KR101822777B1 - 배기가스 후처리 시스템 및 배기가스 후처리 방법 - Google Patents

배기가스 후처리 시스템 및 배기가스 후처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연기관용, 특히 중유로 작동되는 선박 디젤 엔진용 배기가스 후처리 시스템에 관한 것으로, 이 시스템은, 배기가스의 탈질 처리를 위해 환원제로서 암모니아를 이용하는 SCR 촉매 컨버터(13)와, 배기가스의 흐름 방향으로 볼 때, SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측에 위치하고, 암모니아 및/또는 배기가스 내에서 암모니아를 형성하도록 전환되는 암모니아 전구체 물질을 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측의 배기가스 내로 도입할 수 있는 장치(15, 15a, 15b)를 포함한다. 배기가스 스크러버(16)가 SCR 촉매 컨버터(13) 및 선택적으로는 터보차저의 하류측에 배치되고, 이 배기가스 스크러버(16)를 통해, SCR 촉매 컨버터(13)를 떠나는 배기가스 내에 함유된 과잉의 암모니아를 마찬가지로 상기 SCR 촉매 컨버터(13)를 떠나는 배기가스 내에 함유된 황산화물과 함께 대략 6의 pH값을 유지하게 하면서 암모니아 염을 형성하게 함으로써 배기가스로부터 스크러빙할 수 있다. 이의 제어를 위해, SCR 촉매 컨버터(13)을 우회하는 바이패스(20)가 폐기물 게이트로서 마련되거나, 추가적 SCR 촉매 컨버터(21)를 포함할 수 있다.

Description

배기가스 후처리 시스템 및 배기가스 후처리 방법{EXHAUST GAS POST TREATMENT SYSTEM AND METHOD FOR EXHAUST GAS POST-TREATMENT}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 내연기관용, 특히 중유로 작동되는 선박 디젤 엔진용 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 청구항 8의 전제부에 따른 내연기관용, 특히 중유로 작동되는 선박 디젤 엔진을 떠나는 배기가스의 배기가스 후처리 방법에 관한 것이다.
중유로 작동되는 내연기관의 경우에, 사용되는 연료, 즉 중유는 황 함량이 높다는 특징이 있다. 황산화물은 배기가스의 다른 성분들과 반응하여, 배기가스 배출물 제어의 효율성을 손상시키는 퇴적물을 초래한다. 이는 문제가 된다. 중유로 작동되는 내연기관의 경우에도 효과적인 배기가스 배출물 제어를 가능하게 하는 내연기관용 배기가스 후처리 시스템이 필요하다.
DE 10 2004 027 593 A1로부터, 배기가스 터보과급 및 배기가스 배출물 제어가 이루어지는 내연기관이 공지되어 있다. 배기가스 터보과급은 하나의 배기가스 터보차저 또는 2개의 배기가스 터보차저를 이용하여 단단 또는 2단으로 구현된다. 배기가스 배출물 제어는 SCR 촉매 컨버터를 포함하며, 단단의 배기가스 과급의 경우에 그 SCR 촉매 컨버터는 배기가스의 흐름 방향으로 보아 배기가스 터보차저의 하류측이나 배기가스 터보차저의 상류측에 배치된다. 고압 배기가스 터보차저와 저압 배기가스 터보차저를 갖는 2단 배기가스 터보과급의 경우에, SCR 촉매 컨버터는 고압 배기가스 터보차저의 고압 터빈과 저압 배기가스 터보차저의 저압 터빈 사이에 배치된다.
배기가스 후처리 시스템의 SCR 촉매 컨버터는 배기가스를 탈질 처리하기 위한 환원제로서 암모니아를 이용한다. 종래 기술로부터 공지된 배기가스 후처리 시스템의 경우, 암모니아가 SCR 촉매 컨버터의 상류측의 배기가스 내로 직접 도입되거나, 그 배기가스 흐름 내에서 분해 또는 증발되어, 증기, 이산화탄소 및 암모니아를 형성하게 될 수성 요소 용액 등의 암모니아 전구체 물질로 도입된다. 이 경우, 실무에 따르면 SCR 촉매 컨버터의 상류측의 배기가스 스트림 내로 도입될 암모니아 또는 암모니아 전구체의 양은 그 양이 SCR 촉매 컨버터에서 전환될 암모니아의 양에 상응하여, SCR 촉매 컨버터의 하류측에서는 배기가스 내에 암모니아를 함유하지 않고, 이에 의해 원하지 않는 암모니아 배출물을 피하도록 조절된다.
SCR 촉매 컨버터가 질화 산화물, 특히 일산화질소 및 이산화질소를 감소시키는 데에 도움을 줄 수 있지만, 특히 중유로 작동되는 내연기관에 대해서는 질소 산화물 외에 배기가스 내의 황산화물도 감소시켜 그러한 내연기관의 황산화물 배출물을 감소시키는 것도 필요하다.
이로부터 출발하여, 본 발명은 내연기관을 위한 새로운 형태의 배기가스 후처리 시스템 및 배기가스 후처리 방법을 안출한다는 과제에 기초한다. 이러한 과제는 청구항 1에 따른 내연기관용 배기가스 후처리 시스템을 통해 해결된다. 본 발명에 따르면, 배기가스 스크러버(exhaust gas scrubber)가 SCR 촉매 컨버터의 하류측에 배치되고, 이 배기가스 스크러버를 통해, SCR 촉매 컨버터를 떠나는 배기가스 내에 함유된 암모니아를 마찬가지로 SCR 촉매 컨버터를 떠나는 배기가스 내에 함유된 황산화물과 함께 암모니아 염을 형성하게 함으로써 배기가스로부터 스크러빙할 수 있다.
따라서, 본 발명의 측면에서, 배기가스 스크러버는 SCR 촉매 컨버터의 하류측에 배치된다. 이 경우, 배기가스 스크러버의 영역에서 황산화물과 함께 스크러빙될 수, 즉 암모니아 염을 형성할 수 있는 정해진 양의 암모니아가 SCR 촉매 컨버터의 하류측의 배기가스에 함유된다. 따라서, 본 발명의 목적은 SCR 촉매 컨버터의 상류측의 배기가스 내로 증가된 양의 암모니아 또는 증가된 양의 암모니아 전구체 물질을 도입하여, SCR 촉매 컨버터의 하류측에서 정해진 암모니아 양이 배기가스 내에 함유되어, 배기가스 스크러버에서 암모니아 염을 형성하게 함으로써 황산화물을 배기가스로부터 스크러빙하도록 이용될 수 있게 하는 데에 있다. 이로 인해, 배기가스의 탈질 처리 외에도 탈황 처리가 간단한 수단에 의해 제공될 수 있으며, 이 경우, 탈질 처리는 물론 탈황 처리에도 암모니아가 이용된다. 이는 특히 SCR 촉매 컨버터에서의 증가된 양의 암모니아로 인해 탈질 처리 중에 보다 높은 전환이 달성될 수 있기 때문에, 배기가스의 탈질 및 탈황이 특히 효과적이게 할 수 있다.
바람직하게는, SCR 촉매 컨버터의 상류측에 위치하는 장치는 SCR 촉매 컨버터에서 전환 가능한 암모니아의 양보다 많은 양의 암모니아 및/또는 암모니아 전구체 물질을 배기가스 내로 도입하여, 암모니아 염을 함유하는 배기가스 스크러버의 폐수의 pH값이 4와 8 사이에 놓이게 하는 양의 암모니아가 SCR 촉매 컨버터의 하류측에서 함유되도록 한다. 이러한 식으로, 배기가스의 특히 유리한 탈질 처리와 탈황 처리가 가능하다.
제1의 추가적 유리한 개선점에 따르면, 바이패스가 마련되며, 이 바이패스를 통해, 암모니아 및/또는 암모니아 전구체 물질을 배기가스 내로 도입하는 기능을 하는 장치의 하류측이자 SCR 촉매 컨버터의 상류측에서, SCR 촉매 컨버터를 통해 안내될 수 있는 배기가스 메인 흐름을 형성하게 될 배기가스로부터 배기가스 부분 흐름이 분기되어, SCR 촉매 컨버터의 하류측이자 배기가스 스크러버의 상류측에서 SCR 촉매 컨버터를 통해 안내된 배기가스에 공급될 수 있다.
본 발명의 제2의 대안적인 추가적 유리한 개선점에 따르면, 바이패스가 마련되며, 이 바이패스를 통해, 암모니아 및/또는 암모니아 전구체 물질을 배기가스 내로 도입하는 기능을 하는 장치의 상류측이자 SCR 촉매 컨버터의 상류측에서, SCR 촉매 컨버터를 통해 안내될 수 있는 배기가스 메인 흐름을 형성하게 될 배기가스로부터 배기가스 부분 흐름이 분기될 수 있고, 암모니아 및/또는 암모니아 전구체 물질을 배기가스 내로 안내하는 기능을 하는 장치는 그 바이패스에 할당되어 암모니아 및/또는 암모니아 전구체 물질을 배기가스 부분 흐름 내로 도입하며, SCR 촉매 컨버터의 상류측에서 배기가스 부분 흐름의 제1 부분이 배기가스 메인 흐름 내로 공급될 수 있고, SCR 촉매 컨버터의 하류측이자 배기가스 스크러버의 상류측에서 배기가스 부분 흐름의 제2 부분이 SCR 촉매 컨버터를 통해 안내된 배기가스 내로 안내될 수 있다.
이들 두 추가적 유리한 개선점 모두에 있어서, 탈질 처리와 탈황 처리를 서로 독립적으로 소정 정도로 조절 또는 제어하는 것이 가능하다. 궁극적으로, 배기가스의 탈질 처리 및 탈황 처리가 더욱 개선될 수 있다.
바람직하게는, 전술한 본 발명의 제1의 추가적 유리한 개선점 및 제2의 추가적 유리한 개선점 모두에 있어서, 바이패스에 SCR 촉매 컨버터가 배치되며, 이를 통해 SCR 촉매 컨버터의 하류측이자 배기가스 스크러버의 상류측의 배기가스에 공급되는 배기가스 부분 흐름 또는 이의 일부분이 안내될 수 있다. 따라서, 질화 처리가 더욱 개선될 수 있거나, SCR 촉매 컨버터에서의 NOx의 전환이 스크러버의 pH값과는 독립적으로 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 배기가스 후처리 방법이 청구항 8에 정의되어 있다.
SCR 촉매 컨버터의 하류측에서 배기가스를 배기가스 스크러버를 통해 안내하고, 이 배기가스 스크러버를 통해, SCR 촉매 컨버터를 떠나는 배기가스 내에 함유된 암모니아를 마찬가지로 SCR 촉매 컨버터를 떠나는 배기가스 내에 함유된 황산화물과 함께 암모니아 염을 형성하게 함으로써 배기가스로부터 스크러빙한다. 본 발명에 따른 방법은 각각에 대해 암모니아를 이용함으로써 배기가스의 특히 유리한 탈질 처리 및 탈황 처리를 가능하게 한다.
추가적 유리한 개선점에 따르면, SCR 촉매 컨버터의 입구 단면을 통해 상이한 암모니아 농도가 조절되어, 바람직하게는 SCR 촉매 컨버터의 하류측의 암모니아의 등분배 지수(equipartition index)가 0.8 미만이 되게 한다. 이에 의해, 배기가스 스크러버에서의 탈황 처리는 물론 SCR 촉매 컨버터에서의 질화 처리가 더욱 개선될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 개선점들은 종속 청구항 및 이하의 상세한 설명으로부터 얻어진다. 본 발명의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 이에 한정되는 일 없이 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 내연기관을 위한 제1의 배기가스 후처리 시스템의 개략도이며;
도 2는 본 발명에 따른 내연기관을 위한 제2의 배기가스 후처리 시스템의 개략도이며;
도 3은 본 발명에 따른 내연기관을 위한 제3의 배기가스 후처리 시스템의 개략도이며;
도 4는 본 발명에 따른 내연기관을 위한 제4의 배기가스 후처리 시스템의 개략도이며;
도 5는 본 발명에 따른 내연기관을 위한 제5의 배기가스 후처리 시스템의 개략도이며;
도 6은 본 발명에 따른 내연기관을 위한 제6의 배기가스 후처리 시스템의 개략도이며;
도 7은 본 발명에 따른 내연기관을 위한 제7의 배기가스 후처리 시스템의 개략도이며;
도 8은 본 발명에 따른 내연기관을 위한 제8의 배기가스 후처리 시스템의 개략도이며;
도 9는 본 발명에 따른 내연기관을 위한 또 다른 배기가스 후처리 시스템의 개략도이다.
본 발명은 내연기관용, 특히 중유로 작동되는 선박 디젤 엔진용 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다. 게다가, 본 발명은 그러한 내연기관에서의 배기가스 후처리 방법에 관한 것이다.
도 1은 복수의 실린더(11)를 갖는 내연기관(10)을 상당히 개략적으로 도시한 것으로, 여기서 내연기관(10)을 떠나는 배기가스(12)가 내연기관(10) 하류측에 위치하는 SCR 촉매 컨버터(13)를 포함한 배기가스 후처리 시스템을 통해 안내된다. 따라서, 내연기관(10)을 떠나는 배기가스(12)는 미처리 배기가스(12)로서 SCR 촉매 컨버터(13)에 공급되고, 적어도 부분적 처리 배기가스(14)로서 그 SCR 촉매 컨버터(13)를 떠난다. SCR 촉매 컨버터(13)에서, 배기가스 배출물 제어, 즉 배기가스(12)의 탈질 처리를 위해 환원제가 필요하며, 환원제로서는 암모니아가 이용된다. NH3 전구체 물질, 즉 요소, 카르바미드, 구아니듐 포름산염도 이용될 수도 있다.
SCR 촉매 컨버터(13)에서 배기가스 배출물 제어에 필요한 암모니아는 장치(15)의 도움으로 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측의 미처리 배기가스(12)에 계량된 양으로 암모니아로서 바로 첨가되거나, 배기가스에서 암모니아로 전환될 암모니아 전구체 물질로서 첨가된다.
특히, 암모니아가 내연기관(10)을 떠나는 배기가스(12)에 첨가되는 경우, 그 장치(15)는 암모니아 생성기이다.
특히, 암모니아 전구체 물질이 배기가스(12)에 계량된 양으로 첨가되는 경우, 그 장치(15)는 바람직하게는 암모니아 전구체 물질, 특히 요소를 배기가스(12) 내로 분사하는 노즐이다. 그러면, 요소는 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측의 배기가스(12) 내에서 증발하여, 수증기, 이산화탄소 및 암모니아를 형성한다.
SCR 촉매 컨버터(13)에서, 내연기관(10)을 떠나는 배기가스(12)는 암모니아를 이용하여 탈질 처리되며, 이에 따라 SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측의 배기가스(14)에서는 질소 산화물이 배기가스로부터 제거되어 있다.
본 발명에 따르면, 배기가스 스크러버(16)가 SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측에 배치된다. 배기가스 스크러버(16)를 통해, SCR 촉매 컨버터(13)를 떠나는 배가가스(14) 내에 함유된 암모니아가, 마찬가지로 SCR 촉매 컨버터(13)를 떠나는 배기가스(14) 내에 함유된 황산화물과 함께, 암모니아 염을 형성함으로써 배기가스로부터 스크러빙될 수 있다. 따라서, 탈질 처리와 탈황 처리 모두를 거치고 이에 따라 황산화물과 질소산화물이 제거된 배가가스(17)가 배기가스 스크러버(16)의 하류측에 존재한다.
따라서, SCR 촉매 컨버터(13)를 떠나는 배기가스(14)와 함께 소위 스크러빙제(18), 바람직하게는 물이 배기가스 스크러버(16)에 공급되며, 한편으로는 탈황 처리된 배기가스(17)와 다른 한편으로는 암모니아 염이 농축된 폐수(19)가 배기가스 스크러버를 떠난다.
따라서, 본 발명의 취지에서, SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측에 배치된 장치(15)는, 이를 통해 암모니아 및/또는 암모니아 전구체 물질이 SCR 촉매 컨버터(13)에서 전환 가능한 암모니아의 양보다 많은 양으로 배기가스 내에 도입되도록 하는 식으로 이용된다. 따라서, SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측의 배기가스(14)에서 암모니아는 배기가스(14)의 탈황 처리를 위해 황산화물을 암모니아 염을 형성하게 함으로써 그 배기가스로부터 스크러빙하도록 배기가스 스크러버(16)에서 이용될 수 있는 양으로 존재하다.
여기서, SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측에 위치하는 장치(15)는, 배기가스 스크러버(16)의 폐수(19)의 pH값이 4와 8 사이, 바람직하게는 5와 7 사이, 특히 바람직하게는 5,5와 6.5 사이에 놓이게 하는 양으로 암모니아가 SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측의 배기가스(14) 내에 함유되도록 하는 양으로 암모니아 및/또는 암모니아 전구체 물질을 배기가스(12) 내로 도입한다. 이는, 폐수(19)의 pH값을 측정하여 설정값과 비교하고, 이에 따라 장치(15)로부터 배기가스 내로 도입될 암모니아 및/또는 암모니아 전구체 물질의 양을 조정함으로써 측정된 pH값이 설정값에 근사해지도록 그 장치(15)를 작동시키는, 제어 회로를 통해 달성될 수 있다.
본 발명에 의해, 탈질 처리 및 탈황 처리 모두에 대해 작동 물질로서 암모니아가 각각 이용되는, 특히 중유로 작동되는 선박용 디젤 엔진을 위한 배기가스의 효율적인 탈황 처리 및 탈질 처리가 가능하다. SCR 촉매 컨버터(13)의 영역에서 탈질 처리를 위해 이용 가능한 암모니아의 양의 증가로 인해, SCR 촉매 컨버터(13)의 영역에서 배기가스의 특히 효과적인 탈질 처리가 가능하다. SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측의 배기가스(14)에 함유된 암모니아는 배기가스 스크러버(16)의 영역에서 배기가스의 탈황 처리에 이용된다.
도 2는 도 1의 바람직한 실시예에 대한 추가적인 개선점을 도시하는 것으로, 도 2의 바람직한 실시예는 도 2의 배기가스 후처리 시스템이 바이패스(20)를 포함한다는 점에서만 도 1의 바람직한 실시예와 차이가 있다. 바이패스(20)를 통해, 배기가스(12) 내로 암모니아 및/또는 암모니아 전구체를 도입하는 기능을 하는 장치(15)의 하류측이자 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측에서 배기가스 메인 흐름(12a)과 배기가스 부분 흐름(12b)을 형성하도록 배기가스(12)로부터 배기가스가 분기될 수 있으며, 배기가스 메인 흐름(12a)은 SCR 촉매 컨버터(14)를 통해 안내되고, 배기가스 부분 흐름(12b)은 바이패스(20)를 통해 SCR 촉매 컨버터(13)를 우회하게 된다.
SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측에서, 이를 우회한 배기가스 부분 흐름(12b)은 SCR 촉매 컨버터(13)를 떠나는 배기가스 흐름(14)과 합쳐져 함께 배기가스 스크러버(16)로 안내될 수 있다. 따라서, SCR 촉매 컨버터(13)에서의 탈질 처리와 배기가스 스크러버(16)에서의 탈황 처리가 서로 독립적으로 소정 정도로 조정 또는 제어 될 수 있다.
도 3은 도 2의 바람직한 실시예에 대한 추가적인 개선점을 도시하는 것으로, 바이패스(20)에 추가적인 SCR 촉매 컨버터(21)가 배치되어, 배기가스 스크러버(16)의 상류측의 배기가스 부분 흐름(12b)을 탈질 처리를 위해 그 자신의 SCR 촉매 컨버터(21)를 통해 안내하도록 된다. 이는 배기가스의 탈질 처리를 더욱 향상시킨다.
본 발명의 다른 예가 도 4에 도시되어 있으며, 도 4의 바람직한 실시예에서는 배기가스 후처리 시스템은 또한 바이패스(22)를 포함하고 있다. 도 4의 바람직한 실시예에서, 배기가스(12)는 역시 바이패스(22)를 통해 배기가스 메인 흐름(12a)과 배기가스 부분 흐름(12b)으로 나누어질 수 있고, 배기가스 메인 흐름(12a)은 강제적으로 SCR 촉매 컨버터(13)를 통해 안내된다.
하지만, 도 2 및 도 3의 바람직한 실시예와는 달리, 도 4의 바람직한 실시예에서는 배기가스 내로 암모니아 및/또는 암모니아 전구체 물질을 도입하는 기능을 하는 장치(15)가 바이패스(22)에 할당되어, 바이패스(22)가 장치(15)의 상류측의 배기가스를 배기가스 메인 흐름(12a)과 배기가스 부분 흐름(12b)으로 나누도록 되어 있다. 그 장치(15)는 암모니아 및/또는 암모니아 전구체 물질을 배기가스 부분 흐름(12b) 내로 도입하며, 이 배기가스 부분 흐름(12b)은 장치(15)의 하류측에서 2개의 부분(12b1, 12b2)으로 나눠진다.
배기가스 부분 흐름(12b)의 부분(12b1)은 SCR 촉매 컨버터(13)를 우회하여, 이의 하류측이자 배기가스 스크러버(16)의 상류측에서 SCR 촉매 컨버터(13)를 떠나는 배기가스(14)와 혼합된다.
배기가스 부분 흐름(12b)의 부분(12b2)은 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측에서 배기가스 메인 흐름(12a)과 혼합되어, 이와 함께 SCR 촉매 컨버터(13)를 통해 안내된다.
도 5는 도 4의 바람직한 실시예에 대한 추가적인 개선점을 도시하는 것으로, 도 3의 바람직한 실시예와 마찬가지로 추가적인 SCR 촉매 컨버터(21)가 바이패스(22)에 마련되며, 도 5의 바람직한 실시예에서는 그 바이패스를 통해 배기가스 부분 흐름(12b)의 부분(12b1)이 안내된다.
도 6은 도 5의 바람직한 실시예에 대한 추가적인 개선점을 도시하는 것으로, 가수분해 촉매 컨버터(23)가 장치(15)의 하류측의 바이패스(22)에 할당되며, 그 장치(15)는 도 6의 바람직한 실시예에서 배기가스 부분 흐름(12b)에 암모니아 전구체 물질의 계량된 양을 첨가하는 기능을 한다. 가수분해 촉매 컨버터(23)를 통해, 배기가스 부분 흐름(12b)에서 암모니아 전구체 물질의 암모니아로의 전환이 개선 또는 촉진될 수 있다. 배기가스 부분 흐름(12b)의 두 부분(12b1, 12b2)으로의 분할은 가수분해 촉매 컨버터(23)의 하류측에서 이루어진다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 두 가지 바람직한 실시예를 도시하는 것으로, 도 1의 실시예가 배기가스 과급식 내연기관에 대해 이용되고 있다. 따라서, 도 7은 단일 배기가스 터보차저(24)를 통해 단단 배기가스 과급 장치(24)를 통해 단단 배기가스 과급 장치를 갖는 내연기관(10)을 도시하며, 여기서 배기가스 터보차저(24)의 터빈(25) 및 압축기(26)가 도시되어 있다. 도 7에서, 암모니아 및/또는 암모니아 전구체 물질을 계량된 양으로 배기가스(12)에 첨가하는 기능을 하는 장치(15)를 포함한 SCR 촉매 컨버터(13)가 배기가스 터보차저(24)의 터빈(25)의 상류측에 배치되지만, 배기가스 스크러버(16)는 배기가스 터보차저(24)의 터빈(25)의 하류측에 배치된다. 터빈(25)의 상류측의 높은 압력과 온도로 인해, SCR 촉매 컨버터(13)의 영역 내의 배기가스의 탈질 처리가 촉진된다. 질화 처리된 배기가스(14)의 팽창 중에 터빈(25)에서 추출된 에너지는 배기가스 터보차저(24)의 압축기(26)의 영역에서 내연기관(10)에 공급될 과급 공기(27)를 압축하는 데에 이용된다.
도 8은 2단 배기가스 과급 장치를 구비하고, 이에 따라 2개의 배기가스 터보차저(24a, 24b)를 포함하는 내연기관(10)의 실시예를 도시하고 있다. 배기가스 터보차저(24a)는 고압 배기가스 터보차저이고, 배기가스 터보차저(24b)는 저압 배기가스 터보차저이다. 도 8에서, SCR 촉매 컨버터(13) 및 배기가스(12)에 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질을 도입하는 장치(15)는 고압 터보차저(24a)의 고압 터빈(25a)의 하류측이자 저압 터보차저(24b)의 저압 터빈(25b)의 상류측에 배치되는 한편, 배기가스 스크러버(16)는 저압 터보차저(24b)의 저압 터빈(25b)의 상류측에 배치된다. 터빈(25a, 25b)의 영역에서 배기가스의 팽창 중에 배기가스 터보차저(24a, 24b)에서 추출된 에너지는 내연기관(10)에 공급될 과급 공기(27)를 2단으로 압축하는 데에, 즉 저압 배기가스 터보차저(24b) 및 고압 배기가스 터보차저(24a)의 저압 압축기(26b) 및 고압 압축기(26a)의 영역에서 압축하는 데에 이용된다.
여기서, 도 2 내지 도 6의 실시예 각각도 단단 또는 2단으로 과급되는 내연기관(10)과 조합하여 이용될 수 있다는 점을 유념해야 할 것이다. 그러면, 도 7 및 도 8의 바람직한 실시예들과 마찬가지로, 바이패스(20, 22)를 포함한 SCR 촉매 컨버터(13)와, 적용 가능하다면 SCR 촉매 컨버터(21)도 함께 배기가스 터보차저(24, 24b) 각각의 터빈(25, 25b)의 상류측에 배치되는 한편, 배기가스 스크러버(16)는 배기가스 터보차저(24, 24b) 각각의 해당 터빈(24, 24b)의 하류측에 배치된다.
도 1 내지 도 8의 바람직한 실시예에서, 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질은 SCR 촉매 컨버터(13 또는 21) 각각의 입구 단면을 통해 균일한 암모니아 농도가 조절되도록 하는 식으로 장치(15)를 통해 배기가스 내로 도입된다.
이와 달리, 도 9는 도 1의 예시적인 실시예에 대한 또 다른 개선점을 도시하는 것으로, SCR 촉매 컨버터(13)의 입구 단면을 통해 상이한 암모니아 농도가 조절된다. 따라서, 도 9에서는 2개의 장치(15a, 15b)가 도시되어 있으며, 이들 각각이 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측에서 내연기관(10)을 떠나는 배기가스(12) 내로, 즉 SCR 촉매 컨버터의 입구 단면을 통해 상이한 암모니아 농도가 조절되도록 하는 식으로, 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질을 도입하도록 기능한다. 이는 예를 들면 2개의 장치(15a, 15b)가 SCR 촉매 컨버터(13)의 바로 입구 영역에서 도 9에 도시한 바와 같이 상이한 질량 유량으로 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질을 배기가스(12) 내로 도입한다는 점에서 보장될 수 있다. 여기서, SCR 촉매 컨버터(13)의 입구 단면에 걸쳐 상이한 암모니아 농도의 조절은, 바람직하게는 SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측에서 이를 떠나고 이에 따라 배기가스 스크러버(16)의 상류측에 있어서의 배기가스(14)에서, 암모니아의 등분배 지수(equipartition index)가 0.8 미만, 바람직하게는 0.7 미만, 보다 바람직하게는 0.6 미만으로 되도록 이루어진다.
SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측의 암모니아의 등분배 지수는 이하의 식에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112016078554943-pct00001
여기서, 암모니아의 등분배 지수는 SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측의 것이며, ci는 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측의 i번째 측정 지점에서서의 암모니아 농도이고 n은 SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측에서의 측정 지점의 총 개수이다.
따라서, 본 발명의 취지에서, 내연기관, 특히 중유로 작동되는 내연기관의 배기가스 배출물 제어를 위해 질화 처리와 탈황 처리 각각에 암모니아를 이용하고, 질화 처리는 SCR 촉매 컨버터(13)에서 이루어지고 탈황 처리는 그 하류측의 배기가스 스크러버(16)에서 이루어진다. 여기서, SCR 촉매 컨버터(13)는 과잉의 암모니아로 작동되어, 그 SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측이자 배기가스 스크러버(16)의 상류측에서 배기가스 스크러버(16)에서의 탈황 처리에 이용될 수 있는 정해진 양의 암모니아가 존재하도록 된다.
10: 내연기관
11: 실린더
12: 배기가스
12a: 배기가스 메인 흐름
12b: 배기가스 부분 흐름
12b1: 배기가스 부분 흐름의 제1 부분
12b2: 배기가스 부분 흐름의 제2 부분
13: SCR 촉매 컨버터
14: 배기가스
15: 장치
15a: 장치
15b: 장치
16b: 배기가스 스크러버
17: 배기가스
18: 물
19: 폐수
20, 20a: 바이패스
21: SCR 촉매 컨버터
22: 바이패스
23: 가수분해 촉매 컨버터
24: 배기가스 터보차저
24a: 고압 배기가스 터보차저
24b: 저압 배기가스 터보차저
25: 터빈
25a: 고압 터빈
25b: 저압 터빈
26: 압축기
26a: 고압 압축기
26b: 저압 압축기
27: 과급 공기

Claims (14)

  1. 내연기관용 배기가스 후처리 시스템으로서, 배기가스의 탈질 처리를 위해 환원제로서 암모니아를 이용하는 SCR 촉매 컨버터(13); 및 상기 배기가스의 흐름 방향으로 볼 때, 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측에 위치하고, 암모니아 또는 배기가스 내에서 암모니아를 형성하도록 전환되는 암모니아 전구체 물질을 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측의 배기가스 내로 도입할 수 있는 장치(15, 15a, 15b)를 포함하는, 배기가스 후처리 시스템에 있어서,
    배기가스 스크러버(16)가 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측에 배치되고, 상기 배기가스 스크러버(16)를 통해, 상기 SCR 촉매 컨버터(13)를 떠나는 배기가스 내에 함유된 암모니아를 마찬가지로 상기 SCR 촉매 컨버터(13)를 떠나는 배기가스 내에 함유된 황산화물과 함께 암모니아 염을 형성하게 함으로써 배기가스로부터 스크러빙할 수 있고,
    바이패스(20, 20a)가 마련되며, 이 바이패스를 통해, 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질을 배기가스 내로 도입하는 기능을 하는 상기 장치(15, 15a, 15b)의 하류측이자 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측에서, 상기 SCR 촉매 컨버터(13)를 통해 안내될 수 있는 배기가스 메인 흐름(12a)을 형성하게 될 배기가스로부터 배기가스 부분 흐름(12b)이 분기되어, 최종적으로 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측이자 상기 배기가스 스크러버(16)의 상류측에서 상기 SCR 촉매 컨버터(13)를 통해 안내된 배기가스에 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  2. 내연기관용 배기가스 후처리 시스템으로서, 배기가스의 탈질 처리를 위해 환원제로서 암모니아를 이용하는 SCR 촉매 컨버터(13); 및 상기 배기가스의 흐름 방향으로 볼 때, 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측에 위치하고, 암모니아 또는 배기가스 내에서 암모니아를 형성하도록 전환되는 암모니아 전구체 물질을 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측의 배기가스 내로 도입할 수 있는 장치(15, 15a, 15b)를 포함하는, 배기가스 후처리 시스템에 있어서,
    배기가스 스크러버(16)가 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측에 배치되고, 상기 배기가스 스크러버(16)를 통해, 상기 SCR 촉매 컨버터(13)를 떠나는 배기가스 내에 함유된 암모니아를 마찬가지로 상기 SCR 촉매 컨버터(13)를 떠나는 배기가스 내에 함유된 황산화물과 함께 암모니아 염을 형성하게 함으로써 배기가스로부터 스크러빙할 수 있고,
    바이패스(22)가 마련되며, 이 바이패스를 통해, 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질을 배기가스 내로 도입하는 기능을 하는 상기 장치(15)의 상류측이자 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측에서, 상기 SCR 촉매 컨버터(13)를 통해 안내될 수 있는 배기가스 메인 흐름(12a)을 형성하게 될 배기가스로부터 배기가스 부분 흐름(12b)이 분기될 수 있고, 상기 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질을 배기가스 내로 안내하는 기능을 하는 상기 장치(15, 15a, 15b)는 상기 바이패스(22)에 할당되어 상기 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질을 상기 배기가스 부분 흐름(12b) 내로 도입하며, 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측에서 상기 배기가스 부분 흐름(12b)의 제1 부분(12b2)이 상기 배기가스 메인 흐름(12a) 내로 공급될 수 있고, 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측이자 상기 배기가스 스크러버(16)의 상류측에서 상기 배기가스 부분 흐름(12b)의 제2 부분(12b1)이 상기 SCR 촉매 컨버터를 통해 안내된 배기가스(14) 내로 안내될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  3. 내연기관용 배기가스 후처리 시스템으로서, 배기가스의 탈질 처리를 위해 환원제로서 암모니아를 이용하는 SCR 촉매 컨버터(13); 및 상기 배기가스의 흐름 방향으로 볼 때, 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측에 위치하고, 암모니아 또는 배기가스 내에서 암모니아를 형성하도록 전환되는 암모니아 전구체 물질을 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측의 배기가스 내로 도입할 수 있는 장치(15, 15a, 15b)를 포함하는, 배기가스 후처리 시스템에 있어서,
    배기가스 스크러버(16)가 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측에 배치되고, 상기 배기가스 스크러버(16)를 통해, 상기 SCR 촉매 컨버터(13)를 떠나는 배기가스 내에 함유된 암모니아를 마찬가지로 상기 SCR 촉매 컨버터(13)를 떠나는 배기가스 내에 함유된 황산화물과 함께 암모니아 염을 형성하게 함으로써 배기가스로부터 스크러빙할 수 있고,
    배기가스 터보차저의 터빈(25, 25b)을 포함하며, 상기 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질을 배기가스 내로 도입하는 상기 장치(15, 15a, 15b) 및 상기 SCR 촉매 컨버터(13)가 상기 배기가스 터보차저의 터빈(25, 25b)의 상류측에 배치되며, 상기 배기가스 스크러버(16)는 상기 배기가스 터보차저의 터빈(25, 25b)의 하류측에 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측에 위치하는 상기 장치(15, 15a, 15b)는, 상기 SCR 촉매 컨버터(13)에서 전환 가능한 암모니아의 양보다 많은 양의 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질을 배기가스 내로 도입하여, 상기 배기가스 스크러버(16)의 폐수의 pH값이 4와 8 사이에 놓이게 하는 양의 암모니아가 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측에서 함유되도록 하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 장치(15, 15a, 15b)는 상기 폐수의 pH값이 5와 7 사이에 놓이게 하는 양으로 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질을 배기가스 내로 도입하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 바이패스(20, 20a)에 SCR 촉매 컨버터(21)가 배치되며, 이를 통해 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측이자 상기 배기가스 스크러버(16)의 상류측의 배기가스(14)에 공급되는 상기 배기가스 부분 흐름(12b) 또는 이의 일부분(12b1)이 안내될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 바이패스(20a)는 동시에 터보차저 폐기물 게이트로서도 기능하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 배기가스 후처리 시스템을 이용하여 수행되는 내연기관을 떠나는 배기가스의 후처리 방법으로서, 탈질 처리를 위한 배기가스가 환원제로서 암모니아를 이용하는 SCR 촉매 컨버터를 통해 안내되며, 상기 배기가스의 흐름 방향으로 볼 때, 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류측에서, 암모니아 또는 배기가스 내에서 암모니아를 형성하도록 전환되는 암모니아 전구체 물질을 배기가스 내로 도입하는, 배기가스 후처리 방법에 있어서,
    상기 SCR 촉매 컨버터의 하류측에서 상기 배기가스가 배기가스 스크러버를 통해 안내되며, 이 배기가스 스크러버를 통해, 상기 SCR 촉매 컨버터를 떠나는 배기가스 내에 함유된 암모니아를 마찬가지로 상기 SCR 촉매 컨버터를 떠나는 배기가스 내에 함유된 황산화물과 함께 암모니아 염을 형성하게 함으로써 배기가스로부터 스크러빙하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서, 상기 SCR 촉매 컨버터의 입구 단면을 통해, 상이한 암모니아 농도가 조절되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 SCR 촉매 컨버터의 하류측의 암모니아의 등분배 지수는 0.8 미만인 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 SCR 촉매 컨버터의 하류측의 암모니아의 등분배 지수는 0.7 미만인 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  14. 제2항에 있어서, 상기 바이패스(22)에 SCR 촉매 컨버터(21)가 배치되며, 이를 통해 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 하류측이자 상기 배기가스 스크러버(16)의 상류측의 배기가스(14)에 공급되는 상기 배기가스 부분 흐름(12b) 또는 이의 일부분(12b1)이 안내될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
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