KR102162604B1 - 선택적 촉매 환원 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따르면 선택적 촉매 환원 반응기는 서로 대향하며 평평한 제1 측면 및 제2 측면, 상기 제1 측면 및 상기 제2 측면의 양측 단변에 각각 연결되며 곡면으로 형성된 제3 측면 및 제4 측면, 상기 제1 측면 및 상기 제2 측면의 일측 장변에 각각 연결되며 곡면으로 형성된 제5 측면, 그리고 상기 제1 측면 및 상기 제2 측면의 타측 장변에 각각 연결되며 상기 제5 측면보다 상대적으로 곡률 반경이 작은 볼록한 곡면으로 형성된 제6 측면을 포함하는 용기 형상의 본체부와, 상기 본체부의 상기 제1 측면의 타측 장변 및 상기 제2 측면의 타측 장변 사이에 형성되어 상기 제6 측면의 내부 공간을 상기 제1 측면 및 상기 제2 측면 사이의 공간과 구분되도록 구획하되 일영역이 개구된 격벽부와, 상기 격벽부에 의해 구획된 상기 본체부의 상기 제6 측면의 내부 공간과 연결된 배기가스 유입부, 그리고 상기 본체부의 상기 제3 측면 또는 상기 제4 측면에 연결된 배기가스 배출부를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 반응기{REACTION FOR SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION}
본 발명은 선택적 촉매 환원 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 선택적 촉매 환원 반응을 통해 저감시키는 선택적 촉매 환원 반응기에 관한 것이다.
산업화가 급속하게 진전됨에 따라 석유나 석탄과 같은 각종 화석 연료의 사용량이 증가하게 되었다. 이로 인하여 화석 연료의 연소 과정에서 배출되는 각종 유해 가스가 심각한 대기 오염을 야기하고 있다. 대표적인 예로서 스모그(Smog) 현상이나 산성비 등을 들 수 있다.
대기 오염의 주범으로는 차량 및 선박의 엔진 또는 화력 발전소나 공장 등으로부터 배출되는 배기가스의 황산화물(SOx)이나 질소산화물(NOx)이 있다.
근래에는 환경 보존에 대한 인식이 높아짐에 따라 이러한 황산화물과 질소산화물에 대한 배출규제가 도입되고 있다.
특히, 질소산화물을 저감시키기 위한 대표적인 설비로 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템이 있다. 선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.
이러한 선택적 촉매 환원 시스템이 선박에 사용될 경우, 선박용 디젤 엔진에서 배출되는 질소산화물(NOx)의 배출량이 국제 해사 기구(International Maritime Organization)에서 규정한 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III)를 만족시킬 수 있어야 하므로, 저비용 고효율의 탈질 설비와 함께 효과적인 운용 방법이 요구되고 있다.
한편, 선박의 한정된 공간으로 인하여, 선박에 사용되는 선택적 촉매 환원 시스템에는 간소화가 요구되고 있다.
그런데, 종래의 선택적 촉매 환원 시스템에서는, 요소수 형태로 분사되는 환원제를 암모니아로 분해시키거나 암모니아수 형태로 분사되는 환원제를 기화시키기 위한 기화기와, 암모니아와 질소산화물의 반응을 촉진시키기 위한 촉매가 내장된 반응기가 별도로 분리되어 있다.
이와 같이, 기화기와 반응기가 별도로 분리되어 설치됨에 따라, 선택적 촉매 환원 시스템의 전체적인 설치 공간이 증가된다. 또한, 기화기와 반응기를 각각 별도로 유지 관리하여야 하므로, 기화기와 반응기를 각각 유지 관리하기 위한 공간도 별도로 요구된다. 그리고 기화기와 반응기를 별도로 유지 관리하기 위해 요구되는 시간과 노력도 커지게 된다.
또한, 배관을 통해 기화기의 후단을 반응기의 전단과 연결해야 하는데, 설치 공간의 제약으로 기화기와 반응기의 설치에 제약이 따르거나 이들을 연결하기 위한 배관이 불필요하게 길어지거나 복잡해지는 문제점이 있다.
또한, 종래에 사용되던 반응기는 고압의 배기가스를 견디기 위하여 전형적인 압력 용기 형상인 원통형으로 형성된다. 그런데, 이러한 원통형 형상은 내부에 촉매를 적재하기도 불편할 뿐만 아니라 통상적으로 직육면체의 공간인 선박의 엔진룸에 반응기가 탑재될 때 데드 스페이스(Dead Space)를 증가시키는 문제점도 있다.
본 발명의 실시예는 공간 활용도를 향상시켜 설치에 요구되는 공간과 설치 시 발생되는 데드 스페이스(Dead Space)를 최소화할 수 있는 선택적 촉매 환원 반응기를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 반응기는 서로 대향하며 평평한 제1 측면 및 제2 측면, 상기 제1 측면 및 상기 제2 측면의 양측 단변에 각각 연결되며 곡면으로 형성된 제3 측면 및 제4 측면, 상기 제1 측면 및 상기 제2 측면의 일측 장변에 각각 연결되며 곡면으로 형성된 제5 측면, 그리고 상기 제1 측면 및 상기 제2 측면의 타측 장변에 각각 연결되며 상기 제5 측면보다 상대적으로 곡률 반경이 작은 볼록한 곡면으로 형성된 제6 측면을 포함하는 용기 형상의 본체부와, 상기 본체부의 상기 제1 측면의 타측 장변 및 상기 제2 측면의 타측 장변 사이에 형성되어 상기 제6 측면의 내부 공간을 상기 제1 측면 및 상기 제2 측면 사이의 공간과 구분되도록 구획하되 일영역이 개구된 격벽부와, 상기 격벽부에 의해 구획된 상기 본체부의 상기 제6 측면의 내부 공간과 연결된 배기가스 유입부, 그리고 상기 본체부의 상기 제3 측면 또는 상기 제4 측면에 연결된 배기가스 배출부를 포함한다.
상기한 선택적 촉매 환원 반응기는 상기 본체부의 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이의 공간에 배치된 촉매를 더 포함할 수 있다.
상기 본체부의 상기 제1 측면 또는 상기 제2 측면에 촉매 입출 도어부가 형성될 수 있다.
한편, 상기 본체부의 상기 제4 측면에 촉매 입출 도어부가 형성될 수도 있다.
상기 촉매 입출 도어부는 원형, 타원형, 또는 사각형일 수 있다.
상기 배기가스 유입부에는 환원제 분사부가 장착될 수 있다. 그리고 상기 배기가스 유입부에는 믹서가 결합될 수 있다.
상기 배기가스 유입부는 상기 제4 측면보다 상기 제3 측면에 상대적으로 인접한 상기 제6 측면의 일영역에 연결되고, 상기 격벽부의 개구된 일영역은 상기 제3 측면보다 상기 제4 측면에 상대적으로 인접한 위치에 형성되며, 상기 배기가스 배출부는 상기 제3 측면에 연결될 수 있다.
한편, 상기 배기가스 유입부는 상기 제4 측면보다 상기 제3 측면에 상대적으로 인접한 상기 제6 측면의 일영역에 연결되고, 상기 격벽부의 개구된 일영역은 상기 제4 측면보다 상기 제3 측면에 상대적으로 인접한 위치에 형성되며, 상기 배기가스 배출부는 상기 제4 측면에 연결될 수도 있다.
그리고 상기 배기가스 유입부로 유입된 배기가스를 상기 제4 측면 방향으로 이동시킨 후 이동 방향을 전환시켜 상기 격벽부의 개구된 일영역으로 안내하는 가이드 플레이트가 상기 제6 측면의 내부 공간에 형성될 수 있다.
상기 가이드 플레이트는 상기 본체부의 상기 제6 측면의 내부 공간의 일부를 2분할할 수 있다.
또한, 상기 가이드 플레이트는 이중으로 마련되어 상기 본체부의 상기 제6 측면의 내부 공간의 일부를 3분할할 수도 있다.
상기 배기가스 배출부는 상기 배기가스 유입부가 개구된 방향과 평행한 방향으로 개구될 수 있다.
또한, 상기 배기가스 배출부는 상기 배기가스 유입부가 개구된 방향과 교차하는 방향으로 개구될 수도 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 반응기는 상기 본체부를 바닥면으로부터 이격시켜 지지하는 지지 프레임을 더 포함할 수 있다.
상기 본체부의 상기 제5 측면이 하부에 위치하고 상기 제6 측면이 상부에 위치할 수 있다.
또한, 상기 본체부의 상기 제5 측면이 상부에 위치하고 상기 제6 측면이 하부에 위치할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 반응기는 공간 활용도를 향상시켜 설치에 요구되는 공간과 설치 시 발생되는 데드 스페이스(Dead Space)를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 선택적 촉매 환원 반응기의 정면도이다.
도 3은 도 1의 선택적 촉매 환원 반응기의 측면도이다.
도 4는 도 1의 선택적 촉매 환원 반응기의 일부에 대한 내부 투영 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예의 변형례에 따른 선택적 촉매 환원 반응기를 나타낸 사시도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기에 사용 가능한 촉매 유출입 도어부의 형상들을 나타낸 사시도들이다.
도 8은 도 4의 수직 방향 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기에 사용 가능한 믹서의 종류와 결합 과정을 나타낸 정면도들이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기를 나타낸 사시도이다.
도 12는 도 11의 선택적 촉매 환원 반응기의 내부 투영 사시도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예의 변형례에 따른 선택적 촉매 환원 반응기를 나타낸 사시도이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기의 내부 투영 사시도이다.
도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기를 나타낸 측면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축척에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(101)를 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(101)는 동력 장치에서 배출된 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템에 사용된다. 일례로, 동력 장치는 선박에 추진력을 공급하는 주동력원으로 사용되는 디젤 엔진일 수 있다. 또한, 디젤 엔진은 선박용 2행정 저속 디젤 엔진일 수 있다.
하지만, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 동력 장치는 플랜트용 내연기관이거나 차량용 엔진일 수도 있다. 즉, 동력 장치로는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 종류의 엔진이 사용될 수 있다.
동력 장치에서 배출된 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스는 배기 유로를 통해 이동한다. 즉, 배기 유로는 동력 장치인 디젤 엔진의 배기구와 연결되어 디젤 엔진의 배기가스를 배출시키며 선택적 촉매 환원 반응기(101)와 연결될 수 있다.
도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(101)는 본체부(300), 격벽부(401), 배기가스 유입부(510), 및 배기가스 배출부(591)를 포함한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(101)는 촉매(200), 촉매 입출 도어부(551), 환원제 분사부(700), 믹서(751), 지지 프레임(800), 및 지지 브래킷(850)을 더 포함할 수 있다.
본체부(300)는 사각통과 원통이 혼합된 용기 형상으로 형성된다.
구체적으로, 본체부(300)는 서로 대향하며 평평한 사각형의 제1 측면(310) 및 제2 측면(320), 제1 측면(310) 및 제2 측면(320)의 양측 단변에 각각 연결되며 곡면으로 형성된 제3 측면(330) 및 제4 측면(340), 제1 측면(310) 및 제2 측면(320)의 일측 장변에 각각 연결되며 곡면으로 형성된 제5 측면(350), 그리고 제1 측면(310) 및 제2 측면(320)의 타측 장변에 각각 연결되며 제5 측면(350)보다 상대적으로 곡률 반경이 작은 볼록한 곡면으로 형성된 제6 측면(360)을 포함할 수 있다.
즉, 사각형 평면인 제1 측면(310)과 제2 측면(320)이 서로 마주하고, 제1 측면(310)과 제2 측면(320)의 각 변들을 연결하는 제3 측면(330), 제4 측면(340), 제5 측면(350), 및 제6 측면(360)은 곡면으로 형성될 수 있다. 이때, 제3 측면(330)과 제4 측면(340)이 서로 대향하며, 제5 측면(350)과 제6 측면(360)이 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 그리고 제6 측면(360)은 제5 측면(350)보다 곡률 반경이 작으며 반원통 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 제3 측면(330), 제4 측면(340), 제5 측면(350), 및 제6 측면(360)은 모두 외측으로 볼록한 곡면일 수 있다. 하지만, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 제6 측면(360)을 제외한 제3 측면(330), 제4 측면(340), 및 제5 측면(350) 중 선택된 일부는 오목한 곡면일 수도 있다.
전술한 바와 같이, 제3 측면(330), 제4 측면(340), 제5 측면(350), 및 제6 측면(360)은 반원통 형상이거나 만곡된 곡판 형상일 수 있다.
또한, 제3 측면(330)과 제5 측면(350)이 연결되는 부위, 제3 측면(330)과 제6 측면(360)이 연결되는 부위, 제4 측면(340)과 제5 측면(350)이 연결되는 부위, 그리고 제4 측면(340)과 제6 측면(360)이 연결되는 부위도 각각 곡면으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서는, 본체부(300)의 제5 측면(350)이 하부에 위치하고 제6 측면(360)이 상부에 위치할 수 있다.
격벽부(401)는 본체부(300)의 제1 측면(310)의 타측 장변과 제2 측면(320)의 타측 장변 사이에 형성된다. 도 4에 도시한 바와 같이, 격벽부(401)는 제6 측면(360)의 내부 공간을 제1 측면(310) 및 제2 측면(320) 사이의 공간과 구분되도록 구획하되 일영역(419)이 개구된다. 특히, 본 발명의 제1 실시예에서, 격벽부(401)의 개구된 일영역(419)은 제3 측면(330)보다 제4 측면(340)에 상대적으로 인접한 위치에 형성될 수 있다. 이때, 제6 측면(360)의 내부 공간은 제1 측면(310) 및 제2 측면(320) 사이의 공간 보다 상대적으로 작게 형성된다. 그리고, 제1 측면(310) 및 제2 측면(320) 사이의 공간은 후술할 촉매(200)를 적재할 촉매 적재 공간이 된다.
배기가스 유입부(510)는 격벽부(401)에 의해 구획된 본체부(300)의 제6 측면(360)의 내부 공간과 연결된다. 즉, 배기가스는 배기가스 유입부(510)를 통해 제6 측면(360)의 내부 공간으로 유입된 후 격벽부(401)의 개구된 일영역(419)을 통해 제1 측면(310)과 제2 측면(320) 사이의 공간, 즉 촉매 적재 공간으로 이동하게 된다. 이와 같이, 제1 측면(310)과 제2 측면(320) 사이의 공간에는 후술할 촉매(200)가 배치되며, 배기가스는 촉매(200)를 거치면서 함유된 질소산화물(NOx)이 저감된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서 배기가스 유입부(510)는 제4 측면(540)보다 제3 측면(530)에 상대적으로 인접한 제6 측면(560)의 일영역에 연결될 수 있다.
또한, 도 4에서는, 배기가스 유입부(510)의 일단부가 본체부(300)의 내부로 삽입된 형태를 나타내나, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 배기가스 유입부(510)는 일단부가 본체부(300)의 내부로 삽입되지 않고 본체부(300)에 연결될 수 있다.
배기가스 배출부(590)는, 앞서 도 1에 도시한 바와 같이, 본체부(300)의 제3 측면(330) 또는 제4 측면(340)에 연결될 수 있는데, 본 발명의 제1 실시예에서는 배기가스 배출부(591)가 제3 측면(330)에 연결될 수 있다.
이에, 본 발명의 제1 실시예에서는, 배기가스 유입부(510)를 통해 제4 측면(540)보다 제3 측면(530)에 상대적으로 인접한 제6 측면(560)의 일영역으로 유입된 배기가스가 제6 측면(560)의 내부 공간을 따라 이동하여 제3 측면(330)보다 제4 측면(340)에 상대적으로 인접한 격벽부(401)의 개구된 일영역(419)을 통해 제1 측면(310)과 제2 측면(320) 사이의 공간으로 이동하고, 제1 측면(310)과 제2 측면(320) 사이의 공간에 배치된 촉매(200)를 거친 후 제3 측면(330)에 연결된 배기가스 배출부(591)를 통해 배출된다.
이때, 본체부(300)의 제6 측면(360)과 제4 측면(340)이 연결되는 부위도 곡면으로 형성된다. 따라서 제6 측면(360)의 내부 공간으로 이동하던 배기가스는 제6 측면(360)과 제4 측면(340)이 연결되는 부위의 곡면에 부딪혀 자연스럽게 격벽부(401)의 개구된 일영역(419)으로 유도될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 배기가스 배출부(591)는 배기가스 유입부(510)가 개구된 방향과 평행한 방향으로 개구될 수 있다.
하지만, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예의 변형례에 따르면, 배기가스 배출부(592)가 배기가스 유입부(510)가 개구된 방향과 교차하는 방향으로 개구될 수도 있다. 이와 같이, 배기가스 배출구(591, 592)를 다양한 각도와 방향으로 형성함으로써, 선택적 촉매 환원 반응기(101)를 한정적인 공간에서 사용할 때 다양한 방향과 각도로 자유롭게 설치할 수 있다. 즉, 선택적 촉매 환원 반응기(101)의 전후단을 배기 유로와 일 방향으로만 연결함으로써 설치할 때 발생되는 공간적인 제약을 해소할 수 있다.
촉매(200)는, 앞서 도 2에 도시한 바와 같이, 본체부(300)의 제1 측면(310)과 제2 측면(320) 사이의 공간에 마련된 촉매 적재 공간에 배치된다. 즉, 본체부(300)에서 촉매(200)가 설치되는 공간은 원통 형상이 아니며 사각통 형상이므로, 촉매(200)를 용이하게 설치할 수 있을 뿐만 아니라 원통 형상의 공간에 촉매(200)를 설치하는 경우보다 데드 스페이스(Dead Space)를 크게 감소시킬 수 있다.
촉매(200)는 모듈 형태로 배치될 수 있으며, 복수의 촉매 모듈이 본체부(300) 내부에서 배기가스가 이동하는 방향에 교차하는 방향으로 적재되어 복수의 촉매층을 형성한다. 이러한 복수의 촉매층은 본체부(300) 내부에서 배기가스가 이동하는 방향을 기준으로 이격 배열될 수 있다.
또한, 복수의 촉매 모듈은 육면체로 형성될 수 있다. 일례로, 복수의 촉매 모듈은 직육면체 또는 정육면체일 수 있다. 이와 같이 촉매 모듈을 직육면체 또는 정육면체로 형성하면, 촉매 모듈을 적재하기 용이할 뿐만 아니라 촉매 모듈의 교체 및 운반이 용이하고, 촉매 모듈에 포함된 촉매(200)의 효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 촉매(200)는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다. 일례로, 촉매(200)는 섭씨 200도 내지 섭씨 500도 범위 내의 활성 온도를 가질 수 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매(200)가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다. 촉매(200)가 활성 온도 범위 밖에서 반응하면, 촉매(200)가 피독되면서 효율이 저하된다.
예를 들어, 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만의 상대적으로 낮은 온도에서 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키기 위한 환원 반응이 일어나면, 배기가스의 황산화물(SOx)과 환원제인 암모니아(NH3)가 반응하여 촉매 피독 물질이 생성된다. 구체적으로, 촉매(200)를 피독시키는 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 촉매 피독 물질은 촉매(200)에 흡착되어 촉매(200)의 활성을 저하시킨다. 촉매 피독 물질은 상대적으로 높은 온도, 즉 섭씨 350도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도에서 분해되므로, 반응기 내의 촉매(200)를 승온시켜 피독된 촉매(200)를 재생할 수 있다.
촉매 입출 도어부(551)는 본체부(300)의 제1 측면(310) 또는 제2 측면(320)에 형성될 수 있다. 도 1에 나타난 촉매 입출 도어부(551)는 원형이나, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 도 6에 도시한 바와 같이 타원형 또는 장공형인 촉매 입출 도어부(552)이나 도 7에 도시한 바와 같이 사각형인 촉매 입출 도어부(553)가 사용될 수도 있다.
한편, 도시하지는 않았으나, 촉매 입출 도어부(551)는 본체부(300)의 제4 측면(310)에 형성될 수도 있다. 선박의 한정된 공간으로 인하여 본체부(300)의 제1 측면(310) 및 제2 측면(320)에 촉매 입출 도어부(551)를 설치하더라도, 촉매(200)를 입출시키기 용이하지 않을 수 있다. 이런 경우에는 본체부(300)의 제4 측면(340)에 촉매 입출 도어부(551)를 형성하고, 촉매(200)를 입출시킬 수 있다.
또한, 도시하지는 않았으나, 본체부(300)의 제1 측면(310) 또는 제2 측면(320)에는 수트 블로워가 설치될 수 있다. 일례로, 수트 블로워는 본체부(300)의 내부에 마련된 촉매(200)에 끼인 이물질을 제거하기 위해 사용될 수 있다.
환원제 분사부(700)는, 도 8에 도시한 바와 같이, 배기가스 유입부(510)에 장착될 수 있다.
구체적으로, 환원제 분사부(700)는 배기가스 유입부에 설치되어 배기가스 유입부(510)를 통해 본체부로 유입되는 배기가스에 환원제를 분사한다. 예를 들어, 환원제 분사부(700)는 우레아(urea, CO(NH2)2) 수용액을 분사할 수 있다. 촉매(200)에서 질소산화물과 직접 반응하는 환원제로는 암모니아(NH3)가 사용되지만, 암모니아 자체가 오염 물질로 보관과 운반이 용이하지 않기 때문에 안정적인 우레아 수용액을 사용하는 것이 보편적이다. 즉, 우레아 수용액은 환원제 전구체에 해당한다. 환원제 분사부(700)에서 분사된 우레아(urea, CO(NH2)2) 수용액은 본체부(300)의 제6 측면(360)의 내부 공간을 따라 이동하면서 가수분해 또는 열분해되어 암모니아(NH3)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)을 생성한다. 그리고 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 분해한다. 즉, 우레아를 분해시켜 질소산화물과 반응하는 환원제인 암모니아를 생성하게 된다.
하지만, 본 발명의 제1 실시예가 전술한 바에 한정되는 것은 아니며, 환원제 분사부(700)는 암모니아 수용액을 분사할 수도 있다. 환원제 분사부(700)가 암모니아 수용액을 분사하면, 분사된 암모니아 수용액은 본체부(300)의 제6 측면(360)의 내부 공간에서 이동하면서 기화된다.
이와 같이, 환원제 분사부(700)가 환원제를 분사하면, 본체부(300)의 제6 측면(360)의 내부 공간은 분해 챔버 또는 기화기의 역할을 수행하게 된다.
따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 별도의 분해 챔버 또는 기회기를 설치할 필요가 없으므로 전체적인 구성을 간소화하고 설치 공간을 줄일 수 있게 된다.
또한, 환원제 분사부(700)에서 우레아 수용액을 분사할 경우, 분사된 우레아수용액은 촉매(200)에서 질소산화물과 반응하는 암모니아로 분해되는 과정을 먼저 거쳐야 한다. 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 배기가스 유입부(510)로 유입된 배기가스와 환원제 분사부(700)에서 분사된 환원제가 본체부(300)의 제6 측면(360)의 내부 공간을 따라 이동하다가 격벽부(401)의 개구된 일영역(419)을 거쳐 본체부(300)의 제1 측면(310)과 제2 측면(320) 사이에 위치하는 촉매(200)로 향하게 된다.
따라서, 환원제 분사부(700)에서 우레아 수용액이 분사된 지점으로부터 촉매(200)에 도달하기까지의 거리를 길게 확보할 수 있다. 즉, 환원제 분사부(700)로부터 분사된 우레아 수용액이 열분해 또는 가수분해되기 위한 체류 시간을 안정적으로 확보할 수 있다.
또한, 본체부(300)의 내부는 원활한 환원 반응을 위하여 촉매(200)의 활성 온도, 예를 들어 섭씨 200도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도로 유지된다. 따라서, 본체부(300)의 제6 측면(360)의 내부 공간에 환원제를 분해시키기 위하여 별도의 열에너지를 공급할 필요없이 본체부(300)의 내부 온도를 통해 환원제 분사부(700)가 분사한 환원제를 분해 또는 기화시킬 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 환원제를 분해하기 위한 열에너지와 본체부(300)의 내부 온도를 촉매(200)의 활성 온도 범위로 유지하기 위한 열에너지를 별개로 공급할 필요없이 본체부(300)의 내부 온도를 유지하는 것만으로 환원제도 분해 또는 기화시킬 수 있게 된다. 이때, 격벽부(401)는 본체부(300)보다 열전도성이 상대적으로 우수한 소재로 만들어질 수 있다. 하지만, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 본체부(300) 및 격벽부(401)가 동일한 소재 또는 동일한 열전도성을 갖는 소재로 만들어질 수도 있으며, 이 경우에는 본체부(300)의 내벽면 또는 외벽면에 단열재가 배치될 수도 있다.
믹서(751)는 배기가스 유입부(510)에 설치될 수 있다. 믹서(751)는 배기가스 유입부(510)로 유입되는 배기가스에 선회류 또는 와류를 발생시켜 배기가스 유입부(510)에서 배기가스와 환원제를 효과적으로 혼합시킬 수 있다. 도 8에서는 믹서(751)가 간소화되어 표현되고 있으나, 믹서(751)는 블레이드(blade) 또는 가이드 베인(guide vane)을 포함할 수 있다.
또한, 믹서(751)는 도 9에 도시한 바와 같이 단관 삽입 방식으로 배기가스 유입부의 내부로 삽입 설치될 수 있다. 이때에는, 환원제 분사부(700)의 일측이 믹서(751)의 내부에 위치할 수 있다.
하지만, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 도 10에 도시한 바와 같이 볼트(bolt)를 통해 배기가스의 유입부(510)의 단부에 체결되는 믹서(752)를 사용할 수 있다. 이때에는, 환원제 분사부(700)가 믹서(752)보다 후방에 위치할 수 있다. 여기서, 후방이라 함은 배기가스의 이동 방향을 기준으로 하류를 의미한다.
지지 프레임(800)은 본체부(300)를 바닥면으로부터 이격시켜 지지한다. 본 발명의 제1 실시예에서는, 본체부(300)의 제5 측면(350)이 하부에 위치하고 제6 측면(360)이 상부에 위치하므로, 지지 프레임(800)은 본체부(300)의 제5 측면(350)을 지지할 수 있다.
지지 브래킷(850)은 본체부(300)의 상부면, 즉 제1 실시예에서는 제6 측면(360)의 외부에 결합될 수 있다. 지지 브래킷(850)은 본체부(300)를 고정시키거나 본체부(300)의 외부에 각종 부속 장치 또는 파이프를 결합시키기 위해 사용될 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(101)는 공간 활용도를 향상시켜 설치에 요구되는 공간과 설치 시 발생되는 데드 스페이스(Dead Space)를 최소화할 수 있다.
구체적으로, 선택적 촉매 환원 반응기(101)의 본체부(300)는 사각통과 원통이 혼합된 용기 형상으로 형성하여, 배기가스의 압력에도 안정적으로 견디면서, 촉매(200)의 적재가 용이하고, 선박의 엔진룸과 같은 한정적인 공간에 탑재 시 공간 활용에 유용하며, 데드 스페이스(Dead Space)를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 반응기(101)의 내부에 분해 챔버 또는 기화기 역할을 수행하는 공간을 마련함으로써, 환원제를 분해 및 기화시키기 위한 분해 챔버 또는 기화기를 별도로 마련할 필요가 없다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 배기가스 유입부(510)로 유입된 배기가스는 제6 측면(360)의 내부 공간을 따라 이동하다가 배기가스 유입부(510)의 반대편에 위치한 격벽부(401)의 개구된 일영역(419)을 통해 촉매(200)로 이동하게 된다. 따라서, 환원제 분사부(700)에서 우레아 수용액이 분사된 지점으로부터 촉매(200)에 도달하기까지의 거리를 상대적으로 길게 확보하여 환원제 분사부(700)로부터 분사된 우레아 수용액이 열분해 또는 가수분해되기 위한 체류 시간을 안정적으로 확보할 수 있다. 따라서 분사된 환원제가 열분해 또는 가수분해되기 위한 체류 시간을 확보하기 위하여 불필요하게 배기 유로를 길게 형상할 필요가 없다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 반응기(101)는 환원제를 분해 또는 기화시키고 질소산화물을 환원시키는데 소모되는 전체적인 열에너지의 불필요한 낭비를 억제할 수 있다.
이하, 도 11 및 도 12를 참조하여 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.
도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(102)에서는 배기가스 유입부(510)가 본체부(300)의 제4 측면(340)보다 제3 측면(330)에 상대적으로 인접한 제6 측면(360)의 일영역에 연결된다. 격벽부(402)의 개구된 일영역(429)은 본체부(300)의 제4 측면(340)보다 제3 측면(330)에 상대적으로 인접한 위치에 형성된다. 그리고 배기가스 배출부(593)는 본체부(300)의 제4 측면(340)에 연결된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(102)는 본체부(300)의 제6 측면(360)의 내부 공간에 설치된 가이드 플레이트(461)를 더 포함할 수 있다.
가이드 플레이트(461)는 배기가스 유입부(510)로 유입된 배기가스를 본체부(300)의 제3 측면(330)에서 제4 측면(340) 방향으로 이동시킨 후 이동 방향을 전환시켜 다시 제4 측면(340)에서 제3 측면(330) 방향으로 이동시킨 다음 격벽부(402)의 개구된 일영역(429)으로 안내할 수 있다.
따라서, 환원제 분사부(700)에서 우레아 수용액이 분사된 지점으로부터 촉매(200)에 도달하기까지의 거리를 더욱 길게 확보할 수 있다. 즉, 환원제 분사부(700)로부터 분사된 우레아 수용액이 열분해 또는 가수분해되기 위한 체류 시간을 더욱 길게 확보할 수 있다.
구체적으로, 가이드 플레이트(461)는 이중으로 마련되어 본체부(300)의 제6 측면(360)의 내부 공간의 일부를 3분할할 수 있다. 그리고 배기가스 유입부(510)는 가이드 플레이트(461)에 의해 3분할된 제6 측면(360)의 내부 공간 중 가운데 공간과 연결되고, 배기가스 유입부(510)와 연결된 가운데 공간 주변의 다른 공간에는 격벽부(402)의 일영역(429)이 개구되어 제1 측면(310) 및 제2 측면(320) 사이의 공간과 연결된다.
또한, 배기가스 유입부(510)가 연결된 제3 측면(530)에 인접한 제6 측면(560)의 일영역에 반대되는 제4 측면(540)에 인접한 제6 측면(560)의 타영역은 가이드 플레이트(461)에 의해 분할되지 않는다.
따라서, 배기가스 유입부(510)로 유입된 배기가스는 제4 측면(540) 방향으로 이동하였다가 다시 제3 측면(530) 방향으로 이동하여 격벽부(402)의 개구된 일영역(429)을 통해 촉매(200)로 향하게 된다. 그리고 촉매(200)를 거친 배기가스는 본체부(300)의 제4 측면(340)에 형성된 배기가스 배출구(593)를 통해 배출된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에서, 배기가스 배출부(593)는 배기가스 유입부(510)가 개구된 방향과 평행한 방향으로 개구될 수 있다.
하지만, 본 발명의 제2 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 도 13에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예의 변형례에 따르면, 배기가스 배출부(594)가 배기가스 유입부(510)가 개구된 방향과 교차하는 방향으로 개구될 수도 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(102)는 공간 활용도를 향상시켜 설치에 요구되는 공간과 설치 시 발생되는 데드 스페이스(Dead Space)를 최소화할 수 있다.
구체적으로, 선택적 촉매 환원 반응기(102)의 본체부(300)는 사각통과 원통이 혼합된 용기 형상으로 형성하여, 배기가스의 압력에도 안정적으로 견디면서, 촉매(200)의 적재가 용이하고, 선박의 엔진룸과 같은 한정적인 공간에 탑재 시 공간 활용에 유용하며, 데드 스페이스(Dead Space)를 최소화할 수 있다.
이하, 도 14를 참조하여 본 발명의 제3 실시예를 설명한다.
도 14에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(103)에서는 가이드 플레이트(462)가 본체부(300)의 제6 측면(360)의 내부 공간의 일부를 2분할할 수 있다.
그리고 배기가스 유입부(510)는 가이드 플레이트(462)에 의해 2분할된 제6 측면(360)의 내부 공간 중 어느 한 공간과 연결되고, 배기가스 유입부(510)와 연결된 공간과 다른 공간에는 격벽부(402)의 일영역(429)이 개구되어 제1 측면(310) 및 제2 측면(320) 사이의 공간과 연결된다. 따라서, 배기가스 유입부(510)는 제6 측면(360)의 한쪽으로 치우친 부위에 연결된다.
또한, 배기가스 유입부(510)가 연결된 제3 측면(330)에 인접한 제6 측면(360)의 일영역에 반대되는 제4 측면(340)에 인접한 제6 측면(360)의 타영역은 가이드 플레이트(642)에 의해 분할되지 않는다.
따라서, 배기가스 유입부(510)로 유입된 배기가스는 제4 측면(340) 방향으로 이동하였다가 다시 제3 측면(530) 방향으로 이동하여 격벽부(40)의 개구된 일영역(429)을 통해 촉매(200)로 향하게 된다. 그리고 촉매(200)를 거친 배기가스는 본체부(300)의 제4 측면(340)에 형성된 배기가스 배출구(593)를 통해 배출된다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(103)는 공간 활용도를 향상시켜 설치에 요구되는 공간과 설치 시 발생되는 데드 스페이스(Dead Space)를 최소화할 수 있다.
구체적으로, 선택적 촉매 환원 반응기(103)의 본체부(300)는 사각통과 원통이 혼합된 용기 형상으로 형성하여, 배기가스의 압력에도 안정적으로 견디면서, 촉매(200)의 적재가 용이하고, 선박의 엔진룸과 같은 한정적인 공간에 탑재 시 공간 활용에 유용하며, 데드 스페이스(Dead Space)를 최소화할 수 있다.
이하, 도 15를 참조하여 본 발명의 제4 실시예를 설명한다.
도 15에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(104)는 본체부(300)의 제5 측면(350)이 상부에 위치하고 제6 측면(360)이 하부에 위치한다. 즉, 기화기 또는 분해 챔버로 기능하는 제6 측면(360)의 내부 공간이 촉매(200)가 적재되는 제1 측면(310)과 제2 측면(320) 사이의 공간보다 아래에 위치하게 된다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제4 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(104)는 공간 활용도를 향상시켜 설치에 요구되는 공간과 설치 시 발생되는 데드 스페이스(Dead Space)를 최소화할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101, 102, 103, 104: 선택적 촉매 환원 반응기
200: 촉매
300: 본체부
310: 제1 측면
320: 제2 측면
330: 제3 측면
340: 제4 측면
350: 제5 측면
360: 제6 측면
401, 402: 격벽부
419, 429: 개구된 일영역
461, 462: 가이드 플레이트
510: 배기가스 유입부
551, 552, 553: 촉매 입출 도어부
591, 592, 593, 594: 배기가스 배출부
700: 환원제 분사부
751, 752: 믹서
800: 지지 프레임
850: 지지 브래킷

Claims (17)

  1. 서로 대향하며 평평한 제1 측면 및 제2 측면, 상기 제1 측면 및 상기 제2 측면의 양측 단변에 각각 연결되며 곡면으로 형성된 제3 측면 및 제4 측면, 상기 제1 측면 및 상기 제2 측면의 일측 장변에 각각 연결되며 곡면으로 형성된 제5 측면, 그리고 상기 제1 측면 및 상기 제2 측면의 타측 장변에 각각 연결되며 상기 제5 측면보다 상대적으로 곡률 반경이 작은 볼록한 곡면으로 형성된 제6 측면을 포함하는 용기 형상의 본체부;
    상기 본체부의 상기 제1 측면의 타측 장변 및 상기 제2 측면의 타측 장변 사이에 형성되어 상기 제6 측면의 내부 공간을 상기 제1 측면 및 상기 제2 측면 사이의 공간과 구분되도록 구획하되 일영역이 개구된 격벽부;
    상기 격벽부에 의해 구획된 상기 본체부의 상기 제6 측면의 내부 공간과 연결된 배기가스 유입부; 및
    상기 본체부의 상기 제3 측면 또는 상기 제4 측면에 연결된 배기가스 배출부
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 본체부의 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이의 공간에 배치된 촉매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 본체부의 상기 제1 측면 또는 상기 제2 측면에 촉매 입출 도어부가 형성된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 본체부의 상기 제4 측면에 촉매 입출 도어부가 형성된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 촉매 입출 도어부는 원형, 타원형, 또는 사각형인 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스 유입부에는 환원제 분사부가 장착된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스 유입부에는 믹서가 결합된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스 유입부는 상기 제4 측면보다 상기 제3 측면에 상대적으로 인접한 상기 제6 측면의 일영역에 연결되고,
    상기 격벽부의 개구된 일영역은 상기 제3 측면보다 상기 제4 측면에 상대적으로 인접한 위치에 형성되며,
    상기 배기가스 배출부는 상기 제3 측면에 연결된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스 유입부는 상기 제4 측면보다 상기 제3 측면에 상대적으로 인접한 상기 제6 측면의 일영역에 연결되고,
    상기 격벽부의 개구된 일영역은 상기 제4 측면보다 상기 제3 측면에 상대적으로 인접한 위치에 형성되며,
    상기 배기가스 배출부는 상기 제4 측면에 연결된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배기가스 유입부로 유입된 배기가스를 상기 제4 측면 방향으로 이동시킨 후 이동 방향을 전환시켜 상기 격벽부의 개구된 일영역으로 안내하는 가이드 플레이트가 상기 제6 측면의 내부 공간에 형성된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가이드 플레이트는 상기 본체부의 상기 제6 측면의 내부 공간의 일부를 2분할하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 가이드 플레이트는 이중으로 마련되어 상기 본체부의 상기 제6 측면의 내부 공간의 일부를 3분할하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스 배출부는 상기 배기가스 유입부가 개구된 방향과 평행한 방향으로 개구된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스 배출부는 상기 배기가스 유입부가 개구된 방향과 교차하는 방향으로 개구된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 본체부를 바닥면으로부터 이격시켜 지지하는 지지 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 본체부의 상기 제5 측면이 하부에 위치하고 상기 제6 측면이 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 본체부의 상기 제5 측면이 상부에 위치하고 상기 제6 측면이 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 반응기.
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