KR101266397B1 - After―treatment system for reducing nitrogen oxide in dimethylether fueled vehicles - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템은, LNT 촉매의 앞에 SR 촉매를 배치하여 디메틸에테르와 SR 촉매의 개질 반응으로 생성되는 환원제를 LNT 촉매와의 반응에 이용함으로써, 배출되는 질소산화물을 감소시킬 수 있다. 또한, 디메틸에테르와 SR 촉매의 개질 반응은 흡열반응이므로 외부로부터의 열원 및 수분이 필요하나, 배기가스 내에 존재하는 열원 및 수분을 이용함으로써 별도의 열원 공급장치가 필요하지 않기 때문에 배기가스의 손실 에너지를 줄이고, 비용 절감 및 공정의 단순화를 달성할 수 있다.A post-treatment system for reducing nitrogen oxide according to an embodiment of the present invention, by placing the SR catalyst in front of the LNT catalyst, by using the reducing agent produced by the reforming reaction of dimethyl ether and SR catalyst for the reaction of the LNT catalyst, Nitrogen oxides can be reduced. In addition, since the reforming reaction of dimethyl ether and SR catalyst is endothermic, heat source and moisture from the outside are required, but energy loss of exhaust gas is not required because a separate heat source supply device is not required by using heat source and moisture present in the exhaust gas. Cost reduction and process simplification can be achieved.

Figure R1020110002705
Figure R1020110002705

Description

디메틸에테르를 연료로 사용하는 자동차에서 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템{AFTER―TREATMENT SYSTEM FOR REDUCING NITROGEN OXIDE IN DIMETHYLETHER FUELED VEHICLES}AFTER-TREATMENT SYSTEM FOR REDUCING NITROGEN OXIDE IN DIMETHYLETHER FUELED VEHICLES}

디메틸에테르를 연료로 사용하는 자동차에서 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템이 개시된다. 더욱 상세하게는, SR-LNT 촉매의 복합 시스템을 이용하여 자동차의 배기가스 중 질소산화물(NOx)을 저감시킬 수 있는 후처리 시스템이 개시된다.
A post-treatment system for reducing nitrogen oxides in automobiles using dimethyl ether as a fuel is disclosed. More specifically, a post-treatment system is disclosed that can reduce nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas of automobiles using a complex system of SR-LNT catalysts.

디메틸에테르(dimethyl ehter, DME)는 석유를 대체할 수 있는 청정연료로 인정받고 있다. DME는 천연가스, 석탄, 바이오매스 등으로부터 제조할 수 있다. DME는 산소 함량이 34.8%이고, 세탄가가 55 정도로 높아 디젤 엔진의 연료로 사용이 가능하다. 또한, 디젤 엔진에서 문제가 되고 있는 입자상물질(particle matter, PM)의 문제점을 해결할 수 있으며, 자착화 특성이 우수한 점 등 최근에 디젤의 대체 연료로 관심이 증가되고 있다.Dimethyl ether (DME) is recognized as a clean fuel that can replace petroleum. DME can be produced from natural gas, coal, biomass and the like. DME has an oxygen content of 34.8% and a cetane number of about 55, making it a fuel for diesel engines. In addition, the problem of particulate matter (PM), which is a problem in diesel engines, can be solved, and in recent years, attention has been increased as an alternative fuel of diesel, such as excellent magnetization characteristics.

아울러, 디메틸에테르는 LPG와 비슷한 물성을 가지고 있기 때문에 기존의 인프라를 대부분 이용할 수 있어서 상용화가 유리하다. 다만, DME를 사용한 엔진은 디젤 엔진보다 NOx(Nitrogen Oxide) 배출량이 약간 적으며, EGR(exhaust-gas recirculation)을 적용하면 NOx의 배출량은 더욱 저감시킬 수 있다. 다만, DME의 낮은 발열량 때문에 과도한 EGR의 사용은 출력 저하가 발생하므로 EGR 사용 비율은 제한을 받는다. 결국, DME를 디젤 엔진에 사용할 경우 NOx 저감은 중요한 과제이며, 최근 유럽의 EURO6 승용자동차 규제(0.08g/km, 2014년 실시)는 EURO5 규제(0.18g/km)와 비교할 때 NOx의 배출량을 거의 1/2 수준으로 낮출 것을 요구하고 있다. 따라서, 자동차의 후처리 장치는 더욱 강화된 NOx 배출 규제를 만족시키는 것이 요구된다.In addition, since dimethyl ether has properties similar to that of LPG, commercialization is advantageous because most existing infrastructures can be used. However, engines using DME have slightly lower NOx (Nitrogen Oxide) emissions than diesel engines, and emissions can be further reduced by applying exhaust-gas recirculation (EGR). However, due to the low calorific value of the DME, excessive use of EGR causes a decrease in output, so the rate of use of EGR is limited. After all, NOx reduction is an important challenge when using DME in diesel engines, and the recent European EURO6 passenger car regulation (0.08g / km, 2014) has almost reduced NOx emissions compared to the EURO5 regulation (0.18g / km). It is demanding that it be lowered to 1/2 level. Thus, aftertreatment devices for automobiles are required to meet more stringent NOx emission regulations.

현재 NOx 저감 촉매로는 LNT(lean NOx trap), urea-SCR(selective catalytic reduction), HC-SCR 등이 매우 잘 알려져 있다. urea-SCR 촉매는 대형 자동차 위주로 상용화 되었으나, 큰 부피를 차지하는 urea-SCR 시스템과 우레아(urea) 수용액 공급을 위한 인프라의 미비는 새로운 후처리 시스템의 대안을 필요로 한다. 반면에, 소형 자동차 위주로 발전한 LNT 촉매는 희박 운전조건에서 NOx를 흡장하였다가 별도의 장치 없이 연료의 후분사를 통해서 얻을 수 있는 환원제(H2, CO, HC)를 이용하여 LNT 촉매에 흡착된 NOx를 효과적으로 제거할 수 있다. 그러나, LNT 역시 환원제로 연료를 사용하기 때문에 연비가 나빠진다.Currently, as the NOx reduction catalyst, lean NOx trap (LNT), urea-SCR (selective catalytic reduction), HC-SCR and the like are very well known. Although urea-SCR catalysts have been commercialized mainly for large vehicles, the lack of infrastructure for supplying large volume urea-SCR systems and aqueous urea solutions requires an alternative to new aftertreatment systems. On the other hand, LNT catalysts developed mainly for small vehicles occupy NOx under lean operation conditions, and NOx adsorbed on the LNT catalyst by using reducing agents (H 2 , CO, HC) obtained through post injection of fuel without a separate device. Can be effectively removed. However, LNT also uses fuel as a reducing agent, resulting in poor fuel economy.

따라서, 높은 NOx 정화효율을 갖는 최적의 환원제를 공급할 필요가 있다. H2는 LNT의 최적의 환원제로써 반응성이 빨라 낮은 온도에서도 활성이 우수하다. 현재 DME를 H2O와 함께 반응시켜 H2를 생성시키는 반응식 1 및 O2와 반응시켜 부분 산화(partial oxidation)로 인해 H2와 CO를 생성시키는 반응식 2의 연구가 진행중이다. 최근에는 H2의 선택도를 높이기 위해 저온 플라즈마 및 디젤 연료 크랙킹 촉매(diesel fuel cracking catalyst)를 이용하여 H2를 생성시키는 연구가 이루어지고 있다. 또한, DME는 황을 포함하고 있지 않기 때문에 LNT 촉매 성능 저하의 원인 중 하나인 황피독으로 인한 LNT 촉매의 활성저하는 발생하지 않는다.Therefore, there is a need to supply an optimal reducing agent with high NOx purification efficiency. H 2 is an optimal reducing agent of LNT, which has fast reactivity and excellent activity even at low temperatures. Currently, a study of Scheme 2, which reacts with D 2 with H 2 O to generate H 2 , generates H 2 and CO due to partial oxidation by reacting with O 2 . Recently, the research to produce H 2 using a low-temperature plasma and diesel fuel cracking catalyst (diesel fuel cracking catalyst) to improve the selectivity of H 2 is made. In addition, since DME does not contain sulfur, the deactivation of the LNT catalyst due to sulfur poisoning, which is one of the causes of the degradation of the LNT catalyst performance, does not occur.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

CH3OCH3 + 3H2O → 6H2 + 2CO2
CH 3 OCH 3 + 3H 2 O → 6H 2 + 2CO 2

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

CH3OCH3 + 1/2O2 → 3H2 + 2CO
CH 3 OCH 3 + 1 / 2O 2 → 3H 2 + 2CO

DME를 SR 촉매(steam reforming catalyst)로 개질하는 반응은 연료전지에 H2를 공급하기 위해서 구리-계열/r-Al2O3 촉매를 중심으로 연구되고 있다. H2의 생성율을 높이기 위해 구리-계열의 촉매에 전이금속을 첨가하거나, r-Al2O3 대신에 산점이 높은 제올라이트를 사용하고, 스피넬 구조를 이용한 연구 등이 이루어지고 있다. 그러나, 구리 촉매의 열적내구성의 약화 및 부반응으로 인한 H2의 선택도가 낮아지는 등 많은 문제점 등이 보고되고 있다.
The reforming of DME into a steam reforming catalyst is being studied around copper-based / r-Al 2 O 3 catalysts to supply H 2 to fuel cells. In order to increase the production rate of H 2 , a transition metal is added to a copper-based catalyst, a zeolite having a high acid point instead of r-Al 2 O 3 , and a spinel structure have been studied. However, many problems have been reported, such as a decrease in the selectivity of H 2 due to weakening of the thermal durability of the copper catalyst and side reactions.

SR-LNT 촉매의 복합 시스템을 이용하여 자동차의 배기가스 중 질소산화물(NOx)을 저감시킬 수 있는 후처리 시스템이 제공된다.
There is provided a post-treatment system that can reduce the NOx in the exhaust gas of a vehicle by using a complex system of SR-LNT catalyst.

본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템은, 엔진부로부터 배출되는 배기가스 및 인젝터로부터 주입되는 디메틸에테르를 포함하는 공급가스부, 상기 디메틸에테르와 반응하는 SR 촉매를 포함하는 제1 촉매부 및 상기 디메틸에테르와 상기 SR 촉매의 반응으로 발생된 환원제와 반응하는 LNT 촉매를 포함하는 제2 촉매부를 포함한다.A post-treatment system for reducing nitrogen oxides according to an embodiment of the present invention includes a feed gas unit including exhaust gas discharged from an engine unit and dimethyl ether injected from an injector, and an SR catalyst reacting with the dimethyl ether. And a second catalyst part including a first catalyst part and an LNT catalyst reacting with a reducing agent generated by the reaction of the dimethyl ether and the SR catalyst.

본 발명의 일 측에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템에서, SR 촉매와 LNT 촉매의 크기는 SR:LNT가 1.0:1 ~ 4.0:1일 수 있다.In a post-treatment system for reducing nitrogen oxides according to one aspect of the present invention, the size of the SR catalyst and the LNT catalyst may be 1.0: 1 to 4.0: 1 for SR: LNT.

본 발명의 일 측에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템에서, 환원제는 H2 또는 CO일 수 있다.In the aftertreatment system for reducing nitrogen oxides according to one side of the present invention, the reducing agent may be H 2 or CO.

본 발명의 일 측에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템에서, SR 촉매는 졸-겔 방법으로 제조될 수 있다.In the aftertreatment system for reducing nitrogen oxides according to one side of the present invention, the SR catalyst can be prepared by the sol-gel method.

본 발명의 일 측에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템에서, SR 촉매에서 구리의 함량은 1 중량% ~ 50 중량%일 수 있다.In the aftertreatment system for reducing nitrogen oxides according to one side of the present invention, the content of copper in the SR catalyst may be 1% by weight to 50% by weight.

본 발명의 일 측에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템에서, SR 촉매는 조촉매로서 아연을 더 포함하며, 아연의 함량은 0 중량% ~ 10 중량%일 수 있다.In the aftertreatment system for reducing nitrogen oxides according to one aspect of the present invention, the SR catalyst further includes zinc as a promoter, and the zinc content may be 0 wt% to 10 wt%.

본 발명의 일 측에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템에서, 디메틸에테르는 공급가스부에 포함된 공급가스의 유량 중 0% ~ 5.0% 범위일 수 있다.In the aftertreatment system for reducing nitrogen oxides according to one side of the present invention, dimethyl ether may be in the range of 0% to 5.0% of the flow rate of the feed gas included in the feed gas portion.

본 발명의 일 측에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템에서, 제1 촉매부 이전에 배치되며, 상기 배기가스 중 탄화수소 또는 일산화탄소와 산화반응을 하는 디젤산화촉매를 포함하는 제3 촉매부를 더 포함할 수 있다.In a post-treatment system for reducing nitrogen oxides according to one aspect of the present invention, the catalyst is disposed before the first catalyst portion, and further includes a third catalyst portion including a diesel oxidation catalyst for oxidizing the hydrocarbon or carbon monoxide in the exhaust gas. can do.

본 발명의 일 측에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템에서, SR 촉매에서 담체의 셀밀도가 100 cpsi(cell per square inch) ~ 1200 cpsi일 수 있다.
In a post-treatment system for reducing nitrogen oxides according to one aspect of the present invention, the cell density of the carrier in the SR catalyst may be 100 cpsi (cell per square inch) ~ 1200 cpsi.

본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템은, LNT 촉매의 앞에 SR 촉매를 배치하여 디메틸에테르와 SR 촉매의 개질 반응으로 생성되는 환원제를 LNT 촉매와의 반응에 이용함으로써, 배출되는 질소산화물을 감소시킬 수 있다. A post-treatment system for reducing nitrogen oxide according to an embodiment of the present invention, by placing the SR catalyst in front of the LNT catalyst, by using the reducing agent produced by the reforming reaction of dimethyl ether and SR catalyst for the reaction of the LNT catalyst, Nitrogen oxides can be reduced.

또한, 디메틸에테르와 SR 촉매의 개질 반응은 흡열반응이므로 외부로부터의 열원 및 수분이 필요하나, 배기가스 내에 존재하는 열원 및 수분을 이용함으로써 별도의 열원 공급장치가 필요하지 않기 때문에 배기가스의 손실 에너지를 줄이고, 비용 절감 및 공정의 단순화를 달성할 수 있다.In addition, since the reforming reaction of dimethyl ether and SR catalyst is endothermic, heat source and moisture from the outside are required, but energy loss of exhaust gas is not required because a separate heat source supply device is not required by using heat source and moisture present in the exhaust gas. Cost reduction and process simplification can be achieved.

나아가, 황을 포함하지 않은 디메틸에테르를 사용하기 때문에 황 피독으로 인한 LNT 촉매의 활성 저하를 방지할 수 있다.
Furthermore, since dimethyl ether containing no sulfur is used, it is possible to prevent a decrease in activity of the LNT catalyst due to sulfur poisoning.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 졸-겔 방법으로 제조된 워시코트(washcoat)의 TEM 사진이다.
도 3a는 DME의 분사량에 따른 NOx 정화율을 나타내며, 도 3b는 DME의 분사량에 따른 DME 슬립(slip) 농도를 나타내며, 도 3c는 분사시간에 따른 NOx 정화율을 나타낸다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 SR 촉매의 종류에 따른 H2 생성율을 나타내며, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 후처리 시스템의 SR+LNT 촉매에서 NOx 정화율을 나타낸다.
도 5a는 SR 촉매의 크기에 따른 H2의 생성율을 나타내며, 도 5b는 SR 촉매의 크기에 따른 NOx 정화율을 나타낸다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 SR 촉매 담체의 셀밀도에 따른 H2의 생성율을 나타내며, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 SR 촉매 담체의 셀밀도에 따른 NOx 정화율을 나타낸다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 후처리 시스템의 SR 촉매에서 Zn을 첨가한 경우의 H2 생성율을 나타내며, 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 후처리 시스템의 SR 촉매에서 Zn을 첨가한 경우의 NOx 정화율을 나타낸다.
1 is a schematic diagram of a post-treatment system for reducing nitrogen oxides according to an embodiment of the present invention.
2 is a TEM photograph of a washcoat prepared by the sol-gel method according to an embodiment of the present invention.
3A shows the NOx purification rate according to the injection amount of the DME, FIG. 3B shows the DME slip concentration according to the injection amount of the DME, and FIG. 3C shows the NOx purification rate according to the injection time.
Figure 4a shows the H 2 generation rate according to the type of SR catalyst according to an embodiment of the present invention, Figure 4b shows the NOx purification rate in the SR + LNT catalyst of the after-treatment system according to an embodiment of the present invention.
5A shows the generation rate of H 2 according to the size of the SR catalyst, and FIG. 5B shows the NOx purification rate according to the size of the SR catalyst.
Figure 6a shows the generation rate of H 2 according to the cell density of the SR catalyst carrier according to an embodiment of the present invention, Figure 6b shows the NOx purification rate according to the cell density of the SR catalyst carrier according to an embodiment of the present invention .
FIG. 7A shows the H 2 generation rate when Zn is added to the SR catalyst of the aftertreatment system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7B shows Zn in the SR catalyst of the aftertreatment system according to an embodiment of the present invention. The NOx purification rate when added is shown.

이하에서는 하기의 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물을 저감시킬 수 있는 후처리 시스템을 설명하기로 한다.
Hereinafter, a post-treatment system capable of reducing nitrogen oxides according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the following drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템의 개략적인 도면이다.1 is a schematic diagram of a post-treatment system for reducing nitrogen oxides according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템은, 엔진부(100)로부터 배출되는 배기가스 및 인젝터(200)로부터 주입되는 디메틸에테르를 포함하는 공급가스부(300), 상기 디메틸에테르와 반응하는 SR 촉매를 포함하는 제1 촉매부(400) 및 상기 디메틸에테르와 상기 SR 촉매의 반응으로 발생된 환원제와 반응하는 LNT 촉매를 포함하는 제2 촉매부(500)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a post-treatment system for reducing nitrogen oxides according to an embodiment of the present invention includes a supply gas unit including exhaust gas discharged from the engine unit 100 and dimethyl ether injected from the injector 200. 300, the first catalyst part 400 including the SR catalyst reacting with the dimethyl ether and the second catalyst part 500 including the LNT catalyst reacting with a reducing agent generated by the reaction of the dimethyl ether and the SR catalyst. ).

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 후처리 시스템은 제1 촉매부 이전에 배치되며, 상기 배기가스 중 탄화수소 또는 일산화탄소와 산화반응을 하는 디젤산화촉매를 포함하는 제3 촉매부(600)를 더 포함할 수 있다.In addition, the after-treatment system according to an embodiment of the present invention is disposed before the first catalyst unit, and further comprises a third catalyst unit 600 including a diesel oxidation catalyst for oxidizing the hydrocarbon or carbon monoxide in the exhaust gas. It may include.

나아가, 제1 촉매부(400), 제2 촉매부(500) 및 제3 촉매부(600)는 각각 다른 촉매장치로 캐닝(canning)되어 일련의 시스템으로 연결될 수 있으며, 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템의 범위에 포함된다.Furthermore, the first catalyst unit 400, the second catalyst unit 500, and the third catalyst unit 600 may be canned by different catalyst devices, respectively, and connected to a series of systems, which is one embodiment of the present invention. It is included in the scope of the aftertreatment system which reduces nitrogen oxide according to an example.

엔진부(100)로부터 탄화수소, 일산화탄소, 산소, 질소산화물 등을 포함하는 배기가스가 배출된다. 배출된 배기가스는 제3 촉매부(600)를 통과한 후 공급가스부(300)에 인젝터(200)로부터 주입된 디메틸에테르와 함께 제1 촉매부(400)로 들어간다. 제1 촉매부(400)에 투입된 디메틸에테르는 SR 촉매와 개질 반응을 일으켜 H2, CO 등의 환원제를 발생시킨다. 상기 SR 촉매는 졸-겔 방법(sol-gel method)에 의해 제조될 수 있다.Exhaust gas containing hydrocarbons, carbon monoxide, oxygen, nitrogen oxides, and the like is discharged from the engine unit 100. The discharged exhaust gas passes through the third catalyst unit 600 and then enters the first catalyst unit 400 together with the dimethyl ether injected from the injector 200 into the feed gas unit 300. Dimethyl ether introduced into the first catalyst unit 400 generates a reforming reaction with the SR catalyst to generate a reducing agent such as H 2 and CO. The SR catalyst can be prepared by the sol-gel method.

디메틸에테르는 하기의 SR 촉매와 개질 반응을 하여 H2, CO 등을 발생시킨다. 공급가스부(300)에 존재하는 배기가스와 디메틸에테르를 포함하는 공급가스는 특정 유량으로 제1 촉매부(400)를 통과하게 된다. 디메틸에테르와 SR 촉매의 개질 반응은 H2의 선택도가 높도록 수행될 수 있으며, H2의 선택도를 높이기 위해 디메틸에테르의 공급량 및 SR 촉매의 온도를 변경할 수 있다. 또한, SR 촉매에서 구리의 함량을 변경할 수 있다. 또한, SR 촉매에서 담체의 셀밀도가 100 cpsi ~ 1200 cpsi일 수 있다. 바람직하게, SR 촉매에서 담체의 셀밀도가 200 cpsi ~ 600 cpsi일 수 있다.Dimethyl ether undergoes a reforming reaction with the following SR catalyst to generate H 2 , CO and the like. The supply gas including the exhaust gas and the dimethyl ether present in the supply gas unit 300 passes through the first catalyst unit 400 at a specific flow rate. Reforming of dimethyl ether and a SR catalyst can be carried out so that the selectivity for H 2 is high, it is possible to change the supply amount and the temperature of the SR catalyst of dimethyl ether to enhance the selectivity of H 2. It is also possible to change the copper content in the SR catalyst. In addition, the cell density of the carrier in the SR catalyst may be 100 cpsi ~ 1200 cpsi. Preferably, the cell density of the carrier in the SR catalyst may be 200 cpsi ~ 600 cpsi.

디메틸에테르의 공급량은 공급가스의 총 유량에 대해 0% ~ 5.0% 범위일 수 있다. 바람직하게, 상기 디메틸에테르의 공급량은 공급가스의 총 유량에 대해 0.5% ~ 2.0%일 수 있다. 상기 H2의 선택도를 높이기 위해 구리의 함량은 SR 촉매 전체의 양 중 1 중량% ~ 50 중량%일 수 있다. 바람직하게, 상기 구리의 함량은 R 촉매 전체의 양 중 5 중량% ~ 40 중량%일 수 있다. 또한, SR 촉매는 조촉매로서 아연을 더 포함할 수 있으며, 아연의 함량은 0 중량% ~ 10 중량%일 수 있다.The supply amount of dimethyl ether may range from 0% to 5.0% relative to the total flow rate of the feed gas. Preferably, the supply amount of the dimethyl ether may be 0.5% to 2.0% relative to the total flow rate of the feed gas. In order to increase the selectivity of the H 2 , the copper content may be 1 wt% to 50 wt% of the total amount of the SR catalyst. Preferably, the copper content may be 5 wt% to 40 wt% of the total amount of the R catalyst. In addition, the SR catalyst may further include zinc as a promoter, and the zinc content may be 0 wt% to 10 wt%.

디메틸에테르와 SR 촉매의 개질 반응으로 인해 생성된 환원제는 상기와 같이 H2 또는 CO일 수 있다. 이러한 환원제는 제2 촉매부(500)에 포함된 LNT 촉매와의 환원 반응에 이용될 수 있다. 특히, H2는 LNT 촉매의 환원제로써 낮은 온도에서도 활성이 가장 우수하다.The reducing agent produced due to the reforming reaction of the dimethyl ether and the SR catalyst may be H 2 or CO as described above. Such a reducing agent may be used in a reduction reaction with the LNT catalyst included in the second catalyst part 500. In particular, H 2 is the most effective at low temperatures as a reducing agent of the LNT catalyst.

제1 촉매부(400)와 제2 촉매부(500) 사이의 온도는 300℃ ~ 450℃의 온도 범위일 수 있다. 제1 촉매부(400)와 제2 촉매부(500) 사이의 온도에 따라 촉매의 활성 온도가 달라질 수 있으며, 촉매의 활성은 질소산화물의 저감과 직접적으로 연관될 수 있다. 결국, 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 저감을 위한 후처리 시스템에서는 제1 촉매부(400)와 제2 촉매부(500) 사이의 온도를 바람직하게는 300℃ ~ 450℃로 유지함으로써 LNT 촉매를 포함하는 제2 촉매부(500) 이후에는 질소산화물이 감소될 수 있다. The temperature between the first catalyst unit 400 and the second catalyst unit 500 may be a temperature range of 300 ℃ to 450 ℃. The activation temperature of the catalyst may vary depending on the temperature between the first catalyst unit 400 and the second catalyst unit 500, and the activity of the catalyst may be directly related to the reduction of nitrogen oxides. As a result, in the aftertreatment system for reducing nitrogen oxides according to an embodiment of the present invention LNT by maintaining the temperature between the first catalyst unit 400 and the second catalyst unit 500 preferably 300 ℃ ~ 450 ℃ After the second catalyst unit 500 including the catalyst, nitrogen oxides may be reduced.

또한, LNT 촉매를 포함하는 제2 촉매부(500)에서의 환원 반응으로 질소산화물을 저감시키기 위해, 제1 촉매부(400)와 제2 촉매부(500)는 5 mm ~ 10 mm 범위로 이격되어 배치될 수 있다. 제1 촉매부(400)에 포함되는 SR 촉매와 제2 촉매부(500)에 포함되는 LNT 촉매의 크기는 SR:LNT가 1.0:1 ~ 4.0:1일 수 있다. 바람직하게, 제1 촉매부(400)에 포함되는 SR 촉매와 제2 촉매부(500)에 포함되는 LNT 촉매의 크기는 SR:LNT가 1.0:1 ~ 2.5:1일 수 있다. 상기 SR 촉매와 상기 LNT 촉매의 크기 비율은 제1 촉매부(400)와 제2 촉매부(500) 사이의 온도에 따라 적절하게 선택될 수 있다.In addition, in order to reduce nitrogen oxides by the reduction reaction in the second catalyst part 500 including the LNT catalyst, the first catalyst part 400 and the second catalyst part 500 are spaced apart in a range of 5 mm to 10 mm. Can be arranged. The SR catalyst included in the first catalyst unit 400 and the LNT catalyst included in the second catalyst unit 500 may have an SR: LNT of 1.0: 1 to 4.0: 1. Preferably, the size of the SR catalyst included in the first catalyst unit 400 and the LNT catalyst included in the second catalyst unit 500 may be 1.0: 1 to 2.5: 1 of SR: LNT. The size ratio of the SR catalyst and the LNT catalyst may be appropriately selected according to the temperature between the first catalyst unit 400 and the second catalyst unit 500.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템은, LNT 촉매의 앞에 SR 촉매를 배치하여 디메틸에테르와 SR 촉매의 개질 반응으로 생성되는 환원제를 LNT 촉매와의 반응에 이용함으로써, 배출되는 질소산화물을 감소시킬 수 있다. Accordingly, the post-treatment system for reducing nitrogen oxides according to an embodiment of the present invention, by placing the SR catalyst in front of the LNT catalyst by using a reducing agent produced by the reforming reaction of dimethyl ether and SR catalyst for the reaction of the LNT catalyst As a result, nitrogen oxides emitted can be reduced.

또한, 디메틸에테르와 SR 촉매의 개질 반응은 흡열반응이므로 외부로부터의 열원 및 수분이 필요하나, 배기가스 내에 존재하는 열원 및 수분을 이용함으로써 별도의 열원 공급장치가 필요하지 않기 때문에 배기가스의 손실 에너지를 줄이고, 비용 절감 및 공정의 단순화를 달성할 수 있다. 또한, 황을 포함하지 않은 디메틸에테르를 사용하기 때문에 황 피독으로 인한 LNT 촉매의 활성 저하를 방지할 수 있다.
In addition, since the reforming reaction of dimethyl ether and SR catalyst is endothermic, heat source and moisture from the outside are required, but energy loss of exhaust gas is not required because a separate heat source supply device is not required by using heat source and moisture present in the exhaust gas. Cost reduction and process simplification can be achieved. In addition, since dimethyl ether which does not contain sulfur is used, it is possible to prevent the deactivation of the LNT catalyst due to sulfur poisoning.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 SR 촉매의 제조 및 후처리 시스템 내의 SR+LNT 촉매로 인한 질소산화물(NOx) 정화율에 관한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, embodiments of the NOx purification rate due to the SR + LNT catalyst in the preparation and post-treatment system of the SR catalyst according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

용어의 설명Explanation of Terms

설정온도 또는 기준온도는, 각각 SR 촉매의 전단의 온도(T1), SR 촉매의 후단 또는 LNT 촉매의 전단의 온도(T2), LNT 촉매의 후단의 온도(T3)를 의미한다.The set temperature or the reference temperature means the temperature T1 at the front end of the SR catalyst, the temperature T2 at the front end of the SR catalyst or the front end of the LNT catalyst, and the temperature T3 at the rear end of the LNT catalyst, respectively.

SR 촉매는 디메틸에테르를 개질하는 데에 사용되는 촉매를 의미하며 LNT 촉매는 NOx를 환원시키는 촉매를 의미한다.SR catalyst refers to a catalyst used to modify dimethyl ether and LNT catalyst refers to a catalyst that reduces NOx.

SR+LNT 촉매는 본 발명의 일 실시예에 따른 후처리 시스템 내에 포함되어 있는 것으로서, SR 촉매가 후처리 시스템내의 전단에 배치되고 그 다음에 LNT 촉매가 배치되는 있는 구조를 의미한다.SR + LNT catalyst is included in the aftertreatment system according to an embodiment of the present invention, and refers to a structure in which the SR catalyst is disposed at the front end of the aftertreatment system and then the LNT catalyst is disposed thereafter.

졸-겔 방법은 SR 촉매를 제조하는 방법 중 하나로써, 하기와 같은 단계로 제조되는 것을 의미한다.The sol-gel method is one of the methods for preparing the SR catalyst, which means that it is prepared in the following steps.

정상상태 조건(steady condition)은 특정의 온도에서 실험을 수행한 것을 의미하며, 과도상태 조건(transient condition)은 온도를 연속적으로 높이면서 실험을 수행한 것을 의미한다.Steady-state condition means that the experiment was performed at a specific temperature, and transient condition means that the experiment was performed while continuously increasing the temperature.

워시코트는 촉매가 더욱 효과적으로 반응할 수 있게 하는 담체의 종류 중 하나로써 활성알루미나를 얇게 코팅한 것을 의미한다.
Washcoat is a type of carrier that allows the catalyst to react more effectively, which means a thin coating of activated alumina.

촉매의 제조Preparation of the catalyst

SR 촉매는 졸-겔 방법으로 직접 제조하였으며, Cu(구리)의 담지량은 10, 20, 30%이다. LNT 촉매는 상용화된 촉매(Ordeg Co.)를 사용하였다. SR 촉매를 졸-겔 방법으로 제조되는 과정을 설명하면 하기와 같다.The SR catalyst was prepared directly by the sol-gel method, and the amount of Cu (copper) supported was 10, 20, 30%. As the LNT catalyst, a commercially available catalyst (Ordeg Co.) was used. A process for preparing the SR catalyst by the sol-gel method is as follows.

SR 촉매는 60℃에서, 100 mL의 H2O에 알루미늄 이소프로폭사이드(aluminum isopropoxide, Al[OCH(CH3)2], sigma Aldrich 99.9%)를 용해시킨 후 각각의 구리 함량에 따라 구리 전구체([Cu(NO3)22.5H2O], sigma Aldrich)를 넣는다. 30분 후 에틸렌글리콜을 10 mL 주입하고 1시간 동안 교반한 후, HNO3를 pH=2가 될 때까지 추가하고 이후 1시간 동안 교반하였다. 이와 같이 제조된 서스펜션(suspension)을 세척한 후 130℃로 건조하였다. 워시코트를 2시간 동안 밀링(milling)하여 500℃에서 5시간 동안 소성하였다. SR catalyst was dissolved in aluminum isopropoxide (Al [OCH (CH 3 ) 2 ], sigma Aldrich 99.9%) in 100 mL of H 2 O at 60 ° C. and then copper precursor according to the respective copper content. ([Cu (NO 3 ) 2 2.5H 2 O], sigma Aldrich) was added. After 30 minutes, 10 mL of ethylene glycol was injected and stirred for 1 hour, HNO 3 was added until pH = 2, followed by stirring for 1 hour. The suspension thus prepared was washed and then dried at 130 ° C. The washcoat was milled for 2 hours and calcined at 500 ° C. for 5 hours.

이후, 워시코트를 담체에 코팅하기 위해 워시코트를 H2O에 넣고 2시간 동안 교반한 후 담체를 담지(dip)한 후 꺼내어 200℃의 온도에서 3L/분 공기 분위기로 30분 동안 건조하였다. 담체에 동일한 양의 워시코트를 로딩(loading)하기 위해 담지하기 전과 후의 촉매 무게를 측정하였다. 촉매는 500℃에서 2시간 동안 하소(calcination) 하였으며, H2로 300℃에서 6시간 동안 환원 처리하였다.
Then, to coat the washcoat on the carrier, the washcoat was put in H 2 O, stirred for 2 hours, and then supported by the carrier (dip), taken out, and dried for 30 minutes in a 3L / min air atmosphere at a temperature of 200 ℃. The catalyst weight was measured before and after loading to load the same amount of washcoat onto the carrier. The catalyst was calcined (calcination) at 500 ° C. for 2 hours and reduced with H 2 at 300 ° C. for 6 hours.

실험 장치Experimental apparatus

SR 촉매의 반응특성 및 SR+LNT 촉매의 NOx 정화효율 평가를 위하여 실험실 규모의 상압 고정층 모델가스 촉매반응 장치를 이용하였다. 일 실시예에서 촉매 반응부는 19 mm의 내경과 350 mm의 길이의 원통형 석영관을 사용하였으며, 촉매는 반응관의 중앙에 고정하였다. 외부 열원의 공급은 전기로를 이용하였다. NOx 정화율 측정 및 DME 슬립 농도는 FTIR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, MIDAC)를 이용하였고, H2 생성율은 GC(gas chromatograph, HP 6890)로 측정하였다.
In order to evaluate the reaction characteristics of SR catalyst and the NOx purification efficiency of SR + LNT catalyst, a laboratory scale atmospheric fixed bed model gas catalysis apparatus was used. In one embodiment, the catalytic reaction part used a cylindrical quartz tube having an internal diameter of 19 mm and a length of 350 mm, and the catalyst was fixed at the center of the reaction tube. The external heat source was supplied using an electric furnace. NOx purification rate measurement and DME slip concentration were measured by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (MIDAC), and H 2 production rate was measured by gas chromatograph (HP 6890).

SRSR 촉매로 인한  Due to catalyst HH 22 of 생성율의Yield 측정방법 How to measure

일 실시예에서 담체는 코디어라이트(cordierite) 재료의 허니컴 타입으로 셀 밀도가 400, 600 cpsi인 것을 사용하였다. 실험은 모두 T2를 설정온도로 하여 DME 변환율 및 H2 생성율을 측정하였다. 모델가스 반응장치에서 촉매의 DME 변환율은 촉매 반응부의 입구와 출구에서 가스 농도를 측정하여 변환율(conversion, %)=(([DMEin]-[DMEout])/[DMEin])×100의 식으로 구하였다. 각각의 반응물의 수율(yield ratio)은 측정하기 전에 표준값을 구했으며, 생성율(production, %)=((반응 가스의 수율/((H2+CO+CH4+CO2)의 수율)×DME 변환율(%))로 구했다.
In one embodiment, the carrier is a honeycomb type of cordierite material having a cell density of 400 and 600 cpsi. Experiments to DME conversion and the H 2 generation rate was measured both by the T2 to the set temperature. In the model gas reactor, the DME conversion rate of the catalyst is measured by measuring the gas concentration at the inlet and the outlet of the catalytic reaction part, and the conversion rate (%, conversion,%) = (([DME in ]-[DME out ]) / [DME in ]) × 100 Obtained by the equation. Yield ratio of each reactant was obtained from the standard value before measurement, and production (%) = ((Yield of reaction gas / ((H 2 + CO + CH 4 + CO 2 )) × DME Conversion rate (%)).

NOxNOx 변환율의 측정방법 How to measure conversion

LNT 촉매의 NOx 정화율 평가는 상용화된 촉매 1개(지름 18 mm, 길이 15 mm, 400 cpsi)를 사용하였다. SR+LNT 촉매는 SR 촉매 1개와 LNT 촉매 1개를 7 mm 간격을 두고 전단에 SR 촉매와 후단에 LNT 촉매를 배치하였다. SR+LNT 촉매의 NOx 변환율 평가는 공급가스의 총 유량을 2L/분으로 하고, SV는 28000h-1이고, H2O는 5%, O2는 10%, CO2는 0, 5%, N2 가스로 밸런스(balance)를 맞추어 공급하였다. 촉매의 온도는 4℃/분으로 200℃부터 500℃까지 과도상태 조건(transient condition)에서 실험을 수행하였다. DME 0.7, 0.85, 1%를 환원제로 공급하였으며, 희박/농후(lean/rich) 시간은 각각 55/5초이다. LNT 촉매만으로 실험한 경우 SV(space velocity)는 28000h-1이며, SR+LNT 촉매의 SV는 9500h-1(30mm), 12000h-1(20mm), 및 17000(10mm)h-1이다.
Evaluation of the NOx purification rate of the LNT catalyst was performed using one commercially available catalyst (18 mm diameter, 15 mm length, 400 cpsi). In the SR + LNT catalyst, one SR catalyst and one LNT catalyst were disposed 7 mm apart from the SR catalyst at the front and the LNT catalyst at the rear. Evaluation of the NOx conversion rate of SR + LNT catalyst was carried out with a total flow rate of 2 L / min of feed gas, SV was 28000h -1 , H 2 O was 5%, O 2 was 10%, CO 2 was 0, 5%, N The balance was supplied with 2 gases. The temperature of the catalyst was carried out under transient conditions from 200 ° C. to 500 ° C. at 4 ° C./min. 0.7, 0.85, and 1% of DME were supplied as reducing agents, and the lean / rich time was 55/5 seconds, respectively. When tested with LNT catalyst alone, the SV (space velocity) is 28000 h −1 , and the SV of SR + LNT catalyst is 9500 h −1 (30 mm), 12000 h −1 (20 mm), and 17000 (10 mm) h −1 .

이하에서는 도 2 내지 도 7을 참조하여 실험결과를 설명하기로 한다.Hereinafter, the experimental results will be described with reference to FIGS. 2 to 7.

SRSR 촉매의 특성 Characteristics of the catalyst

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 졸-겔 방법으로 제조된 워시코트의 TEM 사진이다. 이는 졸-겔 방법으로 제조한 워시코트의 구리 입자 크기 및 분산성 관찰을 위한 것이다. 도 2에서 (a) 및 (b)를 보면, Cu 담지량이 많으면 H2 생성에 유리하지만, 너무 많은 양의 Cu 담지량은 분산성을 떨어뜨린다. 또한, Cu 촉매의 조촉매로써 Zn의 혼합은 Cu 입자 크기의 감소 및 분산성을 향상시킨다. Cu30/r-Al2O3을 이용한 SR 촉매의 조촉매로써 Zn을 1% 혼합하였을 때, Cu의 입자 성장을 억제하여 입자의 분산성이 높아짐을 알 수 있다.Figure 2 is a TEM picture of the washcoat prepared by the sol-gel method according to an embodiment of the present invention. This is for observation of copper particle size and dispersibility of washcoats prepared by sol-gel method. Referring to (a) and (b) in FIG. 2, when the amount of Cu supported is large, it is advantageous to generate H 2 , but too much amount of Cu reduces the dispersibility. In addition, the mixing of Zn as a cocatalyst of the Cu catalyst improves the Cu particle size and improves dispersibility. When Zn is mixed with 1% as a promoter of the SR catalyst using Cu30 / r-Al 2 O 3 , it can be seen that the particle growth of Cu is suppressed and particle dispersibility is increased.

BET 표면적은 Cu 담지량이 많아질수록 작아졌으며, 이는 상대적으로 Cu가 30% 포함되어 있는 r-Al2O3의 표면적이 작아지기 때문이다. Zn의 첨가시 BET 표면적은 더욱 작아졌다. 반면에, Cu 표면적은 Cu 담지량이 많아질수록 넓어진다. 조촉매로써 Zn을 1% 첨가한 Cu29Zn1/r-Al2O3 촉매를 Cu30/r-Al2O3과 비교하면, Cu29Zn1/r-Al2O3 촉매는 Cu 입자 성장을 억제하여 Cu의 분산성이 향상되어 Cu 표면적이 더 넓어졌다. 한편, Zn을 5% 첨가한 Cu25Zn5/r-Al2O3 촉매의 BET 표면적은 Cu30/r-Al2O3 촉매보다 작았다. 따라서, Cu 표면적을 넓히기 위한 Zn의 양은 5% 보다는 1%가 더 유리하다는 것을 알 수 있다.
The BET surface area decreased as the amount of Cu supported increased, because the surface area of r-Al 2 O 3 containing 30% Cu was relatively small. The addition of Zn resulted in a smaller BET surface area. On the other hand, the Cu surface area becomes larger as the amount of Cu supported. Comparing Cu29Zn1 / r-Al 2 O 3 catalyst with 1% Zn as cocatalyst with Cu30 / r-Al 2 O 3 , Cu29Zn1 / r-Al 2 O 3 catalyst suppresses the growth of Cu particles, The acidity was improved, resulting in a wider Cu surface area. On the other hand, the BET surface area of the Cu 25 Zn 5 / r-Al 2 O 3 catalyst to which Zn was added 5% was smaller than that of the Cu 30 / r-Al 2 O 3 catalyst. Therefore, it can be seen that the amount of Zn to increase the Cu surface area is 1% more advantageous than 5%.

LNTLNT 촉매의  Catalytic NOxNOx 정화 purification

도 3a는 DME의 분사량에 따른 NOx 정화율을 나타내며, 도 3b는 DME의 분사량에 따른 DME 슬립 농도를 나타내며, 도 3c는 분사시간에 따른 NOx 정화율을 나타낸다.3A shows the NOx purification rate according to the injection amount of the DME, FIG. 3B shows the DME slip concentration according to the injection amount of the DME, and FIG. 3C shows the NOx purification rate according to the injection time.

도 3a를 참조하면, DME의 공급량은 0.7, 0.85, 1%이다. LNT 촉매가 없는 상태에서 DME 1%를 공급하여 NOx 정화율도 함께 관찰하였다. LNT 촉매는 200℃에서 가장 많은 흡착량을 보이지만, DME의 반응성이 낮기 때문에 상대적으로 NOx 정화율은 낮다. 350℃에서 DME를 0.7, 0.85, 1%로 공급했을 때, NOx 정화율은 각각 60, 80, 85%를 나타내었다. DME의 공급량이 1% 및 0.7%인 경우, 350℃의 온도에서의 NOx 정화율은 약 25%의 차이를 보이고 있다. Referring to Figure 3a, the supply amount of DME is 0.7, 0.85, 1%. In the absence of the LNT catalyst, 1% DME was supplied to observe the NOx purification rate. LNT catalyst shows the most adsorption amount at 200 ° C, but relatively low NOx purification rate because of low reactivity of DME. When DME was supplied at 0.7, 0.85, and 1% at 350 ° C, the NOx purification rates were 60, 80, and 85%, respectively. In the case of 1% and 0.7% of DME supplied, the NOx purification rate at a temperature of 350 ° C. shows a difference of about 25%.

그러나, 도 3b에서 DME 슬립 농도를 관찰하면, 모든 온도 구간에서 DME 1%가 공급될 때 NOx 정화율은 가장 높지만, 300℃에서 DME 슬립 농도 역시 가장 높다. 또한, 촉매가 없는 고온상태에서 DME가 열분해되어 생성하는 H2로 인한 NOx 정화율을 관찰하였으나, 500℃보다 낮은 온도에서는 NOx 정화율에 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다. However, when the DME slip concentration is observed in FIG. 3B, the NOx purification rate is highest when DME 1% is supplied in all temperature ranges, but the DME slip concentration is also highest at 300 ° C. In addition, the NOx purification rate due to H 2 generated by thermal decomposition of DME in the high temperature state without the catalyst was observed, but it can be seen that it does not affect the NOx purification rate at a temperature lower than 500 ° C.

도 3c는 DME를 0.7%로 공급시 희박/농후 시간을 55/3, 55/5, 55/8초로 변경하였을 때의 NOx 정화율이다. DME 공급량이 가장 많은 55/8초일 때 가장 높은 NOx 정화율을 나타내었다. 결과적으로 환원제로 사용되는 DME의 분사량과 분사시간이 길수록 NOx 정화율은 상승하지만, LNT 후단에서 DME 슬립 농도 역시 높아진다는 것을 알 수 있다. 따라서, LNT의 연료의 경제성과 DME 슬립을 고려하면 SR+LNT 시스템에 공급되는 DME의 공급량은 0.7%, 희박/농후 시간은 55/5초가 유리할 것이다.
3C shows the NOx purification rate when the lean / rich time is changed to 55/3, 55/5, 55/8 seconds when DME is supplied at 0.7%. The highest NOx purification was achieved at the highest DME feed rate of 55/8 seconds. As a result, the longer the injection amount and injection time of the DME used as a reducing agent increases the NOx purification rate, but it can be seen that the DME slip concentration also increases at the rear end of the LNT. Therefore, considering the fuel economy of the LNT and the DME slip, the amount of DME supplied to the SR + LNT system would be 0.7% and the lean / rich time 55/5 seconds.

SRSR 촉매로 인한  Due to catalyst DMEDME 변환 conversion

도 4a은 본 발명의 일 실시예에 따른 SR 촉매의 종류에 따른 H2 생성율을 나타내며, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 후처리 시스템의 SR+LNT 촉매에서 NOx 정화율을 나타낸다.Figure 4a shows the H 2 generation rate according to the type of SR catalyst according to an embodiment of the present invention, Figure 4b shows the NOx purification rate in the SR + LNT catalyst of the after-treatment system according to an embodiment of the present invention.

SR 촉매의 크기는 LNT 촉매의 2배이며, 셀 밀도는 같은 400 cpsi를 사용하였다. 도 4a를 참조하면, 3종류(Cu10, 20, 30/r-Al2O3)의 SR 촉매의 H2 생성율은 350℃에서 각각 22%, 30%, 58%를 나타내었다. 구리 함량이 가장 많은 Cu30/r-Al2O3 촉매의 H2 생성율이 가장 높다. DME가 가수분해되어 메탄올로 되고, 이 메탄올은 다시 구리에 의해 개질되어 H2가 생성되기 때문에 구리의 함량이 많을수록 H2 생성에 유리하다. 다만, 구리의 함량이 많은 경우에는 오히려 분산성이 나빠지기 때문에 구리의 함량은 30 중량%가 최적의 범위일 수 있으나, H2의 생성 측면에서, SR 촉매에 포함되는 최적의 구리의 함량은 SR 촉매의 제조방법에 따라 다를 수 있다.The size of the SR catalyst was twice that of the LNT catalyst and the same cell density was used at 400 cpsi. Referring to FIG. 4A, the H 2 generation rates of the three types (Cu10, 20, 30 / r-Al 2 O 3 ) SR catalysts were 22%, 30%, and 58% at 350 ° C, respectively. The Cu 30 / r-Al 2 O 3 catalyst with the highest copper content has the highest H 2 production rate. Since DME is hydrolyzed to methanol, and this methanol is again modified by copper to produce H 2 , a higher copper content is advantageous for H 2 formation. However, when the copper content is large, the dispersibility is deteriorated, so the copper content may be 30% by weight in an optimal range. However, in view of the generation of H 2 , the optimal copper content in the SR catalyst is SR It may vary depending on the preparation of the catalyst.

Cu30/r-Al2O3는 400℃에서 70% 이상의 높은 H2 생성율이 관찰되었으며, 온도가 상승할수록 H2의 생성율은 상승하였다. 그러나, 450℃의 높은 온도에서는 역수성가스 반응으로 H2 생성율은 감소하며, CO 생성율은 높아지는 현상이 관찰되었다.Cu30 / r-Al 2 O 3 showed a high H 2 generation rate of 400% or higher at 400 ° C., and the H 2 production rate increased with increasing temperature. However, at a high temperature of 450 ° C., a phenomenon in which H 2 production rate decreases and CO production rate increases due to a reverse water gas reaction is observed.

본 발명의 일 실시예에 따른 후처리 시스템의 SR+LNT 촉매에서 CO는 H2와 함께 우수한 환원제일 수 있다. SR+LNT 촉매에서 NOx 정화율은 LNT 촉매만을 사용한 경우와 비교할 때 200℃ 및 250℃에서 비슷한 정화율을 나타내었다. 그러나, 350℃에서 NOx 정화율은 Cu20/r-Al2O3+LNT 촉매가 74%, Cu30/r-Al2O3+LNT 촉매가 78%를 나타내었다. In the SR + LNT catalyst of the aftertreatment system according to an embodiment of the present invention, CO may be an excellent reducing agent together with H 2 . The NOx purification rate in SR + LNT catalysts showed similar purification rates at 200 ° C and 250 ° C compared to the case where only LNT catalysts were used. However, NOx purification rate at 350 ℃ exhibited a Cu20 / r-Al 2 O 3 + LNT catalyst is 74%, Cu30 / r-Al 2 O 3 + LNT catalyst is 78%.

결국, 350℃에서 본 발명의 일 실시예에 따른 후처리 시스템의 SR+LNT 촉매가 LNT 촉매만을 사용한 경우와 비교할 때, NOx 정화율이 약 20% 더 높았다. 이는 LNT 촉매에 환원제로써 DME를 공급하는 것보다 SR 촉매에서 환원제로 H2를 생성하여 LNT 촉매에 공급하면 NOx 정화율 향상에 더 유리하다는 것을 알 수 있다. As a result, the NOx purification rate was about 20% higher at 350 ° C. compared with the SR + LNT catalyst of the aftertreatment system according to one embodiment of the present invention using only LNT catalyst. This can be seen that it is more advantageous to improve the NOx purification rate when H 2 is produced as a reducing agent in the SR catalyst and supplied to the LNT catalyst than the DME is supplied to the LNT catalyst as the reducing agent.

또한, DME를 SR 촉매로 개질하는 반응은 촉매의 온도가 높을수록 H2의 생성에 유리하며, 고온에서 SR+LNT 촉매에서 NOx 정화율 향상을 기대하였으나, 400℃ 이상의 온도에서 LNT 촉매의 NO 흡착량이 작기 때문에 NOx 정화율을 감소하였다.
In addition, the reaction of reforming DME to SR catalyst is advantageous for the generation of H 2 as the temperature of the catalyst is higher, and it is expected to improve the NOx purification rate at SR + LNT catalyst at high temperature, but the adsorption of NO to the LNT catalyst at a temperature of 400 ° C. or higher. Since the amount was small, the NOx purification rate was reduced.

도 5a는 SR+LNT 촉매의 시스템에서 SR 촉매의 크기에 따른 H2의 생성율을 나타내며, 도 5b는 SR 촉매의 크기에 따른 NOx 정화율을 나타낸다.Figure 5a shows the production rate of H 2 according to the size of the SR catalyst in the system of SR + LNT catalyst, Figure 5b shows the NOx purification rate according to the size of the SR catalyst.

SR 촉매는 H2의 생성율이 가장 우수한 Cu30/r-Al2O3를 이용하였다. SR:LNT 비율은 0.6:1, 1.3:1, 및 2:1이며, 촉매의 셀밀도는 400 cpsi이다. 도 5a를 참조하면, H2의 생성율은 300℃에서는 크기에 따라 각각 5, 8, 21%를 나타내었으며, 400℃에서는 각각 48, 64, 72%를 나타내었다. 결국, SR 촉매의 크기가 클수록 H2의 생성율은 높음을 알 수 있다. 이는 DME를 SR 촉매로 개질하는 반응에서 촉매와 반응할 수 있는 시간(체류시간, residence time)이 더 많기 때문이다. As the SR catalyst, Cu30 / r-Al 2 O 3 having the highest production rate of H 2 was used. The SR: LNT ratios are 0.6: 1, 1.3: 1, and 2: 1 and the cell density of the catalyst is 400 cpsi. Referring to FIG. 5A, the production rates of H 2 were 5, 8, and 21% at 300 ° C., respectively, and 48, 64, and 72% at 400 ° C., respectively. As a result, it can be seen that the larger the size of the SR catalyst, the higher the production rate of H 2 . This is because the reaction time with the catalyst in the reaction for reforming the DME to the SR catalyst has a longer residence time.

도 5b를 참조하면, 크기가 다른 3종류의 SR+LNT 촉매에서의 NOx 정화율은 온도가 350℃ 이하에서 SR:LNT=1.3:1일 때 가장 높고, 이 온도 이상에서 NOx 정화율은 SR:LNT=2:1일 때 가장 높음을 알 수 있다.
Referring to FIG. 5B, the NOx purification rate in three SR + LNT catalysts of different sizes is highest when SR: LNT = 1.3: 1 at a temperature of 350 ° C. or lower, and above the temperature, the NOx purification rate is SR: It can be seen that the highest when LNT = 2: 1.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 SR 촉매 담체의 셀밀도에 따른 H2의 생성율을 나타내며, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 SR 촉매 담체의 셀밀도에 따른 NOx 정화율을 나타낸다.Figure 6a shows the generation rate of H 2 according to the cell density of the SR catalyst carrier according to an embodiment of the present invention, Figure 6b shows the NOx purification rate according to the cell density of the SR catalyst carrier according to an embodiment of the present invention .

도 6a를 참조하면, 400 cpsi을 사용한 SR 촉매의 H2 생성율은 300, 350, 400℃에서 각각 10, 40, 60%의 H2 생성율을 나타내었다. 반면, 600 cpsi를 사용한 SR 촉매의 H2 생성율은 300, 350, 400℃에서 각각 20, 50, 60%의 H2 생성율을 나타내었다. 이와 같이, 600 cpsi를 사용한 SR 촉매의 H2 생성율이 400 cpsi에서보다 더 높음을 알 수 있다. Referring to FIG. 6A, the H 2 production rate of the SR catalyst using 400 cpsi was 10, 40, and 60% H 2 production rates at 300, 350, and 400 ° C., respectively. On the other hand, the H 2 production rate of the SR catalyst using 600 cpsi showed 20, 50, 60% H 2 production rate at 300, 350, 400 ℃, respectively. As such, it can be seen that the H 2 production rate of the SR catalyst using 600 cpsi is higher than at 400 cpsi.

도 6b를 참조하면, 400 cpsi 및 600 cpsi를 사용한 SR+LNT 촉매에서 NOx 정화율은 각각 75, 85%를 나타내었다. 셀밀도가 높은 600 cpsi를 사용한 SR 촉매의 H2 생성율이 더 높기 때문에 600 cpsi를 사용한 SR+LNT 촉매에서 NOx 정화율이 더 높았다. 이는 상대적으로 셀밀도가 높은 600 cpsi가 400 cpsi 보다 워시코트의 담지량이 많아, 촉매가 반응가스와 반응할 수 있는 기회가 많아지기 때문이다.
Referring to FIG. 6B, the NOx purification rates for the SR + LNT catalyst using 400 cpsi and 600 cpsi were 75 and 85%, respectively. The higher H 2 production rate of SR catalyst with 600 cpsi of higher cell density resulted in higher NOx purification rate of SR + LNT catalyst with 600 cpsi. This is because 600 cpsi, which has a relatively high cell density, has a larger amount of support for the washcoat than 400 cpsi, which increases the chance of the catalyst reacting with the reaction gas.

도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 후처리 시스템의 SR 촉매에서 Zn을 첨가한 경우의 H2 생성율을 나타내며, 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 후처리 시스템의 SR 촉매에서 Zn을 첨가한 경우의 NOx 정화율을 나타낸다.FIG. 7A shows the H 2 generation rate when Zn is added to the SR catalyst of the aftertreatment system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7B shows Zn in the SR catalyst of the aftertreatment system according to an embodiment of the present invention. The NOx purification rate when added is shown.

구리를 함유하는 SR 촉매에 H2 생성율을 높이기 위해 조촉매로써 전이금속의 일종인 Zn을 1%, 5%로 혼합하였다. SR 촉매는 Cu30, Cu29Zn1, Cu25Zn5/r-Al2O3를 이용하여 실험하였다.In order to increase the H 2 production rate in the SR catalyst containing copper, Zn, a kind of transition metal, was mixed at 1% and 5% as a cocatalyst. SR catalyst was tested using Cu30, Cu29Zn1, Cu25Zn5 / r-Al 2 O 3 .

도 7a를 참조하면, H2 생성율은 350℃에서 48, 54, 37%를 나타내며, 400℃에서 59, 70, 51%를 나타내었다. SR 촉매의 H2 생성율은 Cu29Zn1>Cu30>Cu25Zn5/r-Al2O3 의 순서로 나타났다. 이는 상기의 결과와 마찬가지로, Zn의 1% 혼합으로 Cu의 분산성이 향상되어 Cu의 표면적을 증가하였기 때문이다. 한편, Zn을 5%로 혼합한 Cu25Zn5/r-Al2O3는 Cu30/Al2O3 보다 낮은 H2 생성율을 나타내었으며, 이는 Zn을 5%로 혼합한 경우는 Cu의 분산성을 높이지 못하였으며, 담지된 Cu의 양도 Cu30/r-Al2O3 보다 적기 때문이다.Referring to Figure 7a, the H 2 production rate was 48, 54, 37% at 350 ℃, it was 59, 70, 51% at 400 ℃. The H 2 production rate of the SR catalyst was found in the order of Cu 29 Zn 1> Cu 30> Cu 25 Zn 5 / r-Al 2 O 3 . This is because, as with the above results, the dispersibility of Cu was improved by mixing 1% of Zn to increase the surface area of Cu. Meanwhile, Cu25Zn5 / r-Al 2 O 3 containing 5% Zn exhibited a lower H 2 generation rate than Cu30 / Al 2 O 3 , which means that when 5% Zn is mixed, the dispersibility of Cu is not increased. This is because the amount of Cu supported is less than that of Cu30 / r-Al 2 O 3 .

도 7b를 참조하면, NOx의 정화율도 Cu29Zn1>Cu30>Cu25Zn5/r-Al2O3의 순서로 나타났다.
Referring to FIG. 7B, the purification rate of NOx was also shown in the order of Cu29Zn1>Cu30> Cu25Zn5 / r-Al 2 O 3 .

결국, 본 발명의 일 실시예에 따른 졸-겔 방법으로 제조된 SR 촉매 중 구리의 함량이 30중량%인 Cu30/r-Al2O3 촉매가 높은 DME 변환율을 나타내었으며, SR 촉매는 온도가 상승할수록 H2 생성율은 증가하였으며, 450℃ 이상의 온도에서는 역수성가스 반응으로 인해 H2 생성율은 감소하며 CO의 생성율은 증가하였다.As a result, the Cu 30 / r-Al 2 O 3 catalyst having a copper content of 30% by weight in the SR catalyst prepared by the sol-gel method according to an embodiment of the present invention showed a high DME conversion rate, and the SR catalyst had a high temperature. As it increased, the H 2 production rate increased, and at a temperature above 450 ° C., the H 2 production rate decreased and the CO production rate increased due to the reverse water gas reaction.

또한, DME 변환율과 H2 생성율은 촉매의 크기가 클수록 우수하였으며, 담체의 셀밀도가 600 cpsi일 때 가장 우수하였고, 조촉매로써 Zn을 1%로 혼합한 Cu29Zn1/r-Al2O3 촉매가 가장 우수하였다. NOx 정화율에 있어서는 Cu29Zn1/r-Al2O3 촉매(1.3:1, 600 cpsi)를 이용한 SR+LNT 촉매가 300℃ 이상에서 우수한 NOx 정화율을 나타내었으며, LNT 촉매만을 사용할 경우과 비교할 때 NOx 정화율이 약 20% 이상 향상되었다.
In addition, DME conversion and H 2 production rate were excellent as the catalyst size was larger, and the best when the cell density of the carrier was 600 cpsi, and Cu29Zn1 / r-Al 2 O 3 catalyst containing 1% Zn as a promoter was used. Best. In terms of NOx purification rate, SR + LNT catalyst using Cu29Zn1 / r-Al 2 O 3 catalyst (1.3: 1, 600 cpsi) showed excellent NOx purification rate above 300 ℃, and NOx purification compared to the case of using only LNT catalyst The rate has improved by more than about 20%.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments can be modified and implemented. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.

100 : 엔진부 200 : 인젝터
300 : 공급가스부 400 : 제1 촉매부
500 : 제2 촉매부 600 : 제3 촉매부
100: engine 200: injector
300: supply gas unit 400: first catalyst unit
500: second catalyst unit 600: third catalyst unit

Claims (9)

엔진부로부터 배출되는 배기가스 및 인젝터로부터 주입되는 디메틸에테르(dimethyl ether, DME)를 포함하는 공급가스를 제공하는 공급가스부;
상기 디메틸에테르와 반응하는 SR(steam reforming) 촉매를 포함하는 제1 촉매부; 및
상기 디메틸에테르와 상기 SR 촉매의 반응으로 발생된 H2 환원제 또는 CO 환원제와 반응하는 LNT(lean NOx trap) 촉매를 포함하는 제2 촉매부를 포함하고,
상기 SR 촉매와 상기 LNT 촉매의 크기비가 1.0:1 ~ 1.5:1이고,
상기 SR 촉매에서 구리의 함량은 1 중량% ~ 50 중량%이고,
상기 SR 촉매는 조촉매로서 아연을 포함하며, 상기 아연의 함량은 0 중량% 초과 3 중량% 이하이고,
상기 배기가스의 폐열을 열원으로 이용하는 것인,
질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템.
A feed gas unit providing a feed gas including exhaust gas discharged from an engine unit and dimethyl ether (DME) injected from an injector;
A first catalyst part including a steam reforming (SR) catalyst reacting with the dimethyl ether; And
A second catalyst part including an LNT (lean NOx trap) catalyst reacting with a H 2 reducing agent or a CO reducing agent generated by the reaction of the dimethyl ether and the SR catalyst,
Size ratio of the SR catalyst and the LNT catalyst is 1.0: 1 to 1.5: 1,
Copper content in the SR catalyst is 1% by weight to 50% by weight,
The SR catalyst comprises zinc as a promoter and the content of zinc is greater than 0% by weight and no greater than 3% by weight,
Using waste heat of the exhaust gas as a heat source,
Post-treatment system to reduce NOx.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 SR 촉매는 졸-겔 방법(sol-gel method)으로 제조되는 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템.
The method of claim 1,
The SR catalyst is a post-treatment system to reduce the nitrogen oxides produced by the sol-gel method.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 디메틸에테르는 상기 공급가스부에 포함된 공급가스 중 0% ~ 5.0% 범위인 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템.
The method of claim 1,
The dimethyl ether is a post-treatment system to reduce the nitrogen oxides in the range of 0% to 5.0% of the feed gas contained in the feed gas portion.
제1항에 있어서,
상기 제1 촉매부 이전에 배치되며, 상기 배기가스 중 탄화수소 또는 일산화탄소와 산화반응을 하는 디젤산화촉매를 포함하는 제3 촉매부를 더 포함하는 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템.
The method of claim 1,
And a third catalyst part disposed before the first catalyst part, the third catalyst part including a diesel oxidation catalyst that oxidizes hydrocarbons or carbon monoxide in the exhaust gas.
제1항에 있어서,
상기 SR 촉매에서 담체의 셀밀도가 100 cpsi ~ 1200 cpsi인 질소산화물을 저감시키는 후처리 시스템.
The method of claim 1,
A post-treatment system to reduce nitrogen oxides having a cell density of 100 cpsi to 1200 cpsi in the SR catalyst.
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