KR102367294B1 - 환원제 공급 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 환원제를 공급하는 환원제 공급 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 환원제 공급 시스템은 환원제를 분사하는 분사 노즐과, 상기 분사 노즐에 환원제를 공급하는 환원제 공급부와, 상기 환원제 공급부와 상기 분사 노즐을 연결하는 환원제 공급 라인과, 상기 분사 노즐에 압축 공기를 공급하는 공기 공급부, 그리고 상기 공기 공급부와 상기 분사 노즐을 연결하는 공기 공급 라인을 포함한다. 상기 환원제 공급부가 환원제의 공급을 중단하면 상기 공기 공급부가 공급하는 압축 공기가 상기 분사 노즐에서 상기 환원제 공급 라인으로 역류하여 상기 환원제 공급 라인에 잔존하는 환원제를 드레인시킨다.

Description

환원제 공급 시스템{REDUCTANT SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 환원제 공급 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위해 선택적 촉매 환원 반응에 사용되는 환원제를 공급하기 위한 환원제 공급 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은 디젤 엔진, 보일러, 소각기 등에서 발생된 배기가스를 정화하여 질소산화물을 저감시키기 위한 시스템이다.
선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다. 그리고 선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제로 우레아(urea)를 직접 분사하여 사용하거나 우레아를 가수분해시켜 생성된 암모니아(NH3)를 분사하여 사용하고 있다. 그리고 환원제는 환원제 공급 시스템을 통해 공급 및 분사된다.
환원제 공급 시스템은 질소산화물 저감을 위한 가동 중에는 환원제와 압축 공기를 분사 노즐에 공급하여 분사 노즐을 통해 미립화된 환원제를 고온의 가스 내 공급하게 된다. 그리고 선택적 촉매 환원 시스템의 가동이 정지되면, 환원제 공급 시스템은 환원제 공급 라인에 세정수를 공급하여 잔존 환원제를 분사 노즐을 거쳐 고온의 배기가스를 향해 배출하고, 다시 공기를 공급하여 환원제 공급 라인의 잔존 환원제와 세정수를 분사 노즐을 거쳐 제거하는 과정을 수행하였다.
분사 노즐 및 환원제 공급 라인에 잔존하는 환원제가 완전히 제거되지 않을 경우, 환원제가 분사 노즐 또는 환원제 공급 라인 내에서 결정화되어 분사 노즐이 막히거나 환원제 공급 라인에 설치된 여러 밸브와 환원제의 공급량을 조절하기 위한 질량 유량 제어기(MFC)가 오작동을 일으키게 된다.
따라서, 선택적 촉매 환원 시스템의 가동을 중단하고자 할 때에는, 환원제 공급 라인에서 제거된 잔여 환원제를 분해하기 위하여 일정 시간 추가적으로 선택적 촉매 환원 시스템을 가동하였다.
그런데, 엔진이 긴급하게 정지하여 선택적 촉매 환원 시스템의 운전도 갑자기 정지된 경우에는 분사 노즐 및 환원제 공급 라인에 잔존하는 환원제를 안정적으로 제거하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 환원제 공급 라인에 잔존하는 환원제를 제거하기 위하여 세정수와 압축 공기를 이용한 퍼지(purge) 작업을 수행할 때, 초기에 순간적으로 과량의 환원제가 분사 노즐을 통해 분사되는 문제점이 있다. 즉, 잔존하는 환원제를 제거하는 과정에서 암모니아가 과도하게 생성되어 배기가스와 함께 대기 중으로 배출되거나, 분사 노즐에 막힘 현상이 발생될 수 있으며, 환원제가 분해되는 챔버 또는 배관의 내부에 침적된 고형물(deposit)이 생성될 우려가 있다.
또한, 분사 노즐에 압축 공기가 공급되는 상태에서 잔존하는 환원제를 제거하기 위해 세정수를 공급하는 경우, 세정수의 공급 압력이 압축 공기의 압력보다 낮으면 세정수가 원활하게 공급되지 못하는 문제점도 있다.
본 발명의 실시예는 가동 중단 과정에서 잔존하는 환원제를 안정적으로 제거할 수 있는 환원제 공급 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 환원제를 공급하는 환원제 공급 시스템은 환원제를 분사하는 분사 노즐과, 상기 분사 노즐에 환원제를 공급하는 환원제 공급부와, 상기 환원제 공급부와 상기 분사 노즐을 연결하는 환원제 공급 라인과, 상기 분사 노즐에 압축 공기를 공급하는 공기 공급부, 그리고 상기 공기 공급부와 상기 분사 노즐을 연결하는 공기 공급 라인을 포함한다. 상기 환원제 공급부가 환원제의 공급을 중단하면 상기 공기 공급부가 공급하는 압축 공기가 상기 분사 노즐에서 상기 환원제 공급 라인으로 역류하여 상기 환원제 공급 라인에 잔존하는 환원제를 드레인(drain)시킨다.
상기 분사 노즐은 상기 환원제 공급 라인과 연결되어 환원제를 공급받아 분사하는 노즐 내관부와, 상기 공기 공급 라인과 연결되어 압축 공기를 공급받아 분사는 노즐 외관부를 포함할 수 있다. 상기 노즐 외관부의 단부는 분사구와 연결되고, 상기 노즐 내관부의 단부는 상기 분사구로부터 소정의 혼합 공간을 사이에 두고 내측으로 이격될 수 있다.
상기 환원제 공급부가 환원제의 공급을 중단하면, 상기 공기 공급부가 공급하는 압축 공기가 상기 노즐 외관부로 유입된 후 상기 혼합 공간에서 상기 노즐 내관부으로 역류하여 상기 환원제 공급 라인으로 향할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 환원제를 공급하는 환원제 공급 시스템은 환원제를 분사하는 분사 노즐과, 상기 분사 노즐에 환원제를 공급하는 환원제 공급부와, 상기 환원제 공급부와 상기 분사 노즐을 연결하는 환원제 공급 라인과, 상기 분사 노즐에 압축 공기를 공급하는 공기 공급부와, 상기 공기 공급부와 상기 분사 노즐을 연결하는 공기 공급 라인과, 상기 환원제 공급 라인을 상기 분사 노즐과 연결하는 랜스 내관부와 상기 공기 공급 라인을 상기 분사 노즐과 연결하는 랜스 외관부를 포함하는 랜스, 그리고 상기 공기 공급 라인에서 분기되어 상기 랜스 내관부와 연결된 역류압 공급 라인을 포함할 수 있다.
상기 환원제 공급부가 환원제의 공급을 중단하면, 상기 역류압 공급 라인을 통해 상기 랜스 내관부에 압축 공기가 공급되면서 상기 환원제 공급 라인으로 역류하여 상기 환원제 공급 라인에 잔존하는 환원제를 드레인(drain)시킬 수 있다.
상기 분사 노즐은 상기 랜스 내관부와 연결되는 노즐 내관부와, 상기 랜스 외관부와 연결되는 노즐 외관부를 포함할 수 있다.
상기한 환원제 공급 시스템에서, 상기 환원제 공급부는 환원제 공급 펌프 및 환원제 저장 탱크를 포함할 수 있다. 그리고 상기한 환원제 공급 시스템은 상기 환원제 공급 라인에서 분기되어 상기 환원제 공급 펌프를 우회하여 상기 환원제 저장 탱크에 연결되거나 별도의 환원제 드레인 탱크에 연결되는 환원제 드레인 라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기한 환원제 공급 시스템은 상기 분사 노즐이 분사할 세정수를 공급하는 세정수 공급부와, 상기 세정수 공급부와 상기 환원제 공급 라인을 연결하는 세정수 공급 라인, 그리고 상기 공기 공급 라인과 상기 환원제 공급 라인을 연결하는 퍼지 라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기한 환원제 공급 시스템은 상기 환원제 공급 라인에 설치되어 상기 분사 노즐에서 분사할 환원제의 분사량을 제어하기 위한 유량 제어 장치부를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 퍼지 라인은 상기 유량 제어 장치부와 상기 분사 노즐 사이의 상기 환원제 공급 라인에 연결되고, 상기 세정수 공급 라인은 상기 유량 제어 장치부와 상기 환원제 공급부 사이의 상기 환원제 공급 라인에 연결될 수 있다.
또한, 상기한 환원제 공급 시스템은 상기 환원제 공급부가 공급하는 환원제와 상기 공기 공급부가 공급하는 압축 공기를 상기 분사 노즐을 통해 함께 분사하는 환원제 분사 모드와, 상기 환원제 공급부가 환원제의 공급을 중단하면 상기 공기 공급부가 공급하는 압축 공기를 이용하여 상기 환원제 공급 라인에 잔존하는 환원제를 역방향으로 드레인시켜 제거하는 환원제 드레인 모드와, 상기 환원제 공급 라인에 잔존하는 환원제를 드레인시킨 후 상기 세정수 공급부가 공급하는 세정수로 환원제 공급 라인을 세정하는 1차 세정 모드, 그리고 상기 공기 공급부가 공급하는 압축 공기를 이용하여 상기 환원제 공급 라인에 잔존하는 세정수를 제거하는 2차 세정 모드를 포함하는 복수의 모드로 구분 동작할 수 있다.
또한, 상기한 환원제 공급 시스템은 상기 공기 공급 라인 상에 설치된 공기 분사 밸브와, 상기 공기 공급 라인 상에 설치되어 압축 공기의 공급 압력을 측정하는 공기 압력 측정부, 그리고 상기 세정수 공급 라인 상에 설치되어 세정수의 공급 압력을 측정하는 세정수 압력 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 세정수 공급부가 세정수를 공급할 때 상기 공기 공급부도 압축 공기를 공급하는 경우 상기 세정수 압력 측정부가 측정한 세정수의 공급 압력이 상기 공기 압력 측정부가 측정한 압축 공기의 공급 압력보다 기설정된 기준 압력 이상 낮으면, 상기 공기 분사 밸브가 펄스 동작하여 반복해서 열리고 닫힘으로써 상기 분사 노즐에 압축 공기를 단속적으로 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 환원제 공급 시스템은 가동 중단 과정에서 잔존하는 환원제를 안정적으로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 환원제 공급 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 환원제 공급 시스템의 동작 상태에 따라 분사 노즐에서 압축 공기가 이동하는 방향을 나타낸다.
도 4 내지 도 7은 도 1의 환원제 공급 시스템의 동작 상태들을 나타낸 구성도들이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 환원제 공급 시스템에 사용된 분사 노즐 및 랜스를 동작 상태별로 나타낸 구성도들이다.
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 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 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 1을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)을 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)은 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 반응(selective catalytic reduction, SCR) 시스템에 사용되어 환원 반응에 필요한 환원제를 공급한다.
일례로, 선택적 촉매 환원 시스템은 엔진에서 배출된 배기가스가 함유한 질소산화물(NOx)을 환원 반응을 통해 제거하여 배기가스의 질소산화물 함유량을 저감시킨다. 여기서, 엔진은 선박에 사용되는 2행정 저속 또는 4행정 중속 디젤 엔진일 수 있다.
하지만, 선택적 촉매 환원 시스템이 엔진에서 배출된 배기가스에 한정되어 사용되는 것은 아니며, 플랜트 등 다양한 분야에서도 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)은 환원제로 우레아(urea, CO(NH2)2)를 사용할 수 있다. 환원제 공급 시스템(101)은 우레아를 분해 챔버 또는 증발기(evaporator)에 분사할 수 있으며, 우레아를 분해 챔버 또는 증발기가 아닌 배기가스가 흐르는 배기유로 또는 선택적 촉매 환원 반응기에 직접 분사할 수도 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)이 공급한 환원제인 우레아(urea, CO(NH2)2)는 열분해 또는 가수분해되어 질소산화물(NOx)을 환원시킬 암모니아(NH3)를 생성한다. 구체적으로, 환원제 공급 시스템(101)을 통해 분사된 우레아(urea, CO(NH2)2)가 분해되면, 암모니아(NH3)와 함께 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성된다. 그리고 이소시안산은 다시 분해되어 암모니아가 된다. 즉, 우레아가 분해되어 최종적으로 암모니아가 생성될 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)은 분사 노즐(910), 환원제 공급부(200), 환원제 공급 라인(620)), 공기 공급부(300), 및 공기 공급 라인(630)을 포함한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)은 환원제 드레인 라인(680), 세정수 공급부(400), 세정수 공급 라인(640), 및 퍼지 라인(610)을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)은 유량 제어 장치부(800), 환원제 분사 밸브(720), 공기 분사 밸브(730), 세정수 공급 밸브(740), 퍼지 밸브(760), 세정수 압력 제어 밸브(745), 공기 압력 제어 밸브(735), 환원제 드레인 밸브(780), 공기 압력 측정부(530), 세정수 압력 측정부(540), 환원제 압력 측정부(520), 및 환원제 드레인 탱크(280)을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)은 복수의 체크 밸브(771, 772, 773, 774, 778)와, 복수의 수동 밸브(729, 739, 749)를 더 포함할 수 있다.
분사 노즐(910)은 분해 챔버, 증발기, 배관, 또는 그 밖에 환원제를 분사하고자 하는 위치에 설치되어 환원제인 우레아(urea, CO(NH2)2)를 분사할 수 있다. 분사 노즐(910)은 환원제와 압축 공기를 함께 공급받아 미립화된 환원제를 고온의 배기가스 내 분사한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 분사 노즐(910)을 복수개 사용하여 환원제인 우레아를 분사함에 따라 분사되는 환원제의 분사 입자 크기를 감소시킬 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 분사된 환원제의 입자의 크기를 줄일 수 있으므로, 환원제인 우레아를 열분해 또는 가수분해를 위하여 요구되는 체류 시간이 현저히 감소시킬 수 있다. 즉, 선택적 촉매 환원 시스템에 사용되는 분해 챔버 또는 증발기(evaporator)의 크기를 감소시키거나 환원제의 분사 위치로부터 촉매가 설치된 반응기까지의 거리, 즉 배관의 길이를 줄일 수 있다.
하지만, 본 발명의 제1 실시예에서, 분사 노즐(910)이 반드시 복수개 사용되어야 하는 것은 아니며, 하나의 분사 노즐(910)이 사용될 수도 있다.
환원제 공급부(200)는 분사 노즐(910)을 통해 분사할 환원제를 공급한다. 구체적으로, 환원제 공급부(200)는 분사 노즐(910)에 공급할 환원제를 저장하는 환원제 저장 탱크와, 환원제 저장 탱크에 저장된 환원제를 공급하기 위한 환원제 공급 펌프 모듈을 포함할 수 있다. 여기서, 환원제 공급 펌프 모듈은 환원제 공급을 위한 펌프와, 펌프 설치를 위해 필요한 필터, 펌프용 압력 게이지, 펌프용 수동 밸브 등을 포함할 수 있다.
환원제 공급 라인(620)은 환원제 공급부(200)와 분사 노즐(910)을 연결한다. 분사 노즐(910)이 복수개 사용된 경우 환원제 공급 라인(620)도 복수개로 분기되어 각각의 분사 노즐(910)과 연결될 수 있다.
공기 공급부(300)는 분사 노즐(910)을 통해 분사할 압축 공기를 공급한다. 공기 공급부(300)가 공급하는 압축 공기는 분사 노즐(910)에서 분사되는 환원제의 미립화에 사용되거나 분사 노즐(910) 및 환원제 공급 라인(620)의 세정을 위해 사용될 수 있다. 또한, 공기 공급부(300)는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 방법으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 공기 공급부(300)는 엔진에 장착된 과급기이거나 선박에 비치된 압축 공기 탱크 또는 압축 공기 공급 펌프 중 하나일 수 있다.
공기 공급 라인(630)은 공기 공급부(300)와 분사 노즐(910)을 연결한다. 분사 노즐(910)이 복수개 사용된 경우 공기 공급 라인(630)도 복수개로 분기되어 각각의 분사 노즐(910)과 연결될 수 있다.
환원제 드레인 라인(680)은 환원제 공급 라인(620)에서 분기되어 환원제 공급부(200)의 환원제 공급 펌프를 우회하여 환원제 저장 탱크에 연결되거나 별도로 마련된 환원제 드레인 탱크(280)에 연결될 수 있다.
환원제 드레인 밸브(780)는 환원제 드레인 라인(680) 상에 설치되어 환원제 드레인 라인(680)을 개폐한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 도 2에 도시한 바와 같이, 분사 노즐(910)은 환원제 공급 라인(620)과 연결되어 환원제를 공급받아 분사하는 노즐 내관부(912)와, 공기 공급 라인(630)과 연결되어 압축 공기를 공급받아 분사하는 노즐 외관부(911)를 포함할 수 있다. 여기서, 노즐 외관부(911)의 단부는 분사구(919)와 연결되고, 노즐 내관부(912)의 단부는 분사구(919)로부터 소정의 혼합 공간을 사이에 두고 내측으로 이격될 수 있다.
이에, 공기 공급부(300)가 압축 공기를 공급하는 상태에서 환원제 공급부(200)가 환원제의 공급을 중단하면, 도 3에 도시한 바와 같이, 공기 공급부(300)가 공급하는 압축 공기가 노즐 외관부(911)로 유입된 후 혼합 공간에서 노즐 내관부(912)으로 역류하여 환원제 공급 라인(620)으로 향할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 환원제 공급부(200)가 환원제의 공급을 중단하면 공기 공급부(300)가 공급하는 압축 공기가 분사 노즐(910)에서 환원제 공급 라인(620)으로 역류하여 환원제 공급 라인(620)에 잔존하는 환원제를 드레인(drain)시킬 수 있다. 즉, 선택적 촉매 환원 시스템이 정지되어 환원제 공급부(200)가 환원제의 공급을 중단하면, 분사 노즐(910) 및 환원제 공급 라인(620)에 잔존하는 환원제의 전부 또는 대부분을 환원제 저장 탱크 또는 환원제 드레인 탱크(280)로 드레인시켜 제거할 수 있다.
특히, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 잔존하는 환원제를 분해 챔버, 증발기, 또는 배관을 향해 분사하여 제거하지 않는다. 환원제를 분해 챔버, 증발기, 또는 배관을 향해 분사하여 제거할 경우 분사된 환원제를 처리하기 위하여 선택적 촉매 환원 시스템을 바로 정지하지 못하고 추가적으로 가동해야 한다. 또한, 긴급한 사정으로 선택적 촉매 환원 시스템이 바로 정지된 경우에는, 분사된 잔존 환원제로 인하여 분해 챔버, 증발기, 또는 배관의 내부에 침적된 고형물(deposit)이 생성될 수 있다. 또한, 잔존 환원제를 분해 챔버, 증발기, 또는 배관을 향해 분사하여 제거하는 경우 잔존 환원제가 제거되는 과정에서 과도하게 발생된 암모니아가 질소산화물과 전부 반응하지 못하고 배기가스와 함께 외부로 배출될 수 있다.
그런데, 본 발명의 제1 실시예에서는, 잔존하는 환원제의 전부 또는 대부분을 분해 챔버, 증발기, 또는 배관이 아닌 환원제 저장 탱크 또는 환원제 드레인 탱크(280)로 회수하여 제거하므로, 전술한 문제점들을 모두 해결할 수 있다.
세정수 공급부(400)는 분사 노즐(910)에 세정수를 공급한다. 세정수 공급부(400)가 공급하는 세정수는 분사 노즐(910)로의 환원제 공급이 중단된 후 환원제 공급 라인(620)이나 분사 노즐(910)에 잔존하는 환원제를 완전히 제거하기 위해 사용된다.
세정수 공급 라인(640)은 세정수 공급부(400)와 환원제 공급 라인(620)을 연결한다.
퍼지(purge) 라인(610)은 공기 공급 라인(630)과 환원제 공급 라인(620)을 연결한다. 퍼지 라인(610)은 공기 공급부(300)가 공급하는 압축 공기를 환원제 공급 라인으로 전달하여 환원제 공급 라인(620)에 잔존하는 세정수 및 환원제를 제거할 수 있다.
유량 제어 장치부(800)는 환원제 공급 라인(620)에 설치되어 환원제 공급부(200)가 공급하고 분사 노즐(910)에서 분사할 환원제의 분사량을 제어한다. 유량 제어 장치부(800)는 선택적 촉매 환원 반응에 필요한 환원제의 양을 정밀 제어하고 필요 이상의 환원제가 분사되는 것을 억제하여 암모니아 슬립(ammonia slip)의 발생을 최소화할 수 있다.
구체적으로, 유량 제어 장치부(800)는 환원제 공급부(200)가 공급한 환원제를 복수의 분사 노즐(910)이 목표하는 분사량으로 분사할 수 있도록 유량을 제어하기 위한 환원제 유량 제어 밸브(870)와, 환원제 공급 라인(620)을 통해 분사 노즐(910)로 이동하는 환원제의 유량을 측정하기 위한 환원제 유량계(860), 그리고 환원제 유량계(860)가 측정한 정보에 기초하여 환원제 유량 제어 밸브(860)를 제어하는 환원제 제어기(850)를 포함할 수 있다.
또한, 퍼지 라인(610)은 유량 제어 장치부(800)와 분사 노즐(910) 사이의 환원제 공급 라인(620)에 연결되고, 세정수 공급 라인(640)은 유량 제어 장치부(800)와 환원제 공급부(200) 사이의 환원제 공급 라인(620)에 연결될 수 있다. 즉, 유량 제어 장치부(800)는 세정수 공급 라인(640)과 환원제 공급 라인(620)의 합류 지점 및 퍼지 라인(610)과 환원제 공급 라인(620)의 합류 지점 사이에 마련될 수 있다. 이 경우에, 세정수 공급 라인(640)을 통해 환원제 공급 라인(620)으로 세정수를 유입시켜 환원제 공급 라인(620) 및 복수의 분사 노즐(910)에 대한 세정을 마친 이후에도 유량 제어 장치부(800)가 설치된 환원제 공급 라인(620)의 일영역에는 세정수를 잔류시킬 수 있다. 따라서, 유량 제어 장치부(800)가 설치된 환원제 공급 라인(620)이 비는 것을 방지할 수 있으며, 이로 인하여 환원제의 공급 유량을 제어하기 위해 설치된 유량 제어 장치부(800)가 오작동을 일으키는 것을 방지할 수 있다.
유량 제어 장치부(800)가 설치된 환원제 공급 라인(620)이 비게 되면, 환원제의 공급 유량을 제어하기 위해 설치된 환원제 유량계(860)의 종류에 따라 환원제 유량계(860)가 오작동하여 허수를 출력할 수 있는데, 본 발명의 제1 실시예에서는 이러한 현상을 방지할 수 있다.
환원제 분사 밸브(720)는 환원제 공급 라인(620)에 설치되어 분사 노즐(910)의 환원제 분사 여부를 제어한다. 일례로, 환원제 분사 밸브(720)는 환원제가 분사 노즐(910)을 통해 분사되는 것을 온오프(on-off) 제어할 수 있다.
공기 분사 밸브(730)는 공기 공급 라인(630)에 설치되어 분사 노즐(910)의 압축 공기 분사 여부를 제어한다. 일례로, 공기 분사 밸브(730)는 압축 공기가 공기 공급 라인(630)을 통해 분사 노즐(910)로 공급되는 것을 온오프(on-off) 제어할 수 있다.
세정수 공급 밸브(740)는 세정수 공급 라인(640)에 설치되어 세정수 공급부(400)가 공급하는 세정수의 공급 여부를 제어한다. 일례로, 세정수 공급 밸브(740)는 세정수가 세정수 공급 라인(640)을 통해 환원제 공급 라인(620)으로 공급되는 것을 온오프(on-off) 제어할 수 있다.
퍼지 밸브(760)는 퍼지 라인(610)에 설치되어 퍼지 라인(610)을 통해 이동하는 압축 공기의 흐름을 제어한다. 일례로, 퍼지 밸브(760)는 압축 공기가 퍼지 라인(610)을 통해 환원제 공급 라인(620)으로 공급되는 것을 온오프(on-off) 제어할 수 있다.
공기 압력 측정부(530)는 공기 공급 라인(630)에 설치되어 공기 공급 라인(630)을 통해 공급되는 압축 공기의 압력을 측정한다.
공기 압력 제어 밸브(735)는 공기 공급 라인(630)을 통해 공급되는 압축 공기의 압력을 조절한다. 즉, 공기 압력 제어 밸브(735)는 분사 노즐(910)에 공급되는 압축 공기의 압력을 조절할 수 있다.
세정수 압력 측정부(540)는 세정수 공급 라인(640)에 설치되어 세정수 공급 라인(640)을 통해 공급되는 세정수의 압력을 측정한다.
세정수 압력 제어 밸브(745)는 세정수 공급 라인(640)을 통해 공급되는 세정수의 압력을 조절한다.
환원제 압력 측정부(520)는 환원제 공급 라인(620)에 설치되어 환원제 공급 라인(620)을 통해 공급되는 환원제의 압력을 측정한다.
체크 밸브(771, 772, 773, 774, 778)는 환원제 공급 라인(620), 세정수 공급 라인(640), 공기 공급 라인(630), 퍼지 라인(610), 환원제 드레인 라인(680)에 각각 설치될 수 있다. 체크 밸브(771, 772, 773, 774, 778)는 환원제, 세정수, 및 압축 공기의 역류를 방지한다.
수동 밸브(729, 739, 749)는 환원제 공급 라인(620), 세정수 공급 라인(640), 및 공기 공급 라인(630)에 설치될 수 있으며, 사용자가 이를 조작하여 비상시 각 라인을 개폐하거나 안전 장치로 활용할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)은 가동 중단 과정에서 잔존하는 환원제를 안정적으로 제거할 수 있다.
이하, 도 1, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)의 동작 원리를 구체적으로 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 환원제 공급 시스템은 환원제 분사 모드, 환원제 드레인 모드, 1차 세정 모드, 및 2차 세정 모드를 포함하는 복수의 모드로 구분 동작할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 환원제 분사 모드는 선택적 촉매 환원 시스템의 가동이 시작되면 선택된다. 환원제 분사 모드에서 환원제 공급 시스템(101)은 환원제 분사를 위해 공기 공급부(300)를 먼저 가동한다.
다음, 공기 압력 측정부(530)를 통해 압축 공기의 압력을 검출한다. 이때, 압축 공기의 압력이 검출되지 않으면, 공기 공급부(300)를 점검한 후 공기 공급부(300)를 재가동할 수 있다. 그리고 압축 공기의 압력이 검출되면, 환원제 공급부(200)를 가동한다.
다음, 환원제 압력 측정부(520)를 통해 환원제 공급 압력을 검출한다. 이때, 환원제 공급 압력이 검출되지 않으면, 환원제 공급부(200)를 점검한 후 환원제 공급부(200)를 재가동할 수 있다. 그리고 환원제 공급 압력이 검출되면 분사 노즐(910)을 통한 환원제 분사를 시작한다. 이때, 환원제 분사 밸브(720)를 개방함으로써 환원제 분사를 시작할 수 있다.
다음, 도 4에 도시한 바와 같이, 선택적 촉매 환원 시스템이 정지되면, 환원제 드레인 모드가 선택된다. 환원제 드레인 모드에서는 환원제 공급부(200)가 환원제의 공급을 중단한다. 그리고 공기 공급부(300)가 공급하는 압축 공기를 분사 노즐(910)에서 환원제 공급 라인(620) 방향으로 역류시켜 환원제 공급 라인(620)에 잔존하는 환원제를 환원제를 공급하던 방향에서 역방향으로 드레인시켜 제거한다. 이렇게 분사 노즐(910) 및 환원제 공급 라인(620)에서 제거된 환원제는 환원제 공급 탱크 또는 별도로 마련된 환원제 드레인 탱크(280)로 이동하게 된다.
다음, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 압축 공기를 역류시켜 환원제 공급 라인(620)에 잔존하는 환원제를 드레인시킨 후에 1차 세정 모드가 선택된다. 1차 세정 모드에서는 세정수 공급부(400)가 공급하는 세정수로 환원제 공급 라인(620)을 세정한다.
1차 세정 모드는 다시 도 5에서 도시한 환원제 드레인 라인(680)을 세정하는 단계와 도 6에서 도시한 환원제 공급 라인(620)을 세정하는 단계로 구분될 수 있다.
그런데, 1차 세정 모드에서 환원제 공급 라인(620)을 세정할 때, 즉 세정수 공급부(400)가 세정수를 공급할 때 공기 공급부(300)도 압축 공기를 공급하는 경우 세정수 압력 측정부(540)가 측정한 세정수의 공급 압력이 공기 압력 측정부(530)가 측정한 압축 공기의 공급 압력보다 기설정된 기준 압력 이상 낮으면, 세정수가 분사 노즐(910)로 이동하지 못하는 현상이 발생될 수 있다. 이때, 기설정된 기준 압력은 환원제 공급 시스템(101)의 전체적인 스펙에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 실험을 통해 세정수가 분사 노즐(910)로 이동하지 못하게 되는 시점에서의 압축 공기의 압력과 세정수의 공급 압력 간의 압력 차이를 취득하여 기설정된 기준 압력으로 활용할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서는, 세정수의 공급 압력이 압축 공기의 공급 압력보다 기설정된 기준 압력 이상 낮은 경우에 공기 분사 밸브(730)가 펄스 동작하여 반복해서 열리고 닫힘으로써 분사 노즐(910)에 압축 공기를 단속적으로 공급할 수 있다. 그러면, 세정수의 공급 압력이 압축 공기의 공급 압력보다 낮아도 세정수가 공급될 수 있다. 즉, 세정수의 공급 압력이 충분하지 못한 경우에도 1차 세정 모드를 안정적으로 수행할 수 있다.
또한, 공기 분사 밸브(730)가 펄스 동작하는 주기는 세정수의 공급 압력 및 유량 그리고 압축 공기의 압력 및 유량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
다음, 도 7에 도시한 바와 같이, 1차 세정 모드가 종료되면, 2차 세정 모드가 선택된다. 2차 세정 모드에서는 공기 공급부(300)가 공급하는 압축 공기를 이용하여 환원제 공급 라인(620)에 잔존하는 세정수 및 환원제를 제거한다. 이때, 압축 공기는 공기 공급 라인(630)과 퍼지 라인(610)을 통해 이동하면서 분사 노즐(910)과 환원제 공급 라인(620)에 잔존하는 세정수 및 환원제를 제거하게 된다.
다만, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 유량 제어 장치부(800)가 설치된 환원제 공급 라인(620)의 일영역에는 세정수를 잔류시키게 된다.
이와 같은 동작 원리에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)은 가동 중단 과정에서 잔존하는 환원제를 안정적으로 제거할 수 있다.
이하, 도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(102)을 설명한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(102)은 랜스(950)와 역류압 공급 라인(690)을 더 포함할 수 있다.
랜스(950)는 환원제 공급 라인(620)을 분사 노즐(920)과 연결하는 랜스 내관부(952)와 공기 공급 라인(630)을 분사 노즐(920)과 연결하는 랜스 외관부(951)를 포함한다. 구체적으로, 랜스 내관부(952)는 노즐 내관부(922)와 연결되고, 랜스 외관부(951)는 노즐 외관부(921)와 연결될 수 있다. 그리고 본 발명의 제2 실시예에 사용되는 분사 노즐(920)에는 분사구 내측에 혼합 공간이 형성되지 않는다.
역류압 공급 라인(690)은 공기 공급 라인(630)에서 분기되어 랜스 내관부(952)와 연결된다. 그리고 역류압 밸브(790)는 역류압 공급 라인(690)에 설치되어 역류압 공급 라인(690)을 개폐한다. 또한, 역류압 공급 라인(690)에도 체크 밸브(779)가 설치될 수 있다.
환원제 공급 라인(620)을 통해 환원제가 공급되면, 분사 노즐(920)에서 압축 공기는 환원제와 함께 분사된다.
그리고, 9에 도시한 바와 같이, 환원제 공급 라인(620)을 통한 환원제 공급이 중단되면, 역류압 공급 라인(690)을 통해 랜스 내관부(952)에 압축 공기가 공급되면서 환원제 공급 라인(620)으로 압축 공기가 역류하여 환원제 공급 라인(620)에 잔존하는 환원제를 드레인(drain)시킬 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(102)도 가동 중단 과정에서 잔존하는 환원제를 안정적으로 제거할 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: 환원제 공급 시스템
200: 환원제 공급부
280: 환원제 드레인 탱크
300: 공기 공급부
400: 세정수 공급부
520: 환원제 압력 측정부
530: 공기 압력 측정부
540: 세정수 압력 측정부
610: 퍼지 라인
620: 환원제 공급 라인
630: 공기 공급 라인
640: 세정수 공급 라인
680: 환원제 드레인 라인
690: 역류압 공급 라인
720: 환원제 분사 밸브
729,739, 749: 수동 밸브
730: 공기 분사 밸브
735: 공기 압력 제어 밸브
740: 세정수 공급 밸브
745: 세정수 압력 제어 밸브
771, 772, 773, 774, 778, 779: 체크 밸브
780: 환원제 드레인 밸브
790: 역류압 밸브
800: 유량 제어 장치부
850: 환원제 제어기
860: 환원제 유량계
870: 환원제 유량 제어 밸브
910, 920: 분사 노즐
911, 921: 노즐 외관부
912, 922: 노즐 내관부
950: 랜스
951: 랜스 외관부
952: 랜스 내관부

Claims (12)

  1. 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 환원제를 공급하는 환원제 공급 시스템에 있어서,
    환원제를 분사하는 분사 노즐;
    상기 분사 노즐에 환원제를 공급하는 환원제 공급부;
    상기 환원제 공급부와 상기 분사 노즐을 연결하는 환원제 공급 라인;
    상기 분사 노즐에 압축 공기를 공급하는 공기 공급부;
    상기 공기 공급부와 상기 분사 노즐을 연결하는 공기 공급 라인;
    상기 분사 노즐이 분사할 세정수를 공급하는 세정수 공급부;
    상기 세정수 공급부와 상기 환원제 공급 라인을 연결하는 세정수 공급 라인;
    상기 공기 공급 라인과 상기 환원제 공급 라인을 연결하는 퍼지 라인;
    상기 공기 공급 라인 상에 설치된 공기 분사 밸브;
    상기 공기 공급 라인 상에 설치되어 압축 공기의 공급 압력을 측정하는 공기 압력 측정부; 및
    상기 세정수 공급 라인 상에 설치되어 세정수의 공급 압력을 측정하는 세정수 압력 측정부
    를 포함하며,
    상기 세정수 공급부가 세정수를 공급할 때 상기 공기 공급부도 압축 공기를 공급하는 경우 상기 세정수 압력 측정부가 측정한 세정수의 공급 압력이 상기 공기 압력 측정부가 측정한 압축 공기의 공급 압력보다 기설정된 기준 압력 이상 낮으면, 상기 공기 분사 밸브가 펄스 동작하여 반복해서 열리고 닫힘으로써 상기 분사 노즐에 압축 공기를 단속적으로 공급하는 환원제 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분사 노즐은 상기 환원제 공급 라인과 연결되어 환원제를 공급받아 분사하는 노즐 내관부와, 상기 공기 공급 라인과 연결되어 압축 공기를 공급받아 분사는 노즐 외관부를 포함하며,
    상기 노즐 외관부의 단부는 분사구와 연결되고, 상기 노즐 내관부의 단부는 상기 분사구로부터 소정의 혼합 공간을 사이에 두고 내측으로 이격된 것을 특징으로 하는 환원제 공급 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 환원제 공급부가 환원제의 공급을 중단하면,
    상기 공기 공급부가 공급하는 압축 공기가 상기 노즐 외관부로 유입된 후 상기 혼합 공간에서 상기 노즐 내관부으로 역류하여 상기 환원제 공급 라인으로 향하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 시스템.
  4. 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 환원제를 공급하는 환원제 공급 시스템에 있어서,
    환원제를 분사하는 분사 노즐;
    상기 분사 노즐에 환원제를 공급하는 환원제 공급부;
    상기 환원제 공급부와 상기 분사 노즐을 연결하는 환원제 공급 라인;
    상기 분사 노즐에 압축 공기를 공급하는 공기 공급부;
    상기 공기 공급부와 상기 분사 노즐을 연결하는 공기 공급 라인;
    상기 환원제 공급 라인을 상기 분사 노즐과 연결하는 랜스 내관부와 상기 공기 공급 라인을 상기 분사 노즐과 연결하는 랜스 외관부를 포함하는 랜스;
    상기 공기 공급 라인에서 분기되어 상기 랜스 내관부와 연결된 역류압 공급 라인;
    상기 분사 노즐이 분사할 세정수를 공급하는 세정수 공급부;
    상기 세정수 공급부와 상기 환원제 공급 라인을 연결하는 세정수 공급 라인;
    상기 공기 공급 라인과 상기 환원제 공급 라인을 연결하는 퍼지 라인;
    상기 공기 공급 라인 상에 설치된 공기 분사 밸브;
    상기 공기 공급 라인 상에 설치되어 압축 공기의 공급 압력을 측정하는 공기 압력 측정부; 및
    상기 세정수 공급 라인 상에 설치되어 세정수의 공급 압력을 측정하는 세정수 압력 측정부
    를 포함하며,
    상기 세정수 공급부가 세정수를 공급할 때 상기 공기 공급부도 압축 공기를 공급하는 경우 상기 세정수 압력 측정부가 측정한 세정수의 공급 압력이 상기 공기 압력 측정부가 측정한 압축 공기의 공급 압력보다 기설정된 기준 압력 이상 낮으면, 상기 공기 분사 밸브가 펄스 동작하여 반복해서 열리고 닫힘으로써 상기 분사 노즐에 압축 공기를 단속적으로 공급하는 환원제 공급 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 환원제 공급부가 환원제의 공급을 중단하면,
    상기 역류압 공급 라인을 통해 상기 랜스 내관부에 압축 공기가 공급되면서 상기 환원제 공급 라인으로 역류하여 상기 환원제 공급 라인에 잔존하는 환원제를 드레인(drain)시키는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 분사 노즐은 상기 랜스 내관부와 연결되는 노즐 내관부와, 상기 랜스 외관부와 연결되는 노즐 외관부를 포함하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원제 공급부는 환원제 공급 펌프 및 환원제 저장 탱크를 포함하며,
    상기 환원제 공급 라인에서 분기되어 상기 환원제 공급 펌프를 우회하여 상기 환원제 저장 탱크에 연결되거나 별도의 환원제 드레인 탱크에 연결되는 환원제 드레인 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 환원제 공급부가 환원제의 공급을 중단하면 상기 공기 공급부가 공급하는 압축 공기가 상기 분사 노즐에서 상기 환원제 공급 라인으로 역류하여 상기 환원제 공급 라인에 잔존하는 환원제를 드레인(drain)시키는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 시스템.
  9. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 환원제 공급 라인에 설치되어 상기 분사 노즐에서 분사할 환원제의 분사량을 제어하기 위한 유량 제어 장치부를 더 포함하며,
    상기 퍼지 라인은 상기 유량 제어 장치부와 상기 분사 노즐 사이의 상기 환원제 공급 라인에 연결되고,
    상기 세정수 공급 라인은 상기 유량 제어 장치부와 상기 환원제 공급부 사이의 상기 환원제 공급 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 시스템.
  10. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 환원제 공급부가 공급하는 환원제와 상기 공기 공급부가 공급하는 압축 공기를 상기 분사 노즐을 통해 함께 분사하는 환원제 분사 모드와;
    상기 환원제 공급부가 환원제의 공급을 중단하면 상기 공기 공급부가 공급하는 압축 공기를 이용하여 상기 환원제 공급 라인에 잔존하는 환원제를 역방향으로 드레인시켜 제거하는 환원제 드레인 모드와;
    상기 환원제 공급 라인에 잔존하는 환원제를 드레인시킨 후 상기 세정수 공급부가 공급하는 세정수로 환원제 공급 라인을 세정하는 1차 세정 모드; 그리고
    상기 공기 공급부가 공급하는 압축 공기를 이용하여 상기 환원제 공급 라인에 잔존하는 세정수를 제거하는 2차 세정 모드
    를 포함하는 복수의 모드로 구분 동작하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 시스템.
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