KR20060132929A - 비－열적 플라즈마 반응기 - Google Patents

비－열적 플라즈마 반응기 Download PDF

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KR20060132929A
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필립 마이클 비치
크레이그 스테펜 가이
스테펜 아이버 홀
데이비드 마이클 윅스
제임스 티모씨 샤우크로스
토마스 마크 리델
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액센투스 피엘씨
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Abstract

가스 처리용 비-열적 플라즈마 반응기로서, 고 전압부 및 접지에 선택적으로 접속가능한 적재된 다수의 이중 사이드 필터 부품을 포함하고, 연속적인 필터 부품 사이에 절연 배리어가 구비되고, 가스의 필터 부품내로의 유동이 구속되는 가스 처리용 비-열적 플라즈마 반응기가 개시된다.
플라드마 반응기, 입자 제거, 가스에서 입자 제거

Description

비－열적 플라즈마 반응기{Non－Thermal Plasma Reactor}
본 발명은 탄소 입자 또는 가스의 매연을 포함하는 입자 제거 및 특히 내연기관의 배출 가스와 같은 가스 매체 처리용 필터 부품을 포함하는 비-열적 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 그러한 입자들은 내연기관의 배출 가스와, 소각 또는 다른 산업 공정, 예컨데, 약제, 식료품 가공, 페인트 제조, 염료 제조, 섬유 및 인쇄 산업과 같은 산업 공정의 유출 가스에서 발생한다. 화력 발전소 및 가스 터빈 또한 이런 방법으로 처리될 수 있는 유출 가스를 생성한다.
배출 가스 흐름에서 입자를 포착하여 제거하는 개선된 방법에 대한 요구사항이 존재한다. 미국 특허 제 5,853,437호 및 제 6,063,150호는 입자들이 필터에 포작되는 시스템을 개시하고 있다. 상기 필터는 그 후에 입자들을 연소시키기 위해 필터를 가열하여 재생된다. 미국 특허 제 6,517,786호는 플라즈마가 필터를 재생시키는데 사용되는 반응기를 개시하고 있다. 가스 흐름으로부터 입자의 매우 효율적인 여과를 달성하기 위한 문제 중의 하나는, 필터가 고장나기 전에, 필터를 연속적으로 재생시킴으로써 입자의 축적으로 야기된 필터에 관련된 압력 강하를 최소화 하는 것이다. 필터가 비-열적 플라즈마 반응기에 합체되는 경우에는, 필터의 재생이 필요한 경우에 플라즈마가 연속적으로 또는 단속적으로 생성될 수 있다. 입자 포착체로 작용하는 기판(예를 들면, 필터 재료)과 플라즈마와의 조합은 공지되어 있다.
미국 특허 제 6,517,786호는, 오염물 분해를 위한 비-열적 반응기를 개시하는데, 그 반응기는 반응기로 유입되는 가스 유동 방향을 따라서 배열된 다공성 전극을 포함한다. 반응기에서 처리된 폐가스는 이 다공성 전극을 통과해야 하며, 상기 전극은, 가스 성분은 투과되나 매연 입자에 대해서는 필터로 작용하도록 디자인된다.
이런 형태의 반응기는 가스 매체에 존재하는 오염물 입자의 양을 크게 감소시킬 수 있는 가능성이 있다. 그러나, 실제적으로, 이런 형태의 반응기는 주로 반응기 부피에 대한 작은 전극 표면적에 기인하는 후-압력에 문제가 생긴다. 반응기가 예를 들면 자동차로부터의 모든 배출 가스를 처리할 수 있도록 하기 위해서, 미국 특허 제 6,517,786호에 개시된 형태의 반응기는 다공성 전극의 충분히 큰 표면적을 제공하기 위해 보다 큰 크기를 가져야 한다. 이것은 일반적으로 너무 커서 실제 사용할 수 없는 반응기를 초래한다.
본 발명은 이 문제에 착안하여 주어진 반응기 부피에 대해 보다 큰 표면적의 필터를 갖는 비-열적 플라즈마 반응기를 제공한다.
따라서, 본 발명은 가스 매체 처리용 비-열적 플라즈마 반응기로서, 고 전압부 및 접지에 선택적으로 접속가능한 적재된 다수의 이중 사이드 필터 부품을 포함하고,
연속적인 필터 부품 사이에 절연 배리어가 구비되고, 가스 매체의 필터 부품내로의 유동이 구속되는 가스 매체 처리용 비-열적 플라즈마 반응기를 제공한다.
상기 반응기는 둘, 셋, 넷, 다섯, 또는 그 이상과 같은 다수의 필터 부품을 포함한다. 양호하게는, 그 반응기는 열, 열 다섯, 스물, 서른 또는 그 이상과 같은 다수의 필터 부품을 포함한다. 특히, 반응기에 요구되는 필터 부품의 숫자는 그 부품의 크기, 반응기의 크기에 구속되는 공간, 필터 재생의 빈도 및 처리되는 가스의 형태에 따라 변화한다.
상기 필터 부품은 이중 사이드 형태이므로, 반응기 플라브마 부피에서 필터의 표면적을 최소화 시킨다. 통상적으로, 상기 반응기는 플라즈마가 가능한 한 필터 면적의 대부분에 걸쳐 형성되도록 배열된다. 일 실시예에서, 적재부 한 단부의 필터는 싱글 사이드이고, 이들 필터의 외측면은 고상이므로, 필터 부품의 이들 면은 플라즈마에 의해 개선되지 않는다.
상기 필터 부품은 도전 재료를 포함한다. 상기 필터 부품은 비-열적 플라즈마 반응기의 전극으로서 작용하고, 부품은 대체로 도전체이다. 양호한 실시예에서, 필터 부품의 모든 구성부품은 도전체이다. 필터 부품은 입자는 포착하지만 가스는 투과되는 재료이다. 통상적으로, 가능한 한 필터 부품의 대부분은 상기 필터 재료로 제조된다. 그러나, 필터 부품의 일부는 대체로 부품에 임의의 필요한 견고성을 제공하기 위해서 강성일 수 있다. 필터 부품의 일부는 필터 부품을 서로 각각 또는 반응기에 접속시키는데 사용된다. 예를 들면, 환형 필터 부품은 허브로서 참조되는 중심부 또는 링을 포함한다. 상기 필터 부품은 직조 금속 필터 섬유, 금속 섬유, 소결 금속 섬유 재료 또는 소결 금속 분말 재료를 포함할 수 있다. 직조 금속 필터 섬유의 한 예는 G. Bopp & Co에 의해 제조된 것이다. 소결 금속 섬유 재료의 예는, MonelR , InconelR, HastelloyR 및 FecralloyR의 스테인리스 스틸로 제조된 Porvair Filtration Group Limited -Microfiltrex(Fareham, UK) 및 Bekhaert (Belgium)사에서 얻을 수 있는 것들이다. 소결 분말로 제조된 스테인리스 스틸은, DynaporeTM SPMTM 상표로 판매되는 Martin Kurz & Co Inc사 및 Porvair Filtration Group Limited -Microfiltrex사로부터 이용가능하다. 스테인리스 스틸은 일반적으로 필터용으로 양호한 금속이다. 재료이다. HastelloyR 및 FecralloyR은 특히 양호한 재료이다. WO 98/52671 호에서 기술된 것들과 같은 필터가 본 발명의 사용에 적절하다.
양호한 실시예에서, 필터 부품은 중공체이다.
필터 부품은 일반적으로 거의 편평하다. 양호한 실시예에서, 필터는 환형이고, 양호하게는, 필터는 편평하거나 환형이다. 다른 실시예에서, 필터는 직사각형, 정사각형, 사변형, 또는 5 각형 또는 6 각형과 같은 다른 다변형 모양이다.
필터 부품은 각 필터 부품 내부 공간이 단지 반응기 외부의 공간과 연통하는 방법으로 반응기 구조체에 부착된다. 이런 방법으로, 필터 부품 내부 공간을 통과하는 가스는 반응기를 떠날 수 있다.
예를 들면, 필터 부품이 환형 모양인 경우에, 반응기의 외측 캔은 일반적으로 원통이다. 가스는 반응기로 유입되고 필터 부품내로 유동한다. 필터 부품은 함께 연결되어 각 필터 부품 내부 공간은 반응기 공간으로부터 분할된 반응기 중심의 원통 챔버와 연통한다. 따라서, 가스는 중심 원통 챔버를 통하여 반응기를 떠나도록 필터 부품내로 유동해야 한다.
필터 부품이 정사각형, 직사각형 또는 다른 다변형 판의 형태인 경우에, 필터 부품은 모두 반응기의 한 벽에 연결되므로, 반응기 공간내로 유동하는 가스는 반응기의 그 벽을 통하여 반응기를 떠난다.
필터 부품은 적절한 수단에 의해 그라운드 및 고압부에 연결될 수 있다. 한 실시예에서, 그라운드 및 고압부에의 접속은 필터 부품, 예를 들면, 환형 필터 부품의 허부 내부에서 이루어진다. 다른 실시예에서, 접지 접속과 같은 접속의 일부는 필터 부품을 반응기 외측 캔에의 접속에 의해 이루어 질 수 있다.
전기 공급 전원이 인접한 필터 부품 사이의 공간에 걸쳐 전기 전압을 인가하도록 필터 부품에 접속될 때에, 절연 배리어는, 절연 배리어(barrier) 형태 방전으로서 참조되는 비-열적 플라즈마 형태를 제공하도록 배열된 재료 층이다. 그 절연 재료는 알루미나 실리카 또는 다른 세라믹 재료와 같은 세라믹 재료일 수 있다. 수정, 유리, 유리-세라믹 및 MICATHERMTM과 같은 운모성 유리가 또한 가능한 재료이다.
일반적으로, 적재부의 상부 및 하부 필터 부품은 그라운드에 접속된다.
일 실시예에서, 필터 부품 사이의 공간은 비어 있다. 가스는 그 공간을 통과하지만, 전극이 관통하거나 지나치는 전극 사이의 공간에 충진 재료 또는 촉매 재료가 없다.
다른 실시예에서, 필터 부품 사이 공간의 일부 또는 전부는 충진 재료로 충진되어 있다. 그 충진 재료는 반응기의 성능을 개선시키는 어떤 재료일 수 있다. 그것은 반응기가 작동되는 온도를 견디어야 한다. 충진 재료는 절연 재료일 수 있다. 적절한 재료는, 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 알루미나, 티타니아, 실리카, 지르코니아, 유리, 유리 세라믹, 혼합 산화물, 복합 산화물, 및 금속 도핑 산화물과 같은 산화물과 같은 세라믹 재료를 포함한다. 금속 도핑 산화물의 예는 은 도핑 알루미나이다. 충진물은 구형, 펠릿, 사출물, 섬유체, 블랭킷, 펠트, 쉬트, 웨이퍼, 프릿, 발포체, 등급 발포체, 막, 세라믹 허니컴 모노리스 또는 과립 형태일 수 있다.
충진 재료는 다른 필터 부품으로서, 또는 촉매용 지지체, 촉매 자체 또는 그들의 혼합물로서 작용할 수 있다. 상이한 촉매의 혼합물이 사용될 수 있다. 메타바나드산염, 파이로바나드산염과 같은 바나드산염 및 페로브스카이트는 촉매의 예이다. 제오라이트 및 제오라이트를 함유하는 금속은 촉매 기능을 갖는다. 제오라이트의 예는 ZSM-5, Y, 베타, 모덴나이트이고, 제오라이트를 함유하는 금속에 사용될 수 있는 금속의 예는 구리, 은, 철, 코발트이다. 세리윰 및 란타늄과 같은 촉진 음이온이 제오라이트 혼합물에 존재할 수 있다. 양호한 촉매는 은 도핑 알루미나이다. 그 촉매는 충진 재료용으로 또는 절연 재료상에 코팅으로서 또는 그에 함유된 것으로 전술한 모양의 어떤 형태일 수 있다. 양호한 충진 재료는 예를 들면, 블랭킷 또는 진공 형성 모양 형태의 사파리( 95 % 중량 알루미나: 5 % 중량 실리카)와 같은 절연 섬유 재료이다.
충진 재료는 가스에서 유독성 배출 가스의 처리를 개선하기 위해 NO의 NO2로의 또는 NOX(NO 및 NO2)의 N2로의 변환을 위한 촉매로 코팅된다. 충진 재료 또는 필터 부품은 탄소의 일산화 탄소 및/또는 이산화 탄소로의 변환을 위한 촉매로 코팅된다.
가스가 반응기를 통과하는 동안에, 플라즈마는 단속적으로 또는 연속적으로 발생된다. 두 개의 반응기가 또한 평행으로 연결되고, 각 반응기는 그것을 차례로 관통하는 가스를 갖는다. 플라즈마가 이어서 단속적으로 각 반응기에서 발생하거나, 또는 예를 들면, 처리를 위한 가스가 다른 반응기를 통과할 때에 연속적으로 발생된다. 가스는 또한 평행한 두 반응기를 동시에 통과할 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 반응기를 포함하는 차량, 밴, 로리 또는 탱크와 같은 차륜을 제공한다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 반응기를 포함하는 선박을 제공한다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 반응기를 포함하는 예를 들면 Genset과 같은 연소 엔진 제너에이터와 같은 동력 발생기를 제공한다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 반응기를 관통하는 가스를 포함하는 입자 제거를 제거하기 위해 가스를 처리하고 반응기에서 단속적으로 또는 연속적으로 플라즈마를 발생시키는 방법을 제공한다. 반응기에서 필터 부품은 플라즈마에 의해 재생된다. 따라서, 플라즈마가 필터 부품을 재생시키는데 필요한 만큼 충분히 발생된다.
본 발명은 가스의 입자 제거를 위한 본 발명에 따른 반응기의 용도를 제공한다. 특히, 본 발명은 배출 또는 유출 가스가 발생 되는 차륜, 발전소 또는 다른 상황에서 본 발명에 따른 반응기의 용도를 제공한다.
본 발명을 구현하는 반응기의 특별한 구성이 예로서 그리고 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 반응기의 횡단면도.
도 2는 도 1에 도시된 필터(5)의 평면도.
도 3은 도 1에 도시된 필터(3)의 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 반응기의 횡단면도.
도 5는 본 발명에 사용된 환형 필터 허브의 평면도.
도 6은 도 5에 도시된 환형 필터 허브의 절개도.
도 1은 이중 사이드 필터 부품(3,5)이 환형 디스크 형태인 본 발명의 양호한 실시예에 따른 반응기를 도시하고 있다. 그 반응기는 그라운드에 접속되는 필터 부품용의 접지(2)로서 작용하는 외측 도전 캔(1)을 포함한다. 그 반응기는 21개, 31개 또는 그 이상의 필터 부품을 포함하고, 그 중 필요한 단지 5 개의 필터 부품(3,5)만이 도시되고 그라운드 및 고전압에 각각 접속되었다. 필터 부품(3)은 탭(4)에 의해 필터 부품의 원주를 중심으로 반응기(2)의 외측 캔에 접속되어 있다. 중간 필터 부품(5)은 반응기 중심의 스포크(7)에 의해 고전압 접속부에 접속되었 다. 절연 배리어(8)가 각 연속적인 필터 부품(3,5) 사이에 위치된다. 그 절연 배리어(8), 필터(3,5) 및 절연 재료의 고리 부분(9)은 함께 반응기 중심에 중앙 원통 공간(10)을 형성한다. 본 발명의 다른 실시예에서는, 각 절연 배리어(8) 및 인접한 고리 부분(annuli)(9)이 함께 하나의 (도시되지 않은) 부품을 형성한다. 반응기내로 유동하는 가스는 도 1에서 화살표로 도시된 통로를 따른다. 상기 가스는 필터 부품(3,5)과 절연 배리어(8)의 외측 에지 주위를 통과하여, 필터 부품(3,5) 및 절연 배리어(8) 사이의 공간(11)내로 유동한다. 플라즈마는 반응기 작동 동안에 상기 공간(11)에 형성된다. 가스에 있는 어떤 입자도 플라즈마에 의해 처리될 수 있는 필터 표면상에 포착된다. 상기 가스는 필터 부품(3,5) 내측의 공간(14)내로 통과된다. 상기 공간(14)으로부터 가스는 반응기 중앙의 공간(10)내로 유동하고, 이어서 반응기를 화살표 방향으로 떠난다. (개략적으로 도시된) 구조체(12,15)가 반응기의 양단에서 배리어를 형성하여 가스가 반응기를 관통하여 유동할 때에 필터 부품을 관통하여 유동하는 것을 구속한다. 고전압 접속부(6)가 절연 구조체(13)에 의해 반응기 캔(1)으로부터 절연된다.
고전압에 접속된 필터(5) 단부(16) 및 반응기 캔(2) 사이의 거리는 이 공간을 통하여 아아크 방전이 일어나지 않을 정도로 형성된다.
도 2는 도 1의 반응기에 도시된 필터(5)에 대한 평면도이다. 필터(5)는 환형 모양이다. 그 필터는 고리 중앙의 스포크(7) 및 컨닥터(6)를 경유하여 고전압 공급부에 접속된다.
도 3은 도 1의 반응기에 도시된 그라운드에 접속된 필터(3)에 대한 평면도이 다. 그라운드와의 접속은 반응기의 외측 캔(도시하지 않음)에 접속된 탭(4)을 경유하여 이루어 진다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는데, 필터 부품(21,22)이 정방형, 장방형 또는 규칙 또는 불규칙의 다른 다각형 모양일 수 있는 평판 형태이다. 도 4는 반응기를 관통하는 횡단면을 도시하고 있다. 그 반응기는 5개의 필터 부품(21,22)을 포함한다. 필터 부품(21) 중의 3 개는 반응기(26)의 외측 캔에 접속되며, 필터의 한 측에 부착된 탭(25)에 의해 접지된다. 나머지 두 개의 필터 부품(22)은 채널(28)을 통하여 (도시되지 않은) 고전압 접속부에 접속된다. 각 필터 부품은 절연 배리어(23)에 의해 다른 것들과 분리되어 있다. 그 절연 배리어(23), 절연 블럭(27) 및 필터 부품(21,22)은 도면에서 우측상으로 도시된 반응기의 측부를 형성한다. 반응기를 통과하는 가스는 화살표로 도시된 통로를 유동하고, 필터 부품의 단부 주위를 통과하여 필터 부품(21,22)과 절연 배리어(23) 사이의 공간(24)내로 유동한다. 플라즈마가 반응기가 사용되는 경우에 공간(24)에 형성된다. 가스는 필터 부품내를 통과하여 채널(28)을 통하여 반응기를 떠난다.
도 1 및 도 4는 본 발명에 따른 반응기의 두가지 예를 도시하고 있다는 것이 인식될 것이다. 상기 반응기는 보다 많은 또는 보다 적은 필터 부품을 포함할 수 있다. 도 1 및 도 4에 도시된 반응기는 접지된 상부 및 하부 필터 부품을 포함한다. 그러나, 아크 방전 발생을 방지하도록 필터 부품과 반응기 캔 또는 인접한 콘덕터 사이에 큰 거리가 갖추어진 경우에는, 상부 및/또는 하부 필터 부품은 고전압에 접속될 수 있다.
고전압에 접속된 필터 부품(16,22)의 에지와 접지된 외측 캔 사이의 거리는 갭을 통하여 아아크 방전이 발생하지 않은 정도이다. 필요한 갭은 일반적으로 공기에서 인가된 전압 10 kV 당 1 인치(0.0254 m) 범위이다.
필터 부품(3,5)에 전기 접속을 이루는 다른 방법이 이제 설명되는 도 5 및 도 6에 도시되었다.
도 5는 (도 5에는 도시되지 않은) 환형 필터의 허부(52)를 도시하고 있다. 그 허브(52)는 두 개의 내측으로 돌출된 도전 탭(53)과 합체된다. 필터 부품은 절연판(56)에 의해서 적재부에서 다른 필터 부품과 분리된다. 로드(54,55)는 절연판(56)을 관통하여 통과하고, 탭에 전기적 접속을 이룬다. 상기 로드(54)는 예를 들면 적재부의 한 단부에서 고전압 공급부(도시되지 않음)와 접속된다. 인접한 필터 부품은 다른 돌출 전도 탭(63)을 통하여 접지 전위인 로드(55)에 접속된다. 따라서, 다른 필터 부품은 높은 전압 및 접지 전위인 상태가 된다.
도 6은 두 개의 인접한 필터 부품(57,67)의 허브(52,62)에 대한 절개사시도를 도시하고 있다. 그 허브(52,62)는 방사상 홀(58)에 의해 천공되어 있다. 하부 필터 부품(57)은 로드(54)에 연결된 내측 돌출 도전 탭(53)을 갖는다. 상부 필터 부품(67)은 로드(55)에 연결된 탭(63)을 구비한 허브(62)를 갖는다. 절연판(66)은 허브(52,62)를 서로 각각 절연시키고, 필터 부품(57,67)의 외경을 넘어 연장된다. 허브(52) 아래에 다른 절연판(56)이 있다. 이 배열은 반복되어 필터 부품의 큰 적재부를 형성한다. 로드(54)는 고전압부에 접속되고, 로드(55)는 접지에 연결되거나 또는 그 역이 성립한다.
실제 사용에서, 배출 가스는 도 1과 관련하여 전술된 것과 유사한 방법으로 필터 부품(57,67)으로 유입되고, 여과된 배출 가스는 방사상 홀(58)을 통하여 반응기의 허브(52,62)로 유입한다. 이어서, 상기 배출 가스는 허브의 적재부를 따라 유동하여 반응기를 떠난다.

Claims (6)

  1. 가스 매체(gaweous medium) 처리용 비-열적 플라즈마 반응기로서,
    고 전압부 및 접지에 선택적으로 접속가능한 적재된 다수의 이중 사이드 필터 부품을 포함하고,
    연속적인 필터 부품들 사이에 절연 배리어가 구비되고,
    상기 가스 매체는 상기 필터 부품내로 유동이 구속되는 가스 매체 처리용 비-열적 플라즈마 반응기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 필터 부품은 환형인 가스 매체 처리용 비-열적 플라즈마 반응기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 필터 부품은 중공체인 가스 매체 처리용 비-열적 플라즈마 반응기.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 반응기를 포함하는 자동차, 선박 또는 동력 발생 유닛.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 반응기를 통해 가스 매체가 통과하는 단계와 상기 반응기에서 단속적으로 또는 연속적으로 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함하는 입자를 제거하기 위해 가스 매체를 처리하는 방법.
  6. 가스 매체로부터의 입자 제거를 위한 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 따른 반응기의 사용.
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