KR20170099110A - Lp scr 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 리시버에서 T/C를 거치지 않고 LP SCR 반응기로 배기가스를 바이패스 하는 EGB 라인에 우레아를 직접 분사하고 우레아 가수분해용 촉매를 사용하여 별도의 열원을 사용하지 않고도 우레아를 완전히 암모니아(NH3)로 전환시킬 수 있도록 하는 LP SCR 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 엔진에서 배출되는 배기가스를 받아 T/C(Turbo Charger)로 공급하는 배기가스 리시버; 상기 T/C를 거쳐 나오는 배기가스 내의 유해 성분을 제거하는 LP SCR 촉매가 설치된 LP SCR 반응기; 상기 배기가스 리시버의 배기가스 일부를 상기 T/C를 거치지 않고 바이패스시켜 상기 LP SCR 반응기로 유도하는 EGB(Exhaust Gas Bypass) 라인; 상기 EGB 라인에 설치되어, 상기 배기가스 리시버에서 상기 LP SCR 반응기로 바이패스 되는 배기가스에 우레아를 분사하는 우레아 분사 장치; 및 상기 우레아 분사 장치에 의해 분사된 우레아의 분해 과정 중에 발생되는 부산물을 분해하여 암모니아(NH3)를 생성하는 가수분해 촉매;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명은 배기가스 리시버에서 T/C를 거치지 않고 LP SCR 반응기로 배기가스를 바이패스 하는 EGB 라인에 우레아를 직접 분사하고 우레아 가수분해용 촉매를 사용하여 별도의 열원을 사용하지 않고도 우레아를 완전히 암모니아(NH3)로 전환시킬 수 있게 됨에 따라, LP SCR 시스템의 구조를 단순화할 수 있게 되고, 설비 투자비(CAPEX)를 줄일 수 있게 된다.

Description

LP SCR 시스템 및 그 제어 방법{LP SCR SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 LP SCR 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 배기가스 리시버에서 T/C를 거치지 않고 LP SCR 반응기로 배기가스를 바이패스 하는 EGB 라인에 우레아를 직접 분사하고 우레아 가수분해용 촉매를 사용하여 별도의 열원을 사용하지 않고도 우레아를 완전히 암모니아(NH3)로 전환시킬 수 있도록 하는 LP SCR 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 선박에는 선박을 추진시키기 위해 프로펠러를 구동하는 메인엔진과 선박에 탑재된 각종 장비나 의장품 등에 전원을 공급하기 위한 보조 동력 시스템인 보조엔진이 설치되어 운영되고 있다.
이러한 선박 엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스에는 다수의 부유성 미립자와 질소 산화물인 NOx, 황산화물인 SOx 등의 유해성 물질이 포함되어 있다.
따라서 엔진의 배기 라인에는 매연 여과 장치(DPF:Diesel Particulate Filter), 선택적 촉매 환원 장치(SCR:Selective Catalytic Reduction), 스크러버(Scrubber, SOx 제거) 등을 설치하여 배기가스 내의 유해 성분을 제거하고 있다.
이 중에서 SCR 시스템은 배기가스 내의 질소 산화물(NOx)을 촉매(Catalyst) 층에서 암모니아(NH3), 우레아(Urea) 등의 환원제와의 화학적 반응을 통해 인체에 무해한 물과 질소로 분해한 후 배출시키는 장치이다. 여기서 우레아는 열분해 또는 가수분해되어 암모니아(NH3)로 변환된다.
여기서 SCR 촉매(Catalyst)는 압출 혹은 코팅이 형성된 다공질 촉매 필터로 이루어진 것으로서, 배기 라인에 설치된 SCR 반응기 내에 한 개 또는 두 개가 연속 설치되어 배기가스 내의 유해 성분을 제거하게 된다.
기존의 대형엔진용 SCR 시스템은 ABS(Ammonium Bisulfate:NH4HSO4) 생성 방지, 분해 및 NOx 제거를 위하여 연료 중 황 함량에 따라 250℃ 이상의 고온이 필요함에 따라 엔진 튜닝을 통해 배기가스 온도를 높이거나, 배기가스 온도가 250~500℃인 엔진 T/C(Turbo Charger) 전단에 설치된다.
이와 같이 SCR 시스템이 T/C 전단에 설치되는 경우 SCR 시스템으로 유입되는 배기가스의 압력이 높기 때문에 고압 SCR 시스템이라 불린다.
그러나 SCR 시스템을 T/C 전단에 설치하게 되면, 협소한 엔진룸으로 인하여 SCR 시스템의 배치에 어려움이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 배기가스 온도가 150~300℃이며, 압력은 대기압 수준인 T/C 후단에 SCR 시스템을 설치할 수 있다.
SCR 시스템을 T/C 후단에 설치하게 되면, 엔진룸 외부에 SCR 시스템을 설치할 수 있게 됨에 따라 SCR 시스템을 공간 제약 없이 자유로이 배치할 수 있게 된다. 이러한 시스템 구성을 LP SCR(Low Pressure Selective Catalytic Reduction) 시스템이라고 한다.
상기의 구성과 같이 LP SCR 시스템을 T/C 후단에 설치하게 되면, 배기가스의 낮은 온도로 인하여 환원제인 우레아의 분해가 이루어지지 않아 NOx 제거 성능의 확보가 어렵다.
즉, 배기가스의 낮은 온도로 인하여 환원제인 우레아의 분해가 이루어지지 않으면, NOx를 규정치 이내로 만족시킬 수 없고, 암모니아(NH3)가 배기가스 중으로 배출되는 암모니아 슬립이 발생할 수 있으며, 암모니아 슬립은 SCR 촉매 후단에서 엔진에서 연소된 삼산화황(SO3)과 반응하여 온도 영역에 따라 AS(Ammonium Sulfate), ABS(Ammonium Bisulfate)가 생성되며 파울링(Fouling) 현상의 원인이 되는 문제점이 있다.
이와 같이 암모니아 슬립에 의해 생성된 물질들은 시스템의 유동 및 차압에 영향을 주며, 정상적인 운전을 방해하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 히터, 버너 등의 별도의 열원을 사용하여 우레아를 분해하거나, 우레아 분해를 위한 별도의 장치 즉, 우레아 가수분해 챔버를 필요로 하게 된다.
전술한 바와 같이 별도의 열원을 사용하거나, 우레아 가수분해 챔버를 구비하게 되면, LP SCR 시스템의 구성이 복잡해지고, 설비 투자비(CAPEX)가 상승하는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2014-0001633호(공개일 2014.01.07.)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배기가스 리시버에서 T/C를 거치지 않고 LP SCR 반응기로 배기가스를 바이패스 하는 EGB 라인에 우레아를 직접 분사하고 우레아 가수분해용 촉매를 사용하여 별도의 열원을 사용하지 않고도 우레아를 완전히 암모니아(NH3)로 전환시킬 수 있도록 하는 LP SCR 시스템 및 그 제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 LP SCR 시스템은, 엔진에서 배출되는 배기가스를 받아 T/C(Turbo Charger)로 공급하는 배기가스 리시버; 상기 T/C를 거쳐 나오는 배기가스 내의 유해 성분을 제거하는 LP SCR 촉매가 설치된 LP SCR 반응기; 상기 배기가스 리시버의 배기가스 일부를 상기 T/C를 거치지 않고 바이패스시켜 상기 LP SCR 반응기로 유도하는 EGB(Exhaust Gas Bypass) 라인; 상기 EGB 라인에 설치되어, 상기 배기가스 리시버에서 상기 LP SCR 반응기로 바이패스 되는 배기가스에 우레아를 분사하는 우레아 분사 장치; 및 상기 우레아 분사 장치에 의해 분사된 우레아의 분해 과정 중에 발생되는 부산물을 분해하여 암모니아(NH3)를 생성하는 가수분해 촉매;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 LP SCR 시스템 제어 방법은, 운전 여부를 판단하는 운전 여부 판단 과정; 및 상기 운전 여부 판단결과 운전중이면, EGB 라인을 통해 배기가스 리시버의 배기가스 일부를 LP SCR 반응기로 유도하고, 상기 EGB 라인 내에 우레아를 분사하는 과정;을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 LP SCR 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 배기가스 리시버에서 T/C를 거치지 않고 LP SCR 반응기로 배기가스를 바이패스 하는 EGB 라인에 우레아를 직접 분사하고 우레아 가수분해용 촉매를 사용하여 별도의 열원을 사용하지 않고도 우레아를 완전히 암모니아(NH3)로 전환시킬 수 있게 됨에 따라, LP SCR 시스템의 구조를 단순화할 수 있게 되고, 설비 투자비(CAPEX)를 줄일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LP SCR 시스템의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LP SCR 시스템 제어 방법을 설명하기 위한 처리도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LP SCR 시스템 및 그 제어 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LP SCR 시스템의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 1에서 배기가스 리시버(20)는 메인엔진(10)의 실린더 왕복 운동으로 불균형한 압력을 가지고 배출된 메인엔진(10)의 배기가스를 고르게 완화시킨 후, 이를 T/C(Turbo Charger)(25)로 공급한다.
T/C(25)는 메인엔진(10)의 배기가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌려 메인엔진(10)에 새로운 외기를 공급한다.
메인엔진(10)에서 배출된 배기가스는 대략 250℃~450℃ 정도의 온도를 가질 수 있는데, T/C(25)를 거치면서 대략 150℃~250℃ 정도로 낮아질 수 있다.
LP SCR 반응기(30)는 T/C(25)를 거쳐 나오는 배기가스 내의 유해 성분을 제거하는 LP SCR 촉매(도시하지 않음)가 설치된다.
제1배기가스 라인(40)은 T/C(25)에서 배출되는 배기가스를 LP SCR 반응기(30)로 유도한다.
제1배기 밸브(45)는 제1배기가스 라인(40)에 설치되며, 제어부(100)의 제어하에 LP SCR 반응기(30) 운전시에는 개방되고, LP SCR 반응기(30) 비운전시에는 폐쇄된다.
제2배기가스 라인(50)은 LP SCR 반응기(30) 후단에 설치되어 배기가스를 배출한다.
제2배기 밸브(55)는 제2배기가스 라인(50)에 설치되며, 제어부(100)의 제어하에 LP SCR 반응기(30) 운전시에는 개방되고, LP SCR 반응기(30) 비운전 시에는 폐쇄된다.
바이패스 라인(60)은 T/C(25)에서 배출되는 배기가스를 LP SCR 반응기(30)를 거치지 않고 바이패스시켜 배출시킨다.
바이패스 밸브(65)는 바이패스 라인(60)에 설치되며, 제어부(100)의 제어하에 LP SCR 반응기(30) 운전시에는 폐쇄되고, LP SCR 반응기(30) 비운전시에는 개방된다.
EGB(Exhaust Gas Bypass) 라인(70)은 배기가스 리시버(20)의 배기가스 일부를 T/C(25)를 거치지 않고 바이패스시켜 LP SCR 반응기(30) 측으로 유도한다.
EGB 밸브(75)는 EGB 라인(70)에 설치되며, 제어부(100)의 제어하에 LP SCR 반응기(30) 운전시에는 개방되고, LP SCR 반응기(30) 비운전시에는 폐쇄된다.
우레아 분사 장치(80)는 EGB 라인(70)에 설치되어, 배기가스 리시버(20)에서 LP SCR 반응기(30)로 바이패스 되는 배기가스에 우레아 수용액을 분사한다. 즉, 제어부(100)의 제어하에 EGB 라인(70) 내에 우레아 수용액을 분사한다.
전술한 바와 같이 EGB 라인(70)에 설치되는 우레아 분사 장치(80)는 우레아 수용액을 배기가스 리시버(20)에서 LP SCR 반응기(30)로 바이패스 되는 배기가스에 분사하는 우레아 분사 노즐(85)을 포함하여 이루어진다.
도 1에 도시하는 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 우레아 분사 노즐(85)을 EGB 라인(70)에 설치하여, 별도의 우레아 분해 챔버 없이 우레아 분해를 수행토록 함으로써, 구조를 단순화할 수 있게 된다.
우레아 분사 노즐(85)을 통해 EGB 라인(70)에 분사된 우레아 수용액은 배기가스 리시버(20)에서 LP SCR 반응기(30)로 바이패스 되는 배기가스의 열에 의해 열분해 되는데, 분해 과정 중에 뷰렛(Biuret), 시아누르산(Cyanuric acid), 멜라민(Melamine) 등의 부산물이 발생할 수 있다.
가수분해 촉매(90)는 우레아 분사 장치(80)에 의해 분사된 우레아의 분해 과정 중에 발생되는 뷰렛(Biuret), 시아누르산(Cyanuric acid), 멜라민(Melamine) 등의 부산물을 분해하여 암모니아(NH3)를 생성한다.
전술한 가수분해 촉매(90)는 EGB 라인(70)에 설치되되, 우레아 분사 장치(80)에 의해 분사된 우레아의 분해 과정 중에 발생되는 부산물을 분해하기 위해 우레아 분사 장치(80) 후단에 설치되는 것이 바람직하다.
전술한 가수분해 촉매(90)는 산화 계열 촉매, 타이타니아 계열 촉매 등으로 구현될 수 있다.
제어부(100)는 LP SCR 반응기(30)를 운전하지 않는 비운전 상태가 되면, 제1배기 밸브(45), 제2배기 밸브(55)는 폐쇄하고, 바이패스 밸브(65)는 개방하여 T/C(25)에서 배출되는 배기가스가 LP SCR 반응기(30)를 거치지 않고 배출되도록 한다. 이때, 제어부(100)는 EGB 밸브(75)도 함께 폐쇄한다.
반면, LP SCR 반응기(30)를 운전하는 경우, 제1배기 밸브(45), 제2배기 밸브(55)는 개방하고, 바이패스 밸브(65)는 폐쇄하여 T/C(25)에서 배출되는 배기가스가 LP SCR 반응기(30)를 거치면서 배기가스 내 질소 산화물(NOx)이 제거된 후 배출되도록 한다. 이때, 제어부(100)는 EGB 밸브(75)도 함께 개방하고, 우레아 분사 장치(80)의 구동을 제어하여 EGB 라인(70) 내에 우레아 수용액을 분사시킨다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LP SCR 시스템 제어 방법을 설명하기 위한 처리도이다.
우선, 제어부(100)는 LP SCR 반응기(30) 운전 여부에 따라 LP SCR 반응기(30) 운전시에는 제1배기 밸브(45), 제2배기 밸브(55)를 개방하고, 바이패스 밸브(65)는 폐쇄하여 T/C(25)에서 배출되는 배기가스가 LP SCR 반응기(30)를 거친 후 배출되도록 한다(S10, S20).
그리고 제어부(100)는 EGB 밸브(75)를 개방하여 T/C(25)를 거치지 않은 높은 온도(대략 250℃~450℃)의 배기가스가 LP SCR 반응기(30)로 유입되도록 한다(S30).
그리고 제어부(100)는 우레아 분사 장치(80)를 구동시켜 EGB 라인(70) 내에 우레아 수용액을 분사시킨다(S40).
상기한 과정 S40에서 우레아 분사 장치(80)를 구동시켜 EGB 라인(70) 내에 우레아 수용액을 분사시키게 되면, EGB 라인(70) 내에 분사된 우레아 수용액은 EGB 라인(70)을 통해 배기가스 리시버(20)에서 LP SCR 반응기(30)로 바이패스 되는 배기가스의 열과 반응하여 열분해 된다.
여기서, 우레아의 열분해 과정 중에 발생되는 뷰렛(Biuret), 시아누르산(Cyanuric acid), 멜라민(Melamine) 등의 부산물은 가수분해 촉매(90)에 의해 암모니아(NH3)로 분해된다.
한편, 제어부(100)는 LP SCR 반응기(30) 비운전시에는 제1배기 밸브(45), 제2배기 밸브(55)를 폐쇄하고, 바이패스 밸브(65)는 개방하여 T/C(25)에서 배출되는 배기가스가 LP SCR 반응기(30)를 거치지 않고 배출되도록 한다(S50).
그리고 제어부(100)는 EGB 밸브(75)를 폐쇄하여 EGB 라인(70)을 통해 배기가스 리시버(20)의 배기가스가 LP SCR 반응기(30)로 유입되지 않도록 차단한다(S60).
그리고 제어부(100)는 우레아 분사 장치(80)의 구동을 정지시켜 EGB 라인(70) 내에 우레아 수용액이 분사되지 않도록 한다(S70).
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 EGB 라인(70)에 우레아 분사 장치(80)와 가수분해 촉매(90)를 설치하여, EGB 라인(70) 내에 분사된 우레아 수용액이 EGB 라인(70)을 통해 배기가스 리시버(20)에서 LP SCR 반응기(30)로 바이패스 되는 배기가스의 열에 의해 열분해 되도록 하고, 우레아의 열분해 과정 중에 발생되는 부산물은 가수분해 촉매(90)에 의해 암모니아(NH3)로 분해되도록 함으로써, 별도의 열원을 사용하지 않고도 우레아를 완전히 암모니아(NH3)로 전환시킬 수 있게 된다.
이로 인해, LP SCR 시스템의 구조를 단순화할 수 있게 되고, 설비 투자비(CAPEX)를 줄일 수 있게 된다.
본 발명의 LP SCR 시스템 및 그 제어 방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
10. 메인 엔진, 20. 배기가스 리시버,
25. T/C, 30. LP SCR 반응기,
40. 제1배기가스 라인, 45. 제1배기 밸브,
50. 제2배기가스 라인, 55. 제2배기 밸브,
60. 바이패스 라인, 65. 바이패스 밸브,
70. EGB 라인, 75. EGB 밸브,
80. 우레아 분사 장치, 90. 가수분해 촉매,
100. 제어부

Claims (3)

  1. 엔진에서 배출되는 배기가스를 받아 T/C(Turbo Charger)로 공급하는 배기가스 리시버;
    상기 T/C를 거쳐 나오는 배기가스 내의 유해 성분을 제거하는 LP SCR 촉매가 설치된 LP SCR 반응기;
    상기 배기가스 리시버의 배기가스 일부를 상기 T/C를 거치지 않고 바이패스시켜 상기 LP SCR 반응기로 유도하는 EGB(Exhaust Gas Bypass) 라인;
    상기 EGB 라인에 설치되어, 상기 배기가스 리시버에서 상기 LP SCR 반응기로 바이패스 되는 배기가스에 우레아를 분사하는 우레아 분사 장치; 및
    상기 우레아 분사 장치에 의해 분사된 우레아의 분해 과정 중에 발생되는 부산물을 분해하여 암모니아(NH3)를 생성하는 가수분해 촉매;를 포함하여 이루어지는 LP SCR 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가수분해 촉매는,
    상기 EGB 라인에 설치되되, 상기 우레아 분사 장치 후단에 설치되는 것을 특징으로 하는 LP SCR 시스템.
  3. 운전 여부를 판단하는 운전 여부 판단 과정; 및
    상기 운전 여부 판단결과 운전중이면, EGB 라인을 통해 배기가스 리시버의 배기가스 일부를 LP SCR 반응기로 유도하고, 상기 EGB 라인 내에 우레아를 분사하는 과정;을 포함하여 이루어지는 LP SCR 시스템 제어 방법.
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KR20210091438A (ko) * 2020-01-14 2021-07-22 현대중공업 주식회사 Scr 시스템 및 scr 시스템의 운전제어방법

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