KR20100053021A - 고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템 및 이에 사용되는 고체 우레아 반응기 - Google Patents

고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템 및 이에 사용되는 고체 우레아 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템 및 이에 사용되는 고체 우레아 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발열장치를 이용하여 고체 우레아를 기화시키고, 기화된 우레아를 고체 우레아 반응기 내의 촉매에서 암모니아로 변화시킴으로써, 기화되었던 우레아가 다시 고체상으로 응고되는 것을 방지하도록 하고, 체크밸브를 이용하여 암모니아 저장용기에 있던 암모니아가 역류되는 것을 방지함과 동시에, 고체 우레아 반응기에서 생성된 암모니아를 저장하는 암모니아 저장용기와 용기의 압력을 측정하는 압력센서 및 암모니아 도징 밸브를 이용하여, 배기가스 중의 질소산화물 양만큼 암모니아를 분사하여 배기관에 존재하는 선택적환원 촉매상에서 질소산화물을 질소로 환원시킬 수 있도록 한 고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템 및 이에 사용되는 고체 우레아 반응기에 관한 것이다.
고체 우레아, 액체 우레아, 배기가스, 질소산화물, 촉매, SCR

Description

고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템 및 이에 사용되는 고체 우레아 반응기{Soild urea reactor and NOx purification system using Soild urea and Selective Catalytic Reduction Catalyst}
본 발명은 자동차에서 배출되는 질소산화물을 저감하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체 우레아를 기화시켜 발생되는 암모니아를 선택적환원 촉매상에서 질소산화물과 반응시켜 인체에 무해한 질소로 전환시키는 기술에 관한 것이다.
디젤 엔진의 NOx 저감기술로 Urea 수용액를 이용해 질소산화물을 선택적환원촉매 상에서 저감시키는 액체 urea SCR(Selective NOx Reduction) 기술이 대표적이다. Urea는 상온에서 액체상으로 존재하는 물질이며, 액체 urea를 자동차 배기관에 분사하면 약 150도 이상의 온도에서 열분해되어 암모니아로 전환되고, 이와 같이 생성된 암모니아는 바나디아(V2O5) 또는 지올라이트(Zeolite) 등 선택적환원 촉매의 도움을 받아 질소산화물을 질소로 환원시킨다.
액체 urea SCR 기술은 LNT(Lean NOx Trap)등 다른 후처리 기술에 비해 촉매 반응 온도 대역이 넓고, 내구성이 우수하다는 장점이 있으며, 약 60～80% 수준의 높은 NOx 정화효율을 얻을 수 있다.
그러나 액체 urea SCR 기술은 액체 urea를 공급하기 위한 대규모의 사회적 인프라가 필요하며, 액체 urea는 어는점이 -11℃이므로 시스템 보온 대책이 필요하고, 액체 urea를 저장하기 위한 용기 및 분사 장치 등 부수적인 장치들이 필요하기 때문에 경제적인 면에 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 질소산화물 정화를 위해 액체 우레아 대신 고체 우레아를 사용함으로써 우레아 공급을 위한 사회 인프라 문제를 해결하고, 별도의 보온 대책 및 분사장치 등이 필요 없어 가격적으로 장법이 있을 뿐만 아니라 수용액이 아닌 순수한 우레아를 사용함으로써 동일 체적당 NH3 발생량이 3배 이상 많기 때문에 동일 용량의 용기를 사용하여 장거리 운전 가능한 우레아 이용 질소산화물 저감 장치 및 이에 사용되는 고체 우레아 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 고체 우레아(Urea) 반응기와; 상기 고체 우레아 반응기의 전단에 설치되어 레귤레이터를 통해 공기를 주입하는 공기펌프와; 상기 고체 우레아 반응기에서 생성된 암모니아를 저장하는 암모니아 저장용기와; 상기 암모니아 저장용기의 암모니아를 배기관 내로 분사하는 분사부와; 상기 배기관에 설치되어, 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물(NOx)을 암모니아와 혼합하여 질소와 물로 환원시키는 선택적환원 촉매와; 전자 제어유닛; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 고체 우레아 모듈을 교체하여 사용하므로 우레아 공급을 위한 별도의 사회적 인프라구축이 불필요한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 시스템이 어는 문제가 없으므로 설계가 간단해지고, 시스템 비용이 절감되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 사용되는 우레아는 순수한 100% 우레아를 사용함으로써, 종래의 액체 우레아 시스템에 비해 고체 우레아 모듈 교체주기를 길게 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템 및 이에 사용되는 고체 우레아 반응기를 상세히 설명하도록 한다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템 및 이에 사용되는 고체 우레아 반응기는 고체 우레아와 선택적환원 촉매(50)를 이용하여 배기가스 내 질소산화물을 정화할 수 있도록 한 정화시스템이며, 공기펌프(10), 고체 우레아 반응기(20), 암모니아 저장용기(30), 분사부(40), 선택적환원 촉매(50), 전자제어유닛(70), 열전대(24), 체크밸브(32), 압력센서(31), 도징 밸브(41)를 포함한다.
상기 공기펌프(10)는 후술될 고체 우레아 반응기(20)로 공기를 공급하는 장치로서, 상기 고체 우레아 반응기(20)의 전단에 연결되며, 상기 공기펌프(10)와 고체 우레아 반응기(20) 사이에 설치되는 레귤레이터(Regulator)(11)에 의해 공기량을 조절하여 공기를 공급하도록 한다.
상기 고체 우레아(Urea) 반응기(20)는 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물(NOx)을 질소(N3)와 물(H2O)로 환원시키기 위해, 환원제인 암모니아(NH3)를 생성하는 것으로, 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 고체 우레아 반응기(20) 내부는 고체형태이며 교체가 가능한 고체 우레아 모듈(21)과, 상기 고체 우레아 모듈(21)의 전단에 위치되는 발열장치(23)와, 상기 고체 우레아 모듈(21) 후단에 위치되는 촉매(22)로 이루어진다.
상기 고체 우레아(Urea) 반응기(20)는 발열장치(23)의 발열로 상기 고체 우레아 모듈(21)을 기화시킨 후, 기화된 우레아를 촉매(22)를 이용하여 암모니아로 변화시킴으로써, 기화된 우레아가 다시 고체상태로 응고되는 것을 방지하도록 한 것이다.
더불어, 상기에서 사용된 발열장치(23)로는 사용자의 선택에 의해 전기히터 및 다양한 발열되는 다양한 장치가 사용될 수 있음은 당연한다.
상기 암모니아 저장용기(30)는 고체 우레아 반응기(20)와 연결되어, 암모니아 저장용기(30)에서 생성된 암모니아를 저장하는 곳이다.
상기 분사부(40)는 암모니아 저장용기(30)와 일단이 연결되고, 타단은 배기관(60)에 내입되는 형태를 가지며, 상기 암모니아 저장용기(30)에 저장되어 있는 암모니아를 배기관(60)에 분사하는 장치이다. 이때, 암모니아를 분사하는 분사방향은 배기관(60) 내에서 배기가스가 유동되는 방향과 동일해야 할 것이며, 후술될 선택적환원 촉매(50) 전단에서 선택적환원 촉매(50)를 향해 분사되도록 한다.
상기 선택적환원 촉매(SCR, Selective Catalytic Reduction)(50)는 배기관(60)에 설치되는 것으로, 상기 분사부(40)의 타단으로부터 배기관(60) 내부에 분사된 암모니아를 환원제로 사용하여, 상기 배기관(60) 내부에 유동되는 배기가스 내 질소산화물(NOx)을 상기 암모니아와 혼합하여, 환경에 무해한 질소와 물로 환원시켜 제거하는 역활을 한다.
상기 열전대(Thermocouple)(24)는 고체 우레아 반응기(20)에 설치되는 것으로, 전자제어유닛(70)과 전기적으로 연결되어 있다.
상기 열전대(24)는 고체 우레아 반응기(20) 내 온도를 측정한 후, 측정온도 신호를 전자제어유닛(70)으로 전달하되, 상기 고체 우레아 반응기(20) 내의 발열장치(23)와도 전기적으로 연결된 상기 전자제어유닛(70)은 열전대(24)로부터 받은 신 호에 따라, 상기 발열장치(23)를 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭 제어방식)제어하여, 상기 고체 우레아가 기화되는 온도인 100 내지 150℃로 고체 우레아 반응기(20) 내의 온도를 제어하도록 한다.
상기 체크밸브(32)는 고체 우레아 반응기(20)와 암모니아 저장용기(30) 사이에 설치되는 것으로, 상기 암모니아 저장용기(30)로 유동되어 저장된 암모니아가 고체 우레아 반응기(20)로 역류함을 방지하도록 한다.
상기 압력센서(31)는 암모니아 저장용기(30)에 설치되는 것으로, 전자제어유닛(70)과 전기적으로 연결되어 있다. 상기 압력센서(31)는 암모니아 저장용기(30) 내의 압력을 측정하는 것으로, 상기 전자제어유닛(70)의 제어에 의해 암모니아 저장용기(30) 내의 압력이 일정하게 유지되도록 하여, 암모니아가 암모니아 저장용기(30)에 일정압력으로 저장될 수 있도록 한다.
상기 도징 밸브(Dosing Valve)(41)는 분사부(40)에 설치되는 것으로, 상기 배기관(60)에 설치되는 질소산화물 센서(61)와 함께 사용된다. 자세히 설명하면, 상기 도징 밸브(41) 및 질소산화물 센서(61)는 열전대(24), 압력센서(31), 발열장치(23)와 마찬가지로 전자제어유닛(70)과 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 질소산화물 센서(61)는 배기관(60)에 일단이 내입되어 배기관(60)을 일방향으로 유동하는 배기가스 내 질소산화물의 양을 측정한다.
상기에서 측정된 신호는 전자제어유닛(70)으로 전달이 되고, 이를 전달받은 전자제어유닛(70)은 질소산화물의 양에 비례하게 상기 도징 밸브(41)를 온/오프(ON/OFF)하거나 또는 도징 밸브(41)의 개폐량을 조절하여, 배기가스 중의 질소산화물 양만큼 암모니아가 배기관(60) 내에 분사되도록 한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명에 따른 정화시스템을 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 고체 우레아 반응기를 나타낸 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 표시>
10: 공기펌프 11: 레귤레이터
20: 고체 우레아 반응기 21: 고체 우레아 모듈
22: 촉매 23: 발열장치
24: 열전대 30: 암모니아 저장용기
31: 압력센서 32: 체크밸브
40: 분사부 41: 도징 밸브
50: 선택적환원 촉매 60: 배기관
61: 질소산화물 센서 70: 전자제어유닛

Claims (8)

  1. 고체 우레아(Urea) 반응기(20)와;
    상기 고체 우레아 반응기(20)에서 생성된 암모니아를 저장하는 암모니아 저장용기(30)와;
    상기 암모니아 저장용기(30)의 암모니아를 배기관(60) 내로 분사하는 분사부(40)와;
    상기 배기관(60)에 설치되어, 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물(NOx)을 암모니아와 혼합하여 질소와 물로 환원시키는 선택적환원 촉매(50)와;
    전자제어유닛(70);
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 암모니아 저장용기(30)와 고체 우레아 반응기(20) 사이에는 체크밸브(32)를 설치하여, 암모니아 저장용기(30)로 유입되는 암모니아가 고체 우레아 반응기(20)로 역류하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 암모니아 저장용기(30)에는 전자제어유닛(70)과 전기적으로 연결되며, 내부의 압력을 측정하는 압력센서(31)를 구비하여, 일정압력으로 암모니아가 저장될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 분사부(40)에는 배기관(60)에 분사되는 암모니아 공급량을 제어할 수 있도록, 상기 전자제어유닛(70)과 전기적으로 연결되는 도징 밸브(Dosing Valve)(41)가 설치되는 것을 특징으로 하는 고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 배기관(60)에는 전자제어유닛(70)과 전기적으로 연결된 질소산화물 센서(61)를 설치하여, 상기 배기관(60) 내부를 유동하는 배기가스의 질소산화물 양을 체크하는 것을 특징으로 하는 고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전자제어유닛(70)은 배기가스 중의 질소산화물 양에 비례하여 상기 배기관(60)에 암모니아를 분사하기 위해, 상기 도징 밸브(41)를 온/오프(ON/OFF)하거나 또는 개폐량을 조절하는 것을 특징으로 하는 고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템.
  7. 고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템의 고체 우레아 반응기에 있어서,
    교체가 가능한 고체 우레아 모듈(21)과;
    상기 고체 우레아 모듈(21) 전단에 설치되어 고체 우레아를 기화시키며, 상기 전자제어유닛(70)과 전기적으로 연결되는 발열장치(23)와;
    상기 고체 우레아 모듈(21) 후단에 설치되어, 기화된 고체 우레아를 암모니아로 변화시킴으로써, 기화된 고체 우레아가 다시 고체상으로 응고되지 않도록 하는 촉매(22);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템의 고체 우레아 반응기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 고체 우레아 반응기는 전자제어유닛(70)과 전기적으로 연결된 열전대(24)를 내부에 장착하되, 상기 전자제어유닛(70)은 열전대(24)의 측정온도를 감지하여 고체 우레아가 기화 가능한 온도인 100 내지 150℃가 되도록 내부에 설치된 발열장치(23)를 PWM 제어하는 것을 특징으로 하는 고체 우레아와 선택적환원 촉매를 이용한 자동차 질소산화물 정화시스템의 고체 우레아 반응기.
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