KR19980020665A - 고주파 고온 플라즈마 토취 - Google Patents

Abstract

본 발명은 10,000℃ 전후의 고온을 필요로 하는 소각로 등에 사용하는 고주파 고온 플라즈마 토취(plasma torch)에 관한 것으로, 상세하게는 전극의 마모나 부식이 없는 무전극 고주파 방전으로 고온의 플라즈마를 획득할 수 있게 한 것이다.

Description

고주파 고온 플라즈마 토취

제1도는 본 발명의 단면 구성도.

제2도는 본 발명 고정 소켓의 단면 구성도.

제3도는 본 발명의 결합상태 단면도.

제4도는 본 발명의 사용 상태 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

2,52:튜브4:이온실

6:열매체 주입구8:캡

10,26,28,56,58,70,72:나사부12:매체 공급관

14,60:분리관16,18:46,48,62,64:수냉실

20,66:급수관22,68:출수관

24:냉각수30,32,74,76:공급수관

34:나사체결부36:소각로

39:접지판40:유도코일

42,44:급전선50:소켓

54:삽입공

본 발명은 10,000℃ 전후의 고온을 필요로 하는 소각로 등에 사용하는 고주파 고온 플라즈마 토취(plasma torch)에 관한 것으로, 상세하게는 전극의 마모나 부식이 없는 무전극 고주파 방전으로 고온의 플라즈마를 획득할 수 있게 한 것이다.

일반적으로 고압이 인가되는 두전극 사이에 가스나 공기를 방전시켜 고온의 플라즈마를 얻는 직류 플라즈마 토취는 전극의 산화를 막기 위하여 비활성 기체를 사용해야 하는 제약이 따른다.

한편 고주파 플라즈마 토취는 고주파 전류에 의해 생성된 자기장의 작용으로 가스분자를 이온화함으로써 라디컬(radical)과 전자(electron)를 발생시켜 전기적으로 중성인 플라즈마(plasma)가 대량으로 생성되며, 이때 이온 라디컬과 전자들간의 심한 충돌로 인하여 10,000℃ 전후의 고열이 발생되며, 상기 고열은 플라즈마의 밀도와 고주파 교류전압에 비례한다.

따라서 본 발명은 이러한 고열을 이용하여 폐유, 폐 플라스틱, 폐타이어를 포함하는 혼합 폐기물이나 감염성 병원 적출물, 감량폐수나 염색폐수의 고체 슬러지와 같은 독성폐기물, 그리고 방사성 폐기물 등을 10.000℃ 전후의 고온으로 공해없이 완전 소각 처리하는 소각로 등에 사용할 수 있는 고주파 고온 플라즈마 토취를 제공함에 목적이 있으며, 열매체로는 공기, 질소, 산소, 수소, 아르곤, 헬륨, 메탄, 프로판 가스를 비롯한 탄화수소등 거의 모든 가스를 사용할 수 있을 것이다.

한편 고주파 플라즈마 토취가 발생하는 플라즈마의 온도가 10,000℃ 전후로 상승되는 점을 감안하여 고주파가 인가되는 단자, 고주파 유도코일, 토취 몸체인 세라믹 튜브와 같이 고온화되거나 고온에 노출되는 부위에는 냉각수를 강제로 순환시켜 고온에 견딜 수 있는 내열성을 갖게 함으로써 사용수명을 대폭 연장시키도록 한다.

또한 플라즈마 토취의 몸체는 내열성과 전기 절연성이 우수한 실리카, 알루미나 또는 산화 알루미늄과 산화 티타늄의 혼합 세라믹 등으로 만들 수 있다.

급전선은 전기 전도가 우수한 구리 파이프로 제작하고 그 내부에는 냉각수를 강제 순환시켜 수냉시키도록 하며, 또한 고주파 고전압에 의한 안전사고 예방을 위하여 충분한 접지가 반드시 필요하며, 이때 급전선 및 유도코일이 접속되는 접지판은 구리(Cu)보다 산화 전위가 높은 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 또는 아연(Zn)판을 사용하여 이들 금속 접지판이 희생적 양극으로 작용하도록 함으로써 고주파 급전선 및 유도코일의 산화를 방지시켜 반영구적으로 사용할 수 있게 하고, 또한 고주파 및 고전압에 대한 안전도를 증가시키도록 한다.

상기 고주파 플라즈마 토취는 한 개 또는 그 이상의 복수개를 설치할 수 있으며, 3상 고주파를 사용하는 경우 고주파 플라즈마 토취를 등간격으로 3개 또는 그 이상의 3배수로 설치하면 될 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명 고주파 고온 플라즈마 토치(1)의 단면 구성도로, 전기 절연성과 내열성이 우수한 세라믹 튜브(2)를 삼중관체로 구성하여 길이 방향 중앙에 양측으로 개방된 이온실(4)을 형성하고, 이온실(4)의 외면에 밀폐된 수냉실을 빙둘러 형성한다.

상기 이온실(4)과 수냉실의 일측단부에 열매체(플라즈마 매체)주입구(6)를 갖는 내열성 캡(8)을 덮어 씌우거나 억지로 끼우거나, 또는 용접하는 등의 방법으로 기밀 유지되게 고정하고, 열매체 주입구(6)의 외면 단부에는 나사부(10)를 빙둘러 형성하여 에어펌프(17) 및 열매체 공급관(12)을 체결할 수 있게 한다.

상기 수냉실의 길이 방향 중앙에 분리관(14)을 삽입시켜 내.외측 수냉실(16)(18)을 형성하되, 분리관(14)의 선단 끝단부는 개방시켜 내.외측 수냉실(16)(18)을 서로 연결시키고 급수관(20)은 외측 수냉실(18)에 연결하고, 출수관(22)은 내측 수냉실(16)에 연결시켜 냉각수(24)가 분리관(14)에 의해 튜브(2)의 말단까지 골고루 순환 및 냉각되게 하고, 급수관(20)과 출수관(22)의 외면 끝단부에는 나사부(26)(28)를 각각 혈성하여 공급수관(30)(32)을 체결할 수 있게 한다.

상기에서 급수관(20)은 내측 수냉실(16)에 연결하고, 출수관(22)은 외측 수냉실(18)에 연결할 수도 있을 것이며, 튜브(2)의 후단부 외면에는 내열성과 전기 절연성이 우수한 재질로된 나사부(34)를 빙둘러 형서아여 소각로(36)에 고정되는 소켓(50)에 체결할 수 있게 하고, 튜브(2)의 선단부 외면에는 전기 전도와 열전도가 우수하면서 내열성을 갖는 파이프, 이를 테면 구리 파이프로된 고주파 유도코일(40)을 3∼5회 전후의 적정횟수로 감아 열매체 주입구(6)로부터 공급되는 기체(열매체)가 고주파에 의해 방전되면서 플라즈마 상태로 고온화되게 한다.

한편, 유도코일(40)로 고주파 전원을 공급하는 급전선(42)(44)은 유도코일(40)처럼 전기 전도와 열전도가 우수한 구리 파이프로 구성하되 절연 나사부(34)를 관통시켜 튜브(2)의 후단으로 돌출시키고 상기 유도코일(40)과 급전선(42)(44)의 수냉실(46)(48)에는 냉각수를 강제 순환시켜 열용량을 크게 함으로써 사용 수명을 증가시키도록 한다.

또한 유도코일(40)이나 급전선(42)(44)의 재질인 구리(Cu)보다 산화 전위가 높은 도전성 금속 이를테면 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn)으로 된 접지판(39)이나 접지봉이나, 접지블록을 지면하에 접지되는 깊이로 매설한 다음 일측 급전선과 도전성 소각로 및 소켓에 전기 접속시키므로 산화전위가 높은 희생적 전극인 상기 접지판(39)이 먼저 산화되게 함으로써 유도코일(40)이나 급전선(42)(44)이나 소각로(36) 및 소켓(50)의 산화를 방지하도록 한다.

상기에서 유도코일(40)로 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원부(40)는 가열용량이나 가열, 소각 대상물 및 부하에 따라 달라질 수 있으나 예를 들면 고주파는 1kHz∼5MHz, 전력은 1kW∼1,000kW의 범위로 공급할 수 있을 것이다.

제2도는 본 발명 고주파 고온 플라즈마 토취(1)를 소각로(36)등에 고정시킬 수 있는 소켓(50)의 단면 구성도로 제1도에 의한 튜브(2)처럼 전기절연성과 내열성이 우수한 세라믹 튜브(52)를 삼중관체로 구성하여 길이방향 중앙에 양측으로 개방된 삽입공(54)을 형성하여 세라믹 튜브(2)를 끼울 수 있도록 하고, 삽입공(54)의 외면에 밀폐된 수냉실을 빙둘러 형성하고, 세라믹 튜브(52)의 하단부에 토취(1)의 나사부(34)가 결합되는 나사부(56)를 형성하고, 세라믹 튜브(52)의 후단 외면에 나사부(58)를 빙둘러 형성시켜 소각로(36)등에 고정 설치할 수 있게 한다.

수냉실의 길이방향 중앙에 분리관(60)을 삽입시켜 내.외측 수냉실(62)(64)을 형성하되 분리관(60)의 선단 끝단부는 개방시켜 내.외측 수냉실(62)(64)은 서로 연결시키고 급수관(66)은 외측 수냉실(64)에 연결하고, 출수관(68)은 내측 수냉실(62)에 연결시켜 냉각수(24)가 분리관(60)에 의해 튜브(52)의 말단까지 골고루 순환 및 냉각되게 하고, 급수관(66)과 출수관(68)의 외면 끝단부에는 나사부(70)(72)를 형성하여 공급수관(74)(76)을 체결할 수 있게 하여서 된 것이다

미설명 부호 (78)은 소각실, (80)은 와류실, (82)는 소각물 투입구, (84)는 수냉실이다.

이와 같이 구성하여서 된 본 발명은 제3,4도와 같은 소각로(36)에 형성된 나사공에 소켓의 나사부(58)를 체결시켜 고정하고, 소켓의 또 다른 나사부(56)에 세라믹 튜브(2)의 나사부(34)를 체결시키고, 급.출수관(20)(22)(66)(68)과 급전선(42)(44)을 통하여 수냉실(16)(18)(46)(48)(62)(64)로 냉각수가 강제 순환되게 하고, 열매체 주입구(6)로 공기, 질소, 산소, 수소, 아르곤, 헬륨, 메탄, 프로판 가스를 비롯한 탄화수소 등의 가스를 에어펌프(17)로 주입하고, 급전선(42)(44)은 고주파 전원부(49)에 접속시켜 1kHz∼5MHz의 고주파 및 1kW∼1,000kW의 전력이 유도코일(40)로 공급되게 하여 사용하게 된다.

한편 유도코일(40)로 고주파 전원이 공급되면 이온실(4)로 주입되는 열매체 가스가 고주파 자기장의 작용에 의해 이온화하여 라디컬(radical)과 전자(electron)가 발생되고, 전기적으로 중성인 플라즈마(plasma)가 대량으로 생성되며, 상기 플라즈마는 라디컬과 전자들간의 심한 충돌로 인하여 10,000℃ 전후의 고열이 발생되고 소각로로 분사되어 소각 대상물이 소각되며, 고주파의 주파수가 높을 수록, 전력이 클수록, 플라즈마의 밀도가 높을수록 발생열량과 온도는 더욱 높아진다.

본 발명에서 발생온도가 10,000℃ 전후의 고열이므로 소각대상물, 예컨데 폐유, 폐 플라스틱, 폐 타이어를 포함하는 혼합폐기물이나 감염성 병원적출물, 감량폐수나 염색폐수의 고체 슬러지와 같은 독성폐기물, 그리고 방사성 폐기물 등을 공해없이 완전소각 처리시킨다.

본 발명에서 발생열량이 10,000℃ 전후의 고열로 상승되고 상기 온도에 의해 고온화되거나, 고온에 노출되는 튜브(2)(52)와 급전선(42)(44)과 유도코일(40)등은 융점이 비록 낮더라도 수냉실(16)(18)(46)(48)(62)(64)이 각각 설치되어 냉각수가 강제 순환하므로 내열성을 갖게 되어 사용 수명이, 길어지며 토취(1)와 소켓(50)은 나사부(19)(26)(28)(58)(70)(72)에 의해 분리결합 할 수 있게 체결되는 구조이므로 마모나 손상에 의한 교환이 수월하다.

본 발명에서 사용예를 소각로로 일예로 들었으나, 금속용사, 금속강재의 용접-절단, 표면처리, 용해 및 풀림 등 고온을 필요로 하는 장소나 기기에 사용하여도 그 작용효과는 물론 동일시 된다.

또한 본 발명에서 접지판(39)은 유도코일(40)과 급전선(42)(44) 재질인 구리(Cu) 보다 산화전위가 높은 마그네슘(Mg)판, 알루미늄(Al)판, 아연(Zn)판 등으로 구성되어 산화 전위가 높은 접지판(39)이 먼저 산화되므로 접지판(39)에 전기 접속된 유도코일(40), 급전선(42)(44), 소각로(36), 소켓(50)의 산화가 방지되며, 또한 고주파에 의한 무전극 방전이므로 사용수명이 매우 길어지는 효과가 있으며 전극이 없으므로 비활성기체 뿐만 아니라 활성기체도 사용할 수 있으며 또한 소각로(36)를 접지판(39)에 접지시킨 경우 고주파 고전압에 대한 감전의 우려가 해소된다.

본 발명을 실시함에 있어서, 수냉실(16)(18)(46)(48)(62)(64)에는 수온 감지기 및 수압 감지기를 각각 설치한 다음 감지 수온에 따라 급수펌프의 회전속도가 제어되게 전기 회로를 구성함으로써 감지 수온이 일정 이상으로 상승되면 펌핑량(또는 순환 속도)이 증가되고, 그에 따라 냉각수의 유속은 빨라져 수냉실의 온도가 적정이하의 온도로 유지될 수 있게 하며, 수냉실의 수압이나 수온이 위험값 이상으로 상승되면 토취(1)로 공급되는 전원이 신속히 차단되게 전기 회로를 구성하여 과열에 의한 수냉실(16)(18)(46)(48)(62)(64)의 폭발이나 융해를 방지하도록 함이 바람직하며 다수의 안전 밸브를 설치하여 수냉실의 폭발을 방지하도록 하며, 본 발명에서 고주파 플라즈마 토취(1)는 소켓(50)없이 고열을 필요로 하는 장치에 바로 설치할 수 있으나 유도코일(40)의 보호를 이하여 소켓(50)을 사용함이 바람직하다.

이상에서와 같이 본 발명은 고주파에 의한 무전극 방전이므로 전극의 마모나 부식이 없어서 사용수명이 매우 길어지고, 활성가스를 사용할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (3)

1. 전기 절연성과 내열성이 우수한 튜브(2)의 길이 방향 중앙에 이온실(4)을 형성하고, 이온실(4)의 외면에 냉각수가 강제 순환되는 수냉실을 빙둘러 형성하고, 이온실(4)의 후단부에 열매체 주입구(6)를 형성하고, 튜브(2)의 후단 외면에 소켓(50)에 결합되는 절연 나사부(34)를 형성하고, 튜브(2)의 선단부 외면에 전기 도전성과 내열성이 우수하고 냉각수가 강제 순환되는 고주파 유도 코일(40)을 감아 고주파가 공급되게 한 고주파 고온 플라즈마 토취.
2. 제1항에 있어서, 튜브(2)의 나사부(34)가 체결되는 소켓(50)은 전기 절연성과 내열성이 우수한 튜브(52)의 길이 방향 중앙에 튜브(2)가 삽입 되는 삽입공(54)을 형성하고, 삽입공(54)의 외면에 냉각수가 강제 순환되는 수냉실을 형성하고, 튜브(52)의 후단부에 나사부(34)가 체결되는 나사부(56)를 형성하고, 튜브(52)의 후단 외면에 나사부(58)을 형성하여서 된 고주파 고온 플라즈마 토취.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유도코일(40)과 급전선(42)(44)보다 산화 전위가 높은 금속 접지판(39)을 지면에 매설한 다음 유도코일(40)과 급전선(42)(44)에 열결전선으로 접속시켜 유도코일(40)과 금속 접지판(42)(44)의 산화가 방지되게 함을 특징으로 하는 고주파 고온 플라즈마 토취.