KR101784614B1

KR101784614B1 - 저압 scr 시스템 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR101784614B1
Application number: KR1020160075484A
Authority: KR
Inventors: 김대희; 양희성; 김규종; 김건호; 김정래; 한주석
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2017-10-11
Also published as: EP3312399B1; KR20160150040A; CN107787397B; EP3312399A1; EP3312399A4; CN107787397A

Abstract

저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법이 개시된다.
저압 SCR 시스템은, SCR 반응기(30); 과급기(20)를 거쳐 나오는 저온의 배기가스를 상기 SCR 반응기(30)로 유도하는 배기 라인(11); 우레아 분해 챔버(41)를 가지고 우레아를 분해하여 암모니아를 생성하고, 생성된 암모니아를 상기 SCR 반응기(30) 측으로 보내는 우레아 분해장치(40); 엔진에서 상기 과급기(20)로 유입되기 전의 고온의 배기가스의 일부를 추출하여 상기 우레아 분해장치(40)로 유도하는 제1 바이패스 라인(13); 상기 제1 바이패스 라인(13)으로부터 상기 배기 라인(11)을 연결하여, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 흐르는 고온의 배기가스를 상기 배기 라인(11)으로 분배하는 것에 의해 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 상기 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량을 변화시킬 수 있도록 하는 제2 바이패스 라인(14); 상기 과급기(20)를 통과하여 상기 배기 라인(11)을 흐르는 저온의 배기가스의 일부를 추출하여 상기 우레아 분해 장치(40)에 우레아 분해용 가열가스의 냉각을 위한 추가 가스로서 공급하는 제3 바이패스 라인(16); 상기 배기 라인(11)을 흐르는 배기가스를 강제로 추기하기 위해 상기 제3 바이패스 라인(16)에 설치되는 블로어(50) 및 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)를 포함한다.

Description

저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법{SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM OF LOW PRESSURE AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 특히 SCR 반응기가 엔진 과급기의 하류에 설치되는 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 선박이나 자동차, 발전소 등의 엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스에는 다수의 부유성 미립자와 질소 산화물인 NOx, 황산화물인 SOx 등의 유해성 물질이 포함되어 있다.

따라서 엔진의 배기 라인에는 매연 여과 장치(DPF: Diesel Particulate Filter), 선택적 촉매 환원 장치(SCR: Selective Catalytic Reduction), 스크러버(SCRubber, SOx 제거) 등을 설치하여 배기가스 내의 유해 성분을 제거하고 있다.

이 중에서 SCR 시스템은 배기가스 내의 질소 산화물(NOx)을 촉매(Catalyst) 층에서 암모니아(NH3), 우레아(Urea) 등의 환원제와 화학적으로 반응시켜 인체에 무해한 물과 질소로 분해한 후 배출시키는 장치이다.

여기서 SCR 촉매는 압출 혹은 금속성 코팅이 형성된 다공질 촉매 필터로 이루어진 것으로서, 배기 라인에 설치된 SCR 반응기 내에 한 개 또는 여러 개의 SCR 촉매가 연속 설치된다.

일반적으로 선박용 엔진의 SCR 시스템은 ABS(Ammonium Bisulfate:NH4HSO4) 생성 방지, 분해 및 질소산화물(NOx) 제거를 위하여 SCR 반응 온도인 약 250℃ 이상의 고온이 필요하다. 그에 따라 엔진 튜닝을 통해 배기가스 온도를 높이거나, SCR 반응기를 배기가스 온도가 높은 엔진 과급기 상류 측에 설치한다.

이와 같이 SCR 반응기가 과급기 상류에 설치되는 경우, SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 압력과 온도가 높기 때문에 '고압 SCR 시스템'이라고 부른다.

그러나 SCR 반응기를 과급기 상류에 설치하는 경우에는, SCR 반응기를 엔진에 매우 가깝게 설치하여야 한다. 그러면 협소한 엔진 룸으로 인하여 SCR 시스템의 배치에 어려움이 있고, 주변 기기나 배관들의 배치 설계를 제한하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 SCR 반응기를 과급기 하류 측에 설치하는 예가 있다. SCR 반응기를 과급기 하류 측에 설치하는 경우, SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 압력과 온도가 낮기 때문에 '저압 SCR 시스템'이라고 부른다.

SCR 시스템을 과급기 하류 측에 설치하면, 엔진 룸 외부에 SCR 시스템을 설치할 수 있다. 따라서, SCR 시스템을 공간 제약 없이 자유로이 배치할 수 있으면서 동시에 엔진 룸의 배치 설계를 자유롭게 한다.

그러나 저압 SCR 시스템에서, 배기가스가 과급기를 통과하면서 먼저 열을 빼앗김에 따라 SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 온도는 정상적인 SCR 반응 온도(또는 촉매 활성화 온도)보다 낮아진다. 이처럼 SCR로 유입되는 배기가스의 낮은 온도로 인해 유효한 질소산화물(NOx) 제거 성능을 확보하기 어렵고, 촉매 피독의 문제나 환원제 분해성능의 저하 문제까지 함께 발생한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, SCR 반응기 유입구 측의 배기 라인에 별도의 가열 장치를 추가로 설치하는 예가 있다. 가열 장치를 통해 SCR 반응기로 유입되는 배기가스를 정상적인 SCR 반응 온도까지 가열하는 것이다. 이처럼 가열 장치에 의존해 열을 공급하는 경우에는 연료 소모량이 많아지고 전체 시스템의 열효율이 떨어지며 에너지가 낭비가 심해진다.

SCR 시스템이 과급기 상류에 설치되는 경우에는, SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 온도가 정상적인 SCR 반응 온도보다 높게 유지되므로 환원제 분해가 원활하게 이루어진다.

그러나 SCR 시스템이 과급기 하류에 설치되는 경우에는 SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 온도가 정상적인 SCR 반응온도보다 낮아서 환원제의 분해가 덜 일어난다. 이에 따라, SCR 반응기의 유입구 근방에 우레아(UREA)와 같은 환원제를 주입하여 분해를 유도하는 대신에, 우레아 분해 장치를 사용하여 미리 분해하여야 한다. 즉, 우레아 분해를 통해 생성된 암모니아를 SCR 반응기의 유입구 근방에 주입하는 것이다.

우레아 분해장치의 경우도, 적정한 우레아 분해온도를 제공하여야 한다, 그런데, 분해를 위한 열원의 공급을 가열 장치에 의존하게 되면 많은 연료가 소모될 수밖에 없다.

또한, 우레아 분해장치의 가열부(예; 가열 챔버)에서 연료가 연소하면서 발생하는 화염의 온도는 1500℃에 이르는 정도로 매우 높다. 그렇기 때문에, 그 화염온도를 그대로 받은 가열가스가 우레아 분해 챔버로 유입되기 전에 우레아 분해에 적정한 온도로 낮추기 위한 냉각 장치가 추가로 필요하게 된다. 냉각 장치의 추가는 시스템을 복잡하게 만들 뿐만 아니라 운전 비용까지 증가시키게 된다. 또한, 냉각 장치를 추가로 구동하는 만큼 전체 시스템의 효율이 떨어지고 에너지 낭비가 심해지며 운전비용도 증가하게 된다. 그러면서도 우레아 분해 챔버의 온도를 적정 수준으로 정밀하게 제어하는 것이 보장되는 것도 아니다.

한국 등록특허공보 제10-1367114호

본 발명은 SCR 반응기가 과급기 하류에 설치되는 저압 SCR 시스템이 가지는 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것이다.

본 발명의 목적은, 엔진에서 나오는 배기가스의 일부를 과급기를 우회하여 우레아 분해장치의 온도 제어용 가스로 활용함과 함께, SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 온도를 정상적인 SCR 반응 온도 이상으로 높이기 위한 열원으로 활용할 수 있도록 하는 것이다. 이것은 SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 승온과 우레아 분해에 필요한 열원(또는 우레아 분해 장치의 냉각에 필요한 열원)을 추가적인 에너지 공급 없이 조달 가능함으로써, 에너지 소모를 줄이고 전체 시스템의 열효율을 향상시킬 수 있는 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 과급기로 유입되기 전에 추출된 배기가스를 SCR 반응기의 승온과 우레아 분해장치의 온도 제어를 위한 두 가지의 열원으로 활용할 때, SCR 반응기의 온도와 우레아 분해장치의 온도에 따라 효과적이고 정밀하게 제어할 수 있는 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 바이패스 가스를 우레아 분해장치에 공급하여 우레아 분해용 열원으로 활용할 때, 우레아 분해장치로 공급되는 바이패스 가스의 유량이 과도해지지 않고 적정한 규모로 유입되도록 함으로써, 우레아 분해장치의 사이즈를 너무 크지 않게 최적화할 수 있도록 하는 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 방향에 따른 저압 SCR 시스템은, SCR 반응기(30); 과급기(20)를 거쳐 나오는 저온의 배기가스를 상기 SCR 반응기(30)로 유도하는 배기 라인(11); 우레아 분해 챔버(41)를 가지고 우레아를 분해하여 암모니아를 생성하고, 생성된 암모니아를 상기 SCR 반응기(30) 측으로 보내는 우레아 분해장치(40); 엔진에서 상기 과급기(20)로 유입되기 전의 고온의 배기가스의 일부를 추출하여 상기 우레아 분해장치(40)로 유도하는 제1 바이패스 라인(13); 상기 제1 바이패스 라인(13)으로부터 상기 배기 라인(11)을 연결하여, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 흐르는 고온의 배기가스를 상기 배기 라인(11)으로 분배하는 것에 의해 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 상기 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량을 변화시킬 수 있도록 하는 제2 바이패스 라인(14); 상기 과급기(20)를 통과하여 상기 배기 라인(11)을 흐르는 저온의 배기가스의 일부를 추출하여 상기 우레아 분해 장치(40)에 우레아 분해용 가열가스의 냉각을 위한 추가 가스로서 공급하는 제3 바이패스 라인(16); 상기 배기 라인(11)을 흐르는 배기가스를 강제로 추기하기 위해 상기 제3 바이패스 라인(16)에 설치되는 블로어(50); 상기 블로어(50)에 의해 상기 우레아 분해장치(40)로 보내지는 추가 가스의 유량을 조절하기 위해 상기 제3 바이패스 라인(16)에 설치되는 제3 바이패스 유량조정 밸브(67); 상기 SCR 반응기(30)의 온도 및 우레아 분해 장치(40)의 가열가스 온도에 따른 상기 제1, 2, 3 바이패스 라인(13, 14, 15)의 유량 제어를 포함하여 SCR 운전을 위한 전반적인 제어를 수행하는 제어부(60); 를 포함한다.

본 발명에 따른 저압 SCR 시스템에 있어서, 상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도에 따라 상기 제1 바이패스 라인(13)과 제2 바이패스 라인(14) 사이의 바이패스 가스 유량의 분배 비율이 설정된다.

본 발명에 따른 저압 SCR 시스템에 있어서, 상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 경우, 상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 추가 가스의 공급은 차단하고, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량은 증가시키며, 상기 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 빠져나가는 바이패스 가스 유량은 감소시키도록 설정된다.

본 발명에 따른 저압 SCR 시스템에 있어서, 상기 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량의 증가와 함께, 상기 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량도 증가시키도록 설정된다.

본 발명에 따른 저압 SCR 시스템에 있어서, 상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 우레아 분해장치(40) 냉각용 추가 가스의 공급은, 상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 조건과 함께, 상기 제2 바이패스 라인(14)은 차단하여 고온의 바이패스 가스가 제1 바이패스 라인(13)을 통해 모두 우레아 분해장치(40)로 유입되도록 분배 비율이 설정된 조건하에서, 상기 우레아 분해 장치(40)의 가열가스 온도가 목표온도를 초과하는 경우에 시작되도록 설정된다.

본 발명에 따른 저압 SCR 시스템에 있어서, 상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 냉각용 추가 가스의 공급은, 상기 우레아 분해 장치(40)의 가열가스 온도가 목표온도까지 떨어질 때까지 점증 되도록 설정된다.

본 발명에 따른 저압 SCR 시스템에 있어서, 상기 제3 바이패스 라인(16)은, 상기 배기 라인(11)에서 분기되고, 상기 제2 바이패스 라인(14)의 분기점(P1) 하류 측의 제1 바이패스 라인(13)에 연결되어, 상기 배기 라인(11)으로부터 추기된 추가 가스가 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 상기 우레아 분해 장치(40)로 들어가는 바이패스 가스에 합류되도록 구성된다.

본 발명에 따른 저압 SCR 시스템 제어 방법은, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도를 판별하는 단계; 상기 판별 결과에 따라, 과급기(20)에 유입되기 전에 추출된 고온의 바이패스 가스에 대해, 우레아 분해장치(40) 측으로 연결되는 제1 바이패스 라인(13)과 SCR 반응기(30) 상류 측의 배기가스 라인(11)으로 연결되는 제2 바이패스 라인(14) 사이의 분배 비율을 설정하는 단계; 설정된 분배 비율에 따라, 상기 제1 바이패스 라인(13)과 상기 제2 바이패스 라인(14)의 개도를 조절하여 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량과 SCR 반응기(30) 측으로 배출되는 바이패스 가스 유량을 조정하는 단계; 상기 우레아 분해장치(40)의 가열가스의 온도에 따라 제3 바이패스 라인(16)을 통한 우레아 분해장치(40) 냉각용 추가 가스의 공급 여부를 결정하고 유량을 조정하는 단계; 를 포함한다.

본 발명에 따른 저압 SCR 시스템 제어 방법에 있어서, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 경우, 상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 냉각용 추가 가스의 공급은 차단하고, 상기 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 배출되는 바이패스 가스 유량은 감소시키며, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량은 증가되도록 제어한다.

저압 SCR 시스템 제어 방법에 있어서, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통한 우레아 분해장치(40)로의 바이패스 가스 유량 증가에 대응하여, 상기 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량을 함께 증가하도록 제어한다,

저압 SCR 시스템 제어 방법에 있어서, 우레아 분해장치(40)의 가열가스 온도가 우레아 분해 목표온도를 초과하는 경우, 상기 제3 바이패스 라인(16)을 개방하여 과급기(20)를 거쳐 나온 저온의 배기가스를 냉각용 추가 가스로서 공급하는 제어를 수행한다.

저압 SCR 시스템 제어 방법에 있어서, 상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮으며, 상기 제2 바이패스 라인(14)은 차단하고 제1 바이패스 라인(13)은 개방하는 것에 의해 엔진으로부터 나온 고온의 바이패스 가스가 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 유입되도록 분배 비율이 설정된 제어 조건하에서, 상기 우레아 분해 장치(40)의 가열가스의 온도가 목표온도를 초과하는 경우에 상기 제3 바이패스 라인(16)을 개방하여, 상기 배기 라인(11)을 지나는 저온의 배기가스의 일부를 추가로 추출하여 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 상기 우레아 분해 장치(40)로 들어가는 고온의 바이패스 가스에 합류되도록 한다.

본 발명의 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 바이패스 가스를 SCR 반응기의 승온을 위한 열원, 우레아 분해를 위한 열원, 우레아 분해장치의 냉각을 위한 열원으로 동시에 활용함으로써, 연료 소모를 줄이고 시스템의 전체 열효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 과급기로 유입되기 전에 추출된 배기가스를 SCR 반응기의 승온과 우레아 분해장치의 온도 제어를 위한 두 가지의 열원으로 활용할 때, SCR 반응기의 온도와 우레아 분해장치의 온도에 맞추어 각 바이패스 라인으로 적절하게 분배함으로써 효과적이고 정밀한 제어가 가능해진다.

또한, 본 발명의 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 바이패스 가스를 우레아 분해장치에 공급하여 우레아 분해용 열원으로 활용할 때, 각 바이패스 라인에 대해 적절하게 분배하여 우레아 분해장치로 공급되는 바이패스 가스의 유량이 과도해지지 않고 적정한 규모로 유입되도록 함으로써, 우레아 분해장치를 비교적 작은 사이즈로 최적화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 계통도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 수행 시의 배기가스 및 바이패스 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 수행 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 계통도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 수행 시의 배기가스 및 바이패스 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 6은 바이패스 가스 유량 조정 가능 여부에 따른 바이패스 가스 유량의 모의시험 결과를 나타낸 비교표이다
도 7은 제3 바이패스 라인의 유량조절 가능 여부에 따른 제3 바이패스 가스 유량의 비교표이다.
도 8은 제3 바이패스 라인의 유량조절 가능 여부에 따른 제3 바이패스 가스 유량의 공급량을 비교한 그래프이다.
도 9는 제3 바이패스 라인의 구성에 대한 3가지 케이스의 비교 도면이다.
도 10은 도 9의 케이스 2와 케이스 3의 응답 특성을 비교하는 그래프이다.
도 11에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 저압 SCR 시스템을 설명하기 위한 계통도가 도시되어 있다.
도 12에는 제3 바이패스 라인의 분기점의 위치에 따른 냉각용 추가 가스의 양을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 계통도이다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 수행 시의 배기가스 및 바이패스 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 수행 과정을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법의 실시예에 대해서 상세하게 설명한다. 이하의 설명 및 청구범위에서, 'SCR 목표 온도'는, SCR 반응기에서 질소산화물을 제거하기 위한 촉매 반응이 정상적으로 유도되는 것으로 설정한 온도 범위의 하한치이다. 따라서, SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 온도는 'SCR 목표 온도' 이상으로 유지되어야 한다. 예를 들어, 촉매 반응이 정상적으로 유도되는 온도 범위가 250~400℃라면, SCR 목표온도는 그것의 하한치인 250℃가 된다.

또한, '가열가스의 목표온도'는 우레아 분해 챔버로 유입되는 우레아 분해용 가열가스가 지녀야 할 온도 또는 온도 범위이다. 즉, 가열가스가 '가열가스의 목표온도'를 유지하도록 함으로써 우레아 분해 챔버 내에서 우레아 분해 온도가 최적으로 유지되고 우레아 분해가 정상적으로 수행된다. 우레아 분해 목표온도는 우레아 분해 챔버에서 우레아 수용액이 암모니아와 이산화탄소로 분해되는 최적의 분위기이다. 우레아 분해 챔버로 유입되는 가열가스의 온도가 우레아 분해 목표온도보다 높을 경우 암모니아 산화율이 높아지고 그보다 낮을 경우에는 암모니아로 분해시키기 위한 체류시간이 증가하여 우레아 분해 챔버의 사이즈가 커져야 한다.

가열가스의 목표온도는 예를 들어 500℃로 설정할 수 있다. 또한, 가열가스의 목표온도를 500℃로 유지하는 경우, 우레아 분해 챔버에 우레아를 분사하면 우레아 분해 시의 흡열 반응에 의해 우레아 분해 챔버를 나가서 SCR 반응기의 유입구 측으로 들어가 암모니아 함유 가열가스의 온도가 약 300 ~ 400℃로 유지되도록 하는 것을 목표로 한다.

도 1에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 계통도가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템은, 배기가스 리시버(10), 과급기(20), SCR 반응기(30), 우레아 분해장치(40), 제어부(60), 배기 라인(11), SCR 우회 라인(12), 제1 바이패스 라인(13), 제2 바이패스 라인(14) 및 암모니아 주입 라인(15)을 포함한다.

도 1에서, 배기가스 리시버(10)는 엔진(미도시)의 각 실린더에서 배출되는 배기가스를 모아 과급기(20)로 내보낸다.

엔진으로부터 발생하는 배기가스는 배기가스 리시버(10)를 통해 과급기(20)로 공급되어 과급기(20)의 터빈(T)을 구동한 후 배기 라인(11)을 통해 배출된다.

배기 라인(11)을 통해 배출되는 배기가스는 SCR 반응기(30)로 들어가거나, SCR 우회 라인(12)을 통해 SCR 반응기(30)를 거치지 않고 연도로 배출된다.

배기 라인(11)과 SCR 우회 라인(12)의 선택은, 각각의 라인에 설치된 개폐 밸브(61)와 개폐 밸브(62)의 선택적 개폐에 의해 수행된다. 배기가스 중의 질소 산화물을 제거하기 위한 운전, 즉, SCR 운전을 위해서는 개폐 밸브(62)는 닫고 개폐 밸브(61)를 연다.

SCR 반응기(30)의 유입구에는, 과급기(20)를 거쳐 나온 배기가스와 함께 우레아 분해장치(40)에서 생성된 암모니아 함유 가열가스가 유입되어, 내부에 설치되어 있는 촉매층으로 통과시켜 배기가스 내의 질소 산화물을 제거한다.

온도 검출부(TC1)는 SCR 반응기(30)의 유입구에서의 배기가스 온도를 측정하고, 측정된 온도를 제어부(60)로 인가한다. 이러한 온도 검출부(TC1)는 SCR 반응기(30)의 유입구 또는 SCR 반응기(30)의 내부에 설치될 수 있다.

우레아 분해장치(40)는, 우레아를 분해하여 환원제인 암모니아를 생성하는 것으로서, 우레아 분해 반응이 일어나는 공간을 제공하는 우레아 분해 챔버(41)와, 우레아 분해 챔버(41)를 가열시키는 가열부(42)를 포함한다.

가열부(42)는 버너로 이루어질 수 있다. 가열부(42) 내에서 버너를 통해 연료를 연소시킴에 따라 우레아 분해열을 제공하는 가열가스를 생성한다. 연료는 오일 또는 가스와 공기로 이루어진다. 오일 또는 가스와 공기는 하나의 공급 라인으로 제공되거나 각자 별도의 라인으로 제공될 수 있다. 가열부(42)로 공급되는 연료의 유량은 제어부(60)에 의해 연료량 제어 밸브(43)의 개도를 제어하는 것으로 조절된다. 오일 또는 가스와 공기가 별도의 라인으로 제공되는 구성이라면, 각각의 라인에 설치된 유량 제어 밸브(44)와 유량 제어 밸브(45)를 제어한다.

가열부(42)에서 연료의 연소에 의해 생성된 가열가스는 우레아 분해 챔버(41)로 유입되어 우레아 분해 챔버(41)에 분사되는 우레아를 분해하기 위한 열원이 된다.

우레아 분해 챔버(41) 내에는 분해된 암모니아와 함께 가열가스가 공존한다. 암모니아 함유 가열가스는 암모니아 주입 라인(15)을 통해 SCR 반응기(30)의 유입구에 인접한 배기 라인(11)으로 공급되어 배기 라인(11)을 흐르는 배기가스에 혼합되어 SCR 반응기(30)로 유입된다.

온도 검출부(TC3)는 가열부(42)에서 우레아 분해 챔버(41)로 유입되는 가열가스의 온도를 측정하고, 측정된 온도 값을 제어부(60)로 전송한다.

배기 라인(15)은 과급기(20)를 거쳐 나오는 배기가스를 SCR 반응기(30) 측으로 유도한다.

제1 바이패스 라인(13)은, 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스가 과급기(20)로 유입되기 전에, 즉 과급기(20)의 상류에서 배기가스의 일부를 추출하여, 우레아 분해장치(40)로 공급한다. 개폐 밸브(63)는 제1 바이패스 라인(13)을 개방하거나 폐쇄한다. 정상적인 운전 중에 개폐 밸브(63)는 상시 개방된 상태를 유지한다. 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)는, 제어부(60)의 제어 하에 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 바이패스 가스의 유량을 조절한다.

제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스는 가열부(42)로 유입되어 버너의 화염(예; 온도 1000~1500℃)에 의한 가열가스의 온도를 제어(즉, 우레아 분해에 알맞은 목표온도(예; 500℃)로 낮추거나 적은 연료로도 좀 더 빨리 목표온도까지 가열)하는 역할과 함께, 우레아 분해 후 암모니아 함유 가열가스로서 암모니아 주입 라인(15)을 통해 SCR 반응기(30)의 유입구 측으로 공급되어 배기가스에 혼합됨으로써 SCR 반응기(30)의 유입구 측의 배기가스 온도를 높이는 역할을 동시에 수행하게 된다.

제2 바이패스 라인(14)은, 제1 바이패스 라인(13)과 배기 라인(11) 사이에 연결된다. 제2 바이패스 라인(14)은 제1 바이패스 라인(13)의 분기점(P1)에서 분기되고 합류점(P2)에서 배기 라인(11)에 연결된다.

따라서, 엔진에서 과급기(20)로 유입되기 전의 고온의 배기가스 일부를 추출하여 마련한 바이패스 가스는 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량과 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 배출되는 바이패스 가스 유량으로 분배된다.

엔진에서 배출되는 배기가스의 온도는 높은 반면(예; 300℃~450℃), 과급기(20)를 거쳐 나오는 배기가스는 상대적으로 저온(예; 약 230℃) 상태이다.

저압 SCR 시스템에서는 SCR 반응기(30)가 과급기(20) 하류 측에 설치되어 있기 때문에 과급기(20)를 거쳐 나와 배기 라인(11)을 통해 SCR 반응기(30)로 유입되는 배기가스의 온도가 낮을 수밖에 없다.

따라서, SCR 운전(질소산화물 제거 운전)을 위해서는 바이패스 가스를 통해 SCR 반응기(30)의 온도를 SCR 목표온도(예; 250℃)로 올려야 한다. 이처럼 SCR 운전을 위해 추출하여야만 하는 고온의 바이패스 가스를 모두 배기 라인(11)으로 보내 SCR 반응기(30)의 온도를 목표온도로 올리는 대신에, 바이패스 가스의 일부를 우레아 분해장치(40)로 공급하여 가열가스의 온도 제어를 위한 냉각 열원 및 가열 열원으로 사용함으로써 우레아 분해장치(40)의 열효율을 향상시키고 연료를 절감할 수 있다. 특히 우레아 분해장치(40)에서 우레아를 분해하고 난 후의 암모니아 함유 가열가스는 높은 온도(예; 300 ~ 400℃)를 유지하므로, '바이패스 가스의 높은 온도를 이용해 SCR 반응기(30)의 온도를 목표온도까지 높이는' 본래의 역할을 함께 수행할 수 있게 된다.

제1 바이패스 라인(13)에는 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)가 설치되고, 제2 바이패스 라인(14)에는 제2 바이패스 유량조정 밸브(65)가 설치된다. 제어부(60)에 의해 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)와 제2 바이패스 유량조정 밸브(65)의 개도를 조절하는 것에 의해, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량과 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 배출되는 바이패스 가스 유량의 분배 비율이 변화(조절)된다.

제어부(60)는 온도 검출부(TC1)를 통해 전송되는 SCR 반응기(30) 유입구(본 명세서에서 이것은 SCR 반응기(30) 내부를 포함하는 의미이다)의 온도와, 온도 검출부(TC2)를 통해 전송되는 바이패스 가스 온도와, 온도 검출부(TC3)를 통해 전송되는 우레아 분해 챔버(41)로 유입되는 가열가스의 온도와, 온도 검출부(TC4)를 통해 전송되는 암모니아 주입 라인(15)의 암모니아 함유 가열가스의 온도를 비교 판단하여 제1 바이패스 라인(13)과 제2 바이패스 라인(14)의 바이패스 가스 분배 비율을 설정한다. 본 명세서 및 청구범위에서 언급되는 분배 비율은 0:100 또는 100:0을 포함하는 것으로 정의한다. 즉, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 바이패스 가스 유량이나 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 배출되는 바이패스 가스 유량 중 어느 한쪽은 차단하여 나머지 한쪽으로 모든 바이패스 가스를 보내는 분배 상황까지 포함하는 것이다.

제어부(60)는 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도에 따라 제1 바이패스 라인(13)과 제2 바이패스 라인(14)의 바이패스 가스 분배 비율을 설정할 수 있다.

또한, 제어부(60)는 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 경우, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량을 증가시키도록 분배 비율을 설정할 수 있다.

또한, 제어부(60)는, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 경우, 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량을 증가시키는 한편, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량을 증가시키도록 분배 비율을 설정할 수 있다.

도 2 및 도 3을 통해 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 수행 과정을 설명한다. 도 2에는 배기가스 및 바이패스 가스의 흐름을 나타내는 도면이 도시되어 있고, 도 3에는 제어 수행 과정을 설명하는 도면에 도시되어 있다.

SCR 운전시에는, 개폐 밸브(62)를 닫아 배기가스가 배기 라인(11)을 통해 SCR 반응기(30)로 들어가도록 함으로써, 과급기(20)에서 배기 라인(11)으로 배출되는 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거한 후 연도로 배출되도록 한다.

또한, 개폐 밸브(63)를 상시 열어두어 바이패스 가스를 공급하도록 한다.

또한, 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)와 제2 바이패스 유량조정 밸브(65)의 개도를 기설정된 표준 값(또는 초기 운전 값)으로 제어하여 제1 바이패스 라인(13)과 제2 바이패스 라인(14)의 분배 비율을 표준 값으로 유지한다. 또한, 연료량 제어 밸브(43)의 개도를 기설정된 표준 값(또는 초기 운전 값)으로 제어하여 우레아 분해장치(40)로 공급되는 연료량을 표준 값으로 유지한다.

이와 같은 상태에서, 제어부(60)는 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도에 따라 우레아 분해 및 배기가스 가열을 효과적으로 구현하기 위해, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도를 판별한다(S10). 즉, SCR 반응기(30)로 유입되는 배기가스의 온도가 SCR 반응기에서 질소산화물을 제거하기 위한 촉매 반응이 정상적으로 유도되는 'SCR 목표 온도(예; 250℃)' 이상인지의 여부를 판별한다.

이러한 판별 결과에 따라 제1 바이패스 라인(13)과 제2 바이패스 라인(14)의 바이패스 가스 분배 비율을 설정한다(S20).

예를 들어, SCR 목표 온도보다 낮은 것으로 판별되는 경우, 제2 바이패스 라인(14)에 비해 제1 바이패스 라인(13)의 유량을 증가시키도록 설정한다.

이어서, 설정된 분배 비율에 따라 제1 바이패스 라인(13)과 제2 바이패스 라인(14)의 바이패스 가스 유량을 제어한다(S30). 가스 유량의 제어는 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)와 제2 바이패스 유량조정 밸브(65)의 개도 값을 증감함으로써 수행된다.

예를 들어, SCR 반응기(30)의 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표 온도보다 낮은 경우, 제2 바이패스 유량조정 밸브(65)의 개도 값은 감소시키고 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)의 개도 값은 증가시킨다. 그러면, 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 배출되는 바이패스 가스 유량은 감소 되고 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치로 공급되는 바이패스 가스 유량은 증가 된다.

SCR 반응기(30)의 유입구의 배기가스 온도를 신속하고 효과적으로 높이기 위해서는, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 바이패스 가스의 유량의 증가와 함께, 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량도 증가시키는 것이 바람직하다(S40).

그러면, 가열가스의 유량과 온도가 함께 증가 되고, 그 결과 우레아 분해 챔버(41)로부터 나가는 암모니아 함유 가열가스의 유량과 온도가 증가 되어 SCR 반응기(30) 유입구 부분의 배기가스 온도가 더욱 신속하게 높아진다.

이때, 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량의 증가에 따라 가열부(42)의 열용량이 증가하게 되는데, 연료의 연소에 따라 발생하는 높은 화염온도(예; 1000~1500℃)에 의해 지나치게 높아진 가열가스의 온도는, 다른 어떤 장치로부터 제공되는 냉각 공기가 아닌 제1 바이패스 라인(13)을 통해 많은 양으로 공급되는 바이패스 가스에 의해 우레아 분해 목표온도(예; 500℃)로 낮춰지게 된다. 가열가스의 온도가 목표온도로 될 때까지 제1 바이패스 라인(13)을 통한 바이패스 가스의 유량을 점점 증가시킨다.

한편, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표 온도에 이르거나 그 이상인 때에는, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도를 상승시키기 위한 추가적인 열 공급을 필요하지 않게 되고, 우레아 분해장치(40)에서는 우레아 분해를 위한 열만 필요하게 된다. 따라서 우레아 분해장치(40)로 공급되는 연료량을 최소한의 양으로 유지하여 우레아 분해를 위한 열만을 제공할 수 있게 되고, 가열가스의 온도를 우레아 분해 목표온도로 낮추기 위해 필요한 최소 비율의 바이패스 가스 유량을 제1 바이패스 라인(13)을 통해 공급하면 된다.

이와 같이, SCR 반응기(30)로 유입되는 배기가스의 온도를 SCR 목표 온도로 높이고 우레아 분해를 위해 필요한 연료량을 줄일 수 있음과 함께, 우레아 분해를 위한 가열가스의 온도를 우레아 분해 목표온도로 낮추기 위해 필요한 냉각 공기를 바이패스 가스로 대체함으로써, 시스템 전체의 효율을 향상시킬 수 있고, 우레아 분해장치(40)를 작은 사이즈로 최적화할 수 있다.

다음으로, 도 4 및 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 도 4에는 계통도가 도시되어 있고, 도 5에는 제어 수행 시의 배기가스 및 바이패스 가스의 흐름을 나타내는 도면이 도시되어 있다.

제2 실시예는, 제1 실시예에 비해 배기 라인(11)을 지나는 배기가스의 일부를 추출하여 우레아 분해장치(40)로 공급하는 제3 바이패스 라인(16)을 더 포함하는 것만이 다르고, 나머지의 구성은 동일하다.

본 실시형태에서, 제3 바이패스 라인(16)은, 배기 라인(11)의 분기점(P3)에서 분기되어 제1 바이패스 라인(13)에 합류점(P4)에서 연결된다.

제3 바이패스 라인(16)을 통해 배기 라인(11)으로부터 추출된 '추가 가스'는, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 바이패스 가스에 합류된다.

제3 바이패스 라인(16)에는 배기 라인(11)을 흐르는 배기가스를 추기하기 위한 블로어(50)를 설치할 수 있다. 블로어(50)로 유입되는 배기가스는 개폐 밸브(66)에 의해 제어되고, 블로어(50)를 나오는 추가 가스의 유량은 제어부(60)에 의해 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)를 조절함으로써 제어된다.

제어부(60)는 블로어(50)의 회전 속도를 조절함으로써 제3 바이패스 라인(16)을 통해 우레아 분해 장치(50)로 유입되는 추가 가스의 유량을 제어할 수 있다.

제3 바이패스 라인(16)을 통한 추가 가스의 공급은, SCR 반응기(30)의 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 조건과, 제2 바이패스 유량조정 밸브(65)는 닫고 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)는 개방하는 것에 의해(도 5 참조), 바이패스 가스가 제1 바이패스 라인(13)을 통해 모두 우레아 분해장치(40)로 유입되도록 분배 비율이 설정된 조건하에서, 우레아 분해장치(40)의 우레아 분해 챔버(41)로 유입되는 가열가스의 온도가 목표온도를 초과하는 경우에 수행되도록 설정할 수 있다.

과급기(20)를 거쳐 나와 배기 라인(11)을 흐르는 배기가스는 상대적으로 저온(예; 약 230℃) 상태이므로, 가열부(42)의 높은 화염온도를 받은 가열가스의 온도를 우레아 분해 목표온도로 낮추기 위한 냉각 가스로서 사용될 수 있다.

제1 실시예에서 설명한 바와 같이, SCR 반응기(30)의 유입구의 배기가스 온도를 신속하고 효과적으로 높이기 위해, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 바이패스 가스의 유량의 증가와 함께, 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량도 증가시키는 제어를 수행할 수 있다.

그러면, 우레아 분해장치(40)를 통한 가열가스의 유량과 온도가 함께 증가 되고, 그 결과 우레아 분해 챔버(41)로부터 나가는 암모니아 함유 가열가스의 유량과 온도가 증가 되어 SCR 반응기(30) 유입구 부분의 배기가스 온도가 더욱 신속하게 높아진다.

이때, 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량의 증가에 따라 가열부(42)의 열용량이 증가하게 되는데, 연료의 연소에 따라 발생하는 높은 화염온도(예; 1000~1500℃)에 의해 지나치게 높아진 가열가스의 온도는 제1 바이패스 라인(13)을 통해 많은 양으로 공급되는 바이패스 가스에 의해 우레아 분해 목표온도(예; 500℃)로 낮춰지게 된다. 가열가스의 온도가 목표온도로 될 때까지 제1 바이패스 라인(13)을 통한 바이패스 가스의 유량을 점점 증가시킨다.

그런데 이러한 운전 상황하에서, 제1 바이패스 라인(13)의 바이패스 가스 분배 비율을 100%까지 증가시켜도, 즉 모든 바이패스 가스를 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 유입시켜도, 가열부(42)에서 화염에 의해 높아진 가열가스의 온도를 우레아 분해 목표온도까지 낮추지 못하는 경우가 있다.

이 경우에는, 제3 바이패스 라인(16)을 통해 배기 라인(11)으로부터 낮은 온도의 배기가스의 일부를 추출하여 우레아 분해장치(40)에 추가 가스로서 더 공급함으로써 가열가스의 온도를 우레아 분해 목표온도까지 낮출 수 있게 된다.

다음으로, 도 6 내지 도 10은 본 발명의 제1, 2, 3 바이패스 라인(13, 14, 16)의 구성과 및 각 라인의 유량조절 가능한 구성에 따른 에너지 절감 효과, 우레아 분해 챔버(41)의 사이즈 감소 가능성 및 제3 바이패스 라인(16)의 제어에 대한 응답 특성에 대해 모의시험을 수행한 결과를 나타낸다.

모의시험에 사용된 엔진은, 8기통 2-스트로크, 피스톤 지름 95㎝, 최대출력 41.6MW/75rpm, 배기량 306,396kg/h를 가지는 엔진이다. 우레아 분해 챔버(41)는 지름 1.5m로 이루어진 것을 사용하였다.

도 6은 우레아 분해장치(40)로 유입되는 바이패스 가스 유량을 조정할 수 없는 경우(종래)와, 제1 바이패스 라인(13)으로부터 제2 바이패스 라인(14)을 분기하여 우레아 분해장치(40)로 유입되는 바이패스 가스 유량을 조정 가능한 경우(본 발명)를 비교한 표이다. 또한, 엔진으로부터 제1 바이패스 라인(13)으로 나오는 바이패스 가스(EGB) 유량이 엔진의 총 유량(배기량)의 10%인 경우로 설정하였다. 또한, 우레아 분해챔버(41)의 우레아 분해 목표온도를 500℃로 산정하고, 이를 위한 우레아 분해장치의 버너의 연료 소모량을 산출하였다.

도 6을 참조하면, 우레아 분해장치(40)로 유입되는 가스 유량의 조정이 불가능한 종래의 경우는, 엔진으로부터 나온 10%의 바이패스 가스 유량은 언제나 그대로 우레아 분해장치(40)로 유입되며, 그에 기인하여 엔진부하 40~100 영역에서는 버너의 연료 소모량이 80~135kg/h까지 증가하게 된다. 또한, 10%의 바이패스 가스 유량 전체를 수용하여 우레아 분해 목표온도(500℃)로 가열하기 위해서는 우레아 분해 챔버(41)의 높이를 약 4.7m만큼 높게 만들어 주어야 한다.

그러나 본 발명은 제2 바이패스 라인(14)을 가짐과 함께 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)의 제어에 의해 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 유입되는 가스 유량을 최적으로 제어할 수 있으므로, 우레아 분해장치(40)로 유입되는 가스 유량을 엔진 배기량의 5%까지 낮출 수 있다. 나머지 5%는 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 배출시킨다. 그에 기인하여 엔진부하 40~100 영역에서는 버너의 연료 소모량이 40~65kg/h까지 감소하게 된다. 또한, 5%의 바이패스 가스 유량 전체를 수용하여 우레아 분해 목표온도(500℃)로 가열하기 위한 우레아 분해 챔버(41)의 높이는 약 2.4m만 확보하여도 충분하다.

종래에는, 우레아 분해장치(40)로 유입되는 가스 유량의 조정이 불가능하기 때문에, 우레아 분해장치(40)로 유입되는 가스 유량을 최대치로 설정하는 한편, 유량이 모자를 지도 모르는 최악의 조건에 대응하여 추가의 바이패스 가스 유량을 확보할 필요가 있었기 때문에, 실제 필요한 유량보다 지나치게 많은 바이패스 가스 유량으로 설계할 수밖에 없다. 종래에 버너 연료소모량의 증가나 우레아 분해 챔버(41)의 사이즈 증가는 이러한 이유에 수반되는 것이다.

그러나 본 발명에서는, 제2 바이패스 라인(14)과 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)의 제어에 의해 우레아 분해장치(40)로 유입되는 가스 유량을 최적으로 제어할 수 있으므로, 추가의 바이패스 가스 유량을 지나치게 많게 확보할 필요가 없어진다. 그만큼 버너의 연료 소모량과 우레아 분해 챔버(41)의 사이즈를 줄일 수가 있다.

도 7 내지 도 8은 제3 바이패스 라인(16)의 유량을 조절할 수 없는 경우와, 제3 바이패스 라인(16)을 구비하고 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)에 의해 냉각용 추가 가스의 유량을 조절 가능한 경우를 비교한 도면으로서, 도 7에는 제3 바이패스 가스 유량이 표시되어 있고, 도 8에는 엔진 부하에 따른 제3 바이패스 가스 유량의 공급량을 비교한 그래프이다.

도 7을 참조하면, 두 가지 모두 엔진으로부터 제1 바이패스 라인(13)으로 나오는 바이패스 가스(EGB) 유량은 엔진의 총 유량(배기량)의 10%이고, 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)의 제어에 의해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 바이패스 가스 유량을 4%로 조정한 경우로 설정하였다.

도 8을 참조하면, 제3 바이패스 라인(16)의 유량 조정이 불가능한 경우는, 엔진 부하에 관계없이 불필요하게 많은 양의 제3 바이패스 가스(우레아 분해장치(40) 냉각용 바이패스 가스)가 항상 일정하게 공급된다. 이에 의하면, 버너의 연료 소모량이 증가하고 우레아 분해 챔버(41)의 크기도 증가하게 된다.

그러나 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)에 의해 유량 조정이 가능한 경우는, 엔진 부하에 따라 최적으로 조정할 수 있다. 그러므로 버너 연료 소모량을 줄일 수 있고 우레아 분해 챔버(41)의 크기도 줄일 수 있게 된다.

도 9 내지 도 10은, 제3 바이패스 라인(16)에 블로어(50)를 구비하고 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)에 의해 유량 조정이 가능한 경우의 응답 특성을 비교하는 것으로서, 도 9에는 제3 바이패스 라인(16)의 구성에 대한 3가지 케이스의 비교 도면이 도시되어 있고, 도 10에는 케이스 2와 케이스 3의 응답 특성을 비교하는 그래프가 도시되어 있다.

도 9에서, 케이스 1(CASE 1)은 제3 바이패스 라인(16)에 개폐 밸브 또는 유량조정 밸브만 구비하는 경우, 케이스 2(CASE 2)는 제3 바이패스 라인(16)에 블로어(50)만 구비하는 경우, 케이스 3(CASE 3)은 제3 바이패스 라인(16)에 블로어(50)와 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)를 함께 구비하는 경우이다.

배기 라인(11)은 과급기(20)를 통과하면서 압력과 온도가 낮아진 배기가스가 흐른다. 도 9에서 배기 라인(11)의 압력은 약 1 bara 이하이다. 제1 바이패스 라인(13)은 과급기(20)를 통과하기 전의 고온, 고압의 배기가스가 흐른다, 도 9에서 제1 바이패스 라인(13)의 압력은 약 3 bara 이하이다. 그 때문에, 케이스 1처럼 블로어 없이 개폐 밸브 또는 유량조정 밸브만 구비하는 경우에는, 저압의 배기 라인(11)으로부터 고압의 제1 바이패스 라인(13)으로 배기가스를 유입시키기가 매우 어렵다.

케이스 2의 경우에는 블로어를 통해 저압의 배기 라인(11)으로부터 고압의 제1 바이패스 라인(13)으로 가스를 강제로 추기할 수 있으나, 그 유량의 조절은 블로어의 출력 조절만으로 수행하여야 한다. 따라서 도 10에 도시된 것처럼, 엔진 부하 급변시 제어부(60)에서 유량 변경 명령이 인가되더라도 목표 유량에 도달할 때까지는 많은 지연 시간이 수반된다.

그러나 케이스 3의 경우에는 제3 바이패스 라인(16)에 블로어(50)와 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)를 함께 구비하여, 블로어(50)는 허용 최대 부하로 작동되는 상태에서 엔진 부하 급변시 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)의 제어로 유량을 제어함에 따라 제어부(60)에서 유량 변경 명령이 인가되면 신속하게 목표 유량으로 조정할 수 있다.

다음으로, 도 11에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 저압 SCR 시스템을 설명하기 위한 계통도가 도시되어 있다.

도 11의 제3 실시예는, 제2 실시예에 비해 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)만이 다르고, 나머지의 구성은 동일하다. 제2 실시예와 동일한 사항에 대한 설명은 생략한다.

본 발명의 제3 실시형태에서, 제3 바이패스 라인(16)은, 배기 라인(11)의 분기점(P3)에서 분기되어 제1 바이패스 라인(13)에 합류점(P4)에서 연결된다.

즉, 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)은, 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 상류 측의 배기 라인(11)에 위치하고, 제3 바이패스 라인(16)의 합류점(P4)은 제2 바이패스 라인(14)의 분기점(P1) 하류 측의 제1 바이패스 라인(13)에 위치한다.

본 발명의 제3 실시예에 따르면, 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)을 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 상류 측에 설치하여, 제2 실시예에 비해 적은 유량의 배기가스로 우레아 분해 목표온도 달성이 가능해지고, 그만큼 우레아 분해 챔버(41)의 최적화가 가능하고 블로어(50)의 소모 에너지도 더 줄일 수 있다.

요컨대, 도 4에 도시된 제2 실시예처럼 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)이 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 하류에 위치하는 경우에는, 제2 바이패스 라인(14)를 통해 고온의 바이패스 가스가 합류되어 온도가 상승된 배기가스가 추기되어 우레아 분해장치(40)로 공급된다. 그 때문에 우레아 분해장치(40)의 냉각 효과를 떨어뜨리게 된다.

그러나 본 발명의 제3 실시예처럼 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)을 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 상류 측에 설치하면, 고온의 바이패스 가스가 합류되기 전의 저온의 배기가스를 추기할 수 있으므로, 그만큼 우레아 분해장치(40)에서 필요한 냉각 가스의 양도 줄일 수가 있다.

도 12에는 제2 실시예처럼 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)이 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 하류에 위치하는 경우와, 제3 실시예처럼 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)이 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 상류 측에 위치하는 경우의 제3 바이패스 라인(16)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급하여야 하는 냉각용 추가 가스의 양을 비교하여 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

모의시험에 사용된 엔진은, 11기통 2-스트로크, 피스톤 지름 95㎝, 최대출력 59.8MW/78rpm, 배기량 439,200kg/h를 가지는 엔진이다. 우레아 분해장치(40) 쪽으로의 추가 가스 추기 유량은 총 배기량의 2%를 기준으로 하였다.

도 12를 참조하면, 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)을 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 상류 측에 설치하는 경우, 더 적은 유량의 냉각용 추가 가스만 필요로 함을 알 수 있다. 따라서 블로어(50)와 우레아 분해 챔버(41)의 용량을 더욱 더 최소화할 수 있다.

다음으로, 도 13 내지 도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 저압 SCR 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 도 13에는 계통도가 도시되어 있고, 도 14에는 제어 수행 시의 배기가스 및 바이패스 가스의 흐름을 나타내는 도면이 도시되어 있으며, 도 15에는 제어 수행 과정을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

도 13 내지 도 15에 도시된 제4 실시예의 저압 SCR 시스템은, 바이패스 가스 라인이, 엔진에서 과급기(20)로 유입되기 전의 배기가스 일부를 추출하여 우레아 분해장치(40)로 유도하는 제1 바이패스 라인(13)과, 배기 라인(11)에서 분기되어 제1 바이패스 라인(13)에 연결되는 제3 바이패스 라인(16)으로 이루어진다.

제3 바이패스 라인(16)은 과급기(20)를 거쳐 나와 배기 라인(11)을 지나는 배기가스의 일부를 추가 가스로서 우레아 분해장치(40)에 공급한다.

제1 바이패스 라인(13)에는 개폐 밸브(63)가 설치된다.

이는, 엔진에서 나와 과급기(20)로 들어가기 전에 배기가스의 일부를 추출하여 마련되는 바이패스 가스를 모두 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급하고, 우레아 분해장치(40)를 통과하면서 온도가 올라간(예; 300 ~ 400℃) 바이패스 가스, 즉 암모니아 함유 가열가스를 SCR 반응기(30)의 유입구 측의 배기 라인(11)에 공급함으로써 SCR 반응기(30)를 SCR 목표 온도로 높이도록 한 것이다. 이와 함께, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 공급되는 바이패스 가스로 우레아 분해장치(40)의 가열가스의 온도를 낮추는 역할도 함께 수행하도록 한 것이다.

또한, 제3 바이패스 라인(16)을 통해 배기 라인(11)으로부터 낮은 온도의 배기가스의 일부를 추출하여 우레아 분해장치(40)에 추가 가스로서 더 공급함으로써 우레아 분해장치(40)의 가열가스의 온도를 우레아 분해 목표온도까지 신속하게 낮출 수 있도록 한 것이다.

제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 바이패스 가스의 유량에 대해 제3 바이패스 라인(16)을 통해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 추가 가스의 유량의 비율은, 가열부(42)에서 생성되는 가열가스의 온도를 우레아 분해 목표온도로 효과적으로 낮출 수 있도록 제어부(60)에 의해 제어된다.

예를 들어, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮아 우레아 분해장치(40)로 유입되는 연료 유량을 증가시켜 열용량을 증가시키는 경우, 연료 유량을 증가에 대응하여 제1 바이패스 라인(13)을 통해 공급되는 바이패스 가스 유량에 의해 우레아 분해장치(40)의 가열부의 열용량 증가에 따른 가열가스의 온도가 목표온도를 초과하지 않도록 냉각시킨다. 이러한 제어는 제3 바이패스 라인(16)을 통한 배기가스의 공급을 차단한 상태에서 수행할 수 있다.

하지만, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 바이패스 가스를 최대량으로 공급하는 조건하에서, 우레아 분해장치(40)의 우레아 분해 챔버(41)로 유입되는 가열가스의 온도가 목표온도를 초과한다면, 제3 바이패스 라인(16)을 개방하여 과급기(20)를 거쳐 나와 배기 라인(11)을 흐르는 낮은 온도의 배기가스를 추가 가스로서 공급하여 냉각작용을 돕도록 할 수 있다.

도 15는 제4 실시예에 따른 제어 수행을 설명하기 위한 도면이다. 도 14를 병행 참조한다. 또한, 도 15의 제어 방법은 본 발명의 제2 내지 제3 실시예의 제어 방법으로 삼을 수 있다.

또한, 개폐 밸브(63)를 상시 열어두어 바이패스 가스를 공급하도록 한다(S100). 개폐 밸브(66)와 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)는 닫아 추가 가스의 공급을 차단한 상태를 유지하도록 한다.

이와 같은 상태에서, 제어부(60)는 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도에 따라 우레아 분해 및 배기가스 가열을 효과적으로 구현하기 위해, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도를 판별한다(S110). 즉, SCR 반응기(30)로 유입되는 배기가스의 온도가 SCR 반응기에서 질소산화물을 제거하기 위한 촉매 반응이 정상적으로 유도되는 'SCR 목표 온도(예; 250℃)' 이상인지의 여부를 판별한다.

상기 판별결과에 따라, 우레아 분해장치(40)로 유입되는 연료 유량의 증감을 결정한다. 연료 유량의 증감 결정에 따라, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량과, 제3 바이패스 라인(16)을 통해 배기 라인(11)으로부터 추출되어 우레아 분해장치(40)로 공급되는 추가 가스의 유량을 조절한다.

구체적으로, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도 이상이면, 상기 제3 바이패스 라인을 통한 배기가스의 공급은 차단한다(S120). 제1 바이패스 라인(13)을 통해 바이패스 가스만이 우레아 분해장치(40)로 공급되는 상태를 그대로 유지하는 것이다.

SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮으면, 상기 제3 바이패스 라인을 통한 배기가스의 공급은 차단한 상태에서, 우레아 분해장치(40)로 유입되는 연료 유량을 증가시킨다(S140). 이를 통해 SCR 반응기(30) 유입구 측의 배기 라인(11)으로 공급되는 암모니아 함유 가열가스의 온도를 높이게 된다.

이러한 제어 과정에서, 우레아 분해장치(40)의 가열가스 온도가 우레아 분해 목표온도를 초과하는지 여부를 판별한다(S150).

우레아 분해장치(40)의 가열가스 온도가 우레아 분해 목표온도를 초과하면, 제3 바이패스 라인(16)을 개방하여 과급기(20)를 거쳐 나온 저온의 배기가스를 추가 가스로서 공급하여 우레아 분해장치(40)의 가열가스의 냉각작용을 돕는다.

우레아 분해장치(40)의 가열가스 온도가 우레아 분해 목표온도로 낮아질 때까지 제3 바이패스 라인(16)의 개도를 증가시켜 추가 가스의 유량을 증가시킨다(S160).

본 발명에 따른 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법의 구성은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

10: 배기가스 리시버
11 : 배기 라인
12 : SCR 우회 라인
13 : 제1 바이패스 라인
14 : 제2 바이패스 라인
15 : 암모니아 주입 라인
16 : 제3 바이패스 라인
20 : 과급기
30 : SCR 반응기
40 : 우레아 분해장치
41 : 우레아 분해 챔버
42 : 가열부
43 : 연료량 제어 밸브
50 : 블로어
60: 제어부
61, 62, 63, 64, 65, 66, 67 : 밸브

Claims

SCR 반응기(30);
과급기(20)를 거쳐 나오는 저온의 배기가스를 상기 SCR 반응기(30)로 유도하는 배기 라인(11);
우레아 분해 챔버(41)를 가지고 우레아를 분해하여 암모니아를 생성하고, 생성된 암모니아를 상기 SCR 반응기(30) 측으로 보내는 우레아 분해장치(40);
엔진에서 상기 과급기(20)로 유입되기 전의 고온의 배기가스의 일부를 추출하여 상기 우레아 분해장치(40)로 유도하는 제1 바이패스 라인(13);
상기 제1 바이패스 라인(13)으로부터 상기 배기 라인(11)을 연결하여, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 흐르는 고온의 배기가스를 상기 배기 라인(11)으로 분배하는 것에 의해 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 상기 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량을 변화시킬 수 있도록 하는 제2 바이패스 라인(14);
상기 과급기(20)를 통과하여 상기 배기 라인(11)을 흐르는 저온의 배기가스의 일부를 추출하여 상기 우레아 분해 장치(40)에 우레아 분해용 가열가스의 냉각을 위한 추가 가스로서 공급하는 제3 바이패스 라인(16);
상기 배기 라인(11)을 흐르는 배기가스를 강제로 추기하기 위해 상기 제3 바이패스 라인(16)에 설치되는 블로어(50);
상기 블로어(50)에 의해 상기 우레아 분해장치(40)로 보내지는 추가 가스의 유량을 조절하기 위해 상기 제3 바이패스 라인(16)에 설치되는 제3 바이패스 유량조정 밸브(67); 및
상기 SCR 반응기(30)의 온도 및 우레아 분해 장치(40)의 가열가스 온도에 따른 상기 제1, 2, 3 바이패스 라인(13, 14, 15)의 유량 제어를 포함하여 SCR 운전을 위한 전반적인 제어를 수행하는 제어부(60); 를 포함하는 저압 SCR 시스템.
제1항에 있어서,
상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도에 따라 상기 제1 바이패스 라인(13)과 제2 바이패스 라인(14) 사이의 바이패스 가스 유량의 분배 비율이 설정되는 저압 SCR 시스템.
제2항에 있어서,
상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 경우, 상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 추가 가스의 공급은 차단하고, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량은 증가시키며, 상기 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 빠져나가는 바이패스 가스 유량은 감소시키도록 설정되는 저압 SCR 시스템.
제3항에 있어서,
상기 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량의 증가와 함께, 상기 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량도 증가시키도록 설정되는 저압 SCR 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 우레아 분해장치(40) 냉각용 추가 가스의 공급은,
상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 조건과 함께, 상기 제2 바이패스 라인(14)은 차단하여 고온의 바이패스 가스가 제1 바이패스 라인(13)을 통해 모두 우레아 분해장치(40)로 유입되도록 분배 비율이 설정된 조건하에서, 상기 우레아 분해 장치(40)의 가열가스 온도가 상기 SCR 목표온도를 초과하는 경우에 시작되도록 설정되는 저압 SCR 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 냉각용 추가 가스의 공급은, 상기 우레아 분해 장치(40)의 가열가스 온도가 상기 SCR 목표온도까지 떨어질 때까지 점증 되도록 설정되는 저압 SCR 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제3 바이패스 라인(16)은,
상기 배기 라인(11)에서 분기되고, 상기 제2 바이패스 라인(14)의 분기점(P1) 하류 측의 제1 바이패스 라인(13)에 연결되어, 상기 배기 라인(11)으로부터 추기된 추가 가스가 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 상기 우레아 분해 장치(40)로 들어가는 바이패스 가스에 합류되도록 구성되는 저압 SCR 시스템.
과급기(20)와 SCR 반응기(30)를 연결하는 배기 라인(11), 엔진(1)에서 상기 과급기(20)에 유입되기 전의 고온의 배기가스의 일부를 추출하여 우레아 분해장치(40)로 유도하는 제1 바이패스 라인(13), 상기 제1 바이패스 라인(13)으로부터 분기되어 상기 배기 라인(11)에 연결되는 제2 바이패스 라인(14), 상기 배기 라인(11)으로부터 분기되어 상기 우레아 분해 장치(40)에 연결되는 제3 바이패스 라인(16)을 포함하는 저압 SCR 시스템의 제어 방법으로서,
상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도를 판별하는 단계;
상기 판별 결과에 따라, 상기 과급기(20)에 유입되기 전에 추출된 고온의 바이패스 가스에 대해, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 상기 우레아 분해장치(40)로 보내지는 바이패스 가스 유량과, 상기 제2 바이패스 라인(14)을 통해 상기 배기 라인(11)으로 보내지는 바이패스 가스 유량 사이의 분배 비율을 설정하는 단계;
설정된 분배 비율에 따라, 상기 제1 바이패스 라인(13)과 상기 제2 바이패스 라인(14)의 개도를 조절하여 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량과 SCR 반응기(30) 측으로 배출되는 바이패스 가스 유량을 조정하는 단계;
상기 우레아 분해장치(40)의 가열가스의 온도에 따라 상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 우레아 분해장치(40) 냉각용 추가 가스의 공급 여부를 결정하고 유량을 조정하는 단계; 를 포함하는 저압 SCR 시스템 제어 방법.
제8항에 있어서,
SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 경우, 상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 냉각용 추가 가스의 공급은 차단하고, 상기 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 배출되는 바이패스 가스 유량은 감소시키며, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량은 증가되도록 제어하는 저압 SCR 시스템 제어 방법.
제9항에 있어서,
상기 제1 바이패스 라인(13)을 통한 우레아 분해장치(40)로의 바이패스 가스 유량 증가에 대응하여, 상기 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량을 함께 증가하도록 제어하는 것을 저압 SCR 시스템 제어 방법.
제8항에 있어서,
우레아 분해장치(40)의 가열가스 온도가 우레아 분해 목표온도를 초과하는 경우,
상기 제3 바이패스 라인(16)을 개방하여 과급기(20)를 거쳐 나온 저온의 배기가스를 냉각용 추가 가스로서 공급하는 제어를 수행하는 저압 SCR 시스템 제어 방법.
제8항에 있어서,
상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮으며, 상기 제2 바이패스 라인(14)은 차단하고 제1 바이패스 라인(13)은 개방하는 것에 의해 엔진으로부터 나온 고온의 바이패스 가스가 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 유입되도록 분배 비율이 설정된 제어 조건하에서,
상기 우레아 분해 장치(40)의 가열가스의 온도가 상기 SCR 목표온도를 초과하는 경우에 상기 제3 바이패스 라인(16)을 개방하여, 상기 배기 라인(11)을 지나는 저온의 배기가스의 일부를 추가로 추출하여 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 상기 우레아 분해 장치(40)로 들어가는 고온의 바이패스 가스에 합류되도록 하는 저압 SCR 시스템 제어 방법.