KR101938910B1 - 믹서 일체형 에스씨알 챔버 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진 배기라인에 설치되는 에스씨알 챔버에 관한 것으로서, 내부에 일정 공간을 형성하는 챔버하우징과, 상기 배기가스가 통과할 수 있도록 상기 챔버하우징 내에 설치되며, 다수의 촉매로 구성된 적어도 하나 이상의 촉매단과, 상기 엔진 배기라인에 연결되며 상기 챔버하우징 내에서 일정 길이의 유입로를 제공하는 믹싱관, 및 상기 촉매단을 통과한 배기가스를 상기 챔버하우징 외부로 배출하는 배기구로 구성됨으로써, 요소수(우레아)와 배기가스를 혼합시키는 믹싱관이 챔버하우징에 내설되도록 하여 배관길이 축소를 통해 공간 활용성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 에스씨알 챔버의 설치 및 해체가 간편한 믹서 일체형 에스씨알 챔버에 관한 것이다.

Description

믹서 일체형 에스씨알 챔버{SCR chamber with mixer}

본 발명은 엔진 배기라인에 설치되는 에스씨알 챔버(SCR chamber)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 요소수(우레아)와 배기가스를 혼합시키는 믹싱관이 에스씨알 챔버에 통합 설치되도록 함으로써, 믹싱관의 충분한 길이 확보는 물론 외부 배관길이 축소를 통해 공간 활용성을 향상시킬 수 있는 믹서 일체형 에스씨알 챔버에 관한 것이다.

일반적으로 선박에는 선박을 추진시키기 위해 프로펠러를 구동하는 메인 엔진과 선박에 탑재된 각종 장비나 의장품 등에 전원을 공급하기 위한 다수의 발전용 엔진 등이 설치되어 운영되고 있다.

이러한 선박 엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스에는 다수의 부유성 미립자와 질소 산화물인 NOx, 그리고 황산화물인 SOx 등의 유해성 기체상 물질이 포함되어 있다.

이런 환경오염 물질의 배출을 저감하고자 세계 각국에서는 환경규제를 통해 배출량을 규제하고 있다.

엔진의 경우 이런 환경규제를 만족하기 위해 질소산화물을 제거하는 선택적 촉매 저감장치(SCR:Selective Catalytic Reduction), 황 산화물을 저감하는 스크러버(Scrubber, SOx 제거), 입자상 물질을 제거하는 매연여과장치(DPF:Diesel Particulate Filter) 등을 설치하여 환경규제에 대응하고 있다.

이 중 질소산화물을 저감하는 선택적 촉매 저감장치(SCR, Selective Catalytic Reduction)는 압출 혹은 금속성 코팅 촉매를 이용하여 배기가스 내의 질소 산화물(NOx)을 인체에 무해한 질소와 물로 환원시켜 배출시키는 장치로서 주로 암모니아(NH3) 또는 우레아(Urea)를 환원제로 이용한다.

이하 종래의 에스씨알 챔버를 도 1을 참조하여 간략히 설명한다.

도 1은 종래의 에스씨알 챔버가 설치된 일반적인 엔진 배기라인의 구성도를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 엔진(100)의 배기라인(150)에는 믹서라인(Mixer line)(210)과 에스씨알 챔버(SCR chamber)(250)가 연속 설치된다.

믹서라인(210)은 배기라인(150)과 에스씨알 챔버(250) 사이에 설치되는 중공형 관체로서, 배기라인(150)에 투입되는 요소수(우레아,Urea)가 배기가스와 균일하게 혼합되도록 하는 것이다.

따라서 배기가스와 요소수는 믹서라인(210)을 통과하면서 혼합되고, 이때 요소수는 암모니아(NH3)로 변환되어 에스씨알 챔버(250)에 투입되는 것이다.

에스씨알 챔버(250)에 투입된 암모니아는 다수의 촉매로 구성된 반응구역(촉매층)을 통과하면서 촉매에 의해 배기가스 내 질소 산화물(NOx)과 반응하여 질소 산화물을 질소와 물로 환원시키게 되는 것이다.

여기서 촉매는 일반적으로 배기가스가 통과할 수 있도록 하니콤 타입(honeycomb type)이나 메쉬 타입(mesh type) 등으로 이루어지는 일정 길이의 다수의 개방형 셀(cell) 형태로 이루어진 것이다.

따라서 배기가스는 상기 셀을 통과하면서 촉매 반응을 하여 질소 산화물이 질소와 물로 환원되어 지는 것이다.

그러나 상기와 같은 종래의 에스씨알 챔버는 배기가스와 요소수를 혼합시키기 위한 믹서라인이 필요하게 되고, 이때 믹서라인은 배기가스와 요소수의 균일한 혼합 및 반응을 위해 일정 시간과 온도 조건을 확보할 수 있는 소정의 길이를 가지도록 설치되어야 한다.

따라서 믹서라인의 설치를 위해 불가피하게 외부 배관이 길어지게 되므로, 엔진룸의 공간적인 제약으로 인해 설치 공간 확보가 어려울 뿐 아니라, 공간 활용성이 현저히 떨어지는 문제점이 있었다.

또한 이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 믹서라인 내에 프로펠러(Propeller)나 다수의 베인(vane,날개)을 설치함으로써, 배기가스와 요소수의 신속한 혼합을 유도하여 믹서라인의 길이를 최소화할 수 있는 방법이 제안되고 있으나, 이러한 경우도 우레아가 암모니아로 변환하기 위한 최소한의 길이가 필요하며, 또한 제작비용 증가, 믹서의 복잡한 구조, 용이하지 않은 유지 보수 등의 문제점이 있었다.

한국등록특허공보 10-0844750(2008.07.01)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 믹싱관을 에스씨알 챔버 내에 통합 설치함으로써, 믹싱관의 충분한 길이 확보를 통해 배기가스와 요소수가 효과적으로 혼합될 수 있도록 하고, 또한 에스씨알 챔버를 믹서 일체형으로 콤팩트하게 구성하여 믹서 설치를 위한 별도의 공간 확보가 필요없는 믹서 일체형 에스씨알 챔버를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 엔진 배기가스에 포함된 질소 산화물을 제거할 수 있도록 엔진 배기라인에 설치되는 에스씨알 챔버에 있어서,

상기 에스씨알 챔버는 내부에 일정 공간을 형성하는 챔버하우징과, 상기 배기가스가 통과할 수 있도록 상기 챔버하우징 내에 설치되며 다수의 촉매로 구성된 적어도 하나 이상의 촉매단과, 상기 엔진 배기라인에 연결되며 상기 챔버하우징 내에서 일정 길이의 유입로를 제공하여 상기 배기가스가 상기 유입로를 경유한 후 상기 촉매단을 통과할 수 있도록 구비되는 믹싱관, 및 상기 촉매단을 통과한 배기가스를 상기 챔버하우징 외부로 배출하는 배기구로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 믹싱관은 상기 촉매단을 관통하여 설치된다.

한편 상기 챔버하우징은 내부 영역이 상기 믹싱관과 상기 촉매단이 설치되는 반응구역으로 분리되도록 격벽을 설치하되, 상기 격벽은 상기 유입로와 반응구역을 연결하는 연통로가 구비되도록 한다.

또한 상기 챔버하우징에는 상기 촉매단의 전면부와 후면부를 지지하는 서포트가 각각 설치될 수 있다.

이때 상기 서포트는 다수개의 지지대가 이격되어 방사상으로 설치되는 방사형 구조 또는 격자 구조로 구비되는 것이 바람직하다.

또한 상기 서포트는 메쉬 구조 또는 철망 구조로 이루어질 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 믹싱관의 충분한 길이 확보를 통해 배기가스와 요소수의 균일한 혼합이 가능하게 되어 에스씨알 챔버의 효율성을 향상시킬 수 있는 효과가 있고, 또한 설치 및 해체가 간편할 뿐 아니라, 믹서 설치를 위한 별도의 공간확보가 필요 없어 엔진룸의 공간 활용성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 에스씨알 챔버가 설치된 일반적인 엔진 배기라인의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 믹서 일체형 에스씨알 챔버의 사시도,
도 3은 도 2의 중앙 단면도,
도 4는 본 발명에 구비된 서포트와 촉매단의 일 실시예의 사시도,
도 5는 본 발명의 믹서 일체형 에스씨알 챔버의 작동 설명도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 믹서 일체형 에스씨알 챔버의 사시도,
도 7은 도 6의 실시예의 작동 설명도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

여기서 도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 믹서 일체형 에스씨알 챔버의 사시도를 나타낸 것이고, 도 3은 도 2의 중앙 단면도를 나타낸 것이며, 도 4는 본 발명에 구비된 서포트와 촉매단의 일 실시예의 사시도를 나타낸 것이다.

본 발명의 믹서 일체형 에스씨알 챔버(SCR chamber)는 배기가스에 포함된 질소 산화물인 NOx를 촉매 반응을 통해 제거하는 역할을 하는 것이다.

즉, 에스씨알 챔버(SCR chamber)는 암모니아(NH3) 또는 우레아(Urea)를 환원제로 이용하여 배기가스 내의 질소 산화물(NOx)을 질소와 물로 환원시켜 배출하게 되는 것이다.

따라서 본 발명의 믹서 일체형 에스씨알 챔버는 배기가스가 통과할 수 있도록 하나의 유닛 형태로 엔진(100) 배기라인(150)에 연결되는 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 챔버하우징(10), 촉매단(30), 믹싱관(50), 및 배기구(70)로 구성된다.

여기서 챔버하우징(10)은 내부에 일정 공간을 형성할 수 있도록 내부가 비어 있는 원통형으로 구비되며, 상부면에는 하기에서 설명하는 믹싱관(50)이 관통 결합될 수 있도록 개구부가 형성된다.

이때 챔버하우징(10)의 상부면은 돔(dome) 형태를 이루거나 또는 개구부의 둘레를 따라 경사면이 형성되도록 할 수도 있을 것이다.

한편 챔버하우징(10)의 상부면에는 배기구(70)가 외부로 돌출되도록 설치된다.

배기구(70)는 챔버하우징(10) 내부의 촉매단(30)을 통과한 배기가스를 외부로 배출하게 되며, 도시하지는 않았지만 별도의 배기관에 연결된다.

배기구(70)는 챔버하우징(10)의 상부는 물론 촉매단(30)을 통과한 배기가스를 외부로 배출시킬 수 있는 다양한 위치에 설치될 수 있을 것이다.

여기서 챔버하우징(10)은 도시된 바와 같은 원통형으로 한정되는 것은 아니며, 엔진(100)의 크기나 특성 등을 고려하여 사각 형상 등 다양한 구조로 구성할 수 있을 것이다.

한편 촉매단(30)은 챔버하우징(10)의 내부에 설치되는 것으로서, 다수의 촉매(35)로 이루어져 있으며, 질소 산화물(NOx)이 암모니아(NH3)와 반응하여 질소와 물로 변환되도록 하는 것이다.

즉, 촉매단(30)은 촉매 반응을 통해 암모니아(NH3)를 환원제로 이용하여 배기가스 내의 질소 산화물(NOx)이 무해한 질소와 물로 환원되도록 하는 것이다.

이때 촉매단(30)은 일반적으로 다수의 압출 또는 금속성 코팅 촉매(35)로 이루어진다.

여기서 촉매단(30)을 구성하는 촉매(35)는 도 3,4에 도시된 바와 같이, 배기가스가 통과할 수 있도록 메쉬 타입(mesh type) 등으로 형성된 일정 길이의 개방형 셀(cell) 형태로 이루어져 있으며, 길이 방향을 따라 다수개가 조밀하게 설치된 구조로 이루어져 있다.

이때 배기가스 내의 질소 산화물은 촉매(35)을 통과하면서 촉매 반응을 통해 질소와 물로 환원되는 것이다.

여기서 촉매단(30)은 일반적인 선택적 촉매 저감장치(SCR:Selective Catalytic Reduction)에 적용되는 촉매가 설치되는 영역이다.

따라서 촉매단(30)은 챔버하우징(10)의 형상에 따라 내부에 다수의 중공형 셀 형태의 촉매(35)가 조밀하게 설치된 일정 두께를 가지는 원통형 또는 사각형의 형태로 구비될 수 있으며, 챔버하우징(10) 내측에 적어도 하나 이상의 촉매단(30)이 설치된다.

이때 촉매단(30)은 일정 거리 이격되도록 설치되는 것이 바람직하다.

따라서 챔버하우징(10)은 도시된 바와 같이 다수의 촉매(35)가 모듈(module) 형태로 설치된 두 개의 촉매단(30)을 구비함으로써, 배기가스의 진행 방향에 대해 내부를 복수의 반응구역으로 분리시켜 2단으로 구성할 수 있다.

여기서 촉매단(30)은 챔버하우징(10)의 크기나 길이 또는 형상에 대응하여 다양한 형태와 개수로 챔버하우징(10) 내부에 설치될 수 있을 것이다.

한편 챔버하우징(10)의 내부에는 믹싱관(50)이 설치된다.

믹싱관(50)은 내부를 통과하는 배기가스에 분사된 요소수(우레아)가 암모니아로 변환될 수 있는 시간을 확보해 주는 역할을 하는 것으로서, 중공형 파이프 형태 또는 사각 파이프 형태로 구비되며, 변환된 암모니아가 배기가스와 고르게 혼합될 수 있도록 내부에 vane, mixer 등의 장치가 구비될 수 있다.

여기서 믹싱관(50)의 상단은 엔진(100)의 배기라인(150)에 연결되며, 챔버하우징(10)의 상면부에 구비된 개구부와 촉매단(30)을 순차적으로 관통하여 결합되도록 구비된다.

이때 믹싱관(50)의 하단은 유입된 배기가스가 촉매단(30)으로 흘러갈 수 있도록 챔버하우징(10)의 바닥면(15)과 일정 거리 이격되도록 설치된다.

한편 챔버하우징(10)에는 다수의 서포트(20)가 설치된다.

서포트(20)는 믹싱관(50)을 고정시킴과 동시에 촉매단(30)을 지지하는 역할을 하는 것으로서, 믹싱관(50)이 관통 결합되도록 구비되며, 도 3,4에 도시된 바와 같이, 촉매단(30)의 전면과 후면에 각각 위치하도록 설치된다.

여기서 서포트(20)는 직경이 상이한 두 개의 환형 지지프레임(21,23) 사이에 다수개의 지지대(25)가 방사상으로 설치된 방사형 구조로 이루어질 수 있다.

따라서 서포트(20)는 믹싱관(50)에 결합되어 촉매단(30)의 전면과 후면에 밀착되도록 설치됨으로써, 촉매단(30)을 지지하게 되는 것이다.

여기서 서포트(20)는 도시된 바와 같은 방사형 프레임(frame) 구조로 한정되는 것은 아니며, 격자 구조 또는 배기가스의 흐름에 방해를 최소화할 수 있는 메쉬(mesh) 구조나 철망 구조 등 다양한 형태로 구비될 수 있다.

따라서 본 발명의 믹서 일체형 에스씨알 챔버는 믹싱관(50)이 챔버하우징(10)의 중앙부를 관통하여 설치됨과 아울러 적어도 하나 이상의 촉매단(30)이 내부에 이격되어 통합 설치됨으로써, 믹싱관(50)과 촉매단(30)이 챔버하우징(10)의 내부에 일체화된 하나의 유닛(Unit) 형태로 구성되어 배기라인(150)에 용이하게 착탈시킬 수 있을 것이다.

이하 도 5를 참조하여 본 발명의 믹서 일체형 에스씨알 챔버의 작동 과정을 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 믹서 일체형 에스씨알 챔버의 작동 설명도를 나타낸 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 믹싱관(50)의 상단부는 배기라인(150)에 연결됨으로써, 배기가스가 통과할 수 있도록 설치된다.

이때 배기라인(150)에는 요소수(우레아)를 투입하는 투입구(160)가 설치되어 있다.

따라서 배기가스는 투입구(160)로부터 유입된 요소수와 혼합되면서 화살표와 같이 믹싱관(50)으로 진입하여 하향 이동하게 된다.

이때 믹싱관(50)은 충분한 길이를 확보할 수 있기 때문에 요소수는 믹싱관(50)을 이동하는 과정에서 배기가스와 고르게 혼합되어 암모니아로 변환하게 되는 것이다.

한편 배기가스와 암모니아는 화살표와 같이 믹싱관(50)의 하단을 빠져나오면서 챔버하우징(10)의 바닥면(15)에 부딪힌 후, 상향 이동하여 두 개의 촉매단(30)에 구비된 촉매(35)를 순차적으로 통과하게 되는 것이다.

따라서 촉매(35)는 암모니아와 배기가스 내의 질소 산화물을 반응시키게 되고, 이때 암모니아는 환원제로 작용하여 질소 산화물과 반응함으로써, 질소 산화물을 질소와 물로 변환시키게 되는 것이다.

상기와 같이 배기가스는 촉매단(30)을 통과하면서 반응을 완료한 후, 배기구(70)를 통해 챔버하우징(10) 외부로 배출되는 것이다.

이하 본 발명의 다른 실시예를 도 6,7을 참조하여 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예의 믹서 일체형 에스씨알 챔버의 사시도를 나타낸 것이고, 도 7은 도 6의 실시예의 작동 설명도를 나타낸 것이다.

여기서 도 6은 설명의 편의를 위하여 전면부가 분리된 상태를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 챔버하우징(300)은 사각 박스 형태로 제작될 수 있으며, 내부에는 격벽(315)이 설치된다.

격벽(315)은 챔버하우징(300) 내부가 배기가스 유입로(357)를 제공하는 믹싱관(350) 및 복수의 촉매단(330)이 이격 설치된 반응구역(335)으로 분리되도록 하는 것이다.

이때 격벽(315)은 선단부가 챔버하우징(300)의 바닥면과 일정 거리 이격되어 연통로(317)가 형성되도록 함으로써, 믹싱관(350)의 유입로(357)를 통과한 배기가스가 반응구역(335)으로 진입할 수 있도록 설치되는 것이다.

한편 촉매단(330)은 반응구역(335)을 따라 복수로 이격 설치될 수 있다.

여기서 촉매단(330)의 전면과 후면에는 서포트(320)가 설치된다.

서포트(320)는 도 2의 실시예에서와 같이 다양한 구조로 구비될 수 있을 것이다.

또한 챔버하우징(300)의 믹싱관(350) 상부에는 엔진 배기라인에 연결시킬 수 있는 연결구(355)가 설치되고, 반응구역(335) 상부에는 배기구(370)가 설치된다.

따라서 도 6의 실시예는 도 7에 도시된 바와 같이, 믹싱관(350)으로 유입된 배기가스가 화살표와 같이 연통로(317)를 경유하여 반응구역(335)에 설치된 촉매단(330)을 순차적으로 통과한 후, 배기구(370)를 통해 외부로 배출되는 것이다.

여기서 챔버하우징(300)은 사각 박스 형태로 한정되는 것은 아니며, 원통형 등 다양한 구조로 제작될 수 있으며, 또한 믹싱관(350)과 반응구역(335) 및 촉매단(330)도 챔버하우징(300)의 형태에 상응하도록 반원통 구조 등 다양한 형태로 구성될 수 있을 것이다.

따라서 본 발명은 배기가스와 요소수를 혼합시키기 위한 믹싱관(30,350)이 챔버하우징(10,300) 내에 일체로 통합 설치됨으로써, 배기라인(150)에 별도의 믹서 라인을 설치하지 않고도 충분한 믹싱 길이를 확보할 수 있게 되고, 이로 인해 배기가스와 요소수가 효과적으로 혼합될 수 있게 되며, 또한 설치 및 해체가 용이한 것은 물론 설치를 위한 별도의 공간 확보가 필요없어 공간 활용성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

이상, 상기의 실시 예는 단지 설명의 편의를 위해 예시로서 설명한 것에 불과하므로 특허청구범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술 범주 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10,300 : 챔버하우징 15 : 바닥면
20,320 : 서포트 21,23 : 지지프레임
25 : 지지대 30,330 : 촉매단
35 : 촉매 50,350 : 믹싱관
70,370 : 배기구 100 : 엔진
150 : 배기라인 160 ; 투입구
210 : 믹서라인 250 : 에스씨알 챔버
315 : 격벽 317 : 연통로
335 : 반응구역 355 : 연결구
357 : 유입로

Claims (6)

1. 엔진 배기가스에 포함된 질소 산화물을 제거할 수 있도록 엔진 배기라인에 설치되는 에스씨알 챔버에 있어서,
   상기 에스씨알 챔버는,
   내부에 일정 공간을 형성하는 챔버하우징과;
   상기 배기가스가 통과할 수 있도록 상기 챔버하우징 내에 설치되며, 다수의 촉매로 구성되면서 간격을 두고 복수로 구비되는 촉매단과;
   상기 복수의 촉매단을 관통하여 챔버하우징 내부의 중앙에 길이 방향을 따라 삽입되고, 상기 엔진 배기라인에 직렬로 연결되어서 배기라인을 통해 유입되는 배기가스가 통과되어서 챔버하우징내에 유입되도록 한 다음, 간격을 두고 복수 형성된 촉매단을 통과하도록 구비되는 믹싱관과;
   상기 엔진 배기라인의 일측면에 형성되어서 요소수가 투입되어 챔버하우징안으로 유입되는 배기가스와 혼합되도록 하는 투입구와;
   상기 믹싱관 및 복수의 촉매단을 통과한 배기가스를 상기 챔버하우징 외부로 배출하도록 챔버하우징의 일측에 형성되는 배기구와;
   상기 촉매단의 전면부와 후면부를 안정되게 지지함과 동시에, 믹싱관을 지지하도록 설치되는 서포트;
   로 구성되고,
   상기 서포트는 다수개의 지지대가 이격되어 방사상으로 설치되는 방사형 구조 또는 격자 구조로 구비되는 것을 특징으로 하는 믹서 일체형 에스씨알 챔버.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 서포트는 메쉬 구조 또는 철망 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 믹서 일체형 에스씨알 챔버.

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