KR20080048769A - 배기가스의 질소산화물 저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선택적 촉매환원법을 이용한 배기가스의 질소산화물 저감장치에 관한 것으로서, 특히 배기관내 유레아의 분사가 기화실을 통해 이루어져 분사위치의 제약에서 벗어나고, 배기관벽 습윤을 억제하며, 인젝터의 직접적인 노출을 막아 질소 산화물의 정화율을 향상시키는데 그 목적이 있다.

이러한 본 발명의 목적은 유레아가 기화실내 인젝터로부터 분사되어 열선의 가열에 의해 기화되면, 기화된 유레아는 노즐을 통해 배기관내로 유입되어 질소산화물과 환원촉매층에서 반응이 이루어짐으로써, 질소산화물이 물과 질소로 변환되는것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 저감장치의 제공으로 달성된다.

질소산화물, 배기가스, 배기관, 기화, 환원, 촉매

Description

배기가스의 질소산화물 저감장치{NOx reduction apparatus of exhaust gas}

도 1은 종래 질소산화물의 저감장치의 전체 구성도,

도 2는 종래 질소산화물의 저감장치의 NOx량 수직 분포도,

도 3은 본 발명에 따른 배기가스의 질소산화물 저감장치의 전체 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

300 : 배기관 310 : 노즐

320 : 환원촉매층 330 : 기화실

340 : 인젝터 350 : 열선

370 : 가수분해 촉매층 380 : 클린촉매층

본 발명은 배기가스의 질소산화물 저감장치에 관한 것으로, 특히 유레아가 배출부에 형성된 기화실을 통해 분출되어 효율적인 환원작용이 이루어지는 선택적 촉매환원법을 이용한 배기가스의 질소산화물 저감장치에 관한 것이다.

일반적으로, 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스는 배기 파이프의 도중에 형성된 촉매 컨버터(Catalytic converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 배기파이프를 통해 대기 중으로 방출된다.

상기한 촉매 컨버터는 매연여과장치(DPF, Diesel Particulate Filter)의 일종으로 배출가스에 포함되어 있는 오염물질을 처리하는 역할을 하는 것이다.

그리고, 상기한 촉매컨버터 내부에는 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 포집하기 위한 촉매담체가 형성되어 엔진에서 배출되는 각종 배기가스를 화학적 변환과정을 통하여 정화시키게 되는 것이다.

상기와 같은 역할을 하는 촉매 컨버터에 적용되는 촉매형식 중의 하나로 선택적 촉매 환원 장치(SCR, Selective Catalytic Reduction)가 있다.

선택적 촉매 환원 장치(SCR)는 CO 등과 같은 환원제가 산소와 NOx 중에서 NOx와 더 잘 반응하도록 한다는 의미에서 '선택적' 촉매환원이라고 명명되고 있다.

선택적 환원 촉매 중에서 암모니아-SCR은 NOx를 정화하기 위한 환원제로 암모니아를 사용하는 것으로 NOx에 대한 선택도가 매우 우수할 뿐만 아니라, 산소가 존재하는 경우에 NO와 암모니아 사이의 반응이 촉진되는 장점이 있어 디젤 배기가스에 적용하기에 유리한 것으로 알려져 있다.

실제로 암모니아-SCR은 대형 고정오염원인인 화력발전소에 적용되어 그 성능이 입증된 바 있고, 이러한 암모니아-SCR을 자동차에 적용하여 NOx를 선택적으로 제거하고자 하는 것이 유레아-SCR(Urea-SCR)이다.

상기한 유레아-SCR은 유레아 수용액을 SCR 촉매 상류에 주입하여 유레아가 분해되면서 생성되는 암모니아를 사용하여 NOx를 선택적으로 환원시키는 것이기 때문에 SCR 촉매를 기준으로 보았을 때에는 암모니아-SCR이라고 볼 수 있다.

또한, 강화된 향후 EURO-V 배기 규제에 대응하기 위하여 디젤차량에 효율적인 NOx 제거 후처리 장치의 장착이 필요한 바, 이러한 후처리 방식으로는 고온의 화석연료 생성물(배기)에 암모니아(Ammonia, NH3), 또는 유레아(Urea:NH2CONH2)등의 첨가제(환원제)를 주입하여 촉매부(Catalytic Bed)에서 고온의 배기(170 ~ 600℃)와 첨가제가 서로 혼합/반응하여 배기중의 NOx를 질소로(N2) 환원시키는 선택적 촉매 질소산화물 저감 방식(Selective Catalytic Reduction of NOx, SCR of NOx)과 촉매 없이 더욱 고온의 배기(800 ~ 1100℃)와 첨가제가 혼합/반응하여 NOx를 질소로 환원시키는 선택적 비(非)촉매 질소산화물 저감 방식(Selective Non-Catalytic Reduction of NOx)이 있다.

상기 후처리 장치를 응용한 많은 연구결과들이 고효율의 NOx 제거 가능성을 보고함으로써, 향후 디젤차량을 위한 NOx저감 장치로서의 잠재적 대안으로 고려된다.

첨부한 도 1은 종래 선택적 촉매환원법을 이용한 질소산화물의 저감장치의 전체 구성도이다.

도 1에서 도시한 바와 같이 엔진 배기가스는 1차로 산화촉매(100)를 통과한후, 인젝터(120)로부터 분사되는 유레아(urea)와 혼합되어 SCR촉매(110)상에서 암모니아와 반응함으로써, NOx가 정화된다.

이러한 장치 설계시 가장 중요한 인자중 하나는 유레아가 분사되는 인젝터(120)의 위치와 SCR촉매(110)와의 거리(L)이고, 이 인자는 관경(D)과 함께 "L/D"라는 변수로 촉매상에서의 정화율을 결정짓게 된다.

물리적으로는 L/D에 의해 유레아의 기화 및 하이드로시스 반응에 의해 유레아가 암모니아로 바뀌는 양이 제한받게 되고, 암모니아와 배기가스의 균일한 혼합상태가 결정된다.

첨부한 도 2는 종래 질소산화물의 저감장치의 NOx량 수직 분포도이다.

도 2에서 도시한 바와 같이 유레아가 분사되고 SCR촉매에서 반응이 일어난 후 촉매후단에서 수직방향 NOx 분포가 각기 다른 상태에 따라 측정되어, 반응의 균일한 정도가 나타난다.

여기서, 각 상태는 유레아 분사위치와 SCR촉매의 거리가 기준(1미터 이하)인 경우(A), 유레아 분사위치와 SCR촉매의 거리가 1미터인 경우(B), B상태에 추가적으로 믹서를 장착하는 경우(C)로 나누어 측정된다.

이는 원인분석을 위한 개념적인 실험이고, 상기와 같이 실제 차량에서 거리를 1미터 이상으로 설계하는 것은 적용 불가하여, 제한된 거리에서 믹서를 장착하거나 관의 형태를 개선함으로써, 균일도를 향상시킨다.

또한, 도 2의 B선도와 C선도에서 거리 증대와 믹서에 의해 균일도가 A선도에 비해 개선되는 이유는 거리 증대에 의한 유레아 액적의 증발 및 가수분해를 위한 시간 확보가 이루어지고, 혼합성이 개선되기 때문이다.

그러나, 믹서를 장착하더라도 제한된 거리에서는 C선도와 같은 균일도가 나 타나지 않는 문제점이 있다.

또한, 종래 유레아 분사는 인젝터가 이용되고 있으며, 인젝터에 의한 분사각, 분무각, 분사압, 분사주기 등의 설계유레아는 혼합도 개선 및 측벽 습윤(wall wetting) 억제 등을 목적으로 그 사양이 결정된다.

여기서, 운전조건에 따른 배기가스 온도 및 유동 특성이 다양하여, 인젝터의 분사에 의해 유레아가 측벽에 묻어 습윤되고, 암모니아와 배기가스의 혼합도가 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 유레아가 기화실내 인젝터로부터 분사되어 열선의 가열에 의해 기화되면, 기화된 유레아는 노즐을 통해 배기관내로 유입되어 질소산화물과 환원촉매층에서 반응이 이루어짐으로써, 질소산화물이 물과 질소로 변환되어 분사위치의 제약에서 벗어나고, 배기관벽 습윤을 억제하며, 인젝터의 직접적인 노출을 막아 질소 산화물의 정화율을 향상되는 배기가스의 질소산화물 저감장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 선택적 촉매환원법을 이용한 배기가스의 질소산화물 저감장치에 있어서, 배기가스가 통과하는 배기관과; 상기 배기관내로 유레아가 유입되는 노즐과; 상기 노즐로부터 분사된 유레아와 질소산화물의 반응이 촉진되는 환원 촉매층을 포함하는 촉매부와; 상기 노즐과 연결되고, 유레아의 기화가 이루어지는 기화실로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 기화실은 유레아가 기화실내로 분사되는 인젝터와; 상기 인젝터에서 분사된 유레아가 가열되는 열선과; 상기 노즐로 유레아가 유입되도록 홀이 형성된 하우징으로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 촉매부는 유레아가 암모니아로 가수분해 되는 것이 촉진되는 가수분해 촉매층과 질소 산화물과 반응하지 못한 암모니아가 제거되는 클린 촉매층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 배기관 상류부에 배기가스의 산화가 이루어지는 산화촉매층이 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 배기관 상류부와 하류부에 온도센서부와 질소산화물 검출센서부가 각각 형성된 것을 특징으로 한다.

이에 의해 분사위치의 제약에서 벗어날 수 있고, 배기관에 직접 분사를 하지 않으므로 배기관벽 습윤이 억제되며, 인젝터를 배기관이 아닌 기화실에 장착함으로써 직접적인 고온 노출을 피할 수 있다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 배기가스의 질소산화물 저감장치의 전체 구성도이다.

도 3에서 도시한 바와 같이, 배기관(300) 상류에 유입된 배기가스는 산화촉매층(410)을 통과하여 질소산화물의 산화가 이루어지고, 기화실(330)에서 열선(350)에 의해 기화된 유레아가 노즐(310)을 통해 유입되고, 가수분해 촉매층(370)을 통과하여 암모니아로 변환되면, 암모니아는 환원촉매층(320)에서 질소 산화물과 반응함로써, 배기가스의 질소 산화물이 저감된다.

상기 배기관(300)은 상류부(390)와 하류부(400)가 촉매층 이외에는 경사진 원추모양을 형성하고, 배기가스의 유입구(440)와 배출구(450)는 관통로로 형성된다.

상기 산화촉매층(410)은 배기관 상류부(390)에 형성되어 유입된 질소산화물이 NO인 경우 NO2로 산화시키는 역할을 한다.

여기서, 산화되지 않은 NO와 산화된 NO2는 가수분해된 암모니아와 반응하여 질소와 물로 배출된다.

상기 기화실(330)은 배기관의 상류부(390)와 하류부(400) 사이의 좁은 관(460)에 형성되고, 이는 인젝터(340), 열선(350), 하우징(360)으로 이루어진다.

상기 인젝터(340)는 유레아가 분사되도록 기화실(330) 일측에 형성되고, 상기 열선(350)은 분사된 유레아가 기화되도록 그 반대측에 형성되며, 상기 하우징(360)은 기화된 유레아가 빠져나가도록 노즐(310)과 연결되는 홀이 형성된다.

여기서, 유레아는 물의 증발, 고체 유레아의 멜팅 및 증발 등을 거쳐 암모니아로 되기 때문에 적어도 180도 이상에서 분사한다.

그러나, 충분히 온도가 높지 않으면 기화되는 시간이 길어져 분사점과 SCR촉 매와의 거리가 정화율에 현저히 영향을 미치게 되어, 기화실(330)에 열선(350)이 형성되어 유레아를 분사함으로써, 배기관(300)에 유레아가 혼합되기전에 기화가 충분히 일어날 수 있도록 한다.

여기서, 기화된 기체는 베르누이법칙상 배기관(300)내 유속에 의해 노즐(310)로 자연히 빠져 나가게 된다.

또한, 상기 유레아는 물에 용해된 유레아수상태로 사용하므로 열적분해반응 뿐만 아니라 동시에 열적가수분해반응 또한 동반하여 일어나지만, 이 모든 반응들에 의해 암모니아로 변환되어 질소산화물과 반응가능하게 된다.

상기 가수분해 촉매층(370)은 질소 산화물과 반응하는 암모니아가 유레아로부터 열적 가수분해 되는 것을 촉진시킨다.

여기서, 유레아는 기화실(330)의 열선(350)에 의해 가열되고 가수분해 촉매층(370)을 통과하면서 암모니아로 가수분해 된다.

상기 환원촉매층(320)은 가수분해 촉매층(370) 다음 경로에 형성되어, 질소산화물이 가수분해된 암모니아와 반응하여 질소와 물로 변환되는 것이 촉진된다.

여기서, 암모니아는 환원제로서 질소산화물을 질소와 물로 변화시키는 역할을 한다.

상기 클린촉매층(380)은 상기 환원촉매층(320) 다음 경로에 형성되어, 질소산화물과 결합하지 못한 암모니아를 제거시키는 역할을 한다.

이는 암모니아가 배기가스와 함께 배출되어 대기가 오염되는 것을 방지코자 함이다.

상기 온도센서부(500)는 배기관의 상류부(390)와 하류부(400)에 형성되어 배기관내 온도를 측정한다.

여기서, 기화된 유레아가 열적 가수분해될 일정 온도에 도달하지 못한경우 제어부로 신호를 보내 열선(350)의 온도의 조절이 이루어진다.

상기 질소산화물 검출센서부(420)는 배기관의 상류부(390)와 하류부(400)에 형성되어 배기관으로 부터 배출되는 질소산화물이 측정된다.

여기서, 질소산화물의 측정량이 일정치 이상인 경우 제어부로 신호를 보내 인젝터(340)로부터 분사되는 유레아의 분사량 조절이 이루어진다.

이하 본 발명에 따른 배기가스의 질소산화물 저감장치의 정화 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

우선, 질소산화물이 함유된 배기가스가 배기관 상류부(390)로 유입되어 산화촉매층(410)을 통과하고, 배기가스의 질소산화물중 NO는 NO2로 변환된다.

다음으로, 기화실(330)내 인젝터(340)에서 유레아가 유레아수 상태로 분사되면 열선(350)에 의해 기화되고, 기화된 유레아는 노즐(3100을 통해 배기관(3000내로 유입된다.

여기서, 별도의 기화실(330)이 형성되어 분사위치로 인한 정화율 저하로부터 벗어나고, 배기관(300)에 직접 분사되지 않음으로써 배기관벽 습윤을 방지하며, 인젝터(340)의 직접적 고온 노출을 피할 수 있다.

다음으로, 노즐(310)로부터 유입된 유레아는 가수분해 촉매층(370)을 통과하여 암모니아로 열적 가수분해되고, 이는 열과 시간의 경과에 의해 이루어진다.

다음으로, 질소산화물과 가수분해된 암모니아는 환원촉매층(320)을 통과하고, 암모니아의 환원제 역할로 인해 질소산화물은 질소와 물로 변환됨으로써, 배기가스의 정화가 이루어진다.

다음으로, 가수분해된 암모니아가 질소산화물과 반응하지 못한 경우 클린촉매층(380)에 의해 제거됨으로써, 암모니아가 정화된 배기가스가 방출된다.

이상에서 본 바와 같이 본 발명에 따른 배기가스의 질소산화물 저감장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 유레아가 직접 배기관내 분사되지 않고 기화실을 거쳐 분사되어, 분사점과 환원촉매층과의 거리와 유레아가 암모니아로 가수분해되는 시간이 확보됨으로써, 질소산화물의 정화율이 향상되고,

둘째, 유레아가 인젝터에 의해 배기관으로 직접 분사되지 않음으로써, 배기관벽의 습윤이 억제되어 배기관의 내구성이 증대되고,

세째, 인젝터가 배기관이 아닌 기화실에 형성되어 인젝터가 직접적으로 고온에 노출되는 것을 피함으로써, 유레아 분사장치의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 선택적 촉매환원법을 이용한 배기가스의 질소산화물 저감장치에 있어서,

   배기가스가 통과하는 배기관(300)과;

   상기 배기관(300)내로 유레아가 유입되는 노즐(310)과;

   상기 노즐(310)로부터 분사된 유레아와 질소산화물의 반응이 촉진되는 환원촉매층(320)을 포함하는 촉매부(430)와;

   상기 노즐(310)과 관통 형성되고, 유레아의 기화가 이루어지는 기화실(330)로 구성된 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 저감장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 기화실(330)은 유레아가 기화실(330)내로 분사되는 인젝터(340)와;

   상기 인젝터(340)에서 분사된 유레아가 가열되는 열선(350)과;

   상기 노즐(310)로 유레아가 유입되도록 홀이 형성된 하우징(360)으로 구성된 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 저감장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매부(430)는 유레아가 암모니아로 가수분해 되는 것이 촉진되는 가수분해 촉매층(370)과;

   질소 산화물과 반응하지 못한 암모니아가 제거되는 클린 촉매층(380)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 저감장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 배기관 상류부(390)에 배기가스의 산화가 이루어지는 산화촉매층(410)이 형성된 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 저감장치.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 배기관 상류부(390)와 하류부(400)에 온도센서부(500)와 질소산화물 검출센서부(420)가 각각 형성된 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 저감장치.

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