KR102506291B1 - 선택적 촉매 환원 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키는 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되며 촉매가 내부에 설치된 반응기와, 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 반응기를 우회하는 바이패스 유로와, 상기 바이패스 유로 상에 설치된 바이패스 밸브, 그리고 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점과 상기 바이패스 밸브 사이의 상기 바이패스 유로 상에 환원제 전구체를 분사하는 환원제 공급부를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 시스템{SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM}
본 발명은 선택적 촉매 환원 반응을 이용하여 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키는 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 선박 등에 사용되는 동력 장치는 동력을 발생시키는 디젤 엔진과, 디젤 엔진에 소기용 공기를 공급하는 과급기(turbocharger), 그리고 디젤 엔진에서 배출된 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키는 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템 등을 포함한다.
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 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III)를 만족시킬 수 있도록 이의 성능과 운용이 요구되고 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템은 경제성과 방사능 규제 등을 고려하여 섭씨 250도 내지 섭씨 350도 범위 내의 활성 온도를 갖는 고온 활성 촉매를 주로 이용하고 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다.
그런데, 촉매가 활성 온도 범위 밖에서 반응할 경우, 촉매가 피독되면서 지속적으로 촉매의 활성도가 저하된다. 특히, 고온 활성 촉매가 설치된 반응기에 섭씨 250도 미만의 상대적으로 낮은 온도를 갖는 배기 가스가 유입되면, 배기가스의 황산화물(SOx)과 환원제인 암모니아(NH4)가 반응하여 촉매 피독 물질이 생성된다. 촉매 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
이러한 촉매 피독 물질은 촉매에 흡착되어 촉매의 활성을 저하시킨다. 따라서, 촉매의 효율을 높이고 유지 보수에 따른 손실을 최소화하기 위해서는 촉매의 온도를 활성 온도 범위 내로 유지하는 것이 요구된다.
하지만, 선박용 저속 디젤 엔진의 경우, 디젤 엔진의 부하 변동에 따라 배기가스의 배출량이 달라지고, 선박이 운항 중인 기후 환경도 선택적 촉매 환원 반응에 영향을 미치므로, 촉매의 피독을 완벽하게 피하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제로 우레아(Urea)나 암모니아(NH3)를 사용하고 있다.
그런데 우레아가 섭씨 250도 미만의 온도를 갖는 배기가스에 직접 분사되면, 우레아가 분해되면서 생성되는 뷰렛(biuret), 시아누르산(cyanuric acid), 멜라민(melamine), 및 아멜린(ammeline) 등과 같은 부산물에 의해 노즐이 막히거나 배기가스의 흐름을 방해하는 문제점이 있다.
이에, 우레아의 분해 효율을 향상시키기 위해 분해 챔버에 별도의 전기 히터 또는 버너를 통해 가열된 유체를 공급하여 분해 챔버의 내부 온도를 분해 반응 온도까지 상승시키고, 우레아를 분해 챔버에서 안정적으로 분해하여 생성된 암모니아(NH3)과 이소시안산(HNCO)을 반응기에 공급하는 방법을 사용하고 있다.
그런데, 선박용 저속 디젤 엔진은 대용량의 배기가스를 배출시키므로, 선택적 촉매 환원 시스템도 대용량의 처리 능력이 요구된다. 즉, 대용량의 배기가스와 반응하기 위한 대량의 환원제가 요구된다.
또한, 선박에 사용되는 선택적 촉매 환원 시스템은 대용량의 처리 능력과 문제와 함께 설치 공간이 충분하지 못한 이중적인 문제점을 가지고 있다.
따라서, 설치 공간이 제한적인 선박에서는 선택적 촉매 환원 시스템에 필요한 환원제 공급을 효과적으로 구현하기에 어려움이 있다.
본 발명의 실시예는 환원제의 분해 효율을 향상시키면서도 전체적인 설치 공간을 최소화한 선택적 촉매 환원 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키는 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은 상기 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되며 촉매가 내부에 설치된 반응기와, 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 반응기를 우회하는 바이패스 유로와, 상기 바이패스 유로 상에 설치된 바이패스 밸브, 그리고 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점과 상기 바이패스 밸브 사이의 상기 바이패스 유로 상에 환원제 전구체를 분사하는 환원제 공급부를 포함한다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템에서, 상기 환원제 공급부가 환원제 전구체를 공급할 때 상기 바이패스 밸브는 상기 바이패스 유로를 차단할 수 있다.
상기 바이패스 밸브는 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점으로부터 기설정된 거리만큼 이격될 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점과 상기 반응기 사이의 상기 배기 유로 상에 설치된 메인 배기 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 반응기 후방의 상기 배기 유로 상에 설치된 보조 배기 밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배기가스는 과급기를 구비한 디젤 엔진에서 배출되며, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 과급기를 우회한 상기 디젤 엔진의 배기가스 일부를 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점과 상기 바이패스 밸브 사이의 상기 바이패스 유로 상에 공급하는 과급기 우회 유로를 더 포함할 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 반응기 후방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 반응기 전방의 상기 배기 유로에 합류하는 재순환 유로와, 상기 재순환 유로 상에 설치된 블로워, 그리고 상기 재순환 유로 상에 설치된 가열 장치를 더 포함할 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 가열 장치 후방의 상기 재순환 유로에서 분기되어 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점과 상기 바이패스 밸브 사이의 상기 바이패스 유로 상에 연결된 열원 공급 유로를 더 포함할 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 열원 공급 유로 상에 설치된 열원 공급 밸브와, 상기 재순환 유로와 상기 열원 공급 유로의 분기점 후방의 상기 재순환 유로 상에 설치된 재순환 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 환원제 공급부가 환원제 전구체를 공급할 때, 상기 열원 공급 밸브는 열리고, 상기 재순환 밸브는 닫힐 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 환원제 공급부가 상기 환원제 전구체를 분사하는 지점 및 상기 열원 공급 유로가 연결된 지점보다 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점에 인접하도록 상기 바이패스 유로 상에 설치된 보조 바이패스 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 바이패스 밸브와 상기 보조 바이패스 밸브 사이의 상기 바이패스 유로와 상기 반응기 전방의 상기 배기 유로를 연결하는 환원제 공급 유로와, 상기 환원제 공급 유로 상에 설치된 환원제 공급 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 환원제 공급부가 환원제 전구체를 공급할 때 상기 바이패스 밸브와 상기 보조 바이패스 밸브는 함께 상기 바이패스 유로를 차단하고, 상기 환원제 공급 밸브는 열릴 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 환원제 공급 유로와 연결되는 상기 배기 유로에 마련되어 상기 환원제 공급 유로를 통해 이동하는 환원제를 상기 배기 유로 내 분사하는 암모니아 분사부와, 상기 암모니아 분사부의 전방 또는 후방의 상기 배기 유로에 마련된 믹서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템은 환원제의 분해 효율을 향상시키면서도 전체적인 설치 공간을 최소화할 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.
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 축적에 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 실시예를 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(101)은 동력 장치에서 배출된 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시킨다. 일례로, 동력 장치는 선박에 추진력을 공급하는 주동력원으로 사용되는 디젤 엔진(200)일 수 있다. 또한, 디젤 엔진(200)은 선박용 2행정 저속 디젤 엔진일 수 있다.
하지만, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 동력 장치는 플랜트용 내연기관이거나 차량용 엔진일 수도 있다. 즉, 동력 장치로는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 종류의 엔진이 사용될 수 있다.
또한, 동력 장치는 과급기(250)를 포함할 수 있다. 과급기(250)는 디젤 엔진(200)의 배기구와 연결되어 디젤 엔진(200)의 배기가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌려 디젤 엔진(200)에 새로운 외부 공기를 압축하여 공급한다. 이에, 과급기(250)가 장착된 디젤 엔진(200)은 효율이 향상된다. 하지만, 과급기(250)는 필요에 따라 생략될 수도 있으며, 도 1에 나타난 위치에 한정되지 않고 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바에 따라 다양한 위치에 설치될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서, 동력 장치인 디젤 엔진(200)이 배출하는 배기가스는 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도를 가지며, 배기가스의 온도는 과급기(250)를 거치면 낮아질 수 있다. 일례로, 과급기(250)를 거친 배기가스는 온도가 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만으로 낮아질 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 과급기(250)를 거친 배기가스와 과급기(250)를 거치지 않은 배기가스를 선택적으로 전달받을 수 있다.
이를 위하여, 선택적 촉매 환원 시스템(101)이 적용된 동력 장치는 배기 유로(610)에서 분기되어 과급기(250)를 우회하는 과급기 우회 유로(650)를 더 포함할 수 있다.
즉, 배기 유로(610)를 통해 반응기(300)로 향하는 배기가스는 디젤 엔진(200)에서 배출되어 과급기(250)를 거친 배기가스일 수 있으며, 디젤 엔진(200)에서 배출된 후 과급기 우회 유로(650)를 통해 과급기(250)를 우회한 배기가스일 수도 있다.
과급기(250)를 우회하면, 과급기(250)를 거친 경우보다 배기가스의 온도가 상대적으로 높게 유지되므로, 선택적 촉매 환원 시스템(101)에 필요한 열에너지를 보충할 수 있다.
따라서, 디젤 엔진(200)의 부하 또는 사용 환경을 고려하여 필요에 따라 선택적으로 과급기(250)를 우회하여 배기가스를 배출하면, 후술할 선택적 촉매 환원 시스템(101)의 가열 장치(400)에서 소모되는 연료를 줄일 수 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), 바이패스 유로(620), 바이패스 밸브(720), 및 환원제 공급부(500)를 포함한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 재순환 유로(680), 블로워(450), 가열 장치(400), 열원 공급 유로(670), 열원 공급 밸브(770), 및 재순환 밸브(780)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 믹서(900), 보조 바이패스 밸브(725), 메인 배기 밸브(710), 및 보조 배기 밸브(715)를 더 포함할 수 있다.
배기 유로(610)는 전술한 동력 장치인 디젤 엔진(200)의 배기구와 연결되어 디젤 엔진(200)의 배기가스를 배출시킨다. 즉, 배기 유로(610)를 따라 질소산화물을 함유한 배기가스가 이동한다.
반응기(300)는 배기 유로(610) 상에 설치된다. 즉, 반응기(300)는 배기 유로(610)를 통해 디젤 엔진(200)의 배기가스를 전달받는다. 반응기(300)는 배기가스가 함유한 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매를 포함한다. 촉매는 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 촉매는 배기가스의 이동 방향을 기준으로 다층 구조로 배치될 수 있다. 즉, 촉매가 복수의 촉매 모듈 형태로 마련될 수 있으며, 복수의 촉매 모듈은 배기가스의 이동 방향을 따라 배치될 수 있다.
촉매는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다. 일례로, 촉매는 섭씨 250도 내지 섭씨 350도 범위 내의 활성 온도를 가질 수 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매)가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다. 촉매가 활성 온도 범위 밖에서 반응하면, 촉매가 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, 촉매를 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 촉매의 활성을 저하시킨다. 촉매 피독 물질은 상대적으로 높은 온도, 즉 섭씨 350도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도에서 분해되므로, 반응기 내의 촉매를 승온시켜 피독된 촉매를 재생할 수 있다.
환원제로는 암모니아(NH3)가 사용된다. 본 발명의 제1 실시예에서는, 후술할 환원제 공급부(500)가 환원제 전구체인 우레아(urea, CO(NH2)2)를 공급한다. 이때, 우레아(urea, CO(NH2)2)는 수용액의 형태로 환원제 공급부(500)에 의해 분사될 수 있다. 우레아(urea, CO(NH2)2)는 가수분해 또는 열분해되어 암모니아(NH3)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)을 생성한다. 그리고 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 분해한다. 즉, 본 발명의 제1 실시예에서는, 우레아를 분해시켜 질소산화물과 반응하는 환원제인 암모니아를 생성한다.
또한, 반응기(300)의 하우징은, 일례로, 내열성이 우수한 스테인레스 스틸(stainless steel)을 소재로 만들어질 수 있다.
바이패스 유로(620)는 배기 유로(610)에서 분기되어 반응기(300)를 우회한다. 구체적으로, 바이패스 유로(620)는 반응기(300) 전방의 배기 유로(610)에서 분기되어 반응기(300) 후방의 배기 유로(610)와 합류할 수 있다.
본 명세서에서, 전방이라 함은 유체의 이동 방향을 기준으로 상류 방향을 의미하며, 후방이라 함은 유체의 이동 방향을 기준으로 하류 방향을 의미한다.
바이패스 밸브(720)는 바이패스 유로(620) 상에 설치되어 바이패스 유로(620)를 개폐한다.
환원제 공급부(500)는 배기 유로(610)에서 바이패스 유로(620)가 분기된 지점과 바이패스 밸브(720) 사이의 바이패스 유로(620) 상에 환원제 전구체인 우레아를 분사한다.
그리고 본 발명의 제1 실시예에서는, 바이패스 유로(620)의 일부가 우레아를 분해시키기 위한 공간이 된다. 즉, 바이패스 유로(620)의 일부가 분해 챔버의 역할을 수행한다. 여기서, 분해 챔버의 역할을 수행하는 바이패스 유로(620)의 일부는 배기 유로(610)와 바이패스 유로(620)의 분기점과 바이패스 밸브(720) 사이의 구간에 해당한다.
따라서 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 바이패스 유로(620)의 일부가 분해 챔버로 기능하기 위하여 바이패스 밸브(720)가 배기 유로(610)와 바이패스 유로(620)의 분기점으로부터 기설정된 거리만큼 이격된다. 여기서, 기설정된 거리는 디젤 엔진(200)에서 배출되는 배기가스의 최대 유량과 바이패스 유로(620)의 단면적을 고려하여 다양하게 설정될 수 있다. 즉, 기설정된 거리는 우레아를 분해하기 위해 사용되는 분해 챔버의 크기를 설정하는 방법과 동일한 방법으로 설정될 수 있다.
또한, 환원제 공급부(500)는 디젤 엔진(200)의 부하에 따라 변동하는 환원제 요구량을 고려하여 적절한 양의 우레아를 전술한 바이패스 유로(620)의 일부 구간에 공급할 수 있다.
일례로, 환원제 공급부(500)는 저장 탱크, 분사 노즐, 분무용 압축 공기 공급 장치 등 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 구성을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 환원제 공급부(500)가 전술한 바이패스 유로(620)의 일부 구간에 환원제 전구체인 우레아를 공급할 때, 바이패스 밸브(720)는 바이패스 유로(620)를 차단한다. 이에, 바이패스 유로(620)의 일부 구간에 분사된 우레아가 분해되어 생성된 환원제인 암모니아는 바이패스 밸브(720)에 막혀 바이패스 유로를 따라 후방으로 흐르지 못하고, 배기 유로(610)와 바이패스 유로(620)의 분기점을 통해 배기 유로(610)를 따라 반응기로 향하게 된다.
재순환 유로(680)는 반응기(300) 후방의 배기 유로(610)에서 분기되어 반응기(300) 전방의 배기 유로에 합류한다. 이때, 재순환 유로(680)는 배기 유로(610)와 바이패스 유로(620)의 분기점보다 후방에서 배기 유로(610)에 합류한다.
즉, 재순환 유로(680)는 배기 유로(610)와 바이패스 유로(620)의 분기 지점과 반응기(300)의 전단 사이의 배기 유로(610)와, 배기 유로(610)와 바이패스 유로(620)의 합류 지점과 반응기(300)의 후단 사이의 배기 유로(610)를 연결한다.
블로워(450)는 재순환 유로(680) 상에 설치된다. 블로워(450)는 반응기 후방의 배기 유로(610)를 따라 이동하는 배기가스의 일부를 재순환 유로(680)로 끌어들인다. 또한, 블로워(450)는 재순환 유로(680)를 따라 이동하는 유체의 유량을 제어할 수 있다.
가열 장치(400)도 재순환 유로(680) 상에 설치된다. 가열 장치(400)는 블로워(450)에 의해 재순환 유로(680)를 흐르는 유체를 가열하여 승온시킨다.
본 발명의 제1 실시예에서, 가열 장치(400)가 공급하는 열에너지는 반응기(300)에 설치된 촉매의 재생에 사용되거나, 환원제 공급부(500)가 분사한 환원제 전구체인 우레아를 환원제인 암모니아로 분해시키는데 사용될 수 있다.
또한, 가열 장치(400)는 오일 버너(oil burner) 또는 플라스마 버너(plasma burner)일 수 있다. 따라서, 재순환 유로(680)를 이동하는 유체에 산소가 부족하여 가열 장치(400)의 가동에는 추가적인 산소가 요구될 수 있다. 이때에는, 외기 공급 장치(미도시)를 통해 재순환 유로(680)에 외부 공기를 공급할 수도 있다.
열원 공급 유로(670)는 가열 장치(400) 후방의 재순환 유로(680)에서 분기되어 배기 유로(610)와 바이패스 유로(620)의 분기점과 바이패스 밸브(720) 사이의 바이패스 유로(620) 상에 연결된다.
즉, 열원 공급 유로(670)는 가열 장치(400)에 의해 승온된 유체를 환원제 전구체가 분해되는 공간으로 활용되는 바이패스 유로(620)의 일부 구간에 공급한다. 이와 같이, 열원 공급 유로(670)를 통해 공급된 가열 장치(400)에 의해 승온된 유체는 환원제 전구체인 우레아를 환원제인 암모이니아로 분해시키는데 필요한 열에너지를 제공한다.
열원 공급 밸브(770)는 열원 공급 유로(670) 상에 설치되고, 재순환 밸브(780)는 재순환 유로(680)와 열원 공급 유로(670)의 분기점 후방의 재순환 유로(680) 상에 설치된다.
가열 장치(400)에 의해 승온된 유체를 환원제 분해 생성에 사용할 때에는, 열원 공급 밸브(770)는 개방하고, 재순환 밸브(780)는 폐쇄할 수 있다. 이때, 전술한 바와 같이, 바이패스 밸브(730)는 폐쇄된다.
믹서(900)는 바이패스 밸브(720)에 막혀 바이패스 유로(620)를 따라 흐르지 못하고 배기 유로(610)를 따라 반응기로 향하는 바이패스 유로(620)의 일부 구간에서 생성된 환원제가 디젤 엔진(200)에서 배출된 배기가스와 효과적으로 혼합될 수 있도록 배기 유로(610)와 바이패스 유로(620)의 분기점 보다 후방의 배기 유로(610) 상에 설치된다.
반면, 도 2에 도시한 바와 같이, 가열 장치(400)에 의해 승온된 유체를 반응기(300) 내 설치된 촉매의 재생에 사용할 때에는 열원 공급 밸브(770)를 폐쇄하고, 재순환 밸브(780)를 개방할 수 있다. 이때, 바이패스 밸브(720)는 개방되어 디젤 엔진(200)에서 배출된 배기가스를 바이패스 유로(620)를 통해 이동시킴으로써, 촉매의 재생 중에 질소산화물을 함유한 배기가스가 지속적으로 반응기(300)로 유입되지 않도록 한다.
메인 배기 밸브(710)는 배기 유로(610)와 바이패스 유로(620)의 분기점과 반응기(300) 사이의 배기 유로(610) 상에 설치된다. 메인 배기 밸브(710)는 환원제 공급부(500)가 환원제를 공급할 때 개방되어 바이패스 유로(620)의 일부 구간에서 생성된 환원제와 함께 배기가스를 반응기(300)로 향하게 한다.
반면, 메인 배기 밸브(710)는 촉매를 재생시킬 때에는 폐쇄되어 질소산화물을 함유한 배기가스가 반응기(300)로 유입되는 것을 차단한다.
보조 배기 밸브(715)는 반응기(300) 후방의 배기 유로(610) 상에 설치된다. 보조 배기 밸브(715)는 메인 배기 밸브(710)와 함께 개방 또는 폐쇄될 수 있다. 보조 배기 밸브(715)는 촉매를 재생시킬 때 바이패스 유로(620)로 이동하던 배기가스가 반응기(300) 후단을 향해 역류하는 것을 방지한다.
보조 바이패스 밸브(725)는 환원제 공급부(500)가 환원제 전구체를 분사하는 지점 및 열원 공급 유로(670)가 연결된 지점보다 배기 유로(610)와 바이패스 유로(620)의 분기점에 인접하도록 바이패스 유로(620) 상에 설치된다. 본 발명의 제1 실시예에서, 보조 바이패스 밸브(725)는 비상시 바이패스 유로(620)를 차단하기 위해 사용될 수 있으며, 그 밖에 다양한 용도로 활용될 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(101)은 환원제의 분해 효율을 향상시키면서도 전체적인 설치 공간을 최소화할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 바이패스 유로(620)의 일부를 환원제를 분해 생성하기 위한 공간으로 활용하여 별도로 분해 챔버를 마련하지 않고도 분해 챔버를 사용한 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.
즉, 별도의 분해 챔버를 사용하지 않고도 환원제 전구체인 우레아를 보다 안정적이고 효과적으로 분해하여 환원제인 암모니아를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 생성된 암모니아를 반응기(300)를 향해 배기가스가 이동하는 배기 유로(610)에 공급할 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(102)은 환원제 공급 유로(675)와 환원제 공급 밸브(775)를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(102)은 암모니아 분사부(800)를 더 포함할 수 있다.
환원제 공급 유로(675)는 바이패스 밸브(720)와 보조 바이패스 밸브(725) 사이의 바이패스 유로(620)와 반응기(300) 전방의 배기 유로(610)를 연결한다.
이때, 환원제 공급 유로(675)는 배기 유로(610)와 직접적으로 연결되거나, 혹은 도 3에 도시한 바와 같이, 재순환 유로(680)에 합류하여 배기 유로(610)와 간접적으로 연결될 수도 있다. 그리고 환원제 공급 유로(675)가 재순환 유로(680)에 합류하는 경우, 환원제 공급 유로(675)는 재순환 밸브(780) 후방의 재순환 유로(680)에 연결될 수 있다.
이때, 환원제 공급 유로(675)는 배기 유로(610)에 설치된 암모니아 분사부(800)와 연결될 수 있다. 즉, 바이패스 유로(620)의 일부 구간에서 생성된 환원제인 암모니아는 환원제 공급 유로(675)를 따라 이동하여 암모니아 분사부(800)를 통해 배기 유로(610)에 분사될 수 있다.
암모니아 분사부(800)는 배기 유로(610)에 환원제를 고르게 분사하여 환원제가 배기가스와 효과적으로 혼합될 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에서, 믹서(900)는 암모니아 분사부(800)의 전방 또는 후방의 배기 유로(610)에 설치될 수 있다.
환원제 공급 밸브(775)는 환원제 공급 유로(675) 상에 설치된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에서는, 환원제 공급부(500)가 환원제 전구체를 공급할 때 바이패스 밸브(720)와 보조 바이패스 밸브(725)는 함께 바이패스 유로(620)를 차단한다. 즉, 본 발명의 제2 실시예에서는, 바이패스 밸브(720)와 보조 바이패스 밸브(725) 사이의 바이패스 유로(620) 구간이 분해 챔버로 기능하게 된다.
그리고 환원제 공급부(500)가 환원제 전구체를 공급할 때 환원제 공급 유로(675) 상에 설치된 환원제 공급 밸브(775)가 열리면서, 바이패스 밸브(720)와 보조 바이패스 밸브(725) 사이의 바이패스 유로(620)에서 생성된 환원제가 환원제 공급 유로(675)를 통해 배기 유로(610)를 거쳐 반응기(300)로 향하게 된다.
반면, 도 4에 도시한 바와 같이, 가열 장치(400)에 의해 승온된 유체를 반응기(300) 내 설치된 촉매의 재생에 사용할 때에는 열원 공급 밸브(770)와 환원제 공급 밸브(775)를 폐쇄하고, 재순환 밸브(780)를 개방할 수 있다. 이때, 바이패스 밸브(720)와 보조 바이패스 밸브(725)는 개방되어 디젤 엔진(200)에서 배출된 배기가스를 바이패스 유로(620)를 통해 이동시킴으로써, 촉매의 재생 중에 질소산화물을 함유한 배기가스가 지속적으로 반응기(300)로 유입되지 않도록 한다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(102)도 환원제의 분해 효율을 향상시키면서도 전체적인 설치 공간을 최소화할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 바이패스 밸브(720)와 보조 바이패스 밸브(725) 사이의 바이패스 유로(620)를 환원제를 분해 생성하기 위한 공간으로 활용하고, 생성된 환원제를 환원제 공급 유로(675)를 통해 배기 유로(610)를 거쳐 반응기(300)로 이동시킬 수 있다.
즉, 별도의 분해 챔버를 사용하지 않고도 환원제 전구체인 우레아를 보다 안정적이고 효과적으로 분해하여 환원제인 암모니아를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 생성된 암모니아를 배기가스가 이동하는 배기 유로(610)에 공급할 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 제3 실시예를 설명한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(103)에서는 과급기 우회 유로(650)가 과급기(250)를 우회한 디젤 엔진(200)의 배기가스 일부를 배기 유로(610)와 바이패스 유로(620)의 분기점과 바이패스 밸브 사이(720)의 바이패스 유로(620) 상에 공급한다.
과급기(250)를 우회하면 과급기(250)를 거친 경우보다 배기가스의 온도가 상대적으로 높게 유지되므로, 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 과급기(250)를 우회한 배기가스가 갖는 열에너지를 환원제 전구체를 분해시켜 환원제를 생성하는데 직접적으로 활용할 수 있다.
반면, 도 6에 도시한 바와 같이, 가열 장치(400)에 의해 승온된 유체를 반응기(300) 내 설치된 촉매의 재생에 사용할 때에는 열원 공급 밸브(770)를 폐쇄하고, 재순환 밸브(780)를 개방할 수 있다. 이때, 바이패스 밸브(720)와 보조 바이패스 밸브(725)는 개방되어 디젤 엔진(200)에서 배출된 배기가스를 바이패스 유로(620)를 통해 이동시킴으로써, 촉매의 재생 중에 질소산화물을 함유한 배기가스가 지속적으로 반응기(300)로 유입되지 않도록 한다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(103)도 환원제의 분해 효율을 향상시키면서도 전체적인 설치 공간을 최소화할 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: 선택적 촉매 환원 시스템
200: 디젤 엔진
250: 과급기
300: 반응기
400: 가열 장치
450: 블로워
500: 환원제 공급부
610: 배기 유로
620: 바이패스 유로
650: 과급기 우회 유로
670: 열원 공급 유로
675: 환원제 공급 유로
680: 재순환 유로
710: 메인 배기 밸브
715: 보조 배기 밸브
720: 바이패스 밸브
725: 보조 바이패스 밸브
770: 열원 공급 밸브
775: 환원제 공급 밸브
780: 재순환 밸브
800: 암모니아 분사부
900: 믹서

Claims (14)

  1. 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키는 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템에 있어서,
    상기 배기가스가 이동하는 배기 유로;
    상기 배기 유로 상에 설치되며 촉매가 내부에 설치된 반응기;
    상기 배기 유로에서 분기되어 상기 반응기를 우회하는 바이패스 유로;
    상기 바이패스 유로 상에 설치된 바이패스 밸브; 및
    상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점과 상기 바이패스 밸브 사이의 상기 바이패스 유로 상에 환원제 전구체를 분사하는 환원제 공급부
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 환원제 공급부가 환원제 전구체를 공급할 때 상기 바이패스 밸브는 상기 바이패스 유로를 차단하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스 밸브는 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점으로부터 기설정된 거리만큼 이격된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점과 상기 반응기 사이의 상기 배기 유로 상에 설치된 메인 배기 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 후방의 상기 배기 유로 상에 설치된 보조 배기 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스는 과급기를 구비한 디젤 엔진에서 배출되며,
    상기 과급기를 우회한 상기 디젤 엔진의 배기가스 일부를 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점과 상기 바이패스 밸브 사이의 상기 바이패스 유로 상에 공급하는 과급기 우회 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기 후방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 반응기 전방의 상기 배기 유로에 합류하는 재순환 유로와;
    상기 재순환 유로 상에 설치된 블로워; 그리고
    상기 재순환 유로 상에 설치된 가열 장치
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가열 장치 후방의 상기 재순환 유로에서 분기되어 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점과 상기 바이패스 밸브 사이의 상기 바이패스 유로 상에 연결된 열원 공급 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열원 공급 유로 상에 설치된 열원 공급 밸브와;
    상기 재순환 유로와 상기 열원 공급 유로의 분기점 후방의 상기 재순환 유로 상에 설치된 재순환 밸브
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 환원제 공급부가 환원제 전구체를 공급할 때, 상기 열원 공급 밸브는 열리고, 상기 재순환 밸브는 닫히는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 환원제 공급부가 상기 환원제 전구체를 분사하는 지점 및 상기 열원 공급 유로가 연결된 지점보다 상기 배기 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점에 인접하도록 상기 바이패스 유로 상에 설치된 보조 바이패스 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 바이패스 밸브와 상기 보조 바이패스 밸브 사이의 상기 바이패스 유로와 상기 반응기 전방의 상기 배기 유로를 연결하는 환원제 공급 유로와;
    상기 환원제 공급 유로 상에 설치된 환원제 공급 밸브
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 환원제 공급부가 환원제 전구체를 공급할 때, 상기 바이패스 밸브와 상기 보조 바이패스 밸브는 함께 상기 바이패스 유로를 차단하고, 상기 환원제 공급 밸브는 열리는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 환원제 공급 유로와 연결되는 상기 배기 유로에 마련되어 상기 환원제 공급 유로를 통해 이동하는 환원제를 상기 배기 유로 내 분사하는 암모니아 분사부와;
    상기 암모니아 분사부의 전방 또는 후방의 상기 배기 유로에 마련된 믹서
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
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KR101417296B1 (ko) 2012-06-25 2014-07-08 두산엔진주식회사 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 선박용 동력 장치
KR101445038B1 (ko) 2013-06-28 2014-09-26 두산엔진주식회사 선택적 촉매 환원 및 촉매 재생 시스템

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