KR20230065434A - 요소수 제조장치 - Google Patents

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KR20230065434A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 요소수 제조장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 요소수 제조장치는, 내부에 요소수생성공간이 형성된 챔버와, 챔버 내부로 요소를 공급하는 요소공급부와, 챔버 내부로 청수를 공급하는 청수공급부와, 챔버에 설치되어 요소가 청수에 용해되어 생성된 요소수의 온도를 측정하는 센서부, 및 요소수의 온도가 기준온도 미만이면 챔버 내부로 스팀을 주입하는 스팀주입부를 포함할 수 있다.

Description

요소수 제조장치{Urea manufacturing device}
본 발명은 요소수 제조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 요소를 청수에 신속하게 용해시킬 수 있는 요소수 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로, 선박에 설치되는 각종 엔진은 화석 연료를 연소하여 동력을 생성하며, 화석 연료의 연소 과정에서 발생되는 배기가스는 질소산화물, 황산화물, 이산화탄소 등을 포함하고 있다. 대기오염이 증가함에 따라 배기가스에 포함된 각종 유해물질에 대한 규제가 엄격해지고 있는 실정이며, 이에 따라, 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 선택적촉매환원반응기(SCR; Selective Catalytic Reduction)의 설치가 필수적이다. 선택적촉매환원반응기는 환원제와 섞인 배기가스를 반응기 내부에 설치된 촉매층에 통과시켜 질소산화물을 질소와 물로 환원시키는데, 환원제로써 기상의 암모니아가 사용된다.
기상의 암모니아는 폭발 위험성과 부식성이 높아 저장과 사용이 어려운 문제가 있으며, 이로 인해, 종래에는 암모니아를 생성할 수 있는 요소수를 탱크에 보관하고, 필요 시 선택적촉매환원반응기에서 요소수를 열분해하여 기상의 암모니아로 변환시켜 사용하였다. 그러나, 요소수는 저장 시 0~35℃의 온도 조건을 유지해야 하고, 온도 조건을 유지하더라도 장시간 경과 시 성층화로 인해 균일도가 변하여 성능이 저하되므로, 온도 유지 및 주기적인 벙커링(bunkering)으로 인해 많은 비용이 소요되는 문제가 있다.
따라서, 최근에는 필요 시 요소와 청수를 혼합하여 요소수를 제조하는 시스템이 도입되었다. 그러나, 요소가 청수에 용해될 때 필요한 열원을 제공하기 위해 전기 히터가 구동되거나 배관을 통해 스팀이 공급되어야 하므로, 많은 시간이 소요되어 요소수의 필요 시 즉각 생성하여 공급하는데 어려움이 있었다.
이에, 요소를 신속하게 용해시킬 수 있는 요소수 제조장치가 필요하게 되었다.
대한민국 공개특허 제10-2020-0104690호 (2020.09.04.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 요소를 청수에 신속하게 용해시킬 수 있는 요소수 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 요소수 제조장치는, 내부에 요소수생성공간이 형성된 챔버와, 상기 챔버 내부로 요소를 공급하는 요소공급부와, 상기 챔버 내부로 청수를 공급하는 청수공급부와, 상기 챔버에 설치되어 상기 요소가 상기 청수에 용해되어 생성된 요소수의 온도를 측정하는 센서부, 및 상기 요소수의 온도가 기준온도 미만이면 상기 챔버 내부로 스팀을 주입하는 스팀주입부를 포함한다.
상기 스팀주입부는, 상기 요소수생성공간에 설치되며 복수의 분사구가 형성된 적어도 하나의 메인배관과, 상기 메인배관에 상기 스팀을 공급하는 스팀공급관을 포함할 수 있다.
상기 스팀공급관은 보일러부와 이코노마이저 중 적어도 하나에 연결되어 상기 스팀을 공급받을 수 있다.
상기 스팀주입부는, 상기 스팀공급관과 선택적으로 개폐되며 상기 메인배관에 공기를 공급하는 공기공급관을 더 포함할 수 있다.
상기 챔버는 상단에 공기를 배출하는 공기배출구가 형성될 수 있다.
상기 요소수 제조장치는, 상기 챔버에 회전 가능하게 설치되어 상기 요소와 상기 청수를 혼합하는 교반기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 스팀주입부가 챔버 내부로 스팀을 주입하여 열원을 제공하므로, 요소가 청수에 신속하게 용해될 수 있으며, 이로 인해, 요소수 생성에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다. 특히, 보관탱크로부터 공급된 요소가 습기에 의해 일부 녹아 서로 붙어 있더라도 공기공급관을 통해 공급된 공기가 이를 분산시키므로, 요소를 청수에 보다 용이하게 용해시킬 수 있다. 요소수 생성에 소요되는 시간이 단축됨에 따라, 필요 시 즉각 생성하여 선택적촉매환원반응기로 공급 가능하게 되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 용이하게 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 요소수 제조장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 요소수 제조장치를 종 방향으로 절단하여 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 요소수 제조장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 요소수 제조장치에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 요소수 제조장치는 선택적촉매환원반응기로 공급되어 환원제로 사용될 요소수를 제조하는 장치로, 선박에 설치될 수 있다.
요소수 제조장치는 스팀주입부가 챔버 내부로 스팀을 주입하여 열원을 제공하므로, 요소가 청수에 신속하게 용해될 수 있으며, 이로 인해, 요소수 생성에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다. 특히, 보관탱크로부터 공급된 요소가 습기에 의해 일부 녹아 서로 붙어 있더라도 공기공급관을 통해 공급된 공기가 이를 분산시키므로, 요소를 청수에 보다 용이하게 용해시킬 수 있다. 요소수 생성에 소요되는 시간이 단축됨에 따라, 필요 시 즉각 생성하여 선택적촉매환원반응기로 공급 가능하게 되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 용이하게 저감시킬 수 있는 특징이 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 요소수 제조장치(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 요소수 제조장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 요소수 제조장치를 종 방향으로 절단하여 도시한 단면도이다.
본 발명에 따른 요소수 제조장치(1)는 챔버(10), 요소공급부(20), 청수공급부(30), 센서부(40), 및 스팀주입부(50)를 포함한다.
챔버(10)는 내부에 요소수가 생성되는 요소수생성공간(10a)이 형성된 통 형상의 부재로, 요소가 용해되어 생성된 요소수의 열이 외부로 방출되어 어는점 이하의 저온에서 요소수가 동결되는 것을 방지하기 위해 열전도율이 낮은 합성수지 등으로 제작될 수 있다. 필요에 따라, 챔버(10)는 내측 또는 외측에 단열효과를 증대시키는 단열재가 설치될 수 있으며, 일 면, 예를 들어, 하면에 로드셀(도시되지 않음)이 설치되어 후술할 요소공급부(20)로부터 공급되는 요소의 양을 측정할 수 있다. 챔버(10)는 일 측에 요소공급부(20)와 청수공급부(30)가 각각 연결된다.
요소공급부(20)는 일 측이 보관탱크(도시되지 않음)에 연결되고 타측이 챔버(10)에 연결되어 보관탱크에 저장된 요소를 챔버(10) 내부로 공급하며, 보관탱크에는 화학식이 CH4N2O이고 무색무취의 결정성 물질인 분말 또는 알갱이 또는 펠렛(pellet) 형태의 고체요소가 저장될 수 있다. 예를 들어, 고체요소는 일정한 크기의 분말 또는 알갱이 또는 펠렛 형태일 수도 있고, 서로 다른 크기의 분말 또는 알갱이 또는 펠렛 형태일 수도 있으며, 서로 다른 크기의 분말, 알갱이, 펠렛이 혼합된 형태일 수도 있다. 이러한 고체요소는 보관탱크에 장기간 보관 시 습기에 의해 일부 녹아 서로 붙어 있을 수 있으며, 서로 붙은 상태로 챔버(10)에 공급될 수 있다.
청수공급부(30)는 일 측이 조수기(도시되지 않음) 또는 청수저장탱크(도시되지 않음)에 연결되어 챔버(10) 내부로 청수를 공급한다. 청수공급부(30) 상에는 유량계(도시되지 않음)가 설치되므로, 정량의 청수가 챔버(10)로 공급될 수 있다. 챔버(10)는 요소공급부(20)로부터 공급받은 요소에, 청수공급부(30)로부터 공급받은 청수를 혼합하여 요소수를 생성하며, 요소와 청수의 원활한 혼합을 위해 내부에 교반기(60)가 설치될 수 있다.
교반기(60)는 요소수생성공간(10a)에 공급된 요소와 청수를 혼합하는 것으로, 챔버(10)의 일 측에 회전 가능하게 설치될 수 있다. 교반기(60)는 교반날개(61)와, 회전축(62), 및 구동모터(63)를 포함한다. 교반날개(61)는 챔버(10) 내부에 배치되며, 구동모터(63)에 연결된 회전축(62)의 외주면에 방사상으로 결합되어 회전축(62)과 함께 회전할 수 있다. 도면 상에는 구동모터(63)가 챔버(10) 외측에 설치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 필요에 따라 구동모터(63)는 챔버(10) 내부에 설치될 수도 있다.
또한, 챔버(10) 내부에는 센서부(40)가 설치된다. 센서부(40)는 요소가 청수에 용해되어 생성된 요소수의 온도를 측정하는 것으로, 청수의 수위 아래에 위치할 수 있다. 여기서, 요소수는, 챔버(10) 내부로 공급된 요소가 청수에 적어도 일부 용해되어 생성된 것일 수 있으며, 요소가 청수에 용해되지 않은 초기 상태의 경우, 센서부(40)는 챔버(10) 내부로 공급된 청수의 온도를 측정할 수도 있다. 센서부(40)는 측정된 요소수의 온도를 제어부(도시되지 않음)로 전송하며, 제어부는 전송된 요소수의 온도에 따라 스팀주입부(50)를 동작할 수 있다.
스팀주입부(50)는 요소수의 온도가 기준온도 미만이면 챔버(10) 내부로 스팀을 주입할 수 있다. 요소가 청수에 용해될 때 열원이 필요하며, 열원이 제공되지 않을 경우 요소의 용해도가 저하되어 요소수 생성에 많은 시간이 소요될 수 있다. 본원 발명은 열원을 제공하여 요소를 신속하게 용해시키기 위해 스팀주입부(50)가 설치된다.
스팀주입부(50)는 요소수생성공간(10a) 내부에 스팀을 주입하는 것으로, 적어도 하나의 메인배관(51)과 스팀공급관(52)을 포함한다.
메인배관(51)은 스팀이 분사되는 복수 개의 분사구(51a)가 형성된 관(管)으로, 적어도 하나가 요소수생성공간(10a)에 설치될 수 있다. 이 때, 각각의 분사구(51a)는 직경이 요소의 알갱이 직경보다 작게 형성될 수 있으며, 메인배관(51)은 분사구(51a)가 챔버(10)의 중앙을 향하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 메인배관(51)이 챔버(10) 바닥에 수평하게 배치된 경우, 분사구(51a)가 챔버(10)의 중앙을 향해 수직 방향으로 공기를 분사하도록 배열될 수 있으며, 메인배관(51)이 챔버(10) 벽면에 수직하게 배치된 경우, 분사구(51a)가 챔버(10)의 중앙을 향해 수평 방향으로 공기를 분사하도록 배열될 수 있다. 이하, 메인배관(51)이 챔버(10) 바닥에 수평하게 배치된 구조를 보다 중점적으로 설명한다. 메인배관(51)은 복수 개가 챔버(10)의 바닥면에 나란하게 배열될 수 있다. 메인배관(51)이 챔버(10)의 바닥면에 배열됨으로써, 챔버(10) 바닥에 가라앉은 요소에 효과적으로 열원을 제공할 수 있다. 도면 상에는 3개의 메인배관(51)이 챔버(10)의 바닥면에 나란히 배열되고, 중앙에 위치한 메인배관(51)에 나머지 2개의 메인배관(51)이 연결된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 메인배관(51)의 개수 및 배치는 다양하게 변형될 수 있다. 이러한 메인배관(51)은 일 측에 스팀공급관(52)이 연결된다.
스팀공급관(52)은 메인배관(51)에 스팀을 공급하는 관으로, 일 측이 보일러와 이코노마이저 중 적어도 하나에 연결되어 스팀을 공급받을 수 있다. 스팀공급관(52)이 보일러와 이코노마이저 중 적어도 하나로부터 스팀을 공급받음으로써, 챔버(10) 내부로 신속하게 열원을 제공할 수 있음은 물론 선박 내 폐열을 활용할 수 있어 장치를 경제적으로 운용할 수 있다. 스팀공급관(52) 상에는 제어밸브(52a)가 설치되므로, 메인배관(51)으로 공급되는 스팀의 유동을 제어할 수 있다.
한편, 메인배관(51)에는 공기공급관(53)이 연결될 수 있다. 전술한 바와 같이, 요소는 서로 붙은 상태로 챔버(10)에 공급되어 챔버(10) 바닥에 가라앉을 수 있다. 교반기(60)의 회전축(62)은 통상 챔버(10)의 바닥까지 연장되지 않으므로, 교반기(60)가 회전하더라도 챔버(10) 바닥에 가라앉은 요소는 청수에 잘 용해되지 않으며, 이로 인해, 요소수 생성에 많은 시간이 소요될 수 있다. 본원 발명은 챔버(10) 바닥에 가라앉은 요소를 용이하게 용해시키기 위해 공기공급관(53)이 설치된다.
공기공급관(53)은 메인배관(51)에 공기를 공급하는 관으로, 스팀공급관(52)과 선택적으로 개폐될 수 있다. 공기는 예를 들어, 압축공기일 수 있다. 공기공급관(53)이 메인배관(51)에 공기를 공급함으로써, 서로 붙은 상태로 챔버(10) 바닥에 가라앉은 요소가 분산되며 부유할 수 있으며, 이로 인해, 교반기(60)와 접촉하게 되어 청수에 보다 용이하게 용해될 수 있다. 공기공급관(53)이 챔버(10) 내부로 공기를 주입하면, 챔버(10) 내압이 증가할 수 있으므로, 챔버(10)는 상단에 공기를 배출하는 공기배출구(11)가 형성될 수 있다. 공기공급관(53) 상에는 제어밸브(53a)가 설치되므로, 메인배관(51)으로 공급되는 공기의 유동을 제어할 수 있다.
챔버(10)에서 생성된 요소수는 일 측에 연결된 요소수공급관(70)을 통해 필요처로 공급된다. 필요처는 예를 들어, 선택적촉매환원반응기일 수 있다. 선택적촉매환원반응기는 연소기관으로부터 공급된 배기가스에 요소수공급관(70)을 통해 공급받은 요소수를 분사하며, 이로 인해, 요소수가 배기가스의 열에 의해 열분해되어 암모니아로 전환될 수 있다. 전환된 암모니아는 배기가스와 함께 반응기 내부에 설치된 촉매층을 통과하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 질소와 물로 환원시키고, 질소산화물이 제거된 배기가스는 배기관을 통해 대기 중으로 방출될 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 요소수 제조장치(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 3 내지 도 6은 요소수 제조장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명에 따른 요소수 제조장치(1)는 스팀주입부(50)가 챔버(10) 내부로 스팀을 주입하여 열원을 제공하므로, 요소가 청수에 신속하게 용해될 수 있으며, 이로 인해, 요소수 생성에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다. 특히, 보관탱크로부터 공급된 요소가 습기에 의해 일부 녹아 서로 붙어 있더라도 공기공급관(53)을 통해 공급된 공기가 이를 분산시키므로, 요소를 청수에 보다 용이하게 용해시킬 수 있다. 요소수 생성에 소요되는 시간이 단축됨에 따라, 필요 시 즉각 생성하여 선택적촉매환원반응기로 공급 가능하게 되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 용이하게 저감시킬 수 있다.
먼저, 도 3을 참조하면, 요소수의 필요 시, 챔버(10) 내부에 요소가 공급될 수 있다. 요소는 요소공급부(20)를 통해 공급되며, 요소공급부(20)는 보관탱크에 저장된 분말 또는 알갱이 또는 펠렛 형태의 요소를 챔버(10) 내부로 공급할 수 있다. 이 때, 요소는 적어도 일부가 습기에 의해 녹아 서로 붙은 상태로 챔버(10)에 공급될 수 있다.
챔버(10) 내부에 정량의 요소가 공급되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 요소공급부(20)를 폐쇄하여 요소의 공급을 중단하고, 청수공급부(30)를 개방하여 챔버(10) 내부로 청수를 공급한다.
챔버(10)에 정량의 청수가 공급되면, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 교반기(60)가 동작한다. 이와 동시에 또는 순차적으로, 센서부(40)는 요소가 청수에 용해되어 생성된 요소수의 온도를 측정한다. 요소가 청수에 용해되지 않은 경우, 센서부(40)는 챔버(10)에 공급된 청수의 온도를 측정할 수도 있다. 센서부(40)에서 측정된 요소수의 온도가 기준온도 미만이면, 스팀공급관(52) 상에 설치된 제어밸브(52a)를 개방하여 메인배관(51)에 스팀을 공급할 수 있다. 메인배관(51)에 공급된 스팀은 복수 개의 분사구(51a)를 통해 챔버(10) 내부로 분사될 수 있다. 챔버(10) 내부로 스팀이 분사됨에 따라 요소가 청수에 신속하게 용해될 수 있다.
센서부(40)에서 측정된 요소수의 온도가 기준온도 이상이 되면, 스팀공급관(52)을 폐쇄하여 스팀의 공급을 중단하고, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 공기공급관(53) 상에 설치된 제어밸브(53a)을 개방하여 메인배관(51)에 공기를 공급할 수 있다. 메인배관(51)에 공급된 공기는 복수 개의 분사구(51a)를 통해 챔버(10) 내부로 분사될 수 있다. 챔버(10) 내부로 공기가 분산됨에 따라 서로 붙은 상태로 챔버(10) 바닥에 가라앉은 요소가 분산되며 부유하게 되고, 이로 인해, 교반기(60)와 접촉하게 되어 청수에 용이하게 용해될 수 있다. 이 때, 공기배출구(11)를 개방하여 챔버(10)의 내압 증가를 방지할 수 있다.
이러한 일련의 과정으로 기준 농도의 요소수가 제조되면, 도 6에 도시된 바와 같이, 요소수공급관(70)을 개방하여 챔버(10) 내부의 요소수를 필요처로 공급할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 요소수 제조장치
10: 챔버 10a: 요소수생성공간
11: 공기배출구 20: 요소공급부
30: 청수공급부 40: 센서부
50: 스팀주입부 51: 메인배관
51a: 분사구 52: 스팀공급관
53: 공기공급관 60: 교반기
70: 요소수공급관

Claims (6)

  1. 내부에 요소수생성공간이 형성된 챔버;
    상기 챔버 내부로 요소를 공급하는 요소공급부;
    상기 챔버 내부로 청수를 공급하는 청수공급부;
    상기 챔버에 설치되어 상기 요소가 상기 청수에 용해되어 생성된 요소수의 온도를 측정하는 센서부, 및
    상기 요소수의 온도가 기준온도 미만이면 상기 챔버 내부로 스팀을 주입하는 스팀주입부를 포함하는 요소수 제조장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 스팀주입부는,
    상기 요소수생성공간에 설치되며 복수의 분사구가 형성된 적어도 하나의 메인배관과,
    상기 메인배관에 상기 스팀을 공급하는 스팀공급관을 포함하는 요소수 제조장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 스팀공급관은 보일러부와 이코노마이저 중 적어도 하나에 연결되어 상기 스팀을 공급받는 요소수 제조장치.
  4. 제2 항에 있어서, 상기 스팀주입부는,
    상기 스팀공급관과 선택적으로 개폐되며 상기 메인배관에 공기를 공급하는 공기공급관을 더 포함하는 요소수 제조장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 챔버는 상단에 공기를 배출하는 공기배출구가 형성되는 요소수 제조장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 챔버에 회전 가능하게 설치되어 상기 요소와 상기 청수를 혼합하는 교반기를 더 포함하는 요소수 제조장치.
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