KR20160009367A - 선택적 무촉매 환원 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 중의 질소산화물 제거를 위한 유효 반응온도를 확보 가능하며 처리 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 선택적 무촉매 환원 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 선택적 무촉매 환원 시스템은, 질소산화물 제거를 위한 환원제 공급장치(30); 상기 환원제 공급장치(30)로부터 엔진(2)의 연소실 측으로 연장되는 환원제 주입라인(32); 엔진(2)에 설치되어 환원제 주입 라인(32)으로부터 공급된 환원제를 연소실 내부에 분사하는 환원제 분사노즐(36)을 포함하여 이루어진다. 본 발명에 따르면, 환원제 분사노즐을 통해 엔진의 연소실 내부에 환원제를 직접 분사함으로써 유효 반응온도를 쉽게 충족할 수 있으며, 유효반응온도를 확보하거나 낮추기 위한 별도의 시설 없이 기존의 디젤 엔진에 선택적 무촉매 환원 시스템을 쉽게 적용할 수 있다.

Description

선택적 무촉매 환원 시스템{Selective Non-Catalytic Reduction System}
본 발명은 엔진 연소 후 배출되는 배기가스 중에 포함된 질소산화물을 제거하기 위한 선택적 무촉매 환원 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배기가스 중의 질소산화물 제거를 위한 유효 반응온도를 확보 가능하며 처리 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 선택적 무촉매 환원 시스템에 관한 것이다.
선박 추진용 디젤 엔진, 플랜트 발전용 디젤 엔진, 터빈 발전기 등에서 배출되는 배기가스 중의 질소산화물(NOx)을 선택적으로 제거하기 위한 시스템으로서, 선택적 촉매 환원 시스템(Selective Non-Catalytic Reduction(SCR) System)과 선택적 무촉매 환원 시스템(Selective Non-Catalytic Reduction(SNCR System)이 알려져 있다.
SCR 시스템은, 배기관의 도중에 촉매가 내장된 SCR 반응기(SCR Chamber)를 설치해 두고, 배기가스에 암모니아나 Urea(요소수(尿素水)) 등의 환원제를 분사하여 혼합시킨 후에 SCR 반응기 내의 촉매를 통과시켜서 질소산화물을 질소와 수증기로 환원시켜 제거하는 시스템이다.
SNCR 시스템은, 촉매와 SCR 반응기를 사용하지 않고 환원제를 고온에서 직접 배기가스에 분사하여 질소산화물을 질소와 수증기로 환원시켜 제거하는 시스템이다.
일반적으로 디젤 엔진에서는, 배기가스의 온도를 감안하여 운전온도가 낮고 처리 효율이 높은 SCR 시스템을 적용하였으나, SCR 반응기와 같은 부가 시설을 배치하여야 함으로써 공간 확보 문제와 주기적 촉매 교체에 따른 고비용이 문제시되고 있다.
이러한 SCR의 단점을 보완하기 위해 디젤 엔진에서 SNCR 적용을 위한 연구가 진행되고 있는데, SNCR에서는 유효 반응온도가 대략 850~1150℃로 높기 때문에, 환원제를 주입하기 위한 높은 온도를 유지하는 적절한 지점을 찾기 어렵다. 이에 따라 질소산화물을 제거하기 위해 유효 반응온도를 낮추는 방법이 제안되기도 하는데, 이 경우에는 환원제를 개질 하는 등의 별도의 시설을 갖추어야 하는 어려움이 있다.
예를 들어, 도 1은 일반적인 선박의 디젤 엔진에서 적용하는 SCR 시스템을 보인 것으로서, 엔진(2)의 배기 다기관(10)으로부터 연장된 배기관(20)을 나누어 터보차저(6)와 SCR 반응기(33)를 설치하여, 배기관(20)의 밸브(22)와 SCR 도입 및 출구라인(31, 34) 상의 밸브(32, 35)를 선택적으로 개폐함에 따라 배기가스가 SCR 반응기(33)를 경유하여 터보차저(6)로 들어가도록 하거나 SCR 반응기(33)를 거치지 않고 곧바로 터보차저(6)로 들어가도록 하고 있다. 도 1에서 미설명 부호 '4'는 '배기가스 리시버'이고, '6a'는 터보차저의 '터빈'이고, '6b'는 터보차저의 '압축기'이며, '8'은 '흡기 리시버'이다.
이와 같이 SCR 시스템에서는 SCR 반응기(33)를 배치하여야 함으로써, 그만큼 선적 공간이나 객실 공간을 희생하여야 하며, 엔진 설비가 구조적으로 복잡해지고 조립이나 유지보수를 위한 분해작업도 어려워진다.
또한, SCR 반응기에 의해 배기가스의 흐름이 방해받아 배압이 높아지고 출력이 떨어지는 등, 엔진성능에 좋지않은 영향을 주게 된다.
도 2는 일반적인 선박의 디젤 엔진에서 적용하는 SNCR 시스템을 보인 것으로서, 터보차저(6) 상류의 배기관(20)이나 하류의 배기관(22)에 환원제(25)를 주입한다.
그런데 이러한 배기관(20, 22)을 흐르는 배기가스의 온도는 대략 300~ 500℃ 부근으로서 유효반응온도에 훨씬 미치지 못하기 때문에, 유효반응온도를 확보하거나 낮추기 위한 별도의 시설을 마련하여야 한다.
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따라서, 본 발명은 SNCR 시스템을 적용하여 SCR 반응기와 같은 부가 장치를 배제하면서도 배기가스 중의 질소산화물 제거를 위한 유효 반응온도를 확보할 수 있으며 처리 효율도 향상시킬 수 있도록 하는 선택적 무촉매 환원 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 선택적 무촉매 환원 시스템은, 질소산화물 제거를 위한 환원제 공급장치(30); 상기 환원제 공급장치(30)로부터 엔진(2)의 연소실 측으로 연장되는 환원제 주입라인(32); 엔진(2)에 설치되어 환원제 주입 라인(32)으로부터 공급된 환원제를 연소실 내부에 분사하는 환원제 분사노즐(36)을 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 선택적 무촉매 환원 시스템에 있어서, 상기 환원제 분사노즐(36)은 엔진(2)의 연소실 내부에 환원제를 직접 분사하도록 설치할 수 있다.
또는, 상기 환원제 분사노즐(36)은 엔진(2)의 실린더 헤드의 흡기 포트 내부에 환원제를 분사하도록 설치할 수 있다.
본 발명에 따른 선택적 무촉매 환원 시스템에 있어서, 엔진(2)의 배기 측으로부터 연장되는 나온 배기관에 미반응 암모니아를 산화시켜 제거하기 위한 산화촉매반응기(40)를 설치하여도 좋다.
이 경우, 상기 산화촉매반응기(40)는 터보차저(6) 하류에 배치하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 선택적 무촉매 환원 시스템에 의하면, 환원제 분사노즐을 통해 엔진의 연소실 내부에 환원제를 직접 분사함으로써 유효 반응온도를 쉽게 충족할 수 있다.
또한, 그에 따라 유효반응온도를 확보하거나 낮추기 위한 별도의 시설 없이 기존의 디젤 엔진에 선택적 무촉매 환원 시스템을 쉽게 적용할 수 있다.
도 1은 종래 디젤 엔진의 SCR 시스템의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래 디젤 엔진의 SNCR 시스템의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 SNCR 시스템을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명에 따른 배기계의 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 3에서 도시한 엔진(10)은 2-행정 엔진을 일례로 설정하여 나타내었으나, 이는 하나의 예시일뿐 본 발명이 반드시 2-행정 엔진에만 적용되는 것은 아니며, 4-행정 엔진에도 동일하게 적용된다.
본 발명의 선택적 무촉매 환원 시스템은 엔진의 연소실 내에 환원제를 직접 분사하여 연소 가스가 가지는 고온 영역에서 환원제와 질소산화물의 반응이 일어나도록 함으로써 처리 효율을 높인 것이다.
즉, 질소산화물 제거를 위한 암모니아나 요소수와 같은 환원제를 공급하는 환원제 공급장치(30)로부터 엔진(2)을 향해 환원제 주입라인(32)이 연장되고, 상기 환원제 주입 라인(32)의 말단에는 엔진(2)의 연소실에 환원제를 직접 분사하기 위한 환원제 분사노즐(36)이 설치된다.
환원제 분사노즐(36)은, 노즐 구멍이 엔진(2)의 연소실 내부에 직접 노출되도록 설치함으로써 환원제를 연소실 내부에 직접 분사할 수 있다.
상기 환원제 주입 라인(32)에는 유량조절밸브(34)를 설치하여, 엔진의 운전 조건에 따라 환원제 분사노즐(36)에 공급되는 환원제의 양을 조절한다.
또는 분사노즐(36)의 노즐 구멍을 실린더 헤드의 흡기 포트에 노출되도록 설치하여 환원제를 흡기 포트 내부에 분사함으로써, 환원제가 흡기에 혼합되어 연소실로 들어가도록 할 수 있다.
환원제 분사노즐(36)을 엔진(2)의 연소실 내부에 직접 설치하는 경우에는, 폭발 후 배기 밸브가 열리기 직전에 환원제를 분사하는 것이 하나의 유용한 방법이 될 수 있다. 이 경우에는 환원제의 분사가 연소 조건에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
연소실의 연소 가스 온도는 보통 800℃ 이상을 유지하므로, 환원제 분사 노즐(36)을 통해 환원제를 연소실에 분사함으로써, 별도의 추가적인 수단 없이 유효 반응온도를 충족할 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 예에서, 엔진(2)의 배기 측으로부터 연장되는 나오는 배기관(20) 또는 배기관(22)에 산화촉매반응기(40)가 설치된다.
산화촉매반응기(40)는, 배기가스와 미처 반응하지 못하고 배출되는 암모니아를 다시 산화시켜 제거하는 촉매컨버터이다. 즉, 산화촉매반응기(40)는 암모니아 슬립(ammonia slip) 문제를 해결한다.
도 3에 도시된 실시예에 있어서, 엔진(2)의 배기 측으로부터 연장되는 나오는 제1 배기관(20)에 터보차저(6)가 설치되고, 터보차저(6)의 터빈(6a) 출구로부터 연장되는 제2 배기관(22) 상에 산화촉매반응기(40)가 설치된다.
터보차저(6)는, 제1 배기관(20)을 지나가는 배기가스의 유동 에너지에 의해 회전하는 터빈(6a)과, 터빈(6a)의 회전에 의해 공기를 압축하는 압축기(6b)로 이루어진다. 흡기는, 터보차저(6)의 압축기(6b)를 통해 압축된 후 엔진(2)으로 들어간다.
이처럼, 산화촉매반응기(40)를 터보차저(6)의 하류 측에 배치함으로써, 엔진(10)에 인접하여 배치되는 구성 요소들과 복잡하게 얽히는 것을 회피할 수 있다.
또한, 산화촉매반응기(40)를 터보차저(6) 하류 측에 설치하면, 배기가스의 흐름에 급격한 저항을 작용하는 것을 방지하는 한편, SCR 반응기(33)에 의해 터보차저(6)의 압축효율이 나빠지거나 엔진의 성능이 나빠지는 것을 최소화할 수 있다.
도 3에 도시된 실시예에 있어서, 제1 배기관(20)의 상류에는 배기가스 리시버(4)가 설치된 형태의 배기계가 도시되어 있다. 배기가스 리시버(4)는 엔진(2)의 실린더 헤드에 연결된 배기 다기관에 연결된다.
이것은 2-행정 디젤엔진의 경우를 하나의 예로서 도시한 것으로서, 배기가스 리시버(4) 없이 배기 다기관에 직접 제1 배기관(20)이 연장되는 형태의 배기계도 당연히 있다. 따라서, 배기가스 리시버(4)는 제1 배기관(20)에 포함되는 것으로 이해 되어야 한다.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.
2 : 엔진
4 : 배기가스 리시버
6 : 터보차저
6a : 터빈
6b : 압축기
8 : 흡기 리시버
10 : 배기 다기관
20 : 제1 배기관
22 : 제2 배기관
30 : 환원제 공급장치
32 : 환원제 주입라인
34 : 유량조절밸브
36 : 환원제 분사노즐
40 : 산화촉매반응기

Claims (5)

  1. 질소산화물 제거를 위한 환원제 공급장치(30);
    상기 환원제 공급장치(30)로부터 엔진(2)의 연소실 측으로 연장되는 환원제 주입라인(32);
    엔진(2)에 설치되어 환원제 주입 라인(32)으로부터 공급된 환원제를 연소실 내부에 분사하는 환원제 분사노즐(36)을 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 무촉매 환원 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 환원제 분사노즐(36)은 엔진(2)의 연소실 내부에 환원제를 직접 분사하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 선택적 무촉매 환원 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 환원제 분사노즐(36)은 엔진(2)의 실린더 헤드의 흡기 포트 내부에 환원제를 분사하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 선택적 무촉매 환원 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    엔진(2)의 배기 측으로부터 연장되는 나온 배기관에 미반응 암모니아를 산화시켜 제거하기 위한 산화촉매반응기(40)가 설치되는 것을 특징으로 하는 선택적 무촉매 환원 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 산화촉매반응기(40)는 터보차저(6) 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는 선택적 무촉매 환원 시스템.
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