KR101030575B1 - 저온 플라즈마 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 방전 중의 스파크 발생을 방지할 수 있고, 가스 탈황탈질 성능을 극대화할 수 있는 저온 플라즈마 반응기를 제공한다.

본 발명에 따른 저온 플라즈마 반응기는, 판형상의 전극판; 봉형상을 가지고 서로 평행하게 위치하고, 상기 전극판과 대향하여 배치되는 한 쌍의 전극봉을 포함할 수 있다.

플라즈마, 저온, 스트리머, 코로나, 방전, 탈황, 탈질

Description

저온 플라즈마 반응기{NON-THERMAL PLASMA REACTOR}

본 발명은 저온 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 구체적으로는 배기 가스 처리에 사용되는 탈황탈질 장치에 사용하기 위한 저온 플라즈마 반응기에 관한 것이다.

기체 상태의 물질에 계속 열을 가하여 온도를 올려주면, 이온과 자유전자로 이루어진 입자들의 집합체가 만들어진다. 이는 물질의 세 가지 형태인 고체, 액체, 기체와 더불어 '제4의 물질상태'로 불리며 이러한 상태의 물질을 플라즈마라고 한다.

플라즈마는 크게 전자, 이온, 분자의 온도가 모두 높은 고온 열플라즈마와 전자 온도만 높은 저온 플라즈마로 구분될 수 있는데, 고온 플라즈마는 고온을 얻을 수 있으므로 물질을 용융하는데 많이 활용되고, 저온 플라즈마는 가스의 온도는 당해 가스의 온도이며, 전자의 온도만 높기 때문에 고온을 적용할 수 없는 재료나 조건에 적용할 수 있고 장치가 간단하다. 가스 중에서 고압의 전기방전을 행하면 방전에 의해 발생된 전자가 가스의 분자와 충돌하여 가스분자의 외곽 전자상태가 변한다. 이에 따라 반응성이 풍부한 화학적 활성종인 라디칼(둘 이상의 원자단으로서 전기를 띤 것, 예: OH, COOH, CHO 등), 여기분자, 이온(전기를 띤 원자, 예: N, O, H, Ca 등) 등은 양 또는 음으로 하전되어 전기적으로 중성상태의 가스가 되는데 이를 저온 플라즈마라 한다. 또한, 다양한 화학반응을 유기하므로 유해 가스 처리를 효과적으로 할 수 있는 장점이 있다.

현재 폐수처리장, 화학공정, 반도체공정, 연소설비 등 여러 산업 공정 등에서 배기 가스들이 대기 중으로 배출되고 있다. 이러한 유해 가스들은 인체에 직접적으로 유해할 뿐만 아니라 환경 오염을 일으키므로 이에 대한 규제가 각 국에서 시행되고 있으며, 이에 대한 처리기술로서 소각공법, 촉매공법, 흡착 또는 생물학적 여과공법 등이 실용화되고 있다.

특히, 유해 가스의 처리 기술로서 고온의 열원이 없이도 유해가스를 분해 또는 산화 처리하는 저온 플라즈마 공법이 있다. 저온 플라즈마 공법은 고전압 교류전력을 전기적 유전체로 구성된 반응기에 공급함으로써 상압 조건에서 전자와 이온으로 구성된 저온 플라즈마를 발생시키고, 여기서 발생된 일부 에너지가 높은 전자들을 이용하여 유해가스와 화학반응을 일으키도록 하여 유해가스를 처리한다. 비록 대기압 조건에서 전자들의 수명이 짧고, 유해 물질 분자와의 충돌이 많지 않음에도 유해 가스를 지배하는 배경 가스와 많은 충돌이 일어나게 되는데, 이로 인해 생성된 활성기체들은 유해 물질 분자의 분해를 촉진하며, 산성가스와 먼지를 동시에 처리할 수 있는 장점이 있다.

이러한 저온 플라즈마 현상을 이용한 저온 플라즈마 반응기는 화력발전소, 소각로, 제철소 또는 일반사업장에서 배기가스에 포함된 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 및 대기환경기준법에서 규정한 가스상 오염물질을 저온 플라즈마를 이용하여 제거하기 위한 장치이다.

하지만, 종래의 플라즈마 반응기는 인가전압의 증가에 따른 양 전극사이의 전하밀도 불균형에 따라 스파크가 빈번히 발생하였으며, 이는 장치의 탈황탈질 성능을 현저히 저하시키고, 장치의 고장, 수명 감소 등의 악영향을 미친다. 또한, 비효율적인 전극 구조 및 배치로 인하여 유해 가스 처리 효율이 높지 않으며, 동일한 처리 능력을 위하여 장치가 대형화되는 문제가 있다.

본 발명은 플라즈마 반응 중의 균일한 에너지 밀도를 형성하여 배기 가스의 탈황탈질 성능을 극대화할 수 있는 저온 플라즈마 반응기를 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 플라즈마 반응 중의 스파크 발생을 방지할 수 있는 저온 플라즈마 반응기를 제공함에 다른 목적이 있다.

본 발명에 따른 저온 플라즈마 반응기는, 판형상의 전극판; 봉형상을 가지고 서로 평행하게 위치하고, 상기 전극판과 대향하여 배치되는 한 쌍의 전극봉을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 전극봉의 외면에는 나사산이 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 전극봉과 상기 전극판 간에는 100kV 내지 200kV의 전압이 인가되고, 상기 한 쌍의 전극봉 사이의 간격은 15cm 내지 40cm일 수 있다.

바람직하게는, 상기 전극봉과 상기 전극판 간에는 100kV 내지 200kV의 전압이 인가되고, 상기 전극봉과 상기 전극판의 사이의 최단거리는 10cm 내지 30cm일 수 있다.

바람직하게는, 상기 전극봉의 직경은 5mm 내지 15mm이고, 상기 나사산은 나사피치 1P 내지 2P일 수 있다.

바람직하게는, 상기 전극봉과 상기 전극판 사이의 정전 용량은 10nF 내지 15nF일 수 있다.

바람직하게는, 상기 한 쌍의 전극봉 사이의 간격은, 이웃하는 다른 한 쌍의 전극봉과의 간격보다 작을 수 있다.

본 발명에 따른 저온 플라즈마 반응기는, 판형상을 가지고 서로 평행하게 위치하는 복수의 전극판; 및 막대형상을 가지고 서로 평행하게 위치하고, 두개가 한 쌍을 이루며, 상기 복수의 전극판 사이에 위치하는 복수의 전극봉을 포함할 수 있고, 상기 전극봉의 외면에는 나사산이 형성되며, 상기 전극봉과 상기 전극판 사이의 정전 용량은 10nF 내지 15nF일 수 있다.

본 발명에 따른 저온 플라즈마 반응기는 전극을 나선 형상으로 형성하고, 전극간 거리를 최적화 함으로써 스파크 발생을 방지하며, 탈황탈질 성능을 극대화 할 수 있으므로, 가스 중의 유해 물질을 보다 확실히 제거할 수 있고, 가스 처리 속도를 증가시킬 수 있으며, 동일한 크기의 가스 처리 장치에서 보다 많은 가스 처리가 가능함과 동시에 가스 처리의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한 다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기를 나타내는 사시도, 도2는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기의 전극판의 사시도, 및 도3은 본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기의 전극봉의 사시도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기는 전극봉(100), 및 전극판(200)을 포함한다.

양극인 전극판(200)은 소정의 폭과 길이를 가지는 판형상으로서, 일면에 반원 형상의 복수의 믹싱부(210)가 평행으로 형성되고, 타면에는 복수의 믹싱부(210)가 일면의 믹싱부(210)와 대칭으로 위치하여 형성된다. 유해 가스 내에서 유해 물질은 균일하게 분포하는 것이 아니고 부분적인 밀도차가 발생할 수 있는데, 믹싱부(210)는 전극판(200) 사이에서 유동하는 유해 가스를 혼합시켜 유해 물질을 균일하게 분포시키고, 가스 유동을 변화시킴으로써 유해 가스 처리 효율을 높이기 위한 것이다. 또한, 일실시예에 따르면, 믹싱부(210)의 단면은 반원 형상일 수 있고, 다른 실시예에 따르면, 삼각뿔 또는 사다리꼴 형상 등일 수 있다.

음극인 전극봉(100)은 소정의 두께를 가지는 가느다란 봉형상으로서, 각각의 전극판(200) 사이에 위치하고, 틀체(120)에 의해 복수의 전극봉(100)이 평행하게 배열 고정된다. 도1에서 'A'는 유해 가스의 유동 방향을 나타내며, 전극봉(100)과 전극판(200)에 고압의 전원을 인가하면 전극봉(100)과 전극판(200) 사이에서 저온 플라즈마 반응이 일어나고, 유해 가스가 플라즈마의 방전 영역을 통과하면서 유해 가스 중에 포함되는 유해 물질, 특히 황산화물(SOx) 및 질소산화물(NOx)이 제거되는 것이다.

도4는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기의 전극봉의 부분확대도로서, 전극봉(100)의 외면을 따라 나사산(110)이 형성되는데, 나사산(110)은 전극봉(100)과 전극판(200) 사이의 전기장이 선형적으로 형성되도록 하여 에너지 밀도를 균일하게 형성함으로써, 유해 가스 내의 부하 변동폭을 최소화할 수 있으며, 균일한 부하 변동은 정전 용량 부하의 제어를 용이하게 한다. 또한, 균일하게 형성된 에너지 밀도는 전극봉(100)에서 발생된 전자의 가속을 촉진하게 되고, 이와 같이 가속된 다량의 전자는 유해 물질 제거에 충분한 운동에너지(30eV 이상)를 가지게 된다. 즉, 나사산(110)을 형성함으로써 균일한 플라즈마 방전이 가능한 것이다. 또한, 일실시예에 따르면, 전극봉(100)의 직경은 5mm 내지 15mm이고, 나사산(110)의 나사피치는 1P 내지 2P일 수 있으며, 바람직하게는 전극봉(100)의 직경은 10mm, 나사피치는 1.5P일 수 있다.

한편, 나사산(110)이 형성되지 않는 경우에 전극봉(100)과 전극판(200) 사이의 전기장이 비선형적으로 형성되어 에너지 밀도가 균일하지 않게 되고, 이는 플라즈마 방전이 불균일함을 의미한다. 따라서, 나사산(110)이 형성되지 않는 경우에 유해 물질 제거 효율이 좋지 못한 것이다.

도5는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기의 전극봉과 전극판의 측단면의 부분확대도, 및 도6은 본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기에서 플라즈마 반응의 예시도로서, 평행한 두 개의 전극봉(100)이 한 쌍을 이루고, 한 쌍의 전극봉(100) 사이의 간격은 이웃하는 다른 한 쌍의 전극봉(100)과의 간격보다 작다.

도6을 참조하면, 고압의 전원을 인가하는 경우에 음극인 전극봉(100)과 양극인 전극판(200) 사이에서 저온 플라즈마 방전 현상이 발생하는데, 플라즈마가 빗금 표시한 부분과 같이 일부에서 겹치며 최적의 탈황탈질 효과를 나타낼 수 있다. 이론적으로는 플라즈마가 겹치지 않고 끝이 맞닿아 위치하는 것이 바람직하나, 실제로 플라즈마는 고체와 같이 정적인 상태가 아니고, 특히 유입되는 가스의 물질, 농도 등에 따라 정전 용량이 수시로 변동되어 동적인 움직임을 나타내므로, 도6과 같이 일부 겹치도록 구성하는 것이 바람직하다.

도7a, 및 도7b는 전극봉 사이의 간격 변화에 따른 저온 플라즈마 반응의 변화를 나타내는 예시도이다.

도7a를 참조하면 전극봉(100) 사이의 간격을 지나치게 좁게 배치하는 경우에 플라즈마 영역의 겹치는 면적이 증가하며 이는 유해 가스 처리 면적이 감소하는 것을 의미하고, 플라즈마가 겹치는 영역에서 스파크가 발생할 확률이 높아지는데 스파크가 발생하는 경우에 해당 전극봉(100)에서 플라즈마 반응이 순간적으로 정지되며, 이는 처리 효율의 감소를 유발한다. 또한, 저온 플라즈마 반응기를 제어하기 위하여 구성되는 반도체 소자 등을 포함하는 각종 부품이 스파크에 의해 영향을 받아 손상되는 문제가 있다.

도7b를 참조하면 전극봉(100) 사이의 간격을 지나치게 넓게 하는 경우에 플라즈마 영역 사이의 빈 공간이 증가하며 이는 동일한 양의 가스 처리를 위하여 장치의 크기가 증가할 수 밖에 없는 문제가 있다.

도8a 내지 도8c는 3개의 전극봉이 한 쌍을 이루는 경우에 전극봉 사이의 간격 변화에 따른 저온 플라즈마 반응의 변화를 나타내는 예시도이다.

도8a를 참조하면, 3개의 전극봉(100)을 한 쌍으로 구성하는 경우에 두개의 플라즈마 영역이 겹치는 빗금친 부분과 세개의 플라즈마 영역이 겹치는 그물망 표시된 부분이 형성된다. 이는 도7a의 경우와 같이 플라즈마 중복 영역 증가, 및 빗금친 영역은 물론이고 그물망 표시된 영역내에 플라즈마가 집중하게 되어 과도한 정전 용량이 과도하게 증대되며, 이에 따라 스파크 발생이 매우 빈번하게 발생할 수 있으므로 가스 처리 효율이 매우 떨어지고, 스파크로 인한 반도체 소자, 전기 회로 등의 부품 손상을 유발할 수 있다.

도8b를 참조하면, 이론적으로는 도6과 마찬가지로 플라즈마가 빗금 표시한 부분과 같이 일부에서 겹치며 최적의 탈황탈질 효과를 나타낼 수 있으나. 실제로 플라즈마는 유입되는 가스의 물질, 농도 등에 따라 정전 용량이 수시로 변동되어 동적인 움직임을 나타낸다. 따라서, 안정적인 도8b의 상태와 달리 변동이 큰 도8c와 같은 경우에는 세 개의 플라즈마 영역이 겹치는 부분이 발생하게 되며, 도8a의 경우와 같은 문제점을 야기한다. 따라서, 두 개의 전극봉(100)을 한 쌍으로 구성하 는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 전극봉(100)의 지름은 5mm 내지 15mm일 수 있으며, 인가 전원 100kV 내지 200kV에서, 한 쌍의 전극봉(100) 간의 간격은 15cm 내지 40cm일 수 있다. 예시적으로 15cm 내지 25cm일 수 있다. 전극봉(100)과 전극판(200) 간의 간격은 10 내지 30cm일 수 있다. 예시적으로 10cm 내지 20cm일 수 있다. 정전 용량(Capacitance)은 상기 인가 전원의 범위 내에서 10nF 내지 15nF를 유지할 수 있고, 이 경우 스파크의 발생 없이 플라즈마 방전을 최대로 할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 한 쌍의 전극봉(100) 간의 간격은 25cm, 및 전극봉(100)과 전극판(200) 간의 간격은 15cm이다.

표1은 본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기에서 전극봉 간의 간격 변화에 따른 오염 물질 제거 성능의 변화를 나타낸 것으로서, 인가전원 120kV, 전극봉(100) 직경 10mm, 나사피치 1.5P, 및 전극봉(100)과 전극판(200)의 간격 15cm 하에서 실시한 것이다.

전극봉 간격(cm)	탈황율(%)	탈질율(%)
5	10	10
10	16	30
15	80	55
25	85	32
40	70	30
45	59	25
50	50	20

표2는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기에서 전극봉의 나사피치의 변화에 따른 오염 물질 제거 성능의 변화를 나타낸 것으로서, 인가전원 120kV, 전극봉(100) 직경 10mm, 전극봉(100)과 전극판(200)의 간격 15cm, 및 전극봉(100) 간의 간격 25cm 하에서 실시한 것이다.

나사피치(P)	탈황율(%)	탈질율(%)
0.8	75	40
1	80	51
1.2	85	55
1.5	93	61
1.8	92	60
2	89	56
2.2	83	49
나사산 없음	69	38

표3은 본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기에서 전극봉과 전극판 사이의 정전용량 변화에 따른 오염 물질 제거 성능의 변화를 나타낸 것이다. 인가전원 120kV, 전극봉(100) 직경 10mm, 나사피치 1.5P, 및 전극봉(100)과 전극판(200)의 간격 15cm, 및 전극봉(100) 간의 간격 25cm 하에서 실시한 것이다.

정전 용량(nF)	탈황율(%)	탈질율(%)
5	67	20
10	80	40
15	95	59
20	78	39

본 발명의 저온 플라즈마 반응기에 따르면, 전극봉(100)의 외면에 나사산(110)을 형성하고, 전극봉(100) 간의 거리, 및 전극봉(100)과 전극판(200) 간의 거리를 최적화하여 스트리머 코로나(Streamer Corona)와 가스의 접촉을 최대화할 수 있으며, 스파크 발생을 방지할 수 있다. 따라서, 가스 중의 유해 물질을 보다 확실하게 제거할 수 있고, 특히 탈황탈질 효율을 높일 수 있으며, 가스 처리 속도 및 용량을 증가시킬 수 있는 우수한 점이 있다. 또한, 동일한 크기의 가스 처리 장치에서 보다 많은 가스 처리가 가능, 바꿔말하면 보다 작은 크기의 가스 처리 장치로 동일한 양의 가스 처리가 가능한 장점이 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기를 나타내는 사시도,

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기의 전극판의 사시도,

도3은 본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기의 전극봉의 사시도,

도4는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기의 전극봉의 부분확대도,

도5는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기의 전극봉과 전극판의 측단면의 부분확대도,

도6은 본 발명의 일실시예에 따른 저온 플라즈마 반응기에서 플라즈마 반응의 예시도,

도7a, 및 도7b는 전극봉 사이의 간격 변화에 따른 저온 플라즈마 반응의 변화를 나타내는 예시도, 및

도8a 내지 도8c는 3개의 전극봉이 한 쌍을 이루는 경우에 전극봉 사이의 간격 변화에 따른 저온 플라즈마 반응의 변화를 나타내는 예시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *

100: 전극봉 110: 나사산

120: 틀체 200: 전극판

210: 믹싱부

Claims (8)

1. 판형상의 전극판; 및

   봉형상을 가지고 서로 평행하게 위치하고, 상기 전극판과 대향하여 배치되는 한 쌍의 전극봉

   을 포함하고,

   상기 전극봉과 상기 전극판 간에는 100kV 내지 200kV의 전압이 인가되며, 상기 전극봉과 상기 전극판의 사이의 최단거리는 10cm 내지 30cm이고, 상기 한 쌍의 전극봉 사이의 간격은 15cm 내지 40cm이며, 상기 전극봉의 직경은 5㎜ 내지 15㎜인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 반응기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전극봉의 외면에는 나사산이 형성되는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 반응기.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제2항에 있어서,

   상기 나사산은, 나사피치 1P 내지 2P인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 반응기.
6. 제2항에 있어서,

   상기 전극봉과 상기 전극판 사이의 정전 용량은 10nF 내지 15nF인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 반응기.
7. 제2항에 있어서,

   상기 한 쌍의 전극봉 사이의 간격은, 이웃하는 다른 한 쌍의 전극봉과의 간격보다 작은 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 반응기.
8. 삭제

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