KR101108287B1

KR101108287B1 - 유해가스 처리시스템

Info

Publication number: KR101108287B1
Application number: KR1020090054767A
Authority: KR
Inventors: 김용진; 한방우; 김학준; 홍원석; 신완호; 정상현; 송동근
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2012-01-31
Also published as: KR20100136607A

Abstract

본 발명은 유해가스 처리시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 유해가스 처리시스템은 펄스방전에 의해 유입된 유해가스에 포함된 유해물질을 제거하는 유해가스 처리시스템에 있어서, 고전압이 인가된 금속섬유 또는 탄소섬유에 의해 유입된 유해가스가 이온화되는 섬유방전부; 이온화된 유해가스가 유입되며, 인가되는 고전압 나노(nano)펄스를 이용한 펄스방전을 통해 상기 이온화된 유해가스에 포함된 유해물질을 분해하여 제거하는 펄스방전부; 상기 금속섬유 방전부와 상기 펄스방전부 사이에 설치되며, 이온화된 유해가스에 포함된 유해물질이 상기 펄스방전부에서 분해시 분해반응을 촉진하는 첨가제를 주입하는 주입부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 유입되는 유해가스를 이온화 과정을 거친 후 펄스방전을 통해 처리함으로써 균일한 가스반응을 도모하여 처리효율을 극대화할 수 있는 유해가스 처리시스템이 제공된다.

유해가스, 배기가스, 이온화, 펄스방전, 플라즈마

Description

유해가스 처리시스템{The System for Treating of Harmful gas}

본 발명은 유해가스 처리시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발전소 및 소각장 등의 연소 설비에서 배출되는 질소산화물(NOx)와 황산화물(SOx) 등을 포함한 유해가스를 이온화 처리한 후 이온화된 가스 및 입자를 플라즈마 방전 처리하여 질소산화물(NOx)와 황산화물(SOx) 등을 제거할 수 있는 유해가스 처리시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 대규모 소각장 및 연소설비에서 방출되는 유해대기오염물질인 질소산화물 및 황산화물을 포함하는 유해가스를 처리하는 설비에서, 질소산화물은 선택적촉매환원법(Selective Catalytic Reduction : SCR)으로 처리하며, 황산화물은 전기집진기로 입자상 물질을 처리한 후 배연탈황법(Flue Gas Desulfurization : FGD)으로 처리하는 것이 널리 상용화되어 있다.

그러나, 상술한 선택적촉매환원법 및 배연탈황법은 대량의 유해가스가 성격이 전혀 다른 탈질 및 탈황의 두 공정을 순차적으로 거치면서 유해가스에 포함된 오염물질이 처리됨에 따라 초기 투자비 및 운전비가 상승되게 되고, 탈질 및 탈황공정의 최적 공정결합이 요구되었다.

따라서, 이러한 문제점을 개선하기 위한 방법으로 제시된 것이 펄스 코로나 전기방전을 이용하여 유해가스에 포함된 질소산화물 및 황산화물을 건식으로 동시에 처리하여 제거하는 방법이다.

여기서 펄스코로나 전기방전이란, 질소산화물 및 황산화물을 전기방전에 의해 발생하는 라디칼에 의해 분해시키는 기술로서, 펄스 전기방전을 이용한 탈황, 탈질 시스템은 기존의 습식탈황설비 및 탈질공정에 비해 반응속도가 빠르고 공정이 단순하여 기존 공정에 비해 약 40% 정도의 설치비를 감소시킬 수 있었다.

또한, 플라즈마 전기방전 반응부의 통과면적 공극이 기존의 설비에 비해 매우 크고 공정이 단순하여 압력손실이 매우 낮을 뿐 아니라, 장기 운전시에도 슬러지에 의한 막힘 현상이 없어 높은 처리효율을 갖는 장점이 있고, 아울러 가스 오염원이 반응기 내에서 체류시간 수초 내에 제거될 수 있다는 장점이 있다.

그런데, 펄스 전기방전 탈황, 탈질 공정기술을 개발하기 위해서는 우선적으로 안정적인 플라즈마 방전 형성 및 반응기 내에서의 높은 가스 반응 효율 유지 등을 포함하여 유해가스의 유해물질의 제거 및 분해 메커니즘 해석 기술 등이 고려되어야만 한다.

여기서, 전처리 공정 없이 펄스 전기방전 반응부 내로 유해가스가 바로 유입됨으로써 가스 반응의 높은 효율을 유지하는 데 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유입되는 유해가스를 이온화 과정을 거친 후 펄스방전을 통해 처리함으로써 균일한 가스반응을 도모하여 처리효율을 극대화할 수 있는 유해가스 처리시스템을 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 펄스방전에 의해 유입된 유해가스에 포함된 유해물질을 제거하는 유해가스 처리시스템에 있어서, 고전압이 인가된 금속섬유 또는 탄소섬유에 의해 유입된 유해가스가 이온화되는 섬유방전부; 상기 섬유방전부로부터 이온화된 유해가스가 유입되며, 유입되는 상기 이온화된 유해가스에 첨가제를 분사하는 노즐부와, 상기 노즐부의 분사방향에 위치하여 이온화된 유해가스와 상기 첨가제가 혼합되는 유로를 형성하도록 배치되는 다수 개의 믹싱판으로 구성된 혼합부를 포함하는 주입부; 및, 상기 주입부를 통해 첨가제가 혼합된 이온화된 유해가스가 유입되며, 인가되는 고전압 나노(nano)펄스를 이용한 펄스방전을 통해 유입된 유해가스에 포함된 유해물질을 분해하여 제거하는 펄스방전부;를 포함하며, 상기 섬유방전부는, 유해가스가 유입되는 공간을 다수 개로 구획하며 접지된 격벽과, 말단에 상기 금속섬유 또는 상기 탄소섬유가 구비되어 상기 격벽에 의해 구획된 공간에 각각 설치되며, 고전압 인가시 상기 금속섬유 또는 상기 탄소섬유에 의해 각각의 공간으로 유입된 유해가스의 입자를 이온화되도록 하는 이온발생기와, 상기 이온발생기에 고전압을 인가하도록 상기 이온발생기에 연결되는 고전압 인가수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 유해가스 처리시스템에 의해 달성된다.

삭제

여기서, 상기 펄스방전부는, 고전압 나노(nano)펄스를 발생하는 펄스발생기와, 일 측이 접지된 접지부와, 상기 접지부와 이격설치되며 상기 펄스발생기와 연결되어 고전압 나노(nano)펄스를 인가받는 방전부를 포함할 수 있다.

이때, 상기 접지부는 중공(中空)관으로 마련되고, 상기 방전부는 상기 접지부의 중심축을 따라 설치되는 와이어로 마련되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 혼합부의 믹싱판은 지그재그 형태로 배치되어 유로를 형성할 수 있다.

또한, 상기 첨가제는 NH₃, CO, Urea, H₂O 및 CH₄, C₂H₄, C₃H₆, C₄H₁₀을 포함하는 지방족 탄화수소로 이루어지는 군에서 선택되어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 펄스방전부의 후단에 설치되어 상기 펄스방전부에서 생성되는 암모늄염을 포집하는 전기집진부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 유입되는 유해가스를 이온화 과정을 거친 후 펄스방전을 통해 처리함으로써 균일한 가스반응을 도모하여 처리효율을 극대화할 수 있는 유해가스 처리시스템이 제공된다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해 서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 유해가스 처리시스템에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유해가스 처리시스템의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 유해가스 처리시스템(100)은 섬유방전부(10), 주입부(20), 펄스방전부(30) 및 전기집진부(40)를 포함하여 구성된다.

도 2는 도 1의 금속섬유 방전부의 확대도이다. 도 2를 참조하면, 상기 탄소방전부(10)는 제1챔버(11), 격벽(12), 이온발생기(13), 고전압 인가수단(14)를 포함하여 구성된다.

상기 격벽(12)은 상기 제1챔버(11)의 내부 공간을 다수 개로 구획하며 소정의 접지수단을 통해 접지되도록 설치된다.

상기 이온발생기(13)는 제1챔버(11) 내로 유입되는 NOx 및 SOx를 포함한 기체상태의 유해가스를 고압이 인가된 상태에서 이온화하는 수단으로서, 상기 격벽(12)에 의해 구획된 다수 개의 공간 내에 각각 설치되며, 각 이온발생기(13)의 말단에는 다발의 섬유(13a)가 구비된다. 이때, 상기 섬유(13a)는 수㎛ ~ 수십㎛의 직경을 가진 미세한 금속섬유 또는 탄소섬유일 수 있다.

여기서, 격벽(12)으로 구획된 공간의 각각에 이온발생기(13)가 배치됨으로써 서로 간에 간섭이 발생하지 않을 수 있고, 아울러 제1챔버(11)의 내부로 유입된 유해가스가 동시에 이온화될 수 있어 이온화되는 시간을 단축시킬 수 있어 바람직하 다.

상기 고전압 인가수단(14)은 제1챔버(11)의 외측에 구비되며, 상기 이온발생기(13)에 고전압을 인가하도록 연결된다.

이 같이 결합된 섬유방전부(10)는 고압인가수단(14)이 이온발생기(13)에 직류전압인 수kV ~ 수십kV의 고압을 인가하면, 이온발생기(13)의 말단에 구비된 섬유(13a)는 주변부의 기체를 이온화시켜 유해가스에 포함된 NOx와 SOx의 입자들과 결합하여 NOx와 SOx를 이온화시키거나, NOx와 SOx의 입자들이 섬유(13a)로부터 에너지를 전달받아 직접 이온화된다.

즉, 섬유방전부(10) 내에 각각 구획된 내부공간으로 이온발생기(13)에 의해 NOx와 SOx를 포함한 유해가스의 입자들은 확산(diffusion)운동을 통해 후술할 주입부(20) 방향으로 전달되게 된다.

도 3은 도 1의 주입부의 확대도이다. 도 3을 참조하면, 주입부(20)는 상술한 금속섬유 방전부(10)와 후술할 펄스방전부(30) 사이에 설치되며, 제2챔버(21), 노즐부(22), 혼합부(23)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 노즐부(22)는 첨가제가 분사되도록 제2챔버(21)의 내측에 배치되며, 여기서 첨가제는 후술할 펄스방전부(30) 내에서 유해가스의 분해반응을 촉진하거나 환원제로서의 역할을 하는 수단으로서, NH₃, CO, Urea, H₂O 및 CH₄, C₂H₄, C₃H₆, C₄H₁₀을 포함하는 지방족 탄화수소로 이루어지는 군에서 적어도 하나 이상이 선택될 수 있다.

여기서, NH₃, Urea 등의 암모니아계 성분과, 탄화수소계 성분과 H₂O는 개별적으로 하나씩 선택하여 주입할 수 있으나, 후술할 펄스방전부(30)에서 분해반응을 촉진하거나, 라디칼을 환원시키는 효율을 향상시키기 위해서 적어도 2개 이상을 선택하여 주입할 수 있다. 도시된 바는 NH₃가스와 HC가스가 선택하여 주입되는 것이 도시되어 있다.

또한, 상기 혼합부(23)는 노즐부(22)의 분사방향에 위치하며, 탄소방전부(10)로부터 전달된 이온화된 유해가스와 노즐부(22)로부터 분사된 첨가제가 혼합되도록 배치되되, 제2챔버(21)의 내부에 다수 개의 믹싱판(23a)을 배치하여 이온화된 유해가스와 첨가제가 잘 혼합될 수 있는 유로를 확보하도록 배치된다.
도시된 바는 지그재그 형태로 믹싱판이 배치되어 유로를 형성하는 것이 도시되어 있다.

즉, 다수개의 믹싱판(23a)에 의해 형성된 유로를 통과하면서 이온화된 유해가스와 첨가제는 혼합되어 후술할 펄스방전부(30)로 유입됨으로써, 펄스방전부(30) 내에서 이온화된 유해가스의 분해반응을 촉진할 수 있게 된다.

도 4는 도 1의 펄스방전부와 전기집진부의 확대도이다. 도 4를 참조하면, 펄스방전부(30)는 주입부(20)를 통해 혼합된 이온화된 유해가스와 첨가제가 유입되며, 제3챔버(31), 펄스발생기(32), 접지부(34), 방전부(33)를 포함하여 구성된다.

상기 펄스발생기(32)는 고압 나노(nano)펄스를 발생시키는 수단으로서, 제3챔버(31)의 외측에 설치되며 방전부(33)와 연결되어 발생시킨 고압 나노펄스를 방전부(33)로 인가한다.

여기서, 펄스발생기(32)는 50ns ~ 500ns의 펄스상승시간을 갖고, 100~1000ns 의 펄스길이(FWHM:frll width half maximum)와 200Hz ~ 2000Hzdml 펄스주기를 가지며, 펄스 최고인가전압은 100kV로 조절되는 사양을 갖는 것이 바람직하다.

상기 접지부(33)는 일 측이 접지된 중공(中空)관으로 마련되며, 다수 개가 적층되어 제3챔버(31)의 내측에 배치될 수 있다.

상기 방전부(34)는 일 방향으로 긴 와이어(wire) 형태로 마련되며, 결합바(34a)에 다수 개가 결합되되, 상기 접지부(33)와 일정간격 이격설치되도록 접지부(33)의 중심축을 따라 각각 배치된다.

아울러, 결합바(34a)는 상술한 펄스발생기(32)와 연결됨으로써 펄스발생기(32)로부터 발생된 고압 나노펄스는 결합바(34a)를 통해 방전부(34)로 인가되게 된다.

이 같이 마련된 펄스방전부(30)에 고압 나노펄스를 인가하면, 유입된 이온화된 유해가스는 나노펄스 방전을 통해 플라즈마 상태가 되어 O, OH, N등의 산화성 라디칼 및 O₃, HO₂가 발생되어 유입된 이온화된 유해가스에 포함된 NOx와 SOx는 하기 화학식1 ~ 화학식 6과 같이 반응하게 된다.

SO₂ + O₂ → SO₃

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

NO₂ + SO₂ → H₂SO₄ +NO

2NO + O₂ → 2NO₂

2NO₂ + 2OH → 2HNO₃

이때, 첨가제로서 주입부(20)에서 첨가된 탄화수소는 O, OH, N, O₃, HO₂ 등과 반응하여 알킬(alkyl), 알콕시(alkoxy), 아실(acyl), 알데히드(aldeyde)등을 생성하며, 이렇게 생성된 라디칼들은 SOx와 NOx와 직접반응하거나, 유해가스의 주성분 중 하나인 산소와 반응하여 산화성 라디칼인 H₂O등을 다시 생성한다.

따라서, 탄화수소 첨가제에 의해 생성된 라디칼에 의해 유해가스의 SOx, NOx의 제거효율이 향상될 수 있다.

또한, 첨가제로서 첨가되는 NH3의 경우에는 하기 화학식6과 화학식7과 같이 반응한다.

H₂SO₄ + 2NH₃ → (NH₄)₂SO₄

NO + NO₂ + NH₃ → 2N₂ + 3H₂O

이와 같이 반응함으로써 황산화물은 황산암모늄으로 전환되고, 질소산화물은 수증기와 질소로 전환됨으로써 유해가스에 포함된 SOx와 NOx는 분해되어 제거된다.

다음, 전기집진부(40)는 펄스방전부(30)의 후단에 설치되며, 소정의 고전압 펄스 인가수단과 연결되어, 고전압 펄스 인가시 펄스방전부(30)에서 생성된 황산암모늄 등의 암모늄염 등을 포집한다.

즉, 이온화된 유해가스에 포함된 유해물질인 SOx와 NOx는 펄스방전부(30)를 통과하면서 황산암모늄 등으로 전환되고, 이 같은 암모늄염은 전기집진부(40)에 의해 포집된다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 제1실시예에 따른 유해가스 처리시스템은 유입되는 유해가스를 플라즈마로 변환시키기 위해 펄스방전부로 유입시키기 전에 이온화 과정을 거침으로써 유해가스의 이온화된 기체입자가 더욱 쉽게 라디칼화 될 수 있게 되고, 이에 따라 펄스방전부 내에서의 유해가스 처리효율이 극대화될 수 있다.

다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 유해가스 처리시스템에 대해 설명한다. 제2실시예에서는 제1실시예와 비교하여 펄스방전부(30)의 방전부와 접지부의 형태가 변화된 형태를 제시하고, 이외의 다른 구성은 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 펄스방전부의 개략도이다. 도 5를 참조하면, 제2실시예에 따른 펄스방전부(30')의 접지부(33')는 일 측이 접지된 상태로 방전부(34')와 일정간격 이격되어 배치되며, 소정의 패널(panel)형태로 형성된다.

또한, 방전부(34')는 일 방향으로 긴 핀(pin) 형태로 마련되어 제3챔버(31)내에 마련된 결합바(34a)에 일정한 간격으로 다수 개가 설치된다.

여기서, 결합바(34a)는 상술한 펄스발생기(32)와 연결됨으로써 방전부(34')가 펄스발생기(32)로부터 고압을 인가받을 수 있도록 연결된다.

이 같은 방전부(34')와 접지부(33')는 다수 쌍으로 마련되어 제3챔버(31) 내에 배치될 수 있다.

이 같이 구성된 상태에서 방전부(34')에 고압이 인가되면, 제3챔버(31) 내로 유입된 이온화된 유해가스는 플라즈마 상태로 변화되어 유해물질인 SOx와 NOx는 제거되게 된다.

한편, 본 발명에서의 제1챔버, 제2챔버, 제3챔버는 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 챔버로 구성될 수도 있고, 별개의 독립된 챔버로 구성하여 상호 간에 기체가 이동할 수 있는 관로를 개재시켜 구성할 수도 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유해가스 처리시스템의 개략도,

도 2는 도 1의 섬유방전부의 확대도,

도 3은 도 1의 주입부의 확대도,

도 4는 도 1의 펄스방전부와 전기집진부의 확대도,

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 유해가스 처리시스템의 펄스방전부의 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 섬유방전부 11 : 제1챔버 12 : 격벽

13 : 이온발생기 13a : 탄소섬유

20 : 주입부 21 : 제2챔버 22 : 노즐부

23 : 혼합부 23a : 믹싱판

30,30' : 펄스방전부 31 : 제3챔버 32 : 펄스발생기

33.33' : 접지부 34,34' : 방전부 34a : 결합바

40 : 전기집진부

Claims

펄스방전에 의해 유입된 유해가스에 포함된 유해물질을 제거하는 유해가스 처리시스템에 있어서,

고전압이 인가된 금속섬유 또는 탄소섬유에 의해 유입된 유해가스가 이온화되는 섬유방전부;

상기 섬유방전부로부터 이온화된 유해가스가 유입되며, 유입되는 상기 이온화된 유해가스에 첨가제를 분사하는 노즐부와, 상기 노즐부의 분사방향에 위치하여 이온화된 유해가스와 상기 첨가제가 혼합되는 유로를 형성하도록 배치되는 다수 개의 믹싱판으로 구성된 혼합부를 포함하는 주입부; 및,

상기 주입부를 통해 첨가제가 혼합된 이온화된 유해가스가 유입되며, 인가되는 고전압 나노(nano)펄스를 이용한 펄스방전을 통해 유입된 유해가스에 포함된 유해물질을 분해하여 제거하는 펄스방전부;를 포함하며,

상기 섬유방전부는,

유해가스가 유입되는 공간을 다수 개로 구획하며 접지된 격벽과,

말단에 상기 금속섬유 또는 상기 탄소섬유가 구비되어 상기 격벽에 의해 구획된 공간에 각각 설치되며, 고전압 인가시 상기 금속섬유 또는 상기 탄소섬유에 의해 각각의 공간으로 유입된 유해가스의 입자를 이온화되도록 하는 이온발생기와,

상기 이온발생기에 고전압을 인가하도록 상기 이온발생기에 연결되는 고전압 인가수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 유해가스 처리시스템.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 펄스방전부는, 고전압 나노(nano)펄스를 발생하는 펄스발생기와, 일 측이 접지된 접지부와, 상기 접지부와 이격설치되며 상기 펄스발생기와 연결되어 고전압 나노(nano)펄스를 인가받는 방전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유해가스 처리시스템.
제 3항에 있어서,

상기 접지부는 중공(中空)관으로 마련되고, 상기 방전부는 상기 접지부의 중심축을 따라 설치되는 와이어로 마련되는 것을 특징으로 하는 유해가스 처리시스템.
제 1항에 있어서,

상기 혼합부의 믹싱판은 지그재그 형태로 배치되어 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 유해가스 처리시스템.
제 1항에 있어서,

상기 첨가제는 NH₃, CO, Urea, H₂O 및 CH₄, C₂H₄, C₃H₆, C₄H₁₀을 포함하는 지방족 탄화수소로 이루어지는 군에서 선택되어지는 것을 특징으로 하는 유해가스 처리시스템.
제 1항에 있어서,

상기 펄스방전부의 후단에 설치되어 상기 펄스방전부에서 생성되는 암모늄염을 포집하는 전기집진부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유해가스 처리시스템.