KR100844976B1 - 플라즈마/가스 혼합형 연소장치 및 이를 이용한 용융방법 - Google Patents

플라즈마/가스 혼합형 연소장치 및 이를 이용한 용융방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마/가스 혼합형 연소장치 및 이를 이용한 용융시스템에 관한 것으로, 일정한 내경을 가지는 원통형상의 외부전극과; 상기 외부전극과 전기적으로 반응하여 상기 외부전극과의 사이로 주입된 연료가스를 플라즈마 상태로 변형시키며, 연료가스의 유동방향측으로 갈수록 외경이 작아지는 원뿔형상으로 상기 외부전극의 내부에 설치되는 내부전극과; 상기 외부전극과 내부전극 사이에 생성되는 플라즈마에 선회류를 발생시키는 선회기와; 양단부가 개방되고 내부가 연통된 원통형상으로 형성되며, 개방된 일단부가 상기 외부전극에 분리가능하게 장착결합되는 냉각수자켓과; 상기 외부전극에 인접하도록 상기 냉각수자켓상에 설치되며, 선회류에 의해 수렴중인 플라즈마와 혼합되도록 공기 및 추가의 연료가스를 주입하는 가스버너노즐과; 상기 냉각수자켓 내부에서 발생된 화염의 토출경로를 형성하도록 설치되며, 화염의 수렴이 이루어지도록 화염의 토출이 이루어지는 단부의 내경이 축소형성된 화염수렴노즐;을 포함하여 구성됨을 기술적 요지로 하여, 가스연소에 요구되는 공기에 플라즈마 입자들을 혼합시킴으로써 산소의 부가없이 고온의 화염을 얻을 수 있어 플라즈마의 고전력 소모와 가스버너의 고온생성한계에 따른 어려움을 효과적으로 극복할 수 있으며, 플라즈마와 가스의 공급상태를 조정시키면서 온도 및 화염특성에 따른 연소환경을 명확하게 제어할 수 있는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치 및 이를 이용한 용융시스템에 관한 것이다.
플라즈마 외부전극 내부전극 글라이딩 아크 자석

Description

플라즈마/가스 혼합형 연소장치 및 이를 이용한 용융방법{combustion apparatus combining plasma/gas burner and melting method using the apparatus}
본 발명은 플라즈마/가스 혼합형 연소장치 및 이를 이용한 용융시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소에 사용되는 가스가 플라즈마에 의한 전처리 과정을 통해 분해되면서 보다 희박한 연료혼합밀도 및 저온분위기에서도 고온의 화염을 형성하게되는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치 및 이를 이용한 용융시스템에 관한 것이다.
근래에 회(ash)용융에 있어서는 주로 산소버너를 사용하거나 고가의 플라즈마를 이용하고 있으며, 플라즈마를 이용함에 있어서는 대부분이, 대상기체에 강한 전장을 발생시켜 가속된 전자들의 연속된 충돌에 의해 충분한 전하 입자가 생성되어 고전류가 흐르는 아크방전으로 플라즈마 상태를 유지시키게 되는 직류 아크 방전이나 고주파 유도 결합(RF inductively couled) 방전에 의해 이루어지고 있다.
직류 아크 토치는 전극의 모양과 배치에 따라 수십kW -1MW 급까지 전장을 걸어줄 수 있어 5,000K~20,000K의 제트불꽃을 발생시킬 수 있으며, 고주파 토치는 100kHz-수십MHz범위의 고주파를 사용하여 수정관이나 세라믹관 내로 주입된 기체를 자기유도방식으로 방전시켜 통상 섭씨 만도에 달하는 고온의 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
이러한 토치 불꽃에 함유된 고온의 플라스마의 전자나 이온의 입자들은 인접한 공기입자들에 에너지를 전달하여 온도를 높임으로써 토치 불꽃에 접하면 어떤 물질이고 금방 녹여버릴 수 있어, 생활쓰레기, 공업폐기물 등 고온의 용융점을 가지는 유리, 쇠, 알루미늄 등이 포함된 쓰레기를 완전 연소처리하거나, 소각 중에 발생할 수 있는 각종 오염물질을 제거하는 데에 유용하게 적용될 수 있다.
하지만 플라즈마 장치는 고가이고 전력 소모가 큰 단점이 있어, 이러한 단점을 해결하기 위해 대한민국특허청 특허등록번호 제174297호의 플라즈마식 용융방법 및 플라즈마식 용융로와, 특허공개번호 2001-0081375의 플라즈마 용융로를 포함한 다수의 기술이 개발되어 있다.
상기와 같은 종래기술은 전극을 크게 가열시키지 않는 음극 토오치측의 플라즈마 아크를 이용하거나, 용융로의 연소영역을 대폭 축소시키는 방법에 의해 전력을 절감할 수 있도록 하였으나, 플라즈마의 생성 내지 소모부위, 소모체적에 대한 기술내용에 한정적으로 적용되어 각각의 기술이 특정구조의 용융로나 특정한 연소대상물의 처리에만 국부적으로만 이용가능한 한계를 가지고 있었다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 가스연소장치에 플라즈마 토치를 복합적용하여 기존의 가스버너보다 한층 고온의 화염을 얻음으로써 플라즈마의 고전력 소모와 가스버너의 고온생성한계에 따른 어려움을 효과적으로 극복할 수 있는 플라즈마/가스 연소장치 및 이를 이용한 용융시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적달성을 위한 본 발명은, 일정한 내경을 가지는 원통형상의 외부전극과; 상기 외부전극과 전기적으로 반응하여 상기 외부전극과의 사이로 주입된 연료가스를 플라즈마 상태로 변형시키며, 연료가스의 유동방향측으로 갈수록 외경이 작아지는 원뿔형상으로 상기 외부전극의 내부에 설치되는 내부전극과; 상기 외부전극과 내부전극 사이에 생성되는 플라즈마에 선회류를 발생시키는 선회기와; 양단부가 개방되고 내부가 연통된 원통형상으로 형성되며, 개방된 일단부가 상기 외부전극에 분리가능하게 장착결합되는 냉각수자켓과; 상기 외부전극에 인접하도록 상기 냉각수자켓상에 설치되며, 선회류에 의해 수렴중인 플라즈마와 혼합되도록 공기 및 추가의 연료가스를 주입하는 가스버너노즐과; 상기 냉각수자켓 내부에서 발생된 화염의 토출경로를 형성하도록 설치되며, 화염의 수렴이 이루어지도록 화염의 토출이 이루어지는 단부의 내경이 축소형성된 화염수렴노즐;을 포함하여 구성되는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 외부전극의 외면둘레에 코일을 권취한 형태로 설치되어 상기 외부전극 내부에 형성된 플라즈마에 자기장을 인가하는 자성코일;을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 냉각수자켓 내부로 도입되거나 도입중인 공기 및 연료가스를 고압의 전류를 순간적으로 방전하여 점화시키는 점화플러그;를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 화염수렴노즐은, 매끄러운 곡면을 이루며 내경이 축소형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 냉각수와의 열전도에 의해 상기 외부전극을 냉각시키도록 상기 외부전극에 결합설치된 외부전극냉각수라인과; 냉각수와의 열전도에 의해 상기 내부전극을 냉각시키도록 상기 내부전극에 결합설치된 내부전극냉각수라인;을 더 포함하여 구성됨이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 일측으로 갈수록 상호간의 이격간격이 확장되는 형상으로 설치된 외부전극과 내부전극 사이로 연료가스를 통과시키며 플라즈마 상태로 변형시키는 플라즈마생성단계와; 상기 외부전극과 내부전극 사이에 설치된 선회기를 이용하여 상기 외부전극과 내부전극 사이에서 생성된 플라즈마에 선회류를 형성시키는 플라즈마선회단계와; 선회중인 플라즈마를 추가의 공기 및 연료가스와 혼합시키는 플라즈마-가스 혼합단계와; 상기 플라즈마와 혼합된 공기 및 연료가스가 연소되어 화염을 발생시키며 용융로에 수용된 연소대상물을 연소 내지 용융시키는 1차연소단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플라즈마/가스의 혼합형 연소장치를 이용한 용융시스템을 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 외부전극의 외부에 설치된 자성코일을 이용하여 플라즈마에 자기장을 인가하며 일정한 방향과 폭으로 플라즈마를 편향조정시키는 플라즈마편향단계;를 더 포함하여 구성됨이 바람직하다.
그리고, 플라즈마가 포함된 화염을 토출구측 내경이 축소형성된 화염수렴노즐을 통과시키면서 수렴시키는 화염수렴단계;를 더 포함하여 구성됨이 바람직하다.
또한, 냉각수의 도입과 인출에 의해 상기 내부전극와 외부전극을 냉각시키는 전극냉각단계;를 더 포함하여 구성됨이 바람직하다.
그리고, 상기 1차연소단계에서 발생되어 상기 용융로 외부로 배기되는 배가스를 상기 용융로와 별도로 구비된 2차연소실로 공급하여 재연소시키는 2차연소단계와; 상기 2차연소실에서 배기되는 배가스로 선회중인 플라즈마에 추가로 공급되는 공기와 상기 2차연소실로 도입되는 공기를 예열시키는 공기예열단계;를 더 포함하여 구성됨이 바람직하다.
또한, 상기 2차연소실에서 배기되는 배가스에 포함된 분진을 사이클론장치에 의해 분리하여 포집하는 분진제거단계와; 분진이 제거된 유해 배가스를 가스세정기를 통과시켜 적정기준치 이하로 집진처리하여 배출시키는 가스배출단계;를 더 포함하여 구성됨이 바람직하다.
상술한 바와 같은 구성에 의한 본 발명은, 가스연소장치에 플라즈마 토치를 복합적용하여 가스연소에 요구되는 공기에 플라즈마 입자들을 혼합시킴으로써 산소 의 부가없이 기존의 가스버너 보다 한층 고온의 화염을 얻을 수 있어 플라즈마의 고전력 소모와 가스버너의 고온생성한계에 따른 어려움을 효과적으로 극복할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 플라즈마에 의한 전처리 과정을 통해 분해된 가스를 이용하여 공기 및 연료가스의 연소성능을 보다 향상시키고, 플라즈마 생성을 위한 공기 및 연료가스의 공급상태 및 플라즈마 생성환경을 명확하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 연소를 위해 공급되는 공기 및 연료가스의 공급상태를 조정시키면서 온도 및 화염특성에 따른 연소환경을 명확하게 제어할 수 있다는 다른 효과가 있다.
그리고, 플라즈마에 의해 연소배기가스량을 감소시킬 수 있을 뿐 아니라, 플라즈마와 공기 및 연료가스를 혼합시킨 후 공기가 모자라는 환원분위기 상에서 최종적으로 연소가 이루어지기 때문에 탈질반응에 의한 저NOx효과를 발생시킬 수 있다는 다른 효과가 있다.
또한, 용융로에 적용함에 있어서, 배가스를 재차 연소하고 세정 및 집진처리하여 배출시킴으로써 배가스정화율을 보다 향상시킬 수 있으며, 연소과정에서 발생되는 폐열을 활용해 연소에 필요한 공기를 예열시킴으로써 에너지 절감효과를 거둘 수 있다는 다른 효과가 있다.
그리고, 기존의 스토커 소각로에도 적용가능하며, 열분해과정에서 발생되는 가스에 포함된 잔유물의 용융처리에도 활용할 수 있고, 직접 별도의 용융 시스템으로도 구현할 수 있어 초고온 작업이 요구되는 분야에 광범위하게 적용시킬 수 있다는 다른 효과가 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명을 다음의 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명에 따른 플라즈마/가스 혼합형 연소장치의 제1실시예를 도시한 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 용융로에 적용시킨 용융시스템을 도시한 모식도이며, 도 3은 본 발명에 따른 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용한 용융시스템의 제1실시예를 도시한 흐름도이다.
본 발명에 따른 플라즈마/가스 혼합형 연소장치(100)는 크게 외부전극(110), 내부전극(120), 선회기(130), 냉각수자켓(140), 가스버너노즐(150)을 포함하여 구성되며, 상기 외부전극(110)와 내부전극(120) 사이에서 발생시킨 플라즈마를 선회기(130)에 의해 선회시키면서 상기 냉각수자켓(140)측으로 공급하고, 상기 가스버너노즐(150)을 통해 상기 냉각수자켓(140) 내부로 공급되는 공기 및 연료가스와 혼합하여 점화시킨 후 상기 냉각수자켓(140) 외부로 토출시키게 된다.
상기 외부전극(anode)(110)은 일정한 내경을 가지는 원통형상을 가지며, 상기 내부전극(120)은 연료가스의 유동방향 및 화염의 분사방향 측으로 갈수록 외경이 작아지는 원뿔형상을 가지고 상기 외부전극 내부에 설치되어, 상기 외부전극(110)과 전기적으로 반응함으로써 상기 외부전극(110)과의 사이로 주입된 공기 및 연료가스를 플라즈마 상태로 변형시키게 된다.
아크간격이 점진적으로 증가하도록 설치된 두 전극에 고전압, 교류 저전류를 부과한 후 상기 두 전극 사이로 일정한 유속을 가진 가스를 통과시키면 아크 전압과 전류가 특정한 주기로 변화하면서 번개와 같은 원리로 양전하와 음전하 사이에 방전이 일어나게 되는데 이로 인해 발생되는 아크를 글라이딩 아크 또는 슬라이딩 아크라 한다.
본 발명에서는 상기 내부전극(cathod)(120)을 공기 및 연료가스의 유동방향측으로 갈수록 외경이 작아지는 원뿔형상으로 형성시킴으로써, 일정한 내경을 가지는 토치형상의 상기 외부전극(110)과의 아크간격이 점진적으로 증가하게 되어 상기 외부전극(110)과 내부전극(120)의 사이에 가스를 공급하며 전류를 인가시킴으로써 이러한 플라즈마 글라이딩 아크를 생성시키게 된다.
상기 외부전극(110)과 내부전극(120)은 고전압에 의해 플라즈마를 생성시킴으로써 고온으로 가열될 수 밖에 없는데, 이러한 고온분위기 하에서도 일정한 플라즈마 발생성능을 유지할 수 있도록 냉각수와의 열전도에 의해 상기 외부전극(110)과 내부전극(120)을 각각 냉각시키는 외부전극냉각수라인(191)과 내부전극냉각수라인(192)을 구비함이 바람직하다.
상기 선회기(130)는 상기 외부전극(110)과 내부전극(120) 사이에 생성되는 플라즈마에 선회류를 발생시킬 수 있도록 상기 외부전극(110)과 내부전극(120) 사이에 설치되어, 선회류에 의해 플라즈마의 유동이 일측으로 일정한 형태로 이루어질 수 있도록 하여 안정화시키면서도 그 흐름을 원활하게 하여 아크 및 화염의 품질과 안전성을 향상시킬 수 있도록 한다.
상기 외부전극(110), 내부전극(120), 선회기(130)는 일체로 결합되어 플라즈마 토치와 같은 형태를 가지게 되며, 내부에서 생성된 플라즈마의 외부로의 유동이 이루어지게 되는 상기 외부전극(110)의 일단부는 상기 가스버너노즐(150)과 일체로 결합된 상기 냉각수자켓(140)상에 분리가능하게 장착결합된다.
상기 냉각수자켓(140)은 일측으로부터 플라즈마를 공급받고 내부에서 공기 및 연료가스와 혼합하여 점화시킨 후 타측으로 토출시킬 수 있도록 양단부가 개방된 원통형상을 가지며, 내부의 고온 화염에 의해 손상되지 않도록 냉각수의 유출입이 이루어지는 튜브를 포함하는 구조를 가진다.
상기 가스버너노즐(150)은 상기 외부전극에 인접하도록 상기 냉각수자켓(140)상에 설치되어 선회류에 의해 수렴중인 플라즈마와 혼합되도록 공기 및 추가의 연료가스를 주입하며, 상기 점화플러그(160)는 상기 냉각수자켓(140)상에 설치되어 고압의 전류를 순간적으로 방전시킴으로써 플라즈마와 혼합된 공기 및 연료가스를 점화시킨다.
본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 상기 외부전극(110)과 내부전극(120) 사이에서 플라즈마 및 글라이딩 아크를 생성하여 선회류에 의해 일정한 형태로 상기 냉각수자켓(140)측으로 공급하고, 상기 냉각수자켓(140) 내부에 추가로 공급된 공기 및 연료가스와 혼합하여 점화시키는 작동구조를 가지게 된다.
점화플러그는 고압의 전류를 순간적으로 방전시켜서 연료를 점화시키는 장치로, 소정의 간격을 두고 분리되어 있는 2개의 전극으로부터 고전압의 전류가 방전되는 작동구조를 가지며, 전극의 간격이 점화 에너지에 영향을 주며 절연체의 모양에 따라 작동온도가 바뀔 수 있는 특성을 가진다.
본 발명에서 점화플러그는 상기 냉각수자켓(140) 내부로 공급된 플라즈마, 공기 및 연료가스를 결과적으로 연소시킬 수만 있다면 어디에 설치되어도 무방하 며, 도 1에 도시된 본 발명의 제1실시예에서는 플라즈마의 생성 내지 공급이 없이 상기 가스버너노즐(150)을 통해 공급되는 공기 및 연료가스만으로도 화염을 발생시킬 수 있도록 상기 가스버너노즐(150)과 인접하게 설치된 구성을 가진다.
도 1에 도시된 본 발명의 제1실시예는 상기와 같은 구성에 의해 생성된 플라즈마류와 화염을 제어 및 수렴할 수 있도록 상기 자성코일(170)과 화염수렴노즐(180)을 포함한 구성을 가지며, 상기 자성코일(170)은 상기 외부전극(110)의 외면둘레에 코일을 권취한 형태로 설치되고, 상기 화염수렴노즐(180)은 화염의 생성 및 토출이 이루어지는 상기 냉각수자켓(140)의 내측에 설치된다.
상기 자성코일(170)은 상기 외부전극(110) 내부에 형성된 플라즈마 및 글라이딩 아크에 자기장을 인가함으로써 상기 글라이딩 아크 내의 플라즈마 입자가 로렌츠(Lorentz)의 힘을 받아서 자기장의 방향에 수직한 방향으로 편향되도록 하여 상기 글라이딩 아크를 일정한 크기와 방향의 품질로 유지할 수 있도록 한다.
상기 자성코일(170)에 전류를 교류형태로 인가하면 자기장이 N극, S극을 서로 바꾸어가며 발생하여 상기 아크가 좌우로 요동(Oscillation)을 하게 되며, 상기 자성코일(170)에 인가되는 전류의 크기와 스위칭 주파수를 조절함으로써 상기 자성코일(170)에서 발생되는 자기장의 크기 및 자성을 자유로이 제어할 수 있어 위빙(Weaving) 폭과 위빙(Weaving) 주파수를 쉽게 조절할 수 있다.
상기 화염수렴노즐(180)은 고온의 화염에 직접적으로 물리적인 경계면을 제공함으로써 수렴이 이루어지도록 하는 구성요소로, 우수한 내열성을 가지는 소재로 이루어지며, 화염이 상기 화염수렴노즐(180)을 통과하면서 자연히 수렴될 수 있도 록 화염의 토출이 이루어지는 토출단부측의 내경이 타단부측보다 좁은 형상을 가지도록 형성되고, 내경이 축소되는 경계부는 화염의 유동 및 토출을 저해하는 마찰을 최소화시킬 수 있도록 유선형의 매끄러운 곡면을 이루도록 형성된다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 플라즈마/가스 혼합형 연소장치(100)를 이용하면 본 발명이 다른 기술적 요지로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치(100)를 이용한 용융시스템을 용이하게 구현할 수 있으며, 상기 플라즈마/가스 혼합형 연소장치(100)를 이용한 용융시스템은 크게 플라즈마생성단계, 플라즈마선회단계, 플라즈마-가스 혼합단계, 1차연소단계로 이루어진 구성을 가진다.
상기 플라즈마생성단계는 일측으로 갈수록 상호간의 이격간격이 확장되는 형상으로 설치된 외부전극(110)과 내부전극(120) 사이로 공기 및 연료가스를 통과시키며 플라즈마 상태로 변형시키는 과정이며, 상기 플라즈마선회단계는 상기 외부전극(110)과 내부전극(120) 사이에 설치된 선회기(130)를 이용하여 상기 외부전극(110)과 내부전극(120) 사이에서 생성된 플라즈마에 선회류를 형성시키는 과정이다.
상기 플라즈마-가스 혼합단계는 선회중인 플라즈마를 추가의 공기 및 연료가스와 혼합시키는 과정으로 플라즈마 공급이 이루어지는 상기 냉각수자켓(140) 내부로 상기 가스버너노즐(150)에 의해 추가의 공기 및 연료가스를 도입시킴으로써 용이하게 구현할 수 있다.
상기 1차연소단계는 상기 플라즈마와 혼합된 공기 및 연료가스가 연소되어 플라즈마 화염을 발생시키는 과정으로, 상기 플라즈마-가스 혼합단계에서 공기 및 연료가스가 고온의 플라즈마 입자와 혼합됨으로써 산소의 추가공급없이도 고용융점의 연소대상물을 연소 내지 용융시킬 수 있을 정도의 고온의 화염을 생성하여 상기 냉각수자켓(140) 및 화염수렴노즐(180) 외부로 토출시킴으로써 용융로(200)에 수용된 연소대상물을 연소시키게 된다.
본 발명에 따른 플라즈마/가스 혼합형 연소장치(100)의 제1실시예에 구비된 상기 자성코일(170)을 이용하면 플라즈마에 자기장을 인가하며 일정한 방향과 폭으로 플라즈마를 편향조정시키는 플라즈마편향단계를 더 포함시킬 수 있으며, 상기 화염수렴노즐(180)을 이용하면 플라즈마가 포함된 화염을 수렴하는 화염수렴단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 냉각수자켓(140)에서 고온분위기에 의해 발생될 수 있는 손상을 방지하여 성능을 유지할 수 있도록 냉각수를 이용하는 것과 마찬가지로, 고전압이 걸리게되는 상기 내부전극(110)과 외부전극(120) 또한 냉각수의 도입과 인출에 의해 상기 내부전극(110)와 외부전극(120)을 지속적으로 냉각시키는 전극냉각단계를 포함하는 것이 바람직하다.
도 2에 도시된 용융시스템은 본 발명에 따른 플라즈마/가스 혼합형 연소장치(100)를 용융로(200)에 설치시키고, 상기 용융로(200)와 별도로 2차연소실(300)을 구비하며, 상기 2차연소실(300)에서 배기되는 배가스에 포함된 분진을 포집하는 사이클론장치(400)와, 배가스를 최종적으로 집진처리하는 가스세정기(500)를 포함한 구성을 가진다.
상기와 같은 구성의 용융시스템에 의해, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 1차 연소단계에서 발생되어 상기 용융로(200) 외부로 배기되는 배가스를 상기 2차연소실(300)로 공급하여 재연소시키는 2차연소단계와, 상기 2차연소실(300)에서 배기되는 배가스에 포함된 분진을 사이클론장치(400)에 의해 분리하여 포집하는 분진제거단계와, 분진이 제거된 유해 배가스를 가스세정기(500)를 통과시켜 적정기준치 이하로 집진처리하여 배출시키는 가스배출단계를 더 포함하여 고온의 화염생성에서부터 배가스의 최종처리까지 연속되는 연소방법을 제시할 수 있다.
그리고, 상기 2차연소실에서 배기되는 배가스로 상기 플라즈마-가스 혼합단계에서 선회중인 플라즈마에 추가로 공급되는 공기와 상기 2차연소실(300)로 도입되는 공기를 예열시키는 공기예열단계를 포함하면, 연소과정에서 발생되는 폐열을 활용해 연소에 필요한 공기를 예열시킴으로써 최종적으로 냉각배출시키는데 소모되는 에너지와 연소에 필요한 공기를 가온시키는데 소모되는 에너지를 절감하는 효과를 거둘 수 있다.
본 발명에 따르면 플라즈마에 의한 전처리 과정을 통해 분해된 가스를 공기 및 연료가스와 혼합시킴으로써, 기존의 가스버너를 이용한 연소장치와 비교함에 있어서는 산소를 추가로 공급하지 않고도 고온의 화염을 생성시킬 수 있고 연소배기가스량을 감소시킬 수 있으며, 기존의 플라즈마 연소장치와 비교함에 있어서는 공기와 연료가스에 의해 주요하게 고온의 화염상태를 유지시킴으로써 고전력 소모의 문제점을 극복하는 효과를 거둘 수 있다.
그리고, 상기 외부전극(110), 내부전극(120), 가스버너노즐(150)에 의해 플라즈마 생성 및 연소를 위해 공급되는 공기 및 연료가스의 공급상태와 온도를 명확 하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 자성코일(170), 화염수렴노즐(180)을 이용하여 플라즈마와 화염의 형태나 운동특성을 조정시킴으로써 연소환경을 명확하게 제어할 수 있다.
또한, 플라즈마와 공기 및 연료가스를 혼합시킨 후 공기가 모자라는 환원분위기 상에서 최종적으로 연소가 이루어지기 때문에 탈질반응에 의한 저NOx효과 발생시킬 수 있고, 용융로에 적용함에 있어서 배가스를 재차 연소하고 세정 및 집진처리하여 배출시킴으로써 배가스정화율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 1 - 본 발명에 따른 플라즈마/가스 혼합형 연소장치의 제1실시예를 도시한 모식도
도 2 - 본 발명에 따른 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 용융로에 적용시킨 용융시스템을 도시한 모식도
도 3 - 본 발명에 따른 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용한 용융시스템의 제1실시예를 도시한 흐름도
<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명>
110 : 외부전극 120 : 내부전극
130 : 선회기 140 : 냉각수자켓
150 : 가스버너노즐 160 : 점화플러그
170 : 자성코일 180 : 화염수렴노즐
191 : 외부전극냉각수라인 192 : 내부전극냉각수라인
200 : 용융로 300 : 2차연소실
400 : 사이클론장치 500 : 가스세정기

Claims (11)

  1. 일정한 내경을 가지는 원통형상의 외부전극;
    상기 외부전극과 전기적으로 반응하여 상기 외부전극과의 사이로 주입된 연료가스를 플라즈마 상태로 변형시키며, 연료가스의 유동방향측으로 갈수록 외경이 작아지는 원뿔형상으로 상기 외부전극의 내부에 설치되는 내부전극;
    상기 외부전극과 내부전극 사이에 생성되는 플라즈마에 선회류를 발생시키는 선회기;
    양단부가 개방되고 내부가 연통된 원통형상으로 형성되며, 개방된 일단부가 상기 외부전극에 분리가능하게 장착결합되는 냉각수자켓;
    상기 외부전극에 인접하도록 상기 냉각수자켓상에 설치되며, 선회류에 의해 수렴중인 플라즈마와 혼합되도록 공기 및 추가의 연료가스를 주입하는 가스버너노즐;
    상기 냉각수자켓 내부에서 발생된 화염의 토출경로를 형성하도록 설치되며, 화염의 수렴이 이루어지도록 화염의 토출이 이루어지는 단부의 내경이 축소형성된 화염수렴노즐;
    냉각수와의 열전도에 의해 상기 외부전극을 냉각시키도록 상기 외부전극에 결합설치된 외부전극냉각수라인; 및
    냉각수와의 열전도에 의해 상기 내부전극을 냉각시키도록 상기 내부전극에 결합설치된 내부전극냉각수라인;
    을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부전극의 외면둘레에 코일을 권취한 형태로 설치되어 상기 외부전극 내부에 형성된 플라즈마에 자기장을 인가하는 자성코일;을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수자켓 내부로 도입되거나 도입중인 공기 및 연료가스를 고압의 전류를 순간적으로 방전하여 점화시키는 점화플러그;를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치
  4. 제1항에 있어서, 상기 화염수렴노즐은,
    매끄러운 곡면을 이루며 내경이 축소형성됨을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치
  5. 삭제
  6. 일측으로 갈수록 상호간의 이격간격이 확장되는 형상으로 설치된 외부전극과 내부전극 사이로 연료가스를 통과시키며 플라즈마 상태로 변형시키는 플라즈마생성단계;
    상기 외부전극과 내부전극 사이에 설치된 선회기를 이용하여 상기 외부전극과 내부전극 사이에서 생성된 플라즈마에 선회류를 형성시키는 플라즈마선회단계;
    선회중인 플라즈마를 추가의 공기 및 연료가스와 혼합시키는 플라즈마-가스 혼합단계;
    상기 플라즈마와 혼합된 공기 및 연료가스가 연소되어 화염을 발생시키며 용융로에 수용된 연소대상물을 연소 내지 용융시키는 1차연소단계; 및
    냉각수의 도입과 인출에 의해 상기 내부전극와 외부전극을 냉각시키는 전극냉각단계;
    를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용한 용융방법
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 외부전극의 외부에 설치된 자성코일을 이용하여 플라즈마에 자기장을 인가하며 일정한 방향과 폭으로 플라즈마를 편향조정시키는 플라즈마편향단계;
    를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용한 용융방법
  8. 제 6항에 있어서,
    플라즈마가 포함된 화염을 토출구측 내경이 축소형성된 화염수렴노즐을 통과시키면서 수렴시키는 화염수렴단계;
    를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용한 용융방법
  9. 삭제
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 1차연소단계에서 발생되어 상기 용융로 외부로 배기되는 배가스를 상기 용융로와 별도로 구비된 2차연소실로 공급하여 재연소시키는 2차연소단계; 및
    상기 2차연소실에서 배기되는 배가스로 상기 플라즈마-가스 혼합단계에서 선회중인 플라즈마에 추가로 공급되는 공기와 상기 2차연소실로 도입되는 공기를 예열시키는 공기예열단계;
    를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용한 용융방법
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 2차연소실에서 배기되는 배가스에 포함된 분진을 사이클론장치에 의해 분리하여 포집하는 분진제거단계; 및
    분진이 제거된 유해 배가스를 가스세정기를 통과시켜 적정기준치 이하로 집진처리하여 배출시키는 가스배출단계;
    를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용한 용융방법
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