KR20190063114A - 선박 배연탈질 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선박 배연탈질 시스템 및 상기 시스템에서의 노즐막힘 판정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박의 엔진에서 발생하는 질소산화물을 포함하는 배기가스가 배출되는 배출관과, 배출관 내부로 환원제를 주입하는 통합도징유닛으로 이루어지는 환원제주입부와, 환원제와 혼합된 배기가스의 환원반응을 유도하여 상기 배기가스 중의 질소산화물을 질소와 수증기로 분해함으로써 질소산화물을 저감시켜주는 반응부를 포함하는 선박 배연탈질 시스템과, 그 시스템의 인젝터 노즐에서의 요소 분사 막힘 판정방법에 관한 것이다.

Description

선박 배연탈질 시스템{Exhaust Gas Denitrifying System of Ship}
본 발명은 선박 배연탈질 시스템 및 상기 시스템에서의 노즐막힘 판정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박의 엔진에서 발생하는 질소산화물을 포함하는 배기가스가 배출되는 배출관과, 배출관 내부로 환원제를 주입하는 통합도징유닛으로 이루어지는 환원제주입부와, 환원제와 혼합된 배기가스의 환원반응을 유도하여 상기 배기가스 중의 질소산화물을 질소와 수증기로 분해함으로써 질소산화물을 저감시켜주는 반응부를 포함하는 선박 배연탈질 시스템과, 그 시스템의 인젝터 노즐에서의 요소 분사 막힘 판정방법에 관한 것이다.
최근 국제적으로 환경오염규제가 크게 강화되고 있고, 선박으로부터 발생되는 대기오염물질의 배출을 규제하는 새로운 협약이 제정 및 채택되고 있다. 국제해사기구(IMO)는 2011년 7월 제62차 해양환경보호위원회(MEPC, Marine Environment Protection Committee)에서 '해양환경오염방지 협약 부속서 Ⅳ(MARPOL Ⅳ)'를 개정하여 강력한 질소산화물(NOx) 배출 규제(Tier Ⅲ)를 제시하였고, 이는 2016년 1월 1일자로 발효되었다. 이에 따라 신규 건조되는 선박의 엔진에는 배연탈질 설비가 설치되어야만 배기가스배출규제지역(ECA, Emission Control Area) 운항이 가능하게 되었다. 따라서, 선박에서 배연탈질 시스템은 필수불가결한 것이 되고 있다.
종래 배연탈질 시스템으로는 선택적 환원 촉매 반응(SCR, Selective Catalytic Reduction)을 이용한 배연탈질 시스템이 주로 사용되고 있다. 선택적 환원 촉매 반응이란 촉매(백금계 촉매, V2O5, Al2O3, TiO2, Fe2O3, Cr2O3 등)를 사용하여 질소산화물을 환원시키는 대표적 탈질기술로, 암모니아(NH3)를 환원제로 사용하여 질소산화물을 질소(N2)와 물(H2O)로 환원시키는 방식이다. 선택적 환원 촉매 반응을 이용하는 배연탈질 시스템은 요소 도징(Urea Dosing)부와 리액터(Reactor)를 포함하여 구성되는데, 요소 도징부는 엔진에서 배출되는 배기가스에 요소(Urea)를 분사하고 기화를 유도하여 요소가 암모니아로 변화하도록 해주는 부분이며, 리액터는 내부에 내장된 촉매에 의해 암모니아를 환원제로 하는 환원반응이 활발히 진행되도록 해주는 부분이다.
선택적 환원 촉매 반응을 이용하는 종래 배연탈질 시스템에서 요소 도징부는 배기가스에 요소를 분사한 상태에서 요소의 기화를 유도하는데, 선박의 경우 엔진 배기가스의 온도가 180~210℃로 낮기 때문에 선박에 설치된 배연탈질 시스템의 요소 도징부는 기화에 필요한 300℃ 이상의 온도를 확보하기 위하여 기화기나 버너 등과 같은 구성을 가지며, 이로 인하여 구성이 복잡하고 설비의 크기가 증가하게 된다. 또한, 종래 선박의 배연탈질 시스템은 선박에 다수개의 엔진이 존재하는 경우 각 엔진의 배출관마다 독립적인 도징 모듈이 설치되는 방식으로 구성되었는데, 이 같은 구성은 설치공간의 부족 문제뿐만 아니라 요소의 과분사와 같은 시스템 운영상의 비효율성도 초래하였다.
또한, 리액터의 내부에 배치되는 촉매로는 세라믹에 산화 티타늄(TiO2), 바나듐(V), 텅스텐(W)과 같은 활성금속을 혼합하여 허니콤(honeycomb) 형태로 소결 제작한 촉매가 주로 사용되는데, 이러한 형태의 촉매는 물리적 강도 및 내구성이 낮으며, 수분에 취약하고, 열전도도가 높아 활성온도에 도달하기까지 시간이 상당히 소요된다. 이 같은 상황에서 촉매의 강도 및 내구성 확보를 위해서는 촉매가 두껍게 제작되어야 하므로 촉매의 비표면적이 낮아지고, 촉매의 표면이 아닌 내부에 존재하는 활성금속은 그 기능을 발휘하지 못하게 된다. 결국, 비표면적의 확보를 위해서 촉매의 크기가 커질 수밖에 없고 이에 따라 리액터의 크기도 함께 증가하여 엔진의 크기 대비 30~50% 수준에 이르게 된다. 또한, 낮은 강도로 인하여 진동에도 취약하기 때문에 그을음(soot) 제거 설비의 적용에 있어서도 진동의 유발이 적은 기술을 적용해야 하고, 시공 시에도 촉매를 리액터와 분리하여 운반해야 하는 제약이 있었다. 한편, 강도 및 내구성이 우수하고 열전도도도 우수한 금속 재질의 촉매가 존재하지만 그 비용이 고가여서 선박과 같이 대형 운송수단에 적용하기에는 경제성이 떨어지는 것이 문제점으로 지적되고 있다.
이와 같은 상황에서 선택적 환원 촉매 반응을 이용하는 선박의 배연탈질 시스템의 선박 내 설치공간을 줄여주고 그 구조를 간단하게 하기 위하여 요소 주입부의 구조를 개선하고, 리액터에 내장되는 촉매의 효율을 높여주는 기술의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
등록특허 제10-1195148호 "배기 가스 유해 물질 저감 시스템 및 이를 포함하는 선박", 2012. 10. 29. 등록특허 제10-1345118호 "수용액 전해질 내에서 양극산화에 의한 산화 티타늄 나노튜브 제조방법", 2013. 12. 26.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 선택적 환원 촉매 반응을 이용하는 선박의 배연탈질 시스템의 구조를 간단하게 해주고, 선박 내 설치공간을 줄여주는 선박 배연탈질 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 환원제를 주입하는 환원제주입부를 회전수 제어를 통해 요소를 공급하는 펌프와, 펄스 분사를 이용하는 인젝팅모듈이 통한된 통합도징유닛으로 형성함으로써, 기존의 유량제어밸브 및 이에 수반되는 각종 게이지 등의 부품을 간단히 생략하고 효율적인 요소 분사제어가 가능한 선박 배연탈질 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 펌프의 회전수와 펄스 인젝터의 주기적인 개폐제어를 통하여 정량의 요소 공급 및 분사가 가능하며 노즐 막힘 여부를 신속하고 정확하게 판별 가능한 선박 배연탈질 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 환원제 주입부의 인젝팅 모듈에 포함된 펄스 인젝터의 냉각이 압축공기에 의해 이루어질 수 있게 되어 있어 압축공기의 가열 시에도 인젝팅 모듈의 열에 의한 손상을 방지하여주는 선박 배연탈질 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 종래 금속 재질의 촉매가 가지는 높은 강도 및 내구성, 우수한 열전도도 등의 장점을 유지하면서도 높은 비표면적을 통해 소형화가 가능하여 경제성도 확보해주는 촉매를 포함하는 선박 배연탈질 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 표면에 산화티타늄(TiO2) 나노튜브가 형성된 금속으로 이루어진 지지체와, 바나듐(V) 및 텅스텐(W) 중 하나 이상을 함유하고 상기 지지체 상에 담지된 활성금속층을 포함하는 고효율 촉매를 통해 촉매의 두께와 크기, 리액터의 크기를 줄일 수 있게 해주고, 그을음(soot)제거 설비도 유연하게 적용할 수 있게 해주며, 시공 시 촉매와 리액터를 일체화시켜 운반할 수 있게 해주는 선박 배연탈질 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 표면에 산화티타늄(TiO2) 나노튜브가 형성된 금속으로 이루어진 지지체 상에 활성금속층을 원자층 박막증착(ALD) 방법으로 담지시킴으로써 비표면적을 실질적으로 극대화한 촉매를 통해 높은 효율성을 확보하여 주는 선박 배연탈질 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 선박 배연탈질 시스템은 엔진에서 발생하는 질소산화물을 포함하는 배기가스가 배출되는 배출관; 요소가 저장되는 요소탱크와, 요소를 가열된 공기와 혼합해 환원제를 생성하여 펄스 신호에 따라 상기 배출관으로 분사하는 펄스 타입의 인젝터를 포함하는 인젝팅모듈과, 상기 요소탱크에 저장된 요소를 상기 인젝팅모듈로 공급하되, 상기 인젝팅모듈과 연결되어 환원제 공급량의 제어가 연동되는 회전수 조절 타입의 펌프와, 상기 인젝팅모듈과 펌프 사이에서 공급되는 환원제의 압력을 모니터링하기 위한 압력 트랜스미터를 포함하는 환원제주입부; 환원제와 혼합된 배기가스의 환원반응을 유도하여 배기가스 중의 질소산화물을 질소와 수증기로 분해하여 질소산화물을 저감시키는 반응부;를 포함하되, 상기 환원제주입부는 상기 인젝팅모듈과 펌프 및 압력 트랜스미터가 하나의 물리적인 공간인 통합도징유닛 내에 모듈로서 형성된다.
또한, 상기 인젝팅모듈은 배출구가 상기 배출관과 연통되되, 상기 인젝터로부터 요소가 분사되는 챔버와, 압축공기를 가열하여 상기 챔버로 유입시키는 압축공기 가열 공급기를 포함하여, 상기 챔버 내부에서 요소가 가열된 압축공기와 혼합됨으로써 암모니아로 변화된다.
또한, 상기 압축공기 가열 공급기는, 압축공기가 주입되는 압축공기 주입구와, 상기 압축공기 주입구를 통해 주입된 압축공기를 이송하여 상기 챔버로 유입시키는 압축공기 이송관과, 상기 압축공기 이송관 내부의 압축공기를 가열하는 가열수단을 포함한다.
또한, 상기 압축공기 이송관은 상기 인젝터와 인접하여 배치된 구간으로 가열 전의 압축공기에 의해 상기 인젝터의 냉각이 이루어지도록 해주는 냉각부와, 상기 냉각부 다음에 상기 가열수단과 인접하게 배치되어 상기 냉각부롤 통과한 압축공기를 가열하며 이송하여 상기 챔버로 유입시키는 가열부를 포함한다.
또한, 상기 냉각부는 상기 인젝터를 감싸는 형태로 형성된다.
또한, 상기 가열수단은 상기 가열부의 내부 또는 외부에 배치된 히터이다.
또한, 상기 반응부는 암모니아와 혼합된 배기가스의 환원반응을 유도하는 촉매와, 상기 촉매가 내장된 리액터를 포함한다.
또한, 상기 촉매는 표면에 산화티타늄(TiO2) 나노튜브가 형성된 금속으로 이루어진 지지체와, 바나듐(V) 및 텅스텐(W) 중 하나 이상을 함유하고 상기 지지체 상에 담지된 활성금속층을 포함한다.
또한, 상기 지지체는 상기 금속이 티타늄(Ti)이다.
또한, 상기 산화티타늄 나노튜브는 직경이 100~200㎚이고, 길이가 300㎚~1㎛이다.
또한, 상기 지지체는 두께가 0.1~0.15㎜이다.
또한, 상기 지지체는 열처리를 통해 아나타제(anatase) 상으로 변화된다.
또한, 상기 활성금속층은 원자층 박막증착(ALD) 방법으로 상기 지지체 상에 담지된다.
본 발명에 따른 선박 배연탈질 시스템에서의 노즐 막힘을 판헝하기 위한 방법은 a) 엔진 작동 및 요소 분사 전 적절한 압력을 발생시켜 유지하기 위한 사전 운전단계; b) SCR 작동을 위한 배기가스 온도조건의 충족여부를 판단하는 단계; c) 제어부는 현재의 엔진 부하에 따른 요소 도징량을 선정하는 단계; d) PWM제어의 의하여 인젝터 밸브의 개폐를 제어하여 분사하는 단계; e) 도징 펌프의 회전수를 제어하여 정상 운전단계의 압력으로 유지하는 단계; 및 f) 요소 분사량과 펌프의 회전수와 관계를 체크하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 선박 배연탈질 시스템은 선택적 환원 촉매 반응을 이용하는 선박의 배연탈질 시스템의 구조를 간단하게 해주고, 선박 내 설치공간을 줄여주는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박 배연탈질 시스템은 환원제를 주입하는 환원제주입부를 회전수 제어를 통해 요소를 공급하는 펌프와, 펄스 분사를 이용하는 인젝팅모듈이 통한된 통합도징유닛으로 형성함으로써, 기존의 유량제어밸브 및 이에 수반되는 각종 게이지 등의 부품을 간단히 생략하고 효율적인 요소 분사제어가 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박 배연탈질 시스템은 펌프의 회전수와 펄스 인젝터의 주기적인 개폐제어를 통하여 정량의 요소 공급 및 분사가 가능하며 노즐 막힘 여부를 신속하고 정확하게 판별 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박 배연탈질 시스템은 표면에 산화티타늄(TiO2) 나노튜브가 형성된 금속으로 이루어진 지지체와, 바나듐(V) 및 텅스텐(W) 중 하나 이상을 함유하고 상기 지지체 상에 담지된 활성금속층을 포함하는 고효율 촉매를 통해 촉매의 두께와 크기, 리액터의 크기를 줄일 수 있게 해주고, 그을음(soot)제거 설비도 유연하게 적용할 수 있게 해주며, 시공 시 촉매와 리액터를 일체화시켜 운반할 수 있게 해주는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박 배연탈질 시스템은 표면에 산화티타늄(TiO2) 나노튜브가 형성된 금속으로 이루어진 지지체 상에 활성금속층을 원자층 박막증착(ALD) 방법으로 담지시킴으로써 비표면적을 실질적으로 극대화한 촉매를 통해 높은 효율성을 확보하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 배연탈질 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 배연탈질 시스템을 구성하는 통합도징유닛의 개념도를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 배연탈질 시스템을 구성하는 인젝팅모듈의 구성도를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 배연탈질 시스템을 구성하는 반응부의 구성도를 나타낸 도면.
도 5는 촉매의 지지체의 단면도를 나타낸 도면.
도 6은 종래 금속 재질의 촉매 및 본 발명에 포함된 금속 재질의 촉매 표면에 활성금속층이 형성된 모습을 나타낸 단면도
이하 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 선박 배연탈질 시스템을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 배연탈질 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 배연탈질 시스템을 구성하는 통합도징유닛의 개념도를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 배연탈질 시스템을 구성하는 인젝팅모듈의 구성도를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 배연탈질 시스템을 구성하는 반응부의 구성도를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 배연탈질 시스템은 선택적 환원 촉매 반응(SCR, Selective Catalytic Reduction)을 이용하는 선박의 배연탈질 시스템이며, 크게 배출관(1), 환원제주입부(3), 반응부(5) 포함하여 이루어진다.
배출관(1)은 선박의 엔진(E)에서 발생하는 질소산화물을 포함하는 배기가스가 배출되는 통로로서, 배출관(1)을 통하여 배기가스가 반응부(5)로 이동하게 되며, 배기가스는 반응부(5)에 도달하기 전에 환원제주입부(3)가 배출관(1) 내부로 주입하는 암모니아와 혼합되게 된다.
이때, 선박의 엔진이 다수 존재할 경우에는 배출관(1)은 각 엔진마다 설치되게 된다.
환원제주입부(3)는 환원제를 배출관(1) 내부로 주입하는 역할을 수행하며, 본 발명에서의 환원제는 요소가 기화되어 변화된 암모니아가 사용된다.
환원제주입부(3)는 크게 요소탱크(31), 인젝팅모듈(35), 펌프(33) 및 압력트랜스미터(34)를 포함한다.
요소탱크(31)는 요소를 저장하며, 이때 선택적 환원 촉매 반응은 촉매(백금계 촉매, V2O5, Al2O3, TiO2, Fe2O3, Cr2O3 등)를 사용하여 질소산화물을 질소(N2)와 물(H2O)로 환원시키는 반응인데, 환원제로 암모니아(NH3)가 사용된다.
본 발명에서 상기 요소는 암모니아로 변화되어 상기 반응부로 진입하게 되는데, 상기 요소탱크(31)는 환원제로 변화될 요소를 저장하고 있다.
인젝팅모듈(35)은 요소를 가열된 공기와 혼합해 환원제를 생성하여 펄스 신호에 따라 배출관(1)으로 분사하는 펄스 타입의 인젝터(353)를 포함한다.
펌프(33)는 요소탱크에 저장된 요소를 펌핑하여 인젝팅모듈(35)로 공급하되, 인젝팅모듈(35)과 연결되어 환원제 공급량의 제어가 연동되는 회전수 조절 타입의 펌프로 이루어진다.
압력트랜스미터(34)는 인젝팅모듈(35)과 펌프(33) 사이에서 공급되는 환원제의 압력을 모니터링하기 위하여 구비되며, 요소의 압력을 측정하고 측정된 측정정보를 수신할 수 있다.
이때, 환원제주입부(3)는 인젝팅모듈(35)과 펌프(33) 및 압력 트랜스미터(34)가 하나의 물리적인 공간인 통합도징유닛(IDU : Integrated Dosing Unit) 내에 하나의 모듈로 형성된다.
즉, 환원제주입부(3)는 펌프(33) 및 인젝팅모듈(35)이 별도로 구비되어 스로틀밸브를 이용하여 연속 분사하는 방식이 아닌, 수동밸브, 펌프(33), 체크밸브, 압력트랜스미터(34) 및 인젝팅모듈(35)이 하나로 통합되어 컴팩트하게 형성되는 통합도징유닛으로 이루어짐으로써, 환원제인 요소의 공급과 배급을 효율적으로 제어할 수 있다.
좀 더 상세하게는, 통합도징유닛은 별도의 제어보드상의 PLC로부터 제어신호를 받아 펌프(33)의 회전수를 제어하여 인젝팅모듈(35)에 요소를 연속적으로 공급하되, 인젝팅모듈(35)의 인젝터(353)에서 펄스 신호에 따른 노즐의 주기적인 개폐작용에 의해 요소의 정량 공급이 수행된다.
상술된 바와 같이, 통합도징유닛은 하나의 물리적인 공간에 형성되되, 하나의 물리적 공간이라 함은 플레이트 구조에 적층되어 설치되거나, 또는 부피를 갖는 3차원 구조의 공간 내에 설치되거나, 또는 유체 연통 가능한 영역 내에서 집합적으로 설치되거나 또는 각 구성요소들간에 유무선 통신이 가능한 하나의 연결체를 포함하는 개념이다.
본 발명의 통합도징유닛은 펌프(33)의 회전수를 제어하여 요소를 연속적으로 공급하므로 종래 가압방식과 달리 펌프(33)의 회전수를 조절하여 꼭 필요한 양만큼의 요소를 정량 공급하는 개념이다.
또한, 펌프(33)의 회전수 조정방식에 덧붙여서 인젝터에서 펄스 방식의 주기적인 개폐조작을 통합하여 제어함으로써 노즐에서 정량의 요소를 분사할 수 있다.
다만, 예측하기 곤란하거나, 노즐 막힘 또는 기타 사정에 의하여 요소를 정상적으로 분사할 수 없는 경우를 고려하여 요소 복귀라인을 활용할 수도 있다.
인젝팅모듈(35)은 펌프(33)가 공급하는 요소를 가열된 공기와 혼합해 암모니아를 생성하여 배출관(1)으로 분사하는 역할을 수행하며, 상술된 인젝터(353)와 더불어 챔버(351), 압축공기 가열 공급기(355)를 포함한다.
챔버(351)는 배출구(3511)가 배출관(1)과 연통되는 공간으로 요소와 가열된 압축공기가 혼합되어 요소가 암모니아로 기화되는 과정이 일어나는 공간이다.
배출구(3511)는 챔버(351)에 비하여 작은 구멍으로 형성되어 있고, 챔버(351) 내에는 가열된 압축공기와 상기 요소가 계속적으로 공급되므로 챔버(351) 내에서 생성된 암모니아는 내부 압력에 의해 배출관(1)으로 연속적으로 주입되게 된다.
압축공기 가열 공급기(355)는 압축공기를 가열하여 챔버(351)로 유입시키는 역할을 수행한다.
가열된 압축공기는 인젝터(353)에 의해 챔버(351) 내부로 분사된 요소를 암모니아로 기화시키는 역할을 수행하며, 압축공기 가열 공급기(355)는 압축공기 주입구(3551), 압축공기 이송관(3553) 및 가열수단(3555)를 포함한다.
압축공기 주입구(3551)는 압축공기가 주입되는 경로를 제공한다.
압축공기 이송관(3553)은 압축공기 주입구(3551)를 통해 주입된 압축공기를 이송하여 챔버(351)로 유입시키는 부분이다.
압축공기 이송관(3553)은 인젝터(353)와 인접하여 배치된 구간으로 가열 전의 압축공기에 의해 인젝터(353)의 냉각이 이루어지도록 해주는 냉각부(3553a)와, 냉각부(3553a) 다음에 가열수단(3555)과 인접하게 배치되어 냉각부(3553a)을 통과한 압축공기를 가열하며 이송하여 챔버(351)로 유입시키는 가열부(3553b)을 포함하고 있다.
펄스 인젝터(353)는 플라스틱 소재를 포함하고 있으므로 열에 의해 손상이 될 수 있는데, 압축공기 이송관(3553)을 위와 같이 배치함으로써 이를 방지할 수 있으며, 챔버(351) 진입 직전에 집중적으로 압축공기의 가열이 이루어지도록 하여 가열의 효율성도 높일 수 있다. 한편, 냉각부(3553a)는 효율적인 냉각을 위해 펄스 인젝터(353)를 감싸는 형태로 형성되는 것이 바람직한데, 이를 위해 이중관 구조가 사용될 수도 있다.
가열수단(3555)은 압축공기 이송관(3553) 내부의 압축공기를 가열하는 역할을 수행한다.
가열수단(3555)은 가열부(3553b)의 내부 또는 외부에 배치된 히터로 이루어질 수 있다.
요소를 암모니아로 기화시키기 위해서는 압축공기를 300~350℃ 이상으로 가열할 필요가 있는데, 효율적인 가열을 위한 가열수단(3555)은 2개의 라인 히터로 구성되어 가열부(3553b)의 양측을 감싸는 형태로 구성될 수도 있다.
반응부(5)는 암모니아와 혼합된 배기가스의 환원반응을 유도하여 배기가스 중의 질소산화물을 질소와 수증기로 분배함으로써, 질소산화물을 저감시켜주는 역할을 수행하며, 촉매(51) 및 리액터(53)를 포함한다.
촉매(51)는 암모니아와 혼합된 배기가스의 환원반응을 유도하는 역할을 수행한다.
촉매(51)는 지지체(511)와 활성금속층(513)을 포함하여 구성되어 있다.
지지체(511)는 표면에 산화티타늄(TiO2) 나노튜브가 형성된 금속으로 이루어져 있는데, 금속은 티타늄(Ti)으로 이루어질 수 있다.
지지체는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)이나 HF 등과 같은 특정 성분의 전해질을 이용한 양극산화 공법을 통해 티타늄 판상에 산화티타늄 나노튜브가 성장하도록 하고, 열처리를 수행하여 무정형(amorphous) 상태의 산화티타늄 나노튜브를 반응성이 좋은 결정 구조인 아나타제(anatase) 결정 구조로 변화시킴으로써 만들어질 수 있다.
도 5를 참조하면, 지지체(511)의 단면도를 통해 확인할 수 있는 바와 같이 지지체(511)는 두께가 0.1~0.15㎜이고, 산화티타늄 나노튜브(511a)는 직경이 100~200㎚이고, 길이가 300㎚~1㎛인 것을 특징으로 할 수 있다. 종래 허니콤 형태의 세라믹 재질의 촉매의 경우 그 단면의 두께가 0.3~0.4㎜ 정도인 것을 감안할 때, 촉매(51)는 종래 대비 50% 이상 얇다. 또한, 산화티타늄 나노튜브(511a)의 내외부가 모두 배기가스와 암모니아의 접촉면이 되므로 비표면적 역시 종래 촉매와 비교하여 매우 큰데, 종래 촉매의 평균적인 표면 유속(Surface Velocity)인 8,000~10,000 대비 6배 이상 높은 60,000 정도의 표면 유속을 확보할 수 있게 해준다.
활성금속층(513)은 바나듐(V) 및 텅스텐(W) 중 하나 이상을 함유하고 지지체(511) 상에 담지된 부분이다. 활성금속층(513)은 촉매 활성을 가지는 V2O5의 형태의 바나듐(V) 텅스텐(W) 등의 촉매 활성을 지니는 금속들을 포함하고 지지체(511) 상에 담지된 부분으로 지지체(511)의 산화티타늄 나노튜브(511a)의 표면을 포함하는 지지체(511)의 표면에 코팅되어 있다.
활성금속층(513)은 원자층 박막증착(ALD) 방법으로 지지체(511) 상에 코팅되는 것이 바람직하다. 종래 금속 재질의 촉매는 지지체의 표면에 활성금속층을 코팅하는 데 있어서는 워시 코트(wash coat) 방법이 적용되었다.
워시 코트 방법은 정밀 제어가 어려운 문제를 가지고 있기 때문에 종래 금속 재질의 촉매는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 지지체의 표면 공극(S)에 활성금속층(C)의 코팅이 불균일하게 이루어지게 된다.
활성금속층(513)을 종래의 워시 코트 방법을 적용하여 지지체(511)에 코팅할 경우 산화티타늄 나노튜브(511a)는 종래 금속 재질의 지지체의 공극(S)과 비교하여 그 직경이 매우 작으므로 활성금속층(513)에 의해 산화티타늄 나노튜브(511a)가 막히게 되어 산화티타늄 나노튜브(511a)를 통한 비표면적 증가 효과가 거의 나타나지 않게 된다.
이를 방지하기 위하여 활성금속을 원자층 단위로 정밀 박박 담지하는 원자층 박막증착(ALD) 방법이 적용되는 것이 바람직하며, 이를 통해 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 산화티타늄 나노튜브(511a)의 표면적을 모두 유지할 수 있게 해주는 형태로 상기 활성금속층(513)을 형성시킬 수 있다.
리액터(53)는 촉매(51)가 내장되는 공간으로 촉매(51)에 접촉한 배기가스 내의 질소산화물이 암모니아를 환원제로 하여 질소와 물로 변화되는 환원반응이 진행되는 부분이다.
앞서 본 바와 같이, 촉매(51)는 매우 큰 비표면적고 얇은 두께를 가지는 고효율 촉매이므로 종래 촉매와 비교하여 소형화가 가능하다.
또한, 촉매(51)는 금속 재질로서 강도 및 내구성이 뛰어나고 습기에도 강한 성질을 가진다. 따라서, 본 발명에 의할 경우 리액터(53)의 크기도 줄일 수 있고, 시스템의 시공 과정에서 리액터(53)와 일체로 이동 및 설치할 수 있게 되며, 진동 발생 설비의 적용도 가능하게 되므로 리액터(53) 내외부에 설치될 수 있는 그을음(soot)제거 설비도 유연하게 적용할 수 있게 된다.
아울러, 본 발명에 따른 선박 배연탈질 시스템은 제어부(7)를 더 포함한다.
제어부(7)는 환원제주입부(3) 및 반응부(5)를 포함하는 시스템을 제어하는 역할을 수행한다.
제어부는 자동화 설비에 있어 일반적으로 컨트롤 패널로 불리우는 구성이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합도징유닛을 이용한 노즐막힘 감지방법을 도시한 플로우 차트이다, 단계 a)는 엔진 작동 및 요소 분사 전 적절한 압력을 발생시켜 유지하기 위한 사전 운전단계이다. 단계 b)는 SCR 작동을 위한 배기가스 온도조건의 충족여부를 판단하는 단계이다. 배기가스의 온도가 약 300℃를 상회하게 되면 c)단계에서 제어부는 현재의 엔진 부하에 따른 요소 도징량을 선정하게 되며, d)단계에서 PWM제어 의하여 인젝터 밸브의 개폐를 제어하여 분사하게 된다. 이때 적정한 요소 분사량을 계속 유지하기 위하여 e) 단계에서 펌프의 회전수를 제어하여 정상 운전단계의 압력으로 유지시킨다. 본 발명의 시스템을 작동하는 도중 노즐 막힘 여부를 판단하기 위하여 f)단계에서 요소 분사량과 펌프의 회전수와 관계를 체크한다. 보다 구체적으로 본 발명에서는 아래와 같은 대수식 관계에 착안하여 노즐 막힘 여부를 판별한다.
Rp1 < Rp2 ................... (식 1)
여기서, Rp1은 노즐 막힘 시의 펌프회전수이고, Rp2는 정상운전 시의 펌프회전수이다.
요소 분사를 위하여 노즐이 개방되고 이후 계속 노즐 막힘 없이 정상적인 운전일 경우에는 요소의 분사량이 증가하면 요소가 빠져 나간 노즐 전단부의 압력이 급격히 감소하게 되고 이를 보상하기 위하여 기 설정된 제어부의 프로그램에 의하여 자동으로 펌프의 회전수가 증가하여 적정 압력을 유지하게 된다.
한편, 노즐 막힘 발생 시에는, 펌프의 회전수 역시 변화를 보이지 않는다. 예를 들어, 노즐 완전 막힘 상태에서 노즐의 요구 압력조건이 3 bar 이고 압력유지를 위한 펌프 회전수가 100이고, 정상적으로 유량이 5 LPM일 때 압력유지를 위하여 자동으로 증가된 회전수가 200 이라고 가정하면, 노즐 막힘 시 노즐은 5 LPM을 분사하기 위한 조건으로 동작을 하나 펌프의 회전수는 계속 100 RPM에 머무르게 된다. 반면에 정상작동 시에는 노즐은 5 LPM을 분사하기 위한 조건으로 동작할 때 펌프의 회전수는 200 RPM으로 동작하게 된다. 따라서, 노즐 막힘 시와 정상 동작 시의 펌프회전수 값은 각각 100 과 200 이 되고, 결과적으로 100 < 200 의 관계식이 성립하는 것이다. 그러므로 본 발명에서는 간단하게 어느 시점에서 노즐에서의 분사량 요건과 펌프 회전수 관계를 모니터링 함으로써 노즐의 막힘 정도를 판별해낼 수 있게 되는 것이다.
1 : 배출관
3 : 환원제주입부
31 : 요소탱크
33 : 펌프
34 : 압력 트랜스미처
35 : 인젝팅모듈
351: 챔버 353: 펄스 인젝터
355: 압축공기 가열 공급기 3551: 압축공기 주입구
3553: 압축공기 이송관 3553a: 냉각부
3553b: 가열부 3555: 가열수단
5: 반응부
51: 촉매
511: 지지체 511a: 산화티타늄 나노튜브
513: 활성금속층
53: 리액터
7: 제어부

Claims (14)

  1. 엔진에서 발생하는 질소산화물을 포함하는 배기가스가 배출되는 배출관;
    요소가 저장되는 요소탱크와,
    요소를 가열된 공기와 혼합해 환원제를 생성하여 펄스 신호에 따라 상기 배출관으로 분사하는 펄스 타입의 인젝터를 포함하는 인젝팅모듈과,
    상기 요소탱크에 저장된 요소를 상기 인젝팅모듈로 공급하되, 상기 인젝팅모듈과 연결되어 환원제 공급량의 제어가 연동되는 회전수 조절 타입의 펌프와,
    상기 인젝팅모듈과 펌프 사이에서 공급되는 환원제의 압력을 모니터링하기 위한 압력 트랜스미터를 포함하는 환원제주입부;
    환원제와 혼합된 배기가스의 환원반응을 유도하여 배기가스 중의 질소산화물을 질소와 수증기로 분해하여 질소산화물을 저감시키는 반응부;를 포함하되,
    상기 환원제주입부는
    상기 인젝팅모듈과 펌프 및 압력 트랜스미터가 하나의 물리적인 공간인 통합도징유닛 내에 모듈로서 형성되는 선박 배연탈질 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 인젝팅모듈은
    배출구가 상기 배출관과 연통되되, 상기 인젝터로부터 요소가 분사되는 챔버와,
    압축공기를 가열하여 상기 챔버로 유입시키는 압축공기 가열 공급기를 포함하여,
    상기 챔버 내부에서 요소가 가열된 압축공기와 혼합됨으로써 암모니아로 변화되는 선박 배연탈질 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 압축공기 가열 공급기는,
    압축공기가 주입되는 압축공기 주입구와,
    상기 압축공기 주입구를 통해 주입된 압축공기를 이송하여 상기 챔버로 유입시키는 압축공기 이송관과,
    상기 압축공기 이송관 내부의 압축공기를 가열하는 가열수단을 포함하는 선박 배연탈질 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 압축공기 이송관은
    상기 인젝터와 인접하여 배치된 구간으로 가열 전의 압축공기에 의해 상기 인젝터의 냉각이 이루어지도록 해주는 냉각부와,
    상기 냉각부 다음에 상기 가열수단과 인접하게 배치되어 상기 냉각부롤 통과한 압축공기를 가열하며 이송하여 상기 챔버로 유입시키는 가열부를 포함하는 선박 배연탈질 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 냉각부는
    상기 인젝터를 감싸는 형태로 형성되는 선박 배연탈질 시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 가열수단은
    상기 가열부의 내부 또는 외부에 배치된 히터인 선박 배연탈질 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 반응부는
    암모니아와 혼합된 배기가스의 환원반응을 유도하는 촉매와,.
    상기 촉매가 내장된 리액터를 포함하는 선박 배연탈질 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 촉매는,
    표면에 산화티타늄(TiO2) 나노튜브가 형성된 금속으로 이루어진 지지체와,
    바나듐(V) 및 텅스텐(W) 중 하나 이상을 함유하고 상기 지지체 상에 담지된 활성금속층을 포함하는 선박 배연탈질 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 지지체는 상기 금속이 티타늄(Ti)인 선박 배연탈질 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 산화티타늄 나노튜브는
    직경이 100~200㎚이고, 길이가 300㎚~1㎛인 선박 배연탈질 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 지지체는
    두께가 0.1~0.15㎜인 선박 배연탈질 시스템.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 지지체는
    열처리를 통해 아나타제(anatase) 상으로 변화된 선박 배연탈질 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 활성금속층은
    원자층 박막증착(ALD) 방법으로 상기 지지체 상에 담지된 선박 배연탈질 시스템.
  14. 선박 배연탈질 시스템에서의 노즐 막힘을 판정하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    a) 엔진 작동 및 요소 분사 전 적절한 압력을 발생시켜 유지하기 위한 사전 운전단계;
    b) SCR 작동을 위한 배기가스 온도조건의 충족여부를 판단하는 단계;
    c) 제어부는 현재의 엔진 부하에 따른 요소 도징량을 선정하는 단계;
    d) PWM제어의 의하여 인젝터 밸브의 개폐를 제어하여 분사하는 단계;
    e) 도징 펌프의 회전수를 제어하여 정상 운전단계의 압력으로 유지하는 단계; 및
    f) 요소 분사량과 펌프의 회전수와 관계를 체크하는 단계;를 포함하는 선박 배연탈질 시스템에서의 노즐 막힘 판정 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112145261A (zh) * 2020-08-05 2020-12-29 中船澄西船舶修造有限公司 一种船用低温自清洁式尿素舱
CN114797456A (zh) * 2022-04-28 2022-07-29 博爱金隅水泥有限公司 一种水泥窑尾烟气深度脱硝脱氨系统

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112774431B (zh) * 2019-11-01 2022-05-24 大唐国际发电股份有限公司陡河发电厂 火力发电厂脱硝系统投入操作方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080114744A (ko) * 2006-03-21 2008-12-31 로베르트 보쉬 게엠베하 차량 배기 가스 내의 유해 물질 환원 방법 및 계량 공급 시스템
KR101195148B1 (ko) 2010-07-29 2012-10-29 삼성중공업 주식회사 배기 가스 유해 물질 저감 시스템 및 이를 포함하는 선박
KR101307913B1 (ko) * 2011-08-12 2013-09-13 (주)모토닉 도우징 시스템 및 그의 제어방법
KR101345118B1 (ko) 2011-06-24 2013-12-26 한국기계연구원 수용액 전해질 내에서 양극산화에 의한 산화 티타늄 나노튜브 제조방법
KR20140001633A (ko) * 2012-06-28 2014-01-07 두산엔진주식회사 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치 및 이를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템
KR101402375B1 (ko) * 2013-04-24 2014-06-03 현대중공업 주식회사 Scr 시스템의 우레아 공급 장치 및 그것의 운용 방법
KR20160141104A (ko) * 2015-05-28 2016-12-08 주식회사 나노 평판형 선택적촉매환원 촉매용 나노복합 이산화티타늄의 제조방법

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080114744A (ko) * 2006-03-21 2008-12-31 로베르트 보쉬 게엠베하 차량 배기 가스 내의 유해 물질 환원 방법 및 계량 공급 시스템
KR101195148B1 (ko) 2010-07-29 2012-10-29 삼성중공업 주식회사 배기 가스 유해 물질 저감 시스템 및 이를 포함하는 선박
KR101345118B1 (ko) 2011-06-24 2013-12-26 한국기계연구원 수용액 전해질 내에서 양극산화에 의한 산화 티타늄 나노튜브 제조방법
KR101307913B1 (ko) * 2011-08-12 2013-09-13 (주)모토닉 도우징 시스템 및 그의 제어방법
KR20140001633A (ko) * 2012-06-28 2014-01-07 두산엔진주식회사 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치 및 이를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템
KR101402375B1 (ko) * 2013-04-24 2014-06-03 현대중공업 주식회사 Scr 시스템의 우레아 공급 장치 및 그것의 운용 방법
KR20160141104A (ko) * 2015-05-28 2016-12-08 주식회사 나노 평판형 선택적촉매환원 촉매용 나노복합 이산화티타늄의 제조방법

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112145261A (zh) * 2020-08-05 2020-12-29 中船澄西船舶修造有限公司 一种船用低温自清洁式尿素舱
CN112145261B (zh) * 2020-08-05 2021-12-07 中船澄西船舶修造有限公司 一种船用低温自清洁式尿素舱
CN114797456A (zh) * 2022-04-28 2022-07-29 博爱金隅水泥有限公司 一种水泥窑尾烟气深度脱硝脱氨系统
CN114797456B (zh) * 2022-04-28 2023-09-29 博爱金隅水泥有限公司 一种水泥窑尾烟气深度脱硝脱氨系统

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