KR101003731B1 - 아크 플라즈마 불꽃을 이용한 기체상 물질의 전환 및처리기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아크플라즈마 방전영역후단에 처리대상 기체를 주입하여 아크플라즈마 방전의 안정성과 플라즈마 발생기의 내구성을 높이면서 플라즈마 불꽃과 처리대상 기체의 원활한 혼합을 통해 효율적인 전환 및 처리반응을 달성하기 위한 아크 플라즈마 불꽃을 이용한 기체상 물질의 전환 및 처리기에 관한 것으로서, 아크플라즈마 방전영역 후단으로 분사되는 플라즈마 불꽃의 반경방향 및 회전방향 속도성분을 증가시켜 차가운 다량의 처리기체에 원활하게 열을 전달하고 혼합시켜 처리공정 상에 플라즈마 발생기의 구조물과 고온의 부식성 및 산화성 처리대상 물질 및 처리결과물과의 접촉을 통한 손상을 최소화함으로써 기구적인 내구성을 향상시키며, 상대적으로 차가운 처리 대상 기체를 반응폐열 회수 기구의 설치하여 효율적으로 예열함으로써 처리반응의 에너지 효율을 제고할 수 있으며, 플라즈마 형성기체의 유량을 처리대상 기체의 유량보다 적게 흘리면서도 안정적인 플라즈마를 형성하여, 처리반응에 화학적인 작용을 하지 않는 다량의 플라즈마 형성기체 가열로 인한 열손실을 줄임으로써 처리반응의 에너지 효율을 높인다.

Description

아크 플라즈마 불꽃을 이용한 기체상 물질의 전환 및 처리기{APPARATUS FOR TREATING GAS PHASE MATERIAL USING ARC-PLASMA}

본 발명은, 아크 플라즈마 불꽃을 이용한 기체상 물질의 전환 및 처리에 적합한 플라즈마 발생기와 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아크 플라즈마 방전 영역 후단에 처리대상 기체를 주입하여, 아크 플라즈마 방전의 안정성과 플라즈마 발생기의 내구성을 높이면서 플라즈마 불꽃과 처리대상 기체의 원활한 혼합을 통해 효율적인 전환 및 처리반응을 달성하기 위한 아크 플라즈마 불꽃을 이용한 기체상 물질의 전환 및 처리기에 관한 것이다.

일반적인 기체상 물질의 처리 반응에 있어 일반적인 연소화염에 비해 산화, 환원, 불활성 분위기의 제어가 용이하고, 고온, 고속, 고열의 우수한 특징을 갖는 아크 플라즈마 불꽃을 이용한 처리기술들이 다수 공지되고 있다. 천연가스 분해, 합성가스 제조, 유해 폐기물 처리 및 무해화 등의 분야에서 다양하게 적용되고 있으며, 최근, 환경문제가 대두되면서 난분해성 기체상 폐기물인 과불화탄소, HFC, 프레온 등의 처리기술이 주목을 받고 있다.

일반적인 플라즈마 처리방법으로, 미국특허공보 US 4438706에서는 직류전원을 이용한 플라즈마 불꽃을 발생시키고, 발생된 플라즈마 불꽃을 발생기 하단에 설치된 소정의 반응기로 유입시키고, 여기에 증기상의 폐기물과 예열된 산소를 주입하여 처리하고, 처리된 결과물을 기체 세정 장치를 통하여 배출하는 기술에 대하여 공지하고 있다.

또한, 플라즈마의 고온, 고열에너지를 보다 효율적으로 사용하기 위한 다양한 방법들이 다수 공지되어 있다.

대한민국 등록특허공보 10-0312164에서는 중앙이 관통된 공동을 가지는 원통형 전극의 조합으로 아크 방전을 발생시키고, 플라즈마가 발생된 영역 중앙으로 폐프레온 가스를 통과시켜 분해 처리하는 방법을 게재하고 있다.

대한민국 등록특허공보 10-0526653에서는 막대형 음극과 아크 방전을 이루는 상대전극으로 노즐형태의 양극 부재를 사용하고 있으며, 특히 양극 부재 내부의 플라즈마 형성영역에 직접 유해가스를 주입하여 플라즈마의 고온 영역을 효율적으로 사용하는 방법을 게재하고 있다.

또한, 미국특허공보 US 6617538B1에서는 보다 효율적인 처리를 위하여 처리대상물질을 플라즈마 방전영역 내부로 주입하고, 아크방전과 수직방향으로 자기장을 인가 하여 아크를 고속으로 회전함으로써 균일한 반응을 유도하기 위한 기술을 게재하고 있다.

상기의 발명들은 아크의 고온, 고열의 에너지가 직접적으로 처리대상 기체를 가열, 분해시키는데 사용할 수 있어, 원리적으로 에너지 효율측면에서 우수한 처리방법이다. 그러나 아크 방전 영역 내부로 주입된 처리대상 기체는 아크 방전 특성에 직접적인 영향을 주게 된다. 따라서, 처리대상 기체의 유량이 많거나, 변동이 심한 경우에 있어서, 아크 방전의 제어가 곤란하여 공정의 안정성을 저하시키는 요인으로 작용한다. 또한, 처리대상 기체 또는 처리반응의 결과물이 부식성을 갖는 경우에 있어서는 아크 방전 전극의 심각한 손상을 초래하여 플라즈마 발생기의 내구성을 약화시키는 단점이 있다. 특히, 반응결과물이 염화수소, 염화불소 등의 강한 산성을 띄는 경우에 있어서, 1,000-10,000 K 정도의 온도를 갖는 아크 방전영역 내부에서 견딜 수 있는 재질은 잘 알려진 바가 없으며, 아크 방전 전극을 부식성 내지 산화성 분위기로부터 보호하기 위해 전극 표면을 불활성 기체로 감싸기 위한 별도의 기체주입 기구를 구비할 필요가 있으며, 상기의 발명에서도 기술된 바 있다.

상기의 문제점들을 배제하고 플라즈마 발생의 안정성과 발생기의 구조적 내구성을 재고하기 위해서는 전술한 미국특허공보 US 4438706에서와 같이 플라즈마 발생영역과 처리반응영역을 기구적으로 구분할 필요가 있다.

통상적인 고온, 고속의 플라즈마 제트 불꽃은 층류보다는 난류의 성질을 가지게 되어 대상 기체와의 난류 혼합을 통해 비교적 열전달이 용이하다고 볼 수 있으나, 열린공간으로 분사되는 플라즈마 제트 불꽃의 경우 플라즈마 제트불꽃이 분사되는 축 방향으로 플라즈마 제트 불꽃을 분출하는 노즐 끝단 경계면으로부터 대략 노즐 출구 내경의 3~5 배 정도 떨어진 영역에서부터 난류혼합 효과가 활발히 일어나며, 상대적으로 노즐 끝단 경계면 근처에 차가운 처리대상 기체를 주입하는 경우에 있어서 효과적으로 플라즈마 제트 불꽃의 에너지를 이용하기가 곤란하였다.

따라서, 처리대상 기체가 고온, 고열의 플라즈마 제트 불꽃과 근접한 위치에서 주입될 수 있도록 처리대상 기체의 유로를 기구적으로 강제하는 수단이 사용되어 왔으며, 주입된 처리대상 기체와 플라즈마 제트 불꽃의 보다 효과적인 혼합을 위해 처리대상 기체의 주입위치 후단을 일정정도 플라즈마 제트 불꽃 분사 노즐의 내경과 동일하게 유지하거나, 다소 축소시킴으로써 기구적인 벽에 의해 고온, 고열의 플라즈마 제트 불꽃과 처리대상 기체의 흐름이 좁은 공간내로 강제되어 원활히 혼합될 수 있는 방법들이 주로 사용되어 왔다.

대한민국 등록특허공보 10-0636845에서는 플라즈마 발생영역 후단에서 처리대상이 되는 혼합가스를 회전시키면서 주입하고, 주입된 혼합가스가 소정의 내벽에 의해 구속되는 처리공간(연통부)을 지나면서 분해처리가 될 수 있는 방법을 게재하고 있다. 특히, 처리공간의 내경에 단차를 주어 와류를 발생시킴으로써 플라즈마 제트 불꽃과 처리대상 기체가 보다 원활히 섞이면서 처리될 수 있는 방법을 소개하고 있다.

대한민국 등록특허공보 10-0568238에서는 플라즈마 발생영역 후단에 유해가스를 주입함에 있어서, 플라즈마 방전이 유지되는 양극부재 단부로부터 연장된 플라즈마 유지부를 설치하고 플라즈마 유지부와 소정의 간격을 갖는 유로를 형성하고 이 유로를 통해 다량의 유해가스가 플라즈마 유지부의 외측을 회전하면서 유입되도록 강제함으로써 플라즈마 불꽃의 안정성을 향상시키고, 플라즈마 유지부와의 열교환을 통해 유해가스가 예열될 수 있도록 함으로써 고온의 플라즈마를 효율적으로 사용할 수 있는 방법을 게재하고 있다.

대한민국 등록실용신안공보 20-0424378에서는 플라즈마를 이용한 폐가스처리장치의 구성에 있어서, 플라즈마 발생기로부터 유입된 플라즈마 제트 불꽃과 처리대상이 되는 폐가스와 반응조제로서의 고온의 수증기를 소정의 주연소실로 주입하고 주연소실의 하측으로 튜브형상으로 길게 연장된 반응튜브를 설치하여 혼합공간을 구속함으로써 원활한 반응을 유도하는 방법을 게재하고 있다.

처리대상 기체를 아크 방전 영역 후단에서 주입하는 경우에는 아크 방전의 제어가 처리대상 기체의 주입 유무와 무관하게 별도로 이루어지므로 전체전인 공정제어 안정성을 갖는 장점을 갖고 있다.

그러나 상기의 방법을 적용할 경우, 원리적으로 플라즈마 제트 불꽃과 처리대상 기체가 합쳐지는 영역에서의 공간이 좁을수록 혼합을 통한 에너지 전달이 향상되므로, 일반적으로 기구의 구성에 있어서 처리대상 기체가 주입된 후단에는 플라즈마 제트 불꽃의 분사 노즐의 내경과 비슷하거나 다소 좁은 유로를 갖는 영역이 존재하게 된다.

이러한 경우에 있어서는 처리대상 기체 주입구 후단에 연장 설치된 기구를 통한 열손실이 증가하여 전체적인 반응 에너지 효율이 떨어지는 단점을 가지며, 고온 분위기에서의 부식성 내지 산화성 반응 결과물에 의한 기구적 손상이 가중되는 단점이 있다.

또한, 다량의 처리대상 기체를 투입 처리해야 하는 경우에 있어서는 좁은 유로에 의한 압력손실이 커지는 단점이 있어, 별도의 처리대상 기체의 원활한 주입을 위한 가압펌프, 흡입펌프와 같은 압력보상기구를 설치 할 수 없는 경우에 있어서는 사용하기 곤란하다. 특히, 반도체 제조장비에서 배출되는 유해기체를 처리하는 경우에 있어서는, 상기와 같은 압력손실은 반도체 제조장비의 배기단 압력을 높이게 되어, 반도체 제조공정에 직접적인 영향을 미치기 때문에 적용에 많은 제한을 받게 된다.

또한, 상대적으로 차가운 처리대상 기체의 주입을 통한“thermal pinch" 효과로 인 해 처리대상 기체가 주입되는 주변영역에서는 플라즈마 제트 불꽃의 고온 영역이 축소되고, 이로 인해 상기의 연장기구의 벽면을 따라서 이동하는 기체의 경우에는 플라즈마 제트 불꽃으로부터 충분한 에너지를 전달 받지 못하여, 원하는 반응 결과물로 전환 또는 처리되지 못하는 경우가 발생한다. 특히, 이러한 현상은 90% 이상의 높은 전환 또는 분해율이 필요한 처리공정에 있어서 무시할 수 없는 단점으로 작용한다.

상기의 방법과는 달리 2종이상의 물질을 혼합함에 있어서 유체의 회전운동을 증가시켜 원활한 혼합을 유도하고, 이를 통해 열전달 효율을 향상하거나 연료와 공기의 혼합도를 높여 연소효율을 높이는 방법들이 다수 공지되어 있다.

에이치 퀼 (H. Gul)등이 International Journal of Thermal Sciences 2007년도판 46권 1297-1303쪽에 게재한 논문에서는 두 유체의 혼합을 통한 열전달 연구에서 일측의 유체흐름을 헬리칼 스월 발생기(helical swirl generator)로 회전하도록 하여 두 유체간의 열전달율을 20% 향상시킬 수 있음을 기술하고 있다.

또한, 세르게이 브이 알렉센코(Sergey V. Alekseenko)등이 International Journal of Heat and Fluid Flow 2007년도판에 게재 예정인“Experimetal study of an impinging jet with different swirl rates"라는 논문에서는 공간으로 분사되는 제트 유체의 스월운동의 유무와 강약에 따른 유체의 확산정도를 실험적으로 확인한 결과를 게재하고 있으며, 공간으로 분사되는 제트유체에 스월운동을 부여함으로써 공간 확산율을 급격히 증가시킬 수 있음을 공지하고 있다.

일반적인 플라즈마 제트 발생기의 구성에 있어서, 분사된 플라즈마 불꽃의 회전운동을 강화하기 위한 발명은 공지된 바 없다. 기존의 플라즈마 제트 발생기는 용접, 절단, 플라즈마 용사, 물질합성 등의 응용에 주로 사용되었으며, 대다수의 응용에 있어 고온, 고속의 집속된 형태의 제트 불꽃이 적용공정에서 우수한 결과를 도출하게 됨에 따라, 분사된 플라즈마 불꽃의 난류혼합 효과를 억제하는 수단을 강구하는 노력들이 있어 왔다.

미국특허공보 US3027446에서는 음극주위로 플라즈마 형성기체를 주입함에 있어 소정의 기체주입 기구를 통해 강한 회전운동을 유도하여 아크 방전을 안정화시키는 방법을 게재하고 있다. 상기의 발명에서 플라즈마 형성기체를 회전시키면서 주입하는 목적은 음극 근처에서의 아크를 안정화시키는 수단을 사용되었을 뿐 아크방전 영역 외부로 분사되는 플라즈마의 회전력을 강화하는 효과는 고려하지 않고 있다. 또한, 음극 주위에 주입된 기체의 회전력은 아크와의 상호작용에 의해 대부분이 아크방전영역 내부에서 대부분이 소산되어 실제 노즐을 통해 아크 방전영역 밖으로 분사될 때에는 거의 그 효과가 나타나지 않게 된다.

최수석 등이 IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE 2004년도판 32권 2호 473-478 쪽에 게재한 논문에서는 양극 노즐의 구성에 있어서 인위적으로 노즐내경에 단차를 주어 플라즈마 발생영역 내부에서부터 난류효과를 증가시켜, 아크의 길이를 고정하고, 아크의 변동주기를 단축시키고, 아크 전압의 변동폭을 줄임으로써, 노즐 외부로 분사되는 플라즈마 제트 불꽃의 출력 안정성을 높이는 한편, 노즐 내부에서부터 발달한 난류경계층이 확장됨에 따라 노즐출구에서는 주변공기와 접촉하는 경계면에서의 속도구배를 완화시켜 오히려 난류혼입을 줄이는 방법에 대하여 기술하고 있다.

또한, 대한민국 등록특허공보 10-0486939에서는 상기와 동일하게 양극노즐내경에 단차를 준 계단형 노즐을 적용함에 있어서 야기되는 양극노즐의 국부적인 가열을 방지하여 노즐의 수명을 연장시키기 위해 플라즈마 제트 축과 동일한 방향의 자기장을 인가하여 아크 뿌리를 회전시키는 방법을 게재하고 있다.

또한, 상기와 동일하게 플라즈마 방전영역 내부에서 아크점을 회전시킴으로써 전극수명을 향상시키려는 목적으로 자기발생수단을 구비하는 방법들은 전술한 대한민국 등록특허공보 10-0526653, 10-0636845, 10-0568238에서도 기술되어 있다.

상기의 내용에서 공지된 바와 같이, 기존 기술에 따른 플라즈마 발생기의 구성에 있어서 전술한 계단형 노즐과 전술한 자기발생수단의 구비목적은 노즐 외부로 분사되는 플라즈마 불꽃의 난류혼합 효과를 억제하기 위함이며, 아크점 회전을 통한 전 극의 수명을 향상시키는데 한정되어 있다.

또한, 전술한 미국특허공보 US6617538 B1의 경우에 있어서도 자기발생수단을 구비한 목적은 아크방전 영역내에서 아크를 고속으로 회전시킴으로써 아크가 회전하는 원주방향으로 에너지를 균일하게 분산시킨 디스크 형태의 플라즈마를 형성하고, 아크방전 영역 내부로 주입된 처리대상 기체가 디스크 형태의 플라즈마를 통과하게 함으로써 균일한 처리를 달성하게 처리될 수 있음을 기술하고 있다.

본 발명은 전술한 상기의 문제점을 해결하기 위해 착안된 것으로, 플라즈마 제트 불꽃을 이용한 기체상 물질의 전환 및 처리에 있어서

첫 번째 목적은, 처리대상 기체를 아크 플라즈마 발생영역 후단에서 주입하고, 아크 플라즈마 방전영역 후단으로 분사되는 플라즈마 불꽃의 반경방향 및 회전방향 속도 성분을 증가시켜, 상대적으로 차가운 다량의 처리기체와의 원활한 혼합과 열전달이 가능한 플라즈마 발생기를 제공하는 것이다.

또 다른 목적은, 플라즈마 제트 불꽃과 다량의 처리대상 기체를 혼합하여 처리대상 기체를 가열, 분해, 합성을 통해 전환 및 처리함에 있어서 기체 흐름의 공간적인 구속을 최소화하면서도 효율적인 전환 및 처리가 가능한 플라즈마를 이용한 기체상 물질의 전환 및 처리 장치를 제공하는 것이다.

또 다른 목적은, 처리반응의 폐열을 효율적으로 사용하여 처리대상 기체를 예열하여 주입할 수 있는 기구를 도입함으로써 에너지 효율이 높은 처리반응장치를 제공하는 것이다.

또 다른 목적은, 플라즈마 형성기체의 유량을 처리대상 기체의 유량보다 작게 흘리면서도 안정적인 플라즈마를 형성하고, 아크 플라즈마 발생영역 후단의 플라즈마 제트 불꽃의 회전속도를 강화시킨 플라즈마 발생기를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여

아크 플라즈마 발생기와 반응기로 구성되고, 양극노즐을 통해 반응기 내부로 유입되는 플라즈마 제트 불꽃을 이용한 기체상 물질의 분해, 전환 및 처리장치를 제공하는데, 양극노즐로부터 분사되는 플라즈마 제트 불꽃의 회전방향 속도 성분을 증가시키기 위한 아크회전 수단을 구비한 것을 특징으로 할 수 있다.

아크회전 수단이 자기장을 이용한 것일 수 있다.

상기 아크 플라즈마 발생기의 구성에 있어서 음극과; 상기 음극과 동축 상에 소정 의 간격을 두어 형성된 노즐형상의 양극과; 상기 음극과 양극의 사이에 배치되어 상기 음극과 양극을 전기적으로 절연시키는 절연부와;플라즈마를 형성하는 기체를 주입하기 위하여 상기 음극과 양극노즐 사이에 형성된 기체 주입구와; 상기 양극노즐 외부로 분출되는 플라즈마 제트 불꽃의 회전방향 속도성분을 증가시키기 위하여 상기 양극노즐의 중심축과 같은 방향으로 자기장을 발생시키는 자기발생 수단을; 구비한 것일 수 있다.

양극노즐의 구성에 있어서 음극 대향면에서는 좁은 내경을 가져 적은 플라즈마 형성기체 유량으로도 아크채널을 수축시켜 아크의 길이를 연장시키는 역할을 하는 아크연장부와;

상기 아크연장부의 끝단으로부터 연장되며 상기 아크연장부의 내경보다 큰 내경을 가져 반경방향의 아크채널의 길이를 연장시켜 상기 자기발생수단과의 작용으로 상기 양극노즐 외부로 분출되는 플라즈마 제트 불꽃의 회전방향 속도성분을 증가시키기 위한 주 방전공간을 제공하는 주방전부로; 구성된 것일 수 있다.

상기 양극노즐의 구성에 있어서

아크연장부와 주방전부가 전기적으로 절연되어 구성된 것일 수 있다.

제3항에 있어서, 상기 자기발생수단에 의해 상기 양극노즐의 상기 주방전부의 내경위치에서 상기 양극노즐의 중심축 방향의 자기장의 세기는 100 ~ 10,000 가우스인 것일 수 있다.

상기 자기발생수단은 도너츠형의 영구자석으로 구성된 것일 수 있다.

상기 반응기는 처리반응 분위기를 외부와 격리시키는 외함과;

처리대상기체를 유입시키기 위하여 상기 외함의 측면에 형성되는 유입구와;

처리반응이 완료된 기체를 배출하는 배출구;를 포함하는 것일 수 있다.

상기 외함의 내경(Dr)은 상기 양극노즐의 출구직경에 비하여 크며 상기 내경과 상기 양극노즐의 출구직경의 비율(Dr/D)는 1내지 20이며 바람직하게는 1내지 4인 것일 수 있다.

상기 유입구의 위치는 상기 양극노즐 출구면을 기준으로 상기 양극노즐 출구의 내경(D)보다 작은 거리이내에 위치하는 것일 수 있다.

상기 반응기 내부에 예열관을 더 포함하며, 상기 유입구는 상기 외함의 하부에 형성되어 상기 유입구를 통해 유입된 기체가 상기 예열관의 외부를 따라 이동하며 예열될 수 있도록 구성된 것일 수 있다.

상기 예열관의 내경(Dexit)는 상기 양극노즐의 내경보다 더 넓게 형성되며 그 비율(Dexit/D)은 1내지 20이며 바람직하게는 1내지 4인 것일 수 있다.

상기 음극과 양극 사이에 산소, 수소, 수증기중 어느 하나 이상을 포함하는 보조기체를 주입하기 위한 보조기체 주입부가 더 형성된 것일 수 있다.

상기 주방전부의 양끝단에는 상기 양극노즐의 반경방향성분의 자기장을 형성하기 위한 주방전부자기발생수단을 더 포함하는 것일 수 있다.

플라즈마를 이용한 기체상 물질의 처리에 있어서, 플라즈마 발생 노즐로부터 분사 된 아크 플라즈마 제트 불꽃의 회전방향 속도 증가에 의한 원활한 난류혼합으로 플라즈마 제트 불꽃 및 처리대상 기체의 유로의 공간적인 구속 없이 다량의 처리대상 기체를 효율적으로 처리할 수 있다.

플라즈마를 이용한 기체상 물질의 처리에 있어서, 처리공정상에 플라즈마 발생기의 구조물과 고온의 부식성 및 산화성 처리대상 물질 및 처리결과물과의 접촉을 통한 손상을 최소화함으로써 플라즈마 발생기의 기구적인 내구성을 향상시킬 수 있다.

상대적으로 차가운 처리대상 기체를 반응폐열 회수 기구를 설치하여 효율적으로 예열함으로써 처리반응의 에너지 효율을 제고할 수 있다.

플라즈마 형성기체의 유량을 처리대상 기체의 유량보다 적게 흘리면서도 안정적인 플라즈마를 형성하여, 처리반응에 화학적인 작용을 하지 않는 다량의 플라즈마 형성기체 가열에 의한 열손실을 줄임으로써 처리반응의 에너지 효율을 높인다.

불활성 기체를 플라즈마 형성기체로 사용하는 경우에 있어서 그 사용량을 줄임으로써 처리공정의 운전비용을 줄이는 한편, 처리대상기체의 반응결과물로부터 불활성 기체를 분리할 경우에 있어서도 정제 비용을 절감시킬 수 있다.

이하 본 발명을 첨부된 예시 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 플라즈마 발생기의 구성과 이를 이용한 기체상 물질의 전환 및 처리를 위한 반응기의 구성을 나타내는 단면도이다.

플라즈마 발생기(100)은 임의의 축(x)을 기준으로 동축상에 소정의 간격을 두고 배치되는 막대형 음극(1), 양극 역할을 하는 계단형 구조의 양극노즐(2), 음극과 양극을 전기적으로 절연시키는 절연부(3), 음극과 양극 사이로 플라즈마 형성기체를 주입하는 기체주입구(4)와 양극노즐 내부의 아크를 고속으로 회전시키기 위한 자기발생수단(5)를 기본구성으로 하고 있다.

플라즈마 발생기로부터 분사된 플라즈마 제트 불꽃과의 혼합을 통해 기체상 물질을 전환 및 처리하기 위한 반응기(200)는 처리반응을 외부와 격리시키는 반응기 외함(11), 상기 플라즈마 발생기(100)으로부터 분사되는 플라즈마 제트 불꽃의 유입구(9), 처리대상 기체를 반응기 내부로 유도하는 처리대상 기체 유입구(12)와 플라즈마 제트 불꽃과의 혼합을 통해 가열, 분해처리된 기체가 배출되는 처리기체 배출구(13)을 기본으로 구성된다.

상기 플라즈마 발생기(100)의 구성에 있어서 기본구성 요소의 작용을 보다 상세히 기술하면, 플라즈마 형성기체 주입구(4)를 통해 질소, 알곤, 헬륨 등의 주로 불활성기체를 1 ~ 100 lpm 내외를 흘려주고, 도면상에 표시되지는 않았지만, 외부전원을 이용하여 10 ~ 10,000 V 내외의 전압을 절연부(3)에 의해 전기적으로 절연된 막대형 음극(1)과 양극노즐(2)에 인가하면, 두 전극 사이에서 아크 방전이 발생하게 된다. 이때, 주입된 플라즈마 형성기체는 아크를 지나면서 급격히 가열, 팽창되고 제트불꽃 형태로 양극노즐(2)을 통해 분사된다.

여기서, 계단형 구조의 양극노즐(2)의 기능을 보다 상세히 살펴보면, 막대형 음극(1)의 첨두 부분에 형성되는 음극 아크점 (cathode spot)에서의 플라즈마 형성기체의 유속을 증가시켜 아크를 집속하고, 안정적인 방전을 유도하기 위해 양극노즐의 음극 대향면은 출구 방향으로 소정의 각도를 가지면 수렴하는 구조를 가지고 있다.

또한, 1~ 100 lpm의 적은 유량의 플라즈마 형성기체에 의한 열핀치(thermal pinch) 효과를 증가시키기 위해 양극노즐의 출구에 비해서 상대적으로 좁은 내경(d)을 갖는 아크 연장부(7)가 설치되어 있어, 아크 채널을 효과적으로 수축시킴으로써 아크 연장부내에서의 양극 아크점의 생성을 억제하고, 결과적으로 아크의 길이연장을 통해 아크 방전전압은 높일 수 있다.

또한, 아크 연장부(7)의 후단에서는 양극 아크점 (anode arc spot)이 형성되는 주 방전공간을 제공하는 한편, 플라즈마 제트 불꽃의 유속과 온도의 첨두값을 낮추면서, 플라즈마 제트 불꽃의 부피를 증가시킴으로써, 비교적 낮은 온도에서 다량의 처리대상 기체를 처리하기에 적합하도록 아크 연장부에 비해 급격히 팽창된 직경(D)을 갖는 주방전부로 구성되어 있다.

또한, 아크채널의 길이를 인위적으로 제한하기 위하여 상기의 계단형 구조의 양극 노즐을 아크 연장부 역할을 하는 아크연장 전극과 주방전부 역할을 하는 주방전 전극으로 기구적으로 분리하고, 전기적으로 절연이 되도록 구성할 수도 있다. 즉, 초기 플라즈마 발생시점에서는 음극과 아크연장 전극사이에서 방전이 일어나도록 플라즈마 발생 전원의 양극 단자를 연결하여, 초기 플라즈마를 발생시킨 다음, 플라즈마 발생 전원의 양극 단자를 아크연장 전극에서 주방전 전극으로 전환시켜 주방전을 유지하고, 아크연장 전극으로의 방전을 차단시킴으로써, 플라즈마 발생기의 운전조건 변화에 무관하게 아크채널이 음극과 주방전 전극사이에서 일정하게 유지되도록 함으로써 플라즈마 출력 제어성을 재고할 수 있다. 이러한 플라즈마 발생기의 전극 구성은 대한민국 특허공보 10-0775995에서 게재하고 있는 간극형 전극의 구성과 동일한 원리이다.

자기발생수단(5)은 양극노즐의 주방전부 내벽에 수직한 방향의 아크채널과의 상호작용을 통해 아크채널을 고속으로 회전시킴으로써 양극 아크점을 회전에 의한 양극노즐의 국부적인 가열을 방지하여 전극의 수명을 향상시키는 기존 발명들에서의 목 적에 부합되는 구성을 가진다.

그러나, 본 발명은 기존 발명들에서 자기발생수단의 구비 목적이 양극노즐 내벽에 위치하는 양극 아크점을 회전시켜, 전극수명을 향상시키는데 한정되는 것에서 더 나아가, 플라즈마 방전영역에서 상대적으로 높은 온도를 가지는 아크채널은 낮은 온도를 가지는 주변부에 비해 높은 점성을 가지게 되므로, 양극노즐 내벽에 수직한 방향의 즉, 반경방향의 아크채널이 고속으로 회전하는 로터(rotor)로서 작용하여, 플라즈마 방전영역에서 상대적으로 온도가 낮은 아크채널 주변부의 기체에 강한 회전력을 부여하고 나아가 양극노즐을 통해 분사되는 플라즈마 제트 불꽃의 회전방향 속도성분을 증가시킴으로써 플라즈마 발생영역 외부에서의 난류혼합을 향상시키는 목적을 추가하였다.

본 발명에 의해 양극 노즐 출구로 분사되는 플라즈마 제트 불꽃이 원주방향으로 강한 회전성분을 갖는 것은, 자기교반기(magnetic stirrer) 위에 물을 채운 비이커를 올려놓고, 자성을 갖는 막대를 투입하면, 자성을 갖는 막대가 회전하면서 비이커 내부의 물을 회전시켜 소용돌이가 발생하는데, 이는 자성을 갖는 막대와 직접적으로 접촉한 부분이 먼저 회전을 하게 되고 이것이 점진적으로 상층의 물로 전달되면서 비이커에 있는 대부분의 물의 회전성분 속도가 증가하는 원리와 동일하다.

기술의 적용분야가 다르지만, 본 발명의 원리와 유사한 실시예로 동축상에 배열된 전극 혹은 링 형태로 대향하는 두 전극 사이에 아크방전을 발생시키고, 아크채널과 교차하는 자기장을 형성하여 방전공간내의 기체를 이용해 고속으로 회전시켜 미소한 질량차이를 가지는 동위원소를 분리하는 플라즈마 원심 분리기를 들 수 있다.

따라서, 구비되는 자기발생수단의 자기장의 방향이 양극노즐(2)의 중심축(X)과 동일한 방향으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 자기발생수단(5) 기본적인 목적에 부합하는 경우에 있어서, 자기발생수단의 종류에는 제한이 없으며, 구비되는 자기발생수단의 자기장 세기는 100 ~ 10,000 가우스(Gauss) 내외인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 아크채널의 자체전류에 의해 발생되는 자기장에 의한 왜곡을 상쇄시키면서, 아크채널을 고속으로 회전시킬 수 있는 강도의 자기발생수단을 구비하는 것이 효과적이다.

또한, 자기발생수단을 배치함에 있어서, 주방전부(8)의 양끝단에서는 양극노즐의 반경방향 성분의 자기장을 형성함으로써, 아크의 회전에 의해 발생되는 원주방향 전류성분과의 로렌쯔힘(Lorentz force)이 회전하는 아크채널을 주방전부의 내부로 유도하도록 양극아크 뿌리를 주방전부 내부의 특정위치에 고정시킬 수도 있다.

또한, 상기의 자기발생수단과의 로렌쯔힘(Lorentz force)에 의한 플라즈마 제트 불꽃의 회전력을 강화하기 위해서는 반경방향 아크채널의 길이를 연장시키는 것이 바람직하며, 양극노즐의 구성에 있어서 주방전부 내경은 아크방전의 불안정성을 배제 할 수 있는 한도 내에서 클수록 본 발명의 효과를 증진시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 자기발생수단을 도입해서 양극노즐을 통해 분사되는 플라즈마 제트 불꽃의 회전력을 증가시켜 플라즈마 발생영역 외부에서 원활한 난류혼합이 이루어 질 수 있도록 하기 위함으로 플라즈마 발생기의 구성에 있어서 음극의 모양과 형태에는 무관하며, 상술한 막대형 음극에 한정되는 것은 아니다.

플라즈마 형성기체 주입구(4)를 통해 주입되는 기체는 상기한 불활성 기체에 한정되는 것은 아니고, 필요에 따라서는 산소, 수소, 수증기 등의 반응보조기체를 첨가하여 주입할 수도 있다.

또한, 필요에 따라서는 상기의 반응보조 기체를 주입하기 위한 별도의 보조기체 주입구(6)을 설치할 수도 있다.

플라즈마 발생기(100)의 실질적인 구현에 있어서, 전극의 냉각, 기본구성요소의 기구적인 체결 등과 같은 상기의 목적을 달성하기 위한 기구적인 조합 방법은 동 분야의 종래기술에서 널리 공지되어 있으며, 당업자의 보편적인 지식으로 구현할 수 있어, 상세한 기술은 생략한다.

기체상 물질의 전환 및 처리를 위한 반응기(200)의 기본 구성은 처리반응 분위기를 외부와 격리시키는 외함(11)과 반응기 내부로 처리대상 기체를 유입하는 유입구(12)와 상기의 플라즈마 발생기(100)으로부터 플라즈마 제트 불꽃을 유입하는 유입구(9)와 처리반응이 완료된 기체가 배출되는 배출구(13)으로 이루어진다.

상기의 외함(11)의 내경(Dr)은 양극노즐의 출구직경(D)에 비해 충분히 넓게 구성하여, 플라즈마 제트 불꽃에 의한 가열과 처리반응 결과물에 의한 부식으로 손상되지 않도록 한다. Dr/D의 값은 2 ~ 20내외가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 Dr/D의 값이 2 ~ 6 내외가 되도록 구성한다. 이로서, 상기의 외함(11)은 단순히 처리반응 공간을 외부와 격리시키는 역할을 하며, 종래의 기술에서 플라즈마 제트 불꽃과 처리대상 기체를 공간적으로 구속하여 혼합을 유도하는 것이 아님을 알 수 있다.

플라즈마 반응기(200)에 있어서 처리대상 기체의 유입구(12)의 위치는 가능한한 반응기의 상부에 위치하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기의 플라즈마 발생기(100)의 양극노즐 출구면에서 양극노즐 출구내경(D) 이내에 위치하는 것이 바람직하다.

또한, 필요에 따라서는 처리대상 기체 유입구(12)를 반응기 하부에 위치하도록 하고, 반응기 내부에 예열관(14)를 설치하여, 처리대상 기체 유입구(12)를 통해 유입된 차가운 기체가 예열관 외측을 따라 상부로 이동하면서 일정정도 가열된 상태에서 플라즈마 제트 불꽃과 혼합될 수 있도록 구성할 수 있다. 이를 통해 결과적으 로 처리반응에 필요한 플라즈마 제트 불꽃을 발생시키는 전기에너지를 줄일 수 있다.

이때, 예열관의 내경(Dexit)은 양극노즐의 출구직경(D) 보다 넓게 구성하며, Dexit/D의 값은 2 ~ 20내외로 하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 Dexit/D의 값은 2 ~ 4 내외가 되도록 구성한다. 또한, 예열관의 양극노즐을 대향하는 상부의 단부와 양극노즐 출구 끝단 사이의 간격은 양극노즐 출구내경(D) 이내로 위치하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 처리대상 기체의 흐름을 막아 압력손실을 가져 오지 않는 한도 내에서 예열관의 상단부와 양극노즐사이 간격을 좁혀, 처리대상 기체를 반응기 상부로 유도하는 한편, 예열 효율을 재고할 수 있다. 상기의 예열관(14)은 단순히 처리대상 기체의 흐름을 반응기 상부로 유도하면서, 이동 중에 예열관과의 열교환을 통해 처리대상 기체가 반응 영역으로 주입되기 전에 효과적으로 예열하기 위함이며, 처리대상 기체의 흐름을 구속하여 플라즈마 제트 불꽃과의 혼합을 증진시키기 위한 종래의 기술과 그 목적이 다르다.

이러한 구성은 통상적인 플라즈마를 이용한 고온 반응에 소요되는 시간이 ~ msec 이내로 매우 짧다는 점에서 착안한 것으로, 반응기 상부에서 처리대상 기체가 플라즈마 제트 불꽃과의 혼합을 통해 처리반응이 완료된 이후에 배출되는 기체가 가지는 양질의 폐열을 효과적으로 회수하기 위함이다. 따라서, 처리반응 영역 하부에 위치한 예열관에 의해 흡수되는 열에너지는 처리반응에는 영향을 미치지 않는다.

상기한 바와 같이 본 발명에서 적용한 예열관(14)는 처리반응의 폐열을 이용한다는 점에서 대한민국 등록특허공보 10-0568238에서는 기술하고 있는 양극부재의 단부에 연장되어 설치된 플라즈마 유지부에 의한 처리대상 기체의 예열 효과와는 확연히 구별된다. 또한, 대한민국 등록실용신안공보 20-0424378에서 기술하고 있는 주연소실의 하측으로 튜브형상으로 길게 연장된 반응튜브와는 기능과 구성에 있어서 확연히 구별된다.

본 발명은 다음의 실시예들을 통해 더욱 상세하게 설명될 수 있다.

실시예1

도 1에서의 기본 개념을 적용하여 플라즈마 발생기를 구성하고 기본적인 방전실험을 시행하였다. 플라즈마 형성기체로 질소 50 lpm을 주입하면서 방전 전류에 따른 플라즈마 제트 불꽃의 형상을 관찰하였다. 아크 전류를 70 ~ 120 A까지 단계별로 증가시켰을 때 측정한 아크 전압은 160 ~ 200V 내외의 값을 가졌다. 아크 전류가 증가하면서, 아크 전압이 감소하는 경향이 나타났으며, 도 2의 (a)에서와 같이 아크 전류가 70 A 일때 불꽃이 양극노즐 출구면을 따라 낮게 퍼지는 현상이 관찰되었고, 아크 전류를 90 A이상으로 증가시켰을 때는 도 2의 (b)와 같이 양극노즐의 축방향으로 분사되는 불꽃모양을 관찰할 수 있었다. 특히, 전류를 더욱 증가시킨 경우에 있어서도 일정한 모양을 갖는 불꽃의 높이는 양극노즐의 출구내경(D)보다 높 지 않았으며, 그 이상에서는 주변 공기의 혼입에 따라 불꽃이 심하게 출렁이는 것이 관찰되었다. 이로써, 자기장에 의한 아크 회전운동으로 양극노즐로부터 분사되는 플라즈마 제트 불꽃의 회전력을 강화할 수 있으며, 아크 전류 및 자기장의 세기에 따른 불꽃모양의 조절이 가능함을 확인하였다.

실시예 2

도 1에서와 같이 플라즈마 발생기를 구성함에 있어서, 계단형 양극노즐 대신 단일 직경을 갖는 원통형 양극노즐을 사용하고, 양극노즐 외각에 자기장을 인가한 경우와 인가하지 않은 경우에 있어서 플라즈마 제트 불꽃의 변화를 살펴보기 위한 실험을 시행하였다. 양극노즐의 직경은 7 mm로 고정하고, 플라즈마 형성기체로 알곤 40 lpm을 흘려주면서, 자장의 유무에 관계없이 플라즈마 출력을 15 kW로 동일하게 유지하였다. 엔탈피 탐침을 이용하여 노즐로부터 분사되는 플라즈마 제트 불꽃의 공간적인 기체성분의 변화와 온도분포를 측정하였다. 도 3의 (a)는 플라즈마 제트 불꽃이 분사되는 축방향으로 변화되는 주변 공기의 몰분율은 나타내는 그래프이고, 도 3의 (b)는 이때 측정된 온도를 나타내고 있다. 자기장을 인가한 경우에 있어서 노즐 출구에서의 난류혼합이 증가되어, 결과적으로 공기의 몰분율이 전반적으로 높게 나타남을 알수 있었다. 또한, 이러한 플라즈마 제트 불꽃은 축방향으로 진행하면서 온도가 급격히 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 자기장의 인가에 의한 플라즈마 제트 불꽃의 강한 회전력에 의해 주변공기와의 열전달율이 증가하였음을 반증하고 있다.

실시예 3

양극노즐로부터 분사되는 플라즈마 제트 불꽃의 회전속도의 증가가 반응영역에 미치는 영향을 알아보기 위해, 상용 유체해석코드인 플루언트(Fluent)를 이용한 전산해석을 실시하였다. 기본적으로 양극노즐의 출구직경을 16 mm로 가정하고, 플라즈마 제트 불꽃의 축방향 속도가 270 m/s인 경우에 있어서, 플라즈마 제트 불꽃의 회전의 유무에 따른 효과를 분석하였다. 이때, 플라즈마 제트 불꽃의 회전속도는 축방향 속도와 동일한 값을 가정하였다. 도 4에 있어서 좌측은 플라즈마 제트 불꽃의 회전이 없는 경우이고 우측은 회전을 고려한 결과를 나타내고 있다. 도 4의 (a)에서는 플라즈마 제트 불꽃의 강한 회전에 의해 양극노즐 출구 근처에서 강한 난류가 형성됨을 나타내고 있으며, 이로 인해 주변의 기체가 다량 플라즈마 제트 불꽃과 양극노즐 출구 근처에서 혼합되고 열교환이 활발해짐에 따라 도 4의 (b)와 같이 플라즈마 제트 불꽃의 축방향으로 고온영역이 줄어드는 대신 반경방향으로 온도분포가 넓어짐을 알 수 있다. 도 4의 (c)는 플라즈마 제트 불꽃의 주변으로 CF4를 주입하는 경우에 상기의 효과에 의해 플라즈마 제트 불꽃 내부로 혼입되는 정도를 해석한 것으로 플라즈마 제트 불꽃의 회전이 처리대상 기체와 플라즈마 제트 불꽃의 혼합에 미치는 영향이 매우 크다는 것을 알 수 있다. 또한, 종래의 기술과 달리 플라즈마 제트 불꽃과 처리대상 기체의 혼합영역을 공간적으로 구속하지 않고, 플라즈마 제트 불꽃의 회전을 증가시켜 원활한 혼합을 통한 처리반응을 구현할 수 있음을 예측할 수 있다.

실시예 4

도 1에서와 같이 기체처리장치를 구성하고, 플라즈마 형성기체로 질소를 50 lpm, 반응보조기체로 공기를 20 lpm 주입하고, 17 kW의 전력을 입력하여 플라즈마를 발생시켰다. 여기에 처리대상 기체로 NF3 7000ppm이 섞인 질소기체 300 lpm을 주입하여 처리하고, 배출된 고온의 기체에 물을 뿌려 냉각시킨 후 기체에 포함된 NF3 농도를 FTIR로 측정한 결과 25 ppm으로 매우 낮았으며, 플라즈마를 발생시키기 전후에 있어서 변화량으로 산출한 NF3의 분해율은 99% 이상이었다.

실시예 5

실시예 1과 같이 구성하고, 플라즈마 형성기체로 질소를 40 lpm, 반응보조기체로 공기를 20 lpm 주입하고, 21 kW의 전력을 입력하여 플라즈마를 발생시켰다. 여기에 처리대상 기체로 SF6 4800 ppm이 섞인 질소기체 200 lpm을 주입하여 처리한 경우, 배출된 기체에 포함된 SF6 농도를 FTIR로 측정한 결과 230 ppm으로 매우 낮았으며, 플라즈마를 발생시키기 전후에 있어서 변화량으로 산출한 SF6의 분해율은 95% 이상이었다.

실시예 6

실시예 1과 같이 구성하고, 플라즈마 형성기체로 질소를 60 lpm, 반응보조제로 물을 20 ccm을 주입하고, 18.2 kW의 전력을 입력하여 플라즈마를 발생시켰다. 여기에 처리대상 기체로 SF6 2800 ppm이 섞인 질소기체 200 lpm을 주입하여 처리한 경우, 배출된 기체에 포함된 SF6 농도를 FTIR로 측정한 결과 27 ppm으로 매우 낮았으며, 플라즈마를 발생시키기 전후에 있어서 변화량으로 산출한 SF6의 분해율은 99 % 이상이었다.

실시예 7

실시예 1과 같이 구성하고, 플라즈마 형성기체로 질소를 50 lpm, 반응보조기체로 공기를 20 lpm 주입하고, 18.5 kW의 전력을 입력하여 플라즈마를 발생시켰다. 여기에 처리대상 기체로 CF4 3500 ppm이 섞인 질소기체 100 lpm을 주입하여 처리한 경우, 배출된 기체에 포함된 CF4 농도를 FTIR로 측정한 결과 100 ppm으로 매우 낮았으며, 플라즈마를 발생시키기 전후에 있어서 변화량으로 산출한 CF4의 분해율은 97% 이상이었다.

도 1은 본 발명에 플라즈마 기체 처리 장치의 구성을 보여주는 단면도

도 2는 본 발명의 1실시예에 따라 발생된 플라즈마 제트 불꽃의 개략적인 형상을 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 1실시예에 따라 발생된 플라즈마 제트 불꽃의 특성을 측정한 그래프

도 4는 본 발명의 1실시예에 따른 플라즈마 제트 불꽃의 특성 해석자료

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 플라즈마 발생기 200 : 반응기

1 : 음극 2 : 양극노즐

3 : 절연부 4 : 기체주입구

5 : 자기발생수단 6 : 보조기체주입구

7 : 아크연장부 8 : 주방전부

9 : 플라즈마 제트 불꽃 유입구 10 : 처리반응영역

11 : 반응기 외함 12 : 처리대상기체 유입구

13 : 처리기체 배출구 14 : 예열관

d : 아크연장부 내경, D : 양극노즐 출구부 내경, Dr : 반응기 내경,

Dexit : 예열관 내경

Claims (14)

1. 아크 플라즈마 발생기와 반응기로 구성되고, 아크방전 영역후단의 플라즈마 제트 불꽃을 이용한 기체상 물질의 처리장치에 있어서,

   양극노즐로부터 분사되는 플라즈마 제트 불꽃의 회전방향 속도 성분을 증가시키기 위한 아크회전 수단을 구비하며

   상기 아크 플라즈마 발생기는,

   음극과;

   상기 음극과 동축 상에 소정의 간격을 두어 형성된 노즐형상의 양극과;

   상기 음극과 양극의 사이에 배치되어 상기 음극과 양극을 전기적으로 절연시키는 절연부와;

   플라즈마를 형성하는 기체를 주입하기 위하여 상기 음극과 양극노즐 사이에 형성된 기체 주입구와;

   상기 양극노즐 외부로 분출되는 플라즈마 제트 불꽃의 회전방향 속도성분을 증가시키기 위하여 상기 양극노즐의 중심축과 같은 방향으로 자기장을 발생시키는 자기발생 수단을; 구비하며

   상기 반응기는 처리반응 분위기를 외부와 격리시키는 외함과;

   처리대상기체를 유입시키기 위하여 상기 외함의 측면에 형성되는 유입구와;

   처리반응이 완료된 기체를 배출하는 배출구;를 포함하며

   상기 외함의 내경(Dr)은 상기 양극노즐의 출구직경에 비하여 크며 상기 내경과 상기 양극노즐의 출구직경의 비율(Dr/D)은 1내지 20인

   아크방전 영역후단의 플라즈마 제트 불꽃을 이용한 기체상 물질의 처리장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 아크회전 수단은 자기장을 이용한 것을 특징으로 하는 아크방전 영역후단의 플라즈마 제트 불꽃을 이용한 기체상 물질의 처리장치.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서 상기 양극노즐은

   음극 대향면에서는 좁은 내경을 가져 적은 플라즈마 형성기체 유량으로도 아크채널을 수축시켜 아크의 길이를 연장시키는 역할을 하는 아크연장부와;

   상기 아크연장부의 끝단으로부터 연장되며 상기 아크연장부의 내경보다 큰 내경을 가져 반경방향의 아크채널의 길이를 연장시켜 상기 자기발생수단과의 작용으로 상기 양극노즐 외부로 분출되는 플라즈마 제트 불꽃의 회전방향 속도성분을 증가시키기 위한 주 방전공간을 제공하는 주방전부로; 구성된 것을 특징으로 하는 아크방전 영역후단의 플라즈마 제트 불꽃을 이용한 기체상 물질의 처리장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 양극노즐은

   아크연장부와 주방전부가 전기적으로 절연되어 구성된 것을 특징으로 하는 아크방전 영역후단의 플라즈마 제트 불꽃을 이용한 기체상 물질의 처리장치.
6. 제4항에 있어서,

   상기 자기발생수단에 의해 상기 양극노즐의 상기 주방전부의 내경위치에서 상기 양극노즐의 중심축 방향의 자기장의 세기는 100 ~ 10,000 가우스인 것을 특징으로 하는, 아크방전 영역후단의 플라즈마 제트 불꽃을 이용한 기체상 물질의 처리장치.
7. 제 1항에 있어서, 상기 자기발생수단은 도너츠형의 영구자석으로 구성된 것을 특징으로 하는, 아크방전 영역후단의 플라즈마 제트 불꽃을 이용한 기체상 물질의 처리장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제1항에 있어서, 상기 유입구의 위치는 상기 양극노즐 출구면을 기준으로 상기 양극노즐 출구의 내경(D)보다 작은 거리이내에 위치하는 것을 특징으로 하는, 아크방전 영역후단의 플라즈마 제트 불꽃을 이용한 기체상 물질의 처리장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 반응기 내부에 예열관을 더 포함하며, 상기 유입구는 상기 외함의 하부에 형성되어 상기 유입구를 통해 유입된 기체가 상기 예열관의 외부를 따라 이동하며 예열될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는,아크방전 영역후단의 플라즈마 제트 불꽃을 이용한 기체상 물질의 처리장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 예열관의 내경(Dexit)는 상기 양극노즐의 내경보다 더 넓게 형성되며 그 비율(Dexit/D)은 1내지 4인 것을 특징으로 하는, 아크방전 영역후단의 플라즈마 제트 불꽃을 이용한 기체상 물질의 처리장치.
13. 제1항에 있어서,

    상기 음극과 양극 사이에 산소, 수소, 수증기중 어느 하나 이상을 포함하는 보조기체를 주입하기 위한 보조기체 주입부가 더 형성된 것을 특징으로 하는, 아크방전 영역후단의 플라즈마 제트 불꽃을 이용한 기체상 물질의 처리장치.
14. 제4항에 있어서, 상기 주방전부의 양끝단에는 상기 양극노즐의 반경방향성분의 자기장을 형성하기 위한 주방전부자기발생수단을 더 포함하는, 아크방전 영역후단의 플라즈마 제트 불꽃을 이용한 기체상 물질의 처리장치.

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