질소산화물 저감을 위한 Solid SCR용 Ammonium Carbamate의 열분해 및 재결합 특성 Thermal Decomposition and Recombination Characteristics of Ammonium Carbamate for NOx Reduction with Solid SCR원문보기
국제적으로 환경규제가 강화됨에 따라 디젤엔진에서 NOX의 배출량 저감은 필수적이 되었고, 강화된 NOX 규제를 만족하기 위해 기존 UWS(Urea-Water Solution) SCR(Selective Catalytic Reduction), LNT(Lean-NOx Trap), EGR(Exhaust Gas Recirculation) 등의 기술이 사용되어 왔다. 특히 차량에서 NOX의 저감을 위해 주로 쓰이는 UWS SCR의 경우는 ...
국제적으로 환경규제가 강화됨에 따라 디젤엔진에서 NOX의 배출량 저감은 필수적이 되었고, 강화된 NOX 규제를 만족하기 위해 기존 UWS(Urea-Water Solution) SCR(Selective Catalytic Reduction), LNT(Lean-NOx Trap), EGR(Exhaust Gas Recirculation) 등의 기술이 사용되어 왔다. 특히 차량에서 NOX의 저감을 위해 주로 쓰이는 UWS SCR의 경우는 요소수가 -11℃에서 어는 문제가 있을 뿐만 아니라 액체 상태로 분사되기 때문에 분무 미립화, 증발 및 혼합에 충분한 공간 및 시간이 필요하고, 이를 위해 배출가스 온도가 높아야 한다는 단점이 있다. 특히, 요소수를 배출가스 온도 200℃ 이하에서 분사했을 경우에는 요소수가 암모니아로 충분히 열분해 되지 못하고, 배기관에 고체 염이 생성되는 문제가 발생 할 수 있다. 한편 solid SCR 기술은 상온에서 고체 상태로 존재하는 고체암모늄(ammonium carbamate, ammonium carbonate 등)의 열분해 과정에서 발생되는 암모니아를 환원제로 이용하는 SCR 기술로써 위에 언급한 UWS SCR의 기술적 문제를 해결하고, 보다 높은 NOx 저감률을 얻을 수 있는 기술이다. 본 연구에서는 고체암모늄으로 열분해 생성온도가 낮고, 열분해 생성물이 암모니아와 CO2로 구성되어 다른 고체암모늄에 비해 비교적 간단하게 시스템을 꾸밀 수 있는 ammonium carbamate를 사용하였다. Ammonium carbamate가 가열 및 냉각 반복과정에서 다른 물질로 변화하는지를 알아보고, 열분해율과 재결합량을 측정하여 solid SCR 시스템의 설계 자료로 활용하고자 하였다. Ammonium carbamate가 가열/냉각 반복과정에서 다른 물질로 변화하는지를 알아보기 위해서 solid SCR 시스템과 유사한 환경의 반응기에서 수차례 가열/냉각된 ammonium carbamate의 샘플을 채취하여 TGA, XRD, FT-IR 방법으로 분석하였다. 반응기에서 가열/냉각된 ammonium carbamate의 분석결과는 원 시료와 동일하였으며, 이는 물질의 변화가 없다는 것을 의미한다. 한편 대기 중에 장시간 노출된 ammonium carbamate의 경우 대기 중의 수분과 결합하여 ammonium carbonate로 변화하는 현상이 발견되었으며, TGA 시험결과 가열/냉각된 ammonium carbamate의 샘플의 열분해율은 원시료보다 빠른 특징이 있었다. 또한, ammonium carbamate의 TGA 분석을 통해 열분해율을 Arrhenius equation으로 표현하고, 활성화에너지와 비례상수를 결정하였다. 이를 이용하여 반응기의 온도와 반응기 내부 ammonium carbamate 질량에 따른 열분해량의 변화를 고찰하였으며, solid SCR 시스템에 적절한 온도 제어 방안 등을 제시하였다. 차가운 공기로 냉각되는 반응기에 암모니아와 이산화탄소 가스를 공급하여 냉각공기 유량에 따른 ammonium carbamate 재결합량을 고찰하였다. 실험결과 재결합량은 냉각 공기로 추출된 에너지양과 비례하였으며, 이와 같은 실험결과를 이용하여 보조반응기의 재충진에 필요한 에너지 방출량을 도출하였다.
국제적으로 환경규제가 강화됨에 따라 디젤엔진에서 NOX의 배출량 저감은 필수적이 되었고, 강화된 NOX 규제를 만족하기 위해 기존 UWS(Urea-Water Solution) SCR(Selective Catalytic Reduction), LNT(Lean-NOx Trap), EGR(Exhaust Gas Recirculation) 등의 기술이 사용되어 왔다. 특히 차량에서 NOX의 저감을 위해 주로 쓰이는 UWS SCR의 경우는 요소수가 -11℃에서 어는 문제가 있을 뿐만 아니라 액체 상태로 분사되기 때문에 분무 미립화, 증발 및 혼합에 충분한 공간 및 시간이 필요하고, 이를 위해 배출가스 온도가 높아야 한다는 단점이 있다. 특히, 요소수를 배출가스 온도 200℃ 이하에서 분사했을 경우에는 요소수가 암모니아로 충분히 열분해 되지 못하고, 배기관에 고체 염이 생성되는 문제가 발생 할 수 있다. 한편 solid SCR 기술은 상온에서 고체 상태로 존재하는 고체암모늄(ammonium carbamate, ammonium carbonate 등)의 열분해 과정에서 발생되는 암모니아를 환원제로 이용하는 SCR 기술로써 위에 언급한 UWS SCR의 기술적 문제를 해결하고, 보다 높은 NOx 저감률을 얻을 수 있는 기술이다. 본 연구에서는 고체암모늄으로 열분해 생성온도가 낮고, 열분해 생성물이 암모니아와 CO2로 구성되어 다른 고체암모늄에 비해 비교적 간단하게 시스템을 꾸밀 수 있는 ammonium carbamate를 사용하였다. Ammonium carbamate가 가열 및 냉각 반복과정에서 다른 물질로 변화하는지를 알아보고, 열분해율과 재결합량을 측정하여 solid SCR 시스템의 설계 자료로 활용하고자 하였다. Ammonium carbamate가 가열/냉각 반복과정에서 다른 물질로 변화하는지를 알아보기 위해서 solid SCR 시스템과 유사한 환경의 반응기에서 수차례 가열/냉각된 ammonium carbamate의 샘플을 채취하여 TGA, XRD, FT-IR 방법으로 분석하였다. 반응기에서 가열/냉각된 ammonium carbamate의 분석결과는 원 시료와 동일하였으며, 이는 물질의 변화가 없다는 것을 의미한다. 한편 대기 중에 장시간 노출된 ammonium carbamate의 경우 대기 중의 수분과 결합하여 ammonium carbonate로 변화하는 현상이 발견되었으며, TGA 시험결과 가열/냉각된 ammonium carbamate의 샘플의 열분해율은 원시료보다 빠른 특징이 있었다. 또한, ammonium carbamate의 TGA 분석을 통해 열분해율을 Arrhenius equation으로 표현하고, 활성화에너지와 비례상수를 결정하였다. 이를 이용하여 반응기의 온도와 반응기 내부 ammonium carbamate 질량에 따른 열분해량의 변화를 고찰하였으며, solid SCR 시스템에 적절한 온도 제어 방안 등을 제시하였다. 차가운 공기로 냉각되는 반응기에 암모니아와 이산화탄소 가스를 공급하여 냉각공기 유량에 따른 ammonium carbamate 재결합량을 고찰하였다. 실험결과 재결합량은 냉각 공기로 추출된 에너지양과 비례하였으며, 이와 같은 실험결과를 이용하여 보조반응기의 재충진에 필요한 에너지 방출량을 도출하였다.
As global emission standards are becoming stricter, NOX emission reduction is needed in diesel engines. The urea-water solution(UWS) based selective catalytic reduction(SCR) is usually used to reduce NOX. It is being used with a solution of urea(32.5 wt%). However, urea SCR has to overcome technical...
As global emission standards are becoming stricter, NOX emission reduction is needed in diesel engines. The urea-water solution(UWS) based selective catalytic reduction(SCR) is usually used to reduce NOX. It is being used with a solution of urea(32.5 wt%). However, urea SCR has to overcome technical difficulties, such as freezing UWS below -11℃, decomposition above 200℃ due to deposits, and mixing length. On the other hand, solid SCR uses gaseous ammonia dosing. It has advantages of compact SCR system and NOX reduction at low temperature. In this study, ammonium carbamate was used for solid SCR system. Ammonium carbamate has low temperature of thermal decomposition and it is also sublimated to only NH3 and CO2. This study investigated whether ammonium carbamate changes into other materials during repeated heating and cooling conditions. Also, the thermal decomposition rate and reaction rate were measured and used as design data for solid SCR system. Ammonium carbamate was tested by XRD, FT-IR, TGA analysis. These analysis samples were collected after cooling and heating conditions. Analysis results of ammonium carbamate in the reactor were same as the raw sample, which means there is no change in the material. but, the sample of exposed air was changed to ammonium carbonate. it shows H2O reacted with ammonium carbamate which then, changed to ammonium carbonate. furthermore, TGA results of samples of heated/cooled several times shows faster thermal decomposition than raw sample. In addition, thermal decomposition rate of ammonium carbamate was expressed by Arrhenius equation through TGA analysis. Activation energy and proportional constant were determined. The changes of thermal decomposition amount according to the reactor temperature and the ammonium carbamate mass in the reactor were investigated and the proper temperature control method was suggested for the solid SCR system. Ammonia and carbon dioxide gas were supplied to the reactor cooled by cold air to investigate ammonium carbamate recombination capacity according to cooling air flow rate. Experimental results show that the recombination capacity is proportional to the amount of energy extracted by the cooling air.
As global emission standards are becoming stricter, NOX emission reduction is needed in diesel engines. The urea-water solution(UWS) based selective catalytic reduction(SCR) is usually used to reduce NOX. It is being used with a solution of urea(32.5 wt%). However, urea SCR has to overcome technical difficulties, such as freezing UWS below -11℃, decomposition above 200℃ due to deposits, and mixing length. On the other hand, solid SCR uses gaseous ammonia dosing. It has advantages of compact SCR system and NOX reduction at low temperature. In this study, ammonium carbamate was used for solid SCR system. Ammonium carbamate has low temperature of thermal decomposition and it is also sublimated to only NH3 and CO2. This study investigated whether ammonium carbamate changes into other materials during repeated heating and cooling conditions. Also, the thermal decomposition rate and reaction rate were measured and used as design data for solid SCR system. Ammonium carbamate was tested by XRD, FT-IR, TGA analysis. These analysis samples were collected after cooling and heating conditions. Analysis results of ammonium carbamate in the reactor were same as the raw sample, which means there is no change in the material. but, the sample of exposed air was changed to ammonium carbonate. it shows H2O reacted with ammonium carbamate which then, changed to ammonium carbonate. furthermore, TGA results of samples of heated/cooled several times shows faster thermal decomposition than raw sample. In addition, thermal decomposition rate of ammonium carbamate was expressed by Arrhenius equation through TGA analysis. Activation energy and proportional constant were determined. The changes of thermal decomposition amount according to the reactor temperature and the ammonium carbamate mass in the reactor were investigated and the proper temperature control method was suggested for the solid SCR system. Ammonia and carbon dioxide gas were supplied to the reactor cooled by cold air to investigate ammonium carbamate recombination capacity according to cooling air flow rate. Experimental results show that the recombination capacity is proportional to the amount of energy extracted by the cooling air.
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