KR20000001060A - 핀부착 방전극과 전극봉이 장착된 플라즈마 탈황탈질 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배연가스의 대기오염방지설비에 사용되는 플라즈마 탈황탈질 반응기에 관한 것으로서 특히 핀부착 방전극 및 전극봉에 관한 것이다.

방전극에 핀이 부착됨으로써 구조적으로 안정되어 장치의 대형화가 가능하며, 스트리머 코로나의 발생강도 및 효율이 높아져, 동일 용량에 대해 종래보다 장치가 콤팩트하게 된다.

Description

핀부착 방전극과 전극봉이 장착된 플라즈마 탈황탈질 반응기

본 발명은 플라즈마 탈황탈질 장치의 반응기에 관한 것이며, 특히 핀이 부착된 방전극과 전극봉에 관한 것이다.

이러한 반응기는 화력발전소, 소각로, 제철소 또는 일반사업장에서 배연가스에 포함된 아황산가스(SO₂), 질소산화물(NO_x) 및 대기환경기준법에서 규정한 가스상 오염물질을 저온 플라즈마를 이용하여 제거하는 대기오염방지설비에 이용된다.

일반적으로 저온 플라즈마를 이용한 대기오염방지설비는 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이 반응기(3), 펄스발생기(2), 배연가스 흡인기(6) 등으로 구성된다.

종래의 대기오염 방지설비에 사용되는 반응기(3)는 도 2에 도시된 바와 같이 양극으로서 방전선(4)과 음극으로서 전극판(5)을 포함하며, 이들에 의해 스트리머 코로나(streamer corona)를 발생시킴으로써 배연가스 중의 가스상 오염물질을 제거하는 것으로서 그 처리과정은 다음과 같다.

1) 배연가스가 전극판(5)과 전극판(5) 사이로 유입된다.

2) 고전압 펄스발생기(2)를 통해 방전선(4)에는 양극의 전원을, 전극판(5)에는 음극의 전원을 공급하여 양극 방전선(4)에서 스트리머 코로나(streamer corona)가 발생되고, 이 스트리머 코로나에 의해 강한 자유전자들이 발생된다.

3) 반응기(3) 내의 전자들은 배연가스의 주요 기체 분자인 산소, 수증기, 질소 등과 충돌하여 강한 래디칼을 형성하고, 이들 래디칼은 배연가스 중 가스상 오염물질을 산화 또는 환원시켜 제거한다.

그러나, 종래의 반응기(3)는 장착되는 방전선(4)과 전극판(5)의 구조상 다음과 같은 문제가 있었다.

첫째, 장치를 대형화하기 위해서는 악조건하의 배연가스에서도 가동될 수 있는 물리적 구조를 확보하기 위해 직경 5㎜이상의 방전선을 사용해야 하나, 방전선의 직경이 5㎜이상으로 증가할 경우, 스트리머 코로나는 그 발생이 저하됨과 동시에 국부적으로 집중되는 현상이 발생하여 스파크로 진행되는 문제점이 있었다.

둘째, 직경이 작은 방전선(4)의 경우, 열에 의한 변형이나 분진과 같은 입자상 물질에 의한 마모가 진행되어 방전선(4)이 절단되고 스파크를 발생시킨다. 이러한 스파크는 고가의 에너지 공급장치인 펄스발생기(2)의 수명을 단축시키고 시스템을 파손시키는 원인이 된다.

셋째, 음극 전극판(5)의 경우 대형화를 위해서는 전극판(5)과 전극판(5)을 겹대기용접하여 안정적인 구조를 확보하고 방전선(4)과 일정 간격을 유지해야 하는, 설치상의 어려움이 있었다.

넷째, 스트리머 코로나에 영향을 미치는 음극의 전극판(5)은 일부 영역으로 비효율적이다.

다섯째, 전극이 판의 형태이므로 기체가 유동할 때 압력손실이 컸다. 또한, 분진이 부착되는 면적이 넓으므로 분진 제거에 문제점이 발생하여 효율이 저하되었다.

여섯째, 탈황탈질 효율을 높이기 위해서는 전극판 사이의 간격을 적정하게 유지하여야 한다. 현재 사용중이거나 개발되고 있는 펄스발생기(2)의 최대 순간전압은 50-120㎸이고 방전선(4)과 전극판(5) 사이의 거리는 5-12㎝ 정도로서 설치에 어려움이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 핀부착 방전극과 전극봉을 사용하여 반응기를 구조적으로 안정시킴으로써 대형화를 가능하게 하며, 스트리머 코로나의 발생 효율을 높여 동일 배기가스 처리용량에 대해 종래보다 장치를 소형화함과 동시에 설치 및 유지비용을 절감할 수 있도록 하는 것이다.

도 1은 일반적인 플라즈마 탈황탈질 장치의 배치를 개략적으로 나타내는 도면,

도 2는 종래의 플라즈마 탈황탈질 반응기에 설치되는 방전선 및 전극판을 나타내는 사시도,

도 3은 본 발명에 의한 반응기에 있어서의 핀부착 방전극과 전극봉(전체 배열 중 일부)을 나타내는 정면도,

도 4는 본 발명에 의한 반응기의 핀부착 방전극과 전극봉의, 도 3의 A-A선에 의한 단면을 위에서 본 상태로 나타내는 도면,

도 5는 도 3의 핀부착 방전극과 전극봉의 하나씩을 확대하여 나타내는 정면도로서, (a)는 핀부착 방전극, (b)는 전극봉의 정면도,

도 6은 도 5의 (a)의 핀부착 방전극을 위에서 본 상태로 나타내는 도면,

도 7은 본 발명의 변형 실시예에 의한 반응기의 핀부착 방전극의 한 열과 전극봉의 한 열을 나타내는 측면도로서, (a)는 핀부착 방전극의 열, (b)는 전극봉의 열을 나타내는 도면,

도 8은 본 발명의 반응기에서 발생되는 스트리머 코로나와 종래의 반응기에서 발생되는 스트리머 코로나를 비교하는 도면으로서, (a)와 (b)는 각각 방전선의 지름이 1.2mm와 3mm인 경우의 종래기술에 대한 코로나 사진이며, (c)와 (d)는 본 발명의 핀부착 방전극에 의한 코로나의 발생사진으로, (c)는 방전극의 길이방향에 대한 사진을 나타내는 도면, (d)는 방전극을 위에서 촬영한 사진을 나타내는 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1…보일러 2…펄스발생기

3…반응기 4…방전선

5…전극판 6…배연가스 흡인기

7…핀부착 방전극 8…전극봉

9…핀(fin) 10…부착바(bar)

11…강화바(bar)

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 펄스발생기(2)로부터 전원을 공급받는 부위와, 보일러(1)로부터 기체가 유입되는 통로와, 배연가스 흡인기(6)로 연결되는 통로와, 분진을 제거하기 위한 래퍼(도시되지 않음)와, 전극으로서 다수의 양극 및 음극과, 전극이 부착되는 바(bar)(10)를 포함하는 반응기(3)에 있어서, 상기 양극은 외주에 2개 이상의 핀(fin)(9)이 부착되며 단면이 원형 또는 다각형인 봉상(棒狀)의 방전극(7)이며, 음극은 단면이 원형 또는 다각형인 전극봉(8)인 것을 특징으로 한다.

상기 핀부착 방전극(7) 및 전극봉(8)은 반응기(3) 내에서 각각 다수가 일렬로 배치되며, 이러한 방전극(7)과 전극봉(8)의 열(列)이 서로 일정한 간격을 두고 적정한 수로 교대로 반복 배치된다.

상기 부착바(bar)(10)에는 핀부착 방전극(7) 및 전극봉(8)이 바람직하게는 나사식으로 결합될 수 있도록 나사 등의 연결부재가 설치되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의한 반응기(3)에 있어서, 양극은 단면이 원형인 중공체로 형성되며 그 외주에 60°∼ 120°의 각도(도 6의 θ)로 부착되는 4개의 핀(9)을 구비하는 핀부착 방전극(7)으로 이루어지며, 음극은 단면이 원형 또는 사각형인 중공체로 형성되는 전극봉(8)으로 이루어진다(도 4참조).

본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며 장치의 특성 및 규모, 작업조건 등을 고려하여 여러 가지로 변형 실시할 수 있다.

예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 핀부착 방전극의 각 열과 전극봉의 각 열에 대하여, 상하 부착판 사이의 일정 위치에 적당한 수의 횡방향 강화바(bar)(11)를 방전극들 및 전극봉들과 연결하여 설치하고, 이들 횡방향 강화바(11)의 단부를 연결하는 2개의 종방향 강화바(11)를 설치함으로써 전체 열을 격자형으로 하여 구조를 더욱 안정화시킴으로써 장치의 대형화를 용이하게 할 수 있다.

이하, 상기한 구성의 본 발명의 기능 및 작용을 설명한다.

배연가스가 핀부착 방전극(7)과 전극봉(8) 사이로 유입되고, 고전압 펄스발생기(2)가 핀부착 방전극(7)에는 양극 전원, 전극봉(8)에는 음극 전원을 공급하면, 방전극에 부착된 각각의 핀(9)에서 강도 높은 스트리머 코로나가 발생하며, 이후 종래의 반응기(3)에서와 같은 과정에 의해 오염물질이 제거된다.

도 8은 종래의 반응기의 방전선(4)에서 발생되는 스트리머 코로나와 본 발명의 반응기에 의한 핀부착 방전극(7)에서 발생되는 스트리머 코로나를 비교하여 나타내는 도면으로서, ICCD 카메라를 사용하여 촬영한 것이다. (a)와 (b)는 각각 방전선(4)의 직경이 1.2㎜와 3㎜인 경우에 발생한 스트리머 코로나의 사진이다. 선이 굵은 경우 스트리머 코로나의 발생 강도는 부분적으로는 전계가 강하게 걸려 쉽게 스파크로 이행되었다. (c)와 (d)는 본 발명의 핀부착 방전극에 의한 코로나의 발생사진으로서, (c)는 방전극의 길이방향의 사진(단, 4개의 핀 중 한 개에 대해서만 도시됨), (d)는 방전극을 위에서 촬영한 사진을 나타내는 도면이다. 스트리머 코로나가 4개의 핀(9)에서 균일하게 발생하며 그 강도도 종래에 비해 높음을 알 수 있다.

상기한 구조의 본 발명에 의하면, 양극과 음극이 모두 관 또는 봉상이므로 유입되는 배연가스의 유동에 대한 저항이 전극판을 사용하는 경우보다 작게 되어 압력손실을 낮출 수 있다.

또한, 종래의 방전선(4)보다 굵은 핀부착 방전극(7)을 사용함으로써 장치의 구조가 안정되며 더욱이 방전극에 부착된 핀(9) 역시 방전극(7)의 강도를 증가시켜 열변형에 대한 저항을 높이고 전극봉(8)간의 거리를 일정하게 유지할 수 있다.

더욱이, 핀(9)의 각도(도 6의 θ)를 조절함으로써, 방전극과 전극봉(8) 사이의 거리 및 핀부착 방전극(7) 상호간의 간섭에 의한 영향을 조절할 수 있다.

또한, 핀의 두께를 조절하여 스트리머 코로나의 생성특성을 제어하는 것도 가능하다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 핀부착 방전극과 전극봉을 이용한 플라즈마 탈황탈질 반응기에 대한 효과는 다음과 같다.

첫째, 장치의 구조가 안정되므로, 핀부착 방전극과 전극봉을 충분히 길게 하여 장치를 대형화하기가 용이하다.

둘째, 종래 방전선에 비해 굵은 방전극을 사용하므로, 방전선의 절단에 따른 스파크 발생으로 인해 펄스발생기의 파손을 방지함으로써 수명이 연장된다.

셋째, 봉상의 음극을 사용하므로 전극판에서와 같이 겹대기용접 등의 필요 없는 등, 전극 사이의 거리를 적절하게 유지하면서도 설치가 용이하도록 할 수 있어 구조가 단순화됨과 동시에 대형화가 용이하게 된다.

넷째, 균일하고 강도 높은 스트리머 코로나는 반응효율을 증대시키고, 장치 전체의 재료비, 시스템 중량을 감소시키며 동일 처리용량에 대해 장치를 콤팩트하게 할 수 있도록 한다.

다섯째, 음극이 봉의 형태이므로 분진의 부착면적이 적고, 반응기 내의 압력손실이 감소하여 배연가스 흡인기의 동력소비를 절감할 수 있게 한다.

Claims (5)

1. 펄스발생기(2)로부터 전원을 공급받는 부위와, 보일러(1)로부터 기체가 유입되는 통로와, 배연가스 흡인기(6)로 연결되는 통로와, 분진을 제거하기 위한 래퍼와, 전극으로서 다수의 양극 및 음극과, 전극이 부착되는 바(bar)(10)를 포함하는 플라즈마 탈황탈질 반응기(3)에 있어서,

   양극은 외주에 2개 이상의 핀(fin)(9)이 부착되며 단면이 원형 또는 다각형인 봉상(棒狀)의 방전극(7)이며, 음극은 단면이 원형 또는 다각형인 전극봉(8)인 것을 특징으로 하는 반응기.
2. 제1항에 있어서, 상기 핀부착 방전극 및 전극봉은 반응기 내에서 다수가 일렬로 배치되며, 이러한 핀부착 방전극과 전극봉의 열(列)이 반응기 내에서 서로 일정한 간격을 두고 적정한 수로 교대로 반복 배치되는 것을 특징으로 하는 반응기.
3. 제1항에 있어서, 상기 핀부착 방전극은 단면이 원형인 중공체(中空體)이며, 상기 전극봉은 단면이 원형 또는 사각형인 중공체인 것을 특징으로 하는 반응기.
4. 제1항에 있어서, 상기 핀이 4개인 것을 특징으로 하는 반응기.
5. 제4항에 있어서, 상기 핀이 인접하는 다른 핀과 이루는 각도(θ)가 60°에서 120°인 것을 특징으로 하는 반응기.