KR100993358B1 - 배기가스 정화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치는, 배기가스에 포함된 매연(soot)이나 입자상 물질(PM)을 포집하는 촉매여과필터(CPF) 및 상기 촉매여과필터 후단에 설치되어 질소산화물을 흡장하는 질소산화물 흡장촉매(LNT)를 포함하고, 상기 촉매여과필터에는 황산화물(SOx)를 포집하기 위한 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 중 적어도 하나의 성분이 포함된다.
따라서, 촉매여과필터에 황산화물을 포집하기 위한 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 성분이 포함되어 있으므로 촉매여과필터 후단에 배치된 질소산화물 흡장촉매의 황피독이 미연에 방지되고, 아울러, 질소산화물 흡장촉매의 효율이 향상되고, 별도의 황성분을 포집하기 위한 포집장치가 필요하지 않다.
또한, 촉매여과필터의 재생시 황성분이 제거됨으로써 포집된 황성분을 제거하기 위한 별도의 황제거 모드가 필요하지 않고, 황성분을 제거하기 위해서 질소산화물 흡장촉매를 고온으로 가열하지 않아도 됨으로써 질소산화물 흡장촉매가 열화되지 않는다.
촉매여과필터, 알칼리금속, 알칼리토금속, 워시코트, 질소산화물 흡장촉매, 황성분

Description

배기가스 정화장치{PURIFICATION DEVICE OF EXHAUST GAS}
본 발명은 배기가스 정화장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진에서 배기되는 배기가스에 포함된 입자상물질(PM)과 질소화합물(NOx)을 제거하는 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
일반적으로 디젤엔진에는 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)을 포집하기 위한 질소산화물 흡장촉매(LNT: Lean NOx Trap)와 촉매여과필터(CPF: Catalyst Particulate Filter)가 장착된다.
한편, 연료 중에 포함되어 있는 황성분이 상기 질소산화물 흡장촉매를 오염시켜, 질소산화물의 흡장효율과 재생효율이 저하되는 문제점이 있다.
도 4는 일반적인 질소산화물 흡장촉매의 황산화물 피독 상태를 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 황산화물(SOx)은 촉매의 전단부에 흡착되어 질소산화물의 포집 능력을 저하시켜 배기가스의 정화능력을 감소시킨다.
상기와 같이, 황성분으로 오염된 질소산화물 흡장촉매를 재생하기 위한 별도의 황제거모드가 수행되고, 이 때 질소산화물 흡장촉매는 섭씨 600도 내지 700도로 가열된다. 여기서 고온으로 인하여 상기 질소산화물 흡장촉매가 열화되는 문제점이 있다.
또한, 상기 질소산화물 흡장촉매가 황성분으로 오염되는 것을 방지하기 위해서 황성분 포집장치를 별도로 구비하는 경우도 있으나, 비용이 상승하는 문제점이 있고, 별도로 황성분 포집장치에서 황성분을 제거하기 위한 황제거 모드가 더 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 질소산화물 흡장촉매가 황성분으로 피독되는 것을 방지하는 배기가스 정화장치를 제공하는 것이다.
아울러, 포집된 황성분을 제거하기 위해 상기 질소산화물 흡장촉매의 온도를 고온으로 상승시키지 않는 배기가스 정화장치를 제공하는 것이다.
아울러, 배기가스에 포함된 황성분을 제거하기 위한 별도의 황성분 포집장치를 구비하지 않는 배기가스 정화장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배기가스 정화장치는, 배기가스에 포함된 매연(soot)이나 입자상 물질(PM)을 포집하는 촉매여과필터(CPF) 및 상기 촉매여과필터 후단에 설치되어 질소산화물을 흡장하는 질소산화물 흡장촉매(LNT)를 포함하고, 상기 촉매여과필터에는 황산화물(SOx)를 포집하기 위한 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 중 적어도 하나의 성분이 포함된다.
상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 워시코트에 섞여 상기 촉매여과필터에 코팅되어 형성되고, 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속에 의해서 상기 촉매여과필터에 포집된 황산화물은, 상기 촉매여과필터 재생시 설정온도 이상에서 분리되어 제거된다.
상기 설정온도는 섭씨 600도 내지 800도의 범위 내에 포함되고, 상기 촉매여 과필터의 재생은 주행거리 기준으로 500km 내지 1000km 주기로 재생된다.
상기 촉매여과필터 재생시 상기 촉매여과필터 후단에 설치된 상기 질소산화물 흡장촉매의 온도는 섭씨 500도 내지 550도의 범위에 포함되어 상기 촉매여과필터에서 분리된 황산화물은 상기 질소산화물 흡장촉매에 흡장되지 않고 통과하여 외기로 배출되어 제거되고, 상기 질소산화물 흡장촉매 전단에 장착되고 후분사된 원료를 이용하여 환원제를 생성시키는 디젤연료 분해촉매(DFC)를 포함하며, 상기 질소산화물 흡장촉매는 상기 환원제를 이용하여 질소산화물을 흡장하는 것이 바람직하다.
상기 디젤연료 분해촉매(DFC) 전단에 연료를 후분사하는 포스트 인젝터가 배치될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 배기가스 정화장치에 의하면, 촉매여과필터에 황산화물을 포집하기 위한 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 성분이 포함되어 있으므로 촉매여과필터 후단에 배치된 질소산화물 흡장촉매의 황피독이 미연에 방지될 수 있다.
아울러, 질소산화물 흡장촉매의 효율이 향상되고, 별도의 황성분을 포집하기 위한 포집장치가 필요하지 않다.
또한, 촉매여과필터의 재생시 황성분이 제거됨으로써 포집된 황성분을 제거하기 위한 별도의 황제거 모드가 필요하지 않다.
또한, 황성분을 제거하기 위해서 질소산화물 흡장촉매를 고온으로 가열하지 않아도 됨으로써 질소산화물 흡장촉매가 열화되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 전체적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 배기가스 정화장치는 엔진, 촉매여과필터(110), 포스트 인젝터(120), 디젤연료 분해촉매(130), 질소산화물 흡장촉매(140), 및 머플러(150)를 포함한다.
상기 촉매여과필터(110)의 전후단에는 내부에 축적된 입자상물질(PM)의 양을 검출하기 위한 차압센서(미도시)가 배치되고, 상기 질소산화물 흡장촉매(140)의 전단에는 질소산화물의 농도를 검출하는 검출센서(미도시)가 배치된다.
상기 디젤연료 분해촉매(130)는 상기 포스트 인젝터(120)에서 분사된 연료를 분해하여 환원제를 생성하고, 생성된 환원제를 상기 질소산화물 흡장촉매(140)에 공급한다. 상기 질소산화물 흡장촉매(140)는 상기 환원제를 이용하여 질소산화물을 제거한다.
상기 촉매여과필터(110)에는 상기 입자상물질(PM)을 포집하기 위한 필터몸체와 이 몸체에 코팅되는 촉매를 포함하고, 상기 촉매는 배기가스 중에 포함된 황산화물(Sox)를 포집하기 위한 알칼리금속 또는 알칼리 토금속이 포함된다.
상기 알칼리금속 또는 상기 알칼리 토금속은 와시코트 내에 섞여 촉매여과필터(110)의 몸체에 코팅되어 형성되는 것이 바람직하다.
특히, 배기가스 중에 포함된 황성분이 상기 질소산화물 흡장촉매(140)에 다량 포집되면, 질소산화물의 포집성능과 재생효율이 급격하게 저감되는데, 본 발명의 실시예에서는 상기 황성분이 상기 촉매여과필터(110)에서 미리 포집되어 상기 질소산화물 흡장촉매(140)의 성능이 저하되지 않는다.
아울러, 상기 촉매여과필터(110) 재생시 상기 촉매여과필터(110)에 포집된 황성분도 제거된다. 따라서, 황성분으로 피독된 상기 질소산화물 흡장촉매(140)에서 황을 제거하기 위한 별도의 탈황모드가 필요하지 않다.
본 발명의 실시예에서, 상기 질소산화물 흡장촉매(140)에서 황성분을 제거하기 위해 섭씨 700도로 상기 질소산화물 흡장촉매(140)를 가열하는 모드가 적용되지 않으므로 상기 질소산화물 흡장촉매(140)의 열화가 진행되지 않는다.
또한, 상기 질소산화물 흡장촉매(140)에 황성분이 피독되는 것을 방지하기 위해서 별도의 황포집촉매가 배치되지 않으므로, 생산비용이 저감된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치에서 촉매여과필터에 코팅되는 워시코트에 포함되는 성분을 나타내는 표이다.
도 2를 참조하면, 상기 촉매여과필터(110)에 코팅되는 워시코트에 포함되는 상기 알칼리금속은 Li, Na, K, Rb, Cs 및 Fr 등이 있고, 상기 알칼리 토금속은 Be, Mg, Ca, Sr, Ba 및 Ra 등이 있다.
상기 알칼리금속 또는 상기 알칼리 토금속에 대한 화학적인 특징에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 작동 원리를 도시한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 제1단계(S10)에서 황성분이 포집되고, 제2단계(S20)에서 촉매여과필터(110)가 재생되며, 제3단계(S30)에서 상기 촉매여과필터(110)에 포집된 황성분이 제거된다.
상기 제1단계(S10)에서, 배기가스에 포함된 황성분은 상기 촉매여과필터(110)에 포집되어 상기 질소산화물 흡장촉매(140)는 황성분으로 피독되지 않는다.
상기 제2단계(S20)는 상기 촉매여과필터(110)에 포집된 입자상물질(PM)과 황성분을 동시에 제거하기 위한 재생모드가 수행되고, 이 때 상기 촉매여과필터(110)의 내부 온도는 약 섭씨 700 내지 800도의 범위 내에 포함되며, 재생주기는 약 500km 내지 1000km의 범위에 포함된다.
상기와 같은 온도에서 상기 촉매여과필터(110)에 포집된 입자상물질(PM)과 황성분은 촉매성분과 반응하여 제거되거나 일부는 분리되어 외기로 배출된다.
특히, 상기 촉매여과필터(110)에 포집된 황성분은 재생시 높은 온도로 인하여 분리되고, 상기 질소산화물 흡장촉매(140)에 도달하게 되며, 이때 상기 질소산화물 흡장촉매(140)의 온도가 약 섭씨 500도 내지 550도의 범위에 포함되므로 상기 황성분은 상기 질소산화물 흡장촉매(140)에 흡장되지 않고 통과하게 된다.
따라서, 상기 질소산화물 흡장촉매(140)는 황성분으로 피독되지 않고, 배기가스에 포함된 질소산화물을 용이하게 포집할 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에서, 별도의 황성분을 제거하기 위한 탈황재생모 드가 필요하지 않으며 상기 촉매여과필터(110)를 재생하는 모드만으로 탈황이 수행된다.
따라서, 상기 질소산화물 흡장촉매(140)를 고온(약 섭씨 700도)로 가열하는 탈황재생모드가 수행되지 않으므로 상기 질소산화물 흡장촉매(140)의 열화를 미연에 방지할 수 있다.
여기서, 탈황재생모드 주기보다 상기 촉매여과필터(110)를 재생하는 모드의 주기가 짧기 때문에 상기 촉매여과필터(110)에 포집된 황성분의 양이 작고 이에 따라 제거효율이 늘어날 뿐만 아니라 시간도 단축된다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 전체적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치에서 촉매여과필터에 코팅되는 워시코트에 포함되는 성분을 나타내는 표이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 작동 원리를 도시한 순서도이다.
도 4는 일반적인 질소산화물 흡장촉매의 황산화물 피독 상태를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 엔진
110: 촉매여과필터
120: 포스트 인젝터
130: 디젤연료 분해촉매
140: 질소산화물 흡장촉매
150: 머플러

Claims (8)

  1. 배기가스에 포함된 매연(soot)이나 입자상 물질(PM)을 포집하는 촉매여과필터(CPF); 및
    상기 촉매여과필터 후단에 설치되어 질소산화물을 흡장하는 질소산화물 흡장촉매(LNT)를 포함하고,
    상기 촉매여과필터에는 황산화물(SOx)를 포집하기 위한 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 중 적어도 하나의 성분이 포함된 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 워시코트에 섞여 상기 촉매여과필터에 코팅되어 형성되는 배기가스 정화장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속에 의해서 상기 촉매여과필터에 포집된 황산화물은, 상기 촉매여과필터 재생시 설정온도 이상에서 분리되어 제거되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 설정온도는 섭씨 600도 내지 800도의 범위 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 촉매여과필터의 재생은 주행거리 기준으로 500km 내지 1000km 주기로 재생되는 배기가스 정화장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 촉매여과필터 재생시 상기 촉매여과필터 후단에 설치된 상기 질소산화물 흡장촉매의 온도는 섭씨 500도 내지 550도의 범위에 포함되어 상기 촉매여과필터에서 분리된 황산화물은 상기 질소산화물 흡장촉매에 흡장되지 않고 통과하여 외기로 배출되어 제거되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 질소산화물 흡장촉매 전단에 장착되고 후분사된 원료를 이용하여 환원제를 생성시키는 디젤연료 분해촉매(DFC)를 포함하고,
    상기 질소산화물 흡장촉매는 상기 환원제를 이용하여 질소산화물을 흡장하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 디젤연료 분해촉매(DFC) 전단에 연료를 후분사하는 포스트 인젝터가 배치되는 배기가스 정화장치.
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