KR19990042811A - 디젤엔진 배출가스 정화장치 - Google Patents

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본 발명은 디젤엔진의 배출가스 후처리를 위해 1차여과재생부에서 전기히터에 의해 여과재를 교대로 사용하여 매연을 포집하고 연소망으로 구성된 여과재를 가열하여 매연과 미연탄화수소를 연소시켜 재생시키며 2차로 입구부에 질소산화물 제거용 환원촉매를 도포하고 출구부에 산화촉매를 도포한 허니콤을 통과시켜 NOx를 제거하며, 미연소 탄화수소와 입자상물질, 일산화탄소를 산화시켜 입자의 침전 및 주기적인 청소없이 연속적으로 사용가능한 것을 특징으로 하는 디젤엔진 배출가스 정화장치에 관한 것이다.

Description

디젤엔진 배출가스 정화장치
본 발명은 디젤엔진 배출가스 정화장치에 관한 것으로 특히 미연소 탄화수소와 입자상물질들을 여과재 연소망에 교대로 포집하여 전기히터의 열선과 이 열선에 의해 가열된 여과재 연소망에 의하여 연소시키며, 여과재 연소망 후방에 금속산화물이 피복된 허니콤내에서 입구부에 NOx를 제거하는 촉매를 도포하여 질소산화물을 제거하며, 출구부에 산화촉매를 도포하여 2차 산화시키고 여기에서 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시키거나, 입자상물질중 일부와 탄화수소를 산화시키거나, 허니콤 전체에 NOx 제거 촉매와 산화촉매를 골고루 분산도포한 디젤엔진 배출가스 정화장치에 관한 것이다.
종래의 디젤엔진 배출가스 정화장치는 여과재만을 사용하여 여과된 입자상물질을 가열선이나 버너 등으로 재연소하는 방법을 사용하였다. 이 방법은 여과재 전후에 압력센서를 적용하여 일정 압력이상이 되면 버너 등으로 가열하고 송풍기로 공기를 공급하여 여과재에 퇴적된 입자상물질을 태워버리는 방법이다. 그러나 이러한 방법은 일시에 미연소 탄화수소나 입자상물질들을 태워야 하기 때문에 온도가 급격히 상승하게 되고 이에따라 여과재의 수명이 단축되는 문제점이 있었다.
그리고 버너 등으로 입자상물질을 태워 여과재를 재생하는 동안 디젤엔진에서 나오는 배출가스를 제2의 여과재로 여과하거나 바이패스(by-pass)해야 하는 등 비효율적인 문제점도 있었다.
또한 종래에는 세라믹 여과재에 촉매를 코팅시켜 탄화수소와 일산화탄소의 산화 및 NOx의 환원을 꾀하였으나 촉매표면에 입자상물질이나 탄화수소가 여과되면서 침전되어 촉매의 성능을 충분히 나타내기 힘들었으며 전기히터의 열선 또는 버너로 미세한 입자상물질을 충분히 거르면서 산화시키지는 못하였다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적과제는, 산화되기 힘든 디젤엔진 배출가스중 입자상물질과 탄화수소를 1차 여과한후 전기히터에 의해 연소망으로 이루어진 여과재 연소망의 온도를 상승시켜 입자상물질과 탄화수소를 연소시키며 200∼450℃의 낮은 온도에서 2차 촉매환원 및 산화처리부인 금속산화물이 피복된 허니콤에 입자상물질 침전 및 주기적인 청소없이 연속적으로 사용이 가능하며 낮은 온도에서 일산화탄소와 질소산화물의 높은 전화율을 갖도록 한 디젤엔진 배출가스 정화장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 미연소 탄화수소와 입자상물질들을 여과재 연소망에 교대로 포집하여 전기히터의 열선과 이 열선에 의해 가열된 여과재 연소망에 의하여 연소시키며, 여과재 연소망 후방에 금속산화물이 피복된 허니콤내에서 입구부에 NOx를 제거하는 촉매를 도포하여 질소산화물을 제거하며, 출구부에 산화촉매를 도포하여 2차 산화시키고 여기에서 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시키거나, 입자상물질중 일부와 탄화수소를 산화시키거나, 허니콤 전체에 NOx 제거 촉매와 산화촉매를 골고루 분산도포한 디젤엔진 배출가스 정화장치에 의하여 달성되어진다.
도 1은 본 발명의 디젤엔진 배출가스 정화장치를 보인 개략도
도 2는 본 발명의 디젤엔진 배출가스 정화장치에 있어서, 여과재 연소망을 보인 도면
도 3은 본 발명의 디젤엔진 배출가스 정화장치에 있어서, 전기히터부를 보인 도면
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10a,10b : 1차여과재생부 11a,11b : 전기히터
12a,12b : 여과재 연소망 20 : 밸브
20a,20b : 배출가스유입로 30 : 타임콘트롤부
40 : 2차촉매환원 산화처리부 41 : 허니콤
본 발명은 도 1 내지 도3에 도시된 바와 같이 한개이상의 여과재 연소망(12a)(12b)의 전방에 전기히터(11a)(11b)가 내설되어 엔진측에 연결설치된 두 개의 1차여과재생부(10a)(10b)와, 상기 1차여과재생부(10a)(10b) 중 하나만이 엔진 측에 연통되도록 배출가스유입로(20a)(20b)를 개폐하는 밸브(20)와, 일정시간마간 상기 밸브(20)를 작동시키는 동시에 엔진 측과 차단된 1차여과재생부(10a)(10b)의 전기히터(11a)(11b)에 전원을 인가하는 타임콘트롤부(30)와, 금속산화물이 피복된 허니콤(41)이 내설되어 상기 1차여과재생부(10a)(10b)와 연결설치된 2차촉매환원 산화처리부(40)로 구성된 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배출가스 정화장치에 관한 것이다.
상기 전기히터(11a)(11b)의 전원은 디젤엔진 시동시 사용하는 축전지가 사용되며 열선으로는 니크롬선,칸탈선,금속복합열선을 그대로 사용하거나 세리믹코팅하여 도 3에 도시된 바와 같이 세라믹 또는 운모판으로 된 지지대에 감아 사용한다.
또한 여과재 연소망(12a)(12b)로는 30∼800메쉬의 스텐레스스틸망 또는 복합금속재망을 도 2에 도시된 바와 같이 일정한 거리만큼 이격되게 지그재그로 접어 사용한다.
상기 2차촉매환원 산화처리부(40)에 내설된 허니콤(41)에 도포되는 금속산화물 피복에 사용되는 활성성분으로는 미세하게 분할된 알루미늄산화물, 제올라이트, 이트리아 및 그들이 혼합물상에 부착된 백금그룹금속과 첨가제 Ni 및 Li, Na, K, Cs, Rb, Fr 중에서 선택된 원소를 하나 이상 함유하는 NOx 제거용 촉매 조성물을 허니콤(41)의 출구에 도포하여 사용하며, CeO2와 LaO3에 Ni를 포함하고 Fe, Cu, V, Cr, Co중 선택된 1개 이상의 원소를 함침시킨 산화 촉매 조성물을 허니콤(41)에 도포하여 사용한다.
이와같이 된 본 발명은 밸브(20)에 의해 엔진측에 연통된 1차여과재생부(10a)로 배출가스가 유입되며, 미연소 탄화수소와 입자상물질이 여과재 연소망(12a)에 포집된다.
미연소 탄화수소와 입자상물질이 여과재 연소망(12a)에 포집되는 과정이 일정 시간 진행되면 타임 콘트롤부(30)는 밸브(20)를 작동시켜 1차여과재생부(10b)가 엔진측에 연통되도록 하는 동시에 전기히터(11a)에 전원을 인가하여 여과재 연소망(12a)에 포집된 미연소 탄화수소와 입자상물질을 연소시켜 재생시킨다.
이때 엔진측에 연통된 1차여과재생부(10b)의 여과재 연소망(12b)에는 배출가스의 미연소 탄화수소와 입자상물질이 포집된다.
즉 타임 콘트롤부(30)의 의해 제어되는 밸브(20)가 절환되는데 따라 한쪽의 여과재 연소망에는 미연소 탄화수소와 입자상물질이 포집되고, 다른쪽의 여과재 연소망에서는 포집된 미연소 탄화수소와 입자상물질이 전기히터(11a)(11b)에 의해 연소된다.
한편 본 발명의 여과재 연소망(12a)(12b)는 도 2에 도시된 바와 같이 일정한 거리만큼 이격되게 지그재그로 접어져 있으므로 결과적으로 표면적이 증대되어 최적의 여과효과를 얻을 수 있게 한다.
상기 밸브(20)의 절환시간은 1시간정도가 바람직하며, 전기히터(11a)(11b)에 전원이 인가되는 시간은 15분정도가 바람직하다.
1차여과재생부(10a)(10b)를 통과한 배출가스는 2차촉매환원 산화처리부(40)의 허니콤(41)을 통과한 후 머플러를 통해 대기로 배출된다.
배출가스는 허니콤(41)의 입구에 도포된 NOx 제거용 환원촉매에 의해 NOx이 제거되고 출구의 산화 촉매에 일산화탄소가 이산화탄소로 산화되거나 입자상물질중 일부와 탄화수소가 2차 산화된다.
이러한 본 발명의 디젤엔진용 배출가스 정화장치는 디젤자동차 및 선박, 기관차, 산업용 내연기관, 항공기 등에 사용할 수 있다.
다음에 실시예에 의하여 본 발명을 더 상세히 설명하는데 본 발명은 이들 실시예에만 한정되는 것이 아님을 더 말할 나위 없다.
실시예 1에서 비교예 1까지 디젤엔진 배출가스 정화촉매 및 장치는 엔진 내구주행후에 있어서의 정화능을 조사하였다.
내구엔진은 시판되는 4기통 디젤엔진, 2476cc, 압축비 21:1, 최대토오크/엔진속도 = 20.0㎏m/2000rpm, 최대출력/엔진속도 = 85ps/4200rpm을 사용하였고, 디젤엔진 배출가스 정화촉매 및 장치의 온도가 정상운전에서 450℃로 되는 조건에서 100시간 촉매정화재를 에이징 하였다.
SV = 약 15만 hr-1에서 총입자상물질(TPM), 탄화수소(HC), 휘발성(VOF : Volatile Organic Fraction), CO, NOx를 조사하였으며 신품시와 에이징후 50％ 전환율을 조사하여 낮은 온도에서의 정화능과 전환율 지속성능을 측정하였다.
표 1에는 상기와 같은 방법에 의해 디젤엔진 배출가스 정화장치의 성능을 나타내었다.
실시예 1)
비표면적 550m2/g인 NaY-제올라이트 10g과 비표면적 210m2/g인 γ-Al2O3160g을 팔라듐 1.5g을 함유하는 염화팔라듐수용액과 백금1.5g을 함유하는 염화백금수용액 및 니켈 0.2g을 함유하는 염화니켈과 Na 0.1g을 함유하는 수산화나트륨수용액에 함침하고, 120℃에서 12시간 동안 건조후 600℃ 에서 2시간동안 소성시켜 산화촉매용 분체를 얻었다. 산화세륨 분체3g과 산화란타늄 분체3g에 Ni 0.4g과 Fe 0.4g을 담지시켜 120℃에서 12시간동안 건조후 600℃에서 2시간동안 소성시켜 NOx 제거용 분체를 얻었으며, 보올밀에 의하여 20시간동안 습식분쇄 함으로써 각각의 수성슬러리를 조제하였다. 단면적 1평방인치당 약 400개의 가스유통셀을 갖는 외경 144mm 길이 150mm의 코오데라이트제 모노리스 담체를 입구부는 NOx제거용 슬러리에, 출구부는 산화촉매용 상기 슬러리에 침지하고 취출하여 셀내의 과잉슬러리를 압축공기에 의하여 블로잉하고, 그후 120℃에서 12시간 건조하고 다시 600℃에서 2시간 소성하여 촉매처리된 허니콤(41)을 얻었으며 도1 및 도3에 도시된 바와 같이 구성된 디젤엔진용 배출가스 정화장치이다.
비교예 1)
여과재 연소망(12a)(12b) 대신에 1평방인치당 100개의 셀을 갖는 코오데라이트제 세라믹필터를 입구부에 NOx 환원 촉매와 출구부에 산화촉매를 담지시켜 사용하고 세라믹 필터 후단에는 허니콤을 설치하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1)과 동일한 디젤엔진 배출가스 정화장치이다.
표 1. 디젤엔진 배출가스 정화촉매 및 장치의 성능
구분 제거율 ％ 신품시 50％ 전환온도(℃) 에이징후 50％ 전환온도(℃)
PM THC VOF CO NOx PM THC CO PM THC CO
실시예 1 99 99 100 100 49 200 189 191 203 191 192
비교예 1 99 96 96 95 17 212 197 199 225 211 214
본 발명은 산화되기 힘든 디젤엔진 배출가스중 입자상물질과 탄화수소를 1차 여과한후 전기히터에 의해 연소망으로 이루어진 여과재 연소망의 온도를 상승시켜 입자상물질과 탄화수소를 연소시키며 200∼450℃의 낮은 온도에서 2차 촉매환원 및 산화처리부인 금속산화물이 피복된 허니콤에 입자상물질 침전 및 주기적인 청소없이 연속적으로 사용이 가능하며 낮은 온도에서 일산화탄소와 질소산화물의 높은 전화율을 갖도록 한 효과가 있는 디젤엔진 배출가스 정화장치에 관한 것이다.

Claims (6)

  1. 한개 이상의 여과재 연소망(12a)(12b)의 전방에 전기히터(11a)(11b)가 내설되어 엔진측에 연결설치된 두 개의 1차여과재생부(10a)(10b)와, 상기 1차여과재생부(10a)(10b) 중 하나만이 엔진 측에 연통되도록 배출가스유입로(20a)(20b)를 개폐하는 밸브(20)와, 일정시간마간 상기 밸브(20)를 작동시키는 동시에 엔진 측과 차단된 1차여과재생부(10a)(10b)의 전기히터(11a)(11b)에 전원을 인가하는 타임콘트롤부(30)와, 금속산화물이 피복된 허니콤(41)이 내설되어 상기 1차여과재생부(10a)(10b)와 연결설치된 2차촉매환원 산화처리부(40)로 구성된 것을 특징으로 하는 디젤엔진 배출가스 정화장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 여과재 연소망(12a)(12b)는 입도가 30∼800메쉬인 망인 것을 특징으로 하는 디젤엔진 배출가스 정화장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 여과재 연소망(12a)(12b)는 일정한 거리만큼 이격되게 지그재그로 접혀진 것을 특징으로 하는 디젤엔진 배출가스 정화장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 허니콤(41)의 입구에는 NOx을 제거하는 환원촉매를 도포하고, 출구에는 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시키고 입자상물질중 일부와 탄화수소를 산화시키는 산화촉매를 도포한 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배출가스 정화장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 환원촉매로는 미세하게 분할된 알루미늄산화물, 제올라이트, 이트리아 및 그들이 혼합물상에 부착된 백금그룹금속과 첨가제 Ni 및 Li, Na, K, Cs, Rb, Fr 중에서 선택된 원소를 하나 이상 함유하는 NOx 제거용 촉매 조성물을 사용하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 배출가스 정화장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 산화촉매로는 CeO2와 LaO3에 Ni를 포함하고 Fe, Cu, V, Cr, Co중 선택된 1개 이상의 원소를 함침시킨 산화 촉매 조성물을 사용하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 배출가스 정화장치.
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