KR20160118294A - 500 내지 4500 kw 내연 엔진의 산소-풍부 배기물 중의 질소 산화물 환원을 위한 소형의 선택적 촉매 환원 시스템 - Google Patents

500 내지 4500 kw 내연 엔진의 산소-풍부 배기물 중의 질소 산화물 환원을 위한 소형의 선택적 촉매 환원 시스템 Download PDF

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존슨 매세이 카탈리스츠 (저머니) 게엠베하
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Abstract

선택적 촉매 환원 (SCR) 시스템은 SCR 반응기(3), 유입 유동 시스템(1), 및 증발기 모듈을 포함하며, SCR 반응기(3)는 적어도 하나의 SCR 촉매를 포함하고, 유입 유동 시스템(1) 및 증발기 모듈과 소통되며, 유입 유동 시스템(1)은 엔진으로부터의 배기 가스에 대한 하나 이상의 입구를 포함하며, 여기서 적어도 하나의 유동 덕트(11, 12)를 통한 가스의 유동은 SCR 반응기(3) 주위에 위치하고 증발기 모듈에 열을 제공하고 암모니아-적재 가스 스트림의 도입 후 및 복수의 배플 플레이트를 통한 통과 후에 SCR 반응기 내로 도입되어 SCR 반응기(3)의 횡단면에 걸쳐 균일한 가스 농도 프로파일을 제공하고, 증발기 모듈은 우레아를 가열된 예비-반응기 내로 도입하기 위한 수단을 포함하며, 여기서 우레아는 배기 가스 스트림을 SCR 반응기(3)에 도입하기 전에 적어도 부분적으로 분해된다.

Description

500 내지 4500 KW 내연 엔진의 산소-풍부 배기물 중의 질소 산화물 환원을 위한 소형의 선택적 촉매 환원 시스템 {COMPACT SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM FOR NITROGEN OXIDE REDUCTION IN THEOXYGEN-RICH EXHAUST OF 500 TO 4500 KW INTERNAL COMBUSTION ENGINES}
본 발명은 내연 엔진, 예컨대 디젤의 산소 풍부 배기물 및 해양, 기관차 및 (고정식) 발전 적용에 있어서의 가스 중의 질소 산화물 (NOx)의 감소를 위한 선택적 촉매 환원 (SCR) 시스템 환원에 관한 것이다.
연도 가스 중의 질소 산화물 (NOx)의 선택적 촉매 환원 (SCR)은 많은 산업에서 국립 및 국제 배출 법규의 준수를 위해 전 세계적으로 사용되고 있다. 화석 및 재생가능한 연료의 연소 공정에서 형성된 질소 산화물은 촉매 표면 상에서 암모니아와 같은 환원제에 의해 환원된다. 다양한 촉매가 산화바나듐, 이온-교환 제올라이트 등과 같은 다양한 기재 상에서 사용되었다. 촉매는 여러 제형으로 제조될 수 있고, 여러 형태, 예컨대 압출되거나 코팅된 벌집형 금속 기재 등으로 존재할 수 있다. 적절한 촉매의 선택을 결정하는 주요 인자 중 하나는 연도 가스의 온도이다. 암모니아가 환원제로서 바람직하나, 암모니아의 직접 사용은 가스상 암모니아의 유해한 성질 때문에 문제가 된다. 따라서, 고온의 연도 가스에 주입되는 경우 취급하기에 용이하고 분해되어 암모니아를 형성하기에 용이한 물질이 보통 사용된다. 예를 들어, 우레아 수용액은 140℃ 초과의 온도에서 분해되어 암모니아 및 이소시안산 (HNCO)을 형성하며, 이는 이어서 가수분해되어 암모니아 및 이산화탄소를 형성한다. 그러나, 우레아 수용액으로부터의 암모니아의 발생은 비교적 저속 공정이다. 고온 가스 스트림에서의 우레아의 체류 시간이 너무 짧은 경우, 이는 반응기 벽 상에 또는 더 나쁜 경우 촉매 상에 침전을 초래할 수 있다. 따라서, 현 기술상태의 SCR 적용에서 사용되는 실제 촉매의 상류에 수 미터의 길이를 갖는 비교적 긴 주입 덕트가 위치한다. 이러한 긴 덕트는 전형적으로 직선형 튜브이고, 이를 통해 배기물이 유동하고 환원제가 주입기 또는 랜스에 의해 고온 가스 스트림에 주입된다.
상기 기재된 SCR 시스템은 일반적으로 대형의 고정식 시스템, 예컨대 전력 플랜트 상에서 사용되었다. 자동차 적용에서 및 일반적으로 600 kW 미만의 엔진에서는 더 작은 SCR 시스템이 사용되었다. 이러한 더 작은 SCR 시스템은 더 작은 배기물 부피 및 그에 따라 시스템에 도입될 필요가 있는 환원제의 더 적은 질량 유동 때문에 상이한 설계를 갖는다. 최근에, 해양, 오프-로드 및 발전 분야에 있어서 500 내지 4500 킬로와트 (kW) 디젤 및 가스 엔진에 대한 배출 규정이 확립되었다. 현재 이러한 크기의 엔진에서 사용되는 시스템은 큰 직경 (최대 대략 0.6 m)을 갖는 긴 배기물 파이프 (최대 대략 10 m) 및 배기 가스의 유동 내에 위치하는 SCR 반응기로 이루어진다. 우레아 수용액이 랜스에 의해 배기 가스에 직접 주입된다. 우레아는 후속적으로 완전 배기 가스 유동 내에서 암모니아로 전환된다. 촉매 횡단면에 걸쳐 균일한 암모니아 농도 패턴을 달성하기 위해, 유동은 정적 혼합기에 의해 의도적으로 교란된다. 종종, 암모니아는 하나의 또는 다수의 혼합기 및 이어서 SCR 촉매에 통과하기 전에 암모니아 주입 그리드 (AIG)를 통해 완전 배기 유동 내에 직접 도입된다. 고르지 못한 유동 분포는 저온 구획을 갖는 지점을 초래하여 부분적으로 분해된 우레아로부터 침전 또는 부식을 야기할 수 있다. 이러한 우레아 손실은 또한 NOx 전환 활성에 있어서 감소를 초래하는데, 이는 침전된 물질이 우레아를 암모니아로 전환시키기 위한 반응에 참여할 수 없기 때문이다.
공간은 해양, 오프-로드 및 발전 분야에 대한 적용에서 중요한 인자이고, 공간의 사용은 이러한 분야에서 작업의 경제성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 수퍼 요트 또는 페리는 승객 공간을 잃어 직접적으로 수입 손실을 야기할 수 있다. 큰 광산 굴착기 및 트럭은 이들이 이동시키거나 또는 나를 수 있는 로딩을 감소시킬 필요가 있을 것이며, 이는 동일한 양의 물질을 이동시키기 위해 추가의 굴착을 수행하거나 또는 추가의 이동을 수행할 필요성을 야기한다. 특정한 수송수단, 예컨대 예인선에서, 기계실은 현 기술상태의 SCR 설비의 설치에 필요한 공간을 갖지 않을 수 있다.
본원에 기재된 소형의 SCR 시스템은, 과거에 배기물 후처리 시스템 공간 제약이 그의 사용에 있어서 장애가 되었던 크기를 갖는 엔진에서 SCR 공정을 사용하여 배기 가스 중의 질소 산화물 (NOx)의 수준을 감소시키는데 우레아를 사용하는 것을 가능하게 한다. 본원에 기재된 소형의 SCR 시스템의 이점 중 하나는 시스템이 상기 기재된 분야에서 새로운 엔진과 함께 사용될 수 있다는 점에 더하여, 또한 애프터마켓 시스템의 설치를 가능하게 하여 기존의 엔진도 또한 그의 배출을 감소시킬 수 있을 것이라는 점이다.
한 측면에 따라, 본 발명은 SCR 반응기, 유입 유동 시스템 및 증발기 모듈을 포함하는 선택적 촉매 환원 (SCR) 시스템을 제공하며, 여기서
a. SCR 반응기는 적어도 하나의 SCR 촉매를 포함하고, 유입 유동 시스템 및 증발기 모듈과 소통되고,
b. 유입 유동 시스템은 엔진으로부터의 배기 가스에 대한 하나 이상의 입구를 포함하며, 여기서 입구는 SCR 반응기 주위에 위치하는 적어도 하나의 유동 덕트를 통해 가스의 유동을 분배하도록 구성되며, 여기서 SCR 주위의 유동 덕트를 통한 배기 가스의 유동은 증발기 모듈에 열을 제공하며, 여기에 우레아, 또는 암모니아 전구체가, SCR 반응기 내로 도입되기에 앞서, 증발기 모듈 내로 도입되어 암모니아로 전환되고, 각각의 유동 덕트에서의 가스의 유동은 암모니아-적재 가스 스트림의 도입 후 및 복수의 배플 플레이트를 통한 통과 후에 SCR 반응기 내로 도입되어 SCR 반응기의 횡단면에 걸쳐 대략 균일한 가스 속도 및 농도 프로파일을 제공하고,
c. 증발기 모듈은 우레아, 또는 암모니아 전구체를 가열된 예비-반응기 내로 도입하기 위한 수단을 포함하며, 가열된 예비-반응기 내에서 우레아, 또는 암모니아 전구체는 적어도 부분적으로 분해되고, 후속적으로, 배기 가스 스트림이 SCR 반응기에 도입되기 전에, 배기 가스 스트림에 공급된다.
SCR 반응기, 유입 유동 시스템 및 증발기 모듈을 포함하는 소형의 선택적 촉매 환원 시스템이 기재되며, 여기서 고온의 처리된 배기 가스 스트림이 사용되어 우레아의 암모니아를 비롯한 그의 활성 성분으로의 분해를 제공한다. 시스템은 배기 가스에 환원제를 공급하기 전에 증발기 모듈에서의 우레아/암모니아의 비교적 긴 체류 시간을 가능하게 하며, 배기 가스는 후속적으로 SCR 반응기에서의 SCR 촉매로 보내진다. SCR 반응기는 적어도 하나의 SCR 촉매를 포함하고, 유입 유동 시스템 및 증발기 모듈과 소통된다. 유입 유동 시스템은 엔진으로부터의 배기 가스가 들어가는 하나 이상의 입구를 포함한다. 입구는 SCR 반응기 주위의 유동 덕트를 통해 유동 스트림으로 가스의 유동을 분배하도록 구성된다. SCR 주위의 유동 덕트를 통한 배기 가스의 유동은 증발기 모듈에 추가의 열을 제공하여 증발기 모듈에 도입된 우레아, 또는 암모니아 전구체의 용액을 휘발시키며, 이는 또한 고온의 정화 배기물의 스트림에 의해 가열된다. 유동 덕트는 일부 실시양태에서 시스템에서 가스의 이동 시간을 제어할 수 있는 일련의 배플을 함유한다. 우레아, 또는 암모니아 전구체는 증발기 모듈에서 SCR 반응기를 통과한 가스 스트림에 도입된다. 거기서, 휘발된 우레아, 또는 암모니아 전구체는 SCR 반응기를 통과한 고온 가스 스트림과 혼합되고 이는 암모니아로 전환된다. 증발기 모듈로부터의 암모니아를 함유하는 가스는 유동 덕트에서 배기 가스와 혼합된다. 합쳐진 가스는 혼합되고, 이어서 SCR 반응기 내로 도입되며, 여기서 가스의 혼합물은 SCR 반응기의 횡단면에 걸쳐 대략 균일한 가스 속도 및 농도 프로파일을 갖는다. 시스템은 전통적인 SCR 방법에서 종종 사용되는 바와 같은 암모니아 주입 그리드 (AIG)를 사용하지 않는다. SCR 촉매를 통과한 후, 처리된 배기 가스는 시스템으로부터 배기되는 1차 유동, 및 증발기 모듈을 통과한 2차 유동으로 분리된다.
본 발명의 많은 바람직한 측면이 하기에 기재되어 있다. 동등한 구성이 고려된다.
본 발명은 이하의 구체적인 설명으로부터, 특히 첨부된 도면과 함께 취해질 때 보다 양호하게 이해될 것이고, 그의 이점은 보다 명백해질 것이다.
도 1은 유입 유동이 2개의 유동 덕트를 통해 시스템의 배면으로 전달되며, 여기서 이것이 SCR 촉매 주위로 선회하고 SCR 촉매를 통과하며; 정화된 배기 가스의 일부가 우레아와 혼합되고 이어서 촉매를 통과하기 전 배기 가스 스트림에 도입되는 것인 소형의 SCR 시스템의 실시양태의 개략적 표현이다.
도 2는 정화된 배기 가스와 우레아의 혼합물이 촉매를 통과하기 전 배기 가스에 도입되기 전에 배기 가스 스트림이 반응기의 양 측부의 2개의 유동 덕트를 통과하는 것인 소형의 SCR 시스템의 실시양태의 3차원적 개략적 표현이다.
도 3은 암모니아 도입 전 배기 가스 이동 시간이 촉매를 통과하기 전 유동-병렬 배플을 통해 증가하는 것인 유동 덕트의 실시양태의 개략적 표현이다.
도 4는 촉매의 상류에서 비교적 균질한 운동량 분포를 가능하게 하는 소형의 SCR 시스템의 배면에서의 하나의 구부러진 유동 플레이트의 실시양태의 개략적 표현이다.
도 5는 정화된 배기 가스의 일부가 우레아와 혼합되고 이어서 촉매를 통과하기 전 배기 가스에 다시 도입되는 것인 소형의 SCR 시스템의 실시양태의 측면도이다.
도 6은 우레아 증발기 튜브가 도 2에 나타낸 튜브의 길이의 대략 2배의 길이를 갖는 것인 증발기 모듈의 실시양태의 상면도의 개략적 표현이다.
본 발명은 고온의 처리된 배기 가스 스트림이 사용되어 우레아의 암모니아를 비롯한 그의 활성 성분으로의 분해를 제공하는 것인 NOx의 환원을 위한 소형의 선택적 촉매 환원 시스템 (SCR)에 관한 것이다. SCR 반응기, 유입 유동 시스템 및 증발기 모듈을 포함하는 소형의 시스템이 기재되어 있다. SCR 반응기는 적어도 하나의 SCR 촉매를 포함하고, 유입 유동 시스템 및 증발기 모듈과 소통된다. 유입 유동 시스템은 SCR 반응기의 적어도 4개의 측부에 인접하여 위치하고 촉매를 통한 배기 가스의 대략 균일한 유동을 제공하고 증발기 모듈에 열을 제공하도록 구성된다. 증발기 모듈은 우레아의 암모니아로의 전환을 가능하게 하고 SCR 반응기에서 암모니아와 배기 가스가 접촉하도록 구성된다. 소형의 시스템의 구성은 주요 배기 유동으로의 환원제의 주입 전에 환원제 전구체가 활성 환원제로 분해되게 하며, 이는 500 내지 4500 킬로와트 (kW) 엔진과 함께 사용되는 현 기술상태의 시스템에 비해 혼합을 위해 필요한 더 짧은 거리 및 더 소형의 시스템을 초래한다.
본 발명은 SCR 반응기, 유입 유동 시스템 및 증발기 모듈을 포함하는 SCR 시스템을 제공한다. 몇몇 실시양태가 존재하며, 이는 바람직한 형태로 기재될 것이다. 유입 유동 시스템은 SCR 반응기의 적어도 4개의 측부에 인접하여 위치하고 촉매를 통한 배기 가스의 대략 균일한 유동을 제공하고 증발기 모듈에 추가의 열을 제공하도록 구성된다. 증발기 모듈은 우레아의 암모니아로의 전환을 가능하게 하고 SCR 촉매의 상류에서 암모니아와 배기 가스가 접촉하도록 구성된다. 시스템의 구성은 유사한 풋프린트를 갖는 500 내지 4500 킬로와트 (kW) 엔진과 함께 사용되는 현 기술상태의 시스템에 비해 시스템에서 환원제 전구체의 더 긴 분해 시간을 가능하게 한다.
시스템은 배기 가스에 존재하는 화합물과 반응하여 가스 중의 NOx의 수준을 감소시킬 수 있는 반응물, 바람직하게는 암모니아를 제공한다. 한 실시양태에서, 암모니아를 형성할 수 있는 화합물, 예컨대 우레아를 가스 상에서 반응물로 전환시키고, 반응물을 함유하는 가스와 NOx를 함유하는 배기 가스를 합하고, 이어서 합쳐진 가스를 SCR 반응기 내 SCR 촉매를 통해 통과시킴으로써 반응물을 형성한다. 우레아를 암모니아로 전환시키기 위해, 우레아의 수용액이 고온 가스의 유동에 주입되며, 여기서 물 및 우레아는 모두 휘발되고 증기로서 고온 가스에 존재하게 된다. 시스템은 우레아 또는 암모니아 전구체의 도입을 제어하기 위한 수단을 제공한다. 우레아의 용액을 기화시키기 위해 사용된 고온의 정화된 가스는 암모니아와 배기 가스의 혼합물을 SCR 촉매에 통과시킨 후 형성된 정화된 가스로부터 수득된다. 정화된 가스 및 조 가스로부터 열 전달을 통해 증발기 모듈로 이동한 열은 물 및 우레아 모두를 기화시키고 우레아를 암모니아로 전환시킨다. 용어 "조" 배기 가스는 처리되기 전 배기 가스를 기재하도록 의미한다. 용어 "정화" 배기 가스는 환원제의 존재 하에 SCR 촉매를 통과한 후의 배기 가스를 기재하도록 의미한다. 증발기 모듈은 SCR 반응기에서 배출되는 정화 배기 가스의 일부를 제거하기 위한 수단, 가압 하에 정화 배기 가스의 일부를 수집하기 위한 수단, 가압된 정화 배기 가스를 증발기 튜브 내로 공급하기 위한 수단 및 우레아, 또는 암모니아 전구체를 증발기 튜브 내 정화 배기 가스에 주입하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 고온 가스 스트림에서의 정화 가스의 질량 유동 및 온도 및 우레아, 또는 암모니아 전구체의 체류 시간은 물의 완전한 증발 및 우레아, 또는 암모니아 전구체의 열 분해를 달성하기에 충분하다. 증발기 모듈은 우레아 수용액을 주입할 수 있다. 암모니아는 반응기로의 유동 덕트 및 통로 모두에 도입될 수 있다.
본원에 기재된 장치 및 방법은 우레아를 이용할 때 효과적이지만, 암모니아를 형성하는 다른 NOx-환원제 또는 가열시 반응물 가스를 형성할 수 있는 다른 NOx-환원제를 이용할 수 있다. 발생하는 반응은 관련 기술분야에 널리 공지되어 있다. 이러한 반응의 요약은 그의 전문이 참조로 포함되는 미국 특허 8,105,560 및 7,264,785에 기재되어 있다.
용어 "우레아"는 우레아, CO((NH2)2), 및 가열되는 경우 암모니아 및 HNCO를 형성하기 때문에 우레아와 동등한 반응물을 포함하는 것을 의미한다. 관련 기술분야에 공지된 다른 NOx-환원제가 또한 사용될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 우레아 또는 HNCO를 형성하지 않으나, 배기 가스에 존재하는 화합물과 반응하여 NOx의 수준을 감소시키는 NOx-환원제가 사용될 수 있다.
도입되는 우레아 용액의 부피는 NOx 질량 유동 및 용액 중의 우레아의 농도 둘 모두에 좌우된다. 도입되는 우레아의 양은 관여되는 반응의 화학량론에 근거한 NOx 농도, 조 배기 가스의 온도 및 사용하고자 하는 촉매에 관련된다. 사용되는 우레아의 양은 처리하고자 하는 가스 중 NOx에서의 질소의 당량에 대한 우레아, 또는 다른 NOx-환원제 중의 질소의 상대적 당량을 지칭하는 "NSR"에 관련된다. NSR은 약 0.1 내지 약 2의 범위일 수 있으나, 바람직하게는 0.6 내지 1.2의 범위 내이다.
본원에 기재된 소형의 SCR 시스템에서 사용되는 SCR 촉매는 암모니아의 존재 하에 질소 산화물 농도의 농도를 감소시킬 수 있는 것으로 관련 기술분야에 공지된 것들로부터 선택될 수 있다. 이들에는, 예를 들어 제올라이트, 바나듐, 텅스텐, 티타늄, 철, 구리, 망가니즈 및 크로뮴의 산화물, 귀금속, 예컨대 백금족 금속 백금, 팔라듐, 로듐 및 이리듐, 및 그의 혼합물이 포함된다. 관련 기술분야에서 통상적이고 통상의 기술자에게 친숙한 다른 SCR 촉매 물질, 예컨대 활성탄, 목탄 또는 코크스가 또한 이용될 수 있다. 바람직한 촉매에는 전이 금속/제올라이트, 예를 들어 Cu/ZSM-5 또는 Fe/베타; 바나디아계 촉매, 예컨대 V2O5/WO3/TiO2; 또는 비-제올라이트 전이 금속 촉매, 예컨대 Fe/WOx/ZrO2가 포함된다.
이러한 SCR 촉매는 전형적으로 금속, 세라믹, 제올라이트와 같은 지지체 상에 장착되거나, 또는 균질한 단일체로서 압출된다. 관련 기술분야에 공지된 다른 지지체가 또한 사용될 수 있다. 촉매가 관통형 단일체 기재, 필터 기재 상에 코팅되거나 또는 압출된 형태인 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는, 촉매는 관통형 단일체 기재 상에 코팅되거나 또는 압출된 형태이다. 이들 촉매는 벌집형 관통형 지지체 내에 또는 상에 존재하는 것이 바람직하다. 작은 부피 SCR 시스템에 대해, 비교적 높은 셀 밀도, 예를 들어 제곱 인치 당 45 내지 400 셀 (cpsi), 보다 바람직하게는 70 내지 300 cpsi, 더욱 더 바람직하게는 100 내지 300 cpsi를 갖는 SCR 촉매가 바람직하다.
본 발명은 또한 다음의 진술 중 하나 이상에 따라 정의될 수 있다:
1. SCR 반응기, 유입 유동 시스템 및 증발기 모듈을 포함하는 선택적 촉매 환원 (SCR) 시스템으로서, 여기서
a. SCR 반응기는 적어도 하나의 SCR 촉매를 포함하고, 유입 유동 시스템 및 증발기 모듈과 소통되고,
b. 유입 유동 시스템은 엔진으로부터의 배기 가스에 대한 하나 이상의 입구를 포함하며, 여기서 입구는 SCR 반응기 주위에 위치하는 적어도 하나의 유동 덕트를 통해 가스의 유동을 분배하도록 구성되며, 여기서 SCR 주위의 유동 덕트를 통한 배기 가스의 유동은 증발기 모듈에 열을 제공하며, 여기에 우레아, 또는 암모니아 전구체가, SCR 반응기 내로 도입되기에 앞서, 증발기 모듈 내로 도입되어 암모니아로 전환되고, 각각의 유동 덕트에서의 가스의 유동은 암모니아-적재 가스 스트림의 도입 후 및 복수의 배플 플레이트를 통한 통과 후에 SCR 반응기 내로 도입되어 SCR 반응기의 횡단면에 걸쳐 대략 균일한 가스 속도 및 농도 프로파일을 제공하고,
c. 증발기 모듈은 우레아, 또는 암모니아 전구체를 가열된 예비-반응기 내로 도입하기 위한 수단을 포함하며, 가열된 예비-반응기 내에서 우레아, 또는 암모니아 전구체는 적어도 부분적으로 분해되고, 후속적으로, 배기 가스 스트림이 SCR 반응기에 도입되기 전에, 배기 가스 스트림에 공급되는 것인
시스템.
2. 제1 기재에 있어서, 가열된 예비-반응기가 정화된 배기 가스 스트림에 의해 가열되는 것인 시스템.
3. 제1 기재에 있어서, 적어도 하나의 유동 덕트와 SCR 반응기 구획 사이의 연결 통로에서 대각선으로 장착된 중실 플레이트를 추가로 포함하는 시스템.
4. 제1 기재에 있어서, 촉매의 횡단면에 걸쳐 대략 균일한 농도의 암모니아를 제공하도록 구성되는 것인 시스템.
5. 제1 기재에 있어서, 가스의 유입 유동이 2개 이상의 유동 덕트 내로 분리되는 것인 시스템.
6. 제5 기재에 있어서, 각각의 유동 덕트에서의 가스의 유동이 대략 동일한 것인 시스템.
7. 제1 기재에 있어서, 연소기의 가동 조건으로부터 유래된 압력 및/또는 온도 변동이 두 유입 덕트 사이에서 최소화되는 것인 시스템.
8. 제1 기재에 있어서, SCR 시스템이 대략 2의 높이에 대한 길이 비를 갖는 것인 시스템.
9. 제1 기재에 있어서, 유동 덕트의 적어도 하나가 SCR 반응기의 제1 측부에 위치하고, 적어도 하나의 상이한 유동 덕트가 SCR 반응기의 반대 측부에 위치하는 것인 시스템.
10. 제1 기재에 있어서, 배플 플레이트가 촉매의 상류에서 배기 가스의 균일한 운동량 분포를 제공하고 암모니아 첨가 전 배기 가스의 이동 시간을 증가시키도록 위치 및 배향된 것인 시스템.
11. 제1 기재에 있어서, 우레아 또는 암모니아 전구체의 도입을 제어하기 위한 수단을 추가로 포함하는 시스템.
12. 제11 기재에 있어서, 우레아 또는 암모니아 전구체의 도입을 제어하기 위한 수단이 NOx 센서를 포함하는 것인 시스템.
13. 제1 기재에 있어서, 반응기 폭이 반응기 높이보다 크거나 또는 동일한 것인 시스템.
14. 제1 기재에 있어서, 유동 덕트가 직사각형, 정사각형, 원형 또는 반원형인 것인 시스템.
15. 제1 기재에 있어서, 직사각형 유동 덕트가 직사각형 횡단면을 갖고 유동 덕트의 길이가 대략 SCR 반응기의 길이인 것인 시스템.
16. 제15 기재에 있어서, 각각의 직사각형 유동 덕트의 길이에 대해 각각의 직사각형 유동 덕트의 폭 및 높이가 각각 대략 1/8 이하 및 1/2인 것인 시스템.
17. 제15 기재에 있어서, 각각의 직사각형 유동 덕트의 길이에 대해 각각의 직사각형 유동 덕트의 폭 및 높이가, 수평 배플 플레이트를 사용하는 경우, 각각 대략 1/6 이하 및 1/6인 것인 시스템.
18. 제1 기재에 있어서, 적어도 하나의 SCR 촉매가 단일체를 통한 가스 유동의 순 방향에서 정사각형, 직사각형 또는 원형 형상을 갖는 단일체의 형태인 것인 시스템.
19. 제1 기재에 있어서, SCR 반응기가 적어도 하나의 SCR 촉매를 단일체의 형태로 포함하는 것인 시스템.
20. 제1 기재에 있어서, 증발기 모듈이 SCR 반응기에서 배출되는 정화 배기 가스의 일부를 제거하기 위한 수단, 가압 하에 정화 배기 가스의 일부를 수집하기 위한 수단, 가압된 정화 배기 가스를 증발기 튜브 내로 공급하기 위한 수단 및 우레아, 또는 암모니아 전구체를 증발기 튜브 내 정화 배기 가스에 주입하기 위한 수단을 포함하는 것인 시스템.
21. 제20 기재에 있어서, SCR 반응기에서 배출되는 정화 가스의 일부를 제거하기 위한 수단 및 가압 하에 정화 배기 가스의 일부를 수집하기 위한 수단이 고온 공기 압축기 또는 엔진으로부터의 기계적 에너지를 이용하는 수단인 것인 시스템.
22. 제20 기재에 있어서, 고온 가스 스트림에서의 정화 가스의 질량 유동 및 온도 및 우레아, 또는 암모니아 전구체의 체류 시간이 물의 완전한 증발 및 우레아, 또는 암모니아 전구체의 열 분해를 달성하기에 충분한 것인 시스템.
23. 제20 기재에 있어서, 증발 튜브에서의 가스 속도가 초 당 약 10 미터인 것인 시스템.
24. 제20 기재에 있어서, 제거된 정화 가스의 질량 유동이 총 배기 질량 유동에 대해 약 10% 미만인 것인 시스템.
25. 제20 기재에 있어서, 증발기 튜브가 반응기의 길이와 대략 동일한 길이를 갖는 것인 시스템.
26. 제20 기재에 있어서, 증발기 튜브가 유동 덕트의 적어도 하나에 위치하는 것인 시스템.
27. 제20 기재에 있어서, 정화 가스 질량 유동을 약 절반으로 분리하기 위한 수단 및 정화 가스를 파생된 방식으로 증발기 튜브 내로 공급하여 증발기 튜브에서 와류 유동을 생성하기 위한 수단을 추가로 포함하는 시스템.
28. 제20 기재에 있어서, 우레아 수용액이 주입되는 것인 시스템.
29. 제20 기재에 있어서, 암모니아가 이어서 유동 덕트/반응기 통로 모두에 도입되는 것인 시스템.
30. 제20 기재에 있어서, 배기 유동으로의 암모니아-적재 정화 가스의 분배가 유동 덕트와 반응기 사이의 각각의 통로의 중간에 위치하는 장치의 사용으로 균일한 방식으로 제공되며, 여기서 장치/튜브가 각각의 통로에 대하여 직사각형 유동 통로에 걸쳐 대략 동일한 유동이 발생하게 하는 개구를 함유하는 것인 시스템.
31. 엔진으로부터의 배기물에서 형성된 질소 산화물의 양을 감소시키는 방법으로서, 엔진으로부터의 배기 가스를 제1 기재의 SCR 시스템을 통해 통과시키는 것을 포함하는 것인 방법.
도 1은 엔진으로부터의 배기 가스가 유입 유동 시스템에서 두 유동으로 분배되는 것인 SCR 시스템의 실시양태의 개략적 표현이다. 또 다른 실시양태에서, 엔진으로부터의 배기 가스는 유입 유동 시스템 내에서 단일 유동으로 유지될 수 있다. 다른 실시양태에서, 엔진으로부터의 배기 가스는 유입 유동 시스템에서 3개 이상의 유동으로 분배된다. 유입 시스템에서 유동의 개수는 SCR 시스템에 대해 이용가능한 공간 및 배기 가스의 온도 및 질량 유동을 비롯한 몇몇 인자에 좌우된다. 한 실시양태에서, 소형의 SCR 시스템은 약 500 kW 내지 약 1000 kW (1 MW), 또는 약 1000 kW (1 MW) 내지 약 2000 kW (2 MW), 또는 약 2000 kW (2 MW) 내지 약 4500 kW (4.5 MW)에서 발생하는 엔진으로부터의 배기 가스를 수용한다. 엔진 배기 가스는 입구 1을 통해 SCR 시스템으로 유동하며, 입구 1은 하나의 실린더 뱅크를 갖는 엔진에 대해 단일 입구 플랜지 또는 다수, 예를 들어 2개의 실린더 뱅크 엔진 (V의 각각의 뱅크 상에서 터보과급기를 갖는 V-엔진)에 대해 2개 이상의 입구일 수 있다. 전형적으로, 그리고 바람직한 유동 패턴에 대해, 튜브/플랜지와 같은 시스템으로의 둥근 입구가 사용될 것이나, 다른 형상, 예컨대 정사각형, 직사각형, 삼각형 또는 타원형 형상이 또한 사용될 수 있다. 입구 1을 통해 시스템에 들어간 후, 가스 유동은 부호 (11) 및 (12)로서 도 1에서의 예시적 실시양태에서 나타낸 바와 같이 반응기 구획(3) 주위에서 하나 이상, 바람직하게는 2개의 유동 덕트로 분배된다. 유동 덕트는 직사각형, 정사각형, 원형 또는 반원형 횡단면을 가질 수 있다. 한 실시양태에서, 시스템은 직사각형 횡단면을 갖는 2개의 유동 덕트를 포함하며, 여기서 각각의 유동 덕트의 높이는 유동 덕트의 길이의 대략 ½이며, 도 2를 참조한다. 증가된 연료 효율은 더 큰 횡단면적을 사용함으로써 구현될 수 있으며, 이는 일정한 덕트 횡단면에서 하나 초과의 유동 덕트로 달성될 수 있으며, 이는 더 낮은 압력 손실 (헤드 손실)을 초래한다. 2개 이상의 유입구가 사용되는 경우, 실린더 뱅크 사이에서 온도, 압력 등에 있어서의 변동이 동등해진다. 한 실시양태에서, 유동 덕트는 직사각형 횡단면을 갖고 유동 덕트의 길이는 약 SCDR 반응기의 길이이다. 각각의 직사각형 유동 덕트의 길이에 대해 각각의 유동 덕트의 폭 및 높이는 각각 대략 1/8 이하 및 1/2일 수 있다.
한 실시양태에서, 복수의 유동 덕트가 존재하고 각각의 덕트에서의 가스 유동은 대략 동일하다. 대략 동일한이라는 것은, 예를 들어 두 유동 덕트를 갖는 시스템에서, 질량 유동 속도가 약 50:50 내지 약 65:35, 바람직하게는 약 50:50 내지 약 60:40, 보다 바람직하게는 약 50:50 내지 약 55:45의 범위임을 의미한다. 복수의 유동 덕트에서의 질량 유동의 비는, SCR 반응기에서 촉매의 횡단면에 걸쳐 균일한 농도의 암모니아, 또는 다른 환원제를 제공하도록 조정되어야 한다. 복수의 배기 유동을 갖는 실시양태에서, 시스템은 SCR 반응기 구획(3)에 대한 입구(31)에서의 유동 사이의 차이, 예컨대 압력 및 온도를 동등하게 한다. 도면은 유동 덕트가 SCR 반응기의 측부 주위에 위치하는 실시양태를 나타낸다. 다른 실시양태에서, 유동 덕트는 반응기 상부로 그리고 하부로 갈 수 있다. 다른 실시양태에서, 유동 덕트는 SCR 반응기의 하나 이상의 측부 주위에 및 상부/또는 하부에 위치할 수 있다.
한 실시양태에서, 유동 덕트(11) 및 (12) 각각에는 배플(21)이 장착되어 (도 2 참조) 스트림에서의 가스 유동의 국소 속도를 증가시킨다. 이는 유동이 더 난류가 되게 하고 배기 가스와 증발된 우레아 또는 다른 환원제의 혼합을 개선한다. 일부 실시양태에서, 배플은 암모니아의 도입 전 배기 가스 이동 시간을 증가시킬 수 있다. 배플의 크기 및 위치는 엔진에 의해 생성된 배기 가스의 부피, 그의 온도 등과 같은 다양한 인자에 좌우된다. 증발기 튜브는 유동 덕트의 적어도 하나에 위치할 수 있다. 각각의 유동 덕트(11), (12)의 말단에서, 천공된 플레이트(22)는 가스의 유동을 동등하게 하도록 위치할 수 있다. 플레이트의 크기 및 위치, 천공의 개수, 크기 및 위치는 엔진에 의해 생성된 배기 가스의 부피, 허용 배압, 온도 등과 같은 다양한 인자에 좌우되어 변화할 수 있다. 암모니아-적재 정화 가스의 배기 유동으로의 분포는 균일한 방식으로, 유동 덕트와 반응기 사이의 각각의 통로의 중간에 위치한 장치를 사용하여 제공될 수 있으며, 여기서 장치/튜브는 각각의 통로에 대하여 직사각형 유동 통로에 걸쳐 대략 동일한 유동이 발생하게 하는 개구를 함유한다. 또 다른 실시양태에서, 특별히 더 높은 배압이 엔진에 대해 허용되는 경우, 유동 덕트에서의 배기 유동의 체류 시간은 도 3에 나타낸 바와 같이, 이를 배면으로, 정면으로 및 다시 배면으로 향하게 함으로써 추가로 증가시킬 수 있다. 일반적으로, 배기 유동 이동 시간에 있어서의 증가는 하기 설명된 NOx 센서 및 전자 제어 장치 및 증발기 모듈을 사용함으로써 투여하고자 하는 환원제의 양을 제어할 필요가 있다. 게다가, 이러한 실시양태에서 더 높은 가스 속도는 더 높은 난류 수준 때문에 조 배기물과 암모니아의 혼합을 개선한다. 수평 배플을 사용하는 경우, 및 유동 덕트가 직사각형 형상을 갖는 경우, 각각의 직사각형 유동 덕트의 길이에 대해 각각의 유동 덕트의 폭 및 높이는 각각 대략 1/6 이하 및 1/6일 수 있다.
각각의 유동 덕트(11) 및 (12)에서의 유동의 방향은 90°만큼 선회하고 두 유동 덕트(11)와 (12) 사이의 연결 통로(31)에서 대각선으로 위치하는 구부러진 유동 플레이트(23)에 향하여 촉매의 상류에서 균일한 운동량 분포를 달성한다. 도 4는 소형의 SCR 시스템의 배면을 통한 절단을 나타내는 이러한 구부러진 유동 플레이트(23)의 한 실시양태의 개략도를 나타낸다. 도 4는 도 1에 나타낸 바와 같은 연결 통로(31)의 횡단면을 나타낸다. 연결 통로(31) (도 1 및 4 참조)에서, 배기 가스는 하기 기재된 바와 같이 환원제를 함유하는 고온 가스와 혼합된다. 구부러진 플레이트의 위치 및 배향은 SCR 반응기(3)의 횡단면에 걸쳐 가스의 실질적인 균일한 유동을 제공한다. SCR 반응기에서의 촉매에 걸쳐 균일한 배기 유동은 촉매의 동등한 이용을 초래하고 최대 NOx 전환을 제공한다. SCR 반응기는 반응기 높이 초과의 또는 이와 동일한 폭을 가질 수 있다.
SCR 촉매 브릭은 SCR 반응기 구획(3)의 중앙에 위치한다. 이러한 촉매 브릭은 도 1 및 2에 나타나 있지 않다. SCR 촉매 브릭은 정사각형, 직사각형, 육각형 및 원형을 비롯한, 가스 유동의 방향에 대해 수직인 임의의 다수의 횡단면 형상을 가질 수 있으며, 횡단면적의 더 높은 이용을 위해 정사각형 또는 직사각형이 바람직하다. 한 실시양태에서, SCR 촉매 브릭은 정사각형이고 약 150 x 150 mm2의 횡단면을 갖는다.
이어서, 배기 가스는 연결 통로(31)로부터 반응기(3)에서의 SCR 촉매 브릭 (나타나 있지 않음)을 통과하며, 여기서 NOx는 선택적 촉매 환원 반응에서 촉매 표면 상에서 환원제와 반응하여 배기 가스 중의 NOx의 양이 감소한다. SCR 반응을 NOx 수준을 감소시키는데 효과적이게 하기 위해, 기화된 우레아를 비롯한 연소 가스의 온도는 적어도 약 100℃, 전형적으로 약 180℃ 내지 약 600℃, 바람직하게는 적어도 약 250℃ 초과여야 한다. SCR 반응기에서 사용되는 촉매의 조성, 형태 및 특별히 부피는 SCR 반응기에서의 가스의 온도 및 질량 유동뿐만 아니라 NOx 로딩 및 탄화수소, 황 등과 같은 다른 배기 가스 구성물을 기준으로 선택되어 질소 산화물의 질소로의 촉매 환원에서의 선택적 환원을 제공할 수 있다.
SCR 촉매를 통과한 배기 가스는 정화된 것으로 정의되거나, 또는 정화 배기 가스인 것으로 간주된다. 이어서, 정화 배기 가스는 배기 플랜지(4)를 통해 소형의 SCR 시스템을 떠나며, 도 1 및 2를 참조한다. 정화 배기 가스의 일부는 도 1에 나타낸 바와 같이 대부분의 정화된 배기 가스 유동으로부터 분리된다. 대부분의 정화된 배기 가스 유동으로부터 분리된 정화 배기 가스의 양은 배기 가스의 온도, 유동 속도 및 NOx 로딩을 비롯한 다양한 인자에 좌우된다. 분리된 정화 배기 가스의 일부는 유입 플랜지(1)를 통해 들어가는 조 배기 가스의 총량을 기준으로 대략 1 내지 30 %, 바람직하게는 5 내지 15 %, 보다 바람직하게는 약 7 내지 10 %의 범위일 수 있다. 한 실시양태에서, 정화 배기 가스의 일부는 배기물 플랜지의 하류에 위치한 튜브에서 분리된다. 또 다른 실시양태에서, 정화 배기 가스의 일부는 배기물 플랜지(4)의 상류에 위치한 튜브에서 분리된다. 도 5는 우레아 증발기 모듈의 바람직한 실시양태를 나타낸다. 제거된 정화된 배기 가스의 일부는 우레아 증발기 모듈에서 연결부, 바람직하게는 파이프(51)를 통해 주입 헤드(53)로 전달된다. 한 실시양태에서, 파이프(51)에 연결된 고온 공기 압축기(52)를 사용하여 정화된 배기 가스를 증발기 모듈에서의 주입 헤드(53)로 전달한다. 차가운 신선한 공기의 추가의 투입은 가스 밀도의 증가로 인해 고온 공기 압축기의 에너지 요건을 감소시킬 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 예를 들어 터보과급기 또는 고온 공기 압축기와 터보과급기의 조합을 사용하여 소형의 SCR 시스템의 상류 또는 하류에서의 배기 가스 스트림으로부터 제공된 기계적 에너지를 사용하여 정화된 고온 가스를 압축시키고 주입 헤드(53)에 전달할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 기계적 에너지, 예컨대 엔진 액슬 등을 이용하는 수단이 사용될 수 있다.
정화된 배기 가스의 주입 헤드(53)로의 유동은 복수의 하위유동으로 분리된다. 도 5는 정화된 가스의 유동이 두 하위유동(511, 512)으로 분리됨을 나타낸다. 각각의 하위유동은 증발기 모듈의 우레아 증발기 튜브(5)에서 주입 헤드(53)에 공급된다. 한 바람직한 실시양태에서, 하위유동은 주입 헤드(53) 주위에서 도입되고 접선으로 파생되어 우레아 증발기 튜브(5)에서 고온 가스의 와류를 유도한다. 도 2 및 5에 나타낸 분배 튜브(5)는 대략 소형의 SCR 반응기 시스템의 길이인 길이를 갖는다. 다른 실시양태에서, 분배 튜브의 길이는, 바람직하게는 SCR 반응기의 대략적인 길이보다 큰 비이다. 도 6은 우레아 증발기 튜브가 SCR 시스템의 길이보다 대략 2배의 길이를 갖는 것인 증발기 모듈의 실시양태의 개략적 표현을 나타낸다.
증발기 튜브(5)에서의 고온의 정화 가스의 유동은 2 내지 20 미터/초, 바람직하게는 대략 10 미터/초의 속도를 가질 수 있으며, 이는 약 100 밀리초의 체류 시간을 달성하게 한다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는 증발기 튜브(5)에서의 가스의 체류 시간 및 온도 모두가 용액의 휘발화 및 우레아의 암모니아로의 전환을 보장하는데 있어서 중요한 인자임을 인지할 것이다. 이러한 인자를 기초로, 증기의 체류 시간을 조정하여 연소기의 가동 조건 및 전환 요건에 특이적인 우레아의 암모니아로의 요구되는 전환을 제공할 수 있다. 제거된 정화 가스의 질량 유동은 총 배기 질량 유동에 대해 약 10% 미만일 수 있다. 우레아의 수용액은 주입 헤드(53)에서 노즐(56)에 펌핑되고 액적으로서 노즐(56)로부터 우레아 증발기 튜브(5)로 배출된다. 우레아의 수용액은 침전 또는 다른 문제 없이 저장 및 취급을 위해 적합한 농도로 유지된다. 수용액 중 우레아의 농도는 약 5 내지 55%, 바람직하게는 약 15 내지 약 45%, 보다 바람직하게는 약 30 내지 약 40%의 범위일 수 있다. 우레아 증발기 튜브(5) 내에서, 물 및 우레아는 기화되고 우레아는 암모니아로 분해된다. 증발기 튜브에서의 물/우레아/암모니아의 체류 시간은 대략 50 내지 200 밀리초, 바람직하게는 약 100 밀리초로 설정된다. 암모니아-적재 가스는 암모니아 분배 튜브(54) 및 (55)에 공급되며, 도 2를 참조한다. 분배 튜브에서의 온도는 약 150℃ 이상, 바람직하게는 200℃ 이상의 온도로 유지되어야 한다. 바람직한 온도 범위는 약 300℃ 내지 약 450℃이다. 정화 가스의 사용은 우레아 증발 튜브(5) 및 암모니아 분배 튜브(54) 및 (55)에서 암모니아 또는 또 다른 환원제를 갖는 가스의 속도를 제어하고/하거나 조정하기 위한 수단을 제공하고, 탄화수소, 황 등과 같은 조 배기 구성물을 갖는 우레아 분해 생성물의 부반응을 최소화하고 따라서 수성 우레아 증발/분해 시간의 제어 및 따라서 가장 낮은 가능한 암모니아 슬립에서 가장 높은 가능한 NOx 환원을 달성할 가능성을 제공한다.
암모니아 분배 튜브는 암모니아-적재 가스와 유동 덕트(11) 및 (12)로부터의 배기 가스 스트림을 합쳐 암모니아-배기 가스 스트림을 형성하기 위한 수단을 포함한다. 한 실시양태에서, 암모니아-적재 가스와 배기 가스 스트림을 합치기 위한 수단은 유동 덕트(11) 및 (12)로부터의 가스의 유동이 암모니아-적재 가스와 합쳐질 수 있는 영역에서 암모니아 분배 튜브(54) 및 (55)의 적어도 일부를 따라 간격을 두고 배치된 복수의 유출구를 포함한다. 한 바람직한 실시양태에서, 암모니아 분배 튜브(54) 및 (55) 각각은 튜브(54)에서의 개구가 튜브(55)를 향하게 하고 튜브(55)에서의 개구가 튜브(54)를 향하게 하도록 배향된 복수의 구멍 또는 개구를 함유한다. 개구의 개수, 크기, 위치 및 배향은 소형의 SCR 시스템의 배기물의 유동 속도 및 구성에 좌우되어 다양할 수 있다. 개구는 증발기 튜브(5)의 압력 손실에 따라 각 측부의 유동에서 대략 동일한 질량 유동이 발생하도록 설계된다. 고온 공기 압축기 또는 터보과급기 등에 의해 제공된 다소 과압의 사용은 반응물을 함유하는 고온 가스의 유동의 제어를 가능하게 한다. 한 실시양태에서 오직 하나의 유동 덕트가 존재하는 경우, 하나의 암모니아 분배 튜브가 충분하다. 이어서, 잘 분배된 암모니아-배기 가스 스트림은 SCR 반응기 구획(3)으로 유동하며, 여기서 이는 SCR 촉매를 통과하고 정화된 배기 가스로 전환된다. 한 바람직한 실시양태에서, 소형의 SCR 시스템은 전통적인 SCR 공정 상에서 종종 사용되거나, 또는 요구되는 바와 같은 암모니아 주입 그리드 (AIG)를 사용하지 않는다. 한 실시양태에서, 신선한 공기 송풍기가 우레아 주입 지점 전 또는 후에 위치하여 충분한 압력을 제공하여 측부 스트림을 주요 스트림에 도입한다.
한 실시양태에서, 소형의 SCR 시스템은 SCR 반응기에 접속하여 촉매를 교체하기 위한 수단을 추가로 포함한다. 한 바람직한 실시양태에서, 수단은 반응기의 상부 또는 측부에 위치하는 문이다.
한 실시양태에서, 소형의 SCR 시스템은 하나 이상의 NOx 센서 및/또는 암모니아 (NH3) 센서를 추가로 포함한다. NOx 및/또는 NH3 센서는 우레아 및 증발기 모듈에 그리고 후속적으로 배기 가스에 전달된 정화 가스의 양을 제어하는 장치에 연결된다. 한 실시양태에서, NOx 센서는 유동 덕트 상에서의 배기 가스 유입구에 위치한다. 또 다른 실시양태에서, SCR 촉매의 하류에 위치하는 NOx 또는 NH3 센서는 폐쇄-루프 제어를 위해 사용될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 하류 NOx 센서는 고온 공기 압축기로부터 증발기 튜브 내로 공급되는 정화 가스 유동에 위치한다. 또 다른 실시양태에서, 시스템은 유동 덕트의 상류에서의 유입구에서 NOx 센서를 추가로 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 시스템은 정화 가스/암모니아 혼합물의 도입 전 시스템에서의 조 배기 가스 이동 시간을 제공하여, 예를 들어 로딩이 변화할 때, 즉시 주입을 보장할 수 있으며, 즉 전자 제어 장치는 투여하고자 하는 우레아의 필요한 양을 계산하고 제공하기에 충분한 시간을 갖는다 (즉: (NOx 센서 시간 + 전자 가공 시간 + 튜브(5)에서의 우레아 체류 시간) = (배기 가스가 NOx 센서로부터 암모니아 분배 튜브로 필요로 하는 시간).
한 바람직한 실시양태에서, 소형의 SCR 시스템은 500 내지 4500 kW의 전력을 갖는 단일- 또는 이중 실린더 뱅크 (예를 들어 V-실린더) 엔진으로부터 배기 가스를 통과하기 위한 1 또는 2개의 유입 플랜지를 포함한다. 한 바람직한 실시양태에서, 플랜지는 원형이다.
바람직한 실시양태에서, 시스템은 반응기의 각 측부에 위치하는 2개의 유동 덕트, (도 1에 나타낸 바와 같음), 두 튜브 모두를 통해 유사한 유동을 달성하기 위한 반응기와 대략 동일한 길이의 증발기 튜브, 수력 최적화 구멍을 갖는 2개의 암모니아 분배 튜브, 및 배기 가스 스트림이 플레이트를 따라 유동하는 구부러진 유동 플레이트 (도 4에 나타낸 바와 같음) (다른 방식으로 구부러진 둥근 유동 플레이트, 즉 유동 덕트가 반응기 구획(3)으로 배출되는 경우 상부 좌측으로부터 하부 우측으로와 대비됨)를 갖는다. 이러한 실시양태에서 사용되는 촉매는 사용되는 연료의 성질 및 연료 중의 불순물의 수준을 비롯한 몇몇 인자에 따라 셀 밀도에 있어서 광범위하게 다양할 수 있다.
한 실시양태에서, SCR 시스템은 각각의 유동 덕트에서 우레아 투입의 상류에 위치하는 산화 촉매를 추가로 포함하여 SCR 활성을 감소시킬 수 있는 탄화수소를 환원시킨다. 산화 촉매는 또한 CO, 방향족 화합물 등을 산화시킨다.
한 추가의 측면에 따라, 본 발명은 엔진으로부터의 배기물에서 형성된 질소 산화물의 양을 감소시키는 방법을 제공하며, 이는 엔진으로부터의 배기 가스를 SCR 반응기, 유입 유동 시스템 및 증발기 모듈을 포함하는 SCR 시스템을 통해 통과시키는 것을 포함하며, 여기서:
a. SCR 반응기는 적어도 하나의 SCR 촉매를 포함하고, 유입 유동 시스템 및 증발기 모듈과 소통되고,
b. 유입 유동 시스템은 엔진으로부터의 배기 가스에 대한 하나 이상의 입구를 포함하며, 여기서 입구는 SCR 반응기 주위에 위치하는 적어도 하나의 유동 덕트를 통해 가스의 유동을 분배하도록 구성되며, 여기서 SCR 주위의 유동 덕트를 통한 배기 가스의 유동은 증발기 모듈에 열을 제공하며, 여기에 우레아, 또는 암모니아 전구체가, SCR 반응기 내로 도입되기에 앞서, 증발기 모듈 내로 도입되어 암모니아로 전환되고, 각각의 유동 덕트에서의 가스의 유동은 암모니아-적재 가스 스트림의 도입 후 그리고 복수의 배플을 통과한 후 SCR 반응기 내로 도입되어 SCR 반응기의 횡단면에 걸쳐 대략 균일한 가스 속도 및 농도 프로파일을 제공하고,
(c) 증발기 모듈은 우레아, 또는 암모니아 전구체를 모듈의 가열된 부분에 도입하기 위한 수단을 포함하며, 가열된 예비-반응기 내에서 우레아, 또는 암모니아 전구체는 적어도 부분적으로 분해되고, 후속적으로, 배기 가스 스트림이 SCR 반응기에 도입되기 전에, 배기 가스 스트림에 공급된다.
상기 설명은 관련 기술분야의 통상의 기술자로 하여금 본 발명을 실시할 수 있게 하도록 의도된다. 이는 통상의 기술자가 설명을 읽고서 명백하게 알게 될 모든 가능한 변경 및 변형을 상술하도록 의도된 것은 아니다. 그러나, 모든 이러한 변경 및 변형은 상기 설명에서 나타나고 다르게는 하기 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 범주 내에 포함되도록 의도된다.

Claims (17)

  1. SCR 반응기, 유입 유동 시스템 및 증발기 모듈을 포함하는 선택적 촉매 환원 (SCR) 시스템이며, 여기서
    a. SCR 반응기는 적어도 하나의 SCR 촉매를 포함하고, 유입 유동 시스템 및 증발기 모듈과 소통되고,
    b. 유입 유동 시스템은 엔진으로부터의 배기 가스에 대한 하나 이상의 입구를 포함하며, 여기서 입구는 SCR 반응기 주위에 위치하는 적어도 하나의 유동 덕트를 통해 가스의 유동을 분배하도록 구성되며, 여기서 SCR 주위의 유동 덕트를 통한 배기 가스의 유동은 증발기 모듈에 열을 제공하며, 여기에 우레아, 또는 암모니아 전구체가, SCR 반응기 내로 도입되기에 앞서, 증발기 모듈 내로 도입되어 암모니아로 전환되고, 각각의 유동 덕트에서의 가스의 유동은 암모니아-적재 가스 스트림의 도입 후 및 복수의 배플 플레이트를 통한 통과 후에 SCR 반응기 내로 도입되어 SCR 반응기의 횡단면에 걸쳐 대략 균일한 가스 속도 및 농도 프로파일을 제공하고,
    c. 증발기 모듈은 우레아, 또는 암모니아 전구체를 가열된 예비-반응기 내로 도입하기 위한 수단을 포함하며, 가열된 예비-반응기 내에서 우레아, 또는 암모니아 전구체는 적어도 부분적으로 분해되고, 후속적으로, 배기 가스 스트림이 SCR 반응기에 도입되기 전에, 배기 가스 스트림에 공급되는 것인
    선택적 촉매 환원 (SCR) 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 가열된 예비-반응기가 증발기 모듈의 일부를 구성하는 것인 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가열된 예비-반응기가 정화된 배기 가스 스트림에 의해 가열되는 것인 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 유동 덕트와 SCR 반응기 구획 사이의 연결 통로에서 대각선으로 장착된 중실 플레이트를 추가로 포함하는 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매의 횡단면에 걸쳐 대략 균일한 농도의 암모니아를 제공하도록 구성된 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 가스의 유입 유동이 2개 이상의 유동 덕트 내로 분리되는 것인 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 덕트의 적어도 하나가 SCR 반응기의 제1 측부에 위치하고, 적어도 하나의 상이한 유동 덕트가 SCR 반응기의 반대 측부에 위치하는 것인 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 배플 플레이트가 촉매의 상류에서 배기 가스의 균일한 운동량 분포를 제공하고 암모니아 첨가 전 배기 가스의 이동 시간을 증가시키도록 위치 및 배향된 것인 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 덕트가 직사각형 횡단면을 가지며, 유동 덕트의 길이가 대략 SCR 반응기의 길이이고, 각각의 유동 덕트의 길이에 대해 각각의 유동 덕트의 폭 및 높이가 각각 대략 1/8 이하 및 1/2인 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 SCR 촉매가 단일체를 통한 가스 유동의 순 방향에서 정사각형, 직사각형 또는 원형 형상을 갖는 단일체의 형태인 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 증발기 모듈이 SCR 반응기에서 배출되는 정화 배기 가스의 일부를 제거하기 위한 수단, 가압 하에 정화 배기 가스의 일부를 수집하기 위한 수단, 가압된 정화 배기 가스를 증발기 튜브 내로 공급하기 위한 수단, 및 우레아, 또는 암모니아 전구체를 증발기 튜브 내 정화 배기 가스에 주입하기 위한 수단을 포함하는 것인 시스템.
  12. 제11항에 있어서, SCR 반응기에서 배출되는 정화 가스의 일부를 제거하기 위한 수단 및 가압 하에 정화 배기 가스의 일부를 수집하기 위한 수단이 고온 공기 압축기 또는 엔진으로부터의 기계적 에너지를 이용하는 수단인 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 고온 가스 스트림에서의 정화 가스의 질량 유동 및 온도, 및 우레아, 또는 암모니아 전구체의 체류 시간이 물의 완전한 증발, 및 우레아, 또는 암모니아 전구체의 열 분해를 달성하기에 충분한 것인 시스템.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 제거된 정화 가스의 질량 유동이 총 배기 질량 유동에 대해 약 10% 미만인 시스템.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 증발기 튜브가 유동 덕트의 적어도 하나에 위치하는 것인 시스템.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 배기 유동으로의 암모니아-적재 정화 가스의 분배가 유동 덕트와 반응기 사이의 각각의 통로의 중간에 위치하는 장치의 사용으로 균일한 방식으로 제공되며, 여기서 장치/튜브가 각각의 통로에 대하여 직사각형 유동 통로에 걸쳐 대략 동일한 유동이 발생하게 하는 개구를 함유하는 것인 시스템.
  17. 엔진으로부터의 배기 가스를 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항의 SCR 시스템을 통해 통과시키는 것을 포함하는, 엔진으로부터의 배기물에서 형성된 질소 산화물의 양을 감소시키는 방법.
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