KR101519173B1 - 촉매 분해반응을 이용한 우레아 용액 공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매반응부를 이용한 우레아 용액 공급장치에 관한 것으로, 촉매분해반응부를 이용하여 우레아 용액을 암모니아로 전환시키고 전환된 암모니아 용액을 배기가스 배관으로 공급하여 질소산화물이 환원되도록 함으로써 우레아 용액의 공급을 용이하게 하여 비용이 절감되고, 유지관리가 간편하며, 보다 효율적으로 우레아 용액을 공급해주는 촉매분해반응부를 이용한 우레아 용액 공급장치를 제공함에 있다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명은 가솔린, 디젤, 벙커유, LNG, LPG, 바이오연료등과 같은 화석연료 사용하는 엔진, 소각로 및 산업용 연소설비의 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거하기 위한 SCR 시스템의 환원제인 우레아 용액을 배기가스 배관에 공급하는 장치에 있어서, 우레아 용액이 저장되는 저장탱크; 상기 저장탱크에서 공급배관을 통해 우레아용액을 고압으로 이송해주는 고압 용액이송 펌프; 상기 고압 용액이송 펌프를 통해 공급배관으로 우레아 용액을 공급받아 암모니아로 전환시켜주고 배기가스 배관에 분사해주는 촉매분해 반응부; 를 포함하여 구성되는 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

촉매 분해반응을 이용한 우레아 용액 공급장치{Urea atomization system with catalytic converter for SCR system}

본 발명은 촉매 분해반응을 이용한 우레아 용액 공급장치에 관한 것으로,

촉매 분해반응부를 이용하여 우레아 용액을 암모니아로 전환시키고 전환된 암모니아 용액을 배기가스 배관으로 공급하여 질소산화물이 환원되도록 함으로써 우레아 용액의 공급을 용이하게 하여 비용이 절감되고, 유지관리가 간편하며, 보다 효율적으로 우레아 용액을 공급해주는 촉매분해 반응을 이용한 우레아 용액 공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 가솔린, 디젤, 벙커유, LNG, LPG, 바이오연료 등의 각종 화석연료를 사용하는 엔진, 소각로 및 산업용 연소설비의 배기가스 중의 질소 산화물을 제거하기 위한 SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템에서는 질소산화물을 환원시키기 위한 화학물질로 암모니아 가스를 직접 사용하거나 사용과 보관의 안전성과 편리성으로 인해 우레아 용액을 배기관에 공급하여 배기가스의 열을 이용해 우레아를 암모니아로 전환 시켜 질소산화물 제거에 이용하고 있다.

도 1 은 종래의 노즐타입 분무장치를 이용한 우레아 용액 공급 장치를 나타낸 예시도로서, 우레아 용액이 저장되는 저장탱크(10)와, 상기 저장탱크(10) 내부의 우레아 용액을 공급배관(40)을 통해 배기가스 배관(50)으로 공급해주는 공급펌프(20)와, 상기 공급배관(40)을 통해 공급되는 우레아 용액이 분사되는 노즐(51)과, 상기 노즐(51)을 통해 우레아 용액이 분사되도록 하는 공기압축기(30)를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 우레아 용액 공급장치를 이용하여 배기가스 배관(50)으로 우레아 용액을 공급할 경우에는 배기가스의 높은 온도로 인해 공급배관(40) 내부에 우레아 용액이 고화되어 막히지 않도록 우레아 용액을 보호 냉각해 주는 공기압축기(30)의 동력이 과다하게 소요되며, 또한 배기가스의 높은 온도로 인해 노즐(51) 끝단에서 수분이 증발할 경우 우레아의 석출 작용으로 노즐이 막혀서 적절한 효율을 내지 못하거나 작동 불능 상태로 되는 문제점이 있으며, 우레아 용액 공급을 중단시에도 노즐이 배기가스의 고체오염물에 의해 막히지 않도록 공기압축기를 상시 가동해야 하고, 질소산화물의 농도가 낮을 경우에는 정상운전 중에도 노즐에서 분사를 위한 적정 유량을 유지하기 위해 과도한 우레아 용액을 주입해야 하며, 과량의 우레아 용액의 주입은 과도한 암모니아를 생성시켜 냄새와 함께 2차 오염 물질을 유발 시킬 수 있는 등의 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 촉매분해반응부를 이용하여 우레아 용액을 암모니아로 전환시키고 전환된 암모니아 용액을 배기가스 배관으로 공급하여 질소산화물이 환원되도록 함으로써 우레아 용액의 공급을 용이하게 하여 비용이 절감되고, 유지관리가 간편하며, 보다 효율적으로 우레아 용액을 공급해주는 촉매분해 반응을 이용한 우레아 용액 공급장치를 제공한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은, 가솔린, 디젤, 벙커유, LNG, LPG, 바이오연료등과 같은 화석연료 사용하는 엔진, 소각로 및 산업용 연소설비의 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거하기 위한 SCR 시스템의 환원제인 우레아 용액을 배기가스 배관에 공급하는 장치에 있어서, 우레아 용액이 저장되는 저장탱크; 상기 저장탱크에서 공급배관을 통해 우레아용액을 고압으로 이송해주는 고압 용액이송 펌프; 상기 고압 용액이송 펌프를 통해 공급배관으로 우레아 용액을 공급받아 암모니아로 전환시켜주고 배기가스 배관에 분사해주는 촉매분해 반응부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 촉매분해 반응부는, 우레아 용액을 공급받아 암모니아로 분해 반응을 일으키도록 하는 촉매단; 상기 촉매단의 일측으로 설치되어 암모니아 가스를 배기가스 배관으로 분사해주는 노즐단; 상기 촉매단에서 노즐단으로 공급되는 암모니아의 공급량을 조절할 수 있도록 설치되는 유량조절부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 유량조절부는, 상기 촉매단과 노즐단 사이에 형성되어 암모니아의 공급량이 조절될 수 있도록 하는 오리피스; 상기 촉매단에 설치되어 상기 오리피스를 통해 이동하는 암모니아의 량을 조절해주는 간극조절기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 노즐단에 연결되도록 설치되어 노즐 막힘의 문제가 발생할 경우 스팀을 발생시켜 세척함으로써 노즐단의 막힘을 방지해주는 스팀세척관을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 촉매분해 반응부를 통해 우레아 용액을 암모니아로 전환시켜줌으로써 우레아 용액을 보다 효율적으로 사용하도록 하여주며, 직접 용액이 배기가스 배관으로 공급되도록 하여 별도의 공기압축기가 필요하지 않아 낮은 동력비용으로 우레아 용액을 공급할 수 있으며, 종래와 같은 노즐마모 및 노즐 막힘의 문제점을 해결하여 보다 경제적이면서 효율적이고 간편한 방법으로 우레아 용액을 공급해주는 매우 유용한 발명이다.

도 1 은 종래의 노즐타입 무화장치를 이용한 우레아 용액 공급 장치를 나타낸 예시도,
도 2 는 본 발명에 의한 촉매분해반응부를 이용한 우레아 용액 공급장치를 나타낸 예시도,
도 3 은 본 발명에 의한 촉매분해반응부를 나타낸 예시도.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2 는 본 발명에 의한 촉매분해반응부를 이용한 우레아 용액 공급장치를 나타낸 예시도, 도 3 은 본 발명에 의한 촉매분해반응부를 나타낸 예시도로서,

본 발명은 도면에서와 같이 우레아 용액이 저장되는 저장탱크(10)와, 상기 저장탱크(10)에서 공급배관(40)을 통해 우레아 용액을 고압으로 이송해주는 고압 용액이송 펌프(60)와, 상기 공급배관(40)에 연결되고 상기 고압 용액이송 펌프(60)에 의해 이송되는 우레아 용액을 공급받아 암모니아로 전환시켜 주고 배기가스 배관(50)으로 분사해주는 촉매분해 반응부(70)를 포함하여 구성된다.

상기 배기가스 배관(50)은 엔진에서 연료의 연소시 발생되는 질소산화물이 배출되는 것으로, 촉매분해 반응부(70)를 통해 이 배기가스 배관(50)으로 우레아가 암모니아로 전환된 용액을 공급하여 질소산화물을 제거해 주는 것이다.

한편 상기 고압 용액이송 펌프(60)는 저장탱크(10)의 우레아 용액을 10내지 100기압으로 가압하여 우레아 용액이 촉매분해 반응부(70)로 공급되도록 하는 것이다.

한편 상기 촉매분해 반응부(70)는, 도 3 에서와 같이 고압 용액이송 펌프(60)를 통해 공급배관(40)으로 우레아 용액을 공급받아 암모니아로 분해 반응을 일으키도록 하는 촉매단(71)과, 상기 촉매단(71)의 일측으로 설치되어 암모니아를 배기가스 배관(50)으로 분사해주는 노즐단(72)과, 상기 촉매단(71)에서 노즐단(72)으로 공급되는 암모니아의 공급량을 조절해줄 수 있도록 설치되는 유량조절부(73)를 포함하여 구성된다.

상기 노즐단(72)은 배기가스 배관(50)으로 암모니아 가스를 분사할 수 있도록 배기가스 배관(50)에 노출되도록 설치하고, 이렇게 배기가스 배관(50)으로 노출됨으로써 반응 열원을 활용할 수 있게 되는 것이다.

상기 유량조절부(73)는, 상기 촉매단(71)과 노즐단(72) 사이에 형성되는 오리피스(74)와, 상기 촉매단(71)에 설치되어 상기 오리피스(74)의 간극을 조절해줌으로써 노즐단(71)으로 공급되는 암모니아의 량을 조절해주는 간극조절기(75)를 포함하여 구성된다.

이와 같은 간극조절기는 밸브(77)가 설치되어 밸브(77)를 조작함으로써 오리피스(74)의 간극을 조절하여 노즐단(72)으로 공급되는 암모니아의 량을 조절하게 되는 것이다.

또한 상기 촉매분해 반응부(70)는, 상기 노즐단(72)에 연결되도록 설치되어 노즐의 막힘 문제가 발생할 경우 스팀을 분사하여 세척함으로써 노즐단(72)의 막힘을 방지해주는 스팀세척관(76)을 더 포함하여 구성된다.

즉 조업중에 우레아 용액의 설정치보다 작아지는 경우에는 미분해 우레아 입자에 의해 노즐 막힘이 진행될 수 있고, 이러한 상태는 용액 투입량을 모니터링함으로써 알 수 있고 설정치보다 일정량이 작아질 경우 상기 스팀세척관(76)을 통해 스팀을 노즐단에 투입함으로써 미연에 방지할 수 있게 된다.

상기 촉매단(71)은 150도~500도의 온도와 10기압 내지 100기압에서 운전되도록 한다.

우레아는 130도 이상에서 분해가 진행된다. 따라서 온도를 150도 이상으로 선정하였고 500도를 상한치로 설정한 이유는 배기가스의 온도 범위내로 한정하였기 때문이다.

또한 압력의 경우 물은 1기압에서 100도 이상이면 증발하기 때문에 용액중 물이 먼저 증발하고 우레아가 분말 형태로 존재하여 노즐 막힘 등의 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 150도 이상에서 용액상태로 존재할 수 있는 압력 하한치를 10기압으로 설정하였고 100기압을 상한값으로 설정한 이유는 경제성을 고려할 때 그 이상의 압력은 압축 비용 등 상승으로 경제적이지 않기 때문이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 우레아 용액이 공급되는 과정을 설명하면,

먼저 고압 용액이송 펌프(60)를 작동시켜 저장탱크(10)의 내부에 저장된 우레아 용액을 공급배관(40)을 통해 촉매분해 반응부(70)로 공급시켜준다.

이렇게 촉매분해 반응부(70)로 우레아 용액이 공급되면 촉매단(71)을 통해 우레아 용액을 암모니아로 전환시켜준다.

이때 상기 유량조절부(73)에서는 우레아 용액에서 암모니아로 전환된 가스가 적정하게 노즐단(72)으로 공급될 수 있도록, 간극조절기(75)를 이용하여 오리피스(74)의 간극을 조절해 준다.

이렇게 노즐단(72)으로 암모니아가 공급되면 노즐단(72)에서는 배기가스 배관(50)으로 암모니아를 분사해줌으로써 질소산화물을 제거하게 되는 것이다.

상기 유량조절부(73)는 상기 배기가스 배관(50)으로 배출되는 질소산화물의 농도에 따라 오리피스(74)의 간극을 조절하여 노즐단(72)으로 공급되는 암모니아의 량을 조절해줌으로써 질소산화물의 농도나 배출량에 대응하여 적절히 대응하여 효율적으로 주입할 수 있게 되는 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

(10) : 저장탱크 (20) : 공급펌프
(30) : 공기압축기 (40) : 공급배관
(50) : 배기가스배관 (51) : 노즐
(60) : 고압 용액이송펌프 (70) : 촉매분해 반응부
(71) : 촉매단 (72) : 노즐단
(73) : 유량조절부 (74) : 오리피스
(75) : 간극조절기 (76) : 스팀세척관
(77) : 밸브

Claims (4)

1. 화석연료를 사용하는 엔진, 소각로, 산업용 연소설비 중에서 선택된 어느 하나의 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물을 제거하기 위한 SCR 시스템의 환원제인 우레아 용액을 배기가스 배관에 공급하는 장치에 있어서,
   우레아 용액이 저장되는 저장탱크;
   상기 저장탱크에서 공급배관을 통해 우레아용액을 고압으로 이송해주는 고압 용액이송 펌프;
   상기 고압 용액이송 펌프를 통해 공급배관으로 우레아 용액을 공급받아 암모니아로 전환시켜주고 배기가스 배관에 분사해주는 촉매분해 반응부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 촉매 분해반응을 이용한 우레아 용액 공급장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 촉매분해 반응부는,
   우레아 용액을 공급받아 암모니아로 분해 반응을 일으키도록 하는 촉매단;
   상기 촉매단의 일측으로 설치되어 암모니아 가스를 배기가스 배관으로 분사해주는 노즐단;
   상기 촉매단에서 노즐단으로 공급되는 암모니아의 공급량을 조절할 수 있도록 설치되는 유량조절부를 포함하여 구성되는 촉매 분해반응을 이용한 우레아 용액 공급장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 유량조절부는,
   상기 촉매단과 노즐단 사이에 형성되어 암모니아의 공급량이 조절될 수 있도록 하는 오리피스;
   상기 촉매단에 설치되어 상기 오리피스를 통해 이동하는 암모니아의 량을 조절해주는 간극조절기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 촉매 분해반응을 이용한 우레아 용액 공급장치.
   
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 노즐단에 연결되도록 설치되어 노즐 막힘의 문제가 발생할 경우 스팀을 발생시켜 세척함으로써 노즐단의 막힘을 방지해주는 스팀세척관을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 촉매 분해반응을 이용한 우레아 용액 공급장치.
   
   
   

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