한 환원제 공급라인을 포함한다.
바람직하게는, 상기 SCR 리액터 후단의 집진 설비를 생략하도록, 상기 SCR 리액터 내에는 집진 구조가 설치된다.
바람직하게는, 상기 촉매의 활성화 온도는 320℃ 미만으로 정해진다. 더 바람직하게는, 상기 촉매의 활성화 온도가 300℃ 미만으로 정해진다. 상기 SCR 리액터의 전단에는 NH3 또는 우레아와 배기가스를 골고루 혼합하기 위한 믹서와 상기 배기가스를 촉매에 균일하게 분포시키기 위한 댐퍼가 설치된다. 바람직하게는, 상기 SCR 리액터에는, 상기 촉매에 끼인 이물질을 제거하기 위해, 에어라인으로부터 공급된 에어를 상기 촉매에 부는 에어 수트 블로워가 설치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템은, SCR 리액터 전단의 리히팅 시스 템을 제거하고도, 저온에서 활성화되는 촉매를 이용하여, 배기가스 배출설비로부터 배출되는 오염물질인 NOx를 충분히 제거할 수 있으며, 이에 의해, 대기 환경 규제를 만족하는 것이 가능하다. 대기 환경 규제를 만족시킬 수 있는 선박의 SCR 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 SCR 시스템은, SCR 리액터 후단의 집진 설비를 제거하고도, SCR 리액터 내에서 PM, 분진, 미세 먼지 등을 집진함으로써, 대기 환경 규제를 만족시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 아래의 표 1에는 첨부된 도면들에서 기호로 표시된 요소들 또는 신호의 명칭들이 설명되어 있다.
Figure 112009063474894-pat00001
<제1 실시예 >
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 상세한 설명 및 특허청구범위에 쓰인 용어 '선박'은 추진기관이 있는 일반적 의미의 선박은 물론이고 해상에 떠 있을 수 있는 해상부유구조물을 포함한다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 SCR 시스템은 전단이 배출가스 설비(1)와 연결되어 있는 SCR 리액터(2)를 포함한다. 배출가스 설비(1)는 선박의 추진용 엔진, 또는 기타 다른 용도의 엔진이거나, 또는 LNG 운반선에서의 보일러, 또는, 선박에서 연소에 의해 배기가스를 배출하는 다양한 종류의 설비일 수 있다. SCR 리액터(2)는 선택적 촉매 환원 방식으로 배기가스 중의 NOx를 저감하는 촉매가 내장된다. SCR 리액터(2)의 케이싱 내에서는 NOx가 촉매 존재하에서 환원제와 반응하여 질소로 환원된다.
본 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템은, 기존에 알려져 있는 시스템과 달리, SCR 리액터(2) 전단에 배기가스를 가열하는 리히팅 시스템을 구비하고 있지 않다. 그 대신, 본 시스템은 상기 SCR 리액터(2) 내에 320℃ 미만, 더 바람직하게는, 300℃ 미만의 온도에서 활성화되는 촉매를 포함하고 있다. 촉매의 활성화 온도 하한은, 배기가스가 SCR 리액터(2)를 지나는 시점을 기준으로, 320℃ 미만, 더 바람직하게는, 300℃ 미만에서 배기가스의 온도 부근으로 정해진다. 즉, 본 실시예의 시스템은, 배기가스가 배출가스 설비(1)로부터 나와 진행하면서 온도가 감소되는 것을 고려해, SCR 리액터(2)를 지나는 배기가스 온도에 상응하는 활성화 온도의 촉매를 선택해 이용한다.
또한, 상기 SCR 리액터(2) 내에는 서로 다른 활성화 온도를 갖는 2종 이상의 촉매가 내장될 수 있다. 이는 SCR 리액터(2)에서 촉매 반응이 이루어지는 온도 범위를 넓히는데 기여할 수 있다. 또한, SCR 리액터(2) 내에는 NOx 저감용 촉매 외에 다른 성분을 저감하는 촉매가 더 설치될 수 있다.
본 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템은, 기존에 알려져 있는 시스템과 달리, SCR 리액터(2)의 후단에 집진설비를 구비하고 있지 않다. 그 대신, 본 실시예의 시스템은 SCR 리액터(2) 내부에 집진 구조를 가질 수 있으며, 그 집진 구조에 의해, PM, 분진 또는 미세 먼지가 SCR 리액터(2) 내에서 집진될 수 있다.
또한, 본 실시예의 시스템은, SCR 리액터(2)의 후단에 배기가스 중의 NOx, NH3, PM, HC, SO2, CO, CO2, O2 등을 감지할 수 있는 각종 센서(11)를 구비할 수 있다. 또한, 상기 시스템은 상기 센서(11)로부터 얻은 정보를 이용해 NOx, NH3, PM, HC, SO2, CO, CO2, O2 등 배기가스 내 잔류 성분을 분석하기 위한 어낼라이저(analyzer; 7)을 SCR 리액터(2) 후단에 구비한다. 전술한 각종 센서(11)과 어낼라이터(7)는 ECU(5)에 의해 제어된다. 상기 ECU(5)는 상기 센서(11)와 어낼라이저(7)는 물론이고 각종 밸브 또는 펌프와 같은 기기를 전자적으로 제어한다. 또한, 본 실시예의 시스템은 OBM 시스템(6)을 포함하는데, 이 OBM 시스템은 전체 시스템의 제어 및 시스템의 모니터링, 시스템의 온/오프 그리고 오염물질(특히, NOx) 저감 효율의 디스플레이를 담당한다.
한편, 본 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템은 SCR 리액터(2) 내 또는 그 부근의 수트 블로워 시스템(air soot blower system; 8)으로 에어를 공급하는 에어라인(3)을 포함한다. 에어 수트 블로워 시스템(8)은 에어라인(3)으로부터 공급된 공기를 SCR 리액터(2) 내 촉매에 불어, 촉매에 끼인 이물질을 제거하는 기능을 수행한다.
본 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템은, 앞서 언급한 바와 같은 NOx 저감용 환원제를 SCR 리액터(2) 내로 공급하기 위해, 환원제 공급라인(4)를 포함한다. 상기 환원제 공급라인(4)은 NH3 또는 우레아를 SCR 리액터(2) 내로 공급하며, 상기 공급된 NH3 또는 우레아는 촉매 존재하에서 배기가스 중의 NOx와 환원 반응을 일으킨다.
전술한 에어라인(3)은 상기 수트 블로워 시스템을 향하는 라인으로부터 분기되어 상기 환원제 공급라인(4)으로 이어진 라인을 포함한다. 이러한 에어라인(3)의 구조를 이하에서는 '투웨이'라 칭한다. 투웨이 에어라인(3)은, 하나의 라인이 전술한 수트 블로워 시스템(air soot blower system; 8)의 작동에 참여하고, 나머지 하나의 라인은 NH3 또는 우레아를 SCR 리액터(2) 내 주입 노즐(12)로 밀어내는 작용을 한다.
또한, 본 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템은 SCR 리액터(2)의 입구 측에 배기가스가 촉매에 고르게 분포되도록 해주는 댐퍼(9)를 구비한다. 그리고, 댐퍼(9) 상류측의 SCR 리액터(2) 전단에는 배기가스와 우레아/NH3를 골고루 혼합시키기 위한 믹서(10)가 설치된다. 상기 SCR 리액터(2)의 전단에도 각종 센서(11)들이 설치되는데, 이 센서(11)들은, 배기가스가 정제되기 전, 즉, 배기가스가 SCR 리액터(2)를 통과하기 전에, 배기가스 중 NOx, NH3, PM, HC, SO2, CO, CO2 또는 O2 등의 함량을 측정하여 그를 분석하기 위함이며, 이 분석된 정보는 SCR 리액터(2)를 거친 정제된 배기가스 중의 성분 정보와 대비될 수 있다.
<제2 실시예 : 원웨이 에어라인>
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템을 잘 보여준다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템은 SCR 리액터(2)로 NH3/우레아를 공급하기 위한 환원제 공급라인(4)을 포함하되, 상기 환원제 공급라인(4)은, 앞선 실시예의 에어라인(3)에 연결됨 없이, 상기 SCR 리액터(2) 전단의 주입 노즐(12)로 연장된다. 상기 환원제 공급라인(4)은, 자체적으로 즉, 자체 구비된 펌프등의 공급수단으로 NH3/우레아를 바로 SCR 리액터(2)의 전단 내 주입 노즐(12)로 보내므로, 배관을 보다 단순화시킬 수 있고, 더욱 순도 높은 우레아 또는 NH3를 NOx 저감에 이용할 수 있다. 이를 위해, 펌프 자체 또는 펌프와 연결된 제어라인에는 우레아 또는 NH3의 유량을 제어하는 기기들이 설치될 수 있다. 이에 의해, 에어라인(3)은 수트 블로워 시스템(air soot blower system; 8)의 작동에 참여하는 하나의 라인을 포함하며, 이하에서는, 이러한 에어라인을 '원웨이 에어라인'으로 칭한다. 본 실시예의 나머지 구성은 앞선 제1 실시예와 같으므로 상세한 설명이 생략된다.
<제3 실시예 : 내진/면진/ 제진을 위한 방진장치>
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템을 잘 보여준다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템은 내진/면진/제진을 위한 방진장치(14)가 SCR 리액터(2)에 설치된다. 선박은 해상에서 자체적으로 또는 파랑 등에 의해 움직이므로, 진동이 심하고 부하의 변수가 많다. 이에 대응하여, 본 시스템은 상기 SCR 리액터(2)에 방진장치(14)를 설치하여 구성된다. 이때, 상기 방진장치(14)는 다양한 구조를 고려할 수 있으나 현가구조가 선호된다. 또한, SCR 리액터(2)에 방진장치(14)가 잘 작동하도록 상기 SCR 리액터(2)의 전단 및 후단 각각의 관들은 플렉시블한 연결구조를 갖는다. 본 실시예에서는, 플렉시블 조인트(13)를 SCR 리액터(2)의 전단 및 후단에서의 관 연결에 이용하였다. 도 3에 도시된 시스템은 원웨이 에어라인(3)을 포함하는 시스템이다.
하지만, 투웨이 에어라인을 포함하는 시스템에도 방진장치(14)는 적용될 수 있으며, 방진장치(14)와 투웨이 에어라인(3)을 포함하는 SCR 시스템의 구성은 도 4에 나타내었다.
나머지 구성은 앞선 제1 실시예 및 제2 실시예와 크게 다르지 않으며, 따라서, 나머지 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.
<제4 실시예 : 바이패스 시스템>
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템을 잘 보여준다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템은, 이상 상황 및/또는 긴급 상황 발생시, 배출가스 설비(1)의 작동을 그대로 유지한 채 이상 부위(특히, SCR 리액터(2)의 이상 부위)를 교체 또는 보수할 수 있게 해주는 바이패스 시스템을 포함한다.
본 실시예에서, 바이패스 시스템은, 바이패스 라인(16)과 바이패스 댐퍼(17)들을 포함한다. 바이패스 라인(16)은 그 양단이 각각 SCR 리액터(2)의 전단과 후단에 연결된다. 정상 상태에서는 SCR 리액터(2)를 흐르던 가스는, 이상 또는 긴급 상황에서는, SCR 리액터(2) 전단으로부터 후단까지 바이패스 라인(16)을 통해 SCR 리액터(2)를 거치지 않고 우회하여 흐른다. 한 쌍의 상기 바이패스 댐퍼(17)들은, 바이패스 라인(16)의 양단에 각각 설치되며, 정상 상태에서는, 바이패스 라인(8)의 양단부를 닫고 SCR 리액터(2)의 통로는 개방하되, 이상 또는 긴급 상황에서는 바이패스 라인(16)의 양단부는 개방하고, SCR 리액터(2)의 통로는 닫도록 구성된다.
도 5에 도시된 SCR 시스템은 원웨이 에어라인(3)을 포함하는 선박의 SCR 시스템이다. 하지만, 투웨이 에어라인을 포함하는 시스템에도 바이패스 라인 및 바이패스 댐퍼들을 적용할 수 있으며, 바이패스 라인(16) 및 바이패스 댐퍼(17)들과 투웨이 에어라인(3)을 포함하는 SCR 시스템의 구성은 도 6에 나타내었다.
나머지 구성은 앞선 실시예들과 크게 다르지 않으며 구체적인 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 4는 도 3에 도시된 제3 실시예의 변형예를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박의 SCR 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 6은 도 5에 도시된 제4 실시예의 변형예를 보여주는 도면.

Claims (5)

  1. 선박 또는 육상 플랜트의 배출가스 설비로부터 나온 배출가스를 정화하여 배기하기 위한 SCR 시스템으로서,
    전단에서 상기 배출가스 설비에 연결되고, 촉매를 내부에 포함하는 SCR 리액터; 및
    상기 SCR 리액터 내로 NH3 또는 우레아를 공급하기 위한 환원제 공급라인을 포함하며,
    상기 SCR 리액터에는, 상기 촉매에 끼인 이물질을 제거하기 위해, 에어라인으로부터 공급된 에어를 상기 촉매에 부는 에어 수트 블로워가 설치되는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매는 재가열 없이 내부로 들어온 배기가스에 의해 활성화되는 것이며, 상기 SCR 리액터 후단의 집진 설비를 생략하도록, 상기 SCR 리액터 내에는 집진 구조가 설치된 것을 특징으로 하는 SCR 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매의 활성화 온도는 320℃ 미만으로 정해지는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 SCR 리액터의 전단에는 NH3 또는 우레아와 배기가스를 골고루 혼합하기 위한 믹서와 상기 배기가스를 촉매에 균일하게 분포시키기 위한 댐퍼가 설치된 것을 특징으로 하는 SCR 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 에어라인은, 상기 에어 수트 블로워의 작동에 참여하도록, 상기 에어 수트 블로워로 향하는 라인으로부터 분기되어 상기 환원제 공급라인으로 이어진 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템.
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