KR20190074394A

KR20190074394A - 선택적 촉매 환원 시스템 및 질소산화물 저감 방법

Info

Publication number: KR20190074394A
Application number: KR1020170175701A
Authority: KR
Inventors: 김태훈; 이경주; 김은택; 김정우
Original assignee: 에이치에스디엔진 주식회사
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-06-28
Also published as: KR102506271B1

Abstract

본 발명의 실시예에 따르면 선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물을 함유한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내부에 설치된 반응기와, 상기 촉매를 가열하여 재생시키는 재생 장치와, 상기 반응기에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1 온도 센서와, 상기 반응기에서 배출되는 배기가스의 온도를 측정하는 제2 온도 센서, 그리고 상기 제1 온도 센서와 상기 제2 온도 센서로부터 전달받은 정보로 상기 촉매의 재생 시점을 산출하여 상기 재생 장치를 동작을 제어하는 제어 장치를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 시스템 및 질소산화물 저감 방법{SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM AND NOx REDUCTION METHOD}

본 발명은 선택적 촉매 환원 시스템 및 질소산화물 저감 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질소산화물 저감에 사용되는 촉매를 재생시켜 사용하는 선택적 촉매 환원 시스템 및 질소산화물 저감 방법에 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.

근래에는 환경 보존에 대한 인식이 높아짐에 따라 이러한 황산화물과 질소산화물에 대한 배출규제가 도입되고 있다.

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.

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.

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.

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.

전술한 촉매 피독 물질은 상대적으로 높은 온도, 예를 들어 섭씨 350도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도에서 분해된다. 따라서, 촉매가 피독되면 촉매를 가열하여 피독 물질을 제거하게 되는데, 종래에는 사용자가 입력한 재생 주기에 따라 재생을 실시하였다. 즉, 사용자가 재생 주기를 입력하면 입력된 주기로만 운전과 재생을 반복하게 된다.

그런데, 재생 주기를 고정적으로 설정함에 따라 촉매의 활성화를 안정적으로 유지하기 위해 재생 주기를 최악의 상황을 고려하여 가장 짧게 설정 할 수밖에 없었다. 구체적으로, 촉매가 가장 피독 되기 쉬운 조건을 가정하여 재생 주기를 설정 할 수밖에 없다. 이와 같이 짧게 설정된 재생 주기는 빈번한 재생의 실행을 요구하게 되는데, 재생 시에는 많은 연료 및 전력이 사용되므로, 잦은 촉매의 재생은 결국 선택적 촉매 환원 시스템의 전체적인 효율을 저하시키는 원인이 된다.

본 발명의 실시예는 피독된 촉매를 재생시키 위한 재생 주기를 최적으로 설정하여 촉매의 이용 효율을 극대화시킬 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템 및 질소산화물 저감 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매가 내부에 설치된 반응기와, 상기 촉매를 가열하여 재생시키는 재생 장치와, 상기 반응기에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1 온도 센서와, 상기 반응기에서 배출되는 배기가스의 온도를 측정하는 제2 온도 센서, 그리고 상기 제1 온도 센서와 상기 제2 온도 센서로부터 전달받은 정보로 상기 촉매의 재생 시점을 산출하여 상기 재생 장치를 동작을 제어하는 제어 장치를 포함한다.

상기 재생 장치는 상기 반응기로 향하는 배기가스를 승온시키는 버너 또는 히터일 수 있다.

상기 재생 장치는 상기 배기가스를 배출하는 엔진일 수 있다. 그리고 상기 엔진은 상기 제어 장치의 제어에 따라 회전수를 증가시켜 배출되는 상기 배기가스의 온도를 상승시킬 수 있다.

상기 제어 장치는 상기 제1 온도 센서 및 상기 제2 온도 센서에서 측정된 온도의 평균값을 적산하여 평균 운전 온도를 산출한 후, 상기 평균 운전 온도를 기설정된 재생 주기 함수 그래프에 대입하여 재생 주기를 산출하고, 상기 재생 주기가 도래하면 상기 재생 장치를 가동시킬 수 있다.

상기 기설정된 재생 주기 함수 그래프는 상기 촉매의 성능에 따라 최소 운전 온도와 최대 운전 온도를 결정하고, 상기 최소 운전 온도와 상기 최대 운전 온도 사이의 범위에서 복수의 임의 운전 온도를 선택한 후, 상기 복수의 임의 운전 온도마다 사용 시간 경과에 따른 상기 촉매의 효율 변화를 각각 측정하여 산출된 상기 복수의 임의 운전 온도별 재생 시점을 합산하여 도출될 수 있다.

상기 임의 운전 온도별 재생 시점을 산출하기 위해 상기 촉매의 한계 효율을 먼저 결정하고, 상기 임의 운전 온도로 운전하였을 때 한계 효율에 도달하는데 걸리는 시간을 재생 시점으로 산출할 수 있다.

상기 복수의 임의 운전 온도별 재생 시점을 산출할 때 상기 최소 운전 온도와 상기 최대 운전 온도에서의 재생 시점도 함께 산출할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 촉매를 사용하여 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 질소산화물 저감 방법은 상기 촉매로 향하는 배기가스와 상기 촉매를 거친 배기가스의 온도를 각각 측정하는 단계와, 각각 측정된 상기 배기가스의 온도의 평균값을 적산하여 평균 운전 온도 산출하는 단계와, 상기 평균 운전 온도를 기설정된 재생 주기 함수 그래프에 대입하여 재생 주기를 산출하는 단계, 그리고 상기 재생 주기가 도래하면 상기 촉매를 재생시키는 단계를 포함한다.

이때, 상기 촉매로 향하는 배기가스를 승온시킴으로써 상기 촉매를 가열하여 재생할 수 있다.

또한, 상기 배기가스는 버너 또는 히터를 사용하여 승온시킬 수 있다.

또한, 상기 배기가스는 엔진에서 배출되며, 상기 엔진의 회전수를 증가시켜 배출되는 상기 배기가스의 온도를 상승시킬 수도 있다.

상기 재생 주기는 상기 촉매의 재생을 완료한 후 재산출할 수 있다.

상기한 질소산화물 저감 방법은 상기 촉매의 성능에 따라 최소 운전 온도와 최대 운전 온도를 결정하는 단계와, 상기 최소 운전 온도와 상기 최대 운전 온도 사이의 범위에서 복수의 임의 운전 온도를 선택하는 단계와, 상기 복수의 임의 운전 온도마다 사용 시간 경과에 따른 상기 촉매의 효율 변화를 측정하여 상기 복수의 임의 운전 온도별 재생 시점를 산출하는 단계, 그리고 상기 복수의 임의 운전 온도별 재생 시점을 합산하여 상기 재생 주기 함수 그래프를 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 임의 운전 온도별 재생 시점을 산출하기 위해 상기 촉매의 한계 효율을 먼저 결정하고, 상기 임의 운전 온도로 운전하였을 때 한계 효율에 도달하는데 걸리는 시간을 재생 시점으로 산출할 수 있다.

상기 복수의 임의 운전 온도별 재생 시점을 산출하는 단계에서 상기 최소 운전 온도와 상기 최대 운전 온도에서의 재생 시점도 함께 산출할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템은 피독된 촉매를 재생시키 위한 재생 주기를 최적으로 설정하여 촉매의 이용 효율을 극대화시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 질소산화물 저감 방법은 피독된 촉매를 재생시키 위한 최적의 재생 주기를 실시간으로 산출하여 촉매의 이용 효율을 극대화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 재생 주기를 산출하기 위한 재생 주기 함수 그래프를 도출하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 재생 주기 함수 그래프를 도출하기 위해 임의 운전 온도별 재생 시점을 산출하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 도출된 재생 주기 함수 그래프를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 재생 주기 함수 그래프를 사용하여 산출된 재생 주기를 사용하여 촉매를 재생시키는 방법을 나타낸 순서도이다.

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 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 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(101)을 설명한다.

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.

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.

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.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 배기 유로(610), 반응기(300), 재생 장치(100), 제1 온도 센서(710), 제2 온도 센서(720), 및 제어 장치(700)를 포함한다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

재생 장치(100)는 촉매(350)를 가열하여 재생시킨다. 본 발명의 일 실시예에서, 재생 장치(100)는 다양한 형태로 실시될 수 있다. 예를 들어, 재생 장치(100)는 촉매(350)로 향하는 배기가스를 승온시킴으로써 촉매(350)를 간접 가열하여 재생시킬 수 있다. 구체적으로, 재생 장치(100)는 버너(burner) 또는 히터(heater)일 수 있다. 버너 또는 히터는 배기 유로(610) 상에 설치되어 배기 유로(610)를 따라 이동하는 배기가스를 승온시킬 수 있다. 또한, 재생 장치(100)는 엔진일 수 있다. 즉, 엔진의 회전수를 증가시켜 배출되는 배기가스의 온도를 상승시킴으로써, 엔진을 재생 장치(100)로 활용할 수도 있다.

제1 온도 센서(710)는 반응기(300)에 유입되는 배기가스의 온도, 즉 촉매(350)로 향하는 배기가스의 온도를 측정한다.

제2 온도 센서(720)는 반응기(300)에서 배출되는 배기가스의 온도, 즉 촉매(350)를 거친 배기가스의 온도를 측정한다.

제어 장치(700)는 제1 온도 센서(710)와 제2 온도 센서(720)로부터 전달받은 정보로 촉매(350)의 재생 시점을 산출하여 재생 장치(100)를 동작을 제어한다. 구체적으로, 제어 장치(700)는 제1 온도 센서(710) 및 제2 온도 센서(720)에서 측정된 온도의 평균값을 적산하여 평균 운전 온도를 산출한 후, 평균 운전 온도를 기설정된 재생 주기 함수 그래프에 대입하여 재생 주기를 산출하고, 재생 주기가 도래하면 재생 장치(100)를 가동시켜 촉매(350)를 재생할 수 있다. 여기서, 기설정된 재생 주기 함수 그래프는 촉매(350)의 성능에 따라 최소 운전 온도와 최대 운전 온도를 결정하고, 최소 운전 온도와 최대 운전 온도 사이의 범위에서 복수의 임의 운전 온도를 선택한 후, 복수의 임의 운전 온도마다 사용 시간 경과에 따른 촉매(350)의 효율 변화를 각각 측정하여 산출된 복수의 임의 운전 온도별 재생 시점을 합산하여 도출될 수 있다. 이때, 최소 운전 온도와 최대 운전 온도에서의 재생 시점도 산출한 후 합산하여 재생 주기 함수 그래프를 도출할 수 있다. 또한, 임의 운전 온도별 재생 시점을 산출하기 위해 촉매의 한계 효율을 먼저 결정하고, 해당 임의 운전 온도로 운전하였을 때 한계 효율에 도달하는데 걸리는 시간을 재생 시점으로 산출할 수 있다. 즉, 질소산화물 저감을 위한 운전을 시작한 후 재생이 필요한 시점까지의 사용 시간이 곧 재생 주기가 될 수 있다.

또한, 제어 장치(700)는 촉매(350)의 재생을 완료한 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 운전이 재가동되면 재생 주기를 재산출할 수 있다. 이와 같이, 제어 장치(700)는 재생 완료 후 질소산화물을 저감시키기 위한 운전이 재가동될 때 마다 실시간으로 재생 주기를 다시 산출하여 재생 주기의 정확성을 향상시킬 수 있다.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 피독된 촉매(350)를 재생시키 위한 재생 주기를 최적으로 설정하여 촉매(350)의 이용 효율을 극대화시킬 수 있다.

이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 저감 방법을 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 저감 방법은 전술한 선택적 촉매 환원 시스템(101)을 통해 구현될 수 있다. 즉, 촉매(350)를 사용하여 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기는 선택적 촉매 환원 시스템(101)을 통해 구현될 수 있다.

먼저, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 재생 주기를 산출하기 위한 재생 주기 함수 그래프를 도출하는 방법을 설명한다.

반응기(300) 내 설치된 촉매(350)의 성능에 따라 최소 운전 온도(T1)와 최대 운전 온도(T5)를 결정한다. 이는 촉매(350)의 활성 온도 범위를 의미한다. 그리고 최소 운전 온도(T1)와 최대 운전 온도(T5) 사이의 범위에서 복수의 임의 운전 온도(T2, T3, T4)를 선택한다. 도 3에서는 최소 운전 온도(T1)와 최대 운전 온도(T5) 사이에 3개의 임의 운전 온도(T2, T3, T4)를 선택한 경우를 예로 들어 나타낸다.

복수의 임의 운전 온도(T2, T3, T4)마다 각각 사용 시간 경과에 따른 촉매의 효율 변화를 측정하여 복수의 임의 운전 온도(T2, T3, T4)별 재생 시점(P2, P3, P4)를 산출한다. 이때, 최소 운전 온도(T1)와 최대 운전 온도(T5)에서의 재생 시점(P1, P5)도 함께 산출할 수 있다. 즉, 최소 운전 온도(T1)와 최대 운전 온도(T2)에서의 재생 시점(P1, P2)도 산출한 후 임의 운전 온도(T2, T3, T4)별 재생 시점(P2, P3, P4)과 합산하여 재생 주기 함수 그래프를 도출하는데 활용할 수 있다.

또한, 임의 운전 온도(T2, T3, T4)별 재생 시점(P2, P3, P4)과 최소 운전 온도(T1)와 최대 운전 온도(T5)에서의 재생 시점(P1, P5)을 산출하기 위해서, 목표값으로 촉매(350)의 한계 효율을 먼저 결정하고, 해당 운전 온도(T1, T2, T3, T4, T5)로 운전하였을 때 한계 효율에 도달하는데 걸리는 시간을 재생 시점(P1, P2, P3, P4, P5)으로 산출할 수 있다. 즉, 질소산화물 저감을 위한 운전을 시작한 후 재생이 필요한 시점까지의 사용 시간이 곧 재생 주기가 될 수 있다.

일례로, 촉매의 한계 효율을 70%라고 가정하고, 임의 운전 온도(T2)가 섭씨 300도라고 가정하면, 재생 시점은 P2가 될 수 있다.

이와 같은 방식으로 각 임의 운전 온도(T2, T3, T4)별 재생 시점(P2, P3, P4)과 최소 운전 온도(T1)와 최대 운전 온도(T5)에서의 재생 시점(P1, P5)을 산출할 수 있다.

또한, 도 3을 통하여, 운전 온도가 낮을수록 사용 시간에 따른 촉매(350)의 효율 저하가 빠르게 진행되고, 재생 시점도 빨라지는 것을 확인할 수 있다.

다음, 도 4에 도시한 바와 같이, 복수의 임의 운전 온도(T2, T3, T4)별 재생 시점(P2, P3, P4)과 최소 운전 온도(T1)와 최대 운전 온도(T5)에서의 재생 시점(P1, P5)을 합산하여 재생 주기 함수 그래프를 도출할 수 있다.

예를 들어, X축에 최소 운전 온도(T1)와, 복수의 임의 운전 온도(T2, T3, T4), 그리고 최대 운전 온도(T5)를 설정하고, Y축에 앞서 도 3에서 산출된 최소 운전 온도(T1)와, 복수의 임의 운전 온도(T2, T3, T4), 그리고 최대 운전 온도(T5)별 재생 시점(P1, P2, P3, P4, P5)을 설정한다. 그리고 최소 운전 온도(T1)와, 복수의 임의 운전 온도(T2, T3, T4), 그리고 최대 운전 온도(T5)와 각 재생 시점(P1, P2, P3, P4, P5)이 만나는 지점을 나타내는 점들을 연결하여 재생 주기 함수 그래프를 도출한다. 즉, 임의 운전 온도(T2, T3, T4)의 수를 늘릴수록 재생 주기 함수 그래프는 더욱 정밀해질 수 있다.

전술한 바와 같이, 재생 주기 함수 그래프가 도출되면 이를 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 제어 장치(700)에 설정하게 된다.

다음, 도 4 및 도 5를 참조하여, 재생 주기 함수 그래프를 사용하여 재생 주기를 산출하고 이를 이용해 촉매(350)를 재생시키는 방법을 설명한다.

먼저, 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 운전 중에 촉매(350)로 향하는 배기가스와 촉매(350)를 거친 배기가스의 온도를 각각 측정한다. 이를 위하여, 반응기(300)로 유입되는 배기가스의 온도와 반응기(300)에서 배출되는 배기가스의 온도를 제1 온도 센서(710)와 제2 온도 센서(720)를 통해 측정하는 방법을 사용할 수 있다.

다음, 각각 측정된 배기가스의 온도의 평균값을 적산하여 평균 운전 온도 산출한다. 일례로, 아래 수학식 1에 따라, 제1 온도 센서(710)와 제2 온도 센서(720)에서 측정된 배기가스의 온도의 평균값을 적산하여 평균 운전 온도를 산출할 수 있다.

여기서, Taver는 평균 운전 온도이며, T_IN은 반응기에 유입되는 배기가스의 온도이고, T_OUT은 배기가스에서 배출된 배기가스의 온도이다. 그리고 t는 측정된 횟수를 의미한다.

그리고 평균 운전 온도를 기설정된 재생 주기 함수 그래프에 대입하여 재생 주기를 산출한다. 예를 들어, 산출된 평균 운전 온도(Taver)가 섭씨 380도라면, 이를 재생 주기 함수 그래프에 대입하여 재생 주기 선택할 수 있다. 도 4에서 섭씨 380도는 T3과 T4 사이에 위치할 수 있다.

다음, 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 운전이 시작된 후 산출된 재생 주기가 도래하면 촉매(350)를 재생시키게 된다. 이때, 촉매(350)의 재생은 버너 또는 히터를 사용하거나 엔진의 회전수를 증가시키는 방법으로 촉매(350)로 향하는 배기가스를 승온시켜 촉매(350)를 간접 가열함으로써 수행될 수 있다.

또한, 재생 주기는 촉매(350)의 재생을 완료한 후 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 운전이 재가동되면 다시 산출할 수 있다. 즉, 재생이 완료되면 재생 주기를 산출하는 전술한 바와 같은 동작을 반복해서 수행할 수 있다. 이와 같이, 재생 완료 후 질소산화물을 저감시키기 위한 운전이 재가동될 때 마다 실시간으로 재생 주기를 다시 산출하여 재생 주기의 정확성을 향상시킬 수 있다.

이와 같은 방법에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 저감 방법은 피독된 촉매(350)를 재생시키 위한 최적의 재생 주기를 실시간으로 산출하여 촉매의 이용 효율을 극대화시킬 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.

100: 재생 장치
101: 선택적 촉매 환원 시스템
300: 반응기
350: 촉매
610: 배기 유로
700: 제어 장치
710: 제1 온도 센서
720: 제2 온도 센서

Claims

질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스가 이동하는 배기 유로;
상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매가 내부에 설치된 반응기;
상기 촉매를 가열하여 재생시키는 재생 장치;
상기 반응기에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1 온도 센서;
상기 반응기에서 배출되는 배기가스의 온도를 측정하는 제2 온도 센서; 및
상기 제1 온도 센서와 상기 제2 온도 센서로부터 전달받은 정보로 상기 촉매의 재생 시점을 산출하여 상기 재생 장치를 동작을 제어하는 제어 장치
를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제1항에 있어서,
상기 재생 장치는 상기 반응기로 향하는 배기가스를 승온시키는 버너 또는 히터인 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제1항에 있어서,
상기 재생 장치는 상기 배기가스를 배출하는 엔진이며,
상기 엔진은 상기 제어 장치의 제어에 따라 회전수를 증가시켜 배출되는 상기 배기가스의 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 장치는 상기 제1 온도 센서 및 상기 제2 온도 센서에서 측정된 온도의 평균값을 적산하여 평균 운전 온도를 산출한 후, 상기 평균 운전 온도를 기설정된 재생 주기 함수 그래프에 대입하여 재생 주기를 산출하고, 상기 재생 주기가 도래하면 상기 재생 장치를 가동시키는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제4항에 있어서,
상기 기설정된 재생 주기 함수 그래프는 상기 촉매의 성능에 따라 최소 운전 온도와 최대 운전 온도를 결정하고, 상기 최소 운전 온도와 상기 최대 운전 온도 사이의 범위에서 복수의 임의 운전 온도를 선택한 후, 상기 복수의 임의 운전 온도마다 사용 시간 경과에 따른 상기 촉매의 효율 변화를 각각 측정하여 산출된 상기 복수의 임의 운전 온도별 재생 시점을 합산하여 도출된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제5항에 있어서,
상기 임의 운전 온도별 재생 시점을 산출하기 위해 상기 촉매의 한계 효율을 먼저 결정하고, 상기 임의 운전 온도로 운전하였을 때 한계 효율에 도달하는데 걸리는 시간을 재생 시점으로 산출하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제5항에 있어서,
상기 복수의 임의 운전 온도별 재생 시점을 산출할 때 상기 최소 운전 온도와 상기 최대 운전 온도에서의 재생 시점도 함께 산출하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
촉매를 사용하여 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 질소산화물 저감 방법에 있어서,
상기 촉매로 향하는 배기가스와 상기 촉매를 거친 배기가스의 온도를 각각 측정하는 단계;
각각 측정된 상기 배기가스의 온도의 평균값을 적산하여 평균 운전 온도 산출하는 단계;
상기 평균 운전 온도를 기설정된 재생 주기 함수 그래프에 대입하여 재생 주기를 산출하는 단계; 및
상기 재생 주기가 도래하면 상기 촉매를 재생시키는 단계
를 포함하는 질소산화물 저감 방법.
제8항에 있어서,
상기 촉매로 향하는 배기가스를 승온시킴으로써 상기 촉매를 가열하여 재생하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 방법.
제9항에 있어서,
상기 배기가스는 버너 또는 히터를 사용하여 승온시키는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 방법.
제9항에 있어서,
상기 배기가스는 엔진에서 배출되며,
상기 엔진의 회전수를 증가시켜 배출되는 상기 배기가스의 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 방법.
제8항에 있어서,
상기 재생 주기는 상기 촉매의 재생을 완료한 후 재산출하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 방법.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 촉매의 성능에 따라 최소 운전 온도와 최대 운전 온도를 결정하는 단계;
상기 최소 운전 온도와 상기 최대 운전 온도 사이의 범위에서 복수의 임의 운전 온도를 선택하는 단계;
상기 복수의 임의 운전 온도마다 사용 시간 경과에 따른 상기 촉매의 효율 변화를 측정하여 상기 복수의 임의 운전 온도별 재생 시점를 산출하는 단계; 및
상기 복수의 임의 운전 온도별 재생 시점을 합산하여 상기 재생 주기 함수 그래프를 도출하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 방법.
제13항에 있어서,
상기 임의 운전 온도별 재생 시점을 산출하기 위해 상기 촉매의 한계 효율을 먼저 결정하고,
상기 임의 운전 온도로 운전하였을 때 한계 효율에 도달하는데 걸리는 시간을 재생 시점으로 산출하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 방법.
제13항에 있어서,
상기 복수의 임의 운전 온도별 재생 시점을 산출하는 단계에서 상기 최소 운전 온도와 상기 최대 운전 온도에서의 재생 시점도 함께 산출하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 방법.