구조가 개선된 선택적 촉매 환원 반응기{SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION REACTOR WITH IMPROVED STRUCTURE}

본 발명은 구조가 개선된 선택적 촉매 환원 반응기에 관한 것이며, 구체적으로 반응기 양 측면 또는 일 측면에 히터와 증발기가 결합된 구조가 개선된 선택적 촉매 환원 반응기에 관한 것이다.

일반적으로 선박용 동력 장치는 저속 디젤 엔진과 과급기(turbocharger) 등을 포함한다. 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은 엔진에서 발생된 배기 가스를 정화하여 질소산화물을 저감시키기 위한 시스템이다.

선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기 가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기 가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.

선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제로 암모니아(NH ₃ )와 우레아(urea) 등을 이용하고 있다. 또한, 선택적 촉매 환원 시스템은 일반적으로 섭씨 250도 내지 섭씨 400도의 활성 온도 범위를 갖는 고온 촉매를 이용하고 있다.

도 1은 종래의 선택적 촉매 환원 반응기가 구비된 선박용 동력 장치(1)를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 선박용 동력 장치(1)는 엔진(10), 배기 리시버(exhaust gas receiver; 11) 및 소기 리시버(scavenge air receiver; 19), 과급기(turbo charger; 15), 선택적 촉매 환원 반응기(30), 환원제분해챔버(50), 환원제 분사부(51), 산화 촉매부(55), 우레아저장부(58), 용수 저장부(59)를 포함할 수 있다.

상기 엔진(10)은 통상적으로 선박에 사용되는 저속 디젤 엔진일 수 있으며, 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 엔진이 사용될 수 있다.

상기 과급기(15)는 엔진(10)의 배기 가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌려 엔진(10)에 새로운 외기를 공급한다.

한편, 엔진(10)에서 배출된 배기 가스는 섭씨 250도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도를 가질 수 있다. 그러나, 배기 가스의 온도는 과급기(15)를 거치면서 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만의 온도로 낮아질 수 있다.

배기 리시버(11)는 엔진(10)의 실린더 왕복 운동으로 불균형한 압력을 가지고 배출된 엔진(10)의 배기 가스를 고르게 완화시킨다. 소기 리시버(19)는 과급기(15)가 엔진(10)에 공급하는 새로운 외기의 불균일한 압력을 고르게 완화시킨다.

선택적 촉매 환원 반응기(30)는 엔진(10)의 배기 가스를 정화하여 배기 가스에 함유된 질소산화물을 저감시킨다. 즉, 선택적 촉매 환원 반응기(30)는 엔진(10)의 배기 가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.

선택적 촉매 환원 반응기(30)를 거치면서 엔진(10)의 배기 가스에 함유된 질소산화물은 저감되고, 엔진(10)의 배기 가스는 배출된다.

선택적 촉매 환원 반응기(30)는 촉매(35)를 포함한다. 구체적으로, 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 촉매(35)가 촉매 담체를 통해 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부에 설치된다.

이러한 촉매(35)는 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도가 섭씨 300도 내지 섭씨 350도 범위 내일 때 촉매 반응이 우수한 촉매(35)가 사용될 수 있다.

또한, 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 하우징은 스테인레스 스틸(stainless steel)을 소재로 만들어질 수 있다.

환원제 분사부(51)는 암모니아(NH ₃ )를 포함한 환원제를 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 유입되는 엔진(10)의 배기 가스에 분사한다.

환원제분해챔버(50)는 우레아(urea, CO(NH ₂ ) ₂ )를 분해하여 환원제 분사부(51)에 공급할 암모니아(NH ₃ )를 생성한다. 환원제분해챔버(50)에서 우레아(urea, CO(NH ₂ ) ₂ )가 열분해되면, 암모니아(NH ₃ )와 함께 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성된다.

산화 촉매부(55)는 환원제분해챔버(50)에서 생성된 이소시안산(HNCO)을 가수분해하여 암모니아(NH ₃ )를 추가로 생성한다.

우레아 저장부(58)는 환원제분해챔버(50)에 공급할 우레아를 저장하며, 용수 저장부(59)는 환원제 공급배관 세척을 위한 물을 저장한다.

이러한 종래의 선택적 촉매 환원 반응기가 구비된 선박용 동력 장치(1)는 다음과 같은 문제가 있다.

전술한 것과 같이, 선박용 저속 디젤엔진의 배기가스 온도는 통상 200℃ ~ 250℃ 정도로 배출되며, 이 온도는 환원제로 사용되는 우레아가 암모니아로 충분히 분해되기 어려운 조건이다.

상기 온도 조건에서 충분히 우레아를 분해시키기 위해서는 첫째, 배기가스 내 체류시간을 증가시킬 수 있으나, 이를 위해서는 배기가스 배관의 길이를 증가시켜야 한다. 그러나, 선박 내 공간이 협소하여 배관 길이를 증가시키는데 제약이 따르는 문제가 있다.

둘째, 환원제 분해 효율 향상을 위해서는 상기 배기가스의 온도를 증가시키기 위해 별도의 장치를 설치해야하나, 선박 내 공간이 협소하여 문제가 있다.

셋째, 상기와 같은 문제점을 포함하고 있는 종래의 선택적 촉매 환원 시스템은 결국 많은 양의 우레아가 소모되게 되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 우레아 분해 효율 증대 및 질소산화물 저감 효율이 증대된 구조가 개선된 선택적 촉매 환원 반응기를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 설치 공간 상의 제약이 최소화된 구조가 개선된 선택적 촉매 환원 반응기를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 배기가스를 질소와 수증기로 환원시키는 선택적 촉매 환원 반응기에 있어서, 배기가스유입구와 배기가스토출구가 형성된 하우징과, 상기 하우징 내부에 설치되는 촉매와, 상기 하우징의 외측에 설치되되, 공기유입구와 공기토출구가 형성된 히터와, 상기 하우징의 외측에 설치되되, 상기 히터에서 가열된 공기와 환원제가 유입되는 환원제유입구와 상기 하우징 내부로 환원제를 분사하기 위해 상기 배기가스유입구에 인접한 환원제토출구가 형성된 환원제분해챔버를 포함하는 구조가 개선된 선택적 촉매 환원 반응기를 제공한다.

바람직하게, 상기 선택적 촉매 환원 반응기는, 일단이 상기 환원제분해챔버의 환원제토출구와 연통되고, 타단이 폐쇄되며 일정간격으로 환원제 분사홀이 형성된 원통형의 그리드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 원통형의 그리드는 두 개 이상 구비된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 히터는 상기 공기유입구와 공기토출구 사이에 공기가 균일하게 유동될 수 있도록 다수의 공기유동막이 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 선택적 촉매 환원 반응기는 상기 히터의 공기토출구에 인접하여 구비된 온도센서와, 상기 히터를 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도센서에 의해 측정된 공기의 온도가 우레아의 분해 반응 온도 미만일 경우 상기 히터를 가동시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 환원제분해챔버는 상기 환원제유입구와 환원제토출구 사이에 공기가 균일하게 유동될 수 있도록 다수의 환원제유동막이 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 히터는 상기 하우징의 일측면에 구비되고, 상기 환원제분해챔버는 상기 하우징의 타측면에 구비되되, 상기 히터의 공기토출부와 상기 환원제분해챔버의 환원제유입구를 연결하기 위한 연통관을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 우레아의 분해 효율 및 질소산화물 저감 효율이 증대되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 설치 공간상의 제약이 최소화된 구조가 개선된 선택적 촉매 환원 반응기를 제공함에 있다.

도 1은 종래의 선택적 촉매 환원 반응기가 구비된 선박용 동력장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구조가 개선된 선택적 촉매 환원 반응기의 사용상태도.
도 3은 도 2의 구조가 개선된 선택적 촉매 환원 반응기의 사시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조가 개선된 선택적 촉매 환원 반응기의 사시도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 당업자가 이해하는 용어의 일반적인 의미와 동일하고, 만약 본 명세서에서 사용된 용어가 당해 용어의 일반적인 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다.

다만, 이하에 기술될 발명은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것을 아니며, 명세서 전반에 걸쳐서 동일하게 사용된 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

본 발명은 구조가 개선된 선택적 촉매 환원 반응기에 주요한 기술적 특징이 있는 바, 상기 반응기 이외의 엔진을 포함한 선택적 촉매 환원 시스템에 대한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구조가 개선된 선택적 촉매 환원 반응기(100)의 사용상태도이며, 도 3은 도 2의 구조가 개선된 선택적 촉매 환원 반응기(100)의 사시도이다.

선택적 촉매 환원 반응기(100)는 엔진(10)의 배기 가스를 정화하여 배기 가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.

이러한 본 발명의 일실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(100)는 하우징(110), 촉매(120), 히터(130), 환원제분해챔버(140)를 포함한다.

상기 하우징(110)은 질소산화물을 포함한 배기가스가 유입되는 배기가스유입구(111)와 상기 배기가스가 질소와 수증기로 환원처리되어 배출되는 배기가스토출구(112)가 형성된다. 이러한 하우징(110)은 스테인레스 스틸(stainless steel)을 소재로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 촉매(120)는 상기 하우징(110) 내부에 설치된다. 구체적으로, 상기 촉매(120)는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 촉매(120)가 사용될 수 있으며, 촉매(120) 담체를 통해 선택적 촉매 환원 반응기(100)의 내부에 설치된다.

이러한 촉매(120)는 선택적 촉매 환원 반응기(100)의 내부 온도가 섭씨 300도 내지 섭씨 350도 범위 내일 때 촉매(120) 반응이 우수한 촉매(120)가 사용될 수 있다.

한편, 전술한 것과 같이 엔진(10)에서 배출된 배기가스는 섭씨 250도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도를 가질 수 있지만, 배기가스의 온도는 과급기(15)를 거치면서 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만의 온도로 낮아질 수 있다.

따라서, 본 발명은 선택적 촉매 환원 반응기(100)의 온도를 최적화하기 위해, 또한 후술할 환원제분해챔버(140) 내의 화학적 반응을 최적화하기 위해 히터(130)를 포함한다.

상기 히터(130)는 상기 하우징(110)의 외측에 구비되며, 공기유입구(131)와 공기토출구(132)가 형성된다. 도 2 및 도 3처럼 상기 히터(130)가 상기 하우징(110) 일측면 전면에 설치되는 경우, 선택적 촉매 환원 반응기(100)의 보온효과가 증대될 수 있다.

상기 히터(130)는 전기히터 또는 버너로써 구현될 수 있다. 이러한 히터(130)는 상기 공기유입구(131)와 공기토출구(132) 사이에 공기가 균일하게 유동될 수 있도록 다수의 공기유동막(133)이 형성되는 것이 공기 가열의 효율성 측면에서 바람직하다.

또한, 상기 히터(130)에는 온도센서(미도시)가 설치될 수 있다. 상기 온도센서는 상기 공기토출구에 인접하여 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 선택적 촉매(120) 환원 시스템의 구성요소들을 제어하는 제어부(미도시)를 포함하며, 상기 제어부는 상기 온도센서에 의해 측정된 공기의 온도가 우레아 분해 반응 온도 미만일 경우 상기 히터(130)를 가동시킬 수 있다.

바람직하게, 상기 우레아 분해 및 촉매(120)의 활성화를 위해 상기 제어부는 상기 공기토출구(132)에서 배출되는 공기가 약 250도 내지 450도 사이에서 유지될 수 있도록 상기 히터(130)를 제어할 수 있다.

한편, 상기 환원제분해챔버(140)는 상기 하우징(110)의 외측에 구비되며, 상기 히터(130)에서 가열된 공기와 환원제가 유입되는 환원제유입구(141)와 상기 하우징(110) 내부로 환원제를 분사하기 위해 상기 하우징(110)의 배기가스유입구(111)에 인접한 환원제토출구(142)가 형성된다.

구체적으로, 상기 환원제분해챔버(140)의 환원제유입구(141)는 상기 히터(130)의 공기토출구(132)와 연통되며, 별도로 구비된 우레아저장부(59, 도 1 참조)로부터 우레아를 공급받는다.

또한, 도 2 및 도 3에서는 상기 히터(130)와 환원제분해챔버(140)가 상기 하우징(110)의 일측면과 타측면에 구비되므로, 연통관(150)으로써 상기 히터(130)의 공기토출구(132)와 상기 환원제분해챔버(140)의 환원제유입구(141)가 연결된다.

이러한 환원제분해챔버(140)의 가수분해 효율을 향상시키기 위해, 상기 환원제분해챔버(140)는 상기 환원제유입구(141)와 환원제토출구(142) 사이에 공기가 균일하게 유동될 수 있도록 다수의 환원제유동막(143)이 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 환원제분해챔버(140)의 환원제토출구(142)는 상기 하우징(110) 내부로 환원제를 분사한다. 효율적인 환원제 분사를 위해, 본 발명의 선택적 촉매 환원 반응기(100)는 일단이 상기 환원제분해챔버(140)의 환원제토출구(142)와 연통되고, 타단이 폐쇄되며 일정간격으로 환원제분사홀(161)이 형성된 원통형의 그리드(160)를 더 포함할 수 있다.

상기 원통형의 그리드(160)는 두 개 이상 구비되어 환원제 분사를 더욱 효율적으로 수행할 수 있다.

한편, 본 발명은 우레아의 분해 효율 증대 및 질소산화물 저감 효율 증대의 목적을 고려하여 설치 공간 상의 제약이 최소화되는 선택적 촉매 환원 반응기를 제공하는 것에 그 목적이 있는 바, 다음 실시예로써 구현될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조가 개선된 선택적 촉매 환원 반응기(200)의 사시도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조가 개선된 선택적 촉매 환원 반응기(200)는 히터(230)와 환원제분해챔버(240)가 상기 하우징(210)의 일측면에 같이 구비된다. 따라서, 히터(230)의 공기토출구(232)와 환원제분해챔버(240)의 환원제유입구(241)가 직접적으로 연통되어 있으며, 상기 히터(230)는 하우징(210)의 배기가스토출구(212)에 인접하여 구비되며, 상기 환원제분해챔버(240)는 상기 하우징(210)의 배기가스유입구(211_에 인접하여 구비되는 것이 바람직하다.

상기 차이점 이외의 본 발명의 다른 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(200)의 특징은 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 일실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응기(100)의 특징을 포함한다.

이상, 상기 설명에 의해 당업자라면 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이며, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위 및 그와 균등한 범위에 의하여 정해져야 한다.

100, 200: 선택적 촉매 환원 반응기 110, 210: 하우징
120: 촉매 130, 230: 히터
140, 240: 환원제분해챔버 150: 연통관
160, 260: 그리드