KR20140000556A - 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치 - Google Patents

선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치에 관한 것으로, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 엔진과, 엔진의 배기 가스를 배출하는 메인 배기 유로와, 메인 배기 유로 상에 설치되며 촉매를 포함하는 선택적 촉매 환원 반응기와, 엔진과 선택적 촉매 환원 반응기 사이의 메인 배기 유로 상에 설치된 과급기와, 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 생성하는 가수분해 챔버와, 엔진의 배기 가스의 일부를 과급기를 우회하여 가수분해 챔버에 공급하는 과급기 바이패스 유로와, 가수분해 챔버에서 생성된 암모니아를 포함한 환원제를 선택적 촉매 환원 반응기에 유입되는 엔진의 배기 가스에 분사하는 환원제 분사부, 그리고 가수분해 챔버와 환원제 분사부를 연결하는 환원제 공급 유로를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치{POWER PLANT FOR SHIP WITH SELECTIVE CATALYTIC REUCTION SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명의 실시예는 선박용 동력 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치에 관한 것이다.
일반적으로 선박용 동력 장치는 저속 디젤 엔진과 과급기(turbocharger) 등을 포함한다. 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은 엔진에서 발생된 배기 가스를 정화하여 질소산화물을 저감시키기 위한 시스템이다.
선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기 가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기 가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.
선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제로 우레아(urea)를 가수분해시켜 주로 사용하고 있다. 이때, 가수분해의 효율을 향상시키기 위해 가수분해 챔버의 내부 온도를 전기 히터 또는 버너를 이용하여 가수분해 반응 온도까지 상승시키는 방법을 사용하고 있다.
하지만, 가수분해에 소모되는 에너지가 적지 않으므로, 전체적인 선택적 촉매 환원 시스템의 운전에 필요 이상으로 많은 에너지가 소모되는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 선택적 촉매 환원 반응에 사용되는 환원제를 효과적으로 생성할 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 선택적 촉매 환원 반응기에 설치된 촉매가 피독되면 이를 효과적으로 재생할 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 선택적 촉매 환원 반응기에 설치된 촉매를 효과적으로 예열할 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 엔진과, 상기 엔진의 배기 가스를 배출하는 메인 배기 유로와, 상기 메인 배기 유로 상에 설치되며 촉매를 포함하는 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응기와, 상기 엔진과 상기 선택적 촉매 환원 반응기 사이의 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 과급기(turbo charger)와, 우레아(CO(NH2)2)를 가수분해시켜 암모니아(NH3)를 생성하는 가수분해 챔버와, 상기 엔진의 배기 가스의 일부를 상기 과급기를 우회하여 상기 가수분해 챔버에 공급하는 과급기 바이패스 유로와, 상기 가수분해 챔버에서 생성된 암모니아(NH3)를 포함한 환원제를 상기 선택적 촉매 환원 반응기에 유입되는 상기 엔진의 배기 가스에 분사하는 환원제 분사부, 그리고 상기 가수분해 챔버와 상기 환원제 분사부를 연결하는 환원제 공급 유로를 포함한다.
상기 메인 배기 유로를 통해 상기 과급기를 거친 상기 엔진의 배기 가스보다 상기 과급기 바이패스 유로를 통해 상기 과급기를 우회한 상기 엔진의 배기 가스가 상대적으로 높은 온도를 가질 수 있다.
상기 과급기 바이패스 유로를 통해 상기 과급기를 우회한 상기 엔진의 배기 가스는 섭씨 250도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도를 가질 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 환원제 공급 유로 상에 설치된 산화 촉매부를 더 포함할 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 과급기 바이패스 유로 상에 설치된 블로워를 더 포함할 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 과급기 바이패스 유로 상에 설치된 배기 가스 유량계를 더 포함할 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 과급기 바이패스 유로 상에 설치된 보조 가열부를 더 포함할 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 과급기 바이패스 유로 상에 설치되어 상기 가수분해 챔버에 유입되는 상기 엔진의 배기 가스의 온도를 측정하는 배기 가스 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 배기 가스 온도 센서를 통해 측정된 상기 엔진의 배기 가스의 온도가 상기 우레아의 가수분해 반응 온도 미만이면 상기 보조 히터를 가동시켜 상기 가수분해 챔버에 공급되는 상기 엔진의 배기 가스의 온도를 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 환원제 공급 유로 상에 설치되어 상기 가수분해 챔버에서 배출된 암모니아를 포함한 환원제의 온도를 측정하여 상기 제어부에 신호를 전달하는 환원제 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 가수분해 챔버에 공급할 우레아를 저장하는 우레아 저장부와, 상기 우레아 저장부와 상기 가수분해 챔버를 연결하는 우레아 공급 유로, 그리고 상기 가수분해 챔버 내에 설치되어 상기 우레아 공급 유로와 연결된 우레아 분사부를 더 포함할 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 우레아 공급 유로 상에 설치된 우레아 공급 밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 가수분해 챔버에 공급할 물을 저장하는 용수 저장부와, 상기 용수 저장부와 상기 가수분해 챔버를 연결하는 용수 공급 유로, 그리고 상기 용수 공급 유로 상에 설치된 용수 공급 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 과급기와 상기 선택적 촉매 환원 반응기 사이의 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 메인 배기 밸브 및 상기 선택적 촉매 환원 반응기를 거친 상기 메인 배기 유로에 설치된 보조 배기 밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 과급기 바이패스 유로 상에 설치된 과급기 바이패스 밸브와, 상기 과급기 바이패스 밸브와 상기 가수분해 챔버 사이의 상기 과급기 바이패스 유로와 상기 선택적 촉매 환원 반응기와 상기 보조 배기 밸브 사이의 상기 메인 배기 유로를 연결하는 폐루프 유로, 그리고 상기 폐루프 유로 상에 설치된 폐루프 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 메인 배기 밸브, 상기 보조 배기 밸브, 상기 과급기 바이패스 밸브는 잠그고 상기 폐루프 밸브는 열면, 유체가 상기 가수분해 챔버와 상기 선택적 촉매 환원 반응기 사이를 폐루프 순환할 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 메인 배기 밸브, 상기 보조 배기 밸브, 상기 과급기 배기 밸브, 및 상기 폐루프 밸브가 모두 닫히는 미가동 모드와, 상기 메인 배기 밸브, 상기 보조 배기 밸브, 및 상기 과급기 배기 밸브는 닫히고 상기 폐루프 밸브는 열린 예열 모드 및 재생 모드, 그리고 상기 메인 배기 밸브, 상기 보조 배기 밸브, 및 상기 과급기 배기 밸브는 열리고 상기 폐루프 밸브는 닫힌 가동 모드 중 하나의 모드로 동작할 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 선택적 촉매 환원 반응기를 우회하여 상기 메인 배기 밸브와 상기 과급기 사이의 상기 메인 배기 유로와 상기 선택적 촉매 환원 반응기 및 상기 보조 배기 밸브를 차례로 거친 상기 메인 배기 유로를 서로 연결하는 반응기 바이패스 유로 및 상기 반응기 바이패스 유로 상에 설치된 반응기 바이패스 밸브를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 반응기 바이패스 밸브는 상기 가동 모드에서 닫히고, 상기 미가동 모드, 상기 예열 모드, 및 상기 재생 모드에서 열릴 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 선택적 촉매 환원 반응에 사용되는 환원제를 효과적으로 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 선택적 촉매 환원 반응기에 설치된 촉매가 피독되면 이를 효과적으로 재생할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 선택적 촉매 환원 반응기에 설치된 촉매를 효과적으로 예열할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치에서 선택적 촉매 환원 시스템의 미가동 모드를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치에서 선택적 촉매 환원 시스템의 예열 모드를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치에서 선택적 촉매 환원 시스템의 가동 모드를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치에서 선택적 촉매 환원 시스템의 재생 모드를 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(101)를 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(101)는 엔진(10)과, 과급기(turbo charger)(15), 선택적 촉매 환원 반응기(30), 메인 배기 유로(61), 과급기 바이패스 유로(64), 가수분해 챔버(50), 환원제 공급 유로(67), 및 환원제 분사부(51)를 포함한다.
그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(101)는 산화 촉매부(55), 블로워(80), 배기 가스 유량계(81), 보조 가열부(85), 배기 가스 온도 센서(86), 환원제 온도 센서(87), 제어부(90), 우레아 저장부(59), 우레아 공급 유로(68), 우레아 분사부(57), 우레아 공급 밸브(48), 우레아 유량계(82), 용수 저장부(59), 용수 공급 유로(69), 용수 공급 밸브(49), 메인 배기 밸브(41), 보조 배기 밸브(42), 과급기 바이패스 밸브(44), 폐루프 유로(65), 폐루프 밸브(45), 반응기 바이패스 유로(63), 및 반응기 바이패스 밸브(43)를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(101)는 배기 리시버(exhaust gas receiver)(11) 및 소기 리시버(scavenge air receiver)(19)를 더 포함할 수 있다.
엔진(10)은 통상적으로 선박에 사용되는 저속 디젤 엔진일 수 있으며, 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 엔진이 사용될 수 있다. 과급기(turbo charger)(15)는 엔진(10)의 배기 가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌려 엔진(10)에 새로운 외기를 공급한다.
한편, 엔진(10)에서 배출된 배기 가스는 섭씨 250도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도를 가질 수 있다. 그러나, 배기 가스의 온도는 과급기(15)를 거치면서 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만의 온도로 낮아질 수 있다.
배기 리시버(11)는 엔진(10)의 실린더 왕복 운동으로 불균형한 압력을 가지고 배출된 엔진(10)의 배기 가스를 고르게 완화시킨다. 소기 리시버(19)는 과급기(15)가 엔진(10)에 공급하는 새로운 외기의 불균일한 압력을 고르게 완화시킨다.
메인 배기 유로(61)는 엔진(10)의 배기구와 연결되어 엔진(10)의 배기 가스를 배출한다. 메인 배기 유로(61)는 질소산화물(NOx)을 함유한 엔진의 배기 가스를 이동시키며, 선택적 촉매 환원 반응기(30)와 연결되어 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 배기 가스를 공급한다. 또한, 메인 배기 유로(61)는 엔진(10)과, 과급기(15), 그리고 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 순차적으로 연결한다. 즉, 과급기(15)와 선택적 촉매 환원 반응기(30)는 메인 배기 유로(61) 상에 차례로 설치된다.
메인 배기 밸브(41)는 과급기(15)와 선택적 촉매 환원 반응기(30) 사이의 메인 배기 유로(61)에 설치된다. 즉, 메인 배기 밸브(41)는 과급기(15)를 거친 엔진(10)의 배기 가스를 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 유입시키거나 차단한다.
선택적 촉매 환원 반응기(30)는 엔진(10)의 배기 가스를 정화하여 배기 가스에 함유된 질소산화물을 저감시킨다. 선택적 촉매 환원 반응기(30)는 엔진(10)의 배기 가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.
선택적 촉매 환원 반응기(30)는 촉매(35)를 포함한다. 구체적으로, 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 촉매(35)가 촉매 담체를 통해 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부에 설치된다. 본 발명의 일 실시예에서는, 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부에 설치되는 촉매(35)로 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도가 섭씨 300도 내지 섭씨 350도 범위 내일 때 촉매 반응이 우수한 촉매(35)가 사용될 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 하우징은 일례로 스테인레스 스틸(stainless steel)을 소재로 만들어질 수 있다.
선택적 촉매 환원 반응기(30)를 거치면서 엔진(10)의 배기 가스에 함유된 질소산화물은 저감되고, 엔진(10)의 배기 가스는 다시 메인 배기 유로(61)로 배출된다.
반응기 바이패스 유로(63)는 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 우회한다. 구체적으로, 반응기 바이패스 유로(63)는 메인 배기 밸브(41)와 과급기(15) 사이의 메인 배기 유로(61)와 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 거친 메인 배기 유로(61)를 서로 연결한다. 즉, 반응기 바이패스 유로(63)는 메인 배기 밸브(41)가 닫혀 엔진(10)의 배기 가스가 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 통과하지 못할 경우 엔진(10)의 배기 가스를 우회시켜 배출한다.
보조 배기 밸브(42)는 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 거친 메인 배기 유로(61)에 설치된다. 구체적으로, 보조 메인 밸브(42)는 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 지나고 반응기 바이패스 유로(63)와는 만나기 전의 메인 배기 유로(61) 상에 설치될 수 있다. 즉, 반응기 바이패스 유로(63)는 선택적 촉매 환원 반응기(30) 및 보조 배기 밸브(42)를 차례로 거친 메인 배기 유로(61)를 메인 배기 밸브(41)와 과급기(15) 사이의 메인 배기 유로(61)와 연결한다. 보조 배기 밸브(42)는 반응기 바이패스 유로(63)를 통해 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 우회한 엔진(10)의 배기 가스가 역류하여 선택적 촉매 환원 반응기(30)로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
보조 메인 밸브(42)는 메인 배기 밸브(41)와 함께 동작한다. 즉, 메인 배기 밸브(41)가 닫히면 보조 메인 밸브(42)도 닫힌다. 보조 메인 밸브(42)는 반응기 바이패스 유로(63)를 통과한 과급기(15)를 거친 상대적으로 저온, 즉 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만의 온도를 갖는 엔진(10)의 배기 가스가 역류하여 선택적 촉매 환원 반응기(30) 내부로 유입되는 것을 방지한다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에서, 보조 메인 밸브(42)는 경우에 따라 생략될 수도 있다.
반응기 바이패스 밸브(43)는 반응기 바이패스 유로(63) 상에 설치된다. 반응기 바이패스 밸브(43)는 메인 배기 밸브(41)가 열리면 닫히고, 메인 배기 밸브(41)가 닫히면 열리도록 제어된다.
환원제 분사부(51)는 암모니아(NH3)를 포함한 환원제를 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 유입되는 엔진(10)의 배기 가스에 분사한다. 도 1에서 환원제 분사부(51)는 메인 배기 유로(61) 상에 설치되었으나, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 환원제 분사부(51)는 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 전단부, 즉 유입구 부근에 설치될 수도 있다.
가수분해 챔버(50)는 우레아(urea, CO(NH2)2)를 가수분해하여 환원제 분사부(51)에 공급할 암모니아(NH3)를 생성한다. 가수분해 챔버(50)에서 우레아(urea, CO(NH2)2)가 가수분해되면, 암모니아(NH3)와 함께 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성된다.
환원제 공급 유로(67)는 가수분해 챔버(50)에서 생성된 암모니아(NH3)를 포함한 환원제를 환원제 분사부(51)에 공급한다.
산화 촉매부(55)는 환원제 공급 유로(67) 상에 설치된다. 산화 촉매부(55)는 가수분해 챔버(50)에서 생성된 이소시안산(HNCO)을 분해하여 암모니아(NH3)를 추가로 생성한다.
과급기 바이패스 유로(64)는 엔진(10)의 배기 가스의 일부를 과급기(15)를 우회하여 가수분해 챔버(50)에 공급한다. 즉, 과급기 바이패스 유로(64)는 과급기(15)를 거치지 않은 상대적으로 고온의 배기 가스를 가수분해 챔버(50)에 유입시킨다. 과급기 바이패스 유로(64)를 통해 과급기(15)를 우회한 엔진(10)의 배기 가스는 섭씨 250도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도를 가질 수 있다.
즉, 가수분해 챔버(50)는 과급기 바이패스 유로(64)를 통해 공급받은 엔진(10)의 배기 가스가 갖는 열에너지를 이용하여 우레아를 가수분해 시킨다.
블로워(80) 및 배기 가스 유량계(81)는 과급기 바이패스 유로(64) 상에 설치된다. 블로워(80)는 과급기 바이패스 유로(64)를 통해 가수분해 챔버(50)에 공급되는 엔진(10)의 배기 가스의 유량을 조절한다. 배기 가스 유량계(81)는 블로워(80)에 의해 이동하는 엔진(10)의 배기 가스의 유량을 측정한다.
보조 가열부(85) 및 배기 가스 온도 센서(86)는 과급기 바이패스 유로(64) 상에 설치된다. 배기 가스 온도 센서(86)는 가수분해 챔버(50)에 유입되는 엔진(10)의 배기 가스의 온도를 측정하여 정보 신호를 제어부(90)에 전달한다. 제어부(90)는 배기 가스 온도 센서(86)를 통해 측정된 엔진(10)의 배기 가스의 온도가 우레아의 가수분해 반응 온도 미만이면 보조 가열부(85)를 가동시켜 가수분해 챔버(50)에 공급되는 엔진(10)의 배기 가스의 온도가 우레아의 가수분해 반응 온도 이상이 되도록 조절한다. 여기서, 보조 가열부(85)는 전기 히터 또는 버너일 수 있다.
환원제 온도 센서(87)는 환원제 공급 유로(67) 상에 설치되어 가수분해 챔버(50)에서 배출된 암모니아를 포함한 환원제의 온도를 측정하고, 이를 제어부(90)에 전달한다. 제어부(90)는 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 유입되는 엔진(10)의 배기 가스에 분사되는 환원제가 적절한 온도와 유량을 가질 수 있도록, 블로워(80)와 보조 가열부(85)를 조절한다.
우레아 저장부(58)는 가수분해 챔버(50)에 공급할 우레아를 저장한다. 그리고 우레아 공급 유로(68)는 우레아 저장부(58)와 가수분해 챔버(50)를 연결한다. 즉, 우레아 저장부(58)에 저장된 우레아는 우레아 공급 유로(68)를 통해 가수분해 챔버(50)에 공급된다.
우레아 분사부(57)는 가수분해 챔버(50) 내에 설치된다. 구체적으로, 우레아 분사부(57)는 우레아 공급 유로(68)와 연결된다.
우레아 공급 밸브(48)는 우레아 공급 유로(68) 상에 설치되어 우레아의 공급량을 조절한다. 그리고 우레아 유량계(82)는 우레아 공급 유로(68)를 통해 가수분해 챔버(50)에 공급되는 우레아의 유량을 측정하고, 이를 제어부(90)에 전달한다.
용수 저장부(59)는 가수분해 챔버(50)에 공급할 물을 저장한다. 그리고 용수 공급 유로(69)는 용수 저장부(59)와 가수분해 챔버(50)를 연결한다. 도 1에서 용수 공급 유로(69)는 우레아 공급 유로(68)와 연결되나, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 용수 공급 유로(69)가 직접 가수분해 챔버(50)와 연결될 수도 있다.
용수 공급 밸브(49)는 용수 공급 유로(69) 상에 설치되어 물의 공급량을 조절한다.
과급기 바이패스 밸브(44)는 과급기 바이패스 유로(64) 상에 설치되어 과급기 바이패스 유로(64)를 개폐한다.
폐루브 유로(65)는 과급기 바이패스 밸브(44)와 가수분해 챔버(50) 사이의 과급기 바이패스 유로(64)와 선택적 촉매 환원 반응기(30)와 보조 배기 밸브(42) 사이의 메인 배기 유로(61)를 서로 연결한다. 그리고 폐루프 밸브(45)는 폐루프 유로(65) 상에 설치되어 폐루프 유로(65)를 개폐한다.
이와 같은 구조에 의하면, 메인 배기 밸브(41), 보조 배기 밸브(42), 과급기 바이패스 밸브(44)는 닫히고 폐루프 밸브(45)는 열리면, 유체가 가수분해 챔버(50)와 선택적 촉매 환원 반응기(30) 사이를 폐루프 순환하게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 제어부(90)는 배기 가스 유량계(81), 우레아 유량계(82), 배기 가스 온도 센서(86), 및 환원제 온도 센서(87)로부터 정보 신호를 전달받는다. 그리고 제어부(90)는 메인 배기 밸브(41), 보조 배기 밸브(42), 과급기 바이패스 밸브(43), 폐루프 밸브(45), 우레아 공급 밸브(48), 및 용수 공급 밸브(49)의 개폐를 제어한다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치(101)의 동작 원리를 구체적으로 살펴본다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 선택적 촉매 환원 시스템의 미가동 모드, 예열 모드, 가동 모드, 및 재생 모드 중 하나의 모드로 필요에 따라 선택적으로 동작한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템의 미가동 모드를 나타낸다.
도 1에 도시한 바와 같이, 미가동 모드에서는 메인 배기 밸브(41), 보조 배기 밸브(42), 과급기 배기 밸브(44), 및 폐루프 밸브(45)가 모두 닫힌다. 그리고 반응기 바이패스 밸브(43)는 열린다. 또한, 우레아 공급 밸브(48) 및 용수 공급 밸브(49)는 모두 닫힌다. 미가동 모드에서, 과급기(15)를 거친 엔진(10)의 배기 가스는 반응기 바이패스 유로(63)를 통해 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 우회하여 배출된다.
미가동 모드는 선박이 배출 가스 규제 지역 밖에서 운항할 때 선택될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템의 예열 모드를 나타낸다.
도 2에 도시한 바와 같이, 예열 모드에서는 메인 배기 밸브(41), 보조 배기 밸브(42), 및 과급기 바이패스 밸브(44)는 닫히고, 폐루프 밸브(45)는 열린다. 그리고 반응기 바이패스 밸브(43)는 열린다. 또한, 우레아 공급 밸브(48) 및 용수 공급 밸브(49)는 모두 닫힌다. 예열 모드에서도, 과급기(15)를 거친 엔진(10)의 배기 가스는 반응기 바이패스 유로(63)를 통해 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 우회하여 배출된다. 그리고 보조 가열부(85)에 의해 가열된 유체가 블로워(80)에 의해 가수분해 챔버(50)와 선택적 촉매 환원 반응기(30) 사이를 폐루프 순환하면서, 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 설치된 촉매(35)를 예열시킨다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유체를 폐루프 순환시키면서 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 촉매(35)를 예열하므로, 보조 가열부(85)가 적은 연료를 소비하여 효과적으로 촉매를 예열 시킬 수 있다.
예열 모드는 선박이 배출 가스 규제 지역 밖에서 운항하다가 배출 가스 규제할 때 지역으로 진입을 시작할 때 선택될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템의 가동 모드를 나타낸다.
도 3에 도시한 바와 같이, 가동 모드에서는 메인 배기 밸브(41), 보조 배기 밸브(42), 및 과급기 배기 밸브(44)는 열리고, 폐루프 밸브(45)는 닫힌다. 그리고 반응기 바이패스 밸브(43)는 닫힌다. 또한, 우레아 공급 밸브(48)는 열리고, 용수 공급 밸브(49)는 닫힌다. 이때, 용수 공급 밸브(49)는 필요에 따라 열릴 수도 있다. 가동 모드에서는 과급기(15)를 거친 엔진(10)의 배기 가스가 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 거치면서 엔진(10)의 배기 가스에 함유된 질소산화물이 저감된 후 배출된다.
또한, 엔진(10)의 배기 가스의 일부는 과급기 바이패스 유로(64)를 통해 가수분해 챔버(50)에 공급된다. 가수분해 챔버(50)는 과급기 바이패스 유로(64)를 통해 공급받은 상대적으로 고온인 엔진(10)의 배기 가스가 갖는 열에너지를 이용하여 우레아를 가수분해한다. 우레아를 가수분해시켜 생성된 암모니아와 이소시안산(HNCO)은 환원제 공급 유로(67)를 따라 이동한다. 이때, 이소시안산은 환원제 공급 유로(67) 상에 설치된 산화 촉매부(55)를 거치면서 분해되어 암모니아가 추가 생산된다.
한편, 과급기 바이패스 유로(64)를 따라 가수분해 챔버(50)로 이동하는 상대적으로 고온인 엔진(10)의 배기 가스가 갖는 열에너지가 우레아를 가수분해 시키기에 충분하지 않을 경우, 제어부(90)는 보조 가열부(85)를 가동하여 우레아를 가수분해 시키기에 충분한 온도로 과급기 바이패스 유로(64)를 흐르는 엔진(10)의 배기 가스를 승온 시킨다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 과급기(15)를 우회한 상대적으로 고온인 엔진의 배기 가스가 갖는 열에너지를 활용하여 우레아를 가수분해 시켜 환원제를 효과적으로 생성하므로, 추가적인 연료의 소비를 최소화할 수 있다.
가동 모드는 선박이 배출 가스 규제 지역 내에서 운항할 때 선택될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템의 재생 모드를 나타낸다.
도 4에 도시한 바와 같이, 재생 모드에서는 메인 배기 밸브(41), 보조 배기 밸브(42), 및 과급기 바이패스 밸브(44)는 닫히고, 폐루프 밸브(45)는 열린다. 그리고 반응기 바이패스 밸브(43)는 열린다. 또한, 우레아 공급 밸브(48)는 닫히고, 용수 공급 밸브(49)는 열린다. 이때, 용수 공급 밸브(49)는 필요한 양의 용수를 공급한 이후 닫힐 수 있다.
재생 모드에서, 과급기(15)를 거친 엔진(10)의 배기 가스는 반응기 바이패스 유로(63)를 통해 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 우회하여 배출된다. 그리고 보조 가열부(85)에 의해 가열된 유체가 블로워(80)에 의해 가수분해 챔버(50)와 선택적 촉매 환원 반응기(30) 사이를 폐루프 순환하면서, 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 촉매(35)를 재생시킨다.
가동 모드에서 운전 시간이 경과하면, 과급기(15)를 거치면서 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만으로 상대적으로 낮아진 온도를 갖는 배기 가스는 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 설치된 촉매(35)를 피독시킨다. 즉, 촉매(35)는 피독 물질에 의해 피독되어 활성이 저하된다. 구체적으로, 피독 물질은 배기 가스의 황산화물(SOx)과 환원제의 암모니아(NH3)가 반응하여 생성된다. 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 피독 물질은 외부 열원에 의해 분해되거나 제거될 수 있다.
따라서, 촉매가 피독되어 활성이 저하되면, 재생 모드로 전환하여 유체를 블로워(80)에 통해 가수분해 챔버(50)와 선택적 촉매 환원 반응기(30) 사이를 폐루프 순환시키면서 보조 가열부(85)에 통해 가열하여 승온시킨다. 그리고 승온된 유체는 피독된 촉매를 재생시킨다.
그리고 용수 저장부(59)에서 공급된 물은 촉매에 재생 효율을 향상시킬 수 있다. 재생에 필요한 만큼 물이 공급되면, 용수 공급 밸브(49)를 닫고 유체를 폐루프 순환시켜 촉매(35)를 재생한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 설치된 촉매(35)가 피독될 경우 이를 효과적으로 추가적인 연료 소모를 최소화하여 재생할 수 있다.
재생 모드는 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 설치된 촉매(35)가 피독되어 활성이 저하되면 선택될 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(101)는 선택적 촉매 환원 반응에 사용되는 환원제를 효과적으로 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(101)는 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 설치된 촉매(35)가 피독되면 이를 효과적으로 재생할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(101)는 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 설치된 촉매를 효과적으로 예열할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 엔진 11: 배기 리시버
15: 과급기 19: 소기 리시버
30: 선택적 촉매 환원 반응기 35: 촉매
41: 메인 배기 밸브 42: 보조 배기 밸브
43: 반응기 바이패스 밸브 44: 과급기 바이패스 밸브
45: 폐루프 바이패스 밸브 48: 우레아 공급 밸브
49: 용수 공급 밸브 50: 가수분해 챔버
51: 환원제 분사부 55: 산화 촉매부
57: 우레아 분사부 58: 우레아 저장부
59: 용수 저장부 61: 메인 배기 유로
63: 반응기 바이패스 유로 64: 과급기 바이패스 유로
65: 폐루프 유로 67: 환원제 공급 유로
68: 우레아 공급 유로 69: 용수 공급 유로
80: 블로워 81: 배기 가스 유량계
82: 우레아 유량계 85: 보조 가열부
86: 배기 가스 온도 센서 87: 환원제 온도 센서
90: 제어부

Claims (17)

  1. 엔진(10);
    상기 엔진(10)의 배기 가스를 배출하는 메인 배기 유로(61);
    상기 메인 배기 유로(61) 상에 설치되며 촉매(35)를 포함하는 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응기(30);
    상기 엔진(10)과 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30) 사이의 상기 메인 배기 유로(61) 상에 설치된 과급기(turbo charger)(15);
    우레아(CO(NH2)2)를 가수분해시켜 암모니아(NH3)를 생성하는 가수분해 챔버(50);
    상기 엔진(10)의 배기 가스의 일부를 상기 과급기(15)를 우회하여 상기 가수분해 챔버(50)에 공급하는 과급기 바이패스 유로(64);
    상기 가수분해 챔버(50)에서 생성된 암모니아(NH3)를 포함한 환원제를 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 유입되는 상기 엔진(10)의 배기 가스에 분사하는 환원제 분사부(51); 및
    상기 가수분해 챔버(50)와 상기 환원제 분사부(51)를 연결하는 환원제 공급 유로(67)
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 메인 배기 유로(61)를 통해 상기 과급기(15)를 거친 상기 엔진(10)의 배기 가스보다 상기 과급기 바이패스 유로(64)를 통해 상기 과급기(15)를 우회한 상기 엔진(10)의 배기 가스가 상대적으로 높은 온도를 가지며,
    상기 과급기 바이패스 유로(64)를 통해 상기 과급기(15)를 우회한 상기 엔진(10)의 배기 가스는 섭씨 250도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 환원제 공급 유로(67) 상에 설치된 산화 촉매부(55)를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 과급기 바이패스 유로(64) 상에 설치된 블로워(80)를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 과급기 바이패스 유로(64) 상에 설치된 배기 가스 유량계(81)를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 과급기 바이패스 유로(64) 상에 설치된 보조 가열부(85)를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 과급기 바이패스(64) 유로 상에 설치되어 상기 가수분해 챔버(50)에 유입되는 상기 엔진(10)의 배기 가스의 온도를 측정하는 배기 가스 온도 센서(86)를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 배기 가스 온도 센서(86)를 통해 측정된 상기 엔진(10)의 배기 가스의 온도가 우레아의 가수분해 반응 온도 미만이면 상기 보조 히터(85)를 가동시켜 상기 가수분해 챔버(50)에 공급되는 상기 엔진(10)의 배기 가스의 온도를 조절하는 제어부(90)를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 환원제 공급 유로(67) 상에 설치되어 상기 가수분해 챔버(50)에서 배출된 암모니아를 포함한 환원제의 온도를 측정하여 상기 제어부(90)에 신호를 전달하는 환원제 온도 센서(87)를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  10. 제1항에서,
    상기 가수분해 챔버(50)에 공급할 우레아를 저장하는 우레아 저장부(58);
    상기 우레아 저장부(58)와 상기 가수분해 챔버(50)를 연결하는 우레아 공급 유로(68); 및
    상기 가수분해 챔버(50) 내에 설치되어 상기 우레아 공급 유로(68)와 연결된 우레아 분사부(57)
    를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  11. 제10항에서,
    상기 우레아 공급 유로(68) 상에 설치된 우레아 공급 밸브(48)를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  12. 제10항에서,
    상기 가수분해 챔버(50)에 공급할 물을 저장하는 용수 저장부(59);
    상기 용수 저장부(59)와 상기 가수분해 챔버(50)를 연결하는 용수 공급 유로(69); 및
    상기 용수 공급 유로(69) 상에 설치된 용수 공급 밸브(49)
    를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에서,
    상기 과급기(15)와 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30) 사이의 상기 메인 배기 유로(61) 상에 설치된 메인 배기 밸브(41); 및
    상기 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 거친 상기 메인 배기 유로(61)에 설치된 보조 배기 밸브(42)를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  14. 제13항에서,
    상기 과급기 바이패스 유로(64) 상에 설치된 과급기 바이패스 밸브(44);
    상기 과급기 바이패스 밸브(44)와 상기 가수분해 챔버(50) 사이의 상기 과급기 바이패스 유로(64)와 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30)와 상기 보조 배기 밸브(42) 사이의 상기 메인 배기 유로(61)를 연결하는 폐루프 유로(65); 및
    상기 폐루프 유로(65) 상에 설치된 폐루프 밸브(45)
    를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  15. 제14항에서,
    상기 메인 배기 밸브(41), 상기 보조 배기 밸브(42), 상기 과급기 바이패스 밸브(44)는 잠그고 상기 폐루프 밸브(45)는 열면, 유체가 상기 가수분해 챔버(50)와 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30) 사이를 폐루프 순환하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  16. 제14항에서,
    상기 메인 배기 밸브(41), 상기 보조 배기 밸브(42), 상기 과급기 배기 밸브(44), 및 상기 폐루프 밸브(45)가 모두 닫히는 미가동 모드와;
    상기 메인 배기 밸브(41), 상기 보조 배기 밸브(42), 및 상기 과급기 배기 밸브(44)는 닫히고 상기 폐루프 밸브(45)는 열린 예열 모드 및 재생 모드; 그리고
    상기 메인 배기 밸브(41), 상기 보조 배기 밸브(42), 및 상기 과급기 배기 밸브(44)는 열리고 상기 폐루프 밸브(45)는 닫힌 가동 모드 중 하나의 모드로 동작하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  17. 제16항에서,
    상기 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 우회하여 상기 메인 배기 밸브(41)와 상기 과급기(15) 사이의 상기 메인 배기 유로(61)와 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30) 및 상기 보조 배기 밸브(42)를 차례로 거친 상기 메인 배기 유로(61)를 서로 연결하는 반응기 바이패스 유로(63); 및
    상기 반응기 바이패스 유로(63) 상에 설치된 반응기 바이패스 밸브(43)
    를 더 포함하며,
    상기 반응기 바이패스 밸브(43)는 상기 가동 모드에서 닫히고, 상기 미가동 모드, 상기 예열 모드, 및 상기 재생 모드에서 열리는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
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