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디젤 NOx 후처리 장치에 있어서 암모니아 SCR 시스템 혼합영역 내 가스유동의 유입열 수치모델링에 관한 연구
A Study on Numerical Modeling of the Induced Heat to Gaseous Flow inside the Mixing Area of Ammonia SCR System in Diesel Nox After-treatment Devices 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.32 no.11 = no.278, 2008년, pp.897 - 905  

배명환 (경상대학교 기계항공공학부) ,  샤이풀 (경상대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Selective catalytic reduction(SCR) is known as one of promising methods for reducing $NO_x$ emissions in diesel exhaust gases. $NO_x$ emissions react with ammonia in the catalyst surface of SCR system at working temperature of catalyst. In this study, to raise the reacting temp...

주제어

#암모니아 SCR 시스템   #디젤$NO_x$ 후처리 장치   #수치모델링   #유입열   #가스유동   #작동온도   #와류  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 연구는 “보일러의 매연 및 질소산화물 배출물 동시저감용 촉매필터 EGR(FGR) 조합시스템 개발(Development of a Combined Catalytic Filter EGR(FGR) System for Reducing Soot and NOx Emissions Simultaneously in Boilers)”에 대한 중간 결과물로서 경상대학교 공학연구원 제15차 산·학 공동 기술개발컨소시엄 과제, “LNG선 보일러의 질소산화물 배출물 저감용 SCR 후처리 시스템 개발(Development of SCR After-treatment System for Reducing Nitrogen Oxides Emissions in LNG Ship's Boilers)”에 대한 부분적 결과물로서 광성(주)와 산·학 기술개발컨소시엄 위탁과제 지원에 의해 수행되었다.
  • 본 연구에서는 SCR 시스템의 혼합영역 내부의 가스유동에 대한 유입열의 수치 모델링을 했다. Taylor-Görtler 와류는 혼합영역에서 형성되었고, 가스유동 내의 열수송은 혼합영역에서의 이러한 와류에 의해 영향 받음을 알았다.
  • Niazmand 등(12)은 강한 와류가 주변유동에 변동을 유발시키고, 잠재적으로 열전달률에 더 많은 영향력을 미치고 있음을 관찰했다. 본 연구에서는 가스유동에 미치는 열전달에 대한 와류의 영향을 뒤 부분에서 고찰한다.
  • 본 연구에서는 가스유동장을 설명하여 유입열이 혼합영역 내의 가스유동에 따른 속도 및 온도 분포에 어떠한 영향을 미치는지를 수치 시뮬레이션에 의해 조사하는 것이 주요 목적이다.
  • 본 연구에서는 연비를 악화시키지 않으면서 NOx와 매연 배출물을 동시에 저감시키는 후처리 조합시스템으로서 선택적 환원 촉매인 SCR(selective catalytic reduction)과 필터를 적용하는 연구를 수행하고자 한다. 후처리 장치 중, SCR은 NOx 배출물을 저감시키는 가장 좋은 방법 중의 하나로서 알려져 있는데, 본 연구에서는 일정한 온도범위에서 매연저감용 촉매필터 내의 환원제로서 암모니아와 NOx 배출물이 화학적 반응을 하도록 설계되었다.

가설 설정

  • 본 논문에서는 다공성 셀을 두 개의 상수 α와 β를 갖는 등방성의 다공매체 모델로서 가정했다.
  • 시스템의 주요 유동은 비압축성 및 정상상태 조건으로 가정하였고, SCR 장치내의 난류유동을 모델화하기 위해서 표준 k - ε 난류모델을 사용하였다.
  • 암모니아 분사는 라그랑지안 모델(Lagrangian model)로 가정하였다. 이 경우에 유동은 가스형태의 연속적이며 하나의 분산된 상으로 이루어져 있고, 연속적이며 분산된 상 사이에 결합이 나타났다.
  • 본 모델링에서는 Reynolds수를 입구경계에 수직한 배출가스 유동의 속도벡터로 계산했는데, Reynolds수는 저속유동의 경우에 100이고, 고속유동의 경우에는 500과 1000이다. 입구경계에서의 난류강도는 5%로 가정하였고, 난류길이 값은 0.0364 cm이었다. 출구의 경계조건은 미지수인데, 이를 추정하기 위해서 경계셀 중심 부근에서 경계면 중심(압력의 경우를 제외하고)으로 합해지는 하나의 선 방향에 따라 영구배(zero-gradient)를 가정하고, 전체 출구유동은 이 경계를 통과한다.
  • 0364 cm이었다. 출구의 경계조건은 미지수인데, 이를 추정하기 위해서 경계셀 중심 부근에서 경계면 중심(압력의 경우를 제외하고)으로 합해지는 하나의 선 방향에 따라 영구배(zero-gradient)를 가정하고, 전체 출구유동은 이 경계를 통과한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
가열온도가 임계온도 이상일 때 형성된 와류분계의 특징은? 낮은 가스유동 속도는 가열온도의 증가에 의해 영향을 받고, 가열온도가 임계온도 이상일 때 와류분계가 형성되었다. 그러나 이러한 와류는 가스유동 내의 열수송에 많은 영향을 미치지는 않았다. 또한, 유입열은 가열벽에 더 가깝게 유동 구조가 퍼져나갔다.
디젤기관은 어느면에서 우수한가? 디젤기관은 다른 열기관에 비해 열효율, 내구성, 신뢰성 등의 면에서 우수하기 때문에, 이전부터 동력원으로 많이 활용되어 오고 있다. 연비가 좋은 디젤기관은 유가의 급상승, 지구온난화 등의 대책차원에서도 유리하기 하기 때문에, 최근 유럽, 일본, 미국 등에서는, 특히 소형 고속 디젤 기관의 연구개발을 활발하게 진행하고 있다.
연비가 좋은 디젤기관의 특징은? 디젤기관은 다른 열기관에 비해 열효율, 내구성, 신뢰성 등의 면에서 우수하기 때문에, 이전부터 동력원으로 많이 활용되어 오고 있다. 연비가 좋은 디젤기관은 유가의 급상승, 지구온난화 등의 대책차원에서도 유리하기 하기 때문에, 최근 유럽, 일본, 미국 등에서는, 특히 소형 고속 디젤 기관의 연구개발을 활발하게 진행하고 있다. 그러나 디젤기관은 배기 배출물, 그 중에서도 NOx 및 매연 배출물이 다른 열기관에 비해 많기 때문에, 엄격해지는 배기규제값 미만으로 저감시키기 위해 많은 노력을 기울이고 있다.
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참고문헌 (14)

  1. Bae, M. W., Ku, Y. J. and Lee, B. S., 2006, "A Study on Characteristics of Performance and $NO_x$ .THC Emissions in Turbo Intercooler ECU Common-rail Diesel Engines with a Combined Plasma EGR System," Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 14, No. 3, pp. 10~21 

  2. Hirata, K., Masaki, N., Ueno, H., Iijima, M. and Akagawa, H., 2005, "Development of Urea-SCR System for a Heavy-Duty Commercial Vehicle," Nissan Diesel Technical Review, Vol. 65, pp. 75~81 

  3. Syaiful, and Bae, M. W. 2008, "Numerical Simulation of Working Temperature Distribution around Catalytic Filters in Ammonia SCR Device of Diesel $NO_x$ After-treatment System," KSAE 30th Anniversary Conference 2008 Proceeding on Automotive Engineering (International Session), Volume IV(KSAE08-S0272), pp. 1691~1698 

  4. Ha, H. P., Maddigapu, R. P., Pratap, R., Pullur, A. K., Lee, K. J. and Jung, S. H., 2008, " $SO_2$ Resistant Antimony Promoted $V_2$ $O_5$ / $TiO_2$ Catalyst for $NH_3$ -SCR of $NO_x$ at Low Temperatures," Applied Catalysis B: Environmental, Vol. 78, pp. 301~308 

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  5. Padmanabha, R. E., Neeraja, E., Sergey, M., Punit, B. and Panagiotis, G. S., 2007, "Surface Characterization Studies of $TiO_2$ Supported Manganese Oxide Catalysts for Low Temperature SCR of NO with $NH_3$ ," Applied Catalysis B: Environmental, Vol. 76, pp. 123~134 

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  6. Tsykoza, L. T., Kulikovskaya, N. A., Zhulanov, N. K. and Ismagilov, Z. R., 1997, "Effect of the Origin of TiO $_2$ on the Properties of Honey- comb Monolith V-W-Ti-O Catalysts for Selective NO Reduction by Ammonia," Reaction Kinetic Catalytic Letter, Vol. 60, No. 2, pp. 323~330 

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  7. Wu, Z., Jiang, B., Liu, Y., Zhao, W. and Guan, B., 2007, "Experimental Study on a Lowtemperature SCR Catalyst Based on MnO $_x$ /TiO $_2$ Prepared by Sol-Gel Method," Journal of Hazardous Materials, Vol. 145, pp. 488~494 

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  8. Kim, Y. A., 2007, "The Effect of $MnO_2$ Addition on the V $_2$ O $_5$ /TiO $_2$ Catalytic Filters for NO Reduction," Graduate School Master Thesis of Gyeongsang National University 

  9. Syaiful, Bae, M. W., Han, Y. W., Lee, B. S., Im, K. C. and Choi, J. H., 2007, "Temperature Modeling on Catalyst Surface Using $MnO_2$ - $V_2$ $O_5$ - $WO_3$ / $TiO_2$ /SiC as a Reference Catalytic Filter in Ammonia SCR System of Diesel $NO_X$ Aftertreatment Devices," 2007 Fall Conference Proceeding on Automotive Engineering (International Session), Volume IV(KSAE07-F0288), pp. 1782~1790 

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  11. Xu, C. X., Choi, J. I. and Sung, H. J., 2003, "Identification and Control of Taylor-Gortler Vortices in Turbulent Curved Channel Flow," AIAA Journal, Vol. 41, No. 12, pp. 2387~2393 

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  12. Niazmand, H. and Renksizbulut, M., 2004, "Heat Transfer from a Rotating Sphere Interacting with a Vortex," International Journal Heat and Mass Transfer, Vol. 47, pp. 2269~2281 

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  13. Kieft, R., Rindt, C. C. M., van Steenhoven, A. A., 2007, "Near-wake Effects of A Heat Input on the Vortex-shedding Mechanism," International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 28, pp. 938~947 

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  14. Green, R. and Gerrard, J., 1993, "Vorticity Measurements in the Near Wake of a Circular Cylinder at Low Reynolds Numbers," Journal of Fluid Mechanics, Vol. 246, pp. 675~691 

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