KR20160109978A - 저압 scr 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진 터보차저(Turbo Charger)의 후단에 설치되어 엔진 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거하는 저압 SCR 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 주엔진 터보차저의 후단에 SCR 반응기를 설치하여, SCR 반응기에 의해 주엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하는 저압 SCR 시스템으로서, 보조엔진으로부터의 배기가스의 열을 공기에 열 교환하여 전달하여서 공기를 가열시켜 가열 공기를 생성하는 에어 히터(Air Heater); 상기 에어 히터로부터 인가되는 가열공기를 연소공기로서 사용하여 연료를 연소시켜 가열된 공기를 상기 혼합기에 인가하여 상기 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기의 반응 가능 온도로 상승시키는 제1 버너와; 상기 에어 히터로부터 인가되는 가열공기를 연소공기로서 사용하여 연료를 연소시켜 상기 우레아 가수분해장치에서 우레아를 암모니아로 분해함에 소요되는 열을 발생하는 제2 버너를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저압 SCR 시스템을 제공한다.
본 발명에 의하면, 엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기에서의 반응 가능 온도로 상승시킴과 아울러 우레아 가수분해 장치에 의해 우레아로부터 분해한 암모니아를 환원제로서 엔진 배기가스와 혼합하여 SCR 반응기에 유입시켜서 SCR 반응기에 의해 엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하는 경우에, 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기에서의 반응 가능 온도로 상승시키기는 용도로 사용되는 버너와, 우레아에 열을 가하여 우레아를 암모니아로 분해하기 위한 우레아 가수분해장치에서 우레아에 열을 가하는 용도로 사용되는 버너에, 보조엔진의 고온 배기가스로부터 회수한 열에 의해 가열한 가열공기를 공급함으로써, 버너 연료 소모를 감소시켜 경제성을 향상시키게 된다.

Description

저압 SCR 시스템{Low Pressure Selective Catalytic Reduction System}
본 발명은 엔진 터보차저(Turbo Charger)의 후단에 설치되어 엔진 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거하는 저압 SCR 시스템에 관한 것으로, 특히 엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기에서의 반응 가능 온도로 상승시킴과 아울러 우레아 가수분해 장치에 의해 우레아로부터 분해한 암모니아를 환원제로서 엔진 배기가스와 혼합하여 SCR 반응기에 유입시켜서 SCR 반응기에 의해 엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하는 경우에, 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기에서의 반응 가능 온도로 상승시키기는 용도로 사용되는 버너와, 우레아에 열을 가하여 우레아를 암모니아로 분해하기 위한 우레아 가수분해장치에서 우레아에 열을 가하는 용도로 사용되는 버너에, 보조엔진의 고온 배기가스로부터 회수한 열에 의해 가열한 가열공기(hot air)를 공급함으로써, 버너 연료 소모를 감소시켜 경제성을 향상시키도록 하는 저압 SCR 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 선박에 사용되는 디젤 엔진에서 배출되는 배기가스 중 질소산화물과 황산화물은 국제연합(UN)의 산하기관인 IMO(International Maritime Organization, 국제 해사기구)로부터 배출규제를 받고 있는 대표적인 대기 오염물질들이다.
질소산화물은 NO, NO2, NO3, N2O, N2O3, N2O4, N2O5를 통칭하지만 대부분의 질소산화물은 NO와 NO2이다. 황산화물은 석탄과 석유와 같은 연료에 포함된 황성분이 연소과정에서 산화된 것으로 주로 SO2이다.
질소산화물은, 고온 영역에서 공기 중 질소와 산소가 반응하여 생성되는 Thermal NOx, 연료에서 발생되는 탄화수소가 공기 중의 질소와 반응하여 생성되는 Prompt NOx, 연료에 포함된 질소성분이 연소과정에서 산화되어 생성된 Fuel NOx로 구분된다.
화석연료의 연소반응으로 생성된 질소산화물을 제거하기 위하여 SCR 시스템이 이용되고 있다. SCR 시스템은 환원제와 혼합된 배기가스를 SCR 반응기에 설치된 촉매층으로 통과시켜 질소산화물을 질소(N2)와 물(H2O)로 환원시키는데, 암모니아 (NH3)를 환원제로 사용하게 된다. 하지만, 암모니아는 부식성과 안전성 문제 등으로 저장과 사용이 어렵기 때문에 암모니아의 대체품으로 암모니아를 생성 할 수 있는 우레아를 사용한다.
엔진 터보차저의 후단에 SCR 반응기를 장착하여 SCR 반응기에 의해 엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하는 저압 SCR 시스템에서는 엔진 배기가스를 SCR 반응기에 인가하여 엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하기 위해 엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기에서 반응 가능한 온도로 상승시킬 필요가 있으며, 이를 위하여 배기가스온도 상승용 버너(Burner)에 의해 생성된 열로 엔진 배기가스를 가열해야 하므로, 배기가스온도 상승용 버너의 연료 소모가 많아 경제성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 상술한 저압 SCR 시스템에서는 우레아 가수분해 장치에 의하여 우레아를 암모니아로 분해하여 해당 암모니아를 가열된 엔진 배기가스와 함께 환원제로서 SCR 반응기에 인가하여, SCR 반응기에서 암모니아를 환원제로 사용하여 엔진 배기가스의 질소산화물을 질소(N2)와 물(H2O)로 환원시켜서 정화하여 배출케 하는데, 이를 위해서는 우레아 가수분해 장치에서 열을 가하여 우레아를 암모니아로 분해할 필요가 있으며, 우레아 가수분해장치는 자체의 우레아 분해용 버너에 의해 우레아에 열을 가하여 암모니아로 분해하므로, 암모니아 분해시에 우레아 분해용 버너의 연료 소모가 많아 경제성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기에서의 반응 가능 온도로 상승시킴과 아울러 우레아 가수분해 장치에 의해 우레아로부터 분해한 암모니아를 환원제로서 엔진 배기가스와 혼합하여 SCR 반응기에 유입시켜서 SCR 반응기에 의해 엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하는 경우에, 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기에서의 반응 가능 온도로 상승시키기는 용도로 사용되는 버너와, 우레아에 열을 가하여 우레아를 암모니아로 분해하기 위한 우레아 가수분해장치에서 우레아에 열을 가하는 용도로 사용되는 버너에, 보조엔진의 고온 배기가스로부터 회수한 열에 의해 가열한 가열공기(hot air)를 공급함으로써, 버너 연료 소모를 감소시켜 경제성을 향상시키도록 하는 저압 SCR 시스템을 제공함에 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템은, 주엔진 터보차저의 후단에 SCR 반응기를 설치하여, SCR 반응기에 의해 주엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하는 저압 SCR 시스템으로서, 보조엔진으로부터의 배기가스의 열을 공기에 열 교환하여 전달하여서 공기를 가열시켜 가열 공기를 생성하는 에어 히터(Air Heater); 상기 에어 히터로부터 인가되는 가열공기를 연소공기로서 사용하여 연료를 연소시켜 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기의 반응 가능 온도로 상승시키는 제1 버너와; 상기 에어 히터로부터 인가되는 가열공기를 연소공기로서 사용하여 연료를 연소시켜 우레아를 암모니아로 분해함에 소요되는 열을 발생하는 제2 버너를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템에 의하면, 상기 에어 히터로부터 제1 및 제2 버너에 인가되는 가열공기의 온도를 검출하는 가열공기 온도 검출용 온도센서를 더 포함한다.
그리고, 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템에 의하면, 상기 가열공기 온도 검출용 온도센서에 의해 검출된 가열공기의 온도에 대응하여 연료공급량을 조절하기 위한 제어신호를 상기 제1 및 제2 버너에 인가하여 연료공급량을 조절해서 해당 버너에 의해 연료를 연소시키는 제어기를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템에 의하면, 상기 제1 및 제2 버너는 제어기로부터의 제어신호에 따라 연소시키는 연료 공급량을 조절하기 위한 연료조절기를 구비한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템에 의하면, 우레아 가수분해장치의 우레아 분해 챔버에 설치되어 우레아 분해 챔버의 내부 온도를 검출하는 내부온도 검출용 온도센서를 더 포함한다.
아울러, 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템에 의하면, 제어기가 우레아 가수분해장치의 우레아 분해 챔버에 주엔진 배기가스가 인가되는 상태에서 상기 내부온도 검출용 온도센서를 통해 우레아 분해 챔버의 내부 온도를 파악하고, 가열공기 온도 검출용 온도센서에 의해 검출한 상기 가열 공기의 온도에 추가하여, 상기 우레아 분해 챔버 내부의 온도를 반영하여서, 상기 제2 버너의 연료 공급량을 조절하여 제2 버너에 의해 연료를 연소시킨다.
한편, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템은, 주엔진 터보차저의 후단에 SCR 반응기를 설치하여, SCR 반응기에 의해 주엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하는 저압 SCR 시스템으로서, 보조엔진으로부터 인가되는 배기가스의 열을 물에 열 교환하여 얻어지는 뜨거운 물(Hot Water)이나 스팀(Steam)을 배관을 통해 출력하는 폐열회수기와; 상기 폐열회수기로부터 인가되는 뜨거운 물이나 스팀에 의해 공기를 가열하여서 가열공기를 생성하는 스팀코일 에어히터(Staem Coil Air Heater)와; 상기 스팀코일 에어히터로부터 인가되는 가열공기를 연소공기로서 사용하여 연료를 연소시켜 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기의 반응 가능 온도로 상승시키는 제1 버너와; 상기 스팀코일 에어히터로부터 인가되는 가열공기를 연소공기로서 사용하여 연료를 연소시켜 우레아를 암모니아로 분해함에 소요되는 열을 발생하는 제2 버너를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템에 의하면, 상기 스팀코일 에어히터로부터 제1 및 제2 버너에 인가되는 가열공기의 온도를 검출하는 가열공기 온도 검출용 온도센서를 더 포함한다.
그리고, 본 발명의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템에 의하면, 상기 가열공기 온도 검출용 온도센서에 의해 검출된 가열공기의 온도에 대응하여 연료공급량을 조절하기 위한 제어신호를 상기 제1 및 제2 버너에 인가하여 연료공급량을 조절해서 해당 버너에 의해 연료를 연소시키는 제어기를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템에 의하면, 상기 제1 및 제2 버너는 제어기로부터의 제어신호에 따라 연소시키는 연료 공급량을 조절하기 위한 연료조절기를 구비한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템에 의하면, 우레아 가수분해장치의 우레아 분해 챔버에 설치되어 우레아 분해 챔버의 내부 온도를 검출하는 내부온도 검출용 온도센서를 더 포함한다.
아울러, 본 발명의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템에 의하면, 제어기가 상기 우레아 가수분해장치의 우레아 분해 챔버에 주엔진 배기가스가 인가되는 상태에서 상기 내부온도 검출용 온도센서를 통해 우레아 분해 챔버 내부의 온도를 파악하고, 가열공기 온도 검출용 온도센서에 의해 검출한 상기 가열 공기의 온도에 추가하여, 상기 우레아 분해 챔버 내부의 온도를 반영하여서, 상기 제2 버너의 연료 공급량을 조절하여 제2 버너에 의해 연료를 연소시킨다.
본 발명에 의하면, 엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기에서의 반응 가능 온도로 상승시킴과 아울러 우레아 가수분해 장치에 의해 우레아로부터 분해한 암모니아를 환원제로서 엔진 배기가스와 혼합하여 SCR 반응기에 유입시켜서 SCR 반응기에 의해 엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하는 경우에, 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기에서의 반응 가능 온도로 상승시키기는 용도로 사용되는 버너와, 우레아에 열을 가하여 우레아를 암모니아로 분해하기 위한 우레아 가수분해장치에서 우레아에 열을 가하는 용도로 사용되는 버너에, 보조엔진의 고온 배기가스로부터 회수한 열에 의해 가열한 가열공기를 공급함으로써, 버너 연료 소모를 감소시켜 경제성을 향상시키게 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템을 예시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템을 예시한 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 저압 SCR 시스템에서의 버너 구동을 설명하기 위하여 예시한 흐름도이다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 하나의 실시예로서 설명하는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
본 발명은 엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기에서의 반응 가능 온도로 상승시킴과 아울러 우레아 가수분해 장치에 의해 우레아로부터 분해한 암모니아를 환원제로서 엔진 배기가스와 혼합하여 SCR 반응기에 유입시켜서 SCR 반응기에 의해 엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하는 경우에, 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기에서의 반응 가능 온도로 상승시키기는 용도로 사용되는 버너와, 우레아에 열을 가하여 우레아를 암모니아로 분해하기 위한 우레아 가수분해장치에서 우레아에 열을 가하는 용도로 사용되는 버너에, 보조엔진의 고온 배기가스로부터 회수한 열에 의해 가열한 가열공기를 공급함으로써, 버너 연료 소모를 감소시켜 경제성을 향상시키도록 구현된다.
이와 같이 구현하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템은, 도 1에 예시된 바와 같이, SCR 반응기(20), 혼합기(30), 배기가스온도 상승용 버너(40), 우레아 가수분해장치(50), 에어 히터(Air Heater)(70), 온도센서(85), 블로워(blower)(90) 및 제어기(100)를 구비하여 이루어진다.
혼합기(30)는 선박의 추진력을 발생하는 주엔진(10)의 배기가스를 인가받되 주엔진 배기가스를 배기가스 리시버(11)와 터보차저(15)의 터빈(15-1)을 통해 인가받음과 아울러 버너(40)를 통해 가열된 공기를 인가받아서 해당 주엔진 배기가스와 버너(40)로부터의 가열 공기를 혼합하여 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기(20)에서의 반응 가능 온도로 상승시키고, 그와 함께 우레아 가수분해장치(50)로부터 인가되는 암모니아를 해당 주엔진 배기가스와 혼합하여 SCR 반응기(20)에 유입시킴으로써, SCR 반응기(20)에 의해 주엔진 배기가스의 질소산화물을 제거케 한다.
SCR 반응기(20)는 주엔진(10)에 대해 압축 흡기를 제공하는 터보차저(15)의 후단에 설치된다. 터보차저(15)는 터빈(15-1)과 압축기(15-2)로 이루어진다. 터빈(15-1)은 주엔진(10) 배기가스의 유동 에너지를 이용하여 구동되어서 압축기(15-2)를 구동하고, 압축기(15-2)는 터빈(15-1)의 구동에 의해 흡기를 압축하여서 주엔진(10)으로 공급함으로써 주엔진(10)의 출력을 증가시킨다. 그리고, 배기가스 리시버(11)는 주엔진(10)의 배기 다기관의 출구에 설치되어 배기가스를 저장하고 해당 배기가스를 터빈(15-1)에 인가함과 아울러 밸브(V3)를 통해 혼합기(30) 측으로 배출하며, 흡기 리시버(12)는 압축기(15-2)에 의해 압축된 흡기를 저장하였다가 흡기관을 통해 주엔진(10)에 인가하여서 주엔진(10)의 출력을 증강한다.
혼합기(30)는 배기가스 리시버(11)로부터 배출된 주엔진 배기가스와 터보차저(15)의 터빈(15-1)으로부터 배출된 주엔진 배기가스를 인가받음과 아울러 버너(40)에 의해 가열된 공기를 인가받아 해당 주엔진 배기가스와 가열 공기를 혼합함으로써 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기(20)에서의 반응 가능 온도로 증가시킨다.
그와 함께, 혼합기(30)는 우레아 가수분해장치(50)로부터 인가되는 암모니아를 해당 온도 증가된 주엔진 배기가스와 혼합하여 SCR 반응기(20)에 공급함으로써. SCR 반응기(30)에서 암모니아를 환원제로 이용하여 주엔진 배기가스의 질소산화물을 제거케 한다.
우레아 가수분해장치(50)는 자체에 우레아 분해 챔버(50-1), 버너(50-2) 및 우레아 분사노즐(50-3)을 구비하는데, 우레아 수용액을 우레아 분사노즐(50-3)에 의해 무화시켜 우레아 분해 챔버(50-1)에 분사하고, 버너(50-2)에 의해 연료를 연소시켜 발생한 열에 의해 우레아를 암모니아로 분해시켜 암모니아를 환원제로서 혼합기(30)에 인가한다.
우레아 가수분해장치(50)는 버너(50-2)의 연료 소모를 감소시키기 위하여 주엔진(10)의 배기가스와 전력 생산용 동력을 발생하는 보조엔진(60)의 고온 배기가스를 이용한다. 배기가스 리시버(11)와 터보차저(15)의 터빈(15-1)으로부터 혼합기(30)에 인가되는 주엔진 배기가스를 분기하여 블로워(90)에 의해 유입시켜 우레아 가수분해장치(50)의 우레아 분해 챔버(50-1)에 인가하여서, 우레아 가수분해장치(50)에서 주엔진 배기가스의 열을 우레아를 암모니아로 분해하는데 이용케 한다.
그리고, 에어 히터(70)에 의해 보조엔진(60)으로부터의 고온 배기가스의 열을 공기에 열 교환하여 전달하여서 공기를 가열하고 해당 가열 공기(Hot Air)를 우레아 가수분해장치(50)의 버너(50-2)에 연소공기로서 공급함으로써 버너(50-2)의 연료 소모를 절감한다.
버너(50-2)는 우레아 가수분해장치(50)에서 우레아를 암모니아로 분해함에 소요되는 열을 발생하는데, 에어 히터(70)로부터 열 교환에 의해 가열되어 인가되는 가열공기를 연소공기로서 사용하여 연료를 연소시킴으로써 우레아를 암모니아로 분해함에 소요되는 열을 발생한다.
우레아 가수분해장치(50)의 버너(50-2)는 제어기(100)의 제어에 따라 에어 히터(70)로부터의 가열 공기의 온도에 대응하여 연료공급량을 조절하여서 연료를 연소시킴으로써 연료 소모를 감소시킨다. 버너(50-2)는 에어 히터(70)로부터 인가되는 가열 공기의 온도가 높은 경우에는 연료 공급량을 감소시켜 연료를 연소시키고, 에어 히터(70)로부터 인가되는 가열 공기의 온도가 낮은 경우에는 연료 공급량을 증가시켜 연료를 연소시킴으로써, 버너(50-2)의 연료 소모를 감소시킨다.
아울러, 우레아 가수분해장치(50)는 주엔진(10)의 배기가스를 우레아 분해 챔버(50-1)에 인가받아서 주엔진 배기가스의 열을 우레아 분해 챔버(50-1)에 인가하는 상태에서 주엔진 배기가스의 열로 인한 우레아 분해 챔버(50-1)의 온도를 반영하여 버너(50-2)의 연료 연소를 제어하면 버너(50-2)의 연료 소모를 더욱 감소시키게 된다. 이때는, 제어기(100)가 우레아 분해 챔버(50-1)의 내부에 설치된 온도센서(50-4)를 통해 우레아 분해 챔버(50-1) 내부의 온도를 파악하고, 상기 에어 히터(70)로부터 인가되는 가열 공기의 온도에 추가하여, 우레아 분해 챔버(50-1) 내부의 온도를 반영하여서, 버너(50-2)의 연료 공급량을 조절하여 버너(50-2)를 가열함으로써, 버너(50-2)의 연료 소모를 더욱 감소시킬 수 있다.
우레아 가수분해장치(50)의 버너(50-2)는 제어기(100)로부터의 제어신호에 따라 연료 공급량을 조절하기 위한 연료조절기를 구비하여서, 제어기(100)로부터의 제어신호에 따라 연료조절기에 의해 연료 공급량을 조절하여 연료를 연소시킴으로써 연료 소모를 조절하도록 이루어진다.
그리고, 에어 히터(70)에 의해 보조엔진(60)으로부터의 고온 배기가스의 열을 공기에 열 교환하여 전달하여서 공기를 가열하고 해당 가열 공기(Hot Air)를 배기가스온도 상승용의 버너(40)에 연소공기로서 공급함으로써 버너(40)의 연료 소모를 절감한다.
버너(40)는 SCR 반응기(20)에 유입되는 주엔진(10) 배기가스의 온도를 SCR 반응기(20)에서 반응 가능한 온도로 상승시키기 위하여 공기를 가열하여 혼합기(30)에 인가하는데, 에어 히터(70)로부터 열 교환에 의해 가열되어 인가되는 가열공기를 연소공기로서 사용하여 연료를 연소시킴으로써 가열된 공기를 혼합기(30)에 인가한다.
버너(40)는 제어기(100)의 제어에 따라 에어 히터(70)로부터의 가열공기의 온도에 대응하여 연료공급량을 조절하여서 연료를 연소시킴으로써 연료 소모를 감소시킨다. 버너(40)는 에어 히터(70)로부터 인가되는 가열공기의 온도가 높은 경우에는 연료 공급량을 감소시켜 연료를 연소시키고, 에어 히터(70)로부터 인가되는 가열공기의 온도가 낮은 경우에는 연료 공급량을 증가시켜 연료를 연소시킴으로써, 연료 소모를 감소시킨다.
버너(40)는 제어기(100)로부터의 제어신호에 따라 연료 공급량을 조절하기 위한 연료조절기를 구비하여서, 제어기(100)로부터의 제어신호에 따라 연료조절기에 의해 연료 공급량을 조절하여 연료를 연소시킴으로써 연료 소모를 조절하도록 이루어진다.
또한, 제어기(100)는 연료 소모를 감소시키도록 버너(40),(50-2)의 연료 연소를 제어한다. 제어기(100)는 에어 히터(70)로부터 버너(40),(50-2)에 연소공기로서 인가되는 가열공기의 온도를 온도센서(85)에 의해 검출하고, 해당 가열공기의 온도(HS)에 대응하여 연료공급량을 조절하기 위한 제어신호(CS)를 버너(40),(50-2)에 인가하여 버너(40),(50-2)의 연소를 제어함으로써 버너(40),(50-2)의 연료 소모를 감소시킨다.
제어기(100)는 에어 히터(70)로부터 버너(40),(50-2)에 인가되는 가열공기의 온도가 높은 경우에는 연료 공급량을 감소시켜 연료를 연소하도록 버너(40),(50-2)의 연소를 제어하고, 에어 히터(70)로부터 인가되는 가열공기의 온도가 낮은 경우에는 연료 공급량을 증가시켜 연료를 연소하도록 버너(40),(50-2)의 연소를 제어하여서, 버너(40),(50-2)의 연료 소모를 감소케 한다.
아울러, 제어기(100)는 우레아 가수분해장치(50)의 버너(50-2)의 연소를 제어함에 있어서, 우레아 분해 챔버(50-1)에 인가된 주엔진 배기가스의 온도를 추가로 반영하여 버너(50-2)의 연소를 제어할 수도 있다. 제어기(100)는 우레아 분해 챔버(50-1)의 내부에 설치된 온도센서(50-4)를 통해 우레아 분해 챔버(50-1) 내부의 온도를 파악하고, 온도센서(85)에 의해 검출한 에어 히터(70)로부터 버너(50-2)에 인가되는 가열 공기의 온도에 추가하여, 우레아 분해 챔버(50-1) 내부의 온도를 반영하여서, 버너(50-2)의 연료 공급량을 조절하여 버너(50-2)를 가열함으로써, 버너(50-2)의 연료 소모를 더욱 감소시키게 한다.
이처럼 제어기(100)가 우레아 분해 챔버(50-1)의 온도를 추가로 반영하여 버너(50-2)의 연소를 제어하는 경우, 우레아 분해 챔버(50-1)의 내부 온도가 우레아를 암모니아로 분해함에 소요되는 온도로 유지되도록 버너(50-2)의 연소를 제어하면 되는데, 이와 같이 주엔진 배기가스의 열에 의한 우레아 분해 챔버(50-1)의 온도와 에어 히터(70)로부터 버너(50-2)에 연소공기로서 인가되는 가열공기의 온도를 함께 반영하여 연료 공급량을 조절시켜 연료를 연소하도록 버너(50-2)의 연소를 제어하므로, 버너(50-2)의 연료 소모 절감을 배가할 수 있다.
또한, 상술한 설명에서는 제어기(100)가 배기가스온도 상승용 버너(40)와 우레아 분해용 버너(50-2)를 제어하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 제어기(100)는 우레아 분사노즐(50-4)을 통한 우레아 분해 챔버(50-1)로의 우레아 분사를 제어하고, 블로워(90)의 구동을 제어하고, 밸브(V1~V7)의 개폐를 제어할 수도 있다. 제어기(100)가 우레아 분사노즐(50-4)을 통해 우레아 분해 챔버(50-1)로의 우레아 분사를 제어하는 경우 우레아 주입펌프(도시하지 않음)와 우레아 주입밸브(도시하지 않음)의 구동을 제어함으로써 우레아 분사를 제어한다.
도 1에서, 밸브(V1)는 혼합기(30)로의 배기가스 유입을 단속하고, 밸브(V3)는 배기가스 리시버(11)로부터의 배기가스 배출을 단속하고, 밸브(V2)는 필요시에 혼합기(30)와 SCR 반응기(20)를 거치지 않고 우회하여 배기가스를 직접 배출하도록 단속하고, 밸브(V4)는 블로워(90)로의 배기가스 유입을 단속하고, 밸브(V5)는 필요시에 SCR 반응기(20)의 배기가스 배출구를 단속하고, 밸브(V6)은 필요시에 에어 히터(70)로부터 버너(40)로의 가열공기의 유입을 단속하고, 밸브(V7)은 필요시에 에어 히터(70)로부터 버너(50-2)로의 가열공기의 유입을 단속한다. 아울러, 폐열회수기(95)는 주엔진(10)의 배기가스를 혼합기(30)와 SCR 반응기(20)를 거치지 않고 우회하여 직접 배출하는 경우에 주엔진 배기가스의 열을 회수하여 열 사용처에 제공하기 위한 용도로 사용된다.
상술한 바와 같은 기능을 구비하는 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템은 주엔진(10) 배기가스의 질소산화물을 처리하는 경우에 도 3의 흐름도와 같이 작용하여 버너(40),(50-2)의 가열을 제어한다.
SCR 반응기(20)에 의해 주엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하는 처리를 진행하는 경우, 주엔진(10)의 배기가스가 배기가스 리시버(11)와 터보차저(15)의 터빈(15-1)을 통해 혼합기(30)에 인가됨과 아울러 가열된 공기가 버너(40)로부터 혼합기(30)에 인가되어서, 혼합기(30)가 해당 주엔진 배기가스와 버너(40)로부터의 가열 공기를 혼합하여 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기(20)에서의 반응 가능 온도로 상승시키고, 그와 함께 우레아 가수분해장치(50)로부터 인가되는 암모니아를 해당 주엔진 배기가스와 혼합하여 SCR 반응기(20)에 환원제로 유입시킴으로써, SCR 반응기(20)에 의해 주엔진 배기가스의 질소산화물을 제거한다.
이처럼 SCR 반응기(20)에 의해 주엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하는 처리를 진행하는 경우, 제어기(100)는 우레아 분사노즐(50-3)을 통해 우레아 분해 챔버(50-1)에 우레아 수용액을 무화시켜 분사하면서, 버너(50-2)에 의해 연료를 연소시켜 열을 발생하여 우레아 분해 챔버(50-1)의 우레아를 암모니아로 분해시킴과 아울러 버너(40)에 의해 연료를 연소시켜 공기를 가열하여 혼합기(30)에 인가하여서 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기(20)에서의 반응 가능 온도로 상승시킨다.
이때, 제어기(100)는 에어 히터(70)로부터 버너(40),(50-2)에 연소공기로서 인가되는 가열공기의 온도를 온도센서(85)에 의해 검출한다(S110).
제어기(100)는 온도센서(85)에 의해 검출된 가열공기의 온도(HS)에 대응하여 버너(40),(50-2)에 대한 연료 공급량을 산정하고(S120), 해당 산정된 연료 공급량에 의거하여 연료 공급량을 조절하기 위한 제어신호(CS)를 버너(40),(50-2)에 인가함으로써 연료 공급량을 조절하여 연소하도록 버너(40),(50-2)의 연소를 제어하여서 버너(40),(50-2)에 의해 발열한다(S130).
S130에서, 제어기(100)는 에어 히터(70)로부터 버너(40),(50-2)에 연소공기로서 인가되는 가열공기의 온도가 높은 경우에는 연료 공급량을 감소시켜 연료를 연소하도록 버너(40),(50-2)의 연소를 제어하고, 에어 히터(70)로부터 버너(40),(50-2)에 연소공기로서 인가되는 가열공기의 온도가 낮은 경우에는 연료 공급량을 증가시켜 연료를 연소하도록 버너(40),(50-2)의 연소를 제어함으로, 버너(40),(50-2)의 연료 소모를 감소시킨다.
그 후, 제어기(100)는 상술한 S130의 처리를 진행한 후에 사용자로부터의 구동 종료 지시가 입력되었는지의 여부를 확인하고(S140), 사용자로부터의 구동 종료 지시가 입력되지 않았으면 상기 S110으로 귀환하여 상술한 처리를 반복 수행하고, 사용자로부터 구동 종료 지시가 입력되었으면 구동 종료한다.
또한, 제어기(100)는 상술한 바와 같이 우레아 가수분해장치(50)의 버너(50-2)의 연소를 제어함에 있어서, 우레아 분해 챔버(50-1)에 인가된 주엔진 배기가스의 온도를 추가로 반영하여 버너(50-2)의 연소를 제어할 수도 있다. 이때, 제어기(100)는 우레아 분해 챔버(50-1)의 내부에 설치된 온도센서(50-4)를 통해 우레아 분해 챔버(50-1) 내부의 온도를 파악하고, 온도센서(85)에 의해 검출한 에어 히터(70)로부터 버너(50-2)에 인가되는 가열 공기의 온도에 추가하여, 우레아 분해 챔버(50-1) 내부의 온도를 반영하여서, 버너(50-2)의 연료 공급량을 조절하여 버너(50-2)를 가열함으로써, 버너(50-2)의 연료 소모를 더욱 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템은, 도 2에 예시된 바와 같이, SCR 반응기(20), 혼합기(30), 배기가스온도 상승용 버너(40), 우레아 가수분해장치(50), 폐열회수기(Waste Heat Recovery Unit)(75), 스팀코일 에어히터(Steam Coil Heater)(80), 온도센서(85), 블로워(blower)(90) 및 제어기(100)를 구비하여 이루어진다.
도면 도 2의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 구성요소 중에서 도면 도 1과 동일한 도시부호를 갖는 구성요소는 제1 실시예에서 설명한 바와 마찬가지로 동일한 기능을 구비하므로, 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 한다.
제2 실시예의 저압 SCR 시스템이 제1 실시예의 저압 SCR 시스템과 다른 점은, 보조엔진(60)의 고온 배기가스로부터 열을 회수하는 방식이 상이한 점에 있다.
제2 실시예의 저압 SCR 시스템에서는 폐열회수기(75)와 스팀코일 에어히터(80)에 의해 보조엔진(60)의 고온 배기가스의 열을 회수하여 버너(40),(50-2)에 연소공기로서 공급하기 위한 가열공기를 생성한다.
폐열회수기(75)는 보조엔진(60)으로부터 인가되는 고온 배기가스의 열을 물에 열 교환하여 얻어지는 뜨거운 물(Hot Water)이나 스팀(Steam)을 배관을 통해 스팀코일 에어히터(80)에 인가한다. 스팀코일 에어히터(80)는 폐열회수기(75)로부터 인가되는 뜨거운 물이나 스팀에 의해 공기를 가열하여서 얻어지는 가열공기(Hot Air)를 버너(40),(50-2)에 연소공기로서 인가한다.
이에, 버너(40), (50-2)는 스팀코일 에어히터(80)로부터 인가되는 가열공기를 연소공기로서 사용하여 연료를 연소시킴으로써 연료 소모를 절감한다.
상술한 바와 마찬가지로, 버너(40), (50-2)는 제어기(100)의 제어에 따라 가열공기의 온도에 대응하여 연료공급량을 조절하여서 연료를 연소시킴으로써 연료 소모를 감소시킨다. 제어기(100)는 스팀코일 에어히터(80)로부터 버너(40),(50-2)에 인가되는 가열공기의 온도를 온도센서(85)를 통해 파악하여 버너(40),(50-2)의 연료 연소를 제어하는데, 스팀코일 에어히터(80)로부터 인가되는 가열공기의 온도가 높은 경우에는 연료 공급량을 감소시켜 연료를 연소시키고, 스팀코일 에어히터(80)로부터 인가되는 가열공기의 온도가 낮은 경우에는 연료 공급량을 증가시켜 연료를 연소시키도록 버너(40),(50-2)를 제어함으로써, 버너(40),(50-2)의 연료 소모를 감소시킨다.
또한, 버너(40),(50-2)는 제어기(100)로부터의 제어신호에 따라 연료 공급량을 조절하기 위한 연료조절기를 구비하여서, 제어기(100)로부터의 제어신호에 따라 연료조절기에 의해 연료 공급량을 조절하여 연료를 연소시킴으로써 연료 소모를 조절한다.
아울러, 제어기(100)는 상술한 바와 같이 우레아 가수분해장치(50)의 버너(50-2)의 연소를 제어함에 있어서, 우레아 분해 챔버(50-1)에 인가된 주엔진 배기가스의 온도를 추가로 반영하여 버너(50-2)의 연소를 제어할 수도 있다. 제어기(100)는 우레아 분해 챔버(50-1)의 내부에 설치된 온도센서(50-4)를 통해 우레아 분해 챔버(50-1) 내부의 온도를 파악하고, 온도센서(85)에 의해 검출한 스팀코일 에어히터(80)로부터 버너(50-2)에 인가되는 가열 공기의 온도에 추가하여, 우레아 분해 챔버(50-1) 내부의 온도를 반영하여서, 버너(50-2)의 연료 공급량을 조절하여 버너(50-2)를 가열함으로써, 버너(50-2)의 연료 소모를 더욱 감소시킬 수 있다.
이와 같이 이루어진 본 발명의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템은 주엔진(10) 배기가스의 질소산화물을 처리하는 경우에 상술한 제1 실시예와 마찬가지로 도 3의 흐름도와 같이 작용하여 버너(40),(50-2)의 가열을 제어하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템은, 엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기(20)에서의 반응 가능 온도로 상승시킴과 아울러 우레아 가수분해 장치(50)에 의해 우레아로부터 분해한 암모니아를 환원제로서 엔진 배기가스와 혼합하여 SCR 반응기(20)에 유입시켜서 SCR 반응기(20)에 의해 엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하는 경우에, 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기(20)에서의 반응 가능 온도로 상승시키는 용도로 사용되는 버너(40)와, 우레아에 열을 가하여 우레아를 암모니아로 분해하기 위한 우레아 가수분해장치(50)에서 우레아에 열을 가하는 용도로 사용되는 버너(50-2)에, 보조엔진에(60)의 고온 배기가스로부터 회수한 열에 의해 가열한 가열공기를 연소공기로서 공급함으로써, 버너(40), (50-2)의 연료 소모를 감소시켜 경제성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 설명에 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 아니하는 범위 내에서 본 발명을 여러 가지 형태로 변경하여 실시할 수 있을 것이며, 그러한 변경 실시는 본 발명의 기술적 범위에 해당된다고 할 것이다.
본 발명은 선박 등에서의 대형 엔진 운전시에 엔진배기가스의 질소산화물을 제거하는 처리를 진행하는 경우 매우 유용하게 적용할 수 있을 것이다. 본 발명에 의하면, 엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기에서의 반응 가능 온도로 상승시킴과 아울러 우레아 가수분해 장치에 의해 우레아로부터 분해한 암모니아를 환원제로서 엔진 배기가스와 혼합하여 SCR 반응기에 유입시켜서 SCR 반응기에 의해 엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하는 경우에, 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기에서의 반응 가능 온도로 상승시키기는 용도로 사용되는 버너와, 우레아에 열을 가하여 우레아를 암모니아로 분해하기 위한 우레아 가수분해장치에서 우레아에 열을 가하는 용도로 사용되는 버너에, 보조엔진의 고온 배기가스로부터 회수한 열에 의해 가열한 가열공기를 공급함으로써, 버너 연료 소모를 감소시켜 경제성을 향상시키게 된다.
10; 주엔진 11; 배기가스 리시버
12; 흡기 리시버 15; 터보차저
15-1; 터빈 15-2; 압축기
20; SCR 반응기 30; 혼합기
40; 버너 50; 우레아 가수분해장치
50-1; 우레아 분해 챔버 50-2; 버너
50-3; 우레아 분사노즐 50-4; 온도센서
60; 보조엔진 70; 에어 히터
75, 95; 폐열회수기 80; 스팀코일 에어히터
85; 온도센서 90; 블로워
100; 제어기 V1~V7; 밸브

Claims (12)

  1. 주엔진 터보차저의 후단에 SCR 반응기를 설치하여, SCR 반응기에 의해 주엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하는 저압 SCR 시스템으로서,
    보조엔진으로부터의 배기가스의 열을 공기에 열 교환하여 전달하여서 공기를 가열시켜 가열 공기를 생성하는 에어 히터(Air Heater);
    상기 에어 히터로부터 인가되는 가열공기를 연소공기로서 사용하여 연료를 연소시켜 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기의 반응 가능 온도로 상승시키는 제1 버너와;
    상기 에어 히터로부터 인가되는 가열공기를 연소공기로서 사용하여 연료를 연소시켜 우레아를 암모니아로 분해함에 소요되는 열을 발생하는 제2 버너를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저압 SCR 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 에어 히터로부터 제1 및 제2 버너에 인가되는 가열공기의 온도를 검출하는 가열공기 온도 검출용 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저압 SCR 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 가열공기 온도 검출용 온도센서에 의해 검출된 가열공기의 온도에 대응하여 연료공급량을 조절하기 위한 제어신호를 상기 제1 및 제2 버너에 인가하여 연료공급량을 조절해서 해당 버너에 의해 연료를 연소시키는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저압 SCR 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 및 제2 버너는 제어기로부터의 제어신호에 따라 연소시키는 연료 공급량을 조절하기 위한 연료조절기를 구비하는 것을 특징으로 하는 저압 SCR 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    우레아 가수분해장치의 우레아 분해 챔버에 설치되어 우레아 분해 챔버의 내부 온도를 검출하는 내부온도 검출용 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저압 SCR 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    제어기가 우레아 가수분해장치의 우레아 분해 챔버에 주엔진 배기가스가 인가되는 상태에서 상기 내부온도 검출용 온도센서를 통해 우레아 분해 챔버의 내부 온도를 파악하고, 가열공기 온도 검출용 온도센서에 의해 검출한 상기 가열 공기의 온도에 추가하여, 상기 우레아 분해 챔버 내부의 온도를 반영하여서, 상기 제2 버너의 연료 공급량을 조절하여 제2 버너에 의해 연료를 연소시키는 것을 특징으로 하는 저압 SCR 시스템.
  7. 주엔진 터보차저의 후단에 SCR 반응기를 설치하여, SCR 반응기에 의해 주엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하는 저압 SCR 시스템으로서,
    보조엔진으로부터 인가되는 배기가스의 열을 물에 열 교환하여 얻어지는 뜨거운 물(Hot Water)이나 스팀(Steam)을 배관을 통해 출력하는 폐열회수기와;
    상기 폐열회수기로부터 인가되는 뜨거운 물이나 스팀에 의해 공기를 가열하여서 가열공기를 생성하는 스팀코일 에어히터(Staem Coil Air Heater)와;
    상기 스팀코일 에어히터로부터 인가되는 가열공기를 연소공기로서 사용하여 연료를 연소시켜 주엔진 배기가스의 온도를 SCR 반응기의 반응 가능 온도로 상승시키는 제1 버너와;
    상기 스팀코일 에어히터로부터 인가되는 가열공기를 연소공기로서 사용하여 연료를 연소시켜 우레아를 암모니아로 분해함에 소요되는 열을 발생하는 제2 버너를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저압 SCR 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 스팀코일 에어히터로부터 제1 및 제2 버너에 인가되는 가열공기의 온도를 검출하는 가열공기 온도 검출용 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저압 SCR 시스템.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 가열공기 온도 검출용 온도센서에 의해 검출된 가열공기의 온도에 대응하여 연료공급량을 조절하기 위한 제어신호를 상기 제1 및 제2 버너에 인가하여 연료공급량을 조절해서 해당 버너에 의해 연료를 연소시키는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저압 SCR 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 및 제2 버너는 제어기로부터의 제어신호에 따라 연소시키는 연료 공급량을 조절하기 위한 연료조절기를 구비하는 것을 특징으로 하는 저압 SCR 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    우레아 가수분해장치의 우레아 분해 챔버에 설치되어 우레아 분해 챔버의 내부 온도를 검출하는 내부온도 검출용 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저압 SCR 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    제어기가 상기 우레아 가수분해장치의 우레아 분해 챔버에 주엔진 배기가스가 인가되는 상태에서 상기 내부온도 검출용 온도센서를 통해 우레아 분해 챔버의 내부 온도를 파악하고, 가열공기 온도 검출용 온도센서에 의해 검출한 상기 가열 공기의 온도에 추가하여, 상기 우레아 분해 챔버 내부의 온도를 반영하여서, 상기 제2 버너의 연료 공급량을 조절하여 제2 버너에 의해 연료를 연소시키는 것을 특징으로 하는 저압 SCR 시스템.
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