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영철 간
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1 대한설비공학회 계학술발표대회논문집 pp. ~ 0--0 열병합보일러 SCR 장치의유동균일화를위한최적화연구 박영빈, 장춘만 한국건설기술연구원설비플랜트연구실 Optimization for Flow Uniformity on the Selective Catalytic Reduction (SCR) System of a Steam Supply Boiler Young-Bin Park, Choon-Man Jang ABSTRACT: Selective Catalytic Reduction(SCR) has been used for the reduction of NO X in a steam supply boiler. Recently, the reduction of NO X becomes an important research field because of its negative effect on an environment. Shape optimization of circular poles installed in the chamber, which is located in upstream of a SCR, has been performed using response surface method and three-dimensional Navier-Stokes analysis to enhance gas flow uniformity. Three design parameters, diameter, arranging angle and stretching ratio of circular poles, are considered in the present study. Throughout the shape optimization of a circular pole, gas flow uniformity is successfully increased by decreasing local recirculation flow in a square duct chamber. Recirculation flow observed in the corner of the square duct can be reduced by proper installation of a guide vane or a blunt body. Detailed flow characteristics are also analyzed and discussed. Key words: Selective Catalytic Reduction( 선택적촉매환원법, SCR), Computational Fluid Dynamics( 전산유체역학 ), Design of Experiment( 실험계획법 ), Response Surface Method( 반응표면법 ) 기호설명 : Number of factors C : Number of center points S/R : Stretch ratio R : Radius of pole : Quadratic Resistance Coefficient 그리스문자 Corresponding author Tel.: ; fax: address: jangcm@kict.re.kr : density : coefficient of viscosity 1. 서론 질소산화물 (NO X) 제어기술중연소후탈질 (flue gas treatment) 기술에속하는선택적촉매 환원법 (Selective Catalytic Reduction, SCR) 은촉 매를사용하여질소산화물 (NO X) 를환원하는대 표적인배연탈질기술로서대형연소기가있는 각종플랜트에서다양한방식으로적용되어지고있다. (1-2)

(a) perspective view (b) front view Fig. 1 Layout of SCR system of steam supply boiler Fig. 2 Computational domain SCR 장치의성능에영향을미치는인자들로촉 매의종류나형태, 촉매량, 유입가스의온도, 유 속분포등을포함하여많은요소들이있다.

(3-5) 본연구에서는열병합보일러용 SCR 의질소산 화물환원효율을향상시키기위하여, SCR 상류 단면에서의환원제인무수암모니아 (NH 3 ) 농도분 포를포함하여유입가스속도분포와유입각도를 각각목적함수로하여반응면기법을이용한수치 최적화를수행하였다.

2 (a) perspective view (b) front view Fig. 1 Layout of SCR system of steam supply boiler Fig. 2 Computational domain SCR 장치의성능에영향을미치는인자들로촉 매의종류나형태, 촉매량, 유입가스의온도, 유 속분포등을포함하여많은요소들이있다. 특히질소산화물을고체촉매와반응시키기위 하여, SCR 상류측에환원재인무수암모니아수 투입시의유입농도분포및균일한유입속도가 반응기에서의환원효율을결정하는중요한요소가된다. (3-5) 본연구에서는열병합보일러용 SCR 의질소산 화물환원효율을향상시키기위하여, SCR 상류 단면에서의환원제인무수암모니아 (NH 3 ) 농도분 포를포함하여유입가스속도분포와유입각도를 각각목적함수로하여반응면기법을이용한수치 최적화를수행하였다. 형상변수로는 SCR 상류부 의사각챔버내에유동제어용원형봉 (pole) 을설 치하고, 원형봉의크기및설치위치로하였으며, 삼차원수치시뮬레이션을이용하여목적함수의 최적화를실시하였다. 2. 열병합보일러 SCR 시스템 열병합보일러의 SCR 시스템의구성도를 Fig. 1 에나타낸다. 본시스템은환원재인암모니아투 입노즐, 가스혼합용믹서부, SCR 반응기및예 열기등으로이루어져있다. Fig. 3 Design factors 본연구에서는시스템의간략화를위하여, Fig. 2 와같이노즐부를포함하는입구부로부터 SCR 반응기하단부까지를해석영역으로하였다. 3. 설계변수및최적화기법 본연구에서는형상의최적설계를위하여반응 표면법 (Response Surface Method, RSM) 을이용 한실험계획법 (Design of Experimen) 중박스 - 벤켄법 (Box-Behnken design) 을이용하여 3- 인자 (factor) 반응표면모델을구성하였다. 박스 - 벤켄 법을이용할때시행되는실험의횟수는 k-1 완 전요인배치법 (complete factorial design) 으로다음과같이구한다. (6,7) 실험횟수 : (1)

Table 1 Box-Behnken design table Test No. Pattern Angle S/R R 1 0 0 1 75 2 +0 0 1.4 75 3 + 0 15.65 1 75 4 ++0 15.65 1.4 75 5 0 7.825 1 50 6 0 + 7.825 1 100 7 0+ 7.825 1.4 50 8 0++ 7.825 1.4 100 9 0 0 1.

3 Table 1 Box-Behnken design table Test No. Pattern Angle S/R R (a) angle definition (b) data sampling area Fig. 5 Angle definition and data sampling area 설계영역의범위 : (2) (3) (4) Fig. 4 Box-Behnken design 여기서 k는인자수를 C는중심점 (center point) 의수를의미한다. 본형상최적화연구에서는 SCR의탈질성능을좌우하는중요한변수라판단되는 SCR 입구면에서의배기가스유입각도, 유입가스의속도분포도, NH 3 의농도균일도에영향을미치는설계변수로, Fig. 3에서와같이원형봉의반경 (R) 과유입면에서의유입각도 (D), 확장비 (stretch ratio, S/R) 를선정하였다. Fig. 4에 k-1 완전요인배치법에의해인자수 3, 중심점이 1인경우에대한것을도식한다. 실험횟수는 이며, 각변수의설계영역은장치의형상에따른제약조건과선행계산을통하여구해진수치들을이용하여다음과같이결정하였다. Table 1은상기의설계영역에대하여박스-벤켄법을이용한실험계획을나타낸다. 형상의최적화를위한반응값으로는 Fig. 5(a) 의정의와같이입구면에대한유입가스의수직속도성분과합성속도성분사이의코사인각도 (area averaged cosine value of flue gas velocity component, COS/AV), 속도의표준편차 (standard deviation of flue gas velocity, V/SD) 로하였다. 통계분석을위해해당영역을 Fig. 5(b) 와같이 16등분하였으며각각의단면에서의수치평균값으로정리하였다. 4. 수치해석및계산조건 SCR 내부의유동장해석을위해 3차원비압축성정상유동에대한전산유체해석을수행하였으며, 이를위하여상용코드인 CFX-11을이용하였다. 3차원비압축성정상유동에대한지배방정식은식 (5) 에서식 (8) 과같다. 연속방정식 : (5) U-Momentum 방정식 :

V-Momentum 방정식 : W-Momentum 방정식 : (6) (7) (8) Table 2 Response Test No. COS/AV V/SD 1 0.584769 0.414387 2 0.610155 0.752959 3 0.603274 0.383331 4 0.623113 0.457333 5 0.582312 0.717157 6 0.575244 0.

4 V-Momentum 방정식 : W-Momentum 방정식 : (6) (7) (8) Table 2 Response Test No. COS/AV V/SD No pole 지배방정식인나비어-스톡스 (Navier-stokes) 방정식은유한체적법 (finite volume method) 으로이산화되며 (8), 대류항과확산항의이산화방법으로는각각수정된상류차분기법과중심차분기법이사용되었다. 난류모델로는 - 모델을사용하였다. 수치해석영역은 Fig. 2에서와같이 SCR 반응기를중심으로사각덕트가이어진형상으로되어있다. 입구의흐름하류 (downstream) 에노즐이일렬로 6개가배치되어암모니아를분사하며상단에는가이드베인과유동제어용원형봉이배치되어있고, 그하류에 SCR 촉매층이위치하고있다. 촉매층의압력강하를효율적으로계산하기위하여촉매층내부를다공판 (porous media) 으로가정하여수치해석을수행하였다. CFX를이용한수치계산에있어서다공판의모델링은다공판입구와출구의압력차 ( ), 두께 ( ) 및통과유속 ( ) 의함수인 2차저항계수 (quadratic resistance coefficient) 를적정하게계산하여적용하였다. (9) 2 차저항계수 : (9) Fig. 6 Computational grid Fig. 6은수치해석에사용된모델의전체격자형상도를나타낸다. 계산에사용된격자는총 100만노드이며, Tetra mesh와 Hexa mesh를적절히혼합하여만들었다. 또한계산벽면쪽에조밀하게격자를분포시켜벽면에서의계산정도를향상시켰다

44 (a) COS/AV-R-D Table 4 Prediction value versus

6 Response surface profiler (a)r-d (b)s/r-d Fig.

5 Table 3 Optimized point Test No. Angle S/R R Opt (a) COS/AV-R-D Table 4 Prediction value versus CFD result Test No. COS/AV V/SD Prediction CFD (b) COS/AV-S/R-D (c)v/sd-r-d Fig. 8 Vector plot for optimum 5. 결과및고찰 (d) V/SD-S/R-D Fig. 6 Response surface profiler (a)r-d (b)s/r-d Fig. 7 Contour profiler Table 2는수치해석을통해얻은반응값들을나타낸다. 여기서 COS/AV는망대특성 (Larger the better characteristics) 을, V/SD는망소특성 (Smaller the better characteristics) 으로품질특성을정하고최소자승법으로구해진모수를이용하여회귀모형을표현하였으며, Fig. 6에최적평가를통한반응면을나타낸다. 그림에서알수있듯이각각의변수에서의최적값영역이일부경계영역에걸쳐있지만, 대부분경계내부에위치함을알수있다. Fig. 7은 Fig. 6의반응표면상의등고선도에서정상점부근을 2차원으로표현하고, 제한조건을만족시키는영역에서의한점을최적점으로결정한것이다. 각변수에대한최적점은 Table. 3에나타낸다

6 Fig. 8은최적화된모델의계산결과중유동제어봉이설치된 SCR 상단부분의유동흐름을벡터선도로나타낸다. Table. 4는최적점의값들을이용하여예측함수값과 CFD해석결과값을비교한표이다. 앞서보았던 Table. 2의반응값들과최적값을비교해보면최적화를통해 COS/AV와 V/SD의경우에는상당한개선이이루어졌음을알수있다. 6. 결론암모니아 (NH 3 ) 가유입가스와혼합되어촉매층 (SCR) 으로유입될때높은혼합정도를가질수있게하고, 또한촉매층입구에서의유속분포와유입각도를개선하여질소산화물의환원효율을향상시키는연구를수행하였다. 촉매층상류에서의가스유입속도의균일화를위하여서로다른원형봉을이용한최적설계를삼차원수치시뮬레이션과함께수행한결과, 유동제어용원형봉의배치와형상에따른유동특성과목적함수인유입가스균일도를최적화할수있었다. 즉원형봉의설계최적화로촉매층내부로유입되는가스의유속분포균일도를높이고유입각도가개선되는결과를얻었다. ium: "The Mega symposium" 5. K. J. Rogers, M. Albrecht, M. Varner, 2000, Numerical Modeling for Design Optimization of SCR Applications. ICAC NOx Forum 2000, Washington D. C. 6. Box, G. E. P. and Wilson, K.B., 1951, On the Experimental Attainment of Optimum Conditions (with discussion). Journal of the Royal Statistical Society Series B 13(1): George Box, Donald Behnken, 1960, "Some new three level designs for the study of quantitative variables", Technometrics, Volu me 2, pages Patankar, S. V. 1980,. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Hemisphere Publi shing Corporation, Washington D. C. 9. Ansys Inc, 2007, Ansys CFX-Solver Theory Guide. 참고문헌 1. Bell, A. T., Manzer, L. E., 1995, Protecting the Environment Through Catalysis. Chemic al Engineering Reviews 95, no. 1, Cho. J. M., 2006, Study on Methodology to Improve the Performance of Selective Catal ytic Reduction System Using CFD Analysis, Ph. D. thesis, Seogang University, Korea 3. Ryu C. K., Shim K. B., Choi S. M., 1999, Flow optimization study of selective catalytic reacotr by reduced scale model experiments and numerical simulations, Kore a Society of Mechanical Engineering, Journa l B, Vol. 23, No. 4, pp K. J. Rogers, P. S. Nolan, 2001, SCR Reactor performance profiling and results analysis, The U.S. EPA/DOE/EPRI Combin ed Power Plant air polluant control sympos

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