Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B (대한기계학회논문집B)

The Korean Society of Mechanical Engineers (대한기계학회)
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Numerical Study on Urea Spraying and Mixing Characteristics with Application of Static Mixer in Marine SCR System

박용 탈질 시스템의 혼합기 적용에 따른 요소수용액 분무 및 혼합특성 수치적 연구

  • 장재환 (STX엔진주식회사 엔진기술연구소) ;
  • 박현철 (STX엔진주식회사 엔진기술연구소)
  • Received : 2016.01.04
  • Accepted : 2016.05.02
  • Published : 2016.07.01
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Abstract

Among various De-NOx technologies, Urea-based Selective Catalytic Reduction (SCR) systems are known to be the most effective in marine diesel applications. The spraying and mixing behavior of the urea-water solution has a decisive effect on the system's net efficiency. Therefore, in this study, the spray behavior and ammonia uniformity with and without a static mixer were analyzed by CFD in order to optimize the SCR system. The results showed that the static mixer significantly affected the uniformity of velocity and ammonia concentration. Static mixers may be especially suited for marine SCR systems with space constraints.

중대형 출력의 해상용 디젤엔진에서 여러 탈질 기술 중 요소(Urea)를 환원제로 사용하는 Urea-SCR 시스템이 가장 검증된 기술로 알려져 있다. 요소수의 경우 Urea-SCR 시스템의 노즐 특성 및 혼합기 유 무에 의한 분무거동 및 혼합특성이 시스템 효율에 지대한 영향을 미친다. 따라서 본 연구는 SCR 시스템의 최적 설계를 위해 혼합기 적용에 따른 반응영역에서의 분무거동 특성 및 암모니아 균일도를 전산해석기법으로 분석하였다. 그 결과 혼합구간의 $NH_3$농도로 비춰 볼 때 SCR 시스템의 성능 향상을 보장하기 위해서는 환원제의 균일도를 고려한 특정 형상의 혼합기의 적용이 필요하다는 것을 알 수 있었다. 특히 선박용 SCR 시스템은 설치 공간 제약에 따라 혼합구간 단축을 위해 혼합기 적용은 필수적임을 알 수 있었다.

Keywords

References

  1. Nishioka, A., Sukegawa, Y., Mukai, T., Katogi, K., Yokota, H., Mamada, H. and Kowatari, T., "A Study of a New After-treatment System(2) : Control of Urea Solution Spray for Urea-SCR," SAE 2006-01-0644, 2006.
  2. Keobel, M., Elsener, M. and Marti, T., 1996,"NOx-Reduction in Diesel Exhaust Gas with Urea and Selective Catalytic Reduction," Comb. Sci. and Techn, 121: 85-102. https://doi.org/10.1080/00102209608935588
  3. AVL FIRE 2014 USER GUIDE, "FIRE CFD Solver."
  4. Koebel, M., Elsener, M. and Kleemann, M., 2000, "Urea-SCR: A Promising Technique to Reduce NOx Emissions from Automotive Diesel Engines," Catalysis Today, Vol. 59, pp. 335-345. https://doi.org/10.1016/S0920-5861(00)00299-6
  5. AVL Fire 2014 User Guide, "Fire CFD_Solver_ v.2014 Lagrangia Multiphase."
  6. Birkhold, F., Meingast, U., Wassermann, P., and Deutschmann, O., 2007, "Modeling and Simulation of the Injection of Urea-Water-Solution for Automotive SCR DeNOx-Systems," Appl. Catal. B: Environ., 70, pp. 119-127. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2005.12.035
  7. Kee, R. J., Rupley, F. M., Meeks, E. and Miller, J. A., 1996, "Chemkin III: A Fortran Chemical Kinetics Package for the Analysis of Gas-Phase Chemical and Plasma Kinetics," Sandia National Laboratories, Livermore, CA 94551-0969.
  8. Weltens, H., Bressler, H., Terres, F., Neumaier, H. and Rammoser, D., "Optimisation of Catalytic Converter Gas Flow Istribution by CFD Prediction," SAE 930780.
  9. Bernhard, A. M., "Catalytic Urea Decomposition, Side-reactions and Urea Evaporation in the Selective Catalytic Reduction of NOx," Ph.D. Dissertation, ETH, Zurich, Switzerland, 2012; Thesis 20813.