KR101688611B1 - 플라즈마-촉매 방식의 스크러버 - Google Patents

플라즈마-촉매 방식의 스크러버 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 질소산화물(NOx)을 발생시키지 않으면서 처리기체에 포함된 오염물질(예, 과불화화합물(PFC))을 효과적으로 제거하는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마-촉매 방식의 스크러버는, 전기 에너지로 방전기체를 플라즈마 아크의 열 에너지로 변환하고 처리기체를 공급하는 플라즈마 발생부, 상기 플라즈마 발생부에서 발생된 플라즈마 아크에 접촉되고 플라즈마 아크를 통과시키면서 열 에너지를 전달받아 처리기체를 가열하는 열전달부, 및 상기 열전달부에서 가열된 처리기체를 유입하여 촉매 반응으로 처리기체에 포함된 오염물질을 분해하는 촉매 반응부를 포함한다

Description

플라즈마-촉매 방식의 스크러버 {PLASMA-CATALYST TYPE SCRUBBER}
본 발명은 처리기체에 포함된 오염물질을 제거하는 스크러버에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 처리기체에 포함된 과불화화합물(perfluorinated compounds, PFCs) 또는 N2O와 같은 온난화 물질을 제거하는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버에 관한 것이다.
과불화화합물(perfluorinated compounds, PFCs)은 안정한 물질로써 높은 온난화 지수를 가진다. 따라서 과불화화합물을 제거하기 위한 프로그램들이 국제적인 협약을 통해서 진행되고 있다.
다양한 PFC 물질 중, CF4는 가장 안정적인 구조를 가진 물질이다. 이 CF4의 제거를 위해서는 매우 높은 에너지가 요구된다. 처리기체에서 CF4를 제거하는 기술에는 번웨트(burn wet) 방식, 플라즈마 방식 및 촉매 방식이 있다.
버너 방식의 경우 보다 높은 온도 조건을 얻기 위하여 순산소 연소를 하기도 하는데, 순산소 연소 방식은 고온 조건에서의 연소라는 공정 특성상 다량의 NOx를 발생시킨다. NOx 또한 배출 총량제의 제한을 받는 주요 오염물질이므로 번웨트 방식의 적용에 한계가 있다.
플라즈마 방식은 비연소 방식이므로 NOx가 발생하지 않는 장점을 가지지만 소비 전력량을 높인다. 따라서 에너지 효율이 떨어지고 플라즈마 반응기의 부식이 심각해진다.
촉매 방식은 800도씨 정도에서 CF4를 분해할 수 있는데, 800도씨의 운전 조건을 만들어 주기 위한 열원을 필요로 한다. 즉 열원으로 연소 방식을 이용하여 열을 공급하는 경우 NOx가 발생되고, 전기 히터를 이용해서 열을 공급하는 경우 낮은 열전달 효율로 인하여 히터의 부피가 과도하게 커지며, 전열선의 부식 문제가 발생되고, 효율성이 낮아진다.
본 발명의 목적은 질소산화물(NOx)을 발생시키지 않으면서 처리기체에 포함된 오염물질(예, 과불화화합물(PFC))을 효과적으로 제거하는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 처리기체에 포함된 N2O를 분해시키면서 처리기체의 전체 온도를 승온시키고 촉매로 더 분해시키는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마-촉매 방식의 스크러버는, 전기 에너지로 방전기체를 플라즈마 아크의 열 에너지로 변환하고 처리기체를 공급하는 플라즈마 발생부, 상기 플라즈마 발생부에서 발생된 플라즈마 아크에 접촉되고 플라즈마 아크를 통과시키면서 열 에너지를 전달받아 처리기체를 가열하는 열전달부, 및 상기 열전달부에서 가열된 처리기체를 유입하여 촉매 반응으로 처리기체에 포함된 오염물질을 분해하는 촉매 반응부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마-촉매 방식의 스크러버는 상기 촉매 반응부에서 오염물질로부터 분해된 물질에 물을 분사하여 분해된 물질을 물로 고정 처리하고 처리기체를 배출하는 수처리부를 더 포함할 수 있다.
상기 촉매 반응부는 촉매 반응으로 처리기체에 포함된 과불화화합물(PFC)을 분해하고, 상기 수처리부는 오염물질인 과불화화합물(PFC)로부터 분해된 물질에 물(H20)을 분사하여 분해된 물질을 불화수소(HF)로 고정 처리할 수 있다.
상기 수처리부는 불화수소를 포함하는 수처리 생성물을 중화하기 위하여 중화제를 공급할 수 있다.
상기 촉매 반응부는 산화망간계, 귀금속계, 루테늄(Ru) 및 로디움(Rh) 중 어느 하나의 촉매를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 발생부는, 일측으로 방전기체가 공급되고 전기적으로 접지되어 상기 열전달부에 연결되는 하우징, 상기 하우징에 내장되어 상기 하우징의 내면과의 사이에 방전갭을 형성하고 구동전압이 인가되는 전극, 및 상기 하우징의 토출구의 외곽에서 구비되고 상기 하우징의 공급홀을 통하여 상기 하우징의 내측으로 처리기체를 공급하여, 상기 토출구로 토출되는 플라즈마 아크를 유동시키는 챔버를 포함할 수 있다.
상기 공급홀은 상기 하우징의 내주면에 접하는 접선 방향으로 형성될 수 있다.
상기 열전달부는 상기 플라즈마 발생부를 향하여 평행하게 배치되어 플라즈마 아크에 의하여 가열되고, 플라즈마 아크 및 처리기체를 통과시키는 관통홀을 구비하는 판부, 및 상기 판부에 연결되어 처리기체의 흐름 방향으로 신장되는 방열핀을 포함할 수 있다.
상기 방열핀은 상기 판부의 하면에 상기 판부의 직경 방향으로 배치될 수 있다.
상기 판부에 구비되는 관통홀들은 상기 방열핀들 사이에 배치될 수 있다.
상기 열전달부와 상기 촉매 반응부는 관체에 내장되고, 상기 플라즈마 발생부는 상기 관체의 일측에 연결되며, 상기 수처리부는 상기 관체의 다른 일측에 연결될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는 플라즈마 발생부, 열전달부, 및 촉매 반응부를 구비하여, 플라즈마 아크의 열 에너지로 처리기체를 가열하고, 촉매 반응으로 가열된 처리기체의 오염물질을 분해하므로 질소산화물(NOx)을 발생시키지 않으면서 오염물질(예를 들면, 과불화화합물(PFCs) 및 N2O)을 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마-촉매 방식의 스크러버의 구성도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 플라즈마 발생부의 단면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 도 1에 적용되는 열전달부의 사시도이다.
도 5는 도 4의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 자른 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마-촉매 방식의 스크러버의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예의 플라즈마-촉매 방식의 스크러버는 플라즈마 발생부(10), 열전달부(20), 촉매 반응부(30) 및 수처리부(40)를 포함한다.
플라즈마 발생부(10)는 공급되는 전기 에너지에 의하여 방전기체에 플라즈마 아크를 발생시키도록 구성되어, 즉 전기 에너지를 열 에너지로 변환시킨다. 또한 오염물질이 포함된 처리기체는 플라즈마 발생부(10)의 플라즈마 아크 토출 측으로 공급된다. 처리기체는 고온의 플라즈마 아크에 의하여 직접 가열될 수 있다.
열전달부(20)는 플라즈마 발생부(10)에서 발생된 플라즈마 아크에 접촉되어 플라즈마 아크 열에 의하여 직접 가열되고 이 과정에서 처리기체의 일부가 분해되며, 플라즈마 아크를 통과시키면서 플라즈마 아크의 열 에너지를 전달받아서, 통과하는 처리기체를 가열하거나 일부 분해하도록 구성된다. 열전달부(20)는 고온의 플라즈마 아크 및 플라즈마 아크에 접촉되어 가열된 처리기체의 통과로 열을 받아서 승온된다.
즉 플라즈마 아크는 처리기체와 직접 접촉되지 않은 경우에도 열전달부(20)를 통과하면서 가열하므로 열전달부(20)를 통과하는 처리기체를 간접적으로 800도씨 정도로 가열할 수 있다. 따라서 플라즈마 발생부(10) 및 열전달부(20)는 플라즈마 방식만으로 처리기체를 열분해하는 종래기술과 비교할 때, 소비 전력량을 현저히 줄일 수 있다.
촉매 반응부(30)는 열전달부(20)에서 가열된 처리기체를 유입하여 촉매 반응으로 처리기체에 포함된 오염물질을 분해하도록 구성된다. 촉매 반응부(30)는 처리 대상인 오염물질에 따라 다양한 종류의 촉매를 내장할 수 있다.
수처리부(40)는 촉매 반응부(30)에서 오염물질로부터 분해된 물질에 물을 분사하여 분해된 물질을 물로 고정 처리하며, 촉매 반응부(30)에서 오염물질이 분해되고 수처리부(40)에서 수처리된 후 잔류하는 오염물질이 포함되지 않은 처리기체를 배출하도록 구성된다.
한편, 일 실시예의 플라즈마-촉매 방식의 스크러버는 관체(50)를 더 포함한다. 관체(50)는 열전달부(20)와 촉매 반응부(30)를 설정된 간격으로 내장하며, 열전달부(20)와 촉매 반응부(30)의 하우징으로 작용한다.
그리고 플라즈마 발생부(10)는 관체(50)의 상측에 연결되고, 수처리부(40)는 관체(50)의 하측에 연결된다. 즉 관체(50)는 플라즈마 발생부(10)와 수처리부(40)를 연결하므로 고온의 플라즈마 아크 및 처리기체는 플라즈마 발생부(10), 열전달부(20), 촉매 반응부(30) 및 수처리부(40)로 흐르게 된다.
편의상, 이하에서 처리기체에 포함된 오염물질이 과불화화합물(PFC)인 경우를 예로 들어 설명한다. 촉매 반응부(30)는 촉매 반응으로 처리기체에 포함된 과불화화합물(PFC)을 분해한다.
수처리부(40)는 과불화화합물(PFC)로부터 분해된 물질에 물(H20)을 분사하여 분해된 물질을 불화수소(HF)로 고정 처리한다. 수처리부(40)는 물을 분사하는 노즐(41, 42)을 구비한다.
또한 수처리부(40)는 불화수소(HF)를 포함하는 수처리 생성물을 중화하기 위하여 중화제를 공급하고, 오염물질인 과불화화합물(PFC)이 제거된 처리기체를 배출한다. 즉 수처리부(40)에는 개폐되는 밸브(43)를 개재한 중화제 공급라인(44)이 연결되고, 오염물질이 제거된 처리기체를 배출하는 배출라인(45)이 연결된다.
도 2는 도 1에 적용되는 플라즈마 발생부의 단면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 자른 단면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 플라즈마 발생부(10)는 전기 에너지로 방전기체에 플라즈마 아크를 발생시키도록 하우징(11), 전극(12) 및 챔버(13)를 포함한다. 즉 전기 에너지는 열 에너지로 변화된다.
하우징(11)은 일측으로 방전기체가 공급되고 전기적으로 접지되어 열전달부(20)에 연결된다. 하우징(11)은 다양한 구조로 형성될 수 있으나 일 실시예인 원통으로 형성될 수 있다. 실질적으로, 하우징(11)은 열전달부(20)를 내장하는 관체(50)에 결합된다.
전극(12)은 하우징(11)에 내장되어 하우징(11)의 내면과의 사이에 방전갭(G)을 형성한다. 전극(12)의 볼록 구조와 이에 마주하는 하우징(11)의 원통 형상에 따라 양자 사이의 간격은 점진적으로 좁아진 후 최소 간격을 형성한 다음 점진적으로 넓어진다. 방전갭(G)은 전극(12)과 하우징(11)의 최소 간격으로 설정된다. 전극(12)에는 구동전압(HV)이 인가된다.
전극(12)과 하우징(11)이 결합되는 부분에는 절연부재(14)가 개재된다. 절연부재(14)는 전극(12)과 하우징(11)을 전기적으로 서로 절연시킨다. 또한 절연부재(14)는 방전기체 홀(141)을 구비한다. 따라서 방전기체는 절연부재(14)의 방전기체 홀(141)을 통하여 하우징(11) 내의 방전갭(G)으로 공급된다.
챔버(13)는 하우징(11)의 토출구(111) 외곽에 구비되어, 하우징(11)의 토출구(111) 주위에 형성되는 복수의 공급홀들(112)을 통하여 하우징(11)의 내부로 처리기체를 공급할 수 있다.
공급홀(112)은 처리기체를 공급함에 따라 하우징(11)의 토출구(111)로 토출되는 플라즈마 아크를 유동시킨다. 공급홀(112)로 공급되는 처리기체는 플라즈마 아크에 작용하여 플라즈마 아크의 토출 방향을 변화시키므로 플라즈마 아크가 열전달부(20)에 도달하는 위치를 지속적으로 변화시킨다.
따라서 고온의 플라즈마 아크는 열전달부(20)의 일부에만 향하여 공급되지 않고, 열전달부(20)의 넓은 면적에 걸쳐서 공급된다. 즉 열전달부(20)는 관체(50) 내에서 균일하게 공급되는 플라즈마 아크 및 처리기체에 노출되어, 균일한 열을 받을 수 있다. 즉 열전달부(20)를 경유한 처리기체는 균일하게 가열된다.
공급홀(112)은 하우징(110의 내주면에 접하는 접선 방향으로 형성된다. 따라서 챔버(13)에서 공급홀(112)을 통하여 하우징(11)의 내부로 공급되는 처리기체는 하우징(11)의 토출구(111) 내에서 스월을 일으킨다.
즉 플라즈마 아크 및 플라즈마 아크에 의하여 가열된 처리기체는 토출구(111) 내에서 스월을 일으키면서 열전달부(20)로 토출된다. 따라서 열전달부(20)의 열전달 효율이 높아질 수 있다.
도 4는 도 1에 적용되는 열전달부의 사시도이며, 도 5는 도 4의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 열전달부(20)는 판부(21) 및 방열핀(22)을 포함한다. 판부(21)는 플라즈마 발생부(10)를 향하여 평행하게 배치되어 플라즈마 아크에 의하여 직접 가열되고, 플라즈마 아크 및 처리기체를 통과시키는 복수의 관통홀들(211)을 구비한다.
방열핀(22)은 판부(21)에 연결되어 플라즈마 아크 및 처리기체의 흐름 방향으로 신장 형성된다. 방열핀들(22)은 판부(21)의 하면에 판부(21)의 직경 방향으로 교차하여 배치될 수 있다. 이때, 판부(21)에 구비되는 관통홀들(211)은 방열핀들(22) 사이에 배치되어 처리기체의 유통을 원활하게 한다.
따라서 판부(21)는 플라즈마 아크 및 가열된 처리기체에 직접 접촉되어 가열된다. 방열핀들(22)은 판부(21)에 연결되어 열전도로 가열되어, 판부(21)의 관통홀들(211)을 통과하는 처리기체를 더욱 가열시킬 수 있다.
촉매 반응부(30)는 열전달부(20)에서 가열되어 공급되는 처리기체에 포함된 오염물질을 촉매 반응으로 분해할 수 있도록 구성된다. 수처리부(40)는 촉매 반응부(30)에서 오염물질로부터 분해된 물질에 물을 분사하여 분해된 물질을 물로 고정 처리한다.
또한, 처리기체는 오염물질로 산화질소(N20)를 포함할 수 있다. 이 경우, 촉매 반응부(30)는 촉매 반응으로 처리기체에 포함된 산화질소(N20)를 분해한다.
예를 들면, 촉매 반응부(30)는 산화망간계, 귀금속계, 루테늄(Ru) 또는 로디움(Rh) 촉매를 포함할 수 있다. 산화망간계, 귀금속계, 루테늄(Ru) 또는 로디움(Rh) 촉매는 처리기체에 포함된 산화질소(N20)를 분해한다.
이상을 통해 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.
10: 플라즈마 발생부 11: 하우징
12: 전극 13: 챔버
14: 절연부재 20: 열전달부
21: 판부 22: 방열핀
30: 촉매 반응부 40: 수처리부
41, 42: 노즐 43: 밸브
44: 중화제 공급라인 45: 배출라인
50: 관체 111: 토출구
112: 공급홀 211: 관통홀
141: 방전기체 홀 G: 방전갭

Claims (13)

  1. 전기 에너지로 방전기체를 플라즈마 아크의 열 에너지로 변환하고 처리기체를 공급하는 플라즈마 발생부; 및
    상기 플라즈마 발생부에서 발생된 플라즈마 아크의 열 에너지를 전달받아 가열된 처리기체를 유입하여 촉매 반응으로 처리기체에 포함된 오염물질을 분해하는 촉매 반응부
    를 포함하며,
    상기 플라즈마 발생부는,
    일측으로 방전기체가 공급되는 하우징,
    상기 하우징에 내장되는 전극, 및
    상기 하우징의 토출구의 외곽에서 구비되어 상기 하우징의 내측으로 처리기체를 공급하여, 상기 토출구로 토출되는 플라즈마 아크를 유동시키는 챔버를 포함하는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 아크를 통과시키면서 열 에너지를 전달받아 가열된 처리기체를 상기 촉매 반응부로 공급하는 열전달부를 더 포함하는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 반응부에서 오염물질로부터 분해된 물질에 물을 분사하여 분해된 물질을 물로 고정 처리하고 처리기체를 배출하는 수처리부
    를 더 포함하는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 촉매 반응부는
    촉매 반응으로 처리기체에 포함된 과불화화합물(PFC)을 분해하고,
    상기 수처리부는
    오염물질인 과불화화합물(PFC)로부터 분해된 물질에 물(H20)을 분사하여 분해된 물질을 불화수소(HF)로 고정 처리하는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수처리부는
    불화수소를 포함하는 수처리 생성물을 중화하기 위하여 중화제를 공급하는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 촉매 반응부는
    산화망간계, 귀금속계, 루테늄(Ru) 및 로디움(Rh) 중 어느 하나의 촉매를 포함하는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 하우징은 전기적으로 접지되어 상기 열전달부에 연결되고,
    상기 전극은 상기 하우징의 내면과의 사이에 방전갭을 형성하고 구동전압이 인가되며,
    상기 챔버는 상기 하우징의 공급홀을 통하여 상기 하우징의 내측으로 처리기체를 공급하는 챔버를 포함하는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공급홀은
    상기 하우징의 내주면에 접하는 접선 방향으로 형성되는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 열전달부는
    상기 플라즈마 발생부를 향하여 평행하게 배치되어 플라즈마 아크에 의하여 가열되고, 플라즈마 아크 및 처리기체를 통과시키는 관통홀을 구비하는 판부, 및
    상기 판부에 연결되어 처리기체의 흐름 방향으로 신장되는 방열핀
    을 포함하는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 방열핀은
    상기 판부의 하면에 상기 판부의 직경 방향으로 배치되는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 판부에 구비되는 관통홀들은 상기 방열핀들 사이에 배치되는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 열전달부와 상기 촉매 반응부는 관체에 내장되고,
    상기 플라즈마 발생부는 상기 관체의 일측에 연결되는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 촉매 반응부는 관체에 내장되고,
    상기 수처리부는 상기 관체의 다른 일측에 연결되는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버.
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