KR20220014578A - 선택적 촉매 환원 시스템 - Google Patents

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이재문
정해영
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Abstract

본 발명은 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물을 함유한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되며 선택적 환원 촉매가 내장된 반응기와, 상기 반응기보다 상류의 상기 배기 유로 상에 설치된 환원제 분사부와, 환원제를 생성하여 상기 환원제 분사부에 공급하는 분해 챔버와, 상기 분해 챔버의 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 분사부와, 상기 분해 챔버에 가스를 공급하는 챔버 급기 유로와, 상기 챔버 급기 유로 상에 설치되어 상기 분해 챔버에 공급되는 가스의 온도를 승온시키는 버너, 그리고 상기 챔버 급기 유로 상에 설치되어 상기 분해 챔버에 공급되는 가스의 온도를 승온시키는 히터를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 시스템{SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM}
본 발명은 선택적 촉매 환원 반응을 이용하여 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키는 선택적 촉매 환원 시스템에 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.
선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제로 암모니아(NH3)가 사용되고 있다. 즉, 암모니아가 질소산화물과 반응하게 된다. 그런데 암모니아 자체가 오염 물질로 보관과 운반이 용이하지 않기 때문에 암모니아를 직접 사용하기 보다는 환원제 전구체에 해당하면서 안정적인 우레아 수용액을 사용하는 것이 보편적이다. 즉, 우레아(urea, CO(NH2)2) 수용액을 분사한 후 이를 가수분해 또는 열분해시켜 암모니아(NH3)를 생성한 후 환원제로 사용하는 방식이다.
그런데 우레아가 섭씨 250도 미만의 온도를 갖는 배기가스에 직접 분사되면, 우레아가 분해되면서 생성되는 뷰렛(biuret), 시아누르산(cyanuric acid), 멜라민(melamine), 및 아멜린(ammeline) 등과 같은 부산물에 의해 노즐이 막히거나 배기가스의 흐름을 방해하는 문제점이 있다.
이에, 우레아의 열분해 및 가수분해 효율을 향상시키기 위해 별도의 분해 챔버를 마련하고 분해 챔버에 가열된 유체를 공급하여 분해 챔버의 내부 온도를 가수분해 반응 온도까지 상승시키고, 우레아를 분해 챔버에서 안정적으로 분해하여 생성된 암모니아(NH3)과 이소시안산(HNCO)을 반응기에 공급하는 방법을 사용하고 있다.
하지만, 우레아를 분해하기 위해서는 분해 챔버의 내부 온도를 열분해 및 가수분해 반응 온도까지 승온시켜야 하며, 이를 위해서 버너와 같은 별도의 가열 장치를 사용하여 열에너지를 공급하게 된다.
또한, 가열 장치는 분해 챔버의 내부 온도를 승온시키는 용도 이외에 반응기에 마련된 촉매를 예열하거나 재생시키는데도 요구되고 있다. 그리고 촉매의 예열과 재생은 선택적 촉매 환원 시스템의 가동이 중단된 상태에 수행된다.
그런데 버너를 가동하기 위해서는 연료와 공기가 소모되며, 선택적 촉매 환원 시스템의 가동이 중단된 상태에서는 연료와 공기의 공급도 중단되어 버너를 운용하기 어렵다.
이와 같이, 가수분해를 위해 소모되는 열에너지가 적지 않으므로 버너가 소모하는 연료와 공기는 선택적 촉매 환원 시스템에 소모되는 전체 연료 및 공기와 대비하여 상당한 비중을 차지하여 전체적인 에너지 이용 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 연료와 공기가 요구되는 버너는 선택적 촉매 환원 시스템이 중단된 상태에서는 운용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 환원제를 생성하고 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감하기 위해 소모되는 전체적인 에너지의 이용 효율을 극대화시킨 선택적 촉매 환원 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되며 선택적 환원 촉매가 내장된 반응기와, 상기 반응기보다 상류의 상기 배기 유로 상에 설치된 환원제 분사부와, 환원제를 생성하여 상기 환원제 분사부에 공급하는 분해 챔버와, 상기 분해 챔버의 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 분사부와, 상기 분해 챔버에 가스를 공급하는 챔버 급기 유로와, 상기 챔버 급기 유로 상에 설치되어 상기 분해 챔버에 공급되는 가스의 온도를 승온시키는 버너, 그리고 상기 챔버 급기 유로 상에 설치되어 상기 분해 챔버에 공급되는 가스의 온도를 승온시키는 히터를 포함한다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 버너에 연소용 공기를 공급하기 위한 블로워를 더 포함할 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 블로워가 송풍하는 공기의 일부를 상기 버너 및 상기 히터와 상기 분해 챔버 사이의 상기 챔버 급기 유로로 이동시키는 과열 방지 유로와, 상기 과열 방지 유로를 개폐하는 과열 방지 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 과열 방지 밸브는 상기 분해 챔버에 공급되는 가스의 온도가 기설정된 허용 온도를 초과하면 개방될 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 버너 및 상기 히터와 상기 분해 챔버 사이의 상기 챔버 급기 유로에서 분기되어 상기 반응기보다 상류의 상기 배기 유로에 합류하는 분해 챔버 바이패스 유로와, 상기 분해 챔버 바이패스 유로를 개폐하는 바이패스 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 바이패스 밸브는 상기 버너 또는 상기 히터의 전단 압력과 상기 분해 챔버의 후단 압력 간의 차이가 기설정된 허용 압력을 초과하면 개방될 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 분해 챔버에 내장된 우레아 분해 촉진 촉매를 더 포함할 수 있다.
상기 버너와 상기 히터는 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 버너와 상기 히터는 병렬로 연결될 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 챔버 급기 유로 상에 설치되어 상기 버너로 향하는 가스의 흐름을 차단하는 버너 밸브와, 상기 챔버 급기 유로 상에 설치되어 상기 히터로 향하는 가스의 흐름을 차단하는 히터 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 챔버 급기 유로를 통해 상기 분해 챔버에 공급되는 가스는 배기가스 또는 공기일 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 우레아 분사부에 우레아 수용액을 공급하는 우레아 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 우레아 분사부에 압축 공기를 공급하는 압축 공기 공급부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템은 환원제를 생성하고 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감하기 위해 소모되는 전체적인 에너지의 이용 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 구성도이다.
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.
또한, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 제2 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
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 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(101)을 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(101)은 동력 장치에서 배출된 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시키기 위해 사용된다. 일례로, 동력 장치는 선박에 추진력을 공급하는 주동력원으로 사용되는 디젤 엔진일 수 있다. 또한, 디젤 엔진은 선박용 2행정 저속 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.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 배기 유로(610), 반응기(300), 환원제 분사부(710), 분해 챔버(500), 우레아 분사부(750), 챔버 급기 유로(650), 버너(410), 및 히터(420)를 포함한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 블로워(450), 과열 방지 유로(680), 과열 방지 밸브(880), 연소용 공기 공급 유로(670), 분해 챔버 바이패스 유로(640), 바이패스 밸브(840), 우레아 분해 촉진 촉매(550), 우레아 공급부(770), 및 압축 공기 공급부(780)를 더 포함할 수 있다.
배기 유로(610)는 동력 장치에서 배출된 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 이동시킨다. 일례로, 배기 유로(610)는 동력 장치인 엔진의 배기구와 후술할 반응기(300)를 연결할 수 있다.
반응기(300)는 배기 유로(610) 상에 설치된다. 반응기(300)는 배기가스에 함유한 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 선택적 환원 촉매(350)를 포함한다. 선택적 환원 촉매(350)는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 환원제의 반응을 촉진시켜 질소산화물(NOx)을 질소와 수증기로 환원 처리할 수 있다. 이때, 질소산화물(NOx)과 반응하여 환원시킬 최종적인 환원제로 암모니아(NH3)가 사용될 수 있다.
또한, 선택적 환원 촉매(350)는 모듈 형태로 배치될 수 있으며, 복수의 촉매 모듈이 반응기(300) 내부에서 배기가스가 이동하는 방향에 교차하는 방향으로 적재되어 복수의 촉매층을 형성할 수 있다. 이러한 복수의 촉매층은 반응기(300) 내부에서 배기가스가 이동하는 방향을 기준으로 이격 배열될 수 있다.
또한, 복수의 촉매 모듈은 육면체로 형성될 수 있다. 일례로, 복수의 촉매 모듈은 직육면체 또는 정육면체일 수 있다. 이와 같이 촉매 모듈을 직육면체 또는 정육면체로 형성하면, 촉매 모듈을 적재하기 용이할 뿐만 아니라 촉매 모듈의 교체 및 운반이 용이하고, 촉매 모듈에 포함된 선택적 환원 촉매(350)의 효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 선택적 환원 촉매(350)는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다. 일례로, 선택적 환원 촉매(350)는 섭씨 200도 내지 섭씨 500도 범위 내의 활성 온도를 가질 수 있다. 여기서, 활성 온도는 선택적 환원 촉매(350)가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다. 선택적 환원 촉매(350)가 활성 온도 범위 밖에서 반응하면, 선택적 환원 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 환원제인 암모니아(NH3)가 반응하여 촉매 피독 물질이 생성될 수 있다. 구체적으로, 선택적 환원 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 선택적 환원 촉매(350)에 흡착되어 선택적 환원 촉매(350)의 활성을 저하시킨다. 촉매 피독 물질은 상대적으로 높은 온도, 즉 섭씨 350도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도에서 분해되므로, 반응기(300) 내의 선택적 환원 촉매(350)를 승온시켜 피독된 선택적 환원 촉매(350)를 재생할 수 있다.
환원제 분사부(710)는 반응기(300)보다 상류의 배기 유로(610) 상에 설치된다. 본 명세서에서, 상류와 하류는 가스의 이동 방향이 기준이 된다. 환원제 분사부(710)는 분해 챔버(500)에서 생성된 환원제인 암모니아(NH3)를 공급받아 배기 유로(610)를 따라 반응기(300)로 향하는 배기가스에 분사할 수 있다. 환원제 분사부(710)가 분사한 환원제는 배기가스와 혼합되어 반응기(300)의 선택적 환원 촉매(350)를 거치면서 배기가스에 함유된 질소산화물을 환원시킬 수 있다.
분해 챔버(500)는 환원제를 생성하여 환원제 분사부(710)에 공급한다. 구체적으로, 분해 챔버(500)는 환원제 전구체인 우레아(urea, CO(NH2)2)를 수용액 형태로 공급받아 이를 분해하여 질소산화물(NOx)을 환원시킬 환원제로 사용되는 암모니아(NH3)를 생성할 수 있다. 분해 챔버(500) 내의 온도가 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내로 유지되면, 우레아(urea, CO(NH2)2)가 용이하게 열분해 또는 가수분해되면서 암모니아(NH3)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성될 수 있다. 그리고 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 분해될 수 있다. 즉, 우레아가 분해되면 최종적으로 암모니아가 생성될 수 있다.
우레아 분사부(750)는 분해 챔버(500)의 내부에 우레아 수용액을 분사할 수 있다. 전술한 바와 같이, 선택적 환원 촉매(350)에서 질소산화물과 직접 반응하는 환원제로는 암모니아(NH3)가 사용되지만, 암모니아 자체가 오염 물질로 보관과 운반이 용이하지 않기 때문에 환원제 전구체에 해당하며 안정적인 우레아 수용액을 사용할 수 있다.
우레아 분해 촉진 촉매(550)는 분해 챔버(500)에 내장될 수 있다. 분해 챔버(500)에서 우레아는 열분해 및 가수분해되는데, 우레아 분해 촉진 촉매(550)는 우레아의 가수분해를 촉진시킬 수 있다.
우레아 공급부(770)는 환원제 전구체인 우레아를 수용액 형태로 우레아 분사부(750)에 공급한다. 일례로, 우레아 공급부(770)가 공급하는 우레아 수용액의 농도는 40%일 수 있다. 우레아 공급부(770)는 동력 장치인 엔진의 부하에 따라 변동하는 환원제 요구량을 고려하여 적절한 양의 우레아를 우레아 분사부(750)에 공급할 수 있다.
압축 공기 공급부(780)는 우레아 분사부(770)에 압축 공기를 공급한다. 우레아 분사부(770)에 공급되는 압축 공기는 우레아 분사부(770)에서 분사되는 우레아 수용액을 미립화시키는데 사용될 수 있다. 우레아 분사부(770)에서 분사되는 우레아 수용액이 미립화 될수록 기화 및 분해 효율이 향상될 수 있다. 하지만, 본 발명의 제1 실시예에서, 압축 공기 공급부(780)는 반드시 필요한 구성은 아니며, 필요에 따라 생략될 수도 있다.
챔버 급기 유로(650)는 분해 챔버(500)에 가스를 공급한다. 여기서, 가스는 분해 챔버(500)에 열에너지를 전달하기 위한 물질로 사용된다. 그리고 챔버 급기 유로(650)가 분해 챔버(500)에 공급하는 가스는 배기가스 또는 공기일 수 있다. 즉, 챔버 급기 유로(650)는 외부의 공기를 분해 챔버(500)로 공급하거나 동력 장치인 엔진에서 배출된 배기가스의 일부를 분해 챔버(500)로 공급할 수 있다. 챔버 급기 유로(650)가 분해 챔버(500)에 배기가스를 공급하는 경우, 챔버 급기 유로(650)는 배기 유로(610)로부터 분기될 수 있다.
버너(410)는 챔버 급기 유로(650) 상에 설치되어 챔버 급기 유로(650)를 통해 분해 챔버(500)에 공급되는 가스의 온도를 승온시킬 수 있다. 일례로, 버너(410)는 오일 버너(oil burner)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 플라스마 버너(plasma burner)일 수도 있다.
블로워(450)는 버너(410)에 연소용 공기를 공급할 수 있다. 이때, 연소용 공기는 외부 공기일 수 있다.
연소용 공기 공급 유로(670)는 블로워(450)가 송풍시키는 공기를 버너(410)로 전달할 수 있다. 이에, 버너(410)는 연소용 공기를 공급받아 연료를 연소시켜 챔버 급기 유로(650)를 따라 이동하는 가스를 승온시키게 된다.
히터(420)는 챔버 급기 유로(650) 상에 설치되어 챔버 급기 유로(650)를 통해 분해 챔버(500)에 공급되는 가스의 온도를 승온시킬 수 있다. 일례로, 히터(420)는 전기 히터일 수 있으며, 별도의 공기와 연료 없이 전기로 동작이 가능하다.
이와 같이, 히터(420)는 동작에 연소용 공기와 연료가 필요하지 않으며 오염 물질을 추가적으로 배출하지 않으나 가스 승온 효율이 상대적으로 낮다.
반면, 버너(410)는 가스 승온 효율이 상대적으로 높으나, 연료를 연소시키는 과정에서 질소산화물(NOx)과 같은 오염 물질이 추가로 배출될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서는, 전술한 바와 같은 버너(410)와 히터(420)의 장단점을 고려하여, 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 동작 상태에 따라 버너(410)와 히터(420)를 차별화시켜 운용할 수 있다.
예를 들어, 선택적 촉매 환원 시스템(101)이 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 동작을 수행하지 않을 때에는 환원제를 생성할 필요가 없으므로 통상적으로 챔버 급기 유로(650)를 통해 가스가 흐르지 않게 되며, 버너(410)에 연소용 공기를 공급하기 위한 블로워(450)와 버너(410)에 연료를 공급하기 위한 연료 공급 장치(미도시)도 동작을 멈출 수 있다.
따라서, 반응기(300)에 설치된 선택적 환원 촉매(350)를 예열시키거나 선택적 환원 촉매(350)를 재생시킬 때에는 버너(410) 보다는 히터(420)를 사용하여 가스를 승온시키는 것이 효과적이다. 즉, 히터(420)를 사용하여 승온된 가스를 챔버 급기 유로(650)와 배기 유로(610)를 거쳐 반응기(300)로 보냄으로써, 선택적 환원 촉매(350)를 예열 및 재생시킬 수 있다.
전술한 바와 같은 선택적 환원 촉매(350)의 예열 또는 재생 상황에서 버너(410)를 사용하게 되면, 블로워(450)와 연료 공급 장치도 가동시켜야 하므로, 불필요한 낭비가 발생될 수 있다.
또한, 선택적 환원 촉매(350)의 예열 및 재생 중에는 환원제가 생성되지 않으므로, 버너(410)의 사용에 의해 발생된 오염 물질이 반응기(300)를 거치면서도 저감되지 못하고 그대로 배출되는 문제점이 발생될 수 있다.
반면, 선택적 촉매 환원 시스템(101)이 질소산화물을 저감시키기 위한 동작을 수행할 때에는 환원제의 생성을 위해 챔버 급기 유로(650)를 통해 가스가 흐르게 되며, 블로워(450)와 연료 공급 장치도 동작하게 된다.
이와 같이, 질소산화물을 저감시키기 위해 선택적 촉매 환원 시스템(101)이 가동되는 중에는 버너(410)를 사용하여 가스를 승온시키는 것이 효과적이다. 이때에는 버너(410)에서 생성된 추가의 오염 물질도 반응기(300)에서 환원제와 반응하여 저감될 수 있을 뿐만 아니라 히터(420) 보다 상대적으로 승온 효율이 높은 버너(410)를 불필요한 낭비 없이 효율적으로 가동할 수 있기 때문이다.
또한, 에너지의 이용 효율을 극대화하기 위해서 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 가동 중 분해 챔버(500)에서 환원제를 생성할 때에 버너(410)와 히터(420)를 동시에 가동할 수도 있다.
버너(410) 또는 히터(420) 중 하나로 분해 챔버(500)에서 환원제를 생성하는데 필요한 열량을 모두 생성하는 것보다는 버너(410)와 히터(420)를 동시에 가동하여 필요한 열량을 분담하여 생성하는 것이 에너지 이용에 효율적일 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 버너(410)와 히터(420)는 직렬로 연결될 수 있다. 일례로, 히터(420)가 상대적으로 챔버 급기 유로(650)의 상류에 위치하고 버너(410)가 상대적으로 챔버 급기 유로(650)의 하류에 위치할 수 있다. 따라서, 버너(410)와 히터(420)가 동시에 사용될 경우, 히터(420)가 1차로 승온시킨 가스를 버너(410)가 2차로 승온시킴으로써 승온 효율을 향상시킬 수 있다.
과열 방지 유로(680)는 블로워(450)가 송풍하는 공기의 일부를 버너(410) 및 히터(420)와 분해 챔버(500) 사이의 챔버 급기 유로(650)로 이동시킬 수 있다. 즉, 과열 방지 유로(680)는 연소용 공기 공급 유로(670)에서 분기되어 버너(410)를 우회하여 챔버 급기 유로(650)에 합류할 수 있다.
과열 방지 밸브(880)는 과열 방지 유로(680)를 개폐할 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에서, 과열 방지 밸브(880)는 분해 챔버(500)에 공급되는 가스의 온도가 기설정된 허용 온도를 초과하면 개방되도록 제어될 수 있다.
구체적으로, 버너(410) 및 히터(420)보다 하류의 챔버 급기 유로(650)의 온도가 급격하게 상승하여 기설정된 허용 온도를 초과하게 되면, 과열 방지 밸브(880)가 개방되면서 외부의 공기를 챔버 급기 유로(650)로 이동시켜 분해 챔버(500)로 공급되는 가스의 온도를 낮추게 된다.
이에, 분해 챔버(500) 또는 반응기(300)가 기설정된 허용 온도 이상으로 과열되는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 기설정된 허용 온도는 현재 선택적 환원 시스템(101)의 동작 상태에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 분해 챔버(500)에서 환원제를 생성 중이라면, 기설정된 허용 온도는 우레아 분해 가능 온도 범위일 수 있다.
또한, 반응기(300)에 내장된 선택적 환원 촉매(350)를 예열하는 중이라면, 기설정된 허용 온도는 선택적 환원 촉매(350)의 예열을 위한 온도 범위일 수 있다.
또한, 반응기(300)에 내장된 선택적 환원 촉매(350)를 재생하는 중이라면, 기설정된 허용 온도는 선택적 환원 촉매(350)의 재생을 위한 온도 범위일 수 있다.
분해 챔버 바이패스 유로(640)는 버너(410) 및 히터(420)와 분해 챔버(500) 사이의 챔버 급기 유로(650)에서 분기되어 반응기(300)보다 상류의 배기 유로(610)에 합류할 수 있다. 즉, 분해 챔버 바이패스 유로(640)는 분해 챔버(500)를 우회하여 챔버 급기 유로(650)와 배기 유로(610)를 연결할 수 있다.
바이패스 밸브(840)는 분해 챔버 바이패스 유로(640)를 개폐할 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에서, 바이패스 밸브(840)는 버너(410) 또는 히터(420)의 전단 압력과 분해 챔버(500)의 후단 압력 간의 차이가 기설정된 허용 압력을 초과하면 개방될 수 있다.
구체적으로, 버너(410) 또는 히터(420)의 전단과 분해 챔버(500)의 후단 간의 차압이 기설정된 허용 압력을 초과할 경우 버너(410) 또는 히터(420)의 후단을 거친 가스의 일부를 분해 챔버 바이패스 유로(640)를 통해 배기 유로(610)로 이동시키게 된다.
이에, 분해 챔버(500)가 허용 압력을 초과하는 높은 압력에 노출되는 것을 방지할 수 있으며, 높은 압력에 의해 버너(410) 또는 히터(420)로 가스가 역류하거나 버너(410) 또는 히터(420)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 환원제를 생성하고 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감하기 위해 소모되는 전체적인 에너지의 이용 효율을 극대화시킬 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(102)에서는, 버너(410)와 히터(420)가 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(102)은 버너 밸브(841)와, 히터 밸브(842)를 더 포함할 수 있다.
버너 밸브(841)는 챔버 급기 유로(650) 상에 설치되어 버너(410)로 향하는 가스의 흐름을 차단할 수 있다.
히터 밸브(842)는 챔버 급기 유로(650) 상에 설치되어 히터(420)로 향하는 가스의 흐름을 차단할 수 있다.
이때, 버너 밸브(841)와 히터 밸브(842)는 각각 버너(410)와 히터(420)보다 상류에 설치될 수 있으나, 본 발명의 제2 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 버너 밸브(841)와 히터 밸브(842)는 각각 버너(410)와 히터(420)보다 하류에 설치될 수도 있다.
이에, 버너 밸브(841)와 히터 밸브(842)는 서로 병렬로 배치된 버너(410)와 히터(420) 중 어느 하나가 동작할 때, 다른 곳으로 가스가 역류하거나 통과하는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 버너(410)만 사용될 때에는 버너 밸브(841)가 개방되고 히터 밸브(842)가 닫힐 수 있다. 반대로, 히터(420)만 사용될 때에는 히터 밸브(842)가 개방되고 버너 밸브(841)는 닫힐 수 있다.
또한, 앞서 제1 실시예에서 설명한 바와 같이, 히터(420)는 동작에 연소용 공기와 연료가 필요하지 않으며 오염 물질을 추가적으로 배출하지 않으나 가스 승온 효율이 상대적으로 낮다. 반면, 버너(410)는 가스 승온 효율이 상대적으로 높으나, 연료를 연소시키는 과정에서 질소산화물(NOx)과 같은 오염 물질이 추가로 배출될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에서도, 전술한 바와 같은 버너(410)와 히터(420)의 장단점을 고려하여, 선택적 촉매 환원 시스템(102)의 동작 상태에 따라 버너(410)와 히터(420)를 차별화시켜 운용할 수 있다.
예를 들어, 선택적 촉매 환원 시스템(102)이 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 동작을 수행하지 않을 때에는 환원제를 생성할 필요가 없으므로 통상적으로 챔버 급기 유로(650)를 통해 가스가 흐르지 않게 되며, 버너(410)에 연소용 공기를 공급하기 위한 블로워(450)와 버너(410)에 연료를 공급하기 위한 연료 공급 장치(미도시)도 동작을 멈출 수 있다.
따라서, 반응기(300)에 설치된 선택적 환원 촉매(350)를 예열시키거나 선택적 환원 촉매(350)를 재생시킬 때에는 버너(410) 보다는 히터(420)를 사용하여 가스를 승온시키는 것이 효과적이다. 즉, 히터(420)를 사용하여 승온된 가스를 챔버 급기 유로(650)와 배기 유로(610)를 거쳐 반응기(300)로 보냄으로써, 선택적 환원 촉매(350)를 예열 및 재생시킬 수 있다.
전술한 바와 같은 선택적 환원 촉매(350)의 예열 또는 재생 상황에서 버너(410)를 사용하게 되면, 블로워(450)와 연료 공급 장치도 가동시켜야 하므로, 불필요한 낭비가 발생될 수 있다.
또한, 선택적 환원 촉매(350)의 예열 및 재생 중에는 환원제가 생성되지 않으므로, 버너(410)의 사용에 의해 발생된 오염 물질이 반응기(300)를 거치면서도 저감되지 못하고 그대로 배출되는 문제점이 발생될 수 있다.
반면, 선택적 촉매 환원 시스템(102)이 질소산화물을 저감시키기 위한 동작을 수행할 때에는 환원제의 생성을 위해 챔버 급기 유로(650)를 통해 가스가 흐르게 되며, 블로워(450)와 연료 공급 장치도 동작하게 된다.
이와 같이, 질소산화물을 저감시키기 위해 선택적 촉매 환원 시스템(102)이 가동되는 중에는 버너(410)를 사용하여 가스를 승온시키는 것이 효과적이다. 이때에는 버너(410)에서 생성된 추가의 오염 물질도 반응기(300)에서 환원제와 반응하여 저감될 수 있을 뿐만 아니라 히터(420) 보다 상대적으로 승온 효율이 높은 버너(410)를 불필요한 낭비 없이 효율적으로 가동할 수 있기 때문이다.
전술한 바와 같이, 버너(410) 및 히터(420) 중 어느 하나만을 가동시킬 때, 버너(410)와 히터(420)가 직렬로 연결된다면, 가동되지 않는 버너(410) 또는 히터(420)는 가스의 흐름에 저항으로 작용하여 효율을 저하시킬 수 있으며, 불필요하게 고온의 가스가 통과하는 과정에서 내구성이 저하될 수도 있다.
하지만, 본 발명의 제2 실시예에서는, 버너(410)와 히터(420)를 병렬로 배치하여 전술한 바와 같은 문제의 발생을 차단하고 운용 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(102)은 환원제를 생성하고 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감하기 위해 소모되는 전체적인 에너지의 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.
101, 102: 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치
300: 반응기
350: 선택적 환원 촉매
410: 버너
420: 히터
450: 블로워
500: 분해 챔버
550: 우레아 분해 촉진 촉매
610: 배기 유로
640: 분해 챔버 바이패스 유로
650: 챔버 급기 유로
670: 연소용 공기 공급 유로
680: 과열 방지 유로
710: 환원제 분사부
750: 우레아 분사부
770: 우레아 공급부
780: 압축 공기 공급부
840: 바이패스 밸브
841: 버너 밸브
842: 히터 밸브
880: 과열 방지 밸브

Claims (13)

  1. 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스가 이동하는 배기 유로;
    상기 배기 유로 상에 설치되며 선택적 환원 촉매가 내장된 반응기;
    상기 반응기보다 상류의 상기 배기 유로 상에 설치된 환원제 분사부;
    환원제를 생성하여 상기 환원제 분사부에 공급하는 분해 챔버;
    상기 분해 챔버의 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 분사부;
    상기 분해 챔버에 가스를 공급하는 챔버 급기 유로;
    상기 챔버 급기 유로 상에 설치되어 상기 분해 챔버에 공급되는 가스의 온도를 승온시키는 버너; 및
    상기 챔버 급기 유로 상에 설치되어 상기 분해 챔버에 공급되는 가스의 온도를 승온시키는 히터
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버너에 연소용 공기를 공급하기 위한 블로워를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 블로워가 송풍하는 공기의 일부를 상기 버너 및 상기 히터와 상기 분해 챔버 사이의 상기 챔버 급기 유로로 이동시키는 과열 방지 유로와;
    상기 과열 방지 유로를 개폐하는 과열 방지 밸브
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 과열 방지 밸브는 상기 분해 챔버에 공급되는 가스의 온도가 기설정된 허용 온도를 초과하면 개방되는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 버너 및 상기 히터와 상기 분해 챔버 사이의 상기 챔버 급기 유로에서 분기되어 상기 반응기보다 상류의 상기 배기 유로에 합류하는 분해 챔버 바이패스 유로와;
    상기 분해 챔버 바이패스 유로를 개폐하는 바이패스 밸브
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 바이패스 밸브는 상기 버너 또는 상기 히터의 전단 압력과 상기 분해 챔버의 후단 압력 간의 차이가 기설정된 허용 압력을 초과하면 개방되는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분해 챔버에 내장된 우레아 분해 촉진 촉매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 버너와 상기 히터는 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 버너와 상기 히터는 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 챔버 급기 유로 상에 설치되어 상기 버너로 향하는 가스의 흐름을 차단하는 버너 밸브와;
    상기 챔버 급기 유로 상에 설치되어 상기 히터로 향하는 가스의 흐름을 차단하는 히터 밸브
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 급기 유로를 통해 상기 분해 챔버에 공급되는 가스는 배기가스 또는 공기인 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 우레아 분사부에 우레아 수용액을 공급하는 우레아 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 우레아 분사부에 압축 공기를 공급하는 압축 공기 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
KR1020200094339A 2020-07-29 2020-07-29 선택적 촉매 환원 시스템 KR20220014578A (ko)

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