KR100517875B1

KR100517875B1 - 아아크성 플라즈마를 발생시키는 방법 및 이를 이용한유해가스제거장치

Info

Publication number: KR100517875B1
Application number: KR10-2002-0005411A
Authority: KR
Inventors: 정장근; 김종석; 하현진; 김선호
Original assignee: 주식회사 에이치앤드티 네트웍스
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2005-09-30
Also published as: KR20030065691A

Abstract

강력한 아아크성 플라즈마를 지속적으로 발생시켜 유해가스 등을 처리하는 플라즈마 반응기가 제공된다. 이 반응기는 전원인가측이 국부적이고, 전극 주위에 파티클이 위치하며, 접지위에 놓여있는 유전체가 파티클 및 전극과 수 ㎜ 이내로 이격되어 있다. 이 반응기의 방전특성은 플라즈마 영역에서 기존의 플라즈마 장치와는 비교되지 않는 강한 아아크성 플라즈마를 지속적으로 발생시킬 뿐 아니라, 안정성이 매우 탁월하며 에너지 소비율도 타제품에 비해 현저히 작은 것이 특징이다. 특히, 연소시 발생하는 PM과 같은 불순물이 반응기에 침투하더라도 방전이 안정적으로 일어날 뿐 아니라 일정수준의 PM은 본 반응기에서 같이 연소되어 유해가스 와 더불어 PM도 동시에 처리되는 것이 가장 큰 특징이다.

Description

아아크성 플라즈마를 발생시키는 방법 및 이를 이용한 유해가스제거장치 { METHOD FOR GENERATING ARCED PLASMA AND APPARATUS FOR ELIMINATING NOXIOUS MATERIAL USING THE SAME}

이 발명은 플라즈마 반응기에서 강력한 아아크성 플라즈마를 발생시키는 기술에 관한 것이며, 또한 아아크성 플라즈마를 지속적으로 발생시키는 안정화기술에 관한 것이고, 또한 아아크성 플라즈마를 제어하는 기술에 관한 것이며, 또한 이러한 기술을 이용해 PM과 유해가스를 처리하는 기술에 관한 것이며, 좀더 상세하게 말하자면, 그러한 기술을 이용하여 연소후 배기가스를 처리하는 후처리장치로 이용될 수 있게 구성된 플라즈마 반응기에 관한 것이다.

현재 플라즈마를 응용하여 배기 가스를 처리하는 기술이 많이 개발되었다. 그러나, 경유자동차와 플랜트와 같이 PM이 발생되는 경우는 PM 때문에 플라즈마를 안정적으로 지속시킬 수 없다. 그렇기 때문에 PM과 유해가스를 동시에 처리하기 어렵다. 현재, 경유자동차에서 배출되는 매연과 유해가스를 처리하는 기술의 대부분은 필터를 사용하여 PM을 제거하거나, 필터 후단에 플라즈마 반응기를 부착시켜 유해가스를 처리하고 있다. 이러한 기술은 PM을 포집하기 때문에 정기적으로 교환과 세척을 해야 할 뿐 아니라 배출가스가 필터에 의해 배압을 증가시킨다는 문제점을 안고 있다. 그리고 제작과 생산비용이 매우 비싸다는 문제점을 가지고 있다.

이 발명은 유해가스 와 PM을 동시에 처리하고, 구조를 단순화 시켜 제작을 용이하게 하여 생산 단가를 저감시키고, 일반적인 저가의 재료를 사용하여 장치의 재료비를 줄임으로써 경제성 있는 제품을 소비자에게 공급하는데 목적을 두고 있다.

이 발명에 따라 제공되는 플라즈마 반응기는 전원인가측이 국부적이라는 것과, 전극 주위에 파티클이 위치한다는 것 및 접지위에 놓여있는 유전체가 파티클과 전극과 수 ㎜ 이내로 이격되어 있다는 것 등의 구조적 특징으로 갖는다.

인가전극 주위에 적당한 간격으로 파티클을 배열할 경우 파티클은 불순물의 역할을 하여 최초방전이 파티클로 향하게 된다. 이때 발생되는 방전은 아아크형 방전으로 일반적으로 환경정화에 사용되는 플라즈마방전에 비해 매우 에너지가 매우 높다. 그러므로 이 발명에 따른 장치에서 발생되는 플라즈마는 아아크성 플라즈마가 발생되는 것이다.

최초 전압을 인가해 방전이 시작되면, 전극 최근접 지역에 위치한 파티클에 아아크성 플라즈마가 발생되며 이 파티클이 다시 그 주위파티클로 아아크성 플라즈마를 전달시킨다. 전극 최근접 지역의 파티클이 아아크성 플라즈마를 전달하는 다리역할을 하는 것과 같다. 파티클간의 간격이 좁을수록 아아크성 플라즈마전달이 용이해 지기 때문에 파티클간의 간격을 조정하면 장치내에서 아아크성 플라즈마의 이동 방향을 제어할 수 있다. 파티클에서 발생된 아아크성 플라즈마는 단순히 파티클로만 전이 되는 것이 아니라, 파티클 아래에 있는 대향전극(접지)쪽으로도 이행하게 된다. 이때 접지위에 놓여진 유전체가 대향전극으로 향하려는 아아크성 플라즈마를 차단해 주기 때문에 접지로 절연파괴가 발생되기 않고 접지 위에 놓여진 유전체에서 아아크성 플라즈마가 계속적으로 발생하게 되는 것이다. 더구나, 파티클과 유전체 사이에 수 ㎜ 이내로의 미세공간이 존재한다. 이 미세공간은 보이드와 같은 역할을 하여 전계를 집중시키기 때문에 방전을 초래하는 역할을 한다. 그렇기 때문에 유전체와 파티클 사이에서 강한 아아크성 플라즈마가 발생된다. 파티클과 유전체 사이에서 발생된 방전은 접지쪽으로 전로를 형성한다. 그러나 접지 위에 유전체가 놓여있기 때문에 접지로 절연파괴가 일어나지 않고 유전체 표면에 아아크성 플라즈마가 계속적으로 발생하게 되는 것이다. 방전경로는 아래의 도면에서 나타낸 방전경로와 같이 크게 세가지로 나눌 수 있다.

① 케이스 안쪽 표면을 타고 흐르는 방전 (연면방전 타입)

② 전극-파티클, 파티클-파티클간에 발생 방전(기중 아크방전)

③ 전극-유전체, 파트클-유전체간에 발생하는 방전(기중아크방전 + 연면방전)

이 발명에 따른 장치는 위의 방전타입에서 언급한 연면방전과 아크방전을 동시에 발생시킨다. 유해가스와 PM을 처리를 하는데 있어 가장 효과가 좋은 방전이 연면방전과 아크방전이라는 점을 들 때 이 발명에 따른 장치는 두 가지 방전현상을 동시에 발생시키므로 타 장치에 비해 그 효과가 매우 높다는 것이다.

기존의 플라즈마 장치에서 플라즈마 발생을 억제하는 요인은 PM이다. PM은 방전시 장치표면에 흡착되어 방전의 발생을 저지하기 때문에 대부분 연소시 발생되는 PM을 필터로 필터한 다음 필터 후단에 플라즈마 장치를 장착한다. 필터는 PM을 제거할 수는 있으나 배출구의 배압을 증가시켜 자동차의 경우 연소효율을 저하시킬 뿐 아니라, 유해가스를 처리할 수 없다는 단점을 안고 있다. 그렇기 때문에 유해가스를 처리하기 위해선 필터 후단에 플라즈마 반응기를 부착해야만 한다. 그러나 이 발명에 따른 장치는 유전체가 접지 위에서 이미 전로를 차단하고 있기 때문에 PM이 장치에 흡입된다 할지라도 플라즈마가 소실되지 않는다. 뿐만 아니라, 강한 아아크성 플라즈마가 PM의 일부를 연소시켜 제거시키기 때문에 PM과 유해가스를 동시에 처리할 수 있다는 특징을 가지고 있다.

또한, CFC와 PFC 가스는 자동차와 플랜트에서 배출하는 가스보다 훨씬더 안정하기 때문에 보통의 플라즈마 방전으로는 처리하기가 매우 힘들다. CFC와 PFC는 반도체 공정 중에 많이 사용되는 지구 온난화와 오존층을 파괴하는 가스로서 현재 이의 처리에 많은 연구가 진행되고 있다. 이 발명에 따른 장치는 기존의 플라즈마 장치에서 발생되는 방전에너지에 비해 훨씬 에너지가 강한 아아크성 플라즈마를 발생하기 때문에 이러한 종류의 가스처리도 가능하다는 특징도 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 이 발명의 양호한 실시예에 따른 후처리장치의 구성에 대해 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2에는 이 발명의 제1 실시예에 따라 금속 파티클을 이용한 평면형 플라즈마 반응기가 도시되어 있다. 전원의 인가는 전극 부분에만 인가되고, 그 외 금속 파티클에는 인가되어져 있지 않다. 파티클은 금속 물질이어야만 전로를 형성 할 수 있기 때문에 금속 물질로 사용하였다. 유전체는 인가 전극 및 금속 파티클에서 발생된 방전이 절연 파괴를 막기 위해서 절연 내력이 높은 세라믹을 사용하였다. 세라믹의 종류로는 TiO₂, Al₂O₃, BaTiO₃, 제올라이트 등이 있다. 그리고 금속 파티클 또는 전극과 유전체와의 거리는 약 2~4 ㎜ 정도의 갭을 가지고 있다. 전극과 금속 파티클, 금속 파티클과 금속 파티클 사이의 간격은 약 2~4 ㎜ 정도 간격을 두어 전극에서 금속 파티클로 금속 파티클에서 금속 파티클로 방전이 용이하게 일어나도록 하였다. 금속 파티클의 크기는 수 ㎜ 정도 이며, 금속 파티클은 다양한 형상을 가지고 있다. 금속 파티클의 형상에 따라 다양한 방전 메커니즘을 구현 할 수 있다. 케이스는 장치 내부에서 발생한 방전이 외부로 세어 나오지 않도록 하게 하기 위해서 절연체를 사용하였다.

도 3 및 도 4에는 이 발명의 제2 실시예에 따라 금속 파티클을 이용한 원통형 플라즈마 반응기가 도시되어 있다. 전원의 인가는 전극 부분에만 인가되어지며 한 개의 실린더에 4곳에 전원을 인가하였다. 이는 전극과 금속 파티클, 금속 파티클과 전극사이에 용이하게 방전이 일어나도록 하게 하기 위함이다. 금속 파티클에는 전원이 인가되어져 있지 않다. 파티클은 금속 물질이어야만 전로를 형성 할 수 있기 때문에 금속 물질로 사용하였다. 유전체는 인가 전극 및 금속 파티클에서 발생된 방전이 절연 파괴를 막기 위해서 절연 내력이 높은 세라믹을 사용하였다. 그리고 금속 파티클 또는 전극과 유전체와의 거리는 약 2~4 ㎜ 정도의 갭을 가지고 있다. 전극과 금속파티클, 금속 파티클과 금속 파티클 사이의 간격은 약 2~4 ㎜ 정도 간격을 두어 전극에서 금속 파티클로 금속 파티클에서 금속 파티클로 방전이 용이하게 일어 나도록 하였다. 케이스는 장치 내부에서 발생한 방전이 외부로 세어 나오지 않도록 하게 하기 위해서 세라믹을 사용하였다.

본 장치 내부에 존재하는 파티클은 아아크성 플라즈마를 발생시킬 뿐 아니라 전로를 제어하는 역할을 한다. 이 파티클은 대전중에 전계를 집중시키는 역할을 하기 때문에 초기코로나 발생을 앞당길 뿐 아니라, 인가전압의 상승과 함께 파티클에서 더욱 강한 전계집중이 일어난다. 그러므로, 파티클에서 아아크성 플라즈마가 집중적으로 발생하게 된다. 이러한 효과를 이용하여 플라즈마내에서 방전에너지를 집중시키고 전로를 제어할 수 있다. 또한, 유전체에 촉매를 추가하면 더욱 좋은 효과를 거둘 수 있다. 본 장치에서 방전경로는 대향전극으로만 향하는 것이 아니고 파티클-파티클, 전극-파티클과 같이 크게 세가지 형태로 발생하기 때문에 공간과 표면 어느 부위에서도 발생되기 때문에 기존의 아아크방전이나 연면방전보다 훨씬 넓은 방전영역을 가질 수 있다. 그러나, 방전에너지 면으로 볼 때 이종접촉부에서의 값이 훨씬 높다. 대부분의 가스는 대전영역에서 이종접촉부와 같은 표면에 흡착하는 성질이 있다. 본 장치의 방전에너지가 표면에서 상대적으로 높은 에너지를 가지기 때문에 유해가스 처리에 있어 타 장치와 비교할 때 탁월한 성능을 발휘한다. 본 장치에서 발생되는 플라즈마는 높은 밀도의 에너지를 가지고 있기 때문에 짧은 시간에 유해가스를 처리할 수 있고 기존의 플라즈마 장치에서 처리가 어려웠던 매우 안정한 가스도 처리가 가능하다. 그러므로 NOx, SOx, CO, HC뿐 아니라 PFC(Per-fluro-carbons), CFC(Chlorofluorocarbon)의 처리에도 적합한 장치라 할 수 있다.

이 발명에 따른 장치의 방전특성은 플라즈마 영역에서 기존의 플라즈마 장치와는 비교되지 않는 강한 아아크성 플라즈마를 지속적으로 발생시킬 뿐 아니라, 안정성이 매우 탁월하며 에너지 소비율도 타제품에 비해 현저히 작은 것이 특징이다. 특히, 연소시 발생하는 PM과 같은 불순물이 반응기에 침투하더라도 방전이 안정적으로 일어날 뿐 아니라 일정수준의 PM은 본 반응기에서 같이 연소되어 유해가스 와 더불어 PM도 동시에 처리되는 것이 가장 큰 특징이다.

도 1은 이 발명의 제1 실시예에 따른 평면형 플라즈마 반응기를 그 하우징이 반투명상태인 것으로 가정하고 내부의 구성요소를 투시하여 도시한 사시도이며,

도 2는 도 1에 도시된 반응기를 동일한 기법으로 도시한 측면도이고,

도 3은 이 발명의 제2 실시예에 따른 원통형 플라즈마 반응기를 그 하우징이 반투명상태인 것으로 가정하고 내부의 구성요소를 투시하여 도시한 사시도이며,

도 4는 도 3에 도시된 반응기의 횡단면도이다.

Claims

강력한 아아크성 플라즈마를 지속적으로 발생시켜 유해가스 등을 처리하는 플라즈마 반응기에 있어서,

전원인가측이 국부적이고,

전극 주위에 파티클이 위치하며,

접지위에 놓여있는 유전체가 파티클 및 전극과 수 ㎜ 이내로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.