KR102316534B1 - AMMONIA GENERATION DEVICE AND NOx REDUCTION DEVICE USING OF THE SAME - Google Patents

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KR102316534B1 KR1020190170001A KR20190170001A KR102316534B1 KR 102316534 B1 KR102316534 B1 KR 102316534B1 KR 1020190170001 A KR1020190170001 A KR 1020190170001A KR 20190170001 A KR20190170001 A KR 20190170001A KR 102316534 B1 KR102316534 B1 KR 102316534B1
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    • B01D53/9418—Processes characterised by a specific catalyst for removing nitrogen oxides by selective catalytic reduction [SCR] using a reducing agent in a lean exhaust gas

Abstract

본 발명의 목적은 우레아(Urea)의 충전을 필요로 하지 않고, 엔진이나 산업용 연소기에 공급되는 연료와 공기를 이용하여 암모니아를 생성하는 암모니아 생성 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 생성 장치는, 플라즈마 반응으로 집중된 고온 영역을 형성하여 공기로부터 고온의 질소산화물(NOx)을 생성하는 플라즈마 반응기, 상기 플라즈마 반응기에서 배출되는 제1유동의 상기 질소산화물(NOx)을 공급되는 연료로 부분 산화하여 수소(H2)를 포함하는 제21유동을 배출하는 농후 연소기, 상기 플라즈마 반응기에서 배출되는 상기 제1유동의 상기 질소산화물(NOx)을 포함하는 공기와 이론 당량비 연소 조건으로 공급되는 연료로 연소하여 산소(O2)를 소진하고 상기 질소산화물(NOx)을 포함하는 제22유동을 배출하는 당량비 연소기, 및 상기 농후 연소기와 상기 당량비 연소기에서 배출되는 상기 제21유동의 상기 수소(H2)와 상기 제22유동의 상기 질소산화물(NOx)의 촉매 반응으로 생성된 암모니아(NH3)를 포함하는 제3유동을 배출하는 촉매 반응기를 포함한다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an ammonia generating apparatus that does not require filling of urea and generates ammonia using fuel and air supplied to an engine or an industrial combustor. Ammonia generating apparatus according to an embodiment of the present invention is a plasma reactor for generating high-temperature nitrogen oxides (NOx) from air by forming a high-temperature region concentrated by a plasma reaction, and the nitrogen oxides of the first flow discharged from the plasma reactor (NOx) is partially oxidized with the supplied fuel to discharge a 21st flow containing hydrogen (H 2 ), air containing the nitrogen oxides (NOx) of the first flow discharged from the plasma reactor and An equivalence ratio combustor that burns with fuel supplied under the theoretical equivalence ratio combustion condition to consume oxygen (O 2 ) and discharge a 22nd flow containing the nitrogen oxide (NOx), and the rich combustor and the equivalence ratio combustor and a catalytic reactor for discharging a third stream including ammonia (NH 3 ) produced by a catalytic reaction of the hydrogen (H 2 ) of the 21st flow and the nitrogen oxide (NOx) of the 22nd flow.

Figure R1020190170001
Figure R1020190170001

Description

암모니아 생성 장치 및 이를 이용한 질소산화물 저감장치 {AMMONIA GENERATION DEVICE AND NOx REDUCTION DEVICE USING OF THE SAME}Ammonia generator and nitrogen oxide reduction device using the same

본 발명은 암모니아 생성 장치 및 이를 이용한 질소산화물 저감장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기와 엔진에 공급되는 연료를 이용하여 차량의 엔진이나 산업용 연소기에 장착되어(on board) 암모니아를 생성하는 암모니아 생성 장치 및 이를 이용한 질소산화물 저감장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for generating ammonia and an apparatus for reducing nitrogen oxides using the same, and more particularly, to an apparatus for generating ammonia by using air and fuel supplied to the engine and mounted on an engine or an industrial combustor of a vehicle (on board) to generate ammonia It relates to an apparatus and a nitrogen oxide reduction apparatus using the same.

알려진 바에 따르면, 자동차의 엔진이나 다양한 산업용 연소기 등에서 연소배출과정에서 생성되어 배출되는 질소산화물(NOx)은 미세먼지 및 산성비의 원인 물질이다. 질소산화물을 제거하는 방법에는 선택적 환원촉매(SCR)를 사용하여 NOx를 N2로 환원시키는 방법이 주로 사용되고 있다. 이때 NOx의 환원을 위해 환원제를 공급해야 하는데, 통상 우레아(Urea, 요소수)의 분사 및 요소수의 분해를 통하여 암모니아를 생성하고, 이 암모니아로 NOx를 환원시켜 NOx를 저감시킨다.As is known, nitrogen oxides (NOx) generated and discharged during combustion and emission in automobile engines or various industrial combustors are the causative substances of fine dust and acid rain. As a method of removing nitrogen oxides, a method of reducing NOx to N 2 using a selective reduction catalyst (SCR) is mainly used. At this time, it is necessary to supply a reducing agent for the reduction of NOx. Usually, ammonia is generated through the injection of urea (urea water) and decomposition of urea water, and NOx is reduced with this ammonia to reduce NOx.

종래의 선택적 환원촉매(SCR) 기술에서의 탈질은 우레아(Urea) 및 우레아에서 분해된 암모니아와 같은 환원제를 별도로 공급하여 질소산화물을 환원시킨다. 이와 같이, 환원제를 공급하기 위하여 별도의 환원제 공급장치가 필요하다.Denitrification in the conventional selective reduction catalyst (SCR) technology reduces nitrogen oxides by separately supplying a reducing agent such as urea and ammonia decomposed from urea. In this way, a separate reducing agent supply device is required to supply the reducing agent.

환원제로 우레아(Urea)를 공급하는 경우, 환원제 공급장치는 연료탱크와 별도로 우레아(Urea) 탱크를 구비하고, 요소수 형태로 공급되는 환원제 관리를 위하여, 특히 동절기에 결빙을 방지하기 위하여 히터를 구비하며, 요소수 분사를 통한 열분해 및 가수분해 과정 등을 필요로 한다. 한편, 우레아(Urea) 선택적 환원촉매(SCR)는 차량의 운전자들 또는 산업용 연소기의 관리자들이 우레아(Urea)를 적절하게 충전하지 않는 등의 이유로 NOx 제거에 대한 실질적인 효과를 거두지 못할 수도 있다.When urea is supplied as a reducing agent, the reducing agent supply device is provided with a urea tank separately from the fuel tank, and a heater is provided to manage the reducing agent supplied in the form of urea water, especially to prevent freezing in winter. It requires thermal decomposition and hydrolysis through urea water injection. On the other hand, the urea selective reduction catalyst (SCR) may not achieve a substantial effect on NOx removal for reasons such as vehicle drivers or managers of industrial combustors not properly charging urea.

본 발명의 목적은 우레아(Urea)의 충전을 필요로 하지 않고, 엔진이나 산업용 연소기에 공급되는 연료와 공기를 이용하여 암모니아를 생성하는 암모니아 생성 장치를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide an ammonia generating apparatus that does not require charging of urea and generates ammonia using fuel and air supplied to an engine or an industrial combustor.

본 발명의 다른 목적은 목적은 상기 암모니아 생성 장치를 적용하여 연소배출과정에서 생성되어 배출되는 질소산화물을 제거하는 질소산화물 저감장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a nitrogen oxide reduction device for removing nitrogen oxides generated and discharged in a combustion exhaust process by applying the ammonia generator.

본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 생성 장치는, 플라즈마 반응으로 집중된 고온 영역을 형성하여 공기로부터 고온의 질소산화물(NOx)을 생성하는 플라즈마 반응기, 상기 플라즈마 반응기에서 배출되는 제1유동의 상기 질소산화물(NOx)을 공급되는 연료로 부분 산화하여 수소(H2)를 포함하는 제21유동을 배출하는 농후 연소기, 상기 플라즈마 반응기에서 배출되는 상기 제1유동의 상기 질소산화물(NOx)을 포함하는 공기와 이론 당량비 연소 조건으로 공급되는 연료로 연소하여 산소(O2)를 소진하고 상기 질소산화물(NOx)을 포함하는 제22유동을 배출하는 당량비 연소기, 및 상기 농후 연소기와 상기 당량비 연소기에서 배출되는 상기 제21유동의 상기 수소(H2)와 상기 제22유동의 상기 질소산화물(NOx)의 촉매 반응으로 생성된 암모니아(NH3)를 포함하는 제3유동을 배출하는 촉매 반응기를 포함한다.Ammonia generating apparatus according to an embodiment of the present invention is a plasma reactor for generating high-temperature nitrogen oxides (NOx) from air by forming a high-temperature region concentrated by a plasma reaction, and the nitrogen oxides of the first flow discharged from the plasma reactor (NOx) is partially oxidized with the supplied fuel to discharge a 21st flow containing hydrogen (H 2 ), air containing the nitrogen oxides (NOx) of the first flow discharged from the plasma reactor and An equivalence ratio combustor that burns with fuel supplied under the theoretical equivalence ratio combustion condition to consume oxygen (O 2 ) and discharge a 22nd flow containing the nitrogen oxide (NOx), and the rich combustor and the equivalence ratio combustor and a catalytic reactor for discharging a third stream including ammonia (NH 3 ) produced by a catalytic reaction of the hydrogen (H 2 ) of the 21st flow and the nitrogen oxide (NOx) of the 22nd flow.

상기 플라즈마 반응기는 직류 또는 교류로 구동되어 방전갭을 형성하는 내부통로의 저온 영역에 비하여 전기적으로 접지되는 부분에 아크의 집중을 통해서 고온 반응하는 상기 고온 영역을 형성할 수 있다.The plasma reactor may be driven by direct current or alternating current to form the high temperature region that reacts to a high temperature through concentration of an arc in an electrically grounded portion compared to a low temperature region of an internal passage that forms a discharge gap.

본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 생성 장치는, 상기 플라즈마 반응기의 출구에 연결되는 분기장치를 더 포함하며, 상기 분기장치는 상기 플라즈마 반응기에서 배출되는 상기 제1유동을 상기 농후 연소기의 제11유동과 상기 당량비 연소기의 제12유동의 정의된 비율로 분기할 수 있다.The ammonia generating apparatus according to an embodiment of the present invention further includes a branching device connected to an outlet of the plasma reactor, wherein the branching device converts the first flow discharged from the plasma reactor into an eleventh flow of the rich combustor. and a defined ratio of the twelfth flow of the equivalence ratio combustor.

상기 플라즈마 반응기에서 배출되는 상기 제1유동은 질소(N2), 산소(O2), 일산화질소(NO) 및 일산화질소(NO2)를 포함할 수 있다.The first flow discharged from the plasma reactor may include nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), nitrogen monoxide (NO), and nitrogen monoxide (NO 2 ) .

상기 농후 연소기에서 배출되는 상기 제21유동은 질소(N2), 수소(H2), 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)를 포함할 수 있다.The twenty-first flow discharged from the rich combustor may include nitrogen (N 2 ), hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), and carbon dioxide (CO 2 ).

상기 당량비 연소기에서 배출되는 상기 제22유동은 질소(N2), 질소산화물(NOx) 및 이산화탄소(CO2)를 포함할 수 있다. The twenty-second flow discharged from the equivalence ratio combustor may include nitrogen (N 2 ), nitrogen oxides (NOx), and carbon dioxide (CO 2 ).

상기 촉매 반응기에서 배출되는 상기 제3유동은 질소(N2), 이산화탄소(CO2) 및 암모니아(NH3)를 포함할 수 있다.The third flow discharged from the catalytic reactor may include nitrogen (N 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) and ammonia (NH 3 ).

상기 플라즈마 반응기는 직류 또는 교류 고전압이 인가되는 고전압전극, 및 상기 고전압전극을 내장하여 접지되고 상기 고전압전극과의 사이에 방전갭을 형성하며 길이를 가지는 하우징을 포함하며, 상기 하우징은 내부공간에 플라즈마 아크를 발생시키는 공기를 공급하는 공기 공급구, 상기 고전압전극의 반대측에서 상기 내부공간보다 좁게 형성되는 좁은 통로, 및 상기 좁은 통로에 이어지고 상기 내부공간만큼 확장 형성되고 끝에 토출구를 가지는 확장 통로를 포함하고, 상기 좁은 통로는 상기 내부통로의 저온 영역보다 높은 온도의 고온 영역을 형성하여 공기로부터 질소산화물(NOx)을 생성할 수 있다.The plasma reactor includes a high voltage electrode to which a DC or AC high voltage is applied, and a housing which is grounded by embedding the high voltage electrode and forms a discharge gap between the high voltage electrode and a length, wherein the housing is provided with plasma in the inner space. An air supply port for supplying air for generating an arc, a narrow passage formed narrower than the inner space on the opposite side of the high voltage electrode, and an extended passage leading to the narrow passage and extending as much as the inner space and having a discharge port at the end; , the narrow passage may form a high temperature region having a higher temperature than a low temperature region of the inner passage to generate nitrogen oxides (NOx) from the air.

본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 저감장치는 엔진이나 산업용 연소기에 연결되는 배기관, 상기 배기관의 도중에 장착되는 선택적 환원촉매(SCR), 및 상기 엔진이나 상기 산업용 연소기와 상기 선택적 환원촉매(SCR) 사이의 상기 배기관에 연결되고 암모니아를 생성하여 상기 배기관으로 공급하는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 암모니아 생성 장치를 포함한다.A nitrogen oxide reduction device according to an embodiment of the present invention includes an exhaust pipe connected to an engine or an industrial combustor, a selective reduction catalyst (SCR) mounted in the middle of the exhaust pipe, and the engine or the industrial combustor and the selective reduction catalyst (SCR) It is connected to the exhaust pipe between and generates ammonia and comprises the ammonia generating device of any one of claims 1 to 7 for supplying to the exhaust pipe.

본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 저감장치는, 상기 엔진에 연료를 공급하는 연료탱크를 더 포함하며, 상기 연료탱크는 상기 암모니아 생성 장치에 연결될 수 있다.The nitrogen oxide reduction device according to an embodiment of the present invention further includes a fuel tank for supplying fuel to the engine, the fuel tank may be connected to the ammonia generating device.

상기 연료탱크는 상기 농후 연소기 및 상기 당량비 연소기에 각각 연료를 공급하도록 연결될 수 있다.The fuel tank may be connected to supply fuel to the rich combustor and the equivalence ratio combustor, respectively.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 공기와 연료를 사용하여 암모니아를 생성하므로 우레아(Urea, 요소수)로 암모니아를 생성할 때 요구되는 우레아의 충전을 필요로 하지 않는다. 일 실시예는 우레아 탱크를 필요로 하지 않고 엔진(이나 산업용 연소기)의 연료탱크의 연료를 엔진(이나 산업용 연소기)과 암모니아 생성 장치가 같이 사용하므로 우레아 탱크를 관리하는 불편을 제거하면서, 플라즈마 반응기에서 생성한 NOx를 농후 연소기와 당량비 연소기에서 제거하고 촉매 반응기에서 암모니아를 생성하는 실질적인 효과를 거둘 수 있다.As such, an embodiment of the present invention does not require the filling of urea, which is required when generating ammonia with urea (urea water), because ammonia is generated using air and fuel. One embodiment does not require a urea tank and uses the fuel of the fuel tank of the engine (or industrial combustor) together with the engine (or industrial combustor) and the ammonia generating device, thereby eliminating the inconvenience of managing the urea tank in the plasma reactor It is possible to achieve the practical effect of removing the generated NOx in the rich combustor and the equivalence ratio combustor and generating ammonia in the catalytic reactor.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 생성 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 3은 도 1의 암모니아 생성 장치를 적용하는 질소산화물 저감장치의 구성도이다.1 is a block diagram of an ammonia generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the plasma reactor applied to FIG. 1 .
3 is a block diagram of a nitrogen oxide reduction device to which the ammonia generating device of FIG. 1 is applied.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are assigned to the same or similar components throughout the specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 생성 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예의 암모니아 생성 장치는 플라즈마 반응기(10), 농후 연소기(31), 당량비 연소기(32), 및 촉매 반응기(40)를 포함한다. 암모니아 생성 장치는 플라즈마 반응기(10)의 출구에 연결되는 분기장치(20)를 더 포함할 수 있다.1 is a block diagram of an ammonia generating apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 , the ammonia generating apparatus of one embodiment includes a plasma reactor 10 , a rich combustor 31 , an equivalence ratio combustor 32 , and a catalytic reactor 40 . The ammonia generating device may further include a branching device 20 connected to the outlet of the plasma reactor 10 .

플라즈마 반응기(10)는 공기로부터 질소산화물(NOx) 생성을 위하여 플라즈마 방전을 구현한다. 플라즈마 반응기(10)는 플라즈마 반응으로 아크가 집중된 고온 영역을 형성하여, 공급되는 공기를 고온 영역으로 진행시키므로 고온의 질소산화물(NOx)을 생성하도록 구성된다.The plasma reactor 10 implements a plasma discharge to generate nitrogen oxides (NOx) from air. The plasma reactor 10 is configured to generate high-temperature nitrogen oxides (NOx) by forming a high-temperature region in which an arc is concentrated by plasma reaction, and advances the supplied air to the high-temperature region.

플라즈마 반응기(10)는 공기의 플라즈마 반응으로 형성되는 고온 영역으로 공기를 진행시키므로 생성되는 질소(N2), 산소(O2), 일산화질소(NO) 및 일산화질소(NO2)를 포함하는 제1유동(F1)을 배출한다.The plasma reactor 10 is produced by advancing air to a high-temperature region formed by the plasma reaction of air, so nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), nitrogen monoxide (NO), and nitrogen monoxide (NO 2) containing a Discharge 1 flow (F1).

분기장치(20)는 플라즈마 반응기(10)에서 배출되는 제1유동(F1)을 농후 연소기(31)의 제11유동(F11)과 당량비 연소기(32)의 제12유동(F12)의 정의된 비율로 분기하도록 구성된다. 즉 분기장치(20)는 제1유동(F1)의 양을 분배하여 농후 연소기(31) 및 당량비 연소기(32)로 공급되게 한다.The branching device 20 divides the first flow F1 discharged from the plasma reactor 10 at a defined ratio between the eleventh flow F11 of the rich combustor 31 and the twelfth flow F12 of the equivalence ratio combustor 32 . is configured to branch to That is, the branch device 20 distributes the amount of the first flow F1 to be supplied to the rich combustor 31 and the equivalence ratio combustor 32 .

분기장치가 구비되지 않은 경우에도 플라즈마 반응기(10)에서 배출되는 제1유동(F1)은 제1관로(L1)에서 분기된 제11관로(L11) 및 제12관로(L12)를 통하여 제11, 제12유동(F11, F12)을 형성하여 농후 연소기(31)와 당량비 연소기(32)로 분기되어 공급된다.Even when the branching device is not provided, the first flow F1 discharged from the plasma reactor 10 is the 11th, The twelfth flows F11 and F12 are formed to branch and supply the rich combustor 31 and the equivalence ratio combustor 32 .

농후 연소기(31)는 플라즈마 반응기(10)에 연결되어 플라즈마 반응기(10)에 에서 배출되는 가스에 남은 산소와 연료 과잉(Fuel rich) 조건의 부분산화를 구현한다. 이를 위하여 연료가 농후 연소기(31)로 공급된다.The rich combustor 31 is connected to the plasma reactor 10 to implement partial oxidation of oxygen and fuel-rich conditions remaining in the gas discharged from the plasma reactor 10 . For this purpose, fuel is supplied to the rich combustor 31 .

즉 농후 연소기(31)는 제21관로(L21)로 촉매 반응기(40)에 연결되어, 플라즈마 반응기(10)에서 배출되는 제1유동(F1) 및 제11유동(F11)의 질소산화물(NOx)을 공급되는 연료로 부분 산화하여 수소(H2)를 포함하는 제21유동(F21)을 제21관로(L21)로 배출한다. 이때 농후 연소의 특성상 수소(H2), 일산화탄소(CO)와 같은 환원 분위기에서 제11관로(L11)로 플라즈마 반응의 생성물로 유입된 NOx는 상당량이 질소(N2)로 환원된다.That is, the rich combustor 31 is connected to the catalytic reactor 40 through the 21st pipe line L21, and nitrogen oxides (NOx) of the first flow F1 and the 11th flow F11 discharged from the plasma reactor 10 . is partially oxidized with the supplied fuel to discharge the 21st flow F21 containing hydrogen (H 2 ) to the 21st conduit L21. At this time, due to the nature of rich combustion, a significant amount of NOx introduced as a product of the plasma reaction through the 11th pipe line L11 in a reducing atmosphere such as hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) is reduced to nitrogen (N 2 ).

따라서 연료 과잉(Fuel rich) 조건의 부분산화를 구현하는 농후 연소기(31)에서 배출되는 제21유동(F21)은 질소(N2), 수소(H2), 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)를 주된 생성물로 포함한다.Therefore, the 21st flow F21 discharged from the rich combustor 31 implementing partial oxidation of fuel rich conditions is nitrogen (N 2 ), hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ) ) as the main product.

당량비 연소기(32)는 플라즈마 반응기(10)에 연결되어 플라즈마 반응기(10)에 에서 배출되는 가스에 남은 산소와 당량비(Stoichiometric) 조건의 연소를 구현한다. 이를 위하여 연료가 당량비 연소기(32)로 공급된다.The equivalence ratio combustor 32 is connected to the plasma reactor 10 to implement combustion of the oxygen remaining in the gas discharged from the plasma reactor 10 and the equivalence ratio (Stoichiometric) condition. For this, fuel is supplied to the equivalence ratio combustor 32 .

즉, 당량비 연소기(32)는 제22관로(L22)로 촉매 반응기(40)에 연결되어, 플라즈마 반응기(10)에서 배출되는 제1유동(F1) 및 제12유동(F12)의 질소산화물(NOx)과 공급되는 연료의 연소를 통하여 산소(O2)를 소진하고 당량비 연소의 고온 과정에서 발생하는 질소산화물(NOx)을 포함하는 제22유동(F22)을 제22관로(L22)로 배출한다.That is, the equivalence ratio combustor 32 is connected to the catalytic reactor 40 through the 22nd pipe line L22, and nitrogen oxides (NOx) of the first flow F1 and the twelfth flow F12 discharged from the plasma reactor 10 . ) and the supplied fuel, oxygen (O 2 ) is consumed, and the 22nd flow F22 containing nitrogen oxides (NOx) generated in the high-temperature process of equivalence ratio combustion is discharged to the 22nd pipe line L22.

당량비 연소기(32)는 제12유동(F12)에 적정량의 연료를 공급하여, 당량비 연소를 통해서 산소가 없거나 1~2% 이하의 매우 낮은 산소 농도 조건에서 질소산화물(NOx)이 포함된 제22유동(F22)을 배출한다.The equivalence ratio combustor 32 supplies an appropriate amount of fuel to the twelfth flow F12, and the 22nd flow containing nitrogen oxides (NOx) in the absence of oxygen or at a very low oxygen concentration condition of 1 to 2% or less through equivalence ratio combustion. (F22) is discharged.

당량비 연소를 구현하는 당량비 연소기(32)에서 배출되는 제22유동(F22)은 질소(N2), 질소산화물(NOx) 및 이산화탄소(CO2)를 포함한다.The twenty-second flow F22 discharged from the equivalence ratio combustor 32 implementing equivalence ratio combustion includes nitrogen (N 2 ), nitrogen oxides (NOx), and carbon dioxide (CO 2 ).

촉매 반응기(40)는 농후 연소기(31)에서 공급되는 수소(H2)와 당량비 연소기(32)에서 공급되는 질소산화물(NOx)을 공급받아 암모니아(NH3)를 합성하도록 촉매를 구비한다.The catalytic reactor 40 receives hydrogen (H 2 ) supplied from the rich combustor 31 and nitrogen oxide (NOx) supplied from the equivalence ratio combustor 32 to synthesize ammonia (NH 3 ) with a catalyst.

즉, 촉매 반응기(40)는 농후 연소기(31)와 당량비 연소기(32)에서 배출되는 제21유동(F21)의 수소(H2)와 제22유동(F22)의 질소산화물(NOx)이 촉매 상에서의 촉매 반응으로 암모니아를 생성하고, 생성된 암모니아를 포함하는 제3유동(F3)을 배출한다.That is, in the catalytic reactor 40, hydrogen (H 2 ) of the 21st flow (F21) and nitrogen oxides (NOx) of the 22nd flow (F22) discharged from the rich combustor 31 and the equivalence ratio combustor 32 are on the catalyst. Ammonia is produced by the catalytic reaction, and a third flow (F3) containing the produced ammonia is discharged.

촉매 반응기(40)에서 배출되는 제3유동(F3)은 질소(N2), 이산화탄소(CO2) 및 암모니아(NH3)를 포함한다. 제3유동(F3)은 배기관(도 3 참조)에 연결되어 생성된 암모니아(NH3)로 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 제거한다.The third flow F3 discharged from the catalytic reactor 40 includes nitrogen (N 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) and ammonia (NH 3 ). The third flow F3 is connected to the exhaust pipe (see FIG. 3 ) to remove nitrogen oxides (NOx) contained in the exhaust gas with ammonia (NH 3 ) generated.

이와 같이 구성되는 암모니아 생성 장치는 농후 연소기(31)에서는 수소, 일산화탄소, 질소를 주성분으로 하며 일부 미연 연료와 질소산화물(NOx)이 배출되고, 당량비 연소기(32)에서는 질소, 질소산화물(NOx)을 주 성분으로 하는 생성물이 제22유동(F22)으로 배출된다.In the ammonia generating device configured as described above, hydrogen, carbon monoxide, and nitrogen are the main components in the rich combustor 31, and some unburned fuel and nitrogen oxides (NOx) are discharged, and in the equivalence ratio combustor 32, nitrogen, nitrogen oxides (NOx) The main component product is discharged into the 22nd flow (F22).

이때, 제21, 제22관로(L21, L22)로 공급되는 제21, 제22유동(F21, F22)에 산소가 없거나 산소(O2) 농도가 낮은 조건에서 NOx와 수소(H2)가 공급되면, 촉매 반응기(40)의 촉매 상에서 암모니아(NH3)를 합성하게 된다.At this time, NOx and hydrogen (H 2 ) are supplied under the condition that there is no oxygen or oxygen (O 2 ) concentration is low in the 21st and 22nd flows (F21, F22) supplied to the 21st and 22nd pipelines (L21, L22). Then, ammonia (NH 3 ) is synthesized on the catalyst of the catalytic reactor 40 .

촉매 반응기(40)에서 합성된 암모니아(NH3)는 엔진(51)(또는 산업용 연소기(미도시), 이하에서 엔진으로만 기재한다)에서 선택적 환원촉매(SCR)(53)로 공급되는 배기관(52)으로 공급되어, 배기관(52)으로 유동하는 배기가스 중의 질소산화물(NOx)을 환원시키게 된다(도 3 참조). Ammonia (NH 3 ) synthesized in the catalytic reactor 40 is an exhaust pipe supplied as a selective reduction catalyst (SCR) 53 in the engine 51 (or an industrial combustor (not shown), hereinafter referred to only as an engine) ( 52) to reduce nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas flowing into the exhaust pipe 52 (refer to FIG. 3).

도 2는 도 1에 적용되는 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 일 실시예의 플라즈마 반응기(10)는 고전압전극(11) 및 하우징(12)을 포함한다. 전원(미도시)에 연결되는 고전압전극(11)에는 직류 또는 교류 고전압이 인가된다.FIG. 2 is a cross-sectional view of the plasma reactor applied to FIG. 1 . Referring to FIG. 2 , the plasma reactor 10 according to an embodiment includes a high voltage electrode 11 and a housing 12 . A DC or AC high voltage is applied to the high voltage electrode 11 connected to a power source (not shown).

하우징(12)은 고전압전극(11)을 내장하여 전기적으로 접지되고 고전압전극(11)과의 사이에 방전갭(G)을 형성하며 길이를 가진다. 예를 들면, 하우징(12)이 원통으로 형성되는 경우, 방전갭(G)은 하우징(12)의 직경 방향으로 설정되고, 발생되는 플라즈마 아크(PA)는 하우징(12)의 길이 방향으로 유동된다.The housing 12 is electrically grounded by embedding the high voltage electrode 11 , and forms a discharge gap G between it and the high voltage electrode 11 and has a length. For example, when the housing 12 is formed in a cylindrical shape, the discharge gap G is set in the radial direction of the housing 12 , and the generated plasma arc PA flows in the longitudinal direction of the housing 12 . .

또한, 하우징(12)은 내부공간(S)에 플라즈마 아크(PA)를 발생시키는 공기를 공급하는 공기 공급구(13), 고전압전극(11)의 반대측에서 내부공간(S)보다 좁게 형성되는 좁은 통로(14), 및 좁은 통로(14)에 이어지고 내부공간(S)만큼 확장 형성되고 끝에 토출구(15)를 가지는 확장 통로(16)를 포함한다.In addition, the housing 12 is formed to be narrower than the internal space S on the opposite side of the air supply port 13 for supplying air for generating a plasma arc PA to the inner space S, and the high voltage electrode 11 . It includes a passage 14, and an enlarged passage 16 leading to the narrow passage 14 and extending as much as the inner space S and having a discharge port 15 at the end.

좁은 통로(14)는 내부통로(S)의 저온 영역보다 높은 온도의 고온 영역을 형성하여 공기로부터 고농도의 질소산화물(NOx)을 생성한다. 이 좁은 통로(14)에는 플라즈마 아크(PA)가 집중되므로 내부통로(S)에 비하여 좁은 통로(14)에서 상대적으로 고온 영역이 형성되어 공기로부터 질소산화물이 생성된다.The narrow passage 14 forms a high temperature region having a higher temperature than the low temperature region of the inner passage S to generate nitrogen oxides (NOx) of high concentration from the air. Since the plasma arc PA is concentrated in the narrow passage 14 , a relatively high temperature region is formed in the narrow passage 14 compared to the inner passage S, and nitrogen oxides are generated from the air.

이렇게 플라즈마 반응기(10)에서 생성된 질소산화물은 제1유동(F1)을 형성하고, 제1관로(L1) 및 제11, 제12관로(L11, L12)를 경유하면서 제11, 제12유동(F11, F12)을 형성하여 농후 연소기(31)와 당량비 연소기(32)로 공급된다.In this way, the nitrogen oxide generated in the plasma reactor 10 forms a first flow F1, and passes through the first pipe line L1 and the 11th and 12th pipes L11 and L12 while passing through the 11th and 12th flows ( F11 and F12 are formed and supplied to the rich combustor 31 and the equivalence ratio combustor 32 .

도 3은 도 1의 암모니아 생성 장치를 적용하는 질소산화물 저감장치의 구성도이다. 도 3을 참조하면, 일 실시예의 질소산화물 저감장치는 엔진(51)에 연결되는 배기관(52), 배기관(52)의 도중에 장착되는 선택적 환원촉매(SCR)(53), 및 암모니아 생성 장치(54)를 포함한다.3 is a block diagram of a nitrogen oxide reduction device to which the ammonia generating device of FIG. 1 is applied. Referring to FIG. 3 , the nitrogen oxide reduction device of an embodiment includes an exhaust pipe 52 connected to an engine 51 , a selective reduction catalyst (SCR) 53 mounted in the middle of the exhaust pipe 52 , and an ammonia generating device 54 . ) is included.

암모니아 생성 장치(54)는 엔진(51)과 선택적 환원촉매(SCR)(53) 사이의 배기관(52)에 연결되고, 공기와 연료를 사용하여 암모니아(NH3)를 생성하여 배기관(52)으로 공급한다. 이를 위하여, 질소산화물 저감장치는 엔진(51)에 연료를 공급하는 연료탱크(55)를 더 포함한다.The ammonia generating device 54 is connected to the exhaust pipe 52 between the engine 51 and the selective reduction catalyst (SCR) 53 , and generates ammonia (NH 3 ) using air and fuel to the exhaust pipe 52 . supply To this end, the nitrogen oxide reduction device further includes a fuel tank 55 for supplying fuel to the engine 51 .

연료탱크(55)는 암모니아 생성 장치(54)에 연결되어 암모니아(NH3)의 생성에 필요한 연료를 공급한다. 연료탱크(55)는 농후 연소기(31) 및 당량비 연소기(32)에 각각 연료를 공급하도록 연결된다.The fuel tank 55 is connected to the ammonia generating device 54 to supply fuel necessary for the production of ammonia (NH 3 ). The fuel tank 55 is connected to supply fuel to the rich combustor 31 and the equivalence ratio combustor 32, respectively.

이상에 설명한 플라즈마 반응기(10)는 엔진과 같은 이동원에 적합하며 직류 또는 교류로 구동되어 질소산화물을 생성한다. 그러나 플라즈마 반응기는 산업용 로 또는 발전용 보일러 등과 같은 정치된 산업용 연소기에 적용될 수 있다. 이 경우, 플라즈마 반응기는 1500℃ 이상의 온도를 생성할 수 있는 고주파 유도전류에 의한 플라즈마(ICP; Inductively coupled plasma) 또는 마이크로 웨이브 플라즈마 소스에 공기를 공급하여, 고온 조건의 공기로부터 질소산화물을 생성할 수도 있다.The plasma reactor 10 described above is suitable for a moving source such as an engine and is driven by direct current or alternating current to generate nitrogen oxide. However, the plasma reactor can be applied to stationary industrial combustors such as industrial furnaces or boilers for power generation. In this case, the plasma reactor supplies air to a plasma (Inductively coupled plasma (ICP) or microwave plasma source) by a high-frequency induced current that can generate a temperature of 1500° C. or higher, and may generate nitrogen oxides from the air at high temperature. have.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made within the scope of the claims, the description of the invention, and the accompanying drawings, and this is also It goes without saying that it falls within the scope of the invention.

10: 플라즈마 반응기 11: 고전압전극
12: 하우징 13: 공기 공급구
14: 좁은 통로 15: 토출구
16: 확장 통로 20: 분기장치
31: 농후 연소기 32: 당량비 연소기
40: 촉매 반응기 51: 엔진(산업용 연소기)
52: 배기관 53: 선택적 환원촉매(SCR)
54: 암모니아 생성 장치 55: 연료탱크
F1: 제1유동 F11: 제11유동
F12: 제12유동 F21: 제21유동
F22: 제22유동 F3: 제3유동
G: 방전갭 L1: 제1관로
L11: 제11관로 L12: 제12관로
L21: 제21관로 L22: 제22관로
PA: 플라즈마 아크 S: 내부공간10: plasma reactor 11: high voltage electrode
12: housing 13: air inlet
14: narrow passage 15: outlet
16: expansion passage 20: branch device
31: rich combustor 32: equivalence ratio combustor
40: catalytic reactor 51: engine (industrial combustor)
52: exhaust pipe 53: selective reduction catalyst (SCR)
54: ammonia generating device 55: fuel tank
F1: Flow 1 F11: Flow 11
F12: Flow 12 F21: Flow 21
F22: Flow 22 F3: Flow 3
G: Discharge gap L1: 1st conduit
L11: Pipeline 11 L12: Pipeline 12
L21: Conduit 21 L22: Conduit 22
PA: Plasma arc S: Internal space

Claims (11)

플라즈마 반응으로 집중된 고온 영역을 형성하여 공기로부터 고온의 질소산화물(NOx)을 생성하는 플라즈마 반응기;
상기 플라즈마 반응기에서 배출되는 제1유동의 상기 질소산화물(NOx)을 공급되는 연료로 부분 산화하여 수소(H2)를 포함하는 제21유동을 배출하는 농후 연소기;
상기 플라즈마 반응기에서 배출되는 상기 제1유동의 상기 질소산화물(NOx)을 포함하는 공기와 이론 당량비 연소 조건으로 공급되는 연료로 연소하여 산소(O2)를 소진하고 상기 질소산화물(NOx)을 포함하는 제22유동을 배출하는 당량비 연소기; 및
상기 농후 연소기와 상기 당량비 연소기에서 배출되는 상기 제21유동의 상기 수소(H2)와 상기 제22유동의 상기 질소산화물(NOx)의 촉매 반응으로 생성된 암모니아(NH3)를 포함하는 제3유동을 배출하는 촉매 반응기
를 포함하며,
상기 플라즈마 반응기는 방전갭을 형성하도록 고전압전극을 내장하는 하우징을 포함하고,
상기 하우징은 내부공간에 플라즈마 아크를 발생시키는 공기를 공급하는 공기 공급구, 상기 고전압전극의 반대측에서 상기 내부공간보다 좁게 형성되는 좁은 통로, 및 상기 좁은 통로에 이어지고 상기 내부공간만큼 확장 형성되고 끝에 토출구를 가지는 확장 통로를 포함하며,
상기 좁은 통로는
상기 방전갭을 형성하는 내부통로의 저온 영역에 비하여 높은 온도의 상기 고온 영역을 형성하는 암모니아 생성 장치.a plasma reactor for generating high-temperature nitrogen oxides (NOx) from air by forming a concentrated high-temperature region through a plasma reaction;
a rich combustor for partially oxidizing the nitrogen oxide (NOx) of the first flow discharged from the plasma reactor with a fuel to be supplied to discharge a 21st flow including hydrogen (H 2 );
Combusting with the fuel supplied under the combustion conditions in the theoretical equivalent ratio with the air containing the nitrogen oxide (NOx) of the first flow discharged from the plasma reactor to exhaust oxygen (O 2 ) and containing the nitrogen oxide (NOx) an equivalence ratio combustor for discharging a 22nd flow; and
A third flow including ammonia (NH 3 ) produced by a catalytic reaction of the hydrogen (H 2 ) of the 21st flow and the nitrogen oxides (NOx) of the 22nd flow discharged from the rich combustor and the equivalence ratio combustor catalytic reactor that emits
includes,
The plasma reactor includes a housing containing a high voltage electrode to form a discharge gap,
The housing includes an air supply port for supplying air for generating a plasma arc to the inner space, a narrow passage formed narrower than the inner space on the opposite side of the high voltage electrode, and a discharge port connected to the narrow passage and extended by the inner space and formed at the end It includes an expansion passage having a
the narrow passage
An ammonia generating apparatus for forming the high temperature region of a higher temperature than that of the low temperature region of the inner passage forming the discharge gap. 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 반응기는
직류 또는 교류로 구동되고,
상기 고온 영역은
전기적으로 접지되는 부분에 아크의 집중을 통해서 고온 반응으로 형성하는 암모니아 생성 장치.According to claim 1,
The plasma reactor
driven by direct current or alternating current,
The high temperature region
Ammonia generating device that is formed by high-temperature reaction through the concentration of an arc on an electrically grounded part. 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 반응기의 출구에 연결되는 분기장치를 더 포함하며,
상기 분기장치는
상기 플라즈마 반응기에서 배출되는 상기 제1유동을
상기 농후 연소기의 제11유동과
상기 당량비 연소기의 제12유동의 정의된 비율로 분기하는 암모니아 생성 장치.According to claim 1,
Further comprising a branching device connected to the outlet of the plasma reactor,
The branching device is
The first flow discharged from the plasma reactor
The eleventh flow of the rich combustor and
Ammonia generating device branching at a defined rate of the twelfth flow of the equivalence ratio combustor. 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 반응기에서 배출되는 상기 제1유동은
질소(N2), 산소(O2), 일산화질소(NO) 및 일산화질소(NO2)를 포함하는 암모니아 생성 장치.According to claim 1,
The first flow discharged from the plasma reactor is
Ammonia generating device comprising nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), nitrogen monoxide (NO) and nitrogen monoxide (NO 2 ). 제4항에 있어서,
상기 농후 연소기에서 배출되는 상기 제21유동은
질소(N2), 수소(H2), 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 암모니아 생성 장치.5. The method of claim 4,
The 21st flow discharged from the rich combustor is
Ammonia generating device comprising nitrogen (N 2 ), hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ). 제5항에 있어서,
상기 당량비 연소기에서 배출되는 상기 제22유동은
질소(N2), 질소산화물(NOx) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 암모니아 생성 장치.6. The method of claim 5,
The 22nd flow discharged from the equivalence ratio combustor is
Ammonia generating device comprising nitrogen (N 2 ), nitrogen oxides (NOx) and carbon dioxide (CO 2 ). 제6항에 있어서,
상기 촉매 반응기에서 배출되는 상기 제3유동은
질소(N2), 이산화탄소(CO2) 및 암모니아(NH3)를 포함하는 암모니아 생성 장치.7. The method of claim 6,
The third flow discharged from the catalytic reactor is
Ammonia generating device comprising nitrogen (N 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) and ammonia (NH 3 ). 제1항에 있어서,
직류 또는 교류 고전압이 상기 고전압전극에 인가되며,
상기 하우징은 접지되고 상기 고전압전극과의 사이에 상기 방전갭을 형성하며 길이를 가지는
암모니아 생성 장치.According to claim 1,
A direct current or alternating current high voltage is applied to the high voltage electrode,
The housing is grounded and forms the discharge gap between the high voltage electrode and the
Ammonia generator. 엔진이나 산업용 연소기에 연결되는 배기관;
상기 배기관의 도중에 장착되는 선택적 환원촉매(SCR); 및
상기 엔진이나 상기 산업용 연소기와 상기 선택적 환원촉매(SCR) 사이의 상기 배기관에 연결되고 암모니아를 생성하여 상기 배기관으로 공급하는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 암모니아 생성 장치
를 포함하는 질소산화물 저감장치.exhaust pipe to engine or industrial combustor;
a selective reduction catalyst (SCR) mounted in the middle of the exhaust pipe; and
The ammonia generating device of any one of claims 1 to 7, which is connected to the exhaust pipe between the engine or the industrial combustor and the selective reduction catalyst (SCR) and supplies ammonia to the exhaust pipe.
A nitrogen oxide reduction device comprising a. 제9항에 있어서,
상기 엔진이나 산업용 연소기에 연료를 공급하는 연료탱크를 더 포함하며,
상기 연료탱크는
상기 암모니아 생성 장치에 연결되는 질소산화물 저감장치.10. The method of claim 9,
Further comprising a fuel tank for supplying fuel to the engine or industrial combustor,
the fuel tank
A nitrogen oxide reduction device connected to the ammonia generating device. 제10항에 있어서,
상기 연료탱크는
상기 농후 연소기 및 상기 당량비 연소기에 각각 연료를 공급하도록 연결되는 질소산화물 저감장치.11. The method of claim 10,
the fuel tank
A nitrogen oxide reduction device connected to supply fuel to the rich combustor and the equivalence ratio combustor, respectively.
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