WO2018186563A1 - 요소수 암모니아 전환 장치 및 이를 이용한 요소수 에스씨알 시스템 - Google Patents

요소수 암모니아 전환 장치 및 이를 이용한 요소수 에스씨알 시스템 Download PDF

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이대훈
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Definitions

  • the present invention relates to a urea water ammonia conversion device and a urea water SSC system using the same, and more particularly, to remove nitrogen oxide (NOx) contained in the exhaust gas, urea water ammonia conversion to convert urea water to ammonia An apparatus and a urea water SR system using the same.
  • NOx nitrogen oxide
  • SCR Selective catalytic reduction
  • Ammonia water has a weak safety problem when transporting and storing. Therefore, urea water is widely used as a reducing agent in mobile sources such as automobiles and ships. Urea water is hydrolyzed at high temperatures and converted to ammonia.
  • urea water In order for urea water to be rapidly converted to ammonia, a high temperature environment of 350 ° C. or higher must be maintained. However, if the temperature is not high enough in the area to spray urea water, the urea water is converted into a solid ammonium salt through a chemical reaction and accumulated in the urea water nozzle and exhaust pipe for supplying urea water.
  • the temperature distribution at the urea nozzle and the exhaust pipe to which urea water is supplied is very important. It is necessary to design the exhaust pipe so that the surface temperature of the exhaust pipe to which urea water is supplied is maintained at least 280 ° C. However, high energy costs are involved in maintaining a high surface temperature of the device, including exhaust gases and exhaust pipes.
  • Embodiments of the present invention are to provide a urea water ammonia conversion device to reduce the energy cost required to increase the temperature of the exhaust gas and the device by securing the reaction time in which the injected urea water stays in the hot portion.
  • embodiments of the present invention by applying the urea water ammonia conversion device to provide a urea water SSC system to effectively remove nitrogen oxides (NOx) by supplying ammonia converted from urea water to the exhaust gas.
  • NOx nitrogen oxides
  • the housing is installed in the middle of the exhaust pipe for discharging the high-temperature exhaust gas, the high temperature portion in the center of the housing is installed in the flow direction of the exhaust gas inside the housing And a partition member for partitioning into a low temperature portion of an outer portion, and a urea water nozzle installed in the housing for injecting urea water into the partition member, wherein the partition member directs the injected urea water to a central high temperature portion of the housing. To discharge.
  • the partition member is provided in the flow direction in the housing and has a first pipe having an inlet for introducing urea water injected from the urea water nozzle, and the flow direction is installed in the first pipe. It may include a second pipe.
  • the first pipe is spaced apart from the end of the second pipe by a distance (D) set in the flow direction and protruded at a distance (G) set in the radially inward direction of the housing to induce the urea injected into the center of the housing It may further include a bain.
  • the second pipe may be provided in plural and spaced apart in the flow direction, and the vane may guide the injected urea water into the spaced second pipe.
  • the second pipe may further include a convex protrusion toward the inlet.
  • the inlet may have a first diameter
  • the protrusion may have a second diameter larger than the first diameter
  • the partition member may be installed inside the housing in the flow direction and form a spiral structure in a radial cross section of the housing.
  • the partition member may define a passageway with a uniform area in the flow direction of the housing.
  • the partition member may define a passageway with an area that gradually narrows in the flow direction of the housing.
  • the partition member may be provided in plurality and spaced apart at intervals set in the flow direction of the housing.
  • the urea water SRC system includes an exhaust pipe for flowing exhaust gas, a burner generating flame with fuel and air supplied to the exhaust pipe, and an optional pipe installed at the rear of the burner.
  • a catalytic reduction (SCR) catalyst and a housing installed along the flow direction in the exhaust pipe between the burner and the SCR catalyst, and the interior of the housing is partitioned into a central hot portion and an outer cold portion by a partition member, and the burner
  • the urea water nozzle is injected into the high temperature exhaust gas through the urea water nozzle, the injected urea water is guided to the high temperature portion by the partition member, and the ammonia converted from the urea water is mixed with the exhaust gas to provide the SCR catalyst.
  • a urea water ammonia conversion device to be supplied.
  • the partition member may be provided at least one in the flow direction to guide the injected urea water at least once in the flow direction.
  • the partition member may be provided with at least one in the flow direction to guide the injected urea water in the radial direction of the housing at least once.
  • embodiments of the present invention partition the housing into the hot and cold portions with the partition member, and discharge the urea water sprayed by the urea water nozzle to the hot portion by the partition member to prolong the reaction time of the urea water staying in the hot portion. It can be secured. Therefore, the energy cost of the high temperature environment inside the housing for urea water decomposition can be reduced.
  • the partition member allows the urea water to be injected to stay in the high temperature portion for a long time, thereby accelerating the reaction of decomposing urea water into ammonia. Therefore, one embodiment of the present invention can effectively remove nitrogen oxides (NOx) from the SCR catalyst by supplying ammonia converted from urea water to the exhaust gas.
  • NOx nitrogen oxides
  • FIG. 1 is a block diagram of a urea water SR system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the urea water ammonia conversion device according to the first embodiment applied to FIG.
  • FIG. 3 is a graph showing a temperature distribution in the urea water ammonia conversion device of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the urea water ammonia conversion device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the urea water ammonia conversion apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the urea water ammonia conversion device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • a component when referred to as being 'connected' or 'connected' to another component, the component may be directly connected to or connected to the other component, but in between It will be understood that may exist.
  • a component when referred to as 'directly connected' or 'directly connected' to another component, it should be understood that there is no other component in between.
  • the term 'comprises' or 'having' is only intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more. It is to be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of other features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof.
  • 'and / or' includes any combination of the plurality of listed items or any of the plurality of listed items.
  • 'A or B' may include 'A', 'B', or 'both A and B'.
  • the urea water SRC system of one embodiment includes an exhaust pipe 10, a burner 20, a selective catalytic reduction (SCR) catalyst 30, and a urea water ammonia conversion device 1.
  • SCR selective catalytic reduction
  • the exhaust pipe 10 flows the hot exhaust gas.
  • the exhaust pipe 10 discharges and flows exhaust gas generated in an industrial site or exhaust gas generated in an engine of a vehicle and a ship.
  • the burner 20 is installed in the exhaust pipe 10 to supply fuel and air to one side to form a flame to raise the exhaust gas at a high temperature condition (for example, 350 ° C. or higher).
  • a high temperature condition for example, 350 ° C. or higher.
  • the high temperature condition of the exhaust gas makes it possible to decompose urea water in the urea water ammonia conversion device 1 and convert it to ammonia.
  • the burner 20 may not be operated. Since the burner 20 may be configured in various ways, a detailed description thereof will be omitted.
  • the selective catalytic reduction (SCR) catalyst 30 is installed in the exhaust pipe 10 at the rear of the burner 20, and utilizes the converted ammonia as a reducing agent to selectively remove nitrogen oxides (NOx) contained in the exhaust gas by selective catalytic reduction. Convert to nitrogen (N2). Therefore, the exhaust gas from which nitrogen oxide has been removed may be discharged to the exhaust pipe 10.
  • SCR selective catalytic reduction
  • the urea water ammonia conversion device 1 is installed in the exhaust pipe 10 between the burner 20 and the SCR catalyst 30, and is connected to the hot exhaust gas heated by the high temperature flame discharged from the burner 20. Urea water is injected, and urea water is hydrolyzed and converted into ammonia.
  • Ammonia converted from urea water is mixed with hot exhaust gas and supplied to the SCR catalyst 30. Therefore, the converted ammonia acts as a reducing agent in the SCR catalyst 30 to remove nitrogen oxides contained in the exhaust gas.
  • the partition member 12 is provided with at least one in the flow direction to guide the injected urea water at least once in the flow direction.
  • the urea water guided by the partition member 12 in the flow direction is led to the high temperature portion P1 and flows (see FIG. 2).
  • the urea water SRC system can effectively remove nitrogen oxides (NOx) by supplying ammonia to the exhaust gas.
  • the partition members (22, 32, 32) are provided with at least one in the flow direction so that the injected urea water is at least once in the radial direction of the housing (21, 31, 41). Induce.
  • the urea water guided in the radial direction by the partition members 22, 32 and 32 is concentrated and guided to the high temperature portions P3, P5 and P5 and flows (see FIGS. 4, 6 and 7).
  • the urea water SRC system can supply ammonia to the exhaust gas to remove nitrogen oxides (NOx) more effectively and in large quantities.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the urea water ammonia conversion device according to the first embodiment applied to FIG. 2, the urea water ammonia converting apparatus 1 of the first embodiment injects urea water into the high-temperature exhaust gas flowing through the exhaust pipe 10, hydrolyzes the urea water, and converts it into ammonia.
  • a housing 11, a partition member 12, and a urea water nozzle 13 are provided to supply ammonia and exhaust gas to the SCR catalyst 30.
  • the housing 11 is installed in the middle of the exhaust pipe 10 for discharging the high-temperature exhaust gas via the burner 20. That is, the housing 11 is connected to the exhaust pipe 10 in which the burner 20 is installed at the front, and is connected to the exhaust pipe 10 in which the SCR catalyst 30 is installed at the rear. Therefore, the hot exhaust gas via the burner 20 is supplied to the SCR catalyst 30 together with the ammonia converted in the housing 11 via the housing 11.
  • the partition member 12 is provided in the housing 11 along the flow direction of the exhaust gas (left and right directions in FIG. 2). Therefore, the inside of the housing 11 is partitioned by the partition member 12 into the center high temperature part P1 and the outer low temperature part P2. In addition, the partition member 12 guides the injected urea water to the high temperature portion P1 at the center of the radial direction of the housing 11, and discharges it to the outside of the partition member 12, that is, to the inside of the housing 11.
  • the urea water nozzle 13 is installed in the housing 11 to inject urea water into the partition member 12.
  • the partition member 12 includes a first pipe 121 and a second pipe 122 of a double pipe structure installed inside the housing 11.
  • FIG. 3 is a graph showing a temperature distribution in the urea water ammonia conversion device of FIG. 2.
  • the interior of the partition member 12 forms a high temperature portion P1 at the radial center of the housing 11, and the outside of the partition member 12 and the inner wall of the housing 11 are located between each other.
  • the low temperature part P2 is formed in the radially outer side of the housing 11.
  • the space P11 between the first pipe 121 and the second pipe 122 forms a temperature distribution lower than that of the internal space P12 of the second pipe 122. That is, the housing 11 forms the minimum temperature in the outer side of the radial direction, and forms the highest temperature in the center. Therefore, the partition member 12 induces the maximum number of urea into the inner space P12 forming the highest temperature.
  • the first pipe 121 is installed in the flow direction (left and right directions in FIG. 2) spaced apart from the inner wall of the housing 11 in the housing 11, and in the urea water nozzle 13. It is provided with an inlet 123 for introducing the urea water to be injected. Therefore, the urea water sprayed from the urea water nozzle 13 is supplied to the high temperature portion P1 inside the first pipe 121 through the inlet 123.
  • the second pipe 122 is spaced apart from the inner wall of the first pipe 121 in the first pipe 121 and is installed in the flow direction (left and right directions in FIG. 2).
  • the second pipe 122 has a protrusion 124 formed convexly toward the inlet 123. Therefore, the urea water passing through the inlet 123 collides with the protrusion 124 and is exposed to a long residence time while reciprocating in the space P11 between the first and second pipes 121 and 122.
  • the number of collisions in the space P11 between the first and second pipes 121 and 122 may be increased according to the size of the droplet of the urea water to be injected. Therefore, urea water can be heated up while staying at high temperature conditions for a longer time.
  • the urea water sprayed from the urea water nozzle 13 is supplied to the space portion P11 between the first and second pipes 121 and 122 via the inlet 123 to be heated up by a higher temperature exhaust gas, thereby providing ammonia. Is switched to.
  • the urea water passing through the inlet 123 collides with the protruding portion 124 to exhaust the high-temperature exhaust gas by a long residence time while reciprocating in the radial direction in the space P11 between the first and second pipes 121 and 122.
  • the temperature is further increased by the gas and converted to ammonia.
  • the inlet 123 has a first diameter (D1)
  • the protrusion 124 has a second diameter (D2) larger than the first diameter (D1). Therefore, the urea water sprayed from the urea water nozzle 13 flows into the inside of the first pipe 121 at the small first diameter D1 of the inlet 123, so that the large second diameter D2 of the protrusion 124 is provided. It stably collides with and does not protrude out of the inlet 123, and can stay in the space portion P11 between the first and second pipes 121 and 122 for a long time. That is, a reaction time for converting urea water into ammonia can be ensured.
  • first pipe 121 and the second pipe 122 may be provided in plural along the flow direction in the housing 11.
  • one first pipe 121 is formed to be installed inside the housing 11 to be long, and the plurality of second pipes 122 are spaced apart in the flow direction in the first pipe 121. I install it.
  • the first pipe 121 further includes a vane 125 protruding toward the second pipe 122.
  • the vane 125 is spaced apart from the end of the second pipe 122 by a distance D set in the flow direction, and protrudes inward in the radial direction of the housing 11 to set a gap G with the end of the second pipe 122. ).
  • the distance D and the space G collide with each other so that the inner space of the other second piping 122 neighboring the number of urea passing through the space P11 between the first and second piping 121 and 122. Induced by (P12), the conversion to ammonia is more smoothly.
  • the urea water impinging on the vane 125 and passing through the distance D and the gap G is exposed to a longer residence time in the high temperature portion P1, and can be further converted into hydrolysis and ammonia.
  • the first and second pipes 121 and 122 guide the urea water injected from the urea water nozzle 13 to the high temperature portion P1 higher than the outer surface temperature of the housing 11 and expose the high temperature portion P1 to the housing. It is possible to prevent the generation of solid by-products such as ammonium at the inner surface of (11).
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the urea water ammonia conversion device according to a second embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a cross-sectional view taken along the line V-V of FIG. 4 and 5, in the urea water ammonia conversion device 2 of the second embodiment, the partition member 22 is installed in the flow direction inside the housing 21 and has a radial cross section in the housing 21. To form a spiral structure.
  • the inner side of the partition member 22 forms the high temperature portion P3 at the center of the housing 21, and the outer side of the partition member 22 forms the low temperature portion P4 outside the housing 21.
  • the helical structure impinges the urea water injected from the urea water nozzle 23 onto the partition member 22 to guide the urea water to the center of the partition member 22 and the housing 21, and the residence time of the urea water in the high temperature portion P3. Lengthen.
  • the partition member 22 forms a passage of uniform area in the flow direction of the housing 21 (left and right directions in FIG. 4). Therefore, the urea water guided to the center is led to the high temperature portion P3 while being heated in the flow direction by the high temperature exhaust gas, and is heated to be converted to ammonia.
  • the partition member 22 may further include a protrusion 224 protruding toward the urea water nozzle 23.
  • a protrusion 224 protruding toward the urea water nozzle 23.
  • the protruding portion 224 collides with the urea water injected from the urea water nozzle 23 to guide the urea water further along the helical structure to the central high temperature portion P3, thereby further increasing the amount of urea remaining in the high temperature portion P3. have.
  • the urea water impinging on the partition member 22 and the protrusion 224 and led to the center can be exposed to a longer residence time in the hot portion P3, which can be further converted into hydrolysis and ammonia.
  • the partition member 22 guides the urea water injected from the urea water nozzle 23 to the high temperature portion P3 higher than the outer surface temperature of the housing 21 and exposes the high temperature portion P3 to the inner surface of the housing 21. It is possible to prevent the generation of by-products such as ammonium in the solid state.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the urea water ammonia conversion apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • the partition member 32 forms a passageway with an area gradually narrowing in the flow direction of the housing 31.
  • the inner side of the partition member 32 forms the high temperature part P5 and the outer side forms the low temperature part P6.
  • the helical structure impinges the urea water injected from the urea water nozzle 33 onto the partition member 32, leading it to the center of the partition member 32 and the housing 31, and the residence time of the urea water in the high temperature portion P5. Lengthen.
  • the injected urea water is guided in the flow direction by the flow field of the high-temperature exhaust gas to the central high temperature portion P5 by the partition member 32 of the spiral structure, and concentrated in the center of the partition member 32 and the housing 31. Can be. Therefore, since urea water is intensively exposed to the highest temperature region of the high temperature portion P5, the urea water may be more easily decomposed into elevated temperature and ammonia.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the urea water ammonia conversion device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • a plurality of partition members 32 are provided and spaced apart at intervals G4 set in the flow direction of the housing 41.
  • a plurality of partition members 32 are provided in the housing 41, and a urea water nozzle 33 is provided in each partition member 32. Accordingly, the urea water injected from each urea nozzle 33 is led to the central high temperature portion P5 together with the exhaust gas by each of the partition members 32 of the spiral structure arranged in series.
  • Urea water is guided sequentially along the flow direction by the plurality of partition members 32 in the housing 31. Therefore, the urea water ammonia conversion device 4 of the fourth embodiment can be effectively applied to the enlargement of supplying a large amount of urea water to convert a large amount of ammonia.
  • SCR selective catalytic reduction
  • P2, P4, P6 Low temperature part P11, P12: Space part
  • G interval G4: interval

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Abstract

요소수 암모니아 전환 장치 및 요소수 에스씨알 시스템이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 요소수 암모니아 전환 장치는 고온의 배기가스를 배출하는 배기관의 도중에 설치되는 하우징, 상기 하우징의 내부에서 배기가스의 유동 방향으로 설치되어 상기 하우징의 내부를 중심의 고온부와 외곽의 저온부로 구획하는 구획 부재, 및 상기 하우징에 설치되어 상기 구획 부재의 내측으로 요소수를 분사하는 요소수 노즐을 포함하며, 상기 구획 부재는 분사된 요소수를 상기 하우징의 중심 고온부로 유도하여 배출한다.

Description

요소수 암모니아 전환 장치 및 이를 이용한 요소수 에스씨알 시스템
본 발명은 요소수 암모니아 전환 장치 및 이를 이용한 요소수 에스씨알 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 제거하기 위하여, 요소수를 암모니아로 전환하는 요소수 암모니아 전환 장치 및 이를 이용한 요소수 에스씨알 시스템에 관한 것이다.
질소산화물(NOx)을 제거함에 있어 선택적 촉매 환원(SCR, selective catalytic reduction) 반응이 적용되고 있다. SCR 반응에는 환원제가 요구된다. 암모니아(암모니아수) 또는 요소(요소수)가 산업현장에서 환원제로 활용되고 있다.
암모니아수는 이동 운반 및 저장 시 안전상 취약한 문제점을 가진다. 따라서 자동차 및 선박 등과 같은 이동원에 요소수가 환원제로 많이 사용되고 있다. 요소수는 고온에서 가수 분해(hydrolysis)되어 암모니아로 전환된다.
요소수가 암모니아로 빠르게 전환되려면 350℃ 이상의 고온의 환경이 유지되어야 한다. 그러나 요소수를 분사하는 영역에서 온도가 충분히 높지 못할 경우, 요소수가 화학반응을 통해 고상의 암모늄염으로 변화되어 요소수를 공급하는 요소수 노즐 및 배기관에 쌓이게 된다.
이러한 현상이 지속될 경우, 요소수 공급 계통에 문제가 발생된다. 요소수를 공급되는 요소수 노즐 및 배기관에서의 온도 분포가 매우 중요하다. 요소수가 공급되는 배기관의 표면 온도는 최소 280℃ 이상 유지되도록 배기관을 설계할 필요가 있다. 그러나 배기가스 및 배기관을 포함한 장치의 표면 온도를 높게 유지하기 위해서는 높은 에너지 비용이 수반된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명의 실시예들은 분사되는 요소수가 고온부에 체류하는 반응 시간을 확보하여, 배기가스 및 장치의 온도를 높이기 위하여 소요되는 에너지 비용을 감소시키는 요소수 암모니아 전환 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 상기 요소수 암모니아 전환 장치를 적용하여 요소수로부터 전환된 암모니아를 배기가스에 공급하여 질소산화물(NOx)을 효과적으로 제거하는 요소수 에스씨알 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 요소수 암모니아 전환 장치는, 고온의 배기가스를 배출하는 배기관의 도중에 설치되는 하우징, 상기 하우징의 내부에서 배기가스의 유동 방향으로 설치되어 상기 하우징의 내부를 중심의 고온부와 외곽의 저온부로 구획하는 구획 부재, 및 상기 하우징에 설치되어 상기 구획 부재의 내측으로 요소수를 분사하는 요소수 노즐을 포함하며, 상기 구획 부재는 분사된 요소수를 상기 하우징의 중심 고온부로 유도하여 배출한다.
상기 구획 부재는, 상기 하우징의 내부에 상기 유동 방향으로 설치되고 상기 요소수 노즐에서 분사되는 요소수를 유입하는 유입구를 구비하는 제1배관, 및 상기 제1배관의 내부에 상기 유동 방향으로 설치되는 제2배관을 포함할 수 있다.
상기 제1배관은 상기 제2배관의 끝에서 상기 유동 방향으로 설정된 거리(D)로 이격되고 상기 하우징의 직경 방향 내측으로 설정된 간격(G)으로 돌출되어 상기 하우징의 중심으로 분사된 요소수를 유도하는 배인을 더 포함할 수 있다.
상기 제2배관은 복수로 구비되어 상기 유동 방향으로 이격되어 설치되고, 상기 배인은 분사된 요소수를 이격된 제2배관의 내부로 유도할 수 있다.
상기 제2배관은 상기 유입구를 향하여 볼록한 돌출부를 더 포함할 수 있다.
상기 유입구는 제1직경을 가지며, 상기 돌출부는 상기 제1직경보다 큰 제2직경을 가질 수 있다.
상기 구획 부재는 상기 하우징의 내부에 상기 유동 방향으로 설치되고 상기 하우징의 직경 방향의 단면에서 나선형 구조를 형성할 수 있다.
상기 구획 부재는 상기 하우징의 유동 방향에서 균일 면적으로 통로를 형성할 수 있다.
상기 구획 부재는 상기 하우징의 유동 방향에서 점진적으로 좁아지는 면적으로 통로를 형성할 수 있다.
상기 구획 부재는 복수로 구비되어 상기 하우징의 유동 방향에서 설정된 간격으로 이격되어 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 요소수 에스씨알 시스템은, 배기가스를 유동시키는 배기관, 상기 배기관에 설치되어 공급되는 연료와 공기로 화염을 생성하는 버너, 상기 버너의 후방에서 상기 배기관에 설치되는 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매, 및 상기 버너와 상기 SCR 촉매 사이의 상기 배기관에 유동 방향을 따라 하우징으로 설치되고, 상기 하우징의 내부를 구획 부재로 중심의 고온부와 외곽의 저온부로 구획하며, 상기 버너를 경유한 고온의 배기가스에 요소수 노즐로 요소수를 분사하고, 분사된 요소수를 상기 구획 부재에 의하여 상기 고온부로 유도하며, 요소수에서 전환된 암모니아를 배기가스와 혼합하여, 상기 SCR 촉매에 공급하는 요소수 암모니아 전환 장치를 포함한다.
상기 구획 부재는 상기 유동 방향에서 적어도 하나로 구비되어 분사된 요소수를 적어도 한번 유동 방향으로 유도할 수 있다.
상기 구획 부재는 상기 유동 방향에서 적어도 하나로 구비되어 분사된 요소수를 적어도 한번 상기 하우징의 직경 방향으로 유도할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들은 구획 부재로 하우징을 고온부와 저온부로 구획하고, 요소수 노즐로 분사되는 요소수를 구획 부재에 의하여 고온부로 유도하여 배출하므로 요소수가 고온부에 체류하는 반응 시간을 길게 확보할 수 있다. 따라서 요소수 분해를 위하여 하우징 내부의 고온 환경 조성에 소요되는 에너지 비용이 감소될 수 있다.
즉, 구획 부재는 분사되는 요소수를 고온부에 장시간 머무르게 하므로 요소수를 암모니아로 분해하는 반응을 가속화시킬 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예는 요소수에서 전환된 암모니아를 배기가스에 공급하여 SCR 촉매에서 질소산화물(NOx)을 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 요소수 에스씨알 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 제1실시예에 따른 요소수 암모니아 전환 장치의 단면도이다.
도 3은 도 2의 요소수 암모니아 전환 장치에서의 온도 분포를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 요소수 암모니아 전환 장치의 단면도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 선에 따른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 요소수 암모니아 전환 장치의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 요소수 암모니아 전환 장치의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 명세서에서, 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
또한 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로써, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용되는 것이 아니다.
또한 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한 본 명세서에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한 본 명세서에서, '및/또는' 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 본 명세서에서, 'A 또는 B'는, 'A', 'B', 또는 'A와 B 모두'를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 요소수 에스씨알 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예의 요소수 에스씨알 시스템은 배기관(10), 버너(20), 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매(30) 및 요소수 암모니아 전환 장치(1)를 포함한다.
배기관(10)은 고온의 배기가스를 유동시킨다. 예를 들면, 배기관(10)은 산업현장에서 발생되는 배기가스나 자동차 및 선박의 엔진에서 발생되는 배기가스를 배출 및 유동시킨다.
버너(20)는 배기관(10)에 설치되어 일측으로 연료와 공기를 공급받아 화염을 형성하여 배기가스를 고온 조건(예를 들면, 350℃ 이상)으로 승온시킨다. 배기가스의 고온 조건은 요소수 암모니아 전환 장치(1)에서 요소수를 분해하여 암모니아로 전환될 수 있게 한다.
버너(20)로 유입되는 배기가스가 요소수를 암모니아로 가수분해하기에 충분히 승온된 고온의 경우라면, 버너(20)는 작동되지 않을 수 있다. 이러한 버너(20)는 다양하게 구성될 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
선택적 촉매 환원(SCR) 촉매(30)는 버너(20)의 후방에서 배기관(10)에 설치되어, 전환된 암모니아를 환원제로 활용하여 선택적 촉매 환원 작용으로 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 질소(N2)로 변환시킨다. 따라서 질소산화물이 제거된 배기가스는 배기관(10)으로 배출될 수 있다.
이를 위하여, 요소수 암모니아 전환 장치(1)는 버너(20)와 SCR 촉매(30) 사이의 배기관(10)에 설치되어, 버너(20)에서 토출되는 고온의 화염으로 가열된 고온의 배기가스에 요소수를 분사하고, 요소수를 가수분해하여 암모니아로 전환시킨다.
요소수로부터 전환된 암모니아는 고온의 배기가스와 혼합되어 SCR 촉매(30)로 공급된다. 따라서 전환된 암모니아는 SCR 촉매(30)에서 환원제로 작용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거한다.
요소수 암모니아 전환 장치(1)에서, 구획 부재(12)는 유동 방향에서 적어도 하나로 구비되어 분사된 요소수를 적어도 한번 유동 방향으로 유도한다. 구획 부재(12)에 의하여 유동 방향으로 유도되는 요소수는 고온부(P1)로 유도되어 유동된다(도 2 참조).
따라서 배기가스 및 요소수 암모니아 전환 장치(1)의 온도를 높이기 위하여 소요되는 에너지 비용이 감소된다. 요소수 에스씨알 시스템은 암모니아를 배기가스에 공급하여 질소산화물(NOx)을 효과적으로 제거할 수 있다.
요소수 암모니아 전환 장치(2, 3, 4)에서, 구획 부재(22, 32, 32)는 유동 방향에서 적어도 하나로 구비되어 분사된 요소수를 적어도 한번 하우징(21, 31, 41)의 직경 방향으로 유도한다. 구획 부재(22, 32, 32)에 의하여 직경 방향으로 유도되는 요소수는 고온부(P3, P5, P5)로 집중 유도되어 유동된다(도 4, 도 6 및 도 7 참조).
따라서 배기가스 및 요소수 암모니아 전환 장치(2, 3, 4)의 온도를 높이기 위하여 소요되는 에너지 비용이 더욱 감소된다. 요소수 에스씨알 시스템은 암모니아를 배기가스에 공급하여 질소산화물(NOx)을 더욱 효과적으로 및 대량으로 제거할 수 있다.
도 2는 도 1에 적용되는 제1실시예에 따른 요소수 암모니아 전환 장치의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 제1실시예의 요소수 암모니아 전환 장치(1)는 배기관(10)을 유동하는 고온의 배기가스에 요소수를 분사하고, 요소수를 가수분해하여 암모니아로 전환하며, 전환된 암모니아와 배기가스를 SCR 촉매(30)로 공급하도록 하우징(11), 구획 부재(12) 및 요소수 노즐(13)을 포함한다.
하우징(11)은 버너(20)를 경유한 고온의 배기가스를 배출하는 배기관(10)의 도중에 설치된다. 즉 하우징(11)은 전방으로 버너(20)가 설치된 배기관(10)에 연결되고, 후방으로 SCR 촉매(30)가 설치된 배기관(10)에 연결된다. 따라서 버너(20)를 경유한 고온의 배기가스는 하우징(11)을 경유하여 하우징(11) 내에서 전환된 암모니아와 함께 SCR 촉매(30)로 공급된다.
구획 부재(12)는 하우징(11)의 내부에서 배기가스의 유동 방향(도 2의 좌우방향)을 따라 설치된다. 따라서 하우징(11)의 내부는 구획 부재(12)에 의하여 중심의 고온부(P1)와 외곽의 저온부(P2)로 구획된다. 또한 구획 부재(12)는 분사된 요소수를 하우징(11)의 직경 방향 중심의 고온부(P1)로 유도하여, 구획 부재(12)의 외부, 즉 하우징(11)의 내부로 배출한다.
요소수 노즐(13)은 하우징(11)에 설치되어 구획 부재(12)의 내측으로 요소수를 분사한다. 이를 위하여, 구획 부재(12)는 하우징(11)의 내부에 설치되는 이중 배관 구조의 제1배관(121)과 제2배관(122)을 포함한다.
도 3은 도 2의 요소수 암모니아 전환 장치에서의 온도 분포를 도시한 그래프이다. 도 3을 참조하면, 구획 부재(12)의 내부는 하우징(11)의 직경 방향 중심에서 고온부(P1)를 형성하고, 구획 부재(12)의 외부와 하우징(11)의 내벽은 서로의 사이에 하우징(11)의 직경 방향 외곽에서 저온부(P2)를 형성한다.
고온부(P1)에서 제1배관(121)과 제2배관(122) 사이 공간부(P11)는 제2배관(122)의 내부 공간부(P12)보다 낮은 온도 분포를 형성한다. 즉 하우징(11)은 직경 방향의 외측에서 최저 온도를 형성하고, 중심에서 최고 온도를 형성한다. 따라서 구획 부재(12)는 최고 온도를 형성하는 내부 공간부(P12)로 요소수를 최대한 유도한다.
다시 도 2를 참조하면, 제1배관(121)은 하우징(11)의 내부에서 하우징(11)의 내벽과 이격되어 유동 방향(도 2의 좌우 방향)으로 설치되고, 요소수 노즐(13)에서 분사되는 요소수를 유입하는 유입구(123)를 구비한다. 따라서 요소수 노즐(13)에서 분사되는 요소수는 유입구(123)를 경유하여 제1배관(121)의 내부인 고온부(P1)로 공급된다.
제2배관(122)은 제1배관(121)의 내부에서 제1배관(121)의 내벽과 이격되어 유동 방향(도 2의 좌우 방향)으로 설치된다. 제2배관(122)은 유입구(123)를 향하여 볼록하게 형성되는 돌출부(124)를 구비한다. 따라서 유입구(123)를 경유하는 요소수는 돌출부(124)에 충돌되어 제1, 제2배관(121, 122)의 사이 공간부(P11)에서 왕복하면서 긴 체류 시간에 노출된다.
분사되는 요소수의 액적의 크기에 따라 제1, 제2배관(121, 122) 사이 공간부(P11)에서 충돌되는 회수가 증가될 수 있다. 따라서 요소수는 고온의 조건에 더욱 장시간 체류되면서 승온될 수 있다.
요소수 노즐(13)에서 분사되는 요소수는 유입구(123)를 경유하여 제1, 제2배관(121, 122)의 사이 공간부(P11)로 공급되어 더욱 고온의 배기가스에 의하여 승온되면서 암모니아로 전환된다. 또한 유입구(123)를 경유한 요소수는 돌출부(124)에 충돌되어 제1, 제2배관(121, 122) 사이의 공간부(P11)에서 직경 방향으로 왕복하면서 긴 체류 시간에 의하여 고온의 배기가스에 의하여 더욱 승온되면서 암모니아로 전환된다.
이때, 유입구(123)는 제1직경(D1)을 가지고, 돌출부(124)는 제1직경(D1)보다 큰 제2직경(D2)을 가진다. 따라서 요소수 노즐(13)에서 분사되는 요소수는 유입구(123)의 작은 제1직경(D1)으로 제1배관(121)의 내부로 유입되어, 돌출부(124)의 큰 제2직경(D2)에 안정적으로 충돌되어 유입구(123) 밖으로 튀어나가지 않고, 제1, 제2배관(121, 122)의 사이 공간부(P11)에 장시간 체류할 수 있다. 즉 요소수에서 암모니아로의 전환되는 반응 시간이 확보될 수 있다.
한편, 이와 같이 제1배관(121)과 제2배관(122)은 하우징(11) 내에서 유동 방향을 따라 복수로 구비될 수 있다. 제1실시예는 하우징(11)의 내부에 하나의 제1배관(121)을 길게 형성하여 설치하고, 제1배관(121)의 내부에 복수의 제2배관(122)을 유동 방향으로 이격하여 설치하고 있다.
제1배관(121)은 제2배관(122)을 향하여 돌출되는 배인(125)을 더 포함한다. 배인(125)은 제2배관(122)의 끝에서 유동 방향으로 설정된 거리(D)로 이격되고, 하우징(11)의 직경 방향 내측으로 돌출되어 제2배관(122)의 끝과 설정된 간격(G)을 형성한다.
제2배관(122) 끝과 배인(125) 사이에 설정되는 거리(D) 및 간격(G)은 돌출부(124)에 충돌되어 제1, 제2배관(121, 122)의 사이 공간부(P11)를 경유하는 요소수를 고온부(P1)의 중심, 즉 공간부(P12)로 유도한다.
즉 거리(D) 및 간격(G)은 충돌되어 제1, 제2배관(121, 122)의 사이 공간부(P11)를 경유하는 요소수를 이웃하는 다른 제2배관(122)의 내부 공간부(P12)로 유도하여, 암모니아로의 전환 반응을 더욱 원활하게 한다.
따라서 배인(125)에 충돌되어 거리(D) 및 간격(G)을 경유하는 요소수는 고온부(P1)에서 더욱 긴 체류 시간에 노출되어, 가수분해 및 암모니아로 더욱 전환될 수 있다.
그리고 제1, 제2배관(121, 122)은 요소수 노즐(13)에서 분사되는 요소수를 하우징(11)의 외표면 온도보다 높은 고온부(P1)로 유도하고 고온부(P1)에 노출시키므로 하우징(11)의 내표면에서 암모늄과 같은 고상의 부산물이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이하 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 편의상, 제1실시예 및 기 설명된 실시예들과 비교하여, 동일한 구성을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 요소수 암모니아 전환 장치의 단면도이고, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 선에 따른 단면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 제2실시예의 요소수 암모니아 전환 장치(2)에서, 구획 부재(22)는 하우징(21)의 내부에 유동 방향으로 설치되고 하우징(21)의 직경 방향의 단면에서 나선형 구조를 형성한다.
구획 부재(22)의 내측은 하우징(21) 중심의 고온부(P3)를 형성하고, 구획 부재(22)의 외측은 하우징(21) 외곽의 저온부(P4)를 형성한다. 나선형 구조는 요소수 노즐(23)에서 분사된 요소수를 구획 부재(22)에 충돌시켜, 구획 부재(22) 및 하우징(21)의 중심으로 유도하며, 고온부(P3)에서 요소수의 체류 시간을 길게 한다.
구획 부재(22)는 하우징(21)의 유동 방향(도 4의 좌우 방향)에서 균일 면적의 통로를 형성한다. 따라서 중심으로 유도되는 요소수는 고온의 배기가스에 의하여 유동 방향으로 유동되면서 고온부(P3)로 유도되어 승온되고, 암모니아로 전환된다.
구획 부재(22)는 요소수 노즐(23)을 향하여 돌출되는 돌출부(224)를 더 구비할 수 있다. 요소수 노즐(23)이 복수로 구비될 때, 돌출부(224)도 복수로 구비되어 각 요소수 노즐(23)에 대응할 수 있다.
돌출부(224)는 요소수 노즐(23)에서 분사되는 요소수를 충돌시켜 나선형 구조를 따라 중심의 고온부(P3)로 더 유도시켜, 고온부(P3)에 체류하는 요소수의 양을 더욱 증대시킬 수 있다.
따라서 구획 부재(22) 및 돌출부(224)에 충돌되어 중심으로 유도되는 요소수는 고온부(P3)에서 더욱 긴 체류 시간에 노출되어, 가수분해 및 암모니아로 더욱 전환될 수 있다.
그리고 구획 부재(22)는 요소수 노즐(23)에서 분사되는 요소수를 하우징(21)의 외표면 온도보다 높은 고온부(P3)로 유도하고 고온부(P3)에 노출시키므로 하우징(21)의 내표면에서 암모늄과 같은 고상의 부산물이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 요소수 암모니아 전환 장치의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 제3실시예의 요소수 암모니아 전환 장치(3)에서, 구획 부재(32)는 하우징(31)의 유동 방향에서 점진적으로 좁아지는 면적으로 통로를 형성한다.
구획 부재(32)의 내측은 고온부(P5)를 형성하고 외측은 저온부(P6)를 형성한다. 나선형 구조는 요소수 노즐(33)에서 분사된 요소수를 구획 부재(32)에 충돌시켜, 구획 부재(32) 및 하우징(31)의 중심으로 유도하며, 고온부(P5)에서 요소수의 체류 시간을 길게 한다.
분사된 요소수는 나선형 구조의 구획 부재(32)에 의하여 중심의 고온부(P5)로 고온의 배기가스의 유동장에 의하여 유동 방향으로 유도되며, 구획 부재(32) 및 하우징(31)의 중심으로 집중될 수 있다. 따라서 요소수는 고온부(P5)의 가장 높은 온도 영역에 집중적으로 노출되므로 더욱 원활하게 승온 및 암모니아로 분해될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 요소수 암모니아 전환 장치의 단면도이다. 도 7을 참조하면, 제4실시예의 요소수 암모니아 전환 장치(4)에서, 구획 부재(32)는 복수로 구비되어 하우징(41)의 유동 방향에서 설정된 간격(G4)으로 이격 설치된다.
구획 부재(32)가 하우징(41)에 복수로 구비되고, 요소수 노즐(33)이 각 구획 부재(32)에 구비된다. 따라서 각각의 요소수 노즐(33)에서 분사된 요소수는 직렬로 배치되는 나선형 구조의 구획 부재들(32) 각각에 의하여 배기가스와 함께 중심의 고온부(P5)로 유도된다.
요소수는 하우징(31) 내에서 복수의 구획 부재들(32)에 의하여 유동 방향을 따라서 순차적으로 유도된다. 따라서 제4실시예의 요소수 암모니아 전환 장치(4)는 대량의 요소수를 공급하여 대량의 암모니아로 전환하는 대형화에 효과적으로 적용될 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
- 부호의 설명 -
1, 2, 3, 4: 요소수 암모니아 전환 장치 10: 배기관
11, 21, 31, 41: 하우징 12, 22, 32: 구획 부재
13, 23: 요소수 노즐 20: 버너
30: 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매 121: 제1배관
122: 제2배관 123: 유입구
124, 224: 돌출부 125: 배인
D: 거리 D1: 제1직경
D2: 제2직경 P1, P3, P5: 고온부
P2, P4, P6: 저온부 P11, P12: 공간부
G: 간격 G4: 간격

Claims (13)

  1. 고온의 배기가스를 배출하는 배기관의 도중에 설치되는 하우징;
    상기 하우징의 내부에 설치되고, 배기가스의 유동 방향으로 연장되어 상기 하우징의 내부를 중심의 고온부와 외곽의 저온부로 구획하는 구획 부재; 및
    상기 하우징에 설치되어 상기 구획 부재의 내측으로 요소수를 분사하는 요소수 노즐;
    을 포함하며,
    상기 구획 부재는
    분사된 요소수를 상기 하우징의 중심 고온부로 유도하여 배출하는 요소수 암모니아 전환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구획 부재는
    상기 요소수 노즐에서 분사되는 요소수를 유입하는 유입구를 구비하는 제1배관, 및
    상기 제1배관의 내부에 설치되고, 상기 유동 방향으로 연장되는 제2배관
    을 포함하는 요소수 암모니아 전환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1배관은
    상기 제2배관의 끝에서 상기 유동 방향으로 설정된 거리(D)만큼 이격되고, 상기 하우징의 직경 방향 내측으로 설정된 간격(G)만큼 돌출되어 상기 하우징의 중심으로 분사된 요소수를 유도하는 배인
    을 더 포함하는 요소수 암모니아 전환 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2배관은
    복수로 구비되어 상기 유동 방향으로 이격되어 설치되고,
    상기 배인은
    분사된 요소수를 이격된 제2배관의 내부로 유도하는 요소수 암모니아 전환 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2배관은
    상기 유입구를 향하여 볼록한 돌출부를 더 포함하는 요소수 암모니아 전환 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유입구는 제1직경을 가지며,
    상기 돌출부는 상기 제1직경보다 큰 제2직경을 가지는 요소수 암모니아 전환 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 구획 부재는
    상기 하우징의 내부에 설치되고, 상기 유동 방향으로 연장되며, 상기 하우징의 직경 방향의 단면에서 나선형 구조를 형성하는 요소수 암모니아 전환 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 구획 부재는
    상기 하우징의 유동 방향을 따라 균일 면적으로 통로를 형성하는 요소수 암모니아 전환 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 구획 부재는
    상기 하우징의 유동 방향을 따라 점진적으로 좁아지는 면적으로 통로를 형성하는 요소수 암모니아 전환 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 구획 부재는
    복수로 구비되어 상기 하우징의 유동 방향에서 설정된 간격으로 이격되어 설치되는 요소수 암모니아 전환 장치.
  11. 배기가스를 유동시키는 배기관;
    상기 배기관에 설치되어 공급되는 연료와 공기로 화염을 생성하는 버너;
    상기 버너의 후방에서 상기 배기관에 설치되는 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매; 및
    상기 버너와 상기 SCR 촉매 사이의 상기 배기관에 설치된 하우징을 포함하고, 상기 하우징의 내부를 구획 부재로 중심의 고온부와 외곽의 저온부로 구획하며, 상기 버너를 경유한 고온의 배기가스에 요소수 노즐로 요소수를 분사하고, 분사된 요소수가 상기 구획 부재에 의하여 상기 고온부로 유도되며, 요소수에서 전환된 암모니아를 배기가스와 혼합하여 상기 SCR 촉매에 공급하는 요소수 암모니아 전환 장치;
    를 포함하는 요소수 에스씨알 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 구획 부재는
    상기 유동 방향에서 적어도 하나로 구비되어 분사된 요소수를 적어도 한번 유동 방향으로 유도하는 요소수 에스씨알 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 구획 부재는
    상기 유동 방향에서 적어도 하나로 구비되어 분사된 요소수를 적어도 한번 상기 하우징의 직경 방향으로 유도하는 요소수 에스씨알 시스템.
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