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플라즈마 산화와 암모니아 SCR 복합탈질공정의 엔진적용 연구
A Study on a Combined DeNOx Process of Plasma Oxidation and $NH_3$ SCR for Diesel Engine 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.12 no.4, 2007년, pp.39 - 46  

송영훈 (한국기계연구원 환경기계연구본부) ,  이재옥 (한국기계연구원 환경기계연구본부) ,  차민석 (한국기계연구원 환경기계연구본부) ,  김석준 (한국기계연구원 환경기계연구본부) ,  류정인 (충남대학교 기계공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The technique of $NH_3$ SCR (selective catalytic reduction) assisted by plasma oxidation has been applied to a 2,000 cc diesel engine. The present combined $deNO_x$ process consists of two steps. The first step is that about 50% of emitted NO from the engine is oxidized to

주제어

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제안 방법

  • 플라즈마 반응기를 지나기 전에 혼합기를 통하여 배기가스와 잘 섞이도록 하였으며 암모니아의 공급비율은 NOx:NH3 = 1:1 로 반응식 (1)에 따른 이론 당량비로 하였다. 가스분석은 빠른 응답성을 가진 chemiluminescent NOX 분석기 (Signal Instrument Co. Ltd., model 4000VM) 와 한번 샘플링하여 여러 종류의 가스 성상과 농도를 분석할 수 있는 FTIR (fourier transform infrared) 분광계 (Bio-Rad laboratories, Inc., FTS 3000 series)를 사용하였다. 가스분석에서 샘플링은 중요한 것으로 가스가 라인에서 NOx 및 NH3의 흡착으로 인하여 농도가 다르게 계측될 우려가 있으므로 샘플링 라인의 온도를 150 ℃ 이상으로 유지하였다.
  • 탈질효율은 보통 촉매의 활성온도에서 최대의 능력을 발휘하는 것으로 알려져 있으며 촉매 전후의 온도계측이 필수적이다. 따라서 본 실험에서는 촉매 전후에서 온도계측이 이루어졌다. 환원제 인 암모니 아와 첨 가제인 HC(C3H6)의 주입 은 MFC (mass flow controllerX 통하여 공급되도록 하였다.
  • 실험에서 SCR 촉매 온도와 NOx 농도를 조절하기 위해서 엔진의 회전수와 부하를 조절하여 실험하였다. 배기 유량은 Karman 소용돌이를 이용한 와류 유량계 (vortex meter)를 사용하여 덕트 내에서의 온도, 압력을 고려하여 flow computer에 의해 계산되어 실 시 간으로 계측되었다.
  • 5는 다양한 엔진 운전조건에서 플라즈마산화반응을 이용하여 NO를 NO?로 산화시키는데 소요된 전기 에너지를 제시한 자료이다. 연구에서 소요된 전기 에너지는 플라즈마 반응기에서 소비된 전기 에너지를 반응기를 통과한 유량으로 나눈 값 즉, 단위 유량 당 소요 에너지를 나타내는 SED (specific energy density, J/L) 로나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 NO틀? NO2 많이 산화시킬수록 즉, NOOx 비를 증가시킬수록 SED는 증가되었으며, 또한 초기의 NOX 농도가 높을수록 높은 SED가 필요하게 됨을 알 수 있다.
  • 본 연구에서는 2,000 cc급 디젤엔진(현대자동차 산타페 적용 엔진에 저온 플라즈마 산화 공정을 적용하여(1)저온 플라즈마에 의한 NO의 산화 특성 및 (2) 저온 플라즈마 산화공정 및 NH-, SCR 과 연 계 하여 운 전 된 탈 질 성능을 살 펴 보았으며, 이를 토대로 저온 플라즈마와 NH:1 SCR 반응이 복합된 공정에서 소요되는 전력이 얼마나 되는지를 평가하였다.
  • 조절장치로 구성되었다. 실험에서 SCR 촉매 온도와 NOx 농도를 조절하기 위해서 엔진의 회전수와 부하를 조절하여 실험하였다. 배기 유량은 Karman 소용돌이를 이용한 와류 유량계 (vortex meter)를 사용하여 덕트 내에서의 온도, 압력을 고려하여 flow computer에 의해 계산되어 실 시 간으로 계측되었다.
  • 저온 플라즈마 산화공정을 위한 플라즈마 반응기는 DBD (dielectric barrier discharge) 평판형반응기이 었으며 고전압 인가장치와의 상호 매 칭을 통하여 최소의 전력공급과 최대의 반응조건을 유지하도록 하였다. 전력계측은 NOVNOx 비율을 조절하는데 있어서 실험유량에 투입된 에너지가 중요하므로 직접 반응기에 투입되는 전력을 측정하는 것으로 Lissajous plot을 이용하였다.
  • 즉, 디젤 배기가스를 모사한 가스에서는 수분 및 UHC를 공급하지 않고 실험이 수행되었다. Fig.
  • 지금까지 소규모의 기초실험을 통해 특성이 파악된 저온 플라즈마와 NH3 SCR의 복합 탈질공정을 2,000 cc급 디젤엔진에 적용하여 기초실험과 엔진실험의 차이점을 살펴보았다. 두 실험의 결과에서 나타난 두드러진 차이점은 엔진실험에서 소모되는 전력투입량이 기초실험의 경우보다 작다는데 있었다.
  • 환원제 인 암모니 아와 첨 가제인 HC(C3H6)의 주입 은 MFC (mass flow controllerX 통하여 공급되도록 하였다. 플라즈마 반응기를 지나기 전에 혼합기를 통하여 배기가스와 잘 섞이도록 하였으며 암모니아의 공급비율은 NOx:NH3 = 1:1 로 반응식 (1)에 따른 이론 당량비로 하였다. 가스분석은 빠른 응답성을 가진 chemiluminescent NOX 분석기 (Signal Instrument Co.
  • 따라서 본 실험에서는 촉매 전후에서 온도계측이 이루어졌다. 환원제 인 암모니 아와 첨 가제인 HC(C3H6)의 주입 은 MFC (mass flow controllerX 통하여 공급되도록 하였다. 플라즈마 반응기를 지나기 전에 혼합기를 통하여 배기가스와 잘 섞이도록 하였으며 암모니아의 공급비율은 NOx:NH3 = 1:1 로 반응식 (1)에 따른 이론 당량비로 하였다.

대상 데이터

  • 전력계측은 NOVNOx 비율을 조절하는데 있어서 실험유량에 투입된 에너지가 중요하므로 직접 반응기에 투입되는 전력을 측정하는 것으로 Lissajous plot을 이용하였다. Fig. 2 에 실험에 사용된 DBD 평판형 플라즈마 반응기 (가로 118 X 세로 110 X 두께 74 mm), 전력공급 장치 (Dawon Sys. Co., 220V/10kHz/2kW) 및 전력계 측 장치를 나타내었다. 본 연구에 사용된 NH3 SCR 촉매는 SK(주)에서 제조한 - WOs/TiO 계열 허니컴 형태의 상용촉매로써 크기는 150 X 150 X 1, 100 (1)이었으며, SV (space velocity) = 4400 hr-1에서 실험하였다.
  • , 220V/10kHz/2kW) 및 전력계 측 장치를 나타내었다. 본 연구에 사용된 NH3 SCR 촉매는 SK(주)에서 제조한 - WOs/TiO 계열 허니컴 형태의 상용촉매로써 크기는 150 X 150 X 1, 100 (1)이었으며, SV (space velocity) = 4400 hr-1에서 실험하였다. 탈질효율은 보통 촉매의 활성온도에서 최대의 능력을 발휘하는 것으로 알려져 있으며 촉매 전후의 온도계측이 필수적이다.
  • 실험에 사용된 엔진은 2,000 cc급 산타페 디젤엔진이었으며, 엔진 구동을 위한 주변장치는 엔진 냉각수 공급 순환장치, 과급기 (turbocharger) 에 들어가는 배기가스 냉각기, 공급연료 냉각을 위한 열교환기 및 엔진의 부하조절을 위한 엔 진다이나 모 조절장치로 구성되었다. 실험에서 SCR 촉매 온도와 NOx 농도를 조절하기 위해서 엔진의 회전수와 부하를 조절하여 실험하였다.
  • 1 에 나타내었다. 실험장치는 2,000 cc급 산타페 디젤엔진 및 엔진 다이나모 조절장치, 온도조질과유량계측시스터], 플라즈마 반응기(고전압 인가 장치 및 전력계측 장치 포함), 암모니아를 환원제로 하는 SCR 촉매 반응기 및 첨가제(HC)와 암모니아 공급시스템으로 구성되었다. 엔진을 가동시켜 배출되는 배기가스에 포함된 NO, 를 제거하기 위한 실험장치를 Fig.

이론/모형

  • 하였다. 전력계측은 NOVNOx 비율을 조절하는데 있어서 실험유량에 투입된 에너지가 중요하므로 직접 반응기에 투입되는 전력을 측정하는 것으로 Lissajous plot을 이용하였다. Fig.
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