KR0133367Y1 - 플라즈마를 이용한 유해가스 처리 집진기 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 플라즈마를 이용한 유해가스 처리 전기집진기에 관한 것으로써, 멀티싸이크론 형 전기집진기(1A)의 전단부에 설치된 단위 싸이크론 가스출구관(8) 내부에 비틀림 사각봉 형태의 플라즈마 방전봉(9)을 삽입 설치하여 고전압 펄스로 플라즈마 방전봉(9)에 포지티브 스트리머 코로나를 발생시키면, 이 반응기속에서 래디칼생성→산화반응→중화반응→최종산물 생성의 방전 화학반응으로 유해가스를 정화하는 플라즈마를 이용하여 유해가스를 효율적으로 정화시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

플라스마(Plasma)를 이용한 유해가스 처리 집진기
제1도는 플라즈마를 이용한 유해가스 처리 전기집진기 구조도.
제2도는 플라즈마를 이용한 유해가스 처리 전기집진기 단면도.
제3도는 플라즈마 방전봉 상세도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 보일러, 소각로등 오염물질 배출시설 2 : 가스입구덕트
3 : 관성충돌판 4 : 암모니아 분사노즐
5 : 호퍼 6 : 재비산방지기구
7 : 안내익 8 : 싸이크론 출구관
9 : 플라즈마 방전봉 10 : 플라즈마 방전봉 지지틀
11 : 절연애자 12 : 고전압 펄스발생기
13 : 암모니아 공급설비 14 : 격판
15 : 로타리밸브 16 : 분진포집통
17 : 안내익 18 : 집진원추부
19 : 코로나방전침 20 : 방전봉
21 : 코로나 방전봉 지지틀 22 : 출구관
23 : 절연애자 24 : 고전압 변환정류기
25 : 가스출구덕트 26 : 분진분리햄머
27 : 연돌 28 : 분배판
29 : 소제구 30 : 케이싱
31 : 애자실 32 : 지지용 절연애자
33 : 관통애자 34 : 단위 싸이크론
본 고안은 플라즈마를 이용한 유해가스 처리 전기집진기에 관한 것으로써, 특히 전기집진기의 전단부 내부의 싸이크론 가스출구관에 플라즈마 방전봉을 설치하여 유해가스를 정화시킬 수 있도록 한 플라즈마를 이용한 유해가스 처리 전기집진기에 관한 것이다.
일반적으로 세계 각국의 환경규제는 날로 강화되고 있어 이에 대응하는 기술수요 즉, 환경관련기계의 수요가 전세계적으로 늘고 있다.
이러한 가운데 아황산가스, 질소산화물, 악취, 이산화탄소 등을 처리하는 플라즈마 탈황/탈질 처리공법이 80년대 초 미국, 일본, 이태리 등지에서 본격적으로 개발되기 시작하여 국내에서도 연구소 및 대학에서 깊은 관심을 가지고 연구를 수행하고 있다.
국내의 경우 현재 가동중인 보일러나 소각로에서 배출되는 대기오염 물질은 분진(DUST). SOx. NOx 등인데 일부 대형시설을 제외하고는 원심력을 이용하는 싸이크론 집진 장치 등을 사용하여 분진만을 포집하고 유해가스는 그대로 대기로 방출하고 있는 실정을 감안할 때 미세 입자 상태의 분진을 고효율로 포집하는 전기 집진 기술에 첨가하여 가스상의 오염물질을 동시에 처리할 수 있는 복합형 시스템을 고안하게 되었다.
습식 석회석 분무방식, 습식 스크루버, 반건식 세정탑등 별도의 고가 가스정화 처리시설이 필요 없이 장치 한 대의 일체형으로 고효율 집진은 물론 유해가스 처리를 동시에 실시하고자 함이다.
즉, 현재 선진각국에서 각광 받고 있는 플라즈마를 이용한 유해가스 처리 신기술을 멀티싸이크론식 전기집진장치(Electro-cyclone)내부에 첨가하여 입자상 오염물질 및 가스상 유해물질을 동시에 처리함으로써 설치면적을 대폭 감소함은 물론 장치의 설치비용을 절감함과 동시에 건식 처리공법이므로 2차 폐수처리 비용이 없는 것을 장점으로 하고 있다.
플라즈마를 이용한 유해가스 처리방법을 간단히 기술해 보면, 코로나 방전시 생성되는 코로나 플라즈마 프로세스에 의하여 입자상 및 가스상 오염물의 제어기술에 관한 개발 및 실용화 연구가 최근 미국, 유럽 및 일본 등지에서 첨단적으로 진행 중에 있다.
플라즈마는 크게 두 가지 방법으로 생성된다. 즉 PCP(Pulse Corona Plasma) 공정과 SP(Surface Plasma) 공정으로서 상온상압의 기체에서 플라즈마를 생성시키고, NOx. SOx. CO. Hg 증기, 프레온, 다이옥신, 염화에탄 및 다른 염화HC와 톨루엔, 벤젠 등을 포함하는 여러 가지 휘발성 유기물(VOC)등의 가스상 오염물 및 유해물을 제어할 수 있는 활성 래디칼(radical)을 효율적으로 발생시킨다.
본 고안에 적용하는 PCP법은 플라즈마 반응기(reactor)내에 코로나 전극계를 설치하고 양전극간에 처리대상 가스를 흐르게 하고, 급속도의 증가시간(약20-100ns정도)을 가 비며 폭이 매우 좁은(폭반경 100-500ns정도) 나노세컨드(nanosecond)펄스 고전압을 수십에서 수백Hz 정도의 비교적 낮은 주파수를 인가하여 강력한 스트리머(Streamer)를 생성하는 플라즈마 화학처리공정이다. 이 경우 펄스 폭이 지극히 짧기 때문에 질량이 가벼운 전자가 가속되어 비평형(nonequilibrium) 플라즈마를 형성하고, 매우 짧은 시간 내에 래디칼(radical) 생성이 완료된다.
펄스 인가 기간이 매우 짧고 그 기간동안 분자온도의 상승이 미세하기 때문에 스트리머로부터 발달, 다시 말해 불꽃방전을 대폭 억제시키면서 펄스전압의 상승치를 매우 높일 수 있다. (예를 들어 50KV/cm 이상)
이 결과 전자의 가속에너지를 함께 높여서 활성의 래디칼을 풍부하게 만들 수 있다.
이러한 PCP법은 보일러, 쓰레기소각로, 엔진 등의 연소배출가스의 정화(탈황, 탈진, 수증기등의 각종 유해가스제거)등의 중대형 스케일에 적용하기에 매우 유리하다.
반응기(Reactor)내에서의 화학 반응과정을 살펴보면, 첫 단계는 방전 화학과정으로 고전압 펄스로 에미팅와이어(emitting wire)에 스티리머 코로나를 발생시키면 배가스내의 산소, 질소, 수분 및 주입된 암모니아(NH3)등은 O. OH. H. N. NH2등의 래디칼(radical)을 생성하고 이때 발생된 래디칼은 배가스내의 아황산(SO2) 및 이산화질소가스(NO2)를 황산(H2SO4), 질산(HNO3)등으로 바뀌게 된다. 황산 및 질산은 매우 크기가 작은(1 미크론 이하) 액상으로 존재하는데, 이들은 주입된 암모니아에 의해 중화되어 최종적으로 고체상의 작은 입자형태인(1 미크론 정도) (NH4)2SO4및 NH4NO3으로 바뀌게 된다.
이것은 유안 및 초안으로서 전기집진기로 포집하여 비료로 활용할 수도 있다.
이 과정을 요약하면 다음과 같이 정리될 수 있다.
1. O2. H2O + e OH. O. HO2: 래디칼생성
2. SOx + OH. O. HO2H2SO4(aerosol) : 산화반응
NOx +O2. O NO2. HnOm : 산화반응
NO2+ OH HNO3(aerosol)
3. H2SO4. HNO3+ NH3(NH4)2SO4: 중화반응
NH4NO3
4. (NH4)2SO4+ NH4NO3(NH4)2SO42NH4NO3: 최종산물
(fine paticle)
이상의 반응은 플라즈마 반응기에서 일어나는 반응중 대표적인 반응만을 제시한 것이다.
본 고안은 1944년 실용신안등록출원 제1172호(94. 1. 22 출원)로 제출한 멀티싸이크론형 전기집진기(Electro-cyclone)에 플라즈마 반응시설을 추가시켜서 유해가스를 처리하고자 함이다.
따라서, 본 고안은 전기집진기의 전단부에 구비한 가스출구관 내부에 비틀림 시작봉 형태의 플라즈마 방전봉을 삽입 설치하여 방전화학반응으로 유해가스를 정화시킬 수 있도록 한 것을 목적으로 한다.
본 고안 내용을 도면에 따라 상세히 설명하면, 제1도 구조도에서 보일러나 소각로등 오염물질 배출시설(1)에서 발생한 함진 유해가스가 입구덕트(2)를 통해 본 장치에 인입되면, 본 장치의 전기집진기(1A)의 입구에 설치된 관성충돌판(3)에 1차로 부딪치게 된다.
두께 2m/m정도의 스텐레스판을 90o각도로 절곡하여 3열로 지그재그 형태로 15o각도로 경사지게 배치한 1차 관성충돌 집진 구역에서는 직경 20 미크론 이상의 큰 분진입자를 포집하기 위한 모적으로 분진농도 1000mg/Sm3이상의 고농도 배가스처리에 아주 적합하다.
1차 집진 구역을 통과한 유해가스는 2차 원심력 집진 및 플라즈마 반응구역에 들어가게 된다.
이 사이에 암모니아 공급설비(13)에서 정량 공급된 암모니아(NH3)가 다수의 분사노즐(4)을 통해 유해가스속으로 분무된다.
이때 필요 이상의 암모니아를 분무하여 미반응된 암모니아가 대기방출 되는 일이 없도록 제어설비가 요청된다.
암모니아 가스를 함유한 유해가스는 단위 싸이크론(34) 내부에 부착된 안내익(7)을 따라 풍속 13 - 15m/sec 로 강제 회전하면서 원통내부벽을 따라 회전하면서 하강한다. 원추부 하단가까이까지 도달하면 회전반경이 적어지므로 회전 모우멘트 일정의 원리에서 속도는 크게 되고 회전하강을 하게 된다. 원추부 하단 가까이 까지 도달하면 흐름은 반전상승을 시작하며, 단위 싸이크론 중심부를 회전하면서 단위 싸이크론 출구관(8)을 향하며 상승된다.
이 단계에서 원심력을 이용한 집진 원리에 의해서 직경 3 - 20 미크론 정도의 분지입자는 단위 사이크론(34) 하부에 부착된 분진재비산 방지기구(6) 사이로 빠져나가게 된다.
1, 2차 집진 구역에서 분리된 분진은 호퍼(5)에 모아지면서 로터리 밸브(15)를 통해 연속적으로 배출되어 분진포집통(16)에 포집하게 된다.
이 과정에서 암모니아를 분사함으로써, 미립자 상태의 분진 응집효과로 집진 효율을 종래의 단순 원심력 집진 보다 훨씬 더 증대시킬 수 있다.
내경 약 200m/m정도의 출구관(8) 내부중심에 그림 3과 같은 형태의 플라즈마 방전봉(9)을 고정시켜 놓은 반응기 내부를 유해가스가 통과한다. 이 과정에서 전술한 래디칼생성→산화반응→중화반응→최종산물 생성의 방전 화학반응이 일어나게 된다. 본 고안에서 채택한 반응기(reactor) 형상은 플라즈마 방전봉을 12m/m정도의 스텐레스(SUS 316) 사각봉을 비틀림 형태로 가공하여 사용함으로써 반응기 내부를 통과하는 유해가스가 플라즈마 불꽃과 균등하게 반응할 수 있는 구조(wire-cylinder type)를 택하였다.
고전압 펄스발생기(12)에서 발생된 고전압은 절연애자(11) 및 방전봉 지지틀(10)을 통해 다수의 플라즈마 방전봉(9)에 공급된다.
본 고안에서 사용하는 전원 공급장치는 매우 짧은 펄스폭(1000nsec 이하)을 갖는 양극 전원으로 본 시스템에서 요구되는 전압 형태 및 이를 발생시키기 위한 펄스발생기에 대해 설명하면, 펄스발생기에서 공급되는 전기에너지는 기체분자를 전자 및 이온으로 분리시키고 이들에게 에너지를 공급하게 되는데, 펄스 폭이 길수록 전자뿐만이 아니라 이온으로도 전기에너지가 공급되어 이는 시스템의 전기적 효율을 떨어뜨리게 된다.
방전화학은 코로나에서 발생되는 에너지를 갖는 전자를 이용하는 기구이므로 본 시스템의 효율을 상승시키기 위해서는 가능한 이온으로 공급되는 전기에너지를 막고 전자에만 에너지를 공급하도록 해야 한다.
펄스 폭이 긴 전압을 플라즈마 반응기에 공급하면 이온에 에너지가 많이 공급되어 가스온도의 상승 및 스파크로의 이행이 초래된다. 짧은 펄스폭 이외에도 피크전압에 이르기까지의 상승 시간이 시스템성능을 좌우하게 되는데 이는 펄스의 상승시간이 짧을수록 코로나 개시 전압이 높아져 전자가 갖는 에너지가 커지기 때문이다.
본 고안에서 반응기 형태를 wire-plate 형식을 채택하지 않고 wire-cylinder 형태를 택하여 반응기 내부 전 영역에 걸쳐 스트리머 코로나가 분포되도록 했다. 따라서 적은 체적의 반응기로 배가스를 처리학 수 있는 장점을 가지고 있다.
전기집진기(1A)의 1, 2차 집진기(1B)(1C) 및 플라즈마 반응구역을 거친 3 미크론 미만의 미세 입자를 함유한 배가스는 3차 전기집진기(1D)로 인입된다.
안내익(17)을 거쳐 3 - 5m/sec의 속도로 인입되어 집진 원추부(18)내부를 회전하는 동안 다수의 코로나 방전침(19) 끝부분에서 발생된 코로나(corona)에 의해 주면 공간은(-)이온과 전자로 채워지고 미세분진은(-)으로 대전되어 정전 응집작용을 동반하면서 콜롬(coulomb)력에 의해 집진 원추부(18) 내벽면 쪽으로 회전이동 부착하게 된다.
집진 원추부(18) 내벽면에 부착된 분진은(-) 전하를 잃고 하부방향으로 자중 또는 분진분리햄머(26)의 진동으로 호퍼(5)내로 이동 로타리밸브(15)에 의해 연속 배출되어 분진포집통(16)에 모아진다.
코로나 방전침(19)을 하전시키기 위해 교류저전압을 직류고전압으로 변환시키는 고전압 변환정류기(24)에서 발생한 약 30-40KV정도의 고전압이 관통애자(33)를 거쳐 애자실(31)내에 설치된 지지용 절연애자(32)를 거쳐 모든 방전침에 공급된다. 다수의 방전봉(20)을 한데 묶은 코로나 방전봉 지지틀(21)은 지지용 절연애자(32)에 의해 견고하게 지탱한다.
1, 2. 3차 구역(1B)(1C)(1D)을 통과한 청정가스는 출구관(22)을 거쳐 가스출구덕트(25)를 통해 연돌(27)로 대기 방출된다.
집진 장치 호퍼(5) 내부에 격판(14)을 설치하여 1차측과 2차측 사이의 상호재비산이 없도록 하였으며 장치내부의 막힘 등을 점검하기 위해 점검소재구(29)를 설치하여 장치 각 부분에 분진이 퇴적 부착되어 성능저하룰 방지하기 위해서 조작판넬 내부의 타이머 조작에 의해서 분진분리햄머(26)가 수시 작동하여 퇴적분진이 탈락되도록 한다. 가스입구덕트(2) 부분에는 유입되는 가스를 균일하게 공급되도록 분배판(28)을 다수 설치한다.
이상에서와 같이 본 고안은 전기집진기의 전단부에 구비한 가스출구관 내부에 비틀림 사각봉 형태의 플라즈마 방전봉을 삽입 설치하여 방전화학반응으로 유해가스를 정화시킬 수 있도록 함으로써, 유해가스를 효율적으로 정화시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 멀티싸이크론형 전기집진기(1A)의 전단부에 설치된 단위 싸이크론 가스출구관(8) 내부에 비틀림 사각봉 형태의 플라즈마 방전봉(9)을 삽입 설치하여 고전압 펄스로 플라즈마 방전봉(9)에 포지티브 스크리머 코로나를 발생시키면, 이 반응기속에서 래디칼생성→산화반응→중화반응→최종산물 생성의 방전 화학반응으로 유해가스를 정화하는 플라즈마를 이용한 유해가스 처리 전기집진기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기집진기(1A)를 내부에 1차 관성충돌 집진기(1B) 및 암모니아 분사 2차 원심력 집진(1C) 및 플라즈마 반응기 3차 전기집진기(1D)의 기능을 모두 포함한 일체형으로 입자상 물질 및 가스상 물질을 장치 1대로 동시에 처리하는 플라즈마를 이용한 유해가스 처리 전기집진기.
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