KR20110027955A - Ｓｃｒ 시스템 - Google Patents

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Abstract

SCR 시스템이 개시된다. 이 SCR 시스템은 터보차저(turbo charger)가 설치된 2행정 엔진의 배기가스를 처리하는 SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템으로서, 상기 터보차저를 기준으로 상기 엔진으로부터 상기 터보차저를 경유하는 배기가스 배출라인의 하류에 설치되는 SCR 반응기; 및 상기 터보차저로 유입되는 배기가스 중 적어도 일부에 요소수용액을 분사하는 요소수용액 분사부를 포함하고, 상기 요소수용액 분사부로부터 분사된 요소수용액과 혼합된 배기가스가 상기 SCR 반응기로 유입되는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 엔진으로부터 터보차저로 유입되는 고온의 배기가스 중 적어도 일부에 요소수용액을 분사함에 따라 요소수용액이 암모니아로 효과적으로 변환될 수 있고, 변환된 암모니아가 배기가스에 함유된 질소산화물을 질소분자와 물로 효과적으로 변환시킬 수 있다. 또한, SCR 반응기가 터보차저를 기준으로 엔진으로부터 터보차저를 경유하는 배기가스 배출라인의 하류에 설치됨에 따라, 터보차저로 고온의 배기가스가 유입될 수 있고, 터보차저의 성능이 유지 또는 향상될 수 있다.
터보차저, SCR 시스템, SCR 반응기

Description

ＳＣＲ 시스템{Selective Catalytic Reduction System}
본 발명은 SCR 시스템에 관한 것이다.
내연기관의 배기가스는 대기 방출 시 바람직하지 않은 물질을 함유하고 있다. 그러한 배기 가스 물질 중, 산화질소(NOx) 화합물은 내연기관에서 배출되는 양을 규제받고 있기 때문에 여러 가지 기술을 이용하여 배출량을 줄이기 위해 노력하고 있다.
그러한 산화질소 배출을 줄이는 방법 중에 하나로 선택적 촉매 환원법(SCR : Selective Catalytic Reduction)이 사용되고 있다. 선택적으로 작용하는 환원제를 사용하여 산화 질소를 질소 분자(N2)로 환원시킨다.
가능한 한가지 환원제로 암모니아(NH3)가 있다. 그러나 암모니아는 악취, 폭발성, 유해성 등으로 수송, 저장, 취급이 용이하지 않아 직접 암모니아의 형태로 저장하는 대신 암모니아 전구체, 예컨대 요소(CO(NH2)2) 형태로 저장된다.
따라서 요소 수용액은 폐기가스 배출관에 분사되어 아래의 반응식을 거치면서 암모니아로 전환된 후 후술하는 SCR 반응기 내부에 있는 촉매제에 의해 산화질소 성분을 질소 분자와 물로 변환시킨다.
CO(NH2)2(요소) + 2H2O 　-> 2NH3(암모니아) + CO2　+ H2O - (1)
4NH3　+ 4NO + O2　　-> 　4N2　+ 6H2O - (2)
4NH3　+ 2NO2　+ O2　　-> 　3N2　+ 6H2O - (3)
그리고, 상기 반응식들, 특히 반응식(1)이 정상적으로 일어나기 위한 폐기가스의 온도 범위는 약 290도 ~ 500도 범위이다.
선박에 사용되는 엔진 중, Dual fuel 엔진의 폐기 온도는 350도(Diesel mode), 400도(Gas mode)이상이므로 상기 방응식이 정상적으로 일어날 수 있다.
그러나 터보차저(turbo charger)가 설치된 2행정 엔진의 경우, 터보차저를 통과한 배기가스 온도는 230도 ~ 270도 정도이다. 따라서 종래의 SCR 시스템은 터보차저와 엔진의 사이에 설치하였다.
도 1은 종래의 SCR 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 선택적 촉매 환원법을 이용하여 산화질소 화합물을 질소 분자로 환원시키는 종래의 SCR 시스템(30)이 개시된다. 이러한 SCR 시스템(30)은 SCR 반응기(32)와 요소수용액 분사부(34)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 터보차저(20)가 설치된 2행정 엔진(10)이 도시되어 있다. 엔진(10)에서 생성된 배기가스는 터보차저(20)를 경유하는 배기가스 배출라인(40) 을 따라 배출된다.
종래 SCR 시스템(30)은 엔진(10)과 터보차저(20) 사이에 배치되었다. 즉, SCR 시스템(30)은 터보차저(20)를 기준으로 배기가스 배출라인(40)의 상류측에 배치되었다. 이에 따라 엔진(10)으로부터 배출된 배기가스는 고온이기 때문에 요소수용액 분사부(34)로부터 분사된 요소수용액이 효과적으로 암모니아로 변환될 수 있다. 그리고, 변환된 암모니아는 SCR 반응기(32)로 유입되어 SCR 반응기(32) 내부의 촉매제에 의해 배기가스에 포함된 산화질소 성분을 질소 분자와 물로 변환시킨다.
그러나, 이러한 종래의 SCR 시스템(30)은 터보차저(20)를 기준으로 배기가스 배출라인(40)의 상류에 배치되기 때문에, 터보차저(20)로 온도 및 압력이 낮은 폐기 가스가 들어가기 때문에 터보차저(20)의 효율이 낮아지는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 터보차저가 설치된 엔진의 배기가스를 처리하는 과정에서 터보차저의 효율을 향상시키는 SCR 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 터보차저(turbo charger)가 설치된 2행정 엔진의 배기가스를 처리하는 SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템으로서, 상기 터보차저를 기준으로 상기 엔진으로부터 상기 터보차저를 경유하는 배기가스 배출라인의 하류에 설치되는 SCR 반응기; 및 상기 터보차저로 유입되는 배기가스 중 적어도 일부에 요소수용액을 분사하는 요소수용액 분사부를 포함하고, 상기 요소수용액 분사부로부터 분사된 요소수용액과 혼합된 배기가스가 상기 SCR 반응기로 유입되는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템이 제공된다.
상기 요소수용액 분사부는, 상기 엔진에 포함되고, 상기 터보차저를 기준으로 상기 배기가스 배출라인의 상류에 위치하는 배기가스 수용부(exhaust gas receiver)에 설치될 수 있다.
상기 터보차저를 기준으로 상기 배기가스 배출라인의 상류와 하류를 연결하고, 상기 요소수용액 분사부가 설치되는 분기라인을 더 포함할 수 있다.
상기 분기라인의 단면적은 상기 배기가스 배출라인의 단면적보다 작을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 엔진으로부터 터보차저로 유입되는 고온의 배기가스 중 적어도 일부에 요소수용액을 분사함에 따라 요소수용액이 암모니아로 효과적으로 변환될 수 있고, 변환된 암모니아가 배기가스에 함유된 질소산화물을 질소분자와 물로 효과적으로 변환시킬 수 있다.
또한, SCR 반응기가 터보차저를 기준으로 엔진으로부터 터보차저를 경유하는 배기가스 배출라인의 하류에 설치됨에 따라, 터보차저로 고온의 배기가스가 유입될 수 있고, 터보차저의 성능이 유지 또는 향상될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일하거나 대응하는 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 SCR 시스템(130)은 SCR 반응기(132)와, 요소수용액 분사부(134)를 포함할 수 있다.
이러한, SCR 시스템(130)은 터보차저(120)가 설치된 2행정 엔진(110)에 적용되어 엔진(110)에서 발생된 배기가스의 산화질소를 질소분자로 변환시킨다. 그리고, 터보차저(120)의 성능을 향상시킨다. 여기서 2행정 엔진(110)은 선박에서 사용되는 엔진일 수 있다.
이하 도 2를 참조하여 SCR 시스템(130)에 대해 설명한다.
SCR 반응기(132)는 배기가스에 함유된 산화질소가 암모니아와 반응하여 질소분자와 물로 변환되는 환경을 제공한다. 본 실시예에 따르면 SCR 반응기(132)는 터보차저(120)를 기준으로 터보차저(120)를 경유하는 배기가스 배출라인(140)의 하류에 설치될 수 있다.
이 경우, 엔진(110)에서 생성된 배기가스는 SCR 반응기(132)를 거치기 앞서 터보차저(120)로 유입되기 때문에 고온 상태를 유지할 수 있다. 이에 따라 터보차저(120)의 성능은 저하되지 않고, 유지 또는 향상될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 요소수용액 분사부(134)는 터보차저(120)로 유입되는 배기가스 중 적어도 일부에 요소수용액을 분사한다. 보다 상세히, 요소수용액 분사부(134)는 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 엔진(110)의 일 측에 마련된 배기가스 수용부(112)에 설치될 수 있다.
배기가스 수용부(112)는 엔진(110)에서 생성된 고온 고압의 배기가스가 일시적으로 수용되는 공간부이다. 배기가스 수용부(112)는 배기가스 배출라인(140)과 유체소통 가능하게 연결된다.
이 경우, 배기가스 수용부(112)는 엔진(110)과 배기가스 배출라인(140) 사이에 배치된다. 즉, 배기가스 수용부(112)는 터보차저(120)를 기준으로 배기가스 배출라인(140)의 상류에 위치한다.
본 실시예에 따르면, 이러한 배기가스 수용부(112)에 요소수용액 분사부(134)가 설치된다. 이 경우, 배기가스 수용부(112)에 일시적으로 수용되어 배기가스 배출라인(140)으로 이동하는 고온의 배기가스에 요소수용액이 분사된다. 분사된 요소수용액은 배기가스와 혼합된다.
이와 같이 배기가스와 혼합된 요소수용액은, 고온의 배기가스로 인해 고온 상태를 유지하는 배기가스 수용부(112) 안에서 암모니아로 효과적으로 변환될 수 있다. 이 경우, 배기가스 수용부(112) 내부의 온도는 바람직하게 290도 이상일 수 있다. 여기서, 요소수용액이 암모니아로 변환되는 과정은 앞서 설명한 내용으로 갈음한다.
본 실시예에 따르면, 요소수용액과 혼합된 배기가스, 보다 상세히 요소수용액으로부터 변환된 암모니아와 혼합된 배기가스는 고온을 유지한 상태로 배기가스 배출라인(140)을 통해 터보차저(120)로 유입된다.
이와 같이 고온의 배기가스가 SCR 반응기(132)를 거치기 앞서 터보차저(120)로 유입되기 때문에 터보차저(120)의 성능은 저하되지 않고, 유지 또는 향상될 수 있다.
도 2를 참조하면, 암모니아와 혼합된 상태로 터보차저(120)를 경유한 배기가스는 SCR 반응기(132)로 유입된다. SCR 반응기(132)에서 배기가스에 함유된 산화질소는 암모니아와 반응하여 질소 분자와 물로 변환된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 SCR 시스템의 개략적인 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 SCR 시스템(230)은 SCR 반응기(232)와, 요소수용액 분사부(234)와 분기라인(236)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 SCR 시스템(230)은 이전 실시예에 따른 SCR 시스템(120)과 비교할 때 분기라인(236)을 더 포함할 수 있다.
보다 상세히, 분기라인(236)은 터보차저(220)를 기준으로 배기가스 배출라인(240)의 상류와 하류를 연결한다. 이러한 분기라인(236)을 통해 엔진(210)으로부터 터보차저(220)로 유입되는 고온의 배기가스 중 일부가 SCR 반응기(232)로 직접 유입될 수 있다. 이에 따라 분기라인(236)의 내부는 고온 상태를 유지할 수 있다. 이 경우, 분기라인(236)의 내부의 온도는 바람직하게 290도 이상일 수 있다.
이 경우, 분기라인(236)의 단면적은 배기가스 배출라인(240)의 단면적보다 작을 수 있다.
본 실시예에 따르면, 이러한 분기라인(236)에 요소수용액 분사부(234)가 설치될 수 있다. 이 경우, 분기라인(236)을 통해 이동하는 고온의 배기가스에 요소수용액이 분사된다. 분사된 요소수용액은 배기가스와 혼합된다.
이와 같이 배기가스와 혼합된 요소수용액은, 고온의 배기가스로 인해 고온 상태를 유지하는 분기라인(236) 안에서 암모니아로 효과적으로 변환될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 요소수용액으로부터 변환된 암모니아와 혼합되어 분기라인(236)을 빠져나온 배기가스는 터보차저(220)를 빠져나온 배기가스와 혼합되어 SCR 반응기(240)로 유입된다. SCR 반응기(240)에서는 배기가스에 함유된 산화질소는 암모니아와 반응하여 질소 분자와 물로 변환된다.
본 실시예에 따르면, 엔진(210)으로부터 터보차저로 유입되는 배기가스 중 일부가 분기라인으로 유입되기 때문에 분기라인으로 유입되는 배기가스 외에 나머지 배기가스는 터보차저(220)으로 유입된다.
이 경우, 터보차저(220)로 유입되는 배기가스는 고온 상태를 유지하기 때문에 터보차저(220)의 성능은 저하되지 않고, 유지 또는 향상될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
도 1은 종래의 SCR 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 SCR 시스템의 개략적인 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110, 210 : 엔진 112, 212 : 배기가스 수용부
120, 220 : 터보차저 130, 230 : SCR 시스템
132, 232 : SCR 반응기 134, 234 : 요소수용액 분사부
140, 240 : 배기가스 배출라인 236 : 분기라인

Claims (4)

  1. 터보차저(turbo charger)가 설치된 2행정 엔진의 배기가스를 처리하는 SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템으로서,
    상기 터보차저를 기준으로 상기 엔진으로부터 상기 터보차저를 경유하는 배기가스 배출라인의 하류에 설치되는 SCR 반응기; 및
    상기 터보차저로 유입되는 배기가스 중 적어도 일부에 요소수용액을 분사하는 요소수용액 분사부를 포함하고,
    상기 요소수용액 분사부로부터 분사된 요소수용액과 혼합된 배기가스가 상기 SCR 반응기로 유입되는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요소수용액 분사부는,
    상기 엔진에 포함되고, 상기 터보차저를 기준으로 상기 배기가스 배출라인의 상류에 위치하는 배기가스 수용부(exhaust gas receiver)에 설치되는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 터보차저를 기준으로 상기 배기가스 배출라인의 상류와 하류를 연결하고, 상기 요소수용액 분사부가 설치되는 분기라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분기라인의 단면적은 상기 배기가스 배출라인의 단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 SCR 시스템.
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