KR101334826B1 - 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명과 관련된 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치는, 입자상 물질이 포함된 선박의 배기가스가 공급되는 배기관; 상기 배기가스에 요소수를 분사할 수 있도록 상기 배기관에 설치되는 요소수 공급부; 상기 요소수와 혼합된 배기가스를 사이클론 형태로 유동시켜 상기 배기가스 중의 입자상 물질이 중력과 원심력에 의하여 하방으로 분리되도록 구성된 사이클론 구조체; 및 상기 사이클론 구조체의 중심에 배치되며, 상기 요소수와 혼합된 배기가스가 하부에서 인입되어 상부로 배출되는 동안 촉매에 의하여 상기 배기가스 중의 질소화합물이 선택적으로 환원되어 배출될 수 있게 구성된 선택적 환원촉매 모듈을 포함한다.

Description

사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치{SELECTIVE CATALYST REDUCTION SYSTEM FOR VESSEL USING CYCLONE SYSTEM}
본 발명은 선박의 내연기관 등에서 발생하는 질소산화물을 저감시키기 위하여 저감 성능에 영향을 주는 입자상 물질을 미리 줄여 주고, 선택적 촉매환원장치의 성능을 향상시키기 위한 장치에 관한 것이다.
선박의 내연기관이나 대형 소각로나 플랜트 등에서는 고유황유, 벙크유 등 상대적으로 값이 싼 하급 연료를 사용하는 경우가 많기 때문에, 고체 입자상 물질의 발생이 많고 연소조건도 열악하여 생성된 입자상 물질의 크기가 크고 성분도 다양하게 구성되어 있다.
화석연료의 사용에 따라 발생하는 연소 부산물은 산성비, 광화학적 스모그 등의 문제를 발생시키는 것으로서, 이들을 유해하지 않은 물질로 전환시키는 환경설비가 필요하다. 선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction: SCR)는 이중 이중 질소산화물(NOx)이 대기중으로 배출되기 전에 귀금속 촉매를 사용하여 선택적으로 환원시킴으로써 유해하지 않은 물질로 전환시키는 장치이다.
선택적 환원촉매는 대량의 배기가스 중에서 소량의 질소 산화물을 선택적으로 환원시켜야 하므로, 반응물과 접촉 상태를 결정하는 지지체의 종류, 형태, 세공 크기 분포 등과 같이 촉매 활성에 영향을 미치는 인자들을 고려해야 한다. 일 예로서, 선택적 촉매환원장치의 성능을 유지하고 담체의 고체 입자상 물질에 의한 막힘을 예방하기 위해서, 담체 셀의 크기를 크게 하고, 슛 블로워를 설치하여 일정시간 간격으로 압축공기를 사용하여 불어내기를 반복하기도 한다.
고체 입자상 물질에 의해 완전히 막힌 담체의 경우, 사용이 불가능하기 때문에 장치에서 탈거하여 세척, 재생 후 재설치하여 사용하거나 새것으로 교체하기도 한다.
이와 같이, 선박에 선택적 환원촉매를 적용하는 종래의 장치의 경우, 다량의 입자상 물질에 의한 성능저하를 수반하게 되고, 이를 제거하는 공정 또한 불편함과 비용이 발생하게 된다는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 점을 감안한 것으로, 고체 입자상 물질의 배출이 심한 선박에서 질소산화물 저감장치인 선택적 촉매환원장치의 전환효율을 높이고 사용수명을 늘릴 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 촉매의 외관 구조와 배기가스의 유입구 형상, 위치 등을 사이클론 효과가 발생하도록 함으로써 고체 입자상 물질이 원심력과 중력에 의해 배기가스와 분리시켜 촉매로 유입되는 것을 최소화하는데 있다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명과 관련된 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치는, 입자상 물질이 포함된 선박의 배기가스가 공급되는 배기관; 상기 배기가스에 요소수를 분사할 수 있도록 상기 배기관에 설치되는 요소수 공급부; 상기 요소수와 혼합된 배기가스를 사이클론 형태로 유동시켜 상기 배기가스 중의 입자상 물질이 중력과 원심력에 의하여 하방으로 분리되도록 구성된 사이클론 구조체; 및 상기 사이클론 구조체의 중심에 배치되며, 상기 요소수와 혼합된 배기가스가 하부에서 인입되어 상부로 배출되는 동안 촉매에 의하여 상기 배기가스 중의 질소화합물이 선택적으로 환원되어 배출될 수 있게 구성된 선택적 환원촉매 모듈을 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치는, 상기 요소수 공급부와 상기 사이클론 구조체 사이에 배치되며, 상기 요소수와 상기 배기가스를 균일하게 혼합시킬 수 있게 형성된 혼합기를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치는, 상기 선택적 환원촉매 모듈의 상부에 배치되고, 상기 선택적 환원촉매모듈에 부착된 입자상 물질의 제거를 위해 압축공기를 분사하는 블로어(blower)를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치는, 상기 배기관과 상기 요소수 공급부 사이에 배치되고, 상기 배기가스의 공급을 제어할 수 있게 형성된 유동제어밸브를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치는, 상기 유동제어밸브에 연결되며, 상기 유동제어밸브의 상태에 따라 상기 배기가스가 바이배스될 수 있게 형성된 바이배스관을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치는, 상기 사이클론 구조체의 하부에 배치되며, 상기 선택적 환원촉매 모듈에 공급되는 상기 배기가스를 반응온도로 승온시키는 가열부를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 가열부는 전기히터 또는 버너를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 가열부는 상기 배기가스로부터 분리된 고체 입자를 태울 수 있는 온도까지 승온되도록 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치는, 상기 가열부의 동작이 주기적으로 이루어질 수 있게 상기 가열부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 사이클론 구조체 및 상기 선택적 촉매환원 모듈은 연직방향을 향하도록 세워진 형태로 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 요소수는 암모니아 또는 우레아(urea)를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치에 의하면, 고체입자상 물질이 다량으로 포함된 배기가스가 촉매 모듈에 공급되기에 앞서 사이클론 구조체를 통과하는 동안 고체 입자상 물질이 분리되므로 촉매 셀의 막힘을 예방할 수 있으며, 셀의 밀도가 높임으로써 전체 장치의 부피를 줄일 수 있다. 또한, 입자상 물질의 부착에 의한 촉매활성의 저하를 막을 수 있으므로 전체 효율을 크게 개선시킨다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 사이클론 구조체의 하부에 가열부를 둠으로써 촉매에 공급되는 배기사스를 용이하게 반응온도로 승온시킬 수 있으며, 고체 입자상 물질은 이를 태움으로써 완벽한 제거를 할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명과 관련된 일 예에 따른 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치(100)를 개략적으로 보인 개념적 구성도
도 2는 본 발명과 관련된 다른 예에 따른 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치(200)를 개략적으로 보인 개념적 구성도
도 3은 본 발명과 관련된 또 다른 예에 따른 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치(300)를 개략적으로 보인 개념적 구성도
선박의 내연기관, 또는 대형 소각로나 플랜트 등지에서 발생하는 입자상 물질은 연료 중 탄소가 탄화되어 핵이 형성되고 미연의 연료가 흡착되거나 엔진 오일의 첨가제, 연료 성분 중 황성분이 흡착되어 형성되는데, 수십 ㎚~ 수십 ㎛의 크기분포를 가지며 사용연료의 종류, 연료분사압력, 연소실의 압축비 등에 따라 다양한 분포와 조성을 갖는다.
선박은 자동차에 비해 저질연료를 사용하고 황함유량도 높을 뿐만 아니라 분사압력이 낮고 연소실이 크고 엔진의 회전수가 낮아 입자상 물질의 양이 많고 크기와 중량도 크다. 또한 연소온도가 낮기 때문에 휘발성 성분이 많아 촉매에 부착될 경우 촉매의 반응 부분을 막아 질소산화물의 환원작용을 방해할 뿐만 아니라 황산화물까지 부착되어 촉매의 기능을 잃어버린다.
이를 위하여, 촉매의 설치 구조물의 형상을 사이클론 효과가 발생하도록 설계, 제작함으로써 내연기관에서 발생하는 고농도의 입자상 물질 중 크기와 중량이 큰 부분을 걸려내고, 촉매 담체의 표면에 부착되어 기능을 저하시키거나 담체 셀을 막아 배기가스의 진입을 막는 셀 막힘 현상을 예방하여 촉매의 성능과 수명을 극대화한다.
이하, 본 발명과 관련된 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명과 관련된 일 예에 따른 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치(100)를 개략적으로 보인 개념적 구성도이다. 도시된 바와 같이, 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치(100)는 배기관(110), 요소수 공급부(120), 혼합기(130), 사이클론 구조체(140), 선택적 촉매환원 모듈(150), 블로어(160)를 갖는 형태로 되어 있다. 이하 이들의 기능과 작용을 설명한다.
배기관(110)은 엔진의 배기부 또는 터보차저에 연결되는 것으로서, 배기가스(E)가 장치(100)로 공급될 수 있게 연결되어 있다. 선박 등의 배기가스(E)는 연료의 등급이 낮을 뿐만 아니라 분사압력이 낮고, 연소실이 큰 반면 엔진의 회전수가 낮아 고체 입자상 물질을 많이 함유한다. 경우에 따라 배기관(110)의 전단에는 산화 촉매장치(pre-oxidation catalyst)가 구비될 수 있다.
요소수 공급부(120)는 배기가스(E)에 포함되어 있는 질소산화물의 선택적 환원제인 요소수를 공급한다. 이러한 요소수는 함수 암모니아 또는 우레아(urea)가 사용될 수 있다. 배기가스(E) 흐름에 공급된 우레아는 160℃ 이상의 온도에서 가수분해되어 열분해 반응을 거쳐 암모니아를 생성한다. 요소수 공급부(120)는 인젝션 장치 또는 노즐을 통하여 요소수를 배기가스(E) 흐름에 분사시키게 되며, 정확한 양의 분사율로 제어될 수 있도록 제어밸브를 추가적으로 포함할 수 있다.
혼합기(130)는 요소수 공급부(120)와 사이클론 구조체(140) 사이에 배치되어 있다. 혼합기(130)는 요소수와 배기가스(E)를 균일하게 혼합시킬 수 있게 회전되는 팬이나 유동을 복잡하게 형성하는 요소를 포함할 수 있다. 혼합기(130)의 촉진작용에 의하여 혼합된 배기가스(E)는 사이클론 구조체(140)에 공급된다.
사이클론 구조체(140)는 배기가스(E)에 포함된 고체 입자상 물질을 제거할 수 있게 구성되어 있다. 이를 위하여, 사이클론 구조체(140)는 배기가스(E)가 내부에서 회전될 수 있도록 원통 형태로 형성되어 있으며, 바닥에는 배기가스(E)에 함유된 중량이 큰 고체입자(P)들이 배기가스(E)와 함께 회전되는 동안 중력과 원심력에 의하여 사이클론 구조체(140)의 내벽을 따라 하방으로 이동된 후 바닥으로 모여질 수 이게 구성되어 있다. 사이클론 구조체(140)의 상방에서 공급된 배기가스(E)는 회전되면서 상부에서 하부로, 주위에서 중심 방향으로 이동한다. 배기가스(E)의 이러한 사이클론 이동을 극대화시킬 수 있도록 사이클론 구조체(140)에는 안내를 위한 베인이나 블레이드와 같은 요소가 포함될 수 있으며, 그러한 요소는 헬리컬 형태 등과 같은 일정한 방향을 가질 수도 있다. 사이클론 구조체(140)를 경유하는 동안 배기가스(E)의 고체입자 제거율을 높일 수 있도록 사이클론 구조체(140)는 이중으로 형성되는 것도 가능하다. 설치 방향에 있어서, 사이클론 구조체(140) 및 선택적 촉매환원 모듈(150)은 연직방향을 향하도록 세워진 형태로 형성됨으로써, 고체 입자상 물질(P)이 용이하게 사이클론 구조체(140)의 바닥으로 떨어지도록 할 수 있다.
선택적 촉매환원 모듈(150)은 사이클론 구조체(140)의 중심에 배치되어 있으며, 요소수와 혼합된 배기가스가 하부에서 인입되어 상부로 배출되는 동안 촉매에 의하여 배기가스 중의 질소화합물이 선택적으로 환원되어 배출될 수 있게 구성된다. 이러한 촉매는 백금(Pt)와 같은 금속류 또는 바나늄계 촉매와 같은 비금속(base metal)류, 비금속 산화물, 제올라이트계 촉매 등이 사용될 수 있다. 촉매의 구조로서, 팰릿이나 호모 모노리스(homogeneous monolith)에 튀어 나온 구조, 평행한 금속판 또는 세라믹으로 된 벌집형 구조, 또는 망상구조에 고정된 형태 등일 수 있다.
블로어(160)는 선택적 촉매환원 모듈(150)의 상부에 배치되어 있으며, 선택적 환원촉매모듈(150)에 부착된 입자상 물질을 제거할 수 있도록 압축공기를 선택적 촉매환원 모듈(150)에 공급한다. 선택적 촉매환원 모듈(150)에 부착되어 있는 입자상 물질은 촉매의 노출을 차단하게 되어 환원효율을 감소시키는 원인이 되므로 일정 주기로 동작시킴으로써 선택적 촉매환원 모듈(150)이 깨끗한 상태를 유지하도록 한다.
이와 같은 구성에 의하여, 고체 입자상 물질 및 질소화합물(NOx)을 함유하는 배기가스(E)는 사이클론 구조체(140) 내에 인입되어 회전 및 선택적 촉매환원 모듈(150)로 들어가는 동안 고체 입자상 물질(P)을 먼저 바닥에 침적시킴으로써 선택적 촉매환원 모듈(150)에의 부착 및 그에 따른 막힘 현상을 최소화시킨다.
도 2는 본 발명과 관련된 다른 예에 따른 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치(200)를 개략적으로 보인 개념적 구성도이다.
본 예의 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치(200)는 배기관(210), 요소수 공급부(220), 혼합기(230), 사이클론 구조체(240), 선택적 촉매환원 모듈(250), 블로어(260), 가열부(270), 유동제어밸브(280) 및 바이패스관(290)을 갖는 형태로 되어 있다. 다만, 배기관(210), 요소수 공급부(220), 혼합기(230), 사이클론 구조체(240), 선택적 촉매환원 모듈(250) 및 블로어(260)은 앞에서 설명한 대응요소들과 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
가열부(270)는 배기가스(E)의 온도가 낮은 경우, 선택적 촉매환원 모듈(250)의 반응온도까지 배기가스(E)의 온도를 승온시킨다. 이러한 가열부(270)는 배기관(210)으로부터 공급된 온도가 낮은 배기가스(E)가 요소수와 혼합된 후 사이클론 구조체(140)를 통과하는 동안 온도가 추가적으로 떨어질 수 있으므로 이를 보완하기 위해 설치된다. 도 2에 의하면, 그러한 가열부(270)의 예로서, 사이클론 구조체(240)의 하부에 전기히터가 설치되어 있다. 운전 중 가열부(270)의 동작은 주기적으로 이루어질 수 있다. 가열부(270)의 주기적 동작을 위하여 가열부(270)는 제어부에 연결되도록 구성될 수 있다.
가열부(270)는 또한 사이클론 구조체(240)의 바닥에 쌓인 고체 입자상 물질(P)을 태울 수 있는 온도까지 승온되도록 운용될 수 있다. 이 경우, 고체 입자상 물질(P)의 완전한 처리가 가능해지므로 유용하다.
유동제어밸브(280)는 배기관(210)과 요소수 공급부(220) 사이에 배치되어 있으며, 배기가스(E)의 공급을 제어할 수 있게 형성된다. 유동제어밸브(280)의 일측에는 유동제어밸브(280) 상태에 따라 배기가스(E)가 바이배스될 수 있게 형성된 바이배스관(290)이 구비된다. 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치(200)를 사용할 필요성이 있는 경우에는 유동제어밸브(280)의 방향을 배기가스(E)가 사이클론 구조체(140)를 통과하도록 하고, 선택적 촉매환원장치(200)를 사용할 필요성이 없는 경우 또는 장치가 고장이 난 경우에는 바이패스관(290)을 통해 외부로 배출되도록 한다.
도 3은 본 발명과 관련된 또 다른 예에 따른 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치(300)를 개략적으로 보인 개념적 구성도이다. 본 예의 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치(300)는 배기관(310), 요소수 공급부(320), 혼합기(330), 사이클론 구조체(340), 선택적 촉매환원 모듈(350), 블로어(360), 가열부(370), 유동제어밸브(380) 및 바이패스관(390)을 갖는 형태로 되어 있다. 이들 요소들은 도 2에서 설명한 대응요소들과 구성이 유사하나, 가열부(370)는 화염에 의해 배기가스(E)를 가열시키는 버너 형태로 되어 있다. 가열부(370)는 일정 주기로 동작됨으로써 바닥에 쌓인 입자상 물질(P)을 태워 제거하며, 선택적 촉매환원 모듈(350)로 들어가는 배기가스(E)의 온도를 반응 온도로 승온시킨다.
상기와 같이 설명된 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치는 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용되지 않는다. 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100, 200, 300: 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치
110, 210, 310: 배기관 120, 220, 320: 요소수 공급부
130, 230, 330: 혼합기 140, 240, 340: 사이클론 구조체
150, 250, 350: 선택적 촉매환원 모듈
160, 260, 360: 블로어 270, 370: 가열부
280, 3800: 유동제어밸브 290, 390: 바이패스관

Claims (11)

  1. 입자상 물질이 포함된 선박의 배기가스가 공급되는 배기관;
    상기 배기가스에 요소수를 분사할 수 있도록 상기 배기관에 설치되는 요소수 공급부;
    상기 요소수와 혼합된 배기가스를 사이클론 형태로 유동시켜 상기 배기가스 중의 입자상 물질이 중력과 원심력에 의하여 하방으로 분리되도록 구성된 사이클론 구조체; 및
    상기 사이클론 구조체의 중심에 배치되며, 상기 요소수와 혼합된 배기가스가 하부에서 인입되어 상부로 배출되는 동안 촉매에 의하여 상기 배기가스 중의 질소화합물이 선택적으로 환원되어 배출될 수 있게 구성된 선택적 환원촉매 모듈을 포함하는, 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요소수 공급부와 상기 사이클론 구조체 사이에 배치되며, 상기 요소수와 상기 배기가스를 균일하게 혼합시킬 수 있게 형성된 혼합기를 더 포함하는, 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선택적 환원촉매 모듈의 상부에 배치되고, 상기 선택적 환원촉매모듈에 부착된 입자상 물질의 제거를 위해 압축공기를 분사하는 블로어(blower)를 더 포함하는, 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배기관과 상기 요소수 공급부 사이에 배치되고, 상기 배기가스의 공급을 제어할 수 있게 형성된 유동제어밸브를 더 포함하는, 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유동제어밸브에 연결되며, 상기 유동제어밸브의 상태에 따라 상기 배기가스가 바이배스될 수 있게 형성된 바이배스관을 더 포함하는, 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 사이클론 구조체의 하부에 배치되며, 상기 선택적 환원촉매 모듈에 공급되는 상기 배기가스를 반응온도로 승온시키는 가열부를 더 포함하는, 선박의 선택적 촉매환원장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가열부는 전기히터 또는 버너를 포함하는, 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 배기가스로부터 분리된 고체 입자를 태울 수 있는 온도까지 승온시킬 수 있게 형성된, 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 가열부의 동작이 주기적으로 이루어질 수 있게 상기 가열부를 제어하는 제어부를 더 포함하는, 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 사이클론 구조체 및 상기 선택적 촉매환원 모듈은 연직방향을 향하도록 세워진 형태로 형성된, 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 요소수는 암모니아 또는 우레아(urea)를 포함하는, 사이클론 시스템을 이용한 선박의 선택적 촉매환원장치.
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