KR100582124B1 - 촉매코팅된 다공성 펠렛을 이용한 매연여과장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매코팅된 다공성 펠렛을 이용한 매연여과장치에 관한 것이다. 본 발명은 자동차의 배기가스 배출부에 설치되어 자동차에서 배출되는 배기가스를 여과하는 매연여과장치로서, 배기가스가 관통하는 다수의 펠렛(pellet)으로 이루어진 하나 이상의 필터부를 포함하며, 펠렛은 다공성이고 그 내외부 표면에 촉매가 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명을 통하여 매연여과장치의 입자상 물질 포집 성능 및 배압 특성을 크게 향상시킬 수 있다.

펠렛, 촉매 코팅, 다공성, 매연여과장치

Description

촉매코팅된 다공성 펠렛을 이용한 매연여과장치 {A DIESEL PARTICULATE TRAP USING POROUS PELLETS COATED WITH CATALYSTS}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 매연여과장치의 개략적인 도면이다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 매연여과장치의 개략적인 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11. 경유엔진 13. 배기유로

19, 28, 29. 다공성 펠렛 16. 판스프링

17. 전기히터 15. 제어기

30. 입자상 물질

본 발명은 매연여과장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매코팅된 다공성 펠렛을 이용한 매연여과장치에 관한 것이다.

현대 사회의 발달에 따라 사람들의 이동량이 증가하면서, 자동차를 비롯한 교통 수단의 활용도가 폭발적으로 증가하고 있다. 이러한 교통량의 증가에 따라 여러가지 문제점이 대두되고 있는데 이중에서도 특히 화석 연료의 사용으로 인한 대기오염문제가 대도시 등에서 중요한 이슈로 부각되고 있다. 자동차 등의 연료로 사용되는 화석 연료의 연소로 인하여 발생되는 이산화탄소, 황화물, 질화물(NOx, 녹스) 등은 환경 오염의 주범이 되고 있다. 특히 프레온, N₂O 가스에 의한 오존층파괴, SO_x, NO_x 성분에 의한 산성비등으로 인하여 중대한 환경 오염이 발생하고 있다. 또한 인체에 주로 호흡기 및 신경성 장애 등의 영향을 미치고 있고, 특히 HC와 NO_x의 광화학반응에 의한 오존 발생과 최근에 PM(particulate matter, 입자상 물질)이 폐암의 원인으로 밝혀지고 있어 자동차 배출가스가 인체에 미치는 영향에 대한 관심이 증폭되고 있다. 따라서 이를 저감하기 위한 연구 및 개발이 행해지고 있다.

이러한 화석 연료의 연소로 인한 유해 배출물을 저감시키기 위하여 엔진 내부에서 자체적으로 오염 물질을 저감시키기 위한 기술 즉, 엔진 기술 및 전처리 기술이 개발되고 있으나 배기 규제가 강화됨에 따라 엔진 내부에서의 유해가스 저감기술만으로는 규제를 만족하기에는 한계가 있어 엔진에서 이미 연소된 배출가스를 처리하는 후처리 기술(aftertreatment technology) 적용이 불가피해졌다.

경유 자동차의 후처리 기술로서는 산화촉매, NO_x 촉매 및 매연여과장치를 예로 들 수 있는데, 이 중에서 현재 가장 효율적이며 실용화에 접근되어 있는 기술로서는 매연여과장치(DPF, diesel particulate filter trap)가 있다. 이 장치는 디젤엔진에서 배출되는 입자상 물질과 매연을 필터에 포집한 후, 이를 태워서 재생하고 다시 입자상 물질을 포집하여 계속 사용하는 기술로서 매연을 80% 이상 저감할 수 있어 성능면에서는 아주 우수하나 내구성과 경제성이 실용화의 장애 요인으로 작용하고 있다.

매연여과장치는 기본적으로 필터, 재생장치, 제어장치의 3부분으로 이루어진다. 이 중에서, 재생장치는 입자상 물질과 매연을 필터에 포집한 후에 포집 물질을 제거하고 필터를 계속 사용하기 위하여 필요하다. 재생 장치의 재생 방법은 포집 물질을 태워서 재생하고 다시 입자상 물질을 포집하여 계속 사용하는 기술로서 강제로 화학적 또는 전기적으로 열원을 공급하여 입자상 물질을 연소시키는 강제재생방식(active regeneration type)과 별도의 열원 공급 없이 배출가스만으로 재생이 이루어지는 자연재생방식(passive regeneration type)의 2가지로 나눌 수 있다.

강제재생방식에서는 포집된 입자상 물질을 점화온도인 550℃∼600℃까지 외부열원으로 가열하며, 자연재생방식에서는 촉매나 첨가제를 이용하여 입자상 물질의 점화온도를 낮추어 엔진배출가스로 연속 연소시킨다. 강제재생방식에서는 포집필터로 입자상 물질을 포집한 다음에 연소시키는데 보조 열원을 공급하여 재생을 유도하므로, 잦은 재생으로 인하여 고장이 심하고 수명이 단축되며 매연이 다량 포집된 상태로 연소시에 이상 연소가 발생되어 필터가 파손될 가능성이 높다. 따라서, 구조가 간단하고 고장이 적은 자연재생방식이 현재 주로 개발되고 있으나, 낮은 온도로 장시간 운전할 경우 자동차 배출가스 중 입자상 물질이 연소되지 않고 필터 내부에 누적되어 필터를 손상시키거나 차량 운행을 불가능하게 할 수 있다.

따라서 자연재생방식에 강제재생장치를 보조적으로 사용하는 복합재생방식(passive and active combination)이 개발되고 있다. 이 경우 보조열 원으로 전기히터가 많이 사용되고 있으나 대부분은 필터 외부에 설치되어 있으며, 배출가스에 전기히터의 에너지를 추가하여 배출가스의 온도를 상승시키는 방법과, 전기히터의 복사열이 필터내부에 포집되어 있는 입자상 물질까지 직접 전달되도록 하여 입자상 물질을 재생시키는 방법이 적용된다.

그러나 이러한 방법을 매연여과장치에 사용하는 경우, 입자상 물질이 포집되어 매연여과장치의 전후 압력이 일정값 이상이 되었을 때, 발열선을 이용하여 포집된 입자상의 물질을 강제 재생하였으므로 재생 과정이 연속적으로 이루어지지 못하는 문제점이 있다.

매연여과장치의 필터에는 세라믹 코디어라이트 필터(ceramic cordierite filter)가 가장 일반적으로 사용되며, 이외에 실리콘 카바이드 필터(SiC), 세라믹 일체형 필터, 금속분말 필터 등도 사용되고 있다. 세라믹 필터나 실리콘 카바이드 필터의 구조는 단면이 원형이나 타원형의 원통이며 축 방향으로 직경 수mm 이내의 작은 삼각형이나 사각형 모양의 배출가스의 통로(channel)가 벌집 모양으로 형성되어 있다. 벌집 구조의 수퍼 하니컴은 비틀림을 6방향으로 균일하게 분산시켜 공기 흐름을 부드럽게 해 준다.

특허출원공개공보 제1996-0038063호는 통상적인 하니컴 형태의 필터에 대하여 기재하고 있다. 여기서는 디젤 차량 입자상 물질 제거용으로 세라믹 하니컴 필터를 사용하며, 필터 중앙의 일정 부분을 막아 막힌 부분으로 형성시켜 디젤 차량이 배출하는 배기 가스 중의 입자상 물질을 제거하고 내구성을 향상시키고 있다. 또한 하니컴 필터의 모양을 원, 타원, 삼각형, 사각형 또는 육각형으로 하는 것을 그 특징으로 하고 있다.

이러한 하니컴 형태의 필터는 압출 형태로 필터를 제조하여 한 쪽 입구를 플러깅(plugging)해서 막고, 다공성 벽체를 통하여 배기 가스를 통과시켜 여과한다. 따라서 각 구멍을 막는 플러깅 공정이 어려워 자동화가 쉽지 않을 뿐만 아니라 소결도 여러번 행해져야 하므로, 제조 공정이 복잡하고 제조 원가가 상승하는 문제점이 있다. 또한, 하니컴 구조의 필터의 경우, 그 구멍이 너무 작아 히터를 내부에 설치하는 데에 어려움이 있다.

본 발명은 종래의 매연여과장치에서 발생하는 이상 연소 현상에 의하여 필터의 파손이 일어나는 현상을 해결하고, 배기가스 온도가 낮은 운전조건에서도 자연 재생되며 인체에 해로운 작은 크기의 입자상 물질을 효율적으로 포집할 수 있는 연속재생방식의 매연여과장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 자동차의 배기가스 배출부에 설치되어 자동차에서 배출되는 배기가스를 여과하는 매연여과장치로서, 배기가스가 관통하는 다수의 펠렛(pellet)으로 이루어진 하나 이상의 필터부를 포함하며, 펠렛은 다공성이고 그 내외부 표면에 촉매가 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.

여기서, 촉매는, 백금 및 로듐으로부터 선택한 하나 이상의 촉매가 바람직하다.

또한, 하나 이상의 필터부 사이에 전기 히터를 구비하고, 전기 히터는 코일 이 겹쳐서 이루어질 수 있다.

그리고 배기가스가 처음으로 유입되는 필터부 전단에 전기 히터를 설치할 수 있다.

여기서, 다수의 펠렛의 직경은 실질적으로 동일할 수 있다.

또한, 펠렛은 다수의 제1 펠렛 및 다수의 제2 펠렛을 포함하고, 제1 펠렛의 직경은 제2 펠렛의 직경보다 크며, 제1 펠렛의 수와 제2 펠렛의 수는 실질적으로 동일할 수 있다.

이하에서는 도 1 및 도 2를 통하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 이러한 본 발명의 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 매연여과장치(100)의 개략적인 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 매연여과장치(100)는 촉매코팅된 다공성 펠렛(19), 판스프링(16), 전기히터(17), 그리고 제어기(15)를 포함한다. 매연여과장치(100)는 자동차의 배기가스 배출구에 설치되어 자동차에서 배출되는 배기가스를 여과한다. 즉, 다수의 다공성 펠렛(19)으로 이루어진 필터부는 자동차의 경유엔진(11)으로부터 배출되어 배기유로(13)를 따라 흐르는 배기가스를 여과한 다음 대기로 배출한다. 배기가스는 다수의 다공성 펠렛(19)으로 이루어진 필터부를 관통하면서 여과된다.

판스프링(16)은 다수의 다공성 펠렛(19)을 고정하기 위하여 설치되며, 운전중에 다공성 펠렛(19)의 유동에 따른 마찰을 방지한다.

전기히터(17)는 하나 이상의 필터부 사이에 구비되며 코일을 겹쳐서 이루어진다. 또한, 전기히터(17)는 배기가스가 처음으로 유입되는 필터부 전단에도 설치할 수 있다. 전기히터(17)는 입자상 물질을 태워서 재생하고 다시 입자상 물질을 포집하여 계속 사용하도록 입자상 물질의 재생반응온도를 유지시키는 역할을 한다. 제어기(15)는 전기히터(17)와 연결되어 경유엔진(11)의 작동상태에 따라 적절한 전류를 전기히터(17)에 공급한다.

본 발명의 제1 실시예에서, 필터부를 이루는 다수의 다공성 펠렛(19)은 다공성의 구형 세라믹이고, 그 내외부에 촉매가 코팅되어 있다. 여기서, 세라믹은 특히 열에 강하므로 펠렛으로 적합하며, 촉매는 백금 및 로듐으로부터 선택한 하나 이상의 물질로 이루어진다.

다공성 펠렛은 백금 및 로듐으로부터 선택한 하나 이상의 물질로 코팅한다. 즉, 백금, 로듐 등의 귀금속을 워시코트에 혼합하여 다공성 펠렛에 도포한 후 소결 과정을 거친다. 촉매의 성능에는 귀금속의 로딩 비율, 로딩 양, 그리고 워시코트의 재질이 영향을 미친다.

이로써 다공성 펠렛의 내외부를 통과하는 배기가스에 함유된 NO 성분을 NO₂ 성분으로 용이하게 산화시킬 수 있다. 도 1의 확대원에 도시한 바와 같이, 배기가스가 유동 방향을 따라 내부의 기공(191)이 서로 통로(open channel)(192)로 연결된 다공성 펠렛(19)을 통과하면서, 배기가스 중에 포함된 입자상 물질(30)이 그 외 부뿐만 아니라 내부에도 접촉하게 된다. 특히, 본 발명에서는 다공성 펠렛(19)의 외부뿐만 아니라 내부도 촉매로 코팅하므로, 이와 같이 다공성 펠렛(19)의 내부로 스며드는 배기가스 중의 NO 성분을 NO₂ 성분으로 용이하게 산화시킬 수 있다. 그리고 다공성을 최대 80%까지 할 수 있으므로, 다공성이 0%인 동일 크기의 세라믹 구슬에 비해 배압이 상당히 적게 걸린다.

촉매는 입자상 물질의 재생온도를 낮추는 역할을 한다. 입자상 물질은 일반적인 조건하에서 650℃ 이상에서 연소가 일어나지만, 촉매로 인하여 산화가 촉진되어 NO₂ 분위기의 경우 260~370℃ 조건하에서 연소가 일어나 연소 온도를 300~400℃ 정도 낮출 수 있다. 따라서 비교적 저온에서도 매연을 여과할 수 있는 이점이 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 매연여과장치(200)의 개략적인 도면이다. 도 2에 도시한 본 발명의 제2 실시예에 따른 매연여과장치(200)는 다공성 펠렛(28, 29)의 형태를 제외하고는 본 발명의 제1 실시예에 따른 매연여과장치와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.

도 2에 도시한 본 발명의 제2 실시예에 따른 매연여과장치(200)는 다수의 제1 펠렛(28) 및 다수의 제2 펠렛(29)을 포함하며, 제1 펠렛(28)의 직경은 제2 펠렛(29)의 직경보다 크고, 제1 펠렛(28)의 수와 제2 펠렛(29)의 수는 실질적으로 동일하다. 펠렛의 크기가 작을수록 입자상 물질의 포집율이 향상되는 반면에 배압 특성은 저하된다. 이와는 반대로 펠렛의 크기가 클수록 입자상 물질의 포집율은 저하되는 반면에 배압 특성은 향상되는 이점이 있다. 이러한 점을 고려하여, 본 발명의 제2 실시예에서는 직경이 서로 다른 다수의 제1 펠렛(28)과 다수의 제2 펠렛(29)을 혼합하되, 이들의 수를 실질적으로 동일하게 함으로써 입자상 물질의 포집율 및 배압 특성 양 측면에서 모두 우수한 매연여과장치를 얻는다.

본 발명의 매연여과장치에 있어서 펠렛이 다공성이므로, 배압 성능이 크게 향상되는 이점이 있다. 또한, 다공성 펠렛의 내외부 표면이 촉매로 코팅되어 있으므로, 비교적 저온에서 매연을 여과할 수 있어서 재생시의 전기 에너지 소모가 적은 이점이 있다. 그리고 크기가 비교적 큰 입자상 물질 뿐만 아니라 인체에 해로운 작은 크기의 입자상 물질도 포집 및 재생할 수 있다.

또한, 백금 및 로듐으로부터 선택한 하나 이상의 촉매를 사용하므로 저온에서의 매연을 좀더 용이하게 여과할 수 있다.

그리고 다공성 펠렛으로 이루어진 필터부 사이에 코일을 겹쳐서 만든 전기 히터를 설치하여 동시에 사용하므로, 배기가스 온도가 낮은 운전 조건에서도 입자상 물질을 원활하게 연속으로 재생할 수 있을 뿐만 아니라 소재 비용이 저렴한 이점이 있다.

한편, 배기가스가 처음으로 유입되는 필터부 전단에 전기 히터를 설치하여 입자상 물질을 온도를 상승시킴으로써 좀더 효율적인 포집 및 재생이 가능하다.

본 발명에서는 다수의 펠렛의 직경을 실질적으로 동일하게 함으로써 펠렛의 생산비를 저감시킬 수 있다.

또한, 서로 직경이 다르고 수가 동일한 2종류의 펠렛을 사용함으로써 입자상 물질의 포집율 및 배압 특성 양 측면에서 모두 우수한 결과를 얻을 수 있다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

Claims (6)

1. 자동차의 배기가스 배출부에 설치되어 자동차에서 배출되는 배기가스를 여과하는 매연여과장치로서,

   상기 배기가스가 관통하는 다수의 펠렛(pellet)으로 이루어진 하나 이상의 필터부를 포함하며, 상기 펠렛은 다공성이고 그 내외부 표면에 촉매가 코팅되고,

   상기 펠렛은 다수의 제1 펠렛 및 다수의 제2 펠렛을 포함하고, 상기 제1 펠렛의 직경은 상기 제2 펠렛의 직경보다 크며, 상기 제1 펠렛의 수와 상기 제2 펠렛의 수는 실질적으로 동일하며, 상기 펠렛을 고정하기 위해 판스프링을 설치한 매연여과장치.
2. 제1항에서,

   상기 촉매는, 백금 및 로듐으로부터 선택한 하나 이상의 촉매인 매연여과장치.
3. 제1항에서,

   상기 하나 이상의 필터부 사이에 전기 히터를 구비하고, 상기 전기 히터는 코일이 겹쳐서 이루어진 매연여과장치.
4. 제1항에서,

   상기 배기가스가 처음으로 유입되는 필터부 전단에 전기 히터가 설치된 매연여과장치.
5. 삭제
6. 삭제

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