KR102154364B1 - 환원제 분말을 이용한 scr 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 환원제 분말을 배기가스와 혼합하여 신속하게 분해된 상태로 SCR 챔버내로 공급되도록 함으로써, 장치를 소형화가 가능하여 공간 활용도를 높이고, 환원제의 분해가 용이하여 배기가스 처리 효율이 증대될 수 있도록 한 환원제 분말을 이용한 SCR 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 환원제 분말을 저장하는 저장탱크(100)와; 상기 저장탱크(100)로부터 환원제 분말을 공급하도록 구비되는 이젝터(130)와; 상기 이젝터(130)를 통해 공급되는 환원제 분말이 분해되어 분사되도록, 엔진으로부터 베출되는 배기가스가 통과되면서 SCR 챔버(160)의 전단에 연결되는 믹싱유닛(140)의 내부에 갖추어지는 이덕터(150)를 포함하는 것이다.

Description

환원제 분말을 이용한 SCR 시스템{SCR System Using Reductant Powder}
본 발명은 환원제 분말을 이용한 SCR 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 환원제 분말을 배기가스와 혼합하여 신속하게 분해된 상태로 SCR 챔버내로 공급되도록 함으로써, 장치를 소형화가 가능하여 공간 활용도를 높이고, 환원제의 분해가 용이하여 배기가스 처리 효율이 증대될 수 있도록 한 것이다.
선박에 사용되는 디젤 엔진에서 배출되는 배기가스 중 질소산화물은 국제연합(UN)의 산하기관인 IMO(International Maritime Organization, 국제 해사기구)로부터 배출규제를 받고 있는 대표적인 대기 오염물질들이다.
이러한 질소 산화물을 제거하기 위해 통상 선박용 디젤엔진에는 SCR 시스템을 설치하는데, 이러한 SCR 시스템에서는 SCR 챔버안으로 유입되는 배기 가스에 환원제인 우레아를 무화시켜 분사노즐을 통해 분사,주입함으로써, SCR 챔버 내부에 구비된 촉매에 의해 배기 가스의 질소산화물을 질소와 물로 환원시켜서 제거하도록 한다.
종래의 SCR 시스템에서는 반응기에 유입되는 배기 가스에 환원제를 주입하는 경우에, 탱크에 저장된 수용액 형태의 환원제인 우레아를 우레아 공급장치에 의해 무화시켜서 주입한다.
이와 같은 우레아 공급장치는 탱크에 저장된 수용액 형태의 우레아를 펌프에 의해 펌핑하여 공급함으로써 배기가스와 혼합하는데, 도면을 통해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 우레아 공급장치를 나타낸 개략도로서, 우레아 수용액을 저장하는 저장탱크(10)와, 이 저장탱크(10)로부터 우레아 수용액을 펌핑하는 펌프(20)와, 우레아 수용액을 SCR 챔버(30)안에 공급하여 분사되도록 SCR 챔버(30)에 연결되는 증발기(40)안에 구비되는 분사노즐(50)을 포함한 구조를 가진다.
상기 환원제인 우레아 수용액은 펌프(20)에 의해 분사노즐(50)로 공급되는데, 압축공기 공급라인(60)이 펌프(20)와 연결되어서 펌프(20)에 의해 펌핑되는 우레아 수용액과 합해진 다음, 분사노즐(50)을 통해 증발기(40)의 내부에 분사되어서 엔진으로부터 배출되는 배기가스와 혼합되어 SCR 챔버(30)의 내부를 통과하면서 배기가스내의 질소산화물을 분해하여 처리하게 된다.
그런데, 종래의 우레아 공급장치는, 환원제로서 우레아 수용액을 사용하는데, 우레아 수용액으로부터 암모니아 가스를 분리, 추출하기 위해서는 열분해 및 가수분해 과정이 필요하다.
이러한 우레아 수용액의 열분해 및 가수분해를 위한 에너지원으로는 엔진의 배기가스의 열과 운동에너지가 이용하는데, 우레아 수용액의 열분해 및 가수분해를 단시간에 이루기 위해서 분사노즐을 통해 고압의 우레아 수용액을 분사하면, 직경 300㎛ 이하의 미세액적(droplet)으로 분사되며, 액적의 직경이 작을 수록 단시간에 열분해((NH2)2CO→HNCO+NH3)되고, 열분해된 HNCO는 수분(H2O)과 반응하여 NH3 가스와 CO2 가스로 가수분해(HNCO+H2O→NH3+CO2)된다.
또한, 우레아 분해시간을 더 단축하기 수용액 분사노즐 후단에 믹서(mixer)를 설치, 난류도를 증가시켜 배기가스와 수용액 액적과의 혼합도를 증가시키고 있으며, 믹서가 설치되는 구간에 증발기(Vaporizer) 즉, 배기관(70)의 직경보다 큰 직경의 파이프를 설치, 배기가스 유속을 감소시킴으로써 액적과 혼합된 배기가스의 열분해 및 가수분해를 위한 체류시간을 확보하고 있으며, 선박용 대형엔진의 경우 증발기 길이는 약 1 ~ 7m에 달하고 있다.
특히, 분해반응을 위한 체류시간 확보를 위해 설치되는 증발기 길이는 액적의 직경과 관계되며, 분사 액적의 직경이 증발기 설계의 주요 변수이다.
엔진의 배기가스 대기 오염 물질인 NOx를 제거하기 위해 장착되는 SCR 시스템의 소형화를 위해서는 기존 우레아 수용액을 이용 환원제 공급장치의 소형화가 필요하다.
그러나, 종래의 환원제인 우레아는 저온의 수용액 상태로 분사노즐(50)을 통해 분사되는데, 분해를 위한 소정의 온도 즉, 최소 섭씨 193도 이상의 고온이 필요하며, 실제로는 300도 이상에서 분사된다.
따라서, 배기관(70)을 통해 엔진으로부터 발생되는 배기가스가 통과할 때, 우레아가 분사되는 증발기(40)에서 유속이 감소되도록 함으로써, 우레아의 분해가 이루어지도록 할 수 밖에 없어 증발기가 필수적으로 필요하였다.
따라서, 선박 엔진과 같이 대형 엔진인 경우에는 그 만큼 증발기의 사이즈도 커질 수 밖에 없어 공간을 많이 차지하게 되고, 그 만큼 비용도 상승하는 요인이 되는 문제점이 있는 것이다.
또한, 우레아 수용액은 분해 과정에서 발생되는 부산물(biuret, cyanuric acid, melamine)로 인해 분사노즐이 막히는 등의 문제점이 발생하기 때문에, 이러한 부산물을 제거하기 위해서, 반드시 플러싱 장치(flushing system)를 추가해야 하고, 플러싱 장치를 자주 사용해야 하므로, 그 만큼 관리 비용이 증가하는 등의 문제점이 있다.
또한, 부산물의 분해 촉진을 위하여 별도의 가수분해 촉매를 SCR 시스템에 설치하기도 하며, 추가의 열원(버너 등)에 의해 가열하여 암모니아로 분해시켜 공급하기도 하였다.
대한민국 등록특허 제 10-1048658호(공고일 : 2011.07.06)
이에 본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 종래보다 낮은 온도에서 분해가 가능한 환원제 분말을 이용하여 환원제를 공급하여 배기가스를 신속하게 처리할 수 있고, 장치의 소형화가 가능하여 저렴한 비용으로 설치할 수 있도록 한 환원제 분말을 이용한 SCR 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결 수단은, 환원제 분말을 저장하는 저장탱크와; 상기 저장탱크로부터 환원제 분말을 공급하도록 구비되는 이젝터와; 상기 이젝터를 통해 공급되는 환원제 분말이 분해되어 분사되도록, 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 통과되면서 SCR 챔버의 전단에 연결되는 믹싱유닛)의 내부에 갖추어지는 이덕터를 포함하는 것이다.
또한, 상기 이젝터는, 본체부와, 이 본체부의 내부 길이방향을 따라 압축공기가 통과되도록 형성되는 압축공기 통과로와, 본체부의 한쪽 측면에서 환원제 분말이 공급되어 상기 압축공기 통과로를 통과하는 압축공기에 의해 이동하도록 하는 공급관을 포함하는 것이다.
또한, 상기 환원제 분말은 암모늄 카보네이트(ammonium carbonate) 또는 암모늄 카바메이트(ammonium carbamate)로 이루어지는 것이다.
또한, 상기 믹싱유닛은 배기가스가 통과되도록 하는 배기관과 연결되는 배관으로 이루어지고, 상기 배관은 배기관과 동일한 직경으로 연결되는 것이다.
또한, 상기 이덕터는, 환원제 분말이 공급되는 공급라인과 연결되는 연결관과, 이 연결관과 연결되면서 환원제가 분사되도록 하는 분사관과, 상기 연결관의 원주방향으로 배기가스가 흡입되어 분사관을 통과하도록 하는 흡입구를 포함하는 것이다.
또한, 상기 분사관의 내부에는 하나 이상의 믹서가 갖추어지는 구조이다.
이와 같이, 본 발명은 환원제 분말을 이용하여 공급하므로, 종래의 우레아 수용액에 비해 저장탱크의 크기를 50% 이상 소형화가 가능하여 협소한 선박 SCR 시스템에 적용 가능하다.
또한, 환원제 분말을 직접 배관의 내부에 공급 및 분사되도록 하므로, 종래의 우레아 수용액을 제조하는 전처리 과정을 생략할 수 있고, 그에 따라 공정 비용을 줄일 수 있는 것이다.
또한, 본 발명은 환원제 분말의 분해온도가 낮아 신속하게 분해될 수 있어, 저온(섭씨 250도 이하) SCR 시스템에도 적용가능하며, 대용량 분말 저장탱크를 적용할 수 있고, 종래의 우레아 수용액 대비 암모니아 가스 발생량이 더 많아질 수 있다.
또한, 본 발명은 환원제 분말이 분해온도가 낮으므로, 쉽게 분해될 수 있어 믹싱유닛 및 믹서의 크기를 소형화할 수 있다.
또한, 본 발명은 분사되는 환원제로부터 부산물이 생성되지 않아 공급라인, 믹싱유닛, 이덕터 등에 부산물에 의한 막힘현상이 발생하지 않는다.
도 1은 종래의 SCR 시스템의 환원제 공급장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SCR 시스템의 환원제 분말 공급장치를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SCR 시스템의 환원제 분말 공급장치의 이젝터 및 이덕터의 결합관계를 나타낸 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SCR 시스템의 환원제 분말 공급장치의 이덕터의 사시도이다.
도 5는 도 4의 단면 사시도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 예시도면에 의거 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SCR 시스템의 환원제 분말 공급장치를 도시한 개략도로서, 도면에 도시된 바와 같이, 환원제 분말을 저장하는 저장탱크(100)와, 이 저장탱크(100)로부터 환원제 분말을 공급하도록 하는 공급라인(101)과 연결되는 진공 컨베이어(110)와, 이 진공 컨베이어(110)와 연결되어서 진공 컨베이어(110)를 통해 저장탱크(100)안의 환원제 분말을 이송받는 피더(feeder)(120)와, 이 피더(120)로부터 환원제 분말을 공급받는 이젝터(130)와, 이 이젝터(130)와 공급라인(102)을 통해 연결되어 공급되는 환원제 분말을 분사하도록 배기가스가 통과되는 믹싱유닛(140)의 내부에 갖추어지는 이덕터(eductor)(150)를 포함한 구조이다.
상기 환원제 분말은 암모늄 카보네이트(ammonium carbonate) 또는 암모늄 카바메이트(ammonium carbamate)를 사용한다.
또한, 상기 저장탱크(100)는 단열재(103)로 처리되고, 상부에는 충전캡(104), 온도 게이지(105), 압력 게이지(106), 안전밸브(107) 등이 갖추어진다.
상기 공급라인(101)(102)상에는 각각 개폐밸브(101a)(102a)가 갖추어진다.
또한, 진공 컨베이어(110)와 피더(120) 사이의 공급라인(111)상에는 개폐밸브(111a)가 마련된다.
또한, 피더(120)와 이젝터(130) 사이에 연결되는 공급라인(121)은 막힘을 해소하기 위한 플러싱 에어(flushing air)를 공급할 수 있도록 플러싱 에어 공급라인(122)과 개폐밸브(122a)가 갖추어질 수 있다.
상기 플러싱 에어 공급라인(122)은 슈트(123)와 연결되어서 플러싱 에어를 슈트(123)를 거쳐서 공급라인(121)으로 공급하여 막힘 현상을 해소한다.
상기 진공 컨베이어(110)는 환원제 분말을 받는 호퍼(110a)와, 이 호퍼(110a)의 상부에 블로워 모터(110b)를 구비하여, 외부 공기를 흡입하여 저장탱크(100)안의 환원제 분말을 피더(120)로 이송시키고, 피더(120)에서는 진공 컨베이어(110)로부터 이송된 환원제 분말을 받는 호퍼(120a)와, 환원제 분말이 잘 혼합되도록 교반해주는 교반기와, 이 교반기의 하부에 맞물려서 환원제 분말을 하부로 이송시키는 한쌍의 이송기어가 마련되며, 이 피더(120)로부터 슈트(123)(chute)를 거쳐서 이젝터(130)로 환원제 분말을 공급라인(121)을 통해 이송시키는데, 이젝터(130)에서 압축공기를 통해 환원제 분말을 이덕터(150)쪽으로 압송하여 분사되도록 한다.
이러한 진공 컨베이어(110)와 피더(120)는 공지의 장치로서 구체적인 구조 및 동작설명은 생략한다.
또한, 이젝터(130)는 도 3에 도시된 바와 같이, 본체부(131)와, 이 본체부(131)의 내부 길이방향을 따라 압축공기가 통과되도록 형성되는 압축공기 통과로(132)와, 본체부(131)의 한쪽 측면에서 환원제 분말이 공급되어 상기 압축공기 통과로(132)를 통과하는 압축공기에 의해 이동하도록 하는 공급관(133)을 포함한 구조이다.
상기 이젝터(130)에는 레귤레이터(134)가 연결되어서 환원제 분말이 공압에 의해 일정하게 제어되면서 이젝터(130)로 흡입되도록 한다.
또한, 상기 믹싱유닛(140)은 SCR 챔버(160)와 연결되어서 분사된 환원제 분말과 배기가스가 혼합되어 통과되도록 함으로써 배기가스의 처리가 이루어지도록 한다.
또한, 상기 믹싱유닛(140)은 엔진(도시되지 않음)의 구동으로 발생되는 배기가스가 통과되도록 하는 배기관(161)과 연결되는 배관(141)으로 형성된다.
상기 배관(141)은 종래의 증발기와 달리 배기관(161)과 동일한 직경으로 연결된다.
또한, 상기 이덕터(150)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 이젝터(130)로부터 환원제 분말이 공급되도록 구비되는 공급라인(102)과 연결되는 연결관(151)과, 이 연결관(151)과 연결되면서 환원제가 분사되도록 하는 분사관(152)을 포함한다.
또한, 상기 분사관(152)의 내부에는 하나 이상의 믹서(153)가 갖추어지는데, 상기 믹서(153)는 여러가지 형태로 구비될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 믹서(153)는 원형을 이루면서 분사관(152)의 내주면에 고정되는 프레임(153a)과, 이 프레임(153a)의 원주방향을 따라 간격을 두고 복수 구비되는 블레이드(153b)를 포함한다.
또한, 상기 연결관(151)의 원주방향으로는 배기가스가 흡입되어 분사관(152)을 통과하도록 하는 흡입구(154)가 형성된다.
따라서, 상기 공급라인(102)을 통해 공급되는 환원제 분말이 이덕터(150)의 내부를 통과하는 경우, 엔진으로부터 발생되는 배기가스가 배기관(161)을 지나서 믹싱유닛(140)의 배관(141)안으로 유입되면, 이덕터(150)의 연결관(151)을 지나서 분사관(152)의 내부로 환원제 분말이 공급됨과 동시에, 유입된 배기가스가 흡입구(154)를 통해 분사관(152)안으로 공급되어 환원제 분말과 혼합된다.
상기 환원제 분말은 배기가스와 만나면서 믹서(143)를 통해 혼합되면서 분사되어 SCR 챔버(160)안으로 공급되는데, 이때 환원제 분말은 고체에서 기체로 승화되어 암모니아 가스가 발생되어 SCR 챔버(160)를 거치면서 배기가스를 처리한다.
상기 환원제 분말은 암모늄 카보네이트(ammonium carbonate) 또는 암모늄 카바메이트(ammonium carbamate)를 사용하는데, 암모늄 카보네이트인 경우, 섭씨 58도 이상 또는 암모늄 카바메이트인 경우 60도 이상에서 고체에서 기체로 승화하여 암모니아 가스로 분해되는 특성을 가진다.
또한, 본 발명에 따른 환원제 분말은 분해 과정 및 비가역 과정중 부산물의 발생이 없기 때문에, 섭씨 300도 이상의 고온의 SCR 배관 내에서 환원제 분말을 직접 분사,공급함으로써 분해온도가 낮고, 분해시간도 짧아져서 종래의 우레아 수용액 대비 4배 이상 빨리 암모니아 가스로 변환될 수 있으므로, 종래의 증발기가 필요없게 된다.
한편, 섭씨 300도 미만에서 운전하는 저온 SCR 시스템의 경우, 우레아 수용액으로부터 암모니아 가스로 분해가 어렵기 때문에, 별도의 가열장치를 이용하여 암모니아 가스를 생성하여 SCR시스템에 공급하지만, 본 발명에 따른 환원제 분말을 이용한 장치에서는 별도의 가열수단을 마련하지 않아도 충분히 암모니아 가스의 생성이 가능하여 저온 SCR 시스템에서도 적용이 가능한 것이다.
또한, 본 발명은 종래의 우레아 수용액 대비 암모니아 가스 발생량이 최대 2.5배/L에 달하여 종래의 우레아 수용액 대비 저장탱크의 크기를 1/2 이상 줄일 수 있고, 가역, 비가역 반응시 부산물의 생성이 없기 때문에, 공급라인(101)(102) 및 믹싱유닛(140), 이덕터(150) 등에서 부산물에 의한 막힘 현상이 발생하지 않는다.
이상에서는 첨부도면에 도시된 본 발명의 구체적인 실시 예를 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명의 바람직한 형태에 대한 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 보호 범위가 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이상과 같은 본 발명의 실시 예는 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 및 균등한 다른 실시가 가능한 것이며, 이러한 변형 및 균등한 다른 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위에 속한다.
10 : 저장탱크
20 : 펌프
30 : SCR 챔버
31 : 배기관
40 : 증발기
50 : 분사노즐
100 : 저장탱크
101,102 : 공급라인
103 : 단열재
104 : 충전캡
105 : 온도 게이지
106 : 압력 게이지
107 : 안전밸브(safety valve)
110 : 진공 컨베이어
110a : 호퍼
110b : 블로워 모터
111 : 공급라인
111a : 개폐밸브
120 : 피더
120a : 호퍼
121 : 공급라인
122 : 공급라인
122a : 개폐밸브
123 : 슈트
130 : 이젝터
131 : 본체부
132 : 압축공기 통과로
133 ; 공급관
134 : 레귤레이터(regulator)
140 : 믹싱유닛
141 : 배관
150 : 이덕터
151 ; 연결관
152 : 분사관
153 : 믹서
153a : 프레임
153b : 블레이드
154 : 흡입구
160 ; SCR 챔버
161 : 배기관

Claims (6)

  1. 환원제 분말을 저장하는 저장탱크(100)와;
    상기 저장탱크(100)로부터 환원제 분말을 공급하도록 구비되는 이젝터(130)와;
    상기 이젝터(130)를 통해 공급되는 환원제 분말이 분해되어 분사되도록, 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 통과되면서 SCR 챔버(160)의 전단에 연결되는 믹싱유닛(140)의 내부에 갖추어지는 이덕터(150); 를 포함하며,
    상기 이덕터(150)는,
    환원제 분말이 공급되는 공급라인(102)과 연결되는 연결관(151)과, 이 연결관(151)과 연결되면서 환원제가 분사되도록 하는 분사관(152)과, 상기 연결관(151)의 원주방향으로 배기가스가 흡입되어 분사관(152)을 통과하도록 하는 흡입구(154)를 포함하는 것을 특징으로 하는 환원제 분말을 이용한 SCR 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이젝터(130)는,
    본체부(131)와, 이 본체부(131)의 내부 길이방향을 따라 압축공기가 통과되도록 형성되는 압축공기 통과로(132)와, 본체부(131)의 한쪽 측면에서 환원제 분말이 공급되어 상기 압축공기 통과로(132)를 통과하는 압축공기에 의해 이동하도록 하는 공급관(133)을 포함하는 것을 특징으로 하는 환원제 분말을 이용한 SCR 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 환원제 분말은 암모늄 카보네이트(ammonium carbonate) 또는 암모늄 카바메이트(ammonium carbamate)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 환원제 분말을 이용한 SCR 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 믹싱유닛(140)은 배기가스가 통과되도록 하는 배기관(161)과 연결되는 배관(141)으로 이루어지고, 상기 배관(141)은 배기관(161)과 동일한 직경으로 연결되는 것을 특징으로 하는 환원제 분말을 이용한 SCR 시스템.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 분사관(152)의 내부에는 하나 이상의 믹서(153)가 갖추어지는 것을 특징으로 하는 환원제 분말을 이용한 SCR 시스템.
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