KR20020070885A - 배기가스 처리시스템 - Google Patents

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KR20020070885A
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Abstract

연료내에 유황의 영향없이, 방전을 사용함으로써 NOx 배기가스가 완전히 분해되고, 300℃의 저온에서 입자물질을 산화하는 데 필요한 NO2를 실시간으로 발생하는 기술이 확립된다. NO2및 산소분위기내에서 생성된 오존과 활성산소는 산화제로 사용되며, 300℃의 저온에서 방전을 사용함으로써 입자물질이 완전히 분해된다. 배기가스내의 NOx에 관하여, NO는 얇고 좁은 선형상의 피복되지 않은 선을 사용하여 완전히 분해되고, 입자물질에 필요한 NO2가 생성되며 300℃의 저온에서 엔진의 운전상태에 따라 처리된다.

Description

배기가스 처리시스템 {EXHAUST GAS PROCESSING SYSTEM}
본 발명은 NOX, 입자물질 및 탄화수소를 포함하는, 보일러 및 엔진에서 배기되는 배기가스의 유해화학물질의 분해 및 화학반응을 촉진시키는 배기가스처리장치에 관한 것이며, 화학공장 및 환경기기 등에 관한 것이다.
지금까지는, 저렴하면서 배기가스내의 NOX및 유해물질내의 미립자를 효과적으로 처리하는 처리기술이 확립되어 있지 않았다. NOX를 제거하는 기술로는, 보일러나 엔진의 고정기기에 암모니아를 사용하는 질소제거기술(denitration technology)이 확립되어 있지만, 이 기술은 안전상의 문제로 자동차와 같은 이동기기에는 사용되지 않았다.
디젤차의 NOX제거로는, 엔진의 고압분사 및 연소실의 형상을 갖는 대책이 취해졌지만, 이 대책만으로는 만족할만한 기술이 확립되지 않았다.
배기가스내의 NOX에 대하여, 백금 및 팔라듐과 같은 귀금속 촉매를 사용하여 NO2가 생성되고 후처리에서 촉매를 사용하여 미립자가 분해되는 장치가 있지만, NOX감소효과는 대략 15%정도로 낮고, 본격적인 처리장치는 확립되어 있지 않다.
또한, 주로 귀금속이 포함된 3원촉매가 있지만, 이 촉매는 고가이므로 실용화되어 있지 않다. 또한, 촉매로 사용되는 백금은 연료내의 유황으로 인하여 촉매기능이 낮아지기 때문에, 저유황연료의 보급이 전제조건으로 되었다.
한편, 미립자에 대한 제거기술로서, 상술된 NO2를 사용하는 산화분해에 백금과 같은 귀금속을 저온분해하는 기술이 확립되어 있지만, 이 기술은 고비용을 초래하여 본격적으로 보급되지 않았다.
현재, 세라믹필터를 사용하여 미립자를 흡착한 후, 연소와 함께 처리되는 처리방법이 확립되어 있다. 그러나, 일괄처리(batch processing) 및 복수의 처리시스템으로서의 대안적 처리시스템이 확립되어 있더라도, 이는 고비용과 사용상 단점으로 인하여, 본격적인 보급이 어려웠다.
디젤엔진에서, 운전조건에 따라, 배기가스내의 유해물질의 성분은 크게 변화되는 것에 대하여, 현재의 모든 처리장치내의 처리방법은 추종되어 처리되거나, 실시간으로 처리기능저하가 재생되어 실시간으로 처리되는 장치는 실현되어 있지 않다.
본 발명의 목적은 유황의 영향없이, 방전을 사용하여, 배기가스내의 NOX의 NO가 완전히 분해되고, 대략 300°C의 저온에서 미립자를 산화시키기 위하여 필요한 NO2가 실시간으로 발생되는 기술을 확립하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 생성된 NO2및 산소분위기에서 발생되는 오존이나 활성산소를 산화제로 사용하여, 입자물질이 대략 300°C의 저온하의 저렴한 촉매를 사용하거나 촉매를 전혀 사용하지 않고 완전히 분해되도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 엔진의 운전조건에 따라, 처리가 실시간에 수행되는 기술을 확립하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 저렴하고 내구성이 좋은 구조가 달성되는 기술을 확립하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 암모니아 발생수단이 독립적으로 설치되고 NOX의 처리가 효과적으로 작용하는 장치를 확립하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 방전 및 전기인가에 따라 배기가스가 처리될 때, 부가적으로 전기용량을 보상하면서 종래의 발전기와 호환할 수 있고, 높은 내열성과 뛰어난 효율을 갖는 발전시스템에 대한 기술을 확립하는 것이다.
도 1a는 NOX의 농도가 본 발명에 따른 고전압방전에 의하여 제어되고, 후처리의 촉매유닛에서 엔진의 동력변화에 따라 제어가 이루어질 수 있는 배기가스처리장치를 도시하는 단면설명도,
도 1b는 전후스테이지에 귀금속의 촉매가 사용되는 종래기술에 따른 배기가스처리장치를 도시하는 단면설명도,
도 2a 및 도 2b는 절연코어선이 평행하게 배치되는 방전선의 방전부를 각각 도시하는 설명도,
도 2c 및 도 2d는 절연코어선이 나선형상으로 배치되는 방전선의 방전부를 각각 도시하는 설명도,
도 2e 및 도 2f는 절연코어선이 그물형상으로 배치되는 방전선이 방전부를 각각 도시하는 설명도,
도 3은 본 발명에 따른 나선형상의 방전부의 NOX(NO, NO2)감소특성을 도시하는 설명도,
도 4a는 본 발명에 따른 실시예의 저전압방전을 사용하여 입자물질을 처리하는 수단을 구비한 일반적인 배기가스처리장치를 도시하는 설명도,
도 4b는 본 발명에 따른 실시예의 저전압방전을 사용하여 입자물질을 처리하는 장치의 선택적, 포괄적인 기능을 설명하는 설명도,
도 5a는 배기가스내에 10%의 산소농도일때의 방전에 따른 NOX의 감소특성도,
도 5b는 배기가스내에 15%의 산소농도일때의 방전에 따른 NOX의 감소특성도,
도 5c는 배기가스내에 18%의 산소농도일때의 방전에 따른 NOX의 감소특성도,
도 5d는 배기가스내에 21%의 산소농도일때의 방전에 따른 NOX의 감소특성도,
도 6은 NOX의 감소가 제어되는 경우의 센싱방식을 도시하는 설명도,
도 7a는 방전선의 성능을 유지하도록 복수의 권선이 연결되는 방전선구성의 설명도,
도 7b는 도 7a에 도시된 방전선의 단면도,
도 7c는 방전특성이 변화되는 경우에 피치를 변화시키는 방법을 도시하는 설명도,
도 7d는 절연코어선의 절연구조의 예를 도시하는 설명도,
도 7e는 절연코어선의 절연구조의 또 다른 예를 도시하는 설명도,
도 8a는 배기가스내의 산소농도가 10%이고 C2H4농도가 1000ppm일때의 방전에 의한 NOX의 감소특성을 나타내는 도면,
도 8b는 배기가스내의 산소농도가 21%이고 C2H4농도가 1000ppm일때의 방전에의한 NOX의 감소특성을 나타내는 도면,
도 9는 보온, 연소 및 반응이 효과적으로 수행되는 배기처리기기의 예를 도시하는 설명도이다.
(1) 유황의 영향없이, 방전을 사용하여, 배기가스내의 NOX의 NO가 완전히 분해되고, 대략 300°C의 저온에서 미립자를 산화시키기 위하여 필요한 NO2가 실시간으로 발생되는 기술에 대한 해결책으로서는 다음과 같은 것이 있다.
우선, 연료내의 유황의 영향을 받지 않고 수행되는 수단으로서, NO2의 발생이 백금을 촉매로 사용하지 않고 수행된다. 즉, 배리어방전등이 사용된다.
구체적인 예로서, 전극에 인가되는 전압을 가능한 한 낮게 하기 위하여, 전극들 중 한쪽은 긴 선형상, 띠형상, 막대형상 또는 판형상으로 형성되고, 세라믹이나 내열실리콘 등과 같은 전성이 우수한 얇은 절연체의 외피가 피복된다.
또 다른 전극은 절연코어선의 형상에 알맞은 피복되지 않은 선으로 형성되고, 절연코어선을 따라 평행형상, 직각형상, 나선형상, 그물형상 또는 지그재그형상으로 근접하여 배치되어, 오존 및 배리어방전이 효과적으로 발생된다.
교류고전압이 전극에 인가되고, 전압 및 주파수가 변화되어, 전압의 상승에 따라, 잔존 산소를 함유하는 배기가스내의 NO는 낮아져서, 소정 전압에 도달되면, 0이 된다.
한편, 초기의 NO와 비교하여 NO2는 약하게나마(1/10 미만) 점차 증가되어, NO2는 NO의 0의 범위에서 존재하여 피크치를 나타내며, 전압이 낮아지면 점차 감소되어 곧 0이 된다. 이 점에서, NOX는 완전히 소멸된다.
이 경우에, 산소농도 및 탄화수소농도가 높을수록, NO 및 NOX가 완전히 소멸되는 범위가 넓어진다. 즉, NOX의 분해에너지를 작게 할 수 있어 안정된 처리가 수행된다. 산소농도 및 탄화수소농도를 조절하여, V자형 커브로부터 긴 바닥면을 갖는 역대형커브(reverse trapezoid curve)를 얻는 것이 가능하다.
배기가스처리시스템에서, 상술된 농도가 조절되면, 더욱 안정한 배기가스처리를 수행하는 것이 가능해진다. 또한, 전압이 더욱 증가되면, 소정의 전압에서,NO가 0에서부터 증가되고 NO2도 증가하도록 바뀌어, 증가특성을 얻는 것이 가능하다.
이 현상을 응용하여, NO가 0인 범위에서, 전압의 약한 변화에 따라 피크치에서 0까지의 범위를 순간에 제어하는 것이 가능해진다. 엔진의 동작에 따라, 입자물질의 양에 맞추어, CO2로 전환시키는데 필요한 NO2가 실시간으로 발생된다. 이 제어는 방전에너지의 작은 영역과 높은 영역에서 수행될 수 있다.
엔진의 크기 및 운전조건에 알맞은 방전요소, 전원공급장치 및 제어에 필요한 수단의 용량을 설정하는 것이 필요하다. 본 실시예에 따른 배리어방전이 사용되면, 80cm의 방전요소로, 18kHz, 6.5kv정도의 비교적 낮은 전압과 10W로부터 20W까지의 작은 소비전력으로 처리가능하다.
또한, 나선형 방전선의 경우에는, 표1에 도시되는 바와 같이, 대략 10mm의 권선피치(winding pitch)에서 가장 우수한 분해효율이 얻어지는 결과가 나타난다.
(2) 상술된 (1)에서 발생되는 NO2및 산소분위기중에서 발생된 오존이나 활성산소는 산화제로 사용되어, 입자물질은 대략 300°C의 저온하에서 저렴한 촉매를 사용하여 완전히 분해되는 기술의 문제를 해결하는 것에 대하여, NO2및 오존(400°C이상에서는 활성산소가 됨)이 전압, 주파수에 의하여 자유롭게 제어되기 때문에, 바나듐과 몰리브덴의 산화물, 제올라이트와 알루미나가 촉매로 사용되어, 대략 300°C의 저온하에서, 귀금속을 거의 사용하지 않고도, 입자물질이 완전히 분해될 수 있다.
또한, 발생된 NO2와 가스중의 수분에 의하여 형성된 질산 및 연료내의 황의 산화에 의하여 형성되는 유황과 같은 산화물을 사용하여, 촉매없이도, NO2의 발생량을 조절하여 입자물질을 분해할 수 있다.
(3) 엔진의 운전상태에 따라, 실시간으로 수행될 수 있는 기술을 해결하는 것에 대하여, (1)에서 상술된 NO2의 제어기술을 사용하여, 엔진의 운전상태에 따라, 필요한 NO2의 양이 센서나 운전특성에 의하여 산정되고, 즉각적으로 발생되어, 입자물질이 완전히 분해될 수 있다.
입자물질센서는 처리장치의 입구부에 배치되어, 입자물질이 실시간으로 센싱되고, 그 정보는 컨트롤러에 입력된다.
한편, 처리장치의 유로 전후에는, NOX또는 NO2센서가 배치되어, 처리장치를 통과한 후의 농도가 감소상태인지 증가상태인지를 파악하고, 처리후의 NOX또는 NO의 농도에 따라, 입자물질의 완전분해에 필요한 NO2의 양이 산정된다.
필요한 에너지에 알맞은 전압값이 결정되고 실시간으로 제어됨에 따라, NOX및 입자물질이 완전히 제거된다.
(4) 저렴한 구조로 상술된 (1) 내지 (3)을 얻기 위한 기술을 해결하는 것은, 본 발명에 따른 배기가스처리시스템에는, 비용상의 관점에서 방전요소, 저온촉매 및 제어수단의 3개의 큰 요소가 존재한다.
우선, 방전요소는, 가늘고 긴 방전코어선 주위에, 방전선이 나선형상등으로배치되는 간단한 구조로 되어있다. 광섬유 및 전선을 제조하는 기술로, 대량의 방전요소가 간단하게 제조될 수 있고, 높은 신뢰성을 갖도록 제조될 수 있다.
그 다음, 촉매에 대해서도 (2)에 상술되는 바와 같이, 기본적으로 귀금속을 전혀 사용하지 않고, 혹시 사용하더라도 질량퍼센트 0.2%정도를 사용하여 실현될 수 있고, 비교적 저렴한 바나듐이나 몰리브덴의 산화물에, 알루미나 및 제올라이트가 공존될 수 있기 때문에, 귀금속이 주가 되는 종래의 촉매와 비교하여, 매우 저렴하게 해결된다.
(5) 자체적으로 암모니아를 발생시키는 암모니아 발생수단 및 효과적인 NOX처리를 수행하는 구조에 관하여, 공기중에서 얻어진 N2가스 및 연료배터리 등에서 발생되는 수소공급수단을 구비한 이동기기는, N2및 수소를 사용하여, 암모니아를 발생시켜, 고정기기에서 수행되는 NOX처리기술에 따라 무해화할 수 있다.
(6) 방전 및 전력인가를 사용하여 배기가스가 처리될 때, 부가적 전기용량이 보상되고, 내열성과 우수한 효율을 갖는 발전기가 종래의 발전기와 호환되는 시스템으로 구성될 수 있다.
상술된 구성시스템에 관하여, 본 발명의 발명자는 저시동토크와 고효율(95% 이상)을 사용하고, 종래의 250°C로부터 500°C까지 사용온도를 끌어올릴 수 있는 슬롯절연 및 코일의 피복의 절연부에 알루미나와 같은 세라믹을 사용하여, 종래의 발전기와 호환될 수 있도록 고안하였다.
이하에서는, 본 발명에 따른 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 도 1a는본 발명에 따른 배기가스 처리시스템의 일 실시예이고, 도 1b는 종래기술에 따른 배기가스 처리시스템의 일 실시예이다.
본 발명의 특징은, 크게 2개의 처리유닛으로 나뉘어지며, 전처리에서는 배리어방전(barrier discharge)에 따른 처리가 행해지고, 후처리에서는 촉매를 사용하는 처리가 행해진다는 것이다.
배리어방전에서, 가늘고 긴 단일 절연코어선(insulation core wire) 또는 복수의 절연코어선(2)에 피복되지 않은 방전선(bare discharge wire)(3)이 절연체의 표면에 근접하여 부착되고, 예시된 바와 같이, 나선형 또는 직물형으로 짜여져서 전 공간에 걸쳐 놓여진다.
방전선(3)의 끝단부는 접지면(4)에 연결되고, 고주파수 및 고전압 발생수단이 내부에 설치되어 있는 공급전력제어유닛(11)에 의하여 절연코어선 사이에서 배리어방전이 효과적으로 발생된다.
상기 수단에 의한 고주파수 및 고전압 공급전력에서, 정현파는 펄스형태를 갖도록 형성되고 전압이 전력형태에서 동일하게 형성될 수도 있고, 상승될 수도 있다.
센서(10)가 엔진의 운전상태를 검출하고, 입자물질 및 NOX를 직접 검출한다. 엔진의 회전수는 다른 수단(도면에 도시되지 않음)을 사용하여 검출될 수도 있다.
본 방전유닛에서, 엔진 등으로부터 배기되는 NOX, 특히 NO 및 NO2는 완전히 분해되며, 전압, 주파수 및 파형의 변화에 따라 NO는 완전히 분해되고, NOX는 조금만 생성되며 그 양은 제어가능하다.
후반부의 도 3에서 설명되듯이, 예를 들어, 전압의 미세한 변화로, NOX의 특성이 매우 크게 변화되므로 매우 작은 전기에너지로도 달성될 수 있다. 또한, 방전선의 구조는 매우 간단한 전선으로 구성되고 광섬유제조기술을 통하여 높은 신뢰도로 제조가능하며 비용이 매우 저렴하다.
본 발명에서, NO2는 산화성가스를 사용하는 후처리에서 입자물질을 산화시키기 위하여 필요한 양을 검출하여 생성된다. 이 사실에 관하여, 종래의 장치에서는 제어기능이 없었다.
즉, 본 발명에 따른 방전유닛에서는 엔진의 상태가 정확하게 파악될 수 있고 또한, 상기 상태에서 적절한 NOX의 분해가 실시간으로 수행된다.
도 1b에 도시되는 종래장치에서는, 귀금속인 많은 양의 백금이 촉매로 사용되기 때문에, 고비용을 초래하고 또한 연료내의 유황의 영향에 따라 기능이 저하된다.
그 다음, 후처리내의 촉매처리유닛이 설명된다. 이 유닛에서는, 주로 입자물질을 완전히 분해하는 촉매는 대략 300°C의 저온에서 사용된다. 예를 들어, 산화바나듐(5) 및 산화몰리브덴(6) 및 알루미나 또는 제올라이트(7)와 같이 비교적 저렴한 촉매가 사용되어 NO2가 효과적으로 작용된 후, 입자물질이 완전히 분해된다. 이들 촉매는 귀금속을 사용하지 않고도 거의 실현된다.
참조번호(1)는 기계 및 장치의 프레임이고 참조번호(8)는 촉매를 유지하는뛰어난 전성을 갖는 격벽이다.
도 1b에 도시되는 종래의 배기처리장치가 설명된다. 전처리에서, 다량의 백금(5a), 팔라듐(6a) 및 알루미나(7a)가 사용되어, NOX내의 NO는 NO2로 산화되고, 후처리내의 촉매에서 입자물질은 무해하게 산화된다. 귀금속이 사용되기 때문에, 고비용을 초래하였으며 보급이 매우 제한되어 왔다.
이러한 촉매시스템에서, 엔진등의 운전에 대하여, 예를 들어, 입자물질의 발생상태에 따라 처리를 수행하는 것이 불가능하고, 유황의 영향 및 열화에 대처하는 것이 불가능하다.
NO의 제거도 완전히 수행될 수 없고 85%의 NO가 배기구로 배출된다. 이는 불완전장치라해도 과언이 아니다. 후처리에서, 귀금속은 촉매로 주로 사용되고 백금(5b), 팔라듐(6b) 및 알루미나(7b)가 사용되어 처리가 수행된다.
참조번호(1)는 기계 및 장치의 프레임이고 참조번호(8)는 촉매를 유지하는 뛰어난 전성을 갖는 격벽이다.
도 2a 내지 도 2f까지의 도면이 설명된다. 여기에는, 본 발명의 기본구성요소인 방전선구조의 예가 도시된다. 도 2a 및 도 2b는, 코어선(22a)과; 뛰어난 연성(ductility)을 갖고, 코어선(22a)의 외부표면을 덮고 있는 세라믹 및 내열실리콘고무와 같은 얇고 단단한 물질로 만들어진 절연체(2a)로 구성된 가늘고 긴 절연코어선을 도시한다.
절연코어선과, 이 절연코어선에 근접하여 배치되는 지름 0.2mm 내지 0.3mm의얇고 피복되지 않은 방전선(3a)에 의하여 전극이 형성된다. 절연체(17a)는 피복되지 않은 선이 장치 및 기계의 외부로 인출될 때, 전기절연을 위하여 사용된다.
상술된 간단한 구조로, 전선 및 광섬유와 같은 높은 신뢰도를 갖는 제조방법이 이용되어, 저렴하면서도 고성능을 갖는 방전선을 제조하는 것이 가능하다. 이 물질은 알루미나에 지르코늄이 혼합되어 뛰어난 연성을 갖고 또한 뛰어난 절연성능을 갖는다.
도 2c 및 도 2d는 절연코어선(2b, 22b)에 대하여 나선형상으로 배치되는 방전선(3b)의 일례를 도시한다. 나선의 피치가 변화될 때, NOX의 분해성능은 크게 변화되어 엔진등의 배기가스분해에 적합한 물질을 제조하는 것이 가능하다. 참조번호(17b)는 절연체이다.
그 다음, 도 2e 및 도 2f가 설명된다. 방전선(3c)은 그물형상으로 짜여져, 절연코어선(2c, 22c)에 방전선이 원통형상으로 배치된다. 원통형 방전선에 의하여, 방전선은 견고하고 내구성도 높으며 게다가 도체이므로, 예를 들어, 유리 및 알루미나를 포함하는 세라믹권선을 사용하여 그물을 형성하는 것이 가능하다. 이 세라믹에 촉매가 첨가되어 오존 및 활성산소가 효과적으로 발생된다. 또한, NO2의 생성과 동시에, 입자물질이 한번에 분해되고 처리된다. 그 결과, 배기가스의 분해가 수행된다.
나선형방전선의 피치가 변화될 때, NOX의 분해성능은 크게 변화되어 엔진등의 배기가스분해에 적합한 물질을 제조하는 것이 가능하다. 방전선의 열화를 방지하고, 과혹상태하에서의 사용을 고려하여 뛰어난 내구성이 얻어진다. 참조번호(17c)는 절연체이다.
또한, 복수의 방전선을 평행하게 혹은 교차하여 결합시킬 수 있다. 복수의 피치를 갖는 방전선을 절연권선에 감고 끝단부의 극을 연결하거나 분리시킬 수 있다. 상이한 특성을 갖는 방전성능이 단일 방전선에 형성되고 내구성이 수배로 향상된다.
도 3은 교류인가전압에 대한 나선형 방전선의 NOX분해특성의 예를 도시한다. 전압변화에 의한, NOX, NO, NO2의 변화상태를 알 수 있다.
NO는 전압상승에 따라 급격하게 감소되어 6kV에서 완전히 소멸되어 7.5kV까지 0으로 유지되고, 전압이 상승되면, 농도가 서서히 증가된다. NO가 0일때, NOX에는 NO2만 존재하고, 6.5kV 내지 7.5kV 사이에서는, 130ppm 내지 0ppm 사이에서 V자형상으로 급격하게 변화된다.
따라서, 이러한 특성을 활용하여, NO의 완전처리가 얻어지고, 잔여하는 NOX를 없애고 입자물질을 분해하는 것이 가능함을 보여준다. 엔진 및 보일러의 연소상태를 적절히 하여, 실시간으로 유해 배기가스를 완전히 무해화한다.
종래의 장치 및 기계에서는, 조정을 수행하는 것이 불가능하고, 어떤 조건에서 최적의 특성을 얻을 수 있다고 하더라도, 크게 변화되는 운전상태에 수반하여 배기가스내의 유해물질의 농도변화를 추종하는 것이 불가능하였다. 또한, 사용중의특성열화에 대하여는 해결책이 없었다.
도 4a는 입자물질이 실시간으로 처리되고 또한 세라믹필터(60)의 복수의 흡착면을 사용하여 처리낭비가 항상 감시되면서 처리되는 감지기능을 갖는 장치를 도시한다.
세라믹필터(60)의 양쪽 끝단면에 제공되는 전극판(61)간에서, 예를 들어, 전기저항의 변화에 따라 주로 탄소계 입자물질의 부착상태가 파악된다.
상기 저항값이 소정값 이하가 될 때, 전력이 인가되어 입자물질은 산화된다. 전기공급용 전원은 수 볼트(V)의 정도의 매우 낮은 전압이고, 자동차 등에서는 배터리 및 발전기의 전원이 채택될 수 있다.
입자물질의 처리는 간단하고 실시간으로 처리되며, 또한 저가이면서 우수한 내구성을 가지는 시스템이 구축된다. 세라믹필터에 NOx 분해용 저온촉매가 사용되며, 예를 들어 알루미나, 산화갈륨, 주석, 인듐이 담겨 있으면, 단지 이 공정만으로도 배기가스내의 유해한 물질이 처리된다.
다음에는, 중간처리의 촉매처리부를 설명한다. 상기 촉매처리부는 NOx 처리용 촉매로 구성되며, 알루미나(5c), 산화갈륨(6c), 주석 및 인듐(7c) 등으로 구성된다.
암모니아 발생수단(30)이 외부 또는 내부에 제공되며, 처리에 필요한 사용량은 노즐(31)로부터 공급된다. 플라즈마기술 및 고압합성기술이 채택될 수 있다.
상기 서술한 바와 같이, 현재시점의 기술견지에서 확립된 질소제거시스템(denitration system)이 형성될 수 있다. 암모니아발생을 위하여수소 및 질소가 필요하지만, 전기분해 처리를 사용함으로써 엔진의 냉각수와 같은 물에서 수소가 만들어지고 공기로부터 질소가 추출될 때에는, 재료를 공급할 필요가 없다.
다음 상기 도면에서 최종처리는 방전처리유닛에서 행해지며, 이것은 잔여 NOx 처리를 위하여 장착되고, 상술한 암모니아 발생을 위하여 부분적으로 활용될 수 있다.
참조번호 2d는 절연코어선, 참조번호 3d는 방전선 및 참조번호 11a는 고전압발생부이다. 참조번호 1b는 프레임이다.
참조번호 70 및 71은 NOx 센서 및 NO2센서이고, 상기 센서는 NOx 처리유닛의 처리전후의 적절한 위치내에 설치된다. 상기 NOx 처리유닛은 방전부내의 NOx 처리상태를 감지하며, NOx를 제거하기 위해서 필요한 전압 및 주파수를 조절하고, 또한 전기에너지를 제어한다. 제어방법은 도 6를 참조하여 설명될 수 있다.
도 4b는 전기적 입자물질의 처리유닛의 일례를 도시한다. 상기 도면에서, 세라믹필터(60a)의 양단부에 제공된 전극(61a)간에 입자물질의 부착에 의해 동반하는 저항이 센서검출제어부(50)에 의하여 처리되고, 입자물질처리에 필요한 전극간에서 신호가 소각처리제어부로 송신되어 처리된다.
스위치부(54 및 54a)는 신호선(53)에 의하여 개폐되어 위치에 의한 입자물질의 비균일성이 제거된다. 자조기능(self-help function)을 구비하면서도 저가인 고성능 입자물질 처리장치가 제공된다. 참조번호 40a은 전원공급장치단자이다.
도 5는 디젤배기가스가 고압방전으로 분해될 때 가스중의 산소농도에 따라 NOx의 분해가 현저하게 변화되는 예시의 설명도이다.
도 5a는 배기가스의 산소농도가 10%일 때에 전압 - NOx(NO 및 NO2)의 분해도를 도시한 것이며, 먼저 전압상승과 함께 NO가 분해되고 6.5㎸ 전압부근에서 최저이며 상기 값 이상에서는 서서히 증가한다.
한편, NO2는 NO의 감소에 반비례하여 증가하고, 6 내지 6.5㎸ 전압부근에서 거의 변화되지 않는다.
도 5b는 배기가스의 산소농도가 15%일 때에 전압 - NOx(NO 및 NO2)의 분해도를 도시한 것이며, 5.5㎸ 전압부근까지 NO가 분해되고 급하강하는 것과는 반대로 NO2는 급상승한다.
NO는 5.5 내지 6.5㎸에서 서서히 소멸되어 영(0)이 되며, 상기 영(0)의 상태가 7.5㎸까지 계속되고, 그 이상에서는 전압의 증가와 함께 다시 NO가 발생된다.
한편, NO2는 5.5 내지 6.5㎸ 사이에서 다소 증가되어, 고지상태(highland condition)가 계속되어 피크에 달한 후에 6.5㎸부터 감소되며, 7㎸ 부근에서 최소값이 된 다음 증가하며, 7.5㎸를 경계로 하여 NO의 증가에 따라 다시 감소된다.
도 5c는 배기가스의 산소농도가 18%일 때에 전압 - NOx(NO 및 NO2)의 분해도를 도시한 것이며, NO 및 NO2는 함께 급속도로 소멸되어 V 곡선처럼 보인다. 6.5㎸에서 7㎸까지의 전압사이에서, 완전히 소멸될 수 있다.
완전소멸의 범위가 5.6㎸부터 7.5㎸까지 퍼져 있다. 상기 특성을 활용하면 NOx를 완전히 소멸시킬 수 있다.
이 경우, 디젤엔진으로부터 배출된 배기가스의 산소농도가 실질적으로 16%이기 때문에 외부 또는 장치 및 기계의 시스템내에 산소공급수단을 제공함으로써 NOx를 감소시키는 효과적인 수단이 구축가능하다.
도 5d는 배기가스의 산소농도가 21%일 때에 전압 - NOx(NO 및 NO2)의 분해도를 도시한 것이며, NOx 감소특성이 산소농도가 18%일 때보다 현저하게 나타된다.
전술한 바와 같이, 배기가스의 산소농도를 변화하면, NOx의 감소를 쉽게 제어할 수 있다. 산소농도가 더욱 증가하고, 활성산소상태 및 오존상태를 형성는 물질이 공급되면, 상기 반응이 현저하게 되어 특성이 제어되고, 에너지절약효과 및 적은 에너지로 NOx의 제거가 달성된다.
도 6은 NOx 처리장치내의 처리상태를 파악함으로써 NOx의 처리에 필요한 에너지를 결정하는 제어방법을 도시한 설명도이다. NOx 처리장치내의 방전요소의 유출입로 전후의 적절한 위치에 상기 센서가 배치되어 NOx의 처리상태가 파악된다.
즉, NOx의 감소 또는 증가는 2개의 센서에 의존하며 예를 들어, A점에서부터 B점까지 감소상태가 존재할 경우에는 에너지가 증가되며, D점에서부터 C점까지 변화될 경우에는 에너지가 감소되므로, 그 결과 제어는 확실히 수행되며 NOx는 완전히 제거된다. 필요에 따라, 시스템내의 산소농도조절장치가 부착될 수 있다.
도 7은 절연방전선의 새로운 구조의 예를 도시한 것이다. 도 7a에서, 평행하게 격리된 두 개의 방전선(3d 및 3e)은 나선형으로 감겨져 있으며, 절연방전선을 구성한다.
질소 및 황의 산화물과 같은 도전물질의 오염과 수분으로 인하여 2개의 방전선 사이의 공간내에 전기적 절연이 저하될 때, 2개의 선 사이의 전기저항은 작아지게 되어, 그 결과로 방전성능은 현저히 저하된다.
이것은 열저항 염기성을 함유하는 알루미나에 의하여 형성된 절연체(2d)의 절연표면이 일체의 전도체로 덮혀 있는 것 같아서, 상기 방전은 쉽게 발생하지 않는다. 이것을 방지하기 위하여, 2개의 방전선 사이에 전압을 인가하여 전력을 인가한 다음, 열 또는 방전을 사용하여 기화 또는 정화시킨다. 이것은 오염 감지센서로서 사용될 수 있다.
참조번호 22d는 절연코어선의 전도체이며 참조번호 17d 및 17e는 방전선의 리드선부의 절연체이다.
도 7b는 도 7a의 절연방전선의 측단면도이다.
도 7c는 방전선(3f, 3g 및 3h)을 평행하게 위치함으로써 나선형으로 감겨 구성된 절연방전선의 예시도이다. 절연방전선은 코어선전도체(22e), 절연체(2e) 및 리드선 절연체(17f, 17g 및 17h)로 구성되어 있다.
상기 종류의 방전절연선의 방전성능이 방전선의 배치피치크기에 따라 현저하게 달라진다. 지름이 0.3㎜인 방전선을 구비한 절연체에서, 피치가 10㎜인 경우 최대의 방전특성이 달성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 방전특성은 피치와 길이에 따라 크게 변화되고,1/2 이하로도 변화된다. 상기 현상을 사용하여, 방전특성은 방전선의 조합과 탭(tap)의 길이에 따라 변화된다. 예를 들어 피치가 변화되고 복수의 방전선이 감기고, 그 접속 및 조합이 변경되고, 또한 동일한 극성을 만들고 그것을 선택하면 방전특성이 변화된다.
단일 방전선을 사용하면, 공급에너지가 변화되어 방전특성이 변화된다. 상기 단일 방전선을 복수의 방전선과 함께 조합하면, 제어폭이 생기며 배기가스처리장치는 더 좋은 성능을 가지게 될 것이다.
방전에 의한 NO에서 NO2로의 변환율(길이 L(㎜), 전력 P(W))
피치(㎜) L=250P=9 L=500P=18 L=750P=27 L=1000P=36
1 37 44 67 51
5 40 65 60 53
10 48 84 64 58
20 51 78 63 46
도 7d는 절연코어선의 절연체의 구조의 단면도이다. 참조번호 22f는 코어선전도체이고 참조번호 2f 및 2g는 절연체이다. 절연체(2f)는 망형상의 세라믹부재에 알루마이트 처리된 물질로 구성되며, 이것의 공간은 다른 절연박재로 매워져 있으며, 얇고 우수한 절연성능을 가진다.
도 7e는 절연코어선에 고내열 및 고강도 재료로 만들어진 니크롬선(22g)을 사용함으로써 성능이 향상된 얇은 절연코어선의 단면도이다. 알루마이트 처리되며, 코어선의 외피에 알루미나(2h)를 피복함으로써 선부재를 형성하게 된 후, 상기 코어선에 외부절연체(2i)가 피복된다.
도 8은 수소가 배기가스에 혼재된 경우에, 그 특성의 변화를 도시한 그래프도이다. 도 5d에 도시된 21%의 산소농도가 1000ppm의 탄화수소와 혼재된 경우에는, NOx가 현저히 감소되지 않음을 알 수 있다. 이것은 NO2가 안정적으로 발생됨을 의미한다. 즉 NO가 NO2로 산화되고, 산화제로서 입자물질의 산화 및 제거를 위하여 효과적으로 활용된다.
물론, 산소 및 탄화수소의 농도는 유기적으로 제어되어, 안정성과 고성능을 가진 처리장치가 실현된다.
도 8a 및 도 8b는 1000ppm의 탄화수소와 10%의 산소 및 1000ppm의 탄화수소와 21%의 산소가 혼재된 경우의 NOx 처리특성을 도시한 것이다.
이 경우, NOx가 완전히 제거되지 않지만, 처리장치의 최종처리에서 전술한 도 5에 도시된 기술을 결합하면 NOx를 제거할 수 있다.
도 9는 입자물질이 전력이 인가되어 소각된 때, 열발생 및 방전에 따른 오존 및 코로나발생시에 발생된 열량을 보존하고 도망가지 못하게 하는 배기가스장치를 도시하며, 상기 장치의 외부에 세라믹으로 만들어진 단열구조에 의해서 장치의 내부는 가능한 한 고온으로 유지되며, 작은 에너지를 가해도 반응 및 분해를 행할 수 있다.
또한, 엔진 배기구의 주변에 예열부를 배치하고, 입자물질의 연소온도를 가능한 한 650℃까지 근접하게 하면, 반응촉진 및 에너지 절약이 달성된다.
상술한 배기가스 처리장치는 종래의 장치에 비하여 비교적 간단한 구조로 되어 있으며, 엔진 등의 운전상태를 따라 유해한 배기가스를 무해하게 할 수 있는 성능이 있는 획기적인 가스처리기술을 가지고, 가스의 분해 및 반응에 관계하는 모든 분야에 활용될 수 있다.
상기 장치는 자동차, 보일러 및 엔진의 공해대책 및 화학반응촉진, 연소촉진 및 유해물질의 분해에 효과적으로 활용된다.
또한, 전선 및 광섬유의 진보된 생산기술로 방전부가 제조될 수 있으며, 따라서, 고품질, 우수한 생산성능을 구비한 오존 발생장치 또는 간단한 구조이면서 저가인 코로나생성장치가 제공될 수 있다.
또한, 저전압이고 매우 저가인 전력인가 소각장치는 가연성물질의 흡수 및 분해장치에 적용할 수 있다.
또한, NOx 질소제거시스템이 필름형태로 설치될 때, 전력인가 소각장치는 자체에서 암모니아를 발생시킨다.
본 발명에 따른 효과는 자동차, 보일러와 같은 배기가스 후처리장치로서, 성능, 비용성 및 유지성이 한꺼번에 해결될 수 있는 뛰어난 효과를 가진다. 그 주요효과는 다음과 같다:
1. 간단한 방전선의 구조로, NOx(NO 및 NO2)는 완전히 분해되며, NO가 영인 상태하에서 입자물질을 산화 또는 분해하는 NO2의 발생양이 자유롭게 제어될 수 있고, 배기가스내의 입자물질의 분해에 완전히 추종된다. 이 경우에 사용되는 촉매는 귀금속을 거의 채택하지 않고, 300℃의 저온에서 산화되어 무해한 탄산가스로 배출된다.
2. 입자물질은 세라믹필터에 흡수되고, 복수의 전극으로 흡수면의 소각에 필요한 부분이 검출되며, 저전압의 전원공급장치로 선택적, 전기적으로 소각되어 탄산가스를 형성하여 무해물질로서 형성된다.
따라서, 실시간내로 처리하고 우수한 유지성능을 구비하는 장치 및 기계가 실현된다.
또한, 귀금속을 거의 사용하지 않아 저가인 촉매를 채택하여 NOx가 분해되고, 자체적으로 암모니아 발생장치를 제공하고 우수한 질소제거장치를 조합함으로써, 고성능, 저가구조 및 우수한 유지성을 가지는 배기가스처리장치가 제공된다.
3. 배기가스 처리요소는 방전부로서 높은 신뢰성을 가지는 지르코늄을 포함하는 알루미나로 구성되고, 전선형상을 가지며, 얇은 절연피복을 형성함으로써 단순하고 튼튼하다. 방전선은 전도체 그자체로서 형성되거나, 세라믹선과 복수의 방전선이 망구조로 형성되면, 방전특성, 강도성, 내구성이 증대된다.
세라믹선에 촉매를 넣음으로써 촉매작용이 발생됨에 따라 고효율이면서 저가인 우수한 배기가스 처리요소가 제공된다.

Claims (20)

  1. 방전발생장치에 있어서,
    전극 중의 한 쪽은 절연체의 외피로 피복되며;
    상기 전극 중의 다른 한 쪽은 피복되지 않은 선으로 형성되고;
    상기 전극은 절연코어선을 따라 근접하게 배치되며;
    오존 및 배리어방전이 발생되어, NO가 분해되고 특히 산소분위기내에서 NO에서 NO2로 전환하도록 파형, 고주파전압 및 주파수가 변화되어 필요한 양을 얻는 것을 특징으로 하는 방전발생장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    산소 분위기내에서 파형, 고주파전압 및 주파수가 적당하게 변화되어 NO 및 NO2와 같은 NOx가 완전히 분해되는 것을 특징으로 하는 방전발생장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    NO는 완전히 제거되고, 고주파전압 및 주파수가 변화됨으로써 분해 및 반응하는 데 필요한 상기 NO2의 양이 발생되고 제어되는 것을 특징으로 하는 방전발생장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항의 방전발생장치를 사용하는 배기가스처리장치에 있어서,
    입자물질을 포함하는 디젤배기가스의 처리에, 다음처리공정에서 촉매와 조합하고 배기가스의 상태에 따라, NO 및 NO2가 제거되고, 상기 입자물질을 처리하는 데 필요한 NO2의 발생 성분 및 상기 양이 제어되며;
    상기 촉매를 사용함으로써 약 300℃의 저온에서 상기 입자물질이 제거되는 것을 특징으로 하는 배기가스처리장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 촉매에 백금 및 팔라듐과 같은 귀금속을 사용하지 않고, 산화바나듐, 산화몰리브덴, 알루미나 및 제올라이트를 사용함으로써,
    필요한 기능이 달성되는 것을 특징으로 하는 배기가스처리장치.
  6. 입자물질처리장치에 있어서,
    상기 입자물질은 투과성 세라믹필터등으로 흡수되고;
    상기 입자물질은 단일 또는 복수의 전극쌍으로 나뉘어 지며;
    부착상태는 상기 전극간의 저항값으로 감지되며;
    처리에 필요한 상기 전극을 선택적으로 처리함으로써;
    성능향상 및 기능유지가 수행되는 것을 특징으로 하는 입자물질처리장치.
  7. 배기가스처리장치에 있어서,
    NOx 분해 및 NOx 생성은, 제1항의 상기 절연코어선의 상기 세라믹과 같은 상기 절연물질 및 제6항의 상기 세라믹필터에 바나듐과 몰리브덴의 산화물과 같은 입자물질 산화촉매 및 알루미나와 산화갈륨에 포함된 금속주석과 인듐과 같은 환원촉매를 동시에 사용함으로써, 수행되는 것을 특징으로 하는 배기가스처리장치.
  8. 배기가스처리장치에 있어서,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 배리어방전을 사용한 NOx 처리장치와 제6항을 조합함으로써, 순수 귀금속을 사용하지 않고도 완전히 수행되며,
    배기가스의 성분에 반응하여 후속처리가 효과적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 배기가스처리장치.
  9. 배기가스처리장치에 있어서,
    상기 장치에 암모니아 고압반응수단 또는 플라즈마합성수단이 장착되어, 방전등을 사용하여 공기중에서 발생된 질소 및 전기분해를 사용하여 발생된 수소를 사용함으로써, 암모니아의 필요한 양이 발생되고;
    상기 발생된 암모니아를 사용하여 NOx의 분해가 안전하고 완전하게 수행되는 것을 특징으로 하는 배기가스처리장치.
  10. 배기가스처리장치에 있어서,
    방전선은 망형상, 원통형상 및 직물형상으로 구성되고; 조립된 선중 일부 선은 알루미나 및 유리로 구성되며;
    촉매가 상기 선에 포함되어 상기 방전 및 촉매처리가 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 것을 배기가스처리장치.
  11. 방전요소구조에 있어서,
    절연코어선의 절연외피로서 알루미나와 같은 내열물질이 사용되며;
    상기 방전선은 망형상, 원통형상 및 직물형상으로 구성되며;
    복수의 방전선은 전기적으로 접촉되지 않도록 배치되고;
    상기 방전선 사이에, 직류 또는 교류의 적절한 전기전압이 인가됨으로써;
    상기 방전선 사이에, 전해액 및 탄소계 입자물질과 같은 전도물질이 있을 때에 전류를 흘려보내, 소각 및 건조시키는 것을 특징으로 하는 방전요소구조.
  12. 배기가스분해장치에 있어서,
    제2항에 따른 NO 및 NO2와 같은 NOx가 완전히 분해되고 제거되는 방전발생장치에, 시스템내에 산소공급이 제공됨으로써;
    산소농도가 배기가스내의 분해된 NOx의 양에 따라 변화되어 입자물질 및 NOx가 안정하게 분해되고 제거되는 것을 특징으로 하는 배기가스분해장치.
  13. 배기가스분해장치에 있어서,
    제3항에 따른 NO 및 NO2와 같은 NOx가 완전히 분해되고 발생되는 방전발생장치에, 시스템내에 탄화수소공급이 제공됨으로써;
    탄화수소농도가 배기가스내의 분해된 NOx의 양에 따라 변화되어 입자물질 및 NOx가 안정하게 분해되고 제거되는 것을 특징으로 하는 배기가스분해장치.
  14. 제1항 내지 제5항, 제9항, 제10항, 제12항, 제 13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    NO2및 NOx의 양은 전기인가전압에 따른 방전에너지에 의하여 제어되며, 처리 전후의 NOx 및 NO2의 농도가 검지되며;
    정상, 증가 및 감소상태의 변화상태가 파악됨으로써;
    방전에너지 포인트가 결정되는 것을 특징으로 하는 NOx 분해장치.
  15. 배기가스처리시스템에 있어서,
    방전 및 전기인가를 사용한 자동차와 같은 이동기기에 사용하는 배기가스처리수단에서, 상기 배기가스처리에 필요한 추가적인 전력양이 추가되어;
    종래 설치한 발전기에 호환성을 갖게 하여 발전기가 호환되는 것을 특징으로 하는 배기가스처리시스템.
  16. 처리장치구조시스템에 있어서,
    배기가스처리장치에서, 처리요소는 각 기능마다 모듈화하도록 형성되며, 상기 처리요소는 일렬, 평행 또는 그 조합으로 구성됨으로써;
    용량조절 및 내구성능이 향상됨과 동시에 생산성, 신뢰성 및 유지성이 현저히 향상되는 것을 특징으로 하는 처리장치구조시스템.
  17. 방전요소에 있어서,
    방전절연선에서, 복수의 방전선이 구성되고, 상기 방전선의 길이가 조절되며 상기 선의 두께가 변경됨으로써;
    방전특성이 자유롭고 적절하게 변화되는 것을 특징으로 하는 방전요소.
  18. 배기가스처리장치에 있어서,
    입자물질을 분해하는 수단에서, 방전에 의하여 NO2가 발생됨과 동시에, 상기 입자물질은 촉매없이 연료내의 유황산화물 및 미리 포함된 유황산화물을 사용하여 그리고 필요에 따라 산소 또는 탄화수소를 추가조정하여 완전히 제거되는 것을 특징으로 하는 배기가스처리장치.
  19. 배기가스처리장치에 있어서,
    배기가스처리수단에서, 유해가스 및 입자물질의 분해, 발생 및 제거가 안전하고 확실하게 수행되면서 에너지가 절약됨으로써;
    상기 수단내에서 발생된 열을 효과적으로 활용하기 위하여, 단열구조가 채용되는 것을 특징으로 하는 배기가스처리장치.
  20. 배기가스처리장치에 있어서,
    제17항의 방전선에 따른 조절과 전기방전 에너지의 조절을 조합함으로써 유기적인 조절이 수행되어;
    처리능력성, 신뢰성 및 비용성이 현저하게 향상되는 것을 특징으로 하는 배기가스처리장치.
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