KR101556330B1 - Scr 시스템용 우레아 공급장치 - Google Patents

Abstract

SCR 시스템에서 배기라인 중간에 설치된 SCR 촉매 측으로 우레아 수용액을 공급하는 우레아 공급장치가 개시된다. 이 우레아 공급장치는, 우레아 수용액이 저장되는 우레아 탱크와; 상기 우레아 탱크와 연결되는 순환라인과; 상기 우레아 탱크를 경유하면서 상기 순환라인을 따라 상기 우레아 수용액을 순환시키는 순환펌프와; 상기 순환라인에 흡입된 기체를 나노버블로 만들어 상기 우레아 탱크 내로 공급하는 나노버블 발생수단과; 상기 나노버블이 포함된 우레아 수용액을 펌핑하는 펌핑수단과; 상기 펌핑수단으로부터 상기 나노버블이 포함된 우레아 수용액을 받아 상기 SCR 촉매의 전단에 분사하는 분사 노즐을 포함한다.

Description

SCR 시스템용 우레아 공급장치{UREA FEEDING SYSTEM FOR SCR SYSTEM}

본 발명은 SCR 시스템용 우레아 공급장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 기체를 나노버블 상태로 만들어 혼합한 우레아를 SCR(Selective Catalystic Reduction) 시스템의 환원제로 공급하는 SCR 시스템용 우레아 공급장치에 관한 것이다.

SCR 시스템은, 선택적 촉매 환원법을 이용한 NOx 저감 시스템으로서, 엔진 연소에 따라 발생하는 배기가스가 SCR 촉매를 통과하도록 함과 동시에, SCR 촉매에 환원제를 공급하여, SCR 촉매를 통과하는 배기가스 중의 NOx와 환원제를 반응시킴으로써, NOx를 질소와 수증기로 환원 처리한다. 또한, SCR은 환원제의 종류에 따라 HC SCR과 암모니아 SCR로 구분된다.

HC SCR, 즉, 탄화수소류에 의한 NOx 선택적 촉매 환원법은, 탄화수소나 알코올 등을 환원제로 하여 NOx를 산소 중에서 선택적으로 환원 반응시킨다. 이 방식은 배기가스 중의 잔존 탄화수소나 연료를 환원제로서 이용할 수 있다는 점에서 실용적인 기술로서 산소 분위기에서의 NOx 환원 효율이 높다. 또한 HC SCR은 수동 타입(passive type)과 능동 타입(active type)으로 구분될 수 있다. 수동 타입 HC SCR은, 배기가스 중에 포함된 HC 성분을 환원제로 사용하며, 단순성과 비용절감 측면에서는 이상적이지만, 통상적인 디젤 배출가스 중의 HC의 양은 NOx를 충분히 제거할 수 있는 HC/NOx의 몰비에 미치지 못하여 NOx 제거 효율이 낮은 단점이 있다. 능동 타입 SCR은 HC 환원제를 SCR 필터로 공급할 수 있는 별도의 공급장치를 추가로 구성한다. 능동 타입 SCR용 HC 환원제 공급장치는 별도의 노즐을 통하여 SCR 촉매 전단에 HC 환원제를 분사하는 방식과 연소실 내 후 분사를 통하여 배기가스 중 HC의 양을 증가시키는 방식이 있다. 이는 제어가 어려워 HC 과다 배출의 가능성과 추가 연료의 소모로 인해 연비 및 경제성이 떨어지는 단점을 갖는다.

한편, 순수 암모니아를 환원제로 이용하는 SCR 시스템이 있다. 순수 암모니아를 이용하는 SCR 시스템은 성능이 우수하지만 순수 암모니아의 독성으로 인해 저장 및 운반이 어렵고 높은 증기압으로 보관이 까다로워 두꺼운 탱크나 파이프를 이용해야 하는 단점이 있다. 이에 대한 대안으로, 환원제로 우레아 수용액을 SCR 촉매에 공급하는 우레아 SCR 시스템이 제안되었다. 우레아 SCR 시스템에 있어서, 우레아 수용액을 암모니아로 쉽게 변환하여 자동차용으로 적합하다. 하지만, 우레아 SCR 시스템은 주로 열해리와 증발시간의 부족으로 인해 발생하는 암모니아 슬립 현상 및 이와 관련된 여러 문제점들을 안고 있으며, 이러한 문제점들은 분사된 우레아 수용액의 불균일한 분포를 초래한다. 우레아 수용액의 부정확한 분사로 인한 암모니아 슬립 발생을 방지하기 위해 AOC(Ammonia Oxidation Catalyst) 기술 등이 적용되고 있으나 근본적인 문제점을 해결할 수는 없었다.

도 1은 종래 SCR 시스템용 우레아 공급장치를 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하면, SCR 시스템은 배기라인(E)의 중간에 설치된 SCR 촉매(S)를 포함한다. 또한 종래의 우레아 공급장치는 우레아 탱크(1), 펌프(2) 및 고압 분사 노즐(3)을 포함한다. 펌프(2)에 의해 우레아 탱크(1)에서 끌어 올려진 우레아 수용액은 고압 분사 노즐(3)에 의해 SCR 촉매(S) 전단에 고압으로 분사된다. 한편, SCR 촉매(S)의 전단에는 배기라인(E)을 통해 SCR 촉매(S)를 향해 흐르는 배기가스와 환원제로서의 우레아 수용액을 혼합하기 위한 믹서(M)가 설치된다. 종래의 우레아 공급장치는 겨울철 사용을 위해 우레아 탱크(1)에 많은 열선(5)을 감아 우레아의 결빙을 방지한다. 또한, 우레아 분사시 무화를 위해, 고압 펌프를 이용해 6~8 bar의 높은 분사 압력으로 우레아를 분사해야 한다. 이와 같이, 종래 SCR용 우레아 공급장치는 고압 분사 및 많은 열선 사용으로 인해 에너지 손실이 큰 단점을 갖는다.

한국특허등록 제10-0535784호(2005년12월05일 등록)

본 발명은 기체를 나노버블 상태로 만들어 혼합한 우레아를 환원제로 이용함으로써 우레아의 어는점을 낮출 수 있고 나노버블이 혼합된 우레아 분사에 의해 그 분사시 무화를 촉진할 수 있는 SCR 시스템용 우레아 공급장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따라 SCR 시스템에서 배기라인 중간에 설치된 SCR 촉매 측으로 우레아 수용액을 공급하는 우레아 공급장치가 제공되며, 상기 우레아 공급장치는, 우레아 수용액이 저장되는 우레아 탱크와; 상기 우레아 탱크와 연결되는 순환라인과; 상기 우레아 탱크를 경유하면서 상기 순환라인을 따라 상기 우레아 수용액을 순환시키는 순환펌프와; 상기 순환라인에 흡입된 기체를 나노버블로 만들어 상기 우레아 탱크 내로 공급하는 나노버블 발생수단과; 상기 나노버블이 포함된 우레아 수용액을 펌핑하는 펌핑수단과; 상기 펌핑수단으로부터 상기 나노버블이 포함된 우레아 수용액을 받아 상기 SCR 촉매의 전단에 분사하는 분사 노즐을 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 나노버블 발생수단은, 상기 순환펌프를 통해 상기 순환라인과 연결되어 외부의 에어를 상기 순환라인 내로 흡입하는 에어흡입라인과, 상기 에어흡입라인을 통해 상기 순환라인 내로 유입된 에어를 나노버블로 만들어 상기 순환라인을 흐르는 상기 우레아 수용액에 혼합시키는 나노버블 발생기를 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 나노버블 발생기는 에어제트 방식, 캐비테이션 방식, 선회방식 또는 가압용해 방식의 나노버블 발생기일 수 있다.

본 발명에 따른 SCR 시스템용 우레아 공급장치는, 기체를 나노버블 상태로 만들어 혼합한 우레아를 환원제로 이용함으로써, 우레아의 어는점을 낮춰 열선 제거/축소를 통해 전력 손실을 크게 감소시킬 수 있고 또한 나노버블로 인한 분사 우레아의 무화 촉진으로 분무 압력을 상당 부분 낮추어 에너지를 크게 절감할 수 있다. 우레아 수용액 내에서 나노버블이 상승하여 터지면서 유동과 교란을 발생시키는 이는 우레아 수용액의 어는점을 낮추는데 크게 기여한다.

도 1은 종래 SCR 시스템용 우레아 공급장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템용 우레아 공급장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 우레아 공급장치의 나노버블 발생기의 다양한 방식을 예시한 도면이다.

이하 첨부된 도면들을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 첨부된 도면들 및 이에 관한 설명은 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자로 하여금 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 의도로 제시된 것이다. 따라서, 도면들 및 설명이 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 아니 될 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템용 우레아 공급장치를 도시한 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 우레아 공급장치(100)는 디젤엔진(미도시됨)과 연결된 배기라인(E) 및 그 배기라인(E)에 설치된 SCR 촉매(S)를 포함하는 SCR 시스템에 적용된다.

이때, 상기 SCR 촉매(S)는 배기라인(E)에 속해 있는 배기가스 후처리 필터의 일부로 적용되는 것이 바람직하다. 또한, SCR 촉매(S) 및 이를 포함하는 배기가스 후처리 필터의 상류 측에는 터보차저의 터빈(미도시됨)이 위치하며 SCR 촉매(S) 및 이를 포함하는 배기가스 후처리 필터의 하류 측에서 배기라인이 EGR 라인에 의해 흡기라인 측에 연결되어 EGR 시스템을 형성할 수도 있다. SCR 촉매(S)는 예컨대 Pt SCR 촉매, V₂O₅/TiO₂ SCR 촉매, 제올라이트계 촉매, 또는 기타 다른 종류의 촉매가 이용될 수 있다. 위와 같은 SCR 촉매(S)는 배기가스 온도의 전 영역에서 높은 정화효율을 갖는 것이 바람직하지만 실제로는 촉매 종류에 따라 상이한 온도 영역을 갖는다.

한편, SCR 촉매(S)의 전단에는 우레아 공급장치(100)에 의해 공급되는 나노버블 포함 우레아를 배기가스와 혼합하는 믹서(M)가 설치된다. 믹서(M)에 의해 나노버블 포함 우레아와 혼합된 배기가스는 SCR 촉매(S)를 통과하면서 선택적 환원 반응을 일으켜 배기가스 중의 NOx를 제거한다.

상기 우레아 공급장치(100)는 공기를 나노버블 상태로 만들고 그 나노버블 상태의 공기를 우레아 수용액에 포함시켜 SCR 촉매(S)의 전단 측에 공급하도록 구성된다.

이를 위해, 상기 우레아 공급장치(100)는 우레아 수용액이 저장된 우레아 탱크(10)와, 우레아 수용액에 나노버블을 발생시켜 우레아 탱크(10)에 공급하는 나노버블 발생수단과, 상기 우레아 탱크(10)로부터 나노버블이 포함된 우레아 수용액을 펌핑하는 펌프(20)와, 펌핑되어 나온 나노버블 포함 우레아 수용액을 SCR 촉매(S)의 전단 측에 분사하는 분사 노즐(40)을 포함한다.

분사 노즐(40)이 일정 압력 이상으로 나노버블을 포함한 우레아 수용액를 분사하도록, 고압펌프(미도시됨)가 더 제공될 수 있다. 또한 엔진 회전수와 엔진 부하 및 엔진 상태 정보를 예컨대 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 받고, 이를 이용하여, 적절한 우레아 수용액 분사량을 결정하는 DCU(Dosing Control Unit)가 더 제공될 수 있다. DCU 가 제공된 경우, 상기 DCU는 SCR 시스템에 대한 모니터링 기능을 수행하여 고장 유무 및 우레아 보충 시기 등을 운전자가 인지하도록 해주는 기능을 추가로 할 수도 있다.

우레아 탱크(10)는 우레아와 화학 반응을 잘 일으키지 않는 Cr-Ni강, Cr-Ni-Mo강 또는 플라스틱 재질을 사용하여 제작되는 것이 좋다. 우레아 탱크가 구리, 아연 또는 일반 스틸 소재를 사용하여 제작될 경우 우레아와의 화학적 반응을 일으켜 부식될 우려가 높다. 이하 설명되는 열선(12)과 같이 겨울철 우레아 수용액의 동결 방지를 위한 가열 수단이 우레아 탱크(10)에 설치되는 것이 좋지만, 본 실시예의 경우, 이하 설명되는 바와 같이 나노버블이 우레아 수용액에 포함되어 어는점을 낮추므로 열선을 줄이거나 생략하는 것이 가능하다. 또한 도시하지는 않았지만, 우레아 탱크(10)에는 우레아 수용액의 잔여량 및 질을 판별하기 위한 센서가 장착될 수 있다. 또한, 여름철과 같이 온도가 높을 때, 우레아 탱크(10) 내 압력 증가로 인해 우레아 탱크(10)가 파손되는 것을 막기 위해, 우레아 탱크(10)에 벤틸레이션 밸브를 추가로 설치할 수 있다.

상기 우레아 탱크(10) 내에 저장된 채 상기 펌프(20)를 포함하는 펌핑수단에 의해 상기 분사 노즐(40)로 공급된 우레아 수용액은 상기 분사 노즐(40)을 통해 상기 SCR 촉매(S) 전단에 분사되되, 이때, 우레아 수용액은 나노버블 발생수단에 의해 발생되어 공급된 나노버블 기체와 혼합되어 있으며, 나노버블 기체에 의해 SCR 촉매(S) 내에 무화가 극대화된 상태로 분사될 수 있다.

나노버블 상태의 기체는 우레아 수용액 내에서 표면장력의 극소화를 통해 분사되는 우레아 수용액의 액적을 미세화시키는 기능을 한다. 본 명세서에서, 용어 "나노버블"은 1㎛ 이하의 버블 직경을 갖는 기포를 의미하는 것으로, 이러한 나노버블은 표면장력이 자기가압효과가 있고 표면 대전에 의한 정전반발력이나 계면활성제에 의해 장시간 안정화 기능을 갖는다. 또한, 나노버블 상태의 기체는, 우레아 수용액과 장시간 공존할 수 있으며, 우레아 탱크(10) 내에서 위로 부유하여 터지면서 유동과 교란을 발생시켜 우레아 수용액의 어는점을 낮추는데 크게 기여한다.

나노버블 발생수단은 상기 우레아 탱크(10)를 경유하도록 상기 우레아 탱크(10)에 연결되어 있고 순환펌프(32)에 의해 활성화되는 순환라인(31)과, 예컨대, 순환펌프(32)를 통해 상기 순환라인(31)과 연결되는 에어흡입라인(33)과, 상기 순환라인(31)에 설치되어 상기 에어흡입라인(33)을 통해 상기 순환라인(31)에 유입된 에어를 나노버블 상태로 만들어 상기 순환라인(31)을 흐르는 우레아 수용액에 혼합시키는 나노버블 발생기(34)를 포함한다.

본 실시예에서, 상기 나노버블 발생기(34)는 상기 순환라인(31)에서 상기 순환펌프(32)의 출구 측에 설치된다. 또한, 상기 순환라인(31)은 상기 순환펌프(32)를 통해 상기 에어흡입라인(33)과 연결된다, 상기 에어는 상기 순환펌프(32)를 통해 상기 순환라인(31)을 흐르는 우레아 수용액 내로 공급된다.

상기 순환펌프(32)의 구동에 의해, 우레아 수용액은 상기 우레아 탱크(10)를 경유하면서 순환한다. 이 과정에서, 우레아 수용액은 나노버블 발생기(34)에 의해 발생된 나노버블 상태의 기체와 혼합된다. 앞에서 언급한 바와 같이, 상기 순환펌프(32)는 상기 나노버블 발생기(34)의 상류 측에서 에어를 흡입하여 우레아 수용액과 함께 나노버블 발생기(34)에 공급하고, 나노버블 발생기(34)는 우레아 수용액 내 에어를 나노버블 상태로 만들어 우레아 수용액과 함께 우레아 탱크(10) 내로 공급한다.

펌프(20)를 포함하는 펌핑수단은 에어 나노버블이 포함된 우레아 수용액을 올려 고압으로 분사 노즐(40) 측으로 공급하며, 분사 노즐(40)은 나노버블 포함 우레아 수용액을 SCR 촉매(S) 전단 측에 분사한다. 믹서(M)에 의해 분사된 우레아와 혼합된 배기가스가 SCR 촉매(S)에서 환원 반응을 일으켜 NOx가 제거된다.

나노버블이 혼합된 우레아 수용액이 우레아 탱크(10) 내에 저장되므로 우레아 수용액의 어는점이 크게 낮아져, 종래기술에 비해 결빙 방지용의 열선(12)의 크기 및 양을 크게 줄이는 것이 가능하다. 더 나아가, 열선(12)을 생략하는 것도 가능하다.

나노버블 발생기로는 도 3의 (a), (b), (c), (d)에 도시된 것과 같은 방식 또는 그 외 다양한 방식으로 나노버블을 발생시키는 것들이 이용될 수 있다. 도 3 (a), (b), (c) 및 (d)는 차례대로 에어제트 방식, 캐비테이션 방식, 선회방식 및 가압용해 방식으로 나노버블을 발생시키며, 도 3 서 부호 "P"는 펌프를 나타내고, 부호 "A"는 에어 유입부를 나타낸다.

10: 우레아 탱크 20: 펌프
31: 순환라인 32: 순환펌프
33: 에어흡입라인 34: 나노버블 발생기
40: 분사 노즐 E: 배기라인
S: SCR M: 믹서

Claims (3)

1. 삭제
2. SCR 시스템에서 배기라인 중간에 설치된 SCR 촉매 측으로 우레아 수용액을 공급하는 우레아 공급장치로서,
   Cr-Ni강, Cr-Ni-Mo강 또는 플라스틱으로 제작되어 우레아 수용액이 저장되는 우레아 탱크;
   상기 우레아 탱크와 연결되어, 상기 우레아 탱크 내의 우레아 수용액을 상기 우레아 탱크 외부로 인출시킨 후 다시 상기 우레아 탱크로 회송시키는 순환라인;
   상기 순환라인 상에 설치되어 상기 순환라인을 따라 상기 우레아 수용액을 순환시키는 순환펌프;
   외부의 에어를 상기 순환펌프로 제공하는 에어흡입라인;
   상기 우레아 탱크의 측벽을 관통하는 구조로 장착되어 상기 순환펌프의 출구와 연결되며, 상기 순환펌프를 통해 상기 순환라인 내로 유입된 에어를 나노버블로 만들어 상기 순환라인을 흐르는 상기 우레아 수용액에 혼합시킨 후, 에어나 나노버블 상태로 혼합된 우레아 수용액을 상기 우레아 탱크로 공급하는 나노버블 발생기;
   상기 우레아 탱크의 측벽 중 상기 나노버블 발생기가 장착된 지점에 설치되는 열선;
   상기 나노버블이 포함된 우레아 수용액을 펌핑하는 펌핑수단; 및
   상기 펌핑수단으로부터 상기 나노버블이 포함된 우레아 수용액을 받아 상기 SCR 촉매의 전단에 분사하는 분사 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템용 우레아 공급장치.
3. 삭제

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