KR20200132894A - 선택적 촉매 환원 시스템 및 NOx 저감 방법 - Google Patents
선택적 촉매 환원 시스템 및 NOx 저감 방법 Download PDFInfo
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Abstract
선택적인 촉매 환원 시스템 (2)은 디젤 엔진(4)에서 촉매에 의해 질소 산화물 (NOx)을 이원자 질소 (N2) 및 물 (H2O)로 전환시키기 위한 환원제로서 디젤유(40, 40')를 적용한다. 선택적 촉매 환원 시스템 (2)은 오일 주입 시스템 (6), 반응기 (10) 및 제1 섹션 (14)에 구비된 다수의 선택적 촉매 환원의 촉매 (S1, S2, S3)를 포함한다. 선택적 촉매 환원 시스템 (2)은 다수의 선택적 촉매 환원의 촉매 (S1 ', S2', S3 ')를 포함하는 적어도 하나의 추가 섹션 (16, 16')을 포함한다. 적어도 하나의 추가 섹션 (16)은 제1 섹션 (14)으로부터 0이 아닌 거리 (D1, D2, D3)로 형성된다.
Description
본 발명은 NOx(질소산화물) 저감을 위한 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 NOx 저감 방법에 관한 것이다. 이 시스템 및 방법은 4 행정 디젤 엔진 이후 또는 2 행정 디젤 엔진의 배기 수용기와 배기 터빈 사이에서 오일과 함께 환원제로서 다기능 촉매를 사용하여 배기 스트림에서 NOx의 선택적 촉매 환원을 위해 구성된다.
선택적 촉매 환원 시스템은 일반적으로 촉매에 의해 NOx로 지칭되는 질소 산화물을 이원자 질소 N2 및 물 H2O로 변환하는 데 사용된다. 종래 기술은 기체 환원제가 무수 암모니아, 수성 암모니아 또는 요소 중에서 선택 될 수 있고, 연도 또는 배기 가스의 스트림에 첨가되어 촉매 상에 흡착될 수 있음을 교시하고 있다.
상업용 선택적 촉매 환원 시스템은 선박, 디젤 엔진, 가스 터빈, 대형 유틸리티 보일러, 산업용 보일러 및 도시 고형 폐기물 보일러에서 발견되는 것과 같은 디젤 엔진에 적용되며 NOx를 효과적으로 감소시키는 것으로 알려져 있다.
NOx 배출에 대한 환경 인식이 높아짐에 따라 NOx 저감 장비에 대한 요구 사항이 높아지고 있다.
국제해사기구, IMO (International Maritime Organization)는 점차 더 제한적인 NOx 배출 표준을 도입하고 있는 것으로 알려져 있다. 마찬가지로 노르웨이 및 스웨덴과 같은 국가의 NOx 배출 세금은 NOx 저감 장비에 대한 수요를 높이고 있다. 배기 가스 재순환이 이어지는, 요소를 반응물로 사용하는 선택적 촉매 환원 시스템이 일반적으로 사용된다.
자동차 산업의 경우, NOx 환원 장비에 대한 요구 사항은 700℃ 이상 온도에서 NOx 환원을 포함하여 선박 산업보다 훨씬 더 까다롭기 때문에 여기서 제올라이트는 촉매 분말 V2O5/WO3-TiO2에 대한 기존의 재료보다 안정적이다. 따라서 제올라이트계 촉매 사용에 대한 관심이 높다.
디젤유가 요소 대신 환원제로 사용될 수 있는 방법을 찾기 위한 연구가 수행되었다. 1990년 M. Iwamoto 박사는 촉매로 Cu-ZSM-5 (Cu 교환된 제올라이트 촉매)와 환원제로 디젤유를 사용하는 것에 관한 정보를 발표했다. M. Iwamoto 박사 (M Iwamoto, 구리 이온 교환 제올라이트 촉매에 대한 NO 분해, 일산화질소 제거를 위한 촉매 기술 회의 자료, 동경, 1990 년 1 월, 17 페이지)는, O2가 존재하는 경우, Cu-ZSM-5 (Cu 교환된 제올라이트 촉매)는 NOx 저감에서 상당히 활성적이고, 시험에 사용된 탄화수소는 C2H4, C3H6 및 C3H8이었다.
1996년 S. Matsumoto (S. Matsumoto, Toyota, 자동차용 린번 엔진용 DeNOx 촉매제, Catalysis Today 29 (1996) 43-45)는“Cu-ZSM-5의 내구성이 실용화에는 불충분하다"고 결론짓고, "귀금속, 알칼리 토금속, 알루미나 및 기타 금속 산화물"로 구성된 NOx 저장 환원 촉매 (NSR 촉매)를 소개하였다. Toyota는 현재, 탈황 중 맥동 HC 주입으로, DiAir 시스템 (K. Yoshida 외, Toyota, 과도 사이클 하에서 청정 배기 가스를 달성하기 위한 NSR 및 DiAir 시스템 개발, SAE International 2014-01-2809)이라고 불리는 NSR 시스템을 계속 개발하고 있다. 그러나 다른 회사나 연구자들은 ZSM-5 촉매 개발을 계속하고 있다.
Cu-ZSM-5 촉매는 (S.A. Yashnik 외, 디젤 방출 제어를 위해 모노리스 상에 워시 코팅된 Cu-ZSM-5 촉매; 지속 가능한 개발을 위한 화학 11 (2003) 309-319), 수분과 고온에서 가스의 활성 손실과 가스에 황이 있을 때의 점차적인 활성 손실을 포함하는 많은 약점이 있는 것으로 밝혀졌다. 게다가, 반 산화된 탄소-결합이 촉매에 달라 붙는 것이 문제가 될 수 있다.
연구에 따르면, Ce를 Cu-ZSM-5에 첨가하면 습식 가스 활성이 증가하고 이에 따라 CuO의 형성이 방지되어 활성이 감소된다는 것이 밝혀졌다.
US20070149385A1은 환원제로서 디젤유를 갖는 촉매를 사용하여 디젤 엔진으로부터 NOx 배출을 감소시키는 시스템을 개시하고 있다. 상기 시스템은 디젤 오일의 크래킹과, NOx 저감 및 촉매 부분 산화를 위한 다기능 촉매를 적용하고, 백금족 금속을 포함하는 물질은 로듐, 백금, 이리듐, 팔라듐, 오스뮴 및 루테늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 원소를 포함하고, 코크스 침전물을 수소 및 일산화탄소로 전환하게 된다. 이 시스템의 한 가지 단점은 고가의 귀금속을 사용해야 한다는 것이다.
따라서, 환원제로서 디젤유의 적용에 기초하여 개선된 선택적 촉매 환원 시스템 및 NOx 환원을 위한 선택적 촉매 환원 방법이 필요하며, 여기서 귀금속은 요구되지 않는다.
유럽특허공개공보 EP1111212A2는 디젤 오일을 환원제로 적용하는 디젤 엔진 배기를 위한 선택적 촉매 NOx 환원 시스템을 기술하고 있다. 이 시스템은 디젤 오일 인젝터, 선택적 촉매 환원 반응기 및 직렬로 배열된 여러 선택적 촉매 환원 섹션을 포함한다. 촉매 섹션은 각각 여러 촉매 층을 포함한다. 그러나 인접한 섹션 사이의 거리는 매우 짧다. 따라서 이 시스템은 NOx 저감을 위한 최적의 솔루션을 제공하지 못한다.
유럽특허 EP1893321 B1은 배기 가스 스트림에서 서로 간의 거리 (L)로 제공된 제1 및 제2 촉매 반응기층을 갖는 NOx 저감 시스템을 개시한다. 촉매의 제1 및 제2 층은 서로로부터 일정 거리 L로 이격되어 유지될 수 있다. 상기 종래 기술 문헌은 일반적으로 체류 시간이 감소함에 따라 성능이 증가한다고 기술하고 있다. 본 발명자들의 이해에 따르면, 그 반대의 경우이다. 즉, 층간 체류 시간이 증가할수록 성능이 향상된다. 그러나 특정 체류 시간 이후에 약간만 향상된다.
미국 특허 US2008/053073A1은 NOx를 줄이기 위해서 통과되는 가스 스트림을 촉매 반응을 일으켜 처리하는 장치 및 방법을 개시한다. 두 개의 촉매는 공통된 반응기 내에서 두 촉매 사이에 일정 거리를 갖는다. 본 문헌에서는 일반적으로 성능은 체류 시간에 따라 증가된다고 언급되어 있다.
미국 특허 US2010/251700A1은 배기 스트림 내의 NOx 배출을 감소시키기 위한 시스템 및 방법을 개시한다. 선택적 촉매 환원의 촉매가 개시되어 있다.
M. Iwamoto, 구리 이온 교환 제올라이트 촉매에 대한 NO 분해, 일산화질소 제거를 위한 촉매 기술 회의 자료, 동경, 1990 년 1 월, 17 페이지;
S. Matsumoto (S. Matsumoto, Toyota, 자동차용 린번 엔진용 DeNOx 촉매제, Catalysis Today 29 (1996) 43-45)
K. Yoshida 외, Toyota, 과도 사이클 하에서 청정 배기 가스를 달성하기 위한 NSR 및 DiAir 시스템 개발, SAE International 2014-01-2809;
S.A. Yashnik 외, 디젤 방출 제어를 위해 모노리스 상에 워시 코팅된 Cu-ZSM-5 촉매; 지속 가능한 개발을 위한 화학 11 (2003) 309-319)
본 발명의 목적은 환원제로서 디젤유의 적용에 기초하여 개선된 선택적 촉매 환원 시스템 및 NOx 환원을 위한 선택적 촉매 환원 방법을 제공하는 것이며, 여기서 시스템 및 방법은 상기 언급된 종래 기술의 단점을 감소시키거나 제거한다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 정의된 바와 같은 시스템 및 청구항 9에 정의된 방법에 의해 달성될 수 있다. 바람직한 실시예는 종속 항에 정의되어 있고, 다음의 설명에서 설명되고 첨부 도면에 도시된다.
본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템은 디젤 엔진에서 촉매에 의해 질소 산화물 (NOx)을 이원자 질소(N2) 및 물(H2O)로 전환하기 위한 환원제로서 디젤 오일을 적용하도록 구성되고, 선택적 촉매 환원 시스템은:
- 디젤 엔진 배기 내로 디젤유를 분사하기 위해 구성되는 오일 분사 시스템;
- 제1 단부에 제공되는 유입구와 제2 단부에 제공되는 유출구가 제공되는 하우징을 포함하는 반응기로서, 선택적 촉매 환원 시스템은 유입구를 통해 배기를 수용하도록 구성되는, 반응기; 및
- 서로 이격된 섹션에서 구비되는 다수의 선택적 촉매 환원의 촉매로서, 섹션은 반응기(10)의 하우징 내에 직렬로 배열되고, 섹션은 하류 방향으로 연속하게 배열되며, 각 섹션은, 선택적 촉매 환원의 촉매의 하나의 층과 선택적 촉매 환원의 촉매의 다음의 층 사이의 0이 아닌 거리에서 구비되는 선택적 촉매 환원의 촉매의 복수의 층을 포함하는, 다수의 선택적 촉매 환원의 촉매;를 포함한다. 본 발명에 따르면, 선택적 촉매 환원의 촉매의 하나의 층과 선택적 촉매 환원의 촉매의 다음의 층 사이의 거리는, 각각의 층 사이에 최소 평균 체류 시간이 제공되도록 선택되고, 상기 오일 분사 시스템이 작동하면 상기 디젤 엔진 배기 내로 디젤유를 분사하며, 하나의 층으로부터 다음 층으로 가스 분자를 이동시키기 위한 상기 최소 평균 체류 시간은 0.025초보다 작지 않고, 바람직하게는 0.04초보다 작지 않으며, 가장 바람직하기로는 0.135초보다 작지 않다.
최소 평균 체류 시간은 일정한 온도에서 균일한 흐름을 가정하여 계산되어, 평균 체류 시간은 층간 거리에 단면적을 곱한 것으로 계산되고, 한 층에서 다음 층으로의 체적 흐름으로 나눈 값으로 계산할 수 있다. 평균 체류 시간은 이렇게 미리 정해진 평균 체류 시간의 최소값보다 길고 짧지는 않다.
처음에는 체적 유량 Q는 단면적에 가스 속도를 곱한 것으로 가정한다.
(a)
평균 속도(v)는 층 사이의 거리(d)를 한 층과 다음 층 사이의 평균 체류 시간(Δt)으로 나눈 값으로 계산된다.
(b)
여기서 d는 한 층과 다음 층 사이의 거리이고 Δt는 한 층과 다음 층 사이의 가스 입자의 평균 체류 시간이다.
이것으로부터 다음과 같다.
(c)
원하는 최소 체류 시간이 실험적으로 결정되면 최소 거리는 다음과 같이 계산 될 수 있다.
(d)
최소 체류 시간은 촉매 환원 촉매 층을 떠나는 가스의 온도 프로파일을 살펴봄으로써 결정될 수 있고, 층 이후 공간에서 일어나는 일부 반응은 발열성이어서 온도가 더 이상 상승하지 않을 때, 더 이상 상당한 프로세스가 발생하지 않는다. 대안적으로, 층에서 촉매 과정 후에 소비되는 일부 반응물의 존재 또는 부재를 검출할 수 있으며, 따라서 이들 물질의 반감기 기간을 결정할 수 있고, 이에 따라 이러한 반응물의 예컨대 85%와 같은 미리 결정된 분량이 원하는 반응을 겪는 기간에 대한 추정에 도달할 수 있다. 또한 주어진 반응기에서 최종 생성물을 볼 수 있으며, 이에 의해 층 사이의 거리와 이에 따른 평균 체류 시간이 변하여, 그리하여 반응기를 통과 한 가스에 있는 오염 물질 측면에서 미리 정해진 결과값에 대하여 최소 체류 시간에 도달되는 시기를 결정할 수 있다.
제1 층으로 들어가는 배기 가스의 온도는 다음 층으로 들어가는 배기 가스의 온도에 비해 증가한다. 따라서, 본 발명은 반응기 하류에서 온도가 증가하는 해결책을 제공한다.
여러 실험을 통해서, 위에서 언급한 배수에 의해 정의되고 위에서 언급한 방식으로 정의된 0이 아닌 거리를 선택함으로써 매우 효율적인 선택적 촉매 환원 시스템을 제공함을 확인하였다.
일 실시예에서, 가스 분자를 한 층에서 다음 층으로 이동시키기 위한 평균 체류 시간은 0.025 초 이상이다.
일 실시예에서, 가스 분자를 한 층에서 다음 층으로 이동하기 위한 평균 체류 시간은 0.04 초 이상이다.
일 실시예에서, 가스 분자를 한 층에서 다음 층으로 이동시키기 위한 평균 체류 시간은 적어도 0.135 초이다.
일 실시예에서, 반응기에 3 개 이상의 층이 제공된다. 이러한 층의 수에 의해 원하는 축적된 크래킹 비율을 쉽게 얻을 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 4 개의 층이 반응기에 제공된다.
일 실시 예에서, 적어도 5 개의 층이 반응기에 제공된다.
일 실시 예에서, 적어도 6 개의 층이 반응기에 제공된다.
아래에서 더 자세히 설명하듯이 층 사이의 거리에서 일어나는 반응은 다음과 같다.
NH4 + + NO2 ⇒ N2 + 2H2O;
그리고 여기서 반응물 NH4 + 및/또는 NO2의 존재 여부는 뜨거운 가스에서 결정될 수 있다.
이로써, 종래 기술에 비해 우수한 성능을 갖는 디젤유를 환원제로 적용하여 NOx 저감을 위한 개선된 선택적 촉매 환원 시스템 및 선택적 촉매 환원 방법을 제공할 수 있다.
반응물로 디젤유를 사용하면 선박에 요소를 저장하기 위한 탱크에 대한 수요가 제거되고 요소 공급을 위한 잠재적인 복잡한 물류가 제거된다. 주입되는 오일의 비용은 주입되는 요소의 비용과 비슷하다. 4 행정 중속 디젤 엔진의 경우 주입된 오일의 에너지 함량의 약 75 %를 하류에 설치된 배기 가스 보일러에서 회수하여 물, 전기 또는 열 생산에 사용할 수 있으며, 결국 실제 운영 비용은 디젤 엔진에 사용되는 오일의 2 % 미만이다.
디젤유는 디젤 엔진에 사용되도록 구성된 액체 유체 (연료유 함유)를 의미한다. 따라서 경유라는 용어는 경유와 중유를 혼합하여 중간 연료유보다 경유가 적은 선박용 디젤유 ( '증류 선박용 디젤'이라고도 함)를 포함한다. 디젤유라는 용어는 선박 연료를 포함하는 모든 연료유를 포함한다.
또한 반응물로서 오일을 사용하면 암모니아-중 황산염 (NH4)HSO4 또는 황산 암모늄 (NH4)2SO4의 형성으로 인한 촉매 차단 위험이 제거된다.
본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기는 촉매를 갖는 종래의 유레아-SCR 반응기보다 약 40 % 가볍다. 따라서, 본 발명은 반응기 중량을 감소시킬 수 있다.
공정은 예컨대 약 350℃와 같이 약 320℃ ~ 약 360℃의 배기 온도에서 시작되지만 공정이 온도 상승을 유발하기 때문에 310℃까지의 배기 온도에서 계속 작동 할 수 있다.
반응물 주입 및 증발을 위한 파이프의 길이는 요소 선택적 촉매 환원 시스템 파이프의 5 분의 1 정도로 짧을 수 있으며 기존 강철로 만들 수 있다.
본 발명에 따른 반응기의 온도 상승으로 인해 2 행정 디젤 엔진은 디젤 엔진 연료 소비율에서 근소한 증가를 필요로 한다
본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템은 디젤 엔진에서 촉매에 의해 질소 산화물 (NOx)을 이원자 질소 (N2) 및 물 (H2O)로 전환하도록 구성된다. 화학 공정에는 세 가지 통합 촉매 단계가 포함된다.
-주입된 오일의 분쇄;
-이종 NOx 전환 및 다음 반응에 사용되는 라디칼 형성;
-촉매 하류에서 균일한 NOx 전환.
분쇄 공정 동안, 반응물은 (제1 섹션의) 제1 촉매층에 도달하기 전에 최소 80 %의 액적이 증발하는 방식으로 (섹션의) 촉매층의 상류에 액적으로서 배기 가스에 주입된다.
선택적 촉매 환원 시스템은 오일을 배기 가스로 고르게 분산시키도록 구성된 구조를 포함한다.
증발된 오일은 촉매층의 표면에서 분해 또는 분산된다(cracked). 그러나 증발된 오일의 일부는 다음 촉매층에 도달할 때까지 분산되지 않은 증발 오일로 계속될 수 있다. 공정이 진행되는 동안 반응기 내부의 온도가 상승한다. 온도 상승으로 인해 주입된 오일의 최소량만 시스템을 통과한다. 분산(cracking)은 주로 촉매층의 표면에서 발생한다. 제1 층에서의 분산은 최소 40 %로 예상된다. 따라서, 여러 개의 층이 어떤 거리로 서로 떨어져 있는 것이 바람직하다. 각 층에서 40 %의 크래킹 비율로 3 개 이상의 층을 갖는 것이 바람직하다.
디젤유는 상대적으로 긴 사슬결합의 탄화수소 연결을 포함한다. 이러한 탄화수소 연결은 촉매 공정 중에 짧은 사슬결합의 탄화수소 연결로 갈라진다. 이러한 탄화수소 연결은 섹션의 촉매 층에 들어갈만큼 짧다. 따라서 NO는 N2와 H2O로 전환되는 반면 라디칼 (NH4+)은 N2와 H2O로 전환되는 NO2와 반응한다. (NOx 전환의)가능한 화학 반응은 다음과 같다.
수행되는 NO 산화는 다음과 같이 표현될 수 있다.
(1)
NO + ½O2 ⇒ NO2
(2)
NO + NO2 + 2H+ ⇒ 2NO+ + H2O
수행되는 이종 촉매는 다음과 같이 표현될 수 있다.
(3)
2C4H8 + 10O2 + 2NO+ ⇒ N2 + 2CO + 6CO2 + 8H2O
(4)
C3H6 + NO+ + 2,5 O2 ⇒ NH4 + + CO + 2CO2 + H2O
층 사이에서 발생하는 균질한 프로세스는 다음과 같이 표현될 수 있다.
(5)
NH4 + + NO2 ⇒ N2 + 2H2O
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템은 벌집형 또는 주름진 재료 유형의 기판 상에 코팅되는 촉매 분말을 포함한다. 본 발명에 따른 일 실시예에서, 상기 기판은 세라믹 재료를 포함한다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 기판은 제올라이트이다. 본 발명에 따른 다른 실시예에서, 기판은 금속을 포함한다. 본 발명에 따른 추가 실시 예에서, 기판은 금속이다. 본 발명에 따른 또 다른 실시예에서, 기판은 세라믹 재료를 포함한다. 본 발명에 따른 다른 실시예에서, 기판은 세라믹 재료이다.
촉매 분말은 전형적으로 결합제를 사용하여 기재에 첨가된다. 촉매 분말은 n = 5, 11 등의 ZSM-n 유형 및 그 변형을 포함할 수 있다. 예 : ZSM-n 유형 촉매의 구리 (Cu)는 철 (Fe) 또는 마그네슘 (Mg)과 교환될 수 있다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 촉매 분말은 적어도 기재를 덮는 코팅으로서 제공된다.
하나의 실시예에서, 촉매 분말은 1.5-4wt%의 구리(Cu)를 포함한다.
하나의 실시예에서, 촉매 분말은 2.0-3.5wt%의 구리를 포함한다.
테스트 결과 촉매 분말이 2.5-3wt% Cu를 포함하는 것이 유리하다는 것을 보여주었다. 바람직한 실시예에서, 촉매 분말은 2.7-2.9 wt% Cu, 예를 들어 2.8 wt% Cu를 포함한다.
본 발명에 따른 한 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템은 촉매 분말을 포함하고, 여기서 하나 이상의 전이 금속 및 하나 이상의 안정화 금속이 제올라이트 상에 지지된다.
제올라이트가 알루미나 실리케이트(규산 알루미나)인 것이 바람직하다.
제올라이트는 ZSM-5, ZSM-11, ZSM-12, 모데나이트(Mordenite) 또는 페레라이트(Ferrerite)를 포함할 수 있다.
전이 금속은 Cu, Fe 및 Mg 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
전이 금속은 안정화 금속으로서 Ce 및 Zr 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다.
Cu를 먼저 첨가하고 Ce 및/또는 Zr을 소성(calcination) 후 첨가하거나 Ce 및/또는 Zr을 동일한 공정으로 첨가할 수 있다.
Cu 및 Ce 및/또는 Zr은 동일한 공정으로 첨가된 후 550℃ 미만의 온도에서 소성될 수 있다.
촉매 분말은 바인더(결합제)를 사용하여 벌집 모양 또는 골판 모양의 기판에 코팅될 수 있다. 기판은 금속 타입 또는 세라믹 타입일 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 세륨 (Ce) 또는 지르코늄 (Zr), 또는 세륨 (Ce) 및 지르코늄 (Zr)은, 더 안정한 (시간의 함수로서 더 효율적인) 방법 및 방법을 수행하는 데 사용되는 반응기를 제공하기 위해 첨가 사이에 선택적으로 소성과 함께 하나 또는 두 개의 시퀀스로 사용된다 . 결합제(바인더)는 최대 50%의 이산화티탄늄(TiO2)을 포함할 수 있다. (촉매 슬러리에서) Cu 함량은 적합하게는 약 1wt% 내지 4wt%, 바람직하게는 1.7wt% 내지 3.5wt% 범위일 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서 (슬러리 중의) Cu 함량은 2.8 중량 % 내지 3.1 중량 %의 범위이다. 코팅의 두께는 10-200 μm, 바람직하게는 20-150 μm 또는 30-100 μm의 범위, 예컨대 약 50μm일 수 있다.
Ce이 촉매 분말에 1-5 wt % 범위, 바람직하게는 2.2 wt % 내지 3.0 wt % 범위, 예컨대 약 2.3 wt %로 존재하는 것이 바람직하다. Zr이 촉매 분말 중에 1 내지 3 중량 %, 바람직하게는 약 1.8 중량 %로 존재하는 것이 바람직하다.
탄화 침전물의 양은 지지 금속을 첨가하는 순서에 따라 달라질 수 있다. Cu가 먼저 첨가되고, 소성 후에 Ce가 첨가될 수 있다. 대안적으로, Cu 및 Ce는 그 사이에 하소(소성)없이 동일한 순서로 첨가되어 탄화된 침전물을 상당히 감소시킬 수 있다. Cu를 사용하는 대신, 철 (Fe) 또는 망간 (Mg)을 사용할 수 있다.
선택적 촉매 환원 시스템은 프로그램 가능 논리 제어기를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 주입된 오일의 양은 결합된 공기-오일 주입 또는 "온-오프 펄스"주입을 사용하여 제어된다. 결합된 공기-오일 주입의 경우, 프로그램 가능 논리 제어기에 의해 제어되는 엔진 부하의 함수에 따라 공기량은 오일량을 변경하도록 조정될 수 있다. 오일이 펄스로("on-off") 주입될 때, 펄스의 주파수를 변경하여 주입된 오일의 양을 제어할 수 있다. 주파수는 프로그램 가능 논리 제어기에 의해 제어되는 엔진 부하의 함수로서 조정될 수 있다. 디젤유는 파이프 안내 배기구 내로 반응기 안으로 주입될 수 있다. 상기 파이프는 주입이 반응기 외부에서 발생하도록 반응기 앞에 배치될 수 있다. 그러나, 디젤유가 반응기 내부의 섹션(들)의 층으로 들어가기 전에 주입된 디젤유를 증발시킬 수 있는 배기 가스가 반응기에 주입될 수 있는 한 디젤유가 또한 반응기 내로 분사될 수 있다.
결합된 에어-오일 주입 또는 펄스 주입 또는 이들의 조합을 사용하여 오일이 액적으로 주입되는 것이 바람직하다.
프로그램 가능 로직 컨트롤러는 디젤 엔진 부하 및 회전 속도에 따른 작동을 제어하도록 구성될 수 있다. 프로그램 가능 논리 제어기는 바람직하게는 하나 이상의 파라미터 (예를 들어 압력 또는 온도)가 더 이상 미리 정해진 범위 내에 있지 않은 경우 프로그램 가능 논리 제어기가 경보를 생성할 수 있게 하는 통합 안전 시스템을 포함할 수 있다.
프로그래밍 가능한 로직 컨트롤러 트립의 경우 안전을 보장하기 위해 하드 와이어드(hardwired) 안전 시스템을 프로그래밍 가능한 로직 컨트롤러와 병렬로 연결하는 것이 바람직하다.
선택적 촉매 환원 시스템은 오일 주입 시스템을 포함한다. 오일 주입 시스템은 반응기에 오일을 주입하도록 배열 및 구성되어, 상기 언급된 NO 산화 공정이 수행될 수 있게 한다. 오일은 제1 촉매-용해층 (섹션) 아래, 또는 제1 촉매층 (섹션) 아래 및 두 개의 촉매층 (섹션) 사이에 주입될 수 있다. 오일 분사 시스템은 특정 크기의 적절한 수의 노즐을 가질 수 있다.
선택적 촉매 환원 시스템은 촉매 입구 표면을 깨끗하게 유지하기 위해 모든 섹션에서 제1 촉매층 아래에 공기를 제공하도록 (예를 들어, 고정된 시간 간격으로) 수트 블로어(soot blower)를 포함하는 것이 유리할 수있다.
선택적 촉매 환원 시스템은 상기 언급된 NO 산화 공정이 수행될 수 있는 반응기를 포함한다. 반응기는 NO 산화 공정을 용이하게 하기 위해 섹션을 수용하도록 구성된다.
선택적 촉매 환원 시스템은 제1 섹션에서 분리된 층에 제공되는 다수의 선택적 촉매 환원 촉매를 포함하고, 선택적 촉매 환원 시스템은 분리된 층에서 다수의 선택적 촉매 환원 촉매를 포함하는 하나 이상의 추가 섹션을 포함하고, 여기서 적어도 하나의 추가 섹션이 제1 섹션으로부터 0이 아닌 거리에 제공된다.
선택적 촉매 환원 시스템은 하나, 둘 또는 그 이상의 섹션을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템은 1, 2 또는 그 이상의 섹션을 포함한다.
하나 이상의 섹션에서, 촉매 환원 시스템을 구성하는 층 사이의 거리, 지정된 최소 평균 체류 시간은, 원하는 최소 체류 시간에 도달하기 위해 층 사이의 체적 흐름, 단면 및 거리가 그에 따라 치수화되도록 함으로써 유지된다.
선택적 촉매 환원 시스템은 3 개의 섹션을 포함 할 수있다.
선택적 촉매 환원 시스템은 2 행정 디젤 엔진 또는 4 행정 디젤 엔진에 사용될 수 있다. 선택적 촉매 환원 시스템은 선박용으로 2 행정 디젤 엔진 또는 4 행정 디젤 엔진에 설치되고 사용되도록 구성되는 것이 유리할 수 있다.
0이 아닌 거리가 5-500 mm 범위 내에 있고, 바람직하게는 10-400 mm 사이, 예컨대 20-250 mm가 층들 사이에 제공되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 필요한 화학 공정이 수행되는 것을 용이하게 할 수 있는데, 상기 체적 흐름 및 단면적이 바람직한 경계 내에 있는 경우, 이러한 거리는 가스에 대한 필요한 최소 체류 시간을 제공할 수 있게 된다. 0이 아닌 거리는 추가로 촉매층 또는 촉매층의 두께뿐만 아니라 적용된 촉매 또는 촉매에 따라 정해질 수 있다.
선택적 촉매 환원 시스템이 반응기에 이동 가능하게 부착된 다수의 도어를 포함하는 것이 유리할 수 있다.
이에 의해, 도어를 통해 섹션에 접근함으로써 섹션을 교체하거나 뒤집을 수 있다.
도어는 반응기에 회전 가능하게 부착되거나, 반응기에 슬라이딩 가능하게 부착되거나 분리 가능하게 부착되거나 또는 이에 부착된 구조일 수 있다.
인접한 섹션 중 적어도 일부 사이에 플레이트 부재가 제공되는 것이 바람직하다. 플레이트 부재는 오일의 분포를 개선할 수 있고, 이에 의해보다 균일한 오일 분포를 제공하여 보다 효과적인 NOx 감소 공정을 제공한다.
제1 섹션과 추가 섹션 사이에 플레이트 부재가 제공되는 것이 바람직하다.
인접한 모든 섹션 사이에 플레이트 부재가 제공되는 것이 바람직하다.
이에 의해, 오일의 균일한 분포를 제공할 수 있다.
플레이트 부재가 반응기 내부로 주입된 오일을 분산시키도록 구성되는 것이 유리할 수있다. 플레이트 부재는 바람직하게는 최적화된 유동 경로를 달성하기 위해 증발된 오일을 반경 방향 외측으로 안내하도록 형상화될 수 있다.
선택적 촉매 환원의 촉매는 각각 5-200 mm, 바람직하게는 10-150 mm 범위 내의 두께를 갖는 층으로 배열되는 것이 바람직하다.
한 실시예에서, 선택적 촉매 환원의 촉매는 각각 40-120 mm 범위 내의 두께를 갖는 층으로 배치된다.
한 실시예에서, 선택적 촉매 환원의 촉매는 각각 50-100 mm 범위 내의 두께를 갖는 층으로 배치된다.
한 실시 양태에서, 선택적 촉매 환원 촉매는 각각 60-90 mm 범위 내의 두께를 갖는 층으로 배치된다.
반응기가 각각 복수의 촉매 층을 포함하는 하나 이상의 섹션을 포함하는 것이 바람직하다.
선택적 촉매 환원의 촉매는 Ce/Cu-ZSM-5 또는 Ce-Zr/Cu-ZSM-5 중에서 선택되는 것이 유리할 수 있으며, 선택적 촉매 환원의 촉매는 각각 Cu 첨가 후 및 Ce와 Zr 첨가 이후에 하소된다. 한 실시예에서, 선택적 촉매 환원의 촉매는 하소되기(calcinated) 전에 건조된다.
선택적 촉매 환원의 촉매는 Ce/Cu-ZSM-5 또는 Ce-Zr/Cu-ZSM-5 중에서 선택되는 것이 바람직하고, 여기서 Cu와 Ce 및 Zr은 동시에 첨가되고 분말은 Cu 및 Ce 및 Zr을 첨가한 후 하소된다.
한 실시예에서, Cu, Fe 또는 Mg가 첨가되고 건조된 후 Ce 및 Zr이 첨가되고 분말이 건조된 후 하소된다.
두 유형 모두에 대하여, TiO2를 바인더에 첨가하여 촉매 분말을 기판에 결합시킬 수 있다. 기판은 81-256 평방 인치당 셀 (CPSI)의 골판지 강철판 또는 골판지 세라믹 판으로 구성된다.
본 발명에 따른 한 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템은 산화 촉매를 포함한다. 산화 촉매는 바람직하게는 CO를 CO2로 산화시키고 탄화수소(HC)를 CO2 및 H2O로 산화시키기 위해 선택적 촉매 환원 시스템 뒤에 배치될 수 있다.
선택적 촉매 환원 시스템이 반응기의 종축을 따라 중앙으로 연장되는 관형 구조물을 포함하는 것이 바람직하다. 이로써, 오일의 최적 분배를 제공하기 위해 오일이 반응기의 중앙 부분에 주입될 수 있다.
상기 관형 구조물은 바람직하게는 반응기의 하부 원추형 부분의 종축을 따라 중앙으로 연장된다.
상기 관형 구조물은 제1 섹션을 통해 연장되고 그로부터 돌출하는 것이 바람직하다.
상기 관형 구조물은 예를 들어 파이프로 형성될 수 있고, 예컨대 금속 또는 세라믹 재료로 만들어진다.
선택적 촉매 환원 시스템이 디퓨저(diffuser)를 포함하는 것이 바람직하다. 이로써, 상기 디퓨저는 반응기로 유입되는 증발된 오일 또는 반응기로 주입되는 오일(주입된 오일이 반응기 내부에서 증발됨)의 분포를 최적화하는 데 사용될 수 있다.
상기 디퓨저가 관형 구조물의 입구 부분에 배치되는 것이 바람직하다. 상기 디퓨저는 바람직하게는 주입된 오일을 제1 섹션을 향하여 확산시키도록 구성되고 배치될 수 있다.
상기 선택적 촉매 환원 시스템이 열회수 유닛을 포함하는 것이 바람직하다. 이에 의해 촉매에서 방출된 열을 회수할 수 있다. 열은 식수 생산에 사용될 수 있는 증기를 생산하거나 선상에서 사용할 전기를 생산하는 데 사용할 수 있다.
이 과정에서 반응기에서 온도가 상승한다. 반응기 이후의 배기 온도 상승으로 인해 반응물의 에너지 함량의 최대 75 %를 회수할 수 있다.
예를 들어, 75 % 부하에서 720rpm이고, 배기 온도 340℃를 갖는 2500kW의 4 행정 디젤 엔진은, 보다 나은 품질에서(더 높은 정도의 과열) 증기 생산을 위해 약 230kW의 추가열을 갖는다. 증기는 식수나 전기 생산을 위하여 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 상기 시스템은 시스템의 적어도 일부를 냉각 시키도록 구성된 냉각 유닛을 포함한다. 이로써 온도를 미리 정해진 상한 온도 이하로 유지할 수 있다.
주입된 오일의 열 함량 Qoil은 다음 구성 요소의 합계로 표현할 수 있다.
반응기에서 대기로의 열 손실 : Qheat loss
반응기 입구 온도 증가를 위한 열 : Qinlet temp increase
반응기의 온도를 높이기 위한 열 : Qtemp over reactor
산화 촉매를 통한 열 손실 : Qoxidation
따라서, 이것은 다음과 같이 표현할 수 있다.
Qoil = Qheat loss + Qinlet temp increase + Qtemp over reactor + Qoxidation
주변으로 열 손실(Qheat loss)을 감소시키기 위해, 반응기의 단면은 바람직하게는 원형일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 반응기는 원형 단면을 갖는 부분을 포함한다. 반응기가 원통형이고 원형 단면을 갖는 부분을 포함하는 것이 유리할 수 있다.
본 발명의 방법은 질소 산화물 (NOx) 저감 방법이며, 상기 방법은 선택적 촉매 환원 시스템을 사용하는 단계 및 촉매에 의해 디젤 엔진의 배기가스의 질소 산화물 (NOx)을 이원자 질소 (N2) 및 물 (H2O)로 변환하기 위한 환원제로서 디젤유를 적용하는 단계를 포함하며, 상기 방법은 반응기에 디젤유를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 방법은 NO 산화를 포함하는 NOx 전환을 수행하는 단계를 포함하고, 이어서 불균일 촉매화 공정이 수행되고, 이어서 선택적 촉매 환원의 촉매의 복수의 층을 가지되, 반응기의 하우징 내에 직렬로 배열되고, 하류 방향으로 연속하게 배열되는 섹션에 제공된 반응기 내의 다수의 선택적 촉매 환원의 촉매를 적용함으로써 균질 촉매화 공정이 수행된다. 본 방법에 따르면, 선택적 촉매 환원의 촉매의 하나의 층과 선택적 촉매 환원의 촉매의 다음의 층 사이의 거리는, 배기가스에 대한 최소의 평균적인 체류 시간이 각각의 층 사이에 제공되도록, 선택되고, 오일 분사 시스템이 작동하면 디젤 엔진 배기 내로 디젤유를 분사하며, 선택적 촉매 환원의 촉매의 하나의 층으로부터 선택적 촉매 환원의 촉매의 다음 층으로 가스 분자를 이동시키기 위한 최소 평균적인 체류 시간은 0.025초보다 작지 않으며, 바람직하게는 0.04초 이상, 가장 바람직하게는 0.135초 이상이다.
이에 의해, 환원제로서 디젤유의 적용에 기초하여 NOx 저감을 위한 개선된 선택적 촉매 환원 공정을 수행할 수 있고, 항상 반응기의 최적의 기능을 확보할 수 있다.
배기 흐름에서 사용된 디젤에 대해 원하는 크래킹 속도에 항상 도달하기 위해서는, 배기 및 디젤 흐름이 최소 3 개의 층을 통과하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 방법은 주입된 오일을 크래킹(cracking)하는 단계, 라디칼 NH4+의 형성을 야기하는 이종 NOx 변환을 수행하는 단계를 포함하는 것이 바람직하고, 여기서 라디칼 NH4+는 균일한 NOx 변환을 수행하는 데 사용된다.
상기 방법은 제1 섹션으로부터 0(제로)이 아닌 거리에서 제2 섹션을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 0이 아닌 거리는, 라디칼 NH4 +가 앞에서 설명한 화학 공정 : NH4 + + NO2 ⇒ N2 + 2H2O으로 반응하도록 하는 방식으로 선택되고, 이에 따라 활성이 증가된다.
상기 방법은 4 행정 디젤 엔진 이후 또는 2 행정 디젤 엔진상의 배기 수용부와 배기 터빈 사이에서, 배기 스트림에서 NOx의 선택적 촉매 저감에 적용되는 것이 바람직하다.
상기 방법은 선박용 디젤 엔진에서 NOx의 선택적 촉매 저감에 적용될 수 있다.
한 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템은, 배기 가스를 생성하는 디젤 엔진에서 촉매에 의해 질소 산화물 (NOx)을 이원자 질소(N2) 및 물(H2O)로 전환하기위한 환원제로서 디젤 오일을 적용하도록 구성되며, 상기 선택적 촉매 환원 시스템은,
-오일 주입 시스템; 및
-적어도 제 1 섹션에 제공된 다수의 선택적 촉매 환원의 촉매를 갖는 반응기를 포함하고, 상기 배기 가스에서 하나 이상의 조성물을 산화시키도록 산화 촉매가 배치된다.
이로써 선택적 촉매 환원 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있다. 더 높은 열 생산성을 달성할 수 있다. 추가 열은 전기를 생성 (가스 터빈 및/또는 증기 터빈에 의해 구동되는 발전기 사용)하거나 물을 증류하기 위해 해수를 증발시키는 데(식수 생산) 사용할 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템은 배기 가스에 포함된 모든 탄화수소 및 입자(그을음)를 CO2로 전환할 수 있어서 열 생성을 증가시킬 수 있다. 선박용 디젤유의 직접 산화에 의한 열 생산량보다 최대 8% 높은 열 생산을 달성할 수 있다. 따라서 주입된 오일의 열량의 약 100%의 열 회수가 가능하다. 이는 디젤유보다 더 높은 열가를 갖는 짧은 사슬의(short-chain) 탄화수소에 대해, 주입된 오일이 80-90%까지 크랙되기 때문에 달성될 수 있다. 100% 열 회수 옵션은 전기 또는 물 생산을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명은 사용되는 것을 통해 반응물의 비용을 완전히 회수 할 수 있게 하고 선택적 촉매 환원 공정에 의해 여분의 CO2를 방출하지도 않는다.
선택적 촉매 환원 시스템은 반응기에 구비된 입구 개구를 통해 배기 가스를 수용하도록 구성된다. 반응기는 긴 사슬(long-chain)의 탄화수소를 경질 탄화수소와 같은 더 단순한 분자로 분해하도록 구성된다. 산화 촉매는 공정: NO + 1/2O2 = NO2를 통해 일산화 질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 산화시키도록 구성된다.
미립자 필터가 축적된 그을음 미립자를 NO2 산화에 의해 연속적으로 산화시키도록 구성되는 것이 바람직하다. 반응기에서 수행되는 분해(cracking) 공정은 온도를 NO2 그을음 산화 온도 이상으로 상승시킨다. 따라서 미립자 필터의 연소는 추가 열을 생성한다.
이로써 환원제로서 디젤유를 적용함으로써 NOx 저감을 위한 개선된 선택적 촉매 환원 시스템 및 선택적 촉매 환원 방법을 제공할 수 있다.
반응물로 디젤유를 사용하면 선박에 요소를 저장하기 위한 탱크에 대한 수요가 제거되고, 요소 공급을 위한 잠재적인 복잡한 물류가 제거된다. 주입된 오일의 비용은 주입된 요소의 비용과 비슷하다.
디젤유는 디젤 엔진에 사용되도록 구성된 액체 유체 (연료유 함유)를 의미한다. 따라서, 디젤유라는 용어는 선박용 디젤유(“증류 선박용 디젤”이라고도 함)를 포함하고, 이는 경유와 중유를 혼합한 것으로, 중간 연료유보다 경유가 적은 함량으로 되어 있다. 디젤유라는 용어는 선박 연로를 포함하는 모든 연료유를 포함한다.
또한 반응물로 오일을 사용하면, 암모니아-중황산염 (NH4)HSO4 또는 황산 암모늄 (NH4)2SO4의 형성으로 인한 촉매 차단 위험이 제거된다.
본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기는 촉매를 사용하는 기존 요소-SCR 반응기보다 무게가 약 40 % 가볍다. 따라서, 본 발명은 반응기 중량을 감소시킬 수 있다.
이 공정은 약 340℃ ~ 약 360℃, 예컨대 약 350℃의 배기 온도에서 시작되지만, 공정이 온도 상승을 유발하기 때문에 320℃ 정도까지의 배기 온도에서 계속 작동할 수 있다.
반응물 주입 및 증발을 위한 파이프의 길이는 종래의 요소(urea) 선택적 촉매 환원 시스템 파이프의 1/5 정도로 짧을 수 있으며, 기존의 강철로 만들 수 있다.
본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템은 디젤 엔진에서 촉매에 의해 질소 산화물 (NOx)을 이원자 질소(N2) 및 물(H2O)로 전환하도록 구성된다. 화학 공정에는 아래의 세 가지 통합된 촉매 단계가 포함된다.
-주입된 오일의 크래킹(cracking);
-이종 NOx 전환 및 후속 반응에 사용되는 라디칼 형성;
-촉매 하류에서 균일한 NOx 전환.
하나의 실시예에서, 산화 촉매 및 입자 필터는 선택적 촉매 환원의 촉매 다음에 배치된다.
선택적 촉매 환원 시스템은 유량 통과(flow-through) 형태의 디젤 산화 촉매 및 그을음(soot) 미립자 필터(수트 미립자 필터라고도 함)를 포함하는 것이 유리할 수 있다. 이에 의해, NO2에 의한 여러 배기 가스 성분의 산화를 촉진할 수 있는 촉매를 제공할 수 있다. 산화 촉매를 자나치면(pass over), 디젤 오염 물질이 무해한 생산물(H2O 및 CO2)로 산화될 수 있으며, 따라서 유량 통과 형태의 디젤 산화 촉매를 사용하여 제어될 수 있다.
미립자 산화 촉매는 그을음 미립자를 보유할 수 있는 특별한 디젤 산화 촉매로, 촉매 산화에 충분한 시간 동안 액체의 그을음 미립자 물질(soot particulate matter material)을 포집하고 저장하도록 구성된 장치의 형태이다. 이 장치는 일반적으로 물질 보유 용량이 포화된 경우에도 배기 가스가 흐르도록 하는 개방형 유량 통과 통로를 구비한다. 포집된 그을음 미립자는 재생(regeneration)이라고 하는 공정에서 가스 생산물로의 산화를 통해 장치로부터 제거되어야 한다. 미립자 산화 촉매 재생은 일반적으로 상류 산화 촉매에서 발생된 그을음과 이산화질소 사이의 반응을 통해 수행된다. 미립자 산화 촉매는 재생이 없을 때에는 최대 용량으로 그을음으로 채워지면 막히지(plug) 않을 것이다. 오히려, 미립자 물질 전환 효율이 점차 감소하여 미립자 물질 방출이 구조물을 통과하게 할 수 있을 것이다.
미립자 필터는 다양한 유형의 기재를 사용할 수 있으며, 유량 통과 필터, 부분 유동 필터, 부분 필터 기술, 개방형 미립자 필터, 미립자 물질 필터 촉매 및 미립자 물질 산화 촉매로서 참조된다.
산화 촉매가 다음의 CO, HC 및 NO 중 하나 이상을 산화시키도록 구성된 촉매로 코팅된 벽을 포함하는 벽 유량 형 미립자 필터(wall-flow type particulate filter)인 것이 유리할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 산화 촉매는 다음의 CO, HC 및 NO 중 임의의 것을 산화시키도록 구성된 촉매로 코팅된 벽을 포함하는 벽 유량 형 미립자 필터이다.
벽 유량 형 미립자 필터는 코디어라이트(cordierite), 알루미늄 티타네이트(aluminum titanate), 멀라이트(mullite) 또는 실리콘 카바이드(silicon carbide)와 같은 세라믹 재료로 만들어질 수 있다. 벽 유량 형 미립자 필터는 대향 단부들이 막힌 대체 채널들을 구비한 허니컴 구조를 포함할 수 있다. 이에 따라, 가스가 채널의 개방 단부로 통과하는 동안, 대향 단부에 있는 플러그는 가스를 허니컴 채널의 다공성 벽을 통해 그리고 인접한 채널을 통해 밖으로 밀어낸다. 채널 벽의 초미세 다공성 구조는 85 % 이상의 수집 효율이 달성될 수 있는 것을 용이하게 한다. 벽 유량 필터는 다공성 벽을 가로지르는 고체 미립자의 차단(interception) 및 충돌(impaction)에 의해 미립자 물질을 포집한다. 낮은 압력 강하를 유지하기 위해 배기 가스가 통과하는 것이 허용된다.
벽 유량 형 미립자 필터는 다공성 벽의 내부 표면에 보유된 미립자의 층을 형성하여 시간이 지남에 따라 가득 채워질 수 있으므로, 축적된 미립자 물질을 태우거나 제거하여 필터를 재생하는 수단을 제공할 필요가 있다. 축적된 미립자 물질을 처리하는 한 가지 적절한 방법은 배기 온도가 적절할 때 필터에서 NO2로 지속적으로 산화("수동적 산화(passive oxidation)")하는 것이다. 필터 온도가 충분히 높지 않으면, 디젤유를 더 많이 주입하여 필터 온도를 높인다. 잡힌 물질을 연소시켜, 필터를 청소하거나 원래 상태로 "재생"한다. 재생의 빈도는 배압의 증가를 초래하는 그을음 축적량에 의해 결정된다. 그을음의 분해를 촉진하기 위해, 촉매가 필터 상에 코팅 형태로 사용된다.
선택적 촉매 환원 촉매와 미립자 필터 사이에 산화 촉매가 제공되는 것이 유리할 수 있다.
산화 촉매는 선택적 촉매 환원 촉매 및 미립자 필터의 하류에 제공되는 것이 바람직하다.
이에 의해, 산화 촉매를 이용하여 일산화질소, NO를 이산화질소, NO2로 산화시키고, 축적된 그을음 미립자를 연소시키기 위해 미립자 필터에서 이산화질소를 사용할 수 있다.
선택적 촉매 환원 시스템은 발전기를 포함하거나 발전기에 연결되는 것이 유리할 수 있다. 이에 따라, 전기가 생산될 수 있다.
미립자 필터가 출구를 포함하고 선택적 촉매 환원 시스템이 터빈에 연결된 발전기를 포함하거나 이러한 발전기에 연결되는 것이 유익할 수 있으며, 이때 터빈은 미립자 필터의 출구와 유체 연통한다.
일 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템은 터빈에 연결되거나 터빈을 포함한다.
터빈이 미립자 필터로부터 방출된 배기 가스를 수신하도록 터빈을 배치함으로써, 배기 가스를 사용하여 터빈을 구동할 수 있다. 이에 따라, 미립자 필터로부터 방출된 배기 가스에 포함된 여분의 에너지는 터빈의 회전을 일으킬 것이다.
바람직한 실시예에서, 터빈은 터빈 하우징에 회전 가능하게 장착된 터빈 휠을 포함한다. 고온의 배기 가스는 터빈 앞에 축적되고 터빈에서 운동 에너지로 변환될 것이다. 이에 따라, 터빈을 고속으로 가속할 수 있다. 일 실시예에서, 배기 가스는 반경 방향으로 터빈 휠의 블레이드 내로 유동되고 그 다음 축 방향으로 터빈 휠의 밖으로 유동된다.
미립자 필터가 증류 장치(distillation apparatus)를 포함하거나 증류 장치에 연결된 출구를 포함하는 것이 유리할 수 있다.
이에 의해, 선택적 촉매 환원 시스템에서 발생한 열을 가해 식수를 생산할 수 있다.
본 발명은 이하에 주어진 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이다. 첨부된 도면은 단지 예시를 위한 것으로서, 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 첨부 도면에서 :
도 1은 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2a는 2 행정 디젤 엔진에 통합 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2b는 4 행정 디젤 엔진에 통합된 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3a는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기의 개략도를 도시한다.
도 3b는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기의 개략적인 횡단면도를 도시하며, 반응기는 제1 섹션과 제1 섹션으로부터 0이 아닌 거리에 제공된 추가 섹션을 포함한다.
도 4a는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기의 개략적인 횡단면도를 도시하며, 반응기는 제1 섹션, 제1 섹션으로부터 0이 아닌 거리에 제공되는 제2 섹션 및 상기 제2 섹션으로부터 0이 아닌 거리에 제공되는 제3 섹션을 포함한다.
도 4b는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기의 제1 섹션 및 제1 섹션으로부터 0이 아닌 거리에 제공된 제2 섹션의 일부의 개략적인 횡단면도를 도시한다.
도 5a는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 매니폴드의 평면도를 도시한다.
도 5b는 도 5a에 도시된 매니폴드의 측단면도를 도시한다.
도 5c는 도 5a에 도시된 매니폴드의 측면도를 도시한다.
도 5d는 도 5a에 도시된 매니폴드의 사시도를 도시한다.
도 6a는 섹션들 사이의 체류 시간의 함수로서의 상대적인 활성(하나의 섹션에 대한 2 개의 섹션)을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 6b는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기의 개략적인 횡단면도를 도시하며, 반응기는 제1 섹션 및 제1 섹션으로부터 0이 아닌 거리에 제공된 추가 섹션을 포함한다.
도 6c는 본 발명에 따른 반응기 섹션의 층의 비스듬한 평면도를 도시한다.
표 1은 다양한 층 구성의 g/L로 측정된 슬러리에서의 Cu 백분율을 나타낸다.
도 7a는 표 1에 기재된 층에서 Cu 함량의 함수로서 촉매 활성을 도시한다.
도 7b는 Cu 함량의 함수로서 NOx의 환원 정도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 촉매 환원 시스템의 반응기의 개략적인 단면도로 3 가지 다소 다른 실시예를 도시한다.
도 9는 도 8에 도시된 반응기의 일부 확대도이다.
도 10a는 반응기에 삽입하기 위한 촉매를 갖는 카세트의 실시예의 3D 렌더링을 도시한다.
도 10b는 도 10a에 도시된 카세트의 횡단면도이다.
도 10c는 도 10a의 반응기의 측면도이다.
도 11은 3 개의 층을 갖는 반응기 섹션의 횡단면의 개략적인 3D 도면이다.
도 12는 반응기에서의 크래킹 공정을 도시한다.
도 13a는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 개략적인 측면도를 도시한다.
도 13b는 반응기의 구조물들이 나타내져 있는 선택적 촉매 환원 시스템을 도시한다.
도 14a는 NOx의 환원을 실행하고 증기 및 전기를 생산하도록 구성된 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 개략도를 도시한다.
도 14b는 NOx의 환원을 실행하고 식수를 생산하도록 구성된 선택적 촉매 환원 시스템의 개략도를 도시한다.
도 15는 NOx의 환원을 실행하고 증기 및 전기를 생산하도록 구성된 선택적 촉매 환원 시스템의 개략도를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2a는 2 행정 디젤 엔진에 통합 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2b는 4 행정 디젤 엔진에 통합된 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3a는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기의 개략도를 도시한다.
도 3b는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기의 개략적인 횡단면도를 도시하며, 반응기는 제1 섹션과 제1 섹션으로부터 0이 아닌 거리에 제공된 추가 섹션을 포함한다.
도 4a는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기의 개략적인 횡단면도를 도시하며, 반응기는 제1 섹션, 제1 섹션으로부터 0이 아닌 거리에 제공되는 제2 섹션 및 상기 제2 섹션으로부터 0이 아닌 거리에 제공되는 제3 섹션을 포함한다.
도 4b는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기의 제1 섹션 및 제1 섹션으로부터 0이 아닌 거리에 제공된 제2 섹션의 일부의 개략적인 횡단면도를 도시한다.
도 5a는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 매니폴드의 평면도를 도시한다.
도 5b는 도 5a에 도시된 매니폴드의 측단면도를 도시한다.
도 5c는 도 5a에 도시된 매니폴드의 측면도를 도시한다.
도 5d는 도 5a에 도시된 매니폴드의 사시도를 도시한다.
도 6a는 섹션들 사이의 체류 시간의 함수로서의 상대적인 활성(하나의 섹션에 대한 2 개의 섹션)을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 6b는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기의 개략적인 횡단면도를 도시하며, 반응기는 제1 섹션 및 제1 섹션으로부터 0이 아닌 거리에 제공된 추가 섹션을 포함한다.
도 6c는 본 발명에 따른 반응기 섹션의 층의 비스듬한 평면도를 도시한다.
표 1은 다양한 층 구성의 g/L로 측정된 슬러리에서의 Cu 백분율을 나타낸다.
도 7a는 표 1에 기재된 층에서 Cu 함량의 함수로서 촉매 활성을 도시한다.
도 7b는 Cu 함량의 함수로서 NOx의 환원 정도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 촉매 환원 시스템의 반응기의 개략적인 단면도로 3 가지 다소 다른 실시예를 도시한다.
도 9는 도 8에 도시된 반응기의 일부 확대도이다.
도 10a는 반응기에 삽입하기 위한 촉매를 갖는 카세트의 실시예의 3D 렌더링을 도시한다.
도 10b는 도 10a에 도시된 카세트의 횡단면도이다.
도 10c는 도 10a의 반응기의 측면도이다.
도 11은 3 개의 층을 갖는 반응기 섹션의 횡단면의 개략적인 3D 도면이다.
도 12는 반응기에서의 크래킹 공정을 도시한다.
도 13a는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 개략적인 측면도를 도시한다.
도 13b는 반응기의 구조물들이 나타내져 있는 선택적 촉매 환원 시스템을 도시한다.
도 14a는 NOx의 환원을 실행하고 증기 및 전기를 생산하도록 구성된 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 개략도를 도시한다.
도 14b는 NOx의 환원을 실행하고 식수를 생산하도록 구성된 선택적 촉매 환원 시스템의 개략도를 도시한다.
도 15는 NOx의 환원을 실행하고 증기 및 전기를 생산하도록 구성된 선택적 촉매 환원 시스템의 개략도를 도시한다.
본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해 도면을 상세히 참조하면, 본 발명의 선택적 촉매 환원 시스템(2)이 도 1에 도시되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(2)의 개략적인 측면도이다. 선택적 촉매 환원 시스템(2)은 각각 반응기(10)의 내부 부분의 일부에 접근하게 할 수 있는 도어(18, 18', 18")가 제공된 반응기(10)를 포함한다. 이에 의해, 반응기(10) 내에서 섹션을 교체하거나 돌릴 수 있다.
반응기(10)는 하부 원추형 부분(20)과 상부 원추형 부분(20') 사이에 샌드위치된 원통형 중앙 부분을 포함한다. 하부 원추형 부분(20)의 원위 단부에는 원위 단부에 플랜지(58)가 형성된 단부 파이프(22)가 형성된다. 마찬가지로, 원위 단부에 플랜지(58')가 형성된 단부 파이프(22')는 상부 원추형 부분(20')의 원위 단부에 형성된다. 도어(18, 18', 18")는 반응기(10)의 중앙 부분에 이동 가능하게 부착(예를 들어, 회전 가능하게 부착 또는 탈착가능하게 부착)된다.
반응기(10)가 수평 및 수직 모두로 배향될 수 있다는 것을 강조하는 것이 중요하다. 반응기가 수평 및 수직 모두에 대해 기울어지도록 반응기(10)를 경사 배향으로 배치하는 것이 또한 가능할 수 있다.
플랜지(58, 58')를 서로 고정함으로써 근위 단부에 플랜지(58)가 형성된 파이프(26')가 단부 파이프(22')에 부착된다. 유사하게, 근위 단부에 플랜지(58)가 형성된 구부러진 파이프(26)는 플랜지(58, 58')를 서로 고정함으로써 단부 파이프(22)에 부착된다. 파이프 구성은 달라질 수 있다 것을 강조하는 것이 중요하다. 본 발명에 따른 일 실시예에서, 파이프(26)는 직선일 수 있다.
주입 유닛(24)은 파이프(26)의 벽을 통해 연장되고 파이프(26) 내로 오일(40)을 주입하도록 구성된다. 주입 유닛(24)은 반응기(10)의 단부 파이프(22)를 향해 오일(40)을 주입하도록 구성된다. 따라서, 주입된 오일(40)은 반응기(10)로 유입될 것이고, 이 반응기에서 선택적인 촉매 환원 시스템(2)에서 디젤유가 환원제로서 적용된다.
파이프(26)의 배기로 오일(액체 형태)이 주입될 때, 디젤유 방울이 증발할 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 시스템은 별도의 오일 증발 유닛을 필요로 하지 않는다.
선택적 촉매 환원 시스템(2)은 제1 도관(34)에 의해 반응기(10)의 제1 부분에 그리고 제2 도관(34')에 의해 반응기(10)의 제2 부분에 연결된 차압 센서(32, differential pressure sensor)를 포함한다. 이에 의해, 차압 센서(32)는 제1 부분과 제2 부분 사이에서 연장되는 반응기(10)의 부분을 가로지르는 차압을 측정할 수 있다. 실제적인 이유로, 차압 센서(32)는 제1 도관(34)에 의해 반응기(10)의 하부에 연결되고 제2 도관(34')에 의해 반응기(10)의 상부에 연결되는 것이 유리할 수 있다. 따라서, 차압 센서(32)는 촉매가 배치된 반응기(10)의 중앙 부분에 걸친 차압을 측정할 수 있다. 그러므로, 차압 센서(32)는 차압이 미리 정의된 압력 레벨(예를 들어, 1-1000 mbar, 4-500 mbar, 바람직하게는 8-100 mbar, 예컨대 10-20 mbar)을 초과할 때를 검출하도록 구성된다. 선택적 촉매 환원 시스템(2)은 바람직하게는 차압이 미리 정의된 압력 레벨을 초과할 때 경보를 발생시키도록 구성된 경보 유닛을 포함한다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서, 2 개의 분리된 압력 센서가 반응기(10)의 2 개의 상이한 위치에서의 압력을 측정하기 위해 적용된다. 2 개의 검출된 압력을 비교함으로써, 2 개의 측정 지점 사이의 압력 차이를 계산할 수 있다. 따라서, 차압 센서(32)는 2 개의 압력 센서로 대체될 수 있다.
선택적 촉매 환원 시스템(2)은 반응기(10)의 하부(입구) 부분에서 온도를 검출하도록 배열되고 구성된 제1 온도 센서(28)를 포함한다. 선택적 촉매 환원 시스템(2)은 반응기(10)의 상부(출구) 부분에서 온도를 검출하도록 배치되고 구성된 제2 온도 센서(30)를 포함한다. 제1 온도 센서(28) 및 제2 온도 센서(30)에 의해 검출된 온도를 비교함으로써, 반응기(10)에 걸친 온도 증가를 측정할 수 있다.
선택적 촉매 환원 시스템(2)은 파이프(54")를 통해 디젤 탱크(50)에 연결된 펌프(48)를 포함한다. 펌프(48)는 바람직하게는 충분히 높은 압력을 발생시키도록 구성된 펌프이다. 펌프(48)는 주입 유닛(24)과 유체 연통된다. 펌프(48)는 파이프(54')를 통해 유량 센서(46)에 연결된다. 제어 밸브(44)가 파이프(54)를 통해 유량 센서(46)에 연결되고, 제어 밸브(44)가 파이프(36)를 통해 주입 유닛(24)에 연결된다. 파이프(55)는 파이프(54')와 디젤 탱크(50) 사이에서 연장된다. 이에 따라, 디젤유는 파이프(54')로부터 디젤 탱크(50)로 복귀될 수 있다. 본 발명에 따른 일 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템(2)은 병렬 연결된 2 개의 펌프(48)(제1 펌프 및 제2 펌프)를 포함한다. 이에 의해, 제1 펌프가 오작동하거나, 수리 또는 교체가 필요한 경우에 제2 펌프를 적용할 수 있고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
주입 유닛(24) 아래에 트레이(오일을 수집하기 위함)가 배치될 수 있다. 유사하게, 트레이는 누출 오일을 수집하기 위해 펌프 아래에 배치될 수 있다. 시스템(2)은 바람직하게는 충분히 큰 누출의 경우 경보를 발생시키도록 배치되고 구성된 센서를 포함할 수 있다.
선택적 촉매 환원 시스템(2)은 프로그램 가능 논리 제어기(60)를 포함한다. 차압 센서(32), 온도 센서(28, 30), 펌프(48), 유량 센서(46) 및 제어 밸브(44)는 케이블(52, 52', 52")에 의해 프로그램 가능 논리 제어기(60)에 연결된다. 그러나 이 유선 연결을 (상당하는 송신기 및 수신기를 적용하여) 무선 연결로 대체할 수 있다. 프로그램 가능 논리 제어기(60)는 차압 센서(32), 온도 센서(28, 30), 펌프(48), 유량 센서(46) 및 제어 밸브(44)에 의해 검출된 측정치(센서 입력)를 수신한다. 프로그램 가능 논리 제어기(60)는 차압 센서(32), 온도 센서(28, 30) 및 유량 센서(46)의 센서 입력에 기초하여 펌프(48) 및 제어 밸브(44)를 제어하도록 구성된다. 검출된 온도 사이의 차이가 사전 정의된 온도 수준을 초과하거나 검출된 온도 사이의 차이가 사전 정의된 온도 수준보다 낮은 경우, 프로그램 가능 논리 제어기(60)는 경보를 발생시키도록 구성될 수 있다.
도 2a는 2 행정 디젤 엔진(4)에 일체화된 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(2)의 개략도를 도시한다. 2 행정 디젤 엔진(4)은 피스톤(70)을 갖는 실린더(66)를 포함한다. 압축기(80)는 실린더(66)와 유체 연통하는 소기 공기 수용기(76, scavenge air receiver)로 압축 공기를 전달하도록 배치된다.
배기 가스는 배기 가스 리시버(78)에 연결된 파이프를 통해 실린더(66)를 떠난다. 배기 가스 리시버(78)는 배기 터빈(팽창기)(82)에 연결된다. 배기 가스 리시버(78)는 배기 터빈(82)의 입구 및 출구 모두에 연결된다. 제어 밸브(68"')는 배기 가스 리시버(78)를 배기 터빈(82)의 입구에 연결하는 파이프를 통한 흐름을 제어하도록 배치된다. 제어 밸브(68)는 배기 가스 리시버(78)를 떠나는 파이프로부터의 흐름을 조정하도록 배치된다.
선택적 촉매 환원 시스템(2)은 오일 펌프(48), 오일 인젝터(6) 및 반응기(10)를 포함한다. 오일 펌프(48)는 가압된 오일을 오일 인젝터(6)에 전달하도록 구성된다. 오일 인젝터(6)는 가압된 오일을 반응기(10) 내로 주입하도록 배치되고 구성된다. 송풍기(72)는 (압축된) 공기를 반응기(10) 내로 송풍시키도록 배치된다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 송풍기(72)는 미리 정의된 방식으로 촉매의 모든 섹션에서 제1 촉매층 아래로 공기를 송풍하도록 구성되고, 바람직하게는 촉매 입구 표면을 깨끗하게 유지하기 위해 고정된 시간 간격으로 송풍한다.
반응기(10)는 배기 가스 리시버(78)의 출구와 배기 터빈(82) 사이에 배치된다. 오일 분사 시스템(6)은 배기 가스 리시버(78)와 반응기(10) 사이에 배치된다.
선택적 촉매 환원 시스템(2)은 배기 가스 리시버(78)와 오일 분사 시스템(6) 사이에 배열된 제어 밸브(68')를 포함한다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 송풍기(72)는 선택적 촉매 환원 시스템(2)의 일체화된 부분일 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시 예에서, 송풍기(72)는 선택적 촉매 환원 시스템(2)의 일체화된 부분이 아닌 별도의 유닛일 수 있다.
제어 밸브(68")는 반응기(10)의 출구 뒤에 배치된다. 제어 밸브(68')는 반응기(10)로부터의 흐름을 조절하도록 구성된다.
소기 공기 수용기(76)는 배기 터빈(82)에 연결된다. 제어 밸브(74)는 소기 공기 수용기(76)와 배기 터빈(82) 사이에 구비된다. 제어 밸브(74)는 임의의 적합한 유형 및 크기일 수 있다.
선택적 촉매 환원 시스템(2)은 선택적 촉매 환원 시스템(2)의 다수의 유닛을 제어하도록 구성된 제어 유닛(62)을 포함한다. 본 발명에 따른 일 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템(2)은 펌프(48), 제어 밸브(68, 68', 68", 68"')들 중의 적어도 하나 및 브레이크 저항기(74)를 제어하도록 구성된 제어 유닛(62)을 포함한다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템(2)은 펌프(48), 제어 밸브(68, 68', 68", 68"'), 브레이크 저항기(74) 및 오일 분사 시스템(6)을 제어하도록 구성된 제어 유닛(62)을 포함한다.
선택적 촉매 환원 시스템(2)은 다수의 센서(예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같음);와, 하나 이상의 센서에 의해 검출된 하나 이상의 파라미터가 사전 정의된 레벨을 초과하거나 더 작을 때 경보를 발생시키도록 구성된 경보 유닛;을 포함할 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 선택적 촉매 환원 시스템(2)은 2 행정 디젤 엔진(2)(예를 들어, 선박용 엔진) 상의 배기 리시버(78)와 배기 터빈(82) 사이의 NOx의 선택적 촉매 환원을 위해 구성된다.
도 2b는 4 행정 디젤 엔진(4)에 일체화된 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(2)의 개략도를 도시한다. 4 행정 디젤 엔진(4)은 피스톤(70)을 갖는 실린더(66)로 표시된다. 압축기(80)는 실린더(66)와 유체 연통되는 공기 냉각기(30)에 압축 공기를 전달하도록 배치된다.
배기 가스는 배기 가스 리시버(78)에 연결된 파이프를 통해 실린더(66)를 떠난다. 배기 가스 리시버(78)는 배기 터빈(82)에 연결된다.
반응기(10)는 배기 터빈(82) 다음에 배치된다. 선택적 촉매 환원 시스템(2)은 오일 주입기(6) 및 반응기(10)를 포함한다. 디젤 탱크(50)는 오일 주입기(6)와 유체 연통된다. 따라서, 탱크(50)는 오일을 오일 주입기(6)로 전달하도록 구성된다. 배기 터빈(82)은 오일 주입기(6)에 연결되며, 이 오일 주입기(6)는 반응기(10) 내로 가압된 오일을 분사하도록 구성되고 배치된다. 송풍기(72)는 (압축된) 공기를 반응기(10) 내로 송풍시키도록 배치된다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 송풍기(72)는 미리 정의된 방식으로 촉매의 모든 섹션에서 제1 촉매층 아래로 공기를 송풍하도록 구성되고, 바람직하게는 촉매 입구 표면을 깨끗하게 유지하기 위해 고정된 시간 간격으로 송풍한다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 송풍기(72)는 선택적 촉매 환원 시스템(2)의 일체화된 부분일 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서, 송풍기(72)는 선택적 촉매 환원 시스템(2)의 일체형 부분이 아닌 별도의 유닛일 수 있다.
선택적 촉매 환원 시스템(2)은 선택적 촉매 환원 시스템(2)의 다수의 유닛을 제어하도록 구성된 제어 유닛(62)을 포함한다. 본 발명에 따른 일 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템(2)은 오일 주입기(6) 및 선택적 촉매 환원 시스템(2)의 하나 이상의 구조물을 제어하도록 구성된 제어 유닛(62)을 포함한다.
선택적 촉매 환원 시스템(2)은 하나 이상의 제어 밸브(미도시)를 포함할 수 있고, 제어 유닛(62)은 이들 제어 밸브 중 하나 이상을 제어하도록 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 일 실시예에서, 제어 유닛(62)은 하나 이상의 센서로부터 하나 이상의 신호를 수신하고 수신된 신호(들)에 기초하여 하나 이상의 장치를 조절하도록 구성된다. 제어 유닛(62)은 온도 및/또는 차압 검출에 기초하여 하나 이상의 밸브 및/또는 오일 분사기(6)를 제어하도록 구성될 수 있다.
선택적 촉매 환원 시스템(2)은 다수의 센서(예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같음), 및 하나 이상의 센서에 의해 검출된 하나 이상의 파라미터가 사전 정의된 레벨을 초과하거나 미리 정의된 레벨보다 작을 때 경보를 발생시키도록 구성된 경보 유닛을 포함할 수 있다.
도 3a는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기(10)의 개략도를 도시한다. 반응기(10)는 중앙부의 하단(화살표로 표시된 흐름 방향에 대하여)에 배치된 제1 도어(18) 및 중앙부의 상단(화살표로 표시된 흐름 방향에 대하여)에 배치된 제2 도어(18)를 구비한 원통형 중앙 부분을 포함한다. 도어(18, 18')는 반응기(10)의 내부에 접근하기 위해 개방 또는 제거되도록 구성된다. 이는 반응기(10) 내부에 배치된 층들(도 3b 참조)의 용이한 교체를 가능하게 한다.
중앙 부분은 하부 원추형 부분(20)과 상부 원추형 부분(20') 사이에 끼워져 있다. 하부 원추형 부분(20)의 원위 단부에는, 원위 단부에 플랜지(58')가 구비된 단부 파이프(22)가 구비된다. 마찬가지로, 원위 단부에 플랜지(58')가 구비된 단부 파이프(22')는 상부 원추형 부분(20')의 원위 단부에 구비된다.
근위 단부에 플랜지(58)가 구비된 구부러진 파이프(26)는 인접한 플랜지(58, 58')를 서로 부착함으로써 단부 파이프(22)에 부착된다. 파이프(26)는 다른 구성을 가질 수 있다. 파이프(26)는 예컨대 직선일 수 있다.
가압 공기를 전달하도록 구성된 압력 탱크(31)는 제1 도관 및 제2 도관에 의해 반응기(10)에 연결된다. 압력 탱크(31)와 반응기(10) 사이의 제1 도관에는 밸브(33)가 배치되는 한편, 압력 탱크(31)와 반응기(10) 사이의 제2 도관에는 다른 밸브(33)가 배치된다.
반응기(10)에는 제1 지지 레그(90), 제2 지지 레그(90') 및 제3 지지 레그(도시되지 않음)가 구비된다. 반응기(10)는 하나 이상의 오일 주입기 및/또는 하나 이상의 제어 밸브(도시되지 않음)를 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템에 적용될 수 있다. 제어 유닛은 차압 센서(32)를 포함하는 하나 이상의 센서로부터 정보를 수신하도록 구성될 수 있다.
도 3b는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기(10)의 개략적인 횡단면도를 도시한다. 반응기(10)는 기본적으로 도 3a에 도시된 것에 대응한다. 반응기(10)는 하부 원추형 부분(20)과 상부 원추형 부분(20') 사이에 샌드위치된 원통형 중앙 부분을 포함한다. 하부 원추형 부분(20)의 원위 단부에는 원위 단부에 플랜지(58')가 구비된 단부 파이프(22)가 구비된다. 마찬가지로, 원위 단부에 플랜지(58')가 제공된 단부 파이프(22')는 상부 원추형 부분(20')의 원위 단부에 구비된다.
원통형 중앙 부분의 내부에는 제1 섹션(14) 및 추가 섹션(16)이 제1 섹션(14)으로부터 0이 아닌 거리(D3)로 형성된다. 플레이트 부재가 제1 섹션(14)과 추가 섹션(16) 사이에 구비된다. 플레이트 부재(84)는 반응기(10)의 내부로 주입된 오일을 분산시키도록 구성된다.
각각의 섹션(14, 16)은 각각 여러 층(S1, S2, S3 및 S1', S2', S3')을 포함한다. 인접한 층(S1, S2, S3, S1', S2', S3')들 사이의 거리와, 제1 섹션(14)과 추가 섹션(16) 사이의 거리(D3)는 생성된 자유 라디칼 NH4 +가 상기 언급된 균질 촉매화 단계 동안 반응을 통해 영향을 미치는 시간을 제공한다 :
(5) NH4 + + NO2 ⇒ N2 + 2H2O
따라서, 인접한 층(S1, S2, S3, S1', S2', S3')들 사이 및 제1 섹션(14)과 추가 섹션(16) 사이에 0이 아닌 거리를 제공함으로써, 반응기(10)의 효과를 효율적으로 증가시킬 수 있다. 인접한 층(S1, S2, S3, S1', S2', S3')들 사이의 거리와, 제1 섹션(14)과 추가 섹션(16) 사이의 거리(D3)는 자유 라디칼 NH4 +의 최대 효과가 달성될 수 있도록 선택된다. 거리(D3)는 5-1000 mm, 바람직하게는 50-500 mm, 예컨대 100-400 mm이다.
하부 원추형 부분(20)에는 디퓨저(88)가 구비된다. 디퓨저는 주입된 오일(40)을 제1 섹션(14)의 제1 층(S1)을 향해 그리고 제1 층(S1) 상으로 혼합하여 확산시키도록 구성된다.
처리될 배기가스는 제1 단부(92)에 형성된 입구를 통해 반응기(10)로 유입되고, 제1 섹션(14), 제2 섹션(16)을 통과하고 제2 단부(94)에 구비된 출구를 통해 반응기(10)를 떠난다. 배기 가스는 주입된 오일(40)을 기체 형태로 운반한다. 가스 상태의 오일(40)은 초기에 디퓨저(88)에 의해 외부로 안내된다. 폐쇄 구조물(134, 134', 134")은 각각의 층(S1, S2, S3)의 연장으로서 방사상으로 연장된다. 따라서, 폐쇄 구조물(134, 134', 134")은 증발된 디젤 오일(40)이 층(S1, S2, S3)에 구비된 통로를 통해 (축 방향으로) 통과하도록 강제한다.
제1 섹션(14)은 갭에 의해 분리되어 서로 위에 배치된 3 개의 층(S1, S2, S3)을 포함한다. 마찬가지로, 제2 섹션(16)은 서로 위에 배치된 3 개의 층(S1', S2', S3')으로 구성되며, 인접한 층(S1', S2', S3')들 사이에 거리가 형성된다.
제1 섹션(14)의 층(S1, S2, S3) 및 제2 섹션(16)의 층(S1', S2', S3')은 Ce/Cu-ZSM-5 형 촉매 또는 Ce-Zr/Cu-ZSM-5 형 촉매를 형성할 수 있다.
Ce/Cu-ZSM-5 형 촉매를 사용하는 경우, 촉매는 바람직하게는 Cu 첨가 후 및 Ce 및 Zr 첨가 후에 각각 소성될(calcinated) 수 있다.
Ce-Zr/Cu-ZSM-5 형 촉매를 사용하는 경우, Cu 및 Ce 및 Zr을 동시에 첨가하는 것이 바람직하고, Cu 및 Ce 및 Zr을 첨가한 후 분말을 소성하는 것이 바람직하다.
두 유형 모두에 대해, TiO2가 결합제에 첨가되어 촉매 분말을 기재에 결합시킬 수 있다. 기재는 CPSI(Cells Per Square Inch)가 81-256 범위인 골판 강판 또는 골판 세라믹 판으로 구성될 수 있다.
제1 섹션(14)의 층(S1, S2, S3)과 제2 섹션(16)의 층(S1', S2', S3')은 본질적으로 동일한 두께를 가질 수 있다. 각 층의 두께는 5 내지 500 mm, 바람직하게는 10 내지 250 mm, 예컨대 40 내지 150 mm, 또는 75 mm일 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 층 S1의 두께는 5 내지 500 mm, 바람직하게는 10 내지 250 mm, 예컨대 40 내지 150 mm, 예를 들어 75 mm이다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 층 S2는 5 내지 500 mm, 바람직하게는 10 내지 250 mm, 예컨대 40 내지 150 mm, 예를 들어 75 mm의 두께를 갖는다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 층 S3의 두께는 5 내지 500 mm, 바람직하게는 10 내지 250 mm, 예컨대 40 내지 150 mm, 예를 들어 75mm이다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 층 S1', S2' 및 S3'의 두께는 5 내지 500 mm, 바람직하게는 10 내지 250 mm, 예컨대 40 내지 150 mm, 또는 75 mm이다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 층(S1, S2, S3)들은 동일한 유형 및 치수를 갖는다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서, 층(S1, S2, S3)들은 상이한 유형 및/또는 두께를 갖는다.
플레이트 부재(84)는 제1 섹션(14)과 제2 섹션(16) 사이에 배치된다. 중앙에 배치된 튜브로서 형성된 튜브형 구조물(86)은 반응기(10)의 하부 원추형 부분(20)의 종축을 따라 연장된다. 증발된 오일(40')은 2 개의 섹션(14, 16) 사이의 공간으로 도입된다. 튜브형 구조물(86)의 원위 단부는 플레이트 부재(84)에 거리(h)로 형성된다. 플레이트 부재(84)는 증발된 디젤유(40')를 반응기(10)의 주변부를 향해 방사상으로 안내하도록 구성되고 배치되고, 반응기(10)의 주변부로부터 증발된 디젤유(40')가 제2 섹션(16)의 제1 층(S1')을 향해 안내된다.
본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템은 CO를 CO2로, HC를 CO2 및 H2O로 산화시키도록 구성된 추가 산화 촉매 반응기(미도시)를 포함할 수 있다. 추가 산화 촉매 반응기는 바람직하게는 반응기(10) 뒤에 배치될 수 있다.
제1 섹션(14)에서 (반응기(10)의 입구(92)에 가장 근접하게 배치되는) 제1 촉매 층(S1) 및 제2 섹션(16)에서 제1 촉매 층(S1') 아래에서, 공기는 촉매 입구 표면을 깨끗하게 유지하기 위해 일정한 시간 간격으로 송풍될 수 있다. 이것은 송풍기(도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같음)에 의해 수행될 수 있다.
섹션들(14, 16)의 촉매는,
- 오일 크래킹;
- 이종 NOx 전환 및 후속 반응에 사용되는 라디칼 형성;
- 촉매 하류에서 균일한 NOx 전환;을 포함하는 세 가지 통합 촉매 공정을 확실히 이루어지도록 한다.
온도는 제1 섹션(14)에 걸쳐 증가한다. 이 온도 증가(ΔT1)는 도 3b에 표시되어 있다. 마찬가지로, 온도는 제2 섹션(16)에 걸쳐 증가한다. 이 온도 증가(△T2)는 또한 도 3b에 표시되어 있다.
본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템은 반응기(10) 후에 배치된 폐열 회수 시스템을 포함한다. 이로써, 폐열 회수 시스템은 반응기(10)의 촉매에서 방출된 열을 회수할 수 있다.
회수된 열은 식수 또는 전기 생산을 위한 증기 생성에 사용될 수 있다(식수나 전기는 선택적 촉매 환원 시스템이 선박 디젤 엔진의 배기 스트림에서 NOx의 선택적 촉매 환원에 적용되는 경우 선상에서 사용될 수 있다).
도 4a는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기(10)의 개략적인 횡단면도를 도시한다. 선택적인 촉매 환원 시스템은 제1 섹션(14), 제1 섹션(14)으로부터 0이 아닌 거리(D1)로 구비된 제2 섹션(16) 및 제2 섹션(16)으로부터 0이 아닌 거리(D2)로 구비된 제3 섹션(16')을 구비한 반응기(10)를 포함한다. 반응기(10)는 기본적으로 도 3a 및 도 3b에 도시된 것에 상응한다. 반응기(10)는 하부 원추형 부분(20)과 상부 원추형 부분(20') 사이에 샌드위치된 원통형 중앙 부분을 포함한다. 원위 단부에 플랜지(58')가 구비된 단부 파이프(22)가 하부 원추형 부분(20)의 원위 단부에 구비된다. 마찬가지로, 원위 단부에 플랜지(58')가 구비된 단부 파이프(22')는 상부 원추형 부분(20')의 원위 단부에 구비된다 .
그러나, 원통형 중앙 부분의 내부에는, 제1 섹션(14) 및 추가 섹션(16)이 제1 섹션(14)으로부터 0이 아닌 거리(D1)에 구비된다. 제2 플레이트 부재(84')가 추가 (제 2) 섹션(16)과 제3 섹션(16') 사이에 0이 아닌 거리(D2)에 구비된다. 플레이트 부재(84, 84')는 반응기(10)의 내부로 주입된 디젤유(40')를 분산시키도록 구성된다.
제1 섹션(14)과 추가 섹션(16) 사이의 거리(D1) 및, 인접한 층들(S1, S2, S3, S1', S2', S3') 사이의 거리는 생성된 자유 라디칼 NH4 +가 이산화질소(NO2)와의 반응에 영향을 미치는 시간을 제공하여 이원자의 질소 가스(N2) 및 물(H2O)을 형성하도록 한다. 마찬가지로, 추가 섹션(16)과 제3 섹션(16') 사이의 거리(D2)와 인접한 층들(S1", S2", S3") 사이의 거리는 생성된 자유 라디칼 NH4 +가 이산화질소(NO2)와의 상기 반응을 통해 영향을 미치는 시간을 제공한다.
인접 섹션들(14, 16, 16') 사이 및 인접 층들(S1, S2, S3, S1', S2', S3', S1", S2", S3") 사이에 0이 아닌 거리(D1, D2)를 제공함으로써, 반응기(10)의 효과를 효율적으로 상승시킬 수 있다. 상기 거리는 바람직하게 자유 라디칼 NH4 +의 최대 효과가 달성될 수 있는 방식으로 선택될 수 있다. 거리(D1, D2)는 5-1000 mm, 바람직하게는 100-400 mm와 같은 50-500 mm 범위일 수 있다. 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예에서, 거리(D1, D2)는 동일하다. 인접한 층들(S1, S2, S3, S1', S2', S3', S1", S2", S3") 사이의 거리는 5 내지 1000 mm, 바람직하게는 25 내지 500 mm의 범위일 수 있고, 예컨대 50-400 mm이다.
관형 구조물(86)은 반응기(10)의 하부 원뿔형 부분(20)의 길이 방향 축을 따라 중심으로 연장된다. 관형 구조물(86)은 제1 섹션(14)을 통해 연장되어 그로부터 돌출된다. 디퓨저(88)는 튜브형 구조물(86)의 입구 부분에 배치된다. 디퓨저(88)는 주입된 오일을 제1 섹션(14)의 제1 층(C1)을 위를 향하여 혼합하여 확산시키도록 구성되고 배치된다.
선택적 촉매 환원 시스템이 설치된 엔진으로부터 배출되는 배기가스는 제1 단부(92)에 형성된 입구를 통해 반응기(10)로 들어가고, 제1 섹션(14), 제2 섹션 (16), 및 제3 섹션(16')을 통과하고 제 2 단부(94)에 제공된 배출구를 통해 반응기(10)를 떠난다.
제1 섹션(14)은, 서로 위에 배치된 3 개의 층(S1, S2, S3)을 포함하며, 인접한 층은 서로 축방향으로이격되어 있다. 제2 섹션(16)은 서로 위에 배치되고 서로 이격된 여러 층(S1', S2', S3')을 포함한다. 제 3 섹션(16')은 서로 이격된 여러 층(S1", S2", S3")을 포함한다.
섹션들(14, 16, 16')은 도 3b를 참조하여 설명된 섹션과 동일한 유형일 수 있다. 섹션들(14, 16, 16 ')은 도 3b를 참조하여 설명된 섹션들과 동일한 규격(두께 포함)을 가질 수 있다.
모든 섹션(14, 16, 16')에 걸쳐 온도가 상승한다. 각각의 섹션(14, 16, 16')에 걸친 온도 증가 ΔT3, ΔT4, ΔT5는 도 4a에 표시되어 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템은 반응기(10) 뒤에 배치된 폐열 회수 시스템(도시되지 않음)을 포함한다. 이로써, 폐열 회수 시스템은 반응기(10)의 촉매에서 방출된 열을 회수할 수 있다. 따라서, 회수된 열은 식수 또는 전기 생산을 위한 증기 생성에 사용될 수 있다 식수와 전기는 선택적 촉매 환원 시스템이 해양용 디젤 엔진의 배기 스트림에서 NOx의 선택적 촉매 환원을 위해 적용되는 경우 선상에서 사용될 수 있다).
도 4b는 제1 층(S1) 및 제1 층(S1)으로부터 제로가 아닌 거리에 구비된 제2 층(S2)의 일부의 개략적인 확대도를 도시한다. 인접한 층(S1, S2)은 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기의 인접한 섹션의 동일한 섹션의 층일 수 있다. 각각의 층(S1, S2)은 층(S1, S2)을 통해 연장되는 복수의 통로(112, 112')가 구비된 구조를 포함한다. 각각의 층(S1, S2)은 코팅으로서 기판에 부착된 촉매 분말(109, 109')에 의해 적어도 부분적으로, 바람직하게는 완전히 코팅된 기판(108, 108')을 포함한다.
크래킹 공정은 반응기 내부의 첫 번째 공정 단계를 나타낸다. 반응물로서 사용된 디젤유는 제1 층(S1)의 촉매층(화살표로 지시된 방향으로) 상류에 작은 방울로서 배기구 내로 주입된다. 오일(디젤유)의 주입은 바람직하게는 제1 촉매층(S1)에 도달하기 전에 오일 방울의 최소 80%가 증발되도록 하는 방식으로 수행된다. 선택적 촉매 환원 시스템은 오일을 배기 장치 내로 균일하게 분산시키도록 구성된다.
증발된 오일은 촉매층(S1)의 표면에서 갈라진다. 따라서, 크랙된 오일(110)은 기판(108, 108')의 원위 부분에 존재할 것이다. 오일의 일부는 제1 촉매 층 (S1) 및 제2 촉매 층(S2)의 통로(112, 112')를 향하여 크랙되지 않은 상태로 흐를 수 있다. 온도가 상승함에 따라(도 4a를 참조하여 설명된 바와 같이), 주입된 오일의 최소량만이 시스템을 통과한다.
선택적 촉매 환원 시스템이 해양용 엔진에서 사용될 때, 디젤유는 상대적 장쇄 탄화수소(HC, long-chained hydrocarbon) 연결을 포함한다. 이러한 연결은 촉매 공정 중 단쇄 HC(short-chained HC) 연결로 분해된다. 따라서, 단쇄 HC 연결은 촉매층으로 들어가 NO를 N2 및 H2O로 전환시키고 추가로 라디칼 (NH4+)을 생성하기에 충분히 짧을 것이다.(NOx 전환의) 화학 반응은 다음과 같다.
수행된 NO 산화는 다음과 같이 표현될 수 있다:
(1) NO + ½O2 => NO2
(2) NO + NO2 + 2H+ => 2NO+ + H2O
수행된 불균일 촉매는 다음과 같이 표현될 수 있다:
(3) 2C4H8 + 10O2 + 2NO+ => N2 + 2CO + 6CO2 + 8H2O
(4) C3H6 + NO+ + 2,5 O2 => NH4 + + CO + 2CO2 + H2O
수행된 균질 촉매는 다음과 같이 표현될 수 있다:
(5) NH4 + + NO2 => N2 + 2H2O
도 5a는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 매니 폴드 (100)의 평면도를 도시한다. 도 5b는 도 5a에 도시된 매니 폴드(100)의 측 단면도를 도시한다. 도 5c는 도 5a에 도시된 매니 폴드(100)의 측면도 및 도 5d는 도 5a에 도시된 매니 폴드(100)의 사시도이다.
매니 폴드(100)는 매니 폴드(100)의 입구 단부에 제1 플랜지(102) 및 매니 폴드(100)의 반대쪽 출구 단부에 제2 플랜지(104)가 구비되는 원통형 관형 몸체 부분을 포함한다. 플랜지(102, 104)는 매칭 플랜지가 구비된 인접한 파이프(도시되지 않음)에 부착되도록 구성된다.
매니 폴드(100)는 매니 폴드(100)의 원주를 따라 균등하게 분포된 4 개의 연결 파이프(96, 96', 96", 96''')를 포함한다. 연결 파이프(96, 96', 96", 96''')는 원통형 관형 몸체 부분의 종축에 대해 치우쳐진다.
각각의 연결 파이프(96, 96', 96", 96''')는 그 원위 단부에 플랜지(98)가 구비된다. 노즐(106)은 각각의 연결 파이프(96, 96', 96", 96''')의 내부를 통해 연장된다. 노즐(106)은 매니 폴드(100)의 상부 중앙부에 오일을 주입하도록 배치 및 구성된다.
도 6a는 상기 언급된 식 (5)에 나타낸 바와 같이 균질한 NOx 환원 공정을 위한 섹션들 사이의 체류 시간(116) (초 단위로 측정 됨)의 함수로서 상대적인 환원 활성(118) (하나의 섹션에 대한 2 개의 섹션)을 각각 나타내는 2 개의 그래프를 도시한다.
도 6a는 NOx 환원 활성(118)이 두 층 사이의 거리의 함수로서 어떻게 변화하는지에 대한 두 가지 예를 도시한다(가스 입자가 한 섹션에서 다른 섹션으로 이동하는 시간(116)으로 도시됨). 하나의 층이 인접한 층으로부터 매우 작은 거리에 배치될 때, 활성(118)의 증가는 미미한 반면, 거리가 증가하면 활성이 증가한다. 그러나, 활성(118)은 촉매 사양(섹션을 구성하는 층)에 좌우된다.
최상위 그래프는 상이한 유형의 2 개의 층이 적용될 때 활성을 나타내는 점(122)을 포함한다. 활성은 단일 층만을 포함하는 반응기에서의 기준 활성에 대하여 측정된다.
최하단 그래프는 촉매층 두께가 낮을 때 활성을 나타내는 점(120)을 포함한다. 활성은 단일 섹션만을 포함하는 반응기에서의 기준 활성에 대하여 측정된다.
촉매층 두께가 더 큰 상황에 비해 상대 활성(118)이 매우 낮다는 것을 알 수있다. 두 그래프 모두 체류 시간(116)의 함수로서 증가한다. 따라서, 각각으로부터 0이 아닌 거리에서 구비되는 2 개의 섹션을 도입함으로써 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 효율을 증가시킬 수 있다.
그러나 가장 낮은 그래프는 촉매층이 얇을 때 여러 층의 효과가 최소라는 것을 보여준다. 따라서, 촉매층이 미리 정의된 최소층 두께를 초과하는 것이 바람직하다. 미리 정의된 최소 촉매층 두께는 Cu, Fe 또는 Mg의 상대 함량에 따라 달라질 수 있다.
도 6b는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 반응기(10)의 개략적 인 단면도를 도시하며, 여기서 반응기(10)는 제1 섹션(14) 및 이 제 1 섹션(14)으로부터 0이 아닌 거리(D3)에 구비된 추가 섹션(16)을 포함한다. 반응기(10)는 기본적으로도 3b에 도시된 것과 상응한다. 그러나, 반응기(10)는 관형 구조물을 포함하지 않는다.
도 6c는 본 발명에 따른 반응기의 섹션의 층(S1)의 비스듬한 평면도를 도시한다. 층(S1)에는 복수의 종방향 연장 통로(112)가 구비된다. 통로(112)는 직사각형, 바람직하게는 정사각형 단면을 갖고, 바람직하게는 동일한 크기를 갖는다. 각각의 통로(112)는 적어도 부분적으로 촉매 코팅으로 덮여 있다. 바람직한 실시 예(미도시)에서, 골판이 적용된다. 이 실시예에서, 통로는 직사각형이 아니다.
층(S1)의 높이(H)는 예를 들어 40-150mm와 같은 20-300mm의 범위, 예컨대 60-120 mm 범위에 있을 수 있다.
표 1은 슬러리 중의 Cu 백분율과, 1A-1B라는 제1층 구성, 1Bb라는 제2층 구성 및 1B-1C라는 제3층 구성의 g/L로 측정된 슬러리로딩량을 나타낸다. 제1층 구성(1A-1B)에서, 층들은 두 섹션에서 서로의 상부에 배열된다. 제2층 구성(1Bb)에서, 두 섹션에서 층들 사이에 공간이 없고, 제3층 구성(1B-1C)은 인접한 층들 사이의 공간이 있다.
도 7a는 표 1에 기재된 층에서 Cu 함량의 함수로서 촉매 활성(126) (ppm 단위로 측정된 NOx 감소)을 도시한다. 도 7a는 층(124)의 수의 함수로서 NOx 감소를 도시한다. 사전 정의된 기준 조건 하에서 배치된 층(1B)은 빈 사각형으로 표시된다. 제1층 구성(1A-1B)은 실선으로 표시되고, 제2층 구성(1Bb)은 빈 원으로 표시되고, 제3층 구성(1B-1C)은 빈 삼각형으로 표시된다.
도 7a는 1.7 % Cu 함량을 갖는 제1층 구성(1A-2B)의 층이 서로의 위에 배치될 수 있음을 도시한다. 그러나, 이것은 상대적으로 낮은 활성(126)을 제공한다. 증가된 Cu 로딩은 활성(16)을 증가시키지만, 또한 전술한 식 (4) 및 (5)를 참조하여 설명된 라디칼의 생성을 증가시키고, 촉매 내부가 아닌 촉매 후에 균질한 환원 공정에 진입하게 된다.
도 7a에서, 제2층 구성의 층(1Bb)은 2 개의 인접한 섹션에서 서로의 상부에 배치된다. 도 7a는 Cu 함량이 상대적으로 높으면(2.9 %) 각 섹션에서 첫 번째 층 위에 추가 층을 추가한 결과가 없음을 보여준다.
유형 1B와 1C는 사이에 공백이 있는 하나의 섹션에 배치된다. 촉매 후 균질 촉매화 공정으로 인한 활성 증가가 관찰될 수 있다.
도 7b는 Cu 함량의 함수로서 NOx 감소 정도를 도시한 그래프이다. 도 7b는 가장 높은 NOx 감소 정도는 대략 2.8%의 Cu 함량에서 나타난다는 것을 보여줄 수 있다. 따라서, 상술한 실시 예에 있어서, 촉매 분말은 구리 2.8 중량 퍼센트와 같은 구리 2.7-2.9 중량 퍼센트를 가진다.
도 8은 3 개의 상이한 반응기(10)를 개시하며, 여기서 반응기는 가장 왼쪽에 5 개의 섹션(14, 16, 16', 16", 16''')이 거리(D1, D2, D4, D4)로 분리되어 있다. 도 8의 중앙에 도시된 반응기는 4 개의 섹션을 가지며, 도면의 가장 오른쪽에있는 반응기는 3 개의 섹션을 갖는다. 도 8에 도시된 반응기의 각 섹션에는 5 개의 이격된 층(S1, S2, S3, S4, S5)가 있다 (그림 9 참조). 다른 측면에서, 도 8에 도시된 반응기는 도 3b 및 4a에 도시된 반응기와 유사하다.
도 9에는, 거리(D1)를 수반하는 섹션(16)의 확대도가 제공된다. 층(S1-S5)가 개시되고 층들 사이의 거리(d1-d4)가 또한 표시된다. 도시된 바와 같이, 거리(D1)는 층(S1-S5)의 두께(L1-L5) 각각보다 상당히 크다. 이것은 앞에서 언급한 거리 관계와 상응한다. 층들 사이에 표시된 거리(d1-d4)는 개별 층의 두께(L1-L5) 정도의 크기를 가질 수 있다.
도 9에 도시된 실시예에서, 화살표(w)는 디퓨저(88)가 반응기(10)의 제 1 섹션(14)에 더 가깝거나 더 멀어지도록하기 위해 수행할 수 있는 움직임을 나타낸다. 이 거리를 정확하게 조절함으로써, 디젤유(40)의 주입과, 디젤유와 제1 섹션의 제1 층 사이의 접촉 사이에 허용된 시간은 감소되거나 줄어들 수 있다.
도 10a, 10b 및 10c는 층(E1, E2)이 이전에 언급된 실시예와 다르게 형성되는 실시예를 도시한다. 각각의 층(E1, E2)은 기본적으로 앞서 언급된 층(S1-S5; S1'- S5'; S1"- S5")과 동일한 재료로 제조되고, 또한 한쪽에서 반대쪽으로 두께를 뚫고 지나가는 통로를 구비하는 구조로 되어 있다. 그러나, 도 10a에 도시된 바와 같이, 각각의 층(E1, E2)은 정사각 블록으로 구성되며, 이들은 2X2의 평평한 상부층(E1) 및 2x2의 하부층(E2)으로 조립된다. 상부층(E1) 및 하부층(E2)은 거의 입방형 카세트(140)로 조립된다. 도 10b는 도 10c의 A-A선을 따른 입방 형 카세트의 단면도를 도시한다.
특정한 촉매 환원 시스템에 적합한 카세트에 대한 측정의 실시 예가 도 10c 및 도 10b에 제공된다. 도 10b에서 나타나 있는 바와 같이, 층(E1)과 층(E2) 사이에 '150'의 거리가 주어지지만, 각각의 층은 75의 두께를 갖는다. 거의 입방형 카세트는 각 측면을 따라 높이' 302'와 치수 '307'을 갖는다. 제공된 측정값은 mm 단위로 제공되지만, 입방체 카세트의 사용에 따라 인치로 제공되거나 다른 스케일링 크기로 스케일링될 수 있다. 카세트(140)는 카세트의 정기적인 교환이 예상되고 재고에서 사용 장소로 카세트의 선적이 빈번하게 수행되는 시스템에 특히 적합하다.
도 11의 3차원으로 도시된 반응기 섹션의 부품의 단면도에 있어서, 유량(Q)은 화살표 Wq로 도시된다. 처음에 체적 유량(Q)은 단면적에 가스의 속도를 곱한 것으로 가정한다. 이는 층들 간의 합당한 가정이다. 개별 층들의 두께는 D로 표시된다. 층들 간의 거리는 d로 표시된다. 가스가 통과하는 동안, 층들 간의 공간 d를 통과하는 체적 유량과의 관계는 다음과 같은 관계가 있다:
(1) 
여기서 A는 가스 흐름 방향에 수직하고 가스 흐름이 통과하는 단면적이다. 평균 속도 v는 층들 사이의 거리(d)를 하나의 층과 다음의 층 사이의 평균 체류 시간(Δt)으로 나눈 것으로 계산된다.
(2) 
여기서 d는, 하나의 층과 다음의 층 사이의 사이의 거리이고, Δt는 하나의 층과 다음의 층 사이의 가스 미립자의 평균 체류 시간이다. 여기서 가스 흐름은 반응기의 단면을 균일하게 통과하는 것으로 가정되고, 거리 d를 가스가 통과하는 동안 온도에 중대한 변화는 없는 것으로 가정한다. 이 것은 실생활에서 완전히 사실이 아니고, 증가하는 온도에 대해 사소한 보상으로, 체적 가스 유량을 증가시켜야 만들어질 수 있다.
위의 내용은 다음과 같습니다:
(3)
요구되는 최소 체류 시간이 실험적으로 결정되는 경우, 최소 거리는 다음과 같이 계산됩니다:
(4)
실험은 상기 언급한 시간에 의해 정의되고 상기 언급한 방식에서 정의되는 0이 아닌 거리를 선택하는 것에 의한 것은 아주 효율적인 선택적 촉매 환원 시스템을 제공하는 것을 보여줍니다.
예시 1에 있어서, 거리 d는 40mm가 되도록 선택되고, 0.78m2의 면적 A와 921Nm3/h에서의 유량 Q인 경우, 0.04초의 체류 시간에 도달된다.
예시 2에 있어서, 거리 d는 110mm 이며, 예시 1에서와 같이 동일 면적 A와 동일 유량 Q로 주어진 0.135초의 체류 시간을 산출한다.
도 12에 있어서, 반응기 이내의 일련의 층들이 도시된다. 각각의 층 위에는, 각 층에서 크랙될 추가된 디젤의 비율의 표시가 있다. 각 층이 가스 내에서 남아있는 크랙되지 않은 오일의 일부(G)를 크랙되도록 하는 경우, 다음의 방정식이 총 크래킹을 제공한다:
(5) 
만약 최소 크기의 크래킹 정도가 요구되고 각 층에서 크래킹 비율이 공지된다면, 이후 이 것은 층의 주어진 숫자 N 를 요구한다. 각각의 층의 속성이 알려지면, N은 쉽게 결정될 수 있다.
상기 표시된 바와 같은 층으로, 3개의 층의 최소 숫자는 요구되는 크래킹을 제공할 것으로 결정되었다. 일 예시에 있어서, 반응기는 4 개 이상의 층을 포함한다. 바람직한 예시에 있어서, 반응기는 5 개 이상의 층을 포함한다. 바람직한 예시에 있어서, 반응기는 6 개 이상의 층을 포함한다.
도 13a는 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(2)의 반응기(10)의 개략적인 측면도이다. 도 13b는 반응기(10)의 구조를 표시한 선택적 촉매 환원 시스템(2)의 반응기(10)를 도시한다.
선택적 촉매 환원 시스템(2)은 반응기(10), 산화 촉매(136) 및 미립자 필터(138)를 포함한다. 반응기(10)는 원위단부 내의 개구부를 제공하고, 여기서 산화 촉매(136)는 반응기(10)의 근위 단부 내에 배치된다. 미립자 필터(138)는 산화 촉매(136) 위의 산화 촉매(136)의 원위단부 내에 배치된다.
선택적 촉매 환원 시스템(2)은 반응기(10)의 개구부를 통해 배기를 수용하도록 구성된다. 반응기(10)는 장쇄 탄화수소(long-chain hydrocarbons)를 가벼운 탄화수소(light hydrocarbons)와 같은 더 단순한 분자로 분해하도록 구성된다. 반응기(10)에서 수행되는 반응은, 다음에서 더 상세히 설명될 것이다.
산화 촉매(136)는 다음에서 표현되는 과정을 통해서 일산화 질소, NO를 이산화 질소 NO2로 산화시키도록 구성된다.
NO + 1/2O2 = NO2
벽-유동 형의 미립자 필터들은 보통 그을음(soot)의 85-100%를 제거한다. 바람직한 예시에 있어서, 미립자 필터(138)는 또한 축적된 미립자를 연소하도록 설계된다. 이 것은 미립자 필터(138)를 그을음 연소 온도까지 가열시킴으로써 달성될 수 있다. 반응기(10) 내에서 수행되는 NOx 환원 과정은 온도가 요구되는 수준까지 상승하도록 야기한다. 그래서 미립자 필터(138) 내의 연소 과정은 추가적인 열을 생산할 것이다.
따라서, 선택적 촉매 환원 시스템(2)은 종래의 선택적 촉매 환원 시스템 대비 더 많은 양의 열을 생산할 수 있다. 열은 터빈(도 14a 참조)을 사용하여 전기를 생산하는데 적용될 수 있고 그리고/또는 증류 장치(도 14b 참조)를 사용하여 식수를 생산하는데 적용될 수 있다.
반응기(10)는 장쇄 탄화수소(long-chain hydrocarbons)를 가벼운 탄화수소(light hydrocarbons)와 같은 더 단순한 분자로 분해하는 것을 가능하게 한다. 이로 인해서, 증가된 열 생산은 달성될 수 있다.
배기는 반응기(10)의 바닥측으로부터 유입된다. 디젤 오일은 반응기(10) 내로 주입된다. 오일은 반응기(10) 내부의 상승하는 온도로 인해 증발된다. 증발된 오일은 주로 장쇄 탄화 수소로 구성된다. 이러한 긴-사슬의 탄화 수소는 더 짧은 사슬의 탄화수소로 크랙된다. 크랙되지 않은 오일 증기는 반응기(10)의 더 높은 부분으로 계속된다. 단쇄 탄화수소는 NOx 전환을 위해 사용된다. 크랙킹은촉매의 외부에서 발생되고 단쇄 탄화수소는 촉매를 관통하며 NOx가 발생될 수 있다.
실험은 산화 촉매와 미립자 필터의 도입이 주입된 디젤 오일 내의 낮은 열 수치의 100%까지의 범위로 열 회수를 달성할 수 있다는 것을 보여준다. 만약 열이 회수될 수 있고 열이 선박의 갑판 상에서 사용될 수 있다면, 선택적 촉매 환원 시스템(2)은 선박에 설치될 것이다. 따라서, 반응물에 대한 추가 비용이 필요치 않고 CO2의 추가 생산이 필요치 않다.
선택적 촉매 환원 시스템(2)에서 수행되는 NOx 전환 공정은 몇몇 다음의 단계를 포함한다:
크래킹
(1) C12H23 => C3H6 + 4C2H4 + H+ + C
NO 산화
(2) NO + ½O2 => NO2
(3) NO + NO2 + 2H+ => 2NO+ + H2O
이종 촉매화(Heterogeneous catalyzing )
(4) 4C2H4 + 10O2 + 2NO+ => N2 + 2CO + 6CO2 + 8H2O
(5) C3H6 + NO+ + 2.5 O2 => NH4+ + CO + 2CO2 + H2O
동종 공정(Homogeneous process)
(6) NH4+ + NO2 => N2 + 2H2O
디젤 오일이 배기로 주입되는 경우, 적어도 섭씨 350 도의 온도를 가지는, 디젤 오일은 적어도 부분적으로 증발될 것이다. 제1 단계는 에틸렌, 프로필렌 및 공식 (1)에 의해 정의되는 다른 연결들로 디젤 오일을 크래킹하는 단계이다. 공식 (4) 및 공식 (5)는 에틸렌과 프로필렌이 산화되고 N2, CO 및 CO2가 형성되는 것을 도시한다. 이 것은 열이 생성된 것을 의미한다.
단쇄 HC-연결에 대한 발열량은, 장쇄 HC-연결에 대한 발열량보다 더 크다 (아래 표 2 참조). 크랙된 연결의 발열량은 공식 (1)을 사용하여 계산될 수 있다:
(7) 42.8 MJ/kg => [(42/167)*45.66 + (112/167)*47.74 +(1/167) *120.1 + 12/167*29.5] MJ/kg
(8) 42.8 MJ/kg => 46.3 MJ/kg (산화 촉매(136)과 미립자 필터(138)의 경우)
(9) 42.8 MJ/kg => 44.2 MJ/kg (산화 촉매(136)의 경우)
| 디젤 오일 | 프로필렌 | 에틸렌 | 수소 | 탄소 | |
| 발열량(MJ/kg) | 42.8 | 45.7 | 47.7 | 120 | 29.5 |
공식(8)로부터, 발열량(산화 촉매(136)와 미립자 필터(138)가 적용되는 경우)은, 디젤 오일의 발열량(42.8MJ/kg)보다 큰 46.3MJ/kg으로 증가하는 것이 보여진다. 공식(9)로부터,발열량(산화 촉매(136)가 적용되는 경우)은, 디젤 오일의 발열량(42.8MJ/kg)보다 큰 44.2MJ/kg으로 증가하는 것이 보여진다. 따라서, 산화 촉매(136)와 미립자 필터(138)가 도입되는 것에 의해서, 열 생산이 증가될 수 있다. 크래킹 공정은 이러한 증가된 열 생산을 달성하는데 필수적이고 요구된다.
도 14a는 NOx 환원이 수행되고 증기와 동력을 생산하도록 구성된 본 발명을 따르는 선택적 촉매 환원 시스템(2)의 개략도를 도시한다. 선택적 촉매 환원 시스템(2)은 도 5b에 도시된 시스템(점선으로 그려진 박스 내부의 것들)의 특징을 포함한다. 보일러(188)는 반응기(10)에 연결되고 그로부터 배기(190)를 받아들인다. 보일러(188)는 배기 출구를 통해 배기(190)를 배출하고, 동력(전기)을 생산하도록 구성되고 배치되는 발전기(144)를 구동하는 스팀 터빈(230)에 연결되는 스팀 출구를 통해 스팀(210)을 배출한다.
도 14b는 NOx 환원이 수행되고 식수를 생산하도록 구성된 본 발명을 따르는 선택적 촉매 환원 시스템(2)의 개략도를 도시한다. 선택적 촉매 환원 시스템(2)은 도 2b에 도시된 시스템(점선으로 그려진 박스 내부의 것들)의 특징을 포함한다. 보일러(188)는 반응기(10)에 연결되고 그로부터 배기(190)를 받아들인다. 보일러(188)는 배기 출구를 통해 배기(190)를 배출하고, 공급수유입구(174)를 통해 공급수(예를 들어 해수)를 증류하고, 식수 배출구(172)를 통해 식수를 전달하도록 구성되고 배치되는 증류 장치(150)에 연결되는 스팀 배출구를 통해 스팀(210)을 배출한다.
도 15는 NOx 환원이 수행되고 증기와 동력을 생산하도록 구성된 선택적 촉매 환원 시스템(2)의 개략도를 도시한다. 선택적 촉매 환원 시스템(2)은 도 2a에 도시된 시스템(점선으로 그려진 박스 내부의 것들)의 특징을 포함한다. 보일러(188)는 배기 터빈(팽창기; 82)에 연결된다. 보일러(188)는 배기 출구를 통해 배기(190)를 배출하고, 동력(전기)을 생산하도록 구성되는 발전기(144)를 구동하게 배치되는 스팀 터빈으로 스팀(210)을 전달한다. 발전기(144)는 또한 가스 수용기(78)와 반응기(10)와 유체 연통하는 가스 터빈과 연결된다.
2 선택적 촉매 환원 시스템
4 디젤 엔진
6 오일인젝터
10 반응기
11, 11', 11" 선택적 촉매 환원의 촉매
12, 12', 12" 선택적 촉매 환원의 촉매
14 제1 섹션
16, 16' 제2(추가) 섹션
18, 18', 18" 도어
20, 20' 원추형 부분
22, 22' 단부 파이프
24 주입유닛
26, 26' 파이프
28 온도 센서
30 온도 센서
31 압력 탱크
32 차압 센서
33, 33' 밸브
34, 34' 도관
36 파이프
38 케이블
40 디젤유(오일)
42 케이블
44 제어 밸브
46 유량 센서
48 펌프
50 디젤 탱크
52, 52', 52" 케이블
54, 54', 54" 파이프
55 파이프
56 케이블
58, 58' 플랜지
60 프로그래머블 논리 제어기 (PLC)
62 제어유닛
64 공기 냉각기
66 실린더
68, 68', 68", 68''' 밸브
70 피스톤
72 송풍기
74 제어 밸브
76 소기 공기 수용기
78 배기 가스 리시버
80 압축기
82 배기 터빈 (팽창기)
84, 84' 플레이트 부재
86 관형 구조물
88 디퓨저
90, 90' 지지 레그
92 제1단부
94 제2단부
96, 96', 96", 96''' 연결 파이프
98 플랜지
100 매니폴드
102 플랜지
104 플랜지
106 노즐
108, 108 기판
109, 109' 촉매
110크랙된 디젤유
112, 112' 통로
114 그래프
116 촉매층 사이의 체류 시간
118 상대 활성 (한 층에 비해 두 층)
120 포인트
122 포인트
124 층의 수
126 활성 (NOx 저감 [ppm])
134, 134', 134" 마감 구조
136: 산화 촉매
138: 미립자 필터
140 입방 카세트
144 발전기
150 증류 장치
172 식수 출구
174 공급수(해수) 유입구
188 보일러
190 배기 가수
210 증기
230 증기 터빈
232 가스 터빈
D1, D2, D3 거리
d1, d2, d3, d4 거리
ΔT1, ΔT2, ΔT3 온도 상승
ΔT4, ΔT5 온도 상승
S1, S2, S3, S4, S5 선택적 촉매 환원의 촉매층
S1', S2', S3', S4', S5' 선택적 촉매 환원의 촉매층
S1", S2", S3" 선택적 촉매 환원의 촉매층
S4", S5", E1, E2 선택적 촉매 환원의 촉매층
L1, L2, L3, L4, L5 두께
h 거리
H 높이
W 화살표
WQ 화살표
N: 층수
4 디젤 엔진
6 오일인젝터
10 반응기
11, 11', 11" 선택적 촉매 환원의 촉매
12, 12', 12" 선택적 촉매 환원의 촉매
14 제1 섹션
16, 16' 제2(추가) 섹션
18, 18', 18" 도어
20, 20' 원추형 부분
22, 22' 단부 파이프
24 주입유닛
26, 26' 파이프
28 온도 센서
30 온도 센서
31 압력 탱크
32 차압 센서
33, 33' 밸브
34, 34' 도관
36 파이프
38 케이블
40 디젤유(오일)
42 케이블
44 제어 밸브
46 유량 센서
48 펌프
50 디젤 탱크
52, 52', 52" 케이블
54, 54', 54" 파이프
55 파이프
56 케이블
58, 58' 플랜지
60 프로그래머블 논리 제어기 (PLC)
62 제어유닛
64 공기 냉각기
66 실린더
68, 68', 68", 68''' 밸브
70 피스톤
72 송풍기
74 제어 밸브
76 소기 공기 수용기
78 배기 가스 리시버
80 압축기
82 배기 터빈 (팽창기)
84, 84' 플레이트 부재
86 관형 구조물
88 디퓨저
90, 90' 지지 레그
92 제1단부
94 제2단부
96, 96', 96", 96''' 연결 파이프
98 플랜지
100 매니폴드
102 플랜지
104 플랜지
106 노즐
108, 108 기판
109, 109' 촉매
110크랙된 디젤유
112, 112' 통로
114 그래프
116 촉매층 사이의 체류 시간
118 상대 활성 (한 층에 비해 두 층)
120 포인트
122 포인트
124 층의 수
126 활성 (NOx 저감 [ppm])
134, 134', 134" 마감 구조
136: 산화 촉매
138: 미립자 필터
140 입방 카세트
144 발전기
150 증류 장치
172 식수 출구
174 공급수(해수) 유입구
188 보일러
190 배기 가수
210 증기
230 증기 터빈
232 가스 터빈
D1, D2, D3 거리
d1, d2, d3, d4 거리
ΔT1, ΔT2, ΔT3 온도 상승
ΔT4, ΔT5 온도 상승
S1, S2, S3, S4, S5 선택적 촉매 환원의 촉매층
S1', S2', S3', S4', S5' 선택적 촉매 환원의 촉매층
S1", S2", S3" 선택적 촉매 환원의 촉매층
S4", S5", E1, E2 선택적 촉매 환원의 촉매층
L1, L2, L3, L4, L5 두께
h 거리
H 높이
W 화살표
WQ 화살표
N: 층수
Claims (24)
- 디젤 엔진(4)에서 촉매에 의해 디젤 엔진 배기 내의 질소 산화물 (NOx)을 이원자 질소(N2) 및 물(H2O)로 전환하기 위한 환원제로서 디젤유(40,40 ')를 적용하도록 구성된 선택적 촉매 환원 시스템(2)으로서,
상기 디젤 엔진 배기 내로 디젤유(40)를 분사하기 위해 구성되는 오일 분사 시스템(6);
제1 단부(92)에 제공되는 유입구와 제2 단부(94)에 제공되는 유출구가 제공되는 하우징을 포함하는 반응기(10)로서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 유입구를 통해 배기를 수용하도록 구성되는, 반응기(10); 및
서로 이격된 섹션(14, 16, 16', 16'', 16''')에서 구비되는 다수의 선택적 촉매 환원의 촉매(109, 109')로서, 상기 섹션(14, 16, 16', 16'', 16''')은 반응기(10)의 하우징 내에 직렬로 배열되고, 섹션은 하류 방향으로 연속하게 배열되며, 각 섹션은, 선택적 촉매 환원의 촉매의 하나의 층(S1, S2, S3, S4, S5, E1, E2, S1', S2', S3', S4', S5', S1'', S2'', S3'', S4'', S5'')과 선택적 촉매 환원의 촉매의 다음의 층(S2, S3, S4, S5, E1, E2, S1', S2', S3', S4', S5', S1'', S2'', S3'', S4'', S5'') 사이의 0이 아닌 거리(d1, d2, d3, d4)에서 구비되는 선택적 촉매 환원의 촉매의 복수의 층(S1, S2, S3, S4, S5, E1, E2, S1', S2', S3', S4', S5', S1'', S2'', S3'', S4'', S5'')을 포함하는, 다수의 선택적 촉매 환원의 촉매(109, 109');를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템(2)에 있어서, 선택적 촉매 환원의 촉매의 하나의 층(S1, S2, S3, S4, S5, E1, E2, S1', S2', S3', S4', S5', S1'', S2'', S3'', S4'', S5'')과 선택적 촉매 환원의 촉매의 다음의 층(S2, S3, S4, S5, E1, E2, S1', S2', S3', S4', S5', S1'', S2'', S3'', S4'', S5'') 사이의 거리(d1, d2, d3, d4)는, 배기를 위한 최소 평균 체류 시간이 각각의 층 사이에 제공되는 것을 보장하도록 선택되고, 상기 오일 분사 시스템이 작동하면 상기 디젤 엔진 배기 내로 디젤유(40)를 분사하며, 하나의 층(Sn, E1)으로부터 다음의 층(Sn+1, E2)으로 가스 분자의 이동을 위한 최소 평균 체류 시간은 0.025초보다 작지 않고, 바람직하게는 0.04초보다 작고, 가장 바람직하게는 0.135초보다 작은 것을 특징으로 하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 반응기(10)는, 적어도 3개의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 플레이트 부재(84, 84')는, 인접한 섹션(14, 16, 16', 16'', 16''')의 적어도 일부 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원의 촉매 (109, 109')는 층 (S1, S2, S3, S4, S5, S1', S2', S3', S4', S5', S1'', S2'', S3'', S4'', S5'', E1, E2)으로 배치되고, 각각 40-120 mm 범위, 바람직하게는 50-100 mm 범위, 예컨대 60-90 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 선택적 촉매 환원의 촉매 (109, 109')는 Ce/Cu-ZSM-5, Ce-Zr/Cu-ZSM-5, Ce/Fe-ZSM-5 또는 Ce-Zr/Fe-ZSM-5, Ce/Mg-ZSM-5 또는 Ce-Zr/Mg-ZSM-5 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 (2)은 반응기 (10)의 종축을 따라 중앙으로 연장되는 관형 구조물(86)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 (2)은 디퓨저(88)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
- 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 선택적 촉매 환원 시스템 (2)은 열 회수 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
- 선택적 촉매 환원 시스템 (2)을 사용하고 디젤 엔진(4)에서 촉매에 의해 질소 산화물 (NOx)을 이원자 질소 (N2) 및 물 (H2O)로 전환하기 위하여 환원제로서 디젤유(40, 40')를 적용하는 단계를 포함하고, 반응기(10)에 증발된 디젤유 (40, 40')를 제공하는 단계를 포함하며, NO 산화와, 이어서 이종 촉매 공정, 이어서 선택적 촉매 환원의 촉매의 하나의 층(Sn, E1)과 선택적 촉매 환원의 촉매의 다음의 층(Sn+1, E2) 사이의 0이 아닌 거리(d1, d2, d3, d4)에서 구비되는 선택적 촉매 환원의 촉매의 복수의 층(S1, S2, S3, S4, S5, E1, E2, S1', S2', S3', S4', S5', S1'', S2'', S3'', S4'', S5'')을 가지되, 반응기(10)의 하우징 내에 직렬로 배열되고, 하류 방향으로 연속하게 배열되는 섹션(14, 16, 16', 16'', 16''')에 제공되는 반응기(10) 내의 다수의 선택적 촉매 환원의 촉매(109, 109')를 적용함으로써 실행하는 균질 촉매 공정을 포함하는 NOx 전환을 수행하는 단계를 포함하는, 디젤 엔진 배기 내의 질소 산화물 (NOx) 저감 방법에 있어서, 선택적 촉매 환원의 촉매의 하나의 층(Sn, E1)과 선택적 촉매 환원의 촉매의 다음의 층(Sn+1, E2) 사이의 거리(d1, d2, d3, d4)는, 배기를 위한 최소 평균 체류 시간이 각각의 층 사이에 제공되는 것을 보장하도록 선택되고, 상기 오일 분사 시스템이 작동하면 상기 디젤 엔진 배기 내로 디젤유(40)를 분사하며, 선택적 촉매 환원의 촉매의 하나의 층(Sn; E1)으로부터 선택적 촉매 환원의 촉매의 다음의 층(Sn+1; E2)으로 가스 분자의 이동을 위한 최소 평균 체류 시간은 0.025초보다 작지 않고, 바람직하게는 0.04초보다 작고, 가장 바람직하게는 0.135초보다 작은 것을 특징으로 하는,질소 산화물 저감 방법.
- 제 9 항에 있어서, 반응기(10)는, 3개 이상의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는,질소 산화물 저감 방법.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 방법은 증발된 디젤유의 적어도 일부를 크래킹하고, 라디칼 NH4+의 형성을 야기하는 이종 NOx 전환을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 라디칼 NH4+은 균일한 NOx 전환을 수행하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는,질소 산화물 저감 방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 방법은 제1 섹션(14)으로부터 0이 아닌 거리(D1, D2, D3, D4)에 적어도 하나의 추가 섹션(16, 16', 16", 16''')을 구비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,질소 산화물 저감 방법.
- 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 4 행정 디젤 엔진 (4) 이후 또는 2 행정 디젤 엔진(4)의 배기 수용기 (78)와 배기 터빈 (82) 사이의 배기 스트림에서NOx의 선택적 촉매 환원에 적용되는 것을 특징으로 하는,질소 산화물 저감 방법.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 산화 촉매(136)는 배기 가스(190)의 하나 이상의 조성물을 산화시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
- 제 14 항에 있어서, 선택적 촉매 환원 시스템 (2)은 유량 통과 형태의 디젤 산화 촉매 및 그을음 미립자 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
- 제 14 항에 있어서, 산화 촉매(136)는 적어도 CO 또는 HC를 산화시키도록 구성되는 촉매로 코팅되는 벽을 포함하는 벽 유량 형 미립자 필터인 것을 특징으로 하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
- 제 14 항에 있어서, 산화 촉매(136)는 선택적 촉매 환원의 촉매 (109, 109')와 미립자 필터(138)의 하류에 제공되는 것을 특징으로 하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
- 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 선택적 촉매 환원 시스템 (2)은 발전기(144)에 연결되거나 발전기(144)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
- 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 배기 가스(190) 내에서 하나 이상의 조성물을 산화시키도록 배열된 산화 촉매(136)를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,질소 산화물 저감 방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 방법은, 적어도 CO 또는 HC를 산화시키도록 구성되는 촉매로 코팅되는 벽을 포함하는 벽 유량 형 미립자 필터를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,질소 산화물 저감 방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 방법은,유량 통과 형태의 디젤 산화 촉매 및 그을음 미립자 필터를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,질소 산화물 저감 방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 방법은,선택적 촉매 환원의 촉매 (109, 109')와 미립자 필터(138)의 사이에 제공되는 산화 촉매(136)를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,질소 산화물 저감 방법.
- 제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 전기 에너지를 생산하는 터빈(230, 232)에 연결되는 발전기(144)를적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,질소 산화물 저감 방법.
- 제 19 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 증류수를 생성하고 선택적 촉매 환원 시스템 (2)에 연결되는 증류 장치(150)를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,질소 산화물 저감 방법.
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