[논문]DPF 재생을 위한 버너-산화촉매 복합 적용

심성훈; 정상현

DPF 재생을 위한 버너-산화촉매 복합 적용
Combined Application of Burner and Oxidation Catalyst for Diesel Particulate Filter Regeneration 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.15 no.3, 2010년, pp.25 - 31

심성훈 (한국기계연구원 신재생청정시스템연구실) , 정상현 (한국기계연구원 신재생청정시스템연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Combined technique of burner and DOC has been used for regeneration of Diesel Particulate Filter. Experiments has been performed to increase the temperature of engine exhaust gas to burn the collected soot in DPF at all conditions of operation of 3 liter diesel engine. Ignition temperature of soot can be successfully obtained by heats of burner flame and residual fuel oxidation at diesel oxidation catalyst even in the condition of oxygen deficiency. It is found that the load of air compressor and heat loss can be reduced to the level of practical application. It is also found that CO and THC emissions are not increase by additional combustion of regeneration burner.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 앞에서 설명한 바와 같이 버너와 DOC를 복합적으로 사용하는 방식을 적용하였다. Fig.
그러나 이런 낮은 농도의 산소라도 산화촉매를 이용하면 산화제로 사용할 수 있다는 점에 착안하여 본 연구에서는 버너와 산화촉매를 복합하여 버너를 이용하여 엔진배기가스의 온도를 산화촉매의 활성온도까지만 상승시키고 매연의 산화온도까지는 산화촉매를 이용하여 상승시키는 방법을 적용하였다. 본 논문은 이전의 연구에 화염안정성과 연소특성을 주로 발표한 DPF재생용 버너[10,11]를 개선한 후속 연구로 버너-산화촉매를 조합한 복합 DPF재생방식을 적용한 실험결과를 요약하였다.
지금까지의 재생용 버너는 거의가 정지시나 공회전시에만 사용하여야 하는 문제점을 안고 있었다[6-8]. 본 연구에서는 엔진의 모든 운전조건, 즉 엔진 회전수나 부하 변동의 어느 조건에서도 안정된 연소화염을 유지할 수 있는 재생용 버너를 개발하는 것이 목적이다.

제안 방법

본 연구에서는 엔진동력계에 장착된 국내 K사의 3,000 cc급 디젤엔진을 사용하여 엔진 회전수와 부하변화의 전 조건에서 버너-DOC 복합 재생장치의 성능을 분석하였다. Fig. 5에서 보는 바와 같이 엔진의 배기관에 버너, DOC 및 DPF를 연결하여 버너 및 DOC에 의한 배기가스의 온도 및 조성의 변화를 추적하였다. 엔진동력계는 회전수와 부하가 제어실에서 별도로 이루어지며, 배가스의 조성은 DPF의 후단에서 O₂, CO 및 THC를 측정 분석하여 엔진의 원배기와 비교하였다.
일반적으로 연소가 이루어지기 위해서는 공기 중의 산소함유율이 15% 이상이 되어야 하는 것으로 알려져 있으므로 엔진 배기가스 중에 함유된 산소를 연소에 이용하기에는 어려운 조건이 많다. 그러나 이런 낮은 농도의 산소라도 산화촉매를 이용하면 산화제로 사용할 수 있다는 점에 착안하여 본 연구에서는 버너와 산화촉매를 복합하여 버너를 이용하여 엔진배기가스의 온도를 산화촉매의 활성온도까지만 상승시키고 매연의 산화온도까지는 산화촉매를 이용하여 상승시키는 방법을 적용하였다. 본 논문은 이전의 연구에 화염안정성과 연소특성을 주로 발표한 DPF재생용 버너[10,11]를 개선한 후속 연구로 버너-산화촉매를 조합한 복합 DPF재생방식을 적용한 실험결과를 요약하였다.
디젤엔진의 매연을 포집한 DPF를 모든 주행조건에서 재생시킬 수 있는 재생장치로써 버너-DOC 복합재생방안을 제안하였으며, 실험 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
이때 버너에서는 DPF에 포집된 매연의 착화온도 이상으로 배기가스를 가열할 수 있는 정도의 연료가 공급되기 때문에 연소되지 않은 나머지 연료는 DOC로 유입되어 산화되면서 DPF 전단에 도달하는 배기가스의 온도를 매연의 착화온도인 600∼650℃ 이상으로 승온시킬 수 있도록 구성한 것이다. 배기가스의 온도는 버너 전단(T_uBurner), 버너 후단(=DOC전단, T_dBurner), DPF전단(T_uDPF) 및 DPF후단(T_dDPF)에서 각각 측정하였다.
버너와 DOC의 복합재생에 따른 엔진 배기가스 조성의 변화를 확인하기 위하여 DPF후단에서 측정 분석을 수행하였으며 그 결과 중 일부를 Fig. 9에 도시하였다. Fig.
본 연구에서는 본 재생장치를 3,000 cc급 1톤 트럭에 탑재하여 시내 주행 실험을 하였으며 그 결과를 Fig. 11에 도시하였다. 이 결과에서 보면 운행조건에 따라 DPF 전단의 온도 상승 및 하강이 매우 빠르게 변화하고 있음을 알 수 있으며 전반적으로 650℃의 제어에 무리없이 추종하고 있음을 보여준다.
본 연구에서는 엔진동력계에 장착된 국내 K사의 3,000 cc급 디젤엔진을 사용하여 엔진 회전수와 부하변화의 전 조건에서 버너-DOC 복합 재생장치의 성능을 분석하였다. Fig.
5에서 보는 바와 같이 엔진의 배기관에 버너, DOC 및 DPF를 연결하여 버너 및 DOC에 의한 배기가스의 온도 및 조성의 변화를 추적하였다. 엔진동력계는 회전수와 부하가 제어실에서 별도로 이루어지며, 배가스의 조성은 DPF의 후단에서 O₂, CO 및 THC를 측정 분석하여 엔진의 원배기와 비교하였다. 사진에서 버너의 화염은 경유를 기화하여 연소하므로 거의가 투명한 청염인 깨끗한 화염이 형성되고 있음을 볼 수 있다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 디젤엔진은 국내 K사의 3,000 cc급 상용엔진으로 본 엔진의 회전수 및 부하조건의 변화에 따라 배기가스의 온도 및 산소농도의 변화를 먼저 확인하였다. 다음의 그림 Fig.

성능/효과

1) 엔진의 운전조건에 따라 엔진 배기 중의 잔류 산소농도는 7%에서 17%까지 변화하였으며 잔류산소농도 약 12% 이하에서는 필요한 연료량의 연소가 불가능하였으며 DOC를 이용한 복합재생이 필요하였다.
2) 버너의 연소 화염만으로 엔진 배기를 가열하는 경우에는 운전조건에 따라 연소를 유지할 수 없는 조건이 발생하고 연료의 연소를 위한 추가 공기의 공급량 증가 및 열손실이 발생하므로 버너로는 DOC의 활성온도까지만 가열하고 DOC에 추가 연료를 공급하여 산화열을 이용하여 가열하는 것이 효율적이라는 결론을 얻었다.
3) 재생장치로 인한 DPF후단의 배기가스의 조성은 CO는 오히려 저감되었으며, NOx는 엔진 배기가스의 농도 유지, THC는 운전 초기에 다소 상승하였다가 즉시 저감되어 재생장치로 인한 배기가스 조성의 악화는 없을 것으로 판단되었다.
부하율 100%에서는 버너에서 화염이 없이 DOC만으로 DPF전단의 온도를 매연의 산화온도 이상으로 가열하였음을 알 수 있다. 결과적으로 버너의 화염이 유지될 수 있는 조건이라 하더라도 연소용 공기의 가열에 추가로 열이 소모되므로 버너는 DOC의 활성온도까지만 상승시키고 나머지 부분은 DOC의 산화발열에 의해 상승시키는 것이 에너지 절감 및 연소용 공기 공급용 압축기의 용량 축소 등 경제적인 측면에서 효과적이다.
따라서 버너에서는 압축기를 통해 추가로 공급된 공기량에 대한 연료량만을 연소시키고 나머지는 DOC에서의 산화발열을 통해 DPF전단의 온도를 만족시키는 것이다. 또한, 부하율 100%에서는 버너 전단의 온도가 DOC의 활성온도를 상회하고 있고 잔류 산소의 농도는 더욱 감소하여 7% 이하의 수준에 있으므로 버너에서 화염을 형성시키지 않고 연료만을 기화시켜 DOC에 공급함으로써 DPF전단의 온도를 매연의 산화온도 이상으로 상승시킬 수 있음을 확인하였다.
본 연구에 사용된 산화촉매의 활성온도가 300∼350℃ 이상이므로 이 영역에서는 버너를 사용하지 않고도 산화촉매에 연료와 산화제만 공급해줌으로써 DPF전단의 온도를 매연의 착화온도인 600～650℃ 이상으로 상승시킬 수 있는 것이다.
10에는 엔진 동력계 실험에서 일정시간 동안 속력을 일정하게 유지하는 정속주행 중에 재생 장치를 가동하여 배기가스의 온도를 일정하게 유지하는 실험 결과를 도시하였다. 이 결과에서 보는 바와 같이 버너-DOF 복합재생장치 후단의 온도 즉, DPF전단의 온도는 주행속도의 변화에 잘 추종하여 실험 조건의 전 구간에서 650℃ 이상으로 거의 일정하게 유지되고 있음을 알 수 있다. 그러나 실제 주행에서는 이와 같이 정속운전이 거의 이루어지지 않으며 특히 시내 주행에서는 교통 체증, 신호기, 도로의 경사도 등, 도로의 여건에 따라 매우 변수가 많으므로 적절한 제어가 이루어지기 위해서는 많은 운행을 통해 제어가 잘 이루어질 수 있도록 변수를 고려하여야 한다.
11에 도시하였다. 이 결과에서 보면 운행조건에 따라 DPF 전단의 온도 상승 및 하강이 매우 빠르게 변화하고 있음을 알 수 있으며 전반적으로 650℃의 제어에 무리없이 추종하고 있음을 보여준다.
연료량을 상승시키게 되면 버너 후단의 온도가 버너 전단의 온도보다 낮아진다. 즉, 화염이 꺼지고 DOC의 산화열만으로 DPF전단의 온도가 상승하는 것을 보여준다. 이와 같이 버너 전단의 온도가 DOC의 활성온도 이상으로 유입되는 경우에는 버너에서 연소시키지 않고 연료만 기화시켜 DOC에서 산화시켜 열을 발생시키는 것이 유리하다.

후속연구

4) 정속주행모드와 실차 주행실험에서 주행 조건의 변화에 대하여 설정온도를 무리없이 추종하여 유지되었으나 보다 설정온도에서 편차가 작은 정밀한 온도 제어를 위한 추가 연구가 요구된다.
그러나 일순간이라도 DOC전단 온도가 급격히 상승할 경우 산화촉매를 열화시키거나 기질을 용융시키는 등 장치의 내구성과 신뢰성에 문제를 야기할 수 있으므로 이를 불식시킬 수 있도록 매우 신중한 제어변수의 입력이 필요하며 본 연구에서 지속적으로 검토 보완이 이루어질 것이다. 또한, 본 연구에서는 버너와 산화촉매를 이용하여 DPF에 포집된 매연을 연소시키기 위한 가열성능과 배기가스를 주로 분석하였으나 최종적으로 DPF의 재생성능은 포집된 매연의 연소로 DPF전후단의 차압이 감소 여부로 판단할 수 있으므로 계속되는 연구에서 이 부분을 집중적으로 분석하게 될 것이다.
6의 연소열에 의해서 부하를 충분히 올리지 못한 구간도 DOC에 연료를 추가 공급함으로써 발생하는 산화열을 이용하여 DPF 전단의 온도를 포집된 매연의 산화에 필요한 온도만큼 상승시킬 수 있는 것이다. 극단적으로 엔진의 모든 운전조건에서 버너의 화염은 DOC의 활성온도인 300～350℃까지만 상승시키고 나머지 매연의 산화온도인 600℃까지는 DOC에 의한 산화열을 이용하는 것이 연소에 필요한 공기의 양을 줄일 수 있으며 동시에 배기가스 중 낮은 농도의 잔류산소를 DOC에서 이용할 수 있으므로 더욱 경제적인 방안이 될 수 있을 것이다. 그러나 이 방법을 적용한 경우에도 회전수 3,000 rpm에서 10% 이하로 부하가 아주 낮은 좁은 영역에서 배가스의 온도를 600℃이상으로 상승시키지 못한 구간이 나타나고 있는데, 이 영역은 공회전에 가까워 아주 낮은 온도에 많은 유량의 엔진배기로 인한 것으로 보이나 실제 운행 조건에서는 이처럼 높은 회전수에 낮은 부하의 구간은 거의 나타나지 않으므로 이로 인한 문제의 발생은 없을 것으로 판단된다.
이 같은 THC의 초기증가현상을 대부분의 운전조건에서 나타나며 산화촉매의 결점으로 지적되는 미반응 탄화수소의 슬립(slip)에 의한 것으로 설명할 수 있다. 다만 운전초기 짧은 시간에 나타나는 현상이며 이후에는 오히려 엔진배기의 상태보다 THC의 농도가 버너의 연소에 의해 감소하는 것을 감안하면 버너로 인한 THC배출은 증가되지 않을 것으로 볼 수 있으나 추후 이 초기 THC의 저감에 대한 연구가 추가되어야 할 것이다. 전반적으로 본 버너-DOC복합 재생과정에서 엔진배기가스의 질이 악화되는 영향은 없을 것으로 볼 수 있다.
그러나 일순간이라도 DOC전단 온도가 급격히 상승할 경우 산화촉매를 열화시키거나 기질을 용융시키는 등 장치의 내구성과 신뢰성에 문제를 야기할 수 있으므로 이를 불식시킬 수 있도록 매우 신중한 제어변수의 입력이 필요하며 본 연구에서 지속적으로 검토 보완이 이루어질 것이다. 또한, 본 연구에서는 버너와 산화촉매를 이용하여 DPF에 포집된 매연을 연소시키기 위한 가열성능과 배기가스를 주로 분석하였으나 최종적으로 DPF의 재생성능은 포집된 매연의 연소로 DPF전후단의 차압이 감소 여부로 판단할 수 있으므로 계속되는 연구에서 이 부분을 집중적으로 분석하게 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디젤엔진의 장점은?	가솔린차량에 비해 높은 연비가 장점인 디젤엔진은 불완전연소에 의한 매연과 높은 연소온도로 인한 질소산화물의 생성과 같은 해결되어야 할 문제점을 안고 있다. 특히 최근에 미세분진으로 사회적 문제가 되고 있는 매연의 제거기술은 매우 중요한 연구주제가 되고 있다.
	디젤엔진은 무엇을 해결되어야 할 문제점을 안고 있는가?	가솔린차량에 비해 높은 연비가 장점인 디젤엔진은 불완전연소에 의한 매연과 높은 연소온도로 인한 질소산화물의 생성과 같은 해결되어야 할 문제점을 안고 있다. 특히 최근에 미세분진으로 사회적 문제가 되고 있는 매연의 제거기술은 매우 중요한 연구주제가 되고 있다.
	디젤엔진의 매연을 포집한 DPF를 모든 주행조건에서 재생시킬 수 있는 재생장치로써 버너-DOC 복합재생방안을 제안하였으며 그 실험 결과는?	1) 엔진의 운전조건에 따라 엔진 배기 중의 잔류 산소농도는 7%에서 17%까지 변화하였으며 잔류산소농도 약 12% 이하에서는 필요한 연료량의 연소가 불가능하였으며 DOC를 이용한 복합재생이 필요하였다. 2) 버너의 연소 화염만으로 엔진 배기를 가열하는 경우에는 운전조건에 따라 연소를 유지할 수 없는 조건이 발생하고 연료의 연소를 위한 추가 공기의 공급량 증가 및 열손실이 발생하므로 버너로는 DOC의 활성온도까지만 가열하고 DOC에 추가 연료를 공급하여 산화열을 이용하여 가열하는 것이 효율적이라는 결론을 얻었다. 3) 재생장치로 인한 DPF후단의 배기가스의 조성은 CO는 오히려 저감되었으며, NOx는 엔진 배기가스의 농도 유지, THC는 운전 초기에 다소 상승하였다가 즉시 저감되어 재생장치로 인한 배기가스 조성의 악화는 없을 것으로 판단되었다. 4) 정속주행모드와 실차 주행실험에서 주행 조건의 변화에 대하여 설정온도를 무리없이 추종하여 유지되었으나 보다 설정온도에서 편차가 작은 정밀한 온도 제어를 위한 추가 연구가 요구된다.

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차민석, 이대훈, 김관태, 이재옥, 송영훈, 김석준, "매연여과장치 재생을 위한 플라즈마 응용버너 개발", 한국연소학회 논문집, 제12권, 제4호, 2007, pp. 8-13
심성훈, 정상현, 홍원석, "DPF 재생용 버너의 엔 진배기 중에서의 화염 안정성 구현을 위한 기 초연구", 한국연소학회 논문집, 제10권, 제4호, 2005, pp. 18-23
심성훈, 정상현, 조규백, "디젤엔진 매연여과용 필터 재생용 버너의 연소특성" 대한환경공학회 논문집, 제28권, 제12호, 2006, pp. 1251-1254

저자의 다른 논문 :

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동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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