일체형 PM/NOx 동시 저감장치의 최적 설계를 위한 수치 해석적 연구

Abstract

A number of efforts have been made to reduce air pollutants implementing exhaust gas after-treatment devices. However, several problems such as high back pressure on the diesel engine and replacement of the filter are still unsettled. In this thesis, a guideline is provided by studying the flow characteristics inside the device and the change of back pressure. Moreover, the optimal design of the integrated device which can simultaneously reduce PM and NOx has been suggested. Ansys fluent was used to apply porous media conditions to DPF and SCR by setting porosity to 30 %, 40 %, 50 %, 60 % and 70 %. In addition, the effect of inlet velocity on back pressure has been analyzed by applying the different velocities of 7.4m/s, 10.3m/s, 13.1m/s and 26.2m/s as boundary condition. The result of CFD analysis indicates that the back pressure of the device was greatly affected by the inlet velocity. The maximum back pressure was 130.8 mbar and the minimum back pressure was 17.0 mbar. Furthermore, A 68.0 mbar back pressure which is the engine maker’s gulideline regarding the 1800kW engine was satisfied when the inlet velocity is 7.4 m/s, 10.3 m/s, and 13.1 m/s. The results obtained by CFD analysis suggest that the device is suitable for small and medium class vessels.|대기오염물질을 저감 하기 위한 배기 후처리 장치 연구는 일부 진행 중이지만 엔진 배압 및 필터 교체에 대한 문제가 발생하고 있다. 본 연구에서는 PM 및 NOx를 동시 저감 할 수 있는 일체형 장치의 최적 설계를 위해 장치 내부유동과 입·출구 압력을 통한 배압의 변화를 연구하여 적절한 기준을 제시하였다. Ansys fluent를 활용하여 DPF 및 SCR에 다공성 매체 조건을 적용하였고 공극률은 30 %, 40 %, 50 %, 60 % 및 70 %로 설정하였다. 또한, 엔진 부하에 따른 Inlet 속도를 경계조건으로 7.4 m/s, 10.3 m/s, 13.1 m/s 및 26.2 m/s로 적용하여 배압에 미치는 영향을 분석하였다. CFD 분석 결과, 장치의 배압은 입구 속도에 영향을 크게 받고 최대 배압은 130.8 mbar이며 최소 배압은 17.0 mbar였다. 또한, 입구 속도 7.4 m/s, 10.3 m/s 및 13.1 m/s일 때 선박 엔진 메이커 배압 기준 68.0 mbar를 만족하였고 본 연구 대상이 중소형급 엔진에 적합한 장치임을 의미한다.