KR100228835B1 - 스트리머 코로나 방전에 의한 대기오염물질 처리방법 및 그 장치 - Google Patents

스트리머 코로나 방전에 의한 대기오염물질 처리방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대기오염물질 처리방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 플라즈마 전리기체에 의해 집진장치에 공급되는 먼지 및 유해가스를 동시에 제거할 수 있는 스트리머 코로나 방전에 의한 대기오염물질 처리방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명은 대기오염물질 처리방법에 있어서, 양(+) 또는 부(-)코로나 방전을 위한 고전압 펄스를 발생하기 위해 전원을 공급하는 전원공급단계와, 상기 전원공급단계에서 공급되는 고전압을 방전단속수단을 이용하여 첨예한 고전압펄스 코로나 방전이 되게하는 펄스발생단계와, 상기 펄스발생단계에서 공급되는 고전압을 전달받아 펄스코로나방전에 의해 먼지를 제거하는 분진제거단계와, 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 플라즈마 전리기체와 유해가스가 화학적으로 반응하는 반응단계와, 펄스코로나방전에 의해 복합비료에 사용되는 원료가 얻어지는 정화처리단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 대기오염물질 처리방법 및 장치로서, 집진장치로 유입되는 먼지 및 유해가스를 동시에 제거할 수 있고, 설비를 소형화로 할 수 있어 운전비 및 동력비를 대폭 줄일 수 있는 기술에 관한 것이다.

Description

스트리머 코로나 방전에 의한 대기오염물질 처리방법 및 그 장치
본 발명은 대기오염물질 처리방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 플라즈마 전리기체에 의해 집진장치에 공급되는 먼지 및 유해가스를 동시에 제거할 수 있는 스트리머 코로나 방전에 의한 대기오염물질 처리방법 및 그 장치에 관한 것이다.
최근 급속한 산업화와 더불어 심각한 공해문제로 야기되는 유해물질을 처리하기 위해 분진제거를 위한 전기집진장치, 여과포집진장치, 세정집진장치 등이 사용되고, 유해가스 제거를 위한 습식석회석고법, 건식암모니아 접속산화법 등이 있다.
제1도는 상기 종래의 대기오염물질을 제거하기 위한 대기오염 처리시설의 구성을 개략적으로 나타내는 블럭도로서, 보일러(10), 예열기(11), 질소산화물정화장치(12), 냉각기(13), 집진장치(14), 황산화물제거장치(15), 팬(16) 및 스택(17)으로 구성되며, 상기 보일러(10)에서 발생되는 먼지 및 유해가스는 상기 예열기(11)에 공급되고, 상기 예열기(11)에서는 연소효율이 향상 및 재연소를 위하여 공급된 가스를 보일러(10)로 재공급하고, 연소시 발생하는 먼지 및 유해가스중 질소산화물을 제거하기 위해 반응에 필요한 고온으로 예열하여 질소산화물정화장치(12)로 전달한다. 상기 질소산화물정화장치(12)로 전달된 고온의 먼지 및 유해가스는 건식암모니아 접촉산화법을 근간으로한 선택적촉매반응장치(SCR : Selective Cataiytic Reduction) 등에 의해 중화되게 하여 질소산화물(NOx)을 정화한다. 질소산화물정화장치(12)이 정화된 먼지 및 유해가스는 냉각기(13)를 통하여 집진장치(14)에 전달되면 정전기력에 의해 먼지 대전(하전)을 이용한 전기집진장치 또는 직물필터를 이용한 여과포집진장치 등에 의해 제거된다. 먼지가 제거된 유해가스는 황산화물제거장치(15)에 전달되어 침전 또는 습식석회석고법에 의해 황산화물제거장치(SOx)이 제거된다. 황산화물(SOx)이 제거된 기타 유해가스들(예를들어 다이옥신, 염화수소등)은 제거되지 못하고 스택(17,Stack)을 통하여 대기중으로 배출된다. 상기 팬(16)의 구동에 의해 상기 보일러(10)에서 발생되는 먼지 및 유해가스가 스택까지 이동된다.
그러나, 종래의 기술은 먼지와 유해가스를 제거하는 처리장치(예를들어 질소산화물정화장치, 황산화물제거장치, 먼지를 제거하기 위한 전기집진장치 등)가 각각 별개의 독립적으로 운영되기 때문에 설비가 과다하고, 대형화되는 문제점이 있으며, 상기 유해가스를 제거하기 위한 장치를 이용하기 위해서는 별도의 폐수처리장치 및 기타부대설비가 필요하며, 유해가스를 제거하기 위해 사용되는 고가의 촉매물질 또는 중화제의 사용량이 많게 되어 운전비용이 높아지는 문제점이 있다.
또한, 유해가스 제거에 사용된 촉매물질 및 중화제의 재처리가 또 필요하며, 공정선로가 길어 처리시간이 길며 동력비가 높아지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 방전단속 수단을 통한 펄스 폭이 극히 좁은 1㎲이하, 펄스상승시간이 극히 짧은 500ns 이하의 첨예한 고전압 펄스를 발생시켜 기존의 전기집진기의 구성을 달리한 플라즈마반응부(63)에 전달하여 스트리머 코로나 방전에 의해 화학적으로 활성이 강한 활성종(라디칼 : Radical)을 갖는 플라즈마 전리기체를 발생시켜, 집진장치에 유입되는 분진 및 유해가스를 동시에 처리할 수 있는 스트리머 코로나 방전에 의해 대기오염 물질 처리방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 대기오염물질 처리방법에 있어서, 양(+)극성 또는 부(-)극성에 의한 고전압 펄스를 발생하기 위해 전원을 공급하는 전원공급단계와, 상기 전원공급단계에서 공급되는 고전압을 방전단속수단을 이용하여 첨예한 고전압펄스 코로나 방전이 되게 하는 펄스발생단계와, 상기 펄스발생단계에서 공급되는 고전압을 전달받아 펄스코로나방전에 의해 먼지를 제거하는 분진제거단계와, 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 플라즈마 전리기체와 유해가스가 화학적으로 반응하는 반응단계와, 펄스코로나방전에 의해 복합비료에 사용되는 원료가 얻어지는 정화처리단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징은 대기오염물질 처리장치에 있어서, 양(+)극성 또는 부(-)극성에 의한 고전압 펄스를 발생하기 위해 전원을 공급하는 전원장치(30,40)와, 상기 전원장치(30,40)에서 공급되는 고전압을 방전단속수단을 이용하여 첨예한 고전압펄스를 발생시키는 펄스발생기(50,50')와, 상기 펄스발생기(50)에서 공급되는 양(+)극성의 고전압을 전달받아 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 플라즈마 전리기체와 유해가스가 화학적으로 반응하여 처리되게 하는 플라즈마반응기(63)와, 상기 펄스발생기(50)에서 공급되는 부(-)극성의 직류 또는 펄스 고전압을 이용하여 대기오염물질 중 분진을 제거하기 위하여 전기집진기(61)에서의 부(-)코로나 방전에 의하여 분진입자를 대전하여 정전기력을 이용하여 포집하여 분진을 제거하고, 양(+)극성의 펄스 고전압에 의한 플라즈마반응부(63)에서 스트리머 코로나 방전에 의해 대기오염물질 중 분진이 제거된 황산화물 및 질소산화물 등의 유해가스를 화학적 활성이 강한 플라즈마 전리기체에 의한 플라즈마 상변화학반응에 의해 에어로졸 형태로 변환된 입자상(Mist) 물질을 부(-)극성의 코로나 방전에 의해 대전시켜 포집하는 전기집진기(64)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
제1도는 종래의 대기오염물질 처리장치를 설명하기 위한 설명도.
제2도는 본 발명에 따른 대기오염물질 처리장치를 설명하기 위한 설명도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 보일러 11 : 예열기
12 : 질소산화물 정화장치 13 : 냉각기
14,60 : 집진장치 15 : 황산화물 제거장치
16 : 팬 17 : 스택
20 : 콘트롤러 30,40 : 전원장치
50,50' : 펄스발생기 61,64 : 전기집진기
62 : 홉퍼 63 : 플라즈마 반응기
70 : 첨가물공급장치 71,71',71" : 방전전극
72,72',72" : 대향전극
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 대기오염물질 처리장치를 설명하기 위한 설명도로서, 콘트롤러(20), 전원장치(30,40), 펄스발생기(50,50') 및 집진장치(60)로 구성되며 상기 콘트롤러(20)는 프로그램에 의해 상기 전원장치(30,40) 및 펄스발생기(50,50')의 동작을 제어한다.
상기 전원장치(30,40) 및 펄스발생기(50,50')는 1997년 3월 7일자로 출원된 "스트리머 코로나 방전에 의한 플라즈마 전리기체 발생장치"의 명세서에 상세히 설명되었기에 상세한 기술은 생략하기로 한다.
상기 전원장치(30,40) 및 펄스발생기(50,50')를 간략히 설명하면, 상기 전원장치(30,40)는 직류 또는 교류전압을 제어하기 위한 전압제어장치와, 교류전압을 승압하는 고전압 변압기와, 승압된 교류고전압을 직류고전압으로 변환하는 고전압 정류기와, 펄스방전을 위한 충전용 콘덴서로 구성되며, 상기 펄스발생기(50,50')는 불꽃방전을 발생하는 스파크갭스위치와, 상기 스파크갭스위치에서 발생되는 불꽃방전을 임의적으로 단속되게 하는 방전단속수단과, 상기 수단에 의해 출력되는 고전압을 전달받아 플라즈마반응기의 부하임피턴스 및 정전용량에 따른 LG공진에 의해서 첨예한 고전압펄스 코로나 방전이 되게하는 고주파리액터로 구성된다.
따라서, 상기 전원장치(30)는 정류기(도시안됨)를 부(-)극성으로 하여 고전압을 펄스발생기(50)에 공급하면 상기 펄스발생기(50)에서 첨예한 고전압펄스 코로나 방전이 되게하는 고전압이 스위치(S1,S3)를 통하여 집진장치(60)의 전기집진기(61,64)로 각각 전달된다.
이때, 전기집진기(61,64)에서는 부(-)코로나 방전에 의해 양(+)극성일 때와 비교하여 비교적 절연파괴전압이 높고 강제적으로 방전전극(71)으로부터 다량의 전자의 방출이 발생함으로써 분진입자의 대전에 용이하고, 절연파괴전압이 양(+)극성의 코로나 방전에 비교하여 비교적 높기 때문에 보다 강력한 전기장 형성에 의한 정전기력을 형성시켜 입자상 물질의 포집 제거에 유리하다는 관점에서 전기집진기(61,64)에는 부(-)코로나 방전을 사용한다. 또한, 상기 전원장치(40)는 정류기(도시안됨)를 양(+)극성으로 하여 양(+)의 고전압을 펄스발생기(50')에 공급하면 상기 펄스발생기(50')에서 첨예한 양(+)의 고전압 펄스를 발생시켜 스위치(S2)를 통하여 집진장치(60)의 플라즈마반응기(63)에 전달된다. 이때 플라즈마반응기(63)에는 왕성한 스트리머 코로나 방전에 의하여 화학적 활성이 강한 활성종을 갖는 물리적(전기적)으로 중성인 플라즈마 전리기체가 발생하여 플라즈마 상변화학반응을 일으키는 저온플라즈마 영역을 생성한다.
상기 집진장치(60)는 전기집진기(61,64), 홉퍼(62,hopper), 플라즈마반응기(63) 및 첨가물공급장치(70)로 구성되며, 상기 전기집진기(61)에는 방전전극(71) 및 대향전극(72)이 설치되어 있으며, 상기 방전전극(71)이 스위치(S1)에 접속되고, 하단에는 먼지를 받을 수 있는 홉퍼가 설치되어 있다.
상기 플라즈마반응기(63)에는 방전전극(71') 및 대향전극(72')이 설치되어 있으며, 상기 방전전극(71')이 스위치(S2)에 접속되고, 하단에는 먼지를 받을 수 있는 홉퍼가 설치되어 있다. 상기 전기집진기(64)는 전기집진기(61)와 동일한 것으로서 여기에는 방전전극(71") 및 대향전극(72")이 설치되어 있으며, 상기 방전전극(71")이 스위치(S3)에 접속되고, 하단에는 먼지를 받을 수 있는 홉퍼가 설치되어 있다.
본 발명의 동작과정을 좀더 상세히 설명하면, 보일러 등에서 발생되는 폐가스(먼지 및 유해가스)가 상기 집진장치(60)의 입구를 통하여 공급되면, 콘트롤러(20)의 동작에 의해 전원장치(30)를 통하여 일정전압이 공급되고, 펄스발생기(50)에서 부(-)극성에 대한 펄스고전압을 발생하여 스위치(S1)의 단자(b,c)를 통하여 전기집진기(61)의 방전전극(71)에 전달되면, 부코로나 방전에 의해 분진입자를 대전(하전)시켜 대향전극(72)을 집진판으로 사용되어 대전된 입자가 포집되고, 일정량이 포집된 분진을 탈진동작에 의해 분진이 홉퍼(62)로 떨어져 이송장치(도시안됨)를 통하여 이송된다. 그러면, 상기 집진장치(60)의 입구를 통하여 공급되던 폐가스의 먼지가 상기 전기집진기(61)에서 제거된다.
다시 콘트롤러(20)의 동작신호에 의해 전원장치(40)가 동작하고, 펄스발생기(50')에서 양(+)극성에 대한 펄스고전압을 발생하여 스위치(S2)의 단자(a,c)를 통하여 플라즈마반응기(63)의 방전전극(71')에 전달되면, 먼지가 제거된 유해가스를 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 플라즈마 전리기체에 의해 플라즈마상의 활성종에 의한 화학적 산화 및 환원반응이 동시에 일어나는 플라즈마상변화학반응을 통하여 유해가스를 무해성분의 미립자로 변환되게 한다.
즉, 상기 플라즈마반응기(63)의 방전전극(71')에 펄스폭이 좁고, 펄스상승시간이 짧은 고전압이 인가되어 강한 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 플라즈마 전리기체에는 O, H, OH, HO2등의 화학적 활성종(Radical)이 포함되는데 상기 화학적 활성종 O, H, OH, HO2는 폐가스 또는 대기중의 유해성분인 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 및 VOC(휘발성유기화합물), 다이옥신(DIOXINE), 포름알데히드(HCOH), 메칠에틸케톤(MEK), CFC, HCL 등을 무해한 성분으로 분해시킨다. 특히, 유해성분의 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)이 효과적으로 분해된다.
상기 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 화학적 활성종인 플라즈마 전리기체 즉, O, H, OH, HO2등이 화학전리적 충돌에 의해 상기 유해가스성분을 분해하고, NHO3, H2SO4, CO2, H2O로 분해되는 것을 좀더 구체적으로 살펴보면,
유기오염물질 + O
Figure kpo00002
CO2 + H2O
유기오염물질 + OH
Figure kpo00003
CO2+ H2O
NO + O
Figure kpo00004
NO2
NO + HO2
Figure kpo00005
HNO3
NO2+ OH
Figure kpo00006
HNO3
SO2+ OH
Figure kpo00007
HSO3
HSO3 + OH
Figure kpo00008
H2SO4
상기 반응식에서 보듯이 NOx, SOx 및 유기오염물질은 본 발명에 따른 플라즈마반응기(63)에서 강한 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 플라즈마 전리기체에 의해 및 CO2, H2O로 분해되는 것을 알 수 있으며, 상기 첨가물공급장치(70)는 상기 콘트롤러(20)의 동작신호에 따라 동작되며, 상기 전기집진기(61,64) 또는 플라즈마반응기(63)내에 유입된 먼지 및 유해가스입자와 플라즈마의 전리기체와의 반응시 효과적으로 진행되기 위하여 암모니아, 라임스톤(Limestone)등의 화합물질을 첨가하는 것으로 주로 플라즈마반응기(63) 후단에서 공급하되, 필요에 따라서는 상기 플라즈마반응기(63) 전단 또는 전기집진기(61) 전단에 설치할 수 있다.
따라서, 상기 플라즈마반응기(63)에서 유해가스가 플라즈마 전리기체와 화학적으로 반응하여 질산(NHO3), 황산(H2SO4) 등의 에어로즐 상태로 변화되고, 상기 첨가물공급장치(70)에 의해 공급된 라임스톤 또는 암모니아에 흡착시켜 고체의 미립자로 변환된다.
전기집진기(64)에서는 펄스 코로나 방전에 의해 상기 발생되는 다량의 전자에 의해 상기 고체의 미립자를 대전(하전)시켜 대향전극(72")을 집진판으로 사용하여 대전된 미립자를 포집하여 추출한다. 상기 전기집진기(64)에서 추출된 탄화수소화합물, 질산암모늄염, 황산암모늄염은 고순도의 복합비료의 원료로 사용된다.
상기와 같은 장치에서의 동작과정을 다시 요약해 보면, 전원공급단계에서 양(+)극성 또는 부(-)극성에 의한 고전압 펄스를 발생하기 위해 전원을 공급하고, 펄스발생단계에서는 상기 전원공급단계에서 공급되는 고전압을 방전단속수단을 이용하여 펄스폭이 극히 좁고, 펄스상승시간이 극히 짧은 첨예한 고전압펄스 코로나 방전이 되게 한다.
상기 펄스발생단계에서 공급되는 부(-)극성의 고전압을 전달받아 펄스 코로나 방전에 의해 발생되는 다량의 전자에 의해 전기집진기(61)에서 분진의 대전 및 제거단계를 통하여 분진을 제거하고, 다시 상기 펄스발생단계에서 공급되는 양(+)극성의 고전압을 전달받아 플라즈마반응기(63)에서 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 플라즈마 전리기체와 분진이 제거된 유해가스가 화학적으로 반응하는 반응단계를 통하여 유해가스를 무해물질로 변환한다.
이때, 상기 반응단계에서 유해가스와 플라즈마 전리기체와의 화학적 반응에 의해 에어로즐상태를 촉매첨가단계를 통하여 고체의 미립자로 변환되게 한다.
상기 전기집진기(64)에서는 상기 펄스발생단계에서 공급되는 부(-)극성의 고전압을 전달받아 펄스 코로나 방전에 의해 발생되는 다량의 전자에 의해 상기 촉매첨가단계에서 변화된 고체의 미립자를 정화처리하는 정화처리단계를 통하여 고체의 미립자를 정화하여 고순도의 복합비료 원료를 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 집진장치에 강력한 스트리머 코로나 방전에 의한 플라즈마 전리기체를 발생되게 하여 집진장치로 유입되는 먼지 및 유해가스를 동시에 처리할 수 있기 때문에 초기 설비비를 줄일 수 있고, 설비를 소형화로 할 수 있어 운전비 및 동력비를 대폭 줄일 수 있다. 또한, 폐수처리 및 축출물의 재처리가 필요없기 때문에 여타부대설비를 추가할 필요가 없으며, 유해가스에서 추출되는 추출물로서 고순도 복합비료의 원료를 얻을 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 대기오염물질 중 분진 및 유해가스의 동시 처리방법에 있어서, 양(+)극성 및 부(-)극성에 의한 고전압 펄스를 발생하기 위한 전원을 공급하는 전원공급단계와, 상기 전원공급단계에서 고전압을 방전단속수단을 이용하여 펄스 폭이 극히 좁은 1㎲이하, 펄스상승시간이 극히 짧은 500ns 이하의 첨예한 고전압 펄스를 발생시는 펄스발생단계와, 상기 펄스발생단계에서 공급되는 양(+)극성의 고전압 펄스를 전달받아 플라즈마반응기(63)에서 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 플라즈마 전리기체와 유해가스가 화학적으로 반응하는 플라즈마 상변화학반응을 일으키는 반응단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 스트리머 코로나 방전에 의한 대기오염물질 처리방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응단계전에, 상기 펄스발생단계에서 공급되는 부(-)극성의 고전압을 전달받아 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 다량의 전자에 의해 전기집진기에서 분진을 대전시켜 분진을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트리머 코로나 방전에 의한 대기오염물질 처리방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 반응단계후에, 상기 펄스발생단계에서 공급되는 부(-)극성의 고전압을 전달받아 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 다량의 전자에 의해 전기집진기에서 상기 반응단계를 거친 입자를 대전시켜 입자를 정화처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트리머 코로나 방전에 의한 대기오염물질 처리방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반응단계의 전단 또는 후단에서 암모니아, 라임스톤, 산화나트륨 등의 촉매 또는 중화제를 첨가하여 플라즈마 전리기체와 유해가스가 화학적으로 반응하도록 하는 촉매첨가단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트리머 코로나 방전에 의한 대기오염물질 처리방법.
  5. 대기오염물질 처리장치에 있어서, 양(+)극성 또는 부(-)극성에 의한 고전압 펄스를 발생하기 위해 전원을 공급하는 전원장치(30,40)와, 상기 전원장치(30,40)에서 공급되는 고전압을 방전단속수단을 이용하여 펄스폭이 극히 좁고 펄스 상승시간이 극히 짧은 첨예한 고전압펄스 코로나 방전이 되게하는 펄스발생기(50,50')와, 상기 펄스발생기(50')에서 공급되는 양(+)극성의 고전압을 전달받아 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 플라즈마 전리기체와 유해가스가 화학적으로 반응하도록 하는 플라즈마반응기(63)로 이루어진 것을 특징으로 하는 스트리머 코로나 방전에 의한 대기오염물질 처리장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 펄스발생기(50)에서 공급되는 부(-)극성의 고전압을 전달받아 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 다량의 전자에 의해 분진을 대전시켜 집진하는 전기집진기(61)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 스트리머 코로나 방전에 의한 대기오염물질 처리장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 펄스발생기(50)에서 공급되는 부(-)극성의 고전압을 전달받아 스트리머 코로나 방전에 의해 발생되는 다량의 전자에 의해 플라즈마반응기(63)를 거친 입자를 대전시키는 전기집진기(64)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 스트리머 코로나 방전에 의한 대기오염물질 처리장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 플라즈마반응기(63)의 전단 또는 후단에서 암모니아, 라임스톤, 산화나트륨 등의 촉매 또는 중화제를 첨가하여 플라즈마 전리기체와 유해가스가 화학적으로 반응하도록 하는 첨가물공급장치(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트리머 코로나 방전에 의한 대기오염물질 처리장치.
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