KR20110064374A - 배기가스의 탈질 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디젤 엔진의 특성 변화를 방지함과 아울러 탈질 유닛의 설치공간을 확보하기 위하여 탈질(De-NOx) 유닛을 터보 차져(turbo-charger)의 후단에 설치하더라도 탈질 유닛의 탈질 효율을 유지 내지 향상시키도록 하며, 간단한 구조로 인해 설치 및 유지비용을 절감하도록 한 배기가스의 탈질 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 디젤 엔진의 배기가스를 탈질(De-NOx) 처리하는 시스템으로서, 터보 차져의 터빈으로부터 배기가스를 배출시키는 배기라인; 배기라인에 설치되며, 선택적 촉매 환원에 의해 배기가스로부터 질소산화물(NOx)을 제거하는 탈질 유닛; 및 탈질 유닛의 촉매 반응 저하를 방지하여 반응 효율을 유지 또는 증대시키는 반응유지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 탈질 시스템이 제공된다.
디젤 엔진, 터보 차져, 배기라인, 탈질 유닛, 히터, 바이패스라인, 촉매 재생 유닛

Description

배기가스의 탈질 시스템{De-NOx system for treating exhaust gas}
본 발명은 배기가스의 탈질 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탈질 유닛의 탈질 효율을 유지 내지 향상시키도록 하는 배기가스의 탈질 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 디젤 엔진은 저연비이면서도 우수한 신뢰성으로 인해 선박을 비롯하여 자동차, 산업용 설비 등 산업 전반에서 널리 사용되고 있으며, 고출력 및 고부하 운전이 가능하여 그 수요가 계속 증가하고 있다.
이러한 디젤 엔진은 배기가스에 포함된 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 등의 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)로 인한 대기오염을 방지하기 위해 배기가스에 대한 규제를 받고 있으며, 이로 인해 질소산화물 등의 농도 저감을 위하여 엔진의 연소성능 개선 및 개량과 배기가스의 후처리 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
디젤 엔진의 배기가스 후처리 기술로는 입자상물질 중 고비점 탄화수소를 정화하기 위한 산화촉매를 이용하는 시스템, 입자상물질을 필터링하는 입자상물질 제 거용 필터(Diesel Particulate Filter; DPF) 시스템, 그리고 과잉 산소 분위기 하에서 질소산화물을 분해 또는 환원하는 탈질(De-NOx) 촉매를 이용하는 시스템 등이 있다. 이러한 후처리 기술 중에서 탈질 촉매를 이용하는 시스템의 경우 다른 기술에 비하여 질소산화물의 제거 효율이 높아서 탈질 시스템에 널리 사용되고 있다.
종래의 선박에 배기가스의 처리를 위하여 설치된 탈질 시스템은 배기가스의 유해물질 중에서 질소산화물을 특정적으로 제거하기 위한 방법으로 탈질 촉매, 예를 들면, 암모니아(NH3)를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction; 이하, "SCR"이라 함)이 널리 적용되고 있다.
그러나, 종래의 기술에 따른 선박의 배기가스 탈질 시스템은 SCR 기반으로 인해 배기가스의 온도가 300℃ 이하인 경우, 탈질 효율이 저하되는 문제점이 있었다. 이는 배기가스의 탈질 시스템에서 요구되는 반응 온도가 낮아 효율이 저하되고, 이때 발생되는 부산물들이 탈질 촉매의 표면에 부착되어 탈질 촉매가 제 기능을 발휘하지 못하기 때문이다. 따라서, 이를 해결하기 위하여 배기가스의 탈질 시스템을 디젤 엔진의 터보 차져(turbo charger)의 전단에 설치하는 방법도 고려할 수 있지만, 이 경우 터보 차져의 효율 저하에 따른 디젤 엔진의 특성 변화를 초래하여 심각한 디젤 엔진의 성능 저하를 유발하고, 탈질 시스템의 설치공간을 확보하기 어렵게 되는 문제점을 발생시킨다.
이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은, 탈질(De-NOx)유닛을 디젤 엔진의 특성 변화 방지 및 설치공간의 확보를 위하여 터보 차져의 후단에 설치하더라도, 탈질 유닛의 탈질 효율을 유지 내지 향상시키도록 하는 배기가스의 탈질 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 디젤 엔진의 배기가스를 탈질(De-NOx) 처리하는 시스템으로서, 터보 차져의 터빈으로부터 배기가스를 배출시키는 배기라인; 상기 배기라인에 설치되며, 선택적 촉매 환원에 의해 배기가스로부터 질소산화물(NOx)을 제거하는 탈질 유닛; 및 상기 탈질 유닛의 촉매 반응 저하를 방지하여 반응 효율을 유지 또는 증대시키는 반응유지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 탈질 시스템이 제공된다.
상기 반응유지수단은 상기 배기라인 상에서 상기 탈질 유닛의 전단에 설치되며, 배기가스를 가열시키는 히터로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 히터는 전기 히터, 덕트 버너, 스팀 열교환기 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 반응유지수단은 상기 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 상기 터빈에 공급하는 공급라인으로부터 분기되어 상기 배기라인에서 상기 탈질 유닛의 전단에 연결되는 바이패스라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 반응유지수단은 상기 탈질 유닛의 반응 효율을 감지하는 효율감지부; 및 상기 효율감지부에 의해 상기 탈질 유닛의 반응 효율이 저하됨을 감지시 상기 탈질 유닛의 촉매를 재생시키는 촉매재생유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 효율감지부는 상기 배기라인에서 상기 탈질 유닛의 전단과 후단의 압력을 각각 측정하는 다수의 압력계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 효율감지부는 상기 배기라인에서 상기 탈질 유닛의 후단에 설치되어 탈질 효율을 계측하는 효율계측유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 촉매재생유닛은 상기 촉매의 표면에 퇴적되는 부산물을 제거하도록 열을 공급하는 히터이거나, 상기 부산물을 날려보내기 위한 브로워인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 배기가스의 탈질 시스템에 의하면, 디젤 엔진의 특성 변화를 방지함과 아울러 설치 공간의 확보를 위하여 탈질(De-NOx) 유닛을 터보 차져(turbo-charger)의 후단에 설치하더라도 간단한 구조를 가지고서 탈질 유닛의 탈질 효율을 유지 내지 향상시키도록 하며, 설치 및 유지비용을 절감할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 발명의 실시예는 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템을 도시한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템(100)은 디젤 엔진의 배기가스를 탈질(De-NOx) 처리하는 시스템으로서, 터보 차져(turbo charger; 13)의 터빈(13a)으로부터 배기가스를 배출시키는 배기라인(110)과, 배기라인(110)에 설치되는 탈질 유닛(120)과, 탈질 유닛(120)의 반응 효율을 유지 또는 증대시키는 반응유지수단(130)을 포함한다.
본 발명에 따른 배기가스의 탈질 시스템(100)은 일례로 터보 차져(turbo charger)의 출구측으로부터 배출되는 배기가스의 온도가 300℃이하인 2행정 디젤 엔진(11)이 장착된 선박의 질소산화물(NOx) 제거를 위한 시스템을 나타낸다. 또한, 디젤 엔진(11)은 본 실시예에서처럼 대양을 항해하는 선박에서 주엔진으로 사용될 뿐만 아니라 발전소의 발전기를 구동하는 엔진을 비롯한 다양한 용도로 사용될 수 있다.
디젤 엔진(11)은 흡기구(11a)와 배기구(11b)를 가지며, 연소실(11c)에 배기밸브(11d)가 설치되며, 배기밸브(11d)의 개방에 의해 배기가스가 배기구(11b)로부터 공급라인(12)을 거쳐서 터보 차져(13)로 공급된다.
터보 차져(13)는 공급라인(12)을 통해 공급되는 배기가스로 구동되는 터빈(13a)과, 터빈(13a)에 축(13b)으로 연결되어 과급 공기를 디젤 엔진(11)으로 공급되도록 하는 압축기(13c)를 가진다.
배기라인(110)은 터보 차져(13)의 터빈(13a)으로부터 배기가스를 배출시키도 록 경로를 제공하며, 탈질 유닛(120)이 설치되며, 탈질 유닛(120)의 후단에 이코노마이저(economizer; 140)가 설치된다. 여기서, 이코노마이저(140)는 배기가스의 잔열을 이용하여 스팀을 생성시킨다.
탈질 유닛(120)은 선택적 촉매 환원에 의해 배기가스로부터 질소산화물(NOx)을 제거하는데, 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 탈질을 위한 촉매 반응에 의해 질소가스(N2)와 물로 변환시킴으로써 질소산화물을 제거한다.
반응유지수단(130)은 탈질 유닛(120)의 촉매 반응 저하를 방지하여 반응 효율을 유지 또는 증대시키는데, 본 실시예에서는 배기라인(110) 상에서 탈질 유닛(120)의 전단에 설치되며, 배기라인(110)에 열을 공급하는 히터로 이루어질 수 있다. 여기서, 히터는 전기 히터, 덕트 버너, 스팀 열교환기 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템의 작용을 설명하기로 한다.
탈질 유닛(120)이 터보 차져(13)의 터빈(13a)으로부터 배기가스를 배출시키도록 설치되는 배기라인(110)에 설치됨으로써 터보 차져(13)의 후단에 설치되며, 이로 인해 디젤 엔진(11)의 특성 변화를 초래하지 않도록 하여 디젤 엔진(11)의 성능 저하를 방지하며, 설치 공간의 확보를 용이하도록 한다.
또한, 탈질 유닛(120)이 터보 차져(13)의 후단에 위치하게 됨으로써 유발되는 효율 저하를 반응유지수단(130)인 히터에 의해 방지한다. 즉, 탈질 유닛(120) 에 의해 처리되고자 하는 배기가스를 히터에 의해 가열하여 배기가스의 온도가 적정 온도, 예를 들면, 330℃ 정도에 도달 내지 유지되도록 함으로써 탈질 유닛(120)의 효율을 유지 내지 향상시킨다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템(200)은 디젤 엔진(11)의 배기가스가 공급되는 터보 차져(13)의 터빈(13a)으로부터 배기가스를 배출시키는 배기라인(210)과, 배기라인(210)에 설치됨과 아울러 선택적 촉매 환원에 의해 배기가스로부터 질소산화물(NOx)을 제거하는 탈질 유닛(220)과, 탈질 유닛(220)의 촉매 반응 저하를 방지하여 반응 효율을 유지 또는 증대시키는 반응유지수단(230)을 포함한다. 한편, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템(200)에서 배기라인(210)과 탈질 유닛(220)은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템(100)에 상세히 설명하였으므로 그 설명을 생략하기로 한다.
본 실시예에서 반응유지수단(230)은 디젤 엔진(11)으로부터 배출되는 배기가스를 터빈(13a)에 공급하는 공급라인(12)으로부터 분기되어 배기라인(210)에서 탈질 유닛(220)의 전단에 연결되는 바이패스라인(231)을 포함할 수 있다. 이러한 바이패스라인(231)은 디젤 엔진(11)으로부터 배출되는 배기가스의 일부가 터빈(13a)을 바이패스하여 탈질 유닛(220)에 공급되도록 한다.
또한, 반응유지수단(230)은 바이패스라인(231)을 통해서 터빈(13a)을 바이패스하는 배기가스의 양을 조절하는 유량조절밸브(232)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 유량조절밸브(232)는 양방향 밸브가 사용될 수 있으며, 본 실시예에서처럼 3방향 밸브가 사용될 수도 있다. 이때, 바이패스라인(231)을 통해서 터빈(13a)을 바이패스하는 배기가스의 양은 터보 차져(13)의 성능에 영향을 주지 않거나 최소화하는 범위 내로 하여 디젤 엔진(11)의 성능 저하를 방지하게 된다.
이와 같은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템의 작용을 설명하기로 한다.
디젤 엔진(11)으로부터 공급라인(12)을 통해 배출되는 고온의 배기가스가 터보 차져(13)의 터빈(13a)으로 공급되도록 하되, 공급라인(12)으로부터 일부의 배기가스가 바이패스라인(231)에 의해 터빈(13a)을 바이패스하여 탈질 유닛(220)으로 공급되도록 함으로써 배기가스가 디젤 엔진(11)으로부터 배출될 때의 온도를 거의 유지한 상태에서 탈질 유닛(220)으로 공급됨으로써 탈질 유닛(220)의 효율을 유지 내지 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템(300)은 디젤 엔진(11)의 배기가스가 공급되는 터보 차져(13)의 터빈(13a)으로부터 배기가스를 배출시키는 배기라인(310)과, 배기라인(310)에 설치됨과 아울러 선택적 촉매 환원에 의해 배기가스로부터 질소산화물(NOx)을 제거하는 탈질 유닛(320)과, 탈질 유닛(320)의 촉매 반응 저하를 방지하여 반응 효율을 유지 또는 증대시키는 반응유지수단(330)을 포함한다. 한편, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템(300)에서 배기라인(310)과 탈질 유닛(320)은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템(100)에 상세히 설명하였으므로 그 설명을 생략하기로 한다.
본 실시예에서 반응유지수단(330)은 탈질 유닛(320)의 반응 효율을 감지하는 효율감지부(331)와, 효율감지부(331)에 의해 탈질 유닛(320)의 반응 효율이 저하됨을 감지시 탈질 유닛(320)의 촉매를 재생시키는 촉매재생유닛(332)을 포함한다.
효율감지부(331)는 배기라인(310)에서 탈질 유닛(320)의 전단과 후단의 압력을 각각 측정하는 다수의 압력계(331a)를 포함한다. 여기서, 압력계(331a)간의 압력 차이가 정해진 값 이상인 경우 탈질 유닛(320)의 효율 저하로 인해 촉매의 재생이 필요한 것으로 판단할 수 있다.
또한, 효율감지부(331)는 배기라인(310)에서 탈질 유닛(320)의 후단에 설치되어 탈질 유닛(320)에 의한 탈질 효율을 계측하는 효율계측유닛(331b)을 포함할 수 있다. 효율감지부(331)는 효율계측유닛(331b)과 압력계(331a)를 함께 사용할 수 있으며, 효율계측유닛(331b)과 압력계(331a) 중 어느 하나라도 탈질 유닛(320)의 반응 효율이 저하된 것으로 나타내면, 촉매재생유닛(332)이 촉매를 재생시키도록 할 수 있다.
촉매재생유닛(332)은 촉매의 표면에 퇴적되는 부산물을 제거하도록 열을 공 급하는 히터이거나, 부산물을 날려보내기 위한 브로워(blower)일 수 있다. 여기서, 히터는 전기 히터, 덕트 버너, 스팀 열교환기 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템의 작용을 설명하기로 한다.
탈질 유닛(320)의 전.후단에 각각 위치한 압력계(331a)간의 압력차이가 설정된 압력 이상이거나 효율계측유닛(331b)이 탈질 유닛(320)에 의해 처리된 배기가스에 대한 탈질 정도를 계측하여 탈질 효율이 정해진 범위 이하인 경우, 촉매재생유닛(332)에 의해 촉매를 재생함으로써 탈질 유닛(320)의 효율을 향상시키도록 한다.
촉매 재생 유닛(332)은 히터로 이루어지는 경우 촉매를 가열하여 촉매에 퇴적된 부산물을 제거하도록 하며, 브로워로 이루어지는 경우 촉매에 축적된 부산물을 송풍력에 의해 날려보내서 제거하게 되며, 이로 인해 탈질 유닛(320)의 탈질 효율이 향상되도록 한다.
이와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 배기가스의 탈질 시스템을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템을 도시한 구성도,
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템을 도시한 구성도, 그리고,
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 배기가스의 탈질 시스템을 도시한 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 디젤 엔진 11a : 흡기구
11b : 배기구 11c : 연소실
11d : 배기밸브 12 : 공급라인
13 : 터보 차져 13a : 터빈
13b : 축 13c : 압축기
110,210,310 : 배기라인 120,220,320 : 탈질 유닛
130,230,330 : 반응유지수단 140 : 이코노마이저
231 : 바이패스라인 232 : 유량조절밸브
331 : 효율감지부 331a : 압력계
331b : 효율계측유닛 332 : 촉매재생유닛

Claims (8)

  1. 디젤 엔진의 배기가스를 탈질(De-NOx) 처리하는 시스템으로서,
    터보 차져의 터빈으로부터 배기가스를 배출시키는 배기라인;
    상기 배기라인에 설치되며, 선택적 촉매 환원에 의해 배기가스로부터 질소산화물(NOx)을 제거하는 탈질 유닛; 및
    상기 탈질 유닛의 촉매 반응 저하를 방지하여 반응 효율을 유지 또는 증대시키는 반응유지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 탈질 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응유지수단은, 상기 배기라인 상에서 상기 탈질 유닛의 전단에 설치되며, 배기가스를 가열시키는 히터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스의 탈질 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 히터는, 전기 히터, 덕트 버너, 스팀 열교환기 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스의 탈질 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응유지수단은, 상기 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 상기 터 빈에 공급하는 공급라인으로부터 분기되어 상기 배기라인에서 상기 탈질 유닛의 전단에 연결되는 바이패스라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 탈질 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 반응유지수단은,
    상기 탈질 유닛의 반응 효율을 감지하는 효율감지부; 및
    상기 효율감지부에 의해 상기 탈질 유닛의 반응 효율이 저하됨을 감지시 상기 탈질 유닛의 촉매를 재생시키는 촉매재생유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 탈질 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 효율감지부는 상기 배기라인에서 상기 탈질 유닛의 전단과 후단의 압력을 각각 측정하는 다수의 압력계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 탈질 시스템.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 효율감지부는 상기 배기라인에서 상기 탈질 유닛의 후단에 설치되어 탈질 효율을 계측하는 효율계측유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 탈질 시스템.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 촉매재생유닛은, 상기 촉매의 표면에 퇴적되는 부산물을 제거하도록 열을 공급하는 히터이거나, 상기 부산물을 날려보내기 위한 브로워인 것을 특징으로 하는 배기가스의 탈질 시스템.
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