KR20110105674A - 양극 주변에 영구자석 자장을 인가하여 성능개선을 한 공동형 플라즈마 토치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대용량의 폐기체 처리 등 열분해 공정에 사용되는 공동형 플라즈마 토치에 관한 것으로, 토치의 양극 주변 특정 위치에 영구자석을 장착하여 인가된 축방향의 자기장과 토치 내부에 형성되어 있는 반경방향 전류성분의 결합으로부터 발생되는 원주방향 로렌쯔힘을 이용하여 아크와 열플라즈마를 강하게 회전시켜서 전극의 침식을 완화하여 수명을 연장시키고, 토치 외부의 반응기 영역에서 열플라즈마 불꽃과 처리 대상물 간의 혼합을 용이하게 함으로써, 추가적인 전력소모 없이 열분해 효율을 향상시키기 위하여 고안되었다.

Description

양극 주변에 영구자석 자장을 인가하여 성능개선을 한 공동형 플라즈마 토치 {AN INNOVATIVE HOLLOW ELECTRODES PLASMA TORCH WITH PERMANENT MAGNET FIELDS APPLIED IN THE ANODE REGION}

본 발명은 난분해성 폐기체 등을 대용량으로 열분해 처리하는데 사용되는 공동형 플라즈마 토치에 관한 것이다.

본 발명은 난분해성 폐기체 등을 대용량으로 열분해 처리하는데 사용되는 공동형 플라즈마 토치에 관한 것으로, 양극노즐 주변부 특정 위치에 영구자석을 삽입하여 안정적인 방전을 유지하면서 아크점 회전에 의한 전극 침식완화와 더불어 추가적인 전력소모 없이 처리대상 기체의 열분해 효율을 향상시킬 수 있도록 고안되었다.

전기 에너지를 이용하여 발생시키는 열플라즈마는 토치 내부의 아크 중심에서 온도가 수만 도에 이르고 토치 외부로 분출되는 불꽃의 온도도 수천 도 정도이기 때문에, 기존 화석연료의 연소에 의해 얻을 수 있는 천도 정도의 온도한계를 쉽게 극복할 수 있다. 이러한 열플라즈마 불꽃은 초고온의 특성뿐만 아니라 대열용량, 고속, 화학반응의 제어 등의 특성을 가지고 있기 때문에 기계가공, 신소재 합성, 나노분말 제조 등의 산업에 널리 응용되고 있으며, 특히 최근에는 반도체 제조공정에서 발생되는 난분해성 온실기체의 처리에 이용되는 등, 유해 환경물질을 초고온 환경에서 열분해 처리하는데 기존의 연소 방법을 대체하는 청정기술로 주목받고 있다.

열플라즈마를 발생시키는 장치인 플라즈마 토치는 입력전원의 형태, 아크의 이송여부, 전극의 모양에 따라 다양하게 구분될 수 있으며, 본 발명에 이용된 직류 비이송식 공동형 토치의 경우, 직류 전원에 의해 발생된 아크가 플라즈마 토치 내부에 존재하여 처리대상 모재로 이송되지 않으며, 음극과 양극으로 구성된 전극의 형상이 가운데가 비어있는 공동을 형성하고 있다. 비이송식 토치 운전에서는 고온의 열플라즈마 불꽃을 생성하기 위한 아크 방전이 토치 내부에서 이루어지므로, 토치 외부에서 열플라즈마 불꽃으로 주입되는 처리대상 물질의 종류와 상태에 관계없이 방전을 유지할 수 있기 때문에 일정하고 지속적인 처리공정이 이루어진다는 장점이 있다. 일반적인 막대형 또는 버튼형 음극과 양극 노즐로 구성된 전극구성에서의 아크방전은 열전자 방출에 의해 이루어지는데, 이 경우 공기나 수증기와 같이 산소가 포함된 물질을 방전기체로 사용할 경우 음극 표면이 산화되어 열전자 방출이 원활히 이루어지지 않아 안정적인 방전의 유지와 재점화가 어려워진다. 반면 공동형 전극을 사용할 경우 전극 표면의 산화와는 무관한 전계방출의 원리로 아크방전이 이루어지는 것으로 알려져 있으므로, 열분해 처리 공정에서 처리대상 물질을 열분해 한 후 안정적인 산화물 형태로 변환시키기 위해 산소가 포함된 방전기체를 자유롭게 적용할 수 있다. 이러한 장점과 함께 공동형 토치는 다른 플라즈마 토치들에 비해 출력을 증가시키기가 용이하고, 대구경의 전극으로부터 상대적으로 넓은 고온영역을 발생시킬 수 있으므로, 대용량의 대상물을 효과적으로 처리하는데 적합하다.

그러나 처리 대상물이 열분해 될 수 있는 충분한 고온영역은 토치로부터 발생된 열플라즈마 불꽃의 온도분포 특성에 직접적인 영향을 받는데, 열플라즈마는 토치 출구의 불꽃 중심영역에서는 수천도 정도의 초고온을 나타내지만 이로부터 반경방향 및 축방향으로 멀어질수록 급격히 온도가 떨어지는 특징을 가지고 있다. 따라서 효율적인 열분해 공정을 위해서는 처리대상물을 불꽃 중심방향으로 강하게 주입하거나 넓은 직경의 전극을 이용하여야 한다. 열분해 공정에서 대상물을 강하게 주입하기 위해서는 이를 위해 고압을 인가시킬 수 있는 부가적인 기계 장치가 필요하며, 반도체 제조공정의 폐기체와 같이 부식성이 큰 폐기물을 처리할 경우 부가설비의 수명이 급격히 줄어들기 때문에 유지 및 보수비용이 늘어나는 단점이 있다. 또한, 앞서 언급하였듯이 공동형 토치는 막대-노즐형 또는 버튼-노즐형 토치 보다 큰 전극 직경을 가질 수 있지만, 토치 운전조건에 따라 전극 직경에 제한이 있으므로 반응기 영역에서 고온영역을 확장하는데는 근본적인 한계가 있다. 이러한 문제점들로 인하여 불꽃 외곽에서와 같이 열분해에 충분한 온도영역에 포함되지 못한 처리대상물은 완전한 분해가 이루어지지 않으며, 충분히 높은 온도가 유지되고 있는 불꽃 중심영역으로는 처리대상물이 진입하지 못하여 불필요한 전력이 소모되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 공동형 토치의 양극 주변에 영구자석을 삽입하여 양극 아크점을 회전시키는 로렌쯔 힘을 발생하도록 하여 토치 외부로 분출되는 열플라즈마 불꽃의 회전방향 움직임을 통해 반응기에서 열분해에 충분한 고온영역을 확장하고 처리 대상물과의 난류혼합이 증가되도록 하여 추가적인 전력소모 없이 열분해 처리 효율이 향상되도록 하였다. 그런데, 자석이나 솔레노이드 등의 기구를 이용하여 토치에 자기장을 인가하는 방법은 전극의 수명을 늘리기 위한 방안으로 널리 사용되고 있으며, 본 발명에서처럼 열플라즈마 불꽃의 유동특성을 변화시키기 위해서도 일부 채용되고 있는 방법이다. 하지만 일반적으로 공동형 토치에서는 고정된 음극 아크점에 한하여 자기장을 인가함으로서 국부적으로 가해지는 열부하를 분산시켜 음극 수명을 향상시키는 방법이 사용되고 있다. 이 때 보편적으로 솔레노이드에 의한 자기장 인가방식이 채택되고 있으나, 장치 규모가 커지고 구조가 복잡해지며 추가의 전력이 필요하게 되는 단점이 있다. 또한 양극 영역에 자기장을 인가하여 열플라즈마 불꽃의 유동특성을 변화시키는 방법은 고전류-저전압의 토치 운전특성으로 인해 양극 아크점의 급격한 움직임에도 안정적인 방전을 유지하기가 용이한 막대-노즐형 토치에서 일부 사용되고 있지만, 상대적으로 저전류-고전압으로 운전되는 공동형 토치에서는 급격한 아크점의 움직임으로 불안정한 아크방전이 쉽게 유발되기 때문에 이를 고려한 올바른 자기장 인가의 간편한 방법과 고효율 열분해 공정으로의 적용이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 대용량 열분해 공정에 적합한 공동형 토치에서 안정적으로 아크방전을 유지하면서 양극영역에 자기장을 간편하게 인가할 수 있는 영구자석의 크기 및 위치에 대한 조건을 전산모사와 실험적 방법을 통해 알아내고, 이로부터 아크점 회전에 따른 전극수명 연장과 더불어 토치 외부로 분출되는 불꽃의 유동을 변화시켜 열플라즈마와 처리 대상물 간의 혼합을 증가시켜 추가적인 전력의 소모 없이 열분해 처리 공정의 효율성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

공동형 모양의 음극 (1)과;

길이 l을 가지는 양극 노즐 (2)과;

상기 두 전극 사이에서 방전기체 (10)가 와류로 주입될 수 있도록 하는 기체링과;

상기 기체주입구로부터 토치 출구방향으로 l/2 이상인 지점에서부터 양극 주변에 위치하는 영구자석(100)을 포함하고 있는 양극 자장인가식 공동형 플라즈마 토치를 제공하며,

상기 양극 자장인가식 공동형 플라즈마 토치의 효과를 폐기체 열분해 공정을 통해 증명하기 위하여,

상기 플라즈마 토치의 하부에 결합되어 폐기체(40)를 주입하고 외부와 반응영역을 분리해주는 반응기(4)와;

상기 반응기의 내부에 설치되어 폐기체의 유로를 형성하고 토치출구 근처에서 열플라즈마 불꽃에 폐기체가 주입되어 혼합될 수 있도록 하며, 반응영역을 공간적으로 제한하여 열의 손실을 줄여주는 기능을 하는 반응기 내부 가둠관(3)을 제공한다.

본 발명에 따른 영구자석에 의한 양극자장 인가식 공동형 플라즈마 토치는, 전자석에 의한 인가에 비해 장치가 단순 간편해지고 추가 전력이 필요 없고, 산소를 포함한 반응성 기체를 방전기체로 사용할 수 있으며, 안정적인 양극 아크점의 회전으로부터 전극수명의 효과와 더불어 열플라즈마의 와류운동을 발생시켜 처리 대상물과의 혼합을 증가시킴으로서 추가적인 전력소모 없이 대용량 열분해 공정의 처리효율을 향상 시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 영구자석장착 양극 자장인가식 공동형 토치 및 반응기의 구성을 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명에 사용된 공동형 토치에서의 리스트라이크 현상을 보여주는 전압 측정 자료.
도 3은 본 발명에 사용된 공동형 토치에서 아크 길이에 따른 양극 아크점 위치에서의 온도분포를 보여주는 전산해석 자료.
도 4는 본 발명에 따른 양극 노즐 내부 표면에서의 자기장 세기의 전산해석 자료.
도 5는 본 발명을 적용하지 않았을 경우 공동형 토치로부터 발생된 열플라즈마 불꽃의 시간에 따른 모양 변화 측정 자료.
도 6은 본 발명에 따라 양극 영역에 자장을 인가한 공동형 토치로부터 발생된 열플라즈마 불꽃의 시간에 따른 모양 변화 측정자료.

이하 본 발명을 첨부된 예시 도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 영구자석에 의한 양극 자장인가식 공동형 토치와 반응기로 구성된 열분해 시스템의 개략적인 단면도이다. 양극 자장인가식 공동형 토치는 일반적인 공동형 토치와 마찬기지로 공동형의 음극(1)과 노즐형태의 양극(2) 사이에 방전기체(10)를 와류형태로 주입하여 아크기둥(20)을 형성하고 유지하면서 이로부터 발생된 열플라즈마 제트(30)을 외부로 분사시키는 원리로 작동되는데, 양극 아크점(22)을 회전시키기 위하여 영구자석(100)을 기체주입구로부터 양극의 길이인 l의 절반인 l/2 이상 떨어진 곳에 위치시키는 것을 특징으로 한다. 일반적인 막대 또는 버튼형의 음극을 가지는 플라즈마 토치와는 달리 공동형 토치는 산소를 포함한 기체를 방전기체로 직접 사용할 수 있고, 상대적으로 큰 전극직경을 가지며, 출력을 증가시키기 용이하므로 대용량의 폐가스를 열분해하고 안정한 물질로 화학적 전환을 시키는데 적합하다. 하지만 아크 방전에 의해 양극 내부 표면의 침식이 일어나고, 발생되는 열플라즈마 제트(30)는 토치 출구쪽에 위치한 전극인 양극(2)의 내경에 의해 크기가 제한이 되는데, 처리 대상물인 폐기체(40)를 열분해 하기 위해 토치 출구면 아래에서 열플라즈마 흐름의 수직방향으로 폐기체가 주입될 때 열플라즈마와 폐기체의 혼합(50)이 원활히 이루어져야 반응기 내부 가둠관(3) 안쪽에서 효율적인 폐기체의 열분해 처리(60)를 기대할 수 있다.

토치로부터 고속으로 분출되고 있는 열플라즈마 불꽃과 이를 둘러싸고 있는 주변 기체들의 혼합은 두 기체층 사이의 좁은 영역에 존재하는 경계층의 급격한 속도구배에 의한 난류혼합에 의해 일어나는 것으로 알려져 있는데, 속도구배가 클수록 열플라즈마 불꽃의 외곽에서 주변기체를 감싸면서 관성 및 밀도차에 의해 불꽃 중심으로 혼입되는 소용돌이가 큰 규모로 빈번히 발생하여 두 기체가 잘 섞이게 된다. 따라서 경계층에서의 속도구배를 증가시키기 위해서는 토치의 출력과 방전기체의 유량을 증가시켜서 열플라즈마의 분사속도를 향상시키면 되는데, 이 경우 추가적인 전력과 방전기체가 소모되므로, 경제적인 열분해 공정에 적합하지 않다. 따라서 본 발명에서는 경계층에서의 속도구배가 열플라즈마의 유동방향인 토치 및 반응기의 축방향(z 방향)으로 기본적으로 형성되어 있고, 이 축을 중심으로 한 회전방향(θ 방향)으로 강화될 수 있도록 영구자석(100)을 양극(2) 주변에 장착하였다.

열플라즈마 토치에서 양극 아크점(22)은 와류로 주입되는 방전기체(10)에 의해 어느 정도의 속도를 가지고 회전한다. 또한 이러한 양극 아크점(22)의 움직임부터 발생된 회전방향 전류성분에 의해 자체 유기되는 축방향 자기장 성분과, 양극점 근처의 아크기둥(20) 형상에 따른 토치 및 반응기 중심축으로부터 멀어지는 방향인 반경방향(r 방향)으로 형성된 전류성분에 의해 회전방향 로렌쯔힘이 양극 아크점(22)에 작용하게 된다. 즉 외부 자기장을 인가하지 않더라도 양극 아크점(22)은 회전하고 있으며, 아크(20, 21, 22)에 의해 열팽창 되어 나오는 열플라즈마 제트 역시 함께 회전하게 된다. 그런데 자기장은 서로 중첩되어 보다 크게 작용할 수 있으므로, 본 발명에서와 같이 영구자석(100)으로 양극 주변에서 외부 자기장을 인가할 경우 양극 아크점(22)의 움직임이 더욱 활발해져서 아크점이 양극표면에 고정되어 일어나는 침식을 완화할 수 있다. 물론 같은 원리로 음극 아크점(21)도 회전시킬 수 있지만 음극 아크점은 토치 출구로부터 멀리 떨어져 있고 초고온의 열플라즈마는 높은 점성을 가지고 있기 때문에, 음극 아크점이 회전하더라도 토치 출구로 뿜어져 나오는 열플라즈마 불꽃(30)의 회전에 미치는 영향은 미미하다.

영구자석(100)에 의해 인가되는 자기장의 방향은 외부 자기장 없이 양극 아크점(22)이 회전하여 자체 유기되는 자기장의 방향을 고려하여야 하는데, 토치 출구에서 토치 내부를 바라보는 시점을 기준으로 하여 방전기체(100)가 반시계 방향(+θ 방향)으로 주입되어 초기 양극 아크점(22)의 움직임이 +θ 방향으로 형성되면 토치에서 반응기 방향(+z 방향)으로의 축방향 자기장이 유기되므로, 이와 동일한 방향으로 외부 인가 자기장을 중첩시켜주어야 한다. 즉, +θ 방향으로 방전기체를 주입하는 경우, 양극 주변에 위치한 링 형태의 영구자석(100)의 극성은 반응기(4)쪽을 바라보는 면이 S극이 되어야 하고 음극(1)쪽을 바라보는 면이 N극이 되도록 하여 양극 아크점에서는 +z 방향의 자기장이 인가되도록 하여야 양극 아크점(22) 및 열플라즈마 제트(30)의 회전방향 움직임이 강화 된다.

양극 아크점(22)의 회전으로부터 열플라즈마 제트를 강하게 회전시키기 위해서는 영구자석(100)의 세기가 강하고, 양극 주변부 전체에 위치하는 것이 유리할 것으로 생각되지만, 이 경우 불안정한 아크 방전으로 인하여 플라즈마 토치의 작동이 멈추고 열분해 공정이 원활히 진행되지 못하는데, 그 이유는 플라즈마 토치의 아크방전에서 고유한 나타나는 리스트라이크 현상 때문이다. 리스트라이크 현상은 도 2에서 보는 바와 같이 플라즈마 토치의 운전에 있어서 아크전압이 일정하게 증가하다가 갑자기 떨어지는 현상을 말하는데 다음과 같은 양극 아크점(22)의 움직임에 의해 나타난다. 열플라즈마의 유동에 의한 유체역학적인 끌림힘에 의해 양극 아크점(22)은 토치 출구 방향으로 길이가 늘어나게 되는데, 이때 전압과 출력이 함께 증가하다가 방전기체 주입구 근처에서의 온도가 충분히 높아서 전기저항이 특정값 이하로 줄어들게 되면, 양극 아크점(22)이 방전 기체 주입구 근처로 순간적으로 옮겨오게 된다. 따라서 아크 기둥(20)의 길이와 함께 전압이 급격히 줄어들게 되며, 다시 아크의 길이가 늘어나면서 전압이 상승하는 현상이 반복되게 된다. 플라즈마 토치의 직류전원은 일반적으로 정전류원 이므로 도 2에서 보는 바와 같이 아크 전압이 변화함에 따라 토치로 인가되는 전력 역시 함께 변화하게 되는데, 리스트라이크 현상의 반복에 따른 전력의 최대값과 최소값은 2배 정도에 이르게 된다. 즉 아크 길이가 짧을 경우 토치로의 입력전력이 줄어들고, 반대로 아크길이가 늘어나게 되면 입력전력이 늘어나서 토치 내부의 열플라즈마 특성이 달라진다. 도 3에는 아크 길이에 따른 토치 내부의 열플라즈마 온도 분포를 3차원 전산해석 한 다음, 양극 아크점에서의 온도분포 단면을 나타내고 있다. 도 3의 (a)와 같이 아크길이가 짧을 경우 입력전력이 상대적으로 작아서 (b)의 긴 아크길이의 경우보다 낮은 온도 분포를 나타낸다. 토치 내부의 열플라즈마 온도는 아크기둥(20)과 아크점(21, 22)에서 가장 높고 주변부로 갈수록 낮아지므로, 토치의 중심축 근처에 존재하는 아크기둥(20)과 양극 노즐(2) 내벽에 부착된 양극 아크점(22)에서 고온을 나타내고 있다. 공기, 질소 등의 공동형 토치 방전기체의 경우 약 6,000 K이상에서부터 온도가 증가함에 따라 전기전도도가 급격히 증가하는데, 만약 도 3의 (a)와 같이 충분히 발달되지 못한 온도분포에서 양극 아크점(22)이 외부 인가 자기장에 의해 강하게 회전하게 되면 낮은 온도영역으로 아크점이 옮겨가게 되고, 전기전도도가 충분하지 못하여 아크방전이 중단 될 수 있다. 반대로 도 3의 (b)와 같이 아크 길이가 길어서 충분히 높은 온도 분포가 형성되어 있으면, 아크점의 위치가 회전방향으로 갑자기 바뀌더라도 안정한 아크방전이 유지 될 수 있다. 실제 본 발명에서는 길이 175 mm의 양극노즐을 사용하였는데, 영구자석(100)의 축방향 위치를 달리하여 실험한 결과 기체 주입구로부터 90 mm 이상 떨어진 곳에 영구자석(100)을 위치하여야만 아크방전의 중단 없이 안정적인 토치 운전이 가능하였다.

상기와 같은 이유로 본 발명에서는 방전기체 주입구로부터 토치 출구방향으로 100 mm 지점에서부터 영구자석(100)을 위치하였으며, 바람직한 자장의 세기 및 자장인가 구간을 정하기 위하여 서로 다른 두께를 가지는 링 형태의 네오듐자석을 사용하였다. 자석의 두께가 각각 10, 20, 30 mm 인 경우 양극 아크점(22)이 부착되는 양극 노즐(2) 내벽에 작용하는 자기장의 세기를 전산모사하여 도 4에 나타내었다. 영구자석(100)을 도 4에서 방전기체(10) 주입 위치인 -175 mm로부터 100 mm 떨어진 -75 mm에서부터 위치시켰으므로 각 자석의 축방향 중심점은 각각 -70, -65, -60 mm 이며, 상기 위치에서 양극 아크점(22)에 작용하는 축방향 자기장은 최고값을 나타낸다. 도 4의 전산모사 결과로부터 알 수 있는 점은 영구자석(100)의 두께가 두꺼울수록 보다 강하고 긴 영역의 자기장이 양극 아크점(22)에 인가 될 수 있다는 것이다. 그런데 영구자석(100)의 두께가 40 mm인 경우에는 불안정한 방전으로 인하여 열분해 공정을 원활히 진행 할 수 없었는데, 이는 양극 자장인가식 공동형 토치에서 외부 자기장이 너무 강하여서도 안 됨을 의미하고, 양극 아크점(22)에 인가되는 축방향의 자기장 세기의 최대값은 도 4에 나타내었듯 1,000 가우스 미만이어야 한다. 따라서 본 발명에서 자석을 설치하는 부분은 양극길이의 1/2 지점부터 시작하여 끝단까지 부분 중 어느 지점이나 상관이 없으며 1/2 지점 이상에서는 자장인가 구간이 아무리 길어도 상관없다 다만 자기장의 세기는 1000가우스 미만으로 되어야 한다.

본 발명에 따른 양극 자장인가식 공동형 플라즈마 토치의 다양한 운전 조건에서 토치로의 평균 입력전력을 측정한 결과, 영구자석(100)의 장착여부 및 두께와 관계없이 거의 동일한 전력이 소비됨을 확인하였다. 또한 고속카메라를 이용한 실험적 측정 결과 영구자석(100)을 삽입하지 않은 경우 양극 아크점(22)의 최대 회전속도는 8.9 m/s였으며, 두께 10, 20, 30 mm의 영구자석(100)을 장착하였을 경우 양극 아크점(22)의 최대 회전속도는 각각 84.7, 127.0, 140.4 m/s로 급격히 향상되었다. 본 발명에 따른 양극 자장인가식 공동형 토치에서 영구자석(100)이 없는 경우와 두께 20 mm의 영구자석(100)을 장착한 경우 각각 열플라즈마를 발생시켜서 고속카메라로 측정된 불꽃의 모양을 도 5와 도 6에 나타내었다. 도 5에서 알 수 있듯이 영구자석(100)을 장착하지 않은 경우 리스트라이크 이후에 입력전력이 지속적으로 상승하면서 다음 리스트라이크가 일어나기 직전인 3.25 ms 까지 열플라즈마의 초고온영역 불꽃의 길이가 꾸준히 늘어나고 있다. 반면 도 6의 경우 아크 길이가 성장하다가 3.25 ms 시점에서 리스트라이크가 일어났는데, 3.25 ms 이전까지 입력전력이 상승함에도 불구하고 초고온영역의 불꽃 길이가 일정 길이이상 늘어나지 않는데, 이는 양극 아크점(22)의 강한 회전으로 인하여 열플라즈마가 회전하게 되고, 불꽃 주변의 찬 기체와 혼합되면서 초고온영역이 줄어들었기 때문이다.

상기와 같은 실험 결과로부터 영구자석에 의한 양극자장 인가형 공동형 플라즈마 토치를 열분해 공정에 적용할 경우, 추가적인 전력소모 없이 열분해 공정의 효율을 향상 시킬 수 있음을 예상할 수 있다. 난분해성 온실기체인 CF₄가 1 % 포함된 400 slpm 유량의 폐기체를 대상으로 실제 열분해 공정 실험을 수행하면서 사극자질량분석법(QMS, Quadrupole Mass Spectrometry)으로 분해 및 제거효율을 측정한 결과, 40 kW 정도의 평균 입력전력에서 영구자석(100)을 장착하지 않은 경우 45.4 %의 처리율을 보였지만, 두께 10, 20, 30 mm의 영구자석(100)을 각각 장착할 경우 처리율이 52.3, 55.4, 62.3 %로 향상되었다.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 공동형 음극 2: 공동형 양극 (노즐)
3: 반응기 내부 가둠관 4: 반응기
10: 방전기체 20: 아크기둥
21: 음극 아크점 22: 양극 아크점
30: 열플라즈마 40: 처리 대상기체
50: 열플라즈마와 처리 대상기체의 혼합영역
60: 열분해 영역 100: 영구자석
l: 공동형 양극의 길이 l/2 <: 양극 길이의 절반 이상

Claims (4)

1. 양극 자장인가식 공동형 플라즈마 토치로서,
   안정적인 아크방전을 유지하면서 토치 출구면 근처에서 양극 아크점을 회전시켜 전극 침식을 막고 반응기로 분출되는 열플라즈마 불꽃의 와류운동을 발생시킴으로서,
   양극 수명을 연장시키고 반응기에서 열플라즈마와 처리 대상물 간의 혼합을 증가시키기 위하여,
   공동형 플라즈마 토치의 양극 노즐 외주에 링 형태의 영구자석을 장착한 것을 특징으로 하는, 양극 자장인가식 공동형 플라즈마 토치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 영구 자석은 플라즈마 토치의 음극과 양극 사이에 위치하는 기체주입구로부터 토치 출구 방향으로 양극 노즐 길이의 절반 이상 떨어진 곳(l/2 <)에 위치된 것을 특징으로 하는, 양극 자장인가식 공동형 플라즈마 토치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   원주 방향으로 등 간격으로 소정의 각도록 경사지게 뚫린 복수개의 구멍을 구비한 기체주입링에 의해 방전기체가 와류운동을 하면서 주입 될 때,
   토치 출구면에서 토치 내부를 바라보았을때,
   상기 와류 운동의 방향이 반시계 방향이면, 상기 영구자석의 S극이 토치 출구방향을 향하도록 위치시키고.
   상기 와류 운동의 방향이 시계방향이면, 상기 영구자석의 N극이 토치 출구방향을 향하도록 위치시킨, 플라즈마 토치.
   
4. 제 3항에 있어서,양극 아크점이 위치하는 양극 노즐 내벽에서, 상기 영구자석에 의한 외부 인가 자기장의 축방향 세기가 1000 가우스 미만으로 제한되도록 하는, 플라즈마 토치.
   

Images