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KR101668337B1 - 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치 - Google Patents

선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치 Download PDF

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KR101668337B1
KR101668337B1 KR1020150055666A KR20150055666A KR101668337B1 KR 101668337 B1 KR101668337 B1 KR 101668337B1 KR 1020150055666 A KR1020150055666 A KR 1020150055666A KR 20150055666 A KR20150055666 A KR 20150055666A KR 101668337 B1 KR101668337 B1 KR 101668337B1
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한승한
손경빈
배예나
김낙근
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현대머티리얼 주식회사
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Abstract

본 발명과 관련된 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치는, 배기가스의 흐름에 환원제를 분사하는 노즐과 선택적 촉매환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 반응기 사이에 배치되는 프레임; 상기 프레임의 내측에 설치되고, 상기 환원제를 가수분해시키기 위한 촉매를 갖는 복수의 가수분해촉매모듈; 및 상기 복수의 가수분해촉매모듈의 사이에 설치되고, 상기 배기가스와 상기 환원제가혼합될 수 있게 형성된, 믹서부를 포함한다.

Description

선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치{HYDROLYSIS APPARATUS FOR TREATING EXHAUST GAS IN SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM}
본 발명은 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치에 관한 것이다.
선박의 배기가스 규제는 비교적 최근에 이르러서 국제해사기구(IMO) 및 선진국을 중심으로 실질적인 대책마련이 활발하게 진행되고 있다. 배기가스 중 질소산화물(NOx)의 처리분야에서는 연소 온도를 낮추어 질소 산화물을 저감하는 배기가스재순환 방식(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 등 여러 방식들이 제안되어 왔으나, 성능, 안전성 및 경제성이 검증된 선택적 촉매환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 시스템이 각광받고 있다. 선택적 촉매환원 시스템은 촉매 반응기를 포함하며, 촉매는 질소화합물(NOx)이 암모니아(NH3)가 섞인 배기가스가 환원반응을 통하여 대기의 구성물질인 질소(N2)와 물(H2O)로 변환되어 배출되도록 유도한다.
선택적 촉매환원 시스템의 환원제로서 우레아(Urea)는 암모니아(NH3)를 사용하는 것에 비해 안정성과 취급성이 우수하므로 암모니아 대신 많이 사용된다. 이경우, 우레아는 암모니아의 공급원으로 기능하게 되며, SCR 반응기에서 암모니아로 변환될 수 있도록 가수분해 과정을 거치게 된다. 가수분해 수율을 높이기 위해 SCR 반응기의 전방에는 가수분해 촉매가 별도로 장착되기도 한다. 우레아는 노즐을 통하여 배기관에 공급되어 엔진으로부터 나온 배기가스와 함께 SCR 반응기로 보내어진다. 그런데, 분사된 우레아는 배기가스에 균일하게 섞이기 어려우므로, 배기관 내부 또는 배기관의 주위에는 우레아와 배기가스를 균일하게 혼합할 수 있도록 고안된 믹서가 장착된다. 이외에도, 선박 등의 배기가스 처리장치에는 저급 연료에서 발생하는 입자물질을 제거하기 위한 필터 또는 수트 블로어(soot blower)도 포함되는 경우가 많다.
그러나, 자동차와 달리 선박 또는 플랜트 등 초대형 엔진에는 배기가스의 배출량도 급증하므로 선택적 촉매환원 시스템의 규모도 그만큼 증가하게 된다. 더욱이, 선박과 같이 설치장소가 제한적이거나 협소한 상황에서 우레아 노즐, 가수분해촉매 또는 믹서 등을 다른 부품과 함께 모두 장착하는 것이 쉽지 않으며, 설계의 제약을 받게 된다.
본 발명은 상기한 점을 감안한 것으로, 노즐에서 분사된 우레아가 배기가스와 섞이면서 바로 가수분해 촉매를 통과하도록 함으로써 배기가스의 유동 및 우레아 농도의 균일성을 향상시키며, 설치공간을 절약하고 효율성을 높이는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명과 관련된 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치는, 배기가스의 흐름에 환원제를 분사하는 노즐과 선택적 촉매환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 반응기 사이에 배치되는 프레임; 상기 프레임의 내측에 설치되고, 상기 환원제를 가수분해시키기 위한 촉매를 갖는 복수의 가수분해촉매모듈; 및 상기 복수의 가수분해촉매모듈의 사이에 설치되고, 상기 배기가스와 상기 환원제가 혼합될 수 있게 형성된, 믹서부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 환원제는 우레아(Urea)를 포함하고, 상기 가수분해촉매모듈은 상기 우레아를 가수분해시켜 암모니아(NH3)를 생성시킬 수 있게 구성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 프레임은, 상기 배기가스의 배관과 연결될 수 있게 형성된 하우징; 상기 하우징 내에 설치된 지지체; 및 상기 지지체 상에 상기 가수분해촉매모듈을 설치할 수 있게 형성된 복수의 설치칸부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 설치칸부는 상기 가수분해촉매모듈이 상기 배기가스의 흐름 방향과 평행하게 슬라이드되어 탈착될 수 있게 통형으로 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 하우징은 원통형으로 형성되고, 상기 믹서부는 상기 하우징의 중심에 배치되며, 상기 복수의 가수분해촉매모듈은 상기 믹서부의 주위에 3~6개가 배치될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 복수의 설치칸은 상기 하우징 및 상기 믹서부에 대해 외접하도록 용접에 의해 접합될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 믹서부는 상기 프레임의 중심에서 반경방향으로 배기가스의 흐름이 벌어져 갈라질 수 있게 복수의 블레이드를 갖는 형태로 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치는, 상기 프레임의 일측에 형성되고, 상기 믹서부 및 상기 가수분해촉매 모듈의 유지 또는 보수를 위한 점검창을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치에 의하면, 가수분해촉매모듈의 사이에 믹서부를 함께 같은 프레임 내에 둠으로써, 믹서부를 장착하기 위한 별도의 공간을 절약할 수 있으며, 우레아의 가수분해를 촉진시키고 배기관 내의 유동 및 농도균일도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명과 관련된 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치(100)의 개략적인 모습을 보인 측면도
도 2a는 도 1의 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치(100)의 정면도
도 2b는 본 발명과 관련된 다른 예에 따른 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치(100')의 정면도
도 3은 본 발명과 관련된 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치(100)의 프레임(110)의 구성을 설명하기 위한 개념도
도 4는 본 발명과 관련된 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치(100)의 일 운용모습을 설명하기 위한 개념적 사시도
이하, 본 발명과 관련된 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명과 관련된 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치(100)의 개략적인 모습을 보인 측면도이고, 도 2a는 도 1의 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치(100)의 정면도이다.
본 발명과 관련된 가수분해 촉진장치(100)는 선박이나 플랜트 등과 같은 대형 엔진의 선택적 촉매환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 시스템을 구성하기 위한 일부 요소로 사용될 수 있다. 구체적으로, 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치(100)는, 프레임(110)과, 프레임(110) 내에 설치된 복수의 가수분해촉매모듈(120) 및 복수의 가수분해촉매모듈(120)의 사이에 설치된 믹서부(130)를 포함할 수 있다. 프레임(110)은 배기가스의 흐름에 환원제를 분사하는 노즐(102)과 선택적 촉매환원 반응기(103)의 사이에 배치된다.
본 예에서의 선택적 촉매환원 시스템에 사용될 있는 환원제는 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물(NOx)을 선택적 촉매환원 반응기(103)를 통하여 질소(N2)와 물(H20)로 변환할 수 있는 것으로서, 액상의 우레아(Urea)가 사용될 수 있다. 여기서 우레아는 선택적 촉매환원 반응기(103)에 암모니아(NH3)를 공급하기 위한 원료이며, 본 발명과 관련된 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치(100)는 우레아의 가수분해를 촉진시키고 균일한 유동과 농도를 제공할 수 있게 구성된다.
가수분해촉매모듈(120)은 환원제인 우레아를 가수분해시킬 수 있는 촉매(Hydrolysis Catalyst) 및 담체를 갖는 것으로 믹서부(130)의 주위에 복수 개로 형성될 수 있다. 믹서부(130)는 복수의 가수분해촉매모듈(120)의 사이에서 배기가 스와 환원제가 혼합될 수 있도록 한다. 믹서부(130)와 가수분해촉매모듈(120)은 하나의 프레임(110) 내에서 배기가스가 균일한 유동과 농도를 갖는 암모니아 가스의 혼합체가 될 수 있도록 유도한다. 즉, 복수의 가수분해촉매모듈(120)과 믹서부(130)는 하나의 프레임(110) 내에 설치된 '단일'한 모듈을 구성하는 것으로, 배기가스의 흐름에 대하여는 선택적 촉매환원 반응기(103)의 상류에서 분사된 환원제를 암모니아로 분해하고 유동을 변환시키는 것을 '동시'에 수행시킨다.
구성면에서, 프레임(110)은 배기가스의 배관(101)과 연결될 수 있게 형성된 하우징(111)과, 하우징(111) 내에 설치된 지지체(113) 및 지지체(113) 상에 가수분해촉매모듈(120)을 설치할 수 있게 형성된 복수의 설치칸부(115)를 포함할 수 있다.
하우징(111)은 배관(101)과 플랜지(112)에 의해 결합될 수 있다. 그에 따라, 본 발명과 관련된 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치(100)는 플랜지(112)를 통하여 일체로 결합하거나 교체 또는 보수시 일체로 분리할 수 있다.
지지체(113)는 가수분해촉매모듈(120)를 지지하는 것으로서, 배기가스가 가수분해촉매모듈(120)로 통과될 수 있도록 배기가스의 흐름에 대하여는 차단판으로서 기능할 수 있다. 이때, 지지체(113)의 전방에는 배기가스의 유동이 분산 및 혼합될 수 있도록 베인(vane) 형태의 가이드(114)가 구비될 수 있다. 도 2b는 가이드(114)가 포함된 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치(100')을 도시한 것으로, 베인 형태의 가이드(114)는 중심측에 배치된 믹서부(130)와 조합되어 유동의 균질성을 향상시킬 수 있다.
믹서부(130)는 프레임(110)의 중심에서 반경방향으로 배기가스의 흐름이 벌어져 갈라질 수 있게 복수의 블레이드(131)를 갖는 형태로 형성될 수 있다. 이러한 블레이드(131)는 배관(101)의 중심으로 집중되는 유동이 원심방향으로도 향하도록 함(swirl 효과)으로써 유동의 분산을 돕고, 우레아의 농도와 유동이 균일해질 수 있게 한다.
프레임(110)의 일측에는 믹서부(130) 및 가수분해촉매모듈(120)의 유지 또는 보수를 위한 점검창(140)이 포함될 수 있다. 이러한 점검창(140)은 가수분해촉매모듈(120)의 상태확인 및 분리 또는 교체가 가능한 정도의 공간의 확보가 가능하도록충분한 폭 또는 위치를 가질 수 있다.
도 3은 본 발명과 관련된 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치(100)의 프레임(110)의 구성을 설명하기 위한 개념도이고, 도 4는 본 발명과 관련된 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치(100)의 일 운용모습을 설명하기 위한 개념적 사시도이다.
이들 도면에 도시된 것과 같이, 하우징(111)은 원통형 또는 으로 형성될 수 있으며, 믹서부(130)는 하우징(111)의 중심에 배치되어 있고, 복수의 가수분해촉매모듈(120)은 믹서부(130)의 주위에 방사형으로 배치되어 있다. 가수분해촉매모듈(120)의 수는 3 ~ 6 정도일 수 있으나, 믹서부(130)를 둘러싸는 도넛과 같은 단일한 형태도 가능하다. 도 1 내지 도 4에서는 4개(제1가수분해촉매모듈(120A), 제2가수분해촉매모듈(120B), 제3가수분해촉매모듈(120C) 및 제4가수분해촉매모듈(120D))가 배치된 것을 보인다.
가수분해촉매모듈(120) 및 믹서부(130)는 배기가스의 흐름에 대하여는 거의 수직인 배치를 가질 수 있다. 다만, 이외에도 제1가수분해촉매모듈(120A) 내지 제4가수분해촉매모듈(120D)은 그들간에 경사각을 갖거나, 배관(101)의 중심축에 대해 평행하지 않는 동일한 배열축을 가질 수 있다. 전자의 예로서, 제1가수분해촉매모듈(120A) 내지 제4가수분해촉매모듈(120D)는 배관(101)의 중심축에 대해 하류방향으로 갈수록 유동이 퍼지는 쪽으로 가이드될 수 있도록 플래어 형태로 형성될 수 있다. 후자의 예로서, 제1가수분해촉매모듈(120A) 내지 제4가수분해촉매모듈(120D)은 그 자체로 유동에 회전모멘트를 줌으로써(swirl), 유동의 분산효과를 높일 수있다. 한편, 제1가수분해촉매모듈(120A) 내지 제4가수분해촉매모듈(120D)는 플랜지(112)에 대해 상이한 거리를 가짐으로써 배기가스의 혼합효과를 높일 수도 있다.
도 3와 같이, 가수분해촉매모듈(120)을 지지하기 위한 설치칸부(115)는 통형으로 형성되어 있으며, 하우징(111) 및 믹서부(130)에 대해 외접하도록 용접고정부(117)에 의해 접합될 수 있다.
도 4는 설치칸부(115)가 가수분해촉매모듈(120)이 배기가스의 흐름 방향과 평행하게 슬라이드되어 탈착될 수 있게 형성된 것을 보인다. 이와 같은 가수분해촉매모듈(120)의 장착 구조는 개별적인 촉매의 상태에 따라 보수 또는 교체가 필요한 것만 선택적으로 작업할 수 있으므로 편의성 및 비용 면에서 우수하다.
상기와 같이 설명된 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치는 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용되지 않는다. 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100: 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치
101: 배관 102: 노즐
103: SCR 반응기 110: 프레임
111: 하우징 112: 플랜지
113: 지지체 114: 가이드
115: 설치칸부 120: 가수분해촉매모듈
130: 믹서부 131: 블레이드
140: 점검창

Claims (8)

  1. 배기가스의 흐름에 우레아(Urea)를 포함하는 환원제를 분사하는 노즐과 선택적 촉매환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 반응기 사이에 배치되는 프레임;
    상기 프레임의 내측에 설치되고, 상기 우레아를 가수분해시켜 암모니아(NH3)를 생성시킬 수 있게 구성된 촉매를 갖는 복수의 가수분해촉매모듈; 및
    상기 복수의 가수분해촉매모듈의 사이에 설치되고, 상기 배기가스와 상기 환원제가 혼합될 수 있게 형성된, 믹서부를 포함하고,
    상기 프레임은,
    상기 배기가스의 배관과 연결될 수 있게 형성된 하우징;
    상기 하우징 내에 설치된 지지체; 및
    상기 지지체 상에 상기 가수분해촉매모듈을 설치할 수 있게 형성된 복수의 설치칸부를 포함하며,
    상기 설치칸부는 상기 가수분해촉매모듈이 상기 배기가스의 흐름 방향과 평행하게 슬라이드되어 탈착될 수 있게 통형으로 형성되고,
    상기 하우징은 원통형으로 형성되고,
    상기 믹서부는 상기 하우징의 중심에 배치되며,
    상기 복수의 가수분해촉매모듈은 상기 믹서부의 주위에 3~6개가 배치된, 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 설치칸부는 상기 하우징 및 상기 믹서부에 대해 외접하도록 용접에 의해 접합된, 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 믹서부는 상기 프레임의 중심에서 반경방향으로 배기가스의 흐름이 벌어져 갈라질 수 있게 복수의 블레이드를 갖는 형태로 형성된, 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해 촉진장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 프레임의 일측에 형성되고, 상기 믹서부 및 상기 가수분해촉매 모듈의 유지 또는 보수를 위한 점검창을 더 포함하는, 선택적 환원촉매 시스템의 가수분해촉진장치.
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Citations (4)

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