KR101373196B1 - 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기 - Google Patents

플라즈마를 이용한 폐가스 처리기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 "플라즈마를 이용한 폐가스 처리기 및 폐가스 처리방법"에 관한 것으로서, 특히, 음전극을 반구형으로 만곡지게 형성하고, 양전극을 적어도 하나의 확대되는 계단형으로 형성하며, 작동가스 및 처리가스(폐가스)를 선회하도록 공급하고, 반응실의 출구를 교축((throttling))하기 때문에, 음전극과 양전극에 형성되는 아크 점 역역의 냉각에 유리하여 내침식마모성을 크게 향상시킬 수 있고, 음전극의 유지보수 비용을 절감시킬 수 있으며, 폐가스의 열분해 효율을 높일 수 있는 "플라즈마를 이용한 폐가스 처리기 및 폐가스 처리방법"에 관한 것이다.
본 발명은, 작동가스 이동관을 통해 작동가스를 공급받아 플라즈마를 발생시키는 아크 플라즈마 토치 및 상기 아크 플라즈마 토치와 연결되어 발생된 플라즈마에 의해 처리가스를 열분해시키는 반응기를 포함하는 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기에 있어서, 상기 작동가스는 상기 작동가스 이동관의 원주를 따라 일 방향으로 선회하면서 이동하도록 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 작동가스 이동관을 통해 작동가스를 공급받아 플라즈마를 발생시키는 아크 플라즈마 토치 및 상기 아크 플라즈마 토치와 연결되어 발생된 플라즈마에 의해 처리가스를 열분해시키는 반응기를 포함하는 "플라즈마를 이용한 폐가스 처리기를 이용한 플라즈마를 이용한 폐가스 처리방법"에 있어서, 작동가스 이동관으로 작동가스를 공급하는 작동가스 공급단계; 상기 작동가스 이동관으로 공급된 작동가스와 반응하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생단계; 상기 발생된 플라즈마와 접촉되도록 반응실로 처리가스를 공급하는 폐가스 공급단계; 및 상기 반응실에서 상기 플라즈마와 상기 처리가스가 상호 유동에 의한 접촉과 혼합기를 이용한 혼합과정을 거치면서 플라즈마의 열과 활성화 이온에 의하여 처리가스의 열분해가 이루어지는 처리가스 열분해단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마를 이용한 폐가스 처리기{WASTE GAS TREATMENT APPARATUS USING PLASMA}
본 발명은 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기에 관한 것으로서, 특히, 플라즈마 발생기로서 아크 플라즈마 토치를 사용하고, 상기 플라즈마 발생기 하부에 처리할 폐가스를 공급하며, 상기 플라즈마 발생기로부터 분출하는 플라즈마로 상기 폐가스를 고온열분해 처리하는 반응기를 이용한 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기에 관한 것이다.
일반적으로, 아크 플라즈마 토치는 크게 이송형 토치와 비이송형 토치로 구분되며, 이송형 토치는 전도체의 처리 대상물을 전극의 하나로 이용하는 방식으로 금속의 표면열처리 또는 용사용 토치와 같이 고속의 고온 플라즈마를 이용하는 분야에 사용되고 열효율이 높으며, 비이송형 토치는 음극과 양극의 전극이 모두 토치 내에 설치되어 처리 대상물의 전도성에 무관하게 플라즈마를 분출하는 방식으로 상대적으로 열효율이 낮은 편이다.
종래의 폐가스 처리용 아크 플라즈마 토치는, 아직 그 역사가 길지 않기 때문에, 산업분야에서 많이 사용되고 있는 용사용의 이송형 토치를 비이송형 토치로 응용하여 적용하는 경우가 많지만, 폐가스를 열분해 처리하는 폐가스 처리용 토치는, 고속의 분출속도가 중요한 용사용 플라즈마 토치와는 달리 플라즈마와 폐가스의 혼합을 촉진시켜 열분해가 잘 이루어지도록 설계되어야 하기 때문에 폐가스 처리용으로서의 최적구조를 고안발명하고 설계하는 것이 매우 중요하다.
아크 플라즈마 스크러버(처리기)에서 폐가스의 열분해 반응을 위한 플라즈마와 폐가스의 혼합은, 고온에 노출되어 있는 전극의 고온산화부식에 의한 침식마모 문제와 폐가스 및 열분해 과정에서의 전극 오염으로 인한 전극의 기능상실 문제 때문에, 플라즈마 토치의 하류에 반응기를 별도로 설치하여 폐가스와 플라즈마를 혼합하여 폐가스를 열분해하고 있다.
아크 플라즈마 토치의 전극에 흐르는 전류는 매우 커서 열이 발생되므로 수냉각을 하고 있음에도 전극의 고온산화에 따른 침식마모는 피하기 어려우며, 특히 원추형 음극의 경우에는 아크방전이 원추선단에 집중되고 원추선단의 국부적인 냉각성능 저하로 인하여, 원추 선단의 침식마모 문제는 매우 심각하다.
이에 따라, 고가의 재료로 제작되는 음전극이 주기적으로 빈번하게 교체해야 되는 소모품으로 인식되고 있어 이에 대한 기술적 해결이 시급한 실정이다.
반응기에서는 폐가스의 열분해를 위해서는 플라즈마와 폐가스가 잘 혼합되도록 해야 하지만, 플라즈마는 양전극을 통과하면서 수십배로 열팽창되기 때문에 분출속도는 보통 100m/s 이상으로 매우 빠르며, 플라즈마는 반응기를 빠르게 지나가게 되고 폐가스를 열분해하기 위한 폐가스와 플라즈마의 혼합과 열분해가 이루어지기 어려운 상황이 된다.
또한, 반도체 제조공정에서 배출되는 실란(SiH4)과 같은 유해가스는 고온 산화과정에서 실리카(SiO2) 분말을 생성하여, 이 분말이 구조물에 지속적으로 퇴적되고 고형화되어 유동을 방해하기 때문에, 적극적인 혼합을 유도하기 위한 혼합기(mixer)의 사용도 어려운 실정이다.
따라서, 아직은 플라즈마 폐가스처리기의 정화효율은 기대와 달리 저조한 것으로 알려져 있는 실정이다.
이와 같이 종래 기술의 아크 플라즈마 폐가스처리기에서는 전극의 침식마모, 플라즈마의 안정성 제어, 플라즈마의 유동제어, 폐가스의 정화효율, 소비전력 등에 많은 문제점들을 가지고 있기 때문에, 이에 대한 기술의 발명이 시급히 필요한 실정이다.
상기에서 적절한 배경기술은 알수 없다.
본 발명의 목적은 발생되는 플라즈마를 안정적으로 제어하기 위하여 음전극을 만곡지게 형성하고, 양전극을 다단확대관형으로 구성하였으며, 상기 다단확대관형의 양전극 구조 및 반응실 내측을 원주방향으로 선회하도록 공급되는 폐가스 공급관과 선단부가 만곡진 원추형의 다공판 혼합기(mixer)를 갖는 반응기 구조는 플라즈마와 폐가스와의 접촉면적과 접촉시간을 연장시켜 폐가스의 처리효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 전력사용량을 절감시킬 수 있는 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 음전극을 만곡지게 형성함으로써 전극의 침식, 마모를 방지하고 냉각 효율을 높여 유지관리비용을 절감시킬 수 있는 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명인 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기는, 작동가스 이동관을 통해 작동가스를 공급받아 플라즈마를 발생시키는 아크 플라즈마 토치 및 상기 아크 플라즈마 토치와 연결되어 양전극으로부터 분출되는 플라즈마를 이용하여 유해 폐가스를 열분해 처리하는 반응기를 포함하는 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기에 있어서, 상기 작동가스는 상기 작동가스 이동관의 원주를 따라 일 방향으로 선회하면서 이동하도록 공급되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 아크 플라즈마 토치는 작동가스를 공급하는 적어도 하나의 제1공급관; 작동가스 이동관; 음전극; 및 양전극을 포함하며, 상기 음전극의 선단부는 만곡지게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양전극은 플라즈마의 진행방향으로 점진적으로 확장형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양전극은 적어도 하나의 계단형으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 작동가스 이동관은 상기 음전극의 선단부에서 점진적으로 축소되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 반응기는 상기 양전극과 연결되는 반응실; 및 상기 반응실과 연결되어 상기 반응실 내부로 처리가스를 공급하는 적어도 하나의 제2공급관을 포함하며, 상기 제2공급관은, 상기 반응실에 공급된 처리가스가 상기 반응실의 원주를 따라 일 방향으로 선회하면서 이동하도록, 상기 반응실의 내측 둘레에 동일한 방향성을 갖도록 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반응기에는 중심부에 선단부가 만곡진 원추형으로 구성되어 다수 개의 홀이 형성된 혼합기가 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 혼합기는 선단부로부터 후단부로 갈수록 상기 홀의 크기가 점진적으로 커지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 음전극 및 상기 양전극의 내부에는 냉각수가 공급되는 냉각수 공급관이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 구성의 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기를 이용한 플라즈마를 이용한 폐가스 처리방법에 있어서, 작동가스 이동관으로 작동가스를 공급하는 작동가스 공급단계; 상기 작동가스 이동관으로 공급된 작동가스의 분위기에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생단계; 상기 발생된 플라즈마와 접촉되도록 반응실로 처리가스를 공급하는 폐가스 공급단계; 상기 반응실에서 상기 플라즈마와 상기 처리가스가 혼합되어 열분해 반응을 하는 처리가스 열분해단계를 포함하며, 상기 작동가스 공급단계에서는, 공급된 작동가스가 상기 작동가스 이동관의 원주를 따라 선회하면서 이동하도록 공급하고, 상기 플라즈마 발생단계에서는 발생된 플라즈마가 상기 선회하는 작동가스를 따라 점진적으로 회전 반경을 넓히면서 선회되어 확산되도록 하며, 상기 처리가스 공급단계에서는 공급된 처리가스가 상기 반응실의 원주를 따라 상기 공급가스의 선회방향과 동일한 방향으로 선회하도록 공급되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 상술한 본 발명에 따르면, 만곡지게 형성된 반구형 음전극은 아크 점을 넓게 분포하게 하고, 아크 점 영역의 냉각에 유리하여 내침식마모성을 크게 향상시키며, 음전극 교체비용을 크게 절감시킬 수 있다.
또한, 상기와 같은 양전극의 확대관형 구조는, 양전극 출구에서 분출되는 플라즈마 제트의 속도를 줄이고 반경방향의 확산되는 플라즈마 유동을 형성하여, 폐가스와의 혼합 및 열분해반응 처리에 효과적인 안정된 확산형 플라즈마를 형성할 수 있다.
또한, 적어도 하나의 확대되는 계단형으로 형성된 양전극의 다단확대관형 구조는, 작동가스 및 전류의 변동에 대응하여 플라즈마의 안정적 제어를 용이하게 하고, 전류의 변동을 감소시킴으로써 저전력의 고효율 플라즈마를 형성할 수 있으며, 폐가스 처리용량의 증감에 따라 전력량을 제어할수 있어, 처리용량에 따른 양전극의 교체 또는 신규 설계의 비용을 절감할 수 있다.
또한, 반응기에서는, 반경방향으로 확산되는 상기 플라즈마 유동 구조와 반응실 내측을 원주방향으로 선회하도록 공급되는 폐가스 공급관의 설치 구조에 의하여, 폐가스와 플라즈마의 충분한 체류시간이 확보되고, 선단부가 만곡진 다공판 원추형 구조의 혼합기(mixer)를 설치하여, 혼합기 벽면에서의 빠른 유속과 부착물 배출이 용이한 다공판형의 구조로 실리카 분말의 퇴적을 방지하고, 선단부가 완만하므로 혼합기(mixer) 선단부의 플라즈마 열로 인한 열화를 방지하면서도 플라즈마와 처리가스를 적극적으로 혼합함으로써 폐가스의 정화효율을 대폭적으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기의 일실시예에 의한 아크 플라즈마 토치 및 반응관의 내부 구성 상태를 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기의 각각의 실시예에 의한 제1공급관 및 제2공급관의 연결구성 상태를 개략적으로 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 혼합기의 구조를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기의 음전극의 침식마모량을 종래와 비교하여 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기 및 폐가스 처리방법에 따른 사용입력 전력량의 차이를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기의 양전극이 적용된 아크 플라즈마 토치의 동작시, 시간에 따른 전류 및 전압 곡선을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기의 양전극이 적용된 아크 플라즈마 토치의 동작시, 전류 및 전압 곡선을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기의 원추형 혼합기(mixer)의 단면적과 반응기의 단면적 비에 따른 정화효율의 특성을 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기의 원추형 혼합기(mixer)의 원추 내부각도에 따른 실리카 분말의 퇴적량 관계를 나타내는 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기의 원추형 혼합기(mixer) 다공판의 홀(hole) 크기에 따른 실리카 분말의 퇴적량 관계를 나타내는 그래프,
도 11은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기 및 폐가스 처리방법에 따른 정화효율, 소비전력 및 운전비용을 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명을 설명하기에 앞서 본 발명의 특징을 설명하면 다음과 같다.
1) 음전극(130)을 반구형으로 만곡지게 형성하였다.
2) 양전극(140)을 적어도 하나의 확대되는 계단형의 다단확대관형으로 형성하였다.
3) 주입되는 작동가스 및 처리가스(폐가스)가 일 방향으로 선회하면서 이동되도록 구성하였다.
4) 주입된 작동가스가 이동되는 작동가스 이동관(120)의 출구 쪽을 작동 가스의 진행방향으로 좁아지도록 테이퍼지게 형성하였다.
5) 반응실(220)의 중심축 하단부에는 혼합기(230, mixer)를 설치하고 반응기 출구(240)는 교축(throttling) 하였다.
6) 혼합기(230)는 다공판으로 이루어지고 선단부가 완만한 원추형으로 구성하였으며, 원추형 혼합기(230) 선단부에서의 다공판 홀(hole) 크기는 작게 하고, 원추 하단부에서의 다공판 홀(hole) 크기는 크게 하였다.
7) 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 특징을 도 11에 나타냈으며, 도 11은 본 발명에 따른 정화효율, 소비전력 및 운전비용면에서의 특성을 종래기술과 비교하여 나타낸 것이다.
한편, 음전극과 양전극의 두 전극 사이에 아크 방전을 발생시켜 고온의 플라즈마를 분출하는 아크 플라즈마 토치는 탄화수소 연료의 연소와는 비교할 수 없을 정도의 고온인 약 10,000℃ 이상의 에너지와 활성 이온화 기체의 플라즈마를 방출하므로 핵융합 분야 이외에도 플라즈마 용사, 용융로, 초고온 가공 등의 산업분야에 널리 사용되어 왔으며, 최근에는 난분해성 유해 폐기물의 열분해처리 및 실란(SiH4) 또는 할로겐계의 가스(NF3, ClF3, CF4) 등과 같이 반도체 및 LCD 생산공정 등에서 발생하는 난분해성 산업용 유해가스를 열분해 처리하는 스크러버 분야에도 효과적으로 적용되고 있으며 그 역할이 점점 확대되어 가고 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 작동가스 이동관(120)을 통해 작동가스를 공급받아 작동가스의 분위기에서 플라즈마를 발생시키는 음전극(130)과 양전극(140)을 포함하는 아크 플라즈마 토치(100) 및 아크 플라즈마 토치(100)와 연결되어 아크 플라즈마 토치(100)로부터 분출하는 플라즈마에 의해 공급된 처리가스(폐가스)가 열분해 반응하는 반응기(200)를 포함하여 이루어진 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기에 있어서, 작동가스 이동관(120)에 공급된 작동가스는 작동가스 이동관(120)의 원주를 따라 일 방향으로 선회하면서 이동하도록, 작동가스 이동관(120)의 내측 둘레에 동일한 방향성을 가지며 연결된다.
여기서, 아크 플라즈마 토치(100)는, 제1공급관(110), 작동가스 이동관(120), 음전극(130) 및 양전극(140)으로 구성된다.
아크 플라즈마 토치(100)는 직류, 교류 및 고주파(RF) 등의 전원을 이용하며, 일반적으로는 음전극(130)과 양전극(140)의 사이에 플라즈마를 발생시키기 위한 작동가스를 주입하고 전원을 인가함으로써, 아크 방전을 발생시켜 제트 플라즈마를 형성한다.
제1공급관(110)은 작동가스 이동관(120)의 상부에 결합되며, 플라즈마를 발생시키기 위한 작동가스를 공급한다.
이때, 사용하는 작동가스는 헬륨, 아르곤 및 질소 등이 주로 사용된다.
도 2에는 제1공급관(110)이 각각 2개, 3개, 4개로 구성된 (a), (b), (c)의 3가지 타입으로 도시하였으나, 제1공급관(110)은 하나로 구성하거나, 4개 이상으로도 구성할 수 있다.
한편, 도면상에는 제1공급관(110)의 연결구조만을 나타내기 위해 개략적으로 도시한 것으로써, 작동가스 이동관(120)의 형상은 개략적으로만 나타내었다.
도 1에 도시된 바와 같이, 작동가스 이동관(120)은 작동가스 이동관(120)의 상부에 결합된 제1공급관(110)으로부터 작동가스를 공급받으며, 공급된 작동가스는 제1공급관(110)의 연결구조에 의해 선회운동을 하면서, 작동가스 이동관(120)의 일측에서 타측, 즉, 상부에서 하부로 이동한다.
작동가스 이동관(120)은 작동가스가 이동되는 방향으로, 음전극(130)의 선단부에서 점진적으로 축소되도록, 작동가스 이동관(120)의 타측 형상은 테이퍼지게 형성하여, 음전극(130) 주위에 작동가스의 접촉이 활발히 일어나면서도 흐름의 변동과 압력에너지의 손실이 없도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 도면상에는 작동가스 이동관(120)의 형상을 타측 부위만 테이퍼지게 구성하였으나, 작동가스 이동관(120)의 전체 형상을 상부에서 하부로 좁아지도록 테이퍼지게 구성하는 것도 가능하다.
음전극(130)은 작동가스 이동관(120)의 타측에 그 선단부가 위치되도록 결합된다.
전극의 재질은 주로 무산소동 또는 텅스텐을 사용한다.
한편, 아크가 발생하면 전극에 고전류가 통전되어 고온의 상태가 되므로 고온산화로 인한 침식이 발생하기 때문에, 이를 방지하기 위하여 음전극(130)의 내부에는 냉각수 공급관(300)이 설치된다.
도 4는 본 발명에 의한 음전극 및 종래에 사용되던 음전극을 동일한 조건에서 사용하고, 사용시간 경과에 따른 침식마모량의 정도를 그래프로 나타낸 것이며, 도 4를 참조하면 다음과 같다.
반구형으로 만곡지게 형성된 음전극(130)에서의 아크 점은, 작동가스의 스월(swirl)과 흐름의 변화에 따라 구형의 완만한 곡면을 갖는 음전극(130) 선단부를 중심으로 넓게 분포하게 되고, 선단부가 완만한 곡면이기 때문에 아크 점 영역의 냉각에도 유리하다.
종래 기술의 원추형 음전극(130)이 원추 선단에서 방전과 열이 집중되고 냉각에도 취약하여 침식마모가 심각한 것과 비교하면, 이와 같은 구조는 전극의 내침식마모성을 크게 향상시키는 효과가 있고, 고가의 음전극(130) 교체 비용을 크게 절감할 수 있다.
플라즈마 제트의 노즐 역할을 겸하는 양전극(140)은 작동가스 이동관(120)과 연결되고, 음전극(130)의 선단부와 소정 간격 이격되어 형성된다.
또한, 도 5는 플라즈마의 안정성 범위를 종래와 비교하여 나타낸 것이며, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 종래와 비교하였을 경우 더 넓은 입력 전력량의 범위에서 사용할 수 있었으며, 특히, 저전력량으로도 사용이 가능함을 알 수 있었다.
아크 점은 전류 및 전압의 전원특성과 작동가스의 온도, 밀도, 압력, 유량, 유속 및 유동 등의 작동가스의 특성, 그리고, 플라즈마의 전기전도 특성 등에 영향을 받아 위치가 정해지므로, 상기 각 특성의 시간적 변동에 따라 불안정하게 되기 쉽다.
본 발명에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 양전극(140)이 적용된 경우 아크 플라즈마 토치(100)의 동작시 공급되는 전류와 전압의 변동이 작아지므로 플라즈마의 화염이 안정화됨을 알 수 있었으며, 도 7에 도시된 바와 같이, 종래의 양전극에 비하여 작동전류 값을 낮출 수 있어, 아크에 의한 양전극(140)의 마모도를 효과적으로 낮출 수 있음을 알 수 있었다.
따라서, 양전극(140)은 도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마의 진행방향으로 점진적으로 확장형성되는데, 적어도 하나의 계단형으로 형성하는 것이 바람직하며, 전원이 인가되면 아크 플라즈마가 반구형의 음전극(130)과 다단 확대관형의 양전극(140)의 최단거리에서 발생하기 시작하여, 양전극의 내측면을 따라 성장하고 양전극 출구에서 플라즈마 제트의 형태로 분출된다.
이때, 아크 점은 작동가스의 유량과 플라즈마의 축방향(도 1을 기준으로 상부에서 하부방향) 속도에 대응하는 거리의 양전극(140) 내벽 계단에 형성되고, 작동가스의 선회 유동에 의해 양전극(140) 내부를 선회하면서 양전극(140)의 원주 방향으로 균일하게 분포하게 되며, 양전극(140)의 축방향의 속도는 억제되고 양전극(140)의 반경 방향의 속도는 증가되는 확산형 플라즈마를 분출하게 된다.
즉, 양전극(140)의 확대관 구조는 양전극(140) 내부에서의 플라즈마의 축방향 속도를 억제하고 반경방향의 속도를 증가시켜 반경방향으로 매우 안정된 확산형 플라즈마를 형성하는 역할을 하며, 반경방향으로 확산되는 플라즈마는 표면적이 증가하게 되어 폐가스와의 접촉과 혼합에 유리하게 작용한다.
안정화된 플라즈마는 원주 방향으로 균일한 아크점 분산을 가능하게 하므로 국부적인 아크점 및 전류의 집중으로 인한 전극의 녹아 내림 또는 침식마모를 방지하는 효과가 있으며, 불안정한 플라즈마에서와 같은 전류의 심한 변동을 감소시키기 때문에 저전력의 고효율 플라즈마를 형성하게 된다.
플라즈마는 양전극(140)을 통과하면서 수십 배로 열 팽창되기 때문에, 경우에 따라서는, 플라즈마의 분출속도가 수백 m/s 까지 가속되는 경우도 발생하게 된다.
종래의 직관형 양전극(140)의 구조에서는 아크점이 고속이동에 의하여 날리게 되어 플라즈마가 매우 불안정하게 되고, 안정화가 되더라도 반응실(220)을 고속으로 지나서 배출구로 배출되기 때문에, 폐가스와 플라즈마의 반응을 위한 충분한 체류시간의 확보도 어려울 뿐만 아니라, 열분해 효율도 저하되었다.
본 발명의 다단확대관형 양전극(140)을 사용하는 경우에는, 플라즈마의 축방향 속도는 직경의 제곱에 반비례하며, 그 대신 반경방향의 속도를 증가시킬 수 있어, 폐가스와 플라즈마의 반응을 위한 충분한 체류시간의 확보로, 열분해 효율을 대폭적으로 향상시킬 수 있다.
할로겐계 가스와 같은 난분해성 유해가스의 경우에는 적어도 약 1300℃ 이상에서 열분해되므로, 고온의 플라즈마와 폐가스가 혼합되지 않으면 고효율의 열분해는 기대하기 어려워진다.
또한, 플라즈마가 충분히 발달하는 양전극(140)의 출구방향으로 직경이 커지므로 수냉각의 면적이 증가하여 양전극의 냉각성능 또한 크게 향상되며, 전극의 녹아 내림 또는 침식마모를 방지하는 효과가 크다.
양전극(140)의 둘레에도 음전극(130)에 형성된 냉각수로(300)가 형성된다.
냉각수로(300)의 구조는 공지된 기술이므로, 이에 대한 더 자세한 세부사항의 도시 및 설명은 생략하도록 한다.
한편, 반응기(200)는 양전극(140)과 연결되는 반응실(220); 및 반응실(220)과 연결되어 반응실(220) 내부로 처리가스를 공급하는 적어도 하나의 제2공급관(210)을 포함하며, 제2공급관(210)은 반응실(220)에 공급된 처리가스가 반응실(220)의 원주를 따라 일 방향으로 선회하면서 이동하도록, 반응실(220)의 내측 둘레에 동일한 방향성을 갖도록 연결된다.
즉, 반경방향으로의 확산형 플라즈마가 유입되도록 하고, 이에 대응하는 공간을 확보하기 위하여 반경방향의 크기를 확대한 반응실(220)에 제2공급관(210)을 설치하여, 처리할 폐가스가 원주 방향으로 선회하면서 플라즈마와 접촉되고 혼합된다.
이와 같은 반경방향으로 확산되는 상기 플라즈마 유동 구조와 반응실 내측을 원주방향으로 선회하도록 공급되는 폐가스 공급관의 설치 구조는 폐가스와 플라즈마의 혼합을 위한 체류시간이 확보되도록 하여 폐가스의 정화효율을 향상시킨다.
이때, 제2공급관(210)에서 공급되는 처리가스(폐가스)의 선회 방향은 제1공급관(110)에서 공급되는 작동가스의 선회방향과 동일하게 하는 것이 바람직하다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2공급관(210)과 반응실(220)의 연결구조도 제1공급관(110)의 연결구조와 동일하다.
또한, 도 1 및 도 3과 같이 반응실(220)의 중심축 하단부에는 다공판으로 이루어지고 선단부가 완만한 원추형 혼합기(230)를 설치하고 반응기 출구(240)는 교축(throttling) 된다.
도 3의 (a)는 혼합기(230)의 평면도이고, (b)는 혼합기(230)의 측면도를 나타낸 것이다.
상기 혼합기(230)의 다공판 구조는 분말의 배출이 용이하도록 하며, 다공판은 다양한 홀(hole)의 크기와 배열을 통하여 분말의 배출 및 유량의 분배를 제어할 수 있으며, 원추 중심부는 상대적으로 유동에 대향하고 유속이 크기 때문에 작은 크기의 홀(hole)로 구성하고 원추 하단부는 상대적으로 유량이 크고 분말이 집중되는 곳으로 큰 크기의 홀(hole)을 구성하는 것이 바람직하다.
또한 상기 다공판 원추형 혼합기(230)의 선단부는 열적인 집중을 방지하기 위하여 완만하게 구성하는 것이 바람직하다.
상기 다공판 원추형 혼합기(230)의 원추형 구조는 원추 내각의 조정에 따라 벽면에서 빠른 유속을 유도하고 실리카 분말의 퇴적을 방지할 수 있다.
이와 같이, 상기 선단부가 완만한 원추형 다공판 혼합기(230)는, 실리카 분말의 퇴적을 방지하면서도, 플라즈마와 처리가스를 적극적으로 혼합함으로써 폐가스의 정화효율을 대폭적으로 향상시는 역할을 한다.
도 8은 원추형 혼합기(230)의 단면적과 반응기의 단면적 비에 따른 정화효율의 특성을 나타낸 그래프로서, 혼합기(230)의 단면적이 증가할수록 혼합이 잘되어 정화효율이 향상됨을 알 수 있었다.
도 9는 원추형 혼합기(230)의 원추 내부각도에 따른 실리카 분말의 퇴적량 관계를 나타내는 그래프로서, 원추형 혼합기(230)의 내각이 작을수록 실리카 분말의 퇴적량이 급격히 감소함을 알 수 있었다.
도 10은 원추형 혼합기(230) 다공판의 홀(hole) 크기에 따른 실리카 분말의 퇴적량 관계를 나타내는 그래프로서, 다공판의 홀(hole) 크기가 클수록 실리카 분말의 퇴적량이 급격히 감소함을 알 수 있었다.
이와 같은 반응기 구조와 혼합기(230)의 구조는 폐가스와 플라즈마의 혼합 및 체류시간을 충분히 확보하도록 하여 폐가스의 정화효율을 대폭 향상시킨다.
한편, 작동가스 이동관(120)을 통해 작동가스를 공급받아 플라즈마를 발생시키는 아크 플라즈마 토치(100) 및 아크 플라즈마 토치(100)와 연결되어 발생된 플라즈마에 의해 처리가스를 열분해시키는 반응기(200)를 포함하는 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기를 이용한 플라즈마를 이용한 폐가스 처리방법에 있어서, 작동가스 이동관(120)으로 작동가스를 공급하는 작동가스 공급단계; 작동가스 이동관(120)으로 공급된 작동가스와 반응하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생단계; 발생된 플라즈마와 접촉되도록 반응실(220)로 처리가스를 공급하는 폐가스 공급단계; 및 반응실(220)에서 플라즈마와 처리가스가 혼합되어 열분해 반응이 이루어지는 처리가스 열분해단계를 포함하며, 상기 작동가스 공급단계에서는, 공급된 작동가스가 작동가스 이동관(120)의 원주를 따라 선회하면서 이동하도록 공급한다.
또한, 상기 플라즈마 발생단계에서는 발생된 플라즈마가 선회하는 작동가스를 따라 점진적으로 회전 반경을 넓히면서 선회되어 확산된다.
또한, 처리가스 공급단계에서는 공급된 처리가스가 반응실(220) 내측의 원주를 따라 공급가스의 선회방향과 동일한 방향으로 선회하도록 공급된다.
또한, 처리가스 열분해단계에서는, 플라즈마와 처리가스가 반응기내에서의 상호 유동에 의한 접촉과 혼합기(230)를 이용한 혼합과정을 거치면서 플라즈마의 열과 활성화 이온에 의한 처리가스의 열분해가 이루어진다.
상기 플라즈마를 이용한 폐가스 처리방법은 앞서 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기에서 방법적인 부분까지 언급한 바 있으므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
본 발명인 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기는 플라즈마 폐가스 처리기 또는 플라즈마 가스처리기에 한정되는 것은 아니며, 음전극, 양전극, 반응실 및 혼합기(230)에 관한 본 발명의 일부 또는 그 이상을 사용하는 플라즈마 토치 또는 반응기를 모두 포함한다.
또한, 반구형의 만곡진 음전극(130)의 구조는 반구형의 구조로만 한정하는 것은 아니며, 음전극(130)의 선단부가 곡면인 형태의 음전극(130) 구조를 모두 포함한다.
또한, 양전극(140)의 다단 확대관형의 구조는, 직관형을 제외하고, 무단의 확대관형을 포함하며, 1단 이상의 계단으로 무한대의 계단, 즉, 무단의 확대관형 구조를 모두 포함한다.
또한, 계단의 구조는 완만한 곡선형 계단이 이상적이지만 곡선형 계단에만 한정되는 것은 아니며 임의 구조의 계단을 모두 포함한다.
100 : 아크 플라즈마 토치 110 : 제1공급관
120 : 작동가스 이동관 130 : 음전극
140 : 양전극
200 : 반응기 210 : 제2공급관
220 : 반응실 230 : 혼합기
240 : 반응기 출구
300 : 냉각수로 310 : 냉각수로 입구
320 : 냉각수로 출구

Claims (14)

  1. 작동가스 이동관을 통해 작동가스를 공급받아 플라즈마를 발생시키는 아크 플라즈마 토치 및 상기 아크 플라즈마 토치와 연결되어 발생된 플라즈마에 의해 처리가스를 열분해시키는 반응기를 포함하는 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기에 있어서,
    상기 작동가스는 상기 작동가스 이동관의 원주를 따라 일 방향으로 선회하면서 이동하도록 공급하되, 상기 작동가스 이동관은, 작동가스가 이동되는 방향으로, 음전극의 선단부에서 점진적으로 축소되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 아크 플라즈마 토치는,
    플라즈마를 발생시키기 위한 작동가스가 공급되는 적어도 하나의 제1공급관;
    상기 제1공급관과 연결되어 유입된 작동가스가 일측에서 타측으로 이동되는 작동가스 이동관;
    상기 작동가스 이동관의 타측에 그 선단부가 위치되는 음전극; 및
    상기 작동가스 이동관과 연결되고, 상기 음전극의 선단부와 소정 간격 이격되어 형성되는 양전극을 포함하며,
    상기 음전극의 선단부는 만곡지게 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 아크 플라즈마 토치는,
    플라즈마를 발생시키기 위한 작동가스가 공급되는 적어도 하나의 제1공급관;
    상기 제1공급관과 연결되어 유입된 작동가스가 일측에서 타측으로 이동되는 작동가스 이동관;
    상기 작동가스 이동관의 타측에 그 선단부가 위치되는 음전극; 및
    상기 작동가스 이동관과 연결되고, 상기 음전극의 선단부와 소정 간격 이격되어 형성되는 양전극을 포함하며, 상기 양전극은,
    플라즈마의 진행방향으로 점진적으로 확장형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 양전극은,
    적어도 하나의 계단형으로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 반응기는,
    양전극과 연결되는 반응실; 및
    상기 반응실과 연결되어 상기 반응실 내부로 처리가스를 공급하는 적어도 하나의 제2공급관을 포함하며, 상기 제2공급관은,
    상기 반응실에 공급된 처리가스가 상기 반응실의 원주를 따라 일 방향으로 선회하면서 이동하도록, 상기 반응실의 내측 둘레에 동일한 방향성을 갖도록 연결된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 반응기에는,
    중심부에 선단부가 만곡진 원추형으로 구성되어 다수 개의 홀이 형성된 혼합기가 더 구비된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 혼합기는,
    선단부로부터 후단부로 갈수록 상기 홀의 크기가 점진적으로 커지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 반응실의 출구 쪽은,
    교축(throttling)된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 음전극, 상기 양전극 및 상기 반응기의 내부에는 냉각수가 공급되는 냉각수로가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐가스 처리기.
  11. 삭제
  12. 삭제
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