KR101601519B1 - 선택적 촉매 환원 시스템 및 선택적 촉매 환원 방법 - Google Patents

선택적 촉매 환원 시스템 및 선택적 촉매 환원 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진이 배출한 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스가 이동하는 메인 배기 유로와, 상기 메인 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 NOx를 저감시키기 위한 촉매를 포함하는 반응기와, 상기 반응기에 유입될 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부와, 상기 반응기를 거친 배기가스에 함유된 NOx 농도를 실측하는 농도 센서, 그리고 상기 환원제 분사부의 환원제 분사량을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 시스템 및 선택적 촉매 환원 방법{SYSTEM FOR SELECTIVE CATALYTIC REUCTION AND METHOD FOR SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION}
본 발명은 선택적 촉매 환원 반응을 이용하여 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 시스템 및 선택적 촉매 환원 방법에 관한 것이다.
일반적으로 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은 디젤 엔진, 보일러, 소각기 등에서 발생된 배기 가스를 정화하여 질소산화물을 저감시키기 위한 시스템이다.
선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기 가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기 가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.
선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제로 우레아(Urea)를 직접 분사하여 사용하거나 우레아를 가수분해시켜 생성된 암모니아(NH3)를 분사하여 사용하고 있다.
일반적으로, 촉매가 설치된 선택적 촉매 환원용 반응기 전단에 센서를 설치하여 질소산화물 농도를 실측하고, 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위해 필요한 양의 환원제를 분사하고 있다.
하지만, 촉매의 활성화 정도, 촉매의 피독 여부, 배기가스의 온도 등 여러 변수에 의해 반응 효율이 달라지므로, 선택적 촉매 환원 반응 전에 질소산화물의 농도를 실측하여 정량적으로 환원제의 양을 결정하여 분사하게 되면, 실제 반응에서 일어나는 여러 변수와 오차들을 반영하지 못하여 배기가스가 함유한 질소산화물의 저감을 정밀하게 제어하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 앞으로는 이러한 선택적 촉매 환원 시스템은 선박용 디젤 엔진에서 배출되는 질소산화물(NOx)의 배출량이 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III)를 만족시킬 수 있는 성능과 운용이 앞으로 요구되고 있다.
이에, 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III) 조건을 충분히 만족시키기 위하여 환원제로 사용되는 암모니아가 필요 이상으로 분사될 경우에는 암모니아 슬립(Ammonia Slip)이 발생된다. 암모니아 슬립은 질소산화물과 정량적으로 반응하는 암모니아 양보다 많은 양의 암모니아가 주입되면 반응에 참여하지 않은 미반응 암모니아가 배기가스와 함께 외부로 배출하는 현상이다.
암모니아 슬립이 일어나면, 미반응 암모니아가 촉매의 수명을 단축시키거나 촉매의 부식을 야기할 수 있으며, 미반응 암모니아가 배기가스와 함께 외부로 배출되면 암모니아에 의한 대기오염 문제가 추가로 발생될 수 있다.
반면, 환원제로 사용되는 암모니아의 분사량이 부족할 경우에는 배기가스에 함유된 질소산화물을 충분히 저감시키지 못하여 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III) 조건을 만족시키지 못하게 된다.
따라서 디젤 엔진의 가동 초기뿐만 아니라 부하 변동 시에도 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III) 조건을 만족시킬 뿐만 아니라 암모니아 슬립의 발생을 최소화할 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템의 운용이 요구된다.
본 발명의 실시예는 질소산화물 환원 반응에 사용되는 환원제를 엔진 상태 변화에도 최적 분사하여 엔진의 배기가스에 함유된 질소산화물을 효율적으로 저감시키고 암모니아 슬립(ammonia slip) 현상을 최소화할 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템 및 선택적 촉매 환원 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 엔진이 배출한 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스가 이동하는 메인 배기 유로와, 상기 메인 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 NOx를 저감시키기 위한 촉매를 포함하는 반응기와, 상기 반응기에 유입될 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부와, 상기 반응기를 거친 배기가스에 함유된 NOx 농도를 실측하는 농도 센서, 그리고 상기 환원제 분사부의 환원제 분사량을 제어하는 제어부를 포함한다. 여기서, 상기 제어부는 상기 엔진의 부하별로 상기 반응기를 거치기 전의 배기가스에 함유된 전단 NOx 질량유량의 목표값을 테이블 세팅하여 입력된 정보에 따라 상기 반응기를 거치기 전의 배기가스에 함유한 전단 NOx 농도(ppm)을 산출하고 산출된 전단 NOx 농도에 기초하여 최초의 환원제 분사량을 결정하고, 상기 엔진의 부하별로 상기 반응기를 거친 배기가스에 함유된 후단 NOx 질량유량의 목표값을 테이블 세팅하여 입력된 정보에 따라 상기 반응기를 거친 배기가스에 함유한 후단 NOx 농도(ppm)을 산출하여 상기 농도 센서를 통해 실측된 후단 NOx 농도가 상기 산출된 전단 NOx 농도를 추종하도록 상기 환원제 분사부의 환원제 분사량을 보정한다.
상기 제어부는 상기 반응기를 거치기 전 또는 거친 배기가스의 전단 NOx 농도(ppm) 또는 후단 NOx 농도(ppm)를 아래의 수학식으로 산출할 수 있다.
Figure 112014104795320-pat00001
여기서, Cgas는 상기 반응기를 거치기 전 또는 거친 배기가스의 전단 NOx 농도(ppm) 또는 후단 NOx 농도(ppm), Qmgas는 엔진 부하별 상기 반응기를 거친 배기가스에 함유된 목표 NOx 질량유량, Ugas는 배기성분 밀도와 배기가스 밀도의 비율, Qmew는 상기 엔진의 배기가스 배출량, Khd는 온도 습도 보정 상수일 수 있다.
전술한 선택적 촉매 환원 시스템은 대기 온도 및 대기 습도를 측정하는 제1 온도 센서 및 습도 센서와, 상기 엔진의 소기(scavenging, 掃氣) 온도를 측정하는 제2 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 온도 습도 보정 상수는 상기 제1 온도 센서, 상기 습도 센서, 및 상기 제2 온도 센서가 실시간으로 계측한 상기 대기 온도, 상기 대기 습도, 및 상기 소기 온도를 아래 수학식에 적용하여 산출될 수 있다.
여기서, Ha는 대기 습도, Ta는 대기 온도, TSC는 소기 온도, TSCRef는 소기 온도 참조값으로 상기 엔진의 기종에 따라 상기 엔진의 부하별로 정해진 상수일 수 있다.
전술한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 엔진의 소기(scavenging, 掃氣) 압력을 측정하는 압력 센서를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 엔진의 배기가스 배출량은 상기 압력 센서가 실시간으로 계측한 소기 압력을 아래 수학식에 적용하여 탄소비교법을 통해 산출될 수 있다.
Figure 112014104795320-pat00003
여기서, X에는 소기 압력이 입력되고, a, b, c, d, e, f는 상기 엔진의 기종에 따라 정해진 상수일 수 있다.
상기 환원제 분사부는 우레아(urea) 공급 장치와, 상기 우레아 공급 장치가 공급한 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 생성하는 가수분해 챔버, 그리고 상기 가수분해 챔버에서 생성된 암모니아를 상기 메인 배기 유로에 분사하는 분사 노즐을 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어부는 상기 우레아 공급 장치가 상기 가수분해 챔버에 공급하는 우레아의 양을 제어할 수 있다.
전술한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 반응기 후방의 상기 메인 배기 유로에서 분기되어 상기 가수분해 챔버와 연결된 재순환 유로와, 상기 재순환 유로 상에 설치된 블로워, 그리고 상기 재순환 유로 상에 설치된 가열 장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진에서 배출된 배기가스가 함유한 질소산화물(NOx)을 환원제와 촉매를 사용한 환원 반응을 통해 저감시키는 선택적 촉매 환원 방법은
엔진 부하별 선택적 촉매 환원 반응을 거치기 전의 배기가스가 함유하는 전단 목표 NOx 질량유량 테이블을 세팅하는 단계와, 상기 전단 목표 NOx 질량유량 테이블을 적용하여 선택적 촉매 환원 반응을 거치기 전의 배기가스가 함유한 전단 NOx 농도(ppm)을 계산을 통해 산출하는 단계와, 상기 산출된 전단 NOx 농도에 기초하여 최초의 환원제 분사량을 결정하는 단계와, 엔진 부하별 선택적 촉매 환원 반응을 거친 배기가스가 함유하는 후단 목표 NOx 질량유량 테이블을 세팅하는 단계와, 상기 후단 목표 NOx 질량유량 테이블을 적용하여 선택적 촉매 환원 반응을 거친 배기가스가 함유한 후단 NOx 농도(ppm)을 계산을 통해 산출하는 단계와, 선택적 촉매 환원 반응을 거친 배기가스가 함유한 후단 NOx 농도를 실측하는 단계, 그리고 상기 실측된 후단 NOx 농도가 상기 산출된 후단 NOx 농도(ppm)를 추종하도록 상기 환원제 분사량을 보정하는 단계를 포함한다.
상기 선택적 촉매 환원 반응을 거친 배기가스의 NOx 농도(ppm)는 아래의 수학식으로 산출할 수 있다.
Figure 112014104795320-pat00004
여기서, Cgas는 상기 반응기를 거치기 전 또는 거친 배기가스의 전단 NOx 농도(ppm) 또는 후단 NOx 농도(ppm), Qmgas는 엔진 부하별 환원 반응을 거친 배기가스에 함유된 목표 NOx 질량유량, Ugas는 배기성분 밀도와 배기가스 밀도의 비율, Qmew는 상기 엔진의 배기가스 배출량, Khd는 온도 습도 보정 상수일 수 있다.
상기 온도 습도 보정 상수는 대기온도, 대기습도, 및 엔진 소기 온도를 실시간으로 계측한 후 아래 수학식에 적용하여 산출될 수 있다.
Figure 112014104795320-pat00005
여기서, Ha는 대기 습도, Ta는 대기 온도, TSC는 소기 온도, TSCRef는 소기 온도 참조값으로 상기 엔진의 기종에 따라 상기 엔진의 부하별로 정해진 상수일 수 있다.
상기 엔진 배기가스 배출량은 상기 엔진의 소기 압력을 실시간으로 계측한 후 아래 수학식에 적용하여 탄소비교법을 통해 산출될 수 있다.
Figure 112014104795320-pat00006
여기서, X에는 소기 압력이 입력되고, a, b, c, d, e, f는 상기 엔진의 기종에 따라 정해진 상수일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템 및 선택적 촉매 환원 방법은 질소산화물 환원 반응에 사용되는 환원제를 엔진 상태 변화에도 최적 분사하여 엔진의 배기가스에 함유된 질소산화물을 효율적으로 저감시키고 암모니아 슬립(ammonia slip) 현상을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템을 이용한 선택적 촉매 환원 방법의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 방법의 순서도이다.
도 4는 엔진 부하별 질소산화물의 질량 유량을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(101)을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 엔진(900)에서 배출된 배기가스에 함유된 질소산화물(이하 "NOx"라 한다)을 환원 반응을 통해 제거하여 배기가스의 NOx 함유량을 저감시킨다. 여기서, 엔진(900)은 선박에 사용되는 저속 또는 중속 디젤 엔진일 수 있다.
엔진(900)은 엔진 본체(910)와, 소기 리시버(920), 그리고 배기 리시버(930)를 포함할 수 있다.
또한, 엔진(900)의 배기가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌려 엔진(900)에 새로운 외부 공기를 압축하여 공급하는 과급기(950)와, 과급기(950)가 공기를 압축하면서 온도가 상승되면 압축 공기의 온도를 낮춰 엔진(900)에 공급하는 에어 쿨러(980)가 엔진(900)과 함께 사용될 수 있다.
그리고 엔진(900)의 배기 리시버(930)는 엔진 본체(910)의 실린더 왕복 운동으로 불균형한 압력을 가지고 배출된 엔진(900)의 배기가스를 고르게 완화시킨다. 소기 리시버(920)는 과급기(950)가 엔진(900)에 공급하는 새로운 외부 공기의 불균일한 압력을 고르게 완화시킨다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 메인 배기 유로(210), 반응기(300), 환원제 분사부(600), 농도 센서(510), 및 제어부(500)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 제1 온도 센서(561), 습도 센서(570), 및 제2 온도 센서(562)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 압력 센서(580)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 재순환 유로(280), 블로워(760), 및 가열 장치(770)를 더 포함할 수 있다.
메인 배기 유로(210)는 NOx를 함유한 엔진(900)의 배기가스가 이동하는 통로가 된다.
반응기(300)는 메인 배기 유로(210) 상에 설치된다. 반응기(300)는 배기가스에 함유된 NOx를 저감시키기 위한 촉매(350)를 포함한다. 촉매(350)는 배기가스에 함유된 NOx와 환원제의 반응을 촉진시켜 NOx를 질소와 수증기로 환원 처리한다. 이때, NOx와 반응하여 이를 환원시킬 최종적인 환원제로 암모니아(NH3)가 사용될 수 있다.
촉매는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다. 일례로, 촉매는 섭씨 250도 내지 섭씨 350도 범위 내의 활성 온도를 가질 수 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다. 촉매가 활성 온도 범위 밖에서 반응하면, 촉매가 피독되면서 효율이 저하된다. 구체적으로, 촉매를 피독시키는 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 촉매 피독 물질은 촉매에 흡착되어 촉매의 활성을 저하시킨다. 촉매 피독 물질은 상대적으로 높은 온도에서 분해되므로, 촉매를 승온시키면 피독된 촉매를 재생할 수 있다.
또한, 반응기(300)의 하우징은, 일례로, 스테인레스 스틸(stainless steel)을 소재로 만들어질 수 있다.
환원제 분사부(600)는 환원제를 반응기(300)에 유입될 배기가스에 분사한다. 분사된 환원제는 배기가스와 혼합되어 반응기(300)의 촉매(350)를 거치면서 배기가스에 함유된 NOx를 환원시킨다.
구체적으로, 환원제 분사부(600)는 우레아(urea) 공급 장치(610)와, 가수분해 챔버(650), 그리고 분사 노즐(670)을 포함한다.
우레아 공급 장치(610)는 저장된 우레아를 필요에 따라 가수분해 챔버(650)로 공급한다.
구체적으로, 우레아 공급 장치(610)는 우레아를 저장하는 우레아 탱크와, 우레아 탱크에 저장된 우레아를 이송시키는 우레아 이송 장치, 그리고 우레아의 공급량 및 공급 방향을 제어하는 컨트롤 밸브를 포함할 수 있다.
가수분해 챔버(650)는 우레아 공급 장치(610)로부터 공급받은 우레아(urea, CO(NH2)2)를 분해하여 NOx를 환원시킬 최종적인 환원제로 사용되는 암모니아(NH3)를 생성한다.
가수분해 챔버(650)에서 우레아(urea, CO(NH2)2)가 분해되면, 암모니아(NH3)와 함께 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성된다. 그리고 이소시안산은 다시 분해되어 암모니아가 된다. 즉, 우레아가 분해되어 최종적으로 암모니아가 생성될 수 있다.
분사 노즐(670)는 가수분해 챔버(650)에서 생성된 암모니아(NH3)를 반응기(300)에 유입될 배기가스에 분사한다. 분사된 암모니아는 배기가스와 혼합되어 반응기(300)의 촉매(350)를 거치면서 배기가스에 함유된 NOx를 환원시킨다.
구체적으로, 분사 노즐(670)는 메인 배기 유로(210)에 설치될 수 있다. 그리고 분사 노즐(670)은 반응기(300) 전방의 메인 배기 유로(210)를 지나는 배기가스를 향해 암모니아(NH3)를 분사할 수 있다. 본 명세서에서 전방은 배기가스의 흐름을 기준으로 상류 측을 의미하며 후방은 하류 측을 의미한다.
한편, 도시하지는 않았으나, 분사 노즐(430)과 반응기(300) 사이의 메인 배기 유로(210) 상에 설치된 믹서(mixer)를 더 포함할 수 있다. 믹서는 배기가스가 반응기(300)에 유입되기 전에 환원제인 암모니아와 배기가스를 고르게 혼합시킨다.
재순환 유로(280)는 반응기(300) 후방의 메인 배기 유로(210)에서 분기되어 가수분해 챔버(650)와 연결된다.
블로워(760)는 재순환 유로(280) 상에 설치된다. 블로워(760)는 재순환 유로(280)를 흐르는 배기가스의 유량을 조절한다. 즉, 블로워(760)는 재순환 유로(280)를 통해 가수분해 챔버(650)에 유입되는 배기가스의 유량을 조절한다
가열 장치(770)는 재순환 유로(280) 상에 설치된다. 가열 장치(770)는 재순환 유로(280)를 흐르는 배기가스의 온도를 조절한다. 즉, 가열 장치(770)는 재순환 유로(280)를 통해 가수분해 챔버(650)에 유입되는 배기가스의 온도를 조절한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 가열 장치(770)는 버너(burner)일 수 있다. 구체적으로, 가열 장치(770)는 연료 공급 장치와, 가열 온도 제어를 위해 공급 연료량을 제어하는 제어 장치, 그리고 안전 장치 등을 포함할 수 있다.
또한, 가열 장치(770)는 플라스마(plasma)를 이용하여 성능을 향상시킨 플라스마 버너일 수 있다.
또한, 도 1에 도시하지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 가열 장치(770)의 연소를 돕기 위해 외기를 공급하는 외기 공급 장치를 더 포함할 수 있다. 즉, 외기 공급 장치는 가열 장치(770)에 산소를 공급할 수 있다.
이와 같이, 재순환 유로(280)를 통해 재순환하는 배기가스가 갖는 열에너지와 가열 장치(770)에 의해 가열된 열에너지는 가수분해 챔버(650)에서 우레아를 분해시켜 암모니아를 생성하는데 사용된다.
농도 센서(510)는 반응기(300)를 거친 배기가스에 함유된 NOx 농도를 실측한다. 일례로, 농도 센서(510)는 반응기(300) 후방의 메인 배기 유로(210) 상에 설치될 수 있다.
제1 온도 센서(561)와 습도 센서(570)는 각각 대기 온도 및 대기 습도를 측정한다. 일례로, 제1 온도 센서(561)와 습도 센서(570)는 과급기(950)에 인접하게 설치되어 과급기(950)의 동작에 의해 외부로부터 과급기(950) 내로 흡입되는 대기의 온도를 실시간으로 계측할 수 있다.
제2 온도 센서(562)는 엔진(900)의 소기(scavenging, 掃氣) 온도를 측정한다. 일례로, 제2 온도 센서(562)는 엔진(900)의 소기 리시버(920)에 설치될 수 있다.
압력 센서(580)는 엔진(900)의 소기(scavenging, 掃氣) 압력을 측정한다. 일례로, 압력 센서(580)는 엔진(900)의 소기 리시버(920)에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(500)는
먼저 엔진(900)의 부하별로 반응기(300)를 거치기 전의 배기가스에 함유된 전단 NOx 질량유량의 목표값을 테이블 세팅하여 입력된 정보에 따라 반응기(300)를 거치기 전의 배기가스에 함유한 전단 NOx 농도(ppm)을 산출하고 산출된 전단 NOx 농도에 기초하여 최초의 환원제 분사량을 결정한다. 이후, 엔진(900)의 부하별로 반응기(300)를 거친 배기가스에 함유된 후단 NOx 질량유량의 목표값을 테이블 세팅하여 입력된 정보에 따라 반응기(300)를 거친 배기가스에 함유한 후단 NOx 농도(ppm)을 산출한다. 그리고 제어부(500)는 농도 센서(510)를 통해 실측된 후단 NOx 농도가 산출된 후단 NOx 농도를 추종하도록 환원제 분사부(600)의 환원제의 분사량을 재조정한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는, 목표로 산출된 후단 NOx 농도가 엔진(900)의 부하별로 설정되므로, 엔진(900)의 부하 변동에도 실시간으로 환원제 분사량을 재조정하여 최적 분사를 구현할 수 있다. 이에, 질소산화물의 저감 수준을 목표치로 유지하면서 동시에 암모니아 슬립(ammonia slip) 현상을 최소화할 수 있다.
이때, 제어부(500)는 환원제 분사부(600)의 우레아 공급 장치(610)가 가수분해 챔버(650)에 공급하는 우레아(urea)의 양을 제어함으로써 환원제 분사량을 조절할 수 있다.
제어부(500)는 전술한 제어 동작을 수행하기 위하여, 테이블 세팅된 엔진(900)의 부하별로 반응기(300)를 거친 배기가스가 함유하는 후단 목표 NOx 질량유량과, 제1 온도 센서(561)가 측정한 대기 온도와, 습도 센서(570)가 측정한 대기 습도와, 제2 온도 센서(562)가 측정한 소기 온도, 그리고 압력 센서(580)가 측정한 소기 압력에 대한 정보를 가지고 반응기(300)를 거친 배기가스의 후단 NOx 농도(ppm)를 산출하게 된다. 산출된 후단 NOx 농도에 기초하여 초기 환원제 분사량을 결정하고, 이후 산출된 후단 NOx 농도와 농도 센서(510)가 실측한 후단 NOx 농도를 비교 연산하여 피드백 제어를 통해 환원제 분사량을 지속적으로 보정한다.
특히, 본 발명의 일 실시예에서는, 엔진(900)의 부하별로 반응기(300)를 거치기 전의 배기가스에 함유된 전단 NOx 질량유량의 목표값을 테이블 세팅하여 입력된 정보에 따라 반응기(300)를 거치기 전의 배기가스에 함유한 전단 NOx 농도(ppm)을 먼저 산출하고 산출된 전단 NOx 농도에 기초하여 최초의 환원제 분사량을 결정한다. 그리고 이후 엔진의 부하별로 반응기(300)를 거친 배기가스에 함유된 후단 NOx 질량유량의 목표값을 테이블 세팅하여 입력된 정보에 따라 반응기(300)를 거친 배기가스에 함유한 후단 NOx 농도(ppm)을 산출하여 농도 센서(510)를 통해 실측된 후단 NOx 농도가 산출된 후단 NOx 농도를 추종하도록 환원제 분사부(600)의 환원제 분사량을 보정한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 환원제 분사량을 보정하기 위한 피드백에 의한 추종 제어를 효과적으로 구현할 수 있다.
한편, 엔진(900)의 부하별로 반응기(300)를 거치기 전의 배기가스에 함유된 전단 NOx 질량유량의 목표값을 테이블 세팅하여 입력된 정보에 따라 반응기(300)를 거치기 전의 배기가스에 함유한 전단 NOx 농도(ppm)을 먼저 산출하지 않아도, 농도 센서(510)가 측정한 후단 NOx 농도가 산출된 후단 NOx 농도를 추종하도록 환원제 분사량의 보정이 가능하다. 하지만, 이 경우 환원제 분사량의 최소값과 최대값 사이의 범위가 매우 넓어 피드백에 의한 추종 제어가 효과적으로 이루어지기 어렵다.
일례로, 가동 초기에는 엔진(900)에서 배출되는 배기가스의 온도 변화가 심하고, 촉매도 활성 온도를 벗어나 있는 경우가 많으므로, 많은 변수들로 인해 산출값과 실측값 간의 오차가 커질 수 밖에 없다.
또한, 추종 제어는 단 1회의 피드백으로 이루어지는 것이 아니라 점진적으로 진행되므로, 산출값과 실측값 간의 편차 또는 최초의 환원제 분사량과 환원제 분사량의 보정 목표치 간의 차이가 커지면 피드백에 의한 추종 제어가 안정적인 단계까지 진행되는데 많은 시간이 소요되므로 효과적이지 못하다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에서는, 엔진(900)의 부하별로 반응기(300)를 거치기 전의 배기가스에 함유된 전단 NOx 질량유량의 목표값을 테이블 세팅하여 입력된 정보에 따라 반응기(300)를 거치기 전의 배기가스에 함유한 전단 NOx 농도(ppm)을 먼저 산출하여 최초의 환원제 분사량을 결정하므로, 오차 범위의 최소/최대치를 줄일 수 있다. 즉, 피드백에 의한 추종성이 크게 향상된다. 따라서, 더욱 효과적으로, 전술한 바와 같은, 피드백에 의한 추정 제어를 구현할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매의 활성화 정도, 촉매의 피독 여부, 배기가스의 온도 등 여러 변수에 대응하여 환원제 분사량을 적절하게 조절할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 질소산화물 환원 반응에 사용되는 환원제를 엔진(900)의 상태 변화, 즉 부하 변동에도 최적 분사하여 엔진(900)의 배기가스에 함유된 질소산화물을 효율적으로 저감시키고 암모니아 슬립(ammonia slip) 현상을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 배기가스를 재순환시켜 배기가스가 갖는 열에너지를 우레아 분해에 활용하여 에너지의 낭비를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 더욱 피드백에 의한 추종 제어를 향상시켜, 더욱 효과적이고 신속하게 환원제 분사량을 보정하여 적용시킬 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템(101)을 이용한 선택적 촉매 환원 방법을 설명한다.
도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 먼저 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III) 조건에 맞춰 배출되는 총 목표 NOx 질량유량을 설정한다(S100). 이러한 총 목표 NOx 질량유량은 엔진 국제 대기 오염 방지 규제 조건이 변하거나 사용자의 필요에 따라 상황에 맞게 변경하여 설정할 수 있다.
다음, 반응기(300)를 거치기 전, 즉 선택적 촉매 환원 반응을 거치기 전의 배기가스가 함유하는 전단 목표 NOx 질량유량을 엔진 부하별로 구분하여 테이블 세팅한다(S120).
다음, 전단 목표 NOx 질량유량 테이블을 적용하여 반응기(300)를 거친, 즉 선택적 촉매 환원 반응을 거친 배기가스가 함유한 전단 NOx 농도(ppm)을 계산을 통해 산출한다. 그리고 산출된 NOx 농도에 기초하여 최초의 환원제 분사량을 결정한다(S150).
전단 목표 NOx 질량유량 테이블을 적용하여 배기가스가 함유한 전단 NOx 농도(ppm)을 계산을 통해 산출하는 방법은 후술할 후단 목표 NOx 질량유량 테이블을 적용하여 배기가스가 함유한 후단 NOx 농도(ppm)을 계산을 통해 산출하는 방법과 동일하다.
다음, 반응기(300)를 거친, 즉 선택적 촉매 환원 반응을 거친 배기가스가 함유하는 후단 목표 NOx 질량유량을 엔진 부하별로 구분하여 테이블 세팅한다(S200).
일례로, 엔진 부하별 NOx 질량유량은 도 4에 도시한 바와 같은 엔진 부하별 NOx 질량유량 간의 함수 그래프를 국제 표준화 기구(International Organization for Standardization)의 규정에 따라 맵(Map) 데이터화하여 활용할 수 있다.
즉, 그래프의 함수를 이용하여 엔진 부하에 대한 현재의 질량유량[g/kWh]를 환산하고 질량 유량값은 대기온도(Ta), 대기습도(Ha), 급기온도(Tsc)등을 계측하여 최종 NOx 농도를 구하게 된다.
이때, 엔진 부하별 목표 NOx 질량유량은 총 목표 NOx 질량유량을 만족하는 범위 내에서 테이블 세팅된다.
또한, 선박의 운항 조건 및 환경, 그리고 사용자의 편의를 고려하여 엔진 부하별 목표 NOx 질량유량을 다양하게 세팅할 수 있다.
일례로, 엔진의 저부하 운전 구간이 많은 환경이라면, 저부하에서는 목표 NOx 질량유량를 낮추고 고부하에서는 목표 NOx 질량유량를 높게 설정할 수 있다.
다음, 목표 NOx 질량유량 테이블을 적용하여 반응기(300)를 거친, 즉 선택적 촉매 환원 반응을 거친 배기가스가 함유한 후단 NOx 농도(ppm)을 계산을 통해 산출한다(S300).
일례로, 선택적 촉매 환원 반응을 거친 배기가스의 후단 NOx 농도(ppm)는 아래의 수학식1을 사용하여 산출할 수 있다.
[수학식1]
Figure 112014104795320-pat00007
여기서, Cgas는 반응기(300)를 거친, 즉 환원 반응을 거친 배기가스의 NOx 농도(ppm)이다. Qmgas는 엔진 부하별 반응기(300)를 거친, 즉 환원 반응을 거친 배기가스에 함유된 목표 NOx 질량유량이다. Ugas는 배기성분 밀도와 배기가스 밀도의 비율이다. 일례로, Ugas는 0.001586일 수 있다. Qmew는 엔진(900)의 배기가스 배출량이다. 그리고 Khd는 온도 습도 보정 상수이다.
전술한 선택적 촉매 환원 반응을 거치기 전 배기가스의 전단 NOx 농도(ppm)도 동일한 방법으로 산출할 수 있다.
그리고 온도 습도 보정 상수(Khd)는 제1 온도 센서(561), 습도 센서(570), 및 제2 온도 센서(562)가 실시간으로 계측한 대기 온도, 대기 습도, 및 엔진(900)의 소기 온도를 아래의 수학식2를 사용하여 산출할 수 있다.
[수학식2]
Figure 112014104795320-pat00008
여기서, Ha는 대기 습도, Ta는 대기 온도, TSC는 소기 온도, TSCRef는 소기 온도 참조값으로 엔진(900)의 기종에 따라 엔진(900)의 부하별로 정해진 상수이다.
또한, 엔진(900)의 배기가스 배출량은 압력 센서(580)가 실시간으로 계측한 소기 압력을 아래 수학식3에 적용하여 탄소비교법을 통해 산출할 수 있다.
[수학식3]
Figure 112014104795320-pat00009
여기서, X에는 소기 압력이 입력되고, a, b, c, d, e, f는 엔진(900)의 기종에 따라 정해진 상수이다.
한편, 엔진(900)의 배기가스 배출량의 산출은 소기 압력 이외에 엔진 부하 또는 과급기(950)의 회전 속도 등을 이용하여 산출할 수도 있다.
그리고 국제 해사 기구(IMO)는 해양환경보호위원회(MEPC)의 58차 회의(2008년 10월 개최)에서 MARPOL 부속서 VI(선박으로부터의 대기오염 방지에 관한 규칙) 및 NOx Technical Code의 개정을 채택하였으며, "NOx Technical Code 2008"에 배기가스 유량 계산을 위한 탄소비교법 계산식이 공지(NOx Code 부록6)되어 있으므로 이를 참고할 수 있다.
다음, 반응기(300)를 거친, 즉 선택적 촉매 환원 반응을 거친 배기가스가 함유한 후단 NOx 농도를 농도 센서(510)를 통해 실측한다(S400).
그리고 실측된 후단 NOx 농도가 산출된 후단 NOx 농도(ppm)를 추종하도록 환원제 분사량을 재조정한다(S500).
이와 같은 방법을 통하여, 실시간으로 보정되는 환원제 분사량에 해당하는 우레아를 공급하여 질소산화물 환원 반응에 사용되는 환원제를 엔진(900)의 상태 변화, 즉 부하 변동에도 최적 분사를 구현할 수 있다.
따라서, 엔진(900)의 배기가스에 함유된 질소산화물을 효율적으로 저감시키고 암모니아 슬립(ammonia slip) 현상을 최소화할 수 있다
특히, 피드백에 의한 추종 제어를 향상시켜, 더욱 효과적이고 신속하게 환원제 분사량을 보정하여 적용시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101: 선택적 촉매 환원 시스템
210: 메인 배기 유로 280: 재순환 유로
300: 반응기 350: 촉매
500: 제어부 510: 농도 센서
561: 제1 온도 센서 562: 제2 온도 센서
570: 습도 센서 580: 압력 센서
600: 환원제 분사부 610: 우레아 공급 장치
650: 가수분해 챔버 670: 분사 노즐
760: 블로워 770: 가열 장치
900: 엔진 910: 엔진 본체
920: 소기 리시버 930: 배기 리시버
950: 과급기 980: 에어 쿨러

Claims (10)

  1. 엔진이 배출한 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시키는 선택적 촉매 환원 시스템에 있어서,
    질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스가 이동하는 메인 배기 유로와;
    상기 메인 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 NOx를 저감시키기 위한 촉매를 포함하는 반응기와;
    상기 반응기에 유입될 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부와;
    상기 반응기를 거친 배기가스에 함유된 NOx 농도를 실측하는 농도 센서; 그리고
    상기 환원제 분사부의 환원제 분사량을 제어하는 제어부
    를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 엔진의 부하별로 상기 반응기를 거치기 전의 배기가스에 함유된 전단 NOx 질량유량의 목표값을 테이블 세팅하여 입력된 정보에 따라 상기 반응기를 거치기 전의 배기가스에 함유한 전단 NOx 농도(ppm)을 산출하고 산출된 전단 NOx 농도에 기초하여 최초의 환원제 분사량을 결정하고,
    상기 엔진의 부하별로 상기 반응기를 거친 배기가스에 함유된 후단 NOx 질량유량의 목표값을 테이블 세팅하여 입력된 정보에 따라 상기 반응기를 거친 배기가스에 함유한 후단 NOx 농도(ppm)을 산출하여 상기 농도 센서를 통해 실측된 후단 NOx 농도가 상기 산출된 전단 NOx 농도를 추종하도록 상기 환원제 분사부의 환원제 분사량을 보정하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 제어부는 상기 반응기를 거치기 전 또는 거친 배기가스의 전단 NOx 농도(ppm) 또는 후단 NOx 농도(ppm)를 아래의 수학식으로 산출하는 선택적 촉매 환원 시스템.
    Figure 112014104795320-pat00010

    여기서, Cgas는 상기 반응기를 거치기 전 또는 거친 배기가스의 전단 NOx 농도(ppm) 또는 후단 NOx 농도(ppm), Qmgas는 엔진 부하별 상기 반응기를 거친 배기가스에 함유된 목표 NOx 질량유량, Ugas는 배기성분 밀도와 배기가스 밀도의 비율, Qmew는 상기 엔진의 배기가스 배출량, Khd는 온도 습도 보정 상수이다.
  3. 제2항에서,
    대기 온도 및 대기 습도를 측정하는 제1 온도 센서 및 습도 센서와;
    상기 엔진의 소기(scavenging, 掃氣) 온도를 측정하는 제2 온도 센서
    를 더 포함하며,
    상기 온도 습도 보정 상수는 상기 제1 온도 센서, 상기 습도 센서, 및 상기 제2 온도 센서가 실시간으로 계측한 상기 대기 온도, 상기 대기 습도, 및 상기 소기 온도를 아래 수학식에 적용하여 산출되는 선택적 촉매 환원 시스템.
    Figure 112014104795320-pat00011

    여기서, Ha는 대기 습도, Ta는 대기 온도, TSC는 소기 온도, TSCRef는 소기 온도 참조값으로 상기 엔진의 기종에 따라 상기 엔진의 부하별로 정해진 상수이다.
  4. 제2항에서,
    상기 엔진의 소기(scavenging, 掃氣) 압력을 측정하는 압력 센서를 더 포함하며,
    상기 엔진의 배기가스 배출량은 상기 압력 센서가 실시간으로 계측한 소기 압력을 아래 수학식에 적용하여 탄소비교법을 통해 산출되는 선택적 촉매 환원 시스템.
    Figure 112014104795320-pat00012

    여기서, X에는 소기 압력이 입력되고, a, b, c, d, e, f는 상기 엔진의 기종에 따라 정해진 상수이다.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,
    상기 환원제 분사부는,
    우레아(urea) 공급 장치와;
    상기 우레아 공급 장치가 공급한 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 생성하는 가수분해 챔버; 그리고
    상기 가수분해 챔버에서 생성된 암모니아를 상기 메인 배기 유로에 분사하는 분사 노즐
    을 포함하며,
    상기 제어부는 상기 우레아 공급 장치가 상기 가수분해 챔버에 공급하는 우레아의 양을 제어하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  6. 제5항에서,
    상기 반응기 후방의 상기 메인 배기 유로에서 분기되어 상기 가수분해 챔버와 연결된 재순환 유로와;
    상기 재순환 유로 상에 설치된 블로워; 그리고
    상기 재순환 유로 상에 설치된 가열 장치
    를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  7. 엔진에서 배출된 배기가스가 함유한 질소산화물(NOx)을 환원제와 촉매를 사용한 환원 반응을 통해 저감시키는 선택적 촉매 환원 방법에 있어서,
    엔진 부하별 선택적 촉매 환원 반응을 거치기 전의 배기가스가 함유하는 전단 목표 NOx 질량유량 테이블을 세팅하는 단계;
    상기 전단 목표 NOx 질량유량 테이블을 적용하여 선택적 촉매 환원 반응을 거치기 전의 배기가스가 함유한 전단 NOx 농도(ppm)을 계산을 통해 산출하는 단계;
    상기 산출된 전단 NOx 농도에 기초하여 최초의 환원제 분사량을 결정하는 단계;
    엔진 부하별 선택적 촉매 환원 반응을 거친 배기가스가 함유하는 후단 목표 NOx 질량유량 테이블을 세팅하는 단계;
    상기 후단 목표 NOx 질량유량 테이블을 적용하여 선택적 촉매 환원 반응을 거친 배기가스가 함유한 후단 NOx 농도(ppm)을 계산을 통해 산출하는 단계;
    선택적 촉매 환원 반응을 거친 배기가스가 함유한 후단 NOx 농도를 실측하는 단계; 및
    상기 실측된 후단 NOx 농도가 상기 산출된 후단 NOx 농도(ppm)를 추종하도록 상기 환원제 분사량을 보정하는 단계
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 선택적 촉매 환원 반응을 거친 배기가스의 NOx 농도(ppm)는 아래의 수학식으로 산출하는 선택적 촉매 환원 방법.
    Figure 112015112864204-pat00013

    여기서, Cgas는 상기 선택적 촉매 환원 반응을 거치기 전 또는 거친 배기가스의 전단 NOx 농도(ppm) 또는 후단 NOx 농도(ppm), Qmgas는 엔진 부하별 환원 반응을 거친 배기가스에 함유된 목표 NOx 질량유량, Ugas는 배기성분 밀도와 배기가스 밀도의 비율, Qmew는 상기 엔진의 배기가스 배출량, Khd는 온도 습도 보정 상수이다.
  9. 제8항에서,
    상기 온도 습도 보정 상수는 대기온도, 대기습도, 및 엔진 소기 온도를 실시간으로 계측한 후 아래 수학식에 적용하여 산출되는 선택적 촉매 환원 방법.
    Figure 112014104795320-pat00014

    여기서, Ha는 대기 습도, Ta는 대기 온도, TSC는 소기 온도, TSCRef는 소기 온도 참조값으로 상기 엔진의 기종에 따라 상기 엔진의 부하별로 정해진 상수이다.
  10. 제8항에서,
    상기 엔진 배기가스 배출량은 상기 엔진의 소기 압력을 실시간으로 계측한 후 아래 수학식에 적용하여 탄소비교법을 통해 산출되는 선택적 촉매 환원 방법.
    Figure 112014104795320-pat00015

    여기서, X에는 소기 압력이 입력되고, a, b, c, d, e, f는 상기 엔진의 기종에 따라 정해진 상수이다.
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