KR100194973B1 - 배기가스 정화반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전압에 의한 코로나 방전에 의해 플라즈마를 형성하는 코로나 방전장치를 다단으로 조립하여 제조된 다단식 코로나방전 정화반응기로서, 방전 개시전극을 다수의 홀과, 다수의 침을 갖는 형태로 제조하고, 상대전극도 다수의 구멍을 갖는 형태로 제조하여 상대전극을 방전개시전극 상하부에 서로 홀이 엇갈리도록 설치한 것을 다단으로 설치한 카트리지를 카트리지 설치판에 장착하여 배기가스의 흡입관과 배기관에 연결하여 방전반응효율을 높게하고, 전자방출효율을 배가시킬 수 있다.

Description

배기가스 정화반응기

제1a도는 종래의 코로나 방전을 이용한 와이어전극-대-실린더형의 배기가스 정화반응기.

제1b는 종래 코로나 방전을 이용한 침상전극-평판형의 배기가스 정화반응기.

제2a도는 본 발명에 따른 다침다공극판을 이용한 다단식 코로나 방전극 정화반응기의 한 개의 상대전극이 설치판에 안치되어 있는 것을 나타낸 평면도.

제2b도는 본 발명에 따른 다침다공극판을 이용한 다단식 코로나방전극 정화반응기의 한 개의 상대전극과 설치판을 나타낸 사시도.

제2c도는 본 발명에 따른 다침다공극판을 이용한 다단식 코로나방전극 정화반응기의 한 개의 방전개시전극과 설치판을 나타낸 사시도.

제2d도는 본 발명에 따른 다침다공극판을 이용한 다단식 코로나방전극 정화반응기에서 한 개의 방전개시전극과 한 개의 상대전극의 설치판에 안치되어 결합된 상태를 나타낸 단면도.

제3도는 본 발명에 따른 다침다공극판을 이용한 다단식 코로나방전극 정화반응기를 나타낸 단면도.

제4도는 본 발명에 따른 다침다공극판을 이용한 다단식 코로나 방전극 정화반응기에 가스가 주입되어 배출되는 과정을 나타낸 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 실린더 11 : 선형 방전 개시전극

12 : 상부 다공판 13 : 하부 다공판

14 : 침형 방전 개시전극 15 : 상대전극

20 : 상대 전극판 21 : 전극 설치판

22 : 가스통로용 홀 23 : 전극연결 윙

24 : 방전 개시전극판 연결 볼트통로

25 : 방전 상대전극판 연결 볼트통로

26 : 방전 개시전극판 27 : 방전침

28 : 방전개시전극 연결볼트 29 : 상대전극 연결볼트

30 : 방전 카트리지 설치판 31 : 방전 카트리지 설치홀

32 : 전극판 고정너트 33 : 가스 흡입관

34 : 가스배기관 35 : 카트리지 고정볼트

본 발명은 코로나(Corona) 방전을 이용한 배기가스 정화반응기에 관한 것으로, 특히 방전반응을 위한 접촉시간을 길게 하고 미반응 물질의 배출을 줄여서 유해가스 성분의 제거효율을 극대화시킨 고효율의 코로나 방전 정화반응기에 관한 것이다.

종래의 코로나 방전장치는 주로 배기가스중 입자상 물질의 정전기적 포집 목적으로 사용되었기 때문에 코로나 방전장치를 이용한 와이어전극-대-실린더(Wire-to-Cylinder)형 또는 침상전극-대-평판(Point source-to-Plate)형 단순한 구조를 가지는 배기가스 정화반응기로서 배기가스 중 질소 및 아황 산화가스 등의 유해가스에 대한 제거효율이 저조하였다.

제1a도 종래의 코로나 방전장치를 이용한 배기가스 정화기의 한 종류인 와이어전극 대 실린더형 배기가스 정화기의 단면을 나타낸 것으로, 실린더(10)의 상부중앙에 절연체(Insulator)로 실린더(10)와 절연되어 있는 전극이 설치되어 있고, 상기 실린더(10) 내부에는 배기가스의 속도를 줄이기 위한 다공판(12, 13)이 배기가스 흡입구 상부와, 배기가스 배기구 하부에 형성되어 있으며, 전극으로부터 가는 선형의 와이어가 상부 다공판(12) 중앙으로부터 하부 다공판(13)의 중앙에 걸쳐 설치되어 있다.

이때, 가는 선형의 와이어에서 방전을 시키기 위한 고압전원은 상기 와이어를 선형 방전 개시전극(11)으로 하고 상기 실린더(10) 자체를 방전 상대전극으로 하여 선형의 와이어에서 코로나 방전을 시켜 흡입구로부터 흡입되는 배기가스가 코로나 방전에 의한 플라즈마 화학반응을 일으키며 정화된 가스는 배기구로 방출하게 된다.

다음으로 제1b도는 제1a도의 코로나 방전을 이용한 배기가스 정화반응기의 한 종류인 와이어전극-대-실린더형 배기가스 정화반응기에서 실린더(10) 내부의 하부 다공판(13)을 형성하지 않고 상기 실린더(10) 하부의 중앙에 방전 상대전극(15)을 설치하고 방전 개시극을 침형으로 제조하여 설치 함으로서, 침형 방전개시극(14)에서 상대전극(15) 방향으로 방전되는 코로나에 의해 흡입되는 배기가스를 정화시키는 장치를 나타낸 것이다.

상기 선형 방전 개시전극-대-실린더형 배기가스 정화반응기와 침형 방전 개시전극 대 평판형의 배기가스 정화반응기에서의 코로나 방전은 전압의 증가에 따라 코로나의 방전형태가 달라진다.

일반적으로 침형전극-대-평판전극에서의 코로나 방전은 전압이 낮은 경우에는 침형 방전 개시전극으로부터 하부의 방전 상대전극으로 글로우 코로나(Glow-Corona)를 형성하게 되고, 상기 전압을 좀더 상승시키면 침형의 방전 개시전극으로부터 브러쉬 코로나(Bruch Corona)가 형성하게 된다.

계속해서 상기 전압을 고압으로 상승시키면 상기 침상 방전 개시전극으로부터 방전 상대전극으로 스트림머 코로나(Streamer Coroma) 형태의 방전을 하게 된다.

이때, 배기가스 정화반응기에 사용되는 코로나의 방전형태는 상기 고압의 전원에서 방전되는 스트림머 코로나의 형태를 유지하여야 하고 따라서 고압의 전원을 연속적으로 유지하여야 한다.

그러나 상기 코로나 방전장치를 이용한 와이어전극-대-실린더형 또는 침상전극 대 평판형 배기가스 정화반응기는 구조가 단순하여 유해가스에 대한 제거효율이 저조하여 일부 방전 개시전극을 평판형 또는 동심원형 등으로 고안한 것이 배기가스 정화 효율을 높이기 위해서 응용된 사례가 있지만 자동차 배기가스 정화장치로써 상용화된 사례는 없다.

또한, 비교적 효율이 좋은 것으로 알려진 동심원형 반응기는 동심원형 내부 원통에 다수의 동심원판을 설치한 방전 개시전극과 외부원통형 상대전극간에 플라즈마가 형성되며 기체의 흐름과 직각방향으로 방전이 진행되는 다단식 정화반응기이다.

그러나 코로나 방전을 이용한 정화반응기는 배기가스의 방전반응 시간에 대한 고려가 충분치 않아서 배기가스의 유속이 증가함에 따라 반응효율이 급속히 저하된다는 문제점이 있다.

또한, 장치의 제작비 부담이 높아서 경제적이지 못하며, 효율을 높이기 위해서는 장치가 과다하게 커져야 하므로 정화반응기가 차지하는 공간이 많아서 실용적이지 못하다는 문제점도 있다.

또한, 동심원형 반응기의 경우 다단식 정화방법이 도입되기는 하였지만 기체의 흐름이 방전의 진행방향과 직각으로 진행되므로 효율을 높이기 위해서는 요구되는 단수가 많아지고, 동심원형 전극이 기체의 흐름을 방해해서 압력손실이 증가함으로 정화반응을 위한 처리량에 제한이 많다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 다단식 코로나 방전을 이용하여 고유속의 배기가스가 연속적이고 반복적으로 코로나 방전영역을 통과하게 하여 플라즈마 화학반응을 효과적으로 실시함으로서 유해가스 성분의 제거효율을 극대화시킬 수 있는 고효율의 코로나 방전 정화반응기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다수의 홀이 형성된 원형판의 양면에 다수의 침이 형성되어 있는 방전개시전극판과, 상기 방전 개시전극판이 안치되고 전극판 연결볼트의 통로가 형성되어 있는 개시전극 설치판과, 다수의 홀이 형성되어 있는 원형판이 상기 방전개시전극판의 홀과 엇갈려 방전 개시전극의 상하부에 설치되는 상대전극판, 상기 상대전극판이 안치되고 전극판 연결볼트의 통로가 형성되어 있는 상대전극 설치판을 포함하는 한단의 코로나 방전장치와, 상기 코로나 방전장치를 다단으로 설치한 카트리지와, 상기 카트리지를 배기관 및 흡기관과 연결시키기 위한 카트리지 설치홀이 형성되어 있는 카트리지 설치판과, 상기 각각의 방전 개시전극판에 전압을 인가하기 위한 개시전극 연결볼트와, 상기 방전 상대전극판에 전압을 인가하기 위한 상대전극 연결볼트와, 상기 연결볼트들을 고정시키기 위한 전극판 고정용너트로 구성되는 다단식 코로나 방전을 이용한 배기가스 정화반응기를 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 기본 원리는 방전극간에 방전을 복수로 해서 플라즈마 형성을 전체적으로 조밀하게 유지시키는 다공/다침방전극판을 배기가스의 진행방향으로 다단 중첩하여 구성함으로서 각각의 극판들 사이의 다단의 공간을 배기가스가 통과하면서 코로나 방전과 접촉하여 플라즈마의 화학반응을 거쳐 정화되도록 하는 것이다.

제2a도에는 각단을 구성하는 방전 상대전극판을 나타낸 것으로서, 상기 다공의 방전 상대전극판(20)은 테프론(Teflon)재질의 부도체인 설치판(21)에 상대전극판(20)의 전극 연결 윙(23, Wing)이 설치되어 있다.

상기 설치판(21)에는 방전극이 돌출되지 않도록 극판모양의 홈이 되어 있어서, 조립되었을 때 틈사이가 조밀하게 되고 배기가스가 누출됨이 없이 각 극판을 통과하도록 유도된다.

또한 상기 설치판에는 방전 개시전극판(26)에 전압을 인가하기 위한 개시전극 연결볼트(28)가 삽입될 통로(24)와 상대전극(20)에 전압을 인가하기 위한 상대전극 연결볼트(29)가 삽입될 통로(25)가 형성되어 있다.

다음으로 제2b도는 제2a도의 사시도를 나타낸 것으로 상대전극판(20)의 상하부에 설치되는 방전 개시전극판(26)과 일정한 간격을 유지하기 위하여 상대전극판(20)이 안치되는 전극 설치판(21)은 일정한 높이를 갖고 있다.

다음으로 제2c도는 다침다공 방전 개시전극판과 상기 개시전극판이 안치될 전극설치판을 나타낸 것으로서, 상기 방전 개시전극판(26)의 양면에는 약 1cm 길이의 방전침(27) 다수가 용접되어 설치되어 있고, 상기 상대전극판(20)에 형성되어 있는 배기가스 통과 홀(22)의 수 만큼 개시전극판(26)에도 배기가스 통과 홀(22)이 형성되어 있으며, 상기 방전 개시전극판(26)을 전극 설치판(21)에 안치할 수 있고 전압을 인가하는 개시전극 연결볼트(28)와 결합될 전극연결 윙(23)이 형성되어 있다.

또한 상기 방전 개시전극이 안치될 전극 설치판은 상기 제2a도의 상대전극판(20)이 안치될 전극 설치판(21)의 구조와 동일하다.

다음으로 제2d도는 상기 각각의 전극 설치판(21)에 안치되어 있는 방전 상대전극판(20)과 방전 개시전극판(26)을 결합시킨 것을 나타낸 단면도로서, 각각의 전극 설치판(21)에 형성되어 있는 방전 개시전극 연결볼트 통로(24)가 일치되게 설치하여야 하고, 또한 방전 상대전극 연결볼트 통로(25)도 일치되도록 설치하여야 한다.

이때 방전 개시전극판(26)과 상대전극판(20)의 간격은 전극 설치판(21)의 두께를 변경하여 조절할 수 있다.

다음으로 제3도는 다단의 방전극판(20, 26) 및 전극 설치판(21)을 방전극 연결볼트(28, 29)와 전극 설치판 고정너트(32)를 이용하여 고정되어 있는 것을 나타낸 것으로서, 상기 설치되는 방전극판(20, 26)의 단수는 사용될 장치의 배기가스의 유속과 양을 고려하여 설치한다. 이때 각각의 방전극판(20, 26)이 안치된 전극 설치판(21)이 다단으로 설치된 것을 카트리지라 한다.

또한 상기 카트리지를 고정하고 차후에 배기가스 흡입관(33)과 배기관(34)에 연결하기 위한 카트리지 설치판(30)을 카트리지의 상하단에 설치한다. 이때 상기 전극 설치판(21)에 형성되어 있는 각각의 전극연결 볼트(28, 29)가 삽입될 통로(24, 25)가 카트리지 설치판(30)에도 형성되어 있으며, 배기가스 흡입관(33)과 배기가스 배기관(34)을 연결하기 위한 방전 카트리지 설치 홀(31)들이 형성되어 있다.

상기와 같이 카트리지 설치판(30)에 안치된 카트리지를 고정하고 전극을 인가하기 위하여 방전 개시전극 연결볼트(28)와 상대전극 연결볼트(29)를 각각의 전극 연결볼트 통로(24, 25)에 삽입하는데 이때 카트리지를 이루는 각각의 전극 설치판(21) 사이사이에는 상기 전극연결 볼트(28, 29)를 고정하기 위한 전극판 고정너트(32)가 위치하고 있어 상기 전극연결 볼트(28, 29)를 회전시키면서 삽입 고정시켜야 한다.

상기 전극연결 볼트(28, 29)와 전극판 고정너트(32)는 카트리지를 이루는 각각의 전극 설치판(21)들의 사이가 완전히 밀폐되어 누출되는 배기가스가 없게 하여야 한다.

다음으로 제4도는 상기 카트리지 설치판(30)에 고정된 카트리지를 배기가스의 흡입관(33)과 배기가스 배기관(34)에 연결한 것을 나타낸 것으로서, 상기 카트리지가 설치된 카트리지 설치판(30)을 카트리지 고정볼트(35)를 이용하여 배기가스 흡입관(33)과 배기관(34)에 고정시키고 배기관(34)의 외벽에 고압의 전원과 연결할 수 있는 양전압 연결단자와 음전압 연결단자를 설치하고 상기 단자들로부터 전선을 각각의 전극연결 볼트(28, 29)에 연결함으로서, 배기가스 흡입관(33)으로 흡입되는 배기가스를 카트리지를 이루는 다단의 다침다공의 코로나 방전 장치에 의해 방전되는 코로나 방전공간을 통과하게 함으로서 배기가스가 코로나 방전에 의한 플라즈마 화학반응을 일으키면서 정화되어 배기관(34)을 통해 배출된다.

상술한 다단식 코로나 방전 정화반응기의 동작을 외부의 방전 개시전극판(26)과 상대전극판(20) 연결단자에 고압전원(H.V.Power Supply)의 양극과 음극을 각각 연결하고, 전압을 상승시키면서 방전을 시작하게 되는데 일단 방전이 개시되면 단계적으로 전압을 상승시켜서 스트리머(Streamer) 코로나 방전을 유도하며 아크방전되는 것을 억제하면서 방전의 세기를 상승시켜서 안정된 플라즈마를 형성 할 수 있도록 조절한다.

이때, 방전의 범위가 극간 전체를 충분히 점유하기 위해서 간격조정 필요시에는 상기과정을 반복하면서 최적의 조건을 찾는다.

또한, 유속의 정도에 따라서 코로나 방전의 세기를 전압을 변경함으로써 조절 할 수 있다.

상술한 다단식 코로나 방전 정화반응기는 조립식인 다단식 전극 카트리지를 사용하므로 적용범위에 따라 단수를 조절 할 수 있어 사용상에 융통성이 있고, 처리되는 배기가스의 흐름을 위한 홀이 전극간에 정렬되지 않도록 되어 있어서, 가스의 흐름이 극판에 부디치면서 와류를 형성하게 되므로 결과적으로 배기가스의 방전반응 체류시간이 증대된다.

또한, 각 극판은 부도체인 테프론(Teflon)재질의 설치판에 안치되어서 조립되므로 가스의 누출은 물론 고전압하에서 누전에 의한 아크방전을 방지하며 각단은 연결볼트에 너트를 결합시켜 일괄적으로 연결하므로 전체적으로 고르게 전류가 분배된다.

본 발명은 플라즈마 형성이 기체의 진행방향과 향류식 및 병류식을 반복되면서 진행되기 때문에 정화반응을 위한 접촉시간이 효과적으로 길어지고, 기체가 다공극판을 통과하므로 압력손실을 줄일 수 있어서 배기가스의 정화처리량을 높일 수 있다.

또한, 최종단에서 배출되는 배기가스의 정화효율은 유해가스의 농도 및 배기가스의 유속에 따라서 총 구성단수를 조정해서 자유로이 조절할 수 있다.

Claims (7)

1. 다수의 홀이 형성된 원형판의 양면에 다수의 침이 형성되어 있고 전원을 인가하기 위한 윙이 형성되어 있는 방전 개시전극판과, 상기 방전 개시전극판이 안치되고 설치판 연결볼트의 통로가 형성되어 있는 개시전극 설치판과, 다수의 홀이 형성되어 있는 전원을 인가하기 위한 윙이 형성되어 있는 원형판의 방전 상대전극판과, 상기 방전 상대전극판이 안치되고 설치판 연결볼트의 통로가 형성되어 있으며 상기 개시전극판 설치판의 상하부에 설치되는 상대전극 설치판과, 상기 개시전극 설치판과 상대전극 설치판을 다단으로 설치한 카트리지와, 상기 카트리지를 배기가스의 배기관 및 흡기관과 연결시키기 위해 카트리지의 상하부에 부착되어 있는 카트리지 설치판을 포함하는 배기가스 정화반응기.
2. 제1항에 있어서, 상기 개시전극 설치판과 상대전극 설치판은 전원을 공급하기 위한 윙들이 서로 직각이 되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 반응기.
3. 제1항에 있어서, 상기 카트리지는 방전 개시전극판들에 전압을 인가하기 위한 방전 개시전극 연결볼트와, 상기 방전 상대전극판들에 전압을 인가하기 위한 방전 상대전극 연결볼트와, 상기 연결볼트를 고정시키기 위한 전극판 고정용너트에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화반응기.
4. 제1항에 있어서, 상기 전극 설치판들의 재료는 테프론인 것을 특징으로 하는 배기가스 정화반응기.
5. 제1항에 있어서, 상기 카트리지를 구성하는 개시전극과 상대전극이 안치되어 있는 설치판의 단수는 배기량에 따라 임의로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화반응기.
6. 제1항에 있어서, 상기 카트리지 설치판의 재료는 테프론인 것을 특징으로 하는 배기가스 정화반응기.
7. 제2항에 있어서, 상기 전극 설치판에 형성되어 있는 전극 연결볼트 연결통로는 개시전극 연결볼트 통로와 상대전극 연결볼트의 통로가 각각 수직한 위치에 2개씩 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화반응기.