KR101297604B1 - Apparatus and methods for destroying sulfur hexafluoride by using dielectric barrier discharge activated alumina - Google Patents

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Abstract

육불화황은 기체 절연물로 널리 이용되는 물질로서, 이산화탄소의 무려 22,800배에 이르는 높은 지구온난화 지수를 지닌 가장 강력한 온실가스이다. 본 발명은 지구온난화 원인물질인 육불화황을 분해하기 위한 장치와 방법에 관한 것으로써, 유전체 배리어 방전 플라즈마에 의해 활성화 되는 알루미나를 사용하여 육불화황의 분해반응 속도를 크게 증가시키고, 일반 알루미나 촉매에 비해 상대적으로 낮은 온도에서도 반응이 효과적으로 일어날 수 있도록 하는 장치와 방법을 제공한다. 알루미나 촉매만을 사용했을 때는 400℃의 고온에서도 5% 미만의 육불화황 분해 효율을 나타내지만, 알루미나를 유전체 배리어 방전 플라즈마에 노출시켜 활성화할 경우 약 400℃에서 급격히 분해 효율이 증가하여, 500℃ 가량이 되면 대부분의 육불화황이 분해된다.Sulfur hexafluoride is a widely used material for gas insulation and is the most powerful greenhouse gas with a high global warming index of 22,800 times that of carbon dioxide. The present invention relates to an apparatus and method for decomposing sulfur hexafluoride, which is a cause of global warming, and greatly increases the decomposition reaction rate of sulfur hexafluoride by using alumina activated by a dielectric barrier discharge plasma. On the contrary, the present invention provides a device and a method for effectively reacting even at a relatively low temperature. When only the alumina catalyst is used, the decomposition efficiency of sulfur hexafluoride is less than 5% even at a high temperature of 400 ° C. However, when activated by exposing the alumina to the dielectric barrier discharge plasma, the decomposition efficiency rapidly increases at about 400 ° C. This results in the decomposition of most sulfur hexafluorides.

Description

유전체 배리어 방전 활성화 알루미나를 이용한 육불화황 분해장치 및 분해방법{APPARATUS AND METHODS FOR DESTROYING SULFUR HEXAFLUORIDE BY USING DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE ACTIVATED ALUMINA}Decomposition Apparatus and Decomposition Method for Sulfur Hexafluoride Using Dielectric Barrier Discharge Activated Alumina {APPARATUS AND METHODS FOR DESTROYING SULFUR HEXAFLUORIDE BY USING DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE ACTIVATED ALUMINA}

본 발명은 본 발명은 지구온난화 원인물질인 육불화황을 분해하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 육불화황의 분해반응 속도를 크게 증가시키고, 상대적으로 낮은 온도에서도 반응이 효과적으로 일어날 수 있도록 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for decomposing sulfur hexafluoride, which is a global warming cause, and more particularly, to greatly increase the decomposition reaction rate of sulfur hexafluoride, and to effectively react at relatively low temperatures. An apparatus and a method for making the same.

육불화황(SF6)은 기체 절연물로 널리 이용되는 물질로서, 이산화탄소의 무려 22,800배에 이르는 높은 지구온난화 지수를 지닌 가장 강력한 온실가스이다. 육불화황 분해에 이용될 수 있는 종래의 기술로는 직접 연소, 촉매를 이용한 분해, 마이크로웨이브 플라즈마(microwave plasma), 유도결합 플라즈마(inductively coupled plasma), 직류아크토치(DC arc torch) 등이 있다. 직접 연소방법은 고온을 얻기 위해 필요한 대량의 에너지 소모와 고온에 도달하는데 걸리는 장시간의 예열시간이 큰 문제점이다. 촉매 분해방법은 운전온도를 낮출 수 있기는 하나, 여전히 700℃ 이상의 고온을 필요로 하며 고가의 금속촉매가 쉽게 비활성화되어 유지비용이 높아지는 문제점이 있다. 마이크로웨이브 플라즈마와 유도결합 플라즈마는 고도의 진공 상태를 필요로 하므로 높은 운전비용이 큰 단점이며, 직류아크토치는 전극부식으로 인한 문제와 과다한 전력소모가 해결하기 어려운 문제점이다.Sulfur hexafluoride (SF 6 ) is a widely used material for gas insulation and is the most powerful greenhouse gas with a high global warming index of 22,800 times that of carbon dioxide. Conventional techniques that can be used for sulfur hexafluoride decomposition include direct combustion, catalytic decomposition, microwave plasma, inductively coupled plasma, DC arc torch, and the like. . Direct combustion method is a big problem of the large amount of energy required to obtain high temperature and the long time preheating time to reach high temperature. Although the catalytic decomposition method can lower the operating temperature, it still requires a high temperature of 700 ℃ or more and there is a problem that the expensive metal catalyst is easily deactivated and the maintenance cost is increased. Microwave plasmas and inductively coupled plasmas require a high degree of vacuum, and thus high operating costs are a major disadvantage, and direct current arc problems are difficult to solve due to electrode corrosion and excessive power consumption.

본 발명은 종래의 직접 연소, 촉매를 이용한 분해, 마이크로웨이브 플라즈마, 유도결합 플라즈마, 또는 직류아크토치 등의 방법과 비교할 때, 상대적으로 육불화황을 보다 빠르게 분해시킬 수 있으며, 상대적으로 낮은 온도에서 분해할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다. The present invention can decompose sulfur hexafluoride faster than the conventional direct combustion method, decomposition using a catalyst, microwave plasma, inductively coupled plasma, or direct current arc torch, and at a relatively low temperature. It provides a device and method that can be disassembled.

본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 육불화황(SF6) 분해방법은, 전압이 인가되는 코어전극 및 코어전극을 수용하는 중공형 유전체관을 포함하는 유전체 배리어 방전부, 및 코어전극 및 유전체관 사이에 개재되는 촉매제를 마련하는 단계, 코어전극으로 전류를 공급하여 유전체 배리어 방전부에서 유전체 배리어 방전을 유도함으로써, 촉매제를 활성화시키는 단계, 및 유전체관 내측으로 육불화황과 함께 산소 원자를 포함하는 반응기체를 공급하여, 육불화황을 분해시키는 단계를 포함할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, a sulfur hexafluoride (SF 6 ) decomposition method includes a dielectric barrier discharge unit including a core electrode and a hollow dielectric tube accommodating a core electrode to which a voltage is applied, and a core electrode and Providing a catalyst agent interposed between the dielectric tubes, supplying a current to the core electrode to induce a dielectric barrier discharge in the dielectric barrier discharge portion, activating the catalyst, and oxygen atoms together with sulfur hexafluoride inside the dielectric tube Supplying a reactive gas comprising, may comprise the step of decomposing sulfur hexafluoride.

육불화황을 분해하기 위한 촉매제로서 알루미나(Al2O3) 혹은 제올라이트(zeolite) 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있으며, 육불화황은 활성화된 촉매제에 의해서 육불화황 및 반응기체 간의 반응을 유도할 수 있다. At least one of alumina (Al 2 O 3 ) or zeolite may be used as a catalyst for decomposing sulfur hexafluoride, and sulfur hexafluoride may induce a reaction between sulfur hexafluoride and a reactive body by an activated catalyst. have.

대기압에서 운전되는 유전체 배리어 방전은 기체 분자를 여기, 해리, 및 이온화시킬 수 있다. 여기된(excited) 분자의 촉매 흡착 거동은 바닥상태 분자의 흡착 거동과 다를 뿐만 아니라, 촉매제에 흡착된 육불화황은 기체상태의 육불화황보다 결합에너지가 크게 감소되므로, 유전체 배리어 방전에 의해 활성화되는 촉매제에서는 비교적 낮은 온도에서도 육불화황의 결합이 파괴되어 분해가 일어난다. 그래서, 유전체 배리어 방전에 의해 활성화되는 촉매제를 이용하여 상대적으로 낮은 온도에서 육불화황을 효과적으로 분해할 수 있다.Dielectric barrier discharges operating at atmospheric pressure can excite, dissociate, and ionize gas molecules. The catalytic adsorption behavior of excited molecules is not only different from the adsorption behavior of the ground state molecules, but the sulfur hexafluoride adsorbed on the catalyst is significantly reduced in binding energy than the gaseous sulfur hexafluoride, which is activated by the dielectric barrier discharge. In catalysts, even at relatively low temperatures, the bonds of sulfur hexafluoride are broken and decomposition occurs. Therefore, sulfur hexafluoride can be effectively decomposed at a relatively low temperature by using a catalyst activated by dielectric barrier discharge.

산소 또는 수분과 같이 산소 원자를 포함하는 반응기체는 분해된 육불화황을 이산화황(SO2) 형태로 화학적으로 안정화시키기 위해서 사용될 수 있다. Reactors containing oxygen atoms, such as oxygen or moisture, can be used to chemically stabilize the degraded sulfur hexafluoride in the form of sulfur dioxide (SO 2 ).

또한, 육불화황 분해를 위한 제올라이트는 고열을 가하여도 골격은 그대로 있고, 다른 미립물질을 흡착시킬 수 있다. 이 성질을 이용해서 흡착제로 사용할 수 있다. 알루미나는 볼 형태의 알파(α)-알루미나를 사용할 수 있으며, 알루미나는 고경도의 재료로서 고전압과 높은 온도에 잘 견디는 재료이다. 복수개의 제올라이트 혹은 알루미나 볼은 그 사이에 공극(pore)을 수없이 형성하여, 중공형의 유전체관 내부로 유체가 드나들 수 있다. In addition, the zeolite for decomposition of sulfur hexafluoride remains intact even when high heat is applied, and other fine particles can be adsorbed. This property can be used as an adsorbent. Alumina may be used in the form of ball-shaped alpha (α) -alumina, alumina is a material of high hardness and withstands high voltage and high temperature. The plurality of zeolite or alumina balls may form numerous pores therebetween, so that fluid may enter and exit the hollow dielectric tube.

참고로, 유전체관 외벽에는 구리 호일(foil)이 감겨져 제공될 수 있는데, 이러한 구리 호일은 접지되어 그라운드 전극으로 사용될 수 있다. For reference, a copper foil may be provided on the outer wall of the dielectric tube, and the copper foil may be grounded and used as a ground electrode.

육불화황은 기체 상태의 질소, 산소, 및 수분과 함께 기체 상태로 유전체관 내부로 유입될 수 있으며, 사용된 모든 기체의 유량은 질량유량조절기(mass flow controller)에 의해 조절될 수 있다. 이때, 질소는 기체 상태로 공급될 수도 있고, 수분을 반응기체로 사용하는 경우, 질소는 물에 포화된 상태로 공급될 수 있다. Sulfur hexafluoride may be introduced into the dielectric tube in a gaseous state together with nitrogen, oxygen, and moisture in a gaseous state, and the flow rate of all used gases may be controlled by a mass flow controller. In this case, nitrogen may be supplied in a gaseous state, and when moisture is used as a reactor, nitrogen may be supplied in a saturated state in water.

한편, 육불화황의 분해 효율은 온도에 매우 민감하며, 본 발명에서는 육불화황의 이러한 특성을 효과적으로 이용할 수 있도록 온도 조절부를 포함할 수 있다. On the other hand, the decomposition efficiency of sulfur hexafluoride is very sensitive to temperature, the present invention may include a temperature control unit to effectively use this characteristic of sulfur hexafluoride.

온도 조절부는 육불화황이 통과하는 유전체관의 온도나 촉매제의 온도를 조절함으로써, 육불화황의 분해 효율을 극대화할 수 있다. The temperature control unit may maximize the decomposition efficiency of sulfur hexafluoride by adjusting the temperature of the dielectric tube through which sulfur hexafluoride passes or the temperature of the catalyst.

구체적으로, 육불화황을 분해시키는 동안, 유전체관의 온도를 400℃ 이상으로 유지하는 것이 바람직한데, 육불화황의 분해 효율은 온도가 135℃에서 400℃로 증가됨에 따라 서서히 증가하다가, 약 400℃부터 분해 효율이 급격히 증가하기 때문이다. 특히, 온도 조절부를 이용하여 유전체관의 온도를 490℃ 내지 500℃의 온도로 조절하는 경우, 육불화황의 분해 효율도 우수하고, 다른 종래의 분해 방법과 비교할 때 에너지 절감 효과를 구현할 수 있다. 참고로, 육불화황은 495℃에서 95% 이상의 효율로 분해 가능하며, 이에 효과적인 육불화황 분해 효율 및 에너지 절감을 위해서 유전체관의 온도를 495℃로 조절하는 것이 가장 적합한 것으로 볼 수 있다. Specifically, during decomposition of sulfur hexafluoride, it is desirable to maintain the temperature of the dielectric tube at 400 ° C. or higher. The decomposition efficiency of sulfur hexafluoride gradually increases as the temperature is increased from 135 ° C. to 400 ° C., and then about 400 ° C. This is because the decomposition efficiency increases rapidly. Particularly, when the temperature of the dielectric tube is adjusted to a temperature of 490 ° C. to 500 ° C. by using the temperature controller, the decomposition efficiency of sulfur hexafluoride is also excellent, and energy saving effect can be realized when compared with other conventional decomposition methods. For reference, sulfur hexafluoride can be decomposed at an efficiency of 95% or more at 495 ° C., and thus, it is considered that it is most suitable to adjust the temperature of the dielectric tube to 495 ° C. for effective sulfur hexafluoride decomposition efficiency and energy saving.

또한, 육불화황의 분해 효율은 산소 농도에도 크게 영향을 받는데, 산소의 농도가 육불화황의 초기 농도의 5배 즉, 1%였을 때는 490℃의 온도에서 육불화황이 100% 분해되었고, 산소 농도가 증가됨에 따라 육불화황의 분해 효율이 감소하는 경향을 나타낸다. 따라서, 육불화황을 90%이상 분해하기 위해서는 산소농도가 4%이내이어야 하며, 대략 산소 농도는 초기 육불화황 농도의 1배 이상 25배 이하 사이에서 적절하게 조절될 수 있다. 예를 들어, 육불화황의 초기 농도가 2,000ppm(0.2%)인 경우, 산소 4%는 육불화황 초기농도의 20배이다. 즉, 산소농도가 초기 육불화황 농도의 20배 이하가 되어야 90% 이상의 육불화황이 분해될 수 있다.In addition, the decomposition efficiency of sulfur hexafluoride is greatly affected by the oxygen concentration. When the oxygen concentration was 5 times the initial concentration of sulfur hexafluoride, that is, 1%, sulfur hexafluoride was decomposed 100% at a temperature of 490 ° C. As it increases, the decomposition efficiency of sulfur hexafluoride tends to decrease. Therefore, in order to decompose more than 90% of sulfur hexafluoride, the oxygen concentration should be within 4%, and the approximate oxygen concentration may be appropriately controlled between 1 and 25 times the initial sulfur fluoride concentration. For example, if the initial concentration of sulfur hexafluoride is 2,000 ppm (0.2%), 4% oxygen is 20 times the initial concentration of sulfur hexafluoride. That is, more than 90% of sulfur hexafluoride may be decomposed when the oxygen concentration is 20 times or less than the initial sulfur hexafluoride concentration.

또한, 육불화황 및 반응기체의 반응에 의해서 육불화황이 이산화황(SO2)으로 분해되는 과정에서 육불화황이 전부 이산화황으로 전환되지 않고, 이산화황 이외의 황화불소(sulfuryl fluoride: SO2F2) 및 오존(O3)등을 포함하는 반응 부산물이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 육불화황 분해방법에서는 이산화황 이외의 황화불소 및 오존을 포함하는 반응 부산물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. In addition, sulfur hexafluoride is not converted to sulfur dioxide in the process of decomposition of sulfur hexafluoride into sulfur dioxide (SO 2 ) by the reaction of sulfur hexafluoride and a reactive gas, and sulfur fluoride (SO 2 F 2 ) other than sulfur dioxide and Reaction by-products, including ozone (O 3 ) may occur. Therefore, the sulfur hexafluoride decomposition method according to the present invention may further include removing a reaction by-product including fluoride sulfide and ozone other than sulfur dioxide.

구체적으로, 불소가 포함된 반응 부산물, 예를 들면, 황화불소는 산화칼슘이나 수산화칼슘 흡수제 중 적어도 어느 하나를 이용하여 이산화황으로 전환되어 제거될 수 있고, 산소와 같은 반응기체 이용 시에 발생될 수 있는 반응 부산물인 오존은 이산화망간에 의해 분해되어 산소로 전환될 수 있다. Specifically, fluorine-containing reaction by-products, such as fluorine sulfide, may be converted to sulfur dioxide using at least one of calcium oxide or calcium hydroxide absorbent and removed, and may be generated when using a reactant such as oxygen. The reaction byproduct ozone can be decomposed by manganese dioxide and converted into oxygen.

본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따르면, 육불화황 분해장치가 개시된다. 육불화황 분해장치는 전압이 인가되는 코어전극, 및 코어전극을 수용하는 중공형 유전체관을 포함하며, 육불화황과 함께 산소 원자를 포함하는 반응기체를 유전체관 내측으로 공급하기 위한 개구 및 개구에 대향하여 형성된 출구를 포함하는 유전체 배리어 방전부, 및 코어전극 및 유전체관 사이에 개재되며, 유전체 배리어 방전부에서 유도된 유전체 배리어 방전에 의해서 활성화되는 촉매제를 포함할 수 있으며, 활성화된 촉매제에 의해서 육불화황 및 반응기체의 반응을 유도함으로써, 육불화황을 이산화황으로 분해시킬 수 있다. According to another exemplary embodiment of the present invention, a sulfur hexafluoride decomposition device is disclosed. The sulfur hexafluoride decomposition device includes a core electrode to which a voltage is applied, and a hollow dielectric tube accommodating the core electrode, and an opening and an opening for supplying a reactor body containing oxygen atoms together with sulfur hexafluoride into the dielectric tube. A dielectric barrier discharge portion including an outlet formed opposite to and interposed between the core electrode and the dielectric tube, the catalyst being activated by the dielectric barrier discharge induced in the dielectric barrier discharge portion, the catalyst being activated by the activated catalyst By inducing the reaction of sulfur hexafluoride and the reactant, sulfur hexafluoride can be decomposed into sulfur dioxide.

또한, 온도에 매우 민감한 육불화황의 분해 효율을 극대화할 수 있도록 유전체관 주변으로 배치되는 온도 조절부를 포함할 수 있다. In addition, it may include a temperature control unit disposed around the dielectric tube to maximize the decomposition efficiency of sulfur hexafluoride which is very sensitive to temperature.

또한, 육불화황을 이산화황으로 분해시키는 과정에서 발생된 이산화황 이외의 황화불소를 이산화황으로 전환시켜 제거하기 위한 산화칼슘 및 수산화칼슘 중 적어도 어느 하나를 포함하는 황화불소 반응기를 상기 개구에 연결시켜 제공할 수 있다. In addition, a fluoride sulfide reactor including at least one of calcium oxide and calcium hydroxide for converting and removing fluoride sulfide other than sulfur dioxide generated in the process of decomposing sulfur hexafluoride into sulfur dioxide to sulfur dioxide may be provided by connecting to the opening. have.

또한, 육불화황을 이산화황으로 분해시키는 과정에서 발생된 이산화황 이외의 오존을 산소로 전환시켜 제거하기 위한 이산화망간을 포함하는 오존 반응기를 상기 개구에 연결시켜 제공할 수 있다. 경우에 따라서, 황화불소 반응기 및 오존 반응기는 상기 개구에 순차적으로 결합될 수도 있다.In addition, an ozone reactor including manganese dioxide for converting and removing ozone other than sulfur dioxide generated in the process of decomposing sulfur hexafluoride into sulfur dioxide may be provided by connecting to the opening. In some cases, the fluorine sulfide reactor and the ozone reactor may be sequentially coupled to the opening.

본 발명의 육불화황 분해방법 및 분해장치는 유전체 배리어 방전 플라즈마에 의해 활성화 되는 알루미나를 사용하여 육불화황의 분해반응 속도를 크게 증가시킴은 물로, 대기압에서 낮은 온도로 반응이 효과적으로 일어날 수 있다. 따라서, 진공을 필요로 하는 공법에 비해 운전비용을 크게 낮출 수 있으며, 전자와 기체분자가 모두 가열되는 고온 플라즈마(마이크로웨이브 플라즈마, 유도결합 플라즈마 직류아크토치)와 비교할 때, 전력소모가 상대적으로 매우 작다. The sulfur hexafluoride decomposition method and decomposition apparatus of the present invention uses alumina activated by a dielectric barrier discharge plasma to significantly increase the decomposition reaction rate of sulfur hexafluoride with water, and the reaction can effectively occur at atmospheric temperature and low temperature. Therefore, the operation cost can be significantly lowered compared to a method requiring a vacuum, and the power consumption is relatively high when compared to a high temperature plasma (microwave plasma, inductively coupled plasma direct current torch) in which both electrons and gas molecules are heated. small.

본 발명의 육불화황 분해방법 및 분해장치는 유전체 배리어 방전의 가동 온도가 500℃ 이내로 종래의 기술들에 비해 크게 낮으므로 에너지소모와 예열시간 문제와 관련한 종래 기술의 문제점들을 해결할 수 있다.The sulfur hexafluoride decomposition method and decomposition apparatus of the present invention can solve the problems of the prior art related to the energy consumption and preheating time problem because the operation temperature of the dielectric barrier discharge is significantly lower than the conventional techniques within 500 ℃.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 육불화황 분해장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 육불화황 분해장치의 구성도이다.
도 3은 육불화황의 분해와 반응온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 육불화황 분해에 미치는 산소농도의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 5는 반응 온도에 따른 육불화황 분해 부산물 및 흡광도의 관계를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram of a sulfur hexafluoride decomposition apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a sulfur hexafluoride decomposition device according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the relationship between sulfur hexafluoride decomposition and reaction temperature.
4 is a graph showing the effect of oxygen concentration on sulfur hexafluoride decomposition.
5 is a graph showing the relationship between sulfur hexafluoride decomposition by-products and absorbance according to reaction temperature.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout. For reference, the same numbers in this description refer to substantially the same elements and can be described with reference to the contents described in the other drawings under these rules, and the contents which are judged to be obvious to the person skilled in the art or repeated can be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 육불화황 분해장치의 개략도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 육불화황 분해장치의 구성도이다. 1 is a schematic diagram of a sulfur hexafluoride decomposition device according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a block diagram of a sulfur hexafluoride decomposition device according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 1을 살펴보면, 육불화황 분해장치(100)는 유전체 배리어 방전부(110), 알루미나 촉매제(120), 황화불소 반응기(130), 및 오존 반응기(140)를 포함한다. First, referring to FIG. 1, the sulfur hexafluoride decomposition device 100 includes a dielectric barrier discharge unit 110, an alumina catalyst 120, a fluoride sulfide reactor 130, and an ozone reactor 140.

유전체 배리어 방전부(110)는 코어전극(111), 유전체관(112), 온도 조절부(113), 및 방전부 하우징(114)을 포함한다.The dielectric barrier discharge part 110 includes a core electrode 111, a dielectric tube 112, a temperature control part 113, and a discharge part housing 114.

유전체 배리어 방전을 유도하기 위한 유전체 배리어 방전부(110)는 기체 분자를 여기, 해리 및 이온화시킬 수 있다. 여기된 분자의 촉매 흡착 거동은 바닥상태 분자의 흡착 거동과 다를 뿐만 아니라, 알루미나 촉매제(120)에 흡착된 육불화황은 기체상태의 육불화황보다 결합에너지가 크게 감소되므로, 유전체 배리어 방전에 의해 활성화되는 알루미나 촉매제(120)에서는 비교적 낮은 온도에서도 육불화황의 결합이 파괴되어 분해가 일어날 수 있다.The dielectric barrier discharge unit 110 for inducing the dielectric barrier discharge may excite, dissociate, and ionize gas molecules. The catalytic adsorption behavior of excited molecules is not only different from the adsorption behavior of the ground state molecules, but the sulfur hexafluoride adsorbed on the alumina catalyst 120 is significantly reduced in binding energy than the gaseous sulfur hexafluoride, and thus is activated by dielectric barrier discharge. In the alumina catalyst 120, the bond of sulfur hexafluoride is broken even at a relatively low temperature, so that decomposition may occur.

즉, 본 발명에 따른 육불화황 분해장치(100)는 유전체 배리어 방전에 의해 활성화되는 알루미나 촉매제(120)를 이용하여 상대적으로 낮은 온도에서 육불화황을 효과적으로 분해할 수 있다. That is, the sulfur hexafluoride decomposition device 100 according to the present invention can effectively decompose sulfur hexafluoride at a relatively low temperature by using the alumina catalyst 120 activated by the dielectric barrier discharge.

절연성을 갖는 유전체관(112)은 본 실시예에서 세라믹을 이용한 관으로 제공될 수 있으며, 외경 28㎜, 내경 24.5㎜의 중공으로 제공될 수 있다. Insulating dielectric tube 112 may be provided as a tube using a ceramic in the present embodiment, it may be provided as a hollow having an outer diameter 28mm, inner diameter 24.5mm.

그리고, 코어전극(111)은 유전체관(112)에 동축으로 배치된 스테인리스 볼트를 사용할 수 있으며, 스테인리스 볼트는 6㎜ 두께를 갖는 것을 사용할 수 있다. 물론, 코어전극(111)은 전도성이 뛰어나며 내열성과 강도 또한 좋은 다른 금속, 예를 들어, 텅스텐을 사용할 수도 있다. 코어전극(111)으로는 주파수 400㎐의 교류 고전압(10-16㎸)이 전원공급부(102)로부터 공급될 수 있다. In addition, the core electrode 111 may use a stainless steel bolt coaxially disposed on the dielectric tube 112, and the stainless steel bolt may have a thickness of 6 mm. Of course, the core electrode 111 may use another metal, for example, tungsten, which has excellent conductivity and also has good heat resistance and strength. As the core electrode 111, an AC high voltage (10-16 kHz) having a frequency of 400 kHz may be supplied from the power supply unit 102.

또한, 유전체관(112)의 외벽은 구리 호일(117)로 감싸져 있으며, 구리 호일(117)로 감싸진 유전체관(112)의 길이는 150㎜이며, 구리 호일(117)은 외부에 접지되어 그라운드 전극으로 사용될 수 있다. In addition, the outer wall of the dielectric tube 112 is wrapped with a copper foil 117, the length of the dielectric tube 112 wrapped with the copper foil 117 is 150 mm, the copper foil 117 is grounded to the outside It can be used as a ground electrode.

유전체관(112) 내벽과 코어전극(111) 사이에는 알루미나 촉매제(120)가 충진된다. 본 실시예에서 알루미나 촉매제(120)는 직경 3㎜의 알파(α)-알루미나를 사용하며, 알파-알루미나는 볼 밀링(ball milling)에 사용되는 고경도의 재료로서 고전압과 높은 온도에 잘 견디는 재료이다. 충진된 알루미나 촉매제(120)는 볼 형상으로 겉보기 부피는 125㎤ 정도로 내부에 무수히 많은 기공(pore)을 갖는다. An alumina catalyst 120 is filled between the inner wall of the dielectric tube 112 and the core electrode 111. In the present embodiment, the alumina catalyst 120 uses alpha (α) -alumina having a diameter of 3 mm, and alpha-alumina is a material of high hardness used for ball milling, and is a material that can withstand high voltage and high temperature well. to be. The filled alumina catalyst 120 has a ball shape having an apparent volume of about 125 cm 3 in the interior of the myriad pores (pore).

상술한 코어전극(111) 및 유전체관(112)은 스테인리스 혹은 여타의 금속 재질의 방전부 하우징(114) 내에 설치될 수 있다. 방전부 하우징(114)에는 가스 유입구(115) 및 가스 배출구(116)가 형성되어 있으며, 가스 유입구(115)로는 분해시키기 위한 육불화황을 유입시킬 수 있고, 그 외에 산소 및 수분 같은 반응기체, 및 질소 등을 기체 상태로 유입시킬 수 있다. 가스 유입구(115)로 유입된 상기 기체는 도 1에서 유전체관(112)의 상측에 위치하는 일측 개구를 통해서 유전체관(112) 내부로 유입될 수 있고, 가스 배출구(116)는 유전체관(112)의 타측 개구와 연통되어 있다. The core electrode 111 and the dielectric tube 112 described above may be installed in the discharge unit housing 114 made of stainless steel or other metal material. The discharge part housing 114 has a gas inlet 115 and a gas outlet 116 formed therein, and the gas inlet 115 may introduce sulfur hexafluoride for decomposing, in addition to a reactive body such as oxygen and moisture, And nitrogen may be introduced in a gaseous state. The gas introduced into the gas inlet 115 may be introduced into the dielectric tube 112 through an opening located at an upper side of the dielectric tube 112 in FIG. 1, and the gas outlet 116 may be introduced into the dielectric tube 112. It is in communication with the other side opening of).

또한, 가스 배출구(116)의 단부에는 순차적으로 황화불소 반응기(130) 및 오존 반응기(140)가 설치되며, 황화불소 반응기(130) 및 오존 반응기(140)의 부피는 각각 50㎤ 및 30㎤으로 제공된다. In addition, the fluorine sulfide reactor 130 and the ozone reactor 140 are sequentially installed at the end of the gas outlet 116, the volume of the fluorine sulfide reactor 130 and the ozone reactor 140 is 50 cm 3 and 30 cm 3, respectively. Is provided.

이하, 앞서 설명한 육불화황 분해장치(100)를 통해서 육불화황의 분해를 실험하며, 본 발명에 따른 육불화황 분해방법을 도 1 및 도 2에 도시된 육불화황 분해장치(100)를 통해서 상세히 설명한다. Hereinafter, the decomposition of sulfur hexafluoride through the sulfur hexafluoride decomposition device 100 described above, and the sulfur hexafluoride decomposition method according to the present invention through the sulfur hexafluoride decomposition device 100 shown in Figs. It explains in detail.

참고로, 실험 시 코어전극(111)으로 공급되는 전압은 고전압 프로브(모델 P6015, Tektronix사)와 디지털 오실로스코프(모델 TDS 3032, Tektronix사)를 이용하여 분석한다. For reference, the voltage supplied to the core electrode 111 is analyzed using a high voltage probe (model P6015, Tektronix) and a digital oscilloscope (model TDS 3032, Tektronix).

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 육불화황 분해장치의 구성도이다. 2 is a block diagram of a sulfur hexafluoride decomposition device according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 육불화황 분해장치(100)에서 육불화황 분해 실험은 육불화황, 질소, 및 산소로 이루어진 모사가스를 이용하여 수행된다. 유전체 배리어 방전부(110)에 공급되는 모사 가스의 유량은 60L/h였으며, 육불화황의 농도는 2,000ppm(0.2%)이다. 이때, 산소의 농도는 1 내지 5% 범위로 조절되었다. 사용된 모든 기체의 유량은 포화기(150)에 연결된 제1 질소탱크(103), 산소탱크(104), 육불화황탱크(105), 제2 질소탱크(106)에 각각 제공되어 있는 질량유량조절기(mass flow controller, MFC)에 의해 조절되었다. 수분을 첨가제로 사용한 실험에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 질소를 기체상태로도 제공할 수 있게 하였으며, 경우에 따라서는 포화기(water saturator)(150)를 이용하여 질소를 물에 포화시켜 모사가스와 혼합할 수 있도록 하였다. 유전체 배리어 방전부(110)는 유전체 배리어 방전에 의한 유전가열에 의해 가열되었으며, 부족한 온도 보충을 위해 도 1에 도시된 바와 같이 온도 조절부(113)에 의해 가열될 수 있다. 본 실시예에서 온도 조절부(113)는 유전체관(112)을 감싸는 히팅 테이프 또는 코일 형태로 제공될 수 있으며, 제공된 열이 쉽게 빠져나기 않도록 온도 조절부(113) 외측으로 보온재(thermal insulator)(118)가 더 제공될 수 있다. Sulfur hexafluoride decomposition experiment in the sulfur hexafluoride decomposition apparatus 100 of the present invention is performed using a simulation gas consisting of sulfur hexafluoride, nitrogen, and oxygen. The flow rate of the simulated gas supplied to the dielectric barrier discharge part 110 was 60 L / h, and the concentration of sulfur hexafluoride was 2,000 ppm (0.2%). At this time, the concentration of oxygen was adjusted to 1 to 5% range. The flow rates of all the used gases are the mass flow rates provided in the first nitrogen tank 103, the oxygen tank 104, the sulfur hexafluoride tank 105, and the second nitrogen tank 106 connected to the saturator 150, respectively. Controlled by a mass flow controller (MFC). In the experiment using water as an additive, as shown in FIG. 2, it was possible to provide nitrogen in a gaseous state, and in some cases, saturating nitrogen in water using a water saturator 150 to simulate it. It was allowed to mix with gas. The dielectric barrier discharge unit 110 is heated by dielectric heating by the dielectric barrier discharge, and may be heated by the temperature control unit 113 as shown in FIG. 1 to compensate for insufficient temperature. In this embodiment, the temperature control unit 113 may be provided in the form of a heating tape or coil surrounding the dielectric tube 112, the thermal insulator (thermal insulator) outside the temperature control unit 113 so that the provided heat is not easily escaped ( 118 may be further provided.

유전체 배리어 방전부(110)에서 처리된 후 배출되는 모사가스는 후단에 설치된 황화불소 반응기(130)에 유입되어 수산화칼슘과 불소함유 무기물 부산물이 반응을 통해 제거된다. 또한, 황화불소 반응기(130) 후단에는 오존 반응기(140)가 설치되어 부산물인 오존이 분해되어 산소로 전환된다. 이렇게 처리된 모사 가스는 퓨리에 변환적외선 분광광도계(Fourier Transform Infrared Spectrometer, Bruker사의 모델 IFS 66/S)를 이용하여 분석할 수 있다.Mossas discharged after being processed in the dielectric barrier discharge unit 110 flows into the fluoride sulfide reactor 130 installed at the rear stage to remove calcium hydroxide and fluorine-containing inorganic by-products through the reaction. In addition, an ozone reactor 140 is installed at the rear end of the fluorine sulfide reactor 130 to convert ozone, a byproduct, to oxygen. The simulated gas thus treated can be analyzed using a Fourier Transform Infrared Spectrometer (model IFS 66 / S, Bruker).

도 3은 육불화황의 분해와 반응온도의 관계를 나타내는 그래프이다. 육불화황의 분해 효율은 다음 [수식 1]에 의해 계산되며, 3 is a graph showing the relationship between sulfur hexafluoride decomposition and reaction temperature. The decomposition efficiency of sulfur hexafluoride is calculated by the following [Formula 1],

[수식 1] 제거율(%)=(SF6 ,o- SF6 ,f)/ SF6 ,o*100Equation 1 removal rate (%) = (SF 6 , o -SF 6 , f ) / SF 6 , o * 100

여기서, SF6,o 및 SF6,f는 각각 가스 유입구(115) 및 가스 배출구(116)의 농도를 나타낸다. 이 실험에서는 산소의 농도가 1%였으며, 투입된 전력은 100W였다. 도 3에 도시된 바와 같이, 온도가 135℃에서 400℃로 증가됨에 따라 육불화황의 분해 효율이 서서히 증가하다가, 약 400℃부터 분해 효율이 급격히 증가하여 495℃에서 95% 이상 대부분의 육불화황이 분해된다. 도 3에서 육불화황의 분해 유형은 400℃를 기준으로 온도 별로 2개의 영역으로 구분할 수 있다. 400℃ 이하 영역에서는 유전체 배리어 방전에 의해 알루미나가 활성화되지 않는 영역으로서 온도 증가에 따른 분해 효율 증가가 미미하며, 400℃ 이상의 영역에서는 알루미나가 유전체 배리어 방전에 의해 활성화되어 온도에 따른 분해 효율 증가가 급격해진다. 도 3에는 유전체 배리어 방전 없이 알루미나만을 사용했을 때의 육불화황 분해 효율도 도시되어 있는데, 400℃이전에는 분해가 일어나지 않으며, 400℃에서 5% 미만, 460℃에서 20% 미만의 분해 효율을 나타내었다. 도 3에 따르면 효과적인 육불화황 분해를 위해서는 유전체 배리어 방전 활성화 알루미나 반응기의 운전온도를 495℃까지 증가시켜야 한다.Here, SF 6, o and SF 6, f represent the concentrations of the gas inlet 115 and the gas outlet 116, respectively. In this experiment, the concentration of oxygen was 1% and the input power was 100W. As shown in FIG. 3, the decomposition efficiency of sulfur hexafluoride gradually increases as the temperature is increased from 135 ° C. to 400 ° C., and the decomposition efficiency rapidly increases from about 400 ° C. to about 95% or more of sulfur hexafluoride at 495 ° C. Decompose In FIG. 3, the decomposition type of sulfur hexafluoride may be divided into two regions for each temperature based on 400 ° C. FIG. In the region below 400 ° C, the alumina is not activated by dielectric barrier discharge, and the decomposition efficiency increases with temperature increase.In the region above 400 ° C, alumina is activated by the dielectric barrier discharge, so the decomposition efficiency increases rapidly with temperature. Become. Figure 3 also shows the sulfur hexafluoride decomposition efficiency when only alumina is used without dielectric barrier discharge, which does not occur prior to 400 ° C., and exhibits a decomposition efficiency of less than 5% at 400 ° C. and less than 20% at 460 ° C. It was. According to FIG. 3, in order to effectively dissolve sulfur hexafluoride, the operating temperature of the dielectric barrier discharge activated alumina reactor should be increased to 495 ° C. FIG.

도 4는 육불화황 분해에 미치는 산소농도의 영향을 나타내는 그래프로서, 투입 전력 100W에서의 실험결과이다. 도 4와 같이, 육불화황의 분해에 미치는 산소의 영향이 지대하며, 산소가 1%였을 때는 490℃의 온도에서 육불화황이 100% 분해되고, 산소농도가 증가됨에 따라 육불화황의 분해 효율이 감소하는 경향을 나타낸다. 도 4와 같이 육불화황을 90% 이상 분해하기 위해서는 산소농도가 4% 이내이어야 한다. 육불화황의 초기 농도가 2,000ppm(0.2%)이므로 산소 4%는 육불화황 초기농도의 20배이다. 즉, 산소농도가 초기 육불화황 농도의 20배 이내가 되어야 90% 이상의 분해가 일어난다.4 is a graph showing the effect of the oxygen concentration on the decomposition of sulfur hexafluoride, the experimental results at the input power 100W. As shown in FIG. 4, the effect of oxygen on the decomposition of sulfur hexafluoride is enormous. When oxygen is 1%, sulfur hexafluoride is decomposed 100% at a temperature of 490 ° C., and the decomposition efficiency of sulfur hexafluoride decreases as the oxygen concentration is increased. It shows a tendency to In order to decompose more than 90% of sulfur hexafluoride as shown in Figure 4, the oxygen concentration should be within 4%. Since the initial concentration of sulfur hexafluoride is 2,000 ppm (0.2%), 4% oxygen is 20 times the initial concentration of sulfur hexafluoride. That is, more than 90% decomposition occurs when the oxygen concentration is within 20 times the initial sulfur hexafluoride concentration.

도 5는 육불화황 분해 부산물을 나타내는 그래프로서 산소농도 2%, 투입전력 100W, 육불화황 초기농도 2,000ppm에서의 실험결과이다. 도 5의 세로축은 퓨리에 변환적외선 분광광도계의 흡광도로서, 유전체 배리어 방전부(110)의 후단, 즉, 황화불소 반응기(130) 전단에서 측정한 값이다. 바람직하게는 육불화황이 이산화황으로 전환되어야 하나, 도 5에 도시된 바와 같이, 유전체 배리어 방전부(110)에서 분해된 육불화황의 일부는 원하지 않는 황화불소(Sulfuryl fluoride: SO2F2)로 전환되는데, 이를 분해하여 이산화황으로 전환시키기 위한 목적으로 황화불소 반응기(130)가 사용된 것이다. 황화불소는 황화불소 반응기(130)를 통과하며 이산화황으로 전환되어 수산화칼슘에 흡수되며, 수산화칼슘은 형석(CaF2)과 아황산칼슘(CaSO3)으로 전환된다. 모사 가스에 수분이 0.5% 이상 존재할 경우 황화불소 발생이 억제되는 현상이 관찰되었는데, 황화불소의 완벽한 제거를 위해서는 황화불소 반응기(130)가 필요하다. 산소를 반응기체로 사용했을 때 발생되는 오존은 황화불소 반응기(130) 후단의 오존 반응기(140)에서 산소로 분해된다. 최종적으로 배출되는 가스는 육불화황이나 유해 부산물이 없는 청정한 가스이다.FIG. 5 is a graph showing sulfur hexafluoride by-products, and is an experimental result at an oxygen concentration of 2%, an input power of 100 W, and an initial concentration of sulfur hexafluoride at 2,000 ppm. 5 is the absorbance of the Fourier transform infrared spectrophotometer, which is measured at the rear end of the dielectric barrier discharge unit 110, that is, at the front end of the fluorine sulfide reactor 130. Preferably, sulfur hexafluoride should be converted to sulfur dioxide, but as shown in FIG. 5, some of the sulfur hexafluoride decomposed in the dielectric barrier discharge part 110 is converted into unwanted fluoride sulfide (SO 2 F 2 ). The fluoride sulfide reactor 130 is used for the purpose of decomposing and converting the sulfur dioxide into sulfur dioxide. Fluoride sulfide passes through the fluoride sulfide reactor 130 and is converted into sulfur dioxide and absorbed into calcium hydroxide, and calcium hydroxide is converted into fluorite (CaF 2 ) and calcium sulfite (CaSO 3 ). When the presence of more than 0.5% of the moisture in the simulated gas was observed a phenomenon that the occurrence of fluoride sulfide, fluorine sulfide reactor 130 is required for the complete removal of fluorine sulfide. Ozone generated when oxygen is used as a reactant is decomposed into oxygen in the ozone reactor 140 at the rear of the fluoride sulfide reactor 130. The resulting gas is a clean gas free of sulfur hexafluoride or harmful by-products.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art various modifications and variations of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.

100:육불화황 분해장치 110:유전체 배리어 방전부
111:코어전극 112:유전체관
113:온도 조절부 114:방전부 하우징
115:가스 유입구 116:가스 배출구
117:구리 호일 120:알루미나 촉매제
130:황화불소 반응기 140:오존 반응기
100: sulfur hexafluoride decomposition device 110: dielectric barrier discharge unit
111 core electrode 112 dielectric tube
113: temperature control part 114: discharge part housing
115: gas inlet 116: gas outlet
117: copper foil 120: alumina catalyst
130: fluorine sulfide reactor 140: ozone reactor

Claims (22)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 육불화황 분해장치에 있어서,
전압이 인가되는 코어전극, 및 상기 코어전극을 수용하는 중공형 유전체관을 포함하며, 상기 육불화황과 함께 산소 및 수분을 포함하는 반응기체를 상기 유전체관 내측으로 공급하기 위한 개구 및 상기 개구에 대향하여 형성된 출구를 포함하는 유전체 배리어 방전부;
상기 코어전극 및 상기 유전체관 사이에 개재되며, 상기 유전체 배리어 방전부에서 유도된 유전체 배리어 방전에 의해서 활성화되는 복수개의 볼 형태로 제공되는 제올라이트 촉매제; 및
상기 유전체관의 온도를 490℃ 내지 500℃의 온도로 조절하기 위하여 상기 유전체관 주변으로 배치되는 온도 조절부;
상기 육불화황을 분해시키는 과정에서 발생된 황화불소를 제거하기 위하여 상기 유전체 배리어 방전부에 연결되며, 산화칼슘 및 수산화칼슘 중 적어도 어느 하나를 포함하는 황화불소 반응기;
상기 육불화황을 이산화황으로 분해시키는 과정에서 발생된 오존을 제거하기 위하여 상기 황화불소 반응기에 연결되며, 이산화망간을 포함하는 오존 반응기;
상기 유전체관 내측으로 공급되는 상기 산소의 농도를 최초 상기 유전체관으로 공급되는 상기 육불화황의 농도의 1 내지 25배로 조절하기 위한 질량유량조절기;
를 포함하며, 활성화된 상기 제올라이트 촉매제를 이용하여 상기 육불화황을 분해시키는 것을 특징으로 하는 육불화황 분해장치.
In sulfur hexafluoride decomposition device,
A core electrode to which a voltage is applied, and a hollow dielectric tube accommodating the core electrode, and an opening for supplying a reactor body containing oxygen and moisture together with the sulfur hexafluoride into the dielectric tube and into the opening. A dielectric barrier discharge portion including an oppositely formed outlet;
A zeolite catalyst interposed between the core electrode and the dielectric tube and provided in the form of a plurality of balls activated by a dielectric barrier discharge induced in the dielectric barrier discharge unit; And
A temperature controller disposed around the dielectric tube to adjust the temperature of the dielectric tube to a temperature of 490 ° C to 500 ° C;
A fluoride sulfide reactor connected to the dielectric barrier discharge part to remove fluoride sulfide generated in the process of decomposing the sulfur hexafluoride, and including at least one of calcium oxide and calcium hydroxide;
An ozone reactor connected to the fluorine sulfide reactor to remove ozone generated in the process of decomposing the sulfur hexafluoride into sulfur dioxide and including manganese dioxide;
A mass flow controller for adjusting the concentration of oxygen supplied into the dielectric tube to 1 to 25 times the concentration of the sulfur hexafluoride initially supplied to the dielectric tube;
And a sulfur hexafluoride decomposing apparatus comprising: decomposing the sulfur hexafluoride using the activated zeolite catalyst.
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