KR102393193B1 - 배기가스에 의한 촉매 열 재생 - Google Patents

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Abstract

디젤 엔진의 유입구 터빈 배기가스에 의한 촉매의 열 재생 방법 및 시스템으로서, 가스 분할 스트림(08)은 엔진 배기가스(02)로부터 이덕터(04)를 통해 유도되고 추가로 촉매의 재생으로 이어지며, 차가운 공기 스트림(09)은 재생 가스 스트림을 원하는 일정한 온도 범위로 유지하는데 사용된다.

Description

배기가스에 의한 촉매 열 재생{CATALYST THERMAL REGENERATION BY EXHAUST GAS}
본 발명은 엔진의 배기가스에 의한 촉매 재생 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 엔진 배기가스에 존재하는 그을음, 재 및 중금속 형태의 탄화수소 및 입자상 물질의 제거를 위한 터보차저(turbocharger)를 포함하는 선박용 엔진 배기가스 정화 용도에서 촉매의 재생에 관한 것이다.
엔진 배기가스의 정화는 점차 중요해지고 있으며 점점 더 많은 환경적 규제가 요구된다. 정화 시스템은 추가적인 에너지 및 추가적인 공간을 필요로 하며 이것은 선박용 엔진 시스템의 전체적인 비용을 증가시킨다.
엔진 배기가스 정화 시스템은 전형적으로 필터 시스템과 조합될 수 있는 촉매를 포함한다. 배기가스 정화 필터는 종종 최고의 정화 효율을 보장하는 벽 유동형 필터(wall flow filter)의 형태를 갖지만, 다른 필터 유형이 이용될 수도 있다. 필터 유형은 산화 촉매를 구비할 수 있다.
배기가스 정화 시스템에 포함된 촉매는 재생되어야 할 필요가 있다. 이는 촉매 재생에 적합한 범위의 온도를 가진 가스 스트림을 필요로 한다. 따라서 재생 시스템은 추가의 열에너지를 필요로 하는데, 이것은 선박 추진 시스템의 전체적인 효율에 악영향을 미치고 설비비 및 에너지 소비를 증가시킨다.
필요한 추가의 열 에너지를 제공하기 위한 비용을 최소화하는 촉매 재생 시스템 및 방법이 필요하다. 시스템은 오염 물질이 적거나 없도록, 특히 바다에서는, 항만 지대 및 연안 지대에서의 환경적 풋프린트(footprint) 및 항해의 영향을 최소화하지만, 동시에 재생 시스템의 설치 및 작동 비용을 최소화하기 위해서 배기가스 정화 시스템의 촉매를 재생시켜야 한다. 바람직하게는 재생 시스템은 기존의 엔진 시스템, 특히 선박용 엔진 시스템과 호환 가능해야 한다.
본 발명은 특히 터보차지식(turbo charged) 디젤 엔진을 포함하는 선박 배기가스 정화 시스템에서 촉매 재생 시스템 및 방법을 제공한다. 시스템은 더욱 콤팩트(compact)하고 단순하며, 시스템 및 방법은 낮은 작동 비용 및 또한 낮은 설치 비용으로 촉매 재생을 제공한다. 그것의 콤팩트함 및 단순함으로 인해, 기존의 선박 용도를 업그레이드하기 위한 개장(retrofitting)에 적합하지만, 또한 콤팩트한 디자인이 공간- 및 비용을 절약하기 때문에 새로운 건조(build) 용도에도 적합하다.
촉매 재생을 위한 본 시스템 및 방법에서, 촉매의 열 재생용 고온 가스는 터보차저 터빈 이전에 엔진 배기가스 헤더로부터 직접 도입된다. 터빈 이전에 유출된 이 배기가스는 이덕터(eductor)로 들어간다. 이덕터에서의 가스 팽창으로 인해, 차가운 공기의 제어된 스트림은 조절 밸브에 의해 도입된다. 이덕터 이후에 배기가스의 정확한 설정값 온도를 유지하기 위해 공기 밸브가 조절된다. 이어서 가스는 재생되어야 하는 촉매로 유도되며 따라서 추가의 열에너지는 필요하지 않다.
본 발명의 특징:
1. 터보차저의 터빈에 연결된 하나 이상의 배기가스 파이프;
구동 유입구, 흡입 유입구 및 유출구를 포함하는 이덕터;
터보차저의 터빈의 상류에서 하나 이상의 배기가스 파이프와 이덕터의 구동 유입구를 연결하는 하나 이상의 배기가스 분할 스트림 파이프;
이덕터의 흡입 유입구에 연결된 공기 파이프;
공기 파이프에 장착된 유량 조절 밸브; 및
이덕터의 유출구와 촉매화된 그을음 필터를 연결하는 이덕터 유출구 파이프를 포함하는, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템.
2. 특징 1에 있어서, 유량 조절 밸브는 이덕터에서 배출되는 가스의 일정한 온도 범위를 달성하기 위해서 이덕터로 흡입되는 공기의 양을 조절하도록 개조된, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템.
3. 특징 2에 있어서, 상기 온도 범위는 380℃ - 500℃인, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템.
4. 특징 1 내지 특징 3 중 어느 하나에 있어서, 촉매화된 그을음 필터는 콤팩트하게 결합된 DPF 필터인, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템.
5. 특징 1 내지 특징 4 중 어느 하나에 있어서, 엔진은 선박용 디젤 엔진인, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템.
6. 특징 1 내지 특징 5 중 어느 하나에 있어서, 이덕터의 구동 유입구로의 배기가스 흐름을 개방, 폐쇄 또는 조절하도록 개조된 하나 이상의 배기가스 분할 스트림 파이프에 배열된 조절 밸브를 더 포함하는, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템.
7. 특징 1 내지 특징 6 중 어느 하나에 있어서, 엔진의 배기가스는 400℃ - 520℃의 온도를 가지는, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템.
8. 특징 1 내지 특징 7 중 어느 하나에 있어서, 엔진의 배기가스는 1 - 2.5 barg의 압력을 가지는, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템.
9. 터보차저의 상류 부분으로부터 가압된 배기가스 분할 스트림을 제공하는 단계;
배기가스 온도에서 가압된 분할 스트림을 이덕터의 구동 유입구로 통과시키고 배기가스 온도보다 더 낮은 온도에서 이덕터의 흡입 유입구를 통해 더 낮은 압력의 주위 공기를 빨아들이는 단계;
사전 결정된 설정값 온도를 얻기 위해 이덕터의 흡입 유입구를 통해 빨아들여지는 주위 공기의 양을 제어하는 단계; 및
이렇게 하여 얻어진 배기가스 공기 혼합물을 필터의 그을음 재생에 충분한 시간 동안 촉매화된 그을음 필터와 접촉시키는 단계를 포함하는, 사전 결정된 설정값 온도에서 배기가스 및 주위 공기의 혼합물을 이용한, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 제어된 열 재생 방법.
10. 특징 9에 있어서, 설정값 온도는 380℃ - 500℃의 범위에 있는, 사전 결정된 설정값 온도에서 배기가스 및 주위 공기의 혼합물을 이용한, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 제어된 열 재생 방법.
11. 특징 9 또는 10에 있어서, 촉매화된 그을음 필터는 콤팩트하게 결합된 DPF 필터인, 사전 결정된 설정값 온도에서 배기가스 및 주위 공기의 혼합물을 이용한, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 제어된 열 재생 방법.
12. 특징 9 내지 특징 11 중 어느 하나에 있어서, 엔진은 선박용 디젤 엔진인, 사전 결정된 설정값 온도에서 배기가스 및 주위 공기의 혼합물을 이용한, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 제어된 열 재생 방법.
13. 특징 9 내지 특징 12 중 어느 하나에 있어서, 이덕터의 구동 유입구로의 배기가스 흐름을 개방, 폐쇄 또는 조절하도록 개조된 하나 이상의 배기가스 분할 스트림 파이프에 배열된 조절 밸브를 더 포함하는, 사전 결정된 설정값 온도에서 배기가스 및 주위 공기의 혼합물을 이용한, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 제어된 열 재생 방법.
14. 특징 9 내지 특징 13 중 어느 하나에 있어서, 엔진의 배기가스는 400℃ - 520℃의 온도를 가지는, 사전 결정된 설정값 온도에서 배기가스 및 주위 공기의 혼합물을 이용한, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 제어된 열 재생 방법.
15. 특징 9 내지 특징 14 중 어느 하나에 있어서, 엔진의 배기가스는 1 - 2.5 barg의 압력을 가지는, 사전 결정된 설정값 온도에서 배기가스 및 주위 공기의 혼합물을 이용한, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 제어된 열 재생 방법.
도 1은 본 발명의 구체예에 따르는 촉매 열 재생 시스템(01)을 나타낸다.
방법 및 시스템의 더 상세한 설명은 도면을 참조하여 특정 구체예의 하기 기술내용으로부터 분명해질 것이며 여기에서
도 1은 본 발명의 구체예에 따르는 촉매 열 재생 시스템(01)을 나타낸다. 두 개의 배기가스 파이프(02)는 디젤 엔진 배기가스 헤더와 두 개의 터보차저 터빈(03)을 연결한다. 배기가스의 일부는 배기가스 파이프로부터 배기가스 분할 스트림 파이프(08)를 통해 이덕터(04)로 유출된다. 이 배기가스 분할 스트림은 촉매 재생의 필요에 따라 가스 분할 스트림의 흐름을 조정하도록 개조된 배기가스 조절 밸브(12)를 통해 이덕터의 구동 유입구(05)에 연결된다 (미도시). 가스 분할 스트림은 펄스 스트림(pulse stream)일 수도 있으며, 이것은 재생 없는 작동 기간으로 나눈 재생 기간 중에만 촉매에 연결된다. 이덕터를 통과할 때, 배기가스 분할 스트림은 이덕터에서의 가스 팽창으로 인해 공기 파이프(09)로부터 이덕터의 흡입 유입구(06)를 통해 주위 (더 차가운) 공기의 스트림을 흡입할 수 있다.
배기가스 분할 스트림 및 차가운 공기의 양을 포함하는 조합된 스트림은 이덕터의 유출구(07)를 통해 이덕터를 빠져나가서 이덕터 유출구 파이프(11)에 의해 재생된 촉매로 유도된다. 조합된 스트림의 온도는 공기 파이프에 위치한 유량 조절 밸브(10)의 존재로 인해 배기가스 온도의 변화에도 불구하고 원하는 일정한 범위로 유지될 수 있다. 유량 조절 밸브는 배기가스 분할 스트림에 비해 더 차가운 주위 공기의 양을 조정하도록 개조되고, 그렇게 함으로써 조합된 가스 스트림은 일정한 온도 범위로 유지된다.
실시예
촉매 열 재생 시스템에서, 디젤 엔진의 배기가스는 엔진 부하에 따라 1 - 2.5 barg의 압력 및 400 - 520℃의 온도를 가진다.
유량 조절 밸브는 이덕터 이후의 조합된 가스 스트림의 온도를 촉매의 재생에 적합한 380 - 500℃의 범위로 유지하기 위해서 더 차가운 주위 공기의 흐름 (흡입)을 조절 및 조정한다.
01. 촉매 열 재생 시스템.
02. 배기가스 파이프.
03. 터보차저 터빈.
04. 이덕터.
05. 이덕터의 구동 유입구.
06. 이덕터의 흡입 유입구.
07. 이덕터의 유출구.
08. 배기가스 분할 스트림 파이프.
09. 공기 파이프.
10. 유량 조절 밸브.
11. 이덕터 유출구 파이프.
12. 배기가스 조절 밸브.

Claims (15)

  1. 터보차저(03)의 터빈에 연결된 하나 이상의 배기가스 파이프(02);
    구동 유입구(05), 흡입 유입구(06) 및 유출구(07)를 포함하는 이덕터(04);
    터보차저의 터빈의 상류에서 하나 이상의 배기가스 파이프와 이덕터의 구동 유입구를 연결하는 하나 이상의 배기가스 분할 스트림 파이프(08);
    이덕터의 흡입 유입구에 연결된 공기 파이프(09);
    공기 파이프에 장착된 유량 조절 밸브(10); 및
    이덕터의 유출구(07)와 촉매화된 그을음 필터를 연결하는 이덕터 유출구 파이프(11)를 포함하는, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템(01).
  2. 제1 항에 있어서, 유량 조절 밸브는 이덕터에서 배출되는 가스의 일정한 온도 범위를 달성하기 위해서 이덕터로 흡입되는 공기의 양을 조절하도록 개조된 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 온도 범위는 380℃ - 500℃인 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템.
  4. 제1 항에 있어서, 촉매화된 그을음 필터는 콤팩트하게 결합된 DPF 필터인 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템.
  5. 제1 항에 있어서, 엔진은 선박용 디젤 엔진인 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템.
  6. 제1 항에 있어서, 이덕터의 구동 유입구로의 배기가스 흐름을 개방, 폐쇄 또는 조절하도록 개조된 하나 이상의 배기가스 분할 스트림 파이프에 배열된 조절 밸브(12)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템.
  7. 제1 항에 있어서, 엔진의 배기가스는 400℃ - 520℃의 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진의 배기가스는 1 - 2.5 barg의 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 열 재생 시스템.
  9. 터보차저의 상류 부분으로부터 가압된 배기가스 분할 스트림을 제공하는 단계;
    배기가스 온도에서 가압된 분할 스트림을 이덕터의 구동 유입구로 통과시키고 배기가스 온도보다 더 낮은 온도에서 이덕터의 흡입 유입구를 통해 더 낮은 압력의 주위 공기를 빨아들이는 단계;
    사전 결정된 설정값 온도를 얻기 위해 이덕터의 흡입 유입구를 통해 빨아들여지는 주위 공기의 양을 제어하는 단계; 및
    이렇게 하여 얻어진 배기가스 공기 혼합물을 필터의 그을음 재생에 충분한 시간 동안 촉매화된 그을음 필터와 접촉시키는 단계
    를 포함하는, 사전 결정된 설정값 온도에서 배기가스 및 주위 공기의 혼합물을 이용한, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 제어된 열 재생 방법.
  10. 제9 항에 있어서, 설정값 온도는 380℃ - 500℃의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 사전 결정된 설정값 온도에서 배기가스 및 주위 공기의 혼합물을 이용한, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 제어된 열 재생 방법.
  11. 제9 항에 있어서, 촉매화된 그을음 필터는 콤팩트하게 결합된 DPF 필터인 것을 특징으로 하는 사전 결정된 설정값 온도에서 배기가스 및 주위 공기의 혼합물을 이용한, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 제어된 열 재생 방법.
  12. 제9 항에 있어서, 엔진은 선박용 디젤 엔진인 것을 특징으로 하는 사전 결정된 설정값 온도에서 배기가스 및 주위 공기의 혼합물을 이용한, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 제어된 열 재생 방법.
  13. 제9 항에 있어서, 이덕터의 구동 유입구로의 배기가스 흐름을 개방, 폐쇄 또는 조절하도록 개조된 하나 이상의 배기가스 분할 스트림 파이프에 배열된 조절 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사전 결정된 설정값 온도에서 배기가스 및 주위 공기의 혼합물을 이용한, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 제어된 열 재생 방법.
  14. 제9 항에 있어서, 엔진의 배기가스는 400℃ - 520℃의 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 사전 결정된 설정값 온도에서 배기가스 및 주위 공기의 혼합물을 이용한, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 제어된 열 재생 방법.
  15. 제9 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진의 배기 가스는 1 - 2.5 barg의 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 사전 결정된 설정값 온도에서 배기가스 및 주위 공기의 혼합물을 이용한, 엔진 배기가스 정화 유닛에서 촉매화된 그을음 필터의 제어된 열 재생 방법.
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