KR20220079353A - 악취가스 제거용 플라즈마 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 악취를 제거함과 유해성 성분 저렴한 비용으로 효율적으로 처리할 수 있는 악취가스 처리용 플라즈마 시스템으로, 악취를 제거하는 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100), 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(101), 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화 유닛(130), 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140), 상기 마이크로웨이브 플라즈마 공급부(170), 상기 마이크로웨이브 플라즈마 시스템 챔버부(180), 상기 후처리시스템인 알루미나 촉매필터(182)와 제올라이트 흡착시스템(183), 헤파필터(184), 울파필터(185)를 통해 전처리된 폐가스를 연소하는 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100), 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(101), 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화 유닛(130), 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140), 상기 마이크로웨이브 플라즈마 공급부(170), 상기 마이크로웨이브 플라즈마 시스템 챔버부(180), 상기 후처리시스템인 알루미나 촉매필터(182)와 제올라이트 흡착시스템(183), 헤파필터(184), 울파필터(185) 사이에 배치되어 상기 전처리된 폐가스를 이송하는 가스 이송유닛(193)을 포함할 수 있다.

Description

악취가스 제거용 플라즈마 시스템{Plasma System for Malodorous Gas Treatment}
본 출원은 각종 산업체와 다양한 산업공정에서 발생하는 악취가스와 유해독성오염물질, VOCs를 효과적으로 처리하는 악취가스 제거용 플라즈마 시스템{Plasma System for Malodorous Gas Treatment}에 관한 것이다.
각종 산업공정에서는 인체에 유해한 영향을 미치는 가스상물질, 입자상물질, 중금속 등 환경오염물질이 다량 배출되어 대기환경의 질을 악화시키고 있다. 가스상물질, 악취가스, 입자상물질, 중금속, Volatile Organic Compounds(VOCs), Hazardous Air Pollutants(HAPs), PAHs 및 환경호르몬 등 다양한 유해화학물질로 인해 공중보건상 위해문제를 유발하고 있다. 특히 다양한 악취가스와 대기오염물질로 인한 인근 지역주민들의 지속적인 환경민원이 제기되고 있는 실정이다. 정부에서도 유해독성물질 배출 규제를 점진적으로 강화하고 있으며, 각종 악취가스, 유해독성물질, 특정대기유해물질 및 유해대기오염물질 배출허용기준으로 인해서 효율적인 방지시설의 도입이 절실이 필요한 실정이다.
악취 발생공정, 산업공정 및 산업시설, 정유 생산시설 및 염색산업단지 등에서는 생활악취 및 각종 민원이 발생하고 있으며, 주요 배출오염물질로는 인체 발암물질 또는 악영향을 미치는 톨루엔, 디메틸포름아미드(DMF), 클로로포름, MEK, 사염화탄소, 유증기, 백연, 미세먼지(PM-2.5), 이산화질소, 이산화탄소, 일산화탄소, 미세먼지 생성물질(질소산화물, 황산화물, 알데히드, 벤젠 등 휘발성유기화합물[VOCs], 그 밖에 환경부령으로 정하는 물질), PAHs, HAPs 등이 지속적으로 발생하고 있다 . 사람은 악취를 맡게 되면 먼저 정신적 스트레스가 쌓이고 심리적으로 불안해지면서, 종종 짜증·히스테리·불면증 등을 동반하기도 한다. 생리적으로는 냄새로 인한 혈압상승, 호르몬 분비의 변화에 의한 생식계의 이상, 후각 감퇴, 두통, 구토 등의 증상이 나타나기도 한다.
이러한 VOCs와 악취물질을 제거하기 위해 종래에는 직접연소법의 재생식 열산화장치(RTO; regenerative thermal oxidation)와 간접연소법의 재생식 촉매산화장치(RCO; regenerative catalytic oxidation) 그리고 흡착처리 설비가 주로 사용되고 있었다. 이 밖에도 최근에는 자외선, 플라즈마, 코로나(corona) 또는 생물학적 여과(bio-filtration) 방식을 이용하는 기술들이 개발되고 있으나, 유해독성물질(VOC 등 발암물질) 과 난분해성 악취가스를 효과적으로 제거하는 데는 한계가 있다.
본원발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 1) 각종 산업체와 다양한 산업공정에서 발생하는 악취가스와 VOCs, 발암물질 등 유해독성물질 성분을 효율적으로 제거하고, 2) VOCs와 난분해성 가스를 효율적으로 처리할 수 있는 악취가스 제거용 플라즈마 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본원발명에 따른 악취가스 제거용 플라즈마 시스템{Plasma System for Malodorous Gas Treatment}은 폐가스 내 악취물질, 유해독성물질(VOC 등 발암물질) 및 독성물질을 90% 이상 제거할 수 있는 플라즈마 시스템, PTO(Plasma Thermal Oxydizer)를 이용한 악취저감 기술이다. 세부적으로 플라즈마 시스템에서는 저에너지로 고온의 플라즈마를 발생시켜 일정량의 탄화수소체 연료를 주입하면 빠르게 완전연소함으로서 플라즈마 화염을 증폭시키고 온도를 일반 가스버너보다 약 500도 이상 증가시킬 수 있고, 저품질연료와 에너지를 고품질연료와 에너지로 전환시킬 수 있는 시스템이다.
또한, 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100)은 생성되는 마이크로웨이브 플라즈마(P)와 내부로 주입되는 가스들을 혼합시키는 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(101), 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화 유닛(130), 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140), 마이크로웨이브 플라즈마 공급부(170), 마이크로웨이브 플라즈마 시스템 챔버부(180)를 포함하되, 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(300)은 생성되는 마이크로웨이브 플라즈마(P)와 내부로 주입되는 가스들을 혼합시키는 반응공간부(311); 및 바디부(310), 방전관(320), 도파관(335) 및 챔버부(350)을 포함하되, 바디부(310)의 둘레면에 대하여 접선된 형태로 형성되어 있는 보조가스 공급부(176), 후처리시스템인 알루미나 촉매필터(182)와 제올라이트 흡착시스템(183), 헤파필터(184), 울파필터(185); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 내 VOCs와 악취가스 처리용 플라즈마 시스템.
본원 발명에 따른 악취가스 제거용 플라즈마 시스템{Plasma System for Malodorous Gas Treatment}에 의하면, 다양한 복합오염물질을 제거할 수 있는 PTO(Plasma Thermal Oxydizer)와 고온, 마이크로웨이브 플라즈마 연소유닛과 플라즈마 흡착탑을 이용하여 다양한 산업 폐가스를 저비용으로 고효율적으로 처리할 수 있다. 산업공정 폐가스 내 악취물질, 유해독성물질(VOC 등 발암물질) 및 독성물질을 90% 이상 제거할 수 있고, 저에너지로 고온의 플라즈마를 발생시켜 일정량의 탄화수소체 연료를 주입하면 빠르게 완전연소함으로서 플라즈마 화염을 증폭시키고 온도를 일반 가스버너보다 약 500도이상 증가시킬 수 있고, 저품질연료와 에너지를 고품질연료와 에너지로 전환시킬 수 있다. 개발기술은 RTO 대비 화염온도가 높기 때문에 NOx 발생 등의 기존 문제점을 해결할 수 있고, 낮은 연료 소비량으로 경제적이고 효율적으로 악취를 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 악취가스 처리용 플라즈마 시스템 폐가스 처리공정 흐름도이다.
도 2은 본 발명의 일실시 예에 따른 악취가스 처리용 플라즈마 연소산화시스템 구성도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 “포함한다”, “배치하다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 악취가스 처리용 플라즈마 시스템 폐가스 처리공정 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 플라즈마 시스템을 이용한 폐가스 처리는 마이크로웨이브 플라즈마 연소공정으로 구성되었다.
도 2은 본 발명의 일실시 예에 따른 플라즈마 시스템을 이용한 악취가스 처리장치 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100)과 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(101), 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화 유닛(130), 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140), 마이크로웨이브 플라즈마 공급부(170), 마이크로웨이브 플라즈마 시스템 챔버부(180), 후처리시스템인 알루미나 촉매필터(182)와 제올라이트 흡착시스템(183), 헤파필터(184), 울파필터(185)로 구성되었다.
먼저 도2에 도시된 바와 같이 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛의 전단에 구비된 폐가스 입구(111)를 통해서 유입된 폐가스는 상기 폐가스 입구(111)와 인접하여 설치된 프리필터(110)를 통과하면서 각종 입자상 물질 및 기타 이물질들이 제거된 후, 프리필터(110) 상단에 소정 거리 이격되어 설치된 폐가스 Air 분배기(120)를 거치면서 설치된 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화 유닛(130)와 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140)를 거치게 된다. 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100)과 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(101)으로 구성된 장치는 전기 파워보드(150), 전기 파워보드 바디부(151), 통제시스템(160), 마이크로웨이브 플라즈마 시스템 공급부(17), 플라즈마 시스템 발생기(171), 순환기(172), 순환모니터(173), 튜너(174), 도파관(175), 보조가스 공급부(176), 마이크로웨이브 플라즈마 시스템 챔버부(180), 토치부(181)를 거치면서 증폭 생성된 플라즈마와 순차적으로 연소산화반응을 진행한다.
마이크로웨이브 플라즈마 시스템 챔버부(180)와 토치부(181)를 통과하면서 각종 악취 및 유해물질들과 연소와 산화반응을 진행한다. 산화반응을 한 폐가스는 보조가스 공급부(176), 플라즈마 시스템 발생기 내 고주파 발진기(171), 고주파 발진기 순환기(172), 순환모터(173) 부분에서 증폭 생성된 플라즈마와 순차적으로 연소산화반응을 진행한다. 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100)과 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(101)은 온도 조절을 위해 장치에 설치된 칠러(192)를 통해 반응기 온도를 조절하고, 가스 이송 유닛(193)을 통해 가스 출구(112)로 배출된다.
연소반응과 산화 반응을 순차적으로 진행하면서 고온연소반응에 의해 VOCs와 악취성 물질이 제거된다.
또한, 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100)과 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(101)과 소정거리 이격되면서 악취 처리 유닛의 전단부에 설치된 연소반응층을 통과하도록 하였고, 잔존하는 미반응 악취성 물질을 흡착, 제거할 수 있도록 알루미나 촉매필터(182)와 제올라이트 흡착시스템(183)이 설치되었고, 그 후단에는 미세먼지 및 초미세먼지를 제거하기 위한 헤파필터(184)및 울파필터(185)을 배치하여 전처리된 폐가스를 유닛 후단에 구비된 배출구(112)를 통해 배출할 수 있도록 하는 구성으로 이루어 진다.
상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100)과 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(101) 장치 내의 고전계 분위기에서 VOCs 및 악취물질을 산소분자와 함께 이온화한 활성자유기를 형성하여, 그 분위기에서 이온화되지 않은 VOCs 및 악취물질에 대해 그 형성된 활성자유기와의 화학반응을 유도하여 산화 및 환원시키다.
마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100)과 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(101) 장치에서의 폐가스 처리 원리는 다음과 같이 요약할 수 있다.
플라즈마 반응원리는 양극 및 음극의 두 방전극 사이에 10㎸/㎝ 이상의 고전계를 극히 짧은 순간(수십~수백㎱ 이내)에 인가하면, 펄스코로나(pulse corona) 방전에 의해 브러시 같은 형태의 전류채널이 형성되는데 이를 유광(streamer)이라 한다. 유광은 두 전극 사이를 고에너지 전자가 10 6 ~10 7 ㎝/sec의 속도로 전파하며, 그 전계내의 분자와 충돌한다. 이와 같이 고에너지 전자와 충돌하는 분자는 이온화하여 활성자유전자(active free electron)로 분해된다.
본 발명은 이와 같이 분자가 활성자유전자로 분해되는 원리를 이용, 다음과 같이 가스분자로부터 N, H, O, OH 등의 활성자유기(active free radicals)를 형성한다.
N2, O2, H2O + e → N, H, O, OH(radicals), O3
활성자유기는 반응성이 매우 높아 어떤 물질과 극렬한 화학반응을 일으키는데, 본 발명은 다음과 같이 그 활성자유기를 VOCs 및 악취물질과 반응하도록 하여 수증기(H2O)와 무색무취의 이산화탄소(CO2)로 환원시키는 것이다.
(radicals) + VOCs → nH2O + N2 + O2
여기서 VOCs 및 악취물질은 대부분의 분자조성이 C, H, O인 바 C는 CO2로 H는 H2O로 화학반응이 일어나 그 VOCs 및 악취물질이 분해(제거)되는 것이다. 또한 플라즈마 반응기 내의 방전에서 오존발생기와 같은 원리로 오존(O3)이 발생하게 되는데, 상기오존에 의한 부수적 VOCs 및 악취제거 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100)과 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(101)를 통과한 폐가스는 후단에 설치된 복합필터 시스템인 알루미나 촉매필터(182)와 제올라이트 흡착시스템(183), 그 후단에 설치된 미세먼지 및 초미세먼지를 제거하기 위한 헤파필터(184)및 울파필터(185)를 통과하면서 잔류 미세입자물질, 악취성 물질, VOCs 및 기타 오염물질이 제거된다. 복합필터는 알루미나, 개량 첨착 제올라이트 및 개량 첨착 실리카 중 어느 한가지 또는 두가지 이상으로 구성될 수 있다. 또한 후단에는 고온형 헤파필터(184)및 울파필터(185)을 설치하여 미세먼지와 초미세먼지를 제거할 수 있다.
마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100)과 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(101)은 마이크로웨이브 플라즈마(P)를 통해 전처리된 폐가스를 연소함에 있어서, 반응공간부(140)내에서 생성되는 마이크로웨이브 플라즈마(P)와 내부로 주입되는 가스들을 전반적으로 고르게 혼합시켜 연소산화반응을 진행하는 장치이다.
상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100)과 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(101), 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화 유닛(130), 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140), 마이크로웨이브 플라즈마 공급부(170), 마이크로웨이브 플라즈마 시스템 챔버부(180)는 외부로부터 공급되는 구동전력을 인가 받아 마이크로웨이브를 발진하는 마이크로웨이브 플라즈마 발생기인 고주파발진기(171)와, 상기 고주파발진기(331)에서 발진된 마이크로웨이브를 출력함과 동시에 임피던스 부정합으로 반사되는 마이크로웨이브 에너지를 소멸시켜 상기 마이크로웨이브 플라즈마 발생기(171)를 보호하는 순환기(172), 상기 순환기(172)의 후단에 배치되며 파워를 모니터링하는 파워모니터(173), 상기 순환기(172)로부터 출력된 마이크로웨이브의 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도함으로써 상기 마이크로웨이브로 유도된 전기장이 방전관 내에서 최대가 되도록 하는 튜너(174) 및, 상기 도파관(175)을 포함하여 구비된다.
상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100)과 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(101), 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화 유닛(130), 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140)는 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100)의 베이스를 형성하는 구성요소로서, 내부에는 상기 마이크로웨이브 플라즈마(P)가 생성되는 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140)가 형성되고 가스들을 상기 반응공간부(140) 내부로 주입하는 보조가스 공급부(176)가 형성될 수 있다. 상기 보조가스 공급부(176)은 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140)의 둘레면에 대하여 접선된 형태로 형성되어 외부로부터 공급되는 가스가 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140)의 내벽면에 의해 안내되어 와류를 형성하며 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140)로 유입된다.
또한, 상기 보조가스 공급부(176)은 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140) 내에서 상부방향으로 일정각도로 기울어진 상태로 배치되어 상기 반응공간부(311)의 내부에서 상향하면서 와류되는 가스를 주입할 수 있다.
상기 보조가스 공급부(176)은 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140)의 둘레를 따라 등간격을 이격되어 적어도 하나 이상이 형성되되, 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140)의 둘레면에 대하여 접선(Tangent Line)된 형태로 형성되어, 외부로부터 공급되는 보조가스가 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140)의 내벽면에 의해 안내되어 와류를 형성하며 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140)로 유입되면서 내부 가스들과 혼합되며 반응하도록 구비될 수 있다.
전처리된 폐가스 및 보조가스가 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140) 내에서 더욱 균일하게 혼합되면서 안정적으로 반응할 수 있으며, 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140) 내에서 와류되는 기류의 세기를 더욱 증대시킬 수 있다. 또한 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140) 내에서 하부방향으로 일정각도로 기울어진 상태로 배치되어 상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140)의 내부에 하향하면서 와류되는 가스를 주입하도록 구비되는 것이 바람직하다.
이로 인해, 상기 보조가스 공급부(176)로부터 주입되는 가스에 의한 상승 기류는 연소생성가스의 배출방향에 대하여 순방향 와류(Conventional Vortex Flow)로서 작용하여, 상기 보조가스 공급부(176)로부터 주입되는 가스에 의한 하강 기류는 연소생성가스의 배출방향에 대하여 역방향 와류(Revere Vortex Flow)로서 작용하게 되어, 각 가스 유동의 상호작용으로 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140) 내부에서 플라즈마 화염과 전처리된 폐가스가 상호 반응하는 시간이 증가하면서 연소의 효율성을 극대화할 수 있다.
상기 보조가스는 상기 전처리된 폐가스, 산소, 공기 등 추가 공급가스를 사용할 수 있다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100: 마이크로웨이브 플라즈마 연소유닛
101: 마이크로웨이브 플라즈마시스템 연소유닛
110: 프리필터
111: 폐가스 입구
112: 가스 출구
120: 폐가스 Air 분배기
130: 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화 유닛
140: 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기
150: 전기 파워보드
151: 전기 파워보드 바디부
160: 통제시스템
170: 마이크로웨이브 플라즈마 공급부
171: 플라즈마 시스템 발생기
172: 순환기
173: 순환모터
174: 튜너
175: 도파관
176: 보조가스 공급부
180: 마이크로웨이브 플라즈마 시스템 챔버부
181: 토치부
182: 알루미나 촉매
183: 제올라이트 흡착제
184: 헤파필터
185: 울파필터
190: 고주파 발진기
191: 고주파 발진기 순환모터
192: 칠러
193: 가스 이송 유닛
P: 마이크로웨이브 플라즈마

Claims (1)

  1. 폐가스 내 VOCs와 악취를 제거하는 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100)은
    마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(100);
    상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화유닛(101);
    상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소산화 유닛(130);
    상기 마이크로웨이브 플라즈마 연소로 반응기(140);
    상기 마이크로웨이브 플라즈마 공급부(170);
    상기 마이크로웨이브 플라즈마 시스템 챔버부(180);
    상기 후처리시스템인 알루미나 촉매필터(182)와 제올라이트 흡착시스템(183), 헤파필터(184), 울파필터(185);
    를 포함하는 악취가스 처리용 플라즈마 연소산화시스템.
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