[논문]Urea-SCR 시스템의 DeNOx 특성에 관한 실험적 연구

함윤영; 이성호; 정홍석; 신동현

Urea-SCR 시스템의 DeNOx 특성에 관한 실험적 연구
Experimental Study on DeNOx Characteristics of Urea-SCR System 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.17 no.2, 2009년, pp.180 - 186

함윤영 (우석대학교 기계자동차공학과) , 이성호 (SK에너지(주)) , 정홍석 (SK에너지(주)) , 신동현 (SK에너지(주))

Abstract ▼ AI-Helper

To meet the NOx limit without a penalty of fuel consumption, urea SCR system is currently regarded as promising NOx reduction technology for diesel engines. SCR system has to achieve maximal NOx conversion in combination with minimal $NH_3$ slip. In this study, as a basic research to develop an algorithm for urea injection control, the characteristics of engine out NOx emission and behavior of NOx reduction during steady-state and transient conditions were investigated using 2L DI diesel engine. Test results show that on increasing the catalyst temperature the variations in the outlet NOx concentration are faster and maximal allowable $NH_3$ storage exponentially decreases. For change from a low to high engine load, it can be seen that a few seconds after load-step is required to reach full NOx conversion and the adsorbed amount of $NH_3$ at lower temperature desorb during the next temperature increase, causing $NH_3$ slip. Engine out NOx emission needs to be corrected because NOx emissions just after step load is lower than that of steay state condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

중요하다.1-7) 본 연구에서는 Zeolite 촉매를 사용한 Urea-SCR 시스템의 urea 분사 제어 알고리즘 개발을 위한 기초연구로 2L 직 접분사식 디 젤기관을 대상으로 정 적 및 동적운전조건에서 engine out NOx의 배출 특성과 urea 공급에 따른 SCR 촉매 후단에서의 NOx 거동 특성을 조사하였다.
본 연구에서는 Zeolite 촉매를 사용한 Urea-SCR 시스템의 urea 분사 제어 알고리즘 개발을 위한 기초 연구로 2L 직 접분사식 디젤기관을 대상으로 정적운전 및 동적운전조건에서 engine out NOx의 배출 특성, urea 공급시 NOx 저감 특성을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

10은 촉매온도 변화에 따른NL% 최대 저장용량을 나타낸 것이다. NH₃ slip 의 발생 시 기 는urea 공급 중에 후단 NOx 값이 증가하기 시작할 때이고 NH3 slip이 발생하면 촉매 내 NH₃ 최대 저장용량에도 달한 것으로 가정하였다. NH₃ slip이 발생할 때까지의 시간동안 urea 공급으로 생성된 NHe량으로부터 NOx와의 반응에 소모된 NH₃ 량을 제한 나머지 양을 NI % 최대저장용량으로 하여 단위 촉매체적당으로 계산하였다.

제안 방법

NH₃ slip 의 발생 시 기 는urea 공급 중에 후단 NOx 값이 증가하기 시작할 때이고 NH3 slip이 발생하면 촉매 내 NH₃ 최대 저장용량에도 달한 것으로 가정하였다. NH₃ slip이 발생할 때까지의 시간동안 urea 공급으로 생성된 NHe량으로부터 NOx와의 반응에 소모된 NH₃ 량을 제한 나머지 양을 NI % 최대저장용량으로 하여 단위 촉매체적당으로 계산하였다. 정적조건하에서 NH₃의 최대저장용량은 온도증가에 따라 급격히 감소함을 알 수 있다.
사용한 urea는 AdBlue이며 1Hz의 주파수로 Injector duty를 제어하였다. SCR 전, 후단에는 압력, 온도, NOx 센서, NOx CLD분석기용 probe를 장착하여, 실시간 모니터링이 가능하도록 하였다. 본 연구의 배출가스 저감대상인 NOx를 측정 하기 위해 CLD 분석 기 와 Siemens-NGK Smart NOx sensor를 동시에 사용하였다.
터빈 전단에 걸리는 배압은 1600rpm 조건에서최 대 30kPa 수준이다. SCR 전단에는 air assisted 방식의 urea 공급 시스템을 장착하였다. 인젝터에서나온 urea는 압축공기 로 불어 져 배 기 파이 프에 장착된 4홀의 노즐로 나오게 된다.
5%의 정밀도를 갖으며, 1분정도의 응답성을 가져 steady 실험 조건에서비 교적 정확한 NOx 농도 취 득을 위해 사용되 었다. Smart NOx sensor는 0~1500ppm의 측정범위에서 750ms의 응답성을 보이는데, transient 조건에서의 NOx 거동을 파악하기 위해 사용하였으며, SCR 촉매 전, 후단에 각각 설치 하였다. 그리고 SCR촉매 후단의 NH₃ slip 측정을 위해 Teledyne사의 LGA-4000 레이저 가스 분석기를 사용하였다.
공급된 urea 수용액 질량의 18.4% 정도가 NHg로생성 되 는데, NOx의 NO/NO₂비 를 1:1 로 고려하여 반응식 (4)를 기준으로 deNOx에 필요한NH₃양을 계산하고 이를 NSR (Normalized stoichiometric Ratio, NH3/NOx 몰비) 1로 하였다. Fig.

대상 데이터

Smart NOx sensor는 0~1500ppm의 측정범위에서 750ms의 응답성을 보이는데, transient 조건에서의 NOx 거동을 파악하기 위해 사용하였으며, SCR 촉매 전, 후단에 각각 설치 하였다. 그리고 SCR촉매 후단의 NH₃ slip 측정을 위해 Teledyne사의 LGA-4000 레이저 가스 분석기를 사용하였다. 이 분석기는 다이오드 레이저 흡수 분광기를사용하여 혼합가스의 성분에 따라 시그널을 만들어 내며 응답성이 빠른 장점을 지 닌다.
SCR 전, 후단에는 압력, 온도, NOx 센서, NOx CLD분석기용 probe를 장착하여, 실시간 모니터링이 가능하도록 하였다. 본 연구의 배출가스 저감대상인 NOx를 측정 하기 위해 CLD 분석 기 와 Siemens-NGK Smart NOx sensor를 동시에 사용하였다. CLD 분석기는 Teledyne Model 9110E를 사용하였는데, 0~5000ppm의 측정범위에서 0.
5bar로 설정하였다. 사용한 urea는 AdBlue이며 1Hz의 주파수로 Injector duty를 제어하였다. SCR 전, 후단에는 압력, 온도, NOx 센서, NOx CLD분석기용 probe를 장착하여, 실시간 모니터링이 가능하도록 하였다.
실험 엔진은 2L common rail 직접 분사방식의 디 젤엔진으로서 VGT 터보차저를 장착하였으며, 인터 쿨러는 수냉식 으로 하여 출구의 흡기온도를 50℃ 기준으로 PID 제어 하였다. VGT는 듀티 50% 조건으로일정하게 유지시켜 실험하였고 EGR의 공급은 차단하였다.

성능/효과

1) 촉매의 온도가 낮을수록 NH₃의 흡착율이 높고탈착율은 낮으며 촉매 표면에 저 장할 수 있는 최대 NH?의 양이 증가한다.
2) 저부하, 낮은 온도조건에서 충분히 저장된 NH} 는 가속시 서서히 온도가 증가하면 NH₃의 최 대저장용링:의 감소와 탈착율의 증가로 NHs slip 이발생되며, 이러한 조건은 가속 후 감속 시에 잘나타난다.
3) 가속 시 engine out NOx는 정적조건의 NOx 보다 100-200 ppm 정도 낮다. 정 적 조건하에서 엔진속도, 부하별로 engone out NOx를 측정 하고 look up table로 구성하여 저감 대상량을 결정하는 제어로직에 있어서 이와 같은 동적 특성을 고려한 보상이 필요하다
10분 경과 후urea 공급을 차단하면 약40초 지 연되어 감소하게 된다. 분석기를 사용하여 정확한 NH3 slip양의 측정 이 가능하였고, 비록 지 연시간이존재하지만slip 발생의 거동을 확인할 수 있었다.
즉, 이것은 uren로부터 만들어진 NHj가 촉매에 저장이 되어 공급이 중단된 이후에도 저장된 NH₃가 소진될 때까지 반응이 일어나기때문이다.이와 같이 저온에서 촉매는NH₃의 흡착율이 높고 탈착율이 낮아 촉매 표면에 저장할 수 있는 능력 이 크며 NOx와의 반응율은 낮은 특성이 있으며, urea 공급 초기 NOx 저감이나, 공급 종료 후 NOx 상승 거동이 서서히 일어나는 것도 그러한 이유에서 이다 한편 부하 증가에 따라 촉매온도가 높을수록 urea의 공급시작과 공급 중지시점에서 NOx 의 감소와 증가가 급격히 일어나는 것을 알 수 있다. 이는 촉매표면온도가 높을수록NH₃의 탈착율 및 표면반응율이 증가하고, 촉매표면에 흡착할 수 있는 NH3의 양이 적어지기 때문이다.

참고문헌 (7)

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M. Koebel, M. Elsener and M. Kleemann, "Urea-SCR: A Promising Technique to Reduce NOx Emissions from Automotive Diesel Engines," Catalysis Today, Vol.59, pp.335-345, 2000

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C. Ciardelli, I. Nova, E. Tronconi, B. Konrad, D. Chatterjee, K. Ecke and M. Weibel, "SCRDeNOx for Diesel Engine Exhaust Aftectreatment: Unsteady-state Kinetic Study and Monolith Reactor Modelling," Chemical Engineering Science, Vol.59, pp.5301-5309, 2004

상세보기
F. Willems, R. Cloudt, E. Eijnden, M. Genderen and R. Verbeek, "Is Closed-Loop SCR Control Required to Meet Future Emission Targets?," SAE 2007-01-1574, 2007
C. Havenith and R. Verbeek, "Transient Performance of a Urea deNOx Catalyst for Low Emissions Heavy-Duty Diesel Engines," SAE 970185, 1997
L. Hofmann, K. Rusch, S. Fisher and B. Lemire, "Onboard Emission Monitoring on a HD Truck with an SCR System Using NOx sensors," SAE 2004-01-1290, 2004
T. Wang, S. Baek, M. Jung and G. Yeo, "A Study of NH $_3$ Adsorption/Desorption Characteristics in the Monolithic NH $_3$ -SCR Reactor," Transactions of KSAE, Vol.14, No.3, pp.125-132, 2006

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