KR101092336B1 - 배기가스 정화용 분사 노즐 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부 공급 튜브로부터 떨어진 외부 케이싱 튜브로 동심으로 둘러싸인 내부 공급 튜브와 노즐 헤드를 포함하고 있는 분사 노즐에 의해 고온의 가스 스트림내에 유체 스트림을 균일하게 분사하기 위한 방법 및 장치이다. 본 발명은 내부 튜브와 노즐 헤드를 통하여 유체 스트림을 통과시키고 내부 튜브와 외부 튜브 사이의 환형상 공간의 적어도 일부에 단열재를 구비함으로써 내부 튜브의 유체 스트림의 온도를 유지하는 것을 포함한다. 게다가, 본 발명은 출구 단부에서 노즐 헤드를 마개로 막고 노즐 헤드의 출구 단부에 인접한 노즐 헤드에 구비된 다수의 노즐 구멍을 통하여 유체 스트림을 분사함으로써 내부 튜브와 노즐 헤드 내부의 유체의 일정한 유동을 유지하는 것을 포함한다.
분사 노즐, 디젤 엔진, 배기 가스, 질소산화물, 수용액, 단열재, 노즐 헤드

Description

배기가스 정화용 분사 노즐{INJECTION NOZZLE FOR PURIFICATION}
도 1 은 본 발명에 따른 직선형 노즐의 단면도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 90°구부러진 노즐의 단면도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 노즐을 구비한 배기관의 단면도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 90°구부러진 노즐의 정면측 단면도이다.
본 발명은 노즐에 의해 가스에 유체를 분사하는 것에 관한 것이다. 특히 본 발명은 디젤 엔진의 배기 가스로부터 질소산화물(NOx)을 제거하는 본 발명의 특별한 용도와 관련하여 고온 가스내에 용액을 분사하는 것에 관한 것이다.
엔진 배기 가스로부터 질소산화물(NOx)을 제거하는 것과 관련하여 유체를 분사를 분사하기 위하여 노즐이 사용되고 있다.
Hofmann 등에 의한 국제출원공보 WO 96/36797에는 차량의 배기 가스내에 요소 용액/공기 혼합물의 분사에 대하여 개시되어 있다. 이 혼합물은 파이프 안쪽의 파이프 벽에 가까이에서 배기관내로 분사되므로 용액이 가스에 분사되기 이전에 용액은 지나치게 가열되지 않는다. 배기관의 단면에서 본 경우에 분사되는 액체의 분배는 균일하지 않다.
Tsuneaki 에 의한 일본공개공보 JP 2001152831에는 다른 배기가스 정화 시스템이 개시되어 있다. 여기에서도 마찬가지로 질소산화물은 차량의 배기가스내에 분사되는 요소 용액에 의해 환원된다. 분사 노즐은 배기관의 벽을 통하여 내부 표면으로부터 단지 짧은 거리만큼 뻗어 삽입되며, 불균일한 유동 패턴을 생성한다.
Kupper 등에 의한 미국특허 US 4,502,196에는 튜브 사이의 좁은 공간에 단열재가 충전된 두개의 동축 튜브를 포함하고 있는 연료용 분사 노즐이 개시되어 있다. 외부 튜브는 코크의 생성이 시작되는 온도 이하로 연료를 유지하기 위하여 노즐의 팁을 둘러싸는 후드를 형성한다. 연료는 노즐과 동축 방향에서 내부 튜브와 후드를 통한 하나의 구멍을 통해서만 분사된다.
Zaudere 에 의한 미국특허 US 6,048,510에는 다른 가스 정화 방법이 개시되어 있다. 석탄 보일러의 연료 가스에서의 질소산화물의 양은 용해된 요소 또는 암모니아를 포함한 공기 분무 물방울의 분사에 의해 감소된다. 물방울은 최적의 온도로 분사되며 물방울의 크기는 노즐 구조에 의해 조절된다.
그러나, 이들 노즐은 막히는 경향이 있으며 분사되는 물질의 매우 높은 수준의 균일한 분배를 보장하지 못한다.
본 발명의 목적은 안정적이며 양호하게 분배되는 분사를 달성하도록 염의 수용액을 분사하기 위한 방법 및 노즐을 제공하는 것이다. 이러한 분사는 노즐의 막힘에 의해 야기되는 중단을 일으키는 일없이 모든 조건하에서 작동할 수 있어야만 한다. 아울러, 가스에 분사되는 유체가 높은 수준의 균일한 분배로 분사되도록 작동하여야 한다.
이제 분사 노즐 및 분사 방법에 관한 본 발명에 따라 노즐이 설계되는 경우 요소 용액은 배기 가스에 매우 균일한 분배를 달성하도록 차량의 배기 가스내로 분사될 수 있다.
본 발명은 내부 공급 튜브로부터 떨어진 외부 케이싱 튜브로 동심으로 둘러싸인 내부 공급 튜브와 노즐 헤드를 포함하고 있는 분사 노즐에 의해 고온의 가스 스트림내에 유체 스트림을 균일하게 분사하기 위한 방법 및 장치이다. 본 발명은 내부 튜브와 노즐 헤드를 통하여 유체 스트림을 통과시키고 내부 튜브와 외부 튜브 사이의 환형상 공간의 적어도 일부에 단열재를 구비함으로써 내부 튜브의 유체 스트림의 온도를 유지하는 것을 포함한다. 게다가, 본 발명은 출구 단부에서 노즐 헤드를 마개로 막음으로써 내부 튜브와 노즐 헤드 내부의 유체의 일정한 유동을 유지하고 노즐 헤드의 출구 단부에 인접한 노즐 헤드에 구비된 다수의 노즐 구멍을 통하여 유체 스트림을 분사하는 것을 포함한다. 또한 본 발명은 가스 스트림 채널의 중심 축선에 인접하고 가스 스트림의 유동 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 노즐 구멍을 통하여 유체 스트림을 분사하고 노즐 헤드에 인접한 구역에서 외부 케이싱 튜브의 원뿔형의 협소부에 의해 가스 스트림내로 분사된 유체 스트림을 균일하게 분배하는 것을 포함한다.
바람직한 단열재는 세라믹이며 얇은 층으로 형성되고 유기 접착제를 사용하 여 소정 형상으로 만들어진다.
내부 튜브는 외부 튜브의 단부와 내부 튜브의 단부 사이에 90°굽힘부를 구비할 수 있다.
유체는 20-50 중량%, 바람직하게는 30-35 중량% 그리고 가장 바람직하게는 32.5 중량%의 요소 수용액과 공기의 혼합물이 될 수 있다.
특히 본 발명은 물이 증발되어 요소의 결정화가 일어나는 고온의 디젤 배기 가스내에 분사되는 요소 수용액의 균일한 분배를 위해 유용하다. 본 발명은 대형 트럭 및 화물차에 특히 유용하다.
디젤 엔진 차량에서는 특정량의 과잉 공기와 더불어 연소가 일어난다. 이것은 배기 가스에 환경을 심각하게 오염시키는 질소산화물(NOx)을 형성한다.
질소산화물(NOx)은 차량에 저장하기 어려운 암모니아(NH3)에 의해 환원될 수 있고 환원제로서 요소(H2NCONH2)의 수용액이 사용된다.
수용액이 분사되어 고온 배기 가스와 혼합되어 요소가 분해될 때 아래의 반응에 따라 암모니아가 형성된다:
H2NCONH2 + H2O → 2 NH3 + CO2
만약 온도가 200℃를 초과하면 요소는 완전히 분해된다. 따라서 200℃는 배기 가스에 요소가 분사될 수 있는 가장 낮은 온도이다.
다음에 배기 가스와 환원제(암모니아)의 혼합물은 아래의 반응에 따라 질소산화물(일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2))이 암모니아와 반응하여 질소와 물을 형 성하는 촉매를 통과한다:
4 NO + 4 NH3 + O2 → 4 N2 + 6 H2O 및
6 NO2 + 8 NH3 → 7 N2 + 12 H2O
통상적인 작동시에 배기 가스는 고온이 되고, 동시에 분사 노즐 내부의 요소 용액은 물이 증발하여 요소의 결정화 및 분사 노즐의 차단을 일으키는 온도를 초과하지 않는 것이 중요하다.
또한 본 발명은 요소의 결정화를 나타내는 일없이 고온의 배기 가스내에 요소 용액/공기 혼합물을 분사하기 위한 노즐을 제공한다. 본 발명의 분사 노즐은 외부 케이싱 튜브, 동축의 내부 공급 튜브, 및 두 튜브 사이의 환형상 공간에 단열재를 포함하고 있다. 따라서, 물이 증발하여 요소가 결정화되는 온도까지 배기 가스가 요소 수용액을 가열시키는 것을 방지한다.
출구 구역에서, 내부 튜브는 마개를 가진 노즐 헤드를 구비하고 있다. 마개 가까이에 노즐 구멍이 위치되어 있다. 이것은 내부 튜브의 전체 체적에 용액의 유동을 보장함으로써 요소 결정화를 일으키도록 가열될 수 있는 "데드 체적"을 방지한다. 마개는 내부 튜브의 청소를 위해 제거될 수 있다.
이러한 노즐 팁 설계에 의해, 양호한 분배를 보장하고 고체 요소의 형성 및 노즐 막힘의 위험없이 용액은 노즐의 축선에 수직의 각도로 유동할 수 있다.
요소 용액/공기 혼합물이 노즐 구멍을 통해 유출되면 즉시 에어러졸이 형성된다. 고온 배기 가스가 에어러졸을 가열할 때 요소는 암모니아로 변환되고, 암모 니아는 노즐의 하류에 설치된 촉매에서 배기 가스의 질소산화물을 질소로 환원시킨다.
촉매가 배기관의 확대부의 전체 단면적에 설치될 때, 질소산화물의 변환을 위해 파이프내의 요소/암모니아의 균일한 분배는 매우 중요하다.
본 발명의 설계 및 성능은 도면을 참조하여 이루어진 이하의 설명에 의해 더욱 명확해질 것이다.
(실시예)
본 발명의 바람직한 실시예인 직선형 노즐이 도 1에 도시되어 있다. 노즐은 노즐 헤드(1), 외부 케이싱 튜브(2) 및 동축의 내부 공급 튜브(3)를 포함하고 있으며, 튜브 사이의 환형상 공간은 단열재(4)로 충전된다. 단열재(4)는 견고한 환형상으로 형성되며 내부 튜브(3)와 외부 튜브(2) 사이에 설치된다.
노즐 헤드(1)의 단부는 평평한 단부를 가진 스크루(5)이다. 평평한 단부 바로 다음에는 노즐 구멍(6)이 드릴가공되어 있는데, 이것은 유동하지 않는 노즐 체적을 제거한다. 외부 튜브는 노즐 헤드(1)에 인접한 내부 튜브(3) 가까이에 협소부를 가진 원뿔부(7)로 끝난다. 요소 용액/공기 혼합물(8)은 물의 증발 및 요소 결정화를 일으키지 않는 낮은 온도로 유지된 내부 튜브(3)를 통하여 유동한다. 혼합물(8)은 에어러졸이 형성되는 노즐 구멍(6)을 통하여 유출된다. 고온 배기 가스에서 요소 용액은 암모니아 및 이산화탄소로 변환된다.
노즐 헤드를 제외하고는 상술한 분사 노즐과 기본적으로 동일하고 90°굽힘부(10)가 구비되어 있는 본 발명의 다른 바람직한 실시예가 도 2에 도시되어 있으 며, 여기에서 굽힘부와 노즐 구멍(6) 사이의 5㎜는 직선이다.
바람직한 설치 형태가 도 3에 도시되어 있다. 90°굽힘부를 갖는 노즐은 배기관(11)의 벽을 통해 직각으로 삽입되며, 팁은 배기 가스 유동 방향으로 뾰족하게 되어 있고 배기관(11)의 중앙에 동축으로 설치된다. 이 방식에서 요소 용액은 배기 가스 가운데에 그리고 배기 가스 유동 방향에 직각으로 노즐 구멍(6)을 통하여 유출되어 매우 양호한 분배를 나타낸다.
노즐 구멍(6)을 통하여 분사될 때, 요소 수용액은 암모니아와 이산화탄소로 변환되며, 암모니아가 질소산화물을 질소와 물로 변환하는 촉매(12)로 배기 가스와 함께 유동한다. 촉매에서의 최적의 변환은 배기관에서 암모니아의 적절한 분배에 의해서만 달성된다.
도 4는 분사 노즐에 4개의 노즐 구멍이 구비된 경우의 노즐 구멍의 위치를 도시하고 있다. 노즐 구멍이 수직 방향으로부터 45°로 드릴가공된 경우, 분사 노즐의 수직 부분은 분사 노즐 뒤에서 유동하여 오는 배기 가스를 교란하지 않는다.
본 발명은 유독성 가스가 생성되며 대기를 오염시키지 않도록 반드시 제어되어야 하는 디젤 엔진 선박, 열차, 트럭, 화물차 등에 특별한 용도를 가지고 있다. 유독성 가스는 인간, 동물 및 심지어 건물에도 유해하기 때문에 유독성 가스의 제거는 많은 나라에서 규제 요건이 될 것이다.
예
배기관에서 암모니아의 균일한 분배를 달성하기 위하여 분사 노즐의 치수가 중요하다.
본 발명의 바람직한 하나의 실시예는 아래와 같은 치수로 제조된다. 치수는 또한 이하에 설명된 공기 및 용액 유동/소모량에 대응되며 이러한 형태는 디젤 엔진을 장착한 일반적인 화물차에 본 발명을 이용하는 것과 대응한다.
엔진을 작동할 때, 20 Nl/min의 공기 유동이 적합하다. 요소 용액 소모량은 배기 가스에서의 질소산화물(NOx) 양에 대응하도록 조정되지만, 7.5 l/hr의 용액 유동이 일반적이다. 요소 수용액은 20-50 중량%, 바람직하게는 30-35 중량% 그리고 가장 바람직하게는 32.5 중량%의 농도를 갖고 있다.
대응되는 분사 노즐의 내부 튜브는 6㎜의 외경과 1.5㎜의 벽 두께를 가지고 있고, 외부 튜브는 25㎜의 외경과 1.22㎜의 벽 두께를 가지고 있으며, 튜브 사이에는 세라믹 재료가 설치된다. 노즐에는 0.55㎜의 직경을 가진 4개의 구멍이 동일한 간격으로 구비된다. 다른 유동을 위해서는 그에 따라 구멍의 수와 크기가 조정되며, 종종 0.39㎜의 직경의 8개의 구멍이 사용된다.
본 발명의 특정 실시예에서, 원뿔부(7)의 내부 표면은 30°의 각도를 가지며 원뿔부의 길이는 44.4㎜이다. 이 치수는 배기 가스에 환원 매질의 매우 양호한 분배를 부여하는 것으로 입증되었다.
튜브 사이의 공간의 단열재는 소정 형태로 만들어지고 유기 바인더에 의해 그 형태로 유지되는 세라믹 재료이다. 세라믹 재료는 덴마크의 Keramax a/s 회사의 제품명 "Isovac"으로 시판되는 것이다.
노즐을 위한 적합한 재료는 스테인리스강 SS 316이다.
시험 결과
본 발명의 노즐은 고온의 배기 가스, 특히 질소산화물을 포함하는 디젤 배기 가스에 요소의 수용액이 분사되는 경우에 특히 유용한 것으로 입증되었다.
150 마력의 디젤 엔진을 구비한 버스에서의 실제 시험을 위해 요소 촉매 환원 시스템이 2003년 9월에 설치되었다. 실제 시험을 시작할 때에 요소의 분사를 위해 사용된 노즐은 어떠한 단열재도 없는 파이프였다. 버스는 런던의 도심에서 실제 조건으로 운행되었다.
2일간의 짧은 작동 이후에, 이 시스템이 작동하지 않는 것을 발견하였다. 그 원인은 노즐에 요소가 막히는 것으로 밝혀졌다.
노즐은 기계적으로 청소되었으며 시스템은 다시 사용되었다.
2일후 노즐은 요소 잔류물에 의해 다시 완전히 막혔다.
통상적인 노즐은 본 발명에 따라 분사 파이프 주위에 단열재를 구비한 본 출원인의 노즐로 교체되었다.
그 후에 이 시스템은 막히는 문제를 일으키는 일없이 5개월 운행되었다.
본 발명에 의하면 분사 노즐은 배기 가스에서 매우 균일한 분배를 달성하도록 요소 용액을 차량의 배기 가스에 분사할 수 있으며, 오랜 기간동안 노즐이 막히는 일없이 작동한다.

Claims (10)

  1. 내부 공급 튜브로부터 이격된 외부 케이싱 튜브로 동심으로 둘러싸인 상기 내부 공급 튜브와 노즐 헤드를 포함하고 있는 분사 노즐에 의해 고온의 가스 스트림내에 유체 스트림을 균일하게 분사하기 위한 방법에 있어서,
    내부 튜브와 노즐 헤드를 통하여 유체 스트림을 통과시키고 내부 튜브와 외부 튜브 사이의 환형상 공간의 적어도 일부에 단열재를 구비함으로써 내부 튜브의 유체 스트림의 온도를 유지하고;
    출구 단부에서 노즐 헤드를 마개로 막고 노즐 헤드의 출구 단부에 인접한 노즐 헤드에 구비된 다수의 노즐 구멍을 통하여 유체 스트림을 분사함으로써 내부 튜브와 노즐 헤드 내부의 유체의 일정한 유동을 유지하고;
    가스 스트림 채널의 중심 축선에 인접하고 가스 스트림의 유동 방향에 수직인 방향으로 노즐 구멍을 통하여 유체 스트림을 분사하고;
    노즐 헤드에 인접한 구역에서 외부 케이싱 튜브의 원뿔형의 협소부에 의해 가스 스트림내로 분사되는 유체 스트림을 균일하게 분배하는 것을 특징으로 하는 분사 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 가스 스트림은 디젤 엔진의 배기 가스 스트림이며 유체 스트림은 20-50 중량%의 요소를 포함하는 수용액인 것을 특징으로 하는 분사 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 수용액은 가압 공기에 의해 노즐 헤드를 통과하는 것을 특징으로 하는 분사 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 하나의 항에 따른 방법에 사용하기 위한 유체 스트림 공급 튜브에 연결된 노즐 헤드를 포함하고 있는 분사 노즐에 있어서,
    내부 공급 튜브는 외부 케이싱 튜브에 의해 동심으로 이격되어 둘러싸이고;
    내부 공급 튜브와 외부 케이싱 튜브 사이의 공간은 적어도 부분적으로 단열재로 충전되고;
    외부 케이싱 튜브는 노즐 헤드에 인접한 구역에서 내부 공급 튜브의 외벽에 인접한 부근까지 원뿔형으로 좁아지고;
    노즐 헤드는 출구 단부에 마개로 막혀 있고;
    노즐 헤드는 노즐 헤드의 마개에 인접한 구역에 동일한 간격으로 다수의 노즐 구멍을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
  5. 제 4 항에 있어서, 노즐 헤드의 외경 및 내경의 크기는 내부 공급 튜브의 외경 및 내경의 크기와 동일한 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
  6. 제 4 항에 있어서, 노즐 헤드는 내부 공급 튜브와 노즐 구멍 사이에 90°굽힘부를 구비한 튜브인 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
  7. 제 4 항에 있어서, 단열재는 세라믹 화합물인 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
  8. 제 4 항에 있어서, 외부 케이싱 튜브의 원뿔형 협소부의 내부 표면은 30°의 각도를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
  9. 제 4 항에 있어서, 내부 공급 튜브는 6㎜의 외경과 1.5㎜의 벽 두께를 가지고 있고, 외부 케이싱 튜브는 25㎜의 외경과 1.22㎜의 벽 두께를 가지고 있으며, 노즐 헤드에는 0.55㎜의 직경을 갖는 4개의 구멍이 동일한 간격으로 또는 0.39㎜의 직경을 갖는 8개의 구멍이 동일한 간격으로 구비된 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
  10. 제 6 항에 있어서, 굽힘부와 노즐 구멍 사이의 노즐 헤드의 직선 부분은 5㎜의 길이를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
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