요소수 및 가성소다를 이용한 SNCR 시스템 내부의 물질 반응에 관한 전산해석적 연구 :

구성모

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자료유형: 학위논문

저자정보: 구성모 (嶺南大學校, 嶺南大學校大學院)

지도교수: 張赫相

발행연도: 2017

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이용수12

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2019

SNCR 시스템 내부의 물질 반응에 관한 전산해석적 연구

구성모 , 유경선 , 장혁상 청정기술 2019.03 학술저널

2017

요소수 및 가성소다를 이용한 SNCR 시스템 내부의 물질 반응에 관한 전산해석적 연구

구성모 環境工學科 2017.01 학위논문

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지구온난화, 산성비 등의 대기오염물질에 의한 피해로 인해 환경규제가 강화되었고, 발전소, 소각로, 보일러 등과 같은 고정발생원으로부터 질소산화물(NOX)을 저감시키는 데 있어 경제적인 연소 후 기술로 알려져 온 선택적 무촉매 환원장치(selective non-catalytic reduction, SNCR) 공정에 대해 관련 산업체의 관심은 높아지고 있다. 이 공정은 배출가스에 촉매를 사용 없이 요소 환원제 분사를 통해 질소산화물을 제거하는데, 이 환원제는 사용의 용이성과 안정성으로 인해 폭넓게 이용되고 있다. 그러나 공정 내부의 환원제에 의한 반응을 실험을 통해 분석하는 것은 경제적으로나 시간적인 한계를 갖기 때문에, 전산 유체역학을 사용해서 분석하는 것을 선호하고 있다.
본 연구를 진행하기에 앞서 선행연구의 결과 비교를 예를 들어 전산유체역학의 반응해석 신뢰성을 확보하고, 동일한 해석 방법을 바탕으로 하여 형상, 배 가스 처리 유량 및 온도를 고정하고 벽면의 열손실로 반응온도를 조절한다. 고정된 경계 조건에서 노즐에서 분사되는 환원제의 첨가제 유량, 환원제 주입량, 분사 액적 직경의 변화에 의한 반응온도에 따른 질소산화물의 농도 분포와 아산화질소 및 암모니아 배출량을 확인하여 선택적 무촉매 환원장치에 대한 전산유체역학을 효용성을 확인하였다.
해석 결과, 첨가제를 포함할 때 높아지는 질소산화물저감 효율과 저감되는 암모니아 배출량을 확인할 수 있었으며, 고온 영역에서 아산화질소 배출량이 적어지는 것을 통해 첨가제의 실용성을 파악했다. 또한 환원제 주입량을 조절하여 선행연구에서 이루어진 전산해석보다 실험과 비교할 때 더 유사한 결과를 얻었으며 선행연구에서 고려되지 않은 아산화질소의 배출량을 나타내었다. 분사 액적의 직경을 조절하였을 때에는 액적이 커질수록 높은 효율을 얻는 것을 확인할 수 있었지만 배출가스와 환원제의 주입방향 및 다른 변수가 고려되지 않았음으로 액적의 직경이 커질 경우 반응 체류시간이 높아질 수 있음을 확인하였다. 전산유체역학을 이용하여 선택적 무촉매 환원장치에서 이루어지는 반응을 모델링할 때 실험과 비교하여 매우 우수한 결과를 얻음으로서 본 연구에서 진행된 모델을 통해 실제 공정 설계 시에 각 설계인자에 따른 문제점을 지적, 개선하고 환원제 종류에 따른 효울 개선의 결과를 예측할 수 있기 때문에 최적화된 공정 설계에 기여할 것으로 예상된다.

Environmental regulations have been strengthened due to air pollutant damage such as global warming and acid rain and the industrial interest for SNCR, which has been known as an economical post combustion technology for reducing NOX from stationary sources such as power plants, incinerators, and boilers is increasing. The SNCR removes NOX through urea reducing agent injection without using a catalyst in the exhaust gas, which is widely used because it is easy to use and stable. However, since it has economical and time-limited to analyze the reaction by the reducing in the SNCR through experiment, it is preferred to analyze it by using CFD.
Before proceeding this study, we confirm the reliability of reaction analysis of CFD with comparison of the previous studies result with example. And based on the same analysis method, the phase, the flow rate of the exhaust gas and the temperature are fixed and the reaction temperature is controlled by the heat loss of the wall. The efficacy of CFD was confirmed by The concentration of NOX, emission of nitrous oxide and ammonia according to the reaction temperature were controlled by adjusting the additive agent’s flow rate, agent injection amount and injection droplet diameter injected from the nozzles at fixed boundary conditions.
As a result of the analysis, it was confirmed that the efficiency of NOX reduction increased and the amount of ammonia emission decreased when the additive reducing agent is injected and through the reduction of nitrous oxide emission at the high temperature, the practicality of the additive was comprehended. In addition, when the additive reducing agent was injected, the results of this study were more similar than previous CFD results, and nitrous oxide which was not considered in the previous study was emitted. When the droplet diameter was controlled, it was confirmed if the droplet diameter is bigger, it has higher efficiency. However, since the injection direction of the exhaust gas, the reducing agent and other variables were not considered, the reaction residence time could be increased if the droplet diameter is increased. By using CFD, we got very nice results compared to the experimental results when modeling the reactions in the SNCR. Through the models developed in this study, we can point out the problems according to each design factor and improve them. Because it can predict the result of efficiency improvement depending on reducing agent.

1 장. 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구목적 3
2 장. 문헌 고찰 5
2.1 질소 산화물 5
2.1.1 NOX의 생성 5
2.1.2 아산화 질소(N2O)의 생성 7
2.2 선택적 무촉매 환원장치 8
2.2.1 선택적 무촉매 환원장치의 개요 8
2.2.2 선택적 무촉매 환원장치의 영향인자 10
2.2.2.1 반응온도 10
2.2.2.2 체류시간 10
2.2.2.3 환원제 주입량 10
2.2.2.4 2차 오염물질의 생성 11
2.2.2.5 첨가제의 영향 11
3 장. 전산해석적 연구 12
3.1 전산유체역학의 적용 12
3.2 지배방정식 14
3.2.1 연속방정식 14
3.2.2 운동량방정식 15
3.2.3 에너지방정식 15
3.2.4 난류 운동에너지방정식 16
3.2.5 화학 종 보존방정식 16
3.3 다상해석기법 17
3.3.1 운동량방정식 17
3.3.2 에너지방정식 19
3.3.3 물질전달방정식 19
3.4 해석대상의 모델링 및 해석 모델 21
3.4.1 해석대상 21
3.4.2 해석대상의 격자형성 22
3.4.3 해석대상의 적용모델 25
3.4.3.1 난류모델 25
3.4.3.2 이산유동모델 27
3.4.3.2.1 입자운동이론 27
3.4.3.2.2 항력계수이론 27
3.4.3.3 반응모델 28
3.4.4 해석대상의 경계조건 32
3.4.4.1 가성소다 유량에 따른 질산화물 저감효율 33
3.4.4.2 요소 분사 당량비에 따른 질산화물 저감효율 35
3.4.4.3 분사 액적 직경에 따른 질산화물 저감효율 36
4 장. 결과 및 고찰 37
4.1 배출가스 유동 평가 37
4.2 가성소다 유량에 따른 질산화물 저감효율 평가 40
4.3 요소 분사 당량비에 따른 질산화물 저감효율 평가 46
4.4 분사 액적 직경에 따른 질산화물 저감효율 평가 50
5 장. 결 론 55
참고문헌 58
영문초록 62

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