KR102047184B1 - 촉매 환원 장치용 혼합기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 선택적 촉매 환원 장치에서 배기가스와 노즐을 통해 상기 배기가스로 분사되는 환원제가 혼합되도록 하는 혼합기로서, 상기 혼합기는, 원통형상으로서 후단으로는 일정 깊이의 홈이 형성되는 혼합기 본체와, 상기 혼합기 본체의 외주상에 일정 간격으로 배치되고, 단부는 상기 배관의 내측에 고정되는 블레이드를 포함하고, 상기 배기가스가 통과하는 배관 내측으로 배치되되, 상기 환원제가 분사되는 상기 노즐의 상류에 배치되는 촉매 환원 장치용 혼합기를 제공한다.
본 발명은, 노즐에서 분사되는 우레아가 배기가스와 요소가 균일하게 혼합되도록 하고, 전체적으로 단순한 형상으로 제작되어 제작이 용이하고, 배관 내의 배압이 감소되도록 한다.

Description

촉매 환원 장치용 혼합기{Mixer for catalytic reduction system}

본 발명은 촉매 환원 장치용 혼합기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 환원제와 질소산화물을 혼합하여 환원 효율이 향상되도록 하는 촉매 환원 장치용 혼합기에 관한 것이다.

일반적으로 선박이나 자동차, 발전소 등의 엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스에는 다수의 부유성 미립자와 질소 산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등의 유해 물질이 포함되어 있다.

상기와 같은 유해 물질을 제거하기 위해 매연 여과 장치(DPF: Diesel Particulate Filter), 선택적 촉매 환원 장치(SCR: Selective Catalytic Reduction), 스크러버(Scrubber, SOx 제거) 등을 설치하여 배기가스 내의 유해 물질을 제거하고 있다.

국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)에서는 2016년 1월 1일 이후 용골거치(Keel laying)되는 선박의 디젤엔진에 대해 질소산화물 규제지역(NOx Emission Control Area, NECA) 운항 시 Tier 3를 적용하였다.

Tier 는 미국 환경청(EPA)에서 시행하고 있는 배출가스 규제제도로서, 자동차ㆍ건설기계ㆍ농기계에서 나오는 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 미세물질(PM) 등 오염물질 허용기준을 정한 것이다. 1ㆍ2ㆍ3ㆍ4단계가 있는데 숫자가 높을수록 규제 정도가 강해진다.

여기서, Tier 3 에서는 엔진에서 배출되는 질소산화물이 1 킬로와트(kWh) 당 3.4 그램(g)이하가 되는 것을 요구한다.

따라서, 선박 엔진에는 촉매 환원 장치(SCR)와 같은 후처리장치를 적용하여 질소산화물을 저감할 필요가 있다.

선박에서 사용되는 촉매 환원 장치(SCR) 중, 40% 농도의 수용액 형태로 되어 있는 우레아(Urea)를 반응 영역 내에 분사하여 배기가스와 혼합되도록 함으로써 엔진에서 배출되는 질소 산화물을 인체에 무해한 물과 질소로 전환시키는 Urea-SCR 이 효율적인 것으로 평가받고 있다.

여기서, 질소 산화물 저감율은 촉매층으로 유입되는 우레아 농도와 유속의 균일도에 의해 좌우되지만, 우레아의 분사를 수행하는 노즐은 일정 각도로 고정 배치되어 있어 우레아가 균일한 농도로 혼합되지 못하므로, 소정의 혼합기를 사용하여 배기가스와 우레아를 혼합시킬 필요성이 있다.

도 1은 배기가스와 우레아의 혼합 상태를 나타내는 도면이다.

도 1에서 환원제로 사용하는 우레아의 농도는 청색에서 적색으로 갈수록 농도가 짙어짐을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 배기가스와 우레아가 혼합된 후 촉매 환원 장치(20)의 내측으로 유입된 상태에서, 배기가스와 우레아가 혼합되어 a1에서 a4로 진행하는 과정과 촉매 환원 장치(20) 내측에서의 위치에 따라 색상이 불규칙하게 나타내고 있다. 이는 배기가스와 우레아의 혼합이 균일하지 않아 위치에 따라 환원제인 우레아의 농도가 다름을 나타낸다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 배기가스와 환원제가 균일하게 혼합되지 않으므로, 이를 해결하기 위해서는 소정의 혼합기의 사용이 필수임을 알 수 있다.

도 2는 종래의 기술에 따른 혼합기의 구성의 일 예를 나타내는 사시도이다.

도 2를 참조하면, 혼합기(1)는 소정의 면적을 갖는 플레이트 형상으로 배기가스가 통과하는 배관(10)의 중심축 상에 유체의 흐름에 직교하는 방향으로 배치된다. 이때, 혼합기(1)는 혼합기(1)의 양측으로 배치된 고정로드(2)에 의해 배관(10)내측에서의 배치 상태가 유지될 수 있다.

또한, 우레아와 배기가스의 혼합을 위해 사용되는 혼합기의 일 예로서, 공개특허 2015-0125474호 '차량의 배기가스 후처리 시스템용 믹싱 장치'가 개시되었다.

상기한 선행기술의 혼합기는 혼합성능은 높지만, 혼합기의 형상이 복잡하여 혼합기가 배치되는 관내 배압이 상승하는 문제점이 있다. 또한, 혼합기의 복잡한 형상에 의해 제작이 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 노즐에서 분사되는 환원제인 우레아가 배기가스와 균일하게 혼합되도록 하는 촉매 환원 장치용 혼합기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 전체적으로 단순한 형상으로 제작되어 제작이 용이하고, 배관 내의 배압이 감소되도록 하는 촉매 환원 장치용 혼합기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 선택적 촉매 환원 장치에서 배기가스와 노즐을 통해 상기 배기가스로 분사되는 환원제가 혼합되도록 하는 혼합기로서, 상기 혼합기는, 원통형상으로서 후단으로는 일정 깊이의 홈이 형성되는 혼합기 본체와, 상기 혼합기 본체의 외주상에 일정 간격으로 배치되고, 단부는 상기 배관의 내측에 고정되는 블레이드를 포함하고, 상기 배기가스가 통과하는 배관 내측으로 배치되되, 상기 환원제가 분사되는 상기 노즐의 후단으로 배치되는 촉매 환원 장치용 혼합기를 제공한다.

상기 혼합기 본체의 중심축은, 상기 배관의 중심축과 일치하게 배치될 수 있다.

상기 블레이드는, 상기 배기가스의 흐름에 대하여 일정 각도로 경사지게 배치될 수 있다.

상기와 같은 본 발명은, 노즐에서 분사되는 환원제인 우레아가 배기가스와 균일하게 혼합되도록 하고, 전체적으로 단순한 형상으로 제작되어 제작이 용이하고, 배관 내의 배압이 감소되도록 한다.

도 1은 혼합기를 사용하지 않는 후처리 장치에 의한 배기가스와 우레아의 혼합 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 혼합기의 구성의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 환원 장치용 혼합기의 전단부의 구성의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 환원 장치용 혼합기의 후단부의 구성의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 5는 배관내의 혼합기와 노즐의 배치 상태의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6는 도 2에 도시된 종래의 혼합기를 사용하였을 때 배관내에서의 배기가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 본 발명에 따른 혼합기를 사용하였을 때 배관내에서의 배기가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 혼합기가 배치된 배관 내에서 배기가스와 환원제의 혼합특성을 나타내는 도면이다.
도 9는 혼합기를 사용하는 후처리 장치에 의한 배기가스와 우레아의 혼합 상태를 나타내는 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 환원 장치용 혼합기의 구성의 일 예를 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 환원 장치용 혼합기의 후단부의 구성의 일 예를 나타내는 사시도이다.

도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 환원 장치용 혼합기(100)는 혼합기 본체(110)와 블레이드(120)를 포함하고, 환원제가 분사되는 노즐의 상류에 배치된다.

혼합기 본체(110)는 소정의 직경과 길이를 갖는 원통형으로 이루어진다. 혼합기 본체(110)는 배기가스와 환원제가 통과하는 배관(10)의 내측에 배치된다.

혼합기 본체(110)는 배관(10)의 내측에 배치되므로, 혼합기 본체(110)의 직경은 배관(10)의 내경보다 작은 것이 바람직하다.

이때, 혼합기 본체(110)의 중심축은 배관(10)의 중심축과 일치하도록 배치된다.

혼합기 본체(110)의 길이는 사용자의 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

혼합기 본체(110)의 선단부는 평면 형태로 이루어져 있으나, 사용자의 필요에 따라 소정의 원추 형태로 이루어질 수도 있다.

또한, 혼합기 본체(110)에서 후단으로는 소정의 직경과 깊이의 홈(114)이 형성된다. 홈(114)은 일정한 평면(114a)와 평면(114a)의 둘레를 따라 일정 높이와 두께로 돌출되는 테두리(114b)를 포함한다.

상기 홈(114)은 배관(10)을 통해 흐르는 혼합기의 유동의 박리를 지연시켜, 배관(10) 내에서의 차압이 5mbar를 초과하지 않도록 한다.

블레이드(120)는 소정의 면적을 갖는 사각형 플레이트 형태로서, 일단은 혼합기 본체(110)의 외주에 연결되고 타단은 배관(10)의 내주면에 연결된다.

블레이드(120)는 배관(10)을 통해 유동하는 배기가스와 환원제의 흐름 방향에 대하여 소정의 각도로 경사지게 배치된다.

블레이드(120)는 혼합기 본체(110)의 외주 둘레를 따라 일정 간격으로 복수개가 배치된다. 여기서, 도면에서 블레이드(120)의 배치 개수는 4개이지만 사용자의 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

복수의 블레이드(120)는 모두 동일한 크기와 형태로 이루어질 수 있다.

혼합기 본체(110)와 블레이드(120)는 배관(10)을 통과하는 배기가스의 온도에 대한 열내구성을 갖는 금속 재질로 제작되는 것이 바람직하다.

도 5는 배관내의 혼합기와 노즐의 배치 상태의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 혼합기(100)는 배관(10) 내에 배치된다. 여기서, 배관(10) 내의 소정 위치에는 환원제를 분사하는 노즐(12)이 배치된다. 노즐(12)의 분사 부위는 배관(10)의 중심축 상에 배치되는 것이 바람직하다. 이때, 혼합기(100)는 배관(10) 내에서 노즐(12)의 상류 즉, 배관(10)을 통해 이동하는 배기가스의 흐름상에서 노즐(12) 보다 상류에 배치되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 혼합기의 사용에 대해 살펴보기로 한다.

도 6는 도 2에 도시된 종래의 혼합기를 사용하였을 때 배관내에서의 배기가스의 흐름을 나타내고, 도 7은 도 3에 도시된 본 발명에 따른 혼합기를 사용하였을 때 배관내에서의 배기가스의 흐름을 나타낸다.

도 6와 도 7에서, 붉은색 선은 배기가스의 흐름을 나타낸다. 그리고, 도 6와 도 7에서 (a)는 배기가스의 흐름을 나타내는 측면도이고, (b)는 배기가스의 흐름을 나타내는 정면도이다.

도 6와 도 7을 참조하면, 배기가스가 통과하는 배관(10) 내에서 혼합기의 주변과 배관(10) 내주면에서 배기가스가 소정의 흐름을 형성함을 나타낸다.

도 6와 도 7에 도시된 흐름을 서로 비교하여 보기로 한다.

도 6에서는 혼합기(1) 주위에서만 배기가스가 소정의 흐름을 나타냄을 알 수 있다.

반면, 도 7을 참조하면, 혼합기 본체(110)와 블레이드(120)의 주위에서 배기가스의 흐름이 나타나고, 배관(10)의 내주면 상에서도 흐름이 나타남을 알 수 있다.

상기와 같이, 본 발명에 따른 혼합기(100)를 사용하였을 때 종래의 기술에 따른 혼합기(1)를 사용한 경우보다 배기가스의 흐름이 더 크게 나타나고 있고, 이는 배기가스와 환원제의 혼합율이 더 높게 이루어질 수 있음을 나타낸다.

본 발명에 따른 혼합기가 배치된 배관 내에서 배기가스와 환원제의 혼합특성을 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 배관(10) 내에서 혼합기(100)를 통과한 배기가스와 환원제는 진행 초기(C1)에는 배관(10) 중심측과 내주측에서의 유속차이가 크게 나타나고 있으나, 진행이 계속되며(C2, C3, C4) 유속이 점차 균일해짐을 알 수 있다. 유속의 균일화는 배기가스와 환원제가 서로 균일하게 혼합됨을 의미한다.

도 9는 본 발명에 따른 혼합기를 사용하는 배기 구조에서의 배기가스와 우레아의 혼합 상태를 나타내는 도면이다.

도 9를 참조하면, 배기가스와 우레아가 혼합된 후 배관을 통해 촉매 환원 장치(20)의 내측으로 유입된 상태에서, 배기가스와 우레아가 혼합되어 b1에서 b5로 진행하는 과정과 촉매 환원 장치의 내측에서 균일한 색상을 나타내고 있다. 본 발명에 따른 혼합기를 사용하는 경우 배기가스와 환원제인 우레아의 혼합이 균일하게 이루어지고 이는 균일하게 혼합된 상태에서 촉매 환원 장치까지 공급됨을 알 수 있다.

도 8과 도 9는 배기가스와 환원제인 우레아의 혼합 상태를 나타내는 것이 주목적이어서, 노즐의 도시를 생략하였으나, 혼합기의 후단으로는 노즐이 배치되는 것으로 인식되어야 한다.

본 발명은, 노즐에서 분사되는 우레아가 배기가스와 균일하게 혼합되도록 하고, 전체적으로 단순한 형상으로 제작되어 제작이 용이하고, 배관 내의 배압이 감소되도록 한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 혼합기
110: 혼합기 본체
120: 블레이드

Claims (3)

1. 선박 엔진에서 사용되는 선택적 촉매 환원 장치에서 배기가스와 노즐을 통해 상기 배기가스로 분사되는 환원제가 혼합되도록 하는 혼합기로서,
   상기 혼합기는,
   원통형상으로서 후단으로는 일정 깊이의 홈이 형성되는 혼합기 본체와,
   상기 혼합기 본체의 외주상에 일정 간격으로 배치되고, 단부는 배관의 내측에 고정되는 블레이드를 포함하고,
   상기 배기가스가 통과하는 상기 배관 내측으로 배치되되, 상기 환원제가 분사되는 상기 노즐의 상류에 배치되고,
   상기 홈은,
   일정한 평면과 상기 평면의 가장자리를 따라 일정 높이와 두께로 돌출되는 테두리를 포함하며, 상기 배관을 통해 흐르는 혼합기의 유동의 박리를 지연시켜, 상기 배관 내에서의 차압이 일정값을 초과하지 않도록 하는 촉매 환원 장치용 혼합기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 혼합기 본체의 중심축은,
   상기 배관의 중심축과 일치하게 배치되는 촉매 환원 장치용 혼합기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드는,
   상기 배기가스의 흐름에 대하여 일정 각도로 경사지게 배치되는 촉매 환원 장치용 혼합기.

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