KR101127096B1

KR101127096B1 - 스팀프라즈마를 이용한 악성오염물질 열분해처리장치

Info

Publication number: KR101127096B1
Application number: KR1020090040931A
Authority: KR
Inventors: 주성호
Original assignee: 주성호
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2012-03-23
Also published as: KR20100121968A

Abstract

본 발명은 스팀프라즈마를 이용한 악성오염물질 열분해처리장치에 관한 것으로, 긴 타입인 프라즈마 토치 양극(+)몸체 내부에 프라즈마 생성실 악성오염물질의 혼합실 및 반응실로 구성하고, 반응실에 악성오염물질 주입관을 설치하며 프라즈마 생성실 상부에는 음극(-)봉과 그 하부위치에 알곤가스 배출관 및 스팀공급관을 결합구성하고 반응실에는 배기가스 저장탱크의 냉수를 펌프로 공급 분사시키도록 하는 물분사관을 연결설치하여 반응실 내에 물 분사하도록 하고 또 배기가스 저장탱크 상부에 연결설치한 배기가스통 내부에는 가스배출실의 배기가스를 펌프로 공급분사시키도록 하는 가스분사관을 연결설치하여 그 상부의 살수기에서 산성물질등을 살수 제거하도록 구성하므로 저가로 운전할 수 있는 새로운 타입의 스팀프라즈마를 이용한 악성오염물질 열분해처리장치를 제공할 수 있게 한 발명이다.

프라즈마, 악성오염물질, 혼합, 반응, 스팀

Description

스팀프라즈마를 이용한 악성오염물질 열분해처리장치{Non-incineration pyrolysis treatment system using steam plasma for pollution materials}

본 발명은 스팀프라즈마를 이용한 악성오염물질 열분해처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 긴 타입인 프라즈마 토치(plasma torch) 내부 프라즈마 생성실, 악성오염물질의 혼합실 및 반응실에 스팀공급관에서 나오는 스팀(수증기)을 보내어 악성오염물질의 혼합실 및 반응실에서 수증기는 산소와 수소와 반응되고 수소(H)와 오에치기(OH기)로 분해되어서 혼합실에 주입되는 악성오염물질들이 산소(O₂) 불화수소(hydrogenfluorede) 이산화탄소(CO₂)등의 안정된 가스로 원활하게 정화시키도록 함과 동시에 배기가스 저장탱크 내에 고인물을 펌프로 반응실에 공급분사되게 하여 급속냉각시킴으로써 악성오염물질이 다이옥신(dioxin) 및 독가스로 환원되어짐을 방지토록 하고 또 처리된 가스배기실의 가스는 펌프로 가스배기통의 살수기 하부에 공급분사되게 하여 산성물질들을 제거 배출되도록 한 스팀플라즈마를 이용한 악성오염물질 열분해처리장치를 제공하고자 하는 것이다.

현대산업에서 발생되는 대기중의 오염물질 중 악성유독가스 등의 유해가스들은 처리하기에 매우 까다롭다 따라서 이들을 처리하기 위하여 특수한 프라즈마(plasma) 기술을 요구한다.

일반적으로, 공지된 질소가스 사용기술은 음극과 양극인 전극으로 된 프라즈마 토치(plasma torch)의 마모가 적고 오래 사용할 수 있어 많이 이용되고 있으나, 질소의 안정화된 성질로 인하여 오염물질의 처리가 완전하지 못하고 한계가 있어 왔다. 이는 독가스 등의 유해가스를 처리하기 위하여 고온열 분해처리 단계가 필요하고 여기에 산화수소기(OH-radicals)를 투입하여 독가스를 분해시켜서 불화수소, 염화수소, 이산화탄소(CO₂)등으로 안정화시켜 처리하여야 하나, 질소가스프라즈마 처리시설로는 악성오염물질처리가 완전하지 못하고 제한적인 단점이 있어왔다.

이외에도 국내 공개특허공보 공개번호 97-2102 출원번호 95-17246으로 프라즈마에 의한 산업폐기 악성기체 및 폐유와 폐기고체의 소각장치로 공개된바 있다.

이는 직류전기를 사용한 구성으로 프라즈마 생성이 안 되는 문제점이 있고, 또 프라즈마 토치로 구성시킨 반응실에 산소(O₂)암모니아의 연속촉매제를 주입시키는 주입관을 연결설치한 것으로 되어 있으나, 반응실에 산소를 공급하여 오염악성물질을 태우는 것으로 이는 산소와 반응하는 오염악성물질만 산화처리되기 때문에 처리효율이 낮고, 마이너스(-)기를 띤 오염물질인 염소기, 불화기 등과 같은 것은 처리가 어렵고 한계가 있는 문제점이 있으며 처리하는 비용도 고가로 되는 단점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 프라즈마 토치(plasma torch)를 구성함에 있어서, 양극몸체와 상부의 음극부로 구성함과 동시에 그의 내부는 파라즈마 생성실, 프라즈마와 악성오염물질이 혼합하는 악성오염물질의 혼합실 및 반응실로 위에서 아래로 점차적으로 연결구성시키므로 프라즈마 생성실에 투입된 수증기는 산소와 수소와 반응되고 수소(H)와 오에치기(OH기)로 분해되어서 악성오염물질을 수소(H)는 마이너스(-)기 오염물질과 반응하고 오에치기(OH기)는 플러스(+)기 오염물질과 반응하여 안정화시키도록 하므로 악성오염물질의 열분해처리가 원활하고 효율적으로 이루어지도록 할 목적에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 프라즈마 토치부의 반응실에는 물분사관을 설치하여 배기가스 저장탱크 내의 냉수를 펌프로 공급시켜서 프라즈마 반응실에서 나온 미처리된 대기중의 오염물질들을 물분사관에서 나오는 물분무 분사로 급속 냉각시키도록 하므로 다이옥신(dioxin) 독가스(furans)가 만들어지는 것을 방지하게 하여 처리기능을 높이도록 할 목적에 있다.

또 다른 본 발명의 목적은 반응실에서 나온 산성물질들은 가스배출실에서 순환관을 통해 배기가스통 내로 공급시켜 살수기로 분무 살수처리하도록 하므로 잔존할 수 있는 암모니아 등 산성물질들이 제거처리되어 배기관을 통해 배기되게 하므로 배기가스를 한층 안전하게 처리하도록 할 목적에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 i) 긴 타입의 프라즈마 토치양극(+)몸체(1)와 상기 프라즈마 토치양극(+) 몸체(1) 상부에 위치한 음극(-)봉(3)으로 이루어진 프라즈마 토치부(16), ⅱ) 상기 프라즈마 토치부(16)에서 분해처리된 배기가스가 배출저장되는 가스배출실(12), 및 ⅲ) 상기 가스배출실(12)로부터 배출저장된 배기가스의 온도조절과 최종 살수처리를 위한 배기가스통(11)을 포함하고,
상기 음극(-)봉(3) 하부에는 a) 스팀발생기(5')로부터 프라즈마 토치양극(+)몸체(1) 내부로 스팀을 공급하는 스팀공급관(5)과, b) 음극(-)봉(3)의 부식과 변형을 방지하기 위한 알곤가스를 배출하는 알곤가스 배출관(4)이 위치하며,
상기 프라즈마 토치양극(+) 몸체(1) 내부에는 ㉠ 상기 프라즈마 토치양극(+) 과 음극(-)봉(3) 사이에 형성된 전기장과 상기 스팀공급관(5)에서 공급된 스팀에 의하여 고온의 스팀 프라즈마를 생성하는 프라즈마 생성실(2)과, ㉡ 상기 생성된 스팀 프라즈마와 악성오염물질 주입관(9)으로부터 유입된 악성오염물질을 혼합하는 혼합실(2'), 및 ㉢ 상기 스팀 프라즈마가 분해되어 생성된 H⁺, OH^-기가 각각 (-),(+)기의 악성오염물질을 안정화시켜 악성오염물질의 열분해를 촉진하며, 상부에는 분해된 배기가스를 급속 냉각함으로써 다이옥신과 퓨렌과 같은 독가스로 재생성되는 것을 방지하기 위한 물분사관(7)이 형성되어 있는 반응실(2")이 위에서 아래로 순차적으로 구성되고,
상기 가스배출실(12)은 상기 배기가스통(11)과 연통되어 있되, 배출저장된 가스가 역류하지 않고 상기 배기가스통(11) 내부로 직접 배출되도록 순환관(13)이 연결되어 있으며,
상기 배기가스통(11) 내부에는 상기 가스배출실(12)에서 배출저장된 가스를 순환관(13)으로 되돌려 분사하는 가스분사관(8)과, 배기가스 내의 산성물질을 살수처리하기 위한 살수기(14)가 설치된 것을 특징으로 하는 스팀프라즈마를 이용한 악성오염물질 열분해처리장치를 제공할 수가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 스팀프라즈마를 이용한 악성오염물질 열분해처리장치는 프라즈마 토치양극(+)몸체(1) 내부에 프라즈마 생성실(2) 악성오염물질의 혼합실(2') 및 반응실(2")로 구성되어서 위에서 아래로 점차적인 구조를 구성하고 있을 뿐 아니라 프라즈마 토치부(16)에 전기장치의 전기를 공급하고 여기에 스팀을 공급함으로써 원활한 고온 프라즈마 퓨름(plasma plume)을 생성시킬 수 있고 프라즈마 생성실(2) 상부에 배치한 음극(-)봉(3)과 그 하부위치에 알곤가스등을 배출하는 알곤가스배출관(4) 및 스팀공급관(5)을 두어 알곤가스통(4')으로 부터 공급받은 알곤가스 등이 음극봉(3) 하부에서 시동시 계속 유출되므로 스팀발생기(5')로 부터 공급케 된 스팀공급관(5)으로부터 배출되는 스팀(수증기)과 프라즈마의 고온으로 인해 심한 부식방지와 변형됨이 없어 안전가동이 가능하고, 오래 사용될 수가 있고, 스팀발생기(5')로 부터 공급되어진 스팀공급관(5)에서 배출된 스팀(수증기)은 프라즈마 생성실(2)에서 전기로 고온스팀프라즈마를 발생시키고 또 악성오염물질 주입관(9)을 통해 주입된 대기중의 악성오염 물질과 상기의 고온스팀 프라즈마는 혼합실(2')에서 연속적으로 잘 혼합되어지게 된다. 또 반응실(2")로 배출되면서 스팀(수증기)은 산소와 수소와 반응되고 수소(H)와 오에치기(OH기)로 분해되어서 악성오염물질을 수소(H)는 마이너스(-)기 오염물질과 반응하여 안정화시키고 오에치기(OH기)는 플러스(+)기 오염물질과 반응하여 안정화시키므로 악성오염물질의 열분해처리가 원활하고 효율적으로 이루어지는 효과가 있다.

또한 본 발명은 위에서 반응하여 분해처리된 배출가스는 가스배출실(12)과 반응실(2")간에 설치한 펌프(10)와 연결관으로 이루어진 물분사관(7)을 통하여 배기가스 저장탱크(6) 내의 냉수를 펌프(10)로 순환시켜 물분사관(7)에서 물분사 하도록 한 구성이므로 반응실(2) 내에서의 반응작용시에 생성될 수 있는 다이옥신(dioxin)과 퓨렌(furans)등의 독가스들이 재생성됨을 물분사 처리로 급속 냉각시켜 처리하도록 하는 구성이므로 악성오염물질 열분해처리를 완전하고 효율적으로 처리할 수 있는 효과가 있다. 또한 배기가스통(11) 내부에 반응실(2") 하부에 구성시킨 가스배출실(12)의 배출가스를 순환관(13)으로 되돌려서 분사하도록 하는 가스분사관(8)을 설치하여 결합구성하므로 그의 상부 살수기(14)로 살수와 분사처리로 산성물질들을 한번 더 살수처리로 제거와 배출가스의 온도조절 배출가스 중에 잔존할 수 있는 암모니아 등 물에 잘 흡수되는 가스등이 처리 되도록 하므로 보다 안전한 처리를 기할 수 있는 효과가 있고 저가로 운전실시 할 수 있는 이점도 있다.

처리효율

본 발명의 스팀프라즈마를 이용한 악성오염물질 열분해처리장치를 사용하여 반도체 생산과정에서 발생되는 악성오염가스를 처리한 결과 아래와 같은 양호한 결과를 얻었다.

총 투입된 악성 오염 가스량 : 288.5 SLM

프라즈마 토치부 전기사용량 : 16kw

스팀공급량 : 1시간당 1㎥

알곤가스공급량 : 0.7ℓ/m

처리결과

가스종류	실헌전후 오염물질(PPM)		처리효율(%)
	투입구	배출구
SP6 C₂F₆ CF₄ HF HCℓ	1674 1294 416 210 324	3.28 1.81 4.49 0.16 0.01	99.74 99.80 98.35 99.70 99.99

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않기 위하여 생략한다.

도 1은 본 발명의 프라즈마 토치부를 확대한 단면도이고, 도 2는 본 발명에 있어 알곤가스 배출관과 음극봉 부분의 평단면도이며, 도 3은 본 발명에 있어 스팀공급관 부분의 평단면도이고, 도 4는 본 발명의 전체구성을 보인 단면도이다.

본 발명은 긴 타입인 프라즈마 토치(plrasma torch) 양극(+)몸체(1) 내부에 프라즈마 생성실(2) 악성오염물질의 혼합실(2') 및 악성오염 물질과 고온 프라즈마와 반응하는 반응실(2")로 구성하고 있다. 또한, 프라즈마 생성실(2) 공간의 상부에는 음극(-)봉(3)과 그 하부위치에 알곤가스통(4')으로 부터 알곤가스가 공급되도록 연결된 음극봉(3) 및 프라즈마 생성실(2) 내면보호를 위한 알곤가스배출관(4)이 설치되고 또 스팀발생기(5')로 부터 스팀(수증기)을 공급받도록 연결된 스팀공급관(5)이 같이 결합구성된다.

위의 알곤가스배출관(4)에서는 알곤가스가 가동중에 계속 배출되므로 가동시 스팀으로 인한 음극(-)봉(3) 및 프라즈마 생성실(2) 내의 심한부식과 변형됨을 방지하고 안전처리할 수 있게 구성하였다.

또한, 프라즈마 토치양극(+)몸체(1)의 체내에는 물(water)을 순환시켜 연속냉각시켜 주도록 하는 통상의 물냉각수조 15가 형성되어서 프라즈마 토치양극(+)몸체(1)와 음극(-)봉(3)으로 이루어진 프라즈마 토치부(16)에 도시하지 않은 전기장치로 전기를 공급해주므로 고온(2000℃ 이상) 발생에 의한 몸체를 냉각시켜 주도록 하였다.

본 발명의 장치 하부의 배기가스 저장탱크(6) 위에는 배기가스통(11)과 펌프(10")로 배기하게 된 배기관(17)이 연결구성되고 또 배기가스통(11) 하부측에 배기가스통(11) 하부와 서로 연통할 수 있게 가스배출실(12)을 구성하여 반응실(2")에서 열분해의 반응으로 분해가스가 가스배출실(12)로 배기되도록 하고 또 가스배출실(12)의 배출가스는 역류를 방지하기 위하여 순환관(13)을 통해 펌프(10')로서 배기가스통(11)내의 가스분사관(8)에서 분출되도록 하고 또 그 상위 살수기(14)의 살수작용에 의하여 가스분사관(8)에서 나오는 분해가스에 물분무 및 살수로 인하여 배출가스의 온도조절 및 배출가스 중의 잔존할 수 있는 암모니아 등 산성물질들이 살수처리되어지도록 구성하였다.

배기관(17)에 설치된 펌프(10")는 배기가스통(11)내의 처리된 배출가스를 배출시키기 위한 것이다.

또한, 악성오염물질의 혼합실(2')에는 악성오염물질 주입관(9)이 외부에서부터 내부로 연결설치되어 있고 악성오염물을 주입하여 처리하도록 구성한다.

이러한 본 발명은 상기에서와 같이 프라즈마 토치양극(+)몸체(1)와 음극(-)봉(3)으로 이루어진 프라즈마 토치부(16)에 통상의 방법으로 도시하지 않은 전기장치로 전기를 공급해주므로 고온(2000℃ 이상)이 발생할 뿐 아니라 스팀발생기(5')로 부터 공급받은 스팀은 스팀공급관(5)을 통해 나오므로 프라즈마 생성실(2)에는 고온의 스팀프라즈마가 발생케된다. 이때 악성오염물질 주입관(9)으로 대기중 및 특정장소에서 발생된 악성오염물질을 주입시키면 악성오염물질의 혼합실(2')에서는 위에서 발생된 고온의 스팀프라즈마와 혼합을 이룬다. 즉 스팀(수증기)은 산소와 수소와 반응되고 수소(H)와 오에치기(OH기)로 분해되어서 반응실(2")에서는 악성오염물질들이 불화수소(hydrogen fluoride)나 이산화탄소(CO₂)등의 안정된 가스로 정화시키게 된다. 이러한 반응은 독가스 및 독가스 성분이 들어있는 악성오염물질 가스를 처리하기 위해서 산소와 수소 및 오에치기(OH기)가 필요로 하고 고온 2000℃ 이상의 스팀프라즈마 화염에 처리하여야할 유해가스인 악성오염물질을 넣어줌으로써 독가스나 독가스성분들의 고분자물질이 단분자물질로 분해되고 산소와 수소(hydrogen)가 결합하여 일산화탄소, 이산화탄소, 염화수소 및 불화수소가 생성케된다. 이 생성된 가스들은 다이옥신(dioxin)과 퓨렌(furans) 그 외의 독가스로 재생되어지는 것을 막기 위하여 배기가스 저장탱크(6)와 반응실(2")간에 연결설치한 연결관으로 연결되어진 물분사관(7)을 이용한 펌프(10)에 한 물분사로서 급속히 냉각시켜 처리를 거듭 실시하므로 완전한 분해처리가 이루어진다.

위에서 처리된 배출가스가 가스배출실(12)내로 배출저장될 때는 가스배출실(12)과 배기가스통(11)간에 연결설치한 순환관(13)과 가스분사관(8)을 통해 위에서 실시된 처리가스를 배기가스통(11)에 보내지면 배기가스통(11) 내에서 다시 살수기(14)의 물살수로 분무 및 살수처리되어지고 배기관(17)의 펌프(10")에 의하여 대기중에 배기된다.

이상과 같이 본 발명은 대기중의 유해독가스 또는 악성유해가스 발생장소에서 악성오염물질을 고온 스팀프라즈마에 의거한 열분해처리를 원활하고 연속적으로 작업실시할 수 있어 처리효율이 우수하고 적은 작업비용으로 운전할 수가 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

도 1은 본 발명의 프라즈마 토치부를 확대한 단면도.

도 2는 본 발명에 있어 알곤가스 배출관과 음극봉 부분의 평단면도.

도 3은 본 발명에 있어 스팀공급관 부분의 평단면도.

도 4는 본 발명의 전체구성을 보인 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 프라즈마 토치 양극(+)몸체 2 : 프라즈마 생성실

2' : 악성오염물질의 혼합실 2" : 반응실

9 : 악성오염물질 주입관 3 : 음극(-)봉

4 : 알곤가스 배출관 5 : 스팀공급관

6 : 배기가스 저장탱크 7 : 물분사관

8 : 가스분사관 10, 10', 10" : 펌프

11 : 배기가스통 12 : 가스배출실

13 : 순환관

Claims

i) 긴 타입의 프라즈마 토치양극(+)몸체(1)와 상기 프라즈마 토치양극(+) 몸체(1) 상부에 위치한 음극(-)봉(3)으로 이루어진 프라즈마 토치부(16), ⅱ) 상기 프라즈마 토치부(16)에서 분해처리된 배기가스가 배출저장되는 가스배출실(12), 및 ⅲ) 상기 가스배출실(12)로부터 배출저장된 배기가스의 온도조절과 최종 살수처리를 위한 배기가스통(11)을 포함하고,

상기 음극(-)봉(3) 하부에는 a) 스팀발생기(5')로부터 프라즈마 토치양극(+)몸체(1) 내부로 스팀을 공급하는 스팀공급관(5)과, b) 음극(-)봉(3)의 부식과 변형을 방지하기 위한 알곤가스를 배출하는 알곤가스 배출관(4)이 위치하며,

상기 프라즈마 토치양극(+) 몸체(1) 내부에는 ㉠ 상기 프라즈마 토치양극(+) 과 음극(-)봉(3) 사이에 형성된 전기장과 상기 스팀공급관(5)에서 공급된 스팀에 의하여 고온의 스팀 프라즈마를 생성하는 프라즈마 생성실(2)과, ㉡ 상기 생성된 스팀 프라즈마와 악성오염물질 주입관(9)으로부터 유입된 악성오염물질을 혼합하는 혼합실(2'), 및 ㉢ 상기 스팀 프라즈마가 분해되어 생성된 H⁺, OH^-기가 각각 (-),(+)기의 악성오염물질을 안정화시켜 악성오염물질의 열분해를 촉진하며, 상부에는 분해된 배기가스를 급속 냉각함으로써 다이옥신과 퓨렌과 같은 독가스로 재생성되는 것을 방지하기 위한 물분사관(7)이 형성되어 있는 반응실(2")이 위에서 아래로 순차적으로 구성되고,

상기 가스배출실(12)은 상기 배기가스통(11)과 연통되어 있되, 배출저장된 가스가 역류하지 않고 상기 배기가스통(11) 내부로 직접 배출되도록 순환관(13)이 연결되어 있으며,

상기 배기가스통(11) 내부에는 상기 가스배출실(12)에서 배출저장된 가스를 순환관(13)으로 되돌려 분사하는 가스분사관(8)과, 배기가스 내의 산성물질을 살수처리하기 위한 살수기(14)가 설치된 것을 특징으로 하는 스팀프라즈마를 이용한 악성오염물질 열분해처리장치.