KR20030076987A - 가스 처리용 플라즈마 반응기 - Google Patents

가스 처리용 플라즈마 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 기상 매체의 플라즈마 이용 처리용 반응기(100)는 두 개의 동심 전극(108, 109) 사이에 담겨 있는 활성 재료(107)의 원통형 베드(106; bed)를 포함하며, 두 전극 모두 접지되어 있으며, 제 3 원통형 전극(111)은 활성 재료(107)의 원통형 베드 내에서 다른 전극들과 동심관계이고 고전압 입력 단자(112)에 연결되어 있다.

Description

가스 처리용 플라즈마 반응기{Plasma reactor gas processing}
내연기관의 개발 및 사용에 관련한 중요한 문제점들 중의 하나는 이러한 엔진으로부터 유해한 배기가스가 배출된다는 것이다. 가장 해로운 물질들 중의 두 가지가, 특히 디젤 엔진의 경우에서, 분진(particulate matter; 주로 탄소)과 질산화물(NOx)이다. 갈수록 엄격해지는 배기가스 규제 법규는 내연기관 및 차량 제조업자들이 특히 내연기관 배기가스 배출물로부터 이러한 물질들을 제거하는 보다 효율적인 방법을 찾게 한다. 불행하게도, 현실적으로, 내연기관 배기가스 배출물의 상기 성분들 중의 하나에 관한 상황을 개선하는 연소 수정(combustion modification) 기술은 다른 성분에 대한 상황을 악화시키는 경향이 있다. 그렇긴 하지만, 내연기관 배기가스로부터 분진 배출물을 포집하기 위한 다양한 시스템들이 특히 트랩들이 분진 물질들로 포화되었을 때 재생될 수 있는 이러한 분진 배출물 트랩(trap)을 만드는 것에 관하여 조사되어 왔다.
이러한 디젤 배기가스 분진 필터들의 예들로는 유럽 특허 출원 EP 0 010 384호; 미국 특허 제 4,505,107호; 4,485,622호; 4,427,418호; 4,276,066호; EP 0 244 061호; EP 0 112 634호 및 EP 0 132 166호가 있다.
상술한 건들 모두에서, 분진 물질은 다공성, 일반적으로 세라믹제인 필터 본체의 간극(interstice)들 내에 분진 물질들을 간단하고 물리적으로 포집하여 디젤 배기가스로부터 제거되며, 이는 그 다음에 필터 본체를 포집된 디젤 배기가스 분진들이 소진(burn off)되는 온도로 가열하여 재생된다. 비록 EP 0 010 384호는 세라믹 비드(bead), 와이어 메쉬(mesh) 또는 금속 스크린을 사용하는 것을 언급하지만, 대부분의 경우에, 필터 본체는 모놀리스(monolith)로 이루어진다. 미국 특허 4,427,418호는 세라믹 코팅된 와이어 또는 세라믹 섬유를 사용하는 것을 공개한다.
영국 특허 제 2,274,412호는 높은 유전 상수를 갖는 물질, 바람직하게는 강자성(ferroelectric) 물질의 대전된 펠릿(charged pellet)의 베드(bed; 층)를 배기가스가 지나가는, 내연기관 배기가스로부터 분진 및 다른 오염물질을 제거하는 방법 및 장치를 공개한다. 산화, 특히 전기 방전 응용 산화에 의해 분진을 제거하는 것에 부가하여, NOx 환원을 촉진하는 구성의 펠릿들을 사용하여 NOx 가스를 질소로 환원하는 것이 공개되어 있다.
영국 특허 명세서 2 274 412호에 공개된 것과 같은, 높은 유전 상수의 재료의 펠릿의 베드를 포함하는 플라즈마 이용 가스 반응기에서 발생하는 문제점은, 펠릿 베드 내의 전기장에서 국지적인 변동이 일어나, 전기장이 불충분한 펠릿 베드 영역들에서 반응기 내에서 처리되는 기상 매체에 플라즈마가 발생할 수 있다는 것이다.
본 발명은 기상 매체의 플라즈마 이용 처리에 대한 것이며, 특히 내연기관의 배기가스로부터 탄화 산화물 및 질화 산화물의 연소 생성물의 배출을 감소하는 것에 대한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 종방향 단면도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예의 종방향 단면도.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예의 종방향 단면도.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예의 종방향 단면도.
도 5는 본 발명의 제 5 실시예의 종방향 단면도.
도 6은 본 발명의 제 6 실시예의 종방향 단면도.
도 7은 본 발명의 제 7 실시예의 종방향 단면도.
본 발명의 목적은 기상 매체의 플라즈마-이용 처리를 위한 개선된 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 기상 매체의 플라즈마 이용 처리용 반응기가 제공되며, 이 반응기는 가스 투과성 활성 물질을 담고 있는 반응기 챔버와, 처리될 기상 매체가 챔버와 그 안의 활성 물질을 지나가도록 반응기 내에서 구속하는 수단과, 다수의 전극을 포함하며, 이 전극들에 의해 활성 물질에 걸쳐 활성 물질의 간극을 지나가는 기상 매체에 플라즈마가 형성되게 하기에 충분한 전기장이 형성되고, 하나 이상의 전극이 고전압 입력 단자에 연결되며 접지 지점에 접속된 두 평행한 전극들 사이에서 활성 물질 내에 배치된다.
활성 물질은 활성 물질 베드, 바람직하게는 높은 유전율(dielectric permittivity)을 갖는 물질의 베드로 구성될 수 있다.
본 발명의 전극 배치의 장점은 주어진 폭의 활성 매체 팰릿의 베드에 대해 전기장이 배가 되어, 반응기 내의 활성 물질 베드를 지나가는 기상 매체에 플라즈마를 형성하는 효율이 개선된다는 것이다.
바람직하게는, 활성 물질 베드는 중공 원통형 구조를 가지며, 동축관계인 원통형 전극들이 원통의 내면 및 외면을 형성하고, 고전압 전극이 이들 접지된 전극들 사이의 중간에 위치하고, 이들과 동축관계이다.
본 발명의 양호한 실시예에서, 활성 물질 베드는 두 개의 동심관계인 원통형 접지된 전극들 사이에 담긴 개개의 펠릿의 형태이며, 고전압 전극도 원통형 전극이며 접지된 전극들과 동심관계이고 접지된 전극들 사이의 중간에 위치하고, 전극들은 가스 투과성이고, 기상 매체는 활성 물질의 베드를 통해 방사방향으로 유동하도록 구속되고, 고전압 전극의 상류측의 펠릿들은 고전압 전극의 하류측의 펠릿들보다 더 큰 사이즈를 갖는다.
본 발명의 특징에서, 플라즈마 이용 가스 반응기는 배기가스로부터 질소함유 및/또는 탄소 함유 연소 생성물을 제거하기 위해 내연기관의 배기 시스템에 포함되는 구성이다. 이러한 형태의 본 발명에서, 내연기관의 배기가스에서 유해한 연소 생성물들의 농도를 더 감소시키기 위해 플라즈마 이용 가스 반응기의 하류측에 촉매 변환장치가 포함된다.
촉매 변환장치는 활성 물질로서 동일한 반응기 챔버에 포함될 수 있다. 특히, 원통형 구조를 가질 때, 활성 물질의 베드의 중앙 영역에 포함될 수 있다.
활성물질로서 사용하기 적합한 재료의 예들로는, 티탄산염(titanate), 특히 바륨 티탄산염, 특히 아나타제 상(anatase phase)의 산화 티타늄, 산화지르코늄(zirconia)과, 이들 화합물들의 혼합물, 산화알루미늄(alumina), 금속-도핑된 제올라이트(zeolite)와, 바나디아(vanadia)가 있다.
본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 예를 들어 설명된다.
도 1을 참조하면, 배기가스로부터 유해한 연소 생성물을 제거하기 위해 내연기관의 배기가스를 플라즈마 이용 처리하기 위한 반응기(100)가 원통형 금속제 케이싱(101)으로 구성되어 있으며, 이 케이싱은 입구 스터브(102; inlet stub)와 출구 스터브(103)를 가지며, 출구 스터브에 의해 내연기관의 배기가스에 통합될 수 있다(도면에 도시되지 않음). 반응기 케이싱(101)은 두 개의 격실(104, 105)로 분할되어 있다. 반응기 케이싱(101)의 상류측 격실(104)은 바륨 티탄산염과 같은 활성 물질의 펠릿(107)의 베드(106)를 포함하며, 이들 활성 물질은 다공성(perforated) 스테인리스 강으로 이루어진 두 개의 접지된 동심관계인 원통형 전극(108, 109)들 사이에 담겨 있다. 내부 전극(108)의 상류측 단부는 역시 스테인리스 강으로 이루어진 심블 관(110; thimble)에 의해 둘러싸여 있다. 역시 다공성 스테인리스 강으로 이루어진 제 3의 원통형 전극(111)이 전극(108, 109)들과 동심관계로, 활성 재료로 이루어진 펠릿(107)의 베드(106) 내의 중앙에 위치한다. 전극(111)은 고전압 단자(112)에 연결된다. 전극(108, 109, 111)들은 알루미나와 같이 열 충격(thermal shock)에 대한 저항을 갖는 세라믹 절연 재료로 이루어진 두 개의 다이어프램(113, 114)에 의해 반응기 케이싱(101)의 격실(104) 내에 지지 및배치된다. 상류측 전극 지지부(113)는 반응기 케이싱(101)과 외측 전극(109) 사이의 공간(116)으로 개구된 그 외주 둘레의 규칙적으로 이격된 축방향으로 배향된 구멍(115)의 링을 갖는다. 하류측 전극 지지부(114)는 중앙 개구(117)를 가지며, 이 개구의 직경은 내측 전극(108)의 직경과 거의 동일하다. 그러므로, 반응기 챔버(101)로 들어가는 배기가스는 접지된 내부 전극(108)의 중앙 개구(117)를 통해 반응기 케이싱(101)의 격실(104)을 나가기 전에 펠릿(107)의 베드(106)를 방사방향으로 지나도록 구속된다. 반응기(100)의 격실(105)은 내연기관으로부터의 배기가스의 환원을 위해 종래의 모놀리스 촉매 본체(118)를 포함한다. 반응기 케이싱(101)의 격실(104, 105) 사이에는, 전극(108)의 개구(117)를 통해 반응기 케이싱(101)의 격실(104)을 나가는 배기가스의 유동이 확장되어 촉매 본체(118)의 상류측 표면(120) 전체를 가로지름을 보장하도록 배치되는 유동 안내판(119; flow director plate)이 있다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예의 종방향 단면도를 도시한다. 제 1 실시예의 유사한 구성요소들에 대응하는 구성요소들은 동일한 도면부호를 사용하였다. 본 발명의 이 실시예에서, 반응기 케이싱(101)은 하나의 격실(201)만을 가지며, 촉매 재료의 모놀리스 본체(202)가 내부 전극(108) 내에 포함되어 있다. 장치의 나머지 부분은 도 1의 장치와 동일하다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예의 종방향 단면도를 도시한다. 역시, 이전 실시예의 유사한 구성요소들에 대응하는 구성요소들은 동일한 도면부호를 사용하였다. 본 발명의 이 실시예에서, 모놀리스 촉매가 내부 전극(108) 내에 포함되어 있지만, 이 경우에 촉매는 단일의 본체 대신에 일련의 디스크(301)들의 형태이며, 반응기 케이싱(101)의 출구 스터브(103)와 제 2 전극(114)의 개구(117) 사이에 촉매의 제 2 본체(302)가 위치한다.
도 4는 내부 전극(108) 내측의 공간이 다수의 모놀리스 촉매 디스크 대신에 촉매 재료로 이루어진 비드(401)들로 채워진, 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 반응기의 나머지 부분은 도 3의 본 발명의 실시예와 동일하며, 동일한 도면부호를 사용한다.
도 5는 중공 원통형을 갖고 반응기 케이싱(101)의 제 2 격실(502) 내에 담겨 있는 단열된 고전압 변압기(501)에 고전압 전극(111)이 직접 접속된 본 발명의 실시예를 도시한다. 역시, 내부 전극(108) 내측의 공간은 내연기관 배기가스의 유해한 성분들을 더 감소시키기 위해 모놀리스 촉매(202)로 채워져 있다.
도 6은 고전압 변압기(601)의 출력부에 고전압 전극이 직접 접속된 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 그러나, 이 경우에, 내부 전극(108) 내측의 공간은 도 3을 참조하여 설명된 실시예에서와 같이 모놀리스 촉매 재료로 이루어진 다수의 디스크(602)들을 갖고, 중공 원통형 변압기(601)의 내측은 모놀리스 촉매 재료로 이루어진 다른 본체(603)로 채워진다.
지금까지 설명된 본 발명의 실시예들은 모두 활성 재료의 펠릿(107)들의 베드(106)를 통해 기상 매체의 실질적인 방사방향 유동을 제공하도록 구성되어 있다. 그러나, 본 발명을 실시하는 플라즈마 이용 가스 처리용 반응기들은 반응기에서 처리될 기상 매체의 활성 재료 베드를 통한 축방향 유동을 제공하도록 구성될 수도있다.
도 7은 이러한 배치를 도시한다. 역시, 제 1 실시예의 유사한 구성요소들에 대응하는 구성요소들은 동일한 도면부호를 사용하였다. 도 7을 참조하면, 내부 전극(108)은 중앙 로드(701; central rod)로 대체되고, 전극 지지부(113, 114)는 대응하는 전극 지지부(702, 703)로 대체되며, 이들 전극 지지부들은 용이하게 가스가 삼투할 수 있는 절연 세라믹 재료로 이루어지거나 또는 그 안에 축방향 구멍(704)들의 어레이를 갖는다. 또한, 접지된 외부 전극(109)과 고전압 전극(111)은 천공되지 않은 스테인리스 강 시트로 구성된다. 배플 판(119; baffle plate)은 필요하지 않으며 생략되었다. 반응기의 나머지 부분은 도 1의 실시예와 동일하다.
도 7의 실시예의 구성은 유전체 배리어 방전 작업(dielectric barrier discharge operation)에 적합하다. 이를 위해, 적어도 고전압 전극이 유전체 배리어를 형성하기 위해 모든 표면에 유전체 층이 제공된다. 다르게는, 접지된 전극들 모두가 그 모든 표면에 유전체 재료 층을 구비한다. 그러나, 유전체 배리어 방전 작업을 위한 바람직한 배치에서 모든 전극의 모든 표면에 유전체 재료층이 제공된다.
도 1 내지 도 6의 방사방향 유동 실시예들은 유전체 배리어 방전 작업에 유사하게 적용할 수 있지만, 이 경우 전극들의 디자인이 보다 복잡해지는데 왜냐하면 가스가 전극들을 지나갈 때 모든 금속 표면들이 유전체 배리어 재료층으로 코팅되어 있음을 보장하도록 주의가 필요하기 때문이다.

Claims (14)

  1. 가스 투과성 활성 재료를 담고 있는 반응기 챔버와, 반응기 내에서 처리될 기상 매체가 챔버 및 활성 재료를 지나가도록 구속하는 수단과, 다수의 전극을 포함하며, 상기 전극들에 의해 활성 재료의 간극(interstice)들을 지나가는 기상 매체에 플라즈마가 형성되기에 충분한 전기장이 활성 재료에 걸쳐 형성되는, 기상 매체의 플라즈마 이용 처리용 반응기에 있어서,
    고전압 입력 단자에 연결되며, 접지 지점에 접속된 두 개의 평행한 전극들 사이의 활성 재료 내에 배치된 하나 이상의 전극을 포함하는 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    고전압 전극은 그 표면 모두가 유전체 재료로 코팅되어 반응기가 유전체 배리어 반응기로서 작동하는 반응기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    접지된 전극들은 적어도 고전압 전극과 마주하는 표면들이 유전체 재료로 코팅되어 반응기가 유전체 배리어 반응기로서 작동하는 반응기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    반응기는 중공 원통형 구조를 갖고, 두 개의 접지된 전극들은 활성 재료의내측 및 외측 경계부를 형성하고, 고전압 전극은 내부 및 외부 전극 사이의 중간에 동축 상에 배치된 원통인 반응기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    활성 재료의 투과성은 활성 재료를 지나가는 기상 매체의 유동 방향으로 감소되는 반응기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    활성 재료는 개개의 활성 재료의 펠릿의 덩어리 형태인 반응기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    펠릿의 사이즈들은 반응기를 지나는 기상 매체의 유동 방향에 따라 감소하는 반응기.
  8. 제 4 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    전극들은 가스 투과성이고, 기상 매체는 반응기 챔버를 방사방향으로 지나가도록 강제되는 반응기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    반응기는 내연기관의 배기 시스템의 일부분을 형성하는 구성인 반응기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    본체의 재료는 내연기관으로부터의 배기가스의 유해한 연소 생성물의 감소를 위해 촉매 특성을 갖는 반응기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 촉매 물질의 본체는 활성 재료의 하류측에 배치되는 반응기.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    활성 재료는 중공 원통형 구조이고, 기상 매체는 활성 재료를 방사방향으로 지나도록 구속되고, 상기 촉매 재료는 활성 재료의 중공 중심에 위치하는 반응기.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    고전압 전극은 활성 재료와 동일한 외피(envelope)의 격실에 포함된 고전압원에 직접 연결되는 반응기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    고전압 원은 중공 원통형 구조를 갖고, 내연기관의 배기가스의 유해한 배출물을 환원하기 위해 촉매(catalytic)성의 가스 투과성 재료의 베드가 고전압원의 중공 중심에 포함되는 반응기.
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