SCR 장치의 가열 시스템 및 방법

SCR 장치의 가열 시스템 및 방법{HEATING SYSTEM AND METHOD FOR SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION APPARATUS}

본 발명은 SCR 장치의 가열 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 가열을 위해 배기가스에 에어를 투입할 때 저온의 에어로 인해 손실되는 열량 및 연료 소모량을 절감할 수 있고, 전체 가열 구조를 소형화할 수 있게 하는 SCR 장치의 가열 시스템 및 방법에 관한 것이다.

선박이나 자동차, 발전소 등의 엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스에는 다수의 부유성 미립자, 질소산화물(NO _x ), 황산화물(SO _x ) 등의 유해성분이 포함된다.

따라서 엔진의 배기 라인에는 DPF(Diesel Particulate Filter), SCR(Selective Catalytic Reduction), 스크러버(Scrubber, SO _x 제거) 등을 설치하여 배기가스 내의 유해성분을 제거하고 있다.

이 중에서 SCR 장치는 배기가스 내의 질소산화물을 촉매(Catalyst) 층에서 환원제와의 화학적 반응을 통해 인체에 무해한 물과 질소로 분해한 후 배출시키는 장치이다.

한편 SCR 장치에서 원하는 성능을 얻기 위해서는 고온의 적정 반응 온도를 필요로 한다.

일부 대형 엔진에서는 엔진 터보 차저(Turbocharger)의 후단에 SCR 장치가 설비되는데, SCR 장치를 터보 차저의 후단에 설비하게 되면 SCR 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 낮아져 배기가스 온도를 반응에 필요한 온도까지 상승시키기 위한 별도의 가열 장치가 필요하다.

또한 배기가스에는 가열을 위한 산소가 충분하지 않기 때문에 가열 시 가열 장치 내 배기가스에 에어를 투입(Air blowing)시켜 주어야 한다.

이때 엔진 룸 내의 에어를 사용하게 되는 것이 일반적인데, 통상 엔진 룸 내의 에어는 배기가스의 온도보다 매우 낮다. 일례로 엔진 룸 내의 에어는 대략 20℃ 내외의 저온으로서 약 200℃에 달하는 고온의 배기가스와 비교할 때 온도 편차가 크다.

따라서 에어 투입 시에 낮은 에어의 온도를 상승시키기 위해서 너무 많은 열량이 필요하며, 이로 인해 가열 장치의 크기 및 중량이 과대해지고 연료 소모량 또한 증가하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 가열을 위해 배기가스에 에어를 투입할 때 주변 구조를 활용한 예열에 의해 에어의 온도를 어느 정도 상승시킨 다음 투입함으로써, 저온의 에어로 인한 열량 손실 및 연료 소모량을 절감할 수 있고 전체 가열 구조를 소형화할 수 있는 SCR 장치의 가열 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 시스템은 엔진으로부터 발생되는 배기가스를 통과시키는 터보 차저; 상기 터보 차저의 후단에 설치된 SCR 장치; 에어를 공급하는 에어 블로워; 열원과의 열교환에 의해 상기 에어 블로워로부터 나오는 에어를 예열하여 내보내는 예열 장치; 및 상기 터보 차저와 상기 SCR 장치 사이에 마련되어, 상기 터보 차저를 통과한 배기가스와 상기 예열 장치를 거쳐 예열된 에어를 가열하여 승온한 다음 상기 SCR 장치로 유입되게 하는 가열 장치를 포함한다.

본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 시스템은 상기 SCR 장치의 후단에 설치되어 배기가스의 폐열로 증기를 생성하는 이코노마이저를 더 포함할 수 있으며, 상기 예열 장치는 상기 이코노마이저에서 생성한 증기를 열원으로 하여, 상기 열원과의 열교환에 의해 상기 에어 블로워로부터 나오는 에어가 승온된 다음 상기 가열 장치에 유입되게 할 수 있다.

본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 시스템에서 상기 예열 장치는 상기 SCR 장치의 후단에서 직접 배출되는 배기가스를 열원으로 하여, 상기 열원과의 열교환에 의해 상기 에어 블로워로부터 나오는 에어가 승온된 다음 상기 가열 장치에 유입되게 할 수 있다.

본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 시스템에서 상기 예열 장치는 상기 엔진에서 사용되는 고온 냉각수를 공급받아 열원으로 사용하여, 상기 열원과의 열교환에 의해 상기 에어 블로워로부터 나오는 에어가 승온된 다음 상기 가열 장치에 유입되게 할 수 있다.

한편 본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 방법은 엔진으로부터 발생되는 배기가스를 터보 차저로 통과시키는 단계; 에어를 공급받아 열원과의 열교환에 의해 예열하는 단계; 상기 터보 차저를 통과한 배기가스에 상기 예열된 에어를 투입하는 단계; 상기 예열된 에어가 투입된 배기가스를 가열하는 단계; 및 상기 가열에 의해 승온된 배기가스를 상기 터보 차저의 후단에 설치된 SCR 장치로 유입시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 방법은 상기 예열 단계에서, 상기 SCR 장치의 후단에 설치된 이코노마이저에서 생성한 증기, 상기 SCR 장치의 후단에서 직접 배출되는 배기가스, 상기 엔진에서 사용되는 고온 냉각수 중 적어도 어느 하나를 열원으로 공급받아서, 상기 열원과의 열교환에 의해 에어가 승온되게 할 수 있다.

본 발명에 의한 SCR 장치의 가열 시스템 및 방법에 따르면, 가열을 위해 배기가스에 에어를 투입할 때 주변 구조를 활용한 예열에 의해 에어의 온도를 어느 정도 상승시킨 다음 투입함으로써, 저온의 에어로 인한 열량 손실 및 연료 소모량을 크게 절감할 수 있고 전체 가열 구조를 소형화할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 장치의 가열 시스템을 개략적으로 보인 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 장치의 가열 방법을 설명하기 위한 처리도.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 SCR 장치의 가열 시스템 및 방법에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 장치의 가열 시스템을 개략적으로 보인 도면이다.

도 1에서 배기가스 리시버(110)는 엔진(미도시)의 각 실린더에서 배출되는 배기가스를 모아 터보 차저(120)로 공급한다.

엔진으로부터 발생되는 배기가스는 배기가스 리시버(110)를 통해 터보 차저(120)로 공급되어 터보 차저(120)를 구동한 후 터보 차저(120) 후단의 배기 라인을 통해 배출된다.

배기 라인 상에는 도시된 바와 같이 다수 개의 밸브들(171, 172, 173)이 구비될 수 있으며, 각 밸브(171, 172, 173)를 선택적으로 개폐함에 따라 터보 차저(120)를 통과한 배기가스가 SCR 장치(130)를 경유하여 배출되거나 SCR 장치(130)를 거치지 않고 터보 차저(120)를 통과한 후 곧바로 배출될 수 있다.

터보 차저(120)를 통과한 배기가스의 일부는 가열 장치(140)를 거쳐 가열되어 적정 반응 온도(타겟 온도)까지 승온된 후 터보 차저(120) 및 가열 장치(140)의 후단에 설치된 SCR 장치(130)로 유입된다.

SCR 장치(130)는 암모니아(NH3), 우레아(Urea) 등의 환원제를 공급하고 적정 반응 온도로 승온된 배기가스를 내부에 설치된 촉매 층으로 통과시켜 배기가스에 포함된 질소산화물을 선택적으로 분해/제거 처리함으로써 배기가스를 정화한다.

SCR 장치(130)의 후단에는 엔진에서 발생하는 배기가스의 폐열을 회수하여 이를 이용해 증기를 발생시키는 이코노마이저(Economizer)(160)가 구비될 수 있다.

에어 블로워(151)는 배기가스를 가열하기 위해 필요한 에어를 흡입하여 예열 장치(153)로 공급한다.

예열 장치(153)는 열원(152)과의 열교환에 의해 에어 블로워(151)로부터 나오는 에어를 예열하여 에어의 온도를 상승시킨 다음, 가열 장치(140) 측으로 내보낸다.

전술한 예열 장치(153)는 에어 블로워(151)로부터의 에어가 가열 장치(140)로 공급되기 전에 열원(152)과의 열교환을 통해 승온될 수 있도록 에어 블로워(151)와 가열 장치(140) 사이에 갖추어지며, 에어 블로워(151)에서 가열 장치(140)로 유입되는 에어를 미리 승온시켜 공급하여 줌으로써 가열 장치(140)의 가열 성능을 향상시킨다.

가열 장치(140)는 터보 차저(120)와 SCR 장치(130) 사이에 마련되며, 터보 차저(120)를 통과한 배기가스와 예열 장치(153)를 거쳐 예열되어 투입된 에어를 인가받아서, 이를 가열하여 에어와 섞인 배기가스가 적정 반응 온도(예컨대 약 260℃)까지 승온된 다음 SCR 장치(130)로 유입되게 한다.

이와 같은 구성에 있어서, 가열 장치(140)로 유입되는 배기가스가 비교적 고온(예컨대 약 200℃) 상태로 유입되는데 반해, 에어 블로워(151)로 흡입되는 에어(일례로 엔진 룸 내의 에어)는 저온 상태(예컨대 약 20℃ 내외)로 유입된다.

즉 에어의 온도가 배기가스의 온도보다 낮고 비교적 큰 온도 편차를 가지기 때문에, 본 실시예에서는 에어 블로워(151)와 가열 장치(140) 사이에 예열 장치(153)를 두어 이를 통해 저온으로 공급되는 에어의 온도를 미리 상승시켜 배기가스와 에어 간의 온도 편차를 감소시킨 다음 승온된 에어를 가열 장치(140)로 유입시킨다.

이때 저온의 에어가 가열 장치(140)로 곧바로 유입되어 배기가스의 온도를 저하시키지 않고 예열 장치(153)를 통해 적정 온도로 예열된 다음 유입되므로, 배기가스 가열 시의 손실 열량이 줄어 가열 성능이 크게 향상될 수 있다.

예열 시 효율을 높이기 위해 주변 구조를 활용할 수 있으며, 사용 가능한 열원(152)의 종류는 다음과 같다.

첫째 배기가스의 폐열로 증기를 생성하는 이코노마이저(160)가 구비된 경우, 예열 장치(153)는 이코노마이저(160)에서 생성한 증기의 일부를 열원(152)으로 사용하여, 해당 열원(152)과의 열교환에 의해 에어 블로워(151)로부터 나오는 에어가 승온된 다음 가열 장치(140)에 유입되게 할 수 있다.

이코노마이저(160)에는 고온의 증기를 생성하여 활용하는 설비가 이미 갖추어져 있으므로, 이러한 경우 고온의 증기로 에어를 예열하는데 필요한 추가 설비가 최소화되고 열교환 효율이 높아질 수 있는 장점이 있다.

둘째 SCR 장치(130)의 후단으로 고온의 배기가스(예컨대 약 260℃ 이상)가 배출되므로 이를 열원(152)으로 직접 사용하는 것이 가능하다.

예열 장치(153)는 SCR 장치(130)의 후단에서 곧바로 배출되는 배기가스를 열원(152)으로 하여, 해당 열원(152)과의 열교환에 의해 에어 블로워(151)로부터 나오는 에어가 승온된 다음 가열 장치(140)에 유입되게 할 수 있다.

셋째 예열 장치(153)는 엔진에서 사용되는 고온 냉각수를 공급받아 열원으로 사용하여, 해당 열원(152)과의 열교환에 의해 에어 블로워(151)로부터 나오는 에어가 승온된 다음 가열 장치(140)에 유입되게 할 수 있다.

선박 등의 엔진에는 저온 냉각수와 고온 냉각수가 사용되고, 이 중에서 고온 냉각수는 약 120℃ 이상인 것이 일반적이므로, 엔진의 고온 냉각수를 열원(152)으로 사용하는 것이 가능하다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 장치의 가열 방법을 설명하기 위한 처리도이다.

엔진이 작동할 때 발생되는 배기가스는 터보 차저(120)를 통과하게 되며(S110), 터보 차저(120)를 통과한 배기가스는 SCR 장치(130)의 운전 여부에 따라 SCR 장치(130) 측으로 유입되거나 SCR 장치(130)를 거치지 않고 바로 배출될 수 있다.

SCR 장치(130)의 운전 시(S120), 예컨대 선박이 ECA(Emission Control Area) 내에 위치하여 SCR 장치(130)가 운전되는 경우에는 제1 밸브(171)가 개방되어 터보 차저(120)를 거친 배기가스가 SCR 장치(130) 전단의 가열 장치(140)로 유입된다.

아울러, 가열 장치(140)가 배기가스를 가열하는데 필요한 산소를 보충하기 위해 에어 블로워(151)를 통해 에어가 공급된다(S125).

이때 저온의 에어(예컨대, 엔진 룸 내의 에어)가 공급되므로, 예열 장치(153)가 작동하여 저온의 에어를 예열함으로써 에어가 승온된 다음 가열 장치(140)로 유입되게 한다(S130).

예열 장치(153)는 상기한 S130 단계에서 에어 블로워(151)를 통해 유입되는 에어를 공급받아 열원(152)과의 열교환에 의해 예열하여 에어의 온도를 초기의 저온으로부터 적정 반응 온도에 가까운 임의의 온도까지 상승시킨다(S130).

이때 예열 장치(153)는 SCR 장치(130)의 후단에 설치되어 배기가스의 폐열로 증기를 생성하는 이코노마이저(160)에서 배출되는 고온의 증기를 열원(152)으로 공급받아서 해당 열원(152)과의 열교환에 의해 에어가 승온되게 할 수 있다.

또한 예열 장치(153)는 SCR 장치(130)의 후단에서 직접 배출되는 배기가스를 공급받아서 이를 열원(152)으로 사용할 수도 있다.

또한 예열 장치(153)는 엔진에서 사용되는 고온 냉각수를 공급받아서 이를 열원(152)으로 사용할 수도 있다.

에어의 예열 온도는 열원(152)이 무엇인지에 따라 어느 정도 편차가 있을 수 있다.

예를 들어 가열 장치(140)에서의 타겟 온도인 적정 반응 온도가 260℃이고 에어의 초기 온도가 약 20℃인 경우, 에어는 사용되는 열원(152)의 종류에 따라 초기 온도보다는 높고 해당 열원(152)의 온도보다는 낮은 범위 내의 적정 온도, 예컨대 100℃ ~ 200℃ 정도로 예열되어 배출된다.

상기한 S130 단계에서 예열 장치(153)에 의해 예열된 에어는 가열 장치(140)로 투입되며(S140), 아울러 상기한 S110 단계에서 터보 차저(120)를 통과한 배기가스가 가열 장치(140)로 유입된다(S150).

가열 장치(140)는 터보 차저(120)를 통과한 배기가스와 예열 장치(153)를 거쳐 예열된 에어를 공급받아서 예열된 에어가 투입된 배기가스를 기 설정된 적정 반응 온도까지 가열하게 된다(S160).

이후 상기한 S160 단계의 가열 동작에 의해 적정 반응 온도로 승온된 배기가스는 질소산화물 저감 처리를 위해 SCR 장치(130)로 유입된다(S170).

한편 SCR 장치(130)의 비운전 시(S120)에는 제1, 제2 밸브(171, 172)가 폐쇄되고 제3 밸브(173)가 개방되어 터보 차저(120)에서 배출되는 배기가스가 SCR 장치(130)를 거치지 않고 바로 배출된다(S180).

본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 시스템 및 방법의 구성은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

110: 배기가스 리시버
120: 터보 차저
130: SCR 장치
140: 가열 장치
151: 에어 블로워
152: 열원
153: 예열 장치
160: 이코노마이저