KR20160110003A - Scr 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 SCR 반응기에 환원제를 공급함에 있어서, SCR 반응기에 환원제를 공급하는 환원제 공급관을 우레아의 가수분해 공간으로 활용하고, 환원제 공급관에 SCR 배기가스가 공급되도록 함과 함께 환원제 공급관에 공급되는 SCR 배기가스의 양을 선택적으로 제어함으로써 우레아 가수분해에 요구되는 장치 구성을 간략화하고 우레아 가수분해에 소모되는 에너지를 최소화할 수 있는 SCR 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 SCR 장치는 환원제에 의한 질소산화물의 환원 반응이 진행되는 공간을 제공하는 SCR 반응기; 우레아의 가수분해 공간을 제공함과 함께 우레아의 가수분해에 의해 생성된 환원제를 상기 SCR 반응기로 공급하는 환원제 공급관; 상기 환원제 공급관의 일측에 연결되어, SCR 반응기로부터 배출되는 SCR 배기가스를 우레아의 가수분해가 진행되는 환원제 공급관의 일 구간에 공급하는 SCR 배기관; 상기 SCR 배기관을 통해 상기 환원제 공급관에 공급되는 SCR 배기가스의 양을 조절하는 SCR 배기가스 공급장치; 상기 환원제 공급관의 일단에 구비되어, 우레아의 가수분해가 진행되는 구간의 환원제 공급관 내부에 열을 인가하는 가열장치; 우레아의 가수분해가 진행되는 환원제 공급관의 일 구간에 배치된 온도센서; 상기 온도센서가 구비된 지점마다 배치되어, 환원제 공급관 내부에 우레아를 공급하는 우레아 공급노즐; 및 상기 온도센서로부터 입력되는 온도 신호가 미리 설정된 '최적의 우레아 가수분해 온도 범위'(이하, '기준온도'라 함)에 부합되는지 여부를 판단함과 함께, 기준온도보다 낮은 경우 환원제 공급관에 공급되는 SCR 배기가스의 양이 증가되도록 상기 SCR 배기가스 공급장치를 제어하고, 기준온도보다 높은 경우 환원제 공급관에 공급되는 SCR 배기가스의 양이 감소되도록 SCR 배기가스 공급장치를 제어하는 제어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

SCR 장치{Selective catalytic reduction system}
본 발명은 SCR 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 SCR 반응기에 환원제를 공급함에 있어서, SCR 반응기에 환원제를 공급하는 환원제 공급관을 우레아의 가수분해 공간으로 활용하고, 환원제 공급관에 SCR 배기가스가 공급되도록 함과 함께 환원제 공급관에 공급되는 SCR 배기가스의 양을 선택적으로 제어함으로써 우레아 가수분해에 요구되는 장치 구성을 간략화하고 우레아 가수분해에 소모되는 에너지를 최소화할 수 있는 SCR 장치에 관한 것이다.
선박의 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물(NOx) 및 황산화물은 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)에 의해 배출규제를 받고 있는 대표적인 대기오염물질이다.
질소산화물을 제거하기 위해 선박에는 통상, 선택적촉매환원 장치(selective catalytic reduction system)(이하, SCR 장치라 함)가 구비된다(한국공개특허 제2012-30553호 참조). SCR 장치는 촉매가 내장된 SCR 반응기, SCR 반응기 내에 암모니아(NH3)와 같은 환원제를 공급하는 환원제 공급장치를 포함하여 구성된다.
SCR 장치에 의한 질소산화물 제거는 다음과 같은 과정으로 진행된다. 엔진의 배기가스가 SCR 반응기에 유입되는 상태에서 SCR 반응기 내에 암모니아(NH3)가 공급되면, 암모니아(NH3)가 배기가스와 섞여 촉매를 통과하게 되며 촉매를 통과하는 과정에서 암모니아(NH3)가 배기가스 내의 질소산화물(NOx)과 반응하여 질소산화물(NOx)이 질소(N2)와 수증기로 환원된다.
질소산화물(NOx)의 환원제로 사용되는 암모니아(NH3)는 우레아(Urea, CO(NH2)2)의 가수분해에 의해 생성되는데, 우레아는 약 260℃의 온도에서 가수분해되는 것으로 알려져 있다. 따라서, SCR 장치에는 우레아를 가수분해하기 위한 우레아 가수분해장치가 필수적으로 구비되며, 우레아 가수분해장치는 우레아를 가수분해 온도까지 가열하기 위한 히터 또는 버너 등의 가열수단을 구비한다(한국등록특허 제141726호 참조). 이와 같이, 우레아로부터 암모니아(NH3)를 추출하는 과정에서 고온의 열이 요구됨에 따라, 유지관리비용을 절감하기 위해서는 우레아 가수분해시 요구되는 에너지를 최소화할 필요가 있다.
한국공개특허 제2012-30553호 한국등록특허 제141726호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, SCR 반응기에 환원제를 공급함에 있어서, SCR 반응기에 환원제를 공급하는 환원제 공급관을 우레아의 가수분해 공간으로 활용하고, 환원제 공급관에 SCR 배기가스가 공급되도록 함과 함께 환원제 공급관에 공급되는 SCR 배기가스의 양을 선택적으로 제어함으로써 우레아 가수분해에 요구되는 장치 구성을 간략화하고 우레아 가수분해에 소모되는 에너지를 최소화할 수 있는 SCR 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 SCR 장치는 환원제에 의한 질소산화물의 환원 반응이 진행되는 공간을 제공하는 SCR 반응기; 우레아의 가수분해 공간을 제공함과 함께 우레아의 가수분해에 의해 생성된 환원제를 상기 SCR 반응기로 공급하는 환원제 공급관; 상기 환원제 공급관의 일측에 연결되어, SCR 반응기로부터 배출되는 SCR 배기가스를 우레아의 가수분해가 진행되는 환원제 공급관의 일 구간에 공급하는 SCR 배기관; 상기 SCR 배기관을 통해 상기 환원제 공급관에 공급되는 SCR 배기가스의 양을 조절하는 SCR 배기가스 공급장치; 상기 환원제 공급관의 일단에 구비되어, 우레아의 가수분해가 진행되는 구간의 환원제 공급관 내부에 열을 인가하는 가열장치; 우레아의 가수분해가 진행되는 환원제 공급관의 일 구간에 배치된 온도센서; 상기 온도센서가 구비된 지점에 배치되어, 환원제 공급관 내부에 우레아를 공급하는 우레아 공급노즐; 및 상기 온도센서로부터 입력되는 온도 신호가 미리 설정된 '최적의 우레아 가수분해 온도 범위'(이하, '기준온도'라 함)에 부합되는지 여부를 판단함과 함께, 기준온도보다 낮은 경우 환원제 공급관에 공급되는 SCR 배기가스의 양이 증가되도록 상기 SCR 배기가스 공급장치를 제어하고, 기준온도보다 높은 경우 환원제 공급관에 공급되는 SCR 배기가스의 양이 감소되도록 SCR 배기가스 공급장치를 제어하는 제어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제어장치는 미리 설정된 <온도 신호에 따른 SCR 배기가스의 공급량 정보>를 바탕으로 상기 온도센서로부터 입력되는 온도 신호에 대응하여 특정량의 SCR 배기가스가 상기 환원제 공급관에 공급되도록 제어할 수 있다.
상기 환원제 공급관의 일측에 엔진 배기관이 연결되며, 우레아의 가수분해가 진행되는 환원제 공급관에 SCR 배기가스 및 엔진 배기가스가 함께 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 SCR 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
환원제 공급관 내부의 일 구간에서 우레아의 가수분해가 진행됨에 따라 별도의 우레아 가수분해 챔버가 요구되지 않아 장치 구성을 간략화할 수 있다. 또한, 우레가 가수분해가 진행되는 환원제 공급관에 온도센서를 배치하고, 온도센서에 의해 측정되는 온도에 따라 환원제 공급관에 공급되는 SCR 배기가스의 양을 선택적으로 조절함으로써 우레아 가수분해가 진행되는 지점의 온도를 최적 가수분해 온도로 유지할 수 있다.
이와 함께, 엔진 운전부하에 따라 다르지만 200~300℃의 SCR 배기가스를 사용함으로써 가열장치의 연료사용량을 절감하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SCR 장치의 구성도.
본 발명은 우레아(Urea, CO(NH2)2)를 가수분해하여 암모니아(NH3)를 생성하고 생성된 암모니아를 환원제로 SCR 반응기에 공급함에 있어서, 우레아 가수분해에 요구되는 장치 구성을 최소화함과 함께 우레아 가수분해에 소모되는 에너지를 최소화하는 기술을 제시한다. 이를 위해, 본 발명은 환원제 공급관의 일 구간을 우레아의 가수분해 공간으로 이용함으로써 별도의 가수분해 챔버 등이 요구되지 않으며, 가열수단에 의해 가열되는 환원제 공급관에 SCR 배기관을 연결시킴과 함께 우레아 가수분해가 진행되는 환원제 공급관의 특정 지점의 온도에 따라 환원제 공급관에 공급되는 SCR 배기가스의 양을 선택적으로 제어함으로써 가열수단에 의해 소모되는 에너지의 양을 최소화할 수 있는 기술을 제시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 장치는 SCR 반응기(110), 환원제 공급관(120), 가열장치(130), SCR 배기관(140), SCR 배기가스 공급장치(150), 우레아 공급장치(40), 온도센서(160), 우레아 공급노즐(170) 및 제어장치(180)를 포함하여 이루어진다.
상기 SCR 반응기(110)는 환원제에 의한 질소산화물의 환원 반응이 진행되는 공간을 제공한다. 상기 SCR 반응기(110)의 일측에 구비된 배기가스 공급관(30)을 통해 상기 SCR 반응기(110)로 엔진 배기가스가 공급되며, 환원제는 환원제 공급관(120)으로부터 배기가스 공급관(30)을 거쳐 SCR 반응기(110)로 공급된다. 즉, 환원제 공급관(120)의 일단에 배기가스 공급관(30)에 연결된 형태이며, 배기가스 공급관(30) 내에서 엔진 배기가스와 환원제가 혼합되어 SCR 반응기(110)로 공급된다. 상기 환원제 공급관(120)을 통해 SCR 반응기(110)로 공급되는 환원제는 우레아의 가수분해에 의해 생성되는 암모니아(NH3)이며, 암모니아(NH3)는 SCR 반응기(110) 내에서 배기가스 내에 포함되어 있는 질소산화물(NOx)과 반응하여 질소산화물(NOx)을 질소(N2)와 수증기로 환원시키는 역할을 한다. 상기 배기가스 공급관(30)을 통해 SCR 반응기(110)로부터 공급되는 엔진 배기가스는 엔진(10)으로부터 직접 배기되는 배기가스 또는 터보차저(turbo charger)(20)를 거쳐 배치되는 배기가스이거나 이들의 혼합 배기가스일 수 있다. 도면에 표시되지는 않았지만 배기가스 공급관(30)에 환원제 공급관(120)의 일단이 AIG(Ammonia Injection Grid) 형태로 부착 될 수도 있다.
상기 환원제 공급관(120)은 전술한 바와 같이 우레아의 가수분해에 의해 생성된 암모니아(NH3)를 SCR 반응기(110)로 공급하는 역할을 하는데, 이와 같은 역할과 함께 상기 환원제 공급관(120)은 우레아의 가수분해 공간을 제공한다. 종래의 경우, 우레아 가수분해장치에 의해 우레아가 가수분해되어 암모니아(NH3)가 생성되고, 생성된 암모니아(NH3)가 환원제 공급관(120)에 공급되는 장치적 구조를 이루나, 본 발명의 경우 환원제 공급관(120)의 일 구간(도 1의 'A' 참조)이 우레아의 가수분해 공간으로 제공된다.
상기 환원제 공급관(120)의 일 구간이 우레아의 가수분해 공간으로 활용되기 위해, 환원제 공급관(120)의 일단에는 가열장치(130)가 구비됨과 함께 우레아 가수분해 공간에 해당되는 환원제 공급관(120)의 일 구간의 일측에는 우레아 공급노즐(170)이 구비된다.
상기 가열장치(130)는 우레아 가수분해 공간에 해당되는 환원제 공급관(120) 내부에 고온의 열을 인가하며, 상기 우레아 공급노즐(170)은 가열장치(130)의 열이 인가되는 환원제 공급관(120) 내부에 환원제를 분사하는 역할을 한다. 우레아 공급노즐(170)을 통해 우레아가 환원제 공급관(120) 내부에 분사됨과 함께 고온의 열이 인가됨에 따라 해당 환원제 공급관(120) 내부에서는 우레아의 가수분해 반응이 진행되고, 그 결과 환원제 즉, 암모니아(NH3)가 생성된다. 참고로, 우레아 공급노즐(170)로부터 분사되는 우레아는 우레아 공급장치(40)로부터 공급된다.
상기 가열장치(130)는 전기히터 또는 버너 등으로 구성되는데, 고온의 열을 인가하기 위해서는 에너지가 소모된다. 특히, 가열장치(130)가 버너로 구성되는 경우 일정량의 연료와 공기가 소모된다. '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이 가열장치(130)를 동작시키기 위한 에너지를 최소화할 필요가 있으며, 이를 위해 가열장치(130)의 동작에 소모되는 에너지를 절감하기 위한 방안으로 환원제 공급관(120)(우레아 가수분해 공간에 해당되는 환원제 공급관(120)의 전단 부위)의 일측에 SCR 배기관(140)을 연결시키는 구조를 채택할 수 있다. SCR 반응기(110)로부터 배출되는 SCR 배기가스는 엔진 부하에 따라 200∼300℃의 온도를 갖고 있어 가열장치(130)를 통해 우레아 가수분해 온도까지 승온시키는데 소모되는 에너지를 줄일 수 있다. 즉, SCR 배기관(140)을 통해 약 200∼300℃ 온도의 SCR 배기가스를 환원제 공급관(120)에 공급함과 함께 SCR 배기가스가 공급되어 있는 환원제 공급관(120) 내부를 가열장치(130)로 가열하는 경우, 우레아 가수분해 온도까지 승온시키는데 소모되는 에너지를 최소화할 수 있게 된다. 환원제 공급관(120)으로 공급되는 SCR 배기가스의 양은 SCR 배기관(140)의 일측에 구비된 SCR 배기가스 공급장치(150)에 의해 조절된다. 이와 함께, 가열장치(130)에 의해 소모되는 에너지를 보다 더 절감하기 위해 상기 SCR 배기관(140) 이외에 엔진 배기관(11)을 상기 환원제 공급관(120)에 연결시킬 수도 있다(도 2 참조). 이 경우, SCR 배기관(140)에 의한 SCR 배기가스와 엔진 배기관(11)에 의한 엔진 배기가스가 상기 환원제 공급관(120)에 함께 공급된다.
한편, 우레아의 가수분해 공간으로 활용되는 환원제 공급관(120)의 일 구간은 상기 가열장치(130)로부터 일정 거리 이격된 곳에 위치한다. 가열장치(130)에 의해 생성되는 열은 우레아 가수분해 온도보다 높도록 설정되며, SCR 배기가스 공급량 및 가열장치의 연료공급량, 연소공기량 등의 운전조건에 따라 환원제 공급관에서의 배기가스의 온도가 가변되므로 온도 및 운전조건에 따라 SCR 배기가스와 가열장치의 연소가스가 균일하게 혼합되는 지점에 우레아 공급노즐(170)이 구비된다.
본 발명은 우레아 가수분해가 진행되는 환원제 공급관(120)의 일측에 온도센서(160)를 구비시키고, 온도센서(160)에 의해 센싱되는 온도에 따라 SCR 배기관(140)으로부터 환원제 공급관(120)에 공급되는 SCR 배기가스의 양을 SCR 배기가스 공급장치(150)를 통해 조절하여 우레아 가수분해가 진행되는 지점의 온도가 최적의 우레아 가수분해 온도를 유지할 수 있도록 제어한다. 이와 같이, 우레아 가수분해가 진행되는 지점의 온도가 최적의 우레아 가수분해 온도로 유지됨에 따라, 우레아의 가수분해 효율 즉, 암모니아(NH3) 생성 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
상기 온도센서(160) 및 SCR 배기가스 공급장치(150)의 동작은 제어장치(180)에 의해 제어된다. 구체적으로, 상기 제어장치(180)는 상기 온도센서(160)로부터 입력되는 온도 신호가 미리 설정된 최적의 우레아 가수분해 온도에 부합되는지 여부를 판단하고, 최적의 우레아 가수분해 온도 즉, 기준온도보다 낮은 경우 환원제 공급관(120)에 공급되는 SCR 배기가스의 양이 증가되도록 상기 SCR 배기가스 공급장치(150)를 제어하고, 기준온도보다 높은 경우 환원제 공급관(120)에 공급되는 SCR 배기가스의 양이 감소되도록 SCR 배기가스 공급장치(150)를 제어한다. 이 때, 센싱되는 온도 신호에 따른 환원제 공급장치에 공급되는 SCR 배기가스의 양은 미리 설정되어 상기 제어장치(180)에 저장되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제어장치(180)는 미리 설정된 <온도 신호에 따른 SCR 배기가스의 공급량 정보>를 바탕으로 상기 온도센서(160)로부터 입력되는 온도 신호에 대응하여 특정량의 SCR 배기가스가 상기 환원제 공급관(120)에 공급되도록 제어할 수 있다.
10 : 엔진 11 : 엔진 배기관
20 : 터보차저 30 : 베기가스 공급관
40 : 우레아 공급장치 110 : SCR 반응기
120 : 환원제 공급관 130 : 가열장치
140 : SCR 배기관 150 : SCR 배기가스 공급장치
160 : 온도센서 170 : 우레아 공급노즐
180 : 제어장치

Claims (3)

  1. 환원제에 의한 질소산화물의 환원 반응이 진행되는 공간을 제공하는 SCR 반응기;
    우레아의 가수분해 공간을 제공함과 함께 우레아의 가수분해에 의해 생성된 환원제를 상기 SCR 반응기로 공급하는 환원제 공급관;
    상기 환원제 공급관의 일측에 연결되어, SCR 반응기로부터 배출되는 SCR 배기가스를 우레아의 가수분해가 진행되는 환원제 공급관의 일 구간에 공급하는 SCR 배기관;
    상기 SCR 배기관을 통해 상기 환원제 공급관에 공급되는 SCR 배기가스의 양을 조절하는 SCR 배기가스 공급장치;
    상기 환원제 공급관의 일단에 구비되어, 우레아의 가수분해가 진행되는 구간의 환원제 공급관 내부에 열을 인가하는 가열장치;
    우레아의 가수분해가 진행되는 환원제 공급관의 일 구간에 배치된 온도센서;
    상기 온도센서가 구비된 지점마다 배치되어, 환원제 공급관 내부에 우레아를 공급하는 우레아 공급노즐; 및
    상기 온도센서로부터 입력되는 온도 신호가 미리 설정된 '최적의 우레아 가수분해 온도 범위'(이하, '기준온도'라 함)에 부합되는지 여부를 판단함과 함께, 기준온도보다 낮은 경우 환원제 공급관에 공급되는 SCR 배기가스의 양이 증가되도록 상기 SCR 배기가스 공급장치를 제어하고, 기준온도보다 높은 경우 환원제 공급관에 공급되는 SCR 배기가스의 양이 감소되도록 SCR 배기가스 공급장치를 제어하는 제어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 SCR 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어장치는 미리 설정된 <온도 신호에 따른 SCR 배기가스의 공급량 정보>를 바탕으로 상기 온도센서로부터 입력되는 온도 신호에 대응하여 특정량의 SCR 배기가스가 상기 환원제 공급관에 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 SCR 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 환원제 공급관의 일측에 엔진 배기관이 연결되며, 우레아의 가수분해가 진행되는 환원제 공급관에 SCR 배기가스 및 엔진 배기가스가 함께 공급되는 것을 특징으로 하는 SCR 장치.
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