KR20170001256A - 저압 scr 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법이 개시된다.
저압 SCR 시스템은 SCR 반응기; SCR 반응기 내에 설치된 바이패스 라인; 바이패스 라인의 전단에 설치된 바이패스 밸브; 바이패스 라인과 구획되며 촉매가 위치하는 SCR 반응기 내의 주 배기 통로; SCR 반응기의 입구에 설치되어 주 배기 통로 및 바이패스 라인의 일측을 선택적으로 개폐하는 인렛 밸브; 및 SCR 반응기의 출구에 설치되어 주 배기 통로 및 바이패스 라인의 타측을 선택적으로 개폐하는 아웃렛 밸브를 포함하며, SCR 모드, 바이패스 모드 및 벤팅 모드 중 어느 하나의 운전모드를 선택하여 운전모드에 따라 바이패스 밸브, 인렛 밸브 및 아웃렛 밸브를 조절한다.
이에 따라, 고온의 배기가스에 의해 SCR 반응기의 내부 온도를 일정 수준 이상으로 유지할 수 있고, 최소 열원을 소모하면서 ABS 분해 제거, PM/수트 제거, 부식 방지, 안정적인 환원제 분해 공급 등을 이룰 수 있다.

Description

저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법{LOW-PRESSURE SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 특히 SCR 반응기가 엔진 T/C(Turbo Charger)의 후단에 설치되는 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
선박 엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스에는 다수의 부유성 미립자와 질소산화물인 NOx, 황산화물인 SOx 등의 유해성 물질이 포함되어 있다.
따라서 엔진의 배기 라인에는 매연 여과 필터(Diesel Particulate Filter), SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템, 스크러버(Scrubber, SOx 제거) 등을 설치하여 배기가스 내의 유해 성분을 제거하고 있다.
이 중에서 SCR 시스템은 촉매(Catalyst)가 내장된 SCR 반응기를 구비하고, 배기가스 내의 질소산화물을 촉매 층에서 환원제와 화학적으로 반응시켜 인체에 무해한 물과 질소로 분해한 후 배출시키도록 구성된다.
여기서 촉매는 압출 혹은 금속성 코팅이 형성된 다공질 촉매 필터로 이루어진 것으로서, 배기 라인에 설치된 SCR 반응기 내에 한 개 또는 여러 개의 SCR 촉매가 연속 설치된다.
SCR 시스템이 엔진 T/C(Turbo Charger)의 전단에 설치되는 경우 SCR 시스템으로 유입되는 배기가스의 압력이 높기 때문에 고압 SCR 시스템이라 불린다.
이와 비교하여, 배기가스 온도가 상대적으로 낮은 엔진 T/C의 후단에 SCR 시스템이 설치되는 경우에는 저압 SCR 시스템이라 불린다.
도 1은 종래 기술에 따른 저압 SCR 시스템의 개략적 구성도이다.
SCR 반응기(40)는 엔진 T/C(10)의 후단으로부터 연장된 배기 라인(20) 상에 설치되며, SCR 반응기(40)의 전단에서 바이패스 라인(30)이 분기된다.
엔진으로부터 발생되는 배기가스는 T/C(10)를 거쳐 배기 라인(20)으로 유입되고, SCR 반응기(40)의 전/후단에 설치된 밸브(21, 22)나 바이패스 밸브(31)가 선택적으로 개폐됨에 따라, 배기가스가 SCR 반응기(40)를 경유하여 질소산화물 저감 후 배출되거나 SCR 반응기(40)를 거치지 않고 바이패스 라인(30)을 통해 곧바로 배출된다.
이러한 저압 SCR 시스템에서, T/C(10) 후단의 배기가스 온도는 대략 190~300℃ 정도이고, 압력은 대기압 수준이며, T/C(10) 후단의 낮은 배기가스 온도로 인하여 저온에서 활성이 우수한 저온용 촉매를 필요로 한다.
도 2는 도 1에 나타난 SCR 반응기의 내부 운전 온도를 예시한 그래프이다.
SCR 시스템은 배출규제지역(ECA: Emission Control Area) 내에서만 작동하여 SCR 반응기(40)를 사용하며 이 경우 통상 황 0.1% 이하인 고가의 저 유황 연료가 사용된다. 공해상 운항시에는 고 유황의 값싼 연료를 사용하여 별도의 바이패스 라인(30)을 통해 배기가스를 배출한다.
도 2에서, SCR 시스템의 운전은 공해상을 운항하는 경우(M1, M3)와 배출규제지역을 운항하는 경우(M2)로 나뉜다.
공해상을 운항하는 경우(M1, M3), 즉 엔진만 가동하고 SCR 시스템은 가동하지 않을 때에는, SCR 반응기(40)의 전/후단에 설치된 밸브(21, 22)는 닫고 바이패스 밸브(31)는 열어 배기가스가 SCR 반응기(40)를 거치지 않고 바이패스 라인(30)을 통해 배출되도록 한다.
이와 같은 바이패스 동작시 비사용 중인 SCR 반응기(40)의 내부 온도는 약 25℃ 상온으로 저하되며, 바이패스 라인(30)과 밸브(21, 22) 간 온도 차에 따른 누설로 인해 배기가스가 SCR 반응기(40) 내부로 유입되어 황산(Sulfuric Acid) 응축이 발생된다(도 2의 R1, R2).
응축된 황산은 SCR 반응기(40)의 내부 부식을 유발하므로, SCR 반응기(40) 내에 상온의 외부공기를 지속적으로 주입하여 황산을 불어내는 벤팅(Venting)을 수행하여야 한다(T11).
또한, 가동을 중지하였던 SCR 시스템을 재가동하는 경우, SCR 반응기(40) 내의 온도가 약 25℃ 상온으로 저하된 상태로서 SCR 촉매 반응이 가능한 소정의 SCR 반응 온도(약 200~250℃)까지 상승하려면 시간이 지체된다.
그러므로, 배출규제지역 진입 전에 SCR 반응기(40)의 내부 온도 상승을 위하여 버너 등의 추가 열원에 의해 외부공기를 가열하여 밀폐된 SCR 반응기(40) 내 온도를 약 200℃로 예열(Warming Up)시켜야 한다(T12).
한편, 배출규제지역을 운항하는 경우에는(M2), SCR 반응기(40)의 전/후단에 설치된 밸브(21, 22)를 열고 바이패스 밸브(31)를 닫음으로써, 배기가스를 SCR 반응기(40)로 유도해 SCR 반응기(40) 내부의 촉매와 반응시켜 배기가스 중의 질소산화물을 제거한다.
배출규제지역 내 항구에 정박하는 경우에는, 엔진이 정지함에 따라 SCR 반응기(40) 내 온도가 약 25℃ 상온으로 저하된다(T22).
따라서 이 경우에도 SCR 반응기(40) 내부의 황산 응축 및 시스템 재가동 준비를 위해 전/후단의 밸브(21, 22)가 닫힌 상태에서 버너 등의 추가 열원으로부터 SCR 반응기(40)의 내부 온도를 약 200℃로 유지하기 위한 가열과정(Heating)이 필요하다(T22).
이후 배출규제지역을 벗어나 다시 공해상에 진입한 경우(M3), SCR 반응기(40) 내 촉매에 부착된 ABS(Ammonium Bisulfate)의 제거를 위해 추가 열원을 이용 고온의 스팀 또는 고온의 압축공기를 만들어 내부에 분사함으로써 ABS의 분해 제거 및 촉매 재생(Regeneration)을 실시한다(T31).
이와 같이, 종래 저압 SCR 시스템은 SCR 반응기(40)가 설치된 배기 라인(20)과 바이패스 라인(30)이 분리되어 있어 SCR 반응기(40) 내 온도가 상온까지 강하되는 경우가 빈번하고, 이로 인해 많은 열원이 소모된다.
또한, SCR 반응기(40) 내부의 낮은 온도로 인해 부식을 유발하는 ABS 생성량 증가, PM(Particle Material)/수트(Soot)의 침적, 환원제 미분해 등의 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는, 별도의 추가 열원(버너 등), 수트 블로워(Soot Blower) 및 우레아를 가수분해하여 제공하기 위한 별도의 환원제 공급장치 등이 필요하므로, 시스템 구성이 복잡하고, 설치가 번거로운 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2013-0016581호 (공개일: 2013.02.18.)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 바이패스 라인을 SCR 반응기의 내부로 통과시켜 배기가스의 바이패스 동작시에도 고온의 배기가스에 의해 SCR 반응기의 내부 온도를 일정 수준 이상으로 유지할 수 있도록 하는 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 운전모드에 따라 SCR 반응기 전/후단, 바이패스 라인 상에 설치된 밸브들의 개폐상태를 최적 제어함으로써, 최소 열원을 소모하면서 ABS 분해 제거, PM 및 수트의 제거, 부식 방지, 안정적인 환원제 분해 공급 등을 이룰 수 있도록 하는 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 주요 구성요소를 모듈화/소형화하여 그 구성을 단순화하고 설치의 편의성을 극대화할 수 있도록 하는 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저압 SCR 시스템은 SCR 반응기; 상기 SCR 반응기 내에 설치된 바이패스 라인; 상기 바이패스 라인의 전단에 설치된 바이패스 밸브; 상기 바이패스 라인과 구획되며, 촉매가 위치하는 상기 SCR 반응기 내의 주 배기 통로; 상기 SCR 반응기의 입구에 설치되어 상기 주 배기 통로 및 상기 바이패스 라인의 일측을 선택적으로 개폐하는 인렛 밸브; 및 상기 SCR 반응기의 출구에 설치되어 상기 주 배기 통로 및 상기 바이패스 라인의 타측을 선택적으로 개폐하는 아웃렛 밸브를 포함하며, SCR 모드, 바이패스 모드 및 벤팅 모드 중 어느 하나의 운전모드를 선택하여 상기 운전모드에 따라 상기 바이패스 밸브, 상기 인렛 밸브 및 상기 아웃렛 밸브를 조절한다.
본 발명에 따른 저압 SCR 시스템은 상기 SCR 모드인 경우, 상기 바이패스 밸브를 닫고 상기 인렛 밸브 및 상기 아웃렛 밸브를 열어 배기가스를 상기 주 배기 통로의 촉매로 통과시키며, 상기 바이패스 모드인 경우, 상기 인렛 밸브 및 상기 아웃렛 밸브를 닫아 상기 주 배기 통로를 밀폐시키고 상기 바이패스 밸브를 열어 상기 바이패스 라인을 통해 배기가스를 통과시키며, 상기 벤팅 모드인 경우, 상기 인렛 밸브를 닫고, 상기 바이패스 밸브 및 상기 아웃렛 밸브를 스로틀링하여 상기 주 배기 통로의 잔류 배기가스를 배출시킬 수 있다.
본 발명에 따른 저압 SCR 시스템은 모든 운전모드에서 엔진으로부터 배출된 배기가스를 상기 SCR 반응기의 내부로 통과시켜 상기 엔진이 가동되는 동안 상기 SCR 반응기의 내부 온도가 배기가스 온도 이상으로 유지되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 저압 SCR 시스템은 상기 바이패스 라인의 후단에 설치된 노즐을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 저압 SCR 시스템은 고체 탄산암모늄으로부터 암모니아 가스를 생성하여 상기 SCR 반응기의 전단으로 공급하는 환원제 공급장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 저압 SCR 시스템은 상기 SCR 반응기의 내부 온도 승온을 위해 고온 고압의 공기를 발생시켜 상기 주 배기 통로에 공급하는 가열 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 저압 SCR 시스템은 상기 바이패스 모드에서, 상기 가열 장치로부터 발생되는 고온 고압의 공기를 상기 주 배기 통로에 공급하여 상기 SCR 반응기의 내부 온도를 ABS 기화 온도 이상으로 상승시킬 수 있다.
본 발명에 따른 저압 SCR 시스템은 상기 SCR 모드로의 진입 전 또는 상기 SCR 모드 중 엔진 가동이 일시 중단되는 경우, 상기 가열 장치로부터 발생되는 고온 고압의 공기를 상기 주 배기 통로에 공급하여 상기 SCR 반응기의 내부 온도를 SCR 반응 온도 이상으로 유지시킬 수 있다.
본 발명에 따른 저압 SCR 시스템에서 상기 SCR 반응기는 각각의 엔진 T/C(Turbo Charger)마다 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 저압 SCR 시스템에서 상기 바이패스 라인은 상기 SCR 반응기 내의 중앙부에 상기 촉매를 관통하도록 설치되고, 상기 주 배기 통로는 상기 SCR 반응기 내에서 상기 바이패스 라인의 주변부에 위치할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 방법은 SCR 반응기 내에 바이패스 라인과 촉매가 위치하는 주 배기 통로가 포함되는 저압 SCR 시스템의 제어 방법에 있어서, SCR 모드, 바이패스 모드 및 벤팅 모드 중 어느 하나의 운전모드를 선택하는 단계; 및 상기 운전모드에 따라 상기 바이패스 라인 전단의 바이패스 밸브, 상기 SCR 반응기의 입구에 설치되어 상기 주 배기 통로 및 상기 바이패스 라인의 일측을 선택적으로 개폐하는 인렛 밸브와, 상기 SCR 반응기의 출구에 설치되어 상기 주 배기 통로 및 상기 바이패스 라인의 타측을 선택적으로 개폐하는 아웃렛 밸브를 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 방법에서, 상기 밸브 조절 단계는, 상기 SCR 모드인 경우, 상기 바이패스 밸브를 닫고 상기 인렛 밸브 및 상기 아웃렛 밸브를 열어 배기가스를 상기 주 배기 통로의 촉매로 통과시키는 단계; 상기 바이패스 모드인 경우, 상기 인렛 밸브 및 상기 아웃렛 밸브를 닫아 상기 주 배기 통로를 밀폐시키고 상기 바이패스 밸브를 열어 상기 바이패스 라인을 통해 배기가스를 통과시키는 단계; 및 상기 벤팅 모드인 경우, 상기 인렛 밸브를 닫고 상기 바이패스 밸브 및 상기 아웃렛 밸브를 스로틀링하여 상기 주 배기 통로의 잔류 배기가스를 배출시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 바이패스 라인을 SCR 반응기의 내부로 통과시켜 배기가스의 바이패스 동작시에도 고온의 배기가스에 의해 SCR 반응기의 내부 온도를 일정 수준 이상으로 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 운전모드에 따라 SCR 반응기 전/후단, 바이패스 라인 상에 설치된 밸브들의 개폐상태를 최적 제어함으로써, 최소 열원을 소모하면서 ABS 분해 제거, PM/수트 제거, 부식 방지, 안정적인 환원제 분해 공급 등을 이룰 수 있다.
또한, 본 발명의 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 주요 구성요소를 모듈화/소형화하여 그 구성을 단순화하고 설치의 편의성을 극대화할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 저압 SCR 시스템의 구성도.
도 2는 도 1에 나타난 SCR 반응기의 내부 운전 온도를 예시한 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 반응기의 구성도.
도 5는 도 4에 나타난 SCR 반응기의 분해 사시도.
도 6은 도 4에 나타난 SCR 반응기의 운전모드에 따른 동작을 예시한 도면.
도 7은 도 4에 나타난 SCR 반응기의 운전 모드별 내부 온도를 예시한 그래프.
도 8은 도 4에 나타난 SCR 반응기의 벤팅 모드에 따른 내부 압력 분포를 예시한 그래프.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 구성도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 반응기의 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저압 SCR 시스템에서는, 도시된 바와 같이 바이패스 라인(133)이 SCR 반응기(130)의 내부에 일체형으로 배치되어 구성을 단순화하고 소형화/모듈화를 가능케 한다.
도 3에서, SCR 반응기(130)는 엔진 T/C(110)의 후단으로부터 연장된 배기 라인(120) 상에 설치된다.
엔진으로부터 발생된 배기가스는 T/C(110)를 거쳐 배기 라인(120)으로 배출된다.
SCR 반응기(130)에는 배기가스와의 SCR 촉매 반응을 위한 촉매(132)가 내장되며, SCR 반응기(130)의 전/후단에는 배기 라인(120)을 통해 유입된 배기가스의 통과 및 차단을 위한 인렛 밸브(137) 및 아웃렛 밸브(138)가 설치된다.
도 4를 참조하면, SCR 반응기(130)의 내부 공간은 크게 바이패스 라인(133)과 촉매(132)가 설치되는 주 배기 통로(139)로 구분된다.
이때, 주 배기 통로(139)는 배기가스 중의 질소산화물 제거를 위한 SCR 촉매 반응이 일어나는 공간임에 비해, 바이패스 라인(133)은 SCR 촉매 반응 없이 배기가스를 그대로 바이패스시키기 위한 공간이다.
바이패스 라인(133)은 촉매(132)가 위치하는 SCR 반응기(130) 내 주 배기 통로(139)와 구획되도록, SCR 반응기(130)의 내부에 설치된다.
바이패스 라인(133)의 전단에는 바이패스 밸브(136)가 설치된다.
또한, 바이패스 라인(133)의 후단에는 노즐(134)이 설치될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, SCR 반응기(130)의 전단에 환원제 공급장치(150)가 설치되어 고체 탄산암모늄(Ammonium Carbonate)으로부터 환원제인 암모니아 가스를 생성해 SCR 반응기(130)로 공급한다.
이러한 환원제 공급장치(150)는 비교적 저온(예컨대 약 58℃ 이상)에서 고체 탄산암모늄을 기화시켜 암모니아를 발생시킬 수 있으므로, 이를 이용하면 환원제 분해에 필요한 추가 열원이나 별도의 우레아 가수분해장치가 불필요한 장점이 있다.
제어 장치(200)는 전술한 인렛 밸브(137), 바이패스 밸브(136) 및 아웃렛 밸브(138)를 조작하여 배기가스 처리에 관련된 복수 개의 운전모드를 구현할 수 있다.
즉 제어 장치(200)는 SCR 모드, 바이패스 모드 및 벤팅 모드를 포함한 복수 개의 운전모드 중 하나를 선택하고, 선택된 운전모드에 따라 바이패스 밸브(136), 인렛 밸브(137) 및 아웃렛 밸브(138)를 조절하여 각 밸브(136, 137, 138)의 개폐상태를 적절히 전환할 수 있다.
이와 같은 구성에 있어, 바이패스 모드를 포함한 모든 운전모드에서 엔진으로부터 배출된 배기가스가 SCR 반응기(130)의 내부를 통과하게 되며, 이로 인해 배기가스가 주 열원으로 작용하여 엔진이 가동되는 동안에는 SCR 반응기(130)의 내부 온도가 항상 배기가스 온도(약 190~290℃) 이상으로 유지될 수 있다.
가열 장치(160)는 주 열원인 배기가스의 추가 열원으로서 필요시 제어 장치(200)의 제어 하에 고온 고압의 공기를 발생시켜 촉매(132)가 위치하는 주 배기 통로(139)에 공급함으로써 SCR 반응기(130)의 내부 온도를 승온시킨다.
도 5는 도 4에 나타난 SCR 반응기의 분해 사시도이다.
도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 SCR 반응기(130)는 하우징(131), 촉매(132), 바이패스 라인(133), 천공 판(135), 주 배기 통로(139) 등을 포함한다.
바이패스 라인(133)의 전단에는 바이패스 밸브(136)가 구비되고, SCR 반응기(130)의 전/후단에는 각각 인렛 밸브(137) 및 아웃렛 밸브(138)가 구비된다.
바이패스 라인(133)은 하우징(131)의 내부를 통과하도록 설치되며, 바이패스 밸브(136)를 구비한 바이패스 라인(133)의 전단은 천공 판(135)에 끼워져 하우징(131) 내벽에 고정된다.
바이패스 밸브(136)는 바이패스 라인(133)의 전단에 설치되어 제어 장치(200)의 제어 하에 개폐된다.
주 배기 통로(139)는 촉매(132)가 위치하여 배기가스와의 SCR 촉매 반응을 일으키는 공간으로, SCR 반응기(130) 내에 바이패스 라인(133)과 구획되어 형성된다.
일 실시예에서, 전술한 바이패스 라인(133)은 SCR 반응기(130) 내의 중앙부에 촉매(132)를 관통하도록 설치될 수 있으며, 이 경우 주 배기 통로(139)는 SCR 반응기(130) 내에서 바이패스 라인(133)의 주변부에 위치하도록 구성된다.
인렛 밸브(137)는 SCR 반응기(130)의 입구에 설치되어 제어 장치(200)의 제어 하에 주 배기 통로(139)의 일측 또는 바이패스 라인(133)의 일측을 선택적으로 개폐한다.
아웃렛 밸브(138)는 SCR 반응기(130)의 출구에 설치되어 제어 장치(200)의 제어 하에 주 배기 통로(139)의 타측 또는 바이패스 라인(133)의 타측을 선택적으로 개폐한다.
도 6은 도 4에 나타난 SCR 반응기의 운전모드에 따른 동작을 예시한 도면이다.
도 6에서, (a)는 SCR 모드이고, (b)는 바이패스 모드이며, (c)는 벤팅 모드이다.
(a)의 SCR 모드에서는(예컨대 배출규제지역 운항시), 제어 장치(200)가 바이패스 밸브(136)를 닫고, 인렛 밸브(137) 및 아웃렛 밸브(138)를 열어 배기가스를 주 배기 통로(139)의 촉매(132)로 통과시킨다.
이 경우, 배기가스가 주 배기 통로(139)의 촉매(132)를 지나면서 배기가스와의 SCR 촉매 반응이 일어나 배기가스 중의 질소산화물이 제거된다.
(b)의 바이패스 모드에서는(예컨대 공해상 운항시), 제어 장치(200)가 인렛 밸브(137) 및 아웃렛 밸브(138)를 닫아 주 배기 통로(139)를 밀폐시키고, 바이패스 밸브(136)를 열어 바이패스 라인(133)을 통해 배기가스를 통과시킨다.
이 경우, 배기가스가 SCR 촉매 반응 없이 바이패스 라인(133)을 통해 SCR 반응기(130)의 후단으로 곧바로 배출되며, 배기가스의 바이패스 상태임에도 불구하고 고온의 배기가스(약 190~290℃)가 SCR 반응기(130)의 내부를 통과함에 따라 SCR 반응기(130)의 내부가 항상 고온으로 유지되어 별도의 가동 준비 및 예열이 불필요하다.
또한, 배기가스의 바이패스 동작시에 SCR 반응기(130)의 내부가 밀폐됨에 따라 고온의 배기가스 열을 활용하면서, 가열 장치(160)로부터 고온 고압의 공기를 추가 열원으로 공급받아, 최소의 추가 열원으로 SCR 반응기(130)의 내부 온도를 ABS 기화 온도(약 350℃) 이상으로 상승시켜 ABS의 분해 제거 및 촉매 재생을 수행할 수 있다(예컨대, 배출규제지역을 벗어나 공해상에 진입한 경우).
바이패스 라인(30)이 SCR 반응기(40)와 별도로 구비되는 종래의 경우에는, 배기가스의 바이패스 동작시에 SCR 반응기(40)의 비사용으로 인해 SCR 반응기(40)의 내부 온도가 상온(약 25℃)까지 강하된다. 이 경우, 25℃→350℃로 승온시키기 위해 ΔT=325℃ 만큼의 승온이 필요하다.
반면, 본 발명의 일 실시예에서와 같이 바이패스 라인(133)을 SCR 반응기(130) 내에 일체화하면, 배기가스의 바이패스 동작시에도 SCR 반응기(130)의 내부 온도가 배기가스 온도, 예컨대 200℃ 이상으로 유지되므로, 200℃→350℃로 승온시키기 위해 ΔT=150℃ 만큼만 승온하면 충분하다.
(c)의 벤팅 모드에서는, 제어 장치(200)가 인렛 밸브(137)를 닫고 바이패스 밸브(136) 및 아웃렛 밸브(138)를 스로틀링(throttling) 하여 주 배기 통로(139)의 잔류 배기가스를 배출시킴으로써, 부식의 원인이 되는 내부 황 성분이나 PM, 수트 등을 제거한다.
도 7은 도 4에 나타난 SCR 반응기의 운전모드별 내부 온도 분포를 예시한 그래프이다.
도 7에서, M1, M2, M3은 각각 벤팅 모드(공해상 운항시), SCR 모드(배출규제지역 운항시) 및 바이패스 모드(공해상 운항시)를 예시한 것이다.
또한, T11, T12는 각각 벤팅 모드에서의 벤팅 구간 및 가동 준비 구간, T21, T22는 각각 SCR 모드에서의 가동 구간 및 가열 구간, T31은 바이패스 모드에서의 촉매 재생 구간이다.
전술한 바와 같이 종래 기술의 경우, 바이패스 라인(30)이 SCR 반응기(40)와 별도 구비됨으로 인해, 배기가스의 바이패스 동작시에 SCR 반응기(40)의 내부 온도가 상온(약 25℃)까지 강하되어 부식을 유발하는 황산 응축이 발생하게 된다(R1, R2).
또한, 가동 준비 구간(T12), 촉매 재생 구간(T31) 등에서 SCR 반응기(40)의 낮은 내부 온도로 인해 불가피하게 많은 추가 열원이 소모된다.
이러한 종래 기술과 비교할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 반응기(130)의 내부 온도는 엔진이 일시 정지되는 경우(T22, 예컨대, 배출규제지역 내 항구에 정박하는 경우)를 제외하고 엔진이 가동되는 동안 항상 배기가스 온도(약 200℃ 전후) 이상으로 유지됨에 따라 황산 응축이 발생하지 않는다.
또한, SCR 모드 중 엔진이 일시 정지되어 가열동작을 필요로 하는 가열 구간(T22)을 포함해, 가동 준비 구간(T12), 가동 구간(T21) 및 촉매 재생 구간(T31)에, SCR 반응기(130)의 현재 내부 온도와 타겟 온도 간의 적은 온도차로 인해 종래 기술 대비 추가 열원이 적게 소모되는 장점이 있다.
이때, 가동 준비 구간(T12), 가동 구간(T21), 가열 구간(T22) 및 촉매 재생 구간(T31) 각각의 타겟 온도는 일례로, 예열 온도(약 180~200℃), SCR 반응 온도 최고 임계값(약 230~250℃), SCR 반응 온도 최저 임계값(약 200℃), ABS 기화 온도(약 350℃)일 수 있다.
한편, 바이패스 모드(M3) 중 촉매 재생 구간(T31)인 경우에는, 제어 장치(200)가 가열 장치(160)를 추가 열원으로 사용해 가열 장치(160)로부터 발생되는 고온 고압의 공기를 주 배기 통로(139)에 공급하여 SCR 반응기(130)의 내부 온도를 ABS 기화 온도(약 350℃) 이상으로 상승시킬 수 있다.
이때 고온의 배기가스로 인해 SCR 반응기(130)의 내부 온도가 기본적으로 높아서 적은 열원만으로 ABS 기화 온도를 쉽게 만족시킬 수 있다.
또한, 제어 장치(200)는 SCR 모드(M2)로의 진입 전 가동 준비 구간(T12) 또는 SCR 모드(M2) 중 엔진 가동이 일시 중단되는 가열 구간(T22)에서, 가열 장치(160)를 추가 열원으로 사용해 이로부터 발생되는 고온 고압의 공기를 주 배기 통로(139)에 공급하여 SCR 반응기(130)의 내부 온도를 SCR 반응 온도(약 200~250℃) 이상으로 유지시킬 수 있다.
도 8은 도 4에 나타난 SCR 반응기의 벤팅 모드에 따른 내부 압력 분포를 예시한 그래프이다.
도 8에서, (a)는 바이패스 상태에서 아웃렛 밸브(138)를 개방한 경우 SCR 반응기(130)의 내부 압력 분포를 예시한 것이고, (b), (c)는 SCR 반응기(130) 내 수평방향((a)의 x), 수직방향((a)의 y)에 따른 압력 분포를 각각 도시한 것이다.
배기가스의 바이패스 동작시에 아웃렛 밸브(138)를 스로틀링하면 도시된 바와 노즐(134)에 의해 유속이 증가하여 SCR 반응기(130)의 내부 압력이 (-) 압력 상태가 되면서 SCR 반응기(130)가 이젝터(Ejector)와 같은 작용을 하여 잔류 배기가스를 배출시키게 된다.
또한, (b) 및 (c)에 예시된 바와 같이 배기가스 유속이 10m/s→20m/s→30m/s로 증가할수록 바이패스 라인(133) 후단의 노즐(134) 내외의 차압, SCR 반응기(130)의 중심부와 표면부 간의 차압이 커지게 된다.
이를 이용해, 벤팅 모드에서는, 인렛 밸브(137)를 닫은 상태에서 바이패스 밸브(136) 및 아웃렛 밸브(138)를 스로틀링하여 일정 속도 이상의 배기가스 유속을 발생시켜 줌으로써, 주 배기 통로(139)의 잔류 배기가스를 배출시켜 내부 황 성분이나 PM/수트 등을 흡인하여 제거할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 구성도이다.
전술한 SCR 반응기(130)는 소형화/모듈화가 가능하여 설치 방법을 다양화할 수 있으며, 일례로, 도시된 바와 같이 각각의 엔진 T/C(110)마다 SCR 반응기(130)를 설치할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
먼저, 제어 장치(200)는 SCR 반응기(130)의 운전모드를 SCR 모드, 바이패스 모드 및 벤팅 모드 중 어느 하나로 선택한다(S110).
예를 들어, 제어 장치(200)는 선박이 공해상을 운항하는 경우 바이패스 모드를 선택하고, 선박이 배출규제지역을 운항하는 경우 바이패스 모드를 선택할 수 있다.
또한, 바이패스 모드 중 SCR 반응기(130) 전/후단의 차압을 측정해 측정 차압이 일정값 이상이 되면 잔류 배기가스를 불어내 SCR 반응기(130) 내 황 성분이나 PM, 수트 등을 제거하기 위해 벤팅 모드로 전환할 수 있다.
이후, 제어 장치(200)는 상기한 과정 S110에서 선택한 운전모드에 따라 바이패스 라인(133) 전단의 바이패스 밸브(136), SCR 반응기(130)의 입구에 설치되어 주 배기 통로(139) 및 바이패스 라인(133)의 일측을 선택적으로 개폐하는 인렛 밸브(137)와, SCR 반응기(130)의 출구에 설치되어 주 배기 통로(139) 및 바이패스 라인(133)의 타측을 선택적으로 개폐하는 아웃렛 밸브(138)를 조절한다(S120).
구체적으로, 상기한 과정 S110에서 SCR 모드가 선택된 경우, 제어 장치(200)는 바이패스 밸브(136)를 닫고 인렛 밸브(137) 및 아웃렛 밸브(138)를 열어 배기가스를 주 배기 통로(139)의 촉매(132)로 통과시킴으로써, 배기가스 중의 질소산화물을 제거하기 위한 SCR 촉매 반응이 일어나도록 한다(S121).
상기한 과정 S110에서 바이패스 모드가 선택된 경우에는, 제어 장치(200)가 인렛 밸브(137) 및 아웃렛 밸브(138)를 닫아 주 배기 통로(139)를 밀폐시키고 바이패스 밸브(136)를 열어 SCR 촉매 반응 없이 바이패스 라인(133)을 통해 배기가스가 곧바로 SCR 반응기(130)의 후단으로 배출되도록 한다(S122).
상기한 과정 S110에서 벤팅 모드가 선택된 경우에는, 제어 장치(200)가 인렛 밸브(137)를 닫고 바이패스 밸브(136) 및 아웃렛 밸브(138)를 스로틀링하여 SCR 반응기(130) 내 주 배기 통로(139)의 압력을 (-) 압력 상태로 만들어 줌으로써 주 배기 통로(139)의 잔류 배기가스를 외부로 배출시켜 SCR 반응기(130) 내 황 성분이나 PM, 수트 등을 흡인하여 제거한다(S123).
본 발명에 따른 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법의 구성은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
110: 엔진 T/C, 120: 배기 라인,
130: SCR 반응기, 131: 하우징,
132: 촉매, 133: 바이패스 라인,
134: 노즐, 135: 천공 판,
136: 바이패스 밸브, 137: 인렛 밸브,
138: 아웃렛 밸브, 139: 주 배기 통로,
150: 환원제 공급장치, 160: 가열 장치,
200: 제어 장치

Claims (12)

  1. SCR 반응기;
    상기 SCR 반응기 내에 설치된 바이패스 라인;
    상기 바이패스 라인의 전단에 설치된 바이패스 밸브;
    상기 바이패스 라인과 구획되며, 촉매가 위치하는 상기 SCR 반응기 내의 주 배기 통로;
    상기 SCR 반응기의 입구에 설치되어 상기 주 배기 통로 및 상기 바이패스 라인의 일측을 선택적으로 개폐하는 인렛 밸브; 및
    상기 SCR 반응기의 출구에 설치되어 상기 주 배기 통로 및 상기 바이패스 라인의 타측을 선택적으로 개폐하는 아웃렛 밸브를 포함하며,
    SCR 모드, 바이패스 모드 및 벤팅 모드 중 어느 하나의 운전모드를 선택하여 상기 운전모드에 따라 상기 바이패스 밸브, 상기 인렛 밸브 및 상기 아웃렛 밸브를 조절하는 저압 SCR 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 SCR 모드인 경우, 상기 바이패스 밸브를 닫고 상기 인렛 밸브 및 상기 아웃렛 밸브를 열어 배기가스를 상기 주 배기 통로의 촉매로 통과시키며,
    상기 바이패스 모드인 경우, 상기 인렛 밸브 및 상기 아웃렛 밸브를 닫아 상기 주 배기 통로를 밀폐시키고 상기 바이패스 밸브를 열어 상기 바이패스 라인을 통해 배기가스를 통과시키며,
    상기 벤팅 모드인 경우, 상기 인렛 밸브를 닫고, 상기 바이패스 밸브 및 상기 아웃렛 밸브를 스로틀링하여 상기 주 배기 통로의 잔류 배기가스를 배출시키는 저압 SCR 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    모든 운전모드에서 엔진으로부터 배출된 배기가스를 상기 SCR 반응기의 내부로 통과시켜 상기 엔진이 가동되는 동안 상기 SCR 반응기의 내부 온도가 배기가스 온도 이상으로 유지되도록 하는 저압 SCR 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스 라인의 후단에 설치된 노즐을 더 포함하는 저압 SCR 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    고체 탄산암모늄으로부터 암모니아 가스를 생성하여 상기 SCR 반응기의 전단으로 공급하는 환원제 공급장치를 더 포함하는 저압 SCR 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 SCR 반응기의 내부 온도 승온을 위해 고온 고압의 공기를 발생시켜 상기 주 배기 통로에 공급하는 가열 장치를 더 포함하는 저압 SCR 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바이패스 모드에서, 상기 가열 장치로부터 발생되는 고온 고압의 공기를 상기 주 배기 통로에 공급하여 상기 SCR 반응기의 내부 온도를 ABS(Ammonium Bisulfate) 기화 온도 이상으로 상승시키는 저압 SCR 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 SCR 모드로의 진입 전 또는 상기 SCR 모드 중 엔진 가동이 일시 중단되는 경우, 상기 가열 장치로부터 발생되는 고온 고압의 공기를 상기 주 배기 통로에 공급하여 상기 SCR 반응기의 내부 온도를 SCR 반응 온도 이상으로 유지시키는 저압 SCR 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 SCR 반응기가 각각의 엔진 T/C(Turbo Charger)마다 설치되는 저압 SCR 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스 라인은 상기 SCR 반응기 내의 중앙부에 상기 촉매를 관통하도록 설치되고, 상기 주 배기 통로는 상기 SCR 반응기 내에서 상기 바이패스 라인의 주변부에 위치하는 저압 SCR 시스템.
  11. SCR 반응기 내에 바이패스 라인과 촉매가 위치하는 주 배기 통로가 포함되는 저압 SCR 시스템의 제어 방법에 있어서,
    SCR 모드, 바이패스 모드 및 벤팅 모드 중 어느 하나의 운전모드를 선택하는 단계; 및
    상기 운전모드에 따라 상기 바이패스 라인 전단의 바이패스 밸브, 상기 SCR 반응기의 입구에 설치되어 상기 주 배기 통로 및 상기 바이패스 라인의 일측을 선택적으로 개폐하는 인렛 밸브와, 상기 SCR 반응기의 출구에 설치되어 상기 주 배기 통로 및 상기 바이패스 라인의 타측을 선택적으로 개폐하는 아웃렛 밸브를 조절하는 단계를 포함하는 저압 SCR 시스템의 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 밸브 조절 단계는,
    상기 SCR 모드인 경우, 상기 바이패스 밸브를 닫고 상기 인렛 밸브 및 상기 아웃렛 밸브를 열어 배기가스를 상기 주 배기 통로의 촉매로 통과시키는 단계;
    상기 바이패스 모드인 경우, 상기 인렛 밸브 및 상기 아웃렛 밸브를 닫아 상기 주 배기 통로를 밀폐시키고 상기 바이패스 밸브를 열어 상기 바이패스 라인을 통해 배기가스를 통과시키는 단계; 및
    상기 벤팅 모드인 경우, 상기 인렛 밸브를 닫고 상기 바이패스 밸브 및 상기 아웃렛 밸브를 스로틀링하여 상기 주 배기 통로의 잔류 배기가스를 배출시키는 단계를 포함하는 저압 SCR 시스템의 제어 방법.
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