KR101526768B1 - 질소산화물 정화 장치의 탈황 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질소산화물 정화 장치의 탈황 방법에 관한 것으로서, 희박 연소 조건에서 엔진이 운전되고 배기 매니폴드 후단에 질소산화물 정화 장치가 장착된 차량에서 질소산화물 정화 장치의 탈황시 짧은 시간 내에 탈황 효율을 극대화할 수 있고, 황화수소의 배출량을 최소화할 수 있는 질소산화물 정화 장치의 탈황 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 엔진의 배기 매니폴드 후단에 질소산화물 정화 장치가 장착된 차량에서 질소산화물 정화 장치의 촉매에 흡착 또는 흡장된 황산화물을 탈착시키기 위한 탈황 방법에 있어서, 상기 질소산화물 정화 장치의 탈황 중 질소산화물 정화 장치의 전단 온도 또는 촉매 온도가 기 설정된 온도 범위 내로 유지되도록 제어하고, 상기 질소산화물 정화 장치 전단의 배출 가스 분위기가 공연비 제어를 통해 희박 또는 농후해지도록 희박 운전과 농후 운전을 번갈아 반복하되, 탈황시 농후 운전을 제한하는 농후 운전 최대 유지 시간을 질소산화물 정화 장치의 상태에 따라 기 설정된 시간으로 조정하여 가변하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치의 탈황 방법이 개시된다.

Description

질소산화물 정화 장치의 탈황 방법{DESULFURIZATION METHOD FOR NITROGEN OXIDE PURIFYING SYSTEM}
본 발명은 질소산화물 정화 장치의 탈황 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 희박 연소 조건에서 엔진이 운전되고 엔진의 배기 매니폴드 후단에 질소산화물 정화 장치가 장착된 차량에서 질소산화물 정화 장치의 탈황시 발생하는 황화수소의 배출량을 최소화할 수 있는 방법에 관한 것이다.
차량의 배출가스 규제가 강화되어감에 따라 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 후처리 장치로서 LNT(Lean NOx Traps), SCR(Selective Catalytic Reduction) 등의 DeNOx 촉매(Catalyst) 기술이 적용되고 있다.
또한, 입자상 물질(Particulate Matters)을 저감시키기 위한 후처리 기술로서 CPF(Catalyzed Particulate Filter) 기술 등이 개발되어 차량에 적용되고 있다.
DeNOx 촉매는 배출 가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 정화시키는 촉매 컨버터의 한 형식으로서, 우레아(Urea), 암모니아, 일산화탄소, 탄화수소 등과 같은 환원제를 배출 가스에 전달하면 DeNOx 촉매에서 배출 가스에 포함된 질소산화물이 상기 환원제와의 산화-환원 반응을 통해 환원되게 된다.
최근에는 희박 연소 엔진의 작동시 발생하는 배출가스 성분 중 질소산화물을 제거하기 위하여 질소산화물 흡장 촉매(LNT)를 후처리 장치로서 사용하고 있으며, 질소산화물 흡장 촉매는 희박(lean)한 분위기에서 배출 가스에 포함된 질소산화물을 흡착 또는 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 작동되면 흡착 또는 흡장된 질소산화물을 탈착한다.
그러나, 질소산화물 흡장 촉매에서 질소산화물을 흡착 또는 흡장하는 물질은 염기성이기 때문에 배출 가스에 포함된 질소산화물과 함께 황산화물(연료 또는 엔진 오일 내에 포함된 황 성분 산화 물질) 역시 흡착 또는 흡장된다.
질소산화물 흡장 촉매가 황 성분에 의해 피독되면 질소산화물 정화 효율 및 성능의 저하가 일어나며, 따라서 황 성분 제거를 위한 질소산화물 흡장 촉매의 탈황(DeSox, Desulfation) 과정이 필요하고, 주기적인 탈황을 통하여 질소산화물의 정화 성능을 회복시켜 주어야 한다.
통상의 탈황 방법에 따르면, 질소산화물 흡장 촉매에 흡장되어있는 황산화물의 양을 계산하여 황산화물의 양이 설정된 양 이상이 되면 탈황 모드로 엔진을 제어하여 촉매에 흡착 또는 흡장된 황산화물을 탈착시킨다.
이러한 질소산화물 흡장 촉매의 탈황은 고온 조건과 함께 농후한 운전 분위기를 필요로 하며, 황산화물의 양을 계산하고 황 피독에 따른 촉매의 정화 성능 저하를 판단하여 탈황 재생 시기를 결정한 뒤, 탈황을 위해 질소산화물 흡장 촉매의 온도를 상승시키는 것과 동시에 공연비(질소산화물 정화 장치 전단의 공연비)를 제어한다.
즉, 희박 연소 엔진의 배기 매니폴드 후단에 질소산화물 흡장 촉매가 설치된 차량에서, 질소산화물 흡장 촉매의 성능 개선을 목적으로 하는 탈황을 실시하기 위해서는, 엔진 운전 조건을 조절하여 질소산화물 흡장 촉매의 온도를 탈황이 이루어지는 일정 온도 이상으로 상승시켜야 하고, 동시에 탈황 과정 동안 질소산화물 흡장 촉매로 유입되는 배출 가스의 공연비(촉매 전단의 공연비)를 농후한 상태로 유지하여야 한다.
질소산화물 흡장 촉매와 관련된 선행 기술로서, 한국 등록 특허 제10-1055840호(2011.08.03)는 질소산화물 흡장 촉매가 구비된 차량의 린/리치 제어 방법을 개시하고 있고, 한국 등록 특허 제10-1251519호(2013.04.01)는 탈황을 위해 질소산화물 흡장 촉매에 저장되는 황산화물의 양을 예측하는 방법을 개시하고 있으며, 한국 등록 특허 제10-1272937호(2013.06.03)는 촉매의 탈황 방법을 개시하고 있다.
한편, 질소산화물 정화 장치(질소산화물 흡장 촉매)의 탈황 과정에서는 부패한 달걀 냄새와 유사한 악취가 발생하는 황화수소(H2S)가 생성되며, 탈황을 실시할 경우 황화수소의 발생량을 제한해야 한다.
일반적으로 황화수소의 발생량을 제한하기 위해 탈황시 농후 운전 시간이 최대 상한선을 넘지 않도록 제한하는 방법이 일반적으로 적용되고 있다.
질소산화물 흡장 촉매로 유입되는 배출 가스의 공연비를 농후한 상태로 장시간 유지할 경우 촉매가 과열될 수 있고, 동시에 황화수소 발생량이 급격하게 증가할 수 있다.
따라서, 질소산화물 흡장 촉매의 탈황시 농후 운전 시간을 제한해야 하며, 이를 위하여 탈황시 필요한 농후 운전의 최대 상한선, 즉 농후 운전 최대 유지 시간을 고정값으로 미리 설정해두고 있다.
하지만, 질소산화물 정화 장치의 탈황 효율은 농후 운전 시간이 늘어남에 따라 증가하기 때문에, 농후 운전 시간을 무조건 고정값인 농후 운전 최대 유지 시간으로 제한되도록 설정할 경우, 짧은 시간 내 탈황을 실시해야 하는 차량의 운전 상황에서 촉매 내 피독된 황 성분을 상당량 제거하기가 어렵다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 희박 연소 조건에서 엔진이 운전되고 배기 매니폴드 후단에 질소산화물 정화 장치가 장착된 차량에서 질소산화물 정화 장치의 탈황시 짧은 시간 내 탈황 효율을 극대화할 수 있고, 황화수소의 배출량을 최소화할 수 있는 질소산화물 정화 장치의 탈황 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 엔진의 배기 매니폴드 후단에 질소산화물 정화 장치가 장착된 차량에서 질소산화물 정화 장치의 촉매에 흡착 또는 흡장된 황산화물을 제거하기 위한 탈황 방법에 있어서, 상기 질소산화물 정화 장치의 탈황 중 질소산화물 정화 장치의 전단 온도 또는 촉매 온도가 기 설정된 온도 범위 내로 유지되도록, 그리고 상기 질소산화물 정화 장치 전단의 배출 가스 분위기가 공연비 제어를 통해 희박 또는 농후해지도록 희박 운전과 농후 운전을 번갈아 반복 제어하며, 탈황시 농후 운전 최대 유지 시간을 질소산화물 정화 장치의 상태에 따라 기 설정된 시간으로 조정하여 가변하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치의 탈황 방법을 제공한다.
바람직한 실시예로, 상기 농후 운전과 희박 운전을 반복 제어함에 있어서, 농후 운전 동안 질소산화물 정화 장치의 전단 또는 촉매 온도가 상기 기 설정된 온도 범위를 초과할 경우, 또는 질소산화물 정화 장치의 상태에 따라 결정된 농후 운전 최대 유지 시간을 초과할 경우 농후 운전을 중단하고 희박 운전 모드로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질소산화물 정화 장치의 상태는 질소산화물 정화 장치의 운전 시간 또는 열화도이고, 농후 운전 최대 유지 시간이 상기 질소산화물 정화 장치의 운전 시간 또는 열화도를 반영한 값으로 미리 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질소산화물 정화 장치의 상태는 질소산화물 정화 장치의 황피독과 탈황의 반복 횟수이고, 농후 운전 최대 유지 시간이 황피독과 탈황의 반복 횟수를 반영한 값으로 미리 설정되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 농후 운전 최대 유지 시간은 황피독과 탈황의 반복 횟수가 증가할수록 큰 값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질소산화물 정화 장치 내 황산화물의 양이 탈황 과정을 통해 기 설정된 양 이하가 되거나, 질소산화물 정화 장치의 탈황 시간이 기 설정된 시간을 경과한 경우 탈황 과정을 종료하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기 설정된 온도 범위는 550 ~ 750 ℃의 범위로 하는 것을 특징으로 한다.
이로써 본 발명의 탈황 방법에 따르면, 질소산화물 정화 장치의 탈황을 위한 농후 운전 최대 유지 시간이 질소산화물 정화 장치의 상태에 따라 조정되도록 구성됨으로써, 단위 시간 당 탈황량 및 탈황 효율의 극대화를 도모할 수 있고, 재생 연비 및 질소산화물 정화 효율의 개선, 황화수소 배출량의 최소화가 가능해지게 된다.
도 1은 질소산화물 정화 장치의 탈황 중 희박/농후 운전 시간 및 황피독-탈황 반복 횟수에 따른 최대 황화수소 발생량을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 희박 연소 조건에서 엔진이 운전되고 배기 매니폴드 후단에 질소산화물 정화 장치가 장착된 차량에서 질소산화물 정화 장치의 탈황시 짧은 시간 내 탈황 효율을 극대화할 수 있고, 황화수소의 배출량을 최소화할 수 있는 질소산화물 정화 장치의 탈황 방법을 제공하고자 하는 것이다.
여기서, 질소산화물 정화 장치는 배기 매니폴드 후단에 설치되는 질소산화물 흡장 촉매(LNT:Lean NOx Traps)가 될 수 있으며, 전술한 바와 같이 질소산화물 흡장 촉매의 탈황은 고온 조건과 함께 농후한 운전 분위기를 필요로 한다.
따라서, 황산화물의 양을 계산하고 황산화물의 양이 설정된 양 이상이 되면, 황 피독에 따라 촉매의 정화 성능이 저하된 것으로 판단하여, 촉매의 온도를 상승시키는 것과 동시에 질소산화물 정화 장치 전단의 공연비(촉매 전단의 공연비)를 제어하게 된다.
즉, 질소산화물 탈황 과정에서 질소산화물 정화 장치의 전단 또는 촉매 온도를 기 설정된 고온 범위 내 유지하면서 탈황 모드를 위한 농후 운전을 반복하도록 엔진을 제어하여 촉매에 흡착 또는 흡장된 황산화물을 탈착, 정화시킨다.
또한, 질소산화물 탈황 과정에서 질소산화물 정화 장치 전단의 배출 가스 분위기가 희박과 농후 운전을 반복하도록 제어하며, 농후 운전 상태에서 특정 조건을 만족할 경우 농후 운전을 중단하고 희박 운전 모드로 재진입한다.
또한, 질소산화물 정화 장치 내 황산화물의 양 또는 탈황 시간에 따라 정해진 조건을 만족하는 경우 탈황을 종료한다.
이러한 탈황 과정에서, 본 발명은 질소산화물 정화 장치의 탈황시 짧은 시간 내 탈황 효율을 극대화할 수 있도록 하면서 동시에 황화수소의 발생량이 최소화될 수 있도록 하기 위해, 질소산화물 정화 장치의 탈황을 위한 농후 운전 최대 유지 시간을, 종래와 같이 고정 설정값을 사용하는 것이 아닌, 질소산화물 정화 장치의 운전 시간 또는 열화도에 따라 가변 제어하는 것을 주된 기술적 특징으로 가진다.
즉, 단위 시간 당 탈황량 및 탈황 효율을 극대화시키고 황화수소의 발생량을 제한하기 위하여, 질소산화물 정화 장치의 운전 상태에 따라 탈황시 필요한 농후 운전 시간의 최대 상한값을 조정할 수 있도록 하는 것이다.
참고로, 도 1은 질소산화물 정화 장치의 탈황 중 희박/농후 운전 시간 및 황피독-탈황 반복 횟수에 따른 최대 황화수소 발생량을 나타내는 도면으로, 이에 나타낸 바와 같이, 본 발명자는, 시험 평가를 통해 확인한 결과, 연료와 엔진 오일 내에 포함되어 있는 황성분으로 인한 질소산화물 정화 장치의 황피독과 질소산화물 정화 성능 회복을 위한 탈황이 반복될수록, 즉 질소산화물 정화 장치의 운전 시간 또는 열화도가 증가할수록 질소산화물 정화 장치의 탈황 중 최대 황화수소 발생량이 감소하고, 반면 질소산화물 정화 장치의 탈황시 농후 운전 시간이 증가할수록 황화수소의 발생량이 증가함을 확인하였다.
따라서, 본 발명에서는 질소산화물 정화 장치의 탈황시 탈황 효율을 극대화하고 황화수소 발생을 제한할 수 있도록, 상기 평가 결과를 바탕으로 질소산화물 정화 장치의 운전 시간 또는 열화도를 반영하여 탈황을 위한 농후 운전 시간을 가변 제어하는 방법을 제시한다.
좀더 구체적으로 설명하면, 희박 연소 엔진의 배기 매니폴드 후단에 질소산화물 정화 장치가 설치된 차량에 있어서, 제어부에 의하여 황산화물의 양이 계산되어 추정되고, 추정된 황산화물의 양이 기 설정된 양 이상이 되면, 탈황을 위한 운전 모드로 진입한다.
여기서, 황산화물의 양을 예측하는 방법에 대해서는 한국 등록특허 제10-1251519호(2013.4.1) 등에 제시되어 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 하며, 이하 설명에서도 다른 공지의 기술적 사항에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
또한, 질소산화물 정화 장치의 탈황 중에는 질소산화물 정화 장치 전단 또는 촉매 온도를 기 설정된 온도 범위 이내로 제어한다.
예를 들면, 탈황 중 질소산화물 정화 장치 내 촉매의 온도는 고온 조건을 필요로 하므로, 탈황을 위해 질소산화물 정화 장치 전단 또는 촉매 온도를 550 ~ 750 ℃의 온도 범위 이내로 제어한다.
여기서, 질소산화물 정화 장치의 탈황 운전을 위한 온도 조건, 즉 질소산화물 정화 장치 전단 또는 촉매 온도의 조건으로 설정되는 상기 온도 범위에 있어서는, 질소산화물 정화 장치의 탈황이 일어나기 시작하는 온도를 최소 온도로 설정하고, 질소산화물 정화 장치의 성능을 보장할 수 있는 최대 온도(정화 성능을 발휘할 수 있는 최대 온도)를 최대 온도로 정한다.
또한, 질소산화물 정화 장치 전단의 배출 가스 분위기가 희박 또는 농후해지도록 희박 운전 제어와 농후 운전 제어를 번갈아 반복 실시하는데, 농후 운전 모드에서, 질소산화물 정화 장치 전단 또는 촉매 온도가 상기 기 설정된 온도 범위를 초과할 것으로 예상되거나 측정되는 경우, 또는 농후 운전 시간이 질소산화물 정화 장치의 운전 시간 또는 열화도에 따라 다르게 설정된 농후 운전 최대 유지 시간을 초과할 경우, 농후 운전을 중단하고 희박 운전 모드로 재진입한다.
또한, 질소산화물 정화 장치 내 황산화물의 양이 기 설정된 양(mSOx) 이하가 되도록 황산화물이 제거되었거나, 질소산화물 정화 장치의 탈황 시간이 기 설정된 시간(tDeSOx)을 경과하였을 경우, 질소산화물 정화 장치의 탈황 과정을 종료한다.
본 발명에서 탈황을 위한 촉매 온도 제어와 공연비 제어는 연소실 내 연료 분사 장치 또는 배기 매니폴드 후단의 연료(환원제) 분사 장치, 공기량 조절 장치를 이용하여 실행하며, 공지된 바와 같이 온도센서, 산소센서 등의 센서 정보에 따라 제어부가 상기한 장치의 작동을 제어(연료 분사량 제어 또는 흡입 공기량 제어 등)함으로써 수행될 수 있다.
질소산화물 정화 장치의 운전 시간 또는 열화도에 따라 다르게 설정되는 농후 운전 최대 유지 시간은 선행된 시험 평가의 결과를 기준으로 하여 미리설정될 수 있는데, 예를 들어 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 황피독-탈황의 반복 횟수에 따라 농후 운전 최대 유지 시간이 설정될 수 있고, 이때 농후 운전 최대 유지 시간은 황피독-탈황의 반복 횟수가 증가할 수록 큰 값이 되도록 설정될 수 있다.
Figure 112013119589719-pat00001
이와 같이 하여, 본 발명에서는 질소산화물 정화 장치의 탈황을 위한 농후 운전 최대 유지 시간이 질소산화물 정화 장치의 상태에 따라 조정되도록 구성함으로써, 단위 시간 당 탈황량 및 탈황 효율의 극대화를 도모할 수 있고, 재생 연비 및 질소산화물 정화 효율의 개선, 황화수소 배출량의 최소화가 가능해지게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

Claims (7)

  1. 엔진의 배기 매니폴드 후단에 질소산화물 정화 장치가 장착된 차량에서 질소산화물 정화 장치의 촉매에 흡착 또는 흡장된 황산화물을 제거하기 위한 탈황 방법에 있어서,
    상기 질소산화물 정화 장치의 탈황 중 질소산화물 정화 장치의 전단 온도 또는 촉매 온도가 기 설정된 온도 범위 내로 유지되도록, 그리고
    상기 질소산화물 정화 장치 전단의 배출 가스 분위기가 공연비 제어를 통해 희박 또는 농후해지도록 희박 운전과 농후 운전을 번갈아 반복 제어하며,
    탈황시 농후 운전 최대 유지 시간을 질소산화물 정화 장치의 상태에 따라 기 설정된 시간으로 조정하여 가변시키며,
    상기 질소산화물 정화 장치의 상태는 질소산화물 정화 장치의 황피독과 탈황의 반복 횟수이고, 농후 운전 최대 유지 시간이 황피독과 탈황의 반복 횟수를 반영한 값으로 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치의 탈황 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 농후 운전과 희박 운전을 반복 제어함에 있어서,
    농후 운전 동안 질소산화물 정화 장치의 전단 또는 촉매 온도가 상기 기 설정된 온도 범위를 초과할 경우, 또는 농후 운전 시간이 질소산화물 정화 장치의 상태에 따라 결정된 농후 운전 최대 유지 시간을 초과할 경우 농후 운전을 중단하고 희박 운전 모드로 제어하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치의 탈황 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 질소산화물 정화 장치의 상태는 질소산화물 정화 장치의 운전 시간 또는 열화도이고, 농후 운전 최대 유지 시간이 상기 질소산화물 정화 장치의 운전 시간 또는 열화도를 반영한 값으로 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치의 탈황 방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 농후 운전 최대 유지 시간은 황피독과 탈황의 반복 횟수가 증가할수록 큰 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치의 탈황 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 질소산화물 정화 장치 내 황산화물의 양이 탈황 과정을 통해 기 설정된 양 이하가 되거나, 질소산화물 정화 장치의 탈황 시간이 기 설정된 시간을 경과한 경우 탈황 과정을 종료하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치의 탈황 방법.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 기 설정된 온도 범위는 550 ~ 750 ℃의 범위인 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치의 탈황 방법.
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JP2005105871A (ja) * 2003-09-29 2005-04-21 Toyota Motor Corp 内燃機関の触媒制御装置及び触媒劣化判定装置
JP2005120958A (ja) * 2003-10-20 2005-05-12 Hitachi Ltd 内燃機関排ガス浄化装置，排ガス浄化方法及び硫化水素捕捉触媒
KR20110062149A (ko) * 2009-12-02 2011-06-10 현대자동차주식회사 내연 기관의 배기 가스 정화 장치 및 이의 탈황 방법

Patent Citations (3)

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