KR101042602B1 - 유해가스 처리용 플라즈마 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유해가스 처리용 플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 고전압을 인가받아 코로나방전을 일으키는 다수의 방전침이 형성됨과 아울러 배기가스가 통과하는 통과홀이 형성되는 방전전극과, 방전전극의 일측에 설치됨과 아울러 배기가스가 통과하는 통과홀이 형성되는 상대전극과, 방전전극과 상대전극 사이에 절연을 위해 설치되는 전극지지판을 포함하는 플라즈마 반응기에 있어서, 반응기의 정전용량이 펄스발생기 출력측 정전용량의 1∼30%이다. 따라서, 본 발명은 펄스발생기 출력측 정전용량의 1∼30% 이내로 반응기의 정전용량을 설정하는 것에 의해서 대용량 설비에서 배출되는 유해가스를 처리하는데 소비되는 전기에너지의 손실을 저감할 수 있으며, 같은 정전용량의 범위 내에서 반응기 용량을 최대로 설정하여 더 많은 양의 유해가스를 처리할 수 있는 구조로 제작이 가능하고, 소형으로부터 대형에 이르기까지 보일러, 소각로, 디젤엔진 등의 산업시설, 자동차 디젤엔진, 발전소, 비상용 발전기, 실내용 에어컨 등의 공기정화장치 등에 적용하여 유해한 배기가스에 대한 탈취, 탈질, 탈황, 휘발성 유기화합물(VOC) 제거, 다이옥신(Dioxin) 제거, 미생물 제거 등의 다양한 유해가스를 정화하는데 이용할 수 있도록 하는 효과를 가진다.
방전전극, 방전침, 상대전극, 통과홀, 전극지지판, 본체, 정전용량

Description

유해가스 처리용 플라즈마 반응기{PLASMA REACTOR FOR DISPOSING HARMFUL GAS}
본 발명은 산업시설이나 자동차 등으로부터 배출되는 유해가스를 정화 처리하는 펄스 플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 펄스전원 출력측의 임피던스와 플라즈마 반응기의 임피던스를 정합시켜 최대의 에너지를 입력할 수 있는 구조를 가진 유해가스 처리용 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
일반적으로, 소각로, 발전소 등과 같은 산업시설 등의 설비가 커질수록 배출되는 가스량도 함께 증가하게 되는데, 유해가스 처리시 이를 처리하는 반응기의 용량도 커질 수밖에 없게 되고, 용량의 증가로 인해 전기적인 에너지의 손실도 증가하여 유해가스의 처리 효율도 격감하게 된다.
그러므로, 대용량 산업시설의 배출 유해가스 처리시 플라즈마 반응기의 설계가 매우 중요하다.
종래의 플라즈마 반응기를 이용한 배기가스 정화장치로서, 출원인이 대한민국 특허청에 출원하여 등록된 특허등록 제194975호의 "다공다침식 코로나 방전장치 를 이용한 배기가스 정화장치"가 있다.
이와 같은 배기가스 정화장치는 전압에 의해 방전되는 코로나에 의해 기체를 플라즈마 형태로 형성하는 코로나 방전장치를 이용한 배기가스 정화장치로서, 방전개시 전극을 다수의 홀과, 다수의 침을 갖는 형태로 제조하여 개시전극 설치판에 안치시키고, 상대전극도 다수의 홀을 갖는 형태로 제조하여 상대전극을 설치판에 안치시킨 다음, 방전개시전극 상하부에 서로 홀이 엇갈리도록 설치하여 배기가스 정화장치를 구성함으로써 배기가스의 방전효율을 높이도록 한 것이다.
상기한 바와 같이, 종래의 기술에 따른 배기가스 정화장치뿐만 아니라 펄스 플라즈마 반응기는 전기적인 매개변수인 정전용량이 기계적인 구조에 따라 결정된다. 즉, 이 정전용량의 값은 적은 규모의 구조를 가지는 반응기에서는 별다른 문제를 야기하지 않지만, 발전용량 10MW 이상의 대용량 설비에서 배출되는 각종 유해가스를 처리하는 반응기에서는 반응기의 구조가 커짐에 따라 누설정전용량이 증가하기 때문에, 그에 따른 전기적인 에너지 손실이 증대되어 에너지 손실량이 매우 커지는 동시에 유해가스를 처리하는 효율도 격감시키는 문제점을 가지고 있었다.
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반응기의 정전용량의 감소를 위한 구조 및 형태를 가지도록 하여 투입되는 에너지의 손실을 최소화시킬 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기는 유해가스 처리용 플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 고전압을 인가받아 코로나방전을 일으키는 다수의 방전침이 형성됨과 아울러 배기가스가 통과하는 통과홀이 형성되는 방전전극과, 방전전극의 일측에 설치됨과 아울러 배기가스가 통과하는 통과홀이 형성되는 상대전극과, 방전전극과 상대전극 사이에 절연을 위해 설치되는 전극지지판을 포함하는 플라즈마 반응기에 있어서, 반응기의 정전용량이 펄스발생기 출력측 정전용량의 1∼30%임을 특징으로 한다.
본 발명은 반응기의 정전용량을 펄스발생기 출력측 정전용량의 1∼30% 이내로 함으로써 대용량 설비에서 배출되는 유해가스를 처리하는데 소비되는 전기에너지의 손실을 저감할 수 있으며, 같은 정전용량의 범위 내에서 반응기 용량을 최대로 설정하여 더 많은 양의 유해가스를 처리할 수 있는 구조로 제작이 가능하고, 소형으로부터 대형에 이르기까지 보일러, 소각로, 디젤엔진 등의 산업시설, 자동차 디젤엔진, 발전소, 비상용 발전기, 실내용 에어컨 등의 공기정화장치 등에 적용하여 유해한 배기가스에 대한 탈취, 탈질, 탈황, 휘발성 유기화합물(VOC) 제거, 다이옥신(Dioxin) 제거, 미생물 제거 등의 다양한 유해가스를 정화하는데 이용할 수 있도록 하는 효과를 가진다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기를 도시한 측단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기(100)는 방전침(111)을 가지는 방전전극(110)과, 방전전극(110)의 일측에 설치되는 상대전극(120)과, 방전전극(110)과 상대전극(120)의 사이에 설치되는 전극지지판(130)을 포함하고, 반응기의 정전용량이 펄스발생기 출력측 정전용량의 1∼30%의 범위에 해당하며, 이로 인해 정전용량을 줄일 수 있는 임피던스 매칭 개념을 도입한 유해가스 처리용 플라즈마 반응기이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 방전전극(110)은 상면과 하면에 다수의 방전침(111)이 형성되고, 배기가스가 통과하기 위한 통과홀(112)이 다수로 형성된다.
상대전극(120)은 방전전극(110)의 일측에 평행하도록 설치되고, 배기가스가 통과하기 위한 통과홀(121)이 다수로 형성되되, 방전침(111)의 수직방향으로 통과홀(112)이 배치되도록 형성된다.
방전전극(110)과 상대전극(120)의 통과홀(112,121)은 배기가스를 통과시키기에 최소의 직경을 유지함과 아울러 정전용량을 최소화하기 위한 최대의 직경을 가지도록 그 직경이 1∼3cm임이 바람직하고, 2cm임이 더욱 바람직하다.
전극지지판(130)은 방전전극(110)과 상대전극(120) 사이에 절연을 위해 설치되는데, 배기가스의 통과를 위하여 도 4에 도시된 바와 같이, 링 형태를 가지며, 방전전극(110)의 고정부(113)가 고정되기 위해 상부에 장착홈(131)이 마련된다.
한편, 본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기(100)는 방전전극(110)과 상대전극(120)이 전극지지판(130)에 의해 서로 절연되도록 한 상태에서 본체(140)에 평행하도록 다단으로 적층된다.
본체(140)는 내측에 상대전극(120)이 상하로 간격을 가지고서 수평되게 다수로 적층되도록 고정부(141)에 의해 고정되며, 고정부(141)상의 전극지지판(130) 상 면에 고정되는 방전전극(110) 각각으로 전압을 공급하도록 다수의 전원공급단자(142)가 마련된다.
본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기(100)는 방전기의 정전용량이 펄스발생기 출력측, 즉 전원출력부 정전용량의 1∼30%에 해당되기 위해서 방전전극(110)과 상대전극(120)간의 정전용량을 줄이게 되는데, 이러한 방전기의 정전용량은 방전전극(110)과 상대전극(120)의 면적에 반비례, 또는 방전전극(110)과 상대전극(120)의 간격에 비례, 또는 방전침(111)의 길이에 비례, 또는 다단 적층 수에 반비례하여 감소시킬 수 있다.
한편, 대용량 산업시설에서 배출되는 유해가스를 처리하는 경우에는 플라즈마 반응기(100)의 용량이 매우 커질 수밖에 없으며, 반응기 용량이 커질수록 임피던스(Z=R+1/jωC+jωL, Z:임피던스, R:저항, C:정전용량, L:리액턴스)는 작게 되는데, 이는 주로 반응기의 정전용량(커패시턴스)이 비례하여 증가하기 때문이다. 따라서, 반응기의 용량을 최대로 유지할 수 있는 조건에서 반응기의 정전용량을 작게 설계 제작함으로써 임피던스를 정합할 수 있도록 함이 바람직한데, 반응기의 정전용량을 펄스전원 이용시 전원출력부 정전용량의 1∼30% 이내로, 교류(AC)전원 이용시 전압과 전류의 비를 크게 할수록 유리하다. 특히, 펄스전원 인가시에는 반응기 정전용량의 감소로 인한 에너지 투입 효율이 매우 커진다.
서로 평행을 이루는 방전전극(110)과 상대전극(120)의 정전용량은 아래의 수학식 1에 의해 계산된다.
C=ε0S/d
여기서, ε0는 매질의 유전율이고, S는 접촉면적이며, d는 간극두께이다.
도 5는 본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기의 통과홀 직경에 따른 반응기 정전용량을 나타낸 그래프로서, 반응기의 정전용량을 적게 하기 위해서는 방전전극(110)과 상대전극(120)의 면적을 최소로 줄여야 하는데, 이를 위해 통과홀(112,121)이 차지하는 면적을 최대로 하면 가능하며, 통과홀(112,121)의 직경(hole size Φ)이 0.02M(2cm)인 경우 반응기의 정전용량이 최소가 된다.
도 6은 본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기의 통과홀 크기별 통과홀 전체가 차지하는 면적을 나타낸 그래프로서, 통과홀(112,121) 크기별로 통과홀(112,121) 전체가 차지하는 면적을 계산한 값이며, 통과홀(112,121)의 직경(hole size Φ)이 0.02M(2cm)일 때 통과홀(112,121) 전체가 차지하는 면적이 가장 크므로, 이 때의 방전기의 정전용량, 즉 전체 방전전극(110)과 상대전극(120)의 평행평판 면적이 최소가 된다.
도 7은 본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기의 전극간의 간격에 따라 반응기의 정전용량을 나타낸 그래프로서, 반응기의 정전용량을 작게 하기 위해서는 방전전극(110)과 상대전극(120)의 평형평판간 간격(d)을 크게 하여야 하는데, 이를 위해서 방전침(111)의 길이를 길게 하여 줌으로써 가능해진다. 즉 방전침(111)이 차지하는 면적은 매우 뾰족하여 매우 작은 값으로 간주되므로, 방전침(111)의 길이를 길게 하면 방전침(111)과 상대전극(120)간의 거리를 일정하게 유 지해 주는 상태에서 방전전극(110)과 상대전극(120)간의 거리를 더 멀게 해줄 수 있으므로 결국 플라즈마 반응기(100)는 방전효율이 일정한 상태에서 정전용량을 줄이는 것이 가능해진다.
본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기(100)의 반응기 정전용량이 펄스 발생기의 출력측 정전용량의 1∼30% 이내의 값을 갖도록 하는 구조를 계산해 보면 다음과 같다.
예를 들어 약 1MW급 발전용량 디젤엔진의 경우의 유해가스 배출량을 처리하기 위한 투입된 에너지는 상용출력 발전용량(0.8MW)의 2% 이내를 이용하는 것이 경제적일 뿐만 아니라 효율적이므로, 15KW 이내의 전원공급장치를 이용한다. 이 때, 최소한 8∼9KW를 출력할 수 있는 전원공급장치의 출력부에는 정전용량 3nF를 갖는 캐패시터를 사용하여야 한다. 따라서, 반응기의 정전용량은 이의 30%인 1nF 이내가 되도록 설계 제작하여야 한다. 이와 같은 방법으로 더 큰 정전용량, 즉 10nF 이내의 값을 갖는 반응기를 스케일 업(scale-up)하여 설계 제작할 수 있다.
아래의 표 1은 도 5 및 도 7로부터 계산된 값을 정리한 표로서, 정전용량 1nF이내 반응기 설계 제작시 통과홀(112,121) 크기와 방전전극(110)과 상대전극(120)간의 거리에 따른 반응기 용량의 설정가능 범위를 나타낸 것이다. 이로부터 플라즈마 반응기(100)의 구조를 가장 최소한의 정전용량을 갖는 기하학적 구조로 최적화할 수 있는데, 반응기의 구조는 통과홀(112,121)의 직경이 2cm일 경우 방전전극(110)과 상대전극(120)의 면적이 최소가 되므로(0.102㎡), 이에 비례하여 정전용량도 최소가 되어(18.1nF, 1단) 반응기 단수를 가장 많이 확대할 수 있게 되 고(56단), 따라서 반응기의 용량을 더 확대하게 되면 더 많은 유해가스를 제거하는데 유리해진다.
[표 1]
다공크기별 전극판거리별
다공크기(m) 0.01 0.02 0.03 0.04 0.02
전극판면적(㎡) 0.13 0.10 0.11 0.15 0.10
전극판거리(m) 0.05 0.05 0.06 0.07 0.08
정전용량 (1단) 23pF 18pF 20pF 26pF 18pF 15pF 13pF 11pF
정전용량 (56단) 1.2nF 1nF 1.1nF 1.5nF 1nF 840pF 720pF 630pF
또한, 표 1로부터 방전침(111)의 길이가 길어질수록 방전전극(110)과 상대전극(120)간의 거리가 멀어지면서 정전용량도 작아지는 것을 확인할 수 있는데, 결국 반응기의 용량을 더 확대할 수 있게 되어 더 많은 유해가스를 제거하는데 유리해진다. 여기서 방전전극(110)과 상대전극(120)간의 거리는 최대의 방전에너지를 출력할 수 있는 펄스전원의 전압/전류 출력파형을 고려하여 일정한 거리를 선택할 수 있는데, 대략 10KV당 1cm의 간격을 유지시키게 된다.
이상과 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 펄스발생기 출력측 정전용량의 1∼30% 이내로 반응기의 정전용량을 설정하는 것에 의해서 대용량 설비에서 배출되는 유해가스를 처리하는데 소비되는 전기에너지의 손실을 저감할 수 있으며, 같은 정전용량의 범위 내에서 반응기 용량을 최대로 설정하여 더 많은 양의 유해가스를 처리할 수 있는 구조로 제작이 가능하고, 소형으로부터 대형에 이르기까지 보일러, 소각로, 디젤엔진 등의 산업시설, 자동차 디젤엔진, 발전소, 비상용 발전기, 실내용 에어컨 등의 공기정화장치 등에 적용하여 유해한 배기가스에 대한 탈취, 탈 질, 탈황, 휘발성 유기화합물(VOC) 제거, 다이옥신(Dioxin) 제거, 미생물 제거 등의 다양한 유해가스를 정화하는데 이용할 수 있도록 한다.
이상에서와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하며, 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기를 도시한 측단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기의 요부를 분리하여 도시한 사시도이고,
도 3은 본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기의 요부를 도시한 측면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기의 전극지지판을 도시한 사시도이고,
도 5는 본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기의 통과홀 직경에 따른 반응기 정전용량을 나타낸 그래프이고,
도 6은 본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기의 통과홀 크기별 통과홀 전체가 차지하는 면적을 나타낸 그래프이고,
도 7은 본 발명에 따른 유해가스 처리용 플라즈마 반응기의 전극간의 간격에 따라 반응기의 정전용량을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 방전전극 111 : 방전침
112 : 통과홀 113 : 고정부
120 : 상대전극 121 : 통과홀
130 : 전극지지판 131 : 장착홈
140 : 본체 141 : 고정부
142 : 전원공급단자

Claims (3)

  1. 고전압을 인가받아 코로나방전을 일으키는 다수의 방전침이 형성됨과 아울러 배기가스가 통과하는 통과홀이 형성되는 방전전극과, 상기 방전전극의 일측에 설치됨과 아울러 배기가스가 통과하는 통과홀이 형성되는 상대전극과, 상기 방전전극과 상기 상대전극 사이에 절연을 위해 설치되는 전극지지판을 포함하는 플라즈마 반응기에 있어서,
    상기 반응기의 정전용량이 펄스발생기 출력측 정전용량의 1∼30%이도록 상기 방전전극 또는 상기 상대전극의 상기 통과홀의 직경이 1∼3cm이고, 상기 방전전극과 상기 상대전극은, 상기 전극지지판에 의해 서로 절연되어 본체에 평행하도록 다단으로 적층되는 것을 특징으로 하는 유해가스 처리용 플라즈마 반응기.
  2. 삭제
  3. 삭제
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