KR101179650B1 - An innovative hollow electrodes plasma torch with permanent magnet fields applied in the anode region - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대용량의 폐기체 처리 등 열분해 공정에 사용되는 공동형 플라즈마 토치에 관한 것으로, 토치의 양극 주변 특정 위치에 영구자석을 장착하여 인가된 축방향의 자기장과 토치 내부에 형성되어 있는 반경방향 전류성분의 결합으로부터 발생되는 원주방향 로렌쯔힘을 이용하여 아크와 열플라즈마를 강하게 회전시켜서 전극의 침식을 완화하여 수명을 연장시키고, 토치 외부의 반응기 영역에서 열플라즈마 불꽃과 처리 대상물 간의 혼합을 용이하게 함으로써, 추가적인 전력소모 없이 열분해 효율을 향상시키기 위하여 고안되었다.The present invention relates to a cavity-type plasma torch used in pyrolysis processes such as a large-capacity waste disposal process. An axial magnetic field applied by mounting a permanent magnet at a specific position around an anode of a torch and a radial current formed inside the torch are applied. By circumferential Lorentz force generated from the combination of the components, the arc and thermal plasma are strongly rotated to mitigate electrode erosion to prolong the life, and to facilitate the mixing between the thermal plasma flame and the treated object in the reactor region outside the torch. It is designed to improve pyrolysis efficiency without additional power consumption.

Description

양극 주변에 영구자석 자장을 인가하여 성능개선을 한 공동형 플라즈마 토치 {AN INNOVATIVE HOLLOW ELECTRODES PLASMA TORCH WITH PERMANENT MAGNET FIELDS APPLIED IN THE ANODE REGION}Cavity plasma torch improves performance by applying permanent magnetic field around anode {AN INNOVATIVE HOLLOW ELECTRODES PLASMA TORCH WITH PERMANENT MAGNET FIELDS APPLIED IN THE ANODE REGION}

본 발명은 난분해성 폐기체 등을 대용량으로 열분해 처리하는데 사용되는 공동형 플라즈마 토치에 관한 것이다.The present invention relates to a cavity type plasma torch used to pyrolyze a hardly decomposable waste or the like at a large capacity.

본 발명은 난분해성 폐기체 등을 대용량으로 열분해 처리하는데 사용되는 공동형 플라즈마 토치에 관한 것으로, 양극노즐 주변부 특정 위치에 영구자석을 삽입하여 안정적인 방전을 유지하면서 아크점 회전에 의한 전극 침식완화와 더불어 추가적인 전력소모 없이 처리대상 기체의 열분해 효율을 향상시킬 수 있도록 고안되었다.The present invention relates to a cavity-type plasma torch used to thermally decompose a hardly decomposable waste material in a large capacity. The present invention relates to an electrode nozzle mitigation by rotating an arc point while maintaining a stable discharge by inserting a permanent magnet at a specific position around the anode nozzle. It is designed to improve the thermal decomposition efficiency of the gas to be treated without additional power consumption.

전기 에너지를 이용하여 발생시키는 열플라즈마는 토치 내부의 아크 중심에서 온도가 수만 도에 이르고 토치 외부로 분출되는 불꽃의 온도도 수천 도 정도이기 때문에, 기존 화석연료의 연소에 의해 얻을 수 있는 천도 정도의 온도한계를 쉽게 극복할 수 있다. 이러한 열플라즈마 불꽃은 초고온의 특성뿐만 아니라 대열용량, 고속, 화학반응의 제어 등의 특성을 가지고 있기 때문에 기계가공, 신소재 합성, 나노분말 제조 등의 산업에 널리 응용되고 있으며, 특히 최근에는 반도체 제조공정에서 발생되는 난분해성 온실기체의 처리에 이용되는 등, 유해 환경물질을 초고온 환경에서 열분해 처리하는데 기존의 연소 방법을 대체하는 청정기술로 주목받고 있다.Thermal plasma generated by using electric energy has a temperature of tens of thousands at the arc center inside the torch and a temperature of flame emitted to the outside of the torch. Temperature limits can easily be overcome. These thermal plasma flames are widely used in industries such as machining, new material synthesis, and nano powder manufacture because they have characteristics such as high heat capacity, high speed, and chemical reaction control as well as ultra high temperature characteristics. It is used as a clean technology to replace the existing combustion method for pyrolysis treatment of harmful environmental substances in the ultra-high temperature environment, such as used for the treatment of the hard-degradable greenhouse gas generated in.

열플라즈마를 발생시키는 장치인 플라즈마 토치는 입력전원의 형태, 아크의 이송여부, 전극의 모양에 따라 다양하게 구분될 수 있으며, 본 발명에 이용된 직류 비이송식 공동형 토치의 경우, 직류 전원에 의해 발생된 아크가 플라즈마 토치 내부에 존재하여 처리대상 모재로 이송되지 않으며, 음극과 양극으로 구성된 전극의 형상이 가운데가 비어있는 공동을 형성하고 있다. 비이송식 토치 운전에서는 고온의 열플라즈마 불꽃을 생성하기 위한 아크 방전이 토치 내부에서 이루어지므로, 토치 외부에서 열플라즈마 불꽃으로 주입되는 처리대상 물질의 종류와 상태에 관계없이 방전을 유지할 수 있기 때문에 일정하고 지속적인 처리공정이 이루어진다는 장점이 있다. 일반적인 막대형 또는 버튼형 음극과 양극 노즐로 구성된 전극구성에서의 아크방전은 열전자 방출에 의해 이루어지는데, 이 경우 공기나 수증기와 같이 산소가 포함된 물질을 방전기체로 사용할 경우 음극 표면이 산화되어 열전자 방출이 원활히 이루어지지 않아 안정적인 방전의 유지와 재점화가 어려워진다. 반면 공동형 전극을 사용할 경우 전극 표면의 산화와는 무관한 전계방출의 원리로 아크방전이 이루어지는 것으로 알려져 있으므로, 열분해 처리 공정에서 처리대상 물질을 열분해 한 후 안정적인 산화물 형태로 변환시키기 위해 산소가 포함된 방전기체를 자유롭게 적용할 수 있다. 이러한 장점과 함께 공동형 토치는 다른 플라즈마 토치들에 비해 출력을 증가시키기가 용이하고, 대구경의 전극으로부터 상대적으로 넓은 고온영역을 발생시킬 수 있으므로, 대용량의 대상물을 효과적으로 처리하는데 적합하다.Plasma torch, a device that generates thermal plasma, can be classified in various ways according to the type of input power, whether or not the arc is transferred, and the shape of the electrode. In the case of the DC non-feeding cavity type torch used in the present invention, The arc generated by the inside of the plasma torch is not transferred to the substrate to be treated, and the shape of the electrode composed of the cathode and the anode forms a hollow in the center. In the non-feeding torch operation, since arc discharge is generated inside the torch to generate a high temperature thermal plasma flame, the discharge can be maintained regardless of the type and state of the substance to be injected into the thermal plasma flame from the outside of the torch. It has the advantage of continuous processing. In the electrode configuration composed of a rod-shaped or button-type cathode and an anode nozzle, arc discharge is performed by hot electron emission. In this case, when an oxygen-containing material such as air or water vapor is used as a discharge gas, the surface of the cathode is oxidized, resulting in hot electron emission. It is difficult to maintain a stable discharge and to re-ignite because it is not smooth. On the other hand, when a cavity type electrode is used, it is known that arc discharge is performed on the principle of field emission irrespective of oxidation of the surface of the electrode. Therefore, oxygen is included in the pyrolysis process to convert the material to be converted into a stable oxide form. The discharge gas can be freely applied. With this advantage, the cavity-type torch is easy to increase the output compared to other plasma torches, and can generate a relatively large high temperature area from a large diameter electrode, which is suitable for effectively processing a large object.

그러나 처리 대상물이 열분해 될 수 있는 충분한 고온영역은 토치로부터 발생된 열플라즈마 불꽃의 온도분포 특성에 직접적인 영향을 받는데, 열플라즈마는 토치 출구의 불꽃 중심영역에서는 수천도 정도의 초고온을 나타내지만 이로부터 반경방향 및 축방향으로 멀어질수록 급격히 온도가 떨어지는 특징을 가지고 있다. 따라서 효율적인 열분해 공정을 위해서는 처리대상물을 불꽃 중심방향으로 강하게 주입하거나 넓은 직경의 전극을 이용하여야 한다. 열분해 공정에서 대상물을 강하게 주입하기 위해서는 이를 위해 고압을 인가시킬 수 있는 부가적인 기계 장치가 필요하며, 반도체 제조공정의 폐기체와 같이 부식성이 큰 폐기물을 처리할 경우 부가설비의 수명이 급격히 줄어들기 때문에 유지 및 보수비용이 늘어나는 단점이 있다. 또한, 앞서 언급하였듯이 공동형 토치는 막대-노즐형 또는 버튼-노즐형 토치 보다 큰 전극 직경을 가질 수 있지만, 토치 운전조건에 따라 전극 직경에 제한이 있으므로 반응기 영역에서 고온영역을 확장하는데는 근본적인 한계가 있다. 이러한 문제점들로 인하여 불꽃 외곽에서와 같이 열분해에 충분한 온도영역에 포함되지 못한 처리대상물은 완전한 분해가 이루어지지 않으며, 충분히 높은 온도가 유지되고 있는 불꽃 중심영역으로는 처리대상물이 진입하지 못하여 불필요한 전력이 소모되고 있다.However, a sufficient high temperature range for pyrolysis of the object to be treated is directly influenced by the temperature distribution characteristics of the thermal plasma flame generated from the torch, which exhibits a very high temperature of several thousand degrees in the flame center region of the torch outlet, but from this radius. As the distance increases in the direction and the axial direction, the temperature drops sharply. Therefore, for efficient pyrolysis process, the object to be treated should be strongly injected toward the center of the flame or a large diameter electrode should be used. In order to strongly inject the object in the pyrolysis process, an additional mechanical device capable of applying a high pressure is required for this purpose, and the life of the additional equipment is drastically reduced when treating a corrosive waste such as a waste product of a semiconductor manufacturing process. There is a disadvantage that the maintenance and repair costs are increased. In addition, as mentioned above, a cavity torch may have a larger electrode diameter than a rod-nozzle type or button-nozzle type torch, but there is a fundamental limit to expanding the high temperature region in the reactor region because the electrode diameter is limited depending on the torch operating conditions. There is. Due to these problems, the treatment object that is not included in the temperature range sufficient for pyrolysis, such as in the outer flame, is not completely decomposed, and the processing object does not enter the flame center region where the temperature is sufficiently high, so unnecessary power is not supplied. It is being consumed.

이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 공동형 토치의 양극 주변에 영구자석을 삽입하여 양극 아크점을 회전시키는 로렌쯔 힘을 발생하도록 하여 토치 외부로 분출되는 열플라즈마 불꽃의 회전방향 움직임을 통해 반응기에서 열분해에 충분한 고온영역을 확장하고 처리 대상물과의 난류혼합이 증가되도록 하여 추가적인 전력소모 없이 열분해 처리 효율이 향상되도록 하였다. 그런데, 자석이나 솔레노이드 등의 기구를 이용하여 토치에 자기장을 인가하는 방법은 전극의 수명을 늘리기 위한 방안으로 널리 사용되고 있으며, 본 발명에서처럼 열플라즈마 불꽃의 유동특성을 변화시키기 위해서도 일부 채용되고 있는 방법이다. 하지만 일반적으로 공동형 토치에서는 고정된 음극 아크점에 한하여 자기장을 인가함으로서 국부적으로 가해지는 열부하를 분산시켜 음극 수명을 향상시키는 방법이 사용되고 있다. 이 때 보편적으로 솔레노이드에 의한 자기장 인가방식이 채택되고 있으나, 장치 규모가 커지고 구조가 복잡해지며 추가의 전력이 필요하게 되는 단점이 있다. 또한 양극 영역에 자기장을 인가하여 열플라즈마 불꽃의 유동특성을 변화시키는 방법은 고전류-저전압의 토치 운전특성으로 인해 양극 아크점의 급격한 움직임에도 안정적인 방전을 유지하기가 용이한 막대-노즐형 토치에서 일부 사용되고 있지만, 상대적으로 저전류-고전압으로 운전되는 공동형 토치에서는 급격한 아크점의 움직임으로 불안정한 아크방전이 쉽게 유발되기 때문에 이를 고려한 올바른 자기장 인가의 간편한 방법과 고효율 열분해 공정으로의 적용이 필요하다.In order to solve this problem, in the present invention, a permanent magnet is inserted around the anode of the cavity-type torch to generate a Lorentz force that rotates the anode arc point to pyrolyze in the reactor through the rotational direction of the thermal plasma flame ejected to the outside of the torch. In order to improve the pyrolysis treatment efficiency without additional power consumption, it is possible to extend the high temperature region sufficient to increase the turbulent mixing with the object to be treated. However, a method of applying a magnetic field to the torch by using a mechanism such as a magnet or a solenoid is widely used as a method for increasing the life of an electrode, and is also partially employed to change the flow characteristics of a thermal plasma flame as in the present invention. . In general, however, in the cavity type torch, a method of improving a cathode life by dispersing locally applied heat load by applying a magnetic field only to a fixed cathode arc point is used. At this time, the magnetic field application method by the solenoid is generally adopted, but there is a disadvantage that the device size is large, the structure is complicated, and additional power is required. In addition, the method of changing the flow characteristics of the thermal plasma flame by applying a magnetic field to the anode region is a part of the rod-nozzle type torch, which is easy to maintain stable discharge in spite of the sudden movement of the anode arc point due to the high current-low voltage torch operation characteristic. Although it is being used, in the case of a cavity-type torch operated at a relatively low current-high voltage, an unstable arc discharge is easily induced due to the rapid arc point movement, and therefore, a simple method of applying a proper magnetic field in consideration of this and an application to a high efficiency pyrolysis process are required.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 대용량 열분해 공정에 적합한 공동형 토치에서 안정적으로 아크방전을 유지하면서 양극영역에 자기장을 간편하게 인가할 수 있는 영구자석의 크기 및 위치에 대한 조건을 전산모사와 실험적 방법을 통해 알아내고, 이로부터 아크점 회전에 따른 전극수명 연장과 더불어 토치 외부로 분출되는 불꽃의 유동을 변화시켜 열플라즈마와 처리 대상물 간의 혼합을 증가시켜 추가적인 전력의 소모 없이 열분해 처리 공정의 효율성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, computer simulation is performed on the condition of the size and position of a permanent magnet which can easily apply a magnetic field to the anode region while maintaining a stable arc discharge in a cavity-type torch suitable for a large capacity pyrolysis process. And the experimental method, and from this, the electrode life is extended along with the arc point rotation, and the flow of flame ejected to the outside of the torch is increased to increase the mixing between the thermal plasma and the object to be treated. It aims to improve efficiency.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the object as described above, the present invention

공동형 모양의 음극 (1)과;A hollow cathode 1;

길이 l을 가지는 양극 노즐 (2)과;An anode nozzle 2 having a length l ;

상기 두 전극 사이에서 방전기체 (10)가 와류로 주입될 수 있도록 하는 기체주입링과;A gas injection ring allowing the discharge gas 10 to be injected into the vortex between the two electrodes;

상기 기체주입구로부터 토치 출구방향으로 l/2 이상인 지점에서부터 양극 주변에 위치하는 영구자석(100)을 포함하고 있는 양극 자장인가식 공동형 플라즈마 토치를 제공하며,Providing a bipolar magnetic field applied cavity type plasma torch including a permanent magnet (100) located around the anode from a point of l / 2 or more toward the torch outlet direction from the gas inlet,

상기 양극 자장인가식 공동형 플라즈마 토치의 효과를 폐기체 열분해 공정을 통해 증명하기 위하여,In order to prove the effect of the positive electrode magnetic field applied cavity type plasma torch through the waste gas pyrolysis process,

상기 플라즈마 토치의 하부에 결합되어 폐기체(40)를 주입하고 외부와 반응영역을 분리해주는 반응기(4)와;A reactor (4) coupled to a lower portion of the plasma torch to inject a waste body (40) and to separate a reaction zone from the outside;

상기 반응기의 내부에 설치되어 폐기체의 유로를 형성하고 토치출구 근처에서 열플라즈마 불꽃에 폐기체가 주입되어 혼합될 수 있도록 하며, 반응영역을 공간적으로 제한하여 열의 손실을 줄여주는 기능을 하는 반응기 내부 가둠관(3)을 제공한다.It is installed inside the reactor to form a flow path of the waste body, so that the waste body can be mixed and injected into the thermal plasma flame near the torch outlet, and confined inside the reactor that functions to reduce the loss of heat by spatially limiting the reaction zone Provide a tube (3).

본 발명에 따른 영구자석에 의한 양극자장 인가식 공동형 플라즈마 토치는, 전자석에 의한 인가에 비해 장치가 단순 간편해지고 추가 전력이 필요 없고, 산소를 포함한 반응성 기체를 방전기체로 사용할 수 있으며, 안정적인 양극 아크점의 회전으로부터 전극수명의 효과와 더불어 열플라즈마의 와류운동을 발생시켜 처리 대상물과의 혼합을 증가시킴으로서 추가적인 전력소모 없이 대용량 열분해 공정의 처리효율을 향상 시킬 수 있다.Anodic field applying cavity type plasma torch by permanent magnet according to the present invention is simpler than the application by electromagnet and requires no additional power, and can use reactive gas containing oxygen as discharge gas, stable anode arc In addition to the effect of electrode life from the rotation of the point to generate the vortex motion of the thermal plasma to increase the mixing with the object to be treated can improve the processing efficiency of the large-capacity pyrolysis process without additional power consumption.

도 1은 본 발명에 따른 영구자석장착 양극 자장인가식 공동형 토치 및 반응기의 구성을 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명에 사용된 공동형 토치에서의 리스트라이크 현상을 보여주는 전압 측정 자료.
도 3은 본 발명에 사용된 공동형 토치에서 아크 길이에 따른 양극 아크점 위치에서의 온도분포를 보여주는 전산해석 자료.
도 4는 본 발명에 따른 양극 노즐 내부 표면에서의 자기장 세기의 전산해석 자료.
도 5는 본 발명을 적용하지 않았을 경우 공동형 토치로부터 발생된 열플라즈마 불꽃의 시간에 따른 모양 변화 측정 자료.
도 6은 본 발명에 따라 양극 영역에 자장을 인가한 공동형 토치로부터 발생된 열플라즈마 불꽃의 시간에 따른 모양 변화 측정자료.
1 is a cross-sectional view showing the configuration of a permanent magnet-mounted bipolar magnetic field applied cavity type torch and a reactor according to the present invention.
2 is a voltage measurement data showing a list-like phenomenon in the cavity-type torch used in the present invention.
Figure 3 is a computer simulation data showing the temperature distribution at the anode arc point position according to the arc length in the cavity-type torch used in the present invention.
Figure 4 is a computerized data of the magnetic field strength on the inner surface of the anode nozzle according to the present invention.
5 is a shape change measurement data over time of the thermal plasma flame generated from the cavity-type torch when the present invention is not applied.
Figure 6 is a measurement of the shape change over time of the thermal plasma flame generated from the cavity-type torch applied magnetic field to the anode region according to the present invention.

이하 본 발명을 첨부된 예시 도면에 의거 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 영구자석에 의한 양극 자장인가식 공동형 토치와 반응기로 구성된 열분해 시스템의 개략적인 단면도이다. 양극 자장인가식 공동형 토치는 일반적인 공동형 토치와 마찬기지로 공동형의 음극(1)과 노즐형태의 양극(2) 사이에 방전기체(10)를 와류형태로 주입하여 아크기둥(20)을 형성하고 유지하면서 이로부터 발생된 열플라즈마 제트(30)을 외부로 분사시키는 원리로 작동되는데, 양극 아크점(22)을 회전시키기 위하여 영구자석(100)을 기체주입구로부터 양극의 길이인 l의 절반인 l/2 이상 떨어진 곳에 위치시키는 것을 특징으로 한다. 일반적인 막대 또는 버튼형의 음극을 가지는 플라즈마 토치와는 달리 공동형 토치는 산소를 포함한 기체를 방전기체로 직접 사용할 수 있고, 상대적으로 큰 전극직경을 가지며, 출력을 증가시키기 용이하므로 대용량의 폐가스를 열분해하고 안정한 물질로 화학적 전환을 시키는데 적합하다. 하지만 아크 방전에 의해 양극 내부 표면의 침식이 일어나고, 발생되는 열플라즈마 제트(30)는 토치 출구쪽에 위치한 전극인 양극(2)의 내경에 의해 크기가 제한이 되는데, 처리 대상물인 폐기체(40)를 열분해 하기 위해 토치 출구면 아래에서 열플라즈마 흐름의 수직방향으로 폐기체가 주입될 때 열플라즈마와 폐기체의 혼합(50)이 원활히 이루어져야 반응기 내부 가둠관(3) 안쪽에서 효율적인 폐기체의 열분해 처리(60)를 기대할 수 있다.1 is a schematic cross-sectional view of a pyrolysis system composed of a positive electrode magnetic field applied cavity torch and a reactor by a permanent magnet according to the present invention. The anode magnetic field type cavity type torch is the same as a general cavity type torch and discharges the arc gas 20 by vortexing the discharge gas 10 between the cavity type cathode 1 and the nozzle type anode 2. It is operated on the principle of spraying the thermal plasma jet 30 generated therefrom to the outside while forming and maintaining, and the permanent magnet 100 is half of the length l of the anode from the gas inlet to rotate the anode arc point 22. It is characterized in that it is located at least l / 2 away. Unlike the plasma torches having a bar or button type cathode, the cavity torch can directly use oxygen-containing gas as a discharge gas, has a relatively large electrode diameter, and is easy to increase output, thereby pyrolyzing and stabilizing a large amount of waste gas. It is suitable for chemical conversion into a substance. However, the arc discharge causes erosion of the inner surface of the anode, and the generated thermal plasma jet 30 is limited in size by the inner diameter of the anode 2, which is an electrode located at the outlet side of the torch. When the waste is injected in the vertical direction of the thermal plasma flow under the torch exit surface, the mixture of the thermal plasma and the waste 50 should be smoothly to pyrolyze the efficient waste pyrolysis process inside the confinement pipe 3 inside the reactor. 60) can be expected.

토치로부터 고속으로 분출되고 있는 열플라즈마 불꽃과 이를 둘러싸고 있는 주변 기체들의 혼합은 두 기체층 사이의 좁은 영역에 존재하는 경계층의 급격한 속도구배에 의한 난류혼합에 의해 일어나는 것으로 알려져 있는데, 속도구배가 클수록 열플라즈마 불꽃의 외곽에서 주변기체를 감싸면서 관성 및 밀도차에 의해 불꽃 중심으로 혼입되는 소용돌이가 큰 규모로 빈번히 발생하여 두 기체가 잘 섞이게 된다. 따라서 경계층에서의 속도구배를 증가시키기 위해서는 토치의 출력과 방전기체의 유량을 증가시켜서 열플라즈마의 분사속도를 향상시키면 되는데, 이 경우 추가적인 전력과 방전기체가 소모되므로, 경제적인 열분해 공정에 적합하지 않다. 따라서 본 발명에서는 경계층에서의 속도구배가 열플라즈마의 유동방향인 토치 및 반응기의 축방향(z 방향)으로 기본적으로 형성되어 있고, 이 축을 중심으로 한 회전방향(θ 방향)으로 강화될 수 있도록 영구자석(100)을 양극(2) 주변에 장착하였다.The mixing of the thermal plasma flame ejected from the torch at high speed and the surrounding gases surrounding it is known to be caused by turbulent mixing due to the rapid velocity gradient of the boundary layer in the narrow area between the two gas layers. The vortex that is enclosed in the surroundings of the plasma flame to the center of the flame due to inertia and density difference occurs frequently on a large scale, and the two gases are well mixed. Therefore, in order to increase the velocity gradient in the boundary layer, it is necessary to improve the injection speed of the thermal plasma by increasing the output of the torch and the flow rate of the discharge gas. In this case, additional power and discharge gas are consumed, which is not suitable for economic pyrolysis process. Therefore, in the present invention, the velocity gradient in the boundary layer is basically formed in the axial direction ( z direction) of the torch and reactor, which are the flow direction of the thermal plasma, and is permanent so that it can be strengthened in the rotational direction ( θ direction) about this axis. The magnet 100 was mounted around the anode 2.

열플라즈마 토치에서 양극 아크점(22)은 와류로 주입되는 방전기체(10)에 의해 어느 정도의 속도를 가지고 회전한다. 또한 이러한 양극 아크점(22)의 움직임부터 발생된 회전방향 전류성분에 의해 자체 유기되는 축방향 자기장 성분과, 양극점 근처의 아크기둥(20) 형상에 따른 토치 및 반응기 중심축으로부터 멀어지는 방향인 반경방향(r 방향)으로 형성된 전류성분에 의해 회전방향 로렌쯔힘이 양극 아크점(22)에 작용하게 된다. 즉 외부 자기장을 인가하지 않더라도 양극 아크점(22)은 회전하고 있으며, 아크(20, 21, 22)에 의해 열팽창 되어 나오는 열플라즈마 제트 역시 함께 회전하게 된다. 그런데 자기장은 서로 중첩되어 보다 크게 작용할 수 있으므로, 본 발명에서와 같이 영구자석(100)으로 양극 주변에서 외부 자기장을 인가할 경우 양극 아크점(22)의 움직임이 더욱 활발해져서 아크점이 양극표면에 고정되어 일어나는 침식을 완화할 수 있다. 물론 같은 원리로 음극 아크점(21)도 회전시킬 수 있지만 음극 아크점은 토치 출구로부터 멀리 떨어져 있고 초고온의 열플라즈마는 높은 점성을 가지고 있기 때문에, 음극 아크점이 회전하더라도 토치 출구로 뿜어져 나오는 열플라즈마 불꽃(30)의 회전에 미치는 영향은 미미하다.In the thermal plasma torch, the anode arc point 22 is rotated at a certain speed by the discharge gas 10 injected into the vortex. In addition, the axial magnetic field component induced by the rotational current component generated from the movement of the anode arc point 22 and the radius that is away from the central axis of the torch and the reactor according to the shape of the arc column 20 near the anode point. The rotational Lorentz force acts on the anode arc point 22 by the current component formed in the direction ( r direction). That is, even without applying an external magnetic field, the anode arc point 22 is rotated, and the thermal plasma jet that is thermally expanded by the arcs 20, 21, 22 also rotates together. By the way, since the magnetic fields can overlap each other and act larger, when the external magnetic field is applied around the anode with the permanent magnet 100, the movement of the anode arc point 22 becomes more active and the arc point is fixed to the anode surface. To mitigate erosion that occurs. Of course, the cathode arc point 21 can also be rotated on the same principle, but since the cathode arc point is far from the torch outlet and the ultra-high temperature plasma has high viscosity, the thermal plasma emitted to the torch outlet even if the cathode arc point rotates. The influence on the rotation of the flame 30 is insignificant.

영구자석(100)에 의해 인가되는 자기장의 방향은 외부 자기장 없이 양극 아크점(22)이 회전하여 자체 유기되는 자기장의 방향을 고려하여야 하는데, 토치 출구에서 토치 내부를 바라보는 시점을 기준으로 하여 방전기체(100)가 반시계 방향(+θ 방향)으로 주입되어 초기 양극 아크점(22)의 움직임이 +θ 방향으로 형성되면 토치에서 반응기 방향(+z 방향)으로의 축방향 자기장이 유기되므로, 이와 동일한 방향으로 외부 인가 자기장을 중첩시켜주어야 한다. 즉, +θ 방향으로 방전기체를 주입하는 경우, 양극 주변에 위치한 링 형태의 영구자석(100)의 극성은 반응기(4)쪽을 바라보는 면이 S극이 되어야 하고 음극(1)쪽을 바라보는 면이 N극이 되도록 하여 양극 아크점에서는 +z 방향의 자기장이 인가되도록 하여야 양극 아크점(22) 및 열플라즈마 제트(30)의 회전방향 움직임이 강화 된다.The direction of the magnetic field applied by the permanent magnet 100 should take into account the direction of the magnetic field in which the anode arc point 22 is rotated and self-induced without an external magnetic field. When the gas 100 is injected in the counterclockwise direction (+ θ direction) and the movement of the initial anode arc point 22 is formed in the + θ direction, an axial magnetic field from the torch to the reactor direction (+ z direction) is induced, In the same direction, the externally applied magnetic field must be superimposed. That is, in the case of injecting the discharge gas in the + θ direction, the polarity of the ring-shaped permanent magnet 100 located around the anode should be the S pole toward the reactor 4 and the cathode 1 toward the cathode. The viewing surface becomes the N pole so that the magnetic field in the + z direction is applied at the anode arc point to enhance the rotational direction of the anode arc point 22 and the thermal plasma jet 30.

양극 아크점(22)의 회전으로부터 열플라즈마 제트를 강하게 회전시키기 위해서는 영구자석(100)의 세기가 강하고, 양극 주변부 전체에 위치하는 것이 유리할 것으로 생각되지만, 이 경우 불안정한 아크 방전으로 인하여 플라즈마 토치의 작동이 멈추고 열분해 공정이 원활히 진행되지 못하는데, 그 이유는 플라즈마 토치의 아크방전에서 고유한 나타나는 리스트라이크 현상 때문이다. 리스트라이크 현상은 도 2에서 보는 바와 같이 플라즈마 토치의 운전에 있어서 아크전압이 일정하게 증가하다가 갑자기 떨어지는 현상을 말하는데 다음과 같은 양극 아크점(22)의 움직임에 의해 나타난다. 열플라즈마의 유동에 의한 유체역학적인 끌림힘에 의해 양극 아크점(22)은 토치 출구 방향으로 길이가 늘어나게 되는데, 이때 전압과 출력이 함께 증가하다가 방전기체 주입구 근처에서의 온도가 충분히 높아서 전기저항이 특정값 이하로 줄어들게 되면, 양극 아크점(22)이 방전 기체 주입구 근처로 순간적으로 옮겨오게 된다. 따라서 아크 기둥(20)의 길이와 함께 전압이 급격히 줄어들게 되며, 다시 아크의 길이가 늘어나면서 전압이 상승하는 현상이 반복되게 된다. 플라즈마 토치의 직류전원은 일반적으로 정전류원 이므로 도 2에서 보는 바와 같이 아크 전압이 변화함에 따라 토치로 인가되는 전력 역시 함께 변화하게 되는데, 리스트라이크 현상의 반복에 따른 전력의 최대값과 최소값은 2배 정도에 이르게 된다. 즉 아크 길이가 짧을 경우 토치로의 입력전력이 줄어들고, 반대로 아크길이가 늘어나게 되면 입력전력이 늘어나서 토치 내부의 열플라즈마 특성이 달라진다. 도 3에는 아크 길이에 따른 토치 내부의 열플라즈마 온도 분포를 3차원 전산해석 한 다음, 양극 아크점에서의 온도분포 단면을 나타내고 있다. 도 3의 (a)와 같이 아크길이가 짧을 경우 입력전력이 상대적으로 작아서 (b)의 긴 아크길이의 경우보다 낮은 온도 분포를 나타낸다. 토치 내부의 열플라즈마 온도는 아크기둥(20)과 아크점(21, 22)에서 가장 높고 주변부로 갈수록 낮아지므로, 토치의 중심축 근처에 존재하는 아크기둥(20)과 양극 노즐(2) 내벽에 부착된 양극 아크점(22)에서 고온을 나타내고 있다. 공기, 질소 등의 공동형 토치 방전기체의 경우 약 6,000 K이상에서부터 온도가 증가함에 따라 전기전도도가 급격히 증가하는데, 만약 도 3의 (a)와 같이 충분히 발달되지 못한 온도분포에서 양극 아크점(22)이 외부 인가 자기장에 의해 강하게 회전하게 되면 낮은 온도영역으로 아크점이 옮겨가게 되고, 전기전도도가 충분하지 못하여 아크방전이 중단 될 수 있다. 반대로 도 3의 (b)와 같이 아크 길이가 길어서 충분히 높은 온도 분포가 형성되어 있으면, 아크점의 위치가 회전방향으로 갑자기 바뀌더라도 안정한 아크방전이 유지 될 수 있다. 실제 본 발명에서는 길이 175 mm의 양극노즐을 사용하였는데, 영구자석(100)의 축방향 위치를 달리하여 실험한 결과 기체 주입구로부터 90 mm 이상 떨어진 곳에 영구자석(100)을 위치하여야만 아크방전의 중단 없이 안정적인 토치 운전이 가능하였다.In order to strongly rotate the thermal plasma jet from the rotation of the anode arc point 22, the strength of the permanent magnet 100 is high, and it may be advantageous to be located all around the anode, but in this case, the operation of the plasma torch is caused by unstable arc discharge. This stops and the pyrolysis process does not proceed smoothly because of the list-like phenomena inherent in the arc discharge of the plasma torch. As shown in FIG. 2, the wrist-like phenomenon refers to a phenomenon in which the arc voltage constantly increases and then suddenly drops in the operation of the plasma torch, which is caused by the movement of the anode arc point 22 as follows. Due to the hydrodynamic drag due to the flow of thermal plasma, the anode arc point 22 is extended in the direction of the torch exit. At this time, the voltage and output increase together, and the temperature near the discharge gas inlet is high enough to increase the electrical resistance. When it is reduced below a certain value, the anode arc point 22 is moved to the vicinity of the discharge gas inlet momentarily. Therefore, the voltage decreases rapidly along with the length of the arc pillar 20, and the phenomenon in which the voltage increases as the length of the arc increases again is repeated. Since the DC power of the plasma torch is generally a constant current source, as shown in FIG. 2, the power applied to the torch is also changed as the arc voltage is changed. The maximum and minimum values of the power according to the repetition of the List-Like phenomenon are about 2 times. Leads to In other words, if the arc length is short, the input power to the torch is reduced. On the contrary, if the arc length is increased, the input power is increased to change the thermal plasma characteristics inside the torch. 3 shows a three-dimensional computational analysis of the thermal plasma temperature distribution inside the torch according to the arc length, and then shows a temperature distribution cross section at the anode arc point. As shown in FIG. 3A, when the arc length is short, the input power is relatively small, thereby showing a lower temperature distribution than the case of the long arc length of (b). The thermal plasma temperature inside the torch is highest at the arc pillar 20 and arc points 21 and 22 and lowers toward the periphery, so that the inner wall of the arc pillar 20 and the anode nozzle 2 near the central axis of the torch is High temperature is shown at the attached anode arc point 22. In the case of a cavity-type torch discharge gas such as air or nitrogen, the electrical conductivity rapidly increases as the temperature increases from about 6,000 K or more. If the anode arc point 22 is not sufficiently developed as shown in FIG. ) Rotates strongly by an externally applied magnetic field, the arc point moves to a low temperature range, and the arc discharge may be interrupted due to insufficient electric conductivity. On the contrary, if the arc length is long and a sufficiently high temperature distribution is formed as shown in FIG. 3 (b), even if the position of the arc point suddenly changes in the rotational direction, stable arc discharge can be maintained. Actually, in the present invention, an anode nozzle having a length of 175 mm was used. As a result of experiments by changing the axial position of the permanent magnet 100, the permanent magnet 100 should be positioned at least 90 mm away from the gas inlet without interruption of arc discharge. Stable torch operation was possible.

상기와 같은 이유로 본 발명에서는 방전기체 주입구로부터 토치 출구방향으로 100 mm 지점에서부터 영구자석(100)을 위치하였으며, 바람직한 자장의 세기 및 자장인가 구간을 정하기 위하여 서로 다른 두께를 가지는 링 형태의 네오듐자석을 사용하였다. 자석의 두께가 각각 10, 20, 30 mm 인 경우 양극 아크점(22)이 부착되는 양극 노즐(2) 내벽에 작용하는 자기장의 세기를 전산모사하여 도 4에 나타내었다. 영구자석(100)을 도 4에서 방전기체(10) 주입 위치인 -175 mm로부터 100 mm 떨어진 -75 mm에서부터 위치시켰으므로 각 자석의 축방향 중심점은 각각 -70, -65, -60 mm 이며, 상기 위치에서 양극 아크점(22)에 작용하는 축방향 자기장은 최고값을 나타낸다. 도 4의 전산모사 결과로부터 알 수 있는 점은 영구자석(100)의 두께가 두꺼울수록 보다 강하고 긴 영역의 자기장이 양극 아크점(22)에 인가 될 수 있다는 것이다. 그런데 영구자석(100)의 두께가 40 mm인 경우에는 불안정한 방전으로 인하여 열분해 공정을 원활히 진행 할 수 없었는데, 이는 양극 자장인가식 공동형 토치에서 외부 자기장이 너무 강하여서도 안 됨을 의미하고, 양극 아크점(22)에 인가되는 축방향의 자기장 세기의 최대값은 도 4에 나타내었듯 1,000 가우스 미만이어야 한다. 따라서 본 발명에서 자석을 설치하는 부분은 양극길이의 1/2 지점부터 시작하여 끝단까지 부분 중 어느 지점이나 상관이 없으며 1/2 지점 이상에서는 자장인가 구간이 아무리 길어도 상관없다 다만 자기장의 세기는 1000가우스 미만으로 되어야 한다.
For the above reason, in the present invention, the permanent magnet 100 is positioned from the discharge gas inlet to the torch outlet in a direction of 100 mm, and has a ring-shaped neodium magnet having a different thickness to determine a desired magnetic field strength and magnetic field application period. Was used. When the thickness of the magnet is 10, 20, 30 mm, respectively, the strength of the magnetic field acting on the inner wall of the anode nozzle 2 to which the anode arc point 22 is attached is shown in FIG. 4. Since the permanent magnet 100 is positioned from -75 mm 100 mm away from -175 mm, which is the injection position of the discharge gas 10 in FIG. 4, the axial center points of the magnets are -70, -65, and -60 mm, respectively. The axial magnetic field acting on the anode arc point 22 at this position exhibits the highest value. It can be seen from the computer simulation results of FIG. 4 that the thicker the permanent magnet 100 is, the stronger and longer the magnetic field can be applied to the anode arc point 22. However, when the permanent magnet 100 had a thickness of 40 mm, the pyrolysis process could not proceed smoothly due to unstable discharge, which means that the external magnetic field should not be too strong in the anode magnetic field applied cavity torch, and the anode arc point The maximum value of the axial magnetic field strength applied to (22) should be less than 1,000 gauss as shown in FIG. Therefore, in the present invention, the magnet is installed at any point from the half point of the anode length to the end, regardless of the point, and the magnetic field is 1000 even more than 1/2 point no matter how long. Should be less than Gaussian.

본 발명에 따른 양극 자장인가식 공동형 플라즈마 토치의 다양한 운전 조건에서 토치로의 평균 입력전력을 측정한 결과, 영구자석(100)의 장착여부 및 두께와 관계없이 거의 동일한 전력이 소비됨을 확인하였다. 또한 고속카메라를 이용한 실험적 측정 결과 영구자석(100)을 삽입하지 않은 경우 양극 아크점(22)의 최대 회전속도는 8.9 m/s였으며, 두께 10, 20, 30 mm의 영구자석(100)을 장착하였을 경우 양극 아크점(22)의 최대 회전속도는 각각 84.7, 127.0, 140.4 m/s로 급격히 향상되었다. 본 발명에 따른 양극 자장인가식 공동형 토치에서 영구자석(100)이 없는 경우와 두께 20 mm의 영구자석(100)을 장착한 경우 각각 열플라즈마를 발생시켜서 고속카메라로 측정된 불꽃의 모양을 도 5와 도 6에 나타내었다. 도 5에서 알 수 있듯이 영구자석(100)을 장착하지 않은 경우 리스트라이크 이후에 입력전력이 지속적으로 상승하면서 다음 리스트라이크가 일어나기 직전인 3.25 ms 까지 열플라즈마의 초고온영역 불꽃의 길이가 꾸준히 늘어나고 있다. 반면 도 6의 경우 아크 길이가 성장하다가 3.25 ms 시점에서 리스트라이크가 일어났는데, 3.25 ms 이전까지 입력전력이 상승함에도 불구하고 초고온영역의 불꽃 길이가 일정 길이이상 늘어나지 않는데, 이는 양극 아크점(22)의 강한 회전으로 인하여 열플라즈마가 회전하게 되고, 불꽃 주변의 찬 기체와 혼합되면서 초고온영역이 줄어들었기 때문이다.As a result of measuring the average input power to the torch under various operating conditions of the bipolar field-applied cavity type plasma torch according to the present invention, it was confirmed that almost the same power was consumed regardless of whether the permanent magnet 100 was installed and the thickness thereof. In addition, as a result of experimental measurement using a high speed camera, when the permanent magnet 100 was not inserted, the maximum rotation speed of the anode arc point 22 was 8.9 m / s, and the permanent magnet 100 having a thickness of 10, 20, or 30 mm was installed. In this case, the maximum rotation speed of the anode arc point 22 was rapidly improved to 84.7, 127.0, and 140.4 m / s, respectively. In the bipolar magnetic field applied cavity type torch according to the present invention, when there is no permanent magnet 100 and when the permanent magnet 100 having a thickness of 20 mm is mounted, thermal plasma is generated to show the shape of the flame measured by the high speed camera. 5 and FIG. 6. As can be seen in FIG. 5, when the permanent magnet 100 is not installed, the length of the ultra-high temperature flame of the thermal plasma is steadily increasing to 3.25 ms, just before the next list rise, while the input power continuously rises after the list rise. On the other hand, in Fig. 6, the length of the arc was increased and the list-like occurred at 3.25 ms. Even though the input power increased until 3.25 ms, the flame length of the ultra-high temperature region did not increase by a certain length, which is the anode arc point 22. This is because the thermal plasma rotates due to the strong rotation of, and the ultra high temperature region is reduced as it is mixed with cold gas around the flame.

상기와 같은 실험 결과로부터 영구자석에 의한 양극자장 인가형 공동형 플라즈마 토치를 열분해 공정에 적용할 경우, 추가적인 전력소모 없이 열분해 공정의 효율을 향상 시킬 수 있음을 예상할 수 있다. 난분해성 온실기체인 CF4가 1 % 포함된 400 slpm 유량의 폐기체를 대상으로 실제 열분해 공정 실험을 수행하면서 사극자질량분석법(QMS, Quadrupole Mass Spectrometry)으로 분해 및 제거효율을 측정한 결과, 40 kW 정도의 평균 입력전력에서 영구자석(100)을 장착하지 않은 경우 45.4 %의 처리율을 보였지만, 두께 10, 20, 30 mm의 영구자석(100)을 각각 장착할 경우 처리율이 52.3, 55.4, 62.3 %로 향상되었다.From the above experimental results, it can be expected that the efficiency of the pyrolysis process can be improved without additional power consumption when applying the bipolar field-applied cavity type plasma torch by the permanent magnet. Decomposition and removal efficiency was measured by quadrupole mass spectrometry (QMS), while actual pyrolysis process experiments were carried out on waste sludge with 400 slpm containing 1% of CF 4 , a non-degradable greenhouse gas. When the permanent magnet 100 was not installed at the average input power of about kW, the throughput was 45.4%, but when the permanent magnets 100 having thicknesses of 10, 20, and 30 mm were installed, the throughput was 52.3, 55.4, and 62.3%. Was improved.


<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 공동형 음극 2: 공동형 양극 (노즐)
3: 반응기 내부 가둠관 4: 반응기
10: 방전기체 20: 아크기둥
21: 음극 아크점 22: 양극 아크점
30: 열플라즈마 40: 처리 대상기체
50: 열플라즈마와 처리 대상기체의 혼합영역
60: 열분해 영역 100: 영구자석
l: 공동형 양극의 길이
<Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1: cavity anode 2: cavity anode (nozzle)
3: reactor inner conduit tube 4: reactor
10: discharge gas 20: arc pillar
21: cathode arc point 22: anode arc point
30: thermal plasma 40: target gas
50: Mixed area of thermal plasma and gas to be treated
60: pyrolysis zone 100: permanent magnet
l : length of cavity anode

Claims (4)

양극 자장인가식 공동형 플라즈마 토치로서,
안정적인 아크방전을 유지하면서 토치 출구면 근처에서 양극 아크점을 회전시켜 전극 침식을 막고 반응기로 분출되는 열플라즈마 불꽃의 와류운동을 발생시킴으로서,
양극 수명을 연장시키고 반응기에서 열플라즈마와 처리 대상물 간의 혼합을 증가시키기 위하여,
공동형 플라즈마 토치의 양극 노즐 외주에 링 형태의 영구자석을 장착하고
상기 영구 자석은 플라즈마 토치의 음극과 양극 사이에 위치하는 기체주입구로부터 토치 출구 방향으로 양극 노즐 길이의 절반((l/2 ) 이상 떨어진 곳에 위치된 것을 특징으로 하는, 양극 자장인가식 공동형 플라즈마 토치.
A bipolar magnetic field applied cavity plasma torch,
By rotating the anode arc point near the torch exit surface while maintaining a stable arc discharge, it prevents electrode erosion and generates vortex movement of thermal plasma flame ejected into the reactor.
In order to extend the anode life and increase the mixing between the thermal plasma and the treated object in the reactor,
A ring-shaped permanent magnet is mounted on the outer circumference of the anode nozzle of the cavity plasma torch.
The permanent magnet is a positive electrode magnetic field applied cavity plasma torch, characterized in that located at least half (( l / 2) of the anode nozzle length in the direction of the torch outlet from the gas inlet located between the cathode and the anode of the plasma torch .
삭제delete 제 1항에 있어서,
원주 방향으로 등 간격으로 소정의 각도록 경사지게 뚫린 복수개의 구멍을 구비한 기체주입링에 의해 방전기체가 와류운동을 하면서 주입 될 때,
토치 출구면에서 토치 내부를 바라보았을때,
상기 와류 운동의 방향이 반시계 방향이면, 상기 영구자석의 S극이 토치 출구방향을 향하도록 위치시키고.
상기 와류 운동의 방향이 시계방향이면, 상기 영구자석의 N극이 토치 출구방향을 향하도록 위치시킨,양극 자장인가식 공동형 플라즈마 토치.
The method of claim 1,
When the discharge gas is injected during the vortex movement by a gas injection ring having a plurality of holes which are inclined at predetermined intervals at equal intervals in the circumferential direction,
When you look inside the torch from the torch exit,
If the direction of the vortex movement is counterclockwise, position the S pole of the permanent magnet toward the torch exit direction.
And if the direction of the vortex movement is clockwise, the N pole of the permanent magnet is positioned so as to face the torch exit direction.
제 3항에 있어서,양극 아크점이 위치하는 양극 노즐 내벽에서, 상기 영구자석에 의한 외부 인가 자기장의 축방향 세기가 1000 가우스 미만으로 제한되도록 하는, 양극 자장인가식 공동형 플라즈마 토치.
4. The bipolar magnetic field applied cavity plasma torch of claim 3, wherein an axial intensity of an externally applied magnetic field by the permanent magnet is limited to less than 1000 gauss at an anode nozzle inner wall at which the anode arc point is located.
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