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SNCR 시스템 내부의 물질 반응에 관한 전산해석적 연구
CFD Analysis on the Internal Reaction in the SNCR System 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.25 no.1, 2019년, pp.63 - 73  

구성모 (영남대학교 환경공학과) ,  유경선 (광운대학교 환경공학과) ,  장혁상 (영남대학교 환경공학과)

초록
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연소공정 내에서 질소산화물 배출을 저감하는 선택적 무촉매 환원장치 내부의 화학반응 및 저감효율에 대한 수치해석이 실행되었다. 선택적 무촉매 환원장치에서 저감된 질소산화물은 질소뿐만 아니라 아산화질소로도 전환된다. 아산화질소는 온실가스로써 지구온난화에 영향을 끼치기 때문에 선택적 무촉매 환원장치 내의 질소산화물 제어와 동시에 아산화질소 생성제어가 요구되어진다. 본 연구에서는 선행연구에서 실행된 실험과 온도조건과 가성소다의 첨가량이 동일한 선택적 무촉매 환원장치 내의 전산해석을 실시하고 비교하여 전산해석의 신뢰성을 확인하고, 가성소다 첨가량을 추가적으로 조절하여 질소산화물의 저감 효율과 아산화질소 생성량을 예측하였다. 전산해석은 후단의 측정점을 설정하여 각 물질의 질량분율을 확인하였다. 세부적으로는 측정점에서 유동방향에 수직한 면을 설정하여 온도 조건과 가성소다 첨가량에 따른 각 물질의 평균 질량분율을 비교하였다. 실험값과 전산해석에 의한 모사값은 최대 18.9%의 오차를 보이며 대체적으로 잘 예측됨을 확인하였으며 가성소다 첨가량을 증가시켰을 땐 70% 이상의 제거율의 온도 범위가 넓어지는 것을 확인하였다. 따라서 반응온도의 낙차가 크고 잦은 폐기물 소각시설 등에서 효과적일 것으로 예상된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Numerical analysis was done to evaluate the chemical reaction and the reduction rate inside of selective non-catalytic reduction to denitrification in combustion process. The $NO_X$ reduction in selective non-catalytic reduction is converted to not only nitrogen but also nitrous oxide. Si...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 다음은 전술한 30가지 실험조건에 대하여 질소산화물 저감효율과 미반응 암모니아 발생량을 실험값과 전산해석을 통한 모사값을 비교한다. 그러나 선행연구에서는 넓은 온도범위에 비해 요소만 사용한 경우와 가성소다가 1% 첨가된 개량환원제에 대한 실험만이 진행되었으므로 본 연구에서는 이두 경우에 대한 비교를 통해 신뢰성을 얻고 가성소다가 첨가된 양을 늘렸을 때의 결과를 예측하도록 하겠다.
  • 본 논문에서는 전산해석을 통해 선행연구에서 진행된 실험실규모의 선택적 무촉매 환원장치의 실험을 재현했다. 전산 해석에 사용한 경계조건은 Table 1 ~ 5에서 보여주고 있으며 내부의 반응은 Table 6에서 보여주고 있다.
  • 전술한 내용을 토대로 선택적 무촉매 환원장치 내부에서 배기가스와 요소수가 반응되는 노즐 팁 위치의 온도에 따라 질소산화물 저감효율이 달라짐을 예상할 수 있으며, 미반응 암모니아를 배출하거나 아산화질소를 생성됨을 이해하고, 질소산화물과 요소가 반응되는 실험실 규모의 선택적 무촉매환원장치를 모델링한다. 본 연구에서는 모델링 된 선택적 무촉매 환원장치에 대하여 반응온도에 따른 질소산화물 저감효율 파악을 목적으로 전산해석을 이용하여 기존 요소를 이용했을 때와 가성소다(NaOH)를 첨가한 개량환원제를 이용하였을 때의 질소산화물 저감효율과 아산화질소 발생량을 비교하였으며, 개량환원제의 가성소다 첨가 정도를 조절하여 그에 따른 효율 변화 및 발생량 또한 확인하고 평가한다.
  • 본 연구에서는 선행연구에서 진행된 실험실 규모의 선택적무촉매 환원장치에서 온도와 가성소다 첨가량에 따른 질소산화물 저감효율을 얻어지는 실험에 대해 전산유체역학을 통해 동일 조건에서 실험하였다. 난류모델 및 액적모델 등이 활용된 3차원 난류반응유동 전산해석 모델을 구축하였으며 이러한 전산해석 모델에서 30개의 난류반응속도 식은 질소산화물 저감효율, 미반응 암모니아 배출량과 아산화질소 발생량을 예측하기위해 사용되었다.
  • 본 연구에서는 전술한 바와 같이 실험실 규모로 제작된 선택적 무촉매 환원장치의 한계를 이해하였으나, 전산해석의화학반응 및 액적의 증발과 같은 복잡한 현상을 해석하는 것에 대한 신뢰성을 얻기 위해, 선행연구에서 다양한 조건에서 실시된 실험실규모의 선택적 무촉매 환원장치의 결과를 인용하여 동일 조건에서 비교하고 전산해석 프로그램을 통해 더 넓은 범위에서의 실험 결과를 예측하고 또 그 효용성에 대해 평가하였다.

가설 설정

  • EDC모델의 핵심은 난류반응유동을 반응미세구조(fine structure)와 주변유체(surrounding fluid) 두 부분으로 나누어 해석한다[20]. 모든 반응은 교반식반응기에서 이루어지는 것으로 가정된 반응미세구조 내부에서 일어난다고 가정하고, 반응미세구조로부터 주변유체로 질량 및 에너지가 전달된다.
  • 전술한 바와 같이 비연속상인 액적을 라그랑지안 해석기법으로 Navier-Stokes방정식에 따라 계산된 유동장을 통해 궤적을 추적하였다. 이 모델에서 액적은 높은 질량 부하를 가질지라도 낮은 부피분율을 가진다는 가정 하에 해석된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이산화질소가 환경에 어떤 영향을 미치는가? 일산화질소는 독성이 약하며 대기 중의 농도수준에서는 뚜렷한 피해를 나타내지 않지만 대기 중에서 쉽게 이산화질소(NO2)의 형태로 전환된다. 이산화질소는 산성비의 원인이 되어 금속을 부식시키고 건물수명을 단축시킬 뿐만 아니라 대기 중의 오존농도를 증가시키고 PAN, aldehyde 등의 2차 오염물질을 생성하여 광화학 스모그를 유발시킨다. 또한 일산화질소에 비해 독성이 5 ~ 10배 높기 때문에 고농도에서 흡입 시에는 호흡기 세포를 파괴하고 혈 중 헤모글로빈과 결합으로 호흡곤란의 원인이 되어 인간건강을 위협하는 물질이다[1].
질소산화물은 무엇인가? 발전소, 소각시설에서 배출되는 질소산화물(NOX)은 대표적인 대기오염물질 중 하나로서, 연소과정에서 연료 및 폐기물 중의 질소성분이 산화하거나 고온에서 과다 연소공기 주입에 의한 공기 중의 질소가 연소에 의해 산화되어 발생한다. 위의 시설들에서 질소산화물은 주로 일산화질소(NO)의 형태로 배출된다.
이산화질소는 우리 몸에 어떠한 영향을 끼치는가? 이산화질소는 산성비의 원인이 되어 금속을 부식시키고 건물수명을 단축시킬 뿐만 아니라 대기 중의 오존농도를 증가시키고 PAN, aldehyde 등의 2차 오염물질을 생성하여 광화학 스모그를 유발시킨다. 또한 일산화질소에 비해 독성이 5 ~ 10배 높기 때문에 고농도에서 흡입 시에는 호흡기 세포를 파괴하고 혈 중 헤모글로빈과 결합으로 호흡곤란의 원인이 되어 인간건강을 위협하는 물질이다[1]. 아산화질소(N2O)는 병원에서 마취용도로 사용되는 물질로 인체에는 무해한 것으로 알려져 있다.
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