KR102247341B1 - Scr 시스템의 환원제 공급장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선박의 연료원으로 사용 가능한 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질을 화학반응을 통해 암모니아(NH3)로 변환시키고 이를 SCR 장치의 환원제로 이용함으로써 환원제 공급에 요구되는 장치적 구성을 간략화할 수 있는 SCR 시스템의 환원제 공급장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 SCR 시스템의 환원제 공급장치는 탄화수소계 물질이 화학반응에 의해 암모니아로 변환되는 반응공간을 제공하는 암모니아 반응챔버; 상기 암모니아 반응챔버에 탄화수소계 물질을 공급하는 탄화수소계 물질 공급장치; 및 상기 암모니아 반응챔버에서 생성된 암모니아를 저장함과 함께 저장된 암모니아를 SCR 장치에 공급하는 암모니아 저장탱크;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

SCR 시스템의 환원제 공급장치{Reducing agent supply device for SCR system}
본 발명은 SCR 시스템의 환원제 공급장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선박의 연료원으로 사용 가능한 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질을 화학반응을 통해 암모니아(NH3)로 변환시키고 이를 SCR 장치의 환원제로 이용함으로써 환원제 공급에 요구되는 장치적 구성을 간략화할 수 있는 SCR 시스템의 환원제 공급장치에 관한 것이다.
선박의 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물(NOx) 및 황산화물은 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)에 의해 배출규제를 받고 있는 대표적인 대기오염물질이다. 질소산화물을 제거하기 위해 선박에는 통상, 선택적촉매환원 장치(selective catalytic reduction system)(이하, SCR 장치라 함)가 구비된다(한국공개특허 제2012-30553호 참조).
SCR 장치에 의한 질소산화물 제거는 다음과 같은 과정으로 진행된다. 엔진의 배기가스가 SCR 반응기에 유입되는 상태에서 SCR 반응기 내에 암모니아(NH3)가 공급되면, 암모니아(NH3)가 배기가스와 섞여 촉매를 통과하게 되며 촉매를 통과하는 과정에서 암모니아(NH3)가 배기가스 내의 질소산화물(NOx)과 반응하여 질소산화물(NOx)이 질소(N2)와 수증기로 환원된다.
엔진의 터보챠저(T/C) 후단에서 대략 280℃ 이하의 저온으로 운전되는 SCR의 경우, 질소산화물(NOx)의 환원 반응에 이용되는 암모니아(NH3)은 환원제 공급장치에 의해 생성되어 SCR 장치로 공급되며, 환원제 공급장치는 우레아(Urea, CO(NH2)2)를 암모니아(NH3)로 가수분해시키는 우레아 가수분해장치를 필수적으로 구비한다.
종래의 저온 SCR의 환원제 공급장치는 우레아를 암모니아로 가수분해하는 방식임에 따라, 우레아 가수분해장치가 필수적으로 필요하여 장치적 구성이 복잡하고, 환원제로 우레아를 사용함에 따라 우레아 저장탱크가 필수적으로 필요하다.
한국공개특허 제2012-30553호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 선박의 연료원으로 사용 가능한 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질을 화학반응을 통해 암모니아(NH3)로 변환시키고 이를 SCR 장치의 환원제로 이용함으로써 환원제 공급에 요구되는 장치적 구성을 간략화할 수 있는 SCR 시스템의 환원제 공급장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 SCR 시스템의 환원제 공급장치는 탄화수소계 물질이 화학반응에 의해 암모니아로 변환되는 반응공간을 제공하는 암모니아 반응챔버; 상기 암모니아 반응챔버에 탄화수소계 물질을 공급하는 탄화수소계 물질 공급장치; 및 상기 암모니아 반응챔버에서 생성된 암모니아를 저장함과 함께 저장된 암모니아를 SCR 장치에 공급하는 암모니아 저장탱크;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 탄화수소계 물질은 선박의 연료원으로 사용 가능한 물질이며, 상기 탄화수소계 물질은 기상의 탄화수소계 물질 또는 액상의 탄화수소계 물질이다. 상기 기상의 탄화수소계 물질은 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 다이메틸에터(C2H6O) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이거나 액화석유가스(LPG) 또는 액화천연가스(LNG)이다. 또한, 상기 액상의 탄화수소계 물질은 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 프로판올(C3H7OH), 부탄올(C4H9OH), 바이오디젤, 바이오에탄올 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이다.
상기 탄화수소계 물질이 화학반응에 의해 암모니아로 변환되는 반응은, 탄화수소계 물질과 물(H2O)의 반응에 의해 수소(H2)가 생성되는 과정과, 생성된 수소(H2)와 질소(N2)의 반응에 의해 암모니아(NH3)가 생성되는 과정을 포함한다.
탄화수소계 물질과 물(H2O)의 반응에 의해 수소(H2)가 생성되는 과정에서 부산물로 CO, CO2가 생산되며, CO와 물(H2O)의 반응, CO2와 MEA의 반응을 통해 CO 및 CO2를 제거하며, 잔존하는 미량의 CO 및 CO2는 수소(H2)와의 반응을 통해 제거한다.
본 발명에 따른 SCR 시스템의 환원제 공급장치는 다음과 같은 효과가 있다.
선박의 연료원으로 사용 가능한 탄화수소계 물질을 화학반응을 통해 암모니아(NH3)로 변환시키고, 생성된 암모니아(NH3)를 SCR 장치로 이용하는 방식임에 따라, 환원제 공급장치의 장치 구성을 간략화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템의 환원제 공급장치의 구성도.
본 발명은 탄화수소계 물질을 암모니아 전구체로 이용하여 화학반응을 통해 암모니아(NH3)을 생성시키고, 생성된 암모니아(NH3)를 SCR 장치의 환원제로 이용하는 기술을 제시한다.
본 발명에 있어서, 탄화수소계 물질은 탄소(C)와 수소(H)로 이루어진 기상의 탄화수소계 물질 그리고 탄소(C), 수소(H) 및 산소(O)로 이루어진 액상의 탄화수소계 물질을 포함하는 의미이다. 또한, 본 발명의 탄화수소계 물질은 선박의 연료원으로 사용 가능한 물질로 한정할 수 있다. 이와 같은 탄화수소계 물질은 선박의 연료저장장치에 저장되어 있거나 선박 내의 수송물 상태로 구비될 수 있다.
기상의 탄화수소계 물질은 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 다이메틸에터(C2H6O) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이거나 액화석유가스(LPG) 또는 액화천연가스(LNG)이다. 또한, 상기 액상의 탄화수소계 물질은 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 프로판올(C3H7OH), 부탄올(C4H9OH), 바이오디젤, 바이오에탄올 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이다.
본 발명은 이와 같이 선박의 연료원으로 사용 가능한 탄화수소계 물질을 몇 단계의 화학반응을 통해 암모니아(NH3)로 변환시키고, 변환된 암모니아(NH3)를 SCR 장치의 환원제로 이용함으로써 우레아(Urea, CO(NH2)2) 사용시 요구되는 제반장치를 생략시킬 수 있는 기술을 제시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템의 환원제 공급장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템의 환원제 공급장치는 탄화수소계 물질 공급장치(110), 암모니아 반응챔버(120) 및 암모니아 저장탱크(130)를 포함하여 이루어진다.
상기 탄화수소계 물질 공급장치(110)는 상기 암모니아 반응챔버(120)에 암모니아 전구체인 탄화수소계 물질을 공급하는 장치이다. 상기 탄화수소계 물질은 선박의 연료원으로 사용 가능한 탄화수소계 물질로서 탄소(C)와 수소(H)로 이루어진 기상의 탄화수소계 물질 그리고 탄소(C), 수소(H) 및 산소(O)로 이루어진 액상의 탄화수소계 물질을 포함하는 의미이다. 또한, 상기 기상의 탄화수소계 물질은 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 다이메틸에터(C2H6O) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이거나 액화석유가스(LPG) 또는 액화천연가스(LNG)이다. 또한, 상기 액상의 탄화수소계 물질은 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 프로판올(C3H7OH), 부탄올(C4H9OH), 바이오디젤, 바이오에탄올 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이다. 이와 함께, 상기 탄화수소계 물질은 선박의 연료저장장치로부터 공급받거나 수송을 위해 적재된 탄화수소계 물질 저장장치로부터 공급받을 수 있다.
상기 암모니아 반응챔버(120)는 탄화수소계 물질이 화학반응에 의해 암모니아로 변환되는 반응공간을 제공한다. 상기 암모니아 반응챔버(120) 내에서 진행되는 탄화수소계 물질의 암모니아로의 변환 반응은 구체적으로 다음과 같다.
탄화수소계 물질의 암모니아로의 변환 반응은 탄화수소계 물질의 종류에 따라 세부 반응에 있어서 차이가 있으나, 공통적으로 수소(H2) 생성 반응이 요구된다. 즉, 기상의 탄화수소계 물질, 액상의 탄화수소계 물질 중 어느 것을 암모니아 전구체로 이용하더라도 수소(H2) 생성 반응이 반드시 필요하며, 생성된 수소(H2)와 질소(N2)의 결합반응에 의해 암모니아(NH3)가 생성된다.
일 실시예로, 기상의 탄화수소계 물질인 메탄(CH4)을 이용한 암모니아 생성 반응, 액상의 탄화수소계 물질인 메탄올(CH3OH)을 이용한 암모니아 생성 반응을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 암모니아 전구체로 메탄(CH4)이 이용되는 경우, 아래의 화학반응식 1과 같은 반응이 진행된다. 메탄(CH4)은 물(H2O)의 반응에 의해 수소(H2)가 생성되며, 생성된 수소(H2)와 질소(N2)의 반응에 의해 암모니아(NH3)가 생성된다.
메탄(CH4)과 물(H2O)의 반응이 진행되는 과정에서 CO 및 CO2의 부산물이 생성되는데, 이와 같은 CO 및 CO2는 암모니아 생성 반응을 저해하는 요인으로 작용하여 제거할 필요가 있다. CO는 물(H2O)과의 반응을 통해 제거할 수 있으며, CO2는 MEA(mono-ethanol amine)과 같은 아민계 물질과의 반응을 통해 제거할 수 있다.
CO와 물(H2O)의 반응, CO2와 MEA의 반응을 통해 대부분의 CO 및 CO2를 제거할 수 있는데, CO와 물(H2O)의 반응 및 CO2와 MEA의 반응 후에 잔존하는 미량의 CO 및 CO2는 수소(H2)와의 반응을 통해 제거할 수 있다. CO와 수소(H2)의 반응, CO2와 수소(H2)의 반응은 메탄(CH4)과 물(H2O)의 반응을 통한 수소(H2) 생성 반응의 역반응에 해당되는데, 미량의 CO, CO2를 대상으로 한 반응임에 따라 소요되는 수소(H2)의 양은 작다.
한편, 상술한 메탄(CH4)과 물(H2O)의 반응을 통한 수소(H2) 생성 반응, CO와 물(H2O)의 반응을 통한 CO 제거 반응, CO와 MEA의 반응을 통한 CO2 제거 반응, CO 또는 CO2와 수소(H2)의 반응을 통한 CO 또는 CO2의 제거 반응은 모두 가역 반응이다. 따라서, 상술한 반응을 유도함에 있어서 정반응을 활성화시키고 역반응을 억제할 필요가 있으며, 이를 위해 각 반응시 촉매가 사용될 수 있다.
일 실시예로, 메탄(CH4)과 물(H2O)의 반응을 통한 수소(H2) 생성 반응시 니켈(Ni) 기반 촉매가 사용되며, CO와 물(H2O)의 반응을 통한 CO 제거 반응시에는 Fe3O4 또는 ZnO 등의 산화물 촉매가 사용되며, CO 또는 CO2와 수소(H2)의 반응을 통한 CO 또는 CO2의 제거 반응시에는 니켈(Ni) 기반 촉매가 사용될 수 있다. 이와 함께, 수소(H2)와 질소(N2)의 반응을 통한 암모니아(NH3) 생성 반응시에는 철(Fe) 기반 촉매가 사용될 수 있다.
<화학반응식 1 - 메탄을 이용한 암모니아 생성 반응>
① H2 생성 반응
CH4 + H2O ↔ 3H2 + CO
CH4 + 2H2O ↔ 4H2 + CO2
② CO 및 CO2 제거 반응
CO + H2O ↔ CO2 + H2
CO2 + MEA ↔ MEA[CO2]
③ 잔류 미량 CO, CO2 제거 반응
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O
CO2 + 4H2 ↔ CH4 + 2H2O
④ NH3 합성 반응
N2 + 3H2 ↔ 2NH3
다음으로, 암모니아 전구체로 메탄올(CH3OH)을 이용하여 암모니아(NH3)를 생성하는 반응을 설명하기로 한다.
아래의 화학반응식 2와 같이 메탄올(CH3OH)과 물(H2O)의 반응에 의해 수소(H2)가 생성되며, 생성된 수소(H2)와 질소(N2)의 반응에 의해 암모니아(NH3)가 생성된다. 메탄(CH4)과 물(H2O)의 반응이 진행되는 과정에서 CO2의 부산물이 생성되는데, CO2는 MEA과 같은 아민계 물질과의 반응을 통해 제거할 수 있다.
또한, 잔존하는 미량의 CO 및 CO2는 수소(H2)와의 반응을 통해 제거할 수 있다. CO와 수소(H2)의 반응, CO2와 수소(H2)의 반응은 메탄(CH4)과 물(H2O)의 반응을 통한 수소(H2) 생성 반응의 역반응에 해당되는데, 미량의 CO, CO2를 대상으로 한 반응임에 따라 소요되는 수소(H2)의 양은 작다. 한편, 상술한 각 반응은 화학반응식 1과 마찬가지로 가역 반응이며, 이에 정반응을 활성화시키고 역반응을 억제할 필요가 있다. 화학반응식 2의 각 반응에 적용되는 반응촉매는 화학반응식 1에 적용되는 반응촉매를 동일하게 적용할 수 있다.
<화학반응식 2 - 메탄올을 이용한 암모니아 생성 반응>
① H2 생성 반응
CH3OH + H2O ↔ 3H2 + CO2
② CO2 제거 반응
CO2 + MEA ↔ MEA[CO2]
③ 잔류 미량 CO, CO2 제거 반응
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O
CO2 + 4H2 ↔ CH4 + 2H2O
④ NH3 합성 반응
N2 + 3H2 ↔ 2NH3
암모니아 반응챔버(120) 내에서 메탄(CH4), 메탄올(CH3OH), 디메틸에테르(CH3OCH3)의 암모니아(NH3)로의 변환 반응에 의해 암모니아가 생성되며, 생성된 암모니아(NH3)는 암모니아 저장탱크(130)에 저장된다. 암모니아 저장탱크(130)에 저장된 암모니아(NH3)는 SCR 장치(140) 전단의 배기관 등에 공급되어 SCR 장치(140)의 환원제로 이용된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급장치는 선박의 연료원으로 사용 가능한 기상의 탄화수소계 물질 또는 액상의 탄화수소계 물질을 소정의 화학반응을 통해 암모니아(NH3)로 변환시키고 이를 SCR 장치(140)의 환원제로 공급하는 방식임에 따라, 우레아 사용시 필수적으로 요구되는 우레아 가수분해장치, 우레아 저장탱크, 우레아 기화장치(vaporizer) 등의 장치 구성이 요구되지 않는다. 또한, 암모니아 저장탱크(130)로부터 SCR 장치(140) 전단의 배기관에 암모니아(NH3)가 직접 공급되는 방식임에 따라, 선박에 구비되는 복수의 SCR 장치(140)에 동시 공급이 가능하다.
110 : 탄화수소계 물질 공급장치 120 : 암모니아 반응챔버
130 : 암모니아 저장탱크 140 : SCR 장치

Claims (7)

  1. 탄화수소계 물질이 화학반응에 의해 암모니아로 변환되는 반응공간을 제공하는 암모니아 반응챔버;
    상기 암모니아 반응챔버에 탄화수소계 물질을 공급하는 탄화수소계 물질 공급장치; 및
    상기 암모니아 반응챔버에서 생성된 암모니아를 저장함과 함께 저장된 암모니아를 SCR 장치에 공급하는 암모니아 저장탱크;를 포함하여 이루어지며,
    상기 탄화수소계 물질이 화학반응에 의해 암모니아로 변환되는 반응은,
    탄화수소계 물질과 물(H2O)의 반응에 의해 수소(H2)가 생성되는 과정과,
    생성된 수소(H2)와 질소(N2)의 반응에 의해 암모니아(NH3)가 생성되는 과정을 포함하며,
    탄화수소계 물질과 물(H2O)의 반응에 의해 수소(H2)가 생성되는 과정에서 부산물로 CO, CO2가 생산되며,
    CO와 물(H2O)의 반응, CO2와 MEA의 반응을 통해 CO 및 CO2를 제거하며,
    잔존하는 미량의 CO 및 CO2는 수소(H2)와의 반응을 통해 제거하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 환원제 공급장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄화수소계 물질은 선박의 연료원으로 사용 가능한 물질인 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 환원제 공급장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 탄화수소계 물질은 기상의 탄화수소계 물질 또는 액상의 탄화수소계 물질인 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 환원제 공급장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 기상의 탄화수소계 물질은 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 다이메틸에터(C2H6O) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이거나 액화석유가스(LPG) 또는 액화천연가스(LNG)인 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 환원제 공급장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 액상의 탄화수소계 물질은 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 프로판올(C3H7OH), 부탄올(C4H9OH), 바이오디젤, 바이오에탄올 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 환원제 공급장치.
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