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과산화수소 혼합냉각기 내의 노즐배치 및 가스분사 방식 변화에 따른 혼합율 개선에 대한 전산해석적 연구
CFD Analysis on the Effect of the Nozzle Arrays and Spray Types in the Hydrogen Peroxide Mixing Quencher to Improve the Mixing Efficiency 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.23 no.1, 2017년, pp.42 - 53  

구성모 (영남대학교 환경공학과) ,  장혁상 (영남대학교 환경공학과)

초록
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탈질과 탈황을 동시에 수행하는 과산화수소($H_2O_2$) 수용액 세정탑의 반응효율을 증가시키기 위해 예혼합이 이루어지는 혼합 냉각기(mixing quencher) 영역 내부의 유체유동에 대한 수치해석이 수행되었다. 산업공정에서 상용화되고 있는 세정탑 전단부의 혼합냉각기에서 과산화수소 수용액이 주입되는 노즐의 분사방식은 배기가스와 과산화수소 수용액의 혼합에 중요한 역할을 하며, 혼합냉각기에서의 혼합도는 세정탑 의 효율을 결정하는 중요 요소가 된다. 본 연구에서는 혼합냉각기 내부유체의 농도분포 개선을 목적으로 하여 혼합냉각기 내의 노즐 관의 배열을 조절하거나 노즐 팁 각도를 변경하며 유체혼합을 최적화하였다. 전산해석은 이 냉각기영역의 내부유동 및 각 유체 농도에 대한 RMS (root mean square) 값을 계산하여 내부유체의 혼합도의 개선을 확인하였다. 세부적으로는 노즐 관의 위치를 조절할 때 변경되는 냉각기 영역 후단의 농도 RMS 값을 확인하여 난류형성위치에 따른 최적화된 혼합도를 확인하였으며 기본형상 대비 난류형성방향을 조절하는 목적의 노즐 팁 각도를 증감하여 농도분포의 균질화를 비교하였다. 노즐 관의 배열에 따라 난류형성위치와 그에 따른 유체혼합이 해석되었다. 또한 노즐 팁 각도를 조절하는 경우에는 유동방향과의 각도에 따라, 흐름이 병류와 향류에 따라 혼합도의 최적화를 확인할 수 있었다. 노즐 관의 위치는 0.3 m, 노즐 팁은 병류의 $15^{\circ}$일 때 최적의 조건을 가지며 가장 낮은 RMS 값인 12.4%를 가졌다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Numerical analysis was done to evaluate the fluid distribution inside of the mixing quencher to increase the reaction efficiency of the aqueous hydrogen peroxide solution in the scrubbing column which is used for simultaneous desulfurization and denitrification. Effective injection of the aqueous hy...

주제어

#탈질   #탈황   #최적화   #전산유체역학  

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탈질의 기술 중 선택적 촉매 환원법의 단점은 무엇인가? 습식기술은 흡수제에 의해 질소산화물이 흡수되는 세정탑에서 사용된다. 탈질기술 중 선택적 촉매 환원법은 질소산화물 제거를 위한 가장 효과적인 방법으로 여겨지지만 배기가스의 재 함량이 높거나, 고온조건에서는 촉매의 성능과 수명이 감소한다[6,7]. 이 문제점을 해결하기 위해 전기집진기 하류에서 선택적 촉매 환원장치를 배치하거나, 저온의 선택적 촉매 환원장치에서 활용 가능한 마그네슘계 촉매를 적용하는 방법이 있다.
질소산화물(NOX)과 황산화물(SOX)의 배출처는 어디인가? 차량 및 석탄 화력발전소에서 배출되는 질소산화물(NOX)과 황산화물(SOX)은 심각한 환경오염을 초래할 뿐만 아니라 인간의 건강을 위협하는 물질이다. 따라서 배기가스를 정화하기 위한 기술개발에 많은 노력이 이루어지고 있다.
개별 가스에 대한 처리방법 중에서 탈황에 이용되는 것은 무엇인가? 따라서 배기가스를 정화하기 위한 기술개발에 많은 노력이 이루어지고 있다. 개별 가스에 대한 처리방법으로는 탈황의 경우 흡수제로서 나트륨, 칼슘, 및 마그네슘 화합물을 포함하는 알칼리성 용액을 이용하는 습식배연탈황(wet flue gas desulfurization, WFGD)이 가장 효과적이고 널리 활용되고 있다[1]. 탈질의 경우 크게 건식 및 습식기술로 나누어지는데 건식기술은 300 ~ 500 ℃에서 암모니아(NH3)에 의한 선택적 촉매 환원법(selective catalytic reduction, SCR) [2], 선택적 무촉매 환원법(selective non ca-talytic reduction, SNCR) [3], 흡착[4]과 전자선 조사[5]로 분류된다.
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참고문헌 (15)

  1. Zhao, Y., Guo, T., and Chen, Z., "Experimental Study on Simultaneous Desulfurization and Denitrification from Flue Gas with Composite Absorbent," Environ. Progress & Sustainable Energy, 30(2), 216-220 (2011). 

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  2. Topsoe, N. Y., Topsoe, H., and Dumesic, J. A., "Vanadia/Titania Catalysts for Selective Cataytic Reduction (SCR) of Nitric-Oxid by Ammonia: I. Combined Temperature-Programmed in situ FTIR and On-line Mass- Spectroscopy Studies," J. Catal., 151(1), 226-240 (1995). 

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  3. Leckner, B., Karisson, M., Dam-Johansen, K., Weinell, C. E., Kilpinen, P., and Hupa, M., "Influence of Additives on Selective Non-catalytic Reduction of NO with $NH_3$ in Circulating Fluidized Bed Boilers," Ind. Eng. Chem. Res., 30(11), 2396-2404 (1991). 

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  4. Huang, H. Y. and Yang, R. T., "Removal of NO by Reversible Adsorption on Fe-. Mn Based Transition Metal Oxides," Langmuir, 17(16), 4997-5003 (2001). 

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  5. Ighigeanu, D., Martin, D., Zissulescu, E., Macarie, R., Oproiu, C., Cirstes, E., Iovu, H., Calinescu, I., and Iacob, N., " $SO_2$ and $NO_x$ Removal by Electron Beam and Electrical Discharge Induced Non-thermal Plasmas," Vaccum, 77(4), 493-500 (2005). 

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  6. Busca, G., Lietti, L., Ramis, G., and Berti, F., "Chemical and Mechanistic Aspects of Selective Catalytic Reduction of $NO_x$ by Ammonia over Catalysts," A Rev. Appl. Catal. B Environ., 18(1), 1-36 (1988). 

  7. Long, R. Q., Yang, R. T., and Chang, R., "Low Temperature Selective Catalytic Reduction of NO and $NH_3$ over Fe-, Mn based catalysts," Chem. Commun., 7(5), 452-453 (2002). 

  8. Serra, J. M., Chica, A., and Corma, A., "Development of a Low Temperature Light Paraffin Isomerization Cataysts with Improved Resistance to Water and Sulphur by Combinatorial Method," Appl. Catal. A General, 239(1-2), 35-42 (2003). 

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  9. Khan, N. E., and Adewuyi, Y. G., "Abosorption and Oxidation of Nitric Oxide (NO) by Aqueous Solution of Sodium Persulfate in a Bubble Column Reactor," Ind. Eng. Chem. Res., 49(18), 8749-8760 (2010). 

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  10. Wang, Z., Zhou, J., Zhu, Y., Wen, Z., Liu, J., and Cen, K., "Simultaneous Removal of $NO_x$ , $SO_2$ and Hg in Nitrogen Flow in a Narrow Reactor by Ozone Injection: Experimental Results," Fuel Proc. Technol., 88(8), 817-823 (2007). 

    상세보기 crossref

  11. Lousada, C. M., and Jonsson, M., "Kinetic, Mechanism, and Activation Energy of $H_2O_2$ Decomposition on the Surface of $ZrO_2$ ," J. Phys. Chem. C, 114(25), 11202-11208 (2010). 

  12. Patankar, S. V., Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, 1st ed., McGraw-Hill, New York, Chap.3 1980. 

  13. ANSYS, ANSYS Fluent User's Guide, ANSYS Inc. 2013. 

  14. ANSYS, ANSYS Fluent Theory Guide, ANSYS Inc. 2013. 

  15. Wark, K., Warner, C. F. and Davis, W. T., Air Pollution: Its Origin and Control, 3rd ed., Prentice Hall, New York, Chap 5. 1998. 

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