KR20230174368A - Ｖｏｃ를 포함한 대기오염물질 저감장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로웨이브(Microwave)을 이용하여 유입된 대상물질을 1차 연소/산화/파괴/분해처리하여 정화된 물질을 제공하는 M/W 플라즈마 버너 시스템과, 상기 MW 플라즈마 버너 시스템에서 1차 처리된 대상물질을 글라이딩아크 플라즈마를 이용하여 2차 연소/산화/파괴/분해처리하는 글라이딩아크 플라즈마 버너 시스템을 포함하는고온 플라즈마 장치와; 제1 마이크로 버블 플라즈마 장치로 플라즈마를 발생시키고 이때 생성되는 고농도의 오존 및 OH 라디칼을 이용하여 상기 고온 플라즈마 장치를 통해 처리된 대상물질을 수용성 물질로 전환하고, 전환된 수용성 대상물질을 제2 마이크로 버블 플라즈마 장치를 통해 처리하는 습식 세정장치;를 포함하는 대기오염물질 저감장치를 제공한다.

Description

ＶＯＣ를 포함한 대기오염물질 저감장치{An apparatus for reducing atmosphere pollution matter emission}
본 발명은 대기오염물질 저감장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유증기 성분 및 악취 제거의 전처리, 고온 플라즈마 처리, 저온 플라즈마 처리 과정의 순차적 3단계를 거쳐 온실가스, 질소산화물, VOCs 등의 대기오염물질을 효율적으로 처리할 수 있는 대기오염물질 저감장치에 관한 것이다.
현재 지자체별 각종 산업단지가 조성되고 급속한 산업화에 따라 전국에 약 440,000개의 제조업체 및 공장이 존재하고 있는데, 이들 제조업체 중에서 유해독성물질, 복합 악취, 미세먼지, 특정 대기유해물질 등을 발생시키는 사업장과 화학물질 취급 사업장은 전국적으로 13만여 사업장이 존재하고 있다
가령, 염색공단에서는 다양한 염색산업체 생산공정, 예를들어, 나일론 염색가공, 화섬직물 염색가공, 날염, Rayon, 면, 후로킹, 면직물, T/C, 커텐지명, 폴리에스터 직물 날염, 등 각종 합성섬유의 염색가공 및 날염공정에서 VOCs를 포함하는대기오염물질이 발생하고 있다.
이러한 사업장에서 발암성 물질로는 벤젠, 포름알데히드, 염화비닐, 할로겐화탄화수소 등이 발생하고 있고, 악취 및 오존 원인물질로 스틸렌 아세트알데히드 등이 발생하고 있다. 특히, VOCs(휘발성 유기화합물)은 독성화학 물질이면서 광화학산화물의 전구물질로서 대기중에 미량으로 존재하더라도 발암 가능성이 높은 매우 위험한 유해독성물질이다.
이에 따라, VOCs, 알데히드, 암모니아 등의 대기오염물질의 발생으로 대상지역 주민들에게는 복합악취의 발생으로 주거 환경에서도 큰 불편을 주고 있고 발암물질을 통해 건강상에도 유해한 환경을 제공하는 문제점이 있어 각종 환경민원이 증가하는 실정이다.
현재 선택적 촉매 환원(SCR) 등 다양한 형태의 대기오염물질 배출 저감시스템이 제공되고 있으나, 온실가스, 질소산화물, VOCs을 효과적으로 제거하는 데는 한계가 있다.
한국등록특허 10-1400669호(2014.05.29. 공고) 한국공개특허 10-2010-0069213호(2010.06.24. 공개) 한국등록특허 제10-1815382(2017.12.28 등록) 한국공개특허 10-2020-0122142(2020.10.27.공개)
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유증기 성분 및 악취 제거의 전처리, 고온 플라즈마 처리, 저온 플라즈마 처리 과정의 순차적 3단계를 거쳐 온실가스, 질소산화물, VOCs 등의 대기오염물질을 효율적으로 처리할 수 있는 대기오염물질 저감장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이를 위해, 본 발명은 마이크로웨이브(Microwave)을 이용하여 유입된 대상물질을 1차 연소/산화/파괴/분해처리하여 정화된 물질을 제공하는 M/W 플라즈마 버너 시스템과, 상기 MW 플라즈마 버너 시스템에서 1차 처리된 대상물질을 글라이딩아크 플라즈마를 이용하여 2차 연소/산화/파괴/분해처리하는 글라이딩아크 플라즈마 버너 시스템을 포함하는고온 플라즈마 장치와; 제1 마이크로 버블 플라즈마 장치로 플라즈마를 발생시키고 이때 생성되는 고농도의 오존 및 OH 라디칼을 이용하여 상기 고온 플라즈마 장치를 통해 처리된 대상물질을 수용성 물질로 전환하고, 전환된 수용성 대상물질을 제2 마이크로 버블 플라즈마 장치를 통해 처리하는 습식 세정장치;를 포함하는 대기오염물질 저감장치를 제공한다.
또한, 상기 M/W 플라즈마 버너 시스템은, M/W 제너레이터로부터 발생된 M/W를 전달하는 도파관과; 상기 도파관의 말단부에 위치하고 상기 도파관과 관통되어 연결되는 제1 연소로와; 상기 제1 연소로 내로 대상물질이 유입되는 유입통로로서 대상물질 주입부와; 상기 제1 연소로 내에서 제공된 M/W 플라즈마에 점화하여 플라즈마 토치를 발생시키는 점화부와; 상기 제1 연소로의 플라즈마 토치 발생 영역으로 탄화수소계 연료를 주입하는 연료 주입부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 글라이딩아크 플라즈마 버너 시스템은, 1차 M/W 플라즈마 버너 시스템의 제1 연소로와 연통되어 1차 연소 처리된 대상물질이 유입되는 제2 연소로와; 고전압의 전력을 공급하여 상기 제2 연소로에서 방전을 통해 아크를 형성하고 생성된 플라즈마는 반응물에 의해 대류되어 상기 제2 연소로 후단으로 밀려나고 전극으로부터 상기 제2 연소로로 유입된 1차 연소 처리된 대상물질을 상기 생성된 플라즈마 화염을 통해 산화반응으로 2차 플라즈마 처리하는 글라이딩아크 버너부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 글라이딩아크 버너부는, 내부 할로우를 통해 연료가 주입되는 글라이딩아크 전극바와, 상기 글라이딩아크 전극바와 연결되고 외부 전극이 구비되어 내부에 방전가스가 주입되는 전극바 홀더와, 상기 글라이딩아크 전극바의 말단부에 연결되고 상기 제2 연소로의 내부에 위치하여 플라즈마 화염을 발생시키는 내부 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 습식 세정장치를 통해 처리된 대상물질에 대해 제1 DBD 플라즈마 장치를 통해 생성된 플라즈마를 광촉매층의 표면에 조사하여 활성 O-H 라디칼을 생성하고 생성된 활성 O-H 라디칼은 통해 상기 대상물질을 2차 처리하는 저온 플라즈마 장치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 습식 세정장치는, 상기 대상물질 이동통로의 상부에 형성되는 유연 전극 형태의 제2 DBD 플라즈마 장치와, 상기 대상물질 이동통로의 하부에 형성되어 생성된 나노 마이크로 버블을 상부로 확산시키는 제1 및 제2 마이크로버블 플라즈마 장치와, 약액 탱크로부터 제공되는 제1 세정액을 상기 이동통로상의 대상물질에 분사하는 복수개의 스프레이 노즐을 포함할 수 있다.
또한, 상기 고온 플라즈마 장치의 전단에 설치되고, 상기 고온 플라즈마 장치를 통한 처리 과정의 전처리 단계를 수행하기 위해, 상기 대상물질에 대해 유증기 성분을 제거하는 하나 이상의 필터부와, 상기 필터부를 통해 유증기 성분이 제거된 대상물질에서 제2 세정액을 분사하여 악취 성분을 제거하는 세정부를 포함하는 전처리 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 유증기 성분 및 악취 제거의 전처리, 고온 플라즈마 처리, 저온 플라즈마 처리 과정의 순차적 3단계를 거쳐 온실가스, 질소산화물, VOCs 등의 대기오염물질을 효율적으로 처리할 수 있는 대기오염물질 저감장치를 제공할 수 있다.
이때, 고온 플라즈마 연소산화 시스템은 전단의 M/W 플라즈마 버너 시스템과 후단의 글라이딩 아크 플라즈마 버너 시스템에서 연속적으로 연소 및 산화반응을 수행하여 난분해성 가스 물질 및 유해독성물질 및 악취가스, VOCs, PAHs, HAPs를 연소산화 분해한 후, 출구를 통해 처리된 클린(clean) 물질을 배출하여 친환경을 제공할 수 있다.
또한, 대상물질을 고온 플라즈마 처리한 후에 제1 플라즈마 마이크로버블장치를 통해 플라즈마 + NO 전환 시스템을 구현하여 상기 NO 전환시스템에서 N2O, NO2 질소산화물로 전환하게하고, 제2 플라즈마 마이크로버블장치를 통해 전환된 NO/N2O/NO2 제거를 수행하여, 대기오염물질에서 기존 장치로는 제거가 어려웠던 질소산화물 등 온실가스를 제거할 수 있게 한다.
또한, 저온 DBD 플라즈마 장치를 통해 플라즈마 반응과 UVA를 활성 광촉매/광촉매 필터의 표면에 조사하여 이로 인해 광촉매 반응이 발생하여 활성 O-H 라디칼을 생성한다. 생성된 활성 O-H 라디칼은 강력한 산화력으로 분자의 크기와 특성이 다양한 복합오염물질을 완전 제거할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 대기오염물질 저감장치의 구성을 나타낸 도면,
도 2는 도 1의 대기오염물질 저감장치에서 VOC 전처리 장치를 나타낸 도면,
도 3은 도 1의 대기오염물질 저감장치에서 고온 플라즈마 처리장치의 구성을 나타낸 도면,
도 4는 도 3의 고온 플라즈마 처리장치에서 마이크로웨이브 플라즈마 발생부의 구성을 나타낸 도면,
도 5는 도 3의 고온 플라즈마 처리장치에서 글라이딩아크 플라즈마 발생부의 구성을 나타낸 도면,
도 6은 도 1의 대기오염물질 저감장치에서 제1 플라즈마 마이크로버블장치의 구성을 나타낸 도면,
도 7은 도 1의 대기오염물질 저감장치에서 제2 플라즈마 마이크로버블장치의 구성을 나타낸 도면,
도 8a는 상기 제1 플라즈마 마이크로 버블장치를 작동하기 전의 NO, N2O, NO2 질소산화물 전환율 그래프, 도 8b는 상기 제1 플라즈마 마이크로 버블장치의 작동을 통한 NO, N2O, NO2 질소산화물 전환율 그래프,
도 9a 및 도 9b는 각각 굴패각, 홍합패각, 대합패각, 조개 패각의 기본 세정액을 사용하였을 경우의 (a) mg 몰 농도, (b) SO2 총 제거 효율을 나타낸 그래프이고, 도 9c 및 도 9d는 각각 소성 굴패각, 소성 홍합패각, 소성 대합패각, 소성 조개 패각의 기본 세정액을 사용하였을 경우의 (c) SO2 총 제거 효율을 나타낸 그래프이고, (d) NOx 총 제거 효율을 나타낸 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 소성 굴패각 단독(100%)과, 소성 굴패각(90%) 첨가제 NaCl(10%) 혼합용액과, 소성 굴패각(70%)와 첨가제 NaCl(30%) 혼합 용액을 세정액으로 사용하였을 경우의 (a) NOx 총 제거 효율 및 (b) SO2 총 제거 효율은 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 온실가스, 질소산화물, VOCs 등의 대가오염물질 배출을 저감하는 장치에 관한 것으로, 크게 VOC 전처리 장치와, 고온 플라즈마 장치, 제1 및 제2 플라즈마 마이크로버블 장치, DBD 저온 플라즈마 장치로 구성될 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 대기오염물질 저감장치는, 공장 등의 산업시설 및 음식점 등에서 발생하는 온실가스, 질소산화물, VOCs 등의 대기오염물질을 연소/산화/파괴/분해처리하여 정화된 가스 또는 물질을 제공하는 친환경 시스템을 제공한다. 여기서, 공장 등의 산업시설, 음식점 등에서 발생하는 온실가스, 질소산화물, VOCs 등의 대기오염물질은 이하에서 "대상물질"이라 한다.
도 1은 본 발명에 따른 대기오염물질 저감장치의 구성을 나타낸 도면, 도 2는 도 1의 대기오염물질 저감장치에서 VOC 전처리 장치를 나타낸 도면, 도 3은 도 1의 대기오염물질 저감장치에서 고온 플라즈마 처리장치의 구성을 나타낸 도면, 도 4는 도 3의 고온 플라즈마 처리장치에서 마이크로웨이브 플라즈마 발생부의 구성을 나타낸 도면, 도 5는 도 3의 고온 플라즈마 처리장치에서 글라이딩아크 플라즈마 발생부의 구성을 나타낸 도면, 도 6은 도 1의 대기오염물질 저감장치에서 제1 플라즈마 마이크로버블장치의 구성을 나타낸 도면, 도 7은 도 1의 대기오염물질 저감장치에서 제2 플라즈마 마이크로버블장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 대기오염물질 저감장치는 크게, VOC 전처리 장치와, 고온 플라즈마 장치와, 제1 및 제2 플라즈마 마이크로버블 장치와, DBD 저온 플라즈마 장치를 거쳐 대상물질이 정화된다.
먼저, 도 2를 참조하여 제1단계의 VOC 전처리 장치에 대해서 살펴본다.
도 2를 참조하면, 실질적인 대상물질을 친환경 처리과정의 전처리 단계로서 VOC(휘발성 유기화합물) 등의 대상물질에 대해 다단계 필터링 과정과 제1 세정액의 분사를 통한 악취 탈취 과정을 수행한다. 특히, 대상물질 중 VOC는 유증기 성분을 포함하고 있어 다음 단계의 고온 플라즈마 처리과정시에 폭발 위험성이 크므로 전처리 단계에서 유증기 성분(발화성 물질)을 제거할 필요가 있다.
이를 살펴보면, VOC 전처리 장치는 하부 하우징(113)의 상부에 다단계 필터링 과정을 수행하는 필터 챔버와 세정액을 분사하는 세정 챔버로 구성될 수 있다.
또한, 필터 챔버와 세정 챔버는 상기 하부 하우징(113)의 상부 공간에서 수평방향 또는 가로 방향을 따라 복수개 배치되고, 상기 수평방향에서 좌측에서 우측으로 일방향을 따라 대상물질을 이동통로를 따라 통과시킬 수 있다. 상기 대상물질의 이동통로는 좌측의 필터 챔버의 유입구(101)와 연결된다. 이에 상기 대상물질이 하부 하우징(113)의 유입구(101)를 통해 유입되면, 좌측의 필터 챔버로 상승 이동하면서 발화성을 갖는 유증기 성분이 필터링 될 수 있다. 이때, 일측에 설치된 송풍기(Fan)를 공기 유동을 일으키며 상기 좌측의 필터 챔버를 통해 하부에서 상부로 이동하였다가 다시 하부로 이동하여 우측의 세정챔버를 통해 하부에서 상부로 세정액 분사를 통해 악취가 탈취되어 유출구를 통해 VOC 전처리 된다.
먼저, 대상물질은 필터 챔버에서 수분 제거를 위한 1차 필터링이 수행되는데, 1차 필터링을 수행하는 제1 필터부는, 대상물질에서 냉각코일을 통과하는 대상물질 공기의 유속이 빠르면 냉각코일에 응축된 물방울을 비산시켜 통과하는 엘리미네이터와 이동통로상의 대상물질의 수분을 흡수하는 제1 데미스터로 구성된다. 이어 제1 필터부를 통해 1차 필터링된 대상물질은 천 또는 직물 등을 이용하여 건조시켜 유증기 성분을 제거하는 2차 필터링을 수행한다. 여기서, 2차 필터링을 수행하는 제2 필터부는 1차 필터링된 대상물질을 이동통로상에서 가이드하는 필터 가이드(104)와, 필터 가이드를 통해 형성된 이동 경로상에서 대상물질의 유증기 성분을 건조시켜 제거하는 드라이팩(105)과 상기 드라이팩을 필터 챔버상에서 지지하는 드라이팩 거치대(105)로 구성된다. 이어 2차 필터부를 통해 2차 필터링된 대상물질은 높은 비표면적을 가진 흡착제로서 활성탄층(107)을 통과하면서 3차 필터링된다.
즉, 3차 필터링을 수행하는 제3 필터부는 활성카본(Activated Carbon) 또는 제올라이트(Zeolite) 등의 높은 비표면적을 갖는 흡착제를 사용하여 효율적인 처리가 가능하고, 고품질의 활성탄을 사용하여 교체주기를 늘릴 수 있다.
이와 같이, 제1 필터부, 제2 필터부, 제3 필터부는 필터박스 고무 실링(108)을 통해 밀폐될 수 있고 각각 필터박스 형태로 분리형(Filter plate)으로 개별 분리가 가능하여 교체가 용이하다.
이어 송풍팬을 통해 대상물질이 유동하면서 우측 세정 챔버에서 스프레이 노즐(109)를 통해 세정으로 VOC 복합 악취가 제거될 수 있다.
이때 세정액 분사 전에 대상물질의 2차로 수분을 제거하는 제2 데미스터(111)와 2차 수분제거된 상기 대상물질을 이동통로 상에 적재되는 충진물로서 폴링(110)을 통해 필터링하고, 상부의 세정액 분사구간에서 스프레이 노즐(109)을 통한 세정액 분사로 VOC 복합 악취가 제거된다. 또한, 세정액 분사를 위해 하부 하우징(113)에 세정액을 저장하는 약액 탱크(미도시)와 세정액 분사구간의 스프레이 조르(109)로 약액 탱크에 저장된 세정액을 공급하는 이송관(미도시)과 이송관에서 세정액을 유동시키는 약액 펌프(미도시) 등의 세정액 분사장치가 더 구비될 수 있다
또한, 세정액은 대상물질의 악취제거를 위해 식물정유물질의 첨가물질이 포함될 수 있다. 표 1은 탈취제(식물성 기름)가 첨가된 세정액의 부피비 구성의 일예를 나타낸 것이다.
물질명 함유량(부피 %) 비고
차아염소산 나트륨(1%) 75.00%
염화나트륨 0.04%
알킬벤젠설폰산 0.04%
라우릴에테르황산나트륨 0.05%
수산화나트륨 0.01%
폴리다이메틸실록산 0.01%
하이드록디에틸셀로로스 0.01%
글리세리드 0.01%
터팬프리 라임오일 0.20%
터팬-프리 오렌지오일 0.20%
에탄올 0.09%
식물성기름 0.09%
정제수 24.25%
합계 100%
표 1에서, 식물성 기름은 전체 세정액에서 0.09% 부피비를 갖고, 라임오일 및 오렌지 오일이 각 0.20%씩 부피비를 갖는다.
이때, 식물정유물질(또는 식물성 기름)은 라벤더, 시나몬, 자스민, 바질, 만다린, 로즈우드, 카모마일, 시트론, 베티버, 박하, 편백나무, 레몬, 라임 등의 하나 이상 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 또한, 식물정유물질은 부피비로 전체 세정 혼합용액에서 0.10 이상 내지 2.00 이하 부피 %로 조성될 수 있다.
이를 통해 식물정유물질은 악취물질의 산화 및 분해 작용에서 촉매 역할을 수행하여 VOC 등의 대기오염물질의 복합 악취를 제거할 수 있다.
또한, 하부에 하나 또는 복수의 먼지 집진기를 통해 필터링 및 세정의 VOC 전처리 과정에서 미세먼지를 집진하고 볼밸브(115)를 통한 개폐를 통해 먼지 청소 및 수시 점검이 가능하다.
또한, VOC 전처리 장치는 캐스터(114) 장치를 통해 이동바퀴를 통해 이동가능하여 공간 활용이 이점을 도모할 수 있게 한다.
이하에서 도 3을 참조하여, 제2단계의 고온 플라즈마 장치로서 PTO 플라즈마 연소산화시스템에 대해서 살펴본다. 도 3은 본 발명에 따른 PTO 플라즈마 연소산화시스템의 구성을 나타낸 도면, 도 4는 도 3의 PTO 플라즈마 연소산화시스템에서 마이크로웨이브 플라즈마 발생부의 구성을 나타낸 도면, 도 5는 도 3의 PTO 플라즈마 연소산화시스템에서 글라이딩아크 플라즈마 발생부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 PTO 플라즈마 연소산화 시스템은 크게, 마이크로웨이브(Microwave)을 이용하여 제1 연소로로 유입된 상기 대상물질을 1차 연소/산화/파괴/분해처리하여 정화된 가스 또는 물질을 제공하는 마이크로웨이브 플라즈마 버너 시스템과, 상기 마이크로웨이브 플라즈마 버너 시스템에서 1차 처리된 대상물질을 제2 연소로에서 글라이딩아크 플라즈마를 이용하여 2차 연소/산화/파괴/분해처리하여 출구를 통해 정화된 가스 또는 물질을 제공하는 글라이딩아크 플라즈마 버너 시스템으로 구성될 수 있다. 여기서, 마이크로웨이브(Microwave)는 이하에서 약칭하여 "M/W"라 표기하고, 상기 대상물질을 연소/산화/파괴/분해처리하여 정화된 가스 또는 물질은 이하에서 약칭하여 "처리된 물질"이라 표기할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 PTO 플라즈마 연소산화 시스템은 고온 플라즈마를 이용하는 공정으로서 1차 M/W 플라즈마 버너 시스템에서의 플라즈마 처리 공정과 2차 글라이딩아크 플라즈마 버너 시스템에서의 플라즈마 처리 공정은 연속공정으로 순차적으로 이루어지며, 이를 위해 제1 연소로와 제2 연소로는 상호 연통되어 연속 및 순차적인 플라즈마 공정이 이루어질 수 있다.
이를 자세히 살펴보면, 대상물질 유입구(IN)를 통해서 유입되는 대상물질은 연속적으로 M/W 플라즈마 버너 시스템과 글라이딩아크 플라즈마 버너 시스템에서 1차 및 2차 연소산화반응을 통해 연소/산화/파괴/분해처리하여 제거되며, 처리된 물질은 후단의 가스 출구를 통해 대기중으로 배출된다.
도 3 내지 도 5를 참조하여, 먼저 M/W 플라즈마 버너 시스템을 설명하고, 이어 글라이딩아크 플라즈마 버너 시스템에 대해 설명한다.
먼저, M/W 플라즈마 버너 시스템은, M/W 제너레이터(202)로부터 발생된 M/W를 전달하는 도파관(224)과, 상기 도파관(224)의 말단부에 위치하고 상기 도파관(224)과 관통되어 연결되는 제1 연소로(201)와, 상기 제1 연소로(201) 내로 대상물질이 유입되는 유입통로로서 대상물질 주입부(IN)와, 상기 제1 연소로(201) 내에서 제공된 M/W 플라즈마에 점화하여 플라즈마 토치를 발생시키는 점화부(223)와, 플라즈마 토치 발생 영역으로, 상기 제1 연소로(201)의 플라즈마 토치 발생 영역으로 탄화수소계 연료를 주입하는 연료 주입부(미도시)를 구비한다.
이때, 상기 제1 연소로(201)는 방전관으로서 도파관(224)과 연결되며, 상기 도파관(224)을 통해 전달된 M/W에 의해 상기 방전관내의 플라즈마 토치 발생 영역(방전공간)에서 플라즈마 화염이 발생된다. 이때, 상기 방전관 내에 플라즈마가 생성되고, 유입된 대상물질은 상기 방전공간에 공급되어 연소/산화/파괴/분해처리 될 수 있다.
또한, 상기 제1 연소로(201)는 석영 또는 유리 등의 재질로 이루어진 관형의 반응기가 사용될 수 있으며, 여기서는 석영 재질의 관형 반응기로 석영 홀더(211)를 통해 지지된다.
또한, 플라즈마 연료를 이용하여 화염을 증폭시켜 연소 온도를 높게 증가할 수 있어 일반 가스버너보다 높은 온도에서 화염을 형성할 수 있다. 이를 위해, 연료 주입부와 결합되어, 탄화수소로 이루어진 연료가스(탄화수소계 연료)가 주입되도록 구성된다. 여기서, 탄화수소계 연료로는 LPG, LNG, 등유 등이 사용될 수 있고, 저에너지로 플라즈마를 발생시켜 일정량의 탄화수소계 연료를 주입하면 빠르게 완전 연소 반응 진행이 가능하다. 이때, M/W 플라즈마 연소산화 시스템에서의 운전 온도는 900 ~ 1,600℃로 매우 높은 연소 온도를 제공한다. 이와 같이 탄화수소로 이루어진 연료 가스의 연소에 의한 화염을 이용하여 대용량의 대상물질을 단시간 내에 효율적으로 처리할 수 있다.
또한, 제1 연소로(201)의 방전공간에는 방전가스, 예컨대 공기, 산소, 스팀 등이 대상물질 주입부 또는 연료 주입부를 통해 주입될 수 있고, 방전가스로 산화제가 포함된 가스를 사용하여 2000℃ 이상의 불꽃 부피를 제공할 수 있어, 아크 플라즈마의 50배에 달해 더 높은 온도를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제 1연소로(201)의 방전공간에서 미리 설정된 주파수의 M/W를 공급받아 상기 방전공간내에서 플라즈마를 생성하는데, 이를 위해 상기 도파관(224)과 마이크로웨이브 플라즈마 발생부가 연결된다.
여기서, 마이크로웨이브 플라즈마 발생부는, 외부로부터 공급되는 구동전력을 인가받아 M/W 파워(power)를 생성하는 M/W 제너레이터(202)과, 상기 M/W 제너레이터(202)를 통해 발생된 파워 중 반사되어 오는 부분에 의한 마그네트론의 손상을 방지하기 위해 파워의 흐름을 한 방향으로 고정하는 아이솔레이터(isolator)(210)와, 상기 M/W 제너레이터의 일측에 연통설치되고 타측의 제1 연소로(201)와 연결되어 생성된 M/W가 이동하는 통로로서 도파관(224)을 구비한다. 이때, 상기 도파관(224)의 끝단에 제1 연소로(201)가 연결된다.
또한, 상기 아이솔레이터(210)와 커플러(209)로부터 출력된 M/W의 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도함으로써 상기 M/W로 유도된 전기장이 방전관 내에서 최대가 되도록 하는 3-스토브 튜너(208)을 더 포함한다. 이때, 양방향 커플러(209)는 상기 M/W 제너레이터(101)에서 생성된 M/W를 수신하여 상기 방전관으로 전달하면서 수신된 M/W를 분리하거나 결합하는 데 사용된다. 또한, 상기 방전관의 반응공간에서 흡수되지 않은 M/W의 반사전력은 감쇄시킨다. 또한, 상기 양방향 커플러(209)를 통과한 M/W 반사력은 방전관에서 다시 반응하게 되고, 상기 방전관에서 반응하지 못한 잔여 M/W가 상기 3 stub 터너를 통해 흡수되게 한다.
또한, 마이크로웨이브 플라즈마 발생부를 제어하여 상기 도파관을 통해 제1연소로(201)에 제공되는 M/W 파워를 제어하는 M/W 플라즈마 버너 제어부가 더 구비된다. 이때, M/W 플라즈마 버너 제어부는, 상기 제1 연소로(201)로 제공되는 탄화수소계 연료의 주입양 또는 대상물질의 유입양으로서 질량 또는 부피 등의 유량를 측정하는 유량계(flowmeter) 박스(204)와, 상태표시 LED와 단위 표시 LED가 내장되어 현재의 동작 상태와 데이터 설정, 수정 등의 상태를 표시하는 인디케이터(indicator)(213)와 상기 인디케이터를 통해 표시된 상태값을 통해 설정 M/W 파워 또는 연료의 주입양 또는 대상물질의 유입양을 제어하는 MCU(215)와, M/W 제너레이터에 구동전력을 인가하는 전원공급장치(213) 등을 구비한다. 이때, 상기 전원공급장치(213)는 고전압의 교류 전원이 인가될 수 있다.
또한, 상기 마이크로웨이브 플라즈마 발생부에는 냉각장치로서 냉각팬(212)이 구비되고, 전체 PTO 플라즈마 연소산화 시스템의 냉각장치로서 챔버의 하부에 오일 압축기(205)와 칠러(206)가 구비되어 반응 챔버의 온도를 조절할 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 1차 M/W 플라즈마 버너 시스템은 대상물질을 고온의 플라즈마로 연소시켜 처리함에 주된 기능이 있으며, 2차 글라이딩 아크 플라즈마 버너 시스템은 역시 고온 플라즈마이나 대상물질의 산화 처리로 특히 휘발성 유기화합물(VOCs)의 제거에 효과가 있음을 확인할 수 있다.
즉, 2차 글라이딩 아크 플라즈마 버너 시스템은, 고품질(높은 온도)의 화염을 생성하게 되고, 고온산화반응을 통해 VOC 제거가 수월하게 된다. 여기서, “휘발성 유기화합물(VOCs, Volatile Organic Compounds)”이란, 대기 오염 물질 중에서 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 증발되는 액체 또는 기체상 유기화합물을 총칭하는 의미이다.
글라이딩아크(Gliding Arc) 플라즈마 버너 시스템은, 1차 M/W 플라즈마 버너 시스템의 제1 연소로(201)와 연통되어 1차 연소 처리된 대상물질이 유입되는 제2 연소로와, 고전압의 전력을 공급하여 상기 제2 연소로에서 방전을 통해 아크를 형성하고 생성된 플라즈마는 반응물에 의해 대류되어 상기 제2 연소로 후단으로 밀려나고 전극으로부터 상기 제2 연소로로 유입된 1차 연소 처리된 대상물질을 상기 생성된 플라즈마 화염을 통해 산화반응으로 2차 플라즈마 처리하는 글라이딩아크 버너부를 구비한다.
상기 제2 연소로는, 글라이딩 아크 방전이 일어나는 아크 반응기로서, 운전 온도는 900 ~ 1,600℃의 고온이며, 석영 또는 유리 등의 재질로 이루어진 관형의 반응기가 사용될 수 있다. 또한, 상기 제2 연소로는 외부 하우징이 단열재로 구비되어 외부로의 열방출을 방지하고, 상기 아크 반응기의 하부에는 아크 또는 플라즈마 화염에 따른 화재예방을 위해 내화물 또는 방화장치(219)가 구비되고, 연소 또는 산화반응에 따른 먼지 등을 집진하는 집진기(218)가 더 구비될 수 있다.
이때, 전원부는 고전압의 교류 전원이 인가될 수 있으며, 글라이딩아크 유량계(203)를 통해 제2 연소로로 제공되는 탄화수소계 연료의 주입양 또는 대상물질의 유입양으로서 질량 또는 부피 등의 유량를 측정할 수 있다.
또한, 글라이딩아크 버너부를 제어하여 제2 연소로에 제공되는 M/W 파워를 제어하는 글라이팅아크 버너 제어부가 더 구비될 수 있다. 이때, 전원공급장치는 고전압의 교류 전원이 인가될 수 있고, M/W 플라즈마 버너 시스템의 전원부(213)과 별도 설치되거나 통합되어 1개로 설치될 수 있다. 또한, 글라이딩아크 제어부, 전원공급장치, 인디케이터 등에서도 M/W 플라즈마 시스템과 통합하여 1개로 설치될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 글라이딩아크(G.A) 버너부는, 내부 할로우를 통해 연료가 주입되는 글라이딩아크 전극바(222)와, 상기 글라이딩 아크 전극바(222)를 지지하는 제1 전극바 홀더(221)와, 상기 제1 전극바 홀더(221)와 연결되고 외부 전극이 구비되어 내부에 방전가스가 주입되는 제2 전극바 홀더(233)와, 상기 제2 전극바 홀더(233)를 지지하는 글라이딩아크 바디와, 상기 글라이딩아크 전극바의 말단부에 연결되고 상기 제2 연소로의 내부에 위치하여 플라즈마 화염(235)을 발생시키는 내부 전극(234)와, 상기 내부 전극(234)을 커버하고 아크(236)가 발생하는 제3 전극바 홀더를 구비한다. 이때, 글라이딩아크 버너부는 소형장치로서 복수개 구성될 경우 열처리 효과에서 상승의 효과를 가져올 수 있어, 본 발명에서는 3모듈 전극바가 좌우 대칭으로 각 2개씩 총 12개의 글라이딩아크 버너부를 구성할 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 전극바 홀더는 화염 등으로 내열성이 좋은 세라믹 소재가 바람직하다.
또한, 상기 글라이딩아크 버너부에서는 회전 글라이딩 아크 방전을 통해 소용돌(Swirl) 방전을 형성하게 된다. 즉, 상기 글라이딩아크 버너부의 외부 전극 및 다른 하나의 내부 전극에 교류의 고전압을 인가하게 되면 전력값이 증가하면서 열에너지로 변환되어 온도가 증가하고, 고온 상태가 형성되면서 낮아진 밀도로 인해 전자의 가속이 발생하고 방전이 일어난다.
이때, 상대적으로 다수인 강한 전자에 의해 형성된 플라즈마가 충분히 이온화되어 있을 경우 방전이 쉽게 개재된다.
또한, 플라즈마가 이탈되고 다시 방전이 이루어질 때, 전극 최단거리가 아닌 플라즈마 이탈 지점에서 직접 방전이 일어나는 연속 방전이 개재된다. 이과정에서 전력 공급값에 따라서 발생하는 연속 방전이 한쪽 끝은 내부 전극 끝단, 또 다른 끝은 외부 전극 내벽에 형성되다가 전력값이 증가하면서 플라즈마 영역이 팽창을 하게 된다.
이 조건에서 길이 방향으로 증가한 아크선에서는 높은 전자의 가속이 발생하고, 상기 생성된 아크 플라즈마는 고온의 온도와 산소 활성종 발생 환경을 조성한다. 이때, 도 5b를 참조하면, 각각 글라이딩아크 유량계(203)의 연료 유량계(203b)와 에어 유량계(203a)를 통해 제2 연소로(228)로 제공되는 탄화수소계 연료(fue)과 대상물질(air)의 유입양으로서 질량 또는 부피 등의 유량를 측정할 수 있고 각 연료 밸브 액츄에이터(225b) 및 에어 밸브 액츄에터(225a)를 통해 측정된 유량의 제어할 수 있다. 이를 통해 구성된 SBMS(Smart Burner mgmt System)(226)에서 상기 생성된 아크 플라즈마는 고온의 온도와 산소 활성종 발생 환경을 조성하고, 투입되는 연료(LPG)와의 플라즈마 화학반응을 통하여 연소효율을 높일 수 있어 잠재열량의 최대효과를 이끌어 낼 수 있다.
도 5b 및 도 5c를 참조하면, 글라이딩 아크 버너 시스템에서는 고온 산화반응을 통해 VOCs를 CO2와 H2O로 분해하고 반응열은 열산화 히트 교환기(227)을 통해 재활용할 수 있어, 휘발성 유기화합물(VOCs)의 제거에 효과가 있음을 확인할 수 있다.
이어, 고온 연소반응에 의해 산화연소반응 처리후 가스 이송 유닛을 통해 가스 출구(OUT)로 배출하는데, 배출과정에서 광촉매 비드(217)과 하니콤(honeycom)형 하이브리드 복합촉매시스템(216)을 통과시켜 잔존하는 미반응 악취가스, 난분해성 물질, VOCs, HAPs 물질이 추가적으로 제거될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 PTO 시스템에서 플라즈마 연소/산화반응 원리는 다음과 같이 요약할 수 있다.
즉, 플라즈마 연소산화 반응원리는 양극 및 음극의 두 방전극 사이에 10kV/cm 이상의 고전계를 극히 짧은 순간(수십~수백ns 이내)에 인가하면, 펄스 코로나(pulse corona) 방전에 의해 브러시 같은 형태의 전류채널이 형성되는데, 이를 유광(streamer)이라 한다. 유광은 두 전극 사이를 고에너지 전자가 106 ~ 107 cm/sec의 속도로 전파하며, 그 전계내의 분자와 충돌한다. 이와 같이, 고에너지 전자와 충돌하는 분자는 이온화하여 활성자유전자(active free electron)로 고온연소산화 분해된다.
또한, 플라즈마 버너가 고속선회 화염을 형성하여, 연소로 내의 온도를 신속하게 고온으로 만들 수 있고, 연소 가스 중의 오염물질을 파괴, 분해하는 플라즈마 이온이 주입되는 산화연소장치이며, 공기비를 일정하게 분배하여 완전 연소를 일으키는 공기공급 분배장치가 더 포함될 수 있다.
여기서, M/W 플라즈마 버너와 글라이딩 아크(Gliding Arc) 버너의 연소로(방전관)에서 PTO 고온플라즈마로 연소/산화/파괴/분해 처리한다. 즉, 연소반응과 산화 반응을 순차적으로 진행하면서 고온 연소반응에 의해 악취가스, 난분해성 물질, VOCs, HAPs가 제거될 수 있다.
가령, PTO(Plasma Thermal Oxidation) 악취저감 기술은, 저에너지로 고온 플라즈마를 발생시켜 일정량의 탄화수소체 연료를 주입하면 빠르게 완전연소반응을 진행할 수 있다.
또한, 플라즈마 화염을 증폭시키고 연소로 온도를 일반 가스버너보다 높은 온도로 증가시킬 수 있다.
또한, 마그네트론 에너지 효율 80% 이상, M/W 플라즈마 99%이상 전달 효율, 글라이딩아크(Gliding Arc) 전달율 증가시킬 수 있다.
또한, 설치/운전비용이 저렴하고, 전기비용, 유지보수비, 운영비를 대폭적으로 절감시킬수 있는 효과가 있고, LPG, LNG, 등유를 선택적으로 사용가능하다.
이는 기존의 RTO 대비 고온의 환경을 유지할 수 있고, 사용되는 LPG량이 적어 플라즈마 연소효과와 연료비를 절감하고, 소형으로도 제작가능하여 초기 투자비를 절감할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 PTO 플라즈마 연소산화 시스템을 통해 고온 연소반응에 의해 산화연소반응 처리후 광촉매 비드(116)과 하니콤(honeycom)형 하이브리드 복합촉매시스템(115)을 통과시켜 잔존 대상물질을 후처리하고 나서, 가스 이송 유닛을 통해 제1 플라즈마 마이크로버블장치로 대상물질이 이송된다.
도 6은 도 1의 대기오염물질 저감장치에서 제1 플라즈마 마이크로버블장치의 구성을 나타낸 도면, 도 7은 도 1의 대기오염물질 저감장치에서 제2 플라즈마 마이크로버블장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 대기오염물질 저감장치에서는 대상물질을 고온 플라즈마 처리한 후에 저온 플라즈마 처리를 수행한다. 이러한 저온 플라즈마 장치에서는 제1 플라즈마 마이크로버블장치를 통해 플라즈마 + NO 전환 시스템을 구현하고, 상기 NO 전환시스템에서 N2O, NO2 질소산화물로 전환하게하고, 제2 플라즈마 마이크로버블장치를 통해 전환된 NO/N2O/NO2 제거를 수행하여, 대기오염물질에서 기존 장치로는 제거가 어려웠던 질소산화물을 제거할 수 있게 한다.
도 6을 참조하면, 상기 제1 플라즈마 마이크로버블장치는 플라즈마 + NO 전환 시스템으로, 상기 NO 전환시스템에서 N2O, NO2 질소산화물로 전환하게 한다. 가령, 고온 플라즈마 장치를 통해 1차 및 2차 연소산화반응을 통해 연소/산화/파괴/분해처리하여 제거된다.
그러나, 특히 질소산화물(NOx)의 경우 NO로 분해/산화된 후에 기존 선택적 촉매 환원(SCR) 공정으로는 제약이 있어, 플라즈마 + NO 전환 시스템을 통해 수용성의 N2O, NO2 질소산화물로 전환하게 한다. 이어 제2 플라즈마 마이크로버블장치를 통해 전환된 NO/N2O/NO2 를 습식 세정을 통해 완전히 제거할 수 있다.
이를 통해, 제1 플라즈마 마이크로버블 장치는, 제2 하부 하우징의 상부에 복수개의 세정액을 분사하는 세정 챔버로 구성될 수 있다. 가령, 세정 챔버는 상기 하부 하우징의 상부 공간에서 수평방향 또는 가로 방향을 따라 복수개 배치되고, 복수개의 세정 챔버는 브릿지(307)를 통해 연결되어, 상기 수평방향에서 좌측에서 우측으로 일방향을 따라 대상물질을 이동통로를 따라 통과시킬 수 있다. 상기 대상물질의 이동통로는 좌측의 세정 챔버의 유입구(301)와 연결된다. 이에 상기 대상물질이 유입구(301)를 통해 유입되면, 좌측의 세정 챔버로 상승 이동하면서 세정액 분사 전에 상기 대상물질을 이동통로 상에 적재되는 충진물로서 폴링(302)과 그물망 구조에서 대상물질을 필터링 공간에서 체류시간을 늘려주는 새들층(303)을 통해 필터링하고, 상부의 제1 세정액 분사구간(304)에서 제1 스프레이 노즐(315)을 통한 세정액 분사로 대기오염물질을 처리한다. 이때, 일측에 설치된 송풍기(Fan)를 공기 유동을 일으키며 상기 좌측의 세정 챔버를 통해 하부에서 상부로 이동하였다가 연결된 브릿지(307)을 통해 우측의 세정챔버로 이동하고 상부에서 세정액 분사를 통해 처리된후 하부 유출구(312)를 통해 1차 플라즈마 마이크로 버블 처리된다. 이때, 새들층(313)과 폴링층의 필터링이 후처리로서 추가될 수 있다. 또한, 상기 충진재 폴링층은 상기 스플레이 노즐(315)을 통해 대상물질로 약액 분사시에 전처리 물질로서 폴링과 반응하여 처리효과를 증가시켜준다. 또한, 스프레이 노즐(315)의 상부에 형성되어 챔버상의 수분을 제거하는 제1 및 제2 데미스터(demister)(306)를 더 구비한다. 여기서, 폴링(충진물)과 데미스터를 사용하여 집진 효율, 악취제거, SOx, NOx 저감효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 세정액 분사 및 처리 과정을 확인할 수 있도록 세정 챔버의 측면에 형성된 뷰포트(305)와 공정 제어를 위한 공정제어부(316)가 더 구비될 수 있다.
이때. 송풍팬을 통해 대상물질이 유동하면서 좌측 세정 챔버에서 우측 세정챔버로 1차 및 2차의 스프레이 노즐(315)을 통한 세정이 수행된다.
특히, 본 발명에서 세정 챔버는 습식형 플라즈마 스크러버의 형태를 가지며, 좌우측 세정 챔버 상에서 상기 대상물질 이동통로의 하부에 형성되는 마이크로버블 플라즈마 장치(310)와, 상기 마이크로버블 플라즈마 장치(310)를 통해 생성된 나노 마이크로버블을 상기 이동통로상의 대상물질과 접촉량이 증가하도록 하부에서 상부로 확산시키는 나노버블 디퓨저(diffuser)를 포함한다.
이때, 스크러버는 세정에 의한 집진시설을 의미하며, 악취 및 유해가스, 분진, 액상오염물질 등을 동시에 처리할 수 있어 가장 많이 적용되고 있다. 또한, 스크러버는 가스흡수탑이라고도 하며, 건식, 습식, 혼합식으로 나눠지나, 여기서는 습식 스크러버를 말하며, 습식 스크러버는 유해가스를 액체에 접촉시켜 씻어내는 방식으로 오염물질을 정화하는 방식이며, 정화효율을 높이기 위해 통상적으로 수산화나트륨, 황산과 같은 흡수액 혹은 세정액 등 여러 가지 화학반응을 일으키는 고비용의 화학약품을 물과 함께 사용한다. 이는 세정액을 포함한 물이 분사되었을 시, 유해가스와의 접촉율을 높이고 오염물질이 용해된 물을 정화시키는 역할을 하여 처리효율을 높이기 위함이다.
또한, 세정액 분사를 위해 하부 하우징에 세정액을 저장하는 약액 탱크(311)와 세정액 분사구간의 스프레이 노즐(315)로 약액 탱크(311)에 저장된 세정액을 공급하는 이송관(308)과 이송관(308)에서 세정액을 유동시키는 약액 펌프(309) 등의 세정액 분사장치가 더 구비될 수 있다.
본 발명에서, 제1 마이크로 버블 플라즈마 장치를 통해 세정액 분사층(306)에서는 플라즈마 오존이 발생되며, 이는 OH-라디칼로 환원되어서 오존보다 18,000배 이상의 산화력을 갖는다.
즉, 제1 마이크로 버블 플라즈마 장치를 통해 질소산화물(NOx) 중 NO를 분해/산화시키고 N2O, NO2 질소산화물로 전환하게 한다. 도 8a는 마이크로 버블 플라즈마 장치를 작동하기 전의 NO, N2O, NO2 질소산화물 전환율 그래프를 나타낸 것이고, 도 8b는 마이크로 버블 플라즈마 장치의 작동을 통한 NO, N2O, NO2 질소산화물 전환율 그래프를 나타낸 것이다. 도 8b를 참조하면, 마이크로 버블 플라즈마 장치를 통해 질소산화물(NOx) 중 NO를 분해/산화시키고 N2O, NO2 질소산화물로 전환을 향상시키 수 있다.
또한, 제1 마이크로 버블 장치를 통해 플라즈마 + NO 전환시스템에서 스프레이 노즐(315)을 통해 분사되는 세정액(cleaning solution)은 인체에 무해한 세정액으로 사고의 위험성을 낮출 수 있고, 상기 스프레이 노즐을 통해 챔버(chamber) 내에서 플라즈마 오존이 발생되며, 이는 OH-라디칼로 환원되어서 오존보다 18,000배 이상의 산화력을 갖게 한다.
이때 사용되는 기본 세정액은 Ca(OH)2, CaO, CaCO3, CaSO4, Na2CO3, NaHCO3, NaOH, Na2SO3, MgO, Mg(OH)2, KOH, 굴 패각, 홍합 패각, 대합패각, 조개 패각 중에서 어느 하나 또는 이들 중에서 하나 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 또한, 첨가제로는 NaCl, CaCl2, CuO, NaClO2 중에서 어느 하나 또는 이들 중에서 하나 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 또한, 바람직하게는 기본 세정액과 첨가제의 혼합 비율은 부피비로 9:1의 비율로 최적화될 수 있다.
표 2는 제1 마이크로 버블장치에서 사용되는 세정액의 종류와 처리효율을 나타낸 것이다.
공정 세정액 종류 반응온도(℃) 제거효율(%) 적용




세정액성분		 CaCO3, Ca(OH)2, CaO 30~70 90~99 가능
MgO, Mg(OH)2 30~70 90~95 가능
MgO, CaCO3 30~70 95~97 가능
CaCO3, CaSO4 30~70 96~98 가능
NaOH, NaHCO3 30~70 90~99 가능
Na2SO3 30~70 90~99 가능
Na2SO3, Na2CO3 30~70 95~99 가능
도 9a 및 도 9b는 각각 굴패각, 홍합패각, 대합패각, 조개 패각의 기본 세정액을 사용하였을 경우의 (a) mg 몰 농도, (b) SO2 총 제거 효율을 나타낸 그래프이고, 도 9c 및 도 9d는 각각 소성 굴패각, 소성 홍합패각, 소성 대합패각, 소성 조개 패각의 기본 세정액을 사용하였을 경우의 (c) SO2 총 제거 효율을 나타낸 그래프이고, (d) NOx 총 제거 효율을 나타낸 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 소성 굴패각 단독(100%)과, 소성 굴패각(90%) 첨가제 NaCl(10%) 혼합용액과, 소성 굴패각(70%)와 첨가제 NaCl(30%) 혼합 용액을 세정액으로 사용하였을 경우의 (a) NOx 총 제거 효율 및 (b) SO2 총 제거 효율은 나타낸 그래프이다.
또한, 상기 대상물질 이동통로의 상부에 형성되는 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 유연 전극장치를 더 구비할 수 있다. 이때, 특히, 메쉬형 플라즈마 장치는 질소산화물(NOx) 중 NO를 분해/산화시키고 NO2로 변환시켜 효과적으로 처리 및 제거가 가능한다. 즉, NOx-plasma 산화(oxidation) 후 처리, 악취가스와 유해독성물질, VOCs 파괴처리가 가능하다.
또한, DBD 플라즈마 유연 전극 장치는, 메쉬(mesh) 형태의 플라즈마 전극 방식으로 저온 플라즈마를 이용하여 공기를 플라즈마시키고 오존을 발생시켜 산화반응을 일으킨다. 여기서, DBD 플라즈마 유연 전극장치는 유연한 특성을 가지는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 플라즈마(P)를 생성하는데, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 격자구조를 형성할 수 있다. 가령, 제1 전극은 y축 방향을 따라 뻗고 제2 전극은 제1 전극의 하부에서 x축 방향을 따라 뻗으며 서로 교차하며 위치한다. 이때, DBD 플라즈마 유연 전극장치(313)는 메쉬 형태의 플라즈마 전극 방식으로 교차하는 전극 사이 사이로 다량의 오존을 발생시켜 악취 가스 처리에 대한 효율을 높일 수 있다.
또한, DBD 플라즈마 유연 전극장치는 제1 전극과 제2 전극에 전원이 인가되면 플라즈마 방전이 이루어지고, 생성된 에너지를 이용하여 오존을 생성 할 수 있으며, 플라즈마의 오존 및 OH 라디칼을 이용한 산화반응을 제공한다. 이를 통해, 상기 DBD 플라즈마 유연 전극장치에서 생성된 오존은 챔버로 이동하여 대상물질에 포함되는 악취, 세균, 곰팡이 등의 미생물을 제거하여 정화작용을 수행할 수 있다.
또한, DBD 플라즈마 유연전극장치는 제1 전극과 제2 전극의 외측을 둘러싸며 위치하는 하우징을 포함하고, 상기 하우징은 내부에 제1 전극과 제2 전극을 수용하면서 보호할 수 있다. 이때, 상기 하우징에는 전원, 접지선 등이 연결될 수 있는 전원공급부가 설치될 수 있으며, 전원공급부는 메쉬형 플라즈마 장치의 제1 전극 및 제2 전극과 연결되어 전원을 인가할 수 있다. 또한, 전원공급부에서 전원을 인가하면 제1 전극과 제2 전극가 상호 맞닿는 접촉부에서 방전이 되어 플라즈마(P)가 형성될 수 있다. 이 경우, 플라즈마(P)는 대기압 상태에서 안정적으로 장시간 방전될 수 있다.
또한, DBD 플라즈마 유연전극 장치와 나노 마이크로버블 플라즈마(310)를 제어하는 제어패널(316)이 더 구비될 수 있고, 제어 패널은 중앙집중방식 내장형 채택과 전원 스위치를 집약하여 시인성이 향상되고, 이동중 파손이나 고장율이 낮은 장점이 있다. 또한, 디스플레이를 통해 내부상태 확인이 가능하다.
이와같이, 메쉬형 플라즈마 장치는 제1 전극 및 제2 전극에 전원이 인가되면 플라즈마(P)가 방전되어 전자는 해리(dissociation), 이온화(ionization), 여기(excitation) 반응을 통하여 질소(N2), 산소(O2), 수분(H20) 등을 활성화시켜서 활성 라디칼과 오존을 생성시킬 수 있다. 이러한 활성 라디칼과 오존에 의해 암모니아, 황화수소, 메틸메캅탄, 아황산 등을 분해시킬 뿐만 아니라, 세균이나 곰팡이 등의 유해한 미생물을 제거할 수 있다.
특히, 메쉬형 플라즈마 장치는 질소산화물(NOx) 중 NO를 분해/산화시키고 NO2로 변환시켜 효과적으로 처리 및 제거가 가능한다. 즉, NOx-plasma 산화(oxidation) 후 처리, 악취가스와 유해독성물질, VOCs 파괴처리가 가능하다.
전술한 바와 같이, 제1 플라즈마 마이크로 버블장치를 통해 플라즈마 + NO 전환 시스템을 구현하여 수용성의 N2O, NO2 질소산화물로 전환하게 한다.
이에 도 7을 참조하면, 제2 플라즈마 마이크로 버블장치를 통해 상기 전환된 NO/N2O/NO2 를 습식 세정을 통해 완전히 제거할 수 있다.
이를 통해, 제2 플라즈마 마이크로버블 장치는, 제3 하부 하우징의 상부에 복수개의 세정액을 분사하는 세정 챔버로 구성될 수 있다. 가령, 세정 챔버는 상기 하부 하우징의 상부 공간에서 수평방향 또는 가로 방향을 따라 3개 배치되고, 복수개의 세정 챔버는 브릿지를 통해 연결되어, 상기 수평방향에서 좌측에서 우측으로 일방향을 따라 대상물질을 이동통로를 따라 통과시킬 수 있다. 상기 대상물질의 이동통로는 좌측의 세정 챔버의 유입구(401)와 연결된다. 이에 상기 대상물질이 유입구(401)를 통해 유입되면, 좌측의 세정 챔버로 상승 이동하면서 세정액 분사 전에 상기 대상물질을 이동통로 상에 적재되는 충진물로서 폴링(403)을 통해 필터링하고, 상부의 제1 내지 제3 세정액 분사구간에서 제1 내지 제3 스프레이 노즐(404)을 통한 세정액 분사로 대기오염물질을 처리한다. 이때, 일측에 설치된 송풍기(Fan)를 공기 유동을 일으키며 상기 좌측의 세정 챔버를 통해 하부에서 상부로 이동하였다가 연결된 브릿지을 통해 우측의 세정챔버로 이동하고 상부에서 세정액 분사를 통해 처리된후 상부 유출구(408)을 통해 2차 플라즈마 마이크로 버블 처리된다. 이때, 분사액 전과정 또는 후과정에서 새들층과 폴링층의 필터링이 추가될 수 있다. 또한, 상기 충진재 폴링층은 상기 스플레이 노즐(404)을 통해 대상물질로 약액 분사시에 전처리 물질로서 폴링과 반응하여 처리효과를 증가시켜준다. 또한, 스프레이 노즐(404)의 상부에 형성되어 챔버상의 수분을 제거하는 제1 내지 제3 데미스터(demister)(406)를 더 구비한다. 여기서, 폴링(충진물)과 데미스터를 사용하여 집진 효율, 악취제거, SOx, NOx 저감효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 세정액 분사 및 처리 과정을 확인할 수 있도록 세정 챔버의 측면에 형성된 뷰포트와 공정 제어를 위한 공정제어부(409)가 더 구비될 수 있다.
이때. 송풍팬을 통해 대상물질이 유동하면서 좌측 챔버에서 우측 세정챔버로 제1 내지 제3 챔버에서 1차 내지 3차의 스프레이 노즐(404)을 통한 세정이 수행된다.
특히, 제2 마이크로 버블 플라즈마 장치에서도 습식형 플라즈마 스크러버의 형태를 가지며, 좌우측 세정 챔버로서 제1 내지 제3 챔버 상에서 각각 상기 대상물질 이동통로의 하부에 형성되는 제2 마이크로버블 플라즈마 장치(406)와, 상기 제2 마이크로버블 플라즈마 장치(406)를 통해 생성된 나노 마이크로버블을 상기 이동통로상의 대상물질과 접촉량이 증가하도록 하부에서 상부로 확산시키는 나노버블 디퓨저(diffuser)를 포함한다.
또한, 세정액 분사를 위해 하부 하우징에 세정액을 저장하는 약액 탱크(미도시)와 세정액 분사구간의 스프레이 노즐(404)로 약액 탱크에 저장된 세정액을 공급하는 이송관(미도시)과 이송관에서 세정액을 유동시키는 약액 펌프(402) 등의 세정액 분사장치가 더 구비될 수 있다.
본 발명에서, 제2 마이크로 버블 플라즈마 장치를 통해 세정액 분사노즐(404)에서는 플라즈마 오존이 발생되며, 이는 OH-라디칼로 환원되어서 오존보다 18,000배 이상의 산화력을 갖는다.
이에 따라, 상기 제1 마이크로 버블 플라즈마 장치를 통해 수용성의 N2O, NO2 질소산화물로 전환된 후에, 제2 플라즈마 마이크로 버블장치를 통해 상기 전환된 NO/N2O/NO2 를 스프레이 노즐(404)를 통한 세정액 분사를 통해 완전히 제거할 수 있다.
이때 사용되는 세정액은 화학흡수법에 의한 CO2, HFC, CFC 등 온실가스 제거가 가능하도록 알카놀아민류의 흡수제가 사용될 수 있다.
가령, 세정액으로 AMP(2-Amino-2-Methyl-1-Propanol)/MEA(Monothanolamine) 수용액은 높은 반응성 및 낮은 용매가격, 재생의 용이, 탄화수소의 낮은 흡수 때문에 효과적으로 이용할 수 있다.
또한, MDEA(N-Methyldiethanolamine) + 소량의 Piperazine을 첨가한 수용액은 흡수제의 반응속도와 흡수능을 향상시키고, Piperazine의 첨가에 따라 MDEA의 열화와 탄소강에 대한 부식이 억제된다.
또한, AMP에 활성제인 Piperazine을 첨가한 경우 CO2 반응성을 향상시킬 수 있다.
또한, AMP+HDMA를 첨가한 경우에는 MEA보다도 흡수능을 약 2배정도 우수하고 AMP에 Piperazine을 첨가한 혼합흡수체보다 흡수능이 증가하였으므로 HDMA는 다른 흡수제에 비하여 AMP의 흡수능을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 제1 마이크로 버블 플라즈마 장치와 같이, 제2 마이크로 버블 플라즈마 장치에서도 상기 대상물질 이동통로의 상부에 형성되는 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 유연 전극장치를 더 구비할 수 있다. 이때, 특히, 메쉬형 플라즈마 장치는 질소산화물(NOx) 중 NO를 분해/산화시키고 NO2로 변환시켜 효과적으로 처리 및 제거가 가능한다. 즉, NOx-plasma 산화(oxidation) 후 처리, 악취가스와 유해독성물질, VOCs 파괴처리가 가능하다.
이와 같이, 제1 및 2 마이크로 버블 플자즈마 장치를 통한 습식 세정 후에, 2차적으로 DBD 플라즈마/활성 광촉매 시스템(510)을 통해 대상물질을 연소/산화/분해/제거 처리한다.
즉, DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 방식은 대기압, 상온에서 플라즈마 작업이 가능하다. 또한, 대기압 환경에서 플라즈마를 발생시키는 DBD 방전방식은 고밀도 (10 ~10 cm ) 산소 활성층을 발생시킴으로써 처리대상 물질을 효과적으로 처리할 수 있다.
또한, DBD 플라즈마/활성 광촉매 시스템(510)은 다층의 흡착탑(Adsorption Tower) 방식으로 구성될 수 있으며, 필터 분리형(Filter plate)으로 개별 분리가 가능하여 교체가 용이한 장점이 있다.
먼저, 제1 및 제2 마이크로 버블 플라즈마 스크러버를 통해 1차 처리된 대상물질은 데미스터(Demister)(501)를 통해 수분이 흡수되고, 높은 비표면적을 가진 흡착제로서 활성탄소층(502)과 제올라이트층(503)을 통과하면서 2차 필터링된다.
즉, 활성탄, 제올라이트 흡착제와 유기물 분자에 대한 고도의 흡착능력, 세공(Micropore)가 잘 발달하여 유효 표면적인 매우 넓어 효율적인 처리가 가능하다. 가령, 활성카본(Activated Carbon)과 제올라이트(Zeolite) 등의 높은 비표면적을 갖는 흡착제를 사용하여 효율적인 처리가 가능하고, 고품질의 활성탄을 사용하여 교체주기를 늘릴 수 있다.
이어 UV 램프 조사 구간층(504)에서는 상기 흡착제층을 통과하면서 2차 필터링된 대상물질은 UV 램프 내에서 자외선 조사를 수행한다. 이처럼 자외선 조사를 통해 오염물질 살균 및 분해, 광촉매와 상호작용으로 살균 시너지를 제공할 수 있다.
이어, 활성 광촉매/광촉매 필터의 산화반응에서 제거되지 않고 잔존하는 대상물질은 후방에 존재하는 DBD/저온 플라즈마 장치(510)와 광촉매 비드(505)로 유도되어 제거된다. 이때, DBD 플라즈마 장치는 플라즈마 반응과 UVA를 활성 광촉매/광촉매 필터의 표면에 조사하여 이로 인해 광촉매 반응이 발생하여 활성 O-H 라디칼을 생성한다. 생성된 활성 O-H 라디칼은 강력한 산화력으로 분자의 크기와 특성이 다양한 복합오염물질을 최종적으로 제거된 상태로 출구를 통해 정화된 클린가스가 제공된다. 이때, 광촉매 비드는 촉매 반응을 촉진시켜 세균 및 오염물질을 분해하는 반도체 물질을 말한다. 또한, 하부에 먼지 집진기(521)을 통해 미세먼지를 집진하고 볼밸브(520)를 통한 개폐를 통해 먼지 청소 및 수시 점검이 가능하다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
201: 제1 연소로
202: M/W 제너레이터
203: 글라이딩아크 유량계
204: 유량계 박스
205: 오일(oil) 압축기
206: 칠러(chiller)
207: 글라이딩아크 버너
208: 3 stub 터너
209: 양방향 커플러
210: 아이솔레이터
211: 석영 홀더
212: 냉각팬
213: 인디케이터
214: 전원공급장치
215: MCU
216: 하니콤 세라믹
217: 광촉매 비드
218: 먼지 집진기
219: 방화물(fire Proof)
220: 3모듈 플랜지
222: 아크플라즈마 전극바
223: 점화부
224: 도파관
300: 스프레이 노즐
301: 나노 마이크로버블 플라즈마 장치
501: 데미스터(demister)
502: 활성탄소층
503: 제올라이트층
504: UV 램프
505: 광촉매층
510: DBD 플라즈마 장치
520: 볼밸브
521: 먼지 집진기

Claims (7)

  1. 마이크로웨이브(Microwave)을 이용하여 유입된 대상물질을 1차 연소/산화/파괴/분해처리하여 정화된 물질을 제공하는 M/W 플라즈마 버너 시스템과, 상기 MW 플라즈마 버너 시스템에서 1차 처리된 대상물질을 글라이딩아크 플라즈마를 이용하여 2차 연소/산화/파괴/분해처리하는 글라이딩아크 플라즈마 버너 시스템을 포함하는고온 플라즈마 장치와;
    제1 마이크로 버블 플라즈마 장치로 플라즈마를 발생시키고 이때 생성되는 고농도의 오존 및 OH 라디칼을 이용하여 상기 고온 플라즈마 장치를 통해 처리된 대상물질을 수용성 물질로 전환하고, 전환된 수용성 대상물질을 제2 마이크로 버블 플라즈마 장치를 통해 처리하는 습식 세정장치;를 포함하는 대기오염물질 저감장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 M/W 플라즈마 버너 시스템은,
    M/W 제너레이터로부터 발생된 M/W를 전달하는 도파관과;
    상기 도파관의 말단부에 위치하고 상기 도파관과 관통되어 연결되는 제1 연소로와;
    상기 제1 연소로 내로 대상물질이 유입되는 유입통로로서 대상물질 주입부와;
    상기 제1 연소로 내에서 제공된 M/W 플라즈마에 점화하여 플라즈마 토치를 발생시키는 점화부와;
    상기 제1 연소로의 플라즈마 토치 발생 영역으로 탄화수소계 연료를 주입하는 연료 주입부;를 포함하는 대기오염물질 저감장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 글라이딩아크 플라즈마 버너 시스템은,
    1차 M/W 플라즈마 버너 시스템의 제1 연소로와 연통되어 1차 연소 처리된 대상물질이 유입되는 제2 연소로와;
    고전압의 전력을 공급하여 상기 제2 연소로에서 방전을 통해 아크를 형성하고 생성된 플라즈마는 반응물에 의해 대류되어 상기 제2 연소로 후단으로 밀려나고 전극으로부터 상기 제2 연소로로 유입된 1차 연소 처리된 대상물질을 상기 생성된 플라즈마 화염을 통해 산화반응으로 2차 플라즈마 처리하는 글라이딩아크 버너부;를 포함하는 대기오염물질 저감장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 글라이딩아크 버너부는,
    내부 할로우를 통해 연료가 주입되는 글라이딩아크 전극바와,
    상기 글라이딩아크 전극바와 연결되고 외부 전극이 구비되어 내부에 방전가스가 주입되는 전극바 홀더와,
    상기 글라이딩아크 전극바의 말단부에 연결되고 상기 제2 연소로의 내부에 위치하여 플라즈마 화염을 발생시키는 내부 전극을 포함하는 대기오염물질 저감장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 습식 세정장치를 통해 처리된 대상물질에 대해 제1 DBD 플라즈마 장치를 통해 생성된 플라즈마를 광촉매층의 표면에 조사하여 활성 O-H 라디칼을 생성하고 생성된 활성 O-H 라디칼은 통해 상기 대상물질을 2차 처리하는 저온 플라즈마 장치를 포함하는 대기오염물질 저감장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 습식 세정장치는,
    상기 대상물질 이동통로의 상부에 형성되는 유연 전극 형태의 제2 DBD 플라즈마 장치와,
    상기 대상물질 이동통로의 하부에 형성되어 생성된 나노 마이크로 버블을 상부로 확산시키는 제1 및 제2 마이크로버블 플라즈마 장치와,
    약액 탱크로부터 제공되는 제1 세정액을 상기 이동통로상의 대상물질에 분사하는 복수개의 스프레이 노즐을 포함하는 대기오염물질 저감장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고온 플라즈마 장치의 전단에 설치되고,
    상기 고온 플라즈마 장치를 통한 처리 과정의 전처리 단계를 수행하기 위해,
    상기 대상물질에 대해 유증기 성분을 제거하는 하나 이상의 필터부와, 상기 필터부를 통해 유증기 성분이 제거된 대상물질에서 제2 세정액을 분사하여 악취 성분을 제거하는 세정부를 포함하는 전처리 장치를 더 포함하는 대기오염물질 저감장치.
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KR20100069213A (ko) 2008-12-16 2010-06-24 한국과학기술연구원 글라이딩 아크 방전과 촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 처리장치 및 방법
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