KR101480163B1 - 요소수 분해 장치 및 이를 이용한 배기가스 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 효과적으로 요소수(urea)로부터 암모니아를 생성하는 요소수 분해 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 요소수 분해 장치는, 요소수를 공급하는 요소수 공급부, 상기 요소수 공급부에 연결되고 상기 요소수를 유입하도록 통로를 형성하는 하우징, 상기 하우징 내부에서 상기 통로의 적어도 일측에 배치되는 가열판, 및 상기 가열판의 상기 통로 반대측에 배치되어, 플라즈마 방전기체의 공급 또는 플라즈마 반응으로 화염을 형성하여 상기 가열판을 가열하는 플라즈마 반응기를 포함한다.

Description

요소수 분해 장치 및 이를 이용한 배기가스 시스템 {UREA DECOMPOSITION DEVICE AND EXHAUST GAS SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 요소수(urea)를 분해하여 암모니아를 생성하는 요소수 분해 장치 및 이를 이용한 배기가스 시스템에 관한 것이다.

요소수를 분해하여 안정적으로 암모니아를 생성하는데, 500℃의 온도가 필요하다. 요소수 분해 과정에서, 요소수가 과도한 온도 조건에 놓이게 되면 질소산화물(NOx)이 발생된다. 요소수 분해시 질소산화물의 발생을 최소화 할 필요가 있다.

배기가스에 포함된 질소산화물을 제거하기 위하여, 배기가스 시스템에 선택적 촉매 환원장치(SCR; Selective Catalytic Reduction, 이하 "SCR"이라 한다)가 사용된다.

대유량의 배기가스를 처리하는 배기가스 시스템의 SCR에 암모니아를 공급하는 경우, 질소산화물을 제거할 충분한 암모니아를 생성 및 공급하기 위하여 소요되는 요소수의 유량이 매우 많다.

이 경우, 별도의 암모니아 생성장치 없이 배기가스에 요소수를 공급하여 요소수를 분해할 수 있다. 이 경우, 배기가스의 일 부분 또는 전체를 가열하여야 한다. 그러나 요소수 분해 이후에는 500℃의 온도가 필요하지 않다. 그런데 배기가스를 필요 이상으로 가열함에 따라 연료가 낭비된다.

본 발명의 목적은 효과적으로 요소수(urea)로부터 암모니아를 생성하는 요소수 분해 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 요소수를 분해하는 공간의 과도한 온도 상승을 방지하여 요소수 분해 과정에서 질소산화물의 발생을 최소화 하는 요소수 분해 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 상기 요소수 분해 장치에서 생성된 암모니아를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거하는 배기가스 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 요소수 분해 장치는, 요소수를 공급하는 요소수 공급부, 상기 요소수 공급부에 연결되고 상기 요소수를 유입하도록 통로를 형성하는 하우징, 상기 하우징 내부에서 상기 통로의 적어도 일측에 배치되는 가열판, 및 상기 가열판의 상기 통로 반대측에 배치되어, 플라즈마 방전기체의 공급 또는 플라즈마 반응으로 화염을 형성하여 상기 가열판을 가열하는 플라즈마 반응기를 포함한다.

상기 요소수 공급부는, 액체 요소수를 분사하는 노즐, 및 액체 요소수를 흘러내리는 밸브 중 하나로 형성될 수 있다.

상기 가열판은, 상기 통로의 양측에서 서로 마주하여 배치되는 1쌍의 가열부재를 포함할 수 있다.

상기 하우징은, 상기 통로를 형성하도록 서로 마주하여 배치되고, 상기 1쌍의 가열부재를 구비하여 서로 결합되는 1쌍의 하우징 부재를 포함할 수 있다.

상기 하우징 부재는, 상기 통로의 반대측에서 상기 가열부재와의 사이에 확산공간을 형성할 수 있다.

상기 하우징 부재는, 상기 가열부재의 반대측에서 상기 확산공간에 연결되는 화염공간을 형성하는 챔버 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 플라즈마 반응기는 상기 챔버 부재에 설치되어 상기 화염공간의 온도를 가열할 수 있다.

상기 확산공간은, 상기 요소수 공급부의 반대측에서 개방될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 시스템은, 요소수 공급부에 연결되고 요소수를 유입하도록 통로를 형성하는 하우징, 상기 하우징 내부에서 상기 통로의 적어도 일측에 배치되는 가열판, 및 상기 가열판의 상기 통로 반대측에 배치되어, 플라즈마 반응으로 화염을 형성하여 상기 가열판을 가열하는 요소수 분해 장치, 및 상기 요소수 분해 장치가 설치되어 상기 통로와 연결되고, 배기가스를 배출하는 배기가스 라인을 포함한다.

상기 가열판은, 상기 통로의 양측에서 서로 마주하여 배치되는 1쌍의 가열부재를 포함하고, 상기 하우징은, 상기 통로를 형성하도록 서로 마주하여 배치되고, 상기 1쌍의 가열부재를 구비하여 서로 결합되는 1쌍의 하우징 부재를 포함하며, 상기 하우징 부재는, 상기 통로의 반대측에서 상기 가열부재와의 사이에 확산공간을 형성할 수 있다.

상기 확산공간은, 상기 요소수 공급부의 반대측에서 개방되어, 상기 배기가스 라인에 연결될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예는, 플라즈마 반응기의 화염으로 가열판을 가열하여 통로로 공급되는 요소수를 가열하여 암모니아를 생성하므로 요소수(urea)로 암모니아를 생성하는데 필요한 연료를 줄일 수 있다. 요소수가 공급되는 통로를 간접적으로 가열하므로 요소수를 분해하는 공간, 즉 통로의 과도한 온도 상승을 방지하는 효과가 있다. 즉 요소수 분해 과정에서 질소산화물의 발생이 최소화될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예는 플라즈마 반응기를 배기가스 라인에 설치하고, 요소수를 분해하여 생성된 암모니아를 통로로 배기가스 라인에 공급할 수 있다. 따라서 배기가스 라인에 설치된 SCR에 암모니아가 충분히 공급되어, 배기가스에 포함된 질소산화물이 효과적으로 제거될 수 있다. 플라즈마 반응기에서 가열판을 가열하는 화염에서 발생되는 미량의 질소산화물은 배기가스 라인으로 공급되어 SCR에서 제거될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 요소수 분해 장치의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선에 따른 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이다.
도 4는 도 1의 요소수 분해 장치를 이용한 배기가스 시스템의 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 요소수 분해 장치의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선에 따른 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예의 요소수 분해 장치(1)는 요소수 공급부(10), 하우징(20), 가열판(30) 및 플라즈마 반응기(40)를 포함한다.

요소수 공급부(10)는 액상의 요소수를 하우징(20) 내부로 공급한다. 하우징(20)은 요소수 공급부(10)에 연결되는 통로(21)를 내부에 형성하여 통로(21)로 요소수를 유입하고, 요소수 공급부(10)의 반대측, 즉 하우징(20)의 하부로 요소수에서 분해된 암모니아를 배출한다.

가열판(30)은 하우징(20)의 내부에서 통로(21)의 적어도 일측에 배치되어 통로(21)로 유입되는 요소수를 간접적으로 가열하여 분해함으로써 암모니를 생성한다. 플라즈마 반응기(40)는 가열판(30)의 통로(21) 반대측에 배치되어, 플라즈마 반응으로 화염을 형성하여 가열판(30)을 가열한다.

보다 구체적으로 설명하면, 요소수 공급부(10)는 액체 요소수를 분사하는 노즐 또는 액체 요소수를 흘러내리는 밸브로 구성될 수 있다. 또한 요소수 공급부(10)는 하우징(20)의 상단에 대응하는 플랜지(11)를 구비한다.

플랜지(11)는 제1 체결부재(12)로 하우징(20)의 상부에 장착되어 하우징(20)의 내부에 형성된 통로(21)의 상단을 밀폐한다. 따라서 요소수 공급부(10)는 통로(21)에 연결된다.

예를 들면, 제1 체결부재(12)는 볼트로 형성되어, 플랜지(11)의 관통구(111)를 통하여 하우징(20)의 나사홀(13)에 체결됨으로써, 플랜지(11)를 하우징(20)에 고정시킬 수 있다.

예를 들면, 가열판(30)은 통로(21)의 양측에서 서로 마주하여 배치되는 1쌍의 가열부재(31, 32)를 포함한다. 하우징(20)은 통로(21)를 형성하도록 서로 마주하여 배치되고, 내측에 1쌍의 가열부재(31, 32)를 구비하여 서로 결합되는 1쌍의 하우징 부재(22, 23)를 포함한다.

1쌍의 가열부재(31, 32)는 통로(21)의 양측에서 통로(21)로 유입되는 요소수를 가열한다. 이 경우, 통로(21)는 1쌍의 가열부재(31, 32)의 서로 마주하는 내표면과 가열부재(31, 32) 사이에 설정되는 하우징(20)의 내벽으로 형성될 수 있다.

1쌍의 하우징 부재(22, 23)는 가열부재(31, 32)의 외곽을 관통하는 제2 체결부재(33)에 의하여 결합 상태를 유지한다. 예를 들면, 제2 체결부재(33)는 볼트(33a)와 너트(33b)로 형성되고, 볼트(33a)는 하우징 부재(22, 23)에 형성된 관통홀(34, 35)을 관통하여 너트(33b)에 체결된다.

도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 1쌍의 하우징 부재(22, 23)는 통로(21)의 반대측에서 1쌍의 가열부재(31, 32)와의 사이에 확산공간(41, 42)을 각각 형성한다. 확산공간(41, 42)은 요소수 공급부(10)의 반대측에서 개방된다.

1쌍의 하우징 부재(22, 23)는 가열부재(31, 32)의 반대측에 챔버 부재(24, 25)를 더 포함한다. 챔버 부재(24, 25)는 확산공간(41, 42)에 연결되는 화염공간(43, 44)을 형성한다. 하우징 부재(22, 23)는 관통구(26, 27)를 통하여 확산공간(41, 42)과 화염공간(43, 44)을 서로 연결한다.

예를 들면, 챔버 부재(24, 25)는 일측에 플랜지(28, 29)를 구비하여 관통구(26, 27)의 외측에 제3 체결부재(39)에 의하여 설치된다. 제3 체결부재(39)는 볼트로 형성되어, 플랜지(28, 29)의 관통구(291)를 통하여 하우징 부재(22, 23)의 나사홀에 체결됨으로써, 플랜지(28, 29)를 하우징 부재(22, 23)에 고정시킬 수 있다.

플라즈마 반응기(40)는 1쌍의 반응부(401, 402)를 포함한다. 1쌍 반응부(401, 402)는 챔버 부재(24, 25)에 각각 설치되어 화염공간(43, 44)으로 화염을 공급하여, 화염공간(43, 44)의 온도를 가열한다.

플라즈마 반응기(40)는 다양한 구조로 형성될 수 있으므로 구체적인 구조에 대하여 상세한 설명을 생략한다. 플라즈마 반응기(40)는 공기만을 이용하여 방전하여 방전 플라즈마를 가열부재(31, 32)에 접촉되도록 공급하여 가열하거나, 방전 공기와 연료를 공급하여 플라즈마 반응으로 연료를 연소시키므로 연료 소비량을 최소화 할 수 있다.

또한 1쌍의 반응부(401, 402)는 화염공간(43, 44)을 통하여 확산공간(41, 42)으로 화염을 전파하여 화염으로 가열부재(31, 32)를 가열한다. 가열된 가열부재(31, 32)에 의하여 통로(21)로 공급되는 요소수가 간접적으로 가열되면서 암모니아로 전환된다.

이때 생성되는 암모니아는 통로(21)의 요소수 공급부(10)의 반대측 개구로 배출된다. 이와 동시에 확산공간(41, 42)으로 전파되는 반응 생성물을 포함하는 방전기체에 포함된 질소산화물은 암모니아가 배출되는 방향으로 확산공간(41, 42)의 개구로 배출된다.

가열부재(31, 32)의 가열을 통하여 요소수를 간접 가열하므로 요소수를 분해하는 공간인 통로(21)의 과도한 온도 상승이 방지된다. 따라서 요소수 분해시 질소산화물의 발생이 최소화 될 수 있다. 또한 방전 공기로 인하여 질소산화물이 발생되더라도 공기만으로 방전되므로 방전 공기의 양이 미량일 수 있다.

또한, 공기 방전에서 높은 농도의 질소산화물이 발생하더라도 배기가스 전체 유량에 비하여 극히 미량이므로 플라즈마 반응기(40)의 운전에 의하여 발생되는 질소산화물은 무시할 만한 수준이다.

도 4는 도 1의 요소수 분해 장치를 이용한 배기가스 시스템의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 일 실시예의 배기가스 시스템(3)은 요소수 분해 장치(1) 및 요소수 분해 장치(1)가 설치되어 통로(21)와 연결되는 배기가스 라인(2)을 포함한다. 배기가스 라인(2)은 배기가스를 배출하며, 예를 들면, 자동차 엔진의 배기가스 라인일 수 있다.

요소수 분해 장치(1)에서 생성되어 통로(21)로 배출되는 암모니아는 배기가스 라인(2)으로 유입되어 배기가스와 혼합되어 배출된다. 배기가스 및 암모니아는 배기가스 라인(2)에 설치된 SCR(미도시)로 유입되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시킨다.

또한 확산공간(41, 42)에서 배출되는 미량의 질소산화물은 배기가스 라인(2)으로 유입되어 배기가스와 혼합되어 배출된다. 플라즈마 방전시 발생되는 질소산화물은 배기가스 및 암모니아와 함께 배기가스 라인(2)에 설치된 SCR(미도시)로 유입되어 환원된다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

1: 요소수 분해 장치 2: 배기가스 라인
3: 배기가스 시스템 10: 요소수 공급부
11: 플랜지 12: 제1 체결부재
13: 나사홀 20: 하우징
21: 통로 22, 23: 하우징 부재
24, 25: 챔버 부재 26, 27, 111: 관통구
28, 29: 플랜지 30: 가열판
31, 32: 가열부재 33: 제2 체결부재
33a: 볼트 33b: 너트
34, 35: 관통홀 39: 제3 체결부재
40: 플라즈마 반응기 41, 42: 확산공간
43, 44: 화염공간 401, 402: 반응부

Claims (11)

1. 요소수를 공급하는 요소수 공급부;
   상기 요소수 공급부에 연결되고 상기 요소수를 유입하도록 통로를 형성하는 하우징;
   상기 하우징 내부에서 상기 통로의 양측에 배치되는 가열판; 및
   상기 통로 반대측에서 상기 가열판의 측면에 배치되어, 플라즈마 방전기체의 공급 또는 플라즈마 반응으로 화염을 형성하여 상기 가열판을 가열하는 플라즈마 반응기
   를 포함하며,
   상기 가열판은, 상기 통로의 양측에서 서로 마주하여 배치되는 1쌍의 가열부재를 포함하고,
   상기 통로의 반대측에서 상기 1쌍의 가열부재와 상기 하우징은, 서로의 사이에 확산공간을 형성하며,
   상기 하우징은, 상기 통로를 형성하도록 서로 마주하여 배치되고, 상기 1쌍의 가열부재를 구비하여 서로 결합되는 1쌍의 하우징 부재를 포함하며,
   상기 확산공간은, 상기 요소수 공급부의 반대측에서 개방되는 요소수 분해 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 요소수 공급부는,
   액체 요소수를 분사하는 노즐 및
   액체 요소수를 흘러내리는 밸브
   중 하나로 형성되는 포함하는 요소수 분해 장치.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제2항에 있어서,
   상기 1쌍의 하우징 부재는,
   상기 1쌍의 가열부재와의 사이에 상기 확산공간을 형성하는 요소수 분해 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 1쌍의 하우징 부재는,
   상기 가열부재의 반대측에서 상기 확산공간에 연결되는 화염공간을 형성하는 챔버 부재를 더 포함하는 요소수 분해 장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 플라즈마 반응기는
   상기 챔버 부재에 설치되어 상기 화염공간의 온도를 가열하는 요소수 분해 장치.
   
8. 삭제
9. 요소수 공급부에 연결되고 요소수를 유입하도록 통로를 형성하는 하우징, 상기 하우징 내부에서 상기 통로의 양측에 배치되는 가열판, 및 상기 통로 반대측에서 상기 가열판의 측면에 배치되는 플라즈마 반응기의 플라즈마 반응으로 화염을 형성하여 상기 가열판을 가열하는 요소수 분해 장치; 및
   상기 요소수 분해 장치가 설치되어 상기 통로와 연결되고, 배기가스를 배출하는 배기가스 라인
   을 포함하며,
   상기 가열판은, 상기 통로의 양측에서 서로 마주하여 배치되는 1쌍의 가열부재를 포함하고
   상기 통로의 반대측에서 상기 1쌍의 가열부재와 상기 하우징은, 서로의 사이에 확산공간을 형성하며,
   상기 하우징은, 상기 통로를 형성하도록 서로 마주하여 배치되고, 상기 1쌍의 가열부재를 구비하여 서로 결합되는 1쌍의 하우징 부재를 포함하며,
   상기 확산공간은, 상기 요소수 공급부의 반대측에서 개방되는 배기가스 시스템.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 1쌍의 하우징 부재는,
    상기 1쌍의 가열부재와의 사이에 상기 확산공간을 형성하는 배기가스 시스템.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 확산공간은,
    상기 배기가스 라인에 연결되는 배기가스 시스템.

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