KR102110625B1 - Scr 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 SCR 반응기에 고온의 스팀을 공급하여 SCR 반응기 내의 온도를 ABS(Ammonium Bisulfate:NH4HSO4) 기화 온도 이상으로 승온하지 않고도 ABS를 제거할 수 있도록 하는 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 배기가스 내의 유해 성분을 제거하는 SCR 촉매가 설치된 SCR 반응기; 상기 SCR 반응기 전단에 설치되어 배기가스를 상기 SCR 반응기로 유도하는 배기가스 라인; 상기 배기가스 라인에 연결되어 상기 SCR 반응기로 스팀을 공급하는 스팀 공급 라인; 및 상기 SCR 반응기의 전단과 후단을 연결하도록 설치되는 순환 라인;을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명은 SCR 반응기에 고온의 스팀을 공급하여 SCR 반응기 내의 온도를 ABS 기화 온도 이상으로 승온하지 않고도 ABS를 제거할 수 있게 됨에 따라, 연료 소모량을 최소화할 수 있게 되고, ABS를 제거함으로써, SCR 촉매의 부식을 막아 SCR 촉매의 성능을 향상시키고 수명을 연장시킬 수 있게 된다.

Description

SCR 시스템 및 그 제어 방법{SCR SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 SCR 반응기에 고온의 스팀을 공급하여 SCR 반응기 내의 온도를 ABS(Ammonium Bisulfate:NH4HSO4) 기화 온도 이상으로 승온하지 않고도 ABS를 제거할 수 있도록 하는 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 선박에는 선박을 추진시키기 위해 프로펠러를 구동하는 메인 엔진과 선박에 탑재된 각종 장비나 의장품 등에 전원을 공급하기 위한 다수의 발전용 엔진 등이 설치되어 운영되고 있다.
이러한 선박 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 환원제와의 화학적 반응을 통해 인체에 무해한 물과 질소로 분해한 후 배출시키는 장치이다.
즉, 배기가스가 SCR 시스템의 SCR 반응기를 통과하는 과정에서 배기가스에 포함된 질소 산화물(NOx)은 SCR 반응기 내부로 주입된 암모니아(NH3) 및 촉매와 접촉하게 된다.
암모니아(NH3) 및 촉매와 접촉한 질소 산화물(NOx)은 아래의 반응식에 의해 질소 가스(N2)와 물(H2O)로 환원반응이 발생하여 질소 산화물(NOx)이 제거된다.
N02+NO+2NH3 --> 2N2+3H2O
4NO+4NH3+O2 --> 4N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2 --> 3N2+6H2O
여기서 SCR 촉매는 압출 혹은 금속성 코팅이 형성된 다공질 촉매 필터로 이루어진 것으로서, 배기 라인에 설치된 SCR 반응기 내에 한 개 또는 두 개가 연속 설치되어 배기가스 내의 유해 성분을 제거하게 된다.
한편 SCR 시스템이 배기가스 내의 질소 산화물(NOx)을 제거할 때 ABS(Ammonium Bisulfate:NH4HSO4)와 같은 부산물이 생성되는데, ABS는 특정 온도(예를 들어, 340℃) 이상에서는 기체 상태가 되지만, 특정 온도 이하에서는 액체 상태가 된다.
즉, 선박이 항만에 정박하거나 공해상을 운행하는 경우, SCR 시스템은 운전을 정지하고, SCR 반응기의 전후 배관은 닫히게 되며, SCR 반응기 내부 온도는 상온으로 내려가게 된다. SCR 반응기 내부 온도가 상온으로 내려가게 되면, ECA(Emission Control Area) 지역 운전 중 SCR 반응기에서 생성된 ABS가 SCR 촉매에 달라붙어 고착되거나 부식을 초래하는 문제점이 있다.
ABS를 제거하기 위해 종래에는 별도의 가열 장치를 이용하여 SCR 반응기 내의 온도를 ABS 기화 온도(예를 들어, 340℃) 이상으로 유지해야 하므로, 추가로 연료가 소모되는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2014-0041098호(공개일 2014.04.04.)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, SCR 반응기에 고온의 스팀을 공급하여 SCR 반응기 내의 온도를 ABS 기화 온도 이상으로 승온하지 않고도 ABS를 제거할 수 있도록 하는 SCR 시스템 및 그 제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템은, 배기가스 내의 유해 성분을 제거하는 SCR 촉매가 설치된 SCR 반응기; 상기 SCR 반응기 전단에 설치되어 배기가스를 상기 SCR 반응기로 유도하는 배기가스 라인; 상기 배기가스 라인에 연결되어 상기 SCR 반응기로 스팀을 공급하는 스팀 공급 라인; 및 상기 SCR 반응기의 전단과 후단을 연결하도록 설치되는 순환 라인;을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템 제어 방법은, SCR 시스템의 운전 여부를 파악하는 과정; 및 상기 파악결과 SCR 시스템이 비운전중이면, 스팀 공급 라인을 통해 SCR 반응기로 스팀을 공급하는 스팀 공급 과정;을 포함하여 이루어지되, 상기 스팀 공급 과정은, SCR 반응기 전단과 후단에 각각 설치된 배기가스 라인을 폐쇄시키는 과정; 상기 스팀 공급 라인을 개방하여 상기 SCR 반응기로 스팀을 공급하는 과정; 및 순환 라인을 개방시키는 과정;을 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, SCR 반응기에 고온의 스팀을 공급하여 SCR 반응기 내의 온도를 ABS 기화 온도 이상으로 승온하지 않고도 ABS를 제거할 수 있게 됨에 따라, 연료 소모량을 최소화할 수 있게 된다.
또한, ABS를 제거함으로써, SCR 촉매의 부식을 막아 SCR 촉매의 성능을 향상시키고 수명을 연장시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 2는 ABS와 스팀의 화학반응 실험치를 예시적으로 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템 제어 방법을 설명하기 위한 처리도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 1에서 SCR 반응기(10)는 배기가스 내의 유해 성분을 제거하는 SCR 촉매(15)가 설치된다.
제1배기가스 라인(20)은 SCR 반응기(10) 전단에 설치되어, 엔진(미도시)의 배기가스를 SCR 반응기(10)로 유도한다.
제1배기 밸브(25)는 제1배기가스 라인(20)에 설치되며, 제어부(95)의 제어하에 개폐된다.
제2배기가스 라인(30)은 SCR 반응기(10) 후단에 설치되어 배기가스를 배출한다.
제2배기 밸브(35)는 제2배기가스 라인(30)에 설치되며, 제어부(95)의 제어하에 개폐된다.
바이패스 라인(40)은 엔진(미도시)에서 배출되는 배기가스를 SCR 반응기(10)를 거치지 않고 바이패스시켜 배출시킨다.
바이패스 밸브(45)는 바이패스 라인(40)에 설치되며, 제어부(95)의 제어 하에 개폐된다.
스팀 공급 라인(50)은 제1배기가스 라인(20)에 연결되어 SCR 반응기(10)로 스팀을 공급한다.
전술한 스팀 공급 라인(50)은 제1배기 밸브(25)와 SCR 반응기(10) 사이에서 제1배기가스 라인(20)에 연결되는 것이 바람직하다.
스팀 공급 밸브(55)는 스팀 공급 라인(50)에 설치되며, 제어부(95)의 제어 하에 개폐된다.
스팀 발생부(60)는 스팀을 발생시키는 것으로, 선박에 기설치되어 있는 보일러 등으로 구현될 수 있다.
순환 라인(70)은 SCR 반응기(10)의 전단과 후단을 연결하도록 설치된다.
순환 밸브(75)는 순환 라인(70)에 설치되며, 제어부(95)의 제어 하에 개폐된다.
순환 블로어(80)는 순환 라인(70)에 설치되며, 제어부(95)의 제어 하에 구동된다.
가열 장치(85)는 순환 라인(70)을 통해 순환되는 스팀을 가열한다.
온도 측정 수단(90)은 SCR 반응기(10) 내에 설치되어 온도를 측정하고, 측정된 온도를 제어부(95)로 실시간 인가한다.
제어부(95)는 SCR 시스템의 운전 여부를 확인하여 SCR 시스템 비운전시, SCR 반응기(10) 내로 스팀을 공급하여 SCR 반응기(10) 내의 온도를 ABS 기화 온도(예를 들어, 340℃) 이상으로 승온하지 않고도 ABS를 제거할 수 있도록 한다.
즉 제어부(95)는 SCR 시스템 운전시에는 제1배기 밸브(25)와 제2배기 밸브(35)를 개방 제어하여 제1배기가스 라인(20)과 제2배기가스 라인(30)은 개방하고, 바이패스 밸브(45)를 폐쇄 제어하여 바이패스 라인(40)은 폐쇄하여, 엔진(미도시)에서 배출되는 배기가스가 SCR 반응기(10)를 거치면서 배기가스 내 질소 산화물(NOx)이 제거된 후 배출되도록 한다.
이때 스팀 공급 밸브(55)와 순환 밸브(75)는 폐쇄 제어하여 스팀 공급 라인(50)과 순환 라인(70)은 폐쇄하는 것이 바람직하다.
한편 SCR 시스템 비운전시에는 제1배기 밸브(25)와 제2배기 밸브(35)를 폐쇄 제어하여 제1배기가스 라인(20)과 제2배기가스 라인(30)은 폐쇄하고, 바이패스 밸브(45)를 개방 제어하여 바이패스 라인(40)은 개방하여, 엔진(미도시)에서 배출되는 배기가스가 SCR 반응기(10)를 거치지 않고 배출되도록 한다.
이와 같이 배기가스가 SCR 반응기(10)를 거치지 않게 되면, SCR 반응기(10) 내부 온도가 점점 내려가게 된다.
따라서 제어부(95)는 스팀 공급 밸브(55)를 개방 제어하여 스팀 발생부(60)에서 생성된 스팀을 SCR 반응기(10)로 공급한다. 여기서 SCR 반응기(10)로 고온의 스팀을 공급할 때, 제어부(95)는 제1배기가스 라인(20)을 일부 개방하여 SCR 반응기(10) 내로 배기가스를 함께 유입함으로써, SCR 반응기(10)로 공급되는 스팀의 양을 줄일 수 있다.
이와 같이 SCR 반응기(10)로 고온의 스팀을 공급하게 되면, ABS가 고온의 스팀과 화학반응을 일으켜 SCR 반응기(10) 내의 온도를 ABS 기화 온도 이상으로 승온하지 않고도 ABS를 제거할 수 있게 된다.
이때 제어부(95)는 순환 밸브(75)를 개방 제어하여 순환 라인(70)을 개방시킴으로써, SCR 반응기(10)로 공급된 스팀이 순환되도록 하여 SCR 촉매 재생에 사용되는 스팀의 양을 절약할 수 있다.
또한 제어부(95)는 순환 블로어(80)를 구동시켜 SCR 반응기(10) 내의 스팀이 순환 라인(70)을 통해 원활히 순환되도록 하는 것이 바람직하다.
또한 제어부(95)는 온도 측정 수단(90)을 통해 SCR 반응기(10) 내의 온도를 실시간 감지하여 SCR 반응기(10) 내의 온도가 기설정된 온도 이하이면, 순환 라인(70)에 설치된 가열 장치(85)를 제어하여 순환 라인(70)을 통해 순환되는 스팀을 가열함으로써, SCR 반응기(10) 내의 스팀 온도를 스팀이 ABS와 화학반응을 일으켜 ABS를 제거하기에 적합한 온도(예를 들어, 150℃ 이상)로 유지할 수 있다.
이와 같이 SCR 반응기(10) 내로 고온의 스팀을 공급한 후, 일정 시간(고온의 스팀이 ABS와 화학반응을 일으켜 SCR 촉매에 달라붙은 ABS가 분해되는 데에 소요되는 시간)이 경과하면, 제어부(95)는 분해된 ABS가 포함된 배기가스를 밖으로 배출시킨다. 즉 제2배기 밸브(35)를 개방 제어하여 제2배기가스 라인(30)을 개방시킨 후, 분해된 ABS가 포함된 배기가스를 제2배기가스 라인(30)을 통해 밖으로 배출시킨다.
분해된 ABS를 포함하는 배기가스를 제2배기가스 라인(30)을 통해 밖으로 배출할 때, 제어부(95)는 SCR 반응기(10) 내로 공급되는 스팀의 양과 순환 라인(70)에 설치된 순환 블로어(80)의 회전 속도를 조절하여 제2배기가스 라인(30)을 통해 밖으로 배출되는 배기가스의 양을 조절할 수 있다.
도 2는 ABS와 스팀의 화학반응 실험치를 예시적으로 보인 도면으로, 도 2에 도시하는 바와 같이 스팀을 공급하게 되면, ABS 기화 온도(예를 들어, 340℃)보다 낮은 150℃의 온도에서도 ABS가 스팀과 화학반응을 일으켜 분해되는 것을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템 제어 방법을 설명하기 위한 처리도이다.
우선 제어부(95)는 SCR 시스템의 운전 여부에 따라 SCR 시스템 운전시에는 제1배기 밸브(25)와 제2배기 밸브(35)는 개방 제어하고, 바이패스 밸브(45)는 폐쇄 제어하여 엔진(미도시)에서 배출되는 배기가스가 SCR 반응기(10)를 거친 후 배출되도록 한다(S10, S12).
상기한 과정 S12에서 스팀 공급 밸브(55)와 순환 밸브(75)는 폐쇄 제어하는 것이 바람직하다.
한편 제어부(95)는 SCR 시스템 비운전시에는 제1배기 밸브(25)와 제2배기 밸브(35)는 폐쇄 제어하고, 바이패스 밸브(45)는 개방 제어하여 엔진(미도시)에서 배출되는 배기가스가 SCR 반응기(10)를 거치지 않고 바로 배출되도록 한다(S14).
이후 제어부(95)는 스팀 공급 밸브(55)를 개방 제어하여 스팀 공급 라인(50)을 개방시킨다(S16).
상기한 과정 S16에서 스팀 공급 라인(50)을 개방할 때, 제어부(95)는 제1배기가스 라인(20)을 일부 개방하여 SCR 반응기(10) 내로 배기가스를 유입시킴으로써, SCR 반응기(10)로 공급되어 SCR 촉매 재생에 사용되는 스팀의 양을 줄일 수 있다.
이후 제어부(95)는 순환 밸브(75)를 개방 제어하여 순환 라인(70)을 개방시킨다(S18). 이때 제어부(95)는 순환 블로어(80)를 구동시켜 SCR 반응기(10) 내로 유입된 스팀이 순환 라인(70)을 통해 원활히 순환되도록 한다.
그리고 제어부(95)는 온도 측정 수단(90)을 통해 SCR 반응기(10) 내의 온도를 실시간 감지하여(S20), SCR 반응기(10) 내의 온도가 기설정된 온도(예를 들어, 150℃) 이하면(S22:예), 가열 장치(85)를 제어하여 순환 라인(70)을 통해 순환되는 스팀을 가열하여 SCR 반응기(10) 내의 온도를 ABS가 스팀과 화학반응을 일으켜 ABS를 제거하기에 적합한 온도(예를 들어, 150℃) 이상으로 상승시켜 유지시킨다(S24).
한편 상기한 과정 S16을 통해 SCR 반응기(10) 내로 고온의 스팀을 공급한 후, 일정 시간이 경과했는지를 확인하여 일정 시간이 경과했으면(S26:예), 제2배기 밸브(35)를 개방 제어하여 제2배기가스 라인(30)을 개방시켜 분해된 ABS를 포함하는 배기가스가 제2배기가스 라인(30)을 통해 밖으로 배출되도록 한다(S28).
본 발명의 SCR 시스템 및 그 제어 방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
10. SCR 반응기, 15. SCR 촉매,
20. 제1배기가스 라인, 25. 제1배기 밸브,
30. 제2배기가스 라인, 35. 제2배기 밸브,
40. 바이패스 라인, 45. 바이패스 밸브,
50. 스팀 공급 라인, 55. 스팀 공급 밸브,
60. 스팀 발생부, 70. 순환 라인,
75. 순환 밸브, 80. 순환 블로어,
85. 가열 장치, 90. 온도 측정 수단,
95. 제어부

Claims (8)

  1. 배기가스 내의 유해 성분을 제거하는 SCR 촉매가 설치된 SCR 반응기;
    상기 SCR 반응기 전단에 설치되어 배기가스를 상기 SCR 반응기로 유도하는 제1배기가스 라인;
    상기 SCR 반응기 후단에 설치되어 상기 SCR 반응기를 통과한 배기가스를 배출하는 제2배기가스 라인;
    상기 제1배기가스 라인 및 상기 제2배기가스 라인에 각각 설치되는 제1배기 밸브 및 제2배기 밸브;
    상기 제1배기가스 라인에 연결되어 상기 SCR 반응기로 스팀을 공급하는 스팀 공급 라인; 및
    상기 SCR 반응기의 전단과 후단을 연결하도록 설치되어 상기 SCR 반응기에 공급된 스팀을 순환시키는 순환 라인;을 포함하고,
    상기 스팀 공급 라인은,
    상기 제1배기가스 라인에 설치된 제1배기 밸브와 상기 SCR 반응기 사이에서 상기 제1배기가스 라인에 연결되며,
    상기 SCR 반응기로 스팀을 공급할 때, 상기 SCR 반응기 전단에 설치된 제1배기가스 라인의 제1배기 밸브를 일부 개방시켜 상기 SCR 반응기로 배기가스의 일부를 함께 유입시키도록 설정된 제어부(95)를 포함하여 이루어지는 SCR 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 순환 라인에 설치되는 순환 블로어;를 더 포함하여 이루어지는 SCR 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 순환 라인을 통해 순환되는 스팀을 가열하는 가열 장치;를 더 포함하여 이루어지는 SCR 시스템.
  4. 삭제
  5. SCR 시스템의 운전 여부를 파악하는 과정; 및
    상기 파악결과 SCR 시스템이 비운전중이면, 스팀 공급 라인을 통해 SCR 반응기로 스팀을 공급하는 스팀 공급 과정;을 포함하여 이루어지되,
    상기 스팀 공급 과정은,
    SCR 반응기 전단과 후단에 각각 설치된 제1, 2 배기가스 라인을 폐쇄시키는 과정;
    상기 스팀 공급 라인을 개방하여 상기 SCR 반응기로 스팀을 공급하는 과정; 및
    순환 라인을 개방시켜 상기 SCR 반응기에 공급된 스팀을 순환시키는 과정;을 포함하며,
    상기 SCR 반응기로 스팀을 공급할 때, 상기 SCR 반응기 전단에 설치된 제1배기가스 라인의 제1배기 밸브를 일부 개방시켜 상기 SCR 반응기로 배기가스의 일부를 함께 유입시키는 과정; 을 더 포함하여 이루어지는 SCR 시스템 제어 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 스팀 공급 과정은,
    상기 순환 라인을 통해 순환되는 스팀을 가열하는 과정;을 더 포함하여 이루어지는 SCR 시스템 제어 방법.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 스팀 공급 과정은,
    상기 SCR 반응기로 스팀을 공급한 후, 일정 시간이 경과하면, 상기 SCR 반응기 후단에 설치된 제2배기가스 라인을 개방시키는 과정;을 더 포함하여 이루어지는 SCR 시스템 제어 방법.
  8. 삭제
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