KR102231907B1 - Scr 시스템의 가스상 환원제 주입장치 - Google Patents

Scr 시스템의 가스상 환원제 주입장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치에 관한 것이다.
본 발명은 배기관의 외주에 설치되어 가스상의 환원제를 상기 배기관의 내부에 주입하는 주입 헤드와; 상기 배기관의 내벽에 설치되어 있되 상기 주입 헤드의 위치에 대응되게 설치되어 배기관을 통과하는 배기가스의 흐름을 변화시켜, 상기 가스상의 환원제와 배기가스를 혼합하는 혼합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 엔진 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거하는 SCR 시스템에서 SCR 반응기에 유입되는 엔진 배기가스에 가스상의 환원제를 주입하는 경우에 짧은 배관거리 내에서 가스상의 환원제를 배기가스와 균일하게 혼합할 수 있으므로 SCR 반응기에 배기가스를 유입시키는 배기관의 길이를 단축하여도 되어 SCR 시스템의 설치 공간을 감소시키고, 배기관의 외부에 설치된 주입 설비에 의해 배기관 내부에 가스상 환원제를 주입할 수 있어서 가스상 환원제 주입 설비의 설치 및 유지 보수에 용이하게 된다.

Description

SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치{Gas Phase Reducing Agent Injection Equipment in Selective Catalytic Reduction System}
본 발명은 SCR 시스템(Selective Catalytic Reduction System)의 가스상 환원제 주입장치에 관한 것으로, 특히 엔진 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거하는 SCR 시스템에서 SCR 반응기에 유입되는 엔진 배기가스에 가스상의 환원제를 주입하는 경우에 짧은 배관거리 내에서 가스상의 환원제를 배기가스와 균일하게 혼합함과 아울러 설치 및 유지 보수에 용이하도록 하는 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치에 관한 것이다.
일반적으로 선박에 사용되는 디젤 엔진에서 배출되는 배기가스 중 질소산화물과 황산화물은 국제연합(UN)의 산하기관인 IMO(International Maritime Organization, 국제 해사기구)로부터 배출규제를 받고 있는 대표적인 대기 오염물질들이다.
질소산화물은 NO, NO2, NO3, N2O, N2O3, N2O4, N2O5를 통칭하지만 대부분의 질소산화물은 NO와 NO2이다. 황산화물은 석탄과 석유와 같은 연료에 포함된 황성분이 연소과정에서 산화된 것으로 주로 SO2이다.
질소산화물은, 고온 영역에서 공기 중 질소와 산소가 반응하여 생성되는 Thermal NOx, 연료에서 발생되는 탄화수소가 공기 중의 질소와 반응하여 생성되는 Prompt NOx, 연료에 포함된 질소성분이 연소과정에서 산화되어 생성된 Fuel NOx로 구분된다.
화석연료의 연소반응으로 생성된 질소산화물을 제거하기 위하여 SCR 시스템이 이용되고 있다. SCR 시스템은 환원제와 섞인 배기가스를 SCR 반응기에 설치된 촉매층으로 통과시켜 질소산화물을 질소(N2)와 물(H2O)로 환원시키는데, 암모니아 (NH3)를 환원제로 사용한다.
SCR 반응기 촉매의 질소산화물 제거 성능을 최대화하기 위하여 환원제 주입장치는 농도 균일도 0.98 이상을 만족시키도록 환원제와 배기가스를 균일하게 혼합시킬 것을 요구받는다.
종래에는 배기가스에 암모니아의 가스상 환원제를 주입하여 SCR 반응기에 인가하는 경우 도 1에 도시된 바와 같은 환원제 주입장치를 사용하였다.
해당 환원제 주입장치는 배기관(10)에 가스상의 환원제를 주입하기 위한 복수의 주입 구멍을 구비하는 주입관(20)을 설치하고, 주입관(20)으로부터 일정 거리만큼 떨어진 위치에 가스상의 환원제와 배기가스를 일차로 혼합하기 위한 복수의 가이드 베인(Guide Vane)으로 이루어진 혼합기(40)를 설치하고, 해당 혼합기(40)로부터 일정 거리만큼 떨어진 위치에 가스상의 환원제와 배기가스를 이차로 혼합하기 위한 복수의 가이드 베인으로 이루어진 혼합기(42)를 설치하여 구성된다.
배기관(10)의 입구(11)를 통해 엔진의 배기가스가 유입되는 경우, 환원제 공급관(23)을 통해 주입관(20)에 인가되는 가스상의 환원제를 주입관(20)의 구멍을 통해 배기가스에 주입하고, 혼합기(40)에 의해 가스상의 환원제와 배기가스를 일차로 혼합한 후에, 혼합기(42)에 의해 해당 가스상의 환원제와 배기가스를 이차로 혼합하여서, 배기관(10)의 출구(13)를 통해 SCR 반응기에 인가함으로써, 해당 환원제와 혼합된 배기가스가 SCR 반응기의 촉매를 통과함에 따라 정화 처리되어서 배기가스의 질소산화물이 질소(N2)와 물(H2O)로 환원된다.
이와 같은 종래 SCR 시스템에서의 환원제 주입장치는 SCR 반응기 촉매의 질소산화물 제거 성능을 최대화하기 위해서 농도 균일도 0.98 이상을 만족시키도록 가스상의 환원제와 배기가스를 균일하게 혼합하여 SCR 반응기에 유입시켜야 하는데, 가스상 환원제를 배기가스에 주입함에 있어서 복수의 구멍을 구비한 주입관(20)의 형상에 의존하는 바가 크고, 특히 지름이 큰 대구경의 배기관(10)에 적용할 경우에는 가스상의 환원제를 배기가스에 균일하게 혼합함에 있어서 배기관(10) 배관 직경의 10배 이상에 해당하는 길이의 배기관(10)이 소요되기도 한다. 이처럼, 종래 SCR 시스템에서의 환원제 주입장치는 가스상 환원제와 배기가스의 균일한 혼합을 위해 긴 길이의 배기관(10)이 소요되므로, SCR 시스템을 선박에 설치함에 있어서 많은 설치 공간이 소요되는 문제점이 있다.
또한, 종래 SCR 시스템에서의 환원제 주입장치는 가스상 환원제를 배기가스에 주입하기 위하여 복수의 구멍을 구비한 주입관(20)을 배기관(10) 내에 관통 삽입하여 설치하여야 되어서, 주입관(20) 설치에 어려움이 있고 주입관(20)의 유지 보수에 있어서도 어려움이 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 엔진 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거하는 SCR 시스템에서 SCR 반응기에 유입되는 엔진 배기가스에 가스상의 환원제를 주입하는 경우에 짧은 배관거리 내에서 가스상의 환원제를 배기가스와 균일하게 혼합함과 아울러 설치 및 유지 보수에 용이하도록 하는 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치를 제공함에 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 배기관의 외주에 설치되어 가스상의 환원제를 상기 배기관의 내부에 주입하는 주입 헤드와; 상기 배기관의 내벽에 설치되어 있되 상기 주입 헤드의 위치에 대응되게 설치되어 배기관을 통과하는 배기가스의 흐름을 변화시켜, 상기 가스상의 환원제와 배기가스를 혼합하는 혼합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치를 제공한다.
본 발명에 따른 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치에 의하면, 상기 주입 헤드는 링(ring) 형상의 배관으로 이루어지고, 가스상 환원제를 유입시키기 위한 유입구와, 상기 유입구로부터 공급되는 가스상의 환원제를 배기관의 내부에 주입하기 위한 복수의 주입 노즐을 구비한다.
그리고, 본 발명에 따른 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치에 의하면, 상기 주입 노즐은 상기 배기관 벽면의 구멍에 삽입하여서 상기 배기관의 내부에 가스상의 환원제를 주입하도록 설치한다.
또한, 본 발명에 따른 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치에 의하면, 상기 주입 헤드는 원형 링 형상이거나 다각형 링 형상이다.
한편, 본 발명에 따른 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치에 의하면, 상기 주입 헤드는 각 주입 노즐에 가스상 환원제의 유량을 균등하게 분배하기 위한 유량 분배 조절 부재를 더 구비한다.
본 발명에 따른 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치에 의하면, 상기 유량 분배 조절 부재는 주입 헤드를 이루는 배관에 설치되어 있되, 오리피스(orifice), 벤츄리관(ventury tube), 밸브 또는 리듀서(reducer)를 이용하여 구현된다.
그리고, 본 발명에 따른 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치에 의하면, 상기 혼합기는 배기관의 내벽에 가이드 베인(guide vane)을 일정 간격을 두어서 일정 각도로 경사지게 설치하여 이루어지며, 주입 헤드는 주입 노즐을 통해 가이드 베인의 배면을 향하여 가스상 환원제를 주입한다.
본 발명에 의하면, 엔진 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거하는 SCR 시스템에서 SCR 반응기에 유입되는 엔진 배기가스에 가스상의 환원제를 주입하는 경우에 짧은 배관거리 내에서 가스상의 환원제를 배기가스와 균일하게 혼합할 수 있으므로 SCR 반응기에 배기가스를 유입시키는 배기관의 길이를 단축하여도 되어 SCR 시스템의 설치 공간을 감소시키고, 배기관의 외부에 설치된 주입 설비에 의해 배기관 내부에 가스상 환원제를 주입할 수 있어서 가스상 환원제 주입 설비의 설치 및 유지 보수에 용이하게 된다.
도 1은 종래 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치를 도시한 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치를 예시한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치를 예시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 가스상 환원제 주입장치에 적용된 주입 헤드를 예시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 가스상 환원제 주입장치에 적용된 혼합기를 예시한 사시도이다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 하나의 실시예로서 설명하는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
본 발명은 엔진 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거하는 SCR 시스템에서 SCR 반응기에 유입되는 엔진 배기가스에 가스상의 환원제를 주입하는 경우에 짧은 배관거리 내에서 가스상의 환원제를 배기가스와 균일하게 혼합함과 아울러 설치 및 유지 보수에 용이하도록 구현된다.
이와 같이 구현하기 위한 본 발명에 따른 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치는, 도 2에 예시된 바와 같이, 배기관(100) 내부의 벽면에 일정 각도로 경사지게 설치된 복수의 가이드 베인(Guide Vane)(301)으로 이루어져서 가스상의 환원제와 배기가스를 혼합하는 혼합기와, 배기관(100)의 외주에 설치되어 가스상의 환원제를 배기관(100)의 내부에 분사하는 주입 헤드(200)를 포함하여 구성된다.
도 3의 평면도에 예시된 바와 같이, 주입 헤드(200)는 링(ring) 형상의 배관으로 이루어져서 배기관(100)의 외주에 설치되는데, 자체에 구비된 복수의 주입 노즐(201)을 배기관(100) 벽면의 구멍에 삽입하여서 고정 설치한다. 주입 헤드(200)의 주입 노즐(201)을 통해 배출되는 가스상의 환원제는 배기관(100)의 내부에 주입된다.
주입 헤드(200)는, 도 4에 예시된 바와 같이, 링(ring) 형상의 배관으로 이루어지고, 배기관(100)의 내부에 가스상의 환원제를 주입하기 위한 복수의 주입 노즐(201)을 구비함과 아울러 가스상 환원제를 유입시키기 위한 유입구(203)를 구비하여서, 유입구(203)를 통해 인가되는 가스상의 환원제를 주입 노즐(201)을 통해 배기관(100)의 내부에 주입함으로써, 배기관(100)을 흐르는 배기가스에 가스상의 환원제를 주입한다.
또한, 주입 헤드(200)는 각 주입 노즐(201)에 가스상 환원제의 유량을 균등하게 분배하기 위한 복수의 유량 분배 조절 부재(205)를 구비한다. 유량 분배 조절 부재(205)는 주입 헤드(200)를 이루는 배관에 설치되어, 해당 배관을 통해 각 주입 노즐(201)에 인가되는 가스상 환원제의 유량을 균등하게 조절하는데, 오리피스(orifice), 벤츄리관(ventury tube), 밸브 또는 리듀서(reducer) 등을 이용하여 구현할 수 있다.
아울러, 도면에는 주입 헤드(200)가 원형 링 형상으로 구현된 것으로 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 그 외에 다양한 다각형 링 형상으로도 구현할 수 있다.
그리고, 배기관(100)의 내부에 구비된 혼합기는, 도 5에 예시된 바와 같이, 배기관(100)의 내벽에 가이드 베인(301)을 일정 간격을 두어서 일정 각도로 경사지게 설치하여 이루어지되, 해당 가이드 베인(301)은 도면에 예시한 형태 이외에도 배기가스의 흐름에 난류를 발생하는 다양한 형태로 구현할 수 있다. 이처럼 복수의 가이드 베인(301)으로 구성된 혼합기는 배기관(100) 내부의 배기가스 흐름에 난류를 발생시켜 배기가스와 가스상 환원제의 혼합을 촉진한다. 또한, 혼합기는 가이드 베인(301) 이외의 다른 형태로 구현할 수도 있는데, 배기가스의 흐름에 난류 또는 와류를 발생하여 배기가스의 흐름을 변화시켜서 배기가스와 가스상 환원제를 혼합할 수 있는 형태이면 형태에 제한됨이 없이 적용할 수 있을 것이다.
주입 헤드(200)는 유입구(203)를 통해 유입된 가스상의 환원제를 주입 노즐(201)을 통해 배기관(100)의 내부에 주입하는데, 이를 위해서 배기관(100)의 벽면에 구멍을 뚫고 해당 구멍에 주입 노즐(201)을 삽입하여 설치한다.
주입 노즐(201)은 혼합기를 이루는 각 가이드 베인(301)에 대응되게 설치하되 각 가이드 베인(301)의 배면을 향하여 설치하는 것이 바람직하다. 이는 배기가스가 배기관(100) 내부를 따라 흐르는 경우 가이드 베인(301)의 배면 부위에 부압이 형성되므로, 가이드 베인(301)의 배면에 가스상의 환원제를 주입하면 환원제를 원활히 주입할 수 있기 때문이다.
주입 노즐(201)을 통해 주입된 가스상의 환원제는 배기가스 흐름 방향으로 흐르는데, 혼합기를 이루는 가이드 베인(301)에 의해 발생하는 난류로 인하여 가스상 환원제의 주입 위치를 기준으로 배기관(100)의 일정 거리 이내에서 배기가스와 균일하게 혼합된다.
그리고, 도면에는 배기관(100)의 내부에 하나의 혼합기를 구비하는 것으로 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 복수의 혼합기를 구비할 수도 있다. 배기관(100)의 내부에 복수의 혼합기를 구비하는 경우 각 혼합기의 형상을 달리하여 배기가스에 대해 좀더 많은 난류 또는 와류를 발생하여 배기가스의 흐름을 좀더 많이 변화시키도록 설치하되, 해당 복수의 혼합기를 주입 노즐(201)에 근접한 위치에 서로 근접되게 설치하여 많은 난류 또는 와류를 발생하여 배기가스의 흐름을 많이 변화시킴으로써, 주입 노즐(201)을 통한 가스상 환원제의 주입 위치를 기준으로 배기관(100)의 일정 거리 내에서 배기가스와 가스상 환원제가 균일하게 혼합되게 할 수 있다.
상술한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치는 SCR 반응기에 유입되는 배기가스에 가스상의 환원제를 주입하는 경우에 다음과 같이 작용한다.
선박 엔진으로부터의 배기가스는 배기관(100)을 경유하여 SCR 반응기에 인가된다. 이처럼 배기관(100)에 배기가스가 유입됨과 함께, 주입 헤드(200)의 유입구(203)를 통해 유입되는 가스상의 환원제가 복수의 주입 노즐(201)을 통해 배기관(100)의 내부에 주입된다.
이때, 혼합기를 이루는 각 가이드 베인(301)에 대응되게 설치되어 있는 각각의 주입 노즐(201)은 각 가이드 베인(301)의 배면을 향하여 가스상의 환원제를 주입하는데, 배기가스가 배기관(100) 내부를 따라 흐르면서 가이드 베인(301)의 배면 부위에 부압이 형성됨에 기인하여, 가스상의 환원제를 배기관(100) 내에 원활히 주입할 수 있다.
이와 같이 주입 노즐(201)을 통해 주입된 가스상의 환원제는 배기가스의 흐름 방향으로 흐르게 되며, 혼합기를 이루는 가이드 베인(301)에 의해 발생하는 난류로 인하여 배기가스의 흐름이 변화되어서 배기가스와 가스상 환원제가 혼합되는데, 가스상 환원제의 주입 위치를 기준으로 배기관(100)의 일정 거리 이내에서 배기가스와 균일하게 혼합된다.
배기관(100) 내에서 가스상 환원제와 혼합된 배기가스는 SCR 반응기에 인가되며, 해당 가스상 환원제와 혼합된 배기가스는 SCR 반응기에 설치된 촉매층을 통과하되 촉매에 의해 배기가스의 질소산화물을 질소(N2)와 물(H2O)로 환원시킴으로써 배기가스를 정화 처리한다.
이상과 같이, 본 발명은 엔진 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거하는 SCR 시스템에서 SCR 반응기에 유입되는 엔진 배기가스에 가스상의 환원제를 주입하는 경우에 가스상의 환원제를 주입하기 위한 주입 노즐(201)에 근접하여 배기가스와 가스상 환원제의 혼합을 위한 혼합기를 설치하여서, 주입 노즐(201)을 통해 주입된 가스상의 환원제를 혼합기에 의해 근거리 내에서 배기가스와 균일하게 혼합하므로, 짧은 배관거리 내에서 가스상의 환원제를 배기가스와 균일하게 혼합할 수 있다. 이에, 본 발명은 선박의 SCR 시스템에 적용하는 경우 SCR 반응기에 배기가스를 가스상의 환원제와 혼합하여 유입시키기 위한 배기관의 길이를 기존보다 많이 단축할 수 있어서 SCR 시스템의 설치 공간을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 복수의 주입 노즐(201)을 구비하는 주입 헤드(200)를 배기관(100)의 외주에 설치하여서 가스상의 환원제를 배기관(100)의 내부에 주입하므로, 주입 헤드(200)의 설치 및 유지 보수를 매우 용이하게 할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상술한 설명에 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 아니하는 범위 내에서 본 발명을 여러 가지 형태로 변경하여 실시할 수 있을 것이며, 그러한 변경 실시는 본 발명의 기술적 범위에 해당된다고 할 것이다.
본 발명은 선박에 SCR 시스템을 설치하여 엔진 배기가스를 정화하는 경우에 매우 유용하게 적용할 수 있을 것이다. 본 발명에 의하면, 엔진 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거하는 SCR 시스템에서 SCR 반응기에 유입되는 엔진 배기가스에 가스상의 환원제를 주입하는 경우에 짧은 배관거리 내에서 가스상의 환원제를 배기가스와 균일하게 혼합할 수 있으므로 SCR 반응기에 배기가스를 유입시키는 배기관의 길이를 단축하여도 되어 SCR 시스템의 설치 공간을 감소시키고, 배기관의 외부에 설치된 주입 설비에 의해 배기관 내부에 가스상 환원제를 주입할 수 있어서 가스상 환원제 주입 설비의 설치 및 유지 보수에 용이하게 된다.
100; 배기관 200; 주입 헤드
201; 주입 노즐 203; 유입구
205; 유량 분배 조절 부재 301; 가이드 베인

Claims (8)

  1. 배기관의 외주에 설치되어 가스상의 환원제를 상기 배기관의 내부에 주입하는 주입 헤드와;
    상기 배기관의 내벽에 설치되어 있되 상기 주입 헤드의 위치에 대응되게 설치되어 배기관을 통과하는 배기가스의 흐름을 변화시켜, 상기 가스상의 환원제와 배기가스를 혼합하는 혼합기를 포함하며,
    상기 주입 헤드는 링(ring) 형상의 배관으로 이루어지고, 가스상 환원제를 유입시키기 위한 유입구와, 상기 유입구로부터 공급되는 가스상의 환원제를 배기관의 내부에 주입하기 위한 복수의 주입 노즐을 구비하고,
    상기 주입 헤드는 각 주입 노즐에 가스상 환원제의 유량을 균등하게 분배하기 위한 유량 분배 조절 부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주입 노즐은 상기 배기관 벽면의 구멍에 삽입하여서 상기 배기관의 내부에 가스상의 환원제를 주입하도록 설치한 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주입 헤드는 원형 링 형상이거나 다각형 링 형상인 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유량 분배 조절 부재는 주입 헤드를 이루는 배관에 설치되어 있되, 오리피스(orifice), 벤츄리관(ventury tube), 밸브 또는 리듀서(reducer)를 이용하여 구현되는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 혼합기는 배기관의 내벽에 가이드 베인(guide vane)을 일정 간격을 두어서 일정 각도로 경사지게 설치하여 이루어진 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치.
  8. 제7항에 있어서,
    주입 헤드는 주입 노즐을 통해 가이드 베인의 배면을 향하여 가스상 환원제를 주입하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 가스상 환원제 주입장치.
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