KR102499357B1 - 배기가스 및 폐가스 처리용 플라즈마 반응기 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 반응기가 개시된다. 상기 플라즈마 반응기는 피처리가스 주입부; 상기 피처리가스 주입부가 일측에 연결되며 상기 피처리가스 주입부로부터 주입된 피처리가스를 상기 피처리가스 주입부로부터 멀어지는 제1 방향을 따라 이동시키는 제1 피처리가스 이동경로, 상기 제1 방향의 끝측에서 상기 제1 피처리가스 이동경로와 연통되고 상기 피처리가스를 상기 제1 방향의 역방향인 제2 방향을 따라 이동시키는 제2 피처리가스 이동경로, 상기 제2 피처리가스 이동경로로 둘러싸이고 상기 제2 피처리가스 이동경로로부터 피처리가스가 유입되는 플라즈마 반응부를 포함하는 반응기; 상기 반응기의 길이방향의 일측에서 상기 플라즈마 반응부의 길이방향으로 플라즈마를 주입하는 플라즈마 주입부; 및 상기 플라즈마 주입부의 반대편에 위치하며 상기 플라즈마 반응부 내에서 개질된 가스를 토출하는 토출부를 포함한다.
Description
본 발명은 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐기물 또는 바이오매스의 열화학적 변환 후 생성된 배기가스 및 반도체 공정에 사용된 후의 폐가스 등에 포함된 난분해성 물질을 분해 및 제거하여 합성가스를 배출하는 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 이산화탄소 저감 및 자원화 기술에 활용이 가능하다.
인구의 증가와 산업화의 가속으로 에너지 자원이 점차적으로 고갈되어 가고 있으며, 다양한 생산활동과 소비활동으로 인한 다량의 쓰레기와 하수슬러지, 분뇨, 음식물 쓰레기 등이 발생되어 심각한 환경오염이 발생되고 있다.
이러한 에너지 자원의 고갈 문제와 환경오염의 문제를 해결하기 위해, 과거 매립이나 해양투기 및 단순 소각 등에 의존하던 폐기물처리방법이 최근에는 매립지확보의 어려움과 환경오염방지를 위한 규제의 강화로 인하여 폐기물 재활용과 폐기물 소각시 발생하는 에너지를 회수하는 방법으로 변화되고 있다.
또한 폐기물의 재활용과 함께 신재생 에너지로서 바이오매스(Biomass)의 활용에 관심이 증가하고 있다. 바이오매스는 동물, 식물 및 미생물로부터 유래하는 생분해성 유기성 물질로 다른 용어로 생물체량 또는 생물량이라고 한다. 바이오매스 범주에는 우리 주변에서 어렵지 않게 발견할 수 있는 목재(목질바이오매스), 초본식물(에너지 작물), 농작물 및 농업 부산물, 축산 분뇨, 음식물 쓰레기, 도시 쓰레기와 산업 폐기물 등 탄소, 산소, 수소, 질소 등으로 이루어진 모든 유기성 물질을 포함한다. 이러한 바이오매스의 활용을 위해 바이오매스를 열화학적 변환공정을 통해 바이오매스로부터 합성가스를 생산하는 기술이 개발되고 있다. 여기서, 바이오매스의 열화학적 변환에는 바이오매스의 소각, 열분해, 가스화하는 방법이 있으며, 일반적으로 가스화 방법이 널리 이용된다.
그러나 폐기물의 재활용 및 바이오매스의 활용에는 해결해야 할 난점이 있다.
즉, 폐기물의 경우, 생활폐기물을 직접 소각하는 방법은 소각로 내부에서 모든 소각과정이 완료되기 때문에 공정이 매우 간단하게 되는 장점이 있으나, 전처리가 되지 않고 수분이 많은 난연성 생활폐기물을 소각로에 직접 투여할 경우 연소 온도가 낮아져서 불완전 연소 및 배기가스에 다이옥신 등과 같은 공해물질이 상대적으로 높게 발생될 가능성이 높은 문제점을 가지고 있고 열분해 과정을 거치는 생활폐기물의 소각 방법은 직접 소각에 비하여 높은 온도에서 열분해 및 소각 과정이 진행되도록 하기 때문에 다이옥신의 발생을 상대적으로 줄일 수 있는 이점이 있는 반면에 시스템이 복잡해지므로 초기 투자비가 많이 요구되고 또한 운전비용이 높은 단점이 있다.
바이오매스의 경우, 바이오매스를 가스화하는 과정에서 배출되는 배기가스는 타르(Tar)와 같은 난분해성 물질 및 불순물을 함유하고 있어 이를 정제하기 위한 정제 과정이 반드시 요구된다.
폐기물 또는 바이오매스의 열화학적 변환시 발생되는 배기가스 내의 난분해성 물질 및 공해물질을 제거하기 위해, 일반적으로 미네랄 촉매 및 합성 촉매와 같은 촉매에 배기가스를 접촉 및 반응시켜서 난분해성 물질을 분해하는 방법이 이용되고 있으나, 촉매의 반응만으로는 난분해성 물질의 완전한 분해가 어려운 문제가 있다.
그리고 반도체 공정에서 발생하는 식각 가스는 지구 온난화지수가 높은 가스를 사용하여 배출 규제를 받고 있어, 이를 저감하기 위해 POU스크러버를 사용하고 있다. 그러나 반도체 산업현장에서는 스크러버에 사용하는 에너지를 절감할 수 있는 기술을 요구하고 있어, 촉매와 플라즈마를 융합한 반응기는 플라즈마의 열에너지 회수 측면에서 에너지 절감에 기여할 수 있다.
이러한 문제를 해결하고자, 배기가스 처리 설비에서, 배기가스를 플라즈마를 통해 먼저 처리하고, 후공정으로 촉매의 반응으로 배기가스를 처리하여 난분해성 물질을 분해하는 방법이 이용되고 있다.
그러나, 플라즈마 처리 후 촉매 반응을 거쳐 배기가스 내의 난분해성 물질을 분해하는 방법은 플라즈마 장치 및 촉매반응장치를 각각 제작 및 설치하여야 하므로 배기가스 처리 설비의 제조 비용이 증가하는 문제가 있었다.
또한, 촉매반응장치의 경우 촉매의 활성화를 위해 촉매를 열에 직접 노출시키면 촉매의 내구성이 떨어지는 문제가 있었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 피처리가스 내의 난분해성 물질을 효율적으로 제거하여 합성가스를 생산하고, 열손실이 적은 효과적인 단열 구조가 구현될 수 있도록 한 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.
다른 목적으로, 난분해성 물질을 제거하여 합성가스를 생산하는 설비의 구조를 간략화시킬 수 있고, 반응촉매의 내구성이 확보될 수 있도록 한 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기는 피처리가스 주입부; 상기 피처리가스 주입부가 일측에 연결되며 상기 피처리가스 주입부로부터 주입된 피처리가스를 상기 피처리가스 주입부로부터 멀어지는 제1 방향을 따라 이동시키는 제1 피처리가스 이동경로, 상기 제1 방향의 끝측에서 상기 제1 피처리가스 이동경로와 연통되고 상기 피처리가스를 상기 제1 방향의 역방향인 제2 방향을 따라 이동시키는 제2 피처리가스 이동경로, 상기 제2 피처리가스 이동경로로 둘러싸이고 상기 제2 피처리가스 이동경로로부터 피처리가스가 유입되는 플라즈마 반응부를 포함하는 반응기; 상기 반응기의 길이방향의 일측에서 상기 플라즈마 반응부의 길이방향으로 플라즈마를 주입하는 플라즈마 주입부; 및 상기 플라즈마 주입부의 반대편에 위치하며 상기 플라즈마 반응부 내에서 개질된 가스를 토출하는 토출부를 포함한다.
이러한 구조에 따라 피처리가스에 의한 공랭식의 이중의 공기층이 형성되며, 이중의 공기층이 형성됨에 따라 플라즈마 반응부 내의 열손실이 적은 효과적인 단열 구조가 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반응기는, 상기 플라즈마 반응부가 내부에 마련되는 코어관; 상기 코어관과 동축으로 배치되어 상기 코어관을 둘러싸며, 상기 코어관과의 사이에 상기 제2 피처리가스 이동경로가 마련되는 내부관; 상기 코어관과 동축으로 배치되어 상기 내부관을 둘러싸며, 상기 내부관과의 사이에 상기 제1 피처리가스 이동경로가 마련되는 외부관; 상기 제1 방향의 끝측에서 상기 내부관에 형성되는 피처리가스 안내 개구; 및 상기 코어관에 형성되어 상기 제2 방향을 따라 이동하는 피처리가스를 상기 플라즈마 반응부 내측으로 공급하는 피처리가스 공급 개구를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 피처리가스 이동경로 내에 채워지는 반응촉매를 더 포함한다.
반응촉매가 제2 피처리가스 이동경로 내에 배치됨에 따라, 상기 제1 피처리가스 이동경로를 따라 이동하면서 예열된 피처리가스가 제2 피처리가스 이동경로 내에 공급되어 상기 제2 피처리가스 이동경로 내의 반응촉매와의 반응 효율이 증대될 수 있고, 예열된 피처리가스 및 촉매의 반응에 의해 피처리가스 내의 난분해성 물질의 분해 효율이 증대될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반응촉매는 과불화탄소(PFCs) 내의 난분해성 물질을 분해할 수 있는 촉매 또는 이산화탄소 및 메탄과 반응하여 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)의 생성비율을 높이도록 배기가스를 개질할 수 있는 촉매일 수 있다. 예를 들어, 활성 알루미나(activated alumina), 티타니아(titania), 몰리브덴(Mo) 및 코발트(Co) 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 피처리가스 이동경로의 길이방향에 평행하고 상기 제2 피처리가스 이동경로의 둘레 방향을 따라 배열되는 2 이상의 공간 분배 격판을 더 포함하고, 상기 반응촉매는 상기 공간 분배 격판에 의해 분배된 각 분배공간 내에 채워져서 복수를 이룰 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공간 분배 격판은 4개이고, 상기 반응촉매는 4개의 격판에 의해 분배된 각 분배공간 내에 채워져서 복수를 이룰 수 있다.
일 실시예에서, 상기 피처리가스 공급 개구는 상기 제2 방향의 끝측에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 피처리가스 공급 개구는 상기 제2 방향을 따라 다수 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 피처리가스 안내 개구 및 상기 피처리가스 공급 개구는 전체적으로 환형 모습을 이루도록 각각 상기 내부관 및 상기 코어관의 둘레를 따라 배열되는 단위 개구 어레이로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 반응기에 의하면, 난분해성 물질의 제거 효율이 증대되고, 열손실이 적은 효과적인 단열 구조가 구현될 수 있는 이점이 있다.
또한, 난분해성 물질을 제거하여 합성가스를 생산하기 위한 설비의 구조를 간략화시킬 수 있고, 반응촉매의 내구성을 확보할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 횡방향 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3의 횡방향 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 1 내지 도 5에 도시된 피처리가스 주입부가 반응기의 접선 방향으로 설치된 모습을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 횡방향 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3의 횡방향 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 1 내지 도 5에 도시된 피처리가스 주입부가 반응기의 접선 방향으로 설치된 모습을 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 반응기에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 구성을 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 횡방향 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기는 피처리가스 주입부(110), 반응기(120), 플라즈마 주입부(130), 토출부(140)를 포함한다.
피처리가스 주입부(110)는 피처리가스를 상기 반응기(120) 내부로 주입한다. 상기 피처리가스는 소각처리시설의 소각로 및 폐기물 또는 바이오매스를 기화하여 처리하는 가스화시설의 가스화기로부터 배출되는 배기가스, 반도체 공정에 사용되는 과불화탄소 및 아산화질소 등의 난분해성 가스일 수 있다.
반응기(120)는 상기 피처리가스 주입부(110)가 일측에 연결되며, 상기 피처리가스 주입부(110)로부터 주입된 피처리가스를 상기 피처리가스 주입부(110)로부터 멀어지는 제1 방향을 따라 이동시키는 제1 피처리가스 이동경로(1201), 상기 제1 방향의 끝측에서 상기 제1 피처리가스 이동경로(1201)와 연통되고 상기 피처리가스를 상기 제1 방향의 역방향인 제2 방향을 따라 이동시키는 제2 피처리가스 이동경로(1202), 상기 제2 피처리가스 이동경로(1202)로 둘러싸이고 상기 제2 피처리가스 이동경로(1202)로부터 피처리가스가 유입되는 플라즈마 반응부(1203)를 포함한다.
플라즈마 주입부(130)는 반응기(120)의 길이방향의 일측에서 플라즈마 반응부(1203)의 길이방향으로 플라즈마를 주입한다. 일 예로, 상기 플라즈마 주입부(130)에는 대기압 열플라즈마가 연결되어 플라즈마가 플라즈마 반응부(1203) 내로 주입될 수 있다.
토출부(140)는 상기 플라즈마 주입부(130)의 반대편에 위치하며 상기 플라즈마 반응부(1203) 내에서 개질된 가스를 토출한다.
구체적으로, 상기 반응기(120)는 코어관(121), 내부관(122), 외부관(123), 피처리가스 안내 개구(124) 및 피처리가스 공급 개구(125)를 포함할 수 있다.
상기 코어관(121)은 상기 반응기(120)의 중심에 위치하고, 내부에 상기 플라즈마 주입부(130)가 마련된다.
상기 내부관(122)은 상기 코어관(121)과 동축으로 배치되어 상기 코어관(121)을 둘러싸며, 상기 코어관(121)과의 사이에 상기 제2 피처리가스 이동경로(1202)가 마련된다.
상기 외부관(123)은 상기 코어관(121)과 동축으로 배치되어 상기 내부관(122)을 둘러싸며, 상기 내부관(122)과의 사이에 상기 제1 피처리가스 이동경로(1201)가 마련된다.
이러한 반응기(120)는 상기 코어관(121)으로부터 상기 외부관(123)까지 이중관 구조를 이루며, 상기 제1 피처리가스 이동경로(1201) 및 상기 제2 피처리가스 이동경로(1202)의 양끝 단부는 밀폐된다.
일 예로, 상기 코어관(121), 내부관(122) 및 외부관(123)은 원통 형상으로 구비될 수 있다.
상기 피처리가스 안내 개구(124)는 상기 제1 방향의 끝측에서 상기 내부관(122)에 형성되어, 상기 제1 피처리가스 이동경로(1201) 및 상기 제2 피처리가스 이동경로(1202)를 소통시켜서 상기 제1 피처리가스 이동경로(1201)를 따라 이동하는 피처리가스를 상기 제2 피처리가스 이동경로(1202) 내로 안내한다.
상기 피처리가스 공급 개구(125)는 상기 코어관(121)에 형성되어 상기 제2 방향을 따라 이동하는 피처리가스를 상기 플라즈마 반응부(1203) 내측으로 공급한다. 일 예로, 상기 피처리가스 공급 개구(125)는 상기 제2 방향의 끝측에 위치할 수 있다.
여기서, 상기 피처리가스 안내 개구(124)는 전체적으로 환형 모습을 이루도록 상기 내부관(122)의 둘레를 따라 배열되는 단위 개구 어레이로 구성되며, 상기 피처리가스 공급 개구(125)는 전체적으로 환형 모습을 이루도록 상기 코어관(121)의 둘레를 따라 배열되는 단위 개구 어레이로 구성될 수 있다.
한편, 상기 피처리가스 주입부(110)는 상기 외부관(123)의 일측에 연결된다. 일 예로, 상기 피처리가스 주입부(110)는 상기 플라즈마 주입부(130) 방향에서 상기 외부관(123)에 연결될 수 있고, 이러한 경우, 상기 제1 방향의 끝측에 위치하는 피처리가스 안내 개구(124)는 상기 토출부(140) 방향에 위치하고, 상기 제1 방향의 역방향인 제2 방향의 끝측에 위치하는 상기 피처리가스 공급 개구(125)는 상기 플라즈마 주입부(130) 방향에 위치할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기에서 피처리가스에 포함된 난분해성 물질이 분해되기 위해 처리되는 과정을 설명한다.
먼저, 피처리가스 주입부(110)에서 피처리가스가 주입되고, 플라즈마 주입부(130)에서 플라즈마 반응부(1203) 내로 플라즈마가 주입된다.
주입된 피처리가스는 제1 피처리가스 이동경로(1201)에서 피처리가스 주입부(110)와 멀어지는 제1 방향을 따라 이동하고, 이어서 상기 제1 방향의 끝측에 위치하는 피처리가스 안내 개구(124)를 통해 제2 피처리가스 이동경로(1202) 내로 유입된 후 제2 피처리가스 이동경로(1202)에서 상기 제1 방향의 역방향인 제2 방향을 따라 이동한다. 이때, 플라즈마 반응부(1203) 내로 주입되는 플라즈마의 열에 의해 상기 제1 피처리가스 이동경로(1201) 및 상기 제2 피처리가스 이동경로(1202)를 따라 이동하는 피처리가스는 예열(Pre-Heating)된다.
이어서, 상기 제2 방향을 따라 이동하는 피처리가스는 상기 제2 방향의 끝측에 위치하는 피처리가스 공급 개구(125)를 통해 플라즈마 반응부(1203) 내로 공급되고, 플라즈마 반응부(1203) 내로 공급된 피처리가스는 플라즈마와 섞인다. 이때, 피처리가스는 피처리가스 공급 개구(125)가 플라즈마 주입부(130) 방향에 위치하므로 피처리가스는 플라즈마의 고온 영역에서 플라즈마와 섞인 후 토출부(140)를 향하는 플라즈마에 의해 토출부(140) 방향으로 이동하면서 플라즈마와 반응한다. 이때, 피처리가스가 플라즈마와 반응하는 것에 의해 난분해성 물질이 제거된다.
마지막으로, 플라즈마와 반응하여 난분해성 물질이 제거된 피처리가스는 토출부(140)를 통해 반응기(120) 외부로 합성가스로써 배출된다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기는 피처리가스가 플라즈마와 반응하기 전에, 제1 방향 및 제1 방향의 역방향인 제2 방향을 따라 안내하는 2개의 경로를 따라 이동하면서 예열되고 그 예열 시간이 증가하므로 피처리가스의 열분해 효율이 증대되고, 이에 따라 피처리가스 내의 난분해성 물질을 효율적으로 제거할 수 있다.
또한, 플라즈마 반응부(1203)는 피처리가스가 이동하는 제1 피처리가스 이동경로(1201) 및 제2 피처리가스 이동경로(1202)를 통해 이중관 구조로 둘러싸여 있으므로 제1 피처리가스 이동경로(1201) 및 제2 피처리가스 이동경로(1202)를 따라 이동하는 피처리가스에 의한 공랭식의 이중의 공기층이 형성되며, 이중의 공기층이 형성됨에 따라 플라즈마 반응부(1203) 내의 열손실이 적은 효과적인 단열 구조가 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 구성을 나타내는 단면도이고, 도 4는 도 3의 횡방향 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기는 피처리가스 주입부(110), 반응기(120), 플라즈마 주입부(130), 토출부(140), 반응촉매(150), 공간 분배 격판(126)을 포함한다. 여기서, 상기 피처리가스 주입부(110), 반응기(120), 플라즈마 주입부(130), 토출부(140)는 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기와 동일하며, 반응촉매(150) 및 공간 분배 격판(126)을 더 포함하는 것에 차이가 있다. 따라서, 이하에서는 중복되는 상세한 설명은 생략하고, 도 2를 참조하여 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
반응촉매(150)는 제2 피처리가스 이동경로(1202) 내에 채워진다. 반응촉매(150)는 플라즈마 반응부(1203) 내로 주입되는 플라즈마로부터 제2 피처리가스 이동경로(1202)로 간접적으로 전달되는 열에 의해 활성화되어 제2 피처리가스 이동경로(1202)를 따라 이동하는 피처리가스를 촉매 환원 반응에 의해 정화할 수 있다. 상기 반응촉매는 과불화탄소(PFCs) 내의 난분해성 물질을 분해할 수 있는 촉매 또는 이산화탄소 및 메탄과 반응하여 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)의 생성비율을 높이도록 배기가스를 개질할 수 있는 촉매일 수 있다. 예를 들어, 활성 알루미나(activated alumina), 티타니아(titania), 몰리브덴(Mo) 및 코발트(Co) 중 어느 하나일 수 있다.
공간 분배 격판(126)은 2 이상으로 구비되어, 제2 피처리가스 이동경로(1202)의 길이방향에 평행하고, 제2 피처리가스 이동경로(1202)의 둘레 방향을 따라 배열된다. 이에 따라, 제2 피처리가스 이동경로(1202)는 둘레 방향으로 2 이상의 분배공간(1202a)이 마련될 수 있다.
일 예로, 공간 분배 격판(126)은 4개일 수 있고, 4개의 공간 분배 격판(126)에 의해 제2 피처리가스 이동경로(1202)는 4개의 분배공간(1202a)이 마련될 수 있고, 반응촉매(150)는 4개의 분배공간(1202a) 각각에 채워져서 복수로 구비될 수 있다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기는 피처리가스 주입부(110)로부터 주입되어 제1 피처리가스 이동경로(1201)를 지나 제2 피처리가스 이동경로(1202)로 유입되는 피처리가스는 예열된 상태로 제2 피처리가스 이동경로(1202) 내에 채워진 반응촉매(150)를 통과하면서 피처리가스 내에 포함된 난분해성 물질이 일부 분해되고, 이어서 제2 피처리가스 이동경로(1202)로부터 플라즈마 반응부(1203) 내로 주입되는 피처리가스는 플라즈마와 섞여서 토출부(140) 방향으로 이동하면서 플라즈마와 반응하여 난분해성 물질이 제거된다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기는 피처리가스가 제1 피처리가스 이동경로(1201)에서 예열된 후 반응촉매(150)가 채워진 제2 피처리가스 이동경로(1202) 내로 공급되어 반응촉매(150)와 반응하므로 촉매와의 반응 효율이 증대될 수 있고, 예열된 피처리가스 및 촉매의 반응에 의해 피처리가스 내의 난분해성 물질의 분해 효율이 증대될 수 있다.
또한, 피처리가스가 반응촉매(150)를 통과하면서 난분해성 물질이 일부 분해된 후 플라즈마와 반응하여 난분해성 물질이 최종적으로 제거되므로 난분해성 물질의 제거 효율이 증대될 수 있다.
또한, 반응촉매(150)는 반응기(120) 내에 구비되므로 피처리가스 및 플라즈마 간의 반응 후 피처리가스를 추가로 촉매와 반응시키기 위한 촉매반응장치를 후단 공정으로 구비할 필요가 없으므로 난분해성 물질을 제거하여 합성가스를 생산하기 위한 설비의 구조를 간략화시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 반응촉매(150)는 코어관(121) 및 내부관(122) 사이의 제2 피처리가스 이동경로(1202) 내에서 플라즈마로부터 격리되어 플라즈마에 직접 노출되지 않으므로 내구성이 확보될 수 있는 이점이 있다.
또한, 제2 피처리가스 이동경로(1202)는 둘레 방향으로 배열되는 복수의 분배공간(1202a)이 마련되고 그 복수의 분배공간(1202a) 각각에 반응촉매(150)가 채워져서 반응촉매(150)가 복수로 구비되므로 단일의 반응촉매로 이루어지는 경우보다 제2 피처리가스 이동경로(1202) 내에서의 반응 표면 수가 증가되어 반응촉매(150)를 통해 난분해성 물질을 분해하는 효율이 증대될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기는 피처리가스 주입부(110) 및 피처리가스 안내 개구(124)의 위치 및 피처리가스 공급 개구(125)의 구조를 제외하고는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기와 동일하므로 이하에서는 중복되는 상세한 설명은 생략하고, 도 4를 참조하여 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기는 피처리가스 주입부(110)가 토출부(140) 방향에서 외부관(123)에 연결되고, 피처리가스 안내 개구(124)가 플라즈마 주입부(130) 방향에서 내부관(122)에 형성되며, 피처리가스 공급 개구(125)는 상기 제2 방향, 즉 제2 피처리가스 이동경로(1202)의 길이방향을 따라 다수 배열된다.
이러한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기는 피처리가스 주입부(110)로부터 주입되어 제1 피처리가스 이동경로(1201)를 지나 제2 피처리가스 이동경로(1202)로 유입되는 피처리가스는 제2 피처리가스 이동경로(1202) 내에 채워진 반응촉매(150)를 통과하면서 피처리가스 내에 포함된 난분해성 물질이 일부 분해된다.
이때, 제2 피처리가스 이동경로(1202)를 따라 이동하는 피처리가스는 반응촉매(150)와 반응 후 제2 피처리가스 이동경로(1202)를 따라 배열된 피처리가스 공급 개구(125)들을 통해 플라즈마 반응부(1203) 내로 주입되는 주입된다. 따라서, 반응촉매(150)와 반응 후 난분해성 물질이 일부 분해된 피처리가스는 플라즈마 반응부(1203)의 길이방향으로 주입되는 플라즈마와 플라즈마 반응부(1203)의 길이방향에서 고르게 섞이게 된다.
따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기는 반응촉매(150)와 반응된 피처리가스가 플라즈마 전체에 고르게 섞여서 피처리가스 및 플라즈마 간의 반응 효율이 증대되고, 나아가 피처리가스 내의 난분해성 물질의 분해 효율이 증대될 수 있는 이점이 있다.
도 6은 도 1 내지 도 5에 도시된 피처리가스 주입부가 반응기의 접선 방향으로 설치된 모습을 나타내는 단면도이다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 반응기의 피처리가스 주입부(110)는 도 6에 도시된 바와 같이 피처리가스 주입부(110)가 반응기(120)의 접선 방향으로 설치될 수 있다. 이러한 경우, 피처리가스는 반응기(120) 내로 스월 형태로 주입되어 피처리가스의 주입이 용이하며, 반응기(120) 내에서의 체류시간이 증가할 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
Claims (17)
- 플라즈마 주입부(130);
반응기(120)의 중심부에 배치되며 길이방향의 일측에 상기 플라즈마 주입부(130)가 연결되어 상기 길이방향을 따라 플라즈마가 주입되는 플라즈마 반응부(1203), 상기 플라즈마 반응부(1203)를 둘러싸며 상기 플라즈마 주입부(130) 방향에서 상기 플라즈마 반응부(1203)와 소통되는 제2 피처리가스 이동경로(1202), 상기 제2 피처리가스 이동경로(1202)를 둘러싸며 상기 플라즈마 주입부(130) 반대 방향에서 상기 제2 피처리가스 이동경로(1202)와 소통되는 제1 피처리가스 이동경로(1201)를 포함하는 반응기(120);
상기 플라즈마 주입부(130) 방향에서 상기 제1 피처리가스 이동경로(1201) 내로 피처리가스를 주입하는 피처리가스 주입부(110);
상기 플라즈마 주입부(130)의 반대편에 위치하며 상기 플라즈마 반응부(1203) 내에서 개질된 가스를 토출하는 토출부(140); 및
상기 제2 피처리가스 이동경로(1202) 내에 채워지는 반응촉매(150)를 포함하고,
상기 피처리가스는 상기 제1 피처리가스 이동경로(1201) 내에서 상기 피처리가스 주입부(110)로부터 멀어지는 제1 방향을 따라 이동 후 상기 제2 피처리가스 이동경로(1202) 내에서 상기 제1 방향의 역방향인 제2 방향을 따라 이동하여 상기 반응촉매(150)를 통과하면서 상기 플라즈마 주입부(130) 방향에서 상기 플라즈마 반응부(1203) 내로 공급되는,
플라즈마 반응기. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 반응촉매(150)는 활성 알루미나(activated alumina), 티타니아(titania), 몰리브덴(Mo) 및 코발트(Co) 중 어느 하나인,
플라즈마 반응기. - 제1항에 있어서,
상기 제2 피처리가스 이동경로(1202)의 길이방향에 평행하고 상기 제2 피처리가스 이동경로(1202)의 둘레 방향을 따라 배열되는 2 이상의 공간 분배 격판(126)을 더 포함하고,
상기 반응촉매(150)는 상기 공간 분배 격판(126)에 의해 분배된 각 분배공간(1202a) 내에 채워져서 복수를 이루는,
플라즈마 반응기. - 제4항에 있어서,
상기 공간 분배 격판(126)은 4개이고,
상기 반응촉매(150)는 4개의 격판(126)에 의해 분배된 각 분배공간(1202a) 내에 채워져서 복수를 이루는,
플라즈마 반응기. - 제1항에 있어서,
상기 반응기(120)는,
상기 플라즈마 반응부(1203)가 내부에 마련되는 코어관(121);
상기 코어관(121)과 동축으로 배치되어 상기 코어관(121)을 둘러싸며, 상기 코어관(121)과의 사이에 상기 제2 피처리가스 이동경로(1202)가 마련되는 내부관(122);
상기 코어관(121)과 동축으로 배치되어 상기 내부관(122)을 둘러싸며, 상기 내부관(122)과의 사이에 상기 제1 피처리가스 이동경로(1201)가 마련되는 외부관(123);
상기 제1 방향의 끝측에서 상기 내부관(122)에 형성되는 피처리가스 안내 개구(124); 및
상기 코어관(121)에 형성되어 상기 제2 방향을 따라 이동하는 피처리가스를 상기 플라즈마 반응부(1203) 내측으로 공급하는 피처리가스 공급 개구(125)를 포함하는,
플라즈마 반응기. - 제6항에 있어서,
상기 피처리가스 공급 개구(125)는 상기 제2 방향의 끝측에 위치하는,
플라즈마 반응기. - 제6항에 있어서,
상기 피처리가스 안내 개구(124) 및 상기 피처리가스 공급 개구(125)는 전체적으로 환형 모습을 이루도록 각각 상기 내부관(122) 및 상기 코어관(121)의 둘레를 따라 배열되는 단위 개구 어레이로 구성되는,
플라즈마 반응기. - 제6항에 있어서,
상기 제2 피처리가스 이동경로(1202) 내에 채워지는 반응촉매(150)를 더 포함하는,
플라즈마 반응기. - 제9항에 있어서,
상기 반응촉매(150)는 활성 알루미나(activated alumina), 티타니아(titania), 몰리브덴(Mo) 및 코발트(Co) 중 어느 하나인,
플라즈마 반응기. - 제9항에 있어서,
상기 제2 피처리가스 이동경로(1202)의 길이방향에 평행하고 상기 제2 피처리가스 이동경로(1202)의 둘레 방향을 따라 배열되는 2 이상의 공간 분배 격판(126)을 더 포함하고,
상기 반응촉매(150)는 상기 공간 분배 격판(126)에 의해 분배된 각 분배공간(1202a) 내에 채워져서 복수를 이루는,
플라즈마 반응기. - 제11항에 있어서,
상기 공간 분배 격판(126)은 4개이고,
상기 반응촉매(150)는 4개의 격판(126)에 의해 분배된 각 분배공간(1202a) 내에 채워져서 복수를 이루는,
플라즈마 반응기. - 제9항에 있어서,
상기 피처리가스 공급 개구(125)는 상기 제2 방향의 끝측에 위치하는,
플라즈마 반응기. - 제9항에 있어서,
상기 피처리가스 공급 개구(125)는 상기 제2 방향을 따라 다수 배열되는,
플라즈마 반응기. - 제7항 또는 제14항에 있어서,
상기 피처리가스 주입부(110)는 상기 플라즈마 주입부(130) 방향에서 상기 외부관(123)에 연결되는,
플라즈마 반응기. - 제14항에 있어서,
상기 피처리가스 주입부(110)는 상기 토출부(140) 방향에서 상기 외부관(123)에 연결되는,
플라즈마 반응기. - 제1항에 있어서,
상기 반응기(120)는 원통 형상이고,
상기 피처리가스 주입부(110)는 상기 반응기(120)의 접선 방향으로 설치되는,
플라즈마 반응기.
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| KR102044446B1 (ko) * | 2018-08-16 | 2019-11-14 | (주)퓨어플라텍 | 가스처리용 마이크로웨이브식 플라즈마 장치 |
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