WO2017095149A1 - 선택적 촉매 환원 반응기 - Google Patents

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selective catalytic
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한승안
김태섭
이재형
이청규
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    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
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    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a selective catalytic reduction reactor, and more particularly, to a selective catalytic reduction reactor incorporating a decomposition chamber for cracking and producing a reducing agent.
  • a selective catalytic reduction (SCR) system is a system for reducing nitrogen oxides contained in exhaust gases by purifying exhaust gases generated from diesel engines, boilers, and incinerators.
  • the nitrogen oxide contained in the exhaust gas and the reducing agent react with each other while passing the exhaust gas and the reducing agent together in a reactor in which the catalyst is installed therein, and the reduction process is performed with nitrogen and water vapor.
  • urea is directly used as a reducing agent to reduce nitrogen oxides, or ammonia (NH 3 ) generated by decomposing urea is used.
  • ammonia (NH 3 ) is produced by injecting urea (urea) to a decomposition chamber provided separately outside the reactor, and decomposition of the injected urea (heata) using the thermal energy inside the decomposition chamber.
  • the ammonia (NH 3 ) thus produced is mixed with the exhaust gas and subjected to a catalyst to reduce and reduce the nitrogen oxide by reacting with the nitrogen oxide contained in the exhaust gas.
  • the moving distance between the exhaust gas and the reducing agent (NH 3 or urea, etc.) is an important factor in reducing nitrogen oxides.
  • a distance that can be sufficiently mixed and reacted with the reducing agent and the exhaust gas must be secured until a reducing agent (such as NH 3 or urea) is injected into the exhaust passage to reach the reactor inlet in which the catalyst is installed.
  • Embodiment of the present invention provides a selective catalytic reduction reactor that can improve the mixing efficiency of the reducing agent and exhaust gas and minimize the overall installation space.
  • a selective catalytic reduction (SCR) reactor for reducing nitrogen oxides contained in exhaust gas includes a reactor main body having an inlet pipe formed at the front end and a discharge pipe formed at the rear end thereof, and an upper surface thereof.
  • a hollow cylindrical decomposition chamber in which the opening is in communication with the inlet pipe of the reactor body, the bottom surface is closed, and a plurality of through holes are formed in one region of the side surface;
  • An arc-shaped guide plate, and a reducing agent injection unit for injecting a reducing agent to the exhaust gas flowing into the inlet pipe of the reactor body.
  • the reducing agent injection unit may inject a reducing agent in the direction of the arc-shaped guide plate.
  • An outer circumferential surface of the arc-shaped guide plate may face one region of the decomposition chamber in which the plurality of through holes are formed.
  • the exhaust gas introduced into the inlet pipe of the reactor body may move along the side surface of the decomposition chamber after hitting the arc-shaped guide plate and pass through the plurality of through holes to the rear end of the reactor body.
  • an outer circumferential surface of the arc-shaped guide plate may face another region opposite to one region of the decomposition chamber in which the plurality of through holes are formed.
  • the exhaust gas introduced into the inlet tube of the reactor body may hit the arc-shaped guide plate and pass through the plurality of through holes of the decomposition chamber to the rear end of the reactor body.
  • the angle of the arc of the arc-shaped guide plate may be in the range of 120 degrees to 270 degrees.
  • the reducing agent may include urea.
  • the front end and the rear end of the reactor body may be detachably coupled.
  • a catalyst for the selective catalytic reduction reaction may be provided at the rear end of the reactor body.
  • the upper end of the arc-shaped guide plate may be formed in an arc shape that is larger in diameter as the closer to the reducing agent injection portion.
  • the selective catalytic reduction reactor is a reactor body in which the inlet pipe is formed in the front end and the discharge pipe formed in the rear end, and the hollow cylindrical first upper surface is in communication with the inlet pipe of the reactor body
  • a first cylindrical decomposition chamber and a hollow cylindrical second decomposition chamber which surrounds an outer circumferential surface of the first decomposition chamber with a space therebetween, and a region between the first decomposition chamber and the second decomposition chamber;
  • a blocking partition partitioning the separation space between the second decomposition chambers wherein the first decomposition chamber includes a plurality of first through holes formed adjacent to one side of the blocking partition wall, and the second decomposition chamber includes: It may include a plurality of second through holes formed adjacent to the other side surface opposite to the one side of the blocking partition wall.
  • the exhaust gas introduced into the inlet pipe of the reactor body passes through the first through hole of the first decomposition chamber and moves along the separation space between the first decomposition chamber and the second decomposition chamber and then the second gas. Passing through the second through hole of the decomposition chamber may be directed to the rear end of the reactor body.
  • the apparatus may further include a reducing agent injection unit for injecting a reducing agent into the exhaust gas flowing into the inlet pipe of the reactor body, and the reducing agent may include urea.
  • the front end and the rear end of the reactor body may be detachably coupled, a catalyst for the selective catalytic reduction reaction may be provided at the rear end of the reactor body.
  • An upper end of the first decomposition chamber may be formed in a shape in which the diameter of the first decomposition chamber increases as the closer to the reducing agent injection part.
  • the first decomposition chamber may further include an arc-shaped guide plate provided with a spaced apart space from the side of the first decomposition chamber, the reducing agent injection unit may inject a reducing agent toward the arc-shaped guide plate direction.
  • the outer circumferential surface of the arc-shaped guide plate faces a region of the decomposition chamber in which the plurality of through holes are formed, and the exhaust gas introduced into the inlet pipe of the reactor body hits the arc-shaped guide plate and then the side surface of the decomposition chamber. Move along and may pass through the plurality of through holes to the rear end of the reactor body.
  • the outer circumferential surface of the arc-shaped guide plate faces the other region opposite to the one region of the decomposition chamber in which the plurality of through holes are formed, and the exhaust gas introduced into the inlet pipe of the reactor body hits the arc-shaped guide plate. Pass through a plurality of through holes of the decomposition chamber may be directed to the rear end of the reactor body.
  • the selective catalytic reduction reactor can improve the mixing efficiency of the reducing agent and the exhaust gas and minimize the overall installation space.
  • FIG. 1 is a perspective view of a selective catalytic reduction reactor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the front end of the reactor body of FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the front end of the reactor body of FIG.
  • FIG. 4 is a partial perspective view of the first decomposition chamber and the arc-shaped guide plate of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a plan view of the first decomposition chamber and the arc-shaped guide plate of FIG. 4; FIG.
  • FIG. 6 is a graph showing the ammonia conversion efficiency according to the diameter of the arc of the arc-shaped guide plate of FIG.
  • FIG. 7 is a partial perspective view of a first decomposition chamber and an arc-shaped guide plate used in a selective catalytic reduction reactor according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a plan view of the first decomposition chamber and the arc-shaped guide plate of FIG. 7; FIG.
  • FIG 9 is an exploded perspective view of the front end of the reactor body according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the front end of the reactor body according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a partial perspective view of a first decomposition chamber and a second decomposition chamber according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a plan view of a first decomposition chamber and a second decomposition chamber according to a third embodiment of the present invention.
  • Embodiments of the invention specifically illustrate ideal embodiments of the invention. As a result, various modifications of the drawings are expected. Thus, the embodiment is not limited to the specific form of the illustrated region, but includes, for example, modification of the form by manufacture.
  • the selective catalytic reduction reactor 101 is used in a selective catalytic reduction (SCR) system for reducing nitrogen oxide contained in exhaust gas.
  • SCR selective catalytic reduction
  • the selective catalytic reduction reactor 101 is used to purify exhaust gas emitted from a diesel engine mounted on a ship or a vehicle, and may be installed in an engine room of a ship or a vehicle. .
  • the selective catalytic reduction reactor 101 is a reactor body 300, the first decomposition chamber 400, arc-shaped guide plate 501, Reducing agent injection unit 700 is included.
  • the selective catalytic reduction reactor 101 according to the first embodiment of the present invention may further include a catalyst (800).
  • the reactor body 300 includes an inlet pipe 311 formed at the front end 310 and an outlet pipe 329 formed at the rear end 320.
  • the reactor body 300 may be coupled to the front end 310 and the rear end 320 detachably.
  • the inlet pipe 311 may be formed upward from the front end 310 of the reactor body (300). That is, the inlet pipe 311 may be formed on the upper surface of the front end 310 of the reactor body (300). In addition, the discharge pipe 329 may be formed upward from the rear end 320 of the reactor body 300 as well.
  • the reactor body 300 may be made of stainless steel (stainless steel) excellent in heat resistance and durability.
  • the reactor body 300 may further include a flange 330 formed on each of the front end portion 310 and the rear end portion 320 is engaged with each other.
  • the flange 330 allows the front end 310 and the rear end 320 of the reactor body 300 to be effectively detachably coupled.
  • an insulating material 380 is provided on the inner surface of the reactor body 300.
  • the insulating material 380 not only prevents thermal energy from flowing out of the reactor body 300 to the outside but also heats the outer surface of the reactor body 300 to prevent a worker from being burned.
  • the reducing agent injection unit 700 injects the reducing agent to the exhaust gas flowing into the inlet pipe 311 of the reactor body 300.
  • the reducing agent injected through the reducing agent injection unit 700 may include urea (urea, CO (NH 2 ) 2 ).
  • the first embodiment of the present invention is not limited to the above description, and the reducing agent injection unit 700 may spray a reducing agent such as an aqueous urea solution, an aqueous ammonia solution, or an ammonia anhydride.
  • the reducing agent injected from the reducing agent injection unit 700 reacts with the nitrogen oxide (NOx) contained in the exhaust gas with the aid of the catalyst 800 for the selective catalytic reduction reaction to reduce the nitrogen oxide (NOx) to nitrogen and water vapor. do.
  • the reducing agent injection unit 700 injects an aqueous urea solution as a reducing agent
  • the urea (CO (NH 2 ) 2 ) of the injected urea aqueous solution is hydrolyzed or pyrolyzed while ammonia (NH 3 ) and Isocyanic acid (HNCO) is produced.
  • Isocyanic acid (HNCO) is decomposed into ammonia (NH 3 ) and carbon dioxide (CO 2 ) again. That is, when urea is decomposed, ammonia is finally produced.
  • Ammonia (NH 3 ) acts as a final reducing agent that reacts directly with nitrogen oxides.
  • the reducing agent injection unit 700 may inject the reducing agent toward the arc-shaped guide plate 501 provided in the first decomposition chamber 400 to be described later.
  • the first decomposition chamber 400 has an upper surface opened to communicate with the inlet pipe 311 of the reactor body 300 and the bottom surface is formed in a closed cylindrical shape.
  • a plurality of through holes 470 is formed in one region of the first decomposition chamber 400.
  • an arc-shaped guide plate 501 is provided inside the front end portion 310 as a passage extending means for extending the flow path of the gas and the reducing agent introduced into the first decomposition chamber 400.
  • the arc-shaped guide plate 501 is installed with a spaced apart side surface of the decomposition chamber 400 inside the first decomposition chamber 400.
  • the upper end 503 of the arc-shaped guide plate 501 is formed in an arc shape in which the diameter thereof becomes larger as it approaches the reducing agent injection part 700 to guide the gas and the reducing agent introduced through the inlet 311 into the arc-shaped guide plate. The efficiency can be improved.
  • the outer circumferential surface of the arc-shaped guide plate 501 faces one region of the first decomposition chamber 400 in which the plurality of through holes 470 are formed. That is, the arc-shaped guide plate 501 is provided relatively adjacent to one region of the first decomposition chamber 400 in which the plurality of through holes 470 are formed.
  • the exhaust gas introduced into the inlet pipe 311 of the reactor body 300 impinges on the arc-shaped guide plate 501 and then moves along the side surface of the first decomposition chamber 400 and then passes through a plurality of through holes. Passed through the 470 to the rear end 320 of the reactor body (300).
  • the plurality of through-holes 470 of the first decomposition chamber 400 not only pass the exhaust gas but also perform a function of the mixer for mixing the exhaust gas and the reducing agent.
  • a sufficient residence time and a travel distance for reducing agent injected from the reducing agent injection unit 700 may be decomposed or mixed with the exhaust gas introduced into the inlet pipe 311. It can be secured.
  • the catalyst 800 is installed at the rear end 320 of the reactor body 300.
  • the catalyst 800 may be made of various materials known to those skilled in the art, such as zeolite, vanadium, platinum, and the like.
  • the catalyst 800 may have an active temperature in the range of 250 degrees Celsius to 350 degrees Celsius.
  • the active temperature refers to a temperature at which the catalyst 800 can stably reduce nitrogen oxides without poisoning. If the catalyst 800 reacts outside the active temperature range, the catalyst 800 is poisoned and the efficiency is lowered.
  • the poisoning material for poisoning the catalyst 800 may include one or more of ammonium sulfate (NH 4 ) 2 SO 4 ) and ammonium bisulfate (NH 4 HSO 4 ).
  • catalyst poisoning substances are adsorbed onto the catalyst 800 to lower the activity of the catalyst 800.
  • the catalyst 300 When the catalyst 300 is poisoned, it can be replaced or regenerated. Since the catalyst poisoning substance decomposes at a relatively high temperature, raising the catalyst 800 may regenerate the poisoned catalyst.
  • the front end 310 of the reactor body 300 serves as a first decomposition chamber for the production and mixing of the reducing agent
  • the rear end 320 of the reactor body 300 The catalyst 800 is installed to serve as a reactor in which a selective catalytic reduction reaction occurs.
  • the reactor body 300 may be separated from the front end 310 and the rear end 320.
  • the front end 310 and the rear end 320 of the reactor body 300 may be separated to easily perform maintenance work on the catalyst 800.
  • the front end 310 and the rear end 320 of the reactor body 300 may be separated to perform a cleaning operation to easily remove deposits or plugging.
  • urea In diesel engines operated mainly at low loads, such as diesel engines used in ships, urea is easily deposited in aqueous urea solution used as a reducing agent, and deposits are easily generated. For example, when urea is injected into an exhaust gas with a temperature of less than 250 degrees Celsius, biuret, cyanuric acid, melamine, and ammeline are produced as urea decomposes. To precipitates such as these. When the diesel engine runs at low load, the temperature of the exhaust gas is lowered, thus increasing the generation of sediment.
  • the diesel engine used in the ship mainly uses a low-quality fuel having a high sulfur content, in this case, urea and soot, which are used as reducing agents, together with the inlet pipe 310 of the reactor body 300.
  • Masking is a frequent occurrence. This phenomenon may increase the pressure of the exhaust gas of the diesel engine, which may result in deterioration of performance or deterioration of fuel consumption efficiency, and in the long term, may cause the entire engine to stop.
  • the front end 310 and the rear end 320 are separable, but the roles and functions of the front end 310 and the rear end 320 are distinguished. Therefore, there is an advantage that the overall maintenance of the selective catalytic reduction reactor 101, such as replacement or regeneration of the catalyst 800, or cleaning operations inside the reactor body 300, is very easy.
  • the selective catalytic reduction reactor 101 can improve the mixing efficiency of the reducing agent and the exhaust gas and minimize the overall installation space.
  • FIG. 6 is a graph showing the ammonia conversion efficiency according to the diameter of the arc of the arc-shaped guide plate 501 used in the selective catalytic reduction reactor 101 according to the first embodiment of the present invention. That is, it is a graph measuring the degree to which the efficiency of converting urea into ammonia is increased by increasing the residence time and moving distance in the first decomposition chamber 400 by the arc-shaped guide plate 501.
  • FIG. 6 illustrates an experiment in which the diameter of the arc of the arc-shaped guide plate 501 is changed when the diameter of the first decomposition chamber 400 is 180 mm.
  • the temperature of the exhaust gas introduced into the reactor body 300 is in the range of 380 degrees Celsius to 530 degrees Celsius
  • the pressure of the exhaust gas is in the range of 2100 mmH 2 0 to 2300 mmH 2 0.
  • the ammonia conversion efficiency decreases as the diameter of the arc of the arc-shaped guide plate 501 increases based on 100 mm, in particular, over 110 mm. You can check it.
  • the pressure of the exhaust gas increases as the diameter of the arc of the arc-shaped guide plate 501 becomes smaller based on 100 mm, especially smaller than 90 mm, thereby increasing the total exhaust pressure.
  • this will have a negative impact on the system and cause a degradation of the diesel engine.
  • the diameter of the arc of the arc-shaped guide plate 501 is preferably set within the range of 90mm to 110mm in consideration of the above matters. That is, the diameter of the arc of the arc-shaped guide plate 501 is preferably set within the range of 50% to 60% of the diameter of the first decomposition chamber 400.
  • results shown in FIG. 6 may vary slightly depending on the overall size of the reactor body 300, the flow rate of the exhaust gas introduced through the inlet pipe 311, and the temperature or pressure of the exhaust gas.
  • the angle of the arc of the arc-shaped guide plate 501 is set within the range of 120 degrees to 270 degrees.
  • the through hole 470 of the first decomposition chamber 400 may not be sufficiently covered, and thus the shortest time may not be maintained within the first decomposition chamber 400. Exhaust gas passing through the through hole 470 increases with distance.
  • the exhaust gas may be excessively interrupted to increase the pressure of the exhaust gas.
  • the outer circumferential surface of the arc-shaped guide plate 502 used in the selective catalytic reduction reactor 102 according to the second embodiment of the present invention is formed of a plurality of through holes 470. 1 opposes another region opposite to one region of the decomposition chamber 400. That is, the arc-shaped guide plate 502 is provided relatively far from one region of the first decomposition chamber 400 in which the plurality of through holes 470 are formed.
  • the exhaust gas introduced into the inlet pipe 311 of the reactor body 300 hits the arc-shaped guide plate 502 and passes through the plurality of through holes 470 of the first decomposition chamber 400.
  • the rear end 320 of the reactor body (300) To the rear end 320 of the reactor body (300).
  • the time and the movement distance of the exhaust gas introduced into the inlet pipe 311 and the reducing agent injected from the reducing agent injection unit 700 stay in the first decomposition chamber 400 are Although relatively reduced compared with the first embodiment, it is possible to minimize the pressure rise of the exhaust gas and to suppress the influence on the diesel engine.
  • the selective catalytic reduction reactor 102 improves the mixing efficiency of the reducing agent and the exhaust gas and increases the pressure of the exhaust gas while minimizing the overall installation space, thereby affecting the diesel engine. Can be suppressed.
  • the selective catalytic reduction reactor 103 includes a reactor body 300, a first decomposition chamber 400, a second decomposition chamber 510, And a blocking partition 600.
  • the first decomposition chamber 401 may be formed in a hollow cylindrical shape in which a top surface thereof is opened to communicate with an inlet pipe 311 of the reactor body 300, and a bottom surface thereof is closed.
  • the upper end 410 has a reducing agent injection part 700 so as to guide the gas and the reducing agent introduced into the front end 310 into the first decomposition chamber 401 well.
  • the diameter can be formed in an expanded funnel shape.
  • the first decomposition chamber 401 according to the third embodiment of the present invention has a shape difference from the first decomposition chambers 400 in the above-described embodiments, the mixing function of the reducing agent and the gas may be implemented as described above. Examples may be performed in the same manner as the first decomposition chambers 400.
  • a plurality of first through holes 470 is formed in one region of the first decomposition chamber 401.
  • the second decomposition chamber 510 surrounds the outer circumferential surface of the first decomposition chamber 401 with a space.
  • the bottom surface of the second decomposition chamber 510 is also closed, and the top surface between the first decomposition chamber 401 and the second decomposition chamber 510 is closed.
  • a plurality of second through holes 570 is formed in one region of the second decomposition chamber 510. In this case, one region in which the plurality of second through holes 570 is formed does not face or overlap with one region in which the plurality of first through holes 470 is formed.
  • the blocking partition 600 is installed in one region between the first decomposition chamber 401 and the second decomposition chamber 510. In addition, the blocking partition 600 partitions a space between the first decomposition chamber 401 and the second decomposition chamber 510.
  • the blocking partition 600 is installed between the first through hole 470 of the first decomposition chamber 401 and the second through hole 570 of the second decomposition chamber 510. That is, the plurality of first through holes 470 are formed adjacent to one side surface of the blocking partition wall 600, and the plurality of second through holes 570 are formed on the other side surface opposite to one side surface of the blocking partition wall 600. Formed adjacently.
  • the exhaust gas introduced into the inlet pipe 311 of the reactor body 300 passes through the first through-hole 470 of the first decomposition chamber 401 and the first decomposition chamber 401 and the first decomposition chamber.
  • the second through-hole 570 of the second decomposition chamber 510 is passed to the rear end 320 of the reactor body 300.
  • the exhaust gas passing through the first through-hole 470 by the blocking partition 600 partitioning the separation space between the first decomposition chamber 401 and the second decomposition chamber 510 is the first decomposition chamber 401.
  • the second through hole 570 After passing through the second through hole 570 after rotating approximately 360 degrees along the outer circumferential surface of the) or the inner circumferential surface of the second decomposition chamber 510.
  • the first through hole 470 and the second through hole 570 not only serve to pass the exhaust gas, but also serve as a mixer for mixing the exhaust gas and the reducing agent.
  • the third embodiment of the present invention it is possible to secure a sufficient residence time and travel distance for the reducing agent injected from the reducing agent injection unit 700 to be decomposed, produced or mixed with the exhaust gas introduced into the inlet pipe 311. have.
  • the selective catalytic reduction reactor 103 can improve the mixing efficiency of the reducing agent and the exhaust gas and minimize the overall installation space.
  • a structure in which the first and third embodiments described above are combined may also be configured. That is, the arc-shaped guide plate 501 may be installed inside the first decomposition chamber 401, and the second decomposition chamber 510 may be installed outside the first decomposition chamber 401.
  • the reducing agent injection unit 700 may be configured to spray the reducing agent to the arc-shaped guide plate 501. Accordingly, the gas and the reducing agent introduced into the front end 310 extend in the first decomposition chamber 401 like the flow path inside the first decomposition chamber 400 of FIG. 5, and the first decomposition chamber 401. Outside of the first decomposition chamber 401 of FIG. 12 may extend like a flow path. That is, the flow path extending effect of the arc-shaped guide plate 501 and the flow path extending effect of the second decomposition chamber 510 can be expected at the same time.
  • the selective catalytic reduction reactor according to the embodiment of the present invention can be used to improve the mixing efficiency of the reducing agent and the exhaust gas and to minimize the overall installation space.
  • reactor body 310 front end
  • inlet pipe 320 rear end
  • barrier rib 700 reducing agent injection portion

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Abstract

본 발명은 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 반응기에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기는 전단부에 유입관이 형성되고 후단부에 배출관이 형성된 반응기 본체와, 윗면이 개구되어 상기 반응기 본체의 유입관과 연통되고 밑면은 폐쇄되며 옆면의 일영역에 복수의 관통공이 형성된 중공 원통형 분해 챔버와, 상기 분해 챔버의 내부에 상기 분해 챔버의 옆면과 이격 공간을 두고 설치된 원호형 가이드 플레이트, 그리고 상기 반응기 본체의 유입관으로 유입되는 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 반응기
본 발명은 선택적 촉매 환원 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환원제를 분해 생성시키는 분해 챔버가 내장된 선택적 촉매 환원 반응기에 관한 것이다.
일반적으로 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은 디젤 엔진, 보일러, 소각기 등에서 발생된 배기가스를 정화하여 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 시스템이다.
선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기가스에 함유된 질소산화물과 환원제이 반응하여 질소와 수증기로 환원 처리된다. 이때, 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제로 우레아(urea)를 직접 분사하여 사용하거나 우레아(urea)를 분해시켜 생성된 암모니아(NH3)를 분사하여 사용하고 있다. 통상 암모니아(NH3)는 반응기 외부에 별도로 마련된 분해 챔버에 우레아(urea)를 분사하고, 분사된 우레아(urea)를 분해 챔버 내부의 열에너지를 이용하여 분해함으로써 생성된다.
이와 같이 생성된 암모니아(NH3)는 배기가스에 혼합되어 촉매를 거치면서 배기가스에 함유된 질소산화물과 환원 반응하여 질소산화물을 저감시킨다.
그런데, 선박 또는 차량에 장착된 디젤 엔진에 사용되는 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템의 경우, 배기가스와 환원제(NH3 또는 urea 등)의 이동 거리는 질소산화물 저감에 있어 중요한 인자이다. 환원제(NH3 또는 urea 등)를 배기 유로의 내부에 분사하여 촉매가 설치된 반응기 입구에 도달하기 전까지 환원제와 배기가스가 충분히 혼합되어 반응할 수 있는 거리가 확보되어야 한다.
하지만, 선박 또는 차량 내의 엔진룸은 공간이 협소하기 때문에 배기 유로의 길이 또한 한정될 수 밖에 없다. 따라서, 배기가스와 질소산화물 환원제가 충분히 혼합 및 반응하기 위하여 요구되는 혼합 거리를 확보하기가 어렵다.
또한, 선박 또는 차량 내의 엔진룸에 환원제를 분해 생성하기 위해 별도로 장착되는 분해 챔버의 설치 공간도 확보하기 용이하지 않은 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 환원제와 배기가스의 혼합 효율을 향상시키고 전체적인 설치 공간도 최소화할 수 있는 선택적 촉매 환원 반응기를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응기는 전단부에 유입관이 형성되고 후단부에 배출관이 형성된 반응기 본체와, 윗면이 개구되어 상기 반응기 본체의 유입관과 연통되고 밑면은 폐쇄되며 옆면의 일영역에 복수의 관통공이 형성된 중공 원통형 분해 챔버와, 상기 분해 챔버의 내부에 상기 분해 챔버의 옆면과 이격 공간을 두고 설치된 원호형 가이드 플레이트, 그리고 상기 반응기 본체의 유입관으로 유입되는 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부를 포함한다.
상기 환원제 분사부는 상기 원호형 가이드 플레이트 방향으로 환원제를 분사할 수 있다.
상기 원호형 가이드 플레이트의 외주면이 상기 복수의 관통공이 형성된 상기 분해 챔버의 일영역에 대향할 수 있다. 그리고 상기 반응기 본체의 유입관으로 유입된 배기가스는 상기 원호형 가이드 플레이트에 부딪힌 후 상기 분해 챔버의 옆면을 따라 이동하다가 상기 복수의 관통공을 통과하여 상기 반응기 본체의 후단부로 향할 수 있다.
또한, 상기 원호형 가이드 플레이트의 외주면이 상기 복수의 관통공이 형성된 상기 분해 챔버의 일영역에 반대되는 타영역에 대향할 수 있다. 그리고 상기 반응기 본체의 유입관으로 유입된 배기가스는 상기 원호형 가이드 플레이트에 부딪힌 후 상기 분해 챔버의 복수의 관통공을 통과하여 상기 반응기 본체의 후단부로 향할 수 있다.
상기 원호형 가이드 플레이트가 갖는 호의 각도는 120도 내지 270도 범위 내일 수 있다.
상기 환원제는 우레아(urea)를 포함할 수 있다.
상기 반응기 본체의 전단부와 후단부는 분리 가능하게 결합될 수 있다.
상기 반응기 본체의 후단부에 선택적 촉매 환원 반응을 위한 촉매가 마련될 수 있다.
상기 원호형 가이드 플레이트의 상단은 상기 환원제 분사부에 가까울수록 직경이 커지는 호형상으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기는 전단부에 유입관이 형성되고 후단부에 배출관이 형성된 반응기 본체와, 윗면이 개구되어 상기 반응기 본체의 유입관과 연통된 중공 원통형 제1 분해 챔버와, 상기 제1 분해 챔버의 외주면을 이격 공간을 두고 둘러싸는 중공 원통형 제2 분해 챔버, 및 상기 제1 분해 챔버와 상기 제2 분해 챔버 사이의 일영역에 설치되어 상기 제1 분해 챔버와 상기 제2 분해 챔버 사이의 이격 공간을 구획하는 차단 격벽을 포함하며, 상기 제1 분해 챔버는 상기 차단 격벽의 일측면에 인접하게 형성된 복수의 제1 관통공을 포함하고, 상기 제2 분해 챔버는 상기 차단 격벽의 상기 일측면에 반대되는 타측면에 인접하게 형성된 복수의 제2 관통공을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 반응기 본체의 유입관으로 유입된 배기가스는 상기 제1 분해 챔버의 제1 관통공을 통과하여 상기 제1 분해 챔버와 상기 제2 분해 챔버 사이의 이격 공간을 따라 이동한 후 상기 제2 분해 챔버의 제2 관통공을 통과하여 상기 반응기 본체의 후단부로 향할 수 있다.
그리고, 상기 반응기 본체의 유입관으로 유입되는 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부를 더 포함할 수 있고, 상기 환원제는 우레아(urea)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 반응기 본체의 전단부와 후단부는 분리 가능하게 결합될 수 있고, 상기 반응기 본체의 후단부에 선택적 촉매 환원 반응을 위한 촉매가 마련될 수 있다.
상기 제1 분해 챔버의 상단은 상기 환원제 분사부에 가까울수록 직경이 커지는 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제1 분해 챔버의 내부에 상기 제1 분해 챔버의 옆면과 이격 공간을 두고 설치된 원호형 가이드 플레이트를 더 포함하고, 상기 환원제 분사부는 상기 원호형 가이드 플레이트 방향으로 환원제를 분사할 수 있다.
상기 원호형 가이드 플레이트의 외주면이 상기 복수의 관통공이 형성된 상기 분해 챔버의 일영역에 대향하며, 상기 반응기 본체의 유입관으로 유입된 배기가스는 상기 원호형 가이드 플레이트에 부딪힌 후 상기 분해 챔버의 옆면을 따라 이동하다가 상기 복수의 관통공을 통과하여 상기 반응기 본체의 후단부로 향할 수 있다.
상기 원호형 가이드 플레이트의 외주면이 상기 복수의 관통공이 형성된 상기 분해 챔버의 일영역에 반대되는 타영역에 대향하며, 상기 반응기 본체의 유입관으로 유입된 배기가스는 상기 원호형 가이드 플레이트에 부딪힌 후 상기 분해 챔버의 복수의 관통공을 통과하여 상기 반응기 본체의 후단부로 향할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 반응기는 환원제와 배기가스의 혼합 효율을 향상시키고 전체적인 설치 공간도 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기의 사시도이다.
도 2는 도 1의 반응기 본체의 전단부의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 반응기 본체의 전단부의 단면도이다.
도 4는 도 3의 제1 분해 챔버와 원호형 가이드 플레이트를 중심으로 도시한 부분 사시도이다.
도 5는 도 4의 제1 분해 챔버와 원호형 가이드 플레이트의 평면도이다.
도 6은 도 4의 원호형 가이트 플레이트의 호의 직경에 따른 암모니아 전환 효율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기에 사용된 제1분해 챔버와 원호형 가이드 플레이트를 중심으로 도시한 부분 사시도이다.
도 8은 도 7의 제1 분해 챔버와 원호형 가이드 플레이트의 평면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 반응기 본체의 전단부의 분해 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 반응기 본체의 전단부의 단면도이다.
도 11는 본 발명의 제3 실시예에 따른 제1 분해 챔버와 제2 분해 챔버를 중심으로 도시한 부분 사시도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 제1 분해 챔버와 제2 분해 챔버의 평면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 제2 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축척에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매환원제 환원 반응기(101)를 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(101)는 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템에 사용된다.
일례로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(101)는 선박 또는 차량에 장착된 디젤 엔진에서 배출된 배기가스의 정화에 사용되며, 선박 또는 차량의 엔진룸에 설치될 수 있다.
도 1 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(101)는 반응기 본체(300), 제1 분해 챔버(400), 원호형 가이드 플레이트(501), 환원제 분사부(700)를 포함한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(101)는 촉매(800)를 더 포함할 수 있다.
반응기 본체(300)는 전단부(310)에 형성된 유입관(311)과, 후단부(320)에 형성된 배출관(329)을 포함한다. 또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 반응기 본체(300)는 전단부(310)와 후단부(320)가 분리 가능하게 결합될 수 있다.
일례로, 유입관(311)은 반응기 본체(300)의 전단부(310)에서 상방을 향해 형성될 수 있다. 즉, 유입관(311)은 반응기 본체(300)의 전단부(310) 상부면에 형성될 수 있다. 또한, 배출관(329)도 마찬가지로 반응기 본체(300)의 후단부(320)에서 상방을 향해 형성될 수 있다.
또한, 반응기 본체(300)는, 일례로, 내열성과 내구성이 우수한 스테인레스 스틸(stainless steel)을 소재로 만들어질 수 있다.
또한, 반응기 본체(300)는 전단부(310)와 후단부(320)가 서로 맞물리는 부위에 형성된 각각 형성된 플랜지(330)를 더 포함할 수 있다. 플랜지(330)는 반응기 본체(300)의 전단부(310)와 후단부(320)가 효과적으로 분리 가능하게 결합될 수 있게 한다.
또한, 반응기 본체(300)의 내면에는 절연재(380)가 마련된다. 절연재(380)는 반응기 본체(300) 내부의 열에너지가 외부로 유출되는 것을 방지할 뿐만 아니라 반응기 본체(300)의 외면이 뜨거워져 작업자가 화상을 입는 것을 방지한다.
환원제 분사부(700)는 반응기 본체(300)의 유입관(311)으로 유입되는 배기가스에 환원제를 분사한다. 이때, 환원제 분사부(700)를 통해 분사되는 환원제는 우레아(urea, CO(NH2)2)를 포함할 수 있다. 하지만, 본 발명의 제1 실시예가 전술한 바에 한정되는 것은 아니며, 환원제 분사부(700)는 우레아 수용액, 암모니아 수용액, 무수암모니아 등의 환원제를 분사할 수 있다.
환원제 분사부(700)에서 분사된 환원제는 선택적 촉매 환원 반응을 위한 촉매(800)의 도움을 받아 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 반응하여 질소산화물(NOx)을 질소와 수증기로 환원 처리한다. 일례로, 환원제 분사부(700)가 환원제로 우레아(urea) 수용액을 분사할 경우, 분사된 우레아 수용액의 우레아(urea, CO(NH2)2)는 가수분해 또는 열분해되면서 암모니아(NH3)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성된다. 그리고 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 분해된다. 즉, 우레아가 분해되면 최종적으로 암모니아가 생성된다. 그리고 암모니아(NH3)는 질소산화물과 직접 반응하는 최종적인 환원제의 역할을 한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 환원제 분사부(700)는 후술할 제1 분해 챔버(400)의 내부에 마련된 원호형 가이드 플레이트(501)를 향해 환원제를 분사할 수 있다.
제1 분해 챔버(400)는 윗면이 개구되어 반응기 본체(300)의 유입관(311)과 연통되고 밑면은 폐쇄된 중공 원통형으로 형성된다. 그리고 제1 분해 챔버(400)의 일영역에는 복수의 관통공(470)이 형성된다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 전단부(310) 내부에는 제1 분해 챔버(400)로 유입된 가스 및 환원제의 유동 경로를 길게 연장시키기 위한 유로 연장 수단으로서 원호형 가이드 플레이트(501)가 설치될 수 있다. 원호형 가이드 플레이트(501)는 제1 분해 챔버(400)의 내부에 분해 챔버(400)의 옆면과 이격 공간을 두고 설치된다. 원호형 가이드 플레이트(501)의 상단(503)은 환원제 분사부(700)에 접근할수록 그 직경이 커지는 호 형상으로 형성되어 유입구(311)를 통해 유입된 가스 및 환원제를 원호형 가이드 플레이트 내측으로 안내하는 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 원호형 가이드 플레이트(501)의 외주면이 복수의 관통공(470)이 형성된 제1 분해 챔버(400)의 일영역에 대향한다. 즉, 원호형 가이드 플레이트(501)가 복수의 관통공(470)이 형성된 제1 분해 챔버(400)의 일영역에 상대적으로 인접하게 마련된다.
이와 같은 구조의 의하여, 반응기 본체(300)의 유입관(311)으로 유입된 배기가스는 원호형 가이드 플레이트(501)에 부딪힌 후 제1 분해 챔버(400)의 옆면을 따라 이동하다가 복수의 관통공(470)을 통과하여 반응기 본체(300)의 후단부(320)로 향하게 된다.
즉, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 유입관(311)으로 유입된 배기가스와 환원제 분사부(700)에서 분사된 환원제가 최단 거리로 제1 분해 챔버(400)의 관통공(470)을 통과하지 못하고, 원호형 가이드 플레이트(501)에 의해 제1 분해 챔버(400)의 내부에서 체류 시간과 이동 거리가 증가하게 된다.
또한. 제1 분해 챔버(400)의 복수의 관통공(470)은 단순히 배기가스를 통과시키는 기능뿐만 아니라 배기가스와 환원제를 혼합시키는 믹서의 기능도 수행한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서는, 환원제 분사부(700)에서 분사된 환원제가 분해 생성되거나 유입관(311)으로 유입된 배기가스와 혼합될 수 있는 충분한 체류 시간 및 이동 거리를 확보할 수 있다.
촉매(800)는 반응기 본체(300)의 후단부(320)에 설치된다. 촉매(800)는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다. 일례로, 촉매(800)는 섭씨 250도 내지 섭씨 350도 범위 내의 활성 온도를 가질 수 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매(800)가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다. 촉매(800)가 활성 온도 범위 밖에서 반응하면, 촉매(800)가 피독되면서 효율이 저하된다. 구체적으로, 촉매(800)를 피독시키는 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 촉매 피독 물질은 촉매(800)에 흡착되어 촉매(800)의 활성을 저하시킨다. 촉매(300)가 피독되면 교체하거나 재생시켜 사용할 수 있다. 촉매 피독 물질은 상대적으로 높은 온도에서 분해되므로, 촉매(800)를 승온시키면 피독된 촉매를 재생할 수도 있다.
본 발명의 제1 실시예에서, 반응기 본체(300)의 전단부(310)는 환원제의 생성과 혼합을 위한 제1 분해 챔버의 역할을 수행하고, 반응기 본체(300)의 후단부(320)는 촉매(800)가 설치되어 선택적 촉매 환원 반응이 일어나는 반응기의 역할을 수행한다.
그리고 반응기 본체(300)는 전단부(310)와 후단부(320)가 분리 가능하다. 이에, 반응기 본체(300)의 전단부(310)와 후단부(320)를 분리시켜 용이하게 촉매(800)에 대한 유지 보수 작업을 수행할 수 있다. 또한, 반응기 본체(300)의 전단부(310)와 후단부(320)를 분리시켜 용이하게 침전물(deposit) 또는 플러깅(plugging)을 제거하는 클리닝 작업을 수행할 수 있다.
선박에 사용되는 디젤 엔진과 같이 주로 낮은 부하에서 주로 운전되는 디젤 엔진의 경우 환원제로 사용되는 우레아 수용액에서 우레아(urea)가 퇴적하여 침전물(deposit)이 생성되기 쉽다. 예를 들어, 우레아가 섭씨 250도 미만의 온도를 갖는 배기가스에 분사되면, 우레아가 분해되면서 생성되는 뷰렛(biuret), 시아누르산(cyanuric acid), 멜라민(melamine), 및 아멜린(ammeline) 등과 같은 침전물에 생성될 수 있다. 디젤 엔진이 저부하에서 운전하면 배기가스의 온도가 낮아지므로, 침전물의 생성이 증가된다.
또한, 선박에 사용되는 디젤 엔진은 황의 함량이 높은 저품질의 연료를 주로 사용하므로, 이 경우 환원제로 사용되는 우레아(urea)와 그을음(soot)가 함께 반응기 본체(300)의 유입관(310)을 막는 은폐(masking) 현상이 빈번하게 발생되고 있다. 이러한 현상은 디젤 엔진의 배기가스가 갖는 압력을 높여 성능을 저하시키거나 연료소비 효율을 악화를 일으킬 수 있으며, 장기적으로는 전체 기관의 정지를 야기할 수 있다.
하지만, 본 발명의 제1 실시예에서, 반응기 본체(300)는 전단부(310)와 후단부(320)가 분리 가능할 뿐만 아니라 전단부(310)와 후단부(320)의 역할과 기능이 구분되므로, 촉매(800)의 교체 또는 재생이나, 반응기 본체(300) 내부의 클리닝 작업과 같은 선택적 촉매 환원 반응기(101)의 전반적인 유지 보수가 매우 용이한 이점이 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(101)는 환원제와 배기가스의 혼합 효율을 향상시키고 전체적인 설치 공간도 최소화할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(101)에 사용된 원호형 가이드 플레이트(501)가 갖는 호의 직경에 따른 암모니아 전환 효율을 나타낸 그래프이다. 즉, 원호형 가이드 플레이트(501)에 의해 제1 분해 챔버(400) 내부에서의 체류 시간과 이동 거리가 증가하여 우레아가 암모니아로 전환되는 효율이 상승되는 정도를 측정한 그래프이다.
구체적으로, 도 6은 제1 분해 챔버(400)의 직경이 180mm일 때, 원호형 가이드 플레이트(501)의 호의 직경을 변화시켜가며 실험한 결과이다. 이때, 반응기 본체(300)에 유입된 배기가스의 온도는 섭씨 380도 내지 섭씨 530도 범위 내이며, 배기가스의 압력은 2100 mmH20 내지 2300 mmH20 범위 내이다.
도 6에 나타난 바와 같이, 제1 분해 챔버(400)의 직경이 180mm일 때, 원호형 가이드 플레이트(501)의 호의 직경이 100mm를 기준으로 커질수록, 특히 110mm를 넘어갈수록 암모니아 전환 효율이 저하됨을 확인할 수 있다.
반대로, 제1 분해 챔버(400)의 직경이 180mm일 때, 원호형 가이드 플레이트(501)의 호의 직경이 100mm를 기준으로 작아질수록, 특히 90mm 보다 작아질수록 배기가스의 압력이 상승하여 전체 배기 시스템에 부정적인 영향을 미치게 되며, 디젤 엔진의 성능 저하를 초래함을 실험을 통해 확인할 수 있다.
따라서, 원호형 가이드 플레이트(501)가 갖는 호의 직경은 전술한 사항들을 고려하여 90mm 내지 110mm 범위 안에서 설정되는 것이 바람직하다. 즉, 원호형 가이드 플레이트(501)가 갖는 호의 직경은 제1 분해 챔버(400)의 직경의 50% 내지 60% 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다.
하지만, 도 6에 나타난 결과는 반응기 본체(300)의 전체 크기와, 유입관(311)을 통해 유입되는 배기가스의 유량, 그리고 배기가스의 온도 또는 압력 등에 따라 조금씩 달라질 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 원호형 가이드 플레이트(501)가 갖는 호의 각도는 120도 내지 270도 범위 내에서 설정된다.
원호형 가이드 플레이트(501)가 갖는 호의 각도가 120도 보다 작으면 제1 분해 챔버(400)의 관통공(470)을 충분히 가리지 못하여 제1 분해 챔버(400)의 내부에서 일정한 시간 체류하지 않고 최단 거리로 관통공(470)을 통과하는 배기가스가 증가하게 된다.
또한, 원호형 가이드 플레이트(501)가 갖는 호의 각도가 270도 보다 크면 배기가스의 흐름을 지나치게 방해하여 배가기스의 압력이 상승되는 문제점이 발생될 수 있다.
이하, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(102)를 설명한다.
도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(102)에 사용된 원호형 가이드 플레이트(502)의 외주면은 복수의 관통공(470)이 형성된 제1 분해 챔버(400)의 일영역에 반대되는 타영역에 대향한다. 즉, 원호형 가이드 플레이트(502)가 복수의 관통공(470)이 형성된 제1 분해 챔버(400)의 일영역에서 상대적으로 먼 곳에 마련된다.
이와 같은 구조의 의하여, 반응기 본체(300)의 유입관(311)으로 유입된 배기가스는 원호형 가이드 플레이트(502)에 부딪힌 후 제1 분해 챔버(400)의 복수의 관통공(470)을 통과하여 반응기 본체(300)의 후단부(320)로 향하게 된다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 유입관(311)으로 유입된 배기가스와 환원제 분사부(700)에서 분사된 환원제가 제1 분해 챔버(400)의 내부에서 체류하는 시간과 이동 거리는 제1 실시예와 비교하여 상대적으로 줄어들지만 배기가스의 압력 상승을 최소화하여 디젤 엔진에 영향을 미치는 것을 억제할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(102)는 환원제와 배기가스의 혼합 효율을 향상시키고 전체적인 설치 공간도 최소화하면서 배기가스의 압력이 상승하여 디젤 엔진에 영향을 미치는 것을 억제할 수 있다.
이하, 도 9 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(103)를 설명한다.
도 9 내지 도 12에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(103)는 반응기 본체(300), 제1 분해 챔버(400), 제2 분해 챔버(510), 및 차단 격벽(600)을 포함한다.
제1 분해 챔버(401)는 윗면이 개구되어 반응기 본체(300)의 유입관(311)과 연통되고 밑면은 폐쇄된 중공 원통형으로 형성될 수 있다. 도 9에 나타난 제1 분해 챔버(401)는 전단부(310) 내부로 유입되는 가스 및 환원제를 제1 분해 챔버(401) 내부로 잘 안내할 수 있도록 상단(410)이 환원제 분사부(700) 또는 유입구(311)에 근접할 수록 그 직경이 확장된 깔때기 형상으로 형성될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 제3 실시예에 따른 제1 분해 챔버(401)는 앞서 설명된 실시예들에서의 제1 분해 챔버들(400)과 형상 차이가 있으나, 환원제와 가스의 혼합 기능은 앞선 실시예들의 제1 분해 챔버들(400)과 동일하게 수행할 수 있다. 그리고 제1 분해 챔버(401)의 일영역에는 복수의 제1 관통공(470)이 형성된다.
제2 분해 챔버(510)는 제1 분해 챔버(401)의 외주면을 이격 공간을 두고 둘러싼다. 제2 분해 챔버(510)의 밑면도 폐쇄되며, 제1 분해 챔버(401)와 제2 분해 챔버(510) 사이의 윗면은 폐쇄된다. 그리고 제2 분해 챔버(510)의 일영역에도 복수의 제2 관통공(570)이 형성된다. 이때, 복수의 제2 관통공(570)이 형성된 일영역은 복수의 제1 관통공(470)이 형성된 일영역과 대향하거나 중첩되지 않는다.
차단 격벽(600)은 제1 분해 챔버(401)와 제2 분해 챔버(510) 사이의 일영역에 설치된다. 그리고 차단 격벽(600)은 제1 분해 챔버(401)와 제2 분해 챔버(510) 사이의 이격 공간을 구획한다.
또한, 본 실시예에서 차단 격벽(600)은 제1 분해 챔버(401)의 제1 관통공(470)과 제2 분해 챔버(510)의 제2 관통공(570) 사이에 설치된다. 즉, 복수의 제1 관통공(470)은 차단 격벽(600)의 일측면에 인접하게 형성되고, 복수의 제2 관통공(570)은 차단 격벽(600)의 일측면에 반대되는 타측면에 인접하게 형성된다.
이와 같은 구조의 의하여, 반응기 본체(300)의 유입관(311)으로 유입된 배기가스는 제1 분해 챔버(401)의 제1 관통공(470)을 통과하여 제1 분해 챔버(401)와 제2 분해 챔버(510) 사이의 이격 공간을 따라 이동한 후 제2 분해 챔버(510)의 제2 관통공(570)을 통과하여 반응기 본체(300)의 후단부(320)로 향하게 된다.
이때, 제1 분해 챔버(401)와 제2 분해 챔버(510) 사이의 이격 공간을 구획하는 차단 격벽(600)에 의해 제1 관통공(470)을 통과한 배기가스는 제1 분해 챔버(401)의 외주면 또는 제2 분해 챔버(510)의 내주면을 따라 거의 360도를 회전한 후 제2 관통공(570)을 통과하게 된다.
또한. 제1 관통공(470)과 제2 관통공(570)은 단순히 배기가스를 통과시키는 기능뿐만 아니라 배기가스와 환원제를 혼합시키는 믹서의 기능도 수행한다.
즉, 본 발명의 제3 실시예에서는, 환원제 분사부(700)에서 분사된 환원제가 분해 생성되거나 유입관(311)으로 유입된 배기가스와 혼합될 수 있는 충분한 체류 시간 및 이동 거리를 확보할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(103)는 환원제와 배기가스의 혼합 효율을 향상시키고 전체적인 설치 공간도 최소화할 수 있다.
또한, 예시적인 실시예에 따르면 앞서 설명된 제1 실시예와 제3 실시예가 조합된 구조도 구성될 수 있다. 즉, 제1 분해 챔버(401) 내부에 원호형 가이드 플레이트(501)가 설치되고, 제1 분해 챔버(401) 외부에 제2 분해 챔버(510)가 설치될 수 있는 것이다. 이 경우, 환원제 분사부(700)는 원호형 가이드 플레이트(501)로 환원제를 분사시키게 구성될 수 있다. 이에 따라 전단부(310) 내부로 유입된 가스 및 환원제는 제1 분해 챔버(401) 내부에서는 도 5의 제1 분해 챔버(400) 내부에서의 유로처럼 유로가 연장되고, 제1 분해 챔버(401) 외부에서는 도 12의 제1 분해 챔버(401) 외부의 유로와 같이 유로처럼 연장될 수 있다. 즉, 원호형 가이드 플레이트(501)의 유로 연장 효과와 제2 분해 챔버(510)의 유로 연장 효과를 동시에 기대할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기는 환원제와 배기가스의 혼합 효율을 향상시키고 전체적인 설치 공간도 최소화하는 데에 이용할 수 있다.
< 부호의 설명 >
101, 102, 103: 선택적 촉매 환원 반응기
300: 반응기 본체 310: 전단부
311: 유입관 320: 후단부
329: 배출관 330: 플랜지
380: 절연재 400, 401: 제1 분해 챔버
470: 관통공 501, 502: 원호형 가이드 플레이트
510: 제2 분해 챔버 570: 제2 관통공
600: 차단 격벽 700: 환원제 분사부
800: 촉매

Claims (20)

  1. 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응기에 있어서,
    전단부에 유입관이 형성되고 후단부에 배출관이 형성된 반응기 본체;
    윗면이 개구되어 상기 반응기 본체의 유입관과 연통되고 밑면은 폐쇄되며 옆면의 일영역에 복수의 관통공이 형성된 중공 원통형 분해 챔버;
    상기 분해 챔버의 내부에 상기 분해 챔버의 옆면과 이격 공간을 두고 설치된 원호형 가이드 플레이트; 및
    상기 반응기 본체의 유입관으로 유입되는 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 환원제 분사부는 상기 원호형 가이드 플레이트 방향으로 환원제를 분사하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원호형 가이드 플레이트의 외주면이 상기 복수의 관통공이 형성된 상기 분해 챔버의 일영역에 대향하며,
    상기 반응기 본체의 유입관으로 유입된 배기가스는 상기 원호형 가이드 플레이트에 부딪힌 후 상기 분해 챔버의 옆면을 따라 이동하다가 상기 복수의 관통공을 통과하여 상기 반응기 본체의 후단부로 향하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 원호형 가이드 플레이트의 외주면이 상기 복수의 관통공이 형성된 상기 분해 챔버의 일영역에 반대되는 타영역에 대향하며,
    상기 반응기 본체의 유입관으로 유입된 배기가스는 상기 원호형 가이드 플레이트에 부딪힌 후 상기 분해 챔버의 복수의 관통공을 통과하여 상기 반응기 본체의 후단부로 향하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 원호형 가이드 플레이트가 갖는 호의 각도는 120도 내지 270도 범위 내인 선택적 촉매 환원 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 환원제는 우레아(urea)를 포함하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 본체의 전단부와 후단부는 분리 가능하게 결합된 선택적 촉매 환원 반응기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 본체의 후단부에 선택적 촉매 환원 반응을 위한 촉매가 마련된 선택적 촉매 환원 반응기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 원호형 가이드 플레이트의 상단은 상기 환원제 분사부에 가까울수록 직경이 커지는 호형상으로 형성된 선택적 촉매 환원 반응기.
  10. 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응기에 있어서,
    전단부에 유입관이 형성되고 후단부에 배출관이 형성된 반응기 본체;
    윗면이 개구되어 상기 반응기 본체의 유입관과 연통된 중공 원통형 제1 분해 챔버;
    상기 제1 분해 챔버의 외주면을 이격 공간을 두고 둘러싸는 중공 원통형 제2 분해 챔버; 및
    상기 제1 분해 챔버와 상기 제2 분해 챔버 사이의 일영역에 설치되어 상기 제1 분해 챔버와 상기 제2 분해 챔버 사이의 이격 공간을 구획하는 차단 격벽
    를 포함하며,
    상기 제1 분해 챔버는 상기 차단 격벽의 일측면에 인접하게 형성된 복수의 제1 관통공을 포함하고,
    상기 제2 분해 챔버는 상기 차단 격벽의 상기 일측면에 반대되는 타측면에 인접하게 형성된 복수의 제2 관통공을 포함하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반응기 본체의 유입관으로 유입된 배기가스는 상기 제1 분해 챔버의 제1 관통공을 통과하여 상기 제1 분해 챔버와 상기 제2 분해 챔버 사이의 이격 공간을 따라 이동한 후 상기 제2 분해 챔버의 제2 관통공을 통과하여 상기 반응기 본체의 후단부로 향하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 반응기 본체의 유입관으로 유입되는 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 환원제는 우레아(urea)를 포함하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 반응기 본체의 전단부와 후단부는 분리 가능하게 결합된 선택적 촉매 환원 반응기.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 반응기 본체의 후단부에 선택적 촉매 환원 반응을 위한 촉매가 마련된 선택적 촉매 환원 반응기.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 제1 분해 챔버의 상단은 상기 환원제 분사부에 가까울수록 직경이 커지는 형상으로 형성된 선택적 촉매 환원 반응기.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 제1 분해 챔버의 내부에 상기 제1 분해 챔버의 옆면과 이격 공간을 두고 설치된 원호형 가이드 플레이트를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 환원제 분사부는 상기 원호형 가이드 플레이트 방향으로 환원제를 분사하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 원호형 가이드 플레이트의 외주면이 상기 복수의 관통공이 형성된 상기 분해 챔버의 일영역에 대향하며,
    상기 반응기 본체의 유입관으로 유입된 배기가스는 상기 원호형 가이드 플레이트에 부딪힌 후 상기 분해 챔버의 옆면을 따라 이동하다가 상기 복수의 관통공을 통과하여 상기 반응기 본체의 후단부로 향하는 선택적 촉매 환원 반응기.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 원호형 가이드 플레이트의 외주면이 상기 복수의 관통공이 형성된 상기 분해 챔버의 일영역에 반대되는 타영역에 대향하며,
    상기 반응기 본체의 유입관으로 유입된 배기가스는 상기 원호형 가이드 플레이트에 부딪힌 후 상기 분해 챔버의 복수의 관통공을 통과하여 상기 반응기 본체의 후단부로 향하는 선택적 촉매 환원 반응기.
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