KR100888310B1

KR100888310B1 - 선택적 촉매 환원장치용 연료분해촉매

Info

Publication number: KR100888310B1
Application number: KR1020070131220A
Authority: KR
Inventors: 이상민; 김종학; 박지원
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-03-11

Abstract

본 발명은 선택적 촉매 환원장치용 연료분해촉매에 관한 것으로, 터보차저의 후방에 연료분해촉매가 아닌 연료분해촉매부가 설치되어지도록 함으로써, 선택적 촉매 환원장치로 유입되는 탄화수소의 양을 급격하게 줄어들도록 함과 동시에 변환된 환원제중 수소에 의하여 효과적인 질소의 정화율을 얻을 수 있도록 하고, 아울러 이를 통해 우레아 분사량을 줄어들도록 함에 따라 그에 따른 우레아 탱크의 용량도 줄어들도록 하여 공간활용을 높일 수 있는 선택적 촉매 환원장치용 연료분해촉매를 제공한다.

배기가스후처리부, 활성금속부, 베이스메탈옥사이드부, 촉매부

Description

선택적 촉매 환원장치용 연료분해촉매{catalyst for SCR}

본 발명은 선택적 촉매 환원장치용 연료분해촉매에 관한 것이다. 보다 상세하게는 터보차저의 후방에 연료분해촉매가 아닌 연료분해촉매부가 설치되어지도록 함으로써, 선택적 촉매 환원장치로 유입되는 탄화수소의 양을 급격하게 줄어들도록 함과 동시에 변환된 환원제중 수소에 의하여 효과적인 질소의 정화율을 얻을 수 있도록 하고, 아울러 이를 통해 우레아 분사량을 줄어들도록 함에 따라 그에 따른 우레아 탱크의 용량도 줄어들도록 하여 공간활용을 높일 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 자동차는 사용되는 연료는 그 종류에 따라 가솔린 차량, 디젤 차량, LPG 차량으로 구분되어지고, 이중 디젤 차량은 고연비를 가지며 고출력 및 고부하 운전이 가능하고 유류비가 저렴하여 그 수요가 계속 증가하고 있는 실정이다.

그러나 이러한 디젤 차량의 배기가스에는 일산화탄소, 질소산화물 및 입자상 물질과 같은 오염물질이 가솔린 차량에 비해 많이 포함되어 있으므로 이러한 오염물질을 처리하여 배기가스를 정화하는 매연 여과장치들이 다양하게 개발되고 있다.

이러한 매연 여과장치에는 배기가스 중 포함된 탄화수소와 일산화탄소의 성분을 각각 촉매에 의한 산화반응으로 물과 이산화탄소로 변환시켜 주는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst: 디젤산화촉매)와, 배기가스 중 포함된 입자상 물질을 포집하였다가 배기가스의 열에 의해 연소시켜 주는 CPF(Catalyzed Diesel Particulate Filter: 디젤 입자상물질 제거용 필터)와, 배기가스 중에 포함된 질소산화물을 촉매를 이용하여 질소 및 산소로 환원시켜 주는 SCR 장치(Selective Catalytic Reduction: 선택적 촉매 환원장치) 등이 제안되어지고 있다.

이들 매연 여과장치는 각각 차량에 장착될 수 있으나, 최근에는 배기가스의 입자상 물질 및 질소산화물을 모두 처리할 수 있도록 상기한 3가지의 매연 여과장치가 동시에 차량에 장착되고 있는 추세이다.

도1은 종래 기술에 따른 선택적 촉진 환원장치의 촉매에 의한 질소산화물의 정화율을 도시한 그래프이다.

배기가스 중에 포함된 질소산화물을 촉매를 이용하여 질소 및 산소로 환원시켜 주는 SCR 장치를 사용하는 과정에서 엔진이 불완전 연소 할 경우 탄화수소(hydrocarbon)의 슬립(slip)이 발생하게 된다. 이때의 연료는 탄화수소로 긴 탄소결합(16개 이상)으로 이루어저 있으며, 이런 물질이 SCR 장치로 직접 유입 될 경우 SCR 장치에 암모니아(NH₃)와 탄화수소(Hydrocarbon)가 같이 공존 하게 된다.

이는 도1에 도시된 바와 같이, 암모니아와 탄화수소가 같이 있을때 SCR 장치 내에서의 질소산화물(NOx) 정화율은 순수한 암모니아 보다 떨어지게 됨에 따라 질소산화물이 증가되어지게 되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 터보차저의 후방에 연료분해촉매가 아닌 연료분해촉매부가 설치되어지도록 함으로써, 선택적 촉매 환원장치로 유입되는 탄화수소의 양을 급격하게 줄어들도록 함과 동시에 변환된 환원제중 수소에 의하여 효과적인 질소의 정화율을 얻을 수 있도록 하고, 아울러 이를 통해 우레아 분사량을 줄어들도록 함에 따라 그에 따른 우레아 탱크의 용량도 줄어들도록 하여 공간활용을 높일 수 있는 선택적 촉매 환원장치용 연료분해촉매를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은, 터보차저(200)의 출구측과 배기가스후처리부(300) 사이의 내부에 활성금속부(410)와 베이스메탈옥사이드부(420)로 구성되어지도록 설치된 연료분해 촉매부(400); 상기 터보차저(200)로부터 배출되는 하이드로카본이 스팀리포밍과 파티얼옥사이디션 및 터미널크랙킹을 통해 환원제로 변환되어지도록 구성됨을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치용 연료분해촉매를 제공한다.

본 발명에 의하면, 터보차저의 후방에 연료분해촉매가 아닌 연료분해촉매부가 설치되어지도록 함으로써, 선택적 촉매 환원장치로 유입되는 탄화수소의 양을 급격하게 줄어들도록 함과 동시에 변환된 환원제중 수소에 의하여 효과적인 질소의 정화율을 얻을 수 있도록 하고, 아울러 이를 통해 우레아 분사량을 줄어들도록 함에 따라 그에 따른 우레아 탱크의 용량도 줄어들도록 하여 공간활용을 높일 수 있는 효과가 있다.

이때, 상기 활성금속부(410)는 Pt(백금), Pd(달라듐), Rh(로듐), Ru(로테늄), Sn(주석)으로 구성되어지고, 상기 베이스메탈옥사이드부(420)는 알루미나, 지로코니아, 세리아, 지올라이드로 구성되어지는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 도2는 본 발명에 따른 연료분해촉매를 갖는 선택적 촉매 환원장치를 도시한 구성도이다.

도2에 도시된 바와 같이, 본 발명이 따른 DFC(Diesel Fule Cracking: 연료분해촉매)부(400)는 엔진(100)에 설치된 터보차저(200)의 출구축과 배기가스 후처리 부(300) 사이에 설치되어 터보차저(200)로 배출되어지는 하이드로카본이 스팀 리포밍(Steam Reforming), 파티얼 옥사이디션(Partial Oxidation) 및 터멀크래킹(Thermal Cracking) 과정을 통해 다수의 고반응성 환원제로 변환되어지도록 구성되어 있다. 또한, 배기가스 후처리부(300)이 후방에는 SCR부(500)가 설치되어지고, 상기 SCR부(500)의 앞쪽에 우레아노즐(510)이 결합되어지도록 구성되어 있다.

한편, 고반응성 환원제의 변환과정 중 스림 리포밍 변환은

C₁₆H₃₄ + 16H₂O ↔ 16CO + 33H₂ △H[298K] = 2349 KJ/mol

피티얼 옥사이디션 변환은

C₁₆H₃₄ + 0.5O₂ → 8C₂H₄ + H₂O △H[298K] = 426 KJ/mol

C₁₆H₃₄ + 8O2 ↔ 16CO + 17H₂ △H[298K] = -1519 KJ/mol 및

터멀 크랙킹 변환은

C₁₆H₃₄ → 2n-C8H17 → n-C6H13 → n-C4H9 → C2H5 → C2H4

C₁₆H₃₄ → 8C2H4 + H₂ △H[298K] = 668.6 KJ/mol 통하여 하이드로카본이 다수의 고반응성 환원제로 변환되어진다.

상기 연료분해촉매부(400)는 활성금속부(410)와 베이스메탈옥사이드부(420)로 구성되어지고, 상기 활성금속부(410)는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 로테 늄(Ru) 및 주석(Sn)으로 구성되어지고, 상기 베이스메탈옥사이드부(420)는 알루미나, 지로코니아, 세리아, 지올라이드로 구성되어진다.

도3은 본 발명에 따른 연료분해촉매에 의한 수소의 수율을 도시한 그래프이고, 도4는 본 발명에 따른 연료분해촉매에 의한 수소 및 일산화탄소의 증가율을 도시한 그래프이다.

도3 및 도4의 그래프에서 연료분해 촉매부(400)는 SCR부(500)로 유입되는 탄화수소의 양을 줄여 NOx 정화율을 높일 수 있게 된다. 또한, 연료분해촉매부(400)로 인해 변환된 환원제중 H₂ 는 SCR부(500)의 내에서 효과적인 NOx 정화 효율을 갖는다.(2H2+2NO → N2+2H2O, 4H2+2NO2→N2+4H2O)

따라서, 결과적으로 생성된 H₂는 NH₃의 α-ratio를 감소시킴에 따라 우레아노즐(510)으로부터 분사량을 줄일 수 있게 되고, 이를 통해 우레아탱크의 용량도 상대적으로 적게 가저갈 수 있어 L/OUT 측면에서 유리하다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어져야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

도1은 종래 기술에 따른 선택적 촉진 환원장치의 촉매에 의한 질소산화물의 정화율을 도시한 그래프,

도2는 본 발명에 따른 연료분해촉매를 갖는 선택적 촉매 환원장치를 도시한 구성도,

도3은 본 발명에 따른 연료분해촉매에 의한 수소의 수율을 도시한 그래프,

도4는 본 발명에 따른 연료분해촉매에 의한 수소 및 일산화탄소의 증가율을 도시한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

200:터보차저 300:배기가스후처리부

410:활성금속부 420:베이스메탈옥사이드부

400:연료분해 촉매부

Claims

터보차저(200)의 출구측과 배기가스후처리부(300) 사이의 내부에 활성금속부(410)와 베이스메탈옥사이드부(420)로 구성되어지도록 설치된 연료분해 촉매부(400);

상기 터보차저(200)로부터 배출되는 하이드로카본이 스팀리포밍과 파티얼옥사이디션 및 터멀크랙킹을 통해 환원제로 변환되어지도록 구성됨을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치용 연료분해촉매.
제1항에 있어서,

상기 활성금속부(410)는 Pt, Pd, Rh, Ru, Sn으로 구성되어지고, 상기 베이스메탈옥사이드부(420)는 알루미나, 지로코니아, 세리아, 지올라이드로 구성되어짐을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치용 연료분해촉매.