2016년부터 배출통제지역(ECA : Emission Control Atea)을 운항하는 선박에 대하여 배출되는 NOx(질소산화물) 및 SOx(황산화물)의 배기량 감소규제가 강화되었다. 상기의 규제 물질 중 NOx를 제거하는 탈질장비 중 선택적 촉매 환원(SCR : Selectivity Catalytic Reduction) 시스템은 효율이 높고 상업적으로 많이 활용되고 있으나, 높은 온도에서 요소수가 활성화되는 단점이 있다. 이에 초미세기포를 이용하여 낮은 온도에서도 반응할 수 있는 요소수 및 요소수 활성화 기기를 개발하여 상기의 문제점들을 최소화 할 수 있도록 하였다. 또한 SCR 시스템의 효율성을 향상시키는 방안을 마련하기 위하여, ANSYS-CFX package를 이용한 전산유체역학(CFD : Computational fluid dynamics)기법을 사용하였다. Navier-Stokes 방정식을 해석의 지배방정식으로 적용하여 SCR 시스템의 점성유동해석 시뮬레이션을 수행하였다. SCR 시스템의 형상은 CATIA V5를 사용하여 3D 모델링을 하였고, SCR 시스템의 효율성을 비교하기 위해 요소수 분사 노즐의 위치를 요소수 분사 노즐은 배기관의 입구로부터 1/3, 1/2, 2/3로 변경하며 확인하였다. 또한, 노즐의 분사구 수가 SCR 시스템의 효율에 미치는 영향을 확인하기 위하여 분사구 수가 4, 6, 8개일 경우를 시뮬레이션 하여 비교 분석하였다. 시뮬레이션 결과 배기관 입구에 가까울수록, 분사구 수가 많을수록 효율이 향상됨을 확인하였다.
2016년부터 배출통제지역(ECA : Emission Control Atea)을 운항하는 선박에 대하여 배출되는 NOx(질소산화물) 및 SOx(황산화물)의 배기량 감소규제가 강화되었다. 상기의 규제 물질 중 NOx를 제거하는 탈질장비 중 선택적 촉매 환원(SCR : Selectivity Catalytic Reduction) 시스템은 효율이 높고 상업적으로 많이 활용되고 있으나, 높은 온도에서 요소수가 활성화되는 단점이 있다. 이에 초미세기포를 이용하여 낮은 온도에서도 반응할 수 있는 요소수 및 요소수 활성화 기기를 개발하여 상기의 문제점들을 최소화 할 수 있도록 하였다. 또한 SCR 시스템의 효율성을 향상시키는 방안을 마련하기 위하여, ANSYS-CFX package를 이용한 전산유체역학(CFD : Computational fluid dynamics)기법을 사용하였다. Navier-Stokes 방정식을 해석의 지배방정식으로 적용하여 SCR 시스템의 점성유동해석 시뮬레이션을 수행하였다. SCR 시스템의 형상은 CATIA V5를 사용하여 3D 모델링을 하였고, SCR 시스템의 효율성을 비교하기 위해 요소수 분사 노즐의 위치를 요소수 분사 노즐은 배기관의 입구로부터 1/3, 1/2, 2/3로 변경하며 확인하였다. 또한, 노즐의 분사구 수가 SCR 시스템의 효율에 미치는 영향을 확인하기 위하여 분사구 수가 4, 6, 8개일 경우를 시뮬레이션 하여 비교 분석하였다. 시뮬레이션 결과 배기관 입구에 가까울수록, 분사구 수가 많을수록 효율이 향상됨을 확인하였다.
From 2016, controls on reduction of NOx and SOx emissions from the vessels that are operated in the emission control area were tightened. The selectivity catalytic reduction system of the denitrification equipment which NOx among the above controlled materials is very effective and used commercially...
From 2016, controls on reduction of NOx and SOx emissions from the vessels that are operated in the emission control area were tightened. The selectivity catalytic reduction system of the denitrification equipment which NOx among the above controlled materials is very effective and used commercially very much. But it has the disadvantage that CSR is activated at high temperatures. Therefore, the SCR and SCR activation instrument that can react even at low temperatures by using micro-nano bubbles so that the above problems can be minimized were developed. And the computational fluid dynamics technique was used by ANSYS-CFX package to prepare the plan that improves the SCR system's efficiency. Simulation for the viscous flow analysis of the SCR system was executed by applying the Navier-Stokes equation to it as a governing equation. For the SCR system's shape, 3D modeling was done by using CATIA V5. SCR jet nozzle's position was checked by changing it to the intervals of 1/3, 1/2, and 2/3 from the inlet of the vent pipe to compare the SCR system's efficiency. And the number of nozzles was compared and analyzed by simulating 4, 6, and 8 holes to check an effect of the number on the SCR system's efficiency. The simulation result has found that the closer nozzles are to the inlet of the vent pipe and the more nozzles are, the more efficiency is improved.
From 2016, controls on reduction of NOx and SOx emissions from the vessels that are operated in the emission control area were tightened. The selectivity catalytic reduction system of the denitrification equipment which NOx among the above controlled materials is very effective and used commercially very much. But it has the disadvantage that CSR is activated at high temperatures. Therefore, the SCR and SCR activation instrument that can react even at low temperatures by using micro-nano bubbles so that the above problems can be minimized were developed. And the computational fluid dynamics technique was used by ANSYS-CFX package to prepare the plan that improves the SCR system's efficiency. Simulation for the viscous flow analysis of the SCR system was executed by applying the Navier-Stokes equation to it as a governing equation. For the SCR system's shape, 3D modeling was done by using CATIA V5. SCR jet nozzle's position was checked by changing it to the intervals of 1/3, 1/2, and 2/3 from the inlet of the vent pipe to compare the SCR system's efficiency. And the number of nozzles was compared and analyzed by simulating 4, 6, and 8 holes to check an effect of the number on the SCR system's efficiency. The simulation result has found that the closer nozzles are to the inlet of the vent pipe and the more nozzles are, the more efficiency is improved.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구를 통하여 선박용 디젤엔진 SCR 시스템의 요소 기술을 개발하였으며, SCR 시스템의 수치해석을 통하여 분석하였다.
이에 따라 본 연구에서는 선박용 탈질설비 즉, SCR 시스템의 크기를 줄이면서도 효율을 극대화 할 수 있는 방향으로 연구를 시작하였으며 이러한 여러 연구방향 중 구조적인 변경에서 효율성을 확보하는 것도 중요하지만 구조적인 변경과 더불어 효율이 떨어지는 요소수를 선박엔진에 맞게 활성화 시킬 수 있는 방안을 모색한 결과 기포를 이용한 활성화 요소수(Activated Urea)에 초점을 맞추고 이를 개발하였다. 또한, SCR 시스템의 효율성 향상 방안을 모색하기 위하여 점성유동 해석을 수행하여 요소수 분사 노즐의 위치에 따른 유동균일도, 농도균일도 및 압력변화를 확인하였고 노즐의 분사구 수에 따른 농도균일도를 확인하였다.
제안 방법
(Garrido et al. 2008) 따라서 본 논문에서는 SCR 촉매부분을 다공성 물질로 상사하여 모델링하여 해석을 진행하였다.
SCR 시스템에서 압력변화의 확인을 위하여 확인하고자 하는 부분을 지정하여 해석을 수행하면, 지정한 위치의 압력을 확인 가능하여 Fig. 13과 같이 입구와 출구의 압력차의 확인을 위하여 입구와 출구부분 및 압력변화가 의심되는 12 위치 을 지정하고 해석을 수행하였다.
개발한 요소수 활성화 기기를 이용하여 활성화 요소수를 추출하였다. 추출한 활성화 요소수를 이용하여 암모니아 전환율 비교 시험을 진행하였으며, 그 결과는 Fig.
이에 따라 본 연구에서는 선박용 탈질설비 즉, SCR 시스템의 크기를 줄이면서도 효율을 극대화 할 수 있는 방향으로 연구를 시작하였으며 이러한 여러 연구방향 중 구조적인 변경에서 효율성을 확보하는 것도 중요하지만 구조적인 변경과 더불어 효율이 떨어지는 요소수를 선박엔진에 맞게 활성화 시킬 수 있는 방안을 모색한 결과 기포를 이용한 활성화 요소수(Activated Urea)에 초점을 맞추고 이를 개발하였다. 또한, SCR 시스템의 효율성 향상 방안을 모색하기 위하여 점성유동 해석을 수행하여 요소수 분사 노즐의 위치에 따른 유동균일도, 농도균일도 및 압력변화를 확인하였고 노즐의 분사구 수에 따른 농도균일도를 확인하였다.
데이터처리
산출한 투과계수를 이용하여 Fig. 11과 같이 Porous Model을 생성한 뒤 유동해석을 통한 검증을 위하여 촉매에 대한 해석과 같은 범위의 속도영역(5m/s ∼ 30m/s)에서 압력을 산출하여 결과를 비교하였다.
개발한 요소수 활성화 기기를 이용하여 활성화 요소수를 추출하였다. 추출한 활성화 요소수를 이용하여 암모니아 전환율 비교 시험을 진행하였으며, 그 결과는 Fig. 6과 같이 나타났다.
이론/모형
SCR 시스템의 효율성을 향상시키는 방안을 마련하기 위하여, ANSYS-CFX package를 이용한 전산유체역학기법을 사용하였다. Navier-Stokes 방정식을 해석의 지배방정식으로 적용하여 SCR 시스템의 점성유동해석 시뮬레이션을 수행하여 SCR 시스템의 효율성을 확인하였다.
SCR 시스템의 효율성을 향상시키는 방안을 마련하기 위하여, ANSYS-CFX package를 이용한 전산유체역학기법을 사용하였다. Navier-Stokes 방정식을 해석의 지배방정식으로 적용하여 SCR 시스템의 점성유동해석 시뮬레이션을 수행하여 SCR 시스템의 효율성을 확인하였다.
또한, 노즐의 위치에 따른 배기가스와 요소수의 혼합효과를 알아보기 위하여 Weltens, at al.(1993)이 제안한 균일도 (Concentration Uniformity, UC)가 사용되며, 식(3)과 같이 정의한다.
96m/s를 사용하였으며, 요소수의 온도는 상온에서 일반적인 20℃를 사용하였다. 촉매의 공극률은 촉매 Cell의 공극률 계산 결과인 0.76을 사용하였고, 벽면은 점착조건인 No-Slip 조건을 적용하였으며, 난류 모델은 정상상태의 난류유동으로 가정하여 공학적으로 타당성을 검증받은 K-ε 모델 사용하였다. (Lee et al.
성능/효과
1) 초미세기포를 이용한 요소수 활성화 기기를 개발하여 기존 요소수 보다 암모니아 전환율이 약 20%정도 높은 활성화 요소수를 생성하였다.
2) 점성유동해석을 통하여 SCR 시스템의 입·출구 배기관의 압력차이가 설계기준인 △P ≤ 100mmAq(=980Pa) 의 약 60% 수준인 600Pa 정도로 SCR 시스템이 충분히 효율적임을 확인하였다.
3) 유동균일도는 약 0.85로 보통 유동이 균일하다고 말하는 0.8이상으로 나타났기 때문에 현 디자인의 SCR 시스템은 유동균일도 측면에서 효율적임을 확인하였다.
4) 노즐의 위치를 고려한 농도균일도의 경우 입구배기관의 1/3지점에서 가장 효율이 좋음을 확인 하였고, 입구배기관에서 멀어질수록 효율이 낮아짐을 확인하였다.
5%정도 추가 사용되는 것으로 파악 된다. 또한 SCR 시스템은 육상에서의 환경설비보다 선박에서의 설비규격 제한이 크다는 것을 확인하였고, 기존 요소수보다 활성화율이 높은 요소수를 사용할 경우 설비규격이 작더라도 비슷하거나 높은 효율을 얻을 수 있기 때문에 선박에서 매우 유용하다는 것을 확인하였다.
선박 배기오염물질 규제가 2016년 1월 1일부터 신조 선박에 적용됨으로서 선박 배기오염규제 물질중 하나인 NOx를 제거하는 SCR설비 중 소모품에 해당되는 요소수에 대하여 많은 문제점이 있다는 사실을 알게 되었다. 현재 요소수의 사용량은 실제 연비보다 약 3%∼4% 정도가 추가로 소모 되고 있으며, 상황에 따라 사용량은 더 늘어날 수도 있어 연비 대비 3.
후속연구
향후연구계획으로는 요소수 활성화율을 더욱 높이기 위하여 Economizer 효율화를 위한 요소수 온도 예열 시스템 구조물을 개발할 예정이며, 초미세기포를 이용한 요소수 활성화 기기의 소형화 설계 및 선박에 SCR 시스템을 탑재할 때, 선박 내부 공간활용에 도움이 되도록 소형 SCR 시스템 개발을 할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
나노버블의 특징은 무엇인가?
나노버블은 5㎛(마이크로미터,혹은 미크론, 1㎛=0.001㎜) 이하의 눈으로 확인할 수 없는 초미세 기포로 일반 버블의 1/2,000크기의 공기 입자이며 0.1cm/sec의 매우 느린 속도로 수면으로 상승하는데 많은 버블들은 수면에 다다르기 전에 소멸하며 소멸할 때 40kHz의 초음파 발생하거나 140db의 높은 음압 및 4,000℃∼6,000℃의 순간적인 고열을 발생 하는 특징이 있다.
해상의 SCR 시스템의 효율의 문제는 어떤 것인가?
두번째는 효율의 문제이다. 탈질설비의 크기는 선박에 들어가도록 육상의 SCR시스템 보다 작게 만들어야 하지만 그 효율은 육상의 SCR 시스템에 맞추어야 하는 문제가 발생하며, 선박이라는 폐쇄된 공간에 설치되기 때문에 화제나 폭발의 문제가 발생될 경우 탈출의 행보가 제한되어지는 등 안전성을 위하여 암모니아를 사용하지 못하고 폭발성이 없는 요소수를 사용하게 되어 효율은 더욱 감소하게 되었다.
SCR시스템이란?
NOx를 저감시킬 수 있는 여러 시스템 중 효율이 높고 상업적으로 많이 활용되고 있는 SCR(Selective Catalytic Reduction : 선택적 촉매 환원)시스템이 대두되고 있다. SCR시스템은 배기가스에 포함된 NOx를 암모니아, 요소수(Urea), 알코올, 탄화수소화합물 등의 환원제와 촉매 반응시켜 해롭지 않은 질소 (N2)와 물(H2O)로 환원, 분리하는 기술이다. 이는 오래전부터 육상에서 발전소나 플랜트의 NOX 저감장치로 개발되고 있다.
참고문헌 (7)
ANSYS CFD Realrease 12 Tutorial(2008)
Garrido, G. I. Patcas, F. C. Lang, S. and Kraushaar- Czarnetzki. B.(2008) "Mass Transfer and Pressure Drop in Ceramic Foams : A Description for Different Pore Sizes And Porosities, Journall of Chemical Engineering Science", Vol. 63, No. 21, pp. 5202-5217.
Kwag. S. H.(2005), "Numerical Simulation of Pipe Flow with an Obstacle by applying Turbulent Models". Journal of the Korean Navigation and Port Research. Vol. 29, No. 6, pp. 523-528.
Kwag. S. H.(2006), "Flow Analysis in the Fuel Chamber of Engine by Applying Turbulent Models". Journal of Korean Navigation and Port Research. Vol. 30, No. 5, pp. 369-374.
Lee. J. H., Jung. J. W., Kim. Y. K. and Ko. S. J.(2010) "Representation of Wind Characteristics of Neutral Atmosphere Boundary Layer using k-e Turbulent Model", Journal of the Wind Engineering Institute of Korea Vol. 14, No. 2, pp. 71-78.
Weltens, H. Bressler, H. Terres, F. Neumarier H. and Rammoser. D. (1993). "Optimization of Catalytic Converter Gas Flow Distribution by CFD Distribution". SAE Technical Paper Series 930780. pp. 129-151.
Yi, C. S., Jeong, I. G., Suh, J. S., Park, C. D. and Jeong, K. Y.(2012). "A Numerical Analysis on Flow Uniformity of SCR Reactor for 5,000PS Grade Marine Engine". Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 11, No. 6, pp. 28-35.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.