KR100339849B1 - 탈질이나 탈황 또는 탈질/탈황의 동시 처리용 광촉매반응/ 플라즈마 복합 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연소후 배기가스 중에서 탈질이나 탈황 또는 탈질/탈황의 동시 처리용 광촉매 반응/ 플라즈마 복합 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 플라즈마와 광촉매 그리고 광에너지를 활용하여 산성가스인 황산화물(SOx)과 질소산화물 (NOx)을 동시 또는 단일성분으로 SOx와 NOx을 각각 별도로 처리할 수 있도록 하는 광화학 반응/플라스마 복합시스템의 장치에 관한 것이다.
황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 헬륨, 산소로 이루어진 모사 배기가스 또는 실제 배기가스를 질량 유속 제어기(22)에 통과시켜 유량을 제어한 후 고압의 펄스 발생기(26)가 부착된 플라즈마 반응기(20)를 통과시켜 1차 정화시키고, 상기 플라즈마 반응기(20)를 통과한 배기 가스를 중앙에는 저압 수은 램프(10)가 장착되고 램프 외측으로 광촉매(12)가 코팅된 광촉매 반응기(14)를 통과시킴으로 2차 정화를 하고, 2차 정화를 한 배기 가스를 질소 산화물 분석기(16)와 황 산화물 분석기(18) 및 적외선 변환 분광기(24)를 통과시켜 처리된 농도와 반응물을 분석할 수 있도록 구성되어진 것을 특징으로 하는 탈질이나 탈황 또는 탈질/탈황의 동시 처리용 광촉매 반응/ 플라즈마 복합 시스템이다.
Description
본 발명은 탈질이나 탈황 또는 탈질/탈황의 동시 처리용 광촉매 반응/ 플라즈마 복합 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 플라즈마와 광촉매 그리고 광에너지를 활용하여 산성가스인 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)을 동시 또는 단일성분으로 SOx와 NOx을 각각 별도로 처리할 수 있도록 하는 광화학 반응/플라스마 복합시스템의 장치에 관한 것이다.
과학이 급속도로 발전하면서 많은 에너지가 필요하게 되었으며, 이로 인한 에너지 수요량의 증가는 인체와 환경 및 자연에 덜 해로운 고급 연료의 사용에서 벗어나 값싼 저급연료의 사용을 확대시키는 계기가 되었다. 이러한 저급 연료를 사용함에 따라서 저급 연료의 연소 후 배기가스에 다량 함유되어 있는 SOx/NOx와 같은 황/질소 산화물을 대기 중에 배출시킴으로 인해 대기환경악화, 산성비, 그리고 오존층의 파괴의 문제가 대두되는 원인이 되었다.
그 실 예를 들면 석탄을 활용하여 1kWh의 전력을 생산할 경우, 발생하는 NOx의 양은 1.8g/kWh로 보고되었으며, 오일을 활용할 경우에는 SOx, NOx 각각의 배출량이 1.7과 0.88g/kWh인 것으로 보고되고 있다.
그러므로 이러한 화석연료의 사용에 의한 산성가스 발생 량을 배경으로 국내외로 이 SOx/NOx를 처리(탈질, 탈황)하기 위한 연구가 활발하게 진행되고, 현재는 주로 SOx는 습식 석회석 공정을 통해서, NOx는 선택적 촉매 환원법을 이용하여 처리하고 있으나, 각기 제거할 수 있는 대상이 제한되어 여러 물질들이 포함된 배기가스를 처리하기 위해서는 분리공정 등 여러 종류단위의 유니트(unit)조합이 필요하여, 여러 종류의 유니트(unit)가 필요하더라도 그 유니트(unit)를 설치할 공간과, 설치할 당시의 투자비, 및 운전비용 면에서 막대한 비용이 투자가 되어야 함으로 경제적인 부담을 주는 원인이 되었다.
즉 다시 말하면 고온/고압을 이용하였으며 운전조건이 까다로운 것은 물론 에너지 소모가 많고 2차 처리 공정이 반드시 필요함으로 시스템 구성이 복잡하여 초기투자비용이 많이 들고 설치 면적이 넓어야만 설치가 가능한 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 플라즈마와 광촉매 그리고 광에너지를 활용하여 산성가스인 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)을 동시 또는 단일성분으로 SOx와 NOx을 각각 별도로 처리할 수 있도록 하는 광화학 반응/플라스마 복합시스템을 개발하여 환경 개선의 일익을 담담하고자 하는데 그 목적이 있는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx), 헬륨, 산소로 이루어진 모사 배기가스 또는 실제 배기가스를 질량 유속 제어기에 통과시켜 유속을 제어한 후 고압의 펄스 발생기가 부착된 플라즈마 반응기를 통과시켜 1차 정화시키고, 상기 플라즈마 반응기를 통과한 1차 정화된 배기가스를 중앙에는 저압 수은 램프가 장착되고 램프 외측으로 광촉매가 코팅된 반응기로 통과시킴으로서 2차 정화를 하여 배기 가스의 황/질소 산화물질을 처리할 수 있는 것을 제공함에 있는 것이다.
도 1은 본 발명은 탈질이나 탈황 또는 탈질/탈황의 동시 처리용 광촉매
반응/ 플라즈마 복합 시스템의 전체 구성 개략도
도 2는 본 발명 플라즈마 장치 개념도
도 3a는 본 발명의 플라즈마 장치 결과도
도 3b는 본 발명의 광화학 반응 결과도
도 3c는 본 발명의 광화학반응/플라즈마 혼합시스템 결과도
도 3d는 본 발명의 플라즈마반응의 회수에 따른 영향 결과도
도 4는 본 발명 탈질이나 탈황 또는 탈질/탈황의 동시 처리용 광촉매 반응/
플라즈마 복합 시스템의 직병렬형태도
도 5는 본 발명 광화학반응 장치의 직병렬 형태도
도 6은 본 발명에서 사용한 플라즈마장치의 직병렬 형태도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(10) : 저압 수은 램프 (12) : 광촉매
(14) : 광촉매 반응기 (16) : 질소 산화물분석기
(18) : 황 산화물 분석기 (20) : 플라즈마 반응기
(22) : 질량 유속 제어기 (24) : 적외선 변환 분광기
(26) : 펄스 발생기 (28) : 테프론
(30) : 텅스텐과 코발트
첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명은 탈질이나 탈황 또는 탈질/탈황의 동시 처리용 광촉매 반응/ 플라즈마 복합 시스템의 전체 구성 개략도,
도 2는 본 발명에 사용한 플라즈마 장치 개념도,
도 3a는 본 발명의 플라즈마 장치 결과도,
도 3b는 본 발명의 광화학 반응 결과도,
도 3c는 본 발명의 광화학반응/플라즈마 혼합시스템 결과도,
도 3d는 본 발명의 플라즈마반응의 회수에 따른 영향 결과도,
도 4는 본 발명 탈질이나 탈황 또는 탈질/탈황의 동시 처리용 광촉매 반응/
플라즈마 복합 시스템의 직병렬형태도,
도 5는 본 발명 광화학반응 장치의 직병렬 형태도,
도 6은 본 발명에서 사용한 플라즈마장치의 직병렬 형태도를 도시한 것이다.
황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 헬륨, 산소로 이루어진 모사 배기가스 또는 실제 배기가스를 질량 유속 제어기(22)에 통과시켜 유속을 제어한 후 고압의 펄스 발생기(26)가 부착된 플라즈마 반응기(20)를 통과시켜 1차 정화시키고, 상기 플라즈마 반응기(20)를 통과한 배기 가스를 중앙에는 저압 수은 램프(10)가 장착되고 램프 외측으로 광촉매(12)가 코팅된 광촉매 반응기(14)를 통과시킴으로 2차 정화를 하고, 2차 정화를 한 배기 가스를 질소 산화물 분석기(16)와 황 산화물 분석기(18) 및 적외선 변환 분광기(24)를 통과시켜 처리된 농도와 반응물을 분석할 수 있도록 구성되어진 것이다.
본 발명의 작용은 다음과 같다.
질소산화물, 황산화물, 헬륨, 그리고 산소로 이루어진 모사 배기가스 또는 실제 배기가스를 질량 유속 제어기(22)에서 유속을 제어하면서 연결 파이프를 통해 플라즈마 반응기(20)내로 압송한다.
상기 플라즈마 반응기(20)는 스테인레스로 제작되어 벽면을 형성하고 좌우에는 테프론(28)으로 절연시켰으며 내측에는 텅스텐과 코발트(30)가 설치되어 펄스 발생기로부터 고압이 흐르게 하는 것으로 구성하여 배기 가스를 플라즈마 반응기(20) 내측으로 통과시키게 함으로 1차 정화를 시키는 것이다.
상기 플라즈마 반응기(20)는 도 6에 도시한 바와 같이 광촉매 반응기 (14)앞에 또는 광촉매 반응기(14)의 뒤에 직렬로 혹은 병렬로 설치할 수 있다.
상기 플라즈마 반응기(20)를 통과한 배기 가스는 광촉매 반응기(14) 내부로 유입이 되는 것이다.
상기 광촉매 반응기(14)는 도 5에 도시한 바와 같이 플라즈마 반응기(20)에 대하여 앞 혹은 뒤에 직병렬 형태를 취할 수 있도록 설치할 수 있다.
상기 광촉매 반응기(14)는 처리 대상물질의 이동에 필요한 유입구와 배출구 통로를 제외하고 튜브형태이며, 위/아래 부분에 마개를 적용하기 위해 각각 나사부 형태로 제작되었다.
상기 나사부를 채택한 이유는 저압 수은 램프(10)로부터 광에너지를 최적으로 공급하기 위하여 그리고 램프의 교환이나 기타 마개의 조이고 풀 때 용이하도록 하기 위한 것이다.
상기 광촉매 반응기(14)의 마개는 중심부에 저압 수은 램프(10)를 위하여 램프직경 만큼의 홀이 있는 형태이다.
저압 수은 램프(10)와 광촉매 반응기(14) 내벽 사이를 오염물질인 유체가 이동할 수 있도록 간극을 주었으며 이 간극은 작을수록 좋은 것이다.
상기 플라즈마 반응은 전기 방전에 의하여 일반 이온이나 분자들보다 월등히 높은 운동에너지를 갖는 전자들을 생성시켜 주변의 오염물질들과 충돌함으로써 분자들을 해리(dissociation)시켜 반응성이 큰 라디칼이나 2차전자(secondary electron)들을 생성시킨다.
이러한 모든 반응 메카니즘은 상온에서도 가능하여 큰 장점들을 갖게 되는 것이다.
상기의 복합 시스템을 이용한 결과를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3a는 플라즈마 장치 결과로 256㎐의 조건에서 펄스 전압을 변화시킬 때에 초기 SO2=140ppm, 초기 NO=240ppm 일 경우 전환 결과이다.
도면에서 보듯이 NO는 95%정도 분해되는 반면 SO2는 30%정도의 전환율을 보이고 있다.
도 3b는 광화학 반응 결과로 초기 SO2=275ppm, 초기 NO=225ppm일 경우의 전환율이다. 우선 검게 채워져있는 기호는 빛을 주지 않았을 경우인데, 거의 전환되지 않음을 알 수 있다. 하지만 빛을 주었을 경우 플라즈마와는 반대로 NO는 거의 전환이 되지 않고, SO2는 거의 30 ppm까지[(275-30) / 275 = 90%] 전환됨을 알 수 있는 것이다.
도 3c는 광화학반응/플라즈마 혼합시스템 결과로 상기에 언급한 두 가지 경우를 혼합한 경우로 이 조건에서 공히 70~80% 정도의 전환율을 얻고 있음을 알 수 있는 것이다.
도 3d는 '플라즈마반응의 회수에 따른 영향'으로 앞서 언급한 도 3c의 결과가 최적 조건에서 수행된 것이 아니므로, 공히 90% 이상의 전환율을 달성하기 위하여 여러 가지 운전 변수를 조절하는 과정 중의 결과이다. 결과적으로 펄스전압, 주파수, 그리고 광화학반응 내의 운전조건 (광촉매 종류, 코팅방법 등) 등을 조절함으로써 궁극적으로 완전한 처리를 달성할 수 있게 된다.
본 발명에서 사용된 광촉매 반응기(14) 내측에 코팅된 광촉매(12)는 티타니아(TiO2)또는 혼합광촉매(니켈-티타니아, 철-티타니아, 몰리브데늄-티타니아, 나니오비움-티타니아, 실리카-티타니아, 구리-티타니아 혼합촉매, 백금담지 티타니아, 팔라듐담지 티타니아 등)를 사용하였다.
상기와 같은 구조의 광촉매 반응기(14) 내부로 배기 가스를 통과시킴으로 인해 2차 정화를 시키며 또한 광촉매 반응기(14)를 통과한 배기 가스는 황 산화물 분석기 (18)와 질소 산화물 분석기(16) 또는 적외선 변환 분광기(24)를 통과하여 대기 중으로 배출이 되는 가스의 농도파악과 반응부산물 파악을 위한 것이다.
그러므로 본 발명은 배기가스에서 산성가스인 두 산화물(SOx/NOx)을 동시 또는 단일성분 SOx와 NOx을 각각 별도로 플라즈마와 저압 수은램프, 광에너지 그리고 광촉매를 이용하여 처리할 수 있어 환경 개선의 일익을 담당할 수 있는 발명인 것이다.
Claims (5)
- 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 헬륨, 산소로 이루어진 모사 배기가스 또는 연소 후 실제 배기가스를 질량 유속 제어기(22)에 통과시켜 유량을 제어한 후 고압의 펄스 발생기(26)가 부착된 플라즈마 반응기(20)를 통과시켜 1차 정화시키고, 상기 플라즈마 반응기(20)를 통과한 배기 가스를 중앙에는 저압 수은 램프(10)가 장착되고 램프 외측으로 광촉매(12)가 코팅된 광촉매 반응기(14)를 통과시킴으로 2차 정화를 하고, 2차 정화를 한 배기 가스를 질소 산화물 분석기(16)와 황 산화물 분석기(18) 및 적외선 변환 분광기(24)를 통과시켜 처리된 농도와 반응물을 분석할 수 있도록 구성되어진 것을 특징으로 하는 탈질이나 탈황 또는 탈질/탈황의 동시 처리용 광촉매 반응/ 플라즈마 복합 시스템.
- 제 1 항에 있어서,플라즈마 반응기(20)는 스테인레스로 제작되어 벽면을 형성하고 좌우에는 테프론(28)으로 절연시켰으며 내측에는 텅스텐과 코발트(30)가 설치되어 펄스 발생기로부터 고압이 흐르게 하는 것으로 구성하여 배기 가스를 플라즈마 반응기(20) 내측으로 통과시키게 함으로 1차 정화를 시키는 것으로 구성되어진 것을 특징으로 하는 탈질이나 탈황 또는 탈질/탈황의 동시 처리용 광촉매 반응/ 플라즈마 복합 시스템.
- 제 1 항에 있어서,광촉매 반응기(14) 내측에 코팅된 광촉매(12)는 티타니아(TiO2)또는 혼합광촉매(니켈-티타니아, 철-티타니아, 몰리브데늄-티타니아, 나니오비움-티타니아, 실리카-티타니아, 구리-티타니아 혼합촉매, 백금담지 티타니아, 팔라듐담지 티타니아 등)를 사용하는 것으로 구성되어진 것을 특징으로 하는 탈질이나 탈황 또는 탈질/탈황의 동시 처리용 광촉매 반응/ 플라즈마 복합 시스템.
- 제 1항에 있어서;플라즈마 반응기(20)를 광촉매 반응기 (14)의 앞에 또는 광촉매 반응기(14)의 뒤에 직/병렬로 설치할 수 있는 것으로 구성되어진 것을 특징으로 하는 탈질이나 탈황 또는 탈질/탈황의 동시 처리용 광촉매 반응/ 플라즈마 복합 시스템.
- 제 1항에 있어서;광촉매 반응기(14)를 플라즈마 반응기(20)의 앞 혹은 뒤에 직/병렬 형태를 취할 수 있도록 설치할 수 있는 것으로 구성되어진 것을 특징으로 하는 탈질이나 탈황 또는 탈질/탈황의 동시 처리용 광촉매 반응/ 플라즈마 복합 시스템.
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