KR102671528B1 - 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치 및 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치 - Google Patents
질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치 및 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 질소산화물의 환원용 촉매로서 탄화수소를 상대적으로 낮은 온도에서 전처리하여 빠른 속도로 분해시키고 환원력이 우수한 성분들로 전환시켜 질소산화물의 저감효율을 현저히 향상시킬 수 있으며, 특히 적은 전기에너지를 이용하여 행할 수 있어 상대적으로 배터리 용량이 적은 차량 등에도 적용할 수 있는 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치 및 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 유닛; 상기 플라즈마 발생 유닛으로 환원제를 공급하도록 구성되는 환원제 공급 라인; 상기 플라즈마 발생 유닛에 캐리어 가스를 공급하도록 구성되는 캐리어가스 공급 라인; 및 상기 플라즈마 발생 유닛에서 발생된 플라즈마에 의해 플라즈마화 된 처리환원제와 캐리어 가스를 질소산화물 저감 장치 측으로 제공하도록 구성되는 처리환원제 공급 라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 환원제 전처리 장치가 제공된다.
Description
본 발명은 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치 및 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질소산화물의 환원용 촉매로서 탄화수소를 상대적으로 낮은 온도에서 전처리하여 빠른 속도로 분해시키고 환원력이 우수한 성분들로 전환시켜 질소산화물의 저감효율을 현저히 향상시킬 수 있으며, 특히 적은 전기에너지를 이용하여 행할 수 있어 상대적으로 배터리 용량이 적은 차량 등에도 적용할 수 있는 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치 및 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차는 형태에 따라 승용차나 버스, 트럭 등으로 분류되지만, 같은 차종이라도 사용하는 연료에 따라 가솔린을 연료로 사용하는 가솔린 차량이나 디젤을 연료로 사용하는 디젤 차량, 액화석유가스(이하, "LPG"로 약칭 함)를 연료로 사용하는 LPG 차량으로 분류될 수 있다.
이중 디젤 엔진은 저연비이면서 우수한 신뢰성을 바탕으로 자동차, 선박, 일반 산업용 등 산업 전반에서 용도가 다양하고, 고출력 및 고부하 운전이 가능하여 수요가 계속 증가하고 있으며, 저연비 차량을 목표로 추진되고 있는 3L 자동차 프로그램(Car Program) 또는 슈퍼카 프로젝트(Super Car Project)에서 디젤 엔진의 채용이 기정 사실화 되고 있어 디젤 엔진 차량의 증가가 예상되고 있으나, 선진 각국에서 이러한 디젤 차량이 총 대기오염의 매우 높은 비율을 차지하여 대기오염의 주범으로 인식되고 있기도 하며, 이에 대응하기 위하여 각국에서는 디젤 엔진의 배기가스 규제를 강화하고 있는 추세이다.
이러한 디젤 차량의 대기오염은 주로 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)에 의해 발생한다. 따라서, 디젤 차량 배기 규제의 주요한 대상물질은 질소산화물과 입자상물질이며, 이의 대응기술로는 연료 분사시기 지연과 배기가스 재순환 장치(Exhaust Gas Recirculation)에 의한 질소산화물 농도 저감과, 입자상물질을 저감하기 위한 엔진의 연소성능 개선 및 개량에 중점을 두어 연구가 이루어지고 있다.
상기와 같이 주요 대기 오염 물질의 하나인 질소 산화물(NOx)을 처리하고자 할 때에는 현장 여건에 따라 선택적 비촉매 환원법(Selective NonCatalytic Reduction : 이하 SNCR 이라 한다.) 또는 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction : 이하 SCR 이라 한다.)을 적용하거나 SNCR과 SCR을 함께 사용하는 하이브리드 시스템을 적용한다.
SNCR은 질소산화물을 처리하는 한 가지 방법으로 촉매를 사용하지 않는 대신 반응 온도가 1,000℃ 정도의 높은 온도 영역에서 질소산화물과 환원제를 반응시키면 무해한 물과 질소가 생성되는 반응이 선택적으로 일어나는 원리를 이용하여 질소산화물을 처리하는 방법을 일컫는다.
SNCR은 연소 가스에 직접 암모니아수나 요소수 같은 환원제를 분사하여 질소산화물을 환원시키므로 설비가 간단하고 설치가 용이하다는 장점이 있다. 또한, 촉매를 사용하지 않으므로 1,000℃ 정도의 높은 반응 온도가 요구되기 때문에 연도의 앞부분에 환원제 분무 노즐을 설치하며 반응 온도, 혼합 상태, 체류 시간에 따라 SNCR의 질소 산화물(NOx) 처리 효율은 영향을 받는데 보통 40% 내지 80% 범위에서 운영된다.
한편, SCR은 반응 온도 350℃ 정도에서 촉매를 이용하여 질소산화물과 환원제를 반응시키면 마찬가지로 무해한 물과 질소가 생성되는 반응이 선택적으로 일어나는 원리를 이용하여 질소산화물을 처리하는 방법을 말한다. SCR은 촉매층 전단에 암모니아나 요소수 같은 환원제를 주입하여 촉매 표면에서 질소산화물의 환원 반응을 일으킨다. 반응 온도는 350℃ 정도가 적합하므로 연도 후단에 설치되며 질소산화물의 처리 효율은 90% 정도 까지도 가능하나 초기 투자비, 설치 공간이 설비 투자의 제약 조건이 되기도 한다.
질소산화물을 처리하기 위해 SNCR 시스템이나 SCR 시스템을 운영할 경우 질소산화물과 환원제가 반응하여 무해한 질소(N2)와 물(H2O)이 생성되도록 덕트로 지나가는 질소산화물을 함유한 연도 가스에 환원제를 주입해 주어야 한다.
한편, 촉매환원법의 환원제로는 암모니아, 요소(urea), 탄화수소, 일산화탄소, 수소 등이 이용될 수 있다. 자동차의 경우는 암모니아나 요소수를 별도로 운반하고 다녀야 하는 번거로움을 피하기 위해 디젤 연료를 환원제로 하는 촉매환원법이 개발되고 있으나, 알케인 화합물(CnH2n+2)이 주를 이루는 디젤 연료는 암모니아 또는 요소수에 비해 환원력이 떨어지며, 특히 시동 직후 배기가스가 차가운 저온 영역에서는 탄화수소의 환원력이 더욱 낮아지는 문제가 있다.
구체적으로, 탄화수소를 환원제로 이용하는 촉매환원법은 디젤 엔진에 의해 방출되는 배기가스에서 질소산화물(NOx)을 제거하기 위한 방법으로 이용될 수 있는데, 디젤유 탄화수소를 환원제로 사용하면, NH3 또는 요소수를 차량에 싣고 다닐 필요가 없는 장점은 있으나, 탄화수소는 NH3 또는 요소수에 비해 환원력이 낮고, 특히 배기가스가 차가운 초기 시동 직후에는 질소산화물을 효과적으로 제거하지 못하는 문제점이 있다.
따라서, 환경오염의 주범인 질소산화물의 효과적 제거를 위해서는, 저온 영역, 특히 250℃ 이하의 온도에서 제거 효율을 향상시키는 방안이 필요하다. 탄화수소를 환원제로 이용하는 촉매환원법은 250 ~350℃의 온도 범위에서 매우 효율적인 것으로 알려져 있으나, 180~250℃의 낮은 온도에서 촉매의 활성이 급격히 감소하는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 시도로 촉매와 저온 플라즈마를 결합하는 방법이 제안되었다.
종래 제안된 촉매와 저온 플라즈마 결합 방법은 촉매층에 직접 플라즈마를 생성하는 방법으로서, 소규모의 촉매 반응기와 작은 유량의 배기가스 처리에는 효과를 보이고 있으나, 디젤 엔진처럼 높은 유량의 배기가스에는 적용이 불가하며, 대량의 디젤 배기가스를 플라즈마화 시키려면 막대한 전기에너지가 소비되고, 차량의 배터리는 막대한 전기를 감당할 수가 없게 된다.
이와 같은 전기 다소비 문제를 해결하기 위한 방법으로, 유전체 격벽을 사용하는 저온 플라즈마 장치(유전체 장벽 방전 반응기) 또는 코로나 방전 플라즈마 반응기를 이용할 수 있는데, 대기압에서 안정된 플라즈마를 생성하는 특징이 있지만, 수 밀리 암페어(mA)의 낮은 전류로 인해 탄화수소를 효과적으로 처리하기 어렵고, 충분한 탄화수소 처리를 위해서는 플라즈마 장치를 대형화 해야 하는 문제점이 있다.
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 질소산화물의 환원용 촉매로서 탄화수소를 상대적으로 낮은 온도에서 전처리하여 빠른 속도로 분해시키고 환원력이 우수한 성분들로 전환시켜 질소산화물의 저감효율을 현저히 향상시킬 수 있으며, 특히 적은 전기에너지를 이용하여 행할 수 있어 상대적으로 배터리 용량이 적은 차량 등에도 적용할 수 있는 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치 및 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 촉매환원법을 이용하는 질소산화물 저감 장치로 투입되는 환원제를 처리하는 장치로서, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 유닛; 상기 플라즈마 발생 유닛으로 환원제를 공급하도록 구성되는 환원제 공급 라인; 상기 플라즈마 발생 유닛에 캐리어 가스를 공급하도록 구성되는 캐리어가스 공급 라인; 및 상기 플라즈마 발생 유닛에서 발생된 플라즈마에 의해 플라즈마화 된 처리환원제와 캐리어 가스를 질소산화물 저감 장치 측으로 제공하도록 구성되는 처리환원제 공급 라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 환원제 전처리 장치가 제공된다.
본 발명에 있어서, 상기 플라즈마 발생 유닛은 관형 금속 전극 부재; 및 상기 관형 금속 전극 부재의 내부에서 그 관형 금속 전극 부재의 내벽과 이격되게 구비되는 고전압 전극 부재;를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 관형 금속 전극 부재는 단면 원형으로 형성되며, 상기 고전압 전극 부재는 원추형 또는 원추대로 형성되며, 상기 관형 금속 전극 부재의 길이방향 중심과 동심원으로 구비될 수 있다.
본 발명에 있어서, 원추형 또는 원추대로 형성되는 상기 고전압 전극 부재의 측면 각도는 5°~ 20°인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 환원제 공급 라인은 환원제로서 탄화수소(hydrocarbon)를 공급하도록 구성되며, 상기 캐리어가스 공급 라인은 질소산화물 처리 장치에서 처리될 배기가스의 일부를 캐리어 가스로 공급하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 환원제 공급 라인은 상기 관형 금속 전극 부재에 접선(tangent line) 방향으로 연결되게 구성되며, 상기 환원제 공급 라인과 캐리어가스 공급 라인은 상기 관형 금속 전극 부재에 연결되는 측에서 하나의 라인을 통해 환원제와 캐리어 가스가 공급되도록 구성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 관형 금속 전극 부재는 내부에 벤츄리부가 형성되어 구성되며, 상기 고전압 전극 부재는 봉 형상으로 이루어져 상기 관형 금속 전극 부재의 길이방향 중심축을 따라 구비될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 벤츄리부의 융기부에는 상기 환원제 공급 라인에서 공급되는 환원제가 유입되는 환원제 공급로가 형성되며, 상기 캐리어가스 공급 라인은 상기 관형 금속 전극 부재의 길이방향으로 캐리어 가스가 공급되도록 연결되어 구성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 환원제 공급 라인은 환원제로서 탄화수소(hydrocarbon)를 공급하도록 구성되며, 상기 캐리어가스 공급 라인은 질소산화물 처리 장치에서 처리될 배기가스의 일부를 캐리어 가스로 공급하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 상기한 관점에 따른 질소산화물 환원제 전처리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치 및 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치에 의하면 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 본 발명은 질소산화물의 환원용 촉매로서 디젤유 자체의 탄화수소를 이용함으로써 별도로 요소수나 암모니아를 구비해야 하는 번거로움을 없애고, 요소수 등이 저장되는 구성부를 생략할 수 있어 적용 차량이나 설비의 공간 자유도를 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 상대적으로 배기가스가 차가운 초기 시동 직후의 낮은 온도에서도 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있어 질소산화물의 제거 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
셋째, 본 발명은 디젤유 탄화수소를 환원력이 우수한 탄화수소로 빠른 속도로 전환시킬 수 있어 질소산화물의 저감효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
넷째, 본 발명은 적은 전기에너지를 이용할 수 있어 상대적으로 배터리 용량이 적은 차량 등에도 적용할 수 있어 범용성을 확장할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치의 일 실시 예의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치가 질소산화물 저감 장치에 구성되는 실시 예시를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치의 다른 실시 예의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 4는 플라즈마 전처리에 의해 N-헵탄(n-heptane)으로부터 생성되는 다양한 부산물들의 크로마토그램이다.
도 5는 여러 알데하이드, N-헵탄 및 수소를 환원제로 사용했을 때의, NOx 제거 효율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 252℃의 온도에서 C1/N 비율을 4~20까지 변화시켰을 때의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 무격벽 저온 플라즈마 장치로 탄화수소를 전처리 했을 때와 전처리하지 않았을 때의 비교 그래프이다.
도 8은 무격벽 저온 플라즈마 장치에 공급된 입력 전력의 효과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 질소산화물 생성에 대한 입력 전력의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 10은 입력 전력에 따른 N-헵탄 전환율 및 CO2 생성 농도(O2 =10%)를 나타내는 그래프이다.
도 11은 벤츄리형 무격벽 저온 플라즈마 장치에서 캐리어 가스의 유량에 따른 전력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치가 질소산화물 저감 장치에 구성되는 실시 예시를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치의 다른 실시 예의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 4는 플라즈마 전처리에 의해 N-헵탄(n-heptane)으로부터 생성되는 다양한 부산물들의 크로마토그램이다.
도 5는 여러 알데하이드, N-헵탄 및 수소를 환원제로 사용했을 때의, NOx 제거 효율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 252℃의 온도에서 C1/N 비율을 4~20까지 변화시켰을 때의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 무격벽 저온 플라즈마 장치로 탄화수소를 전처리 했을 때와 전처리하지 않았을 때의 비교 그래프이다.
도 8은 무격벽 저온 플라즈마 장치에 공급된 입력 전력의 효과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 질소산화물 생성에 대한 입력 전력의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 10은 입력 전력에 따른 N-헵탄 전환율 및 CO2 생성 농도(O2 =10%)를 나타내는 그래프이다.
도 11은 벤츄리형 무격벽 저온 플라즈마 장치에서 캐리어 가스의 유량에 따른 전력의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치 및 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치에 대하여 도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치의 일 실시 예의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치가 질소산화물 저감 장치에 구성되는 실시 예시를 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치는, 촉매환원법을 이용하여 질소산화물을 저감시키기 위하여 환원제를 처리하여 질소산화물 저감 장치로 제공하기 위한 장치로서, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 크게 플라즈마 발생 유닛(100)과, 환원제 공급 라인(200), 캐리어가스 공급 라인(300), 및 처리환원제 공급 라인(400)을 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치는, 일 실시 예로서, 촉매환원법을 이용하여 질소산화물을 저감시키기 위하여 환원제를 처리하여 질소산화물 저감 장치로 제공하기 위한 장치로서, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 유닛(저온 플라즈마 발생 유닛)(100); 상기 플라즈마 발생 유닛(100)에 연결되어 그 플라즈마 발생 유닛(100)으로 환원제를 공급하도록 구성되는 환원제 공급 라인(200); 상기 플라즈마 발생 유닛(100)에 캐리어 가스를 공급하도록 구성되는 캐리어가스 공급 라인(300); 및 상기 플라즈마 발생 유닛(100)에 연결되어 플라즈마 발생 유닛(100)에서 발생된 플라즈마에 의해 플라즈마화 된 처리환원제와 캐리어 가스를 질소산화물 저감 장치(R) 측으로 제공하도록 구성되는 처리환원제 공급 라인(400);을 포함한다.
상기 플라즈마 발생 유닛(100)은 유전체 격벽이 구성되지 않고 플라즈마를 발생시키는 무격벽 저온 플라즈마 발생 유닛으로 구성된다.
구체적으로, 상기 플라즈마 발생 유닛(100)은 내부에서 유체가 흐를 수 있는 공간을 갖고 형성되고, 접지(ground)되어 구성되는 관형 금속 전극 부재(110), 및 상기 관형 금속 전극 부재(110)의 내부 일단부에서 그 관형 금속 전극 부재(110)의 내벽과 이격되게 구비되며, 상대적으로 고전압이 인가되는 고전압 전극 부재(120)를 포함한다.
상기 관형 금속 전극 부재(110)는 단면 원형 또는 사각형을 포함하는 다각형의 금속관으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 내벽이 유체 흐름의 저항을 최소화 할 수 있는 원형의 금속관으로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 관형 금속 전극 부재(110)가 원형 단면으로 형성되는 것은 아래에서 설명될 탄화수소 및/또는 캐리어 가스의 유입 방향에 따른 빠른 환원과 밀접하게 연관된다.
상기 고전압 전극 부재(120)은 원추형 또는 원추대로 형성되며, 상기 관형 금속 전극 부재(110)의 길이방향 중심과 동심원으로 하여 구비된다.
여기에서, 상기 원추형 또는 원추대로 형성되는 상기 고전압 전극 부재(120)의 측면 각도는 5°~ 20°로 하는 것이 바람직하다. 이러한 각도 수치는 고밀도 플라즈마의 전파 및 탄화수소의 열분해 방지를 고려한 것이며, 이는 실험을 통해 확인하였다.
다음으로, 상기 환원제 공급 라인(200)은 상기 플라즈마 발생 유닛(100)의 일단부 일측에 연결되어 그 플라즈마 발생 유닛(100)으로 환원제인 탄화수소(hydrocarbon)를 공급하도록 구성되는 구성부이다.
구체적으로, 상기 환원제 공급 라인(200)은 관형 금속 전극 부재(110) 내부에서 유체의 흐름 방향 또는 환원제의 공급 방향을 기준으로 관형 금속 전극 부재(110)의 상류 측에서 환원제인 탄화수소가 공급되도록 연결된다.
본 발명에서, 상기 환원제로서 탄화수소가 이용되는데 구체적으로 이러한 탄화수소는 디젤 자동차의 연료인 디젤유의 일부를 제공받아 기화시킨 탄화수소 기체이다.
또한, 상기 환원제 공급 라인(200)은 상기 플라즈마 발생 유닛(100)의 관형 금속 전극 부재(110)에 접선(tangent line) 방향으로 연결되게 구성된다.
이와 같이 상기 환원제 공급 라인(200)이 접선 방향으로 연결되게 구성됨으로써, 플라즈마 발생 유닛(100)의 관형 금속 전극 부재(110)로 공급되는 환원제(탄화소소)는 관형 금속 전극 부재(110)와 고전압 전극 부재(120) 사이에 발생된 고밀도 플라즈마가 회오리를 일으키며, 관형 금속 부재(110) 내에서 탄화수소 기체의 흐름 방향으로 전파되어 저밀도의 저온 플라즈마가 생성하게 된다.
여기에서, 아래 캐리어가스 공급 라인(300)에 대한 설명에서도 설명하겠지만, 본 발명의 일 실시 예는 환원제 공급 라인(200)을 통해 공급되는 환원제(탄화수소)와 캐리어 가스 라인(300)을 통해 공급되는 캐리어 가스(배기가스의 일부)가 플라즈마 발생 유닛(100)의 일단부 측에서 하나의 라인을 통해 함께 제공되도록 구성될 수 있다.
계속해서, 상기 캐리어가스 공급 라인(300)은 상기 플라즈마 발생 유닛(100)에 캐리어 가스를 공급하도록 구성되는 구성부이다.
상기 캐리어가스 공급 라인(300)은 배기가스의 질소산화물을 촉매반응시켜 저감시키기 위한 질소산화물 저감 장치로 도입되는 배기가스의 도입덕트에서 분지되어 상기 환원제 공급 라인(200)에 연결되게 구성되어 그 캐리어가스 공급 라인(300)으로 도입되는 일부의 배기가스가 캐리어 가스로서 역할을 하도록 이루어진다.
다시 말해서, 상기 환원제 공급 라인(200)과 캐리어가스 공급 라인(300)은 플라즈마 발생 유닛(100)의 관형 금속 전극 부재(110)에 연결되는 지점에서 하나의 라인으로 일체화 된다. 즉, 상기 환원제 공급 라인(200)과 캐리어가스 공급 라인(300)은 플라즈마 발생 유닛(100)의 관형 금속 전극 부재(110)에 연결되는 지점에 공동 라인을 형성하도록 구성된다.
다음으로, 상기 처리환원제 공급 라인(400)은 상기 플라즈마 발생 유닛(100)의 관형 금속 전극 부재(110)의 하류 측(유체의 흐름 방향 또는 환원제의 공급 방향을 기준으로)에 연결되어 플라즈마 발생 유닛(100)에서 발생된 플라즈마에 의해 플라즈마화 된 처리환원제와 캐리어 가스를 질소산화물 저감 장치(R) 측으로 제공하도록 구성된다.
한편, 본 발명에 따른 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치의 다른 실시 예에 대하여 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치의 다른 실시 예의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
본 발명에 따른 다른 실시 예의 질소산화물 환원제 전처리 장치의 설명에서, 상기한 일 실시 예의 질소산화물 환원제 전처리 장치와 동일 구성요소에 대해서는 동일 부호를 부여하며, 설명의 간력화 및 명확화를 위하여 그에 대한 상세한 설명은 간략히 하거나 생략한다.
본 발명에 따른 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기한 일 실시 예와 같이 크게 플라즈마 발생 유닛(100)과, 환원제 공급 라인(200), 캐리어가스 공급 라인(300), 및 처리환원제 공급 라인(400)을 포함하는데, 플라즈마 발생 유닛(100)의 구성과 이에 연결되는 환원제 공급 라인(200) 및 캐리어가스 공급 라인(300)의 구조에서 일 실시 예와 다르며, 이에 대해서 설명한다.
본 발명에 따른 다른 실시 예의 질소산화물 환원제 전처리 장치에서, 플라즈마 발생 유닛(100) 또한 유전체 격벽이 구성되지 않고 플라즈마를 발생시키는 무격벽 저온 플라즈마 발생 유닛으로 구성되는 것으로, 내부에 벤츄리 효과(venturi effect)를 발생시키도록 형성되는 벤츄리부(131)가 형성되며, 접지(ground)되어 구성되는 관형 금속 전극 부재(130), 및 상기 관형 금속 전극 부재(130)의 내부에 그 관형 금속 전극 부재(130)의 길이방향 중심축을 따라 구비되는 봉 형상의 고전압 전극 부재(140)를 포함한다.
그리고 상기 환원제 공급 라인(200)은 상기 벤츄리부(131)의 제일 좁은 통로 측, 즉 벤츄리부(131)의 융기부(또는 스로트부(throat portion)(131a)에서 환원제가 유입되도록 구성된다. 다시 말해서, 상기 벤츄리부(131)의 융기부에는 환원제 공급 라인(200)에서 공급되는 환원제가 유입되는 환원제 공급로(131b)가 형성된다.
또한, 상기 캐리어가스 공급 라인(300)은 상기 플라즈마 발생 유닛(100)의 관형 금속 전극 부재(110)의 일단에 연통되게 연결되어 캐리어 가스가 그 관형 금속 전극 부재(110)의 길이방향으로 공급되도록 구성된다.
이와 같이 구성되는 다른 실시 예의 질소산화물 환원제 전처리 장치는, 캐리어가스와 환원제(탄화수소)의 혼합물의 압력이 벤츄리부(131)의 융기부(131a)를 지나면 급격히 감소하므로, 낮은 압력으로 인해 벤츄리부(131)의 융기부(131a) 근처에서 생성되는 고밀도의 플라즈마가 빠르게 전파되어 저밀도의 저온 플라즈마가 생성되면서 환원제(탄화수소)를 전처리하게 된다.
또한, 캐리어가스와 환원제(탄화수소)의 혼합물은 벤츄리부(131)의 융기부(131a)를 지나자마자 강한 와류(소용돌이)로 되어 캐리어가스와 환원제(탄화수소)가 격렬히 완전하게 혼합되게 된다.
그리고 환원제인 탄화수소는 플라즈마의 전파 중에 캐리어가스에 포함된 질소, 산소, 수증기와 반응하여 화학 반응성이 우수한 각종 알데하이드류와 에틸렌을 생성하게 되며, 배기가스 내의 질소산화물이 상대적으로 낮은 온도에서도 효과적으로 제거된다.
한편, 본 발명의 발명자는 본 발명에 따른 질소산화물 환원제 전처리 장치에 대한 작용 효과를 실험을 통해 확인하였으며, 이에 대하여 설명한다.
실험 개요
질소산화물의 환원 촉매로 Ag/γ-Al2O3를 사용하였고, 디젤유를 모사하기 위한 탄화수소 환원제로는 N-헵탄(n-heptane; C7H16)을 사용하였다. 일반적으로 디젤유를 모사하기 위한 탄화수소는 도데칸(dodecane; C12H26)이지만, 도데칸은 증기압이 매우 낮아 실험실에서 충분히 기화시켜 실험하기 어려움으로 인해, N-헵탄을 사용하였다. 두 물질은 모두 알케인화합물로서 N-헵탄을 사용해도 작용 효과를 입증하기에는 충분하였다. 실제 적용에서는 디젤유를 노즐을 통해 분사시키는 방법을 사용할 수 있다.
배기가스의 온도가 낮을 때는 저온 플라즈마에 의한 탄화수소(환원제) 전처리에 따라 질소산화물 저감효율이 증가하지만, 온도가 높은 영역에서는 저온 플라즈마 전처리 효과가 거의 나타나지 않았는데, 이 이유는 높은 온도에서는 촉매 자체의 활성이 높아 추가적으로 탄화수소를 전처리할 필요가 없기 때문이다. 또한, 저온 플라즈마 장치에 투입되는 전력이 너무 높으면 생성된 알데하이드류나 에틸렌이 완전 산화되어 이산화탄소로 전환되어 환원력을 상실하므로 적절한 전력의 공급이 필요하였다.
촉매 제조
2% 은을 함유하는 Ag/γ-Al2O3 펠릿(pellet) 촉매를 질소산화물 촉매환원에 사용했다. Ag/γ-Al2O3를 제조하기 위해 함침법(impregnation method)을 사용하였다.
구체적으로, γ-Al2O3 펠릿(크기: 5 mm)(제품 코드: 620100, 사솔, 독일) 200 g을 4.1 g의 Ag를 함유하는 AgNO3(94.5 mL) 용액에 함침시킨 다음, AgNO3 용액을 퍼니스에서 건조 및 소성하였다. 건조 과정에서 온도가 3℃/min의 속도로 110℃로 증가되었고, 3h 동안 110℃로 일정하게 유지되었다. 그 후 550℃서 6h 동안 소성하였다.
실험 장치
본 발명자는 질소산화물 (NOx) 환원을 위한 실험 장치를 도 2와 같이 구성하였다. 플라즈마 촉매 시스템은 무격벽 저온 플라즈마 장치(본 발명의 질소산화물 환원제 전처리 장치)와 30g의 Ag/γ-Al2O3 펠릿이 충진된 석영관 촉매 반응기(질화산화물 저감 장치)로 구성하였다. 모사 배기가스는 예열을 통해 설정 온도로 가열하였으며, 촉매 반응기에 유입된 유량은 12L/min로 하였다. NOx 제거 실험을 수행하며 반응온도의 영향을 살펴보기 위해 배기가스 온도를 150 ~ 350℃으로 조절하였다. 배기가스는 10% O2, 1.7~3.5%의 수증기 그리고 N2로 이루어져 있으며, 질소산화물의 농도는 300 ppm이다.
디젤유를 모사하기 위한 탄화수소 환원제로 N-헵탄(C7H16)을 사용하였다. 일반적으로 디젤유를 모사하기 위한 탄화수소는 도데칸(C12H26)이지만, 도데칸은 증기압이 낮아 실험실에서 충분히 기화시켜 실험하기 어려움이 있어, N-헵탄을 사용한 것이다. 두 물질은 모두 포화 탄화수소인 알케인화합물(alkane)로서 같은 계열인 N-헵탄을 사용하였으며, 배기가스의 일부(2 L/min)를 탄화수소(n-heptane)를 운반하기 위한 캐리어 (carrier) 가스로 사용하였다.
플라즈마 발생 유닛으로서 무격벽 저온 플라즈마 반응기는 도 1의 구성과 같이 고전압 전극 부재로서 내부 원추형 알루미늄 전극(유효 길이= 23mm, 각도=5°)과 관형 금속 전극 부재로서 스테인레스 스틸관(내경=11mm)으로 구성하였다. 실험에서 원추형 전극의 각도는 5°로 하였지만, 각도를 20°까지 증가시켜도 유사한 효과를 얻을 수 있었다. 각도가 20°보다 크면, 고밀도 플라즈마가 멀리 전파되지 못하여 탄화수소가 산화되는 대신 열분해됨을 확인하였다. 본 발명의 실시 예 및 실험 예에서 고전압 전극 부재로서 원추형 알루미늄 전극이 사용되었으나, 재질이 알루미늄으로 제한된 것은 아니고, 철, 구리, 텅스텐 등 모든 전도성 금속이 사용될 수 있다. 또한, 스테인레스 스틸 관 대신 구리관, 알루미늄관, 철관 등 전도성 금속으로 제작된 관이 사용되어도 무방하다. 교류(AC) 전원 공급 장치(SAM PONG POWER Co., Korea)의 1차 전압(60 Hz)은 변압기에서 7 kV의 고전압으로 승압되었고, 고전압은 원추형 전극에 연결되었다. 스테인레스 스틸 관은 상대전극(접지 전극)의 역할을 한다. 플라즈마 장치에 공급된 전력은 11~20 W였다. 본 실험에서는 교류(AC) 고전압을 사용하였으나, 직류(DC) 고전압이 사용되어도 유사한 효과가 나타난다.
질소산화물(NO, NO2) 농도 및 기타 관련 성분들의 농도 분석에는 배기가스 분석기(EN2, ecom GmbH, 독일), 푸리에-적외선 분광측정법(FTIR-7600, Lambda, 호주) 및 가스 크로마토그래피(Bruker 450-GC,미국)가 사용되었다.
플라즈마에 의한 탄화수소 전처리 효과
도 4는 플라즈마 전처리에 의해 N-헵탄(n-heptane)으로부터 생성되는 다양한 부산물들의 크로마토그램(유량 2L/min: O2=10%; n-heptane=2314 ppm; 투입 전력: 11 W))이다. 저온 플라즈마 장치는 11 W의 전력으로 운전되었다. 이 크로마토그램과 같이 플라즈마 처리에 따라 N-헵탄이 아세트알데하이드, 프로피온알데하이드, 부티르알데하이드, 에틸렌 등으로 전환되었다. 크로마토그래프 분석시 사용한 검출기가 불꽃 이온화검출기로서 H2가 분석되지 못하였으나, N-헵탄이 분해되면 상당량의 수소가 발생된다. 또한, N-헵탄이 부분 산화되면 일산화탄소(CO)도 발생이 된다.
도 5는 여러 알데하이드, N-헵탄 및 수소를 환원제로 사용했을 때의, NOx 제거 효율이다(NO=300 ppm; C1/N=6; 수분 함량=1.7 %). 환원제의 탄소 대 질소산화물의 질소 비율(C1/N)은 모두 6이었다. 예를 들면, 7개의 탄소를 함유한 N-헵탄 257 ppm을을 환원제로 사용했을 경우, 입구 질소산화물의 농도가 300 ppm이었으므로, C1/N 비율은 6이된다 (257x7/300=6).
도 5와 같이 질소산화물 제거 효율이 환원제의 종류에 크게 의존하는데, 알데하이드 유도체들은 N-헵탄보다 질소산화물 제거에 더 효과적이었다. 알데하이드 중에서 아세트알데하이드 < 프로피온알데하이드 < 뷰티르알데하이드 순서로 효율이 증가하였다. 수소는 고온에서는 효과가 거의 없으나, 저온에서는 어느 정도의 효과를 나타내었다. 따라서 탄화수소의 전처리시 저온에서 질소산화물 제거성능이 증가하는 것은 알데하이드류의 생성과 수소의 생성으로 해석할 수 있다.
환원제의 탄소 대 질소산화물의 질소 비율 (C1/N)은 제거 성능에 큰 영향을 미친다. 다음 식(1)과 같이 화학 양론적으로는 NO와 N-헵탄의 산화/환원 반응에서 C1/N 비율은 1/3 (=42/14) 이다.
42 NO + 2 C7H16 = 21 N2 + 14 CO2 + 16 H2O (식1)
그러나 높은 제거 효율을 보장하기 위해서는 이 비율이 더 높아야 한다. 도 6은 252℃의 온도에서 C1/N 비율을 4~20까지 변화시켰을 때의 결과이다(NO=300 ppm; 수분 함량=1.7 %; 반응온도: 252℃). 도 6과 같이, 비율이 4에서 9로 변경됨에 따라 질소산화물 제거 효율이 급격히 증가했으며, 그 이후 서서히 증가하다가 비율이 12가 넘어가면 더 이상 변화가 없었다. 아래의 모든 실험은 C1/N 비율을 9로 하여 실험했다.
도 4 및 도 5의 결과와 같이, N-헵탄 탄화수소 환원제보다는 탄화수소를 플라즈마로 전처리하면 알데하이드류 등의 고효율 환원제가 생성되므로 NOx 제거에 더 효과적이었으며, 이를 검증하기 위해 무격벽 저온 플라즈마에 의해 전처리된 N-헵탄을 모사 배기가스에 주입하였다. 비교를 위해 전처리하지 않은 경우의 결과도 함께 기록하였다. 도 7과 같이 탄화수소를 전처리했을 때의 NOx 제거 효율이 전 온도 범위에서 더 높은 것을 확인할 수 있다. 도 7은 무격벽 저온 플라즈마로 탄화수소를 전처리 했을 때와 전처리하지 않았을 때의 비교 그래프이다(NO=300 ppm; 수분 함량 =3.5 %; O2 =10%; 입력 전력: ~ 11 W). 그러나, 250℃ 이상의 온도에서는 촉매 자체의 활성이 좋아서 전처리의 효과가 크지는 않았고, 엔진의 작동 초기에 배기가스 온도가 낮을 때 그 효과가 크며, 엔진이 충분히 가열된 이후부터는 플라즈마 장치를 가동할 필요는 없다. 따라서 엔진이 가열되기 전까지만 전력을 소비한다.
도 8은 무격벽 저온 플라즈마 장치에 공급된 입력 전력의 효과를 나타낸다(NO=300 ppm; 수분 함량 =3.5 %; O2 =10%; 반응온도: 223°C). 도 8과 같이, 입력 전력이 11~15 W 범위에서는 NOx 제거 효율이 유사하였으나, 이 이상으로 전력을 증가시키면 오히려 제거효율이 감소하였다. 이 이유는 생성되었던 알데하이드류가 더욱 산화되어 이산화탄소가 되고, 이산화탄소는 질소산화물 환원 반응성이 없기 때문이다. 더욱이 높은 전력에서는 플라즈마 상태에서 N2와 O2의 반응으로 NOx가 생성되므로 전체적인 NOx 제거효율이 감소되었다. 입력 전력이 높아짐에 따라 이산화탄소가 발생되는 것과 NOx가 생성되는 것은 도 9 및 도 10에서 알 수 있었다.
도 9는 질소산화물 생성에 대한 입력 전력의 영향을 나타내는 그래프이고, 도 10은 입력 전력에 따른 N-헵탄 전환율 및 CO2 생성 농도(O2 =10%)를 나타내는 그래프로서, 무격벽 저온 플라즈마 장치에 공급되는 전력은 15 W 이하, 바람직하게는 11 W를 공급하여야 한다. 본 실험에 사용된 배기가스 유량은 12 L/min이므로, 유량 대비 전력은 11W/(12 L/min)이며, J/L 단위로 환산하면 55 J/L이다.
그리고 도 3과 같이 벤츄리형 무격벽 저온 플라즈마 장치로 구성하는 경우, 저온 플라즈마를 더욱 효과적으로 생성할 수 있음을 확인하였다. 도 3에서 캐리어 가스와 탄화수소 주입구가 분리되어 있다. 벤츄리와 동축으로 3 mm 두께의 텅스텐 봉이 설치되어 있으며, 벤튜리의 스로트(throat)와 텅스텐 봉의 거리는 2.5 mm이다. 벤츄리는 접지 전극에 연결되어 있고, 텅스텐 봉은 고전압에 연결되어 있다. 본 실험에서 벤츄리 발산각도는 10°이지만, 각도를 5°~20°로 조절해도 무방하다. 또한 벤튜리의 throat과 텅스텐 봉의 거리는 고전압에 맞추어 조절할 수 있다. 적절한 거리는 3 kV/mm이상이다. 예를 들어, 거리가 2.5 mm이면, 고전압은 7.5 kV이상 이어야 한다. 배기가스 일부를 유입시켜 캐리어 가스로 사용할 수 있으며, 캐리어 가스는 벤츄리의 스로트 근처에서 탄화수소와 혼합이 시작된다.
벤츄리형 무격벽 저온 플라즈마 장치의 장점은 캐리어 가스와 탄화수소 혼합물의 압력이 벤튜리 스로트를 지나면 급격히 감소하므로, 낮은 압력으로 인해 벤튜리 스로트 근처에서 생성되는 고밀도의 플라즈마가 빠르게 전파되어 저밀도의 저온 플라즈마가 생성되며 탄화수소를 전처리 한다는 점이다. 또한 벤튜리 스로트를 지나자마자 강한 와류(소용돌이)가 형성되어 캐리어 가스와 탄화수소가 격렬히 완전하게 혼합되는 장점이 있다.
도 11은 벤츄리형 무격벽 저온 플라즈마 장치에서 캐리어 가스의 유량에 따른 전력의 관계를 나타내는 그래프이다. 본 실험에서 160 W 내외의 전력을 공급하고, 유량을 70 L/min으로 증가시켰을 때도 안정적으로 저온 플라즈마를 발생시킬 수 있었다. 디젤 배기가스 유량은 엔진의 크기와 운전조건에 따라 다르다. 100마력 엔진의 경우 대략 배기가스 유량이 12~25 m3/min이며, 배기가스의 일부를 벤츄리형 무격벽 저온 플라즈마 장치에 유입시켜 탄화수소(디젤유)의 캐리어 가스로 활용할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 도 1과 같이 구성하는 경우, 탄화수소가 포함된 가스를 무격벽 저온 플라즈마 장치의 전극 사이에 접선 방향으로 유입시키면, 전극 사이에 발생된 고밀도 플라즈마가 회오리를 일으키며 기체 흐름 방향으로 금속관(관형 금속 전극 부재) 내에서 전파되어 저밀도의 저온 플라즈마가 생성되며, 탄화수소는 플라즈마의 전파중에 캐리어 가스의 질소, 산소, 수분과 반응하여 화학 반응성이 우수한 각종 알데하이드류와 에틸렌을 생성하며, 저온 플라즈마 장치로 전처리한 탄화수소를 촉매반응기에 환원제로 주입하면 배기가스 내의 질소산화물이 상대적으로 낮은 온도에서도 효과적으로 제거됨을 확인하였다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 무격벽 저온 플라즈마 장치는 고농도의 탄화수소를 빠른 속도로 분해시켜 환원력이 우수한 성분들로 전환시키고, 배기가스의 일부를 탄화수소를 운반하기 위한 캐리어 가스로 사용하여, 탄화수소를 저온 플라즈마 장치의 전극 사이에 접선 방향으로 유입시키면, 전극 사이에 발생된 고밀도 플라즈마가 회오리를 일으키며 탄화수소 기체의 흐름 방향으로 금속관내에서 전파되어 저밀도의 저온 플라즈마가 생성된다. 탄화수소는 플라즈마의 전파중에 캐리어 가스의 질소, 산소, 수분과 반응하여 화학 반응성이 우수한 각종 알데하이드류와 에틸렌을 생성한다. 저온 플라즈마 장치로 전처리한 탄화수소를 촉매반응기에 환원제로 주입하면 배기가스내의 질소산화물이 상대적으로 낮은 온도에서도 효과적으로 제거된다.
종래에 제안된 촉매와 저온 플라즈마 결합 방법은 촉매층에 플라즈마를 생성하는 방법으로서, 소규모의 촉매 반응기와 작은 유량의 배기가스 처리에는 효과를 보이고 있으나, 디젤 엔진처럼 높은 유량의 배기가스를 방출하는 경우에는 적용이 불가하며, 대량의 디젤 배기가스를 플라즈마화 시키려면 막대한 전기에너지가 소비되며 차량의 배터리는 막대한 전기를 감당할 수가 없다. 이에 반하여, 본 발명은 전기 다소비 문제를 해결하기 위하여 전체 배기가스를 플라즈마화시키는 대신, 소량의 탄화수소 환원제만 플라즈마로 전처리하여 알케인이 주류를 이루는 디젤유 탄화수소를 환원력이 우수한 탄화수소로 전환시키며, 소량의 탄화수소 환원제만 플라즈마로 처리하는 데에는 다량의 전기가 필요하지 않기 때문에 차량의 배터리가 충분히 감당 가능한 수준이며, 적은 전력으로 촉매 반응기의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 플라즈마의 전파속도를 증진시키고 캐리어 가스와 탄화수소를 효과적으로 혼합할 수 있는 벤츄리(venturi)형 무격벽 저온 플라즈마 장치를 통해 성능이 더욱 향상될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치 및 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치에 의하면, 질소산화물의 환원용 촉매로서 디젤유 자체의 탄화수소를 이용함으로써 별도로 요소수나 암모니아를 구비해야 하는 번거로움을 없애고, 요소수 등이 저장되는 구성부를 생략할 수 있어 적용 차량이나 설비의 공간 자유도를 증대시킬 수 있으며, 상대적으로 배기가스가 차가운 초기 시동 직후의 낮은 온도에서도 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있어 질소산화물의 제거 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 의하면, 전체 배기가스를 플라즈마화 시키는 대신, 소량의 탄화수소 환원제만 플라즈마로 전처리하여 알케인이 주류를 이루는 디젤유 탄화수소를 환원력이 우수한 탄화수소로 빠르게 전환시킬 수 있어 질소산화물의 저감효율을 더욱 향상시킬 수 있으며, 소량의 탄화수소 환원제만 플라즈마로 처리하는 데 다량의 전기가 필요하지 않아 차량의 배터리가 충분히 감당 가능한 수준이고 적은 전력으로 촉매 반응기의 성능을 향상시킬 수 있어 배터리 용량이 적은 차량 등에도 적용할 수 있어 범용성을 확장할 수 있는 이점이 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
R: 질소산화물 저감 장치
100: 플라즈마 발생 유닛
110: 관형 금속 전극 부재
120, 140: 고전압 전극 부재
131: 벤츄리부
131a: 융기부(스로트(throat)부)
200; 환원제 공급 라인
300: 캐리어가스 공급 라인
400: 처리환원제 공급 라인
100: 플라즈마 발생 유닛
110: 관형 금속 전극 부재
120, 140: 고전압 전극 부재
131: 벤츄리부
131a: 융기부(스로트(throat)부)
200; 환원제 공급 라인
300: 캐리어가스 공급 라인
400: 처리환원제 공급 라인
Claims (10)
- 촉매환원법을 이용하는 질소산화물 저감 장치로 투입되는 환원제를 처리하는 장치로서,
플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 유닛;
상기 플라즈마 발생 유닛으로 환원제를 공급하도록 구성되는 환원제 공급 라인;
상기 플라즈마 발생 유닛에 캐리어 가스를 공급하도록 구성되는 캐리어가스 공급 라인; 및
상기 플라즈마 발생 유닛에서 발생된 플라즈마에 의해 플라즈마화 된 처리환원제와 캐리어 가스를 질소산화물 저감 장치 측으로 제공하도록 구성되는 처리환원제 공급 라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는
질소산화물 환원제 전처리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 발생 유닛은,
관형 금속 전극 부재; 및
상기 관형 금속 전극 부재의 내부에서 그 관형 금속 전극 부재의 내벽과 이격되게 구비되는 고전압 전극 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는
질소산화물 환원제 전처리 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 관형 금속 전극 부재는 단면 원형으로 형성되며,
상기 고전압 전극 부재는 원추형 또는 원추대로 형성되며, 상기 관형 금속 전극 부재의 길이방향 중심과 동심원으로 구비되는 것을 특징으로 하는
질소산화물 환원제 전처리 장치.
- 제3항에 있어서,
원추형 또는 원추대로 형성되는 상기 고전압 전극 부재의 측면 각도는 5°~ 20°인 것을 특징으로 하는
질소산화물 환원제 전처리 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 환원제 공급 라인은 환원제로서 탄화수소(hydrocarbon)를 공급하도록 구성되며,
상기 캐리어가스 공급 라인은 질소산화물 처리 장치에서 처리될 배기가스의 일부를 캐리어 가스로 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
질소산화물 환원제 전처리 장치.
- 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 환원제 공급 라인은 상기 관형 금속 전극 부재에 접선(tangent line) 방향으로 연결되게 구성되며,
상기 환원제 공급 라인과 캐리어가스 공급 라인은 상기 관형 금속 전극 부재에 연결되는 측에서 하나의 라인을 통해 환원제와 캐리어 가스가 공급되도록 구성되는 것을 특징으로 하는
질소산화물 환원제 전처리 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 관형 금속 전극 부재는 내부에 벤츄리부가 형성되어 구성되며,
상기 고전압 전극 부재는 봉 형상으로 이루어져 상기 관형 금속 전극 부재의 길이방향 중심축을 따라 구비되는 것을 특징으로 하는
질소산화물 환원제 전처리 장치.
- 제7항에 있어서,
상기 벤츄리부의 융기부에는 상기 환원제 공급 라인에서 공급되는 환원제가 유입되는 환원제 공급로가 형성되며,
상기 캐리어가스 공급 라인은 상기 관형 금속 전극 부재의 길이방향으로 캐리어 가스가 공급되도록 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는
질소산화물 환원제 전처리 장치.
- 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 환원제 공급 라인은 환원제로서 탄화수소(hydrocarbon)를 공급하도록 구성되며,
상기 캐리어가스 공급 라인은 질소산화물 처리 장치에서 처리될 배기가스의 일부를 캐리어 가스로 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
질소산화물 환원제 전처리 장치.
- 청구항 1에 따른 질소산화물 환원제 전처리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는
질소산화물 저감 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220008498A KR102671528B1 (ko) | 2022-01-20 | 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치 및 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220008498A KR102671528B1 (ko) | 2022-01-20 | 질소산화물의 촉매 환원 성능 향상을 위한 질소산화물 환원제 전처리 장치 및 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230112778A KR20230112778A (ko) | 2023-07-28 |
| KR102671528B1 true KR102671528B1 (ko) | 2024-06-03 |
Family
ID=
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018053897A (ja) | 2013-03-22 | 2018-04-05 | 日本碍子株式会社 | 還元剤噴射装置、排ガス処理装置及び排ガス処理方法 |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018053897A (ja) | 2013-03-22 | 2018-04-05 | 日本碍子株式会社 | 還元剤噴射装置、排ガス処理装置及び排ガス処理方法 |
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