KR102234783B1 - Scr 시스템의 에너지 절감 암모니아 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 SCR 시스템의 에너지 절감 암모니아 발생장치에 관한 것이다.
본 발명은 공급받은 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아(Urea)를 수용함과 함께 공급받은 수증기를 수용하여 가수분해용 열원에 의한 가열에 의해 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 발생하는 반응실과; 제어기의 제어에 따라 에너지 소모를 조절하여서 상기 반응실에 수증기와 함께 있는 우레아를 가열하여 가수분해시키는 가수분해용 열원과; 제어기로부터의 제어신호에 따라, 폐열을 이용한 수증기 발생용 열교환기로부터 상기 반응실로의 수증기 공급을 단속하는 밸브와; 상기 반응실에 공급되는 수증기의 온도를 검출하여서 해당 온도 검출신호를 제어기에 인가하는 온도센서와; 상기 반응실에 공급되는 수증기의 압력을 검출하여 해당 압력 검출신호를 제어기에 인가하는 압력센서와; 상기 밸브에 제어신호를 인가하여 밸브에 의해 열교환기로부터 반응실로의 수증기 공급을 단속함과 아울러, 상기 온도 검출신호에 의해 파악한 수증기 온도와 상기 압력 검출신호에 의해 파악한 수증기 압력에 대응하여 상기 가수분해용 열원의 발열량을 조절하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 에너지 절감 암모니아 발생장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아(Urea)를 반응실에 공급하고, 가수분해용 열원에 의해 가열하여 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 발생하는 경우에, 엔진 배기가스의 폐열로 물을 가열하여 수증기를 생성하는 열교환기에 의해 얻어지는 수증기를 우레아와 함께 반응실에 공급함으로써 우레아를 암모니아로 가수분해함에 요구되는 열원의 에너지 소모를 감소시켜 경제성을 향상시키게 된다.

Description

SCR 시스템의 에너지 절감 암모니아 발생장치{Apparatus for Energy Saving Ammonia Generation in SCR System}
본 발명은 선박에 설치된 엔진의 구동시에 발생하는 엔진 배기가스의 질소산화물(NOx)을 정화 처리하는 SCR 시스템(Selective Catalytic Reduction System)에서 엔진 배기가스의 질소산화물을 정화 처리함에 사용되는 암모니아를 발생하는 암모니아 발생장치에 관한 것으로, 특히 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아(Urea)를 반응실에 공급하고, 가수분해용 열원에 의해 가열하여 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 발생하는 경우에, 엔진 배기가스의 폐열로 물을 가열하여 수증기를 생성하는 열교환기에 의해 얻어지는 수증기를 우레아와 함께 반응실에 공급함으로써 우레아를 암모니아로 가수분해함에 요구되는 열원의 에너지 소모를 감소시키도록 하는 SCR 시스템의 에너지 절감 암모니아 발생장치에 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 시스템에서는 배기가스를 SCR 반응기에 인가하는 경우 암모니아 발생장치에 의하여 발생한 암모니아를 환원제로서 함께 SCR 반응기에 인가하되, 암모니아 발생장치는 우레아를 가수 분해하여 암모니아를 발생하고 해당 암모니아를 엔진 배기가스와 함께 환원제로서 SCR 반응기에 인가함으로써, SCR 반응기에서 암모니아를 환원제로 사용하여 엔진 배기가스의 질소산화물을 질소(N2)와 물(H2O)로 환원시켜서 정화하여 배출케 한다.
이처럼 우레아를 가수분해하여 암모니아를 발생하는 종래의 암모니아 발생장치(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 반응실(11)과 가수분해용 열원(12)을 포함하여 이루어진다. 암모니아 발생장치(10)는 반응실(11)에 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아(Urea)를 주입함과 함께 물을 반응실(11)에 주입하고, 가수분해용 열원(12)에 의해 열을 발생하여 반응실(11)에 물과 함께 있는 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아를 가열함으로써 우레아를 가수 분해시켜 암모니아를 발생케 한다. 반응실(11)에서 발생되는 암모니아는 SCR 시스템 측으로 공급되어 엔진 배기가스의 질소산화물을 제거하기 위한 환원제로서 사용된다.
가수분해용 열원(12)으로서는 마이크로파 발생기, 전열기 또는 버너를 사용할 수 있는데, 해당 가수분해용 열원(12)에 대응되는 에너지를 공급함으로써, 반응실(21)에 물과 함께 있는 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아를 가열하여 해당 우레아를 가수 분해시켜 암모니아를 발생한다.
가수분해용 열원(12)으로서 마이크로파 발생기 또는 전열기를 사용하는 경우에는 해당 가수분해용 열원(12)에 전력을 에너지로서 공급하고, 가수분해용 열원(12)으로서 버너를 사용하는 경우에는 해당 가수분해용 열원(12)에 석유, 천연가스 등의 화석연료를 에너지로서 공급한다.
상술한 종래의 암모니아 발생장치(10)는 우레아를 가수 분해하기 위하여 반응실(11)에 있는 물과 우레아를 가수분해용 열원(12)을 이용하여 가열하는데, 가수분해 열원(12)에 의해 가해지는 열 중에서, 우레아와 물의 조성비에 따라서 차이가 있지만 일반적으로 우레아의 가열을 위해서는 30% 미만의 열을 소모하고, 물의 가열을 위하여 70%의 열을 소모하며, 가수분해용 열원(12) 만을 이용하여 가수 분해하여서 암모니아를 발생하므로, 암모니아 발생시에 가수분해용 열원(12)의 에너지가 물을 분해하는데 많이 소모되어 경제성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 암모니아 발생장치(10)는 반응실(11)에 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아(Urea)를 주입함과 함께 수증기를 반응실(11)에 주입하고, 가수분해용 열원(12)에 의해 열을 발생하여 반응실(21)에 수증기와 함께 있는 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아를 가열함으로써 우레아를 가수 분해시켜 암모니아를 발생하기도 하는데, 이런 경우 반응실(11)에 공급되는 수증기는 별도의 수증기 생성용 열원(도면에 도시하지 않음)에 의해 물을 끓여서 수증기를 발생하여야 하므로, 암모니아 발생시에 가수분해용 열원(12)과 수증기 생성용 열원을 함께 사용해야 되어 에너지 소모가 많아서 경제성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아(Urea)를 반응실에 공급하고, 가수분해용 열원에 의해 가열하여 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 발생하는 경우에, 엔진 배기가스의 폐열로 물을 가열하여 수증기를 생성하는 열교환기에 의해 얻어지는 수증기를 우레아와 함께 반응실에 공급함으로써 우레아를 암모니아로 가수분해함에 요구되는 열원의 에너지 소모를 감소시키도록 하는 SCR 시스템의 에너지 절감 암모니아 발생장치를 제공함에 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 공급받은 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아(Urea)를 수용함과 함께 공급받은 수증기를 수용하여 가수분해용 열원에 의한 가열에 의해 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 발생하는 반응실과; 제어기의 제어에 따라 에너지 소모를 조절하여서 상기 반응실에 수증기와 함께 있는 우레아를 가열하여 가수분해시키는 가수분해용 열원과; 제어기로부터의 제어신호에 따라, 폐열을 이용한 수증기 발생용 열교환기로부터 상기 반응실로의 수증기 공급을 단속하는 밸브와; 상기 반응실에 공급되는 수증기의 온도를 검출하여 해당 온도 검출신호를 제어기에 인가하는 온도센서와; 상기 반응실에 공급되는 수증기의 압력을 검출하여 해당 압력 검출신호를 제어기에 인가하는 압력센서와; 상기 밸브에 제어신호를 인가하여 밸브에 의해 열교환기로부터 반응실로의 수증기 공급을 단속함과 아울러, 상기 온도 검출신호에 의해 파악한 수증기 온도와 상기 압력 검출신호에 의해 파악한 수증기 압력에 대응하여 상기 가수분해용 열원의 발열량을 조절하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 에너지 절감 암모니아 발생장치를 제공한다.
본 발명에 따른 SCR 시스템의 에너지 절감 암모니아 발생장치에 의하면, 상기 가수분해용 열원은 마이크로파 발생기, 전열기 및 버너 중의 하나이다.
또한, 본 발명에 따른 SCR 시스템의 에너지 절감 암모니아 발생장치에 의하면, 상기 제어기는 반응실에 공급되는 수증기의 온도 및 압력이 증가하면 그에 대응하여 상기 가수분해용 열원의 에너지 소모를 감소시켜 발열량을 감소시키고, 반응실에 공급되는 수증기의 온도 및 압력이 감소하면 그에 대응하여 상기 가수분해용 열원의 에너지 소모를 증가시켜 발열량을 증가시킨다.
본 발명에 의하면, 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아(Urea)를 반응실에 공급하고, 가수분해용 열원에 의해 가열하여 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 발생하는 경우에, 엔진 배기가스의 폐열로 물을 가열하여 수증기를 생성하는 열교환기에 의해 얻어지는 수증기를 우레아와 함께 반응실에 공급함으로써 우레아를 암모니아로 가수분해함에 요구되는 열원의 에너지 소모를 감소시켜 경제성을 향상시키게 된다.
도 1은 종래 SCR 시스템의 암모니아 발생장치를 도시한 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 SCR 시스템의 에너지 절감 암모니아 발생장치를 예시한 도이다.
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 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아(Urea)를 반응실에 공급하고, 가수분해용 열원에 의해 가열하여 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 발생하는 경우에, 엔진 배기가스의 폐열로 물을 가열하여 수증기를 생성하는 열교환기에 의해 얻어지는 수증기를 우레아와 함께 반응실에 공급함으로써 우레아를 암모니아로 가수분해함에 요구되는 열원의 에너지 소모를 감소시켜 경제성을 향상시키도록 구현된다.
이와 같이 구현하기 위한 본 발명에 따른 SCR 시스템의 에너지 절감 암모니아 발생장치(100)는, 도 2에 예시된 바와 같이, 반응실(111), 가수분해용 열원(112), 제어기(113), 온도센서(114), 열교환기(115), 밸브(116) 및 압력센서(117)를 포함하여 이루어진다.
반응실(111)은 공급받은 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아(Urea)를 수용함과 함께 공급받은 수증기를 수용하여 가수분해용 열원(112)에 의한 가열에 의해 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 발생하여서 SCR 시스템에 엔진 배기가스의 정화 처리를 위한 환원제로서 공급한다.
가수분해용 열원(112)은 제어기(113)의 제어에 따라 에너지 소모를 조절하여서 반응실(111)에 수증기와 함께 있는 우레아를 가열함으로써 우레아를 가수분해시킨다.
열교환기(115)는 선박에 설치된 엔진의 구동시에 발생하는 엔진 배기가스의 폐열을 이용하여 물을 가열하여서 수증기를 생성하고, 해당 수증기를 밸브(116)를 통해 반응실(111)에 공급한다.
밸브(116)는 제어기(113)로부터 인가되는 제어신호에 따라, 열교환기(115)로부터 반응실(111)로의 수증기 공급을 단속한다. 그리고, 온도센서(114)는 반응실(111)에 수증기를 공급하는 배관에 설치되어 반응실(111)에 공급되는 수증기의 온도를 검출하여서 해당 온도 검출신호를 제어기(113)에 인가하며, 압력센서(117)는 반응실(111)에 수증기를 공급하는 배관에 설치되어 반응실(111)에 공급되는 수증기의 압력을 검출하여서 해당 압력 검출신호를 제어기(113)에 인가한다.
제어기(113)는 가수분해용 열원(112)의 제반 구동을 제어하되, 밸브(116)에 제어신호를 인가하여 밸브(116)에 의해 열교환기(115)로부터 반응실(111)로의 수증기 공급을 단속함과 함께, 온도센서(114)로부터의 온도 검출신호에 의해 반응실(111)에 공급되는 수증기의 온도를 파악함과 아울러 압력센서(117)로부터의 압력 검출신호에 의해 반응실(111)에 공급되는 수증기의 압력을 파악하고, 해당 수증기 온도 및 압력에 대응하여 가수분해용 열원(112)의 에너지 소모를 조절하여서 발열량을 조절하여 반응실(111)에 수증기와 함께 있는 우레아를 가수분해용 열원(112)에 의해 가열함으로써 우레아를 가수분해 시킨다.
가수분해용 열원(112)으로서는 마이크로파 발생기, 전열기 또는 버너를 사용할 수 있으며, 해당 가수분해용 열원(112)에 대응되는 에너지를 공급함으로써, 반응실(111)에 수증기와 함께 있는 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아를 가수분해용 열원(112)에 의해 가열하여 해당 우레아를 가수 분해시켜 암모니아를 발생한다.
가수분해용 열원(112)으로서 마이크로파 발생기 또는 전열기를 사용하는 경우에는 해당 가수분해용 열원(112)에 전력을 에너지로서 공급하되, 제어기(113)가 반응실(111)에 공급되는 수증기의 온도 및 압력에 대응하여 가수분해용 열원(112)의 전력 소모를 조절함으로써 가수분해용 열원(112)의 발열량을 조절하고, 해당 가수분해용 열원(112)에 의해 발생된 열로 우레아를 가열하여서 가수분해시켜 암모니아를 발생한다.
그리고, 가수분해용 열원(112)으로서 버너를 사용하는 경우에는 해당 가수분해용 열원(112)에 석유, 천연가스 등의 화석연료를 에너지로서 공급하되, 제어기(113)가 반응실(111)에 공급되는 수증기의 온도 및 압력에 대응하여 가수분해용 열원(112)의 화석연료 소모를 조절함으로써 가수분해용 열원(112)의 발열량을 조절하고, 해당 가수분해용 열원(112)에 의해 발생된 열로 우레아를 가열하여서 가수분해시켜 암모니아를 발생한다.
예를 들어, 열교환기(115)에서 엔진 배기가스의 폐열을 이용하여 생성한 수증기가 온도 및 압력이 낮은 상태로 반응실(111)에 공급되는 경우에는, 제어기(113)가 해당 수증기의 낮은 온도 및 압력에 대응하여 가수분해용 열원(112)의 에너지 소모를 증가시켜 가수분해용 열원(112)의 발열량을 증가시킴으로써, 가수분해 가능 온도로 우레아를 가열하여서 가수분해시켜 암모니아를 발생케 한다.
또한, 예를 들어, 열교환기(115)에서 엔진 배기가스의 폐열을 이용하여 생성한 수증기가 온도 및 압력이 높은 상태로 반응실(111)에 공급되는 경우에는, 제어기(113)가 해당 수증기의 높은 온도 및 압력에 대응하여 가수분해용 열원(112)의 에너지 소모를 감소시켜 가수분해용 열원(112)의 발열량을 감소시킴으로써, 가수분해 가능 온도로 우레아를 가열하여서 가수분해시켜 암모니아를 발생케 한다.
이와 같이, 제어기(113)는 밸브(116)를 제어하여 열교환기(115)로부터의 수증기를 반응실(111)에 공급하면서 온도센서(114) 및 압력센서(117)를 통해 반응실(111)에 공급되는 수증기의 온도 및 압력을 파악하여, 해당 수증기의 온도 및 압력에 대응하여 가수분해용 열원(112)의 열 발생을 제어하되, 수증기의 온도 및 압력에 대응하여 가수분해용 열원(112)의 에너지 소모를 조절하여 발열량을 조절함으로써, 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 발생함에 소요되는 가수분해용 열원(112)의 에너지 소모를 감소시킨다.
반응실(111)의 우레아를 가수분해하기 위하여 가수분해 열원(112)에 의해 반응실(111)에 가해지는 열 중에서, 우레아의 가열을 위하여 30%의 열을 소모하고, 물의 가열을 위하여 70%의 열을 소모하는데, 열교환기(115)에서 엔진 배기가스의 폐열을 이용하여 생성되는 수증기를 반응실(111)에 공급하여 우레아를 가수분해하므로, 물의 가열을 위하여 소모되는 70%의 열을 가수분해 열원(112)이나 별도의 수증기 생성용 열원에 의해 발생하지 않아도 되어 우레아 가수분해를 위한 에너지 소모를 대폭 감소시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아(Urea)를 반응실에 공급하고, 가수분해용 열원에 의해 가열하여 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 발생하는 경우에, 엔진 배기가스의 폐열로 물을 가열하여 수증기를 생성하는 열교환기(115)에 의해 얻어지는 수증기를 우레아와 함께 반응실(111)에 공급함으로써 우레아를 암모니아로 가수분해함에 요구되는 열원의 에너지 소모를 감소시켜 경제성을 향상시킬 수 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 해당한다고 할 것이다.
본 발명은 선박 등에서 디젤엔진의 배기가스에 존재하는 질소산화물을 제거하기 위한 SCR 시스템에 질소산화물 제거용의 환원제로서 암모니아를 발생하여 공급하는 경우에 매우 유용하게 적용할 수 있을 것이다. 본 발명에 의하면, 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아(Urea)를 반응실에 공급하고, 가수분해용 열원에 의해 가열하여 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 발생하는 경우에, 엔진 배기가스의 폐열로 물을 가열하여 수증기를 생성하는 열교환기에 의해 얻어지는 수증기를 우레아와 함께 반응실에 공급함으로써 우레아를 암모니아로 가수분해함에 요구되는 열원의 에너지 소모를 감소시켜 경제성을 향상시키게 된다.
100; 에너지 절감 암모니아 발생장치
111; 반응실
112; 가수분해용 열원
113; 제어기
114; 온도센서
115; 열교환기
116; 밸브
117; 압력센서

Claims (3)

  1. 공급받은 고체 상태, 졸(Sol) 상태 또는 젤(Gel) 상태의 우레아(Urea)를 수용함과 함께 공급받은 수증기를 수용하여 가수분해용 열원에 의한 가열에 의해 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 발생하는 반응실과;
    제어기의 제어에 따라 에너지 소모를 조절하여서 상기 반응실에 수증기와 함께 있는 우레아를 가열하여 가수분해시키는 가수분해용 열원과;
    제어기로부터의 제어신호에 따라, 폐열을 이용한 수증기 발생용 열교환기로부터 상기 반응실로의 수증기 공급을 단속하는 밸브와;
    상기 반응실에 공급되는 수증기의 온도를 검출하여서 해당 온도 검출신호를 제어기에 인가하는 온도센서와;
    상기 반응실에 공급되는 수증기의 압력을 검출하여 해당 압력 검출신호를 제어기에 인가하는 압력센서와;
    상기 밸브에 제어신호를 인가하여 밸브에 의해 열교환기로부터 반응실로의 수증기 공급을 단속함과 아울러, 상기 온도 검출신호에 의해 파악한 수증기 온도와 상기 압력 검출신호에 의해 파악한 수증기 압력에 대응하여 상기 가수분해용 열원의 발열량을 조절하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 에너지 절감 암모니아 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가수분해용 열원은 마이크로파 발생기, 전열기 및 버너 중의 하나인 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 에너지 절감 암모니아 발생장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 반응실에 공급되는 수증기의 온도 및 압력이 증가하면 그에 대응하여 상기 가수분해용 열원의 에너지 소모를 감소시켜 발열량을 감소시키고, 반응실에 공급되는 수증기의 온도 및 압력이 감소하면 그에 대응하여 상기 가수분해용 열원의 에너지 소모를 증가시켜 발열량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 에너지 절감 암모니아 발생장치.
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