KR20180066573A - 다단 스월 구조체를 갖는 플라즈마 발생부 및 상기 플라즈마 발생부를 갖는 폐가스 처리 장치 - Google Patents

다단 스월 구조체를 갖는 플라즈마 발생부 및 상기 플라즈마 발생부를 갖는 폐가스 처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 다단 스월 구조체를 갖는 플라즈마 발생부는, 음극부(10); 상기 음극부(10)와 이격 배치되는 양극부(100); 및 상기 음극부(10)와 양극부(100)를 둘러싸도록 배치되는 스월 구조체(200);를 포함하고, 상기 스월 구조체(200)는, 플라즈마를 생성하기 위해 상기 양극부(100)를 통해 다단으로 작동 가스를 공급하게 한다.

Description

다단 스월 구조체를 갖는 플라즈마 발생부 및 상기 플라즈마 발생부를 갖는 폐가스 처리 장치{Plasma generator having multistage swirl structure and waste gas treatment apparatus having the plasma generator}
본 발명은 다단 스월 구조체를 갖는 플라즈마 발생부 및 상기 플라즈마 발생부를 갖는 폐가스 처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음전극과 양전극 사이에 공급되는 작동 가스를 다단으로 공급하기 위하여 전극들 주위에 다단 스월 구조체를 배치함으로써 형성되는 화염의 길이를 제어할 수 있는 플라즈마 발생부 및 상기 플라즈마 발생부를 갖는 폐가스 처리 장치에 관한 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.
대한민국 공개특허 10-2016-0043820호는 이러한 플라즈마를 이용하여 폐가스 등을 처리하는 장치 구성이 개시되어 있다.
일반적으로 이러한 플라즈마 발생 방식 중 하나는 아크 방전을 통하여 플라즈마를 발생시키는 것으로서, 이 경우에, 폐가스 처리 장치는 아크 방전을 통하여 토치(화염)를 발생시키고 유입된 작동 가스를 통해 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부; 상기 플라즈마 발생부로부터 이송된 플라즈마를 유입되는 폐가스와 혼합하여 처리하는 반응부; 및 상기 반응부에서 처리된 가스를 물 등에 의하여 스크러빙하여 온도를 감소하게 하는 스크러빙부로 이루어진다.
상기 플라즈마 발생부에서는 음전극과 양전극 사이에 플라즈마를 발생시키기 위하여 공급관을 통해 작동 가스를 선회 운동 가능하게 주입하고 전원을 인가하여 아크 방전을 발생시켜 제트 플라즈마를 형성한다.
한편, 음전극과 양전극 사이의 전극 간격에 의해 화염을 개시하고, 화염 점화 후에 작동 가스를 공급하여 화염 길이를 제어해야 하는데, 종전의 기술은 단일한 스월 구조물을 통해 작동 가스를 공급 방식으로서 형성된 화염의 길이가 다소 제한된다는 단점이 있게 된다.
(특허문헌 1) KR10-2016-0043820 A
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 음전극과 양전극 사이에 공급되는 작동 가스를 다단으로 공급하기 위하여 전극들 주위에 다단 스월 구조체를 배치함으로써 형성되는 화염의 길이를 제어할 수 있는 플라즈마 발생부 및 상기 플라즈마 발생부를 갖는 폐가스 처리 장치를 제공하는 것이 목적이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 다단 스월 구조체를 갖는 플라즈마 발생부는, 음극부(10); 상기 음극부(10)와 이격 배치되는 양극부(100); 및 상기 음극부(10)와 양극부(100)를 둘러싸도록 배치되는 스월 구조체(200);를 포함하고, 상기 스월 구조체(200)는, 플라즈마를 생성하기 위해 상기 양극부(100)를 통해 다단으로 작동 가스를 공급하게 한다.
상기 양극부(100)는, 상기 음극부(10)의 하부 일부를 감싸는 형태로 배치되는 상부 양극(110) 및 상기 상부 양극(110)과의 사이에 작동 가스를 공급할 수 있는 공간이 형성된 상태에서 상기 상부 양극(110)의 하부 방향으로 결합되는 하부 양극(120)을 포함하고, 상기 스월 구조체(200)는, 상기 상부 양극(110)에 형성된 제1 작동 가스 노즐(115)을 통해 작동 가스를 공급하게 하는 제1 스월 구조체(210) 및 상기 하부 양극(120)에 형성된 제2 작동 가스 노즐(124)을 통해 작동 가스를 공급하게 하는 제2 스월 구조체(220)를 포함한다.
상기 제1 스월 구조체(210), 제2 스월 구조체(220) 및 하부 양극(120)을 통해 냉각수(cooling Water)를 연속적으로 유동하도록 각각 냉각 유로(216, 223,125)가 형성된다.
상기 제2 스월 구조체(220) 및 하부 양극(120)을 통해 공급된 작동 가스는 상기 상부 양극(110)과 하부 양극(120)의 사이에 배치된 완충 공간(126)으로 공급된다.
상기 제2 스월 구조체(220) 및 하부 양극(120)을 통해 공급된 작동 가스는 상기 하부 양극(120)의 단턱부(123)에 형성된 제2 작동 가스 노즐(124)을 통해 상기 하부 양극(120)의 상단 중앙으로 공급된 후, 상기 제1 스월 구조체(210) 및 상부 양극(110)을 통해 1차적으로 공급된 작동 가스를 통해 형성된 플라즈마 상에 공급된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따른 폐가스 처리 장치는 플라즈마 발생부(100); 상기 플라즈마 발생부(100)로부터 이송된 플라즈마를 유입되는 폐가스와 혼합하여 처리하는 반응부(200); 및 상기 반응부(200)에서 처리된 가스를 물 등에 의하여 스크러빙하여 온도를 감소하게 하는 스크러빙부(300);를 포함한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 다단 스월 구조체를 갖는 플라즈마 발생부는 음전극과 양전극 사이에 공급되는 작동 가스를 다단으로 공급하기 위하여 전극들 주위에 다단 스월 구조체를 배치함으로써 형성되는 화염의 길이를 제어할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 발생부를 갖는 폐가스 처리 장치의 전체적인 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 폐가스 처리 장치를 이루는 플라즈마 발생부의 외관을 보이는 도면이다.
도 3은 폐가스 처리 장치를 이루는 플라즈마 발생부의 내부를 보이는 단면이다.
도 4는 폐가스 처리 장치를 이루는 플라즈마 발생부의 내부를 보이는 단면 사시도이다.
도 5는 전극 상에 스월 구조체가 결합된 상태를 보이는 사시도이다.
도 6은 하부 양극과 스월 구조체 간의 결합 관계를 보이는 단면 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 플라즈마 발생부를 갖는 폐가스 처리 장치의 구조 및 기능을 설명한다.
폐가스 처리 장치는 아크 방전을 통하여 화염을 발생시키고 유입된 작동 가스를 통해 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부(1), 상기 플라즈마 발생부(1)로부터 이송된 플라즈마를 유입되는 폐가스와 혼합하여 처리하는 반응부(5) 및 상기 반응부(5)에서 처리된 가스를 물 등에 의하여 스크러빙하여 온도를 감소하게 하는 스크러빙부(3)를 포함한다.
플라즈마 발생부(1)는 작동 가스를 통해 생성된 플라즈마에 의해 발생된 강력한 라디칼과 열을 통해 유입된 1차적으로 폐가스를 분해한다.
반응부(5)는 플라즈마에 의해 발생된 열을 내부의 축열체에 저장하여 플라즈마 발생부(1)에서 처리되지 못한 폐가스를 열분해로 처리하는 과정을 수행한다.
스크러빙부(3)는 질소 커튼(N2 Curtain)을 통해 기체 분자 및 파티클의 완충을 수행함으로써 균일한 필터링을 가능하게 한다.
한편, 스크러빙부(3) 내에 분리가능하게 배치된 스프레이 모듈을 통해 물과 같은 냉매를 스프레이 방식으로 공급하는 과정을 통해 냉각 및 화학적 중화 반응을 수행한다. 상기와 같은 냉각(cooling) 내지 급냉(Quenching)을 통해 열적 질소 산화물(Thermal Nox)의 저감을 가능하게 한다.
본 발명에서 사용하는 작동 가스로는 헬륨, 아르곤 및 질소 등을 사용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 플라즈마 발생부(1)는 음극부(10), 음극부(10)의 하부 방향으로 이격 배치되는 양극부(100) 및 음극부(10)와 양극부(100)를 둘러싸도록 배치되는 스월 구조체(200)를 포함한다.
양극부(100)는 음극부(10)의 하부 일부를 감싸는 형태로 배치되는 상부 양극(110) 및 상부 양극(110)과의 사이에 작동 가스를 공급할 수 있는 공간이 형성된 상태에서 상기 상부 양극(110)의 하부 방향으로 결합되는 하부 양극(120)을 포함한다.
상부 양극(110)은 중공 원통 형상의 상부 양극 바디(111), 상부 양극 바디(111)의 내면 상에 경사지게 제1 양극 유로(112), 제1 양극 유로(112)의 하단에 연결 구성되는 제2 양극 유로(113), 상부 양극 바디(111)의 상부 외측면 상에 원주 방향으로 홈 형성되는 양극 홈(114) 및 양극 홈(114)에서 상부 양극 바디(111)의 내주면 상으로 연장되는 제1 작동 가스 노즐(115)을 포함한다.
하부 양극(120)은 중공 원통 형상의 하부 양극 바디(121), 하부 양극 바디(121)의 상부에 형성되는 양극 연결부(122), 양극 연결부(122)의 상부에 완충 공간(126)을 형성하도록 소정 두께로 연장 형성되는 단턱부(123), 단턱부(123)의 내외주면을 관통 형성한 상태에서 스월 구조체(200)에서 작동 가스를 공급받는 제2 작동 가스 노즐(124), 하부 양극 바디(121) 내에 수직 방향을 따라 형성되는 냉각 유로(125)를 포함한다.
스월 구조체(200)는 상부 양극(110)의 제1 작동 가스 노즐(115)을 통해 작동 가스를 공급하게 하는 제1 스월 구조체(210) 및 하부 양극(120)의 제2 작동 가스 노즐(124)을 통해 작동 가스를 공급하게 하는 제2 스월 구조체(220)를 포함한다.
제1 스월 구조체(210)는 중공 원통 형상의 제1 스월 바디(211), 제1 스월 바디(211) 내에 수직 방향을 따라 형성되는 작동 가스 수직유로(212), 작동 가스 수직유로(212)의 상단에 연통되는 제1 작동 가스 충전부(213), 작동 가스 수직유로(212)의 하단에 수평 방향으로 연결된 상태에서 상부 양극(110)의 양극 홈(114)에 연통하는 작동 가스 수평유로(214), 제1 스월 바디(211) 내에 수직 방향을 따라 형성되는 냉각 유로(216) 및 냉각 유로(216)의 상단에 연통되는 냉각수 충전부(217)를 포함한다.
제2 스월 구조체(220)는 중공 원통 형상의 제2 스월 바디(221), 제2 스월 바디(221)의 상부에 형성되는 돌출부(222), 제2 스월 바디(221) 내에 수직 방향을 따라 형성되는 냉각 유로(223), 제2 스월 바디(221) 내에 반경 방향을 따라 상기 제2 스월 바디(221)의 내외면을 연결하도록 형성되는 제2 작동 가스 유로(224,225) 및 제2 스월 바디(221)의 하부에 형성되는 함몰부(226)를 포함한다.
상기 돌출부(222)는 제1 스월 구조체(210)와 제2 스월 구조체(220)가 상하로 결합된 상태에서, 제1 스월 구조체(210)의 냉각 유로(216)를 거친 냉각수가 제2 스월 구조체(220)의 냉각 유로(223)로 진입하기 전에 일시적으로 머무르는 공간을 제공하게 한다.
한편, 상기 함몰부(226)는 제2 스월 구조체(220)의 냉각 유로(223)를 거친 냉각수가 하부 양극(120)의 냉각 유로(125)로 진입하기 전에 일시적으로 머무르는 공간을 제공하게 한다.
상기 제2 작동 가스 유로(224,225)는 하부 양극(120)의 제2 작동 가스 노즐(124)에 연통되는 구조일 수 있다. 제2 작동 가스 유로(224,225)는 제2 스월 바디(221)의 외측면에서 반경 방향을 따라 내측으로 일정거리 연장되는 외측 유로(224) 및 외측 유로(224)에서 반경 방향을 따라 제2 스월 바디(221)의 내면까지 연장되는 내측 유로(225)를 포함한다.
상기와 같이, 제1,2 스월 구조체(210,220)를 통해 상,하부 양극(110,120)으로 각각 공급되는 작동 가스는 다단으로 이루어진 스월 구조체(200), 상하로 분리된 양극부(100) 및 스월 구조체(200)와 양극부(100) 간의 연결구조 등에 의해 선회(스월)운동을 하면서 플라즈마 발생부의 상부에서 하부로 이동하게 된다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 플라즈마 발생부를 통한 작동 가스의 유동을 설명한다.
본 발명에서는 음극부(10)와 양극부(100)를 둘러싸도록 배치되는 다단 스월 구조체(200)를 통해 작동 가스를 상하 2단으로 차등적으로 공급한다.
즉, 제1 스월 구조체(210)의 작동 가스 수직유로(212)와 상부 양극(110)의 제1 작동 가스 노즐(115)을 통해 작동 가스를 1차적으로 공급한다.
상기 1차적으로 공급된 작동 가스는 상부 양극(110)의 내측 상단을 통해 스월 공급된다.
다음으로는, 제2 스월 구조체(220)의 제2 작동 가스 유로(224,225) 및 하부 양극(120)의 제2 작동 가스 노즐(124)을 통해 작동 가스를 2차적으로 공급한다.
상기 2차적으로 공급된 작동 가스는 하부 양극(120)의 단턱부(123)에 형성된 제2 작동 가스 노즐(124)을 통해 하부 양극(120)의 상단 중앙으로 공급되고, 상기 상태에서 1차적으로 공급된 작동 가스를 통해 형성된 플라즈마 상에 공급되어 플라즈마의 형성을 지원한다. 즉, 상부 양극(110)과 하부 양극(120)의 사이에 배치된 완충 공간(126)으로 2차 작동 가스가 공급되어진다.
본 발명은 정전류 방식의 파워 서플라이에서 전원이 공급되는 경우에, 음극부(10)와 양극부(100) 간의 전극 간격에 의해 점화가 결정되고, 점화후 상하 다단으로 형성된 스월 구조물인 제1,2 스월 구조체(210,220) 각각에 작동 가스인 질소 가스를 적절히 공급하여 화염의 길이를 제어한다.
본 발명에서 화염 길이는 길수록 폐가스의 처리에 효과가 있는바, 종전 기술인 1단 스월 구조물에 작동 가스를 공급하는 방식에 비해 개선된 방식이다.
즉, 기존의 1단 스월에 비해 본 발명은 1.5~2배 이상 안정되고 길어진 화염 제어 특성을 보인다.
여기에서, 제1 스월 구조체(210)는 작동 가스 유량에 따른 압력 및 화염 길이 제어를 5~ 50LPM 이하로 유지하고, 제2 스월 구조체(220)는 작동 가스 유량에 따른 압력 및 화염 길이 제어를 10~100LPM 이하로 유지한다.
더불어, 냉각수(cooling Water)를 제1 스월 구조체(210), 제2 스월 구조체(220) 및 하부 양극(120)을 통해 연속적으로 유동하게 함으로써 냉각수를 원활하게 지속적으로 공급하여 플라즈마 방전시 발생되는 열로부터 전극을 보호한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 발생부를 갖는 폐가스 처리 장치는 음전극과 양전극 사이에 공급되는 작동 가스인 질소 가스를 전극 주위에 배치된 다단 스월 구조체를 통해 다단으로 공급함으로써 형성되는 화염의 길이를 제어할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

Claims (6)

  1. 음극부(10);
    상기 음극부(10)와 이격 배치되는 양극부(100); 및
    상기 음극부(10)와 양극부(100)를 둘러싸도록 배치되는 스월 구조체(200);를 포함하고,
    상기 스월 구조체(200)는, 플라즈마를 생성하기 위해 상기 양극부(100)를 통해 다단으로 작동 가스를 공급하게 하는,
    플라즈마 발생부.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극부(100)는,
    상기 음극부(10)의 하부 일부를 감싸는 형태로 배치되는 상부 양극(110) 및 상기 상부 양극(110)과의 사이에 작동 가스를 공급할 수 있는 공간이 형성된 상태에서 상기 상부 양극(110)의 하부 방향으로 결합되는 하부 양극(120)을 포함하고,
    상기 스월 구조체(200)는,
    상기 상부 양극(110)에 형성된 제1 작동 가스 노즐(115)을 통해 작동 가스를 공급하게 하는 제1 스월 구조체(210) 및 상기 하부 양극(120)에 형성된 제2 작동 가스 노즐(124)을 통해 작동 가스를 공급하게 하는 제2 스월 구조체(220)를 포함하는,
    플라즈마 발생부.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 스월 구조체(210), 제2 스월 구조체(220) 및 하부 양극(120)을 통해 냉각수(cooling Water)를 연속적으로 유동하도록 각각 냉각 유로(216, 223,125)가 형성되는,
    플라즈마 발생부.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 스월 구조체(220) 및 하부 양극(120)을 통해 공급된 작동 가스는 상기 상부 양극(110)과 하부 양극(120)의 사이에 배치된 완충 공간(126)으로 공급되는,
    플라즈마 발생부.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 스월 구조체(220) 및 하부 양극(120)을 통해 공급된 작동 가스는 상기 하부 양극(120)의 단턱부(123)에 형성된 제2 작동 가스 노즐(124)을 통해 상기 하부 양극(120)의 상단 중앙으로 공급된 후, 상기 제1 스월 구조체(210) 및 상부 양극(110)을 통해 1차적으로 공급된 작동 가스를 통해 형성된 플라즈마 상에 공급되는,
    플라즈마 발생부.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 상기 플라즈마 발생부;
    상기 플라즈마 발생부로부터 이송된 플라즈마를 유입되는 폐가스와 혼합하여 처리하는 반응부(200); 및
    상기 반응부(200)에서 처리된 가스를 물 등에 의하여 스크러빙하여 온도를 감소하게 하는 스크러빙부(300);를 포함하는,
    폐가스 처리 장치.
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