선택적 촉매 환원 시스템을 위한 직분사 노즐의 개발
Design and Analysis of a Direct Injection Nozzle to Minimize Ammonia Slip in a SCR System
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초록
본 연구는 석탄화력 SCR 시스템에서 암모니아슬립 최소화를 위한 NH₄OH 직분사 노즐-정적혼합기 통합 설계를 최적화하여 NH₃/NOx 몰비 균일성 8.3% RMS, 유속 균일성 2.7% RMS, 온도편차 ±0.4°C, 압력 손실 110.0 mmH₂O를 달성하였다. PDPA 실험 검증을 통해 CFD 예측 오차12% 이내의 신뢰성을 확인하였으며, 기존 시스템 대비 유속 균일성 2.7배, 온도 균일성 25배 개선으로 목표치를 상회하는 성능을 입증하였다. 요소분해 반응기 제거 및 노즐-혼합기 동기화 설계를통해 시스템 복잡성을 감소시켰으며, 동적 부하 조건에서의 운영 안정성을 확보함으로써 산업 현장 적용 가능성을 제시하였다.
Abstract
This study optimizes an integrated NH₄OH direct-injection nozzle and static mixer design for coal-fired SCR systems to enhance NOx removal efficiency while minimizing ammonia slip. Through multiphysics CFD analysis coupled with Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA) validation, we achieved NH₃/NOₓ molar ratio uniformity of 8.3% RMS, velocity distribution uniformity of 2.7% RMS, temperature deviation of ±0.4°C, and total pressure loss of 110.0 mmH₂O, surpassing all design targets. The optimized configuration demonstrated 2.7 times higher velocity uniformity and 25 times greater temperature homogeneity compared to conventional systems. By eliminating urea decomposition reactors and implementing a synchronized nozzle-mixer design, this approach reduces system complexity while ensuring operational reliability under dynamic load conditions, providing a practical solution for industrial NOₓ abatement.