KR101344123B1 - 이동식 재생 히터를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템 - Google Patents

이동식 재생 히터를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템은 복수의 단위 촉매 모듈들이 격자 또는 벌집 모양으로 배치된 촉매 구조체와, 상기 촉매 구조체를 내부에 수용하는 반응기 본체와, 상기 촉매 구조체의 전방에 배치된 재생 히터와, 상기 촉매 구조체의 전방에서 상기 재생 히터를 수직 수평 방향으로 이송시키는 2축 이송 장치와, 상기 단위 촉매 모듈 마다 후방에 설치된 복수의 질소산화물 감지 센서들, 그리고 상기 복수의 질소산화물 감지 센서들로부터 신호를 전달받아 상기 단위 촉매 모듈의 피독 여부를 판단하고 상기 2축 이송 장치를 구동하여 상기 재생 히터를 피독된 상기 단위 촉매 모듈의 전방으로 이송시키는 제어부를 포함한다.

Description

이동식 재생 히터를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템{SELECTIVE CATALYTIC REUCTION SYSTEM WITH MOVABLE REGENERATION HEATER}
본 발명의 실시예는 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매 모듈을 선택적으로 재생시킬 수 있는 이동식 재생 히터를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것이다.
선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은 디젤 엔진 등에서 발생된 배기 가스를 정화하여 대기 중으로 배출되는 배기 가스에 함유된 질소산화물을 저감시킨다.
선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기 가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기 가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템은 경제성과 방사능 규제 등을 고려하여 섭씨 250도 내지 섭씨 400도의 활성 온도 범위를 갖는 고온 활성 촉매를 주로 이용하고 있다.
그런데 고온 활성 촉매가 설치된 반응기에 섭씨 250도 이하의 온도를 갖는 배기 가스가 유입되면, 디젤 엔진의 연료에 함유된 황 성분에 의해 촉매가 피독되면서 촉매의 활성이 지속적으로 저하되는 문제점이 있었다.
종래에는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 피독된 촉매를 반응기 외부로 꺼내어 세척한 후 재사용하거나, 촉매의 피독을 억제하기 위해 반응기에 유입되는 배기 가스의 온도를 고온으로 유지시키는 방법을 사용하고 있다.
하지만, 촉매를 반응기 외부로 꺼내어 세척하는 방법은 번거로울 뿐만 아니라 선박의 경우 운항 중에 이러한 작업을 수행하기가 곤란하다.
또한, 반응기에 유입되는 배기 가스를 고온으로 유지하는 것은 에너지의 낭비가 심하여 비효율적인 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 촉매의 피독된 영역을 선택적으로 가열 재생시켜 에너지의 효율성을 극대화시킨 이동식 재생 히터를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 이동식 재생 히터를 구비한 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은 복수의 단위 촉매 모듈들이 격자 또는 벌집 모양으로 배치된 촉매 구조체와, 상기 촉매 구조체를 내부에 수용하는 반응기 본체와, 상기 촉매 구조체의 전방에 배치된 재생 히터와, 상기 촉매 구조체의 전방에서 상기 재생 히터를 수직 수평 방향으로 이송시키는 2축 이송 장치와, 상기 단위 촉매 모듈 마다 후방에 설치된 복수의 질소산화물 감지 센서들, 그리고 상기 복수의 질소산화물 감지 센서들로부터 신호를 전달받아 상기 단위 촉매 모듈의 피독 여부를 판단하고 상기 2축 이송 장치를 구동하여 상기 재생 히터를 피독된 상기 단위 촉매 모듈의 전방으로 이송시키는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 질소산화물 감지 센서가 측정한 질소산화물의 함유량 변화에 따라 상기 단위 촉매 모듈을 정상 상태, 피독 진행 상태, 및 피독 상태 중 하나의 상태로 판단할 수 있다.
상기 제어부는 상기 재생 히터를 가동하여 상기 피독 상태인 상기 단위 촉매 모듈을 가열할 수 있다. 그리고 상기 재생 히터가 가열하는 상기 단위 촉매 모듈이 상기 정상 상태로 회복되면 상기 제어부는 상기 재생 히터의 가동을 중단하거나 상기 2축 이송 장치를 통해 상기 재생 히터를 상기 피독 상태인 다른 상기 단위 촉매 모듈의 전방으로 이송시킬 수 있다.
상기 재생 히터에 의해 가열된 상기 단위 촉매 모듈의 상기 정상 상태 회복 여부는 상기 질소산화물 감지 센서를 통해 실시간으로 피드백 받은 정보를 통해 판단될 수 있다.
상기 재생 히터가 상기 단위 촉매 모듈을 일정 시간 이상 가열하면 상기 단위 촉매 모듈은 상기 정상 상태로 회복된 것으로 판단될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 이동식 재생 히터를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템은 촉매의 피독된 영역을 선택적으로 가열 재생시켜 에너지의 효율성을 극대화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 2축 이송 장치를 중심으로 도시한 정면도이다.
도 3은 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템의 동작 과정을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이동식 재생 히터(50)를 구비한 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(101)을 설명한다.
일례로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동식 재생 히터(50)를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 선박용 디젤 엔진에서 발생된 배기 가스의 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위해 사용될 수 있다. 그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 이동식 재생 히터(50)를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 디젤 엔진에서 배출된 후 과급기(turbo charger) 또는 이코너마이저(economizer) 등을 거치면서 섭씨 250도 이하의 온도로 낮아진 배기 가스를 처리할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동식 재생 히터(50)를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 촉매 구조체(20), 반응기 본체(10), 재생 히터(50), 2축 이송 장치(40), 질소산화물 감지 센서(30), 및 제어부(70)를 포함한다.
반응기 본체(10)는, 일례로, 스테인리스 스틸(stainless steel)을 소재로 만들어질 수 있다.
또한, 반응기 본체(10)는 촉매 구조체(20)를 내부에 수용한다. 그리고 반응기 본체(10)는 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)을 함유한 배기 가스가 유입되는 유입구와 촉매 구조체(20)를 거친 배기 가스를 외부로 배출하는 배출구를 갖는다.
또한, 도 1에 도시하지는 않았으나, 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 반응기 본체(10)의 유입구 부근에 설치되어 반응기 본체(10) 내부로 유입되는 배기 가스에 환원제를 분사하는 환원제 공급부를 더 포함할 수 있다. 분사된 환원제는 배기 가스와 혼합되어 촉매 구조체(20)로 향한다. 본 발명의 일 실시예에서는, 환원제로 암모니아(NH3)를 직접 사용하거나 우레아(urea)를 가수분해시켜 사용할 수 있다.
촉매 구조체(20)는 격자 또는 벌집 모양으로 배치된 복수의 단위 촉매 모듈들(21)을 포함한다.
단위 촉매 모듈들(21)은 각각 촉매를 포함한다. 촉매로는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재가 사용될 수 있다. 일례로, 본 발명의 일 실시예에서는, 촉매가 섭씨 300도 내지 섭씨 350도 범위 내의 활성 온도를 가질 수 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다. 촉매가 활성 온도 범위 밖에서 반응할 경우, 효율이 저하된다.
배기 가스는 촉매 구조체(20)를 거치면서 질소산화물(NOx)의 함유량이 저감된다. 구체적으로, 단위 촉매 모듈(21)의 촉매는 배기 가스를 정화하여 배기 가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시킨다. 즉, 배기 가스에 함유된 질소산화물(NOx)은 촉매에서 환원제와 반응하여 질소와 수증기로 환원된다.
그런데 반응기 본체(10)에 유입된 배기 가스가 섭씨 250도 미만의 온도를 가지면, 배기 가스의 황산화물(SOx)과 환원제의 암모니아(NH4)가 반응하여 촉매 피독 물질이 생성된다. 이때, 촉매 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
촉매 피독 물질은 단위 촉매 모듈(21)의 촉매에 흡착되어 촉매의 활성을 저하시킨다. 이러한 촉매 피독 물질은 외부 열원에 의해 분해되거나 제거될 수 있다.
질소산화물 감지 센서(30)는 촉매 구조체(20) 후방에 설치된다. 구체적으로, 질소산화물 감지 센서(30)는 단위 촉매 모듈(21)마다 후방에 배치된다. 이에, 질소산화물 감지 센서(30)는 단위 촉매 모듈(21)을 거친 배기 가스의 질소산화물(NOx) 함유량을 측정할 수 있다.
재생 히터(50)는 촉매 구조체(20)의 전방에 배치된다. 재생 히터(50)는 하나의 단위 촉매 모듈(21)을 선택적으로 가열할 수 있다. 즉, 재생 히터(50)는 단위 촉매 모듈(21) 하나에 대응되는 크기를 가질 수 있다.
2축 이송 장치(40)는 재생 히터(50)를 지지한다. 그리고 2축 이송 장치(40)는 재생 히터(50)를 촉매 구조체(20)의 전방에서 수직 수평 방향으로 이송시킨다. 즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 재생 히터(50)는 2축 이송 장치(40)에 의해 격자 또는 벌집 모양으로 배치된 복수의 단위 촉매 모듈들(21) 중 하나의 단위 촉매 모듈(21)의 전방에 선택적으로 위치할 수 있다. 2축 이송 장치(40)는 재생 히터(50)를 수평 방향으로 이송시키는 수평 이송부(46)와, 재생 히터(50)를 수직 방향으로 이송시키는 수직 이송부(47)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 2축 이송 장치(40)의 수평 이송부(46) 및 수직 이송부(47)는 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 구조를 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서, 재생 히터(50)는 2축 이송 장치(40)에 의해 이동식으로 설치된다.
제어부(70)는, 앞서 도 1에 도시한 바와 같이, 질소산화물 감지 센서들(30)로부터 신호를 전달받으며, 재생 히터(50) 및 2축 이송 장치(40)를 구동한다.
구체적으로, 제어부(70)는 질소산화물 감지 센서들이 측정한 질소산화물(NOx)의 함유량에 대한 신호를 전달받아 질소산화물(NOx)의 함유량 변화에 기초하여 단위 촉매 모듈(21)의 피독 여부를 판단한다. 그리고 제어부(70)는 단위 촉매 모듈(21)이 피독된 것으로 판단되면, 2축 이송 장치(40)를 구동하여 재생 히터(50)를 피독된 단위 촉매 모듈(21)의 전방으로 이송하고, 재생 히터(50)를 가동하여 피독된 단위 촉매 모듈(21)을 재생시킨다.
제어부(70)는 질소산화물 감지 센서(30)가 측정한 질소산화물(NOx)의 함유량 변화에 따라 단위 촉매 모듈(21)을 정상 상태, 피독 진행 상태, 및 피독 상태 중 하나의 상태로 판단할 수 있다.
그리고 재생 히터(50)의 가열로 인해 피독된 단위 촉매 모듈(21)이 정상 상태로 회복되면, 제어부(70)는 재생 히터(50)의 가동을 중단하거나 2축 이송 장치(40)를 통해 재생 히터(50)를 피독 상태인 다른 단위 촉매 모듈(21)의 전방으로 이송시킬 수 있다.
이때, 질소산화물 감지 센서(30)를 통해 실시간으로 피드백을 받아 재생 히터(50)가 가열하는 단위 촉매 모듈(21)의 정상 상태 회복 여부를 판단할 수 있다.
하지만, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 재생 히터(50)가 설정된 일정 시간만큼 피독된 단위 촉매 모듈(21)을 가열하면, 단위 촉매 모듈(21)이 정상 상태로 회복된 것으로 추정할 수도 있다. 이는 다른 원인으로 단위 촉매 모듈(21)의 성능이 저하된 경우, 재생 히터(50)가 해당 단위 촉매 모듈(21)의 전방에만 계속 머물러 피독된 다른 단위 촉매 모듈(21)도 재생시키지 못하게 되는 사고를 예방할 수 있다. 이때, 재생 히터(50)가 단위 촉매 모듈(21)을 가열하는 일정 시간은 재생 히터(50)의 가열 온도와 단위 촉매 모듈(21)의 크기를 고려하여 경험칙으로 설정될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는, 질소산화물 감지 센서(30)를 통해 실시간으로 피드백을 받아 재생 히터(50)가 가열하는 단위 촉매 모듈(21)의 정상 상태 회복 여부를 판단하되, 일정 시간이 경과해도 해당 단위 촉매 모듈(21)이 정상 상태로 회복되지 않을 경우 제어부(70)가 재생 히터(50)를 피독된 다른 단위 촉매 모듈(21)로 이송시킬 수도 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동식 재생 히터(50)를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 촉매의 피독된 영역을 선택적으로 가열 재생시켜 에너지의 효율성을 극대화시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에서는, 피독된 단위 촉매 모듈(21)을 선별하여 이를 선택적으로 가열하므로, 반응기 본체(10) 내부에 유입되는 배기 가스의 온도를 높은 온도로 유지하거나 반응기 본체(10) 내부의 온도를 전체적으로 상승시키는 것과 대비하여 에너지 소비를 크게 줄일 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(1010의 동작 과정의 일례를 설명한다.
도 2에서, 촉매 구조체(20)는 제1 촉매 모듈부터 제9 촉매 모듈까지 총 9개의 단위 촉매 모듈들(21)을 포함하나, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 촉매 구조체(20)는 다양한 수의 단위 촉매 모듈(21)을 가질 수 있다.
먼저, 복수의 단위 촉매 모듈들(21)의 질소산화물(NOx) 저감 효율을 질소산화물 감지 센서(30)를 통해 측정한 후, 측정된 값을 기초로 제어부(70)가 해당 단위 촉매 모듈(21)의 상태를 판단한다. 이때, 제어부(70)는 해당 단위 촉매 모듈(21)을 정상 상태, 피독 진행 상태, 및 피독 상태 중 하나의 상태로 판단하여 해당 단위 촉매 모듈(21)의 상태를 저장한다.
피독 상태로 판단된 단위 촉매 모듈(21)은 가열 재생의 대상으로 선택된다. 제어부(70)는 2축 이송 장치(40)를 구동하여 가열 재생의 대상이 된 단위 촉매 모듈(21)의 전방으로 재생 히터(50)를 이동시킨 후, 재생 히터(50)를 가동하여 피독된 단위 촉매 모듈(21)을 재생시킨다.
질소산화물 감시 센서(30)의 실시간 측정으로, 재생 히터(50)가 가열 중인 단위 촉매 모듈(21)이 재생된 것으로 판단되면, 재생 히터(50)를 통한 재생 과정을 종료한다. 이때, 제어부(70)는 재생 히터(50)의 가동을 중단하거나, 피독된 다른 단위 촉매 모듈(21)로 재생 히터(50)를 이송시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 반응기 본체 20: 촉매 구조체
21: 단위 촉매 모듈 30: 질소산화물 감지 센서
40: 2축 이송 장치 46: 수평 이송부
47: 수직 이송부 50: 재생 히터
70: 제어부 101: 선택적 촉매 환원 시스템

Claims (5)

  1. 복수의 단위 촉매 모듈들이 격자 또는 벌집 모양으로 배치된 촉매 구조체;
    상기 촉매 구조체를 내부에 수용하는 반응기 본체;
    상기 촉매 구조체의 전방에 배치된 재생 히터;
    상기 촉매 구조체의 전방에서 상기 재생 히터를 수직 수평 방향으로 이송시키는 2축 이송 장치;
    상기 단위 촉매 모듈 마다 후방에 설치된 복수의 질소산화물 감지 센서들; 및
    상기 복수의 질소산화물 감지 센서들로부터 신호를 전달받아 상기 단위 촉매 모듈의 피독 여부를 판단하고, 상기 2축 이송 장치를 구동하여 상기 재생 히터를 피독된 상기 단위 촉매 모듈의 전방으로 이송시키는 제어부
    를 포함하는 이동식 재생 히터를 구비한 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 제어부는 상기 질소산화물 감지 센서가 측정한 질소산화물의 함유량 변화에 따라 상기 단위 촉매 모듈을 정상 상태, 피독 진행 상태, 및 피독 상태 중 하나의 상태로 판단하는 이동식 재생 히터를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 제어부는 상기 재생 히터를 가동하여 상기 피독 상태인 상기 단위 촉매 모듈을 가열하고,
    상기 재생 히터가 가열하는 상기 단위 촉매 모듈이 상기 정상 상태로 회복되면 상기 제어부는 상기 재생 히터의 가동을 중단하거나 상기 2축 이송 장치를 통해 상기 재생 히터를 상기 피독 상태인 다른 상기 단위 촉매 모듈의 전방으로 이송시키는 이동식 재생 히터를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템.
  4. 제3항에서,
    상기 재생 히터에 의해 가열된 상기 단위 촉매 모듈의 상기 정상 상태 회복 여부는 상기 질소산화물 감지 센서를 통해 실시간으로 피드백 받은 정보를 통해 판단되는 이동식 재생 히터를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템.
  5. 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에서,
    상기 재생 히터가 상기 단위 촉매 모듈을 일정 시간 이상 가열하면 상기 단위 촉매 모듈은 상기 정상 상태로 회복된 것으로 판단되는 이동식 재생 히터를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템.
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