KR100933195B1 - 하이브리드 폐가스 처리 시스템 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하이브리드 폐가스 처리 시스템 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 폐가스 처리 시스템은 캐소드 전극 및 애노드 전극의 전위차에 의해 발생된 아크 플라즈마를 이용하여 인입되는 폐가스를 정화하는 플라즈마 토치부 및 상기 플라즈마 토치부로부터 출력되는 상기 폐가스에 대한 잔존 가스를 저온 플라즈마 처리 방식을 통해 정화시키는 잔존 가스 처리부를 포함한다.
폐가스, 플라즈마 토치, 저온 플라즈마, 하이브리드
Description
본 발명은 폐가스 처리에 관한 것으로서, 상세하게는 반도체 생산라인 등의 제조산업체에서 배출되는 독성 폐가스를 플라즈마 토치를 이용하여 1차 처리하고, 1차 처리 과정에 의해 발생되는 잔존 가스를 저온 플라즈마 방식으로 처리하여 독성 및 부식성 가스를 정화시킬 수 있는 하이브리드 폐가스 처리 시스템 및 그 방법에 대한 것이다.
플라즈마 토치(plasma torch)는 두 전극 사이에 고 전류를 흘려 번개와 같은 아크를 생성시키면서 질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 기체를 흘려보내 기체를 플라즈마 상태로 전환시킴으로써 고온의 화염을 발생시킨다.
플라즈마 토치 즉, 플라즈마 발생기에 의해 발생되는 고온 플라즈마를 이용하여 고온의 열을 순식간에 발생시킬 수 있고 토치에 가해지는 전류나 전압을 조절하여 발생되는 열량도 쉽게 조절할 수 있다.
이런 플라즈마 토치에 있어서, 플라즈마 토치에 대한 수명은 비용측면을 고려 할 때 아주 중요하게 작용된다.
종래 플라즈마 토치의 수명을 늘리기 위해서 솔레노이드 코일을 사용하여 아크 플라즈마의 회전 및 진전거리를 늘림으로써, 애노드 전극 내부 벽면의 손상을 최소화하였다.
하지만, 상술한 바와 같이 종래 기술에 따른 플라즈마 토치는, 폐가스가 애노드 전극 내부를 통과하여 흐르기 때문에 부식성 폐가스가 인입되면 자장으로 아크 플라즈마를 집속하여도 폐가스가 흐르지 않을 때와는 수명의 차이가 발생하게 된다. 즉, 종래 플라즈마 토치는 부식성 폐가스에 대한 대응에 있어서 부족한 면이 있다.
또한, 플라즈마 토치에 의해 폐가스를 처리하여도 잔존하는 폐가스가 존재하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 인입되는 폐가스를 플라즈마 토치를 이용하여 1차 정화하고, 1차 정화 후에도 남아있는 잔존 가스를 저온 플라즈마 처리 방식을 통해 재 정화함으로써, 잔존 가스까지 완전히 정화할 수 있는 하이브리드 폐가스 처리 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 플라즈마 토치에 의해 발생되는 아크 플라즈마가 애노드 전극을 통해 출력되는 부분으로 폐가스를 인입하여 애노드 전극의 부식을 방지함으로써, 부식성 폐가스에 대해서도 플라즈마 토치의 운전을 장시간 사용할 수 있는 하이브리드 폐가스 처리 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 한 관점에 따른 하이브리드 폐가스 처리 시스템은 캐소드 전극 및 애노드 전극의 전위차에 의해 발생된 아크 플라즈마를 이용하여 인입되는 폐가스를 정화하는 플라즈마 토치부 및 상기 플라즈마 토치부로부터 출력되는 상기 폐가스에 대한 잔존 가스를 저온 플라즈마 처리 방식을 통해 정화시키는 잔존 가스 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 플라즈마 토치부는 상기 애노드 전극에 감겨 상기 애노드 전극의 중심 자장을 조정하기 위한 솔레노이드 코일을 포함하고, 상기 폐가스는 상기 애노드 전극을 통해 상기 아크 플라즈마가 출력되는 부분으로 인입될 수 있다.
이때, 상기 플라즈마 토치부는 상기 애노드 전극의 중심 자장이 750가우스가 되도록 상기 솔레노이드 코일에 직류 전류를 인가할 수 있다.
이때, 상기 잔존 가스 처리부는 펄스 코로나를 이용한 저온 플라즈마 처리 방식을 통해 상기 잔존 가스를 정화시킬 수 있다.
이때, 상기 잔존 가스 처리부는 상기 펄스 코로나를 생성하는 펄스 코로나 반응기를 포함하고, 상기 펄스 코로나 반응기는 수십[ns] 이하의 상승 시간을 가지는 전압 파형을 통해 상기 펄스 코로나를 생성할 수 있다.
이때, 상기 플라즈마 토치부는 1300[℃] 이상에서 분해되는 폐가스를 정화할 수 있다.
본 발명의 한 관점에 따른 하이브리드 폐가스 처리 방법은 플라즈마 토치에 의해 발생된 아크 플라즈마를 이용하여 인입되는 폐가스를 정화시키는 단계 및 상기 폐가스 정화 과정에서 생성된 잔존 가스를 저온 플라즈마 처리 방식을 이용하여 정화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 저온 플라즈마 처리 방식을 이용하여 정화시키는 단계는 펄스 코로나를 이용한 저온 플라즈마 처리 방식을 통해 상기 잔존 가스를 정화시킬 수 있다.
이때, 상기 폐가스를 정화시키는 단계는 상기 아크 플라즈마를 이용하여 1300[℃] 이상에서 분해되는 폐가스를 정화할 수 있다.
본 발명은 인입되는 폐가스를 플라즈마 토치를 이용하여 1차 정화하고, 1차 정화 후에도 남아있는 잔존 가스를 저온 플라즈마 처리 방식을 통해 재 정화함으로써, 잔존 가스까지 완전히 정화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 플라즈마 토치에 의해 발생되는 아크 플라즈마가 애노드 전극을 통해 출력되는 부분으로 폐가스를 인입하여 애노드 전극의 부식을 방지함으로써, 부식성 폐가스에 대해서도 플라즈마 토치의 운전을 장시간 사용할 수 있는 효과가 있다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.
배출가스 중에서 고압의 전기방전을 행하면 방전에 의해 발생된 전자가 배출가스의 분자와 충돌하여 가스분자의 외곽 전자상태가 변하게 된다. 이에 따라 반응성이 풍부한 화학적 활성종인 라디칼(예를 들어, OH, COOH 및 CHO 등), 여기분자 및 이온(예를 들어, N, O, H 및 Ca 등) 등은 양 또는 음으로 하전되어 전기적으로 중성상태의 가스가 되는데 이를 저온 플라즈마라고 한다.
저온 플라즈마는 전자, 이온 및 분자의 온도가 모두 높은 고온 열플라즈마와는 달리 전자 온도만 높고, 따라서 고온을 적용할 수 없는 재료나 조건에 적용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 플라즈마 토치에 의해 발생된 고온 플라즈마로 1300[℃] 이상에서 분해되는 폐가스를 1차 정화시킨 후 잔존하는 잔존 가스를 저온 플라즈마 처리 방식을 이용하여 완전히 정화시키는 것을 그 요지로 한다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 폐가스 처리 시스템 및 그 방법을 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 폐가스 처리 시스템에 대한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 하이브리드 폐가스 처리 시스템은 플라즈마 토치부(110) 및 잔존 가스 처리부(120)를 포함한다.
플라즈마 토치부(110)는 본 발명에 따른 하이브리드 폐가스 처리 시스템으로 인입되는 1300[℃] 이상에서 분해되는 독성 및 부식성 등의 폐가스를 아크 플라즈마를 이용하여 1차 정화한 후 출력한다.
즉, 플라즈마 토치부(110)는 플라즈마 토치에 구동 전원을 입력하여 아크 플라즈마를 발생시키고, 그 발생된 아크 플라즈마가 출력되는 부분으로 인입되는 폐가스를 통과시킴으로써, 아크 플라즈마의 고온을 이용하여 1300[℃] 이상에서 분해되는 폐가스를 정화시켜 출력한다.
여기서, 플라즈마 토치부(110)는 플라즈마 토치를 구성하는 애노드 전극이 1300[℃] 이상에서 분해되는 과불화 화합물(Perfluoro Compound) 등의 독성 및 부식성 폐가스에 의해 부식되는 것을 방지하기 위해 인입되는 폐가스를 애노드 전극을 통과시키는 것이 아니라 아크 플라즈마가 애노드 전극을 통과하여 출력되는 부분으로 통과시키는 것이 바람직하다.
이때, 플라즈마 토치부(110)의 가동 전원은 초기 방전 개시를 위한 트리거 전원 및 주 방전 전원이 연계되어 있는 것이 바람직하다.
잔존 가스 처리부(120)는 플라즈마 토치부(110)의 아크 플라즈마에 의해 정화된 폐가스에 대한 잔존 가스 예를 들어, NOx 등을 저온 플라즈마 처리 방식을 이용하여 정화한다.
여기서, 잔존 가스 처리부(120)는 펄스 코로나를 이용한 저온 플라즈마 처리 방식을 이용하여 잔존 가스를 정화시킨다.
이때, 잔존 가스 처리부(120)는 펄스 코로나를 생성하기 위한 펄스 코로나 반응기를 포함할 수 있고, 펄스 코로나 반응기는 수십[ns] 이하의 상승 시간을 가지는 전압 파형을 발생하는 펄스 코로나 전원을 통해 펄스 코로나를 생성할 수 있는데, 펄스 코로나 전원은 로터리 스파크 갭(rotary spark gap) 형태 또는 자기압축 스위치의 원리를 이용한 전원의 형태로 제작될 수 있다.
잔존 가스 처리부(120)는 잔존 가스를 펄스 코로나 반응기로 입력하고, 잔존 가스는 펄스 코로나 발생 시 운동하는 자유전자에 의해 정화된다. 여기서, 자유전자는 공기 중의 산소를 해리시켜 해리된 산소 래디컬과 잔존 가스를 결합시킴으로써, 유해 성분이 없는 분자로 결합되도록 한다.
이와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 폐가스 처리 시스템은 플라즈마 토치에 의해 발생된 고온 플라즈마를 이용한 폐가스의 1차 정화 및 1차 정화 후 잔존하는 잔존 가스를 저온 플라즈마 처리 방식을 이용하여 정화시킴으로써, 폐가스를 완전히 정화시켜 공기 중으로 방출한다.
도 2는 도 1에 도시한 플라즈마 토치부에 대한 일 실시 예 구성도이다.
도 2를 참조하면, 플라즈마 토치부(110)는 캐소드 전극(210), 애노드 전 극(220), 솔레노이드 코일(230) 및 폐가스 인입관(240)을 포함한다.
캐소드 전극(210) 및 애노드 전극(220)은 노즐을 통해 인입되는 플라즈마를 발생하기 위한 가스 예를 들어, N2 가스를 방전시켜 아크 플라즈마를 발생시키기 위한 방전 전원이 인가되는 전극들이다.
여기서, 애노드 전극(220)은 아크 플라즈마의 고온에 의한 내부 벽면의 손상을 방지하기 위해 수냉각 구조를 가지는 것이 바람직하다.
솔레노이드 코일(230)은 애노드 전극(220)에 감겨 있으며, 플라즈마 토치부(110)는 솔레노이드 코일(230)로 인가되는 직류 전류에 의해 애노드 전극(220) 내부의 중심 자장이 750가우스(gauss) 정도가 되도록 조정하여 발생된 아크 플라즈마의 진전 길이를 증가시킨다.
폐가스 인입관(240)은 과불화 화합물(Perfluoro Compound) 등의 1300[℃] 이상에서 분해되는 폐가스가 인입되는 관으로, 폐가스에 의한 애노드 전극(220)의 부식을 방지하기 위해 애노드 전극(220)을 통하여 아크 플라즈마가 출력되는 부분 즉, 애노드 전극(220) 후단에 구성된다.
이렇듯 플라즈마 토치부(110)는 애노드 전극(220) 후단에서 인입되는 폐가스를 아크 플라즈마와 혼합함으로써, 폐가스가 고온 플라즈마에 의해 분해되도록 한다.
이와 같이 플라즈마 토치부(110)는 폐가스를 애노드 전극(220)으로 통과시키지 않고 애노드 전극(220) 후단으로 통과시켜 애노드 전극(220)을 통과하여 출력되 는 아크 플라즈마로 폐가스를 정화시킴으로써, 애노드 전극(220) 내부의 부식을 방지하고, 플라즈마 토치를 장시간(예를 들어, 1000시간 이상) 동안 연속 운전할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 폐가스 처리 방법에 대한 동작 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 하이브리드 폐가스 처리 방법은 플라즈마 토치를 이용하여 아크 플라즈마를 생성하고, 폐가스 인입관을 통해 정화하고자 하는 폐가스를 인입한다(S310, S320).
여기서, 아크 플라즈마는 플라즈마 토치의 노즐을 통해 인입된 N2 가스가 캐소드 전극 및 애노드 전극에 인가되는 방전 전원에 의해 방전되어 발생되고, 폐가스는 애노드 전극 내부의 부식을 방지하여 플라즈마 토치를 장시간 운전할 수 있도록 애노드 전극을 통하여 인입되지 않고 애노드 전극을 통해 아크 플라즈마가 출력되는 부분으로 인입되는 것이 바람직하다.
이때, 플라즈마 토치는 애노드 전극에 감겨있는 직류 솔레노이드 코일에 인가되는 직류 전류를 제어하여 애노드 전극 내부 중심에서 750가우스 정도의 자장을 발생시킴으로써, 아크 플라즈마의 진전길이를 증가시킬 수 있다.
이때, 폐가스 인입관을 통해 인입되는 폐가스는 1300[℃] 이상에서 분해되는 폐가스인 것이 바람직하다.
폐가스가 애노드 전극을 통해 아크 플라즈마가 출력되는 부분으로 인입되면, 플라즈마 토치에 의해 발생된 고온 플라즈마와 인입된 폐가스가 혼합되어 폐가스를 분해(또는 정화)시킨다(S330).
폐가스가 고온 플라즈마에 의해 분해되더라도 NOx 등과 같은 잔존 가스가 발생하는데, 그 발생된 잔존 가스를 저온 플라즈마 처리 방식을 이용하여 정화시킨다(S340).
이때, 잔존 가스는 펄스 코로나를 이용한 저온 플라즈마 처리 방식을 통해 정화될 수 있다.
물론, 펄스 코로나를 이용한 저온 플라즈마 처리 방식 뿐만 아니라 본 발명에 적용될 수 있는 모든 저온 플라즈마 처리 방식을 사용하여 잔존 가스를 정화시킬 수도 있다.
본 발명에 의한, 하이브리드 폐가스 처리 시스템 및 그 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 폐가스 처리 시스템에 대한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 플라즈마 토치부에 대한 일 실시 예 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 폐가스 처리 방법에 대한 동작 흐름도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110: 플라즈마 토치부
120: 잔존 가스 처리부
210: 캐소드 전극
220: 애노드 전극
230: 솔레노이드 코일
240: 폐가스 인입관
Claims (9)
- 캐소드 전극 및 애노드 전극의 전위차에 의해 발생된 아크 플라즈마를 이용하여 인입되는 1300[℃] 이상에서 분해되는 폐가스를 정화하는 플라즈마 토치부; 및상기 플라즈마 토치부로부터 출력되는 상기 폐가스에 대한 잔존 가스를 저온 플라즈마 처리 방식을 통해 정화시키는 잔존 가스 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 폐가스 처리 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 플라즈마 토치부는상기 애노드 전극에 감겨 상기 애노드 전극의 중심 자장을 조정하기 위한 솔레노이드 코일을 포함하고,상기 폐가스는상기 애노드 전극을 통해 상기 아크 플라즈마가 출력되는 부분으로 인입되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 폐가스 처리 시스템.
- 제2항에 있어서,상기 플라즈마 토치부는상기 애노드 전극의 중심 자장이 750가우스가 되도록 상기 솔레노이드 코일에 직류 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 폐가스 처리 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 잔존 가스 처리부는펄스 코로나를 이용한 저온 플라즈마 처리 방식을 통해 상기 잔존 가스를 정화시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 폐가스 처리 시스템.
- 제4항에 있어서,상기 잔존 가스 처리부는상기 펄스 코로나를 생성하는 펄스 코로나 반응기를 포함하고,상기 펄스 코로나 반응기는수십[ns] 이하의 상승 시간을 가지는 전압 파형을 통해 상기 펄스 코로나를 생성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 폐가스 처리 시스템.
- 삭제
- 플라즈마 토치에 의해 발생된 아크 플라즈마를 이용하여 인입되는 1300[℃] 이상에서 분해되는 폐가스를 정화시키는 단계; 및상기 폐가스 정화 과정에서 생성된 잔존 가스를 저온 플라즈마 처리 방식을 이용하여 정화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 폐가스 처리 방법.
- 제7항에 있어서,상기 저온 플라즈마 처리 방식을 이용하여 정화시키는 단계는펄스 코로나를 이용한 저온 플라즈마 처리 방식을 통해 상기 잔존 가스를 정화시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 폐가스 처리 방법.
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