THE EFFECT OF INLET FLUE GAS PATTERN ON THE PERFORMANCE PREDICTION OF DeNOx SYSTEM USING CFD METHODS

M.K. Kim; H.T. Chung

doi:10.6112/kscfe.2024.29.1.018

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Original Article

Journal of Computational Fluids Engineering. 31 March 2024. 18-29
https://doi.org/10.6112/kscfe.2024.29.1.018

THE EFFECT OF INLET FLUE GAS PATTERN ON THE PERFORMANCE PREDICTION OF DeNOx SYSTEM USING CFD METHODS

탈질 시스템의 성능 예측에서의 유입 배기가스의 형태 영향에 대한 CFD 해석

M.K. Kim¹

H.T. Chung²^*

김 민규¹

정 희택²^*

¹BHI Co.

²School of Mechanical Engineering, Gyeongsang Nat’l Univ.

¹비에이치아이(주)

²경상국립대학교 기계공학부

^{*Corresponding Author}

ABSTRACT

In the present study, the effect of the flow pattern of the inlet flue gas were investigated on the denutrification performance through the numerical simulation. As the examples of the off-design conditions, the skewed and double parabolic flow were chosen to compare the uniform flow used as the design condition. The SCR type of DeNOx facilities of the large-scaled coal-fired power plant currently in operation were adopted as the application model. In order to to deduce three performance variables, the steady two-dimensional turbulent flow were solved using the thermal-flow software named as ANSYS-Fluent. Comparing the off-design conditions to the design condition, the computational results showed that the predicted performances differed by 15.6% for the flow uniformity, 127% for NH₃/NO molar ratio of the mixed gas and 10.2% for the pressure loss of the whole process.

Keywords

탈질(Denitrification)

성능(Performance)

전산 해석(Computational analysis)

몰 비(Molar ratio)

유동 균일성(Flow uniformity)

압력 손실(Pressure loss)

편차(Deviation)

MAIN

1. 서 론
2. 적용 모델과 해석 기법
2.1 적용 모델
2.2 배기가스의 불확실성 변수
2.3 유동장 해석 기법
3. 해석 결과
3.1 유동의 균일성
3.2 NH₃/NO의 몰 비
3.3 압력 손실
3.4 입구 조건의 영향 분석
4. 결 론

1. 서 론

석탄을 열원으로 하는 대용량 화력 발전 시스템은 연소 과정에서 발생하는 질소산화물을 제거하기 위해 대부분 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR)와 같은 탈질 설비를 별도로 운영하고 있다.

우리나라도 환경 기준이 강화됨에 따라 탈질 성능 향상에 대한 연구가 많이 진행되고 있다[1]. 탈질 설비와 같은 대형 열유체 설비의 성능 예측과 개선에 대한 연구에 전산 열유체 해석 기법(computational fluid dynamics, CFD)을 이용하면 비용과 시간을 단축할 수 있다.

Kim 등[2]은 암모니아 분사 장치(ammonia injection grid, AIG)의 분사량을 조절하여 촉매 층에 유입되는 혼합가스의 NH₃/NO의 조성비를 최적화하는 기법을 국내의 석탄화력발전소의 SCR형 탈질 설비에 적용하였다. Lee[3]은 AIG와 촉매 층 사이에 설치된 곡확산(curved-diffusing) 덕트의 내부 유동과 NH₃/NO 혼합 특성과의 관계를 전산 해석하였다.

중국에서도 석탄 화력 발전이 주요 발전원 중 하나여서 환경 개선을 위한 탈질 연구가 활발히 진행되고 있다. Zhao 등[4]은 660 MW급 발전소의 촉매 층 유동 특성을 전산 해석하였고 Xu 등[5]은 300 MW용 탈질 설비의 유로 형상을 최적화하는 연구를 하였다. 질소산화물과 암모니아의 혼합 특성을 개선하기 위해 AIG 분사 시스템의 설계 변수에 대한 연구 사례도 있다[6,7].

대용량 석탄화력발전소에서는 Fig. 1과 같이 연소로의 절탄기와 공기 예열기 사이에 탈질 설비가 설치된다[8]. 공간의 제약과 환원 요구 조건 등으로 유로 형상이 복잡하여 복수의 안내 깃과 곡확산형 덕트가 설치된다. 설비 내 유동 특성은 탈질 성능의 주요 변수이다. Park[9]은 절탄기에서 유입되는 배기가스가 균일하게 유입되기 위해 설치된 안내 깃의 형상에 대한 최적화를 시도하였다. Lee 등은 곡확산부에 설치되는 덕트와 안내 깃의 공력 특성에 대해 CFD 연구를 수행하였다[10,11].

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Fig. 1.

Set up of DeNO_x facility in Samcheonpo thermal power plant(Ref. [8])

환경 규제가 강화됨에 따라 현재 운영되고 있는 탈질 설비의 성능도 개선이 필요하여 국부적인 수정 등 재설계의 타당성을 검토하는 연구가 진행되고 있다. Oh[12]는 곡확산 덕트의 전단부 형상을 변경하여 유동의 균일성이 개선됨을 전산 해석을 통해 제시하였다. Lee[13]는 유입부의 유로 형상과 안내 깃의 형상을 동시에 수정하여 유동의 균일성과 NH₃/NO 혼합비가 향상되는 전산 해석적 결과를 보고하였다.

화력발전 시스템에서 탈질 설비 등 환경설비에 유입되는 배기가스는 실제 운전에서는 균일하지 않게 유입된다. Kim[14]에 의하면 350 MW 화력 발전소에서 연소로에서 배출되는 배기가스의 유동 형태는 탈질 성능에 영향을 준다고 보고 하였으며 Ha[15]는 복합열병합 발전시스템에서의 배열회수보일러에 유입되는 배기가스의 온도 불균일성을 개선하는 수치적 연구를 수행하였다.

이와 같이 배기가스의 유동 불균일성은 탈질 설비 등 후속 설비의 성능과 효율에 영향을 준다. 불균일 유동인 경우가 균일 유동으로 설계하는 경우와 비교하여 성능에서 얼마나 편차가 있는지 예측하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 유동의 균일성과 촉매 층 입구의 NH₃/NO의 조성비, 설비의 압력 손실 등 3가지 관점에서 비교하고자 한다.

2. 적용 모델과 해석 기법

2.1 적용 모델

영흥 화력발전소 3호기는 발전 용량이 870 MW이며 2004년 7월부터 상업 운전이 시작되었다[15]. 연소로 절탄기에서 배출된 연소가스에는 질소산화물이 포함되어 탈질 설비 내로 유입되고 AIG에서 분사된 암모니아와 환원된 질소가스와 잔존 혼합가스는 공기 예열기의 열원으로 사용된다. 전산 해석에서의 유동장 범위는 Fig. 2와 같다. 탈질 설비 안으로 유입되는 배기가스의 평균 속도는 Table 1과 같이 13.6 m/s이다.

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Fig. 2.

Definition sketch of the flow fields inside the DeNO_x system

Table 1.

Flow conditions

Descriptions	Values	Units
Inlet velocity	13.6	$m / s$
NH₃	1316	ppm
NO	125	ppm
Temperature	640	K
Density	0.551	$k g / m^{3}$
Outlet static pressure	0.0	pa

촉매 층에서 환원 작용에 적합한 속도는 4.3 m/s 이하이다. 이를 고려하여 곡확산부는 입출구의 확대비를 3.69로 설계하였다. 곡확산부 앞에 설치된 AIG에서 분사되는 암모니아는 배기가스에 포함된 질소산화물과의 몰 비가 1:1이 되도록 총량이 조절된다. 설비 내의 압력은 외부 대기와 같게 유지되며 온도는 367°C로 일정하다.

2.2 배기가스의 불확실성 변수

본 연구에서는 입구에서의 배기가스를 Fig. 3과 같이 3가지 유동 형태를 채택하였다. 설계에서는 Fig. 3(a)와 같이 유동의 불균일성을 고려하지 않는다. 실제 운전에서는 연소로에서 유입되는 배기가스는 일정하지 않다. 본 연구에서는 유동장의 편향이 극단적인 형태로 Fig. 3(b)로 상향 쏠림 형태(upper-skewed inlet flow)를 설정하였고 상하 불균형 양상으로 Fig. 3(c)의 이중 포물선 구조의 형태를 입구 조건으로 하는 두 가지를 불균일 유동으로 설정하였다.

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Fig. 3.

Flow pattern of the inlet flue gas

촉매 층에 유입되는 혼합가스의 물리 화학적 특성은 환원 작용에 미치는 영향이 크다. 설비 내의 압력 강하는 구동 부하와 관련이 있다. 이를 고려하여 탈질 성능의 변수로 유동의 균일성, NH₃/NO의 몰 비, 압력 손실 등 3가지를 선정하여 배기가스의 유입 형태가 탈질 성능에 미치는 영향을 비교하였다. 성능변수에 대한 정의는 다음과 같다.

촉매 층 입구에서의 혼합가스의 속도 편차, $V_{r m s}$ 를 식 (1)과 같이 정의하여 유동의 균일성의 기준으로 두었다[2]. 이는 질속 유량에 가중치를 둔 평균 제곱근 오차(root mean square, RMS)이다.

(1)

V_{r m s} = \frac{1}{{\bar{V}}_{o u t l e t}} \sqrt{\sum_{i} \frac{(V_{i} - {\bar{V}}_{o u t l e t})^{2} d \dot{m_{i}}}{\dot{m}}} \times 100 [%]

여기서 $V_{i}$ 은 속도의 수직 성분이며 $d {\dot{m}}_{i}$ 는 질속 유량이다.

NH₃/NO는 혼합가스의 몰 비(molar ratio)이다. 이에 대한 성능변수도 유동 균일성의 경우와 비슷하게 평균 제곱근 오차(root mean square, RMS)로 식 (2)와 같이 정의하였다.

(2)

M_{rms} = \frac{1}{\bar{M}} \sqrt{\frac{\sum \{(M_{i} - \bar{M})^{2} d \dot{m_{i}}\}}{\dot{m}}} \times 100 [%]

여기서 $M_{i}$ 은 임의의 지점에서의 몰 비이다. 환원이 이상적으로 진행되려면 NH₃와 NO의 비율이 1:1이므로 몰 비 평균인 $\bar{M}$ 은 1이다.

탈질 설비 내의 혼합가스 유동은 팬으로 구동되므로 압력 손실은 설비의 운전 부하에 직접 영향을 준다. 입구, AIG 선단, 촉매 층 입구, 출구에서의 압력을 $P_{1}, P_{2}, P_{3}, P_{4}$ 로 나타내면 유입부의 압력 손실, $Δ P_{1 - 2}$ , 곡확산부에서의 압력 손실, $Δ P_{2 - 3}$ , 촉매 층에서의 압력 손실, $Δ P_{3 - 4}$ 과 설비의 총 압력 손실, $Δ P_{t o t a l}$ 은 아래 식들로 산출된다.

(3)

Δ P_{1 - 2} = P_{1} - P_{2}

(4)

Δ P_{2 - 3} = P_{2} - P_{3}

(5)

Δ P_{3 - 4} = P_{3} - P_{4}

(6)

Δ P_{t o t a l} = P_{1} - P_{4}

유입 유동의 불균일에 의한 성능의 변화를 설계 조건인 균일 유입 유동과 비교하여 성능변수별로 식 (7)과 같이 성능 편차도(performance deviation), $D_{p} (ϕ)$ 로 정의하였다.

(7)

D_{p} (ϕ) = (ϕ_{1} - ϕ_{i}) / ϕ_{1} \times 100 [%]

여기서 𝜙는 성능변수로 유동 균일성은 $V_{r m s}$ 이고, NH₃/NO 몰 비는 $M_{r m s}$ 이며 압력 손실은 $Δ P$ 이다. 하부 첨자 1은 균일 유동이고 $i$ 는 불균일 유동이다.

2.3 유동장 해석 기법

유동 해석의 범위는 Fig. 2와 같이 절탄기에서 배기가스가 유입되는 입구에서 공기 예열기로 배출되는 출구까지로 중간 단면(mid-span)에서의 2차원 유동장이다. 설비 내에서의 총 압력 강하는 최대 1.1 kPa 이고 유속은 25 m/s가 최대이므로 압축성을 무시하였다. 외부 열원이 없으므로 에너지 방정식은 사용하지 않았다. 촉매 층은 다공성 매질 모델(porous media model)을 사용하였다. AIG의 분사 노즐은 8개로 간략히 하였고 암모니아의 분사 속도는 24 m/s로 일정하다. Table 1에 기술한 바와 같이 입구에서의 유속은 13.16 m/s이고 유동장 출구에서는 정압을 0 Pa로 고정하였다. 곡확산부의 유동 특성에 맞게 Realizable $k - ϵ$ 모델을 적용하여 난류를 해석하였다. 유동장의 해석 기법은 본 저자들의 선행 연구인 Reference[2]에 상술되어 있다.

유동 해석에 사용된 계산 격자점은 Fig. 4와 같다. 벽면이나 안내 깃에서의 점성 유동에는 사각형 격자를 사용하고 그 외의 내부 유동장에는 삼각형 격자를 채택하였다. 총 계산 격자점은 3.9×10⁵개이고 계산의 최소 수직성은 0.25로 본 연구의 유동장과 같이 형상이 복잡한 유동 해석에 무난하다. 내부 유동장은 열유체 전용 소프트웨어인 ANSYS-Fluent를 사용하였다[16].

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Fig. 4.

Computational meshes for the entire flow domain

3. 해석 결과

3.1 유동의 균일성

공력 특성은 유동 형태에서 알 수 있다. Fig. 5는 Fig. 2의 유입되는 배기가스의 유동 형태에 따라 설비 내에서 유동장 흐름을 비교한 결과이다. 평균 유속은 입구에서는 13.6 m/s이고 촉매 층에서는 4.22 m/s이다. 후방 깃과 촉매층 입구부에서 균일 유입 유동은 다른 두 개의 불균일 유입 유동보다 균일하게 유입되어 촉매 층에서의 환원 작용이 일정하게 진행할 유동이 형성된다. 상향으로 유동이 쏠려서 유입되는 경우에는 Fig. 5(b)에 보듯이 곡확산부를 통과하면서 유동의 편향성이 다소 개선되었지만 후방 안내 깃까지 흔적이 보이며 촉매 층 입구에 왜곡된 와류가 발견된다. Fig. 2(c)와 같이 배기가스가 크기가 다른 두 개의 포물선 분포로 유입되는 경우 유동이 진행함에 따라 유동 편향이 상향 쏠림보다 빨리 희석된다. 세 유동 모두 왼쪽 벽면에 와류가 형성되나 오른쪽 벽에는 발견되지 않는다. 이는 유동이 시계방향으로 진행되는 것과 관련이 있어 보인다.

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Fig. 5.

Comparison of velocity distribution for the entire flow field

Fig. 6은 암모니아가 분사되는 AIG 입구에서의 배기가스의 유동 형태를 나타낸 것이다. 입구에서 유입된 배기가스가 두 개의 안내 깃을 거쳐 암모니아가 분사되는 AIG 선단까지 유동의 전개 양상을 나타낸 것이다. 균일 유동의 경우 안내 깃의 존재로 평균 유속을 중심으로 소폭 진동하는 형태를 보인다. 상향 쏠림의 영향은 Fig. 6에서 오른쪽(x/H=0.75) 부근에서 나타나는데 상당히 희석된 양상을 볼 수 있다. 이중 포물선 형상의 경우 Fig. 2(c)와 같이 유입 유동의 불균형 형태가 왼쪽(x/H=0.25)이 오른쪽(x/H=0.75)보다 큰데 유동이 진행됨에 따라 약한 하향 불균형으로 바뀌었다.

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Fig. 6.

Comparison of spanwise velocity distribution prior to AIG

AIG와 촉매 층 사이에는 촉매의 환원 작용을 위한 속도의 감소와 공간의 제약으로 유동이 굴절되는 곡확산부형 덕트가 있고 유동을 균일하게 위해 두 개의 직선형 안내 깃이 추가로 설치되어 있다. Fig. 7에 보듯이 촉매 층 입구로 유입되는 유동은 진동 편차를 보여주는데 형태는 입구 형태와 관계없이 모두 유사한 모양을 나타낸다.

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Fig. 7.

Comparison of spanwise velocity distribution at the inlet of catalyst layer

Table 2는 유동 균일성에 대한 입구 유동 형태의 영향을 식 (1)의 정의를 이용하여 비교한 결과이다. 균일 유입의 경우 곡확산부에서 유동의 굴절과 유속의 감소로 인하 유동 불안정 요인으로 속도 편차가 9%에서 15.4%로 증가하였다. 입구에서의 유동 불균일은 상향 쏠림이 가장 큰데 AIG 선단에서도 21.6%로 속도 편차가 가장 크다. 곡확산부에서 확산과 안내 깃 등으로 혼합이 활발하여 Fig. 7에서 본 바와 같이 유동 균일성도 균일 유입의 15.4%, 상향 쏠림의 14.2%, 이중 포물선의 17.8%로 유사하다.

Table 2.

Comparison of velocity uniformity, RMS of velocity

Location	Uniform inlet	Upper-skewed inlet	Double parabolic inlet	Unit
Prior to AIG	9.00	21.6	15.5	%
Catalyst inlet	15.4	14.2	17.8	%

3.2 NH₃/NO의 몰 비

촉매 층으로 유입되는 혼합가스는 공기(air)와 일산화질소(NO), 암모니아(NH₃)로 구성된다. 환원 작용은 식 (8)과 같이 NO와 NH₃의 몰 비(molar ratio)에 직접적인 영향을 받는다.

(8)

4 N O + 4 N H_{3} + O_{2} \to 4 N_{2} + 6 H_{2} O

촉매 층으로 유입되는 NH₃/NO의 조성비가 1보다 작으면 NO는 환원되지 않고 대기로 배출되어 환경 규제를 초과할 수 있다. NH₃가 NO보다 많으면 반응하지 않고 잔여 암모니아는 SO₃와 반응하여 후단 장치의 표면을 부식시키는 황산암모늄을 생성하게 된다. 따라서 촉매 층 입구에서 혼합가스의 NH₃/NO의 조성비를 1로 유지하는 것은 탈질 과정에서 중요하다.

Fig. 8는 전 유동 영역에서 NH₃/NO의 몰 비 분포를 입구 유동 형태별로 도시한 것이다. 8개의 AIG에서 분사되는 NH₃는 배기가스의 유입 형태에 상관없이 균일하게 분사된다. 균일 유입 유동의 경우 Fig. 8(a)에 보듯이 왼쪽 벽면 부근에 NH₃/NO의 몰 비가 1보다 크므로 부식이 일어날 가능성이 크다. 이는 벽면 영향으로 배기가스의 속도는 줄어들어 일산화질소의 양이 상대적으로 작지만 노즐에서 분사되는 암모니아의 양은 일정하기 때문이다. Fig. 2(b)와 같이 상향 쏠림으로 유입되는 경우 촉매 층 왼쪽에는 배기가스가 상대적으로 작으므로 환원되지 않는 암모니아가 잔존할 가능성이 가장 많다. Fig. 8에서 촉매 층 왼쪽 벽면 부근의 빨간 색 영역이 상향 쏠림이 다른 두 유입 조건보다 큼을 확인할 수 있다.

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Fig. 8.

Distribution of NH₃/NO molar ratio for the entire flow field

Fig. 2(c)와 같이 유입 유동의 불균형이 상하로 두 개 존재하는 임의 유동의 경우 몰 비 분포인 Fig. 8(c)는 Fig. 8(a)의 균일 유동과 비교할 때 왼쪽 벽면에서의 암모니아 잔존량은 다소 적지만 유동장 전체로는 변화가 크다.

Fig. 9는 곡확산 덕트 입구에서의 NH₃/NO의 몰 비를 나타낸 것이다. 입구에서 유입된 배기가스의 일산화질소와 AIG에서 분사된 암모니아가 상존하는 혼합가스의 곡확산부 유입 지점에서의 NH₃/NO의 혼합 특성을 비교한 것이다. 균일 유동의 경우 노즐 분사 지점을 중심으로 몰 비의 편차가 진동 형태가 나타나고 벽면에서는 일산화질소(NO)의 양이 적어 몰 비가 1보다 크다. 상향 쏠림의 영향은 배기가스의 유입량이 x/H=0.75에서 최대이므로 상대적으로 왼쪽의 암모니아가 잔존하여 몰 비가 1보다 크게 나타난다. Fig. 2(b)의 이중 포물선 형상은 일산화질소의 불균일이 상하 두 군데 존재하여 오히려 벽면에서의 저속을 방지하는 효과가 있다. 몰 비 분포는 균일 유동과 유사한 양상을 보이나 왼쪽 벽면의 몰 비는 1에 가까워 이 부분의 암모니아 슬립은 균일 유입 유동보다 적을 가능성이 있다.

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Fig. 9.

Comparison of NH₃/NO molar ratio prior to the inlet of the curved-diffusing duct

촉매 층 전단에 설치되는 곡확산부는 유동의 굴절과 속도 감소 등으로 유동의 균일성 관점에서는 불리하나 암모니아나 일산화질소의 혼합 mixing) 관점에서는 유리하다. Fig. 9와 비교하면 Fig. 10에 보듯이 곡확산부를 통과한 후 혼합가스의 NH₃/NO의 몰 비의 편차가 상당히 개선되었음을 알 수 있다.

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Fig. 10.

Comparison of NH₃/NO molar ratio at the inlet of catalyst layer

식 (2)의 정의를 이용하여 NH₃/NO의 혼합 특성을 비교하면 Table 3과 같다. 곡확산부 입구는 배기가스의 일산화질소와 AIG에서 분사된 암모니아의 혼합된 직 후로 NH₃/NO의 몰 비 편차가 약 30% 전후로 비슷하다. 두 개의 안내 깃이 설치된 곡산부를 지나 촉매 층으로 유입될 때는 균일유동과 이중 포물선 유동에서는 편차가 12%로 같으나 상향 쏠림은 27.2%로 여전히 높다. Fig. 10에 보듯이 다른 두 유입 조건에 비해 상향 쏠림의 유입 영향이 촉매 층 입구에도 여전히 유지되고 있다.

Table 3.

Comparison of RMS of NH₃/NO molar ratio

Location	Uniform inlet	Upper-skewed inlet	Double parabolic inlet	Unit
Prior to curved-diffusing inlet	33.5	33.8	28.7	%
Catalyst inlet	12.0	27.2	12.0	%

3.3 압력 손실

탈질 설비 내의 압력 특성은 작동 유체의 유동 형태와도 관련이 많다. Fig. 11은 전압(total pressure)의 분포를 나타낸 것이다. 균일 유입 유동의 경우 Fig. 5(a)에 보듯이 유동장의 균일성이 잘 유지되었는데 이는 Fig. 11(a)에서 유사하고 다른 두 불균일 유입보다 압력 손실이 작음을 알 수 있다. 상향 쏠림의 경우 Fig. 11(b)에 보듯이 입구부에서 유동의 편향이 압력 분포와도 연관됨을 확인할 수 있다. 유동 해석에서 출구 조건으로 전압을 0 Pa로 두었으므로 설비의 총 압력 손실은 Fig. 11에서 입구에서의 압력 값으로 알 수 있다. 이중 포물선 유동이 가장 크고 균일 유입 유동이 가장 작다.

Table 4는 유동 방향으로 압력 손실을 식 (3), (4), (5), (6)의 정의로 정리한 것이다. 총 손실뿐만 아니라 유입부, 곡학산부, 촉매 층 등 국부적으로도 균일 유입 유동, 상향 쏠림, 이중 포물선 입구 유동의 순서로 압력 손실이 크다. 탈질 설비의 압력 손실을 균일 유입 유동과 비교하여 식 (7)의 성능 편차도로 산출하면 상향쏠림의 경우는 5.78%, 이중 포물선 유입 유동은 10.2%이다.

이중 포물선 유입 유동은 상하로 두 개의 포물선 형상이 존재하여 유동의 혼합이 가장 클 가능성이 있다. 이로 인해 3.2절에서 보았듯이 암모니아와 일산화질소의 혼합에는 유리하지만 공력 측면에서는 손실의 원인이 될 수 있다.

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Fig. 11.

Comparison of total pressure distribution for the entire flow field

Table 4.

Comparison of pressure drops

Location	Symbol	Uniform	Upper-skewed	Double parabolic	Unit
Domain inlet to AIG	$Δ P_{1 - 2}$	91.4	105.4	116.6	Pa
AIG to catalyst inlet	$Δ P_{2 - 3}$	90.4	97.8	113	Pa
Catalyst inlet to domain outlet	$Δ P_{3 - 4}$	794	829	846	Pa
Total	$Δ P_{t o t a l}$	975.8	1032.2	1075.6	Pa

3.4 입구 조건의 영향 분석

균일 분포, 상향 쏠림, 상하 두 개의 이중 포물선 형태 등 세 가지 입구 유동 형태에 대해 성능 편차를 유동의 균일성( $V_{r m s}$ )와 NH₃/NO 몰 비( $M_{r m s}$ ), 총 압력 손실( $Δ P_{t o t a l}$ )로 식 (8)로 정리하면 Table 5와 같다.

Table 5.

Summaries of performance deviation

Description	Symbol	Upper-skewed	Double parabolic	Unit
Flow uniformity	$D_{p} (V_{r m s})$	-7.80	15.6	%
NH₃/NO ratio	$D_{p} (M_{r m s})$	127	0.1	%
Pressure loss for 1-3	$D_{p} (Δ P_{1 - 3})$	11.8	26.3	%
Pressure loss for 1-4	$D_{p} (Δ P)$	5.78	10.2	%

촉매 층으로 유입되는 유동의 균일성은 상향 쏠림은 편차가 –7.8%로 개선되었고 이중 포물선 형상은 15.6%로 불균일성이 증가하였다. 유동의 균일성은 압력 손실과 관련이 있으며 촉매의 작동 부하에도 영향을 준다.

입구에서의 상향 쏠림 형태는 곡확산부까지도 형태가 유지되어 암모니아와 일산화질소의 혼합이 나쁘다. 균일 유입 유동과 비교할 때 NH₃/NO 몰 비의 편차는 127%이다. 이중 포물선 형상은 유동의 불균일성으로 혼합이 원활하여 균일 유입과 비슷한 몰 비 편차를 나타낸다.

압력 손실의 편차는 촉매 층 입구까지가 촉매 층 내부보다 크다. 유동의 균일성과 마찬가지로 이중 포물선 형상이 상향 쏠림보다 압력 손실 편차가 크다. 설비 전체의 압력 손실은 상향 쏠림이 5.8%, 이중 포물선 유동이 10.2%로 균일 유동보다 크다.

4. 결 론

석탄 화력 발전소의 탈질 설비에서 유입되는 배기가스의 질소산화물 분포 형태가 탈질 성능에 미치는 영향을 전산 해석을 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

첫째, 이중 포물선 형태로 유입되는 경우가 유속의 균일성에 대한 편차가 가장 큰데 이는 설계 기준인 균일 입구 유동보다 15.6% 크게 나타났다.

둘째, 촉매 층 입구에서의 NH₃/NO 몰 비의 경우, 이중 포물선 유입 조건은 균일 유입 조건과 유사하나 상향 쏠림 유입 조건은 균일 입구 유동에 비해 127%의 편차를 나타내었다.

셋째, 압력 손실은 이중 포물선 형태의 입구 유동이 상향 쏠림이나 균일 유동에 비해 압력 손실이 크다. 균일하게 입구로 유입되는 유동과 비교하면 촉매 층 입구까지는 26.3%, 전 유동 영역에서는 10.2% 증가하였다.

전산 시뮬레이션의 결과에서 탈질 설비의 주요 성능을 정확히 예측하기 위해서는 유입되는 배기가스의 형태에 대한 고려도 필요하다고 사료 된다.

References

2020, Kim, H.S., Kasipandi, S., Kim, J., Kang, S.H., Kim, J.H., Ryu, J.H. and Bae, J.W., "Current Catalyst Tecnology of Selective Catalytic Reduction (SCR) for NO_x Removal in South Korea," Catalyst, Vol.2020, No.10, pp.1-36. 10.3390/catal10010052

2020, Kim, M.G. and Chung, H.T., "Computational Analysis of Performance Improvement by Control of Ammonia Injection in DeNOx System of Coal-Fired Power Plant," J. Compt. Fluids Eng., Vol.25, No.2, pp.91-97. 10.6112/kscfe.2020.25.2.091

2019, Lee, D.H., "Application of CFD Methods to Flow Control of Ammonia Injection Nozzles in SCR DeNOx System," Gyeongsang Nat'l Univ., Master Thesis.

2016, Zhao, D., Sheng, H. and Zheng, W., "CFD Study on Selective Catalytic Reduction of 660MW Unit," Int'l Conf. on Machinery, Materials and Computing Technology.

2013, Xu, Y., Zhang, Y., Wang, J. and Yuan, J., "Application of CFD in the Optimal Design of a SCR-DeNOx System for a 300 MW Coal-Fired Power Plant," Computer and Chemical Eng., Vol.2013, No.49, pp.50-60. 10.1016/j.compchemeng.2012.09.014

2019, Liu, G., Cui, Y., Ji, J., Li, C. and Luo, K., "A Technical Method to Improve NOx/NH3 Mixing Ratio in SCR System and Ita Engineering Application," J. Energy Inst., Vol.2019, No.92, pp.1757-1764. 10.1016/j.joei.2018.12.005

2019, LI, N., Wang, H., Xu, H. and Miao, H., "Application of Agent Model in the Optimal Design of AIG for SCR-DeNOx System," Eng. Comptutations(Swansea, Wales), Vol.2019, No.36, pp.3016-3028. 10.1108/EC-02-2019-0064

2021, Kim, M.G., Seo, D.C. and Chung, H.T., "A CFD Study on Flow Control of Ammonia Injection for Denitrification Process of SCR System in Coal-Fired Power Plants," Energies, Vol.2021, No.14, pp.1-15. 10.3390/en14051352

2010, Park, M.G., "The Numerical Study on the Role of Baffles for Determining the Flow Characteristics in SCR System," Yeungnam Univ., Master Thesis.

2020, Lee, C.S., Kim, M.G. and Chung, H.T., "Numerical Study on the Aerodynamic Characteristics inside Curved-Diffusing Parts of DeNox Facilitis in Coal-Fired Power Plant," J. Compt. Fluids Eng., Vol.25, No.1, pp.13-19. 10.6112/kscfe.2020.25.1.013

2022, Lee, C.S., Kim, M.G. and Chung, H.T., "A CFD Study on Aerodynamic Performance by Geometrical Configuration of Guide Vanes in a Denitirfication Facility," Clean Technol., Vol.28, No.4, pp.316-322.

2014, Oh, B.J., "Prognosis and Health Management of Boiler Tube and SCR Fossil Power Plant," Ajou University, Ph.D. Dissertation paper

2012, Lee, K.S., "CFD Analysis for the optimization of SCR System in Yeongheung Power Plant," Doc. No.YH-FGD-001, KOEN.

2011, Kim, M.S., "A Study on the Improvement of Efficiency for DeNOx System in 350 MW Thermal Power Plant Using CFD," Ajou Univ., Master Thesis.

2014, Oh, B.J.,"A Study on the Temperature Distribution Characteristics in the Tube Modules of a Heat Recovery Steam Generator in the Changes of Heat Transfer Modeling," J. Energy Eng., Vol.24, No.2, pp.103-109. 10.5855/ENERGY.2015.24.2.103

2017, ANSYS, ANSYS CFD - Fluent Guide, ANSYS Inc.

Journal of Computational Fluids Engineering ISSN:1598-6071(Print) 3022-6252(Online) 한국전산유체공학회지

Preview

THE EFFECT OF INLET FLUE GAS PATTERN ON THE PERFORMANCE PREDICTION OF DeNOx SYSTEM USING CFD METHODS

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1.

Set up of DeNOx facility in Samcheonpo thermal power plant(Ref. [8])

Fig. 2.

Definition sketch of the flow fields inside the DeNOx system

Table 1.

Flow conditions

Fig. 3.

Flow pattern of the inlet flue gas

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Fig. 4.

Computational meshes for the entire flow domain

Fig. 5.

Comparison of velocity distribution for the entire flow field

Fig. 6.

Comparison of spanwise velocity distribution prior to AIG

Fig. 7.

Comparison of spanwise velocity distribution at the inlet of catalyst layer

Table 2.

Comparison of velocity uniformity, RMS of velocity

(8)

Fig. 8.

Distribution of NH3/NO molar ratio for the entire flow field

Fig. 9.

Comparison of NH3/NO molar ratio prior to the inlet of the curved-diffusing duct

Fig. 10.

Comparison of NH3/NO molar ratio at the inlet of catalyst layer

Table 3.

Comparison of RMS of NH3/NO molar ratio

Fig. 11.

Comparison of total pressure distribution for the entire flow field

Table 4.

Comparison of pressure drops

Table 5.

Summaries of performance deviation

References

Set up of DeNO_x facility in Samcheonpo thermal power plant(Ref. [8])

Definition sketch of the flow fields inside the DeNO_x system

Distribution of NH₃/NO molar ratio for the entire flow field

Comparison of NH₃/NO molar ratio prior to the inlet of the curved-diffusing duct

Comparison of NH₃/NO molar ratio at the inlet of catalyst layer

Comparison of RMS of NH₃/NO molar ratio