KR20090080671A - 플라즈마 반응기와 이를 이용한 플라즈마 스크러버 - Google Patents

플라즈마 반응기와 이를 이용한 플라즈마 스크러버 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 산업을 포함한 각종 산업으로부터 배출되는 유해가스를 제거하기 위한 플라즈마 반응기와 이를 이용한 스크러버에 관하여 개시한다. 본 발명은 하측이 개방된 원통 형상의 접지전극과 상기 접지전극을 지지하는 지지체와 상기 지지체에 지지되어 상기 접지전극의 중심에 설치된 내부전극과 상기 접지전극의 상단부에 설치되어 접지전극의 내측면으로 회전유동하는 플라즈마 가스를 주입하는 스월 발생기와 상기 접지전극의 하단부에 설치되어 접지전극의 내측면과 상기 내부전극과의 방전에 의해 형성된 플라즈마에 기체 및 액체 연료를 분사하는 연료 공급부와 상기 연료 공급부가 설치되면서 방전에 의해 형성된 플라즈마가 미끄러지도록 상기 접지전극의 하측에 설치된 방전 블록과 상기 방전 블록의 하측에 설치된 원통 형상의 반응 챔버와 상기 반응 챔버 내로 유해가스가 주입되는 유해가스 주입부와 상기 반응 챔버 하측에 처리된 유해가스가 배출되는 배출구 및 상기 배출구와 연통되는 통상의 습식 스크러버를 포함하여 구성된다.
유해가스, 플라즈마, 플라즈마 화염, 스크러버, 연료

Description

플라즈마 반응기와 이를 이용한 플라즈마 스크러버{PLASMA REACTOR AND PLASMA SCRUBBER USING THE SAME}
본 발명은 반도체 산업을 포함한 각종 산업으로부터 배출되는 유해가스를 제거하기 위한 플라즈마 반응기와 이를 이용한 스크러버에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 펌프 및 팬 등의 수단에 의해 대기로 배출되는 유해가스를 플라즈마 반응기로 유입시켜 플라즈마로 분해하고, 상기 플라즈마 반응기로부터 발생된 플라즈마에 기체 및 액체 연료를 분사하여 대용량의 플라즈마 화염을 발생시켜 유해가스를 제거하기 위한 것이다.
일반적으로 플라즈마는 전기적 극성을 갖는 전자 및 이온으로 구성된 제 4의 물질 상태로 알려져 있으며 전체적으로 음과 양의 전하수가 거의 같은 밀도로 분포되어 전기적으로 거의 중성인 상태이다. 플라즈마는 아크처럼 온도가 높은 고온 플라즈마와 전자의 에너지는 높지만 이온의 에너지가 낮아 실제로 느끼는 온도는 실온에 가까운 저온 플라즈마로 분류되며 대부분 직류, 교류, 초고주파, 전자빔 등의 전기적 방전에 의해 생성된다.
또한 플라즈마의 발생 압력에 따라 응용처가 달라지는데, 저압에서는 플라즈 마를 안정적으로 발생시킬 수 있기 때문에 반도체 부품의 세정과 식각, 증착에 이용되며 대기압 상태의 플라즈마는 표면 세정, 환경 오염물질 처리와 신소재 합성, 의료기기 등 다양한 분야에 사용된다. 특히, 플라즈마를 환경 설비에 적용하려는 노력은 교토의정서와 같은 환경 및 에너지 규제 강화에 따라 더욱 관심이 고조되고 있다.
지구 온난화의 주범 중의 하나가 첨단산업체에서 사용되고 있는 산업기체이다. 그 대표적인 가스로서는 CF4, C2F6, C8F8, CHF8, NF3, SF6 등 반도체의 세정 및 식각용으로 사용되는 가스이다. 예를 들어, 이런 가스들이 한번 대기로 방출되면 오랜 세월동안 대기에 존재하면서 지표면에서 방출되어야 할 적외선을 차단하여 지표의 대기온도가 높아지도록 하는 역할을 하게 된다. 그러므로 산업체에서 사용되고 있는 불화 계열 가스를 대기로 방출하기 전에 완전히 파괴하여 배출하여야 하는 국제적 규제가 강화되고 있다.
2005년 2월 16일 도쿄의정서가 발효되었고 한국은 2010년부터 감축규제 의무국이 확실시됨에 따라 온실가스 감축은 환경규제 뿐만 아니라 경제규제라고 해도 과언이 아닐 정도로 시장 상실과 비유부담 증가 등 국가 경제에 큰 영향을 주고 있다. 또한 화학기상증착 공정에서는 암모니아 가스가 사용되며 이는 통상적인 연소식 스크러버를 이용하여 연소되고 그 부산물은 습식 스크러버에 의해 처리된다. 그러나 이 과정에서 연소되지 않은 잔량의 암모니아가 물에 녹아 수중의 총 질소 양을 증가시켜 수질 오염을 유발하고 그 처리비용 또한 증가시키고 있다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위해 불화 계열 가스를 제거하고자 하는 연구가 다방면에서 진행되었다. 그 중에 하나가 플라즈마를 이용하여 이 분자들을 이온화시키고 무해한 다른 분자로 만들어 배출하려는 노력이었다.
한국 특허 제10-0354665에서는 RF Source를 이용하여 진공 중에서 이러한 분자를 제거하는 것이었다. 진공 중에서 이러한 분자를 제거한다면, 비록 그 방법이 성공한다 하더러도, 진공에서 실시되고 있는 반도체 공정 라인과 함께 부착되어야 하는데, 이로 인하여 이 RF장비가 다른 반도체 공정장비의 원만한 작동을 저해하거나 때론 완전히 마비시킬 수도 있다는 문제점이 있다.
또한, 한국 특허 제10-0454085와 한국 특허 제 10-0658374에서는 대기압 전자파 플라즈마 토치를 이용하여 CF4와 NF3, SF6로 오염된 질소 가스를 처리하고 있으나 그 처리량의 분당 5리터에서 30리터로서 처리한계가 있을 뿐만 아니라 전자파 플라즈마의 점화와 높은 유속에 민감성에 의해 안정한 플라즈마 유지에 어려움이 있다.
또한 한국 특허 제10-0695036에서는 전자파 플라즈마 토치에 기체 및 액체 탄화수소 연료를 주입하여 CF4와 SF6로 오염된 질소 가스를 각각 분당 60리터와 120리터에서 90% 이상 처리하고 있으나, 이 또한 플라즈마의 점화와 안정적 유지에 어려움이 있다.
따라서, 반도체 산업뿐만 아니라 각종 산업에서 배출되는 유해가스를 진공 밖 1기압에서 대용량의 가스를 처리할 수 있는 장치가 절실히 요구되고 있는 실정 이다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반도체 산업을 포함한 각종 산업에서 펌프 및 팬 등의 수단에 의해 대기로 배출되는 유해가스를 플라즈마 반응기로 유입시켜 안정적으로 플라즈마를 유지 및 유도할 수 있는 플라즈마 반응기를 제공함에 목적이 있다.
또한 상기 플라즈마 반응기로부터 발생된 플라즈마에 기체 및 액체 연료를 분사하여 대용량의 플라즈마 화염을 발생시킴으로서 대용량의 유해가스를 제거하는 스크러버를 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 반응기는 접지전극; 상기 접지전극 상부에 위치하며 상기 접지전극을 지지하는 지지체; 상기 지지체에 지지되어 상기 접지전극의 중심에 설치된 내부전극; 상기 접지전극의 상단에 설치되어 상기 접지전극의 내측면으로 회전유동하는 플라즈마 가스를 주입하는 스월 발생기; 상기 접지전극의 하단부에 설치되어 상기 접지전극의 내측면과 상기 내부전극의 방전공간에 형성된 플라즈마에 연료를 공급하는 연료 공급부; 및 상기 연료 공급부가 설치되면서 방전에 의해 형성된 플라즈마가 미끄러지도록 상기 접지전극에 설치된 방전 블록; 을 포함한다.
또한 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 반응기를 이용한 스크러버는 펌프 및 팬의 수단으로 배출되는 유해가스를 처리하는 장치에 있어서, 상 기 플라즈마 반응기의 하부에 설치되는 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내로 유해가스가 주입되는 유해가스 주입부; 및 상기 반응챔버에서 처리된 상기 유해가스가 배출되는 배기관;을 포함한다.
본 발명에 따른 플라즈마 반응기는 내부전극과 원통 형상의 접지전극 사이에서 빠르게 회전유동하는 플라즈마에 의해 연료의 전환율을 극대화할 수 있으며 높은 유속에도 플라즈마를 안정적으로 유지하면서 대용량의 플라즈마 화염을 제공하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 스크러버를 통해 대용량의 플라즈마 화염에 유해가스를 주입함으로서 대용량의 유해가스를 처리할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가스 스크러빙용 플라즈마 반응기와 이를 이용한 스크러버를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 반도체 공정에서 배출되는 유해가스를 처리하기 위한 플라즈마 스크러버의 적용을 보여주는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 반도체 공정에서 유해가스(2)는 반도체 공정 챔버(10)에서 미반응된 가스로서 진공 연결관(12)을 통해 터보 펌프(20), 진공 연결관(22), 로터리 펌프(30), 연결관(32)을 통해 순차적으로 대기 중으로 배출된다.
반도체 공정에서 사용되는 로터리 펌프(30)는 질소가스의 퍼징에 의해 작용하기 때문에 유해가스(2)는 질소가스와 함께 배출된다. 상기 질소가스와 혼합된 유 해가스(2)는 대기압 상태의 상기 연결관(32)과 연결되는 상기 플라즈마 스크러버(100)로 유입되고 플라즈마 스크러버(100)에서 처리된 가스(4)는 연결관(96, 98)을 통해 통상의 습식 스크러버(40)로 유입된다.
상기 습식 스크러버(40)에서 처리된 가스(8)는 연결관(50)을 통해 대기로 배출된다. 또한, 상기 습식 스크러버(40)에서는 상기 플라즈마 스크러버(100)에서 생성된 수용성 가스가 처리되어 폐수(62)로 배출관(60)을 통해 배출된다. 예를 들어, 유해가스(2)에 플르오린 화합물이 들어 있을 때, 수용성 가스는 불산(HF)이며 이는 습식 스크러버(40)에서 처리되어 폐수(62)로 배출된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 스크러버(100)의 상세 사시도이다.
도 2를 참조하면, 플라즈마 스크러버(100)는 크게 지지체(102), 접지전극(106), 반응 챔버(108), 배기관(112)을 포함하여 구성된다.
지지체(102)는 금속 재질의 원통 형상의 접지전극(106)을 지지하고 있으며 테프론, 알루미나, 세라믹 등의 유전체로 구성된다.
상기 접지전극(106)의 상측에는 플라즈마 가스를 공급해주면서 접지전극의 내측면으로 와류를 형성시키는 스월 발생기(104)가 설치된다. 상기 스월 발생기(104)는 원주 방향에 대해 등간격으로 다수개가 설치될 수 있다. 상기 플라즈마 가스는 공기, 산소, 질소, 비활성 가스, 탄화수소 가스, 및 그 혼합가스로 구성될 수 있으며 플라즈마 가스로서 역할을 하는 동시에 상기 접지전극(106) 내에 발생되는 플라즈마를 안정화시켜 준다.
상기 반응 챔버(108)는 상기 접지전극(106)의 하측과 연결되어 있으며 상측에 유해가스(2)가 주입되도록 유해가스 주입부(110)가 설치된다. 상기 유해가스 주입부(110)는 상기 반응 챔버(108) 내측으로 유해가스(2)가 회전유동하도록 설치되며 그 회전유동 방향은 상기 와류의 플라즈마 가스의 회전유동 방향과 같거나 다를 수 있으며 원주방향에 대해 등간격으로 다수개가 설치될 수 있음은 물론이다. 또한 유해가스(2)가 회전유동하지 않고 상기 반응 챔버(108)의 중심으로 주입되도록 상기 유해가스 주입부(110)를 설치할 수도 있음은 물론 이다.
상기 반응챔버(108)의 하측에는 배기관(112)이 설치되어 있으며 처리된 유해가스(4)는 상기 배기관(112)을 통해 배출된다. 상기 배기관은 도 1의 연결관(96)과 연결되어 습식 스크러버와 연결된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 구성을 상세히 설명하는 종단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 플라즈마 반응기(300)는 지지체(102), 접지전극(106), 스월 발생기(104), 냉각관(130), 내부전극(120), 방전 블록(107), 연료 공급부(105)를 포함하여 구성된다.
지지체는 접지전극(106)과 내부전극(120)을 지지하며 열적 내구성이 강한 절연체로 구성되는 것이 바람직하다. 원통 형상의 상기 접지전극(106)의 상측에는 스월 발생기(104)기가 설치되어 플라즈마 가스를 공급한다.
상기 내부 전극(120)은 몸체(121)와 헤드(122)로 구성되며 접지전극(106)의 중심축에 설치되어 있다. 상기 내부 전극(120)의 몸체(121)는 냉각관(130)으로 씌 워져 있고 냉각관(130)은 냉각수 및 냉각 기체가 들어가고 나올 수 있도록 입구(132)와 출구(134)가 설치되어 있다. 상기 내부전극 헤드(122)의 상측은 혼(Horn) 모양을 하고 있고(상협하광) 하측은 밑 둥이 잘려진 원뿔 모양을 하고 있으며(하광상협) 모든 모서리는 둥근 모양을 하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 내부 전극 헤드(122)의 가장 넓은 부분의 둥근 모서리는 상기 접지전극(106)의 단부와 협소한 방전 공간(S2)을 형성하고 있으며 그 위치는 접지전극(106)의 단부와 같은 높이에 위치하는 것이 바람직하나 그 높이는 ±10 mm의 범위에서 조절 가능하다.
상기 접지전극(106)과 내부전극(120)이 형성하는 방전 공간(S2)의 갭은 일반적으로 사용되는 전원공급장치의 전압에 의해 결정되나 그 거리는 0.1~10 mm의 범위가 바람직하다. 상기 내부 전극 헤드(122)는 열적 내마모성이 강한 스텐레스 스틸, 텅스텐, 몰리브덴, 무산소 동(銅)으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 스월 발생기(104)로부터 주입되는 플라즈마 가스는 접지전극(106)과 상기 냉각관(130) 사이의 공간(S1)과 상기 방전 공간(S2)을 회전유동하면서 지나간다.
상기 접지전극(106)의 하측 단부에는 방전 블록(107)이 설치되며 방전 블록(107)의 내측은 접지전극(106)의 내측과 연통되면서 연꽃의 봉오리 모양을 하고 있어 상기 방전공간(S2)에서 점화된 방전이 미끄러지도록 구성된다. 다시 말해서, 상기 내부전극 헤드(122) 상측의 원뿔과 상기 방전 블록(107)의 연꽃 봉오리 사이의 갭은 상기 방전 공간(S2)에서 시작하여 점점 넓어지게 구성되어 방전공간(S2)에 서 개시한 방전이 미끄러지면서 확장되며 상기 회전유동하는 플라즈마 가스의 흐름에 의해 방전은 더욱 확장되면서 회전유동하는 플라즈마(F1)를 발생시킨다.
상기 플라즈마(F1)의 모양은 상기 방전 블록(107) 모양과 유사한 연꽃의 모양을 하고 있다. 상기 방전 블록(107)에는 연료 공급부(105)가 설치되어 상기 방전 공간(S2)에서 개시한 플라즈마에 연료를 공급하여 대용량의 플라즈마 화염(F2)을 발생시킨다.
상기 연료 공급부(105)는 방전 블록(107)의 외측에서 내측으로 갈수록 하향 또는 상향 경사지게 설치될 수 있음은 물론이다. 상기 연료는 기체, 액체, 고체 및 이들의 혼합 상태 중 선택된 어느 하나의 탄화수소 연료를 사용하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 상세한 구성을 보여주는 횡단면도이다.
도 4를 참조하면, 방전 블록(107)에 설치된 연료 공급부(105)는 방전 블록(107)의 내측과 접선 방향으로 설치되며 원주 방향에 대해 등간격으로 다수개가 설치될 수 있음은 물론이다.
상기 연료공급부(105)로부터 공급되는 연료가스의 회전 유동 방향은 상기 플라즈마 가스와 같은 방향이 바람직하며 반대 방향일 수도 있다.
또한 연료공급부(105)로 주입되는 연료는 플라즈마 가스와 혼합되어 주입될 수 있으며 상기 플라즈마 가스는 연료와 혼합되어 스월 발생기(104)로 주입될 수 있음은 당연하다.
도 5는 본 발명의 실시예 따른 플라즈마 반응기의 다른 예를 보여주는 종단면도이다.
도 5를 참조하면, 내부전극(120)은 원기동 모양의 몸체(121)와 밑 둥이 잘려진 원뿔의 헤드(122)로 구성되며 몸체(121)의 내부는 냉각관(130)이 설치되어 내부전극(120)을 냉각시켜준다.
방전 블록(117)은 접지전극(106)의 내측과 상기 내부전극 몸체(121) 외측이 형성하는 공간(S1)을 점차 좁아지도록 내측 하향 방향으로 기울어져 있어 협소한 방전공간(S2)을 형성하도록 구성된다. 이런 전극의 모양들은 전극 가공 및 형성을 더욱 용이하게 해주며 상기 공간(S1, S2)에서 플라즈마 가스와 연료가스의 혼합이 잘 이루어지는 역할을 하게 된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 내부전극의 다른 형태의 예를 보여주는 종단면도이다.
도 6(a)에서, 내부전극 몸체(121)는 지지체(102)에 지지된 상측부터 하측으로 갈수록 차츰 넓어지는 모양을 하도록 구성될 수 있으며, 내부전극 몸체(121) 내부에 냉각관(130)이 설치되어 내부전극(120)을 냉각시켜줄 수 있다.
또한, 도 6(b)에서처럼 내부전극 몸체(121)은 원기둥모양으로 구성될 수 있고, 내부전극 헤드(122)는 구(球) 모양으로 형성할 수 있으며, 내부전극 몸체(121) 외부에 냉각관(130)이 설치되어 내부전극(120)을 냉각시켜줄 수 있다. 상기와 같은 전극 몸체(121) 및 헤드(122)의 모양은 주입되는 플라즈마 가스와 연료 간의 혼합이 잘 이루어지도록 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 스크러버의 구성을 상세히 보여주는 종단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 플라즈마 스크러버(100)는 플라즈마 반응기(300), 반응 챔버(108), 유해가스 주입부(110), 배기관(112)을 포함하여 구성된다. 도 7에서 점선으로 표기된 상기 플라즈마 반응기(300)는 일실시예로 도 3에 도시된 플라즈마 반응기(300)를 적용하였지만, 도 5의 플라즈마 반응기와 도 6의 내부전극 모양을 하고 있는 플라즈마 반응기가 적용될 수 있음은 물론이다.
상기 반응 챔버(108)는 방전 블록(107)의 하단에 설치되며 전체적인 모습은 뒤집어 놓은 단지 모양을 하고 있고 상측은 상기 방전 블록(107)보다 더 넓은 내경을 갖도록 구성되며 하측으로 갈수록 좁아진다. 상기 반응 챔버(108)의 상측에는 유해가스 주입부(110)가 설치되며 외측에서 내측으로 갈수록 기울어지도록 설치할 수 있음을 물론이다.
유해가스(2)는 상기 플라즈마 반응기(300)로부터 발생한 플라즈마 화염(F2)에 의해 분해 및 연소되어 상기 반응 챔버(108)와 연결된 배기관(112)으로 배출된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 스크러버의 상세한 구성을 보여주는 횡단면도이다.
도 8을 참조하면, 반응 챔버(108)에 설치된 유해가스 주입부(110)는 반응 챔버(108)의 내측과 접선 방향으로 설치하되 원주방향에 대해 등간격으로 다수개가 설치될 수 있음은 물론이다.
상기 유해가스 주입부(110)로부터 주입되는 유해가스의 회전 유동 방향은 상기 플라즈마 가스 및 연료와 같은 방향이 바람직하며 상호 반대 방향일 수도 있다. 또한 유해가스(2)가 회전유동하지 않고 상기 반응 챔버(108)의 중심으로 주입되도록 상기 유해가스 주입부(110)를 설치할 수도 있음은 물론이다. 연료공급부(105)로 주입되는 연료와 스월 발생기(104)로부터 주입되는 플라즈마 가스는 유해가스와 혼합되어 주입될 수 있음은 당연하다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 스크러버의 다른 구성을 보여주는 종단면도이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 스크러버의 다른 구성을 보여주는 횡단면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 플라즈마 스크러버(100)는 플라즈마 반응기(300), 반응 챔버(108), 유해가스 주입부(110), 반응 블록(114), 배기관(112)으로 구성된다. 도 9에서 점선으로 표기된 상기 플라즈마 반응기(300)는 도 3의 플라즈마 반응기를 적용하였지만, 도 5의 플라즈마 반응기와 도 6의 내부전극 모양을 하고 있는 플라즈마 반응기가 적용될 수 있음은 물론이다.
상기 반응 챔버(108)는 원통 형상을 하고 있으며 반응 블록(107)의 하단에 설치되어 있으며 상측에는 원주 방향에 대해 등간격으로 다수개의 유해가스 주입부(110)가 설치되도록 구성된다.
이때에 상기 유해가스 주입부(110)는 상기 반응 챔버(108) 내에서 회전 유동하도록 반응 챔버(108) 내측에 접선 방향으로 설치되는 것이 바람직하며 또한 유해가스(2)가 회전유동하지 않고 직진성을 갖도록 상기 유해가스 주입부(110)를 설치 할 수 있다.
상기 유해가스(2)는 상기 반응 챔버(108)의 내측과 원통 형상의 반응 블록(114) 외측 사이에 형성된 공간(S3)으로 유입되며 반응 블록(114)은 원주 방향에 대해 등간격으로 다수개의 슬릿(116)이 설치된다. 상기 공간(S3)으로 유입된 유해가스(2)는 공간(S3)에서 회전유동(3)하다가 상기 슬릿(116)으로 유입되며 상기 반응 블록(114) 내에서 회전유동하는 와류를 형성하도록 구성된다. 상기 유해가스(2)의 회전유동 방향은 플라즈마 가스 및 연료의 방향과 같도록 상기 슬릿(116)을 구성하는 것이 바람직하다. 상기 접선 방향의 슬릿(116)은 접선 방향 또는 중심축에 수직하도록 타공된 다수개의 구멍으로 대체될 수 있음은 물론이다.
상기와 같은 구성은 플라즈마 화염(F2)과의 반응시간을 연장시켜주어 유해가스의 처리효율을 극대화시킬 수 있다. 처리된 유해가스(4)는 상기 배기관(112)을 통해 배기되며 배기관(112)의 출구를 상기 반응 블록(114)의 내경보다 작게 구성하여 반응 시간을 더욱 연장시킬 수 있다. 또한 상기 유해가스 주입부(110)로 플라즈마 가스와 연료가 혼합되어 주입될 수 있음은 물론이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 스크러버의 플라즈마 자동점화를 위한 회로 구성을 보여주는 블록도이다.
도 11을 참조하면, 전원공급장치(180)는 플라즈마 스크러버(100)의 플라즈마 반응기(300)에 전원을 공급한다. 전원은 교류, 직류, 라디오 주파수, 마이크로웨이브가 사용되며 그 주파수는 1Hz ~ 3GHz의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 전원공급장치(180)로부터 인가되는 전압은 플라즈마 반응기(300)의 전극간의 갭에 의존 하며 1mm당 3 kV의 전압이 인가된다.
플라즈마 점화를 위한 트리거(200)는 상기 플라즈마 반응기(300)의 접지전극과 내부전극 간에 고전압을 인가하여 플라즈마를 점화시킨다. 상기 트리거(200)는 통상의 고전압 트랜스포머가 사용되며 반파 정류 또는 전파 정류회로로 구성된다. 예를 들어, 전극간의 갭이 1.5 mm일 경우, 대략 4.5 kV의 고전압이 인가되어야 방전이 개시되지만 본 발명에서는 상기 전원공급장치(180)는 3 kV의 전압을 공급하고 상기 트리거(200)를 작동시키면 연속적으로 두 전극간에 스파크를 공급하여 방전이 개시된다.
전류 릴레이(190)는 상기 전원공급장치(180)의 전류를 검출한다. 상기 전원공급장치(180)와 상기 트리거(200)의 작동으로 방전이 개시되어 플라즈마가 발생하면 전원공급장치(180)는 전류가 흐르며 상기 전류 릴레이(190)는 전류를 검출하여 트리거(200)의 전원을 차단한다. 또는 외부 조건에 의해 방전이 꺼져 상기 전원공급장치(180)에 전류가 흐르지 않으면 상기 전류 릴레이(190)는 상기 트리거(200)에 전원을 공급하여 방전을 개시한다. 이런 작동은 저전압에서 플라즈마를 발생시킬 수 있으므로 전원공급장치의 부피를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 저비용으로 효율적인 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 스크러버와 통상의 습식 스크러버와의 적용을 상세히 보여주는 단면도이다.
도 12를 참조하면, 플라즈마 스크러버(100)는 통상의 습식 스크러버(40)와 연결관(96, 98)으로 연결되며 상기 플라즈마 스크러버(100)에서 처리된 유해가 스(4)는 상기 습식 스크러버(40)의 하부로 들어가며 상부에 설치된 샤워기(42)에서 분사되는 물 또는 중화제에 의해 처리되고 배기관(50)을 통해 처리된 가스(8)는 대기로 배출된다. 상기 처리된 유해가스(4)의 수용성 기체는 상기 습식 스크러버(40)에서 처리되며 습식 스크러버(40)의 하부에 저장되는 폐수(70)는 밸브(64)와 배출관(60)을 통해 배출되며 폐수(62)는 화학약품에 의해 처리된다. 도 12에서와 같이 상기 플라즈마 스크러버(100)는 통상의 습식 스크러버(40)와 수평 방향으로 연결될 수 있을 뿐만 아니라, 상하 수직으로 연결될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 스크러버의 적용을 보여주는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 스크러버의 구성을 보여주는 전체도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 구성을 상세히 설명하는 종단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 반응기의 상세한 구성을 보여주는 횡단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 반응기의 다른 예를 보여주는 종단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 내부전극의 다른 형태의 예를 보여주는 종단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 스크러버의 구성을 상세히 보여주는 종단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 스크러버의 상세한 구성을 보여주는 횡단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 플라즈마 스크러버의 다른 형태의 상세한 구성을 보여주는 종단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 도 9의 플라즈마 스크러버의 횡단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 플라즈마 스크러버의 플라즈마 자동점화를 위한 회로 구성을 보여주는 블록도이다.
도 12는 본 발명에 따른 플라즈마 스크러버와 통상의 습식 스크러버와의 적용을 상세히 보여주는 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
S2: 방전공간 F1: 플라즈마
F2: 플라즈마 화염 2: 유해가스
40: 습식 스크러버 100: 플라즈마 스크러버
102: 지지체 104: 스월 발생기
105: 연료 공급부 106: 접지전극
107: 방전 블록 108: 반응 챔버
110: 유해가스 주입부 114: 반응 블록
116: 슬릿 120: 내부전극
122: 전극 헤드 180: 전원공급장치
190: 전류 릴레이 200: 트리거
300: 플라즈마 반응기

Claims (27)

  1. 접지전극;
    상기 접지전극 상부에 위치하며 상기 접지전극을 지지하는 지지체;
    상기 지지체에 지지되어 상기 접지전극의 중심에 설치된 내부전극;
    상기 접지전극의 상단에 설치되어 상기 접지전극의 내측면으로 회전유동하는 플라즈마 가스를 주입하는 스월 발생기;
    상기 접지전극의 하단부에 설치되어 상기 접지전극의 내측면과 상기 내부전극의 방전공간에 형성된 플라즈마에 연료를 공급하는 연료 공급부; 및
    상기 연료 공급부가 설치되면서 방전에 의해 형성된 플라즈마가 미끄러지도록 상기 접지전극에 설치된 방전 블록; 을
    포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부전극의 몸체는 원기둥의 모양을 하고 헤드는 하향방향으로 그 둘레가 상기 몸체보다 점점 넓어지다가 부드러운 곡면을 형성하면서 점점 좁아지게 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부전극의 몸체는 원기둥의 모양을 하고 헤드는 부드러운 곡면을 형성 하면서 하향방향으로 그 둘레가 상기 몸체보다 점점 좁아지게 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부전극의 몸체는 원기둥의 모양을 하고 헤드는 구 모양을 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기
  5. 제 2 항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부전극의 헤드는 열적 내마모성이 강한 텅스텐, 몰리브덴, 스테인레스 스틸 및 무산소동 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부전극의 외측 또는 내측에 형성되어 내부전극을 냉각시키는 냉각관이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 블록은 상기 접지전극 단부에 설치하되 내측면은 부드러운 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료공급기에서 공급되는 연료는 기체, 액체, 고체 및 이들의 혼합 상태 중 선택된 어느 하나의 탄화수소 연료인 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 스월 발생기로 주입되는 가스는 공기, 산소, 질소, 비활성가스 및 탄화수소가스 중 선택된 적어도 하나 이상의 가스로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 스월 발생기는 상기 접지전극의 내부로 원주 방향에 대해 등간격으로 다수개가 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는 상기 접지전극과 상기 방전블록 사이에 원주 방향에 대해 등간격으로 다수개가 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는 외측에서 내측으로 갈수록 기울어져 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는 와류를 형성하도록 상기 방전 블록의 내측면에 대해 접선방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 연료 공급부로 주입되는 가스의 와류 방향이 상기 스월 발생기로 주입되는 가스의 회전유동 방향과 같은 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 연료 공급부로 주입되는 가스의 와류 방향이 상기 스월 발생기로 주입되는 가스의 회전유동 방향과 반대 방향인 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급부로 공급되는 연료에 상기 스월 발생기로 주입되는 가스가 혼합되어 주입되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  17. 펌프 및 팬의 수단으로 배출되는 유해가스를 처리하는 장치에 있어서,
    상기 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항으로 형성된 플라즈마 반응기의 하부에 설치되는 반응 챔버;
    상기 반응 챔버 내로 유해가스가 주입되는 유해가스 주입부; 및
    상기 반응챔버에서 처리된 상기 유해가스가 배출되는 배기관;을
    포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스크러버.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 유해가스 주입부는 상기 반응 챔버 내부로 원주 방향에 대해 등간격으로 다수개가 구비되어 상기 유해가스가 상기 반응 챔버 내에서 회전 유동하도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스크러버.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 유해가스의 회전 유동 방향이 플라즈마 가스의 회전유동 방향과 같은 것을 특징으로 하는 플라즈마 스크러버.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 유해가스의 회전 유동 방향이 플라즈마 가스의 회전유동 방향과 반대인 것을 특징으로 하는 플라즈마 스크러버.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 반응 챔버 내부에는 원주방향에 대해 등간격으로 접선방향의 다수개의 슬릿이 구비되는 반응 블록이 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스크러버.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 반응 챔버 내부에는 접선방향 또는 중심축에 수직하도록 타공된 다수개의 구멍이 구비된 반응 블록이 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스크러버.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 유해가스 주입부로 플라즈마 가스와 연료가 혼합되어 주입되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스크러버.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 플라즈마 스크러버에서 처리된 유해가스가 물 또는 중화제에 의해 2차 처리되는 습식 스크러버가 상기 배기관과 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스크러버.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 습식 스크러버는 상기 플라즈마 스크러버와 수평 또는 상하로 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스크러버.
  26. 제 17 항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기에 플라즈마의 점화를 위한 트리거가 구비되는 것을 특 징으로 하는 플라즈마 스크러버.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 트리거는 플라즈마 전원공급장치의 전류를 검출하는 전류 릴레이에 의해 전원이 on/off 되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스크러버.
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