KR20150115148A - 배기가스 정화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 정화장치에 관한 것으로, 배기가스의 이동로를 제공하며, 내부에 상기 배기가스의 진행방향과 동일한 방향으로 환원제 전구체를 분사하는 분사 노즐이 설치된 혼합기; 상기 혼합기와 연통되도록 설치되어 상기 배기가스와 상기 환원제 전구체의 이동로를 제공하는 연결 챔버; 상기 연결 챔버 내에 설치되어 상기 분사 노즐을 통해 분사된 상기 환원제 전구체의 분사 범위를 확장하는 분사 가이드; 및 상기 연결 챔버와 연통되도록 설치되며, 내부에 촉매층이 설치된 반응기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 분사 노즐로부터 분사된 환원제 전구체의 분사 범위를 확장하여, 환원제와 배기가스의 유동 및 환원제 전구체의 농도 균일도를 높임으로써 SCR 성능을 개선할 수 있다.

Description

배기가스 정화장치{Exhaust gas purification apparatus}
본 발명은 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
선박과 같은 운송용 디젤 엔진의 배기가스는 대기오염물질인 질소산화물(NOx)을 함유한다. 질소산화물과 같은 대기오염물질은 배출규제에 따라 그 배출량이 제한된다. 이에 따라, 질소산화물의 배출량을 줄이는 기술이 필요하다.
선택적 촉매 환원법(SCR: Selective Catalytic Reduction)은 질소산화물 배출량을 줄이는 기술 중 하나이다. 선택적 촉매 환원법은 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원제와 촉매를 이용하여 물과 질소로 환원시킨다. 환원제는 배기가스 배출관 내에서 배기가스 진행방향과 동일한 방향으로 분사된 환원제 전구체로부터 분해되어 형성된다.
질소산화물의 정화효율을 높이기 위해서, 환원제를 배기가스와 균일하게 혼합할 필요가 있다. 그러나, 종래 배기가스 정화장치의 한정된 레이아웃 내에서 환원제와 배기가스의 혼합 시 혼합 균일도를 향상시키는데 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 한정된 레이아웃 내에서 SCR(Selective Catalytic Reduction) 성능을 높일 수 있는 배기가스 정화장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 배기가스의 이동로를 제공하며, 내부에 상기 배기가스의 진행방향과 동일한 방향으로 환원제 전구체를 분사하는 분사 노즐이 설치된 혼합기; 상기 혼합기와 연통되도록 설치되어 상기 배기가스와 상기 환원제 전구체의 이동로를 제공하는 연결 챔버; 상기 연결 챔버 내에 설치되어 상기 분사 노즐을 통해 분사된 상기 환원제 전구체의 분사 범위를 확장하는 분사 가이드; 및 상기 연결 챔버와 연통되도록 설치되며, 내부에 촉매층이 설치된 반응기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 분사 가이드는 상기 혼합기 측에서 상기 반응기 측으로 갈수록 내경이 커지도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 분사 가이드는 상기 연결 챔버의 케이스와 이격되어 고정 부재를 통해 상기 연결 챔버 중앙에 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 배기가스의 이동로를 제공하며, 내부에 상기 배기가스의 진행방향과 동일한 방향으로 환원제 전구체를 분사하는 분사 노즐이 설치된 혼합기; 상기 혼합기와 연통되도록 설치되어 상기 배기가스와 상기 환원제 전구체의 이동로를 제공하는 연결 챔버; 상기 연결 챔버와 연통되도록 설치된 반응기; 및 상기 반응기의 케이스와 이격되어 상기 반응기 내부에 설치된 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 반응기의 케이스와 상기 촉매층 사이의 이격 공간은 상기 배기가스 및 상기 환원제 전구체의 유동공간을 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 유동공간을 지난 상기 배기가스가 환원되는 2단 촉매층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배기가스 정화장치는 분사 노즐로부터 분사된 환원제 전구체의 분사 범위를 확장하여, 환원제와 배기가스의 유동 및 환원제 전구체의 농도 균일도를 높임으로써 SCR 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 분사 가이드의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 단면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 배기가스의 이동로를 제공하며 환원제 전구체(103)가 분사되는 혼합기(111), 혼합기(111)에 연통된 연결 챔버(113), 연결 챔버(113) 내에 설치된 분사 가이드(109), 및 연결 챔버(113)에 연통되어 배기가스의 질소산화물(NOx)을 질소 분자와 물로 변환시키는 반응기(115)를 포함한다.
환원제 전구체(103)는 엔진으로부터 배출된 고온의 배기가스가 지나가는 혼합기(111)에 분사된다. 이를 위해 혼합기(111) 내에 배기가스의 진행방향과 동일한 방향으로 환원제 전구체(103)를 분사하는 분사 노즐(101)이 설치된다. 이러한 혼합기(111) 내에서 환원제 전구체(103)와 배기가스가 혼합된다. 환원제 전구체(103)는 수송, 저장 및 취급이 용이한 요소(urea) 수용액일 수 있다. 요소 수용액은 혼합기(111) 내에서 고온의 배기가스로 인해 환원제인 암모니아(NH3)로 변환되어 반응기(115)에 유입된다.
분사 노즐(101)을 통해 분사되는 환원제 전구체(103)는 분사 노즐(101)이 배치된 혼합기(111)의 중심 영역에 집중되는 경향이 있다. 혼합기(111)의 중심 영역에 집중된 환원제 전구체(103)는 혼합기(111)의 일단에 연통된 연결 챔버(113) 내부로 유입된다.
연결 챔버(113)는 혼합기(111)로부터 유입된 배기가스와 환원제 전구체(103)의 이동로를 제공한다. 특히, 연결 챔버(113) 내에는 분사 노즐(101)을 통해 분사된 환원제 전구체(103)의 분사 범위를 확장하는 분사 가이드(109)가 설치된다.
분사 가이드(109)는 연결 챔버(113)의 케이스와 이격되어 설치된다. 이에 따라, 분사 가이드(109)와 연결 챔버(113)의 케이스 사이의 공간을 통해 배기가스와 환원제 전구체(103)가 유동하여 배기가스와 환원제 전구체가 혼합될 수 있다. 분사 가이드(109)는 고정부재(121)를 통해 연결 챔버(113) 중앙부에 배치될 수 있다. 환원제 전구체(103)의 분사 범위를 확장하기 위한 분사 가이드(109)의 형태에 대해서는 도 2를 참조하여 후술하기로 한다.
반응기(115)는 환원제 전구체(103)로부터 전환된 환원제(예를 들어, 암모니아)와 배기가스에 함유된 질소산화물이 반응하여 질소 분자와 물로 변환되는 환경을 제공한다. 이러한 환경 제공을 위해 반응기(115) 내에는 촉매층(107)이 설치된다. 촉매층(107)은 촉매 기능을 지닌 물질을 분산시켜서 안정하게 담아 유지하는 촉매 담체일 수 있다. 이러한 촉매 담체는 촉매 기능 물질의 노출표면적이 커지도록 촉매 기능 물질을 고도로 분산시켜 담지하기 위해 다공성을 지니며 면적이 크다. 반응기(115)를 지난 배기가스는 2단 촉매층(131)에서 더 환원될 수 있다.
환원제 전구체(103)는 연결 챔버(113) 내부의 분사 가이드(109)를 통해 분사 범위가 확장된 상태로 반응기(115)에 유입되므로 고르게 분포할 수 있고, 배기가스와 효율적으로 혼합될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 분사 가이드의 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 분사 가이드(109)는 중심부에 유동홀(H)이 형성된 파이프 형태로 형성될 수 있다. 분사 가이드(109)의 파이프 내경(R1, R2)은 혼합기(111)로 유입된 환원제 전구체(103)의 분사 범위가 반응기(115) 측에서 확장될 수 있도록 혼합기(111) 측에서 반응기(115) 측으로 갈수록 커진다.
상술한 바와 같이 선택적 촉매 환원법(SCR: Selective Catalytic Reduction)을 이용하여 배기가스의 질소산화물을 저감하는 본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 처리장치는 한정된 레이아웃 내에서 연결 챔버(113) 내에 분사 가이드(109)를 추가 설치하여 환원제 전구체(103)의 분사 범위를 확장할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 환원제 전구체(103)의 분무 균일도를 향상시켜 배기가스와 환원제 전구체(103)로부터 생성된 환원제 간의 혼합 균일도를 향상시킴으로써 질소산화물을 효율적으로 저감할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 배기가스의 이동로를 제공하며 환원제 전구체(203)가 분사되는 혼합기(211), 혼합기(211)에 연통된 연결 챔버(213), 및 연결 챔버(213)에 연통되어 배기가스의 질소산화물을 질소 분자와 물로 변환시키는 반응기(215)를 포함한다.
혼합기(211)는 분사 노즐(201)로부터 분사된 환원제 전구체(203)와 엔진으로부터 배출된 고온의 배기가스가 혼합되는 공간을 제공한다. 혼합기(211)의 구체적 구성과, 분사 노즐(201)로부터 분사되는 환원제 전구체(203)에 대한 구체적인 설명은 도 1에서 상술한 바와 동일하다.
연결 챔버(213)로는 혼합기(211)로부터 유입된 배기가스와 환원제 전구체(203)가 유입된다. 연결 챔버(213)에 유입된 배기가스와 환원제 전구체(203)는 반응기(215)로 유입된다.
반응기(215) 내에는 반응기(215)의 케이스와 이격되어 촉매층(207)이 설치된다. 이에 따라, 반응기(215) 케이스와 촉매층(207) 사이에 유동 공간(217)이 정의된다. 이 유동 공간(217)을 통해 환원제 전구체(203)의 분사범위가 확장된다. 또한, 유동 공간(217)에서 배기가스와 환원제 전구체(203)가 유동하여 배기가스와 환원제 전구체가 혼합될 수 있다. 촉매층(207)은 도면에 도시되지 않은 고정부재를 통해 반응기(215)에 설치될 수 있다. 유동공간(217)을 지난 배기가스 내의 질소산화물은 유동공간이 따로 없는 2단 촉매층(231)에서 환원될 수 있다.
촉매층(207)은 환원제 전구체(203)로부터 전환된 환원제(예를 들어, 암모니아)와 배기가스에 함유된 질소산화물이 반응하여 질소 분자와 물로 변환될 수 있도록 돕는다. 촉매층(207)은 도 1에서 상술한 바와 같이 촉매 담체일 수 있다.
상술한 바와 같이 선택적 촉매 환원법을 이용하여 배기가스의 질소산화물을 저감하는 본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 처리장치는 한정된 레이아웃 내에서 반응기(215)의 케이스와 촉매층(207) 사이에 환원제 전구체(203)와 배기가스의 유동 공간(217)이 정의되도록 반응기(215) 내에 촉매층(207)을 설치한다. 이에 따라, 본 발명은 배기가스와 환원제 전구체(203)로부터 생성된 환원제 간의 혼합 균일도를 향상시킴으로써 질소산화물을 효율적으로 저감할 수 있다. 또한, 본 실시예는 환원제 전구체(203)가 환원제로 분해될 수 있는 충분한 거리를 제공하여 배기가스와 환원제를 효율적으로 반응시킬 수 있다.
이와 같이 본 실시예들은, 분사 노즐로부터 분사된 환원제 전구체의 분사 범위를 확장하여, 환원제와 배기가스의 혼합효율을 높임으로써 배기가스의 정화효율을 높일 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
101, 201: 분사 노즐 103, 203: 환원제 전구체
107, 207: 촉매층 109: 분사 가이드
121: 고정 부재 111, 211: 혼합기
113, 213: 연결 챔버 115, 215: 반응기
217: 유동 공간 131, 231: 2단 촉매층

Claims (6)

  1. 배기가스의 이동로를 제공하며, 내부에 상기 배기가스의 진행방향과 동일한 방향으로 환원제 전구체를 분사하는 분사 노즐이 설치된 혼합기;
    상기 혼합기와 연통되도록 설치되어 상기 배기가스와 상기 환원제 전구체의 이동로를 제공하는 연결 챔버;
    상기 연결 챔버 내에 설치되어 상기 분사 노즐을 통해 분사된 상기 환원제 전구체의 분사 범위를 확장하는 분사 가이드; 및
    상기 연결 챔버와 연통되도록 설치되며, 내부에 촉매층이 설치된 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 가이드는
    상기 혼합기 측에서 상기 반응기 측으로 갈수록 내경이 커지도록 형성된 배기가스 정화장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 가이드는
    상기 연결 챔버의 케이스와 이격되어 고정 부재를 통해 상기 연결 챔버 중앙에 설치된 배기가스 정화장치.
  4. 배기가스의 이동로를 제공하며, 내부에 상기 배기가스의 진행방향과 동일한 방향으로 환원제 전구체를 분사하는 분사 노즐이 설치된 혼합기;
    상기 혼합기와 연통되도록 설치되어 상기 배기가스와 상기 환원제 전구체의 이동로를 제공하는 연결 챔버;
    상기 연결 챔버와 연통되도록 설치된 반응기; 및
    상기 반응기의 케이스와 이격되어 상기 반응기 내부에 설치된 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 반응기의 케이스와 상기 촉매층 사이의 이격 공간은 상기 배기가스 및 상기 환원제 전구체의 유동공간을 제공하는 배기가스 정화장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유동공간을 지난 상기 배기가스가 환원되는 2단 촉매층을 더 포함하는 배기가스 정화장치.
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