KR101708125B1 - 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치 - Google Patents

선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 주동력원으로 사용되며 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 배출하는 제1 엔진과, 상기 제1 엔진의 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키기 위한 복수의 촉매 모듈이 내부에 설치된 반응기와, 상기 제1 엔진의 배기가스를 상기 반응기의 상기 복수의 촉매 모듈을 거쳐 배출시키는 제1 배기 유로와, 발전용 보조 동력원으로 사용되며 상기 제1 엔진보다 상대적으로 높은 온도의 배기가스를 배출하는 제2 엔진, 그리고 상기 제2 엔진의 배기가스로 상기 반응기 내부에 설치된 상기 복수의 촉매 모듈을 간접 가열시킨 후 배출하는 제2 배기 유로를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치{POWER PLANT WITH SELECTIVE CATALYTIC REUCTION SYSTEM}
본 발명은 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주동력원으로 사용 메인 엔진과 함께 발전용 보조 엔진을 사용하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치에 관한 것이다.
일반적으로 선박 등에 사용되는 동력 장치는 저속 디젤 엔진과 과급기(turbocharger) 등을 포함한다. 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은 디젤 엔진에서 발생된 배기가스를 정화하여 질소산화물을 저감시키기 위한 시스템이다.
선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템은 경제성과 방사능 규제 등을 고려하여 섭씨 250도 내지 섭씨 350도 범위 내의 활성 온도를 갖는 고온 활성 촉매를 주로 이용하고 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다.
그런데, 촉매가 활성 온도 범위 밖에서 반응할 경우, 촉매가 피독되면서 촉매의 효율이 저하된다. 특히, 고온 활성 촉매가 설치된 반응기에 섭씨 250도 미만의 상대적으로 낮은 온도를 갖는 배기 가스가 유입되면, 배기가스의 황산화물(SOx)과 환원제인 암모니아(NH4)가 반응하여 촉매 피독 물질이 생성된다. 촉매 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. 따라서, 촉매의 효율을 높이고 유지 보수에 따른 손실을 최소화하기 위해서는 촉매은 온도를 활성 온도 범위 내로 유지하는 것이 요구된다.
특히, 엔진의 가동 초기에 배출되는 배기가스는 상대적으로 온도가 낮으므로, 가동 초기 촉매가 집중적으로 피독되거나 목표치까지 질소산화물을 저감시키지 못하는 문제점이 있다.
구체적으로, 선박의 추진용 주동력원인 디젤 엔진에서 배출되는 질소산화물을 저감시키는 촉매는 선박 정박 후 출할 시 엔진에서 배출된 배기가스의 온도가 낮아 촉매가 정상적으로 질소산화물을 저감시키지 못하고 대기 중으로 인체에 해로운 질소산화물을 배출하게 되므로 대표적인 환경 규제 구역인 항구에서의 대기 오염을 줄이기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 주동력원으로 사용되는 엔진의 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매를 예열하여 가동 초기부터 질소산화물을 효과적으로 저감시키고 촉매의 피독을 억제할 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 주동력원으로 사용되며 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 배출하는 제1 엔진과, 상기 제1 엔진의 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키기 위한 복수의 촉매 모듈이 내부에 설치된 반응기와, 상기 제1 엔진의 배기가스를 상기 반응기의 상기 복수의 촉매 모듈을 거쳐 배출시키는 제1 배기 유로와, 발전용 보조 동력원으로 사용되며 상기 제1 엔진보다 상대적으로 높은 온도의 배기가스를 배출하는 제2 엔진, 그리고 상기 제2 엔진의 배기가스로 상기 반응기 내부에 설치된 상기 복수의 촉매 모듈을 간접 가열시킨 후 배출하는 제2 배기 유로를 포함한다.
상기 반응기는 상기 복수의 촉매 모듈을 서로 이격시켜 상기 복수의 촉매 모듈 사이에 유로가 형성되도록 공간을 두고 상기 복수의 촉매 모듈을 지지하는 유로 형성 촉매 지지부를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 엔진의 배기가스는 상기 유로 형성 촉매 지지부를 거치면서 상기 촉매 모듈을 간접 가열하며 상기 촉매 모듈의 촉매와 비접촉할 수 있다.
상기 반응기는 상기 제1 엔진의 배기가스가 유입되는 메인 유입구와, 상기 제1 엔진의 배기가스가 배출되는 메인 배출구를 더 포함할 수 있다.
상기 메인 유입구로 유입된 후 상기 복수의 촉매 모듈을 거쳐 상기 메인 배출구로 배출되는 상기 제1 엔진의 배기가스는 상기 유로 형성 촉매 지지부를 흐르면서 상기 복수의 촉매 모듈을 간접 가열시키는 상기 제2 엔진의 배기가스와 단절될 수 있다.
상기 유로 형성 촉매 지지부는 상기 제2 배기 유로와 각각 연결되어 상기 제2 엔진의 배기가스가 유출입되는 지지부 유입구 및 지지부 배출구를 포함할 수 있다.
상기 유로 형성 촉매 지지부를 흐르는 상기 제2 엔진의 배기가스는 상기 제1 엔진의 초기 가동시 상기 복수의 촉매 모듈을 예열시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 주동력원으로 사용되는 엔진의 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매를 예열하여 가동 초기부터 질소산화물을 효과적으로 저감시키고 촉매의 피독을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 반응기 내 설치된 복수의 촉매 모듈과 이를 지지하는 유로 형성 촉매 지지부를 나타낸 사시도이다.
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 축척에 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 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템을 포함한 동력 장치(101)를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 제1 엔진(210), 제1 배기 유로(610), 반응기(300), 제2 엔진(220), 및 제2 배기 유로(620)를 포함한다.
제1 엔진(210)은 선박에 추진력을 공급하는 주동력원으로 사용될 수 있다. 일례로, 제1 엔진(210)은 2행정 저속 디젤 엔진일 수 있다. 제1 엔진(210)으로는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 종류의 엔진이 사용될 수 있다.
제1 배기 유로(610)는 제1 엔진(210)에서 배출된 배기가스를 이동시킨다. 본 발명의 일 실시예에서, 제1 배기 유로(610)는 제1 엔진(210)의 배기가스를 후술할 반응기(300)의 복수의 촉매 모듈(350)을 거쳐 배출시킨다.
제1 배기 유로(610)를 따라 이동하는 제1 엔진(210)의 배기가스는 일반적으로 과급기(미도시)를 거치면서 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만의 온도로 낮아진다. 과급기는 제1 엔진(210)의 배기가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌려 제1 엔진(210)에 새로운 외기를 공급함으로써, 제1 엔진(210)의 효율을 향상시킨다.
하지만, 본 발명의 일 실시예가 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 배기 유로(610)를 따라 이동하는 제1 엔진(210)의 배기가스가 과급기(미도시)를 거치기 전에 반응기(300)를 먼저 거칠 수도 있다.
제2 엔진(220)은 발전용 보조 동력원으로 사용될 수 있다. 즉, 제2 엔진(220)은 선박에 필요한 전력을 생산하는 발전용으로 사용될 수 있다. 일례로, 제2 엔진(220)은 4행정 중속 디젤 엔진일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 제2 엔진(220)은 제1 엔진(210)보다 상대적으로 높은 온도의 배기가스를 배출한다. 구체적으로, 제2 엔진(220)은 섭씨 250도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도를 갖는 배기가스를 배출할 수 있다.
반응기(300)는 제1 배기 유로(210) 상에 설치된다. 반응기(300)의 내부에는 제1 엔진(210)에서 배출된 배기가스가 함유한 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매가 장착된 촉매 모듈(350)이 설치된다. 촉매는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 환원제의 반응을 촉진시켜 질소산화물(NOx)을 질소와 수증기로 환원 처리한다.
촉매 모듈(350)은 복수개가 반응기(300) 내부에 설치된다. 촉매 모듈(350)에 장착되는 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 반응할 경우, 피독되면서 효율이 저하된다.
예를 들어, 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만의 상대적으로 낮은 온도에서 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키기 위한 환원 반응이 일어나면, 배기가스의 황산화물(SOx)과 암모니아(NH3)가 반응하여 촉매 피독 물질이 생성된다. 구체적으로, 촉매 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 온도, 즉 섭씨 350도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도에서 분해되므로, 반응기(300) 내의 촉매를 승온시켜 피독된 촉매를 재생할 수 있다.
환원제로는 암모니아(NH3) 또는 우레아(urea, CO(NH2)2)가 사용될 수 있다. 환원제로 우레아(urea)가 사용될 경우, 우레아(urea, CO(NH2)2)를 가수분해 또는 열분해시켜 암모니아(NH3)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)을 생성한다. 그리고 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 분해한다. 즉, 우레아를 분해시켜 최종적으로 암모니아를 생성한다. 그리고 암모니아(NH3)는 질소산화물과 직접 반응하는 최종적인 환원제의 역할을 한다.
또한, 반응기(300)의 하우징은, 일례로, 내열성이 우수한 스테인레스 스틸(stainless steel)을 소재로 만들어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응기(300)는 유로 형성 촉매 지지부(400), 메인 유입구(301), 및 메인 배출구(309)를 더 포함한다.
제1 엔진(210)의 배기가스는 메인 유입구(301)를 통해 반응기(300) 내로 유입된 후, 촉매 모듈(350)의 촉매를 거쳐 메인 배출구(309)를 통해 반응기(300) 밖으로 배출된다.
유로 형성 촉매 지지부(400)는 복수의 촉매 모듈(350)을 서로 이격시켜 복수의 촉매 모듈(350) 사이에 유로가 형성되도록 공간을 두고 복수의 촉매 모듈(350)을 지지한다. 그리고, 메인 유입구(301)로 유입된 제1 엔진(210)의 배기가스는 유로 형성 촉매 지지부(400)가 지지하는 촉매 모듈(350)의 촉매를 통과하며, 유로 형성 촉매 지지부(400)가 형성하는 유로와는 단절된다. 즉, 메인 유입구(301)로 유입된 제1 엔진(210)의 배기가스는 유로 형성 촉매 지지부(400)가 형성하는 유로로 유입되지 못한다.
또한, 유로 형성 촉매 지지부(400)는 반응기(300)의 외벽을 관통하는 지지부 유입구(401) 및 지지부 배출구(409)를 포함한다.
제2 배기 유로(620)는 제2 엔진(220)의 배기가스를 이동시킨다. 본 발명의 일 실시예에서, 제2 배기 유로(620)는 제2 엔진(220)의 배기가스로 반응기(300) 내부에 설치된 복수의 촉매 모듈(350)을 간접 가열시킨 후 배출한다.
구체적으로, 제2 배기 유로(620)는 유로 형성 촉매 지지부(400)의 지지부 유입구(401) 및 지지부 배출구(409)와 연결된다.
따라서, 제2 엔진(220)의 배기가스는 유로 형성 촉매 지지부(400)를 거쳐 배출된다. 또한, 제2 엔진(220)의 배기가스는 유로 형성 촉매 지지부(400)를 이동하면서 반응기(300) 내부에 설치된 복수의 촉매 모듈(350)을 간접 가열한다. 이때, 유로 형성 촉매 지지부(400)를 이동하는 제2 엔진(220)의 배기가스는 촉매 모듈(350)의 촉매와 비접촉된다.
또한, 메인 유입구(301)로 유입된 후 복수의 촉매 모듈(350)을 거쳐 메인 배출구(309)로 배출되는 제1 엔진(210)의 배기가스는 유로 형성 촉매 지지부(400)를 흐르면서 복수의 촉매 모듈(350)을 간접 가열시키는 제2 엔진(220)의 배기가스와 혼합되지 않고 단절된다.
즉, 제2 엔진(220)의 배기가스는 반응기(300)의 내부에 설치된 촉매 모듈(350)의 촉매를 간접 가열할 뿐 촉매에서 반응하지 않으며 영향을 미치지 않는다.
따라서, 촉매 모듈(350)의 촉매는 제2 엔진(220)의 배기가스는 고려하지 않고 제1 엔진(210)의 배기가스에 함유된 질소산화물을 효율적으로 저감시킬 수 있도록 마련될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유로 형성 촉매 지지부(400)를 흐르는 제2 엔진(220)의 배기가스는 제1 엔진(210)의 초기 가동시 복수의 촉매 모듈(350)을 예열시킬 수 있다.
구체적으로, 추진력을 공급하는 주동력원인 제1 엔진(210)은 선박의 정박 시 가동이 중단되지만, 발전용 보조 동력원인 제2 엔진(220)은 선박의 정박 중에도 계속 가동될 수 있다.
따라서, 선박이 출항을 위해 제1 엔진(210)을 가동하기 전에 먼저 가동 중인 제2 엔진(220)의 배기가스를 이용하여 제1 엔진(210)의 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매를 효과적으로 예열할 수 있다. 이때, 제2 엔진(220)의 배기가스는 촉매를 간접 가열하며, 촉매와 직접 접촉하여 반응하지 않는다. 그러므로 촉매는 제1 엔진(210)의 배기가스에 맞춰 효율적으로 설정될 수 있다.
제1 엔진(210)으로 2행정 저속 디젤 엔진이 사용될 경우, 상대적으로 배기가스의 온도가 낮을 뿐만 아니라 특히 초기 가동 시에는 배기가스의 온도가 매우 낮으므로, 촉매가 쉽게 피독될 뿐만 아니라 질소산화물 저감 효율도 매우 낮아진다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 엔진(220)의 배기가스에 의해 촉매가 예열 되므로, 제1 엔진(210)의 가동 초기에도 촉매의 피독을 억제할 수 있을 뿐만 아니라 제1 엔진(210)의 배기가스에 함유된 질소산화물을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 주동력원으로 사용되는 제1 엔진(210)의 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매를 예열하여 가동 초기부터 질소산화물을 효과적으로 저감시키고 촉매의 피독을 억제할 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 시스템을 포함한 동력 장치
210: 제1 엔진 210: 제2 엔진
300: 반응기 301: 메인 유입구
309: 메인 배출구 350: 촉매 모듈
400: 유로 형성 촉매 지지부 401: 지지부 유입구
409: 지지부 배출구 610: 제1 배기 유로
620: 제2 배기 유로

Claims (7)

  1. 주동력원으로 사용되며 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 배출하는 제1 엔진;
    상기 제1 엔진의 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키기 위한 복수의 촉매 모듈이 내부에 설치된 반응기;
    상기 제1 엔진의 배기가스를 상기 반응기의 상기 복수의 촉매 모듈을 거쳐 배출시키는 제1 배기 유로;
    발전용 보조 동력원으로 사용되며 상기 제1 엔진보다 상대적으로 높은 온도의 배기가스를 배출하는 제2 엔진; 및
    상기 제2 엔진의 배기가스로 상기 반응기 내부에 설치된 상기 복수의 촉매 모듈을 간접 가열시킨 후 배출하는 제2 배기 유로
    를 포함하며,
    상기 반응기는 상기 복수의 촉매 모듈을 서로 이격시켜 상기 복수의 촉매 모듈 사이에 유로가 형성되도록 공간을 두고 상기 복수의 촉매 모듈을 지지하는 유로 형성 촉매 지지부를 더 포함하고,
    상기 제2 엔진의 배기가스는 상기 유로 형성 촉매 지지부를 거치면서 상기 촉매 모듈을 간접 가열하며 상기 촉매 모듈의 촉매와 비접촉하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응기는 상기 제1 엔진의 배기가스가 유입되는 메인 유입구와, 상기 제1 엔진의 배기가스가 배출되는 메인 배출구를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메인 유입구로 유입된 후 상기 복수의 촉매 모듈을 거쳐 상기 메인 배출구로 배출되는 상기 제1 엔진의 배기가스는 상기 유로 형성 촉매 지지부를 흐르면서 상기 복수의 촉매 모듈을 간접 가열시키는 상기 제2 엔진의 배기가스와 단절되는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유로 형성 촉매 지지부는 상기 제2 배기 유로와 각각 연결되어 상기 제2 엔진의 배기가스가 유출입되는 지지부 유입구 및 지지부 배출구를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유로 형성 촉매 지지부를 흐르는 상기 제2 엔진의 배기가스는 상기 제1 엔진의 초기 가동시 상기 복수의 촉매 모듈을 예열시키는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  6. 삭제
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