[논문]SCR 반응기 유동 균일화를 위한 수치적 연구

정유진; 홍성길; 이강우; 손병현

SCR 반응기 유동 균일화를 위한 수치적 연구
Numerical Study for Flow Uniformity in Selective Catalytic Reduction (SCR) 원문보기

정유진 (씨이테크(주) 연구개발센터) , 홍성길 (씨이테크(주) 연구개발센터) , 이강우 ((주)유성 중앙연구소) , 손병현 (한서대학교 환경공학과)

$NO_x$ 제어 기술로는 크게 연소 전 탈질, 연소 개선 및 연소 후 탈질 기술로 구분할 수 있으며, 연소 후 탈질 기술에 속하는 SCR은 촉매를 사용하여 $NO_x$를 환원하는 대표적인 배연탈질기술이다. SCR의 $NO_x$ 저감 성능은 촉매 요인(촉매 구성물질, 형태, 공간속도 등)과 배가스의 온도, 유속 분포, 공정 운전 조건 등의 다양한 인자에 의해 좌우되는데 특히, 촉매층으로 유입되는 유동의 균일도는 가장 중요한 요소가 된다. 유동이 균일하지 않을 경우 촉매 전단에 편류가 발생하게 될 것이며 일정 촉매만 사용하게 되어 촉매 사용주기 감소 및 SCR 성능 저하를 초래할 수 있기 때문이다. 본 연구에서는 3차원 수치 해석 기법을 이용하여 설계 초기의 SCR 반응기 내 유동 특성을 모사하여 기류 균일도 여부를 확인하고, SCR 내 유동 균일도를 최적화시키기 위한 설계를 목적으로 설치하는 가이드 베인과 배플, 다공판이 반응기 내부 유동 및 촉매층의 기류 균일도에 미치는 영향에 대하여 연구를 수행하였다. 그 결과, 유동 개선을 위해 인입 덕트 곡관부에 가이드 베인을 설치하여 처리가스를 적절하게 배분시키고, 반응기 상단에 3단 배플을 설치한 결과 반응기 내부 유동의 편류 개선에 매우 효과적임을 알 수 있었다. 또한 다공판을 예비 촉매층 하단부 위치에 추가로 설치함에 따라 유동을 한번 더 완충시킬 수 있어 기류 균일도가 매우 양호해짐을 알 수 있었다.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

SCR의 설계 초기 모델의 유동 균일도를 최적화시키기 위한 설계를 목적으로 [표 1]와 같이 가이드 베인과 배플, 다공판 설치에 따른 유동 특성을 해석하여 기류 균일도에 미치는 영향에 대하여 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 3차원 수치 해석 기법을 이용하여 설계 초기 SCR 반응기 내 유동 특성을 모사하여 기류 균일도 여부를 확인하고, SCR 내 유동 균일도를 최적화시키기 위한 목적으로 가이드 베인과 배플, 다공판 설치에 따른 유동 특성을 해석하여 기류 균일도에 미치는 영향에 대해 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 3차원 수치 해석 기법을 이용하여 설계 초기의 SCR 반응기 내 유동 특성을 모사하여 기류 균일도 여부를 확인하고, SCR 내 유동 균일도를 최적화시키기 위한 설계를 목적으로 설치하는 가이드 베인과 배플, 다공판이 반응기 내부 유동 및 촉매층의 기류 균일도에 미치는 영향에 대하여 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

압력장을 구하기 위해 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시키는 방법으로 SIMPLE(Semi-Impicit Method Pressure-Linked Equations) 알고리즘을 사용하였고, 벽면과 고체 표면에서의 전단 응력은 벽함수(Wall function)를 이용하여 계산하였다. 촉매층은 실제 형상과 공극을 모델링하여 구현하는 것이 불가능하므로 Porous jump model을 이용하여 다공성 물질로 가정하고 국부 유속에 대한 단위 면적당 압력강하로 계산하였다.[5]

이론/모형

난류 모델에는 난류점성계수를 취급하는 방법에 따라 여러 가지 모델이 있는데, 본 연구에서는 Launder와 Spalding에 의해 제시된 Standard k-ε turbulence model을 사용하였다.
본 연구에 사용된 상용 소프트웨어인 FLUENT에서는 이산화 방법으로 유한 체적법(Finite-volume method)을 사용하고 있다. 모든 수치 해석은 상류차분 도식(Upwind differencing scheme)과 엇갈림격자계(Staggered grids)를 이용하여 수행하였다. 압력장을 구하기 위해 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시키는 방법으로 SIMPLE(Semi-Impicit Method Pressure-Linked Equations) 알고리즘을 사용하였고, 벽면과 고체 표면에서의 전단 응력은 벽함수(Wall function)를 이용하여 계산하였다.
본 연구에 사용된 상용 소프트웨어인 FLUENT에서는 이산화 방법으로 유한 체적법(Finite-volume method)을 사용하고 있다. 모든 수치 해석은 상류차분 도식(Upwind differencing scheme)과 엇갈림격자계(Staggered grids)를 이용하여 수행하였다.
모든 수치 해석은 상류차분 도식(Upwind differencing scheme)과 엇갈림격자계(Staggered grids)를 이용하여 수행하였다. 압력장을 구하기 위해 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시키는 방법으로 SIMPLE(Semi-Impicit Method Pressure-Linked Equations) 알고리즘을 사용하였고, 벽면과 고체 표면에서의 전단 응력은 벽함수(Wall function)를 이용하여 계산하였다. 촉매층은 실제 형상과 공극을 모델링하여 구현하는 것이 불가능하므로 Porous jump model을 이용하여 다공성 물질로 가정하고 국부 유속에 대한 단위 면적당 압력강하로 계산하였다.

성능/효과

1. 본 SCR 반응기의 설계 초기 모델에 대하여 유동 특성을 해석한 결과, 편류가 심하게 발생하여 1단 촉매층에서의 기류 균일도가 매우 불량한 상태이며, 이는 곧 촉매 성능을 저하시켜 De-NOx 효율이 저하될 수 있으므로 유동의 균일도를 개선할 수 있는 설계 변경이 반드시 필요한 것으로 예측되었다.
2. 유동 개선을 위해 인입 덕트 곡관부에 가이드베인을 설치하여 처리가스를 적절하게 배분시키고, 반응기 상단에 3단 배플을 설치한 결과 반응기 내부 유동의 편류 개선에 매우 효과적임을 알 수 있었다. 또한 다공판을 예비 촉매층 하단부 위치에 추가로 설치함에 따라 유동을 한번 더 완충시킬 수 있어 기류 균일도가 매우 양호해짐을 알 수 있었다.
Case 1의 경우에는 설계 초기 모델에 비해 편류가 많이 개선되기 하나 여전히 기류가 한쪽으로 편향됨에 따라 미소하게 사영역이 형성되는 반면, Case2의 배플을 3단으로 설치하였을 때 사영역 해소에 따른 부상 기류 형성을 억제하는데 효과적인 것으로 예측되었다. 또한 Case 3과 같이 반응기 내부에 다공판을 설치한 경우(배플 3단 설치 포함) 유동이 완충됨에 따라 유동 균일도 개선에 더 효과적인 것으로 예측되었다.
인입 덕트 곡관부에 가이드 베인을 설치하여 처리가스를 적절하게 배분시키고, 반응기 상단에 3단 배플을 설치한 결과 반응기 내부 유동의 편류 개선에 매우 효과적임을 알 수 있었다. 또한 다공판을 예비촉매층 하단부 위치에 추가로 설치함에 따라 유동을 한번 더 완충시킬 수 있어 기류 균일도가 매우 양호해짐을 알 수 있었다.
유동 개선을 위해 인입 덕트 곡관부에 가이드베인을 설치하여 처리가스를 적절하게 배분시키고, 반응기 상단에 3단 배플을 설치한 결과 반응기 내부 유동의 편류 개선에 매우 효과적임을 알 수 있었다. 또한 다공판을 예비 촉매층 하단부 위치에 추가로 설치함에 따라 유동을 한번 더 완충시킬 수 있어 기류 균일도가 매우 양호해짐을 알 수 있었다.
설계 초기 모델의 기류 균일도 개선을 위해 기류안내용 가이드 베인과 배플, 다공판을 설치한 결과[그림 6]~[그림 8]과 같이 유동 균일도 개선에 많은 영향을 미치는 것으로 예측되었다.
설계 초기 모델의 반응기 내 속도 분포를 예측한 결과, [그림 2]~[그림 4]와 같이 인입 덕트의 곡관에 의해 반응기 내부 한쪽으로 심한 편류가 형성되면서 편류 반대편으로 사영역(Dead-zone)이 발생하여 부상 기류가 형성되고 있음을 알 수 있었다.
인입 덕트 곡관부에 가이드 베인을 설치하여 처리가스를 적절하게 배분시키고, 반응기 상단에 3단 배플을 설치한 결과 반응기 내부 유동의 편류 개선에 매우 효과적임을 알 수 있었다. 또한 다공판을 예비촉매층 하단부 위치에 추가로 설치함에 따라 유동을 한번 더 완충시킬 수 있어 기류 균일도가 매우 양호해짐을 알 수 있었다.

후속연구

본 SCR 반응기의 설계 초기 모델은 편류가 심하게 발생하여 1단 촉매층에서의 기류 균일도가 매우 불량한 상태이며, 이는 곧 촉매 성능을 저하시켜 De-NOx 효율이 저하될 수 있으므로 유동의 균일도를 개선할 수 있는 설계 변경이 반드시 필요할 것으로 판단된다.

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

SCR 반응기 유동 균일화를 위한 수치적 연구
Numerical Study for Flow Uniformity in Selective Catalytic Reduction (SCR) 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

SCR 반응기 유동 균일화를 위한 수치적 연구 Numerical Study for Flow Uniformity in Selective Catalytic Reduction (SCR) 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

SCR 반응기 유동 균일화를 위한 수치적 연구
Numerical Study for Flow Uniformity in Selective Catalytic Reduction (SCR) 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper