KR101708129B1 - 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치 및 이의 제어 방법 - Google Patents

선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치 및 이의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부하가 변동하는 엔진의 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치는 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내부에 설치된 반응기와, 상기 반응기에 유입되는 배기가스에 환원제를 공급하는 환원제 공급부와, 상기 반응기에서 배출된 배기가스를 계측하는 배기가스 계측부, 그리고 상기 환원제 공급부가 공급한 환원제 공급량과 상기 배기가스 계측부가 계측한 배기가스의 상태를 비교하여 상기 반응기에 설치된 촉매의 활성도를 판단하는 제어부를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치 및 이의 제어 방법{POWER PLANT WITH SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR THE SMAE}
본 발명은 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치 및 이의 제어 방법 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매의 활성도를 파악하여 엔진의 운전을 제어하는 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치 및 이의 제어 방법에 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.
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 요구되고 있다.
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 지속적으로 촉매의 활성도가 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 촉매의 온도를 활성 온도 범위 내로 유지하는 것이 요구된다.
하지만, 선박용 저속 디젤 엔진의 경우, 디젤 엔진의 부하 변동에 따라 배기가스의 배출량이 달라지고, 선박이 운항 중인 기후 환경도 선택적 촉매 환원 반응에 영향을 미치므로, 촉매의 피독을 완벽하게 피하기 어렵다.
이에, 촉매의 활성도를 파악하여 촉매의 재생 및 교체 시점을 결정해야 할 뿐만 아니라 촉매의 활성도를 고려한 엔진의 운전도 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 촉매의 활성도를 파악하여 촉매의 효율을 최대로 운용할 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치 및 이의 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 부하가 변동하는 엔진의 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치는 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내부에 설치된 반응기와, 상기 반응기에 유입되는 배기가스에 환원제를 공급하는 환원제 공급부와, 상기 반응기에서 배출된 배기가스를 계측하는 배기가스 계측부, 그리고 상기 환원제 공급부가 공급한 환원제 공급량과 상기 배기가스 계측부가 계측한 배기가스의 상태를 비교하여 상기 반응기에 설치된 촉매의 활성도를 판단하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 환원제 공급부가 공급한 환원제 공급량을 기준으로 상기 반응기를 거친 후의 질소산화물 예측량을 설정하고, 상기 배기가스 계측부가 계측한 질소산화물 측정량이 상기 예측량을 초과하면 상기 촉매의 활성도가 저하된 것으로 판단할 수 있다.
상기 제어부는 상기 촉매의 활성도가 상기 촉매의 사용 범위 이하로 저하된 것으로 판단되면, 상기 엔진의 부하를 상기 촉매의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 부하 이하로 상기 엔진의 운전을 제한할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 촉매의 활성도가 상기 촉매의 사용 범위 이하로 저하된 것으로 판단되면, 상기 환원제 공급부가 공급하는 환원제 공급량과 상기 엔진의 부하를 단계적으로 증가시켜 상기 엔진의 운전 부하를 결정할 수 있다.
상기 촉매의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 상기 엔진의 부하에서 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 감소하면 상기 엔진의 운전 부하를 상기 촉매의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 부하보다 일정량 증가시킬 수 있다.
그리고 상기 엔진의 증가된 운전 부하에서 다시 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 다시 감소하면 상기 엔진의 운전 부하를 추가로 증가시킬 수 있다.
한편, 상기 엔진의 증가된 운전 부하에서 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 감소하지 않으면 증가시키기 이전의 운전 부하 이하로 상기 엔진의 운전을 제한할 수 있다.
상기 엔진의 운전 부하를 산출하기 전에 촉매 클리닝(cleaning)을 선행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 부하가 변동하는 엔진의 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법은 환원제 공급량을 기준으로 선택적 촉매 환원 반응을 거친 이후의 질소산화물 예측량을 설정하는 단계와, 선택적 촉매 환원 반응을 거친 이후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하는 단계, 그리고 상기 예측량과 상기 측정량을 비교하여 촉매의 활성도를 판단하는 단계를 포함한다.
그리고 상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법에 따르면, 상기 측정량이 상기 예측량을 초과하면 상기 촉매의 활성도가 저하된 것으로 판단할 수 있다.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법은 상기 촉매의 활성도가 상기 촉매의 사용 범위 이하로 저하된 것으로 판단되면, 상기 엔진의 부하를 상기 촉매의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 부하 이하로 상기 엔진의 운전을 제한하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법에 따르면, 상기 촉매의 활성도가 상기 촉매의 사용 범위 이하로 저하된 것으로 판단되면, 환원제 공급량과 상기 엔진의 부하를 단계적으로 증가시켜 상기 엔진의 운전 부하를 산출할 수도 있다.
이때, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법은 상기 촉매의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 상기 엔진의 부하에서 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 감소하면 상기 엔진의 운전 부하를 상기 촉매의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 부하보다 일정량 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법에 따르면, 상기 엔진의 증가된 운전 부하에서 다시 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 다시 감소하면 상기 엔진의 운전 부하를 추가로 증가시킬 수 있다.
한편, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법은 상기 엔진의 증가된 운전 부하에서 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 감소하지 않으면 증가시키기 이전의 운전 부하 이하로 상기 엔진의 운전을 제한하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법은 상기 엔진의 운전 부하를 산출하기 전에 촉매 클리닝(cleaning)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치 및 이의 제어 방법은 촉매의 활성도를 파악하여 촉매의 효율을 최대로 운용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
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) 시스템을 구비한 동력 장치(101)를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치(101)은 부하가 변동되는 엔진(200)의 배기가스에 함유된 질소산화물을 효과적으로 저감시키기 위해 사용된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치(101)는 반응기(300), 환원제 공급부(400), 배기가스 계측부(500), 및 제어부(700)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치(101)는 부하가 변동되는 엔진(200)을 포함한다.
엔진(200)은 선박에 추진력을 공급하는 주동력원으로 사용될 수 있다. 일례로, 엔진(200)은 2행정 저속 디젤 엔진일 수 있다. 또한, 엔진(200)으로는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 종류의 엔진이 사용될 수 있다.
반응기(300)는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시키기 위한 촉매(350)를 포함한다. 촉매(350)는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 환원제의 반응을 촉진시켜 질소산화물(NOx)을 질소와 수증기로 환원 처리한다.
촉매(350)는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다. 일례로, 촉매(350)는 섭씨 250도 내지 섭씨 350도 범위 내의 활성 온도를 가질 수 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매(350)가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다.
촉매(350)가 활성 온도 범위 밖에서 반응하면, 촉매(350)가 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(350)를 피독시키는 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 촉매 피독 물질은 촉매(350)에 흡착되어 촉매(350)의 활성을 저하시킨다. 촉매 피독 물질은 상대적으로 높은 온도에서 분해되므로, 촉매(350)를 승온시키면 피독된 촉매(350)를 재생할 수 있다.
또한, 반응기(300)의 하우징은, 일례로, 내열성과 강도가 우수한 스테인레스 스틸(stainless steel)을 소재로 만들어질 수 있다.
환원제 공급부(400)는 반응기(300)에 유입되는 배기가스에 환원제를 공급한다. 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.
배기가스 계측부(500)는 반응기(300)에서 배출된 배기가스를 계측한다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에서, 배기가스 계측부(500)는 반응기(300)를 거친 배기가스에 함유된 질소산화물의 양 또는 농도를 계측할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 배기가스 계측부(500)는 가스센서 및 분석기를 포함할 수 있다.
제어부(700)는 환원제 공급부(400)가 공급한 환원제 공급량과 배기가스 계측부(500)가 계측한 배기가스의 상태를 비교하여 반응기(300)에 설치된 촉매(350)의 활성도를 판단한다.
구체적으로, 제어부(700)는 환원제 공급부(400)가 공급한 환원제 공급량을 기준으로 반응기(300)를 거친 후의 질소산화물 예측량을 설정한다. 예를 들어, 질소산화물과, 환원제, 그리고 촉매는 1:1:1로 반응하므로, 환원제 공급량이 100 이라면 반응기(300)를 거친 질소산화물도 100만큼 감소될 것으로 보고 반응기(300)를 거친 배기가스에 잔존할 질소산화물의 예측량이 설정된다.
그리고 제어부(700)는 배기가스 계측부(500)가 계측한 질소산화물 측정량이 예측량을 초과하면 반응기(300)를 거친 질소산화물이 100만큼 감소되지 못한 것으로 보고 이를 근거로 촉매(350)의 활성도가 저하된 것으로 판단한다.
제어부(700)는 촉매(350)의 활성도가 촉매(350)의 사용 범위 이하로 저하된 것으로 판단되면, 엔진(200)의 부하를 촉매(350)의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 부하 이하로 엔진(200)의 운전을 제한할 수 있다. 또한, 환원제 공급부(400)가 공급하는 환원제 공급량과 엔진(200)의 부하를 단계적으로 증가시켜 엔진(200)의 운전 부하를 결정하고 결정된 운전 부하로 엔진(200)의 운전을 제한할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 엔진(200)의 운전을 제한하거나 엔진(200)의 운전 부하를 산출하기 전에 촉매(350)의 클리닝(cleaning)을 선행할 수 있다.
촉매 클리닝(cleaning)은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 열적, 화학적, 전기적, 물리적 방법을 통해 수행될 수 있다.
예를 들어, 버너를 이용하여 반응기(300)에 유입되는 배기가스를 승온시키거나 전기적 가열 장치로 촉매(350)를 직접 가열할 수 있다. 이 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 촉매 피독 물질을 분해시켜 제거할 수 있다.
또한, 화학적 처리를 통해 촉매(350)의 피독 물질을 제거할 수도 있으며, 블로워를 사용하여 물리적으로 촉매(350)에 끼인 이물질이나 피독 물질을 제거할 수도 있다.
제어부(700)가 환원제 공급부(400)가 공급하는 환원제 공급량과 엔진(200)의 부하를 단계적으로 증가시켜 엔진(200)의 운전 부하를 결정하고 결정된 운전 부하로 엔진(200)의 운전을 제한하는 과정을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
제어부(700)는 촉매(350)의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 엔진(200)의 부하에서 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 감소하면 엔진(200)의 운전 부하를 촉매(350)의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 부하보다 일정량 증가시킨다.
그리고 제어부(700)는 엔진(200)의 증가된 운전 부하에서 다시 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 다시 감소하면 엔진(200)의 운전 부하를 추가로 증가시킨다.
이러한 과정에서 제어부(700)는 엔진(200)의 증가된 운전 부하에서 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 감소하지 않으면 증가시키기 바로 이전의 운전 부하 이하로 엔진(200)의 운전을 제한한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매(350)의 활성도가 저하된 상태에서도, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치(101)를 사용하는 선박은 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III) 조건을 만족시킬 수 있는 상태로 운항할 수 있게 된다.
또한, 제어부(700)는 전술한 과정을 효과적으로 수행하기 위하여 배기가스 계측부(500)가 측정한 측정량을 실시간으로 모니터링하고 배기가스의 상태에 대한 정보를 데이터화하여 지속적으로 저장하고, 필요에 따라 기설정된 주기마다 촉매(350)의 활동도 저하 여부를 진단하게 된다.
이때, 배기가스의 상태에 대한 정보와, 촉매(350)의 활성도 저하 여부에 대한 진단, 그리고 엔진(200)의 운전 부하 제한 등에 대한 각종 정보 데이터를 제어부(700)는 로그(log) 형태로 저장될 수 있으며, 저장된 로그를 통하여 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치(101)의 운용 상태를 확인할 수 있다.
또한, 이와 같이 엔진(200)의 운전 부하를 제한한 상태에서, 선박이 항구에 정박하게 되면, 동력 장치의 전체 시스템을 점검하여 다른 원인으로 선택적 촉매 환원 반응 효율이 저하된 것인지 확인하고, 촉매(350)의 활성도가 저하된 상태를 정밀하게 분석하여 촉매(350)를 재생하거나 촉매(350)를 교체할 수 있다.
동력 장치의 전체 시스템을 점검하여 파악할 수 있는 선택적 촉매 환원 반응 효율을 저하시키는 여러 원인들로는, 예를 들어, 엔진(200)에 부가 장착된 과급기에 이상이 발생하여 촉매(350)가 오일에 피독되거나. 연료의 불량에 따른 황피독, 또는 환원제 공급부(400)의 오작동 등이 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치(101)는 촉매(350)의 활성도를 파악하여 촉매(350)의 효율을 최대로 운용할 수 있다.
또한, 촉매(350)의 활성도가 저하된 상태에서도 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III) 조건을 만족시킬 수 있는 상태로 선박을 운항시킬 수 있다.
또한, 촉매(350)의 재생 및 교체 시점을 지속적으로 파악하여 효과적인 유지 보수가 가능하다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치(101)의 제어 방법을 상세히 설명한다.
즉, 부하가 변동되는 엔진(200)의 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치(101)의 제어 방법을 상세히 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치(101)의 제어 방법에 따르면, 먼저 엔진(200)의 부하를 확인(S100)하고 부하에 따른 환원제 공급량을 기준(S200)으로 선택적 촉매 환원 반응을 거친 이후의 질소산화물 예측량을 설정한다.
예를 들어, 상대적으로 선택적 촉매 환원 반응 효율이 낮은 겨울철 기후 조건과 엔진(200)의 부하가 100%인 상태를 기준으로 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 이론적으로 이상적인 환원제 공급량을 기준으로 설정하고, 이를 토대로 엔진(200)의 부하별로 환원제 공급량에 따른 선택적 촉매 환원 반응을 거친 이후의 질소산화물 예측량을 설정할 수 있다.
다음, 계측을 통해 선택적 촉매 환원 반응을 거친 이후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정(S300)한다. 그리고 예측량과 측정량을 비교하여 촉매(350)의 활성도를 판단(S400)한다.
이때, 측정량이 예측량을 초과하면 질소산화물이 정상적으로 저감되지 못한 것으로 보고 촉매(350)의 활성도가 저하된 것으로 판단한다.
촉매(350)의 활성도가 사용 범위 이하로 저하된 것으로 판단되면, 우선 촉매 클리닝(cleaning)을 수행(S500)할 수 있다.
촉매 클리닝(cleaning)은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 열적, 화학적, 전기적, 물리적 방법을 통해 수행될 수 있다.
예를 들어, 버너를 이용하여 반응기(300)에 유입되는 배기가스를 승온시키거나 전기적 가열 장치로 촉매(350)를 직접 가열할 수 있다. 이 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 촉매 피독 물질을 분해시켜 제거할 수 있다.
또한, 화학적 처리를 통해 촉매(350)의 피독 물질을 제거할 수도 있으며, 블로워를 사용하여 물리적으로 촉매(350)에 끼인 이물질이나 피독 물질을 제거할 수도 있다.
다음, 촉매 클리닝을 수행한 이후 촉매(350)의 활성도가 회복되었는지 확인(S600)할 수 있다. 촉매(350)의 활성도가 회복되었는지 여부도 전술한 바와 같이 예측량과 측정량을 비교하여 판단할 수 있다.
촉매(350)의 활성도가 회복되었다면 선택적 촉매 환원 시스템을 정상적으로 가동(S460)한다.
반면, 촉매(350)의 활성도가 촉매(350)의 사용 범위 이하로 저하된 것으로 판단되면, 환원제 공급량과 엔진(200)의 부하를 단계적으로 증가시켜 엔진(200)의 운전 부하를 산출한다. 이때, 산출 결과에 따라 엔진(200)의 부하를 촉매(350)의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 부하 이하로 엔진(200)의 운전을 제한할 수 있다.
구체적으로, 환원제 공급량과 엔진(200)의 부하를 단계적으로 증가시켜 엔진(200)의 운전 부하를 산출하는 방법을 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 촉매(350)의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 엔진(200)의 부하에서 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 감소하면 엔진(200)의 운전 부하를 촉매(350)의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 부하보다 일정량 증가시킨다.
이어, 엔진(200)의 증가된 운전 부하에서 다시 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 다시 감소하면 엔진(200)의 운전 부하를 추가로 증가시키는 과정을 반복한다.
그리고 엔진(200)의 증가된 운전 부하에서 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 감소하지 않으면 증가시키기 이전의 운전 부하 이하로 엔진(200)의 운전을 제한한다.
전술한 바와 같은 과정을 통해, 제한될 엔진(200)의 운전 부하가 결정되면 엔진(200)을 결정된 해당 운전 부하 이하로 가동시킨다.
이에, 촉매(350)의 활성도가 저하된 상태에서도, 선박은 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III) 조건을 만족시킬 수 있는 상태로 운항할 수 있게 된다.
또한, 엔진(200)의 운전 부하를 제한한 상태에서, 선박이 항구에 정박하게 되면, 동력 장치의 전체 시스템을 점검하여 다른 원인으로 선택적 촉매 환원 반응 효율이 저하된 것인지 확인하고, 촉매(350)의 활성도가 저하된 상태를 정밀하게 분석하여 촉매(350)를 재생하거나 촉매(350)를 교체할 수 있다.
동력 장치의 전체 시스템을 점검하여 파악할 수 있는 선택적 촉매 환원 반응 효율을 저하시키는 여러 원인들로는, 예를 들어, 엔진(200)에 부가 장착된 과급기에 이상이 발생하여 촉매(350)가 오일에 피독되거나 연료의 불량에 따른 황피독, 또는 환원제 공급부(400)의 오작동 등이 있다.
이와 같은 방법을 통하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치(101)의 제어 방법은 촉매(350)의 활성도를 파악하여 촉매(350)의 효율을 최대로 운용할 수 있다.
또한, 촉매(350)의 활성도가 저하된 상태에서도 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III) 조건을 만족시킬 수 있는 상태로 선박을 운항시킬 수 있다.
또한, 촉매(350)의 재생 및 교체 시점을 지속적으로 파악하여 효과적인 유지 보수가 가능하다.
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
300: 반응기
410: 제1 농도 센서
420: 제2 농도 센서
450: 온도 센서
510: 환원제 분사부
530: 환원제 공급 유로
550: 분해 챔버
600: 배기 유로
700: 제어부
750: 정보 처리부

Claims (16)

  1. 부하가 변동하는 엔진의 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치에 있어서,
    배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내부에 설치된 반응기;
    상기 반응기에 유입되는 배기가스에 환원제를 공급하는 환원제 공급부;
    상기 반응기에서 배출된 배기가스를 계측하는 배기가스 계측부; 및
    상기 환원제 공급부가 공급한 환원제 공급량과 상기 배기가스 계측부가 계측한 배기가스의 상태를 비교하여 상기 반응기에 설치된 촉매의 활성도를 판단하는 제어부
    를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 환원제 공급부가 공급한 환원제 공급량을 기준으로 상기 반응기를 거친 후의 질소산화물 예측량을 설정하고, 상기 배기가스 계측부가 계측한 질소산화물 측정량이 상기 예측량을 초과하면 상기 촉매의 활성도가 상기 촉매의 사용 범위 이하로 저하된 것으로 판단하고, 상기 환원제 공급부가 공급하는 환원제 공급량과 상기 엔진의 부하를 단계적으로 증가시켜 상기 엔진의 운전 부하를 결정하는 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 촉매의 활성도가 상기 촉매의 사용 범위 이하로 저하된 것으로 판단되면, 상기 엔진의 부하를 상기 촉매의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 부하 이하로 상기 엔진의 운전을 제한하는 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉매의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 상기 엔진의 부하에서 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 감소하면 상기 엔진의 운전 부하를 상기 촉매의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 부하보다 일정량 증가시키는 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 엔진의 증가된 운전 부하에서 다시 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 다시 감소하면 상기 엔진의 운전 부하를 추가로 증가시키는 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 엔진의 증가된 운전 부하에서 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 감소하지 않으면 증가시키기 이전의 운전 부하 이하로 상기 엔진의 운전을 제한하는 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 엔진의 운전 부하를 산출하기 전에 촉매 클리닝(cleaning)을 선행하는 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치.
  9. 부하가 변동하는 엔진의 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법에 있어서,
    환원제 공급량을 기준으로 선택적 촉매 환원 반응을 거친 이후의 질소산화물 예측량을 설정하는 단계;
    선택적 촉매 환원 반응을 거친 이후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하는 단계;
    상기 예측량과 측정량을 비교하여 촉매의 활성도를 판단하는 단계;
    상기 측정량이 상기 예측량을 초과하면 상기 촉매의 활성도가 저하된 것으로 판단하는 단계; 및
    상기 촉매의 활성도가 상기 촉매의 사용 범위 이하로 저하된 것으로 판단되면, 환원제 공급량과 상기 엔진의 부하를 단계적으로 증가시켜 상기 엔진의 운전 부하를 산출하는 단계
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 촉매의 활성도가 상기 촉매의 사용 범위 이하로 저하된 것으로 판단되면, 상기 엔진의 부하를 상기 촉매의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 부하 이하로 상기 엔진의 운전을 제한하는 단계를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법.
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서,
    상기 촉매의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 상기 엔진의 부하에서 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 감소하면 상기 엔진의 운전 부하를 상기 촉매의 활성도가 저하된 것으로 판단된 시점의 부하보다 일정량 증가시키는 단계를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 엔진의 증가된 운전 부하에서 다시 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 다시 감소하면 상기 엔진의 운전 부하를 추가로 증가시키는 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 엔진의 증가된 운전 부하에서 환원제 공급량을 증가시킨 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 측정하여 측정량이 감소하지 않으면 증가시키기 이전의 운전 부하 이하로 상기 엔진의 운전을 제한하는 단계를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 엔진의 운전 부하를 산출하기 전에 촉매 클리닝(cleaning)하는 단계를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치의 제어 방법.
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