KR101092866B1 - High Efficient Plasma Reactor for Thermal Destruction Processes of High Concentrated Perfluorocompounds Gases - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고농축함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라즈마 처리 공정중 고농축 함불소가스를 용이하게 열분해시킬 수 있도록 최적의 재질 및 설계 구조로 만들어진 고농축함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 내부반응관과 외부반응관이 서로간에 반응기체 흐름통로를 위한 일정 간격을 형성하며 중첩된 이중관 반응기; 상기 외부반응관의 외경부에 일정 간격의 폐기체 흐름통로를 형성하며 배열되는 것으로서, 반응기체 흐름통로 및 폐기체 흐름통로에 각각 반응기체 및 폐기체를 공급하기 위한 반응기체 공급구와 폐기체 공급구가 하단부에 형성된 제1외부냉각관; 상기 제1외부냉각관의 외경부에 일정 간격의 냉각수 흐름통로를 형성하며 배열되는 것으로서, 상단 및 하단부에 각각 냉각수 흐름통로와 연통되는 냉각수 공급구 및 냉각수 배출구가 형성된 제2외부냉각관; 상기 내부 및 외부반응관의 하단이 체결되는 동시에 상기 제1외부냉각관 및 제2외부냉각관의 하단에 일체로 형성된 하부플랜지와 결합되는 배출블럭; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기를 제공한다.
The present invention relates to a high efficiency thermal plasma reactor for pyrolysis of highly concentrated fluorine gas, and more particularly, highly concentrated fluorine gas pyrolysis made of an optimal material and design structure to easily pyrolyze the highly concentrated fluorine-containing gas during a plasma treatment process. It relates to a high efficiency thermal plasma reactor for.
To this end, the present invention is the internal reaction tube and the external reaction tube to form a predetermined interval for the reactor flow path between each other overlapping double tube reactor; It is arranged to form a waste gas flow passage at regular intervals in the outer diameter portion of the external reaction tube, a reactor gas supply port and waste gas supply port for supplying the reactor and waste gas to the reactor flow passage and waste gas flow passage, respectively A first external cooling tube formed at a lower end thereof; A second external cooling tube arranged to form a cooling water flow passage at a predetermined interval in an outer diameter portion of the first external cooling tube, and having a cooling water supply port and a cooling water discharge port communicating with the cooling water flow passage at upper and lower ends, respectively; A discharge block coupled to lower ends of the inner and outer reaction tubes and coupled to a lower flange formed integrally with lower ends of the first outer cooling tube and the second outer cooling tube; It provides a high efficiency thermal plasma reactor for pyrolysis of highly concentrated fluorine-containing gas, characterized in that configured to include.

Description

고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기{High Efficient Plasma Reactor for Thermal Destruction Processes of High Concentrated Perfluorocompounds Gases }High Efficient Plasma Reactor for Thermal Destruction Processes of High Concentrated Perfluorocompounds Gases}

본 발명은 고농축함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라즈마 처리 공정중 고농축 함불소가스를 용이하게 열분해시킬 수 있도록 최적의 재질 및 설계 구조로 만들어진 고농축함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기에 관한 것이다.
The present invention relates to a high efficiency thermal plasma reactor for pyrolysis of highly concentrated fluorine gas, and more particularly, highly concentrated fluorine gas pyrolysis made of an optimal material and design structure to easily pyrolyze the highly concentrated fluorine-containing gas during a plasma treatment process. It relates to a high efficiency thermal plasma reactor for.

대기 중에 잔류하는 CO2, CH4 등은 태양에서 공급되는 적외선을 흡수하고 지구에서 배출되는 열을 지표면으로 되돌려주는 대기층을 형성하므로 지구온난화 영향물질, 즉 온실가스(greenhouse gas)로 알려져 있다.CO 2 , CH 4, etc. remaining in the atmosphere forms an atmospheric layer that absorbs infrared rays supplied from the sun and returns heat emitted from the earth to the earth's surface, so it is known as a global warming influence material, that is, a greenhouse gas.

이와 함께, 대기 중에서 잘 분해되지 않으면서 오래 잔류하는 물질로서, HFC(hydrofluorocarbon), PFC(perfluorinated compound), SF6 등의 함불소화합물들도 온실가스로 분류되고 있다. In addition, fluorine-containing compounds such as hydrofluorocarbon (HFC), perfluorinated compound (PFC), and SF 6 are also classified as greenhouse gases as long-lasting substances that do not decompose well in the atmosphere.

온실가스의 특성을 갖는 함불소화합물들은 많이 있지만, 현재 전 세계적으로 사용량이 많으면서 지구온난화 영향력이 높은 HFC계의 CHF3, PFC계의 CF4, C2F6, C3F8, NF3와 SF6 등 6개의 함불소가스가 일차적인 사용량 및 대기방출량 규제 대상물질로 선정되어 있는 바, 우리나라는 2014년부터 온실가스 감축국으로 분류될 전망이므로 이들의 사용량 및 대기배출량을 감축하기 위한 국가차원의 대응전략과 감축기술의 확보가 시급한 실정에 있다.Although there are many fluorine-containing compounds that have the characteristics of greenhouse gases, HFC-based CHF 3 , PFC-based CF 4 , C 2 F 6 , C 3 F 8 , NF 3 , which are used globally and have high global warming influence. Six fluorine-containing gases, including SF 6 and SF 6 , were selected as the primary substances to be regulated for consumption and air emissions. Korea is expected to be classified as a greenhouse gas reduction country from 2014. There is an urgent need to secure countermeasures and reduction technologies.

일차 감축대상 함불소가스는 대기 중에서 열적, 화학적으로 안정하며 유독성, 부식성, 인화성이 낮고 사용이 용이하지만, 대기로 방출되면 잘 분해되지 않고 성층권까지 도달하여 CO2와 같이 지구를 감싸는 온실가스가 되어서 적외선을 흡수하여 대기온도를 상승시키는 역할을 한다.The primary reduction target fluorine-containing gas to be a thermally and chemically stable, and is low toxic, corrosive, flammable easy to use, but by when released into the atmosphere reach not well decomposed to stratospheric greenhouse gas surrounding the earth, such as CO 2 in air It absorbs infrared rays and increases the atmospheric temperature.

우리나라에서도 소화제(CHF3), 반도체 공정가스(CHF3, CF4, C2F6, C3F8, NF3, SF6) 및 고전압장비 절연가스(SF6) 등이 많이 사용되고 있는데, 이들의 대기방출량을 줄이는 방법으로는 근본적으로 사용량을 줄이도록 공정을 개선하는 방법, 2차적인 환경유해성이 낮은 대체물질을 발굴하여 감축대상물질을 대체하는 방법, 공정에서 배출되는 가스를 포집하여 안전하게 폐기하는 방법, 또는 포집 후 분리, 정제과정을 거쳐 재생시켜 재활용하는 방법 등이 고려될 수 있다.Extinguishing agents (CHF 3 ), semiconductor process gases (CHF 3 , CF 4 , C 2 F 6 , C 3 F 8 , NF 3 , SF 6 ) and high-voltage equipment insulation gas (SF 6 ) are also used in Korea. In order to reduce the amount of air emitted from the air, it is fundamentally to improve the process to reduce the use amount, to find alternative substances with low secondary environmental hazards, to replace the substances to be reduced, and to collect and safely dispose of the gas emitted from the process. Or a method of recycling after recycling, separation and purification after collection.

국내 산업체에서도 공정개선을 통한 사용량 감축 노력을 지속적으로 진행하고 있으나 그 성과는 아직 미미한 것으로 알려져 있다. 감축대상물질과 적용 특성이 유사하면서도 2차적인 환경유해성이 낮은 물질을 발굴하고 이들로 감축대상물질을 전량 대체하는 방법이 가장 바람직하지만 대체물질의 제조뿐만 아리라 적용성, 인체유해성, 대량생산성 등을 검증하기 위해 비교적 오랜 연구기간이 필요하다.Although domestic industries continue to make efforts to reduce consumption through process improvement, the results are still insignificant. It is most desirable to find materials that have similar application characteristics to the substances to be reduced and have low secondary environmental hazards and replace them with all of them, but they are not only suitable for the manufacture of substitutes but also for applicability, human toxicity, and mass productivity. A relatively long study period is needed to verify.

지금까지 알려진 기술은 배출되는 PFCs, HFCs, SF6와 같은 함불소화합물을 효과적으로 분해시키는 신뢰성이 있는 방법으로는 태우는 직화 (Burn)방법과 플라즈마(Plasma)를 이용한 분해법으로 대별할 수 있는데, 그 이유로서는 반도체 제조라인 혹은 포집냉매 등에서 나오는 폐가스는 특정성분이라 정의하기도 곤란하고 다종의 가스가 섞여있는 200mg/㎥ 정도의 나노사이즈의 분진까지 함유되어 있으므로, 함불소가스를 처리하는 시스템은 아주 간단한 구조이면서 내구성이 있고 유지보수가 간단한 형태의 시스템이 필요하기 때문이다.The techniques known to date can be roughly classified into a burning method and a decomposition method using plasma as reliable methods for effectively decomposing fluorine-containing compounds such as PFCs, HFCs, and SF 6 emitted. As a waste gas from a semiconductor manufacturing line or a collection refrigerant is difficult to define as a specific component and contains up to 200 mg / m 3 of nano-sized dust containing various gases, the system for treating fluorine-containing gas is very simple. This requires a system that is durable and simple to maintain.

현재 함불소가스 분해기술로 널리 사용되는 소각은 가연성 물질이 산소와 결합하여 발열반응을 일으키는 연소공정으로 함불소 가스분해에 필요한 반응온도 및 체류시간을 위한 산소량과 연소상태를 조정해 주어야 한다. Incineration, which is currently widely used as a fluorine-containing gas decomposition technology, is a combustion process in which flammable substances combine with oxygen to generate an exothermic reaction, and the amount of oxygen and the combustion state for the reaction temperature and residence time required for fluorine-containing gas decomposition must be adjusted.

또한, 함불소가스 분해물은 HF같은 강산이 함유되어 배가스로 인한 장비후단이 부식될 위험이 있어 적정한 처리가 요구되며 질소산화물 이외에도 함불소가스 종류에 따라 다양한 유독가스가 발생되어 2차 오염을 발생시키며, 이외에도 HFC-23의 소각에 의한 처리방법은 다음과 같은 문제점이 발생된다.In addition, the fluorine-containing gas decomposition products contain strong acid such as HF, which may cause corrosion of the rear end of the equipment due to the exhaust gas. Therefore, proper treatment is required. In addition, in addition to the treatment method by incineration of HFC-23, the following problems occur.

첫째, 대량의 탄화수소(천연가스/수소)의 연료와 함께 함불소화합물을 1000℃ 이상의 온도에서 연소시키고 다시 100℃ 이하로 급냉시키는 공정을 거치기 때문에 이로부터 기인되는 낮은 열효율을 갖는다.First, since the fluorine-containing compound is burned together with a large amount of hydrocarbon (natural gas / hydrogen) fuel at a temperature of 1000 ° C. or higher and quenched to 100 ° C. or lower, it has a low thermal efficiency resulting from this.

둘째, 제거해야 되는 함불소가스의 약 10배 이상의 공기주입이 필요하여 HFC-23을 산화시키면서 발생되는 후단처리비용 및 장치 크기도 증대되어 이에 맞는 공장내 부지확보가 곤란하다.Second, air injection of about 10 times or more of the fluorine-containing gas to be removed is required, and post-treatment cost and device size generated by oxidizing HFC-23 are also increased, making it difficult to secure the site within the plant.

즉, 함불소가스분해를 위한 긴체류시간 유지로 장치소형화가 곤란하고, 예를 들면 함불소 가스분해시 일반적으로 1200℃온도에서 2초의 체류시간이 필요하나, 함불소처리량이 증가하면 비례적으로 공급되는 연료 및 공기도 비례적으로 증가하기 때문에 더 긴 반응기가 필요하게 되며, 공정의 부피와 함께 필요한 부지면적도 늘어난다. In other words, it is difficult to miniaturize the device by maintaining a long residence time for fluorine-containing gas decomposition. For example, when fluorine-containing gas decomposition is generally required, a residence time of 2 seconds at a temperature of 1200 ° C is increased. As the fuel and air supplied increase proportionally, longer reactors are needed, and the required area is increased along with the volume of the process.

셋째, 노즐의 포울링(fouling)으로 인한 시간에 따른 분해효율 감소한다. Third, the decomposition efficiency decreases with time due to the fouling of the nozzle.

넷째, 연소 온도의 설정 및 시동 시간 필요하다. Fourth, the setting of the combustion temperature and the start time are necessary.

이와 같은 소각공정의 문제점을 완화시키거나 해결하기 위하여 플라즈마와 같은 고온발생장치를 사용해서 2차 오염물질을 억제하는 공정이 개발되어 있는데 고농축 함불소가스를 열플라즈마에 의해서 분해시킬때 지니는 장점은 다음과 같다.In order to alleviate or solve the problems of the incineration process, a process for suppressing secondary pollutants by using a high temperature generator such as plasma has been developed. The advantages of decomposing highly concentrated fluorine-containing gases by thermal plasma are as follows. Is the same as

1) 플라즈마 공정을 사용할 경우 체류시간이 소각공정에 비해 약 1/100인 0.02초 정도만 필요하기 때문에 반응기를 포함한 흡수탑 크기 및 용량을 크게 줄일 수 있으며, 같은 용량의 함불소가스를 처리하기 위해서 플라즈마 공정은 소각공정과 비교해서 약 25%정도로 그 공정크기를 줄일 수 있다.1) When using the plasma process, since the residence time is only about 0.02 seconds, which is about 1/100 of the incineration process, the size and capacity of the absorption tower including the reactor can be greatly reduced. The process can be reduced in size by about 25% compared to the incineration process.

2) 플라즈마 공정에서 사용되는 전기를 생산하는데 발생되는 CO2를 고려하더라도 소각공정에 비해 약 40%의 CO2 발생이 억제된다.2) Considering the CO 2 generated in the production of electricity used in the plasma process, about 40% of CO 2 generation is suppressed compared to the incineration process.

3) 발생되는 2차오염원: 주로 질소산화물과 다이옥신, 퓨란등을 들 수 있으나 계산이 가능한 질소산화물만 고려하여 플라즈마공정을 사용하면 소각공정에 비해서 질소산화물 발생을 10% 이내로 억제시킬 수 있다. 3) Secondary sources of pollution: Nitrogen oxides, dioxins, furans, etc. can be mainly used. However, the plasma process can be suppressed to within 10% of the incineration process by considering only the nitrogen oxides that can be calculated.

4) 안전성: 천연가스는 화기에 노출되면 항상 폭발의 위험이 있기 때문에 안전성 측면에서 보면 플라즈마 공정이 훨씬 유리하다.4) Safety: Plasma processes are much more advantageous from a safety point of view, since natural gas is always at risk of explosion when exposed to fire.

물론, 상기한 플라즈마 공정은 소각공정과 비교하면 운전관리비가 다소 높으나, 이것은 CDM 사업에서 얻는 금액에 비해 플라즈마공정에서 소요되는 운전비도 2%이하이기 때문에 무시할 수 있다.Of course, the above-mentioned plasma process is somewhat higher in operation and management costs compared to the incineration process, but this can be ignored because the operating cost required in the plasma process is less than 2% compared to the amount obtained in the CDM business.

또한, 이차오염을 대폭 줄여주는 친환경성과 장치의 간편성 때문에 공정의 운영 유지측면에서 매우 유리하다고 사료된다.In addition, it is considered to be very advantageous in terms of maintaining the operation of the process due to the eco-friendliness and the ease of use of the device, which greatly reduces secondary pollution.

대용량처리를 위한 플라즈마토치 형태의 가스 주입부위는 음극이, 노즐부분은 양극으로 구성되어 있는 주로 비이송식을 사용하고 있는데, 이 경우 아크플라즈마 전극재료로서 양극은 구리, 음극은 텅스텐이 일반적으로 사용되나, 공동형 비이송식직류 플라즈마토치는 양극과 음극재질 모두 구리가 사용된다. In the case of plasma torch type gas injection part for large-capacity treatment, the non-feed type is mainly composed of anode and nozzle part of anode. In this case, anode is copper and anode is tungsten. However, the cavity type non-conveying DC plasma torch uses copper in both the anode and cathode materials.

이와 같은 전극소재는 산화성가스에 대해서 매우 잘 부식되기 때문에 현재기술에서는 아크방전을 위해서는 주로 아르곤이나 질소와 같은 불활성기체를 사용되고, 상기 전극소재가 적용되어 구성된 플라즈마 토치(torch)는 열 플라즈마에 의한 불소가스 분해반응을 유도하는 고온 반응기에 불소화합물을 열분해(pyrolysis)시킬 수 있는 충분한 에너지를 공급해 준다. Since the electrode material is very corrosive to oxidizing gas, in the present technology, an inert gas such as argon or nitrogen is mainly used for arc discharge, and the plasma torch composed of the electrode material is fluorine generated by thermal plasma. It supplies enough energy to pyrolysis the fluorine compound to the high temperature reactor that induces the gas decomposition reaction.

상기 플라즈마 토치는 계산된 속도로 회전하는 아크(arc) 방전을 가능케 하는 마그네틱 코일로 구성되어 있는 바, 저기압의 아크방전은 글로우(glow) 방전과 유사하여 전자온도는 이온온도에 비하여 대단히 높으나, 기압이 상승함에 따라서 전자온도는 이온온도에 근접하고 100torr이상에서는 거의 같은 값을 나타낸다.The plasma torch is composed of a magnetic coil that enables arc discharge to rotate at a calculated rate. The low-pressure arc discharge is similar to the glow discharge, so the electron temperature is very high compared to the ion temperature, but the atmospheric pressure As this rises, the electron temperature is close to the ion temperature and is almost the same at 100 torr or more.

이에, 아크의 외관은 밝은 코어(core) 형태가 되고 그 주위에는 작은 얇은 빛이 나게 되며, 아크방전 그 자체의 온도는 수만K 정도로 전자온도, 이온온도 및 기체온도 3자 모두 같은 온도가 되며, 이는 기압이 높기 때문에 충돌의 기회가 대단히 많아 전극의 소모가 적으며(low electrode consumption) 열적으로 균일플라즈마(homogeneous plasma)가 되기 때문이다.Thus, the appearance of the arc becomes a bright core (core) and a small thin light around it, the temperature of the arc discharge itself is tens of thousands of K, the temperature of the three electron temperature, ion temperature and gas temperature are the same temperature, This is because there is a high chance of collision because of high air pressure, low electrode consumption and thermally homogeneous plasma.

현재의 기술수준으로는 분해되는 불소화합물은 전극의 부식문제 때문에 주로 토치불꽃 후단에서 공급되며 이때 반응부분영역은 대게 1500~1800K로 유지된다. In the current state of the art, fluorine compounds decomposed are mainly supplied from the back of the torch flame due to corrosion problems of the electrode, and the reaction zone is usually maintained at 1500-1800K.

한편, 플라즈마 처리시스템에서 부식이 용이한 전극소재사용은 플라즈마토치를 이용한 불소가스 대용량 시스템을 개발하는데 있어서 경제성면이나 기술적으로 매우 큰 장애요소가 되고 있다.On the other hand, the use of electrode materials, which are easily corroded in plasma processing systems, is an economical and technically significant obstacle in developing a large-capacity fluorine gas system using a plasma torch.

현재 기술수준으로는 불소가스를 토치불꽃 하단에 공급시켜 분해하는 공정을 선택하고 있으며, 이와 같은 방식은 에너지 효율면에서 불리할 뿐만 아니라 방전시 플라즈마토치 환경에서는 고가의 하프늄전극을 사용하지 않는다면 불할성가스만을 사용할 밖에 없어 대용량플라즈마 시스템 개발에 있어서도 경제성 측면에서도 매우 불리하다.At the current level of technology, the process of decomposing by supplying fluorine gas to the bottom of the torch flame is selected. This method is not only disadvantageous in terms of energy efficiency, but also insoluble in the plasma torch environment during discharge. Since only gas is used, it is also very disadvantageous in terms of economics in developing a large-capacity plasma system.

따라서 산화성환경에서도 안정적으로 운전이 가능한 내부식성이 높은 전극을 개발하면, 함불소가스를 토치 상단부에도 공급할 수 있는 등 공정의 유연성이 매우 높아지기 때문에 경제적으로나 에너지 효율면에서 플라즈마공정의 비약적인 향상을 꾀할 수 있다.Therefore, developing a highly corrosion-resistant electrode that can operate stably in an oxidizing environment can increase the flexibility of the process, such as supplying fluorine-containing gas to the upper end of the torch, resulting in a dramatic improvement in the plasma process in terms of economy and energy efficiency. have.

이에 못지 않게 함불소가스의 분해가 진행되는 반응기의 개발이 중요하게 되는데 이의 선결조건으로서 함불소가스를 분해하는 반응기의 열유동장 분포해석은 매우 중요하며 반응기 내부의 고른 온도분포는 함불소가스 처리효율에 있어서 매우 중요한 영향을 미치기 때문이다.Likewise, it is important to develop a reactor in which fluorine-containing gas is decomposed. As a prerequisite, the analysis of the distribution of heat flow in a reactor that decomposes fluorine-containing gas is very important. Because it has a very important effect on.

이러한 아크 열플라즈마를 이용한 함불소가스의 고효율 분해시스템을 개발하는데 있어서 막대한 비용과 시간이 드는 공정실험을 대신하여, 열플라즈마 발생과 반응기 내부의 초고온 유동 현상을 전산모사하여 해석함으로써, 다양한 공정조건에 대한 광범위한 예측자료를 생산할 수 있고, 특히 전산해석 결과를 바탕으로 함불소가스의 대량처리를 위한 최적 시스템의 설계 및 운전조건을 구체적으로 제시하여 실증플랜트의 구축과 운전에서 발생할 수 있는 시행착오를 줄임으로써 개발의 효율성을 향상시킬 수 있다.Instead of enormous cost and time-consuming process for developing high efficiency decomposition system of fluorine-containing gas using arc thermal plasma, it is possible to computerize and analyze thermal plasma generation and ultra high temperature flow phenomenon inside reactor, It is possible to produce a wide range of forecast data and, in particular, to present the design and operating conditions of the optimal system for mass treatment of fluorine-containing gas based on the results of computational analysis to reduce trial and error that may occur in the construction and operation of the demonstration plant. This can improve the efficiency of development.

상기와 같이 냉매 혹은 반도체 제조공정 중에 발생되는 PFCs, HFCs, SF6 등의 외부 배출량이 매우 많으며, 특히 HFC-23이 고순도 부산물로 다량 배출되는 관계로 대부분 공정들은 CDM(Clean Development Mechanism)사업과 연결되어 있지만, 소규모로 배출되는 HFC134a, NF3와 같은 함불소가스들은 발생원에서 그대로 희석가스로 배출되는 실정에 있다.As described above, external emissions such as PFCs, HFCs, and SF 6 generated during the refrigerant or semiconductor manufacturing process are very high, and in particular, many processes are connected to the CDM (Clean Development Mechanism) business because HFC-23 is emitted as a high-purity by-product. Although, small-scale fluorine-containing gases such as HFC134a and NF 3 are discharged as diluent gas from the source.

이와 같은 함불소가스는 산발적으로 발생되는 CO2와 비교한다면 발생지점이 한정되어 있어 저감이 상대적으로 용이하고 지구온난화 지수가 상대적으로 매우 높아 처리공장기술이 확보된다면 탄소배출권획득 측면에서 상당히 유리하다.Such fluorine-containing fluorine gas has a limited generation point compared to sporadically generated CO 2 , which is relatively easy to reduce and the global warming index is relatively high. Therefore, if the treatment plant technology is secured, it is advantageous in terms of obtaining carbon emission rights.

또한, 상대적으로 널리 분산되어 있는 함불소가스 발생원에 소규모처리를 적용하기 위해서 콤팩트한 공정이면서 안전하고 유연한 열플라즈마 공정을 적용하는 것이 대규모 설비가 필요한 소각공정보다 상대적으로 효과적이고 유용한 수단이라고 할 수 있다.In addition, applying a compact, safe and flexible thermal plasma process to apply small-scale treatment to relatively widely dispersed fluorine-containing gas sources can be said to be a more effective and useful means than incineration processes requiring large-scale facilities. .

한편, 열플라즈마 반응기는 폐기물인 함불소가스와 반응가스인 산소와 수증기가 잘 공급되는 동시에 플라즈마 토치에서 공급되는 고온의 플라즈마 가스와 잘 혼합되어, 함불소가스가 분해될 수 있는 온도로 유지되어야 하고, 또한 플라즈마 이온이 연속적으로 충돌해야 하므로 반응기의 상단은 침식에 잘 견디는 재질은 물론이고 이의 영향을 최소화할 수 있는 최적의 형태를 지녀야 한다.Meanwhile, the thermal plasma reactor should be maintained at a temperature at which the fluorine-containing gas is decomposed well while being well mixed with the high-temperature plasma gas supplied from the plasma torch while being well supplied with the waste fluorine-containing gas and the reactive gas oxygen and water vapor. In addition, since the plasma ions must continuously collide with each other, the top of the reactor should have an optimal shape that minimizes the effects as well as a material resistant to erosion.

이때, 상기 반응가스중 수증기는 반응기내에 수소이온을 공급해주는 역할을 하며, 이 수소이온은 함불소가스가 분해된 라디칼들이 다시 재결합하여 유해성분으로 생성되는 것을 억제하는 역할을 한다.At this time, the water vapor of the reaction gas serves to supply hydrogen ions in the reactor, this hydrogen ion serves to inhibit the radicals from which the fluorine-containing gas is recombined again to generate harmful components.

반응기내에서 함불소가스의 산화반응이 격렬하게 진행되면, 대부분의 가스가 분해되면서 강산이 발생되기 때문에 산화성 분위기에서 안정성이 있는 열플라즈마 반응기 설계기술 개발이 필요하고, 이와 같은 열플라즈마 기술은 최적의 열플라즈마 공정을 결정하는데 있어서 매우 중요한 수단이라 할 수 있다.
If the oxidization reaction of fluorine-containing gas proceeds violently in the reactor, most of the gas is decomposed and strong acid is generated. Therefore, it is necessary to develop the design technology of thermal plasma reactor which is stable in oxidizing atmosphere. It is a very important means in determining the thermal plasma process.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 함불소가스를 열플라즈마로 분해시키는 공정에서 핵심이 되는 함불소가스 분해반응기의 최적의 재질과 형상을 제공하고자 한 것으로서, ⅰ) 아크플라즈마 화염에 의해서 분해되기 전까지 함불소가스 그리고 반응가스인 산소와 수증기가 잘 혼합되는 와류가 형성되어야 하고, 잘 혼합된 반응가스와 플라즈마 불꽃과 균일한 접촉이 확보되어야 하는 점, ⅱ) 반응기 내부 상단부는 플라즈마 이온과 연속적으로 충돌해야 하므로 반응기 상단은 침식에 잘 견디는 재료는 물론이고, 이의 영향을 최소화할 수 있는 최적의 형태를 지녀야 하는 점, ⅲ) 함불소가스가 분해되는 과정에서 반응기내의 산화반응이 격렬하게 진행되면서 대부분 불소가 포함되는 강산이 발생되기 때문에 산화성 분위기에서 안정되게 하는 열플라즈마 반응기의 재질의 선택이 필요하고, 장기적으로는 플라즈마 이온 충돌에 의한 반응기의 침식을 피할 수 없기 때문에 교체부분을 최소화할 수 있는 최적의 반응기 형상 설계를 제공하는 점, 등의 특징을 만족시킬 수 있도록 한 고농축함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been studied in view of the above points, to provide an optimal material and shape of the fluorine-containing gas decomposition reactor which is the core in the process of decomposing fluorine-containing gas into thermal plasma, i) arc plasma Before decomposing by flame, vortex containing fluorine gas and reactant gas oxygen and water vapor should be well formed, and uniform contact with well mixed reaction gas and plasma flame should be ensured. Since the top of the reactor must continuously collide with the plasma ions, the top of the reactor must be of an erosion-resistant material as well as an optimal form to minimize the effects of the reactor. I) Oxidation reaction in the reactor during the decomposition of fluorine-containing gas As it proceeds vigorously, strong acids containing mostly fluorine are generated, It is necessary to select the material of the thermal plasma reactor, and in the long term, the erosion of the reactor due to plasma ion bombardment is inevitable, thus providing an optimal reactor shape design that minimizes replacement parts. The purpose is to provide a highly efficient thermal plasma reactor for high concentration fluorine gas pyrolysis that can be satisfied.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 서로 다른 직경 및 높이를 가지는 이중관 구조로서, 내부반응관과 외부반응관이 서로간에 반응기체 흐름통로를 위한 일정 간격을 형성하며 중첩된 이중관 반응기; 상기 외부반응관의 외경부에 일정 간격의 폐기체 흐름통로를 형성하며 배열되는 것으로서, 반응기체 흐름통로 및 폐기체 흐름통로에 각각 반응기체 및 폐기체를 공급하기 위한 반응기체 공급구와 폐기체 공급구가 하단부에 형성된 제1외부냉각관; 상기 제1외부냉각관의 외경부에 일정 간격의 냉각수 흐름통로를 형성하며 배열되는 것으로서, 상단 및 하단부에 각각 냉각수 흐름통로와 연통되는 냉각수 공급구 및 냉각수 배출구가 형성된 제2외부냉각관; 상기 제1외부냉각관 및 제2외부냉각관의 상단에 일체로 형성된 상부플랜지에 부착되는 플라즈마 토치 연결용 플레이트; 상기 내부 및 외부반응관의 하단이 체결되는 동시에 상기 제1외부냉각관 및 제2외부냉각관의 하단에 일체로 형성된 하부플랜지와 결합되는 배출블럭; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기를 제공한다.The present invention for achieving the above object is a double tube structure having a different diameter and height, the inner tube and the outer tube is a double tube reactor overlapping each other forming a predetermined interval for the flow path of the reactor body; It is arranged to form a waste gas flow passage at regular intervals in the outer diameter portion of the external reaction tube, a reactor gas supply port and waste gas supply port for supplying the reactor and waste gas to the reactor flow passage and waste gas flow passage, respectively A first external cooling tube formed at a lower end thereof; A second external cooling tube arranged to form a cooling water flow passage at a predetermined interval in an outer diameter portion of the first external cooling tube, and having a cooling water supply port and a cooling water discharge port communicating with the cooling water flow passage at upper and lower ends, respectively; A plate for connecting a plasma torch attached to an upper flange integrally formed at an upper end of the first external cooling tube and the second external cooling tube; A discharge block coupled to lower ends of the inner and outer reaction tubes and coupled to a lower flange formed integrally with lower ends of the first outer cooling tube and the second outer cooling tube; It provides a high efficiency thermal plasma reactor for pyrolysis of highly concentrated fluorine-containing gas, characterized in that configured to include.

본 발명의 바람직한 일 구현예로서, 상기 내부반응관과 외부반응관의 상단은 자유단으로서, 그 길이를 동일하게 채택하되, 외부반응관보다 더 큰 높이를 갖도록 내부반응관의 상단에 별도의 중공 캡이 분리 가능하게 삽입 체결된 것을 특징으로 한다.As a preferred embodiment of the present invention, the upper end of the inner reaction tube and the outer reaction tube is a free end, the same length is adopted, but a separate hollow on the upper end of the inner reaction tube to have a higher height than the outer reaction tube It is characterized in that the cap is detachably inserted.

본 발명의 바람직한 다른 구현예로서, 상기 내부반응관과 외부반응관, 플라즈마 토치 연결용 플레이트는 인코넬 금속 재질로 만들어지고, 상기 제1외부냉각관 및 제2외부냉각관, 배출블럭은 스테인레스 스틸 316 재질로 만들어진 것을 특징으로 한다.In another preferred embodiment of the present invention, the inner reaction tube and the outer reaction tube, the plate for connecting the plasma torch is made of Inconel metal material, the first outer cooling tube and the second outer cooling tube, the discharge block is made of stainless steel 316 Characterized in that made of a material.

본 발명의 바람직한 또 다른 구현예로서, 플라즈마 토치 출구인 토치 연결용 플레이트가 장착된 위치에서 내부반응관의 입구까지의 거리(A)와 내부반응관의 지름(C)에 대한 비율(S=A/C)이 0.5~1.75가 되도록, 더욱 바람직하게는 1.125가 되도록 제작된 것을 특징으로 한다.In another preferred embodiment of the present invention, the ratio of the distance (A) to the inlet of the inner reaction tube and the diameter (C) of the inner reaction tube from the position where the torch connection plate, which is the plasma torch outlet, is mounted (S = A) / C) is 0.5 to 1.75, and more preferably 1.125 characterized in that the production.

본 발명의 바람직한 또 다른 구현예로서, 플라즈마 토치 출구인 토치 연결용 플레이트가 장착된 위치에서 외부반응관의 선단까지의 거리(B)를 16mm~56mm 범위로 하여, 더욱 바람직하게는 56mm로 정하여 제작된 것을 특징으로 한다.As another preferred embodiment of the present invention, the distance (B) from the position where the torch connection plate, which is the plasma torch outlet, is mounted to the tip of the external reaction tube in the range of 16 mm to 56 mm, more preferably set to 56 mm It is characterized by.

특히, 상기 배출블럭은: 내부반응관의 중공부와 상하로 일치하는 중공의 배출관과; 상기 배출관의 상단 및 하단에 일체로 형성된 상단플랜지 및 하단플랜지와; 상단플랜지의 상면에서 배출관 외주부 위치에 위쪽으로 돌출 형성된 보스부와; 상단플랜지 및 하단플랜지 사이에 위치되는 동시에 배출관의 외경부에 배열되는 보조냉각관; 으로 구성된 것을 특징으로 한다.Particularly, the discharge block includes: a hollow discharge pipe that vertically coincides with the hollow portion of the internal reaction pipe; An upper flange and a lower flange formed integrally with the upper and lower ends of the discharge pipe; A boss portion protruding upward from a discharge pipe outer circumferential position on an upper surface of the upper flange; An auxiliary cooling pipe positioned between the upper flange and the lower flange and arranged at an outer diameter of the discharge pipe; .

또한, 상기 내부반응관 및 외부반응관의 하단부 사이공간으로 보스부가 삽입 체결되고, 외부반응관의 하단끝은 상단플랜지의 상면에 지지되는 동시에 내부반응관의 하단끝은 단턱에 지지되는 것을 특징으로 한다.In addition, the boss portion is inserted into the space between the lower end of the inner reaction tube and the outer reaction tube, the lower end of the outer reaction tube is supported on the upper surface of the upper flange and at the same time the lower end of the inner reaction tube is supported on the step do.

또한, 상기 제1외부냉각관 및 제2외부냉각관의 하단끝에 형성된 하부플랜지의 저면과, 상기 배출블럭의 상단플랜지의 상면 사이에는 실링부재가 삽입되고, 상기 배출블럭의 소정 위치에는 열전대가 설치된 것을 특징으로 한다.
In addition, a sealing member is inserted between a bottom surface of a lower flange formed at lower ends of the first external cooling tube and the second external cooling tube and an upper surface of the upper flange of the discharge block, and a thermocouple is installed at a predetermined position of the discharge block. It is characterized by.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.Through the above problem solving means, the present invention provides the following effects.

본 발명에 따르면, 대량 고농도의 함불소가스를 처리하는데 고효율 열플라즈마 반응기를 최적으로 설계 제작하는 방법을 제시함으로써, 기존 소각 또는 플라즈마 장치시스템의 공정 크기를 감소되는 배가스양 만큼 줄일 수 있어, 배가스 처리장치의 용량증설 한계 및 안전성 문제를 해소함과 더불어 상당한 상업적 및 경제적 효과를 기대할 수 있다.According to the present invention, by presenting a method for optimally designing and manufacturing a high-efficiency thermal plasma reactor for treating a large concentration of fluorine-containing gas, it is possible to reduce the process size of the existing incineration or plasma apparatus system by the amount of exhaust gas reduced, exhaust gas treatment Significant commercial and economic effects can be expected, as well as eliminating capacity expansion limitations and safety issues.

이에, 함불소가스와 반응가스인 산소와 수증기가 와류를 형성하며 플라즈마 불꽃과 균일한 접촉을 확보할 수 있고, 플라즈마 이온과 연속적으로 충돌해야 하는 반응기의 내부 및 외부반응관 등을 인코넬 등과 같은 재질로 적용하여 침식의 영향을 최소화할 수 있다.Therefore, fluorine-containing gas and oxygen, which are reactive gases, and water vapor form vortices to ensure uniform contact with the plasma flame, and internal and external reaction tubes of the reactor that must continuously collide with plasma ions such as Inconel. It can be applied to minimize the effects of erosion.

또한, 플라즈마 이온 충돌에 의한 반응기의 침식을 피할 수 없지만, 내부반응관의 선단부에 교체 가능한 캡을 둠으로써, 침식의 영향을 더욱 최소화시켜, 반응기의 전체 비용절감 및 공정의 안정성 향상에 기여할 수 있다.
In addition, although erosion of the reactor due to plasma ion bombardment is inevitable, by providing a replaceable cap at the tip of the inner reaction tube, the influence of erosion can be further minimized, contributing to the overall cost reduction of the reactor and improvement of process stability. .

도 1a는 본 발명의 열분해 반응기 제작을 위하여 반응로 영역에서 발생하는 초고온 유동 현상에 대한 전산모사를 위한 개념도,
도 1b는 도 1a의 반응로 영역에서의 온도분포 전산해석 결과 도면,
도 1c는 도 1a의 반응로 영역에서의 축방향 속도분포 전산해석 결과 도면,
도 2는 본 발명에 따른 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기를 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예1에 따라 제작된 반응기로서, HFC-23 반응 실험후 모습을 나타내는 실제 관찰 사진,
도 4는 본 발명에 따른 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기로서, 최적화된 플라즈마 반응기 형상을 설명하는 요부 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예2에 따라 플라즈마 토치출구부터 외부반응관까지의 거리 B를 조절하여 제작된 반응기로서, HFC-23 반응 실험후 모습을 나타내는 실제 관찰 사진.
Figure 1a is a conceptual diagram for the computer simulation for the ultra-high temperature flow phenomenon occurring in the reactor zone for the production of the pyrolysis reactor of the present invention,
Figure 1b is a result of the temperature distribution computerized analysis in the reactor region of Figure 1a,
Figure 1c is a result of the axial velocity distribution computational analysis in the reactor region of Figure 1a,
2 is a cross-sectional view showing a high efficiency thermal plasma reactor for pyrolysis of highly concentrated fluorine-containing gas according to the present invention;
3 is a reactor manufactured according to Example 1 of the present invention, the actual observation picture showing the appearance after the HFC-23 reaction experiment,
Figure 4 is a high-efficiency thermal plasma reactor for pyrolysis of highly concentrated fluorine-containing gas according to the present invention, the main cross-sectional view illustrating the optimized plasma reactor shape,
Figure 5 is a reactor produced by adjusting the distance B from the plasma torch outlet to the external reaction tube according to Example 2 of the present invention, the actual observation picture showing the appearance after the HFC-23 reaction experiment.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 ⅰ)열플라즈마 기반의 열분해 반응기의 구성중 플라즈마 토치 영역을 MHD(Magnetohydrodynamics) 전산해석 코드인 DCPTUN을 사용하여 전산모사하고, 이로부터 계산된 열플라즈마 제트의 특성을 경계조건으로 하여 열분해 반응로 영역의 초고온 유동 현상을 상용 FLUENT 6.2코드를 이용하여 전산모사하여, 실제 열플라즈마 반응기를 제작한 점, ⅱ)HFC-23 함불소가스를 실제 열분해하는 여러 형상을 갖는 반응기의 반응로 영역에서의 유동현상을 계산치로 구하고, 실험값과 비교하여 반응효율이 최대가 되는 반응기 형상을 도출한 점, ⅲ)다양한 재질의 열플라즈마 반응기에 대해서 장시간에 걸친 내부식 정도를 실측하여 최적의 반응기 재질을 도출한 점, ⅳ)실험결과에 의거하여 최적의 형태의 플라즈마 반응기 재질과 반응기 내부형상을 제시하고, 이를 이용하여 농축함불소가스를 열플라즈마 공정에 의해 분해시키는데 효과적인 반응기 설계법을 제시한 점, 등을 특징으로 하는 고농축함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기를 제공하고자 한 것이다.The present invention is to simulate the plasma torch area of the thermal plasma-based pyrolysis reactor using DCPTUN, MHD (Magnetohydrodynamics) computational analysis code, and pyrolysis reaction based on the characteristics of the thermal plasma jet calculated therefrom. The ultra high temperature flow phenomenon in the furnace area was simulated using a commercial FLUENT 6.2 code to produce an actual thermal plasma reactor. Ii) In the reactor area of a reactor having various shapes that actually pyrolyze HFC-23 fluorine-containing gas. The flow phenomenon was calculated from the calculated values, and the reactor shape was maximized by comparing the experimental value. I) The optimum reactor material was derived by measuring the corrosion resistance over a long period of time for various thermal plasma reactors. Based on the test results, the optimal plasma plasma material and the internal shape of the reactor are presented. The concentrated fluorinated gases intended to provide a highly efficient thermal plasma reactor for the highly concentrated fluorine-containing pyrolysis gas, characterized in such a point, the proposed effective reactor design method sikineunde decomposed by the thermal plasma process.

이를 위해, 본 발명의 열플라즈마 반응기에 대한 최적 설계를 위한 전산모사 과정을 실시하였는 바, 첨부한 도 1a는 본 발명에 따른 열플라즈마 반응기의 설계를 위하여, 반응기의 반응로 영역에서의 초고온 유동현상에 대한 전산모사를 실시한 개념도이다.To this end, the computer simulation process for the optimal design of the thermal plasma reactor of the present invention was carried out, the accompanying Figure 1a for the design of the thermal plasma reactor according to the present invention, ultra-high temperature flow phenomenon in the reactor region of the reactor This is a conceptual diagram of computer simulations for.

실제 열분해 공정 실험에서 사용하는 토치 운전조건중 하나로서, 전류 50 A와 질소 50 slpm으로 하여 전산모사를 수행하였는 바, 그 계산결과 나타난 아크전압은 149.5 V로 실제 실험에서 측정된 평균전압 약 150.0 V와 잘 일치하였고, 계산된 토치의 열효율은 0.677로 일반적으로 알려져 있는 질소 방전을 이용하는 플라즈마 토치의 열효율에 잘 부합하였다.As one of the torch operating conditions used in the actual pyrolysis process experiment, computer simulation was performed with current 50 A and nitrogen 50 slpm. The calculated arc voltage was 149.5 V, and the average voltage measured in the actual experiment was about 150.0 V. The thermal efficiency of the torch calculated is in good agreement with the thermal efficiency of the plasma torch using nitrogen discharge, commonly known as 0.677.

이러한 토치 운전조건에 대한 전산해석 결과, 토치의 출구이자 반응기의 반응로 입구에서 최대 40m/s 정도의 고속 제트가 불꽃 외곽 영역을 제외하고는 4,000 K 정도의 온도분포를 가지고 분출됨을 알 수 있었다.Computational analysis of the torch operating conditions indicated that a high-speed jet of up to 40 m / s at the outlet of the torch and the reactor inlet was ejected with a temperature distribution of about 4,000 K except for the flame region.

또한, 반응기의 폐기체 주입구로 49.02 slpm의 공기와, 16.00 slpm의 CHF3가 300 K의 등온조건으로 주입되고, 동시에 반응기의 반응성 기체 주입구로 0.50 slpm의 공기와 20.80 slpm의 수증기가 400 K의 등온조건으로 주입되는 상황을 전산모사하였다.In addition, 49.02 slpm of air and 16.00 slpm of CHF 3 were injected into the reactor at 300 K isothermal conditions, while 0.50 slpm of air and 20.80 slpm of water vapor were 400 K into the reactor. Computer simulations of the conditions injected into the conditions.

상기 반응로 내부의 기하학적인 치수와 사용된 재료는 실제 제작되는 반응기의 반응로와 동일하게 적용하였고, 반응기의 출구 경계는 열전대로 온도 측정이 이루어지는 위치로 하여, 전사모사시의 온도측정에 대한 계산결과와 실제 실험결과가 일치하는지 비교하였다.The geometrical dimensions of the reactor and the materials used were applied in the same way as the reactor of the reactor, and the exit boundary of the reactor was the position where the temperature was measured by the thermocouple. Was compared with the actual experimental results.

첨부한 도 1b는 반응기의 반응로 영역에서의 온도 분포에 대한 전사모사 해석 결과를 나타내는 그래프로서, 이를 참조하면 반응기의 내부 온도는 대부분 1,300K 이상으로 CHF3의 열분해에 충분한 온도를 나타남을 알 수 있었고, 인코넬의 예상 최고온도는 1,500 K 정도로 용융점보다 낮게 나타났으며, 이에 반응성 기체로 사용되는 수증기가 주입되는 채널에서는 수백 K 이상의 충분한 온도가 잘 유지되기 때문에 수증기가 응결되지 않고 효과적으로 반응할 것으로 예측할 수 있었고, 열전대 측정 위치에서 예상된 온도는 1,600 K 정도로 실험결과와 잘 일치함을 알 수 있었다.FIG. 1B is a graph showing the results of transcriptional simulation analysis of the temperature distribution in the reactor region of the reactor. Referring to this, it can be seen that the internal temperature of the reactor is more than 1,300K, indicating a sufficient temperature for thermal decomposition of CHF 3 . Inconel's expected maximum temperature was lower than the melting point of about 1,500 K. In the channel into which steam is used as reactive gas, sufficient temperature of several hundred K is maintained so that water vapor can react effectively without condensation. The temperature predicted at the thermocouple measurement position was found to be in good agreement with the experimental results at about 1,600 K.

첨부한 도 1c는 반응기의 반응로 내의 축방향 속도분포를 나타내는 그래프로서, 이를 참조하면 반응로의 중심축 주변의 속도가 약 20 m/s정도로 거의 일정하여 약 0.02 초 정도의 반응시간이 예상됨을 알 수 있었고, 반응로 입구로부터 축방향으로 30 mm 정도 떨어진 지점의 반응로 벽 근처에서 반응로 내부의 구조와 열플라즈마 제트가 가지는 고속 특성으로 인해 와류가 형성되어 있음을 확인할 수 있었다.Figure 1c is a graph showing the axial velocity distribution in the reactor of the reactor, referring to this, the speed around the center axis of the reactor is approximately constant at about 20 m / s, the reaction time of about 0.02 seconds is expected It was found that vortices were formed due to the structure of the reactor and the high speed characteristics of the thermal plasma jet near the reactor wall about 30 mm away from the inlet of the reactor.

이러한 와류는 열플라즈마 제트와 폐기체 및 반응기체의 혼합을 원활하게 유도하여, 대부분의 CHF3가 열분해에 충분한 고온영역으로 진입할 것으로 예측할 수 있게 해준다.These vortices facilitate the mixing of thermal plasma jets with waste and reactor gases, making it possible to predict that most CHF 3 will enter a high temperature zone sufficient for pyrolysis.

이와 같이, 하나의 운전조건과 반응로 구조에서의 열분해 공정에 대한 전산모사를 실제 열분해 공정에 사용된 조건을 적용하여 진행하였는 바, 그 계산결과가 실험에 의한 측정값들과 잘 일치하여 성공적인 전산모사가 이루어졌음을 확인할 수 있었다.In this way, the computer simulation of the pyrolysis process in one operating condition and reactor structure was carried out by applying the conditions used in the actual pyrolysis process. It was confirmed that the simulation was done.

따라서, 상기한 전산모사의 결과를 기반으로 하여, 다양한 운전 및 반응로 조건을 서로 다르게 확장하면서, 실제 본 발명에 따른 열플라즈마 반응기의 설계를 용이하여 수행할 수 있다.Therefore, based on the results of the computer simulation, it is possible to easily carry out the design of the thermal plasma reactor according to the present invention while extending the various operating and reactor conditions differently.

여기서, 본 발명에 따른 열플라즈마 반응기에 대한 구조를 설명하면 다음과 같다.Here, the structure of the thermal plasma reactor according to the present invention will be described.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 열플라즈마 반응기의 형상을 보여주는 단면도로서, 이중관 반응기(10)가 중심부에 배열되고, 이중관 반응기(10)의 외부반응관(14)의 외경부에는 제1외부냉각관(16)이 배열되며, 제1외부냉각관(16)의 외경부에는 제2외부냉각관(20)이 배열된 구조로 되어 있다.2 is a cross-sectional view showing a shape of a thermal plasma reactor according to the present invention, in which a double tube reactor 10 is arranged at a central portion, and a first external cooling is performed at an outer diameter of an external reaction tube 14 of the double tube reactor 10. The tube 16 is arrange | positioned, and the outer diameter part of the 1st external cooling tube 16 has the structure which the 2nd external cooling tube 20 was arranged.

상기 이중관 반응기(10)는 인코넬(Inconel) 금속으로 만들어진 서로 다른 직경 및 높이를 갖는 사이폰 형태의 내부반응관(12) 및 외부반응관(14)으로 구성되는데, 내부반응관(12)은 외부반응관보다 더 긴 것으로 채택되고, 상기 제1외부냉각관(16) 및 제2외부냉각관(20)은 동일한 길이로 채택되되 외부반응관(14)보다 더 긴 것으로 채택된다.The double tube reactor 10 is composed of an inner reaction tube 12 and an outer reaction tube 14 of siphon type having different diameters and heights made of Inconel metal, and the inner reaction tube 12 is external Longer than the reaction tube, the first external cooling tube 16 and the second external cooling tube 20 are adopted to be the same length but longer than the external reaction tube 14.

상기 제1외부냉각관(16)의 하단부에서 그 양쪽 위치에는 각각 반응기체 공급구(16a)와 폐기체 공급구(16b)가 형성되고, 상기 외부반응관(16)의 하단부에는 반응기체 공급구(16a)와 일치되는 연통구(14a)가 형성되며, 상기 제2외부냉각관(20)의 하단 및 상단에는 각각 냉각수 공급구(20a)와 냉각수 배출구(20b)가 형성된다.A reactor gas supply port 16a and a waste gas supply port 16b are formed at both ends of the lower end of the first external cooling tube 16, respectively, and a reactor gas supply port is provided at the lower end of the external reaction tube 16. A communication port 14a is formed to match the 16a, and a cooling water supply port 20a and a cooling water discharge port 20b are formed at lower and upper ends of the second external cooling pipe 20, respectively.

또한, 상기 제1외부냉각관(16) 및 제2외부냉각관(20)의 상단 및 하단끝에는 각각 상부플랜지(22) 및 하부플랜지(24)가 일체로 조립되고, 상부플랜지(22)의 중앙부에는 인코넬 금속판으로 이루어진 플라즈마 토치 연결용 플레이트(26)가 부착된다.In addition, an upper flange 22 and a lower flange 24 are integrally assembled at upper and lower ends of the first outer cooling tube 16 and the second outer cooling tube 20, respectively, and a central portion of the upper flange 22 is formed. Attached to the plate 26 is a plasma torch connection plate made of an Inconel metal plate.

또한, 상기 이중관 반응기(10)의 내부반응관(12) 및 외부반응관(14)의 하단에는 SUS316 재질로 만들어진 배출관(32)을 갖는 배출블럭(30)이 조립된다.In addition, a discharge block 30 having a discharge pipe 32 made of SUS316 is assembled at the lower ends of the internal reaction tube 12 and the external reaction tube 14 of the double tube reactor 10.

상기 배출블럭(30)의 구조를 좀 더 상세하게 살펴보면, 내부반응관(12)의 중공부와 상하로 일치하는 중공의 배출관(32)과, 이 배출관(32)의 상단 및 하단에 일체로 형성된 상단플랜지(34) 및 하단플랜지(36)와, 상단플랜지(34)의 상면에서 배출관(32) 외주부 위치에 위쪽으로 돌출 형성된 보스부(38)와, 상단플랜지(34) 및 하단플랜지(36) 사이에 위치되는 동시에 배출관(32)의 외경부에 배열되는 보조냉각관(39)을 포함하여 구성된다.Looking at the structure of the discharge block 30 in more detail, the hollow discharge pipe 32 and up and down coincident with the hollow portion of the inner reaction tube 12, and formed integrally with the upper and lower ends of the discharge pipe (32) The upper flange 34 and the lower flange 36, the boss portion 38 protruding upwardly at the outer peripheral position of the discharge pipe 32 on the upper surface of the upper flange 34, the upper flange 34 and the lower flange 36 It is configured to include an auxiliary cooling pipe (39) positioned between and arranged in the outer diameter portion of the discharge pipe (32).

이때, 상기 보스부(38)와 배출관(32)의 경계부에는 단턱(40)이 형성되고, 상기 보조냉각관(39)의 일측 및 타측에는 각각 냉각수 유입구(39a) 및 냉각수 유출구(39b)가 형성된다.In this case, the stepped portion 40 is formed at the boundary between the boss portion 38 and the discharge pipe 32, and the coolant inlet 39a and the coolant outlet 39b are formed at one side and the other side of the auxiliary cooling tube 39, respectively. do.

따라서, 상기 이중관 반응기(10)의 하단에 배출블럭(30)이 결합되는 바, 이중관 반응기(10)의 내부반응관(12) 및 외부반응관(14)의 하단부 사이공간으로 보스부(38)가 삽입 체결되어, 외부반응관(14)의 하단끝은 상단플랜지(34)의 상면에 지지되는 동시에 내부반응관(12)의 하단끝은 단턱(40)에 지지되는 상태가 된다.Therefore, the discharge block 30 is coupled to the lower end of the double tube reactor 10, the boss portion 38 to the space between the lower end of the inner reaction tube 12 and the outer reaction tube 14 of the double tube reactor (10). Is inserted and fastened, the lower end of the outer reaction tube 14 is supported on the upper surface of the upper flange 34, and the lower end of the inner reaction tube 12 is supported by the step 40.

또한, 상기 제1외부냉각관(16) 및 제2외부냉각관(20)의 하단끝에 조립된 하부플랜지(24)의 저면과, 상기 배출블럭(30)의 상단플랜지(34)의 상면이 실링부재(18)를 매개로 접합된다.In addition, the bottom surface of the lower flange 24 assembled at the lower ends of the first external cooling tube 16 and the second external cooling tube 20 and the upper surface of the upper flange 34 of the discharge block 30 are sealed. The member 18 is joined.

상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 열플라즈마 반응기에서, 이중관 반응기(10)의 내부반응관(12) 및 외부반응관(14) 사이공간은 반응기체 공급구(16a)로부터 공급되는 반응기체 흐름통로(13)가 되고, 외부반응관(14)의 외경과 제1외부냉각관(16)의 내경 사이공간은 폐기체 공급구(16b)로부터 공급되는 폐기체 흐름통로(15)가 되며, 제1외부냉각관(16)의 외경과 제2외부냉각관(20)의 내경 사이공간은 냉각수 흐름통로(19)가 된다.In the thermal plasma reactor of the present invention having the above-described configuration, the space between the inner reaction tube 12 and the outer reaction tube 14 of the double tube reactor 10 is a reactor gas flow passage supplied from the reactor gas supply port 16a ( 13), and the space between the outer diameter of the outer reaction tube 14 and the inner diameter of the first outer cooling tube 16 becomes the waste body flow passage 15 supplied from the waste body supply port 16b. The space between the outer diameter of the cooling tube 16 and the inner diameter of the second outer cooling tube 20 becomes the cooling water flow passage 19.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 열플라즈마 반응기의 작동 흐름을 간략히 살펴보면 다음과 같다.Looking briefly the operating flow of the thermal plasma reactor of the present invention made of such a configuration.

질소 방전을 이용하는 플라즈마 토치가 플라즈마 토치 연결용 플레이트(26)에 연결된 상태에서 반응기의 반응로 입구 즉, 내부 및 외부반응관(12,14)을 향하여 고속 제트의 토치 화염을 인가하게 된다.The plasma torch using the nitrogen discharge is applied to the reactor inlet of the reactor in the state connected to the plate 26 for connecting the plasma torch, that is, the torch flame of the high speed jet toward the inner and outer reaction tubes 12 and 14.

이와 함께, 상기 폐기체 공급구(16b)를 통하여 HFC-23, CHF3등과 같은 분해 대상의 가스를 공급하면, 이 가스는 폐기체 흐름통로(15)를 따라 외부반응관(14)의 상단으로 공급된다.In addition, when the gas to be decomposed such as HFC-23, CHF 3, etc. is supplied through the waste gas supply port 16b, the gas flows to the upper end of the external reaction tube 14 along the waste gas flow passage 15. Supplied.

또한, 상기 반응기체 공급구(16a)를 통하여 폐기체의 분해에 필요한 반응기체인 수증기와 공기를 공급하면, 이 반응기체도 외부반응관(16)의 하단부에 형성된 는 연통구(14a)를 지나서 반응기체 흐름통로(13)를 따라 내부반응관(14)의 상단으로 공급된다.In addition, when steam and air, which is a reactor body necessary for decomposition of the waste body, are supplied through the reactor body supply port 16a, the reactor body also reacts through the communication port 14a formed at the lower end of the external reaction tube 16. It is supplied to the upper end of the internal reaction tube 14 along the gas flow passage 13.

이에, 상기 내부 및 외부반응관(12,14)의 상단부 공간에서 폐기체와 반응가스가 서로 혼합되는 동시에 토치 화염에 의하여 열분해되고, 분해된 가스열 등이 배출블럭(30)의 배출관(32)을 통해 배출된다.Thus, the waste body and the reaction gas are mixed with each other in the upper space of the inner and outer reaction tubes (12, 14) and thermally decomposed by a torch flame, and the decomposed gas heat is discharge pipe 32 of the discharge block 30. Is discharged through.

물론, 상기 제2외부냉각관(20)를 흐르는 냉각수는 고온 상태인 제1외부냉각관(16)의 안쪽 영역에 대한 냉각을 실시하게 되고, 상기 배출블럭(30)의 보조냉각관(39)내를 흐르는 냉각수는 배출관(32)내를 흐르는 배출가스의 냉각을 실시하게 된다.Of course, the cooling water flowing through the second external cooling tube 20 is cooled to the inner region of the first external cooling tube 16 in a high temperature state, and the auxiliary cooling tube 39 of the discharge block 30. The cooling water flowing therein cools the exhaust gas flowing in the discharge pipe 32.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

실시예1Example 1

본 발명의 열플라즈마 반응기의 내부 형상에 따른 플라즈마 분해효율 등의 성능을 조사하기 위하여, 이중관 반응기(10)의 내부반응관(12) 및 외부반응관(14), 제1외부냉각관(16), 제2외부냉각관(20)의 지름은 각각 32mm, 52mm, 72mm, 103.6으로 일정하게 유지하고, S=A/C의 비를 0.5에서 1.75까지 변화시켰다.In order to investigate the performance of the plasma decomposition efficiency according to the internal shape of the thermal plasma reactor of the present invention, the internal reaction tube 12 and the external reaction tube 14 of the double tube reactor 10, the first external cooling tube 16 The diameter of the 2nd external cooling pipe 20 was kept constant at 32 mm, 52 mm, 72 mm, and 103.6, respectively, and the ratio of S = A / C was changed from 0.5 to 1.75.

즉, 열플라즈마 반응기의 내부 형상에 따른 플라즈마 분해효율 실험을 위하여, 플라즈마 토치출구(중앙에 분출홀을 갖는 토치 연결용 플레이트(26)가 장착된 위치)와 내부반응관(12)의 입구까지의 거리(A)와 내부반응관(12)의 지름(C)에 대한 비율인 S=A/C의 비를 각각 0.5, 1.125, 1.75로 변화시키면서 반응기를 제작하였는 바, 그 실제 제작품은 도 3에 도시된 바와 같다.That is, for the plasma decomposition efficiency experiment according to the internal shape of the thermal plasma reactor, the plasma torch outlet (the position where the torch connecting plate 26 having the ejection hole in the center) and the inlet of the internal reaction tube 12 The reactor was manufactured while changing the ratio of S = A / C, which is a ratio of the distance (A) and the diameter (C) of the internal reaction tube 12, to 0.5, 1.125, and 1.75, respectively. As shown.

상기 이중관 반응기(10)의 외부반응관(14)과 제1외부냉각관(16)은 내부반응관(12)의 지름(C) 변화와, 반응기체의 양과 흐름에 영향을 주지 않는 범위에서 제작할 수 있다.The external reaction tube 14 and the first external cooling tube 16 of the double tube reactor 10 may be manufactured in a range that does not affect the diameter (C) change of the internal reaction tube 12 and the amount and flow of the reactor body. Can be.

이때, 반응기의 내부 형상을 변화에 따른 반응기의 출구가스온도를 측정하고자, 실험적 조건에서 측정되는 반응기의 온도측정위치로서 반응기의 하단 5cm 되는 곳(내부반응관(12)의 5cm 아래쪽 배출블럭(30) 위치)에 열전대(thermocouple, 미도시됨)를 설치하였다.At this time, in order to measure the outlet gas temperature of the reactor according to the change in the internal shape of the reactor, the bottom 5cm of the reactor as the temperature measurement position of the reactor measured under the experimental conditions (5cm bottom discharge block of the inner reaction tube 12 (30) Thermocouple (not shown).

실험예1Experimental Example 1

상기한 전사모사에 의해서 조사된 플라즈마 반응기 내부의 속도 및 온도분포, 그리고 플라즈마 분해율에 대한 실제 실험실 성능을 조사하기 위해서, 실시예1에 따른 반응기의 S=A/C 비를 0.5에서 1.75까지 변화시키면서 폐기체 공급구를 통해 폐기체의 흐름통로로 HFC-23을 주입하여 플라즈마 분해효율을 평가하였다.In order to investigate the actual laboratory performance on the velocity and temperature distribution and the plasma decomposition rate in the plasma reactor irradiated by the above-described transfer simulation, while changing the S = A / C ratio of the reactor according to Example 1 from 0.5 to 1.75 Plasma decomposition efficiency was evaluated by injecting HFC-23 into the waste passage through the waste feed port.

이때, 사용된 플라즈마 토치의 열플라즈마 전력은 7.5kW( 50A, 150V )이고, 플라즈마 형성을 위한 질소 가스의 용량은 50 slpm 이었다.At this time, the thermal plasma power of the plasma torch used was 7.5kW (50A, 150V), the capacity of nitrogen gas for plasma formation was 50 slpm.

또한, 폐분해물로 사용된 HFC-23의 기본유량은 2.5 slpm이며 완전한 분해를 위한 수증기와 공기의 유량은 이론적인 HFC-23의 분해에 필요한 수증기와 공기의 양보다 각각 30% 많은 3.25slpm(2.61ml aq/min), 7.74slpm를 공급하였다.In addition, the basic flow rate of HFC-23 used as waste decomposition products is 2.5 slpm, and the flow rate of water vapor and air for complete decomposition is 3.25 slmp (2.61), which is 30% more than the amount of water vapor and air required for the theoretical decomposition of HFC-23. ml aq / min), 7.74slpm.

그리고, 반응기의 효율을 검증하기 위한 온도 측정을 위해 반응기 출구온도와 배출블럭의 보조냉각관을 통과한 후의 가스의 온도를 측정하였다.Then, the temperature of the gas after passing through the reactor outlet temperature and the auxiliary cooling tube of the discharge block was measured for temperature measurement to verify the efficiency of the reactor.

HFC-23에 대한 분해율 분석은 가스크로마토그래피(HP 6890) 불꽃이온화 검출기(Flame Ionization Detector, FID )에 의해 진행되었으며 분석조건은 다음과 같았다. Degradation rate analysis for HFC-23 was performed by gas chromatography (HP 6890) Flame Ionization Detector (FID) and the analysis conditions were as follows.

가스크로마토그래피 불꽃이온화 검출기의 사용컬럼을 HP5-MS(30m × 0.25mm × 0.25㎛)로 사용하면서, 사용컬럼의 입구온도 120℃, 압력 23.64 psi, 분리비(split ratio)는 5:1, 수소가스 유량 11 ml/min, 오븐 온도 180℃, 컬럼유량 1.1 cc/min, 검출기 온도 250℃로 각각 유지하였다.Using the gas chromatography flame ionization column with HP5-MS (30m × 0.25mm × 0.25㎛), the column has an inlet temperature of 120 ° C, pressure 23.64 psi, split ratio of 5: 1, and hydrogen gas. The flow rate was maintained at 11 ml / min, oven temperature 180 deg. C, column flow rate 1.1 cc / min, and detector temperature 250 deg.

이러한 실험예1에 따른 결과는 아래의 표 1에 기재된 바와 같다.The results according to Experimental Example 1 are as described in Table 1 below.

Figure 112010029349451-pat00001
Figure 112010029349451-pat00001

위의 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예1에 따라 제작된 반응기 내부 형상에 따른 플라즈마 분해효율 실험에서, 반응기 출구온도는 약 1000~1300℃범위를 나타냈으며, 플라즈마 열분해 후의 각 조건에서의 효율은 99.5 % 이상의 효율을 나타냄을 알 수 있었다.As shown in Table 1 above, in the plasma decomposition efficiency experiment according to the inner shape of the reactor prepared according to Example 1, the reactor outlet temperature was in the range of about 1000 ~ 1300 ℃, the efficiency at each condition after the plasma pyrolysis It was found that the efficiency was 99.5% or more.

그러나, 도 3의 사진에서 보듯이, S(=A/C)의 비율이 1.75일 때는 반응가스의 혼합이 불완전하여 S(=A/C)의 비율이 1.125 일 때 보다 미반응 카본 및 금속산화물이 조금 더 생성되어 반응기의 내부에 침착되는 현상을 볼 수 있었으며, 또한 S(=A/C)의 비율이 0.5일 때 즉, 토치 화염과 반응기가 가까우면 화염의 영향으로 인하여 분해 실험중 반응기가 녹아, 반응기에 홀(hole)과 금속산화물이 생기는 현상이 발생하였다.However, as shown in the photograph of FIG. 3, when the ratio of S (= A / C) is 1.75, the reaction gas is incompletely mixed, and the unreacted carbon and metal oxides are larger than when the ratio of S (= A / C) is 1.125. It was observed that a little more formation and deposition inside the reactor were observed. Also, when the ratio of S (= A / C) is 0.5, that is, when the torch flame is close to the reactor, the reactor is decomposed due to the influence of the flame. Melting, a phenomenon that a hole (hole) and a metal oxide is generated in the reactor.

또한, 표 1에서 보는 바와 같이 실험예1을 통해 얻어진 반응기의 온도는 상기한 전사모사 과정에서 얻어진 전산수치값과 거의 일치하는 것을 알 수 있었다.In addition, as shown in Table 1, the temperature of the reactor obtained through Experimental Example 1 was found to be almost identical to the numerical value obtained in the above-described transfer simulation process.

실시예2Example 2

실시예1 및 실험예1에서, 내부 형상 변화를 주면서 반응기를 제작하여 반응기의 분해 성능 실험을 하였는 바, 실시예2에서는 이중관 반응기(10)의 내부반응관(12)과 외부반응관(14)의 높이 차이에 의한 플라즈마 열분해에서의 반응기 내부의 상태, 출구온도 및 분해율 등을 측정하여 성능 평가를 하고자, 첨부한 도 4에 도시된 바와 같이 플라즈마 토치출구(중앙에 분출홀을 갖는 토치 연결용 플레이트(26)가 장착된 위치)부터 외부반응관(14)까지의 거리(B)를 조절하여 반응기를 제작하였다.In Example 1 and Experimental Example 1, the decomposition performance of the reactor was tested by making a reactor while changing the internal shape. In Example 2, the inner reaction tube 12 and the outer reaction tube 14 of the double tube reactor 10 were tested. In order to evaluate the performance by measuring the state of the inside of the reactor, the exit temperature and the decomposition rate in the plasma pyrolysis due to the height difference of the plasma torch outlet (torch connection plate having a blowout hole in the center as shown in FIG. 4). (26) is installed) to adjust the distance (B) from the external reaction tube 14 to produce a reactor.

즉, 첨부한 도 5의 실제 제작 사진에서 보듯이, 이중관 반응기(10)의 플라즈마 토치출구(중앙부에 분출홀을 갖는 토치 연결용 플레이트(26)가 장착된 위치)와 내부반응관(12)의 입구까지의 비율 S(S=A/C)=1.125, 1.75를 기준으로 하여 내부반응관을 제작하였고, 내부 및 외부반응관(12,14)의 각 지름은 32mm, 52mm로 일정하게 유지시켰으며, 플라즈마 토치출구부터 외부반응관(14)의 선단까지의 거리(B)를 16mm, 26mm, 56mm로 조절하여 반응기를 제작하였다.That is, as shown in the actual production photo of FIG. 5, the plasma torch outlet of the double tube reactor 10 (the position where the torch connecting plate 26 having the ejection hole is mounted) and the internal reaction tube 12 are formed. Internal reaction tubes were manufactured based on the ratio S (S = A / C) = 1.125, 1.75 to the inlet, and the diameters of the internal and external reaction tubes (12, 14) were kept constant at 32 mm and 52 mm. The reactor was fabricated by adjusting the distance (B) from the plasma torch outlet to the tip of the external reaction tube (14) to 16 mm, 26 mm, and 56 mm.

실험예2Experimental Example 2

실시예2에 따라 제작된 반응기 즉, S=A/C 비를 1.125와 1.75로 변화시키고, 플라즈마 토치출구부터 외부반응관의 선단까지의 거리(B)를 16mm, 26mm, 56mm로 조절시킨 반응기에 대한 플라즈마 분해효율을 평가하였다.In the reactor manufactured according to Example 2, that is, the S = A / C ratio was changed to 1.125 and 1.75, and the reactor (B) from the plasma torch outlet to the tip of the external reaction tube was adjusted to 16mm, 26mm, 56mm Plasma decomposition efficiency was evaluated.

이에, 상대적으로 반응기 내부형상 변화에 따른 실시예1의 실험 결과와 비교할 수 있도록 실험예2는 실험예1의 실험적 조건과 동일하게 실험하였는 바, 그 결과는 아래의 표 2에 기재된 바와 같다.Thus, Experimental Example 2 was tested in the same manner as in Experimental Example 1, so that the results can be compared with the experimental results of Example 1 according to the change in the internal shape of the reactor, and the results are shown in Table 2 below.

Figure 112010029349451-pat00002
Figure 112010029349451-pat00002

위의 표 2에서 보는 바와 같이, 외부반응관의 형상 변화(플라즈마 토치출구부터 외부반응관의 선단까지의 거리(B) 조절)에 따른 플라즈마 열분해 효율실험에서 반응기 출구온도는 약 1000~1100℃범위를 나타났으며, 플라즈마 열분해 후의 각 조건에서의 효율은 99.5% 정도의 효율을 나타내었다.As shown in Table 2 above, the reactor outlet temperature in the plasma pyrolysis efficiency test according to the change in the shape of the external reaction tube (adjustment of the distance (B) from the plasma torch outlet to the tip of the external reaction tube) ranges from about 1000 to 1100 ° C. The efficiency in each condition after plasma pyrolysis was about 99.5%.

그러나, S(=A/C)의 비율이 1.75, 1.125 일 때의 조건 모두에서 플라즈마 토치 출구부터 외부반응관까지의 거리 B가 커질수록 분해효율이 좋아지고, 반응기 출구가스의 온도는 낮아지는 것을 알 수 있었으며, 이것은 HFC-23과 수증기(steam)가 만나는 부분에서 어느 정도 반응가스의 혼합영역을 형성해줌으로 인해서 완전한 가스 분해를 유도할 수 있는 것으로 판단된다.However, under the condition that the ratio of S (= A / C) is 1.75 and 1.125, as the distance B from the plasma torch outlet to the external reaction tube increases, the decomposition efficiency increases and the temperature of the reactor outlet gas decreases. It was found that this can induce a complete gas decomposition by forming a mixed region of reaction gas at a part where HFC-23 and steam meet.

또한, 도 5의 사진에서 보듯이, 거리 B가 16, 26mm에서는 내부반응관 끝의 한쪽으로만 부식(erosion)이 발생하였는데, 이것은 HFC-23과 수증기(steam)의 불완전한 혼합으로 인한 채널링(channeling) 현상 등으로 HF와 플라즈마 화염의 높은 온도의 영향으로도 볼 수 있다.In addition, as shown in the photograph of FIG. 5, at distances B and 16 and 26 mm, erosion occurred only on one end of the inner reaction tube, which was caused by incomplete mixing of HFC-23 and steam. The effect of the high temperature of the HF and the plasma flame can be seen.

그리고, 거리 B가 멀어질 경우에는 상대적으로 외부의 제2외부냉각관에 의한 스팀의 응축 현상이 발생하는 동시에 낮은 온도에서 스팀과 HFC-23간의 접촉이 발생하여, 제2외부냉각관과 접해있는 외부반응관의 벽면에 미반응 HC(하이드로 카본)의 침적이 생겨나는 것을 볼 수 있었다.When the distance B increases, the condensation of steam by the external second external cooling tube occurs, and the contact between the steam and the HFC-23 occurs at a low temperature, which is in contact with the second external cooling tube. Deposition of unreacted HC (hydrocarbon) was observed on the wall of the external reaction tube.

이와 같은 실시예2에 대한 실험예2의 결과, S(=A/C)의 비율이 1.125, 거리(B)= 56mm 영역에서 반응기의 효율이 가장 좋음을 알 수 있었다.As a result of Experiment 2 for Example 2, it was found that the efficiency of the reactor was the best in the ratio S (= A / C) of 1.125 and the distance B = 56 mm.

실시예3Example 3

반응기의 구조를 실시예 1 및 2의 구조와 동일하게 제작하되, 내부 및 외부반응관(12,14)을 각각 인코넬(Inconel), 인콜로이(Incoloy), 실리콘 카바이드(SiC), 텡스텐 카바이드(WC) 재질로 적용하여 별도로 제작하였다.The structure of the reactor was prepared in the same manner as in Examples 1 and 2, except that the inner and outer reaction tubes 12 and 14 were respectively Inconel, Incoloy, Silicon Carbide (SiC), and Tungsten Carbide ( It was manufactured separately by applying it as WC) material.

실험예3Experimental Example 3

실시예3에 따라 제작된 반응기의 내부 및 외부반응관의 부식 및 침식정도를 실험적으로 조사하고, 반응기 상단부부터 축방향으로 내려가면서 반응기의 침식상태를 실험적으로 확인하였다.The degree of corrosion and erosion of the inner and outer reaction tubes of the reactor manufactured according to Example 3 was experimentally investigated, and the erosion state of the reactor was experimentally confirmed while descending axially from the upper end of the reactor.

실험예3의 실험 방법은 실시예1에 대한 실험예인 실험예1에서 언급한 실험조건과 같이 플라즈마 열분해를 수행하였고, 열분해 전후의 반응기 두께를 측정하여 그 변화를 조사하였고, 또한 반응기를 축방향으로도 실험전후의 두께를 조사하였는 바, 그 결과는 아래의 표 3에 기재된 바와 같다.The experimental method of Experimental Example 3 carried out plasma pyrolysis as the experimental conditions mentioned in Experimental Example 1, which is an experimental example of Example 1, and measured the reactor thickness before and after pyrolysis to investigate the change, and also to change the reactor in the axial direction. Figures were examined before and after the thickness, the results are as shown in Table 3 below.

아래의 표 3에서, 끝부분은 플라즈마 토치와 가장 가까운 내부반응관의 끝부분을 의미하고, 두께의 변화가 거의 없는 끝부분으로부터의 2cm 부분까지 두께 변화를 측정하였다.In Table 3 below, the end means the end of the inner reaction tube closest to the plasma torch, and the thickness change was measured from the end to the 2cm part with little change in thickness.

Figure 112010029349451-pat00003
Figure 112010029349451-pat00003

위의 표 3의 실험 결과를 보면, 재질면에서 인코넬이 가장 부식에 강한 것을 알 수 있었고, 실리콘 카바이드가 제일 약한 것을 알 수 있어 화학반응보다는 플라즈마 이온의 충돌에 의한 침식이 더 중요한 인자가 되는 것으로 알 수 있었다. According to the experimental results of Table 3, Inconel was the most resistant to corrosion in terms of material, and it was found that silicon carbide was the weakest, so erosion by plasma ion collision was more important factor than chemical reaction. Could know.

또한, 반응기의 축방향으로의 부식속도 변화를 보면, 내부반응관의 끝단에서 2cm 이상 떨어진 곳에서는 평균두께의 변화가 거의 없어, 침식이 발생되지 않은 것을 알 수 있었으며, 결국 실험예 3을 통하여 침식에 잘 견디는 반응기 재질의 최적화가 필요하다는 것을 알 수 있었다.In addition, when the corrosion rate was changed in the axial direction of the reactor, it was found that there was almost no change in the average thickness at 2 cm or more from the end of the internal reaction tube, so that no erosion occurred. It was found that the optimization of the reactor material to withstand the need is needed.

이상과 같은 실시예1, 2, 3의 결과를 분석하면 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다. Analyzing the results of Examples 1, 2 and 3 as described above, the following conclusions can be obtained.

함불소가스의 원활한 연소를 위해서는 내부 및 외부반응관을 사이폰 형태와 같이 높이가 다른 구조로 적용하는 것이 바람직하고, 플라즈마 토치출구와 반응기 상단 부위에서 와류에 의한 반응가스들의 완전한 혼합이 매우 중요하다.For smooth combustion of fluorine-containing gas, it is desirable to apply internal and external reaction tubes with different heights, such as siphon type, and complete mixing of reactant gases by vortex at the outlet of the plasma torch and the upper part of the reactor is very important. .

따라서, 반응기의 내부 구조 설계가 매우 중요하다 할 것이다.Therefore, the internal structure design of the reactor will be very important.

즉, 반응기 내부의 다중관 형태의 기하학적 형태는 반응가스와 플라즈마 이온의 충돌에 의한 반응침식을 최소화 할 수 있는 형태로 설계해야 한다.That is, the multi-tube geometry inside the reactor should be designed to minimize the reaction erosion caused by the collision of the reaction gas and plasma ions.

이에, 상기한 전산 모사 과정에서 플라즈마 반응기 내부의 속도분포와 온도분포를 계산하였고, 이를 바탕으로 실시예1 및 실험예1을 통하여 반응기 내부 형상 변화에 의한 실제 HFC-23의 분해율과 출구온도 등을 측정하여, 그 계산한 계산치를 전산모사의 계산결과와 비교해 본 결과 매우 잘 일치한 것을 알 수 있었다.Therefore, the velocity distribution and the temperature distribution in the plasma reactor were calculated during the computer simulation. Based on this, the decomposition rate and the outlet temperature of the actual HFC-23 due to the change in the shape of the reactor through Example 1 and Experimental Example 1 were calculated. The measured values were compared with the computer simulation results, and the results were very good.

또한, 실시예2 및 실험예2를 통하여, 반응기 외부 형상변화에 의한 실제 HFC-23의 분해율과 출구온도, 반응기 형태 등을 실험적으로 비교하여 거리(B)=56mm에서 반응가스의 혼합이 가장 좋은 것을 알 수 있었다.In addition, through Example 2 and Experimental Example 2, the reaction rate of the reaction gas at the distance (B) = 56 mm is best compared experimentally by comparing the actual decomposition rate of HFC-23 due to the shape change of the reactor, the outlet temperature, the reactor type, and the like. I could see that.

또한, 실시예3 및 실험예3을 통하여, HFC-23분해반응이 진행되는 내부 및 외부반응관의 재질별 부식속도와 축방향별 침식속도를 조사한 결과, 인코넬 금속이 가장 부식에 강하고 플라즈마 "S=A/C" 값이 1.125에서 가장 적절한 분해율과 온도분포가 나타났지만 플라즈마에 의한 침식은 아직 문제점으로 나타남을 알 수 있었다.In addition, through Example 3 and Experimental Example 3, the corrosion rate of each material and the erosion rate of the inner and outer reaction tubes undergoing the HFC-23 decomposition reaction were investigated. As a result, Inconel metal was the most resistant to corrosion and the plasma "S Although the most appropriate decomposition rate and temperature distribution were shown at 1.125, the erosion by plasma was still a problem.

따라서, 상기한 실시예 1내지 3을 통하여, 열 플라즈마 공정에서의 고온의 플라즈마 이온에 의한 함불소가스의 분해효율을 극대화하고, 부식과 침식 등으로 부터 반응기 보호와 내구성 향상 방법이 필요하다는 것을 알 수 있었다.Accordingly, it is understood from Examples 1 to 3 above that there is a need for a method of maximizing the decomposition efficiency of fluorine-containing gas by high temperature plasma ions in a thermal plasma process, and protecting the reactor from corrosion and erosion and improving durability. Could.

이러한 점을 감안하여, 하기의 실시예4와 같이 반응기를 제작하였다.In view of this point, a reactor was fabricated as in Example 4 below.

실시예4Example 4

첨부한 도 4는 본 발명의 실시예4에 따른 반응기를 나타내는 도면으로서, 캡 형태의 교체형 부품을 제작하여 이중관 반응기(10)의 내부반응관(12)의 상단내에 분리 가능하게 압입시켜 결합시켰다.4 is a view showing the reactor according to the fourth embodiment of the present invention, a cap-type replaceable part was manufactured and detachably press-fitted into the upper end of the inner reaction tube 12 of the double tube reactor 10. .

즉, 외부반응관(14)과 내부반응관(12)의 높이를 동일하게 적용하되, 내부반응관(12)의 상단 내경에 중공 캡(42)을 분리 가능하게 삽입 체결하여, 내부반응관(12)이 외부반응관(14)에 비하여 보다 큰 높이를 갖도록 반응기를 제작하였다.That is, the same applies to the height of the outer reaction tube 14 and the inner reaction tube 12, the hollow cap 42 is detachably inserted into the upper inner diameter of the inner reaction tube 12, the inner reaction tube ( 12) the reactor was made to have a greater height than the external reaction tube (14).

이때, 상기 중공 캡(42)의 사양은 실시예1에서와 같이 S(=A/C) =1.125의 반응기 형태를 적용할 수 있는 것으로 채택하고, 실시예3 및 실험예3에서 얻은 부식도 결과를 기초로 하여 재료는 인코넬을 사용하였다.At this time, the specification of the hollow cap 42 is adopted that can apply the reactor form of S (= A / C) = 1.125 as in Example 1, the results of corrosion degree obtained in Example 3 and Experimental Example 3 The material was based on Inconel.

실험예4Experimental Example 4

실험예4로서, 실험예1에 따른 함불소가스의 분해 실험을 동일한 조건에서 실시하였는 바, 캡 형태가 없는 것보다 침식에 대해 매우 높은 내구성을 나타났으며, 물론 상기한 실험예1,2,3의 결과와 같이 캡에 침식이 발생됨을 알 수 있었다.As Experimental Example 4, the decomposition experiment of the fluorine-containing gas according to Experimental Example 1 was carried out under the same conditions, and thus exhibited much higher durability against erosion than the absence of a cap form. As shown in the result of Fig. 3, the erosion occurred in the cap.

그러나, 캡에 침식이 진행되더라도, 반응기 전체가 아닌 캡만을 교체하여 계속 사용할 수 있으므로, 결국 반응기의 전체 비용절감 및 공정의 안정성 향상에도 크게 기여할 수 있다.
However, even if the cap is eroded, since only the cap, not the entire reactor, can be replaced and used continuously, it can greatly contribute to reducing the overall cost of the reactor and improving the stability of the process.

10 : 이중관 반응기 12 : 내부반응관
13 : 반응기체 흐름통로 14 ; 외부반응관
14a : 연통구 15 : 폐기체 흐름통로
16 : 제1외부냉각관 16a : 반응기체 공급구
16b : 폐기체 공급구 18 : 실링부재
19 : 냉각수 흐름통로 20 : 제2외부냉각관
20a : 냉각수 공급구 20b : 냉각수 배출구
22 : 상부플랜지 24 : 하부플랜지
26 : 플라즈마 토치 연결용 플레이트 30 : 배출블럭
32 : 배출관 34 : 상단플랜지
36 : 하단플랜지 38 : 보스부
39 : 보조냉각관 39a : 냉각수 유입구
39b : 냉각수 유출구 40 : 단턱
42 : 중공 캡
10: double tube reactor 12: internal reaction tube
13: reactor flow passage 14; External reaction tube
14a: communication port 15: waste flow passage
16: first external cooling tube 16a: reactor gas supply port
16b: waste body supply port 18: sealing member
19: cooling water flow passage 20: the second external cooling pipe
20a: cooling water supply port 20b: cooling water discharge port
22: upper flange 24: lower flange
26: Plasma torch connection plate 30: discharge block
32: discharge pipe 34: top flange
36: lower flange 38: boss
39: auxiliary cooling pipe 39a: cooling water inlet
39b: cooling water outlet 40: step
42: hollow cap

Claims (11)

서로 다른 직경 및 높이를 가지는 이중관 구조로서, 내부반응관(12)과 외부반응관(14)이 서로간에 반응기체 흐름통로(13)를 위한 일정 간격을 형성하며 중첩된 이중관 반응기(10);
상기 외부반응관(14)의 외경부에 일정 간격의 폐기체 흐름통로(15)를 형성하며 배열되는 것으로서, 반응기체 흐름통로(13) 및 폐기체 흐름통로(15)에 각각 반응기체 및 폐기체를 공급하기 위한 반응기체 공급구(16a)와 폐기체 공급구(16b)가 하단부에 형성된 제1외부냉각관(16);
상기 제1외부냉각관(16)의 외경부에 일정 간격의 냉각수 흐름통로(19)를 형성하며 배열되는 것으로서, 상단 및 하단부에 각각 냉각수 흐름통로(19)와 연통되는 냉각수 공급구(20a) 및 냉각수 배출구(20b)가 형성된 제2외부냉각관(20);
상기 제1외부냉각관(16) 및 제2외부냉각관(20)의 상단에 일체로 형성된 상부플랜지(22)에 부착되는 플라즈마 토치 연결용 플레이트(26);
상기 내부 및 외부반응관(12,14)의 하단이 체결되는 동시에 상기 제1외부냉각관(16) 및 제2외부냉각관(20)의 하단에 일체로 형성된 하부플랜지(24)와 결합되는 배출블럭(30);
을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기.
As a double tube structure having a different diameter and height, the inner reaction tube 12 and the outer reaction tube 14 forms a predetermined interval for the reactor flow passage 13 between each other overlapping double tube reactor (10);
As arranged to form a waste gas flow passage 15 at regular intervals in the outer diameter portion of the external reaction tube 14, the reactor gas and waste liquid in the reactor flow passage 13 and waste gas flow passage 15, respectively A first external cooling tube 16 having a reactor body supply port 16a and a waste body supply port 16b for supplying the lower end;
Cooling water supply port 20a which is arranged to form a cooling water flow passage 19 at a predetermined interval in the outer diameter portion of the first external cooling pipe 16, and communicates with the cooling water flow passage 19 in the upper and lower ends, respectively; A second external cooling pipe 20 having a cooling water outlet 20b formed therein;
A plasma torch connection plate 26 attached to an upper flange 22 integrally formed at an upper end of the first external cooling tube 16 and the second external cooling tube 20;
The lower ends of the inner and outer reaction tubes (12,14) is coupled to the discharge coupled to the lower flange 24 formed integrally with the lower end of the first outer cooling tube 16 and the second outer cooling tube (20). Block 30;
High efficiency thermal plasma reactor for pyrolysis of highly concentrated fluorine-containing gas, characterized in that configured to include.
청구항 1에 있어서,
상기 내부반응관(12)과 외부반응관(14)의 상단은 자유단으로서, 그 길이를 동일하게 채택하되, 외부반응관(14)보다 더 큰 높이를 갖도록 내부반응관(12)의 상단에 별도의 중공 캡(42)이 분리 가능하게 삽입 체결된 것을 특징으로 하는 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기.
The method according to claim 1,
The upper end of the inner reaction tube 12 and the outer reaction tube 14 is a free end, the same length is adopted, the upper end of the inner reaction tube 12 to have a height higher than the outer reaction tube 14 High-efficiency thermal plasma reactor for pyrolysis of highly concentrated fluorine-containing gas, characterized in that the separate hollow cap 42 is separably inserted and fastened.
청구항 1에 있어서,
상기 내부반응관(12)과 외부반응관(14), 플라즈마 토치 연결용 플레이트(26)는 인코넬 금속 재질로 만들어지고, 상기 제1외부냉각관(16) 및 제2외부냉각관(20), 배출블럭(30)은 스테인레스 스틸 316 재질로 만들어진 것을 특징으로 하는 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기.
The method according to claim 1,
The inner reaction tube 12, the outer reaction tube 14, and the plate 26 for connecting the plasma torch are made of Inconel metal, and the first outer cooling tube 16 and the second outer cooling tube 20, Ejection block 30 is a high efficiency thermal plasma reactor for pyrolysis of highly concentrated fluorine-containing gas, characterized in that made of stainless steel 316 material.
청구항 1에 있어서,
플라즈마 토치 출구인 토치 연결용 플레이트(26)가 장착된 위치에서 내부반응관(12)의 입구까지의 거리(A)와 내부반응관(12)의 지름(C)에 대한 비율(S=A/C)이 0.5~1.75가 되도록 제작된 것을 특징으로 하는 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기.
The method according to claim 1,
The ratio of the distance (A) to the inlet of the internal reaction tube 12 and the diameter (C) of the internal reaction tube 12 from the position where the torch connecting plate 26, which is the plasma torch outlet, is mounted (S = A / C) is a high efficiency thermal plasma reactor for pyrolysis of highly concentrated fluorine-containing gas, characterized in that it is made to be 0.5 ~ 1.75.
청구항 4에 있어서,
플라즈마 토치 출구인 토치 연결용 플레이트(26)가 장착된 위치에서 내부반응관(12)의 입구까지의 거리(A)와 내부반응관(12)의 지름(C)에 대한 비율(S=A/C)이 1.125가 되도록 제작된 것을 특징으로 하는 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기.
The method of claim 4,
The ratio of the distance (A) to the inlet of the internal reaction tube 12 and the diameter (C) of the internal reaction tube 12 from the position where the torch connecting plate 26, which is the plasma torch outlet, is mounted (S = A / C) is a high efficiency thermal plasma reactor for pyrolysis of highly concentrated fluorine-containing gas, characterized in that the production is 1.125.
청구항 1에 있어서,
플라즈마 토치 출구인 토치 연결용 플레이트(26)가 장착된 위치에서 외부반응관(14)의 선단까지의 거리(B)를 16mm~56mm 범위로 하여 제작된 것을 특징으로 하는 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기.
The method according to claim 1,
For the highly concentrated fluorine-containing fluorine gas pyrolysis, characterized in that the distance (B) from the position where the torch connection plate 26, which is the plasma torch outlet, is mounted in the range of 16 mm to 56 mm. High efficiency thermal plasma reactor.
청구항 6에 있어서,
플라즈마 토치 출구인 토치 연결용 플레이트(26)가 장착된 위치에서 외부반응관(14)의 선단까지의 거리(B)를 56mm로 정하여 제작된 것을 특징으로 하는 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기.
The method of claim 6,
High-efficiency thermal plasma for highly concentrated fluorine-containing fluorine gas pyrolysis, characterized in that produced by setting the distance (B) from the position where the torch connection plate 26, which is the plasma torch outlet, to the tip of the external reaction tube 14 to 56 mm. Reactor.
청구항 1에 있어서,
상기 배출블럭(30)은
내부반응관(12)의 중공부와 상하로 일치하는 중공의 배출관(32)과;
상기 배출관(32)의 상단 및 하단에 일체로 형성된 상단플랜지(34) 및 하단플랜지(36)와;
상단플랜지(34)의 상면에서 배출관(32) 외주부 위치에 위쪽으로 돌출 형성된 보스부(38)와;
상단플랜지(34) 및 하단플랜지(36) 사이에 위치되는 동시에 배출관(32)의 외경부에 배열되는 보조냉각관(39);
으로 구성된 것을 특징으로 하는 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기.
The method according to claim 1,
The discharge block 30 is
A hollow discharge pipe 32 vertically coinciding with the hollow portion of the internal reaction tube 12;
An upper flange 34 and a lower flange 36 formed integrally with the upper and lower ends of the discharge pipe 32;
A boss portion 38 protruding upward from a position of an outer circumferential portion of the discharge pipe 32 on the upper surface of the upper flange 34;
An auxiliary cooling pipe 39 positioned between the upper flange 34 and the lower flange 36 and arranged at an outer diameter of the discharge pipe 32;
High efficiency thermal plasma reactor for pyrolysis of highly concentrated fluorine-containing gas, characterized in that consisting of.
청구항 1 또는 청구항 8에 있어서,
내부반응관(12) 및 외부반응관(14)의 하단부 사이공간으로 보스부(38)가 삽입 체결되고, 외부반응관(14)의 하단끝은 상단플랜지(34)의 상면에 지지되는 동시에 내부반응관(12)의 하단끝은 단턱(40)에 지지되는 것을 특징으로 하는 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기.
The method according to claim 1 or 8,
The boss portion 38 is inserted into the space between the lower end portions of the inner reaction tube 12 and the outer reaction tube 14, and the lower end of the outer reaction tube 14 is supported on the upper surface of the upper flange 34 and at the same time. The lower end of the reaction tube 12 is a high efficiency thermal plasma reactor for pyrolysis of highly concentrated fluorine-containing gas, characterized in that supported on the step (40).
청구항 1 또는 청구항 8에 있어서,
상기 제1외부냉각관(16) 및 제2외부냉각관(20)의 하단끝에 형성된 하부플랜지(24)의 저면과, 상기 배출블럭(30)의 상단플랜지(34)의 상면 사이에는 실링부재(18)가 삽입된 것을 특징으로 하는 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기.
The method according to claim 1 or 8,
A sealing member (c) is formed between a bottom surface of the lower flange 24 formed at the lower ends of the first external cooling tube 16 and the second external cooling tube 20 and an upper surface of the upper flange 34 of the discharge block 30. High efficiency thermal plasma reactor for pyrolysis of highly concentrated fluorine-containing gas, characterized in that 18) is inserted.
청구항 1에 있어서,
반응기의 출구가스온도를 측정하고자, 배출블럭(30)의 소정 위치에는 열전대가 설치된 것을 특징으로 하는 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기.
The method according to claim 1,
To measure the outlet gas temperature of the reactor, a high efficiency thermal plasma reactor for pyrolysis of highly concentrated fluorine-containing gas, characterized in that a thermocouple is installed at a predetermined position of the discharge block (30).
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