KR20230152493A - 플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 후처리 장치 및 이를 이용한 배기가스 후처리 방법 - Google Patents

플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 후처리 장치 및 이를 이용한 배기가스 후처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 개질기를 이용하여 촉매장치를 열적으로 제어하고, 환원 물질을 공급할 수 있는 배기가스 후처리 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치는 배기가스가 이동하는 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 감소시키며, 플라즈마를 발생시키고, 연료를 개질하는 플라즈마 개질기, 및 상기 배기가스에 포함된 입자상 물질과 질소산화물을 제거하는 촉매 반응기를 포함하며, 상기 플라즈마 개질기의 작동 온도는 500℃ 내지 1000℃의 부분산화 온도 조건으로 이루어질 수 있다.

Description

플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 후처리 장치 및 이를 이용한 배기가스 후처리 방법{EXHASUT GAS AFTERTREATMENT APPARATUS USING PLASMA REFORMER AND EXHASUT GAS AFTERTREATMENT METHOD USING THE SAME}
본 발명은 플라즈마 개질기를 이용하여 배기가스를 처리하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
알려진 바에 따르면, 플라즈마로 고온의 반응을 유도하거나 고온의 환경을 만들어 주기 위해, 아크 플라즈마(Arc Plasma), 마이크로웨이브 플라즈마(Microwave Plasma), 용량결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma) 및 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma) 등의 기술이 사용된다. 이 기술들은 각 기술에 따른 장점과 단점 및 플라즈마 발생을 위한 반응기에서 구조적인 차이점을 가진다.
한편, 근래에는 플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 처리 장치가 개발되고 있다. 배기가스 처리 장치는 배기가스에 포함된 입자상(PM)물질과 질소산화물(NOx)를 저감할 수 있는 장치이다.
입자상 물질과 질소산화물은 대기를 오염시키는 1차, 2차 미세먼지에 해당하므로 미세먼지 저감을 위해 배기가스에 포함된 오염물질을 제거해야 한다. 종래에는 배기가스 내 포함된 입자상 물질을 제거하기 위해 디젤입자필터(DPF)를 설치하고, 질소 산화물을 제거하기 위해 선택적 환원 촉매장치(SCR: Selective Catalytic Reduction)를 설치하고 여기에 환원 물질을 주입하여 질소산화물을 질소(N2)로 환원시킨다.
여기에 사용되는 디젤입자필터와 선택적 환원 촉매장치는 열적 관리가 필요하다. 필터에 입자상 물질이 일정시간 쌓이면 필터가 막히며, 500℃ 이상 필터를 주기적으로 승온시켜 필터에 붙은 입자상 물질을 태우고 이산화탄소로 제거하여, 필터를 재생시켜주어야 한다. 또한, 선택적 환원 촉매장치도 촉매 성능을 낼 수 있는 온도 범위가 정해져 있기 때문에 배기가스를 승온시켜 촉매가 작동할 수 있도록 별도의 열원이 존재해야 한다. 종래에는 별도의 전기 히터를 설치하거나, 연료와 공기의 연소열(화학에너지)을 배기가스에 제공할 수 있는 버너를 설치하여 열적 관리를 수행하였다.
한편, 대한민국등록특허 제10-1028517호는 엔진의 운전 조건 변화에 따라 순간적으로 만들어지는 농후 연료 조건시, 연료와 반응가스를 유입하여 플라즈마 반응으로 개질하여 환원가스를 발생시키고, 환원가스를 흡장촉매에 공급하여 흡장된 질소 산화물을 환원시키는 구성을 개시하고 있다. 그러나 종래의 플라즈마를 이용한 후처리 장치는 열적 관리가 어렵고 효율이 낮은 문제가 있다.
본 발명은 플라즈마 개질기를 이용하여 촉매장치를 열적으로 제어하고, 환원 물질을 공급할 수 있는 배기가스 후처리 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치는 배기가스가 이동하는 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 감소시키며, 플라즈마를 발생시키고 연료를 개질하여 환원 물질을 생성하는 플라즈마 개질기, 및 상기 배기가스에 포함된 입자상 물질과 질소산화물을 제거하는 촉매 반응기를 포함하며, 상기 플라즈마 개질기의 작동 온도는 500℃ 내지 1000℃의 부분산화 온도 조건으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 플라즈마 개질기는 회전아크를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 플라즈마 개질기에 의하여 생성된 화염 또는 상기 플라즈마 개질기에 의하여 가열된 배기가스로 연료를 분사하는 제1 연료 분사관을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치는 상기 배기관 내에 삽입된 보염기를 더 포함하고, 상기 플라즈마 개질기는 상기 보염기와 연결되어 상기 보염기 내부로 환원 물질을 분사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제1 연료 분사관은 상기 보염기와 연결되어 상기 보염기 내부로 연료를 분사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제1 연료 분사관은 상기 보염기에서 기체가 배출되는 출구 영역으로 연료를 분사하도록 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 보염기에는 배기가스가 유입되는 복수의 통기공들이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 통기공들에는 금속 다공체가 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 촉매 반응기는 탄화수소를 산화시키는 제1 산화촉매장치와 상기 산화촉매장치의 하류에 설치되어 입자상물질을 포집하는 입자상 물질 필터를 더 포함하고, 상기 입자상 물질 필터와 상기 제1 산화촉매장치 사이에 설치되어 연료를 분사하는 제1 연료 분사관를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 촉매 반응기는 입자상 물질 필터 보다 더 하류측에 배치되어 질소산화물을 환원시키는 선택적 환원 촉매장치와 상기 선택적 환원 촉매장치의 하류측에 배치되어 탄화수소를 산화시키는 제2 산화촉매장치를 더 포함하고,
상기 입자상 물질 필터와 상기 선택적 환원 촉매장치 사이에는 상기 배기관 내부로 연료를 분사하는 제2 연료 분사관이 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제2 연료 분사관에는 상기 제2 연료 분사관에 오존을 공급하는 오존 공급관이 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 촉매 반응기는 탄화수소를 산화시키는 제1 산화촉매장치와 상기 산화촉매장치의 하류에 설치되어 입자상물질을 포집하고, 질소산화물을 환원시키는 동시저감장치와 상기 동시저감장치의 하류측에 배치되어 탄화수소를 산화시키는 제2 산화촉매장치를 포함하고, 상기 제1 산화촉매장치와 상기 동시저감장치 사이에는 상기 배기관 내부로 오존을 분사하는 오존 공급관이 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배기가스 후처리 방법은 플라즈마 개질기를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 감소시키며, 플라즈마를 발생시키고, 연료를 개질하여 환원 물질을 생성하는 플라즈마 개질 단계, 및 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고, 질소산화물을 환원시키는 촉매 반응 단계를 포함하고, 상기 플라즈마 개질 단계는 상기 연료를 500℃ 내지 1000℃로 가열할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 상기 플라즈마 개질 단계는 회전하는 아크를 발생시키고, 회전하는 아크를 이용하여 연료를 산화시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배기가스 후처리 방법은 제1 연료 분사관을 이용하여 상기 플라즈마 개질 단계에서 가열된 배기가스에 연료를 분사하는 제1 연료 분사 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 상기 플라즈마 개질 단계는 내부 공간을 갖는 보염기 내부로 환원 물질을 분사할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 상기 제1 연료 분사 단계는 상기 보염기 내부로 연료를 분사할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 상기 제1 연료 분사 단계는 상기 보염기에서 기체가 배출되는 출구 영역으로 연료를 분사할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 상기 촉매 반응 단계는 제1 산화촉매장치에서 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키는 산화 단계와 산화 단계에서 가열된 배기가스를 입자상 물질 필터로 공급하여 입자상 물질 필터에 포집된 입자상 물질들을 태워서 이산화탄소로 변환시키는 필터 재생 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 상기 제1 연료 분사 단계는 상기 제1 산화촉매장치와 상기 입자상 물질 필터 사이의 공간으로 연료를 분사할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 상기 촉매 반응 단계는 선택적 촉매 환원장치에서 질소산화물을 질소로 변환하는 질소산화물 제거 단계와 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키고 탄화수소를 산화시키는 탄화수소 제거 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배기가스 후처리 방법은 제2 연료 분사관을 이용하여 상기 입자상 물질 필터와 상기 선택적 촉매 환원장치 사이로 연료를 분사하는 제2 연료 분사 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배기가스 후처리 방법은 상기 제2 연료 분사관으로 오존을 공급하는 오존 분사 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 촉매 반응 단계는 제1 산화촉매장치에서 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키는 산화 단계와 동시저감장치에 포집된 물질들을 태워서 이산화탄소로 변환시키면서 질소산화물을 질소로 변환하는 동시 제거 단계와 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키고 탄화수소를 산화시키는 탄화수소 제거 단계를 포함하고, 상기 제1 연료 분사 단계는 상기 제1 산화촉매장치와 상기 동시저감장치 사이의 공간으로 연료를 분사하며, 상기 제1 산화촉매장치와 상기 동시저감장치 사이의 공간으로 오존을 분사하는 오존 분사 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치는 플라즈마를 이용하여 연료 과농 분위기의 화염을 만들거나, 열원을 제공하여 연료 분사관에서 분사되는 연료를 열분해 함으로써 다양한 종류의 환원제를 생성할 수 있고, 플라즈마로 생성된 열원을 이용하여 필터 재생과 촉매 활성의 온도를 용이하게 제어할 수 있다. 또한, 반응부에 오존을 추가로 분사하여 더욱 질소산화물 제거 성능이 뛰어난 환원제를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 개질기를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이다.
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이다.
도 13은 본 발명의 제6 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 14는 본 발명의 제7 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이다.
도 15는 본 발명의 제8 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 개질기를 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치(101)는 플라즈마 개질기(120), 촉매 반응기(130), 제1 연료 분사관(161), 보염기(112)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치(101)는 배기가스를 배출하는 배기관(150)에 설치될 수 있다. 배기관(150)은 내연기관에서 배기가스를 배출하는 관으로 이루어질 수 있으며, 자동차, 선박, 발전소, 발전기 등 탄화수소 연료를 사용하는 내연기관에 설치된 관이 될 수 있다.
플라즈마 개질기(120)는 아크와 플라즈마를 발생시키고, 연료를 개질하여 환원 물질을 생성한다. 플라즈마 개질기(120)는 산화제와 연료를 공급 받아서 연료를 부분 산화시키며 열과 환원 물질을 촉매 반응기로 공급한다.
플라즈마 개질기(120)는 하우징(125)과 하우징(125) 내에 삽입된 방전극(121)과 하우징(125)에 연결된 제1 공급관(123)과 제2 공급관(124)을 포함할 수 있다. 하우징(125)은 내부 공간을 갖는 관으로 이루어지며, 접지된다.
방전극(121)은 고압으로 대전되며 하우징(125)의 내부로 삽입된 막대 형상으로 이루어질 수 있다. 방전극(121)의 내부에는 연료가 이동하는 통로가 형성될 수 있으며, 방전극(121)을 통해서 연료가 분사될 수 있다. 방전극(121)에는 구동전압이 인가될 수 있으며, 여기서 구동전압은 아크(122)의 형성을 위한 충분한 전압으로 이루어질 수 있다.
제1 공급관(123)으로 연료가 공급되며, 제1 공급관(123)은 방전극(121)과 연결될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 공급관(123)은 하우징(125)의 외주면에 연결되어 방전극(121)의 측방향에서 연료를 공급할 수도 있다.
제2 공급관(124)은 하우징(125)의 측면에 연결되며, 제2 공급관(124)으로 공기가 공급될 수 있다. 공기는 하우징(125)의 내부에서 와류를 형성하며, 이에 따라 방전극(121)과 하우징(125) 사이에 형성된 아크(122)가 회전하여 회전아크가 생성될 수 있다. 제2 공급관(124)에서 공급되는 공기는 연료가 부분 연소될 수 있을 정도로 희박한 양이 공급될 수 있다.
본 실시예에 따른 플라즈마 개질기(120)의 아크(122)는 연료가 분사되는 방전극(121)의 주위를 상시 회전하므로 점 점화원이 아니라, 공간상 점화원이 된다. 이에 따라 점화원이 연속적으로 이동하여 부분산화 반응이 지속되고, 플라즈마로 생성된 여러 가지 환원 물질과 더불어 열이 배기가스에 공급될 수 있다.
또한 플라즈마 개질기(120)의 작동 온도는 500℃ 내지 1000℃의 부분산화 온도 조건으로 이루어질 수 있다. 플라즈마 개질기(120)는 탄화수소계 연료를 부분산화시켜서 환원제를 생성하는데, 부분산화조건은 완전산화조건과 다르게 반응이 불안정하다. 예를 들어, 완전산화(연소) 조건은 1000 ℃가 넘는 온도를 갖기 때문에 반응물을 지속적으로 반응시키기에 유리하지만, 부분산화 조건은 온도가 너무 낮거나 또는 너무 높지 않아야 한다.
플라즈마 개질기(120)가 연료를 1000℃ 이상으로 가열하면 연료가 모두 연소되어 CO2가 되는 문제가 있으며, 플라즈마 개질기(120)가 연료를 500℃ 이하로 가열하면 연료가 열분해 되지 못하며 반응이 지속되지 않는 문제가 있다.
본 실시예에 따른 플라즈마 개질기(120)는 회전 아크(122)를 발생시키므로, 플라즈마가 개질기(120) 내에서 상대적으로 낮은 온도로 인해 열분해에 의해 만들어지는 활성화학종을 얻기 어려운 조건에도 불구하고 플라즈마에 의해 직접 생성된 활성화된 화학종과 플라즈마 발생과정에서 생성되는 열에너지를 지속적으로 공급하기 때문에 반응이 유지되기 어려운 부분산화 반응을 안정적으로 지속할 수 있다.
보염기(112)는 내부공간을 갖는 상자 형태로 이루어지며, 외주면, 선방면, 후방면에 각각 복수의 통기공들(113)이 형성된다. 통기공들(113)을 통해서 보염기(112) 내부로 배기가스와 함께 산소가 유입될 수 있으며, 연료 및 환원 물질이 보염기(112)에서 통기공들(113)을 통해서 배기관(150)으로 이동할 수 있다. 보염기(112)의 상류측은 원뿔 형태로 이루어지거나, 경사면을 갖는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 통기공들(113)에는 금속 다공체가 설치될 수 있는데, 금속 다공체는 메탈 메쉬로 이루어질 수 있다. 본 실시예와 같이 같이 통기공들(113)에 금속 다공체가 설치되면 화염에서 연소되지 않은 미연 연료 및 중간생성물 탄화수소가 가열된 금속 다공체와 접촉하면서 연소될 수 있으며, 이에 따라 백연의 발생을 방지할 수 있다.
플라즈마 개질기(120)와 제1 연료 분사관(161)은 보염기(112)와 연결되며, 플라즈마 개질기(120)는 보염기(112) 내부로 화염 및 환원 물질을 분사하고, 제1 연료 분사관(161)은 보염기(112) 내부로 연료를 분사할 수 있다.
제1 연료 분사관(161)은 플라즈마 개질기(120)의 하류측에 배치되며 연료를 분사한다. 제1 연료 분사관(161)은 플라즈마 개질기(120)와 촉매 반응기(130) 사이에 위치할 수 있다. 여기서 연료는 탄화수소계 연료로 이루어질 수 있다. 제1 연료 분사관(161)을 통해서 분사된 연료는 보염기(112) 내부에서 배기가스에 포함된 산소와 플라즈마 개질기(120)에서 발생된 열에 의하여 부분적으로 산화되어 수소, 일산화탄소, 경질 탄화수소(LHC), 부분산화 탄화수소(CH(N)O)를 포함하는 환원 물질로 개질될 수 있다.
한편, 플라즈마 개질기(120)의 제2 공급관(124)으로 연소에 충분한 당량비의 공기가 공급되고, 제1 공급관(123)으로 공급된 연료가 화염을 형성하면, 플라즈마 개질기(120)에서 산소가 거의 없는 화염이 토출될 수 있다. 이러한 화염 면에 제1 연료 분사관(161)에 의하여 연료가 분사되면, 보염기(112) 내부에서 배기가스와 함께 유입된 산소에 의하여 제1 연료 분사관(161)에서 분사된 연료가 부분산화 조건에서 증발, 분해되어 수소, 일산화탄소, 경질 탄화수소(LHC)를 포함하는 환원 물질로 개질될 수 있다. 보염기(112) 내부로 배기관(150) 내 산소가 유입될 경우에는 부분산화 탄화수소 (CH(N)O)도 생성될 수 있다.
촉매 반응기(130)는 제1 연료 분사관(161)의 하류측에 설치되며, 제1 산화촉매장치(DOC, 131)와 입자상 물질 필터(DPF, 132)를 포함할 수 있다. 제1 산화촉매장치(131)는 담체에 백금, 팔라듐 등의 산화 촉매가 담지된 구조로 이루어질 수 있다. 제1 산화촉매장치(131)는 입자상 물질 필터(132)보다 더 상류측에 위치하며, 일산화탄소를 이산화탄소로 변화시키고, 공급된 환원 물질들을 산화시켜서 열을 발생시킨다.
플라즈마 개질기(120)에 의하여 생성된 열은 제1 산화촉매장치(131)를 활성 온도(300℃) 이상으로 승온시키고, 환원 물질들은 산화촉매와 반응하여 열을 발생시킬 수 있다.
입자상 물질 필터(132)는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는데, 입자상 물질들은 입자상 물질 필터(132)의 표면에 적층된다. 제1 산화촉매장치(131)에서 생성된 열에 의하여 입자상 물질 필터(132)가 500℃ 이상으로 가열되면, 필터에 쌓여있던 입자상 물질들이 타면서 이산화탄소로 변환되고, 입자상 물질 필터(132)가 재생될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 플라즈마 개질기(120)에서 회전 아크(122)가 생성되므로 부분산화 반응이 지속되고, 환원 물질과 열을 연속적으로 공급할 수 있다. 또한, 제1 연료 분사관(161)이 설치되므로 연료의 개질에 의하여 충분한 양의 환원 물질이 공급될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법에 대해서 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법은 플라즈마 개질 단계(S101), 제1 연료 분사 단계(S102), 촉매 반응 단계(S103)를 포함할 수 있다.
플라즈마 개질 단계(S101)는 플라즈마 개질기(120) 내부로 공기와 연료를 분사하여 아크(122)를 형성하고, 아크(122)의 열을 이용하여 연료를 부분 산화시키며, 열과 환원 물질을 생성한다. 플라즈마 개질 단계(S101)는 하우징(125)의 외주면에 형성된 제2 공급관으로 공기를 공급하여 회전 아크를 형성하고, 방전극(121) 내부로 연료를 공급하여 방전극의 선단에서 연료를 분사할 수 있다.
회전 아크는 방전극(121)의 길이방향 선단 부분에서 회전한다. 플라즈마 개질 단계(S101)는 복수의 통기공(113)들이 형성된 보염기(112) 내부로 화염 및 환원 물질을 분사할 수 있다.
또한 플라즈마 개질 단계(S101)는 연료를 500℃ 내지 1000℃의 부분산화 온도 조건으로 가열할 수 있다. 플라즈마 개질 단계(S101)는 탄화수소계 연료를 부분산화시켜서 환원제를 생성하는데, 부분산화조건은 완전산화조건과 다르게 반응이 불안정하다. 예를 들어, 완전산화(연소) 조건은 1000 ℃가 넘는 온도를 갖기 때문에 반응물을 지속적으로 반응시키기에 유리하지만, 부분산화 조건은 온도가 너무 낮지도 또는 너무 높지도 않아야 한다.
플라즈마 개질 단계(S101)가 연료를 1000℃ 이상으로 가열하면 연료가 모두 연소되어 CO2가 되는 문제가 있으며, 플라즈마 개질 단계(S101)가 연료를 500℃ 이하로 가열하면 연료가 열분해 되지 못하며 반응이 지속되지 않는 문제가 있다.
본 실시예에 따른 플라즈마 개질 단계(S101)에서 회전 아크(122)가 발생되므로, 플라즈마가 개질기(120) 내에서 상대적으로 낮은 온도로 인해 열분해에 의해 만들어지는 활성화학종을 얻기 어려운 조건에도 불구하고 플라즈마에 의해 직접 생성된 활성화된 화학종과 플라즈마 발생과정에서 생성되는 열에너지를 지속적으로 공급하기 때문에 반응이 유지되기 어려운 부분산화 반응을 안정적으로 지속할 수 있다.
제1 연료 분사 단계(S102)는 플라즈마 개질기(120)의 하류측으로 연료를 분사하여 연료를 개질하고 환원 물질을 생성한다. 제1 연료 분사 단계(S102)는 보염기(112) 내부로 연료를 분사하며, 플라즈마 개질기(120)에 의하여 생성된 열에 의하여 연료를 부분 산화시켜서 환원 물질을 생성한다. 제1 연료 분사 단계(S102)는 보염기의 통기공을 통해서 유입된 배기가스에 포함된 산소를 이용하여 연료를 개질할 수 있다.
촉매 반응 단계(S103)는 공급된 환원 물질을 산화시켜서 배기가스를 가열하고 입자상 물질 필터(132)에 부착된 물질을 제거하여 필터를 재생시킨다. 촉매 반응 단계(S103)는 제1 산화촉매장치(131)를 가열하고, 제1 산화촉매장치(131) 내에서 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키는 산화 단계와 산화 단계에서 가열된 배기가스를 입자상 물질 필터(132)로 공급하여 입자상 물질 필터(132)에 포집된 입자상 물질들을 태워서 이산화탄소로 변환시키는 필터 재생 단계를 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치에 대해서 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치(102)는 플라즈마 개질기(120), 촉매 반응기(130), 제1 연료 분사관(161), 보염기(114)를 포함할 수 있다.
배기가스 후처리 장치(102)는 촉매 반응기(130)와 보염기(114)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
보염기(114)는 후방측이 개방되고, 전방측과 외주측이 막힌 관 형상으로 이루어지며, 통기공을 갖지 않는다. 플라즈마 개질기(120)에 연소조건 보다 더 많은 양의 공기가 공급되면 화염이 형성되고, 일부 공기는 화염과 함께 보염기(114) 내부로 분사된다. 제1 연료 분사관(161)에서 분사된 연료는 화염에 의하여 가열되고, 화염과 함께 유입된 공기에 의하여 부분 산화 및 개질되어 환원 물질로 변환될 수 있다.
촉매 반응기(130)는 선택적 환원 촉매장치(SCR, 133)와 제2 산화촉매장치(DOC, 134)를 포함할 수 있다. 선택적 환원 촉매장치(133)는 암모니아(NH3) 수용액 또는 우레아(CH4N2O) 수용액을 배출가스에 분사시켜 촉매 반응을 통해 질소산화물을 물(H2O)과 질소(N2)로 변환시킨다.
플라즈마 개질기(120)와 제1 연료 분사관(161)에 의하여 생성된 열은 선택적 환원 촉매장치(133)를 활성 온도로 가열하고, 환원 물질은 촉매에 제공되어 질소산화물을 질소로 변환시킨다. 그리고 암모니아 수용액 또는 우레아 수용액 분사장치를 플라즈마 개질기(120)와 함께 배치하면 플라즈마 개질기(120)에서 생성된 열을 이용하여 암모니아 또는 우레아 열분해 반응을 유도할 수 있고 해당 반응을 통해 환원제를 생성할 수 있다.
제2 산화촉매장치(134)는 담체에 백금, 팔라듐 등의 산화 촉매가 담지된 구조로 이루어지며, 선택적 환원 촉매장치(133)의 하류측에 배치된다. 제2 산화촉매장치(134)는 탈질 반응 후에 잔류하는 탄화수소를 촉매로 산화시켜서 제거한다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법에 대해서 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법은 플라즈마 개질 단계(S201), 제1 연료 분사 단계(S202), 촉매 반응 단계(S203)를 포함할 수 있다.
플라즈마 개질 단계(S201)는 플라즈마 개질기(120) 내부로 공기와 연료를 분사하여 회전하는 아크(122)를 형성하고, 아크(122)의 열을 이용하여 연료를 부분 산화시키며, 열과 환원 물질을 생성한다. 플라즈마 개질 단계(S201)는 완전 연소 조건보다 더 많은 양의 공기를 플라즈마 개질기 내부로 공급할 수 있다.
제1 연료 분사 단계(S202)는 플라즈마 개질기(120)의 하류측으로 연료를 분사하여 연료를 개질하고 환원 물질을 생성한다. 제1 연료 분사 단계(S202)는 보염기(112) 내부로 연료를 분사하며, 플라즈마 개질기에서 유입된 공기에 포함된 산소를 이용하여 연료를 개질할 수 있다.
촉매 반응 단계(S203)는 공급된 환원 물질과 열을 이용하여 질소산화물을 제거하고, 탄화수소를 연소한다. 촉매 반응 단계(S203)는 선택적 촉매 환원장치(133)에서 선택적 촉매 환원법으로 질소산화물을 질소로 변환하는 질소산화물 제거 단계와 제2 산화촉매장치(134)에서 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키고, 탄화수소를 산화시켜서 이산화탄소로 변환하는 탄화수소 제거 단계를 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치에 대해서 설명한다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이다.
도 6을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치(103)는 플라즈마 개질기(120), 촉매 반응기(130), 제1 연료 분사관(161), 제2 연료 분사관(162), 보염기(113)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치(103)는 보염기(112), 촉매 반응기(130), 제1 연료 분사관(161), 제2 연료 분사관(162)을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.보염기(113)는 내부 공간을 갖는 상자 형태로 이루어지고, 외주면, 선방면, 후방면에 각각 복수의 통기공들(113)이 형성된다. 통기공들(113)을 통해서 보염기(112) 내부로 배기가스와 함께 산소가 유입될 수 있으며, 연료 및 환원 물질이 보염기(112)에서 통기공들(113)을 통해서 배기관(150)으로 이동할 수 있다.
또한, 통기공들(113)에는 금속 다공체(117)가 설치될 수 있는데, 금속 다공체(117)는 메탈 메쉬로 이루어질 수 있다. 본 실시예와 같이 같이 통기공들(113)에 금속 다공체(117)가 설치되면 화염에서 연소되지 않은 미연 연료 및 중간생성물 탄화수소가 가열된 금속 다공체(117)와 접촉하면서 연소될 수 있으며, 이에 따라 백연의 발생을 방지할 수 있다.
촉매 반응기(130)는 제1 산화촉매장치(131), 입자상 물질 필터(132), 선택적 환원 촉매장치(133)와 제2 산화촉매장치(134)를 포함할 수 있다. 제1 산화촉매장치(131)는 입자상 물질 필터(132)보다 더 상류측에 위치하며, 담체에 담지된 촉매를 이용하여 일산화탄소를 이산화탄소로 변화시키고, 유입된 환원 물질들을 산화시켜서 열을 발생시킨다.
입자상 물질 필터(132)는 제1 산화촉매장치(131)의 하류측에 배치되며, 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는데, 입자상 물질들은 입자상 물질 필터의 표면에 적층된다. 선택적 환원 촉매장치(133)는 입자상 물질 필터(132)의 하류측에 배치되며, 제올라이트 등의 촉매를 이용하여 질소산화물을 물(H2O)과 질소(N2)로 변환시킨다.
제2 산화촉매장치(134)는 선택적 환원 촉매장치(133)의 하류측에 배치되며, 제2 산화촉매장치(134)는 탈질 반응 후에 잔류하는 탄화수소를 촉매로 산화시켜서 제거한다.
제1 연료 분사관(161)은 제1 산화촉매장치(131)와 입자상 물질 필터(132) 사이에 설치되어 배기관(150) 내부로 연료를 분사한다. 제1 연료 분사관(161)에서 분사된 연료는 배기가스에 의하여 부분 산화되어 환원 물질로 변환되며 환원 물질은 선택적 환원 촉매장치(133)로 공급될 수 있다.
제2 연료 분사관(162)은 입자상 물질 필터(132)와 선택적 환원 촉매장치(133) 사이에 설치된다. 제2 연료 분사관(162)에서 분사된 연료는 고온의 배기가스에 의하여 부분적으로 산화되고 환원 물질로 전환될 수 있다. 환원 물질은 선택적 환원 촉매장치(133)에 공급되어 질소산화물의 변환에 사용된다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법에 대해서 설명한다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6 및 도 7을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법은 플라즈마 개질 단계(S301), 제1 연료 분사 단계(S302), 제2 연료 분사 단계(S303), 촉매 반응 단계(S304)를 포함할 수 있다.
플라즈마 개질 단계(S301)는 플라즈마 개질기(120) 내부로 공기와 연료를 분사하여 아크(122)를 형성하고, 아크(122)의 열을 이용하여 연료를 부분 산화시키며, 열과 환원 물질을 생성한다. 플라즈마 개질 단계(S301)는 회전 아크를 형성하고, 회전 아크는 방전극(121)의 길이방향 선단 부분에서 회전한다. 플라즈마 개질 단계(S301)는 복수의 통기공(113)들이 형성된 보염기(112) 내부로 화염 및 환원 물질을 분사할 수 있다.
제1 연료 분사 단계(S302)는 제1 산화촉매장치(131)와 입자상 물질 필터(132) 사이로 연료를 분사하여 연료를 개질하고 환원 물질을 생성한다. 제2 연료 분사 단계(S303)는 입자상 물질 필터(132)와 선택적 환원 촉매장치(133) 사이로 연료를 분사하여 연료를 개질하고 환원 물질을 생성한다.
촉매 반응 단계(S304)는 입자상 물질 필터(132)에 부착된 물질을 제거하여 필터를 재생하고, 질소산화물을 제거하며, 탄화수소를 연소한다.
촉매 반응 단계(S304)는 제1 산화촉매장치(131)를 가열하고, 제1 산화촉매장치(131) 내에서 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키는 산화 단계와 산화 단계에서 가열된 배기가스를 입자상 물질 필터(132)로 공급하여 입자상 물질 필터(132)에 쌓여있던 입자상 물질들을 태워서 이산화탄소로 변환시키는 필터 재생 단계와 선택적 촉매 환원법으로 질소산화물을 질소로 변환하는 질소산화물 제거 단계와 제2 산화촉매장치(134)에서 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키고, 탄화수소를 이산화탄소로 변환하는 탄화수소 제거 단계를 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치에 대해서 설명한다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이다.
본 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치(104)는 플라즈마 개질기(120), 촉매 반응기(130), 제1 연료 분사관(161), 제2 연료 분사관(162), 보염기(112)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치(104)는 제1 연료 분사관(161)을 제외하고는 상기한 제3 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
제1 연료 분사관(161)은 보염기(112)의 하류측에 설치될 수 있다. 특히 제1 연료 분사관(161)은 보염기의 출구영역에 설치되어 보염기(112)에서 배출되는 기체를 향하여 연료를 분사할 수 있다.
제1 연료 분사관(161)에서 분사되는 연료는 보염기(112)에서 배출되는 기체에 의하여 기화 또는 부분적으로 분해되어 환원 물질로 변환될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법에 대해서 설명한다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8 및 도 9를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법은 플라즈마 개질 단계(S401), 제1 연료 분사 단계(S402), 제2 연료 분사 단계(S403), 촉매 반응 단계(S404)를 포함할 수 있다.
플라즈마 개질 단계(S401)는 플라즈마 개질기(120) 내부로 공기와 연료를 분사하여 아크(122)를 형성하고, 아크(122)의 열을 이용하여 연료를 부분 산화 또는 연소시키며, 열과 환원 물질을 생성한다. 플라즈마 개질 단계(S401)는 회전 아크를 형성하고, 회전 아크는 방전극(121)의 길이방향 선단 부분에서 회전한다. 플라즈마 개질 단계(S401)는 복수의 통기공(113)들이 형성된 보염기(112) 내부로 화염 및 환원 물질을 분사할 수 있다.
제1 연료 분사 단계(S402)는 보염기(112)의 출구 영역으로 연료를 분사하여 연료를 기화 또는 부분적으로 분해하고 환원 물질을 생성한다. 제2 연료 분사 단계(S403)는 입자상 물질 필터(132)와 선택적 환원 촉매장치(133) 사이로 연료를 분사하여 연료를 개질하고 환원 물질을 생성한다.
촉매 반응 단계(S404)는 입자상 물질 필터(132)에 부착된 물질을 제거하여 필터를 재생하고, 질소산화물을 제거하며, 탄화수소를 연소한다.
촉매 반응 단계(S404)는 제1 산화촉매장치(131)를 가열하고, 제1 산화촉매장치(131) 내에서 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키는 산화 단계와 산화 단계에서 가열된 배기가스를 입자상 물질 필터(132)로 공급하여 입자상 물질 필터(132)에 쌓여있던 입자상 물질들을 태워서 이산화탄소로 변환시키는 필터 재생 단계와 선택적 촉매 환원법으로 질소산화물을 질소로 변환하는 질소산화물 제거 단계와 제2 산화촉매장치(134)에서 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키고, 탄화수소를 이산화탄소로 변환하는 탄화수소 제거 단계를 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제5 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치에 대해서 설명한다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이다.
본 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치(105)는 플라즈마 개질기(120), 촉매 반응기(130), 제1 연료 분사관(161), 제2 연료 분사관(162), 오존 공급관(172), 보염기(115)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치(105)는 보염기(115), 오존 공급관(172)을 제외하고는 상기한 제3 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
보염기(115)는 내부 공간을 갖는 상자 형태로 이루어지고, 외주면, 선방면, 후방면을 가질 수 있다. 보염기(115)는 메탈 메쉬로 이루어질 수 있다. 메탈 메쉬에 형성된 미세한 다공들을 통해서 보염기 내부로 공기가 공급될 수 있다.
플라즈마 개질기(120)에 의하여 화염이 형성되며, 제1 연료 분사관(161)에서 분사된 연료는 화염에 의하여 가열되어 기화될 뿐만 아니라 보염기(115)의 미세 다공들을 통해서 유입된 공기에 의하여 부분 산화 및 개질되어 환원 물질로 변환될 수 있다. 또한, 염에서 연소되지 않은 미연 연료 및 중간생성물 탄화수소가 가열된 금속 다공체와 접촉하면서 연소될 수 있으며, 이에 따라 백연의 발생을 방지할 수 있다.
연료 및 환원 물질은 보염기(115)에서 미세 다공을 통해서 배기관(150)으로 이동할 수 있다. 또한, 보염기(114)의 후방이 개방된 경우, 개방된 후방을 통해서 연료 및 환원 물질이 보염기(115)에서 배출될 수도 있다.
오존 공급관(172)은 제2 연료 분사관(162)에 연결되어 제2 연료 분사관(162)으로 오존을 공급한다. 이에 따라 제2 연료 분사관(162)을 통해서 연료와 오존이 선택적 환원 촉매장치(133)의 상류측으로 분사된다. 오존 공급관(172)에는 오존 발생기가 연결되며, 오존 발생기는 저온 플라즈마 발생기로 이루어질 수 있다. 저온 플라즈마 발생기는 유전체 방전, 코로나 방전, 또는 스트리머 방전 방식으로 플라즈마를 형성하며, 오존 발생을 위해 저온 플라즈마에 공기 또는 순수한 산소가 반응 기체로 공급될 수 있다.
오존 공급관(172)은 배기가스의 온도가 300℃ 이하일 경우에만 분사되며, 배기가스의 온도가 300℃ 이상인 경우에는 오존이 열분해 된다. 또한, 오존 공급관(172)을 통해서 분사된 오존은 일산화질소를 이산화질소로 전환시켜서 이산화질소의 비율을 상승시키고, 이러한 기작으로 인해 선택적 환원 촉매장치(133)의 반응이 촉진되어 동일한 저온 조건에서도 선택적 환원 촉매장치(133)의 성능이 증대될 수 있다.
이에 따라 본 실시예에 의하면 추가적인 연료 소모를 최소화하여 저온 탈질 성능을 향상될 수 있다. 다만, 오존은 배기가스의 온도가 300℃ 이하일 경우에만 분사되며, 배기가스의 온도가 300℃ 이상인 경우에는 오존이 열분해 된다.
이하에서는 본 발명의 제5 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법에 대해서 설명한다.
도 11은 본 발명의 제5실시예에 따른 배기가스 후처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 10 및 도 11을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법은 플라즈마 개질 단계(S501), 제1 연료 분사 단계(S502), 오존 분사 단계(S503), 제2 연료 분사 단계(S504), 촉매 반응 단계(S505)를 포함할 수 있다.
플라즈마 개질 단계(S501)는 플라즈마 개질기(120) 내부로 공기와 연료를 분사하여 아크(122)를 형성하고, 아크(122)의 열을 이용하여 연료를 부분 산화시키며, 열과 환원 물질을 생성한다. 플라즈마 개질 단계(S501)는 회전 아크를 형성하고, 회전 아크는 방전극(121)의 길이방향 선단 부분에서 회전한다. 플라즈마 개질 단계(S501)는 복수의 통기공(113)들이 형성된 보염기(112) 내부로 화염 및 환원 물질을 분사할 수 있다.
제1 연료 분사 단계(S502)는 제1 산화촉매장치(131)와 입자상 물질 필터(132) 사이로 연료를 분사하여 연료를 개질하고 환원 물질을 생성한다. 오존 분사 단계(S503)는 제2 연료 분사관(162)에 연결된 오존 공급관(172)을 이용하여 제2 연료 분사관(162)으로 오존을 공급한다. 오존 분사 단계(S503)는 배기가스의 온도가 300℃ 이하일 경우에만 오존을 분사한다.
제2 연료 분사 단계(S504)는 입자상 물질 필터(132)와 선택적 환원 촉매장치(133) 사이로 연료를 분사하여 연료를 개질하고 환원 물질을 생성한다. 촉매 반응 단계(S505)는 입자상 물질 필터(132)에 부착된 물질을 제거하여 필터를 재생하고, 질소산화물을 제거하며, 탄화수소를 연소한다.
이하에서는 본 발명의 제6 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치에 대해서 설명한다.
도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이다.
본 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치(106)는 플라즈마 개질기(120), 촉매 반응기(130), 제1 연료 분사관(161), 오존 공급관(172), 보염기(112)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치(106)는 오존 공급관(172), 촉매 반응기(130)를 제외하고는 상기한 제3 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
촉매 반응기(130)는 제1 산화촉매장치(131), 동시저감 장치(SDPF, 135), 제2 산화촉매장치(134)를 포함할 수 있다. 제1 산화촉매장치(131)는 입자상 물질 필터보다 더 상류측에 위치하며, 담체에 담지된 촉매를 이용하여 일산화탄소를 이산화탄소로 변화시키고, 유입된 환원 물질들을 산화시켜서 열을 발생시킨다.
동시저감장치(135)는 제1 산화촉매장치(131)와 제2 산화촉매장치(134) 사이에 위치하며, 입자상 물질과 질소산화물을 동시에 제거하는 장치이다. 동시저감장치(135)는 입자상 물질 필터에 선택적 환원 촉매가 담지된 구조로 이루어질 수 있다.
제2 산화촉매장치(134)는 동시저감장치(135)의 하류측에 배치되며, 탈질 반응 후에 잔류하는 탄화수소를 촉매로 산화시켜서 제거한다.
제1 연료 분사관(161)은 제1 산화촉매장치(131)와 동시저감장치(135) 사이에 설치되어 배기관 내부로 연료를 분사한다. 제1 연료 분사관(161)에서 분사된 연료는 배기가스에 의하여 부분 산화되어 환원 물질로 변환되며 환원 물질은 동시저감장치로 공급될 수 있다.
오존 공급관(172)은 제1 산화촉매장치(131)와 동시저감장치(135) 사이에 설치되어 동시저감장치의 상류로 오존을 분사한다. 오존은 일산화질소를 이산화질소로 전환시켜서 선택적 환원 촉매장치의 효율이 향상될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제6 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법에 대해서 설명한다.
도 13은 본 발명의 제6실시예에 따른 배기가스 후처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 12 및 도 13을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법은 플라즈마 개질 단계(S601), 제1 연료 분사 단계(S602), 오존 분사 단계(S603), 촉매 반응 단계(S604)를 포함할 수 있다.
플라즈마 개질 단계(S601)는 플라즈마 개질기(120) 내부로 공기와 연료를 분사하여 아크(122)를 형성하고, 아크(122)의 열을 이용하여 연료를 부분 산화시키며, 열과 환원 물질을 생성한다. 플라즈마 개질 단계(S601)는 회전 아크를 형성하고, 회전 아크는 방전극(121)의 길이방향 선단 부분에서 회전한다. 플라즈마 개질 단계(S601)는 복수의 통기공(113)들이 형성된 보염기(112) 내부로 화염 및 환원 물질을 분사할 수 있다.
제1 연료 분사 단계(S602)는 제1 산화촉매장치(131)와 동시저감장치(135) 사이의 공간으로 연료를 분사하여 연료를 개질하고 환원 물질을 생성한다. 오존 분사 단계(S603)는 제1 산화촉매장치(131)와 동시저감장치(135) 사이로 오존을 분사한다. 오존 분사 단계(S603)는 배기가스의 온도가 300℃ 이하일 경우에만 오존을 분사한다.
촉매 반응 단계(S604)는 입자상 물질 필터(132)에 부착된 물질을 제거하여 필터를 재생하고, 질소산화물을 제거하며, 탄화수소를 연소한다. 촉매 반응 단계(S604)는 제1 산화촉매장치(131)를 가열하고, 제1 산화촉매장치(131) 내에서 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키는 산화 단계와 산화 단계에서 가열된 배기가스를 입자상 물질 필터(132)로 공급하여 입자상 물질 필터(132)에 쌓여있던 입자상 물질들을 태워서 이산화탄소로 변환시키면서, 질소산화물을 질소로 변환하는 동시 제거 단계와 제2 산화촉매장치(134)에서 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키고, 탄화수소를 이산화탄소로 변환하는 탄화수소 제거 단계를 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제7 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치에 대해서 설명한다.
도 14는 본 발명의 제7 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이다.
본 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치(107)는 플라즈마 개질기(210), 및 촉매 반응기(130)를 포함할 수 있다. 배기가스 후처리 장치(107)는 플라즈마 개질기(210)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
플라즈마 개질기(210)는 하우징(215)과 하우징(215) 내에 삽입된 방전극(211)과 하우징(215)에 연결된 제1 공급관(213)과 제2 공급관(214)을 포함할 수 있다. 하우징(215)은 내부 공간을 갖는 관으로 이루어지며, 접지된다.
방전극(211)은 고압으로 대전되며 하우징(215)의 내부로 삽입된 막대 형상으로 이루어질 수 있다. 방전극(211)의 내부에는 냉각수가 이동하는 냉각수 통로가 형성될 수 있다. 방전극(211)에는 구동전압이 인가될 수 있으며, 여기서 구동전압은 아크(122)의 형성을 위한 충분한 전압으로 이루어질 수 있다.
제1 공급관(213)과 제2 공급관(214)은 하우징(215)의 외주면에 설치되는데, 제2 공급관(214)은 제1 공급관(213)보다 더 하류측에 위치할 수 있다. 제2 공급관(214)은 아크(122)가 형성되는 부분보다 더 하류측에 위치할 수 있다.
제1 공급관(213)에는 공기가 공급될 때, 제2 공급관(214)에는 연료가 공급될 수 있다. 또한, 제1 공급관(213)에는 공기가 공급될 때, 제2 공급관(214)에는 공기와 연료가 함께 공급될 수 있다. 또한, 제1 공급관(213)에는 공기와 함께 연료가 공급되고, 제2 공급관(214)에는 유체의 공급이 중단될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제8 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치에 대해서 설명한다.
도 15는 본 발명의 제8 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치를 도시한 구성도이다.
본 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치(108)는 플라즈마 개질기(120), 제1 연료 분사관(161), 오존 공급관(172), 촉매 반응기(130)를 포함할 수 있다. 배기가스 후처리 장치(108)는 배기관(150)과 오존 공급관(172)을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
플라즈마 개질기(120)와 촉매 반응기(130) 사이에는 배기관(150)에서 공간이 확장된 확장 영역(153)이 형성되고, 확장 영역(153)에서 배기가스가 냉각될 수 있다. 확장 영역(153)과 촉매 반응기 사이에 오존 공급관(172)이 설치되는데, 오존 공급관(172)은 배기가스의 온도가 300도씨보다 낮은 지점에 설치될 수 있다.
오존 공급관(172)을 통해서 분사된 오존은 일산화질소를 이산화질소로 전환시키고, 초산소화 탄화수소(CHO, oxygenated hydrocarbons) 형태의 중간 생성물들을 형성한다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108: 배기가스 후처리 장치
112: 보염기
120, 210: 플라즈마 개질기
125, 215: 하우징
121, 211: 방전극
123, 213: 제1 공급관
124, 214: 제2 공급관
130: 촉매 반응기
131: 제1 산화촉매장치
132: 입자상 물질 필터
133: 선택적 환원 촉매장치
134: 제2 산화촉매장치
150: 배기관
153: 확장 영역
161: 제1 연료 분사관
162: 제2 연료 분사관
172: 오존 공급관

Claims (24)

  1. 배기가스가 이동하는 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 감소시키는 배기가스 후처리 장치에 있어서,
    플라즈마를 발생시키고, 연료를 개질하여 환원 물질을 생성하는 플라즈마 개질기; 및
    상기 배기가스에 포함된 입자상 물질과 질소산화물을 제거하는 촉매 반응기;
    를 포함하며,
    상기 플라즈마 개질기의 작동 온도는 500℃ 내지 1000℃의 부분산화 온도 조건인 것을 특징으로 하는 플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 후처리 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 개질기는 회전아크를 발생시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 후처리 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 개질기에 의하여 생성된 화염 또는 상기 플라즈마 개질기에 의하여 가열된 배기가스로 연료를 분사하는 제1 연료 분사관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 후처리 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 배기관 내에 삽입된 보염기를 더 포함하고,
    상기 플라즈마 개질기는 상기 보염기와 연결되어 상기 보염기 내부로 환원 물질을 분사하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 후처리 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 연료 분사관은 상기 보염기와 연결되어 상기 보염기 내부로 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 후처리 장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 연료 분사관은 상기 보염기에서 기체가 배출되는 출구 영역으로 연료를 분사하도록 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 후처리 장치.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 보염기에는 배기가스가 유입되는 복수의 통기공들이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 후처리 장치.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 통기공들에는 금속 다공체가 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 후처리 장치.
  9. 제4 항에 있어서,
    상기 촉매 반응기는 탄화수소를 산화시키는 제1 산화촉매장치와 상기 산화촉매장치의 하류에 설치되어 입자상물질을 포집하는 입자상 물질 필터를 더 포함하고,
    상기 입자상 물질 필터와 상기 제1 산화촉매장치 사이에 설치되어 연료를 분사하는 제1 연료 분사관를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 후처리 장치.
  10. 제4 항에 있어서,
    상기 촉매 반응기는 입자상 물질 필터 보다 더 하류측에 배치되어 질소산화물을 환원시키는 선택적 환원 촉매장치와 상기 선택적 환원 촉매장치의 하류측에 배치되어 탄화수소를 산화시키는 제2 산화촉매장치를 더 포함하고,
    상기 입자상 물질 필터와 상기 선택적 환원 촉매장치 사이에는 상기 배기관 내부로 연료를 분사하는 제2 연료 분사관이 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 후처리 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 연료 분사관에는 상기 제2 연료 분사관에 오존을 공급하는 오존 공급관이 연결된 것을 특징으로 하는 플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 후처리 장치.
  12. 제4 항에 있어서,
    상기 촉매 반응기는 탄화수소를 산화시키는 제1 산화촉매장치와 상기 산화촉매장치의 하류에 설치되어 입자상물질을 포집하고, 질소산화물을 환원시키는 동시저감장치와 상기 동시저감장치의 하류측에 배치되어 탄화수소를 산화시키는 제2 산화촉매장치를 포함하고,
    상기 제1 산화촉매장치와 상기 동시저감장치 사이에는 상기 배기관 내부로 오존을 분사하는 오존 공급관이 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 개질기를 이용한 배기가스 후처리 장치.
  13. 플라즈마 개질기를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 감소시키는 배기가스 후처리 방법에 있어서,
    플라즈마를 발생시키고, 연료를 개질하여 환원 물질을 생성하는 플라즈마 개질 단계; 및
    배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고, 질소산화물을 환원시키는 촉매 반응 단계;
    를 포함하고,
    상기 플라즈마 개질 단계는 상기 연료를 500℃ 내지 1000℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 플라즈마 개질 단계는 회전하는 아크를 발생시키고, 회전하는 아크를 이용하여 연료를 산화시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  15. 제14 항에 있어서,제1 연료 분사관을 이용하여 상기 플라즈마 개질 단계에서 가열된 배기가스에 연료를 분사하는 제1 연료 분사 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  16. 제15 항에 있어서,상기 플라즈마 개질 단계는 내부 공간을 갖는 보염기 내부로 환원 물질을 분사하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 연료 분사 단계는 상기 보염기 내부로 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 연료 분사 단계는 상기 보염기에서 기체가 배출되는 출구 영역으로 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 촉매 반응 단계는 제1 산화촉매장치에서 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키는 산화 단계와 산화 단계에서 가열된 배기가스를 입자상 물질 필터로 공급하여 입자상 물질 필터에 포집된 입자상 물질들을 태워서 이산화탄소로 변환시키는 필터 재생 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 연료 분사 단계는 상기 제1 산화촉매장치와 상기 입자상 물질 필터 사이의 공간으로 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  21. 제18 항에 있어서,
    상기 촉매 반응 단계는 선택적 촉매 환원장치에서 질소산화물을 질소로 변환하는 질소산화물 제거 단계와 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키고 탄화수소를 산화시키는 탄화수소 제거 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  22. 제21 항에 있어서,
    제2 연료 분사관을 이용하여 상기 입자상 물질 필터와 상기 선택적 촉매 환원장치 사이로 연료를 분사하는 제2 연료 분사 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 제2 연료 분사관으로 오존을 공급하는 오존 분사 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  24. 제15 항에 있어서,
    촉매 반응 단계는 제1 산화촉매장치에서 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키는 산화 단계와 동시저감장치에 포집된 물질들을 태워서 이산화탄소로 변환시키면서 질소산화물을 질소로 변환하는 동시 제거 단계와 환원 물질을 산화시켜서 열을 발생시키고 탄화수소를 산화시키는 탄화수소 제거 단계를 포함하고,
    상기 제1 연료 분사 단계는 상기 제1 산화촉매장치와 상기 동시저감장치 사이의 공간으로 연료를 분사하며,
    상기 제1 산화촉매장치와 상기 동시저감장치 사이의 공간으로 오존을 분사하는 오존 분사 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
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