WO2016204589A1 - 저압 scr 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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WO2016204589A1
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urea
bypass
gas
temperature
bypass line
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PCT/KR2016/006516
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김대희
양희성
김규종
김건호
김정래
한주석
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현대중공업 주식회사
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    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present disclosure relates to an SCR system and a control method thereof, and more particularly, to a low pressure SCR system in which an SCR reactor is installed downstream of an engine supercharger and a control method thereof.
  • exhaust gases emitted after combustion from engines such as ships, automobiles, and power plants include a plurality of suspended particulates and hazardous substances such as nitrogen oxides (NOx) and sulfur oxides (SOx).
  • NOx nitrogen oxides
  • SOx sulfur oxides
  • the exhaust line of the engine is equipped with a diesel particulate filter (DPF), a selective catalytic reduction (SCR), and a scrubber (SCRubber, SOx removal) to remove harmful components in the exhaust gas.
  • DPF diesel particulate filter
  • SCR selective catalytic reduction
  • SOx removal SOx removal
  • the SCR system chemically reacts nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas with a reducing agent such as ammonia (NH3) and urea (Urea) in the catalyst layer to decompose and discharge water and nitrogen that are harmless to the human body. to be.
  • a reducing agent such as ammonia (NH3) and urea (Urea)
  • the SCR catalyst is composed of a porous catalyst filter formed by extrusion or metallic coating, and one or several SCR catalysts are continuously installed in the SCR reactor installed in the exhaust line.
  • the SCR system of the marine engine requires a high temperature of about 250 °C or more SCR reaction temperature to prevent the generation of ABS (Ammonium Bisulfate: NH4HSO4), decomposition and NOx removal. Accordingly, the engine temperature is increased through engine tuning, or the SCR reactor is installed upstream of the engine supercharger having a high exhaust gas temperature.
  • ABS Ammonium Bisulfate: NH4HSO4
  • the SCR reactor when installed upstream of the supercharger, it is called a 'high pressure SCR system' because the pressure and temperature of the exhaust gas flowing into the SCR reactor are high.
  • the SCR reactor should be installed very close to the engine. This makes it difficult to place the SCR system due to the narrow engine room and limits the layout design of peripherals or piping.
  • the SCR system can be installed downstream of the supercharger.
  • the SCR system can be installed outside the engine room.
  • the SCR system can be arranged freely without space constraints while at the same time freeing the layout design of the engine room.
  • the temperature of the exhaust gas entering the SCR reactor is lower than the normal SCR reaction temperature (or catalyst activation temperature) as the exhaust gas is first deprived of heat as it passes through the supercharger.
  • the normal SCR reaction temperature or catalyst activation temperature
  • due to the low temperature of the exhaust gas flowing into the SCR it is difficult to secure effective NOx removal performance, and also causes problems of catalyst poisoning and degradation of reducing agent decomposition performance.
  • a separate heating device is additionally installed in the exhaust line on the inlet side of the SCR reactor.
  • the heating device By heating the exhaust gas flowing into the SCR reactor through the heating device to the normal SCR reaction temperature.
  • the fuel consumption is high, the thermal efficiency of the entire system is reduced, and the energy is wasted.
  • the decomposition of the reducing agent is smoothly performed because the temperature of the exhaust gas flowing into the SCR reactor is maintained higher than the normal SCR reaction temperature.
  • the temperature of the exhaust gas flowing into the SCR reactor is lower than the normal SCR reaction temperature, thereby reducing decomposition of the reducing agent. Therefore, instead of inducing decomposition by injecting a reducing agent such as urea (UREA) near the inlet of the SCR reactor, it must be previously decomposed using a urea decomposition apparatus. That is, ammonia generated through urea decomposition is injected near the inlet of the SCR reactor.
  • a reducing agent such as urea (UREA)
  • the temperature of the flame generated as the fuel burns in the heating portion (eg, the heating chamber) of the urea cracker is very high, reaching 1500 ° C. Therefore, a cooling device for lowering the flame gas to a temperature suitable for urea decomposition is further required before the heated gas which has received the flame temperature is introduced into the urea decomposition chamber.
  • the addition of a cooling device not only complicates the system but also increases the running costs.
  • further driving of the cooling system reduces the efficiency of the entire system, increases energy waste and increases operating costs. At the same time, precise control of the temperature of the urea decomposition chamber to an appropriate level is not guaranteed.
  • the present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems with the low pressure SCR system in which the SCR reactor is installed downstream of the supercharger.
  • An object of the present invention by using a portion of the exhaust gas from the engine to bypass the supercharger as a gas for temperature control of the urea cracker, a heat source for increasing the temperature of the exhaust gas flowing into the SCR reactor above the normal SCR reaction temperature It is to be used as a. It can supply the heat source for exhaust gas urea cracking and the heat source (or heat source for cooling the urea cracking unit) without additional energy supply to the SCR reactor, thereby reducing energy consumption and improving the thermal efficiency of the entire system.
  • An object of the present invention is to provide an SCR system and a control method thereof.
  • Another object of the present invention according to the temperature of the SCR reactor and the temperature of the urea cracker when utilizing the exhaust gas extracted before entering the supercharger as two heat sources for the temperature control of the SCR reactor and the temperature control of the urea cracker It is an object of the present invention to provide a low pressure SCR system capable of effective and precise control and a control method thereof.
  • Another object of the present invention is to supply a bypass gas to the urea cracking device to utilize as a heat source for urea cracking, so that the flow rate of the bypass gas supplied to the urea cracking device does not become excessive and flows on an appropriate scale, thereby urea cracking It is an object of the present invention to provide a low pressure SCR system and a method of controlling the same so that the size of the device can be optimized not too large.
  • Low pressure SCR system SCR reactor 30; An exhaust line 11 for guiding the low temperature exhaust gas passing through the supercharger 20 to the SCR reactor 30; A urea decomposition apparatus 40 having urea decomposition chamber 41 to decompose urea to generate ammonia, and send the generated ammonia to the SCR reactor 30; A first bypass line (13) for extracting a part of the high-temperature exhaust gas before flowing into the supercharger (20) from the engine to guide the urea cracker (40); The first bypass line 13 and the exhaust line 11 are connected to each other to distribute the high temperature exhaust gas flowing through the first bypass line 13 to the exhaust line 11.
  • the first bypass on the downstream side of the branch point P1 of the second bypass line 14 has a branch point P3 at the exhaust line 11 upstream of the confluence point P2 of the second bypass line 14.
  • the exhaust line 11 and the first bypass line 13 are connected to the line 13 to have a confluence point P4, and the low-temperature exhaust gas flowing through the exhaust line 11 through the supercharger 20 is passed.
  • a third bypass line 16 which extracts a portion of the gas and supplies it to the urea cracking apparatus 40 as an additional gas for cooling the urea cracking heating gas;
  • Overall control for SCR operation including flow rate control of the first, second and third bypass lines 13, 14, and 15 according to the temperature of the SCR reactor 30 and the heating gas temperature of the urea cracking device 40.
  • the distribution ratio of the bypass gas flow rate between the first bypass line 13 and the second bypass line 14 may be set according to the exhaust gas temperature of the inlet of the SCR reactor 30. have.
  • the supply of additional gas through the third bypass line 16 is cut off, and the first bypass line
  • the bypass gas flow rate supplied to the urea cracker 40 through 13 is increased, and the bypass gas flow rate exiting the exhaust line 11 through the second bypass line 14 is set to decrease.
  • the increase in the flow rate of the bypass gas supplied to the urea cracker 40 it may be set to increase the amount of fuel flowing into the urea cracker 40.
  • the supply of additional gas for cooling the urea cracker 40 through the third bypass line 16 is lower than the target SCR temperature;
  • the second bypass line 14 is blocked so that the high temperature bypass gas is introduced into the urea cracker 40 through the first bypass line 13. It can be set to start when the heating gas temperature of the device 40 exceeds the target temperature.
  • the supply of additional gas for cooling through the third bypass line 16 may be set to increase until the heating gas temperature of the urea decomposition device 40 drops to a target temperature.
  • a blower (50) installed in the third bypass line (16) to forcibly add exhaust gas flowing through the exhaust line (11);
  • a third bypass flow control valve 67 installed in the third bypass line 16 to adjust the flow rate of the additional gas sent to the urea cracker 40 by the blower 50.
  • a control method of a low pressure SCR system may include determining an exhaust gas temperature at an inlet of an SCR reactor 30; According to the determination result, the first bypass line 13 connected to the urea cracker 40 side and the upstream side of the SCR reactor 30 with respect to the high temperature bypass gas extracted before entering the supercharger 20. Setting a distribution ratio between the second bypass lines 14 connected to the exhaust gas line 11; According to the set distribution ratio, the opening degree of the first bypass line 13 and the second bypass line 14 is adjusted to the bypass gas flow rate supplied to the urea cracker 40 and the SCR reactor 30. Adjusting the discharged gas flow rate discharged; Determining whether to supply additional gas for cooling the urea cracker 40 through the third bypass line 16 and adjusting the flow rate according to the temperature of the heating gas of the urea cracker 40; It includes.
  • the exhaust gas temperature of the inlet of the SCR reactor 30 is lower than the SCR target temperature
  • the supply of additional gas for cooling through the third bypass line 16 is blocked.
  • the bypass gas flow rate discharged to the exhaust line 11 through the second bypass line 14 is reduced, and the bypass supplied to the urea cracker 40 through the first bypass line 13 is reduced.
  • the pass gas flow rate can be controlled to increase.
  • the fuel amount in response to the increase in the gas flow rate of the bypass gas to the urea cracker 40 through the first bypass line 13, it is introduced into the urea cracker 40
  • the fuel amount can be controlled to increase together.
  • the third bypass line 16 is opened to exhaust the low-temperature exhaust gas from the supercharger 20. Control to supply as additional gas for cooling can be performed.
  • the exhaust gas temperature of the inlet of the SCR reactor 30 is lower than the target SCR temperature, by blocking the second bypass line 14 and opening the first bypass line 13.
  • the temperature of the heating gas of the urea cracker 40 is set to a target value.
  • the third bypass line 16 is opened to further extract a portion of the low temperature exhaust gas passing through the exhaust line 11, and through the first bypass line 13. It is possible to join the hot bypass gas entering the urea decomposition device 40.
  • the bypass gas is simultaneously used as a heat source for raising the temperature of the SCR reactor, as a heat source for urea decomposition, and as a heat source for cooling the urea cracker, thereby reducing fuel consumption.
  • the overall thermal efficiency of the system can be improved.
  • the bypass gas when supplied to the urea cracker as a heat source for urea cracking, it is appropriately distributed to each bypass line to be supplied to the urea cracker
  • the urea cracker can be optimized to a relatively small size by allowing the flow rate of the bypass gas to be introduced at an appropriate scale without being excessive.
  • FIG. 1 is a system diagram of a low pressure SCR system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing the flow of exhaust gas and bypass gas when performing control of the low pressure SCR system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view for explaining a control process of the low-voltage SCR system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a system diagram of a low pressure SCR system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing the flow of exhaust gas and bypass gas when performing control of the low-pressure SCR system according to the second embodiment of the present invention.
  • 6 is a comparison table showing simulation results of the bypass gas flow rate according to whether the bypass gas flow rate adjustment is possible.
  • FIG. 9 is a comparison diagram of three cases for the configuration of the third bypass line.
  • FIG. 10 is a graph comparing response characteristics of Case 2 and Case 3 of FIG. 9.
  • FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a low pressure SCR system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a graph illustrating a comparison of the amount of additional gas for cooling according to the position of the branch point of the third bypass line.
  • FIG. 13 is a system diagram of a low pressure SCR system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a view showing the flow of exhaust gas and bypass gas when performing control of the low pressure SCR system according to the fourth embodiment of the present invention.
  • 15 is a view for explaining a control process of the low-voltage SCR system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the 'SCR target temperature' is the lower limit of the temperature range set to normally induced catalytic reaction for removing nitrogen oxides in the SCR reactor. Therefore, the temperature of the exhaust gas flowing into the SCR reactor must be maintained above the 'SCR target temperature'. For example, if the temperature range in which the catalytic reaction is normally induced is 250 ° C. to 400 ° C., the SCR target temperature is 250 ° C., its lower limit.
  • the 'target temperature of the heating gas' is a temperature or temperature range that the heating gas for urea decomposition introduced into the urea decomposition chamber should have. That is, the urea decomposition temperature is optimally maintained and urea decomposition is normally performed in the urea decomposition chamber by allowing the heating gas to maintain the 'target temperature of the heating gas'.
  • the urea decomposition target temperature is the optimum atmosphere in which the urea solution is decomposed into ammonia and carbon dioxide in the urea decomposition chamber.
  • the ammonia oxidation rate is increased, and when it is lower than that, the residence time for decomposition into ammonia is increased and the size of the urea decomposition chamber must be increased.
  • the target temperature of the heating gas can be set to 500 ° C, for example.
  • the target temperature of the heating gas is maintained at 500 ° C.
  • the endothermic reaction during urea decomposition causes the urea decomposition chamber to exit and enter the inlet side of the SCR reactor, where the temperature of the ammonia-containing heating gas is weak.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a low pressure SCR system according to a first embodiment of the present invention.
  • the low pressure SCR system includes an exhaust gas receiver 10, a supercharger 20, an SCR reactor 30, a urea cracker 40, a controller 60, An exhaust line 11, an SCR bypass line 12, a first bypass line 13, a second bypass line 14 and an ammonia injection line 15.
  • the exhaust gas receiver 10 collects exhaust gas discharged from each cylinder of an engine (not shown) and sends it to the supercharger 20.
  • the exhaust gas generated from the engine is supplied to the supercharger 20 through the exhaust gas receiver 10 to drive the turbine T of the supercharger 20 and then discharged through the exhaust line 11.
  • Exhaust gas discharged through the exhaust line 11 enters the SCR reactor 30 or is discharged into the flue without passing through the SCR reactor 30 through the SCR bypass line 12.
  • the selection of the exhaust line 11 and the SCR bypass line 12 is performed by the selective opening and closing of the open / close valve 61 and the open / close valve 62 provided in each line.
  • the on-off valve 62 is closed and the on-off valve 61 is opened.
  • the ammonia-containing heating gas generated in the urea cracker 40 flows into the inlet of the SCR reactor 30 along with the exhaust gas from the supercharger 20, and passes through the catalyst layer installed therein to provide nitrogen in the exhaust gas. Remove the oxide.
  • the temperature detector TC1 measures the exhaust gas temperature at the inlet of the SCR reactor 30 and applies the measured temperature to the controller 60.
  • the temperature detector TC1 may be installed at an inlet of the SCR reactor 30 or inside the SCR reactor 30.
  • the urea decomposing device 40 is to decompose urea to generate ammonia, which is a reducing agent.
  • the urea decomposing device 40 provides a space where a urea decomposing reaction takes place, and a heating unit 42 for heating the urea decomposing chamber 41. ).
  • the heating unit 42 may be a burner. As the fuel is burned through the burner in the heating part 42, a heating gas is provided to provide urea decomposition heat.
  • the fuel consists of oil or gas and air. Oil or gas and air can be provided in one supply line or in separate lines for each.
  • the flow rate of the fuel supplied to the heating part 42 is adjusted by controlling the opening degree of the fuel amount control valve 43 by the control part 60. If oil or gas and air are provided in separate lines, the flow control valve 44 and the flow control valve 45 installed in each line are controlled.
  • the heating gas generated by the combustion of the fuel in the heating unit 42 flows into the urea decomposition chamber 41 and becomes a heat source for decomposing urea injected into the urea decomposition chamber 41.
  • the heating gas coexists with the decomposed ammonia.
  • the ammonia-containing heating gas is supplied to the exhaust line 11 adjacent to the inlet of the SCR reactor 30 through the ammonia injection line 15, mixed with the exhaust gas flowing through the exhaust line 11, and introduced into the SCR reactor 30. .
  • the temperature detector TC3 measures the temperature of the heating gas flowing into the urea decomposition chamber 41 from the heater 42 and transmits the measured temperature value to the controller 60.
  • the exhaust line 15 guides the exhaust gas passing through the supercharger 20 to the SCR reactor 30 side.
  • the first bypass line 13 extracts a part of the exhaust gas before the high temperature exhaust gas discharged from the engine flows into the supercharger 20, that is, upstream of the supercharger 20, so that the urea cracker 40 is removed.
  • the on-off valve 63 opens or closes the first bypass line 13.
  • the on-off valve 63 is kept open at all times during normal operation.
  • the first bypass flow regulating valve 64 adjusts the flow rate of the bypass gas entering the urea decomposition device 40 through the first bypass line 13 under the control of the control unit 60.
  • the bypass gas supplied to the urea cracker 40 through the first bypass line 13 flows into the heating part 42 to control the temperature of the heating gas by the flame of the burner (for example, temperature 1000 to 1500 ° C.).
  • Ammonia injection line 15 as ammonia-containing heating gas after urea decomposition, with the role of controlling (ie lowering to a target temperature suitable for urea decomposition (eg 500 ° C.) or heating to the target temperature faster with less fuel).
  • the second bypass line 14 is connected between the first bypass line 13 and the exhaust line 11.
  • the second bypass line 14 branches at the branch point P1 of the first bypass line 13 and is connected to the exhaust line 11 at the joining point P2.
  • bypass gas provided by extracting a part of the high-temperature exhaust gas before flowing into the supercharger 20 from the engine is supplied to the urea cracker 40 through the first bypass line 13 and the second gas is supplied. 2 is distributed at the bypass gas flow rate discharged to the exhaust line 11 through the bypass line 14.
  • the temperature of the exhaust gas discharged from the engine is high (eg, 300 ° C. to 450 ° C.), while the exhaust gas passing through the supercharger 20 is relatively low temperature (eg, about 230 ° C.).
  • the temperature of the SCR reactor 30 must be raised to the SCR target temperature (eg, 250 ° C.) through the bypass gas.
  • the SCR target temperature eg, 250 ° C.
  • a part of the bypass gas is transferred to the urea cracker 40.
  • the ammonia-containing heating gas after decomposing urea in the urea cracker 40 maintains a high temperature (for example, 300 to 400 ° C.)
  • the temperature of the SCR reactor 30 is increased by using a high temperature of the bypass gas. Raising to the target temperature can play the original role together.
  • the first bypass flow regulating valve 64 is provided in the first bypass line 13, and the second bypass flow regulating valve 65 is provided in the second bypass line 14.
  • the urea decomposition apparatus 40 By adjusting the opening degree of the 1st bypass flow regulating valve 64 and the 2nd bypass flow regulating valve 65 by the control part 60, the urea decomposition apparatus 40 through the 1st bypass line 13 is carried out.
  • the distribution ratio of the bypass gas flow rate supplied to) and the bypass gas flow rate discharged to the exhaust line 11 through the second bypass line 14 is changed (adjusted).
  • the controller 60 transmits the temperature of the SCR reactor 30 inlet port (in the present specification, which includes the inside of the SCR reactor 30) transmitted through the temperature detector TC1, and is transmitted through the temperature detector TC2.
  • Bypass gas temperature the temperature of the heating gas flowing into the urea decomposition chamber 41 transmitted through the temperature detector TC3, and the ammonia-containing heating gas of the ammonia injection line 15 transmitted through the temperature detector TC4. Comparing and determining the temperature of the bypass gas distribution ratio of the first bypass line 13 and the second bypass line 14 is set. Distribution ratios referred to in this specification and claims are defined to include 0: 100 or 100: 0.
  • bypass gas flow rate entering the urea cracker 40 through the first bypass line 13 or the bypass gas flow rate discharged to the exhaust line 11 through the second bypass line 14. Is to include a distribution situation that shuts off and sends all bypass gas to the other side.
  • the controller 60 may set a bypass gas distribution ratio of the first bypass line 13 and the second bypass line 14 according to the exhaust gas temperature of the inlet of the SCR reactor 30.
  • controller 60 increases the bypass gas flow rate supplied to the urea cracker 40 through the first bypass line 13 when the exhaust gas temperature at the inlet of the SCR reactor 30 is lower than the SCR target temperature.
  • the distribution ratio can be set to
  • the controller 60 increases the amount of fuel flowing into the urea cracker 40, while the first bypass line 13 is closed.
  • the distribution ratio may be set to increase the bypass gas flow rate supplied to the urea cracker 40 through.
  • FIGS. 2 and 3 A control process of the low pressure SCR system according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
  • 2 is a diagram illustrating the flow of exhaust gas and bypass gas
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a process of performing control.
  • the on-off valve 63 is normally opened to supply the bypass gas.
  • the opening degree of the first bypass flow adjustment valve 64 and the second bypass flow adjustment valve 65 is controlled to a predetermined standard value (or an initial operation value) to control the first bypass line 13 and the second.
  • the distribution ratio of the bypass line 14 is kept at a standard value.
  • the opening amount of the fuel amount control valve 43 is controlled to a predetermined standard value (or initial operation value) to maintain the fuel amount supplied to the urea cracker 40 at a standard value.
  • the control unit 60 determines the exhaust gas temperature of the inlet SCR reactor 30 in order to effectively implement urea decomposition and exhaust gas heating according to the exhaust gas temperature of the inlet SCR reactor 30 (S10). . That is, it is determined whether or not the temperature of the exhaust gas flowing into the SCR reactor 30 is greater than or equal to the 'SCR target temperature (eg, 250 ° C.)' in which a catalytic reaction for removing nitrogen oxides from the SCR reactor is normally induced.
  • the 'SCR target temperature eg, 250 ° C.
  • the bypass gas distribution ratio of the first bypass line 13 and the second bypass line 14 is set (S20).
  • the flow rate of the first bypass line 13 is set to increase compared to the second bypass line 14.
  • bypass gas flow rates of the first bypass line 13 and the second bypass line 14 are controlled according to the set distribution ratio (S30). Control of the gas flow rate is performed by increasing or decreasing the opening value of the first bypass flow regulating valve 64 and the second bypass flow regulating valve 65.
  • the opening value of the second bypass flow regulating valve 65 is decreased and the first bypass flow regulating valve 64 is closed. The opening value is increased. Then, the bypass gas flow rate discharged to the exhaust line 11 through the second bypass line 14 is reduced and the bypass gas flow rate supplied to the urea cracker through the first bypass line 13 is increased. .
  • the flow rate and temperature of the heating gas are increased together, and as a result, the flow rate and temperature of the ammonia-containing heating gas exiting from the urea decomposition chamber 41 are increased, and the exhaust gas temperature of the inlet portion of the SCR reactor 30 is increased more quickly. .
  • the heat capacity of the heating unit 42 is increased with the increase of the amount of fuel flowing into the urea cracker 40, which is too high due to the high flame temperature (for example, 1000 ⁇ 1500 °C) generated by the combustion of the fuel
  • the temperature of the heating gas is lowered to the urea decomposition target temperature (eg 500 ° C.) by the bypass gas supplied in a large amount through the first bypass line 13 and not the cooling air provided by any other apparatus. .
  • the flow rate of the bypass gas through the first bypass line 13 is gradually increased until the temperature of the heating gas reaches the target temperature.
  • the exhaust gas temperature at the inlet of the SCR reactor 30 reaches or exceeds the SCR target temperature
  • an additional heat supply for raising the exhaust gas temperature at the inlet of the SCR reactor 30 is not necessary, and the urea cracker ( In 40) only the heat for urea decomposition is needed. Therefore, the amount of fuel supplied to the urea cracker 40 can be maintained at the minimum amount to provide only heat for urea cracking, and the minimum ratio of bypass gas flow rate required to lower the temperature of the heating gas to the urea cracking target temperature. May be supplied through the first bypass line 13.
  • FIG. 4 and 5 are views for explaining a low pressure SCR system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a flow of exhaust gas and bypass gas when performing control.
  • the second embodiment differs only from the first embodiment in that it further comprises a third bypass line 16 which extracts a portion of the exhaust gas passing through the exhaust line 11 and supplies it to the urea cracker 40.
  • the rest of the configuration is the same.
  • the third bypass line 16 is branched at the branch point P3 of the exhaust line 11 and connected to the first bypass line 13 at the joining point P4.
  • the third bypass line 16 may be provided with a blower 50 for extracting exhaust gas flowing through the exhaust line 11.
  • the exhaust gas flowing into the blower 50 is controlled by the on-off valve 66, and the flow rate of the additional gas exiting the blower 50 is controlled by the controller 60 by adjusting the third bypass flow regulating valve 67. Controlled.
  • the controller 60 may control the flow rate of the additional gas flowing into the urea decomposition device 50 through the third bypass line 16 by adjusting the rotational speed of the blower 50.
  • the supply of additional gas through the third bypass line 16 is performed under the condition that the exhaust gas temperature at the inlet of the SCR reactor 30 is lower than the SCR target temperature, and the second bypass flow control valve 65 is closed.
  • the bypass flow regulating valve 64 see FIG. 5
  • the heating gas flowing into the urea decomposition chamber 41 of the urea decomposition apparatus 40 may be set to be performed when the temperature exceeds the target temperature.
  • a target temperature of the heating gas that has received a high flame temperature of the heating part 42 is urea decomposition target temperature. It can be used as a cooling gas to lower the furnace.
  • control to increase the amount of fuel flowing into the urea cracker 40 can also be performed.
  • the heat capacity of the heating unit 42 is increased with the increase of the amount of fuel flowing into the urea cracker 40, which is too high due to the high flame temperature (for example, 1000 ⁇ 1500 °C) generated by the combustion of the fuel
  • the temperature of the heating gas is lowered to the urea decomposition target temperature (eg, 500 ° C.) by the bypass gas supplied in a large amount through the first bypass line 13.
  • the flow rate of the bypass gas through the first bypass line 13 is gradually increased until the temperature of the heating gas reaches the target temperature.
  • a portion of the low temperature exhaust gas is extracted from the exhaust line 11 through the third bypass line 16 and further supplied to the urea cracker 40 as an additional gas to urea crack the temperature of the heating gas.
  • the target temperature can be lowered.
  • FIGS. 6 to 10 show the energy saving effect and the urea decomposition chamber 41 according to the configuration of the first, second and third bypass lines 13, 14 and 16 of the present invention, and the flow rate control of each line.
  • the results of the simulation are performed on the possibility of size reduction and the response characteristic to the control of the third bypass line 16.
  • the engine used for the simulation was an eight-cylinder two-stroke, a piston diameter of 95 cm, a maximum output of 41.6 MW / 75 rpm, and an displacement of 306,396 kg / h.
  • the urea decomposition chamber 41 used what consists of 1.5 m in diameter.
  • FIG. 6 shows a case where the bypass gas flow rate flowing into the urea cracker 40 cannot be adjusted (conventionally), and the second bypass line 14 is branched from the first bypass line 13 to separate the urea cracker (
  • the urea decomposition target temperature of the urea decomposition chamber 41 was calculated at 500 ° C., and the fuel consumption of the burner of the urea decomposition apparatus for this purpose was calculated.
  • the bypass gas flow rate of 10% from the engine always flows into the urea cracker 40 as it is. Due to this, burner fuel consumption increases to 80 to 135 kg / h in the engine load range of 40 to 100.
  • the height of the urea decomposition chamber 41 should be made as high as about 4.7 m.
  • the present invention has a second bypass line 14 and the gas flowing into the urea cracker 40 through the first bypass line 13 by the control of the first bypass flow control valve 64. Since the flow rate can be optimally controlled, the gas flow rate flowing into the urea cracker 40 can be reduced to 5% of the engine displacement. The remaining 5% is discharged to the exhaust line 11 through the second bypass line 14. Due to this, the fuel consumption of the burner is reduced to 40 to 65 kg / h in the engine load region of 40 to 100. In addition, the height of the urea decomposition chamber 41 for accommodating the entire bypass gas flow rate of 5% and heating to the urea decomposition target temperature (500 ° C.) is sufficient to ensure only about 2.4 m.
  • the gas flow rate flowing into the urea cracker 40 cannot be adjusted, the gas flow rate flowing into the urea cracker 40 is set to a maximum value, while corresponding to the worst condition in which the flow rate may be insufficient. Therefore, it was necessary to secure an additional bypass gas flow rate, and therefore, it is necessary to design a bypass gas flow rate that is too much larger than the actual required flow rate.
  • the increase in burner fuel consumption and the increase in size of the urea decomposition chamber 41 are accompanied by this reason.
  • the gas flow rate flowing into the urea cracker 40 can be optimally controlled by the control of the second bypass line 14 and the first bypass flow regulating valve 64, the additional bypass It is not necessary to ensure too much pass gas flow rate.
  • the burner fuel consumption and the size of the urea decomposition chamber 41 can be reduced by that.
  • FIG. 7 to 8 show the case where the flow rate of the third bypass line 16 cannot be adjusted, and the additional gas for cooling is provided by the third bypass flow control valve 67 with the third bypass line 16.
  • FIG. 7 shows a third bypass gas flow rate
  • FIG. 8 is a graph comparing the supply amount of the third bypass gas flow rate according to the engine load.
  • the flow rate of the bypass gas (EGB) coming out of the engine from the engine to the first bypass line 13 is 10% of the total flow rate (exhaust amount) of the engine, and the first bypass flow control valve 64 is used. ), The bypass gas flow rate entering the urea cracker 40 was adjusted to 4%.
  • FIG. 9 to 10 compare the response characteristics when the blower 50 is provided in the third bypass line 16 and the flow rate adjustment is possible by the third bypass flow regulating valve 67.
  • a comparison diagram of the three cases with respect to the configuration of the third bypass line 16 is shown, and FIG. 10 shows a graph comparing the response characteristics of the case 2 and the case 3.
  • case 1 (CASE 1) includes only the opening / closing valve or the flow regulating valve in the third bypass line 16
  • case 2 CASE 2 is blower 50 in the third bypass line 16.
  • the case 3 (CASE 3) is a case where the blower 50 and the third bypass flow control valve 67 are provided together with the third bypass line 16.
  • the exhaust line 11 flows through the supercharger 20 while exhaust gas having a reduced pressure and temperature flows.
  • the pressure of the exhaust line 11 is about 1 bara or less.
  • the first bypass line 13 the high-temperature, high-pressure exhaust gas before passing through the supercharger 20 flows.
  • the pressure of the first bypass line 13 is about 3 bara or less. Therefore, when only the on-off valve or the flow regulating valve is provided without a blower as in Case 1, it is very difficult to introduce the exhaust gas from the low pressure exhaust line 11 into the high pressure first bypass line 13.
  • the gas may be forcibly extracted from the low pressure exhaust line 11 to the high pressure first bypass line 13 through the blower, but the flow rate should be controlled only by adjusting the output of the blower. Therefore, as shown in FIG. 10, even when a flow rate change command is applied by the controller 60 when the engine load suddenly changes, a large delay time is required until the target flow rate is reached.
  • the blower 50 and the third bypass flow regulating valve 67 are provided together in the third bypass line 16 so that the blower 50 is operated at the maximum allowable load.
  • the flow rate is controlled by the control of the third bypass flow regulating valve 67 at the time of sudden change, when the flow rate change command is applied from the controller 60, the flow rate can be quickly adjusted to the target flow rate.
  • FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a low pressure SCR system according to a third embodiment of the present invention.
  • the third bypass line 16 is branched at the branch point P3 of the exhaust line 11 and connected at the joining point P4 to the first bypass line 13.
  • the branch point P3 of the third bypass line 16 is located at the exhaust line 11 upstream of the confluence point P2 of the second bypass line 14,
  • the confluence point P4 is located in the first bypass line 13 downstream of the branch point P1 of the second bypass line 14.
  • the branch point P3 of the third bypass line 16 is provided upstream of the confluence point P2 of the second bypass line 14, so that it is less than the second embodiment.
  • the urea decomposition target temperature can be achieved by the exhaust gas at the flow rate, and the urea decomposition chamber 41 can be optimized and the energy consumption of the blower 50 can be further reduced.
  • the branch point P3 of the third bypass line 16 is provided upstream of the confluence point P2 of the second bypass line 14 as in the third embodiment of the present invention, the high temperature bypass gas is joined. Since the low-temperature exhaust gas can be added, the amount of cooling gas required by the urea cracking apparatus 40 can be reduced by that much.
  • FIG. 12 illustrates a case where the branch point P3 of the third bypass line 16 is located downstream of the confluence point P2 of the second bypass line 14 as in the second embodiment, and the third bypass as in the third embodiment.
  • the branch point P3 of the pass line 16 must be supplied to the urea cracker 40 through the third bypass line 16 when the branch point P3 is located upstream of the joining point P2 of the second bypass line 14.
  • a graph showing a comparison of the amount of additional gas for cooling is shown.
  • the engine used for the simulation was an 11-cylinder two-stroke, a piston diameter of 95 cm, a maximum output of 59.8 MW / 78 rpm and a displacement of 439,200 kg / h.
  • the additional gas bleed flow to the urea cracker 40 was based on 2% of the total displacement.
  • FIGS. 13 to 15 are diagrams for describing a low pressure SCR system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a flow of exhaust gas and bypass gas when performing control
  • FIG. 15 is a diagram for explaining a process of performing control.
  • bypass gas line extracts a part of the exhaust gas before flowing into the supercharger 20 from the engine and guides it to the urea cracker 40.
  • a bypass line 13 and a third bypass line 16 branched from the exhaust line 11 and connected to the first bypass line 13.
  • the third bypass line 16 passes through the supercharger 20 and supplies a part of the exhaust gas passing through the exhaust line 11 as an additional gas to the urea cracker 40.
  • the on-off valve 63 is installed in the first bypass line 13.
  • the third bypass line 16 may be provided with a blower 50 for extracting exhaust gas flowing through the exhaust line 11.
  • the exhaust gas flowing into the blower 50 is controlled by the on-off valve 66, and the flow rate of the additional gas exiting the blower 50 is controlled by the controller 60 by adjusting the third bypass flow regulating valve 67. Controlled.
  • the controller 60 may control the flow rate of the additional gas flowing into the urea decomposition device 50 through the third bypass line 16 by adjusting the rotational speed of the blower 50.
  • the SCR reactor 30 is supplied to the SCR reactor 30 by supplying a bypass gas, i.e., ammonia-containing heating gas, which is heated to 40 while passing through 40, to the exhaust line 11 on the inlet side of the SCR reactor 30.
  • a bypass gas i.e., ammonia-containing heating gas
  • the target temperature was raised.
  • the role of lowering the temperature of the heating gas of the urea cracker 40 by the bypass gas supplied through the first bypass line 13 is also performed.
  • a part of the low temperature exhaust gas is extracted from the exhaust line 11 through the third bypass line 16 and further supplied to the urea cracker 40 as additional gas, thereby heating the gas of the urea cracker 40. This is to reduce the temperature of the urea to the target temperature for urea decomposition.
  • the ratio of the flow rate of the additional gas entering the urea cracker 40 through the third bypass line 16 to the flow rate of the bypass gas entering the urea cracker 40 through the first bypass line 13 is The controller 60 controls the temperature of the heating gas generated by the heating unit 42 to effectively lower the urea decomposition target temperature.
  • the first flow is increased in response to the increase in the fuel flow rate.
  • the bypass gas flow rate supplied through the pass line 13 the temperature of the heating gas according to the increase in the heat capacity of the heating portion of the urea cracker 40 is cooled so as not to exceed the target temperature.
  • Such control may be performed in a state where the supply of the exhaust gas through the third bypass line 16 is cut off.
  • the third bypass line 16 may be opened to supply the low temperature exhaust gas flowing through the supercharger 20 and flowing through the exhaust line 11 as an additional gas to assist the cooling operation.
  • FIG. 15 is a diagram for describing performing control according to the fourth embodiment. See FIG. 14 in parallel.
  • the control method of FIG. 15 can be used as the control method of the second to third embodiments of the present invention.
  • the on-off valve 63 is normally opened to supply the bypass gas (S100).
  • the on-off valve 66 and the third bypass flow adjustment valve 67 are closed to keep the supply of additional gas shut off.
  • the control unit 60 determines the exhaust gas temperature of the inlet SCR reactor 30 in order to effectively implement urea decomposition and exhaust gas heating according to the exhaust gas temperature of the SCR reactor 30 inlet (S110). . That is, it is determined whether or not the temperature of the exhaust gas flowing into the SCR reactor 30 is greater than or equal to the 'SCR target temperature (eg, 250 ° C.)' in which a catalytic reaction for removing nitrogen oxides from the SCR reactor is normally induced.
  • the 'SCR target temperature eg, 250 ° C.
  • the increase or decrease of the fuel flow rate flowing into the urea cracker 40 is determined.
  • the third bypass line 16 is opened to supply the low-temperature exhaust gas that has passed through the supercharger 20 as an additional gas to the urea cracker. Help the cooling of the heating gas of (40).
  • the flow rate of the additional gas is increased by increasing the opening degree of the third bypass line 16 until the heating gas temperature of the urea cracker 40 is lowered to the urea cracking target temperature (S160).
  • the configuration of the low pressure SCR system and the control method thereof according to the present invention can be implemented without various modifications within the range allowed by the technical idea of the present invention.

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Abstract

저압 SCR 시스템은, SCR 반응기(30); 과급기(20)를 거쳐 나오는 저온의 배기가스를 상기 SCR 반응기(30)로 유도하는 배기 라인(11); 우레아 분해 챔버(41)를 가지고 우레아를 분해하여 암모니아를 생성하고, 생성된 암모니아를 상기 SCR 반응기(30) 측으로 보내는 우레아 분해장치(40); 엔진에서 상기 과급기(20)로 유입되기 전의 고온의 배기가스의 일부를 추출하여 상기 우레아 분해장치(40)로 유도하는 제1 바이패스 라인(13); 상기 제1 바이패스 라인(13)과 상기 배기 라인(11)을 연결하여, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 흐르는 고온의 배기가스를 상기 배기 라인(11)으로 분배하는 것에 의해 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 상기 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량을 변화시킬 수 있도록 하는 제2 바이패스 라인(14); 상기 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 상류 측의 배기 라인(11)에 분기점(P3)을 가지고 상기 제2 바이패스 라인(14)의 분기점(P1) 하류 측의 제1 바이패스 라인(13)에 합류점(P4)을 가지도록 상기 배기 라인(11)과 제1 바이패스 라인(13)을 연결하며, 상기 과급기(20)를 통과하여 상기 배기 라인(11)을 흐르는 저온의 배기가스의 일부를 추출하여 상기 우레아 분해 장치(40)에 우레아 분해용 가열가스의 냉각을 위한 추가 가스로서 공급하는 제3 바이패스 라인(16)을 포함한다.

Description

저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법
본 명세서는 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 특히 SCR 반응기가 엔진 과급기의 하류에 설치되는 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 선박이나 자동차, 발전소 등의 엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스에는 다수의 부유성 미립자와 질소 산화물인 NOx, 황산화물인 SOx 등의 유해성 물질이 포함되어 있다.
따라서 엔진의 배기 라인에는 매연 여과 장치(DPF: Diesel Particulate Filter), 선택적 촉매 환원 장치(SCR: Selective Catalytic Reduction), 스크러버(SCRubber, SOx 제거) 등을 설치하여 배기가스 내의 유해 성분을 제거하고 있다.
이 중에서 SCR 시스템은 배기가스 내의 질소 산화물(NOx)을 촉매(Catalyst) 층에서 암모니아(NH3), 우레아(Urea) 등의 환원제와 화학적으로 반응시켜 인체에 무해한 물과 질소로 분해한 후 배출시키는 장치이다.
여기서 SCR 촉매는 압출 혹은 금속성 코팅이 형성된 다공질 촉매 필터로 이루어진 것으로서, 배기 라인에 설치된 SCR 반응기 내에 한 개 또는 여러 개의 SCR 촉매가 연속 설치된다.
일반적으로 선박용 엔진의 SCR 시스템은 ABS(Ammonium Bisulfate:NH4HSO4) 생성 방지, 분해 및 질소산화물(NOx) 제거를 위하여 SCR 반응 온도인 약 250℃ 이상의 고온이 필요하다. 그에 따라 엔진 튜닝을 통해 배기가스 온도를 높이거나, SCR 반응기를 배기가스 온도가 높은 엔진 과급기 상류 측에 설치한다.
이와 같이 SCR 반응기가 과급기 상류에 설치되는 경우, SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 압력과 온도가 높기 때문에 '고압 SCR 시스템'이라고 부른다.
그러나 SCR 반응기를 과급기 상류에 설치하는 경우에는, SCR 반응기를 엔진에 매우 가깝게 설치하여야 한다. 그러면 협소한 엔진 룸으로 인하여 SCR 시스템의 배치에 어려움이 있고, 주변 기기나 배관들의 배치 설계를 제한하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 SCR 반응기를 과급기 하류 측에 설치하는 예가 있다. SCR 반응기를 과급기 하류 측에 설치하는 경우, SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 압력과 온도가 낮기 때문에 '저압 SCR 시스템'이라고 부른다.
SCR 시스템을 과급기 하류 측에 설치하면, 엔진 룸 외부에 SCR 시스템을 설치할 수 있다. 따라서, SCR 시스템을 공간 제약 없이 자유로이 배치할 수 있으면서 동시에 엔진 룸의 배치 설계를 자유롭게 한다.
그러나 저압 SCR 시스템에서, 배기가스가 과급기를 통과하면서 먼저 열을 빼앗김에 따라 SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 온도는 정상적인 SCR 반응 온도(또는 촉매 활성화 온도)보다 낮아진다. 이처럼 SCR로 유입되는 배기가스의 낮은 온도로 인해 유효한 질소산화물(NOx) 제거 성능을 확보하기 어렵고, 촉매 피독의 문제나 환원제 분해성능의 저하 문제까지 함께 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, SCR 반응기 유입구 측의 배기 라인에 별도의 가열 장치를 추가로 설치하는 예가 있다. 가열 장치를 통해 SCR 반응기로 유입되는 배기가스를 정상적인 SCR 반응 온도까지 가열하는 것이다. 이처럼 가열 장치에 의존해 열을 공급하는 경우에는 연료 소모량이 많아지고 전체 시스템의 열효율이 떨어지며 에너지가 낭비가 심해진다.
SCR 시스템이 과급기 상류에 설치되는 경우에는, SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 온도가 정상적인 SCR 반응 온도보다 높게 유지되므로 환원제 분해가 원활하게 이루어진다.
그러나 SCR 시스템이 과급기 하류에 설치되는 경우에는 SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 온도가 정상적인 SCR 반응온도보다 낮아서 환원제의 분해가 덜 일어난다. 이에 따라, SCR 반응기의 유입구 근방에 우레아(UREA)와 같은 환원제를 주입하여 분해를 유도하는 대신에, 우레아 분해 장치를 사용하여 미리 분해하여야 한다. 즉, 우레아 분해를 통해 생성된 암모니아를 SCR 반응기의 유입구 근방에 주입하는 것이다.
우레아 분해장치의 경우도, 적정한 우레아 분해온도를 제공하여야 한다, 그런데, 분해를 위한 열원의 공급을 가열 장치에 의존하게 되면 많은 연료가 소모될 수밖에 없다.
또한, 우레아 분해장치의 가열부(예; 가열 챔버)에서 연료가 연소하면서 발생하는 화염의 온도는 1500℃에 이르는 정도로 매우 높다. 그렇기 때문에, 그 화염온도를 그대로 받은 가열가스가 우레아 분해 챔버로 유입되기 전에 우레아 분해에 적정한 온도로 낮추기 위한 냉각 장치가 추가로 필요하게 된다. 냉각 장치의 추가는 시스템을 복잡하게 만들 뿐만 아니라 운전 비용까지 증가시키게 된다. 또한, 냉각 장치를 추가로 구동하는 만큼 전체 시스템의 효율이 떨어지고 에너지 낭비가 심해지며 운전비용도 증가하게 된다. 그러면서도 우레아 분해 챔버의 온도를 적정 수준으로 정밀하게 제어하는 것이 보장되는 것도 아니다.
본 발명은 SCR 반응기가 과급기 하류에 설치되는 저압 SCR 시스템이 가지는 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것이다.
본 발명의 목적은, 엔진에서 나오는 배기가스의 일부를 과급기를 우회하여 우레아 분해장치의 온도 제어용 가스로 활용함과 함께, SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 온도를 정상적인 SCR 반응 온도 이상으로 높이기 위한 열원으로 활용할 수 있도록 하는 것이다. 이것은 SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 승온과 우레아 분해에 필요한 열원(또는 우레아 분해 장치의 냉각에 필요한 열원)을 추가적인 에너지 공급 없이 조달 가능함으로써, 에너지 소모를 줄이고 전체 시스템의 열효율을 향상시킬 수 있는 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 과급기로 유입되기 전에 추출된 배기가스를 SCR 반응기의 승온과 우레아 분해장치의 온도 제어를 위한 두 가지의 열원으로 활용할 때, SCR 반응기의 온도와 우레아 분해장치의 온도에 따라 효과적이고 정밀하게 제어할 수 있는 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 바이패스 가스를 우레아 분해장치에 공급하여 우레아 분해용 열원으로 활용할 때, 우레아 분해장치로 공급되는 바이패스 가스의 유량이 과도해지지 않고 적정한 규모로 유입되도록 함으로써, 우레아 분해장치의 사이즈를 너무 크지 않게 최적화할 수 있도록 하는 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 저압 SCR 시스템은, SCR 반응기(30); 과급기(20)를 거쳐 나오는 저온의 배기가스를 상기 SCR 반응기(30)로 유도하는 배기 라인(11); 우레아 분해 챔버(41)를 가지고 우레아를 분해하여 암모니아를 생성하고, 생성된 암모니아를 상기 SCR 반응기(30) 측으로 보내는 우레아 분해장치(40); 엔진에서 상기 과급기(20)로 유입되기 전의 고온의 배기가스의 일부를 추출하여 상기 우레아 분해장치(40)로 유도하는 제1 바이패스 라인(13); 상기 제1 바이패스 라인(13)과 상기 배기 라인(11)을 연결하여, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 흐르는 고온의 배기가스를 상기 배기 라인(11)으로 분배하는 것에 의해 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 상기 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량을 변화시킬 수 있도록 하는 제2 바이패스 라인(14); 상기 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 상류 측의 배기 라인(11)에 분기점(P3)을 가지고 상기 제2 바이패스 라인(14)의 분기점(P1) 하류 측의 제1 바이패스 라인(13)에 합류점(P4)을 가지도록 상기 배기 라인(11)과 제1 바이패스 라인(13)을 연결하며, 상기 과급기(20)를 통과하여 상기 배기 라인(11)을 흐르는 저온의 배기가스의 일부를 추출하여 상기 우레아 분해 장치(40)에 우레아 분해용 가열가스의 냉각을 위한 추가 가스로서 공급하는 제3 바이패스 라인(16); 상기 SCR 반응기(30)의 온도 및 우레아 분해 장치(40)의 가열가스 온도에 따른 상기 제1, 2, 3 바이패스 라인(13, 14, 15)의 유량 제어를 포함하여 SCR 운전을 위한 전반적인 제어를 수행하는 제어부(60); 를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도에 따라 상기 제1 바이패스 라인(13)과 제2 바이패스 라인(14) 사이의 바이패스 가스 유량의 분배 비율이 설정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 경우, 상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 추가 가스의 공급은 차단하고, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량은 증가시키며, 상기 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 빠져나가는 바이패스 가스 유량은 감소시키도록 설정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량의 증가와 함께, 상기 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량도 증가시키도록 설정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 우레아 분해장치(40) 냉각용 추가 가스의 공급은, 상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 조건과 함께, 상기 제2 바이패스 라인(14)은 차단하여 고온의 바이패스 가스가 제1 바이패스 라인(13)을 통해 모두 우레아 분해장치(40)로 유입되도록 분배 비율이 설정된 조건하에서, 상기 우레아 분해 장치(40)의 가열가스 온도가 목표온도를 초과하는 경우에 시작되도록 설정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 냉각용 추가 가스의 공급은, 상기 우레아 분해 장치(40)의 가열가스 온도가 목표온도까지 떨어질 때까지 점증 되도록 설정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 배기 라인(11)을 흐르는 배기가스를 강제로 추기하기 위해 상기 제3 바이패스 라인(16)에 설치되는 블로어(50); 상기 블로어(50)에 의해 상기 우레아 분해장치(40)로 보내지는 추가 가스의 유량을 조절하기 위해 상기 제3 바이패스 라인(16)에 설치되는 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 방법은, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도를 판별하는 단계; 상기 판별 결과에 따라, 과급기(20)에 유입되기 전에 추출된 고온의 바이패스 가스에 대해, 우레아 분해장치(40) 측으로 연결되는 제1 바이패스 라인(13)과 SCR 반응기(30) 상류 측의 배기가스 라인(11)으로 연결되는 제2 바이패스 라인(14) 사이의 분배 비율을 설정하는 단계; 설정된 분배 비율에 따라, 상기 제1 바이패스 라인(13)과 상기 제2 바이패스 라인(14)의 개도를 조절하여 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량과 SCR 반응기(30) 측으로 배출되는 바이패스 가스 유량을 조정하는 단계; 상기 우레아 분해장치(40)의 가열가스의 온도에 따라 제3 바이패스 라인(16)을 통한 우레아 분해장치(40) 냉각용 추가 가스의 공급 여부를 결정하고 유량을 조정하는 단계; 를 포함한다.
일 실시예에 따른 저압 SCR 시스템 제어 방법에 있어서, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 경우, 상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 냉각용 추가 가스의 공급은 차단하고, 상기 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 배출되는 바이패스 가스 유량은 감소시키며, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량은 증가되도록 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 저압 SCR 시스템 제어 방법에 있어서, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통한 우레아 분해장치(40)로의 바이패스 가스 유량 증가에 대응하여, 상기 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량을 함께 증가하도록 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 우레아 분해장치(40)의 가열가스 온도가 우레아 분해 목표온도를 초과하는 경우, 상기 제3 바이패스 라인(16)을 개방하여 과급기(20)를 거쳐 나온 저온의 배기가스를 냉각용 추가 가스로서 공급하는 제어를 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮으며, 상기 제2 바이패스 라인(14)은 차단하고 제1 바이패스 라인(13)은 개방하는 것에 의해 엔진으로부터 나온 고온의 바이패스 가스가 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 유입되도록 분배 비율이 설정된 제어 조건하에서, 상기 우레아 분해 장치(40)의 가열가스의 온도가 목표온도를 초과하는 경우에 상기 제3 바이패스 라인(16)을 개방하여, 상기 배기 라인(11)을 지나는 저온의 배기가스의 일부를 추가로 추출하여 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 상기 우레아 분해 장치(40)로 들어가는 고온의 바이패스 가스에 합류되도록 할 수 있다.
일 실시예에 따른 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 바이패스 가스를 SCR 반응기의 승온을 위한 열원, 우레아 분해를 위한 열원, 우레아 분해장치의 냉각을 위한 열원으로 동시에 활용함으로써, 연료 소모를 줄이고 시스템의 전체 열효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 과급기로 유입되기 전에 추출된 배기가스를 SCR 반응기의 승온과 우레아 분해장치의 온도 제어를 위한 두 가지의 열원으로 활용할 때, SCR 반응기의 온도와 우레아 분해장치의 온도에 맞추어 각 바이패스 라인으로 적절하게 분배함으로써 효과적이고 정밀한 제어가 가능해진다.
또한, 일 실시예에 따른 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 바이패스 가스를 우레아 분해장치에 공급하여 우레아 분해용 열원으로 활용할 때, 각 바이패스 라인에 대해 적절하게 분배하여 우레아 분해장치로 공급되는 바이패스 가스의 유량이 과도해지지 않고 적정한 규모로 유입되도록 함으로써, 우레아 분해장치를 비교적 작은 사이즈로 최적화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 계통도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 수행 시의 배기가스 및 바이패스 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 수행 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 계통도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 수행 시의 배기가스 및 바이패스 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 6은 바이패스 가스 유량 조정 가능 여부에 따른 바이패스 가스 유량의 모의시험 결과를 나타낸 비교표이다
도 7은 제3 바이패스 라인의 유량조절 가능 여부에 따른 제3 바이패스 가스 유량의 비교표이다.
도 8은 제3 바이패스 라인의 유량조절 가능 여부에 따른 제3 바이패스 가스 유량의 공급량을 비교한 그래프이다.
도 9는 제3 바이패스 라인의 구성에 대한 3가지 케이스(case)의 비교 도면이다.
도 10은 도 9의 케이스 2와 케이스 3의 응답 특성을 비교하는 그래프이다.
도 11에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 저압 SCR 시스템을 설명하기 위한 계통도가 도시되어 있다.
도 12에는 제3 바이패스 라인의 분기점의 위치에 따른 냉각용 추가 가스의 양을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 계통도이다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 수행 시의 배기가스 및 바이패스 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 수행 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법의 실시예에 대해서 상세하게 설명한다. 이하의 설명 및 청구범위에서, 'SCR 목표 온도'는, SCR 반응기에서 질소산화물을 제거하기 위한 촉매 반응이 정상적으로 유도되는 것으로 설정한 온도 범위의 하한치이다. 따라서, SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 온도는 'SCR 목표 온도' 이상으로 유지되어야 한다. 예를 들어, 촉매 반응이 정상적으로 유도되는 온도 범위가 250~400℃라면, SCR 목표온도는 그것의 하한치인 250℃가 된다.
또한, '가열가스의 목표온도'는 우레아 분해 챔버로 유입되는 우레아 분해용 가열가스가 지녀야 할 온도 또는 온도 범위이다. 즉, 가열가스가 '가열가스의 목표온도'를 유지하도록 함으로써 우레아 분해 챔버 내에서 우레아 분해 온도가 최적으로 유지되고 우레아 분해가 정상적으로 수행된다. 우레아 분해 목표온도는 우레아 분해 챔버에서 우레아 수용액이 암모니아와 이산화탄소로 분해되는 최적의 분위기이다. 우레아 분해 챔버로 유입되는 가열가스의 온도가 우레아 분해 목표온도보다 높을 경우 암모니아 산화율이 높아지고 그보다 낮을 경우에는 암모니아로 분해시키기 위한 체류시간이 증가하여 우레아 분해 챔버의 사이즈가 커져야 한다.
가열가스의 목표온도는 예를 들어 500℃로 설정할 수 있다. 또한, 가열가스의 목표온도를 500℃로 유지하는 경우, 우레아 분해 챔버에 우레아를 분사하면 우레아 분해 시의 흡열 반응에 의해 우레아 분해 챔버를 나가서 SCR 반응기의 유입구 측으로 들어가 암모니아 함유 가열가스의 온도가 약 300 ~ 400℃로 유지되도록 하는 것을 목표로 한다.
도 1에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 계통도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템은, 배기가스 리시버(10), 과급기(20), SCR 반응기(30), 우레아 분해장치(40), 제어부(60), 배기 라인(11), SCR 우회 라인(12), 제1 바이패스 라인(13), 제2 바이패스 라인(14) 및 암모니아 주입 라인(15)을 포함한다.
도 1에서, 배기가스 리시버(10)는 엔진(미도시)의 각 실린더에서 배출되는 배기가스를 모아 과급기(20)로 내보낸다.
엔진으로부터 발생하는 배기가스는 배기가스 리시버(10)를 통해 과급기(20)로 공급되어 과급기(20)의 터빈(T)을 구동한 후 배기 라인(11)을 통해 배출된다.
배기 라인(11)을 통해 배출되는 배기가스는 SCR 반응기(30)로 들어가거나, SCR 우회 라인(12)을 통해 SCR 반응기(30)를 거치지 않고 연도로 배출된다.
배기 라인(11)과 SCR 우회 라인(12)의 선택은, 각각의 라인에 설치된 개폐 밸브(61)와 개폐 밸브(62)의 선택적 개폐에 의해 수행된다. 배기가스 중의 질소 산화물을 제거하기 위한 운전, 즉, SCR 운전을 위해서는 개폐 밸브(62)는 닫고 개폐 밸브(61)를 연다.
SCR 반응기(30)의 유입구에는, 과급기(20)를 거쳐 나온 배기가스와 함께 우레아 분해장치(40)에서 생성된 암모니아 함유 가열가스가 유입되어, 내부에 설치되어 있는 촉매층으로 통과시켜 배기가스 내의 질소 산화물을 제거한다.
온도 검출부(TC1)는 SCR 반응기(30)의 유입구에서의 배기가스 온도를 측정하고, 측정된 온도를 제어부(60)로 인가한다. 이러한 온도 검출부(TC1)는 SCR 반응기(30)의 유입구 또는 SCR 반응기(30)의 내부에 설치될 수 있다.
우레아 분해장치(40)는, 우레아를 분해하여 환원제인 암모니아를 생성하는 것으로서, 우레아 분해 반응이 일어나는 공간을 제공하는 우레아 분해 챔버(41)와, 우레아 분해 챔버(41)를 가열시키는 가열부(42)를 포함한다.
가열부(42)는 버너로 이루어질 수 있다. 가열부(42) 내에서 버너를 통해 연료를 연소시킴에 따라 우레아 분해열을 제공하는 가열가스를 생성한다. 연료는 오일 또는 가스와 공기로 이루어진다. 오일 또는 가스와 공기는 하나의 공급 라인으로 제공되거나 각자 별도의 라인으로 제공될 수 있다. 가열부(42)로 공급되는 연료의 유량은 제어부(60)에 의해 연료량 제어 밸브(43)의 개도를 제어하는 것으로 조절된다. 오일 또는 가스와 공기가 별도의 라인으로 제공되는 구성이라면, 각각의 라인에 설치된 유량 제어 밸브(44)와 유량 제어 밸브(45)를 제어한다.
가열부(42)에서 연료의 연소에 의해 생성된 가열가스는 우레아 분해 챔버(41)로 유입되어 우레아 분해 챔버(41)에 분사되는 우레아를 분해하기 위한 열원이 된다.
우레아 분해 챔버(41) 내에는 분해된 암모니아와 함께 가열가스가 공존한다. 암모니아 함유 가열가스는 암모니아 주입 라인(15)을 통해 SCR 반응기(30)의 유입구에 인접한 배기 라인(11)으로 공급되어 배기 라인(11)을 흐르는 배기가스에 혼합되어 SCR 반응기(30)로 유입된다.
온도 검출부(TC3)는 가열부(42)에서 우레아 분해 챔버(41)로 유입되는 가열가스의 온도를 측정하고, 측정된 온도 값을 제어부(60)로 전송한다.
배기 라인(15)은 과급기(20)를 거쳐 나오는 배기가스를 SCR 반응기(30) 측으로 유도한다.
제1 바이패스 라인(13)은, 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스가 과급기(20)로 유입되기 전에, 즉 과급기(20)의 상류에서 배기가스의 일부를 추출하여, 우레아 분해장치(40)로 공급한다. 개폐 밸브(63)는 제1 바이패스 라인(13)을 개방하거나 폐쇄한다. 정상적인 운전 중에 개폐 밸브(63)는 상시 개방된 상태를 유지한다. 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)는, 제어부(60)의 제어 하에 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 바이패스 가스의 유량을 조절한다.
제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스는 가열부(42)로 유입되어 버너의 화염(예; 온도 1000~1500℃)에 의한 가열가스의 온도를 제어(즉, 우레아 분해에 알맞은 목표온도(예; 500℃)로 낮추거나 적은 연료로도 좀 더 빨리 목표온도까지 가열)하는 역할과 함께, 우레아 분해 후 암모니아 함유 가열가스로서 암모니아 주입 라인(15)을 통해 SCR 반응기(30)의 유입구 측으로 공급되어 배기가스에 혼합됨으로써 SCR 반응기(30)의 유입구 측의 배기가스 온도를 높이는 역할을 동시에 수행하게 된다.
제2 바이패스 라인(14)은, 제1 바이패스 라인(13)과 배기 라인(11) 사이에 연결된다. 제2 바이패스 라인(14)은 제1 바이패스 라인(13)의 분기점(P1)에서 분기되고 합류점(P2)에서 배기 라인(11)에 연결된다.
따라서, 엔진에서 과급기(20)로 유입되기 전의 고온의 배기가스 일부를 추출하여 마련한 바이패스 가스는 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량과 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 배출되는 바이패스 가스 유량으로 분배된다.
엔진에서 배출되는 배기가스의 온도는 높은 반면(예; 300℃~450℃), 과급기(20)를 거쳐 나오는 배기가스는 상대적으로 저온(예; 약 230℃) 상태이다.
저압 SCR 시스템에서는 SCR 반응기(30)가 과급기(20) 하류 측에 설치되어 있기 때문에 과급기(20)를 거쳐 나와 배기 라인(11)을 통해 SCR 반응기(30)로 유입되는 배기가스의 온도가 낮을 수밖에 없다.
따라서, SCR 운전(질소산화물 제거 운전)을 위해서는 바이패스 가스를 통해 SCR 반응기(30)의 온도를 SCR 목표온도(예; 250℃)로 올려야 한다. 이처럼 SCR 운전을 위해 추출하여야만 하는 고온의 바이패스 가스를 모두 배기 라인(11)으로 보내 SCR 반응기(30)의 온도를 목표온도로 올리는 대신에, 바이패스 가스의 일부를 우레아 분해장치(40)로 공급하여 가열가스의 온도 제어를 위한 냉각 열원 및 가열 열원으로 사용함으로써 우레아 분해장치(40)의 열효율을 향상시키고 연료를 절감할 수 있다. 특히 우레아 분해장치(40)에서 우레아를 분해하고 난 후의 암모니아 함유 가열가스는 높은 온도(예; 300 ~ 400℃)를 유지하므로, '바이패스 가스의 높은 온도를 이용해 SCR 반응기(30)의 온도를 목표온도까지 높이는' 본래의 역할을 함께 수행할 수 있게 된다.
제1 바이패스 라인(13)에는 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)가 설치되고, 제2 바이패스 라인(14)에는 제2 바이패스 유량조정 밸브(65)가 설치된다. 제어부(60)에 의해 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)와 제2 바이패스 유량조정 밸브(65)의 개도를 조절하는 것에 의해, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량과 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 배출되는 바이패스 가스 유량의 분배 비율이 변화(조절)된다.
제어부(60)는 온도 검출부(TC1)를 통해 전송되는 SCR 반응기(30) 유입구(본 명세서에서 이것은 SCR 반응기(30) 내부를 포함하는 의미이다)의 온도와, 온도 검출부(TC2)를 통해 전송되는 바이패스 가스 온도와, 온도 검출부(TC3)를 통해 전송되는 우레아 분해 챔버(41)로 유입되는 가열가스의 온도와, 온도 검출부(TC4)를 통해 전송되는 암모니아 주입 라인(15)의 암모니아 함유 가열가스의 온도를 비교 판단하여 제1 바이패스 라인(13)과 제2 바이패스 라인(14)의 바이패스 가스 분배 비율을 설정한다. 본 명세서 및 청구범위에서 언급되는 분배 비율은 0:100 또는 100:0을 포함하는 것으로 정의한다. 즉, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 바이패스 가스 유량이나 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 배출되는 바이패스 가스 유량 중 어느 한쪽은 차단하여 나머지 한쪽으로 모든 바이패스 가스를 보내는 분배 상황까지 포함하는 것이다.
제어부(60)는 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도에 따라 제1 바이패스 라인(13)과 제2 바이패스 라인(14)의 바이패스 가스 분배 비율을 설정할 수 있다.
또한, 제어부(60)는 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 경우, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량을 증가시키도록 분배 비율을 설정할 수 있다.
또한, 제어부(60)는, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 경우, 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량을 증가시키는 한편, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량을 증가시키도록 분배 비율을 설정할 수 있다.
도 2 및 도 3을 통해 제1 실시예에 따른 저압 SCR 시스템의 제어 수행 과정을 설명한다. 도 2에는 배기가스 및 바이패스 가스의 흐름을 나타내는 도면이 도시되어 있고, 도 3에는 제어 수행 과정을 설명하는 도면에 도시되어 있다.
SCR 운전시에는, 개폐 밸브(62)를 닫아 배기가스가 배기 라인(11)을 통해 SCR 반응기(30)로 들어가도록 함으로써, 과급기(20)에서 배기 라인(11)으로 배출되는 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거한 후 연도로 배출되도록 한다.
또한, 개폐 밸브(63)를 상시 열어두어 바이패스 가스를 공급하도록 한다.
또한, 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)와 제2 바이패스 유량조정 밸브(65)의 개도를 기설정된 표준 값(또는 초기 운전 값)으로 제어하여 제1 바이패스 라인(13)과 제2 바이패스 라인(14)의 분배 비율을 표준 값으로 유지한다. 또한, 연료량 제어 밸브(43)의 개도를 기설정된 표준 값(또는 초기 운전 값)으로 제어하여 우레아 분해장치(40)로 공급되는 연료량을 표준 값으로 유지한다.
이와 같은 상태에서, 제어부(60)는 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도에 따라 우레아 분해 및 배기가스 가열을 효과적으로 구현하기 위해, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도를 판별한다(S10). 즉, SCR 반응기(30)로 유입되는 배기가스의 온도가 SCR 반응기에서 질소산화물을 제거하기 위한 촉매 반응이 정상적으로 유도되는 'SCR 목표 온도(예; 250℃)' 이상인지의 여부를 판별한다.
이러한 판별 결과에 따라 제1 바이패스 라인(13)과 제2 바이패스 라인(14)의 바이패스 가스 분배 비율을 설정한다(S20).
예를 들어, SCR 목표 온도보다 낮은 것으로 판별되는 경우, 제2 바이패스 라인(14)에 비해 제1 바이패스 라인(13)의 유량을 증가시키도록 설정한다.
이어서, 설정된 분배 비율에 따라 제1 바이패스 라인(13)과 제2 바이패스 라인(14)의 바이패스 가스 유량을 제어한다(S30). 가스 유량의 제어는 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)와 제2 바이패스 유량조정 밸브(65)의 개도 값을 증감함으로써 수행된다.
예를 들어, SCR 반응기(30)의 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표 온도보다 낮은 경우, 제2 바이패스 유량조정 밸브(65)의 개도 값은 감소시키고 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)의 개도 값은 증가시킨다. 그러면, 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 배출되는 바이패스 가스 유량은 감소 되고 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치로 공급되는 바이패스 가스 유량은 증가 된다.
SCR 반응기(30)의 유입구의 배기가스 온도를 신속하고 효과적으로 높이기 위해서는, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 바이패스 가스의 유량의 증가와 함께, 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량도 증가시키는 것이 바람직하다(S40).
그러면, 가열가스의 유량과 온도가 함께 증가 되고, 그 결과 우레아 분해 챔버(41)로부터 나가는 암모니아 함유 가열가스의 유량과 온도가 증가 되어 SCR 반응기(30) 유입구 부분의 배기가스 온도가 더욱 신속하게 높아진다.
이때, 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량의 증가에 따라 가열부(42)의 열용량이 증가하게 되는데, 연료의 연소에 따라 발생하는 높은 화염온도(예; 1000~1500℃)에 의해 지나치게 높아진 가열가스의 온도는, 다른 어떤 장치로부터 제공되는 냉각 공기가 아닌 제1 바이패스 라인(13)을 통해 많은 양으로 공급되는 바이패스 가스에 의해 우레아 분해 목표온도(예; 500℃)로 낮춰지게 된다. 가열가스의 온도가 목표온도로 될 때까지 제1 바이패스 라인(13)을 통한 바이패스 가스의 유량을 점점 증가시킨다.
한편, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표 온도에 이르거나 그 이상인 때에는, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도를 상승시키기 위한 추가적인 열 공급을 필요하지 않게 되고, 우레아 분해장치(40)에서는 우레아 분해를 위한 열만 필요하게 된다. 따라서 우레아 분해장치(40)로 공급되는 연료량을 최소한의 양으로 유지하여 우레아 분해를 위한 열만을 제공할 수 있게 되고, 가열가스의 온도를 우레아 분해 목표온도로 낮추기 위해 필요한 최소 비율의 바이패스 가스 유량을 제1 바이패스 라인(13)을 통해 공급하면 된다.
이와 같이, SCR 반응기(30)로 유입되는 배기가스의 온도를 SCR 목표 온도로 높이고 우레아 분해를 위해 필요한 연료량을 줄일 수 있음과 함께, 우레아 분해를 위한 가열가스의 온도를 우레아 분해 목표온도로 낮추기 위해 필요한 냉각 공기를 바이패스 가스로 대체함으로써, 시스템 전체의 효율을 향상시킬 수 있고, 우레아 분해장치(40)를 작은 사이즈로 최적화할 수 있다.
다음으로, 도 4 및 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 저압 SCR 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 도 4에는 계통도가 도시되어 있고, 도 5에는 제어 수행 시의 배기가스 및 바이패스 가스의 흐름을 나타내는 도면이 도시되어 있다.
제2 실시예는, 제1 실시예에 비해 배기 라인(11)을 지나는 배기가스의 일부를 추출하여 우레아 분해장치(40)로 공급하는 제3 바이패스 라인(16)을 더 포함하는 것만이 다르고, 나머지의 구성은 동일하다.
본 실시형태에서, 제3 바이패스 라인(16)은, 배기 라인(11)의 분기점(P3)에서 분기되어 제1 바이패스 라인(13)에 합류점(P4)에서 연결된다.
제3 바이패스 라인(16)을 통해 배기 라인(11)으로부터 추출된 '추가 가스'는, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 바이패스 가스에 합류된다.
제3 바이패스 라인(16)에는 배기 라인(11)을 흐르는 배기가스를 추기하기 위한 블로어(50)를 설치할 수 있다. 블로어(50)로 유입되는 배기가스는 개폐 밸브(66)에 의해 제어되고, 블로어(50)를 나오는 추가 가스의 유량은 제어부(60)에 의해 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)를 조절함으로써 제어된다.
제어부(60)는 블로어(50)의 회전 속도를 조절함으로써 제3 바이패스 라인(16)을 통해 우레아 분해 장치(50)로 유입되는 추가 가스의 유량을 제어할 수 있다.
제3 바이패스 라인(16)을 통한 추가 가스의 공급은, SCR 반응기(30)의 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 조건과, 제2 바이패스 유량조정 밸브(65)는 닫고 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)는 개방하는 것에 의해(도 5 참조), 바이패스 가스가 제1 바이패스 라인(13)을 통해 모두 우레아 분해장치(40)로 유입되도록 분배 비율이 설정된 조건하에서, 우레아 분해장치(40)의 우레아 분해 챔버(41)로 유입되는 가열가스의 온도가 목표온도를 초과하는 경우에 수행되도록 설정할 수 있다.
과급기(20)를 거쳐 나와 배기 라인(11)을 흐르는 배기가스는 상대적으로 저온(예; 약 230℃) 상태이므로, 가열부(42)의 높은 화염온도를 받은 가열가스의 온도를 우레아 분해 목표온도로 낮추기 위한 냉각 가스로서 사용될 수 있다.
제1 실시예에서 설명한 바와 같이, SCR 반응기(30)의 유입구의 배기가스 온도를 신속하고 효과적으로 높이기 위해, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 바이패스 가스의 유량의 증가와 함께, 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량도 증가시키는 제어를 수행할 수 있다.
그러면, 우레아 분해장치(40)를 통한 가열가스의 유량과 온도가 함께 증가 되고, 그 결과 우레아 분해 챔버(41)로부터 나가는 암모니아 함유 가열가스의 유량과 온도가 증가 되어 SCR 반응기(30) 유입구 부분의 배기가스 온도가 더욱 신속하게 높아진다.
이때, 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량의 증가에 따라 가열부(42)의 열용량이 증가하게 되는데, 연료의 연소에 따라 발생하는 높은 화염온도(예; 1000~1500℃)에 의해 지나치게 높아진 가열가스의 온도는 제1 바이패스 라인(13)을 통해 많은 양으로 공급되는 바이패스 가스에 의해 우레아 분해 목표온도(예; 500℃)로 낮춰지게 된다. 가열가스의 온도가 목표온도로 될 때까지 제1 바이패스 라인(13)을 통한 바이패스 가스의 유량을 점점 증가시킨다.
그런데 이러한 운전 상황하에서, 제1 바이패스 라인(13)의 바이패스 가스 분배 비율을 100%까지 증가시켜도, 즉 모든 바이패스 가스를 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 유입시켜도, 가열부(42)에서 화염에 의해 높아진 가열가스의 온도를 우레아 분해 목표온도까지 낮추지 못하는 경우가 있다.
이 경우에는, 제3 바이패스 라인(16)을 통해 배기 라인(11)으로부터 낮은 온도의 배기가스의 일부를 추출하여 우레아 분해장치(40)에 추가 가스로서 더 공급함으로써 가열가스의 온도를 우레아 분해 목표온도까지 낮출 수 있게 된다.
다음으로, 도 6 내지 도 10은 본 발명의 제1, 2, 3 바이패스 라인(13, 14, 16)의 구성과 및 각 라인의 유량조절 가능한 구성에 따른 에너지 절감 효과, 우레아 분해 챔버(41)의 사이즈 감소 가능성 및 제3 바이패스 라인(16)의 제어에 대한 응답 특성에 대해 모의시험을 수행한 결과를 나타낸다.
모의시험에 사용된 엔진은, 8기통 2-스트로크, 피스톤 지름 95㎝, 최대출력 41.6MW/75rpm, 배기량 306,396kg/h를 가지는 엔진이다. 우레아 분해 챔버(41)는 지름 1.5m로 이루어진 것을 사용하였다.
도 6은 우레아 분해장치(40)로 유입되는 바이패스 가스 유량을 조정할 수 없는 경우(종래)와, 제1 바이패스 라인(13)으로부터 제2 바이패스 라인(14)을 분기하여 우레아 분해장치(40)로 유입되는 바이패스 가스 유량을 조정 가능한 경우(본 발명)를 비교한 표이다. 또한, 엔진으로부터 제1 바이패스 라인(13)으로 나오는 바이패스 가스(EGB) 유량이 엔진의 총 유량(배기량)의 10%인 경우로 설정하였다. 또한, 우레아 분해챔버(41)의 우레아 분해 목표온도를 500℃로 산정하고, 이를 위한 우레아 분해장치의 버너의 연료 소모량을 산출하였다.
도 6을 참조하면, 우레아 분해장치(40)로 유입되는 가스 유량의 조정이 불가능한 종래의 경우는, 엔진으로부터 나온 10%의 바이패스 가스 유량은 언제나 그대로 우레아 분해장치(40)로 유입되며, 그에 기인하여 엔진부하 40~100 영역에서는 버너의 연료 소모량이 80~135kg/h까지 증가하게 된다. 또한, 10%의 바이패스 가스 유량 전체를 수용하여 우레아 분해 목표온도(500℃)로 가열하기 위해서는 우레아 분해 챔버(41)의 높이를 약 4.7m만큼 높게 만들어 주어야 한다.
그러나 본 발명은 제2 바이패스 라인(14)을 가짐과 함께 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)의 제어에 의해 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 유입되는 가스 유량을 최적으로 제어할 수 있으므로, 우레아 분해장치(40)로 유입되는 가스 유량을 엔진 배기량의 5%까지 낮출 수 있다. 나머지 5%는 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 배출시킨다. 그에 기인하여 엔진부하 40~100 영역에서는 버너의 연료 소모량이 40~65kg/h까지 감소하게 된다. 또한, 5%의 바이패스 가스 유량 전체를 수용하여 우레아 분해 목표온도(500℃)로 가열하기 위한 우레아 분해 챔버(41)의 높이는 약 2.4m만 확보하여도 충분하다.
종래에는, 우레아 분해장치(40)로 유입되는 가스 유량의 조정이 불가능하기 때문에, 우레아 분해장치(40)로 유입되는 가스 유량을 최대치로 설정하는 한편, 유량이 모자를 지도 모르는 최악의 조건에 대응하여 추가의 바이패스 가스 유량을 확보할 필요가 있었기 때문에, 실제 필요한 유량보다 지나치게 많은 바이패스 가스 유량으로 설계할 수밖에 없다. 종래에 버너 연료소모량의 증가나 우레아 분해 챔버(41)의 사이즈 증가는 이러한 이유에 수반되는 것이다.
그러나 본 발명에서는, 제2 바이패스 라인(14)과 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)의 제어에 의해 우레아 분해장치(40)로 유입되는 가스 유량을 최적으로 제어할 수 있으므로, 추가의 바이패스 가스 유량을 지나치게 많게 확보할 필요가 없어진다. 그만큼 버너의 연료 소모량과 우레아 분해 챔버(41)의 사이즈를 줄일 수가 있다.
도 7 내지 도 8은 제3 바이패스 라인(16)의 유량을 조절할 수 없는 경우와, 제3 바이패스 라인(16)을 구비하고 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)에 의해 냉각용 추가 가스의 유량을 조절 가능한 경우를 비교한 도면으로서, 도 7에는 제3 바이패스 가스 유량이 표시되어 있고, 도 8에는 엔진 부하에 따른 제3 바이패스 가스 유량의 공급량을 비교한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 두 가지 모두 엔진으로부터 제1 바이패스 라인(13)으로 나오는 바이패스 가스(EGB) 유량은 엔진의 총 유량(배기량)의 10%이고, 제1 바이패스 유량조정 밸브(64)의 제어에 의해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 바이패스 가스 유량을 4%로 조정한 경우로 설정하였다.
도 8을 참조하면, 제3 바이패스 라인(16)의 유량 조정이 불가능한 경우는, 엔진 부하에 관계없이 불필요하게 많은 양의 제3 바이패스 가스(우레아 분해장치(40) 냉각용 바이패스 가스)가 항상 일정하게 공급된다. 이에 의하면, 버너의 연료 소모량이 증가하고 우레아 분해 챔버(41)의 크기도 증가하게 된다.
그러나 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)에 의해 유량 조정이 가능한 경우는, 엔진 부하에 따라 최적으로 조정할 수 있다. 그러므로 버너 연료 소모량을 줄일 수 있고 우레아 분해 챔버(41)의 크기도 줄일 수 있게 된다.
도 9 내지 도 10은, 제3 바이패스 라인(16)에 블로어(50)를 구비하고 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)에 의해 유량 조정이 가능한 경우의 응답 특성을 비교하는 것으로서, 도 9에는 제3 바이패스 라인(16)의 구성에 대한 3가지 케이스의 비교 도면이 도시되어 있고, 도 10에는 케이스 2와 케이스 3의 응답 특성을 비교하는 그래프가 도시되어 있다.
도 9에서, 케이스 1(CASE 1)은 제3 바이패스 라인(16)에 개폐 밸브 또는 유량조정 밸브만 구비하는 경우, 케이스 2(CASE 2)는 제3 바이패스 라인(16)에 블로어(50)만 구비하는 경우, 케이스 3(CASE 3)은 제3 바이패스 라인(16)에 블로어(50)와 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)를 함께 구비하는 경우이다.
배기 라인(11)은 과급기(20)를 통과하면서 압력과 온도가 낮아진 배기가스가 흐른다. 도 9에서 배기 라인(11)의 압력은 약 1 bara 이하이다. 제1 바이패스 라인(13)은 과급기(20)를 통과하기 전의 고온, 고압의 배기가스가 흐른다, 도 9에서 제1 바이패스 라인(13)의 압력은 약 3 bara 이하이다. 그 때문에, 케이스 1처럼 블로어 없이 개폐 밸브 또는 유량조정 밸브만 구비하는 경우에는, 저압의 배기 라인(11)으로부터 고압의 제1 바이패스 라인(13)으로 배기가스를 유입시키기가 매우 어렵다.
케이스 2의 경우에는 블로어를 통해 저압의 배기 라인(11)으로부터 고압의 제1 바이패스 라인(13)으로 가스를 강제로 추기할 수 있으나, 그 유량의 조절은 블로어의 출력 조절만으로 수행하여야 한다. 따라서 도 10에 도시된 것처럼, 엔진 부하 급변시 제어부(60)에서 유량 변경 명령이 인가되더라도 목표 유량에 도달할 때까지는 많은 지연 시간이 수반된다.
그러나 케이스 3의 경우에는 제3 바이패스 라인(16)에 블로어(50)와 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)를 함께 구비하여, 블로어(50)는 허용 최대 부하로 작동되는 상태에서 엔진 부하 급변시 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)의 제어로 유량을 제어함에 따라 제어부(60)에서 유량 변경 명령이 인가되면 신속하게 목표 유량으로 조정할 수 있다.
다음으로, 도 11에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 저압 SCR 시스템을 설명하기 위한 계통도가 도시되어 있다.
도 11의 제3 실시예는, 제2 실시예에 비해 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)만이 다르고, 나머지의 구성은 동일하다. 제2 실시예와 동일한 사항에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 제3 실시형태에서, 제3 바이패스 라인(16)은, 배기 라인(11)의 분기점(P3)에서 분기되어 제1 바이패스 라인(13)에 합류점(P4)에서 연결된다.
즉, 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)은, 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 상류 측의 배기 라인(11)에 위치하고, 제3 바이패스 라인(16)의 합류점(P4)은 제2 바이패스 라인(14)의 분기점(P1) 하류 측의 제1 바이패스 라인(13)에 위치한다.
본 발명의 제3 실시예에 따르면, 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)을 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 상류 측에 설치하여, 제2 실시예에 비해 적은 유량의 배기가스로 우레아 분해 목표온도 달성이 가능해지고, 그만큼 우레아 분해 챔버(41)의 최적화가 가능하고 블로어(50)의 소모 에너지도 더 줄일 수 있다.
요컨대, 도 4에 도시된 제2 실시예처럼 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)이 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 하류에 위치하는 경우에는, 제2 바이패스 라인(14)를 통해 고온의 바이패스 가스가 합류되어 온도가 상승된 배기가스가 추기되어 우레아 분해장치(40)로 공급된다. 그 때문에 우레아 분해장치(40)의 냉각 효과를 떨어뜨리게 된다.
그러나 본 발명의 제3 실시예처럼 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)을 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 상류 측에 설치하면, 고온의 바이패스 가스가 합류되기 전의 저온의 배기가스를 추기할 수 있으므로, 그만큼 우레아 분해장치(40)에서 필요한 냉각 가스의 양도 줄일 수가 있다.
도 12에는 제2 실시예처럼 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)이 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 하류에 위치하는 경우와, 제3 실시예처럼 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)이 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 상류 측에 위치하는 경우의 제3 바이패스 라인(16)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급하여야 하는 냉각용 추가 가스의 양을 비교하여 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
모의시험에 사용된 엔진은, 11기통 2-스트로크, 피스톤 지름 95㎝, 최대출력 59.8MW/78rpm, 배기량 439,200kg/h를 가지는 엔진이다. 우레아 분해장치(40) 쪽으로의 추가 가스 추기 유량은 총 배기량의 2%를 기준으로 하였다.
도 12를 참조하면, 제3 바이패스 라인(16)의 분기점(P3)을 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 상류 측에 설치하는 경우, 더 적은 유량의 냉각용 추가 가스만 필요로 함을 알 수 있다. 따라서 블로어(50)와 우레아 분해 챔버(41)의 용량을 더욱 더 최소화할 수 있다.
다음으로, 도 13 내지 도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 저압 SCR 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 도 13에는 계통도가 도시되어 있고, 도 14에는 제어 수행 시의 배기가스 및 바이패스 가스의 흐름을 나타내는 도면이 도시되어 있으며, 도 15에는 제어 수행 과정을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 13 내지 도 15에 도시된 제4 실시예의 저압 SCR 시스템은, 바이패스 가스 라인이, 엔진에서 과급기(20)로 유입되기 전의 배기가스 일부를 추출하여 우레아 분해장치(40)로 유도하는 제1 바이패스 라인(13)과, 배기 라인(11)에서 분기되어 제1 바이패스 라인(13)에 연결되는 제3 바이패스 라인(16)으로 이루어진다.
제3 바이패스 라인(16)은 과급기(20)를 거쳐 나와 배기 라인(11)을 지나는 배기가스의 일부를 추가 가스로서 우레아 분해장치(40)에 공급한다.
제1 바이패스 라인(13)에는 개폐 밸브(63)가 설치된다.
제3 바이패스 라인(16)에는 배기 라인(11)을 흐르는 배기가스를 추기하기 위한 블로어(50)를 설치할 수 있다. 블로어(50)로 유입되는 배기가스는 개폐 밸브(66)에 의해 제어되고, 블로어(50)를 나오는 추가 가스의 유량은 제어부(60)에 의해 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)를 조절함으로써 제어된다.
제어부(60)는 블로어(50)의 회전 속도를 조절함으로써 제3 바이패스 라인(16)을 통해 우레아 분해 장치(50)로 유입되는 추가 가스의 유량을 제어할 수 있다.
이는, 엔진에서 나와 과급기(20)로 들어가기 전에 배기가스의 일부를 추출하여 마련되는 바이패스 가스를 모두 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급하고, 우레아 분해장치(40)를 통과하면서 온도가 올라간(예; 300 ~ 400℃) 바이패스 가스, 즉 암모니아 함유 가열가스를 SCR 반응기(30)의 유입구 측의 배기 라인(11)에 공급함으로써 SCR 반응기(30)를 SCR 목표 온도로 높이도록 한 것이다. 이와 함께, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 공급되는 바이패스 가스로 우레아 분해장치(40)의 가열가스의 온도를 낮추는 역할도 함께 수행하도록 한 것이다.
또한, 제3 바이패스 라인(16)을 통해 배기 라인(11)으로부터 낮은 온도의 배기가스의 일부를 추출하여 우레아 분해장치(40)에 추가 가스로서 더 공급함으로써 우레아 분해장치(40)의 가열가스의 온도를 우레아 분해 목표온도까지 신속하게 낮출 수 있도록 한 것이다.
제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 바이패스 가스의 유량에 대해 제3 바이패스 라인(16)을 통해 우레아 분해장치(40)로 들어가는 추가 가스의 유량의 비율은, 가열부(42)에서 생성되는 가열가스의 온도를 우레아 분해 목표온도로 효과적으로 낮출 수 있도록 제어부(60)에 의해 제어된다.
예를 들어, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮아 우레아 분해장치(40)로 유입되는 연료 유량을 증가시켜 열용량을 증가시키는 경우, 연료 유량을 증가에 대응하여 제1 바이패스 라인(13)을 통해 공급되는 바이패스 가스 유량에 의해 우레아 분해장치(40)의 가열부의 열용량 증가에 따른 가열가스의 온도가 목표온도를 초과하지 않도록 냉각시킨다. 이러한 제어는 제3 바이패스 라인(16)을 통한 배기가스의 공급을 차단한 상태에서 수행할 수 있다.
하지만, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 바이패스 가스를 최대량으로 공급하는 조건하에서, 우레아 분해장치(40)의 우레아 분해 챔버(41)로 유입되는 가열가스의 온도가 목표온도를 초과한다면, 제3 바이패스 라인(16)을 개방하여 과급기(20)를 거쳐 나와 배기 라인(11)을 흐르는 낮은 온도의 배기가스를 추가 가스로서 공급하여 냉각작용을 돕도록 할 수 있다.
도 15는 제4 실시예에 따른 제어 수행을 설명하기 위한 도면이다. 도 14를 병행 참조한다. 또한, 도 15의 제어 방법은 본 발명의 제2 내지 제3 실시예의 제어 방법으로 삼을 수 있다.
SCR 운전시에는, 개폐 밸브(62)를 닫아 배기가스가 배기 라인(11)을 통해 SCR 반응기(30)로 들어가도록 함으로써, 과급기(20)에서 배기 라인(11)으로 배출되는 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거한 후 연도로 배출되도록 한다.
또한, 개폐 밸브(63)를 상시 열어두어 바이패스 가스를 공급하도록 한다(S100). 개폐 밸브(66)와 제3 바이패스 유량조정 밸브(67)는 닫아 추가 가스의 공급을 차단한 상태를 유지하도록 한다.
이와 같은 상태에서, 제어부(60)는 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도에 따라 우레아 분해 및 배기가스 가열을 효과적으로 구현하기 위해, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도를 판별한다(S110). 즉, SCR 반응기(30)로 유입되는 배기가스의 온도가 SCR 반응기에서 질소산화물을 제거하기 위한 촉매 반응이 정상적으로 유도되는 'SCR 목표 온도(예; 250℃)' 이상인지의 여부를 판별한다.
상기 판별결과에 따라, 우레아 분해장치(40)로 유입되는 연료 유량의 증감을 결정한다. 연료 유량의 증감 결정에 따라, 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량과, 제3 바이패스 라인(16)을 통해 배기 라인(11)으로부터 추출되어 우레아 분해장치(40)로 공급되는 추가 가스의 유량을 조절한다.
구체적으로, SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도 이상이면, 상기 제3 바이패스 라인을 통한 배기가스의 공급은 차단한다(S120). 제1 바이패스 라인(13)을 통해 바이패스 가스만이 우레아 분해장치(40)로 공급되는 상태를 그대로 유지하는 것이다.
SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮으면, 상기 제3 바이패스 라인을 통한 배기가스의 공급은 차단한 상태에서, 우레아 분해장치(40)로 유입되는 연료 유량을 증가시킨다(S140). 이를 통해 SCR 반응기(30) 유입구 측의 배기 라인(11)으로 공급되는 암모니아 함유 가열가스의 온도를 높이게 된다.
이러한 제어 과정에서, 우레아 분해장치(40)의 가열가스 온도가 우레아 분해 목표온도를 초과하는지 여부를 판별한다(S150).
우레아 분해장치(40)의 가열가스 온도가 우레아 분해 목표온도를 초과하면, 제3 바이패스 라인(16)을 개방하여 과급기(20)를 거쳐 나온 저온의 배기가스를 추가 가스로서 공급하여 우레아 분해장치(40)의 가열가스의 냉각작용을 돕는다.
우레아 분해장치(40)의 가열가스 온도가 우레아 분해 목표온도로 낮아질 때까지 제3 바이패스 라인(16)의 개도를 증가시켜 추가 가스의 유량을 증가시킨다(S160).
본 발명에 따른 저압 SCR 시스템 및 그 제어 방법의 구성은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

Claims (12)

  1. SCR 반응기(30);
    과급기(20)를 거쳐 나오는 저온의 배기가스를 상기 SCR 반응기(30)로 유도하는 배기 라인(11);
    우레아 분해 챔버(41)를 가지고 우레아를 분해하여 암모니아를 생성하고, 생성된 암모니아를 상기 SCR 반응기(30) 측으로 보내는 우레아 분해장치(40);
    엔진에서 상기 과급기(20)로 유입되기 전의 고온의 배기가스의 일부를 추출하여 상기 우레아 분해장치(40)로 유도하는 제1 바이패스 라인(13);
    상기 제1 바이패스 라인(13)과 상기 배기 라인(11)을 연결하여, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 흐르는 고온의 배기가스를 상기 배기 라인(11)으로 분배하는 것에 의해 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 상기 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량을 변화시킬 수 있도록 하는 제2 바이패스 라인(14);
    상기 제2 바이패스 라인(14)의 합류점(P2) 상류 측의 배기 라인(11)에 분기점(P3)을 가지고 상기 제2 바이패스 라인(14)의 분기점(P1) 하류 측의 제1 바이패스 라인(13)에 합류점(P4)을 가지도록 상기 배기 라인(11)과 제1 바이패스 라인(13)을 연결하며, 상기 과급기(20)를 통과하여 상기 배기 라인(11)을 흐르는 저온의 배기가스의 일부를 추출하여 상기 우레아 분해 장치(40)에 우레아 분해용 가열가스의 냉각을 위한 추가 가스로서 공급하는 제3 바이패스 라인(16); 및
    상기 SCR 반응기(30)의 온도 및 우레아 분해 장치(40)의 가열가스 온도에 따른 상기 제1, 2, 3 바이패스 라인(13, 14, 15)의 유량 제어를 포함하여 SCR 운전을 위한 전반적인 제어를 수행하는 제어부(60); 를 포함하는 저압 SCR 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도에 따라 상기 제1 바이패스 라인(13)과 제2 바이패스 라인(14) 사이의 바이패스 가스 유량의 분배 비율이 설정되는 저압 SCR 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 경우, 상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 추가 가스의 공급은 차단하고, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량은 증가시키며, 상기 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 빠져나가는 바이패스 가스 유량은 감소시키도록 설정되는 저압 SCR 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량의 증가와 함께, 상기 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량도 증가시키도록 설정되는 저압 SCR 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 우레아 분해장치(40) 냉각용 추가 가스의 공급은,
    상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 조건과 함께, 상기 제2 바이패스 라인(14)은 차단하여 고온의 바이패스 가스가 제1 바이패스 라인(13)을 통해 모두 우레아 분해장치(40)로 유입되도록 분배 비율이 설정된 조건하에서, 상기 우레아 분해 장치(40)의 가열가스 온도가 목표온도를 초과하는 경우에 시작되도록 설정되는 저압 SCR 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 냉각용 추가 가스의 공급은, 상기 우레아 분해 장치(40)의 가열가스 온도가 목표온도까지 떨어질 때까지 점증 되도록 설정되는 저압 SCR 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배기 라인(11)을 흐르는 배기가스를 강제로 추기하기 위해 상기 제3 바이패스 라인(16)에 설치되는 블로어(50); 및
    상기 블로어(50)에 의해 상기 우레아 분해장치(40)로 보내지는 추가 가스의 유량을 조절하기 위해 상기 제3 바이패스 라인(16)에 설치되는 제3 바이패스 유량조정 밸브(67); 를 포함하는 저압 SCR 시스템.
  8. SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도를 판별하는 단계;
    상기 판별 결과에 따라, 과급기(20)에 유입되기 전에 추출된 고온의 바이패스 가스에 대해, 우레아 분해장치(40) 측으로 연결되는 제1 바이패스 라인(13)과 SCR 반응기(30) 상류 측의 배기가스 라인(11)으로 연결되는 제2 바이패스 라인(14) 사이의 분배 비율을 설정하는 단계;
    설정된 분배 비율에 따라, 상기 제1 바이패스 라인(13)과 상기 제2 바이패스 라인(14)의 개도를 조절하여 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량과 SCR 반응기(30) 측으로 배출되는 바이패스 가스 유량을 조정하는 단계;
    상기 우레아 분해장치(40)의 가열가스의 온도에 따라 제3 바이패스 라인(16)을 통한 우레아 분해장치(40) 냉각용 추가 가스의 공급 여부를 결정하고 유량을 조정하는 단계; 를 포함하는 저압 SCR 시스템 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮은 경우, 상기 제3 바이패스 라인(16)을 통한 냉각용 추가 가스의 공급은 차단하고, 상기 제2 바이패스 라인(14)을 통해 배기 라인(11)으로 배출되는 바이패스 가스 유량은 감소시키며, 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 공급되는 바이패스 가스 유량은 증가되도록 제어하는 저압 SCR 시스템 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 바이패스 라인(13)을 통한 우레아 분해장치(40)로의 바이패스 가스 유량 증가에 대응하여, 상기 우레아 분해장치(40)에 유입되는 연료량을 함께 증가하도록 제어하는 것을 저압 SCR 시스템 제어 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    우레아 분해장치(40)의 가열가스 온도가 우레아 분해 목표온도를 초과하는 경우,
    상기 제3 바이패스 라인(16)을 개방하여 과급기(20)를 거쳐 나온 저온의 배기가스를 냉각용 추가 가스로서 공급하는 제어를 수행하는 저압 SCR 시스템 제어 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 SCR 반응기(30) 유입구의 배기가스 온도가 SCR 목표온도보다 낮으며, 상기 제2 바이패스 라인(14)은 차단하고 제1 바이패스 라인(13)은 개방하는 것에 의해 엔진으로부터 나온 고온의 바이패스 가스가 제1 바이패스 라인(13)을 통해 우레아 분해장치(40)로 유입되도록 분배 비율이 설정된 제어 조건하에서,
    상기 우레아 분해 장치(40)의 가열가스의 온도가 목표온도를 초과하는 경우에 상기 제3 바이패스 라인(16)을 개방하여, 상기 배기 라인(11)을 지나는 저온의 배기가스의 일부를 추가로 추출하여 상기 제1 바이패스 라인(13)을 통해 상기 우레아 분해 장치(40)로 들어가는 고온의 바이패스 가스에 합류되도록 하는 저압 SCR 시스템 제어 방법.
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