SCR의 NOx 제거 성능은 촉매 요인(촉매 구성물질, 형태, 공간속도 등), 배가스의 온도, 유속 분포 등의 다양한 인자에 의해 좌우되며, 이 중 촉매층으로 유입되는 유동의 균일도는 가장 중요한 요소가 된다. 본 연구에서는 3차원수치 해석 기법을 이용하여 설계 단계의 SCR 반응기 내의 유동 특성을 모사하여 기류 균일도 여부를 확인하였다. 또한 SCR 반응기 내의 유동 균일도를 최적화시키기 위해 가이드 베인과 배플 및 다공판 등을 설치하였을 경우 반응기 내부 유동 및 촉매층의 기류 균일도에 미치는 영향에 대해 연구를 수행하였다. 유동 개선을 위해 인입 덕트곡관부에 가이드 베인을 설치하여 처리가스를 적절하게 배분시키고, 반응기 상단에 배플을 설치한 결과 반응기 내부 유동의 편류 개선에 매우 효과적임을 알 수 있었다. 또한 다공판을 예비 촉매층 하단부에 추가로 설치함에 따라 유동을 한번 더 완충시킬 수 있어 기류 균일도가 매우 양호해짐을 확인 할 수 있었다.
SCR의 NOx 제거 성능은 촉매 요인(촉매 구성물질, 형태, 공간속도 등), 배가스의 온도, 유속 분포 등의 다양한 인자에 의해 좌우되며, 이 중 촉매층으로 유입되는 유동의 균일도는 가장 중요한 요소가 된다. 본 연구에서는 3차원 수치 해석 기법을 이용하여 설계 단계의 SCR 반응기 내의 유동 특성을 모사하여 기류 균일도 여부를 확인하였다. 또한 SCR 반응기 내의 유동 균일도를 최적화시키기 위해 가이드 베인과 배플 및 다공판 등을 설치하였을 경우 반응기 내부 유동 및 촉매층의 기류 균일도에 미치는 영향에 대해 연구를 수행하였다. 유동 개선을 위해 인입 덕트곡관부에 가이드 베인을 설치하여 처리가스를 적절하게 배분시키고, 반응기 상단에 배플을 설치한 결과 반응기 내부 유동의 편류 개선에 매우 효과적임을 알 수 있었다. 또한 다공판을 예비 촉매층 하단부에 추가로 설치함에 따라 유동을 한번 더 완충시킬 수 있어 기류 균일도가 매우 양호해짐을 확인 할 수 있었다.
Performance of NOx removal in SCR(Selective Catalytic Reduction) process depends on such various factors as catalyst factors (catalyst composition, catalyst form, space velocity, etc.), temperature of exhaust gas, and velocity distribution of exhaust gas. Especially the flow uniformity of gas stream...
Performance of NOx removal in SCR(Selective Catalytic Reduction) process depends on such various factors as catalyst factors (catalyst composition, catalyst form, space velocity, etc.), temperature of exhaust gas, and velocity distribution of exhaust gas. Especially the flow uniformity of gas stream flowing into the catalyst layer is believed to be the most important factor to influence the performance. In this research, the flow characteristics of a SCR process at design stage was simulated, using 3-dimensional numerical analysis method, to confirm the uniformity of the gas stream. In addition, the effects of guide vanes, baffles, and perforated plates on the flow uniformity for the inside and catalyst layer of the reactor were studied in order to optimize the flow uniformity inside the SCR reactor. It was found that the installation of a guide vane at the inlet duct L-tube part and the installation of a baffle at the upper part is very effective in avoiding chaneling inside the reactor. It was also found that additional installation of a perforated plate at the lower part of the potential catalyst layer buffers once more the flow for very uniform distribution of the gas stream.
Performance of NOx removal in SCR(Selective Catalytic Reduction) process depends on such various factors as catalyst factors (catalyst composition, catalyst form, space velocity, etc.), temperature of exhaust gas, and velocity distribution of exhaust gas. Especially the flow uniformity of gas stream flowing into the catalyst layer is believed to be the most important factor to influence the performance. In this research, the flow characteristics of a SCR process at design stage was simulated, using 3-dimensional numerical analysis method, to confirm the uniformity of the gas stream. In addition, the effects of guide vanes, baffles, and perforated plates on the flow uniformity for the inside and catalyst layer of the reactor were studied in order to optimize the flow uniformity inside the SCR reactor. It was found that the installation of a guide vane at the inlet duct L-tube part and the installation of a baffle at the upper part is very effective in avoiding chaneling inside the reactor. It was also found that additional installation of a perforated plate at the lower part of the potential catalyst layer buffers once more the flow for very uniform distribution of the gas stream.
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문제 정의
SCR의 설계 초기 모델의 유동 균일도를 최적화시키기 위한 설계를 목적으로 표 1과 같이 가이드 베인과 배플, 다공판 설치에 따른 유동 특성을 해석하여 기류 균일도에 미치는 영향에 대하여 연구를 수행하였다[7].
본 연구는 실제로 조업 중인 SCR 반응기의 현 상황을 진단하고 성능 개선을 도모하기 위한 것이다. 이를 위해, 그림 1의 설계도면을 바탕으로 그림 2와 같이 설계도면과 똑같은 형상으로 3차원 모형을 구현하였고 수치 계산을 위한 격자 형상(grid configuration) 모습도 함께 나타내었다.
본 연구에서는 보편적으로 설계되어지는 SCR 반응기 구조인 반응기 상부 측면에서 처리가스가 인입되는 형태의 SCR 반응기에 대하여 내부 편류 형성이 예상되는 바, 3차원 수치 해석 기법을 이용하여 반응기 내 유동 특성을 모사하여 기류 균일도 여부를 확인하고, SCR 반응기 내부의 유동 균일도를 최적화하기 위해 가이드 베인과 배플, 다공판을 반응기 내부에 설치했을 경우 유동 및 촉매층의 기류 균일도에 미치는 영향에 대하여 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 설치 공간상의 제약 때문에 처리가스가 반응기 상부 측면에서 인입되는 가장 일반적인 구조의 SCR 반응기 내 유동 특성을 3차원 수치 해석 기법을 이용하여 모사하여 기류 균일도 여부를 확인하고, SCR 내의 유동 균일도를 최적화시키기 위한 목적으로 가이드 베인과 배플, 다공판 설치에 따른 유동 특성을 해석하여 기류 균일도에 미치는 영향에 대해 연구를 수행하였다.
가설 설정
압력장을 구하기 위해 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시키는 방법으로 SIMPLE(Semi-Impicit Method Pressure-Linked Equations) 알고리즘을 사용하였고, 벽면과 고체 표면에서의 전단 응력은 벽함수(Wall function)를 이용하여 계산하였다. 촉매층은 실제 형상과 공극을 모델링하여 구현하는 것이 불가능하므로 Porous jump model을 이용하여 다공성 물질로 가정하고 국부 유속에 대한 단위 면적당 압력강하로 계산하였다[6].
제안 방법
본 연구는 실제로 조업 중인 SCR 반응기의 현 상황을 진단하고 성능 개선을 도모하기 위한 것이다. 이를 위해, 그림 1의 설계도면을 바탕으로 그림 2와 같이 설계도면과 똑같은 형상으로 3차원 모형을 구현하였고 수치 계산을 위한 격자 형상(grid configuration) 모습도 함께 나타내었다. 정확한 유동 형상을 확인해야 하는 반응기 내부 및 촉매층은 육면체(Hexa-hedron) 격자계를 사용하였고, 그 외 형상이 복잡한 구간에는 사면체(Tetra-hedron) 격자계를 사용하였으며 반응기 형상을 구현하는데 사용된 격자수는 총 1,058,604 개이다.
대상 데이터
이를 위해, 그림 1의 설계도면을 바탕으로 그림 2와 같이 설계도면과 똑같은 형상으로 3차원 모형을 구현하였고 수치 계산을 위한 격자 형상(grid configuration) 모습도 함께 나타내었다. 정확한 유동 형상을 확인해야 하는 반응기 내부 및 촉매층은 육면체(Hexa-hedron) 격자계를 사용하였고, 그 외 형상이 복잡한 구간에는 사면체(Tetra-hedron) 격자계를 사용하였으며 반응기 형상을 구현하는데 사용된 격자수는 총 1,058,604 개이다.
이론/모형
난류 모델로는 Reynolds-averaged Navier-Stokes 방정식과 함께 표준 k-ε 모델을 사용하였고, 표준 k-ε 모델은 점성에 의한 응력이 속도의 변형률에 비례한다는 가정하에 난류 에너지와 소산률을 통해 난류 점성 계수를 취급한다.
난류 모델에는 난류점성계수를 취급하는 방법에 따라 여러 가지 모델이 있는데, 본 연구에서는 Launder와 Spalding에 의해 제시된 Standard k-ε turbulence model을 사용하였다.
본 연구에 사용된 상용 소프트웨어인 FLUENT에서는 이산화 방법으로 유한 체적법(Finite-volume method)을 사용하고 있다. 모든 수치 해석은 상류 차분 도식(Upwind differencing scheme)과 엇갈림 격자계(Staggered grids)를 이용하여 수행하였다. 압력장을 구하기 위해 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시키는 방법으로 SIMPLE(Semi-Impicit Method Pressure-Linked Equations) 알고리즘을 사용하였고, 벽면과 고체 표면에서의 전단 응력은 벽함수(Wall function)를 이용하여 계산하였다.
본 연구에 사용된 상용 소프트웨어인 FLUENT에서는 이산화 방법으로 유한 체적법(Finite-volume method)을 사용하고 있다. 모든 수치 해석은 상류 차분 도식(Upwind differencing scheme)과 엇갈림 격자계(Staggered grids)를 이용하여 수행하였다.
모든 수치 해석은 상류 차분 도식(Upwind differencing scheme)과 엇갈림 격자계(Staggered grids)를 이용하여 수행하였다. 압력장을 구하기 위해 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시키는 방법으로 SIMPLE(Semi-Impicit Method Pressure-Linked Equations) 알고리즘을 사용하였고, 벽면과 고체 표면에서의 전단 응력은 벽함수(Wall function)를 이용하여 계산하였다. 촉매층은 실제 형상과 공극을 모델링하여 구현하는 것이 불가능하므로 Porous jump model을 이용하여 다공성 물질로 가정하고 국부 유속에 대한 단위 면적당 압력강하로 계산하였다[6].
성능/효과
2. 유동 개선을 위해 인입 덕트 곡관부에 가이드 베인을 설치하여 처리가스를 적절하게 배분시키고 반응기 상단에 3단 배플을 설치하여 모사해 본 결과, 반응기 내부 유동의 편류 개선에 매우 효과적임을 알 수 있었다. 또한 다공판을 예비 촉매층 하단부 위치에 추가로 설치함에 따라 유동을 한번 더 완충시킬 수 있어 기류 균일도가 매우 양호해짐을 알 수 있었다.
그림 4와 같이 인입 덕트의 곡관에 의해 반응기 내부 한쪽으로 심한 편류가 형성되면서 편류 반대편으로 사영역(dead-zone)이 발생하여 부상 기류가 형성되고 있음을 알 수 있었다. 그러나 속도 분포와 마찬가지로, 2단 촉매층은 거리에 의해 유동이 다소 발달하여 촉매층에 의한 압력손실이 완충역할을 함에 따라 기류의 직진성은 비교적 양호한 것을 확인할 수 있었다.
단, 그림 10과 같이 본 연구 대상 설비의 구조에서는 반응기 상부에 2단 배플을 설치하는 것보다 3단 배플을 설치하는 것이 반응기 내부 사영역 형성을 억제하여 1단 촉매층에서의 기류 균일도를 더욱 향상시킬 수 있는 것으로 예측되었다. 또한 다공판을 예비 촉매층 하단부 위치에 추가로 설치함에 따라 유동을 한번 더 완충시킬 수 있어 유동의 직진성을 더욱 보완할 수 있어 1단 촉매층에서의 기류 균일도가 더욱 개선되어짐을 알 수 있었다.
Case-2와 같이 배플을 3단으로 설치했을 경우 사영역(dead zone) 해소에 따른 부상 기류 형성을 억제하는데 효과적일 수 있음을 유선 형상을 통해 확인할 수 있었다. 또한 case-3과 같이 반응기 내부에 다공판을 설치한 경우(배플 3단 설치 포함) 유동이 완충됨에 따라 유동의 직진성을 더욱 보완할 수 있는 것으로 유선 형상을 통해 확인할 수 있었다.
유동 개선을 위해 인입 덕트 곡관부에 가이드 베인을 설치하여 처리가스를 적절하게 배분시키고 반응기 상단에 3단 배플을 설치하여 모사해 본 결과, 반응기 내부 유동의 편류 개선에 매우 효과적임을 알 수 있었다. 또한 다공판을 예비 촉매층 하단부 위치에 추가로 설치함에 따라 유동을 한번 더 완충시킬 수 있어 기류 균일도가 매우 양호해짐을 알 수 있었다.
단, 그림 10과 같이 본 연구 대상 설비의 구조에서는 반응기 상부에 2단 배플을 설치하는 것보다 3단 배플을 설치하는 것이 반응기 내부 사영역 형성을 억제하여 1단 촉매층에서의 기류 균일도를 더욱 향상시킬 수 있는 것으로 예측되었다. 또한 다공판을 예비 촉매층 하단부 위치에 추가로 설치함에 따라 유동을 한번 더 완충시킬 수 있어 유동의 직진성을 더욱 보완할 수 있어 1단 촉매층에서의 기류 균일도가 더욱 개선되어짐을 알 수 있었다.
설계 변경 후 인입 덕트 곡관부에 가이드 베인을 설치하여 처리가스를 적절하게 배분시키고, 반응기 상단에 배플을 설치한 결과, 반응기 내부 유동의 편류 개선에 효과적임을 유선 형상을 통해 확인할 수 있었다.
설계 초기 모델의 기류 균일도 개선을 위해 기류 안내용 가이드 베인과 배플, 다공판을 설치한 결과 그림 6∼그림 9와 같이 1단 촉매층에서의 유속 편차가 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
1. 본 SCR 반응기의 설계 단계 모델에 대하여 유동 특성을 해석한 결과, 편류가 심하게 발생하여 1단 촉매층에서의 기류 균일도가 매우 불량한 상태이며, 이는 곧 촉매 성능을 저하시켜 De-NOx 효율이 저하될 수 있으므로 유동의 균일도를 개선할 수 있는 설계 변경이 필요한 것으로 예측되었다.
따라서 본 SCR 반응기의 설계 초기 모델은 편류가 심하게 발생하여 1단 촉매층에서의 기류 균일도가 매우 불량한 상태이며, 이는 곧 촉매 성능을 저하시켜 De-NOx효율이 저하될 수 있으므로 유동의 균일도를 개선할 수 있는 설계 변경이 반드시 필요할 것으로 판단된다
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SCR의 환원제로 무엇이 많이 사용되는가?
SCR은 배가스 중에 포함되어 있는 NOx를 촉매층(catalyst layer)에서 NH3와 반응시켜 무해한 질소(N2)와 물(H2O)로 전환하는 기술이다. 환원제로는 NH3와 우레아(urea)가 많이 사용된다. SCR의 NOx 저감 성능은 촉매 요인(촉매 구성물질, 형태, 공간속도 등)과 배가스의 온도, 유속 분포, 공정 운전 조건 등의 다양한 인자에 의해 좌우된다[1, 2].
NOx 제어 기술은 어떻게 구분할 수 있는가?
NOx 제어 기술로는 크게 연소 전 탈질, 연소 개선 및 연소 후 탈질 기술로 구분할 수 있으며, 연소 후 탈질 기술에 속하는 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction, SCR)은 촉매를 사용하여 NOx를 환원하는 대표적인 배연탈질기술이다. SCR은 배가스 중에 포함되어 있는 NOx를 촉매층(catalyst layer)에서 NH3와 반응시켜 무해한 질소(N2)와 물(H2O)로 전환하는 기술이다.
SCR은 어떤 기술인가?
NOx 제어 기술로는 크게 연소 전 탈질, 연소 개선 및 연소 후 탈질 기술로 구분할 수 있으며, 연소 후 탈질 기술에 속하는 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction, SCR)은 촉매를 사용하여 NOx를 환원하는 대표적인 배연탈질기술이다. SCR은 배가스 중에 포함되어 있는 NOx를 촉매층(catalyst layer)에서 NH3와 반응시켜 무해한 질소(N2)와 물(H2O)로 전환하는 기술이다. 환원제로는 NH3와 우레아(urea)가 많이 사용된다.
참고문헌 (7)
Gang-Woo Lee, Byung-Hyun Shon, Jeong-Gun Yoo, Jong-Hyeon Jung, and Kwang-Joong Oh, "The influence of mixing between $NH_3$ and NO for a De-NOx reaction in the SNCR process", Journal of Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 14, No. 4, pp. 457-467, July 2008.
Thanh D.B. Nguyen, Young-Il Lim, Won-Hyeon Eom, Seong-Joon Kim, Kyung-Seun Yoo, "Experiment and CFD simulation of hybrid SNCR-SCR using urea solution in a pilot-scale reactor", Computers & Chemical Engineering, Vol. 34, Issue 10, pp. 1580-1589, 2010.
L.K. Hjertager, B.H. Hjertager, T. Solberg, "CFD modeling of fast chemical reactions in turbulent liquid flows", Computer Aided Chemical Engineering, Vol. 9, pp. 159-164, 2001.
Yu-Jin Jung, "The Fundamental Study about Optimum Design of Natural Gravity Ventilator", Changwon University, master's thesis, 2001.
B. E. Launder and D. B. Spalding, "The numerical computation of turbulent flows", Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 3, No. 2, pp. 269-289, 1974.
Patankar S.V., Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere Publishing Corp, 1980
Jin-Uk Kim, Yu-Jin Jung, Jeong-Kun Yoo and Byung-Hyun Shon, "A Study on Numerical Calculations of Hybrid Air Pollution Control System Coupled with SDR and Bag Filter(II)-Structural Improvement", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 12, No. 2, pp. 985-992, 2011.
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