KR20240041120A - 질소산화물 정화 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 명세서에 개시된 기술은 내연기관 또는 연소기에서 배출되는 유해배출가스인 질소산화물(NOx)을 저감하는 기술에 관한 것으로, 일 실시예에 따른 질소산화물 정화 장치는, 가스 상의 암모니아를 생성하는 주반응기; 상기 주반응기와 연결되고, 제 1 배기관으로 가스를 이송시키도록 구성된 가스 이송관; 상기 가스 이송관에 설치되며, 상기 생성된 암모니아를 수소로 전환하는 암모니아 수소전환 촉매; 상기 가스 이송관에 설치되며, 상기 전환된 수소의 유동압력을 조절하는 수소 압력조절기; 및 상기 제 1 배기관에 구비되는 제 1 SCR 촉매부를 포함하고, 상기 제 1 SCR 촉매부는 H2-SCR 촉매를 포함한다.

Description

질소산화물 정화 장치 및 그 방법{NOx emissions purification apparatus and method therefor}
본 명세서에 개시된 기술은 내연기관 또는 연소기에서 배출되는 유해배출가스인 질소산화물(NOx)을 저감하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 암모니아를 H2-SCR 촉매 및 NH3-SCR 촉매 상에서 질소산화물과 반응시켜 인체에 무해한 질소로 정화시킬 수 있는 질소산화물 정화 장치 및 질소산화물 정화 방법에 관한 것이다.
최근 선진국을 중심으로 디젤엔진의 NOx 배출 허용 기준이 무배출 수준으로 강화되고 있다. 배출가스를 무배출 수준으로 정화시키기 위해서는 배출가스 온도가 낮은 조건에서의 NOx 저감 기술이 필요하다.
배출가스 온도가 높은(약 200℃ 이상) 경우에는 NH3-SCR 기술의 NOx 저감효율은 매우 우수하다. 암모니아를 NOx 환원제로 사용하는 SCR의 촉매로는 바나디아나 제올라이트 촉매가 주로 사용되는데 공회전시와 같이 배출가스 온도가 낮은 조건에서는 촉매의 활성화가 안되어 NOx 저감 효율이 낮다.
현재 일반적으로 사용되고 있는 요소수 SCR 기술은 배출가스 온도가 낮은 경우 (약 200℃ 미만) 작동하지 않는 문제가 있다. 배출가스 온도가 낮을 경우 요소수가 기화되지 못 하거나 암모니아로 열분해되지 못하기 때문이다.
한편, 수소-SCR 촉매 기술이 저온에서 NOx 저감 성능이 우수하다는 연구결과들이 보고되고 있다. 하지만 NH3-SCR에서 NOx 정화에 필요한 NH3/NOx 몰비(mole ratio)가 1.0인 반면 H2-SCR에서 H2/NOx 몰비가 5~10으로 많은 양의 H2를 공급해야 하는 단점이 있다. 또한 수소를 공급하기 위한 별도의 수소 저장탱크가 필요하다.
이에, 배출가스 온도가 낮은 조건과 높은 조건에서 NOx를 효과적으로 저감할 수 있는 기술이 요구되고 있는 실정이다.
본 명세서에 개시된 기술은 개선된 질소산화물 정화 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 하며, 본 명세서에 개시된 기술의 기술적 사상에 따른 질소산화물 정화 장치 및 방법이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 질소산화물 정화 장치는, 가스 상의 암모니아를 생성하는 주반응기; 상기 주반응기와 연결되고, 제 1 배기관으로 가스를 이송시키도록 구성된 가스 이송관; 상기 가스 이송관에 설치되며, 상기 생성된 암모니아를 수소로 전환하는 암모니아 수소전환 촉매; 상기 가스 이송관에 설치되며, 상기 전환된 수소의 유동압력을 조절하는 수소 압력조절기; 및 상기 제 1 배기관에 구비되는 제 1 SCR 촉매부를 포함하고, 상기 제 1 SCR 촉매부는 H2-SCR 촉매를 포함한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 질소산화물 정화 장치는, 상기 주반응기와 연결되고, 상기 생성된 암모니아를 제 2 배기관으로 이송시키도록 구성된 암모니아 가스 이송관; 상기 암모니아 가스 이송관에 설치되며, 상기 생성된 암모니아의 유동압력을 조절하는 암모니아 압력조절기; 및 상기 제 1 SCR 촉매부 후단에 설치되며, 상기 제 2 배기관에 구비되는 제 2 SCR 촉매부를 더 포함하고, 상기 제 2 SCR 촉매부는 NH3-SCR 촉매를 포함한다.
상기 주반응기는, 고체 암모늄 또는 암모니아수로부터 암모니아를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 배기관의 입구에 설치된 제 1 온도센서를 더 포함하고, 상기 제 1 온도센서는 설정온도 미만의 저온을 감지하여, 상기 제 1 배기관에 수소를 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 배기관의 입구에 설치된 제 2 온도센서를 더 포함하고, 상기 제 2 온도센서는 설정온도 이상의 고온을 감지하여, 상기 제 2 배기관에 암모니아를 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 암모니아 가스 이송관에 설치되며, 상기 전환된 수소를 저장하는 수소저장 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 SCR 촉매부는 상기 제 2 SCR 촉매부의 크기보다 작은 것을 특징으로 한다.
상기 H2-SCR 촉매는 백금(Pt)계 또는 팔라듐(Pd)계 촉매인 것을 특징으로 한다.
상기 NH3-SCR 촉매는 바나디아(vanadia)계 또는 제올라이트(zeolite)계 촉매인 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 질소산화물 정화 방법은, 주반응기에서 가스 상의 암모니아를 생성하는 단계; 상기 생성된 암모니아를 암모니아 수소전환 촉매에 의해 수소로 전환하는 단계; 제 1 온도센서에서 설정온도 미만의 저온을 감지하면 상기 전환된 수소를 H2-SCR 촉매에 공급하는 단계; 상기 공급된 수소를 환원제로 하여 수소-선택적 촉매환원(H2-SCR)반응으로 질소산화물을 정화하는 단계; 제 2 온도센서에서 설정온도 이상의 고온을 감지하면 상기 생성된 암모니아를 NH3-SCR 촉매에 공급하는 단계; 및 상기 공급된 암모니아를 환원제로 하여 암모니아-선택적 촉매환원(NH3-SCR)반응으로 질소산화물을 정화하는 단계를 포함한다.
상기 수소-선택적 촉매환원(H2-SCR)반응에 의해 발생한 열이 상기 NH3-SCR 촉매에 전달되는 것을 특징으로 한다.
상기 가스 상의 암모니아는 고체 암모늄 또는 암모니아수로부터 생성되는 것을 특징으로 한다.
상기 설정온도는 200℃ 내지 300℃인 것을 특징으로 한다.
상기 전환된 수소는 H2-SCR 촉매로 공급시 유량 및 압력이 조절되는 것을 특징으로 한다.
상기 생성된 암모니아는 NH3-SCR 촉매로 공급시 유량 및 압력이 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 질소산화물 정화 장치 및 방법에 의하면, 배출가스 온도구간을 두 개로 나누어서 저온에서는 수소를 공급하고, 고온에서는 암모니아를 공급함으로써 배출가스 온도가 낮은 조건의 배출가스 중의 NOx를 저감할 수 있다.
또한, 암모니아 수소전환 촉매를 이용하여 암모니아를 수소로 전환하고, 이 수소를 배출가스 배기관에 설치되는 수소-SCR 촉매의 입구에 공급함으로써 수소를 공급하기 위한 별도의 수소 공급장치가 필요 없다.
다만, 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 질소산화물 정화 장치 및 방법이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예를 나타낸다.
도 2는 본 명세서에 개시된 기술의 다른 실시예를 나타낸다.
도 3은 본 명세서에 개시된 기술의 또 다른 실시예를 나타낸다.
도 4는 본 명세서에 개시된 기술의 또 다른 실시예를 나타낸다.
본 명세서에 개시된 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 명세서에 개시된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 명세서에 개시된 기술은 본 명세서에 개시된 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "결합된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결 또는 결합될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결 또는 결합될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 '~부'로 표현되는 구성요소는 2개 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나 또는 하나의 구성요소가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화될 수도 있다. 또한, 이하에서 설명할 구성요소 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성요소가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성요소 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성요소에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
다양한 실시예에서 사용된 "제 1", "제 2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 명세서에 개시된 기술의 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
이하, 바람직한 실시예에 따른 질소산화물 정화 장치 및 방법을 상세히 설명하도록 한다.
실시예 1
도 1을 참고하면, 일 실시예에 따른 질소산화물 정화 장치는, 가스 상의 암모니아를 생성하는 주반응기(100); 상기 주반응기(100)와 연결되고, 제 1 배기관(21)으로 가스를 이송시키도록 구성된 가스 이송관(141); 상기 가스 이송관(141)에 설치되며, 상기 생성된 암모니아를 수소로 전환하는 암모니아 수소전환 촉매(30); 상기 가스 이송관(141)에 설치되며, 상기 전환된 수소의 유동압력을 조절하는 수소 압력조절기(111); 및 상기 제 1 배기관(21)에 구비되는 제 1 SCR 촉매부를 포함하고, 상기 제 1 SCR 촉매부는 H2-SCR 촉매(40)를 포함한다.
H2-SCR 촉매(40)는, 환원제로 수소를 사용하는 수소-선택적촉매환원(H2-SCR) 반응 촉매를 이용한 반응으로 질소산화물을 질소로 환원시켜 처리할 수 있다. 질소산화물은 일산화질소, 이산화질소 등으로, H2-SCR 촉매를 이용한 환원 반응에 의해 질소산화물이 질소로 환원되어 처리되는 것이다. H2-SCR 촉매는 환원제로 수소가 적용되어 탈질반응속도를 증가시킬 수 있는 촉매라면 제한되지 않으며, 시판되거나 주지의 방법으로 제조된 것일 수 있다. 예를 들어, H2-SCR 촉매는 백금 등을 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로, 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 등 산화물 형태의 담체에 활성물질인 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)이 담지된 것일 수 있다. 이와 같은 수소-선택적촉매환원(H2-SCR) 반응 촉매는 암모니아-선택적촉매환원(NH3-SCR) 반응 촉매에 비해 상대적으로 가동온도가 저온일 수 있어 활용성 면에서 보다 바람직하고, 암모니아 사용에 따른 문제에서도 비교적 자유롭다는 장점을 갖는다. 따라서, 질소산화물을 보다 저온에서도 효과적이고 안정적으로 환원시킬 수 있다.
주반응기(100)에서 생성된 암모니아 가스는 도 1에서와 같이, 주반응기(100)와 연결되고, 제 1 배기관(21)으로 가스를 이송시키도록 구성된 가스 이송관(141)을 통해 이송되어 암모니아 수소전환 촉매(30)와 접촉한다. 상기 생성된 암모니아 가스는 암모니아 수소전환 촉매(30)에 의해 수소로 전환되고, 상기 전환된 수소 가스는 H2-SCR 촉매(40)가 설치된 엔진의 배기관(21)으로 공급되도록 연결될 수 있다. 배기관(21)으로 수소 가스가 공급되는 가스 이송관(141)에는 수소 압력조절기(111)가 설치되어 배기관(21) 내부로 분사되는 수소 가스의 압력 및 유량이 조절될 수 있다. 수소 압력조절기(111)는 배기관으로 일정한 압력의 수소 가스가 공급되도록 공급되는 수소 가스의 유량을 제어할 수 있도록 구성된다. 그리고 배기관(21)에는 분사 노즐이 설치되어 배기관 내부로 수소 가스를 균일하게 분사하도록 할 수 있으며, 분사 노즐이 설치된 배기관(21)의 후반부에는 H2-SCR 촉매(40)가 구비되어 수소 가스와 배출가스가 혼합되어 H2-SCR 촉매(40)에서 정화 반응을 일으켜 배출가스 중의 유해물질인 질소산화물(NOx)이 인체에 무해한 질소로 환원되어 배출가스를 저감시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 주반응기에서 생성된 암모니아는 고체 암모늄(S)으로부터 생성될 수 있다. 주반응기(100)는 내부에 고체 암모늄(S)이 구비되어, 상기 고체 암모늄으로부터 암모니아 가스가 생성될 수 있도록 형성된다. 고체 암모늄은 열에 의해 암모니아 가스로 분해되고 냉각되면 다시 고체 암모늄으로 응고되는 물질을 지칭하며, 암모늄 카바메이트(ammonium carbamate, NH2COONH4), 암모늄 카보네이트(ammonium carbonate, (NH4)2CO3), 암모늄 바이카보네이트(Ammonium bicarbonate, NH4HCO3) 또는 우레아(NH2CONH2) 등이 포함될 수 있으며, 바람직하게는 암모늄 카바메이트(ammonium carbamate, NH2COONH4)일 수 있다.
이때, 암모늄 카바메이트가 열분해되어 암모니아가 생성되는 반응식은 다음과 같다.
NH2COONH4 ↔ 2NH3 +CO
그리고 생성된 암모니아가 배기관에 분사되면, 선택적 환원(SCR)촉매상에서 NOx가 정화되는 대표 반응식은 다음과 같다.
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2+3H2O
일 실시예에 있어서, 주반응기(100) 내부에는 냉각부재와 히팅부재가 설치될 수 있다. 운전 정지시, 상기 냉각부재에 의해 암모니아/이산화탄소 가스가 반응하여 고체 암모늄으로 변화하고, 또한 엔진 시동시, 상기 히팅부재에 의해, 고체 암모늄에 열원을 집중 공급하여 가스화시킬 수 있다. 상기 냉각부재는 예를 들어, 공기 또는 냉각수 등이 있을 수 있고, 상기 가열부재는 예를 들어, 전기히터, 가열공기, 가열수 등을 들 수 있다.
일 실시예에 있어서, 도 3을 참고하면, 주반응기에서 생성된 암모니아는 암모니아수(L)로부터 생성될 수 있다. 주반응기(100) 내부에는 암모니아가 물에 희석되어 암모니아수(L)의 형태로 일시 보관될 수 있다.　암모니아가　물에 녹으면서 다음과 같은 평형이 생성된다.
NH3　+　H2O　↔ NH4 +　+ OH-
일 실시예에 있어서, 주반응기(100) 내부에는 기화기가 설치될 수 있다. 상기 기화기는 암모니아수(L)를 기화 및 열분해하여 선택적환원촉매(SCR)에 기체상의 암모니아를 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, H2-SCR로 NOx를 저감하는 경우 배출가스 고체상태 암모니아 저장 물질을 가열하여 암모니아 가스를 만들어 공급하거나 또는 암모니아수를 기화하여 암모니아 가스를 만들어 공급하는 주반응기로부터 만들어진 암모니아를 암모니아 수소전환 촉매(30)에 의해 수소로 전환하여 사용할 수 있다. 암모니아 수소전환 촉매(30)는 암모니아를 분해하여 수소를 생산할 수 있는 촉매라면 제한되지 않으며, 시판되거나 주지의 방법으로 제조된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 암모니아 수소전환 촉매는 루테늄, 니켈, 몰리브데늄, 철 및 코발트로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매 활성물질을 포함하는 것일 수 있다.
실시예 2
도 2를 참고하여, 다른 실시예에 따른 질소산화물 정화 장치에 설명하되, 앞선 실시예에 있어서의 대응되는 구성에 대한 중복 설명은 생략한다. 동 실시예에 있어서의 질소산화물 정화 장치는 기본적으로 앞선 실시예 1의 제 1 SCR 촉매부에 더하여 별도의 제 2 SCR 촉매부가 추가되며 이러한 제 2 SCR 촉매부로 생성된 암모니아 가스 공급을 위한 이송관이 병렬적으로 추가 설치되는 구성을 포함한다.
구체적으로, 동 실시예에 의한 정화 장치는, 실시예 1의 구성에 의한 암모니아 가스 공급부를 기본적으로 포함하므로, 가스 상의 암모니아를 생성하는 주반응기(100); 주반응기(100)와 연결되고, 상기 생성된 암모니아를 제 2 배기관(22)으로 이송시키도록 구성된 암모니아 가스 이송관(142); 암모니아 가스 이송관(142)에 설치되며, 상기 생성된 암모니아의 유동압력을 조절하는 암모니아 압력조절기(112); 및 상기 제 1 SCR 촉매부 후단에 설치되며, 제 2 배기관(22)에 구비되는 제 2 SCR 촉매부를 더 포함하고, 상기 제 2 SCR 촉매부는 NH3-SCR 촉매(50)를 포함한다.
NH3-SCR 촉매(50)는, 환원제로 암모니아를 사용하는 암모니아-선택적촉매환원(NH3-SCR) 반응 촉매를 이용한 반응으로 질소산화물을 질소로 환원시켜 처리할 수 있다. NH3-SCR 촉매는 환원제로 암모니아가 적용되어 탈질반응속도를 증가시킬 수 있는 촉매라면 제한되지 않으며, 시판되거나 주지의 방법으로 제조된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 NH3-SCR　촉매는 바나디아(vanadia)계 촉매 및/또는　제올라이트(zeolite)계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 바나디아(vanadia)계 촉매는 바람직하게 오산화바나듐(V2O5)을 활성물질로 삼산화텅스텐(WO3)과 이산화 타이타늄(TiO2)을 포함하는 조성으로 구성될 수 있으며, 조촉매로 이산화세륨(CeO2) 등의 전이 금속을 사용할 수 있다. 또한 상기　제올라이트(zeolite)계 촉매로는 바람직하게 구리(Cu), 철(Fe) 등과 같은 원소로 치환된　제올라이트 계열 세라믹 촉매를 사용할 수 있다.
동 정화 장치는, 상기 제 1 SCR 촉매부와 가스 연통되는 제 2 SCR 촉매부를 포함한다. 냉시동 조건에서 NOx를 빠르게 저감하기 위하여 H2-SCR 촉매(40)가 NH3-SCR 촉매(50) 상단에 위치하는 것이 보다 효율적이다. 상기 상기 수소-선택적 촉매환원(H2-SCR)반응에 의해 발생한 열이 상기 NH3-SCR 촉매에 전달되어 제 2 SCR 촉매부의 고온 조건을 유지할 수 있다.
주반응기(100)에서 생성된 암모니아 가스는 도 2에서와 같이 NH3-SCR 촉매(50)가 설치된 엔진의 배기관(22)으로 공급되도록 연결될 수 있으며, 배기관(22)으로 암모니아 가스가 공급되는 암모니아 가스 이송관(142)에는 암모니아 압력조절기(112)가 설치되어 배기관(22) 내부로 분사되는 암모니아 가스의 압력 및 유량이 조절될 수 있다. 암모니아 압력조절기(112)는 배기관으로 일정한 압력의 암모니아 가스가 공급되도록 공급되는 암모니아 가스의 유량을 제어할 수 있도록 구성된다. 그리고 배기관(22)에는 분사 노즐이 설치되어 배기관 내부로 암모니아 가스를 균일하게 분사하도록 할 수 있으며, 분사 노즐이 설치된 배기관(22)의 후반부에는 NH3-SCR 촉매(50)가 구비되어 암모니아 가스와 배출가스가 혼합되어 NH3-SCR 촉매(50)에서 정화 반응을 일으켜 배출가스 중의 유해물질인 질소산화물(NOx)이 인체에 무해한 질소로 환원되어 배출가스를 저감시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 1 SCR 촉매부는 상기 제 2 SCR 촉매부의 크기보다 작은 것일 수 있다. H2-SCR 촉매(40)는 배출가스 유량이 적은 저온 저부하조건에서 NOx 저감하는 역할을 하므로 H2-SCR 촉매(40)의 크기는 NH3-SCR 촉매(50)의 크기보다 작은 것이 효율적이다.
일 실시예에 있어서, 제 1 배기관(21)의 입구에 설치된 제 1 온도센서(151)를 더 포함할 수 있고, 제 2 배기관(22)의 입구에 설치된 제 2 온도센서(152)를 더 포함할 수 있다. 제 1 온도센서(151)는 설정온도 미만의 저온을 감지하여, 제 1 배기관(21)에 수소를 공급하도록 할 수 있다. 또한, 제 2 온도센서(152)는 설정온도 이상의 고온을 감지하여, 제 2 배기관(22)에 암모니아를 공급하도록 할 수 있다. 즉, H2-SCR 촉매는 NH3-SCR 촉매에 비해 상대적으로 가동온도가 저온이므로, 배출가스 온도구간을 두 개로 나누어서 저온에서는 수소를 환원제로 공급하여 NOx를 저감하고, 고온에서는 암모니아를 환원제로 공급하여 NOx를 저감하여, 질소산화물 정화 효율을 높일 수 있다.
상기 설정온도는 예를 들어, 200℃ 내지 300℃, 바람직하게는 200℃ 내지 250℃일 수 있다. 약 200℃ 미만의 저온 조건에서는 산소와의 반응 가능성은 낮추면서 수소가 직접 질소산화물을 질소로 환원한다. 여기서 저온 조건이란 엔진의 냉간 시동, 재가동/정지 시의 운전 조건일 수 있다. 또한, 약 300℃ 이상의 고온에서는 가스 상의 암모니아가 질소산화물을 질소로 환원하여, 넓은 범위의 온도 조건에서 배기가스 내 질소산화물(NOx)를 효과적으로 제거한다.
실시예 3
도 4를 참고하여, 다른 실시예에 따른 질소산화물 정화 장치에 설명하되, 앞선 실시예에 있어서의 대응되는 구성에 대한 중복 설명은 생략한다. 동 실시예에 있어서의 질소산화물 정화 장치는 기본적으로 앞선 실시예 1에 더하여 수소저장 챔버(130)가 추가되며 상기 전환된 수소를 보관할 수 있다.
수소저장 챔버(130)는 암모니아 수소전환 촉매(30)에 의해 전환된 수소 가스를 저장하고, 엔진의 저온운전 조건인 200℃ 미만일 경우 H2-SCR 촉매(40)가 설치된 엔진의 배기관(21)으로 공급되도록 할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 정화 장치를 이용한 정화 방법에 대해 설명하기로 한다.
상기 질소산화물 정화 방법은, 주반응기에서 가스 상의 암모니아를 생성하는 단계(S100); 상기 생성된 암모니아를 암모니아 수소전환 촉매에 의해 수소로 전환하는 단계(S200); 제 1 온도센서에서 설정온도 미만의 저온을 감지하면 상기 전환된 수소를 H2-SCR 촉매에 공급하는 단계(S300); 상기 공급된 수소를 환원제로 하여 수소-선택적 촉매환원(H2-SCR)반응으로 질소산화물을 정화하는 단계(S400); 제 2 온도센서에서 설정온도 이상의 고온을 감지하면 상기 생성된 암모니아를 NH3-SCR 촉매에 공급하는 단계(S500); 및 상기 공급된 암모니아를 환원제로 하여 암모니아-선택적 촉매환원(NH3-SCR)반응으로 질소산화물을 정화하는 단계(S600)를 포함한다.
상기 단계 S100에서 가스 상의 암모니아는 고체 암모늄(S) 또는 암모니아수(L)로부터 생성될 수 있다.
상기 생성된 암모니아 가스가 저온 조건에서 가스 이송관(141)으로 이송되고, 암모니아 수소전환 촉매(30)에 의해 상기 암모니아 가스가 수소로 전환된다(S200).
엔진의 냉간 시동, 재가동/정지 시의 운전 조건, 예를 들어 약 200℃ 내지 300℃ 미만의 저온을 제 1 온도센서(151)가 감지하면, 제 1 배기관(21)의 H2-SCR 촉매(40)에 수소가 공급될 수 있다(S300). 상기 수소가 제 1 배기관(21)으로 이송되면서 수소 압력조절기(111)에 의해 수소 가스의 압력 및 유량이 조절될 수 있다. H2-SCR 촉매(40)에 수소(H2)를 환원제로 하여 수소-선택적 촉매환원(H2-SCR)반응으로 질소산화물(NOx)을 제거한다(S400).
엔진 시동 후 제 2 온도센서(152)에서 설정온도 이상의 고온이 감지될 수 있다. 상기 수소-선택적 촉매환원(H2-SCR)반응에 의해 발생한 열이 상기 NH3-SCR 촉매(50)에 전달되어 제 2 배기관(22)의 입구의 온도가 상승할 수도 있다. 예를 들어, 약 200℃ 내지 300℃ 이상의 고온이 감지되면, 제 2 배기관(22)의 NH3-SCR 촉매(50)에 암모니아가 공급될 수 있다(S500). 상기 암모니아가 제 2 배기관(22)으로 이송되면서 암모니아 압력조절기(112)에 의해 암모니아 가스의 압력 및 유량이 조절될 수 있다. NH3-SCR 촉매(50)에 암모니아(NH3)를 환원제로 하여 암모니아-선택적 촉매환원(NH3-SCR)반응으로 질소산화물(NOx)을 제거한다(S600).
이상에서 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (15)

  1. 가스 상의 암모니아를 생성하는 주반응기;
    상기 주반응기와 연결되고, 제 1 배기관으로 가스를 이송시키도록 구성된 가스 이송관;
    상기 가스 이송관에 설치되며, 상기 생성된 암모니아를 수소로 전환하는 암모니아 수소전환 촉매;
    상기 가스 이송관에 설치되며, 상기 전환된 수소의 유동압력을 조절하는 수소 압력조절기; 및
    상기 제 1 배기관에 구비되는 제 1 SCR 촉매부를 포함하고,
    상기 제 1 SCR 촉매부는 H2-SCR 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주반응기와 연결되고, 상기 생성된 암모니아를 제 2 배기관으로 이송시키도록 구성된 암모니아 가스 이송관;
    상기 암모니아 가스 이송관에 설치되며, 상기 생성된 암모니아의 유동압력을 조절하는 암모니아 압력조절기; 및
    상기 제 1 SCR 촉매부 후단에 설치되며, 상기 제 2 배기관에 구비되는 제 2 SCR 촉매부를 더 포함하고,
    상기 제 2 SCR 촉매부는 NH3-SCR 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주반응기는, 고체 암모늄 또는 암모니아수로부터 암모니아를 생성하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 배기관의 입구에 설치된 제 1 온도센서를 더 포함하고,
    상기 제 1 온도센서는 설정온도 미만의 저온을 감지하여, 상기 제 1 배기관에 수소를 공급하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 배기관의 입구에 설치된 제 2 온도센서를 더 포함하고,
    상기 제 2 온도센서는 설정온도 이상의 고온을 감지하여, 상기 제 2 배기관에 암모니아를 공급하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 암모니아 가스 이송관에 설치되며, 상기 전환된 수소를 저장하는 수소저장 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 SCR 촉매부는 상기 제 2 SCR 촉매부의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 H2-SCR 촉매는 백금(Pt)계 또는 팔라듐(Pd)계 촉매인 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 NH3-SCR 촉매는 바나디아(vanadia)계 또는 제올라이트(zeolite)계 촉매인 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 장치.
  10. 주반응기에서 가스 상의 암모니아를 생성하는 단계;
    상기 생성된 암모니아를 암모니아 수소전환 촉매에 의해 수소로 전환하는 단계;
    제 1 온도센서에서 설정온도 미만의 저온을 감지하면 상기 전환된 수소를 H2-SCR 촉매에 공급하는 단계;
    상기 공급된 수소를 환원제로 하여 수소-선택적 촉매환원(H2-SCR)반응으로 질소산화물을 정화하는 단계;
    제 2 온도센서에서 설정온도 이상의 고온을 감지하면 상기 생성된 암모니아를 NH3-SCR 촉매에 공급하는 단계; 및
    상기 공급된 암모니아를 환원제로 하여 암모니아-선택적 촉매환원(NH3-SCR)반응으로 질소산화물을 정화하는 단계를 포함하는 질소산화물 정화 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 수소-선택적 촉매환원(H2-SCR)반응에 의해 발생한 열이 상기 NH3-SCR 촉매에 전달되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 가스 상의 암모니아는 고체 암모늄 또는 암모니아수로부터 생성되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 설정온도는 200℃ 내지 300℃인 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 전환된 수소는 H2-SCR 촉매로 공급시 유량 및 압력이 조절되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 생성된 암모니아는 NH3-SCR 촉매로 공급시 유량 및 압력이 조절되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화 방법.
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