KR101406197B1 - 고효율의 이동형 육불화황 재제조장치 및 이를 이용한 육불화황 재제조방법 - Google Patents

고효율의 이동형 육불화황 재제조장치 및 이를 이용한 육불화황 재제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중전기기 및 반도체 산업 분야 등에서 발생되는 육불화황을 우수한 효율로 회수할 수 있으며, 더불어 이동성 및 현장 적용성이 우수한 고효율의 육불화황 재제조장치 및 이를 이용한 육불화황 재제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 육불화황을 함유한 원료가스를 저장하는 가스저장탱크; 상기 가스저장탱크로부터 이송된 원료가스를 액화시키기 위한 액화장치; 상기 액화장치로부터 이송된 액체를 가스로 기화시키는 기화장치; 상기 기화장치로부터 이송된 가스로부터 불순물을 흡착하기 위한 흡착장치; 및 상기 흡착장치로부터 이송된 처리가스를 여과한 후, 여과된 가스를 상기 액화장치로 재반송시키기 위한 여과장치를 포함하는 육불화황 재제조장치 및 이를 이용한 육불화황 재제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 높은 효율로 고순도의 육불화황을 재제조할 수 있을 뿐만 아니라, 장치를 소형화할 수 있기 때문에 이동성 및 현장적용성을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 더 나아가 장치 가동시 안전을 도모할 수 있다.

Description

고효율의 이동형 육불화황 재제조장치 및 이를 이용한 육불화황 재제조방법 {Device for remanufacturing SF6 with high efficiency and mobility and method for remanufacturing SF6 using the same}
본 발명은 중전기기 및 반도체 산업 분야 등에서 발생되는 육불화황을 우수한 효율로 회수할 수 있으며, 더불어 이동성 및 현장 적용성이 우수한 고효율의 육불화황 재제조장치 및 이를 이용한 육불화황 재제조방법에 관한 것이다.
육불화황 (SF6)은 대표적 온실가스 중의 하나로서, 대기 중 함량은 이산화탄소의 1% 미만으로 매우 적지만, 지구온난화지수는 이산화탄소보다 평균 2만 2000배 높고, 한 번 배출되면 대기 중에 최대 3200년까지 남아 지구의 기온을 상승시키며 시간이 지날수록 온난화 기여도가 높아지는 물질이다. 이와 같은 육불화황은 전기를 통과시키지 않는 특성이 있기 때문에 전기제품과 변압기 등의 절연체로 사용되며, 반도체 생산 공정에서도 다량 사용된다. 따라서, 육불화황을 회수하기 위한 장치 및 방법은 주로 중전기기 분야 및 반도체 제조분야 등에서 사용된다.
육불화황은 현재 국내에서는 전량 수입되고 있으며, 중전기기 분야의 GIS (Gas Insulation Switchgear), GCB (Gas Circuit Breaker), 기중선로 (GIL, Gas Insulated Line), 가스 절연변압기 등에 각각 고압상태 (주로 3기압 이상)로 주입되어 절연가스 용도로 약 80% 정도 사용되고 있고, 나머지는 반도체 제조분야에서 에칭 및 클리닝 가스 용도로 약 20% 정도 사용되고 있다. 이에 따라, 중전기기 분야의 배출 형태는 주로 중전기기 제조회사 및 전력운용회사에서 GIS, GCB 등의 중전기기 제조 및 사용과 관련한 중전기기의 최초 제조상 점검 및 사용과정상 점검, 유지 보수, 증설 과정에서 많이 배출되는 상황이다. 현재 육불화황 가스 사용 설비를 정밀점검하거나 증설할 경우, 불순물 혼입에 따른 가스 순도 저하 및 작업시간 연장 등을 우려하여 잔존 가스를 날려 보내고 새로운 육불화황 가스를 충진하고 있는데, 이는 전술한 바와 같은 환경오염 문제를 야기할 수 있기 때문에, 버려지는 육불화황 가스를 다른 불순물들과 정제하여 회수하여야 할 필요성이 심각하게 고려되고 있다. 따라서, 종래에 육불화황을 정제 또는 회수하는 방법으로는, 흡착제나 중화제 또는 멤브레인 등을 사용하여 상온에서 육불화황을 기타 불순물로부터 분리 및 제거하는 방법, 또는 육불화황 가스를 저온으로 냉각하여 액체로 만든 다음, 비점 차이를 이용하여 기타 불순물을 제거하는 방법 등이 사용되었다.
한편, 대한민국 공개특허공보 제2003-0030329호는 육불화황을 고순도로 정제하는 정제장치 및 방법으로서, 원료저장탱크, 가열기, 중화탑, 흡착탑, 증류탑 및 압축기를 포함하는 육불화황 정제장치 및 정제방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 발명은 중화탑, 흡착탑 및 증류탑 등과 같은 대형 처리탑들을 필요로 하는 관계로 이동성 및 현장적용성이 떨어진다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 우수한 육불화황 재제조능을 가지면서도, 이동성 및 현장 적용성이 우수한 고효율의 이동형 육불화황 재제조장치 및 이를 이용한 육불화황 재제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위해서,
육불화황을 함유한 원료가스를 저장하는 가스저장탱크;
상기 가스저장탱크로부터 이송된 원료가스를 액화시키기 위한 액화장치;
상기 액화장치로부터 이송된 액체를 가스로 기화시키는 기화장치;
상기 기화장치로부터 이송된 가스로부터 불순물을 흡착하기 위한 흡착장치; 및
상기 흡착장치로부터 이송된 처리가스를 여과한 후, 여과된 가스를 상기 액화장치로 재반송시키기 위한 여과장치
를 포함하는 육불화황 재제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 액화장치는 냉동 압축기, 오일 교환기, 액체 분리부 및 열교환 응축기를 포함한다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 액화장치 하단에는 액화된 육불화황을 회수하기 위한 회수라인이 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 가스저장탱크 전단에는 상기 육불화황을 함유한 원료가스를 강제로 인입하기 위한 흡입펌프, 진공펌프 또는 압축기가 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 흡착장치에는,
층상 화합물; 알칼리금속계 화합물, 알칼리토금속계 화합물 및 산화철계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 제1 흡착성분; 및 무기보습제를 포함하는 흡착제가 충진될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 흡착장치에는 가스로부터 산성 물질을 제거하기 위한 중화제가 더 충진될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 여과장치는 입자 필터, 건조 필터, 가스 필터 또는 그 조합을 포함한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 액화장치 전단에는 상기 원료가스를 사전여과시키기 위한 사전 여과장치가 더 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 가스저장탱크, 상기 액화장치, 상기 흡착장치 및 상기 여과장치에는 각 장치에 설정된 압력치를 모니터링하여 설정 압력치를 초과하는 경우, 유체의 이동을 차단하기 위한 안전밸브를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위해서,
1) 육불화황을 함유한 원료가스를 저장하는 단계;
2) 상기 저장된 원료가스를 액화시키는 단계;
3) 상기 액화된 원료가스를 기화시키는 단계;
4) 상기 3) 단계를 거친 기체로부터 육불화황을 제외한 나머지 불순물을 흡착하는 단계; 및
5) 상기 4) 단계를 거친 가스를 여과한 후, 여과된 가스에 대해서 상기 2) 내지 4) 단계를 반복하는 단계
를 포함하는 육불화황 재제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 높은 효율로 고순도의 육불화황을 재제조할 수 있을 뿐만 아니라, 장치를 소형화할 수 있기 때문에 이동성 및 현장적용성을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 더 나아가 장치 가동시 안전을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 육불화황 재제조장치에 대한 개략적인 구성도이다.
도 2a, 2b 및 2c는 각각, 본 발명에 따른 장치 중, 가스 저장탱크 (2a)와, 액화장치, 기화장치, 흡착장치 및 여과장치를 포함하는 장치 시스템 (2b) 및 실제 본 발명에 따른 장치를 현장에서 가동하는 장면 (2c)을 도시한 사진들이다.
도 3은 본 발명에 따른 육불화황 재제조방법에 대한 개략적인 공정도이다.
본 발명은 중전기기 및 반도체 산업 분야 등에서 발생되는 육불화황을 우수한 효율로 회수할 수 있으며, 더불어 이동성 및 현장 적용성이 우수한 고효율의 육불화황 재제조장치 및 이를 이용한 육불화황 재제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 육불화황을 함유한 원료가스를 저장하는 가스저장탱크; 상기 가스저장탱크로부터 이송된 원료가스를 액화시키기 위한 액화장치; 상기 액화장치로부터 이송된 액체를 가스로 기화시키는 기화장치; 상기 기화장치로부터 이송된 가스로부터 불순물을 흡착하기 위한 흡착장치; 및 상기 흡착장치로부터 이송된 처리가스를 여과한 후, 여과된 가스를 상기 액화장치로 재반송시키기 위한 여과장치를 포함하는 육불화황 재제조장치 및 이를 이용한 육불화황 재제조방법에 관한 것이다.
이하, 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 육불화황 재제조장치에 대한 개략적인 구성도가 되시되어 있으며, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 장치는 주된 구성요소로서, 가스저장탱크 (110), 액화장치 (120), 기화장치 (130), 흡착장치 (140) 및 여과장치 (150)를 포함한다.
상기 가스저장탱크 (110)는 중전기기 등으로부터 공급되는 원료가스를 저장하는 역할을 한다. 육불화황을 포함하는 원료가스를 저장하는 저장탱크는 사용압력과 사용온도를 고려하여 설계되어야 하며, 내압 또는 외압 이외에 필요에 따라서 급격한 압력변동을 포함한 충격하중, 압력용기 및 내용물의 무게, 판의 두께, 부식 또는 마모에 의한 영향 등을 고려하여 선택되어야 한다. 또한 가스의 누설을 막기 위해 용접부의 경우 완전 밀봉되어야 하며, 사용되는 재료는 육불화황 가스에 대한 내구력이 우수한 재질을 사용하여야 한다. 일반적으로 육불화황 가스 회수장치에 사용되는 저장탱크의 최고사용압력은 25/50 bar이다.
한편, 중전기기 등에 사용되는 육불화황 가스는 우수한 절연특성 및 열전도성 외에도, 용기에 충진 되었을 때 실온에서 상대적으로 높은 압력을 가진다. 육불화황 가스의 액화 압력은 21℃에서 약 21bar이며, 그 비점은 -63.8℃로 상당히 낮아서, 중전기기 등에는 4~6bar 정도의 압력으로 충진된다. 따라서, 원료가스 회수 초기에는 중전기기와 가스저장탱크 (110)와의 압력차에 의해 자연회수가 가능하지만, 육불화황 가스의 회수가 진행됨에 따라 중전기기의 내부압력이 일정압력 이하로 떨어지게 되면 자연회수가 원활하지 않을 수 있으므로, 원료가스를 가스저장탱크 (110) 내부로 강제 인입하기 위한 수단이 필요하게 될 수도 있다. 더욱이, 육불화황 가스 회수장치 사용시 오작동으로 인하여 장치가 순간 정지되면 가스저장탱크 (110)와 호스 등에서 발생하는 압력 차이에 의하여 회수하는 육불화황 가스와 오일 등이 섞이는 사고가 발생할 수 있으므로, 가능하면 이러한 강제 인입수단은 오일-프리 (oil-free) 수단인 것이 바람직하다. 또한, 일반적으로 육불화황 가스 회수장치에서 목표로 하고 있는 99% 이상의 회수율을 만족하고자 한다면, 최종 회수압력이 1mbar 미만까지 가능한 강제 인입수단을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 요구를 만족시키기 위해서, 상기 가스저장탱크 (110) 전단에 상기 육불화황을 함유한 원료가스를 강제로 인입하기 위한 흡입펌프, 진공펌프 또는 압축기를 더 구비하여 인입용 회수장치로도 사용할 수 있다.
전술한 과정에 의해서 육불화황을 포함하는 원료가스가 가스저장탱크 (110) 내부로 인입되면, 인입된 원료가스는 가스라인을 통하여 액화장치 (120)로 이송된다. 예를 들어, 상기 액화장치 (120)는 냉동 압축기, 오일 교환기, 액체 분리부 및 열교환 응축기를 포함할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 액화장치 (120)에 의한 액화과정을 통해서 육불화황을 포함하는 액체성분과 기타 물질들을 포함하는 기체성분으로의 상분리 과정을 수행하게 되며, 기체성분은 별도의 배출라인을 통해서 폐기되고, 육불화황을 포함하는 액체성분만에 대해서 후속 흡착 및 여과 공정을 수행하게 된다. 더불어, 이러한 액화장치 (120)에 의해서 대량의 원료가스를 가스저장탱크 (110) 내부에 저장하는 것도 가능해진다.
상기 액화장치 (120) 후단에는 상기 액화장치 (120)로부터 이송된 액체에 대해서 후속 흡착 및 여과 공정을 수행하기 위해서 액화된 원료가스를 다시 기화시키기 위한 기화장치 (130)가 연결된다. 기화장치 (130)로는 상기 액화 원료가스에 열을 공급하기 위한 히터 등이 사용될 수 있다. 기화된 원료가스에 대해서는 후속 흡착 및 여과 공정을 수행하고, 기타 불순물이 제거된 고순도의 육불화황 가스는 상기 액화장치 (120)로 재반송되며, 이러한 과정을 반복할수록 액체 중의 육불화황 농도는 높아지게 되어 결국 고농도의 육불화황을 재제조할 수 있게 된다. 따라서, 상기 액화장치 (120) 하단에는 액화된 육불화황을 회수하기 위한 회수라인이 구비되고, 회수라인을 통해서 회수된 액상의 육불화황은 GIS, GCB, GIL, 가스 절연변압기 등과 같은 각종 중전기기에 기상으로 공급되어 재사용될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 기화된 원료가스는 흡착장치 (140)로 공급되는데, 상기 흡착장치 (140)에는, 층상 화합물; 알칼리금속계 화합물, 알칼리토금속계 화합물 및 산화철계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 제1 흡착성분; 및 무기보습제를 포함하는 흡착제가 충진되어 있다. 이러한 흡착제의 구체적인 예로는 2011년 6월 17일자로 본 발명자에 의해서 출원된 바 있는 대한민국 특허출원 제2011-0059098호에 상세히 개시된 바 있는 다양한 흡착제를 들 수 있으며, 흡착제는 기화된 원료가스 중 육불화황 성분을 제외한 나머지 성분들을 흡착하게 된다. 한편, 상기 흡착장치 (140)에는 기화된 원료가스로부터 산성 물질을 제거하기 위한 중화제가 더 충진될 수도 있다.
흡착장치 (140)를 통과하여 육불화황을 제외한 불순물이 흡착제거된 원료가스는 다시 여과장치 (150)를 통과함으로써 불순물이 더욱 제거된다. 구체적으로, 상기 여과장치 (150)는 입자 필터, 건조 필터, 가스 필터 또는 그 조합을 포함하며, 입자 필터는 고체형 미립자와 고체형 분해 부산물을 흡착 및 제거하기 위해서 사용되고, 건조 필터 및 가스 필터는 수분과 육불화황 가스로부터 분해된 HF, SO2, SOF2, SOF4, SO2F2, SF4 등과 같은 분해가스를 여과할 수 있다. 고순도의 육불화황을 재제조하기 위해서는 평균 입경 0.1 ㎛ ~ 1.0 ㎛ 정도까지 여과할 수 있는 필터를 사용하는 것이 바람직하다.
특히, 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 여과장치 (150)는 흡착장치 (140) 후단에 구비되는 이외에도, 상기 액화장치 (120) 전단에도 배치됨으로써 상기 원료가스를 사전여과시킴으로써 더욱 고순도의 육불화황을 재제조하는 것도 가능하다. 더불어, 상기 가스저장탱크 (110), 상기 액화장치 (120), 상기 기화장치 (130), 상기 흡착장치 (140) 및 상기 여과장치 (150)에는 각 장치에 설정된 압력치를 모니터링하여 설정 압력치를 초과하는 경우, 유체의 이동을 차단하기 위한 안전밸브가 구비됨으로써 작업의 안전성을 도모할 수도 있다.
특히, 본 발명에 따른 장치는 상기 장치 구성요소들을 모두 포함하는 장치 전반을 우수한 현장 적용성을 갖도록 이동형으로 제작하는 것이 가능한데, 관련하여, 도 2a에는 본 발명에 따른 장치 중, 가스 저장탱크 (110)을, 도 2b에는 액화장치 (120), 기화장치 (130), 흡착장치 (140) 및 여과장치 (150)를 포함하는 나머지 장치 시스템을 도시하였으며, 도 2c에는 실제 본 발명에 따른 장치를 현장에서 가동하는 장면을 도시하였다.
한편, 본 발명은 또한, 1) 육불화황을 함유한 원료가스를 저장하는 단계; 2) 상기 저장된 원료가스를 액화시키는 단계; 3) 상기 액화된 원료가스를 기화시키는 단계; 4) 상기 3) 단계를 거친 기체로부터 육불화황을 제외한 나머지 불순물을 흡착하는 단계; 및 5) 상기 4) 단계를 거친 가스를 여과한 후, 여과된 가스에 대해서 상기 2) 내지 4) 단계를 반복하는 단계를 포함하는 육불화황 재제조방법을 제공한다.
도 3에는 본 발명에 따른 육불화황 재제조방법에 대한 개략적인 공정도가 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 방법은 원료가스의 저장 단계, 원료가스의 액화 단계, 액화가스의 기화 단계, 기화가스에 대한 흡착 단계, 기화가스에 대한 여과 단계를 포함하며, 여과 단계를 거쳐서 생성된 최종 생성물은 다시 액화 단계를 거쳐서 액상의 육불화황으로 제조되거나, 또는 더욱 순도 높은 육불화황을 얻기 위해서는 전술한 액화 단계로부터 여과 단계까지의 과정을 반복하게 된다.
110: 가스저장탱크 120: 액화장치
130: 기화장치 140: 흡착장치
150: 여과장치

Claims (10)

  1. 육불화황을 함유한 원료가스를 저장하는 가스저장탱크;
    상기 가스저장탱크로부터 이송된 원료가스를 액화시키며, 하단에 상기 액화된 원료가스로부터 액화된 육불화황을 회수하기 위한 회수라인을 구비한 액화장치;
    상기 액화장치로부터 이송된 액체를 가스로 기화시키는 기화장치;
    상기 기화장치로부터 이송된 가스로부터 불순물을 흡착하기 위한 흡착장치;및
    상기 흡착장치로부터 이송된 처리가스를 여과한 후, 여과된 가스를 상기 액화장치로 재반송시키기 위한 여과장치
    를 포함하는 이동형 육불화황 재제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액화장치는 냉동 압축기, 오일 교환기, 액체 분리부 및 열교환 응축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 육불화황 재제조장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스저장탱크 전단에는 상기 육불화황을 함유한 원료가스를 강제로 인입하기 위한 흡입펌프, 진공펌프 또는 압축기가 구비되는 것을 특징으로 하는 육불화황 재제조장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 흡착장치에는,
    층상 화합물; 알칼리금속계 화합물, 알칼리토금속계 화합물 및 산화철계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 제1 흡착성분; 및 무기보습제를 포함하는 흡착제가 충진된 것을 특징으로 하는 육불화황 재제조장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 흡착장치에는 가스로부터 산성 물질을 제거하기 위한 중화제가 더 충진된 것을 특징으로 하는 육불화황 재제조장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 여과장치는 입자 필터, 건조 필터, 가스 필터 또는 그 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 육불화황 재제조장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 액화장치 전단에는 상기 원료가스를 사전여과시키기 위한 사전 여과장치가 더 구비된 것을 특징으로 하는 육불화황 재제조장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 가스저장탱크, 상기 액화장치, 상기 흡착장치 및 상기 여과장치에는 각 장치에 설정된 압력치를 모니터링하여 설정 압력치를 초과하는 경우, 유체의 이동을 차단하기 위한 안전밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 육불화황 재제조장치.
  10. 삭제
KR1020120074986A 2012-03-29 2012-07-10 고효율의 이동형 육불화황 재제조장치 및 이를 이용한 육불화황 재제조방법 KR101406197B1 (ko)

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KR1020120074986A KR101406197B1 (ko) 2012-03-29 2012-07-10 고효율의 이동형 육불화황 재제조장치 및 이를 이용한 육불화황 재제조방법

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KR20050030329A (ko) * 2003-09-25 2005-03-30 대성산업가스 주식회사 육불화황을 고순도로 정제하는 정제장치 및 방법
KR20100094060A (ko) * 2009-02-18 2010-08-26 김상현 육불화황가스 회수장치의 필터 일체형 보조흡입펌프

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