We designed and developed the burner which would be adapted on the burner type diesel particulate trap system. The burner type particulate trap system consists of burner system to regenerate to ceramic filter, ceramic filter canister, system controller and etc. Many design factors which affect the performance of the burner system were discussed. We also investigated burner characteristics according to the operating parameters. Burned gas temperature could be controlled better by the 2nd air flow rate than the 1st one. As the space velocity increases, the axial and radial temperature gradients in the filter decreases.
입자상물질을 저감시키는 방법은 크게 두 가지로 나누어진다. 하나는 기관내에서 연소조건을 개 선하여 연소방응시 입자상물질이 가능한한 적게 생성되도록 하는 기관개량(Engine Modification) 방법 즉, 실린더 내에서의 저감기술(In Cylinder Control Techniques)이며, 다른 하나는 기관내에 서 생성된 입자상물질이 대기중에 배출되기 전에 배기관으로부터 직접 제거하는 기술이다. 보통 실린더 내에서의 저감기술이 가장 바람직한 방법으로 지금까지는 이 분야의 기술이 많이 개발 되어 왔으나 디이젤자동차에서 배출되는 입자상물질의 허용기준이 강화됨에 따라 기관 내에서의 저감기술만으로는 목표달성이 어렵기 때문에 그 후처리기술이 필요하게 되었다. 여기서는 최근 까지 연구된 저감장치에 관하여 간단히 소개하고 선진국에서 실제 자동차에 부착사용되고 있거나 가장 효율적이며 사용가능성이 높아 연구되고 있는 입자상물질 필터 및 트랩과 그 재생장치에 대하여 상세히 기술하고자 한다.
나노/서브마이크론 크기의 입자는 최근 유해 입자상 물질 제거 및 오염 제어나 물질 제조 등의 분야에서 관심이 높아지고 있다. 보통 환경 입자상 물질로 불리는 0.1~l $\mu\textrm{m}$ 범위의 서브마이크론 입자는 자동차, 공장, 발전소, 소각로 등의 연소 과정에서 발생되어 상당량이 대기로 배출되는데, 인체에 유입되면 호흡기 장애나 암을 유발하는 등의 나쁜 영향을 미친다. 특히, 관성력과 확산력에 의한 영향이 적고 하전 입자의 전기적인 이동도도 낮기 때문에 집진장치나 공기청정장치에서 집진효율이 가장 낮은 크기 범위이다. (중략)
The key point that guarantees the durability of the ceramic monolith filter is to lower peak temperature and temperature gradient inside filter during regeneration. The control of the exhaust gas flow rate into the filter, by the bypass technique of the exhaust gas, enables the gas temperature in filter to be constant for regeneration. A couple of methods, which are the ON/OFF and PID control of the bypass valve, were used for feedback control of the gas temperature. These techniques showed that the ceramic filter was regenerated perfectly under the peak temperature and peak temperature gradient limitations for durability.
고속도로 교량이나 성토지역 노면이 제공하는 자연적인 위치에너지(동력)를 활용하여 수리학적인 입자상 오염물질 분리장치를 실험실 조건에서 운전한 결과 운전압력 0.5기압(수두 5.6m) 이상에서 90% 이상의 제거효율을 보였다. $D_{50}$는 약$45{\mu}m$이었는데 입자의 크기가 $45{\mu}m$ 보다 굵은 입자는 거의 대부분 제거되지만 $45{\mu}m$보다 작은 입자의 제거는 쉽지 않음을 시사해주고 있다. 이러한 입자를 제거하기 위한 후속장치가 필요하며 장치의 원활한 운전을 위해서 유지관리문제에 대한 치밀한 검토가 필요하다.
가스화(gasification)는 바이오매스로부터 에너지를 얻을 수 있는 방법 중 하나로 열화학적 변환을 통해 수소, 일산화탄소, 메탄 등으로 조성된 가연성 가스인 'producer gas'를 생산할 수 있다. 하지만 producer gas와 함께 타르(tar)를 비롯한 ash 등의 입자상 물질이 함께 생성돼, 발전 터빈이나 연소 엔진 등에 유입되어 고장을 일으키거나 배관 등에 축적되어 막힘 현상 등을 야기하므로 제거가 필요하다. 본 연구에서는 producer gas 중 타르 및 입자 제거를 위해 오일 스크러버(oil scrubber)와 집진장치를 도입하였다. 흡수용매로써 타르를 효과적으로 제거가 가능한 대두유를 사용하였고, 스크러버의 용매 온도에 따라 제거효율이 어떻게 변화하는지 실험을 통해 관찰하였다. 집진장치에는 타르로 인한 필터 눈 막힘 현상 등의 문제를 방지하기 위해 pre-coating 기술을 도입하였다. Pre-coating에 사용할 물질로써 분말 소석회와 목탄계 활성탄(wood char)을 사용하였으며, 타르(tar)를 비롯한 입자 평균 제거 효율은 소석회를 pre-coating 물질로 사용 시 86%, 활성탄의 경우 80%로 나타났다. 스크러버와 집진장치를 동시에 사용한 경우에는 평균 제거효율이 소석회는 88%, 활성탄의 경우 83%로 나타났다.
디젤 엔진은 가솔린기관에 비해 강력한 파워와 연료의 경제성 및 $CO_2$ 배출양이 적어 상용차뿐만 아니라 일반승용차에서도 시장의 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 디젤 엔진의 연소특성상 국부적인 고온반응 영역에서 질소산화물과 확산연소 영역에서 입자상물질이 많이 배출되므로 엄격해진 배기규제를 충족시키기 위해서 자동차와 선박등 촉매후처리장치 장착의 비중이 점차 증가하고 있다. 그 중 입자상물질 저감장치로써 입자상물질필터가 장착되어 왔으나 PM중 약 50%가 연료와 엔진오일에서 석출된 재 성분이 침적되면 필터를 손상시키므로 고온의 연소방식이 아닌 세정제를 이용한 제거기술이 절실히 필요하다. 이 연구의 목적은 디젤 엔진용 촉매코팅된 디젤입자상물질필터에 침적된 재를 세정을 함에 있어서 촉매의 물질의 물리화학적인 특성을 연구하는 것이다. 30분 동안 세정제에 담근 S4 샘플은 침투력이 강한 성분으로 인하여 입자들끼리 응집되고 수축되었다. 재에 침투력이 강한 침투제와 물과 기름을 혼합시켜주는 계면활성제 성분이 적절하게 제조된 S1 샘플의 세정특성이 가장 좋았다. 침투제인 수산화칼륨과 규산나트륨 성분이 첨가된 S4 샘플의 와쉬코트 손실률은 약 13%로 증가하였다. 촉매코팅된 디젤입자상물질필터의 와쉬코트 손실률이 약 13% 이하조건에서 유해가스 성분을 저감시킬 수 있었다.
In order to eliminate TPM(Total Particulate Matter) from a diesel engine, we designed and developed a particulate trap system using a burner, which was named as AEFR(Active Exhaust Feeding Regeneration) system. We have considered the temperature distributions and gradients in the filter being regenerated according to regeneration control schemes Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ. Schemes Ⅲ has shown the most desirable peak temperature and temperature gradients in AFER system. Finally, it was concluded that much lower peak temperature and temperature gradients in the filter could be obtained than that of other advanced research results by our AEFR system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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