[논문]Urea-SCR에 적용되는 이유체 노즐의 분무특성에 관한 실험적 연구

박형선; 홍정구

doi:10.15435/jilasskr.2017.22.2.96

Urea-SCR에 적용되는 이유체 노즐의 분무특성에 관한 실험적 연구
Experimental Study on Spray Characteristics of Twin Fluid Nozzle in Urea-SCR 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.22 no.2, 2017년, pp.96 - 102

Abstract ▼ AI-Helper

In order to reduce the NOx, SCR technology is most suitable. In this study, we focused on studying the injector part of urea-SCR system. When stoichiometric 1 mole of urea is injected, 2 moles of $NH_3$ are created. $NH_3$ causes a SCR reaction by reacting with NOx. However, urea is decomposed by the side reaction of coming out HNCO, deposit formation is formed. In this study, it was to design a nozzle that can spray the optimal spray flow rate. Test nozzle used in this experiment is efferverscent type. The result of the experiment, liquid flow rate was confirmed to be that they are dominated by the exit orifice diameter. The area ratio is defined by ratio of the area of exit orifice hole and that of aerorator. The droplet size was measured by varying the area ratios. In addition, it was also confirmed that there is no change of the liquid flow rate and air flow rate to change the aerorator at the same exit orifice. Further, It was confirmed that the droplet size was relatively uniform even though the area ratio was different. Finally, there is little change in the SMD that air flow rate increases in 0.3 or more ALR.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 이유체 노즐 중 한 종류인Effervescent type의 노즐을 사용하여 노즐의 최적화 설계를 위하여 여러 가지 형상과 조건에서 노즐의 분무특성을 확인해 보고자 하였고, 또한 Effervescent type의 노즐은 에어로레이터(Aerorator)와 출구 오리피스(Exitorifice)가 분무특성에 영향을 미치는 설계인자로 판단하여 출구 오리피스의 면적과 에어로레이터 홀의 면적의비를 약 1.2에서 15로 다양하게 변화시켜 그 효과를 확인하고자 하였다.
본 연구는 선박용 Urea-SCR 노즐의 최적화 설계를위해 출구 오리피스 및 에어로레이터의 면적비와 압력에 따른 노즐의 분무 특성을 확인해 보았고, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

가설 설정

(1) 본 연구에서 사용된 Effeverscent type 노즐의 액체질량유량은 출구 오리피스의 직경에 의해 영향을 받는다.

제안 방법

7 mm로 설정한 이유는 요소수를 최대 분당 1L의 유량을 공급할 수 있는 출구 오리피스 직경이고, 출구 오리피스 면적에 따른 유량의 차이를 확인하고자 설정하였다. Table 2에서확인 할 수 있듯이, 출구 오리피스 2.6 mm일 때는 면적이 5.31 mm²이고, 3.7 mm일 때는 면적이 10.75 mm²로약 2배의 차이에 대한 효과를 보기 위하여 출구 오리피스를 각각 2.6 mm와 3.7 mm로 잡았다. 각각의 출구 오리피스 2.
액적 크기를 알아보기 위해서 레이저 회절(laser diffraction) 원리를 이용하여, 반도체 레이저(MLXA-A12-635-5), CCD 카메라(EPIXCMOS camera) 등으로 구성된 장비를 통해 분무 선단방향으로 레이저에 의해 산란된 액적 크기 정보를 수광부(detector)에서 수신하여 액적평균입경(Sauter Mean Diameter, SMD)을 획득하였다⁽¹²⁾. 물과 공기의 공급유량은 유량계(flow meter)를 통해 확인하였으며 DAQ board(Data acquisition board)를 통해 그 값을 컴퓨터에 기록하였으며 SMD 값 역시 컴퓨터에 기록될 수 있도록 각각의 DAQ board를 이용하여 기록하였다. 실험에 사용된 모든 장비는 Table 1에 정리하였다.
액체는 물을, 기체는 공기를 사용하였다. 분무 압력은 2, 2.5,3 bar의 3가지 조건에서 실험을 진행하였고 액체의 유량은 0.1 kg/min에서 1.0 kg/min까지 0.1 kg/min씩 총 10가지의 유량에서 실험을 진행하였다.
서지탱크(Longer Pump, BT100-2J)에서 질소가스에 의해 가압된 물이 노즐로 공급되어 분사된다. 서지탱크의 압력은 질소가스에 의해 일정하게 유지되도록 하였으며 분사압력은 질소탱크와 서지탱크 사이에 위치한 압력 조정기(Pressure Regulator)에 의해 조정되었다. 물의 양은 니들 밸브(Needle Valve)에 의해 조절된다.
분무가시화 장치로는 분무 하류의 이미지를 촬영하기 위해 CCD 카메라(Viework, VM-2M 35)와 광원으로 Strobe scope를 사용하였다. 액적 크기를 알아보기 위해서 레이저 회절(laser diffraction) 원리를 이용하여, 반도체 레이저(MLXA-A12-635-5), CCD 카메라(EPIXCMOS camera) 등으로 구성된 장비를 통해 분무 선단방향으로 레이저에 의해 산란된 액적 크기 정보를 수광부(detector)에서 수신하여 액적평균입경(Sauter Mean Diameter, SMD)을 획득하였다⁽¹²⁾. 물과 공기의 공급유량은 유량계(flow meter)를 통해 확인하였으며 DAQ board(Data acquisition board)를 통해 그 값을 컴퓨터에 기록하였으며 SMD 값 역시 컴퓨터에 기록될 수 있도록 각각의 DAQ board를 이용하여 기록하였다.
노즐의 출구 오리피스는 3가지를 사용하였고, 에어로레이터는 6가지를 사용하였다. 출구 오리피스를 2.6 mm, 3.2 mm, 3.7 mm로 설정한 이유는 요소수를 최대 분당 1L의 유량을 공급할 수 있는 출구 오리피스 직경이고, 출구 오리피스 면적에 따른 유량의 차이를 확인하고자 설정하였다. Table 2에서확인 할 수 있듯이, 출구 오리피스 2.
2에서 15까지의 변화를 보기위해서 설정한 설계인자이다. 출구 오리피스와 에어로레이터를 조합하여 총 18가지의 형상조건에서 실험을 수행하였다. Table 2에서 면적비(Area ratio)는 출구 오리피스의 면적과 에어로레이터의 면적의 비를 나타낸 수치이다.

대상 데이터

Table 2는 본 연구에서 사용된 실험용 노즐의 형상에 대한 수치를 나타낸 것이다. 노즐의 출구 오리피스는 3가지를 사용하였고, 에어로레이터는 6가지를 사용하였다. 출구 오리피스를 2.
또한 Table 3에서는 실험 조건을 나타내었다. 액체는 물을, 기체는 공기를 사용하였다. 분무 압력은 2, 2.

이론/모형

보조공기의 유량은 디지털 플로워 미터(SMC, PF2A711)에 의해 측정되었다. 분무가시화 장치로는 분무 하류의 이미지를 촬영하기 위해 CCD 카메라(Viework, VM-2M 35)와 광원으로 Strobe scope를 사용하였다. 액적 크기를 알아보기 위해서 레이저 회절(laser diffraction) 원리를 이용하여, 반도체 레이저(MLXA-A12-635-5), CCD 카메라(EPIXCMOS camera) 등으로 구성된 장비를 통해 분무 선단방향으로 레이저에 의해 산란된 액적 크기 정보를 수광부(detector)에서 수신하여 액적평균입경(Sauter Mean Diameter, SMD)을 획득하였다⁽¹²⁾.

성능/효과

(2) 동일한 출구 오리피스 직경에서 에어로레이 터 직경에 따른 액체와 기체의 유량의 변화 는 거의 없음을 확인하였다.
(3) 본 연구에서 사용된 노즐에서 액적 크기는 면적비의 차이에도 불구하고 SMD의 값이 비교적 균일함을 확인하였다.
(4) 0.3이상의 ALR의 경우 보조공기 질량유량이 증가하더라도 SMD의 변화는 거의 없다. 즉, 에너지 효율적인 측면에서 과도하게 보조공기 질량유량을 높게 하는 것보다 최적의 양의 보조 공기를 투입하는 것이 효율적이라는 것을 알 수 있다.
이 결과를 통해 보조 공기를 많이 투입한다 하더라도 액적크기를 더 작게 하는 것에는 한계가 있다는 것을 알 수 있다. 그러므로 최적의 보조 공기를 넣는 것이 에너지 활용 측면에서 효율적이라는 결론을 도출할 수 있다. (b)는 3 bar의 압력에서ALR에 따른 SMD값을 나타낸 그래프이다.
액체 질량유량이 증가할수록 보조공기 질량유량이 감소하는 경향성을 확인하였다. 또 한 출구 오리피스의 직경이 2.6 mm에서 3.2 mm로 커 졌을 때 보조공기 질량유량의 값과 액체 질량유량의 차이가 크지 않지만, 출구 오리피스의 직경이 2.6에서 3.7로 커졌을 때 보조공기 질량유량과 액체 질량유량의 유량이 상당히 커지는 것을 확인할 수 있다. 이 그래프를 통해서 같은 액체 질량유량에서는 출구 오리피스의 직경이 증가할수록 보조공기 질량유량이 증가 하 는 것을 확인할 수 있었으며 출구 오리피스의 직경의 차이가 커질수록 유량의 증가량이 커짐을 확인할 수 있다.
3 kg/min(약 18kg/h)이다. 또한, 높은 압력에서는 ALR에 따른 SMD의 차이가 크지 않음을 확인하였다.
5 mm인 것을 사용하였다. 면적비가 약 2배, 4배로 증가함에 따른 차이를 확인하고자 하였으나 편차가 거의 없음을 확인하였다. 이로 인해 면적비의 차이로 인해 SMD의 차이가 거의 없음을 확인할 수 있었다.
비교한 그래프이다. 액체 질량유량이 증가할수록 보조공기 질량유량이 감소하는 경향성을 확인하였다. 또 한 출구 오리피스의 직경이 2.
7로 커졌을 때 보조공기 질량유량과 액체 질량유량의 유량이 상당히 커지는 것을 확인할 수 있다. 이 그래프를 통해서 같은 액체 질량유량에서는 출구 오리피스의 직경이 증가할수록 보조공기 질량유량이 증가 하 는 것을 확인할 수 있었으며 출구 오리피스의 직경의 차이가 커질수록 유량의 증가량이 커짐을 확인할 수 있다.
3이상의 ALR의 경우 보조공기 질량유량이 증가하더라도 SMD의 변화는 거의 없다. 즉, 에너지 효율적인 측면에서 과도하게 보조공기 질량유량을 높게 하는 것보다 최적의 양의 보조 공기를 투입하는 것이 효율적이라는 것을 알 수 있다. 즉 3 bar 기준 공기 질량유량은약 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	질소산화물은 무엇인가?	질소산화물(NOx)이란 질소와 산소로 이루어진 화합물로써 이들의 혼합물을 지칭할 때 일반적으로 사용되는 용어이며, 그 중에서도 대기 오염의 주범이 되는 NO와 NO2를 총칭해 질소산화물이라고 한다(1).
	선박용 엔진 분야에 사용되는 질소산화물 저감 기술에는 무엇이 있는가?	1은 여러 가지 질소산화물 저감 장치의 효율을 비교한 것이다. 선박용 엔진분야에서 최근까지 개발된 대표적인 질소산화물 저감 기술로는 Internal Engine Modification(IEM), Direct Water Injection(DWI), Exhaust Gas Recirculation(EGR), Selective Catalytic Reduction(SCR)등이 있으며, 이 기술들 중 선택적 촉매 환원 시스템(SCR System)의 질소 산화물 저감 효율이 타 방식에 비해 우수한 것으로 Azzara 등에 의해 보고되었다(3,4). 그러므로Tier 3을 만족시키기 위해서는 선택적 촉매 환원 시스템 기술의 활용이 필수적이며 선택적 촉매 환원 시스템 기술을 사용하기 위해서는 요소수(urea aqueous solution)의분사가 중요하다(5).
	보조 공기를 많이 투입하는 것이 에너지 활용 측면에서 별로 좋지 않은 이유는?	(4) 0.3이상의 ALR의 경우 보조공기 질량유량이 증가하더라도 SMD의 변화는 거의 없다. 즉, 에너지 효율적인 측면에서 과도하게 보조공기 질량유량을 높게 하는 것보다 최적의 양의 보조 공기를 투입하는 것이 효율적이라는 것을 알 수 있다. 즉 3 bar 기준 공기 질량유량은약 0.

참고문헌 (12)

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A. Azzara, D. Rutherford and H. Wang, "Feasibility of IMO Annex VI Tier III implementation using Selective Catalytic Reduction", The International Council on Clean Transportation, 2014, working paper 2014-4.
구건우, 정경열, 윤현진, 석지권, 홍정구, "이유체 노즐 미립화 특성이 요소 열분해에 미치는 영향", 한국액체미립화학회지, 제20권, 제3호, 2015, pp. 162-167.

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S. D. Yim, S. J. Kim, J. H. Baik, I. S. Nam, Y. S. Mok, J. H. Lee, B. K. Cho and S. H. Oh, "Decomposition of urea into NH3 for the SCR process", Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 43, No. 16, 2004, pp. 4856-4863.

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구건우, 홍정구, "저온 반응장에서 요소 수용액의 환원제 전환에 관한 실험적 연구", 한국액체미립화학회지, 제20권, 1호, 2015, pp. 20-27.

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상세보기
강신명, 김의수, 박설혜, 이지근, "Two-Fluid Urea-SCR 분무노즐의 유동특성 및 분무구조에 관한 실험적 연구", 한국자동차공학회 학술대회 논문집, 2007, pp. 83-88.
공호정, 홍길화, 황인구, 박심수, 이내현, "디젤 엔진 Urea-SCR 시스템의 Urea Quality가 SCR 촉매의 NOx 정화효율 및 온도변화 특성에 미치는 영향", 대한기계학회 춘추학술대회, 2009, pp. 186-191.
장재환, 박현철, "박용 탈질 시스템의 혼합기 적용에 따른 요소수용액 분무 및 혼합특성 수치적 연구", 대한기계학회논문집 B권, 제40권, 7호, 2016, pp. 429-434.

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구건우, 홍정구, 박철우, 이충원, "원형 및 타원형 노즐 내부유동과 외부유동의 상관관계", 대한기계학회논문집 B권, 제36권, 제3호, 2012, pp. 325-333.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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