KR20180112034A - 고전압에서의 오존 발생 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고전압 전극(5) 및 적어도 하나의 카운터 전극(1)을 갖는 오존 발생기(ozone generator)에 의해 적어도 1kg 오존/h의 용량(capacity)으로 상승된 압력의 오존을 발생시키는 방법에 관한 것으로, 상기 고전압 전극(5)과 적어도 하나의 카운터 전극(1)은 적어도 하나의 유전체(dielectric)가 배치되는 갭(gap)을 구획하며, 산소를 함유하고 가스 압력 Pgas을 갖는 가스가 상기 갭을 통해서 유동하며, 방전들을 발생시키기 위해 전력 공급부(7, 8)로 접속된 상기 고전압 전극(5) 및 적어도 하나의 카운터 전극(1)은, 적어도 하나의 방전 갭(discharge gap) 내에 제공되며, 상기 전력 공급부(7, 8)는 1kV 내지 50kV 범위의 전압을 제공하며, 상기 방전의 스트로크 폭들(stroke widths) di(9)은 최소 스트로크 폭 dmin 과 최대 스트로크 폭 dmax 간에 분포되며, 상기 오존 발생기의 출구에서 산소를 함유하는 가스 압력 pgas는 적어도 3bar인 것을 특징으로 한다.

Description

고전압에서의 오존 발생
본 발명은 제 1 항의 전제부의 특징들을 갖는, 상승된 압력의 오존을 발생시키는 방법에 관한 것이다.
오존 발생기(ozone generator)의 출구에서의 최대 12bar의 고전압들이 오존의 일부 적용 영역들에서 필요하다. 이는, 예를 들어 제지 산업에서의 제지 표백을 포함한다. 약 1bar 내지 2bar의 동작 압력들의 수 kg/h의 오존 능력들을 갖는 오존 발생기들은 일반적으로 제지 표백에 사용된다.
단위 "bar"는 이러한 설명 및 청구 범위에서 기술적인 단위로 사용된다. 이는 대기압에 대한 초과 압력으로 이해되어야 한다. 이와 구별되는 절대 압력의 수치는 1013mbar 더 크다.
이러한 유형의 오존 발생기는 예를 들어 출원서 WO/2013/136663 호에 공지되어 있다. 튜브형 고전압 전극은 튜브형 유전체 및 튜브형 대향 전극에 의해 둘러싸여 있다. 전극들은 서로에 대해 동심적으로(concentric manner) 배치된다. 유전체는 대향 전극의 내부 상에 있다. 산소를 포함하는 가스는 유전체와 고전압 전극 사이의 갭을 통해 유동한다. 동작 중 유전체와 고전압 전극 사이에 무성 방전들(silent discharges)이 발생한다. 유전체와 고전압 전극 사이의 거리는 갭 폭 또는 스트로크 폭(stroke width)이라고 지칭된다. 오존 발생기는 갭 폭이 0.5mm인 1.2bar 내지 3.2bar의 가스 압력에서 동작될 수 있다. 갭 폭이 0.2mm 감소되면, 압력 범위는 2bar 내지 5.3bar이다. 점화(ignition)에 필요한 전압은 증가하지만 갭 폭은 가스 압력이 증가할 때와 동일하게 유지된다. 이러한 효과는 갭 폭을 감소시킴으로써 보상될 수 있다. 제조-관련 이유들로, 이러한 유형의 오존 발생기들의 갭은 고전압들에서의 동작을 보장하기 위해 임의로 감소될 수 없다. 또한, 절연 문제들로 인해 최대 약 20kV까지의 전력 공급부들(power supplies)만 사용될 수 있다. 따라서, 종래의 오존 발생기들은 최대 전압 및 최소 갭 폭의 결과로서 압력 범위로 제한된다.
오존 발생의 수익성 또한 중요한 역할을 한다. 오존 발생 효율은 압력이 감소함에 따라 감소하지만, 이러한 유형의 오존 발생기들은 압력이 증가하는 만큼 더 이상 높은 오존 농도들에 도달하지 않는다. 따라서 경제적인 오존 발생 및 높은 농도들의 오존 발생은 고전압들에서 가능하지 않다. 종래의 오존 발생기들은 오존 농도에 따라 최적의 동작 압력을 갖는다("Effects of discharge gap width and gas pressure on ozone generation characteristics of an Air-Feed-Ozone generator", J. Kitayama 외, Proceedings 13th Ozone World Congress, Kyoto). 이러한 최적의 동작 압력으로부터의 임의의 편차들은 효율의 상당한 감소들을 가져온다("Ozone production in a high frequency dielectric barrier discharge generator", R.G. Haverkamp 외, Ozone Science & Engineering Vol.24, pp 321 내지 328). 따라서 더 높은 동작 압력들은 종래의 오존 발생기들에 대해 비경제적이다.
워터 링 압축기들(water ring compressors)은 오존을 필요한 압력으로 압축하는 데 사용된다. 그러나, 이러한 압축기들은 많은 양들의 에너지를 구입하고 소비하는 데 비용이 많이 든다.
본 발명의 목적은 높은 오존 농도들 및 높은 오존 용량들(capacities)이 효과적으로 달성될 수 있는 상승된 압력의 오존을 발생시키는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징들을 갖는 방법에 의해 달성된다.
이에 따르면, 고전압 전극 및 적어도 하나의 카운터 전극을 갖는 오존 발생기(ozone generator)에 의해 적어도 1kg 오존/h의 용량(capacity)으로 상승된 압력의 오존을 발생시키기 위해 제공되는 방법으로서, 상기 고전압 전극과 상기 적어도 하나의 카운터 전극은 갭을 구획하며, 상기 갭 내에 적어도 하나의 유전체(dielectric)가 배치되고, 산소를 함유하며 가스 압력 pgas을 갖는 가스가 상기 갭을 통해서 유동하며, 방전들을 발생시키기 위해서 전력 공급부로 접속된, 상기 고전압 전극 및 상기 적어도 하나의 카운터 전극은 적어도 하나의 방전 갭(discharge gap) 내에 제공되며, 상기 전력 공급부는 1kV 내지 50kV 범위의 전압을 제공하며, 상기 방전의 스트로크 폭들(stroke widths) di은 최소 스트로크 폭 dmin과 최대 스트로크 폭 dmax 간에 분포되며, 상기 오존 발생기의 상기 출구에서 상기 산소를 함유하는 가스 압력 pgas은 적어도 3bar이다. 이러한 방법은 워터 링 압축기들을 사용하지 않으면서 경제적인 방식으로 높은 오존 농도 및 높은 오존 용량으로 상승된 압력의 오존을 발생시키는 데 사용될 수 있다.
상기 전력 공급부는 바람직하게 10kV 내지 30kV 범위, 바람직하게는 15kV 내지 20kV 범위의 전압을 제공한다. 이러한 크기의 전력 공급부들은 산업에서 사용될 수 있으며 그에 따라 비용-효율적이다. 또한, 바람직하게는 적어도 10중량%의 오존 농도가 달성된다.
일 실시형태에서, 상기 산소를 함유하는 가스의 상기 가스 압력 pgas은 적어도 6bar이고, 바람직한 실시형태에서 상기 가스 압력 pgas은 10bar 내지 12bar이다.
상기 산소를 함유하는 가스는 적어도 80%의 O2, 및 더욱 바람직하게는 98%의 O2를 함유한다. 이는 높은 오존 농도들이 우수한 에너지 효율로 발생될 수 있음을 의미한다.
상기 오존은 바람직하게는 적어도 20kg 오존/h, 및 특히 100kg 오존/h의 발생률(production rate)로 오존이 발생된다. 이러한 용량에서, 전술된 유형의 오존 발생 시스템이 특히 효과적이다.
상기 산소를 함유하는 가스가 500kg/h O2 내지 800kg/h O2의 범위의 공급률(feed-in rate)로 상기 갭 내로 유동하는 것이 유리하다.
유리한 실시형태에서 상기 최소 스트로크 폭은 0mm이다. 상기 스트로크 폭 분포는 바람직하게는 연속적이고 주기적으로 또는 확률적으로 분포된다.
상기 오존 발생기는 자신의 카운터 전극을 가지며, 상기 유전체는 상기 카운터 전극 상에 배치된다. 이러한 배치는 통상적인 단일-갭 시스템이다.
상기 스트로크 폭들의 상기 분포는 와이어로 이루어진 직물(fabric)에 의해 형성된다.
용어 "직물(fabric)"(직물(woven) 또는 부직포)은 섬유(textiles) 기술로부터 공지되어 있다. 섬유 직물(textile fabric)은 섬유 기술을 사용하여 섬유 원료들로 이루어진 임의의 평면 구조를 나타낼 수 있다. 따라서, 본 특허 출원의 문맥에서, 직물은 섬유 기술을 사용하여 제조된 임의의 편평한, 만곡된 또는 볼록한 평면 구조를 의미하는 것으로 이해된다. 이들은 특히 티슈들(tissues), 편직물들, 메쉬들 및 그물들과 같은 부직포들, 부직포들 및 면화(cotton wool)와 같은 섬유 복합 직물들(fibre composite fabrics)을 포함한다.
와이어로 이루어진 상기 직물이 상기 갭을 채우는 것이 유리하다.
상기 고전압 전극은 바람직하게는 상기 직물로부터 적어도 부분적으로 형성된다. 상기 전체 고전압 전극을 형성하는 상기 직물을 제공하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도면들을 참조하여 이하에서 보다 상세히 설명된다. 도면들에서:
도 1은 종래 기술의 전극 배치(electrode arrangement)의 사시도를 도시하며, 그리고
도 2는 통상적으로 동작되는 오존 발생기 및 가스 압력에 의해 본 발명에 따른 방법으로 동작되는 오존 발생기의 에너지 소비의 기본적인 진행을 도시한다.
도 1은 DE 10 2011 008 947 A1에서 공지된 바와 같은 전극 배치를 도시한다. 이러한 유형의 오존 발생기들은 오존 발생기에서 그룹들로 사용된다. 오존 발생기들은 튜브 다발 열 교환기(tube bundle heat exchanger)의 방식으로 2개의 튜브 플레이트들 사이에서 서로 평행하게 배치되고 전기적으로 병렬로 접속된다. 도시된 오존 발생기는 튜브형 외측 전극(1), 또한 튜브형 유전체(2) 및 내부 로드(internal rod)(3)를 가지며, 개별 구성요소들의 축소된 버전들은 축 방향으로 서로로부터 뻗어나온 것으로 도시되어 있다. 배치는 회전 대칭적이다. 외측 전극(1), 유전체(2) 및 로드(3)는 서로 동심으로 배향된다. 외측 전극(1)과 유전체(2) 사이에는 갭을 채우는 와이어 메쉬(wire mesh)(4)가 있다. 따라서, 유전체(2)와 로드(3) 사이에는 그 사이의 갭을 채우는 와이어 메쉬(5)가 제공된다. 외측 전극(1)은 스테인레스 스틸 튜브의 형태로 설계된다. 오존 발생 동안 발생된 폐열은 튜브들의 베이스들 사이에서 외측 전극의 외측면을 따라 통과되는 냉각 수에 의해 냉각된다. 유전체(2)는 유리 튜브이다. 와이어 메쉬들(4 및 5)은 바람직하게는 스테인리스 스틸 와이어 메쉬로 이루어진 원형 중공 끈들(strings)로서 공지된 것으로 제조된다. 전극 배치의 중심에 배치된 로드(3)는, 예를 들어 산소 및 오존과 양립가능한(compatible), 또 다른 재료의 유리로 이루어진 절연체이다. 로드(3)는 거대하게 설계될 수 있다. 동작 중에, 화살표(6)의 방향으로 와이어 메쉬들(4, 5)을 통해 흐르는, 1bar 내지 2bar의 가스 압력을 갖는 산소를 함유하는 가스에 의해 전극 배치 상에 압력이 가해진다. 전력 공급부(power supply)(7)는 개략적으로 도시되어 있는데, 상기 전력 공급부는 일 측 상의 외측 전극(1) 및 타 측 상의 메쉬(5)와 접촉한다. 전력 공급부(7)에 의해 공급된 동작 전압은, 메쉬들(4, 5)을 통해 화살표(6)의 방향으로 흐르는 산소로부터 오존을 발생시키는 유전체(2)와 전극들(1,5) 사이의 공간에서 무성 방전(silent electrical discharge)을 발생시킨다.
도시된 구조에서, 내측 전극은 메쉬(5)로부터 단독으로 형성되는 반면, 로드(3)는 유전체(2)의 내부를 와이어 메쉬(5)로 균일하게 채우는 절연체로서의 지지 기능을 수행한다. 이러한 형태의 전극은 체적과 표면 전하(surface charge)의 중첩을 초래한다.
도 2는 오존 발생기들의 비에너지(specific energy) 소비 곡선들을 도시한다. 본 발명에 따른 방법을 참조하면, 비교적 높은 가스 압력들 및 전압 진폭들(표시된 범위 내)에서조차 U(t)=U0sin(2π*f*t)이며, 무성 방전들이 발생하는 고전압 전극들 상에는 여전히 표면 지점들이 존재한다.
이러한 맥락에서 놀랍게도, 오존의 kWh/kg으로 측정된 오존 발생기의 비에너지 소비는 종래의 오존 발생기(11)와 비교하여 고전압들에서의 본 발명에 따른 이러한 동작(10)의 결과로서 현저히 낮다. 비에너지 소비에 의존하여 전술된 오존 발생기들에 대한 전술된 특성 최적 동작 압력은 포물선 분포의 최소값 주위의 협소한 범위에 있다(곡선 11 참조). 이와 대조적으로, 고전압 전극(high voltage electrode)을 갖는 오존 발생기의 프로파일은 상당히 평평한 분포를 갖는다(곡선 10 참조). 비에너지 소비는 고전압들, 예를 들어 3bar 초과, 또는 심지어 더 높은 압력들에서 여전히 비교적 낮다. 최소 분포가 보다 평평하기 때문에, 동작 압력은 넓은 범위, 예를 들어 1bar 내지 12bar의 범위일 수 있으며, 오존 발생의 면들에서 거의 동일한 수준의 효율을 가질 수 있다.
이러한 방법의 장점은 가스 압력과 용량 및/또는 오존 농도 간에 절충안을 만들 필요가 없다는 것이다.
본 발명에 따르면, 오존 발생기는 1kg 내지 수백kg 오존/h의 용량들로 동작된다. 일 실시예에서, 오존 농도는 적어도 12중량%의 오존이다.
따라서, 본 발명에 따른 방법은 고 오존 농도들 및 고 오존 용량들이 고전압들에서 효율적으로 생성될 수 있으므로 제지 업계에서의 오존 발생에 적합하다.
고전압 전극은 전기 도전성 물질, 바람직하게는 프로파일된 표면을 갖는 스테인리스 강이다. 고전압 전극은 와이어 메쉬 또는 편직물, 직물 또는 와이어 권선 또는 표면 상에 놓인 과립(granulate)일 수 있다. 파일들(files) 또는 펠트들과 같은 섬유 직물들은 또한 기계적 프로세싱 또는 코팅에 의해 전극 상에 배치되는 구조들로서 적합하다. 프로파일링은 확률적(stochastically) 또는 주기적으로 분포되고 전극의 종방향 및 원주 방향으로 분포된다.
그러나, 전극 대신에 유전체를 프로파일링하는 것도 생각할 수 있으며, 동일한 효과가 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 튜브형 전극 배치들에 제한되지 않는다. 튜브형 및 편평한 오존 발생기들 모두에서 사용될 수 있다. 단일-갭 및 복수-갭 시스템들에서의 사용이 제공된다. 전극의 전기 도전성 재료는 캐리어 재료(carrier material)를 사용하거나 또는 캐리어 재료를 사용하지 않고서, 방전 갭 내에 도입될 수 있다.
본 발명에 따른 오존 발생 방법은 당연히 플라즈마 발생기들에서 보다 일반적으로 또한 사용될 수 있다.
오존 발생기는 본 발명에 따른 방법에 의해 고객-특정 요건들에 적합할 수 있다. 이는 에너지 가격들의 상승으로 인해 경제적이며 생태학적으로 유리하다. 오존 발생기의 출구에서의 최대 12 bar의 고전압들의 오존 발생은 기술적으로 경제적으로 가능하다.
따라서 일반적으로 요구되는 워터 링 압축기들은 필요하지 않다.

Claims (15)

  1. 고전압 전극(5) 및 적어도 하나의 카운터 전극(1)을 갖는 오존 발생기(ozone generator)에 의해 적어도 1kg 오존/h의 용량(capacity)으로 상승된 압력의 오존을 발생시키는 방법으로서,
    상기 고전압 전극(5)과 적어도 하나의 카운터 전극(1)은 적어도 하나의 유전체(dielectric)가 배치되는 갭(gap)을 구획하며, 산소를 함유하고 가스 압력 Pgas을 갖는 가스가 상기 갭을 통해서 유동하며,
    방전들을 발생시키기 위해 전력 공급부(7, 8)로 접속된 상기 고전압 전극(5) 및 적어도 하나의 카운터 전극(1)은, 적어도 하나의 방전 갭(discharge gap) 내에 제공되며,
    상기 전력 공급부(7, 8)는 1kV 내지 50kV 범위의 전압을 제공하며,
    상기 방전의 스트로크 폭들(stroke widths) di(9)은 최소 스트로크 폭 dmin 과 최대 스트로크 폭 dmax 간에 분포되는, 오존 발생 방법에 있어서,
    상기 오존 발생기의 출구에서 산소를 함유하는 가스 압력 pgas는 적어도 3bar인 것을 특징으로 하는, 오존 발생 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 공급부(7, 8)는 10kV 내지 30kV 범위의 고전압을 제공하는 것을 특징으로 하는, 오존 발생 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 공급부(7, 8)는 15kV 내지 20kV 범위의 고전압을 제공하는 것을 특징으로 하는, 오존 발생 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 발생된 오존이 적어도 10중량%의 오존 농도를 갖도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 오존 발생 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소를 함유하는 가스의 상기 가스 압력 pgas는 적어도 6bar인 것을 특징으로 하는, 오존 발생 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소를 함유하는 가스의 상기 가스 압력은 10bar 내지 12bar 인 것을 특징으로 하는, 오존 발생 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소를 함유하는 가스는 적어도 80%의 O2를 함유하는 것을 특징으로 하는, 오존 발생 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소를 함유하는 가스는 적어도 98%의 산소를 함유하는 것을 특징으로 하는, 오존 발생 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 적어도 20kg 오존/h의 발생률(production rate)로 오존이 발생되도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 오존 발생 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 적어도 100kg 오존/h의 발생률로 오존이 발생되도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 오존 발생 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소를 함유하는 가스가 500kg/h O2 내지 800kg/h O2의 범위의 공급률(feed-in rate)로 상기 갭 내로 유동하는 것을 특징으로 하는, 오존 발생 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 최소 스트로크 폭 dmin(9)은 0인 것을 특징으로 하는, 오존 발생 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오존 발생기는 단일의 카운터 전극(1)을 가지며, 상기 유전체(2)는 상기 카운터 전극(1) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 오존 발생 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스트로크 폭들(9)의 분포는 와이어로 이루어진 직물(5)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 오존 발생 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    와이어로 이루어진 상기 직물(5)이 상기 갭을 채우는 것을 특징으로 하는, 오존 발생 방법.
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