KR20030065691A - Method for generating arced plasma and apparatus for eliminating noxious material using the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for generating arc plasma is provided to reduce production cost by treating noxious gas and PM at the same time and simplifying structure for easy fabrication and obtain economical product by reducing material cost of apparatus using inexpensive materials, and an apparatus for removing noxious gas using the same is provided. CONSTITUTION: In a plasma reactor for treating noxious gases by consistently generating strong arc plasma, the plasma reactor is characterized in that a power supply is partially impressed, particles are formed around electrodes, and dielectric substance put on earth is spaced apart from the particles and electrodes in a distance of several mm or less, wherein the reactor not only generates strong arc plasma consistently compared to existing plasma apparatus, but also has excellent stability and substantially reduce energy consumption compared to other products, and although impurities such as PM generated during combustion are penetrated into the reactor, electric discharging is stably performed, and a certain level of PM is burnt and treated together with noxious gases in the reactor.

Description

아아크성 플라즈마를 발생시키는 방법 및 이를 이용한 유해가스제거장치 {METHOD FOR GENERATING ARCED PLASMA AND APPARATUS FOR ELIMINATING NOXIOUS MATERIAL USING THE SAME}Method for generating arc plasma and harmful gas removal device using the same {METHOD FOR GENERATING ARCED PLASMA AND APPARATUS FOR ELIMINATING NOXIOUS MATERIAL USING THE SAME}

이 발명은 플라즈마 반응기에서 강력한 아아크성 플라즈마를 발생시키는 기술에 관한 것이며, 또한 아아크성 플라즈마를 지속적으로 발생시키는 안정화기술에 관한 것이고, 또한 아아크성 플라즈마를 제어하는 기술에 관한 것이며, 또한 이러한 기술을 이용해 PM과 유해가스를 처리하는 기술에 관한 것이며, 좀더 상세하게 말하자면, 그러한 기술을 이용하여 연소후 배기가스를 처리하는 후처리장치로 이용될 수 있게 구성된 플라즈마 반응기에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for generating strong arc plasma in a plasma reactor, and also to a stabilization technique for continuously generating arc plasma, and also to a technique for controlling arc plasma. The present invention relates to a technique for treating PM and noxious gas, and more specifically, to a plasma reactor configured to be used as a post-treatment apparatus for treating post-combustion exhaust gas using such a technique.

현재 플라즈마를 응용하여 배기 가스를 처리하는 기술이 많이 개발되었다. 그러나, 경유자동차와 플랜트와 같이 PM이 발생되는 경우는 PM 때문에 플라즈마를 안정적으로 지속시킬 수 없다. 그렇기 때문에 PM과 유해가스를 동시에 처리하기 어렵다. 현재, 경유자동차에서 배출되는 매연과 유해가스를 처리하는 기술의 대부분은 필터를 사용하여 PM을 제거하거나, 필터 후단에 플라즈마 반응기를 부착시켜 유해가스를 처리하고 있다. 이러한 기술은 PM을 포집하기 때문에 정기적으로 교환과 세척을 해야 할 뿐 아니라 배출가스가 필터에 의해 배압을 증가시킨다는 문제점을 안고 있다. 그리고 제작과 생산비용이 매우 비싸다는 문제점을 가지고 있다.At present, many technologies for treating exhaust gas by applying plasma have been developed. However, when PM is generated, such as diesel vehicles and plants, the plasma cannot be stably maintained due to PM. Therefore, it is difficult to process PM and harmful gases at the same time. At present, most of the technologies for treating soot and harmful gas emitted from diesel vehicles are using a filter to remove PM, or attaching a plasma reactor to the rear of the filter to treat harmful gas. This technique traps PM, which not only requires regular exchange and cleaning, but also has the problem that the exhaust gas increases the back pressure by the filter. And the production and production costs are very expensive.

이 발명은 유해가스 와 PM을 동시에 처리하고, 구조를 단순화 시켜 제작을 용이하게 하여 생산 단가를 저감시키고, 일반적인 저가의 재료를 사용하여 장치의 재료비를 줄임으로써 경제성 있는 제품을 소비자에게 공급하는데 목적을 두고 있다.The present invention aims to supply economical products to consumers by simultaneously processing harmful gases and PMs, simplifying the structure, reducing production costs, and reducing material costs of devices by using general low-cost materials. I put it.

도 1은 이 발명의 제1 실시예에 따른 평면형 플라즈마 반응기를 그 하우징이 반투명상태인 것으로 가정하고 내부의 구성요소를 투시하여 도시한 사시도이며,1 is a perspective view illustrating a planar plasma reactor according to a first embodiment of the present invention, assuming that its housing is in a translucent state, and seeing internal components thereof;

도 2는 도 1에 도시된 반응기를 동일한 기법으로 도시한 측면도이고,FIG. 2 is a side view of the reactor shown in FIG. 1 by the same technique;

도 3은 이 발명의 제2 실시예에 따른 원통형 플라즈마 반응기를 그 하우징이 반투명상태인 것으로 가정하고 내부의 구성요소를 투시하여 도시한 사시도이며,3 is a perspective view illustrating the cylindrical plasma reactor according to the second embodiment of the present invention, assuming that its housing is in a translucent state, and showing the internal components thereof;

도 4는 도 3에 도시된 반응기의 횡단면도이다.4 is a cross-sectional view of the reactor shown in FIG. 3.

이 발명에 따라 제공되는 플라즈마 반응기는 전원인가측이 국부적이라는 것과, 전극 주위에 파티클이 위치한다는 것 및 접지위에 놓여있는 유전체가 파티클과 전극과 수 ㎜ 이내로 이격되어 있다는 것 등의 구조적 특징으로 갖는다.The plasma reactor provided in accordance with this invention has structural features such as localization of the power supply side, the location of particles around the electrode, and the dielectric placed on the ground within a few millimeters of the particles and the electrode.

인가전극 주위에 적당한 간격으로 파티클을 배열할 경우 파티클은 불순물의 역할을 하여 최초방전이 파티클로 향하게 된다. 이때 발생되는 방전은 아아크형 방전으로 일반적으로 환경정화에 사용되는 플라즈마방전에 비해 매우 에너지가 매우 높다. 그러므로 이 발명에 따른 장치에서 발생되는 플라즈마는 아아크성 플라즈마가 발생되는 것이다.When particles are arranged at appropriate intervals around the applied electrode, the particles act as impurities and the initial discharge is directed to the particles. The discharge generated at this time is an arc-type discharge, which is very high in energy compared with the plasma discharge generally used for environmental purification. Therefore, the plasma generated in the apparatus according to the present invention is the arc plasma generated.

최초 전압을 인가해 방전이 시작되면, 전극 최근접 지역에 위치한 파티클에 아아크성 플라즈마가 발생되며 이 파티클이 다시 그 주위파티클로 아아크성 플라즈마를 전달시킨다. 전극 최근접 지역의 파티클이 아아크성 플라즈마를 전달하는 다리역할을 하는 것과 같다. 파티클간의 간격이 좁을수록 아아크성 플라즈마전달이 용이해 지기 때문에 파티클간의 간격을 조정하면 장치내에서 아아크성 플라즈마의 이동 방향을 제어할 수 있다. 파티클에서 발생된 아아크성 플라즈마는 단순히 파티클로만 전이 되는 것이 아니라, 파티클 아래에 있는 대향전극(접지)쪽으로도 이행하게 된다. 이때 접지위에 놓여진 유전체가 대향전극으로 향하려는 아아크성 플라즈마를 차단해 주기 때문에 접지로 절연파괴가 발생되기 않고 접지 위에 놓여진 유전체에서 아아크성 플라즈마가 계속적으로 발생하게 되는 것이다. 더구나, 파티클과 유전체 사이에 수 ㎜ 이내로의 미세공간이 존재한다. 이 미세공간은 보이드와 같은 역할을 하여 전계를 집중시키기 때문에 방전을 초래하는 역할을 한다. 그렇기 때문에 유전체와 파티클 사이에서 강한 아아크성 플라즈마가 발생된다. 파티클과 유전체 사이에서 발생된 방전은 접지쪽으로 전로를 형성한다. 그러나 접지 위에 유전체가 놓여있기 때문에 접지로 절연파괴가 일어나지 않고 유전체 표면에 아아크성 플라즈마가 계속적으로 발생하게 되는 것이다. 방전경로는 아래의 도면에서 나타낸 방전경로와 같이 크게 세가지로 나눌 수 있다.When the discharge is started by applying the initial voltage, arcing plasma is generated in a particle located near the electrode, which in turn delivers the arcing plasma to the surrounding particles. Particles in the electrode proximal region act as a bridge for arcing plasma. The smaller the spacing between particles, the easier the arc plasma transfer becomes. Thus, by adjusting the spacing between the particles, the movement direction of the arc plasma can be controlled in the apparatus. Arcic plasma generated from the particles is not only transferred to the particles, but also to the counter electrode (ground) under the particles. At this time, since the dielectric placed on the ground blocks the arc plasma that is directed to the counter electrode, the dielectric breakdown does not occur to the ground, and the arc plasma is continuously generated from the dielectric placed on the ground. Moreover, there is a microspace within a few millimeters between the particle and the dielectric. This microcavity acts like a void and concentrates an electric field, causing a discharge. As a result, a strong arcing plasma is generated between the dielectric and the particles. The discharge generated between the particle and the dielectric forms a converter towards ground. However, because the dielectric is placed on the ground, no dielectric breakdown occurs on the ground, and arc plasma is continuously generated on the dielectric surface. Discharge paths can be classified into three types as shown in the discharge paths shown below.

① 케이스 안쪽 표면을 타고 흐르는 방전 (연면방전 타입)① Discharge flowing on the inner surface of the case (creep discharge type)

② 전극-파티클, 파티클-파티클간에 발생 방전(기중 아크방전)② Discharge generated between electrode-particle and particle-particle (air arc discharge)

③ 전극-유전체, 파트클-유전체간에 발생하는 방전(기중아크방전 + 연면방전)③ Discharge between electrode-dielectric and particle-dielectric (air arc discharge + creepage discharge)

이 발명에 따른 장치는 위의 방전타입에서 언급한 연면방전과 아크방전을 동시에 발생시킨다. 유해가스와 PM을 처리를 하는데 있어 가장 효과가 좋은 방전이 연면방전과 아크방전이라는 점을 들 때 이 발명에 따른 장치는 두 가지 방전현상을 동시에 발생시키므로 타 장치에 비해 그 효과가 매우 높다는 것이다.The apparatus according to this invention simultaneously generates the creepage discharge and the arc discharge mentioned in the above discharge type. Considering that the most effective discharges for treating harmful gases and PMs are creepage discharges and arc discharges, the device according to the present invention generates two discharge phenomena at the same time, and thus the effect is very high compared to other devices.

기존의 플라즈마 장치에서 플라즈마 발생을 억제하는 요인은 PM이다. PM은 방전시 장치표면에 흡착되어 방전의 발생을 저지하기 때문에 대부분 연소시 발생되는 PM을 필터로 필터한 다음 필터 후단에 플라즈마 장치를 장착한다. 필터는 PM을 제거할 수는 있으나 배출구의 배압을 증가시켜 자동차의 경우 연소효율을 저하시킬 뿐 아니라, 유해가스를 처리할 수 없다는 단점을 안고 있다. 그렇기 때문에 유해가스를 처리하기 위해선 필터 후단에 플라즈마 반응기를 부착해야만 한다. 그러나 이 발명에 따른 장치는 유전체가 접지 위에서 이미 전로를 차단하고 있기 때문에 PM이 장치에 흡입된다 할지라도 플라즈마가 소실되지 않는다. 뿐만 아니라, 강한아아크성 플라즈마가 PM의 일부를 연소시켜 제거시키기 때문에 PM과 유해가스를 동시에 처리할 수 있다는 특징을 가지고 있다.PM suppresses the generation of plasma in the conventional plasma apparatus. Since PM is adsorbed on the surface of the device during discharge to prevent the generation of discharge, most of PM generated during combustion is filtered with a filter, and then a plasma device is mounted at the rear of the filter. The filter can remove PM, but increases the back pressure of the exhaust port, which not only reduces combustion efficiency in automobiles, but also has a disadvantage in that it cannot handle harmful gases. Therefore, in order to treat harmful gases, a plasma reactor must be attached to the rear of the filter. However, the device according to the invention does not lose plasma even if PM is drawn into the device because the dielectric is already blocking the converter above ground. In addition, since strong arc plasma burns and removes a part of PM, PM and noxious gas can be treated simultaneously.

또한, CFC와 PFC 가스는 자동차와 플랜트에서 배출하는 가스보다 훨씬더 안정하기 때문에 보통의 플라즈마 방전으로는 처리하기가 매우 힘들다. CFC와 PFC는 반도체 공정 중에 많이 사용되는 지구 온난화와 오존층을 파괴하는 가스로서 현재 이의 처리에 많은 연구가 진행되고 있다. 이 발명에 따른 장치는 기존의 플라즈마 장치에서 발생되는 방전에너지에 비해 훨씬 에너지가 강한 아아크성 플라즈마를 발생하기 때문에 이러한 종류의 가스처리도 가능하다는 특징도 있다.In addition, CFCs and PFC gases are much more stable than those emitted by automobiles and plants, making them difficult to handle with ordinary plasma discharges. CFCs and PFCs are gases that destroy global warming and ozone layers, which are widely used during semiconductor processes, and much research is being conducted on their treatment. The apparatus according to the present invention is also characterized in that this type of gas treatment is also possible because it generates arc-like plasma, which is much more energetic than the discharge energy generated in the conventional plasma apparatus.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 이 발명의 양호한 실시예에 따른 후처리장치의 구성에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the configuration of the after-treatment apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2에는 이 발명의 제1 실시예에 따라 금속 파티클을 이용한 평면형 플라즈마 반응기가 도시되어 있다. 전원의 인가는 전극 부분에만 인가되고, 그 외 금속 파티클에는 인가되어져 있지 않다. 파티클은 금속 물질이어야만 전로를 형성 할 수 있기 때문에 금속 물질로 사용하였다. 유전체는 인가 전극 및 금속 파티클에서 발생된 방전이 절연 파괴를 막기 위해서 절연 내력이 높은 세라믹을 사용하였다. 세라믹의 종류로는 TiO2, Al2O3, BaTiO3, 제올라이트 등이 있다. 그리고 금속 파티클 또는 전극과 유전체와의 거리는 약 2~4 ㎜ 정도의 갭을 가지고 있다. 전극과 금속 파티클, 금속 파티클과 금속 파티클 사이의 간격은 약 2~4 ㎜ 정도 간격을 두어 전극에서 금속 파티클로 금속 파티클에서 금속 파티클로 방전이 용이하게 일어나도록 하였다. 금속 파티클의 크기는 수 ㎜ 정도 이며, 금속 파티클은 다양한 형상을 가지고 있다. 금속 파티클의 형상에 따라 다양한 방전 메커니즘을 구현 할 수 있다. 케이스는 장치 내부에서 발생한 방전이 외부로 세어 나오지 않도록 하게 하기 위해서 절연체를 사용하였다.1 and 2 show a planar plasma reactor using metal particles according to a first embodiment of this invention. The application of power is applied only to the electrode portion and not to other metal particles. Particles were used as metallic materials because they must be metallic to form a converter. As the dielectric, ceramics having high dielectric strength were used to prevent dielectric breakdown from the discharge generated from the applied electrode and the metal particles. Types of ceramics include TiO 2 , Al 2 O 3 , BaTiO 3 , zeolite, and the like. And the distance between the metal particles or the electrode and the dielectric has a gap of about 2 ~ 4 mm. The spacing between the electrode and the metal particles, the metal particles and the metal particles is spaced about 2 ~ 4 mm to facilitate the discharge to the metal particles from the electrode to the metal particles to the metal particles. The size of the metal particles is about several millimeters, and the metal particles have various shapes. Various discharge mechanisms can be implemented depending on the shape of the metal particles. The case uses an insulator to prevent the discharge generated inside the device from counting out.

도 3 및 도 4에는 이 발명의 제2 실시예에 따라 금속 파티클을 이용한 원통형 플라즈마 반응기가 도시되어 있다. 전원의 인가는 전극 부분에만 인가되어지며 한 개의 실린더에 4곳에 전원을 인가하였다. 이는 전극과 금속 파티클, 금속 파티클과 전극사이에 용이하게 방전이 일어나도록 하게 하기 위함이다. 금속 파티클에는 전원이 인가되어져 있지 않다. 파티클은 금속 물질이어야만 전로를 형성 할 수 있기 때문에 금속 물질로 사용하였다. 유전체는 인가 전극 및 금속 파티클에서 발생된 방전이 절연 파괴를 막기 위해서 절연 내력이 높은 세라믹을 사용하였다. 그리고 금속 파티클 또는 전극과 유전체와의 거리는 약 2~4 ㎜ 정도의 갭을 가지고 있다. 전극과 금속파티클, 금속 파티클과 금속 파티클 사이의 간격은 약 2~4 ㎜ 정도 간격을 두어 전극에서 금속 파티클로 금속 파티클에서 금속 파티클로 방전이 용이하게 일어 나도록 하였다. 케이스는 장치 내부에서 발생한 방전이 외부로 세어 나오지 않도록 하게 하기 위해서 세라믹을 사용하였다.3 and 4 show a cylindrical plasma reactor using metal particles according to a second embodiment of this invention. The power is applied only to the electrode part and power is applied to four places in one cylinder. This is to facilitate the discharge between the electrode and the metal particle, the metal particle and the electrode. No power is applied to the metal particles. Particles were used as metallic materials because they must be metallic to form a converter. As the dielectric, ceramics having high dielectric strength were used to prevent dielectric breakdown from the discharge generated from the applied electrode and the metal particles. And the distance between the metal particles or the electrode and the dielectric has a gap of about 2 ~ 4 mm. The spacing between the electrode and the metal particles, the metal particles and the metal particles is spaced about 2 ~ 4 mm to facilitate the discharge to the metal particles from the electrode to the metal particles to the metal particles. The case uses ceramic to prevent the discharge generated inside the device from counting out.

본 장치 내부에 존재하는 파티클은 아아크성 플라즈마를 발생시킬 뿐 아니라 전로를 제어하는 역할을 한다. 이 파티클은 대전중에 전계를 집중시키는 역할을 하기 때문에 초기코로나 발생을 앞당길 뿐 아니라, 인가전압의 상승과 함께 파티클에서 더욱 강한 전계집중이 일어난다. 그러므로, 파티클에서 아아크성 플라즈마가집중적으로 발생하게 된다. 이러한 효과를 이용하여 플라즈마내에서 방전에너지를 집중시키고 전로를 제어할 수 있다. 또한, 유전체에 촉매를 추가하면 더욱 좋은 효과를 거둘 수 있다. 본 장치에서 방전경로는 대향전극으로만 향하는 것이 아니고 파티클-파티클, 전극-파티클과 같이 크게 세가지 형태로 발생하기 때문에 공간과 표면 어느 부위에서도 발생되기 때문에 기존의 아아크방전이나 연면방전보다 훨씬 넓은 방전영역을 가질 수 있다. 그러나, 방전에너지 면으로 볼 때 이종접촉부에서의 값이 훨씬 높다. 대부분의 가스는 대전영역에서 이종접촉부와 같은 표면에 흡착하는 성질이 있다. 본 장치의 방전에너지가 표면에서 상대적으로 높은 에너지를 가지기 때문에 유해가스 처리에 있어 타 장치와 비교할 때 탁월한 성능을 발휘한다. 본 장치에서 발생되는 플라즈마는 높은 밀도의 에너지를 가지고 있기 때문에 짧은 시간에 유해가스를 처리할 수 있고 기존의 플라즈마 장치에서 처리가 어려웠던 매우 안정한 가스도 처리가 가능하다. 그러므로 NOx, SOx, CO, HC뿐 아니라 PFC(Per-fluro-carbons), CFC(Chlorofluorocarbon)의 처리에도 적합한 장치라 할 수 있다.The particles present inside the device not only generate arc plasma but also control the converter. This particle not only accelerates the initial corona, but also increases the applied voltage, resulting in more intense field concentration in the particle. Therefore, arcic plasma is generated intensively in the particles. This effect can be used to concentrate the discharge energy and control the converter in the plasma. In addition, adding a catalyst to the dielectric may have a better effect. In this device, the discharge path is not directed only to the counter electrode but is generated in three types such as particle-particle and electrode-particle. Can have However, in terms of discharge energy, the value at the heterogeneous contact portion is much higher. Most gases have a property of adsorbing on the same surface as the heterogeneous contact portion in the charging region. Since the discharge energy of this device has a relatively high energy on the surface, it shows excellent performance compared to other devices in the treatment of harmful gases. Plasma generated by the device has a high density of energy, so it is possible to treat harmful gases in a short time, and it is also possible to treat very stable gas, which was difficult to treat in the conventional plasma apparatus. Therefore, it is a suitable device for the treatment of not only NOx, SOx, CO, HC, but also PFC (Per-fluro-carbons) and CFC (Chlorofluorocarbon).

이 발명에 따른 장치의 방전특성은 플라즈마 영역에서 기존의 플라즈마 장치와는 비교되지 않는 강한 아아크성 플라즈마를 지속적으로 발생시킬 뿐 아니라, 안정성이 매우 탁월하며 에너지 소비율도 타제품에 비해 현저히 작은 것이 특징이다. 특히, 연소시 발생하는 PM과 같은 불순물이 반응기에 침투하더라도 방전이 안정적으로 일어날 뿐 아니라 일정수준의 PM은 본 반응기에서 같이 연소되어 유해가스 와 더불어 PM도 동시에 처리되는 것이 가장 큰 특징이다.The discharge characteristics of the device according to the present invention not only continuously generate strong arc plasma, which is not comparable to the conventional plasma device, but also have excellent stability and significantly lower energy consumption than other products. In particular, even if impurities such as PM generated during combustion penetrate into the reactor, discharge is not only stably generated, but a certain level of PM is burned together in the reactor, and PM is treated simultaneously with harmful gases.

Claims (1)

강력한 아아크성 플라즈마를 지속적으로 발생시켜 유해가스 등을 처리하는 플라즈마 반응기에 있어서,In the plasma reactor for continuously generating a strong arc plasma to treat harmful gases, etc., 전원인가측이 국부적이고,The power supply side is local, 전극 주위에 파티클이 위치하며,The particles are located around the electrode, 접지위에 놓여있는 유전체가 파티클 및 전극과 수 ㎜ 이내로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.And a dielectric placed on ground spaced apart from particles and electrodes within a few millimeters.
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CN102798149A (en) * 2012-07-26 2012-11-28 中国人民解放军装备学院 Plasma concave-cavity flame stabilizer for engine
CN102798149B (en) * 2012-07-26 2014-07-30 中国人民解放军装备学院 Plasma concave-cavity flame stabilizer for engine

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