KR101548603B1 - High pressure plasma torch reactor and synthesis of nitrogen oxide using the reactor - Google Patents

High pressure plasma torch reactor and synthesis of nitrogen oxide using the reactor Download PDF

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KR101548603B1 KR1020140169597A KR20140169597A KR101548603B1 KR 101548603 B1 KR101548603 B1 KR 101548603B1 KR 1020140169597 A KR1020140169597 A KR 1020140169597A KR 20140169597 A KR20140169597 A KR 20140169597A KR 101548603 B1 KR101548603 B1 KR 101548603B1
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홍용철
최대현
김지훈
김강일
마숙활
김예진
허진영
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한국기초과학지원연구원
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Abstract

The present invention relates to a reactor using a plasma torch and more particularly, to a reactor capable of generating and reacting a plasma in high pressure conditions and to a method for synthesizing a nitrogen oxide by using the reactor. The present invention relates to a high-pressure electromagnetic wave plasma torch device, the device comprising: a plasma generation unit; a microwave generation unit for transmitting microwave to the plasma generation unit; and a plasma source gas injection unit for injecting a plasma source gas to the plasma generation unit, wherein the plasma generation unit penetrates a transmission line of microwave of the microwave generation unit; includes a first pressure valve at an outlet of a plasma torch generation zone of the plasma generation unit; includes a second pressure valve at an inlet for injecting the plasma source gas; and is configured to maintain the pressure exceeding the atmospheric pressure when plasma is generated.

Description

고압 전자파 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치 및 이를 이용한 질소산화물생산{HIGH PRESSURE PLASMA TORCH REACTOR AND SYNTHESIS OF NITROGEN OXIDE USING THE REACTOR}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a reaction apparatus using a high-pressure electromagnetic plasma torch and a nitrogen oxide production method using the same. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고압 조건에서 플라즈마를 발생시키고 반응할 시킬 수 있는 반응 장치에 관한 것이며, 이 장치를 이용한 NOx의 합성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a reaction apparatus using a plasma torch, and more particularly, to a reaction apparatus capable of generating and reacting plasma under a high pressure condition, and a method of synthesizing NOx using the apparatus.

전자파를 이용한 플라즈마 토치는 널리 이용된다. 대한민국 등록특허 제 10-1166444호는 전자파로 발생한 플라즈마 소스 가스 토치 및 그 응용에 관한 것으로, 그 목적은 플라즈마 소스 가스를 전자파로 가열하여 순수한 플라즈마 토치를 발생하고 발생된 플라즈마 소스 가스 플라즈마에 기체, 액체 또는 고체 상태의 탄화수소 화합물을 공급하여 합성가스 원료를 생산함을 제시하고 있다. 또한, 대한민국 등록특허 제10-0375423호는 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 매연 제거 기술이 개시되어 있다.Plasma torches using electromagnetic waves are widely used. Korean Patent Registration No. 10-1166444 relates to a plasma source gas torch generated by an electromagnetic wave and its application, and its object is to generate a pure plasma torch by heating a plasma source gas with an electromagnetic wave, Or a solid state hydrocarbon compound to produce a syngas raw material. Korean Patent Registration No. 10-0375423 discloses a soot removal technique using microwave plasma.

이러한 플라즈마 토치를 이용한 장치들은 반응물질과 플라즈마 토치가 반응하여 연료개질, 합성가스 생산 및 매연 등의 제거와 같은 다양한 분야에 널리 이용되며, 이러한 이용에 있어 잠재력이 높은 장치이다.Such plasma torch-based devices are widely used in various fields such as fuel reforming, syngas production, and soot removal by reacting reactants with plasma torches, and these devices have high potential for such use.

특히 전자파 플라즈마 토치는 플라즈마 발생의 효율 측면이 고려되어, 운전압력이 대기압 이하의 압력 하에서 반응이 진행되고 있는 실정으로서 처리 용량 및 장치 대형화의 제약에 의해 상용화의 어려움이 있다. 또한 플라즈마 토치를 이용한 장치들은 반응물질과의 반응 효율의 유지 및 개선의 확보의 개선이 요구되고 있는 실정이다. Particularly, the electromagnetic plasma torch has been considered to be ineffective in terms of plasma generation efficiency, and the reaction is proceeding under a pressure of atmospheric pressure or lower. Therefore, it is difficult to commercialize the plasma torch due to the limitation of processing capacity and device size. Further, apparatuses using plasma torches are required to improve the maintenance and improvement of reaction efficiency with reaction materials.

이에, 본 발명자는 이러한 문제점을 인식하고, 연구 끝에, 전자파 플라즈마 토치를 고압 하에서의 작동시키겠다는 새로운 아이디어를 도입하고, 종래의 문제점을 해결하여, 반응의 효율을 높일 수 있는 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치를 개발하기에 이르렀다.Accordingly, the present inventors have recognized such a problem and, after research, have introduced a new idea of operating an electromagnetic wave plasma torch under a high pressure, solved the conventional problems, and developed a reaction apparatus using a plasma torch Development.

일 측면으로서, 본 발명은 고압 전자파 플라즈마 토치 장치로서, 상기 장치는, 플라즈마 발생부, 상기 플라즈마 발생부로 마이크로웨이브를 전송하는 마이크로웨이브 발생부, 및 상기 플라즈마 발생부로 플라즈마 소스 가스를 주입하는 플라즈마 소스 가스 주입부를 포함하며, 상기 플라즈마 발생부의 플라즈마 토치 발생 영역의 출구 측에 제1 압력 밸브를 포함하고, 상기 플라즈마 소스 가스의 주입을 위한 입구 측에 제2 압력 밸브를 포함하며, 상기 플라즈마 발생부 내는 플라즈마 발생시 대기압 초과의 압력을 유지하도록 구성되는, 고압 전자파 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a high voltage electromagnetic wave plasma torch device comprising: a plasma generating section; a microwave generating section for transmitting microwave to the plasma generating section; and a plasma source gas for injecting a plasma source gas into the plasma generating section And a second pressure valve at an inlet side for injection of the plasma source gas, wherein the plasma generating portion includes a plasma generating portion, a plasma generating portion, and a plasma generating portion, wherein the plasma generating portion includes a first pressure valve at an outlet side of the plasma generating portion, And is configured to maintain a pressure in excess of the atmospheric pressure at the time of occurrence, using a high-pressure electromagnetic plasma torch.

본 발명의 전자파 플라즈마 토치 장치는 플라즈마발생부의 압력이 대기압 이상의 압력으로 유지된다. In the electromagnetic wave plasma torch device of the present invention, the pressure of the plasma generating portion is maintained at a pressure higher than the atmospheric pressure.

상기 제1 및 제2 밸브는 플라즈마발생부 내의 압력을 제어할 수 있는 구성이며, 제1 및 제2 밸브의 열림 정도를 제어하여 반응기 및 플라즈마 발생부의 압력은 상승되고 유지되도록 구성된다.The first and second valves are configured to control the pressure in the plasma generating section, and the pressure of the reactor and the plasma generating section is raised and maintained by controlling the degree of opening of the first and second valves.

본 발명의 장치는 상기 플라즈마 발생부 내의 압력을 실시간으로 확인할 수 있는 압력측정수단을 추가로 포함할 수 있다.The apparatus of the present invention may further include a pressure measuring means for confirming the pressure in the plasma generating unit in real time.

상기 플라즈마 발생부는 상기 플라즈마 소스 가스가 주입되는 측의 제1입구측영역 및 상기 플라즈마 토치가 발생되는 측의 제1출구측영역을 포함한다. 상기 제 1입구측영역은 플라즈마가 발생하는 영역이며, 상기 마이크로웨이브 발생부로부터의 마이크로웨이브의 유입영역이다. 마이크로웨이브의 전송라인(도파관)을 관통하는 영역이다. 본 발명은 고압에서의 플라즈마 토치의 안정적 발생을 위해, 이러한 제1입구측영역 내의 가스의 선속도는 상기 제1출구측영역 내의 선속도보다 크도록 함에 특징이 있다. 또한 본 발명은 고압에서의 플라즈마 토치의 안정적 발생을 위해, 상기 제1출구측영역 내의 직경이 상기 제1입구측영역의 직경보다 큼을 특징으로 한다.The plasma generating section includes a first inlet side region on the side where the plasma source gas is injected and a first outlet side region on the side where the plasma torch is generated. The first inlet side region is a region where plasma is generated, and is an inflow region of the microwave from the microwave generating portion. And is an area penetrating the transmission line (waveguide) of the microwave. The present invention is characterized in that for the stable generation of the plasma torch at high pressure, the linear velocity of the gas in this first inlet side zone is greater than the linear velocity in the first outlet side zone. Further, the present invention is characterized in that, for stable generation of the plasma torch at a high pressure, the diameter in the first outlet side region is larger than the diameter of the first inlet side region.

한편, 플라즈마 토치의 안정적 발생을 위한 다른 측면으로서, 상기 플라즈마 발생부는 상기 플라즈마 소스 가스가 주입되는 측의 제2입구측영역; 상기 플라즈마 토치가 발생되는 측의 제2출구측영역; 및 상기 제2입구측영역과 상기 제2출구측영역 사이의 플라즈마중간영역을 포함하고, 상기 제2입구측영역 및 상기 제2출구측영역 내의 가스의 선속도는 상기 플라즈마중간영역 내의 선속도보다 작음 특징으로 하거나, 상기 제2입구측영역 및 상기 제2출구측영역 내의 직경이 상기 플라즈마중간영역 내의 직경보다 큼을 특징으로 한다. 상기 중간영역은 플라즈마가 발생되는 위치이며, 상기 마이크로웨이브 발생부로부터의 마이크로웨이브의 유입영역이다. 도파관의 관통영역에 해당한다.On the other hand, as another aspect for stable generation of the plasma torch, the plasma generating portion includes a second inlet side region on the side to which the plasma source gas is injected; A second outlet side region on the side where the plasma torch is generated; And a plasma intermediate region between the second inlet side region and the second outlet side region, wherein the linear velocity of the gas in the second inlet side region and the second outlet side region is greater than the linear velocity in the plasma intermediate region Or the diameter in the second inlet side region and the second outlet side region is larger than the diameter in the plasma intermediate region. The intermediate region is a position where plasma is generated, and is an inflow region of the microwave from the microwave generating portion. Corresponds to the penetration region of the waveguide.

본 발명의 장치는 상기 플라즈마발생부로부터 나오는 가스를 용액에 용해시키기 위한 수용해장치를 추가로 포함할 수 있다.The apparatus of the present invention may further comprise a receiving device for dissolving the gas coming from the plasma generating part into the solution.

상기 수용해장치는 다공성 입자를 포함할 수 있고, 상기 수용해장치는 NO의 산화를 촉진하기 위한 오존, 과산화수소, 산소 및 공기 중 어느 하나의 폭기 수단을 포함할 수 있다. 또한, 상기 수용해장치는 용해되지 않는 가스의 재용해를 위한 재순환수단을 포함할 수 있다. The receiving device may comprise porous particles, and the receiving device may comprise aeration means for ozone, hydrogen peroxide, oxygen and air to promote oxidation of NO. In addition, the receiving device may comprise recirculation means for redissolving the non-dissolved gas.

다른 측면으로서 본 발명은, 상기 고압 전자파 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치의 소스가스주입부로 질소 및 산소를 포함한 가스를 주입하고, 상기 플라즈마발생부 내의 압력을 대기압 이상으로 구성시켜 질소산화물을 포함하는 가스를 생산함을 포함하는, 고압 플라즈마를 이용한 질소산화물의 생산 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a plasma processing method comprising: injecting a gas containing nitrogen and oxygen into a source gas injecting section of a reaction apparatus using the high-pressure electromagnetic plasma torch; The present invention provides a method for producing nitrogen oxides using a high-pressure plasma.

상기 방법을 통해 발생되는 질소산화물은 NOx로 표기될 수 있으며, NO, NO2, N2O2, N2O3 및 N2O4로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상임을 특징으로 한다.The nitrogen oxide generated through the above method may be represented by NOx and is characterized by being at least one selected from the group consisting of NO, NO 2 , N 2 O 2 , N 2 O 3 and N 2 O 4 .

상기 방법은 상기 플라즈마 발생부 내의 압력을 1.5 bar 이상으로 구성시킴을 포함한다.The method includes configuring the pressure within the plasma generator to be at least 1.5 bar.

상기 방법에서, 상기 플라즈마 발생부 내의 압력이 증가함에 따라, 질소산화물(NOx)의 생산이 지수적으로(exponentially) 증가됨을 특징으로 한다.In this method, as the pressure in the plasma generating section is increased, the production of nitrogen oxides (NOx) is exponentially increased.

상기 플라즈마 발생부 내의 압력은 1.5 bar 이상인 경우, NO의 생산이 급격히 증가됨을 특징으로 한다.And the NO production is rapidly increased when the pressure in the plasma generating part is 1.5 bar or more.

상기 반응기 내의 압력은 2.0 bar 이상인 경우, NO2의 생산이 급격히 증가됨을 특징으로 한다.When the pressure in the reactor is 2.0 bar or more, NO 2 production is rapidly increased.

또 다른 측면으로서, 본 발명은 상기 고압 전자파 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치의 소스가스주입부로 질소 및 산소를 포함한 가스를 주입하고, 상기 플라즈마발생부 내의 압력을 대기압 이상으로 구성시켜 질소산화물을 포함하는 가스를 생산하며, 상기 가스를 상기 수용액장치에 의해 용해시킴을 포함하는, 고압 플라즈마를 이용한 질소 함유 이온 수용액 생산 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a plasma processing method comprising: injecting a gas containing nitrogen and oxygen into a source gas injection portion of a reaction apparatus using the high-pressure electromagnetic plasma torch; And dissolving the gas by means of the aqueous solution apparatus. The present invention also provides a method for producing a nitrogen-containing ionic aqueous solution using high-pressure plasma.

상기 수용액은 NO3 -이온(nitrate anion), NO2 -(nitrite anion), NO2 +(nitronium cation), NO- (nitroxyl anion), NO+ (nitrosonium cation), NO·(nitric monoxide free radical), 및 NO2·(nitric dioxide free radical)로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 함유한다.The aqueous solution is NO 3 - ion (nitrate anion), NO 2 - (nitrite anion), NO 2 + (nitronium cation), NO - (nitroxyl anion), NO + (nitrosonium cation), NO · (nitric monoxide free radical) , And NO 2. (Nitric dioxide free radical).

또 다른 측면으로서, 본 발명은, 미생물, 조류 또는 식물의 증식 또는 성장을 위한 비료로서 사용되는 제16항에 따라 생성된, 수용액을 제공한다.In yet another aspect, the present invention provides an aqueous solution produced according to claim 16 used as a fertilizer for the growth or growth of microorganisms, algae or plants.

본 발명자는 고압 전자파 플라즈마 토치의 발생이 가능하도록 하였으며, 특히 고압하에서도 안정적인 플라즈마 토치의 발생과 유지를 가능하게 하였다. The present inventor has made it possible to generate a high-pressure electromagnetic plasma torch, and has made it possible to generate and maintain a stable plasma torch even under high pressure.

또한, 이러한 장치는 질소산화물의 생산에 있어서 고압 플라즈마 토치가 매우 효율적임을 밝혔다. In addition, these devices have shown that high pressure plasma torches are very efficient in the production of nitrogen oxides.

이러한, 본 발명의 전자파 플라즈마 장치는 고밀도 및 고온 고압 플라즈마 기술이며, 반응에 필요한 적정 온도 유지, 활성 라디칼 및 이온 생성을 유도하고, 반응시간의 단축 및 환경 오염 물질 생성 억제 및 장치의 소형화의 장점을 제공한다.The electromagnetic wave plasma apparatus of the present invention is a high-density and high-temperature and high-pressure plasma technology that induces the proper temperature maintenance, active radical and ion generation necessary for the reaction, shortens the reaction time, suppresses the generation of environmental pollutants, to provide.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치의 구성을 개념적으로 나타낸 블록도의 모습을 도시한다.
도 2는 본 발명의 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치를 더욱 구체적으로 예시한다.
도 3은 고압 플라즈마 작동 압력을 위한 구성을 추가로 포함하는 블록도이다.
도 4a는 대기압에서 직선형 플라즈마 발생부 내의 플라즈마 토치의 흐름 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4b는 고압에서 직선형 플라즈마 발생부 내의 플라즈마 토치의 흐름 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 고압 하에서 플라즈마 토치의 안정적 발생을 위한 본 발명의 플라즈마 발생부의 개략도이다.
도 6는 본 발명의 장치에 의한 고압 플라즈마를 적용한 화학 반응 공정의 효율을 확인한 그래프로서 NO의 발생에 따른 그래프이다.
도 7는 본 발명의 장치에 의한 고압 플라즈마를 적용한 화학 반응 공정의 효율을 확인한 그래프로서 NO2의 발생에 따른 그래프이다.
도 8은 고압(3기압)에서 직선형 플라즈마 발생부를 사용하여 플라즈마 토치를 발생시킨 후 플라즈마 발생부의 손상된 모습을 확인할 수 있는 사진이다.FIG. 1 is a block diagram conceptually showing a configuration of a reaction apparatus using a plasma torch according to an embodiment of the present invention.
2 shows the reaction apparatus using the plasma torch of the present invention more specifically.
3 is a block diagram further comprising a configuration for high pressure plasma working pressure.
4A is a view schematically showing a flow of a plasma torch in a linear plasma generating section at an atmospheric pressure.
4B is a view schematically showing a flow state of a plasma torch in a linear plasma generating section at a high pressure.
5 is a schematic view of a plasma generating portion of the present invention for stable generation of a plasma torch under high pressure.
FIG. 6 is a graph showing the efficiency of a chemical reaction process using high-pressure plasma by the apparatus of the present invention, and is a graph according to the generation of NO.
FIG. 7 is a graph showing the efficiency of a chemical reaction process using high-pressure plasma by the apparatus of the present invention, and is a graph according to the generation of NO 2 .
8 is a photograph showing a damaged state of the plasma generating part after generating a plasma torch by using a linear plasma generating part at a high pressure (3 atm).

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 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. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, a reaction apparatus using a plasma torch according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged to illustrate the present invention in order to clarify the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 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 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "comprises", "having", and the like are used to specify that a feature, a number, a step, an operation, an element, a part or a combination thereof is described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

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 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치의 구성을 개념적으로 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram conceptually showing a configuration of a reaction apparatus using an electromagnetic wave plasma torch according to an embodiment of the present invention.

플라즈마 토치 발생 장치에 대해서는 본원 특허의 발명자의 이전 등록 특허인, 대한민국 특허공보 10-0394994호가 참조된다. 이 특허는 본원에 그대로 참조로서 통합된다.As for the plasma torch generator, reference is made to Korean Patent Publication No. 10-0394994, which is a previously registered patent of the present inventor. This patent is incorporated herein by reference in its entirety.

도 1을 참조하면, 본 발명의 장치는 전원공급부(110), 마이크로웨이브 발진기(120), 마이크로웨이브 전송라인(130), 재료공급부(140), 플라즈마 발생부(150), 플라즈마 소스 가스주입부(160), 반응부(170), 점화부(180) 및 수용해부(190)를 포함한다.1, the apparatus of the present invention includes a power supply unit 110, a microwave oscillator 120, a microwave transmission line 130, a material supply unit 140, a plasma generation unit 150, A reaction part 170, an ignition part 180, and an accommodating part 190.

상기 전원공급부(110)는 전파전압배율기와 펄스 및 직류(DC)장치로 구성되어 상기 마이크로웨이브 발진기(120)로 전력을 공급하도록 구성된다.The power supply unit 110 is configured to include a propagation voltage multiplier and a pulse and direct current (DC) device to supply power to the microwave oscillator 120.

상기 마이크로웨이브 발진기(120)는 10 ㎒ 내지 10 ㎓ 대역의 전자파를 발진하는 마그네트론이 사용된다. 바람직하게는 상기 마이크로웨이브 발진기(120)는 2.45㎓ 전자파를 발진한다. The microwave oscillator 120 uses a magnetron that oscillates electromagnetic waves in the 10 MHz to 10 GHz band. Preferably, the microwave oscillator 120 oscillates 2.45 GHz electromagnetic waves.

상기 마이크로웨이브 전송라인(130)은 도파관으로서, 상기 마이크로웨이브를 플라즈마 발생부(150)로 전송하도록 구성된다.The microwave transmission line 130 is a waveguide, and is configured to transmit the microwave to the plasma generator 150.

상기 플라즈마 발생부(150)는 방전관이라고 불리우며, 상기 마이크로웨이브 전송라인(130)의 종단에 관통 설치되어 상기 마이크로웨이브 전송라인(130)을 통해 입력되는 전자파에 의해 플라즈마가 생성되는 공간을 제공하도록 구성된다.The plasma generating unit 150 is configured to provide a space in which a plasma is generated by an electromagnetic wave, which is called a discharge tube, installed through an end of the microwave transmission line 130 and inputted through the microwave transmission line 130 do.

통상 대기압에서의 플라즈마 발생부 내의 플라즈마 토치는 도 4a에 도시된 바와 같은 흐름을 가진다. 이러한 흐름에 의해 플라즈마 발생부 내면이 손상되지 않고 안정적 플라즈마 토치의 발생이 가능하다.The plasma torch in the plasma generating portion at normal atmospheric pressure has a flow as shown in Fig. 4A. With this flow, a stable plasma torch can be generated without damaging the inner surface of the plasma generating portion.

그러나 본 발명자는 압력 증가에 따른 플라즈마 토치가 스월흐름이 유지되지 못하고 발생부 원위 말단 위치에 플라즈마가 안정적이지 못함을 확인하였다. 도 8의 사진은 플라즈마 발생부 내의 압력을 3기압으로 플라즈마 토치를 발생시켰을 때 플라즈마 발생부의 모습이다. 플라즈마 발생부의 오른쪽 면이 손상됨을 확인할 수 있었단. 이는 도 4b에서와 같이 플라즈마 토치가 안정적이지 못하고 압력의 증가로 플라즈마 토치가 벽면에 붙어 플라즈마 발생부가 열적 손상을 입은 것으로 확인된다.However, the present inventor has confirmed that the plasma torch can not maintain the swirl flow due to the increase in pressure, and that the plasma is not stable at the distal end of the generating part. 8 is a view of the plasma generating portion when a plasma torch is generated at a pressure of 3 atm in the plasma generating portion. It was confirmed that the right side of the plasma generation part was damaged. As shown in FIG. 4B, the plasma torch is not stable and the plasma torch is attached to the wall surface due to an increase in pressure, so that the plasma generating unit is thermally damaged.

이러한 고압에서의 문제점을 극복하기 위해 본 발명자는 도 5와 같은 플라즈마 발생부를 개발하였다. 도 5a에서와 같이 상기 플라즈마 발생부(150)는 상기 플라즈마 소스 가스가 주입되는 측의 제1입구측영역(610) 및 상기 플라즈마 토치가 발생되는 측의 제1출구측영역(620)을 포함한다. 이러한 플라즈마 발생부의 구성을 통해 본 발명은 고압에서의 플라즈마 토치의 안정적 발생이 가능하다. 이러한 제1입구측영역 내의 압력은 상기 제1출구측영역의 압력보다 낮으며, 상기 제1출구측영역 내의 직경이 상기 제1입구측영역의 직경보다 크다.In order to overcome the problem at such a high pressure, the inventor of the present invention has developed a plasma generator as shown in FIG. 5A, the plasma generator 150 includes a first inlet side region 610 on the side where the plasma source gas is injected and a first outlet side region 620 on the side where the plasma torch is generated . The present invention can stably generate a plasma torch at a high pressure through the construction of such a plasma generating portion. The pressure in the first inlet side region is lower than the pressure in the first outlet side region, and the diameter in the first outlet side region is larger than the diameter of the first inlet side region.

한편, 다른 형태로서, 도 5b에서와 같이, 상기 플라즈마 발생부는 상기 플라즈마 소스 가스가 주입되는 측의 제2입구측영역(720); 상기 플라즈마 토치가 발생되는 측의 제2출구측영역(730); 및 상기 제2입구측영역과 상기 제2출구측영역 사이의 플라즈마중간영역(710)을 포함한다. 상기 플라즈마중간영역은 마이크로웨이브 전송라인을 관통하는 영역이다. 상기 제2입구측영역 및 상기 제2출구측영역 내의 압력은 상기 플라즈마중간영역 내의 압력보다 크고, 상기 제2입구측영역 및 상기 제2출구측영역 내의 직경이 상기 플라즈마중간영역 내의 직경보다 크다.On the other hand, as another example, as shown in FIG. 5B, the plasma generating portion includes a second inlet side region 720 on the side to which the plasma source gas is injected; A second outlet side region 730 on the side where the plasma torch is generated; And a plasma intermediate region (710) between the second inlet side region and the second outlet side region. The plasma intermediate region is an area penetrating the microwave transmission line. The pressure in the second inlet side region and the second outlet side region is larger than the pressure in the plasma intermediate region and the diameter in the second inlet side region and the second outlet side region is larger than the diameter in the plasma intermediate region.

상기 플라즈마 소스 가스주입부(160)는 플라즈마 토치가 발생되도록, 플라즈마 발생부(150) 내에 주입되도록 구성된다.The plasma source gas injecting unit 160 is configured to be injected into the plasma generating unit 150 so that a plasma torch is generated.

상기 반응부(170)는 상기 플라즈마 발생부로부터 상기 플라즈마 소스 가스주입부의 주입 방향에 따른 반대편에 생성된 플라즈마 토치가 위치하는 공간이다. 본 발명에서 반응기는 플라즈마 발생부와 압력 및 유체 소통된 공간으로서 반응기와 플라즈마 발생부를 합쳐서 플라즈마 발생부로 통칭하고 있다.The reaction unit 170 is a space in which the plasma torch generated on the opposite side in the direction of injection of the plasma source gas injection unit from the plasma generation unit is located. In the present invention, the reactor is collectively referred to as a plasma generating unit by combining the reactor and the plasma generating unit as a space communicating pressure and fluid with the plasma generating unit.

필요한 경우, 상기 재료공급부(140)는 상기 반응기로 반응재료를 공급하도록 구성된다. 특히, 상기 재료공급부(140)는 상기 플라즈마 토치로, 반응재료를 공급하도록 구성된다.If necessary, the material supply part 140 is configured to supply the reaction material to the reactor. In particular, the material supply part 140 is configured to supply the reaction material to the plasma torch.

점화부(180)는 상기 플라즈마 발생부(150) 내에 발생된 플라즈마에 초기 전자를 제공하는 수단이다. 스파크 등을 제공할 수 있는 수단이다. 고압에서는 플라즈마 발생이 어려운 환경이다. 가스의 밀도가 높아져(단위 부피당 입자수 증가) 평균 자유 경로(mean free path)가 짧아 가속되는 전자의 에너지가 작아 플라즈마 발생이 어렵다. 이러한 환경에서 점화장치는 필요할 수 있으며, 대기압에서 점화시키고 점차적으로 압력을 높여가면서 고압 하에서 전자파 플라즈마 토치의 발생을 가능하게 한다.The ignition unit 180 is a means for providing initial electrons to the plasma generated in the plasma generating unit 150. Spark and so on. It is an environment where plasma generation is difficult at high pressure. The density of the gas increases (the number of particles per unit volume), the mean free path is short, and the energy of the accelerated electrons is small, so that plasma generation is difficult. In such an environment, an ignition device may be necessary, which allows the generation of an electromagnetic plasma torch under high pressure while igniting at atmospheric pressure and gradually increasing the pressure.

수용해부(190)는 상기 플라즈마 발생부(150) 및 반응부(170)를 통해 발생한 가스를 물에 용해시키는 수단이다. 상기 수용해부(190)는 용해의 증진을 위해, 특히 질소산화물 가스의 용해 증진을 위해, 다공성 입자를 포함할 수 있고, NO의 산화를 촉진하기 위한 오존, 과산화수소, 산소 및 공기 중 어느 하나의 폭기 수단을 포함할 수 있다. 또한, 상기 수용해장치는 용해되지 않는 가스의 재용해를 위한 재순환수단을 포함할 수 있다. The dissolving part 190 dissolves the gas generated through the plasma generating part 150 and the reaction part 170 into water. The dissolving portion 190 may include porous particles for promoting dissolution, particularly for dissolving nitrogen oxide gas, and may be formed of any one of ozone, hydrogen peroxide, oxygen, and air to promote the oxidation of NO Means. In addition, the receiving device may comprise recirculation means for redissolving the non-dissolved gas.

수용해부는 추가로 냉각수단을 포함할 수 있다. 상기 냉각 수단은 상기 플라즈마 발생부와 상기 수용해부 사이에 위치되고, 플라즈마 발생부로부터 나오는 고온의 가스가 수용액에 바로 진입되어 수용액을 증발시키지 않도록 가스를 냉각시키도록 구성된다. The receiving dissection may further comprise cooling means. The cooling means is configured to cool the gas so that the hot gas coming from the plasma generating portion does not directly enter the aqueous solution and evaporates the aqueous solution.

도 2는 본 발명의 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치를 더욱 구체적으로 예시한다.2 shows the reaction apparatus using the plasma torch of the present invention more specifically.

전원공급부(110)는 마이크로웨이브 발진기(120)로 전력을 공급한다. 상기 마이크로웨이브 발진기는 전자파를 발생시킨다. 상기 발생된 전자파는 순차적으로 순환기(210), 방향성 결합기(220), 정합기(230), 및 마이크로웨이브 전송라인(130)을 통해 플라즈마 발생부(150)로 전송된다.The power supply unit 110 supplies power to the microwave oscillator 120. The microwave oscillator generates electromagnetic waves. The generated electromagnetic waves are sequentially transmitted to the plasma generator 150 through the circulator 210, the directional coupler 220, the matching device 230, and the microwave transmission line 130.

상기 플라즈마 소스 가스 가스는 상기 플라즈마 발생부(150)의 일 측의 플라즈마 소스 가스주입부(160)를 통해 주입된다. 플라즈마 소스 가스주입부(160)를 통해 주입되는 플라즈마 소스 가스 가스는 바람직하게는 스월 형태로 주입될 수 있다. The plasma source gas is injected through the plasma source gas injection unit 160 on one side of the plasma generating unit 150. The plasma source gas gas injected through the plasma source gas injecting section 160 can be injected preferably in a swirl form.

플라즈마 토치는 플라즈마 소스 가스가 상기 플라즈마 발생부(150)로 공급되고, 상기 마이크로웨이브 전송라인(130)을 통해 전자파가 플라즈마 발생부(150)로 전송되면서, 상기 반응기(170)에 생성된다.The plasma torch is supplied to the plasma generator 150 through a plasma source gas and is generated in the reactor 170 while the electromagnetic wave is transmitted to the plasma generator 150 through the microwave transmission line 130.

상기 플라즈마 토치의 임의의 선택된 위치로 상기 재료공급부(140)를 통해 반응재료가 공급된다.The reaction material is supplied to the selected position of the plasma torch through the material supply part 140. [

도 3은 고압 플라즈마 작동 압력을 위한 구성을 추가로 포함하는 블록도이다.3 is a block diagram further comprising a configuration for high pressure plasma working pressure.

본 발명의 장치의 상기 반응기는 출구 측에 제1 압력 밸브(322) 및 상기 플라즈마 소스 가스 주입을 위한 입구 측에 각각 제2 압력 밸브(320)를 포함하며, 재료공급이 필요한 경우 재료공급라인에 제3 압력 밸브(321)을 포함한다. 압력 밸브를 통해 플라즈마 발생기 및 반응기 내의 압력을 제어할 수 있다. 본 발명의 목적에 맞게 대기압 이상의 압력을 설정 및 유지할 수 있다.The reactor of the apparatus of the present invention comprises a first pressure valve 322 at the outlet side and a second pressure valve 320 at the inlet side for the plasma source gas injection, And a third pressure valve 321. The pressure in the plasma generator and the reactor can be controlled through the pressure valve. A pressure higher than atmospheric pressure can be set and maintained for the purpose of the present invention.

본 발명은 압력측정수단(330)을 포함하여 상기 플라즈마 발생기 및 반응기 내의 압력을 확인하여 요구되는 압력의 제어를 가능하게 한다.The present invention includes a pressure measuring means (330) to check the pressure in the plasma generator and the reactor to enable control of the required pressure.

또한 본 발명은 밸브제어수단(330)을 포함하여, 요구되는 압력의 설정 및 유지 등의 제어를 위해 밸브의 열림 정도를 가능하게 한다.The present invention also includes a valve control means (330) to enable the degree of opening of the valve for control such as setting and maintaining the required pressure.

본 발명의 장치에 의한 고압 플라즈마를 적용한 화학 반응 공정을 다음과 같이 확인하였다.The chemical reaction process using high pressure plasma by the apparatus of the present invention was confirmed as follows.

둘 이상의 플라즈마 소스 가스를 주입할 수 있는 전자파 플라즈마 발생장치를 준비하였고, 각 라인으로 질소가스를 20 lpm 으로 그리고 산소 가스를 0.1 lpm으로 주입하였고, 0.5 kW의 전력을 사용하여 플라즈마를 발생시켰고, 반응기 내의 압력을 0.5 bar 부터 3 bar까지 증가시키면서 발생하는 NO 및 NO2의 농도를 측정하였다.A plasma generator was prepared by injecting two or more plasma source gases into the reactor at a flow rate of 20 lpm, oxygen gas at 0.1 lpm, power of 0.5 kW, The NO and NO 2 concentrations were measured while increasing the pressure within the range from 0.5 bar to 3 bar.

그 결과는 도 6 및 도7에 도시하였다. 도 6a에서 확인되는 바와 같이 1.5 bar 이상의 압력에서는 NO 농도가 급격히 증가함을 확인할 수 있었다. 도 7에서 확인되는 바와 같이, 2.0 bar 이상의 압력에서는 NO2의 농도가 급격히 증가함을 확인할 수 있었다. 또한 도 6b 및 도 7에서 확인하는 바와 같이, 결과 그래프는 지수적으로 급증하고 있음을 확인할 수 있었다.The results are shown in Fig. 6 and Fig. As can be seen in FIG. 6A, it was confirmed that the NO concentration rapidly increased at a pressure of 1.5 bar or more. As can be seen in FIG. 7, it was confirmed that the NO 2 concentration abruptly increased at a pressure of 2.0 bar or more. Also, as can be seen from Figs. 6B and 7, it can be confirmed that the result graph is exponentially increasing.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.The description of the disclosed embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the present invention. Various modifications to these embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the generic principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the scope of the invention. Thus, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features presented herein.

Claims (5)

고압 전자파 플라즈마 토치 장치로서,
상기 장치는,
플라즈마 발생부,
상기 플라즈마 발생부로 마이크로웨이브를 전송하는 마이크로웨이브 발생부, 및
상기 플라즈마 발생부로 플라즈마 소스 가스를 주입하는 플라즈마 소스 가스 주입부를 포함하며,
상기 플라즈마 발생부는 상기 마이크로웨이브 발생부의 마이크로웨이브의 전송라인을 관통하고,
상기 플라즈마 발생부의 플라즈마 토치 발생 영역의 출구 측에 제1 압력 밸브를 포함하고,
상기 플라즈마 소스 가스의 주입을 위한 입구 측에 제2 압력 밸브를 포함하며,
상기 플라즈마 발생부 내는 플라즈마 발생시 대기압 초과의 압력을 유지하도록 구성되는,
고압 전자파 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치.A high pressure electromagnetic plasma torch device,
The apparatus comprises:
A plasma generator,
A microwave generating unit for transmitting a microwave to the plasma generating unit,
And a plasma source gas injecting unit injecting a plasma source gas into the plasma generating unit,
Wherein the plasma generating unit passes through a microwave transmission line of the microwave generating unit,
And a first pressure valve at an outlet side of the plasma torch generating region of the plasma generating section,
A second pressure valve on the inlet side for the injection of the plasma source gas,
Wherein the plasma generating unit is configured to maintain a pressure exceeding the atmospheric pressure during plasma generation,
Reaction apparatus using high pressure electromagnetic plasma torch. 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 발생부로부터 나오는 가스를 용액에 용해시키기 위한 수용해장치를 추가로 포함함을 특징으로 하는,
고압 전자파 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치.The method according to claim 1,
Further comprising an accommodating device for dissolving gas from the plasma generating part into the solution.
Reaction apparatus using high pressure electromagnetic plasma torch. 제2항에 있어서,
상기 수용해장치는 다공성 입자를 포함함을 특징으로 하는,
고압 전자파 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치.3. The method of claim 2,
Characterized in that the receiving device comprises porous particles.
Reaction apparatus using high pressure electromagnetic plasma torch. 제2항에 있어서,
상기 수용해장치는 NO의 산화를 촉진하기 위한 오존, 과산화수소, 산소 및 공기 중 어느 하나의 폭기 수단을 포함함을 특징으로 하는,
고압 전자파 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치.3. The method of claim 2,
Characterized in that the water-receiving device comprises an aeration means for ozone, hydrogen peroxide, oxygen and air for promoting the oxidation of NO.
Reaction apparatus using high pressure electromagnetic plasma torch. 제2항에 있어서,
상기 수용해장치는 용해되지 않는 가스의 재용해를 위한 재순환수단을 포함함을 특징으로 하는,
고압 전자파 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치.3. The method of claim 2,
Characterized in that the receiving device comprises recirculation means for redissolving the undissolved gas.
Reaction apparatus using high pressure electromagnetic plasma torch.
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