디젤 배기관에 분사된 우레아 수용액의 분무 거동 및 유동 특성에 관한 연구 Numerical Investigation of the Spray Behavior and Flow Characteristics of Urea-Water Solution Injected into Diesel Exhaust Pipe원문보기
Urea-SCR 시스템은 주로 열해리와 증발시간의 부족으로 인해 발생하는 암모니아 슬립 현상과 관련된 몇 가지 문제점들을 가지고 있으며, 이러한 문제점들은 분사된 요소수용액의 불균일한 분포를 초래한다. 따라서 본 연구에서는, 배기가스와 요소수용액 사이의 증발 및 혼합특성을 강화시키기 위해 인젝터 장착 각도 그리고 믹서의 장착 및 설치 각도와 같은 다양한 매개변수들을 바꾸며 전산해석 연구를 수행하였다. 그 결과, 이와 같은 매개변수들이 배기가스와 요소수용액의 증발 및 혼합특성에 상당한 영향을 미친다는 것을 알 수 있었으며, 이 매개변수들의 최적화가 요구된다. 또한, 본 논문은 Urea-SCR 분사 시스템의 DeNOx 성능을 증가시키고 암모니아 슬립을 감소시키기 위한 최적 설계 시 유용한 기준을 제안할 것이다.
Urea-SCR 시스템은 주로 열해리와 증발시간의 부족으로 인해 발생하는 암모니아 슬립 현상과 관련된 몇 가지 문제점들을 가지고 있으며, 이러한 문제점들은 분사된 요소수용액의 불균일한 분포를 초래한다. 따라서 본 연구에서는, 배기가스와 요소수용액 사이의 증발 및 혼합특성을 강화시키기 위해 인젝터 장착 각도 그리고 믹서의 장착 및 설치 각도와 같은 다양한 매개변수들을 바꾸며 전산해석 연구를 수행하였다. 그 결과, 이와 같은 매개변수들이 배기가스와 요소수용액의 증발 및 혼합특성에 상당한 영향을 미친다는 것을 알 수 있었으며, 이 매개변수들의 최적화가 요구된다. 또한, 본 논문은 Urea-SCR 분사 시스템의 DeNOx 성능을 증가시키고 암모니아 슬립을 감소시키기 위한 최적 설계 시 유용한 기준을 제안할 것이다.
A urea-SCR system suffers from some issues associated with the ammonia slip phenomenon, which mainly occurs because of the shortage of evaporation and thermolysis time, and this makes it difficult to achieve an uniform distribution of injected urea. A numerical study was therefore performed by chang...
A urea-SCR system suffers from some issues associated with the ammonia slip phenomenon, which mainly occurs because of the shortage of evaporation and thermolysis time, and this makes it difficult to achieve an uniform distribution of injected urea. A numerical study was therefore performed by changing such various parameters as installed injector angle and application and angle of mixer to enhance evaporation and the mixing of urea water solution with exhaust gases. As a result, various parameters were found to affect the evaporation and mixing characteristics between exhaust gas and urea water solution, and their optimization is required. Finally, useful guidelines were suggested to achieve the optimum design of a urea-SCR injection system for improving the DeNOx performance and reducing ammonia slip.
A urea-SCR system suffers from some issues associated with the ammonia slip phenomenon, which mainly occurs because of the shortage of evaporation and thermolysis time, and this makes it difficult to achieve an uniform distribution of injected urea. A numerical study was therefore performed by changing such various parameters as installed injector angle and application and angle of mixer to enhance evaporation and the mixing of urea water solution with exhaust gases. As a result, various parameters were found to affect the evaporation and mixing characteristics between exhaust gas and urea water solution, and their optimization is required. Finally, useful guidelines were suggested to achieve the optimum design of a urea-SCR injection system for improving the DeNOx performance and reducing ammonia slip.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 이전연구를 확장하여 요소수용액 분사조건 및 믹서의 적용에 따른 SCR 촉매 전단에서의 온도 및 암모니아 분포특성을 확인하기 위해, 상용 CFD 코드인 AVL FireTM를이용하여 Kim 등(3)의 실험값 및 Birkhold 등(4)의 해석값 비교를 통하여, 분열 모델의 매개변수를 설정한 후 측정된 수치해석 값의 비교를 통하여 인젝터 및 믹서의 장착 각도에 따른 결과를 고찰하고자 한다.
본 연구에서는 Urea-SCR 시스템에 설치된 인젝터의 각도에 따른 NH3 전환률 개선 및 비교 연구를 수행하기 위하여 3차원 CAD로 구현된 단품의 형상을 유한체적법(FVM)을 기반으로 하는 상용 CFD 코드인 AVL Fire TM가 인식할 수 있는 표 Table 1 Boundary and spray conditions adopted in this work 면데이터(*.stl) 파일로 변환한 후, FAME Hybrid 기능을 이용하여 격자를 생성하였다.
본 연구에서는 암모니아를 환원제로 사용하는 Urea-SCR 시스템의 다양한 인젝터 각도 및 믹서의 장착에 따른 요소수용액의 증발 및 혼합특성에 관한 수치해석 연구를 진행하였으며 이를 통한 연구 결과를 다음과 같이 정리할 수 있다. 즉,
가설 설정
한편, 액막은 multi-component 모델을 적용하였으며,(10) 벽면으로부터의 영향을 표현하기 위해 액적의 열 및 물리학적 특성에 의해 영향을 받는 무차원수를 사용하는 Kuhnke의 분무/벽 상호작용(Spray/wall-interaction)모델을 적용하였다.(14)UreaSCR 시스템의 최적 유동 특성을 확보하기 위해 내부 유동은 비정상 상태의 3차원 난류 유동으로 가정하였다. 그리고 결과 비교에 사용된 값은 면적 가중 평균법에 따라 계산된 값을 사용하였다.
요소수용액의 분무는 배기관을 통과한 배출가스가 완전히 발달한 상태라고 가정하고, 정상상태에서 얻은 속도 및 온도장을 비정상상태 해석의 초기조건으로 사용하였다. 또한, 유입 배기가스의 온도는 이전연구에서 유입 배기가스의 온도가 증가할수록 암모니아 생성량이 증가하는 것과(16) 암모니아 산화 반응이 발생하지 않는 온도를 고려하여,(8,9) 유입배기가스 온도를 300℃로 설정하였다.
제안 방법
(10) 액체의 미립화 및 거시적 분포 거동을 해석하기 위해 연속체의 성격이 뚜렷한 주변 기체 유동장에 대해서는 오일러 (Euler) 관점으로, 비연속적인 입자들의 거동 특성을 가지는 요소수용액의 분무 입자들은 라그란지 (Lagrange) 관점으로 각 입자를 추적하여 거동을 해석한다.(11) 그리고 두 상(Phase)간의 운동량 및 에너지의 전달은 오일러 상(Eulerian phase)의 수송 방정식의 소스 항(Source term)에 의해 반영된다.
본 연구에서 적용한 믹서는 헬리컬 엘리먼트인 kenics 타입의 스태틱 믹서로써, 형상은 평판의 왼쪽과 오른쪽 끝 면이 180°트위스트(Twist) 되도록 설계 제작되었다. 또한, 믹서의 장착 각도가 압력강하 그리고 암모니아 생성량 및 농도분포 균일도에 미치는 영향을 고찰하기 위해 믹서의 설치 각도를 수직/수평으로 구분하였다. 인젝터는 배기관 내 반응영역 시작 부분의 윗면에서 배출구로 30°, 45°, 및 60°의 각도를 가지며, 이것을 각각 Case 1, Case 2, 그리고 Case 3으로 분류하였다.
요소수용액의 분무는 배기관을 통과한 배출가스가 완전히 발달한 상태라고 가정하고, 정상상태에서 얻은 속도 및 온도장을 비정상상태 해석의 초기조건으로 사용하였다. 또한, 유입 배기가스의 온도는 이전연구에서 유입 배기가스의 온도가 증가할수록 암모니아 생성량이 증가하는 것과(16) 암모니아 산화 반응이 발생하지 않는 온도를 고려하여,(8,9) 유입배기가스 온도를 300℃로 설정하였다. 인젝터 및 믹서의 장착 각도에 따른 요소수용액의 전환효율 및 암모니아의 공간분포에 대하여 해석을 수행하였으며, 해석에 적용된 경계조건을 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서는 노즐의 분무 거동에 대한 수치 해의 검증을 마친 후, 요소수용액의 암모니아로의 전환율을 계산하여 실험 및 해석값과 비교하였다. 배기관의 출구에서 암모니아의 혼합특성을 분석하기 위해 인젝터의 장착 각도를 변경하였고, 믹서의 장착 각도에 따른 영향을 비교하기 위해 설치 각도를 수직/수평으로 변경하였다.
4에 나타내었다. 본 검증에 적용한 초기 및 경계조건은 Table 2에 나타내었고, Table 2의 조건에서 체류시간에 따른 각각의 측정 위치에서의 NH3의 전환률을 비교함으로써 검증을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 노즐의 분무 거동에 대한 수치 해의 검증을 마친 후, 요소수용액의 암모니아로의 전환율을 계산하여 실험 및 해석값과 비교하였다. 배기관의 출구에서 암모니아의 혼합특성을 분석하기 위해 인젝터의 장착 각도를 변경하였고, 믹서의 장착 각도에 따른 영향을 비교하기 위해 설치 각도를 수직/수평으로 변경하였다.
또한, 유입 배기가스의 온도는 이전연구에서 유입 배기가스의 온도가 증가할수록 암모니아 생성량이 증가하는 것과(16) 암모니아 산화 반응이 발생하지 않는 온도를 고려하여,(8,9) 유입배기가스 온도를 300℃로 설정하였다. 인젝터 및 믹서의 장착 각도에 따른 요소수용액의 전환효율 및 암모니아의 공간분포에 대하여 해석을 수행하였으며, 해석에 적용된 경계조건을 Table 1에 나타내었다.
대상 데이터
인젝터는 배기관 내 반응영역 시작 부분의 윗면에서 배출구로 30°, 45°, 및 60°의 각도를 가지며, 이것을 각각 Case 1, Case 2, 그리고 Case 3으로 분류하였다. 노즐의 위치는 AVL FireTM 내의 solver spray module을 이용하여 설정하였으며,(10) 총 격자 수는 믹서가 없는 경우가약 240,000개이고, 믹서가 장착된 경우에는 약 700,000개의 격자로 구성되어있다.
본 연구에서 적용한 믹서는 헬리컬 엘리먼트인 kenics 타입의 스태틱 믹서로써, 형상은 평판의 왼쪽과 오른쪽 끝 면이 180°트위스트(Twist) 되도록 설계 제작되었다.
데이터처리
본 연구의 전산해석 모델을 검증하기 위해 전산해석 결과와 Kim 등(3)의 실험값 및 Birkhold 등(4)의 해석값을 비교하였으며, 본 검증에 사용된 형상의 개략도 및 측정위치를 Fig. 4에 나타내었다. 본 검증에 적용한 초기 및 경계조건은 Table 2에 나타내었고, Table 2의 조건에서 체류시간에 따른 각각의 측정 위치에서의 NH3의 전환률을 비교함으로써 검증을 수행하였다.
이론/모형
그리고 액적의 증발모델은 SCR-thermolysis (SCR evaporation model including urea thermolysis)를 적용하였으며, 이 모델에서 열해리율은 Birkhold 등(4)에 의해 정의된 매개변수를 적용한 아레니우스 타입(Arrhenius-type)방정식으로 표현된다.(10) 난류 확산은 Gasman-Ioannides에 의해 정의된 모델을 사용하였으며, ( 1 2 ) 난류 모델은 standard k-e 방정식을 적용하였고, 난류 특성이 급격하게 변하는 벽면에서 얇은 경계층 안의 격자만으로는 이를 표현하기 어려우므로 이를 효율적으로 계산하기 위해 벽함수(Wall function)을 적용하였다.(10) 또한, 식 (3)에 표현된 HNCO의 가수분해는 CHEMKIN chemistry solver(13)를 AVL FireTM(10)에 적용하여 균일가스상 반응으로 고려하였다.
(14) UreaSCR 시스템의 최적 유동 특성을 확보하기 위해 내부 유동은 비정상 상태의 3차원 난류 유동으로 가정하였다. 그리고 결과 비교에 사용된 값은 면적 가중 평균법에 따라 계산된 값을 사용하였다. 마지막으로, SCR 촉매 전단에서 암모니아의 공간분포는 NOx 전환율에 큰 영향을 미치기 때문에 암모니아 농도 분포 균일도는 중요한 지표이다.
(11) 그리고 두 상(Phase)간의 운동량 및 에너지의 전달은 오일러 상(Eulerian phase)의 수송 방정식의 소스 항(Source term)에 의해 반영된다. 그리고 액적의 증발모델은 SCR-thermolysis (SCR evaporation model including urea thermolysis)를 적용하였으며, 이 모델에서 열해리율은 Birkhold 등(4)에 의해 정의된 매개변수를 적용한 아레니우스 타입(Arrhenius-type)방정식으로 표현된다.(10) 난류 확산은 Gasman-Ioannides에 의해 정의된 모델을 사용하였으며, ( 1 2 ) 난류 모델은 standard k-e 방정식을 적용하였고, 난류 특성이 급격하게 변하는 벽면에서 얇은 경계층 안의 격자만으로는 이를 표현하기 어려우므로 이를 효율적으로 계산하기 위해 벽함수(Wall function)을 적용하였다.
따라서 본 연구에서는 모든 조건에 대해 비교 가능한 기준을 설정하기 위해서 Weltens 등(15)에 의해 제안된 농도 분포 균일도 지수, γ를 사용하여 모노리스 입구에서 환원제의 농도 분포 균일도 지수를 식 (11)을 사용 하여 계산하였다.
요소수용액의 분사에 대한 전산해석을 수행하기 위해, 유한체적법(FVM)을 기반으로 하는 상용 CFD 코드인 AVL Fire TM2011버전의 증발 및 열해리 모델을 사용하였다. (10) 액체의 미립화 및 거시적 분포 거동을 해석하기 위해 연속체의 성격이 뚜렷한 주변 기체 유동장에 대해서는 오일러 (Euler) 관점으로, 비연속적인 입자들의 거동 특성을 가지는 요소수용액의 분무 입자들은 라그란지 (Lagrange) 관점으로 각 입자를 추적하여 거동을 해석한다.
(10) 또한, 식 (3)에 표현된 HNCO의 가수분해는 CHEMKIN chemistry solver(13)를 AVL FireTM(10)에 적용하여 균일가스상 반응으로 고려하였다. 한편, 액막은 multi-component 모델을 적용하였으며,(10) 벽면으로부터의 영향을 표현하기 위해 액적의 열 및 물리학적 특성에 의해 영향을 받는 무차원수를 사용하는 Kuhnke의 분무/벽 상호작용(Spray/wall-interaction)모델을 적용하였다.(14) UreaSCR 시스템의 최적 유동 특성을 확보하기 위해 내부 유동은 비정상 상태의 3차원 난류 유동으로 가정하였다.
성능/효과
(2) 증발 및 열분해 반응의 흡열현상에 의해서 배기가스 온도가 감소한다.
(3) NH3의 농도는 인젝터로부터의 거리가 멀어짐에 따라 증가한다.
이는 유입되는 가스 유량과 비교하면 분사되는 물의 양이 매우 적기 때문에 높은 가스 온도로 인한 물의 증발이 노즐 주위에서 빠르게 이루어지기 때문이다.(3)또한, 100~250 mm 구간에서 믹서에 의해 요소수의 증발 및 혼합특성이 강화되어 믹서가 장착된 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 온도의 감소폭이 큰 것을 알 수 있다. 한편, Fig.
믹서의 유무에 상관없이 고온의 배기가스에 요소수용액이 분무되면, 고온의 배기가스에서 열에너지를 소비하는 urea의 열분해 반응, 즉, 흡열반응에 의해 온도가 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.(4) 그리고 인젝터로부터의 거리가 멀어질수록 온도의 감소폭이 점점 완만해지는 것을 알 수 있다. 이는 유입되는 가스 유량과 비교하면 분사되는 물의 양이 매우 적기 때문에 높은 가스 온도로 인한 물의 증발이 노즐 주위에서 빠르게 이루어지기 때문이다.
7 sec일 때, 믹서 장착에 따른 반응영역 내 각 위치의 단면에서 암모니아 가스 농도를 면적가중평균법을 이용하여 도시한 것이다. 거리가 증가할수록 요소수용액의 열분해 때문에 NH3의 농도가 증가하는 것을 알 수 있으며, 믹서가 장착되지 않은 경우에 NH3의 생성량이 50~300 mm 사이의 반응영역에서 급격하게 변하고, 그 이후에는 변화량이 적어지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 믹서가 장착된 경우에 믹서가 설치된 100~250 mm 구간에서 믹서에 의해 요소수의 증발 및 혼합특성이 강화되어 NH3의 생성량이 급격하게 증가하는 것을 알 수 있다.
거리가 증가할수록 요소수용액의 열분해 때문에 NH3의 농도가 증가하는 것을 알 수 있으며, 믹서가 장착되지 않은 경우에 NH3의 생성량이 50~300 mm 사이의 반응영역에서 급격하게 변하고, 그 이후에는 변화량이 적어지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 믹서가 장착된 경우에 믹서가 설치된 100~250 mm 구간에서 믹서에 의해 요소수의 증발 및 혼합특성이 강화되어 NH3의 생성량이 급격하게 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 Fig.
반응영역은 인젝터의 위치를 기준으로 암모니아의 생성이 이루어지는 구간으로 총 길이는 500 mm이며, 믹서의 위치는 100~250 mm 구간이다. 믹서의 유무에 상관없이 고온의 배기가스에 요소수용액이 분무되면, 고온의 배기가스에서 열에너지를 소비하는 urea의 열분해 반응, 즉, 흡열반응에 의해 온도가 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.(4) 그리고 인젝터로부터의 거리가 멀어질수록 온도의 감소폭이 점점 완만해지는 것을 알 수 있다.
여기에서, 본 연구의 전산해석 결과와 Birkhold 등(4)의 해석값이 잘 일치 하는 것을 확인할 수 있었고, Kim 등(3)의 실험 결과보다는 전환율이 약간 높게 나오는 것을 확인할 수 있지만, 전반적으로 비슷한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 실험 결과와 전산해석 결과에서 나타나는 차이는 요소수용액의 열분해 반응 예측 시, 빠른 반응 모델이 사용되었다는 점과 요소수용액 분무 모델에서의 입력 값으로 사용되는 액적직경과 속도분포가 실제 분무 거동의 공간 및 시간적 변화를 완벽하게 표현하기에는 무리가 있는데 원인이 있는 것으로 판단된다.(3,4)
33m/s의 유입 유량의 속도 조건에서 체류시간에 따른 요소수용액의 암모니아로의 전환율을 나타낸 그래프이다. 여기에서, 본 연구의 전산해석 결과와 Birkhold 등(4)의 해석값이 잘 일치 하는 것을 확인할 수 있었고, Kim 등(3)의 실험 결과보다는 전환율이 약간 높게 나오는 것을 확인할 수 있지만, 전반적으로 비슷한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 실험 결과와 전산해석 결과에서 나타나는 차이는 요소수용액의 열분해 반응 예측 시, 빠른 반응 모델이 사용되었다는 점과 요소수용액 분무 모델에서의 입력 값으로 사용되는 액적직경과 속도분포가 실제 분무 거동의 공간 및 시간적 변화를 완벽하게 표현하기에는 무리가 있는데 원인이 있는 것으로 판단된다.
6에 도시하였다. 인젝터의 각도에 상관없이 배기관내 믹서의 장착 여부에 따라 압력강하가 29~32 Pa까지 증가하는 것을 알 수 있으며, 믹서의 설치 각도에 따른 압력강하 값은 거의 차이가 나지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 분사된 요소 수용액의 흡열반응(Endothermic reaction)에 의한 유속의 변화 때문에, 인젝터 각도에 따른 압력강하 값이 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
(4) 믹서의 설치 각도에 따른 NH3의 생성량은 거의 차이가 없지만, 믹서의 개수 및 종횡비에 따라서 해석 결과가 달라질 수 있기에 추가적인 연구가 필요하다.(17)
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
암모니아 슬립과 관련된 문제점은 Urea-SCR 시스템에 어떤 영향을 끼치는가?
하지만 Urea-SCR 시스템은 열해리 및 증발 시간의 부족에 의한 암모니아 슬립(Ammonia slip)과 관련된 몇 가지 문제점 들을 가지고 있다. 이 문제점들은 촉매 전단에서 분사된 요소수용액의 불균일한 분포를 초래하고, Urea-SCR 시스템의 DeNOx 성능에 지대한 영향을 끼친다. 따라서 Urea-SCR 시스템의 DeNOx 효율을 높이기 위해, Kim 등(3)은 상온에서 요소수용액의 분무 특성 및 디젤 기관의 배기가스 조건에서의 열분해에 의한 암모니아의 생성을 실험과 전산해석 방법을 병행하여 연구하였으며, 이 결과는 SCR 시스템에 적용되는 혼합기의 최적 설계를 위한 기초 자료로 활용 가치가 있다.
Urea-SCR 시스템은 어떤 문제점을 가지고 있는가?
Urea-SCR 시스템에서 요소수용액은 배기관에 장착된 인젝터(Injector)를 통해 고온의 배기가스에 분사된 후 열분해(Thermal decomposition) 과정을 통해 암모니아로 분열되어 NOx를 질소(N2)와 물(H2O)로 환원시킨다. 하지만 Urea-SCR 시스템은 열해리 및 증발 시간의 부족에 의한 암모니아 슬립(Ammonia slip)과 관련된 몇 가지 문제점 들을 가지고 있다. 이 문제점들은 촉매 전단에서 분사된 요소수용액의 불균일한 분포를 초래하고, Urea-SCR 시스템의 DeNOx 성능에 지대한 영향을 끼친다.
NOx 배기규제를 만족시키기 위해 어떤 기술들이 연구되고 있는가?
이로 인해 연소방법의 개선, EGR(Exhaust Gas Recirculation), 그리고 고압분사와 같은 엔진기술이 적용됐지만 점점 강화되는 배기규제를 이러한 엔진 기술만으로는 만족시킬 수 없다. 따라서 이러한 NOx 배기규제를 만족시키기 위해 LNC(Lean NOx Catalyst), LNT(Lean NOx Trap), 그리고 SCR과 같은 다양한 후처리장치의 기술들이 연구되고 있으며, (1,2) 그중에서 Urea-SCR은 다양한 NOx 저감 장치 중 배기규제를 만족시킬 수 있는 가장 효과적인 방법으로 알려졌다.
참고문헌 (17)
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