KR20230033825A - 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

고효율 에너지 저감형 스크러버 장치 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

고효율 에너지 저감형 스크러버 장치는 챔버, 유입부, 방열부, 플라즈마 발생부, 흡열부, 냉각부 및 제거부를 포함한다.
방열부는 유입부 주위에 설치되고, 작동 유체의 액화 열을 이용하여 유입부를 지나가는 유해 가스의 온도를 제1 온도에서 제2 온도로 상승시켜 챔버로 전달할 수 있다. 흡열부는 챔버의 하측에 설치되고, 챔버에서 열 분해된 열 분해 가스의 열을 이용하여 작동 유체를 기화시켜 작동 유체가 기화 열을 생성할 수 있다.

Description

고효율 에너지 저감형 스크러버 장치 및 그 동작 방법{SCRUBBER APPARATUS FOR REDUCING ENERGY WITH HIGH EFFICIENCY AND OPERATING METHOD THEREOF}
실시예는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 실시예는 상변환 열전달 시스템을 이용한 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치이다.
화학 공정이나 반도체나 디스플레이 제조 공정 등에서 배출되는 유해 가스는 유동성, 폭발성 및 부식성이 강하기 때문에 인체에 유해할 뿐만 아니라 그대로 대기 중으로 방출될 경우 환경 오염을 유발하는 원인이 된다.
따라서, 이러한 유해 가스는 유해 성분의 함량을 허용 농도 이하로 낮추는 정화 처리 과정이 반드시 필요하다. 이러한 정화 처리 과정을 통해 독성 물질이 제거된 무해 가스만이 대기 중으로 배출되도록 법적으로 의무화되어 있다.
이러한 유해 가스를 처리하는 스크러버 장치는 버닝 연소(burning combustions) 방식과 습식 스크러빙(wetting scrubbing) 방식이 있다. 버닝 연소 방식은 주로 탄소 또는 수소기 등을 함유한 발화성 가스를 챔버에서 분해, 반응 또는 연소시켜 유해 가스를 처리하는 방식이다. 습식 스크러빙 방식은 주로 수용성 가스를 수조에 저장된 물을 통과시키는 동안 물에 용해하여 유해 가스를 처리하는 방식이다.
한편, 버닝 연소 방식은 플라즈마를 발생시켜, 이 플라즈마를 이용하여 해당 가스를 분해시킨다. 플라즈마를 발생시키기 위해서 수십 kW의 파워를 장시간, 즉 반도체나 디스플레이 제조 라인이 동작되는 동안 지속적으로 공급해야 하므로, 상당한 소비 전력이 요구되는 문제가 있다.
또한, 유해 가스를 처리하는 연소 방식 중 하나로 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 연소 방식이 있으며, 플라즈마 연소 방식에서는 플라즈마를 이용하여 가스를 분해할 수 있다. 그런데 플라즈마를 발생시키기 위해서 수 십 kW의 에너지를 반도체나 디스플레이 제조 라인이 가동되는 동안 장시간 지속적으로 공급해야 하므로 상당한 에너지가 사용되는 문제가 있다.
또한, 반도체나 디스플레이 제조 시설에서는 다수의 장소에 유해 가스 정화 시설이 설치되어 있는 바, 이들 유해 가스 정화 시설들에서 사용되는 전력이 상당하므로, 더욱 더 소비 전력을 줄이기 위한 방안이 절실하다.
아울러, 버닝 연소 방식에서 유해 가스가 플라즈마에 의해 분해되기 위해서 유해 가스의 온도가 예컨대, 적어도 1000℃ 이상으로 상승되어야 한다. 통상 상온의 유해 가스가 챔버로 공급되므로, 챔버에서 유해 가스가 상온에서 1000℃ 이상의 온도로 상승될 때까지 분해 과정이 진행되지 않으므로, 유해 가스 정화 처리 시간이 지연되는 문제가 있다. 따라서, 유해 가스 정화 처리 시간을 단축할 수 있는 방안이 강력히 요구된다.
통상 상온의 유해 가스는 다양한 종류의 독성 화학 물질로 구성되며, 각 물질은 분해가 가능한 특정 온도까지 상승되어야 적절한 분해 과정이 진행되므로, 온도 상승에 필요한 물리적 시간이 필요하게 되고 유해 가스 정화 처리 시간이 지연되는 문제가 있다. 따라서, 유해 가스 정화 처리 시간을 단축하면서도 소비 전력을 줄이기 위한 방안이 강력히 요구되고 있다.
실시예는 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
실시예의 다른 목적은 소비 전력을 상당히 줄일 수 있는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치 및 그 동작 방법을 제공하는 것이다.
또한 실시예의 또 다른 목적은 유해 가스 정화 처리 시간을 단축할 수 있는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치 및 그 동작 방법을 제공하는 것이다.
실시예의 기술적 과제는 본 항목에 기재된 것에 한정되지 않으며, 발명의 설명을 통해 파악될 수 있는 것을 포함한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 실시예의 제1 측면에 따르면, 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치는, 챔버; 상기 챔버의 상측에 설치되고, 제1 온도를 갖는 유해 가스를 유입시키는 유입부; 상기 유입부 주위에 설치되고, 작동 유체의 액화 열을 이용하여 상기 유입부를 지나가는 상기 유해 가스의 온도를 상기 제1 온도에서 제2 온도로 상승시켜 상기 챔버로 전달하는 방열부; 상기 챔버의 상측에 설치되고, 상기 챔버에 플라즈마를 발생시켜 상기 유해 가스의 온도를 상기 제2 온도에서 제3 온도로 상승시키고 상기 유해 가스를 열 분해하는 플라즈마 발생부; 상기 챔버의 하측에 설치되고, 상기 제3 온도를 갖는 열 분해 가스의 열을 이용하여 상기 작동 유체를 기화시켜 상기 작동 유체가 기화 열을 생성하는 흡열부; 상기 흡열부의 하측에 설치되고, 상기 흡열부를 지나가면서 하강한 상기 열 분해 가스의 온도를 제4 온도에서 제5 온도로 급속 냉각시키는 냉각부; 및 상기 급속 냉각된 열 분해 가스를 제거시키는 제거부를 포함한다.
상기 방열부는, 상기 유입부의 둘레를 따라 감기는 제1 튜브를 포함하고, 상기 흡열부에서 전달된 상기 기화된 작동 유체는 상기 감긴 제1 튜브를 지나가면서 상기 유입부를 지나가는 유해 가스에 열을 전달함으로써 액화될 수 있다.
상기 흡열부는, 상기 챔버의 하측의 둘레를 따라 감기는 제2 튜브를 포함하고, 상기 방열부에서 전달된 상기 액화된 작동 유체는 상기 감긴 제2 튜브를 지나가면서 상기 챔버에서 상기 냉각부로 지나가는 열 분해 가스의 열을 전달받음으로써 기화될 수 있다.
상기 방열부와 상기 흡열부 사이에 설치되는 작동유 유로(190)를 포함하고, 상기 방열부, 상기 작동유 유로 및 상기 흡열부에 의해 상기 작동 유체가 순환될 수 있다.
상기 냉각부는, 상기 열 분해 가스가 지나가는 통로를 구비하고, 상기 열 분해 가스를 급속 냉각시키기 위해 냉각수를 상기 통로를 지나가는 상기 열 분해 가스에 분사될 수 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 실시예의 제2 측면에 따르면, 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치의 동작 방법은, 유입부에 의해, 제1 온도를 갖는 유해 가스를 유입하는 단계; 방열부에 의해, 작동 유체의 액화 열을 이용하여 상기 유입부를 지나가는 상기 유해 가스의 온도를 상기 제1 온도에서 제2 온도로 상승시켜 챔버로 전달하는 단계; 플라즈마 발생부에 의해, 상기 챔버에 플라즈마를 발생시켜 상기 유해 가스의 온도를 상기 제2 온도에서 제3 온도로 상승시키고 상기 유해 가스를 열 분해하는 단계; 흡열부에 의해, 상기 제3 온도를 갖는 열 분해 가스의 열을 이용하여 상기 작동 유체를 기화시켜 상기 작동 유체가 기화 열을 생성하는 단계; 냉각부에 의해, 상기 흡열부를 지나가면서 하강한 상기 열 분해 가스의 온도를 제4 온도에서 제5 온도로 급속 냉각시키는 단계; 및 제거부에 의해, 상기 급속 냉각된 열 분해 가스를 제거시키는 단계를 포함한다.
실시예는 유해 가스를 정화 처리하는데 있어서, 소비 전력을 줄일 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 챔버(130)에서 유해 가스는 고온, 예컨대 적어도 1000℃ 이상에서 플라즈마에 의해 열 분해될 수 있다. 이에 따라, 챔버(130)에서 유입부(110)를 통해 챔버(130)로 공급된 유해 가스는 1000℃ 이상의 타겟 온도, 즉 제3 온도(도 6의 T3)로 상승되는 시간이 필요하다. 이러한 상승 시간을 단축하기 위해서는 플라즈마 발생부(120)의 파워를 증가시켜야 하므로 소비 전력이 증가되는 문제가 있으며, 플라즈마 발생부(120)의 정격 특성 상 파워를 증가시키는데 한계가 있다.
실시예에 따르면, 방열부(170), 흡열부(180) 및 방열부(170)와 흡열부(180) 사이에 설치되는 작동유 유로(190)에 의해 상변환 열 전달 시스템이 구성될 수 있다.
예컨대, 방열부(170)가 유입부(110)의 둘레를 따라 설치되고, 흡열부(180)가 챔버(130)의 하측의 둘레를 따라 설치될 수 있다. 이러한 경우, 흡열부(180)는 챔버(130)에서 플라즈마에 의해 유해 가스로부터 열 분해된 열 분해 가스나 부산물의 열을 이용하여 작동 유체를 액상에서 기상으로 상변환할 수 있다. 흡열부(180)에서 기화된 작동 유체는 방열부(170)로 전달될 수 있다. 방열부(170)에서 상기 기화된 작동 유체가 액화되면서 발생된 열, 즉 액화 열이 유입부(110)를 지나가는 유해 가스로 전달되어, 유해 가스의 온도가 제1 온도(도 6의 T1)에서 제2 온도(T2)로 상승되고, 제2 온도(T2)를 갖는 유해 가스가 챔버(130)로 공급될 수 있다. 제2 온도(T2)는 제1 온도(T1)보다 적어도 200℃ 이상 높을 수 있다.
따라서, 챔버(130)에서 유해 가스의 온도가 제1 온도(T1)에서 제3 온도(T3)로 상승시키는 대신 제2 온도(T2)에서 제3 온도(T3)로 상승되므로, 온도 상승 폭이 단축되어 파워를 증가시킬 필요가 없어 소비 전력을 줄일 수 있다.
실시예는 유해 가스 정화 처리 시간을 단축할 수 있다.
챔버(130)로 공급되기 전에 유해 가스의 온도를 챔버(130)에서 열 분해를 위한 온도, 즉 제3 온도(T3)에 근접한 온도, 즉, 제2 온도(T2)로 상승시킴으로써, 챔버(130)에서 제2 온도(T2)에서 제3 온도(T3)으로 상승시키데 걸린 시간이 단축될 수 있고, 이러한 시간 단축으로 인해 실시예에 따른 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치(100)의 전체적인 유해 가스 정화 처리 시간을 단축시킬 수 있다.
특히, 실시예는 유입부(110)를 지나가는 유해 가스의 온도를 높이기 위해 별도의 추가 열원이 필요 없다. 즉, 상변환 열전달 시스템을 이용함으로써, 방열부(170)와 흡열부(180) 사이에서 작동 유체가 순환되고, 흡열부(180)에서 방열부(170)로 지속적으로 전달되는 작동 유체의 기화 잠 열을 이용하여 유입부(110)를 지나가는 유해 가스의 온도를 상승시킬 수 있다. 따라서, 추가 열원이 필요 없어 추가 비용이 들지 않고 구조가 컴팩트한 장점이 있다.
실시예의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 실시예의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 실시예에 따른 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치를 도시한다.
도 2는 실시예의 상변환 열 전달 시스템을 도시한다.
도 3은 실시예의 방열부를 도시한다.
도 4는 실시예의 흡열부를 도시한다.
도 5는 실시예의 냉각부를 도시한 단면도이다.
도 6은 가스나 열 분해 가스의 온도 변화를 도시한다.
도 7은 실시예에 따른 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치의 동작 방법을 설명하는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 '모듈' 및 '부'는 명세서 작성의 용이함이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것이며, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것은 아니다. 또한, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 '상(on)'에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 다른 중간 요소가 존재할 수도 있는 것을 포함한다.
일반적으로, 챔버에서 유해 가스를 잘 분해할수록 상기 분해된 가스의 제거가 용이하다. 챔버에서 유해 가스가 분해되는 정도로서, DRE(Destruction　Removal Efficiency)이 사용된다. 예컨대, 반도체 제조 공정에서 요구되는 DRE는 적어도 95% 이상이 요구된다.
통상 유해 가스의 온도를 높일수록 DRE가 증가되고, DRE를 증가시키기 위해서는 RF 파워가 증가되어야 한다. 하지만, RF 파워를 증가시키는 데에는 한계가 있으며, 또한 높은 RF 파워를 사용하는 경우 소비 전력이 증가되는 문제가 있다.
예컨대, 30℃ 정도의 유해 가스를 적어도 1000℃ 이상의 온도로 높이기 위해서는 수십 kW의 RF 파워가 필요하므로, 상당한 소비 전력이 사용된다. 이러한 문제를 해소하기 위해, 실시예는 사불화탄소(CF4) 등과 같은 유해 가스나 플라즈마 공급 가스가 유입부를 통해 챔버로 유입되기 전에 유입부에서 해당 유해 가스나 플라즈마 공급 가스의 온도를 상승시켜, 상기 상승된 온도와 챔버의 타겟 온도 간의 차이를 줄일 수 있다.
따라서, 챔버에서 유해 가스나 플라즈마 공급 가스의 온도를 타겟 온도로 상승시키기데 걸리는 시간을 단축할 수 있다. 또한, 상기 상승된 온도와 챔버의 타겟 온도 간의 차이가 줄어듦으로써, 보다 낮은 RF 파워를 공급하더라도 더 신속히 유해 가스나 플라즈마 공급 가스의 온도를 타겟 온도로 상승시킬 수 있고 소비 전력을 줄일 수 있는 기술적 효과가 있다.
한편, 챔버 내로 전달되어 플라즈마에 의해 분해된 가스, 즉 열 분해 가스의 온도 또한 상당히 고온이고, 이 열 분해 가스는 냉각 과정을 거쳐 제거될 수 있다. 이때, 열 분해 가스의 고온에 의한 열은 그대로 버려지고 있다.
실시예에서는 유입부에서 유해 가스나 플라즈마 공급 가스의 온도를 상승시키기 위해 별도의 열원을 사용하지 않고, 챔버 내에서 생성된 열 분해 가스의 열을 버리지 않고 그 열에 기반한 상변환 열 전달 시스템을 이용함으로써, 추가 비용을 증가시키지 않고 구조가 컴팩트한 특유의 장점을 가질 수 있다.
이하 관련 도면들을 참조하여 실시예에 따른 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치를 상세히 설명한다. 실시예에 따른 “상변환 열전달 시스템을 이용한 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치”는 이하 “고효율 에너지 저감형 스크러버 장치”로 간략히 칭하기로 한다.
도 1은 실시예에 따른 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치를 도시한다. 이하의 설명에서 온도는 도 6을 참조하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치(100)는 챔버(130), 유입부(110), 플라즈마 발생부(120), 냉각부(140) 및 제거부(160), 방열부(170) 및 흡열부(180)를 포함할 수 있다. 이보다 더 많은 구성 요소들이 포함될 수도 있다.
챔버(130)는 플라즈마 챔버, 연소 탱크, 연소실 등으로 불릴 수 있다. 플라즈마 발생부(120)는 플라즈마 토치, 아크 발생부, 아크 방전부 등으로 불릴 수 있다. 제거부(160)는 타워로 불릴 수 있다. 실시예의 제거부(160)는 냉각수를 이용하여 이물질, 즉 유해 가스, 열 분해 가스, 부산물 등을 제거하므로, 습식 타워로 불릴 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
챔버(130)는 플라즈마가 발생되는 공간일 수 있다. 챔버(130)는 플라즈마를 이용하여 열 분해 공정을 수행할 수 있다. 즉, 유해 가스가 플라즈마의 라디칼(radical)과 반응하여 열 분해될 수 있다. 플라즈마의 발생을 위해 유입부(110)를 통해 챔버(130)에 플라즈마 공급 가스가 유입될 수 있다. 플라즈마 공급 가스는 아르곤(Ar) 및/또는 질소(N2)와 같은 불활성 가스일 수 있다. 유해 가스는 예컨대, 이산화탄소(CO2), 사불화탄소(CF4), 탄화수소(CH4), 모노실란(SiH4), 불화수소(HF), 황화수소(H2S), 사염화탄소(CCl4) 등이 있지만, 이에 해대서는 한정하지 않는다.
다양한 종류의 유해 가스가 챔버(130) 내로 유입될 수 있다. 챔버에서의 타겟 온도는 다양한 유해 가스를 고려하여 설정될 수 있다. 예컨대, 다양한 유해 가스 중에서 열 분해가 가장 난해한 유해 가스를 열 분해할 수 있는 온도가 타겟 온도로 설정될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
챔버(130)의 타겟 온도는 예컨대, 적어도 1000℃ 이상일 수 있다. 챔버(130) 내에 타겟 온도를 유지하기 위해 챔버(130)의 둘레를 따라 단열재(미도시)가 설치될 수 있다. 단열재는 챔버(130) 내의 열 손실을 최소화하므로, 챔버(130)가 타겟 온도로 유지될 수 있다. 챔버(130)가 타겟 온도로 유지되므로, 챔버(130) 내로 유입된 유해 가스는 타겟 온도로 상승되며, 이와 같이 상승된 타겟 온도나 그 근처의 온도에서 다양한 종류의 유해 가스가 열 분해될 수 있다.
유입부(110)는 챔버(130)의 상측에 설치될 수 있다. 예컨대, 유입부(110)는 복수의 유입 배관(111)을 포함할 수 있다. 복수의 유입 배관(111)은 플라즈마 발생부(120)의 둘레를 따라 설치될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 예컨대, 복수의 유입 배관(111)은 챔버(130)의 상측의 가장자리에 설치될 수 있다.
복수의 유입 배관(111) 각각은 서로 상이한 종류의 유해 가스와 플라즈마 공급 가스가 유입되는 통로일 수 있다. 예컨대, 제1 유입 배관을 통해 플라즈마 공급 가스가 유입되고, 제2 유입 배관을 통해 사불화탄소(CF4)가 유입되고, 제3 유입 배관을 통해 이산화탄소(CO2)가 유입될 수 있다. 따라서, 복수의 유입 배관(111)을 통해 플라즈마 공급 가스나 서로 상이한 종류의 유해 가스가 유입될 수 있다.
도면에는 복수의 유입 배관(111)이 도시되고 있지만, 복수의 통로가 구비된 단일 유입 배관(111)이 구비될 수 있다. 단일 유입 배관(111)의 복수의 통로를 통해 서로 상이한 종류의 유해 가스나 플라즈마 공급 가스가 유입될 수도 있다.
플라즈마 발생부(120)는 챔버(130)의 상측에 설치될 수 있다. 플라즈마 발생부(120)는 챔버(130)에 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 즉, 플라즈마 발생부(120)는 RF 전원일 수 있다. 플라즈마 발생부(120)에 의해 소정의 RF 파워가 챔버(130)에 공급되어 챔버(130)에 플라즈가 발생될 수 있다.
플라즈마의 발생을 위해 챔버(130)는 소정의 압력으로 진공 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 플라즈마 공급 가스가 유입부(110)를 통해 챔버(130)에 공급될 수 있다. 챔버(130)에서 플라즈마 고급 가스에 플라즈마 발생부(120)에서 공급된 파워에 의해 플라즈마 공급 가스가 이온화됨으로써, 챔버(130)에 플라즈마가 형성될 수 있다.
한편, 유입부(110)를 통해 유해 가스가 챔버(130)에 공급될 수 있다. 챔버(130)에 공급된 유해 가스는 플라즈마에 의해 온도가 증가될 수 있다. 예컨대, 플라즈마에 의해 유해 가스의 온도는 제1 온도(T1)에서 제3 온도(T3)로 상승될 수 있다. 예컨대, 제1 온도(T1)는 상온이고, 제3 온도(T3)는 적어도 1000℃ 이상일 수 있다. 예컨대, 제3 온도(T3)는 타겟 온도로서, 유해 가스가 플라즈마에 의해 열 분해되기 위한 온도일 수 있다.
따라서, 챔버(130)로 공급된 유해 가스는 곧바로 열 분해되지 못하고 제1 온도(T1)에서 제3 온도(T3)로 상승된 후 열 분해가 이루어질 수 있다. 유해 가스의 온도를 좀더 신속히 상승시키기 위해서는 플라즈마 발생부(120)의 파워를 더 높여야 하지만, 파워를 더 높이는데 한계가 있고 파워를 더 높이는 경우 소비 전력이 증가되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해소하기 위해, 실시예는 유해 가스가 챔버(130)로 공급되기 전에 미리 적정 온도, 예컨대, 제2 온도(T2)로 상승시킬 수 있다. 제2 온도(T2)는 챔버(130)의 제3 온도(T3)에 보다 근접한 온도일 수 있다. 이와 같이, 유해 가스의 온도가 제2 온도(T2)로 상승된 상태로 챔버(130)에 공급됨으로써, 챔버(130)에서 유해 가스의 온도가 제2 온도(T2)에서 제3 온도(T3)로 보다 신속히 상승될 수 있어, 파워를 낮춰 소비 전력을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 유해 가스의 신속한 열 분해가 가능하여 유해 가스 정화 처리 시간을 획기적으로 단축할 수 있는 특유의 장점을 가질 수 있다.
챔버(130)로 공급된 유해 가스의 온도가 챔버(130)의 타겟 온도, 즉 제3 온도(T3)가 되는 경우, 열 분해가 이루어져, 열 분해 가스나 부산물이 생성될 수 있다.
예컨대, 챔버(130)에 산소가 없을 때에는 SiH4는 Si와 H2로 열 분해될 수 있다. 예컨대, 챔버(130)에 산소가 있을 때에는 SiH4는 SiO2와 H2O로 산화될 수 있고, N2는 2NO로 산화될 수 있다.
열 분해 가스는 제3 온도(T3)로서, 적어도 1000℃ 이상의 온도일 수 있다. 이와 같이 매우 높은 온도로 인해, 열 분해 가스나 부산물은 제거부(160)에서 냉각하기가 용이하지 않고, 설사 제거부(160)에서 열 분해 가스나 부산물이 냉각되더라도 더욱 많은 냉각수가 필요하여 물 자원 낭비를 초래할 수 있다. 아울러, 매우 높은 온도를 갖는 열 분해 가스가 후 처리 공정, 즉 열 분해 가스나 부산물을 제거하는 공정에서 냉각되는 경우, 고온으로 인해 열 분해 가스나 부산물이 냉각수와의 접촉에 의해 또 다른 유해 가스가 다량 발생될 수 있다. 이와 같이 발생된 다량 유해 가스는 후 처리 공정에서 제거되지 않은 채 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 후 처리 공정 이전에 고온의 열 분해 가스나 부산물을 급속 냉각시키는 것이 매우 중요하다.
실시예의 냉각부(140)는 고온의 열 분해 가스나 부산물을 급속 냉각시킬 수 있다.
냉각부(140)는 챔버(130)의 하측에 설치될 수 있다. 냉각부(140)는 챔버(130)에서 하부 방향으로 이동되는 열 분해 가스나 부산물을 급속하게 냉각시켜 제3 온도(T3)에서 제5 온도(T5)로 낮출 수 있다. 예컨대, 제5 온도(T5)는 상온이나 이보다 큰 온도로서, 예컨대 20℃ 내지 50℃일 수 있다.
나중에 설명하겠지만, 챔버(130)의 하측에 설치된 흡열부(180)에 의해 챔버(130)에서 하부 방향으로 이동되는 열 분해 가스나 부산물은 제3 온도(T3)에서 제4 온도(T4)로 낮아질 수 있다. 예컨대, 제4 온도(T4)는 600℃ 내지 800℃일 수 있다. 챔버(130)에서 냉각부(140)로 이동하는 열 분해 가스나 부산물의 열이 흡열부(180)의 작동 유체로 전달됨으로써, 열 분해 가스나 부산물은 제3 온도(T3)에서 제4 온도(T4)로 낮아질 수 있다. 이에 따라, 냉각부(140)는 흡열부(180)를 경유한 분해 가스나 부산물의 제4 온도(T4)를 제5 온도(T5)로 급속 냉각시킬 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 냉각부(140)는 원통 형상을 가질 수 있다. 냉각부(140)는 제1 영역(140a)과 제1 영역(140a)을 둘러싸는 제2 영역(140b)을 가질 수 있다. 제1 영역(140a)은 챔버(130)의 열 분해 가스나 부산물이 지나가는 통로(145)일 수 있다.
제2 영역(140b)은 냉각수를 수용할 수 있는 수용 공간(143)을 포함할 수 있다. 수용 공간(143)은 제1 영역(140a)의 둘레를 따라 마련된 몸체(141)에 의해 둘러싸일 수 있다. 즉, 몸체(141) 내에 수용 공간(143)이 형성될 수 있다.
수용 공간(143)과 통로(145)는 복수의 개구(142)를 통해 서로 연통될 수 있다. 여기서, 연통이라 함은 수용 공간(143)과 통로(145)가 공간적으로 연결됨을 의미할 수 있다. 수용 공간(143)에 수용된 냉각수는 통로(145)의 중심을 향해 분사될 수 있다.
도 5에서, 화살표(300)는 열 분해 가스의 진행 방향을 나타낼 수 있다. 해당 화살표(300)의 표시와 같이, 열 분해 가스나 부산물이 수용 공간(143)에 수용된 냉각수에 의해 급속 냉각될 수 있다. 즉, 열 분해 가스나 부산물이 챔버(130)에서 냉각부(140)의 통로(145)를 따라 지나가면서, 냉각부(140)의 수용 공간(140)에서 개구(142)를 통해 통로(145)의 중심을 향해 분사되는 냉각수에 의해 급속 냉각될 수 있다.
예컨대, 열 분해 가스나 부산물이 화살표(300)의 방향, 즉 냉각부(140)의 상측에서 하측으로 통로(145)를 따라 지나가면서, 지속적으로 냉각부(140)의 수용 공간(140)에서 분사된 냉각수를 맞음으로써, 열 분해 가스나 부산물의 온도가 제4 온도(T4)에서 제5 온도(T5)로 급속히 냉각될 수 있다. 예컨대, 제5 온도(T5)는 제4 온도(T4)보다 적어도 550℃ 이상 낮게 급속 냉각될 수 있다.
제거부(160)는 열 분해 가스나 부산물을 제거할 수 있다. 제거부(160) 내부를 열 분해 가스나 부산물이 지나갈 때 냉각수가 열 분해 가스나 부산물을 향해 분사될 수 있다. 이에 따라, 열 분해 가스나 부산물이 냉각수에 의해 제거부(160)의 하측에 침지되고, 이와 같이 침지된 열 분해 가스나 부산물이 별도의 공정을 통해 제거될 수 있다.
한편, 제거부(160)의 상측으로 배출구(미도시)가 구비되고, 이 배출구를 통해 정화된 가스, 즉 클린 가스가 대기 중으로 배출될 수 있다. 예컨대, 실시예의 제거부(160)는 NOx 배출량을 50ppm 이하로 관리하고, 파우더 배출량을 100mg/cm3로 관리할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
한편, 실시예에 따른 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치(100)는 냉각수를 수용하는 워터 탱크(150)를 포함할 수 있다.
워터 탱크(150)는 냉각부(140)와 체결되어 냉각부(140)를 경유한 열 분해 가스나 부산물이 물에 접촉되도록 하여, 열 분해 가스나 부산물에 포함되어 있는 수용성 유해 가스를 제거할 수 있다.
워터 탱크(150)의 냉각수는 냉각부(140) 및/또는 제거부(160)에 이용될 수 있다. 예컨대, 냉각부(140)에서 열 분해 가스나 부산물에 분사되는 냉각수는 워터 탱크(150)의 냉각수일 수 있다. 예컨대, 제거부(160)에서 열 분해 가스나 부산물에 분사되는 냉각수는 워터 탱크(150)의 냉각수일 수 있다. 수용성 유해 가스를 제거하는데 사용된 냉각수를 냉각부(140)나 제거부(160)의 냉각수로 사용하기 위해, 워터 탱크(150)의 냉각수가 적어도 1회 이상 필터링될 수 있다.
실시예에 따른 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치(100)는 냉각수를 수용하는 제2 워터 탱크(미도시)를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 워터 탱크(150)의 냉각수는 냉각부(140) 및 제거부(160)의 냉각수로 사용되고, 제2 워터 탱크의 냉각수는 수용성 유해 가스를 제거하기 위해 사용될 수 있다.
한편, 실시예는 도 2에 도시한 바와 같이, 방열부(170), 흡열부(180) 및 방열부(170) 및 흡열부(180) 사이에 설치된 작동유 유로(190)에 의해 상변환 열 전달 시스템이 구성될 수 있다. 이에 따라, 상변환 열 전달 시스템에 의해 작동 유체가 방열부(170) 및 흡열부(180) 사이에서 지속적으로 순환될 수 있다. 즉, 챔버(130)에서 플라즈마에 의해 유해 가스가 열 분해되어, 고온의 열을 갖고 있는 열 분해 가스나 부산물이 생성되는 동안, 이 열 분해 가스나 부산물의 열을 에너지원으로 하여 흡열부(180)의 기화 과정과 방열부(170)의 액화 과정이 반복적으로 수행될 수 있다.
예컨대, 흡열부(180)의 작동 유체는 챔버(130)에서 플라즈마에 의해 열 분해된 열 분해 가스나 부산물의 열에 의해 액상에서 기상으로 상변환될 수 있다. 흡열부(180)에서 기화된 작동 유체는 작동유 유로(190)를 통해 방열부(170)로 전달될 수 있다. 방열부(170)에서 작동 유체에서 기상에서 액상으로 변하면서 발생된 열, 즉 액화 열은 유입부(110)를 지나가는 유해 가스에 전달되어, 유해 가스의 온도가 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)로 상승될 수 있다. 방열부(170)에서 액화된 작동 유체는 작동유 유로(190)를 통해 흡열부(180)로 전달될 수 있다.
실시예는 플라즈마에 의해 생성된 열 분해 가스나 부산물의 열을 에너지원으로 하여 작동 유체를 매개체로 하여 유입부(110)를 지나가는 유해 가스의 온도를 챔버(130)의 타겟 온도, 즉 제3 온도(T3)에 근접한 온도, 즉 제2 온도(T2)로 상승시킴으로써, 챔버(130)에서 유해 가스의 온도가 제1 온도(T1)가 아닌 제2 온도(T2)에서 제3 온도(T3)로 상승되면 족하므로 플라즈마 발생부(120)의 파워를 낮춰 소비 전력을 줄일 수 있다. 또한, 가용 범위 내에서 플라즈마 발생부(120)의 파워를 좀 더 높이면 유해 가스의 온도를 제2 온도(T2)에서 제3 온도(T3)로 보다 신속히 상승시킬 수 있어 유해 가스 정화 처리 시간을 단축할 수 있다. 아울러, 플라즈마 발생부(120)의 파워를 좀 더 높이지 않더라도, 유해 가스의 온도가 제1 온도(T1)가 아닌 제1 온도(T1)보다 높은 제2 온도(T2)인 상태로 챔버(130)로 공급되므로, 챔버(130)에서 유해 가스의 온도를 제3 온도(T3)로 상승시키는데 걸리는 시간을 줄일 수 있어, 종전에 비해 유해 가스 정화 처리 시간을 획기적으로 단축할 수 있다.
특히, 실시예는 챔버(130) 내에서 생성된 열 분해 가스의 열을 버리지 않고 그 열에 기반한 상변환 열 전달 시스템을 이용하여 유해 가스가 챔버(130)로 공급하기 전에 유입부(110)를 지나가는 유해 가스의 온도를 상승하여 줌으로써, 별도의 열원, 예컨대 히터가 구비될 필요가 없어, 추가 비용을 증가시키지 않고, 구조가 컴팩트한 장점을 가질 수 있다.
방열부(170)는 유입부(110)의 주위에 설치될 수 있다. 방열부(170)는 유입부(110)에 열을 전달하여 유입부(110)를 지나가는 유해 가스나 플라즈마 공급 가스의 온도를 상승시키는 부재일 수 있다. 예컨대, 방열부(170)는 작동 유체의 기화 잠 열을 이용하여 유입부(110)를 지나가는 플라즈마 공급 가스 및 유해 가스의 온도를 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)로 상승시킬 수 있다. 제2 온도(T2)는 챔버(130)의 타겟 온도, 즉 제3 온도(T3)에 근접한 온도일 수 있다. 예컨대, 제1 온도(T1)는 상온이고, 예컨대, 제2 온도(T2)는 적어도 250℃ 이상일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 예컨대, 제2 온도(T2)는 제1 온도(T1)보다 적어도 200℃ 이상 높을 수 있다.
작동 유체는 휘발성 액체로서, 예컨대 물, 에탄올 등 액체 이거나 혼합 작동 유체를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
한편, 방열부(170)의 작동 유체는 흡열부(180)에서 전달된 것으로서, 흡열부(180)에서 작동 유체가 기화된 후 잠열을 포함한 상태에서 방열부(170)로 전달될 수 있다. 방열부(170)로 전달된 작동 유체에서 기상에서 액상으로 변하면서 발생된 열, 즉 액화 열이 유입부(110)를 지나가는 유해 가스나 플라즈마 공급 가스에 전달되어, 유해 가스나 플라즈마 공급 가스의 온도가 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)로 상승될 수 있다.
그런데 유해 가스는 유입부(110)를 순식간에 통과함에 따라 유해 가스의 온도를 상승시키기 것에 대해 내부적으로 기술적 이슈가 있었다.
이에 이건 출원의 발명자들은 잠열 포함한 기화된 작동 유체가 유해 가스를 효율적으로 가열하기 위해 작동 유체의 액화 열이 유입부(110)를 지나가는 유해 가스에 장시간 노출되도록 하여 유입부(110)를 지나가는 유해 가스나 플라즈마 공급 가스의 온도 상승 폭을 커질 수 있는 기술적 효과가 있다.
이를 이해, 방열부(170)는 도 3에 도시한 바와 같이, 유입부(110)의 둘레를 따라 감기는 제1 튜브(173)을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 튜브(173)는 나선형 구조를 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제1 튜브(173)가 나선형으로 감긴 형태를 가짐으로써, 제1 튜브(173)의 길이를 최대로 길게 형성하여, 제1 튜브(173)를 지나가는 작동 유체의 액화 열이 장시간 유입부(110)를 지나가는 유해 가스에 노출되므로, 해당 유해 가스의 온도를 더 높이 상승시킬 수 있다.
예컨대, 흡열부(180)에서 기화되어 전달된 작동 유체는 유입부(110)의 둘레를 따라 감긴 방열부(170)의 제1 튜브(173)를 지나가면서 유입부(110)를 지나가는 유해 가스에 열을 전달함으로써, 작동 유체가 기상에서 액상으로 상변환될 수 있다.
따라서, 방열부(170) 및 유입부(110)(또는 유입부(110)의 유입 배관(111) 각각)에 의해 제1 열 교환기(171)가 구성될 수 있다.
제1 튜브(173)는 나선형 방향을 따라 유입부(110)의 내부 통로에 접할 수 있다. 즉, 유입부(110)의 복수의 유입 배관(111) 각각의 둘레를 따라 제1 튜브(173)가 설치되는 경우, 유입부(110)의 복수의 유입 배관(111) 각각은 제1 튜브(173)의 나선형 구조에 상응하도록 개구(미도시)가 형성될 수 있다. 이 개수를 따라 제1 튜브(173)가 설치됨으로써, 제1 튜브(173)가 유입부(110)의 복수의 유입 배관(111) 각각의 내부 통로에 노출될 수 있다. 개구에서 제1 튜브(173)는 유입부(110)의 복수의 유입 배관(111) 각각과 실링되어, 유입부(110)의 복수의 유입 배관(111) 각각을 지나가는 유해 가스나 플라즈마 공급 가스가 개구를 통해 외부로 새지 않도록 할 수 있다. 이와 같이, 제1 튜브(173)와 유입부(110)의 복수의 유입 배관(111) 각각의 내부 통로와 접하므로, 제1 튜브(173)를 따라 지나가는 작동 유체가 기상에서 액상으로 변화면서 발생된 열, 즉 액화 열이 유해 가스에 직접적으로 전달되어, 유해 가스의 신속한 온도 상승을 유도할 수 있다.
다음으로 도 4를 참조하면, 흡열부(180)는 챔버(130)에서 생성되어 하부 방향으로 이동되는 열 분해 가스나 부산물의 열을 전달받아, 작동 유체를 액상에서 기상으로 상변환시키는 부재일 수 있다.
챔버(130)와 냉각부(140)가 체결되어, 챔버(130)에서 생성된 열 분해 가스나 부산물은 냉각부(140)로 이동되어 냉각부(140)에 의해 열 분해 가스나 부산물이 급속 냉각될 수 있다.
흡열부(180)는 챔버(130)의 하측에 설치될 수 있다. 흡열부(180)는 챔버(130)의 하측과 냉각부(140)의 상측의 경계 영역에 설치될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 예컨대, 흡열부(180)의 일부는 챔버(130)의 하측에 설치되고 흡열부(180)의 다른 일부는 냉각부(140)의 상측에 설치될 수 있다. 챔버(130)의 하측과 냉각부(140)의 상측은 실링될 수 있다.
흡열부(180)에서 작동 유체의 기상으로의 상변환은 열 분해 가스나 부산물이 고온의 열을 가지고 있기 때문에 가능하다. 예컨대, 열 분해 가스나 부산물의 온도는 제3 온도(T3)로서 적어도 1000℃ 이상의 온도일 수 있다. 1000℃ 이상의 온도를 갖는 열 분해 가스나 부산물에 의해 상당한 열이 방출될 수 있다. 따라서, 챔버(130)에서 생성되어 냉각부(140)로 이동되는 열 분해 가스나 부산물을 열원으로 이용하여, 이 열 분해 가스나 부산물의 열에 의해 흡열부(180) 내의 작동 유체가 액상에서 기상으로 상변환될 수 있다.
이와 같이 기상으로 상변환된 작동 유체는 매우 높은 기화 열을 생성할 수 있고, 기화 열을 갖는 작동 유체가 흡열부(180)에서 방열부(170)로 전달될 수 있다.
한편, 흡열부(180)의 작동 유체는 방열부(170)에서 전달된 것으로서, 방열부(170)에서 작동 유체가 액화된 후 흡열부(180)로 전달될 수 있다. 챔버(130)에서 생성된 열 분해 가스나 부산물의 열에 의해 흡열부(180)의 작동 유체가 기화될 수 있다.
한편, 열 분해 가스나 부산물을 열원으로 이용하여 작동 유체를 액상에서 기상으로 완벽히 상변환 시키는 것에 대해 내부적으로 기술적 이슈가 있었다.
이에 이건 출원의 발명자들은 작동 유체가 완전하게 기화되기 위해서는 흡열부(180)를 지나가는 작동 유체의 이동 경로를 최대한 길게 설계하였다.
이를 이해, 흡열부(180)는 도 4에 도시한 바와 같이, 챔버(130)의 하측의 둘레를 따라 감기는 제2 튜브(183)을 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 튜브(183)는 나선형 구조를 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제2 튜브(183)가 나선형으로 감긴 형태를 가짐으로써, 제2 튜브(183)의 길이를 최대로 길게 형성하여, 작동 유체가 장시간 동안 제2 튜브(183)를 지나가는 동안 챔버(130) 하측을 지나가는 열 분해 가스나 부산물에 노출되므로, 열 분해 가스나 부산물의 열이 제2 튜브(183)를 지나가는 작동 유체에 전달되는 시간이 늘어나 작동 유체가 완전하게 액상에서 기상으로 상변환될 수 있다.
예컨대, 방열부(170)에서 액화되어 전달된 작동 유체는 챔버(130)의 하측의 둘레를 따라 감긴 흡열부(180)의 제2 튜브(183)를 지나가면서 챔버(130)의 하측의 내부 통로를 지나갈 수 있다. 챔버(130)에서 생성된 열 분해 가스나 부산물은 냉각을 위해 챔버(130)의 하측을 통해 냉각부(140)로 이동될 수 있다. 열 분해 가스나 부산물이 챔버(130)의 하측의 내부 통로를 지나갈 때, 열 분해 가스나 부산물의 열이 나선형으로 감긴 제2 튜브(183)를 지나가는 작동 유체에 전달되어, 작동 유체가 액상에서 기상으로 상변환될 수 있다.
따라서, 흡열부(180) 및 챔버(130)에 의해 제2 열 교환기(181)가 구성될 수 있다.
제2 튜브(183)는 나선형 방향을 따라 챔버(130)의 하측의 내부 통로에 접할 수 있다. 즉, 챔버(130)의 하측의 둘레를 따라 제2 튜브(183)가 설치되는 경우, 챔버(130)의 하측은 제2 튜브(183)의 나선형 구조에 상응하도록 개구(미도시)가 형성될 수 있다. 이 개구를 따라 제2 튜브(183)가 설치됨으로써, 제2 튜브(183)가 챔버(130)의 하측의 내부 통로에 노출될 수 있다. 개구에서 제2 튜브(183)는 챔버(130)와 실링되어, 챔버(130)의 하측의 내부 통로를 지나가는 유해 가스나 플라즈마 공급 가스가 개구를 통해 외부로 새지 않도록 할 수 있다. 이와 같이, 제2 튜브(183)와 챔버(130)의 하측의 내부 통로와 접하므로, 챔버(130)의 하측의 내부 통로를 지나가는 열 분해 가스나 부산물의 열이 나선형 구조의 제2 튜브(183)를 지나가는 작동 유체에 직접적으로 전달되어, 제2 튜브(183)를 지나가는 작동 유체가 신속히 액상에서 기상으로 상변환될 수 있다.
작동유 유로(190)는 작동 유체를 방열부(170)에서 흡열부(180)로 또는 흡열부(180)에서 방열부(170)로 전달하는 부재일 수 있다. 작동유 유로(190)는 제1 통로(191) 및 제2 통로(192)를 포함할 수 있다. 제1 통로(191)는 중심에 배치되고, 제2 통로(192)는 제1 통로(191)를 둘러싸도록 배치될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 제1 통로(191)는 상기 기화된 작동 유체를 흡열부(180)에서 방열부(170)로 전달하여 주고, 제2 통로(192)는 상기 액화된 작동 유체를 방열부(170)에서 흡열부(180)로 전달하여 줄 수 있다.
한편, 방열부(170), 흡열부(180) 및/또는 작동유 유로(190)는 열 전달 효율이 우수한 재질, 예컨대 구리, 스테인리스 강, 세라믹스, 텅스텐 등으로 이루어질 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치의 동작 방법을 설명하는 순서도이다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 유입부(110)에 의해 제1 온도(T1)를 갖는 유해 가스를 유입할 수 있다(S210). 유입부(110)는 복수의 유입 배관(111)을 포함할 수 있다. 복수의 유입 배관(111)을 통해 서로 다른 종류의 유해 가스나 플라즈마 공급 가스가 유입될 수 있다.
방열부(170)에 의해 작동 유체에서 기상에서 액상으로 변화면서 발생된 열, 즉 액화 열을 이용하여 유입부(110)를 지나가는 유해 가스의 온도를 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)로 상승시켜 챔버(130)로 전달할 수 있다(S220).
방열부(170)는 흡열부(180)와 함께 상변환 열 전달 시스템을 구성하는 것으로서, 방열부(170)의 작동 유체는 기상에서 액상으로 상변환되고, 흡열부(180)의 작동 유체는 액상에서 기상으로 상변환될 수 있다. 방열부(170)에서 액화된 작동 유체는 흡열부(180)로 전달되고, 흡열부(180)에서 기화된 작동 유체는 방열부(170)로 전달될 수 있다.
방열부(170)의 작동 유체가 기상에서 액상으로 변화면서 발생된 열, 즉 액화 열이 유입부(110)를 지나가는 유해 가스에 전달됨으로써, 유해 가스의 온도가 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)로 상승될 수 있다.
이와 같이, 유해 가스가 챔버(130)로 공급되기 전에 미리 챔버(130)의 타겟 온도, 즉 제3 온도(T3)와 근접한 제2 온도(T2)로 상승됨으로써, 챔버(130)에서 유해 가스의 온도를 타겟 온도로 상승시키기 위해 파워를 높일 필요가 없어 소비 전력을 줄일 수 있다. 또한, 챔버(130)에서 유해 가스의 온도를 제1 온도(T1)에서 제3 온도(T3)로 상승시키는 것보다 제2 온도(T2)에서 제3 온도(T3)로 상승시키는 것이 더욱 빠르므로, 실시예의 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치(100)에서의 전체적인 유해 가스 정화 처리 시간을 단축할 수 있다. 특히, 상변환 열 전달 시스템을 이용하여 유입부(110)를 지나가는 유해 가스의 온도를 상승시킬 수 있어, 별도의 열원, 즉 히터가 구비될 필요가 없어 추가 비용을 증가시키지 않고, 구조가 단순할 수 있다.
플라즈마 발생부(120)에 의해 챔버(130)에 플라즈마를 발생시켜 유해 가스의 온도를 제2 온도(T2)에서 제3 온도(T3)로 상승시키고 유해 가스를 열 분해할 수 있다(S(230).
플라즈마 발생부(120)에 의해 생성된 플라즈마에 의해 유해 가스가 열 분해 되어, 열 분해 가스와 부산물이 생성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 챔버(130)로 공급된 유해 가스는 유입부(110)에 의해 미리 제2 온도(T2)로 상승된 상태이므로, 챔버(130)에서 제2 온도(T2)에서 제3 온도(T3)로 신속히 상승될 수 있다.
챔버(130)에서 생성된 열 분해 가스나 부산물은 냉각부(140)로 이동될 수 있다.
챔버(130)의 하측에 흡열부(180)가 설치될 수 있다. 따라서, 흡열부(180)에 의해 챔버(130)에서 냉각부(140)로 이동되는 열 분해 가스나 부산물의 온도가 제3 온도(T3)에서 제4 온도(T4)로 낮아질 수 있다. 즉, 제3 온도(T3)를 갖는 열 분해 가스나 부산물의 열이 흡열부(180)의 작동 유체로 전달되어, 흡열부(180)의 작동 유체가 액상에서 기상으로 상변환될 수 있다(S240). 흡열부(180)의 작동 유체를 기상으로 상변환하기 위해 열 분해 가스나 부산물의 열이 전달되어, 열 분해 가스나 부산물의 열 손실로 인해 냉각부(140)로 유입되기 직전의 열 분해 가스나 부산물의 온도는 제3 온도(T3)에서 제4 온도(T4)로 낮아질 수 있다.
흡열부(180)에서 기화된 작동 유체는 방열부(170)로 이동되어, 유입부(110)를 지나가는 유해 가스의 온도를 상승시키는데 사용될 수 있다.
냉각부(140)에 의해 흡열부(180)를 지나면서 하강한 열 분해 가스의 온도를 제4 온도(T4)에서 제5 온도(T5)로 급속 냉각시킬 수 있다(S250).
상술한 바와 같이, 열 분해 가스나 부산물이 챔버(130)에서 생성되어 흡열부(180)에 대응하는 챔버(130)의 하측의 내부 통로를 지나면서, 열 분해 가스나 부산물의 열이 흡열부(180)의 작동 유체에 전달됨으로써, 열 분해 가스나 부산물의 온도가 제3 온도(T3)에서 제4 온도(T4)로 낮아질 수 있다.
이와 같이 낮아지더라도, 제4 온도(T4)는 여전이 매우 높은 온도로서 더 낮아질 필요가 있다. 이에 따라, 냉각부(140)는 열 분해 가스나 부산물의 온도를 제4 온도(T4)에서 제5 온도(T5)로 급속 냉각시킬 수 있다. 제거부(160)에 의해 냉각부(140)에 의해 급속 냉각된 열 분해 가스나 부산물을 제거할 수 있다 (S260).
이상과 같이 실시예에 따른 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치(100)의 동작 방법을 수행함으로써, 소비 전력을 줄이고 유해 가스 정화 처리 시간을 단축할 수 있다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 실시예의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 실시예의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 실시예의 범위에 포함된다.
100: 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치
110: 유입부
111: 유입 배관
120: 플라즈마 발생부
130: 챔버
140: 냉각부
140a: 제1 영역
140b: 제2 영역
141: 몸체
142: 개구
143: 수용 공간
145: 통로
150: 워터 탱크
160: 제거부
170: 방열부
171: 제1 열 교환기
173: 제1 튜브
180: 흡열부
181: 제2 열 교환기
183: 제2 튜브
190: 작동유 유로
191: 제1 통로
192: 제2 통로
300: 열 분해 가스의 진행 방향
T1 내지 T5: 온도

Claims (19)

  1. 챔버;
    상기 챔버의 상측에 설치되고, 제1 온도를 갖는 유해 가스를 유입시키는 유입부;
    상기 유입부 주위에 설치되고, 작동 유체의 액화 열을 이용하여 상기 유입부를 지나가는 상기 유해 가스의 온도를 상기 제1 온도에서 제2 온도로 상승시켜 상기 챔버로 전달하는 방열부;
    상기 챔버의 상측에 설치되고, 상기 챔버에 플라즈마를 발생시켜 상기 유해 가스의 온도를 상기 제2 온도에서 제3 온도로 상승시키고 상기 유해 가스를 열 분해하는 플라즈마 발생부;
    상기 챔버의 하측에 설치되고, 상기 제3 온도를 갖는 열 분해 가스의 열을 이용하여 상기 작동 유체를 기화시켜 상기 작동 유체가 기화 열을 생성하는 흡열부;
    상기 흡열부의 하측에 설치되고, 상기 흡열부를 지나가면서 하강한 상기 열 분해 가스의 온도를 제4 온도에서 제5 온도로 냉각시키는 냉각부; 및
    상기 제5 온도로 냉각된 열 분해 가스를 제거시키는 제거부
    를 포함하는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방열부는,
    상기 유입부의 둘레를 따라 감기는 제1 튜브
    를 포함하고,
    상기 흡열부에서 전달된 상기 기화된 작동 유체는 상기 감긴 제1 튜브를 지나가면서 상기 유입부를 지나가는 유해 가스에 열을 전달함으로써 액화되는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방열부 및 상기 유입부에 의해 제1 열 교환기가 구성되는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡열부는,
    상기 챔버의 하측의 둘레를 따라 감기는 제2 튜브
    를 포함하고,
    상기 방열부에서 전달된 상기 액화된 작동 유체는 상기 감긴 제2 튜브를 지나가면서 상기 챔버에서 상기 냉각부로 지나가는 열 분해 가스의 열을 전달받음으로써 기화되는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 흡열부 및 상기 챔버에 의해 제2 열 교환기가 구성되는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방열부와 상기 흡열부 사이에 설치되는 작동유 유로
    를 포함하는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 방열부, 상기 작동유 유로 및 상기 흡열부에 의해 상기 작동 유체가 순환되는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방열부에서 액화된 작동 유체는 상기 작동유 유로를 통해 상기 흡열부로 전달되고,
    상기 흡열부에서 기화된 작동 유체는 상기 작동유 유로를 통해 상기 방열부로 전달되는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 적어도 200℃ 이상 높은 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제5 온도는 상기 제4 온도보다 적어도 550℃ 이상 낮게 급속 냉각되는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유입부는,
    상기 플라즈마 발생부의 둘레를 따라 설치되는 복수의 유입 배관
    을 포함하는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 방열부는,
    상기 복수의 유입 배관 각각의 둘레를 따라 설치되는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 열 분해 가스가 지나가는 통로를 구비하고,
    상기 열 분해 가스를 급속 냉각시키기 위해 냉각수를 상기 통로를 지나가는 상기 열 분해 가스에 분사하는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    냉각수를 수용하는 워터 탱크를 포함하고,
    상기 열 분해 가스에 분사되는 냉각수는 상기 워터 탱크의 냉각수인 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치.
  15. 유입부에 의해, 제1 온도를 갖는 유해 가스를 유입하는 단계;
    방열부에 의해, 작동 유체의 액화 열을 이용하여 상기 유입부를 지나가는 상기 유해 가스의 온도를 상기 제1 온도에서 제2 온도로 상승시켜 챔버로 전달하는 단계;
    플라즈마 발생부에 의해, 상기 챔버에 플라즈마를 발생시켜 상기 유해 가스의 온도를 상기 제2 온도에서 제3 온도로 상승시키고 상기 유해 가스를 열 분해하는 단계;
    흡열부에 의해, 상기 제3 온도를 갖는 열 분해 가스의 열을 이용하여 상기 작동 유체를 기화시켜 상기 작동 유체가 기화 열을 생성하는 단계;
    냉각부에 의해, 상기 흡열부를 지나가면서 하강한 상기 열 분해 가스의 온도를 제4 온도에서 제5 온도로 냉각시키는 단계; 및
    제거부에 의해, 상기 급속 냉각된 열 분해 가스를 제거시키는 단계
    를 포함하는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치의 동작 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 방열부, 상기 흡열부 및 상기 방열부와 상기 흡열부 사이에 설치된 작동유 유로에 의해 상기 작동 유체가 순환되는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치의 동작 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 방열부에서 액화된 작동 유체를 상기 작동유 유로를 통해 상기 흡열부로 전달하는 단계; 및
    상기 흡열부에서 기화된 작동 유체를 상기 작동유 유로를 통해 상기 방열부로 전달하는 단계
    를 포함하는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치의 동작 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 적어도 80℃ 이상 상승되는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치의 동작 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 제5 온도는 상기 제4 온도보다 적어도 550℃ 이상 낮게 급속 냉각되는 고효율 에너지 저감형 스크러버 장치의 동작 방법.
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