KR20230047597A - 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 scr 시스템 - Google Patents

벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 scr 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우레아 공급장치에 구비되어 있는 압축공기 공급라인을 SCR 반응기의 벤팅(venting) 및 실링(sealing)에 이용되도록 함으로써 별도의 압축공기 공급장치가 요구되지 않도록 하여 장치 구성을 간략화함과 함께 압축공기 소모량의 효과적으로 제어할 수 있는 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템은 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물을 환원시키는 SCR 반응기; 및 SCR 반응기 전단의 주배기관에 우레아를 공급하거나, SCR 반응기에 압축공기를 공급하는 우레아 공급장치;를 포함하여 이루어지며, 상기 우레아 공급장치는, 우레아 저장탱크의 우레아를 노즐로 공급하는 우레아 공급라인과, 압축공기를 노즐로 공급하는 압축공기 공급라인과, 압축공기 공급라인의 일 지점에서 분기되어 우레아 공급라인에 연결되며, 압축공기 공급라인의 압축공기를 우레아 공급라인에 공급하는 플러싱 라인과, 우레아와 압축공기의 혼합물 또는 압축공기를 SCR 반응기 전단의 주배기관에 분사하는 노즐을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템{SCR system for providing compressed air for venting and sealing}
본 발명은 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우레아 공급장치에 구비되어 있는 압축공기 공급라인을 SCR 반응기의 벤팅(venting) 및 실링(sealing)에 이용되도록 함으로써 별도의 압축공기 공급장치가 요구되지 않도록 하여 장치 구성을 간략화함과 함께 압축공기 소모량의 효과적으로 제어할 수 있는 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템에 관한 것이다.
선박 엔진에서 발생되는 배기가스는 배기가스 리시버(exhaust gas receiver)(20)와 과급기(T/C)(30)를 거쳐 배출되는데, 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물(NOx)을 제거하기 위해 배기가스 리시버(20)와 과급기(30) 사이 또는 과급기(30)의 후단에 SCR 반응기(10)가 구비된다. SCR 반응기(10)(Selective Catalytic Reduction reactor)는 환원제와 촉매를 이용하여 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물을 질소(N2)로 환원시키는 역할을 한다(도 1 참조).
이러한 SCR 반응기(10)는 상황에 따라 선택적으로 운전되는데, SCR 반응기(10)의 운전이 요구되지 않는 경우 배기가스는 SCR 반응기(10)를 거치지 않고 배기가스 리시버(20)에서 과급기(30)로 이동되어 외부로 배출된다. 반면, SCR 반응기(10)의 운전이 요구되는 경우에는 배기가스는 배기가스 리시버(20), SCR 반응기(10), 과급기(30)를 순차적으로 거치거나 배기가스 리시버(20), 과급기(30), SCR 반응기(10)를 거치게 된다.
SCR 반응기(10)가 동작하지 않는 경우, SCR 반응기(10)로의 배기가스 공급을 차단하기 위해 SCR 반응기(10)의 전단과 후단에는 각각 밸브가 구비된다. 구체적으로, SCR 반응기(10)의 전단에는 RSV(reactor sealing valve)가 구비되고, SCR 반응기(10)의 후단에는 RTV(reactor throttle valve)가 구비된다.
SCR 반응기(10) 전단과 후단의 밸브 즉, RSV와 RTV에 의해 SCR 반응기(10)의 미가동시 SCR 반응기(10)가 실링(sealing)는데, RSV와 RTV의 누설로 인해 미량의 배기가스가 배기가스 리시버(20) 또는 과급기(30)로부터 SCR 반응기(10)로 유입되며, 이러한 SCR 반응기(10)로의 배기가스 유입은 SCR 반응기(10)의 부식을 유발한다.
RSV와 RTV의 누설로 인한 SCR 반응기(10)의 부식을 방지하기 위해 SCR 반응기(10)의 전단 일측에 압축공기 공급장치(40)가 구비된다. SCR 반응기(10)의 미가동시 즉, SCR 반응기(10)의 실링이 요구되는 경우, 압축공기 공급장치(40)를 통해 SCR 반응기(10)에 압축공기를 공급함으로써 누설 또는 잔류 배기가스로 인한 SCR 반응기(10)의 부식 문제를 해결할 수 있다. 압축공기 공급장치(40)는 SCR 반응기(10)에 잔류하는 배기가스를 배출시키기 위해 압축공기를 공급하는 역할, SCR 반응기(10)에 고압의 압축공기를 채워둠으로써 RSV와 RTV의 누설에 의해 SCR 반응기(10)로 배기가스가 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다.
한편, 압축공기 공급장치(40)를 통해 RSV와 RTV의 누설로 인한 SCR 반응기(10)의 부식 문제를 해결할 수 있으나, 압축공기 공급장치(40)라는 별도의 장치 구성이 요구됨과 함께 압축공기 공급장치(40)는 통상 대구경의 하나의 배관을 통해 압축공기를 공급하는 방식임에 따라 압축공기의 소모량이 크다는 또 다른 문제점이 있다.
한국등록특허 제2260199호(2021. 6. 2. 공고)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 우레아 공급장치에 구비되어 있는 압축공기 공급라인을 SCR 반응기의 벤팅(venting) 및 실링(sealing)에 이용되도록 함으로써 별도의 압축공기 공급장치가 요구되지 않도록 하여 장치 구성을 간략화함과 함께 압축공기 소모량의 효과적으로 제어할 수 있는 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템은 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물을 환원시키는 SCR 반응기; 및 SCR 반응기 전단의 주배기관에 우레아를 공급하거나, SCR 반응기에 압축공기를 공급하는 우레아 공급장치;를 포함하여 이루어지며, 상기 우레아 공급장치는, 우레아 저장탱크의 우레아를 노즐로 공급하는 우레아 공급라인과, 압축공기를 노즐로 공급하는 압축공기 공급라인과, 압축공기 공급라인의 일 지점에서 분기되어 우레아 공급라인에 연결되며, 압축공기 공급라인의 압축공기를 우레아 공급라인에 공급하는 플러싱 라인과, 우레아와 압축공기의 혼합물 또는 압축공기를 SCR 반응기 전단의 주배기관에 분사하는 노즐을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
우레아의 공급이 차단된 상태에서, 상기 압축공기 공급라인과 플러싱 라인 중 적어도 어느 하나 이상을 통해 압축공기가 공급되어 노즐을 통해 SCR 반응기로 전달된다.
SCR 반응기의 미가동시에, SCR 반응기에 잔류하는 배기가스를 벤팅하기 위해 상기 압축공기 공급라인과 플러싱 라인 중 적어도 어느 하나 이상을 통해 압축공기가 공급된다. 이 때, SCR 반응기 전단의 주배기관에 RSV(reactor sealing valve)가 구비되고, SCR 반응기 후단의 주배기관에 RTV(reactor throttle valve)가 구비되며, 상기 압축공기 공급시 RSV는 차단됨과 함께 RTV는 개방된다.
SCR 반응기의 미가동시에, SCR 반응기에 실링용 압축공기를 공급하기 위해 상기 압축공기 공급라인과 플러싱 라인 중 적어도 어느 하나 이상을 통해 압축공기가 공급된다. 이 때, SCR 반응기 전단의 주배기관에 RSV(reactor sealing valve)가 구비되고, SCR 반응기 후단의 주배기관에 RTV(reactor throttle valve)가 구비되며, 상기 압축공기 공급시 RSV와 RTV는 모두 차단된다.
상기 SCR 반응기는 배기가스 리시버와 과급기(T/C) 사이에 구비된다.
본 발명에 따른 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
SCR 반응기에 대한 벤팅 및 실링시 별도의 압축공기 공급장치 필요 없이 우레아 공급장치에 구비된 압축공기 공급라인을 이용함에 따라 장치 구성을 간략화할 수 있으며, 압축공기의 소모량을 선택적으로 제어할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 SCR 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템의 구성도.
본 발명은 SCR 반응기의 벤팅 및 실링에 관한 기술을 제시한다.
앞서 '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이, SCR 반응기의 미가동시 SCR 반응기의 잔류 또는 유입 배기가스로 인해 SCR 반응기가 부식되는 것을 방지하기 위해 SCR 반응기에 대한 벤팅(venting) 및 실링(sealing)이 필요한데, 이를 위해 일반적으로 압축공기 공급장치라는 별도의 장치를 구비시켜 이용하고 있다. 압축공기 공급장치의 운용에 따른 문제점은 상술한 바와 같다.
본 출원인은 우레아 공급장치에 압축공기 공급라인이 구비되는 점에 착안하여, 별도의 압축공기 공급장치를 설치할 필요 없이 우레아 공급장치의 압축공기 공급라인을 SCR 반응기의 벤팅 및 실링에 이용하는 기술을 제시한다. 이를 통해 SCR 시스템의 장치 구성을 간략화할 수 있으며, 압축공기 소모량을 효과적으로 제어할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템을 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템은 배기가스 리시버(20), 주배기관(11), SCR 반응기(10), 과급기(T/C)(30), 우회배기관(12) 및 우레아 공급장치(100)를 포함하여 이루어진다.
엔진의 배기가스는 배기가스 리시버(20)로 전달되며, 배기가스 리시버(20)의 배기가스는 주배기관(11)을 통해 SCR 반응기(10)로 공급되거나 우회배기관(12)을 통해 과급기(T/C)(30)로 공급된다. SCR 반응기(10)의 가동이 요구되는 경우 배기가스 리시버(20)의 배기가스는 주배기관(11)을 통해 SCR 반응기(10)로 공급되며, SCR 반응기(10)의 가동이 요구되지 않으면 배기가스 리시버(20)의 배기가스는 우회배기관(12)을 통해 과급기(T/C)(30)로 공급된다.
SCR 반응기(10)의 전단과 후단 각각에는 RSV(reactor sealing valve), RTV(reactor throttle valve)가 구비된다. RSV는 배기가스 리시버(20)와 SCR 반응기(10) 사이의 주배기관(11)에 구비되어 배기가스 리시버(20)로부터 SCR 반응기(10)로의 배기가스 유입을 선택적으로 제어하며, RTV는 SCR 반응기(10)와 과급기(T/C)(30) 사이의 주배기관(11)에 구비되어 SCR 반응기(10)로부터 과급기(T/C)(30)로의 배기가스 배출을 선택적으로 제어한다. SCR 반응기(10)의 가동시 RSV와 RTV는 모두 개방되며, SCR 반응기(10)가 가동하지 않는 경우 RSV와 RTV는 모두 차단된다.
SCR 반응기(10)의 미가동시 RSV와 RTV가 모두 폐쇄되어 SCR 반응기(10) 내에는 배기가스가 존재하지 않아야 되나 RSV와 RTV의 누설로 인해 배기가스 리시버(20)측의 배기가스 또는 과급기(T/C)(30)측의 배기가스가 SCR 반응기(10)로 유입될 수 있다. SCR 반응기(10)의 미가동시 SCR 반응기(10) 내로의 배기가스 유입은 SCR 반응기(10)의 부식을 초래한다. 배기가스 유입으로 인한 SCR 반응기(10)의 부식은 SCR 반응기(10) 내에 배기가스의 압력보다 높은 압력을 갖는 고압의 압축공기를 SCR 반응기(10) 내에 미리 채움으로써 방지할 수 있는데, 종래 기술의 경우 별도의 압축공기 공급장치를 이용하나 본 발명은 우레아 공급장치(100)의 압축공기 공급라인(120)을 이용한다.
상기 우레아 공급장치(100)는 SCR 반응기(10) 전단의 주배기관(11)에 우레아를 공급하는 역할을 하며, SCR 반응기(10) 전단의 주배기관(11)에 공급된 우레아는 배기가스의 열에 의해 가수분해되어 암모니아로 변환된다. 우레아로부터 생성된 암모니아는 SCR 반응기(10) 내에서 질소산화물을 질소로 환원시키는 환원제 역할을 한다.
상기 우레아 공급장치(100)는 SCR 반응기(10) 전단의 주배기관(11)에 우레아를 공급하는 역할 이외에 SCR 반응기(10)의 미가동시 SCR 반응기(10) 내에 잔류하는 배기가스를 밀어내기 위한 용도로 압축공기를 공급하는 역할, 배기가스의 유입을 방지하기 위한 용도로 SCR 반응기(10)에 압축공기를 공급하는 역할을 한다.
상기 우레아 공급장치(100)는 세부적으로, 우레아 공급라인(110), 압축공기 공급라인(120), 플러싱 라인(130) 및 노즐(140)을 포함하여 구성된다. 우레아 공급라인(110)은 우레아 저장탱크에 저장되어 있는 우레아를 노즐(140)로 공급하는 역할을 하며, 압축공기 공급라인(120)은 고압의 압축공기를 노즐(140)로 공급하는 역할을 한다. 노즐(140)은 우레아 공급라인(110)을 통해 공급된 우레아를 압축공기 공급라인(120)을 통해 공급된 압축공기를 이용하여 SCR 반응기(10) 전단의 주배기관(11)에 분사하는 역할을 한다. 또한, 플러싱 라인(130)은 압축공기 공급라인(120)의 일 지점에서 분기되어 우레아 공급라인(110)과 연결되는 라인이며, 압축공기 공급라인(120)의 압축공기가 플러싱 라인(130)으로 공급됨으로써 우레아 공급라인(110)에 잔류하는 우레아가 압축공기에 의해 플러싱된다.
이와 같이, 우레아 공급장치(100)의 압축공기 공급라인(120)은 우레아를 주배기관(11)에 분사하기 위한 이송기체(압축공기)를 공급하는 역할을 하는데, 본 발명에서는 우레아의 이송기체 역할 이외에 SCR 반응기(10)의 잔류 배기가스의 벤팅을 위한 압축공기 공급, SCR 반응기(10)를 고압의 압축공기로 채우기 위한 압축공기 공급을 추가적으로 수행한다.
우레아는 SCR 반응기(10)의 가동시에 공급되는 것임에 따라 통상의 우레아 공급장치(100)는 SCR 가동시에만 동작하게 되는데, 본 발명의 우레아 공급장치(100) 정확히는 우레아 공급장치(100)의 압축공기 공급라인(120)은 우레아 공급을 위해 SCR 반응기(10)의 가동시에 동작됨은 물론, 상술한 바와 같은 SCR 반응기(10)의 벤팅 및 실링을 위해 SCR 반응기(10)의 미가동시에도 동작한다.
SCR 반응기(10)의 미가동시에 SCR 반응기(10)에 압축공기를 공급하기 위해, 우레아 공급라인(110) 및 압축공기 공급라인(120) 그리고 플러싱 라인(130)에 대한 제어가 필요하다. 이러한 제어를 위해 우레아 공급라인(110)과 우레아 저장탱크 사이에는 우레아의 공급을 개폐하는 우레아 공급밸브(111)가 구비되고, 압축공기 공급라인(120)에는 압축공기의 공급을 개폐하는 압축공기 밸브(121)가 구비되며, 플러싱 라인(130)에는 플러싱 라인(130)을 개폐하는 플러싱 밸브(131)가 구비된다. 전술한 바와 같이 플러싱 라인(130)은 압축공기 공급라인(120)의 일 지점에서 분기되어 우레아 공급라인(110)에 연결되는데, 압축공기 밸브(121)의 구비 지점은 플러싱 라인(130)이 분기되는 지점보다 후단에 위치한다. 이에 따라, 압축공기 밸브(121)가 차단된 상태에서 압축공기 공급라인(120)에 압축공기가 공급되면 해당 압축공기는 플러싱 라인(130)으로 이동된다.
SCR 반응기(10)의 미가동시에 대한 설명에 앞서, SCR 반응기(10)의 가동시 우레아 공급장치(100)의 동작에 대해 설명하면 다음과 같다. 우레아 저장탱크에 저장되어 있는 우레아는 우레아 공급라인(110)을 따라 노즐(140)로 공급되며, 압축공기는 압축공기 공급라인(120)을 따라 노즐(140)에 공급되며, 노즐(140)의 출구를 통해 우레아가 압축공기에 의해 분사된다. 이 때, 우레아 공급밸브(111)와 압축공기 밸브(121)는 개방되고 플러싱 밸브(131)는 차단된 상태를 이룬다.
우레아의 분사가 완료되면, 우레아 저장탱크에서 우레아 공급라인(110)으로의 우레아 공급은 차단되며, 이와 같은 상태에서 우레아 공급라인(110)에 잔존하는 우레아를 플러싱하기 위해 플러싱 라인(130)으로 압축공기가 공급된다. 플러싱 라인(130)으로의 압축공기 공급을 위해 압축공기 밸브(121)는 차단되고 플러싱 밸브(131)는 개방되며, 이에 따라 압축공기 공급라인(120)의 압축공기는 플러싱 라인(130)으로 공급되어 우레아 공급라인(110)으로 전달된다. 이 때, 플러싱 라인(130)으로의 압축공기 공급시 압축공기 밸브(121)는 개방될 수도 있다.
SCR 반응기(10)의 미가동시 우레아 공급장치(100)의 동작은 다음과 같다.
우레아 공급밸브(111)가 차단된 상태에서, 압축공기 밸브(121)와 플러싱 밸브(131) 중 적어도 어느 하나 이상은 개방된 상태를 이룬다. 즉, 압축공기 공급라인(120)과 플러싱 라인(130) 중 어느 하나만 개방되거나 두 라인 모두 개방될 수 있다. 이러한 상태에서 압축공기가 공급되면, 압축공기 공급라인(120)과 플러싱 라인(130) 중 어느 하나 이상을 통해 압축공기가 노즐(140)로 공급되며, 해당 압축공기는 노즐(140)을 통해 SCR 반응기(10) 전단의 주배기관(11)에 분사되며, 주배기관(11)에 분사된 압축공기는 SCR 반응기(10)의 내부로 이동된다. SCR 반응기(10)의 내부로 공급되는 압축공기는 SCR 반응기(10)에 잔류하는 배기가스를 벤팅하거나 SCR 반응기(10)의 내부 공간을 채우게 된다.
SCR 반응기(10)에 대한 벤팅인 경우에는, RSV는 차단되고 RTV는 개방된 상태에서 SCR 반응기(10)에 압축공기가 공급되어 SCR 반응기(10)에 잔류하는 배기가스가 압축공기에 의해 벤팅된다. 또한, SCR 반응기(10)의 실링인 경우에는 RSV와 RTV는 모두 차단된 상태에서 압축공기가 공급되어 SCR 반응기(10)의 내부 공간이 압축공기로 채워지게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 우레아 공급장치(100)에 이미 구비되어 있는 압축공기 공급라인(120)을 이용하여 SCR 반응기(10)의 미가동시 SCR 반응기(10)에 대한 벤팅 및 실링 용도로 압축공기를 공급할 수 있음에 따라, 종래 기술과 같이 별도의 압축공기 공급장치를 설치할 필요가 없게 된다. 또한, 압축공기 공급라인(120)과 플러싱 라인(130) 중 어느 하나 또는 이들 모두를 통해 압축공기를 SCR 반응기(10)에 공급할 수 있음에 따라, 필요량에 대응하여 압축공기의 공급량을 제어할 수 있어 압축공기의 불필요한 소모를 방지할 수 있다.
10 : SCR 반응기 11 : 주배기관
12 : 우회배기관 20 : 배기가스 리시버
30 : 과급기(T/C) 100 : 우레아 공급장치
110 : 우레아 공급라인 111 : 우레아 공급밸브
120 : 압축공기 공급라인 121 : 압축공기 밸브
130 : 플러싱 라인 131 : 플러싱 밸브
140 : 노즐

Claims (7)

  1. 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물을 환원시키는 SCR 반응기; 및
    SCR 반응기 전단의 주배기관에 우레아를 공급하거나, SCR 반응기에 압축공기를 공급하는 우레아 공급장치;를 포함하여 이루어지며,
    상기 우레아 공급장치는,
    우레아 저장탱크의 우레아를 노즐로 공급하는 우레아 공급라인과,
    압축공기를 노즐로 공급하는 압축공기 공급라인과,
    압축공기 공급라인의 일 지점에서 분기되어 우레아 공급라인에 연결되며, 압축공기 공급라인의 압축공기를 우레아 공급라인에 공급하는 플러싱 라인과,
    우레아와 압축공기의 혼합물 또는 압축공기를 SCR 반응기 전단의 주배기관에 분사하는 노즐을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 우레아의 공급이 차단된 상태에서, 상기 압축공기 공급라인과 플러싱 라인 중 적어도 어느 하나 이상을 통해 압축공기가 공급되어 노즐을 통해 SCR 반응기로 전달되는 것을 특징으로 하는 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, SCR 반응기의 미가동시에, SCR 반응기에 잔류하는 배기가스를 벤팅하기 위해 상기 압축공기 공급라인과 플러싱 라인 중 적어도 어느 하나 이상을 통해 압축공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, SCR 반응기의 미가동시에, SCR 반응기에 실링용 압축공기를 공급하기 위해 상기 압축공기 공급라인과 플러싱 라인 중 적어도 어느 하나 이상을 통해 압축공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, SCR 반응기 전단의 주배기관에 RSV(reactor sealing valve)가 구비되고, SCR 반응기 후단의 주배기관에 RTV(reactor throttle valve)가 구비되며,
    상기 압축공기 공급시 RSV는 차단됨과 함께 RTV는 개방되는 것을 특징으로 하는 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서, SCR 반응기 전단의 주배기관에 RSV(reactor sealing valve)가 구비되고, SCR 반응기 후단의 주배기관에 RTV(reactor throttle valve)가 구비되며,
    상기 압축공기 공급시 RSV와 RTV는 모두 차단되는 것을 특징으로 하는 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 SCR 반응기는 배기가스 리시버와 과급기(T/C) 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 벤팅 및 실링용 압축공기 공급을 위한 SCR 시스템.
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