Gemi dizel motorlarında kullanılan seçici katalitik indirgeme sistemlerinin tasarım ve performans açısından incelenmesi
Investigation of selective catalytic reduction (SCR) systems used in marine diesel engines in terms of design and performance
Yazar: KUBİLAY BAYRAMOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜNER ÖZMEN
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi Makineleri İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Denizcilik = Marine ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Amonyak = Ammonia ; Basınç düşmesi = Pressure drop ; Emisyon = Emission ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Seçici katalitik indirgeme = Selective catalytic reduction

Özet:
Gemilerden kaynaklı NOX emisyonlarının azaltılması amacıyla Uluslararası Denizcilik Örgütü International Maritime Organization (IMO) tarafından kısıtlamalar getirilmiştir. Bu kısıtlamaların sağlanmasında kullanılan en etkili yöntemlerden biri de Seçici Katalitik İndirgeme–Selective Catalytic Reduction (SCR) sistemleridir. Bu çalışmada iki zamanlı ve dört zamanlı olmak üzere iki farklı gemi dizel motoru için SCR sistem tasarımı ve performans parametreleri sayısal olarak incelenmiştir. Sayısal analiz çalışmaları sonlu hacimler yöntemi ile zamandan bağımsız olarak gerçekleştirilmiş ve sınır koşulları literatür verileri ile doğrulanmıştır. Modellenen sistem için SCR boyu, SCR sistem çapı, kullanılan katalizörün aktivasyon enerjisi ile karışım odası uzunluk ve konumunun en uygun değerlerinin belirlenmesi amacıyla %85 yük koşulunda parametrik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Elde edilen en uygun tasarım parametreleri olan 1200 mm SCR boyu, 760 mm SCR sistem çapı ve 4000 mm karışım odası uzunluğu için SCR sistem performansı değerlendirilmiştir. Farklı motor yükleri için IMO gerekliliklerini sağlayan Üre-Su Çözeltisi–Urea-Water Solution (UWS) miktarı ile bu miktarlar için NOX azaltma performansı ve amonyak kayma miktarı belirlenmiştir. Ayrıca herhangi bir NOX emisyon kısıtlamasına karşılık SCR Baypas Valfi-Reactor Baypass Valve (RBV) açıklığının sistem NOX, NH3 kayması ve basınç düşümü üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. SCR sistemi boyunca aynı akış hızı için farklı egzoz debisi ve farklı giriş NOX oranları için parametrik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda her bir yük durumu için IMO Tier III sınırlamasını sağlayan UWS püskürtme miktarları sırasıyla 103 l/h, 91 l/h, 85 l/h, 62 l/h ve 38 l/h olarak belirlenmiştir. %20 RBV açıklık oranından büyük oranlarda hem NOX emisyonları hem de amonyak kayması üstel bir şekilde artmaktadır.

Abstract:
Restrictions have been introduced by the international maritime organization (IMO) to reduce NOX emissions from ships. Selective Catalytic Reduction (SCR) systems are one of the most effective methods used to meet these restrictions. In this study, SCR system design and performance parameters for two different marine diesel engines, two-stroke and four-stroke, were investigated numerically. Numerical analysis studies were carried out with the finite volume method, steady-state, and the boundary conditions were verified with the literature data. Parametric studies were carried out at
85% load condition to determine the optimum values of SCR length, SCR system diameter, catalyst activation energy, and mixing chamber length and location. SCR system performance was evaluated for 1200 mm SCR length, 760 mm SCR system diameter and 4000 mm mixing chamber length, which are the most suitable design parameters obtained. The amount of Urea-Water Solution (UWS), which meets the emission restrictions determined by IMO for variable engine loads, and the NOX reduction performance and ammonia slip for these amounts were determined. In addition, the effect of SCR Bypass Valve (RBV) opening on system NOX, ammonia slip and pressure drop against any NOX emission restriction was evaluated. Parametric studies were carried out for variable exhaust flow rates and inlet NOX rates for the same flow rate throughout the SCR system. As a result of the study, the UWS injection amounts, which meet the IMO Tier III limitation for each load condition, were determined as 103 l/h, 91 l/h, 85 l/h, 62 l/h and 38 l/h, respectively. Both NOX emissions and ammonia slip increase exponentially at rates greater than 20% RBV opening ratio