KR102564726B1 - 탄소섬유와 탄소나노튜브소재를 적용한 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템 - Google Patents

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Abstract

탄소섬유와 탄소나노튜브소재를 적용한 미세먼지 집진 및 악취물질 제거 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템은, 대기오염물질 배출 사업장의 배가스 중 기설정된 입자 크기를 초과하는 미세먼지를 포집하는 전처리부; 10 마이크로미터 이하, 또는 2.5 마이크로미터 이하의 미세먼지를 하전시키고, 악취물질을 분해시키는 탄소섬유가 적용된 플라즈마 방전부; 상기 플라즈마 방전부 후단에 설치되어 플라즈마 방전부를 통과한 배가스 중 10 마이크로미터 이하, 또는 2.5 마이크로미터 이하의 미세먼지를 포집하는 집진부; 상기 집진부 후단에 설치되어 잔여 오존을 처리하기 위한 탄소나노튜브소재가 적용된 구조의 촉매 반응부;를 포함하는 것을 구성의 요지로 한다.
본 발명에 따르면, 대기오염물질 배출 사업장의 배가스 중의 미세먼지를 효과적으로 포집할 수 있고, 이와 동시에 악취를 효과적으로 제거할 수 있는 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템을 제공할 수 있다.

Description

탄소섬유와 탄소나노튜브소재를 적용한 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템{Fine Dust Collection And Odor Removal System Using Carbon fiber and Carbon Nanotube Material}
본 발명은 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소섬유와 탄소나노튜브소재를 적용하여 집진효율과 악취제거효율을 현저하게 향상시킨 구조를 포함하는 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템에 관한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 전기집진기는 하전부의 고전압발생장치로부터 인가되는 전류에 의해 방전극과 접지극 사이에서 방전이 발생하면, 배가스 중 미세먼지는 정전기에 의해 하전되어 집진부로 유입된 후, 정전기력에 의해 집진판에 포집되고, 악취물질은 플라즈마 방전과정에서 공기 중의 산소로부터 생성된 활성라디칼(활성종, OH 라디칼)과 오존에 의해 산화되어 무취의 다른 물질로 변환된다.
그러나 종래 기술에 따른 전기집진기는 인체에 유해한 오존을 다량 발생하기 때문에 설치 시 대상이나 공간 등이 제한된다는 점, 고효율의 집진을 위해 전압 상승이 불가피하여 이에 따른 에너지 소모량이 많다는 점 등의 문제점이 있다.
따라서, 상기 언급한 종래 기술에 따른 문제점을 해결할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
한국등록실용신안공보 제20-0207679호 (등록일자: 2000년10월10일)
본 발명의 목적은, 대기오염물질 배출 사업장의 배가스 중 미세먼지를 효과적으로 포집할 수 있고 이와 동시에 악취를 효과적으로 제거할 수 있는 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기전도도가 우수한 탄소섬유를 적용하여 에너지 소비량을 절감할 수 있는 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 촉매 반응부의 승온을 위한 열원 공급 소재로서 탄소나노튜브소재를 적용하여 플라즈마 방전과정에서 발생하는 잔여 오존을 최대한 제거할 수 있는 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 탄소섬유와 탄소나노튜브소재를 적용한 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템은 대기오염물질 배출 사업장의 배가스 중 기설정된 입자 크기를 초과하는 미세먼지를 포집 및 제거하는 전처리부; 상기 전처리부의 후단에 설치되어 전처리부를 통과한 배가스 중의 10 마이크로미터 이하, 또는 2.5 마이크로미터 이하의 미세먼지를 하전시키고, 악취물질을 분해시키는 탄소섬유가 적용된 플라즈마 방전부; 상기 플라즈마 방전부의 후단에설치되어 플라즈마 방전부를 통과한 배가스 중의 10 마이크로미터 이하, 또는 2.5 마이크로미터 이하의 미세먼지를 포집하는 집진부; 상기 집진부 후단에 설치되어 잔여 오존을 제거하기 위한 탄소나노튜브소재가 적용된 구조의 촉매 반응부;를 포함하는 구성일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전처리부는, 상기 대기오염물질 배출 사업장의 배가스 중 기설정된 입자 크기를 초과하는 미세먼지를 포집하는 구조의 사이클론 집진기; 및 상기 사이클론 집진기의 후단에 장착되어 사이클론 집진부를 통과한 배가스 중의 미세먼지를 제거하는 구조의 프리필터부;를 포함하는 구성일수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 방전부는 낮은 전압에서도 이온을 발생시킬 수 있는 브러쉬 형태의 탄소섬유를 장착한 구조의 방전극;을 포함하는 구성일 수 있다.
또한, 상기 집진부는, 상기 방전극과 소정 간격 이격되어 장착되고, 방전극과 함께 기 설정된 강도 범위 내의 전기장을 형성하여 미세먼지를 포집할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉매 반응부는 촉매 반응부에 열원을 공급하는 역할을 하는 탄소나노튜브소재를 포함하는 구성일 수 있으며, 상기 잔여 오존 제거를 위해 촉매로서 이산화망간 소재 또는 산화니켈 소재를 이용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템에 따르면, 특정 구조의 전처리부, 플라즈마 방전부, 집진부 및 촉매 반응부를 구비함으로써, 대기오염물질 배출 사업장의 배가스 중 미세먼지를 효과적으로 포집할 수 있고, 이와 동시에 악취를 효과적으로 제거할 수 있는 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템에 따르면, 플라즈마 방전부에 전기 전도도가 우수한 탄소섬유를 적용하면, 소비전력을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 저전압에서도 이온을 발생시킬 수 있으므로 상대적으로 오존 발생이 최소화된다. 또한 잔여 오존 분해를 위해 섭씨 40 내지 50 도의 가온을 필요로 하는 촉매 반응부에는 탄소나노튜브소재를 적용하면, 승온에 필요한 소비전력을 절감할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기집진기를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템에서의 플라즈마 방전과 집진의 작동원리를 설명하는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템의 플라즈마 방전부 방전극을 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 집진부 및 세정노즐을 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 반응부를 나타내는 모식도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 집진 및 악취 제거시스템을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 미세먼지 집진 및 악취 제거시스템(100)은, 특정 구조의 전처리부(110), 플라즈마 방전부(120), 집진부(130) 및 촉매 반응부(140)를 구비함으로써, 대기오염물질 배출 사업장으로부터 배출된 배가스 중 미세먼지를 효과적으로 포집할 수 있고, 이와 동시에 악취를 효과적으로 제거할 수 있는 미세먼지 집진 및 악취 제거시스템을 제공할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템(100)을 구성하는 각 구성에 대해 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전처리부(110)는, 대기오염물질 배출 사업장의 배가스 중 기설정된 입자 크기를 초과하는 미세먼지를 포집 및 제거하는 구조이다.
구체적으로, 전처리부(110)는 특정 역할을 수행하는 사이클론 집진부 및 프리필터부를 포함하는 구성일 수 있다. 전처리부(110)의 사이클론 집진기는, 대기 오염물질 배출 사업장의 배가스 중 기설정된 입자 크기를 초과하는 미세먼지를 포집하는 구조이고, 전처리부(110)의 프리필터는, 사이클론 집진부의 후단에 장착되는 구성으로서, 사이클론 집진기를 통과한 배가스 중의 미세먼지를 제거하는 구조이다.
본 실시예에 따른 플라즈마 방전부(120)는, 전처리부(110)의 후단에 설치되어 전처리부(110)를 통과한 배가스 중 기설정된 입자 크기 이하의 미세먼지를 하전시키고, 악취성분을 분해시키는 탄소섬유가 적용된 구조이다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 플라즈마 방전부(120)는 특정 구조의 방전극(121)을 포함하는 구성일 수 있다. 플라즈마 방전부(120)의 방전극(121)은, 탄소섬유를 브러쉬형태로 구성된 구조이다.
본 실시예에 따른 집진부(130)는, 플라즈마 방전부에 후단에 설치되어 플라즈마 방전부(120)에서 하전된 10 마이크로미터 이하, 또는 2.5 마이크로미터 이하의 미세먼지를 포집하는 구조이다.
이 경우, 본 실시예에 따른 집진부(130)는, 방전극(121)과 소정 간격 이격된 집진판(131)이 설치되고, 집진된 미세먼지를 탈착시키는 기능을 가진 세정 노즐(132)가 설치된다.
본 실시예에 따른 촉매 반응부(140)는, 집진부에 후단에 설치되어 촉매로 잔여 오존을 제거하는 구조이다.
구체적으로, 촉매 반응부(140)는 이산화망간 소재나 산화니켈 소재가 촉매로서 충전되어 있고, 촉매 반응에 필요한 열원 공급을 위해 탄소나노튜브소재의 열원공급장치가 장착되어 있는 구조이다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템에서의 플라즈마 방전부 및 집진부의 작동 원리를 설명하는 모식도가 도시되어 있다.
플라즈마를 이용한 미세먼지 집진 및 악취물질을 제거하는 원리에 대해 설명한다.
외부로부터 유입된 공기가 고압방전 플레이트를 통과하면, 정전기 및 플라즈마가 형성되는데, 공기 중의 미세먼지는 정전기에 의해 하전되어 집진판으로 이동, 포집되고, 공기 내의 악취물질은 플라즈마 방전과정에서 공기 중의 산소로부터 생성된 활성라디칼(활성종, OH 라디칼)과 오존에 의해 산화되어 무취의 다른 물질로 변환되어 제거된다.
플라즈마를 이용한 악취물질의 분해는 플라즈마를 방전시킬 때 생성된 활성라디칼과 오존을 이용하여 악취물질을 중화 및 산화하는 메카니즘을 이용한 것이다.
대기오염물질 배출 사업장으로부터 배출된 배가스 중 비교적 입자의 크기가 큰 미세먼지를 포집하기 위한 전처리필터부, 상기 전처리 필터의 후방에 설치되어 전처리 필터부를 통과한 입자의 크기가 보다 작은 미세먼지의 포집과 악취물질을 산화분해하기 위한 플라즈마 방전부 및 집진부, 집진부 후방에 설치되어 잔여 악취물질을 최종적으로 산화분해하기 위한 촉매산화부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
플라즈마 방전부에서는 플라즈마 방전에 의한 전하(電荷)가 부여되고, 전하가 부여된 입자가 전기장을 통과하는 동안에 정전기에 의해 포집되게 되고, 아울러 악취물질도 산화분해되게 된다.
전기집진기는 높은 고전압을 인가시켜 방전극과 접지극 사이에 발생하는 플라즈마 방전으로 오염된 공기 중에 있는 입자(미세입자)를 하전시키고, 상기 극성을 가진 하전된 미세입자를 전기장 속으로 이동시켜 집진하는 것으로, 플라즈마 방전을 이용한 전기집진기는 도 3과 같이 플라즈마 방전을 일으켜 미세입자를 하전시키는 방전극과, 상기 방전극과 대응되는 집진전극과, 상기 방전극에 고전압을 인가하는 고전압발생장치로 이루어진다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템의 플라즈마 방전부 방전극을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
분진 층의 전압강하가 크면, 동일 인가전압에서 운전되는 경우, 그 만큼의 유효 전압(방전극과 집진극 사이의 공간 전압)이 작아져서 코로나 전류가 감소하고 집진효율은 낮아진다.
일반적으로 분진 입자의 전기 비저항(Electrical Resistivity)이 104 Ω ㎝ 이상이면, 분진 층 내의 가스는 방전극의 플라즈마 방전개시 전계강도보다 훨씬 낮은 값에서 전리하기 시작하여 집진극에서 방전극으로 양이온이 방출되는 역전리(Back Corona) 현상이 일어난다. 이 상태에서는 양극 사이의 방전 전류는 증가하나, 플라즈마 발생 개시전압이 낮아지고 양극으로부터의 이온에 의해 분진의 대전
량이 증가되므로, 집진효율은 현저하게 저하된다. 또한 역으로 분진의 전기 비저항이 너무 낮으면(104 Ω㎝ 이하) 전계 내에서 대전된 분진 입자는 집진극에 도달하자마자 대전된 전하를 집진극으로 쉽게 방전하여 분진입자가 집진극 표면에 퇴적될 수 있는 부착력(전기적 부착력)을 잃는다. 따라서 분진 입자는 다시 가스흐름으로 유입되는 재비산현상이 일어난다. 그러므로 높은 집진효율을 얻기 위해서는 분진의 전기 비저항이 104 Ω㎝보다 높고 1011 Ω㎝보다 낮아야 한다. 만일 이 영역을 벗어날 경우에는 가스 성분을 조절하여 분진의 전기 비저항을 제어해야 한다.
1) 분진입자의 입경 크기는 전기집진의 성능에 영향을 미치게 되는데, 일반적으로 입경이 작을수록, 대전량이 작고 가벼워서 재비산이 되기 쉽기 때문에 집진 성능이 떨어지게 된다.
2) 분진이 150 내지 200의 범위에서 비저항값의 최고치를 나타내고 있음을 알 수 있다. 포물선 모양의 그래프에서 비저항값의 최고치 온도를 중심으로 그 이하의 온도범위에서는 비저항값은 주로 수분의 영향을 많이 받게 되고, 그 이상의 온도 범위에서는 비저항값이 온도가 높아짐에 의해 분진을 구성하고 있는 전자활동의 활성화에 기인하므로, 주로 분진의 구성성분이 주요 변수가 된다.
온도의 영향은 일정한 온도 이하에서 온도 가 낮아질수록 가스의 상대습도가 높아져 입자표면에 수분의 응축으로 인해 전하의 전도도가 증가되어 전기적 비저항이 낮아지는 것이며, 일정한 온도 이상이 되어도 비저항값이 낮아짐을 알 수 있는데, 이는 고온에서 입자내의 분자가 활발히 운동함에 기인한다. 대부분의 전기집진기의 사용온도는 150℃ 정도이므로, 국내 각종 석탄연소 분진의 비저항이 150 ℃에서 1010 Ω㎝ 보다 큰 높은 비저항 Fly ash로써 전기집진 시 역전리현상으로 집진효율이 저하될 우려가 있다.
3) 가스 중의 수분 함량 변화에 따른 전압-전류 특성곡선을 보면, 가스 중 의 수분함량이 0 내지 5%인 경우에는 집진판에 분진층의 저항으로 인해 일정 전압 이상에서는 전압의 증가는 없고 전류 만 급속히 증가하는 것을 볼 수 있으며 이러한 조건에서 분진이 투입되면, 급격한 역전리현상이 발생한다. 가스 중에 수분 함량이 15% 이상인 경우는 전압이 증가함에 따라 전류도 비례하여 완만하게 증가한 다. 따라서 가스 중 수분 함량이 전압-전류특성곡선에 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 이는 수분 함량의 변화로 인해 가스 물성치와 분진의 비저항이 변하기 때문이다.
수분 함량이 증가하면, 극 사이의 전도성이 향상되어 분진의 비저항이 감소할 뿐만 아니라, 집진판에 누적된 분진의 재비산 감소의 부수적인 효과도 거둘 수 있다.
높은 비저항 분진의 제어대책으로는 공기 내에 적정량의 수분을 공급하여 분진의 비저항값을 낮추며, 또한 분진의 응집성(Cohesive Property)을 변화시켜서 집진을 용이하게 할 뿐만 아니라, 재비산을 감소시키고 공간 하전이 개선된다. 따라서 전계 강도가 증가되고 역전리 현상을 방지함으로써 집진성능이 향상된다.
수분 함량이 없으면, 분진 비저항값은 역전리현상이 쉽게 일어나는 1013 Ω ㎝ 이상의 높은 비저항을 보인다. 수분 함량이 증가하면, 분진의 비저항값은 역전리현상이 일어나지 않는 1010 Ω㎝까지 떨어지게 된다, 따라서 수분 함량이 분진의 비저항성을 결정하는 중요한 인자이다.
분진의 비저항성에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 분진 내 수분함량이다. 이때, 수분 함량이 증가할수록 분진 비저항 감소될 경우 전계상태와 집진효율 개선될 수 있다.
분진의 비저항 조절을 위한 가스 조절 매체(Gas Conditioning Agents)로 무화수(Atomizing Water)를 선택할 수 있었으며, 분진의 비저항 감소는 물론 재비산도 감소시키고 공간 하전을 개선시켜 전계 강도가 증가되어 역전리 현상을 방지할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 집진부 및 세정노즐을 나타내는 모식도가 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 반응부를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템(100)은, 집진부(130)에 설치되어 있는 집진판(131)의 표면에 흡착된 이물질을 하방으로 제거할 수 있는 구조의 세정 노즐(132)를 더 포함하는 구성일 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 세정 노즐(132)은, 플라즈마 방전부(120)와 집진부(130)의 작동이 정지된 상태에서 운용되는 구성으로서, 집진판(131)의 표면에 세정액을 분사하여 집진판(131)의 표면에 흡착된 이물질을 제거할 수 있다.
경우에 따라서, 외부로부터 공급되는 고압의 압축공기를 세정액과 함께 분사하여 흡착된 이물질 제거 효과를 현저히 향상시킬 수 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
즉, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
100: 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템
110: 전처리부
120: 플라즈마 방전부
121: 방전극
130: 집진부
131: 집진판
132: 세정 노즐
140: 촉매 반응부
141: 탄소나노튜브 소재

Claims (5)

  1. 대기오염물질 배출 사업장의 배가스 중 기설정된 입자 크기를 초과하는 미세먼지를 포집 및 제거하는 전처리부(110);
    상기 전처리부(110)의 후단에 설치되어 전처리부(110)를 통과한 배가스 중 10 마이크로미터 이하, 또는 2.5 마이크로미터 이하의 미세먼지를 하전시키고, 악취물질을 분해시키는 탄소섬유가 적용된 구조의 플라즈마 방전부(120);
    상기 플라즈마 방전부의 후단에 설치되어 플라즈마 방전부(120)를 통과한 배가스 중 10 마이크로미터 이하, 또는 2.5 마이크로미터 이하의 미세먼지를 포집하는 집진부(130); 및
    상기 집진부(130)의 후단에 설치되어 잔여 오존을 제거하기 위한 탄소나노튜브소재가 적용된 구조의 촉매 반응부(140);
    를 포함하고,
    상기 전처리부(110)는,
    상기 대기오염물질 배출 사업장의 배가스 중 기설정된 입자 크기를 초과하는 미세먼지를 포집하는 구조의 사이클론 집진부; 및
    상기 사이클론 집진부의 후단에 장착되어 사이클론 집진부를 통과한 배가스 중의 미세먼지를 제거하는 구조의 프리필터부;
    를 포함하고,
    상기 플라즈마 방전부(120)는,
    다수의 탄소섬유로 구성되고, 배가스를 하전시키는 구조의 방전극(121); 을 포함하고,
    상기 집진부(130)는,
    상기 방전극(121)과 소정 간격 이격되어 장착되고, 방전극(121)과 함께 기 설정된 강도 범위 내의 전기장을 형성하며,
    방전극(121)의 다수의 탄소섬유에 상대적으로 낮은 전압을 가하여 오존 발생 없이 미세입자를 하전시키는 것을 특징으로 하는 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 반응부(140)는,
    상기 촉매 반응부(140)에 열원을 공급하는 역할을 하는 탄소나노튜브소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 반응부(140)는,
    상기 잔여 오존 처리를 위해 촉매로서 이산화망간 소재 또는 산화니켈 소재를 이용하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 집진 및 악취 제거 시스템.
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