KR20180130919A

KR20180130919A - 선택적 촉매 환원 시스템

Info

Publication number: KR20180130919A
Application number: KR1020170067142A
Authority: KR
Inventors: 이균; 이재문; 김기모; 송미지
Original assignee: 에이치에스디엔진 주식회사
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2018-12-10
Also published as: KR102264968B1

Abstract

본 발명은 엔진에서 배출되어 과급기를 거친 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 과급기를 거친 상기 배기가스가 이동하는 배기 덕트와, 상기 배기 덕트 상에 설치되며 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 반응기와, 상기 과급기와 상기 반응기 사이의 일 영역에서 상기 배기 덕트의 내부에 설치된 내부 덕트와, 상기 엔진에서 배출된 상기 배기가스를 상기 과급기를 우회시켜 상기 내부 덕트에 공급하는 과급기 우회관, 그리고 상기 내부 덕트의 내부에 환원제를 분사하는 환원제 분사부를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 시스템{SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM}

본 발명은 선택적 촉매 환원 반응 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위해 사용되는 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것이다.

산업화가 급속하게 진전됨에 따라 석유나 석탄과 같은 각종 화석 연료의 사용량이 증가하게 되었다. 이로 인하여 화석 연료의 연소 과정에서 배출되는 각종 유해 가스가 심각한 대기 오염을 야기하고 있다. 대표적인 예로서 스모그(Smog) 현상이나 산성비 등을 들 수 있다.

대기 오염의 주범으로는 차량 및 선박의 엔진 또는 화력 발전소나 공장 등으로부터 배출되는 배기가스의 황산화물(SOx)이나 질소산화물(NOx)이 있다. 이 중에서 질소산화물을 저감시키기 위한 대표적인 설비로 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템이 있다. 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 국제 해사 기구(International Maritime Organization)에서 규정한 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III)를 만족시킬 수 있어야 할 뿐만 아니라 선택적 촉매 환원 시스템의 운용에는 별도의 에너지가 소모되므로, 저비용 고효율의 탈질 설비와 함께 효과적인 운용 방법이 요구되고 있다.

따라서 엔진의 운전 조건에 따라 배기가스에 함유된 질소산화물의 농도가 환경 규제를 만족시키거나 환경 규제 지역 외에서 선박이 운항할 경우에는 선택적 촉매 환원 시스템의 가동을 중단하여 에너지 이용 효율을 향상시킬 필요가 있다.

이에, 선택적 촉매 환원 시스템을 가동할 필요가 없는 경우에는 배기가스를 바이패스 유로로 이동시켜 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 설치된 반응기를 우회시켜 배출하고 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.

촉매가 활성 온도 범위 밖에서 반응할 경우, 촉매가 피독되면서 지속적으로 촉매의 활성도가 저하된다. 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 어렵다.

따라서, 선박의 운항 중에 촉매가 피독되어 요구되는 성능을 내지 못하게 되면, 촉매를 재생시키게 된다. 그리고 촉매를 재생시키는 경우에도, 배기가스를 바이패스 유로로 이동시켜 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 설치된 반응기를 우회시켜 배출하고 있다.

그런데, 선박 또는 차량의 경우 공간의 제약이 따르며, 이로 인하여 선박 또는 차량에 설치되는 선택적 촉매 환원 시스템에 반응기를 거치는 배기 유로와 별개로 바이패스 유로를 마련하기가 쉽지 않다.

또한, 선택적 촉매 환원 시스템에서 질소산화물과 반응하여 인체에 무해한 질소(N₂)와 물(H₂O)로 환원 처리하기 위한 환원제로는 우레아(urea) 수용액, 암모니아 수용액, 무수 암모니아 등을 사용하고 있다. 이러한 환원제는 반응기의 전방에서 배기 덕트를 흐르는 배기가스에 분사된다. 그리고 환원제로 우레아(urea) 수용액으로 사용할 경우, 우레아가 배기가스의 온도에 의하여 암모니아로 분해되며 암모니아가 최종적인 환원제 역할을 수행하게 된다.

그런데, 배기가스의 온도가 낮을 경우, 예를 들어 배기가스의 온도가 섭씨 200 내지 250도 미만일 경우 우레아가 암모니아로 완전히 변환되지 않아 배기 덕트나 반응기의 내부에 침전물(deposit)을 형성하는 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 배기 덕트에 우레아 수용액을 직접 분사하지 않고 별도의 환원제 분해 챔버에 우레아 수용액을 분사하는 방법을 사용하였다. 즉. 환원제 분해 챔버에 우레아 수용액과 함께 우레아가 암모니아로 변환될 수 있도록 필요한 열에너지를 공급하여 우레아를 열분해 또는 가수분해시켜 암모니아를 생성한 다음 이를 반응기 전방의 배기 덕트에 공급하는 것이다.

하지만, 선박이나 차량용 디젤 엔진에 사용되는 선택적 촉매 환원 시스템에서는 설치 공간의 제약으로 인하여 작은 공간에서 효과적으로 우레아를 분해시켜 암모니아를 생성할 수 있어야 할 뿐만 아니라 생성된 암모니아를 배기가스에 효율적으로 혼합시킬 수 있는 것이 요구된다.

그런데 별도의 환원제 분해 챔버를 사용하면 이를 위한 여러 추가 장비가 필요하게 되므로 선택적 촉매 환원 시스템의 설치 공간이 크게 증가하는 문제점이 있다.

본 발명의 실시예는 전체적인 구성을 간소화할 뿐만 아니라 운전 비용도 최소화할 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 엔진에서 배출되어 과급기를 거친 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 과급기를 거친 상기 배기가스가 이동하는 배기 덕트와, 상기 배기 덕트 상에 설치되며 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 반응기와, 상기 과급기와 상기 반응기 사이의 일 영역에서 상기 배기 덕트의 내부에 설치된 내부 덕트와, 상기 엔진에서 배출된 상기 배기가스를 상기 과급기를 우회시켜 상기 내부 덕트에 공급하는 과급기 우회관, 그리고 상기 내부 덕트의 내부에 환원제를 분사하는 환원제 분사부를 포함한다.

상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 과급기 우회관에 설치된 열원 공급 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 내부 덕트와 상기 반응기 사이의 상기 배기 덕트 내부에 설치된 믹서를 더 포함할 수 있다.

상기 내부 덕트에는 와류 형성부가 설치되며, 상기 환원제 분사부는 상기 와류 형성부보다 후방의 상기 내부 덕트에 환원제를 분사할 수 있다.

상기 와류 형성부보다 후방에서 상기 내부 덕트와 상기 과급기 우회관이 연결될 수 있다.

또한, 상기 와류 형성부보다 전방에서 상기 내부 덕트와 상기 과급기 우회관이 연결될 수도 잇다.

상기 내부 덕트가 설치된 상기 배기 덕트의 일 영역은 타 영역보다 상대적으로 직경이 클 수 있다.

상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 내부 덕트와 상기 배기 덕트 사이의 이격 공간에 환원제를 분사하는 하나 이상의 보조 환원제 분사부를 더 포함할 수 있다.

상기 배기 덕트를 따라 이동하는 상기 배기가스의 온도가 상기 환원제의 분해 가능 온도 범위 내에 속하면 상기 하나 이상의 보조 환원제 분사부는 일정량의 상기 환원제를 분사할 수 있다.

상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 반응기를 우회하여 상기 배기가스를 이동시키는 바이패스 유로와, 상기 배기 가스의 이동 방향을 상기 반응기 방향 또는 상기 바이패스 유로 방향 중 어느 한 방향으로 제어하는 바이패스 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 바이패스 유로는 상기 반응기와 일체로 형성될 수 있다.

상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 과급기 우회관 상에 설치되어 상기 과급기 우회관을 통과하는 유체를 승온시키는 보조 가열 장치를 더 포함할 수 있다.

상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 반응기 후단 또는 상기 반응기 후방의 상기 배기 덕트에서 분기되어 상기 반응기 전단 또는 상기 반응기 전방의 상기 배기 덕트에 합류하는 재순환 유로와, 상기 재순환 유로 상에 설치된 블로워, 그리고 상기 재순환 유로를 따라 이동하는 유체를 승온시키는 가열 장치를 더 포함할 수 있다.

상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 블로워 및 상기 가열 장치와 상기 반응기 전단 또는 상기 반응기 전방의 배기 덕트 사이의 상기 재순환 유로에서 분기되어 상기 과급기 우회관에 연결된 보조 열원 공급 유로와, 상기 보조 열원 공급 유로에 설치된 보조 열원 공급 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 열원 공급 유로가 상기 내부 덕트에 공급하는 열에너지가 상기 환원제를 분해시키기에 부족하면 상기 보조 열원 공급 유로를 통해 열에너지를 추가로 공급할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템은 전체적인 구성을 간소화할 뿐만 아니라 운전 비용도 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 배기 덕트의 일 영역을 확대 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템의 동작 상태를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템에서 배기 덕트의 일 영역을 확대 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템에서 배기 덕트의 일 영역을 확대 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 구성도이다.
도 7은 도 6의 선택적 촉매 환원 시스템의 동작 상태를 나타낸 구성도이다.

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.

또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

도면들은 개략적이고 축척에 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 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)을 설명한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(101)은 엔진(100)으로부터 배출된 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시킨다. 여기서, 엔진(100)은 선박에 추진력을 공급하는 주동력원으로 사용되는 2행정 저속 디젤 엔진 또는 선박에서 발전용 또는 보조 동력원으로 사용되는 4행 중속 디젤 엔진 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

하지만, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 엔진(100)은 플랜트용 내연기관이거나 차량용 엔진일 수도 있다. 즉, 본 발명의 제1 실시예에는, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 종류의 엔진(100)이 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 엔진(100)에서 배출된 배기가스의 일부 또는 전부는 과급기(150)를 거친다. 과급기(150)는 엔진(100)의 배기구와 연결되어 엔진(100)의 배기가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌려 엔진(100)에 새로운 외부 공기를 압축하여 공급한다. 이에, 과급기(150)가 장착된 엔진(200)은 효율이 향상된다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 엔진(100)이 배출하는 배기가스는 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도를 가지며, 배기가스의 온도는 과급기(150)를 거치면 낮아질 수 있다. 일례로, 과급기(150)를 거친 배기가스는 온도가 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만으로 낮아질 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(101)은 배기 덕트(610), 반응기(300), 내부 덕트(620), 과급기 우회관(650), 및 환원제 분사부(500)를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 열원 공급 제어 밸브(750), 환원제 공급부(550), 믹서(400), 와류 형성부(450), 바이패스 유로(630), 바이패스 밸브(731, 732), 재순환 유로(680), 블로워(880), 가열 장치(830), 보조 가열 장치(850), 및 제어부(700)를 더 포함할 수 있다.

배기 덕트(610)는 과급기(150)를 거친 배기가스를 이동시킨다. 즉, 배기 덕트(610)를 따라 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스가 이동한다. 또한, 배기 덕트(610)는 후술할 반응기(300)와 연결된다.

반응기(300)는 배기 덕트(610) 상에 설치된다. 즉, 반응기(300)는 배기 덕트(610)를 통해 엔진(100)의 배기가스를 전달받는다. 반응기(300)는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매(350)를 내장한다. 촉매(350)는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 환원제의 반응을 촉진시켜 질소산화물(NOx)을 질소와 수증기로 환원 처리한다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 반응기(300)의 내부에 설치되는 촉매(350)는 배기가스의 이동 방향을 기준으로 다층 구조로 배치될 수도 있다. 즉, 촉매(350)가 복수의 촉매 모듈 형태로 마련될 수 있으며, 복수의 촉매 모듈은 배기가스의 이동 방향을 따라 배치될 수 있다.

촉매(350)는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다. 일례로, 촉매(350)는 섭씨 250도 내지 섭씨 350도 범위 내의 활성 온도를 가질 수 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매(350)가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다. 촉매(350)가 활성 온도 범위 밖에서 반응하면, 촉매(350)가 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, 촉매(350)를 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 촉매(350)의 활성을 저하시킨다. 촉매 피독 물질은 상대적으로 높은 온도, 즉 섭씨 350도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도에서 분해되므로, 반응기(300) 내의 촉매(350)를 승온시켜 피독된 촉매(350)를 재생할 수 있다.

내부 덕트(620)는 과급기(150)와 반응기(300) 사이의 일 영역에서 배기 덕트(610)의 내부에 설치된다. 즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 내부 덕트(620)는 배기 덕트(610) 내부의 일 영역에 설치되어 배기 덕트(610)와 함께 이중관 구조를 형성한다. 그리고 내부 덕트(620)는 배기 덕트(610)의 내벽면과 이격될 수 있다.

또한, 내부 덕트(620)가 설치된 배기 덕트(610)의 일 영역은 타 영역보다 상대적으로 직경이 클 수 있다. 배기 덕트(610)의 내부에 내부 덕트(650)가 설치됨으로써, 배기 덕트(610)를 따라 이동하는 배기가스의 유로 저항이 증가하게 된다. 이와 같이 유로 저항이 증가하면 배기 덕트(610)의 내부의 압력이 상승할 수 있을 뿐만 아니라 배기계 전체에 부정적인 영향을 미쳐 배기가스 배출원인 엔진(100)의 성능도 저하될 수 있다.

하지만, 본 발명의 제1 실시예에서는, 내부 덕트(650)가 설치된 일 영역에서 배기 덕트(610)의 직경을 증가시켜 배기가스의 이동에 따른 유로 저항이 증가하는 것을 억제한다.

믹서(400)는 내부 덕트(620)와 반응기(300) 사이의 배기 덕트(610) 내부에 설치될 수 있다. 믹서(400)는 후술할 환원제 분사부(500)에서 분사된 환원제를 배기가스와 효과적으로 혼합시킬 수 있다.

와류 형성부(450)는 내부 덕트(620)의 내부에 형성된다. 본 발명의 제1 실시예에서, 와류 형성부(450)는 내부 덕트(620)의 전단부에 설치될 수 있다. 와류 형성부(450)는 내부 덕트(620) 안에 와류를 형성하여 후술할 환원제 분사부(500)가 내부 덕트(620) 내 분사한 환원제를 배기가스와 효과적으로 혼합시킨다.

또한, 와류 형성부(450)는 보조 믹서, 가이드 베인(guide vane), 또는 다공판 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 하지만, 본 발명의 제1 실시예가 전술한 바에 한정되는 것은 아니며, 와류 형성부(450)는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 형상으로 내부 덕트(620) 안에서 와류를 형성할 수 있도록 형성될 수 있다.

환원제 분사부(500)는 내부 덕트(620)의 내부에 환원제를 분사한다. 구체적으로, 환원제 분사부(500)는 배기 덕트(610)와 내부 덕트(620)에 차례로 관통 삽입되어 내부 덕트(620)를 통해 이동하는 배기가스에 우레아(urea, CO(NH₂)₂)를 수용액 형태로 분사한다. 일례로, 환원제 분사부(500)는 내부 덕트(620) 안에서 우레아 수용액을 후방, 즉 반응기(300) 방향으로 분사할 수 있다.

본 명세서에서 전방이라 함은 배기가스의 이동 방향을 기준으로 상류 방향을 의미하고, 후방이라 함은 배기가스의 이동 방향을 기준으로 하류 방향을 의미한다.

본 발명의 제1 실시예에서, 환원제 분사부(410)가 분사하는 우레아(urea, CO(NH₂)₂) 수용액은 환원제 전구체에 해당하며, 우레아가 열분해 또는 가수분해되면서 암모니아(NH₃)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성되고, 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH₃)와 이산화탄소(CO₂)로 분해될 수 있다. 그리고 최종적으로 생성된 암모니아(NH₃)가 배기가스에 함유한 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위해 환원제로 사용된다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 환원제 분사부(500)는 와류 형성부(450)보다 후방의 내부 덕트(620)에 환원제를 분사할 수 있다.

앞서, 도 1에 도시한 바와 같이, 환원제 공급부(550)는 환원제 분사부(500)가 분사할 우레아 수용액을 공급한다. 환원제 공급부(550)는 배기가스 배출원인 엔진(100)의 부하에 따라 변동하는 환원제 요구량을 고려하여 적절한 양의 우레아를 공급할 수 있다.

또한, 구체적으로 도시하지 않았으나, 환원제 공급부(550)는 저장 탱크, 분무용 압축 공기 공급 장치 등 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 구성을 포함할 수 있다.

과급기 우회관(650)은 엔진(100)에서 배출된 배기가스 중 일부를 과급기(150)를 우회시켜 내부 덕트(620)에 공급한다. 즉, 과급기 우회관(650)은 엔진(100)과 내부 덕트(620)를 직접 연결한다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 과급기 우회관(650)은 와류 형성부(450)보다 후방에서 내부 덕트(620)와 연결될 수 있다.

과급기 우회관(650)을 통해 내부 덕트(620)에 공급되는 배기가스는 과급기(150)를 거치지 않으므로, 과급기(150)를 거친 후 배기 덕트(610)를 따라 이동하는 배기가스 보다 상대적으로 높은 온도를 갖는다.

예를 들어, 과급기(150)를 거친 후 배기 덕트(610)를 따라 이동하는 배기가스는 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만의 온도를 가지는 반면, 과급기 우회관(650)을 통해 내부 덕트(620)에 공급되는 배기가스는 섭씨 250도 내지 섭씨 600도 범위 내의 온도를 가질 수 있다.

따라서, 내부 덕트(620)에 분사된 환원제는 과급기 우회관(650)을 통해 공급된 상대적으로 고온의 배기가스에 의해 효과적으로 분해 생성될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서, 환원제 분사부(500)는 내부 덕트(620)의 내부에서 환원제를 분사하고 과급기 우회관(650)은 내부 덕트(620)의 내부에 상대적으로 고온의 배기가스를 공급한다. 그리고 내부 덕트(620)는 과급기 우회관(650)을 통해 공급된 상대적으로 고온의 배기가스가 배기 덕트(610)의 내부에서 불필요하게 확산되는 것을 억제한다. 즉, 고온의 배기가스가 갖는 열에너지가 환원제 분사부(500)에서 분사된 우레아를 분해하는데 집중될 수 있게 한다.

이에, 본 발명의 제1 실시예에 따른 환원제 분해 시스템(101)은 우레아를 분해시켜 암모니아를 생성하는 공간을 최소화하면서도 분해 효율과 함께 배기가스와의 혼합을 더욱 효과적으로 향상시킬 수 있다.

특히, 과급기 우회관(650)이 공급한 고온의 배기가스가 갖는 열에너지를 우레아를 분해하는데 집중시키고 불필요하게 낭비되는 것을 억제하여 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 전체적인 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있다.

열원 공급 제어 밸브(750)는 과급기 우회관(650)에 설치된다. 열원 공급 제어 밸브(750)는 과급기 우회관(650)을 개폐할 뿐만 아니라 과급기 우회관(650)을 통과하는 배기가스의 유량을 조절할 수 있다. 즉, 열원 공급 제어 밸브(750)는 과급기 우회관(650)을 통해 내부 덕트(620)에 공급되는 열에너지의 총량을 제어할 수 있다.

보조 가열 장치(850)는 과급기 우회관(650) 상에 설치되어 과급기 우회관(650)을 통과하는 유체를 필요에 따라 승온시킬 수 있다. 구체적으로, 보조 가열 장치(850)는 과급기 우회관(650)을 통해 내부 덕트(620)에 공급되는 배기가스의 온도가 환원제 분해 가능 온도 보다 낮을 때 선택적으로 가동될 수 있다. 여기서, 환원제 분해 가능 온도는 섭씨 250도 내지 섭씨 600도 범위 내일 수 있다.

즉, 보조 가열 장치(850)는 과급기 우회관(650)을 통해 내부 덕트(620)에 공급하는 배기가스의 온도가 환원제를 분해 생성하기에 충분하지 못할 경우, 보조적으로 열에너지를 공급할 수 있다.

예를 들어, 엔진(100)의 현재 부하가 최대 부하의 25% 정도인 저부하 영역에서 운전 중일 때, 배출되는 배기가스의 온도가 섭씨 280도라고 할 경우, 환원제의 분해 생성에 필요한 열량이 부족할 수 있다. 섭씨 280도가 환원제 분해 가능 온도 범위 내라고는 해도, 과급기 우회관(650)을 통해 공급된 배기가스가 배기 덕트(610)를 따라 이동하는 배기가스와 혼합되면서 전체 온도가 낮아질 수 있기 때문이다. 이때, 보조 가열 장치(850)를 사용하여 과급기 우회관(650)을 통해 내부 덕트(620)로 공급되는 배기가스의 온도를 섭씨 450도까지 승온시킬 수 있다. 이에, 내부 덕트(620)에서 안정적으로 환원제가 분해 생성될 수 있다.

일례로, 보조 가열 장치(850)는 전기 히터, 오일 버너(oil burner), 또는 플라스마 버너(plasma burner) 중 하나일 수 있다.

바이패스 유로(630)는 반응기(300)를 우회하여 배기가스를 이동시킬 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에서, 바이패스 유로(630)는 반응기(300)와 일체로 형성될 수 있다. 이에, 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 설치 공간을 최소화할 수 있다.

바이패스 밸브(731, 732)는 반응기(300)의 전단 및 후단에 각각 설치될 수 있다. 그리고 바이패스 밸브(731, 732)는 배기가스의 이동 방향을 반응기(300) 방향 또는 바이패스 유로(630) 방향 중 어느 한 방향으로 선택되도록 제어할 수 있다. 한편, 경우에 따라 반응기(300) 후단에 설치된 바이패스 밸브(732)는 생략될 수도 있다.

또한, 일례로, 바이패스 밸브(731, 732)는 선회 게이트(swing gate) 형태일 수 있다. 그리고 바이패스 밸브(731, 732)는 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 운전 조건에 따라 개도율이 제어 가능한 비례 제어 밸브일 수도 있다. 여기서, 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 운전 조건이란 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 가동 모드와, 질소산화물을 저감시키지 않는 미가동 모드와, 촉매를 예열시키기 위한 예열 모드, 그리고 피독된 촉매(350)를 재생시키기 위한 재생 모드 중 하나 이상의 모드를 포함할 수 있다.

재순환 유로(680)는 반응기(300) 후단 또는 반응기(300) 후방의 배기 덕트(610)에서 분기되어 반응기(300) 전단 또는 반응기(300) 전방의 배기 덕트(610)에 합류할 수 있다.

블로워(880)는 재순환 유로(680) 상에 설치되어 재순환 유로(680)를 따라 이동하는 배기가스의 유량을 조절한다. 그리고 가열 장치(830)는 재순환 유로(680)를 따라 이동하는 유체를 승온시킬 수 있다. 일례로, 가열 장치(830)는 전기 히터, 오일 버너(oil burner), 또는 플라스마 버너(plasma burner) 중 하나일 수 있다. 그리고 가열 장치(830)의 종류에 따라, 재순환 유로(680)를 이동하는 유체에 산소가 부족하여 가열 장치(830)의 가동에 추가적인 산소가 요구될 수 있다. 이때에는, 외기 공급 장치(미도시)를 통해 재순환 유로(680)에 외부 공기를 공급할 수도 있다.

제어부(700)는 열원 공급 제어 밸브(750), 바이패스 밸브(731, 732), 환원제 공급부(550), 및 보조 가열 장치(850) 등을 제어할 수 있다.

또한, 도시하지는 않았으나, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 과급기 우회관(650)을 통해 내부 덕트(620)에 공급되는 유체의 온도를 측정하여 제어부(700)에 정보를 제공하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 그리고 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 과급기(150)를 거쳐 배기 덕트(610)를 통해 내부 덕트(620) 방향으로 이동하는 배기가스의 온도를 측정하여 제어부(700)에 정보를 제공하는 온도 센서도 더 포함할 수도 있다.

이에, 제어부(700)는, 온도 센서들로부터 얻은 정보에 따라, 과급기 우회관(650)을 통해 내부 덕트(620)의 공급되는 배기가스의 온도와 배기 덕트(610)를 따라 이동하다가 내부 덕트(620)로 유입되는 배기가스의 온도에 따른 총 열량이 환원제를 분해 생성시키기에 충분하도록 열원 공급 제어 밸브(750)의 개도율을 제어할 수 있으며, 필요에 따라 보조 가열 장치(850)의 가동 여부 및 가동 정도를 제어할 수 있다.

또한, 제어부(700)는 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 가동 여부 및 촉매(350)의 재생 필요 여부에 따라 바이패스 밸브(731, 732), 환원제 공급부(550), 블로워(880), 및 가열 장치(830)를 제어할 수도 있다.

구체적으로, 제어부(700)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 가동을 중단하고, 촉매(350)를 재생 또는 예열시키고자 할 때, 배기가스가 바이패스 유로(630)를 따라 이동하도록 바이패스 밸브(731, 732)를 조절하고, 블로워(880)와 가열 장치(830)를 가동시켜 재순환 유로(680)를 따라 이동하는 배기가스를 승온시킬 수 있다.

또한, 제어부(700)는 열원 공급 제어 밸브(750)를 닫고 환원제 공급부(550)의 가동을 중단시킬 수 있다.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 전체적인 구성을 간소화할 뿐만 아니라 운전 비용도 최소화할 수 있다.

구체적으로, 우레아를 분해시켜 암모니아를 생성하는 공간을 최소화하면서도 분해 효율과 함께 배기가스와의 혼합을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 즉, 별도의 분해 챔버를 마련하지 않고, 우레아를 배기 덕트(610) 내 설치된 내부 덕트(620)에 분사하고 과급기 우회관(650)을 통해 공급되는 상대적으로 고온의 배기가스를 사용하여 효과적으로 우레아를 분해하여 암모니아를 생성할 수 있다.

또한, 와류 형성부(450)가 내부 덕트(620) 내부에 새로운 기류를 형성하여 우레아가 분해되어 생성된 암모니아를 배기가스와 혼합시키는데 도움을 줄 수 있다.

이와 같이, 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 전체적인 크기를 증가시키지 않고도 효과적으로 우레아를 분해시켜 암모니아를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 암모니아와 배기가스를 효과적으로 혼합시킬 수 있다.

또한, 우레아가 암모니아로 완전히 변환되지 않아 배기 덕트(610)나 반응기(300)의 내부에 침전물(deposit)을 형성하는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 반응기(300)와 바이패스 유로(630)를 일체로 형성하여 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 전체적인 구조를 간소화할 수 있다.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예의 변형예를 설명하면, 와류 형성부(450)보다 전방에서 내부 덕트(620)와 과급기 우회관(650)이 연결될 수 있다.

이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(102)을 설명한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(102)은 하나 이상의 보조 환원제 분사부(501)를 더 포함한다.

보조 환원제 분사부(501)는 내부 덕트(620)와 배기 덕트(610) 사이의 이격 공간에 환원제를 분사할 수 있다. 즉, 보조 환원제 분사부(501)는 배기 덕트(610)만 관통하여 삽입된다.

구체적으로, 과급기(150)를 거쳐 배기 덕트(610)를 따라 이동하는 배기가스의 온도가 환원제의 분해 가능 온도 범위 내에 속하면, 하나 이상의 보조 환원제 분사부(501)는 일정량의 환원제를 분사할 수 있다.

일례로, 과급기(150)를 거쳐 배기 덕트(610)를 흐르는 배기가스의 온도가 섭씨 250도 이상인 경우, 보조 환원제 분사부(501)는 총 환원제 분사량의 10% 정도를 분사하고, 나머지 환원제는 환원제 분사부(500)를 통해 내부 덕트(620) 내로 분사될 수 있다. 또한, 과급기(150)를 거쳐 배기 덕트(610)를 흐르는 배기가스의 온도가 섭씨 450도에 가까워질수록 보조 환원제 분사부(501)를 통해 분사되는 환원제 분사량을 증가시킬 수 있으며, 보조 환원제 분사부(501)는 총 환원제 분사량의 50% 정도까지도 분사할 수 있다.

또한, 보조 환원제 분사부(501)가 복수개 설치될 경우, 복수의 보조 환원제 분사부(501)는 내부 덕트(620)를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 즉, 복수의 보조 환원제 분사부(501)는 방사상으로 배치될 수 있다.

이와 같이, 경우에 따라 보조 환원제 분사부(501)를 사용함으로써, 환원제를 배기가스와 더욱 효과적으로 혼합시킬 수 있다.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(102)은 전체적인 구성을 간소화할 뿐만 아니라 운전 비용도 최소화할 수 있다.

특히, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 분사된 환원제를 배기가스와 더욱 효과적으로 혼합시킬 수 있다.

이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(103)을 설명한다.

도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(103)은 보조 열원 공급 유로(670) 및 보조 열원 공급 제어 밸브(770)를 더 포함한다.

보조 열원 공급 유로(670)는 블로워(880) 및 가열 장치(830)와 반응기(300) 전단 또는 반응기(300) 전방의 배기 덕트(610) 사이의 재순환 유로(680)에서 분기되어 과급기 우회관(650)에 연결된다.

보조 열원 공급 제어 밸브(770)는 보조 열원 공급 유로(670)에 설치된다. 그리고 제어부(700)는 보조 열원 공급 제어 밸브(770)를 제어하여 보조 열원 공급 유로(670)를 통해 과급기 우회관(650)으로 공급되는 유체의 유량을 제어할 수 있다.

구체적으로, 과급기 우회관(650)이 내부 덕트(620)에 공급하는 열에너지가 환원제를 분해시키기에 충분하지 않을 경우, 제어부(700)는 블로워(880)와 가열 장치(830)를 가동시키고 보조 열원 공급 제어 밸브(770)를 제어하여 보조 열원 공급 유로(670)를 통해 승온된 유체를 과급기 우회관(650)에 공급함으로써 환원제의 분해 생성에 부족한 열에너지를 보충할 수 있다.

즉, 본 발명의 제3 실시예에서, 보조 열원 공급 유로(670)를 통해 공급되는 열에너지는 제1 실시예에서 사용되는 보조 가열 장치(850)를 대신할 수 있다.

예를 들어, 엔진(100)의 현재 부하가 최대 부하의 25% 정도인 저부하 영역에서 운전 중일 때, 배출되는 배기가스의 온도가 섭씨 280도라고 할 경우, 환원제의 분해 생성에 필요한 열량이 부족할 수 있다. 섭씨 280도가 환원제 분해 가능 온도 범위 내라고는 해도, 과급기 우회관(650)을 통해 공급된 배기가스가 배기 덕트(610)를 따라 이동하는 배기가스와 혼합되면서 전체 온도가 낮아질 수 있기 때문이다. 이때, 제어부(700)는 재순환 유로(680) 상에 설치된 블로워(880)와 가열 장치(830)를 가동하고, 보조 열원 공급 제어 밸브(770)를 제어함으로써, 과급기 우회관(650)에 고온의 유체를 공급하여 과급기 우회관(650)이 내부 덕트(620)로 공급하는 배기가스의 온도를 섭씨 450도까지 승온시킬 수 있다. 이에, 내부 덕트(620)에서 안정적으로 환원제가 분해 생성될 수 있다.

또한, 도 7에 도시한 바와 같이, 제어부(700)는 선택적 촉매 환원 시스템(103)의 가동을 중단하고, 촉매(350)를 재생 또는 예열시키고자 할 때, 배기가스가 바이패스 유로(630)를 따라 이동하도록 바이패스 밸브(731, 732)를 조절할 수 있다. 그리고 제어부(700)는 보조 열원 공급 제어 밸브(770)는 닫고 재순환 밸브(780)를 개방하며, 환원제 공급부(550)의 가동을 중단시킬 수 있다. 그러면 가열 장치(830)에 의해 승온된 유체가 반응기(300)로 유입되어 촉매(350)를 재생 또는 예열시키게 된다. 여기서, 재순환 밸브(780)는 보조 열원 공급 유로(670)와 재순환 유로(680)의 분기점과 반응기(300) 전단 또는 반응기(300) 전방의 배기 덕트(610) 사이의 재순환 유로(680) 상에 설치될 수 있다.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(103)은 전체적인 구성을 간소화할 뿐만 아니라 운전 비용도 최소화할 수 있다.

특히, 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 촉매(350)의 재생 또는 예열을 위해 사용되는 가열 장치(830)를 사용하여 필요에 따라 환원제의 분해 생성에 필요한 열에너지를 보충할 수 있으므로, 제1 실시예의 보조 가열 장치(850)를 생략할 수 있다.

하지만, 본 발명이 전술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 제1 실시예의 보조 가열 장치(850)와 제3 실시예의 보조 열원 공급 유로(670)를 동시에 사용할 수도 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 제2 실시예의 보조 환원제 분사부(501)를 제3 실시예에 적용할 수도 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, 102, 103: 선택적 촉매 환원 시스템
100: 엔진
150: 과급기
300: 반응기
350: 촉매
400: 믹서
450: 와류 형성부
500: 환원제 분사부
501: 보조 환원제 분사부
550: 환원제 공급부
610: 배기 덕트
620: 내부 덕트
630: 바이패스 유로
650: 과급기 우회관
670: 보조 열원 공급 유로
680: 재순환 유로
700: 제어부
731, 732: 바이패스 밸브
750: 열원 공급 제어 밸브
770: 보조 열원 공급 제어 밸브
780: 재순환 밸브
830: 가열 장치
850: 보조 가열 장치
880: 블로워

Claims

엔진에서 배출되어 과급기를 거친 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 시스템에 있어서,
상기 과급기를 거친 상기 배기가스가 이동하는 배기 덕트;
상기 배기 덕트 상에 설치되며 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 반응기;
상기 과급기와 상기 반응기 사이의 일 영역에서 상기 배기 덕트의 내부에 설치된 내부 덕트;
상기 엔진에서 배출된 상기 배기가스를 상기 과급기를 우회시켜 상기 내부 덕트에 공급하는 과급기 우회관; 및
상기 내부 덕트의 내부에 환원제를 분사하는 환원제 분사부
를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제1항에 있어서,
상기 과급기 우회관에 설치된 열원 공급 제어 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제1항에 있어서,
상기 내부 덕트와 상기 반응기 사이의 상기 배기 덕트 내부에 설치된 믹서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제1항에 있어서,
상기 내부 덕트에는 와류 형성부가 설치되며,
상기 환원제 분사부는 상기 와류 형성부보다 후방의 상기 내부 덕트에 환원제를 분사하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제4항에 있어서,
상기 와류 형성부보다 후방에서 상기 내부 덕트와 상기 과급기 우회관이 연결되는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제4항에 있어서,
상기 와류 형성부보다 전방에서 상기 내부 덕트와 상기 과급기 우회관이 연결되는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제1항에 있어서,
상기 내부 덕트가 설치된 상기 배기 덕트의 일 영역은 타 영역보다 상대적으로 직경이 큰 것을 특징으로 하는 환원제 분해 시스템.
제1항에 있어서,
상기 내부 덕트와 상기 배기 덕트 사이의 이격 공간에 환원제를 분사하는 하나 이상의 보조 환원제 분사부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제8항에 있어서,
상기 배기 덕트를 따라 이동하는 상기 배기가스의 온도가 상기 환원제의 분해 가능 온도 범위 내에 속하면 상기 하나 이상의 보조 환원제 분사부는 일정량의 상기 환원제를 분사하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제1항에 있어서,
상기 반응기를 우회하여 상기 배기가스를 이동시키는 바이패스 유로와;
상기 배기 가스의 이동 방향을 상기 반응기 방향 또는 상기 바이패스 유로 방향 중 어느 한 방향으로 제어하는 바이패스 밸브
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제10항에 있어서,
상기 바이패스 유로는 상기 반응기와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제10항에 있어서,
상기 과급기 우회관 상에 설치되어 상기 과급기 우회관을 통과하는 유체를 승온시키는 보조 가열 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제1항 내지 제12항에 있어서,
상기 반응기 후단 또는 상기 반응기 후방의 상기 배기 덕트에서 분기되어 상기 반응기 전단 또는 상기 반응기 전방의 상기 배기 덕트에 합류하는 재순환 유로와;
상기 재순환 유로 상에 설치된 블로워; 그리고
상기 재순환 유로를 따라 이동하는 유체를 승온시키는 가열 장치
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제13항에 있어서,
상기 블로워 및 상기 가열 장치와 상기 반응기 전단 또는 상기 반응기 전방의 배기 덕트 사이의 상기 재순환 유로에서 분기되어 상기 과급기 우회관에 연결된 보조 열원 공급 유로; 및
상기 보조 열원 공급 유로에 설치된 보조 열원 공급 제어 밸브
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제13항에 있어서,
상기 열원 공급 유로가 상기 내부 덕트에 공급하는 열에너지가 상기 환원제를 분해시키기에 부족하면 상기 보조 열원 공급 유로를 통해 열에너지를 추가로 공급하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.