KR20200116206A - Non-transferable plasma torch for non-carbon dioxide greenhouse gas treatment - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 온실가스 처리용 시멘트 소성설비에 사용되는 비이송식 플라즈마 토치에 관한 것으로서, 플라즈마 토치를 구성하는 양극 노즐의 내경 및 길이를 조절하는 과정을 통해 양극 노즐이 침식되는 것을 방지하고 비이산화탄소 온실가스와 화염의 접촉을 최대화하여 분해효율을 높일 수 있는 비이송식 플라즈마 토치에 관한 것이다.The present invention relates to a non-transfer-type plasma torch used in a cement sintering facility for greenhouse gas treatment, and prevents the anode nozzle from being eroded through the process of adjusting the inner diameter and length of the anode nozzle constituting the plasma torch. It relates to a non-transfer-type plasma torch capable of increasing decomposition efficiency by maximizing the contact between gas and flame.
지구온난화는 대기 중의 온실가스(GHGs: Greenhouse Gases)의 농도가 증가하면서 온실효과가 발생하여 지구 표면의 온도가 점차 상승하는 현상을 말한다. 온실효과를 일으키는 6대 온실기체는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 육불화황(SF6)이다.Global warming refers to a phenomenon in which the temperature of the earth's surface gradually rises due to a greenhouse effect occurring as the concentration of greenhouse gases (GHGs) in the atmosphere increases. The six major greenhouse gases that cause the greenhouse effect are carbon dioxide (CO 2 ), methane (CH 4 ), nitrous oxide (N 2 O), hydrogen fluorocarbons (HFCs), perfluorocarbons (PFCs), and sulfur hexafluoride (SF 6 ). .
온실기체 가운데 수증기는 자연적인 온실효과를 일으키는 데에는 가장 큰 역할을 하지만, 1985년 세계기상기구(WMO)와 국제연합환경계획(UNEP)은 이산화탄소가 온난화의 주범이라고 공식적으로 선언하였다.Among greenhouse gases, water vapor plays the greatest role in causing the natural greenhouse effect, but in 1985, the World Meteorological Organization (WMO) and the United Nations Environment Program (UNEP) officially declared that carbon dioxide was the main culprit of warming.
인간 활동에 의해 발생하는 온실기체 가운데 가장 많은 양을 차지하는 기체가 화석에너지의 연소로 발생되는 이산화탄소이다.Among the greenhouse gases generated by human activities, the gas that accounts for the largest amount is carbon dioxide generated by the combustion of fossil energy.
지금까지 온실가스 저감 기술개발은 총 배출량이 가장 많은 이산화탄소 위주로 이행되어 왔다. 그러나, 비이산화탄소(non-CO2) 온실가스 물질들은 이산화탄소에 비해 총 발생량은 적지만 온실효과 기여율이 매우 높아 이를 위한 기술 개발이 필요한 실정이다.Until now, the development of greenhouse gas reduction technologies has been focused on carbon dioxide, which has the highest total emissions. However, non-carbon dioxide (non-CO 2 ) Greenhouse gas substances generate less total than carbon dioxide, but their contribution rate to the greenhouse effect is very high, so technology development is needed for this.
최근에는 비이산화탄소 온실가스를 시멘트 소성설비에서 플라즈마 발생기를 이용하여 처리하는 기술들이 활발하게 연구되고 있는데, 회전형 가마(kiln) 내부의 고온에 의해 플라즈마 발생기가 열화되거나 석탄 등이 유입하여 충돌에 의한 손상이 발생되는 문제점이 있다.In recent years, technologies for treating non-CO2 greenhouse gases using a plasma generator in a cement firing facility are being actively studied. The plasma generator is deteriorated due to the high temperature inside the rotary kiln, or coal flows in, resulting in collision. There is a problem that damage occurs.
반도체 및 LCD 공정에서 배출되는 불화가스는 약 300 ~ 1000 ppm에 해당하는 낮은 농도로 배출되어 플라즈마를 적용하기에 매우 적합하지만 고농도 및 대량 처리를 위해서는 많은 에너지가 소비되는 문제가 있고, 처리장치의 대형화가 불가피하다는 문제점이 있다. The fluorinated gas discharged from the semiconductor and LCD process is discharged at a low concentration of about 300 ~ 1000 ppm, so it is very suitable for plasma application, but there is a problem that a lot of energy is consumed for high concentration and mass processing, and the processing equipment is enlarged. There is a problem that is inevitable.
아울러, 고온 또는 저온의 플라즈마를 이용하여 처리하는 플라즈마 분해법은 불화가스를 효율적으로 분해 할 수는 있으나 고농도의 불화가스를 대량 처리하기에는 아직 기술적인 보완이 필요한 상황이다. In addition, the plasma decomposition method using high-temperature or low-temperature plasma can efficiently decompose fluorinated gas, but technical supplementation is still required to mass-treat high-concentration fluorinated gas.
따라서, 비이산화탄소 온실가스의 처리에 대한 현재의 한계를 극복하고, 경제적으로 고부가가치를 창출할 수 있는 기술 개발이 필요하다.Therefore, there is a need to develop a technology capable of overcoming the current limitations on the treatment of non-CO2 greenhouse gases and creating economically high added value.
또한, 종래의 플라즈마 발생기를 이용하는 시멘트 소성설비용 비이산화탄소 온실가스 처리장치에서는 플라즈마 발생기의 플라즈마 토출구 주변의 압력 편차에 의해 플라즈마가 불안정하여 분해효율이 떨어지게 되고, 플라즈마 발생기의 전극이 침식되는 문제점이 있다.In addition, in the conventional non-CO2 greenhouse gas treatment apparatus for cement sintering facilities using a plasma generator, the plasma is unstable due to the pressure difference around the plasma discharge port of the plasma generator, resulting in poor decomposition efficiency, and there is a problem that the electrode of the plasma generator is eroded. .
본 발명은 비이산화탄소 온실가스의 분해율을 99% 이상으로 하여 분해하고 고정화하는 동시에 무해화하기 위하여 양극 노즐, 전극 방전 갭 및 방전 기체 공급 노즐 등의 구조를 구체화하는 과정을 통해 저전력 소비 지향의 플라즈마 열원을 확보하여 에너지 효율이 높은 고온 직류 비이송식 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.The present invention is a plasma heat source aimed at low power consumption through the process of specifying structures such as an anode nozzle, an electrode discharge gap, and a discharge gas supply nozzle in order to decompose and immobilize the non-CO2 greenhouse gas with a decomposition rate of 99% or more, and to make it harmless. It is to provide a high-temperature DC non-transferred plasma torch with high energy efficiency.
즉, 본 발명은 플라즈마 발생기의 노즐이 침식되는 것을 방지하고 비이산화탄소 온실가스와 화염의 접촉을 최대화하여 분해효율을 높일 수 있는 비이송식 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.In other words, the present invention is to provide a non-transfer type plasma torch capable of increasing decomposition efficiency by preventing the nozzle of the plasma generator from being eroded and maximizing the contact between the non-carbon dioxide greenhouse gas and the flame.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비이송식 플라즈마 토치에 있어서, 상기 비이송식 플라즈마 토치는 비이산화탄소 온실가스를 분해하고 고정화하여 무해화하기 위한 시멘트 소성설비를 구성하는 버너 상에 배치되고, 시멘트 소성설비는 시멘트 원료를 예열하는 예열기 시스템 및 상기 예열기 시스템을 거친 시멘트 원료를 투입구로 투입받아 클링커로 소성하여 반출구로 반출하되, 상기 소성을 위해 상기 투입구와 대향하는 위치에 구비된 버너에서 상기 투입구 방향으로 화염을 생성하는 가마를 포함하고,In the non-transfer-type plasma torch according to the present invention for achieving the above object, the non-transfer-type plasma torch is disposed on a burner constituting a cement sintering facility for decomposing and immobilizing non-CO2 greenhouse gases to be detoxified. In the cement sintering facility, a preheater system for preheating a cement raw material and a cement raw material that has passed through the preheater system are input through an input port, fired with a clinker, and taken out to a discharge port, but in a burner provided at a position opposite to the input port for the firing It includes a kiln that generates a flame in the direction of the inlet,
상기 비이송식 플라즈마 토치는, 플라즈마 가스 공급관이 결합되는 전력 공급 커넥터(102); 상기 전력 공급 커넥터의 내측에 연통 가능하게 결합되는 음극 바디(110); 상기 음극 바디의 내측단에 결합되는 워터 인젝터(130); 상기 워터 인젝터(130)의 끝단 상에 배치되는 가스 노즐(150); 상기 가스 노즐(150)의 전단에 배치되는 음극(160); 상기 음극(160)과 소정의 방전 간격을 갖도록 배치되는 양극 노즐(170); 상기 음극(160)과 양극 노즐(170)을 둘러싼 상태에서 공급되는 냉각수의 유동을 안내하는 유로 가이드(180); 및 상기 플라즈마 토치의 최외부를 형성하는 전극 바디(120);를 포함하고, 상기 양극 노즐(170)은 상기 음극(160)에 근접 배치된 안쪽 노즐(171) 및 상기 안쪽 노즐과 단차진 상태로 배치된 바깥쪽 노즐(173)을 포함하고, 상기 상태에서 플라즈마 가스 공급관을 통해 상기 양극 노즐(170)로 공급되는 가스는 상기 안쪽 노즐과 바깥쪽 노즐 간의 단차진 영역인 단차부(175)에서 와류를 형성하여 플라즈마 아크가 상기 양극 노즐의 외부로 돌출되지 않고 상기 양극 노즐 내에 고정되어 있도록 구성한다.The non-transfer-type plasma torch includes a
상기 가스 노즐(150)은 원주 상을 따라 복수의 노즐홀(152)이 형성되며, 상기 복수의 노즐홀은 경사지게 각도가 형성된 상태에서, 상기 노즐홀을 통과한 가스는 회전하며 공급될 수 있다.The
상술한 바와 같은 본 발명인 비이송식 플라즈마 토치는 양극 노즐, 전극 방전 갭 및 방전 기체 공급 노즐 등의 구조를 구체화하는 과정을 통해 비이산화탄소 온실가스의 분해율을 99% 이상으로 분해하고 고정화하여 무해화하기 위하여 저전력 소비 지향의 플라즈마 열원을 확보하여 에너지 효율을 높인다.As described above, the non-transfer plasma torch of the present invention decomposes and fixes the decomposition rate of non-CO2 greenhouse gas to 99% or more through the process of specifying the structure of the anode nozzle, the electrode discharge gap, and the discharge gas supply nozzle. For this purpose, energy efficiency is increased by securing a plasma heat source oriented toward low power consumption.
즉, 본 발명은 플라즈마 발생기의 노즐이 침식되는 것을 방지하고 안정적인 플라즈마를 유지하며 비이산화탄소 온실가스와 화염의 접촉을 최대화하여 분해효율을 높게 한다.That is, the present invention prevents the nozzle of the plasma generator from being eroded, maintains a stable plasma, and maximizes contact between the non-carbon dioxide greenhouse gas and the flame, thereby increasing the decomposition efficiency.
본 발명은 플라즈마 공정을 이루는 방전, 불꽃, 전압 크기 등에 영향을 주는 구조적인 주요 변수에 대한 최적화 연구를 수행하며, 구체적으로는 음극과 양극의 간격인 전극 갭, 방전 기체 공급 노즐의 직경 및 유량, 양극 노즐의 구조에 따라 방전 특성이 달라지며 복합적으로 작용하게 한다.The present invention conducts an optimization study on structural key variables that affect the discharge, spark, voltage magnitude, etc. that make up the plasma process. Specifically, the electrode gap, which is the distance between the cathode and the anode, the diameter and flow rate of the discharge gas supply nozzle, Discharge characteristics vary depending on the structure of the anode nozzle and allow it to work in combination.
도 1은 본 발명에 따른 비이송식 플라즈마 토치가 적용되는 온실가스 처리용 시멘트 소성설비를 보인다.
도 2는 본 발명에 따른 비이송식 플라즈마 토치의 전체적인 개념도를 보인다.
도 3은 도 2의 비이송식 플라즈마 토치 중 양극 노즐을 중심으로 한 확대도를 보인다.
도 4는 비이송식 플라즈마 토치를 구성하는 양극 노즐의 구체적인 형상을 보인다.
도 5는 비이송식 플라즈마 토치를 구성하는 양극 노즐과 음극 간에 이루어지는 방전 개시점을 설명하는 도면이다.
도 6은 비이송식 플라즈마 토치를 구성하는 가스 노즐의 구조를 보이는 도면이다.1 shows a cement sintering facility for greenhouse gas treatment to which a non-transfer plasma torch according to the present invention is applied.
2 shows an overall conceptual diagram of a non-transferable plasma torch according to the present invention.
3 is an enlarged view of the non-transfer type plasma torch of FIG. 2 centered on the anode nozzle.
4 shows a specific shape of an anode nozzle constituting a non-transfer type plasma torch.
5 is a view for explaining a discharge starting point between an anode nozzle and a cathode constituting a non-transfer type plasma torch.
6 is a view showing the structure of a gas nozzle constituting a non-transfer type plasma torch.
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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, only the present embodiments make the disclosure of the present invention complete, and the scope of the invention to those of ordinary skill in the art. It is provided to be fully informed. In the drawings, the same reference numerals refer to the same elements.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 온실가스 처리용 시멘트 소성설비에 사용되는 비이송식 플라즈마 토치를 설명한다.Hereinafter, a non-transfer type plasma torch used in a cement firing facility for treating greenhouse gases according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
시멘트 제조공정은 원료인 석회석을 캐내는 채광공정, 채광한 석회석 덩어리를 부수는 파쇄공정, 품질산포를 줄이기 위해 부서진 석회석을 섞는 혼합공정, 혼합된 석회석을 기타 부원료와 함께 분말상태로 더욱 잘게 부수는 원료분쇄과정, 원료를 중온으로 가열하여 90%까지 하소(calcination)가 일어나도록 하는 예열공정, 원료를 고온으로 가열하여 각종 화학반응 및 물리적 반응이 일어나도록 하여 클링커를 제조하는 소성공정, 고온의 클링커를 냉각하는 냉각공정, 클링커에 석고를 첨가하여 더욱 잘게 부수어 시멘트를 완성하는 분쇄공정 등의 여러 단계를 거친다.The cement manufacturing process is a mining process for digging out limestone as a raw material, a crushing process for crushing mined limestone lumps, a mixing process for mixing broken limestone to reduce quality dispersion, and a raw material for crushing the mixed limestone in powder form with other auxiliary materials. Grinding process, a preheating process that causes calcination up to 90% by heating raw materials to medium temperature, a sintering process that produces clinker by heating raw materials to high temperature to cause various chemical reactions and physical reactions, and high temperature clinker It goes through several steps, such as a cooling process for cooling and a crushing process in which gypsum is added to the clinker to crush it finer to complete the cement.
여기에서 언급하는 시멘트 소성설비는 예열공정, 소성공정 및 냉각공정을 진행하는 예열기 시스템, 회전형 가마 및 냉각기를 포함하는 개념이다.The cement firing facility mentioned here is a concept including a preheating process, a preheater system that performs a firing process and a cooling process, a rotary kiln, and a cooler.
전술한 채광공정에서 채집된 석회석과 투입되는 부원료에는 CaCO3, SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgCO3, K2O, Na2O 등이 포함되며, 상기 주부원료에는 Pb, As, Cu, Mg, Zn, Hg, Ca, Cd, 및/또는 Cl 등이 미량 포함될 수 있다.The limestone collected in the above-described mining process and the sub-materials added include CaCO 3 , SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MgCO 3 , K 2 O, Na 2 O, and the like, and the housewife material includes Pb, As, Cu, Mg, Zn, Hg, Ca, Cd, and/or Cl may be contained in trace amounts.
또한, 예열공정은 각 예열 단계별로 300 내지 850℃까지 온도가 올라가며, 예열기 시스템에 포함된 하소로에서 연소를 위해 유연탄, LPG, 벙커C유, WDF, 폐유, 폐합성수지, 가연성폐기물 및/또는 하수슬러지 등이 사용될 수 있다.In addition, the preheating process raises the temperature to 300 to 850°C in each preheating step, and bituminous coal, LPG, bunker C oil, WDF, waste oil, waste synthetic resin, combustible waste and/or sewage for combustion in the calcination furnace included in the preheater system. Sludge and the like can be used.
아울러, 소성공정은 700 내지 2,000℃까지 온도가 상승되며, 회전형 가마에 구비된 버너에서 연소를 위해 유연탄, LPG, 벙커C유, WDF, 폐유, 폐합성수지, 가연성 폐기물 또는 하수슬러지 등이 사용될 수 있다.In addition, in the firing process, the temperature is raised to 700 to 2,000°C, and bituminous coal, LPG, bunker C oil, WDF, waste oil, waste synthetic resin, combustible waste or sewage sludge, etc. can be used for combustion in a burner equipped in a rotary kiln. have.
한편, 열분해된 시멘트 원료에 불소가 결합한 불화칼슘(CaF2)은 시멘트 제조시 부원료인 혼화제 및 광화제로도 사용된다.On the other hand, calcium fluoride (CaF 2 ) in which fluorine is bonded to the pyrolyzed cement raw material is also used as an admixture and mineralizing agent as an auxiliary raw material in the manufacture of cement.
불소(F)원은 시멘트 클링커 제조시 광물형성에 필수적인 온도를 낮추는 광화제로 사용되며, 광화제는 시멘트 클링커의 제조단계에서 소성온도를 낮추는 역할을 한다.Fluorine (F) source is used as a mineralizer that lowers the temperature essential for mineral formation in the manufacture of cement clinker, and the mineralizer serves to lower the sintering temperature in the manufacturing step of cement clinker.
이는 시멘트 생산 공정 중 가장 많은 에너지 소비를 차지하는 클링커 소성공정에 있어서 필수적이다. This is essential in the clinker firing process, which accounts for the most energy consumption in the cement production process.
본 발명에 따른 시멘트 소성설비는 불화가스의 처리 및 활용이 가능한 것으로, 불화가스를 분해하고 분해된 불소를 클링커합성을 위한 재료로 사용할 수 있도록 한다.The cement sintering facility according to the present invention is capable of treating and utilizing fluorinated gas, and decomposes fluorinated gas and allows the decomposed fluorine to be used as a material for clinker synthesis.
여기에서의 불화가스는 비이산화탄소(non-CO2) 온실가스인 과불화탄소(PFC), 수소불화탄소(HFC) 뿐만 아니라 염화불화탄소(CFC), 불화질소 및 불소원을 포함한 가스이면 본 발명의 시멘트 소성설비의 불소원으로 사용가능하다.If the fluorinated gas here is a gas containing non-carbon dioxide (non-CO 2 ) greenhouse gases such as perfluorocarbon (PFC), hydrogen fluorocarbon (HFC), as well as chlorofluorocarbon (CFC), nitrogen fluoride and a fluorine source, the present invention It can be used as a fluorine source for cement firing facilities.
예를 들면 과불화탄소(PFC)는, 구체적으로 탄소와 불소가 결합된 화합물로 CF4, CHF3, CH2F2, C2F4, C2F6, C3F6, C3F8, C4F8, C4F10 등이 포함된다.For example, perfluorocarbon (PFC) is a compound in which carbon and fluorine are specifically bonded, and CF 4 , CHF 3 , CH 2 F 2 , C 2 F 4 , C 2 F 6 , C 3 F 6 , C 3 F 8 , C 4 F 8 , C 4 F 10, etc.
또한, 수소불화탄소(HFC)는 HFC-134-a, HFC-152-a, HFC-32, HFC-125 등이 포함된다.Further, hydrogen fluorocarbon (HFC) includes HFC-134-a, HFC-152-a, HFC-32, HFC-125, and the like.
본 발명에 따른 비이송식 플라즈마 토치가 배치되는 시멘트 소성설비는 도 1에 도시된 바와 같이 예열기 시스템(10), 회전형 가마(kiln)(20) 및 냉각기(30)를 포함하여 이루어진다.The cement firing facility in which the non-transfer-type plasma torch according to the present invention is disposed includes a
예열기 시스템(10)은 원료 공급기에서 공급받은 시멘트 원료(1)를 예열하고, 상기 시멘트 원료(1) 내의 이산화탄소가 유리되는 탈탄산 반응을 증가시키는 하소로(precalciner)(12)를 구비하거나 구비하지 않을 수도 있다.The
회전형 가마(20)는 예열기 시스템(10)을 거친 시멘트 원료(1)를 투입구(inlet)로 투입받아 클링커(clinker)(2)로 소성하여 반출구(outlet)로 반출하되, 상기 소성을 위해 투입구와 대향하는 위치에 수평으로 설치된 버너(burner)(22)에서 투입구 방향으로 화염을 생성한다.The
이러한 회전형 가마(20)에는 상기 투입구 쪽을 향하는 화염의 시작부분으로 비이산화탄소 온실가스를 주입하기 위한 온실가스 주입부(24)가 형성된다.In this
온실가스 주입부(24)는 버너(22)의 둘레를 따라 복수로 마련하여 다량의 온실가스를 한번에 처리할 수도 있다.The greenhouse
냉각기(30)는 회전형 가마(20)로부터 투입받은 클링커(2)를 이동단계에 따라 복수개의 공기주입부로 냉각시키는 것이다.The cooler 30 cools the
이때, 회전형 가마(20)로 흡입된 공기는 회전형 가마(20) 및 예열기 시스템(10)을 거쳐 공기 배출구(5)로 배출된다.At this time, the air sucked into the
한편, 보호 케이싱은 버너(22)의 내부에 배치되는데, 화염이 발생되는 방향에 위치한 단부에는 지지커버가 결합되거나 일체로 형성된다.On the other hand, the protective casing is disposed inside the
버너(22) 상에는 복수의 비이송식 플라즈마 토치(100)가 배치된다. A plurality of non-transfer-type plasma torches 100 are disposed on the
상기 복수의 비이송식 플라즈마 토치는 버너(22)의 내부에 배치되며 소정 길이를 가지는 중공의 관 형태인 보호 케이싱 내에 배치된다.The plurality of non-transfer-type plasma torches are disposed inside the
보호 케이싱은 버너(22)의 내부에 배치되는데, 화염이 발생되는 방향에 위치한 단부에는 지지커버가 결합되거나 일체로 형성된다. 지지커버는 판 형태로 이루어져 보호 케이싱의 단부(화염이 발생되는 방향에 위치한 단부)를 커버하게 되는데, 중심을 기준으로 복수의 끼움공이 방사상으로 형성된다.The protective casing is disposed inside the
지지커버에는 끼움공의 외측 둘레를 따라 플라즈마 토치의 노즐을 보호하기 위한 보호기체 토출구가 복수로 형성된다.A plurality of protective gas discharge ports for protecting the nozzle of the plasma torch are formed in the support cover along the outer periphery of the fitting hole.
이러한 보호 기체는 질소나 아르곤 등으로 이루어져 플라즈마가 토출되는 방향으로 보호기체 토출구를 통해 토출된다. 이에 따라, 플라즈마 토치의 노즐에 발생되는 침식을 방지할 수 있게 된다.This protective gas is made of nitrogen or argon, and is discharged through the protective gas discharge port in the direction in which plasma is discharged. Accordingly, it is possible to prevent erosion generated in the nozzle of the plasma torch.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 비이송식 플라즈마 토치(100)는 외주면 상에 플라즈마 가스 공급관(101)이 결합되는 전력 공급 커넥터(102), 전력 공급 커넥터(102)의 내측에 연통 가능하게 결합되는 음극 바디(110), 음극 바디(110)의 외측을 둘러싸도록 결합되는 부시(112), 부시(112)의 일측을 수용하는 동시에 플라즈마 토치(100)의 최외부를 형성하는 전극 바디(120), 음극 바디(110)의 내측단에 결합되는 워터 인젝터(130), 부시(112)의 일측에 인접 배치되는 것과 동시에 워터 인젝터(130)를 둘러싸도록 결합되는 구조인 음극 바(135), 음극 바(135)를 둘러싸도록 형성되는 워터 분배부(140), 전극 바디(120)와 워터 분배부(130) 사이에 배치되는 하우징(104), 워터 인젝터(130)의 끝단 상에 배치되는 가스 노즐(150), 가스 노즐(150)의 전단에 배치되는 음극(160), 음극(160)과 소정의 방전 간격을 갖도록 배치되는 양극 노즐(170), 음극(160)과 양극 노즐(170)을 둘러싼 상태에서 공급되는 냉각수의 유동을 안내하는 유로 가이드(180), 전극 바디(120)의 전단 상에서 유로 가이드(180)의 외측으로 이격 배치 결합된 커버 너트(106) 및 양극 노즐(170)의 외측단에 결합되는 홀더(108)를 포함한다.2, the non-transfer type plasma torch 100 according to the present invention enables communication with the
플라즈마 토치의 구성 재료는 음극(160)과 양극 노즐(170) 외에 부시(112), 워터 분배부(130), 하우징(104), 가스 노즐(150), 유로 가이드(180) 등을 절연부인 PEEK 재질을 사용한다. 전력을 인가하는 전도체로는 전기전도성 및 가공성이 우수한 황동을 사용하였으며 몸체는 STS316 소재를 사용한다.In addition to the
플라즈마 토치는 충분한 냉각수의 원활한 유로의 확보가 매우 중요하다. 빠르게 통과하는 냉각수는 플라즈마 토치의 손실을 줄이고, 전열 면적이 작을수록 손실이 적으므로 결과적으로 플라즈마 열효율을 상승시킨다. Plasma torch is very important to ensure a smooth flow path of sufficient cooling water. The cooling water that passes quickly reduces the loss of the plasma torch, and the smaller the heat transfer area is, the less loss is, thus increasing the plasma thermal efficiency.
플라즈마 토치는 전극 바디(120)의 내벽을 흘러 양극 노즐(170) 및 음극(160)을 순차적으로 냉각시킨 후 플라즈마 토치를 빠져 나가도록 구성되어 있으며 각각의 경로는 단계를 거칠수록 단면적을 상승시켜 냉각수가 원활히 흐를 수 있도록 설계한다. The plasma torch is configured to exit the plasma torch after flowing through the inner wall of the
플라즈마 토치에 전력을 공급하는 전력 공급 커넥터(102)는 전력 공급과 동시에 수냉이 가능하도록 설계 하여 별도의 수냉라인이 필요 없도록 하였으며, 측면에서는 플라즈마 가스 공급관(101)을 통해 플라즈마 방전 기체가 공급되도록 구성하였다.The
플라즈마 토치 내부를 구성하는 절연체는 기계적, 물리적 성질이 우수하고 최대 250도에서 연속 사용이 가능한 PEEK (Polyetheretherketone:폴리에테르에테르케톤) 재질을 사용하여 장시간 사용 시에도 변형이나 손상이 발생하지 않도록 구성한다.The insulator constituting the interior of the plasma torch is made of PEEK (Polyetheretherketone) material that has excellent mechanical and physical properties and can be used continuously at a maximum of 250 degrees, so that deformation or damage does not occur even when used for a long time.
음극 제조 방법의 일예로써, 음극(160)은 그 몸체 상에 황동(brass)을 사용하고 음극(160)을 이루는 팁의 외면은 텅스텐을 사용하여 제작하며, 협소한 공간에 의해 나사 등의 체결이 용이하지 않아 초저온 냉간 압입 방식을 채택한다. As an example of a method of manufacturing a cathode, the
초저온 냉간 압입 방식은 음극(160)을 구성하는 황동 몸체의 팁 삽입 부분을 어느 정도 열을 주어 열팽창 시키고 음극 팁을 삽입한 후 초저온 급냉하여 제작하는 방식으로 나사체결이 용이하지 않은 소형 제품의 체결 방법으로 많이 사용되고 있으나, 플라즈마 토치에서는 전기전도와 열전도 성능이 매우 중요하기 때문에 제작시 접촉면의 밀착이 확실하게 되어야 한다.The cryogenic cold press-fitting method is a method of producing thermal expansion by heating the tip insertion part of the brass body constituting the
음극(160)을 이루는 음극 팁의 구조는 외면의 중간 상에 각도를 주어 모서리를 형성하여 모서리에서 플라즈마 방전이 개시되고 음극 팁의 꼭지점에서 플라즈마가 유지되도록 구성한다. 이는, 음극 팁과 양극 노즐(170)이 평행을 이루게 될 경우 플라즈마 아크가 가장 가까운 거리에서 일어나므로 원하지 않는 위치에서 아크가 개시될 경우 플라즈마 발생기에 손상을 주게 되는바, 이를 방지하기 위한 차원이다.The structure of the cathode tip constituting the
도 4를 참조하면, 양극 노즐(170)은 안쪽 노즐(171)과 바깥쪽 노즐(173) 사이에 단차부(175)를 두어 공급되는 가스가 단차부(175)에서 와류를 형성하여 플라즈마 아크가 양극 노즐의 외부로 돌출되지 않고 노즐 내에 고정되어 있도록 구성한다.Referring to FIG. 4, the
구체적으로는, 양극 노즐을 구성하는 안쪽 노즐과 바깥쪽 노즐에 단차를 주어 플라즈마 가스에 와류를 형성하고 플라즈마 아크가 와류에 의해 아크점이 일정 위치에서 유지된다. 이를 통해 플라즈마 전압이 일정해지므로 출력을 안정화하는 것과 동시에 플라즈마 제트인 화염의 안정화한다는 이점이 있다.Specifically, a vortex is formed in the plasma gas by providing a step difference between the inner nozzle and the outer nozzle constituting the anode nozzle, and the arc point is maintained at a predetermined position by the vortex of the plasma arc. As a result, since the plasma voltage becomes constant, there is an advantage of stabilizing the output and at the same time stabilizing the flame, which is a plasma jet.
즉, 상기의 양극 노즐 구조를 통해서 노즐의 직경을 최소화하고 아크 발생 구간에 단차를 형성함으로써 플라즈마 발생기 소형화, 출력 증대 및 방전 안정성 확보를 가능하게 한다.That is, by minimizing the diameter of the nozzle through the anode nozzle structure and forming a step in the arc generation section, it is possible to miniaturize the plasma generator, increase output, and secure discharge stability.
본 발명은 음극(160)을 통해 발생된 아크가 안쪽 노즐을 통해 유입되는 구조를 통한 압축 효과에 의해 아크 밀도를 증가시켜 출력을 증대시키고 안쪽 노즐과 바깥쪽 노즐의 단차에 의해 와류가 형성되어져 아크를 고정하는 효과에 의해 플라즈마 방전 안정성이 향상되어진다. 또한, 증대되는 출력에 의해 안정적이고 길이가 긴 플라즈마 제트를 발생시킬 수 있다.The present invention increases the output by increasing the arc density by the compression effect through the structure in which the arc generated through the
상기의 구조를 통해서, 아크에 의한 노즐 침식을 최소화하고 아크가 노즐 바깥쪽으로 돌출되는 것을 방지하여 감전 등의 사고도 예방할 수 있다.Through the above structure, accidents such as electric shock can be prevented by minimizing nozzle erosion by arc and preventing the arc from protruding outside the nozzle.
또한, 종래의 일반적인 토치의 경우엔 노즐 상에 별도의 단차가 존재하지 않은 상태에서 아크 길이만을 길게 하여 출력을 높이는 반면, 본 기술은 노즐 상의 단차에 의해 아크 길이가 짧아지긴 하지만 앞쪽 노즐의 직경을 작게 하여 아크 압축 효과에 의해 아크 밀도를 증가시켜 작은 공간에서도 높은 출력을 낼 수 있는 이점이 있다.In addition, in the case of a conventional torch, the output is increased by increasing the arc length only in the state that there is no separate step on the nozzle, whereas in this technology, the arc length is shortened by the step on the nozzle, but the diameter of the front nozzle is reduced. It has the advantage of being able to produce high output even in a small space by increasing the arc density by reducing the arc compression effect.
도 6을 참조하면, 가스 노즐(150)은 원주 상을 따라 복수의 노즐홀(152)이 형성되는 링 타입의 구조체이다. 외부에서 공급되는 방전 가스는 가스 노즐(150)을 통해 12개의 노즐홀(152)로 분할되어 전극부로 균일하게 공급된다. Referring to FIG. 6, the
노즐 평가 결과를 통해 노즐홀(152)의 직경이 0.9~1.15mm 범위가 저전류 방전에서 가장 안정함을 확인하였으며, 이를 설계에 반영하여 제작하였다. Through the nozzle evaluation result, it was confirmed that the diameter of the
또한, 가스가 통과하는 노즐홀(152)을 반경 방향을 기준으로 45도 각도를 주어 구성하게 되는데, 상기의 노즐홀 구성을 통해서 가스 노즐로 공급되는 가스가 회전하며 공급될 수 있도록 구성하여 가스의 회전력에 의해 플라즈마 아크가 편중되지 않고 연속적으로 회전함으로써 양극 노즐의 수명을 저하 시키지 않도록 설계 하였다. In addition, the
이하, 플라즈마 토치의 가장 중요한 구조적 변수인 양극 노즐(170)의 설계 변수 도출을 위해 직경, 길이에 따른 온도 분포 시뮬레이션을 진행하였다. 직류 열플라즈마는 전류제어 방식으로 양극 노즐의 구조에 따라 방전 전압이 결정된다.Hereinafter, in order to derive the design parameters of the
양극 노즐(170)을 구성하는 안쪽 노즐(171)의 내경(d1) 변화에 따른 온도분포 해석 결과 전류 100A 인가시 예상 출력은 6mm에서 23.91kW, 8mm는 22.87, 10mm는 22.54kW로 해석되어 내경이 작을수록 출력이 소폭 증가하는 결과 현상을 확인할 수 있었으며, 이는 음극 주변의 아크가 압축되는 영역에서 내경이 작을수록 압축효과가 증가하는 원인이다.As a result of analyzing the temperature distribution according to the change in the inner diameter (d1) of the
바깥쪽 노즐(173)의 내경(d2) 변화 및 길이(L2)에 따른 온도 분포 분석 결과 내경 및 길이에 따라 초고온 영역이 다소 차이가 있으나 F-Gas 분해 공정에 영향을 미칠 정도는 아니며, 플라즈마 효율 향상을 위해서는 전열면적을 최소화해야 하므로 가능한 작은 직경과 짧은 거리를 갖는 노즐구조가 적합할 것으로 판단된다.As a result of temperature distribution analysis according to the inner diameter (d2) change and length (L2) of the
플라즈마 발생기 노즐 구조 최적화를 위해 구조적 변수인 안쪽 노즐 내경, 안쪽 노즐 길이, 바깥쪽 노즐 길이, 바깥쪽 노즐 내경에 따른 플라즈마 방전 특성 평가 결과 안쪽 노즐 내경과 길이가 플라즈마 출력에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었으며 바깥쪽 노즐의 내경과 길이는 그 영향이 다소 미미함을 확인 할 수 있다.In order to optimize the plasma generator nozzle structure, the results of the evaluation of the plasma discharge characteristics according to the structural variables inner nozzle inner diameter, inner nozzle length, outer nozzle length, and outer nozzle inner diameter were found to have a great influence on plasma output. It can be seen that the influence of the inner diameter and length of the outer nozzle is slightly insignificant.
따라서, 안쪽 노즐의 내경과 길이는 치수를 특정하여 사용할 필요가 있으며 바깥쪽 노즐의 내경과 길이는 플라즈마의 효율 향상을 위해 가능한 작고 짧게 사용하는 것이 바람직하다.Therefore, it is necessary to use the inner diameter and length of the inner nozzle by specifying the dimensions, and it is preferable to use the inner diameter and length of the outer nozzle as small and short as possible to improve plasma efficiency.
기존의 직류식 고온 플라즈마 노즐의 구조는 직선 형상이거나 또는 플라즈마 출구 방향에서 직경이 커지거나 작아지는 구조로 공급되는 방전기체 양이나 노즐의 길이에 따라 전압이 상승하거나 작아지는 원리를 이용한다.The structure of the conventional DC high-temperature plasma nozzle has a linear shape or a structure that increases or decreases in diameter in the plasma outlet direction, and uses the principle that the voltage increases or decreases depending on the amount of discharge gas supplied or the length of the nozzle.
한편, 본 발명은 양극 노즐의 설계를 최적화하여 플라즈마 발생기를 소형화하면서 출력을 증대시키고 방전 안정성을 향상시킬 수 있게 한다. 플라즈마 발생기를 소형화할 경우 효율은 다소 개선되나 출력이 낮아지고 및 방전 안정성이 취약해질 수 있는바, 양극 노즐의 직경을 작게 하는 한편 단차를 주어 아크를 압축하는 효과에 의해 아크 밀도를 증가하여 출력을 증대시키고, 단차에서 와류 형성에 의해 아크를 고정할 수 있어 방전 안정성을 향상시킨다.On the other hand, the present invention optimizes the design of the anode nozzle, thereby miniaturizing the plasma generator, increasing output and improving discharge stability. When the plasma generator is miniaturized, the efficiency is slightly improved, but the output is lowered and the discharge stability may be weakened.As a result, the arc density is increased by compressing the arc by reducing the diameter of the anode nozzle while providing a step difference. Increase, and the arc can be fixed by the formation of a vortex at the step, thereby improving the discharge stability.
시멘트 소성로의 협소한 공간에 복수의 플라즈마 토치를 장착하기 위해서는 플라즈마 토치를 최대한 소형화해야 하는데, 노즐의 직경을 작게 하면 플라즈마 발생기를 작게 제작할 수 있다. 또한, 시뮬레이션 결과에서 보듯이 노즐의 직경을 작게 하면 출력을 높일 수 있어 노즐구조 최적화를 통해 원하는 출력 값을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.In order to mount a plurality of plasma torches in a narrow space of a cement kiln, the plasma torch must be miniaturized as much as possible. If the diameter of the nozzle is reduced, the plasma generator can be made small. In addition, as shown in the simulation results, it is determined that the output can be increased by reducing the diameter of the nozzle, so that the desired output value can be obtained through the optimization of the nozzle structure.
상술한 바와 같이 본 발명인 비이송식 플라즈마 토치는 양극 노즐, 전극 방전 갭 및 방전 기체 공급 노즐 등의 구조를 구체화하는 과정을 통해 비이산화탄소 온실가스의 분해율을 99% 이상으로 분해하고 고정화하여 무해화하기 위하여 저전력 소비 지향의 플라즈마 열원을 확보하여 에너지 효율을 높인다.As described above, the non-transfer plasma torch of the present invention decomposes and fixes the decomposition rate of non-CO2 greenhouse gas to 99% or more through the process of specifying the structure of the anode nozzle, the electrode discharge gap, and the discharge gas supply nozzle. For this purpose, energy efficiency is increased by securing a plasma heat source oriented toward low power consumption.
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. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain the technical idea, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
Claims (2)
시멘트 소성설비는 시멘트 원료를 예열하는 예열기 시스템 및 상기 예열기 시스템을 거친 시멘트 원료를 투입구로 투입받아 클링커로 소성하여 반출구로 반출하되, 상기 소성을 위해 상기 투입구와 대향하는 위치에 구비된 버너에서 상기 투입구 방향으로 화염을 생성하는 가마를 포함하고,
상기 비이송식 플라즈마 토치는,
플라즈마 가스 공급관이 결합되는 전력 공급 커넥터(102);
상기 전력 공급 커넥터의 내측에 연통 가능하게 결합되는 음극 바디(110);
상기 음극 바디의 내측단에 결합되는 워터 인젝터(130);
상기 워터 인젝터(130)의 끝단 상에 배치되는 가스 노즐(150);
상기 가스 노즐(150)의 전단에 배치되는 음극(160);
상기 음극(160)과 소정의 방전 간격을 갖도록 배치되는 양극 노즐(170);
상기 음극(160)과 양극 노즐(170)을 둘러싼 상태에서 공급되는 냉각수의 유동을 안내하는 유로 가이드(180); 및
상기 플라즈마 토치의 최외부를 형성하는 전극 바디(120);를 포함하고,
상기 양극 노즐(170)은 상기 음극(160)에 근접 배치된 안쪽 노즐(171) 및 상기 안쪽 노즐과 단차진 상태로 배치된 바깥쪽 노즐(173)을 포함하고, 상기 상태에서 플라즈마 가스 공급관을 통해 상기 양극 노즐(170)로 공급되는 가스는 상기 안쪽 노즐과 바깥쪽 노즐 간의 단차진 영역인 단차부(175)에서 와류를 형성하여 플라즈마 아크가 상기 양극 노즐의 외부로 돌출되지 않고 상기 양극 노즐 내에 고정되어 있도록 구성하는,
비이송식 플라즈마 토치.
In the non-transfer-type plasma torch disposed on a burner constituting a cement firing facility for decomposing and immobilizing non-carbon dioxide greenhouse gases to be detoxified,
The cement sintering facility receives a preheater system for preheating a cement raw material and a cement raw material that has passed through the preheater system through an input port, fires it with a clinker, and carries it out to the discharge port. It contains a kiln that creates a flame in the direction,
The non-transfer-type plasma torch,
A power supply connector 102 to which a plasma gas supply pipe is coupled;
A cathode body 110 coupled in communication with the inside of the power supply connector;
A water injector 130 coupled to the inner end of the cathode body;
A gas nozzle 150 disposed on an end of the water injector 130;
A cathode 160 disposed at the front end of the gas nozzle 150;
An anode nozzle 170 disposed to have a predetermined discharge interval with the cathode 160;
A flow path guide 180 for guiding the flow of cooling water supplied while surrounding the cathode 160 and the anode nozzle 170; And
Including; electrode body 120 forming the outermost portion of the plasma torch,
The anode nozzle 170 includes an inner nozzle 171 disposed close to the cathode 160 and an outer nozzle 173 disposed in a stepped state with the inner nozzle, and in the state, through a plasma gas supply pipe. The gas supplied to the anode nozzle 170 forms a vortex in the stepped portion 175, which is a stepped area between the inner nozzle and the outer nozzle, so that the plasma arc does not protrude to the outside of the anode nozzle and is fixed in the anode nozzle Configured to be
Non-transferable plasma torch.
상기 가스 노즐(150)은 원주 상을 따라 복수의 노즐홀(152)이 형성되며,
상기 복수의 노즐홀은 경사지게 각도가 형성된 상태에서, 상기 노즐홀을 통과한 가스는 회전하며 공급될 수 있는,
비이송식 플라즈마 토치.The method of claim 1,
The gas nozzle 150 has a plurality of nozzle holes 152 formed along the circumference,
In a state in which the plurality of nozzle holes are at an inclined angle, the gas passing through the nozzle holes may be rotated and supplied,
Non-transferable plasma torch.
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|---|---|---|---|---|
| WO2022050697A1 (en) | 2020-09-02 | 2022-03-10 | 주식회사 엘지화학 | Buffer film |
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| KR100798637B1 (en) | 2006-10-18 | 2008-01-28 | 배우성 | Straight edge cutting machine for a table |
| KR101112099B1 (en) | 2010-05-20 | 2012-02-22 | (주)금강씨엔티 | Cement kiln heating device |
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2019
- 2019-04-01 KR KR1020190037626A patent/KR20200116206A/en not_active Application Discontinuation
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