WO2019203453A1 - 질소산화물 처리용 scr시스템의 환원제 공급장치 - Google Patents

질소산화물 처리용 scr시스템의 환원제 공급장치 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a reductant supply apparatus for an SCR system for treating nitrogen oxides, wherein a dual structure decomposition pipe having an inner / outer decomposition passage and an inner burner connected thereto are installed in an exhaust pipe, thereby increasing the thermal decomposition efficiency of the reducing agent.
  • a reducing agent supply apparatus for an SCR system for treating nitrogen oxides is provided.
  • the exhaust gas of a diesel engine for ships or offshore plants contains nitrogen oxides (NOx), which is a selective catalytic reduction (SCR) system for removing nitrogen oxides from the exhaust gases of engines for ships or offshore plants. This is widely used.
  • NOx nitrogen oxides
  • SCR selective catalytic reduction
  • the SCR system that is, a selective catalytic reduction (SCR) system, passes nitrogen gas and a reducing agent through a reactor in which a catalyst is installed therein, and reacts nitrogen oxide contained in the exhaust gas with a reducing agent. It is supposed to be reduced with nitrogen and water vapor.
  • SCR selective catalytic reduction
  • urea Urea
  • NH3 ammonia
  • an injector for injecting urea or ammonia is provided in the exhaust pipe.
  • the exhaust gas flowing in the exhaust pipe has a temperature of about 200 to 280 ° C., and thus clogging due to by-products generated as the urea is decomposed. There was a problem that the phenomenon and undegraded urea was deposited on the SCR catalyst.
  • the distance from the injector to the SCR catalyst must have a predetermined length so that the urea can be converted to ammonia by the heat of the exhaust gas, so that the length of the entire exhaust pipe becomes longer. There was a problem.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Registration No. 10-1519173 (2015.05.04)
  • Patent Document 2 Republic of Korea Patent Registration No. 10-1497828 (2015.05.04)
  • Patent Document 3 Republic of Korea Patent Registration No. 10-1402375 (2014.05.26)
  • Patent Document 4 Korean Laid-Open Patent Publication No. 10-2004-0078751 (2004.09.13)
  • An object of the present invention is to provide nitrogen oxide treatment which can selectively perform the SCR operation and regular catalyst regeneration operation according to the opening and closing of the damper, so that the inner structure of the double burner with the inner burner and the damper is installed in the exhaust pipe, respectively. It is to provide a reducing agent supply device of the SCR system.
  • the present invention relates to a reducing agent supplying apparatus of an SCR system connected to an exhaust pipe provided at a rear end of a turbocharger and supplying a reducing agent to an SCR catalyst installed in the exhaust pipe;
  • the reducing agent supply apparatus the double-structured decomposition pipe disposed in the coaxial direction in the doubling pipe and having a discharge port open to communicate with the exhaust pipe inside;
  • An inner burner installed at one end of the dual structure decomposition pipe;
  • a damper installed at the other end of the dual structure decomposition pipe;
  • a damper driver installed to be positioned outside the exhaust pipe to open and close the damper; It is installed so as to be located between the inner burner and the damper, the injection unit for injecting a reducing agent into the dual structure decomposition pipe; including, the SCR operation or catalyst regeneration operation is selectively performed according to the opening and closing of the damper.
  • the present invention is to provide a dual structure cracking tube and the inner burner in the exhaust pipe, it is possible to reduce the fuel and heat loss consumed in the inner burner, to maximize the activation efficiency of the SCR catalyst and purification of the exhaust gas This has the effect of facilitating control over the injection amount of the reducing agent.
  • the dual structured disassembly tube and the inner burner are located in the exhaust pipe, which makes it possible to miniaturize, reduce the pipe length of the entire exhaust system, reduce the installation space, and increase the space utilization of other devices in the vessel. It can be effective.
  • the damper is installed in the dual-structure cracking tube, and can shorten the distance between the inner burner and the SCR catalyst during the SCR catalyst regeneration operation, thereby reducing the temperature increase time required for catalyst regeneration to 400-450 ° C., It is possible to reduce operating fuel costs and to create an optimum catalyst state capable of SCR operation by quickly completing a regeneration process of a contaminated SCR catalyst.
  • Reducing agent supply apparatus is easy to control the temperature of 380 °C or more, when pyrolysis of urea, there is an effect that does not produce polymer by-products difficult to decompose.
  • the urea injection SCR operation and the periodic catalytic regeneration operation can be selectively used according to the opening and closing of the damper.
  • the decomposition catalyst is installed in the outer decomposition passage of the double-structured decomposition pipe, so that particulate matter, fine dust (PM), SOx, and other contaminants in the exhaust gas are urea during the SCR catalyst regeneration due to the damper opening. Since it does not flow in the decomposition catalyst direction, it is effective in extending the life of the urea decomposition catalyst and protecting the catalyst.
  • the present invention is to be provided with a cooling flow path in the rotary shaft integrated in the damper, preventing hot heat from being transferred into the damper driver through the rotary shaft, thereby improving the operating force of the damper driver, and maintains constant performance for a long time. As a result, the damper can be safely opened and closed.
  • the porous plate is provided on the discharge port side of the dual-structure cracking tube, so that the reducing agent decomposition product and the engine exhaust gas are uniformly mixed.
  • the dual-structure cracking tube is provided with an inner cracking passage and an outer cracking passage, so that a stagnation time for spraying the reducing agent may be sufficiently secured.
  • the thermal decomposition and discharge of the reducing agent may be easily performed. It works.
  • Figure 3 is an exemplary view showing the configuration of a dual-structure decomposition tube according to the present invention
  • FIG 4 is an exemplary view showing the action of closing the damper according to the present invention.
  • Figure 5 is another exemplary view showing the action of closing the damper according to the present invention.
  • Figure 6 is an exemplary view showing the action according to the opening of the damper according to the present invention.
  • Figure 7 is another exemplary view showing the action according to the opening of the damper according to the present invention.
  • FIG. 1 is an exemplary view showing an overall flow configuration according to the present invention
  • Figure 2 is an exemplary view showing a configuration according to the present invention
  • Figure 3 is an exemplary view showing a configuration of a double-structure decomposition pipe according to the present invention
  • Figure 4 is an exemplary view showing the action according to the closing of the damper according to the present invention
  • Figure 5 is another exemplary view showing the action according to the closing of the damper according to the present invention
  • Figure 6 is an opening of the damper according to the present invention
  • Figure 7 shows another exemplary view showing the action according to the opening of the damper according to the present invention
  • the present invention relates to a reducing agent supplying apparatus of an SCR system connected to an exhaust pipe provided at a rear end of a turbocharger and supplying a reducing agent to an SCR catalyst installed in the exhaust pipe;
  • the reducing agent supply apparatus 100 includes a double-structured decomposition pipe 10 having a discharge port 11 disposed coaxially in the double pipe 200 and open to communicate with the inside of the exhaust pipe; An inner burner 20 installed at one end of the dual structure disassembling tube; A damper (30) installed at the other end of the dual structure pipe; A damper driver 40 installed to be located outside the exhaust pipe to open and close the damper; It is installed so as to be located between the inner burner and the damper injection unit 50 for injecting a reducing agent into the double-structure decomposition pipe; including, is configured to selectively perform the SCR operation or catalyst regeneration operation in accordance with the opening and closing of the damper.
  • the exhaust pipe 200 is connected to the rear of the turbocharger so that the exhaust gas discharged from the engine 500 flows in through the turbocharger 400.
  • the exhaust gas flowing into the exhaust pipe through the turbocharger is usually provided with about 200 ⁇ 280 °C.
  • the dual structure cracking tube 10 has a central cracking tube 60 disposed coaxially in the exhaust pipe and a central cracking so that the other end of the central cracking tube is located therein. Wrapping the other end of the tube consists of a central decomposition tube and the outer tube (70) is installed in a double tube structure.
  • the central decomposition pipe 60 has a pipe shape having an internal decomposition passage 61 therein, and an inner burner 20 is connected to one end 62 positioned in the turbocharger direction, and an SCR catalyst ( The other end 63 positioned in the direction 300 is open to communicate with the inside of the outer disassembling tube 70.
  • the outer crack pipe 70 has one end 72 positioned in the turbocharger 400 direction so that the outer crack pipe 71 is provided between the core crack pipe 60 and the central crack pipe 60.
  • the damper 30 is provided at the other end 73 located in the SCR catalyst 300 direction.
  • the dual-structure cracking tube 10 is provided with the central cracking tube 60 and the outer cracking tube 70 coaxially with the exhaust pipe 200 and the inner surface of the outer cracking tube.
  • the central cracking tube 60 and the outer cracking tube 70 are integrally supported by a plurality of ribs 13 so that an outer cracking passage 71 is formed between the 70a and the outer surface 60a of the cracking tube. have.
  • the dual structure decomposition pipe 10 configured as described above has a double structure in which the outer decomposition passage 71 surrounds the inner decomposition passage 61, and the outer decomposition passage 71 and the inner decomposition passage 61 are dampers 30. ) Are communicated with each other inside the other end 73 of the outer decomposition pipe is installed.
  • the dual-structure cracking tube 10 is not made of a double tube structure as a whole, the outer cracking tube 70 is the central cracking tube so that the other end 63 of the central cracking tube is located inside the outer cracking tube (74).
  • One side end 62 of the central decomposition pipe in which the inner burner 20 is installed on one side of the other side 60 is provided with a single pipe structure.
  • the inner burner 20 supplies heat for pyrolysis of the reducing agent or regeneration of the SCR catalyst 300 into the inner cracking passage 61 of the central cracking tube 60.
  • the inner burner 200 is controlled to supply about 350 to 450 ° C. of heat to the inner decomposition passage 61 of the central decomposition tube by a plurality of temperature sensors 90 installed in the central decomposition tube 60. .
  • the type of the inner burner 20 is not specified, but as an example, a duct burner may be installed.
  • the damper 30 is rotated by the damper driver 40 to open or close the other end 73 of the double-sided decomposition pipe 10, that is, the other end 73 of the outer decomposition pipe 10, FIGS. 4 to 7.
  • the rotary shaft 31, which is integrally connected to the damper 30 by the operating force of the damper driver 40 installed outside the exhaust pipe, is rotationally driven, and the damper 30 is rotated by the rotation of the rotary shaft 31.
  • Is rotated ⁇ 90 ° the other side of the dual-structure decomposition tube 10 is configured to open and close.
  • the rotary shaft 31 is integrally installed with the damper 30, and is connected to the other end 73 of the outer crack pipe so as to be rotatable, and one side penetrates the exhaust pipe 200 to the damper driver 40. It is connected.
  • the rotating shaft may be configured to rotate by the driving force of the motor or the pressure of the compressed air.
  • the rotary shaft 31 may be further provided with a cooling passage 32 therein to allow water or air cooling, the cooling passage 32 of such a rotating shaft, exhaust pipe
  • the high temperature exhaust gas and the high temperature heat by the inner burner are transmitted to the damper driver 40 through the rotation shaft 31 to prevent the damping force of the damper driver from falling.
  • the damper driver 40 may be configured to be directly connected to the rotary shaft 31 to rotate the rotary shaft 31 or to be indirectly connected by a gearbox (not shown) to rotate the rotary shaft 31.
  • the damper driver 40 is not particularly limited, and a motor or a compressor for generating compressed air capable of rotating the rotating shaft may be used.
  • the damper configured as described above has a sufficient decomposition distance by opening the damper, as shown in FIGS. 6 and 7, according to the amount of reducing agent injected into the dual structure cracking tube 10 and the heat of the inner burner, 4 and 5 by the thermally decomposed reducing agent is discharged directly in the SCR catalyst direction, the inner burner heat is discharged directly in the SCR catalyst direction without injection of the reducing agent for regeneration of the contaminated SCR catalyst, or by closing the damper,
  • the reducing agent injected into the central supply pipe has a function of being discharged into the exhaust pipe after passing through a decomposition catalyst installed between the central supply pipe and the outer supply pipe.
  • the injection unit 50 is to inject a reducing agent into the dual-structure decomposition tube 10, as shown in Figures 2, 4 and 6, to inject the reducing agent into the inner decomposition passage 61 of the central decomposition tube
  • the main nozzle 51 is installed so that the reducing agent is injected in the direction of the damper 30, and the auxiliary injection nozzle 52 is installed so that the reducing agent is injected in the direction of the discharge port (11).
  • the main supply pipe 55 for supplying the reducing agent to the main nozzle 51 and the auxiliary supply pipe 56 for supplying the reducing agent to the auxiliary nozzles 52 are provided with flow meters 57 and 58, respectively. 51) and the supply amount of the urea solution supplied to the auxiliary nozzle 52 is made by a separate control unit 59 installed outside. That is, the control unit 59 controls the operation of the inner burner 20 according to the plurality of temperature sensors 90 and the flow meters 57 and 58 installed in the dual structure decomposition pipe, and the main nozzle 51. ) And the supply amount of urea supplied to the auxiliary nozzle (52).
  • the injection of urea through the main nozzle 51 or the auxiliary nozzle 52 may be selectively performed by the controller 59 or may be simultaneously performed.
  • the reducing agent can convert nitrogen oxide (NOx) contained in the exhaust gas into nitrogen (N2) and water (H20) through the SCR catalyst, liquid urea (Urea) may be used.
  • NOx nitrogen oxide
  • N2 nitrogen
  • H20 water
  • Urea liquid urea
  • the present invention may be further provided with a decomposition catalyst 80 for promoting the decomposition of the reducing agent in the outer decomposition passage 71 of the dual structure decomposition pipe, the decomposition catalyst 80 may promote the decomposition of urea Known catalysts and carriers can be used.
  • the porous plate 12 is further provided on the outer surface 60a of the central decomposition tube of the dual structure decomposition tube so as to be located between the inner burner 20 and the discharge port 11 of the dual structure decomposition tube.
  • the porous plate 12 is for evenly dispersing the exhaust gas in the exhaust pipe, and has a function of uniformly mixing with the reducing agent discharged through the discharge port 11.
  • Figure 4 is an exemplary view showing the action according to the closing of the damper according to the invention
  • Figure 5 shows another exemplary view showing the action according to the closing of the damper according to the present invention
  • the inner burner installed in the exhaust pipe is operated to maintain the internal temperature of the double structure cracking pipe at 250-450 ° C, and urea is injected and injected into the inner cracking passage through the main nozzle of the injection section.
  • the operation of the inner burner is controlled by the control unit so that the temperature condition in the inner / outer decomposition passage is maintained at about 380 ° C. to 450 ° C. atmosphere by a plurality of temperature sensors installed in the double structure decomposition pipe.
  • the urea when urea is supplied into the inner decomposition passage, the urea is converted to ammonia by the heat of the burner and moved in the discharge port direction. At this time, the dual structure decomposition pipe is maintained in a state where the other end is closed by a damper.
  • the dual-structure cracking tube has a structure in which the inner cracking passage and the outer cracking passage is in communication, the residence time of the urea in the double-stranded cracking tube is lengthened, thereby further increasing the thermal decomposition of the urea by the heat.
  • the outer cracking passage surrounds the inner cracking passage, the heat in the inner cracking passage is kept constant and heat is also supplied to the outer cracking passage, thereby further increasing the thermal decomposition efficiency of the urea.
  • FIG. 6 is an exemplary view showing the action according to the opening of the damper according to the present invention
  • Figure 7 is another exemplary view showing the action according to the opening of the damper according to the present invention
  • the damper driver rotates the damper by 90 ° to open the other end of the dual structure cracking tube, and then operates the inner burner installed in the exhaust pipe, so that the internal temperature of the dual structure cracking tube is maintained at 250 to 450 ° C.
  • Urea is injected into the inner decomposition passage through the main nozzle of the injection section.
  • the urea when the urea is supplied into the inner decomposition passage, the urea is converted into ammonia by the heat of the burner, and the damper is discharged to the other end of the open double-structured decomposition pipe, mixed with the exhaust gas, and then supplied to the SCR catalyst to exhaust the urea. Nitrogen oxides in the gas are removed.
  • the exhaust gas contains a large amount of particulate matter (PM, Particulate Matter) such as unburned hydrocarbon (HC) or soot. Since these particulate matter enters the SCR reactor and adheres to or deposits on the surface of the SCR catalyst, it is necessary to periodically stop the operation of the SCR reactor and then perform the catalyst regeneration operation.
  • PM particulate Matter

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Abstract

본 발명은 질소산화물 처리용 SCR시스템의 환원제 공급장치에 관한 것으로, 그 목적은 이너버너와 댐퍼가 양측에 각각 설치된 이중구조 분해관이 배기파이프내에 설치되도록 하여, 댐퍼의 개폐에 따라 SCR 운전 및 정기적인 촉매재생운전을 선택적으로 수행할 수 있는 질소산화물 처리용 SCR시스템의 환원제 공급장치를 제공하는 것이다. 본 발명은 터보차져 후단부에 설치된 배기파이프와 연결설치되고, 배기파이프내에 설치된 SCR촉매로 환원제를 공급하는 SCR시스템의 환원제 공급장치에 있어서; 상기 환원제 공급장치는, 배가파이프 내부에 동축방향으로 배치되고 배기파이프 내부와 연통되도록 개방된 토출구를 구비하는 이중구조 분해관; 이중구조 분해관의 일측단에 설치되는 이너버너; 이중구조 분해관의 타측단에 설치되는 댐퍼; 배기파이프의 외측에 위치하도록 설치되어 댐퍼를 개폐작동시키는 댐퍼구동부; 이너버너와 댐퍼 사이에 위치하도록 설치되어 이중구조 분해관내로 환원제를 분사하는 분사부;를 포함하도록 구성되어 있다.

Description

질소산화물 처리용 SCR시스템의 환원제 공급장치
본 발명은 질소산화물 처리용 SCR시스템의 환원제 공급장치에 관한 것으로, 배기파이프내에 내/외측분해통로를 구비하는 이중구조 분해관 및 이에 연결되는 이너버너가 설치되도록 하여, 환원제의 열분해 효율이 증대된 질소산화물 처리용 SCR시스템의 환원제 공급장치에 관한 것이다.
일반적으로 디젤 엔진, 보일러, 소각기 등에서 발생된 배기가스에는 다양한 대기오염물질이 존재하고 있으며, 이러한 배기가스를 정화하여 질소산화물을 저감시키기 위한 시스템으로 SCR 시스템(Selective Catalytic Reduction)이 널리 사용되어지고 있다.
특히, 선박 또는 해상 플랜트용 디젤엔진의 배출가스에는 질소산화물(NOx)이 포함되어 있어, 선박 또는 해상 플랜트용 엔진의 배출가스에서 질소산화물을 제거하기 위한 선택적 환원 촉매(SCR :Seletive Catalytic Reduction) 시스템이 널리 이용되고 있다.
상기 SCR 시스템 즉, 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은, 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기가스와 환원제를 함께 통과시켜 배기가스에 함유된 질소산화물과 환원제의 반응에 의해, 질소산화물이 질소와 수증기로 환원 처리되도록 되어 있다.
종래에 사용되어지고 있는 SCR 시스템은 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제로 우레아(Urea)가 배기가스내로 직접 분사되어 배기가스의 열에 의해 암모니아(NH3)로 전환되어 SCR 촉매로 공급되거나, 우레아를 가수분해시켜 생성된 암모니아(NH3)를 배기파이프내의 배기가스로 분사하여 SCR촉매로 공급되도록 되어 있으며, 배기파이프내에는 우레아 또는 암모니아를 분사하기 위한 인젝터가 설치되어 있다.
상기와 같이, 배기가스에 우레아가 직접 분사될 경우, 배기가스에 포함된 질소산화물 제거를 위한 SCR 촉매의 화학반응 효율은 SCR 반응기 내부의 배기가스 온도에 의한 영향을 많이 받게 되나, 저속운전 등에 의해 SCR 시스템이 저온(예를 들어, 약 250℃ 이하)에서 운용되는 경우에는 우레아가 분해되면서 생성되는 부산물로 인해 인젝터에 막힘 현상이 발생될 뿐 아니라, 배기가스의 흐름이 방해되는 문제점이 발생되었다.
특히, 엔진에서 배출된 배기가스가 터보차져를 경유하여 SCR 촉매로 공급될 경우, 배기파이프내를 흐르는 배기가스는 대략 200～280℃ 정도를 구비하게 되므로, 우레아가 분해되면서 생성되는 부산물로 인한 막힘현상 및 미분해된 우레아가 SCR촉매에 침적되는 문제점이 있었다.
또한, 배기가스의 온도가 약 250℃ 미만으로 공급될 경우, 배기가스에 포함된 황이 암모니아와 반응하여 AS(황산암모늄)나 ABS(중황산암모늄) 등을 다량으로 생성되고 있으며, 특히 ABS의 경우에는 촉매 표면에 침적되어 촉매의 기공을 막거나 촉매반응에 참여하는 활성성분을 오염시키게 되므로, SCR 반응기의 운전을 정지한 후 촉매 재생 운전을 해주는 횟수가 증가되는 문제점이 있었다.
또한, 배기가스의 온도가 충분히 높지 않아 배기 파이프의 내부 공간에서 우레아 용액의 일부가 증발되지 않고, 배기파이프의 내벽면에 접촉되어 배기파이프의 온도를 저하시키는 요인으로 작용할 뿐 아니라, SCR 촉매의 활성화 및 질소산화물의 정화 효율을 저하시키는 요인으로도 작용되는 문제점이 있었다.
특히, 우레아를 배기가스에 직접 분사하는 경우, 배기가스의 열에 의해 우레아가 암모니아로 전환될 수 있도록 인젝터에서 SCR 촉매까지의 거리가 소정의 길이를 구비하여야 하므로, 전체 배기파이프의 길이가 길어지게 되는 문제점이 있었다.
물론, 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 생성한 후, 생성된 암모니아를 배기가스내로 분사할 경우, 우레아를 직접 분사함에 따른 문제점이 어느 정도 해소되나, 이와 같은 방법은 우레아를 가수분해하기 위한 별도의 우레아 용액 공급장치가 구비되어야 하므로, 설비비가 증가될 뿐 아니라, 우레아 용액 공급장치의 설치를 위한 공간이 확보되어야 하는 등 여러가지 문제점이 있었다.
(선행기술문헌)
(특허문헌)
(특허문헌 1) 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-1519173(2015.05.04)
(특허문헌 2) 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-1497828(2015.05.04)
(특허문헌 3) 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-1402375(2014.05.26)
(특허문헌 4) 대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2004-0078751(2004.09.13)
본 발명의 목적은 이너버너와 댐퍼가 양측에 각각 설치된 이중구조 분해관이 배기파이프내에 설치되도록 하여, 댐퍼의 개폐에 따라 SCR 운전 및 정기적인 촉매재생운전을 선택적으로 수행할 수 있는 질소산화물 처리용 SCR시스템의 환원제 공급장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 터보차져 후단부에 설치된 배기파이프와 연결설치되고, 배기파이프내에 설치된 SCR촉매로 환원제를 공급하는 SCR시스템의 환원제 공급장치에 있어서; 상기 환원제 공급장치는, 배가파이프 내부에 동축방향으로 배치되고 배기파이프 내부와 연통되도록 개방된 토출구를 구비하는 이중구조 분해관; 이중구조 분해관의 일측단에 설치되는 이너버너; 이중구조 분해관의 타측단에 설치되는 댐퍼; 배기파이프의 외측에 위치하도록 설치되어 댐퍼를 개폐작동시키는 댐퍼구동부; 이너버너와 댐퍼 사이에 위치하도록 설치되어 이중구조 분해관내로 환원제를 분사하는 분사부;를 포함하여, 댐퍼의 개폐에 따라 SCR 운전 또는 촉매 재생운전이 선택적으로 이루어지도록 되어 있다.
본 발명은 배기파이프내에 이중구조 분해관 및 이너버너가 구비되도록 되어 있어, 이너버너에서 소비되는 연료 및 열손실을 줄일 수 있으며, SCR 촉매의 활성화 및 배기가스의 정화 효율을 극대화시킬 수 있을 뿐 아니라, 환원제의 분사량에 대한 제어를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 배기파이프내에 이중구조 분해관 및 이너버너가 위치되도록 되어 있어, 소형화가 가능하고, 전체 배기시스템의 파이프 길이를 줄일 수 있어 설치공간을 줄일 수 있으며, 선박내 다른 장치의 공간활용도를 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 이중구조 분해관에 댐퍼가 설치되어 있어, SCR 촉매 재생운전시, 이너버너와 SCR 촉매간 거리를 단축할 수 있으며, 이를 통해, 촉매재생에 필요한400～450℃ 승온시간이 단축되어, 운전연료비 절감이 가능하고, 오염된 SCR 촉매의재생공정을 빠른시간내에 완료함으로써, SCR 운전이 가능한 최적의 촉매상태를 만들 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 환원제 공급장치는 380℃ 이상의 온도제어가 용이하게 이루어지므로, 우레아의 열분해시, 분해가 어려운 고분자 부산물이 생성되지 않는 효과가 있다.
본 발명은 댐퍼의 개폐에 따라, 우레아 주입 SCR 운전 및, 정기적인 촉매재생운전을 선택적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 이중구조 분해관의 외측분해통로내에 분해촉매가 설치되도록 되어 있어, 댐퍼의 개방에 따른 SCR 촉매재생시, 배기가스중의 입자상 물질이나 미세 먼지(PM), SOx 및 기타 오염물질이 우레아 분해촉매 방향으로 흐르지 않게 되므로, 우레아 분해촉매의 수명연장 및, 촉매보호가 이루어지는 효과가 있다.
본 발명은 댐퍼에 일체화된 회전축내에 냉각유로가 구비되도록 되어 있어, 고온의 열기가 회전축을 통해 댐퍼구동부내로 전달되는 것이 방지되며, 이를 통해, 댐퍼구동부의 작동력이 향상되고, 성능이 장기간 일정하게 유지되어, 댐퍼의 안전한 개폐가 이루어지는 효과가 있다.
본 발명은 이중구조 분해관의 토출구 측에 다공판이 설치되도록 되어 있어, 환원제 분해생성물과 엔진 배기가스가 균일하게 혼합되는 효과가 있다.
본 발명은 이중구조 분해관이 내측분해통로와 외측분해통로를 구비하도록 되어 있어, 분사된 환원제가 열분해될 수 있는 정체시간을 충분히 확보할 수 있다.
본 발명은 이중구조 분해관내에 분사된 환원제가 이너버너의 열기에 의해 열분해 및 이송되므로, 이중구조 분해관내에 내/외측분해통로가 구비되더라도, 환원제의 열분해 및 토출이 용이하게 이루어질 수 있는 등 많은 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 전체 흐름구성을 보인 예시도
도 2 는 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도
도 3 은 본 발명에 따른 이중구조 분해관의 구성을 보인 예시도
도 4 는 본 발명에 따른 댐퍼의 폐쇄에 따른 작용을 보인 예시도
도 5 는 본 발명에 따른 댐퍼의 폐쇄에 따른 작용을 보인 또다른 예시도
도 6 은 본 발명에 따른 댐퍼의 개방에 따른 작용을 보인 예시도
도 7 은 본 발명에 따른 댐퍼의 개방에 따른 작용을 보인 또다른 예시도
(부호의 설명)
(10) : 이중구조 분해관 (11) : 토출구
(12) : 다공판 (20) : 이너버너
(30) : 댐퍼 (31) : 회전축
(32) : 냉각유로 (40) : 댐퍼구동부
(50) : 분사노즐 (60) : 중앙분해관
(61) : 내측분해통로 (62) : 일측단
(63) : 타측단 (70) : 외측분해관
(71) : 외측분해통로 (72) : 일측단
(73) : 타측단 (74) : 외측분해관 내부
(80) : 분해촉매 (90) : 온도센서
(100) : 환원제 공급장치 (200) : 배기파이프
(300) : SCR촉매 (400) : 터보차져
(500) : 엔진
도 1 은 본 발명에 따른 전체 흐름구성을 보인 예시도를, 도 2 는 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도를, 도 3 은 본 발명에 따른 이중구조 분해관의 구성을 보인 예시도를, 도 4 는 본 발명에 따른 댐퍼의 폐쇄에 따른 작용을 보인 예시도를, 도 5 는 본 발명에 따른 댐퍼의 폐쇄에 따른 작용을 보인 또다른 예시도를, 도 6 은 본 발명에 따른 댐퍼의 개방에 따른 작용을 보인 예시도를, 도 7 은 본 발명에 따른 댐퍼의 개방에 따른 작용을 보인 또다른 예시도를 도시한 것으로,
본 발명은 터보차져 후단부에 설치된 배기파이프와 연결설치되고, 배기파이프내에 설치된 SCR촉매로 환원제를 공급하는 SCR시스템의 환원제 공급장치에 있어서;
상기 환원제 공급장치(100)는, 배가파이프(200) 내부에 동축방향으로 배치되고 배기파이프 내부와 연통되도록 개방된 토출구(11)를 구비하는 이중구조 분해관(10); 이중구조 분해관의 일측단에 설치되는 이너버너(20); 이중구조 분해관의 타측단에 설치되는 댐퍼(30); 배기파이프의 외측에 위치하도록 설치되어 댐퍼를 개폐작동시키는 댐퍼구동부(40); 이너버너와 댐퍼 사이에 위치하도록 설치되어 이중구조 분해관내로 환원제를 분사하는 분사부(50);를 포함하여, 댐퍼의 개폐에 따라 SCR 운전 또는 촉매 재생운전이 선택적으로 이루어지도록 구성되어 있다.
상기 배기파이프(200)는 도 1 에 도시된 바와 같이, 엔진(500)에서 배출된 배기가스가 터보차져(400)를 경유하여 유입도록 터보차져 후단에 연결설치되어 있다. 이때, 터보차져를 거쳐 배기파이프내로 유입되는 배기가스는 통상적으로 약 200～280℃를 구비하게 된다.
상기 이중구조 분해관(10)은 도 2 내지 도 7 에 도시된 바와 같이, 배기파이프 내부에 동축방향으로 배치되는 중앙분해관(60)과, 중앙분해관의 타측단이 내부에 위치하도록 중앙분해관의 타측단을 감싸며 중앙분해관과 이중관 구조로 설치되는 외측분해관(70)으로 이루어져 있다.
상기 중앙분해관(60)은 내부에 내측분해통로(61)를 구비하는 파이프 형상으로 이루어져 있으며, 터보차져 방향에 위치하는 일측단(62)에 이너버너(20)가 연결설치되고, SCR촉매(300) 방향에 위치하는 타측단(63)이 외측분해관(70)의 내부와 연통되도록 개방되어 있다.
상기 외측분해관(70)은 중앙분해관(60)과의 사이에 외측분해통로(71)가 구비되도록 터보차져(400) 방향에 위치하는 일측단(72)이 중앙분해관(60) 상에 설치되고, SCR촉매(300) 방향에 위치하는 타측단(73)에 댐퍼(30)가 설치되어 있다.
즉, 상기 이중구조 분해관(10)은 도 3 에 도시된 바와 같이, 중앙분해관(60)과 외측분해관(70)이 배기파이프(200)와 동축으로 설치되어 있으며, 외측분해관의 내면(70a)과 중앙분해관의 외면(60a) 사이에 외측분해통로(71)가 형성되도록 중앙분해관(60)과 외측분해관(70)이 복수의 리브(13)에 의해 일체로 연결지지되어 있다.
이와 같이 구성된 이중구조 분해관(10)은 외측분해통로(71)가 내측분해통로(61)를 감싸는 이중구조로 이루어지고, 상기 외측분해통로(71)와 내측분해통로(61)는 댐퍼(30)가 설치되는 외측분해관 타측단(73)의 내부에서 서로 연통되게 된다.
또한, 상기 이중구조 분해관(10)은 전체가 이중관 구조로 이루어진 것이 아니라, 중앙분해관의 타측단(63)이 외측분해관 내부(74)에 위치하도록 외측분해관(70)이 중앙분해관(60)의 타측에 편측설치되어 이너버너(20)가 설치되는 중앙분해관의 일측단(62)은 단일관 구조를 구비하도록 되어 있다.
상기 이너버너(20)는 중앙분해관(60)의 내측분해통로(61)내로 환원제의 열분해 또는 SCR 촉매(300)의 재생을 위한 열기를 공급한다.
이때, 상기 이너버너(200)는 중앙분해관(60)에 설치된 복수의 온도센서(90)에 의해 중앙분해관의 내측분해통로(61)로 약 350～450℃ 정도의 열기가 공급되도록 제어된다.
또한, 상기 이너버너(20)는 그 종류가 특정되는 것은 아니나, 일 예로 덕트버너 등이 설치될 수 있다.
상기 댐퍼(30)는 댐퍼구동부(40)에 의해 회전작동되어, 이중구조 분해관(10)의 타측단 즉, 외측분해관의 타측단(73)을 개방 또는 폐쇄시키는 것으로, 도 4 내지 도 7 에 도시된 바와 같이, 배기파이프 외측에 설치된 댐퍼구동부(40)의 작동력에 의해 댐퍼(30)에 일체로 연결설치된 회전축(31)이 회전구동되고, 상기 회전축(31)의 회전에 의해 댐퍼(30)가 ± 90°회전되어, 이중구조 분해관(10)의 타측이 개폐되도록 구성되어 있다.
상기 회전축(31)은 댐퍼(30)와 일체로 설치되고, 외측분해관의 타측단(73)에 회전가능하도록 연결설치되어 있으며, 일측이 배기파이프(200)를 관통하여 댐퍼구동부(40)에 연결설치되어 있다. 일예로 상기 회전축은 모터의 구동력 또는 압축공기의 압력에 의해 회전되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 회전축(31)은 도 4 에 도시된 바와 같이, 수냉 또는 공냉이 이루어질 수 있도록 내부에 냉각유로(32)가 더 설치될 수 있으며, 이와 같은 회전축의 냉각유로(32)은, 배기파이프내 고온의 배기가스 및, 이너버너에 의한 고온의 열기가 회전축(31)을 통해 댐퍼구동부(40)로 전달되어 댐퍼구동부의 작동력이 저하되는 현상을 방지하기 위한 것이다.
상기 댐퍼구동부(40)는, 회전축(31)과 직접적으로 연결되어 회전축(31)을 회전시키거나, 기어박스(도시없음)에 의해 간접적으로 연결되어 회전축(31)이 회전되도록 구성될 수 있다. 이와 같은 댐퍼구동부(40)는 특별히 한정되는 것은 아니며, 회전축을 회전구동시킬 수 있는 모터 또는 압축공기를 생성하는 압축기 등이 사용될 수 있다.
상기와 같이 구성된 댐퍼는 이중구조 분해관(10)내로 분사되는 환원제의 양 및 이너버너의 열기에 따라, 도 6 및 도 7 에 도시된 바와 같이, 댐퍼 개방에 의해 충분한 분해 거리가 확보된 경우, 열분해된 환원제가 SCR촉매 방향으로 바로 토출되도록 하거나, 오염된 SCR촉매 재생을 위해 환원제 주입없이 이너버너 열기가 SCR촉매 방향으로 바로 토출되도록 하거나, 댐퍼의 폐쇄에 의해, 도 4 및 도 5 에 도시된 바와 같이, 중앙공급관내로 분사된 환원제가 중앙공급관과 외곽공급관 사이에 설치된 분해촉매를 경유한 후 배기파이프내로 토출되도록 하는 기능을 구비하게 된다.
상기 분사부(50)는 이중구조 분해관(10)내로 환원제를 분사하는 것으로, 도 2, 도 4 및 도 6 에 도시된 바와 같이, 중앙분해관의 내측분해통로(61)내로 환원제를 분사하는 메인노즐(51)과, 외측분해통로(71)내로 환원제를 분사하는 보조노즐(52)과, 상기 메인노즐(51)로 공급되는 환원제의 유량을 제어하는 제1밸브(53)와, 상기 보조노즐(52)로 공급되는 환원제의 유량을 제어하는 제2밸브(54)를 포함한다.
이때, 상기 메인노즐(51)은 댐퍼(30) 방향으로 환원제가 분사되도록 설치되고, 상기 보조분사노즐(52)은 토출구(11) 방향으로 환원제가 분사되도록 설치된다.
또한, 상기 메인노즐(51)로 환원제를 공급하는 메인공급관(55) 및 보조노즐(52)로 환원제를 공급하는 보조공급관(56)에는 유량계(57,58)이 각각 설치되어 있으며, 메인노즐(51) 및 보조노즐(52)로 공급되는 우레아 용액의 공급량은 외부에 설치된 별도의 제어부(59)에 의해 이루어진다. 즉, 상기 제어부(59)는 이중구조 분해관에 설치된 복수의 온도센서(90) 및, 유량계(57,58)에서 전달받은 정보에 따라 이너버너(20)의 가동을 제어하고, 메인노즐(51) 및 보조노즐(52)로 공급되는 우레아의 공급량을 제어한다.
상기 메인노즐(51) 또는 보조노즐(52)을 통한 우레아의 분사는 제어부(59)에 의해 선택적으로 이루어지거나, 동시에 이루어질 수 있다.
상기 환원제는 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물(NOx)을 SCR 촉매를 통하여 질소(N2)와 물(H20)로 변환할 수 있는 것으로서, 액상의 우레아(Urea)가 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 이중구조 분해관의 외측분해통로(71)내에 환원제의 분해를 촉진하는 분해촉매(80)가 더 설치될 수 있으며, 상기 분해촉매(80)는 우레아의 분해를 촉진시킬 수 있는 공지의 촉매(Hydrolysis Catalyst) 및 담체가 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 이너버너(20)와 이중구조 분해관의 토출구(11) 사이에 위치하도록 이중구조 분해관의 중앙분해관 외면(60a)에 다공판(12)이 더 설치되어 있다.
상기 다공판(12)은 배기파이프내의 배기가스를 고르게 분산시키기 위한 것으로, 토출구(11)를 통해 토출된 환원제와 균일한 혼합이 이루어지도록 하는 기능을 구비한다.
이하, 본 발명에 따른 환원제 공급장치의 작동을 댐퍼 개폐에 의해 설명하면 다음과 같다.
- 댐퍼 폐쇄
도 4 는 본 발명에 따른 댐퍼의 폐쇄에 따른 작용을 보인 예시도를, 도 5 는 본 발명에 따른 댐퍼의 폐쇄에 따른 작용을 보인 또다른 예시도를 도시한 것으로,
배기파이프내에 설치된 이너버너를 작동시켜, 이중구조 분해관의 내부온도가 250～450℃가 유지되도록 하고, 분사부의 메인노즐을 통해 내측분해통로내로 우레아가 공급분사된다.
이때, 이중구조 분해관에 설치된 복수의 온도센서에 의해 내/외측분해통로내의 온도조건이 약 380℃～450℃분위기가 유지되도록 제어부에 의해 이너버너의 운전이 제어된다.
이와 같이, 내측분해통로내로 우레아가 공급되면, 버너의 열기에 의해 우레아가 암모니아로 전환되면서 토출구방향으로 이동된다. 이때 이중구조 분해관은 댐퍼에 의해 타측단이 폐쇄된 상태가 유지된다.
또한, 이중구조 분해관은 내측분해통로와 외측분해통로가 연통되는 구조로 이루어져 있어, 이중구조 분해관내 우레아의 체류시간이 길어지게 되며, 이로 인해 열기에 의한 우레아의 열분해가 더욱 증진되게 된다.
또한, 외측분해통로가 내측분해통로를 감싸도록 되어 있어, 내측분해통로내의 열기가 일정하게 유지됨과 동시에, 외측분해통로로도 열기가 공급되게 되어, 우레아의 열분해효율이 더욱 증대되게 된다.
이와 같이, 이중구조 분해관의 토출구를 통해 배기파이프내로 암모니아가 공급되면, 다공판을 통과한 배기가스와 암모니아가 혼합되어 SCR촉매로 공급됨으로써, 배기가스내의 질소산화물이 제거되게 된다.
- 댐퍼 개방
도 6 은 본 발명에 따른 댐퍼의 개방에 따른 작용을 보인 예시도를, 도 7 은 본 발명에 따른 댐퍼의 개방에 따른 작용을 보인 또다른 예시도를 도시한 것으로,
댐퍼구동부에 의해 댐퍼를 90°회전구동시켜 이중구조 분해관의 타측단을 개방시킨 후, 배기파이프내에 설치된 이너버너를 작동시켜, 이중구조 분해관의 내부온도가 250～450℃가 유지되도록 하고, 분사부의 메인노즐을 통해 내측분해통로내로 우레아가 공급분사된다.
이와 같이, 내측분해통로내로 우레아가 공급되면, 버너의 열기에 의해 우레아가 암모니아로 전환되면서 댐퍼가 개방된 이중구조 분해관의 타측단으로 토출되어 배기가스와 혼합된 후 SCR촉매로 공급됨으로써, 배기가스내의 질소산화물이 제거되게 된다.
- 댐퍼개방(촉매재생)
또한, 배기가스에는 질소산화물(NOx)이나 황산화물(SOx), AS(황산암모늄), ABS(중황산암모늄) 이외에도 미연탄화수소(HC)나 그을음과 같은 다량의 입자상 물질(PM, Particulate Matter)이 포함되어 있다 이러한 입자상 물질은 SCR 반응기 내부로 들어와 SCR 촉매 표면에 부착되거나 침착되어 촉매를 오염시키기 때문에, 주기적으로 SCR 반응기의 운전을 정지한 후 촉매 재생 운전을 해주어야 한다.
상기와 같은 촉매 재생운전을 수행하고자 할 경우, SCR 운전이 정지된 후, 도 6 및 도 7 에 도시된 바와 같이, 댐퍼구동부에 의해 댐퍼가 회전구동되어 이중구조 분해관의 타측단이 개방된다. 이와 같이, 댐퍼가 개방되면, 이너버너와 SCR촉매간의 거리가 단축되게 되므로, 이너버너의 고온열기(예를 들어, 350℃ 이상)에 의해 촉매재생에 필요한 400～450℃로의 승온시간이 단축되어, 촉매 재생이 원활하게 수행(촉매 표면에 부착된 ABS 기화 또는 입자상 물질 산화 등등)되게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

Claims (7)

  1. 터보차져 후단부에 설치된 배기파이프와 연결설치되고, 배기파이프내에 설치된 SCR촉매로 환원제를 공급하는 SCR시스템의 환원제 공급장치에 있어서;
    상기 환원제 공급장치(100)는,
    배가파이프(200) 내부에 동축방향으로 배치되고 배기파이프 내부와 연통되도록 개방된 토출구(11)를 구비하는 이중구조 분해관(10);
    이중구조 분해관의 일측단에 설치되는 이너버너(20);
    이중구조 분해관의 타측단에 설치되는 댐퍼(30);
    배기파이프의 외측에 위치하도록 설치되어 댐퍼를 개폐작동시키는 댐퍼구동부(40);
    이너버너와 댐퍼 사이에 위치하도록 설치되어 이중구조 분해관내로 환원제를 분사하는 분사부(50);를 포함하여, 댐퍼의 개폐에 따라 SCR 운전 또는 촉매 재생운전이 선택적으로 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 질소산화물 처리용 SCR시스템의 환원제 공급장치.
  2. 청구항 1 에 있어서;
    이중구조 분해관(10)은, 배기파이프 내부에 동축방향으로 배치되고 내측분해통로(61)를 구비하는 중앙분해관(60)과, 중앙분해관의 타측단이 내부에 위치하도록 중앙분해관의 타측단을 감싸며 중앙분해관과 이중관 구조로 설치되고, 중앙분해관(60)과의 사이에 외측분해통로(71)가 구비되도록 설치되는 외측분해관(70)을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 처리용 SCR시스템의 환원제 공급장치.
  3. 청구항 2 에 있어서;
    이중구조 분해관의 외측분해통로(71)내에 환원제의 분해를 촉진하는 분해촉매(80)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 처리용 SCR시스템의 환원제 공급장치.
  4. 청구항 2 에 있어서;
    상기 중앙분해관(60)은, 터보차져 방향에 위치하는 일측단(62)에 이너버너(20)가 연결설치되고, SCR촉매(300) 방향에 위치하는 타측단(63)이 외측분해관(70)의 내부와 연통되도록 개방되며,
    상기 외측분해관(70)은, 터보차져(400) 방향에 위치하는 일측단(72)이 중앙분해관(60) 상에 설치되며, SCR촉매(300) 방향에 위치하는 타측단(73)에 댐퍼(30)가 설치된 것을 특징으로 하는 질소산화물 처리용 SCR시스템의 환원제 공급장치.
  5. 청구항 1 에 있어서;
    상기 댐퍼(30)는, 배기파이프 외측에 설치된 댐퍼구동부(40)의 작동력에 의해 댐퍼(30)에 일체로 연결설치된 회전축(31)이 회전구동되고, 상기 회전축(31)의 회전에 의해 ± 90°회전되어, 이중구조 분해관(10)의 타측이 개폐되도록 구성된 것을 특징으로 하는 질소산화물 처리용 SCR시스템의 환원제 공급장치.
  6. 청구항 5 에 있어서;
    회전축(31)은, 수냉 또는 공냉이 이루어질 수 있도록 내부에 냉각유로(32)가 더 설치되어, 배기파이프내 고온의 배기가스 및, 이너버너에 의한 고온의 열기가 회전축(31)을 통해 댐퍼구동부(40)로 전달되는 것이 방지되도록 구성된 것을 특징으로 하는 질소산화물 처리용 SCR시스템의 환원제 공급장치.
  7. 청구항 1 에 있어서;
    이너버너(20)와 이중구조 분해관의 토출구(11) 사이에 위치하도록 이중구조 분해관에 다공판(12)이 더 설치된 것을 특징으로 하는 질소산화물 처리용 SCR시스템의 환원제 공급장치.
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