KR102359322B1

KR102359322B1 - 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템

Info

Publication number: KR102359322B1
Application number: KR1020210076977A
Authority: KR
Inventors: 김윤희; 조준영
Original assignee: 세마엔지니어링(주)
Priority date: 2021-06-14
Filing date: 2021-06-14
Publication date: 2022-02-08

Abstract

본 발명은 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템을 개시한다. 본 발명은 저온 플라스마 반응장치 내로 유입되는 오염가스의 수분 함량을 일정 수준으로 높일 수 있도록 후처리장치(30)에서 배출되는 다습한 청정가스(D)의 일부를 회수하여 전처리장치(10)에서 배출되는 건조한 오염가스(A)와 일정 비율로 혼합하여 일정량의 수분이 함유된 가습된 오염가스(B)로 만들어서 저온 플라스마 반응장치(20)의 방전관(25)으로 공급하는 수분공급장치(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템에 관한 것이다.

Description

가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템{VOC andodor treatment system using humidifying air temperature plasma}

본 발명은 저온 플라스마를 이용하여 휘발성 유기화합물 및 악취물질을 제거하기 위한 악취제거 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저온 플라스마 반응장치 내로 유입되는 오염가스의 수분 함량을 일정 수준으로 높여서 플라스마 반응에 의해 생성되는 OH 라디칼(OH Radical)을 이용하여 오염가스에 포함된 휘발성 유기화합물 및 악취물질을 산화 분해해서 제거하는 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템에 관한 것이다.

플라스마(Plasma)는 물질이 열을 받으면 기체 상태를 지나 물질 속의 분자가 서로 격렬하게 충동하여 이온화된 상태를 말한다. 이러한 플라스마를 물과 반응시키면, 수산기 라디칼(OH Radical)이 생기는데, 이 수산기 라디칼은 염소나 오존, 과산화수소 등보다 강력한 살균 분해 능력을 가지고 있다.

즉, 전압이 인가되는 음전극과 양전극 사이로 수분이 포함된 공기를 통과시키면, 저전압에서 플라스마 방전이 일어나서 물 분자가 이온화되어 수산기 라디칼이 생기는 것이다. 이러한 플라스마를 이용하여 휘발성 유기화합물(VOCs)과 악취물질을 제거하기 위한 악취 제거시스템이 다양하게 개발되었다.

일례로, 도 1에는 종래 기술에 따른 플라스마 악취제거 시스템을 보여주는 것으로, 송풍기(110)를 통해 유입되는 오염가스에 포함된 수분과 먼지 등 이물질을 제거하는 전처리설비(120)와, 상기 전처리설비(120)를 거쳐 유입되는 오염가스의 산화반응을 유도하는 플라스마 반응장치(130)와, 상기 플라스마 반응장치(130)를 거쳐 나온 처리가스에 포함된 미처리 불순물을 제거하는 후처리설비(140)를 포함한다.

그리고 상기 플라스마 반응장치(130)는 플라스마 전원부(150)로부터 인가되는 전원에 의해 플라스마를 발생시키는 다수의 방전관(210)과 플라스마에서 발생하는 자외선을 흡수하여 강력한 산화력을 갖는 라디칼을 발생시키는 반응촉진필터(220)와, 상기 방전관(210)으로 공기를 불어 넣는 다수의 분사노즐(240) 및 상기 분사노즐(240)로 공기를 공급하는 에어공급장치(230)을 포함하고 있다.

즉, 종래 기술은, 상기 분사노즐(240)을 통해 방전관(210)으로 외부공기를 불어 넣어 플라스마의 반응영역과 반응시간을 늘리는 것을 주목적으로 하고 있으나 부수적으로 외부공기에 포함된 수분이 플라스마와 반응하여 수산기 라디칼을 생성하여 오염물질을 산화 분해하는 기능도 수행하고 있다.

그러나 종래와 같이, 단순히 외부공기를 주입하는 것만으로는 충분한 양의 수분을 공급할 수 없을 뿐만 아니라 수분을 일정하게 공급할 수도 없었다. 즉, 외부공기는 습도가 수시로 변하기 때문에 외부공기의 습도에 따라 방전관(210)으로 공급되는 수분의 양이 수시로 변하여 처리효율을 일정하게 유지할 수 없었다.

예를 들어, 본 발명자에 의한 실험 1에서 보는 바와 같이, 플라스마 반응장치 내로 유입되는 오염가스의 습도가 90%일 때 암모니아의 처리효율이 97%이고, TVOC의 처리효율은 95.5%이었으나, 오염가스의 습도가 30% 이하로 떨어지면, 암모니아의 처리효율은 76%로 떨어지고 TVOC의 처리효율은 73%로 떨어지는 것을 확인하였다. 그런데 봄, 가을이나 겨울철에는 외기공기의 습도가 50~70% 이하로 떨어지기 때문에 이러한 경우에는 오염물질의 처리효율도 함께 떨어지는 문제가 있었다.

이 문제를 해결하기 위해서, 외부공기에 별도로 수분을 공급하는 방안이 제시되었으나, 외부공기에 수분을 공급하기 위해서는, 수조와, 수조의 물을 펌핑하기 위한 펌프, 외부공기와 물을 균일하게 혼합하기 위한 믹서 등이 필요할 뿐만 아니라 외부공기의 습도에 따른 수분 공급량을 조절하기 위한 습도센서와 제어밸브 및 제어장치 등도 구비되어야 하므로 전체적으로 장치의 구조가 복잡해지고 가격이 상승하는 문제가 있다. 아울러 기온이 떨어지는 겨울철에는 수조 내의 물이 얼지 않도록 가열해야 하는 등 유지관리에도 많은 어려움이 있었다.

한편, 도 2에서 보는 바와 같이, 종래의 기술에 따른 방전관은 방전극(214)의 모양이 곡선으로 이루어지기 때문에 플라스마 이동영역이 방전극의 끝 부분에서 확장되는데 한계가 있어 플라스마 아크가 광촉매필터에 근접하지 못한다는 문제가 있었고, 플라스마 발생영역을 확장시키기 위해서 외부공기를 분사노즐(240)을 이용하여 방전관의 전극 사이로 분사하는 방식을 사용하는데, 이와 같이, 외부공기와 오염가스를 분리하여 주입하면, 오염가스와 플라스마가 직접 접촉하는 것을 방해하므로 오염물질의 산화반응이 충분히 일어나지 않게 된다는 문제도 있었다.

대한민국 등록특허 제10-0949303호(등록일: 2010년03월17일)

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 주된 목적은, 저온 플라스마 반응장치의 내부로 주입되는 오염가스의 수분 함량을 인위적으로 높여서 다량의 수산기 라디칼을 안정적으로 생성할 수 있게 하여 오염물질의 제거 효율을 향상시킬 수 있는 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은, 후처리장치에서 배출되는 다습한 청정가스의 일부를 회수하고 이를 저온 플라스마 반응장치로 공급되는 건조한 오염가스와 혼합함으로써 복잡한 구조를 사용하지 않고서도 저온 플라스마 반응장치의 내부로 주입되는 오염가스 내의 수분 함량을 일정한 수준으로 높여서 처리효율을 향상시킬 수 있는 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은, 저온 플라스마 반응장치 내부의 방전관의 전극 모양을 직선형의 경사면으로 변경하여 플라스마 이동영역을 확장시키고 플라스마 아크를 광촉매필터에 근접하게 접근시켜서 플라스마 반응성을 높임으로써 오염물질의 처리효율을 향상시킬 수 있는 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은, 1000㎥/min 이상의 오염가스를 처리할 수 있도록 다수의 저온 플라스마 반응장치를 병렬적으로 설치하고, 오염가스량의 변화에 따라 각 저온 플라스마 반응장치의 가동률을 자동으로 조절함과 아울러 각 저온 플라스마 반응장치로 공급되는 전압을 조절함으로써 전체적으로 에너지 절감할 수 있는 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단으로서,

본 발명에 따른 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템은,

휘발성 유기화합물과 악취물질이 포함된 오염가스에 포함된 수분과 분진 등 이물질을 제거하여 휘발성 유기화합물과 악취물질이 포함된 건조한 오염가스(A)를 배출하는 전처리장치와;

상기 전처리장치에서 배출되는 휘발성 유기화합물과 악취물질이 포함된 건조한 오염가스(A)와 다습한 청정가스(D)를 일정 비율로 혼합하여 이루어지고 일정량의 수분을 포함하는 가습된 오염가스(B)를 플라스마 아크 및 광촉매와 반응시켜 휘발성 유기화합물과 악취물질을 산화 분해하여 제거하고 수용성의 미처리 물질이 포함된 처리가스(C)를 배출하는 저온 플라스마 반응장치와;

상기 저온 플라스마 반응장치에서 배출되는 수용성 미처리 물질이 포함된 처리가스(C)에 포함된 수용성 미처리 물질을 물에 흡수시켜 제거하고 다습한 청정가스(D)를 배출하는 후처리장치와;

상기 후처리장치에서 배출되는 다습한 청정가스(D)의 일부를 상기 전처리장치에서 배출되는 건조된 오염가스(A)와 혼합하여 상기 저온 플라스마 반응장치(20)의 내부로 공급하는 수분공급장치;를 포함하되,

상기 수분공급장치는, 상기 후처리장치의 배기관과 상기 전처리장치와 저온 플라스마 반응장치 사이를 연결하는 제1가스공급관 사이에 설치되어 상기 후처리장치에서 배출되는 다습한 청정가스(D)의 일부를 회수하는 청정가스순환관과, 상기 청정가스순환관을 통해 공급되는 청정가스의 공급량을 조절하여 상기 저온 플라스마 반응장치로 주입되는 가습된 오염가스(B)의 습도를 제어하는 습도조절장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 전처리장치는, 휘발성 유기화합물과 악취물질이 포함된 오염가스에 포함된 수분과 분진 등 이물질을 제거하기 위한 다수의 필터를 포함하고;

상기 저온 플라스마 반응장치는, 일정 크기의 내부 공간을 형성하는 본체와, 상기 본체의 내부에 상기 가습된 오염가스(B)가 통과하도록 설치되고 고전압 공급장치부터 인가되는 고전압에 의해 플라스마 아크를 발생시키는 다수의 방전관과, 상기 다수의 방전관의 상부에 설치되고 상기 방전관에서 발생하는 자외선을 흡수하여 산화력을 갖는 라디칼을 생성하는 광촉매필터를 포함하며;

상기 후처리장치는, 수용성 미처리 물질이 포함된 처리가스(C)에 포함된 수용성 미처리 물질을 물에 흡수시켜 제거하기 위한 충전물과 살수장치를 포함한다.

또한, 상기 본체의 내부에는, 상기 가습된 오염가스(B)가 통과하도록 설치되고 상기 가습된 오염가스(B)에 포함된 건조한 오염가스와 다습한 청정가스를 균일하게 혼합하는 균일혼합부를 더 포함한다.

상기 방전관은, 원통형으로 이루어진 본체와, 상기 본체의 내부 가운데에 수직으로 설치되며 상기 고전압 공급장치와 전기적으로 연결되는 두 개의 전극과, 상기 본체의 하단을 밀폐하면서 가습된 오염가스(B)가 두 개의 전극 사이로 분사되도록 일정 크기의 노즐구멍이 형성된 하판을 포함하고;

상기 두 개의 전극은, 서로 마주보는 면이 일정한 경사각을 갖는 경사면으로 이루어지고, 상기 두 개의 전극은 상기 두 개의 경사면이 일정 거리 이격되게 설치되며, 상기 두 개의 전극 사이의 거리는 상부로 갈수록 점차 벌어지게 설치된다.

상기 습도조절장치는, 상기 청정가스순환관에 설치되는 송풍팬과, 상기 가습된 오염가스(B)의 습도를 측정하는 제1습도센서와, 상기 제1습도센서로부터 제공되는 습도에 따라 상기 송풍팬을 제어하여 상기 청정가스순환관을 통해 공급되는 청정가스의 공급량을 조절하는 제어부를 포함한다.

또한, 상기 습도조절장치는, 상기 청정가스순환관을 통해 회수되는 청정가스의 습도를 측정하는 제2습도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 제1 및 제2습도센서로부터 제공되는 습도에 따라 상기 송풍팬을 제어하여 상기 청정가스순환관을 통해 공급되는 청정가스의 공급량을 조절하는 제어부를 포함한다.

그리고 상기 제1가스공급관에 설치된 유량계로부터 제공되는 가습된 오염가스(B)의 유입량에 따라 상기 고전압 공급장치에서 상기 방전관으로 공급되는 전압을 조절하여 에너지를 절감하는 에너지 절감장치를 더 포함한다.

또한, 다수 개의 저온 플라스마 반응장치가 병렬적으로 설치된 경우, 상기 각 저온 플라스마 반응장치의 입구와 출구에 오염가스의 흐름을 제어하는 자동댐퍼를 설치하고, 이를 상기 에너지 절감장치와 전기적으로 연결하여, 상기 제1가스공급관을 통해 공급되는 가습된 오염가스(B)의 유입량에 따라 상기 저온 플라스마 반응장치에 설치된 자동댐퍼를 개폐하여, 각 저온 플라스마 반응장치로 유입되는 가습된 오염가스(B)의 유입량을 조절하고, 상기 각 저온 플라스마 반응장치로 유입되는 가습된 오염가스(B)의 유입량에 따라 상기 각 저온 플라스마 반응장치로 공급되는 소비전력을 조절하여 에너지를 절감한다.

본 발명에 따르면, 저온 플라스마 반응장치의 내부로 주입되는 가습된 오염가스 내의 수분 함량을 일정 수준으로 유지하여 수산기 라디칼을 안정적으로 생성함으로써 오염물질의 제거 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 후처리장치에서 배출되는 다습한 청정가스의 일부를 회수하여 저온 플라스마 반응장치로 주입하기 때문에 복잡한 장치나 구조를 사용하지 않고도 저온 플라스마 반응장치의 내부로 일정량의 수분을 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 일정량의 수분을 포함하는 가습된 오염가스를 방전관으로 공급하여 가습된 오염가스에 포함된 수분이 방전관에서 발생하는 플라스마 아크와 반응하여 산화력이 강력한 OH 라디칼을 생성하고, 이 OH 라디칼이 오염가스에 포함된 휘발성 유기화합물과 악취물질을 산화 분해하여 처리효율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 방전관의 두 개의 전극을 직선형의 경사면으로 변경하여 플라스마 이동영역을 확장시키고 플라스마 아크를 광촉매필터에 최대한 접근시켜서 플라스마의 반응성을 높임으로써 오염물질의 처리효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 다수의 저온 플라스마 반응장치를 설치할 경우, 상기 다수의 저온 플라스마 반응장치로 유입되는 가습된 오염가스량에 따라 각 저온 플라스마 반응장치의 가동률을 자동으로 조절할 수 있도록 유입되는 오염가스량을 감지하고, 저온 플라스마 반응장치의 입구와 출구에 자동댐퍼를 설치하여 각 저온 플라스마 반응장치로 공급되는 가습된 오염가스의 유입량을 조절하는 동시에 각 저온 플라스마 반응장치로 공급되는 고전압을 조절하여 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 플라스마를 이용한 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템의 일 예를 보여주는 구성도,
도 2는 종래 기술에 따른 방전관의 일 예를 보여주는 부분절단 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템의 구조를 보여주는 전체구성도,
도 4는 도 3에 도시된 저온 플라스마 반응장치를 보여주는 확대구성도,
도 5는 본 발명에 따른 방전관의 구조를 보여주는 부분절단 사시도,
도 6은 도 5에 도시된 방전관의 작용을 보여주는 설명도,
도 7은 도 5에 도시된 방전관의 작용을 보여주는 사진,
도 8은 본 발명에 따른 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템의 다른 실시 예를 보여주는 구성도이다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템의 바람직한 실시 예에 대해서 상세히 설명한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "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.

또한, 첨부한 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대해 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

먼저, 도 3은 본 발명에 따른 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템의 구조를 보여주는 전체 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 저온 플라스마 반응장치의 일 예를 보여주는 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템(1)은, 전처리장치(10), 저온 플라스마 반응장치(20), 후처리장치(30) 및 저온 플라스마 반응장치(20)로 일정량의 수분을 공급하는 수분공급장치(50)를 포함한다.

상기 전처리장치(10)는, 휘발성 유기화합물과 악취물질이 포함된 오염가스가 유입되는 것으로, 다수의 필터(11)(13)를 포함하며, 상기 오염가스에 포함된 수분과 분진 등 이물질을 제거한 후, 휘발성 유기화합물과 악취물질이 포함된 건조한 오염가스(A)를 배출한다.

상기 저온 플라스마 반응장치(20)는, 상기 전처리장치(10)에서 공급되는 휘발성 유기화합물과 악취물질이 포함된 건조한 오염가스(A)와 상기 수분공급장치(50)에서 공급되는 다습한 청정가스(B)를 일정 비율로 혼합하여 이루어진 가습된 오염가스(B)가 유입되는 것으로, 다수의 방전관(25)과 광촉매필터(27)를 포함하며, 상기 가습된 오염가스(B)에 포함된 휘발성 유기화합물과 악취물질을 산화 분해한 후, 수용성의 미처리 물질이 포함된 처리가스(C)를 배출한다.

상기 후처리장치(30)는, 상기 저온 플라스마 반응장치(20)에서 공급되는 수용성 미처리 물질이 포함된 처리가스(C)가 유입되는 것으로, 충전물(33)과 살수장치(35)를 포함하여, 상기 처리가스(C)에 포함된 수용성 미처리 물질을 살수되는 물에 흡수시켜 제거한 후, 다습한 청정가스(D)를 배출한다.

상기 수분공급장치(50)는, 상기 후처리장치(30)에서 배출되는 다습한 청정가스(D)의 일부를 회수하여 상기 전처리장치(10)에서 배출되는 건조한 오염가스(A)와 일정 비율로 혼합함으로써 일정량의 수분이 함유된 가습된 오염가스(B)를 만들어서, 상기 저온 플라스마 반응장치(20)의 내부로 공급하는 것으로서, 청정가스순환관(51)과 습도조절장치(53)를 포함한다. 그리고 상기 저온 플라스마 반응장치(20)의 내부로 주입된 가습된 오염가스(B)는 다수의 방전관(25)을 통과하게 된다.

즉, 본 발명은 플라스마 아크가 발생하는 다수의 방전관(25)으로 일정량의 수분을 포함하는 가습된 오염가스를 공급함으로써, 오염가스에 포함된 수분이 플라스마 아크와 반응하여 강력한 산화력을 갖는 수산기 라디칼이 생성하고, 이 수산기 라디칼이 오염가스에 포함된 휘발성 유기화합물과 악취물질을 산화 분해하도록 하는 것이다.

이를 위해서, 상기 수분공급장치(50)는, 상기 후처리장치(30)에서 배출되는 청정가스(D)의 일부를 회수하는 것인데, 상기 후처리장치(30)의 내부에 설치된 살수장치(35)에서 항상 물을 분무하기 때문에 상기 후처리장치(30)에서 배출되는 청정가스는 일정량의 수분을 함유하게 된다. 따라서 상기 후처리장치(30)에서 배출되는 다습한 청정가스(D)를 전처리장치(10)에서 배출되는 건조한 오염가스(A)와 혼합하면 일정량의 수분이 함유된 가습된 오염가스(B)를 만들 수 있게 된다.

더욱 구체적으로, 상기 전처리장치(10)는, 다수의 필터(11)(13)를 포함하고, 오염가스에 포함된 이물질(기름성분, 먼지 및 수분 등)을 제거한다. 바람직하게 상기 다수의 필터는 프리필터(11)와 Demister(13)를 포함한다. 따라서 상기 전처리장치(10)에 수분이 제거된 건조한 오염가스(A)는 제1가스공급관(15)을 통해 저온 플라스마 반응장치(20)로 공급된다. 이때, 상기 제1가스공급관(15)은, 후술하는 청정가스순환관(51)과 연결되고 다습한 청정가스(D)가 유입되어 건조한 오염가스(A)와 혼합되게 된다.

상기 저온 플라스마 반응장치(20)는, 일정 크기의 내부 공간을 형성하는 본체(21)와, 상기 본체(21)의 내부에 설치되고 상기 제1가스공급관(15)을 통해 주입되는 가습된 오염가스(B)를 혼합하는 균등혼합부(23)와, 상기 균등혼합부(23)를 통과한 가습된 오염가스(B)가 통과하도록 설치되고 고전압 공급장치(29)로부터 인가되는 고전압에 의해 플라스마 아크를 생성하는 다수의 방전관(25)과, 상기 다수의 방전관(25)의 상부에 설치되고 상기 방전관(15)에서 발생하는 자외선을 흡수하여 산화력을 갖는 라디칼을 생성하는 광촉매필터(27)를 포함한다. 그리고 상기 저온 플라스마 반응장치(20)에 배출되는 수용성 미처리 물질이 포함된 처리가스(C)는 제2 가스공급관(26)과 송풍기(28)를 통해 상기 후처리장치(30)로 공급된다.

상기 후처리장치(30)는, 충전물(33)과 살수장치(35) 및 여과필터(37)를 포함하며, 상기 살수장치(35)를 이용하여 충전물(33) 위로 물을 뿌리므로 상기 충전물(33)을 통과하는 처리가스에 포함된 수용성 미처리 물질이 물에 흡수되어 제거된다. 그리고 여과필터(37)를 통과한 다습한 청정가스(D)는 배기관(39)을 통해 외기로 배출된다.

상기 청정가스순환관(51)은, 상기 후처리장치(30)의 배기관(39)과 상기 전처리장치(10)와 저온 플라스마 반응장치(20) 사이에 설치된 제1가스공급관(15)을 연결하는 관로로서, 상기 후처리장치(30)에서 배출되는 다습한 청정가스(D)의 일부를 회수하여 상기 전처리장치(10)에서 배출되는 건조된 오염가스(A)와 혼합한다.

상기 습도조절장치(53)는, 상기 청정가스순환관(51)에 설치된 송풍기(54)와 제어부(55) 그리고 습도센서(57a, 57b)를 포함하는 것으로서, 상기 청정가스순환관(51)을 통해 공급되는 청정가스의 공급량을 제어하여 상기 저온 플라스마 반응장치(20)로 주입되는 가습된 오염가스(B)의 습도를 조절한다.

바람직하게, 상기 습도센서(57)는, 상기 제1가스공급관(15)에 설치되어 가습된 오염가스(B)의 습도를 측정하는 제1습도센서(57a)와, 상기 청정가스순환(51)에 설치되어 다습한 청정가스(D)의 습도를 측정하는 제2습도센서(57b)를 포함한다. 그리고 상기 제어부(55)는 상기 제1 및 제2습도센서(57)와 전기적으로 연결되고, 상기 제1 및 제2습도센서(57)로부터 제공되는 습도에 따라 상기 송풍팬(54)을 제어하여 청정가스순환관(51)을 통해 공급되는 다습한 청정가스(D)의 공급량을 조절할 수 있다. 예를 들어, 가습된 오염가스(B)의 습도가 70% 이하이면, 다습한 청정가스(D)의 공급량을 늘리고 가습된 오염가스(B)의 습도가 90% 이상이면, 다습한 청정가스(D)의 공급량을 줄일 수 있다.

바람직하게, 상기 고전압 공급장치(29)는 주파수를 올려주는 인버터와 전압을 올려주는 트랜스포머를 포함한다. 상기 인버터는 60Hz의 주파수를 공급받아 15kHz로 상승시키고, 이때 공급받는 전압은 220V이며, 소비되는 전류는 0.3A에서 0.5A를 유지한다. 소비전류가 0.6A 이상이 되면 과전류로 인식하여 방전관(25)의 전원공급을 차단하는 안전장치를 구성하고 있다. 상기 고전압 공급장치(29)는 220V를 5kV∼7kV로 상승시키고, 고전압 케이블을 통해서 방전관(25)의 두 개의 전극에 고전압을 공급한다. 또한, 상기 고전압 공급장치(29)는 상기 변압기의 규모를 최소화할 수 있도록 전원 주파수를 조절하는 주파수조절장치와 안전장치 및 제어장치를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 에너지 절감장치(60)를 더 포함할 수 있다. 상기 에너지 절감장치(60)는, 상기 제1가스공급관(15)에 설치되어 가습된 오염가스(B)의 유입량을 측정하는 유량계(63) 및 상기 저온 플라스마 반응장치(20)의 고전압 공급장치(29)와 전기적으로 연결된다. 따라서 상기 에너지 절감장치(60)는 상기 제1가스공급관(15)을 통해 공급되는 가습된 오염가스(B)의 유량에 따라 상기 저온 플라스마 반응장치(20)에 설치된 고전압 공급장치(29)를 제어하여 공급되는 전압을 조절함으로써 에너지를 절감할 수 있다.

이어, 도 5는 본 발명에 따른 방전관의 일 예를 보여주는 부분절단 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 방전관의 작용을 보여주는 설명도이며, 도 7은 도 5에 도시된 방전관의 작용을 보여주는 사진이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 방전관(25)은, 원통형으로 이루어진 본체(251)와, 상기 본체(251)의 내부 가운데에 수직으로 설치되며 상기 고전압 공급장치(29)와 전기적으로 연결되는 두 개의 전극(253)과, 상기 본체(251)의 하단을 밀폐하면서 가습된 오염가스(B)가 두 개의 전극(253) 사이로 분사되도록 하는 일정 크기의 노즐구멍(255a)이 형성된 하판(255)을 포함한다. 바람직하게, 상기 노즐구멍(253)은 1mm 내지 2mm 정도로 매우 작게 형성되어 방전관(25)의 아크발생부에서 공기의 순간 속도가 10m/sec 내지 30m/sec로 빠르게 이동되도록 하는 것이 바람직하다.

도 6을 참조하면, 상기 두 개의 전극(253a)(253b)은, 서로 마주보는 면이 일정한 경사각을 갖는 경사면으로 이루어지고, 상기 두 개의 전극(253a)(253b)은 상기 두 개의 경사면 사이에 일정한 간격이 형성되도록 설치되며, 상기 두 개의 전극(253a)(253b) 사이의 거리는 아래에서 위로 갈수록 점차 벌어져 사다리꼴 형태가 되도록 한다. 바람직하게, 상기 두 개의 전극(253a)(253b) 사이의 거리는 하단부(W₁)는 1.5cm에서 2.5cm이고, 상부로 갈수록 넓어져서 상단에서는 두 개의 전극(253a)(253b) 사이의 거리(W₂)가 4cm에서 6cm 되도록 한다.

그러면, 도 7에서 보는 바와 같이, 상기 방전관(29)의 두 개의 전극(253a)(253b)에 공급되는 전압은 전극 사이의 거리가 가장 가까운 하단부에서 플라스마 아크가 발생하고 플라스마 아크는 상단까지 전이되며, 상단에서 최대 5cm가 떨어진 지점(L)에서 플라스마가 소멸된다.

다시 도 4를 참조하면, 상기 저온 플라스마 반응장치(20)의 내부에 구비되는 균등혼합부(23)는, 일종의 필터로서, 다습한 청정가스(D)와 건조한 오염가스(A)를 충분히 혼합시켜 수분 함량이 항상 균일하도록 한다. 예를 들어, 상기 균등혼합부(23)를 통과한 오염가스(B)의 습도는 70~90%를 유지하는 것이 바람직하다. 즉, 가습된 오염가스(B)의 습도가 70% 이하로 낮아지면 수분이 부족하여 수산기 라디칼의 생성량이 떨어져 오염물질의 처리 효율이 저하되고 습도가 90% 이상이면 미스트의 형성으로 불완전한 플라스마 아크의 발생으로 오염물질의 처리효율이 떨어진다.

이어, 상기 광촉매필터(27)는 플라스마와 반응한 오염가스가 통과하는 것으로서, 상기 방전관(15)에서 발생하는 자외선을 흡수하여 산화력을 갖는 OH 라디칼을 생성하여 오염가스에 포함된 미처리 휘발성 유기화합물과 악취물질을 제거한다.

이와 같이, 본 발명은, 살수장치(35)에서 수분이 항상 공급되고 있는 후처리장치(30)에서 배출되는 다습한 청정가스(D)를 회수하여, 상기 저온 플라스마 반응장치(20)의 방전관(25)으로 공급함으로써 상기 방전관(25)에서 발생하는 플라스마 아크가 수분을 이온화시켜 강한 산화력을 갖는 OH 라디칼을 대량으로 생성하고 이를 이용하여 오염가스에 포함된 휘발성 유기화합물과 악취물질을 산화 분해해 제거하는 것이다.

이어, 도 8은 본 발명에 따른 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템의 다른 실시 예를 보여주는 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 실시 예는 1,000㎥/min 이상의 오염가스를 처리하기 위한 것으로서, 병렬로 설치된 다수 개의 저온 플라스마 반응장치(20a~20d)를 포함한다. 즉, 제1가스공급관(15)에서 공급되는 가습된 오염가스(B)를 다수의 유입분 기관(17)을 통해 다수의 저온 플라스마 반응장치(20)로 공급하고, 상기 다수의 저온 플라스마 반응장치(20)에서 배출되는 수용성의 미처리 물질이 포함된 처리가스(C)를 다수의 배출분 기관(27)과 제2가스공급관(26)을 통해 상기 후처리장치(30)로 공급하도록 구성된다. 이때, 상기 다수의 유입분기관(17)과 유출분기관(27)에는 각각 오염가스의 유입과 처리가스의 배출을 제어하기 위한 전자댐퍼(65a)(65b)가 설치된다.

또한, 상기 다수의 전자댐퍼(65)는 상술한 에너지 절감장치(60)와 전기적으로 연결되며, 상기 에너지 절감장치(60)는 제1가스공급관(15)에 설치된 유량계(63)와 다수의 저온 플라스마 반응장치(20)에 설치된 다수의 고전압 공급장치(29)와 전기적으로 연결된다.

따라서 상기 유량계(63)에 의해 측정된 가습된 오염가스(B)의 유입량에 따라 다수의 전자댐퍼(65)를 제어하여, 각 저온 플라스마 반응장치(20)로 유입되는 가습된 오염가스(B)의 유입량을 조절하고, 각 저온 플라스마 반응장치(20)로 유입되는 가습된 오염가스(B)의 유입량에 따라 각 고전압 공급장치(29)의 전압 공급량을 조절함으로써 전체적으로 에너지를 크게 절감할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템의 작용과 효과를 보여주는 몇 가지 실험에 대해 설명하기로 한다.

<실험 예 1>

본 실험에서는 플라스마 아크를 전이시키기 위해 2개의 방전극 사이로 분사되는 외기의 습도로 인한 오염물질의 처리효율을 실험하였다. 휘발성 유기화합물로는 TVOC, 악취물질로는 암모니아를 사용하였고, 측정방법은 직독식 기체검지관을 사용하였다. 본 실험의 설비구성은, 전처리장치, 저온 플라스마 반응장치, 후처리설비로 구성하였으며, 처리용량은 10㎥/min 이다. 오염가스의 습도에 따라 처리설비에서 처리된 오염물질의 농도는 아래 표1과 같다.

오염가스의 습도(%)	암모니아			TVOC
오염가스의 습도(%)	투입(ppm)	배출(ppm)	처리효율(%)	투입(ppm)	배출(ppm)	처리효율(%)
30	100	24	76	200	54	73
40		20	80		44	78
50		15	85		36	82
60		11	89		27	86.5
70		8	92		20	90
80		5	95		14	93
90		3	97		9	95.5
100		9	91		25	87.5

본 실험 결과, 아크 플라스마를 전이시키기 위해 2개의 방전극 사이로 분사되는 오염가스의 습도가 30% 이하에서는 암모니아의 처리효율은 76%이고, TVOC의 처리효율은 73%이었으나, 오염가스의 습도가 90%로 증가하면, 암모니아의 처리효율은 97%로 증가하고, TVOC의 처리효율은 95.5%로 증가하였다. 그리고 오염가스의 습도가 높을수록 점차 처리효율이 향상하였으나 오염가스의 습도가 100%일 때는 암모니아의 처리효율은 91%로, TVOC의 처리효율은 87.5%로 떨어졌다. 이는 오염가스의 습도가 100%일 경우에는 미스트가 형성되어 불완전한 플라스마 아크의 발생으로 처리효율이 다소 떨어졌다. 따라서 본 실험으로 오염가스의 습도를 70~90%로 유지하는 것이 가장 처리 효율이 우수하다는 것을 확인하였다.

<실험 예 2>

본 실험은 실험 1과 동일한 설비구성 및 처리용량으로 오염물질의 습도를 조절하고, 오염물질이 직접 플라스마 아크를 통과하는 개선된 방전관으로 실험하였다. 정화된 가스의 오염물질의 농도는 아래 표2와 같다.

오염가스의 습도(%)	암모니아			TVOC
오염가스의 습도(%)	투입(ppm)	배출(ppm)	처리효율(%)	투입(ppm)	배출(ppm)	처리효율(%)
30	100	19	81	200	42	79
40		16	84		32	84
50		10	90		24	88
60		7	93		21	89.5
70		5	95		14	93
80		2	98		7	96.5
90		1	99		3	98.5
100		8	92		23	88.5

본 실험결과, 2개의 방전극 사이로 분사되는 오염가스의 습도가 90%인 경우, 암모니아의 처리효율은 99%로 증가하고, TVOC의 처리효율은 98.5%로 증가하였다. 즉, 2개의 방전극 사이로 외부의 공기를 분사하는 종래의 방법보다 2개의 방전극 사이로 오염가스를 직접 분사하는 본 발명의 방전관이 2%~3% 정도로 처리효율이 향상하는 것으로 나타났다.

<실험 예 3>

본 실험은 처리설비 용량 대비 유입되는 오염가스의 유량감소와 플라스마 아크를 발생시키기 위한 공급전압 및 소비전압의 변화가 오염물질의 처리효율에 차이가 있는지를 실험하였다. 오염가스의 습도는 60%를 기준으로 실험하였으며, 그 결과는 아래 표3과 같다.

처리시설용량(㎥/min)	오염가스량 (㎥/min)	유량감소비율(%)	전압(kV)	소비전력(W)	암모니아(ppm)	제거율(%)	TVOC	제거율(%)
10	10	0	7	900	7	93	21	89.5
			6	750	9	91	25	87.5
			5	650	15	85	34	83
	9	10	7	900	7	93	21	89.5
			6	750	8	92	23	88.5
			5	650	12	88	29	85.5
	8	20	7	900	7	93	21	89.5
			6	750	7	93	21	89.5
			5	650	9	91	24	88
	7	30	7	900	7	93	21	89.5
			6	750	7	93	21	89.5
			5	650	7	93	21	89.5

본 실험결과 처리설비 용량(10㎥/min) 대비 유입되는 오염가스의 유량이 30%로 감소하는 경우, 공급전압을 7kV에서 5kV로 낮추어도 처리효율에 변화가 없는 것을 확인하였다.

이와 같이, 본 발명은 후처리장치에서 배출되는 다습한 청정가스의 일부를 회수하여 건조된 오염가스와 일정 비율로 혼합하여 습도가 70~90%인 가습된 오염가스를 저온 플라스마 반응장치로 주입하여 방전관에서 발생하는 플라스마 아크와 오염가스에 포함된 수분을 반응시켜 산화력이 강한 OH 라디칼을 생성하고 이를 이용하여 오염가스에 포함된 휘발성 유기화합물과 악취물질을 산화 분해해 전체적으로 오염가스의 제거 효율을 향상시키는 것이다.

또한, 하나 또는 다수의 저온 플라스마 반응장치로 유입되는 오염가스의 유랑에 따라 고전압 공급장치에서 공급되는 전압을 일정 범위에서 조절함으로써 에너지를 절감할 수 있는 것이다.

이상에서, 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 전처리장치 15: 제1가스공급관
20: 저온 플라스마 반응장치 23: 균등혼합부
25: 방전관 27: 광촉매필터
29: 고전압 공급장치 30: 후처리장치
33: 충전물 35: 살수장치
39: 배기관 50: 수분공급장치
51: 청정가스순환관 60: 에너지 절감장치
63: 유량계 65: 전자댐퍼
54: 송풍기 55: 제어부
253: 전극 255: 하판
255a: 노즐구멍

Claims

휘발성 유기화합물과 악취물질이 포함된 오염가스에 포함된 수분과 분진을 포함하는 이물질을 제거하여 휘발성 유기화합물과 악취물질이 포함된 건조한 오염가스(A)를 배출하는 전처리장치와;
상기 전처리장치에서 배출되는 휘발성 유기화합물과 악취물질이 포함된 건조한 오염가스(A)와 다습한 청정가스(D)를 일정 비율로 혼합하여 이루어지고 일정량의 수분을 포함하는 가습된 오염가스(B)를 플라스마 아크 및 광촉매와 반응시켜 휘발성 유기화합물과 악취물질을 산화 분해하여 제거하고 수용성의 미처리 물질이 포함된 처리가스(C)를 배출하는 저온 플라스마 반응장치와;
상기 저온 플라스마 반응장치에서 배출되는 수용성 미처리 물질이 포함된 처리가스(C)에 포함된 수용성 미처리 물질을 물에 흡수시켜 제거하고 다습한 청정가스(D)를 배출하는 후처리장치와;
상기 후처리장치에서 배출되는 다습한 청정가스(D)의 일부를 상기 전처리장치에서 배출되는 건조된 오염가스(A)와 혼합하여 상기 저온 플라스마 반응장치(20)의 내부로 공급하는 수분공급장치;를 포함하되,
상기 수분공급장치는, 상기 후처리장치의 배기관과 상기 전처리장치와 저온 플라스마 반응장치 사이를 연결하는 제1가스공급관 사이에 설치되어 상기 후처리장치에서 배출되는 다습한 청정가스(D)를 회수하는 청정가스순환관과, 상기 청정가스순환관을 통해 공급되는 청정가스의 공급량을 조절하여 상기 저온 플라스마 반응장치로 주입되는 가습된 오염가스(B)의 습도를 제어하는 습도조절장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템.
제1 항에 있어서,
상기 전처리장치는, 휘발성 유기화합물과 악취물질이 포함된 오염가스에 포함된 수분과 분진 등 이물질을 제거하기 위한 다수의 필터를 포함하고;
상기 저온 플라스마 반응장치는, 일정 크기의 내부 공간을 형성하는 본체와, 상기 본체의 내부에 상기 가습된 오염가스(B)가 통과하도록 설치되고 고전압 공급장치부터 인가되는 고전압에 의해 플라스마 아크를 발생시키는 다수의 방전관과, 상기 다수의 방전관의 상부에 설치되고 상기 방전관에서 발생하는 자외선을 흡수하여 산화력을 갖는 라디칼을 생성하는 광촉매필터를 포함하며;
상기 후처리장치는, 수용성 미처리 물질이 포함된 처리가스(C)에 포함된 수용성 미처리 물질을 물에 흡수시켜 제거하기 위한 충전물과 살수장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템.
제2 항에 있어서,
상기 본체의 내부에는, 상기 가습된 오염가스(B)가 통과하도록 설치되고 상기 가습된 오염가스(B)에 포함된 건조한 오염가스와 다습한 청정가스를 균일하게 혼합하는 균일혼합부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템.
제2 항에 있어서,
상기 방전관은, 원통형으로 이루어진 본체와, 상기 본체의 내부 가운데에 수직으로 설치되며 상기 고전압 공급장치와 전기적으로 연결되는 두 개의 전극과, 상기 본체의 하단을 밀폐하면서 가습된 오염가스(B)가 두 개의 전극 사이로 분사되도록 일정 크기의 노즐구멍이 형성된 하판을 포함하고;
상기 두 개의 전극은, 서로 마주보는 면이 일정한 경사각을 갖는 경사면으로 이루어지고, 상기 두 개의 전극은 상기 두 개의 경사면이 일정 거리 이격되게 설치되며, 상기 두 개의 전극 사이의 거리는 상부로 갈수록 점차 벌어지게 설치되는 것을 특징으로 하는 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템.
제1 항에 있어서,
상기 습도조절장치는, 상기 청정가스순환관에 설치되는 송풍팬과, 상기 가습된 오염가스(B)의 습도를 측정하는 제1습도센서와, 상기 제1습도센서로부터 제공되는 습도에 따라 상기 송풍팬을 제어하여 상기 청정가스순환관을 통해 공급되는 청정가스의 공급량을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템.
제5 항에 있어서,
상기 습도조절장치는, 상기 청정가스순환관을 통해 회수되는 청정가스의 습도를 측정하는 제2습도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 제1 및 제2습도센서로부터 제공되는 습도에 따라 상기 송풍팬을 제어하여 상기 청정가스순환관을 통해 공급되는 청정가스의 공급량을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템.
제2 항에 있어서,
상기 제1가스공급관에 설치된 유량계로부터 제공되는 가습된 오염가스(B)의 유입량에 따라 상기 고전압 공급장치에서 상기 방전관으로 공급되는 전압을 조절하여 에너지를 절감하는 에너지 절감장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템.
제7 항에 있어서,
다수 개의 저온 플라스마 반응장치가 병렬적으로 설치된 경우, 상기 각 저온 플라스마 반응장치의 입구와 출구에 오염가스의 흐름을 제어하는 자동댐퍼를 설치하고, 이를 상기 에너지 절감장치와 전기적으로 연결하여, 상기 제1가스공급관을 통해 공급되는 가습된 오염가스(B)의 유입량에 따라 상기 저온 플라스마 반응장치에 설치된 자동댐퍼를 개폐하여, 각 저온 플라스마 반응장치로 유입되는 가습된 오염가스(B)의 유입량을 조절하고, 상기 각 저온 플라스마 반응장치로 유입되는 가습된 오염가스(B)의 유입량에 따라 상기 각 저온 플라스마 반응장치로 공급되는 소비전력을 조절하여 에너지를 절감하는 것을 특징으로 하는 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템.
제1 항 내지 제8 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 가습된 오염가스(B)의 습도는 70~90%인 것을 특징으로 하는 가습된 오염가스와 저온 플라스마를 이용한 대용량 휘발성 유기화합물 및 악취물질 처리시스템.