KR101444172B1 - 복수의 필터부를 포함하는 배기가스 유해물질 동시 저감시스템 - Google Patents

복수의 필터부를 포함하는 배기가스 유해물질 동시 저감시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 복수의 필터부를 포함하는 배기가스 유해물질 동시 저감시스템은, 내부에 석회가 수용되는 석회탱크, 내부에 요소가 수용되는 요소탱크, 배기가스의 유입경로와 유출경로 사이에 구비되며, 상기 배기가스에 포함된 분진 및 황산화물을 제거하는 하나 이상의 세라믹필터를 포함하는 제1필터부, 상기 제1필터부보다 하류에 구비되며, 상기 배기가스에 포함된 질산화물을 제거하는 하나 이상의 허니컴필터를 포함하는 제2필터부, 상기 석회탱크 내에 수용된 석회를 유동시키는 석회유로와, 상기 석회유로에 구비되어 상기 석회를 상기 배기가스 유입경로에 공급하는 석회공급노즐을 포함하는 석회공급부 및 상기 요소탱크 내에 수용된 요소를 유동시키는 요소유로와, 상기 요소유로에 구비되어 상기 요소를 상기 허니컴필터보다 상류에 공급하는 요소공급노즐을 포함하는 요소공급부를 포함한다.

Description

복수의 필터부를 포함하는 배기가스 유해물질 동시 저감시스템{Toxic Substance Reduction System of Treating Exhaust Gas Having Plural Filter Part}
본 발명은 엔진에서 발생된 배기가스의 유해물질을 저감시키는 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분진, 황산화물 및 질산화물을 동시에 저감시킬 수 있는 저감시스템에 관한 것이다.
최근 선박의 엔진에서 발생되는 배기가스의 오염물질에 대한 환경규제가 점차 강화되고 있으며, 이에 따라 다양한 엔진 배기가스 후처리 기술 및 장치가 개발 및 적용되고 있다.
2016년부터 발효되는 티어(Tier) III의 경우 현재의 티어 II 대비 질산화물(NOx)을 80%이상 줄여야 하며, 2013년부터 온실가스인 이산화탄소가 EEDI(Energy Efficiency Design Index)와 연계되어 규제의 적용 대상이 된다.
또한 황산화물(SOx)에 대한 규제도 점차 강화되는 추세에 있으며, 분진(Particulate Matter, PM)은 현재 규제대상은 아니지만, 이 역시 규제에 대한 논의가 진행되고 있어, 빠른 시일 내에 규제 대상에 포함될 가능성이 있다.
질소산화물 저감을 위한 대표적인 후처리 장치로는 SCR(Selective Catalytic Reduction)장치가 있으며, 현재 티어 III의 유일한 대안으로 평가되고 있다. 그리고 현재는 메인 엔진에의 적용을 위한 저온촉매 기술의 개발이 진행 중이다.
한편 전술한 바와 같이 황산화물에 대한 규제도 점차 강화되는 추세에 있으며, 황산화물 배출을 줄이기 위한 방법은 크게 두 가지로 나뉘어질 수 있다.
첫째는 황산화물을 화학적으로 후처리하는 방법으로 석회(Lme)를 이용한 반건식 방법 또는 수산화나트륨(NaOH)를 이용하는 습식방식이며, 두 번째 방법은 연료 자체를 저유황 연료로 사용하는 방식이다. 최근에는 ECA(Emission Control Area)에서 저유황 연료를 사용하는 방식이 널리 사용되고 있다.
분진(PM)의 경우 자동차에서 이미 개발된 DPF(Diesel Particulate Filter)기술이 널리 쓰이고 있다. 이는 DPF에 분진이 여과되어 쌓이게 되고, 이후 일정량이 쌓인 후 연소를 통해 분진을 제거하는 방식이다.
이와 같이 질산화물, 황산화물, 분진에 대한 각각의 후처리장치가 존재하고 있으나, 이러한 각각의 장치를 별도로 선박에 적용할 경우 설비를 구축하기 위한 비용 문제, 설치공간에 대한 문제 및 압력손실에 대한 문제로 인해 큰 부담이 따르게 된다.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.
미국등록특허 제5536285호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 설비 설치에 따른 비용이 저렴하며, 점유하는 부피가 적고 효율적인 유해물질 저감시스템을 제공하기 위함이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수의 필터부를 포함하는 배기가스 유해물질 동시 저감시스템은, 내부에 석회가 수용되는 석회탱크, 내부에 요소가 수용되는 요소탱크, 배기가스의 유입경로와 유출경로 사이에 구비되며, 상기 배기가스에 포함된 분진 및 황산화물을 제거하는 하나 이상의 세라믹필터를 포함하는 제1필터부, 상기 제1필터부보다 하류에 구비되며, 상기 배기가스에 포함된 질산화물을 제거하는 하나 이상의 허니컴필터를 포함하는 제2필터부, 상기 석회탱크 내에 수용된 석회를 유동시키는 석회유로와, 상기 석회유로에 구비되어 상기 석회를 상기 배기가스 유입경로에 공급하는 석회공급노즐을 포함하는 석회공급부 및 상기 요소탱크 내에 수용된 요소를 유동시키는 요소유로와, 상기 요소유로에 구비되어 상기 요소를 상기 허니컴필터보다 상류에 공급하는 요소공급노즐을 포함하는 요소공급부를 포함한다.
그리고 상기 요소탱크 내에 수용된 요소는 고체 요소이며, 상기 요소유로에는 상기 고체 요소를 승화시키는 승화유닛이 구비될 수 있다.
또한 상기 요소유로에는 상기 승화유닛에 의해 승화된 요소를 저장하는 버퍼탱크가 구비될 수 있다.
그리고 상기 배기가스의 유출경로에는, 상기 유출경로에 유동되는 배기가스의 황산화물 농도를 감지하여 상기 석회공급노즐의 석회 공급량을 조절하는 황산화물감지센서와, 상기 유출경로에 유동되는 배기가스의 질산화물 농도를 감지하여 상기 요소공급노즐의 요소 공급량을 조절하는 질산화물감지센서가 구비될 수 있다.
또한 상기 요소공급부는, 상기 요소유로에 구비되어 상기 요소를 상기 배기가스 유입경로에 공급하는 보조요소공급노즐을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 요소공급부는, 상기 요소유로에 유동되는 요소의 일부를 상기 석회유로로 유동시키는 보조요소유로를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 제1필터부 및 상기 제2필터부 중 적어도 어느 하나 이상은 복수 개가 연속적으로 구비될 수 있다.
그리고 상기 제1필터부에는 상기 세라믹필터 표면에 발생된 집진물을 제거하는 진동유닛이 구비될 수 있다.
또한 상기 제1필터부에는 상기 세라믹필터 표면에 발생된 집진물을 제거하는 압축공기분사유닛이 구비될 수 있다.
그리고 상기 배기가스의 유입경로, 상기 제1필터부 및 상기 제2필터부 중 적어도 어느 일측에는, 유동되는 배기가스를 승온시키는 히팅유닛이 구비될 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 복수의 필터부를 포함하는 배기가스 유해물질 동시 저감시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 적은 비용으로 배기가스에 포함된 유해물질을 효율적으로 저감시킬 수 있다는 장점이 있다.
둘째, 설비 시 소요되는 비용이 저렴하다는 장점이 있다.
셋째, 설비가 점유하는 부피가 작다는 장점이 있다.
넷째, 필터부에서 황피독에 의한 눈막힘 현상이 발생하지 않는다는 장점이 있다.
다섯째, 하류에는 상대적으로 가격이 저렴한 허니컴필터가 구비된 제2필터부가 구비되므로, 설비에 따른 소요비용을 더욱 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
여섯째, 분진 및 황산화물은 제1필터부에서, 질산화물은 제2필터부에서 각각 제거되므로 각 성분의 제거 효율이 우수하다는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 유해물질 동시 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 유해물질 동시 저감시스템에 있어서, 필터부 내에 구비된 세라믹 필터의 모습을 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 유해물질 동시 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면;
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 배기가스 유해물질 동시 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면; 및
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 배기가스 유해물질 동시 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 유해물질 동시 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 유해물질 동시 저감시스템은 석회탱크(300)와, 요소탱크(200)와, 석회공급부와, 요소공급부와, 제1필터부(100a) 및 제2필터부(100b)를 포함한다.
석회탱크(300)는 내부에 석회가 수용되며, 이는 생석회(CaO) 또는 소석회(Ca(OH)2) 중 어떤 것이라도 무방하다.
그리고 상기 석회공급부는 상기 석회탱크(300) 내에 수용된 석회를 유동시키는 석회유로(310)와, 상기 석회유로(310)에 구비되어 석회를 배기가스 유입경로(10a)에 분사하는 석회공급노즐(320)을 포함한다.
본 실시예의 경우, 석회공급노즐(320)은 한 쌍이 구비되고, 석회유로(310)는 각 석회공급노즐(320)로 분지되나, 이와 달리 석회공급노즐(320)의 개수는 하나, 또는 복수 개 등 다양하게 형성될 수 있음은 물론이다.
이에 따라 석회는 배기가스 유입경로(10a) 내측으로 유동되는 배기가스에 포함된 황산화물(SOx)과 반응하고, 반응물의 입도가 보다 증가된다. 이는 일반적으로 당업자에게 자명한 사항이므로, 본 반응에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
요소탱크(200)의 내부에는 요소가 수용되며, 상기 요소공급부는 상기 요소탱크(200) 내에 수용된 요소를 유동시키는 요소유로(210)와, 상기 요소유로(210)에 구비되어 상기 요소를 후술할 제2필터부(100b)의 허니컴필터(112)보다 상류에 주입하는 요소공급노즐(220)을 포함한다.
즉 요소공급노즐(220)로부터 분사된 요소는 제2필터부(100b)에 구비된 각 허니컴필터(112)보다 전방에 공급되어 배기가스에 혼합되고, 이후 허니컴필터(112) 측으로 유동된다.
본 실시예의 경우, 전술한 석회공급부와 마찬가지로 요소공급노즐(220)은 한 쌍이 구비되고, 요소유로(210)는 각 요소공급노즐(220)로 분지되며, 이와 달리 요소공급노즐(220)의 개수는 하나, 또는 복수 개 등 다양하게 형성될 수 있음은 물론이다.
한편 본 실시예에서 상기 배기가스의 유출경로(10b)에는, 상기 유출경로(10b)에 유동되는 배기가스의 황산화물 농도를 감지하여 상기 석회공급노즐(320)의 석회 공급량을 조절하는 황산화물감지센서(420)와, 상기 유출경로(10b)에 유동되는 배기가스의 질산화물 농도를 감지하여 상기 요소공급노즐(220)의 요소 공급량을 조절하는 질산화물감지센서(410)가 구비된다.
그리고 이를 위해 황산화물감지센서(420)과 석회공급노즐(320)을 연결하는 석회공급제어배선(422) 상에는 석회제어유닛(424)이 구비될 수 있으며, 질산화물감지센서(410)와 요소공급노즐(220)을 연결하는 요소공급제어배선(412) 상에는 요소제어유닛(414)이 구비될 수 있다.
추가적으로 도시되지는 않았으나, 상기 배기가스의 유입경로(10a), 상기 제1필터부(100a) 및 상기 제2필터부(100b) 중 적어도 어느 일측에는, 유동되는 배기가스를 승온시키는 히팅유닛이 구비될 수 있다. SCR(Selective Catalytic Redection) 시스템의 경우 일반적으로 발생하는 배기가스의 온도 수준인 280~510℃에서 반응이 일어나기는 하나, 유동되는 배기가스의 온도가 충분치 못할 경우 상기 히팅유닛으로 배기가스를 승온시킬 수 있도록 할 수 있다.
제1필터부(100a)는 배기가스의 유입경로(10a)와 유출경로(10b) 사이에 구비되며, 내측에는 하나 이상의 세라믹필터(110)가 구비된다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 유해물질 동시 저감시스템에 있어서, 필터부 내에 구비된 세라믹필터(110)의 모습을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 제1필터부 내측에 복수 개의 세라믹필터(110)가 횡 방향 및 종 방향으로 배열되고, 이는 지지체(120)에 장착된다. 그리고 세라믹필터(110)는 배기가스에 포함된 분진 및 황산화물을 저감시킬 수 있다.
구체적으로, 전술한 바와 같이 석회와 반응하여 입도가 증가된 황산화물은 세라믹필터(110)의 표층에서 분진과 함께 집진되며, 이후 허니컴필터(112)의 내측에서는 요소와 충분히 혼합된 질산화물이 허니컴필터(112)에 코팅 또는 담지된 촉매에 의해 반응이 활성화되어 제거된다.
한편 제1필터부에는 상기 세라믹필터 표면에 발생된 집진물을 제거하는 집진물 제거수단이 구비될 수 있으며, 이는 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 집진물 제거수단은 진동유닛 형태로 구비되어 진동에 의해 집진물을 제거할 수도 있으며, 압축공기분사유닛 형태로 구비되어 집진물을 제거할 수도 있는 등 다양한 방법이 사용될 수 있다. 또는 전기집진장치가 사용될 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제2필터부(100b)는 상기 제1필터부(100a)보다 하류에 구비되며, 상기 배기가스에 포함된 질산화물을 제거하는 하나 이상의 허니컴필터(112)를 포함한다. 구체적으로, 전술한 바와 같이 요소공급부로부터 공급된 요소는 배기가스와 혼합되고, 이후 배기가스가 허니컴필터(112)를 통과하며 질산화물은 촉매에 의해 요소와 반응하여 제거될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 경우 배기가스 유동라인의 하류에는 상대적으로 가격이 저렴한 허니컴필터(112)가 구비된 제2필터부(100b)가 구비되므로, 설비에 따른 소요비용을 더욱 감소시킬 수 있다. 그리고 분진 및 황산화물은 제1필터부(100a)에서, 질산화물은 제2필터부(100b)에서 각각 제거되므로 각 성분의 제거 효율이 우수하다는 장점이 있다.
이하에서는, 본 발명의 다른 실시 형태에 대해 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 유해물질 동시 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 유해물질 동시 저감시스템은 전체적으로 모든 구성이 전술한 제1실시예의 경우와 동일하게 형성된다.
다만, 본 실시예에서 요소탱크(200) 내에는 고체 요소가 구비되며, 상기 요소유로(210)에는 상기 고체 요소를 승화시키는 승화유닛(250)이 구비된다는 것이 제1실시예와 다르다. 이와 같이 요소는 고체 형태로 사용될 수도 있으며, 이에 따라 요소의 운반 등에 따른 편의성을 향상시킬 수 있다.
또한 도시되지는 않았으나, 이 경우 상기 요소유로(210)에는 상기 승화유닛(250)에 의해 승화된 요소를 저장하는 버퍼탱크가 더 구비될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 배기가스 유해물질 동시 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 배기가스 유해물질 동시 저감시스템은 전체적으로 모든 구성이 전술한 제2실시예의 경우와 동일하게 형성된다.
다만, 본 실시예에서 요소공급부는 요소공급노즐(220) 외에, 상기 요소유로(210)에 구비되어 상기 요소를 상기 배기가스 유입경로(10a)에 공급하는 보조요소공급노즐(222)을 더 포함한다는 것이 제2실시예와 다르다. 즉 요소유로(210)는 배기가스 유입경로(10a) 측으로 분지되고, 본 실시예의 경우 배기가스가 제2필터부(100b)를 통과하기 이전에 요소를 공급하여 배기가스에 충분히 혼합시킬 수 있다.
또한 이 경우 요소공급제어배선(412)은 보조요소공급노즐(222) 측에도 연결되어 공급량을 조절하도록 할 수 있음은 물론이다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 배기가스 유해물질 동시 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따른 배기가스 유해물질 동시 저감시스템은 전체적으로 모든 구성이 전술한 제2실시예의 경우와 동일하게 형성된다.
다만, 본 실시예에서 상기 요소공급부는, 상기 요소유로(210)에 유동되는 요소의 일부를 상기 석회유로(310)로 유동시키는 보조요소유로(212)를 더 포함한다는 것이 제2실시예와 다르다.
이 경우, 요소유로(210)에 유동되는 요소의 일부가 석회유로(310) 측으로 유입되어 석회와 믹싱되고, 석회공급유로(320)를 통해 배기가스 유입경로(10a)에 동시 공급될 수 있다. 본 실시예의 경우 역시 배기가스가 제2필터부(100b)를 통과하기 이전에 요소를 공급하여 배기가스에 충분히 혼합시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
10a: 배기가스 유입경로 10b: 배기가스 유출경로
100a: 제1필터부 100b: 제2필터부
110: 세라믹필터 112: 허니컴필터
120: 지지체 200: 요소탱크
210: 요소유로 212: 보조요소유로
220: 요소공급노즐 222: 보조요소공급노즐
250: 승화유닛 300: 석회탱크
310: 석회유로 320: 석회공급노즐
410: 질산화물감지센서 412: 요소공급제어배선
414: 요소제어유닛 420: 황산화물감지센서
422: 석회공급제어배선 424: 석회제어유닛

Claims (10)

  1. 내부에 석회가 수용되는 석회탱크;
    내부에 요소가 수용되는 요소탱크;
    배기가스의 유입경로와 유출경로 사이에 구비되며, 상기 배기가스에 포함된 분진 및 황산화물을 제거하는 하나 이상의 세라믹필터를 포함하는 제1필터부;
    상기 제1필터부보다 하류에 구비되며, 상기 배기가스에 포함된 질산화물을 제거하는 하나 이상의 허니컴필터를 포함하는 제2필터부;
    상기 석회탱크 내에 수용된 석회를 유동시키는 석회유로와, 상기 석회유로에 구비되어 상기 석회를 상기 배기가스 유입경로에 공급하는 석회공급노즐을 포함하는 석회공급부; 및
    상기 요소탱크 내에 수용된 요소를 유동시키는 요소유로와, 상기 요소유로에 구비되어 상기 요소를 상기 허니컴필터보다 상류에 공급하는 요소공급노즐을 포함하는 요소공급부;
    를 포함하는 배기가스 유해물질 동시 저감시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요소탱크 내에 수용된 요소는 고체 요소이며, 상기 요소유로에는 상기 고체 요소를 승화시키는 승화유닛이 구비된 배기가스 유해물질 동시 저감시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 요소유로에는 상기 승화유닛에 의해 승화된 요소를 저장하는 버퍼탱크가 구비된 배기가스 유해물질 동시 저감시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스의 유출경로에는,
    상기 유출경로에 유동되는 배기가스의 황산화물 농도를 감지하여 상기 석회공급노즐의 석회 공급량을 조절하는 황산화물감지센서와,
    상기 유출경로에 유동되는 배기가스의 질산화물 농도를 감지하여 상기 요소공급노즐의 요소 공급량을 조절하는 질산화물감지센서가 구비되는 배기가스 유해물질 동시 저감시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 요소공급부는,
    상기 요소유로에 구비되어 상기 요소를 상기 배기가스 유입경로에 공급하는 보조요소공급노즐을 더 포함하는 배기가스 유해물질 동시 저감시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 요소공급부는,
    상기 요소유로에 유동되는 요소의 일부를 상기 석회유로로 유동시키는 보조요소유로를 더 포함하는 배기가스 유해물질 동시 저감시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1필터부 및 상기 제2필터부 중 적어도 어느 하나 이상은 복수 개가 연속적으로 구비된 배기가스 유해물질 동시 저감시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1필터부에는 상기 세라믹필터 표면에 발생된 집진물을 제거하는 진동유닛이 구비된 배기가스 유해물질 동시 저감시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1필터부에는 상기 세라믹필터 표면에 발생된 집진물을 제거하는 압축공기분사유닛이 구비된 배기가스 유해물질 동시 저감시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스의 유입경로, 상기 제1필터부 및 상기 제2필터부 중 적어도 어느 일측에는, 유동되는 배기가스를 승온시키는 히팅유닛이 구비된 배기가스 유해물질 동시 저감시스템.
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KR20240045463A (ko) 2022-09-30 2024-04-08 현대제철 주식회사 배기가스 오염물질 저감장치 및 방법

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