KR20190062952A - 선택적 촉매 환원 시스템 및 선박의 선택적 촉매 환원 시스템 - Google Patents

선택적 촉매 환원 시스템 및 선박의 선택적 촉매 환원 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것으로, 연료를 공급받아 동력을 생산하는 엔진이 배출하는 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 선택적 촉매 환원장치를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 엔진으로 공급되는 연료로 수소를 생성하는 수소 생성부와, 상기 수소 생성부에서 생성된 수소를 저장하는 수소 저장부재, 그리고 상기 수소 저장부재에 저장된 수소를 상기 선택적 촉매 환원장치에 공급하는 가능한 수소 공급부를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 시스템 및 선박의 선택적 촉매 환원 시스템{SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION AND SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION OF THE SHIP}
본 발명의 실시예는 선택적 촉매 환원 시스템 및 선박의 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스에 포함된 질소산화물을 선택적으로 저감시키는 선택적 촉매 환원 시스템 및 선박의 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 선택적 촉매 환원 시스템은 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물을 선택적으로 저감시킨다. 이러한 질소산화물은 인체 및 환경에 유해한 영향을 끼치기 때문에, 국제적으로 배출규제 대상이 되고 있다.
배기가스에 포함된 질소산화물을 선택적으로 저감시키기 위해, 환원제로 암모니아 또는 요소수를 사용한다.
하지만, 요소수는 질소산화물의 효과적인 저감을 위해서는 열분해를 통해 암모니아를 생성하여야 함으로, 이에 따른 구성이 복잡해 지는 문제점이 있다. 또는, 암모니아의 경우, 선택적 촉매 환원 시스템이 설치된 선박 또는 차량 등에 탑재시 이의 누출 시 환경에 큰 피해가 우려되는 문제점이 있다.
따라서, 배기가스에 포함된 질소산화물을 효과적으로 저감시키며 안정적인 환원제의 공급에 어려움이 있다.
본 발명의 실시예는 수소를 환원제로 활용할 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템 및 선박의 선택적 촉매 환원 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료를 공급받아 동력을 생산하는 엔진이 배출하는 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 선택적 촉매 환원장치를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 엔진으로 공급되는 연료로 수소를 생성하는 수소 생성부와, 상기 수소 생성부에서 생성된 수소를 저장하는 수소 저장부재, 그리고 상기 수소 저장부재에 저장된 수소를 상기 선택적 촉매 환원장치에 공급하는 가능한 수소 공급부를 포함한다.
또한, 상기 선택적 촉매 환원장치는 내부에 촉매가 설치되어 상기 배기가스가 통과하는 반응기와, 상기 반응기로 열에너지를 공급 가능한 가열부재를 포함할 수 있다.
또는, 상기 선택적 촉매 환원장치는 내부에 촉매가 설치되어 상기 배기가스가 통과하는 반응기와, 공급되는 요소수를 열분해 시키는 환원제 분해 챔버, 그리고 상기 환원제 분해 챔버로 열에너지를 제공하는 가열부재를 포함할 수 있다.
또한, 상술한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 수소 저장부재에 저장된 수소를 상기 반응기 전방, 상기 가열부재, 그리고 상기 엔진 중 어느 하나 이상으로 공급하도록 상기 수소 공급부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 엔진은 선박에 설치되고, 상기 제어부는 선박이 항해하는 지역이 배기가스 배출 규제지역 또는 배기기가스 배출 비규제지역인지 판별하고, 상기 수소 공급부를 제어하여 상기 수소 저장부재에 저장된 수소가 반응기로 유입되어 환원제로 사용 가능할 수 있다.
또한, 상술한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 반응기 전방으로 공급되는 환원제의 상태를 검출하는 환원제 검출부재와, 상기 가열부재로 공급되는 연료량을 검출하는 연료 검출부재, 그리고 상기 수소 저장부재의 내부 압력을 검출하는 압력 검출부재를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 환원제 검출부재에 따라 상기 반응기 전방으로 공급되는 수소량을 제어하고, 상기 연료 검출부재 가 검출하는 연료량에 따라 상기 가열부재로 공급되는 수소량을 제어하고, 상기 압력 검출부재가 검출하는 압력에 따라 상기 엔진으로 수소를 공급 여부를 결정할 수 있다.
또한, 상기 수소 생성부는 상기 엔진으로 공급되는 연료를 개질하여 개질가스를 생성하는 개질기와, 상기 개질기에서 생성된 개질가스가 유입되어 전기 에너지를 생성하고, 수소를 배출하여 상기 수소 저장부재에 공급하는 연료전지를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 연료전지가 생성한 전기 에너지를 상기 선택적 촉매 환원장치에 공급 가능할 수 있다.
또는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료를 공급받아 동력을 생산하고 질소산화물이 포함된 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진으로 공급되는 연료를 개질하여 개질가스를 생성하는 개질기, 그리고 상기 개질기에서 생성된 개질가스가 유입되어 전기 에너지를 생성하고 수소를 배출하는 연료전지를 포함하는 선박의 선택적 촉매 환원 시스템은, 상기 연료전지로부터 배출된 수소를 저장하는 수소 저장부재와, 내부에 촉매가 설치되어 상기 배기가스가 통과하는 반응기와, 공급되는 요소수를 열분해 시켜 상기 반응기 전방으로 환원제를 공급하는 환원제 분해 챔버와, 상기 반응기 또는 상기 환원제 분해 챔버로 열에너지를 공급 하는 가열부재, 그리고 선박이 배기가스 배출 규제지역을 통과하는 경우 상기 수소 저장부재에 저장된 수소를 상기 반응기 전방으로 공급하는 제1 모드, 상기 가열부재로 공급되는 연료의 부족 시 상기 수소 저장부재에 저장된 수소를 상기 가열부재로 공급하는 제2 모드, 그리고 상기 수소 저장부재에 저장된 수소의 압력이 기설정 기준압력 이상 시 상기 수소 저장부재에 저장된 수소를 상기 엔진으로 공급하는 제3 모드로 동작되는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템 및 선박의 선택적 촉매 환원 시스템은 수소를 환원제로 효과적으로 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 선택적 촉매 환원 시스템의 제1 모드를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 선택적 촉매 환원 시스템의 제2 모드를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 선택적 촉매 환원 시스템의 제3 모드를 나타낸 도면이다.
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 감소되어 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 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)을 설명한다.
엔진(10)은 연료를 공급받아 동력을 생산한다. 그리고 엔진(10)은 연료의 연소를 통해 질소산화물이 포함된 배기가스를 배출한다.
선택적 촉매 환원장치(100)는 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물을 선택적으로 저감시킨다.
선택적 촉매 환원 시스템(101)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 수소 생성부(200)와 수소 저장부재(600) 그리고 수소 공급부(300)를 포함한다.
수소 생성부(200)는 엔진(10)으로 공급되는 연료로 수소를 생성한다. 구체적으로, 연료탱크(30)에 저유된 연료는 엔진(10) 및 수소 생성부(200)로 분기되어 공급될 수 있다.
수소 저장부재(600)는 수소 생성부(200)에서 생성된 수소를 저장한다. 즉, 수소 생성부(200)에서 생성된 수소는 수소 저장부재(600)에 저장된다. 따라서, 수소 생성부(200)의 항시 동작이 아니어도 수소 생성부(200)에서 생성된 수소는 수소 저장부재(600)에 저장될 수 있다.
수소 공급부(300)는 수소 저장부재(600)에 저장된 수소를 선택적 촉매 환원장치(100)에 공급 가능하다. 구체적으로, 수소 공급부(300)는 수소 저장부재(600)와 선택적 촉매 환원장치(100) 사이에 배치되어, 수소 저장부재(600)에서 저장된 수소를 선택적 촉매 환원장치(100)로 공급시킬 수 있다.
이와 같은 구성에 의해, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 수소 생성부(200)의 동작 시 수소 저장부재(600)에 저장된 수소를 수소 생성부(200)의 중지 시에도 선택적 촉매 환원장치(100)에 활용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 선택적 촉매 환원장치(100)는, 반응기(110)와 가열부재(120)를 포함할 수 있다.
반응기(110)는 내부에 촉매가 설치되어 엔진(10)에서 배출되는 배기가스가 통과할 수 있다. 구체적으로, 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스의 이동을 안내하는 배기유로(20)가 설치되고, 배기유로(20) 상에 반응기(110)가 배치될 수 있다.
또한, 반응기(110) 내부에는 배기가스에 포함된 질소산화물을 선택적으로 질소와 물(또는 수증기)로 배출할 수 있는 선택적 환원 촉매가 설치될 수 있다.
가열부재(120)는 반응기(110)로 열에너지를 공급할 수 있다. 구체적으로, 가열부재(120)는 반응기(110) 내부에 설치된 촉매의 재생을 위한 동작이 수행될 때, 반응기(110) 내부로 열에너지를 공급하여 반응기(110) 내부에 설치된 촉매의 기능을 재생시킬 수 있다.
일예로, 가열부재(120)는 연료를 연소시켜 열에너지를 생성하는 버너일 수 있다. 이때, 가열부재(120)로 공급되는 엔진(10)에서 공급되는 연료가 아닌 별도의 연료공급원으로부터 공급될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 수소 공급부(300)를 제어하는 제어부(400)를 더 포함할 수 있다.
수소 공급부(300)는 엔진(10)과 수소 저장부재(600), 가열부재(120)와 수소 저장부재(600), 그리고 반응기(110)와 수소 저장부재(600) 사이에 배치될 수 있다. 구체적으로, 수소 공급부(300)는 제1 공급라인(320)과, 제1 밸브(321)와, 제2 공급라인(310)과, 제2 밸브(311)와, 제3 공급라인(330), 그리고 제3 밸브(331)를 포함할 수 있다.
제1 공급라인(320)은 수소 저장부재(600)와 반응기(110) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제1 공급라인(320)은 반응기(110) 전방으로 수소를 공급하여 반응기(110)로 유입되는 배기가스가 수소와 혼합되어 공급되도록 할 수 있다.
제1 밸브(321)는 제1 공급라인(320) 상에 배치될 수 있다. 또한, 제1 밸브(321)의 개도량은 제어부(400)에 의해 제어될 수 있다.
제2 공급라인(310)은 수소 저장부재(600)와 가열부재(120) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제2 공급라인(310)은 가열부재(120)로 수소를 공급할 수 있다. 구체적으로, 제2 공급라인(310)은 가열부재(120)의 연료가 분사되는 연소실로 수소를 공급하여 연소실 내부에서 적은 연료로 화염이 형성되어 가열부재(120)가 열에너지를 생성하도록 할 수 있다.
제2 밸브(311)는 제2 공급라인(310) 상에 배치될 수 있다. 또한, 제2 밸브(311)의 개도량은 제어부(400)에 의해 제어될 수 있다.
제3 공급라인(330)은 수소 저장부재(600)와 엔진(10) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제3 공급라인(330)은 엔진(10)으로 수소를 공급할 수 있다. 구체적으로, 제3 공급라인(330)은 엔진(10)의 연소실로 수소를 공급하여 연소실 내부에서 적은 연료로 화염이 형성되고, 이러한 화염으로 동력을 생산하도록 할 수 있다. 즉, 엔진(10)으로 수소를 공급하는 경우, 엔진(10)이 동력 생산을 위해 소모하는 연료를 저감시킬 수 있다.
제3 밸브(331)는 제3 공급라인(330) 상에 배치될 수 있다. 또한, 제3 밸브(331)의 개폐는 제어부(400)에 의해 제어될 수 있다.
제어부(400)는 수소 저장부재(600)에 저장된 수소를 반응기(110) 전방, 가열부재(120), 그리고 엔진(10) 중 어느 하나 이상으로 공급되도록 수소 공급부(300)를 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(400)는 제1 밸브(321)의 개도량을 제어하여 반응기(110) 전방으로 공급되는 수소의 양을 조절할 수 있다. 또한, 제어부(400)는 제2 밸브(311)의 개도량을 제어하여 가열부재(120)로 공급되는 수소의 양을 조절할 수 있다. 그리고, 제어부(400)는 제3 밸브(331)의 개폐를 제어하여 엔진(10)으로 수소의 공급 여부를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진(10)은 선박에 설치될 수 있다. 그리고, 제어부(400)는 선박이 항해하는 지역이 배기가스 배출 규제지역인지 배기가스 배출 비규제지역인지 판별하여 수소 저장부재(600)로부터 반응기(110) 전방으로 공급하는 수소 공급부(300)를 제어할 수 있다. 이때, 반응기(110) 전방으로 공급되는 수소는 배기가스에 포함된 질소산화물을 선택적으로 저감시킬 수 있는 환원제로 이용될 수 있다.
제어부(400)는 선박이 항해하는 지역정보를 기초로, 현재 선박의 위치가 배기가스 배출 규제지역인지 또는 배기가스 배출 비규제지역인지 판별할 수 있다. 이러한 배기가스 배출 규제지역을 선박이 통과하는 경우, 선박의 엔진(10)이 배출하는 배기가스에 포함된 질소산화물의 농도는 배기가스 배출 가스의 규제대상이 된다.
구체적으로, 제어부(400)가 현재 선박이 항해하는 지역이 배기가스 배출 규제지역인 경우, 제1 밸브(321)를 열어 제1 공급라인(320)을 통해 수소 저장부재(600)에 저장된 수소가 반응기(110) 전방으로 공급되도록 할 수 있다. 이렇게 반응기(110) 전방으로 공급된 수소는 배기가스에 포함된 질소산화물과 환원반응을 통해 질소와 물(또는 수증기)로 배출되도록 할 수 있다.
또는, 제어부(400)가 현재 선박이 항해하는 지역이 배기가스 배출 비규제지역인 경우, 제1 밸브(321)를 닫아 제1 공급라인(320)을 통해 반응기(110) 전방으로 수소 저장부재(600)에 저장된 수소가 공급되는 것을 차단할 수 있다.
따라서, 제어부(400)는, 선박이 현재 항해하는 지역이 배기가스 배출 규제지역인 경우, 수소 저장부재(600)에 저장된 수소를 배기가스에 포함된 질소산화물을 선택적으로 저감시킬 수 있는 환원제로 활용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 환원제 검출부재(510)와 연료 검출부재(530) 그리고 압력 검출부재(520)를 더 포함할 수 있다.
환원제 검출부재(510)는 반응기(110) 전방으로 공급되는 환원제의 상태를 검출할 수 있다. 구체적으로, 환원제 검출부재(510)는 반응기(110) 전방으로 공급되는 환원제의 농도를 검출할 수 있다.
일예로, 환원제 검출부재(510)는 제1 공급라인(320)을 통과하는 환원제인 수소량을 검출할 수 있다.
연료 검출부재(530)는 가열부재(120)로 공급되는 연료량을 검출할 수 있다. 구체적으로, 연료 검출부재(530)는 가열부재(120)의 연소실로 공급되어 분사될 연료량을 검출할 수 있다. 일예로, 연료 검출부재(530)는 가열부재(120)로 공급되는 연료가 저장된 연료탱크에 설치되어 연료량을 검출할 수 있다.
압력 검출부재(520)는 수소 저장부재(600)의 내부 압력을 검출할 수 있다. 구체적으로, 압력 검출부재(520)는 수소 저장부재(600) 내부에 저장된 수소의 압력을 검출할 수 있다. 즉, 제어부(400)는 압력 검출부재(520)에 의해 수소 저장부재(600) 내부에 저장된 수소의 압력을 기초로 수소 저장부재(600)에 저장된 수소의 량을 판단할 수 있다.
제어부(400)는 환원제 검출부재(510)가 검출한 환원제 상태에 따라 반응기(110) 전방으로 공급되는 수소량을 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(400)는 환원제 검출부재(510)가 검출한 수소량을 통해 현재 반응기(110)로 공급되는 수소량을 제공받을 수 있다.
일예로, 제어부(400)에는 반응기(110)를 통과하는 배기가스의 유량 또는 반응기(110)로 공급되는 배기가스에 포함된 질소산화물의 농도 정보가 제공된다. 그리고, 제어부(400)는 환원제 검출부재(510)가 검출한 환원제 상태에 따라 현재 반응기(110)로 유입되는 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키기 위해 필요한 환원제의 양을 산출할 수 있다. 따라서, 제어부(400)는 현재 필요한 환원제의 양을 조절하기 위해 제1 밸브(321)의 개동량을 조절하여 수소의 공급량을 조절할 수 있다.
제어부(400)는 연료 검출부재(530)가 검출하는 연료량에 따라 가열부재(120)로 공급되는 수소량을 제어할 수 있다.
연료 검출부재(530)는 가열부재(120)로 공급되는 연료량을 검출하고, 이에 따라 제어부(400)는 잔여하는 연료가 얼마인지를 판단할 수 있다. 또한, 제어부(400)는 연료 검출부재(530)가 검출한 연료량과 기설정된 기준연료량을 비교하여, 가열부재(120)로 공급되는 수소량을 제어할 수 있다. 그리고, 제어부(400)는, 검출한 연료량이 기설정된 기준연료량 미만인 경우, 제2 밸브(311)를 개방 또는 개도량을 증가시켜 가열부재(120)로 공급되는 수소량을 증가시킬 수 있다. 즉, 제어부(400)는 제2 밸브(311)의 개도량을 증가하여 가열부재(120)로 공급되는 수소량을 증가시켜 적은 연료량에도 수소와 연료가 연소되어 열에너지가 생성되도록 할 수 있다. 다시 말해, 제어부(400)는 가열부재(120)가 열에너지를 충분히 생성할 수 있도록 수소를 공급할 수 있다.
또는, 제어부(400)는, 검출한 연료량이 기설정된 기준연료량 이상인 경우, 가열부재(120)로 공급되기 충분한 연료가 저유되어 있다고 판단하여 제2 밸브(311)를 폐쇄시킬 수 있다.
압력 검출부재(520)는 수소 저장부재(600)에 저장된 수소의 압력을 검출하고, 이에 따라 제어부(400)는 기설정된 기준압력과 압력 검출부재(520)가 검출한 수소의 압력을 비교할 수 있다. 또한, 제어부(400)는 압력 검출부재(520)가 검출한 수소의 압력이 기설정된 기준압력 이상인 경우, 제3 밸브(331)를 개방하여 수소 저장부재(600)에 저장된 수소가 엔진(10)의 연소실로 공급되도록 할 수 있다. 즉, 제어부(400)는 일정량 이상의 수소가 수소 저장부재(600)에 저장되는 것을 방지할 수 있다.
또는, 제어부(400)는 압력 검출부재(520)가 검출한 수소의 압력이 기설정된 기준압력 미만인 경우, 제3 밸브(331)를 폐쇄할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 수소 생성부(200)는 개질기(210)와 연료전지(230)를 포함할 수 있다.
개질기(210)는 엔진(10)으로 공급되는 연료를 개질하여 개질가스(Syngas)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 개질기(210)는 엔진(10)으로 공급되는 연료탱크(30)와 연결된 분기라인(240)으로부터 엔진(10)으로 공급되는 동일한 연료를 공급받아 개질가스를 생성할 수 있다. 개질가스는 C0와 H2 를 포함할 수 있다.
이렇게 생성된 개질가스는 연료전지(230)에 공급될 수 있다. 또한, 연료전지(230)는 유입된 개질가스에 의해 전기 에너지를 생성하고 수소를 배출한다. 그리고, 연료전지(230)에서 배출된 수소(H2 )는 수소 저장부재(600)에 저장될 수 있다. 구체적으로, 개질기(210)와 연료전지(230) 사이에 개질가스 배관(220)이 설치되어, 개질기(210)에서 생성한 개질가스가 연료전지(230)로 공급될 수 있다.
연료전지(230)에서 전기에너지를 생성하고 배출되는 수소는 개질기에서 생성된 수소에 비해 수소의 순도가 높다. 따라서, 이를 수소 저장부재(600)에 저장하여 활용할 수 있다. 구체적으로, 연료전지(230)에서 배출되는 수소는 연료전지(230)와 수소 저장부재(600) 사이를 연결하는 수소배관()을 통해 수소 저장부재(600)에 저장도리 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 제어부(400)는 연료전지(230)가 생성한 전기에너지를 선택적 촉매 환원장치(100)에 공급할 수 있다.
제어부(400)는 연료전지(230)가 생성한 전기에너지를 반응기(110)와 가열부재(120)를 포함하는 선택적 촉매 환원장치(100)에 공급할 수 있다. 또한, 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 반응기(110) 내부에 배치된 촉매에 흡착된 이물질을 제거하는 수트 블로워와 가열부재(120)에 연소를 위해 산소를 공급하는 링 블로워를 더 포함할 수 있다.
제어부(400)는 선택적 촉매 환원장치(100)의 구동을 위해 필요한 전기에너지를 연료전지(230)에서 생성한 전기에너지로 활용할 수 있다.
또는, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 연료전지(230)에서 발생되는 열에너지를 선택적 촉매 환원 시스템(101)이 설치된 선박에 활용될 수 잇다.
연료전지(230)는 전기 에너지를 생성하며 이로부터 열에너지가 발생될 수 있다. 제어부(400)는 이러한 열에너지를 선박의 온수 시스템 또는 동결 방지를 위한 장치 등에 활용할 수 있다.
또는, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 선택적 촉매 환원장치(100)는 반응기(110)와 환원제 분해 챔버(130) 그리고 가열부재(120)를 포함할 수 있다.
반응기(110) 내부에는 배기가스에 포함된 질소산화물을 선택적으로 저감시킬 수 있는 선택적 환원 촉매가 설치될 수 있다. 또한, 이러한 반응기(110)는 엔진(10)으로부터 배출된 배기가스가 통과하는 배기배관(20) 상에 설치될 수 있다.
환원제 분해 챔버(130)는 공급되는 요소수를 열분해 시켜 암모니아를 생성하여 반응기(110)로 유입되는 배기가스와 혼합되어 공급되도록 할 수 있다. 구체적으로, 환원제 분해 챔버(130)는 도시되는 않은 요소수 공급부로부터 요소수가 공급되고 이를 열분해시켜 암모니아를 생성할 수 있다. 그리고 생성된 암모니아를 반응기(110) 전방으로 공급할 수 있다.
가열부재(120)는 환원제 분해 챔버(130)로 열에너지를 공급할 수 있다. 구체적으로, 가열부재(120)는 환원제 분해 챔버(130) 내부에서 공급된 요소수를 열분해 시킬 수 있도록 열에너지를 제공할 수 있다.
일예로, 가열부재(120)는 연료를 연소시켜 열에너지를 생성하는 버너일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 제어부(400)는 엔진(10)이 설치된 선박의 현재 항해 위치가 배기가스 배출 규제지역인지 배기가스 배출 비규제지역인지 판별하여 제1 밸브(321)를 제어하고, 연료 검출부재(530)에서 검출한 연료량에 따라 제2 밸브(311)를 제어하고, 압력 검출부재(520)에서 검출한 압력에 따라 제3 밸브(331)를 개폐할 수 있다.
제어부(400)는 엔진(10)이 설치된 선박의 현재 항해 위치가 배기가스 배출 규제지역이라고 판단되는 경우, 제1 밸브(321)를 개방할 수 있다. 이때, 반응기(110) 전방으로 유입되는 환원제는 환원제 분해 챔버(130)에서 분해된 암모니아와 수소 저장부재(600)에 저장된 수소일 수 있다. 즉, 수소 저장부재(600)에 저장된 수소는 환원 보조제로 활용될 수 있다.
그리고, 환원제 검출부재(510)는 반응기(110) 전방으로 공급되는 암모니아와 수소 농도를 검출하여, 현재 반응기(110)를 통과하는 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키기 위해 필요한 환원 보조제의 량을 산출하여 제1 밸브(321)의 개도량을 조절할 수 있다.
또한, 연료 검출부재(530)에서 검출된 가열부재(120)로 공급되는 연료량이 기설정된 기준연료량 미만인 경우, 제어부(400)는 제2 밸브(311)의 개도량을 제어하여 수소 저장부재(600)에 있는 수소가 가열부재(120)에 연소공기로 활용될 수 있도록 할 수 있다.
이러한 경우, 가열부재(120)는 상대적으로 적은 연료량에도 수소와 연소되어 큰 열에너지를 생성할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 동작 과정에 관해 설명한다.
선박은 엔진(10)과 개질기(210) 그리고 연료전지(230)를 포함할 수 있다.
엔진(10)은 선박의 항해를 위해 연료를 공급받아 동력을 생산한다. 또한, 엔진(10)은 동력의 생산 시 질소산화물이 포함된 배기가스를 배출한다.
개질기(210)는 엔진(10)으로 공급된는 연료를 개질하여 개질가스를 생성한다. 생성된 개질가스는 수소와 일산화탄소를 포함할 수 있다. 구체적으로, 엔진(10)으로 공급되는 연료탱크(30)로부터 개질기(210)에 엔진(10)으로 공급되는 연료가 분기되어 공급될 수 있다.
연료전지(230)는 개질기(210)로부터 생성된 수소와 일산화탄소를 전달받아 전기에너지를 생성한다. 또한, 연료전지(230)는 전기에너지를 생성 후, 수소를 배출한다. 이러한 연료전지(230)에서 배출된 수소의 순도는 개질기(210)에 의해 생성된 개질가스의 수소의 순도 보다 상대적으로 높다.
선박의 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 수소 저장부재(600)와 반응기(110)와 환원제 분해 챔버(130)와 가열부재(120) 그리고 제어부(400)를 포함한다.
수소 저장부재(600)는 연료전지(230)로부터 배출된 수소를 저장한다. 즉, 수소 저장부재(600)에는 개질가스 보다 상대적으로 높은 순도를 갖는 수소를 저장할 수 있다.
반응기(110)의 내부에는 배기가스에 포함된 질소산화물을 선택적으로 저감시킬 수 있는 촉매가 설치된다. 또한, 엔진(10)에서 배출된 배기가스는 반응기(110)를 통과한다.
환원제 분해 챔버(130)는 공급되는 요소수를 열분해 시켜 반응기(110) 전방으로 환원제를 공급할 수 있다. 또한, 환원제 분해 챔버(130)는 도시되지 않은 요소수 공급부로부터 요수소를 공급받아 이를 열분해 시켜 암모니아를 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 암모니아는 배기가스에 포함된 질소산화물을 선택적으로 저감시킬 수 있는 환원제로 활용될 수 있다.
가열부재(120)는 환원제 분해 챔버(130)로 열에너지를 공급할 수 있다. 또한, 가열부재(120)는 환원제 분해 챔버(130)로 공급된 요소수로부터 암모니아를 생성할 정도의 열에너지를 공급할 수 있다.
제어부(400)는 제1 모드, 제2 모드, 그리고 제3 모드로 동작될 수 있다. 제어부(400)는 선박이 배기가스 배출 규제지역을 통과하는 경우 수소 저장부재(600)에 저장된 수소를 반응기(110) 전방으로 공급하여 수소가 환원 보조제로 활용되도록 하는 제1 모드로 동작될 수 있다. 즉, 제1 모드로 동작시, 제어부(400)는 제1 밸브(321)를 개방하고 수소 저장부재(600)에 저장된 수소가 환원 보조제로 활용되도록 하며, 환원제 분해 챔버(130)에서 생성된 암모니아도 함께 반응기(110) 전방으로 공급될 수 있다.
그리고 제어부(400)는 환원제 검출부재(510)가 검출한 반응기(110)로 유입되는 환원제 및 환원 보조제의 농도를 검출하여 제1 밸브(321)의 개도량을 제어할 수 있다.
구체적으로, 수소를 환원 보조제로 활용하는 경우, 2NO +4H2 +O2 ??> N2 + 4H2O의 화학반응을 거쳐 배기가스에 포함된 질소산화물을 선택적으로 저감시킬 수 있습니다.
또는, 제어부(400)는 선박이 배기가스 배출 비규제지역을 통과하는 경우, 제1 밸브(321)를 폐쇄할 수 있다.
제어부(400)는, 선박이 배기가스 배출 규제지역을 통과하는 경우, 가열부재(120)로 공급되는 연료의 부족 시 수소 저장부재(600)에 저장된 수소를 가열부재(120)로 공급하도록 하는 제2 모드로 동작된다. 구체적으로, 제어부(400)는 제2 밸브(311)를 개방하여 가열부재(120)로 수소 저장부재(600)에 저장된 수소가 가열부재(120)의 연소시 활용될 수 있도록 할 수 있다. 이때, 제1 밸브(321)도 함께 열린 상태일 수 있다.
또한, 제어부(400)는 연료 검출부재(530)가 검출한 연료량과 기설정된 기준 연료량을 비교하여, 연료 검출부재(530)가 검출한 연료량이 기설정된 기준 연료량 미만인 경우, 제2 밸브(311)를 개방하여 수소 저장부재(600)에 저장된 수소가 가열부재(120)로 공급되도록 할 수 있다. 또한, 제어부(400)는 연료 검출부재(530)가 검출한 연료량에 따라 제2 밸브(311)의 개도량을 제어할 수 있다.
즉, 수소 저장부재(600)에 저장된 수소는 제2 공급라인(310)을 통해 가열부재(120)로 공급되어 상대적으로 적은량의 연료가 가열부재(120)에 공급되어도 이를 효과적으로 연소시켜 환원제 분해 챔버(130)로 열에너지를 제공할 수 있다.
또는, 제어부(400)는, 선박이 배기가스 배출 비규제지역을 통과하며 반응기(110)의 재생을 수행시, 가열부재(120)로 공급되는 연료의 부족 시 수소 저장부재(600)에 저장된 수소를 가열부재(120)로 공급하도록 하는 제2 모드로 동작된다. 이때, 제어부(400)에 의해 가열부재(120)로 공급된 연료는 열에너지를 반응기(110) 전방으로 공급하여 반응기(110) 내부에 설치된 촉매의 재생을 위해 이용될 수 있다. 즉, 선박이 배기가스 배출 비규제지역을 통과하며 반응기(110)의 재생을 수행하고, 가열부재(120)로 공급되는 연료의 부족 시, 제어부(400)는 제2 밸브(311)를 개방하고 제1 밸브(321)를 폐쇄할 수 있다.
이러한 경우, 반응기(110) 전방으로 공급되는 환원제 및 환원 보조제의 공급은 차단되고, 환원제 분해 챔버(130)로 공급되는 열에너지는 반응기(110)로 공급되어 이의 내부에 설치된 촉매를 재생시킬 수 있다. 이때, 엔진(10)에서 배출된 배기가스는 도시되지 않은 반응기(110)를 우회한 우회배관을 통해 외부로 배출될 수 있다. 다시 말해, 촉매 재생은 선박이 배기가스 배출 비규제지역을 통과하는 경우 수행될 수 있다.
또한, 제어부(400)는 수소 저장부재(600)에 저장된 수소의 압력이 기설정 기준압력 이상 시 수소 저장부재(600)에 저장된 수소를 엔진(10)으로 공급하도록 할 수 있다. 제어부(400)는 압력 검출부재(520)가 검출한 수소 저장부재(600)의 내부 압력이 기설정된 기준압력을 초과하는 경우, 엔진(10)으로 수소 저장부재(600)에 저장된 수소를 공급할 수 있다. 따라서, 제어부(400)는 수소 저장부재(600)에 저장된 수소가 과압형성되는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로, 제어부(400)는 제3 밸브(331)를 개방하여 엔진(10)으로 수소 저장부재(600)에 저장된 수소가 공급되도록 할 수 있다.
또는, 제어부(400)는 압력 검출부재(520)가 검출한 수소 저장부재(600)의 내부 압력이 기설정된 기준압력 이하인 경우, 제3 밸브(331)의 폐쇄 상태를 유지하도록 할 수 있다.
이때, 제어부(400)는 제3 밸브(331)의 개폐만을 제어할 수 있다.
따라서, 제어부(400)는 수소 저장부재(600)에 저장된 수소를 선박이 항해 경로와 가열부재(120)로 공급되는 연료의 공급량 그리고 수소 저장부재(600)에 저장된 수소의 압력에 따라 이의 공급을 제어할 수 있다.
이와 같은 구성에 의해, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 수소 생성부(200)에의해 생성된 수소를 수소 저장부재(600)에 저장하여 활용할 수 있어, 수소 생성부(200)의 가동이 중지된 상태에도 수소를 효과적으로 공급할 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 수소 생성부(200)에서 생성된 수소를 환원제 또는 환원 보조제로 활용할 수 있어, 배기가스에 포함된 질소산화물을 선택적으로 저감시킬 수 있다.
그리고, 선박의 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 연료전지(230)에서 배출되는 수소를 수소 저장부재(600)에 저장할 수 있어, 순도 높은 수소를 환원제 또는 연소가스로 활용할 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.
10: 엔진 100: 선택적 촉매 환원장치
101: 선택적 촉매 환원 시스템 110: 반응기
120: 가열부재 130: 환원제 분해 챔버
200: 수소 생성부 210: 개질기
230: 연료전지 300: 수소 공급부
400: 제어부 510: 환원제 검출부재
520: 압력 검출부재 530: 연료 검출부재
600: 수소 저장부재

Claims (9)

  1. 연료를 공급받아 동력을 생산하는 엔진이 배출하는 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 선택적 촉매 환원장치를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템에 있어서,
    상기 엔진으로 공급되는 연료로 수소를 생성하는 수소 생성부;
    상기 수소 생성부에서 생성된 수소를 저장하는 수소 저장부재; 및
    상기 수소 저장부재에 저장된 수소를 상기 선택적 촉매 환원장치에 공급하는 가능한 수소 공급부
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 선택적 촉매 환원장치는,
    내부에 촉매가 설치되어 상기 배기가스가 통과하는 반응기; 및
    상기 반응기로 열에너지를 공급 가능한 가열부재
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  3. 제1항에서,
    상기 선택적 촉매 환원장치는,
    내부에 촉매가 설치되어 상기 배기가스가 통과하는 반응기;
    공급되는 요소수를 열분해 시키는 환원제 분해 챔버; 및
    상기 환원제 분해 챔버로 열에너지를 제공하는 가열부재
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 수소 저장부재에 저장된 수소를 상기 반응기 전방, 상기 가열부재, 그리고 상기 엔진 중 어느 하나 이상으로 공급하도록 상기 수소 공급부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  5. 제4항에서,
    상기 엔진은 선박에 설치되고,
    상기 제어부는,
    선박이 항해하는 지역이 배기가스 배출 규제지역 또는 배기기가스 배출 비규제지역인지 판별하고, 상기 수소 공급부를 제어하여 상기 수소 저장부재에 저장된 수소가 반응기로 유입되어 환원제로 사용 가능한 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  6. 제4항에서,
    상기 반응기 전방으로 공급되는 환원제의 상태를 검출하는 환원제 검출부재;
    상기 가열부재로 공급되는 연료량을 검출하는 연료 검출부재; 및
    상기 수소 저장부재의 내부 압력을 검출하는 압력 검출부재;
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 환원제 검출부재에 따라 상기 반응기 전방으로 공급되는 수소량을 제어하고, 상기 연료 검출부재 가 검출하는 연료량에 따라 상기 가열부재로 공급되는 수소량을 제어하고, 상기 압력 검출부재가 검출하는 압력에 따라 상기 엔진으로 수소를 공급 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  7. 제4항에서,
    상기 수소 생성부는,
    상기 엔진으로 공급되는 연료를 개질하여 개질가스를 생성하는 개질기; 및
    상기 개질기에서 생성된 개질가스가 유입되어 전기 에너지를 생성하고, 수소를 배출하여 상기 수소 저장부재에 공급하는 연료전지
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  8. 제7항에서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지가 생성한 전기 에너지를 상기 선택적 촉매 환원장치에 공급 가능한 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  9. 연료를 공급받아 동력을 생산하고 질소산화물이 포함된 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진으로 공급되는 연료를 개질하여 개질가스를 생성하는 개질기, 그리고 상기 개질기에서 생성된 개질가스가 유입되어 전기 에너지를 생성하고 수소를 배출하는 연료전지를 포함하는 선박의 선택적 촉매 환원 시스템에 있어서,
    상기 연료전지로부터 배출된 수소를 저장하는 수소 저장부재;
    내부에 촉매가 설치되어 상기 배기가스가 통과하는 반응기;
    공급되는 요소수를 열분해 시켜 상기 반응기 전방으로 환원제를 공급하는 환원제 분해 챔버;
    상기 반응기 또는 상기 환원제 분해 챔버로 열에너지를 공급 하는 가열부재; 및
    선박이 배기가스 배출 규제지역을 통과하는 경우 상기 수소 저장부재에 저장된 수소를 상기 반응기 전방으로 공급하는 제1 모드, 상기 가열부재로 공급되는 연료의 부족 시 상기 수소 저장부재에 저장된 수소를 상기 가열부재로 공급하는 제2 모드, 그리고 상기 수소 저장부재에 저장된 수소의 압력이 기설정 기준압력 이상 시 상기 수소 저장부재에 저장된 수소를 상기 엔진으로 공급하는 제3 모드로 동작되는 제어부
    를 포함하는 선박의 선택적 촉매 환원 시스템.
KR1020170161651A 2017-11-29 2017-11-29 선택적 촉매 환원 시스템 및 선박의 선택적 촉매 환원 시스템 KR102402311B1 (ko)

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KR20110082802A (ko) * 2010-01-12 2011-07-20 삼성에스디아이 주식회사 연료전지를 이용한 자동차 배기가스의 질소산화물 저감 방법 및 그 장치
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