KR20140009457A - 내연기관으로부터의 배기가스에서 질소 산화물 및 황 산화물의 환원 방법 - Google Patents

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Abstract

린번 내연기관으로부터의 배기가스에서 질소 및 황의 산화물들을 환원시키는 방법.

Description

내연기관으로부터의 배기가스에서 질소 산화물 및 황 산화물의 환원 방법{PROCESS FOR THE REDUCTION OF NITROGEN OXIDES AND SULPHUR OXIDES IN THE EXHAUST GAS FROM INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 암모니아 및 우레아와 같은 환원제에 의해 내연기관으로부터의 배기가스에 존재하는 질소 산화물 및 황 산화물의 환원 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 높은 황 함량을 갖는 연료로 작동되는 엔진의 배기로부터 이러한 화합물의 제거에 집중된다.
정지형(stationary) 및 자동차(automotive) 용도에서 배기 가스에 의한 질소 산화물의 방출은 오랫동안 주된 환경 문제이었다. 질소 산화물(NOx) 및 황 산화물(SOx)의 해로운 효과는 잘 알려져 있다.
동력 및 자동차 산업에서, 특히 린번 엔진으로부터의 배기가스에서, NOx의 질소(N2)로의 환원은 보통 소위 선택적 촉매 환원(SCR)에서 적합한 촉매 위에서 환원제로서 암모니아 또는 우레아를 사용함으로써 행해진다.
SCR 및 이 환원 과정에서 사용하기 위한 촉매는 최신 기술에 속하고 더 이상의 설명이 필요하지 않다.
배기가스에서의 황 함량은 현존하는 요건보다 아래에 있기 때문에 명백히 엔진 배기가스로부터의 황 산화물의 제거에 대해서 과거에는 덜 집중되었었다. 자동차 산업에서 내연기관들의 대부분은 탈황 연료를 연료로 하고 배기가스에서의 황 함량은 현존하는 요건보다 아래이거나 연료유에서 본래의 황 수준에 해당하는 높은 방출이 허용되고 있다.
이 목적으로 정지형 용도 및 선박의 선내에 사용되는 대형 내연기관은 여전히 높은 황 함량을 갖는 연료로 작동된다.
예로서, 1%보다 높은 황 함량을 갖는 중질 연료유(heavy fuel oil: HFO)를 연료공급한 내연기관과 조합하여 SCR DeNOx에 대한 작동상의 기술적 해결책이 없다.
이들 엔진은 통상 엔진 효율을 개선하기 위해 터보차저가 장착된다.
터보차저 장착된 내연기관으로부터 배기가스 클리닝은 다음 이유로 문제가 있다.
NOx의 SCR에 사용되는 보통의 환원제인 암모니아는, 특히 HFO 연료공급된 엔진으로부터의 배기에서 배기가스에 또한 존재하는 황 산화물과 반응한다. 반응 생성물은 황산암모늄 또는 중황산암모늄인데, 이것은 배기가스 온도가 일정한 한계 아래에 있다면, SCR 촉매에서 응축하고 암모니아와 접촉시 촉매를 억제한다.
배기가스의 온도는 엔진으로부터 방출 직후 전형적으로 330 내지 500℃이다. 이 온도는 황산염의 응축 온도보다 상당히 위이다.
그러나, 비교적 높은 온도는 배기가스에서 SO2의 일부가 SCR 촉매를 가로질러 SO3로 산화된다는 것을 의미한다. 엔진으로부터의 출구 배기에 이미 존재하는 SO3와 함께 형성된 SO3는 배기 처리 장치 트레인에서 포획되지 않으면 산 플럼의 형성을 가져온다.
터보차저의 터빈을 통해 통과한 후 배기 온도는 응축 온도 아래로 감소하며, 상기 언급한 문제를 갖는다.
따라서, 본 발명의 일반적인 목적은 상기 논의된 문제가 없이, 터보차저 장착된 내연기관으로부터 NOx 및 SOx의 조합 환원을 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 필수 특징은 하류 장비 트레인에서 황산 암모늄 또는 중황산 암모늄으로서 SO3를 포획하기 위해 SCR에서 소비된 양에 대하여 배기가스에서 암모니아의 양을 과다투여하거나 또는 SO3가 습식 스크러버에서 H2SO4로서 포획될 수 있도록 SCR로부터 낮은 슬립을 조장하도록 암모니아를 투여하는 것이다.
따라서, 본 발명은 린번 내연기관으로부터의 배기가스에서 질소 및 황의 산화물의 양을 감소시키는 방법으로서, 조절된 양의 암모니아와 함께 배기가스를 질소 산화물의 질소로 되는 반응에 활성인 하나 이상의 촉매를 포함하는 촉매 시스템을 통해 통과시키는 단계로서, 암모니아는 그렇게 배기가스로 도입되거나 또는 배기가스를 촉매 시스템을 통해 통과시키기에 앞서 배기가스로 도입 후 형성되는 단계;
이렇게 처리된 배기가스를 터보차저에서 터빈을 통해 통과시키는 단계; 그리고
하류 배기가스 처리 단계에서 터보차저로부터 배기에 존재하는 삼산화황 및/또는 암모늄 황 화합물을 제거하는 단계를 포함하고,
여기서 배기가스는 배기가스에서 암모니아와의 반응에 의해 형성된 암모늄 황 화합물의 응축 온도보다 위의 온도에서 촉매 시스템을 통과시키고 배기가스에서 암모니아의 양은 촉매 시스템을 통과한 후 부피로 2 ppm 미만 또는 부피로 10 ppm 보다 많은 양을 가져오도록 조절된다.
특정 용도에서, 암모니아의 양은 촉매 시스템을 통해 통과한 후 부피로 0.5 ppm 미만으로 유지될 수 있다.
NOx의 양에 비하여 과량의 암모니아를 제공함으로써, 이것은 암모니아 슬립을 조장하는데, 형성된 SO3는 중황산 암모늄(ABS) 또는 황산 암모늄(AS)으로서 포획될 수 있다. ABS 및 AS는 수용성 화합물이고 스크러버에서 물과 스크러빙함으로써 쉽게 제거될 수 있다. ABS 및 AS는 또한 매연 제거(soot blowing) 장치의 사용에 의해서 제거될 수도 있다.
스크러버는 SO3 포획을 위해 최적화된다. 이 대안의 작동 방식에서, 암모니아 슬립은 하류 장비에서 오염을 최소화하기 위해 최소한도로 유지된다.
SCR로부터의 암모니아 슬립이 부피로 10 ppm보다 위로 유지될 때, 중황산 암모늄 및 황산 암모늄은 폐열 보일러에서 열전달 표면에서 또는 기체상에서 고체 입자로서 응축한다. 하류의 장비에서 표면에 형성된 부착물은 물로 클리닝함으로써 및/또는 매연 제거의 동안에 제거될 수 있는 한편, 입자들은 하류의 SOx 스크러버에서 제거된다.
대안으로, 암모니아 슬립은 낮게(< 2 ppm) 유지되는데, 이것은 ABS 및 AS에 의한 하류 장비의 오염이 최소화된다는 것을 의미한다. SO3는 그 다음 SO3 제거를 위해 최적화되어 있는 SOx 스크러버에서 제거된다.
본 발명 방법에서 사용하기 위한 암모니아는 기체상 암모니아의 형태로 또는 배기가스로 주입 후 암모니아로 분해하는 우레아 용액에 의해 공급될 수 있다.
본 발명에 따르는 방법은 특히 2-행정 기관과 관련된다. 이들 엔진은 선박의 선내에서 통상적으로 사용되고 황 함유 중질 연료유로 연료공급된다.
실시예
선박에 대한 2-행정 엔진은 엔진 출구에서 1500 ppm(부피) NOx, 750 ppm(부피) SO2 및 15 ppm(부피) SO3를 방출한다. SCR 장치로의 입구에서 엔진 배기가스 온도는 2 내지 4 바아 게이지의 압력에서 330 내지 500℃이다. 터보차저 상류의 가압된 SCR을 가로질러 NOx 수준은 300 ppm 아래로 감소되는 한편, 추가의 30 ppm SO3가 형성된다. SCR 장치 후의 암모니아 슬립은 20 ppm보다 위로 조절되는데, 이것은 터보차저 하류의 폐열 보일러에서 열전달 표면에서 또는 기체상에서 고체 입자로서 중황산 암모늄 및 황산 암모늄 형성 및 응축을 가져온다. 표면에 형성된 부착물은 보일러를 주기적으로 물로 클리닝함으로써 제거될 수 있는 한편, 입자들은 하류의 SOx 스크러버에서 제거된다. 대안으로, 암모니아 슬립은 매우 낮게(< 2 ppm) 유지되는데, 이것은 ABS 및 AS에 의한 폐열 보일러 오염이 최소화된다는 것을 의미한다. SO3는 그 다음 SO3 제거를 위해 최적화되어 있는 SOx 스크러버에서 제거된다.

Claims (7)

  1. 린번 내연기관으로부터의 배기가스에서 질소 및 황의 산화물의 양을 감소시키는 방법으로서, 조절된 양의 암모니아와 함께 배기가스를 질소 산화물의 질소로 되는 반응에 활성인 하나 이상의 촉매를 포함하는 촉매 시스템을 통해 통과시키는 단계로서, 암모니아는 암모니아 자체로서 배기가스로 도입되거나 또는 배기가스를 촉매 시스템을 통해 통과시키기에 앞서 배기가스로 도입 후 형성되는 단계;
    이렇게 처리된 배기가스를 터보차저에서 터빈을 통해 통과시키는 단계; 그리고
    하류 배기가스 처리 단계에서 터보차저로부터 배기에 존재하는 삼산화황 및/또는 암모늄 황 화합물을 제거하는 단계를 포함하고,
    여기서 배기가스는 배기가스에서 암모니아와의 반응에 의해 형성된 암모늄 황 화합물의 응축 온도보다 높은 온도에서 촉매 시스템을 통과시키고 배기가스에서 암모니아의 양은 촉매 시스템을 통과한 후 부피로 2 ppm 미만 또는 부피로 10 ppm 보다 많은 양을 가져오도록 조절되는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 배기가스에서 암모니아의 양은 촉매 시스템을 통해 통과한 후 부피로 0.5 ppm 미만의 양을 가져오도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 내연기관은 2-행정 기관인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 하류의 배기가스 처리 단계는 물로 세척 또는 스크러빙하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 배기가스 처리 단계는 폐열 보일러 및/또는 습식 스크러버에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 폐열 보일러는 물로 주기적으로 세척하거나 매연 제거에 의해 주기적으로 클리닝하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 선박의 선내에 설치된 린번 내연기관으로부터의 배기가스에서 질소 및 황의 산화물을 환원시키기 위한 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따르는 방법의 사용.
KR1020137026442A 2011-03-28 2012-03-06 내연기관으로부터의 배기가스에서 질소 산화물 및 황 산화물의 환원 방법 KR101910880B1 (ko)

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