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문제 정의
- Park et al.[1]은 반응공간이 협소한 소형 패키지형 SCR 시스템에 적용된 암모니아(ammonia) 희석 분사 시스템의 기하학적 구조 및 배치에 의한 시스템 성능에 관한 연구를 시행하였다. 암모니아 공급에 사용되는 암모니아주입관(ammonia injection gun, AIG) 시스템은 공기분배다기관(air distribution manifold, ADM), ADM에 연결된 헤더, 헤더에 연결된 분지관과 노즐 등의 요소로 이루어지는데 이들의 형상과 배열과 같은 기하학적 요소와 AIG에 공급되는 유량의 변동에 의해 AIG의 성능이 결정된다.
- 전산유체역학에서 경계조건은 해석 결과의 신뢰성에 큰 영향을 준다. 가정과 모델 또한 중요하지만 많은 연구자들에 의해 매니폴드에 관한 모델들이 검증되어 있으므로 본 연구에서는 경계조건에 관해 면밀히 검토하였다. 유입되는 암모니아 희석 가스는 하나의 SCR 시스템에 6,786 Am3/h의 유량으로 37.
- AIG 시스템에서 구현되어야 할 가장 중요한 요소는 각 노즐에서 토출되는 분사량의 균일도가 최상의 상태로 유지되어야 한다는 것이다. 본 연구는 AIG 시스템에서 분사량의 균일도에 미치는 ADM 구조의 영향을 파악하고자 ADM의 구조와 유동의 상관관계를 평가하는 것을 목적으로 한다. ADM는 분배 매니폴드의 한 종류로써 AIG에 적용되는 경우와 그렇지 않은 경우가 있다.
- 이러한 두 가지 설계요소들의 적절한 구현에 의해 얻어지는 유동 및 농도의 균일화는 SCR 시스템에서 필요로 하는 촉매 사용량의 감소와 시스템 전체의 부피 감소에 기여하므로 초기 시설비 및 운영비의 절감에 지대한 공헌을 한다. 본 연구에서는 SCR 시스템에 적용되는 환원제 주입시스템에 관련된 각종 운전 인자와 노즐(nozzle)에서 토출되는 유량의 균일도의 상관관계에 관하여 연구하고자 했다.
- 암모니아의 균일한 분배를 위해서는 이 ADM이 위치가 내부 헤더의 상부나 하부 혹은 중앙에서 연결되게 되는데 이 연결위치로부터 각 노즐이 얼마나 떨어져 있는가에 따라 토출 유량이 영향을 받을 가능성이 높으며 이에 따라 연결위치에 따른 노즐별 분사 균일도에 대한 영향을 검토가 필요가 있다. 본 연구에서는 해석주제의 단순화를 위해 ADM의 연결위치를 내부헤더의 가운데로 하여 해석을 시행하였다.
- 내부 헤더 방식은 분지관 당 7개의 노즐이 있으며 내부 헤더의 X방향 등간격으로 16개의 분지관이 설치된 형태를 가진다. 이러한 배치는 Z방향에 대해서 ADM 및 헤더를 중심으로 대칭적인 유량분배를 얻고자 하는 목적이 있다. 본 연구의 해석 대상인 AIG 시스템에 포함되는 분지관과 노즐 또한 ADM에 포함되는 매니폴드의 조건을 갖추고 있다.
가설 설정
- 본 해석에서는 상용화되고 있는 AIG 시스템에서의 유량 적절성 및 설치 구조상의 문제점을 검토하여 Figure 1 및 2의 AIG 시스템을 각각 2기를 설치하여 유량을 분배하는 것으로 하며 이에 따라 해석에서는 각 방식의 AIG에 공급되는 유량은 하나의 SCR 시스템에서 필요로 하는 유량의 반만 주입하는 것으로 한다. AIG에 유입되는 가스는 전부 암모니아로 가정하여 계산하였다. 암모니아의 물리적 성질은 Engineer Right Tool Box[13]의 데이터베이스와 peace software[14]를 참고하였으며 이는 Table 1과 같다.
- 첫째로 환원제는 배가스의 유동에 크게 영향이 없이 개별적인 확산을 진행하며 충분한 공간에서 확산이 일어나 촉매전단에서는 분사유량분포와 동일한 분포를 나타낸다고 가정하였다. 둘째로 충분히 높은 농도의 질소산화물이 유입되는 배가스에 존재한다고 가정하였다. 마지막으로 촉매는 환원제의 최대농도가 되는 유량을 기준으로 선정하며 촉매 내부에서는 환원제와 질소산화물이 농도와 관계없이 동일한 속도로 반응하여 선형적으로 감소한다고 가정하였다.
- 둘째로 충분히 높은 농도의 질소산화물이 유입되는 배가스에 존재한다고 가정하였다. 마지막으로 촉매는 환원제의 최대농도가 되는 유량을 기준으로 선정하며 촉매 내부에서는 환원제와 질소산화물이 농도와 관계없이 동일한 속도로 반응하여 선형적으로 감소한다고 가정하였다. 이러한 가정은 ADM의 형상에 의한 복잡한 난류유동과 정확한 확산을 포함하지 않지만 SCR 시스템 효율성 증대에 관한 정량적인 표현이 가능할 것이다.
- 또한 전술한 바와 같은 슬립 현상 외에도 환원제에서 사용되는 요소나 암모니아는 악취물질이며 오염 물질의 범주에 속하기 때문에 환원제가 모두 제거되는 거리만큼 촉매의 체적을 정해야 한다. 물론 환원제를 적게 주입하여 제어하는 방법이 있으나 정량적 비교를 위해 본 연구의 조건에서 위 3가지 가정을 고려해보았다. 위의 가정에 따르면 동일한 유량을 이용한 3.
- 본 연구에서는 AIG 시스템에서의 유동을 단열상태 및 비압축성 유체로 가정하여 해석을 진행하였다. 이는 밀도의 변화와 점성의 변화가 관 내부에서 없거나 매우 작을 때 적용할 수 있는데 본 연구에서와 같은 유동의 분배해석에 관해 무리없이 적용될 수 있는 가정이다.
- 본 연구에서는 AIG 시스템에서의 유동을 단열상태 및 비압축성 유체로 가정하여 해석을 진행하였다. 이는 밀도의 변화와 점성의 변화가 관 내부에서 없거나 매우 작을 때 적용할 수 있는데 본 연구에서와 같은 유동의 분배해석에 관해 무리없이 적용될 수 있는 가정이다. 그렇지만 실제 조건의 유동인 경우 온도 같은 열적 조건에 따라 유속이 변할 수 있으므로 물질 수지측면에서의 보편 타당한 구속조건인 질량유량의 보존조건을 설정하여 계산결과의 타당성을 확보하였다.
- 그렇지만 실제 조건의 유동인 경우 온도 같은 열적 조건에 따라 유속이 변할 수 있으므로 물질 수지측면에서의 보편 타당한 구속조건인 질량유량의 보존조건을 설정하여 계산결과의 타당성을 확보하였다. 정해진 온도 및 비압축상태에서 정해진 유량이 유입부를 통하여 일정한 속도로 유입된다고 가정하기 위하여 밸브 전단에서열 및 질량의 손실은 없다고 가정한 뒤 해석을 진행하였다. 외부 헤더방식은 유량을 30%까지 증가시켜 분석하여 유량에 의한 변동 또한 예측하였다.
- 지금까지 본 연구에서 제한적이면서도 중요하게 다룬 주제는 AIG의 설계를 위해 ADM의 설치 형태 및 유입부 위치의 선정이 중요하고, 노즐의 직경 선정 및 그에 따라 야기되는 차압에 의해 암모니아 토출량의 분포관계가 결정됨을 파악한 것이다. 즉 전산해석기법을 사용하여 SCR 시스템의 효율 증대를 위한 AIG 시스템의 최적 설계를 할 때 고려되어야 할 인자들은 유량과 시스템의 형상 그리고 토출 노즐의 총 면적과 유입부 면적의 비로 단순화 될 수 있음을 보인 것이다.
- 그러므로 SCR 시스템의 효율 증대를 정량적으로 표현하기 위해 몇몇의 가정을 제안하였다. 첫째로 환원제는 배가스의 유동에 크게 영향이 없이 개별적인 확산을 진행하며 충분한 공간에서 확산이 일어나 촉매전단에서는 분사유량분포와 동일한 분포를 나타낸다고 가정하였다. 둘째로 충분히 높은 농도의 질소산화물이 유입되는 배가스에 존재한다고 가정하였다.
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