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문제 정의
- 본 연구에서는 공간 집약적 설비 운용이 이루어져야하는 선박의 특성에 따라 SCR 촉매가 동일한 접촉 면적을 가지고 유동 분포가 균일하다고 가정하였을 때, 촉매의 셀(cell) 밀도에 따른 공간속도(Space Velocity), 면속도(Area Velocity) 및 선속도(Linear Velocity)에 따라 질소산화물 제거 효율에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 이후 배기가스를 반응기 방향으로 전환하고 NH3와 H2O를 주입한다. 2시간 경과 후 5분 이상 출구의 NOx 농도에 변화가 없을 경우 결과를 산출하는 순서로 진행하였다.
- 30, 40셀의 촉매는 선박에서 일반적으로 사용되어지는 셀 밀도이며, 이를 반응면적이 동일할 때, 선속도에 관한 변수만을 부여할 수 있도록 각각 단면 채널 수를 6×6, 5×5, 4×4, 9×9로 제단하여 촉매 활성을 평가하였다.
- 전기가열방식의 전기로에 촉매 반응기 tube가 장착되며, 촉매의 상, 하단 온도차(△T)를 ±1°C로 조절하기 위하여 3-zone으로 구분하여 개별 가열영역으로 설정하였다. k-type 열전대가 각 구간의 온도 측정에 따라 가열을 할 수 있도록 하였으며, 반응기상 하단의 열전대 장입 포트를 별도로 제작하여 촉매 내 배가스 온도를 측정할 수 있도록 설계되었다(9~11).
- 반응부는 주입 가스에 대한 환원 반응 정도를 확인하기 위한 가스 분석 단계이다. 가스의 농도 분석을 위해 ⓛ NO, SO2, O2 3가지의 건식 가스 분석기를 사용하였으며, 수분을 제거하기 위해 ⓖ냉각기(Cooler)에서 수분을 응축하게 되고 이를 ⓗ 드레인 펌프(drain pump)를 이용해 배출시킨다. ⓙ 샘플펌프 (Sample pump) 차단계로의 가스 공급을 원활히 할 수 있도록 지속적으로 가스를 밀어주는 역할을 하며 이를 통해 ⓚ pneumatic system에서 각 분석기에 필요한 만큼의 가스량을 조절하여 분배하게 된다.
- 이를 이용해 동일 체적에서 면속도(반응면적) 변화에 따른 NOx 제거 효율을 측정하였다. 각 공간 속도 조건에서의 촉매는 셀 밀도 35, 40, 47, 50, 60의 5가지에 대한 평가를 진행하였다. 여기서 셀 밀도란 단면적 수치가 가로 세로 각 150 mm인 허니컴형 SCR 촉매에서 한 변의 셀의 수량을 의미한다.
- 공간속도(Space Velocity, SV), 면속도(Area Velocity, AV), 선속도(Linear Velocity, LV)가 SCR 촉매의 성능에 미치는 영향을 판단하기 위해, 두 가지의 변수를 이용한 시험을 진행하였다. 촉매의 파라미터 수치에 대해서는 변수 조건인 면속도, 공간속도, 선속도로 구분되며, 이는 SCR 촉매의 사양에 의존된다.
- 두번째로 동일한 면속도(25 m/h)를 가질 경우 즉, 가스의 표면 반응이 일어날 수 있는 동일한 반응면적을 가지는 조건에서 채널 내부의 유속에 따른 NOx 저감 효율에 대한 시험을 진행하였다. 일반적으로 SCR 촉매의 성능 구현에 있어 배기가스의 양에 대한 촉매의 양은 면속도를 이용해 계산되며, 면속도가 동일할 경우 SCR 촉매는 유사한 성능을 나타내는 것으로 알려져 있다.
- 선박용 벌집형 SCR 촉매를 이용하여 면속도, 공간속도, 선속도에 따른 NOx 저감 효율을 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 공간속도를 각각 10,000, 20,000, 50,000h−1 로 설정하였으며, 이 때 공간속도는 유량에 따른 체적의 역수로 공간속도가 증가함은 체적이 감소함을 의미한다. 이를 이용해 동일 체적에서 면속도(반응면적) 변화에 따른 NOx 제거 효율을 측정하였다. 각 공간 속도 조건에서의 촉매는 셀 밀도 35, 40, 47, 50, 60의 5가지에 대한 평가를 진행하였다.
- 일반적으로 SCR 촉매의 성능 구현에 있어 배기가스의 양에 대한 촉매의 양은 면속도를 이용해 계산되며, 면속도가 동일할 경우 SCR 촉매는 유사한 성능을 나타내는 것으로 알려져 있다. 이에 선속도의 영향을 파악하기 위해 면속도를 동일 하게 25m/h로 설정하였을 때, 30, 40 셀 두 셀밀도의 촉매에서 각각 선속도에 변화를 주어 시험을 진행하였다. 이 때, 공간속도는 셀밀도 30셀의 경우 20,775±546 h−1 ,40셀의 경우 15,900±305 h−1 수준으로 근사하게 설정하였으며, 공간속도의 오차는 단면에 채널의 수가 줄어들면서 내벽을 채널 각각에 구성이 됨으로써, 체적이 소량 증가하게 된다.
- 전기가열방식의 전기로에 촉매 반응기 tube가 장착되며, 촉매의 상, 하단 온도차(△T)를 ±1°C로 조절하기 위하여 3-zone으로 구분하여 개별 가열영역으로 설정하였다.
- 첫 번째로, 주어진 공간속도에서 면속도의 변화에 따른 시험을 진행하였다. 공간속도를 각각 10,000, 20,000, 50,000h−1 로 설정하였으며, 이 때 공간속도는 유량에 따른 체적의 역수로 공간속도가 증가함은 체적이 감소함을 의미한다.
- 예열기와 가스 배관을 가열한 후, 반응기의 각 구간 온도를 설정하여 반응로를 가열한다. 평가 사전에 가스 분석기 각각을 교정 가스로 교정한 뒤, 바이패스(bypass) 상태에서 분석 조건에 적합한 NO, SO2, O2, N2 balance 가스를 주입하고 입구 농도를 확인한다. 이후 배기가스를 반응기 방향으로 전환하고 NH3와 H2O를 주입한다.
대상 데이터
- 3과 같다. 실험장치는 크게 가스 공급부, 예열부, 촉매 반응부, 측정부로 구성되어 있다. 가스 공급부 ⓐ는 1% NO, SO2, NH3 및 고순도 O2와 밸런스 가스(balance gas)로 사용되는 액체 질소를 기화하여 ⓑ 질량유량계(Mass flow controller, MFC)를 이용해 농도에 맞게 정량 주입하게 되며, ⓒ 수분정량펌프(Liquid metering pump)와 ⓓ 예열기(Pre heater)를 이용해 기화 상태로 추가 주입함으로써, 시험 조건에 부합한 가스의 농도를 조절한다.
- 연구에 사용한 실험 장치는 실험실 규모의 SCR 촉매의 질소산화물 제거 효율을 측정할 수 있는 성능 평가 장치로써, 실험장치의 개략도는 Fig. 3과 같다. 실험장치는 크게 가스 공급부, 예열부, 촉매 반응부, 측정부로 구성되어 있다.
성능/효과
- 1. 동일한 공간속도에서 촉매의 셀 밀도가 증가함에 따라 면속도의 감소로 인한 반응 면적 증가로 인해 NOx 저감 활성은 상승하였다. 단, 공간속도 50,000 h−1에서 10,000 h−1으로의 체적 증가에 따라 NOx 저감 활성 편차는 감소하였으며, 이는 촉매 반응기 내부에서 유량에 따른 일정 면속도를 초과하게 되면 셀 밀도가 상승 하더라도 촉매의 활성 영향에는 제한적임을 의미한다.
- 3. 촉매 채널의 단면적이 감소함에 따라 선속도가 높아질수록 NOx 저감 효율이 증가됨을 확인하였다. 이와 같은 연구는 종례에 반응기 전단에서의 유동 균일도가 촉매의 활성 및 차압 등에 미치는 영향 등의 연구만이 일반적으로 수행 된 결과에 반해 선박의 벌집형 SCR 촉매의 적용에 있어 선속도 증가에 따른 NOx 저감 효율 개선을 통한 시스템 적용 최적화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
- 0%의 변화 정도를 보였다. 공간속도가 증가할수록 낮은 수치로 면속도의 변화폭은 감소함을 확인할 수 있었으나, 정량적 수치상으론 그 편차가 공간속도가 증가할수록 높은 폭으로 상승함으로써 공간속도에 따른 NOx 저감 효율의 편차가 높아지는 것으로 나타났다.
- 공간속도에 따른 NOx 저감 효율 시험 결과 촉매와의 반응 접촉면적을 의미하는 면속도는 각각 10,000 h−1 일 경우 13.22~8.399 m/h로 36.5%, 20,000 h−1 일 경우 26.45~16.72 m/h로 36.8%, 50,000 h−1의 경우 33.0%의 변화 정도를 보였다.
- 단, 동일한 공간속도 내에서 면속도에 따른 NOx 저감 효율을 상대적으로 비교해보았을 때, Fig. 4와 같이 공간속도 10,000 h−1에서의 NOx 저감효율은 셀밀도에 따라 각각 97.2, 97.8, 98.0, 98.4, 98.8% 수준으로 면속도가 평균 1.2 m/h 감소할 때 0.4% 수준으로 NOx 제거 효율이 상승하며, 공간속도 20,000 h−1에서의 NOx 저감 효율은 각각 88.7, 93.4, 95.2, 97.5, 98.7%이며, 셀 밀도 증가에 따라 평균 2.5 m/h의 면속도가 감소할 때, NOx 저감 효율은 2.5% 수준 상승하며, 공간속도 50,000 h−1에서 NOx 저감효율은 각각 66.5, 74.5, 79.1, 83.1, 88.4%로, 셀 밀도 증가에 따라 5.1 m/h의 면속도가 감소하며, 이에 5.5% 수준으로 NOx 저감 효율이 상승함을 확인할 수 있다.
- 따라서 2.0 m/s에 가깝게 촉매의 채널 수를 선정하였으며 각 공간속도 조건에서 오차가 ±0.2 m/s 수준으로 나타났다.
- 마찬가지로 40셀 촉매의 채널 수에 따른 선속도는 상기 순서와 동일하게 2.08, 3.00, 4.69, 8.34 m/s로 증가하였으며, 선속도가 증가함으로써 몰비 1.0에서의 NOx 저감 효율은 81.5, 82.0, 82.9, 83.5%로 약 2.0%, 몰비 1.2에서 83.2, 84.4, 84.9, 86.1%로 약 2.9% NOx 저감 효율이 상승함을 확인하였다. 이러한 결과는 표면반응인 SCR 촉매의 특성상 관내 유체의 체류시간이 길수록 DeNOx 제거 효율이 상승할 것이라는 예상과는 달리 선 속도가 높아질수록 활성이 증가함을 확인할 수 있다.
- 6%의 활성 차이를 확인할 수 있었다. 미반응분을 제외한 촉매의 최대 활성점을 비교하기 위해 NH3의 농도를 증가하여 몰비 1.2에서의 측정 결과 또한 78.8, 79.3, 79.4, 80.8%로 2.0% 수준 활성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 이 때, 촉매의 활성은 몰비(molar ratio, α=NH3/NO) 1.0에서 74.2, 75.2, 77.1, 78.8%로 최대 4.6%의 활성 차이를 확인할 수 있었다.
- 9% NOx 저감 효율이 상승함을 확인하였다. 이러한 결과는 표면반응인 SCR 촉매의 특성상 관내 유체의 체류시간이 길수록 DeNOx 제거 효율이 상승할 것이라는 예상과는 달리 선 속도가 높아질수록 활성이 증가함을 확인할 수 있다.
- 즉, 동일한 체적을 가지는 촉매 내에서 면속도가 낮아질수록 반응면적이 높아짐으로써 배기가스의 환원 작용 기회 또한 높아짐으로써, NOx 저감효율이 상승하는 것으로 확인 할 수 있으나, 공간속도 10,000 h−1 수준의 공간 체적에서는 촉매의 셀 밀도에 따른 NOx 저감 효율에 대한 영향은 점차 감소하는 것으로 확인되었다.
후속연구
- 2. 무조건적인 셀 밀도 상승을 통한 효율 증대보다는 시스템의 유량 및 체적 등의 조건에 따라 촉매로 인해 발생할 수 있는 차압 및 촉매의 플러깅(plugging)에 의한 열화 등을 고려하여, 배출 규제를 만족하는 수준에서 저밀도 셀을 사용함으로써 안정적인 시스템 운용에 적합한 촉매의 설계가 필요로 될 것으로 예상된다.
- 촉매 채널의 단면적이 감소함에 따라 선속도가 높아질수록 NOx 저감 효율이 증가됨을 확인하였다. 이와 같은 연구는 종례에 반응기 전단에서의 유동 균일도가 촉매의 활성 및 차압 등에 미치는 영향 등의 연구만이 일반적으로 수행 된 결과에 반해 선박의 벌집형 SCR 촉매의 적용에 있어 선속도 증가에 따른 NOx 저감 효율 개선을 통한 시스템 적용 최적화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
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