KR102107906B1

KR102107906B1 - 선택적 촉매 환원 시스템 및 이를 포함한 동력 장치

Info

Publication number: KR102107906B1
Application number: KR1020180111885A
Authority: KR
Inventors: 김기모; 김석하; 김태훈
Original assignee: 에이치에스디엔진 주식회사
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2037-01-23
Also published as: KR20180108523A

Abstract

본 발명은 선택적 촉매 환원 시스템 및 이를 포함한 동력 장치에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템은 메인 배기 유로 상에 설치된 과급기 보다 후방의 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 반응기와, 상기 메인 배기 유로 상에 설치되어 상기 반응기로 이동하는 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부와, 환원제 전구체를 공급받아 분해하여 상기 환원제 분사부에 공급할 환원제를 생성하는 분해 챔버와, 상기 과급기 보다 후방의 상기 메인 배기 유로에 연결되는 과급기 바이패스 유로로부터 분기되어 상기 분해 챔버와 연결된 분기 유로와, 상기 분해 챔버에 외기를 공급하는 외기 공급 유로와, 상기 외기 공급 유로 상에 설치되어 상기 외기 공급 유로가 공급하는 외기를 가열하는 가열 장치, 그리고 상기 과급기 바이패스 유로 및 상기 분기 유로를 이동하는 배기가스의 유량을 제어하는 유량 제어 밸브를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 시스템 및 이를 포함한 동력 장치{SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM AND POWER PLANT WITH THE SAME}

본 발명은 선택적 촉매 환원 반응을 이용하여 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키는 선택적 촉매 환원 시스템 및 이를 포함한 동력 장치에 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.

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 가수분해 효율을 향상시키기 위해 분해 챔버에 별도의 전기 히터 또는 버너를 통해 가열된 유체를 공급하여 분해 챔버의 내부 온도를 가수분해 반응 온도까지 상승시키고, 우레아를 분해 챔버에서 안정적으로 분해하여 생성된 암모니아(NH₃)과 이소시안산(HNCO)을 반응기에 공급하는 방법을 사용하고 있다.

하지만, 우레아를 분해하기 위해서는 분해 챔버의 내부 온도를 가수분해 반응 온도까지 승온시켜야 하며, 이를 위해서 열에너지를 공급하기 위한 버너와 같은 별도의 가열 장치가 요구된다. 그리고 버너를 가동하기 위한 연료와 공기가 소모된다.

이와 같이, 가수분해를 위해 소모되는 열에너지가 적지 않으며, 버너가 소모하는 연료와 공기는 선택적 촉매 환원 시스템에 소모되는 전체 연료 및 공기와 대비하여 상당한 비중을 차지하여 전체적인 에너지 이용 효율을 저하시키는 문제점이 있다.

본 발명의 실시예는 환원제를 생성하고 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감하기 위해 소모되는 전체적인 에너지의 이용 효율을 극대화시킨 선택적 촉매 환원 시스템 및 이를 포함한 동력 장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 메인 배기 유로를 통해 배출되는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키는 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 과급기 보다 후방의 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 반응기와, 상기 메인 배기 유로 상에 설치되어 상기 반응기로 이동하는 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부와, 환원제 전구체를 공급받아 분해하여 상기 환원제 분사부에 공급할 환원제를 생성하는 분해 챔버와, 상기 과급기 보다 후방의 상기 메인 배기 유로에 연결되는 과급기 바이패스 유로로부터 분기되어 상기 분해 챔버와 연결된 분기 유로와, 상기 분해 챔버에 외기를 공급하는 외기 공급 유로와, 상기 외기 공급 유로 상에 설치되어 상기 외기 공급 유로가 공급하는 외기를 가열하는 가열 장치, 그리고 상기 과급기 바이패스 유로 및 상기 분기 유로를 이동하는 배기가스의 유량을 제어하는 유량 제어 밸브를 포함한다. 상기 유량 제어 밸브는 상기 과급기 바이패스 유로와 상기 분기 유로의 분기점과 상기 과급기 바이패스 유로와 상기 메인 배기 유로의 합류점 사이에 설치된 제1 유량 제어 밸브와, 상기 분기 유로 상에 설치된 제2 유량 제어 밸브를 포함한다. 그리고 상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 과급기 바이패스 유로와 상기 분기 유로의 분기점 전방의 상기 과급기 바이패스 유로 상에 설치되는 과급기 바이패스 밸브를 더 포함한다.

상기 과급기 바이패스 유로는 상기 과급기와 상기 반응기 사이에서 상기 메인 배기 유로에 연결될 수 있다.

상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 외기 공급 유로 상에 설치되어 상기 분기 유로를 통해 상기 분해 챔버로 이동하는 배기가스가 상기 외기 공급 유로로 역류하는 것을 방지하는 역류 방지 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 외기 공급 유로 상에 설치되어 외기를 흡입하는 블로워를 더 포함할 수 있다.

상기 유량 제어 밸브는 상기 과급기 바이패스 유로와 상기 분기 유로의 분기점에 설치된 3방 유량 제어 밸브일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 메인 배기 유로를 통해 배출되는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키는 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 과급기 보다 후방의 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 반응기와, 상기 메인 배기 유로 상에 설치되어 상기 반응기로 이동하는 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부와, 환원제 전구체를 공급받아 분해하여 상기 환원제 분사부에 공급할 환원제를 생성하는 분해 챔버와, 상기 과급기와 상기 반응기 사이에서 상기 메인 배기 유로에 연결되는 과급기 바이패스 유로로부터 분기되어 상기 분해 챔버와 연결된 분기 유로와, 상기 분해 챔버에 외기를 공급하는 외기 공급 유로와, 상기 외기 공급 유로 상에 설치되어 상기 외기 공급 유로가 공급하는 외기를 가열하는 가열 장치와, 상기 과급기 바이패스 유로 및 상기 분기 유로를 이동하는 배기가스의 유량을 제어하는 유량 제어 밸브와, 상기 분기 유로 상에 각각 설치된 제1 온도 센서와 제1 유량계, 그리고 상기 외기 공급 유로 상에 설치되며 상기 가열 장치를 거친 외기의 온도를 측정하는 제2 온도 센서를 포함한다.

상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 제1 온도 센서, 상기 제1 유량계, 및 상기 제2 온도 센서로부터 정보를 전달받아 상기 제1 유량 제어 밸브와 상기 제2 유량 제어 밸브의 개폐와 상기 블로워 및 상기 가열 장치의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는 상기 제1 온도 센서 및 상기 제1 유량계로부터 얻은 정보로부터 상기 분기 유로를 통해 상기 분해 챔버에 공급되는 열량을 산출하고, 산출된 열량이 상기 분해 챔버에서 환원제를 생성하기 위해 요구되는 열량을 추종하도록 상기 유량 제어 밸브의 개도율을 조절할 수 있다.

상기 제어부는 상기 제1 온도 센서 및 상기 제1 유량계로부터 얻은 정보로부터 상기 분기 유로를 통해 상기 분해 챔버에 공급되는 열량을 산출하고, 산출된 열량이 환원제를 생성하기 위해 요구되는 열량을 초과하면 상기 제2 유량 제어 밸브를 제어하여 상기 분기 유로로 이동하는 배기가스의 유량을 감소시킬 수 있다.

상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 외기 공급 유로 상에 설치되며 상기 블로워에 의해 흡입되는 외기의 유량을 측정하는 제2 유량계와, 상기 제1 온도 센서, 상기 제1 유량계, 상기 제2 온도 센서, 및 상기 제2 유량계로부터 정보를 전달받아 상기 유량 제어 밸브의 개폐와 상기 블로워 및 상기 가열 장치의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수도 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 메인 배기 유로를 통해 배출되는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키는 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 과급기 보다 후방의 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 반응기와, 상기 메인 배기 유로 상에 설치되어 상기 반응기로 이동하는 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부와, 환원제 전구체를 공급받아 분해하여 상기 환원제 분사부에 공급할 환원제를 생성하는 분해 챔버와, 상기 과급기와 상기 반응기 사이에서 상기 메인 배기 유로에 연결되는 과급기 바이패스 유로로부터 분기되어 상기 분해 챔버와 연결된 분기 유로와, 상기 분해 챔버에 외기를 공급하는 외기 공급 유로와, 상기 외기 공급 유로 상에 설치되어 상기 외기 공급 유로가 공급하는 외기를 가열하는 가열 장치와, 상기 과급기 바이패스 유로 및 상기 분기 유로를 이동하는 배기가스의 유량을 제어하는 유량 제어 밸브와, 상기 분기 유로 상에 설치된 제1 온도 센서와 제1 유량계, 그리고 상기 제1 온도 센서와 상기 제1 유량계로부터 얻은 정보로부터 상기 분기 유로를 통해 상기 분해 챔버에 공급되는 열량을 산출하고 산출된 열량이 상기 분해 챔버에서 환원제를 생성하기 위해 요구되는 열량보다 낮으면 상기 가열 장치를 가동하여 상기 외기 공급 유로를 통해 상기 분해 챔버에 열량을 추가적으로 공급하는 제어부를 포함한다.

상기 외기 공급 유로 상에 설치되어 외기를 흡입하는 블로워를 더 포함할 수 있다.

상기한 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 외기 공급 유로 상에 설치되며 상기 블로워에 의해 흡입되는 외기의 유량을 측정하는 제2 유량계 및 상기 외기 공급 유로 상에 설치되며 상기 가열 장치를 거친 외기의 온도를 측정하는 제2 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어부는 상기 제2 온도 센서 및 상기 제2 유량계로부터 얻은 정보로부터 상기 외기 공급 유로를 통해 상기 분해 챔버에 공급되는 열량을 산출하고, 상기 제어부는 상기 분기 유로를 통해 공급되는 열량과 상기 외기 공급 유로를 통해 공급되는 열량의 합이 상기 분해 챔버에서 환원제를 생성하기 위해 요구되는 열량을 추종하도록 상기 블로워와 상기 가열 장치의 가동 정도를 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 동력 장치는 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 메인 배기 유로와, 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 과급기와, 상기 과급기와 상기 반응기 사이에서 상기 메인 배기 유로에 연결되는 과급기 바이패스 유로, 그리고 상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템 및 이를 포함한 동력 장치는 환원제를 생성하고 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감하기 위해 소모되는 전체적인 에너지의 이용 효율을 극대화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치의 구성도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치의 동작 상태를 나타낸 구성도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 변형례에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치의 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.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 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 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(201) 및 이를 포함한 동력 장치(101)를 함께 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(201)은 동력 장치(101)의 구성 요소로 엔진(100)과 함께 제작 및 조립될 수 있지만, 경우에 따라서는 기존에 설치되어 사용 중인 엔진(100)에서 배출된 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위하여 사후적으로 설치될 수도 있다. 구체적으로, 선박 또는 차량 등의 운송 수단이나 육상 또는 해상 플랜트의 수리 및 보수 중에 기존에 설치된 엔진(100)의 친환경 성능을 개선하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(201)이 추가 설치될 수 있다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(201)을 포함한 동력 장치(101)는 엔진(100), 메인 배기 유로(610), 과급기(150), 반응기(300), 과급기 바이패스 유로(620), 환원제 분사부(570), 분해 챔버(500), 분기 유로(630), 외기 공급 유로(640), 블로워(410), 및 가열 장치(420)를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(201)을 포함한 동력 장치(101)는 배기 리시버(180), 과급기 바이패스 밸브(720), 역류 방지 밸브(770), 유량 제어 밸브(710), 제1 온도 센서(811), 제1 유량계(812), 제2 유량계(822), 제2 온도 센서(821), 및 제어부(700)를 더 포함할 수 있다.

엔진(100)은 선박 및 자동차 등에서 동력을 발생시키는 주동력원이다. 본 발명의 일 실시예에서, 엔진(100)으로는 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 배출하는 다양한 엔진이 사용될 수 있다.

과급기(150)는 후술할 메인 배기 유로 상에 설치된다. 과급기(150)는 엔진(100)의 배기가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌려 엔진(100)에 새로운 외부 공기를 압축하여 공급함으로써, 엔진(100)의 효율을 향상시킨다.

배기 리시버(180)는 엔진(100)의 실린더 왕복 운동으로 불균형한 압력을 가지고 배출된 엔진(100)의 배기가스를 고르게 완화시킨다.

본 발명의 일 실시예에서, 엔진(100)이 배출하는 배기가스는 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도를 가지며, 배기가스의 온도는 과급기(150)를 거치면 낮아질 수 있다. 일례로, 과급기(150)를 거친 배기가스는 온도가 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만으로 낮아질 수 있다.

메인 배기 유로(610)는 엔진(100)의 배기구와 연결되어 엔진(100)의 배기가스를 배출한다. 즉, 엔진(100)의 배기가스는 메인 배기 유로(610)를 따라 이동한다.

메인 배기 유로(610)는 엔진(100)과 과급기(150) 그리고 후술할 반응기(300)를 순차적으로 연결한다. 이와 같이, 메인 배기 유로(610)는 과급기(150)를 거친 엔진(100)의 배기가스를 반응기(300)에 공급한다.

반응기(300)는 메인 배기 유로(610) 상에 설치된다. 반응기(300)는 엔진(100)에서 배출된 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. 이때, 질소산화물(NOx)과 반응하여 환원시킬 최종적인 환원제로 암모니아(NH₃)가 사용될 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 촉매가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다. 촉매가 활성 온도 범위 밖에서 반응하면, 촉매가 피독되면서 효율이 저하된다.

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 온도에서 분해되므로, 촉매를 승온시키면 피독된 촉매를 재생할 수 있다.

또한, 반응기(300)의 하우징은, 일례로, 스테인레스 스틸(stainless steel)을 소재로 만들어질 수 있다.

분해 챔버(500)는 환원제 전구체인 우레아(urea, CO(NH₂)₂)를 공급받아 이를 분해하여 질소산화물(NOx)을 환원시킬 환원제로 사용되는 암모니아(NH₃)를 생성한다.

구체적으로, 분해 챔버(500) 내의 온도가 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내로 유지되면, 우레아(urea, CO(NH₂)₂)가 용이하게 가수분해되면서 암모니아(NH₃)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성된다. 그리고 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH₃)와 이산화탄소(CO₂)로 분해된다. 즉, 우레아가 분해되면 최종적으로 암모니아가 생성될 수 있다.

환원제 분사부(570)는 분해 챔버(500)에서 생성된 암모니아(NH₃)를 공급받아 반응기(300)에 유입될 배기가스에 분사한다. 분사된 암모니아는 배기가스와 혼합되어 반응기(300)의 촉매를 거치면서 배기가스에 함유된 질소산화물을 환원시킨다.

구체적으로, 환원제 분사부(570)는 반응기(300) 전방의 메인 배기 유로(610)를 따라 이동하는 배기가스를 향해 암모니아(NH₃)를 분사할 수 있다.

본 명세서에서 전방은 배기가스의 흐름을 기준으로 상류 측을 의미하며 후방은 하류 측을 의미한다.

우레아 공급부(550)는 환원제 전구체인 우레아를 분해 챔버(500)에 공급한다. 우레아 공급부(550)는 엔진(100)의 부하에 따라 변동하는 환원제 요구량을 고려하여 적절한 양의 우레아를 분해 챔버(500)에 공급한다. 즉, 우레아 공급부(550)는 후술할 제어부(700)의 제어에 따라 환원제 요구량에 맞춰 공급될 수 있다.

과급기 바이패스 유로(620)는 메인 배기 유로(610)에서 분기하여 과급기(150)를 우회한 후 다시 메인 배기 유로(610)에 합류한다. 즉, 과급기 바이패스 유로(620)를 이동하는 배기가스는 과급기(150)를 거치지 않으므로, 과급기(150)를 거친 배기가스와 대비하여, 상대적으로 높은 온도를 갖는다. 상기 과급기 바이패스 유로(620)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 배기 리시버(180)에 연결될 수 있다.

과급기 바이패스 밸브(720)는 과급기 바이패스 유로(620) 상에 설치된다.

구체적으로, 과급기 바이패스 밸브(720)는 과급기 바이패스 유로(620)와 후술할 분기 유로(630)의 분기점 전방의 과급기 바이패스 유로(620) 상에 설치된다.

과급기 바이패스 밸브(720)는 엔진(100)의 연소실 내 연소 압력 및 열 부하를 조절하기 위해 사용될 수 있다.

또한, 과급기 바이패스 밸브(720)는 후술할 분기 유로(630)를 통해 분해 챔버(500)에 배기가스를 공급하기 위한 경우에도 사용될 수 있다.

엔진(100)의 연소실 내 연소 압력 및 열 부하가 허용치 이상으로 증가하면, 과급기 바이패스 밸브(720)가 개방되어 과급기 바이패스 유로(620)로 배기가스의 일부를 흘려 보내 과급기(150)에 공급되는 배기가스의 유량을 감소시킨다. 이에, 과급기(150)가 엔진(100)에 공급하는 압축 공기의 압력이 감소되면서 엔진(100)의 연소실 내 연소 압력을 조절할 수 있다.

이와 같이, 과급기 바이패스 밸브(720)는 후술할 유량 제어 밸브(710)와 별개로 독립적으로 동작될 수 있다.

분기 유로(630)는 과급기 바이패스 유로(620)에서 분기되어 분해 챔버(500)와 연결된다.

즉, 분기 유로(630)는 과급기 바이패스 유로(620)를 이동하는 상대적으로 높은 온도를 갖는 배기가스를 분해 챔버(500)에 전달하여 분해 챔버(500)에서 우레아를 가수분해하여 암모니아를 생성하는데 필요한 열에너지를 공급한다.

유량 제어 밸브(710)는 과급기 바이패스 유로(620) 및 분기 유로(630)를 이동하는 배기가스의 유량을 제어한다. 일례로, 유량 제어 밸브(710)는 과급기 바이패스 유로(620)와 분기 유로(630)의 분기점에 설치된 3방 유량 제어 밸브일 수 있다.

제1 온도 센서(811)와 제1 유량계(812)는 분기 유로(630) 상에 설치된다.

이에, 본 발명의 일 실시예에서는, 제1 온도 센서(811)와 제1 유량계(812)가 측정한 온도 정보와 유량 정보를 가지고 분기 유로(630)를 통해 분해 챔버(500)에 공급된 열량을 산출할 수 있다. 그리고 산출된 열량이 분해 챔버(500)에서 환원제 전구체인 우레아를 가수분해하여 환원제인 암모니아를 생성하는데 요구되는 열량을 추종하도록 유량 제어 밸브(710)의 개도율을 조절할 수 있다.

이와 같이, 분해 챔버(500)에서 환원제를 생성하는데 필요한 열량이 분기 유로(630)를 통해 분해 챔버(500)에 공급되도록, 유량 제어 밸브(710)는 산출된 열량에 따라 과급기 바이패스 유로(620)에서 분기 유로(630)로 분기되어 흐리는 배기가스의 유량을 조절할 수 있다.

또한, 제1 온도 센서(811) 및 제1 유량계(812)로부터 얻은 정보로부터 분기 유로(630)를 통해 분해 챔버(500)에 공급되는 열량을 산출하고, 산출된 열량이 환원제를 생성하기 위해 분해 챔버(500)에서 요구되는 열량을 초과하면 유량 제어 밸브(630)를 조절하여 분기 유로(630)로 이동하는 배기가스의 유량을 감소시킬 수 있다.

즉, 과급기 바이패스 유로(620)를 따라 이동하는 배기가스가 분기 유로(630)를 통해 분해 챔버(500)에 필요한 열량을 공급하고도 남는 경우, 남는 열량에 대응하는 나머지 배기가스는 분기 유로(630)를 향하지 않고 그대로 과급기 바이패스 유로(620)를 따라 이동하여 메인 배기 유로(610)에 다시 합류된다.

이와 같이, 과급기 바이패스 유로(620)를 거쳐 메인 배기 유로(610)와 합류한 배기가스는 과급기(150)를 거치면서 온도가 내려간 배기가스와 합쳐져 반응기(300)에 유입되는 배기가스의 온도를 승온시킬 수 있다.

과급기(150)를 거친 배기가스의 온도는, 전술한 바와 같이, 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만으로 낮아질 수 있는데, 이렇게 상대적으로 낮은 온도의 배가기스가 반응기(300)에 유입되면, 촉매의 활성이 저하되거나 촉매가 피독될 수 있다.

즉, 과급기 바이패스 유로(620)를 거쳐 메인 배기 유로(610)와 합류한 배기가스는 반응기(300)에 유입되는 배기가스를 승온시켜 촉매의 활성을 유지하고 촉매의 피독을 억제할 수 있다.

외기 공급 유로(640)는 분해 챔버(500)에 외기를 공급한다. 즉, 외기 공급 유로(640)는 과급기 바이패스 유로(620)에서 분기되어 분기 유로(630)를 통해 공급되는 배기가스 이외의 공기를 분해 챔버(500)에 공급한다.

블로워(410)와 가열 장치(420)는 외기 공급 유로(640) 상에 설치된다. 블로워(410)는 외기 공급 유로(640)를 통해 외기를 흡입시킨다. 그리고 가열 장치(420)는 블로워(410)가 흡입한 외기를 가열한다. 일례로, 가열 장치(420) 오일 버너(oil burner), 플라스마 버너(plasma burner), 또는 전기 히터 중 하나일 수 있다

역류 방지 밸브(770)는 외기 공급 유로(640) 상에 설치되어 분기 유로(630)를 통해 분해 챔버(500)로 이동하는 배기가스가 외기 공급 유로(640)로 역류하는 것을 방지한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 온도 센서(811) 및 제1 유량계(812)로부터 얻은 정보로부터 분기 유로(630)를 통해 분해 챔버(500)에 공급되는 열량을 산출하고, 산출된 열량이 분해 챔버(500)에서 환원제를 생성하기 위해 요구되는 열량보다 낮으면 블로워(410)와 가열 장치(420)를 가동하여 외기 공급 유로(640)를 통해 분해 챔버(500)에 열량을 추가적으로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예서는, 열에너지를 추가적으로 공급하는 가열 장치(420)가 외기 공급 라인(640)에 설치되므로, 연소 공기를 필요로 하는 버너가 가열 장치(420)로 사용될 경우, 가열 장치에 대한 산소의 공급이 용이하며 효과적이다.

반면, 본 발명의 일 실시예와 달리, 가열 장치(420)가 분기 유로(630)에 설치된다면, 분기 유로(630)를 따라 이동하는 배기가스의 산소 농도가 희박하여 버너와 같은 가열 장치(420)를 사용하기에 제한적이다.

제2 유량계(822)는 외기 공급 유로(640) 상에 설치된다. 제2 유량계(822)는 블로워(410)에 의해 흡입되는 외기의 유량을 측정한다.

제2 온도 센서(821)는 외기 공급 유로(640) 상에 설치된다. 구체적으로, 제2 온도 센서(821)는 가열 장치(420) 후방의 외기 공급 유로(640) 상에 설치될 수 있다. 제2 온도 센서(821)는 가열 장치(420)를 거친 외기의 온도를 측정한다.

이에, 본 발명의 일 실시예에서는, 제2 온도 센서(821)와 제2 유량계(822)가 측정한 온도 정보와 유량 정보를 가지고 외기 공급 유로(640)를 통해 분해 챔버(500)에 공급되는 열량을 산출할 수 있다.

그리고 본 발명의 일 실시예에서는, 분기 유로(630)를 통해 공급되는 열량과 외기 공급 유로(640)를 통해 공급되는 열량의 합이 분해 챔버(500)에서 환원제를 생성하기 위해 요구되는 열량을 추종하도록 블로워(410)와 가열 장치(420)의 동작을 조절할 수 있다.

제어부(700)는 제1 온도 센서(811), 제1 유량계(812), 제2 온도 센서(821), 제2 유량계(822)로부터 정보를 전달받아 유량 제어 밸브(710)의 개폐와 블로워(410) 및 가열 장치(420)의 동작을 제어할 수 있다.

즉, 제어부(700)는 분기 유로(630)를 통해 분해 챔버(500)에 공급되는 열량과 외기 공급 유로(640)를 통해 분해 챔버(500)에 공급되는 각각의 열량을 산출하고, 산출된 열량의 합이 분해 챔버(500)에서 환원제 전구체인 우레아를 가수분해하여 환원제인 암모니아를 생성하는데 요구되는 열량을 추종하도록 유량 제어 밸브(710) 및 블로워(410)와 가열 장치(420)를 제어할 수 있다.

또한, 제어부(700)는 엔진(100)의 부하 변동을 고려하여 요구되는 환원제의 양에 따라 분해 챔버(500)에 우레아를 공급하는 우레아 공급부(550)를 제어할 수 있다.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(201)을 포함한 동력 장치(101)는 환원제를 생성하고 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감하기 위해 소모되는 전체적인 에너지의 이용 효율을 극대화시킬 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 과급기 바이패스 유로(620)와 분기 유로(630)를 통해 엔진(100)에서 배출된 후 과급기(150)를 거치기 전의 배기가스가 갖는 열에너지를 분해 챔버(500)에서 환원제를 생성하는데 활용할 수 있다.

또한, 선박은 다양한 기후 지역에서 사용되므로, 엔진(100)의 부하 변동 및 환경 변화에 따라 요구되는 환원제의 양이 달라지고, 과급기 바이패스 유로(620)와 분기 유로(630)를 통해 분해 챔버(500)에 공급되는 열량도 달라진다.

하지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 과급기 바이패스 유로(620)와 분기 유로(630)를 통해 분해 챔버(500)에 공급되는 열량과 외기 공급 유로(640)를 통해 분해 챔버(500)에 공급되는 열량을 각각 산출하고, 산출된 열량의 합이 분해 챔버(500)에서 환원제 전구체인 우레아를 가수분해하여 환원제인 암모니아를 생성하는데 요구되는 열량을 추종하도록 유량 제어 밸브(710) 및 블로워(410)와 가열 장치(420)를 조절할 수 있다. 즉, 엔진(100)의 부하 변동 및 환경 변화에도, 환원제를 생성하고 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감하기 위해 소모되는 전체적인 에너지의 이용 효율을 극대화시킬 수 있다.

또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예의 변형례에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템(202)을 포함한 동력 장치(102)는 제1 유량 제어 밸브(711)와 제2 유량 제어 밸브(712)를 포함하는 유량 제어 밸브를 사용한다.

제1 유량 제어 밸브(711)는 과급기 바이패스 유로(620)와 분기 유로(630)의 분기점과 과급기 바이패스 유로(620)와 메인 배기 유로(610)의 합류점 사이에 설치된다.

제2 유량 제어 밸브(712)는 분기 유로(630)로 상에 설치된다.

즉, 본 변형례는 하나의 3방 유량 제어 밸브 대신 2개의 유량 제어 밸브(711, 712)를 사용한 것으로, 이를 제외하면 본 발명의 일 실시예와 구성 및 동작 원리가 동일하다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(201)을 포함한 동력 장치(101)의 동작 원리를 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 제어부(700)는 제1 온도 센서(811)와 제1 유량계(812)가 측정한 온도 정보 및 유량 정보를 가지고 분기 유로(630)를 통해 분해 챔버(500)로 공급되는 열량을 산출한다.

그리고 제어부(700)는 산출된 열량이 분해 챔버(500)에서 환원제 생성에 요구되는 열량을 충족하면, 블로워(410)와 가열 장치(420)를 가동시키지 않는다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 불필요하게 에너지가 낭비되는 것을 방지할 수 있다.

다음, 도 2에 도시한 바와 같이, 제어부(700)는 제1 온도 센서(811)와 제1 유량계(812)가 측정한 온도 정보 및 유량 정보를 가지고 분기 유로(630)를 통해 분해 챔버(500)로 공급되는 열량을 산출하고, 산출된 열량이 분해 챔버(500)에서 환원제를 생성하기 위해 요구되는 열량을 추종하도록 유량 제어 밸브(710)의 개도율을 조절한다.

즉, 제어부(700)는 산출된 열량이 환원제를 생성하기 위해 요구되는 열량을 초과하면 유량 제어 밸브(710)를 제어하여 분기 유로(630)로 이동하는 배기가스의 유량을 감소시킨다.

그리고 분해 챔버(500)에 필요한 열량을 공급하고도 남는 열량에 대응하는 나머지 배기가스는 분기 유로(630)를 향하지 않고 그대로 과급기 바이패스 유로(620)를 따라 이동시켜 메인 배기 유로(610)에 재합류한다.

다음, 도 3에 도시한 바와 같이, 제어부(700)는 제1 온도 센서(811)와 제1 유량계(812)가 측정한 온도 정보 및 유량 정보를 가지고 분기 유로(630)를 통해 분해 챔버(500)로 공급되는 열량을 산출하고, 산출된 열량이 분해 챔버(500)에서 환원제를 생성하기 위해 요구되는 열량보다 낮으면 블로워(410)와 가열 장치(420)를 가동하여 외기 공급 유로(640)를 통해 분해 챔버(500)에 열량을 추가적으로 공급한다.

이때, 제어부(700)는 제2 온도 센서(821) 및 제2 유량계(822)로부터 얻은 정보로부터 외기 공급 유로(640)를 통해 분해 챔버(500)에 공급되는 열량을 산출하고, 분기 유로(630)를 통해 공급되는 열량과 외기 공급 유로(640)를 통해 공급되는 열량의 합이 분해 챔버(500)에서 환원제를 생성하기 위해 요구되는 열량을 추종하도록 블로워(410)와 가열 장치(420)의 가동 정도를 제어할 수 있다.

이와 같은 동작에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(201)을 포함한 동력 장치(101)는 환원제를 생성하고 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감하기 위해 소모되는 전체적인 에너지의 이용 효율을 극대화시킬 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.

100: 엔진
101, 102: 동력 장치
150: 과급기
201, 202: 선택적 촉매 환원 시스템
300: 반응기
410: 블로워
420: 가열 장치
500: 분해 챔버
550: 우레아 공급부
570: 환원제 분사부
610: 메인 배기 유로
620: 과급기 바이패스 유로
630: 분기 유로
640: 외기 공급 유로
700: 제어부
710: 유량 제어 밸브
720: 과급기 바이패스 밸브
770: 역류 방지 밸브
811: 제1 온도 센서
812: 제1 유량계
821: 제2 온도 센서
822: 제2 유량계

Claims

엔진과, 상기 엔진에 압축 공기를 공급하는 과급기와, 상기 엔진과 상기 과급기 사이에 배치되어 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 수용하는 배기 리시버, 그리고 상기 엔진의 배기가스를 외부로 배출하기 위한 메인 배기 유로를 포함하는 동력 장치에서 배출되는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키는 선택적 촉매 환원 시스템에 있어서,
상기 메인 배기 유로 상에 설치된 반응기;
상기 메인 배기 유로 상에 설치되어 상기 반응기로 이동하는 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부;
일단은 상기 배기 리시버에 연결되고 타단은 상기 과급기를 우회하여 상기 과급기 보다 후방의 상기 메인 배기 유로에 연결되는 과급기 바이패스 유로로부터 분기되어 상기 환원제 분사부와 연결된 분기 유로;
환원제 전구체를 공급받아 상기 환원제 전구체를 열로 분해하여 질소산화물 저감을 위한 환원제를 생성하며 상기 분기 유로 상에 설치된 위한 분해 챔버;
상기 분기 유로에 외기를 공급하는 외기 공급 유로;
상기 외기 공급 유로 상에 설치되어 외기를 흡입하는 블로워;
상기 블로워가 흡입한 외기를 가열하여 상기 분해 챔버에 필요한 열에너지를 공급하는 버너;
상기 과급기 바이패스 유로와 상기 분기 유로의 분기점과 상기 과급기 바이패스 유로와 상기 메인 배기 유로의 합류점 사이에 설치된 제1 유량 제어 밸브;
상기 분기 유로 상에 설치된 제2 유량 제어 밸브; 및
상기 분기 유로 상에 설치된 제1 온도 센서와 제1 유량계
를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제1항에 있어서,
상기 분기 유로를 통해 공급되는 열량과 상기 외기 공급 유로를 통해 공급되는 열량의 합이 상기 분해 챔버에서 환원제 전구체를 분해하여 환원제를 생성하기 위해 요구되는 열량을 추종하도록 상기 제1 유량 제어 밸브와 상기 제2 유량 제어 밸브의 개도율과 상기 블로워 및 상기 버너의 가동 정도를 제어하는 제어부
를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제1 온도 센서 및 상기 제1 유량계로부터 얻은 정보로부터 상기 분기 유로를 통해 상기 분해 챔버에 공급되는 열량을 산출하고, 산출된 열량이 환원제를 생성하기 위해 요구되는 열량을 초과하면 상기 유량 제어 밸브를 제어하여 상기 분기 유로로 이동하는 배기가스의 유량을 감소시키고, 산출된 열량이 상기 분해 챔버에서 환원제를 생성하기 위해 요구되는 열량보다 낮으면 상기 블로워와 상기 버너를 가동하여 상기 분해 챔버에 열량을 추가적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
제3항에 있어서,
상기 외기 공급 유로 상에 설치되며 상기 버너를 통과한 외기의 온도를 측정하는 제2 온도 센서; 및
상기 외기 공급 유로 상에 설치되며 상기 블로워에 의해 흡입되는 외기의 유량을 측정하는 제2 유량계
를 더 포함하며,
상기 제어부는 상기 제2 온도 센서 및 상기 제2 유량계로부터 얻은 정보로부터 상기 외기 공급 유로를 통해 상기 분해 챔버에 공급되는 열량을 산출하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진;
상기 엔진에 압축 공기를 공급하는 과급기;
상기 엔진과 상기 과급기 사이에 배치되어 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 수용하는 배기 리시버;
상기 엔진의 배기가스를 외부로 배출하기 위한 메인 배기 유로;
일단은 상기 배기 리시버에 연결되고 타단은 상기 과급기를 우회하여 상기 과급기와 상기 반응기 사이에서 상기 메인 배기 유로에 연결되는 과급기 바이패스 유로; 및
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 선택적 촉매 환원 시스템
을 포함하는 동력 장치.
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