KR102271576B1 - 배기 가스 후-처리 시스템 및 배기 가스 후-처리 방법 - Google Patents

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만 에너지 솔루션즈 에스이
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Abstract

내연 기관을 위한 배기 가스 후처리 시스템(2)은, 황산화물들의 화학 흡착을 위한 내연 기관(1)의 하류에 배열되는 칼슘 함유 알갱이들을 포함하는 세퍼레이터(4)를 구비하며, 그리고 SO2의 SO3 로의 산화를 위해 내연 기관(1)의 하류이자 세퍼레이터(4)의 상류에 배열되는 산화 촉매 컨버터(3)를 구비한다.

Description

배기 가스 후-처리 시스템 및 배기 가스 후-처리 방법{EXHAUST GAS AFTER-TREATMENT SYSTEM AND METHOD FOR THE EXHAUST GAS AFTER-TREATMENT}
본 발명은 배기 가스 후처리 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 나아가 배기 가스 후처리 방법에 관한 것이다.
예를 들어 발전소에서 사용되는 고정형 내연 기관들에서의 연소 프로세스 도중에, 그리고 예를 들어 선박에서 사용되는 비고정형 내연 기관들에서의 연소 프로세스에서, SO2 및 SO3 와 같은 황산화물들이 생성되며, 이러한 황산화물들은 전형적으로, 탄, 석탄, 갈탄, 오일 또는 중유와 같은 황 함유 화석 연료들의 연소 도중에 형성된다. 이러한 이유로 인해, 그러한 내연 기관들에, 특히 내연 기관을 떠나는 배기 가스의 탈황을 위해 작용하는 배기 가스 후처리 시스템들이 구비된다.
배기 가스를 탈황시키기 위해, 흡수적 방법들이 주로 종래 기술로부터 공지되며, 흡수제로서 생석회(CaO), 소석회(Ca(OH)2) 또는 탄산칼슘(CaCO3)이 주로 사용된다. 프로세스에서, 먼지 또는 알갱이가 형성되며, 황산칼슘 먼지를 배기 가스로부터 제거하기 위해, 필터 장치가 탈황 단계의 하류에 채택되어야만 한다.
DE 36 03 365 C2 로부터, 질소 산화물 및 먼지를 함유하는 배기 가스의 처리를 위한 방법 및 배기 가스 후처리 시스템이 공지된다.
부가적으로, 소위 세정기들(scrubber)이 또한, SO2 가 물의 도움으로 배기 가스로부터 제거되는 탈황 단계를 위해 채택될 수 있다. 세정수 내에 함유되는 이산화황은 후속적으로, 예를 들어 NaOH 와 같은 염기(bases)의 도움으로 중화된다. 이러한 중화 이전에, 세정되어 나온 SO2 의 SO3 로의 산화가 대부분의 경우에 부가적으로 실행되며, 이는 더 양호한 분리를 약속하며 그리고, SO3 함께 CaSO4 를 형성하며 그리고 그에 따라 침전될 수 있는, 칼슘 화합물의 사용을 허용하기 때문이다. 이는 통상적으로 저장통(sump) 내로 공기를 불어넣음에 의해 달성될 수 있다(US 4515754 A1 참조).
이로 부터 시작하여, 본 발명의 목적은 새로운 유형의 배기 가스 후처리 시스템 및 새로운 유형의 배기 가스 후처리 방법을 창출하는 것에 있다.
이러한 목적은 청구항 1에 따른 배기 가스 후처리 시스템을 통해 해결된다. 본 발명에 따른 내연 기관을 위한 배기 가스 후처리 시스템은 황산화물의 화학 흡착을 위해 내연 기관의 하류에 배열되는 칼슘 함유 알갱이를 구비하는 세퍼레이터 및 SO2의 SO3 로의 산화를 위해 내연 기관의 하류이자 세퍼레이터의 상류에 배열되는 산화 촉매 컨버터를 포함한다. 세퍼레이터를 사용함에 의해, 배기 가스로부터 황산칼슘 또는 황산나트륨 먼지를 제거하기 위한 필터 장치를 생략하는 것이 가능하다. 이산화황은 세퍼레이터의 칼슘 또는 나트륨 또는 마그네슘 함유 알갱이와 반응하며 그리고 알갱이들을 통해 방출될 수 있다. SO2의 SO3 로의 산화를 위한 산화 촉매 컨버터의 사용은, SO3 가 SO2 보다 세퍼레이터의 칼슘 또는 나트륨 또는 마그네슘 함유 알갱이와 더욱 신속하게 반응하기 때문에, 세퍼레이터 내에서의 배기 가스의 짧은 체류 시간을 가능하게 한다. 본 발명에 따른 배기 가스 후처리 시스템은 배기 가스의 효과적인 탈황을 가능하게 한다.
유리한 추가적 개선예에 따르면, 세퍼레이터 내의 알갱이들은, CaO 및/또는 Ca(OH)2 및/또는 CaCO3 및/또는 Na2CO3 및/또는 MgO 를 포함하며, 여기서 알갱이들의 낱알 크기는 1 mm 내지 8 mm 사이이다. 여기서, 세퍼레이터는 특히 이동하는 베드 또는 유동화된 베드(fluidised bed)를 갖는 교차 유동 세퍼레이터로서 설계된다. 이는 배기 가스의 특히 효과적인 탈황을 가능하게 한다.
유리한 추가적 개선예에 따르면, 배기 가스를 350 ℃ 초과의, 바람직하게 400 ℃ 초과의, 특히 바람직하게 450 ℃ 초과의 온도로 가열하는, 가열 장치가 산화 촉매 컨버터의 상류에 배열된다. 이는 SO2 의 SO3 로의 특히 효과적인 산화 그리고 그에 따라 배기 가스의 효과적인 탈황을 가능하게 한다.
배기 가스 과급 내연 기관의 경우, 산화 촉매 컨버터는 배기 가스 터보 과급기의 터빈의 상류에 배치되며, 여기서 세퍼레이터는 배기 가스 터보 과급기의 터빈의 하류에 배치된다. 터빈의 상류에 존재하는 비교적 높은 온도 및 압력을 통해, 산화 촉매 컨버터 내에서의 SO2 의 SO3 로의 산화가 촉진된다.
다른 유리한 추가적 개선예에 따르면, 배기 가스 후처리 시스템은, 산화 촉매 컨버터의 하류에 배열되는, 배기 가스 내로 NH3 전구체 물질(urea: 요소) 또는 가스상의 NH3 를 주입하기 위한 장치를 포함한다. 배기 가스의 탈황은 그에 따라 더욱 개선될 수 있다.
본 발명에 따른 배기 가스 후처리 방법이 청구항 12에 한정된다.
본 발명의 바람직한 추가적 개선예들이 종속항들 및 뒤따르는 설명으로부터 달성된다. 본 발명의 예시적인 실시예들은, 이에 국한되는 것은 아니만, 도면의 도움으로 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 제1 배기 가스 후처리 시스템의 블록도이며;
도 2는 본 발명에 따른 제2 배기 가스 후처리 시스템의 블록도이고;
도 3은 본 발명에 따른 제3 배기 가스 후처리 시스템의 블록도이며; 그리고
도 4는 본 발명에 따른 제4 배기 가스 후처리 시스템의 블록도이다.
본 발명은, 예를 들어 발전소의 고정형 내연 기관을 위한 또는 선박의 비고정형 내연 기관을 위한 배기 가스 후처리 시스템에 관한 것이다. 배기 가스 후처리 시스템은 특히 중유로 작동되는 선박용 디젤 엔진에 사용된다.
도 1은 내연 기관(1)의 하류에 위치하게 되는 배기 가스 후처리 시스템(2)의 제1 예시적 실시예를 도시하며, 여기서 배기 가스 후처리 시스템(2)은, 내연 기관(1)의 하류에 배열되는 산화 촉매 컨버터(3)를 포함한다. 산화 촉매 컨버터(3)에서, SO2 는 뒤따르는 반응식에 따라 SO3 로 반응한다.
2SO3 + O2 → 2SO2
뒤따르는 화학 원소들이 SO2의 SO3 로의 산화를 위해 산화 촉매 컨버터(3) 내에서 활성 성분들로서 사용된다: V (바나듐) 및/또는 K (칼륨) 및/또는 Na (나트륨) 및/또는 Fe (철) 및/또는 Ce (세륨) 및/또는 Cs (세슘) 및/또는 이러한 원소들의 산화물들.
바나듐(V)의 성분은, 5 % 초과, 바람직하게 7 % 초과, 특히 바람직하게 9 % 초과에 이른다.
기반 물질로서, 산화 촉매 컨버터(3)는, 바람직하게 WO3 (산화텅스텐)에 의해 안정화된, TiO2 (산화 티타늄) 및/또는 SiO2 (산화규소)를 활용한다.
부가적으로, 본 발명에 따른 배기 가스 후처리 시스템(2)은, 칼슘 또는 나트륨 또는 마그네슘 함유 알갱이들을 포함하는 산화 촉매 컨버터(3)의 하류에 배열되는 세퍼레이터(4)를 포함하며, 세퍼레이터(4)는 바람직하게 이동 베드 반응기 또는 유동화된 베드 반응기이다.
칼슘 또는 나트륨 또는 마그네슘 함유 알갱이들은 바람직하게, CaO 및/또는 Ca(OH)2 및/또는 CaCO3 및/또는 Na2CO2 또는 NaHCO3 , MgO 를 포함한다. 여기서, 황산화물들은 뒤따르는 반응식들에 따라 칼슘 함유 알갱이들과 반응한다.
즉, 뒤따르는 반응식들에 따라 Ca(OH)2 에 대해,
Ca(OH)2 + SO2 ↔ CaSO3 + H2O
Ca(OH)2 + SO2 + 1/2O2 ↔ CaSO4 + H2O
Ca(OH)2 + CO2 ↔ CaCO3 + H2O
Ca(OH)2 + SO3 ↔ CaSO4 + H2O
그리고 뒤따르는 반응식들에 따라 CaCO3 에 대해,
CaCO3 + SO2 ↔ CaSO3 + CO2
CaCO3 + SO2 + 1/2O2 ↔ CaSO4 + CO2
CaCO3 + SO3 ↔ CaSO4 + CO2
그리고 뒤따르는 반응식들에 따라 Na2CO3 및 NaHCO3 에 대해,
Na2CO3 + SO2 ↔ Na2SO3 + CO2
Na2CO3 + SO3 ↔ Na2SO4 + CO2
2NaHCO3 + SO3 ↔ Na2SO4 + CO2 + 2H2O
그리고 뒤따르는 반응식들에 따라 MgO 에 대해,
MgO + SO2 + O2 → MgSO4
MgO + SO3 + 1/2O2 → MgSO4
여기서, SO3 가 SO2 보다 칼슘 또는 나트륨 또는 마그네슘 함유 알갱이들과 더욱 신속하게 반응한다는 것이 본 발명에 따라 중요하며, 이것이 SO2의 SO3 로의 산화를 위한 산화 촉매 컨버터(3)가 내연 기관(1)의 하류이자 세퍼레이터(4)의 상류에 배열되는 이유이다. 이 때문에, 탈황 효율이 증가하게 될 수 있다.
바람직하게, SO2의 SO3 로의 산화가, 산화 촉매 컨버터(3)의 하류에서 배기 가스 내의 모든 황산화물(SOx) 내의 SO3 성분이, 적어도 20 %, 바람직하게 40 % 초과, 특히 바람직하게 60 % 초과에 이르는 방식으로, 산화 촉매 컨버터(3)에서 일어난다.
세퍼레이터(4) 내에서, 황산화물들은 알갱이들과 함께 황산칼슘 또는 황산나트륨 또는 황산마그네슘으로 반응하며, 이들은 세퍼레이터(4)의 알갱이들과 함께 방출될 수 있다.
세퍼레이터(4) 내의 알갱이들의 낱알 크기는 1 mm 내지 8 mm 사이에, 바람직하게 4 mm 내지 8 mm 사이에 이른다. 상기한 바와 같은 알갱이들의 비교적 큰 낱알 크기 때문에, 부가적으로, 중심에 이르기까지 황산화물들과 반응하지 않는 반면, 아직 황산화물과 반응하지 않은 적어도 일부의 성분들이 코어를 이루며, 코어는 이때 황산칼슘 외피에 의해 둘러싸인다.
세퍼레이터(4)는 바람직하게, 알갱이들을 통해 이동 베드 또는 유동화된 베드에서 가로챈, 이동 베드 반응기 또는 유동화된 베드 반응기로부터 알갱이들과 함께 배출되는, 황산칼슘을 알갱이들로부터 분리하기 위한 장치를 구비한다. 이 장치는 예를 들어, 드럼 탈피기(drum peeler), 드럼 스크린 또는 분쇄기(mill)일 수 있다. 황산칼슘으로부터 해방된 알갱이들은 이후, 그에 따라 알갱이 회로를 형성하도록 그리고 더욱 효과적으로 알갱이들을 활용하도록, 세퍼레이터(4)로 복귀하게 될 수 있다.
도 2는, 내연 기관(1)이 배기 가스 과급 내연 기관으로서 도시되며, 배기 가스 후처리 시스템(2)이 따라서 배기 가스 터보 과급기의 터빈(5)을 포함하며, 내연 기관(1)의 떠나는 배기 가스가 기계적 에너지를 추출하기 위해 팽창되는, 본 발명의 버전을 도시한다. 그러한 배기 가스 과급 내연 기관의 경우에, 산화 촉매 컨버터(3)는 배기 가스 유동 방향에서 터빈(5)의 상류에 보이도록 배열되며, 여기서 세퍼레이터(4)는 터빈(5)의 하류에 배열된다. 터빈(5)의 상류에 존재하는 배기 가스 유동 내의 높은 압력 및 온도는 산화 촉매 컨버터(3) 내에서의 SO2 의 SO3 로의 산화를 촉진한다.
내연 기관을 위한 본 발명에 따른 배기 가스 후처리 시스템(2)의 추가적인 예시적 실시예가 도 3에 도시되며, 여기서 도 3의 배기 가스 후처리 시스템(2)은 도 1의 배기 가스 후처리 시스템(2)과 똑 같이, 산화 촉매 컨버터(3) 및 세퍼레이터(4)를 포함한다. 부가적으로, 도 3의 배기 가스 후처리 시스템(2)은 산화 촉매 컨버터(3)의 상류에 배열되는 가열 장치(6)를 포함하며, 가열 장치는 산화 촉매 컨버터(3)의 상류의 배기 가스를 350 ℃ 초과의, 바람직하게 400 ℃ 초과의, 특히 바람직하게 450 ℃ 초과의 온도로 가열한다. 이는 산화 촉매 컨버터(3)에서의 SO2 의 SO3 로의 산화를 촉진한다.
내연 기관을 위한 본 발명에 따른 배기 가스 후처리 시스템(2)의 추가적인 예시적 실시예가 도 4에 도시되며, 여기서 도 4의 배기 가스 후처리 시스템(2)은, 도 4의 배기 가스 후처리 시스템(2)과 똑 같이 산화 촉매 컨버터(3), 터빈(5), 세퍼레이터(4)를 그리고 부가적으로 가스상의 NH3 를 배기 가스 내로 주입하기 위한 장치(7)를 포함하며, 여기서 가스상의 NH3 를 배기 가스 내로 주입하기 위한 이러한 장치(7)는 산화 촉매 컨버터(3)의 하류에 배열되어, 따라서 NH3 가 산화 촉매 컨버터(3)의 하류에서 내연 기관(1)의 배기 가스 내로 주입된다. 프로세스에서, 이러한 장치는, 직접적으로 가스 형태로 배기 가스 유동 내로 NH3 를 주입하기 위해, 또는 예를 들어 요소와 같은 NH3 전구체 물질을 배기 가스 유동 내로 주입하고 이를 배기 가스 유동 내에서 NH3 로 증발시키기 위해 제공된다. 산화 촉매 컨버터(3)의 하류에서 배기 가스 유동 내로 가스상의 NH3 를 주입하는 것은 따라서, 이 때문에 후속의 탈황 단계가 개선될 수 있다는 이점을 갖는다.
도 1 내지 도 4의 배기 가스 후처리 시스템들(2)과 더불어, 바람직하게 이동 베드 반응기 또는 유동화된 베드 반응기로서 설계되는 복수-스테이지 세퍼레이터(4)가 황산칼슘 또는 황산나트륨 또는 황산마그네슘의 분리를 개선하기 위해 사용될 수 있으며, 여기서 특히 복수-스테이지 세퍼레이터(4)가 사용될 때, 상이한 낱알 크기의 알갱이들이 세퍼레이터(4)의 개별적인 스테이지들에서 사용된다.
바람직하게, 교차 유동 세퍼레이터로서 설계되는 세퍼레이터(4)가 활용된다.
본 발명에 따른 배기 가스 후처리 시스템(2)은, 본 발명에 따른 배기 가스 후처리 방법에 의한 배기 가스의 효과적인 탈황을 허용한다. 본 발명에 따른 배기 가스 후처리 시스템(2)의 도움으로 배기 가스를 탈황하기 위해 탈황시키기 위해, 내연 기관을 떠나는 배기 가스가, SO2 의 SO3 로의 산화를 가능하게 하기 위해 산화 촉매 컨버터(3)를 통해 초기에 전달된다. 이에 뒤따라, 배기 가스는 칼슘 함유 알갱이들을 포함하는 세퍼레이터(4)를 통해 전달된다. 설명된 바와 같이, 배기 가스의 탈황은 배기 가스 내로 NH3 를 주입함에 의해 개선될 수 있다. SO2 의 SO3 로의 산화는 높은 배기 가스 온도를 제공하거나 활용함에 의해 개선될 수 있다. 도 1 내지 도 4에 관한 설명들이 참조된다.
알갱이들의 사용에 부가하여, SO2 산화를 위한 촉매 컨버터의 하류에 배열되는 배기 가스 세정기의 도움에 의한 분리가 또한 방편이다. 이 때문에, 배기 가스 세정기 내에서의 분리 속도는 한편으로, SO3 가 SO2 보다 물에 상당히 더 잘 용해될 수 있기 때문에, 증가되며, 그 결과 분리 성능이 개선될 수 있으며 및/또는 세정기의 크기가 감소하게 될 수 있다. 부가적으로, US 4515754 A1에 설명된 바와 같이, SO2 의 산화를 위한 저장통 내로 공기를 불어넣는 것은 생략될 수 있다.
1: 내연 기관 2: 배기 가스 후처리 시스템
3: 산화 촉매 컨버터 4: 세퍼레이터
5: 터빈 6: 가열 장치
7: 장치

Claims (15)

  1. 내연 기관을 위한 배기 가스 후처리 시스템(2)으로서,
    내연 기관(1)의 하류에 배열되는 배기 가스 세정기, 또는 황산화물의 화학 흡착을 위한 칼슘 함유 알갱이들, 나트륨 함유 알갱이들, 또는 마그네슘 함유 알갱이들 중의 적어도 하나를 포함하는 세퍼레이터(4), 및
    SO2의 SO3 로의 산화를 위한 내연 기관(1)의 하류이자 세퍼레이터(4)의 상류에 배열되는 산화 촉매 컨버터(3)를 포함하고,
    상기 알갱이들의 낱알 크기는 1mm 내지 8mm 사이인 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터(4) 내의 상기 알갱이는, CaO, Ca(OH)2, CaCO3, Na2CO2 또는 NaHCO3 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 세퍼레이터(4)는 이동 베드 반응기 또는 유동화된 베드 반응기로서 설계되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 세퍼레이터(4)는 교차 유동 세퍼레이터로서 설계되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 세퍼레이터(4)는 복수 스테이지를 갖도록 설계되며, 상기 세퍼레이터(4)의 개별적인 스테이지 내의 상기 알갱이들의 낱알 크기는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화 촉매 컨버터(3)는, SO2의 SO3 로의 산화를 위한 활성 성분들로서, 바나듐, 칼륨, 나트륨, 철, 세륨, 세슘, 또는 이러한 원소들의 산화물들 중의 적어도 하나를 포함하며, 여기서, 상기 산화 촉매 컨버터는, 기반 물질로서, 산화 티타늄 또는 산화 규소 중 적어도 하나를 활용하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화 촉매 컨버터(3)는, 활성 성분으로서, 5 % 초과의 바나듐 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    배기 가스 과급 내연 기관의 경우, 상기 산화 촉매 컨버터(3)는 배기 가스 터보 과급기의 터빈(5)의 상류에 배치되며, 여기서 상기 세퍼레이터(4)는 상기 배기 가스 터보 과급기의 터빈(5)의 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화 촉매 컨버터(3)의 상류에, 배기 가스를 350℃ 초과의 온도로 가열하는, 가열 장치(6)가 배열되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    산화 촉매 컨버터(3)의 하류에 배열되는, 배기 가스 유동 내로 가스상의 NH3 를 주입하기 위한 장치(7)에 의해 특징지어 지는 배기 가스 후처리 시스템.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화 촉매 컨버터의 하류에서 SO3/SOx- 비율은, 적어도 0.4에 이르는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 알갱이들의 황화층이 제거되며 그리고 상기 알갱이들이 상기 세퍼레이터의 상류로 또는 상기 세퍼레이터 내로 복귀하게 되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  13. 내연 기관을 떠나는 배기 가스의 배기 가스 후처리를 위한 방법으로서,
    배기 가스가 SO2의 SO3 로의 산화를 위해 산화 촉매 컨버터(3)를 통해 전달되고, 후속적으로 황산화물들의 화학 흡착을 위한 칼슘 함유 알갱이들을 포함하는 세퍼레이터(4)를 통해 전달되는 것이며,
    상기 알갱이들의 낱알 크기는 1mm 내지 8mm 사이인 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 배기 가스 후처리 방법은, 제1항 또는 제2항에 따른 배기 가스 후처리 시스템의 도움으로 수행되는 것인, 배기 가스 후처리 방법.
  15. 삭제
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