[논문]석탄화력 발전소 탈질설비의 암모니아 분사시스템 설계를 위한 CFD 기법 적용에 관한 연구

김민규; 김병석; 정희택

doi:10.7464/ksct.2021.27.1.61

석탄화력 발전소 탈질설비의 암모니아 분사시스템 설계를 위한 CFD 기법 적용에 관한 연구
Application of CFD to Design Procedure of Ammonia Injection System in DeNOx Facilities in a Coal-Fired Power Plant 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.27 no.1, 2021년, pp.61 - 68

김민규 (경상대학교 기계공학부) , 김병석 (경상대학교 기계공학부) , 정희택 (경상대학교 기계공학부)

초록
AI-Helper

선택적 촉매 혼합법은 대용량의 화력 발전시스템에서 질소산화물을 제거하는 방법으로 많이 사용되고 있다. 분사된 암모니아와 유입된 배기가스의 균일한 혼합은 촉매 층에서의 탈질 환원 과정에서 매우 중요하다. 본 연구에서는 탈질설비의 암모니아 분사시스템 설계과정에 전산해석 기법을 적용하였다. 적용 모델은 현재 가동되고 있는 800 MW급 석탄 화력 발전소의 탈질설비이다. 유동 해석 범위는 암모니아 분사 시스템 입구에서 촉매 층 후단부이다. 2차원 유동장을 선택하였고 비압축성으로 가정하였다. 상용 소프트웨어인 ANSYS-Fluent를 사용하여 정상 상태의 난류 유동을 해석하였다. 설계 변수로는 암모니아 분사 시스템에서의 노즐 배치 간극과 분사 유량으로 4가지 경우에 대해 결과를 분석하였다. 촉매 층 입구에서의 몰 비에 의한 평균제곱근오차 값을 최적화 변수로 선정하였고 실험계획법을 기반으로 한 최적화 알고리즘을 도입하였다. 노즐 피치와 유량을 동시에 조절한 경우가 유동 균일성 관점에서 가장 우수하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Selective catalytic reduction (SCR) is widely used as a method of removing nitrogen oxide in large-capacity thermal power generation systems. Uniform mixing of the injected ammonia and the inlet flue gas is very important to the performance of the denitrification reduction process in the catalyst bed. In the present study, a computational analysis technique was applied to the ammonia injection system design process of a denitrification facility. The applied model is the denitrification facility of an 800 MW class coal-fired power plant currently in operation. The flow field to be solved ranges from the inlet of the ammonia injection system to the end of the catalyst bed. The flow was analyzed in the two-dimensional domain assuming incompressible. The steady-state turbulent flow was solved with the commercial software named ANSYS-Fluent. The nozzle arrangement gap and injection flow rate in the ammonia injection system were chosen as the design parameters. A total of four (4) cases were simulated and compared. The root mean square of the NH3/NO molar ratio at the inlet of the catalyst layer was chosen as the optimization parameter and the design of the experiment was used as the base of the optimization algorithm. The case where the nozzle pitch and flow rate were adjusted at the same time was the best in terms of flow uniformity.

주제어

표/그림 (22)

그림 Figure 1. Concept of SCR-deNOx process in a coal-fired power plant.
그림 Figure 2. Definition of flow fields.
그림 Figure 3. Computational meshes for the entire flow field.
표 Table 1. Flow conditions
그림 Figure 4. Blow-up of computational grids around the AIG nozzles initially arranged.
그림 Figure 5. Distribution of NH₃/NO around the flow passage for case 1-a.
그림 Figure 6. Variation of NH₃/NO ratio for case 1-a.
그림 Figure 7. AIG nozzle flow-rate for case 1-b.
그림 Figure 8. Distribution of NH₃/NO around the flow passage for case 1-b.
그림 Figure 9. Variation of NH₃/NO ratio for case 1-b.
그림 Figure 10. Comparison of molar ratio at the inlet of catalyst layers between case 1-a and 1-b.
그림 Figure 11. Rearrangement of pitch spacing between AIG nozzles for case 2-a.
그림 Figure 12. Blow-up of computational grids around the re-arranged AIG nozzles.
그림 Figure 13. Distribution of NH₃/NO around the flow passage for case 2-a.
그림 Figure 14. Variation of NH₃/NO ratio for case 2-a.
그림 Figure 15. Comparison of molar ratio at the inlet of catalyst layers between case 1-a and 2-a.
그림 Figure 16. AIG nozzle flow-rate for case 2-b.
그림 Figure 17. Distribution of NH₃/NO around the flow passage for case 2-b.
그림 Figure 18. Variation of NH₃/NO ratio for case 2-b.
그림 Figure 19. Comparison of molar ratio at the inlet of catalyst layers between case 2-a and 2-b.
그림 Figure 20. Comparison of NH₃/NO ratio at the inlet of catalyst layers for all cases.
표 Table 2. RMS of NH₃/NO molar ratio for comparison [Unit : %]

참고문헌 (17)

Seo, D. C., Kim, M. K., and Chung, H. T., "The Numerical Study on the Flow Control of Ammonia Injection According to the Inlet NOx Distribution in the DeNOx Facilities," Clean Technol., 25(4), 324-330 (2019).
Zhao, D., Sheng, H., and Zheng., "CFD Study on Selective Catalytic Reduction of 660 MW Unit," Int'l Conf. on Machinery. Matericals and Computing Technology, Hangzhou (Mar. 2016).
Lee, C. S., Kim, M. G., and Chung, H. T., "Numerical Study on the Aerodynamic Characteristics inside Curved-Diffusing Parts of DeNox Facilities in Coal-Fired Power Plant," J. Compt. Fluids Eng., 25(1), 13-19 (2020).
Hwang, W. H., and Lee, K. G., "Mixer Design for Improving the Injection Uniformity of the Reduction Agent in SCR System," Journal of The Korea Society of Computer and Information., 22(1), 63-69 (2017).

원문보기 상세보기
Zhu, T., Li, D., Fang, Q., and Chen, G., "Flow Field Optimization for SCR System of Coal-Fired Power Plant," J. Chin. Soc. Power Eng., 35(6), 481-488 (2015).
Ha, J. S., and Kim, T. K., "A Study on the Flow and Concentration Uniformity before the Catalyst Layer of a SCR De-NOx System," J. Nakdonggang Environ. Res. Inst., 15(1), 262-270 (2011).
Lee, I. Y., Kim, D. W., Lee, J. B., and Yoo, K. O., "Reduced Scale Model Experiments and Numerical Simulation for Flow Uniformity in De-NOx SCR Reactor," J. Korea Soc. Atmos. Environ., 17(4), 347-354 (2001).
Yu, H., Zhou, N., Wang, Z., Li, C., He, F., Qu, L., Wang D., Qi, X., and Du, J., "Application and Effect Evaluation of AIG Optimization Adjustment Strategy for SCR Denitrification System After Ultra-low Emission Transformation of Coal-fired Units," IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 310(3). 032052. Guiyang (Aug. 2019).
Jang, Y. W., and Yoo, H. S., "Change of Ammonia Consumption with Gas Turbine Output in DeNOx System for a 580MW Combined Cycle Power Plant," Journal of the Korean Institute of Plant Engineering & Construction, 18(1), 91-98 (2019).
Kim, K. S., and Lee, K. G., "Numerical Study on Optimization of the SCR Process Design in Horizontal HRSG for NOx Reduction," J. Environ. Sci. Int., 22(11), 1481-1498 (2013).

원문보기 상세보기
Park, S. M., Chang, H. S., and Zhao, T., "Numerical Study on the Arrangement of AIG for Determining the NH 3 Concentration Distribution in the Package Type of Small Scale SCR System," J. Korean Soc. Environ.Eng., 33(5), 368-377 (2011).

원문보기 상세보기
Buzanowski, M., and Fadda, D., "Optimized Ammonia Injection for Power Plant SCR Systems," Proc. ASME Power Conf., Texas (Jan. 2007).
Chung, H. T., Seo, D. C., Kim, B. S., and Kim, M. G., "CFD Simulation of Ammonia Injection Nozzles for DeNOx Process," Proc. 30th ISTP, Halongbay (Nov. 2019).
Kim, M. G., and Chung, H. T., "Computational Analysis of Performance Improvement by Control of Ammonia Injection in DeNOx System of Coal-Fired Power Plant," J. Comput. Fluids Eng., 25(2), 91-97 (2020).
Lei, S., "Research on Optimization of Flow Field Uniformity in SCR Denitrification Flue of Coal Fired Power Plant," Master Thesis, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing (2018).
ANSYS, ANSYS FLUENT 2019 R1 User's Guide, ANSYS inc. (2019).
ANSYS, ANSYS Workbench-Mechanical Optimization Guide, ANSYS inc. (2019).

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증