KR101527719B1 - 고체 암모늄염을 이용한 암모니아 가스 발생기 - Google Patents

고체 암모늄염을 이용한 암모니아 가스 발생기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연기관 또는 연소기에서 배출되는 유해배출가스인 질소산화물(NOx)을 저감하기 위해 고체 암모늄염을 열분해하여 암모니아 가스를 만드는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체 암모늄염에 열을 가하여 암모니아 가스를 발생시킬 때 발생하는 응축수를 회수하는 고체 암모늄염을 이용한 암모니아 가스발생기에 관한 것이다.

Description

고체 암모늄염을 이용한 암모니아 가스 발생기 {An ammonia gas generator by using solid ammonium salt}
본 발명은 내연기관 또는 연소기에서 배출되는 유해배출가스인 질소산화물(NOx)을 저감하기 위해 고체 암모늄염을 열분해하여 암모니아 가스를 만드는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체 암모늄염에 열을 가하여 암모니아 가스를 생성시킬 때 발생하는 응축수를 회수하는 고체 암모늄염을 이용한 암모니아 가스발생기에 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 선택적 촉매 환원반응(SCR; Selective Catalytic Reduction) 등이 사용되고 있다.
상기 선택적 환원촉매기술 중에서 경유 등 탄화수소를 사용하는 경우 환원제로 내연기관 또는 연소기의 연료를 사용하므로 부수적인 환원제 공급 장치가 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 열분해되어 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 및 분사장치 등 고가의 부수적인 장치들이 필요하고, 액체 우레아는 어는점이 섭씨 -11도이므로 저장부 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.
그리고 한국등록특허 제10-1185413호에는 열분해온도가 낮은 고체 암모늄염을 사용하는 기술이 소개되어 있으나, 고체 암모늄염의 열분해 시 발생하는 응축수에 대한 별도의 대책이 없는 단점이 있다. 도면을 참조하여 상세히 설명하면,
도 1에는 통상의 고체 암모늄염을 이용한 암모니아 가스 발생기가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 고체 암모늄염이 수용된 반응기(10)를 가열하면 암모니아 가스가 발생하며, 발생된 암모니아 가스는, 레귤레이터(31)와 도징밸브(32)로 구성된 압력제어부(30)를 통해 일정한 압력으로 배기구(50)에 공급되어 배기구(50) 상에 구비된 선택적 환원촉매(40)에 공급된다. 이때, 고체 암모늄염의 열분해 시에는 물이 발생하게 되며, 암모니아 가스에 포함된 수분을 회수하지 않을 경우 레귤레이터(31)와 도징밸브(32)에서 수분이 응축되어 부식되거나 가역반응에 의해 수분이 암모니아와 반응하여 고체의 암모늄염이 생성되어 레귤레이터(31)와 도징밸브(32)가 고체 암모늄염으로 인해 막히는 단점이 있다. 종래에는 이를 방지하기 위해 레귤레이터(31)와 도징밸브(32)를 수분의 기화온도 이상의 높은 온도(섭씨 100도 이상)로 가열해야 하는 단점이 있다.
따라서 레귤레이터와 도징밸브의 온도가 응축수의 기화 온도 보다 낮은 환경에 노출되더라도 응축수의 발생을 최소화할 수 있는 기술의 개발이 요구된다.
한국등록특허 제10-1185413호(2012.09.24.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 암모니아 가스 발생기를 통해 발생된 암모니아 가스가 응축수 분리기를 통해 수분이 제거된 상태에서 레귤레이터 및 도진밸브에 공급되도록 구성된 고체 암모늄염을 이용한 암모니아 가스 발생기를 제공함에 있다.
특히 응축수 분리기는 암모니아 가스 유입 시 응축수 발생 조건을 만족시키기 위한 가열 수단을 구비하여 암모니아 가스에서 수분을 분리하고 회수하게 되는 고체 암모늄염을 이용한 암모니아 가스 발생기를 제공함에 있다.
본 발명의 암모니아 가스 발생기는, 고체 암모늄염을 가열하여 암모니아 가스를 발생시키는 반응기; 일단이 상기 반응기에 연결되고, 타단이 선택적 환원 촉매에 연결되어 상기 반응기에서 발생된 암모니아 가스를 상기 선택적 환원 촉매에 공급하는 암모니아 가스 라인; 상기 암모니아 가스를 일정한 압력으로 상기 선택적 환원 촉매에 공급하도록 상기 암모니아 가스 라인 상에 구비되는 압력제어부; 및 상기 암모니아 가스 라인 상의 상기 반응기와 상기 압력제어부 사이에 구비되며, 상기 암모니아 가스의 수분을 제거하여 상기 압력제어부에 공급하는 응축수 분리기; 를 포함한다.
또한, 상기 응축수 분리기는, 상기 암모니아 가스를 가열하는 가열 수단; 을 포함한다.
또한, 상기 가열 수단은, 히터, 내연기관의 냉각수 또는 배기가스가 순환되는 열교환 유로 중 선택되는 단수 또는 복수 개다.
이때, 상기 응축수 분리기는, 상기 가열 수단을 통해 상기 고체 암모늄염의 승화온도보다 높고, 물의 기화온도보다 낮게 제어된다.
또한, 상기 응축수 분리기는, 내부에 응축수 분리 공간이 형성되고, 상기 응축수 분리 공간상에는 열전달 부재가 구비된다.
또한, 상기 응축수 분리기는, 하측에 상기 응축수 분리 공간에서 생성된 응축수가 저장되는 응축수 저장부를 포함한다.
아울러, 상기 응축수 저장부의 응축수 저장용량은 상기 반응기의 고체암모늄 저장용량의 0.18배 이상이다.
본 발명의 암모니아 가스발생기는, 고체 암모늄염에 열을 가하여 암모니아 가스를 발생시킬 때 생성되는 응축수를 회수함으로써 레귤레이터와 도징밸브의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 암모니아 가스 발생기 개념도
도 2는 본 발명의 암모니아 가스 발생기 개념도
도 3은 본 발명의 응축수 분리기 확대개념도
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 응축수 분리기 사시도
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 응축수 분리기 분해사시도
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 응축수 분리기 몸체 평면도 및 저면도
도 7은 암모늄 카보네이트와 물의 포화압력곡선
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 암모니아 가스 발생기의 개념도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 본 발명의 암모니아 가스 발생기는, 반응기(100)에서 발생된 수분을 포함한 암모니아 가스가 레귤레이터(310)와 도징밸브(320)로 구성된 압력제어부(300)에 도달하기 전에 응축수 분리기(200)를 경유하도록 구성된다. 응축수 분리기(200)를 통해 암모니아 가스의 수분을 충분히 회수한 후 수분이 제거된 암모니아 가스를 레귤레이터(310) 및 도징밸브(320)에 공급하도록 하여 레귤레이터(310)와 도징밸브(320)의 온도가 응축수의 기화 온도 보다 낮은 환경에 노출되더라도 응축수의 발생에 따른 부식 및 스케일 생성을 방지하게 된다. 압력제어부(300)의 제어에 의해 일정한 압력의 암모니아 가스는 배기구(500)에 공급되어 배기구(500) 상의 선택적 환원 촉매(400)에 전달된다.
이하 상기와 같은 구성의 응축수 분리기(200)의 세부 구성에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 3에는 반응기(100) 및 응축수 분리기(200)의 확대개념도가 도시되어 있다.
반응기(100)는 반응기 몸체(110), 반응기 히터(120), 반응기 온도센서(130), 반응기 압력센서(140)를 포함한다. 반응기 몸체(110)의 내부에는 고체 암모늄염(S)이 수용된다. 고체 암모늄염(S)은 암모늄-카보네이트((NH4)2CO3) 등으로 형성될 수 있으며, 암모늄-카보네이트는 섭씨 약 60도에서 암모니아로 열분해된다. 따라서 반응기 몸체(110) 상에는 고체 암모늄염(S)을 가열하기 위한 반응기 히터(120)가 구비된다. 반응기 히터(120)는 전기에 의해 발열하는 통상의 코일형 히터가 적용될 수 있다. 또한 반응기 몸체(110)에는 반응기 몸체(110) 내부의 온도 및 압력을 측정하기 위한 반응기 온도센서(130) 및 반응기 압력센서(140)가 구비될 수 있다.
이때, 암모늄-카보네이트가 열분해되어 암모니아가 생성되는 반응식은 다음과 같다.
(NH4)2CO3 ↔ 2NH3 +CO2 +H2O
이 반응식에 의하면 1kg의 암모늄-카보네이트가 열분해되면 0.1875kg의 물이 생성된다.
따라서 고체 암모늄염(S)의 열분해를 통해 암모니아 가스와 물이 생성되고, 암모니아 가스와 물은 반응기 몸체(110) 상의 반응기 유출부(111)에 연결된 암모니아 가스 라인(150)을 통해 응축수 분리기(200)에 전달된다.
응축수 분리기(200)는 몸체(210), 가열 수단(220), 열전달부재(230), 온도센서(240), 응축수 저장부(250)를 포함한다.
몸체(210)에는 내부에 응축수 분리 공간(215)이 형성되고, 암모니아 가스 라인(150)으로부터 공급된 암모니아 가스와 물이 유입되는 유입부(211), 응축수를 제거한 암모니아 가스를 압력제어부(300)에 공급하기 위한 유출부(212), 분리된 응축수를 응축수 저장부(250)에 공급하는 응축수 배출부(213)를 포함하여 구성된다. 이때 몸체(210) 내부 바닥면은 응축수 배출부(213)를 향하여 기울어진 경사부(214)가 형성될 수 있다. 또한 분리기 몸체(210) 상에는 응축수 분리 공간(215)의 온도 제어를 통해 암모니아 가스에서 응축수를 분리하기 위한 가열 수단(220)이 구비된다. 도면상의 가열 수단(220)은 전기에 의해 발열하는 통상의 코일형 히터가 도시되어 있으나, 내연기관의 냉각수 또는 배기가스가 순환되는 열교환 유로가 적용될 수도 있다. 이때 가열 수단(220)을 통해 제어되는 응축수 분리 공간(215)의 온도는, 도 7에 도시된 바와 같이 고체암모늄의 승화온도보다 높고, 물의 기화온도 보다 낮게 제어될 수 있다. 응축수 분리 공간(215)의 온도가 고체암모늄의 승화온도보다 낮을 경우 암모니아 가스가 고화될 수 있고, 응축수 분리 공간(215)의 온도가 물의 기화온도 보다 높을 경우 물이 기화되어 응축수가 분리되지 않는다. 따라서 몸체(210)의 내부는 가열 수단(220) 및 온도센서(240)를 통해 고체암모늄의 승화온도보다 높고, 물의 기화온도 보다 낮게 제어될 수 있다. 상기 고체암모늄의 승화온도 및 물의 기화온도를 특정하지 않는 이유는 도 7에 도시된 바와 같이 압력에 따라 상기 고체암모늄의 승화온도 및 물의 기화온도가 변화하기 때문이다. 바람직하게는 본 발명의 암모니아 가스발생기가 운용되는 기압인 2~4bar 일 때 섭씨 85~95도로 제어될 수 있다.
또한 응축수 분리 공간(215)의 열전달 효율을 높이기 위해 몸체(210) 내부에는 판상의 열전달부재(230)가 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 열전달부재(230)는 유입부(211)가 형성되는 분리 공간(215a)과 유출부(212)가 형성되는 토출 공간(215b)을 구획하도록 구성될 수 있고, 열전달부재(230) 상에는 다수의 통공(231)이 형성될 수 있다. 몸체(210)에는 응축수 분리 공간(215)에서 생성된 응축수를 회수하도록 응축수 배출부(213)에 연결되는 응축수 저장부(250)를 포함한다. 응축수 저장부(250)는 몸체(210)의 하단에 착탈 가능하도록 구비되어 저장부 내부에 응축수가 가득 찰 경우 탈거하여 응축수의 배출이 가능하도록 구성된다.
이때 응축수 저장부(250)의 응축수 저장용량은 반응기(100)의 고체암모늄 저장용량의 0.18배 이상일 수 있다. 이는 상술한 바와 같이 1kg의 암모늄-카보네이트가 열분해되면 0.1875kg의 물이 생성되기 때문에 반응기(100)의 고체암모늄 교체 주기와 응축수 저장부(250)의 응축수 배출 주기를 일치시키도록 하기 위함이다.
다른 실시 예로 응축수 저장부(250)를 배기구(500)에 연결하고 밸브의 제어에 의해 저장부(250)에 일정량의 응축수가 저장될 경우 배기구(500)에 응축수를 배출할 수 있도록 구성될 수 있다.
도 4 내지 도 6에는 본 발명의 일실시 예에 따른 응축수 분리기(200)의 사시도, 분해사시도, 평면도 및 저면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 응축수 분리기(200)는 상하 길이방향으로 형성된 원통형으로 이루어지며, 몸체(210)의 측면에 유입부(211)가 형성되고 상측에 유출부(212)가 형성될 수 있다.
또한, 몸체(210)는 응축수 분리 공간(215)이 형성된 분리기(210a)와 분리기(210a)의 상측 개방면을 밀폐하며, 유출부(212)가 형성된 커버(210b)로 구성될 수 있다. 응축수 분리 공간(215) 상에는 통공(231)이 형성된 열전달부재(230)가 구비되며, 분리기(210a)의 하단에는, 응축수 배출부(213)가 형성된다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
100 : 반응기 110 : 반응기 몸체
120 : 반응기 히터 130 : 반응기 온도센서
140 : 반응기 압력센서 150 : 암모니아 가스 라인
200 : 응축수 분리기 210 : 몸체
211 : 유입부 212 : 유출부
213 : 응축수 배출부 214 : 경사부
215 : 응축수 분리 공간
220 : 가열 수단 230 : 열전달부재
240 : 온도센서 250 : 응축수 저장부
300 : 압력제어부 310 : 레귤레이터
320 : 도징밸브
400 : 선택적 환원 촉매
500 : 배기구

Claims (7)

  1. 고체 암모늄염을 가열하여 암모니아 가스를 발생시키는 반응기;
    일단이 상기 반응기에 연결되고, 타단이 선택적 환원 촉매에 연결되어 상기 반응기에서 발생된 암모니아 가스를 상기 선택적 환원 촉매에 공급하는 암모니아 가스 라인;
    상기 암모니아 가스를 일정한 압력으로 상기 선택적 환원 촉매에 공급하도록 상기 암모니아 가스 라인 상에 구비되는 압력제어부; 및
    상기 암모니아 가스 라인 상의 상기 반응기와 상기 압력제어부 사이에 구비되며, 상기 암모니아 가스의 수분을 제거하여 수분이 제거된 암모니아 가스를 상기 압력제어부에 공급하는 응축수 분리기; 를 포함하되,
    상기 응축수 분리기는, 내부에 형성되는 응축수 분리 공간과, 상기 응축수 분리 공간상에 구비되는 열전달부재를 포함하며,
    상기 응축수 분리공간은,
    하측에 배치되며 상기 암모니아 가스가 유입되는 유입부가 형성되는 분리 공간; 및
    상측에 배치되며 수분이 제거된 암모니아 가스가 유출되는 유출부가 형성되는 토출 공간; 을 포함하고,
    상기 열전달부재는, 상기 분리공간과 상기 토출공간을 구획하되, 상기 암모니가 가스가 통과하도록 다수의 통공이 형성되는, 고체 암모늄염을 이용한 암모니아 가스 발생기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 응축수 분리기는,
    상기 암모니아 가스를 가열하는 가열 수단; 을 포함하는, 고체 암모늄염을 이용한 암모니아 가스 발생기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 가열 수단은,
    히터, 내연기관의 냉각수 또는 배기가스가 순환되는 열교환 유로 중 선택되는 단수 또는 복수 개인, 고체 암모늄염을 이용한 암모니아 가스 발생기.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 응축수 분리기는,
    상기 가열 수단을 통해 상기 고체 암모늄염의 승화온도보다 높고, 물의 기화온도보다 낮게 제어되는, 고체 암모늄염을 이용한 암모니아 가스 발생기.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 응축수 분리기는,
    하측에 상기 응축수 분리 공간에서 생성된 응축수가 저장되는 응축수 저장부를 포함하는, 고체 암모늄염을 이용한 암모니아 가스 발생기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 응축수 저장부의 응축수 저장용량은 상기 반응기의 고체암모늄 저장용량의 0.18배 이상인, 고체 암모늄염을 이용한 암모니아 가스 발생기.
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