KR20030077368A - 유해 폐기물 처리용 공동형 플라즈마 토치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유해 폐기물을 소각, 용융고화 처리할 수 있는 열플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 토치에 관한 것으로, 이 장치의 핵심 구성품인 전극, 기체 주입링, 냉각 라인의 설계 개선과 자기장의 이용 및 방전 특성 해석을 통해서 전극 및 토치수명의 연장, 토치 열효율 개선, 처리 대상폐기물의 다양화를 기할 수 있도록 한 공동형 전극을 가진 직류 비이송식 플라즈마 토치 제작에 관한 것이다. 유기폐기물의 열분해를 통한 완전 소각을 위해 공기를 아크기체로 사용할 수 있도록 음극(3)으로 구리를 사용하였으며 전극의 모양을 공동형으로 하였다. 토치의 작동이 중단되지 않도록 음극점(61)과 양극점(62)이 전극의 원통벽면에 발생하도록 하면서 토치가 최대의 열효율을 갖도록 하는 음극(3)과 양극(13)의 길이와 직경비를 결정하였고, 냉각수 유로의 개량을 통해 전극과 토치 몸체의 손상을 최소화하였으며, 새로운 전극(3,13)의 모양과 기체주입방법을 고안하여 동일한 운전전력과 기체유량에서 높은 방전 전압을 얻어 전류를 낮춤으로써 전극 침식 감소에 따른 수명 연장을 기하였다. 또한, 음극(3) 외주면에 솔레노이드(15)를 설치하여 음극점(62)의 회전을 증진시켜 전극 침식을 막고, 동시에 음극 직경을 양극직경보다 약간 크게 하여 음극영역에서 아크기체의 와류운동을 증가시켜 토치의 장시간 운전이 가능하도록 하였다. 이러한 장치는 소각로 및 용융로의 핵심이 되는 고온 고열용량의 열원으로 장착되어 도시 폐기물, 산업 폐기물, 병원 폐기물, 방사성 폐기물 등 각종 유해 폐기물의 열분해와 유리화 처리에 사용될 수 있다.

Description

유해 폐기물 처리용 공동형 플라즈마 토치{Plasma Torch with Hollow Electrodes for Hazardous Waste Treatment}

본 발명은 유기물 또는 무기물 형태로 배출되는 각종 유해 폐기물을 열분해에 의한 완전 소각과 용융고화에 의한 유리화 처리를 할 수 있는 열플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치의 설계와 제작에 관한 것으로, 특히 이 장치의 핵심 구성품인 전극, 기체 주입링, 냉각 라인의 설계 개선과 자기장의 이용 및 방전 특성 해석을 통해서 전극 및 토치수명의 연장, 토치 열효율 개선, 처리 대상폐기물의 다양화를 기할 수 있도록 한 공동형 전극을 가진 직류 비이송식 플라즈마 토치 개발에 대한 것이다.

플라즈마 토치는 운전조건의 조절이 용이하고 전기와 기체를 사용하기 때문에 무오염원이며 장치의 크기가 매우 작고 높은 온도와 열량을 제공할 수 있어서, 오래 전부터 용사, 합성, 금속의 정련과 제련 등에 사용되어져 왔다. 유해폐기물의 증가로 인하여 매립에 의한 폐기물 처리가 한계에 다다르게 된 요즘, 소각에 의해서 폐기물을 처리하는 비중이 점점 높아가고 있으나, 화석 연료를 사용하는 기존의 소각로는 불완전연소에 의해서 다이옥신이나 퓨란같은 새로운 2차적인 공해물질을 발생함으로써 새로운 환경오염을 일으키고 있다. 이와 같은 상황을 극복하고자 많은 양의 유해폐기물을 단시간 내에 처리하면서도, 주변환경을 오염시키지 않는 무오염원인 열플라즈마에 의한 폐기물 처리 방법이 관심을 끌고 있다. 열플라즈마에 의한 유해폐기물 처리는 기존의 소각방식과 구별되는 뛰어난 특성을 가지고 있는 반면, 전기를 원료로 사용하기 때문에 운전비가 비싸다는 단점을 가진다. 이와 같은 이유로 오래전부터 여러 가지 종류의 플라즈마 토치가 존재해 왔음에도 불구하고, 유해폐기물의 처리에 열플라즈마를 적용하는 기술은 상업화에 어려움을 겪고 있다.

또한, 유기 폐기물을 열분해시켜 무해하면서도 화학적으로 안정된 원소로 연소 반응을 시키려면 아크기체로 산소를 포함한 공기나 수증기와 같은 기체를 사용하여야 한다. 그런데, 플라즈마 용사 등의 소재 공정용으로 가장 널리 사용되고 있는 종래의 막대-노즐형 플라즈마 토치는 텅스텐으로 제작된 음극을 사용하고 있어서 공기나 산소를 아크기체로 사용할 경우, 음극 재질인 텅스텐이 산화가 되면서 음극의 침식이 크게 증가하여 전극 수명이 짧을 뿐만 아니라, 열전자 방출이 억제되기 때문에 아크의 유지가 힘들다는 문제점이 있다.

그리고, 유기물과 무기물이 혼재되어 있는 유해폐기물을 처리하기 위해서는 열분해와 유리화를 이룰 만큼 충분한 열량을 유해 폐기물에 전달해 주어야 하고, 열분해된 원소에 연소반응을 일으키기에 충분한 양의 산소를 아크기체로 공급할 수 있어야 한다. 많은 양의 유해폐기물을 처리하기 위해서는 플라즈마 토치가 고출력이어야 하는데, 고출력을 얻는 방법은 운전전류와 전압을 높이는 두 가지 방법이있다. 그런데, 운전전류가 증가하면 전극 침식이 커져서 전극을 자주 교체해야 하기 때문에 운전전압을 증가시켜 고출력을 얻는 것이 또한 요구되고 있다.

따라서, 다양한 아크 기체를 사용할 수 있고, 낮은 전류에서도 고 출력의 운전을 가능하게 할 뿐 만 아니라, 전극의 침식율을 줄여 전극 수명을 길게 할 수 있는 유해 폐기물 처리용 플라즈마 토치가 요구되는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 동일한 입력 전력 운전 조건에서 높은 전압과 열효율을 가지는 동시에 음극의 수명을 장기화 할 수 있는 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 산소 등을 포함한 다양한 아크 기체를 사용하는 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전극의 설계와 기체 주입 방법을 개선하고 있다. 이에 의해 공기를 아크 기체로 사용 가능케 하여 저렴한 운전 비용과 처리 대상물의 다양화와 더불어 처리 대상물의 완전 열분해 처리를 할 수 있게 하고, 낮은 전류에서도 고출력의 운전을 가능하게 하였으며, 이에 따라 전극의 침식율을 줄임으로써 토치의 운전수명을 증가시킬 수 있다. 아크점이 전극 내부에 존재하는 범위에서 최대의 열효율을 갖는 음극과 양극의 직경과 길이의 비를 결정해서 보다 경제적인 유해폐기물 처리가 가능하다. 또한, 음극 직경을 양극 직경보다 약간 크게 하여 음극 내부에서의 와류운동을 증가시키는 한편, 음극면에 외부자기장을 걸어주는 솔레노이드를 설치하여 아크점의 회전속도를 증가시켜서 음극 침식율을 양극 침식율과 거의 동일한 수준으로 감소시켜 전극의 수명을 연장시킬 수 있다.

본 발명의 다른 목적과 이점은 후술하는 상세한 설명에 의해 명확해 질 것이다.

도 1은 본 발명의 공동형 플라즈마 토치의 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 공동형 플라즈마 토치의 공동형 음극과 양극의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 공동형 플라즈마 토치의 기체 주입부 근처의 상세 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 공동형 플라즈마 토치 내부에서 냉각수와 아크 기체의 흐름을 보여주는 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 공동형 플라즈마 토치의 공동형 전극 내부에서 아크점이 결정되는 원리도.

도 6은 본 발명에 따른 공동형 플라즈마 토치의 기체 주입링의 측면도.

도 7은 본 발명에 따른 공동형 플라즈마 토치의 솔레노이드의 기능을 설명하는 원리도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 음극몸체2 : 음극몸체지지대3 : 음극

4 : 절연부분I5 : 절연부분II6 : 삽입체I

7 : 기체주입링8 : 양극몸체9 : 삽입체II

10 : 겉몸체I11 : 양극몸체지지대12 : 겉몸체II

13 : 양극14 : 앞뚜껑15 : 솔레노이드

16 : 솔레노이드몸체I17 : 솔레노이드몸체II

이하 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 토치를 나타내는 단면도로서, 토치는 속이 비어 있고 재질이 구리인 두 개의 원통형 전극으로 음극(3)과 양극(13)을 가지고 있고, 아크를 안정화시키기 위하여 와류 운동을 하게끔 아크기체를 주입 시켜주는 기체주입링(7)의 기본 구조를 가진다. 이 외에 음전원(-)과 냉각수를 동시에 토치에 공급하여 주는 음극몸체(1)와 음극몸체지지대(2), 음극(3)과 양극(13)을 절연시켜주며 아크기체의 통로역할을 하는 절연부분I(4)과 절연부분II(5), 양극(13)을 고정시켜주는 양극몸체(8)와 양극몸체지지대(11), 냉각수의 통로를 이루면서 절연부분(4,5)과 양극몸체(8)를 지지하는 삽입체I(6)과 삽입체II(9), 토치의 내부를 감싸고 외관을 마무리 지으며 양극의 전력 통로 구실을 하는 겉몸체II(12)와 앞뚜껑(14), 양전원(+)을 공급하고 냉각수의 출구역할을 하는 겉몸체I(10), 외부에서 플라즈마 내에 자기장을 걸어주기 위하여 설치된 솔레노이드(15), 솔레노이드를 보호하기 위한 솔레노이드몸체I(16)과 솔레노이드몸체II(17) 등으로 구성되어 있다.

여기서 상기 음극몸체(1)는 좌측 선단 내측에 나사홈(18)을 제작하여 음전원과 냉각수를 동시에 공급받기 용이하게 하였으며, 음극몸체지지대(2)와 연결시키기 위한 6개의 볼트구멍(19)이 뚫려있다. 상기 음극몸체지지대(2)에는 6개의 볼트구멍(20)이 뚫려 있어서 음극몸체(1)와 결합하며, 나사산(23)에 의해 솔레노이드 몸체I(16)을 음극몸체지지대(2)에 고정시킨다.

상기 음극(3)을 구리로 제작하면 산소를 포함한 기체들, 즉, 공기와 수증기를 아크기체로 사용할 수 있고, 전극(3,13)이 속이 빈 공동형이기 때문에 음극점이 한 위치에 고정되지 않고 이동하게 되고 이로 인해 음극(3)의 침식을 감소시킬 수 있다. 상기 음극(3)은 밑면에 나있는 나사산(22)에 의해 음극몸체(1)와 연결된다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 토치의 공동형 음극과 양극의 구조를 잘 나타내주는 단면도이다. 공동형 음극(3)의 위쪽 끝부분은 도 2가 보여주듯이 기체주입링(7) 근처에서는 넓다가(26) 점차적으로 좁아진 후에(25) 음극(3)의 내벽 쪽으로 갈수록 넓어지는 모양(24)을, 양극(13)의 아래쪽 끝부분은 상기 양극몸체(8)에서는 넓다가(29) 좁아진(28) 후에 양극(13)의 내벽으로 향해서는 넓어지는 모양(27)으로 각각 제작되었다. 아크의 초기 방전을 원활하게 시켜주기 위하여 음극(3)과 양극(13)의 가장 가까운 부분(25,28)의 거리가 2 mm를 유지하도록 하였다. 한편 26과 29의 사이가 25와 28 사이보다 가까우면 초기 방전이 26과 29 사이에서 발생하여 양극몸체의 일부분인 29에 손상이 일어나고 심지어 기체주입링(7) 마저도 파손되는 현상이 일어나므로 양극몸체(8)와 기체주입링(7)의 보호를 위하여 26과 29 사이의 거리가 25와 28 사이의 거리보다 크게 제작하였다. 또한, 아크기체가 부드럽게 전극(3,13) 내로 입사되도록 하기 위하여 24와 27, 26과 29을 서로 대칭이 되게하였다. 즉, 전체적으로 보면 기체 주입링(7)을 통과한 기체가 흐르는 음극(3)과 양극(13)이 근접하는 부위는 음극(3)과 양극(13)이 각각 볼록한 형태로 서로 마주보는 형상이다.

도 3은 본 발명에 따른 공동형 플라즈마 토치의 기체 주입부 근처의 단면도이다. 절연부분I(4)과 II(5)는 음극(3)과 양극(13)을 전기적으로 절연시켜주는 역할을 한다. 도 1에 나타나듯이 절연부분I(4)은 아래쪽으로 음극몸체지지대(2)와 솔레노이드몸체I(16)에, 위쪽으로 절연부분II(5), 삽입체 I(6)과 겉몸체I(10)과 연결되어 있다. 또, 6개의 볼트구멍(31,40)에 의해 절연부분I(4)과 겉몸체I(10)이 연결되며, 절연부분I(4)에는 아크기체를 전극(3,13) 내부로 입사시키기 위한 구멍(30)이 뚫려있다. 상기 절연부분II(5)는 음극(3)에 나있는 나사산(22)과 음극몸체(1)의 나사홈(22)의 결합에 의해서 음극몸체지지대(2)와 절연부분I(4)에 고정된다. 또한, 도 3에서 알 수 있듯이 절연부분Ⅱ(5)에는 기체주입링(7), 절연부분II(5)와 양극몸체(8)로 이루어진 공간(36)에 아크기체를 입사시키기 위한 구멍(33)과 냉각수의 통로가 되는 구멍(34)이 뚫려있다. 구멍(33,34)은 각각 3개와 6개씩 뚫어서 아크기체와 냉각수가 균일하게 흐르게 하였다. 삽입체I(6)는 절연부분II(5)에 나있는 나사홈(32)과 삽입체I(6)에 있는 나사산(32)의 결합에 의해 절연부분II(5)에 연결되며, 절연부분I(4)과 절연부분II(5)를 고정시키는 역할을 한다. 삽입체II(9)는 삽입체I(6)과 나사식(35)으로 결합되면서 양극몸체(8)을 절연부분II(5)와 기체링(7)에 고정시킨다. 삽입체I(6)과 삽입체II(9)는 도 4에 나타나듯이 절연부분II(5), 양극몸체(8), 겉몸체I(10)과 함께 냉각수의 통로(50,55)를 만들어준다.

상기 기체주입링(7)은 도 3에 보여지는 절연부분II(5), 양극몸체(8)과 기체링(7)으로 이루어진 빈 공간(36)에 존재하는 아크기체를 전극(3,13) 내부로 주입시키는 역할을 한다. 또한, 아크기체를 전극(3,13) 사이에 보다 균일하게 입사시키기 위해 균일한 간격을 갖고 비스듬히 뚫린 18개의 작은 구멍(37)을 기체주입링(7)에 가공하였다. 상기 앞뚜껑(14)을 겉몸체II(12)와 나사식(45)으로 결합하면 양극(13)이 양극몸체(8)에 고정된다. 양극몸체(8)에는 냉각수의 통로 역할을 하는 6개의 구멍(38)이 뚫려있으며 토치의 무게를 줄이기 위하여 절연부분로 제작된 양극몸체지지대(11)과 나사식(39)으로 결합된다. 상기 겉몸체I(10)는 냉각수의 출구(41)의 역할과 함께 양전원(+)을 토치에 공급하는 역할을 하며, 나사홈(43)에 의해 폐기물 처리로와 결합된다. 상기 겉몸체II(12)는 밑쪽에 8개의 구멍(44)이 뚫려 있어서 겉몸체I(10)이 가지고 있는 8개의 구멍(42)와 볼트에 의해 연결되고, 위쪽으로 앞뚜껑(14)와 나사식(45)으로 연결된다. 겉몸체II(12)와 앞뚜껑(14)은 유해폐기물 처리시에 소각로 안에 위치하므로 고온에 노출되는 부품이다. 따라서 이들을 물로 냉각하여 소각로 내부의 고온에 잘 견디도록 하였으며, 직경을 밑부분에 있는 부품들보다 작게 만들어서 외관상 수려할 뿐만 아니라 토치의 무게를 줄이도록 하였다.

도 4는 전극내부에 발생하는 아크 플라즈마와 소각로 안의 고온으로부터 받는 열에 의해 토치가 손상되는 것을 방지해주는 냉각수가 흐르는 경로르 나타내 주는 단면도이다. 음극몸체(1)로 주입된 냉각수는 음극몸체의 내벽(48)을 통한 뒤 4개의 비스듬하게 뚫린 구멍(21)을 빠져나가고 음극몸체지지대(2)와 음극(3)사이의 환 형태(49)의 관을 거쳐서 절연부분II(5)에 설치되어 있는 6개의 비스듬히 뚫어진 구멍(34)으로 향한다. 그 다음 절연부분II(5), 삽입체I(6)과 양극몸체(8)로 이루어진 환 형태의 관(50)을 거쳐서 양극몸체(8)에 비스듬히 뚫려 있는 6개의 구멍(38)을 통과한 후에 다시 양극몸체(8), 양극몸체지지대(11), 양극(13)의 사이에 있는 환 형태의 관(51)과 양극몸체지지대(11), 앞뚜껑(14)과 겉몸체II(12)으로 이루어진 환 형태의 관(52,53)을 통과한다. 최종적으로 양극몸체(8), 삽입체II(9)와 겉몸체I(10)로 이루어진 환 형태의 관(54,55) 사이를 흘러서 겉몸체I(10)에 뚫린 구멍(41)으로 토치 외부로 배출된다. 이 때, 구멍(21)과 구멍(34)은 같은 방향으로, 구멍(38)은 반대방향으로 비스듬히 뚫어서 냉각수의 와류 운동을 일으켜 냉각수가 구멍(21,34,38)에서 환 형태의 관(49,50,51)으로 빠져나갈 때 같은 방향으로 계속 회전하게 함으로써 냉각수가 보다 균일하게 흐르도록 하였다. 또한, 냉각수가 흐르는 구멍(21,34,38)의 단면적을 환 형태의 관(49,50,51)의 단면적보다 1.5∼2배 정도 크게 하여서 냉각수가 환 형태의 관(49,50,51)을 흐를 때 유속을 빠르게 유지함으로써 전극(3,13)의 냉각을 용이하게 하였다. 반대로, 앞뚜껑(14), 겉몸체II(12)과 겉몸체I(10)을 냉각시키는 부분(52,53,54,55)은 단면적을 비교적 넓게 함으로서 압력 저항을 줄여서 냉각수가 보다 원활히 토치 내부에 흐를 수 있도록 하였다.

아크기체는 절연부분I(4)에 뚫려있는 구멍(30)에서 공급되어 절연부분I(4)과 절연부분II(5)로 이루어진 환 형태의 공간(56)을 거치고 절연부분II(5)에 뚫려있는3개의 구멍(33)을 통과한 뒤 절연부분II(5), 기체주입링(7)과 양극몸체(8)로 이루어진 공간(36)에 입사된다. 그 후, 기체주입링(7)에 균일하게 뚫린 18개의 구멍(37) 통하여 음극(3)과 양극(13) 사이로 들어간다.

도 5를 참조하여 공동형 전극 내부에 아크점이 형성되는 원리를 설명한다. 기체주입링(7)으로부터 입사된 아크기체는 도 5의 a에 나타낸 방식으로 전극(3,13)내부에 흐르게 된다. 음극(3) 내부에서의 아크기체 흐름을 살펴보면 음극(3)의 옆벽(57)으로는 기체주입링(7)에서 주입된 아크기체의 와류 운동에 의해서 아크기체가 밑벽(58)쪽으로 계속 밀리게 되나, 밑벽(58)에 가까워지면서 속도는 감소한다. 일단 밑벽(58)에 부딪친 아크기체는 토치의 출구(59)방향으로 향하므로 아크기체는 음극(3)의 중심부근에서는 축방향(z)의 속도를 가지게 된다. 양극(13) 영역에서는 아크기체가 토치 출구(59)방향으로 향하는 속도만이 존재하며 토치 출구(59)방향으로 향하면서 양극(13)의 옆벽(60)과의 마찰에 의해 아크기체의 축방향 속도는 감소한다. 따라서, 음극(3)의 옆벽(57)에서는 -z방향으로, 양극(13)의 옆벽(60)에서는 z방향으로 아크기체의 동적 힘이 작용한다. 일단 아크가 방전되면 도 5의 b에서 볼 수 있듯이 전류밀도와 아크로부터 유기되는 자기장이 발생한다. 이 때 전류밀도 j와 아크로부터 유기되는 자기장 세기인 Bθ의 벡터곱에 의해서 나타나는 로렌쯔 힘 j×Bθ는 음극점(62)근처에서는 z방향으로, 양극점(61)근처에서는 -z방향으로 나타나게 된다. 그런데, 도 5의 a에 나타나 있듯이, 음극점(62) 근처에서는 -z 방향으로, 양극점(61)근처에서는 z방향으로 기체의 동적 힘이 작용하므로, 아크점(61,62) 근처에서는 로렌쯔 힘과 기체의 동적인 힘이 서로 반대방향이 되며,아크점(61,62)의 위치는 로렌쯔 힘과 기체의 동적인 힘이 같아지는 곳에서 결정이 된다. 따라서, 아크점(61,62)의 위치는 로렌쯔 힘의 근원인 운전전류와 기체의 동적 힘을 발생시키는 아크기체의 축방향 속도에 의해서 결정된다.

장시간 토치를 운전하기 위해서는 전극(3,13)의 침식을 줄여야 한다. 전극(3,13)의 침식은 아크점(61,62)에 집중된 전류밀도의 크기에 비례하기 때문에 전극(3,13)의 침식을 감소시키려면 운전전류를 줄여야 한다. 그러나 많은 양의 유해폐기물을 소각처리하려면 고출력의 토치를 사용하여야 하므로 전극(3,13)의 침식을 감소하면서 동시에 고출력으로 토치를 운전하기 위해서는 운전전압을 증가시켜야한다. 운전전압을 크게하려면 아크(63)의 길이를 길게 하여야 하며 이를 위해서는 기체의 동적 힘을 증가시켜야 한다. 동일한 아크기체 유량에서 기체의 동적 힘은 아크기체가 전극(3,13) 내부로 들어오는 와류 운동의 세기에 비례한다. 도 6에 나와 있듯이 아크기체의 와류 운동을 크게하기 위하여 기체주입링(7)에 뚫린 구멍(37)을 비스듬히 제작하였으며 회전방향으로의 아크기체 속도가 균일하도록 하기 위해 18개의 구멍을 등간격으로 뚫었다. 또한 기체주입링(7)에서 발생한 아크기체의 와류 운동이 전극내부까지 유지되도록 하기 위해 도 2에 나타낸 바와 같이 전극의 주입부(24,27)를 매끄럽게 가공하였으며, 전극의 주입부(24,27)과 기체주입링(7)에 뚫린 구멍(37)의 중심위치가 일치하도록 하였다. 전극(3,13)의 직경에 비해서 기체주입링(7)의 외경이 어느 정도 크지 않으면 아크기체가 와류 운동을 일으킬만한 공간이 부족하기 때문에 와류 운동의 효과가 떨어지게 된다. 따라서 충분한 아크 기체의 와류 운동이 발생하도록 하기 위해서 음전극(3) 직경 d_c와 기체 주입링(7) 외경 D 사이에 다음과 같은 관계식을 갖도록 하였다.

(D≥2.5d_c)

운전전압을 증가시키기 위해서 보편적으로 사용되는 방법은 아크기체의 유량을 증가시킴으로써 아크길이를 늘리는 것이다. 이 때 음극(3)쪽으로 아크의 길이가 너무 길어지면 음극(3)의 밑벽(58)에 아크점이 발생하여서 아크점이 한 위치에 고정되기 때문에 음극(3)의 침식이 급격히 증가하게 된다. 또한, 양극(13)쪽으로 아크의 길이가 길어지면 토치 출구(59)의 바깥에 아크점이 존재하에 되어 토치 몸체에 손상을 입힌다. 반대로 전극(3,13)의 길이에 비해 아크길이가 너무 짧으면 열플라즈마의 높은 온도로부터 전극벽면(57,60)으로의 열손실이 증가하게 되므로 토치의 열효율이 감소하게 된다. 본 발명에서는 아크점(61,62)이 전극(3,13)의 옆벽(57),(60)에 존재하는 범위에서 토치의 열효율이 가장 높은 음극길이 l_c와 양극길이 l_a를 실험을 통하여 다음과 같이 결정하였다.

(12d_c≤l_c≤20d_c, 12d_a≤l_a≤15l_c.)

음극(3)이 양극(13)보다 침식율이 더 높은 현상이 토치성능 실험결과 발견되어 양전극(3,13)의 침식율을 같은 정도로 하기 위해 본 발명에서는 두 가지 방식을 고안하였다. 음극(3)의 밑벽(58)이 막혀있어서 기체주입링(7)에서 발생된 아크기체의 와류운동은 음극(3)영역보다 양극(13)영역에서 훨씬 강하다. 아크기체는 직경이 큰 전극쪽으로 보다 쉽게 빠져나가므로 음극(3)영역에서의 와류 운동을 증가시키기 위해 음극(3)직경 d_c를 양극(13)직경 d_a보다 약간 크게 하였다. 전극(3,13)의 침식을 감소시키기 위해서는 아크점(61,62)이 전극(3,13) 면의 한 위치에 고정되지 않고 계속 움직이게 하여야 한다. 아크기체의 와류 운동에 의해서도 아크점(61,62)이 회전하지만, 전극(3,13)의 수명을 늘리는 가장 확실한 방법은 외부에서 z 방향으로 자기장을 걸어주는 방법이다.

도 7은 본 발명에 따른 공동형 플라즈마 토치의 솔레노이드 기능을 설명하는 원리도이다. 외부에서 z방향으로의 자기장(64)을 음극점(62) 근처에 걸어주면 음극점(62)에서 r성분의 전류밀도(65)와 z방향의 외부 자기장의 세기로부터 나타나는 로렌쯔힘 j×Bθ은 θ방향으로 나타나게 되어,결과적으로 음극점(62)을 강제로 회전시키므로 음극점(62)에서 전극의 침식이 크게 감소하게 된다. 이와 같은 이유로 본 발명품은 z방향으로의 자기장을 외부에서 걸어주기 위하여 솔레노이드(15)를 설치하였으며, 솔레노이드(15)를 보호하기 위한 솔레노이드몸체I(16)과 솔레노이드몸체II(2)를 가지고 있다.

이상에서는 본 발명을 특정한 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명의 기술내용과 첨부된 청구범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가해질 수 있음은 당업자에게 명백하다. 따라서, 명세서 및 도면은 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아니라, 단지 예시하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따르면 다양한 아크 기체 사용과 동일한 입력전력 운전조건에서 높은 전압을 얻을 수 있도록 전극의 설계와 기체주입 방법을 개선함으로써, 공기를 아크 기체로 사용 가능케 하여 저렴한 운전 비용과 처리 대상물의 다양화와 더불어 완전 열분해 처리를 할 수 있게 하고, 낮은 전류에서도 고출력의 운전을 가능하게 하였으며, 이에 따라 전극의 침식율을 줄임으로써 토치의 운전수명을 증가시킬 수 있다. 냉각수의 유로를 전극뿐만 아니라 고온에 노출되어 있는 토치 몸체도 냉각시킬 수 있는 구조와 유속을 갖도록 설계하여 전극과 토치의 손상을 최소화하였다. 아크점이 전극 내부에 존재하는 범위에서 최대의 열효율을 갖는 음극과 양극의 직경과 길이의 비를 결정해서 보다 경제적인 유해폐기물 처리가 가능하게 하였다. 또한, 음극 직경을 양극 직경보다 약간 크게 하여 음극 내부에서의 와류운동을 증가시키는 한편, 음극면에 외부자기장을 걸어주는 솔레노이드를 설치하여 아크점의 회전속도를 증가시켜서 음극 침식율을 양극 침식율과 거의 동일한 수준으로 감소시켜 전극의 수명을 연장시킬 수 있다.

Claims (10)

1. 유해 폐기물을 처리할 수 있는 열플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치에 있어서, 속이 비어 있는 원통형 음극(3), 상기 원통형 음극 전방에 설치된 속이 비어 있는 원통형 양극(13), 상기 원통형 음극과 상기 원통형 양극의 사이에 아크 기체를 공급하는 기체 주입링(7)을 구비하고 있으며, 상기 기체 주입링(7)의 직경이 상기 원통형 음극(3)의 직경의 2.5배 이상이고, 상기 원통형 음극과 양극이 서로 근접하는 부분의 상기 원통형 음극과 양극의 양끝단은 각각 볼록한 형태로 서로 마주보는 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 원통형 음극 외주에 솔레노이드 코일(15)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 원통형 음극과 상기 원통형 양극 사이의 가장 가까운 거리는 2mm인 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 원통형 음극의 직경이 상기 원통형 양극의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 원통형 음극의 길이 l_c와 상기 원통형 양극의 길이 l_a는 다음의 관계식 12d_c≤l_c≤20d_c, 12d_a≤l_a≤15l_c을 만족하고, 여기서 d_c는 음극의 직경, d_a는 양극의 직경인 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기체 주입링(7)은 원주 방향을 따라 등간격으로 일정각도로 경사지게 뚫어진 다수의 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 원통형 음극은 구리로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 토치의 몸체와 상기 원통형 전극(3,13)을 냉각하는 단일 라인으로 형성된 냉각수 통로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 냉각수 통로는 환 형태의 관(49,50,51)과 냉각수가 흐르는 구멍(21,34,38)을 포함하고 있으며, 상기 냉각수가 흐르는 구멍의 단면적이 환 형태의 단면적보다 1.5 내지 2배 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 토치 몸체, 상기 원통형 음극, 및 상기 원통형 양극은 볼트나 나사식으로 조립되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.