KR20110101277A - 디젤엔진 배기가스 배출장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제1 디젤산화촉매모듈, 촉매화 디젤미립자 모듈, 상기 촉매화 디젤미립자 모듈로부터 배기가스 하류에 직렬 배치되는 SCR 모듈이 직렬 배치되는 디젤엔진 배기 배출장치에 있어서, 촉매화 디젤미립자 모듈 및 SCR 모듈 사이에 제2의 DOC 모듈이 장착된 것을 특징으로 하는 디젤엔진 배기가스 배출장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 디젤엔진 배기가스 후처리장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 디젤엔진 배기가스 정화능력, 특히 질소산화물 정화능력이 개선되고, 후처리장치 DPF 모듈에 로딩되는 귀금속 함량을 줄일 수 있는 배기가스 배출장치에 관한 것이다.
디젤엔진은 고유의 높은 열효율 (즉, 우수한 연료 경제성) 및 저속에서의 높은 토크 (torque)로 인하여 운송수단 (vehicle)의 동력장치로서 우수한 유용성을 가지며, 디젤엔진은 매우 연료가 희박한 조건하에서 높은 A/F (공기 대 연료) 비에서 구동한다. 이러한 이유로 디젤엔진은 탄화수소 및 일산화탄소 전환율은 우수하나, 디젤 배기가스에는 특히 질소 산화물 (NOx) 및 미립자의 방출이 높다. 질소산화물 (NOx) 및 미립자 양자는 무해성분으로 전환시키기 어려운 디젤 배기가스 성분이나, 최근에 환경문제와 관련되어 이들 방출 기준이 매우 높아지고 있다.
미립자를 감소시키기 위한 후처리 기술 중 관심의 대상은 촉매화 슈트 필터(Catalyzed Soot Filter, CSF)라고도 칭하는, 촉매화 디젤미립자 필터 (Catalyzed Diesel Particulate Filter, CDPF 또는 DPF)이다. 개략적으로 설명하면, 이들 필터는 배기가스 미립자를 포집 및 재생하기 위한 구성으로, 일차적으로 미립자 포집을 위하여 허니컴 월-풀로우 (honeycomb wall-flow) 필터를 포함하여, 디젤 배기가스로부터 미립자를 포집하는데 사용될 수 있는 다수의 공지된 필터 구조물이 있고 (도 3), 필터에 포집되어 축적된 미립자는 연속적으로 또는 주기적으로 필터로부터 연소(재생)되어야 하므로, 이에 필요한 연소 온도를 저하시키는 수단으로 촉매가 제공되어 촉매화 디젤미립자 필터를 구성하여, CDPF 또는 CSF는 축적되는 미립자의 수동적 (passive) 연소 및 이에 따른 필터 재생과 함께 90％ 이상의 미립자 감소를 효과를 얻을 수 있다. DPF에서 축적된 탄소 미립자는 550℃에서 연소되지만, NOx의 존재 하에서는 250℃에서도 탄소 미립자가 산화될 수 있다. 따라서, 재생온도를 낮추기 위한 NOx 생성을 위하여, DPF에는 디젤엔진에서 배출되는 배기가스로부터 질소산화물을 NO2로 산화시키기 위한 귀금속 예를들면 Pt 및/또는 Pd이 로딩된다. 이와 더불어 DPF 전단에 통상 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC)라고 칭하는 모듈이 장착될 수 있으며, 디젤엔진 배출가스가 상기 DOC를 통과하면 HC (탄화수소) 및 CO를 산화시키면서 동시에 후단에 장착되는 DPF 재생연소온도를 낮출 수 있는 NO2를 부산시킬 수 있다.
공지된 바와 같이, 디젤엔진 배출가스 중, 질소산화물 제거를 위한 다양한 방안이 모색되고 있다. 선택적 촉매환원방식 (Selective Catalytic Reduction, SCR) 또는 질소산화물 흡착 (Lean NOx Trap, LNT) 촉매시스템이 언급될 수 있으나, 본 발명은 SCR 모듈이 장착된 시스템에 관련된 것이다. 특히 SCR 시스템 중에서도 요소-SCR 모듈이 포함된 장치에 관한 것이며, 이는 요소를 배출가스 상류에 분무하면 요소는 가수분해 촉매에 의해 암모니아를 형성하며, 암모니아는 질소산화물 (NO, NO2)을 환원시켜 무해한 질소성분을 생성한다.
도 1은 종래 DOC, DPF 및 SCR 배열의 후처리장치 일례를 도시한 것이다. 본원에서 기술되지는 않지만, 요소-SCR 모듈에 있어서 암모니아가 과다하게 생성되어 대기 중으로 배출되는 현상 (암모니아 슬립)을 방지하기 위하여 SCR 모듈 후단에 암모니아 산화촉매가 별도로 장착될 수 있음은 물론이다.
본 발명자들은 두 가지 측면에서 상기 종래 시스템에 문제점이 있음을 확인하였다. 첫째,DPF에 로딩되는 귀금속들은 DPF 재생 연소온도 저하에 크게 기여하지 않는 점이다. 즉, DPF 재생 온도를 낮추기 위하여 필수적인 NO2 성분 자체 생성을 위하여 실질적으로 상당한 귀금속 함량이 DPF에 로딩됨에도 불구하고, DPF 재생온도는 크게 저하되지 않는다는 것이다. 이는 DPF에서 생성되는 NO2는 탄소 미립자와 접촉되기 전에 배기가스와 함께 DPF 모듈을 빠져 나가는 것으로 이해된다. 이러한 관찰을 통하여 종래 시스템 DPF에서는 불필요하게 고가의 귀금속이 로딩되어 있는 것이다.
한편, 요소-SCR 모듈에서 최적의 질소산화물 환원반응을 유도하기 위하여 NO2/NOx 공급비율은 중요한 반응 효율인자인 것을 확인하였다. 즉, NO2/NOx 비율이 소정의 비율에 도달될 때 SCR 모듈은 200-350℃에서 최적의 활성을 보인다.
본 발명자들은 이러한 두 가지 상반된 측면들이 상호 연동되어 종래 시스템이 적용되고 있음을 확인하였다. DPF에서 생성되는 NO2는 실질적으로 DPF 재생에는 크게 기여하지 않지만 후단에 SCR 모듈에서 요청되는 NO2 생성에는 기여하는 등의 상호 상반되는 연관 작용을 확인하였다. 그러나, 통상 DPF 모듈 부피는 후처리장치에서 가장 크다는 점을 고려할 때, DPF에서 소요되는 고가의 귀금속 함량을 줄이면서도 SCR 반응을 최적으로 유도할 수 있는 새로운 수단이 요망된다.
본 발명은 디젤엔진 배기가스 정화능력, 특히 질소산화물 정화능력이 개선되면서도 DPF 모듈에 로딩되는 고가의 귀금속 함량을 감소시킬 수 있는 디젤엔진 배기가스 배출장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 SCR 모듈에 의한 최적의 질소산화물 환원을 유도할 수 있는 디젤엔진 배기시스템을 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 DPF 모듈에 적용되는 귀금속함량을 줄일 수 있는 디젤엔진 배기시스템을 달성하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1 DOC 모듈 및 DPF 모듈 및 SCR 모듈이 배기가스 흐름 방향으로 직렬 배치된 디젤엔진 배기가스 배출장치에 있어서, 상기 DPF 모듈 하류 및 SCR 모듈 상류에 제2 DOC 모듈이 더욱 장착된 것을 특징으로 하는, 디젤엔진 배기가스 배출장치를 제공한다. 제한적이지는 않지만, 상기 SCR 모듈 하류에 암모니아 산화촉매모듈이 더욱 장착될 수 있다. 본 발명에서 SCR 모듈은 요소-SCR로 기술되지만 이에 국한되지 않고 HC-SCR 모듈도 고려될 수 있다. 요소-SCR 모듈이 설정되는 경우, 제2 DOC 및 요소-SCR 모듈 사이에 요소-분사 수단이 장착된다.
본 발명에 의한 제2 DOC 모듈이 장착된 디젤엔진 배기시스템은 배기가스 중에 NO2 생성을 통하여 NO2/NOx 비율을 최적 비율로 달성함으로써 하류에 위치하는 SCR 모듈 작동을 최적화할 수 있으며, 제2 DOC 모듈이 장착됨에 따라 DPF 재생 온도 저하에 크게 기여하지 못하는 DPF 로딩 귀금속 함량을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 DOC, DPF 및 SCR 배열의 일례를 도시한 것이고,
도 2는 본 발명에 의한 디젤엔진 배기시스템을 도시한 것으로, 제1 DOC, DPF, 제2 DOC 및 SCR 배열을 간략하게 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에서 적용되는 DPF 구조체 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 디젤엔진 배기시스템을 도시한 것으로, 제1 DOC, DPF, 제2 DOC 및 SCR 배열을 간략하게 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에서 적용되는 DPF 구조체 개략도이다.
본 발명에 의한 배기가스 배출장치는 도 2에 도시된 바와 같다. 즉 제1 DOC-DPF-제2 DOC-SCR 모듈 배열을 가지는 시스템이다. 상기된 바와 같이 SCR 모듈 후단에 장착될 수 있는 암모니아 슬립 방지를 위한 모듈은 도시되지 않았다.
본원에서 배기가스 '하류'라 함은, 일 기준 요소에 대하여 배기가스 흐름 방향을 언급하는 것이다. '모듈'이라 함은 하나의 기능을 수행하기 위한 최소 단위의 장치를 의미하는 것으로, 예를 들면 'DPF 모듈'이라 함은 디젤엔진에서 배출되는 입자를 포집하여 필요한 경우 재생 기능을 수행하기 위한 필터 장치를 의미하는 것이고, 'SCR 모듈'이라 함은 NOx를 제거하기 위한 소위 SCR 촉매가 코팅된 캐리어를 의미하는 것이다.
본 발명에 의한 실시예에 의하면, 본 발명에 의한 배출장치는, 제1 디젤산화촉매모듈, 촉매화 디젤미립자 모듈, 상기 촉매화 디젤미립자 모듈로부터 배기가스 하류에 직렬 배치되는 SCR 모듈이 직렬 배치되는 디젤엔진 배기 배출장치에 있어서, 촉매화 디젤미립자 모듈 및 SCR 모듈 사이에 제2의 DOC 모듈이 장착된 것을 특징으로 한다.
이하 각 요소들을 상세하게 기술한다.
1) 제1 디젤산화촉매 모듈 (Diesel Oxidation Catalyst, DOC)
당 분야에 공지된 바와 같이 DOC는 디젤엔진에서 배출되는 HC 및 CO를 저감시키며, 생성된 NO2를 이용하여 DPF의 재생연소온도를 낮추는 산화촉매가 코팅되어 구성되는 모듈이다. 통상 백금 및/또는 팔라듐이 담체에 로딩되고 다공질의 코디어라이트 세라믹 캐리어에 코팅된 구조체이다.
2) 촉매화 디젤미립자모듈 (Catalyzed Diesel Particulate Filter, CDPF, 또는 DPF)
통상 디젤미립자모듈은 디젤엔진에서 배출되는 입자상 물질(PM)을 포집하기 위한 필터이며, 세라믹 모노리스필터(Ceramic Monolith Filter), 세라믹 파이버 필터(Ceramic Fiber Filter), 금속필터 (Sintered Metal Filter) 등 다수의 공지된 필터구조물이 있으나, 가장 바람직한 모듈로는 다공질의 코디어라이트 세라믹으로 구성된 세라믹 벽면-유동필터라고도 하는 세라믹 모노리스 필터이며, 모듈 채널입구 및 출구가 교대로 막혀 있으며, 입구에서 유입된 배출가스는 출구가 막혀 있으므로 다공질벽을 통과하여 이웃 채널 출구로 빠져나가게 되며, 이때 입자상 물질은 유입된 채널에 포집되는 구조이다. 도 3에 세라믹 모노리스 입구 정면도 및 배기가스 흐름 방향 단면도가 도시되어 있다. 벽면의 다공질 크기는 포집 입자 크기 및 엔진 배압에 직접적인 영향을 주기 때문에 모듈 선택에 있어서 중요한 인자이며 대략 10um이며, 이러한 다공질 구조에서 PM 입경 0.01um부터 포집할 수 있으며, PM 저감율은 85% 이상인 것으로 선택된다. 이러한 필터에 포집된 PM은 가능하면 단시간 내에 태워서 필터가 다시 PM을 포집할 수 있도록 하는 재생(regeneration) 과정이 요구되며, 특히 포집된 PM 점화 온도인 550-600℃를 250℃정도까지 낮추기 위하여 필터 채널에 촉매가 적용된 모듈이다.
3) 요소-선택적 촉매 환원 모듈 (Urea Selective Catalyst Reduction, SCR)
TiO2, WO3, MoO3 등이 첨가된 바나듐옥사이드 또는 제올라이트가 코팅된 배기가스 유동 가능한 구조체이다. 본 발명에 있어서 질소산화물 환원제로는 암모니아 및/또는 환원제 전구체로서의 요소(urea)가 적용되며, 고상으로서 및/또는 액상의 요소 용액의 형태로 요소를 첨가하는 것이 바람직하다. 이 경우, SCR 모듈에서 250 내지 450℃ 온도에서, 다음과 같은 주 반응에 의해,NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + H2O, 일산화질소 (NO) 는 이산화질소 (NO2) 및 암모니아 (NH3) 와 반응하여 질소 및 물을 형성한다. 분사된 요소로부터 환원제 암모니아를 제공하는 것은 일반적으로 다단계 반응을 포함하는데, 이 다단계 반응에서 열분해 및/또는 가수분해가 주로 행해진다. 열분해의 경우, 요소((NH2)2CO)는 열적으로 암모니아와 이소시안산 (HCNO) 으로 바뀐다. 그 후 가수분해가 뒤따르는데, 여기서 이소시안산은 물과 반응하여 암모니아와 이산화탄소를 형성한다.
(NH2)2CO → NH3 + HCNO
HCNO + H2O → NH3 + CO2
본원에서 기재된 SCR 모듈에는 상기 가수분해와 열분해 반응을 모두 포함하여 기능하는 이해되어야 한다.
본원에서 상기 종래 구성요소들 외에 DPF 및 SCR 모듈들 사이에 NO2/NOx 비율을 최적으로 조성하기 위한 제2 DOC 모듈이 설치된다.
4) 제2 디젤산화촉매 모듈 (Diesel Oxidation Catalyst, DOC)
상기 제1 디젤산화촉매 모듈과 거의 동일한 구조체 및 조성의 촉매를 포함하나, 제2 DOC 모듈에는 NO2 생성이 SCR 반응에 최적화되도록 촉매 성분 조성이 조절된다. 즉, 제1 DOC 모듈은 통상적으로 HC, CO의 산화 목적을 달성하기 위한 촉매를 포함하지만, 제2 DOC 모듈은 NO의 NO2로의 산화, 이에 따라 SCR 에 진입되는 NO2/NOx 생성비를, 바람직하게는 0.5로 조절하도록 구성된 촉매를 포함한다. 당업자에게 공지된 바와 같이 이러한 목적을 달성하기 위한 DOC는 백금 및/또는 팔라듐이 담체에 로딩되고 다공질의 코디어라이트 세라믹 캐리어에 코팅된 구조체이다. HC 및 CO 산화와는 무관하게 오로지 NO 산화에 제한하여 바람직하게는 SCR로의 공급비율 0.5인 최적의 NO2/NOx 생성비를 얻기 위한 촉매 조성은 당업자에 의해 반복적 실험으로 구현될 수 있다.
이하, 상기 시스템의 작동 과정을 설명한다.
디젤엔진에서 배출되는 배기가스에는 CO, HC, NOx, 입자상물질(PM) 등이 포함된다. 제1 DOC를 통과하면서 CO, HC, NO 물질은 CO2 및 NO2로 산화되며, PM은 DPF에서 포집된다. DPF 재생에 있어, 제1 DOC에서 생성된 NO2로 인하여 DPF에서는 재생온도가 상당히 낮아지면서 입자상물질을 제거할 수 있다. DPF를 빠져나오면서 NO2의 함량이 상대적으로 낮아지나 본원에서 적용된 제2 DOC 모듈로 인하여 NO 산화반응을 통하여 NO2/NOx 생성비율은 최적의 0.5로 조절될 수 있다. 이러한 비율로 NO2/NOx가 요소와 함께 SCR을 통과하면 최적의 선택적인 촉매 환원반응이 가능하여 질소산화물을 질소가스로 환원시킬 수 있는 것이다. 아울러, 본원에서 적용되는 제2 DOC에서 NO2를 생성할 수 있으므로 DPF에서는 NO2 생성이 불필요하며 따라서 상대적으로 적은 함량의 Pt 및/또는 Pd 적용이 가능하므로 전체 시스템에서의 귀금속 사용량을 감소시킬 수 있다.
Claims (2)
- 제1 DOC 모듈 및 DPF 모듈 및 SCR 모듈이 배기가스 흐름 방향으로 직렬 배치된 디젤엔진 배기가스 배출장치에 있어서, 상기 DPF 모듈 하류 및 SCR 모듈 상류에 제2 DOC 모듈이 더욱 장착된 것을 특징으로 하는, 디젤엔진 배기가스 배출장치.
- 제1항에 있어서, 상기 SCR 모듈 하류에 암모니아 산화촉매모듈이 더욱 장착된 것을 특징으로 하는, 디젤엔진 배기가스 배출장치.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102900500A (zh) * | 2012-09-27 | 2013-01-30 | 三一重工股份有限公司 | 一种发动机后处理系统及发动机、车辆 |
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| KR101497470B1 (ko) * | 2013-07-12 | 2015-03-02 | 삼성중공업 주식회사 | 선박용 배기가스 처리장치 및 배기가스 유해물질 동시 저감 시스템 |
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2010
- 2010-03-08 KR KR1020100020190A patent/KR20110101277A/ko not_active Withdrawn
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Legal Events
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Comment text: [Withdrawal of Procedure relating to Patent, etc.] Withdrawal (Abandonment) Patent event code: PC12021R01D Patent event date: 20160304 |
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