KR101960551B1 - 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, 내연기관을 위한, 특히 중유로 작동되는 선박 디젤 내연기관을 위한 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이며, 상기 배기가스 후처리 시스템은 환원제로서 암모니아를 이용하는 SCR 촉매 컨버터(13)를 포함하고, 배기가스의 유동 방향에서 볼 때 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류에 노즐(15)이 위치하게 되며, 이 노즐에 의해, 한정된 압력 및 한정된 온도 조건에서, 수성 요소 용액이, 이 노즐에 의해 증발된 암모니아가 노즐(15)을 경유하여 배기가스 내로 유입될 수 있는 방식으로, 수증기, 이산화탄소 및 암모니아로 분해될 수 있다.

Description

배기가스 후처리 시스템 및 배기가스 후처리 방법{EXHAUST GAS AFTERTREATMENT SYSTEM AND METHOD FOR EXHAUST GAS AFTERTREATMENT}
본 발명은, 청구항 제 1 항의 전제부에 따른, 내연기관을 위한, 특히 중유로 작동되는 선박용 디젤 내연기관을 위한 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 청구항 제 7 항의 전제부에 따른, 내연기관에서, 특히 중유로 작동되는 선박 디젤 내연기관에서 배출되는 배기가스의 배기가스 후처리를 위한 방법에도 관한 것이다.
중유로 작동되는 내연기관의 경우, 이용되는 연료, 다시 말해 중유가 높은 황 함량을 함유한다는 특징이 있다. 산화 황은 배기가스의 또 다른 성분들과 반응할 수 있고, 배기가스 정화의 효과를 저하하는 퇴적물을 야기할 수 있다. 이는 바람직하지 못하다. 따라서 중유로 작동되는 내연기관에서도 효과적인 배기가스 정화를 가능하게 하는, 내연기관을 위한 배기가스 후처리 시스템에 대한 필요성이 있다.
DE 10 2004 027 593 A1로부터는 배기가스 터보차저 장치와 배기가스 정화 장치를 장착한 내연기관이 공지되었다. 배기가스 터보차저 장치는 하나의 배기가스 터보차저를 포함한 1단 배기가스 터보차저 장치로서, 또는 2개의 배기가스 터보차저를 포함한 2단 배기가스 터보차저 장치로서 구현된다. 배기가스 정화 장치는 1단 배기가스 터보차저 장치의 경우 배기가스의 유동 방향에서 볼 때 배기가스 터보차저의 터빈의 하류에, 또는 배기가스 터보차저의 터빈의 상류에 위치하게 되는 SCR 촉매 컨버터를 포함한다. 고압 배기가스 터보차저와 저압 배기가스 터보차저를 포함하는 2단 배기가스 터보차저 장치의 경우, SCR 촉매 컨버터는 고압 배기가스 터보차저의 고압 터빈과 저압 배기가스 터보차저의 저압 터빈 사이에 위치하게 된다.
배기가스 후처리 시스템의 SCR 촉매 컨버터는 환원제로서 암모니아를 이용한다. 종래 기술로부터 공지된 배기가스 후처리 시스템의 경우, SCR 촉매 컨버터의 상류에서 배기가스 내로 수성 요소 용액이 유입되고, 수성 요소 용액은 배기가스 흐름 내에서 수증기와, 이산화탄소와, 암모니아로 분해되고 증발된다. 이를 위해, 수성 요소 용액을 배기가스 내로 유입하고 내연기관과 SCR 촉매 컨버터 사이에서 연장되는 배기가스 라인 내에 위치하게 되는 노즐과, 환원제로서 암모니아를 이용하는 SCR 촉매 컨버터 사이에, 증발기와 가수분해 촉매 컨버터를 포함한 상대적으로 긴 처리 라인이 필요하며, 그럼으로써 배기가스 후처리 시스템의 상대적으로 긴 구조 형상이 요구된다. 상기 배기가스 후처리 시스템은 EP 0 487 886 B1로부터 공지되었다.
또한, EP 0 487 886 B1로부터는 이미, 증발기 및 가수분해 촉매 컨버터를 포함하는 처리 라인을, 내연기관과 SCR 촉매 컨버터 사이의 배기가스 라인에 위치시키는 것이 아니라, 오히려 별도의 라인에 위치시는 것도 공지되었다. 그러나 이런 구성에서도, 증발기와 가수분해 촉매 컨버터를 포함한 상대적으로 긴 처리 라인이 필요하며, 그럼으로써 다시금 배기가스 후처리 시스템의 상대적으로 긴 구조 형상이 요구된다. 또한, 이 경우, 배기가스 라인에는 가스 혼합기가 필요하다.
본 발명의 과제는, 종래 기술로부터 출발하여, 내연기관을 위한 새로운 유형의 배기가스 후처리 시스템과 배기가스 후처리를 위한 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제는 청구항 제 1 항에 따르는, 내연기관을 위한 배기가스 후처리 시스템에 의해 해결된다.
본 발명에 따라서, 배기가스의 유동 방향에서 볼 때, SCR 촉매 컨버터의 상류에 노즐이 위치하게 되고, 이 노즐에 의해 정의된 압력 및 정의된 온도 조건에서, 수성 요소 용액은, 노즐을 통해 이 노즐에 의해 증발된 암모니아가 배기가스 내로 유입될 수 있는 방식으로, 수증기와, 이산화탄소와, 암모니아로 분해될 수 있다.
배기가스 후처리를 위한 본 발명에 따른 방법은 청구항 제 7 항에 정의되어 있다.
본 발명에 따라서, 배기가스의 유동 방향에서 볼 때 SCR 촉매 컨버터의 상류에 위치하게 되는 노즐을 통해, 수성 요소 용액은, 노즐을 통해 이 노즐로 증발된 암모니아가 배기가스 내로 유입되는 방식으로, 수증기와, 이산화탄소와, 암모니아로 분해된다.
본 발명에 의해, 증발기와 가수분해 촉매 컨버터를 포함하는 처리 라인을 배제할 수 있으며, 그럼으로써 SCR 촉매 컨버터를 포함한 배기가스 후처리 시스템을 위한 컴팩트한 구성(compact construction)이 실현될 수 있다. 수성 요소 용액이 수증기와, 이산화탄소와, 암모니아 증기로 분해되는 점은 노즐에 의해 직접 수행된다. 따라서, 증발기 및 가수분해 촉매 컨버터 또는 가스 혼합기는 모두 필요하지 않다.
바람직하게는, 노즐을 이용하여 수성 요소 용액을 수증기와, 이산화탄소와, 암모니아 증기로 분해하는 점은, 10bar와 200bar 사이의 압력 및 200℃와 400℃ 사이의 온도 조건, 특히 10bar와 100bar 사이의 압력 및 200℃와 300℃ 사이의 온도 조건에서 수행된다. 수증기와, 이산화탄소와, 암모니아 증기를 형성하기 위한 수성 요소 용액의 분해는 노즐 내의 전술한 처리 조건 하에서 특히 효과적이다.
바람직하게는, 노즐은, 배기가스의 유동 방향에서 볼 때 SCR 촉매 컨버터 바로 상류에 위치하게 되는 속성 증발 노즐(flash evaporation nozzle)이다. 이렇게 하여, 배기가스 후처리 시스템의 특히 컴팩트한 구성을 보장하면서, 수증기와, 이산화탄소와, 암모니아 증기를 형성하기 위한 수성 요소 용액의 특히 효과적인 분해가 가능하다.
본 발명의 바람직한 개선예들은 종속 청구항들과 하기의 설명으로부터 제시된다. 본 발명의 실시예들은, 이들 실시예로 국한되지 않으면서, 도면에 따라 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 내연기관을 위한 배기가스 후처리 시스템의 개략도이다.
본 발명은 내연기관을 위한, 특히 중유로 작동되는 내연기관을 위한 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 내연기관에서 배기가스 후처리를 위한 방법에도 관한 것이다.
도 1에는, 복수의 실린더(11)를 포함하는 내연기관(10)이 매우 개략적으로 도시되어 있으며, 내연기관(10)에서 배출되는 배기가스(12)는, 하나 이상의 SCR 촉매 컨버터(13)를 포함하며 내연기관(10)의 후방에 배치되는 배기가스 후처리 시스템을 통해 안내된다. 그에 따라, 내연기관(10)에서 배출되는 배기가스(12)는 정화되지 않은 배기가스(12)로서 SCR 촉매 컨버터(13)로 공급되고 적어도 부분적으로 정화된 배기가스(14)로서 SCR 촉매 컨버터(13)에서 배출된다. SCR 촉매 컨버터(13) 내에서는 배기가스 정화를 위한 환원제가 필요하며, 이때 환원제로서는 암모니아가 이용된다.
본 발명의 의미에서, 배기가스의 유동 방향에서 볼 때 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류에 노즐(15)이 배치되며, 이 노즐 내에서 수성 요소 용액은, 노즐을 통해 증발된 암모니아가 수증기 및 이산화탄소와 함께 배기가스 내로 유입되는 방식으로, 수증기와, 이산화탄소와, 암모니아로 분해된다.
그에 따라, 본 발명의 의미에서, 이후 배기가스 흐름(12) 내에서 분해되고 증발되어야 하는 수성 요소 용액이 배기가스 흐름(12) 내로 유입되는 것이 아니라, 오히려 수성 요소 용액의 분해 생성물들 또는 증발 생성물들, 다시 말하면 수증기와, 이산화탄소와, 암모니아 증기가 직접 노즐(15)을 통해 형성되어, 내연기관(10)에서 배출되는 배기가스 흐름(12) 내로 유입되며, 그럼으로써 증발기 및 가수분해 촉매 컨버터를 포함하는 별도의 처리 라인이 배제될 수 있다.
노즐(15)에 의해 분해되고 증발될 요소 용액은 저장 탱크(17)에 준비된다. 히팅 장치(18)를 통해 수성 요소 용액은 한정된 처리 온도로 가열되고, 이송 펌프(13)가 한정된 압력으로 수성 요소 용액을 노즐(15)로 공급한다.
노즐(15) 내에서, 수성 요소 용액은, 바람직하게는 10bar와 200bar 사이의 압력 및 200℃와 400℃ 사이의 온도 조건에서, 수증기와, 이산화탄소와, 암모니아 증기로 분해된다.
바람직하게는, 수증기와, 이산화탄소와, 암모니아 증기를 형성하기 위한 수성 요소 용액의 분해는 10bar와 100bar 사이의 압력 및 200℃와 300℃ 사이의 온도 조건에서 노즐(15)에 의해 수행된다.
본 발명의 장점은, 증발기 및 가수분해 촉매 컨버터를 포함하는 긴 처리 라인을 배제할 수 있음으로써, 그에 따라 배기가스 후처리 시스템의 컴팩트한 구성이 가능하다는 점에 있다. 추가 장점은, 수성 요소 용액의 분해 시 배기가스 흐름 내에 결정(crystal)이 형성되고, 이후 상기 결정이 SCR-촉매 컨버터(13) 내에 퇴적되어 SCR 촉매 컨버터의 효율성을 저하할 수 있는 위험이 존재하지 않는다는 점에 있다. 또한, 가스 혼합기도 배제할 수 있다.
노즐(15)로서는, 앞서 언급한 온도 범위 및 압력 범위를 유지할 수 있는 노즐이면 모두 이용할 수 있다. 따라서, 노즐(15)로서 예컨대 커먼레일 연료 분사 시스템의 종래의 연료 분사 노즐을 이용할 수 있다.
바람직하게는, 노즐(15)을 이용하여, 정의된 압력과 정의된 온도를 갖는 노즐(15)로 공급될 수 있는 수성 요소 용액을, 속성 증발을 통해, 수증기와, 이산화탄소와, 암모니아 증기로 분해하여 배기가스 내로 유입하기 위해, 노즐(15)로서 속성 증발 노즐이 이용된다.
여기서 특히 바람직한 경우는 노즐 와류 챔버를 포함하는 속성 증발 노즐이며, 상기 노즐 와류 챔버에 의해 분해 시 수성 요소 용액 또는 분해 성분들, 즉 수증기, 이산화탄소 및 암모니아 증기에 원심 가속도가 가해질 수 있다. 이는 그 후에 배기가스 내에서 암모니아 증기의 효과적인 분배가 이루어지게끔 한다.
노즐(15)은, 배기가스 후처리 시스템의 훨씬 더 컴팩트한 구성을 가능하게 하기 위해, 배기가스의 유동 방향에서 볼 때 바람직하게는 SCR 촉매 컨버터(13) 바로 상류에 위치하게 된다. 이는 특히, 노즐(15)이 노즐 와류 챔버를 포함한 속성 증발 노즐로서 형성될 때, 가능하고 바람직하다.
10: 내연기관
11: 실린더
12: 배기가스
13: SCR 촉매 컨버터
14: 배기가스
15: 노즐
16: 암모니아 증기
17: 저장 탱크
18: 히터
19: 이송 펌프

Claims (9)

  1. 환원제로 암모니아를 이용하는 SCR 촉매 컨버터(13)를 포함하는, 내연기관을 위한 배기가스 후처리 시스템으로서, 배기가스의 유동 방향에서 볼 때 상기 SCR 촉매 컨버터(13)의 상류에 노즐(15)이 위치하게 되고, 이 노즐에 의해 증발된 암모니아가 노즐(15)을 경유하여 배기가스 내로 유입될 수 있도록, 이 노즐에 의해 수성 요소 용액이 한정된 압력 및 한정된 온도 조건에서 수증기, 이산화탄소 및 암모니아로 분해될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐(15)은, 5bar와 200bar 사이의 압력 및 100℃와 400℃ 사이의 온도 조건에서, 수성 요소 용액을, 수증기, 이산화탄소 및 암모니아 증기로 분해하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 노즐(15)은, 10bar와 100bar 사이의 압력 및 200℃와 300℃ 사이의 온도 조건에서, 수성 요소 용액을, 수증기, 이산화탄소 및 암모니아 증기로 분해하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐(15)에 의해, 한정된 압력 및 한정된 온도에서 상기 노즐(15)로 공급될 수 있는 수성 요소 용액이, 속성 증발을 통해, 수증기, 이산화탄소 및 암모니아 증기로 분해될 수 있고, 배기가스 내로 유입될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐(15)은 노즐 와류 챔버를 포함한 속성 증발 노즐로서 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐(15)은 배기가스의 유동 방향에서 볼 때 상기 SCR 촉매 컨버터(13) 바로 상류에 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  7. 환원제로 암모니아를 이용하는 SCR 촉매 컨버터를 통해 배기가스가 안내되며, 내연기관에서 배출되는 배기가스의 배기가스 후처리 방법으로서, 배기가스의 유동 방향에서 볼 때 SCR 촉매 컨버터의 상류에 위치하게 되는 노즐을 통해, 수성 요소 용액이, 이 노즐에 의해 증발되는 암모니아가 노즐(15)을 경유하여 배기가스 내로 유입되는 방식으로, 수증기, 이산화탄소 및 암모니아로 분해되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    노즐 내에서 수성 요소 용액은, 10bar와 200bar 사이의 압력 및 200℃와 400℃ 사이의 온도 조건에서, 수증기, 이산화탄소 및 암모니아 증기로 분해되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    노즐(15) 내에서 수성 요소 용액은, 10bar와 100bar 사이의 압력 및 200℃와 300℃ 사이의 온도 조건에서, 수증기, 이산화탄소 및 암모니아 증기로 분해되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
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