KR102495499B1 - 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버 및 이를 이용한 폐가스 처리 방법 - Google Patents
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Abstract
수평으로 배치되는 플라즈마 발생부(10); 플라즈마 발생부(10)로부터 유입되는 플라즈마에 의해 폐가스를 열분해하며, 수평으로 배치되는 반응챔버(30); 반응챔버(30)의 하류측의 외벽에 폐가스 유입구(51)가 형성되고 반응챔버(30)의 상류측에 폐가스 토출구(52)가 형성되는 폐가스 예열부(50); 및 원통형 외부 하우징 형태로 수직으로 배치되어 반응챔버(30)의 토출구의 연결되는 촉매부(40)를 포함하는 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버로서, 촉매부(40)는 원통형 외부 하우징의 내부에서 길이방향으로 배치되는 디스트리뷰터(42) 및 원통형 외부 하우징의 하단부(41b)와 디스트리뷰터의 하단부(42b) 사이에 배치되는 통기성 부재(43)를 더 포함하며, 원통형 외부 하우징(41)과 디스트리뷰터(42) 사이의 공간에 다공질의 촉매 입자들(44)이 내장된다.
Description
본 발명은 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 스크러버 및 이를 이용한 폐가스 처리 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 수평으로 방전챔버가 배치되고 수직으로 촉매부가 배치되며 방전챔버에서 열분해되어 배출되는 폐가스를 디스트리뷰터에 의해 분산시켜 촉매부로 유입시켜서 촉매부에서 촉매반응시키는 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버 및 이를 이용한 폐가스 처리 방법에 관한 것이다.
반도체는 회로 설계, 마스크 제작, 노광, 식각, 확산, 박막, 세정, 연마 등 다양한 제조공정을 거쳐 제조되는데, 이러한 반도체 제조공정에서 유독성, 가연성 및 부식성이 강한 가스가 사용된다. 따라서, 반도체 공정 중 배출되는 폐가스에는 유해 성분이 다량 함유될 수 있다.
이와 같은 폐가스(유해가스)가 별도의 정화 처리 과정 없이 외부로 유출될 경우, 주변 제조 설비의 손상과 함께 심각한 환경오염 및 작업자의 안전사고를 초래할 수 있다. 이에 따라, 폐가스의 유해성분을 기준치 이하로 낮추기 위해서, 정화처리 과정을 반드시 거치도록 법적으로 의무화되어 있다.
폐가스를 처리하기 위하여 스크러버(Scrubber)가 사용될 수 있는데, 반도체 산업에서 사용되는 스크러버는 반도체 제조공정 중에 발생하는 각종 독성가스, 산성가스, 가연성가스(SiH4, SiH6, As3, PH3 등), 환경유해가스(PFC계: SF6, NF3, CF4, C2F6, C3F8 등) 등을 정제하여 배출한다. 이러한 스크러버는 처리 방식에 따라 습식(wet-type), 건식(dry-type), 연소식(burn-type), 흡착식, 플라즈마식 등으로 분류될 수 있다.
특히, 플라즈마 스크러버는 고온 및 높은 화학적 활성을 이용하여 온난화 지수가 높고, 열적, 화학적으로 매우 안정한 난분해성 물질 등을 처리하는데 매우 효과적이다. 또한, 낮은 운전 비용 및 사용의 편리성 등의 장점을 가진다. 이러한 장점들로 인해 플라즈마 스크러버는 경쟁력 있는 기술로 인정받고 있다. 이에 따라, 일반적으로, 반도체 후처리 공정에서는 플라즈마 스크러버 시스템(Plasma Scrubber System)이 적용되고 있다. 도 1 및 도 2는 한국특허출원 제10-2020-0134222호에 개시된 플라즈마 스크러버 시스템의 일례를 나타낸다.
전 세계 반도체 산업의 호황으로 반도체의 생산량이 증가하고, 반도체 제조공정에서의 고집적화(나노 공정)의 확대로 인하여, 전력을 포함한 에너지는 물론이고 가스, 물 등의 유틸리티(utility)의 사용량이 증가하여, 에너지 효율 향상, 재생에너지 사용 확대, 공정배출가스의 감소 등에 관한 기준이 더욱 강화되고 있다.
이러한 경향에 부합하기 위하여, 본 출원인의 선행특허출원인 한국특허출원 제10-2022-0038751호에서는 플라즈마 스크러버에서의 폐가스 처리효율을 향상시키기 위하여 반응챔버에서 열분해된 폐가스를 촉매부에서 촉매반응시키는 수평식 플라즈마 스크러버를 개시하고 있다. 그러나 상기 한국특허출원 제10-2022-0038751호의 수평식 플라즈마 스크러버에는 장치의 구성상 촉매부가 수직으로 배치되고, 촉매부의 하부에 수처리 탱크가 배치된다. 이와 같이, 상기 한국특허출원 제10-2022-0038751호의 수평식 플라즈마 스크러버에서는 수평으로 배치되는 반응챔버와 수직으로 배치되는 촉매부가 엘보우관에 의해 연결된다. 이 경우에, 도 5에 도시된 바와 같이, 반응챔버의 토출구로 배출되는 폐가스가 촉매부의 유입구를 통하여 유동할 때, 폐가스의 흐름방향이 90° 전환되면서 엘보우관의 외측 곡면부 쪽으로 폐가스의 흐름이 치우치는 현상이 발생한다. 도 5를 참조하면, 엘보우관의 내측 곡면부쪽의 폐가스의 유동속도는 엘보우관의 외측 곡면부 쪽의 폐가스의 유동속도에 비하여 상당히 낮게 되므로, 엘보우관의 내측 곡면부 쪽의 영역에서 폐가스가 촉매부 내의 촉매와 접촉되는 면적이 감소하게 되어 촉매부에서의 촉매반응 효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 수평으로 배치되는 방전챔버와 수직으로 배치되는 촉매부를 구비한 플라즈마 스크러버에 있어서 방전챔버에서 열분해되어 배출되는 폐가스를 분산시켜 촉매부로 유입시켜서 촉매반응시키는 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버 및 이를 이용한 폐가스 처리 방법을 제공하는 것이다.
그러나, 이러한 과제들은 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시례에 따르면, 플라즈마 형성가스 공급부로부터 주입되는 플라즈마 형성가스에 의해 플라즈마를 생성하며, 수평으로 배치되는 플라즈마 발생부; 상기 플라즈마 발생부로부터 유입되는 플라즈마에 의해 폐가스를 열분해하며, 수평으로 배치되는 반응챔버; 상기 반응챔버의 하류측의 외벽에 폐가스 유입구가 형성되고 상기 반응챔버의 상류측에 폐가스 토출구가 형성되는 폐가스 예열부; 및 상기 반응챔버에서 열분해된 폐가스에 포함된 오염물질을 내장된 촉매의 촉매반응에 의해 분해하며, 원통형 하우징의 형태로 수직으로 배치되어 상기 반응챔버의 토출구에 연결되는 촉매부를 포함하는 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버에 있어서, 상기 촉매부는 원통형 외부 하우징의 내부에서 길이방향으로 배치되는 디스트리뷰터(distributor) 및 상기 원통형 외부 하우징의 하단부와 상기 디스트리뷰터의 하단부 사이에 배치되는 통기성 부재를 더 포함하며, 상기 원통형 외부 하우징과 상기 디스트리뷰터 사이의 공간에 다공질의 촉매 입자들이 내장될 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서, 상기 디스트리뷰터의 상단부에 수평의 차단판이 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서, 상기 디스트리뷰터의 상단부에 원뿔형 차단판이 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서, 상기 촉매부에 냉각수단이 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서, 상기 촉매부는 수직방향으로 배치되는 복수의 온도센서를 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버는 전자파 발진기로부터 발생된 전자파가 전송되며, 상기 플라즈마 발생부를 가로질러 수직으로 배치되어 상기 플라즈마 발생부에 전자파를 제공하는 전자파 도파관을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서, 상기 전자파 도파관은 전자파 발진기로부터 전자파가 유입되는 측은 단면이 점차 축소되다가 상기 플라즈마 발생부와 교차되는 영역에서는 단면이 일정하게 유지되며, 종단이 폐쇄되어 종단부에서 전자파가 반사될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시례에 따르면, 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버를 이용하는 폐가스 처리 방법에 있어서, 플라즈마 형성 가스에 고전압을 가하여 플라즈마를 생성하는 단계; 폐가스 공급원으로부터 공급되는 폐가스를 플라즈마에 의해 예열하는 단계; 상기 예열 단계에서 예열된 폐가스를 수평으로 배치된 반응챔버내에서 플라즈마에 의해 열분해하는 단계; 상기 열분해 단계에서 열분해된 폐가스를 촉매부로 분산시키는 단계; 및 상기 분산 단계에서 분산된 폐가스에 포함된 오염물질을 촉매에 의해 촉매반응시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시례에 따른 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버를 이용하는 폐가스 처리 방법은 상기 플라즈마 생성 단계와 상기 폐가스 예열 단계 사이에 전자파 발진기에 의해 발생된 전자파를 상기 플라즈마 생성 단계에서 생성된 플라즈마에 혼입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시례에 따른 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버를 이용한 폐가스 처리 방법의 상기 예열 단계에서 폐가스는 약 800℃까지 가열될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버 및 이를 이용한 폐가스 처리 방법에 의하면, 수평으로 배치되는 방전챔버와 수직으로 배치되는 촉매부를 구비한 플라즈마 스크러버에 있어서 방전챔버에서 열분해되어 배출되는 폐가스를 디스트리뷰터에 의해 분산시켜 촉매부로 유입시켜서 촉매반응시킴으로써, 폐가스가 촉매부 내의 촉매와 접촉되는 면적이 증대되어 플라즈마 스크러버의 폐가스 처리 효율을 향상시킬 수 있다.
물론, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 종래 기술의 플라즈마 스크러버 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 종래 기술의 플라즈마 스크러버 시스템의 정면도이다.
도 3은 종래 기술의 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버의 개략도이다.
도 4는 도 3의 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서의 플라즈마 발생부, 전자파 도파관, 반응챔버 및 촉매부의 결합관계를 나타내는 개략도이다.
도 5는 도 3의 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서의 폐가스의 유동속도를 나타내는 선도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서 디스트리뷰터를 구비한 촉매부의 개략 단면도이다.
도 7은 도 6의 본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서의 폐가스의 유동속도를 나타내는 선도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시례의 변형례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서 디스트리뷰터를 구비한 촉매부의 개략 단면도이다.
도 9는 도 8의 본 발명의 일 실시례의 변형례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서의 폐가스의 유동속도를 나타내는 선도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매 방식의 플라즈마 스크러버를 이용한 폐가스 처리 방법의 흐름도이다.
도 2는 도 1의 종래 기술의 플라즈마 스크러버 시스템의 정면도이다.
도 3은 종래 기술의 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버의 개략도이다.
도 4는 도 3의 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서의 플라즈마 발생부, 전자파 도파관, 반응챔버 및 촉매부의 결합관계를 나타내는 개략도이다.
도 5는 도 3의 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서의 폐가스의 유동속도를 나타내는 선도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서 디스트리뷰터를 구비한 촉매부의 개략 단면도이다.
도 7은 도 6의 본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서의 폐가스의 유동속도를 나타내는 선도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시례의 변형례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서 디스트리뷰터를 구비한 촉매부의 개략 단면도이다.
도 9는 도 8의 본 발명의 일 실시례의 변형례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서의 폐가스의 유동속도를 나타내는 선도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매 방식의 플라즈마 스크러버를 이용한 폐가스 처리 방법의 흐름도이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시례를 통하여 보다 분명해질 것이다.
이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시례를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시례들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시례들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 개념에 따른 실시례는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시례들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시례들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어 있다"거나 "접속되어 있다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어 있다"거나 또는 "직접 접속되어 있다"고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "∼사이에"와 "바로 ∼사이에" 또는 "∼에 인접하는"과 "∼에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시례를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 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 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시례들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시례에 따른 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버(100)에서 디스트리뷰터(42)를 구비한 촉매부의 개략 단면도이며; 도 7은 도 6의 본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서의 폐가스의 유동속도를 나타내는 선도이다.
본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버(이하, 간략히 '촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버'라고도 함)(100)는 플라즈마 발생부(10), 반응챔버(30), 촉매부(40) 및 폐가스 예열부(50)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버(100)에서는, 반응챔버(30) 내에서 플라즈마에 의해 열분해되는 폐가스(처리 가스)의 처리효율을 향상시키기 위하여, 반응챔버(30) 내에서 플라즈마에 의해 열분해되는 폐가스에 포함되어 있는 오염물질들을 촉매반응으로 분해할 수 있는 촉매부(40)를 구비한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 촉매부(40)는 원통형 외부 하우징(41), 상기 원통형 외부 하우징의 내부에서 길이방향으로 배치되는 디스트리뷰터(distributor)(42) 및 상기 원통형 외부 하우징의 하단부(41b)와 상기 디스트리뷰터의 하단부(42b) 사이에 배치되는 통기성 부재(43)를 포함한다. 상기 촉매부(40)에서 상기 원통형 외부 하우징(41)과 상기 디스트리뷰터(42) 사이의 공간에 다공질의 촉매 입자들(44)이 내장된다. 이러한 구성에 의해, 반응챔버(30)의 토출구를 통하여 배출되는 폐가스가 디스트리뷰터(42)에 의해 균등하게 분산됨으로써 반응챔버(30)와 촉매부(40)를 연결하는 엘보우관(33)의 외측 곡면부 쪽으로 폐가스의 흐름이 치우치는 현상이 방지될 수 있다. 도 7을 참조하면, 디스트리뷰터(42)의 폐가스 분산작용에 의해 엘보우관의 내측 곡면부 쪽에 인접하는 촉매부(40)의 유입구 부위에서의 폐가스의 유동속도는 엘보우관의 외측 곡면부 쪽에 인접하는 촉매부(40)의 유입구 부위에서의 폐가스의 유동속도와 유사하게 될 수 있다. 이에 따라, 촉매부(40)의 원통형 외부 하우징(41)의 내주면과 디스트리뷰터(42)의 외주면에 의해 형성되는 가스 유동통로를 통하여 폐가스가 균일하게 흐를 수 있게 되어, 폐가스가 촉매부 내의 촉매(44)와 접촉되는 면적이 증대되어 촉매방식의 플라즈마 스크러버의 폐가스 처리 효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 디스트리뷰터(42)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 수직방향으로 소정의 길이를 가지며 상기 원통형 외부 하우징(41)의 내경보다 작은 외경을 가지고 외부 하우징과 동심으로 형성되어, 외부 하우징(30)의 내주면과의 사이에 폐가스의 유동통로를 형성하며, 상기 통기성 부재(43)는 상기 외부 하우징(30)과 상기 디스트리뷰터(42) 사이의 공간에 내장되는 촉매 입자들(44)이 하측으로 이탈되지 않도록 하면서, 폐가스를 통과시킬 수 있도록 다수의 관통홀을 구비하고 있다. 상기 디스트리뷰터 및 상기 통기성 부재는 내열성을 구비한 금속재질로 제조될 수 있다.
또한, 통상 상온의 폐가스가 약 1,300℃ 정도의 고온의 플라즈마와 접촉하게 될 경우에는, 폐가스가 열분해되기 시작하는 약 700℃까지 폐가스의 온도가 상승할 때까지는 열분해 작용이 지연되어 효율이 저하되는 문제가 있으므로, 이러한 열분해 작용의 지연을 방지하기 위하여 폐가스를 열분해에 적합한 온도까지 미리 상승시키는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 본 발명의 일 실시례에 따른 플라즈마 스크러버(100)에서는, 반응챔버(30) 내에서의 플라즈마에 의한 폐가스(Gw)의 열분해 효율을 향상시키기 위하여, 폐가스가 플라즈마에 접촉되기 전에 폐가스의 온도를 소정의 온도까지 상승시킬 수 있는 폐가스 예열부(50)가 반응챔버(30)의 내부에 배치된다. 이러한 구성에 의해, 폐가스 예열부(50)로부터 토출되는 폐가스(Gw)의 온도는 약 800℃까지 상승된다.
통상, 반도체 제조 공정에서 반도체 제조 설비로부터 배출되는 폐가스(유해가스)는 유입부를 통해 플라즈마 스크러버(100) 내로 유입된다. 상기 폐가스는 반도체 제조 공정에서 사용되는 PFC 계열의 가스를 포함할 수 있다. 이러한 PFC 계열의 유해가스에는 CF4, C2F6, C3F8, CHF3, SF6 등이 있을 수 있다. 상기 유입부의 일측에는 플라즈마 발생부(10)가 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버(100)에서, 상기 플라즈마 발생부(10)는 플라즈마 형성가스 공급부(도시하지 않음)로부터 주입되는 플라즈마 형성가스에 의해 플라즈마를 생성하며, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 바닥면에 대하여 수평으로 배치된다. 플라즈마 발생부(10)에는 고주파 방전관이 구비되며, 고주파 방전관에서 플라즈마 형성가스를 방전시켜 플라즈마를 생성한다.
플라즈마 발생부(10)는 유입부의 일측에 연결되며, 유입부를 통해 유입된 폐가스를 연소시키기 위하여 플라즈마(화염)를 생성할 수 있다. 이러한 플라즈마는 플라즈마 형성 가스(예를 들어, 질소 가스)가 애노드 전극체(도시하지 않음) 및 캐소드 전극체(도시하지 않음)의 상호작용에 의해서 발생될 수 있다. 또한, 상기 플라즈마의 온도는 예를 들어 약 1,000℃ 내지 3,000℃ 정도일 수 있다. 다만, 가스의 종류, 유입량, 압력 조건 등에 따라 상기 온도는 달라질 수 있다. 일반적으로, 고체상태인 물질에 에너지를 가하면 순차적으로 액체, 기체로 변한다. 이러한 기체 상태의 물체에 가열이나 방전에 의해 에너지를 더욱 더 가하면 기체는 더 작은 입자인 원자, 이온, 전자 등으로 해리되는데, 이러한 상태를 플라즈마 상태라고 한다. 플라즈마 상태는 전리된 상태이기 때문에 고체, 액체, 기체 상태와는 달리 전기가 흐르고, 전체적으로 양이온(+)과 음이온(-)이 평행을 이루고 있기 때문에 전기적으로는 중성이다. 이러한 플라즈마를 이용한 스크러버는 높은 반응성을 가진다. 상기 플라즈마 발생부(10)는 상류에 설치된 플라즈마 형성가스 공급부를 통하여, 예를 들어, CO2와 같은 플라즈마 형성가스를 전자파 방전관(도시하지 않음)으로 공급할 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 발생부는 하류에 설치된 반응가스 공급부(도시하지 않음)를 통하여, 예를 들어, CH4, H2O, O2와 같은 반응가스를 고주파 방전관(도시하지 않음)으로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버(100)에서, 수평으로 배치된 반응챔버(30)는 상기 플라즈마 발생부(10)로부터 유입되는 플라즈마에 의해 폐가스를 열분해한다. 이와 같이, 반응챔버(30)를 바닥면에 대하여 수평으로 배치하는 것은 반응챔버(30) 내에서 폐가스가 원활하게 수평으로 이동될 수 있도록 하여 플라즈마 스크러버에서의 폐가스 처리 효율을 향상시키기 위한 것이다. 상기 반응챔버(30)의 외주벽의 내부로 냉각매체(PCW: process cooling water)를 유동시켜 상기 반응챔버(30)를 냉각할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각매체(PCW)의 유입구(61)가 반응챔버(30)의 상류측 외주벽에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 수평식 플라즈마 스크러버(100)에서, 수직으로 배치되는 촉매부(40)는 수평으로 배치된 반응챔버(30)의 토출구에서 엘보우(elbow) 형상의 배출관(33)에 의해 연결되며, 플라즈마에 의해 열분해된 폐가스에 포함되어 있는 오염물질을 촉매부(40)의 원통형 외부 하우징(41)의 내주면과 디스트리뷰터(42)의 외주면 사이에 내장된 촉매(44)의 촉매반응에 의해 분해한다. 이러한 구성에 의해, 반응챔버(30)에서 플라즈마에 의해 열분해된 폐가스에 잔류하는 오염물질들을 촉매의 촉매반응에 의해 분해하여 플라즈마 스크러버에서의 폐가스의 열분해 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 촉매부(40)의 원통형 외부 하우징(41)과 디스트리뷰터(42) 사이에 내장되는 촉매(44)는, 예를 들어, 공지의 산화망간계, 귀금속계, 루테늄(Ru), 로디움(Rh) 등의 물질로 제조될 수 있으며, 이러한 촉매는 플라즈마에 의해 열분해되는 폐가스에 포함되어 있는 산화질소(N2O) 등을 분해할 수 있다. 촉매부(40)의 원통형 외부 하우징(41)과 디스트리뷰터(42) 사이에 내장되는 촉매(42)는 입자형, 구형, 팰릿형 등으로 형성되어, 촉매(42)가 외부 하우징(41)과 디스트리뷰터(42) 사이에 내장될 때 촉매들(촉매입자들)(44) 사이에 다수의 공간이 존재하는 다공성 부재의 특성을 가지게 되어, 그 공간으로 폐가스가 유동하여 폐가스와 촉매(44)의 접촉이 원활하고, 폐가스의 유동 저항을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버(100)에서, 폐가스 처리 효율을 향상시키기 위하여, 반응챔버(30)의 엘보유형 배출관(33) 및/또는 촉매부(40)를 냉각매체(PCW)에 의해 냉각할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 배출관(33) 및/또는 촉매부(40)에 냉각매체(PCW)의 유입구(냉각수단)(62, 63)가 형성되어 냉각매체(PCW)를 순환시킬 수 있다.
상기 촉매부(40)는 수직방향으로 배치되는 복수의 온도센서(45)를 구비하여, 촉매부(40) 내에서의 폐가스의 온도가 촉매반응에 최적인 상태로 관리할 수 있다. 상기 온도센서(45)는, 예를 들어, 서모커플(thermocouple)로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 플라즈마 스크러버(100)에서, 상기 폐가스 예열부(50)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 반응챔버(30)의 내경보다 작은 외경을 가지고 반응챔버와 동심으로 형성되어, 반응챔버(30)의 내주면과의 사이에 유동통로를 형성하며, 상기 반응챔버(30)의 하류측의 외벽에 폐가스 유입구(51)가 형성되며 상기 반응챔버(30)의 상류측에 폐가스 토출구(52)가 형성되는 구성으로 이루어질 수 있다. 이러한 구성에 의해, 폐가스가 플라즈마에 접촉되기 전에 폐가스의 온도를 약 800℃까지 상승시킬 수 있어서, 종래의 기술에서 통상 상온의 폐가스가 약 1,300℃ 정도의 고온의 플라즈마와 접촉하게 될 경우에 폐가스가 열분해되기 시작하는 약 700℃까지 상승할 때까지는 열분해 작용이 지연되는 현상을 방지할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시례에 따른 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버(100)의 폐가스 예열부(50)에서는 반응챔버(30) 내에서 폐가스가 플라즈마에 의해 열분해되기에 적절한 온도까지 상승된 다음에 플라즈마와 접촉하게 되므로 폐가스의 열분해 효율이 향상될 수 있다. 상기 폐가스 예열부(50)의 토출구(52)로부터 토출되는 폐가스의 온도는 약 800℃로 될 수 있다.
상기 폐가스 예열부(50)는 고온의 반응챔버(30) 내에 배치되므로, 내열성을 구비한 금속재질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 스테인레스강으로 제조될 수 있는 것으로, SUS 304, SUS 316 스테인레스강 등으로 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버(100)는 전자파 발진기로부터 발생된 전자파가 전송되며 플라즈마 발생부(10)를 가로질러 수직으로 배치되어 상기 플라즈마 발생부에 전자파를 제공하는 전자파 도파관(20)을 더 포함할 수 있다. 이러한 전자파 도파관(20)에 의해, 전자파가 혼입된 플라즈마가 방전챔버(30)로 유입될 수 있다. 이와 같이, 전자파가 플라즈마에 혼입됨으로 인하여 폐가스의 분해율이 상승되어 종래의 기술에 비하여 낮은 전력으로도 동일한 폐가스의 열분해율을 달성할 수 있게 된다. 본 발명의 일 실시례에 따른 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버(100)는 하이브리드 플라즈마 토치를 이용함으로써, 종래의 플라즈마 스크러버에 비하여 약 20% 정도의 전력 저감을 가져올 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 전자파 도파관(20)은 전자파 발진기로부터 전자파가 유입되는 측(21)은 단면이 점차 축소되다가 상기 플라즈마 발생부와 교차되는 영역(22)에서는 단면이 일정하게 유지되며, 종단이 폐쇄되어 종단부(23)에서 전자파가 반사될 수 있다. 상기 전자파 도파관(20)에서 전자파 유입 측(21)의 단면을 점차 축소되도록 형성한 것은 전자파 발진기로부터 전파되는 전자파를 플라즈마 발생부와의 교차 영역(22)으로 원활하게 안내하기 위한 것이며, 상기 전자파 도파관(20)의 종단부(23)를 폐쇄된 형상으로 한 것은 플라즈마 발생부측으로 전파되지 못한 전자파를 종단부(23)에서 반사시켜 플라즈마 발생부 쪽으로 안내하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 플라즈마 스크러버(100)는 수처리 탱크(200) 및 아웃렛 타워(도시하지 않음)와 결합되어 사용될 수 있다.
수처리 탱크(200)는 플라즈마 스크러버(100)의 하부에 위치할 수 있으며, 플라즈마 스크러버(100)를 통과하여 열분해(연소)된 폐가스(유해 가스)를 정화 처리할 수 있다. 수처리 탱크(200)에서는 플라즈마 스크러버(100)를 통과한 폐가스가 유입되어 물(water)에 접촉된다. 이에 따라, 폐가스 처리 과정에서 발생하는 부산물(파우더) 및/또는 수용성 가스가 녹을 수 있다.
아웃렛타워(도시하지 않음)는 수처리 탱크(200)의 상부에 위치하며, 수처리 탱크(200)를 통과하여 수처리 탱크(200)로부터 상승하는 가스에 포함되어 있는 이물질을 제거할 수 있다. 아웃렛타워를 통과한 가스는 정화 처리된 무해한 가스로서 외부로 배출된다.
이어서, 본 발명의 일 실시례의 변형례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버에 대하여 설명한다. 변형례에 따른 플라즈마 스크러버의 설명 시에, 일 실시례에 따른 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버(100)의 구성 및 작용과 유사한 부분에 대하여는 설명을 생략한다.
도 8은 본 발명의 일 실시례의 변형례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서 디스트리뷰터를 구비한 촉매부의 개략 단면도이며; 도 9는 도 8의 본 발명의 일 실시례의 변형례에 따른 촉매 방식의 수평식 플라즈마 스크러버에서의 폐가스의 유동속도를 나타내는 선도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 변형례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버(100)는 촉매부(40)의 내부에 배치되는 디스트리뷰터(42)의 상단부(42a)에 원뿔형 차단판(42d)을 구비할 수 있다. 이러한 디스트리뷰터(42)의 원뿔형 차단판(42d)의 구성에 의해, 반응챔버(30)의 토출구를 통하여 배출되는 폐가스가 촉매부(40) 내로 유입될 때 디스트리뷰터(42)로 인한 유동저항이 현저히 감소될 수 있다. 도 9를 참조하면, 디스트리뷰터(42)의 폐가스 분산작용에 의해 엘보우관의 내측 곡면부 쪽에 인접하는 촉매부(40)의 유입구 부위에서의 폐가스의 유동속도는 엘보우관의 외측 곡면부 쪽에 인접하는 촉매부(40)의 유입구 부위에서의 폐가스의 유동속도와 유사하게 될 수 있다. 이에 따라, 도 9에 도시된 바와 같이, 원통형 외부 하우징(41)과 디스트리뷰터(42) 사이의 유동통로로 폐가스를 균등하게 분산시킴으로써, 폐가스가 촉매부(40) 내의 촉매 입자들(44)과 접촉되는 면적이 증대되어 플라즈마 스크러버의 폐가스 처리 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버(100)에서는 디스트리뷰터(42)의 상단부(42a)에 수평의 차단판(42c)이 구비되는 것임에 비하여, 본 발명의 일 실시례의 변형례에 따른 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버(100)에서는 디스트리뷰터(42)의 상단부(42a)에 원뿔형 차단판(42d)이 구비되는 것이다. 그 이외 다른 구성요소들 및 그 작용은 일 실시례에 따른 수평식 플라즈마 스크러버(100)에서와 유사하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이어서, 도 10을 참조하여, 본 발명의 다른 실시례에 따른 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버를 이용한 폐가스 처리 방법에 대하여 설명한다.
단계 S10에서는 플라즈마 형성 가스에 고전압을 가하여 플라즈마를 생성한다. 상기 플라즈마 발생부(10)는 플라즈마 형성가스 공급부(도시하지 않음)로부터 주입되는 플라즈마 형성가스에 의해 플라즈마를 생성하며, 도 6에 도시한 바와 같이, 플라즈마 발생부(10)는 수평으로 배치된다. 플라즈마 발생부(10)에는 고주파 방전관이 구비되며, 고주파 방전관에서 플라즈마 형성가스를 방전시켜 플라즈마를 생성한다. 상기 플라즈마 발생부(10)는 상류에 설치된 플라즈마 형성가스 공급부(도시하지 않음)를 통하여, 예를 들어, CO2와 같은 플라즈마 형성가스를 전자파 방전관(도시하지 않음)으로 공급할 수 있으며, 상기 플라즈마 발생부는 하류에 설치된 반응가스 공급부(도시하지 않음)를 통하여, 예를 들어, CH4, H2O, O2와 같은 반응가스를 고주파 방전관(도시하지 않음)으로 공급할 수 있다.
다음에, 단계 S20에서는, 폐가스 공급원(도시하지 않음)으로부터 공급되는 폐가스를 플라즈마에 의해 예열한다. 반응챔버(30) 내에서 폐가스가 플라즈마에 의해 열분해되기에 적절한 온도까지 상승된 다음에 폐가스가 플라즈마와 접촉하게 되므로, 플라즈마 스크러버에서의 폐가스의 열분해 효율이 향상될 수 있다.
다음에, 단계 S30에서는, 상기 예열 단계(S20)에서 예열된 폐가스를 수평으로 배치된 반응챔버내에서 플라즈마에 의해 열분해한다.
다음에, 단계 S40에서는, 상기 열분해 단계(S30)에서 열분해된 폐가스를 디스트리뷰터(42)에 의해 촉매부(40)로 분산시킨다.
다음에, 단계 S50에서는. 단계 S40에서 분산된 폐가스에 포함된 오염물질을 촉매부(40)의 외부 하우징(41)과 디스트리뷰터(42) 사이의 공간에 내장된 촉매(44)의 촉매반응에 분해한다. 이에 의해, 반응챔버(30)에서 열분해된 폐가스가 수처리 탱크(200)로 유입되기 전에 폐가스에 포함되어 있는 오염물질들을 촉매반응으로 분해하여, 플라즈마 스크러버에서의 폐가스의 열분해 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 플라즈마 생성 단계(S10)와 상기 폐가스 예열 단계(S20) 사이에 전자파 발진기에 의해 발생된 전자파를 상기 플라즈마 생성 단계에서 생성된 플라즈마에 혼입하는 단계(S60)를 더 포함할 수 있다. 전자파 혼입 단계 S60에서는, 전자파 발진기에 의해 발생된 전자파를 상기 플라즈마 생성 단계(S10)에서 생성된 플라즈마에 혼입한다. 이와 같이, 전자파가 플라즈마에 혼입됨으로 인하여 폐가스의 분해율이 상승되어 종래의 기술에 비하여 낮은 전력으로도 동일한 폐가스의 열분해율을 달성할 수 있게 된다. 이에 의해, 종래의 플라즈마 스크러버에 비하여 약 20% 정도의 전력 저감을 가져올 수 있다.
상기 예열 단계(S20)에서 폐가스는 약 800℃까지 가열될 수 있다. 종래의 기술에서 통상 상온의 폐가스가 약 1,300℃ 정도의 고온의 플라즈마와 접촉하게 될 경우에, 폐가스가 열분해되기 시작하는 약 700℃까지 폐가스의 온도가 상승할 때까지는 열분해 작용이 지연되는데, 상기 예열 단계(S20)에서 폐가스가 플라즈마에 접촉되기 전에 폐가스의 온도를 약 800℃까지 상승시키므로, 수평식 플라즈마 스크러버에서의 폐가스의 열분해 효율이 향상될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시례를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시례가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 플라즈마 발생부
20: 전자파 도파관
30: 반응챔버
40: 촉매부
42: 디스트리뷰터
50: 폐가스 예열부
100: 수평식 플라즈마 스크러버
200: 수처리 탱크
20: 전자파 도파관
30: 반응챔버
40: 촉매부
42: 디스트리뷰터
50: 폐가스 예열부
100: 수평식 플라즈마 스크러버
200: 수처리 탱크
Claims (10)
- 플라즈마 형성가스 공급부로부터 주입되는 플라즈마 형성가스에 의해 플라즈마를 생성하며, 수평으로 배치되는 플라즈마 발생부(10); 상기 플라즈마 발생부(10)로부터 유입되는 플라즈마에 의해 폐가스를 열분해하며, 수평으로 배치되는 반응챔버(30); 상기 반응챔버(30)의 하류측의 외벽에 폐가스 유입구(51)가 형성되고 상기 반응챔버(30)의 상류측에 폐가스 토출구(52)가 형성되는 폐가스 예열부(50); 및 상기 반응챔버(30)에서 열분해된 폐가스에 포함된 오염물질을 내장된 촉매의 촉매반응에 의해 분해하며, 원통형 외부 하우징의 형태로 수직으로 배치되어 상기 반응챔버(30)의 토출구에 연결되는 촉매부(40)를 포함하는 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버에 있어서,
상기 촉매부(40)는 원통형 외부 하우징의 내부에서 길이방향으로 배치되는 디스트리뷰터(42) 및 상기 원통형 외부 하우징의 하단부(41b)와 상기 디스트리뷰터의 하단부(42b) 사이에 배치되는 통기성 부재(43)를 더 포함하며,
상기 원통형 외부 하우징(41)과 상기 디스트리뷰터(42) 사이의 공간에 다공질의 촉매 입자들(44)이 내장된 것을 특징으로 하는 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버.
- 제1항에 있어서,
상기 디스트리뷰터(42)의 상단부(42a)에 수평의 차단판(42c)이 구비되는 것을 특징으로 하는 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버.
- 제1항에 있어서,
상기 디스트리뷰터(42)의 상단부(42a)에 원뿔형 차단판(42d)이 구비되는 것을 특징으로 하는 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버.
- 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 촉매부(40)에 냉각수단(62, 63)이 구비되는 것을 특징으로 하는 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버.
- 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 촉매부(40)는 수직방향으로 배치되는 복수의 온도센서(45)를 구비하는 것을 특징으로 하는 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버.
- 제2항 또는 제3항에 있어서,
전자파 발진기로부터 발생된 전자파가 전송되며, 상기 플라즈마 발생부(10)를 가로질러 수직으로 배치되어 상기 플라즈마 발생부에 전자파를 제공하는 전자파 도파관(20)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버.
- 제6항에 있어서,
상기 전자파 도파관(20)은 전자파 발진기로부터 전자파가 유입되는 측(21)은 단면이 점차 축소되다가 상기 플라즈마 발생부와 교차되는 영역(22)에서는 단면이 일정하게 유지되며, 종단이 폐쇄되어 종단부(23)에서 전자파가 반사되는 것을 특징으로 하는 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버.
- 디스트리뷰터를 구비한 촉매방식의 수평식 플라즈마 스크러버를 이용하는 폐가스 처리 방법에 있어서,
플라즈마 형성 가스에 고전압을 가하여 플라즈마를 생성하는 단계(S10);
폐가스 공급원으로부터 공급되는 폐가스를 플라즈마에 의해 예열하는 단계(S20);
상기 예열 단계에서 예열된 폐가스를 수평으로 배치된 반응챔버내에서 플라즈마에 의해 열분해하는 단계(S30);
상기 열분해 단계에서 열분해된 폐가스를 촉매부로 분산시키는 단계(S40); 및
상기 분산 단계에서 분산된 폐가스에 포함된 오염물질을 촉매에 의해 촉매반응시키는 단계(S50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 플라즈마 생성 단계(S10)와 상기 폐가스 예열 단계(S20) 사이에 전자파 발진기에 의해 발생된 전자파를 상기 플라즈마 생성 단계에서 생성된 플라즈마에 혼입하는 단계(S60)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 예열 단계(S20)에서 폐가스는 800℃까지 가열되는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리 방법.
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