KR101512157B1 - 플라즈마-촉매를 이용한 유해 물질 저감 장치 및 이의 운전 방법 - Google Patents

플라즈마-촉매를 이용한 유해 물질 저감 장치 및 이의 운전 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101512157B1
KR101512157B1 KR20130111354A KR20130111354A KR101512157B1 KR 101512157 B1 KR101512157 B1 KR 101512157B1 KR 20130111354 A KR20130111354 A KR 20130111354A KR 20130111354 A KR20130111354 A KR 20130111354A KR 101512157 B1 KR101512157 B1 KR 101512157B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
catalyst
electrode
voltage
exhaust gas
temperature
Prior art date
Application number
KR20130111354A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140101272A (ko
Inventor
강우석
송영훈
이대훈
이재옥
김관태
허민
Original Assignee
한국기계연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국기계연구원 filed Critical 한국기계연구원
Publication of KR20140101272A publication Critical patent/KR20140101272A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101512157B1 publication Critical patent/KR101512157B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/8643—Removing mixtures of carbon monoxide or hydrocarbons and nitrogen oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/40—Nitrogen compounds
    • B01D2257/404—Nitrogen oxides other than dinitrogen oxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/502—Carbon monoxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/70—Organic compounds not provided for in groups B01D2257/00 - B01D2257/602
    • B01D2257/702—Hydrocarbons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/80—Employing electric, magnetic, electromagnetic or wave energy, or particle radiation
    • B01D2259/818—Employing electrical discharges or the generation of a plasma

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)

Abstract

다단 촉매 반응을 이용하여 저온에서 유해 물질 저감 효율을 높일 수 있는 유해 물질 저감 장치 및 이의 운전 방법을 제공한다. 유해 물질 저감 장치는 제1 촉매부와 제2 촉매부를 포함한다. 제1 촉매부는 배출 가스의 유로에 위치하는 제1 촉매와, 제1 촉매의 주위에 설치되어 제1 촉매의 적어도 일측 공간에 플라즈마 방전을 일으키는 복수의 전극을 포함한다. 제2 촉매부는 제2 촉매를 포함하며, 배출 가스의 흐름 방향을 따라 제1 촉매부의 후단에 위치한다.

Description

플라즈마-촉매를 이용한 유해 물질 저감 장치 및 이의 운전 방법 {APPARATUS FOR ABATING NOXIOUS MATERIALS USING PLASMA-CATALYST AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 유해 물질 저감 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 반응과 촉매 반응을 이용한 유해 물질 저감 장치 및 이의 운전 방법에 관한 것이다.
자동차, 플랜트, 및 발전소 등의 배출 가스에는 일산화탄소, 탄화수소, 및 질소산화물 등의 유해 물질이 포함되어 있다. 촉매 반응기는 배출 가스 유로에 설치되어 유해 물질을 이산화탄소, 물, 질소 등으로 산화·환원시켜 제거한다. 촉매 반응기로는 삼원 촉매가 널리 사용되고 있다.
촉매는 대략 250℃ 내지 300℃의 반응개시 온도(전환율이 50%가 될 때의 온도)를 가지며, 표면 온도가 대략 550℃ 이상일 때 높은 효율로 반응한다. 가솔린 엔진의 경우 배출 가스의 온도는 아이들링 시 300℃ 내지 400℃이고, 최대 부하 시 900℃ 정도이나, 배출 가스가 촉매를 가열시키는데 상당한 시간이 소요된다. 따라서 촉매가 가열되기 전까지 시동 초기에는 유해 물질에 대한 처리가 어렵다.
한편, 유해 물질을 저감하기 위한 반응기로서 플라즈마 반응기도 공지되어 있다. 플라즈마 반응기는 저온 조건에서도 유해 물질을 저감시킬 수 있으나, 촉매에 비해 분해 효율이 높지 않다. 또한, 통상의 플라즈마 반응기는 무선주파수 방식과 유도성 결합 플라즈마 방식을 적용하고 있는데, 이러한 플라즈마 반응기는 고가이고, 플라즈마 유지를 위한 전력 소모가 크며, 방전 안정성이 떨어진다.
본 발명은 플라즈마와 촉매의 복합 작용을 이용하여 촉매가 가열되기 이전의 저온 구간에서 유해 물질을 높은 효율로 저감시키고, 촉매의 가열을 촉진시켜 촉매의 활성화 시점을 단축시킬 수 있는 유해 물질 저감 장치 및 이의 운전 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질 저감 장치는 제1 촉매부와 제2 촉매부를 포함한다. 제1 촉매부는 배출 가스의 유로에 위치하는 제1 촉매와, 제1 촉매의 주위에 설치되어 제1 촉매의 적어도 일측 공간에 플라즈마 방전을 일으키는 복수의 전극을 포함한다. 제2 촉매부는 배출 가스의 흐름 방향을 따라 제1 촉매부의 후단에 위치한다.
복수의 전극은 제1 촉매의 전방에서 제1 촉매와 거리를 두고 위치하는 제1 전극과, 제1 촉매의 바깥 표면과 접하며 제1 촉매의 둘레 방향을 따라 위치하는 제2 전극을 포함할 수 있다. 다른 한편으로, 복수의 전극은 제1 촉매의 전방에서 제1 촉매와 거리를 두고 위치하는 제1 전극과, 제1 촉매의 후방에서 제1 촉매와 거리를 두고 위치하는 제2 전극을 포함할 수 있다.
제1 전극과 제2 전극 중 어느 하나는 전원부와 연결되어 구동 전극이 되고, 다른 하나는 접지 전극이 되며, 전원부는 구동 전극으로 정현파 또는 펄스형 고전압을 인가하여 제1 촉매부에 플라즈마 방전을 일으킬 수 있다. 제2 촉매부는 제1 촉매부와 거리를 두고 위치하는 제2 촉매를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질 저감 장치의 운전 방법은 유해 물질이 포함된 배출 가스를 제공받는 제1 단계와, 제2 촉매의 온도가 가동 온도 이상인지 여부를 판단하는 제2 단계와, 제2 단계에서 아니오로 판단된 경우 제1 촉매를 단독 운전하는 제3 단계와, 제2 단계에서 예로 판단된 경우 제1 촉매를 저전압 플라즈마 운전하는 제4 단계를 포함한다.
제3 단계에서 제1 촉매는 제1 촉매의 가동 온도에 도달하기 전까지 유해 물질을 흡착할 수 있다. 제4 단계에서 제1 촉매부에 저전압 플라즈마 방전이 일어나 제1 촉매에 흡착된 유해 물질을 탈착시킬 수 있고, 제1 촉매에서 탈착된 유해 물질은 제2 촉매에서 분해 저감될 수 있다. 제4 단계에서 구동 전극에 60Hz 내지 600kHz 주파수 대역과 10kV/cm 내지 30kV/cm의 크기를 가진 정현파 또는 펄스형 전압이 인가될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유해 물질 저감 장치의 운전 방법은 유해 물질이 포함된 배출 가스를 제공받는 제1 단계와, 제2 촉매의 온도가 가동 온도 이상인지 여부를 판단하는 제2 단계와, 제2 단계에서 아니오로 판단된 경우 제1 촉매를 고전압 플라즈마 운전하는 제3 단계와, 제2 단계에서 예로 판단된 경우 제1 촉매를 저전압 플라즈마 운전하는 제4 단계를 포함한다.
제3 단계에서 제1 촉매부에 고전압 플라즈마 방전이 일어나 플라즈마 반응에 의해 유해 물질을 분해 저감시킬 수 있고, 제1 촉매는 제1 촉매의 가동 온도에 도달하기 전까지 유해 물질을 흡착할 수 있다. 제3 단계에서 구동 전극에 60Hz 내지 600kHz 주파수 대역과 30kV/cm 내지 40kV/cm의 크기를 가진 정현파 또는 펄스형 전압이 인가될 수 있다.
제4 단계에서 제1 촉매부에 저전압 플라즈마 방전이 일어나 제1 촉매에 흡착된 유해 물질을 탈착시킬 수 있고, 제1 촉매에서 탈착된 유해 물질은 제2 촉매에서 분해 저감될 수 있다. 제4 단계에서 구동 전극에 60Hz 내지 600kHz 주파수 대역과 10kV/cm 내지 30kV/cm의 크기를 가진 정현파 또는 펄스형 전압이 인가될 수 있다.
본 실시예의 유해 물질 저감 장치는 제1 촉매부와 제2 촉매부의 다단 촉매 반응을 이용하여 저온에서도 효과적으로 유해 물질을 저감시킬 수 있다. 또한, 배출 가스의 성분과 촉매 특성 등에 따라 운전 조건을 다양하게 설정할 수 있고, 효율적인 운전을 실시하여 전력 소모를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질 저감 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 유해 물질 저감 장치의 제1 실시예를 나타낸 개략 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시한 유해 물질 저감 장치의 제2 실시예를 나타낸 개략 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시한 유해 물질 저감 장치의 첫 번째 운전 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 5는 도 1에 도시한 유해 물질 저감 장치의 두 번째 운전 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 6은 제1 촉매에 대한 플라즈마 조건에 따른 탄화수소의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질 저감 장치의 개략도이다.
도 1을 참고하면, 유해 물질 저감 장치(100)는 배출 가스의 유로에 위치하는 제1 촉매부(110)와, 배출 가스의 흐름 방향을 따라 제1 촉매부(110)의 후단에 위치하는 제2 촉매부(120)를 포함한다.
제1 촉매부(110)는 제1 촉매와, 제1 촉매의 주위에 설치된 복수의 전극을 포함한다. 복수의 전극은 구동 전극과 접지 전극을 포함하며, 두 전극의 전위 차에 의해 제1 촉매의 적어도 일부 공간에 플라즈마 방전을 일으킨다. 제2 촉매부(120)는 제2 촉매를 포함하며, 플라즈마 방전을 위한 전극 구성을 포함하지 않는다.
유해 물질 저감 장치(100)는 자동차, 플랜트, 및 발전소 등과 같이 유해 물질(일산화탄소, 탄화수소, 및 질소산화물 등)이 포함된 배출 가스를 발생시키는 여러 기계 장치 또는 기계 설비에 장착되어 유해 물질을 저감시키는데 사용된다.
도 2는 도 1에 도시한 유해 물질 저감 장치의 제1 실시예를 나타낸 개략 사시도이다.
도 2를 참고하면, 제1 촉매부(110)는 제1 촉매(30)와, 제1 촉매(30)의 전방에서 제1 촉매(30)와 거리를 두고 위치하는 제1 전극(10)과, 제1 촉매(30)의 바깥 표면과 접하며 제1 촉매(30)의 둘레 방향을 따라 위치하는 제2 전극(20)을 포함한다. 제2 촉매부(120)는 제1 촉매(30)의 후방에서 제1 촉매(30)와 거리를 두고 위치하는 제2 촉매(40)를 포함한다.
도 3은 도 1에 도시한 유해 물질 저감 장치의 제2 실시예를 나타낸 개략 사시도이다.
도 3을 참고하면, 제1 촉매부(110)는 제1 촉매(30)와, 제1 촉매(30)의 전방에서 제1 촉매(30)와 거리를 두고 위치하는 제1 전극(10)과, 제1 촉매(30)의 후방에서 제1 촉매(30)와 거리를 두고 위치하는 제2 전극(20)을 포함한다. 제2 촉매부(120)는 제2 전극(20)의 후방에서 제2 전극(20)과 거리를 두고 위치하는 제2 촉매(40)를 포함한다.
도 2와 도 3을 참고하면, 제1 촉매부(110)와 제2 촉매부(120)는 절연 지지체(50)로 둘러싸일 수 있다. 절연 지지체(50)는 전술한 기계 장치 또는 기계 설비 중 배출 가스를 내보내는 배관에 연결 설치되며, 내부에 배출 가스가 흐르는 유로를 형성한다. 다른 한편으로, 배관의 일부가 절연 지지체(50)를 구성할 수도 있다. 이 경우 배관 내부 중 제1 촉매부(110)와 제2 촉매부(120)가 위치하는 영역에 절연층이 형성될 수 있다.
제1 촉매(30)와 제2 촉매(40)는 내부로 배출 가스를 통과시키며, 촉매 반응을 이용하여 배출 가스에 포함된 유해 물질을 저감시킨다. 제1 촉매(30)와 제2 촉매(40) 각각은 일산화탄소와 탄화수소를 저감시키는 산화 촉매이거나 일산화탄소, 탄화수소, 및 질소산화물을 저감시키는 삼원 촉매일 수 있다. 삼원 촉매의 경우 일산화탄소와 탄화수소는 산화 반응으로 저감시키고, 질소산화물은 환원 반응으로 저감시킨다.
제1 촉매(30)와 제2 촉매(40) 각각은 유전체로 제작된 담체와, 담체 표면에 코팅 또는 함침 등의 방법으로 부착된 전도성 촉매층으로 이루어진다. 담체는 알루미나(Al2O3), 카본, 제올라이트, 실리카(SiO2), 또는 실리콘 카바이드(SiC) 계열의 물질을 포함할 수 있다. 담체는 벌집 모양의 벽체를 구비한 허니콤 구조 또는 다공성 금속 폼 등 다양한 구조로 형성될 수 있다.
전도성 촉매층은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 및 오스뮴(Os) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전도성 촉매층은 백금과 로듐을 포함하거나, 백금과 로듐 및 팔라듐을 포함할 수 있다. 백금은 주로 일산화탄소와 탄화수소를 저감시키는 산화 반응을 촉진시키고, 로듐은 질소산화물 저감 반응을 촉진시킨다.
제1 촉매(30)와 제2 촉매(40)는 같은 종류의 촉매이거나 다른 종류의 촉매일 수 있다. 두 번째 경우 제1 촉매(30)와 제2 촉매(40)는 서로 다른 성분의 전도성 촉매층을 포함하여 서로 다른 종류의 유해 물질을 주로 저감시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 촉매(30)와 제2 촉매(40) 중 어느 하나는 질소산화물을 주로 저감시키고, 다른 하나는 일산화탄소와 탄화수소를 주로 저감시킬 수 있다.
또한, 배출 가스에 포함된 유해 물질의 특정 성분이 높은 농도를 나타내는 경우, 예를 들어 탄화수소의 농도가 높은 경우, 제1 촉매(30)와 제2 촉매(40) 중 어느 하나는 삼원 촉매로 구성되고, 다른 하나는 탄화수소를 주로 제거하는 촉매로 구성될 수 있다. 이 경우 유해 물질의 특정 성분을 이차에 걸쳐 높은 효율로 제거할 수 있다.
제1 전극(10)은 배출 가스의 진행 방향을 따라 제1 촉매(30)의 전방에 위치한다. 제1 전극(10)은 내부로 배출 가스를 통과시켜야 하므로, 복수의 개구부를 형성한 금속판으로 구성되거나 금속 와이어가 종횡으로 엮인 메쉬부(15)를 포함할 수 있다. 도 2와 도 3에서는 메쉬부(15)를 포함하는 제1 전극(10)을 예로 들어 도시하였다.
복수의 개구부 또는 메쉬부(15)를 포함하는 제1 전극(10)은 내부로 배출 가스를 원활하게 통과시키면서 제1 촉매(30)와 마주하는 전극 면적을 충분히 확보할 수 있다. 따라서 다음에 설명하는 유해 물질 저감 장치의 구동 과정에서 제1 촉매(30)와의 사이에 높은 세기의 플라즈마를 용이하게 형성할 수 있다.
도 2를 참고하면, 제1 실시예의 구성에서 제2 전극(20)은 제1 촉매(30)의 바깥 표면과 접하며 제1 촉매(30)의 둘레 방향을 따라 위치한다. 제2 전극(20)은 제1 촉매(30)의 둘레를 한 바퀴 둘러싸는 고리 모양으로 형성되거나, 제1 촉매(30)의 둘레 일부와 접하는 띠 모양으로 형성될 수 있다. 도 2에서는 고리 모양의 제2 전극(20)을 예로 들어 도시하였다.
제1 촉매(30)는 전도성 촉매층을 포함하고 있으므로 제2 전극(20)과 통전된다. 제1 촉매(30)의 유전율과 전기 전도도가 높으면 분극 현상에 의해 유전체 내부의 전압 강하가 최소화되면서 제2 전극(20)의 전위가 제1 촉매(30)의 축 방향 및 반경 방향을 따라 효과적으로 전달된다. 따라서 제2 전극(20)이 띠 모양으로 형성되어도 고리 모양의 경우와 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있다.
도 3을 참고하면, 제2 실시예의 구성에서 제2 전극(20)은 제1 촉매(30)와 제2 촉매(40) 사이에서 두 촉매(30, 40)와 거리를 두고 위치한다. 제2 전극(20) 또한 내부로 배출 가스를 통과시켜야 하므로, 복수의 개구부를 형성한 금속판으로 구성되거나 금속 와이어가 종횡으로 엮인 메쉬부(25)를 포함할 수 있다. 도 3에서는 메쉬부(25)를 포함하는 제2 전극(20)을 예로 들어 도시하였다.
도 2와 도 3을 참고하면, 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 어느 하나는 전원부(60)와 연결되어 구동 전극이 되고, 다른 하나는 접지 전극이 된다. 도 2와 도 3에서는 제1 전극(10)이 전원부(60)에 연결되고, 제2 전극(20)이 접지 전극인 경우를 예로 들어 도시하였으나, 그 반대의 경우도 가능하다. 전원부(60)는 제어부(도시하지 않음)와 연결되어 구동 전극에 인가되는 전압의 크기와 인가 시간 등을 조절한다.
전원부(60)에서 제1 전극(10) 또는 제2 전극(20)에 정현파 또는 펄스 형태의 고전압을 인가하면, 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 사이 공간에서 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 전위 차에 의해 플라즈마 방전이 일어난다. 제1 실시예에서 제1 촉매(30)는 제2 전극(20)과 통전되어 있으므로, 제1 전극(10)과 제1 촉매(30)의 전위 차에 의해 제1 전극(10)과 제1 촉매(30)의 사이 공간에서 플라즈마 방전이 일어난다.
제2 실시예에서 제1 촉매(30)는 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 모두와 떨어져 위치하므로 전기적으로 플로팅 상태가 된다. 따라서 제1 촉매(30)에는 구동 전압보다 높고 접지 전위보다 낮은 중간 전압이 인가되며, 제1 전극(10)과 제1 촉매(30)의 사이 공간 및 제1 촉매(30)와 제2 전극(20)의 사이 공간에서 플라즈마 방전이 일어난다. 제1 실시예와 제2 실시예에서 제1 전극(10)과 제2 전극(20)은 제1 촉매(30)의 적어도 일측 공간에 플라즈마 방전을 일으킨다.
제1 전극(10) 또는 제2 전극(20)에 인가되는 정현파 또는 펄스 형태의 고전압은 대략 60Hz 내지 600kHz 범위의 주파수 대역을 가지며, 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 사이 공간에 대략 40kV/cm 이내의 전기장 인가가 가능한 최대 전압을 가질 수 있다. 이때 제1 촉매(30)는 전도성 촉매층을 포함하므로 낮은 전압강하 특성을 보인다.
본 실시예의 유해 물질 저감 장치(100)는 종래의 무선주파수 방식 및 유도성 결합 플라즈마 방식과 비교할 때 플라즈마 유지를 위한 전력 소모가 작고, 전체 구성이 간소화되며, 방전 안정성이 높아 균일한 플라즈마를 용이하게 발생시킬 수 있다.
유해 물질 저감 장치(100)는 플라즈마 방전을 이용하여 제1 촉매(30)의 흡착-탈착 특성을 제어하며, 시동 초기의 저온 구간에서 플라즈마 방전을 이용하여 배출 가스에 포함된 유해 물질을 저감시킬 수 있다.
도 4는 도 1에 도시한 유해 물질 저감 장치의 첫 번째 운전 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다. 다음에 설명하는 운전 방법은 전술한 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 유해 물질 저감 장치에 동일하게 적용된다.
도 4를 참고하면, 유해 물질 저감 장치의 운전 방법은 유해 물질이 포함된 배출 가스를 제공받는 제1 단계와, 제2 촉매의 온도가 제2 촉매의 가동 온도 이상인지 여부를 판단하는 제2 단계와, 제2 단계에서 '아니오'로 판단된 경우 제1 촉매를 단독 운전하는 제3 단계와, 제2 단계에서 '예'로 판단된 경우 제1 촉매를 저전압 플라즈마 운전하는 제4 단계와, 제3 단계 또는 제4 단계를 거친 배출 가스를 내보내는 제5 단계를 포함한다.
제1 단계에서 배출 가스는 일산화탄소, 탄화수소, 및 질소산화물 등의 유해 물질을 포함하며, 배출 가스의 흐름 방향을 따라 제1 촉매부와 제2 촉매부가 순서대로 위치한다. 배출 가스의 높은 열로 인해 제1 촉매와 제2 촉매는 서서히 가열된다.
유해 물질 저감 장치는 제2 촉매의 온도를 감지하는 센서를 포함한다. 센서는 제어부와 연결되며, 제어부에는 제2 촉매의 가동 온도(활성화 온도)가 미리 저장되어 있다. 제2 단계에서 센서는 제2 촉매의 온도를 지속적으로 감지하고, 감지 신호를 제어부로 전송한다. 제어부는 센서로부터 제공받은 온도와 미리 저장된 제2 촉매의 가동 온도를 비교하여 '아니오'와 '예' 여부를 판단한다. 제2 단계에서 제2 촉매의 온도는 배출 가스의 온도로 대체 가능하다.
제3 단계에서 제1 촉매의 단독 운전은 제1 촉매의 유해 물질 흡착을 의미한다. 제3 단계에서 플라즈마 방전은 일어나지 않으며, 제1 촉매는 제1 촉매의 가동 온도에 도달하기 전까지 배출 가스에 포함된 유해 물질을 흡착시킨다.
제4 단계에서 전원부는 제1 전극 또는 제2 전극에 구동 전압을 일정 시간 인가하여 저전압 플라즈마 방전을 일으킨다. 저전압 플라즈마 방전에 의해 제1 촉매에 흡착된 유해 물질이 제1 촉매에서 탈착되고, 제1 촉매에서 탈착된 유해 물질은 제2 촉매에서 분해 저감된다. 저전압의 크기는 대략 10kV/cm 내지 30kV/cm의 범위에 속할 수 있다.
저전압 플라즈마 방전으로 제1 촉매가 흡착하고 있던 유해 물질을 모두 탈착시킨 후 저전압 플라즈마 방전을 종료한다. 저전압 플라즈마 방전을 종료한 이후 제4 단계에서 제1 촉매와 제2 촉매는 모두 각자의 가동 온도에 도달한 상태이므로, 배출 가스에 포함된 유해 물질을 높은 효율로 저감시킨다.
도 5는 도 1에 도시한 유해 물질 저감 장치의 두 번째 운전 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다. 다음에 설명하는 운전 방법은 전술한 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 유해 물질 저감 장치에 동일하게 적용된다.
도 5를 참고하면, 유해 물질 저감 장치의 운전 방법은 유해 물질이 포함된 배출 가스를 제공받는 제1 단계와, 제2 촉매의 온도가 제2 촉매의 가동 온도 이상인지 여부를 판단하는 제2 단계와, 제2 단계에서 '아니오'로 판단된 경우 제1 촉매를 고전압 플라즈마 운전하는 제3 단계와, 제2 단계에서 '예'로 판단된 경우 제1 촉매를 저전압 플라즈마 운전하는 제4 단계와, 제3 단계 또는 제4 단계를 거친 배출 가스를 내보내는 제5 단계를 포함한다.
제1 단계와 제2 단계의 상세 내용은 전술한 첫 번째 운전 방법과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
제3 단계에서 전원부는 제1 전극 또는 제2 전극에 구동 전압을 일정 시간 인가하여 고전압 플라즈마 방전을 일으킨다. 그러면 제1 촉매의 적어도 일측 공간에서 강한 플라즈마 방전이 일어나며, 플라즈마 반응으로 유해 물질을 분해 및 저감시킨다. 고전압의 크기는 대략 30kV/cm 내지 40kV/cm의 범위에 속할 수 있다.
제3 단계에서 제1 촉매는 제1 촉매의 가동 온도에 도달하기 전까지 배출 가스에 포함된 유해 물질을 흡착시킨다. 또한, 제1 촉매의 내부는 낮은 전기장에 의해 플라즈마 미발생 영역이 되며, 제1 촉매에서 유전 가열과 저항 가열이 동시에 발생한다. 따라서 제1 촉매는 신속하게 가열되어 제1 촉매의 가동 온도에 이르는 시간이 단축될 수 있다. 제1 촉매와 제2 촉매가 각자의 가동 온도에 도달하면 고전압 플라즈마 방전을 종료한다.
제4 단계에서 전원부는 제1 전극 또는 제2 전극에 구동 전압을 일정 시간 인가하여 저전압 플라즈마 방전을 일으킨다. 저전압 플라즈마 방전에 의해 제1 촉매에 흡착된 유해 물질이 제1 촉매에서 탈착되고, 제1 촉매에서 탈착된 유해 물질은 제2 촉매에서 분해 저감된다. 저전압의 크기는 대략 10kV/cm 내지 30kV/cm의 범위에 속할 수 있다.
저전압 플라즈마 방전으로 제1 촉매가 흡착하고 있던 유해 물질을 모두 탈착시킨 후 저전압 플라즈마 방전을 종료한다. 저전압 플라즈마 방전을 종료한 이후 제4 단계에서 제1 촉매와 제2 촉매는 모두 가동 온도에 도달한 상태이므로, 배출 가스에 포함된 유해 물질을 높은 효율로 저감시킨다.
두 번째 운전 방법에서 유해 물질 저감 장치는 제1 촉매 및 제2 촉매가 활성화되 이전의 저온 구간에서 플라즈마를 이용해 유해 물질을 저감시킬 수 있으며, 플라즈마를 이용해 제1 촉매를 신속하게 가열시켜 가동 온도에 이르는 시점을 단축시킬 수 있다.
도 6은 제1 촉매에 대한 플라즈마 조건에 따른 탄화수소의 변화를 나타낸 그래프이다. 그래프의 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 방출 물질의 측정량을 나타낸다. 10분 시점에서 배출 가스가 유입되고, 20분 시점에서 플라즈마 방전이 개시되며, 30분 시점에서 플라즈마 방전이 종료되고, 40분 시점에서 배출 가스의 유입이 정지되었다.
도 6을 참고하면, 배출 가스의 유입이 시작되면 탄화수소와 이산화탄소의 배출량이 증가하다가 수렴되는 경향을 보인다. 이때 제1 촉매는 가동 온도에 도달하기 전까지 탄화수소를 흡착한다.
이후 저전압 플라즈마 방전이 일어나면 제1 촉매는 흡착된 탄화수소를 탈착하고, 이로 인해 탄화수소의 배출량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 반면 고전압 플라즈마 방전이 일어나면 플라즈마 방전에 의해 탄화수소가 분해 저감되며, 이로 인해 탄화수소의 배출량이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 탄화수소 배출량의 감소는 분해된 탄화수소가 산화되어 발생하는 이산화탄소량의 변화로도 확인된다.
이와 같이 본 실시예의 유해 물질 저감 장치는 제1 촉매부와 제2 촉매부의 다단 촉매 반응을 이용하여 저온에서도 효과적으로 유해 물질을 저감시킬 수 있다. 또한, 배출 가스의 성분과 촉매 특성 등에 따라 운전 조건을 다양하게 설정할 수 있고, 효율적인 운전을 실시하여 전력 소모를 줄일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 유해 물질 저감 장치 110: 제1 촉매부
10: 제1 전극 20: 제2 전극
30: 제1 촉매 120: 제2 촉매부
40: 제2 촉매 60: 전원부

Claims (14)

  1. 배출 가스의 유로에 위치하는 제1 촉매와, 제1 촉매의 주위에 설치되어 제1 촉매의 적어도 일측 공간에 플라즈마 방전을 일으키는 구동 전극 및 접지 전극을 구비한 제1 촉매부; 및
    배출 가스의 흐름 방향을 따라 상기 제1 촉매부의 후단에 위치하는 제2 촉매를 구비한 제2 촉매부
    를 포함하며,
    상기 구동 전극의 인가 전압은 상기 제2 촉매의 온도에 따라 가변 제어되는 유해 물질 저감 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 촉매의 온도가 상기 제2 촉매의 가동 온도보다 낮으면 상기 구동 전극은 전압을 인가받지 않거나 고전압 플라즈마를 발생시키기 위한 전압을 인가받는 유해 물질 저감 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 촉매의 온도가 상기 제2 촉매의 가동 온도 이상이면 상기 구동 전극은 저전압 플라즈마를 발생시키기 위한 전압을 인가받는 유해 물질 저감 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 전극과 상기 접지 전극 중 어느 하나는 상기 제1 촉매의 전방에서 상기 제1 촉매와 거리를 두고 위치하고, 다른 하나는 상기 제1 촉매의 바깥 표면과 접하며 상기 제1 촉매의 둘레 방향을 따라 위치하는 유해 물질 저감 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 전극과 상기 접지 전극 중 어느 하나는 상기 제1 촉매의 전방에서 상기 제1 촉매와 거리를 두고 위치하고, 다른 하나는 상기 제1 촉매의 후방에서 상기 제1 촉매와 거리를 두고 위치하는 유해 물질 저감 장치.
  6. 제1 촉매와 구동 전극 및 접지 전극을 구비한 제1 촉매부와, 배출 가스의 흐름 방향을 따라 제1 촉매부의 후단에 위치하는 제2 촉매를 구비한 제2 촉매부를 포함하는 유해 물질 저감 장치의 운전 방법으로서,
    유해 물질이 포함된 배출 가스를 제공받는 제1 단계;
    상기 제2 촉매의 온도가 가동 온도 이상인지 여부를 판단하는 제2 단계;
    상기 제2 단계에서 아니오로 판단된 경우 상기 제1 촉매를 단독 운전하는 제3 단계; 및
    상기 제2 단계에서 예로 판단된 경우 상기 제1 촉매를 저전압 플라즈마 운전하는 제4 단계
    를 포함하는 유해 물질 저감 장치의 운전 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 단계에서 상기 제1 촉매는 상기 제1 촉매의 가동 온도에 도달하기 전까지 유해 물질을 흡착하는 유해 물질 저감 장치의 운전 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제4 단계에서 상기 제1 촉매부에 저전압 플라즈마 방전이 일어나 상기 제1 촉매에 흡착된 유해 물질을 탈착시키고,
    상기 제1 촉매에서 탈착된 유해 물질은 상기 제2 촉매에서 분해 저감되는 유해 물질 저감 장치의 운전 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제4 단계에서 상기 구동 전극에 60Hz 내지 600kHz 주파수 대역과 10kV/cm 내지 30kV/cm의 크기를 가진 정현파 또는 펄스형 전압이 인가되는 유해 물질 저감 장치의 운전 방법.
  10. 제1 촉매와 구동 전극 및 접지 전극을 구비한 제1 촉매부와, 배출 가스의 흐름 방향을 따라 제1 촉매부의 후단에 위치하는 제2 촉매를 구비한 제2 촉매부를 포함하는 유해 물질 저감 장치의 운전 방법으로서,
    유해 물질이 포함된 배출 가스를 제공받는 제1 단계;
    상기 제2 촉매의 온도가 가동 온도 이상인지 여부를 판단하는 제2 단계;
    상기 제2 단계에서 아니오로 판단된 경우 상기 제1 촉매를 고전압 플라즈마 운전하는 제3 단계; 및
    상기 제2 단계에서 예로 판단된 경우 상기 제1 촉매를 저전압 플라즈마 운전하는 제4 단계
    를 포함하는 유해 물질 저감 장치의 운전 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제3 단계에서 상기 제1 촉매부에 고전압 플라즈마 방전이 일어나 플라즈마 반응에 의해 유해 물질을 분해 저감시키고,
    상기 제1 촉매는 상기 제1 촉매의 가동 온도에 도달하기 전까지 유해 물질을 흡착하는 유해 물질 저감 장치의 운전 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제3 단계에서 상기 구동 전극에 60Hz 내지 600kHz 주파수 대역과 30kV/cm 내지 40kV/cm의 크기를 가진 정현파 또는 펄스형 전압이 인가되는 유해 물질 저감 장치의 운전 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제4 단계에서 상기 제1 촉매부에 저전압 플라즈마 방전이 일어나 상기 제1 촉매에 흡착된 유해 물질을 탈착시키고,
    상기 제1 촉매에서 탈착된 유해 물질은 상기 제2 촉매에서 분해 저감되는 유해 물질 저감 장치의 운전 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제4 단계에서 상기 구동 전극에 60Hz 내지 600kHz 주파수 대역과 10kV/cm 내지 30kV/cm의 크기를 가진 정현파 또는 펄스형 전압이 인가되는 유해 물질 저감 장치의 운전 방법.
KR20130111354A 2013-02-08 2013-09-16 플라즈마-촉매를 이용한 유해 물질 저감 장치 및 이의 운전 방법 KR101512157B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130014664 2013-02-08
KR20130014664 2013-02-08

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140101272A KR20140101272A (ko) 2014-08-19
KR101512157B1 true KR101512157B1 (ko) 2015-04-15

Family

ID=51746760

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20130111354A KR101512157B1 (ko) 2013-02-08 2013-09-16 플라즈마-촉매를 이용한 유해 물질 저감 장치 및 이의 운전 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101512157B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200117559A (ko) * 2019-04-04 2020-10-14 한국기계연구원 유해가스 제거용 흡착-촉매 모듈 및 이를 이용한 유해가스 제거 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007222303A (ja) * 2006-02-22 2007-09-06 Mitsubishi Electric Corp 空気浄化装置およびそれを用いた空気浄化方法
KR101182356B1 (ko) * 2012-04-27 2012-09-20 한국기계연구원 유해 기체 제거용 플라즈마-촉매 반응기 및 이를 이용한 유해 기체 처리 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007222303A (ja) * 2006-02-22 2007-09-06 Mitsubishi Electric Corp 空気浄化装置およびそれを用いた空気浄化方法
KR101182356B1 (ko) * 2012-04-27 2012-09-20 한국기계연구원 유해 기체 제거용 플라즈마-촉매 반응기 및 이를 이용한 유해 기체 처리 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200117559A (ko) * 2019-04-04 2020-10-14 한국기계연구원 유해가스 제거용 흡착-촉매 모듈 및 이를 이용한 유해가스 제거 방법
KR102215524B1 (ko) 2019-04-04 2021-02-15 한국재료연구원 유해가스 제거용 흡착-촉매 모듈 및 이를 이용한 유해가스 제거 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140101272A (ko) 2014-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Barakat et al. Oxidation of isopropanol and acetone adsorbed on TiO2 under plasma generated ozone flow: Gas phase and adsorbed species monitoring
Holzer et al. Combination of non-thermal plasma and heterogeneous catalysis for oxidation of volatile organic compounds: Part 1. Accessibility of the intra-particle volume
US6471932B1 (en) Process for the plasma-catalytic production of ammonia
US5746984A (en) Exhaust system with emissions storage device and plasma reactor
Hossain et al. Nonthermal plasma in practical-scale honeycomb catalysts for the removal of toluene
Li et al. Using non-thermal plasma for decomposition of toluene adsorbed on γ-Al2O3 and ZSM-5: Configuration and optimization of a double dielectric barrier discharge reactor
Qin et al. Plasma-catalytic oxidation of adsorbed toluene on Ag–Mn/γ-Al2O3: Comparison of gas flow-through and gas circulation treatment
WO1999012638A1 (en) Treatment of gaseous emissions
CN106268170B (zh) 用于再生voc吸附器的方法和吸附装置
Hossain et al. Plasma-catalytic oxidation of volatile organic compounds with honeycomb catalyst for industrial application
KR101512157B1 (ko) 플라즈마-촉매를 이용한 유해 물질 저감 장치 및 이의 운전 방법
Hossain et al. Effective removal of toluene at near room temperature using cyclic adsorption-oxidation operation in alternative fixed-bed plasma-catalytic reactor
KR101182356B1 (ko) 유해 기체 제거용 플라즈마-촉매 반응기 및 이를 이용한 유해 기체 처리 방법
KR20040002667A (ko) 배기가스처리시스템
JP3971492B2 (ja) 非熱プラズマによる脱離・再生方法
JP4448096B2 (ja) 排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法
Cools et al. Plasma-catalytic removal of VOCs
KR100875882B1 (ko) 배기가스 처리시스템
JP2006291930A (ja) 排ガス浄化方法及び排ガス浄化装置
KR101501262B1 (ko) 유해 기체 제거를 위한 플라즈마-촉매 반응기
KR102411341B1 (ko) 유해가스 제거용 플라즈마 촉매 반응기 및 이를 이용한 유해가스 처리 방법
JP2001162134A (ja) 排気ガス浄化法及び排気ガス浄化装置
Yoshida et al. Nox reduction and desorption studies under electric discharge plasma using a simulated gas mixture: a case study on the effect of corona electrodes
KR101661678B1 (ko) 공기 청정 장치
Sosiawati et al. Plasma-catalytic oxidation of volatile organic compounds with honeycomb catalyst for industrial application

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190311

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200309

Year of fee payment: 6