KR100393171B1 - 배기가스 정화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 정화장치에 관한 것으로서, 특히 공장이나 내연기관의 배기관(10)에 설치되는 반응로(20)의 내부에 광촉매층과 이 광촉매층이 광촉매 반응을 일으키도록 플라즈마를 발생시키는 전극을 포함하는 배기가스 정화장치에 있어서, 배기관(10)에서 반응로(20)의 초기부분에 설치되어 배기가스의 수분정도를 감지하여 전기적인 신호로 변환시키는 수분감지센서(110)와; 수분감지센서(110)와 전기적으로 연결되며 이 수분감지센서(110)로부터 인가한 신호에 따라 소정의 데이터처리절차를 거쳐 일정한 제어신호를 발생시키는 제어부(120)와; 제어부(120)와 전기적으로 연결되어 인가되는 제어신호에 따라 반응로(20)로 들어가는 배기가스에 수분을 공급하는 무화수단과, 이 무화수단에 물을 공급하는 물공급탱크로 이루어지는 수분공급부(130);를 포함하여 공장이나 내연기관 등에서 발생된 배기가스를 광반응기로 정화시키기 전에 수분을 공급하며 광촉매의 재생을 촉진하여 배기가스 내에 유해성분을 정화하는 성능을 향상시키며 소비전력을 안정되게 하면서 줄일 수 있도록 하는 효과를 가지고 있다.

Description

배기가스 정화장치{APPARATUS FOR PURIFYING WASTE GAS}
본 발명은 배기가스 정화장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공장이나 내연기관 등에서 발생된 배기가스를 광반응기로 정화시키기 전에 수분을 공급하며 광촉매의 재생을 촉진하여 배기가스 내에 유해성분을 정화하는 성능을 향상시킨 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
일반적으로 내연기관의 배기가스뿐만 아니라 공장이나 아파트단지 및 대형음식점에서 발생되는 각종 연소가스 그리고 쓰레기소각장에서 배출되는 배기가스는 공해를 유발시키는 결정적인 요인이 된다.
내연기관을 예를 들어 설명하면 실린더 내에서 공기와 혼합된 연료를 폭발적으로 연소시켜 피스톤에 왕복운동을 주는 열기관으로써, 연소할 때 발생되는 배출가스는 배기장치를 통해 외부로 배출된다.
이 때, 배출가스에는 인체에 유해한 오염물질인 미연 탄화수소, 일산화탄소 질소산화물 및 황산화물 등이 포함되어 있기 때문에 실린더에서 배출된 배출가스를모두 모은 다음 배기파이프의 중간에 설치된 정화장치에서 배출가스를 정화하여 외부로 배출시키게 된다.
이러한 정화장치에는 삼원촉매를 이용한 정화장치, 저온 플라즈마를 이용한 정화장치, 삼원촉매와 저온 플라즈마를 겸용으로 이용한 정화장치, 그리고 광촉매를 이용한 정화장치 등이 있다.
상기한 정화장치중 광촉매를 이용한 정화장치는 특정한 파장을 가진 광원을 광촉매(예를 들면 TiO2)에 조사하여 광촉매가 여기될 때 발생되는 프리 래디칼(free radical)로 오염물질을 정화시키는 장치로서, 특히 배기가스 내에 다량의 산소와 함께 배출되는 질소산화물 성분을 효율적으로 정화시키는 역할을 한다.
도 1은 선행기술로서 본 출원인이 출원한 특허출원 제1999-37176호의 내연기관의 배출가스 정화장치를 설명하기 위한 도면이다.
이 정화장치는 반응로(20)를 원통모양으로 형성하여 배기파이프(10) 등에 연결하고 그 내측면에 절연매트(22)를 밀착하여 설치하며, 이 절연매트(22)의 내부에 반응기(24)를 설치한다. 이 반응기(24)는 원통형 모양의 허니콤담체(30)와 이 허니콤담체(30)의 양단에 전극(40)을 구성하여 저온 플라즈마를 발생시킨다.
허니콤담체(30)는 세라믹을 압출하여 종방향으로 4cm정도의 길이로 형성되며 다수의 담체셀(34)을 형성시킨다. 이 담체셀(34)은 배기가스의 흐름과 동일한 방향으로 배치되기 때문에 배출가스가 원활하게 통과되는 것으로 횡단면으로 보면 육각형, 삼각형 등 다양한 모양으로 형성될 수 있으며 그 벽면에는 광촉매층이 코팅된다.
그리고, 상기 허니콤담체(30)의 양단에 이격을 가지고 와이어 메시(42a,42b)가 설치되는데, 이것은 전도성 재질이기 때문에 전원이 인가되면 바로 허니콤담체(30)를 관통하여 서로 통전된다.
또한, 각 와이어 메시(42a,42b)에는 단자(44)가 연결되어 반응로(20)의 바깥으로 연장되고, 단자(44)의 둘레에는 절연체(46)가 설치되어 반응로(20)와 절연이 유시된다.
따라서, 상술한 선행기술은 전극에서 공급된 전원으로 플라즈마를 발생시키고 그 플라즈마에 의해 광촉매 반응을 유도하여 배기가스의 오염물질을 충분히 제거하여 정화효율성을 높일 수 있었고 전력소비를 절감하는 잇점을 가지고 있었다.
그러나, 상술한 선행기술은 반응로에 유입되는 가스 내에 수분 농도가 낮거나 없는 경우, 광촉매의 재생이 이루어지지 않아 빛 발생이 순간적으로 소멸되는 경우가 발생하는 문제점을 가지고 있다.
도 2는 선행기술에서 발생된 문제점을 나타낸 그래프로서, 수분의 함유량이 떨어지는 배기를 선행기술의 배출가스 정화장치를 통과하는 경우 빛 발생에 소모된 전력을 나타낸 것이다.
도시된 것과 같이 대기가 건조해지는 봄이나 가을 및 겨울철에 발생된 배기가스, 또는 음식점이나 공장의 배기가스 등에는 수분의 함유량이 부족한 경우 빛 발생이 순간적으로 악화되는 것을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 공장이나 내연기관 등에서 발생된 배기가스를 광반응기로 정화시키기 전에 수분을 공급하며 광촉매의 재생을 촉진하여 배기가스 내에 유해성분을 정화하는 성능을 향상시키며 소비전력을 줄일 수 있도록 하는 배기가스 정화장치를 제공하는 데에 있다.
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은, 공장이나 내연기관의 배기관(10)에 설치되는 반응로(20)의 내부에 광촉매층과 이 광촉매층이 광촉매 반응을 일으키도록 플라즈마를 발생시키는 전극을 포함하는 배기가스 정화장치에 있어서, 배기관(10)에서 반응로(20)의 초기부분에 설치되어 배기가스의 수분정도를 감지하여 전기적인 신호로 변환시키는 수분감지센서(110)와; 수분감지센서(110)와 전기적으로 연결되며 이 수분감지센서(110)로부터 인가한 신호에 따라 소정의 데이터처리절차를 거쳐 일정한 제어신호를 발생시키는 제어부(120)와; 제어부(120)와 전기적으로 연결되어 인가되는 제어신호에 따라 반응로(20)로 들어가는 배기가스에 수분을 공급하는 무화수단과, 이 무화수단에 물을 공급하는 물공급탱크로 이루어지는 수분공급부(130)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래에 따른 내연기관의 배출가스 정화장치를 설명하기 위한 도면,
도 2는 도 1에 따른 문제점을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 정화장치의 개략적인 시스템 블록도,
도 4는 도 3의 배기가스 정화장치를 수행하기 위한 흐름도,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 배기가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 배기가스 정화장치의 개략적으로 도시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 배기가스 정화장치에 의한 결과를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 수분감지센서 120 : 제어부
130 : 수분공급부 131 : 진동자
132 : 물저장실 133 : 수위감지센서
134, 212, 222, 234 : 물탱크 211, 221, 232 : 노즐
214, 224, 235 : 펌프 231 : 가열기
241 : 수위조절센서 242 : 발광소자
이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 정화장치의 개략적인 시스템 블록도를 도시한 것으로, 도 1과 동일한 부분에 대해서는 동일부호를 부여하고 그 설명은 생략한다.
이 배기가스 정화장치(100)는 내연기관, 공장, 대형음식점 등의 배기관(10)에 반응로(20)를 설치하고 반응로(20)로 진입하는 배기가스가 수분함유량이 낮을 경우 수분을 공급하는 것으로, 배기관(10)에서 배기가스가 반응로(20)로 유입되는 초기부분에 설치되어 배기가스내의 수분함유 정도를 감지하는 수분감지센서(110)와, 이 수분감지센서(110)로부터 인가된 신호에 따라 배기가스에 함유된 수분의 정도에 따라 수분공급여부를 결정하는 제어신호를 발생시키는 제어부(120), 그리고 이 제어부(120)에서 발생된 신호에 따라 배기가스에 수분을 공급하는 수분공급부(130)를 포함한다.
수분감지센서(110)는 배기가스에서 감지된 수분함유량의 정도를 일정한 값(K1)을 갖는 전기적인 신호로 변환하여 제어부(120)로 인가시키면 이 제어부(120)는 소정의 데이터처리절차에 따라 인가된 값(K1)과 미리 설정된 기준값(KR)을 비교 검토하여 반응로(20)로 유입되는 배기가스에 수분을 공급할 것인가를 결정하고, 수분공급부(130)는 제어부(120)의 명령에 따라 작동하여 배기가스에 수분을 공급한다.
도 4는 도 3의 배기가스 정화장치를 수행하기 위한 흐름도를 도시한 것이다.
먼저, 배기가스가 반응로(20) 내에서 광촉매를 재생시킬 수 있는 최소의 수분함유량을 기준하는 수분함유기준값(KR)을 설정(S10)하고 배기가스내의 수분측정값에 따른 수분공급비율을 결정한다(S20). 따라서, 배기가스가 발생되어배기관(10)으로 배출될 때에 수분감지센서(110)가 배기가스 내에 함유된 수분의 정도를 측정하여(S30), 측정값(K1)을 전기적인 신호로 변환한다(S40). 이때에 측정된 수분함유값(K1)이 제어부(120)로 인가되면, 이 제어부(120)는 이미 설정된 수분함유기준값(KR)과 비교하게 되고(S50) 만약 측정값(K1)이 수분함유기준값(KR)보다 낮으면, 수분공급을 결정하고 또 그 측정값(K1)에 따른 수분공급비율을 결정하여 해당되는 제어신호를 출력한다(S60). 이렇게 인가된 제어신호를 바탕으로 수분공급부(130)는 반응로(20)로 진입하려는 배기가스에 정해진 일정비율만큼의 수분을 공급한다(S70).
제어부(120)에서 수분공급비율을 결정하는 것은 배기가스에서 수분이 함유하는 정도에 따라 그 범위가 결정된다는 것은 언급한 바와 같고 이렇게 결정된 수분공급비율에 따라 수분을 공급하는 수단으로 수분공급부(130)에서 공급되는 공급량을 조절하기 위하여 일 예로 노즐의 구경을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 노즐의 작동시간으로 결정할 수 있도록 하여 수분함유량을 10%에서 90%까지 조절할 수 있도록 한다. 그리고 배기가스에 수분을 공급할 때에 물을 무화(霧化)상태로 공급하는 것이 배기가스 내에서 수분이 균일하게 확산되므로 바람직하다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 배기가스 정화장치의 구체적인 실시예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
이 실시예는 배기관(10)의 소정부위에 도 1에서 설명된 반응로(20)를 장착하고 이 반응로(20)가 장착된 배기관(10)의 초기부분에 수분감지센서(110)를 장착하며, 이 수분감지센서(110)와 전기적으로 연결된 제어부(120)를 소정위치에 형성시키며, 아울러 제어부(120)와 수분공급부(130)가 전기적으로 연결되어 있다.
수분공급부(130)는 배기관(10)내에서 수분을 무화상태로 만들기 위한 무화수단으로서 진동자(131)를 적용한 것이다.
따라서, 배기관(10)에서 배기가스가 반응로(20)로 진입하기 전에 내부의 아랫부분에 아래를 향하여 물저장실(132)이 형성되고, 이 물저장실(132)에 진동자(131)를 설치하고 물이 일정한 수준으로 유지되도록 수위감지센서(133)를 형성시키며, 이 물저장실(132)에 물공급탱크(134)로부터 호스(135)가 연결된다.
수위감지센서(133)는 제어부(120)에 전기적으로 연결되어 물저장실(132)에 물이 부족할 때에 그 신호를 제어부(120)로 보내고 이 신호에 따라 제어부(120)는 물공급탱크(134)로 하여금 물을 공급하게 한다. 따라서, 물공급탱크(134)는 개폐밸브(136)를 배출구에 설치하여 제어부(120)의 명령에 따라 호스(135)를 통해 물을 공급할 수 있거나 차단할 수 있도록 한다.
물론, 진동자(131)는 발진회로(137)와, 이 발진회로(137)는 제어부(120)와 연결된 전원공급반(138)과 연결된다.
따라서, 수분감지센서(110)가 배기가스내의 수분정도를 측정하여 제어부(120)로 보내고 이 제어부(120)는 측정값(K1)이 기준값(KR)이하이면 그 정도에 따른 제어신호를 전원공급반(138)으로 인가한다. 전원공급반(138)은 이 신호에 따라 발진회로(137)를 구동하여 진동자(131)로 하여금 물저장실(132)의 물을 무화시키게 한다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 실시예는 물감지센서(110)와 제어부(120)는 도 5에서 도시된 바와 같으나 수분공급부(130)에서 무화수단으로 노즐(211)을 이용한 것이다.
그러므로, 반응로(20)가 설치되기 전의 배기관(10)에 노즐(211)을 설치하고, 이 노즐(211)은 물공급탱크(212)와 호스(213)로 연결되고, 이 호스(213)의 중간에 펌프(214)가 장착되어 있다. 펌프(214) 및 노즐(211)은 각각 제어부(120)과 연결되어 있어 제어신호에 따라 작동을 한다. 즉, 펌프(214)는 수분공급신호에 따라 작동하고 노즐(211)은 수분공급신호 및 수분공급비율을 결정한 신호에 따라 작동하여 노즐 핀의 각도 및 리프팅 갭(lifting gap)을 결정한다.
따라서, 본 실시예는 수분감지센서(110)가 배기가스내의 수분정도를 측정하여 제어부(120)로 보내고 이 제어부(120)는 측정값(K1)이 기준값(KR)이하이면 그 정도에 따른 제어신호를 펌프(214) 및 노즐(211)로 인가하여 결정된 공급량에 따라 수분을 공급한다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 배기가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 실시례는 수분공급부(130)로 배기관(10)에 노즐(221)을 설치하고 이 노즐(221)은 물공급탱크(222)의 호스(223)로 연결되며, 이 호스(223)의 중간에는 정액펌프(224)가 설치된다. 이 정액펌프(224)는 제어부(120)와 전기적으로 연결된다.
정액펌프(224)는 펌프의 회전속도를 조절하여 공급되는 수분량을 제어하는 것으로, 제어부(120)에서 인가되는 수분공급비율결정 신호에 따라 작동한다.
따라서, 본 실시예는 수분감지센서(110)가 배기가스내의 수분정도를 측정하여 제어부(120)로 보내고 이 제어부(120)는 측정값(K1)이 기준값(KR)이하이면 그 정도에 따른 제어신호를 정액펌프(224)로 인가하여 정해진 수량에 따라 공급된 물을 노즐(221)에서 무화상태로 배기가스에 수분을 공급한다.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 배기가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면으로, 본 실시예는 수분감지센서(110)와 제어부(120)는 도 5와 동일하고 수분공급부(130)는 무화수단으로 가열기(231)를 사용하였다.
배기관(10)에 노즐(232)이 장착되고 이 노즐(232)에 호스(233)를 매개로 물공급탱크(234)와 연결되며, 호스의 경로상에는 펌프(235)가 설치된다. 그리고 호스(233)에 가열기(231)가 설치된 것이다. 가열기(231)는 펌프(235)에 의해 호스(233)를 통해 공급되는 물을 가열하여 노즐(232)에서 수증기상태로 분출시키도록 하는 것으로 바람직하게는 도 8에 도시된 바와 같이 열선(熱線)으로 할 수 있으며, 그 밖에 고온로(micro electric furnace)를 사용할 수도 있다.
가열기(231)는 제어부(120)과 연결된 전원공급반(236)과 연결되어 제어부(120)의 신호에 따라 작동하여 물을 가열시킨다.
따라서, 수분감지센서(110)가 배기가스내의 수분정도를 측정하여 제어부(120)로 보내고 이 제어부(120)는 측정값(K1)이 기준값(KR)이하이면 그 정도에 따른 제어신호를 전원공급반(236)으로 인가한다. 전원공급반(236)은 이 신호에 따라 가열기(231) 또는 고온로를 작동시켜 노즐(232)에서 수증기로 분출시키도록 한다.
한편, 도 5 내지 도 8에 도시된 제1 내지 제4실시예는 수분공급부(130)의 물공급탱크(134,212,222,234) 내에 물의 수위를 감지하여 전기적인 신호로 변환시켜 제어부(120)로 출력하는 수위조절센서(241)를 설치하고, 이 수위조절센서(241)로부터 출력된 신호를 수신받는 제어부(120)에 의해 동작되는 발광소자(242)를 구비할 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 물공급탱크(134,212,222,234)의 수위가 일정 수위이하일 때 발광소자를 작동시킴으로써 외부에서 물공급탱크의 물 보충시기를 인지하게 된다. 이 때 발광소자는 일예로 발광다이오드(LED)를 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수분감지센서에서 감지된 신호에 따라 제어부에서 소정의 데이터에 따라 그 작동결정을 하고 이 제어부에서 인가된 제어신호에 따라 수분공급부에서 정해진 용량에 따라 수분을 공급한다.
그러므로, 도 9에 도시된 것과 같이, 배기가스에 수분을 공급할 경우 빛 발생에 소모된 전력은 안정되게 지속되고 또 선행기술에 비해 감소되는 것을 알 수 있다. 예컨대, 이산화티타늄(TiO2)을 광촉매로 사용한 경우에 있어서 이산화티타늄이 자외선 파장의 빛에 의해 여기(勵起)되어 TiO2(h+) + e-로 된다. 이 때 전자는 배기가스의 성분 또는 산소와 반응하여 산화반응을 일으킨다. 전자를 내보낸 광촉매는 수분이 존재할 경우 H2O + TiO2(h+) → OH + H++ TiO2와 같은 반응식에서처럼 빠르게 환원되어 다시 여기될 수 있는 상태로 돌아가게 되며, 이 과정에서 발생한 OH 프리 라디칼은 반응성이 우수하여 배기가스내에 포함된 유해성분을 빠르게 정화하여 정화성능을 향상시킨다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배기가스 정화장치는 공장이나 내연기관 등에서 발생된 배기가스를 광반응기로 정화시키기 전에 수분을 공급하며 광촉매의 재생을 촉진하여 배기가스 내에 유해성분을 정화하는 성능을 향상시키며 소비전력을 안정되게 하면서 줄일 수 있도록 하는 효과를 가지고 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 배기가스 정화장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (6)

  1. 공장이나 내연기관의 배기관(10)에 설치되는 반응로(20)의 내부에 광촉매층과 이 광촉매층이 광촉매 반응을 일으키도록 플라즈마를 발생시키는 전극을 포함하는 배기가스 정화장치에 있어서,
    상기 배기관(10)에서 반응로(20)의 초기부분에 설치되어 배기가스의 수분정도를 감지하여 전기적인 신호로 변환시키는 수분감지센서(110)와;
    상기 수분감지센서(110)와 전기적으로 연결되며 이 수분감지센서(110)로부터 인가한 신호에 따라 소정의 데이터처리절차를 거쳐 일정한 제어신호를 발생시키는 제어부(120)와;
    상기 제어부(120)와 전기적으로 연결되어 인가되는 제어신호에 따라 반응로(20)로 들어가는 배기가스에 수분을 공급하는 무화수단과, 이 무화수단에 물을 공급하는 물공급탱크로 이루어지는 수분공급부(130);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수분공급부(130)는 배기관(10)의 내부의 아랫부분에 물저장실(132)을 형성하고, 이 물저장실(132)에 진동자(131)를 구비하며, 물이 일정한 수준으로 유지되도록 수위감지센서(133)를 구비하고, 이 물저장실(132)에 물공급탱크(134)로부터 호스(135)를 연결하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 수분공급부(130)는 상기 배기관(10)에 노즐(211)을 설치하고 이 노즐(211)에 물공급탱크(212)를 호스(213)로 연결하고 이 호스(213)의 중간에 펌프(214)가 장착되어 구성하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 수분공급부(130)는 상기 배기관(10)에 노즐(221)을 설치하고 이 노즐(221)에 펌프의 회전속도를 조절하여 공급되는 수분량을 제어하는 정액펌프(224)를 연결하며 이 정액펌프(224)는 제어부(120) 및 물공급탱크(222)와 연결되어 구성하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 수분공급부(130)는 상기 배기관(10)에 노즐(232)을 장착하고 이 노즐(232)에 펌프(235)를 장착한 호스(233)를 매개로 물공급탱크(234)와 연결되며, 상기 호스(233)에 가열기(231)를 설치하여 구성하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 수분공급부(130)의 물공급탱크내에 설치되어 물의 수위를 감지하여 전기적인 신호로 변환시켜 상기 제어부(120)로 출력하는 수위조절센서(241)와, 이 수위조절센서(241)로부터 출력된 신호를 수신받는 제어부(120)에 의해 동작되는 발광소자(242)를 구비하는 것을 특징으로 배기가스 정화장치.
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