KR102107910B1 - 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템 - Google Patents

선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진에서 배출된 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템은 상기 엔진에서 발생된 배기가스를 배출시키는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 반응기와, 상기 반응기에 유입되는 배기가스를 향해 환원제를 분사하는 촉매 반응용 환원제 분사부와, 상기 촉매 반응용 환원제 분사부보다 상대적으로 상기 엔진에 더 가까운 위치에서 배기가스를 향해 환원제를 분사하는 무촉매 반응용 환원제 분사부와, 상기 촉매 반응용 환원제 분사부와 상기 무촉매 반응용 환원제 분사부에 각각 환원제를 공급하는 환원제 공급부, 그리고 상기 엔진의 운전 조건에 따라 상기 환원제 공급부를 제어하는 제어 장치를 포함한다.

Description

선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템{COMBINED SNCR AND SCR SYSTEM}
본 발명은 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위해 사용되는 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템에 관한 것이다.
산업화가 급속하게 진전됨에 따라 석유나 석탄과 같은 각종 화석 연료의 사용량이 증가하게 되었다. 이로 인하여 화석 연료의 연소 과정에서 배출되는 각종 유해 가스가 심각한 대기 오염을 야기하고 있다. 대표적인 예로서 스모그(Smog) 현상이나 산성비 등을 들 수 있다.
대기 오염의 주범으로는 차량 및 선박의 엔진 또는 화력 발전소나 공장 등으로부터 배출되는 배기가스의 황산화물(SOx)이나 질소산화물(NOx)이 있다. 이 중에서 질소산화물을 저감시키기 위한 대표적인 설비로 선택적 무촉매 환원(selective non-catalytic reduction, SNCR) 시스템과 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템이 있다.
선택적 무촉매 환원(SNCR0 시스템은 연소실에서 발생하는 높은 온도를 갖는 배기가스에 환원제인 우레아(urea) 수용액이나 암모니아 수용액을 직접 분사하여 질소산화물(NOx)과 반응시킴으로써 질소산화물(NOx)을 저감하는 방법이다. 이때, 연소실에서 발생하는 배기가스는 섭씨 800도 내지 섭씨 1100도 범위 내의 온도를 가질 수 있다.
선택적 촉매 환원(SCR) 시스템은 촉매가 설치된 반응기에서 환원제를 질소산화물(NOx)과 반응시킴으로써 질소산화물(NOx)을 저감하는 방법이다. 선택적 촉매 환원 시스템에서는 상대적으로 낮은 온도를 갖는 배기가스에 환원제인 우레아(urea) 수용액이나 암모니아 수용액을 분사하거나 별도로 마련된 분해 챔버 또는 기화기에서 우레아 수용액을 암모니아 가스로 분해한 후 이를 배기가스에 분사하게 된다. 이와 같이 분사된 환원제는 배기가스와 함께 촉매가 설치된 반응기로 유입된다. 그리고 반응기에 유입되는 배기가스의 온도는 섭씨 200도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도를 가질 수 있다.
선택적 무촉매 환원 시스템은 질소산화물(NOx) 저감율이 40% 내지 60% 수준이나 설치 비용 및 유지 보수 측면에서 선택적 촉매 환원 시스템보다 유리하여 많이 활용되었으나, 점차 환경 규제가 강화됨에 따라 근래에는 질소산화물(NOx) 저감율이 최대 95% 이상인 선택적 촉매 환원 시스템의 사용이 크게 증가되고 있으며, 선택적 무촉매 환원 시스템과 선택적 촉매 환원 시스템을 함께 적용하는 복합 시스템도 많이 사용되고 있다.
특히, 선박의 경우 디젤 엔진에서 배출되는 질소산화물(NOx)의 배출량이 국제 해사 기구(International Maritime Organization)에서 규정한 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III)를 만족시킬 수 있어야 한다.
하지만, 선택적 무촉매 환원 시스템 및 선택적 촉매 환원 시스템의 운용에는 별도의 에너지가 소모되므로, 선택적 무촉매 환원 시스템 및 선택적 촉매 환원 시스템을 모두 상시 가동하는 경우, 선박 운용 비용을 크게 상승시키는 문제점이 있다.
또한, 선박에서는 엔진의 운전 조건을 조절하여 엔진에서 배출되는 질소산화물 배출량을 줄일 수도 있다. 하지만, 엔진의 운전 조건을 조절하여 질소산화물 배출량을 줄이는 경우에는, 연료 소모량이 증가되므로 이 역시 선박 운용 비용을 상승시키게 된다.
본 발명의 실시예는 질소산화물 배출량을 효과적으로 저감시키면서도 운용 비용은 최소화할 수 있는 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 엔진에서 배출된 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템은 상기 엔진에서 발생된 배기가스를 배출시키는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 반응기와, 상기 반응기에 유입되는 배기가스를 향해 환원제를 분사하는 촉매 반응용 환원제 분사부와, 상기 촉매 반응용 환원제 분사부보다 상대적으로 상기 엔진에 더 가까운 위치에서 배기가스를 향해 환원제를 분사하는 무촉매 반응용 환원제 분사부와, 상기 촉매 반응용 환원제 분사부와 상기 무촉매 반응용 환원제 분사부에 각각 환원제를 공급하는 환원제 공급부, 그리고 상기 엔진의 운전 조건에 따라 상기 환원제 공급부를 제어하는 제어 장치를 포함한다.
상기 무촉매 반응용 환원제 분사부에서 분사되는 환원제의 질소산화물 저감율은 상기 엔진에서 배출되는 최대 질소산화물 배출량을 기준으로 30% 내지 50% 범위 내에 속할 수 있다. 그리고 상기 촉매 반응용 환원제 분사부에서 분사되는 환원제의 질소산화물 저감율은 상기 엔진에서 배출되는 최대 질소산화물 배출량을 기준으로 30% 내지 95% 범위내에 속할 수 있다.
상기 제어 장치는 상기 엔진이 가동 중인 지역에서 요구되는 질소산화물 배출 규제를 만족하도록 목표 질소산화물 저감율을 설정할 수 있다.
상기 목표 질소산화물 저감율의 50%는 상기 무촉매 반응용 환원제 분사부에서 분사되는 환원제에 의해 달성되고, 나머지 50%는 상기 촉매 반응용 환원제 분사부에서 분사되는 환원제에 의해 달성될 수 있다.
상기한 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템은 상기 배기 유로에서 분기된 후 상기 반응기를 우회하여 상기 배기가스에 재합류하는 바이패스 유로를 더 포함할 수 있다.
상기 배기 유로 상에는 과급기가 설치될 수 있다.
그리고 상기 반응기는 상기 과급기 후방의 상기 배기 유로 상에 설치될 수 있다. 이때, 상기 제어 장치는 상기 엔진의 부하가 기준 부하 미만일 때 상기 무촉매 반응용 환원제 분사부 및 상기 촉매 반응용 환원제 분사부 중 어느 하나를 통해서 환원제를 분사하고, 상기 엔진의 부하가 기준 부하 이상일 때 상기 무촉매 반응용 환원제 분사부 및 상기 촉매 반응용 환원제 분사부 중 어느 하나를 통해서 환원제를 분사할 수 있다.
또한, 상기 반응기는 상기 과급기 전방의 상기 배기 유로 상에 설치될 수 있다. 이때, 상기 제어 장치는 상기 엔진의 부하가 기준 부하 미만일 때 상기 무촉매 반응용 환원제 분사부 및 상기 촉매 반응용 환원제 분사부 중 어느 하나를 통해서 환원제를 분사하고, 상기 엔진의 부하가 기준 부하 이상일 때 상기 무촉매 반응용 환원제 분사부 및 상기 촉매 반응용 환원제 분사부 중 어느 하나를 통해서 환원제를 분사할 수 있다.
또한, 상기 반응기는 상기 과급기 전방의 상기 배기 유로 상에 설치된 제1 반응기와, 상기 과급기 후방의 상기 배기 유로 상에 설치된 제2 반응기를 포함하고, 상기 촉매 반응용 환원제 분사부는 상기 제1 반응기에 유입되는 배기가스에 환원제를 분사하는 제1 촉매 반응용 환원제 분사부와, 상기 제2 반응기에 유입되는 배기가스에 환원제를 분사하는 제2 촉매 반응용 환원제 분사부를 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어 장치는 상기 엔진의 부하가 제1 기준 부하 미만일 때 상기 무촉매 반응용 환원제 분사부, 상기 제1 촉매 반응용 환원제 분사부, 및 상기 제2 촉매 반응용 환원제 분사부 중에서 선택된 어느 하나의 분사부를 통해서 환원제가 분사되도록 제어하고, 상기 엔진의 부하가 제1 기준 부하 이상 제2 기준 부하 미만일 때 상기 무촉매 반응용 환원제 분사부, 상기 제1 촉매 반응용 환원제 분사부, 및 상기 제2 촉매 반응용 환원제 분사부 중에서 선택된 2개의 분사부를 통해서 환원제가 분사되도록 제어하며, 상기 엔진의 부하가 제2 기준 부하 이상일 때 상기 무촉매 반응용 환원제 분사부, 상기 제1 촉매 반응용 환원제 분사부, 및 상기 제2 촉매 반응용 환원제 분사부가 모두 환원제를 분사하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템은 질소산화물 배출량을 효과적으로 저감시키면서도 운용 비용은 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템의 구성도이다.
도 4는 도 3의 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템의 운용 방법을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축척에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 무촉매 환원(selective non-catalytic reduction, SNCR) 및 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 복합 시스템(101)을 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템(101)은 엔진(100)에서 배출된 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시킨다. 일례로, 엔진(100)은 선박용 2행정 저속 디젤 엔진일 수 있다. 하지만, 본 발명의 제1 실시예가 전술한 바에 한정되는 것은 아니며, 엔진(100)은 4행정 중속 디젤 엔진일 수도 있다. 또한, 복수의 엔진(100)이 사용될 수도 있으며, 이 경우 2행정 저속 디젤 엔진과 4행정 중속 디젤 엔진이 혼용될 수 있다. 이때, 2행정 저속 디젤 엔진은 선박에 추진력을 제공하는 주동력원으로 사용될 수 있으며, 4행정 중속 디젤 엔진은 발전용 또는 보조 동력원으로 사용될 수 있다.
또한, 엔진(100)이 반드시 선박용에 한정되는 것은 아니며 차량용 엔진일 수도 있다. 그 밖에도 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 종류의 엔진(100)이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 엔진(100)에서 배출된 배기가스의 일부 또는 전부는 과급기(150)를 거칠 수 있다. 과급기(150)는 엔진(100)에서 배출된 배기가스가 이동하는 배기 유로(610) 상에 설치되며, 터빈과 압축기를 포함한다. 배기가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌리면 그 힘으로 압축기가 엔진(100)에 새로운 외부 공기를 압축하여 공급한다. 이에, 과급기(150)가 장착된 엔진(100)은 효율이 향상될 수 있다. 그리고 과급기(150)와 엔진(100)은 소기 유로(620)으로 연결되며, 과급기(150)가 압축시킨 공기는 소기 유로(620)을 통해 엔진(100)에 공급된다. 또한, 외부 공기는 외기 유로(690)를 통해 과급기(150)에 공급된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 엔진(100)이 배출하는 배기가스는 섭씨 200도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도를 가지며, 배기가스의 온도는 과급기(150)를 거치면 낮아질 수 있다. 일례로, 과급기(150)를 거친 배기가스는 온도가 섭씨 150도 이상 섭씨 200도 미만으로 낮아질 수 있으며, 엔진(100)의 가동 초기에는 더 낮아질 수도 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템(101)은 상기한 배기 유로(610), 반응기(300), 무촉매 반응용 환원제 분사부(510), 반응기(300), 촉매 반응용 환원제 분사부(520), 환원제 공급부(500), 바이 패스 유로(640), 및 제어 장치(700)를 포함한다.
배기 유로(610)는 엔진(100)에서 배출된 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 이동시킨다. 그리고 배기 유로(610)는 후술할 반응기(300)와 연결된다.
반응기(300)는 배기 유로(610) 상에 설치된다. 즉, 반응기(300)는 배기 유로(610)를 통해 엔진(100)에서 배출된 배기가스를 전달받는다. 그리고 반응기(300)는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매(350)를 내장한다. 촉매(350)는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 환원제의 반응을 촉진시켜 질소산화물(NOx)을 질소와 수증기로 환원 처리한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 반응기(300)의 내부에 설치되는 촉매(350)는 모듈 형태로 설치될 수 있다. 복수의 촉매 모듈이 반응기(300) 내부에서 배기가스가 이동하는 방향에 교차하는 방향으로 적재되어 복수의 촉매층을 형성할 수 있다. 이러한 복수의 촉매층은 반응기(300) 내부에서 배기가스가 이동하는 방향을 기준으로 이격 배열될 수 있다.
또한, 촉매(350)는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다. 일례로, 촉매(350)는 섭씨 200도 내지 섭씨 500도 범위 내의 활성 온도를 가질 수 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매(350)가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다. 촉매(350)가 활성 온도 범위 밖에서 반응하면, 촉매(350)가 피독되면서 효율이 저하된다. 예를 들어, 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만의 상대적으로 낮은 온도에서 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키기 위한 환원 반응이 일어나면, 배기가스의 황산화물(SOx)과 환원제인 암모니아(NH3)가 반응하여 촉매 피독 물질이 생성된다. 구체적으로, 촉매(350)를 피독시키는 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 촉매 피독 물질은 촉매(350)에 흡착되어 촉매(350)의 활성을 저하시킨다. 촉매 피독 물질은 상대적으로 높은 온도, 즉 섭씨 350도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도에서 분해되므로, 반응기(300) 내의 촉매(350)를 승온시켜 피독된 촉매(350)를 재생할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 반응기(300)는 과급기(150) 후방의 배기 유로(610) 상에 설치될 수 있다.
이하, 본 명세서에서 전방이라 함은 배기가스의 이동 방향을 기준으로 상류측을 의미하며, 후방이라 함은 배기가스의 이동 방향을 기준으로 하류측을 의미한다.
바이패스 유로(640)는 배기 유로(610)에서 분기된 후 반응기(300)를 우회하여 다시 배기 유로(610)에 합류한다. 반응기(300) 내부에 설치된 촉매(350)를 사용하여 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키지 않을 때에는, 배기가스가 바이패스 유로(640)를 따라 이동하게 된다.
또한, 반응기(300) 내부에 설치된 촉매를 재생하거나 교체할 경우에도 배기가스는 바이패스 유로(640)를 따라 이동하게 된다.
또한, 후술할 무촉매 반응용 환원제 분사부(510)가 환원제를 분사하고 촉매 반응용 환원제 분사부(520)는 환원제를 분사하지 않는 경우에도, 배기가스는 바이패스 유로(640)를 따라 이동할 수 있다.
촉매 반응용 환원제 분사부(520)는 반응기(300)에 유입되는 배기가스를 향해 환원제를 분사한다. 예들 들어, 촉매 반응용 환원제 분사부(520)는 반응기(300) 전방의 배기 유로(610) 상에 설치되어 배기 유로(610)의 내부를 향해 환원제를 분사할 수 있다. 또한, 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템(101)은 별도의 분해 챔버(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 이 경우 촉매 반응용 환원제 분사부(520)는 분해 챔버에 설치되어 분해 챔버의 내부로 환원제를 분사할 수도 있다. 또한, 촉매 반응용 환원제 분사부(520)가 반응기(300) 전단에 설치되어 반응기(300)로 유입되는 배기가스를 향해 환원제를 분사할 수도 있다.
또한, 촉매 반응용 환원제 분사부(520)에서 분사되는 환원제의 질소산화물 저감율은 엔진(100)에서 배출되는 최대 질소산화물 배출량을 기준으로 30% 내지 95% 범위내에 속할 수 있다.
무촉매 반응용 환원제 분사부(510)는 촉매 반응용 환원제 분사부(520)보다 상대적으로 엔진(100)에 더 가까운 위치에서 배기가스를 향해 환원제를 분사한다. 예들 들어, 무촉매 반응용 환원제 분사부(510)는 엔진(100)과 인접한 배기 유로(610) 상에 설치되어 배기 유로(610)의 내부를 향해 환원제를 분사할 수 있다. 여기서, 배기 유로(610)는 엔진(100)의 배기 리시버를 포함할 수 있다. 즉, 무촉매 반응용 환원제 분사부(510)는 엔진(100)의 배기 리시버에 환원제를 분사할 수도 있다.
또한, 무촉매 반응용 환원제 분사부(510)에서 분사되는 환원제의 질소산화물 저감율은 엔진(100)에서 배출되는 최대 질소산화물 배출량을 기준으로 30% 내지 50% 범위 내에 속할 수 있다.
환원제 공급부(500)는 촉매 반응용 환원제 분사부(520)와 무촉매 반응용 환원제 분사부(510)에 각각 환원제를 공급한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 환원제 공급부(500)가 공급하는 환원제는 우레아(urea, CO(NH2)2) 수용액일 수 있다. 우레아 수용액은 질소산화물과 반응하는 환원제의 전구체에 해당한다. 질소산화물(NOx)과 직접 반응하는 환원제는 암모니아(NH3)이지만, 암모니아 자체가 오염 물질로 보관과 운반이 용이하지 않기 때문에 안정적인 우레아 수용액을 공급한 후, 이를 분해하여 암모니아 가스를 생성한다. 구체적으로, 우레아가 열분해 또는 가수분해되면서 암모니아(NH3)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성되고, 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 분해될 수 있다. 이때, 우레아의 분해 가능 온도 범위는 섭씨 250도 내지 섭씨 600도 범위에 속할 수 있다. 그리고 최종적으로 생성된 암모니아(NH3)가 배기가스에 함유한 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위해 환원제로 사용된다.
구체적으로, 환원제 공급부(500)는 무촉매 반응용 환원제 분사부(510) 및 촉매 반응용 환원제 분사부(520)에 공급할 환원제를 저장하는 환원제 저장 탱크와, 환원제 저장 탱크에 저장된 환원제를 공급하기 위한 환원제 공급 펌프 모듈, 공급 유량을 측정하기 위한 유량계, 그리고 환원제를 이동시키기 위한 환원제 공급 라인 등을 포함할 수 있다. 여기서, 환원제 공급 펌프 모듈은 환원제 공급을 위한 펌프와, 펌프 설치를 위해 필요한 필터, 펌프용 압력 게이지, 펌프용 수동 밸브 등을 포함할 수 있다.
제어 장치(700)는 엔진(100)의 운전 조건에 따라 환원제 공급부(500)를 제어한다. 통상적으로 엔진(100)의 부하 변동에 따라 엔진(100)에서 배출되는 배기가스의 배출량이 달라지므로, 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위해 요구되는 환원제의 양도 달라지게 된다. 이에, 제어 장치(700)는 엔진(100)의 운전 조건 또는 배기가스의 배출 상황에 따라 적정량의 환원제가 공급될 수 있도록 환원제 공급부(500)를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 제어 장치(700)는 엔진(100)이 가동 중인 지역에서 요구되는 질소산화물 배출 규제를 만족하도록 목표 질소산화물 저감율을 설정할 수 있다. 또한, 목표 질소산화물 저감율의 50%는 무촉매 반응용 환원제 분사부(510)에서 분사되는 환원제에 의해 달성되고, 나머지 50%는 촉매 반응용 환원제 분사부(520)에서 분사되는 환원제에 의해 달성되도록 환원제 공급부(500)를 제어할 수 있다.
또한, 제어 장치(700)는 엔진(100)의 부하가 기준 부하 미만일 때 무촉매 반응용 환원제 분사부(510) 및 촉매 반응용 환원제 분사부(520) 중 어느 하나를 통해서 환원제를 분사하고, 엔진(100)의 부하가 기준 부하 이상일 때 무촉매 반응용 환원제 분사부(510) 및 촉매 반응용 환원제 분사부(520) 중 어느 하나를 통해서 환원제를 분사할 수 있다. 여기서, 기준 부하는 엔진(100)의 성능과 사양에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 엔진(100)은 부하가 증가할수록 질소산화물 배출량이 증가하는 경향이 있으므로, 이를 고려하여 기준 부하를 설정할 수 있다. 일례로, 기준 부하는 엔진(100)의 최대 부하의 50%일 수 있다.
또한, 제어 장치(700)는 무촉매 반응용 환원제 분사부(510) 및 촉매 반응용 환원제 분사부(520) 중 어느 하나의 분사부에서 분사된 환원제만으로는 목표 질소산화물 저감율을 기설정된 수준 이상 달성할 수 없게 되었을 때, 다른 분사부로도 환원제를 분사할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템(101)은 질소산화물 배출량을 효과적으로 저감시키면서도 운용 비용은 최소화할 수 있다.
즉, 질소산화물 배출량에 상관없이 엔진(100)을 연비 운전으로 가동시킬 수 있을 뿐만 아니라 엔진(100)의 부하에 따라 질소산화물을 저감시키기 위한 방법을 달리하여 운영 비용을 최소화할 수 있다.
또한, 하나의 환원제 공급부(500)를 사용하여 선택적 무촉매 환원 반응에 사용될 환원제와 선택적 촉매 환원 반응에 사용될 환원제를 동시에 공급할 수 있다. 이를 통해, 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템(101)에 요구되는 전체적인 환원제의 양을 통합적으로 관리할 수 있다.
또한, 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템(101)의 전체적인 구성을 간소화하여 설치와 유지 보수의 용이성을 증대시키고 공간 활용도를 향상시킬 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 시스템(102)을 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 시스템(102)에서는, 반응기(300)가 과급기(150) 전방의 배기 유로(610) 상에 설치될 수 있다.
또한, 제어 장치(700)는 엔진(100)의 부하가 기준 부하 미만일 때 무촉매 반응용 환원제 분사부(510) 및 촉매 반응용 환원제 분사부(520) 중 어느 하나를 통해서 환원제를 분사하고, 엔진(100)의 부하가 기준 부하 이상일 때 무촉매 반응용 환원제 분사부(510) 및 촉매 반응용 환원제 분사부(520) 중 어느 하나를 통해서 환원제를 분사할 수 있다. 여기서, 기준 부하는 엔진(100)의 성능과 사양에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 엔진(100)은 부하가 증가할수록 질소산화물 배출량이 증가하는 경향이 있으므로, 이를 고려하여 기준 부하를 설정할 수 있다. 일례로, 기준 부하는 엔진(100)의 최대 부하의 50%일 수 있다.
또한, 제어 장치(700)는 무촉매 반응용 환원제 분사부(510) 및 촉매 반응용 환원제 분사부(520) 중 어느 하나의 분사부에서 분사된 환원제만으로는 목표 질소산화물 저감율을 기설정된 수준 이상 달성할 수 없게 되었을 때, 다른 분사부로도 환원제를 분사할 수 있다.
다만, 반응기(300)가 과급기(150) 전방의 배기 유로(610) 상에 위치하므로, 반응기(300)에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 실시예보다 상대적으로 높다. 즉, 반응기(300)에 유입되는 배기가스의 온도 또는 반응기(300)의 내부 온도를 환원제의 분해 가능 온도 범위 또는 촉매의 활성 온도 범위 내로 유지하는 것이 용이하다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템(102)은 질소산화물 배출량을 효과적으로 저감시키면서도 운용 비용은 최소화할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 시스템(103)을 설명한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 시스템(103)에서, 반응기(300)는 과급기(150) 전방의 배기 유로(610) 상에 설치된 제1 반응기(301)와, 과급기(150) 후방의 배기 유로(610) 상에 설치된 제2 반응기(302)를 포함한다.
그리고, 촉매 반응용 분사부(620)는 제1 반응기(301)에 유입되는 배기가스에 환원제를 분사하는 제1 촉매 반응용 분사부(521)와, 제2 반응기(302)에 유입되는 배기가스에 환원제를 분사하는 제2 촉매 반응용 분사부(522)를 포함한다.
또한, 바이패스 유로(640)는 제1 반응기(301)를 우회하는 제1 바이패스 유로(641)와, 제2 반응기(302)를 우회하는 제2 바이패스 유로(6420를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에서, 제어 장치(700)는 엔진(100)이 가동 중인 지역에서 요구되는 질소산화물 배출 규제를 만족하도록 설정된 목표 질소산화물 저감율의 1/3은는 무촉매 반응용 환원제 분사부(510)에서 분사되는 환원제에 의해 달성되고, 1/3은 제1 촉매 반응용 환원제 분사부(521)에서 분사되는 환원제에 의해 달성되며, 1/3은 제2 촉매 반응용 환원제 분사부(522)에서 분사되는 환원제에 의해 달성되도록 환원제 공급부(500)를 제어할 수 있다.
또한, 제어 장치(700)는 엔진(100)의 부하가 제1 기준 부하 미만일 때 무촉매 환원 반응용 분사부(510), 제1 촉매 반응용 분사부(521), 및 제2 촉매 반응용 분사부(522) 중에서 선택된 어느 하나의 분사부를 통해서 환원제가 분사되도록 제어할 수 있다. 그리고 제어 장치(700)는 엔진(100)의 부하가 제1 기준 부하 이상 제2 기준 부하 미만일 때 무촉매 환원 반응용 분사부(510), 제1 촉매 반응용 분사부(521), 및 제2 촉매 반응용 분사부(522) 중에서 선택된 2개의 분사부를 통해서 환원제가 분사되도록 제어할 수 있다. 또한, 제어 장치(700)는 엔진(100)의 부하가 제2 기준 부하 이상일 때 무촉매 환원 반응용 분사부(510), 제1 촉매 반응용 분사부(521), 및 제2 촉매 반응용 분사부(522)가 모두 환원제를 분사하도록 제어할 수 있다. 여기서, 제1 기준 부하 및 제2 기준 부하는 엔진(100)의 성능과 사양에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 엔진(100)은 부하가 증가할수록 질소산화물 배출량이 증가하는 경향이 있으므로, 이를 고려하여 기준 부하를 설정할 수 있다. 일례로, 제1 기준 부하는 엔진(100)의 최대 부하의 40%일 수 있으며, 제2 기준 부하는 엔진의 최대 부하의 80%일 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템(103)은 질소산화물 배출량을 효과적으로 저감시키면서도 운용 비용은 최소화할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템의 운용 방법을 상세히 설명한다.
도 4에서, A는 저부하 영역을 나타내고, B는 중부하 영역을 나타내며, C는 고부하 영역을 나타낸다. 그리고 제1 기준 부하는 저부하 영역과 중부하 영역을 구분하며, 제2 기준 부하는 중부하 영역과 고부하 영역을 구분한다. 일례로, 제1 기준 부하는 최대 부하의 40% 이며, 제2 기준 부하는 최대 부하의 80%일 수 있다.
일례로, 엔진(100)의 최대 질소산화물 배출량에 대한 목표 질소산화물 저감율이 80%라면, 무촉매 반응용 환원제 분사부(510)는 80%인 저감율의 1/3을 달성할 수 있는 양의 환원제를 분사할 수 있다. 또한, 제1 촉매 반응용 환원제 분사부(521) 및 제2 촉매 반응용 환원제 분사부(522)도 각각 80%인 저감율의 1/3을 달성할 수 있는 양의 환원제를 분사할 수 있다.
또한, 엔진(100)의 부하가 저부하 영역에 속하면, 제어 장치(700)는 무촉매 반응용 환원제 분사부(510), 제1 촉매 반응용 환원제 분사부(521), 및 제2 촉매 반응용 환원제 분사부(522) 중에서 선택된 어느 하나의 분사부를 통해서 환원제가 분사되도록 제어한다. 저부하 영역에서는 상대적으로 배기가스의 온도가 높고 질소산화물 배출량이 작다. 따라서, 하나의 분사부에서 분사되는 환원제만으로도 충분이 목표 질소산화물 저감율을 달성할 수 있다.
다음, 엔진(100)의 부하가 중부하 영역에 속하면, 제어 장치(700)는 무촉매 반응용 환원제 분사부(510), 제1 촉매 반응용 환원제 분사부(521), 및 제2 촉매 반응용 환원제 분사부(522) 중에서 선택된 2개의 분사부를 통해서 환원제가 분사되도록 제어한다. 중부하 영역에서는 배기가스의 온도와 연료 소비율이 저부하 영역보다 낮아지지만, 질소산화물 배출량은 저부하 영역보다 증가한다. 이에, 2개의 분사부에서 분사되는 환원제로 목표 질소산화물 저감율을 달성할 수 있다.
다음, 엔진(100)의 부하가 고부하 영역에 속하면, 제어 장치(700)는 무촉매 반응용 환원제 분사부(510), 제1 촉매 반응용 환원제 분사부(521), 및 제2 촉매 반응용 환원제 분사부(522)를 모두 사용하여 환원제를 분사한다. 고부하 영역에서는 중부하 영역보다 배기가스의 온도 및 연료 소비율도 증가할 뿐만 아니라 질소산화물 배출량도 최대가 된다. 이에, 3개의 분사부를 모두 사용하여 환원제를 분사함으로써, 목표 질소산화물 저감율을 달성할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101, 102, 103: 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템
100: 엔진
150: 과급기
300: 반응기
301: 제1 반응기
302: 제2 반응기
350: 촉매
500: 환원제 공급부
510: 무촉매 반응용 환원제 분사부
520: 촉매 반응용 환원제 분사부
521: 제1 촉매 반응용 환원제 분사부
522: 제2 촉매 반응용 환원제 분사부
610: 배기 유로
620: 소기 유로
640: 바이패스 유로
690: 외기 유로
700: 제어 장치

Claims (12)

  1. 엔진에서 배출된 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템에 있어서,
    상기 엔진에서 발생된 배기가스를 배출시키는 배기 유로;
    상기 배기 유로 상에 설치되어 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 반응기;
    상기 반응기에 유입되는 배기가스를 향해 환원제를 분사하는 촉매 반응용 환원제 분사부;
    상기 촉매 반응용 환원제 분사부보다 상대적으로 상기 엔진에 더 가까운 위치에서 배기가스를 향해 환원제를 분사하는 무촉매 반응용 환원제 분사부;
    상기 촉매 반응용 환원제 분사부와 상기 무촉매 반응용 환원제 분사부에 각각 환원제를 공급하는 환원제 공급부; 및
    상기 엔진의 운전 조건에 따라 상기 환원제 공급부를 제어하는 제어 장치
    를 포함하며,
    상기 배기 유로 상에는 과급기가 설치되고,
    상기 반응기는 상기 과급기 전방의 상기 배기 유로 상에 설치된 제1 반응기와, 상기 과급기 후방의 상기 배기 유로 상에 설치된 제2 반응기를 포함하고,
    상기 촉매 반응용 환원제 분사부는 상기 제1 반응기에 유입되는 배기가스에 환원제를 분사하는 제1 촉매 반응용 환원제 분사부와, 상기 제2 반응기에 유입되는 배기가스에 환원제를 분사하는 제2 촉매 반응용 환원제 분사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무촉매 반응용 환원제 분사부에서 분사되는 환원제의 질소산화물 저감율은 상기 엔진에서 배출되는 최대 질소산화물 배출량을 기준으로 30% 내지 50% 범위 내에 속하고,
    상기 촉매 반응용 환원제 분사부에서 분사되는 환원제의 질소산화물 저감율은 상기 엔진에서 배출되는 최대 질소산화물 배출량을 기준으로 30% 내지 95% 범위내에 속하는 것을 특징으로 하는 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 엔진이 가동 중인 지역에서 요구되는 질소산화물 배출 규제를 만족하도록 목표 질소산화물 저감율을 설정하는 것을 특징으로 하는 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 목표 질소산화물 저감율의 50%는 상기 무촉매 반응용 환원제 분사부에서 분사되는 환원제에 의해 달성되고, 나머지 50%는 상기 촉매 반응용 환원제 분사부에서 분사되는 환원제에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배기 유로에서 분기된 후 상기 반응기를 우회하여 상기 배기가스에 재합류하는 바이패스 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 엔진의 부하가 제1 기준 부하 미만일 때 상기 무촉매 반응용 환원제 분사부, 상기 제1 촉매 반응용 환원제 분사부, 및 상기 제2 촉매 반응용 환원제 분사부 중에서 선택된 어느 하나의 분사부를 통해서 환원제가 분사되도록 제어하고,
    상기 엔진의 부하가 제1 기준 부하 이상 제2 기준 부하 미만일 때 상기 무촉매 반응용 환원제 분사부, 상기 제1 촉매 반응용 환원제 분사부, 및 상기 제2 촉매 반응용 환원제 분사부 중에서 선택된 2개의 분사부를 통해서 환원제가 분사되도록 제어하며,
    상기 엔진의 부하가 제2 기준 부하 이상일 때 상기 무촉매 반응용 환원제 분사부, 상기 제1 촉매 반응용 환원제 분사부, 및 상기 제2 촉매 반응용 환원제 분사부가 모두 환원제를 분사하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템.
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KR20240013683A (ko) 2022-07-22 2024-01-30 대영씨엔이(주) 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치 및 공정

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