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문제 정의
- 본 연구에서는 전술한 상황의 소형 열기관에서 배출되는 질소산화물의 후처리를 위해 적용되는 SCR (selective catalytic reduction) 시스템의 운전 변수에 관련된 연구를 수행하였다. 질소산화물의 후처리시설로서는 SNCR (selectivenon-catalytic reduction) 시스템이 SCR 시스템과 경쟁적 관계에 있다.
- 본 연구에서는 패키지형 소형 SCR 시스템 내의 유동형태가 결정되어 있다는 전제하에서 SCR 시스템 내부를 흐르는 배기가스에 암모니아를 주입하여 균일한 농도분포가 이루어지도록 하기 위한 AIG (ammonia injection grid)의 배치와 구조에 대하여 전산해석적 평가를 시행하였다. 전산해석 대상의 SCR 시스템은 유동제어를 목적으로 수행된 선행연구5)와 동일한 구조를 가졌으며 본 연구에서는 AIG의 배치 및 형상변화에 대한 암모니아 농도분포 특성변화만을 평가하였다.
가설 설정
- 314 m를 사용하였으며 난류강도의 경우 조용한 입구에서 2~3%, 혼합이 되거나 거친단면에서는 10~12%를 적용하므로, 이번 SCR 시스템의 형상에서는 10%를 채택하여 사용하였다. 또한 촉매층에서일어나는 화학 반응이 유동 및 속도분포에 미치는 영향은 10% 이내로 가정하고 유동 해석만 수행하였다.6)
제안 방법
- 23의 질량분율을 갖는 공기로간주하여 전산해석을 수행하였다.3) 촉매층은 다공성 물질이므로 촉매에서의 유동 해석을 위해 투과율, 관성저항 등의 특성 값을 가지는 다공판(porous media)을 적용하여 해석하되 촉매에 관하여 유동의 방향만 설정하기 위해 관성저항을 z방향은 10 m-1그 외 방향은 z방향의 10만 배를 설정하였다.10) 또한 촉매층 영역은 유체 흐름 방향인 z축 방향이 지배적이기 때문에 x축과 y축으로의 물질 및 운동량 전달은 무시하였고 모든 벽에는 점착조건과 단열조건을 부여하였다.
- AIG 내부 영역의 전산 해석을 위해 AIG의 입구부분을mass flow inlet 조건으로 설정하여 질소산화물 제거용 환원제가 들어가도록 하였으며 AIG의 분사구는 pressure outlet으로 설정하여 각 분사구로부터 환원제가 분사되는 양을 해석 하였다. AIG의 입구부분에서는 몰분율로 0.
- AIG 형상에 따른 SCR 시스템의 유동 및 농도 균일도 판단을 위해 RMS (root mean square)(%)를 이용하여 촉매층전단에서의 균일도를 수치화 했다. 촉매층을 통과할 시 암모니아 농도분포의 균일도는 질소산화물의 저감률과 암모니아 슬립에 영향을 미치는 중요한 인자이다.
- AIG 형상에 따른 암모니아 농도분포를 확인하기 위해 Y= 1.2 m의 시스템 중심과 첫 번째 촉매층 전단 5 mm의 단면을 형성하여 첫 번째 촉매층 전단에서의 속도장 및 암모니아 농도분포를 중심으로 배기가스와 환원제의 혼합정도를 평가하였다. Fig.
- AIG에 설치된 분사구의 각도를 Z축 방향과 일치하는 각도인 θ = 0°로 정했을 때 경우가 case A-0가 되고 Fig. 2(b)에 보인 것처럼 AIG의 축 중심에 θ = ±30°, θ = ±60°, θ = ±120°인 경우를 각각 case A-1, case A-2, case A-3으로 정하였다.
- 314 m)부분에 위치시켰다. AIG의 형상은 덕트 입구와 같이 도넛형상으로 바꾸어 해석하였다. 각 AIG의 간격은 0.
- Case A의 해석을 통해 파악된 바로는 유동분포 대비 농도분포를 균일하게 하기위해 흐름의 중심에서 가장 외곽에 있는 AIG에 대해 분사구의 위치를 재조정할 필요가 있음이 파악되었는데 θ = ±120°인 경우인 case A-3의 경우에 대해 다른 조건을 변경하지 않은 상태에서 최외곽에 있는 AIG,즉 첫 번째 및 여섯 번째의 AIG에 설치된 분사구를 지그재그로 배치하지 않고 벽의 반대 방향으로 분사구의 각도를 각각 θ = +120° 및 θ = -120°로 배치하여 해석하였다.
- 각 AIG에서 주입되는 암모니아 공급량을 변화시켜 가며 이에 따른 SCR 시스템 내부유동에서의 암모니아 분포변화를 평가하는 연구를 case B로 규정하였다. Case B는 caseA-3*의 작업조건에서 결정된 분사구의 배치 및 각도를 고정한 조건에서 AIG에 균등하게 공급되던 환원제의 유량을 변경하면서 그 영향을 평가하였다. Case B-1에서는 AIG주위를 통과하는 배기가스의 속도불균일에 의해 발생되는 배기가스 중 암모니아 혼합의 불균일을 보정하기 위해 속도분포를 기준으로 각 AIG에 공급되는 환원제의 유량을 교정한 것으로 각 AIG에 공급되는 환원제의 유량은
- SCR 시스템 영역의 전산해석을 위해 덕트 입구부분을 velocity inlet 조건으로 설정하여 배기가스가 덕트 입구를 통해 유입될 수 있도록 하였고, 덕트의 출구 부분은 pressure outlet으로 설정하여 일정 압력이 존재하는 조건에서 배기가스를 배출시켰다. 각 AIG의 분사구는 mass flow inlet으로 지정하여 환원제를 공급할 수 있도록 하였으며 각 분사구에서 분사되는 환원제의 양은 SCR 시스템의 해석 전AIG 형상에 따른 AIG 내부 해석을 통해 얻어진 결과를 적용하여 사용하였다.
- 각 AIG의 간격은 0.35 m로 두었으며 첫 번째 AIG의 도넛 직경은 1.4 m, 두 번째 AIG는 1.05 m로 하였고 첫 번째와 두 번째 AIG의 분사구는18° 간격으로 각 AIG 당 20개씩 위치시켰다.
- SCR 시스템 영역의 전산해석을 위해 덕트 입구부분을 velocity inlet 조건으로 설정하여 배기가스가 덕트 입구를 통해 유입될 수 있도록 하였고, 덕트의 출구 부분은 pressure outlet으로 설정하여 일정 압력이 존재하는 조건에서 배기가스를 배출시켰다. 각 AIG의 분사구는 mass flow inlet으로 지정하여 환원제를 공급할 수 있도록 하였으며 각 분사구에서 분사되는 환원제의 양은 SCR 시스템의 해석 전AIG 형상에 따른 AIG 내부 해석을 통해 얻어진 결과를 적용하여 사용하였다. 배기가스의 유량은 25,300 Nm3/hr이며 질소와 산소가 각각 0.
- 각 AIG의 분사구는 mass flow inlet으로 지정하여 환원제를 공급할 수 있도록 하였으며 각 분사구에서 분사되는 환원제의 양은 SCR 시스템의 해석 전AIG 형상에 따른 AIG 내부 해석을 통해 얻어진 결과를 적용하여 사용하였다. 배기가스의 유량은 25,300 Nm3/hr이며 질소와 산소가 각각 0.77와 0.23의 질량분율을 갖는 공기로간주하여 전산해석을 수행하였다.3) 촉매층은 다공성 물질이므로 촉매에서의 유동 해석을 위해 투과율, 관성저항 등의 특성 값을 가지는 다공판(porous media)을 적용하여 해석하되 촉매에 관하여 유동의 방향만 설정하기 위해 관성저항을 z방향은 10 m-1그 외 방향은 z방향의 10만 배를 설정하였다.
- 본 연구에서는 AIG의 분사구의 각도와 AIG 형상, 분사량 조절의 다양한 운전조건에 따른 촉매층 전단에서의 암모니아와 배기가스 혼합 정도를 비교, 분석하였다.
- 본 연구에서는 SCR 시스템 내 배플을 이용하여 1차적으로 균일화 시킨 배기가스 상태에서 환원제가 분사되는 AIG 형상 및 유량 조정이 촉매 입구에서의 암모니아 농도분포에 미치는 영향을 전산해석을 통해 해석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 분사구는 120° 각도로 고정하여 배기가스의 속도가 빨라 상대적으로 벽면보다 암모니아의 농도분포가 적을 것으로 예상되는 덕트 입구를 향하도록 하였다.
- 세 번째 AIG의 경우의 도넛직경은 0.7 m, 네 번째는 0.35 m로 하였으며 첫 번째와 두 번째 AIG보다 상대적으로 도넛직경이 작기 때문에 분사구는 36° 간격으로 10개씩 위치시켰다.
- 본 연구에서는 패키지형 소형 SCR 시스템 내의 유동형태가 결정되어 있다는 전제하에서 SCR 시스템 내부를 흐르는 배기가스에 암모니아를 주입하여 균일한 농도분포가 이루어지도록 하기 위한 AIG (ammonia injection grid)의 배치와 구조에 대하여 전산해석적 평가를 시행하였다. 전산해석 대상의 SCR 시스템은 유동제어를 목적으로 수행된 선행연구5)와 동일한 구조를 가졌으며 본 연구에서는 AIG의 배치 및 형상변화에 대한 암모니아 농도분포 특성변화만을 평가하였다.
- 7) 첫 번째 영역은 AIG입구 부분을 통해 유입된 환원제가 각 분사구를 통해 분사되는 AIG 내부 영역 해석에 해당하며 두 번째 영역은 분사구에서 분사되어진 환원제가 외부 영역인 SCR 시스템에서 배기가스와 상호교환을 하는 구간이다. 첫 번째 영역의AIG 내부 해석 결과로 AIG 형상에 따른 각 분사구에서의유량이 결정되고 이렇게 결정되어진 결과값은 구간 2의SCR 시스템의 유동해석 시에 AIG 분사구의 경계조건으로설정하였다. 시스템 내부의 전산해석은 CFD 상용프로그램인 FLUENT를 이용하였다.
- 촉매층으로 공급되는 배기가스 중 암모니아 농도분포가 균일해지도록 하기위한 조치로서 AIG의 형상을 변경하여AIG 형상대비 암모니아 농도분포를 평가하는 작업을 caseC로 규정하였다. 평가에 사용된 AIG 형상은 일렬, 격자형,도넛형의 배치가 사용되었다.
대상 데이터
- 난류모델은 급격한 유동변화와 재순환 유동이 발생되는 현상에서의 난류특성을 정확하고 타당성 있게 예측이 가능하다고 알려진 RNG k - ε 모델을 사용하였다.1,4) 난류특성길이는 수력학적 직경(hydraulic diameter) 1.314 m를 사용하였으며 난류강도의 경우 조용한 입구에서 2~3%, 혼합이 되거나 거친단면에서는 10~12%를 적용하므로, 이번 SCR 시스템의 형상에서는 10%를 채택하여 사용하였다. 또한 촉매층에서일어나는 화학 반응이 유동 및 속도분포에 미치는 영향은 10% 이내로 가정하고 유동 해석만 수행하였다.
- 085m) 위의 위치에 X축을 따라 일렬로 배치되어 있다. 기본해석에서 AIG에 구성된 암모니아 분사구는 직경 4 mm로 각 AIG에서 Y = 0.17 m인 지점부터 0.14 m (∆Y = 0.14 m)마다 위치하며 분사구의 각 AIG에는 16개의 분사구가 배치된다. 분사구출구 방향은 Z축 방향과 일치시켰으며 이 때 출구각도 기준을 0°로 하였다.
- 본 연구의 해석 대상 모델은 선행연구5)와 동일한 22 MW (75 MBtu/hr) 용량의 육상용 보일러에 장착되는 패키지형SCR 시스템으로 2.4(X) × 2.4(Y) × 3.1(Z) m3의 내부용적을 가진다.
- 촉매층으로 공급되는 배기가스 중 암모니아 농도분포가 균일해지도록 하기위한 조치로서 AIG의 형상을 변경하여AIG 형상대비 암모니아 농도분포를 평가하는 작업을 caseC로 규정하였다. 평가에 사용된 AIG 형상은 일렬, 격자형,도넛형의 배치가 사용되었다. Fig.
- 해석에 사용된 암모니아는 밀도 0.69 kg/m3과 1.02 × 10-5 kg/m-sec의 점도를 가진다.
데이터처리
- 해석에서 수렴 판단은 온도장과 농도장의 경우 잔차(residual)가 1 × 10-6 미만 일 시를 기준으로 설정하였고 그 외 속도장, 난류장 등의 경우 잔차가1 × 10-3 미만의 값을 가질 때를 기준으로 하여 반복계산을 통한 결과값을 계산하였다.
이론/모형
- 난류모델은 급격한 유동변화와 재순환 유동이 발생되는 현상에서의 난류특성을 정확하고 타당성 있게 예측이 가능하다고 알려진 RNG k - ε 모델을 사용하였다.
- 첫 번째 영역의AIG 내부 해석 결과로 AIG 형상에 따른 각 분사구에서의유량이 결정되고 이렇게 결정되어진 결과값은 구간 2의SCR 시스템의 유동해석 시에 AIG 분사구의 경계조건으로설정하였다. 시스템 내부의 전산해석은 CFD 상용프로그램인 FLUENT를 이용하였다.8)
- Table 2에 AIG 내부 해석 및 SCR 전체 해석에 사용한 경계조건을 나타내었다. 해석 격자 모델은 모델링 및 격자 형성 프로그램인 GAMBIT을 사용하였으며 유동 흐름에 영향을 미칠 수 있는 영역에서는 격자를 조밀하게 형성하였다.11) 생성된 격자는 hex와 tetrahedral의 형태로 약2,660,000 개로 구성되어 있다.
성능/효과
- 1) 속도장의 RMS(%) 수치 확인 시 약 25.7%로 낮으나, 농도장의 RMS(%) 수치는 약 95.3%로 속도분포와 관계없이 높은 수치를 나타낸다. 이를 통해 배기가스와 암모니아의 혼합은 배플만으로는 농도분포의 균일성을 확보하는 것에는 어려움이 있으므로 AIG 형상변화를 통해 균일성을 확보하는 것이 필요함을 확인하였다.
- 120°는 유동이 흘러가는 방향과 반대되는 방향으로 분사가 되는 경우로 이때의 RMS(%) 수치는 가장 낮은 90.1%를 나타내었으며, case0의 기본형상과 비교할 경우 약 5.2%의 균일도가 개선되었음을 확인 가능하다.
- 2) 분사구의 각도에 따른 촉매층 전단에서의 암모니아 농도분포를 비교하였을 때 각도를 가지지 않는 0°에서 ±30°,±60°, ±120°로 변경시켰을 시 RMS(%) 수치는 분사구의 각도를 증가시킬수록 낮아져 대향방향인 120°로 하였을 때 가장 낮았다.
- 3) 암모니아의 농도분포가 집중되는 영역을 없애기 위해분사구의 위치와 유량을 조정 한 결과, 속도분포를 기준으로 AIG의 유량을 조정한 경우의 RMS(%) 수치는 62.8%을 나타내었다. 농도분포를 기준으로 유량을 조정한 경우의 RMS(%) 수치는 62.
- 높은 RMS(%) 수치는 암모니아가 일정 영역에 집중되어 암모니아 슬립을 일으키며, 촉매의 활용을 저하시키고 낮은 질소산화물의 저감 성능을 보일 가능성을 나타낸다.3) 이는 혼합을 위한 1차적인 방법인 배플만으로는 환원제의 농도분포의 균일성을 확보하는데 어려움이 있으므로 AIG 형상변화를 통한 암모니아와 배기가스의 균일한 혼합이 필요함을 의미한다.
- 4) AIG 형상에 따른 암모니아 농도분포의 확인 결과 축을 따라 등간격으로 배열시킨 경우보다 유동박리 영역에서 벗어나도록 AIG 수를 감소시킨 경우 RMS(%) 수치가 감소하였다. 또한 일렬배열보다는 격자형상과 도넛형상이 혼합에 더 효율적이었다.
- 2) 분사구의 각도에 따른 촉매층 전단에서의 암모니아 농도분포를 비교하였을 때 각도를 가지지 않는 0°에서 ±30°,±60°, ±120°로 변경시켰을 시 RMS(%) 수치는 분사구의 각도를 증가시킬수록 낮아져 대향방향인 120°로 하였을 때 가장 낮았다. AIG와 촉매층 전단까지의 거리가 짧기 때문에 체류시간을 늘려 줄 수 있도록 대향방향으로 분사했을 때가 혼합증진에 효율적임을 확인할 수 있었다.
- 결과적으로 환원제인 암모니아 농도분포는 질량분율3.51 × 10-5, 표준편차는 3.35 × 10-5이며, 그에 따른 RMS(%) 수치는 약 95.3%로 속도분포와 관계없이 높은 수치를 나타냄을 확인 가능하다.
- 또한 일렬배열보다는 격자형상과 도넛형상이 혼합에 더 효율적이었다. 그러나 가장 혼합이 좋은 도넛형상의 경우도 RMS(%) 수치 44.2%로 높아 SCR 시스템 내에 AIG를 설치하는 것이 부적절함을 확인하였다.
- 8%을 나타내었다. 농도분포를 기준으로 유량을 조정한 경우의 RMS(%) 수치는 62.9%로 동일한 유량으로 분사했을 시보다 약 14.9% 낮아진 수치를 보임으로써 촉매층 전단에서의 고른 농도분포를 위해서는 적정한 유량 조정이 필요함을 확인하였다.
- 4) AIG 형상에 따른 암모니아 농도분포의 확인 결과 축을 따라 등간격으로 배열시킨 경우보다 유동박리 영역에서 벗어나도록 AIG 수를 감소시킨 경우 RMS(%) 수치가 감소하였다. 또한 일렬배열보다는 격자형상과 도넛형상이 혼합에 더 효율적이었다. 그러나 가장 혼합이 좋은 도넛형상의 경우도 RMS(%) 수치 44.
- 본 연구 결과 소형 SCR 시스템의 경우 배기가스가 유입되는 곳과 촉매층의 거리가 짧기 때문에 촉매층에서 배기가스와 암모니아의 혼합을 위해서는 SCR 시스템 이전에 미리 환원제와 배기가스를 혼합하여 사용하는 것이 효율적이다.
- 분사각에 따른 촉매전단에서의 농도분포를 살펴 본 결과 소형시설의 SCR 시스템인 경우 공간상 제약으로 암모니아가 분사되는 AIG와 촉매층 거리가 짧아 암모니아가 촉매층 전단에서 고르게 혼합되지 않으며 이러한 문제점은 분사각과 분사구의 개수 조정만으로는 개선하기 어렵다는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 식 (1)과 (2)의 교정조건을 적용하여 속도분포 및 농도분포 기준으로 환원제의 유량을 조정한 결과를 Fig.
- 7(b)에서 확인할 수 있듯이 벽주위에 높게 분포하던 암모니아의 양이 감소된 것을 알 수 있다. 상대적으로 속도가 빠른 시스템 중심에서의 환원제 분사량을 배기가스의 속도가 느린 시스템의 외곽부보다 많도록 조정하는 것이 고른 농도분포를 형성하는데 효과적임을 확인하였다.
- 8에 각 AIG 형상에 따른 촉매층 전단에서의 암모니아 농도분포를 나타내었다. 세 가지 AIG 형상 중 도넛형상의 AIG가 배기가스와 환원제의 가장 좋은 혼합을 나타내었다. Case C-1의 일렬로 배치된 4개의 AIG 형상에서의 평균 질량분율은 2.
- 환원제가 분사되는 AIG와 질소산화물의 저감반응이 이루어지는 촉매층 전단까지의 거리가 짧기 때문에 대향방향으로 분사했을 경우 정방향으로 분사했을 경우보다 SCR 시스템 내 체류시간이 증가하게 되고 혼합율 개선에 효율적임을 확인 하였다. 이러한 결과를 바탕으로 가장 외곽의 분사구를 변경한 case A-3*의 RMS(%)수치는 77.7%로 유동박리 영역으로부터 분사구를 벗어나게 함으로써 벽주위로 집중되던 암모니아 농도분포를 감소시켜 균일도를 개선할 수 있었음을 확인할 수 있다.
- 3%로 속도분포와 관계없이 높은 수치를 나타낸다. 이를 통해 배기가스와 암모니아의 혼합은 배플만으로는 농도분포의 균일성을 확보하는 것에는 어려움이 있으므로 AIG 형상변화를 통해 균일성을 확보하는 것이 필요함을 확인하였다.
- 2%의 균일도가 개선되었음을 확인 가능하다. 환원제가 분사되는 AIG와 질소산화물의 저감반응이 이루어지는 촉매층 전단까지의 거리가 짧기 때문에 대향방향으로 분사했을 경우 정방향으로 분사했을 경우보다 SCR 시스템 내 체류시간이 증가하게 되고 혼합율 개선에 효율적임을 확인 하였다. 이러한 결과를 바탕으로 가장 외곽의 분사구를 변경한 case A-3*의 RMS(%)수치는 77.
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