KR100330451B1 - 저온 플라즈마를 이용한 유해가스 처리용 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저온 플라즈마를 이용한 유해가스 처리용 반응기의 접지전극인 전극봉의 형상 및 전극 배열에 관한 것으로서, 종래의 반응기는 대형화 되었을 때 전극봉 배열의 변형 등에 의해 일정한 극간 거리 유지가 어렵거나, 혹은 전극봉 주위의 전계 영역이 증가하여 반응기의 정전용량이 커진다. 따라서, 전원공급장치에서 반응기로 전달되는 전기 에너지 전달 효율이 저하되어 전력소모율이 상대적으로 증가하며, 또한 종래의 전극봉 배열에서는 반응기 내에서 유해가스의 체류시간을 충분히 확보하는 설계가 불가능하였다. 그러나, 본 발명에서는 좌우 양쪽에 사다리꼴 형상의 2개의 전극봉으로 구성되어 있으며, 그 사이는 플레이트(12a)로 연결되어 2개의 전극봉이 하나의 전극봉 세트(Set)를 이루고 있는 형상으로 되어 있고, 상기 플레이트(12a) 면에는 일정간격으로 전극봉 홀(13)이 형성되어 있는 조합형 전극봉(12)으로 이루어진 접지 전극봉의 형상 및 방전극(10)과의 배열을 통하여 반응기의 정전용량을 축소하고 반응기 설계에 유연성을 확보할 수 있다. 또한, 전력소모율을 절감하여 운전비를 줄일 수 있고, 유해가스의 반응기 내 체류시간을 일정시간 이상 될 수 있도록 하여 유해가스 제거효율을 높일 수 있는 특징이 있다.

Description

저온 플라즈마를 이용한 유해가스 처리용 반응기{Reactor for Treatment of Hazardous Gas Using Nonthermal Plasma}

본 발명은 저온 플라즈마를 이용한 유해가스 처리용 반응기 내에 설치되는 전극봉의 형상 및 전극 배열에 관한 것으로서, 특히 반응기의 정전용량의 축소와 배기가스의 반응기 내 체류시간의 확보를 적절하게 도모하기 위해 전극봉의 형상을 특정하게 변경시킴과 동시에, 전극봉과 방전극의 배열도 이상적으로 배치한 전극봉에 관한 것이다.

저온 플라즈마를 이용한 유해가스 처리용 반응기는 발전소, 산업체 설비, 소각로 등의 배기가스 후처리 시스템에 이용되고 있다. 특히, 석탄 및 석유 등과 같은 화석연료를 사용하여 전력을 생산하는 화력 발전소에서, 상기 화석연료의 사용 후 배출되는 배기가스 중에 포함되어 있는 황산화물 및 질소산화물은 대기 오염을 일으키는 주요 물질이어서, 이러한 물질을 제거하기 위해 상기한 유해가스 처리용 반응기를 사용하고 있다.

이러한 배기가스는 광스모그 현상 유발, 호흡기 질환, 산성비로 인한 각종금속 혹은 건물의 부식, 산림고사 등의 원인이 되고 있다. 따라서, 석탄 및 석유화력 발전소의 집진기 후단에는 저온 플라즈마를 이용한 탈황·탈질 시스템(유해가스 처리용 반응기)과 같은 설비를 설치하여 유해가스를 필수적으로 제거하고 있다.

그외 난반용 또는 산업용 보일러를 가동할 때 발생하는 배기가스 내에 포함되어 있는 황산화물, 질소산화물의 처리, 쓰레기 소각로에서 배출되는 가스 중의 질소산화물, 다이옥신 제거를 위해 저온 플라즈마를 이용한 유해가스 처리공정이 연구되고 있다.

도 1은 저온 플라즈마를 이용하여 유해가스를 처리하는 탈황·탈질시스템에 대한 개략적인 사시도를 도시한 것이며, 이러한 유해가스 처리시스템은 오염물질 중 황산화물 및 질소산화물을 제거하는 데에 한정한다.

상기 탈황·탈질 시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 배기가스(5)가 유입되는 반응기(1)와 이 반응기 상부에 설치된 반응기 전원공급장치(2), 상기 반응기 후단에 배열되어 설치된 집진기(3)와 이 집진기 상부에 설치된 집진기 전원공급장치(4), 상기 집진기(3)의 후단에 설치한 흡입팬(6) 및 상기 반응기(1)의 도입부와 집진기(4)의 후단에 설치한 가스 분석기(7) 등으로 구성되어 있다.

일반적으로 상기 저온 플라즈마를 이용한 탈황·탈질 시스템에서 배기가스 내의 황산화물과 질소산화물은 다음과 같은 과정을 거쳐 제거된다.

1) 유해가스를 포함하고 있는 배기가스(5)가 도 1에 도시한 흡입팬(6)에 의해 반응기(1) 내로 들어오면, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 반응기 내에서 일정 간격으로 떨어져 있는 양극(+)의 방전극(8)(10)과 음극(-)의 전극판(9) 혹은 전극봉(11)에 고전압을 인가하여 상기 방전극과 전극판 또는 전극봉 사이에 코로나(Corona)를 형성시키게 되고, 이때 상기 코로나에 의해 에너지가 높은 전자들이 발생한다.

2) 발생된 전자들은 배기가스의 주요 성분인 산소, 질소, 수증기와 충돌하여 각종 라디칼(Radical)을 생성시키고, 생성된 라디칼은 배기가스 중 가스상 오염물질을 산화시켜 산성염으로 변환시키게 된다.

3) 생성된 산성염은 주입된 염기성의 암모니아 등의 첨가제와 반응하여 입자상의 중성염을 형성하게 되고, 이 입자상의 중성염이 도 1에 도시한 전기집진기(3)에서 집진된다.

그런데, 저온 플라즈마를 이용한 탈황·탈질 시스템을 대용량으로 하게 되면 다음과 같은 문제로 인해 실용화에 어려움이 있다.

1) 대용량 전원장치 개발의 미흡

2) 에너지의 소비율 과다

3) 반응기의 대형화 기술 미흡

상기한 문제점을 좀 더 상세히 설명하면, 플라즈마 탈황·탈질용 전원공급장치에서 반응기로 인가되는 전압의 형태로는 직류, 교류, 펄스 등이 사용되고 있다. 일반적으로 지속적으로 전류를 공급해야 하는 직류 및 교류 전원공급장치는 전기 에너지의 코로나 변환 효율면에서 불리하기 때문에 소형 실험장치 등에서 많이 사용되고 있으나, 대형 플랜트 설비에서는 대용량의 전류를 공급해야 하기 때문에 적용이 어렵다.

따라서, 대형 플랜트용 전원공급장치로서는 에너지의 변환 효율이 높은 펄스 전원공급장치가 사용되어야 하나, 아직까지는 상용화를 위한 대용량 펄스 전원공급장치의 개발이 이루어지지 못하고 있다.

그런데, 플라즈마 탈황·탈질에 소비되는 전기 에너지는 종래 탈황·탈질 설비에 비해 상대적으로 높기 때문에 최적의 반응조건에 대한 연구 및 에너지 효율을 높이기 위한 반응기와 첨가제가 필요하다.

반응기를 대형화시키기 위해서는 방전극 및 전극판의 길이를 증가시켜야만 하나, 길이가 길어짐에 따라 방전극 및 전극판의 변형이 일어날 수 있으며, 이 경우 극간 거리가 균일하게 되지 않아 방전극과 전극판 사이에서는 스파크(전 단계로써 코로나가 발생한다)가 일어나게 된다.

이와 같이 스파크가 발생할 경우 균일한 코로나가 형성되지 않으며, 전원공급장치 및 부대 설비에 악영향을 미치게 되고, 심할 경우 시스템의 파손을 유발할 수 있다.

도 2a와 도 2b 및 도 3a와 도 3b에서는 종래의 플라즈마 유해가스 처리시스템에서 반응기 내 전극봉의 형상 및 배열을 도시한 것으로서, 본 발명에서는 종래의 반응기와 관련하여 발생하는 문제 중 다음 과제에 대하여 해결하고자 한다.

첫째, 대형화될 때 반응기의 정전용량(Capacitance) 값이 너무 크다.

전원공급장치에서 반응기로 전기에너지를 공급할 경우 전원공급장치의 정전용량이 반응기의 정전용량보다 수배∼수십배 이상이어야 전원공급장치의 출력펄스파형이 원하는 펄스 폭과 첨두값(펄스 높이)을 반응기로 전달하며, 이 경우 전기에너지의 전달 효율이 우수하다.

그러나, 탈황·탈질 시스템이 대형화 될수록 반응기의 정전용량 값이 상대적으로 크게 증가하기 때문에 이에 따라 전원공급장치의 정전용량이 무한정 커지게 된다. 따라서, 반응기의 정전용량 값을 감소시키는 것이 필요하다.

둘째, 방전극과 전극판 혹은 전극봉 사이의 이격 거리의 조정이 힘들다.

도 2a 및 도 2b에서 방전극으로 와이어(Wire)를 사용하고 전극판으로 플레이트(Plate)를 사용한 반응기에서 부착된 불순물 입자의 제거를 위한 랩핑(Rapping) 혹은 열팽창 등에 의하여 방전극 또는 전극판이 이동되었을 경우, 스파크 방지와 균일한 코로나 발생을 위하여 극간 거리의 재조정이 필요하다.

이 경우 도 2a에 도시한 바와 같이, 전극판(9)과 방전극의 간격을 재조정하기 위해서 P(전극판과 방전극의 거리)와 L(방전극 간의 거리)을 변화시킬 때에는 동일 구간에 존재하는 전체 전극판 및 방전극을 순차적으로 간격을 맞추어 배열 조정을 실시해야 하나, 도 2a의 전극판과 방전극은 물론 도 3a의 핀(Fin) 부착 방전극과 전극봉 구조의 반응기에서는 이러한 이격거리의 조정이 더욱 어렵다.

셋째, 전극판과 방전극 또는 핀 부착 방전극과 전극봉 구조를 갖는 종래 반응기로는 유해가스의 반응기 내 체류시간을 일정 시간 이상으로 확보하기 위한 설계가 어렵다.

저온 플라즈마를 이용하여 유해가스를 처리할 때 플라즈마 반응 구간에 유해가스가 체류하는 시간은 수초 이상이 되어야 효과적이다. 체류시간은 처리가스의유량, 반응기의 단면적 등에 의하여 결정되며, 이러한 변수로부터 도출한 가스의 반응기 내 체류시간을 결정함에 있어서, 종래 반응기는 반응에 필요한 시간을 충족시키지 못하는 경우가 많이 발생한다.

도 1은 저온 플라즈마를 이용한 유해가스 처리 시스템의 개략적인 사시도,

도 2a는 종래의 플라즈마를 이용한 유해가스 처리용 와이어-플레이트형 반응기의 사시도,

도 2b는 종래의 플라즈마를 이용한 유해가스 처리용 와이어-플레이트형 반응기의 전극 배열도,

도 3a는 종래의 플라즈마 유해가스 처리용 핀 부착 반응기의 사시도,

도 3b는 종래의 플라즈마 유해가스 처리용 핀 부착 반응기의 전극 배열도,

도 4a는 본 발명에 따른 반응기의 전극봉 형상을 도시한 평면도,

도 4b는 본 발명에 따른 반응기의 전극봉 형상을 도시한 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 반응기의 전극배열을 도시한 평면도,

(도면 부호의 설명)

1...반응기, 2...반응기 전원공급장치,

3...집진기, 4...집진기 전원공급장치,

5...배기가스, 6...흡입팬,

7...가스 분석기, 8...방전극 와이어,

9...전극판, 10...핀 부착 방전극,

11...전극봉, 12...조합형 전극봉,

13...전극봉 홀(hole), L...유동방향 방전극 피치,

P...극간 거리.

본 발명에서는 도 2a와 도 2b 및 도 3a과 도 3b와 같은 종래 반응기에서 발생하는 문제 중 앞서 제시한 과제를 해결하기 위하여 새로운 전극봉의 형상 및 상기 전극봉과 핀 부착 방전극의 배열을 고안하였다.구체적으로, 본 발명에 따른 저온 플라즈마를 이용한 유해가스 처리용 반응기는, 사다리꼴의 형상을 각각 가지는 2개의 전극봉과, 그 사이에서 플레이트가 상기 2개의 전극봉과 고정 결합되어 일체로 형성되어 있으며, 가스 진행방향 및 직교방향을 따라 복수의 열과 행으로 분리 배치되어 있는 복수의 조합형 전극봉과; 가스흐름과 직교하는 방향으로는, 마주보는 2개의 조합형 전극봉 사이에 배치되어 있고, 가스 진행방향으로는 일렬로 배치되는 복수의 핀 부착 방전극과; 로 이루어지며,상기 플레이트에는 전극봉 홀이 1개 이상 형성되어 있고, 상기 방전극에는 상기 조합형 전극봉의 좌우 전극봉에 대응하는 방전핀이 길이방향으로 연장되어 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성을 나타내는 실시예를 상세히 설명한다.본 발명에서 사용된 조합형 전극봉의 형상 및 방전극과의 배열을 평면도와 사시도로 각각 도 4a 및 도 4b에 도시하였는데, 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 조합형 전극봉(12)은 좌우 양쪽에 사다리꼴 형상의 2개의 전극봉으로 구성되어 있으며, 그 사이는 플레이트(12a)로 연결되어 있어 2개의 전극봉이 하나의 전극봉 세트(Set)를 이루고 있는 형상으로 되어 있다.

상기한 형상을 이루고 있는 조합형 전극봉(12)과 방전극의 배열은 상기 조합형 전극봉 주위에 핀(10a)을 부착한 핀 부착 방전극(10)이 위치하도록 하여, 상기 핀 부착 방전극에는 양(+)의 전압이 인가되고, 상기 조합형 전극봉(12)은 음극(-)으로 접지시킨다.

따라서, 전원공급장치에서 반응기 내로 인가되는 전압에 의해 핀 부착 방전극(10)의 핀(10a)에서 조합형 전극봉(12)의 최단 거리방향으로 코로나가 방전된다.

또한, 도 4a에 도시한 바와 같은 본 발명의 조합형 전극봉 구조에서 코로나가 형성되는 부분은 곡률반경이 크기 때문에 평판에 가까워 상기 코로나의 형성에 유리하며 스파크를 방지할 수 있다. 또한, 각 조합형 전극봉은 방전이 일어나지 않는 불필요한 면(전극봉의 점선영역)을 제거하였고, 방전이 일어나는 안쪽 영역은 전극봉과 전극봉 사이의 이격거리를 최소화하여 플레이트로 연결된 일체형으로 고안하였다. 따라서, 최종적으로는 사다리꼴 형상을 각각 가지는 2개의 전극봉 사이에 플레이트(12a)가 고정 고정 결합되는 형상을 가진다.

또, 전극봉과 전극봉 사이를 연결하고 있는 플레이트(12a) 면에는 도 4b에 도시한 바와 같이, 기계적 강도에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 일정간격으로 전극봉 홀(13)을 형성하여 조합형 전극봉(접지극)(12)의 단면적을 감소시킨다.

따라서, 조합형 전극봉 구조 중 코로나 발생에 불필요한 상기 조합형 전극봉의 바깥영역 부분(점선영역)을 제거하였고, 양쪽 전극봉의 연결부분 플레이트 상에 형성된 전극봉 홀을 이용하여 음극의 면적을 축소함으로써 전극봉의 전계 영역을 감소시켰다.

이러한 조합형 전극봉을 사용함으로써 반응기의 정전용량을 감소시켰으며, 따라서 전원공급장치의 설계된 펄스파형을 반응기로 전달할 뿐만 아니라, 많은 전기에너지가 반응기에 공급될 수 있다.

도 5에서는 핀 부착형 방전극(10)과 본 발명에 따른 조합형 전극봉(12)의 배열을 도시하였다. 종래의 핀 부착형 반응기 배열에서는 특정 배열의 극간 거리가 불균일할 경우 모든 극간 거리를 순차적으로 재조정하여야 일정거리를 유지할 수 있다.

그러나, 본 발명의 배열에서는 극간 거리(P)가 변화되었을 경우 특정 조합형 전극봉 혹은 유동방향에 직각인 변경된 열의 조정만으로 일정거리를 유지할 수 있다.

반응기 내부의 체류시간은 유해가스 처리에 필요한 시간을 제공한다.

반응기의 단면적 및 길이는 일반적으로 처리해야 할 유해가스량 및 반응기 내부의 유해가스 처리유속에 의하여 결정된다. 본 발명의 배열을 사용함으로써 유해가스의 반응기 내 체류시간이 최소 필요시간을 만족시킬 수 있다.

이러한 문제는 도 5의 유동방향 방전극 피치(L)를 조절함으로써 해결할 수 있다. 여기서, L은 코로나 형성에는 영향을 주지 않으나, 형성된 라디칼들이 유해가스와 반응할 수 있는 공간 및 시간을 제공한다.

따라서, 반응기를 설계할 때 유동방향 방전극 피치(L)의 조절을 통한 체류시간 확보가 본 발명의 배열을 통하여 가능하다.

상기한 구성에 의한 본 발명의 구체적인 실시예는 다음과 같다.

본 실시예는 설계 처리유량 35,000N㎥ 규모의 화력 발전소 배기가스 처리용 반응기에 적용한 것이다.

조합형 전극봉은 4각 단면과 유사한 사다리꼴 형상이며 두 전극봉의 연결 부위 플레이트 상에는 여러 개의 전극봉 홀을 설치하여 접지극의 면적을 줄였고, 상·하단에는 지지를 위한 구멍이 각각 만들어져 있으며, 재질은 압연 강판인 SPCC를 사용하고 무게를 줄이기 위하여 박판을 사용하였다.

이상과 같은 목적과 구성으로 이루어진 본 발명에 의해 다음과 같은 구체적인 효과를 얻게 된다.

1) 전원공급장치에서 반응기로의 에너지 전달효율을 증가시킴으로써 전력 소모량을 상대적으로 감소시킬 수 있으므로, 저온 플라즈마를 이용한 유해가스 처리시스템의 운전 유지비를 감소시킬 수 있다.

2) 반응기를 설계할 때 길이 조절이 용이하여 유해가스의 반응기 내 체류시간을 충분히 확보할 수 있으므로, 유해가스 제거 효율을 향상시킬 수 있다.

3) 전극간 균일한 거리조정이 종래의 반응기에 비하여 쉽게 할 수 있으므로 설치 및 유지 보수를 할 때 편리한다.

Claims (2)

1. 저온 플라즈마를 이용한 유해가스 처리용 반응기에 있어서,

   사다리꼴의 형상을 각각 가지는 2개의 전극봉과, 그 사이에서 플레이트(12a)가 상기 2개의 전극봉과 고정 결합되어 일체로 형성되어 있으며, 가스 진행방향 및 직교방향을 따라 복수의 열과 행으로 분리 배치되어 있는 복수의 조합형 전극봉(12)과;

   가스흐름과 직교하는 방향으로는, 마주보는 2개의 조합형 전극봉(12) 사이에 배치되어 있고, 가스 진행방향으로는 일렬로 배치되는 복수의 핀 부착 방전극(10)과; 로 이루어지며,

   상기 플레이트(12a)에는 전극봉 홀(13)이 1개 이상 형성되어 있고, 상기 방전극(10)에는 상기 조합형 전극봉(12)의 좌우 전극봉에 대응하는 방전핀(10a)이 길이방향으로 연장되어 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마를 이용한 유해가스 처리용 반응기.
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