Gemilerde kullanılan seçici katalitik indirgeme sistemlerinde tortu oluşumunun ve azot oksit indirgeme performanslarının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of urea-deposit formation and nitrogen oxide reduction performances in selective catalytic reduction systems used on marine vessels
Yazar: TALAT GÖKÇER CANYURT
Danışman: PROF. DR. SELMA ERGİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Gemiler, dünya çapında mal ticareti ve deniz ulaşımı için kritik role sahip olmaları ile beraber çevreye ve insan sağlığına zarar veren gazlar (emisyonlar) yaymaktadır. Emisyonların kontrolü için çeşitli Emisyon Kontrol Sistemlerine (EKS) başvurulmaktadır. Dizel motorlu gemilerin yaydığı emisyonlar arasında azot oksit (NOX) emisyonları çevreye ve insan sağlığına tehdit oluşturabilirler. Bu nedenle, gemi endüstrisinde NOX emisyonlarının kontrolü için teknolojik çözümler geliştirilmektedir. Gemilerin NOX emisyonlarının kontrolünde en umut vadeden EKS teknolojileri arasında Seçici Katalitik İndirgeme (SCR) sistemleri gösterilebilir. Günümüz dizel teknolojisi ile Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO)'nün Emisyon Kontrol Alanları (ECA) bölgelerinde geçerli Aşama III emisyon limitleri sağlanamamaktadır. Bu yüzden gemiler için SCR sistemleri üzerine yapılacak araştırmalar önem arz etmektedir.
Gemilerin yaydığı NOX emisyonlarının kontrol altına alınabilmesi için yüksek performanslı SCR sistemi tasarımının ortaya konulması önemlidir. Karmaşık kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği SCR sistemlerinde istenmeyen kimyasal reaksiyonlar sonucu EKS metal yüzeylerinde tortu oluşumu meydana gelebilir. SCR sistemlerinde gelişen tortu oluşumu,  bu sistemlerde ve motorda çeşitli arızalara neden olabilir.
SCR sistemlerinde tortu oluşumunu araştırmak için özgün bir deneysel çalışma ortaya konulmuştur. Deneysel çalışmada düşük gaz sıcaklığı çalışma koşullarında tortu oluşumu detaylı olarak incelenmiştir. "Basit Plaka" adını verilen bu deneysel çalışmada gaz geçen bir kurulumda bulunan plaka üzerine enjektör vasıtasıyla Üre-Su Çözeltisi (ÜSÇ) püskürtülerek kontrollü bir şekilde tortu oluşturulmıştur. Tortu oluşumu nedeniyle ÜSÇ püskürtülen metal plakadaki sıcaklık değişimleri ayrıntılı olarak incelenmiştir. 5 farklı çalışma koşulunda 3 farklı şiddette tortu oluşumu seviyeleri incelenmiştir. Deneysel çalışmadan elde edilen sonuçlara göre, sıvı film oluşumu nedeniyle metal plakadaki soğumalar sprey ayak izi bölgesinde meydana gelmiştir. Ancak, en yoğun tortu oluşumu egzoz gazının düşük hızla ulaştığı, sıvı filminin buharlaşamadığı ve akışın durağan olduğu bölgelerde gerçekleşmiştir. Sayısal modelle elde edilen sonuçlar deneysel çalışmayla uyumlu bulunmuştur. Deneysel ve sayısal çalışmalar arasındaki farklar %3.51'in altındaki belirsizlik düzeyindedir. Plakada tortulanmaya bağlı olarak gelişen sıcaklık düşüşleri, deneysel verilerle yüksek seviyede benzerlik göstererek, damlacık duvar ilişkisi, damlacık duvar momentumu ve ısı transferi etkileşimi, sıvı filmi oluşumu ve üre ayrışma reaksiyonlarının doğru bir şekilde sayısal olarak modellendiğini gösterir.
SCR sistemlerinde NOX emisyonunun azaltılması hedeflenirken amonyak (NH3) emisyonu gerçekleşebilir. Literatürde amonyak kaçağı olarak isimlendirilen bu durumun gerçekleşmesi amonyak'ın toksisitesi sebebiyle arzu edilmez. SCR sistemlerinde yüksek seviyede NOX çevrimi ile düşük seviyede tortu oluşumu ve minimum düzeyde amonyak kaçağı hedeflenir. Bu çalışma için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yönteminin kullanıldığı Hibrit Sayısal Model ve hesaplama metodolojisi ortaya konularak; SCR sistemlerinde tortu oluşumu, NOx çevrimi ve amonyak kaçağı durumlarının birbirlerine olan etkileri sayısal olarak incelenmiştir.
Bu çalışmada ortaya konulan Hibrit Sayısal Modelin bu şekilde isimlendirilmesinin nedeni; bu modelin birbirinden farklı iki yaklaşım kullanan HAD modelinin veri alışverişi ile birlikte olarak çözümünün sağlayan bir sayısal model setine ve hesaplama metodolojisine sahip olmasıdır. Hibrit Sayısal Model'de EKS içerisindeki genel egzoz gaz akışı ve ÜSÇ damlacıklarının enjeksiyonu 3 boyutlu HAD modeli ile hesaplanırken, SCR katalizörü kanalları içerisinde gerçekleşen amonyak adsorpsiyonu, desorpsiyonu ve oksidasyonu ve NOX indirgeme ve NO oksidasyonu yüzey kimyası reaksiyonlarının meydana geldiği akış problemleri ise tek boyutlu HAD modeli kullanılarak çözümü gerçekleştirilmiştir. Tek boyutlu HAD modelinin başlangıç ve operasyon koşulları 3 boyutlu HAD modelinden alınan veriler ile sağlanır.
Hibrit Sayısal Modelin önemli bir unsuru, tortu oluşumudur. Bu yüzden tortu oluşumunun sayısal olarak doğru modellenmesi önemlidir. Ortaya konulan sayısal model ile tortu oluşumu üzerine bulunan sonuçların güvenilir olduğu Basit Plaka çalışması ile kanıtlanmıştır. Sayısal modelin SCR sistemlerinde iki aşamalı biçimde gerçekleşen üre-amonyak ayrışmasının deneysel veriler ile doğrulanmasına ihtiyaç duyulmuştur. Bunun için literatürde sıklıkla başvurulan bir çalışmadan yararlanılmıştır. Deneysel çalışmada ÜSÇ enjeksiyonu için boyutsuz amonyak ayrışma oranları ile HAD modelinin doğrulaması yapılmıştır. HAD ile deneysel çalışmalarla ortalama olarak %3.5 hata oranında doğrulukta sonuçlar elde edilmiştir. 
Tek boyutlu HAD modeli kullanılarak, literatürdeki bir deneysel çalışmada Cu-ZSM-5 (Bakır Zeolit) malzemeli katalizörün kullanıldığı katalizör kanallarında gerçekleşen yüzey kimyası reaksiyonlarının sayısal olarak hesaplandığı bir çalışma yapılmıştır. Farklı katalizör sıcaklıklarında amonyak adsorpsiyonu, desorpsiyonu ve oksidasyonu, NOX indirgeme ve NO oksidasyonu reaksiyonlarının incelendiği deneysel çalışmadan alınan ölçümler, sayısal sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Tek boyutlu HAD modelinin yeterli düzeyde doğru sonuçlar göstermiştir. Böylece, Hibrit Sayısal Modelin bütün bileşenlerinin doğrulama çalışması başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir.
Hibrit Sayısal Modelin kullanacağı parametrik bir SCR sistemi geometrisi belirlenmiştir. Karmaşıklıktan arındırılmış olan düz yapıda bir SCR sistemi geometrisinde değişkenler, mikser konumu ve mikser konumunu referans alan ÜSÇ enjeksiyonu konumudur. Parametrik SCR sisteminin 3 farklı operasyon koşulu altında sayısal analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma koşullarında yalnızca ÜSÇ dozlama oranı değiştirilmiş olup gaz sıcaklığı ve debisi sabit tutulmuştur. Miksersiz SCR sistemi konfigürasyonu durumları da incelenmiş olup bunlar için tek çalışma koşulu uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre; SCR sisteminde mikserin kullanımı ve mikserin konumu, SCR sisteminin performansını doğrudan etkilemektedir. Mikserlerin üre-amonyak ayrışması ve ayrışan amonyak'ın egzoz gazı içerisinde homojen olarak dağılmasında ve bunun da NOX çevrim performansını doğrudan etkilediği gösterilmiştir. SCR durumları birbirleri ile karşılaştırıldığında, miksersiz SCR durumları ile aynı çalışma koşullarında farklı konumlara mikser yerleştirildiği SCR durumları arasında SCR performansı açısından dramatik farklar kaydedilmiştir. Miksersiz durumlardaki NOX çevrim oranları, aynı çalışma koşullarında mikser kullanıldığında %84 ile %165 oranlarında artış göstermektedir.
SCR sistemlerinde oluşan tortulanmanın üre-amonyak ayrışması verimlerini ve dolayısıyla NOX çevrim oranını doğrudan etkilediği gösterilmiştir. Üre-amonyak ayrışması verimi, egzoz gazındaki NOX'a molar olarak oranlandığı Amonyak-NOX Oranı (ANR) üzerinden değerlendirilmiştir. Çalışma koşulları altında ÜSÇ dozlama oranı kademeli olarak artırıldığında, ANR'nin aynı oranda artmadığı gözlemlenmiştir. Aynı mikser konumu ve ÜSÇ enjeksiyon referans konumu konfigürasyonlarına sahip SCR durumlarında, ÜSÇ dozlama oranı %50 artırıldığında, ANR değerlerinin en fazla %34 oranında arttığı tespit edilmiştir. Benzer şekilde, orta derecede yüksek dozlama oranına sahip bir çalışma koşulu için dozlama oranı %33.3 artırıldığında, ANR değerlerinin en fazla %20.1 oranında arttığı görülmüştür. Değişen çalışma koşullarında, tortulanmanın dozlama oranındaki artıştan daha fazla meydana geldiği belirlenmiştir. Artan dozlama oranıyla birlikte üre-amonyak ayrışması verimindeki düşüşün, tortulanma oranındaki artıştan kaynaklandığı gösterilmiştir.
SCR katalizörüne ulaşan amonyak miktarı ve egzoz gazı hız dağılımlarının NOX çevrim oranın doğrudan etkilediği bulgulara ulaşılmıştır. Katalizör ön yüzündeki hız ve amonyak dağılımının zayıf olması, katalizörün NOX çevrim oranı kapasitesinin altında performansta NOX çevirmesine neden olmakta ve katalizör çıkışındaki amonyak kaçağını artırmaktadır. SCR sistemlerinde mikserin konumu ve ÜSÇ dozlamasının referans konumu püskürtülen ÜSÇ'nin ayrıştığı amonyak'ın egzoz gazına olan karışımını dolayısıyla NOX çevrim oranı ve amonyak kaçağı performanslarını doğrudan etkilediği sonucuna ulaşılmıştır.
Parametrik çalışmada çalışılan SCR sistemi için farklı mikser ÜSÇ konumları konfigürasyonlarıyla ve farklı operasyon koşulları altında geniş bir çözüm havuzu elde edilmiştir. Elde edilen çözüm havuzundaki sonuçlar ile Kriging yöntemi kullanılarak, SCR geometrik parametrelerinin tortulanma, NOX çevrim oranı ve amonyak kaçağı değerlerine olan etkileri haritalandırılmıştır. Bu haritalardan faydalanarak, tahmini olarak yüksek NOX çevrim oranı, düşük tortulanma ve amonyak kaçağı performansına sahip en verimli SCR geometrisine ve ÜSÇ enjeksiyon konumu konfigürasyonuna ulaşılmıştır. Bu konfigürasyona sahip SCR sistemi için Hibrit Sayısal Modeli kullanılarak sayısal çözümü gerçekleştirilmiştir. Haritalar kullanılarak elde edilen tahmini sonuçlar, Hibrit Sayısal Modeli sonuçlarının %1.0'in altı seviyesinde yüksek benzerlikte olduğu görülmüştür. Böylece oluşturulan haritaların geçerli olduğu sonucuna da ulaşılmıştır.
Hibrit Sayısal Model, gemilerde kullanılabilecek bir Seçici Katalitik İndirgeme (SCR) sisteminin en üst düzeyde performans sergilemesi için optimize edilebilmesine olanak sağlayan bir sayısal model ve hesaplama metodolojisi sunmaktadır. Hibrit Sayısal Modeli ile SCR sistemli bir EKS için farklı parametrelerin de eklenerek performans açısından daha etkin tasarımlara ulaşılmasının mümkün olduğu öngörülmektedir. Bu çalışma, farklı tipteki mikser tasarımlarının, mikser geometrisi parametrelerinin, karmaşık bir EKS'deki daralma ve genişleme kanallarının karmaşık tasarımlarının, farklı tipte SCR katalizörlerinin SCR performansına olan etkilerinin Hibrit Sayısal Modeli ile belirlenebileceğini göstermektedir.

Abstract:
Marine vessels, playing a crucial role in international trade and maritime transportation, are also responsible for the emission of gases that pose detrimental effects on the environment and human health. Numerous Exhaust Aftertreatment Systems (EATS) are implemented to regulate the emissions generated by diesel-powered ships. Within these emissions, nitrogen oxide (NOx) emissions stand out as a potential threat to both the environment and human health. Consequently, the maritime industry is actively developing technological solutions to effectively control NOx emissions. Among these solutions, Selective Catalytic Reduction (SCR) systems emerge as one of the most promising EATS technologies for mitigating NOx emissions from ships. The current state of diesel technology falls short of meeting the Stage III emission limits specified by the International Maritime Organization (IMO) for Emission Control Areas (ECA). Therefore, comprehensive research focused on developing and optimizing SCR systems for marine applications holds substantial significance and urgency. By addressing the challenges posed by NOx emissions, such research endeavors aim to achieve enhanced environmental sustainability and human well-being within the maritime domain.
The development of a high-performance Selective Catalytic Reduction (SCR) system design assumes paramount importance in effectively controlling the nitrogen oxide (NOx) emissions emanating from ships. SCR systems, characterized by intricate chemical reactions, necessitate careful consideration to mitigate undesired chemical reactions that could potentially result in the formation of urea deposits on the metal surfaces of Exhaust Aftertreatment Systems (EATS). The formation of these deposits within SCR systems can give rise to various malfunctions, not only within the systems themselves but also within the engine. Consequently, addressing the challenges associated with deposit formation in SCR systems becomes crucial in order to ensure the seamless operation and long-term reliability of both the systems and the engine, thereby advancing the goals of environmental sustainability and regulatory compliance in the maritime industry.
An extensive and unique experimental investigation was undertaken to study deposit formations in Selective Catalytic Reduction (SCR) systems. The experimental study, titled "Basic Plate," meticulously examined deposit formation phenomena under low gas temperature operating conditions. The study introduced a box-shaped experimental setup that gas flow could pass through. An injector was used to spray Urea-Water Solution (UWS) onto the plate where in the box-shaped experimental setup. The purpose of the analysis was to examine the temperature changes that happened on the metal plate as a result of the deposit formations. The experimental study investigated three deposit formation severities, which were explored across five different operating conditions. The findings derived from the experimental results revealed that cooling on the metal plate predominantly developed within the spray footprint area due to the liquid formation. Nevertheless, the deposit formations mostly occurred in regions characterized by low gas velocity, impeding the liquid film evaporation and resulting in the stagnant flow. Also, numerical studies were carried out. The numerical results were a good match with the experimental investigation. The differences between the experimental and numerical studies were below the uncertainty threshold of 3.51%. The concurrence between experimental and numerical results of the temperature decrease resulting from the deposit formations on the plate provided evidence of the numerical model's fidelity in accurately simulating key phenomena such as droplet-wall interaction, droplet-wall momentum, and heat transfer interaction, liquid film formation, and urea decomposition reactions. These findings collectively underscore the effectiveness and fidelity of the numerical simulations in capturing the complex physical phenomena associated with deposit formations in SCR systems.
In an effort to mitigate nitrogen oxide (NOx) emissions in Selective Catalytic Reduction (SCR) systems, ammonia (NH3) emissions can develop due to inefficiencies in SCR or overdosing UWS. This phenomenon, commonly referred to as ammonia slip in the literature, is undesirable due to the inherent toxicity associated with ammonia. Within the framework of SCR systems, the primary objective is to achieve high levels of NOx reduction while simultaneously minimizing deposit formation and minimizing the occurrence of ammonia slip. In order to comprehensively explore the intricate interplay between deposit formation, NOx conversion efficiency, and ammonia slip, this study endeavors to develop a Hybrid Numerical Model and computational methodology employing Computational Fluid Dynamics (CFD). Employing this innovative modeling approach, it is aimed to numerically investigate and analyze the multifaceted effects of deposit formation, NOx conversion efficiency, and ammonia skip within SCR systems. The integration of the Hybrid Numerical Model and CFD-based computational methodology provides a powerful tool for conducting detailed simulations and gaining valuable insights into the complex dynamics of SCR systems, facilitating the optimization of these systems for enhanced NOx reduction performance while mitigating potential ammonia slip concerns.
The present study introduces the Hybrid Numerical Model, which derives its name from the integration of two types of Computational Fluid Dynamics (CFD) models and data exchange, within a unified numerical model set and computational methodology. This Hybrid Numerical Model offers a comprehensive framework for effectively addressing the complex phenomena encountered in Selective Catalytic Reduction (SCR) systems. The Hybrid Numerical Model leverages the power of a three-dimensional CFD model to accurately capture the overall exhaust gas flow within the Exhaust Aftertreatment Systems (EATS) and simulate the injection of Urea-Water Solution (UWS) droplets.  The Hybrid Numerical Model also includes the one-dimensional CFD model employed to solve the intricate surface chemistry associated with ammonia adsorption, desorption, oxidation, NOx reduction, and NO oxidation that occur within the SCR catalyst channels. By utilizing these two complementary models, the Hybrid Numerical Model enables a comprehensive understanding of the complex phenomena taking place within the SCR system.
The one-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) model was validated using Cu-ZSM-5 catalyst which has the experimental study for surface chemistry reactions in the literature. Experimental measurements of ammonia adsorption, desorption, oxidation, NOx reduction, and NO oxidation at different catalyst temperatures were compared with the numerical results. The one-dimensional CFD model exhibited accurate results with the experimental results. Consequently, all components of the Hybrid Numerical Model were validated. The validated Hybrid Numerical Model serves as a valuable tool for investigating and optimizing SCR systems, providing insights into deposit formation and NOx reduction efficiency while addressing ammonia slip concerns.
The parametric SCR system geometry was determined for the Hybrid Numerical Model. The SCR system geometry has a simplified straight structure. In the SCR system changing parameters were determined as the mixer position and the UWS injection position relative to the mixer position. Numerical analyses of the parametric SCR system were conducted under three different operating conditions. In these conditions, only the UWS dosing rate was varied while keeping the gas temperature and the flow rate the same. In the study, SCR system cases without a mixer were also examined, and a single operating condition was applied to them. According to the results obtained, the use of a mixer and its position directly influences the performance of the SCR system. It was shown that the mixers play a direct role in the urea-ammonia decomposition and the homogeneous distribution of decomposed ammonia within exhaust gas reached on the front face of the SCR catalyst, thereby directly impacting the NOx reduction performance. Substantial inefficiencies in SCR performances were found in the cases without mixers compared to the cases with mixers. The NOx conversion rates in the SCR cases with mixers were found to range from 84% to 165% more than the SCR cases without mixers under the same operating conditions.
The impact of deposit formations on the urea-ammonia decomposition efficiency and subsequent nitrogen oxides (NOx) conversion rate in selective catalytic reduction (SCR) systems were well-established. Evaluation of urea-ammonia decomposition efficiency using the Ammonia-to-NOx Ratio (ANR) revealed that, under specific operating conditions, increasing the UWS dosing rate did not proportionally raise the ANR. In the SCR system with the same mixer position and UWS injection reference positions for the mixer, a 50% increase in UWS dosing rates in all cases yielded a maximum ANR increase of 34%. Similarly, when the dosing rates in all cases were increased by 33.3% further, the maximum ANR increased by 20.1%. Notably, deposit formation was found to occur more than the increase in dosing rate across varying operating conditions, leading to decreased urea-ammonia decomposition efficiency. Thus, the decrease in efficiency for urea-ammonia conversion with higher dosing rates was attributed to enhanced deposit formation.
It is found that the amount of ammonia by UWS injection reaching the SCR catalyst front face and the distribution of exhaust gas velocity directly affect the NOx conversion rate. Weak velocity and ammonia distribution on the catalyst front surface result in lower performance of NOx conversion capacity and increase the ammonia slip at the catalyst outlet. The position of the mixer and the reference position of UWS dosing in SCR systems directly impacted the mixture of decomposed ammonia from the injected UWS into the exhaust gas, and thus, the NOx conversion rate and ammonia slip performance.
In the conducted parametric study, an extensive range of solutions was obtained for the selective catalytic reduction (SCR) system under investigation, encompassing different configurations of mixer urea-water solution (UWS) positions and operating conditions. The results were utilized to assess the impact of SCR geometric parameters on deposit formation, NOx conversion rate, and ammonia slip values, employing the Kriging method for mapping purposes. Through these generated maps, the most effective SCR geometry and UWS injection position configuration, exhibiting a high NOx conversion rate, minimal deposit formation, and low ammonia slip performance, were identified. Subsequently, numerical simulations were performed using the Hybrid Numerical Model for the SCR system incorporating this optimized configuration. The predicted results obtained from the maps exhibited a high level of similarity, with differences of less than 1.0%, when compared to the results derived from the Hybrid Numerical Model. This close agreement further substantiated the validity and reliability of the generated maps.
The Hybrid Numerical Model represents a comprehensive numerical framework and computational methodology, that can be specifically tailored for the optimization of selective catalytic reduction (SCR) systems to attain peak performance levels in marine vessels. By leveraging the capabilities of the Hybrid Numerical Model, diverse parameters within an SCR system can be effectively incorporated, facilitating the development of highly efficient designs in terms of performance. Through the utilization of the Hybrid Numerical Model, a thorough understanding of the intricate interplay between concerned design factors and SCR performance can be attained, enabling the identification of optimal configurations that maximize system efficiency.