KR20210004423A - 스크러버 및 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템 - Google Patents

스크러버 및 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 NOx가 고온 조건에서 환원제와 반응하여 질소(N2)로 환원되는 성질을 채택하여, 공정가스에 포함된 과불화합물(PFCs; per-fluoro compounds)의 제거와 동시에 발생하는 질소산화물(NOx)을 효과적으로 제거하는 스크러버를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스크러버는, 고전압이 인가되는 고전압전극, 및 상기 고전압전극과의 사이에 방전갭을 형성하고 상기 고전압전극을 내장하여 접지되며 제1방향으로 길이를 가지는 하우징을 포함하며, 상기 하우징은 내부통로에 플라즈마 아크를 발생시키는 방전가스를 공급하는 제1가스 공급구, 상기 제1방향에 교차하는 상기 제2방향으로 관통하여 과불화합물(PFCs)을 포함하는 대상가스를 상기 내부통로에 공급하는 제2가스 공급구, 상기 고전압전극의 반대측에서 상기 내부통로보다 좁아지고 상기 제1방향 끝에 토출구를 가지며 상기 내부통로의 온도보다 높은 온도를 형성하는 고온영역통로, 및 상기 고온영역통로에 연결되어 요소수를 공급하는 요소수 공급관을 포함한다.

Description

스크러버 및 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템 {SCRUBBER AND PFCs AND NOx REMOVING SYSTEM}
본 발명은 스크러버 및 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공정가스에 포함된 과불화합물(PFCs; per-fluoro compounds)의 제거 및 이때 발생하는 질소산화물(NOx)을 제거하는 스크러버 및 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템에 관한 것이다.
알려진 바에 따르면, 반도체 제조공정 및 디스플레이 제조공정에 사용되는 공정가스와 함께 배출되는 과불화합물(PFCs; per-fluoro compounds)은 대표적인 온난화 기체로써 제거되어야 한다. 과불화합물(PFCs)을 제거하는 스크러버에는 연소식(Burn-wet), 플라즈마 방식(Plasma), 및 가열식(Heat-wet)이 있다.
배출되는 공정가스 중 N2O가 있거나, 배관 연결 상의 누출(leak)로 인하여 공기(또는 산소)가 내부로 유입되는 경우, 플라즈마 방식 스크러버는, 운전상 고온 반응 조건으로 인하여, 수천 ppm 수준의 NOx를 발생시킨다. 따라서 과불화합물(PFCs)을 제거하는 과정에서 발생되는 NOx는 제거되어야 한다.
그러나 종래의 연소식(Burn-wet), 플라즈마 방식(Plasma) 및 가열식(Heat-wet) 스크러버는 NOx를 제거하기 위한 수단을 제공하지 않는 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 NOx가 고온 조건에서 환원제와 반응하여 질소(N2)로 환원되는 성질을 채택하여, 공정가스에 포함된 과불화합물(PFCs; per-fluoro compounds)의 제거 및 이때 발생하는 질소산화물(NOx)을 효과적으로 제거하는 스크러버를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 대상가스에 포함된 과불화합물(PFCs)의 효과적인 분해 반응을 위하여 공급하는 요소수(환원제)의 사용량을 절감하는 스크러버를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 스크러버를 사용하는 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스크러버는, 교류 고전압이 인가되는 고전압전극, 및 상기 고전압전극과의 사이에 방전갭을 형성하고 상기 고전압전극을 내장하여 접지되며 제1방향으로 길이를 가지는 하우징을 포함하며, 상기 하우징은 내부통로에 플라즈마 아크를 발생시키는 방전가스를 공급하는 제1가스 공급구, 상기 제1방향에 교차하는 상기 제2방향으로 관통하여 과불화합물(PFCs)을 포함하는 대상가스를 상기 내부통로에 공급하는 제2가스 공급구, 상기 고전압전극의 반대측에서 상기 내부통로보다 좁아지고 상기 제1방향 끝에 토출구를 가지며 상기 내부통로의 온도보다 높은 온도를 형성하는 고온영역통로, 및 상기 고온영역통로에 연결되어 요소수를 공급하는 요소수 공급관을 포함한다.
상기 요소수 공급관은 공급되는 요소수가 상기 고온영역통로에서 열분해 및 가수분해 되도록 상기 고온영역통로에서 상기 플라즈마 아크가 고정되는 아크점 이전에 연결될 수 있다.
상기 토출구는 상기 방전갭에서 생성되어 상기 고전압전극의 끝에서 상기 고온영역통로로 진행되는 플라즈마 아크가 고정되는 아크점에 형성될 수 있다.
상기 토출구는 상기 고온영역통로를 경유하는 상기 대상가스에 포함된 상기 과불화합물의 분해 및 제거에 의하여 생성되는 화염이 토출되는 위치에 형성될 수 있다.
상기 요소수 공급관은 상기 고온영역통로에 요소수를 공급하는 내부관, 및 상기 내부관을 감싸고 상기 내부관의 외주에 냉각수를 순환시키며 상기 고온영역통로에 설치되는 외부관을 포함할 수 있다.
상기 요소수 공급관은 상기 고온영역통로에서 상기 제2방향의 중심을 향하여 설치될 수 있다.
상기 요소수 공급관은 상기 고온영역통로의 상기 제2방향 중심에서 상기 제2방향에 교차하는 제3방향으로 설정된 거리(Δd)만큼 이격된 위치에서 상기 제2방향을 향하여 설치될 수 있다.
상기 하우징은 상기 고온영역통로의 주위에 원주 방향으로 형성되는 냉각수 챔버를 더 포함하고, 상기 요소수 공급관은 상기 냉각수 챔버에 원주 방향으로 설치되는 내측관, 및 상기 내측관에서 상기 고온영역통로를 향하여 요소수를 분사하도록 형성되는 공급홀을 포함할 수 있다.
상기 공급홀은 원주 방향을 따라 이격 배치되는 복수로 형성되고, 상기 고온영역통로의 직경방향에서 설정된 각도의 경사진 방향으로 향할 수 있다.
상기 고전압전극은 상기 제1방향을 따라 형성되어 상기 내부통로에 연결되는 보조 요소수 공급관을 더 포함할 수 있다.
상기 보조 요소수 공급관은 상기 내부통로에 요소수를 보조 공급하는 보조 내부관, 및 상기 보조 내부관을 감싸고 상기 보조 내부관의 외주에 냉각수를 순환시키며 상기 고전압전극에 설치되는 보조 외부관을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스크러버는, 직류 양전압이 인가되는 고전압전극, 상기 고전압전극과의 사이에 방전갭을 형성하고 상기 고전압전극을 내장하여 음전압이 인가되며 제1방향으로 길이를 가지는 제1하우징, 및 상기 제1하우징에 상기 제1방향으로 연결되는 제2하우징을 포함하며, 상기 제1하우징은 제1내부통로에 플라즈마 아크를 형성하는 방전가스를 공급하는 제1가스 공급구, 상기 고전압전극의 반대측에서 상기 제1내부통로보다 좁아지고 상기 제1방향 끝에 토출구를 가지는 상기 제1내부통로의 온도보다 높은 온도를 형성하는 고온영역통로, 및 상기 고온영역통로에 연결되어 요소수를 공급하는 요소수 공급관을 포함하고, 상기 제2하우징은 상기 제1방향에 교차하는 상기 제2방향으로 관통하여 상기 고온영역통로에 연결되는 제2내부통로에 과불화합물(PFCs)을 포함하는 대상가스를 공급하는 제2가스 공급구를 포함한다.
상기 요소수 공급관은 공급되는 요소수가 상기 고온영역통로에서 열분해 및 가수분해 되도록 상기 플라즈마 아크가 고정되는 아크점 주위에 연결될 수 있다.
상기 토출구는 상기 방전갭에서 생성되어 상기 고전압전극의 끝에서 상기 고온영역통로로 진행되는 플라즈마 아크가 고정되는 아크점의 이후에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템은, 플라즈마 아크를 발생시켜 대상가스에 포함된 과불화합물(PFCs)을 제거하고, 과불화합물 제거시 발생되는 질소산화물을 제거하는 스크러버, 상기 스크러버에 요소수를 공급하는 용해조, 상기 용해조에 물을 공급하는 물라인, 및 고체 요소를 저장하는 요소 저장 탱크로부터 요소량을 제어하여 상기 용해조에 공급하는 요소 피더를 포함한다.
상기 스크러버는 하나 또는 복수로 형성될 수 있다. 상기 스크러버가 복수로 구비되는 경우, 상기 요소 피더와 상기 용해조는 각 스크러버에 독립적으로 연결될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 하우징에서 내부통로의 온도보다 높은 고온과 좁은 공간을 형성하는 고온영역통로에 요소수(환원제)를 공급하므로 요소수가 열분해 및 가수분해를 거치면서 대상가스와 요소수의 혼합 성능을 향상시킬 수 있다.
따라서 대상가스에 포함된 과불화합물(PFCs)의 분해 반응이 일어나는 고온영역통로에 요소수(환원제)를 공급하므로 요소수(환원제)의 사용량이 절감될 수 있다.
일 실시예는 과불화합물(PFCs) 분해시 생성된 질소산화물(NOx)이 고온 조건(예, 1000℃ 이상)에서 환원제(요소에서 열분해 및 가수분해 된 암모니아)와 혼합 및 반응하여 질소(N2)로 환원시킬 수 있다.
즉 일 실시예는 공정가스에 포함된 과불화합물(PFCs)을 제거하면서, 이때 발생되는 질소산화물(NOx)을 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 스크러버의 단면도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 요소수 공급관의 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따른 요소수 공급관 및 고온영역통로의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 스크러버에서 요소수 공급관 및 고온영역통로의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 스크러버의 단면도이다.
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 선을 따른 요소수 공급관 및 고온영역통로의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 스크러버의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 스크러버의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 스크러버의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예의 스크러버(1)는 질소산화물(NOx)이 1000℃ 이상 고온 조건에서 환원제와 반응하여 질소(N2)로 환원되는 특징을 적용하여, 공정가스에 포함된 과불화합물(PFCs)을 제거하고, 이와 동시에 발생하는 질소산화물(NOx)을 제거할 수 있도록 구성된다.
스크러버(1)는 공정가스에 포함된 과불화합물(PFCs)을 제거하는 과정에서 NOx의 발생을 억제하고, NOx를 제거하기 위하여, 무촉매환원(SNCR, Selective NonCatalytic Reduction) 반응을 유도하며, 이를 위하여, 환원제를 공급한다.
제1실시예에서 사용되는 환원제는 요소수이다. 요소수는 열분해 및 가수분해를 통하여 암모니아로 분해되어, 과불화합물(PFCs)의 제거 과정에서 발생된 질소산화(NOx)을 질소(N2)로 환원 및 제거한다.
스크러버(1)는 플라즈마 방전을 일으키도록 구성되며, 이를 위하여, 고전압(HV)이 인가되는 고전압전극(10), 및 고전압전극(10)을 내장하고 전기적으로 접지되는 하우징(20)을 포함한다. 하우징(20)은 내부통로(P)를 형성하여 제1방향(x축 방향)에서 설정된 길이를 가진다. 따라서 하우징(20)의 내면과 고전압전극(10)의 외면 사이에 방전갭(G)이 형성된다.
고전압전극(10)은 하우징(20)의 일측에 절연부재(11)를 개재하여 전기적인 절연 상태로 설치된다. 고전압전극(10)은 제1방향을 따라 절연부재(11)에서 방전갭(G)까지 확장 구조로 형성되고, 방전갭(G) 이후에서 다시 축소 구조로 형성된다.
고전압(HV)은 접지전극으로 작용하는 하우징(20)과 고전압전극(10) 사이에서 필요한 플라즈마 방전으로 플라즈마 아크(PA)를 발생시킬 수 있도록 설정되며, 교류 전압이다. 고전압전극(10)은 방전기체, 플라즈마 아크(PA) 및 대상기체의 원활한 흐름을 위하여 유선형으로 형성된다.
하우징(20)은 접지전극으로 작용하며 고전압전극(10)을 수용하여, 고전압전극(10)과의 사이에 방전갭(G)을 형성한다. 하우징(20)은 고전압전극(10) 및 방전갭(G) 측에서 원통 구조로 형성된다. 따라서 고전압전극(10)의 형상에 의하여 내부통로(P)는 방전갭(G)의 전후에서 넓어진 구조를 가진다.
제1실시예의 스크러버(1)에서, 하우징(20)은 제1가스 공급구(21), 제2가스 공급구(22) 및 고온영역통로(23) 및 요소수 공급관(24)을 포함한다. 제1가스 공급구(21)는 하우징(20)에서 고전압전극(10)의 설치 측에 구비되어, 방전갭(G) 이전에 방전가스를 공급한다. 따라서 방전가스는 방전갭(G)에서 플라즈마 방전을 통하여 내부통로(P)에서 플라즈마 아크(PA)를 발생시킬 수 있다.
제2가스 공급구(22)는 제1방향(x축 방향)에 교차하는 제2방향(y축 방향)으로 하우징(20)을 관통하여 과불화합물(PFCs)을 포함하는 대상가스를 내부통로(P)에 공급한다. 즉 제2가스 공급구(22)는 과불화합물(PFCs)이 포함된 공정가스를 공급한다.
제2가스 공급구(22)는 방전갭(G) 및 방전갭(G) 이후의 내부통로(P)에 위치하여 대상가스를 내부통로(P)로 공급하므로 대상가스에 포함된 과불화합물이 반응하여 분해되기에 충분한 온도로 가열될 수 있게 한다.
고온영역통로(23)는 과불화합물에 의한 화염을 토출구(25)로 토출하면서 대부분의 과불화합물을 분해 및 제거하도록 구성된다. 일례로써, 고온영역통로(23)는 제1방향(x축 방향)에서 고전압전극(10)의 반대측에 내부통로(P)보다 좁아지고 내부통로(P)의 온도보다 높은 온도를 형성한다. 고온영역통로(23)는 제1방향(y축 방향) 끝, 즉 전방에 토출구(25)를 구비한다.
요소수 공급관(24)은 고온영역통로(23)에 요소수를 공급하여 충분히 분해되도록 고온영역통로(23)에 연결된다. 요소수 공급관(24)은 공급되는 요소수가 고온영역통로(23)에서 열분해 및 가수분해 되도록 고온영역통로(23)에서 플라즈마 아크(PA)가 고정되는 아크점(AP) 이전에 연결되어, 아크점(AP) 이전에 요소수를 공급한다.
플라즈마 아크(PA)는 토출구(25)에 연결된다. 즉 토출구(25)는 방전갭(G)에서 생성되어 고전압전극(10)의 끝에서 고온영역통로(23)로 진행되는 플라즈마 아크(PA)가 고정되는 위치에 형성된다. 즉 토출구(25)가 아크점(AP)에 형성된다. 또한, 토출구(25)는 고온영역통로(23)를 경유하는 대상가스에 포함된 과불화합물의 분해 및 제거에 의하여 생성되는 화염이 토출되는 위치에 형성된다.
고온영역통로(23)은 내부통로(P)보다 좁게 형성되어 고온영역통로(23)에서 압축된 플라즈마 아크(PA)를 토출구(25)로 강하게 토출시킨다. 플라즈마 아크(PA)가 토출구(25)의 아크점(AP)에 고정되므로 고온영역통로(23)의 내부에서 플라즈마 아크(PA)의 밀도가 높아지면서 더욱 고온이 형성될 수 있다.
플라즈마 아크(PA)가 토출구(25)의 아크점(AP)에 고정되기 이전에 요소수가 공급되어 고온영역통로(23)에서의 고열로 인하여 열분해 및 가수분해를 거치면서 고온영역통로(23)에서 대상기체와 효과적으로 혼합된다. 따라서 환원제인 요소수의 사용량이 절감될 수 있다.
고온영역통로(23)의 제1방향(x축 방향)의 길이(Lx)는 고온영역통로(23)의 내부에 집중된 플라즈마 아크(PA)를 경유하는 과불화합물이 고온영역에서 분해되는 시간 및 공간을 제공한다.
제1실시예의 스크러버(1)는 스크러버(1) 및 고온영역통로(23)에서 과불화합물로부터 분해된 불소(F)를 고정하기 위해서 물공급관(26)으로 물을 공급한다. 분해된 불소(F)는 공급되는 물과 반응하여 불화수소(HF) 형태로 만들어진다.
일례로써, 물공급관(26)은 하우징(20)에서 고온영역통로(23)가 시작되는 축소부에 연결되어 물을 공급한다. 물은 고온영역통로(23) 시작부에서 급격히 기화되므로 과불화합물에서 분해된 불소와 혼합 특성을 향상시킨다.
따라서 대부분의 과불화합물(PFCs)은 고온영역통로(23) 내에서 분해 및 제거된다. 이와 같이, 고온영역통로(23)에서 과불화합물(PFCs)이 분해 및 제거되면서, 고온영역통로(23) 내에서 질소산화물(NOx)이 생성된다.
제1실시예의 스크러버(1)는 요소수 공급관(24)과 물공급관(26)을 별도로 도시하고 있다. 도시하지 않았지만 기존의 스크러버를 사용하는 경우, 물공급관은 요소수 공급관으로 통합하여 하나로 사용될 수 있다. 즉 제1실시예의 스크러버(1)에서 물공급관(26)을 제거하고 요소수 공급관(24)만을 적용할 수 있다.
공급되는 요소수는 자체에 물을 포함하고 있다. 따라서 과불화합물(PFCs)을 분해 및 제거하고, 질소산화물(NOx)을 제거하는 공정에 필요한 물은 요소수를 통하여 공급할 수 있다.
일례로써, 공정 중에 부족한 물을 공급하기 위하여, 제1실시예의 요소수 공급관에 물공급관(미도시)을 추가로 연결할 수 있다. 이 경우, 스크러버의 하우징에는 요소수 공급관만이 연결되므로 스크러버의 구조가 단순해질 수 있다.
요소수 공급관(24)은 고온영역통로(23)에 요소수를 공급한다. 요소수는 무촉매환원(SNCR, Selective NonCatalytic Reduction) 반응을 유도하는 환원제를 공급한다. 즉 요소수는 고온영역통로(23) 내에서 대상가스와 충분히 혼합되어 질소산화물(NOx)의 생성을 억제하고, 생성된 질소산화물(NOx)을 제거한다.
고온영역통로(23) 이후 영역에서는 1000℃ 이상의 온도를 유지할 수 있는 부피나 시간이 충분치 않다. 따라서 요소수 공급관(24)은 고온영역통로(23)에 수 ~ 수십% 농도 범위의 요소수를 공급한다.
요소수 상태로 공급되는 물(H2O) 및 물공급관(26)으로 공급되는 물은 요소((NH2)2CO)의 가수분해 및 과불화합물(PFCs) 제거 시, H의 공급원으로 사용된다. 요소((NH2)2CO)는 고온영역통로(23) 내에서 열분해 및 가수분해되어 암모니아(NH3)를 생성한다(화학식 1 참조).
생성된 암모니아(NH3)는 과불화합물(PFCs) 제거 시 생성된 NOx와 반응하여 N2로 전환된다(화학식 2 참조). 요소수 공급관(24)으로 공급되는 요소수는 암모니아와 달리, 안전하고 취급이 용이한 장점을 가진다.
(NH2)2CO + H2O → 2NH3 + CO2 (화학식 1)
NOx + NH3 → N2 + H2O (화학식 2)
도 2는 도 1에 적용되는 요소수 공급부의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 요소수 공급관(24)은 내부관(241)과 외부관(242)을 포함하는 다중 관으로 형성된다. 내부관(241)은 고온영역통로(23)에 요소수를 공급한다.
외부관(242)은 2중으로 형성되어 고온영역통로(23)에 설치되며, 내부관(241)의 외주를 감싸는 구조로 형성된다. 외부관(242)은 내측통로(41)로 저온의 냉각수를 공급하여 내부관(241)의 열을 흡수하고, 가열된 고온의 냉각수를 외측통로(42)로 순환 배출시키면서 내부관(241)으로 공급되는 요소수를 냉각시킨다.
내부관(241)이 고온 영역에 노출되는 경우, 공급되는 요소수에 포함된 물의 급속한 증발로 인하여, 요소가 내부관(241)의 내면에서 고체상으로 침적되어, 내부관(241)이 막힐 수 있다.
그러나 외부관(242)으로 공급되는 냉각수는 내측통로(41) 및 외측통로(42)로 순환되면서 내측통로(41)에 노출되는 내부관(241)을 냉각시키므로 내부관(241)으로 공급되는 요소수가 고체상으로 침적되지 않고 고온영역통로(23)로 원활히 공급될 수 있게 한다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따른 요소수 공급관 및 고온영역통로의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 요소수 공급관(24)은 고온영역통로(23)에서 제2방향(y축 방향)의 중심을 향하여 설치될 수 있다.
즉 요소수 공급관(24)으로 공급되는 요소수는 고온영역통로(23)의 직경 방향 중심으로 공급되어 교차하는 제1방향(x축 방향)으로 유동하는 플라즈마 아크(PA) 및 높은 온도의 대상가스의 유동에 의하여 열분해 및 가수분해되면서 암모니아를 생성한다.
따라서 과불화합물의 제거 및 환원과 동시에 발생되는 질소산화물(NOx)과 암모니아가 효과적으로 반응하여, 질소산화물이 질소(N2)로 신속하게 환원 및 제거될 수 있다.
한편, 요소수 공급관(24)의 내경(φ)은 고온영역통로(23)의 내경(D)의 1/2보다 작게 형성된다(φ < D/2). 요소수 공급관(24)의 내경(φ)이 고온영역통로(23) 내경(D)의 1/2 이상인 경우, 질소산화물(NOx) 제거에 요구되는 요소수의 양보다 많은 양의 요소수가 공급될 수 있다.
이하 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 제1실시예 및 기 설명된 실시예들과 비교하여, 서로 동일한 구성을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 스크러버에서 요소수 공급관 및 고온영역통로의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 제2실시예의 스크러버(2)에서 요소수 공급관(424)은 고온영역통로(423)의 제2방향(y축 방향) 중심에서 제2방향에 교차하는 제3방향(z축 방향))으로 설정된 거리(Δd)만큼 이격된 위치에서 제2방향을 향하여 설치된다.
즉 요소수 공급관(424)은 거리(Δd)만큼 중심으로부터 이격된 위치에서 고온영역통로(423)에 요소수를 공급하므로 고온영역통로(423) 내주면의 안내를 받으면서 요소수 스월(S)을 일으키게 된다.
요소수 스월(S)은 x축 방향으로 진행되는 플라즈마 아크(PA) 및 대상가스와 요소수의 혼합을 더욱 촉진시켜, 과불화합물(PFCs)이 분해 및 제거될 때, 질소산화물(NOx)의 생성을 억제하고, 생성된 질소산화물(NOx)을 제거한다. 따라서 환원제인 요소수의 사용량이 더 절감될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 스크러버의 단면도이고, 도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 선을 따른 요소수 공급관 및 고온영역통로의 단면도이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 제3실시예의 스크러버(3)에서, 하우징(520)은 고온영역통로(523)의 주위에 원주 방향을 따라 형성되는 냉각수 챔버(525)를 더 포함한다.
요소수 공급관(524)은 내측관(521)과 공급홀(522)를 포함한다. 내측관(521)은 냉각수 챔버(525)에 원주 방향을 따라 설치되고, 공급홀(522)은 내측관(521)에서 고온영역통로(523)를 향하여 요소수를 분사하도록 형성된다.
공급홀(522)은 원주 방향을 따라 이격 배치되는 복수로 형성된다. 공급홀들(522) 각각은 고온영역통로(523)의 직경방향에서 설정된 각도(θ)의 경사진 방향을 향하여 형성된다.
냉각수 챔버(525)는 냉각수를 순환시켜 내측관(521)을 냉각시키므로 내측관(521)으로 공급되는 요소수에 포함된 물의 급속한 증발을 방지한다. 즉 물의 급속한 증발로 인하여 요소가 내측관(521)의 내면에서 고체상으로 침적되어, 내측관(521)이 막히는 것을 방지한다.
내측관(521)은 요소수 공급관(524)에서 공급홀들(522)로 요소수의 분배 공간을 형성하여 원주 방향을 따라 배치되는 복수의 공급홀들(522)을 통하여 요소수의 균일한 분배를 가능하게 한다. 따라서 공급홀들(522)은 고온영역통로(523)에서 요소수와 대상가스의 혼합 특성을 향상시킨다.
공급홀들(522) 및 경사진 각도(θ)는 고온영역통로(523)에 요소수를 공급하므로 고온영역통로(523) 내주면의 안내를 받으면서 복수의 위치에서 요소수 스월을 일으키게 된다.
복수의 위치에서 일어나는 요소수 스월은 x축 방향으로 진행되는 플라즈마 아크(PA) 및 대상가스와 요소수의 혼합을 촉진시켜, 과불화합물(PFCs)이 분해 및 제거될 때, 질소산화물(NOx)의 생성을 억제하고, 생성된 질소산화물(NOx)을 제거한다. 따라서 환원제인 요소수의 사용량이 더 절감될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 스크러버의 단면도이다. 도 7을 참조하면, 제4실시예의 스크러버(4)는 제1실시예의 스크러버(1)(도 1 참조)에 보조 요소수 공급관(27)을 더 포함한다. 즉 요소수를 복수의 위치에서 공급한다. 별도로 도시하지 않았지만, 도 7에서 요소수 공급관(24)을 제거하고, 보조 요소수 공급관(27)만을 사용하여 요소수를 공급할 수도 있다.
제4실시예의 스크러버(4)에서, 고전압전극(610)은 제1방향(x축 방향)을 따라 형성되는 보조 요소수 공급관(27)을 더 포함한다. 보조 요소수 공급관(27)은 내부통로(P)에 연결되므로 요소수 공급관(24)을 통한 요소수의 공급에 더하여 요소수를 내부통로(P)에 더 공급한다.
일례로써, 보조 요소수 공급관(27)은 보조 내부관(271) 및 보조 외부관(272)을 포함한다. 보조 내부관(271)은 내부통로(P)에 연결되어 내부통로(P)에 요소수를 보조적으로 공급한다.
보조 외부관(272)은 2중 구조로 형성되어 보조 내부관(271)을 감싸서 보조 내부관(271)의 외주에 냉각수를 순환시키도록 고전압전극(610)에 설치되어 있다. 보조 요소수 공급관(27) 및 보조 내부관(271)는 내부통로(P)에 요소수를 공급한다.
요소수는 내부통로(P)에서 기상의 암모니아로 전환되어 고온영역통로(23)로 공급된다. 전환된 암모니아는 x축 방향으로 진행되는 플라즈마 아크(PA) 및 대상가스와 혼합 촉진되어 과불화합물(PFCs)이 분해 및 제거될 때, 질소산화물(NOx)의 생성을 억제하고, 생성된 질소산화물(NOx)을 제거한다. 따라서 환원제인 요소수의 사용량이 더 절감될 수 있다.
이와 같이, 보조 내부관(271)으로 공급되는 요소수는 요소수 공급관(24)으로 공급되는 요소소와 함께 무촉매환원(SNCR, Selective NonCatalytic Reduction) 반응을 유도하는 환원제를 작용한다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 스크러버의 단면도이다. 도 8을 참조하면, 제5실시예의 스크러버(5)는 고전압전극(510), 제1하우징(540) 및 제2하우징(530)을 포함한다.
고전압전극(510)에는 직류 양전압이 인가된다. 제1하우징(540)은 고전압전극(510)과의 사이에 방전갭(G5)을 형성하고, 고전압전극(510)을 내장하며, 제1방향(x축 방향)으로 설정된 길이를 가진다. 제1하우징(540)에는 음전압이 인가된다. 제2하우징(530)은 제1하우징(540)에 제1방향(x축 방향)으로 연결된다.
제1하우징(540)은 제1가스 공급구(541), 고온영역통로(523) 및 요소수 공급관(524)를 포함한다. 제1가스 공급구(541)는 제1내부통로(P21)에 플라즈마 아크(PA2)를 형성하는 방전가스를 공급한다.
고온영역통로(523)는 고전압전극(510)의 반대측에서 제1내부통로(P21)보다 좁아지고 제1방향(x축 방향) 끝에 토출구(545)를 가진다. 고온영역통로(523)는 제1내부통로(P21)의 온도보다 높은 온도를 형성한다.
제2하우징(530)은 제1방향(x축 방향)에 교차하는 제2방향(y축 방향)으로 관통하여 제2가스 공급구(528)를 구비한다. 제2가스 공급구(528)는 고온영역통로(523)에 연결되는 제2내부통로(P22)에 과불화합물(PFCs)을 포함하는 대상가스를 공급한다.
요소수 공급관(524)은 고온영역통로(523)에 연결되어 고온영역통로(523) 내부로 요소수를 공급한다. 요소수 공급관(524)은 공급되는 요소수가 고온영역통로(523)에서 열분해 및 가수분해 되도록 플라즈마 아크(PA)가 고정되는 아크점(AP) 주위에 연결된다.
토출구(545)는 방전갭(G2)에서 생성되어 고전압전극(510)의 끝에서 고온영역통로(523)로 진행되는 플라즈마 아크(PA)가 고정되는 아크점(AP) 이후에 형성된다. 요소수 공급관(524)은 아크점(AP) 인근 또는 아크점(AP) 이후에 구비되어 고온영역통로(523)에 요소수를 공급한다.
따라서 고온영역통로(523)에서의 고열로 인하여, 요소수가 열분해 및 가수분해를 거치면서 토출구(545)로 분사되어 제2가스 공급구(528)로 공급되는 대상가스와 제2하우징(530)의 내부통로(P22)에서 효과적으로 혼합된다. 즉 환원제인 요소수의 사용량이 절감될 수 있다.
요소수 공급관(524)은 도 2의 요소수 공급관(24)과 동일한 구조로 형성될 수 있다. 따라서 요소수 공급관(524)는 요소수를 공급할 때, 고온영역통로(523)의 고열에 의하여, 고온영역통로(523) 내에서 요소수가 급속히 열분해 되고, 이로 인하여, 요소가 침적되는 것을 방지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템의 구성도이다. 도 9를 참조하면, 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템은 스크러버(1, 편의상 제1실시예를 참조한다), 용해조(6), 물라인(7), 요소 저장 탱크(8) 및 요소 피더(9)를 포함한다.
스크러버(1)는 플라즈마 아크를 발생시켜 대상가스에 포함된 과불화합물(PFCs)을 제거하고, 과불화합물 제거시 발생되는 질소산화물을 제거하도록 구성된다. 용해조(6)는 스크러버(1)에 요소수를 공급한다.
물라인(7)은 용해조(6)에 연결되어 물을 공급한다. 물라인(7)은 기존의 스크러버(1)에 물을 공급하는 라인을 그대로 사용할 수 있다. 요소 저장 탱크(8)는 고체 요소를 저장한다.
요소 피더(9)는 요소 저장 탱크(8)에 구비되어, 요소량을 제어하여 용해조(6)에 요소를 공급하여 용해조(6)에서 요소수를 생산한다. 생산된 요소수는 스크러버(1)에 연결된 요소수 공급관(24)으로 공급된다.
스크러버(1)는 하나로 형성될 수 있고(도 9 참조), 도시하지 않았으나 복수로 형성될 수 있다. 스크러버(1)가 복수로 구비되는 경우, 요소 피더(9)와 용해조(6)는 각 스크러버(1)에 독립적으로 연결되어, 각 스크러버(1)에서 요구하는 농도의 요소수를 각각 공급할 수 있고, 복수의 스크러버(1)에 전체적으로 연결되어, 복수의 스크러버(1)에 균일한 농도의 요소수를 공급할 수도 있다.
예를 들면, 반도체 공장 내에 수백 내지 수천 개의 스크러버가 있는데, 이 스크러버들에 요소수(환원제)를 공급하려면, 요소수(환원제) 저장 탱크에서 전체 스크러버들을 연결하는 공급관 설비가 별도 설치되어야 한다. 이런 경우, 투자상의 비용과 공장 설비 구성상의 복잡성이 발생한다.
따라서 일 실시예는 공급관 설비 공사 및 이에 따른 비용과 복잡성으로 인하여, 고체 요소를 이용한다. 고체 요소는 물에 녹는 용해도가 매우 높아 요소수를 손쉽게 만들 수 있다. 스크러버(1)의 물공급관(26)에 연결되어 물을 공급하는 물라인(7)이 요소수를 만드는데 활용된다.
따라서 하나 또는 복수의 스크러버(1)에 대하여, 용해조(6), 요소 저장 탱크(8) 및 요소 피더(9)를 통하여, 요소수 공급장치를 구성할 수 있다. 상용 요소수가 32% 정도인 데 비하여, 일 실시예의 요소수 공급장치는 요소수의 농도를 다양하게 조절할 수 있다.
요소 피더(9)는 회전수 조절 가능한 스크류 방식 또는 개도 조절 가능한 밸브 차단식으로 구성되어 요소의 공급량을 설정할 수 있다. 요소 피더(9)의 작동으로 용해조(6)에서 요소수의 농도가 설정될 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1, 2, 3, 4, 5: 스크러버 6: 용해조
7: 물라인 8: 요소 저장 탱크
9: 요소 피더 10, 510, 610: 고전압전극
11: 절연부재 20, 520: 하우징
21, 541: 제1가스 공급구 22, 528: 제2가스 공급구
23, 423, 523: 고온영역통로 24, 424, 524: 요소수 공급관
25, 545: 토출구 26: 물공급관
27: 보조 요소수 공급관 241: 내부관
242: 외부관 271: 보조 내부관
272: 보조 외부관 521: 내측관
522: 공급홀 525: 냉각수 챔버
530: 제2하우징 540: 제1하우징
AP: 아크점 G, G2, G5: 방전갭
Lx: 길이 P: 내부통로
PA, PA2: 플라즈마 아크 P21: 제1내부통로
P22: 제2내부통로 S: 요소수 스월
θ: 각도 Δd: 거리
φ, D: 내경

Claims (17)

  1. 교류 고전압이 인가되는 고전압전극; 및
    상기 고전압전극과의 사이에 방전갭을 형성하고 상기 고전압전극을 내장하여 접지되며 제1방향으로 길이를 가지는 하우징
    을 포함하며,
    상기 하우징은
    내부통로에 플라즈마 아크를 발생시키는 방전가스를 공급하는 제1가스 공급구,
    상기 제1방향에 교차하는 상기 제2방향으로 관통하여 과불화합물(PFCs)을 포함하는 대상가스를 상기 내부통로에 공급하는 제2가스 공급구,
    상기 고전압전극의 반대측에서 상기 내부통로보다 좁아지고 상기 제1방향 끝에 토출구를 가지며 상기 내부통로의 온도보다 높은 온도를 형성하는 고온영역통로, 및
    상기 고온영역통로에 연결되어 요소수를 공급하는 요소수 공급관
    을 포함하는 스크러버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요소수 공급관은
    공급되는 요소수가 상기 고온영역통로에서 열분해 및 가수분해 되도록
    상기 고온영역통로에서 상기 플라즈마 아크가 고정되는 아크점 이전에 연결되는 스크러버.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 토출구는
    상기 방전갭에서 생성되어 상기 고전압전극의 끝에서 상기 고온영역통로로 진행되는 플라즈마 아크가 고정되는 아크점에 형성되는 스크러버.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 토출구는
    상기 고온영역통로를 경유하는 상기 대상가스에 포함된 상기 과불화합물의 분해 및 제거에 의하여 생성되는 화염이 토출되는 위치에 형성되는 스크러버.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 요소수 공급관은
    상기 고온영역통로에 요소수를 공급하는 내부관, 및
    상기 내부관을 감싸고 상기 내부관의 외주에 냉각수를 순환시키며 상기 고온영역통로에 설치되는 외부관을 포함하는 스크러버.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 요소수 공급관은
    상기 고온영역통로에서 상기 제2방향의 중심을 향하여 설치되는 스크러버.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 요소수 공급관은
    상기 고온영역통로의 상기 제2방향 중심에서 상기 제2방향에 교차하는 제3방향으로 설정된 거리(Δd)만큼 이격된 위치에서 상기 제2방향을 향하여 설치되는 스크러버.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은
    상기 고온영역통로의 주위에 원주 방향으로 형성되는 냉각수 챔버를 더 포함하고,
    상기 요소수 공급관은
    상기 냉각수 챔버에 원주 방향으로 설치되는 내측관, 및
    상기 내측관에서 상기 고온영역통로를 향하여 요소수를 분사하도록 형성되는 공급홀
    을 포함하는 스크러버.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공급홀은
    원주 방향을 따라 이격 배치되는 복수로 형성되고,
    상기 고온영역통로의 직경방향에서 설정된 각도의 경사진 방향으로 향하는 스크러버.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고전압전극은
    상기 제1방향을 따라 형성되어 상기 내부통로에 연결되는 보조 요소수 공급관을 더 포함하는 스크러버.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 보조 요소수 공급관은
    상기 내부통로에 요소수를 보조 공급하는 보조 내부관, 및
    상기 보조 내부관을 감싸고 상기 보조 내부관의 외주에 냉각수를 순환시키며 상기 고전압전극에 설치되는 보조 외부관을 포함하는 스크러버.
  12. 직류 양전압이 인가되는 고전압전극;
    상기 고전압전극과의 사이에 방전갭을 형성하고 상기 고전압전극을 내장하여 음전압이 인가되며 제1방향으로 길이를 가지는 제1하우징; 및
    상기 제1하우징에 상기 제1방향으로 연결되는 제2하우징
    을 포함하며,
    상기 제1하우징은
    제1내부통로에 플라즈마 아크를 형성하는 방전가스를 공급하는 제1가스 공급구,
    상기 고전압전극의 반대측에서 상기 제1내부통로보다 좁아지고 상기 제1방향 끝에 토출구를 가지는 상기 제1내부통로의 온도보다 높은 온도를 형성하는 고온영역통로, 및
    상기 고온영역통로에 연결되어 요소수를 공급하는 요소수 공급관
    을 포함하고,
    상기 제2하우징은
    상기 제1방향에 교차하는 상기 제2방향으로 관통하여 상기 고온영역통로에 연결되는 제2내부통로에 과불화합물(PFCs)을 포함하는 대상가스를 공급하는 제2가스 공급구
    를 포함하는 스크러버.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 요소수 공급관은
    공급되는 요소수가 상기 고온영역통로에서 열분해 및 가수분해 되도록 상기 플라즈마 아크가 고정되는 아크점 주위에 연결되는 스크러버.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 토출구는
    상기 방전갭에서 생성되어 상기 고전압전극의 끝에서 상기 고온영역통로로 진행되는 플라즈마 아크가 고정되는 아크점의 이후에 형성되는 스크러버.
  15. 플라즈마 아크를 발생시켜 대상가스에 포함된 과불화합물(PFCs)을 제거하고, 과불화합물 제거시 발생되는 질소산화물을 제거하는 스크러버;
    상기 스크러버에 요소수를 공급하는 용해조;
    상기 용해조에 물을 공급하는 물라인; 및
    고체 요소를 저장하는 요소 저장 탱크로부터 요소량을 제어하여 상기 용해조에 공급하는 요소 피더
    를 포함하는 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 스크러버는
    하나 또는 복수로 형성되는 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 스크러버가 복수로 구비되는 경우,
    상기 요소 피더와 상기 용해조는
    각 스크러버에 독립적으로 연결되는
    과불화합물과 질소산화물 제거 시스템.
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