KR100599581B1

KR100599581B1 - 프라즈마 반응기

Info

Publication number: KR100599581B1
Application number: KR1020040083189A
Authority: KR
Inventors: 양고수
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2006-07-13
Also published as: KR20060034057A

Abstract

본 발명은 산업현장에서 발생되는 휘발성 유기화합물(VOC) 등의 유해가스를 처리하여 깨끗한 공기만을 외부로 배출시킬 수 있도록 한 프라즈마 반응기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상하단부에 각각의 플랜지가 형성되어 상부몸체, 중간몸체, 하부몸체가 연결되어 내부에 공진실을 형성하고, 상기 공진실에는 제1, 제2 석영관이 설치되며, 일측에 유입구가 형성된 상부몸체 상단에는 다수의 배관이 연결된 커버가 결합되고, 하부몸체 일측에는 마이크로 웨이브 가이드관을 설치하여 공진실과 연결되도록하며, 하부몸체 저부에는 소형 석영관을 갖는 마이크로웨이브 보조가이드관이 제1 공진실과 연결되도록 설치되어 파일럿을 이용한 제2 공진실이 구비된 프라즈마 반응기의 구성으로써, 본 발명은 저농도 휘발성유기화합물을 흡착제에 흡착 시킨 후 마이크로웨이브에 의해 고농도로 분리하여 응축시설을 이용 응축시키고, 응축 과정에 배출되는 유해가스를 프라즈마 반응기를 이용하여 흡착제에 부착된 휘발성유기화합물을 간단 용이하게 분리시켜 마이크로웨이브 프라즈마로 완전처리 함으로서 휘발성유기화합물을 취급하는 산업현장의 근무환경을 쾌적하게 하고 더블어 대기오염에 따른 환경오염을 방지하고, 냄새를 방지하여 호흡기질환 피부질환을 예방할 수 있게된 프라즈마 반응기를 제공할 수 있도록 된 것이다.

프라즈마, 마이크로웨이브, 진공실, 석영관, 파일럿, VOC

Description

프라즈마 반응기{a effector Plasma}

도1은 본 발명의 프라즈마 반응기의 결합상태 단면도.

도2는 본 발명의 프라즈마 반응기의 정면 구성도.

도3a은 본 발명에 따른 프라즈마 반응기의 상부몸체 단면 구성도.

도3b는 본 발명에 따른 프라즈마 반응기의 중간 몸체 단면 구성도.

도4는 본 발명의 피일럿으로 사용되는 보조 가이드 구성도.

도5는 본 발명의 프라즈마 반응기가 설치된 사용상태도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10:프라즈마 반응기 11:상부몸체

12:중간몸체 12a:내벽

12b:외벽 13:하부몸체

14:제1 공진실 15:제1 석영관

16:제2 석영관 17:수냉실

18:유입구 19:커버

20:가이드관 21:인입구

22:토출구 23:배출관

24:샘플관 25:제2공진실

26:제3 석영관 27:보조 가이드관

28:파일럿(SIC)

본 발명은 산업현장에서 발생되는 휘발성 유기화합물(VOC) 등의 유해가스를 처리하여 깨끗한 공기만을 외부로 배출시킬 수 있도록 한 프라즈마 반응기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소각 로를 비롯한 연소과정을 거치는 모든 장치와 화학공정 및 공장 등의 산업현장에서 발생되는 탄화 류 계통의 휘발성 유기화합물(VOC)의 유해가스를 흡착제로 흡착시킨 후 이를 마이크로웨이브를 이용하여 분리시킨 후 프라즈마 반응기에서 완전히 처리시켜 외부로 배출토록 함으로서 대기오염 및 환경오염을 방지하고 더불어 VOC처리 설비를 간단히 제작하여 적은 비용으로 작은 공간에 설치하여 고효율의 효과를 가질 수 있도록 한 프라즈마 반응기에 관한 것이다.

본 발명에서 설명되는 휘발성 유기화합물(VOC: Volatile Organic Compound)은 지방족(파라핀계와 올레핀계 탄화수소 등)과 방향족 화합물(벤젠, 톨루엔, 크실렌 탄화수소 등), 그리고 암모니아, 알콜, 알데히드, 케톤, 에테르 등의 질소, 산소 원소를 포함하거나 Chloroform, Trichroloethylene 등의 할로겐원소를 포함하는 화합물 등을 포함한 탄화수소의 총칭으로 대기 중에 배출되어 광화학 반응에 의해 오존을 생성할 수 있는 화합물을 말한다.

따라서 석유화학, 도장, 인쇄, 접착제, 반도체 세정 공정 등 일반산업시설, 폐수 및 폐기물 처리장, 주유소 등 거의 모든 산업공정에서 발생하며, 휘발성이 강해 화재폭발 등 각종 안전사고를 유발시킬 뿐만 아니라 현장에서 작업하는 사람의 호흡기질환과 피부질환을 유발시키는 문제점이 있다.

또한 VOC가 대기에 확산한 후 NOx와 태양광선으로 인한 광화학 반응으로 발생한 광화학 옥시던트가 발암성과 삼림파괴 등의 광화학적 대기오염의 원인되는 것으로 밝혀졌다.

일 예로 미국에서는 대기 청정법을 개정하여 VOC배출에 대한 규제를 현저하게 강화하는 등 구미 선진국이 VOC 배출억제 및 방지시설 설치 등을 제도화하여 시행하고 있으며, OECD에 가입한 우리 나라도 이런 구체적인 VOC규제 움직임에 대하여 '97년부터 석유관련산업을 시작으로 점차 전 산업으로 배출억제 및 회수시설의 설치를 의무화하였고 점차적으로 대기 환경보존법을 강화시키는 방향으로 정책이 움직이고 있다.

따라서 기존의 휘발성유기화합물을 처리하는 방법을 살펴보면, 재활용 기술과 최종 완전 처리하는 방법으로 나눌 수 있다. 휘발성 유기화합물을 재활용하기 위한 기존의 방법으로는 열원으로 재사용하기 위한 연소법과 회수, 농축하여 재활용하기 위한 냉각응축, 흡수, 흡착과 막 분리 방법 등이 주로 사용되어 왔으나, 최근에는 각각의 방법들의 단점을 보완한 Hybrid System에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다.

특히, 회수하는 방법은 연소방법에 비하여 휘발성유기화합물을 회수하여 재사용이 가능하게 함으로써 대기오염에 따른 환경오염을 방지할 수 있으므로 가장 바람직한 방식으로 알려져 있다.

따라서 회수 장치는 수% 이상의 고농도의 경우는 막 분리법과 냉각 응축법이 있지만, 대부분의 장치는 활성탄 흡착법에 의한 흡착력을 이용한 회수방법으로, 상온에서 배기가스로부터 VOC를 흡착한 후 고온으로 분리, 냉각 응축하여 회수하는 방식(열 교대)으로 되어 있다.

또한 사용되는 활성탄은 입상 활성탄이 중심이었지만, 최근에는 섬유상 활성탄의 사례가 증가되고 있어 보다 장치가 간소화하는 경향이 있다.

그러나, 활성탄 및 흡착제를 이용한 기존의 방법은 오염물질이 또 다른 상을 형성하므로 2차 적인 분리문제와 활성탄 재생에 소요되는 비용이 크다는 문제점들을 안고 있다.

이러한 흡착법의 문제점에 따른 대안으로 마이크로웨이브(microwave)에 의한 분리 기술이 휘발성 유기 화합물 제거 및 회수 공정으로 대두되고 있으며 최근에 많은 관심을 모으고 있다.

이와 같은 마이크로웨이브를 이용한 방법은 유전가열(dielectric heating)에 의한 방법이기 때문에 오염물질을 직접 가열할 수 있고, 또한 흡착된 오염물질이 마이크로웨이브가 통과하는 비극성 성분일 경우에는 주변에 있는 수분을 가열하여 효과적으로 오염물질을 가열 할 수 있다.

따라서 마이크로웨이브를 흡착공정에 이용한 연구에 있어서 미국의 사례를 볼 때 메사추세츠 대학의 튜너(Turner)등은 메탄올(극성분자)과 싸이클로 헥산(비극성분자)의 제올라이트에 대한 흡착에서 마이크로웨이브를 조사하였을 때 흡착과 분리 현상에 대한 연구를 실시하였는데, 메탄올과 같은 극성분자는 마이크로웨이브에 의하여 활성화되어 쉽게 분리가 일어나고, 비극성분자인 싸이클로 핵산의 분리 현상은 마이크로웨이브에 거의 영향을 받지 않는 것으로 연구 보고하였다.

특히 VOCs 및 악취의 열적인 처리 방법에는 직접연소, 촉매연소, 프라즈마(Plasma)처리 방법 등이 있으며, 직접연소 및 촉매연소의 경우 그 처리효율측면에서는 양호하다고 하더라도 Plasma방법에 비하여 처리시간이 길기 때문에 냉각과정 중에 또 다른 연소의 부산물질인 다이옥신(Dioxin)등의 유해성분을 형성할 수 있고 직접연소의 경우는 높은 고온에 의한 더말녹스(Therma1 NOx) 형성의 방지책을 고려하여야 한다.

또한 촉매연소의 경우도 비록 저온연소 반응으로 더말녹스(Therma1 NOx)의 형성 정도는 낮다고 하지만 후류 가스에는 촉매의 독을 유발할 수 있는 중금속과 많은 량의 수분이 포함되어있기 때문에 이론적으로는 그 처리효율이 높다 하더라도 실제 현장 적용상의 문제점이 많다. 이에 비하여 프라즈마(Plasma)의 경우는 순간처리에 의하여 처리대상 성분을 처리할 수 있고 처리효율이 높을 뿐만 아니라 처리후의 생성물질간의 재결합 반응에 의한 유해성분의 생성비율이 비교적 낮다.

또한 처리 공정중에 산소공급을 위한 공기 투입이 적기 때문에 더말녹스(Therma1 NOx) 형성등 제2차 오염물질 형성의 방지를 유도할 수 있다는 큰 장점이 있다. 그러나 아직도 프라즈마(Plasma)를 이용한 기술은 연구 및 실험 단계에 있으며 실용화된 기술도 현장 적용상의 문제가 많기 때문에 이에 대한 심도 있는 연구가 필요하다고 하겠다.

따라서 본 발명에서는 공정 중에 발생할 수 있는 악취 및 휘발성 유기화합물(VOCs)의 효율적인 처리를 위해 마이크로웨이브(Microwave)를 이용한 흡착된 휘발성 유기화합물(VOCs) 및 악취 성분 분리 기술과 마이크로웨이브에 의한 프라즈마(Microwave Plasma)를 이용한 휘발성 유기화합물(VOCs) 및 악취 성분에 대한 효율적인 처리 기술을 개발 한 것이다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 감안하여 발명한 것으로서, 소각 로를 비롯한 연소과정을 거치는 모든 장치와 화학공정 및 공장 등의 산업현장에서 발생되는 탄화 류 계통의 휘발성 유기화합물(VOC)의 유해가스를 마이크로웨이브를 이용하여 프라즈마 반응기에서 완전히 처리시켜 외부로 크린 공기를 배출토로 함으로서 대기오염 및 환경오염을 방지하고 더불어 VOC처리 설비를 간단히 제작하여 적은 비용으로 작은 공간에 설치하여 고효율의 효과를 가질 수 있도록 한 프라즈마 반응기를 제공함을 목적으로 한 것이다.

이하 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

상하단부에 각각의 플랜지가 형성되어 상부몸체(11), 중간몸체(12), 하부몸체(13)가 연결되어 내부에 제1 공진실(14)을 형성하고, 상기 제1 공진실(14)에는 제1, 제2 석영관(15)(16)이 설치되며, 일측에 유입구(18)가 형성된 상부몸체(11) 상단에는 다수의 배관이 연결된 커버(19)가 결합되고, 하부몸체 일측에는 마이크로 웨이브 가이드관(20)을 설치하여 공진실(14)과 연결되도록 하며, 하부몸체 저부에는 제3 석영관(26)을 갖는 마이크로웨이브 보조가이드관(27)이 제1 공진실(14)과 연결되도록 설치되어 파일럿을 구비한 프라즈마 반응기(10)의 구성이다.

상기 중간몸체(12)는 내벽(12a)과 외벽(12b)으로 이루어져 수냉실(17)을 형성하고 외벽(12b)일측에는 물 인입구(21)와 토출구(22)가 형성된다.

상기 제1 석영관(15) 제2 석영관(16)은 중간몸체(12)상부와 하부몸체(13)하부에 제1석영관(15)이 위치하고 제2 석영관(16)은 제1 석영관(15) 내측에 위치하고 상단부는 상부몸체(11)의 커버(19) 중앙부에 고정되고 하단부는 하부몸체(13)의 바닥과 소정의 거리로 이격 되도록 설치된다.

상기 하부몸체 저부에 설치되는 마이크로웨이브 보조 가이드관(27)은 제1 공진실(14)과 연결되도록 설치된 제3 석영관(26)내로 프라즈마 발생가스를 공급할 수 있도록 호스(28)가 설치된다.

상기 중간몸체와 하부몸체는 일면에 투시창(29)이 형성되어 내부를 관찰할 수 있도록 구성된다.

저면에 프라즈마를 형성할 수 있도록 제3 석영관(26)을 갖는 마이크로웨이브 보조 가이드관(27)으로 이루어진 파일럿(pilot)(25)이 설치되어 제1 공진실의 프라즈마가 꺼지지 않고 안정적으로 이루어지도록 된 것이다.

미설명부호 20은 휘발성유해물질을 흡착 및 분리할 수 있도록 된 마이크로웨이브 반응기 이고, 60은 휘발성 유해물을 응축시켜 저장하는 저장용기이며, 70은 마이크로웨이브발생기이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 도1은 본 발명의 프라즈마 반응기의 결합상태 단면도 로서, 상부몸체(11), 중간몸체(12), 하부몸체(13)를 각각의 플랜지를 이용하여 연결하고 내부에 제1, 제2 석영관을 설치한 상태의 전체적인 연결구성도를 나타낸 것이다.

도2는 본 발명의 프라즈마 반응기의 정면 구성도로서, 상부몸체, 중간몸체 하부몸체 및 마이크로웨이브 가이드관과 파일럿으로 사용되는 마이크로웨이브 보조가이드가 설치된 상태의 정면 구성도이다.

도3a은 본 발명에 따른 프라즈마 반응기의 상부몸체 단면 구성도로서, 일측에 VOC 또는 프라즈마 발생가스가 유입될 수 있도록 유입구(18)가 형성되고 상부에 결합된 커버(19)상부에는 정화된 크린공기가 배출될 수 있도로 배출관(23)과 크린공기를 체크할 수 있도록 된 다수의 샘플관(24)이 설치된 상태를 나타낸 것이며,

도3b는 본 발명에 따른 프라즈마 반응기의 중간 몸체 단면 구성도로서, 몸체를 이중자켓으로 형성하여 내벽(12a)과 외벽(12b)로 구성하고, 내벽과 외벽 사이에는 수냉실(17)을 구비하여 상부 일측의 인입구(21)를 통하여 물이 유입되도록 하고, 유입된 물은 하부 일측의 토출구(22)을 통하여 배출되는 순환 작용을 할 수 있도록 된 중간몸체(12)를 나타낸 것이다.

도4는 본 발명의 파일럿으로 사용되는 보조 가이드 구성도로서, 제1 공진실에서 형성되는 프라즈마 발생이 안정적으로 이루어지도록 저부에 보조 파일럿으로 설치되는 마이크로웨이브 보조 가이드를 나타낸 것이다.

도5는 본 발명의 프라즈마 반응기가 설치된 사용상태도로서, 마이크로웨이브 반응기(10)에서 마이크로웨이브에 의해 분리된 유해 가스가 응축기(30), 진공펌프(40), 범퍼(50)로 연결된 말단 부에 설치되어 분리된 유해가스를 프라즈마로 완전 용해시켜 깨끗한 공기로 정화한 후 배출관(23)을 통하여 외부로 배출시키도록 된 전체적인 구성도를 나타낸 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명은 먼저 산업현장에서 발생되는 휘발성 유기화합물(VOC) 등의 유해가스를 마이크로웨이브의 반응기(10)로 유입시켜 흡착제에 흡착시킨 후 이를 마이크웨이브로 분리하여 응축기, 진공펌프, 범퍼를 거쳐 본 발명의 프라즈마 반응기의 상부몸체(11) 일측에 형성된 유입구(18)로 인입시킨다.

상기 유입구(18)로 인입된 휘발성 유기화합물(VOC) 등의 유해가스 또는 프라즈마 발생가스는 제1 공진실(14)의 제1 석영관(15)과 제2 석영관(16) 사이를 통하여 와류되면서 하강하여 제2 석영관(16)의 저부를 통하여 내부로 유입된 후 상부로 상승하여 상부 몸체 커버의 배출관(23)을 통하여 외부로 배출된다.

이때 하부몸체 일측에 연결된 가이드관(20)을 통하여 마이크로웨이브가 공진실(14)로 유입되어 제2 석영관(16)내부로 지나가는 휘발성 유기화합물(VOC) 등의 유해가스와 접촉되어 고온에 의해 분해되어 유해성분인 휘발성분과 악취가 녹아 배출관을 통하여 배출되는 가스는 순수하고 깨끗한 공기만 배출된다.

본 발명은 제1 석영관 및 제2 석영관을 지나가는 휘발성 유해가스와 마이크로웨이브의 접촉에 의해 고온이 발생되어 석영관 등이 파열되는 것을 방지 하기 위헤 중간몸체를 2중 자켓을 갖도록 내벽(12a)과 외벽(12b)을 형성하여 수냉실(22)을 구비함으로서 제1 공진실에서 형성되는 고온의 열을 소정의 온도 이상까지 상승되지 못하도록 하였다.

상기 2중 자켓으로 형성된 외벽의 일측 상하부에는 물의 인입구(21)와 토출구(22)를 형성하여 수냉실(17)의 물이 순환되도록 함으로서 제1 공진실에서 발생되는 프라즈마의 온도가 고온으로 상승되어 제1 공진실의 석영관이 파손되는 것을 방지하도록 된 것이다.

또는 상기 프라즈마를 발생시키기 위한 가스로서는 휘발성 유홰물질 이외로 아르곤가스, 산소, 질소, 공기 등의 발생가스와 접촉되어 프라즈마가 발생될 수 있다.

상기 발생된 프라즈마는 제2 석영관 내부를 지나가는 유해가스와 접촉되어 고온에 의해 분해되어 유해성분인 휘발성분과 악취가 녹아 토출구를 통하여 배출되는 가스는 순수하고 깨끗한 공기만 배출된다.

또한 본 발명은 하부몸체(13)의 저면에는 파이럿으로 이루어진 제2 공진실(25)이 설치되어 유해가스의 불규칙한 유입량과 주변의 환경적 불안정한 조건으로인 하여 제1 진공실(14)에서 형성되는 매인 프라즈마가 꺼지지 않도록 한다.

즉, 파일럿(pilot)의 제2 공진실(25)은 보조불꽃 역할을 하는 것으로 하부의 보조 가이드관(27)으로부터 안내된 마이크로웨이브가 하부몸체 저부 중앙부에 연결된 제3 석영관(26) 외주면에서 회전하는 동시에 제3 석영관(26) 상단면과 내부에는 프라즈마가 발생되어 제3 석영관(26)이 달구어지므로 외부의 투시창(29)에서 볼 때는 마치 작은 불꽃이 생긴 것과 같은 형상으로 유지되므로 상부의 마이크웨이브 가 이드관을 통하여 유입된 마이크웨이브에 의해 제1 공진실 중앙부에 위치한 제2 석영관 주변에서 발생하는 메인 프라즈마가 꺼지지 않고 안정적으로 유지할 수 있도록 한 것이다.

본 발명에서 제2 공진실의 프라즈마 파일럿은 제1 공진실 내부의 제2 석영관에서 발생되는 메인 프라즈마가 불안정하게되는 것을 방지하기 위해 하부몸체의 저면에 파일럿을 설치하여 프라즈마 생성을 안정적으로 처리할 수 있도록 한 것이다.

본 발명에 있어서 상기 파일럿의 제3 석영관(26)은 저부에 연결된 호스(28)를 통하여 내부로 유입되는 프라즈마 발생가스는 상기에서 설명한 바와 같이 아르곤가스, 질소, 산소 또는 통상적인 공기를 주입는 동시에 채워진 상태가 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 저농도 휘발성유기화합물을 흡착제에 흡착 시킨 후 마이크로웨이브에 의해 고농도로 분리하여 응축시설을 이용 응축시키고, 응축 과정에 배출되는 유해가스를 프라즈마 반응기를 이용하여 흡착제에 부착된 휘발성유기화합물을 간단 용이하게 분리시켜 마이크로웨이브 프라즈마로 완전처리 함으로서 휘발성유기화합물을 취급하는 산업현장의 근무환경을 쾌적하게 하고 더블어 대기오염에 따른 환경오염을 방지하고, 냄새를 방지하여 호흡기질환 피부질환을 예방할 수 있게된 효과를 갖는다.

Claims

상 하단부에 각각의 플랜지가 형성되어 상부몸체(11), 중간몸체(12), 하부몸체(13)가 연결되어 내부에 제1 공진실(14)을 형성하고, 상기 제1 공진실(14)에는 제1, 제2 석영관(15)(16)이 설치되며, 일측에 유입구(18)가 형성된 상부몸체(11) 상단에는 다수의 배관이 연결된 커버(19)가 결합되고, 하부몸체 일측에는 마이크로 웨이브 가이드관(20)을 설치하여 제1 공진실(14)과 연결되도록 하며, 하부몸체 저부에는 보조가이드관(27)으로 이루어진 파일럿을 이루는 제2 공진실(25)을 구성한 것을 특징으로 하는 프라즈마 반응기.
제1항에 있어서,

상기 중간몸체는 내벽(12a)과 외벽(12b)으로 이루어져 수냉실(17)을 형성하고 외벽(12b)일측에는 물 인입구(21)와 토출구(22)가 형성된 것을 특징으로 하는 프라즈마 반응기.
제1항에 있어서,

상기 제1 석영관과 제2 석영관은 중간몸체(12)상부와 하부몸체(13) 하부에 제1석영관(15)이 위치하고 제2 석영관(16)은 제1석영관 내측에 위치되어 상단부는 상부몸체(11)의 커버(19) 중앙부에 고정되고 하단부는 하부몸체(13)의 바닥과 소정의 거리로 이격되도록 구성된 것을 특징으로 하는 프라즈마 반응기.
제1항에 있어서,

상기 파일럿은 조보가이드관(27) 일측에 제3 석영관(26)이 설치되어 제1 공진실(14)과 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 프라즈마 반응기.
제1항에 있어서,

상기 중간몸체와 하부몸체는 일면에 투시창이 형성되어 내부를 관찰할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 프라즈마 반응기.