KR100631823B1 - 유해 폐기물 처리용 고출력 공동형 플라즈마 토치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기물 또는 무기물 형태로 배출되는 각종 유해 폐기물을 열분해에 의한 완전 소각과 용융고화에 의한 유리화 처리를 할 수 있는 열플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치의 설계와 제작에 관한 것으로, 특히 이 장치의 핵심 구성품인 전극, 기체 주입링, 냉각 라인의 설계 개선과 자기장의 이용 및 방전 특성 해석을 통해서 전극 및 토치수명의 연장, 토치 유지비용 절감 그리고, 처리 대상 폐기물의 다양화를 기할 수 있도록 한 공동형 전극을 가진 고출력 직류 플라즈마 토치 개발에 대한 것이다.

Description

유해 폐기물 처리용 고출력 공동형 플라즈마 토치{HIGH POWER PLASMA TORCH WITH HOLLOW ELECRODES FOR HAZARDOUS WASTE TREATMENT}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치의 단면도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치의 공동형 음극과 양극의 단면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치의 기체 주입부 근처의 상세 단면도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치의 양극 부분 단면도. (비이송식 운전 경우)

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치의 양극 부분 단면도. (이송식 운전 경우)

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치 내부에서 냉각수의 흐름을 보여 주는 단면도.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치 내부에서 아크 기체의 흐름을 보여주는 단면도.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치의 기체 주입링의 측면도.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치의 영구자석의 기능을 설명하는 도면.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 음극 몸체 2 : 음극 몸체 지지대

3 : 절연 부분Ⅰ 4 : 절연 부분Ⅱ

5 : 겉몸체Ⅰ 6 : 음극

7 : 영구자석 8 : 겉몸체Ⅱ

9 : 양극 몸체 10 : 기체 주입링

11: 삽입체Ⅰ 12 : 삽입체Ⅱ

13 : 양극 몸체 지지대 14 : 겉몸체Ⅲ

15 : 양극 16 : 앞뚜껑
21: 음극제1상단부 22 :음극제2상단부
23: 음극제3상단부 24: 양극제1하단부
25:양극제2하단부 26: 양극제3하단부

플라즈마 토치는 운전 조건의 조절이 용이하고 전기와 기체를 사용하기 때문에 무오염원이며 장치의 크기가 매우 작고 높은 온도와 열량을 제공할 수 있어서, 오래 전부터 용사, 합성, 금속의 정련과 제련 등에 사용되어 왔으며, 최근에는 신소재 합성, 극한 기술, 환경 기술 등으로 응용 영역이 확대되고 있다. 특히, 산업 사회의 발달과 함께 유해 폐기물의 증가로 인하여 기존의 매립에 의한 폐기물 처리가 한계에 봉착하여 요즘, 소각에 의해서 폐기물을 처리하는 비중이 점점 높아지고 있다. 그러나 화석 연료를 사용하는 기존의 소각로는 불완전연소에 의해서 다이옥신이나 퓨란 같은 새로운 2차적인 공해물질이 발생함으로써 오히려 새로운 환경오염을 일으키고 있다. 이와 같은 상황을 극복하고자 많은 양의 유해 폐기물을 단시간 내에 처리하면서도, 주변 환경을 오염시키지 않는 열플라즈마 의한 폐기물 처리 방법이 관심을 끌고 있다.

하지만, 열플라즈마에 의한 유해폐기물 처리는 기존의 소각방식과 구별되는 뛰어난 특성을 가지고 있는 반면, 전기를 사용하기 때문에 운전비가 비싸다는 단점이 있다. 특히, 폐기물을 소량 처리하는 경우에는 다른 소각법에 비해 경쟁력이 없어서, 오래전부터 여러 가지 종류의 플라즈마 토치가 존재해 왔음에도 불구하고, 유해폐기물의 처리에 열플라즈마를 적용하는 기술은 상업화에 많은 어려움을 겪고 있었다. 따라서, 이를 극복하기 위한 해결책으로 플라즈마 토치 출력을 메가 와트급 이상으로 높여 대량의 폐기물을 처리함으로써 경쟁력을 확보하고 상업화를 추진하려는 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 그러나 토치를 고출력으로 운전하는 경우 토치 운전 전류가 높아 전극 침식이 가속화되어 전극 수명이 짧아질 뿐만 아니라, 침식된 전극을 교체하기 위해 공정을 수시로 중단하여야 하므로 작업 능률과 공정의 질이 떨어지는 문제가 있다.

한편, 플라즈마 토치를 이용한 유해 폐기물 처리 방식은 크게 이송식과 비이송식 운전방식으로 구분되고, 실제 공정에서는 처리 대상물이나 공정의 목적에 적합한 운전방식이 선택된다. 비이송식 운전은 양극점이 토치 내부에 존재하고 토치 외부에 발생한 제트를 이용하는 방식으로, 강한 난류효과에 의한 반응물의 섞임 현상이 두드러지고, 이차오염원 생성방지를 위한 반응물의 급냉각이 용이하므로 기상 또는 액상 폐기물 처리에 적합하다. 반면 처리대상물을 한쪽 전극으로 사용하여 방전을 유지하는 이송식 운전은 열전달 측면에서 비이송식 운전보다 훨씬 유리하므로 고상 폐기물 처리에 주로 사용되고 있다. 이 때문에 현재 폐기물 처리 플랜트에서는 두 종류의 토치와 이를 위한 운전시스템을 이중으로 구비하고 있거나, 한 기의 토치로 제한된 작업만을 수행하고 있어 재정적으로나 작업 능률면에서 커다란 문제를 안고 있는 실정이다. 따라서, 다양한 기체를 아크 기체로 사용할 수 있으면서 낮은 전류에서도 고출력 운전이 가능하여 운전비용 및 유지비용이 저렴함과 동시에 처리 대상물에 따라 토치 운전방식의 선택이 가능하여 다양한 처리 대상물들을 효율적으로 처리할 수 있는 유해 폐기물 처리용 플라즈마 토치가 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 토치가 갖는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 한 기의 공동형 플라즈마 토치를 보유하면 처리 대상물에 따라 비이송식 또는 이송방식으로 운전 선택이 가능하여 초기 설치 비용 절감 및 작업 능률 상승 효과를 가져오고, 동일한 입력 전력 및 운전 조건에서 높은 전압을 얻을 수 있는 전극설계를 제공하고 상황에 따라 전극길이를 최소의 비용으로 쉽게 변경이 가능하도록 하며 효율적인 아크점의 회전이 가능하도록 하며 소모된 부분만 교체가 가능한 전극구조를 제공하고, 고출력으로 장시간 운전함으로써 대량의 유해 폐기물을 짧은 시간 내에 이차오염원 없이 완전 소각 처리할 수 있는 토치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 이루기 위하여 본 발명은 열플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치를 제공하는데, 상기 플라즈마 토치는

속이 비어 있는 원통형 음극(6)과;

상기 음극(6)을 지지하며, 음전원과 냉각수를 토치에 공급하는 음극 몸체(1)와;

상기 음극(6)과 마주보며 설치된 원통형 양극(15)과;

상기 양극(15)의 외주에 설치되어 상기 양극(15)을 지지하는 양극 몸체(9)와;

상기 원통형 음극(6)과 상기 원통형 양극(15) 사이에 설치되어 아크 기체를 공급하는 기체 주입링(10)을 포함하는 플라즈마 토치로,

상기 기체 주입링(10)의 직경은 상기 원통형 음극(6)의 직경의 2.5배 이상이고,

상기 원통형 음극(6)과 상기 양극(15)의 서로 근접하는 부분의 양 끝단은 각각 볼록한 형태로 서로 마주보는 형상으로서, 상기 음극의 상단부는 상기 기체 주입링(10) 근처에서는 넓다가(음극제1상단부21) 점차적으로 좁아진 후에(음극제2상단부22) 상기 음극의 내벽 쪽으로 갈수록 넓어지는 모양(음극제3상단부,23)이며, 상기 양극의 하단부는 상기 양극 몸체 쪽에서는 넓다가(양극제1하단부 24) 좁아진 후에(양극제2하단부25) 상기 양극의 내벽을 향해서는 넓어지는 모양(양극제3하단부,26)이다.

상기 플라즈마 토치는, 상기 원통형 음극(6)의 내부에 축방향의 자기장을 발생시키도록 상기 음극(6)의 외주에 Nd-Fe 영구자석(7)을 더 포함할 수 있다.

상기 플라즈마 토치는, 상기 원통형 음극(6)은 두부분(6a,6b)으로 이루어져 있으며 또한 분리 가능하여, 침식이 심한 일부 부분만의 교체도 가능하다.

상기 플라즈마 토치에서, 상기 양극(15)은 상기 음극(6)보다 길이가 짧고 전극의 직경이 처리 대상물 쪽으로 이동함에 따라 점점 확장되는 형태일 수 있다.

상기 플라즈마 토치에서, 상기 음/양전극과 상기 음극 몸체(1) 및 상기 양극몸체(9)를 냉각하기 위하여 상기 토치의 내부에 단일 라인으로 형성된 냉각로를 더 포함할 수 있다.

상기 플라즈마 토치에서, 상기 냉각로는 그 유로가 계단 형태(53)로 확장될 수 있다.

상기 플라즈마 토치는 상기 음극(6)과 상기 양극(15)을 절연시켜 주며, 플라즈마 발생을 위한 아크 기체의 통로 역할을 하도록 상기 음극과 상기 양극의 외주에 형성된 절연부분I(3)과 절연부분II(4)를 더 포함하며, 상기 절연부분I(3)과 상기 음극몸체(1)사이에는 갭이 있어 환형의 관이 형성될 수도 있다.

상기 플라즈마 토치에 있어서, 상기 플라즈마 토치를 이루는 부품중, 상기 플라즈마 토치의 사용에 있어서 공정에 노출되는 부분은 열장벽 코팅처리될 수 있다.

상기 플라즈마 토치에서, 상기 플라즈마 토치의 부품은 모듈화되어 분리 가능하고 교체가 용이한 것일 수 있다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 토치를 나타내는 단면도로서, 토치는 속이 비어 있고 재질이 구리인 두 개의 원통형 전극으로 음극(6)과 양극(15)을 가지고 있고, 아크를 안정화시키기 위하여 와류 운동을 하게끔 아크 기체를 주입 시켜주는 기체 주입링(10)의 기본 구조를 가진다. 이 외에 음전원(-)과 냉각수를 동시에 토치에 공급하여 주는 음극 몸체(1)와 음극 몸체 지지대(2), 음극(6)과 양극(15)을 절연시켜주며 아크 기체의 통로 역할을 하는 절연 부분I(3)과 절연 부분II(4), 양극(15)을 고정시켜주는 양극 몸체(9)와 양극 몸체 지지대(13), 냉각수의 통로를 이루면서 절연 부분I(3), II(4)과 양극몸체(9)를 지지하는 삽입체I(11), 삽입체II(12), 토치의 내부를 감싸고 외관을 마무리 지으며 양극의 전력 통로 구실을 하는 겉몸체Ⅱ(8), Ⅲ(14)과 앞뚜껑(16), 양전원(+)을 공급하고 냉각수의 출구역할을 하는 겉몸체I(5), 음극 내부 아크점의 원활한 회전을 위해 축방향 자기장을 발생시키는 Nd-Fe 영구자석(7) 등으로 구성되어 있다. 부품의 개수를 줄여 조립상의 오차와 가공 비용을 줄였으며, 주로 나사산 체결에 의한 조립 방식을 선택함으로써 부품 교체 비용과 용접열에 의한 열적 변형을 최소화 하였다.

상기 음극 몸체(1)는 좌측 선단 내측에 나사홈(17)을 제작하여 음전원과 냉각수를 동시에 공급받기 용이하게 하였으며, 음극 몸체 지지대(2)와 연결시키기 위한 6개의 볼트 구멍(18)이 뚫려있다. 상기 음극 몸체 지지대(2)에는 6개의 볼트 구멍(19)이 뚫려 있어서 음극 몸체(1)와 결합하며, 절연과 영구자석 고정 및 아크 기체 주입 통로 역할을 하는 절연체 I(3), II(4)의 중심에 오링에 의해 고정된다. 상기 음극(6)을 구리로 제작하면 산소 등 산화성 기체를 포함한 공기와 수증기를 아크기체로 사용할 수 있고, 전극(6,15)이 속이 빈 공동형이기 때문에 음극점이 한 위치에 고정되지 않고 이동하게 되어 음극(6)의 침식을 감소시킬 수 있다. 상기 음극(6)은 밑면에 나있는 나사산(20)에 의해 음극 몸체(1)와 연결된다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 토치의 공동형 음극과 양극의 구조를 잘 나타내주는 단면도이다. 공동형 음극(6)의 위쪽 끝부분은 도 2가 보여주듯이 기체 주입링(10) 근처에서는 넓다가(음극제1상단부, 21) 점차적으로 좁아진 후에(음극제2상단부22) 음극(6)의 내벽 쪽으로 갈수록 넓어지는 모양(음극제3상단부, 23)을, 양극(15)의 아래쪽 끝부분은 상기 양극몸체(9)에서는 넓다가(양극제1하단부, 24) 좁아진(양극제2하단부, 25) 후에 양극(13)의 내벽으로 향해서는 넓어지는 모양(양극제3하단부. 26)으로 각각 제작되었다. 아크의 초기 방전을 원활하게 시켜주기 위하여 음극(6)과 양극(15)의 가장 가까운 부분(22,25)의 거리가 2mm를 유지하도록 하였다. 한편 음극제1상단부(21)과 양극제1하단부(24)의 사이가 음극제2상단부(22)와 양극제2하단부(25) 사이보다 가까우면 초기 방전이 음극제1상단부(21)과 양극제1하단부(24) 사이에서 발생하여 양극몸체의 일부분인 양극제1하단부(24)에 손상이 일어나고 심지어 기체 주입링(10) 마저도 파손되는 현상이 일어나므로 양극 몸체(9)와 기체 주입링(10)의 보호를 위하여음극제1상단부(21)과 양극제1하단부(24)사이의 거리가 음극제2상단부(22)와양극제2하단부(25) 사이의 거리보다 크게 제작하였다. 또한, 아크기체가 부드럽게 전극(6,15) 내로 입사되도록 하기 위하여 (음극제3상단부, 23)과 (양극제3하단부. 26), 음극제1상단부(21)과 양극제1하단부(24)를 서로 대칭이 되게 하였다. 즉, 전체적으로 보면 기체 주입링(10)을 통과한 기체가 흐르는 음극(6)과 양극(15)이 근접하는 부위는 음극(6)과 양극(15)이 각각 볼록한 형태로 서로 마주보는 형상이다.

상기한 음극(6)은 토치가 정상 운전하는 도중 고온의 아크점(66)에 의해 침식이 심하게 이루어지며, 이로 인한 전극의 잦은 교체는 새로운 전극 가공에 따른 운전 비용 상승을 유발한다. 전극 침식의 주 원인인 아크점의 위치는 아크 전류의 세기와 축 방향 기체의 속도에 의해 결정되며, 전극 벽면에 전체적으로 존재하기 보다는 국부적으로 제한되어 있음이 실험적으로 알려져 있다. 따라서 본 발명에서는 초기방전 시 (음극제3상단부, 23)과(양극제3하단부. 26)에 발생된 아크점을 유입되는 기체의 힘에 의해 전극 하단부로 이동시키기 위한 부분(6b)과 아크점이 주로 고정되어 침식이 예상되는 부분(6a)으로 전극(6)을 분리하여 가공한 다음, 이후 장시간 운전에 의한 전극 마모가 발생될 때 마모된 전극(6a)만 교체하고 가이드 부분(6b)은 계속 사용하도록 설계변경 하였다. 이렇게 함으로써 전극 교체에 따른 운전비용 상승을 억제하고 동시에 긴 구멍을 한번에 뚫어야하는 가공상의 문제를 해결하였다. 도 2에 나타나있듯이 분리된 전극 6a와 전극 6b는 서로의 벽면에 나있는 나사산(27)을 통해 체결 조립되며 전극분리에 따른 절단부위로부터 냉각수의 유입은 오링(28)을 사용하여 막도록 하였다. 오링(28)은 아크점이 초기방전 때 순간적으로 지나가는 것 이외에 아크점의 고온의 열에 직접 노출되지 않으므로 열에 의한 손상 염려는 없다.

음극(6)의 길이가 아크 길이에 비해 상대적으로 짧으면 음극(6)의 밑벽(29)에 아크점이 발생하여서 아크점이 한 위치에 고정되기 때문에 음극(6)의 침식이 급격히 증가하게 된다. 반대로 전극(6)의 길이에 비해 아크길이가 너무 짧으면 열플라즈마의 높은 온도로부터 전극벽면(30)으로의 열손실이 증가하게 되므로 토치의 열효율이 감소하게 된다. 따라서 본 발명에서는 아크점이 음극(6) 하단부 벽 쪽에 부착되고 높은 열효율을 갖는 음전극 직경과 길이 비를 실험적으로 결정하였다. 동시에 위의 조건을 만족하는 음극(6) 직경과 길이 비는 설계 및 운전 조건에 수시 로 따라 달라지므로 상황에 따라 음극 몸체(1)만을 교체함으로써 전극 길이를 조절할 수 있도록 설계함으로써 최소의 비용으로 전극 길이를 변경이 가능하도록 하였다.

도 3은 본 발명에 따른 공동형 플라즈마 토치의 기체 주입부 근처의 단면도이다. 절연 부분 II(4)는 음극(6)과 양극(15)을 전기적으로 절연시켜주는 역할을 한다. 도 1에 나타나듯이 절연부분 II(4)는 아래쪽으로 절연부분 I(3)과 나사산(31)에 의해 고정되며, 위쪽으로는 삽입체 II(12)와 연결되고 겉몸체I(8)에 도출부분(32)을 통해서 고정된다. 또, 절연부분II(4)에는 아크기체를 전극(6,15) 내부로 입사시키기 위한 환형 통로(33)가 음극 몸체 지지대(2)를 이용하여 만들어져 있다. 또한, 도 3에서 알 수 있듯이 절연부분 Ⅱ(4)에는 기체 주입링(10), 절연부분 II(4)와 양극 몸체(8)로 이루어진 공간(34)에 아크 기체를 입사시키기 위한 구멍(35)과 냉각수의 통로가 되는 구멍(36)이 뚫려있다. 구멍(35,36)은 각각 6개씩 뚫어서 아크 기체와 냉각수가 균일하게 흐르게 하였다. 삽입체 II(12)는 절연부분 II(4)에 나있는 나사홈(37)과 삽입체 II(4)에 있는 나사산(37)의 결합에 의해 절연부분 II(4)에 연결된다. 삽입체 I(11)은 삽입체 II(12)와 나사식(38)으로 결합되면서 양극 몸체(9)를 절연부분 II(4)와 기체 주입링(10)에 고정시킨다. 삽입체 I (11)과 삽입체 II(12)는 도 3에 나타나듯이 절연부분 II(4), 양극 몸체(9), 겉몸체 II(8)와 함께 냉각수의 통로(39,40)를 만들어준다. 상기한 기체 주입링(10)은 일정한 간격으로 뚫린 18개의 작은 구멍(41)을 통해 아크 기체를 빠른 속도로 전극 내부로 균일하게 입사시켜주며, 고온에 직접 노출되므로 열에 잘 견디며 가공이 용이한 가공성 세라믹을 사용하여 제작하였다. 상기한 18개의 구멍(41)은 비스듬히 가공함으로써 구멍에 의해 주입되는 기체의 돌진 속도가 일부 회전 속도 성분으로 변화되도록 하였고, 전극 내에서 기체의 와류 운동의 증진에 따른 아크 기둥의 수축을 유도하여 아크 기둥이 차가운 전극 내벽(30)에 부딪어 불안정해지는 현상을 억제하도록 하였다.

도 4와 5는 비이송식 운전 이외 이송식 운전까지 겸한 토치 개발을 목적으로 본 발명에서 개선된 양극 구조의 토치 출구쪽 단면도이다. 먼저, 도 4는 비이송식 운전을 목적으로 조립된 양극구조를 보여주고 있다. 앞뚜껑(16)은 겉몸체 Ⅲ(14)와 나사식(42)으로 결합하고 양극(15)은 양극 몸체(9)에 고정된다. 양극 몸체(9)에는 냉각수의 통로 역할을 하는 6개의 구멍(43)이 뚫려있으며 토치의 무게를 줄이기 위하여 절연부분으로 제작된 양극 몸체 지지대(13)과 나사식(44)으로 결합된다. 겉몸체 II(8)는 냉각수의 통로 역할(45)과 함께 양전원(+)을 토치에 공급하는 역할을 하며, 나사홈(46)에 의해 폐기물 처리로와 결합된다. 상기 겉몸체 II(8)는 밑쪽에 8개의 구멍(47)이 뚫려 있어서 겉몸체 Ⅲ(14)이 가지고 있는 8개의 구멍(48)과 볼트에 의해 연결되고, 위쪽으로 앞뚜껑(16)와 나사식(42)으로 연결된다. 이때 양극(15)의 길이는 양극의 아크점이 전극 내부에 존재하여 아크점에 의한 토치 몸체 손상이 일어나지 않고 음극(6)과 마찬가지로 과다하게 길어 열손실에 의한 열효율 급속히 떨어지지 않는 길이로 실험을 통해 결정하였다.

도 5는 본 발명에 따른 이송식 운전을 목적으로 조립된 토치 양극 구조의 단면도이다. 본 발명에서는 상기한 비이송식 양극 부품 외에 다른 형상을 갖는 이송 식 양극 몸체(49), 이송식 겉몸체(50), 이송식 양극(51) 등 3개의 부품을 추가적으로 가공한 다음, 이들을 상기한 비이송식 양극 몸체(9), 겉몸체 II(8), 양극(15) 등과 상호 교체하면 이송식 토치 운전이 가능하도록 하였다. 조립과 해체가 손쉽게 하였고 나머지 부분은 서로 공유하도록 설계하여 토치에 대한 초기투자 비용 절감과 실제 공정에 있어서 처리 대상물의 다양화를 기하였다. 이송식 운전을 위한 양극(51)은 도 5에 나타낸 바와 같이 비이송식 양극(15)보다 짧고 전극의 직경이 처리 대상물 쪽으로 이동함으로써 점점 확장되는 형태(52)로 제작하여 아크점이 파일럿 전극에서 대상물로 쉽게 전이될 수 있고 고온 영역을 확장시킴으로써 총 열 전달량 측면에서 우수한 성능을 가지도록 설계하였다.

상기한 겉몸체(8,50)와 앞뚜껑(16)은 유해폐기물 처리 시에 소각로 안에 위치하므로 고온의 산화성 기체와 용융물에 노출되어 훼손이 심한 부품이다. 따라서 본 발명에서는 이들을 열장벽 코팅 처리함으로써 장시간 운전에 의한 열화와 부식으로부터 토치 몸체를 보호하도록 하였고, 동시에 전기적 절연효과를 획득하여 비정상 운전과 비산하는 용융물에 의해 양극점이 토치 몸체에 부착됨을 방지하여 토치 몸체의 손상을 최소화 하였다. 또, 공정 환경에 직접의 노출되는 앞뚜껑(16)과 겉몸체(8,50)는 손쉽게 토치 몸체에서 쉽게 분리되도록 설계하여 최소의 비용으로 용이하게 교체 가능하도록 함으로써 장시간 고출력 운전에 따른 토치 몸체 손상으로 인한 부품 교체 비용 상승을 억제하였다.

도 6a와 도6b는 전극 내부에 발생하는 아크 플라즈마와 소각로 안의 고온으로부터 받는 열에 의해 토치가 손상되는 것을 방지해주는 냉각수가 흐르는 경로를 나타내어 주는 단면도이다. 유로 설계시 고온의 열유체와 아크점에 직접 노출되는 음·양 전극(6,15), 겉몸체 III(14)을 지나는 경우에서는 유로의 단면적을 축소 시켜 냉각수를 가속시키고 높은 압력을 유지함으로써 국부적인 끓음 현상에 의한 열전달 저하를 막았으며, 그 외 부분에서는 1.5~2배 유로 단면적을 확장하거나 유로에 계단(53)을 주는 방식으로 점차 확장시킴으로써 전체적으로 총 압력 저항을 줄여 냉각수의 원활한 흐름이 이루어질 수 있도록 하였다. 음극 몸체(1)로 주입된 냉각수는 음극 몸체의 내벽(54)을 통한 뒤 3개의 비스듬하게 뚫린 구멍(55)을 빠져나가고 음극 몸체 지지대(2)와 음극(6)사이의 환 형태(56)의 관을 거쳐서 절연 부분 II(4)에 설치되어 있는 6개의 비스듬히 뚫어진 구멍(36)으로 향한다. 그 다음 절연 부분 II(4), 삽입체 II(12)과 양극 몸체(9)로 이루어진 환 형태의 관(40)을 거쳐서 양극 몸체(9)에 비스듬히 뚫려 있는 6개의 구멍(57)을 통과한 후에 다시 양극 몸체(9), 양극 몸체 지지대(13), 양극(15)의 사이에 있는 환 형태의 관(58)과 양극 몸체 지지대(13), 앞뚜껑(16)과 겉몸체 III(14)으로 이루어진 환 형태의 관(59,60)을 통과한다. 최종적으로 양극 몸체(9), 삽입체 I(12)와 겉몸체 II(8)로 이루어진 환 형태의 관(61,62) 사이를 흘러서 겉몸체 I(5)에 뚫린 구멍(63)으로 토치 외부로 배출된다. 이 때, 구멍(55)와 구멍(36)은 같은 방향으로, 구멍(57)은 반대방향으로 비스듬히 뚫어서 냉각수의 와류 운동을 일으켜 냉각수가 구멍(36,55,57)에서 환 형태의 관(40,59,60)으로 빠져나갈 때 같은 방향으로 계속 회전하게 함으로써 냉각수가 보다 균일하게 흐르도록 함과 동시에 냉각수의 와류 운동 증진에 의한 열전달 능력을 향상시켜 장시간 고출력 운전에서도 토치 손상을 최소화 하였다.

도 7은 열플라즈마 발생을 목적으로 주입되는 아크 기체의 흐름 경로를 보여주는 단면도이다. 산화성 기체를 포함한 아크 기체는 절연부분 I(3)에 뚫려있는 구멍(64)에서 공급되어 절연 부분 I(3)과 음극 지지대(1)로 이루어진 환 형태의 공간(65)을 거치고 절연 부분 II(4)에 뚫려있는 6개의 구멍(35)을 통과한 뒤 절연 부분II(4), 기체 주입링(10)과 양극 몸체(9)로 이루어진 공간(34)에 입사된다. 그 후, 기체 주입링(10)에 균일하게 뚫린 18개의 구멍(41) 통하여 음극(6)과 양극(15) 사이로 들어가게 된다. 이 때, 환 형태의 공간(65)을 통해 찬 아크 기체를 주입시킴으로써 고온의 음극(6)과 아크점 회전을 위해 설치한 영구자석(7) 사이에 자연적으로 열적인 절연층을 형성시키고, 동시에 공랭에 의한 영구자석(7) 냉각 효과를 얻어 고온에 의한 영구자석(7)의 자력 상실을 방지하도록 하였다. 기체 주입링을 통해 주입된 기체는 충분한 와류운동을 거쳐 음극 내부로 진행하고 난후, 음극 바닥면(29)을 맞고 다시 토치 출구 쪽으로 향하게 된다.

장시간 고출력으로 토치를 운전하기 위해서는 전극(6,15)의 침식을 줄여야 한다. 전극(8,15)의 침식은 아크점(66)에 집중된 전류밀도의 크기에 비례하기 때문에 전극(6,15)의 침식을 감소시키려면 운전 전류를 줄여야 한다. 그러나 많은 양의 유해폐기물을 소각처리하려면 고출력의 토치를 사용하여야 하므로 전극(6,15)의 침식을 감소하면서 동시에 고출력으로 토치를 운전하기 위해서는 운전 전압을 증가시켜야한다. 운전 전압을 크게 하려면 아크(67)의 길이를 길게 하여야 하며 이를 위해서는 기체의 동적 힘을 증가시켜야 한다. 동일한 아크 기체 유량에서 기체 의 동적 힘은 아크 기체가 전극(6,15) 내부로 들어오는 와류 운동의 세기에 비례한다.

도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치의 기체 주입링의 측면도이다. 도 8에서 보듯이 아크 기체의 와류 운동을 크게 하기 위하여 기체 주입링(10)에 뚫린 구멍(41)을 비스듬히 제작하였으며 회전 방향으로의 아크 기체 속도가 균일하도록 하기 위해 18개의 구멍을 등간격으로 뚫었다. 또한 기체 주입링(10)에서 발생한 아크 기체의 와류 운동이 전극 내부까지 유지되도록 하기 위해 도 2에 나타낸 바와 같이 전극의 주입부(23,26)를 매끄럽게 가공하였으며, 전극의 주입부(23,26)과 기체 주입링(10)에 뚫린 구멍(41)의 중심 위치가 일치하도록 하였다. 전극(6,15)의 직경에 비해서 기체 주입링(10)의 외경이 어느 정도 크지 않으면 아크 기체가 와류 운동을 일으킬만한 공간이 부족하기 때문에 와류 운동의 효과가 떨어지게 된다. 따라서 충분한 아크 기체의 와류 운동이 발생하도록 충분히 고려하여 설계하였다.

도 9는 본 발명에 따른 토치의 음극 주위로 삽입된 Nd-Fe 영구자석의 기능을 설명하는 원리도이다. 외부에서 z방향으로의 자기장(67)을 아크점(66) 근처에 걸어주면 음극의 아크점(66)에서 r성분의 전류밀도(68)와 z방향의 외부 자기장의 세기로부터 나타나는 로렌쯔힘 j×B는 θ방향으로 나타나게 되어, 결과적으로 음극의 아크점(66)을 강제로 회전시키므로 아크점(66)에서 전극의 침식이 크게 감소하게 된다. 이와 같은 이유로 종래의 많은 발명품은 z방향으로의 자기장을 외부에서 걸어주기 위하여 음극 주위로 솔레노이드를 설치하여 운전하였다. 하지만, 솔레노이 드를 이용한 자기장 발생은 추가적인 전력소모와 대전류에 의한 열발생 그리고, 전력 및 냉각수 인입선 설치 문제를 수반하고, 대전류를 흘려주기 위한 독립 전원을 따로 구비해야 한다는 단점을 가지고 있어 상기한 이점에도 불구하고 사용을 포기하는 경우가 많았다. 따라서 본 발명에서는 기존의 솔레노이드 대신 축 방향 자기장 발생을 위해 Nd-Fe 영구자석(7)을 사용하여 축 방향 자기장에 의한 아크점(66)의 원활한 회전을 유도함은 물론, 장치의 간편함과 소형화도 이루어 축 방향 자기장에 의한 전극수명 연장 효과를 극대화 시켰다. 도우넛 형태의 작은 자석(7) 여러 개를 축 방향으로 서로 부착하여 넓은 영역에 대해 균일한 축 방향 자기장(67)을 생성시키도록 하였으며 영구자석(7) 삽입을 아크점(66)이 부착되는 전극 일부분에만 국한시키지 않고 전극 전체를 감싸도록 설계함으로써 축 방향 자기장 구배와 반경방향 자기장에 의한 다른 힘들이 아크점(66)의 움직임을 방해 하지 않도록 하였다.

이상에서는 본 발명을 특정한 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명의 기술 내용과 첨부된 청구 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가해질 수 있음은 당업자에게 명백하다. 따라서, 명세서 및 도면은 청구 범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 기술 사상을 한정하는 것이 아니라, 단지 예시하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 전극 및 양극 부분 구조, 기체 주입 방식, 영구 자석에 의한 축방향 자기장 인가는 토치의 고출력 운전과 처리 대상물의 다양화 측면에 있어서 기존의 설계에 비해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

1) 한 기의 토치를 보유하고 처리 대상물에 따라 효율적인 운전방법을 선택하는 방식을 택함으로써 초기 투자비용 절감과 작업성과 향상을 동시에 이룰 수 있다.

2) 동일한 입력 전력 및 운전 조건에서 높은 전압을 얻을 수 있도록 한 전극 설계와 기체 주입 방법은 운전시 상대적으로 낮은 전극 침식율을 보장하여 토치의 장시간 연속 운전이 가능하다.

3) 최적의 음극 직경 대 길이 비는 처리 대상 및 운전 조건에 따라 달라지므로 상황에 따라 전극 길이를 최소의 비용으로 쉽게 변경할 수 있도록 한 설계는 토치운전에 있어서 유연성을 제공함과 동시에 공정 효율을 극대화 시킬 수 있다.

4) 아크점 회전을 위한 축방향 자기장을 부피가 크고 독립적인 전원을 요구하는 솔레노이드 대신 강력한 (중심에서 ~ 0.1 T) Nd-Fe 영구 자석을 사용하여 발생시켜 간편하면서도 효율적인 아크점 회전이 가능하다.

5) 축방향 자기장을 솔레노이드 대신 영구자석을 이용하여 생성시킴으로써, 전력 소모 및 냉각에 따른 추가적인 운전 비용이 발생하지 않으며 냉각 라인 및 전력 인입선등을 사용하지 않아 전체적으로 수려한 외관을 갖는다.

6) 장시간 운전 후 주로 손상되는 음극을 초기 방전시 아크점을 음극 바닥면 쪽으로 유도하는 가이드 부분과 정상 운전시 아크점이 부착되는 부분으로 분리하고 침식이 거의 없는 가이드 부분은 계속 사용하는 반면, 소모된 부분만 교체하도록 전극 구조를 변경하여 토치 유지 비용과 전극 가공 기술 측면에서 부담을 낮출 수 있다.

7) 고온의 산화성 기체 환경에 직접 노출되는 토치 몸체 부분은 열장벽 코팅 처리하여 보호하고, 손상된 부위는 저렴한 비용으로 손쉽게 교체되도록 한 설계는 전체적으로 낮은 보수 비용을 유지하면서 작업 능률을 높일 수 있다.

8) 냉각수 유로 설계를 효율적인 전극 및 토치 몸체 냉각을 통해 장시간 고출력 운전에 의한 열적 손상을 최소화 할 수 있다.

Claims (9)

1. 열 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치에 있어서,

   속이 비어 있는 원통형 음극(6)과;

   상기 음극(6)을 지지하며, 음전원과 냉각수를 토치에 공급하는 음극 몸체(1)와;

   상기 음극(6)과 마주보며 설치된 원통형 양극(15)과;

   상기 양극(15)의 외주에 설치되어 상기 양극(15)을 지지하는 양극 몸체(9)와;

   상기 원통형 음극(6)과 상기 원통형 양극(15) 사이에 설치되어 아크 기체를 공급하는 기체 주입링(10)을 포함하는 플라즈마 토치로,

   상기 기체 주입링(10)의 직경은 상기 원통형 음극(6)의 직경의 2.5배 이상이고,

   상기 원통형 음극(6)과 상기 양극(15)의 서로 근접하는 부분의 양끝단은 각각 볼록한 형태로 서로 마주보는 형상으로서, 상기 음극의 상단부는 상기 기체 주입링(10) 근처에서는 넓다가(21) 점차적으로 좁아진후에(22) 상기 음극의 내벽쪽으로 갈수록 넓어지는 모양이며, 상기 양극의 하단부는 상기 양극 몸체 쪽에서는 넓다가(24) 좁아진 후에(25) 상기 양극의 내벽을 향해서는 넓어지는 모양(26)이며

   상기 음극(6)은 두 부분(6a,6b)으로 이루어져 있으며 분리가능하며

   상기 원통형 음극(6)의 내부에 축방향의 자기장을 발생시키도록 상기 음극의 외주에 Nd-Fe 영구자석(7)을 더 포함하되 상기 영구자석은 도우넛 형태의 작은 자석 여러개를 축방향으로 부착하였으며 상기 음극과 상기 영구자석사이에는 아크기체가 통과할 수 있는 층이 형성되어 있으며

   상기 음/양극(6,15)과 상기 음극몸체(1)및 상기 양극몸체(9)를 냉각하기 위하여 상기 토지의 내부에 단일라인으로 형성되는 냉각로를 더 포함하되

   상기 냉각로는 상기 유로가 상기 음,양전극(6,15)을 지나는 부분의 단면적이 그 외의 부분을 지나는 부분보다 유로의 단면적을 적게 함으로써 상기 음,양전극(6,15)를 지나는 경우에는 유로의 단면적을 축소시켜 냉각수를 가속시키고 높은 압력을 유지함으로써 국부적인 끓음 현상에 의한 열전달 저하를 막고 그 외부분에서는 상기 유로를 확장시켜 흐름이 원활하게 하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 양극(15)은 상기 음극(6)보다 길이가 짧고 전극의 직경이 처리 대상물 쪽으로 이동함에 따라 점점 확장되는 형태인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치.
5. 삭제
6. 제5항에 있어서, 상기 냉각로는 그 유로가 계단형태(53)로 확장되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치.
7. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 토치는 상기 음극(6)과 상기 양극(15)을 절연시켜 주며, 플라즈마 발생을 위한 아크 기체의 통로 역할을 하도록 상기 음극과 상기 양극의 외주에 형성된 절연 부분 I(3)과 절연 부분 II(4)를 더 포함하며, 상기 상기 절연 부분 I(3)과 상기 음극 몸체(1)사이에는 갭이 있어 환형의 관이 형성되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치.
8. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 토치에 있어서, 상기 플라즈마 토치를 이루는 부품 중, 상기 플라즈마 토치의 사용에 있어서 공정에 노출되는 부분은 열장벽 코팅처리된 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치.
9. 제1항, 제4항, 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 토치의 부품은 모듈화되어 분리 가능하고 교체가 용이한 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치

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