KR20190062994A - Selective catalytic reduction system - Google Patents
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Abstract
Description
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.The present invention relates to a selective catalytic reduction system, and more particularly, to a selective catalytic reduction system used to reduce nitrogen oxides (NOx) contained in exhaust gases.
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.As industrialization has progressed rapidly, the use of various fossil fuels such as petroleum and coal has increased. As a result, various harmful gases emitted from the combustion process of fossil fuels cause serious air pollution. Typical examples are smog phenomenon and acid rain.
대기 오염의 주범으로는 차량 및 선박의 엔진 또는 화력 발전소나 공장 등으로부터 배출되는 배기가스의 황산화물(SOx)이나 질소산화물(NOx)이 있다.The main cause of air pollution is sulfur oxides (SOx) and nitrogen oxides (NOx) of exhaust gas emitted from engines of vehicles and ships, thermal power plants and factories.
근래에는 환경 보존에 대한 인식이 높아짐에 따라 이러한 황산화물과 질소산화물에 대한 배출규제가 도입되고 있다.Recently, as the awareness of environmental conservation has increased, regulations on emission of sulfur oxides and nitrogen oxides have been introduced.
특히, 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.In particular, there is a selective catalytic reduction (SCR) system as a typical facility for reducing nitrogen oxides. The selective catalytic reduction system reacts the nitrogen oxides contained in the exhaust gas with the reducing agent while passing the exhaust gas and the reducing agent together in the reactor equipped with the catalyst, thereby reducing the nitrogen and the water vapor.
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 하므로, 저비용 고효율의 탈질 설비와 함께 효과적인 운용 방법이 요구되고 있다.When this selective catalytic reduction system is used on ships, the emission of NOx from marine diesel engines is controlled by the International Maritime Organization's International Standard for the Prevention of Air Pollution (IMO Tier-III) It is required to use an efficient denitrification system with a low cost and high efficiency.
일반적으로 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위해 사용되는 촉매는 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 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 반응할 경우, 피독되면서 효율이 저하된다. 구체적으로, 섭씨 250도 미만의 상대적으로 낮은 온도를 갖는 배기 가스가 유입되면, 배기가스의 황산화물(SOx)과 환원제의 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. 이와 같은 촉매 피독 물질은 촉매에 흡착되어 촉매의 활성을 저하시키므로, 촉매의 효율을 높이고 유지 보수에 따른 손실을 최소화하기 위해서는 촉매의 온도를 활성 온도 범위 내로 유지하는 것이 요구된다.In general, the catalyst used to reduce the nitrogen oxides contained in the exhaust gas may have an active temperature in the range of 250 degrees Celsius to 500 degrees Celsius. Here, the activation temperature refers to a temperature at which the catalyst can be stably reduced without being poisoned. When the catalyst reacts outside the active temperature range, the efficiency decreases as it is poisoned. Specifically, when the exhaust gas flows having a relatively low temperature of less than 250 ° C, the catalyst poisoning material is generated by the ammonia of sulfur oxides in the exhaust gas (SOx) and a reducing agent (NH 4) response. Catalyst poisoning material may comprise one or more of ammonium sulfate (Ammonium sulfate, (NH4) 2 SO 4) and ammonium bisulfite (Ammonium bisulfate, NH 4 HSO 4 ). Such a catalyst poisoning material is adsorbed on the catalyst to lower the activity of the catalyst. Therefore, in order to increase the efficiency of the catalyst and minimize the loss due to maintenance, it is required to keep the temperature of the catalyst within the active temperature range.
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.However, in the case of a low speed diesel engine for ships, it is difficult to completely avoid the poisoning of the catalyst because the emission amount of the exhaust gas changes according to the load change of the diesel engine and the climate environment in which the ship is operating also affects the selective catalytic reduction reaction.
따라서, 촉매가 피독되면 촉매를 가열하여 피독 물질을 제거하게 되는데, 피독 물질을 제거하기 위한 목표 온도를 초과하여 필요 이상의 높은 온도로 촉매를 가열하게 되면 촉매가 열적 손상될 수 있다. 예를 들어, 가열 장치로 버너를 사용하는 경우, 버너의 특성에 따라 화염을 유지하기 위해 목표 온도에 도달한 이후에도 버너는 최저 용량으로 계속 작동된다. 이에, 촉매는 목표 온도를 초과하여 지속적으로 온도가 상승될 수 있다. 또한, 가열 장치가 오작동하거나 목표 온도를 정확하게 산출하지 못한 경우에도 촉매는 목표 온도를 초과한 온도로 가열될 수 있다.Therefore, when the catalyst is poisoned, the catalyst is heated to remove the poisoning substance. If the catalyst is heated to a temperature higher than the target temperature for removing the poisoning substance, the catalyst may be thermally damaged. For example, when a burner is used as the heating device, the burner continues to operate at the minimum capacity even after the target temperature is reached to maintain the flame according to the characteristics of the burner. Thus, the temperature of the catalyst can be continuously increased beyond the target temperature. Further, even when the heating device malfunctions or fails to accurately calculate the target temperature, the catalyst can be heated to a temperature exceeding the target temperature.
전술한 바와 같이, 촉매를 재생하기 위해 필요한 목표 온도를 초과하여 필요 이상으로 높은 온도로 촉매를 가열하게 되면, 촉매가 열적 손상을 입게 되는 문제점이 있다.As described above, if the catalyst is heated to a temperature higher than the target temperature necessary for regenerating the catalyst, there is a problem that the catalyst is thermally damaged.
본 발명의 실시예는 피독된 촉매를 재생시킬 수 있을 뿐만 아니라 촉매를 재생시키는 과정에서 촉매의 열적 손상을 방지할 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템을 제공한다.Embodiments of the present invention provide a selective catalytic reduction system capable of regenerating a poisoned catalyst as well as preventing thermal damage of the catalyst during regeneration of the catalyst.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매가 내부에 설치된 반응기와, 상기 반응기 후방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 반응기 전방의 상기 배기 유로에 합류하는 재순환 유로와, 상기 재순환 유로 상에 설치되어 상기 재순환 유로를 따라 이동하는 유체를 승온시키는 가열 장치와, 상기 가열 장치 전방의 상기 재순환 유로에서 분기되어 상기 가열 장치 후방의 상기 재순환 유로에 합류하는 가열 장치 우회 유로, 그리고 상기 가열 장치 우회 유로 상에 설치된 열교환기를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a selective catalytic reduction (SCR) system for reducing nitrogen oxides contained in an exhaust gas includes an exhaust flow path through which exhaust gas flows, and an exhaust gas flow path provided on the exhaust flow path A recirculation flow path branched from the exhaust flow path in the rear of the reactor and joined to the exhaust flow path in front of the reactor; A heating device bypass flow path branched from the recirculation flow path in front of the heating device and joined to the recirculation flow path behind the heating device; And a heat exchanger installed therein.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 배기 유로와 상기 재순환 유로의 분기 지점과 상기 재순환 유로와 상기 가열 장치 우회 유로의 분기 지점 사이의 상기 재순환 유로 상에 설치된 블로워를 더 포함할 수 있다.The selective catalytic reduction system may further include a blower disposed on the recirculation flow path between a branch point of the exhaust passage and the recirculation passage and a branch point of the recirculation passage and the bypass passage of the heating device.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 반응기에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.The selective catalytic reduction system may further include a temperature sensor for measuring the temperature of the exhaust gas flowing into the reactor.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 반응기를 우회한 후 상기 배기 유로에 다시 합류하는 바이패스 유로와, 상기 바이패스 유로 상에 설치되어 상기 바이패스 유로를 개폐하는 바이패스 밸브를 더 포함할 수 있다.The selective catalytic reduction system may further include a bypass flow path branched from the exhaust flow path and bypassing the reactor and joining to the exhaust flow path again, and a bypass flow path provided on the bypass flow path, And may further include a valve.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 열교환기와 연결된 열회수 유로를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 열회수 유로는 이코노마이저(economizer) 또는 환원제로 사용되는 우레아(urea)를 저장하는 우레아 저장 탱크 중 하나 이상과 연결되어 열에너지를 전달할 수 있다.In addition, the selective catalytic reduction system may further include a heat recovery flow path connected to the heat exchanger. The heat recovery flow path may be connected to at least one of an economizer or a urea storage tank for storing a urea used as a reducing agent to transfer heat energy.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 반응기 전방의 상기 배기 유로 상에 설치된 제1 배기 밸브와, 상기 반응기 후방의 상기 배기 유로 상에 설치된 제2 배기 밸브와, 상기 재순환 유로와 상기 가열 장치 우회 유로의 분기 지점과 상기 재순환 유로와 상기 가열 장치 우회 유로의 합류 지점 사이의 상기 재순환 유로 상에 설치된 재순환 밸브, 그리고 상기 가열 장치 우회 유로 상에 설치된 가열 장치 우회 밸브를 더 포함할 수 있다.The selective catalytic reduction system may further include a first exhaust valve disposed on the exhaust passage in front of the reactor, a second exhaust valve disposed on the exhaust passage in the rear of the reactor, A recirculation valve provided on the recirculation flow path between a branch point of the recirculation flow path and a recirculation flow path of the heating device bypass flow path, and a heating device bypass valve provided on the heating device bypass flow path.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키는 가동 모드와, 상기 반응기 내 설치된 촉매를 재생시키는 재생 모드, 그리고 상기 반응기 내 설치된 촉매의 열손상을 방지하는 보호 모드 중 어느 하나로 구분 동작할 수 있다.In addition, the selective catalytic reduction system described above can be applied to any one of an operation mode for reducing nitrogen oxides contained in the exhaust gas, a regeneration mode for regenerating the catalyst installed in the reactor, and a protection mode for preventing thermal damage of the catalyst installed in the reactor It can be divided into one.
상기 가동 모드에서 상기 제1 배기 밸브와 상기 제2 배기 밸브는 열리고, 상기 재순환 밸브와 상기 가열 장치 우회 밸브는 닫힐 수 있다. 상기 재생 모드에서 상기 제1 배기 밸브와 상기 제2 배기 밸브 그리고 상기 가열 장치 우회 밸브는 닫히고, 상기 재순환 밸브는 열릴 수 있다. 상기 보호 모드에서 상기 제1 배기 밸브와 상기 제2 배기 밸브 그리고 상기 재순환 밸브는 닫히고 상기 가열 장치 우회 밸브는 열릴 수 있다.In the operating mode, the first exhaust valve and the second exhaust valve are opened, and the recirculation valve and the heating device bypass valve can be closed. In the regeneration mode, the first exhaust valve and the second exhaust valve and the heating device bypass valve are closed, and the recirculation valve can be opened. In the protected mode, the first exhaust valve and the second exhaust valve and the recirculation valve are closed and the heating device bypass valve can be opened.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템은 피독된 촉매를 재생시킬 수 있을 뿐만 아니라 촉매를 재생시키는 과정에서 촉매의 열적 손상을 안정적으로 방지할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the selective catalytic reduction system not only can regenerate the poisoned catalyst but also can stably prevent the thermal damage of the catalyst during the regeneration of the catalyst.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템의 동작 상태를 나타낸 구성도이다.1 is a block diagram illustrating a selective catalytic reduction system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 and FIG. 3 are diagrams showing the operational states of the selective catalytic reduction system of FIG. 1. FIG.
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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
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.The drawings are schematic and not drawn to scale. The relative dimensions and ratios of the parts in the figures are exaggerated or reduced in size for clarity and convenience in the figures, and any dimensions are merely illustrative and not restrictive. And to the same structure, element or component appearing in more than one drawing, the same reference numerals are used to denote similar features.
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.The embodiments of the present invention specifically illustrate ideal embodiments of the present invention. As a result, various variations of the illustration are expected. Thus, the embodiment is not limited to any particular form of the depicted area, but includes modifications of the form, for example, by manufacture.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(101)을 설명한다.Hereinafter, a selective catalytic reduction (SCR)
본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(101)은 동력 장치에서 배출된 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시키는데 사용된다. 일례로, 동력 장치는 선박에 사용되는 사용되는 2행정 저속 또는 4행정 중속 디젤 엔진일 수 있다.A selective catalytic reduction (SCR)
하지만, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 동력 장치는 플랜트용 내연기관이거나 차량용 엔진일 수도 있다. 즉, 동력 장치로는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 종류의 엔진이 사용될 수 있다.However, the first embodiment of the present invention is not limited thereto. The power unit may be an internal combustion engine for a plant or an automotive engine. That is, various types of engines known to those skilled in the art can be used as the power unit.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 엔진이 배출하는 배기가스는 섭씨 200도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도를 가지며, 경우에 따라서는 섭씨 150도 이상 섭씨 200도 미만으로 낮아질 수도 있다.Further, in one embodiment of the present invention, the exhaust gas discharged by the engine has a temperature within a range of 200 degrees Celsius to 500 degrees Celsius, and may be lowered to 150 degrees Celsius or less and less than 200 degrees Celsius in some cases.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 배기 유로(610), 반응기(300), 재순환 유로(680), 가열 장치(400), 가열 장치 우회 유로(670), 및 열교환기(490)를 포함한다.1, the selective
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 블로워(450), 온도 센서(810), 바이패스 유로(620), 바이패스 밸브(720), 제1 배기 밸브(711), 제2 배기 밸브(712), 재순환 밸브(780), 및 가열 장치 우회 밸브(770)를 더 포함할 수 있다.The selective
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 열회수 유로(690)를 더 포함할 수 있다.In addition, the selective
배기 유로(610)는 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 이동시킨다. 그리고 배기 유로(610)를 따라 이동하는 배기가스는 후술할 반응기(300)를 거쳐 외부로 배출된다. 일례로, 배기 유로(610)는 엔진의 배기구와 연결되어 엔진에서 배출된 배기가스를 배출시킬 수 있다.The
반응기(300)는 배기 유로(610) 상에 설치된다. 즉, 반응기(300)는 배기 유로(610)를 통해 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 전달받는다. 그리고 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.The
또한, 본 발명의 일 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.Also, in one embodiment of the present invention, the
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 200도 내지 섭씨 500도 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.For example, occurs the reduction reaction for reducing nitrogen oxide-containing exhaust gas at a relatively low temperature of less than ° C more than 250 ° C, 150, of the exhaust gas sulfur oxides (SOx) and ammonia (NH 3) the reaction Thereby forming a catalyst poisoning substance. Specifically, the poisoning substance that poisons the
또한, 촉매(350)에서 질소산화물과 직접 반응하는 환원제로는 암모니아(NH3)가 사용되는데, 이는 환원제 전구체인 우레아(urea, CO(NH2)2) 수용액의 형태로 공급될 수 있다. 암모니아 자체가 오염 물질로 보관과 운반이 용이하지 않기 때문에 안정적인 우레아 수용액을 사용하는 것이 보편적이다. 우레아(urea, CO(NH2)2) 수용액은 가수분해 또는 열분해되어 암모니아(NH3)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)을 생성한다. 그리고 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 분해한다. 즉, 우레아를 분해시켜 질소산화물과 반응하는 환원제인 암모니아를 생성하게 된다.Further, ammonia (NH 3 ) is used as a reducing agent that directly reacts with the nitrogen oxide in the
예를 들어, 환원제는 반응기(300) 전방의 배기 유로(610)에 분사되어 배기가스와 혼합될 수 있다. 이하, 본 명세서에서 전방이라 함은 배기가스의 이동 방향을 기준으로 상류 방향을 의미하며, 후방이라 함은 배기가스의 이동 방향을 기준으로 하류 방향을 의미한다.For example, the reducing agent may be injected into the
재순환 유로(680)는 반응기(300) 후방의 배기 유로(610)에서 분기되어 반응기(300) 전방의 배기 유로(610)에 합류한다. 본 발명의 일 실시예에서, 재순환 유로(680)는 촉매(350)의 재생 시 사용될 수 있다. 구체적으로, 반응기(300)를 거친 배기가스를 재순환 유로(680)를 통해 반응기(300) 전방으로 재순환시키면서, 재순환하는 배기가스를 승온시켜 반응기(300) 내부의 촉매(350)를 가열하게 되면, 촉매(350)를 가열하기 위해 승온된 배기가스가 갖는 열에너지가 촉매(350)를 거친 후 버려지는 것을 최소화할 수 있다. 즉, 촉매(350)의 재생 시 촉매(350)를 가열하기 위해 소모되는 열에너지를 최소화할 수 있다.The
가열 장치(400)는 재순환 유로(680) 상에 설치되어 재순환 유로(680)를 따라 이동하는 유체, 즉 반응기(300)를 거친 후 재순환되는 배기가스를 승온시킨다. 본 발명의 일 실시예에서, 가열 장치(400)는 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 가열 장치(400)는 전기 히터, 오일 버너(oil burner), 또는 플라스마 버너(plasma burner) 중 하나일 수 있다.The
가열 장치 우회 유로(670)는 가열 장치 전방(400)의 재순환 유로(680)에서 분기되어 가열 장치(400) 후방의 재순환 유로(680)에 합류한다.The heating device
가열 장치 우회 유로(670)는 재순환 유로(680)를 따라 이동하는 유체, 즉 배기가스를 더 이상 승온시킬 필요가 없을 때 사용될 수 있다. 즉, 가열 장치(400)는 계속 가동 중인 상태이지만 재순환 유로(680)를 따라 이동하는 배기가스의 온도를 더 이상 승온시킬 필요가 없거나 오히려 배기가스의 온도를 낮춰야 할 필요가 있을 때, 가열 장치 우회 유로(670)를 통해 가열 장치(400)를 우회하여 배기가스를 이동시킬 수 있다. 이에, 가열 장치(400)가 가동되더라도 반응기(300)의 내부 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있다.The heater
열교환기(490)는 가열 장치 우회 유로(670) 상에 설치된다. 열교환기(490)는 가열 장치 우회 유로(670)를 따라 이동하는 배기가스가 갖는 열에너지를 회수하면서 배기가스의 온도를 낮춘다. 즉, 재순환 유로(680)를 따라 이동하는 유체의 온도를 낮춰야 할 필요가 있을 때, 가열 장치 우회 유로(670)로 이동시켜 열교환기(490)를 거치게 하여 유체의 온도를 낮출 수 있다.The heat exchanger (490) is installed on the heater bypass flow path (670). The
열회수 유로(690)는 열교환기(490)를 이코노마이저(economizer)(900) 또는 우레아 저장 탱크 중 하나 이상과 연결할 수 있다. 즉, 열회수 유로(690)는 열교환기(490)에서 회수된 열에너지를 이코노마이저(900)에 공급하여 활용하거나 환원제로 사용되는 우레아(urea)를 저장하는 우레아 저장 탱크로 전달하여 우레아의 동결을 방지하는데 활용할 수 있다.The heat
블로워(450)는 배기 유로(610)와 재순환 유로(680)의 분기 지점과 재순환 유로(680)와 가열 장치 우회 유로(670)의 분기 지점 사이의 재순환 유로(680) 상에 설치된다. 블로워(450)는 반응기(300)를 거친 배기가스를 재순환 유로(680)로 이동시키는 동력을 공급한다. 즉, 블로워(450)에 의해 반응기(300)를 거친 배기가스가 재순환 유로(680)를 따라 이동하면서 가열 장치(400)를 거친 후 다시 반응기(300)로 유입되거나, 재순환 유로(680) 및 가열 장치 우회 유로(6700를 따라 이동하면서 열교환기(490)를 거친 후 다시 반응기(300)로 유입될 수 있다.The
온도 센서(810)는 반응기(300)에 유입되는 배기가스의 온도를 측정한다. 또한, 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 반응기(300)를 거친 배기가스의 온도를 측정하는 추가의 온도 센서(820)를 더 포함할 수도 있다. 온도 센서(810) 및 추가의 온도 센서(820)는 반응기(300)의 내부 온도, 특히 촉매(350)의 온도를 측정하거나 간접적으로 추정하는데 사용될 수 있다.The
바이패스 유로(620)는 배기 유로(610)에서 분기되어 반응기(300)를 우회한 후 배기 유로(610)에 다시 합류한다. 바이패스 유로(620)는 반응기(300)의 내부에 설치된 촉매(350)를 재생할 때, 엔진에서 배출된 배기가스를 반응기(300)를 우회하여 배출시킨다.The
바이패스 밸브(720)는 바이패스 유로(620) 상에 설치되어 바이패스 유로(620)를 개폐한다. 즉, 바이패스 밸브(720)는 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감 시킬 때에는 닫히고, 촉매(350)를 재생 시킬 때에는 열릴 수 있다.The
제1 배기 밸브(711)는 반응기(300) 전방의 배기 유로(610) 상에 설치되고, 제2 배기 밸브(712)는 반응기(300) 후방의 배기 유로(610) 상에 설치될 수 있다. 제1 배기 밸브(711)와 제2 배기 밸브(712)는 각각 배기 유로를 개폐할 수 있다. 제2 배기 밸브(712)는 촉매(350)의 재생 시 바이패스 유로(620)를 따라 이동하는 배기가스가 반응기(300)로 역류하는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 제2 배기 밸브는(712) 경우에 따라 생략될 수도 있다.The
재순환 밸브(780)는 재순환 유로(680)를 개폐할 수 있다. 구체적으로, 재순환 밸브(780)는 재순환 유로(680)와 가열 장치 우회 유로(670)의 분기 지점과 재순환 유로(680)와 가열 장치 우회 유로(670)의 합류 지점 사이의 재순환 유로(680) 상에 설치될 수 있다.The
가열 장치 우회 밸브(770)는 가열 장치 우회 유로(670) 상에 설치되어 가열 장치 우회 유로(670)를 개폐할 수 있다.The heating
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키는 가동 모드와, 반응기(300) 내 설치된 촉매(350)를 재생시키는 재생 모드, 그리고 반응기(300) 내 설치된 촉매(350)의 열손상을 방지하는 보호 모드 중 어느 하나로 구분 동작할 수 있다.In addition, the selective
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 동작 원리를 상세히 설명한다.Hereinafter, the operation principle of the selective
가동 모드는 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키고자 할 때 선택될 수 있다. 가동 모드에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 배기 밸브(711)와 제2 배기 밸브(712)는 열리고, 재순환 밸브(780)와 가열 장치 우회 밸브(770) 그리고 바이패스 밸브(720)는 닫힌다. 그러면 배기가스는 배기 유로(610)를 따라 이동하다가 반응기(300)를 거치면서 질소산화물이 저감된 후 배출된다.The operating mode can be selected to reduce the nitrogen oxides contained in the exhaust gas. 1, the
재생 모드는 촉매(350)가 피독되어 재생시키고자 할 때 선택될 수 있다. 재생 모드에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 배기 밸브(711)와 제2 배기 밸브(712) 그리고 가열 장치 우회 밸브(770)는 닫히고, 재순환 밸브(780)와 바이패스 밸브(720)는 열린다. 그러면 엔진에서 배출된 배기가스는 바이패스 유로(620)를 통해 반응기(300)를 우회하여 배출된다. 그리고 재순환 유로(680)는 반응기(300)를 포함하는 폐루프를 형성한다. 블로워(450)가 반응기(300)를 거친 배기가스를 재순환 유로(680)로 재순환시키고, 재순환되는 배기가스를 가열 장치(400)가 승온시키면, 승온된 배기가스가 반응기(300)의 촉매(350)를 가열하여 촉매(350)를 재생시키게 된다. 이때, 피독 물질을 제거하여 촉매(350)를 재생시킬 수 있는 온도를 목표 온도라 한다. 즉, 가열 장치(400)는 배기가스가 목표 온도에 도달할 때까지 배기가스를 승온시키게 된다.The regeneration mode can be selected when the
보호 모드는 촉매(350)가 열적 손상을 입는 것을 방지하고자 할 때 선택될 수 있다. 즉, 보호 모드는 피독 물질을 제거하기 위한 목표 온도를 초과하여 필요 이상의 높은 온도로 촉매(350)가 가열되는 것을 방지하기 위해 선택될 수 있다.The protection mode can be selected when it is desired to prevent the
예를 들어, 가열 장치(400)로 버너를 사용하는 경우, 버너의 특성에 따라 화염을 유지하기 위해 목표 온도에 도달한 이후에도 버너는 최저 용량으로 계속 작동될 수 있다. 이 경우, 촉매(350)는 목표 온도를 초과하여 지속적으로 온도가 상승될 수 있다. 또한, 가열 장치(400)가 오작동하거나 시스템의 오작동으로 목표 온도를 정확하게 산출하지 못한 경우에도 촉매(350)는 열적 손상을 받게 되는 한계 온도에 근접하거나 한계 온도를 초과하여 가열될 수 있다. 이와 같은 상황에서, 보호 모드는 촉매(350)의 열적 손상을 방지하기 위해 선택될 수 있다.For example, when the burner is used as the
보호 모드에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 배기 밸브(711)와 제2 배기 밸브(712) 그리고 재순환 밸브(780)는 닫히고, 가열 장치 우회 밸브(770)와 바이패스 밸브(720)는 열린다. 그러면 엔진에서 배출된 배기가스는 바이패스 유로(620)를 통해 반응기(300)를 우회하여 배출된다. 그리고 재순환 유로(680)를 따라 재순환하는 배기가스는 가열 장치 우회 유로(670)를 통해 가열 장치(400)를 우회하여 순환할 수 있다. 따라서 가열 장치(400)가 가동되더라도 반응기(300) 내 설치된 촉매(350)의 온도가 계속 상승하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 가열 장치 우회 유로(670) 상에 설치된 열교환기(490)를 통해 재순환 유로(680) 및 가열 장치 우회 유로(670)를 따라 이동하는 배기가스의 온도를 낮출 수 있다. 즉, 반응기(300) 내 설치된 촉매(350)의 온도가 열적 손상을 받게 되는 한계 온도에 근접하거나 한계 온도를 넘었을 때 촉매(350)의 온도를 한계 온도 미만으로 낮출 수 있다.The
이와 같이, 열교환기(490)를 거치면서 촉매(350)의 온도가 재생을 위한 적정 온도 범위까지 낮아지면, 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 보호 모드에서 다시 재생 모드로 전환할 수 있다. 이때, 반응기(300)의 내부 온도 또는 촉매(350)의 온도는 온도 센서(810)를 통해 측정하거나 간접적으로 추정할 수 있다.Thus, when the temperature of the
또한, 열교환기(490)에서 회수한 열에너지는 열회수라인(690)을 통해 이코노마이저(900) 또는 우레아 저장 탱크 등에 전달되어 활용될 수 있다.The heat energy recovered in the
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 피독된 촉매(350)를 재생시킬 수 있을 뿐만 아니라 촉매(350)를 재생시키는 과정에서 촉매(350)의 열적 손상을 안정적으로 방지할 수 있다.The selective
또한, 촉매(350)의 재생을 위해 생성 열에너지를 회수하여 활용함으로써, 열에너지의 이용 효율도 향상시킬 수 있다.Further, by utilizing the generated thermal energy for regeneration of the
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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. will be.
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.It is therefore to be understood that the embodiments described above are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive, the scope of the invention being indicated by the appended claims, It is intended that all changes and modifications derived from the equivalent concept be included within the scope of the present invention.
101: 선택적 촉매 환원 시스템
300: 반응기
350: 촉매
400: 가열 장치
450: 블로워
490: 열교환기
610: 배기 유로
620: 바이패스 유로
670: 가열 장치 우회 유로
680: 재순환 유로
690: 열회수 유로
711: 제1 배기 밸브
712: 제2 배기 밸브
720: 바이패스 밸브
770: 가열 장치 우회 밸브
780: 재순환 밸브
900: 이코노마이저101: Selective Catalytic Reduction System
300: reactor
350: catalyst
400: Heating device
450: Blower
490: Heat exchanger
610:
620: Bypass channel
670: Heater bypass flow
680: Recirculation flow path
690: Heat recovery flow path
711: First exhaust valve
712: Second exhaust valve
720: Bypass valve
770: Heater bypass valve
780: recirculation valve
900: Economizer
Claims (8)
배기가스가 이동하는 배기 유로;
상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매가 내부에 설치된 반응기;
상기 반응기 후방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 반응기 전방의 상기 배기 유로에 합류하는 재순환 유로;
상기 재순환 유로 상에 설치되어 상기 재순환 유로를 따라 이동하는 유체를 승온시키는 가열 장치;
상기 가열 장치 전방의 상기 재순환 유로에서 분기되어 상기 가열 장치 후방의 상기 재순환 유로에 합류하는 가열 장치 우회 유로; 및
상기 가열 장치 우회 유로 상에 설치된 열교환기
를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.A selective catalytic reduction system for reducing nitrogen oxides contained in an exhaust gas,
An exhaust passage through which the exhaust gas moves;
A reactor provided on the exhaust flow path and provided with a catalyst therein for reducing nitrogen oxides (NOx) contained in the exhaust gas;
A recirculation passage branched from the exhaust passage behind the reactor and joined to the exhaust passage in front of the reactor;
A heating device installed on the recirculation flow path for raising a fluid moving along the recirculation flow path;
A heating device bypass flow branching from the recirculation flow path in front of the heating device and joining the recirculation flow path behind the heating device; And
And a heat exchanger
≪ / RTI >
상기 배기 유로와 상기 재순환 유로의 분기 지점과 상기 재순환 유로와 상기 가열 장치 우회 유로의 분기 지점 사이의 상기 재순환 유로 상에 설치된 블로워를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.The method according to claim 1,
Further comprising a blower provided on the recirculation passage between a branch point of the exhaust passage and the recirculation passage and a branch point of the recirculation passage and the bypass passage of the heating device.
상기 반응기에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.The method according to claim 1,
Further comprising a temperature sensor for measuring the temperature of the exhaust gas flowing into the reactor.
상기 배기 유로에서 분기되어 상기 반응기를 우회한 후 상기 배기 유로에 다시 합류하는 바이패스 유로와;
상기 바이패스 유로 상에 설치되어 상기 바이패스 유로를 개폐하는 바이패스 밸브
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.The method according to claim 1,
A bypass flow path branched from the exhaust flow path and bypassing the reactor and joining the exhaust flow path again;
A bypass valve provided on the bypass flow passage for opening / closing the bypass flow passage,
Further comprising a catalytic reduction catalyst.
상기 열교환기와 연결된 열회수 유로를 더 포함하며,
상기 열회수 유로는 이코노마이저(economizer) 또는 환원제로 사용되는 우레아(urea)를 저장하는 우레아 저장 탱크 중 하나 이상과 연결되어 열에너지를 전달하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.The method according to claim 1,
Further comprising a heat recovery flow path connected to the heat exchanger,
Wherein the heat recovery flow path is connected to at least one of an economizer or a urea storage tank for storing a urea used as a reducing agent to transfer heat energy.
상기 반응기 전방의 상기 배기 유로 상에 설치된 제1 배기 밸브와;
상기 반응기 후방의 상기 배기 유로 상에 설치된 제2 배기 밸브와;
상기 재순환 유로와 상기 가열 장치 우회 유로의 분기 지점과 상기 재순환 유로와 상기 가열 장치 우회 유로의 합류 지점 사이의 상기 재순환 유로 상에 설치된 재순환 밸브; 그리고
상기 가열 장치 우회 유로 상에 설치된 가열 장치 우회 밸브
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
A first exhaust valve provided on the exhaust passage in front of the reactor;
A second exhaust valve disposed on the exhaust passage behind the reactor;
A recirculation valve provided on the recirculation flow path between a branch point of the recirculation flow path and the bypass passage of the heating device and a junction point of the recirculation flow path and the heating device bypass flow path; And
A heating device bypass valve
Further comprising a catalytic reduction catalyst.
배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키는 가동 모드와;
상기 반응기 내 설치된 촉매를 재생시키는 재생 모드; 그리고
상기 반응기 내 설치된 촉매의 열손상을 방지하는 보호 모드
중 어느 하나로 구분 동작하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.The method according to claim 6,
An operation mode in which nitrogen oxides contained in the exhaust gas are reduced;
A regeneration mode in which the catalyst installed in the reactor is regenerated; And
A protection mode for preventing thermal damage of the catalyst installed in the reactor
The selective catalytic reduction system comprising:
상기 가동 모드에서 상기 제1 배기 밸브와 상기 제2 배기 밸브는 열리고, 상기 재순환 밸브와 상기 가열 장치 우회 밸브는 닫히며,
상기 재생 모드에서 상기 제1 배기 밸브와 상기 제2 배기 밸브 그리고 상기 가열 장치 우회 밸브는 닫히고, 상기 재순환 밸브는 열리며,
상기 보호 모드에서 상기 제1 배기 밸브와 상기 제2 배기 밸브 그리고 상기 재순환 밸브는 닫히고 상기 가열 장치 우회 밸브는 열리는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.8. The method of claim 7,
Wherein the first exhaust valve and the second exhaust valve are opened in the operating mode, the recirculation valve and the heating device bypass valve are closed,
In the regeneration mode, the first exhaust valve and the second exhaust valve and the heating device bypass valve are closed, the recirculation valve is opened,
Wherein the first exhaust valve and the second exhaust valve and the recirculation valve are closed and the heating device bypass valve is opened in the protection mode.
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