KR20000047389A - Apparatus and method for simutaneous removal of air pollutants using non-thermal plasma technology - Google Patents

Apparatus and method for simutaneous removal of air pollutants using non-thermal plasma technology Download PDF

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Abstract

PURPOSE: Air pollutant treatment equipment and its method by using plasma is provided for eliminating the air pollutant such as sulfur dioxide, nitrogen oxide, dioxin, etc. contained in exhaust gas generated from an iron-ore sintering plant, thermal power plant, etc. in plasma condition using pulse corona discharge. CONSTITUTION: Air pollutant treatment equipment (100) comprises a direct-current (DC) high-voltage supplier (110) for supplying the DC high-voltage; a pulse high-voltage generator (120) for outputting the DC high-voltage applied from the DC high-voltage supplier (110) by converting to the pulse high-voltage; a step-up transformer for elevating the pulse high-voltage output from the pulse high-voltage generator (120); a magnetic switch (140) for providing a pulse interval of the elevate pulse signal to a responsor after converting to a short interval by the step-up transformer (130); a plasma responsor (150) for generating corona discharge in a case of applying the pulse high-voltage from the magnetic switch (140) to a discharge pole; and a discharge circuit section (160) for discharging the full-charged high-voltage to the plasma responsor (150) after corona discharging.

Description

플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SIMUTANEOUS REMOVAL OF AIR POLLUTANTS USING NON-THERMAL PLASMA TECHNOLOGY}Apparatus and method for treating air pollutant using plasma {APPARATUS AND METHOD FOR SIMUTANEOUS REMOVAL OF AIR POLLUTANTS USING NON-THERMAL PLASMA TECHNOLOGY}

본 발명은 대기오염물질 처리 장치 및 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 철광석 소결공장, 화력 발전소등의 배가스에 함유되어 있는 대기오염물질인 이산화황, 질소 산화물, 다이옥신등을 펄스 코로나 방전을 이용한 플라즈마 상태에서 제거할 수 있도록 된 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for treating air pollutants, and more particularly, to plasma, which is an air pollutant contained in exhaust gases such as iron ore sintering plants and thermal power plants, nitrogen oxides, dioxins, and the like, by using a plasma corona discharge. It relates to an air pollutant treatment apparatus and method using a plasma that can be removed in a state.

일반적으로 화석 연료를 연소시키는 철광석 소결 공장이나 화력 발전소등에는 연료 연소시에 배출되는 배가스에 유해한 다량의 이산화황(SO2), 질소 산화물(NOx), 다이옥신 등이 포함되어 있기 때문에, 이러한 다량의 대기 오염 물질을 제거하기 위한 배가스 처리 설비를 구비한다.In general, iron ore sintering plants and thermal power plants that burn fossil fuels contain a large amount of sulfur dioxide (SO 2 ), nitrogen oxides (NO x ), and dioxins that are harmful to the flue gas emitted during fuel combustion. A flue gas treatment facility for removing air pollutants is provided.

현재 배가스의 이산화황을 제거하는 탈황 공정으로서 가장 널리 상용화되어 있는 기술은 석회석 슬러리를 이용한 습식 석회/석고법이고, 그 밖에 건식 흡수제, 활성탄 등을 이용한 건식 공정이 일부 상용화되어 가동중에 있다.Currently, the most widely used technology for removing sulfur dioxide from flue gas is wet lime / gypsum using limestone slurry, and other dry processes using dry absorbents and activated carbon are commercially available.

한편, 질소 산화물 제거방법으로는 원천적으로 질소 산화물이 생성되는 것을 억제하기 위한 화석 연료 연소시의 연소 방법의 개선이나 연소 후처리 방법인 배가스의 탈질 방법등이 있다. 이 중에서 배가스 탈질 방법은 질소 산화물을 수용액에 흡수시키는 지의 여부에 따라 습식법과 건식법으로 나뉘어진다. 이 중 습식법은 건식법에 비해 경제성이 떨어지고 수질 오염등의 2차 오염물질 처리가 요구되므로 건식법에 비해 상대적으로 열등한 방법이다. 건식법의 대표적인 상용화공정으로는 선택적 촉매 환원법(selective catalytic reduction,SCR)이 있다(K.Kawamura and V.H.Shui,Pilot plant experience in electron-beam treatment of iron-ore sintering flue gas and its application to coal boiler flue gas cleanup, Radiation Physical Chemical,vol.24,no.1,pp.117~127,1984). 선택적 촉매 환원법은 배가스와 환원제를 촉매층에 동시에 통과시키면서 배가스 내의 질소 산화물을 질소와 물로 선택적으로 환원시키는 방법이다.On the other hand, nitrogen oxide removal methods include improvement of the combustion method during fossil fuel combustion and the denitrification method of the exhaust gas, which is a post-combustion treatment method for suppressing the generation of nitrogen oxides. Among these, the flue gas denitrification method is divided into a wet method and a dry method depending on whether or not nitrogen oxide is absorbed into the aqueous solution. The wet method is relatively inferior to the dry method because it is less economical than the dry method and requires the treatment of secondary pollutants such as water pollution. Representative commercialization of the dry process is selective catalytic reduction (SCR) (K.Kawamura and VHShui, Pilot plant experience in electron-beam treatment of iron-ore sintering flue gas and its application to coal boiler flue gas cleanup, Radiation Physical Chemical, vol. 24, no. 1, pp. 117-127,1984). The selective catalytic reduction method is a method of selectively reducing nitrogen oxide in the exhaust gas to nitrogen and water while simultaneously passing the exhaust gas and the reducing agent through the catalyst layer.

그러나 이러한 종래의 대기오염물질 처리 방법에서는 대량의 배가스가 성격이 전혀 다른 탈황 및 탈질 두 공정을 순차적으로 거치면서 오염물질이 처리됨에 따라 초기 투자비 및 운전비가 상승되게 되고, 탈황 및 탈질공정의 최적 공정 결합이 요구될 뿐만 아니라 습식법에서의 폐수 배출등이 문제점으로 지적되고 있다.However, in the conventional air pollutant treatment method, as the pollutants are sequentially processed through two processes of desulfurization and denitrification, in which a large amount of flue gas has completely different characteristics, the initial investment and operating costs are increased, and an optimal process of desulfurization and denitrification is performed. Not only is it required to be combined, but the discharge of waste water from the wet method is pointed out as a problem.

따라서, 이러한 문제점을 개선하기 위한 일방편으로 제시된 것이 플라즈마를 이용하여 대기오염물질을 건식으로 동시에 처리하여 제거하는 방법이다. 이러한 종래의 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치를 도 1에 도시된 플라즈마 반응기를 참조로 하여 설명하면, 플라즈마 반응기(10)는 일정 간격으로 마련된 다수의 방전극(12)과 접지판(11)으로 이루어지는 선-판형 구조로 되어 있다. 이러한 플라즈마 반응기(10)의 방전극(12)에 펄스 고전압을 인가하여 방전을 시키면 배가스가 플라즈마 상태가 되어 O,OH,HO2와 같은 다량의 산화성 라디칼 및 오존이 발생되며, 이산화황, 질소산화물 등은 이러한 산화성 라디칼 및 오존과 하기 반응식1부터 반응식10과 같이 반응하여 제거된다.Therefore, one way to improve this problem is to use a plasma to simultaneously remove and remove the air pollutants by dry. Referring to the conventional apparatus for treating air pollutants using plasma, the plasma reactor 10 includes a plurality of discharge electrodes 12 and ground plates 11 provided at regular intervals. It has a line-plate structure. When discharged by applying a pulsed high voltage to the discharge electrode 12 of the plasma reactor 10, the exhaust gas is in a plasma state, and a large amount of oxidative radicals and ozone such as O, OH, and HO 2 are generated, and sulfur dioxide, nitrogen oxide, and the like. The oxidative radical and ozone are reacted and removed as in Scheme 10 through Scheme 1 below.

SO2+ OH ->HSO3 SO 2 + OH-> HSO 3

HSO3+ OH ->H2SO4 HSO 3 + OH-> H 2 SO 4

SO2+ O ->SO3 SO 2 + O-> SO 3

SO3+ H2O ->H2SO4 SO 3 + H 2 O-> H 2 SO 4

NO + O ->NO2 NO + O-> NO 2

NO + HO2->NO2+ OHNO + HO 2- > NO 2 + OH

NO + OH ->HNO2 NO + OH-> HNO 2

HNO2+ OH ->NO2+ H2OHNO 2 + OH-> NO 2 + H 2 O

NO + O3->NO2+ O2 NO + O 3- > NO 2 + O 2

NO2+ OH ->HNO3 NO 2 + OH-> HNO 3

이때, 이산화황 및 질소산화물과 산화성 라디칼 및 오존의 반응에 의해 생성되는 황산(H2SO4) 및 질산(HNO3)은 암모니아(NH3)와의 화학 반응으로 중화되어 황산암모늄 및 질산암모늄으로 전환된다.At this time, sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and nitric acid (HNO 3 ) produced by the reaction of sulfur dioxide and nitrogen oxides with oxidative radicals and ozone are neutralized by chemical reaction with ammonia (NH 3 ) and converted into ammonium sulfate and ammonium nitrate. .

한편, 종래의 플라즈마 반응기(10)의 방전극(12)에 펄스 고전압을 인가하기 위하여 마련된 펄스 고전압 발생장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 회전 스파크 갭 스위치(13)가 사용되며 이는 직류 고전압을 콘덴서(CP)에 충전시켰다가 회전 스파크갭 스위치(13)의 스위칭 동작에 따라 콘덴서(CP)를 순간적으로 방전시켜 펄스 고전압을 발생시킨다(Civitano,L.,Industrial application of plused corona processing to flue gas,in Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control,Part B,B.M.Penetrante and S.E.Schultheis,Ed.Springer-Verlag,1993,pp.103~130).On the other hand, the pulse high voltage generator is provided to apply a high pulse voltage to the discharge electrode 12 of the conventional plasma reactor 10, as shown in Figure 2, the rotary spark gap switch 13 is used to convert the direct current high voltage capacitor (C P ) and then discharge the capacitor (C P ) instantaneously according to the switching operation of the rotary spark gap switch 13 to generate a pulsed high voltage (Civitano, L., Industrial application of plused corona processing to flue gas , in Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control, Part B, BMPenetrante and SESchultheis, Ed.Springer-Verlag, 1993, pp. 103-130).

그러나, 펄스 고전압 발생장치를 구현하는 데 있어 회전 스파크갭 스위치(13)는 제작하기가 간편하고 가격이 저렴한 장점이 있으나, 계속 반복되는 스위칭 동작에 의한 스파크 갭의 마모로 인해 수명이 짧아 장시간 운전이 불가능한 문제점이 있다. 또한, 플라즈마 반응기(10)는 전기적인 저항 성분과 콘덴서 성분을 동시에 가지고 있어 플라즈마 반응기(10)의 방전극(12)에 짧은 고전압 펄스가 인가되어도 전압의 펄스폭이 상당히 길어진다. 전압의 펄스폭이 길어지는 이유는 플라즈마 반응기에 생성된 이온공간 전하 때문이며, 전압의 펄스폭이 1㎲이상으로 길어지면 코로나 방전에서 아크 방전으로 전이되기 때문에 방전극에 높은 전압을 인가하기 곤란한 문제점이 있다.However, the rotational spark gap switch 13 has a merit of being easy to manufacture and inexpensive in implementing a pulsed high voltage generator, but a long service life due to short life due to wear of the spark gap due to repeated switching operation. There is an impossible problem. In addition, the plasma reactor 10 has both an electrical resistance component and a capacitor component, so that even if a short high voltage pulse is applied to the discharge electrode 12 of the plasma reactor 10, the pulse width of the voltage becomes considerably longer. The reason why the pulse width of the voltage is long is due to the ion space charge generated in the plasma reactor, and when the pulse width of the voltage becomes longer than 1 mV, it is difficult to apply a high voltage to the discharge electrode because it is transferred from the corona discharge to the arc discharge. .

또한, 종래에는 펄스 고전압 발생장치의 콘덴서 정전 용량을 플라즈마 반응기의 정전용량보다 최소한 100배이상 크게 설계함으로서 펄스 고전압 발생장치로부터 플라즈마 반응기로의 전기 에너지 전달 효율이 30%정도로 상당히 낮은 문제가 있다. 그리고, 효과적으로 코로나 방전을 유도할 수 있도록 하는 플라즈마 반응기의 설계 기준이 없어 반응기가 대형화되는 문제점이 있었다.In addition, conventionally, by designing the capacitor capacitance of the pulse high voltage generator at least 100 times larger than the capacitance of the plasma reactor, there is a problem that the electrical energy transfer efficiency from the pulse high voltage generator to the plasma reactor is about 30%. In addition, there is a problem that the reactor is enlarged because there is no design standard of the plasma reactor to effectively induce corona discharge.

플라즈마 반응기를 이용한 대기 오염 물질 처리 기술은 초기 투자비 및 설치부지가 작고 부산물의 처리도 간단한 반면 탈황 효율에 비해 탈질 효율이 낮고 큰 운전 전력이 요구되는 문제점이 있다. 따라서, 플라즈마 공정의 경쟁력 향상 및 실용화를 위해 오염물 제거 효율을 향상시키고, 운전전력을 저감시킬 필요가 있다.The air pollutant treatment technology using the plasma reactor has a problem that the initial investment cost and the installation site are small, and the by-products are simple to be treated, but the denitrification efficiency is low compared to the desulfurization efficiency and a large operation power is required. Therefore, in order to improve the competitiveness and practical use of the plasma process, it is necessary to improve the pollutant removal efficiency and reduce the operating power.

따라서, 본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 그 목적은 플라즈마 반응기에 펄스 고전압을 인가함에 있어서 발생되는 코로나 방전이 아크방전으로 전이되는 것을 방지하여 반응기로 인가되는 첨두 전압을 증가시킴으로써 플라즈마 반응기에 투입되는 전기에너지를 증가시킬 수 있도록 된 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치 및 그 방법을 제공하고자 하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve such a conventional problem, the object of which is to prevent the corona discharge generated in applying the pulsed high voltage to the plasma reactor to the arc discharge to prevent the peak voltage applied to the reactor It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for treating air pollutants using plasma, which can increase electrical energy introduced into a plasma reactor by increasing the amount.

본 발명의 다른 목적은 펄스 고전압 발생장치로부터 플라즈마 반응기로의 전기에너지 전달효율을 증가시켜 전력 손실을 줄이고, 플라즈마 반응기의 크기를 소형화시킨 상태에서도 효과적인 코로나 방전이 유도될 수 있도록 한 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to reduce the power loss by increasing the electrical energy transfer efficiency from the pulse high voltage generator to the plasma reactor, and to reduce the size of the plasma reactor air pollution using the plasma to induce an effective corona discharge It is to provide a material processing apparatus and method thereof.

본 발명의 또 다른 목적은 대기오염물질의 제거 효율을 향상시킬 수 있는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide an apparatus and method for treating air pollutants using plasma which can improve the efficiency of removing air pollutants.

도 1은 종래의 플라즈마 반응기의 개략적인 구성을 보인 도이다.1 is a view showing a schematic configuration of a conventional plasma reactor.

도 2는 종래의 플라즈마 반응기의 전기적인 구성을 보인 회로도이다.2 is a circuit diagram showing the electrical configuration of a conventional plasma reactor.

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치의 구성을 보인 회로도이다.3 is a circuit diagram showing the configuration of the air pollutant treatment apparatus using the plasma according to the present invention.

도 4는 본 발명을 구현하기 위한 플라즈마 반응기의 일예를 보인 사시도이다.4 is a perspective view showing an example of a plasma reactor for implementing the present invention.

도 5는 본 발명을 구현하기 위한 플라즈마 반응기의 일예에 따른 방전극의 배열구조도이다.5 is an arrangement structure diagram of the discharge electrode according to an embodiment of the plasma reactor for implementing the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 대기오염물질 처리장치의 각 회로부의 전압 및 전류파형도를 도시한 것이다.Figure 6 shows the voltage and current waveform diagram of each circuit portion of the air pollutant treatment apparatus according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치의 구성을 보인 시스템도이다.7 is a system diagram showing the configuration of the air pollutant treatment apparatus using the plasma according to the present invention.

도 8은 본 발명에 따른 대기오염물질 처리방법을 설명하기 위한 암모니아 및 프로필렌의 주입량의 관계를 보인 그래프이다.Figure 8 is a graph showing the relationship between the injection amount of ammonia and propylene for explaining the air pollutant treatment method according to the present invention.

도 9는 본 발명의 대기오염물질 처리방법에 있어서 수산화칼슘을 중화제로 사용한 경우의 탈황율을 보인 그래프이다.9 is a graph showing the desulfurization rate when using calcium hydroxide as a neutralizing agent in the air pollutant treatment method of the present invention.

도 10은 선-판형 소형 플라즈마 반응기의 개략구성도이다.10 is a schematic diagram of a line-plate small plasma reactor.

도 11은 도 10의 소형 플라즈마 반응기에 펄스고전압을 인가하기 위해 제작된 펄스발생장치의 전기회로도이다.FIG. 11 is an electrical circuit diagram of a pulse generator manufactured to apply a pulsed high voltage to the small plasma reactor of FIG. 10.

도 12는 펄스형성콘덴서의 정전용량을 변화시켰을 때 전기에너지 전달효율의 변화를 보인 그래프이다.12 is a graph showing a change in electric energy transfer efficiency when the capacitance of the pulse forming capacitor is changed.

도 13은 플라즈마 반응기에 인가되는 피크전압에 따른 이산화황 및 질소산화물의 제거량의 관계를 보인 그래프이다.FIG. 13 is a graph showing a relationship between removal amount of sulfur dioxide and nitrogen oxide according to a peak voltage applied to a plasma reactor.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

100:대기오염물질처리장치, 101:접지판,100: air pollutant treatment device, 101: ground plate,

102:반전극, 110:직류 고전압 공급기,102: half electrode, 110: DC high voltage supply,

120:펄스 고전압 발생기, 130:승압 트랜스,120: pulse high voltage generator, 130: step-up transformer,

140:자기 스위치, 150:플라즈마 반응기,140: magnetic switch, 150: plasma reactor,

160:방전 회로부, 170:전기집진기.160: discharge circuit portion, 170: electrostatic precipitator.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치는 유입된 배가스를 코로나 방전에 의해 플라즈마 상태로 변환시킨 상태에서 배가스에 포함된 대기오염물질을 제거하는 대기오염물질 처리 장치에 있어서, 방전극에 고전압을 인가받아 코로나 방전을 발생시키는 플라즈마 반응기와, 입력전원을 직류 고전압으로 변환하여 출력하는 직류 고전압 공급기와, 상기 직류 고전압 공급기로부터 공급되는 직류 고전압을 소정 주기의 펄스 고전압으로 변환하여 출력하는 펄스발생기와, 상기 펄스발생기의 펄스 고전압을 코로나 방전을 위한 소정 레벨의 코로나 방전 전압으로 승압시키는 승압 트랜스와, 상기 승압 트랜스에 의해 승압된 고전압 펄스의 폭을 짧게 변환시킨 후 상기 플라즈마 반응기의 방전극에 공급하는 자기 스위치와, 상기 플라즈마 반응기에 의한 코로나 방전 직후에 상기 플라즈마 반응기에 충전된 고전압을 방전시키는 방전 회로부를 구비한다.In order to achieve the above object, the air pollutant treating apparatus using the plasma according to the present invention is an air pollutant treating apparatus for removing the air pollutants contained in the exhaust gas in a state in which the inlet exhaust gas is converted into a plasma state by corona discharge. A plasma reactor for generating a corona discharge by applying a high voltage to the discharge electrode, a DC high voltage supply for converting an input power into a DC high voltage, and outputting a DC high voltage supplied from the DC high voltage supply to a pulse high voltage of a predetermined cycle. A pulse generator for outputting the pulse generator, a boost transformer for boosting the pulse high voltage of the pulse generator to a corona discharge voltage of a predetermined level for corona discharge, and a short width of the high voltage pulse boosted by the boost transformer; Supplied to the discharge electrode The magnetic switch and the discharge circuit part which discharges the high voltage charged in the said plasma reactor immediately after the corona discharge by the said plasma reactor are provided.

또한, 본 발명에 따른 대기오염물질 처리 방법은 플라즈마 반응기에 펄스 고전압을 인가하여 코로나 방전을 발생시키고, 코로나 방전에 의해 배가스를 플라즈마 상태로 변환시킨 상태에서 배가스에 포함된 대기오염물질을 제거하는 대기오염물질 처리 방법에 있어서, 상기 배가스에 반응첨가제를 주입하는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계후 펄스 고전압을 플라즈마 반응기에 인가하여 배가스를 플라즈마 상태에서 처리하는 제 2 단계를 구비하여 이루어진다.In addition, the air pollutant treatment method according to the present invention is to generate a corona discharge by applying a pulsed high voltage to the plasma reactor, the atmosphere to remove the air pollutants contained in the exhaust gas in a state in which the exhaust gas is converted to a plasma state by the corona discharge. A pollutant treatment method comprising: a first step of injecting a reaction additive into the exhaust gas; and a second step of applying a pulsed high voltage to the plasma reactor after the first step to treat the exhaust gas in a plasma state.

이하에는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치 및 그 방법의 구성 및 작용효과를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration and operational effects of the air pollutant treatment apparatus and method using the plasma according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치의 일예에 따른 전기적 구성을 보인 회로도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기 오염 물질 처리 장치(100)는 직류 고전압을 공급하는 직류 고전압 공급기(110)와, 상기 직류 고전압 공급기(110)로부터 인가되는 직류 고전압을 펄스 고전압으로 변환하여 출력하는 펄스 고전압 발생기(120)와, 상기 펄스 고전압 발생기(120)로부터 출력되는 펄스 고전압을 승압시키는 승압 트랜스(130)와, 상기 승압 트랜스(130)에 의해 승압된 펄스 신호의 펄스폭을 짧게 변환시킨 후 플라즈마 반응기로 제공하는 자기 스위치(140)와, 상기 자기 스위치(140)로부터 방전극에 펄스 고전압이 인가되는 경우 코로나 방전을 발생시키는 플라즈마 반응기(150)와, 코로나 방전후 상기 플라즈마 반응기(150)에 충전된 고전압을 방전시키는 방전 회로부(160)를 구비하여 이루어진다.Figure 3 is a circuit diagram showing an electrical configuration according to an embodiment of the air pollutant treatment apparatus using a plasma according to the present invention. As shown in FIG. 3, the apparatus 100 for treating air pollutants using plasma according to the present invention includes a DC high voltage supply 110 supplying a DC high voltage and a DC high voltage applied from the DC high voltage supply 110. A pulse high voltage generator 120 for converting and outputting a pulse high voltage, a boost transformer 130 for boosting the pulse high voltage output from the pulse high voltage generator 120, and a pulse signal boosted by the boost transformer 130. A magnetic switch 140 for shortening the pulse width and providing the plasma reactor, a plasma reactor 150 generating a corona discharge when a high pulse voltage is applied from the magnetic switch 140 to the discharge electrode, and after the corona discharge. And a discharge circuit unit 160 for discharging the high voltage charged in the plasma reactor 150.

이러한 구성에 있어서, 상기 펄스 고전압 발생기(120)는 상기 직류 고전압 공급기(110)로부터의 직류 고전압을 저항(R1,R2)과의 시정수에 따라 충전하는 콘덴서(C1)와, 미도시된 제어부로부터의 제어 신호(CS)에 의해 온/오프 스위칭동작을 하고, 온 시간에 상기 콘덴서(C1)에 충전된 전압을 승압 트랜스측으로 방전시키는 스위치(SW1)를 구비한다.In this configuration, the pulse high voltage generator 120 includes a capacitor C1 that charges the DC high voltage from the DC high voltage supply 110 according to time constants with the resistors R1 and R2, and a control unit not shown. And a switch SW1 for performing on / off switching operation by the control signal CS and discharging the voltage charged in the capacitor C1 to the boost transformer side at the on time.

상기 자기 스위치(140)는 콘덴서(C)와 인덕터(L)를 병렬로 구성한 적어도 2개 이상의 LC회로를 병렬로 접속하여 구성된다.The magnetic switch 140 is configured by connecting at least two or more LC circuits having the capacitor C and the inductor L in parallel.

상기 방전 회로부(160)는 상기 플라즈마 반응기(150)에 병렬로 접속한 방전 저항(RP)을 포함하고, 이 방전 저항과 직렬로 접속한 인덕터(LP)를 포함한다. 이때 방전 저항(일예로 400ohm)과 인덕터(200μH)의 전체 임피던스는 상기 플라즈마 반응기(150)의 등가 임피던스(대략 50 ohm)보다 크게 설정되되 바람직하게는 대략 10배 정도로 크게 설정되어 상기 자기 스위치(140)의 펄스 전압이 전력손실없이 상기 플라즈마 반응기(150)로 제공될 수 있도록 한다. 또한, 상기 방전회로부(160)는 상기 플라즈마 반응기(150)의 축전기 성분과 방전 저항에 의한 시정수를 플라즈마 반응기(150)에서 요구하는 펄스폭의 1.0~2.0배로 설정하되, 바람직하게는 대략 1.5배로 설정한다.The discharge circuit unit 160 includes a discharge resistor R P connected in parallel to the plasma reactor 150, and includes an inductor L P connected in series with the discharge resistor. At this time, the total impedance of the discharge resistance (for example 400 ohm) and the inductor 200μH is set to be larger than the equivalent impedance (approximately 50 ohm) of the plasma reactor 150, but preferably set to be approximately 10 times larger than the magnetic switch 140. Pulse voltage) can be provided to the plasma reactor 150 without power loss. In addition, the discharge circuit unit 160 sets the time constant by the capacitor component and the discharge resistance of the plasma reactor 150 to 1.0 to 2.0 times the pulse width required by the plasma reactor 150, preferably about 1.5 times. Set it.

상기 플라즈마 반응기(150)는 코로나 방전 개시전에는 콘덴서로 또한 코로나 개시후에는 가변 축전기와 가변 저항의 병렬 구조로 표현되며, 이때 LL은 반응기의 표유 인덕턴스(stray inductance)이고, CL은 가변축전기, RL은 가변저항을 나타낸다.The plasma reactor 150 is represented by a condenser before the start of the corona discharge and a parallel structure of the variable capacitor and the variable resistor after the start of the corona, where L L is the stray inductance of the reactor, C L is the variable capacitor, R L represents a variable resistor.

또한, 상기 본 발명에 따른 대기 오염 물질 처리 장치는 과전류나 역전류가 유입되어 직류 고전압 공급기(110)가 손상되는 것을 방지하기 위해 상기 직류 고전압 공급기(110)의 출력단에 역전류 유입 방지용 역방향 다이오드(D1)를 구비한다.In addition, the apparatus for treating air pollutants according to the present invention includes a reverse diode for preventing reverse current inflow at an output terminal of the DC high voltage supply 110 to prevent an overcurrent or reverse current from being damaged. D1).

도 4는 본 발명을 구현하기 위한 플라즈마 반응기의 구조를 보인 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명을 구현하기 위한 플라즈마 반응기(150)는 (+)의 펄스 고전압이 인가되고 일예로 직경이 3mm로 형성된 방전극(101)과, 일예로 높이와 길이가 각각 2m와 5m의 평판형상으로 되고 접지되어 있는 접지판(102)으로 구성된다. 이때, 방전극(101)과 접지판(102)은 모두 탄소강으로 형성되고, 방전극(101)은 두 개의 접지판(102)사이에 위치한다. 접지되어 있는 접지판(102)간의 거리는 일예로 200mm이고, 따라서 방전극(101)과 접지판(102)간의 거리는 100mm 이다. 그리고, 배가스가 통과되며 처리되는 플라즈마 반응기(150)의 유효폭은 대략 1.2m로 제작되기 때문에 플라즈마 반응기에는 총 6개의 배가스 유로가 형성되게 된다.4 is a perspective view showing the structure of a plasma reactor for implementing the present invention. As shown in FIG. 4, the plasma reactor 150 for implementing the present invention includes a discharge electrode 101 having a positive pulse voltage applied thereto, for example, having a diameter of 3 mm, and, for example, 2 m in height and length, respectively. And a ground plate 102 having a flat plate shape of 5 m and grounded. In this case, both the discharge electrode 101 and the ground plate 102 are formed of carbon steel, and the discharge electrode 101 is positioned between the two ground plates 102. The distance between the ground plate 102 which is grounded is 200 mm, for example, and therefore the distance between the discharge electrode 101 and the ground plate 102 is 100 mm. In addition, since the effective width of the plasma reactor 150 through which the exhaust gas is processed is manufactured to about 1.2 m, a total of six exhaust gas flow paths are formed in the plasma reactor.

플라즈마 반응기(150)는 양극인 방전극(101)과 음극인 접지판(102)으로 구성되어 있어 일종의 콘덴서라고 볼 수 있으며, 코로나 방전이 일어나기 전의 기구적 정전 용량은 약 4.0 ㎋이다.The plasma reactor 150 is composed of a discharge electrode 101 as an anode and a ground plate 102 as a cathode, which can be regarded as a kind of capacitor. The mechanical capacitance before the corona discharge is about 4.0 kW.

도 5는 본 발명을 구현하기 위한 플라즈마 반응기의 방전극의 배열구조를 보인 일실시예이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 방전극(101)은 두개의 접지판(102) 사이에 위치하고 있으며, 방전극(101)간의 거리는 적어도 방전극(101)과 접지판(102)간의 거리보다 크게 설정한다. 방전극 1세트는 총 18개의 방전극으로 구성되며, 플라즈마 반응기는 총 6개의 방전극 세트를 가지고 있어 플라즈마 반응기(150)의 총 방전극 길이는 방전극과 접지판 사이에서 코로나 방전이 일어날 수 있는 유효 길이만을 고려하면 216m(18개*2m*6세트)가 된다.Figure 5 is an embodiment showing the arrangement of the discharge electrode of the plasma reactor for implementing the present invention. As shown in FIG. 5, the discharge electrode 101 is located between two ground plates 102, and the distance between the discharge electrodes 101 is set to be at least greater than the distance between the discharge electrode 101 and the ground plate 102. One set of discharge electrodes is composed of a total of 18 discharge electrodes, the plasma reactor has a total of six discharge electrode sets, the total discharge electrode length of the plasma reactor 150 considering only the effective length that can occur corona discharge between the discharge electrode and the ground plate It is 216m (18 * 2m * 6 sets).

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 대기오염물질 처리 장치의 각 회로부의 전압 및 전류파형도를 도시한 것이다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치는 직류 고전압 공급기(110)로부터 30kV의 직류 고전압을 공급받아 승압 트랜스(130)를 통해 5배인 150kV 정도로 승압된 전압 펄스를 자기 스위치(140)에 의해 플라즈마 반응기(150)로 인가하게 된다. 이때, 도 6a는 측정 포인트 VD1,VD2,VD3에서 측정한 전압파형을 도시한 것이고, 도 6b는 측정 포인트 CT1,CT2,CT3에서 측정한 전류파형을 도시한 것이다.6A and 6B show voltage and current waveform diagrams of circuit parts of an air pollutant treatment apparatus according to the present invention. 6A and 6B, the apparatus for treating air pollutants using plasma according to the present invention receives a high DC voltage of 30 kV from the DC high voltage supply 110 and boosts the pressure to about 150 kV, which is 5 times through the boost transformer 130. The applied voltage pulse is applied to the plasma reactor 150 by the magnetic switch 140. 6A illustrates voltage waveforms measured at the measurement points VD1, VD2, and VD3, and FIG. 6B illustrates current waveforms measured at the measurement points CT1, CT2, and CT3.

플라즈마 반응기(150)로 인가되는 펄스 전압 및 전류 파형은 VD3와 CT3에서 측정된 것으로 최종적으로 반응기에 인가되는 전압은 첨두치가 110kV에 이르며, 첨두 전류는 2.3kA에 이른다. 이때 플라즈마 반응기(150)로 인가되는 펄스신호의 폭은 대략 1㎲로써 상기와 같은 전압에서도 플라즈마 반응기(150)에 아크 방전이 발생되지 않는다.The pulse voltage and current waveforms applied to the plasma reactor 150 were measured at VD3 and CT3. Finally, the voltage applied to the reactor reaches a peak value of 110 kV and the peak current reaches 2.3 kA. At this time, the width of the pulse signal applied to the plasma reactor 150 is approximately 1㎲ and arc discharge does not occur in the plasma reactor 150 even at the above voltage.

이하에는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치 및 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, an apparatus and a method for treating air pollutants using plasma according to the present invention will be described in detail.

먼저, 본 발명에 따른 대기오염물질 처리 장치의 직류 고전압 공급기(110)는 최고 40kV의 직류 고전압을 공급하는 데, 본 발명의 일실시예에서는 30kV정도의 직류 고전압을 펄스 발생기(120)에 공급한다.First, the DC high voltage supplier 110 of the air pollutant treating apparatus according to the present invention supplies a DC high voltage of up to 40 kV. In one embodiment of the present invention, a DC high voltage of about 30 kV is supplied to the pulse generator 120. .

상기 펄스 발생기(120)는 직류 고전압 공급기(110)에서 공급되는 직류 고전압을 일정 주파수를 갖는 펄스 고전압으로 변환시키는 데, 구체적으로 30kV의 직류 고전압이 저항(R1)(R2)과 콘덴서(C1)의 시정수에 따라 콘덴서(C1)에 충전되고, 제어부(도면 미도시)로부터 제공되는 제어신호(CS)에 따라 스위칭 동작을 수행하는 스위치(SW1)가 온 상태일때 상기 콘덴서(C1)에 저장된 에너지는 승압 트랜스(130)를 거쳐 콘덴서(C2)로 전달되고 자기 스위치(140)에 의해 순차적으로 압축된다. 상기 제어부로부터 제공되는 제어 신호(CS)는 온제어신호와 오프제어신호가 계속적으로 반복되는 신호로써, 이 신호에 응답하여 자기 스위치(140)가 온/오프상태를 계속 반복한다.The pulse generator 120 converts the DC high voltage supplied from the DC high voltage supply 110 into a pulse high voltage having a predetermined frequency. Specifically, the DC high voltage of 30 kV is applied to the resistors R1 and R2 and the capacitor C1. The energy stored in the capacitor C1 when the switch SW1 is charged to the capacitor C1 according to the time constant and performs the switching operation according to the control signal CS provided from the controller (not shown) is It is transmitted to the condenser C2 via the boost transformer 130 and sequentially compressed by the magnetic switch 140. The control signal CS provided from the controller is a signal in which the on control signal and the off control signal are continuously repeated, and the magnetic switch 140 continuously repeats the on / off state in response to the signal.

상기 승압트랜스(130)는 1,2차 권선비가 1대 5로 구성되어 있어, 상기 펄스 발생기(120)의 펄스 전압을 5배로 승압한 150kV의 펄스 전압을 자기 스위치(140)에 공급한다.The boost transformer 130 has a 1 to 5 primary and secondary winding ratio, and supplies a 150 kV pulse voltage to the magnetic switch 140 by boosting the pulse voltage of the pulse generator 120 by 5 times.

상기 자기 스위치(140)는 상기 승압 트랜스(130)에 의해 승압된 고전압 펄스의 폭을 짧게 변환시킨 후 플라즈마 반응기(150)로 제공하는 데, 이를 구체적으로 설명하면 콘덴서(C2)가 충전되는 동안에는 회로에 큰 인덕턴스가 주어져 첫번째 자기 스위치(L2)가 닫혀있게 된다. 첫번째 자기스위치(L2)가 포화되고 나면 콘덴서(C2)에 충전된 에너지는 콘덴서(C3)로 흘러 충전을 하며 이때의 충전시간은 대략 1μs이다. 두번째 자기 스위치(L3)가 포화되면 콘덴서(C3)의 에너지는 플라즈마 반응기로 전달된다.The magnetic switch 140 shortens the width of the high voltage pulse boosted by the boost transformer 130 and provides the plasma reactor 150. Specifically, the magnetic switch 140 provides a circuit while the capacitor C2 is charged. A large inductance is given to the first magnetic switch L2 to close. After the first magnetic switch L2 is saturated, the energy charged in the condenser C2 flows to the condenser C3 to be charged, and the charging time at this time is approximately 1 μs. When the second magnetic switch L3 is saturated, the energy of the condenser C3 is transferred to the plasma reactor.

또한, 상기 방전 회로부(160)는 방전 저항(RP)과 직렬로 접속한 인덕터(LP)를 포함하고 있는 데, 이 방전 저항(RP)과 인덕터(LP)의 전체 임피던스가 상기 플라즈마 반응기(150)의 등가 임피던스보다 10배 가량 크게 설정되어 상기 자기 스위치(140)의 펄스 전압이 전력 손실없이 상기 플라즈마 반응기(150)로 제공되게 된다.Further, the total impedance of the plasma of the discharge circuit 160 includes a discharge resistance (R P) and for containing a series inductor (L P) connected to the discharge resistor (R P) and inductor (L P) The pulse impedance of the magnetic switch 140 is provided to the plasma reactor 150 without power loss by being set about 10 times larger than the equivalent impedance of the reactor 150.

상기 플라즈마 반응기(150)의 방전극(101)에 펄스 고전압이 인가되면 전압은 빠르게 상승하여 반응기에 충전되게 된다. 펄스 고전압의 충전으로 방전극과 접지판 사이의 전압이 코로나 개시 전압에 도달한 후 통계적 지연 시간인 일정 시간이 경과하면, 방전극으로부터 코로나 방전이 시작되게 된다. 코로나 방전으로 인하여 방전극과 접지판 사이로 유입된 배가스의 절연이 파괴되어 플라즈마 상태가 되고, 그에 따라 다량의 산화성 라디칼 및 오존이 발생되어 배가스내에 포함된 대기오염물질인 이산화황이나 질소산화물을 제거시키게 된다.When a pulsed high voltage is applied to the discharge electrode 101 of the plasma reactor 150, the voltage rises rapidly to be charged in the reactor. When the voltage between the discharge electrode and the ground plate reaches the corona starting voltage due to the charging of the pulse high voltage, the corona discharge starts from the discharge electrode when a certain time, which is a statistical delay time, elapses. Due to the corona discharge, the insulation of the exhaust gas introduced between the discharge electrode and the ground plate is destroyed to form a plasma state, and thus a large amount of oxidative radicals and ozone are generated to remove sulfur dioxide or nitrogen oxide, which are air pollutants contained in the exhaust gas.

이때, 플라즈마 반응기로 제공되는 고전압 펄스 신호의 폭이 대략 1㎲정도가 바람직한데, 이 고전압 펄스의 폭이 1㎲이상으로 길게 유지되면 바람직하지 않게도 아크 방전이 일어나게 된다. 따라서 고전압 펄스의 폭을 1㎲이내로 유지되도록 플라즈마 반응기의 콘덴서 성분에 충전된 전압을 방전 회로부(160)에 의해서 신속하게 방전시켜야 한다. 따라서, 이를 위하여 본 발명의 일실시예에서는 상기 플라즈마 반응기의 콘덴서 성분과 방전 회로부(160)의 방전 저항에 의해 결정되는 시정수를 상기 1㎲의 1.5배 가량인 1.5㎲ 정도로 설정하여 상기 플라즈마 반응기(150)에서 코로나 방전이 발생한 이후에 이 플라즈마 반응기(150)에 충전된 고전압이 상기 방전회로부(160)를 통해서 신속하게 방전될 수 있도록 한다.At this time, the width of the high voltage pulse signal provided to the plasma reactor is preferably about 1 kW. If the width of the high voltage pulse is kept longer than 1 kW, the arc discharge undesirably occurs. Therefore, the voltage charged in the condenser component of the plasma reactor must be quickly discharged by the discharge circuit unit 160 to maintain the width of the high voltage pulse within 1 kW. Therefore, in this embodiment of the present invention, the time constant determined by the capacitor component of the plasma reactor and the discharge resistance of the discharge circuit unit 160 is set to about 1.5 μs, which is about 1.5 times the 1 μm. After the corona discharge occurs in 150, the high voltage charged in the plasma reactor 150 may be quickly discharged through the discharge circuit unit 160.

이러한 본 발명의 일실시예에 따른 구성에 의해 플라즈마 반응기로 공급되는 펄스 고전압은 첨두 전압이 대략 110kV, 첨두 전류가 대략 2.3kV인 펄스파형이 된다.The pulsed high voltage supplied to the plasma reactor by the configuration according to the embodiment of the present invention becomes a pulse waveform having a peak voltage of about 110 kV and a peak current of about 2.3 kV.

한편, 플라즈마 반응기(150)로 인가되는 고전압 펄스의 펄스당 공급 에너지(E)는 다음의 수학식 1에 보인 바와 같이, 전압(V) 및 전류(I)를 곱한 후 시간(t)에 대해 적분하여 구할 수 있으며, 여기에서 소비 전력(P)은 펄스당 공급된 에너지(E)를 펄스 반복율 즉, 주파수(f)를 곱하여 얻어지며 이는 수학식 2와 같다.On the other hand, the supply energy (E) per pulse of the high-voltage pulse applied to the plasma reactor 150 is integrated over time (t) after multiplying the voltage (V) and the current (I), as shown in Equation 1 below. In this case, the power consumption P is obtained by multiplying the energy E supplied per pulse by the pulse repetition rate, that is, the frequency f.

상기 수학식 1에 의해 플라즈마 반응기에 펄스당 공급되는 에너지를 계산하면 60J이고, 펄스 반복율(1초당 방전극에 인가된 펄스 횟수 즉, 주파수)이 200Hz일때 방전 전력은 12kW이다. 펄스당 공급되는 에너지 60J은 플라즈마 반응기에 병렬로 연결된 저항에서 소모된 에너지를 포함하고 있다. 따라서, 전류 측정 위치를 옮겨 플라즈마 반응기로 흐르는 전류만을 가지고 다시 같은 계산을 반복하면 저항에서 소모되는 에너지는 불과 펄스당 약 3J 미만으로 매우 작음을 알수 있는 데, 그 이유는 플라즈마 반응기에 병렬로 인덕터를 설치하여 전류가 저항으로 흐르지 못하게 되었기 때문이다.When the energy supplied per pulse to the plasma reactor is calculated by Equation 1, the discharge power is 12 kW when the pulse repetition rate (the number of pulses applied to the discharge electrode per second, that is, the frequency) is 200 Hz. The energy supplied per pulse of 60J contains the energy consumed in the resistors connected in parallel to the plasma reactor. Therefore, if we move the current measurement position and repeat the same calculation again with only the current flowing into the plasma reactor, we can see that the energy consumed in the resistance is very small, less than about 3J per pulse, because the inductor is paralleled to the plasma reactor. This is because current is not allowed to flow through the resistor.

본 발명의 직류 고전압 발생기로부터 출력되는 직류 고전압을 30-40kV의 범위내에서 소정 단위로 변화시키면서 플라즈마 반응기에 공급되는 에너지 변화를 측정하여 나타내면 다음의 표 1과 같다.The change in energy supplied to the plasma reactor while changing the DC high voltage output from the DC high voltage generator of the present invention in a predetermined unit within the range of 30-40 kV is shown in Table 1 below.

직류 고전압DC high voltage 30kV30 kV 35kV35 kV 40kV40 kV 공급에너지Supply energy 60J/펄스60J / pulse 84J/펄스84J / pulse 110J/펄스110J / pulse 방전극 1m당 공급 에너지Supply energy per 1m of discharge electrode 0.28J/m/펄스0.28J / m / pulse 0.39J/m/펄스0.39J / m / pulse 0.51J/m/펄스0.51 J / m / pulse

플라즈마 반응기의 유효 방전극 길이는 총 216m이며, 직류 고전압 발생기(110)로부터 출력되는 직류 고전압을 30kV로 공급하였을 때 펄스당 반응기에 공급되는 에너지는 60J이고, 이때 펄스당 방전극 1m에 공급되는 에너지는 60J/216m/펄스, 즉, 0.28J/m/펄스이다.The effective discharge electrode length of the plasma reactor is 216 m in total, and when the direct current high voltage output from the direct current high voltage generator 110 is supplied at 30 kV, the energy supplied to the reactor per pulse is 60 J, and the energy supplied to the discharge electrode 1 m per pulse is 60 J / 216 m / pulse, that is, 0.28 J / m / pulse.

또한, 직류 고전압을 35kV로 공급하는 경우는 플라즈마 반응기에 펄스당 약 84J의 에너지가 공급되어 펄스당 방전극 1m에 공급되는 에너지는 0.39J/m/펄스가 된다. 직류 고전압을 최대 조건인 40kV로 공급하면 플라즈마 반응기에는 펄스당 약 110J의 에너지가 공급되어 펄스당 방전극 1m에 공급되는 에너지는 0.51J/m/펄스가 된다. 따라서, 플라즈마 반응기(150)에 스파크나 아크가 발생하지 않는 한도내에서 낮은 펄스반복율로 반응기에 많은 전력을 공급하기 위한 반응기 설계 조건은 펄스당 방전극 1m 에 공급되는 전기 에너지를 약 0.5J/m/펄스로 공급하도록 설계하는 것이다.In addition, when supplying a direct current high voltage at 35 kV, about 84 J of energy per pulse is supplied to a plasma reactor, and the energy supplied to 1 m of discharge electrodes per pulse is 0.39 J / m / pulse. When the DC high voltage is supplied at the maximum condition of 40 kV, the plasma reactor is supplied with energy of about 110 J per pulse, and the energy supplied to the discharge electrode 1 m per pulse is 0.51 J / m / pulse. Therefore, the reactor design conditions for supplying a large amount of power to the reactor with a low pulse repetition rate within the limit of no spark or arc in the plasma reactor 150 are about 0.5 J / m / of electrical energy supplied to the discharge electrode 1 m per pulse. It is designed to supply with pulse.

본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리방법을 설명하면 다음과 같다. 본 발명에서 사용된 소결 공정에서 발생되는 배가스의 조성은 다음의 표 2에 나타낸 바와 같이, 질소 70%, 산소 15%, 이산화탄소5%, 수분 8%,일산화탄소 1%, 이산화황150ppm,질소 산화물 150ppm으로 구성되어 있다. 이밖에 소결 공정 배가스에는 염소계 휘발성 유기화합물의 일종으로 독성 물질인 다이옥신이 미량 포함되어 있으며, 그 농도는 약 20ng TEQ/Nm3포함되어 있다. 여기서 TEQ란 다이옥신의 등가독성을 나타낸다.Referring to the air pollutant treatment method using a plasma according to the present invention. The composition of the exhaust gas generated in the sintering process used in the present invention is as shown in Table 2, 70% nitrogen, 15% oxygen, 5% carbon dioxide, 8% moisture, 1% carbon monoxide, 150ppm sulfur dioxide, 150ppm nitrogen oxide Consists of. In addition, the sintering process flue gas contains a small amount of toxic dioxin, a chlorine-based volatile organic compound, and its concentration is about 20ng TEQ / Nm 3 . TEQ here represents the equivalent toxicity of dioxin.

성분ingredient N2 N 2 O2 O 2 CO2 CO 2 H2OH 2 O COCO SO2 SO 2 NOX NO X 조성Furtherance 70%70% 15%15% 5%5% 8%8% 1%One% 150ppm150 ppm 150ppm150 ppm

도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 대기 오염 물질 처리 장치의 구성을 보인 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치는 제철소 소결 공장의 배가스 일부를 유입시켜 처리하고 있으며, 배가스의 대기오염물질을 제거시키는 플라즈마 반응기(150)와 생성물인 암모늄염을 포집하는 전기집진기(170)로 구분되어 있다. 플라즈마 반응기(150)의 방전극(101)에는 상기한 바와 같이 양성 직류 고전압을 펄스 고전압 발생기(120)를 이용하여 펄스 고전압으로 변환하여 인가하며, 전기 집진기(170)에는 음성 펄스 고전압을 인가한다.7 is a schematic view showing the configuration of a plasma air pollutant treating apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 7, the apparatus for treating air pollutants using plasma according to the present invention is processing by introducing a part of exhaust gas from a sintering plant in steelworks, and a plasma reactor 150 and a product for removing the air pollutants from the exhaust gas. It is divided into an electrostatic precipitator 170 collecting the ammonium salt. The positive DC high voltage is converted into a pulse high voltage using the pulse high voltage generator 120 and applied to the discharge electrode 101 of the plasma reactor 150, and the negative pulse high voltage is applied to the electrostatic precipitator 170.

중화제로서 사용되는 암모니아와 반응 첨가제인 프로필렌은 장치의 입구에서 주입되며, SO2,NOX,다이옥신 등의 농도분석을 위한 시료 체취구가 장치의 입출구측에 각각 설치되어 있다.Ammonia used as a neutralizing agent and propylene, a reaction additive, are injected at the inlet of the apparatus, and sample inlets for concentration analysis of SO 2 , NO X , and dioxins are provided at the inlet and outlet sides of the apparatus.

또한, 플라즈마 반응기(150)의 전단 및 전기 집진기(170)의 후단에는 배가스 온도를 측정하기 위한 온도감지부가 설치되며, 보통의 경우 입구 및 출구의 온도는 각각 150℃와 110℃이다. 배가스는 내경이 340mm인 배관 및 다공 분산판을 통과하여 플라즈마 반응기로 유입된다. 플라즈마 반응기에 유입되는 배가스의 대기오염물질은 플라즈마 반응기(150)를 통과하면서 고체 상태인 암모늄염으로 전환된 후 전기집진기에서 포집되게 된다. 이때, 황산 암모늄과 질산 암모늄의 전기비저항은 대략 105ohmcm로써 전기집진기(170)에서 쉽게 포집된다.In addition, the front end of the plasma reactor 150 and the rear end of the electrostatic precipitator 170, a temperature sensing unit for measuring the exhaust gas temperature is installed, the temperature of the inlet and outlet is usually 150 ℃ and 110 ℃, respectively. The exhaust gas is introduced into the plasma reactor through a pipe having a diameter of 340 mm and a porous dispersion plate. The air pollutants of the exhaust gas flowing into the plasma reactor are converted into ammonium salt in the solid state while passing through the plasma reactor 150 and then collected in the electrostatic precipitator. At this time, the electrical resistivity of ammonium sulfate and ammonium nitrate is approximately 10 5 ohmcm and is easily collected in the electrostatic precipitator 170.

배가스에 중화제 및 반응 첨가제를 주입하는 단계는 먼저 중화제인 암모니아를 주입한 후, 이 중화제와 함께 프로필렌을 반응첨가제로 주입하여 대기 오염 물질 제거에 필요한 산화성 라디칼을 다량으로 발생시킬 수 있도록 유도한다.Injecting the neutralizing agent and the reaction additive into the flue gas is first injected with ammonia, a neutralizing agent, and then propylene is injected into the reaction additive together with the neutralizing agent to induce a large amount of oxidative radicals required to remove air pollutants.

중화제 및 반응 첨가제가 주입된 이후에는 고전압 펄스를 플라즈마 반응기로 인가하여 배가스를 플라즈마 상태에서 처리하게 된다. 즉, 배가스에 프로필렌과 암모니아를 주입한 상태에서 펄스 발생기로부터 공급되는 고전압 펄스에 의해 플라즈마 반응기(150)에서 코로나 방전이 발생하여 플라즈마 반응기 내부의 배가스가 플라즈마 상태가 되고, 이에 따라 생성된 다량의 산화성 라디칼 및 오존이 배가스에 포함된 유해한 대기 오염 물질인 이산화황(SO2),질소산화물(NOX),다이옥신 등과 반응함에 따라 제거된다.After the neutralizing agent and the reaction additive are injected, a high voltage pulse is applied to the plasma reactor to treat the exhaust gas in the plasma state. That is, corona discharge is generated in the plasma reactor 150 by the high voltage pulse supplied from the pulse generator in the state in which propylene and ammonia are injected into the exhaust gas, so that the exhaust gas inside the plasma reactor becomes a plasma state, and thus a large amount of oxidative property is generated. Radicals and ozone are removed as they react with the harmful air pollutants contained in flue gases such as sulfur dioxide (SO 2 ), nitrogen oxides (NO X ), and dioxins.

이때, 배가스에 주입되는 암모니아와 프로필렌의 농도는 다음의 수학식 3에 의하여 결정된다.At this time, the concentration of ammonia and propylene injected into the exhaust gas is determined by the following equation (3).

중화제인 암모니아의 주입 농도를 결정하는 경우, 미반응 암모니아 및 프로필렌의 배출을 억제함과 동시에 미반응 암모니아의 배출이 억제되는 한도내에서 이산화황과 질소산화물의 제거효율을 높일 수 있는 적정 농도를 설정해야 하며 바람직하게는 본 발명의 일실시예로 암모니아 주입 농도를 R(NH3)로 0.8로 유지시킨다.In determining the injection concentration of ammonia, a neutralizing agent, it is necessary to set an appropriate concentration that can suppress the emission of unreacted ammonia and propylene and at the same time increase the removal efficiency of sulfur dioxide and nitrogen oxide within the limit that the discharge of unreacted ammonia is suppressed. Preferably, in one embodiment of the present invention, the ammonia injection concentration is maintained at 0.8 as R (NH 3 ).

반응첨가제인 프로필렌은 질소산화물(NOX) 및 다이옥신의 제거효율을 높이기 위한 것으로서 프로필렌 주입 농도는 R(C3H6)의 0.5~0.8로 유지시키게 되는 데, 프로필렌의 주입 농도를 결정하는 방법은 도 8을 참고로 하여 설명한다.Propylene, a reaction additive, is used to increase the removal efficiency of nitrogen oxides (NO X ) and dioxins, and the propylene injection concentration is maintained at 0.5 to 0.8 of R (C 3 H 6 ). It demonstrates with reference to FIG.

한편, 도 8은 본 발명에 따른 대기오염물질 처리 방법을 설명하기 위한 암모니아 및 프로필렌의 주입량의 관계를 보인 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 먼저 그래프의 가로축은 투입된 전력(P)을 배가스 유량(Q)으로 나눈 에너지 밀도를 나타낸 것으로, 여기서 배가스 유량(Q)은 표준 상태인 0℃,1 기압으로 환산된 것이다. 중화제로서 사용되는 암모니아는 R(NH3)의 0.8배에 해당하는 360ppm을 주입하였고, 반응 첨가제인 프로필렌은 R(C3H6)의 0.5와 0.8을 주입하여 측정하였다.On the other hand, Figure 8 is a graph showing the relationship between the injection amount of ammonia and propylene for explaining the air pollutant treatment method according to the present invention. As shown in FIG. 8, first, the horizontal axis of the graph represents the energy density obtained by dividing the input power P by the exhaust gas flow rate Q, where the exhaust gas flow rate Q is converted to a standard state of 0 ° C. and 1 atmosphere. will be. Ammonia used as a neutralizing agent was injected at 360 ppm corresponding to 0.8 times R (NH 3 ), and propylene as a reaction additive was measured by injecting 0.5 and 0.8 of R (C 3 H 6 ).

도 8에 도시된 바와 같이, 이산화황(SO2)은 프로필렌 주입량에 관계없이 대부분 제거되나, 질소 산화물(NOX)은 프로필렌의 주입량 및 에너지 밀도에 비례하여 제거효율이 크게 향상됨을 알 수 있다. 예를 들어 에너지 밀도 2.6 Wh/Nm3에서 프로필렌을 사용하지 않았을 때, 약 30%의 질소산화물이 제거되나 프로필렌을 R(C3H6)의 0.5와 0.8에 해당하는 75ppm, 120ppm을 주입하게 되면 질소산화물의 제거 효율이 각각 50% 및 60%로 증가됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 8, sulfur dioxide (SO 2 ) is mostly removed regardless of the amount of propylene injected, but it can be seen that nitrogen oxide (NO X ) is greatly improved in removal efficiency in proportion to the amount of propylene injected and energy density. For example, when propylene is not used at an energy density of 2.6 Wh / Nm 3 , about 30% of nitrogen oxides are removed, but when propylene is injected at 75 ppm and 120 ppm corresponding to 0.5 and 0.8 of R (C 3 H 6 ) It can be seen that the removal efficiency of nitrogen oxides is increased to 50% and 60%, respectively.

이와 같은 결과는 플라즈마 상태에서 발생되는 산화성(OH) 라디칼, 오존등이 프로필렌과 반응하여 알킬 라디칼 및 알콕시 라디칼을 생성하기 때문인데, 알킬 라디칼 및 알콕시 라디칼은 산소와 반응시 HO2라디칼을 생성시켜 반응식 6이 일어날 수 있도록 하거나 산화성이 강한 페록시 라디칼 형태로 되어 질소산화물(NOX)의 산화반응을 촉진시킬 수 있기 때문이다.This is because oxidative (OH) radicals and ozone generated in the plasma state react with propylene to generate alkyl radicals and alkoxy radicals. The alkyl radicals and alkoxy radicals generate HO 2 radicals when reacted with oxygen. This is because 6 can occur or be in the form of a highly oxidizing peroxy radical to promote the oxidation of nitrogen oxides (NO X ).

즉, 도 8의 그래프에서와 같이 프로필렌의 주입량이 증가되면 산화성 라디칼 및 오존과 반응하여 생성되는 알킬 라디칼 및 알콕시 라디칼의 증가로 질소 산화물의 제거 효율이 향상된다.That is, as shown in the graph of FIG. 8, when the amount of propylene injected is increased, the removal efficiency of nitrogen oxide is improved by increasing alkyl radicals and alkoxy radicals generated by reacting with oxidative radicals and ozone.

따라서, 프로필렌의 적정 주입량은 투입되는 전력 밀도 및 원하는 질소 산화물 제거 효율에 따라 다를 것이나, 프로필렌 주입 농도가 에너지 밀도 1Wh/Nm3당 30ppm 이상이 되면 미반응 프로필렌이 배출되므로, 프로필렌이 배출되지 않는 범위내에서의 최대 프로필렌 주입량은 에너지 밀도 1Wh/Nm3당 30ppm이하로 결정된다.Therefore, the proper injection amount of propylene will vary depending on the power density input and the desired nitrogen oxide removal efficiency, but unreacted propylene is discharged when the propylene injection concentration is more than 30 ppm per 1Wh / Nm 3 of energy density, so that propylene is not emitted. The maximum amount of propylene injected in the furnace is determined to be less than 30 ppm per 1Wh / Nm 3 energy density.

이와 같은 운전 조건에서 탄화수소 계열의 미량 독성물질인 다이옥신은 20ng TEQ/Nm3이하로 75% 이상 제거가 된다. 즉, 본 발명에 따른 플라즈마 공정에 의해 이산화황, 질소산화물 뿐만 아니라 다이옥신까지도 동시에 제거시킬 수 있다.Dioxin, a hydrocarbon-based trace toxic substance under these operating conditions, can be removed more than 75% by 20ng TEQ / Nm 3 or less. That is, the plasma process according to the present invention can remove not only sulfur dioxide and nitrogen oxide but also dioxin at the same time.

도 9는 본 발명에 따른 대기 오염 물질 처리 방법에서 중화제로 수산화칼슘을 사용한 경우의 탈황율을 나타낸 그래프이다. 중화제로 암모니아 대신에 수산화칼슘을 사용하는 경우에는 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 10 wt.%인 슬러리를 저장조에서 계속적으로 교반하여 고압 펌프를 이용하여 노즐로 이송한다. 이때 분무를 위해 사용된 노즐은 이류체 식으로써 고압의 공기와 고압의 액체를 주입하여 평균입경 30㎛ 정도의 액적을 만들 수 있다. 또한, 플라즈마 반응기 내의 배가스 온도는 150℃였고, 슬러리 유량은 Ca/S 당량비를 1-10 범위로 하였다.9 is a graph showing the desulfurization rate when calcium hydroxide is used as a neutralizing agent in the air pollutant treatment method according to the present invention. When calcium hydroxide is used instead of ammonia as the neutralizing agent, a slurry having 10 wt.% Of calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) is continuously stirred in a storage tank and transferred to a nozzle using a high pressure pump. At this time, the nozzle used for spraying may be a double-fluid type injecting high pressure air and high pressure liquid to make droplets having an average particle diameter of about 30 μm. In addition, the exhaust gas temperature in the plasma reactor was 150 ° C., and the slurry flow rate set the Ca / S equivalent ratio to 1 to 10 range.

이러한 조건하에 Ca/S 당량비를 1.0->1.5->2.0으로 변화시킴에 따라 탈황율이 68%->75%->85%로 증가되었다. 암모니아를 사용한 경우에 당량비 0.8에서 95%의 탈황율이 얻어진 도 8의 결과와 비교하면 도 9에서 수산화칼슘을 사용하여 측정한 결과는 상대적으로 열등하다고 할 수 있으나 높은 탈황율을 요구하지 않는 공정에서는 수산화칼슘의 사용도 가능하다고 할 수 있다.Under these conditions, the desulfurization rate increased from 68% to 75% to 85% by changing the Ca / S equivalent ratio from 1.0 to 1.5 to 2.0. Compared with the results of FIG. 8, in which the ratio of 0.8 to 95% of the desulfurization rate was obtained when ammonia was used, the results measured using calcium hydroxide in FIG. 9 may be relatively inferior, but calcium hydroxide in a process that does not require high desulfurization rate. Can also be used.

한편, 플라즈마 반응 시스템 설계에 있어서 한가지 중요한 문제는 펄스 발생 장치로부터 플라즈마 반응기까지의 전기 에너지 전달 효율, 즉 펄스 변환 효율을 증가시키는 것이다. 전기 에너지 전달 효율을 증가시키기 위해서는 펄스발생장치와 플라즈마 반응기의 전기적 정합을 고려한 설계가 필요하다. 펄스 발생의 원리는 직류 고전압에 의한 펄스 형성 축전기의 충전 및 스위칭에 의한 반응기로의 방전이다.On the other hand, one important problem in the design of plasma reaction systems is to increase the electrical energy transfer efficiency, ie pulse conversion efficiency, from the pulse generator to the plasma reactor. In order to increase the electrical energy transfer efficiency, a design considering the electrical matching between the pulse generator and the plasma reactor is required. The principle of pulse generation is discharge to the reactor by charging and switching of the pulse forming capacitor by direct current high voltage.

따라서, 펄스 형성 축전기의 정전 용량은 펄스 발생 회로의 성능 즉 에너지 전달효율에 있어 핵심적인 역할을 한다. 원리적으로 보면 펄스형성콘덴서의 정전용량이 플라즈마 반응기의 정전 용량과 같아야 콘덴서에 저장된 전기 에너지를 모두 반응기에 전달할 수 있다. 그러나 실제로는 코로나 방전이 시작되면 플라즈마 반응기의 정전용량이 변하게 되므로 최적의 펄스 형성 축전기 값은 플라즈마 반응기의 정전 용량 변화를 고려해서 결정해야 한다.Therefore, the capacitance of the pulse forming capacitor plays a key role in the performance of the pulse generating circuit, that is, the energy transfer efficiency. In principle, the capacitance of the pulse-forming capacitor must be equal to the capacitance of the plasma reactor so that all the electrical energy stored in the capacitor can be transferred to the reactor. In practice, however, since the capacitance of the plasma reactor changes when the corona discharge starts, the optimal pulse-forming capacitor value should be determined in consideration of the change in capacitance of the plasma reactor.

본 발명에서는 최대 전기에너지 전달 조건을 찾기 위하여 펄스형성콘덴서 정전 용량을 변화시키며 플라즈마 반응기로의 전기에너지 전달 효율을 비교 검토하여, 최대 전기 에너지 전달 조건이 되는 펄스 형성 콘덴서의 정전 용량과 플라즈마 반응기의 정전 용량 비율을 결정하였다.In the present invention, the capacitance of the pulse forming capacitor is changed to find the maximum electrical energy transfer condition and the electrical energy transfer efficiency to the plasma reactor is compared and examined. Dose ratios were determined.

즉, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 반응기의 구성을 보인 사시도이고, 도 11은 본 발명에 따른 펄스발생장치의 회로구성을 보인 것이다. 본 발명에 따른 플라즈마 반응기는 선-평판 형태의 것이 사용되는 데, 이때 방전극의 두께를 d, 접지판간의 거리를 D라고 하면 반응기의 방전극 단위 길이당 정전 용량은 다음의 수학식 5로 계산할 수 있다.That is, Figure 10 is a perspective view showing the configuration of a plasma reactor according to an embodiment of the present invention, Figure 11 shows a circuit configuration of a pulse generator according to the present invention. Plasma reactor according to the present invention is used in the form of a line-plate, where the thickness of the discharge electrode d, the distance between the ground plate is D, the capacitance per unit length of the discharge electrode of the reactor can be calculated by the following equation (5) .

상기의 수학식 5에 의하면 코로나 방전이 일어나기 전에 도 10의 플라즈마 반응기의 기하학적 정전 용량은 110㎊이다. 도 11의 펄스형성 콘덴서(CP)는 직류 고전압 발생장치에 의해 충전된다. 축전기의 전압이 스파크 갭 전극의 절연 파괴전압에 도달하면 스파크갭(SG)이 단락되어 순간적으로 축전기에 충전되어 있던 전기 에너지가 플라즈마 반응기로 전달된다. 최적의 전기에너지 전달 효율 조건을 찾기 위하여 펄스형성 콘덴서(CP)를 226㎊에서 5.2㎋의 범위로 변화시키며 전기에너지 전달효율을 비교하였다. 전기에너지 전달 효율을 펄스형성 콘덴서(CP)에 충전된 에너지 대비 플라즈마 반응기로 전달된 에너지의 비율로서 정의하였다. 펄스형성 콘덴서에 충전된 에너지는 다음의 수학식 6과 같다.According to Equation 5 above, the geometrical capacitance of the plasma reactor of FIG. 10 before the corona discharge occurs is 110 kW. The pulse forming capacitor C P of FIG. 11 is charged by a DC high voltage generator. When the voltage of the capacitor reaches the dielectric breakdown voltage of the spark gap electrode, the spark gap SG is short-circuited to instantly transfer the electrical energy charged in the capacitor to the plasma reactor. In order to find the optimum condition for the electrical energy transfer efficiency, the pulse-forming capacitor (C P ) was changed from 226 ㎋ to 5.2 ㎋ and the electrical energy transfer efficiency was compared. The electrical energy transfer efficiency was defined as the ratio of the energy delivered to the plasma reactor to the energy charged in the pulse forming condenser (C P ). The energy charged in the pulse forming capacitor is shown in Equation 6 below.

여기서, VC는 펄스 형성 콘덴서(CP)의 충전 전압을 나타낸다. 본 발명에서는 펄스형성콘덴서(CP)를 18.6kV의 전압으로 충전시켰다.Here, V C represents the charging voltage of the pulse forming capacitor C P. In the present invention, the pulse forming capacitor C P was charged to a voltage of 18.6 kV.

도 12는 본 발명을 위한 펄스 형성 콘덴서와 플라즈마 반응기의 정전 용량비에 따른 전기 에너지 전달 효율의 관계를 보인 그래프이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 전기 에너지 전달 효율은 플라즈마 반응기와 펄스 형성 콘덴서의 정전 용량비(CP/CR)가 2~5정도가 될때 크게 나타나며, 특히 플라즈마 반응기와 펄스 형성 콘덴서의 정전 용량비가 대략 3정도가 될때 최대가 됨을 알 수 있다.12 is a graph showing the relationship between the electrical energy transfer efficiency according to the capacitance ratio of the pulse forming capacitor and the plasma reactor for the present invention. As shown in FIG. 12, the electrical energy transfer efficiency is large when the capacitance ratio (C P / C R ) of the plasma reactor and the pulse forming capacitor is about 2 to 5, and the capacitance ratio of the plasma reactor and the pulse forming capacitor is particularly high. When it is about 3, it can be seen that the maximum.

그 이유는 펄스형성콘덴서의 정전용량이 반응기에 비해 너무 크면 콘덴서에 충전된 에너지의 일부만이 반응기로 전달되고 나머지는 콘덴서에 남아있기 때문이다. 만일 반응기의 정전 용량이 일정하다면 최대의 에너지 전달 효율은 반응기 정전 용량과 펄스발생콘덴서 정전 용량이 같을 때 얻을 수 있을 것이다. 그러나, 최대 에너지 전달이 펄스 형성 콘덴서와 플라즈마 반응기의 정전 용량비가 2 내지 5인 범위에서 일어나는 것은 플라즈마 반응기 정전 용량이 코로나 방전에 의해 증가되었기 때문이다. 따라서, 펄스형성 콘덴서의 정전 용량은 플라즈마 반응기의 코로나 방전시 정전 용량과 동일한 범위로 설정하는 것이 바람직하며, 이는 본 발명에 따르면 대략 펄스 형성 콘덴서의 정전 용량이 플라즈마 반응기 정전 용량의 3배로 설정되는 경우이다.The reason is that if the capacitance of the pulse forming capacitor is too large compared to the reactor, only a part of the energy charged in the capacitor is transferred to the reactor and the remainder remains in the capacitor. If the capacitance of the reactor is constant, the maximum energy transfer efficiency can be obtained when the reactor capacitance and the pulse generating capacitor are equal. However, the maximum energy transfer occurs in the range where the capacitance ratio of the pulse forming capacitor and the plasma reactor is 2 to 5 because the plasma reactor capacitance is increased by corona discharge. Therefore, the capacitance of the pulsed capacitor is preferably set to the same range as the capacitance at the corona discharge of the plasma reactor, which is roughly according to the present invention when the capacitance of the pulsed capacitor is set to three times the plasma reactor capacitance. to be.

마지막으로 본 발명에 따른 대기오염물질 처리장치를 설계하는 데 있어서 고려되어야 할 사항은 플라즈마 반응기의 방전극과 접지판 사이의 거리관계로써, 방전극과 접지판 사이의 거리는 플라즈마 반응기에 인가되는 피크전압과의 관계로부터 결정할 수 있다.Lastly, in designing an air pollutant treatment apparatus according to the present invention, the matters to be considered are the distance relationship between the discharge electrode and the ground plate of the plasma reactor, and the distance between the discharge electrode and the ground plate is compared with the peak voltage applied to the plasma reactor. You can decide from the relationship.

도 13(a) 및 도 13(b)는 각각 플라즈마 반응기에 인가되는 피크 전압에 따른 이산화황 및 질소 산화물의 제거량의 관계를 보인 그래프이다. 도 13에 도시된 바에 따르면 플라즈마 반응기에 인가되는 피크 전압이 15kV이상이어야 이산화황 및 질소 산화물이 제거되기 시작한다. 그리고, 플라즈마 반응기에 인가되는 피크 전압이 23kV이상이 되면 반응기에 스파크가 발생한다. 이때 상기 플라즈마 반응기의 방전극과 접지판 사이의 거리가 1.5cm이므로 이산화황과 질소 산화물이 제거되는 최소 평균 전기장 세기(인가되는 피크 전압을 방전극과 접지판 사이의 거리로 나눈 값으로 정의)는 10kV/cm이며, 스파크가 발생되지 않는 최대 전기장 세기는 15kV/cm이다. 이 조건을 플라즈마 반응기의 방전극과 접지판 사이를 설계하는 데 있어서 평균 전기장 세기의 최소/최대 조건이라 할 수 있다. 다시 말해, 플라즈마 반응기를 설계하는 데 있어서, 방전극과 접지판 사이의 거리 1cm당 10-15kV의 전압이 인가되도록 플라즈마 반응기를 설계하면 반응기의 크기에 관계없이 방전극과 접지판 사이의 저항이 아크방전으로 전이되지 않는 조건에서 효과적으로 코로나 방전을 유도할 수 있다.13 (a) and 13 (b) are graphs showing a relationship between removal amounts of sulfur dioxide and nitrogen oxides according to peak voltages applied to the plasma reactor, respectively. As shown in FIG. 13, sulfur dioxide and nitrogen oxides do not begin to be removed until the peak voltage applied to the plasma reactor is 15 kV or more. When the peak voltage applied to the plasma reactor is 23 kV or more, spark occurs in the reactor. In this case, since the distance between the discharge electrode and the ground plate of the plasma reactor is 1.5 cm, the minimum average electric field strength (defined as the applied peak voltage divided by the distance between the discharge electrode and the ground plate) from which sulfur dioxide and nitrogen oxide are removed is 10 kV / cm. The maximum electric field strength without sparking is 15 kV / cm. This condition can be referred to as the minimum / maximum condition of the average electric field strength in the design between the discharge electrode and the ground plate of the plasma reactor. In other words, in designing the plasma reactor, if the plasma reactor is designed such that a voltage of 10-15 kV per 1 cm between the discharge electrode and the ground plate is applied, the resistance between the discharge electrode and the ground plate is reduced to arc discharge regardless of the size of the reactor. It can effectively induce corona discharge under conditions that do not transition.

본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치 및 그 방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있다.Apparatus and method for treating air pollutants using plasma according to the present invention are not limited to the above-described embodiments and may be variously modified within the scope of the technical idea of the present invention.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치 및 그 방법에서는 플라즈마 반응기에 펄스고전압을 인가함에 있어서 펄스폭을 1㎲이내로 유지시켜 아크 방전을 방지함으로써 플라즈마 반응기에 짧은 시간동안 많은 전기에너지를 공급할 수 있다.As described above, in the apparatus and method for treating air pollutants using plasma according to the present invention, the pulse width is kept within 1 kW when the pulse high voltage is applied to the plasma reactor to prevent arc discharge for a short time in the plasma reactor. It can supply a lot of electric energy.

또한, 본 발명의 펄스발생장치로부터 플라즈마 반응기로의 전기 에너지 전달 효율을 증가시켜 전력 손실을 감소시키고, 플라즈마 반응기의 크기를 최소화시킨 상태에서 코로나 방전을 효과적을 발생시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.In addition, it is possible to reduce the power loss by increasing the electrical energy transfer efficiency from the pulse generator of the present invention to the plasma reactor, it is possible to obtain an effect that can effectively generate a corona discharge in a state of minimizing the size of the plasma reactor.

나아가 본 발명의 대기오염물질 처리방법에 있어서 탄화수소 반응첨가제인 프로필렌과 중화제인 암모니아를 배가스에 동시에 주입함으로써 이산화황과 질소산화물 그리고 다이옥신을 적은 운전전력으로 동시에 제거함으로써 대기오염물질의 제거효율을 향상시킬 수 있다.Furthermore, in the air pollutant treatment method of the present invention, by simultaneously injecting propylene, a hydrocarbon reaction additive, and ammonia, a neutralizing agent, into the exhaust gas, sulfur dioxide, nitrogen oxides, and dioxins can be simultaneously removed with low operating power, thereby improving the efficiency of removing air pollutants. have.

Claims (17)

유입된 배가스를 코로나 방전에 의해 플라즈마 상태로 변환시킨 상태에서 배가스에 포함된 대기오염물질을 제거하는 대기오염물질 처리 장치에 있어서,In the air pollutant treatment apparatus for removing the air pollutants contained in the exhaust gas in a state in which the introduced exhaust gas is converted into a plasma state by a corona discharge, 방전극에 고전압을 인가받아 코로나 방전을 발생시키는 플라즈마 반응기와,A plasma reactor for generating a corona discharge by applying a high voltage to the discharge electrode, 입력전원을 직류 고전압으로 변환하여 출력하는 직류 고전압 공급기,DC high voltage supply for converting input power into DC high voltage and outputting 상기 직류 고전압 공급기로부터 공급되는 직류 고전압을 소정 주기의 펄스 고전압으로 변환하여 출력하는 펄스발생기,A pulse generator for converting a DC high voltage supplied from the DC high voltage supply into a pulse high voltage of a predetermined period and outputting the same; 상기 펄스발생기의 펄스 고전압을 코로나 방전을 위한 소정 레벨의 코로나 방전 전압으로 승압시키는 승압 트랜스,A boost transformer for boosting the pulse high voltage of the pulse generator to a corona discharge voltage of a predetermined level for corona discharge; 상기 승압 트랜스에 의해 승압된 고전압 펄스의 폭을 짧게 변환시킨 후 상기 플라즈마 반응기의 방전극에 공급하는 자기 스위치,A magnetic switch for shortly converting the width of the high voltage pulse boosted by the boost transformer and supplying the discharge electrode to the plasma reactor; 상기 플라즈마 반응기에 의한 코로나 방전 직후에 상기 플라즈마 반응기에 충전된 고전압을 방전시키는 방전 회로부를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치.And a discharge circuit for discharging the high voltage charged in the plasma reactor immediately after the corona discharge by the plasma reactor. 제 1 항에 있어서, 상기 펄스발생기는The pulse generator of claim 1, wherein the pulse generator comprises: 상기 직류 고전압 공급기로부터의 직류 고전압을 저항(R1,R2)과의 시정수에 따라 충전하는 콘덴서(C1),A capacitor C1 for charging the DC high voltage from the DC high voltage supply according to the time constant with the resistors R1 and R2, 제어 신호에 의해 온/오프 스위칭 동작하고 온 시간에 상기 콘덴서(C1)의 충전전압을 상기 승압트랜스측으로 방전시키는 스위치(SW1)를 구비함을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.And an on / off switching operation by a control signal, and a switch (SW1) for discharging the charging voltage of the capacitor (C1) to the boosting transformer side at an on time. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 스위치는 적어도 2개 이상의 LC회로로 구성되며, 회로 최후단의 콘덴서(C3)의 정전용량은 상기 플라즈마 반응기의 정전 용량보다 2배 내지 5배 크게 설정함을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.2. The magnetic switch of claim 1, wherein the magnetic switch comprises at least two LC circuits, and the capacitance of the capacitor C3 at the end of the circuit is set to be 2 to 5 times larger than the capacitance of the plasma reactor. Air pollutant treatment apparatus using a plasma. 제 3 항에 있어서, 상기 자기 스위치의 콘덴서(C3)의 정전용량은 상기 플라즈마 반응기의 정전 용량의 3배 큰 값으로 설정됨을 특징으로 하는 플라즈마를이용한 대기오염물질 처리장치.4. The apparatus of claim 3, wherein the capacitance of the capacitor C3 of the magnetic switch is set to a value three times larger than the capacitance of the plasma reactor. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 스위치는 콘덴서와 인덕터를 병렬로 구성한 적어도 2개의 LC회로를 병렬로 접속하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.The air pollutant treating apparatus using plasma according to claim 1, wherein the magnetic switch is formed by connecting at least two LC circuits having a capacitor and an inductor in parallel. 제 1 항에 있어서, 상기 방전회로부는 상기 플라즈마 반응기에 병렬로 접속한 방전저항(RP)을 구비함을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.The air pollutant treating apparatus using plasma according to claim 1, wherein the discharge circuit unit has a discharge resistance R P connected in parallel to the plasma reactor. 제 6 항에 있어서, 상기 방전회로부는 상기 플라즈마 반응기의 콘덴서 성분(CL)과 방전저항(RP)에 의한 시정수를 플라즈마 반응기에서 요하는 펄스폭의 1.0 내지 2.0배로 설정함을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.The method of claim 6, wherein the discharge circuit is characterized in that the time constant by the capacitor component (C L ) and the discharge resistance (R P ) of the plasma reactor to set 1.0 to 2.0 times the pulse width required in the plasma reactor. Air pollutant treatment device using plasma. 제 7 항에 있어서, 상기 방전회로부는 상기 플라즈마 반응기의 콘덴서 성분(CL)과 방전저항(RP)에 의한 시정수를 플라즈마 반응기에서 요하는 펄스폭의 1.5배로 설정함을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.8. The plasma display device as claimed in claim 7, wherein the discharge circuit unit sets the time constant by the capacitor component C L and the discharge resistance R P of the plasma reactor to 1.5 times the pulse width required by the plasma reactor. Air pollutant treatment device used. 제 6 항 내지 제 8 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 방전회로부는 방전 저항(RP)과 직렬로 접속된 인덕터(LP)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.The air pollutant treating apparatus using plasma according to any one of claims 6 to 8, wherein the discharge circuit unit further comprises an inductor L P connected in series with the discharge resistor R P. 제 9 항에 있어서, 상기 방전회로부의 방전저항(RP)과 인덕터(LP)의 전체 임피던스는 상기 플라즈마 반응기의 등가 임피던스보다 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.10. The apparatus of claim 9, wherein the total impedance of the discharge resistance R P and the inductor L P of the discharge circuit unit is set to be larger than an equivalent impedance of the plasma reactor. 제 10 항에 있어서, 상기 방전회로부의 방전저항(RP)과 인덕터(LP)의 전체 임피던스는 상기 플라즈마 반응기의 등가 임피던스의 10배 큰 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.The air pollutant using plasma according to claim 10, wherein the total impedance of the discharge resistance R P and the inductor L P of the discharge circuit unit is set to a value 10 times larger than the equivalent impedance of the plasma reactor. Processing unit. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 스위치가 상기 플라즈마 반응기에 펄스당 공급하는 에너지를 유효 방전극 길이 1m당 0.5J/m/펄스로 설계하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.The air pollutant treatment apparatus using plasma according to claim 1, wherein the magnetic switch supplies the energy supplied per pulse to the plasma reactor at 0.5 J / m / pulse per 1 m effective discharge electrode length. 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 반응기에 인가되는 첨두전압을 방전극과 접지판간의 전기장 세기가 최소 10kV/cm이고, 최대 15kV/cm가 되도록 인가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.The apparatus of claim 1, wherein the peak voltage applied to the plasma reactor is applied such that an electric field strength between the discharge electrode and the ground plate is at least 10 kV / cm and at most 15 kV / cm. 플라즈마 반응기에 펄스 고전압을 인가하여 코로나 방전을 발생시키고, 코로나 방전에 의해 배가스를 플라즈마 상태로 변환시킨 상태에서 배가스에 포함된 대기오염물질을 제거하는 대기오염물질 처리 방법에 있어서,In the air pollutant treatment method for applying a high voltage pulse to the plasma reactor to generate a corona discharge, to remove the air pollutants contained in the exhaust gas in a state in which the exhaust gas is converted into a plasma state by the corona discharge, 상기 배가스에 반응첨가제를 주입하는 제 1 단계와,A first step of injecting a reaction additive into the exhaust gas; 상기 제 1 단계후 펄스 고전압을 플라즈마 반응기에 인가하여 배가스를 플라즈마 상태에서 처리하는 제 2 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리방법.And a second step of applying the pulsed high voltage to the plasma reactor after the first step to treat the exhaust gas in a plasma state. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 단계에서 주입되는 반응첨가제는 프로필렌인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리방법.15. The method of claim 14, wherein the reaction additive injected in the first step is propylene. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 제 1 단계에서 반응첨가제와 함께 중화제인 암모니아를 주입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리방법.The method for treating air pollutants using plasma according to claim 14 or 15, wherein ammonia, which is a neutralizing agent, is injected together with the reaction additive in the first step. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 단계에서 프로필렌의 주입량은 상기 제 2 단계에서 플라즈마 반응기에 공급되는 단위 에너지 밀도(1Wh/Nm3)당 30ppm이하로 유지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리방법.15. The air pollutant using plasma according to claim 14, wherein the injection amount of propylene in the first step is kept below 30 ppm per unit energy density (1 Wh / Nm 3 ) supplied to the plasma reactor in the second step. Treatment method.
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