요소수(Urea solution)의 온도변화에 따른 요소 및 뷰렛함량 변화 특성 연구

도진우,박태성,이유림,임의순,이정민,강형규 한국응용과학기술학회 2018 한국응용과학기술학회지 Vol.35 No.4

대기오염에 대한 관심이 증대하면서 대기오염물질의 저감에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 차량용 요소수(Urea solution)를 이용한 디젤 차량의 질소산화물(NOx) 제거는 큰 효과를 나타내고 있다. 요소수의 품질은 국내법으로 엄격히 규정하고 있으나 요소수 내 불순물의 증대는 질소산화물 저감 효과를 감소시키게 된다. 따라서 본 연구에서는 일정 온도와 시간동안 요소수를 가열한 후 요소수의 물성변화를 분석하였다. 또한, 요소수를 보관하는 저장용기와 저장온도의 변화에 따른 요소수 물성변화도 함께 분석하 였다. 요소수를 일정시간 가열한 후 요소수 내 뷰렛함량은 증가하고 요소함량은 감소하였으며, 요소함량 감소에 따라 밀도와 굴절률도 함께 감소하였다. 철제 및 PET 용기와 일정온도(30 ℃, 50℃)에서 실시한 저장안정성 시험에서는 물성변화가 나타나지 않았다. As interests in the air pollution increases, many kinds of researches are underway on the reduction of air pollutants. Removal of nitrogen oxides from the emission gas of diesel vehicles using urea solution has shown a great effect. The quality of urea solution is strictly defined by domestic laws, but the increase of impurities in urea solution reduces the effect of reducing nitrogen oxides. Therefore, in this study, the change of physical properties of urea solution was analyzed after heating the urea solution for a certain temperature and time. Also, the changes of physical properties of urea solution were analyzed according to kinds of storage container and temperature for storing the urea solution. After heating the urea solution for a certain period of time, the biuret content in urea solution increased and the content of urea decreased. As the urea content decreased, both density and refractive index decreased. In the storage stability test carried out at a constant temperature with iron and PET containers, no change in physical properties was observed.

냉각수 순환 가열 방식을 이용한 요소수의 동결 및 해동 특성에 관한 수치적 연구

이승엽(Seung Yeop Lee),김남일(Nam Il Kim),박윤범(Yun Beom Park),김만영(Man Young Kim) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.8

Urea-SCR은 동절기, 북유럽과 북미지역과 같은 -20℃ 이하의 환경에서 요소수가 동결되는 문제점을 해결해야 한다. 따라서 이러한 요소수 저장탱크에 해동 시스템을 적용하여 시동 초기, 요소수를 적정 시간 내 분사하기 위한 기술의 확보가 필요하다. 본 연구에서는 저장탱크 내 요소수의 동결현상과 냉각수 순환 가열방식을 적용한 해동현상에 대하여 상용 소프트웨어인 Fluent 6.3을 이용하여 3차원 비정상상태 수치해석을 수행하였다. 이를 통하여 요소수의 동결 및 해동과정 중 나타난 온도분포, 상경계면, 그리고 액상분율을 분석하여 열전달 특성을 고찰하였다. 결론적으로 요소수의 동결은 저장탱크 벽면으로부터 중심부로 이루어졌으며, 해동현상은 순환 파이프와 인접할수록 요소수의 상변화가 빠르게 진행하였다. 또한, 냉각수의 70℃, 200ℓ/h 조건에서 1ℓ의 액상 요소수를 얻는데 약 190초의 시간이 필요하였다. Urea-SCR technology is known as one of the powerful NOx reduction systems for vehicles as well as stationary applications. For its consistent and reliable operation in vehicle applications, however, the freezing and melting of the urea solution in cold environments have to be resolved. In this study, therefore, a numerical study of three-dimensional unsteady problems was analyzed to understand the urea freezing and heating phenomena and heat transfer characteristics in terms of urea liquid volume fraction, temperature profiles, and phase change behavior in urea solutions with time by using the commercial software Fluent 6.3. As a result, it was found that the freezing phenomenon proceeds with a phase change from the tank wall to the center, whereas the melting phenomenon occurs faster in the upper part of the storage tank by natural convection and in the adjacent part of the coolant pipe than in other parts. Furthermore, approximately 190 s were required to obtain 1L of urea solution using a 4-coiled coolant heater under conditions of 70°C and 200 L/h.

소각로 폐열을 이용한 요소수 주입 공정 개발

김기훈(Kihoon Kim),김경호(Kyungho Kim),김형탁(Hyoungtak Kim),이주성(Jusung Lee),신민철(Mincheol Shin),김창원(Changwon Kim),윤진한(Jinhan Yun),이정규(Jungkyu Lee),홍원석(Wonseok Hong) 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.1

선택 적 비촉매 환원법 (Selective Non-Catalytic Reduction)은 소각로의 연소실 내부로 환원제를 주입하여 연소과정에서 발생하는 질소산화물을 제거하는 기술이다. 대부분의 소각시설에서는 환원제로 요소수를 사용하고 있으며, 이류체 노즐을 통하여 분사된 요소수는 연소가스 중 질소산화물을 질소와 수증기로 환원시킨다. 이러한 선택적 비촉매 환원법의 경우에 초기 투자비 및 유지비가 적다는 장점이 있으나 요소수가 액상으로 주입되기 때문에 질소산화물과의 반웅 효율이 낮아 일부 미반응된 요소수가 대기 중으로 배출되는 암모니아 슬립 발생에 대한 문제점이 있다. 또한 계속해서 강화되는 대기오염물질 배출허용기준과 미세먼지 관리 종합대책의 후속 조치로 질소산화물 배출 부과금제가 시행됨에 따라 기존의 소각시설들은 질소산화물의 관리를 강화할 수 있는 현실적인 대책이 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 요소수를 기화시킨 후 소각로 내부로 주입하여 암모니아 슬립 발생은 줄이면서 질소산화물의 저감 효율은 극대화하고자 하였으며, 추가적인 가열설비의 구축 없이 소각로에서 발생되는 폐열을 활용하여 이를 구현하고자 하였다. 요소수의 기화 및 주입을 위하여 소각로 잉여 열원의 현황을 파악하고 운영조건을 사전에 검토하였으며, 온도와 압력에 따른 요소수의 기화 특성을 실험적으로 확인하여 설비 제작을 위한 설계 인자를 도출하였다.

온도변화에 따른 요소수의 물성변화 비교

김희진 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.0

현재 미세먼지에 관한 심각성이 큰 화두가 되면서 다양한 대기오염물질의 저감방법에 관한 연구가 진행되고 있다. 대기오염물질 발생원 중 하나인 디젤 차량에서의 질소산화물(NOx)제거에 큰 효과를 나타내는 것에는 요소수(Urea solution)가 있다. 온도변화와 용기에 따른 요소수의 영향은 불순물의 증대로 질소산화물 저감효과를 보여준다. 따라서 본 연구에서는 요소수를 일정 온도와 시간동안 가열한 후, 요소수에서 발생하는 불순물의 물성변화를 분석하였다. 또한 철제 및 PET용기에 저장한 요소수를 일정온도(30°C, 50°C)에서 실시하여 물성변화 및 저장안정성 시험도 함께 진행했다. 요소수를 일정시간 가열할 경우, 요소함량이 감소함에 따라, 뷰렛함량은 증가하였으며, 요소함량의 감소에 따라 밀도와 굴절률이 감소하는 결과를 보였다. 하지만 철제 및 PET용기를 일정온도(30°C, 50°C)에서 실시한 저장안정성 시험에서는 물성변화가 나타나지 않았다.

선박용 디젤엔진 SCR 시스템 요소 기술에 관한 기초 연구

박윤용(Yoon-Yong Park),송하철(Ha-Cheol Son),안기주(Gi-Ju Ah),심천식(Chun-Sik Shim) 한국항해항만학회 2016 한국항해항만학회지 Vol.40 No.4

: 2016년부터 배출통제지역(ECA : Emission Control Atea)을 운항하는 선박에 대하여 배출되는 NOx(질소산화물) 및 SOx(황산화 물)의 배기량 감소규제가 강화되었다. 상기의 규제 물질 중 NOx를 제거하는 탈질장비 중 선택적 촉매 환원(SCR : Selectivity Catalytic Reduction) 시스템은 효율이 높고 상업적으로 많이 활용되고 있으나, 높은 온도에서 요소수가 활성화되는 단점이 있다. 이에 초미세기포를 이 용하여 낮은 온도에서도 반응할 수 있는 요소수 및 요소수 활성화 기기를 개발하여 상기의 문제점들을 최소화 할 수 있도록 하였다. 또한 SCR 시스템의 효율성을 향상시키는 방안을 마련하기 위하여, ANSYS-CFX package를 이용한 전산유체역학(CFD : Computational fluid dynamics)기법을 사용하였다. Navier-Stokes 방정식을 해석의 지배방정식으로 적용하여 SCR 시스템의 점성유동해석 시뮬레이션을 수행하였 다. SCR 시스템의 형상은 CATIA V5를 사용하여 3D 모델링을 하였고, SCR 시스템의 효율성을 비교하기 위해 요소수 분사 노즐의 위치를 요소수 분사 노즐은 배기관의 입구로부터 1/3, 1/2, 2/3로 변경하며 확인하였다. 또한, 노즐의 분사구 수가 SCR 시스템의 효율에 미치는 영향 을 확인하기 위하여 분사구 수가 4, 6, 8개일 경우를 시뮬레이션 하여 비교․분석하였다. 시뮬레이션 결과 배기관 입구에 가까울수록, 분사구 수가 많을수록 효율이 향상됨을 확인하였다. : From 2016, controls on reduction of NOx and SOx emissions from the vessels that are operated in the emission control area were tightened. The selectivity catalytic reduction system of the denitrification equipment which NOx among the above controlled materials is very effective and used commercially very much. But it has the disadvantage that CSR is activated at high temperatures. Therefore, the SCR and SCR activation instrument that can react even at low temperatures by using micro-nano bubbles so that the above problems can be minimized were developed. And the computational fluid dynamics technique was used by ANSYS-CFX package to prepare the plan that improves the SCR system's efficiency. Simulation for the viscous flow analysis of the SCR system was executed by applying the Navier-Stokes equation to it as a governing equation. For the SCR system's shape, 3D modeling was done by using CATIA V5. SCR jet nozzle's position was checked by changing it to the intervals of 1/3, 1/2, and 2/3 from the inlet of the vent pipe to compare the SCR system's efficiency. And the number of nozzles was compared and analyzed by simulating 4, 6, and 8 holes to check an effect of the number on the SCR system's efficiency. The simulation result has found that the closer nozzles are to the inlet of the vent pipe and the more nozzles are, the more efficiency is improved.

소형 상용차용 전기 가열 모듈에 의한 동결 요소수의 해동 및 열전달 특성에 관한 수치적 연구

이두기(Doo Ki Lee),김만영(Man Young Kim),오광철(Kwang Chul Oh),노태수(Tae Soo No) 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集B Vol.43 No.3

배기가스 후처리장치 중 하나인 Urea-SCR은 NOx 규제 대응을 위한 우수한 장치로 평가받고 있다. 하지만 환원제로 사용되는 요소수는 –20℃ 이하 저온 환경에서 동결되는 문제가 있다. 따라서 고상의 동결 요소수를 액상으로 원활하게 공급하기 위해서는 가열이 필수적이며, 해동 과정에서 상변화와 함께 물질의 물리적 특성 변화가 수반된다. 본 연구에서는 상용코드 ANSYS Fluent를 이용하여 동결 요소수의 해동에 관한 3차원 비정상 상태 수치해석을 수행하였다. 수치해석의 검증과 함께 시간에 따른 액상 분율의 변화, 상 경계면의 이동 및 온도 분포를 통해 요소수의 해동 및 열전달 특성을 고찰하였고, 향후 전기 가열 모듈을 포함한 요소수 공급 모듈의 최적 설계를 위한 기초 데이터를 확보하였다. The Urea-SCR, one of the exhaust gas after-treatment devices, is regarded as the most device for NOx regulation. However, a challenging problems is to ensure that the urea-water solution used as a reducing agent is available for operating the system in a cold environment. The urea thawing process, in which the solid turns to liquid, is associated with the phase change and physical property change phenomena. In this study, therefore, the commercial software ANSYS Fluent was utilized to conduct a numerical analysis in order to investigate the urea thawing process, including a complex solid-liquid phase change with the electric heating module. After validating the numerical methods adopted in this work, the thermal characteristics, such as variation of the liquid fraction and temperature distribution with time, were investigated as potential basic data for optimum design.

선박배기가스 유해물질 저감을 위한 선박용 SCR 시스템 요소기술에 관한 소개

박윤용,송하철,심천식,안기주,박기영 한국항해항만학회 2015 한국항해항만학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.추계

산업화로 인하여 토지의 사막화, 물부족, 오존층 파괴, 지구 온난화 등 많은 환경문제가 발생되었으며 아직 진행 중에 있다. 이에 UN에서는 환경 규제를 강화하였으며 국제해사기구(IMO:International Maritime Organization)에서는 선박의 배기가스 규제 강화를 위하여 NOx(질소산화물) 및 SOx(황산화물)의 배기량을 줄이도록 하고 있으며 2016년부터는 본격적으로 규제하려 하고 있다. 상기의 규제 물질 중 NOx를 제거하는 선택적환원촉매(SCR:Selectivity Catalytic Reduction) 시스템은 선박의 배기가스가 지나가는 통로에 요소수(Urea)를 분무하여 260℃ 이상의 높은 온도에서 요소수에 있는 암모니아가 배기가스에 있는 NOx와 반응, 결합함으로서 NOx를 질소와 산소로 분리, 제거하는 방식이다. 하지만 선박의 경우 대부분 엔진이 2행정으로 배기가스 온도가 일반적으로 180℃~220℃이기 때문에 요소수에 있는 암모니아가 배기가스에 있 는 NOx와 반응하지 않아 환원률이 높지 않다. 이에 우리는 초미세기포를 이용하여 낮은 온도에서도 반응할 수 있는 요소수 및 요소수 활성화기기를 개발하여 상기의 문제점들을 최소화 할 수 있도록 하였다. 또한 SCR 시스템의 점성유동해석을 통하여 보다 효율적인 SCR 시스템의 개발을 할 수 있도록 기여하였다

요소수 탱크 모듈에서 빙결 요소수의 해동에 관한 수치해석

조낙원(Nakwon Jo),문성준(·Seongjoon Moon),이호길(Hokil Lee),최윤진(Yunjin Choi),이태훈(Taehoon Lee) 한국자동차공학회 2016 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2016 No.11

극한조건에서의 NOx 저감특성에 대한 실험적 연구

김민수 ( Min-su Kim ),전민규 ( Min-kyu Jeon ),이정규 ( Young-kon Choi ),길상인 ( Chung-kyu Lee ),윤진한 ( Sang-in Keel ),( Jin-han Yun ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-

질소산화물은 2차 미세먼지를 발생시키는 유발물질로 폐기물 소각장, 화력발전 등의 분야에서 질소산화물 저감을 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 질소산화물을 저감시키는 탈질기술은 연료 다단법(fuel-staging), 공기다단법(air-staging), 저 NOx 버너(low-NOx burner) 등과 같이 연소로의 운전 변수를 조작하여 NOx 생성을 억제하는 1차 저감법과 선택적 비촉매 환원법(SNCR; selective non-catalytic reduction)과 선택적 촉매 환원법(SCR; selective catalytic reduction)과 같이 공정 내 연소가스의 흐름에 특정 기술을 적용하여 NOx를 전환하거나 포집하는 2차 저감법이 있다. 2차 저감법은 별도의 장치나 첨가제를 필요로 하여 1차 저감법에 비해 비용적 측면에서 불리하지만, NOx 저감 성능은 우수하기 때문에 NOx 저감을 최대화하고 비용적 측면을 최소화하기 위해 1차 저감법과 2차 저감법을 함께 사용하는 것이 유리하다. 그로 인해, 1차 저감을 통해 생성이 억제된 낮은 농도의 질소산화물 조건에서 SNCR 및 SCR을 사용할 시, 저감 효율 및 특성을 분석하는 것이 필요하다. 이에 본 연구에서는 다양한 농도의 질소산화물을 대상으로 SCR 및 SNCR의 특성에 대해 파악하였다. 첨가제는 1요소수를 사용하였고, 질소산화물은 10, 25, 50, 100, 200 ppm의 조건으로 반응기 온도 및 첨가제 양에 따른 질소산화물 저감특성을 비교 분석하였다. SNCR NOx 저감 실험은 반응기 온도 800-950℃의 조건으로 진행되었고, 요소수는 10 wt.%, 40 wt. %를 사용하였다. 요소수의 NSR은 3.0으로 고정하였고, 프리히터를 통해 예열된 CO₂ 가스를 통해 요소수를 가스 상태로 투입하였다. SCR NOx 저감 실험은 반응기 온도 200-300℃의 조건으로 진행하였고, 첨가제 및 실험조건은 SNCR 실험과 동일하게 진행하였다. 실험결과 SNCR의 경우 800℃의 온도조건에서는 NOx 저감 효율이 약 65 %로 NOx 농도에 큰 영향을 받지 않았다. 하지만, 900℃의 조건에서는 NOx 농도가 낮아질수록 저감효율이 약간 감소하는 경향을 보였다. SCR 실험은 200℃와 300℃의 반응기 조건에서 모두 NOx 농도가 낮아질수록 저감 효율이 감소했지만, 출구에서의 NOx 농도는 1-5 ppm 으로 거의 모든 NOx가 제거되는 결과를 보였다.

냉각수 및 전기 가열 방식에 따른 요소수 해동 특성에 관한 수치해석 연구

이승엽(Seung Yeop Lee),김만영(Man Young Kim) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.1

환원제를 이용하여 배기가스 내의 NOx를 질소로 환원시키는 요소수 SCR 시스템은 다른 후처리 장치들 중에서 가장 효율적인 장치로 알려져 있다. 차량에 적용되는 SCR 장치는 32.5 wt%의 공융혼합물을 이용한다. 이러한 혼합물의 가장 큰 장점 중의 하나는 11.7 ℃에서 얼기 때문에 추운 환경에서 응고를 피할 수 있다는 것이다. 한편, 이러한 추운 환경에서 시동시 필요한 수용액을 충분히 공급하기 위해서는 고체상을 가열해야 한다. 따라서 본 연구에서는 Fluent 상용코드를 이용하여 3차원 비정상 전산해석을 통한 냉각수 및 전기가열 방식에 따른 고체상 요소수의 시간에 따른 액상비 및 온도분포와 같은 해동 및 열전달 특성을 고찰하였다. 본 연구를 통하여 전기히터 가열 방식이 냉각수 방식보다 효율적임을 확인하였다. A Urea-SCR(Selective Catalytic Reactor) system, which converts nitrogen oxides into nitrogen and water in the presence of a reducing agent, creates a major exhaust gas aftertreatment system for NOx reduction among other compounds. With regard to vehicle applications, a urea solution was chosen based on its eutectic composition of a 32.5 wt% urea-water solution. An important advantage of this eutectic composition is that its melting point of -11.7℃ is sufficiently low to avoid solidification in cold environments. However, the storage tanks must be heated separately in case of low ambient temperature levels to ensure a sufficient amount of liquid is available during scheduled start ups. In this study, therefore, a numerical investigation of three-dimensional unsteady heating problems analyzed to understand the melting processes and heat transfer characteristics including liquid volume fraction, temperature distributions, and temperature profiles. The investigations were performed using Fluent 6.3 commercial software that modeled coolant and electric heater models based on a urea solution. It is shown that the melting performance with the electric heater is higher than a coolant heater and is more efficient.