KR102466788B1 - 선택적 촉매 환원 시스템 - Google Patents

선택적 촉매 환원 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102466788B1
KR102466788B1 KR1020180056854A KR20180056854A KR102466788B1 KR 102466788 B1 KR102466788 B1 KR 102466788B1 KR 1020180056854 A KR1020180056854 A KR 1020180056854A KR 20180056854 A KR20180056854 A KR 20180056854A KR 102466788 B1 KR102466788 B1 KR 102466788B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reducing agent
compressed air
pressure
reactor
unit
Prior art date
Application number
KR1020180056854A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190131896A (ko
Inventor
최낙원
김중호
이주희
이균
Original Assignee
에이치에스디엔진 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에이치에스디엔진 주식회사 filed Critical 에이치에스디엔진 주식회사
Priority to KR1020180056854A priority Critical patent/KR102466788B1/ko
Publication of KR20190131896A publication Critical patent/KR20190131896A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102466788B1 publication Critical patent/KR102466788B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2066—Selective catalytic reduction [SCR]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/22—Control of additional air supply only, e.g. using by-passes or variable air pump drives
    • F01N3/225—Electric control of additional air supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N9/00—Electrical control of exhaust gas treating apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/08—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being a pressure sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
    • F01N2610/14—Arrangements for the supply of substances, e.g. conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
    • F01N2610/14—Arrangements for the supply of substances, e.g. conduits
    • F01N2610/1453—Sprayers or atomisers; Arrangement thereof in the exhaust apparatus
    • F01N2610/146—Control thereof, e.g. control of injectors or injection valves
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물을 함유한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되며 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 반응기와, 상기 반응기 전방의 상기 배기 유로 상에 설치된 유입 밸브와, 상기 반응기 후방의 상기 배기 유로 상에 설치된 배출 밸브와, 상기 반응기와 상기 유입 밸브 사이의 상기 배기 유로 상에 환원제를 분사하는 환원제 분사부와, 상기 환원제 분사부에 환원제를 공급하는 환원제 공급부와, 상기 환원제 분사부에 압축공기를 공급하는 압축공기 공급부, 그리고 상기 환원제의 분사시 상기 환원제를 분사하기 위해 상기 압축공기 공급부가 상기 환원제 분사부에 공급하는 압축공기의 압력과 상기 환원제의 미분사시 상기 반응기 내부의 압력을 유지하기 위해 상기 압축공기 공급부가 상기 환원제 분사부에 공급하는 압축공기의 압력을 구분하여 조절하는 제어부를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 시스템{SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM}
본 발명은 선택적 촉매 환원 반응 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 환원제의 공급과 부식 방지를 위한 벤팅 에어(venting air)의 공급을 통합적으로 운용하는 선택적 촉매 환원 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 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템이 있다. 선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.
이러한 선택적 촉매 환원 시스템이 선박에 사용될 경우, 선박용 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 할 뿐만 아니라 선택적 촉매 환원 시스템의 운용에는 별도의 에너지가 소모되므로, 저비용 고효율의 탈질 설비와 함께 효과적인 운용 방법이 요구되고 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템에서 질소산화물(NOx)과 반응하여 인체에 무해한 질소(N2)와 물(H2O)로 환원 처리하기 위한 환원제로는 우레아(urea) 수용액, 암모니아 수용액, 무수 암모니아 등을 사용하고 있다. 이러한 환원제는 반응기를 향해 이동하는 배기가스에 분사된다. 그리고 환원제로 우레아(urea) 수용액으로 사용할 경우, 우레아가 배기가스의 온도에 의하여 암모니아로 분해되며 암모니아가 최종적인 환원제 역할을 수행하게 된다.
이러한 환원제는 오토마이징 에어(atomizing air)를 사용하여 분무된다. 즉, 선택적 촉매 환원 시스템은 환원제를 미립화시켜 분사하기 위해 압축공기를 사용하고 있다.
한편, 선박이 운항 중에 유지 보수 또는 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III) 외 지역을 운항하는 경우에는 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템을 가동하지 않을 수 있다. 이와 같이, 선택적 촉매 환원 시스템을 작동하지 않고 엔진 가동만 하는 경우에는, 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 선택적 촉매 환원 시스템을 거치지 않고, 별도의 바이패스 라인을 통해 배출된다.
그런데, 선택적 촉매 환원 시스템의 가동 시에는, 배기가스가 배관을 통해 반응기를 통과하면서 처리되다가, 엔진만 운전하고 선택적 촉매 환원 시스템을 가동하지 않는 경우에는 배관 및 반응기의 내부에 엔진에서 배출된 배기가스의 일부가 필연적으로 잔존하게 된다. 그리고 선택적 촉매 환원 시스템의 내부에 배기가스가 장기간 잔존하게 되면, 반응기 및 배관이 부식되는 현상이 발생하게 된다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템으로 배기가스를 유입 및 배출시키는 유입 밸브와 배출 밸브는 닫히더라도 완벽하게 배기가스를 차단하지 못하고 소량의 배기가스가 유입 밸브를 통과하여 배관을 따라 반응기로 향하게 된다. 이러한 배기가스의 누설도 선택적 촉매 환원 시스템 내부에서 부식을 발생시키는 원인이 되고 있다.
이에, 선택적 촉매 환원 시스템 내부에서 부식 발생하는 것을 억제하기 위하여 선택적 촉매 환원 시스템의 미가동시 선택적 촉매 환원 시스템의 내부에 벤팅 에어(venting air)를 주입하여 배관 및 반응기에서 부식이 발생하는 것을 방지하고 있다.
이와 같이, 종래의 선택적 촉매 환원 시스템은 환원제를 분사하고 부식을 방지하기 위하여 다량의 압축공기가 사용되고 있으며, 특히 고정된 압력으로 압축공기를 공급함에 따라 환원제 분사 및 부식 방지를 모두 만족하기 위하여 매우 높은 압력을 공급하도록 설정되어 있다.
따라서, 압축공기를 공급하기 위한 시스템이 크고 복잡할 뿐만 아니라 제작 비용 및 운용 비용도 크게 소모되는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 환원제의 공급과 부식 방지를 위해 공급되는 압축공기의 압력을 선택적으로 조절하여 압축공기의 소모량을 최소화하면서도 전체적인 구성을 간소화한 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되며 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 반응기와, 상기 반응기 전방의 상기 배기 유로 상에 설치된 유입 밸브와, 상기 반응기 후방의 상기 배기 유로 상에 설치된 배출 밸브와, 상기 반응기와 상기 유입 밸브 사이의 상기 배기 유로 상에 환원제를 분사하는 환원제 분사부와, 상기 환원제 분사부에 환원제를 공급하는 환원제 공급부와, 상기 환원제 분사부에 압축공기를 공급하는 압축공기 공급부, 그리고 상기 환원제의 분사시 상기 환원제를 분사하기 위해 상기 압축공기 공급부가 상기 환원제 분사부에 공급하는 압축공기의 압력과 상기 환원제의 미분사시 상기 반응기 내부의 압력을 유지하기 위해 상기 압축공기 공급부가 상기 환원제 분사부에 공급하는 압축공기의 압력을 구분하여 조절하는 제어부를 포함한다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 반응기와 상기 유입 밸브 사이의 상기 배기 유로 상에 설치된 기화 챔버를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 환원제 분사부는 상기 기화 챔버에 설치될 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 압축공기 공급부와 상기 환원제 분사부를 연결하는 압축공기 공급 라인과, 상기 압축공기 공급 라인 상에 설치된 압축공기 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 유입 밸브 전방의 상기 배기 유로 상에 설치되어 측정된 압력 정보를 상기 제어부에 전달하는 외부 압력 센서와, 상기 유입 밸브와 상기 반응기 사이의 배기 유로 상에 설치되어 측정된 압력 정보를 상기 제어부에 전달하는 내부 압력 센서, 그리고 상기 압축공기 공급부가 공급하는 압축공기의 압력을 측정하여 측정된 압력 정보를 상기 제어부에 전달하는 공급 압력 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 반응기의 미가동시, 상기 제어부는 상기 유입 밸브와 상기 배출 밸브를 닫고 상기 내부 압력 센서가 측정한 압력이 상기 외부 압력 센서가 측정한 압력보다 높고 상기 외부 압력 센서가 측정한 압력에 제1 기설정 압력을 더한 값보다 낮은 상태를 유지하도록 상기 압축공기 제어 밸브를 조절할 수 있다.
상기 반응기의 가동시, 상기 제어부는 상기 유입 밸브와 상기 배출 밸브를 열고 상기 공급 압력 센서가 측정한 압력이 상기 외부 압력 센서 또는 상기 내부 압력 센서가 측정한 압력에 제2 기설정 압력을 더한 값보다 높은 상태를 유지하도록 상기 압축공기 제어 밸브를 조절할 수 있다.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 유입 밸브 전방의 상기 배기 유로 상에 설치되어 측정된 압력 정보를 상기 제어부에 전달하는 외부 압력 센서와, 상기 압축공기 공급부가 공급하는 압축공기의 압력을 측정하여 측정된 압력 정보를 상기 제어부에 전달하는 공급 압력 센서를 더 포함할 수도 있다.
이 경우에는, 상기 반응기의 미가동시, 상기 제어부는 상기 유입 밸브와 상기 배출 밸브를 닫고 상기 공급 압력 센서가 측정한 압력이 상기 외부 압력 센서가 측정한 압력보다 높고 상기 외부 압력 센서가 측정한 압력에 제1 기설정 압력을 더한 값보다 낮은 상태를 유지하도록 상기 압축공기 제어 밸브를 조절할 수 있다.
그리고 상기 반응기의 가동시, 상기 제어부는 상기 유입 밸브와 상기 배출 밸브를 열고 상기 공급 압력 센서가 측정한 압력이 상기 외부 압력 센서가 측정한 압력에 제2 기설정 압력을 더한 값보다 높은 상태를 유지하도록 상기 압축공기 제어 밸브를 조절할 수 있다.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 압축공기 공급부가 공급하는 압축공기의 압력을 측정하여 측정된 압력 정보를 상기 제어부에 전달하는 공급 압력 센서를 더 포함할 수도 있다. 이때, 상기 배기가스는 엔진에서 배출되고, 상기 제어부는 상기 엔진에 장착된 과급기의 회전 속도, 상기 엔진의 부하, 또는 상기 엔진의 소기(掃氣) 압력을 통해 상기 유입 밸브 전방의 상기 배기 유로의 압력을 추정할 수 있다.
이 경우에는, 상기 반응기의 미가동시, 상기 제어부는 상기 유입 밸브와 상기 배출 밸브를 닫고 상기 공급 압력 센서가 측정한 압력이 상기 제어부가 추정한 압력보다 높고 상기 제어부가 추정한 압력에 제1 기설정 압력을 더한 값보다 낮은 상태를 유지하도록 상기 압축공기 제어 밸브를 조절할 수 있다.
그리고 상기 반응기의 가동시, 상기 제어부는 상기 유입 밸브와 상기 배출 밸브를 열고, 상기 공급 압력 센서가 측정한 압력이 상기 제어부가 추정한 압력에 제2 기설정 압력을 더한 값보다 높은 상태를 유지하도록 상기 압축공기 제어 밸브를 조절할 수 있다.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 환원제 공급부와 상기 환원제 분사부를 연결하는 환원제 공급 라인과, 상기 환원제 공급 라인 상에 설치된 유량계, 그리고 상기 환원제 공급 라인 상에 설치된 환원제 유량 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 압축공기 공급 라인 상에 설치되어 상기 환원제 분사부로 공급되는 압축공기를 승온시키는 가열 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템은 환원제의 공급과 부식 방지를 위해 공급되는 압축공기의 압력을 선택적으로 조절하여 압축공기의 소모량을 최소화하면서도 전체적인 구성을 간소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템의 동작 상태를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 구성도이다.
도 4는 도 3의 선택적 촉매 환원 시스템의 동작 상태를 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 구성도이다.
도 6은 도 5의 선택적 촉매 환원 시스템의 동작 상태를 나타낸 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템의 구성도이다.
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 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)을 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(101)은 엔진으로부터 배출된 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시키는데 사용된다.
일례로, 엔진은 선박용 2행정 저속 디젤 엔진일 수 있다. 하지만, 본 발명의 제1 실시예가 전술한 바에 한정되는 것은 아니며, 엔진은 4행 중속 디젤 엔진일 수도 있다. 또한, 복수의 엔진이 사용될 수도 있으며, 이 경우 2행정 저속 디젤 엔진과 4행 중속 디젤 엔진이 혼용될 수 있다. 이때, 2행정 저속 디젤 엔진은 선박에 추친력을 제공하는 주동력원으로 사용될 수 있으며, 4행 중속 디젤 엔진은 발전용 또는 보조 동력원 사용될 수 있다.
또한, 엔진이 반드시 선박용에 한정되는 것은 아니며 차량용 엔진이거나 플랜트에 사용되는 엔진일 수도 있다. 그 밖에도 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 종류의 엔진이 사용될 수 있다. 그리고 엔진에는 과급기가 장착될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 엔진이 배출하는 배기가스는 섭씨 200도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도를 가질 수 있으며, 경우에 따라서는 섭씨 150도 이상 섭씨 200도 미만으로 낮아질 수도 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(101)은 배기 유로(610), 반응기(300), 유입 밸브(710), 배출 밸브(720), 환원제 분사부(410), 환원제 공급부(500), 압축공기 공급부(800), 및 제어부(700)를 포함한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 기화 챔버(450), 압축공기 공급 라인(860), 압축공기 제어 밸브(750), 분사 밸브(780), 외부 압력 센서(771), 내부 압력 센서(772), 공급 압력 센서(773)를 더 포함할 수 있다.
또한, 도시하지는 않았으나, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 미가동시, 즉 후술할 유입 밸브(710)와 배출 밸브(720)가 차단된 경우 배기가스를 배출시킬 수 있도록 별도로 마련된 바이패스 유로를 더 포함할 수 있다.
배기 유로(610)는 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 이동시킨다. 그리고 배기 유로(610)를 따라 이동하는 배기가스는 후술할 반응기(300)를 거쳐 외부로 배출된다. 일례로, 배기 유로(610)는 엔진의 배기구와 연결되어 엔진에서 배출된 배기가스를 배출시킬 수 있다.
반응기(300)는 배기 유로(610) 상에 설치된다. 즉, 반응기(300)는 배기 유로(610)를 통해 질소산화물(NOx)을 함유한 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 배기가스의 이동 방향을 기준으로 다층 구조로 배치될 수도 있다. 즉, 촉매(350)가 복수의 촉매 모듈 형태로 마련될 수 있으며, 복수의 촉매 모듈은 배기가스의 이동 방향을 따라 배치될 수 있다.
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 250도 내지 섭씨 350도 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 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 촉매에 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.
유입 밸브(710)는 반응기(300) 전방의 배기 유로(610) 상에 설치된다. 그리고 배출 밸브(720)는 반응기(300) 후방의 배기 유로(610) 상에 설치된다. 이하, 본 명세서에서 전방이라 함은 배기가스 또는 압축공기의 이동 방향을 기준으로 상류 방향을 의미하며, 후방이라 함은 배기가스 또는 압축공기의 이동 방향을 기준으로 하류 방향을 의미한다.
환원제 분사부(410)는 반응기(300)와 유입 밸브(710) 사이에서 배기 유로(610)를 따라 이동하는 배기가스에 환원제를 분사한다. 즉, 환원제 분사부(410)는 반응기(300)로 유입되는 배기가스에 환원제를 분사한다.
또한, 환원제 분사부(410)는 이유체 노즐을 포함할 수 있다. 이에, 환원제 분사부(410)는 환원제와 압축공기를 함께 공급받아 환원제를 미립화시켜 분무할 수 있다. 즉, 본 발명의 제1 실시예에서, 환원제 분사부(410)는 환원제를 미립화시켜 분사하는데 압축공기를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 환원제 분사부(410)는 우레아(urea, CO(NH2)2)를 수용액 형태로 분사할 수 있다. 즉, 본 발명의 제1 실시예에서, 환원제 분사부(410)가 분사하는 우레아(urea, CO(NH2)2) 수용액은 환원제 전구체에 해당하며, 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. 그리고 최종적으로 생성된 암모니아(NH3)가 배기가스에 함유한 질소산화물(NOx)과 반응하여 질소산화물을 저감시키기 위해 환원제로 사용된다.
환원제 공급부(500)는 환원제 분사부(410)와 분사할 환원제를 공급한다. 그런데, 엔진의 부하 변동에 따라 배출되는 배기가스의 배출량이 달라지므로, 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위해 요구되는 환원제의 양도 달라지게 된다. 이에, 환원제 공급부(500)는 엔진의 운전 조건 또는 배기가스의 배출 상황에 따라 적정량의 환원제가 공급될 수 있도록 환원제의 공급량을 조절할 수 있다.
구체적으로, 환원제 공급부(500)는 환원제 분사부(410)에 공급할 환원제를 저장하는 환원제 저장 탱크(550)와, 환원제 저장 탱크(550)에 저장된 환원제를 공급하기 위한 환원제 공급 펌프 모듈(580), 환원제 공급 펌프 모듈(580)이 공급하는 환원제를 이동시키기 위한 환원제 공급 라인(560), 환원제 공급 라인에 설치되어 환원제 공급 여부를 제어하는 환원제 밸브(530), 환원제 공급 라인(560)에 설치되어 공급 유량을 측정하기 위한 환원제 유량계(540), 그리고 환원제 공급 라인(560)에 설치되어 환원제의 공급 유량을 조절하는 환원제 유량 제어 밸브(570)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 환원제 공급 펌프 모듈(580)은 환원제 공급을 위한 펌프와, 펌프 설치를 위해 필요한 필터, 펌프용 압력 게이지, 펌프용 수동 밸브 등을 포함할 수 있다. 또한, 후술할 제어부(700)는 환원제 유량계(540)로부터 정보를 전달받고 환원제 유량 제어 밸브(570)를 제어할 수도 있다.
기화 챔버(450)는 반응기(300)와 유입 밸브(710) 사이의 배기 유로(610) 상에 설치될 수 있다. 그리고 환원제 분사부(410)는 기화 챔버(450) 내부에 환원제를 분사할 수 있다. 즉, 환원제 분사부(410)에서 분사된 우레이 수용액은 기화 챔버(450)에서 암모니아로 분해될 수 있다.
압축공기 공급부(800)는 환원제 분사부(410)에 선택적으로 압축공기를 공급한다. 압축공기 공급부(800)는 후술할 제어부(700)의 제어에 따라 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 가동시에는 환원제의 분사를 위해 환원제 분사부(410)에 압축공기를 공급하고 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 미가동시에는 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 부식을 방지하기 위하여 반응기 내부의 압력이 기설정된 압력으로 유지되도록 환원제 분사부에 압축공기를 공급할 수 있다.
구체적으로, 환원제 분사시 환원제 분사부(410)에 공급되는 압축공기는 환원제 분사부(410)에서 분사되는 환원제를 미립화 시키는데 사용될 수 있다. 그리고 환원제 미분사시 환원제 분사부(410)에 공급되는 압축공기는 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 내부 압력을 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 외부 압력보다 높게 유지함으로써, 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 내부에 잔존하는 배기가스를 배출시키고, 유입 밸브(710)를 통해 지속적으로 소량의 배기가스가 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 내부로 유입되는 것을 방지한다. 이에, 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 반응기(300)와 각종 배관의 부식을 방지할 수 있다. 이와 같이, 잔존하는 배기가스를 배출시키고 부식을 방지할 목적으로 공급되는 압축공기를 벤팅 에어(venting air)라 한다.
또한, 본 명세서에서, 환원제 분사시라 함은 반응기(300)가 가동 중인 상태, 즉 선택적 촉매 환원 시스템(101)이 가동되어 반응기(300) 내부에서 질소산화물을 저감시키기 위한 환원 반응이 일어나는 경우를 의미한다. 그리고 환원제 미분사시라 함은 반응기(300)의 미가동 중인 상태 즉, 선택적 촉매 환원 시스템(101)이 가동되지 않아 반응기(300)의 내부에서 질소산화물을 저감시기키 위한 환원 반응이 일어나지 않는 경우를 의미한다.
또한, 압축공기 공급부(800)는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 방법으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 압축공기 공급부(800)는 엔진에 장착된 과급기이거나 선박에 비치된 압축 공기 탱크 또는 압축 공기 공급 펌프 중 하나일 수 있다.
압축공기 공급 라인(860)은 압축공기 공급부(800)와 환원제 분사부(410)를 연결한다. 그리고 압축공기 제어 밸브(750)는 압축공기 공급 라인(860) 상에 설치된다. 압축공기 제어 밸브(750)는 환원제 분사부(410)에 공급되는 압축공기의 압력을 조절할 수 있다. 또한, 분사 밸브(780)도 압축공기 공급 라인(860) 상에 설치될 수 있다. 분사 밸브(780)는 환원제 분사부(410)의 압축공기 분사 여부를 조절할 수 있다.
외부 압력 센서(771)는 유입 밸브(710) 전방의 배기 유로(610) 상에 설치되어 측정된 압력 정보를 후술할 제어부(700)에 전달한다. 외부 압력 센서(771)는 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 외부 압력을 측정한다. 내부 압력 센서(772)는 유입 밸브(710)와 반응기(300) 사이의 배기 유로(610) 상에 설치되어 측정된 압력 정보를 후술할 제어부(700)에 전달한다. 내부 압력 센서(772)는 유입 밸브(710)와 배출 밸브(720) 사이의 압력, 즉 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 내부 압력을 측정한다. 따라서, 유입 밸브(710)와 배출 밸브(720)가 닫힌 상태에서는 외부 압력 센서(771)와 내부 압력 센서(772)의 측정값은 달라질 수 있다. 반면, 유입 밸브(710)와 배출 밸브(720)가 열린 상태에서는 외부 압력 센서(771)와 내부 압력 센서(772)의 측정값은 허용오차 범위 내에서 동일할 수 있다. 여기서, 허용오차 범위는 외부 압력 센서(771)와 내부 압력 센서(772)의 성능에 따라 달라질 수 있다.
공급 압력 센서(773)는 압축공기 공급부(800)가 공급하는 압축공기의 압력을 측정하여 측정된 압력 정보를 후술할 제어부(700)에 전달한다. 즉, 공급 압력 센서(773)는 압축공기 공급부(800)가 환원제 분사부(410)에 공급할 압축공기의 압력을 측정한다.
제어부(700)는 외부 압력 센서(771), 내부 압력 센서(772), 및 공급 압력 센서(773)가 제공한 정보에 기초하여 압축공기 제어 밸브(750)를 조절한다. 제어부(700)는 압축공기 제어 밸브(750)를 통해 환원제 분사부(410)에 공급되는 압축공기의 압력을 정밀하게 제어하여 필요 이상의 압축공기가 환원제 분사부(410)에 공급되지 않도록 할 수 있다. 이에, 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 운용에 사용되는 압축공기의 전체적인 소모량을 최소화할 수 있으며, 전체적인 구성을 간소화할 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 동작 원리를 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 1에 도시한 바와 같이, 선택적 촉매 환원 시스템(101)이 미가동 중인 경우, 즉 반응기(300)의 미가동시 유입 밸브(710)와 배출 밸브(720)는 닫히게 된다. 그리고 환원제를 공급하기 위한 환원제 밸브(530)도 닫힌다.
제어부(700)는 내부 압력 센서(772)가 측정한 압력(P2)이 외부 압력 센서(771)가 측정한 압력(P1)보다 높고 외부 압력 센서(771)가 측정한 압력에 제1 기설정 압력을 더한 값(P1+ㅿPa)보다 낮은 상태를 유지하도록 압축공기 제어 밸브(750)를 조절한다.
즉, 다음 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112018048923009-pat00001
여기서, P1은 외부 압력 센서(771)가 측정한 압력이고, P2는 내부 압력 센서(772)가 측정한 압력이며, ㅿPa는 제1 기설정 압력이다. 그리고 제1 기설정된 압력은 엔진에서 배출된 배기가스가 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 내부로 유입되는 것을 방지하기 위한 압력이다. 즉, 내부 압력 센서(772)가 측정한 압력이 외부 압력 센서(771)가 측정한 압력에 제1 기설정 압력을 더한 값(P1+ㅿPa)보다 커지면 압축공기가 불필요하게 낭비된다. 이러한 제1 기설정된 압력은 엔진의 크기와 종류 그리고 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 전체적인 사양에 따라 달라질 수 있다.
이와 같이, 환원제 분사부(410)를 통해 공급되는 압축공기는 유입 밸브(710)와 배출 밸브(720)가 닫힌 상태에서 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 내부 압력을 외부 압력보다 높게 유지하여 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 내부에 배기가스가 장기적으로 잔존하지 못하게 하고, 엔진에서 배출된 배기가스가 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 내부로 추가 유입되는 것을 방지하게 된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서는, 환원제 분사부(410)를 통해 공급되는 압축공기가 고정된 일정한 압력으로 공급되는 것이 아니므로, 환원제 분사부(410)를 통해 압축공기가 불필요하게 높은 압력으로 공급되는 것을 방지하고, 압축공기의 사용을 최소화할 수 있게 된다.
한편, 선택적 촉매 환원 시스템(101)이 미가동 중인 경우에 엔진에서 배출된 배기가스는 별도로 마련된 바이패스 유로를 통해 배출된다.
다음, 도 2에 도시한 바와 같이, 선택적 촉매 환원 시스템(101)이 가동 중인 경우, 즉 반응기(300)의 가동시 유입 밸브(710)와 배출 밸브(720)는 열리게 된다. 그리고 환원제를 공급하기 위한 환원제 밸브(530)도 열린다. 즉, 환원제 분사부(410)에 환원제가 공급되고 압축공기와 함께 환원제가 분사되면서 미립화된다.
제어부(700)는 공급 압력 센서(773)가 측정한 압력(P3)이 외부 압력 센서(771) 또는 내부 압력 센서(772)가 측정한 압력(P1 또는 P2)에 제2 기설정 압력(ㅿPb)을 더한 값(P1+ㅿPb 또는 P2+ㅿPb)보다 높은 상태를 유지하도록 압축공기 제어 밸브(750)를 조절한다.
즉, 다음 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112018048923009-pat00002
여기서, P3는 공급 압력 센서가 측정한 압력이고, ㅿPb는 제2 기설정 압력이다. 그리고 제2 기설정된 압력은 환원제 분사부(410)가 분사하는 환원제를 미립화시킬 수 있는 압력이다. 따라서 제2 기설정된 압력은 환원제 분사부(410)에 공급되는 환원제의 공급량에 따라 달라질 수 있다.
또한, 제어부(700)는 환원제 분사부(410)에 공급되는 압축공기의 압력이 외부 압력 센서(771) 또는 내부 압력 센서(772)가 측정한 압력(P1 또는 P2)에 제2 기설정 압력(ㅿPb)을 더한 값의 110%를 초과하여 공급하지 않도록 제한할 수 있다.
또한, 유입 밸브(710)와 배출 밸브(720)가 열린 상태에서는 외부 압력 센서(771)와 내부 압력 센서(772)가 측정한 압력은 허용오차 범위 내에서 동일하게 된다. 여기서, 허용오차 범위는 외부 압력 센서(771)와 내부 압력 센서(772)의 성능에 따라 달라질 수 있다.
이와 같이, 환원제 분사부(410)에 공급되는 압축공기는 환원제가 분사되는 배기가스의 현재 압력보다 제2 기설정된 압력을 초과하는 만큼 높게 유지되어야 환원제 분사부(410)가 분사하는 환원제를 효과적으로 미립화시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 제1 실시예에서는, 환원제 분사부(410)에 공급되는 압축공기의 압력을 일정한 압력으로 고정시키지 않고, 외부 압력 센서(771) 또는 내부 압력 센서(772)를 통해 측정된 압력에 제2 기설정된 압력을 더한 값보다 큰 정도의 압력으로만 압축공기를 공급하므로, 환원제 분사부(410)에 불필요하게 높은 압력의 압축공기가 공급되는 것을 방지하고 압축공기의 사용을 최소화할 수 있게 된다.
한편, 분사 밸브(780)는 어느 목적으로도 환원제 분사부(410)가 압축공기를 분사할 필요가 없을 때 닫히게 된다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 환원제의 공급과 부식 방지를 위해 공급되는 압축공기의 압력을 선택적으로 조절하여 압축공기의 소모량을 최소화할 수 있다.
구체적으로, 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 환원제 분사와 부식 방지를 위해 불필요하게 높은 압력의 압축공기가 공급되는 것을 방지하고 압축공기의 사용을 최소화할 수 있다.
또한, 환원제 분사부(410)를 사용하여 벤팅 에어를 공급하므로, 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 전체적인 구성을 간소화할 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(102)을 설명한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(102)은 유입 밸브(710) 전방의 배기 유로(610) 상에 설치되어 측정된 압력 정보를 제어부(700)에 전달하는 외부 압력 센서(771)와, 압축공기 공급부(800)가 공급하는 압축공기의 압력을 측정하여 측정된 압력 정보를 제어부(700)에 전달하는 공급 압력 센서(7730)를 포함한다. 즉, 제1 실시예에서 사용된 내부 압력 센서(772)가 본 발명의 제2 실시예에서는 생략된다.
제어부(700)는 외부 압력 센서(771) 및 공급 압력 센서(773)가 제공한 정보에 기초하여 압축공기 제어 밸브(750)를 조절한다. 제어부(700)는 압축공기 제어 밸브(750)를 통해 환원제 분사부(410)에 공급되는 압축공기의 압력을 정밀하게 제어하여 필요 이상의 압축공기가 환원제 분사부(410)에 공급되지 않도록 할 수 있다. 이에, 선택적 촉매 환원 시스템(102)의 운용에 소모되는 압축공기의 전체적인 소모량을 최소화할 수 있으며, 전체적인 구성을 간소화할 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(102)의 동작 원리를 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 3에 도시한 바와 같이, 선택적 촉매 환원 시스템(102)이 미가동 중인 경우, 즉 반응기(300)의 미가동시 유입 밸브(710)와 배출 밸브(720)는 닫히게 된다. 그리고 환원제를 공급하기 위한 환원제 밸브(530)도 닫힌다.
제어부(700)는 공급 압력 센서(773)가 측정한 압력(P1)이 외부 압력 센서(771)가 측정한 압력(P3)보다 높고 외부 압력 센서(771)가 측정한 압력에 제1 기설정 압력을 더한 값(P1+ㅿPa)보다 낮은 상태를 유지하도록 압축공기 제어 밸브(750)를 조절한다.
즉, 다음 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112018048923009-pat00003
여기서, P1은 외부 압력 센서(771)가 측정한 압력이고, P3는 공급 압력 센서(772)가 측정한 압력이며, ㅿPa는 제1 기설정 압력이다. 그리고 제1 기설정된 압력은 엔진에서 배출된 배기가스가 선택적 촉매 환원 시스템(102)의 내부로 유입되는 것을 방지하기 위한 압력이다. 따라서 제1 기설정된 압력은 엔진의 크기와 종류 그리고 선택적 촉매 환원 시스템(102)의 전체적인 사양에 따라 달라질 수 있다.
이와 같이, 유입 밸브(710)와 배출 밸브(720)가 닫힌 상태에서 환원제 분사부(410)를 통해 공급되는 압축공기의 압력을 외부 압력보다 높게 유지하여 선택적 촉매 환원 시스템(102)의 내부에 배기가스가 장기적으로 잔존하지 못하게 하고, 엔진에서 배출된 배기가스가 선택적 촉매 환원 시스템(102)의 내부로 추가 유입되는 것을 방지하게 된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에서는, 환원제 분사부(410)를 통해 공급되는 압축공기가 고정된 일정한 압력으로 공급되는 것이 아니므로, 환원제 분사부(410)를 통해 압축공기가 불필요하게 높은 압력으로 공급되는 것을 방지하고, 압축공기의 사용을 최소화할 수 있게 된다.
한편, 선택적 촉매 환원 시스템(102)이 미가동 중인 경우에 엔진에서 배출된 배기가스는 별도로 마련된 바이패스 유로를 통해 배출된다.
다음, 도 4에 도시한 바와 같이, 선택적 촉매 환원 시스템(102)이 가동 중인 경우, 즉 반응기(300)의 가동시 유입 밸브(710)와 배출 밸브(720)는 열리게 된다. 그리고 환원제를 공급하기 위한 환원제 밸브(530)도 열린다. 즉, 환원제 분사부(410)에 환원제가 공급되고 압축공기와 함께 환원제가 분사되면서 미립화된다.
제어부(700)는 공급 압력 센서(773)가 측정한 압력(P3)이 외부 압력 센서(771)가 측정한 압력(P1)에 제2 기설정 압력(ㅿPb)을 더한 값(P1+ㅿPb)보다 높은 상태를 유지하도록 압축공기 제어 밸브를 조절한다.
즉, 다음 수학식 4와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112018048923009-pat00004
여기서, ㅿPb는 제2 기설정 압력이다. 그리고 제2 기설정된 압력은 환원제 분사부(410)가 분사하는 환원제를 미립화시킬 수 있는 압력이다. 따라서 제2 기설정된 압력은 환원제 분사부(410)에 공급되는 환원제의 공급량에 따라 달라질 수 있다.
또한, 제어부(700)는 환원제 분사부(410)에 공급되는 압축공기의 압력이 외부 압력 센서(771)가 측정한 압력(P1)에 제2 기설정 압력(ㅿPb)을 더한 값의 110%를 초과하여 공급하지 않도록 제한할 수 있다.
이와 같이, 환원제 분사부(410)에 공급되는 압축공기가 환원제가 분사되는 배기가스의 현재 압력보다 제2 기설정된 압력을 초과하는 만큼 높게 유지되어야 환원제 분사부가 분사하는 환원제를 미립화시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 제2 실시예에서는, 환원제 분사부(410)에 공급되는 압축공기의 압력을 일정한 압력으로 고정시키지 않고, 외부 압력 센서(771)를 통해 측정된 압력에 제2 기설정된 압력을 더한 값보다 큰 정도의 압력으로만 압축공기를 공급하므로, 환원제 분사부(410)에 불필요하게 높은 압력의 압축공기가 공급되는 것을 방지하고 압축공기의 사용을 최소화할 수 있게 된다.
한편, 분사 밸브(780)는 어느 목적으로도 환원제 분사부(410)가 압축공기를 분사할 필요가 없을 때 닫히게 된다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(102)도 환원제의 공급과 부식 방지를 위해 공급되는 압축공기의 압력을 선택적으로 조절하여 압축공기의 소모량을 최소화할 수 있다.
구체적으로, 선택적 촉매 환원 시스템(102)은 환원제 분사와 부식 방지를 위해 불필요하게 높은 압력의 압축공기가 공급되는 것을 방지하고 압축공기의 사용을 최소화할 수 있다.
또한, 환원제 분사부(410)를 사용하여 벤팅 에어를 공급하므로, 선택적 촉매 환원 시스템(102)의 전체적인 구성을 간소화할 수 있다.
특히, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템(102)의 운용에 사용되는 압력 센서의 수를 최소화할 수 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(103)을 설명한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(103)은 압축공기 공급부(800)가 공급하는 압축공기의 압력을 측정하여 측정된 압력 정보를 제어부(700)에 전달하는 공급 압력 센서(773)를 포함한다. 즉, 제1 실시예에서 사용된 외부 압력 센서(771)와 내부 압력 센서(772)가 본 발명의 제3 실시예에서는 생략된다.
대신, 본 발명의 제3 실시예에서, 제어부(700)는 엔진에 장착된 과급기의 회전 속도, 엔진의 부하, 또는 엔진의 소기(掃氣) 압력을 통해 유입 밸브(710) 전방의 배기 유로(610)의 압력을 추정한다.
즉, 제1 실시예 및 제2 실시예에서, 외부 압력 센서(771)가 측정했던 압력 정보는 엔진의 각종 운전 정보에 대해 맵핑(mapping)한 데이터를 활용하여 제어부(700)가 추정할 수 있다.
도 5 및 도 6에서 참조부호 100은 엔진의 각종 운전 정보를 의미한다.
예를 들어, 사전에 시험을 통하여 엔진의 부하별로 유입 밸브(710) 전방의 배기 유로(610)에서 배기가스의 압력을 측정한 후 이를 맵핑 데이터화하여 제어부(700)에 저장하고, 이를 활용하여 엔진의 부하에 따라 유입 밸브(710) 전방의 배기 유로(610)의 압력을 추정할 수 있다. 또한, 과급기의 회전 속도나 소기 압력도 동일한 방법으로 시험하여 맵핑 데이터화할 수 있다. 이때, 맵핑 데이터는 국제 표준화 기구(International Organization for Standardization)의 규정에 따라 산출될 수 있다.
그리고 전술한 바와 같이, 외부 압력 센서(771)가 측정한 압력 정보를 제어부(700)가 추정한다는 점을 제외하면 제3 실시예는 제2 실시예와 동일하다. 즉, 제어부(700)는 공급 압력 센서(773)가 제공한 정보와 제어부(700)에 의해 엔진의 각종 운전 정보로부터 추정된 압력 정보에 기초하여 압축공기 제어 밸브(750)를 조절한다.
제어부(700)는 압축공기 제어 밸브(750)를 통해 환원제 분사부(410)에 공급되는 압축공기의 압력을 정밀하게 제어하여 필요 이상의 압축공기가 환원제 분사부(410)에 공급되지 않도록 할 수 있다. 이에, 선택적 촉매 환원 시스템(103)의 운용에 소모되는 압축공기의 전체적인 소모량을 최소화할 수 있으며, 전체적인 구성을 간소화할 수 있다.
또한, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(103)의 동작 원리는 제2 실시예에서 외부 압력 센서(771)가 측정하던 압력 정보를 제어부(700)가 엔진의 각종 운전 정보로부터 추정한다는 점을 제외하면, 제3 실시예는 제2 실시예와 동일하다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(104)을 설명한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(104)은 압축공기 공급 라인(860) 상에 설치된 가열 장치(440)를 더 포함한다. 즉, 본 발명의 제4 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(104)은 제1 실시예에서 가열 장치(440)가 더 추가된다. 가열 장치(440)는 환원제 분사부(410)로 부식 방지를 위한 압축공기가 공급될 때 함께 가동될 수 있다.
구체적으로, 가열 장치(440)는 부식 방지를 위한 벤팅 에어로 압축공기를 공급할 때 고온의 압축공기를 공급할 수 있게 함으로써, 선택적 촉매 환원 시스템(104)의 내부에 응축수가 생성되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 가열 장치(440)는 응축수가 생성되지 않는 범위 내에서 압축공기를 승온시킬 수 있다. 즉, 가열 장치(440)가 압축공기를 승온시키는 범위는 선택적 촉매 환원 시스템(104)의 내부 온도와 주변 환경에 따라 달라질 수 있다.
일례로, 가열 장치(440)는 전기 히터, 오일 버너(oil burner), 또는 플라스마 버너(plasma burner) 중 하나일 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제4 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(104)도 환원제의 공급과 부식 방지를 위해 공급되는 압축공기의 압력을 선택적으로 조절하여 압축공기의 소모량을 최소화할 수 있다.
또한, 환원제 분사부(410)를 사용하여 벤팅 에어를 공급하므로, 선택적 촉매 환원 시스템(104)의 전체적인 구성을 간소화할 수 있다.
특히, 본 발명의 제4 실시예에 따르면, 부식 방지를 위해 압축공기를 공급하는 과정에서 선택적 촉매 환원 시스템(104)의 내부에 응축수가 생성되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명이 전술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 제2 실시예 또는 제3 실시예에 제4 실시예의 가열 장치(440)를 추가하여 사용할 수도 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, 104: 선택적 촉매 환원 시스템
300: 반응기
350: 촉매
410: 환원제 분사부
450: 기화 챔버
500: 환원제 공급부
530: 환원제 밸브
540: 환원제 유량계
550: 환원제 저장 탱크
560: 환원제 공급 라인
570: 환원제 유량 제어 밸브
580: 환원제 공급 펌프 모듈
610: 배기 유로
700: 제어부
710: 유입 밸브
720: 배출 밸브
750: 압축공기 제어 밸브
771: 외부 압력 센서
772: 내부 압력 센서
773: 공급 압력 센서
780: 분사 밸브
800: 압축공기 공급부
860: 압축공기 공급 라인

Claims (14)

  1. 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스가 이동하는 배기 유로;
    상기 배기 유로 상에 설치되며 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 반응기;
    상기 반응기 전방의 상기 배기 유로 상에 설치된 유입 밸브;
    상기 반응기 후방의 상기 배기 유로 상에 설치된 배출 밸브;
    상기 반응기와 상기 유입 밸브 사이의 상기 배기 유로 상에 환원제를 분사하는 환원제 분사부;
    상기 환원제 분사부에 환원제를 공급하는 환원제 공급부;
    상기 환원제 분사부에 압축공기를 공급하는 압축공기 공급부;
    상기 환원제의 분사시 상기 환원제를 분사하기 위해 상기 압축공기 공급부가 상기 환원제 분사부에 공급하는 압축공기의 압력과 상기 환원제의 미분사시 상기 반응기 내부의 압력을 유지하기 위해 상기 압축공기 공급부가 상기 환원제 분사부에 공급하는 압축공기의 압력을 구분하여 조절하는 제어부;
    상기 압축공기 공급부와 상기 환원제 분사부를 연결하는 압축공기 공급 라인;
    상기 압축공기 공급 라인 상에 설치된 압축공기 제어 밸브;
    상기 유입 밸브 전방의 상기 배기 유로 상에 설치되어 측정된 압력 정보를 상기 제어부에 전달하는 외부 압력 센서;
    상기 유입 밸브와 상기 반응기 사이의 배기 유로 상에 설치되어 측정된 압력 정보를 상기 제어부에 전달하는 내부 압력 센서; 및
    상기 압축공기 공급부가 공급하는 압축공기의 압력을 측정하여 측정된 압력 정보를 상기 제어부에 전달하는 공급 압력 센서
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응기와 상기 유입 밸브 사이의 상기 배기 유로 상에 설치된 기화 챔버를 더 포함하며,
    상기 환원제 분사부는 상기 기화 챔버에 설치된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반응기의 미가동시, 상기 제어부는 상기 유입 밸브와 상기 배출 밸브를 닫고 상기 내부 압력 센서가 측정한 압력이 상기 외부 압력 센서가 측정한 압력보다 높고 상기 외부 압력 센서가 측정한 압력에 제1 기설정 압력을 더한 값보다 낮은 상태를 유지하도록 상기 압축공기 제어 밸브를 조절하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반응기의 가동시, 상기 제어부는 상기 유입 밸브와 상기 배출 밸브를 열고 상기 공급 압력 센서가 측정한 압력이 상기 외부 압력 센서 또는 상기 내부 압력 센서가 측정한 압력에 제2 기설정 압력을 더한 값보다 높은 상태를 유지하도록 상기 압축공기 제어 밸브를 조절하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  7. 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스가 이동하는 배기 유로;
    상기 배기 유로 상에 설치되며 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 반응기;
    상기 반응기 전방의 상기 배기 유로 상에 설치된 유입 밸브;
    상기 반응기 후방의 상기 배기 유로 상에 설치된 배출 밸브;
    상기 반응기와 상기 유입 밸브 사이의 상기 배기 유로 상에 환원제를 분사하는 환원제 분사부;
    상기 환원제 분사부에 환원제를 공급하는 환원제 공급부;
    상기 환원제 분사부에 압축공기를 공급하는 압축공기 공급부;
    상기 환원제의 분사시 상기 환원제를 분사하기 위해 상기 압축공기 공급부가 상기 환원제 분사부에 공급하는 압축공기의 압력과 상기 환원제의 미분사시 상기 반응기 내부의 압력을 유지하기 위해 상기 압축공기 공급부가 상기 환원제 분사부에 공급하는 압축공기의 압력을 구분하여 조절하는 제어부;
    상기 압축공기 공급부와 상기 환원제 분사부를 연결하는 압축공기 공급 라인;
    상기 압축공기 공급 라인 상에 설치된 압축공기 제어 밸브;
    상기 유입 밸브 전방의 상기 배기 유로 상에 설치되어 측정된 압력 정보를 상기 제어부에 전달하는 외부 압력 센서; 및
    상기 압축공기 공급부가 공급하는 압축공기의 압력을 측정하여 측정된 압력 정보를 상기 제어부에 전달하는 공급 압력 센서
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 반응기의 미가동시, 상기 제어부는 상기 유입 밸브와 상기 배출 밸브를 닫고 상기 공급 압력 센서가 측정한 압력이 상기 외부 압력 센서가 측정한 압력보다 높고 상기 외부 압력 센서가 측정한 압력에 제1 기설정 압력을 더한 값보다 낮은 상태를 유지하도록 상기 압축공기 제어 밸브를 조절하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 반응기의 가동시, 상기 제어부는 상기 유입 밸브와 상기 배출 밸브를 열고 상기 공급 압력 센서가 측정한 압력이 상기 외부 압력 센서가 측정한 압력에 제2 기설정 압력을 더한 값보다 높은 상태를 유지하도록 상기 압축공기 제어 밸브를 조절하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  10. 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스가 이동하는 배기 유로;
    상기 배기 유로 상에 설치되며 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 반응기;
    상기 반응기 전방의 상기 배기 유로 상에 설치된 유입 밸브;
    상기 반응기 후방의 상기 배기 유로 상에 설치된 배출 밸브;
    상기 반응기와 상기 유입 밸브 사이의 상기 배기 유로 상에 환원제를 분사하는 환원제 분사부;
    상기 환원제 분사부에 환원제를 공급하는 환원제 공급부;
    상기 환원제 분사부에 압축공기를 공급하는 압축공기 공급부;
    상기 환원제의 분사시 상기 환원제를 분사하기 위해 상기 압축공기 공급부가 상기 환원제 분사부에 공급하는 압축공기의 압력과 상기 환원제의 미분사시 상기 반응기 내부의 압력을 유지하기 위해 상기 압축공기 공급부가 상기 환원제 분사부에 공급하는 압축공기의 압력을 구분하여 조절하는 제어부;
    상기 압축공기 공급부와 상기 환원제 분사부를 연결하는 압축공기 공급 라인;
    상기 압축공기 공급 라인 상에 설치된 압축공기 제어 밸브; 및
    상기 압축공기 공급부가 공급하는 압축공기의 압력을 측정하여 측정된 압력 정보를 상기 제어부에 전달하는 공급 압력 센서
    를 포함하며,
    상기 배기가스는 엔진에서 배출되고,
    상기 제어부는 상기 엔진에 장착된 과급기의 회전 속도, 상기 엔진의 부하, 또는 상기 엔진의 소기(掃氣) 압력을 통해 상기 유입 밸브 전방의 상기 배기 유로의 압력을 추정하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반응기의 미가동시, 상기 제어부는 상기 유입 밸브와 상기 배출 밸브 를 닫고 상기 공급 압력 센서가 측정한 압력이 상기 제어부가 추정한 압력보다 높고 상기 제어부가 추정한 압력에 제1 기설정 압력을 더한 값보다 낮은 상태를 유지하도록 상기 압축공기 제어 밸브를 조절하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 반응기의 가동시, 상기 제어부는 상기 유입 밸브와 상기 배출 밸브를 열고, 상기 공급 압력 센서가 측정한 압력이 상기 제어부가 추정한 압력에 제2 기설정 압력을 더한 값보다 높은 상태를 유지하도록 상기 압축공기 제어 밸브를 조절하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 환원제 공급부와 상기 환원제 분사부를 연결하는 환원제 공급 라인과;
    상기 환원제 공급 라인 상에 설치된 유량계; 그리고
    상기 환원제 공급 라인 상에 설치된 환원제 유량 제어 밸브
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  14. 제1항, 제7항, 및 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축공기 공급 라인 상에 설치되어 상기 환원제 분사부로 공급되는 압축공기를 승온시키는 가열 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
KR1020180056854A 2018-05-18 2018-05-18 선택적 촉매 환원 시스템 KR102466788B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180056854A KR102466788B1 (ko) 2018-05-18 2018-05-18 선택적 촉매 환원 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180056854A KR102466788B1 (ko) 2018-05-18 2018-05-18 선택적 촉매 환원 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190131896A KR20190131896A (ko) 2019-11-27
KR102466788B1 true KR102466788B1 (ko) 2022-11-16

Family

ID=68730063

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180056854A KR102466788B1 (ko) 2018-05-18 2018-05-18 선택적 촉매 환원 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102466788B1 (ko)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101417296B1 (ko) * 2012-06-25 2014-07-08 두산엔진주식회사 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치
KR102150738B1 (ko) * 2015-02-23 2020-09-01 현대중공업 주식회사 Scr 시스템의 반응제 공급 장치 및 그의 제어 방법
KR102506297B1 (ko) * 2016-08-31 2023-03-06 에이치에스디엔진 주식회사 선택적 촉매 환원 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190131896A (ko) 2019-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101417296B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치
KR101497831B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치
KR102107906B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템 및 이를 포함한 동력 장치
KR102264968B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템
KR102367278B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템
KR101708099B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템 및 이를 포함한 동력 장치
KR102466788B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템
KR102107910B1 (ko) 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템
KR101636208B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치
KR102602501B1 (ko) 선택적 촉매 환원 반응기
KR101902345B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템 및 이를 포함한 동력 장치
KR20220066641A (ko) 선택적 촉매 환원 반응기
KR20210075323A (ko) 선택적 촉매 환원 시스템
KR102402306B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템
KR20180130921A (ko) 환원제 공급 시스템
KR102473276B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템
KR102386624B1 (ko) 선택적 촉매 환원 반응기
KR102063677B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치
KR102447700B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템 및 질소산화물 저감 방법
KR102574990B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템
KR20190002846A (ko) 선택적 촉매 환원 시스템
KR102075879B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치
KR20240087070A (ko) 환원제 공급 시스템 및 환원제 공급 방법
KR102550080B1 (ko) 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템
KR102367285B1 (ko) 선택적 촉매 환원 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right