KR20020023376A - 고전압 펄스파워를 이용한 대용량 물질처리를 위한물속방전 반응기장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전압펄스파워(이하 HVPP : High Voltage Pulse Power)를 이용한 물속방전(여기서 물이라 함은 액체상태의 처리 물질을 말함)에서의 HVPP 반응기에 관한 것으로서, 하수슬러지 및 난분해성 유기물질과 같은 오폐수의 처리 그리고 쥬스, 우유와 같은 음료수의 처리 및 미생물의 살균을 통한 맥주 및 탁주와 같은 주류의 처리를 위한 것이다. 일반적으로 HVPP를 이용한 슬러지와 난분해성 유기물질과 같은 오폐수의 처리는 물속에서 아크방전을 발생시켜야하며, 음료 및 주류의 처리와 관련되어 HVPP를 적용할 때에는 전극마모로 인한 오염 때문에 물에서 아크발생이 발생하지 않아야 한다.

아크발생시 발생되는 충격파와 강한 전기장, 오존(O₃)과 과산화수소(H₂O₂), 수산기(OH Radical)등의 산화물질과 강한 자외선은 슬러지의 처리와 관련되며, 산화물질과 강한 자외선은 난분해성 유기물질 및 중금속 물질의 파괴와 관련된다. 음료 및 주류의 처리와 관련된 미생물세포의 불활성화 즉, 미생물의 살균은 아크방전이 일어나지 않는 방전(이하 자연방전)의 순간적인 강한 전기장을 이용한다. 그러나 아크방전이든 자연방전이든 처리하려는 물질을 효과적인 처리를 거치며 대용량화 하는것은 이 분야와 관련된 큰 문제중의 하나이다. 그 이유는 HVPP에 의한 물속방전시에 반응기형태 자체가 방전회로로서 큰 변수로 작용하기 때문에 부피의 대용량화가 쉽지 않으며, 또한 아크방전의 경우는 전극마모에 의한 문제로 인하여 오랜시간동안 방전현상을 유지하기가 쉽지 않기 때문이다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 획기적으로 개선하여 동축반응기 및 동축링반응기를 발명함으로써 ⑥방전회로조건을 쉽게 조정할 수 있고, ⑦효과적으로 연속처리를 하면서 ⑧대용량화가 가능한 동시에 ⑨오랜시간 동안 일정한 방전을 유지할 수 있게 하였다.

Description

고전압 펄스파워를 이용한 대용량 물질처리를 위한 물속방전 반응기장치{Underwater Discharge Reactor for Large Scale Treatment by High Voltage Pulse Power}

이제 상세히 도면을 참조하면, 도 1의 중요한 발명은 도 3a와 도 3b로 구체화된 물속방전 반응기이며 고전압펄스발생부(14)에서 발생된 펄스에너지가 펌프(20)에 의해 주입된 반응기내의 물(처리물질)로 펄스에너지가 전달된다. 이때 아크방전 발생을 이용한 물질처리시는 기체주입부(34)를 통하여 기체방울을 주입할 수 있게된다.

동축반응기(도3a)에서 유입부(76)로 유입된 처리물질은 내부전극(60)의 노출된 전극부분(66)에서 외부전극(62)사이에 인가된 고전압에 의해서 자연방전 혹은 아크방전에 의해서 물질처리가 이루어지며, 이렇게 처리된 물질은 배출부(78)을 통해서 배출되게 된다. 이때 내부전극의 길이(66)와 전극간 거리(68), 그리고 내부전극의 두께(64)는 도4에 의한 방전이론에 따라 결정이 된다.

방전이론은 다음과 같다. 도 4에서의 커패시턴스 C값은 도 2의 커패시턴스 C₀(50)값이며 L(500)값은 회로의 인덕턴스이고 저항R(52)값은 매질의 전도도와 반응기형태에 의해 결정이 된다. 인덕턴스와 커패시턴스는 고전압펄스 시스템 자체내에서 고정되어 있고 물(매질)의 전도도 또한 일반적으로 고정되어 있다고 볼 수 있다. 따라서 저항R(52)값은 반응기 형태에 의해서 결정된다.(여기서 물커패시턴스 C_W(520)는 C₀(50)에 비해 매우 작으므로 고려하지 않았다. 이때 방전파형은 RLC직렬방전 회로를 따른다.) 그런데 도 4에서와 같이 C=30nF, L=4uH에서 저항값이 23Ω이하에서는 진동하면서 감소하는 파형이 나타나게 되는데 이때에는 전기회로적으로 도 5b와 같은 방전특성을 나타내게 된다. 그런데 이러한 방전파형은 물질처리에 적합하지 않은 파형이다. 그러므로 이러한 시스템일 경우에는 23Ω이상으로 저항값을 유지해주어야 하며 그때에는 도 5a와 같이 진동하지 않는 파형을 나타내게 된다. 그리고 이러한 파형이 물질처리에 사용되는 파형이다. 도 4의 11nF, 2.4uH의 경우에도 30Ω이상을 유지해 주어야 물질처리에 사용되는 파형을 발생시킬 수 있다. 기체를 주입하여 아크방전을 발생하는 경우에 도 4(104)와 똑같이 방전이론을 적용시킬 수는 없지만 도 5a(106)와 같은 방전파형을 얻을 수 있는 회로조건에서 아크방전을 쉽게 발생시킬 수 있으므로 도 4(104)를 이용한 반응기 제작은 유효하다.

대용량처리 및 전극마모를 고려하여 전극의 두께(60)는 3∼6mm 사이로 하며, 전극재질은 스테인레스스틸을 사용할 수 있다. 자연방전의 경우 전극간거리(68)는 2∼10mm로 한다. 자연방전이 발생할 경우에 전극간(68)에는 강한 전기장이 발생하게 되며 이를 통과하는 물질은 전기장에 의해서 처리가 된다. 가령 전극간(68)에 20kV의 고전압펄스가 인가될 시에 전극간 거리가 5mm이면 평균적으로 40kV/cm의 전기장이 인가되는데 이 값은 미생물살균에 이용될 수 있는 충분한 수치이다. 공기주입 없는 아크방전을 위해서는 전극간 거리가 좁아야 하는 대신 강한 충격파가 발생되므로 강한 충격파가 필요한 경우에 쓰일 수 있으며, 이때에는 전극간 거리(68)는 2∼4mm로 해준다. 유입부(76)을 통해서 기체를 주입하게 되면 아크방전공간을 대폭 늘일 수 있으며, 이는 내부전극의 길이(66)가 길어지고, 전극간 거리(68)를 늘일 수 있도록 해주어 대용량 처리를 가능하게 되는데, 이러한 이유는 전극간 길이(68)가 길어지면 체류시간이 길어지므로 단위초당 처리물질이 받게 되는 펄스수가 증가하여 유량을 늘릴 수 있기 때문이다. 유입되는 기체의 종류는 처리물질에 따라 다르게 주입한다. 예를 들어 공기 및 산소를 주입하게 되는 경우는 난분해성 유기물질의 처리에 이용되며, 질소를 주입하게 될 경우는 하수슬러지의 처리를 위한 혐기성소화 전단계의 처리공정으로서 사용할 수 있다.

도 3b로 대표되는 동축링반응기에서는 동축반응기에 비해 더 많은 용량의 처리가 가능하다. 이러한 이유는 반응기 내의 물질의 체류시간을 동축반응기에 비해 수배에서 수십배가량 늘릴수 있기 때문이며 그만큼 처리물질은 많은 고전압펄스를 경험하게 된다. 그러나 처리물질이 전체적으로 균일한 고전압전기장이 요구되는 경우에는 동축반응기를 사용한다. 동축링반응기(도 3b)에서 유입부(100)로 유입된 처리물질은 내부전극(80)의 노출된 전극부분(86)과 접지된 외부전극(82)사이에 인가된 고전압에 의해서 자연방전 혹은 아크방전에 의해서 물질처리가 이루어지며, 이렇게 처리된 물질은 배출부(102)을 통해서 배출되게 된다. 이때 내부전극의 길이(86)와 전극간 거리(88,90), 그리고 내부전극의 두께(84)는 도 4에 의한 방전이론에 따라 결정이 되며 동축반응기에서와 같은 방전이론에 의해 적용된다.

동축링반응기의 내부전극길이(86)은 도 4의 방전이론에 의하면 같은 길이의 내부전극길이(66)에서 처리물질이 같을 경우 저항값(52)이 크므로 동축반응기의 내부전극길이(66)보다 길게 할 수 있다. 내부전극길이(66)은 가장 가까운 전극간 거리(88)와 가장 먼 전극간 거리(90), 그리고 링 두께(92)와 내부전극두께(80)에 따라 그 길이가 결정된다. 아크방전의 경우 전극마모 및 매질에서의 전기장의 세기, 유량의 증가 등을 고려하여 내부전극두께(80)는 3∼6mm 사이로 하며, 접지전극인 외부전극의 돌출부(92)와 내부전극(80)간 거리(88)은 2∼4mm로 하며, 링 두께(92)는 2∼10mm, 링과 링사이의 거리(94)는 링 두께의 2∼5배를 사용한다. 이러한 경우 동축링반응기의 방전공간인 내부전극의 길이(86)는 동축반응기의 내부전극길이(66)보다 2∼5배 가량 증가 시킬수 있다. 전극재질은 스테인레스스틸 재질을 사용할 수 있다. 유입부(100)을 통해서 기체를 주입하게 되면 아크방전공간을 대폭 늘일 수 있으며, 이는 내부전극의 길이(86)가 길어지고, 전극간 거리(88,90)를 늘일 수 있도록 해주어 보다 더 대용량 처리를 가능하게 하며 , 이러한 이유는 동축반응기에서와 같다. 자연방전의 경우 가까운 전극간거리(88)는 2∼10mm로 한다. 자연방전이 발생할 경우에 전극간(88)에는 강한 전기장이 발생하게 되며 이를 통과하는 물질은 전기장에 의해서 처리가 된다. 처리물질은 먼 전극간 거리(90)에 있는 경우라도 전기장의 영향을 항상 받게된다. 가령 40kV의 고전압펄스가 인가될 시에 전극간 거리가 10mm이면 평균적으로 40kV/cm의 전기장이 인가되는데 이 값은 미생물살균에 이용될 수 있는 수치이다. 유입되는 기체의 종류는 처리매질에 따라 다르다. 예를 들어 공기 및 산소를 주입하게 되는 경우는 난분해성 유기물질의 처리에 이용되며, 질소를 주입하게 될 경우는 하수슬러지의 처리를 위한 혐기성소화 전단계의 처리공정으로서 사용할 수 있다.

본 발명은 고전압펄스 파워를 이용한 물속방전에서의 반응기 형태에 관한 것이다. 물속방전을 이용하여 하수슬러지 및 난분해성 유기물질과 같은 오폐수의 처리 그리고 쥬스, 우유와 같은 음료수 맥주 및 탁주와 같은 주류의 처리와 같은 미생물의 살균처리는 실제산업현장 적용시 대용량으로 처리할 수 있도록 방전이론에 근거하여 반응기를 제작함으로써 보다 안정적인 방전조건에서 기계적인 강도를 유지하며 오래쓸 수 있도록 하는데 있다. 동축반응기 및 동축링반응기는 이러한 목적으로 발명하였다. 물속방전은 기본적으로 전기회로에 의해서 해석할 수 있으므로, 그에 따른 전기적효과를 고려하여 최적으로 반응기형태를 제작하는 것은 모든반응기 형태에 최우선 적으로 적용되는 것이다. 일반적으로 tip전극은 전기회로적으로 방전을 일으킬만한 최소의 회로조건이 되므로 물속에서 아크방전은 쉽게 일어날 수 있다. 그러나 강한 아크방전시 tip전극은 마모가 심하여 오래쓸 수 없으며 ,반응기속에서 강한 전기장이 전체적으로 인가되지 않는다. 또한 평판형반응기는 방전내부공간의 협소함과 방전회로적으로 효율이 안좋을 뿐 아니라 연속처리가 까다로운 면이 있다. 본 발명의 동축반응기와 동축링반응기는 아크방전시의 전극마모의 문제를 획기적으로 개선하였으며, 전기회로적으로는 반응기의 내부공간을 최대로 함으로써 유량의 증대를 가져옴으로써 대용량처리를 가능하도록 하였다. 또한 연속처리 및 자연방전에서는 물론 아크방전에서도 오래쓸 수 있는 반응기를 발명함으로써 산업적응용에 실제로 적용하는데 그 목적이 있다.

일반적으로 HVPP의 전압범위는 10kV∼60kV, 주파수 범위가 1Hz∼500Hz, 펄스당 에너지가 0.1J∼100J 사이에 있으므로 이 같은 범위에서 사용할 수 있는 반응기는 반응기형태, 전극배치, 전극모양, 전극크기, 전극재질, 고전압절연 등에서 전기회로적으로 안정한 방전조건을 만족하여야 한다. 본 발명은 물속방전을 위한 반응기 설계를 전기회로적으로 해석하여 반응기를 발명하였으며 기존의 반응기(tip 반응기, 평판반응기)들은 이러한 물속방전을 전기회로적으로 해석하지 아니하였다. 대개 처리물질의 전도도는 1mS/cm ∼ 50mS/cm정도로 수돗물의 전도도에 비해 상당히 높다. 이러한 높은 전도도 때문에 매질에 펄스파워를 인가하더라도 방전회로조건의 안정권에 들지 못하면 파워소비만 할뿐 처리효과가 미약하며, 이러한 변수는 산업응용을 위하여 대용량처리를 할 시에 가장큰 문제로 부각된다. 처리하려는 매질의 전도도와 반응기형태, 전극크기, 전극길이, 전극모양은 모두가 방전변수이며 대용량처리를 위해서는 이를 고려하는 것은 핵심적인 사항이다. 기존의 tip반응기는 전극마모, 처리효율의 저하, 좁은 방전공간에 의해 대용량화가 어려우며, 평판 및 평판의 변형인 반응기 또한 좁은 방전공간, 절연문제, 비효율적인 에너지소비, 연속처리의 어려움의 문제가 있었다.

상기와 같은 문제를 개선하여 본 발명의 반응기는 일반적인 HVPP의 사양 즉, 펄스에너지:0.1∼100J/pulse, 펄스수:1∼500Hz, 커패시턴스(50):1nF∼1uF의 범위에서 ⑥방전회로조건의 저항값 R(52)을 쉽게 조정할 수 있고, ⑦효과적으로 연속처리를 하면서 ⑧대용량화가 가능한 동시에 ⑨오랜시간 동안 일정한 방전을 유지할 수 있는 동축 및 동축링반응기를 발명하였으며, 이를 통해서 HVPP를 이용한 슬러지, 난분해성 유기물질, 중금속과 같은 오폐수의 처리와 음료수, 주류와 같은 미생물 살균처리 등의 산업적응용의 대용량화에 있다.

이를 위하여 본 발명은 물속방전회로에서 해석하고 구체화하여 방전주파수대 방전저항값의ω-R그래프를 만들었으며, 이를 이용하여 반응기형태, 전극배치, 전극크기 등을 고려하여 반응기를 제작하였고 또한 고전압절연과 전극교체의 용이성, 물질주입부와 배출부를 고려하여 반응기를 제작하였다.

다음에 상세히 기술할 설명은 여기 나열하는 도식을 참조함으로서 본 발명을 더욱 쉽게 이해할 수 있다.

도 1a는 이 발명품에 관여한 시스템을 설명하는 볼록 다이아그램이며 반응기에 기체주입이 없을 경우이다.

도 1b는 이 발명품에 관여한 시스템을 설명하는 블록 다이아그램이며 반응기에 기체주입이 있을 경우이다.

도 2는 물질처리시 전기회로적으로 관계되는 고전압펄스 방전회로도이다. C₀(50)는 HVPP의 에너지 저장장치로서의 커패시턴스이고, 인덕턴스 L(500)은 물속방전시 회로 인턱턴스이며, R(52)과 C_W(520)는 각각 방전저항, 전극간의 커패시턴스로서 물속방전시의 반응기상태를 회로로 표시한 것이다.

도 3a는 이 발명을 구체화한 것으로서 동축반응기를 나타내었다.

도 3b는 이 발명을 구체화한 것으로서 동축링반응기를 나타내었다.

도 4는 방전이론으로서 물저항값R(52)에 따른 방전주파수곡선이다. 이 회로는 RLC 직렬방전이론에 따른 것이며ω는 자연방전 주파수를, R은 자연방전 저항값(52)을 나타낸 것이다.

도 5a는 도 2의 회로에서 진동없이 전압이 감쇠하는 실제방전파형이다.

도 5b는 도 2의 회로에서 진동하면서 전압이 감쇠하는 실제방전파형이다.

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첫째, 물속아크 방전시 충격파와 빛을 내는 아크방전이 일어나게 되는 경우 동축반응기와 동축링반응기를 이용하게 되면 충격파와 강한 자외선, 산화물질을 효과적으로 반응기내에 가둘 수 있으므로 처리물질을 효과적으로 처리한다. 또한 강한 전기장은 반응기 내부 전체에 골고루 작용하여 처리물질이 아크방전영역에 있지 않더라도 전기장의 효과를 받게 되며 처리물질을 수월하게 처리할 수 있다.

둘째, 아크방전시 기체를 주입하게 되면 방전을 일으키기가 훨씬 수월해지며 반응기의 크기 또한 대용량으로 할 수 있게 된다.

셋째, 음료 및 주류처리를 위해 자연방전을 이용한 미생물 살균시에는 강한전기장을 효과적으로 가둘 수 있게 한다.

넷째, 동축링반응기의 방전내부공간이 크므로 미생물의 전기장의 처리 효과를 극대화 할 수 있으며 대유량처리가 가능하다.

다섯째, 내부전극절연(shielding)길이를 조정하여 방전공간을 쉽게 조절할 수 있으며, 연속처리가 가능하다.

여섯째, 전극수명이 길며, 전극교체가 용이하다.

Claims (9)

1. 고전압 펄스파워를 이용한 물속방전에서 대용량의 물질을 처리하기 위한 반응기의 형태 및 전극의 크기 및 배치에 관한 장치.
2. 고전압 펄스파워를 이용한 물속아크방전을 일으키기 위한 동축 및 동축링반응기 장치
3. 고전압 펄스파워를 이용한 물속자연방전을 일으키기 위한 동축 및 동축링반응기 장치
4. 상기청구 2항에서 충격파와 전기장, 각종산화물질 및 자외선을 효과적으로 가두기 위한 동축반응기 및 동축링반응기 장치.
5. 상기청구 3항에서 강한 전기장을 효과적으로 가두기 위한 동축반응기 및 동축링반응기 장치.
6. 상기 청구 1항에서 연속적으로 유량을 흘려보내기 위한 동축반응기 및 동축링반응기 장치.
7. 상기청구 3항에서 기체를 주입하여 아크방전영역을 극대화하여 연속적인 물질처리 용량을 극대화하는 동축반응기 및 동축링반응기 장치.
8. 상기 청구 2항과 3항에서 HVPP의 사양 즉, 펄스에너지:0.1∼100J/pulse, 펄스수:1∼500Hz, 커패시턴스(50):1nF∼1uF의 범위에서 사용하는 동축반응기 및 동축링반응기 장치. 가령 200nF의 커패시터를 사용하여 100J/Pulse를 얻고자 할 경우 커패시터 전압은 30kV로 하여주며, 또 한 예로 1nF을 이용하여 0.1J/Pulse를 얻고자 할 경우 커패시터 전압을 15kV로 유지하여 준다.
9. 내부전극절연튜브(74, 98)의 길이를 조정하여 방전회로의 저항값 R(52)을 쉽게 조절할 수 있는 동축반응기 및 동축링반응기 장치.