KR101436936B1 - 고체 암모늄염 반응기, 그 제어방법 및 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템 - Google Patents

고체 암모늄염 반응기, 그 제어방법 및 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템 Download PDF

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조규백
김용진
이준호
정용일
이석환
박철웅
김창기
이선엽
이장희
오승묵
강건용
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Abstract

본 발명은 내연기관 또는 연소기에서 배출되는 유해배출가스인 질소산화물(NOx)을 저감하는 기술에 관한 것으로, 고체 암모늄염을 반응기 내에 넣고 반응기 내에 설치된 엔진 냉각수, 배기가스 또는 전기히터를 이용하여 열분해하여 암모니아로 변화시키고, 암모니아를 압력 밸브 및 도징 밸브를 이용하여 분사하여 배기관에 존재하는 질소산화물을 선택적 환원촉매 상에서 질소로 환원시키되, 반응기의 제1챔버 및 제2챔버가 구분되게 형성되어, 제1챔버의 온도를 고체 암모늄염의 열분해가 가능한 온도까지 빠르게 상승시킴으로써 초기 시동 시 빠른 시간 내에 질소산화물 저감이 가능하고 반응기의 가열을 위해 필요한 에너지 소모를 줄일 수 있는 고체 암모늄과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템용 반응기에 관한 것이다.

Description

고체 암모늄염 반응기, 그 제어방법 및 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템 {A reactor for solid ammonium salt and control methode thereof and NOx emission purification system which using solid ammonium salt and selective catalytic reduction catalyst}
본 발명은 내연기관 또는 연소기에서 배출되는 유해배출가스인 질소산화물(NOx)을 저감하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체 암모늄염을 열분해하여 암모니아를 만들고 선택적 환원촉매 상에서 질소산화물과 반응시켜 인체에 무해한 질소로 정화시킬 수 있는 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템용 반응기에 관한 것이다.
일반적으로 내연기관 특히 디젤엔진에서 배출되는 질소산화물의 저감기술로서 배기가스 재순환방법(EGR; Exhaust Gas Recirculation)에 의한 농도저감 또는 환원제인 암모니아, 우레아 또는 탄화수소를 이용하여 촉매상에서 질소산화물을 반응시켜 질소와 산소로 환원하는 선택적촉매환원반응(SCR; Selective Catalytic Reduction) 등이 사용되고 있다.
상기 선택적 환원촉매기술 중에서 경유 등 탄화수소를 사용하는 경우 환원제로 내연기관 또는 연소기의 연료를 사용하므로 부수적인 환원제 공급장치가 필요하지 않은 장점이 있으나 배기가스 중에 산소가 존재하는 경우 탄화수소가 산소와 먼저 반응하기 때문에 질소산화물의 저감성능이 낮은 단점이 있다.
또 다른 선택적 환원촉매기술인 액체 우레아를 이용한 선택적 환원촉매기술에 대하여 보면, 상온에서 고체상으로 존재하는 물질인 우레아(Urea)를 물에 녹여 만든 액체 우레아를 자동차 배기관에 분사하면 약 150℃ 이상의 온도에서 열분해 되어 암모니아로 전환되고, 이와 같이 생성된 암모니아는 오산화바나듐(V2O5) 또는 지오라이트(Zeolite) 등 선택적 환원촉매의 도움을 받아 질소산화물을 무해한 질소로 환원시킨다. 이러한 액체 우레아를 이용한 선택적 환원촉매 기술은 촉매반응 온도 대역이 넓고 내구성이 우수하다는 장점이 있으며, 약 60 내지 80% 수준의 높은 질소산화물 정화효율을 얻을 수 있다.
그러나 액체 우레아 선택적 환원촉매 기술은 액체 우레아를 공급하기 위한 대규모의 사회적 인프라가 필요하며, 액체 우레아를 저장하기 위한 용기(30) 및 분사장치(40) 등 부수적인 장치들이 필요하고, 액체 우레아는 어는점이 -11℃이므로 저장용기 및 분사장치 등 시스템의 온도를 적정온도 이상으로 유지하기 위하여 별도의 단열 대책이 필요하기 때문에 전체 시스템이 복잡해지는 단점이 있다. 또한 액체 우레아의 어는점을 낮추기 위해서 액체 우레아에 물을 60% 이상 섞어 사용하므로 저장 용기가 커지는 단점이 있다.
이와 같은 액체 우레아의 단점을 보완하기 위해 고체 우레아를 이용한 기술(한국등록특허 10-0924591, 10-0999574)이 제시되었으나 고체 우레아는 열분해 온도가 약 140℃로 높아 전기에너지 또는 배기열 에너지 등이 많이 소요되고, 반응기 및 관로에서 열분해 온도를 유지하지 못할 경우 관로 등에 우레아가 응고되는 단점이 있다.
그리고 한국등록특허 10-1185413에는 열분해온도가 낮은 고체 암모늄염을 사용하는 기술이 소개되어 있으나, 도 1과 같이 고체 암모늄염(10)이 저장되는 반응기(1)를 히터(20)나 차량의 배기열 또는 냉각수를 이용한 열교환기(30)를 이용하여 전체적으로 가열하여 고체 암모늄염을 암모니아로 열분해하기 때문에 고체 암모늄염의 열분해 시 많은 양의 에너지가 필요한 단점이 있다.
KR 10-1185413 B1 (2012.09.24.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 질소산화물 정화를 위해 액체 우레아 대신 고체 암모늄염을 장착이 용이한 모듈식으로 형성하여 정비소 등에서 교체하여 사용할 수 있도록 함으로써 액체 우레아 공급을 위한 사회적 인프라 문제를 해결하고, 별도의 부피가 큰 액체 저장용기 및 액체 분사시스템 등이 필요 없는 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템용 반응기를 제공하는 것이다.
또한, 암모니아 함유량이 액체 우레아 대비 3~4배 많은 고체 암모늄염을 사용함으로써 액체 우레아 기술 대비 동일한 용량의 용기를 사용하더라도 3~4배 이상의 장거리 운전이 가능한 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템용 고체 암모늄염 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.
뿐만 아니라 반응기이 온도를 고체 암모늄염의 열분해 온도까지 빠르게 승온시켜 차량의 초기 시동 시에도 질소산화물의 저감이 가능한 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템용 반응기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고체 암모늄염 반응기는, 배출구가 형성되고, 내부에 고체 암모늄염이 구비되며, 제1가열수단이 형성되는 제1챔버; 및 상기 제1챔버의 일측에 형성되어 연통되고, 내부에 고체 암모늄염이 구비되며, 제2가열수단이 형성되는 제2챔버; 를 포함하며, 상기 제2챔버에는 상기 제1챔버보다 고체 암모늄염이 많이 구비되어, 가열 시 상기 제1챔버는 제2챔버보다 빨리 가열되며, 냉각 시 상기 제1챔버는 제2챔버보다 빨리 냉각되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1챔버와 제2챔버가 연통되는 연통공에는 압력 밸브가 형성되어, 상기 압력 밸브는 제2챔버의 압력이 제1챔버의 압력보다 높을 때 자동으로 개방되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1챔버와 제2챔버 사이에는 단열을 위한 격막이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1가열수단은 전기히터로 형성되며, 상기 제2가열수단은 전기히터, 배기가스 및 엔진 냉각수 중 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1챔버 내부에는 발포, 다공질 또는 그물망 형태의 열전달 매체가 구비되고, 상기 열전달 매체는 금속 재질로 형성되어 상기 제1가열수단과 접촉되며, 상기 열전달 매체에 고체 암모늄염이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1챔버에는 급속냉각장치가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2챔버에는 외부를 감싸는 단열층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2챔버는 일측이 개방되게 형성되어 개방된 부분에 커버가 결합되며, 상기 제2챔버 내부에 구비되는 고체 암모늄염은 교체 가능하게 형성되는 고체 암모늄염 카트리지로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고체 암모늄염 카트리지는 밀폐되게 형성되어, 일부를 개방시킨 후 제2챔버 내부에 삽입되거나, 삽입되어 장착되는 동시에 일부가 개방되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고체 암모늄염 카트리지는 밀폐되게 형성되고 상기 제1챔버와 제2챔버가 연통되도록 하는 관통공과 연결되도록 개구가 형성되며, 상기 고체 암모늄염 카트리지의 개구 둘레에는 실링부재가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1챔버와 제2챔버가 연통되는 연통공에는 압력 밸브가 형성되고, 상기 제1챔버 및 제2챔버에는 각각 온도센서와 압력센서가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1챔버와 제2챔버가 연통되는 연통공에는 솔레노이드 밸브가 형성되고, 상기 제1챔버 및 제2챔버에는 각각 온도센서와 압력센서가 설치되어, 상기 솔레노이드 밸브는 제1챔버와 제2챔버에서 측정되는 압력값에 따라 개폐가 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1챔버의 내부 및 제2챔버의 내부에는 동일한 성분의 고체 암모늄염이 구비되거나 저장되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 고체 암모늄염 반응기의 제어방법은, 고체 암모늄염 반응기의 제1챔버 및 제2챔버를 가열하여, 상기 제1챔버에 구비되는 고체 암모늄염을 승화시켜 생성되는 암모니아를 암모니아 도징 모듈로 공급하는 단계; 상기 제2챔버에 공급되는 열량을 제어하여 제2챔버의 압력을 일정한 압력 범위로 유지시키면서, 상기 제2챔버에 구비되는 고체 암모늄염을 승화시켜 생성되는 암모니아를 상기 제1챔버를 거쳐 암모니아 도징 모듈로 공급하는 단계; 및 상기 제1챔버 및 제2챔버의 가열을 중지하고 상기 제1챔버가 먼저 냉각되도록 하여, 상기 제2챔버에서 발생되는 암모니아가 상기 제1챔버에서 승화되어 고체 암모늄염이 저장되도록 하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S20단계에서 제2챔버의 온도가 특정온도 이상으로 상승되었을 때, 제2챔버의 압력이 상승되지 않으면 경고음을 울리거나 경고등이 작동되도록 하는 단계(S21)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 고체 암모늄염 반응기를 포함하는 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템은, 상기 고체 암모늄염 반응기; 상기 고체 암모늄염 반응기의 배출구에 연결되어 상기 고체 암모늄염 반응기에서 생성된 암모니아의 공급을 조절하는 암모니아 도징 모듈; 상기 암모니아 도징 모듈과 연결되며, 배기관에 설치되어 상기 배기관으로 암모니아를 분사하는 분사 노즐; 상기 배기관 내에 설치되며, 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물을 상기 배기관 내에 분사된 암모니아와 혼합하여 질소와 물로 환원시키는 선택적 환원촉매; 및 상기 고체 암모늄염 반응기 및 암모니아 도징 모듈과 연결되어 암모니아의 생성 및 공급을 제어하는 전자제어유닛; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 내부에 고체 암모늄염이 구비되고 가열수단이 형성되며 상기 암모니아 도징 모듈에 연결되는 보조 고체 암모늄염 반응기를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템용 반응기는, 반응기의 제1챔버 및 제2챔버가 구분되게 형성되어, 제1챔버의 온도를 고체 암모늄염의 열분해가 가능한 온도까지 빠르게 승온시킴으로써, 초기 시동 시 빠른 시간 내에 질소산화물 저감이 가능하고, 반응기의 가열을 위해 필요한 에너지 소모를 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템 및 고체 암모늄염 반응기를 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명의 고체 암모늄염 반응기 및 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템을 나타낸 개념도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 고체 암모늄염 반응기를 나타낸 일실시예의 개념도.
도 5는 본 발명의 고체 암모늄염 반응기를 나타낸 다른 실시예의 개념도.
도 6은 본 발명의 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템의 다른 실시예를 나타낸 개념도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템용 반응기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 고체 암모늄염 반응기 및 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템을 나타낸 개념도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명의 고체 암모늄염 반응기를 나타낸 일실시예의 개념도이다.
우선, 본 발명의 고체 암모늄염 반응기(1000)는, 고체 암모늄염으로부터 암모니아 가스를 발생시킬 수 있는 반응기이며, 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템에 사용될 수 있다. 이때, 상기 질소산화물 정화시스템(2000)은 도 2와 같이 고체 암모늄염으로부터 암모니아를 생성하는 고체 암모늄염 반응기(1000); 상기 고체 암모늄염 반응기(1000)와 연결되어 상기 고체 암모늄염 반응기(1000)에서 생성된 암모니아의 공급을 조절하는 암모니아 도징 모듈(1100); 상기 암모니아 도징 모듈(1100)과 연결되며, 배기관에 설치되어 상기 배기관으로 암모니아를 분사하는 분사 노즐(1200); 상기 배기관 내에 설치되며, 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물을 상기 배기관 내에 분사된 암모니아와 혼합하여 질소와 물로 환원시키는 선택적 환원촉매(1300); 및 상기 고체 암모늄염 반응기(1000) 및 암모니아 도징 모듈(1100)과 연결되어 암모니아의 생성 및 공급을 제어하는 전자제어유닛(1400); 을 포함하여 이루어질 수 있다. 그리하여 상기 전자제어유닛(1400)에 의해 상기 고체 암모늄염 반응기(1000)에서 생성되는 암모니아의 양이 제어되고, 생성된 암모니아는 상기 암모니아 도징 모듈(1100)로 유입되어 압력 및 유량이 제어되어 상기 분사 노즐(1200)을 통해 배기관 내부로 분사된다. 그리고 분사된 암모니아는 내연기관으로부터 배출된 배기가스와 혼합되어 상기 선택적 환원촉매(1300)에서 정화반응을 일으켜 배기가스에 포함된 질소산화물이 인체에 무해한 질소로 환원된다.
여기에서 본 발명의 고체 암모늄염반응기(1000)는, 배출구(130)가 형성되고, 내부에 고체 암모늄염(110)이 구비되며, 제1가열수단(120)이 형성되는 제1챔버(100); 및 상기 제1챔버(100)의 일측에 형성되어 연통되고, 내부에 고체 암모늄염(210)이 구비되며, 제2가열수단(220)이 형성되는 제2챔버(200); 를 포함하며, 상기 제2챔버(200)에는 상기 제1챔버(100)보다 고체 암모늄염이 많이 구비되어, 가열 시 상기 제1챔버는 제2챔버보다 빨리 가열되며, 냉각 시 상기 제1챔버는 제2챔버보다 빨리 냉각되는 것을 특징으로 한다.
즉, 제1챔버(100)의 일측에 제2챔버(200)가 일체형으로 형성되며, 제1챔버(100)와 제2챔버(200)는 연통공(310)을 통해 내부 공간이 연통되도록 형성된다. 그리고 제1챔버(100)와 제2챔버(200)의 내부에는 각각 고체 암모늄염(110,210)이 구비되며, 제1가열수단(120)에 의해 제1챔버(100)를 가열할 수 있고 제2가열수단(220)에 의해 제2챔버(200)를 가열할 수 있도록 구성된다.
이때, 제2챔버(200)에 구비되는 고체 암모늄염(210)의 양이 제1챔버(100)에 구비되는 고체 암모늄염(110)의 양 보다 많게 형성되어, 초기 시동 시(가열 시) 상기 제1챔버(100)는 제2챔버(200)보다 빨리 가열될 수 있으며, 운전 정지 시(냉각 시) 상기 제1챔버(100)는 제2챔버(200)보다 빨리 냉각될 수 있다.
즉, 제1챔버(100)보다 제2챔버(200)의 부피가 크게 형성되어 제2챔버(200)에 더 많은 양의 고체 암모늄염(210)이 저장되며, 이로 인해 제1챔버(100)와 제2챔버(200)가 동시에 가열되더라도 제1챔버(100)가 빨리 가열된다. 마찬가지로 냉각 시에는 고체 암모늄염의 양이 적은 제1챔버(100)가 빨리 냉각된다.
그리하여 도 3과 같이 초기 시동 시 제1챔버(100) 내부에 구비된 고체 암모늄염(110)이 먼저 승화되어 제1챔버(100)에서 암모니아가 발생되고, 발생된 암모니아는 암모니아 도징 모듈(1100)로 공급될 수 있다. 그리고 일정시간 경과되어 제2챔버(200)도 가열되어 고체 암모늄염(210)의 승화 온도에 도달되며, 제2챔버(200)에서 발생되는 암모니아 가스는 연통공(310)을 통해 제1챔버(100)를 거쳐 암모니아 도징 모듈(1100)로 공급된다. 그리고 운전 정지 시에는 제1챔버(100)가 먼저 냉각되어 채워져 있던 암모니아 가스가 제1챔버(100) 내부에서 고체 암모늄염으로 성장되어 다시 저장될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 고체 암모늄염 반응기는, 제1챔버 및 제2챔버가 구분되게 형성되고, 제1챔버의 온도를 고체 암모늄염의 열분해가 가능한 온도까지 빠르게 승온시킬 수 있어, 내연기관의 초기 시동 시 빠른 시간 내에 암모니아를 생성시켜 질소산화물의 저감이 가능하고, 고체 암모늄염 반응기의 가열을 위해 필요한 에너지 소모를 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 제1챔버가 빨리 냉각되므로 제1챔버에서 먼저 소모되었던 고체 암모늄염이 냉각에 의해 다시 고체 암모늄염으로 생성되어 제1챔버 내부에 저장되므로 재 시동 시 다시 제1챔버 내부에 저장된 고체 암모늄염이 먼저 가열되어 암모니아 가스를 빠르게 생성시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 제1챔버(100)와 제2챔버(200)가 연통되는 연통공(310)에는 압력 밸브(400)가 형성되어, 상기 압력 밸브(400)는 제2챔버(200)의 압력이 제1챔버(100)의 압력보다 높을 때 자동으로 개방되도록 할 수 있다.
즉, 제1챔버(100)의 내부와 제2챔버(200)의 내부는 연통공(310)에 의해 연통되며, 연통공(310)에는 압력차에 의해 자동으로 개폐되는 압력 밸브(400)가 형성된다. 이때, 압력 밸브(400)는 스프링 및 밸브를 포함하여 이루어져, 제1챔버(100)의 압력보다 제2챔버(200)의 압력이 높을 때 개방되어, 도 4와 같이 제2챔버(200)에서 발생된 암모니아가 압력 밸브(400)를 통해 제1챔버(100)로 이동될 수 있다. 즉, 압력 밸브(400)는 제1챔버(100)와 제2챔버(200)의 압력차에 의해 자동으로 개폐된다.
이는 제1챔버(100)와 제2챔버(200)가 함께 가열되어 먼저 제1챔버(100)에서 고체 암모늄염(110)이 승화되어 암모니아가 발생되므로, 제1챔버(100)에서 고체 암모늄염(110)이 승화되어 소진되면, 늦게 가열되어 제2챔버(200)에서 발생된 암모니아가 압력 밸브(400)를 통해 제1챔버(100)로 이동되는 것이다.
즉, 고체 암모늄염의 승화 온도까지 먼저 가열되는 제1챔버(100)는 내부에 구비된 고체 암모늄염(110)이 소진되면 암모니아 가스가 발생하지 않으므로 제1챔버(100)의 압력이 낮아지고, 이때 늦게 가열된 제2챔버(200)에서 고체 암모늄염(210)이 암모니아로 승화되어 압력이 높아지게 된다. 그리하여 압력이 높은 제2챔버(200)에서 제1챔버(100)로 압력 밸브(400)를 통해 암모니아가 이동되고, 제1챔버(100)로 이동된 암모니아는 암모니아 도징 모듈(1100)로 공급될 수 있다.
이와 같이 제1챔버(100)에 구비된 고체 암모늄염(110)을 먼저 빠르게 가열하여 암모니아를 생성시켜 이를 공급하고, 이후 제1챔버(100)의 고체 암모늄염(110)이 소진되었을 때 제2챔버(200)로부터 생성된 암모니아를 제1챔버(100)를 거쳐 암모니아 도징 모듈(1100)로 공급되도록 할 수 있다.
또한, 상기 제1챔버(100)와 제2챔버(200) 사이에는 단열을 위한 격막(300)이 형성될 수 있다.
즉, 도 3과 같이 제1챔버(100)와 제2챔버(200) 사이에 연통공(310)이 형성된 격막(300)이 배치되어, 제1챔버(100)와 제2챔버(200)가 격막(300)에 의해 구분되어 연통되도록 형성될 수 있다. 그리하여 제1챔버(100)에서 발생되는 열이 제2챔버(200)로 전도되어 손실되는 것을 줄일 수 있어, 초기 시동 시 제1챔버(100)를 빨리 가열하여 암모니아 가스의 생성 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 상기 제1가열수단(120)은 전기히터(121)로 형성되며, 상기 제2가열수단(220)은 전기히터(221), 배기가스(222) 및 엔진 냉각수(223) 중 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 형성될 수 있다.
이는 내연기관의 초기 시동 시 사용할 수 있는 에너지원인 전기를 이용하여 제1챔버(100)를 빠르게 가열할 수 있도록 제1가열수단(120)이 전기히터(121)로 형성되는 것이며, 늦게 가열되는 제2챔버(200)는 전기히터(221)를 이용하면서 동시에 내연기관의 시동 후 발생되는 에너지원인 배기가스(222)나 엔진 냉각수(223)의 폐열을 이용할 수 있도록 하여 에너지 소모를 줄일 수 있다.
또한, 상기 제1챔버(100) 내부에는 발포, 다공질 또는 그물망 형태의 열전달 매체(140)가 구비되고, 상기 열전달 매체(140)는 금속 재질로 형성되어 상기 제1가열수단(120)과 접촉되며, 상기 열전달 매체(140)에 고체 암모늄염(110)이 형성되도록 구성될 수 있다.
즉, 제1챔버(100)의 내부의 공간에 표면적이 넓고 열전도도가 높은 금속 재질의 발포, 다공질 또는 그물망 형태의 열전달 매체(140)가 구비되고, 열전달 매체(140)의 표면에 고체 암모늄염(110)이 형성되어, 열전달 매체(140)에 접촉된 제1가열수단(120)에 의해 더욱 빠르게 고체 암모늄염(110)의 열분해 온도까지 상승시킬 수 있다. 그리하여 내연기관의 초기 시동 시 보다 빨리 암모니아가 생성되도록 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 제1챔버(100)에는 급속냉각장치(150)가 형성될 수 있다.
이는 내연기관이 정지되는 경우 급속냉각장치(150)를 이용하여 제1챔버(100)를 빠르게 냉각시켜 제1챔버(100) 내부에 존재하는 암모니아 가스를 승화시켜 고체 암모늄염(100)이 생성되도록 하기 위함이다.
여기에서 내연기관 정지 시 제1챔버(100) 및 제2챔버(200)는 가열이 중단되고, 제1챔버(100)에 구성된 급속냉각장치(150)가 작동되게 된다. 이때, 제1챔버(100)에 구비된 열전달 매체(140)가 빠르게 냉각되어 제1챔버(100) 내부에 존재하는 암모니아 가스가 고체 암모늄염(110)으로 승화된다.
그리하여 열전달 매체(140) 표면에 고체 암모늄염(110)이 성장되며, 내연기관 정지 후 제2챔버(200)에서는 남아있는 열에 의해 일정시간 암모니아가 생성되며, 제2챔버(200)에서 생성된 암모니아는 압력 밸브(400)를 통해 제1챔버(100)로 이동되어 제1챔버(100)에서 고체 암모늄염(110)으로 승화된다.
이와 같이 내연기관의 운전 정지 후 제1챔버에 일정량의 고체 암모늄염이 성장되어 저장되도록 하여, 재시동 시 다시 제1챔버에서 빠르게 암모니아를 생성할 수 있는 장점이 있다.
여기에서 급속냉각장치(150)도 열전달 매체(140)에 접촉되게 형성되어, 열전달 매체(140)를 빠르게 냉각시킬 수 있으며, 이로 인해 열전달 매체의 표면에 빠르게 고체 암모늄염이 성장되도록 할 수 있다.
또한, 상기 제2챔버(200)에는 외부를 감싸는 단열층(230)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이는 제2챔버(200)의 외부를 감싸도록 단열층(230)이 형성되어, 제2챔버(200)에 남아있는 열을 이용해 내연기관의 운전 정지 후 일정시간 동안 암모니아 가스가 생성되도록 하는 것이다.
그리하여 생성되는 암모니아 가스가 제1챔버(100)로 이동되어 냉각되는 제1챔버(100) 내부에 일정량의 고체 암모늄염(110)이 저장되도록 할 수 있다.
또한, 상기 제2챔버(200)는 일측이 개방되게 형성되어 개방된 부분에 커버(240)가 결합되며, 상기 제2챔버(200) 내부에 구비되는 고체 암모늄염(210)은 교체 가능하게 형성되는 고체 암모늄염 카트리지로 형성되는 것을 특징으로 한다.
이는 제2챔버(200) 내부에 구비되는 고체 암모늄염(210)이 카트리지 방식으로 형성되어, 고체 암모늄염 카트리지를 교체하여 사용할 수 있도록 하는 것이다. 즉, 제2챔버(200) 내부의 고체 암모늄염(210)이 소진되면 커버(240)를 통해 고체 암모늄염 카트리지를 교체할 수 있다.
이때, 고체 암모늄염 카트리지는 제2챔버(200)의 내주면에서 이격되게 형성되어 삽입이 용이하도록 할 수 있으며, 커버(240)는 내측에 오목하게 공간부가 형성되도록 하여 단열 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 고체 암모늄염 카트리지는 케이스(211)에 의해 밀폐되게 형성되어, 케이스(211)의 일부를 개방시킨 후 제2챔버(200) 내부에 삽입되거나, 삽입되어 장착되는 동시에 일부가 개방되는 것을 특징으로 한다.
즉, 고체 암모늄염 카트리지가 케이스(211)에 의해 밀폐되게 형성되되 마개 또는 캔 뚜껑과 같이 개방될 수 있는 부분이 형성되어, 고체 암모늄염 카트리지 케이스(211)의 일부를 개방한 후 제2챔버(200)에 삽입하고 커버(240)를 결합하여, 고체 암모늄염 카트리지의 개방된 부분이 연통공(310)에 연결되도록 할 수 있다. 또한, 고체 암모늄염 카트리지를 제2챔버(200) 내부에 삽입하는 동시에 케이스(211)의 일부가 개방되어 개방된 부분이 연통공(310)에 연결되도록 할 수도 있다.
또한, 상기 고체 암모늄염 카트리지는 밀폐되게 형성되고 상기 제1챔버(100)와 제2챔버(200)가 연통되도록 하는 연통공(310)과 연결되도록 개구가 형성되며, 상기 고체 암모늄염 카트리지의 개구 둘레에는 실링부재(212)가 형성될 수 있다.
이는 교체 가능하게 형성되는 고체 암모늄염 카트리지를 제2챔버(200)에 삽입하여 장착할 때, 연통공(310)과 고체 암모늄염 카트리지의 개구가 연결되어 실링부재(212)에 의해 개구 주변의 기밀이 유지되도록 하기 위함이다.
이때, 실링부재(212)는 고체 암모늄염 카트리지의 개구 둘레에 형성되어 격막(300)과 케이스(211) 사이에 개재되는 형태로 밀착될 수 있다.
또한, 상기 제1챔버(100)와 제2챔버(200)가 연통되는 연통공(310)에는 압력 밸브(400)가 형성되고, 상기 제1챔버(100) 및 제2챔버(200)에는 각각 온도센서와 압력센서가 설치될 수 있다.
이는 제1챔버(100)의 온도 및 압력을 측정하여 고체 암모늄염(110)이 소진되었는지를 알 수 있도록 하기 위함이며, 제2챔버(200) 또한 마찬가지이다. 즉, 온도가 고체 암모늄염의 열분해 온도 이상으로 유지되나 압력이 낮으면 고체 암모늄염이 소진되어 암모니아 가스가 생성되지 않는 것을 알 수 있다. 이를 통해 고체 암모늄염 또는 고체 암모늄염 카트리지를 교체해야 하는 시기를 알 수 있다.
이때, 제1챔버(100)에는 내부 공간부에 제1온도센서(160) 및 제1압력센서(170)의 단부가 위치하도록 설치될 수 있으며, 제2챔버(200)에는 내주면과 고체 암모늄염 카트리지의 케이스(211) 사이 공간에 제2온도센서(250) 및 제2압력센서(260)의 단부가 위치하도록 설치될 수 있다. 그리고 제2온도센서(250) 및 제2압력센서(260)는 격막(300)에 설치되어 연통공(310)에 단부가 위치하도록 설치될 수도 있다.
또한, 상기 제1챔버(100)와 제2챔버(200)가 연통되는 연통공(310)에는 솔레노이드 밸브(410)가 형성되고, 상기 제1챔버(100) 및 제2챔버(200)에는 각각 온도센서와 압력센서가 설치되어, 상기 솔레노이드 밸브(410)는 제1챔버(100)와 제2챔버(200)에서 측정되는 압력값에 따라 개폐가 제어될 수 있다.
이는 도 5와 같이 제1챔버(100)와 제2챔버(200) 각각의 온도 및 압력을 측정하여, 제1챔버(100)와 제2챔버(200)의 온도를 각각 제어할 수 있으며, 이를 통해 제1챔버(100)의 압력보다 제2챔버(200)의 압력이 높은 경우 솔레노이드 밸브(410)가 개방되도록 제어하기 위한 것이다. 그리하여 제1챔버(100)와 제2챔버(200)의 압력차에 따라 솔레노이드 밸브(410)의 개폐를 용이하게 제어할 수 있는 장점이 있다. 이때에도 마찬가지로 제1챔버(100)와 제2챔버(200)의 온도 및 압력을 측정하여 고체 암모늄염이 소진되었는지를 알 수 있다.
또한, 상기 제1챔버(100)의 내부 및 제2챔버(200)의 내부에는 동일한 성분의 고체 암모늄염이 구비되거나 저장될 수 있다.
즉, 제1챔버(100) 및 제2챔버(200)에는 동일한 성분의 고체 암모늄염이 구비되어, 제1챔버(100)에 구비되는 고체 암모늄염(110)이 암모니아 가스로 승화되어 먼저 소진되더라도 제2챔버(100)에 구비되는 고체 암모늄염(210)이 승화되어 발생되는 암모니아 가스가 빨리 냉각되는 제1챔버(100) 내부에 다시 동일한 고체 암모늄염으로 생성되어 저장될 수 있다.
그리고 본 발명의 고체 암모늄염 반응기의 제어방법은, 고체 암모늄염 반응기(1000)의 제1챔버(100) 및 제2챔버(200)를 가열하여, 상기 제1챔버(100)에 구비되는 고체 암모늄염(110)을 승화시켜 생성되는 암모니아를 암모니아 도징 모듈(1100)로 공급하는 단계(S10); 상기 제2챔버(200)에 공급되는 열량을 제어하여 제2챔버(200)의 압력을 일정한 압력 범위로 유지시키면서, 상기 제2챔버(200)에 구비되는 고체 암모늄염(210)을 승화시켜 생성되는 암모니아를 상기 제1챔버(100)를 거쳐 암모니아 도징 모듈(1100)로 공급하는 단계(S20); 및 상기 제1챔버(100) 및 제2챔버(200)의 가열을 중지하고 상기 제1챔버(100)가 먼저 냉각되도록 하여, 상기 제2챔버(200)에서 발생되는 암모니아가 상기 제1챔버(100)에서 승화되어 고체 암모늄염(110)이 저장되도록 하는 단계(S30); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
이는 내연기관의 초기 시동 시, 정상 운전 시 및 운전 정지 후에 본 발명의 고체 암모늄염 반응기(1000)를 제어하는 방법이다.
우선 초기 시동 시 S10단계와 같이 제1챔버(100) 및 제2챔버(200)를 가열하여, 먼저 고체 암모늄염의 열분해 온도까지 상승되는 제1챔버(100)에서 생성되는 암모니아를 암모니아 도징 모듈(1100)로 공급한다. 그리고 정상 운전 중에는 S20단계와 같이 제2챔버(200)가 늦게 가열되어 고체 암모늄염의 열분해 온도 까지 상승되어 제2챔버(200)에서 생성되는 암모니아가 제1챔버(100)를 거쳐 암모니아 도징 모듈(1100)로 공급되도록 한다. 이때, 제2챔버(200)는 2bar 내지 10bar로 압력이 유지되도록 한다.
마지막으로 운전 정지 후 S30단계와 같이 제1챔버(100)와 제2챔버(200)의 가열을 모두 중지하고 제1챔버(100)가 먼저 급속으로 냉각되며, 제2챔버(200)에서는 남아있는 열에 의해 일정량의 암모니아가 계속 생성되므로, 제2챔버(200)에서 생성되는 암모니아 가스가 급속 냉각되는 제1챔버(100)에서 승화되어 고체 암모늄염(110)으로 저장되도록 한다.
그리하여 초기 시동 시 빠르게 암모니아를 공급할 수 있고, 정상 운전 중 암모니아를 안정적이고 지속적으로 공급할 수 있으며, 운전 정지 후에 제1챔버에 고체 암모늄염이 일정량 저장되므로 재시동 시에도 빠르게 암모니아를 공급할 수 있다.
또한, 상기 S20단계에서 제2챔버(200)의 온도가 특정온도 이상으로 상승되었을 때, 제2챔버(200)의 압력이 상승되지 않으면 경고음을 울리거나 경고등이 작동되도록 하는 단계(S21)를 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 제2챔버(200)가 고체 암모늄염의 열분해 온도 이상으로 상승되었음에도 불구하고 제2챔버(200)의 압력이 상승되지 않으면, 고체 암모늄염(210)이 소진되어 암모니아가 생성되지 않는 것이므로, 고체 암모늄염(210)의 충전 또는 교체가 필요하다고 판단하여 운전자에게 경고음을 울리거나 경고등이 작동되도록 할 수 있다.
그리고 본 발명의 고체 암모늄염 반응기를 포함하는 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템(2000)에서, 내부에 고체 암모늄염(1510)이 구비되고 가열수단(1520)이 형성되며 상기 암모니아 도징 모듈(1100)에 연결되는 보조 고체 암모늄염 반응기(1500)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 도 6과 같이 보조 고체 암모늄염 반응기(1500)가 암모니아 도징 모듈(1100)에 연결되도록 하여, 고체 암모늄염 반응기(1000)의 제1챔버(100) 및 제2챔버(200)에 고체 암모늄염이 소진되었을 때 보조 고체 암모늄염 반응기(1500)를 이용하여 암모니아 도징 모듈(1100)로 암모니아 가스가 공급되도록 할 수 있다.
그리고 고체 암모늄염(110,210)은 암모늄-카바메이트(NH2COONH4) 또는 암모늄-카보네이트((NH4)2CO3)로 형성될 수 있으며, 이는 약 60℃에서 암모니아로 열분해되므로 고체 우레아를 사용하는 것에 비해 암모니아 생성 반응 온도를 낮게 유지할 수 있어 전기에너지를 적게 사용할 수 있으며, 고체 우레아의 분해에 의해 발생되는 부산물이 생성되지 않도록 할 수 있다.
이때, 암모늄-카바메이트 및 암모늄-카보네이트가 열분해되어 암모니아가 생성되는 반응식은 다음과 같다.
NH2COONH4 ↔ 2NH3 +CO
(NH4)2CO3 ↔ 2NH3 +CO2 +H2O
그리고 생성된 암모니아가 배기관에 분사되면, 선택적 환원촉매(1300)상에서 NOx가 정화되는 대표반응식은 다음과 같다.
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2+3H2O
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 고체 암모늄염 반응기
100 : 제1챔버
110 : 고체 암모늄염 120 : 제1가열수단
130 : 배출구 140 : 열전달 매체
150 : 급속냉각장치 160 : 제1온도센서
170 : 제1압력센서
200 : 제2챔버
210 : 고체 암모늄염 211 : 케이스
212 : 실링부재 220 : 제2가열수단
230 : 단열층 240 : 커버
250 : 제2온도센서 260 : 제2압력센서
300 : 격막 310 : 연통공
400 : 압력 밸브 410 : 솔레노이드 밸브
1100 : 암모니아 도징 모듈 1200 : 분사 노즐
1300 : 선택적 환원촉매 1400 : 전자제어유닛
1500 : 보조 고체 암모늄염 반응기
1510 : 고체 암모늄염 1520 : 가열수단
2000 : 질소산화물 정화시스템

Claims (17)

  1. 배출구가 형성되고, 내부에 고체 암모늄염이 구비되며, 제1가열수단이 형성되는 제1챔버; 및
    상기 제1챔버의 일측에 형성되어 연통되고, 내부에 고체 암모늄염이 구비되며, 제2가열수단이 형성되는 제2챔버; 를 포함하며,
    상기 제2챔버에는 상기 제1챔버보다 고체 암모늄염이 많이 구비되어, 가열 시 상기 제1챔버는 제2챔버보다 빨리 가열되며, 냉각 시 상기 제1챔버는 제2챔버보다 빨리 냉각되는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1챔버와 제2챔버가 연통되는 연통공에는 압력 밸브가 형성되어, 상기 압력 밸브는 제2챔버의 압력이 제1챔버의 압력보다 높을 때 자동으로 개방되는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1챔버와 제2챔버 사이에는 단열을 위한 격막이 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1가열수단은 전기히터로 형성되며, 상기 제2가열수단은 전기히터, 배기가스 및 엔진 냉각수 중 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염 반응기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1챔버 내부에는 발포, 다공질 또는 그물망 형태의 열전달 매체가 구비되고, 상기 열전달 매체는 금속 재질로 형성되어 상기 제1가열수단과 접촉되며, 상기 열전달 매체에 고체 암모늄염이 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1챔버에는 급속냉각장치가 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염 반응기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2챔버에는 외부를 감싸는 단열층이 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염 반응기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2챔버는 일측이 개방되게 형성되어 개방된 부분에 커버가 결합되며, 상기 제2챔버 내부에 구비되는 고체 암모늄염은 교체 가능하게 형성되는 고체 암모늄염 카트리지로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염 반응기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고체 암모늄염 카트리지는 밀폐되게 형성되어, 일부를 개방시킨 후 제2챔버 내부에 삽입되거나, 삽입되어 장착되는 동시에 일부가 개방되는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염 반응기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 고체 암모늄염 카트리지는 밀폐되게 형성되고 상기 제1챔버와 제2챔버가 연통되도록 하는 관통공과 연결되도록 개구가 형성되며, 상기 고체 암모늄염 카트리지의 개구 둘레에는 실링부재가 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염 반응기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1챔버와 제2챔버가 연통되는 연통공에는 압력 밸브가 형성되고, 상기 제1챔버 및 제2챔버에는 각각 온도센서와 압력센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염 반응기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1챔버와 제2챔버가 연통되는 연통공에는 솔레노이드 밸브가 형성되고, 상기 제1챔버 및 제2챔버에는 각각 온도센서와 압력센서가 설치되어, 상기 솔레노이드 밸브는 제1챔버와 제2챔버에서 측정되는 압력값에 따라 개폐가 제어되는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염 반응기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1챔버의 내부 및 제2챔버의 내부에는 동일한 성분의 고체 암모늄염이 구비되거나 저장되는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염 반응기.
  14. 고체 암모늄염 반응기의 제1챔버 및 제2챔버를 가열하여, 상기 제1챔버에 구비되는 고체 암모늄염을 승화시켜 생성되는 암모니아를 암모니아 도징 모듈로 공급하는 단계(S10);
    상기 제2챔버에 공급되는 열량을 제어하여 제2챔버의 압력을 일정한 압력 범위로 유지시키면서, 상기 제2챔버에 구비되는 고체 암모늄염을 승화시켜 생성되는 암모니아를 상기 제1챔버를 거쳐 암모니아 도징 모듈로 공급하는 단계(S20); 및
    상기 제1챔버 및 제2챔버의 가열을 중지하고 상기 제1챔버가 먼저 냉각되도록 하여, 상기 제2챔버에서 발생되는 암모니아가 상기 제1챔버에서 승화되어 고체 암모늄염이 저장되도록 하는 단계(S30); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염 반응기의 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 S20단계에서 제2챔버의 온도가 특정온도 이상으로 상승되었을 때, 제2챔버의 압력이 상승되지 않으면 경고음을 울리거나 경고등이 작동되도록 하는 단계(S21)를 포함하는 고체 암모늄염 반응기의 제어방법.
  16. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 고체 암모늄염 반응기;
    상기 고체 암모늄염 반응기의 배출구에 연결되어 상기 고체 암모늄염 반응기에서 생성된 암모니아의 공급을 조절하는 암모니아 도징 모듈;
    상기 암모니아 도징 모듈과 연결되며, 배기관에 설치되어 상기 배기관으로 암모니아를 분사하는 분사 노즐;
    상기 배기관 내에 설치되며, 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물을 상기 배기관 내에 분사된 암모니아와 혼합하여 질소와 물로 환원시키는 선택적 환원촉매; 및
    상기 고체 암모늄염 반응기 및 암모니아 도징 모듈과 연결되어 암모니아의 생성 및 공급을 제어하는 전자제어유닛; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    내부에 고체 암모늄염이 구비되고 가열수단이 형성되며 상기 암모니아 도징 모듈에 연결되는 보조 고체 암모늄염 반응기를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 암모늄염과 선택적 환원촉매를 이용한 질소산화물 정화시스템.
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