KR102035979B1 - 배기가스 처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 처리 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 배기가스 처리 시스템은 엔진의 배기측으로부터 연장되는 제 1 배기라인에 설치되는 터보차저, 상기 터보차저의 터빈 출구로부터 연장되는 제 2 배기라인에 설치되는 SCR 반응기 및 열분해 챔버 내부로 요소수를 공급하는 요소수 공급부 및 상기 요소수를 열분해하도록 화염을 분사시키는 화염분사부를 포함하고, 열분해된 물질을 상기 SCR 반응기로 공급하는 요소수 열분해 장치를 포함하고, 상기 제 1 배기라인에서 분기하는 제 1 EGB 라인을 통해 상기 요소수 열분해 장치 내부로 배기가스를 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

배기가스 처리 시스템{APPARATUS FOR TREATING EXHAUST GAS}
본 발명은 배기가스 처리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대형 선박용 엔진 등에서 연소 후 배출되는 배기가스 중에 포함된 질소산화물을 SCR(Selective Catalyst Reduction) 반응기로 처리하는 배기가스 처리 시스템에 관한 것이다.
선택적 촉매 환원 시스템(Selective Catalyst Reduction System)으로 불리는 SCR 시스템은, 선박 추진용 디젤엔진, 플랜트 발전용 디젤 엔진, 터빈 발전기 등에서 배출되는 배기가스 중의 질소산화물(NOx)을 선택적으로 저감시키기 위한 시스템이다.
선택적 촉매 환원 시스템은 요소수(Urea)와 같은 반응제를 배기시스템에 분사함으로써 열분해 반응과 가수분해 반응이 일어나도록 하여 암모니아를 발생시키고, 이와 같이 발생된 암모니아는 질소산화물과 반응하게 되면서 인체에 무해한 질소와 수증기로 분해되어 외부로 배출된다.
근래, 선박 엔진의 효율을 높이기 위해 선박 엔진에 터보차저를 설치하는 경우가 증가하고 있는데, 이 경우 배기가스의 온도가 낮아지게 되었고, 배기가스의 온도가 낮아지는 경우 요소수 열분해가 충분히 이루어지지 않는 문제가 발생한다.
또한, SCR 반응기 내부의 온도가 하강하면 황산 등이 생성되어 황피독에 의해 SCR 반응기 효율이 떨어지며 SCR 반응기 내부 표면이 부식되는 문제가 발생한다.
대한민국 등록특허 제10-0980631호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 엔진의 배기측으로부터 연장되는 배기라인에서 분기하는 EGB(Exhaust Gas Bypass) 라인을 통해 요소수 열분해 장치 내부로 배기가스를 분사하여 요소수 열분해 효율을 향상시키는 배기가스 처리 시스템을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 엔진의 배기측으로부터 연장되는 제 1 배기라인에 설치되는 터보차저; 상기 터보차저의 터빈 출구로부터 연장되는 제 2 배기라인에 설치되는 SCR 반응기; 및 열분해 챔버 내부로 요소수를 공급하는 요소수 공급부 및 상기 요소수를 열분해하도록 화염을 분사시키는 화염분사부를 포함하고, 열분해된 물질을 상기 SCR 반응기로 공급하는 요소수 열분해 장치;를 포함하고, 상기 제 1 배기라인에서 분기하는 제 1 EGB 라인을 통해 상기 요소수 열분해 장치 내부로 배기가스를 공급하는 배기가스 처리 시스템에 의해 달성될 수가 있다.
여기서, 상기 제 1 EGB 라인은 상기 열분해 챔버의 중간부에 연결되어, 상기 배기가스는 상기 화염분사부에서 발생하는 화염의 측면으로 주입될 수 있다.
여기서, 상기 배기가스는 상기 열분해 챔버 내에서 와류 유동을 하도록 공급될 수 있다.
여기서, 상기 배기가스는 상기 열분해 챔버의 벽면 접선 방향으로 유입되어 벽면을 따라 유동하며 상기 열분해 챔버의 후단으로 이동할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 배기라인에서 분기하는 제 2 EGB 라인으로부터 배기가스를 공급 받고 상기 제 2 배기라인으로부터 분기하는 분기라인을 통해 상기 터빈 출구 후단의 배기가스를 공급 받아 혼합하고, 혼합된 배기가스를 상기 요소수 열분해 장치로 공급하는 혼합 챔버를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 분기라인 상에는 상기 터빈 출구 후단의 배기가스를 상기 혼합 챔버로 공급하도록 하는 블로어를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 블로어를 제어하여 우레아의 증발량에 따라서 상기 열분해 챔버 내부로 공급되는 상기 배기가스의 양을 조절할 수 있다.
여기서, 상기 요소수 공급부는 상기 요소수를 저장하는 요소수 저장 챔버; 및 상기 요소수 저장 챔버에 저장된 요소수를 상기 열분해 챔버 내부로 분사하는 요소수 분사 노즐을 포함하는데, 상기 요소수 분사 노즐은 상기 화염 분사부의 버너 전단에 형성될 수 있다.
여기서, 상기 요소수 공급부는 상기 요소수를 저장하는 요소수 저장 챔버; 및
상기 요소수 저장 챔버에 저장된 요소수를 상기 열분해 챔버 내부로 분사하는 요소수 분사 노즐을 포함하는데, 상기 요소수 분사 노즐은 상기 제 1 EGB 라인을 통해 상기 열분해 챔버 내부로 상기 배기가스가 유입되는 유입구의 일측에 형성될 수 있다.
여기서, 상기 혼합 챔버로부터 상기 열분해 챔버의 전단으로 상기 배기가스를 공급할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 EGB 라인을 통해 상기 열분해 챔버로 공급되는 배기가스는 상기 열분해 챔버의 후단에서 전단 방향으로 공급될 수 있다.
여기서, 상기 SCR 반응기의 후단의 배기가스를 상기 열분해 챔버 내부로 재순환시키는 재순환 라인을 통해 SCR 촉매의 황피독을 재생시킬 수 있다.
여기서, 상기 재순환 라인은 상기 제 1 EGB 라인에 연결되고, 상기 제 1 EGB라인의 연결부에는 상기 SCR 반응기 후단의 배기가스를 압력 차이에 의해 재순환시키도록 하는 벤츄리 튜브가 형성될 수 있다.
여기서, 상기 재순환 라인은 상기 제 1 EGB 라인에 연결되고, 상기 재순환 라인에는 상기 배기가스를 재순환시키는 블로어를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 SCR 반응기에서 처리된 배기가스를 외부로 배출시키는 제 3 배기라인에 형성되는 밸브를 더 포함하고, 상기 밸브를 제어하여 상기 SCR 반응기 전단의 온도를 제어하여 SCR 촉매의 황피독을 재생시킬 수가 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 배기가스 처리 시스템에 따르면 EGB 라인을 통해 고온의 배기가스를 요소수 열분해 장치로 공급하여 요소수의 열분해 효율을 향상시킬 수가 있다.
또한, EGB 라인을 통해 고온의 배기가스를 열분해 챔버 내부에 와류 유동을 형성하여 공급하거나, 열분해 챔버의 후단에서 전단으로 역류 방향으로 공급하여 열분해 효율을 더욱 향상시킬 수가 있다.
또한, SCR 반응기 후단으로 배출되는 배기가스를 재순환 라인을 통해 요소수 열분해 장치 내부로 공급하도록 하여 SCR 반응기의 황피독 재생을 위한 온도로 온도를 유지시킬 수가 있다.
또한, 상기 재순환 라인은 제 1 배기라인과 연결하고, 제 1 배기라인 상에 형성된 벤츄리 튜브를 통해 고압으로 유동하는 배기가스의 유동에 의한 압력차로 SCR 반응기 후단의 배기가스를 재순환시킬 수가 있다.
또한, SCR 반응기 후단의 밸브를 제어하여 SCR 반응기 전단의 온도를 제어하여 SCR 반응기 황피독 재생을 위한 온도로 온도를 유지시킬 수가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에서 요소수 열분해 장치의 상세 내용을 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2의 변형예이다.
도 4는 도 1의 변형예이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배기가스 처리 시스템의 구성도이다.
도 6은 도 1에 따른 배기가스 처리 시스템의 동작을 도시한다.
도 7은 도 5에 따른 배기가스 처리 시스템의 동작을 도시한다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 배기가스 처리 시스템을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리 시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1에서 요소수 열분해 장치의 상세 내용을 도시하는 도면이고, 도 3은 도 2의 변형예이고, 도 4는 도 1의 변형예이고, 도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배기가스 처리 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조로 설명을 하면, 엔진(10)은 연료 및 공기를 공급 받아 연료를 연소시켜 동력을 생산하며, 이때 배기가스가 발생된다. 엔진(10)의 배기측으로부터 연장되어 나오는 제 1 배기라인(12)의 일단에는 터보차저(30)가 설치된다. 터보차저(30)는 제 1 배기라인(12)을 통해 고압으로 지나가는 배기가스의 유동 에너지에 의해 회전하는 터빈(31)과 터빈(31)의 회전에 의해 공기를 압축하여 압축된 공기를 엔진(10)에 공급하는 압축기(32)로 이루어진다.
이와 같이, 대형 선박용 디젤 엔진의 경우 엔진(10)의 출력 및 효율의 증대를 위해 배기가스의 유동 에너지를 이용하여 터빈(31)을 구동하고 터빈(31)에 의해 압축기(32)를 구동하여 엔진(10)으로 들어가는 흡기를 압축하는 터보차저(30)가 설치된다.
또한, 제 1 배기라인(12) 상에는 배기가스 리시버(20)가 형성될 수가 있는데, 배기가스 리시버(20)는 도시되어 있지 않으나 복수의 엔진(10)의 실린더 헤드에 연결되어 각 엔진(10)으로부터 배기되는 배기가스를 합류시켜 배출하도록 한다.
제 1 배기라인(12), 보다 정확하게는 배기가스 리시버(20)에는 EGB(Exhaust Gas Bypass) 라인(22, 24)이 분기되어 배기가스 리시버(20)의 배기가스 중 일부가 EGB 라인(22, 24)을 통해 바이패스 이동을 하게 된다. 즉, 엔진(10)으로부터 나온 배기가스 중 터보차저(30)로 들어가기 전에 배기가스의 일부의 유량을 우회시켜 EGB 라인(22, 24)을 통해 유동하도록 한다. 본 발명에서는 EGB 라인(22, 24)을 통해 고온의 배기가스를 우회하여 요소수 열분해 장치(50)로 공급시키도록 하여 요소수의 열분해 효율을 향상시키도록 한다.
이때, EGB 라인(22, 24)은 요소수 열분해 장치(50)의 열분해 챔버(51)와 직접 연결되는 제 1 EGB 라인(22)과 혼합 챔버(56)와 연결되는 제 2 EGB 라인(24)으로 나뉠 수가 있다. 도면에서는 EGB 라인(22, 24)이 배기가스 리시버(20)에서 분기되는 것을 도시하는데, 이는 제 1 배기라인(12) 상에서 분기되는 것과 같은 것으로 해석될 수 있다.
제 1 EGB 라인(22)과 제 2 EGB 라인(24)에는 각각 밸브(23, 25)가 형성되는데, 상기 밸브(23, 25)를 통해 제 1 EGB 라인(22) 및 제 2 EGB 라인(24)을 통해 공급되는 배기가스의 유동 방향 및 유량을 제어할 수가 있다.
터보차저(30)의 터빈(31) 출구로부터 연장되는 제 2 배기라인(33)의 일단에는 SCR 반응기(40)가 설치된다. SCR 반응기(40)에는 요소수 열분해 장치(50)로부터 공급되는 암모니아와 함께 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 공급된다.
이와 같이, SCR 반응기(40)가 터보차저(30)의 하류 측에 배치됨으로써, 엔진(10)에 인접하여 배치되는 구성요소들과 복잡하게 얽히는 문제를 회피할 수가 있다. 또한, SCR 반응기(40)를 터보차저(30) 하류 측에 설치함으로써, 배기가스의 흐름에 급격한 저항으로 작용하는 것을 방지하여 SCR 반응기(40)에 의해 터보차저(30)의 압축 효율이 나빠지거나 엔진(10)의 성능이 나빠지는 것을 최소화할 수가 있다.
요소수 열분해 장치(50)는 요소수를 공급 받아 열분해하여 암모니아를 생성시킨다. 요소수 열분해 장치(50)는 열분해 챔버(51), 요소수 공급부, 및 화염분사부(57)를 포함하여 구성될 수가 있다.
열분해 챔버(51)는 요소수 및 배기가스가 내부에 공급되고, 화염분사부(57)의 버너(59)에서 발생하는 화염에 의해 요소수를 열분해하는 공간을 제공한다.
화염분사부(57)는 요소수 공급부로부터 열분해 챔버(51) 내부로 공급되는 요소수와 열분해 챔버(51) 내부로 공급되는 배기가스가 승온될 수 있도록 화염을 분사시킨다.
도 2에 도시되어 있는 것과 같이 요소수 열분해 장치(50)의 전단에 형성되는 화염분사부(57)에 의해 분사되는 화염은 버너(59)의 노즐로부터 직접 분사되는 형태의 제 1 화염(80)과 제 1 화염(80) 외측의 제 2 화염(82)으로 분리 형성될 수 있는데, 제 1 화염(80)은 1100℃ 내지 1300℃ 범위 내의 화염일 수 있고, 제 2 화염(82)은 제 1 화염보다 온도가 낮은 700℃ 내지 800℃ 범위 내의 화염일 수 있으나 이에 대해 한정하는 것은 아니다.
본 발명에서 요소수 열분해 장치(50)는 배기가스 리시버(20)에서 분기한 제 1 EGB 라인(22)을 통해 열분해 챔버(51)의 중간부 측면에서 화염분사부(57)의 버너(59)에서 발생하는 제 2 화염의 측면으로 대략 400°C의 고온으로 공급된 배기가스를 대략 600°C로 승온시킨다. 이와 같이, 버너(59)의 화염에 배기가스를 직접 분사시켜 요소수의 산화 발생을 차단시키면서 요소수를 승온시킬 수가 있다. 또한, 제 1 EGB 라인(22)을 통해 고온의 배기가스를 공급하도록 하여 화염분사부(57)에 의한 승온 열량을 최소화할 수가 있다.
이때, 도 2에 도시되어 있는 것과 같이, 제 1 EGB 라인(22)으로부터 열분해 챔버(51) 내부로 공급되는 배기가스는 열분해 챔버(51) 내에서 와류 운동을 하도록 공급되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 원통형의 열분해 챔버(51)의 벽면에서 접선 방향으로 배기가스를 주입시켜 열분해 챔버(51)의 내측 벽면을 따라 회전하며 열분해 챔버(51) 후단으로 이동하는 와류 유동을 형성할 수가 있다. 본 발명에서 접선 방향이라고 하면 수학적으로 의미하는 접선뿐만 아니라 접선에 가까운 방향을 의미하는 것으로, 열분해 챔버(51)의 내측 벽면의 둘레 방향으로 배기가스를 토출시킴으로써 벽면을 따라 회전하는 와류 유동을 형성하는 것으로 이해될 수가 있다.
이와 같이, 제 1 EGB 라인(22)을 통해 열분해 챔버(51) 내부로 공급된 배기가스가 와류 유동을 하며 열분해 챔버(51) 후단을 향하여 이동하도록 함으로써 요소수 수용액의 열분해 반응 시간을 지연시킬 수가 있어서 요소수의 열분해 효율을 증가시킬 수가 있다. 또한, 와류 유동에 의해 배기가스의 온도가 균질화되어 요소수와의 반응 온도 조건을 제어하는 것이 훨씬 용이할 수가 있다.
또 다른 실시예로, 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 제 1 EGB 라인(22)이 열분해 챔버(51)의 후단 연결되어 배기가스를 공급하도록 하고, 이때 열분해 챔버(51)의 후단에서 전단을 향하여 역류 방향으로 배기가스가 공급되도록 함으로써 유체의 안정성 및 버너(59)의 화염과 역류하는 배기가스와의 혼합성을 향상시키고 요소수의 산화 발생을 저감시킬 수가 있다.
이 경우에도 도 2에서와 같이 와류 유동을 형성하여 열분해 챔버(51)의 후단에서 전단을 향하여 배기가스가 이동하도록 분사시킬 수가 있다.
또한, 본 발명에서 제 1 배기라인(12)에서 분기하는 제 2 EGB 라인(24)으로부터 제 1 배기라인(12) 상에 있는 배기가스를 공급 받고, 터보차저(30)의 터빈(31) 후단의 제 2 배기라인(33)에서 분기하는 분기라인(52)을 통해 터빈(31) 후단의 배기가스를 공급 받아 혼합하는 혼합 챔버(56)가 형성되어, 상기 혼합 챔버(56)로부터 혼합시킨 배기가스를 화염분사부(57)의 버너(59)로 주입시킨다. 이때, 분기라인(52) 상에는 블로어(55)가 형성되어 터빈(31) 후단의 배기가스를 혼합 챔버(56)로 공급시키도록 한다.
화염분사부(57)는 열분해 챔버(51)의 전단에 형성될 수가 있다. 화염분사부(57)는 연료 저장 탱크(58)에 저장된 연료를 펌프에 의해 열분해 챔버(51) 내부의 버너(59)로 공급하도록 하고, 연료 저장 탱크(58)로부터 화염 생성을 위한 연료가 이동하는 배관을 수용하는 외측 배관을 통해 연소를 위한 공기 및 상기 혼합 챔버(56)로부터 혼합된 배기가스가 함께 열분해 챔버(51) 내부로 공급된다. 따라서, 열분해 챔버(51)의 전단으로 연료, 공기 및 배기가스가 공급되어 버너(59)를 통해 점화시켜 화염을 발생시키게 된다. 이와 같이, 본 발명에서는 연료와 공기에 의해 연소하는 영역과 배기가스가 혼합되는 혼합 챔버(56)의 영역을 분리시키도록 한다. 화염분사부(57)는 요소수의 열분해에 가장 좋은 조건인 600°C로 승온시킨다.
요소수 저장 탱크(60)로부터 요소수를 공급받아 열분해 챔버(51) 내부로 분사시키는 요소수 분사 노즐(62)은 열분해 챔버(51)의 전단, 보다 자세히는 버너(59)의 전단에 설치하여 화염과 직접 접촉하지 않도록 설치되며, 전술한 바와 같이 제 1 EGB 라인(22)으로부터 열분해 챔버(51) 내부로 공급되는 배기가스의 와류 운동에 의해 열분해 챔버(51) 내부로 공급된 요소수의 열분해 시간을 지연시킬 수가 있다. 또한, 도 2에 도시되어 있는 것과 같이 요소수 분사 노즐(62)은 제 1 EGB(22)라인으로부터 배기가스가 유입되는 유입구의 일측에서 유입되는 배기가스를 향하도록 경사 배치될 수가 있는데, 상기 요소수 분사 노즐(62)은 제 1 EGB 라인(22)으로부터 배기가스의 와류 운동이 발생하는 곳에 바로 요소수를 유입시켜 배기가스의 와류 운동을 즉각적으로 활용할 수가 있으며, 나아가 제 1 EBG 라인(22)을 통해 유입되는 약 4~5bar의 고온 고압의 배기가스를 이용해 요소수와 배기가스의 혼합 효율 및 열분해 효율을 증가시킬 수가 있다.
700°C 이상의 온도에서는 암모니아의 산화로 질소산화물이 형성될 수가 있으므로, 열분해 챔버(51)의 전단에 형성되는 요소수 분사 노즐(62)의 경우 화염에 의해 700°C 이상의 온도로 가열되지 않도록 설치에 제약이 다소 있다. 이에 반하여, 열분해 챔버(51)의 중간부에 형성되는 요소수 분사 노즐(62)로부터 공급되는 요소수는 상대적으로 제 1 EGB 라인(22)으로부터 유입되는 고압의 배기가스에 의해 혼합이 잘 이루어지고, 상기 요소수 분사 노즐(62)은 상기 배기가스의 높은 온도로 인하여 상대적으로 열분해가 빠르게 이루어질 수 있는 조건으로 요소수를 공급하게 된다.
또한, 본 발명에서는 터빈(31) 후단의 배기가스를 블로어(55)를 이용하여 혼합 챔버(56) 및 화염분사부(57) 내부로 유입하도록 한다. 따라서, 블로어(55)를 제어하여 요소수 증발량에 따라 배기가스의 유입량을 조절할 수가 있다. 이때, 화염분사부(57)를 통해 유입되는 배기가스 및 공기의 일부를 버너(59)쪽으로 유도하여 공연비 조절이 가능할 수가 있다.
요소수 열분해 장치(50)의 후방에 형성되는 암모니아 분사부(70)는 요소수 열분해 장치(50)에서 분해된 암모니아를 제 2 배기라인(33)을 따라 통과하는 배기가스에 분사시킨다. 즉, 암모니아 분사부(70)는 제 2 배기라인(33) 상에 SCR 반응기(40) 전단에 형성되고, 요소수 열분해 장치(50)의 후방에 연결되는 암모니아 배출라인(54)의 끝단과 연결되어, 제 2 배기라인(33) 상에 통과하는 배기가스에 암모니아를 분사한다.
또한, 제 2 배기라인(33) 상에 암모니아 분사부(70)와 SCR 반응기(40) 사이에 형성되는 믹서(72)는 제 2 배기라인(33)을 통과하는 배기가스와 암모니아 분사부(70)로부터 분사된 암모니아가 효과적으로 혼합될 수 있도록 하여, 균질하게 혼합된 배기가스와 암모니아가 SCR 반응기(40) 내부로 유입되도록 한다.
제 2 배기라인(33)은 분기되고, 각 분기된 제 2 배기라인(33-1, 33-2) 상에 밸브(34, 35)가 형성되어, 터빈(31)의 후단에서 제 2 배기라인(33)을 따라 유동하는 배기가스가 SCR 반응기(40)를 거쳐 배출되도록 하거나, SCR 반응기(40)를 거치지 않고 직접 배출되도록 제어할 수가 있다.
SCR 반응기(40)의 후단에는 SCR 반응기(40)에서 처리된 배기가스를 배출하는 제 3 배기라인(42)이 형성되는데, 상기 제 3 배기라인(42)에서 분기되어 제 1 EGB 라인(22)과 연결되는 재순환 라인(44)이 형성될 수가 있다.
SCR 반응기(40)의 가동 중단 등의 이유로 SCR 반응기(40) 내부의 온도가 하강하면 황피독에 의해 반응 효율이 떨어지고 SCR 반응기(40) 내부가 부식될 수가 있는데, 상기 재순환 라인(44)은 SCR 반응기(40) 후단에서 배출되는 배기가스의 일부를 재순환하여 요소수 열분해 장치(50)로 다시 공급하여 SCR 촉매의 황피독 재생 온도까지 상승시키도록 한다. 이때, 제 1 EGB 라인(22)에 재순환 라인(44)과 연결되는 지점에는 벤츄리 튜브(28)를 형성하여 벤츄리 튜브(28)를 통해 고압(2~4bar)으로 배기가스가 유동할 때의 압력차에 의한 힘으로 재순환 라인(44)을 통해 배기가스를 제 1 EGB 라인(22)으로 흡입하여 요소수 열분해 장치(50)로 공급시킬 수가 있다. 이때, 상기 벤츄리 튜브(28)는 재순환 라인(44)을 통해 SCR 반응기(40) 후단의 배기가스를 재순환시키는 역할을 함과 동시에, 제 1 EGB 라인(22)을 통해 이동하는 배기가스의 유량을 측정하는데 사용될 수 있다.
황피독 재생을 위한 재순환 라인(44)의 구성의 또 다른 실시예가 도 4에 도시되어 있는데, 본 실시예에서는 제 1 EGB 라인(22) 상에 벤츄리 튜브(28)를 형성하지 않고, 재순환 라인(44) 상에 별도의 블로어(46)를 설치하여 상기 블로어(46)의 동작으로 SCR 반응기(40) 후단의 배기가스를 재순환시키도록 한다.
또한, 도 5에 도시되어 있는 것과 같이, 황피독 재생을 위하여 별도의 재순환 라인(44)을 구성하지 않고, SCR 반응기(40) 후단의 제 3 배기라인(42) 상에 형성된 밸브(43)의 제어로 배출되는 배기가스의 양을 제어하여 SCR 반응기(40) 전단의 온도가 황피독 재생을 위한 온도인 350°C에 도달하도록 제어하여 황피독을 재생시킬 수가 있다.
이하, 도 6 및 도 7을 참조로, 본 발명에 따른 배기가스 처리 시스템의 동작을 설명하기로 한다. 상기 배기가스 처리 시스템의 동작에는 SCR 반응기(40)를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 분해하여 처리하는 동작과 SCR 반응기(40)의 황피독을 재생시키는 동작을 각각 포함할 수가 있다. 참고로, 상기 동작은 각각 개별적으로 동작할 수가 있으나, 도면 상에는 함께 도시되어 있다.
먼저, 도 6에서는 도 1을 참조로 설명한 배기가스 처리 시스템의 동작을 도시한다.
엔진(10)은 연료 및 공기를 공급 받아 연료를 연소시켜 동력을 생산하며, 배기가스를 발생시킨다. 복수의 엔진(10)에서 발생된 배기가스는 배기가스 리시버(20)에 합류한다. 제 1 배기라인(12)을 따라 고압으로 유동하는 배기가스는 터보차저(30)의 터빈(31)을 구동하고, 터빈(31)에 의해 압축기(32)를 구동시켜 이는 엔진(10)에 공급되는 압축공기를 생성시키도록 한다.
터보차저(30) 후단의 제 2 배기라인(33)은 분기되어, 분기되는 제 1 라인(33-1)은 SCR 반응기(40)를 거쳐 배기가스에 포함된 질소산화물을 처리하여 배출시키도록 하고, 다른 제 2 라인(33-2)은 SCR 반응기(40)를 거치지 않고 직접 배기가스를 배출시키도록 한다.
이때, 제 1 배기라인(12)에서 분기된 제 1 EGB 라인(22)을 통해 일부 고온의 배기가스가 요소수 열분해 장치(50)의 열분해 챔버(51)의 측면부로 공급되도록 하여 요소수의 열분해 효율을 향상시키도록 한다. 이때, 도 2에 도시되어 있는 것과 같이 열분해 챔버(51)의 중간부 측면에서 공급되어 화염분사부(57)의 버너(59)에서 발생하는 제 2 화염(82)의 측면으로 공급하는 것이 바람직하며, 나아가 열분해 챔버(51) 내부 벽면을 따라 회전하는 와류 유동을 형성하며 열분해 챔버(51)의 후단으로 배기가스가 이동하도록 하여 열분해 시간을 지연시키도록 하는 것이 바람직하다.
또는, 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 열분해 챔버(51)의 후단에서 전단으로 역류방향으로 배기가스를 공급하여 열분해 효율을 향상시킬 수도 있다.
이와 동시에, 제 1 배기라인(12)에서 분기하는 제 2 EGB 라인(24)을 통해 제 1 배기라인(12)의 배기가스를 공급받고, 터빈(31) 후단의 제 2 배기라인(33)에서 분기하는 분기라인(52)을 통해 터빈(31) 후단의 배기가스를 공급받는 혼합 챔버(56)를 통해 혼합시킨 배기가스를 화염분사부(57)를 통해 열분해 챔버(51)의 전단으로 공급한다.
나아가, 열분해 챔버(51) 내부로 요소수를 공급하는 요소수 분사 노즐(62)은 화염 분사부의 버너(59) 전단에 형성되어 화염과 직접 접촉하지 않도록 구성한다.
상기와 같이 요소수 열분해 장치(50)에서 열분해된 암모니아 및 배기가스는 암모니아 배출라인(54)을 통해 이동하고, 암모니아 분사부(70)는 제 2 배기라인(33)을 통과하는 배기가스에 요소수 열분해 장치(50)에서 배출되는 암모니아 및 배기가스를 분사한다. 이후, 제 2 배기라인(33)을 따라 유동하는 배기가스 및 암모니아 분사부(70)에서 분사된 암모니아 및 배기가스는 믹서(72)를 거쳐 SCR 반응기(40) 내부로 공급되어 SCR 반응기(40) 내부의 촉매와 함께 재생된다.
한편, 황피독 재생을 위하여 SCR 반응기(40) 후단의 제 3 배기라인(42) 상의 밸브(43)를 잠그고 재순환 라인(44) 상의 밸브(45)를 열어서, 제 1 배기라인(12)의 벤츄리 튜브(28)를 통과하는 고압의 배기가스 흐름에 의해 발생하는 압력차에 의해 SCR 반응기(40) 후단의 배기가스는 재순환 라인(44)을 통해 제 1 배기라인(12)으로 흡입되어 요소수 열분해 장치(50) 내부로 공급시킬 수 있다. 이와 같은 배기가스의 재순환 과정에서 SCR 반응기(40)는 황피독 재생 온도로 온도를 유지할 수가 있다.
도 7에서는 도 5를 참조로 설명한 배기가스 처리 시스템의 동작을 도시하는데, 요소수 열분해 장치(50) 및 SCR 반응기(40)를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 처리하는 동작은 도 6을 참조로 설명한 것과 동일하다.
단, 본 실시예에서는 재순환 라인(44)을 통해 SCR 반응기(40) 후단의 배기가스를 요소수 열분해 장치(50)로 재순환시키는 것이 아니라, SCR 반응기(40) 후단의 제 3 배기라인(42)에 형성된 밸브(43)를 제어하여 SCR 반응기(40) 전단의 온도가 황피독 재생 온도를 유지하도록 온도를 제어한다.
도 6에서 황피독 재생을 위한 동작은 재순환 라인(44)을 통한 동작을 중심으로 설명을 하였으나, 도 7에서와 같이 제 3 배기라인(42) 상의 밸브(43)의 제어를 통한 동작과 재순환 라인(44)에 의한 동작을 함께 제어하여 황피독 재생 온도를 유지하도록 할 수도 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10: 엔진 12: 제 1 배기라인
20: 배기가스 리시버 22: 제 1 EGB 라인
23: 밸브 24: 제 2 EGB 라인
25: 밸브 28: 벤츄리 튜브
30: 터보차저 31: 터빈
32: 압축기 33: 제 2 배기라인
34: 밸브 35: 밸브
40: SCR 반응기 42: 제 3 배기라인
43: 밸브 44: 재순환 라인
45: 밸브 46: 블로어
50: 요소수 열분해 장치 51: 열분해 챔버
52: 분기라인 54: 암모니아 배출라인
55: 블로어 56: 혼합 챔버
57: 화염분사부 58: 연료 저장 탱크
59: 버너 60: 요소수 저장 탱크
62: 요소수 분사 노즐 70: 암모니아 분사부
72: 믹서 80: 제 1 화염
82: 제 2 화염

Claims (15)

  1. 엔진의 배기측으로부터 연장되는 제 1 배기라인에 설치되는 터보차저;
    상기 터보차저의 터빈 출구로부터 연장되는 제 2 배기라인에 설치되는 SCR 반응기; 및
    열분해 챔버 내부로 요소수를 공급하는 요소수 공급부 및 상기 열분해 챔버의 상단부에서 하단부를 향하여 상기 요소수를 열분해하도록 화염을 분사시키는 화염분사부를 포함하고, 열분해된 물질을 상기 SCR 반응기로 공급하는 요소수 열분해 장치;를 포함하고,
    상기 제 1 배기라인에서 분기하는 제 1 EGB 라인을 통해 상기 요소수 열분해 장치 내부로 배기가스를 공급하고,
    상기 제 1 EGB 라인은 상기 열분해 챔버의 중간부 측면에 연결되어, 상기 화염분사부에서 발생하는 화염 중 내측 영역과 비교하여 상대적으로 저온의 외측 영역인 2차 화염을 향하여 배기가스를 공급하고,
    상기 요소수 공급부는
    상기 요소수를 저장하는 요소수 저장 챔버; 및
    상기 요소수 저장 챔버에 저장된 요소수를 상기 열분해 챔버 내부로 분사하는 요소수 분사 노즐을 포함하는데,
    상기 요소수 분사 노즐은 상기 제 1 EGB 라인을 통해 상기 열분해 챔버 내부로 배기가스가 유입되는 유입구의 일측에 형성되어 상기 배기가스를 향하여 요소수를 분사하는 배기가스 처리 시스템.
  2. 엔진의 배기측으로부터 연장되는 제 1 배기라인에 설치되는 터보차저;
    상기 터보차저의 터빈 출구로부터 연장되는 제 2 배기라인에 설치되는 SCR 반응기; 및
    열분해 챔버 내부로 요소수를 공급하는 요소수 공급부 및 상기 열분해 챔버의 상단부에서 하단부를 향하여 상기 요소수를 열분해하도록 화염을 분사시키는 화염분사부를 포함하고, 열분해된 물질을 상기 SCR 반응기로 공급하는 요소수 열분해 장치;를 포함하고,
    상기 제 1 배기라인에서 분기하는 제 1 EGB 라인을 통해 상기 요소수 열분해 장치 내부로 배기가스를 공급하고,
    상기 제 1 EGB 라인을 통해 상기 열분해 챔버로 공급되는 배기가스는 상기 열분해 챔버의 후단에서 전단 방향으로 상기 화염을 향하여 공급되는 배기가스 처리 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배기가스는 상기 열분해 챔버 내에서 와류 유동을 하도록 공급되는 배기가스 처리 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 배기가스는 상기 열분해 챔버의 벽면 접선 방향으로 유입되어 벽면을 따라 유동하며 이동하는 배기가스 처리 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 배기라인에서 분기하는 제 2 EGB 라인으로부터 배기가스를 공급 받고 상기 제 2 배기라인으로부터 분기하는 분기라인을 통해 상기 터빈 출구 후단의 배기가스를 공급 받아 혼합하고, 혼합된 배기가스를 상기 요소수 열분해 장치로 공급하는 혼합 챔버를 더 포함하는 배기가스 처리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 분기라인 상에는 상기 터빈 출구 후단의 배기가스를 상기 혼합 챔버로 공급하도록 하는 블로어를 더 포함하는 배기가스 처리 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 블로어를 제어하여 우레아의 증발량에 따라서 상기 열분해 챔버 내부로 공급되는 상기 배기가스의 양을 조절하는 배기가스 처리 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 혼합 챔버로부터 상기 열분해 챔버의 전단으로 상기 배기가스를 공급하는 배기가스 처리 시스템.
  11. 삭제
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 SCR 반응기의 후단의 배기가스를 상기 열분해 챔버 내부로 재순환시키는 재순환 라인을 통해 SCR 촉매의 황피독을 재생시키는 배기가스 처리 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 재순환 라인은 상기 제 1 EGB 라인에 연결되고, 상기 제 1 EGB라인의 연결부에는 상기 SCR 반응기 후단의 배기가스를 압력 차이에 의해 재순환시키도록 하는 벤츄리 튜브가 형성되는 배기가스 처리 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 재순환 라인은 상기 제 1 EGB 라인에 연결되고, 상기 재순환 라인에는 상기 배기가스를 재순환시키는 블로어를 더 포함하는 배기가스 처리 시스템.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 SCR 반응기에서 처리된 배기가스를 외부로 배출시키는 제 3 배기라인에 형성되는 밸브를 더 포함하고,
    상기 밸브를 제어하여 상기 SCR 반응기 전단의 온도를 제어하여 SCR 촉매의 황피독을 재생시키는 배기가스 처리 시스템.
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