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문제 정의
- 또한 Gerhart7) 는 Guanidinium formate(GuFo)를 수용액에 용해시켜 240℃ 온도이상에서 잔류물이 없이 암모니아 가스로 분해되는 현상을 고려하기 위하여 배기관과 가스 혼합시스템에 관한 연구를 수행하였다.
- 본 논문에서는 우레아수용액을 사용하는 SCR 시스템의 문제점을 해결하기 위한 대안으로 고체상의 암모니아 저장물질을 이용하는 Solid SCR 시스템에 대한 후속연구를13) 기반으로, 고체상의 암모니아 저장물질을 가열·승화시켜 암모니아 가스를 직접 배기관에 공급할 수 있는 기체분사 시스템에 관한 전산유체해석 연구를 수행하였다.
- 암모니아 가스가 solid SCR 촉매 전에서 배기가스에 분사되는 혼합과정의 단순화를 위하여, 본 연구에서는 ammonium carbonate가 승화되어 반응기로부터 도징밸브를 통하여 배출되는 가스 중 암모니아 가스 분압을 고려하여 전산유체해석 시 노즐의 작동조건 및 경계조건으로 반영하였다.
제안 방법
- Case 3-1은 can 각도 25°, 단공노즐, 믹서가 없는 base조건이고, Case 3-2, Case 3-3은 Fig. 2 (b)와 같이 단공노즐과 8개의 날개를 갖는 믹서 형상을 사용하였으며, 믹서의 위치를 SCR 촉매 전단으로부터 거리가 먼(200 mm) 경우와 가까운(120mm) 경우에 대해서 해석하였다. Case 3-4는 단공노즐과 압력강하를 줄이기 위해 Fig.
- 3.1절의 결과에 의하면 solid SCR용으로 검토되는 가스분사의 경우도 , 분사노즐과 SCR 촉매 사이의 거리가 가까울 때, 암모니아 가스가 배기가스 유동에 충분히 확산되지 못하여 암모니아 가스의 오분포 지수가 나쁘기 때문에, 믹서의 유무에 대한 영향을 고찰하였다.
- 08)을 사용하였다. ANSYS Design Modeler로 3차원형상 모델링을 진행하였고, ANSYS Meshing로 각각의 형상에 대하여 120,000 ~ 580,000개의 tetrahedral격자를 구성하였다.
- Solid SCR용으로 고체상의 암모니아 저장물질을 가열·승화시켜 암모니아 가스를 직접 배기관에 공급할 수 있는 기체분사 시스템에 대하여, 분사노즐 형상, 노즐 위치, 믹서 유/무, Can 각도, 믹서 형상 및위치를 변수로, 오분포 지수, 유동균일도 지수, 압력 강하 등을 고찰하기 위한 전산유체해석을 수행하였다.
- 본 논문에서는 우레아수용액을 사용하는 SCR 시스템의 문제점을 해결하기 위한 대안으로 고체상의 암모니아 저장물질을 이용하는 Solid SCR 시스템에 대한 후속연구를13) 기반으로, 고체상의 암모니아 저장물질을 가열·승화시켜 암모니아 가스를 직접 배기관에 공급할 수 있는 기체분사 시스템에 관한 전산유체해석 연구를 수행하였다. 배기관, 분사노즐, 믹서, SCR을 포함하는 복잡한 형상에 대하여 암모니아 가스를 분사하는 단공(one-hole)노즐과 4공 (four-hole)노즐의 형상, 단공노즐 4개가 원주방향으로 배치된 형상, 다공성 튜브 형상, 4개와 8개 날개를 갖는 믹서 형상, 그리고 믹서의 유/무에 대한 영향을 암모니아 가스 농도에 따른 오분포 지수와 속도 분포에 따른 유동균일도 지수 및 유동저항과 연관된 압력강하 등의 관점에서 고찰하였다.
- 엔진 bench 실험에서 1600 rpm, 엔진 토크 185 N·m일 때, 배기유량 225 kg/h인 조건을 기본으로 설정하였으며, 건설기계 배출가스 측정모드인 KC1-8 mode에서 7 mode에 해당한다. 암모니아 도징장치 노즐에서 분사되는 암모니아 가스의 작동 조건은 solid SCR 시스템의 엔진 bench deNOx 실험으로부터 질소산화물 저감 효율이 최대인 암모니아 가스 분사 조건으로 설정하였다(단공노즐 3 m/s, 4공노즐 12 m/s, 단공노즐 4개가 원주방향으로 배치된 형상 0.575 m/s). 본 계산에서 사용한 난류강도식은 다음과 같다.
- Table 5는 본 연구 대상인 70 kW급 농업용 디젤엔진(모델: 3400T, 3409 cc, 4기통, 터보차져)에 대한 건설기계 배출가스 측정 모드인 KC1-8 운전 조건과각 운전모드 단계별 배기가스 유량, 배기가스 온도, 배기가스 속도를 측정하여 나타내었다. 운전 조건 변화에 따른 암모니아 가스 분포의 영향을 탐구하기 위하여, 최악의 결과가 예상되는, SCR 촉매 전단과 도징장치 사이의 거리가 240 mm로 상대적으로 짧은 Case 2-1에 대하여 고찰하였다.
- 암모니아 가스 분사노즐 형상과 SCR 촉매 전단에서 노즐까지의 거리에 따른 영향을 고찰하기 위하여 다음과 같은 6가지 형상을 먼저 선정하였다. 즉, 믹서가 없으며, 단공노즐을 사용하는 Case 1-1과 Case 2-1, 4공노즐을 사용하는 Case 1-3과 Case 2-3, 단공노즐 4개가 원주방향으로 배치된 Case 1-4, 배기관에 수직으로 설치된 10개의 구멍을 갖는 다공성 튜브형태의 형상인 Case 1-5에 대하여 해석을 수행하였다. 여기서 Case 2-1과 Case 2-3은, 각각 Case 1-1과 Case 1-3과 비교할 때, 같은 노즐(단공노즐, 4공노즐)을 사용하지만 SCR 촉매 전단에서 노즐까지의 거리를 240 mm로 줄인 형상이다.
대상 데이터
- Table 5는 본 연구 대상인 70 kW급 농업용 디젤엔진(모델: 3400T, 3409 cc, 4기통, 터보차져)에 대한 건설기계 배출가스 측정 모드인 KC1-8 운전 조건과각 운전모드 단계별 배기가스 유량, 배기가스 온도, 배기가스 속도를 측정하여 나타내었다. 운전 조건 변화에 따른 암모니아 가스 분포의 영향을 탐구하기 위하여, 최악의 결과가 예상되는, SCR 촉매 전단과 도징장치 사이의 거리가 240 mm로 상대적으로 짧은 Case 2-1에 대하여 고찰하였다.
- 본 연구의 대상인 70 kW급 디젤엔진 solid SCR 시스템에서, 온도조절이 가능한 반응기(reactor)와 연결된 도징(dosing)장치로부터 기체상태로 엔진 배출가스에 직접 분사되는 암모니아 가스 환원제의 상세한 유동현상을 고찰하기 위하여 상용 CFD S/W인 Fluent 14.08)을 사용하였다. ANSYS Design Modeler로 3차원형상 모델링을 진행하였고, ANSYS Meshing로 각각의 형상에 대하여 120,000 ~ 580,000개의 tetrahedral격자를 구성하였다.
이론/모형
- 본 전산유체해석을 통해 기체상태로 분사된 암모니아 가스 농도에 따른 오분포 지수, 엔진의 배출가스 속도분포에 따른 유동균일도 지수 및 유동저항과 연관된 압력강하를 예측하고 비교하기 위하여, SCR 촉매는 다공성물질 모델(porous media model)을 적용하였고, 비반응 유동장(non-reacting flow field)에 대한 전산유체해석을 수행하였다. 지배방정식은 연속방정식, 모멘텀방정식, 다공성물질모델, 화학종 수송방정식, standard k-ε 방정식으로, 자세한 식은 다음과 같다.
성능/효과
- 1) 암모니아 가스 분사노즐의 위치가 SCR 촉매 전단으로부터 상대적으로 거리가 먼 경우 노즐의 형상에 상관없이 암모니아 가스의 오분포 지수가 0.1이하로 좋게 나타나지만, 믹서의 위치는 SCR 촉매 전단으로부터 멀리 떨어진 경우, 난류 강도 증가 효과가 SCR 촉매 전단에 미치지 않기 때문에, 유동균일도 지수를 향상시키기 위하여 SCR 촉매 전단에 가깝게 설치하는 것이 유리하다.
- 2) 분사노즐의 위치가 본 해석 조건에서 제시한 SCR 촉매 전단으로부터 600 mm 이상에서는, 배기관 가운데서 암모니아 가스를 직접 분사하는 단공노즐이나 4공노즐 형상이 암모니아 가스의 오분포 지수에 유리하며, 암모니아 가스의 오분포 지수가 0.1 이하로 예측된다.
- 3) 분사노즐의 형상은 암모니아 가스의 오분포 지수에 약간의 영향을 주지만, Case 2-3을 보면 암모니아 가스의 오분포 지수가 0.63으로 SCR 촉매 전단으로부터 노즐 사이의 거리가 600 mm 이하에서는 단공노즐과 마찬가지로 믹서가 요구된다.
- 4) 분사 노즐이 SCR 촉매 전단과 가깝게 설치된 경우, 암모니아 가스의 분포는 can 각도의 영향을 받으며, can 각도가 작을수록 유동이 균일하며 암모니아 가스의 분포에 유리하다. 하지만 유동 균일도 지수와 암모니아 가스의 오분포 지수가 can 각도 25° 정도에서는 여전히 좋지 않기 때문에 믹서가 요구되며, 믹서의 위치는 노즐에 가까 울수록 암모니아 가스의 오분포 지수에 유리할 것이라고 판단된다.
- 5는 6가지 형상에 대하여, SCR 촉매전단에서 유동균일도 지수와 암모니아 가스의 오분포 지수 값을 정리한 것이다. 6가지 경우 모두에서, 유동균 일도 지수가 0.4 ~ 0.6 사이에 존재하는 것으로 보아, 주 흐름인 배기유동에 비하여 암모니아 가스 분사 량이 적어, 유동균일도 지수는 분사노즐 형상과 분사노즐 거리와는 크게 연관되지 않는 것으로 생각된다. 반면에 암모니아 가스의 오분포 지수는 분사 노즐에서 SCR 촉매 전단까지의 거리가 240 mm로 짧은 Case 2-1과 Case 2-3의 경우 0.
- 유동균일도 지수는 1(적색)에 가까울수록 유동이 균일하고, 암모니아 가스의 오분포 지수는 0(청색)에 가까울수록 암모니아 가스의 농도가 균일함을 나타낸다. 6가지 경우 모두에서, 유동균일도 지수의 분포는 전체적으로 불균일하고, 암모니아 가스의 오분포 지수 분포는 분사노즐에서 SCR 전단까지의 거리가 240 mm로 짧은 Case 2-1, Case 2-3과 다공성 튜브형태의 노즐을 사용한 Case 1-5가 좋지 않은 것을 확인할 수 있다. Case 1-4(e)의 유동균일도 지수의 분포에서 중앙 부분이 흰색으로 나타난 것은, 4공노즐이 원주방향 으로 설치되어, 단면 평균 속도에 비해 중앙의 속도가 빨라서 국부적인 유동균일도 지수가 스케일 바의 최소값인 0이하로 나타나기 때문이다.
- Can 각도의 영향을 고찰하기 위하여, Case 3-1(25°)과 Case 2-1(45°)을 비교한 결과, 유동균일도 지수는 10%, 암모니아 가스의 오분포 지수는 20%가 좋아지는 것을 확인하였으며, can 각도가 작을수록 유동균일도 지수와 암모니아 가스의 오분포 지수가 더 유리할 것이라고 생각된다.
- Can의 각도가 25°로 변경함에 따라 배기가스의 유동 확산이 충분하기 때문에 유동균일도 지수 분포와 암모니아 가스의 오분포 지수의 분포가 향상됨을 알 수 있다. 그러나, Case 3-1의 경우는, 믹서가 없으며 노즐로부터 분사거리가 SCR 촉매 전단으로부터 가깝기 때문에, 유속이 단면 평균속도 다 2배 이상 빠른 중앙 부분과 단면 평균 암모니아 농도가 2배 이상 높은 부분이 흰색으로 나타났으며, 유동균일도 지수 분포와 암모니아 가스의 오분포 지수의 분포가 좋지 않음을 볼 수 있다.
- 1 이상인 것을 알 수 있다. 따라서 믹서를 사용하지 않는 단공노즐과 4공노즐의 경우에, 본 해석 조건에서 SCR 촉매와 600 mm 이상 거리를 확보해야하고, 단공노즐 4개가 원주방향으로 배치된 Case1-4는 1000 mm 이상 거리를 확보해야만 0.1 이하 수준의 좋은 암모니아 가스의 오분포 지수를 얻을 수 있으며, 10개의 구멍을 갖는 다공성 튜브 형상인 Case 1-5의 경우 1200 mm 이상 거리를 확보해도 0.1 이하 수준의 좋은 암모니아 가스의 오분포 지수를 얻기는 어려울 것으로 생각된다.
- 는 배기 단면에서 유체속도, 암모니아 가스의 농도가 균일하게 분포되었는지를 계량화 한 것으로 각 분포도에 대해서 비교 가능한 기준이 된다. 완전 균일한 분포는 유동균일도 지수가 1, 오분포 지수가 0이고, 유동균일도 지수의 경우 0.810) 이상이면 만족된다. 유동균일도 지수, 오분포 지수의 식은 각각 국부적인 유동균일도를 나타내는 식과 국부적인 화학종 농도의 오분포 지수를 나타내는 식으로 구성되며 다음과 같이 정의 된다.
- Urea-based SCR에는 우레아수용액(AUS; Aqueous Urea Solution)이 사용되며, Adblueⓡ또는 DEF(Diesel Exhaust Fluid)라고 부른다. 우레아 수용액을 이용한 SCR 시스템은 질소산화물 저감효율이 90% 이상으로 상당히 효율적이지만,1) 우레아 수용액이 배기관에서 잘 혼합되지 못하는 문제가 있고,2) 차량의 경우 우레아수용액 분사노즐과 촉매와의 거리가 짧아서, 우레아가 암모니아 가스로 완전히 분해되지 못함으로 인해 SCR 촉매의 성능을 저하한다.3) 따라서 기존의 연구들은 우레아수용액을 이용한 SCR 시스템의 문제를 해결하기 위해서 믹서(mixer)를 적용하거나 분사방법을 최적화하는 방향으로 수행되었다.
- 하지만 유동 균일도 지수와 암모니아 가스의 오분포 지수가 can 각도 25° 정도에서는 여전히 좋지 않기 때문에 믹서가 요구되며, 믹서의 위치는 노즐에 가까 울수록 암모니아 가스의 오분포 지수에 유리할 것이라고 판단된다.
후속연구
- 5) 믹서 적용 시, 본 해석에서 사용된 날개가 8개인 믹서보다 날개가 4개인 믹서만으로도 유동균일도와 암모니아 가스의 분포도 악화 없이 압력강하를 감소할 수 있기 때문에, 믹서 날개가 4개인 경우가 더 유리하며, 압력강하와 유동균일도, 암모니아 가스의 분포도 측면을 고려한 다양한 믹서 형상에 대한 해석연구가 요구된다.
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