KR20170060243A - 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되며 촉매가 내부에 설치된 반응기와, 상기 반응기 전방의 상기 배기 유로에서 분기하여 상기 반응기에 연결된 분기 유로와, 상기 배기 유로와 상기 분기 유로의 분기 지점 전방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 반응기 후방의 상기 배기 유로와 합류하는 바이패스 유로와, 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 합류 지점과 상기 반응기 사이의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기 지점과 상기 배기 유로와 상기 분기 유로의 분기 지점 사이의 상기 배기 유로에 합류하는 순환 유로, 그리고 상기 분기 유로 상에 설치된 가열 장치를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치{POWER PLANT WITH SELECTIVE CATALYTIC REUCTION SYSTEM}
본 발명은 선택적 촉매 환원 반응을 이용하여 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치에 관한 것이다.
일반적으로 선박 등에 사용되는 동력 장치는 동력을 발생시키는 디젤 엔진과, 디젤 엔진에 소기용 공기를 공급하는 과급기(turbocharger), 그리고 디젤 엔진에서 배출된 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키는 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템 등을 포함한다.
선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.
이러한 선택적 촉매 환원 시스템이 선박에 사용될 경우, 선박용 디젤 엔진에서 배출되는 질소산화물(NOx)의 배출량이 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III)를 만족시킬 수 있도록 이의 성능과 운용이 요구되고 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템은 경제성과 방사능 규제 등을 고려하여 섭씨 250도 내지 섭씨 350도 범위 내의 활성 온도를 갖는 고온 활성 촉매를 주로 이용하고 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다.
그런데, 촉매가 활성 온도 범위 밖에서 반응할 경우, 촉매가 피독되면서 지속적으로 촉매의 활성도가 저하된다. 특히, 고온 활성 촉매가 설치된 반응기에 섭씨 250도 미만의 상대적으로 낮은 온도를 갖는 배기 가스가 유입되면, 배기가스의 황산화물(SOx)과 환원제인 암모니아(NH4)가 반응하여 촉매 피독 물질이 생성된다. 촉매 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
이러한 촉매 피독 물질은 촉매에 흡착되어 촉매의 활성을 저하시킨다. 따라서, 촉매의 효율을 높이고 유지 보수에 따른 손실을 최소화하기 위해서는 촉매의 온도를 활성 온도 범위 내로 유지하는 것이 요구된다.
하지만, 선박용 저속 디젤 엔진의 경우, 디젤 엔진의 부하 변동에 따라 배기가스의 배출량이 달라지고, 선박이 운항 중인 기후 환경도 선택적 촉매 환원 반응에 영향을 미치므로, 촉매의 피독을 완벽하게 피하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 피독된 촉매를 효과적으로 재생시킬 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되며 촉매가 내부에 설치된 반응기과, 상기 반응기 전방의 상기 배기 유로에서 분기하여 상기 반응기에 연결된 분기 유로와, 상기 배기 유로와 상기 분기 유로의 분기 지점 전방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 반응기 후방의 상기 배기 유로와 합류하는 바이패스 유로와, 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 합류 지점과 상기 반응기 사이의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기 지점과 상기 배기 유로와 상기 분기 유로의 분기 지점 사이의 상기 배기 유로에 합류하는 순환 유로, 그리고 상기 분기 유로 상에 설치된 가열 장치를 포함한다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 엔진의 배기가스가 상기 배기 유로를 따라 상기 반응기를 거쳐 이동하는 후처리 모드와, 상기 가열 장치와 상기 반응기를 포함하는 폐루프(closed loop)를 형성하여 상기 반응기의 촉매를 재생시키는 촉매 재생 모드 중 어느 하나의 모드로 동작할 수 있다.
상기 촉매 재생 모드에서 상기 엔진의 배기가스는 상기 바이패스 유로를 따라 상기 반응기를 우회하여 이동할 수 있다.
상기 촉매 재생 모드에서 형성되는 상기 폐루프(closed loop)는 상기 배기 유로의 일부와, 상기 분기 유로, 그리고 상기 순환 유로를 포함하며, 상기 반응기와 상기 가열 장치 사이를 순환하도록 형성될 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기 지점과 상기 배기 유로와 상기 순환 유로의 합류 지점 사이의 상기 배기 유로에 설치된 메인 밸브와, 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 합류 지점과 상기 배기 유로와 상기 순환 유로의 분기 지점 사이의 상기 배기 유로에 설치된 보조 밸브와, 상기 바이패스 유로 상에 설치된 바이패스 밸브, 그리고 상기 순환 유로 상에 설치된 순환 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 후처리 모드에서, 상기 메인 밸브 및 상기 보조 밸브는 개방되고 상기 바이패스 밸브 및 상기 순환 밸브는 폐쇄될 수 있다. 그리고 상기 촉매 재생 모드에서, 상기 바이패스 밸브 및 상기 순환 밸브는 개방되고 상기 메인 밸브는 폐쇄되며 상기 보조 밸브는 폐쇄되거나 일부만 개방될 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 분기 유로 상에 설치된 블로워를 더 포함할 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 분기 유로에 연결되어 상기 가열 장치에 외기를 공급하는 외기 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 분기 유로 상에 설치된 분해 챔버와, 상기 분해 챔버에 환원제를 공급하는 환원제 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 가열 장치는 상기 후처리 모드에서 상기 분해 챔버의 온도가 환원제 생성 온도 이하이거나 상기 촉매 재생 모드에서 가동될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 피독된 촉매를 효과적으로 재생시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치의 구성도이다.
도 2 내지 도 3은 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치의 동작 상태를 나타낸 구성도들이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응(selective catalytic reduction, SCR) 시스템을 포함한 동력 장치(101)를 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 엔진(200), 배기 유로(610), 반응기(300), 분기 유로(640), 바이패스 유로(620), 순환 유로(680), 및 가열 장치(400)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 블로워(450), 외기 공급부(800), 분해 챔버(500), 환원제 공급부(550), 환원제 분사부(570), 및 과급기(250)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 메인 밸브(710), 바이패스 밸브(720), 및 보조 밸브(730)를 더 포함할 수 있다.
엔진(200)은 선박 또는 차량 등에 추진력을 공급하는 주동력원으로 사용될 수 있다. 일례로, 엔진(210)은 선박용 2행정 저속 디젤 엔진일 수 있다. 엔진(200)으로는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 종류의 엔진이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 엔진(200)은 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 배출한다.
과급기(250)는 엔진(200)의 배기구와 연결되어 엔진(200)의 배기가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌려 엔진(200)에 새로운 외부 공기를 압축하여 공급한다. 이에, 과급기(250)가 장착된 엔진(200)은 효율이 향상된다. 하지만, 과급기(250)는 필요에 따라 생략될 수도 있으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바에 따라 다양한 위치에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 엔진(200)이 배출하는 배기가스는 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도를 가지며, 배기가스의 온도는 과급기(250)를 거치면 낮아질 수 있다. 일례로, 과급기(250)를 거친 배기가스는 온도가 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만으로 낮아질 수 있다.
배기 유로(610)는 엔진(200)의 배기구와 연결되어 엔진(200)의 배기가스를 배출시킨다. 과급기(250)가 장착된 경우, 배기 유로(610)는 엔진(200)과 과급기(250) 그리고 후술할 반응기(300)를 순차적으로 연결할 수 있다. 즉, 엔진(200)의 배기가스는 배기 유로(610)를 따라 이동한다. 이와 같이, 배기 유로(610)는 엔진(200)의 배기가스를 반응기(300)에 공급한다.
반응기(300)는 배기 유로(610) 상에 설치된다. 반응기(300)는 엔진(200)에서 배출된 배기가스가 함유한 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매를 포함한다. 촉매는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 환원제의 반응을 촉진시켜 질소산화물(NOx)을 질소와 수증기로 환원 처리한다.
촉매는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다. 일례로, 촉매는 섭씨 250도 내지 섭씨 350도 범위 내의 활성 온도를 가질 수 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다. 촉매가 활성 온도 범위 밖에서 반응하면, 촉매가 피독되면서 효율이 저하된다.
예를 들어, 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만의 상대적으로 낮은 온도에서 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키기 위한 환원 반응이 일어나면, 배기가스의 황산화물(SOx)과 암모니아(NH3)가 반응하여 촉매 피독 물질이 생성된다.
구체적으로, 촉매를 피독시키는 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 촉매 피독 물질은 촉매에 흡착되어 촉매의 활성을 저하시킨다. 촉매 피독 물질은 상대적으로 높은 온도, 즉 섭씨 350도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도에서 분해되므로, 반응기(300) 내의 촉매를 승온시켜 피독된 촉매를 재생할 수 있다.
환원제로는 암모니아(NH3) 또는 우레아(urea, CO(NH2)2)가 사용될 수 있다. 환원제로 우레아(urea)가 사용될 경우, 우레아(urea, CO(NH2)2)를 가수분해 또는 열분해시켜 암모니아(NH3)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)을 생성한다. 그리고 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 분해한다. 즉, 우레아를 분해시켜 최종적으로 암모니아를 생성한다. 그리고 암모니아(NH3)는 질소산화물과 직접 반응하는 최종적인 환원제의 역할을 한다.
또한, 반응기(300)의 하우징은, 일례로, 내열성이 우수한 스테인레스 스틸(stainless steel)을 소재로 만들어질 수 있다.
분기 유로(640)는 반응기(300) 전방의 배기 유로(610)에서 분기하여 반응기(300)에 연결된다.
이때, 반응기(300)와 분기 유로(640)의 연결은 분기 유로(640)가 반응기(300) 전방에서 배기 유로(610)에 다시 합류함으로써 간접적으로 연결되거나 분기 유로(640)가 반응기(300)와 직접 연결될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 전방은 배기가스의 흐름을 기준으로 상류 측을 의미하며 후방은 하류 측을 의미한다.
가열 장치(400)는 분기 유로(640) 상에 설치된다. 가열 장치(400)가 가동되면 분기 유로(640)를 흐르는 유체, 즉 엔진(200)에서 배출된 배기가스의 일부를 가열하여 승온시킨다. 일례로, 가열 장치(400) 오일 버너(oil burner) 또는 플라스마 버너(plasma burner)일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서, 가열 장치(400)의 가동에는 산소가 요구될 수 있다.
그리고 본 발명의 일 실시예에서, 가열 장치(400)가 공급하는 열에너지는 환원제의 분해에 사용되거나 반응기(300)에 설치된 촉매의 재생에 사용될 수 있다.
블로워(450)는, 가열 장치(400)와 마찬가지로, 분기 유로(640) 상에 설치될 수 있다. 블로워(450)는 분기 유로(640)를 따라 이동하는 유체의 유량과 유속을 제어할 수 있다.
외기 공급부(800)는 분기 유로(640)에 연결되어 가열 장치(400)에 외기를 공급할 수 있다. 즉, 외기 공급부(800)는 분기 유로(640)에 외기를 공급하여, 가열 장치(400)의 가동에 필요한 산소를 공급할 수 있다.
일례로, 외기 공급부(800)는 외부의 공기를 주입하기 위한 외기 공급 유로(810)와 외기 공급 유로(810)를 개폐하는 외기 공급 밸브(870)를 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예서는, 연소 공기를 필요로 하는 버너가 가열 장치(400)로 사용될 경우, 가열 장치(400)가 외기 공급부(800)로부터 산소를 공급받을 수 있으므로, 가열 장치(400)의 효과적인 운용이 가능하다.
분해 챔버(500)는 환원제 전구체인 우레아(urea, CO(NH2)2)를 공급받아 이를 분해하여 질소산화물(NOx)을 환원시킬 환원제로 사용되는 암모니아(NH3)를 생성한다.
구체적으로, 분해 챔버(500) 내의 온도가 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내로 유지되면, 우레아(urea, CO(NH2)2)가 용이하게 가수분해되면서 암모니아(NH3)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성된다. 그리고 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 분해된다. 즉, 우레아가 분해되면 최종적으로 암모니아가 생성될 수 있다.
환원제 분사부(570)는 분해 챔버(500)에서 생성된 암모니아(NH3)를 공급받아 반응기(300)에 유입될 배기가스에 분사한다. 환원제 분사부(570)를 통해 분사된 암모니아는 배기가스와 혼합되어 반응기(300)의 촉매를 거치면서 배기가스에 함유된 질소산화물을 환원시킨다. 일례로, 환원제 분사부(570)는 분기 유로(640)와 배기 유로의 합류 지점에 설치될 수 있다.
환원제 공급부(550)는 환원제 전구체인 우레아를 분해 챔버(500)에 공급한다. 환원제 공급부(550)는 엔진(200)의 부하에 따라 변동하는 환원제 요구량을 고려하여 적절한 양의 우레아를 분해 챔버(500)에 공급할 수 있다.
환원제 공급부(550)는 저장 탱크, 분무용 압축 공기 공급 장치 등 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 구성을 포함할 수 있다.
바이패스 유로(620)는 반응기(300) 전방의 배기 유로(610)에서 분기되어 반응기(300) 후방의 배기 유로(610)와 합류한다. 바이패스 밸브(720)는 바이패스 유로(620) 상에 설치되어 바이패스 유로(620)를 개폐한다.
순환 유로(680)는 배기 유로(610)와 바이패스 유로(620)의 합류 지점과 반응기(300) 사이의 배기 유로(610)에서 분기되어 배기 유로(610)와 바이패스 유로(620)의 분기 지점과 배기 유로(610)와 분기 유로(640)의 분기 지점 사이의 배기 유로(610)에 합류한다. 순환 밸브(780)는 순환 유로(680) 상에 설치되어 순환 유로(680)를 개폐한다.
메인 밸브(710)는 배기 유로(610)와 바이패스 유로(620)의 분기 지점과 배기 유로(620)와 순환 유로(680)의 합류 지점 사이의 배기 유로(610)에 설치된다. 보조 밸브(730)는 배기 유로(610)와 바이패스 유로(620)의 합류 지점과 배기 유로(610)와 순환 유로(680)의 분기 지점 사이의 배기 유로(610)에 설치된다. 즉, 메인 밸브(710)와 보조 밸브(730)는 반응기(300)의 전방 및 후방에 각각 설치되어 배기 유로(610)를 개폐한다.
메인 밸브(710)와 보조 밸브(730)가 폐쇄되고, 순환 밸브(780)가 개방되면, 배기 유로(610)의 일부와, 분기 유로(640), 그리고 순환 유로(680)를 포함하며 반응기(300)와 가열 장치(400) 사이를 순환하도록 형성되는 폐루프가 형성될 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 피독된 촉매를 효과적으로 재생시킬 수 있다.
즉, 분기 유로(640)와 순환 유로(680)를 활용하여 반응기(300)와 가열 장치(400) 사이를 순환할 수 있는 폐루프를 형성함으로써, 촉매를 재생시키기 위해 소모되는 열에너지를 최소화할 수 있다. 또한, 촉매를 승온시키는데 소요되는 시간도 단축할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 폐루프를 형성하여 촉매를 재생시키는 동작 중에도, 엔진(200)의 배기가스는 바이패스 유로(620)를 통해 이동하여 배출될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치(101)을 구비한 선박은 정박하거나 운항을 중단하지 않고도 운항 중에 촉매를 재생시킬 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치(101)의 동작 원리를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 후처리 모드와 촉매 재생 모드 중 어느 하나의 모드로 구분 동작할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 후처리 모드에서는 엔진(200)의 배기가스가 배기 유로(610)를 따라 반응기(300)를 거쳐 이동할 수 있다. 즉, 후처리 모드에서는 엔진(200)의 배기가스를 후처리하여 정화시킬 수 있다. 여기서, 정화는 배기가스 중에 함유된 질소산화물을 저감시키는 것을 의미한다.
구체적으로, 후처리 모드에서, 메인 밸브(710) 및 보조 밸브(730)는 개방되고 바이패스 밸브(720) 및 순환 밸브(780)는 폐쇄될 수 있다.
또한, 가열 장치(400)는 후처리 모드에서 환원제를 생성하는 분해 챔버(500)의 온도가 환원제 생성이 가능한 온도 이하가 되면 가동될 수 있다.
그리고 가열 장치(400)가 가동된 이후 분기 유로(640)를 흐르는 유체에 가열 장치(400)에 필요한 산소가 부족하면 외기 공급부(800)가 외기를 공급하여 가열 장치(400)에 필요한 연소 공기를 보충할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 촉매 재생 모드에서는 가열 장치(400)와 반응기(300)를 포함하는 폐루프(closed loop)를 형성하여 반응기(300)의 촉매를 가열하여 재생시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 촉매는 배기가스의 황산화물(SOx)과 암모니아(NH3)가 반응하여 생성된 촉매 피독 물질에 피독되어 활성이 저하될 수 있다.
일례로, 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4) 및 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4)과 같은 촉매 피독 물질은 섭씨 350도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도에서 분해된다. 따라서, 반응기(300) 내의 촉매를 가열하면 촉매 피독 물질을 제거하여 촉매의 활성을 회복시킬 수 있다.
또한, 촉매 재생 모드에서 형성되는 폐루프(closed loop)는 배기 유로(610)의 일부와, 분기 유로(640), 그리고 순환 유로(680)를 포함하며, 반응기(300)와 가열 장치(400) 사이를 순환하도록 형성된다.
이와 같이, 폐루프를 형상하고 가열 장치(400)가 폐루프를 순환하는 유체를 가열함으로써, 촉매를 재생시키기 위해 소모되는 열에너지를 최소화시켜 연료의 낭비를 막을 수 있다.
구체적으로, 촉매 재생 모드에서, 바이패스 밸브(720) 및 순환 밸브(780)는 개방되고, 메인 밸브(710)는 폐쇄되며, 보조 밸브(730)는 폐쇄되거나 일부만 개방될 수 있다. 그리고 가열 장치(400)는 촉매 재생 모드에서 가동된다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 가열 장치(400)의 가동에 따라 폐루프 내 산소가 부족해지면, 외기 공급부(800)를 가동하여 가열 장치(400)에 필요한 연소 공기를 공급할 수 있다.
이와 같이, 외기 공급부(800)가 가열 장치(400)에 연소 공기를 공급하기 위하여 폐루프에 외기를 지속적으로 공급하면 폐루프의 압력이 상승될 수 있다.
이때, 보조 밸브(730)를 일부 개방하여 폐루프의 압력을 안전한 범위 이내로 유지할 수 있다. 여기서, 안전한 범위란 배기 시스템과 선택적 촉매 환원 시스템이 안정적으로 유지될 수 있는 허용 압력 이내를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매 재생 모드에서 엔진(200)에서 배출된 배기가스는 바이패스 유로(620)를 따라 반응기(300)를 우회하여 이동할 수 있다. 즉, 촉매 재생 모드에서는 엔진(200)의 배기가스를 후처리하지 않고 배출할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예가 전술한 바에 한정되는 것은 아니며, 촉매 재생 모드가 아닌 경우에도, 선박이 공해 영역이나 환경 규제 영역이 아닌 곳에서 운항하거나 선택적 촉매 환원 시스템에 이상이 발생하였으나 재생이 불가능한 응급 상황에서는 바이패스 유로를 통해 엔진의 배기가스를 배출할 수 있다. 이 경우, 가열 장치(400)와 외기 공급부(800)는 가동되지 않는다.
이와 같은 동작에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 피독된 촉매를 효과적으로 재생시킬 수 있다.
즉, 분기 유로(640)와 순환 유로(680)를 활용하여 반응기(300)와 가열 장치(400) 사이를 순환할 수 있는 폐루프를 형성함으로써, 촉매를 재생시키기 위해 소모되는 열에너지를 최소화할 수 있다. 또한, 촉매를 승온시키는데 소요되는 시간도 단축할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 폐루프를 형성하여 촉매를 재생시키는 동작 중에도, 엔진(200)의 배기가스는 바이패스 유로(620)를 통해 이동하여 배출될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치(101)을 구비한 선박은 정박하거나 운항을 중단하지 않고도 운항 중에 촉매를 재생시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101: 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치
200: 엔진
250: 과급기
300: 반응기
400: 가열 장치
450: 블로워
500: 분해 챔버
550: 환원제 공급부
570: 환원제 분사부
610: 메인 배기 유로
620: 바이패스 유로
640: 분기 유로
680: 순환 유로
710: 메인 밸브
720: 바이패스 밸브
730: 보조 밸브
780: 순환 밸브
800: 외기 공급부
810: 외기 공급 라인
870: 외기 공급 밸브

Claims (10)

  1. 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진;
    상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 배기 유로;
    상기 배기 유로 상에 설치되며 촉매가 내부에 설치된 반응기;
    상기 반응기 전방의 상기 배기 유로에서 분기하여 상기 반응기에 연결된 분기 유로;
    상기 배기 유로와 상기 분기 유로의 분기 지점 전방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 반응기 후방의 상기 배기 유로와 합류하는 바이패스 유로;
    상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 합류 지점과 상기 반응기 사이의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기 지점과 상기 배기 유로와 상기 분기 유로의 분기 지점 사이의 상기 배기 유로에 합류하는 순환 유로; 및
    상기 분기 유로 상에 설치된 가열 장치
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진의 배기가스가 상기 배기 유로를 따라 상기 반응기를 거쳐 이동하는 후처리 모드와;
    상기 가열 장치와 상기 반응기를 포함하는 폐루프(closed loop)를 형성하여 상기 반응기의 촉매를 재생시키는 촉매 재생 모드
    중 어느 하나의 모드로 동작하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 촉매 재생 모드에서 상기 엔진의 배기가스는 상기 바이패스 유로를 따라 상기 반응기를 우회하여 이동하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 촉매 재생 모드에서 형성되는 상기 폐루프(closed loop)는 상기 배기 유로의 일부와, 상기 분기 유로, 그리고 상기 순환 유로를 포함하며 상기 반응기와 상기 가열 장치 사이를 순환하도록 형성되는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기 지점과 상기 배기 유로와 상기 순환 유로의 합류 지점 사이의 상기 배기 유로에 설치된 메인 밸브;
    상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 합류 지점과 상기 배기 유로와 상기 순환 유로의 분기 지점 사이의 상기 배기 유로에 설치된 보조 밸브;
    상기 바이패스 유로 상에 설치된 바이패스 밸브; 및
    상기 순환 유로 상에 설치된 순환 밸브
    를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 후처리 모드에서, 상기 메인 밸브 및 상기 보조 밸브는 개방되고 상기 바이패스 밸브 및 상기 순환 밸브는 폐쇄되며,
    상기 촉매 재생 모드에서, 상기 바이패스 밸브 및 상기 순환 밸브는 개방되고 상기 메인 밸브는 폐쇄되며 상기 보조 밸브는 폐쇄되거나 일부만 개방되는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분기 유로 상에 설치된 블로워를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분기 유로에 연결되어 상기 가열 장치에 외기를 공급하는 외기 공급부를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분기 유로 상에 설치된 분해 챔버와;
    상기 분해 챔버에 환원제를 공급하는 환원제 공급부
    를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가열 장치는 상기 후처리 모드에서 상기 분해 챔버의 온도가 환원제 생성 온도 이하이거나 상기 촉매 재생 모드에서 가동되는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
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