148-148 2021 [추계학술대회]
| 제목 | 디젤엔진의 SCR에서 저온 NOx 저감 성능 개선을 위한 암모니아와 오존 가스 동시 분사 효과에 관한 연구 |
|---|---|
| 분야 | 에너지 및 배기 |
| 언어 | Korean |
| 저자 | 강원모( 과학기술연합대학원대학교), 김홍석( 한국기계연구원) |
| Key Words | Ozone(O3, 오존), Oxide of nitrogen(NOx, 질소 산화물), Low temperature(저온), Selective Catalytic Reduction(SCR, 선택적 환원 촉매), Ammonia(NH3, 암모니아) |
| 초록 |
NOx 는 기관지염, 폐렴 등으로 호흡기관에 피해를 주며 휘발성 유기화합물(VOC)과 반응하여 대기권에 오존을 생성한다. 전체 NOx 배출량 중 상당한 비율이 디젤 엔진에서 발생하기 때문에 CARB(California Air Resources Board)에서는 on-road heavy duty 디젤 엔진을 대상으로 2027년까지 NOx 배출량을 현재 배기규제보다 90% 감소한 0.02 g/bhp-hr로 규제할 계획이다. 디젤 엔진의 SCR은 배출가스 온도가 200~500℃인 일반적 엔진 운전조건에서 NOx 저감효율이 90% 이상으로 높지만 배출가스 온도가 200 ℃미만인 cold start 조건에서는 NOx 저감 성능이 매우 낮아서 대폭적인 상승이 필요할 것으로 보인다. 그러나 촉매 활성이 낮은 저온 영역에서 NOx 저감 효율을 높이는 것은 매우 어렵다. 본 연구에서는 저온조건의 NOx 저감 성능을 높이고자 SCR 전단에 암모니아뿐만 아니라 오존을 같이 분사하는 연구를 하였다. 대부분의 선행 연구들은 크기가 매우 작은 간이 촉매를 이용한 적은 유량의 실험실 규모로 진행되었다. 따라서 이 연구는 현재까지의 사전 연구 분석결과 실제 차량용 엔진의 SCR 촉매 전단에 오존을 분사하여 NOx 저감 성능을 확인한 최초의 연구라는 의미를 갖는다. 또한, 한국기계연구원에서 다년간 개발하여왔던 고체 암모늄을 이용한 암모니아 가스 공급 기술에 오존 분사를 추가하여 저온 NOx 저감 성능을 향상시키는 SCR 시스템의 개발이라는 의미가 있다. 본 연구는 배기량 3.9 L 디젤 엔진과 상용 Cu-Zeolite SCR 촉매를 이용하여 수행되었다. 오존 분사량 및 분사 위치에 따른 NO의 산화 특성과 암모니아와 오존 동시 분사에 따른 NO 및 암모니아의 산화 특성을 연구하였다. 또한, SCR 전단에 오존 분사에 따른 NOx 저감 특성을 연구하였다. 이와 같은 연구를 통해서 오존과 NO의 반응속도는 매우 빠르며, 이에 따라 오존에 의해 NO가 전부 산화된 이후에 눈에 띄는 암모니아와 오존 산화 반응을 확인할 수 있었다. 또한 SCR 전단에서 오존 분사 결과 저온에서 NOx가 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 오존을 적정량 분사하였을 경우에는 NO가 NO2로 산화되어 “Fast SCR” 조건이 형성됨에 따라 저온에서 SCR 반응이 향상되는 것으로 보이지만, 이 저온 NOx 저감 특성 향상은 NO2 와 암모니아의 반응에 따른 ammonium nitrate 생성의 영향과 오존 과잉 분사 시 발생되는 N2O5 에 의해 SCR 반응 메케니즘도 영향을 받을 가능성이 있을 것으로 보인다. |
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