KR20090063719A - 선택적 촉매 환원장치용 일산화탄소 저감장치 - Google Patents

선택적 촉매 환원장치용 일산화탄소 저감장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선택적 촉매 환원장치용 일산화탄소 저감장치에 관한 것으로 연소된 가스가 배기되어지는 배기가스내의 일산화탄소와 각각의 디젤산화촉매부(DOC)와 디젤미립자형 촉매필터(cDPE)에서 분해된 일산화탄소 및 및 선택적 촉매환원장치(SCR)를 경유하는 과정에서 생성된 물(H2O)성분에 의하여 반응을 일으키는 과정에서 부분적으로 산화물 촉매의 표면에서 산화 및 환원을 통해 워터 가스 시프트 랙션(water-gas shift reaction:WSGR)이 연속적으로 진행되어지도록 함으로써, 재생과정에서 일산화탄소의 량을 줄여 차량의 이미션을 높일 수 있는 선택적 촉매 환원장치용 일산화탄소 저감장치를 제공한다.
디젤산화촉매부, 촉매필터, 촉매환원장치, 일산화탄소저감부

Description

선택적 촉매 환원장치용 일산화탄소 저감장치{CO reduction apparatus for SCR}
본 발명은 선택적 촉매 환원장치용 일산화탄소 저감장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 연소된 가스가 배기되어지는 배기가스내의 일산화탄소와 각각의 디젤산화촉매부(DOC)와 디젤미립자형 촉매필터(cDPE)에서 분해된 일산화탄소 및 및 선택적 촉매환원장치(SCR)를 경유하는 과정에서 생성된 물(H2O)성분에 의하여 반응을 일으키는 과정에서 부분적으로 산화물 촉매의 표면에서 산화 및 환원을 통해 워터 가스 시프트 랙션(water-gas shift reaction:WSGR)이 연속적으로 진행되어지도록 함으로써, 재생과정에서 일산화탄소의 량을 줄여 차량의 이미션을 높일 수 있도록 한 것이다.
일반적으로 자동차는 사용되는 연료는 그 종류에 따라 가솔린 차량, 디젤 차량, LPG 차량으로 구분되어지고, 이중 디젤 차량은 고연비를 가지며 고출력 및 고 부하 운전이 가능하고 유류비가 저렴하여 그 수요가 계속 증가하고 있는 실정이다.
이러한 디젤 차량의 배기가스에는 일산화탄소, 질소산화물 및 입자상 물질과 같은 오염물질이 가솔린 차량에 비해 많이 포함되어 있으므로 이러한 오염물질을 처리하여 배기가스를 정화하는 매연 여과장치들이 다양하게 개발되고 있다.
이러한 매연 여과장치에는 배기가스 중 포함된 탄화수소와 일산화탄소의 성분을 각각 촉매에 의한 산화반응으로 물과 이산화탄소로 변환시켜 주는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst: 디젤산화촉매)와, 배기가스 중 포함된 입자상 물질을 포집하였다가 배기가스의 열에 의해 연소시켜 주는 CPF(Catalyzed Diesel Particulate Filter: 디젤 입자상물질 제거용 필터)와, 배기가스 중에 포함된 질소산화물을 촉매를 이용하여 질소 및 산소로 환원시켜 주는 SCR 장치(Selective Catalytic Reduction: 선택적 촉매 환원장치) 등이 제안되어지고 있다.
이들 매연 여과장치는 각각 차량에 장착될 수 있으나, 최근에는 배기가스의 입자상 물질 및 질소산화물을 모두 처리할 수 있도록 상기한 3가지의 매연 여과장치가 동시에 차량에 장착되고 있는 추세이다.
도1은 종래 기술에 따른 우레아분사를 이용한 선택적 촉매 환원장치를 도시한 구성도이다.
도시된 바와 같이, 배기가스는 DOC(800)와, SCR(810) 및 cDPF(820)을 통해 배출되어지는 가운데 배기가스 중에 포함된 질소산화물은 DOC(800)와 SCR(810) 사이에 장착된 분사부(700) 통해 공급된 Urea([NH2]2COH2O)에 의하여 160℃ 이상에서 가수분해되어 암모니아를 형성 다음과 같은 과정을 통해 배기가스 내의 NOX와 반응하여 저감하게 된다.
CO(NH2)2 → 2NH2 + CO
CO(NH2)2 + H2O → 2NH3 + CO2(가수분해 반응)
여기서 생성된 NH3는 SCR 촉매에서 다음과 같은 반응을 통해 NOX를 N2로 변환시킨다.
6NO + 4NH3 → 5N2 + 6H2O
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O
2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O
이때 우레아 분사의 결정여부는 배기부에 장착된 센서들을 통해 현재 배기가스 내의 공연비 상태(Lean / Rich), 촉매 전후단에서의 NOX 농도, 산소 농도 등을 통해 이루어진다.
도2 내지 도3은 종래 기술에 따른 디서플레이션과 리제너레이션 모드시 탄화수소와 일산화탄소의 배출율을 표시한 그래프이다.
Desulfation / Regeneration Mode시 다량의 HC/CO 배출되어짐을 알 수 있다. 즉, 통상적인 조건에서 디젤차량은 λ〉1 인 Lean 분위기에서 작동되고, 이 때 발생되는 NOX를 저감하기 위해 Urea가 분사된다. 그러나, cDPF에 PM이 일정 수준 이상 쌓이거나, 연료나 윤활유 내에 포함된 황의 영향으로 SCR / cDPF가 피독되어 효율이 급감하게 된다. 이를 원래 수준으로 회복시키기 위해 재생 과정에 돌입하게 되는데, 촉매의 온도를 올리기 위한 방법으로 엔진에서 후분사(Post Injection)를 이용하는 방법이 주로 사용되고 있다.
상기 그래프에서는 촉매의 탈황공정시 후분사 전략을 예로 들고 있는데, 이 때 가동되는 조건은 λ≒0.9 수준으로 매우 Rich한 분위기가 형성된다. 이때 분사된 과다한 연료로 인하여 배기가스 내에 HC 와 CO 성분은 급격히 증가하게 되는 문제점이 있었다.
그리고 재생과정에서 CO의 급격한 증가로 인하여 차량의 이미션이 낮아지는 또 다른 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 연소된 가스가 배기되어지는 배기가스내의 일산화탄소와 각각의 디젤산화촉매부(DOC)와 디젤미립자형 촉매필터(cDPE)에서 분해된 일산화탄소 및 및 선택적 촉매환원장치(SCR)를 경유하는 과정에서 생성된 물(H2O)성분에 의하여 반응을 일으키는 과정에서 부분적으로 산화물 촉매의 표면에서 산화 및 환원을 통해 워터 가스 시프트 랙션(water-gas shift reaction)이 연속적으로 진행되어지도록 함으로써, 재생과정에서 일산화탄소의 량을 줄여 차량의 이미션을 높일 수 있는 선택적 촉매 환원장치용 일산화탄소 저감장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 엔진(100)의 배출구에 HC/CO를 저감시키도록 결합된 디젤산화촉매부(200)와; 상기 디젤산화촉매부(200)에 결합된 디젤미립자형 촉매필터(300)와; 상기 디젤미립자형 촉매필터(300)에 결합된 선택적 촉매환원장치(400)와; 상기 디젤미립자형 촉매필터(300)와 선택적 촉매환원장치(400) 사이에 설치된 우레아워터공급부(500) 및; 상기 선택적 촉매환원장치(400)에 일산화탄소저감부(600)가 설치되어짐을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치용 일산화탄소 저감장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 연소된 가스가 배기되어지는 배기가스내의 일산화탄소와 각각의 디젤산화촉매부와 디젤미립자형 촉매필터에서 분해된 일산화탄소 및 및 선택적 촉매환원장치를 경유하는 과정에서 생성된 물 성분에 의하여 반응을 일으키는 과정에서 부분적으로 산화물 촉매의 표면에서 산화 및 환원을 통해 워터 가스 시프트 랙션이 연속적으로 진행되어지도록 함으로써, 재생과정에서 일산화탄소의 량을 줄여 차량의 이미션을 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명은, 엔진(100)의 배출구에 HC/CO를 저감시키도록 결합된 디젤산화촉매부(200)와; 상기 디젤산화촉매부(200)에 결합된 디젤미립자형 촉매필터(300)와;상기 디젤미립자형 촉매필터(300)에 결합된 선택적 촉매환원장치(400)와; 상기 디젤미립자형 촉매필터(300)와 선택적 촉매환원장치(400) 사이에 설치된 우레아워터공급부(500) 및; 상기 선택적 촉매환원장치(400)에 일산화탄소저감부(600)가 설치되어짐을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치용 일산화탄소 저감장치를 제공한다.
이때, 상기 이산화탄소저감부(600)는 케이싱(610)으로 촉매부(620)가 감싸여지도록 구성되어지고, 상기 촉매부(620)는 CO 저감 촉매로는 Co-Mo/Y-Al2O3, Ni-Mo/Y-Al2O3, Co-Mo-Cs/Y-Al2O3 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명 한다.
도4는 본 발명에 따른 일산화탄소 저감장치가 설치된 선택적 촉매 환원장치를 도시한 구성도로서, 종래와 동일한 구성에 대해서는 동일 부호를 사용하며 그 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 일산화탄소 저감부(600)가 설치되어지는 촉매환원장치는 엔진(100)의 배출구에 HC/CO를 저감시키도록 디젤산화촉매부(200)가 결합되어지고, 상기 디젤산화촉매부(200)에는 디젤미립자형 촉매필터(300)가 결합되어지도록 구성되어 있다.
상기 디젤미립자형 촉매필터(300)에는 선택적 촉매환원장치(400)가 결합되어지고, 상기 디젤미립자형 촉매필터(300)와 선택적 촉매환원장치(400) 사이에 우레아워터공급부(500)가 설치되어지도록 구성되어 있다.
상기 선택적 촉매환원장치(400)에는 상기 일산화탄소저감부(600)가 설치되어지도록 구성되어 분사된 Urea가 가수분해되서 발생하는 H2O 성분과 배기가스 내에서 급격히 증가하는 CO 성분과의 반응을 통해 재생과정시 급증하는 CO가 줄어들도록 하였다. 즉, 분사된 Urea가 가수분해될 때 발생하는 H2O, cDPF 재생/Desulfation 공정시 Rich 조건에서 다량으로 발생하는 CO 성분이 일산화탄소저감부(600)에서 Water-Gas Shift Reaction을 이용하여 저감하는 것으로 Rich mode에서 CO 저감에 매우 효과적이다.
CO + H2O → CO2 + H2
이때, 일산화탄소저감부(600)의 CO저감 촉매로는 Co-Mo/Y-Al2O3, Ni-Mo/Y-Al2O3, Co-Mo-Cs/Y-Al2O3 등을 이용할 수 있다. 상기 이산화탄소저감부(600)는 케이싱(610)으로 촉매부(620)가 감싸여지도록 구성되어진다.
또한, CO 저감 촉매에서는 배기가스 내의 CO와, DOC에서 분해된 CO 성분과 SCR 촉매에서 생성된 H2O 성분과 다음과 같은 반응을 일으킨다.
H2O + [ ] → H2 + [ O ]
CO + [ O ] → CO2 + [ ]
[ ] : 촉매 표면에서 active하게 비어 있는 공간 (Vacant site)
[ O ] : 표면에 흡착된 산소 라디칼
CO + H2O → CO2 + H2 즉, 부분적으로 환원된 산화물 촉매의 표면에서 산화와 환원을 통해 WSGR 이 연속적으로 진행된다.
도5 및 도6은 온도변화에 따른 일산화탄소 저감장치를 통한 전환효율을 표시한 그래프이다.
반응 온도에 따른 WGSR 전환율은 도5의 그래프에 표시된 바와 같이, CO 저감 촉매로 선택한 Co-Mo-Cs/Y-Al2O3 촉매는 반응 온도가 300℃ 이상일 때, 50% 이상의 높은 전환 효율을 보이고 있다. 통상적인 운전 영역에서의 배기시스템의 작동 온도는 200~300℃ 수준이나, cDPF의 재생 영역이나 Desulfation 영역에 접어들게 되면 촉매의 온도를 높이기 위한 Post Injection 전략으로 cDPF의 온도는 대폭 상승하게 된다. (550 ~ 600℃ ) 해당 Temperature window에서 Co-Mo-Cs/Y-Al2O3 는 높은 CO 전환율을 보이고 있다.
H2O/CO 몰비에 따른 WGSR 전환율은 도5의 그래프에 표시된 바와 같이, WGSR에서 H2O에 대한 영향도는 H2O의 농도가 낮은 경우, WGSR의 반응 속도가 H2O의 농도에 비례하여 증가한다. 그러나 반대의 경우, 반응 속도가 물의 농도에 반비례하여 전환율이 점차로 감소한다. 결과적으로 CO에 대한 H2O의 몰비가 1.5 부근에서 WGSR의 반응 효율이 가장 바람직하다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어져야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
도1은 종래 기술에 따른 우레아분사를 이용한 선택적 촉매 환원장치를 도시한 구성도,
도2 내지 도3은 종래 기술에 따른 디서플레이션과 리제너레이션 모드시 탄화수소와 일산화탄소의 배출율을 표시한 그래프,
도4는 본 발명에 따른 일산화탄소 저감장치가 설치된 선택적 촉매 환원장치를 도시한 구성도,
도5 및 도6은 온도변화에 따른 일산화탄소 저감장치를 통한 전환효율을 표시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100:엔진 200:디젤산화촉매부
300:디젤미립자형 촉매필터 400:선택적 촉매환원장치
500:우레아워터공급부 600:일산화탄소저감부

Claims (2)

  1. 엔진(100)의 배출구에 HC/CO를 저감시키도록 결합된 디젤산화촉매부(200)와;
    상기 디젤산화촉매부(200)에 결합된 디젤미립자형 촉매필터(300)와;
    상기 디젤미립자형 촉매필터(300)에 결합된 선택적 촉매환원장치(400)와;
    상기 디젤미립자형 촉매필터(300)와 선택적 촉매환원장치(400) 사이에 설치된 우레아워터공급부(500) 및;
    상기 선택적 촉매환원장치(400)에 일산화탄소저감부(600)가 설치되어짐을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치용 일산화탄소 저감장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소저감부(600)는 케이싱(610)으로 촉매부(620)가 감싸여지도록 구성되어지고, 상기 촉매부(620)는 CO 저감 촉매로는 Co-Mo/Y-Al2O3, Ni-Mo/Y-Al2O3, Co-Mo-Cs/Y-Al2O3 중 어느 하나로구성됨을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치용 일산화탄소 저감장치.
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