[논문]탈질설비에서 암모니아 혼합기의 형상에 따른 암모니아-공기 균일 혼합에 관한 연구

하지수

doi:10.7842/kigas.2019.23.3.20

탈질설비에서 암모니아 혼합기의 형상에 따른 암모니아-공기 균일 혼합에 관한 연구
A Study on the Uniform Mixing of Ammonia-Air with the Change of Ammonia Supply Device Shape in a De-NOx System 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.23 no.3, 2019년, pp.20 - 26

초록
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석탄 화력발전소 등의 대형 연소기기에서 질소산화물을 저감하기 위해 선택적 촉매환원 방법(SCR)의 탈질설비가 널리 쓰이고 있다. 본 연구에서는 SCR 탈질설비에서 암모니아를 공급하는 암모니아 분사 그리드(AIG)에 있는 암모니아와 희석 공기 혼합기에서 암모니아와 희석 공기의 균일한 혼합에 적합한 최적의 혼합기 형상을 도출하는 것을 목적으로 전산유체해석을 통해 수행하였다. 이를 위해 기본 형상의 혼합기(Case 1)에서 유동 특성과 $NH_3$ 농도 분포 특성을 살펴보았다. 기본 형상의 혼합기에서는 희석 공기 주 배관에서 암모니아 주입 배관 입구 반대쪽의 벽면으로 $NH_3$ 분포가 치우치는 것을 확인하였다. 이를 개선하기 위해 암모니아 주입 배관의 상단 구멍 1 개와 측면 구멍 4개를 막은 경우(Case 2)와 암모니아 주입 배관의 상단에 수평 평판을 설치한 경우(Case 3), 수평 평판과 함께 원호 평판을 설치 한 경우(Case 4)의 혼합기 형상에 대하여 유동과 $NH_3$ 농도 분포 특성을 분석하였다. 암모니아 주입 배관 상단에 수평 평판과 원호 평판을 설치한 경우(Case 4)에 혼합기 출구에서 $NH_3$ 분포의 % RMS 값이 가장 작은 값인 4.92%이고 농도 비율($R_{NH3}$) 범위가 -10.82~8.34%로 가장 최적의 $NH_3$ 균일 분포임을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Selective catalytic reduction(SCR) method is widely used among various methods for reducing nitrogen oxides in combustion devices of coal power plant. In the present study, the computational fluid dynamic analysis was accomplished to derive the optimal shape of ammonia-dilution air mixing device in a ammonia injection grid. The distribution characteristics of flow and $NH_3$ concentration had been elucidated for the reference shape of ammonia mixing device(Case 1). In the mixing device of Case 1, it could be seen that $NH_3$ distribution was shifted to the wall opposite to the inlet of the ammonia injection pipe. For the improvement of $NH_3$ distribution, the case(Case 2) with closing one upper injection hole and 4 side injection holes, the case(Case 3) with installing horizontal plate at the upper of ammonia injection pipe, the case(Case 4) with installing horizontal plate and horizontal arc plate at he upper of ammonia injection pipe were investigated by analyzing flow and $NH_3$ concentration distributions. From the present study, it was found that the % RMS of $NH_3$ for Case 4 was 4.92%, which was the smallest value among four cases, and the range of $R_{NH3}$ also has the optimally uniform distribution, -10.82~8.34%.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Geometry configurations of ammonia supply device (a) Case 1 : Base shape, (b) Case 2 : Case 1 with 1 top hole, 4 side hole close, (c) Case 3 : Case 2 with center horizontal plate, (d) Case 4 : Case 3 with 2 side horizontal arc plate.
그림 Fig. 2. Velocity contours for Case 1 at two sections, ammonia injection pipe center and its perpendicular section.
그림 Fig. 3. NH₃ distributions for Case 1 at two sections, ammonia injection pipe center and its perpendicular section.
그림 Fig. 4. NH₃ distributions for Case 2 at two sections, ammonia injection pipe center and its perpendicular section.
그림 Fig. 5. Velocity and NH3 distributions for Case 3 and Case 4 at left side view section.
그림 Fig. 6. R_NH3 distributions for four cases at outlet section.
표 Table 1. % RMS of Y_NH3 and min./max. of R_NH3 at outlet section for four cases

AI 본문요약
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문제 정의

암모니아 분사 노즐에 암모니아와 희석 공기가 잘 혼합되어야 암모니아 분사 그리드에서 균일한 암모니아 농도로 분사할 수 있다. 본 연구에서는 암모니아와 희석 공기의 혼합기에서 혼합기의 형상에 따른 암모니아와 희석 공기의 균일한 혼합 효과를 살펴보기 위해 혼합기 형상에 대하여 유동해석을 수행하여 유동 특성과 혼합 특성을 비교 분석함으로써 균일한 혼합을 위한 최적의 형상을 도출하는 것을 목적으로 하였다.
본 절에서는 Fig. 1(a)에 도식화 되어 있듯이 탈질설비의 암모니아와 희석 공기의 혼합기 형상 중에 기본 형상에 대한 유동 특성과 NH₃ 농도 분포 특성을 살펴보기로 한다.

제안 방법

발전용 탈질설비에서 환원제인 암모니아와 희석 공기의 혼합을 효과적으로 하기 위해서 몇 가지 형상에 대하여 유동과 암모니아 농도 분포 특성을 살펴보았으며 이에 관한 결과는 아래와 같이 정리할 수 있다.
본 연구의 수치해석에 사용한 지배방정식은 3차원 정상상태 연속방정식, 운동량방정식 그리고 k-є 난류방정식, 에너지방정식, 공기와 암모니아의 질량 분율 방정식으로 이루어졌으며 아래에 나타내었다.
본 연구의 전산유동 해석에 사용한 격자수는 약 500만개 이며 ANSYS WORKBENCH 모델링 프로그램을 이용하여 모델링 및 격자를 생성하였으며, 전산 열유체 상용 해석 프로그램인 FLUENT 프로그램을 이용하여 해석을 수행하였다.
농도 분포를 보면 정면에서 볼 때 가운데 영역에 치우쳐 있고 왼쪽 측면에서 볼 때 좌우 벽면으로 농도가 확산 되는 것이 아직 부족한 것이 판단되었다. 이에 따라 암모니아 주입 배관의 상부에 수평 평판을 설치한 경우(Case 3)와 이와 함께 원호 평판을 설치한 경우(Case 4)에 대한 유동 해석을 수행하였으며 이에 대한 결과는 Fig. 5에 나타내었다. Fig.
1(d)는 Case 3 형상에 대한 유동 해석한 결과를 분석한 후 양 측면에서 주입되는 암모니아의 혼합을 위해 Case 3에 추가로 수평 평판 후류 쪽 2d 위치에 최대 폭 d인 원호 평판을 주 배관 양쪽에 설치한 형상이다(Case 4). 이와 같이 본 연구에서는 Case 1을 기본 형상으로 하여 유동과 암모니아 분포 균일도를 분석하여 수직 주 배관의 출구에서 암모니아의 농도 혼합이 균일하게 되도록 혼합기를 개선하여 최적의 혼합기를 도출하였다.

이론/모형

난류모델은 k-є 난류모델을 사용하였으며 아래에 관련 식을 정리하였다.

성능/효과

1(b)에는(Case 2) Fig. 1(a) 형상에 대하여 유동 해석을 진행하여 분석해 본 결과 암모니아 주입 배관에 있는 분사 구멍의 암모니아 주입 입구와 반대쪽의 구멍을 통해 분사되는 암모니아 유량이 상대적으로 많아서 상부의 구멍 한 개와 양측면의 구멍 두 개씩 총 5개의 구멍을 막은 형상이다. Case 2 형상을 선정하기 위하여 상부 구멍과 양 측면 구멍을 막아서 유동 해석을 여러 가지로 진행하였는데 최종적으로 Case 2와 같은 형상으로 선정하였다.
기본 형상에서 속도 분포와 농도 분포를 살펴 본 결과 암모니아 주입 배관에서 분출된 암모니아는 암모니아 주입 배관 입구의 반대 쪽 영역과 주입 배관의 대칭 면 영역에 암모니아의 농도가 치우치는 것을 관찰하였다. 이에 따라 우선 암모니아 주입 배관의 반대 쪽 영역에 치우치는 농도를 균일화하기 위해 Fig.
농도 분포가 비교적 가운데로 분포하였지만 희석 공기 주 배관의 전체 영역에 균일한 분포는 보여 주고 있지 않았다. 암모니아 주입 배관의 상단에 수평 평판을 설치한 형상의 혼합기(Case 3)에서는 Case 2 형상 보다 NH₃농도 분포가 주 배관의 가운데에서 상대적으로 넓게 확산되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 암모니아 주입 배관 위에 추가로 원호 평판을 설치한 형상 혼합기(Case 4)는 원호 평판을 지나고난 뒤의 재순환 유동에 따라 주 배관의 벽면까지 NH₃ 농도가 확산되는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 결과로부터 Case 4 형상의 암모니아 혼합기가 희석 공기와 암모니아 혼합 균일화에 가장 적합한 형상임을 알 수 있었다.
이러한 결과로부터 암모니아-희석 공기 혼합기는 기본 형상인 Case 1 형상에서 Case 4 형상으로 개선하면 암모니아 혼합이 매우 효과적임을 알 수 있다.
이하의 몇 개 그림에서도 이러한 단면에서 유동 특성을 살펴 볼 예정이다. 정면 방향에서 본 속도 분포를 보면 암모니아 주입 배관에서 상부의 구멍을 통해 암모니아가 분출되는 것을 관찰할 수 있고 왼쪽에 있는 구멍에서 분출되는 유동은 반대쪽인 오른쪽 방향으로 유동이 흐르는 것을 알 수 있다. 왼쪽 측면에서 본 속도 분포를 보면 암모니아 주입 배관의 상부와 양 쪽 측면에서 암모니아가 분출 되는 것을 관찰할 수 있고 또한 암모니아 주입 배관 대칭면 부근의 후류에서는 원관의 저항으로 상대적으로 낮은 속도 보포를 보여 주고 있다.
2와 같은 단면에서 NH₃의 농도 분포를 나타내었다. 정면에서 본 NH₃ 농도 분포를 보면 희석 공기가 흐르는 주 배관에서 암모니아 주입구에 반대 방향으로 농도 분포가 치우치는 것을 확인할 수 있다. 이는 Fig.
혼합기의 출구에서 NH₃농도의 균일도 측도인 % RMS 값은 Case 4가 다른 형상과 비교했을 때 가장 작은 값인 4.92%이며 NH₃농도 비율의 최소 /최대 값의 범위도 -10.83~8.34로 가장 균일한 분포이었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원호 평판을 설치한 형상 혼합기가 혼합 균일화에 가장 적합하다고 판단한 근거는 무엇인가?	혼합기의 출구에서 NH 3 농도의 균일도 측도인 % RMS 값은 Case 4가 다른 형상과 비교했을 때가장 작은 값인 4.92%이며 NH 3 농도 비율의 최소 /최대 값의 범위도 ?10.83~8.34로 가장 균일한 분포이었다.
	유동의 재순환 영역이 존재할 때 난류 특성과 물질 전달이 활발해지는 이유는 무엇인가?	Case 4의 경우는 원호 수평 평판의 설치에 따라 이영역을 지날 때 유속이 빨라지는 것을 알 수 있고 특히 암모니아 주입 배관의 상부와 원호 수평 평판의 후류에 재순환 영역이 발생하는 것을 알 수 있다. 유동의 재순환 영역이 존재하면 재순환 영역의 경계에서 유동의 전단 응력이 커지기 때문에 난류 특성이 활발해 지고 물질 전달이 더욱 활발히 일어 나는 것으로 알려 져 있다. Fig.
	선택적 촉매환원 방법(SCR) 탈질설비의 목적은 무엇인가?	석탄 화력발전소 등의 대형 연소기기에서 질소산화물을 저감하기 위해 선택적 촉매환원 방법(SCR)의 탈질설비가 널리 쓰이고 있다. 본 연구에서는 SCR 탈질설비에서 암모니아를 공급하는 암모니아 분사 그리드(AIG)에 있는 암모니아와 희석 공기 혼합기에서 암모니아와 희석 공기의 균일한 혼합에 적합한 최적의 혼합기 형상을 도출하는 것을 목적으로 전산유체해석을 통해 수행하였다.

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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