KR100448632B1 - 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치 및 그 방법 - Google Patents

플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철광석 소결공장, 화력 발전소등의 배가스에 함유되어 있는 대기오염물질인 이산화황, 질소 산화물, 다이옥신등을 펄스 코로나 방전을 이용한 플라즈마 상태에서 제거할 수 있도록 된 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 플라즈마 반응기에 펄스 고전압을 인가하여 코로나 방전을 발생시키고, 코로나 방전에 의해 배가스를 플라즈마 상태로 변환시킨 상태에서 배가스에 포함된 대기오염물질을 제거하는 대기오염물질 처리 장치에 있어서, 입력전원을 직류 고전압으로 변환하여 출력하는 직류 고전압 공급기, 상기 직류 고전압 공급기로부터 공급되는 직류 고전압을 소정 주기의 펄스 고전압으로 변환하여 출력하는 펄스발생기, 상기 펄스발생기의 펄스 고전압을 코로나 방전을 위한 소정 레벨의 코로나 방전 전압으로 승압시키는 승압 트랜스, 상기 승압 트랜스에 의해 승압된 고전압 펄스의 폭을 짧게 변환시킨 후 플라즈마 반응기의 방전극에 공급하는 자기 스위치, 상기 플라즈마 반응기에 의한 코로나 방전 직후에 상기 플라즈마 반응기에 충전된 고전압을 방전시키는 방전 회로부를 구비한다.

Description

플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SIMUTANEOUS REMOVAL OF AIR POLLUTANTS USING NON-THERMAL PLASMA TECHNOLOGY}
본 발명은 대기오염물질 처리 장치 및 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 철광석 소결공장, 화력 발전소등의 배가스에 함유되어 있는 대기오염물질인 이산화황, 질소 산화물, 다이옥신등을 펄스 코로나 방전을 이용한 플라즈마 상태에서 제거할 수 있도록 된 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 화석 연료를 연소시키는 철광석 소결 공장이나 화력 발전소등에는 연료 연소시에 배출되는 배가스에 유해한 다량의 이산화황(SO2), 질소 산화물(NOx), 다이옥신 등이 포함되어 있기 때문에, 이러한 다량의 대기 오염 물질을 제거하기 위한 배가스 처리 설비를 구비한다.
현재 배가스의 이산화황을 제거하는 탈황 공정으로서 가장 널리 상용화되어 있는 기술은 석회석 슬러리를 이용한 습식 석회/석고법이고, 그 밖에 건식 흡수제, 활성탄 등을 이용한 건식 공정이 일부 상용화되어 가동중에 있다.
한편, 질소 산화물 제거방법으로는 원천적으로 질소 산화물이 생성되는 것을 억제하기 위한 화석 연료 연소시의 연소 방법의 개선이나 연소 후처리 방법인 배가스의 탈질 방법등이 있다. 이 중에서 배가스 탈질 방법은 질소 산화물을 수용액에 흡수시키는 지의 여부에 따라 습식법과 건식법으로 나뉘어진다. 이 중 습식법은 건식법에 비해 경제성이 떨어지고 수질 오염등의 2차 오염물질 처리가 요구되므로 건식법에 비해 상대적으로 열등한 방법이다. 건식법의 대표적인 상용화공정으로는 선택적 촉매 환원법(selective catalytic reduction,SCR)이 있다(K.Kawamura and V.H.Shui,Pilot plant experience in electron-beam treatment of iron-ore sintering flue gas and its application to coal boiler flue gas cleanup,Radiation Physical Chemical,vol.24,no.1,pp.117~127,1984). 선택적 촉매 환원법은 배가스와 환원제를 촉매층에 동시에 통과시키면서 배가스 내의 질소 산화물을 질소와 물로 선택적으로 환원시키는 방법이다.
그러나 이러한 종래의 대기오염물질 처리 방법에서는 대량의 배가스가 성격이 전혀 다른 탈황 및 탈질 두 공정을 순차적으로 거치면서 오염물질이 처리됨에 따라 초기 투자비 및 운전비가 상승되게 되고, 탈황 및 탈질공정의 최적 공정 결합이 요구될 뿐만 아니라 습식법에서의 폐수 배출등이 문제점으로 지적되고 있다.
따라서, 이러한 문제점을 개선하기 위한 일방편으로 제시된 것이 플라즈마를 이용하여 대기오염물질을 건식으로 동시에 처리하여 제거하는 방법이다. 이러한 종래의 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치를 도 1에 도시된 플라즈마 반응기를 참조로 하여 설명하면, 플라즈마 반응기(10)는 일정 간격으로 마련된 다수의 방전극(12)과 접지판(11)으로 이루어지는 선-판형 구조로 되어 있다. 이러한 플라즈마 반응기(10)의 방전극(12)에 펄스 고전압을 인가하여 방전을 시키면 배가스가 플라즈마 상태가 되어 O,OH,HO2와 같은 다량의 산화성 라디칼 및 오존이 발생되며, 이산화황, 질소산화물 등은 이러한 산화성 라디칼 및 오존과 하기 반응식1부터 반응식10과 같이 반응하여 제거된다.
SO2+ OH ->HSO3
HSO3+ OH ->H2SO4
SO2+ O ->SO3
SO3+ H2O ->H2SO4
NO + O ->NO2
NO + HO2->NO2+ OH
NO + OH ->HNO2
HNO2+ OH ->NO2+ H2O
NO + O3->NO2+ O2
NO2+ OH ->HNO3
이때, 이산화황 및 질소산화물과 산화성 라디칼 및 오존의 반응에 의해 생성되는 황산(H2SO4) 및 질산(HNO3)은 암모니아(NH3)와의 화학 반응으로 중화되어 황산암모늄 및 질산암모늄으로 전환된다.
한편, 종래의 플라즈마 반응기(10)의 방전극(12)에 펄스 고전압을 인가하기 위하여 마련된 펄스 고전압 발생장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 회전 스파크 갭 스위치(13)가 사용되며 이는 직류 고전압을 콘덴서(CP)에 충전시켰다가 회전 스파크갭 스위치(13)의 스위칭 동작에 따라 콘덴서(CP)를 순간적으로 방전시켜 펄스 고전압을 발생시킨다(Civitano,L.,Industrial application of plused corona processing to flue gas,in Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control,Part B,B.M.Penetrante and S.E.Schultheis,Ed.Springer-Verlag,1993,pp.103~130).
그러나, 펄스 고전압 발생장치를 구현하는 데 있어 회전 스파크갭 스위치(13)는 제작하기가 간편하고 가격이 저렴한 장점이 있으나, 계속 반복되는 스위칭 동작에 의한 스파크 갭의 마모로 인해 수명이 짧아 장시간 운전이 불가능한 문제점이 있다. 또한, 플라즈마 반응기(10)는 전기적인 저항 성분과 콘덴서 성분을 동시에 가지고 있어 플라즈마 반응기(10)의 방전극(12)에 짧은 고전압 펄스가 인가되어도 전압의 펄스폭이 상당히 길어진다. 전압의 펄스폭이 길어지는 이유는 플라즈마 반응기에 생성된 이온공간 전하 때문이며, 전압의 펄스폭이 1㎲이상으로 길어지면 코로나 방전에서 아크 방전으로 전이되기 때문에 방전극에 높은 전압을 인가하기 곤란한 문제점이 있다.
또한, 종래에는 펄스 고전압 발생장치의 콘덴서 정전 용량을 플라즈마 반응기의 정전용량보다 최소한 100배이상 크게 설계함으로서 펄스 고전압 발생장치로부터 플라즈마 반응기로의 전기 에너지 전달 효율이 30%정도로 상당히 낮은 문제가 있다. 그리고, 효과적으로 코로나 방전을 유도할 수 있도록 하는 플라즈마 반응기의 설계 기준이 없어 반응기가 대형화되는 문제점이 있었다.
플라즈마 반응기를 이용한 대기 오염 물질 처리 기술은 초기 투자비 및 설치부지가 작고 부산물의 처리도 간단한 반면 탈황 효율에 비해 탈질 효율이 낮고 큰 운전 전력이 요구되는 문제점이 있다. 따라서, 플라즈마 공정의 경쟁력 향상 및 실용화를 위해 오염물 제거 효율을 향상시키고, 운전전력을 저감시킬 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 그 목적은 플라즈마 반응기에 펄스 고전압을 인가함에 있어서 발생되는 코로나 방전이 아크방전으로 전이되는 것을 방지하여 반응기로 인가되는 첨두 전압을 증가시킴으로써 플라즈마 반응기에 투입되는 전기에너지를 증가시킬 수 있도록 된 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치 및 그 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 펄스 고전압 발생장치로부터 플라즈마 반응기로의 전기에너지 전달효율을 증가시켜 전력 손실을 줄이고, 플라즈마 반응기의 크기를 소형화시킨 상태에서도 효과적인 코로나 방전이 유도될 수 있도록 한 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 대기오염물질의 제거 효율을 향상시킬 수 있는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 플라즈마 반응기의 개략적인 구성을 보인 도이다.
도 2는 종래의 플라즈마 반응기의 전기적인 구성을 보인 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치의 구성을 보인 회로도이다.
도 4는 본 발명을 구현하기 위한 플라즈마 반응기의 일예를 보인 사시도이다.
도 5는 본 발명을 구현하기 위한 플라즈마 반응기의 일예에 따른 방전극의 배열구조도이다.
도 6은 본 발명에 따른 대기오염물질 처리장치의 각 회로부의 전압 및 전류파형도를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치의 구성을 보인 시스템도이다.
도 8은 본 발명에 따른 대기오염물질 처리방법을 설명하기 위한 암모니아 및 프로필렌의 주입량의 관계를 보인 그래프이다.
도 9는 본 발명의 대기오염물질 처리방법에 있어서 수산화칼슘을 중화제로 사용한 경우의 탈황율을 보인 그래프이다.
도 10은 선-판형 소형 플라즈마 반응기의 개략구성도이다.
도 11은 도 10의 소형 플라즈마 반응기에 펄스고전압을 인가하기 위해 제작된 펄스발생장치의 전기회로도이다.
도 12는 펄스형성콘덴서의 정전용량을 변화시켰을 때 전기에너지 전달효율의 변화를 보인 그래프이다.
도 13은 플라즈마 반응기에 인가되는 피크전압에 따른 이산화황 및 질소산화물의 제거량의 관계를 보인 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100:대기오염물질처리장치, 101:접지판,
102:반전극, 110:직류 고전압 공급기,
120:펄스 고전압 발생기, 130:승압 트랜스,
140:자기 스위치, 150:플라즈마 반응기,
160:방전 회로부, 170:전기집진기.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치는 유입된 배가스를 코로나 방전에 의해 플라즈마 상태로 변환시킨 상태에서 배가스에 포함된 대기오염물질을 제거하는 대기오염물질 처리 장치에 있어서, 방전극에 고전압을 인가받아 코로나 방전을 발생시키는 플라즈마 반응기와, 입력전원을 직류 고전압으로 변환하여 출력하는 직류 고전압 공급기와, 상기 직류 고전압 공급기로부터 공급되는 직류 고전압을 소정 주기의 펄스 고전압으로 변환하여 출력하는 펄스발생기와, 상기 펄스발생기의 펄스 고전압을 코로나 방전을 위한 소정 레벨의 코로나 방전 전압으로 승압시키는 승압 트랜스와, 상기 승압 트랜스에 의해 승압된 고전압 펄스의 폭을 짧게 변환시킨 후 상기 플라즈마 반응기의 방전극에 공급하는 자기 스위치와, 상기 플라즈마 반응기에 의한 코로나 방전 직후에 상기 플라즈마 반응기에 충전된 고전압을 방전시키는 방전 회로부를 구비한다.
또한, 본 발명에 따른 대기오염물질 처리 방법은 플라즈마 반응기에 펄스 고전압을 인가하여 코로나 방전을 발생시키고, 코로나 방전에 의해 배가스를 플라즈마 상태로 변환시킨 상태에서 배가스에 포함된 대기오염물질을 제거하는 대기오염물질 처리 방법에 있어서, 상기 배가스에 반응첨가제를 주입하는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계후 펄스 고전압을 플라즈마 반응기에 인가하여 배가스를 플라즈마 상태에서 처리하는 제 2 단계를 구비하여 이루어진다.
이하에는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질처리 장치 및 그 방법의 구성 및 작용효과를 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치의 일예에 따른 전기적 구성을 보인 회로도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기 오염 물질 처리 장치(100)는 직류 고전압을 공급하는 직류 고전압 공급기(110)와, 상기 직류 고전압 공급기(110)로부터 인가되는 직류 고전압을 펄스 고전압으로 변환하여 출력하는 펄스 고전압 발생기(120)와, 상기 펄스 고전압 발생기(120)로부터 출력되는 펄스 고전압을 승압시키는 승압 트랜스(130)와, 상기 승압 트랜스(130)에 의해 승압된 펄스 신호의 펄스폭을 짧게 변환시킨 후 플라즈마 반응기로 제공하는 자기 스위치(140)와, 상기 자기 스위치(140)로부터 방전극에 펄스 고전압이 인가되는 경우 코로나 방전을 발생시키는 플라즈마 반응기(150)와, 코로나 방전후 상기 플라즈마 반응기(150)에 충전된 고전압을 방전시키는 방전 회로부(160)를 구비하여 이루어진다.
이러한 구성에 있어서, 상기 펄스 고전압 발생기(120)는 상기 직류 고전압 공급기(110)로부터의 직류 고전압을 저항(R1,R2)과의 시정수에 따라 충전하는 콘덴서(C1)와, 미도시된 제어부로부터의 제어 신호(CS)에 의해 온/오프 스위칭동작을 하고, 온 시간에 상기 콘덴서(C1)에 충전된 전압을 승압 트랜스측으로 방전시키는 스위치(SW1)를 구비한다.
상기 자기 스위치(140)는 콘덴서(C)와 인덕터(L)를 병렬로 구성한 적어도 2개 이상의 LC회로를 병렬로 접속하여 구성된다.
상기 방전 회로부(160)는 상기 플라즈마 반응기(150)에 병렬로 접속한 방전저항(RP)을 포함하고, 이 방전 저항과 직렬로 접속한 인덕터(LP)를 포함한다. 이때 방전 저항(일예로 400ohm)과 인덕터(200μH)의 전체 임피던스는 상기 플라즈마 반응기(150)의 등가 임피던스(대략 50 ohm)보다 크게 설정되되 바람직하게는 대략 10배 정도로 크게 설정되어 상기 자기 스위치(140)의 펄스 전압이 전력손실없이 상기 플라즈마 반응기(150)로 제공될 수 있도록 한다. 또한, 상기 방전회로부(160)는 상기 플라즈마 반응기(150)의 축전기 성분과 방전 저항에 의한 시정수를 플라즈마 반응기(150)에서 요구하는 펄스폭의 1.0~2.0배로 설정하되, 바람직하게는 대략 1.5배로 설정한다.
상기 플라즈마 반응기(150)는 코로나 방전 개시전에는 콘덴서로 또한 코로나 개시후에는 가변 축전기와 가변 저항의 병렬 구조로 표현되며, 이때 LL은 반응기의 표유 인덕턴스(stray inductance)이고, CL은 가변축전기, RL은 가변저항을 나타낸다.
또한, 상기 본 발명에 따른 대기 오염 물질 처리 장치는 과전류나 역전류가 유입되어 직류 고전압 공급기(110)가 손상되는 것을 방지하기 위해 상기 직류 고전압 공급기(110)의 출력단에 역전류 유입 방지용 역방향 다이오드(D1)를 구비한다.
도 4는 본 발명을 구현하기 위한 플라즈마 반응기의 구조를 보인 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명을 구현하기 위한 플라즈마 반응기(150)는 (+)의 펄스 고전압이 인가되고 일예로 직경이 3mm로 형성된 방전극(101)과, 일예로 높이와 길이가 각각 2m와 5m의 평판형상으로 되고 접지되어 있는 접지판(102)으로구성된다. 이때, 방전극(101)과 접지판(102)은 모두 탄소강으로 형성되고, 방전극(101)은 두 개의 접지판(102)사이에 위치한다. 접지되어 있는 접지판(102)간의 거리는 일예로 200mm이고, 따라서 방전극(101)과 접지판(102)간의 거리는 100mm 이다. 그리고, 배가스가 통과되며 처리되는 플라즈마 반응기(150)의 유효폭은 대략 1.2m로 제작되기 때문에 플라즈마 반응기에는 총 6개의 배가스 유로가 형성되게 된다.
플라즈마 반응기(150)는 양극인 방전극(101)과 음극인 접지판(102)으로 구성되어 있어 일종의 콘덴서라고 볼 수 있으며, 코로나 방전이 일어나기 전의 기구적 정전 용량은 약 4.0 ㎋이다.
도 5는 본 발명을 구현하기 위한 플라즈마 반응기의 방전극의 배열구조를 보인 일실시예이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 방전극(101)은 두개의 접지판(102) 사이에 위치하고 있으며, 방전극(101)간의 거리는 적어도 방전극(101)과 접지판(102)간의 거리보다 크게 설정한다. 방전극 1세트는 총 18개의 방전극으로 구성되며, 플라즈마 반응기는 총 6개의 방전극 세트를 가지고 있어 플라즈마 반응기(150)의 총 방전극 길이는 방전극과 접지판 사이에서 코로나 방전이 일어날 수 있는 유효 길이만을 고려하면 216m(18개*2m*6세트)가 된다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 대기오염물질 처리 장치의 각 회로부의 전압 및 전류파형도를 도시한 것이다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치는 직류 고전압 공급기(110)로부터 30kV의 직류 고전압을 공급받아 승압 트랜스(130)를 통해 5배인 150kV 정도로승압된 전압 펄스를 자기 스위치(140)에 의해 플라즈마 반응기(150)로 인가하게 된다. 이때, 도 6a는 측정 포인트 VD1,VD2,VD3에서 측정한 전압파형을 도시한 것이고, 도 6b는 측정 포인트 CT1,CT2,CT3에서 측정한 전류파형을 도시한 것이다.
플라즈마 반응기(150)로 인가되는 펄스 전압 및 전류 파형은 VD3와 CT3에서 측정된 것으로 최종적으로 반응기에 인가되는 전압은 첨두치가 110kV에 이르며, 첨두 전류는 2.3kA에 이른다. 이때 플라즈마 반응기(150)로 인가되는 펄스신호의 폭은 대략 1㎲로써 상기와 같은 전압에서도 플라즈마 반응기(150)에 아크 방전이 발생되지 않는다.
이하에는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치 및 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 대기오염물질 처리 장치의 직류 고전압 공급기(110)는 최고 40kV의 직류 고전압을 공급하는 데, 본 발명의 일실시예에서는 30kV정도의 직류 고전압을 펄스 발생기(120)에 공급한다.
상기 펄스 발생기(120)는 직류 고전압 공급기(110)에서 공급되는 직류 고전압을 일정 주파수를 갖는 펄스 고전압으로 변환시키는 데, 구체적으로 30kV의 직류 고전압이 저항(R1)(R2)과 콘덴서(C1)의 시정수에 따라 콘덴서(C1)에 충전되고, 제어부(도면 미도시)로부터 제공되는 제어신호(CS)에 따라 스위칭 동작을 수행하는 스위치(SW1)가 온 상태일때 상기 콘덴서(C1)에 저장된 에너지는 승압 트랜스(130)를 거쳐 콘덴서(C2)로 전달되고 자기 스위치(140)에 의해 순차적으로 압축된다. 상기 제어부로부터 제공되는 제어 신호(CS)는 온제어신호와 오프제어신호가 계속적으로 반복되는 신호로써, 이 신호에 응답하여 자기 스위치(140)가 온/오프상태를 계속 반복한다.
상기 승압트랜스(130)는 1,2차 권선비가 1대 5로 구성되어 있어, 상기 펄스 발생기(120)의 펄스 전압을 5배로 승압한 150kV의 펄스 전압을 자기 스위치(140)에 공급한다.
상기 자기 스위치(140)는 상기 승압 트랜스(130)에 의해 승압된 고전압 펄스의 폭을 짧게 변환시킨 후 플라즈마 반응기(150)로 제공하는 데, 이를 구체적으로 설명하면 콘덴서(C2)가 충전되는 동안에는 회로에 큰 인덕턴스가 주어져 첫번째 자기 스위치(L2)가 닫혀있게 된다. 첫번째 자기스위치(L2)가 포화되고 나면 콘덴서(C2)에 충전된 에너지는 콘덴서(C3)로 흘러 충전을 하며 이때의 충전시간은 대략 1μs이다. 두번째 자기 스위치(L3)가 포화되면 콘덴서(C3)의 에너지는 플라즈마 반응기로 전달된다.
또한, 상기 방전 회로부(160)는 방전 저항(RP)과 직렬로 접속한 인덕터(LP)를 포함하고 있는 데, 이 방전 저항(RP)과 인덕터(LP)의 전체 임피던스가 상기 플라즈마 반응기(150)의 등가 임피던스보다 10배 가량 크게 설정되어 상기 자기 스위치(140)의 펄스 전압이 전력 손실없이 상기 플라즈마 반응기(150)로 제공되게 된다.
상기 플라즈마 반응기(150)의 방전극(101)에 펄스 고전압이 인가되면 전압은 빠르게 상승하여 반응기에 충전되게 된다. 펄스 고전압의 충전으로 방전극과 접지판 사이의 전압이 코로나 개시 전압에 도달한 후 통계적 지연 시간인 일정 시간이 경과하면, 방전극으로부터 코로나 방전이 시작되게 된다. 코로나 방전으로 인하여 방전극과 접지판 사이로 유입된 배가스의 절연이 파괴되어 플라즈마 상태가 되고, 그에 따라 다량의 산화성 라디칼 및 오존이 발생되어 배가스내에 포함된 대기오염물질인 이산화황이나 질소산화물을 제거시키게 된다.
이때, 플라즈마 반응기로 제공되는 고전압 펄스 신호의 폭이 대략 1㎲정도가 바람직한데, 이 고전압 펄스의 폭이 1㎲이상으로 길게 유지되면 바람직하지 않게도 아크 방전이 일어나게 된다. 따라서 고전압 펄스의 폭을 1㎲이내로 유지되도록 플라즈마 반응기의 콘덴서 성분에 충전된 전압을 방전 회로부(160)에 의해서 신속하게 방전시켜야 한다. 따라서, 이를 위하여 본 발명의 일실시예에서는 상기 플라즈마 반응기의 콘덴서 성분과 방전 회로부(160)의 방전 저항에 의해 결정되는 시정수를 상기 1㎲의 1.5배 가량인 1.5㎲ 정도로 설정하여 상기 플라즈마 반응기(150)에서 코로나 방전이 발생한 이후에 이 플라즈마 반응기(150)에 충전된 고전압이 상기 방전회로부(160)를 통해서 신속하게 방전될 수 있도록 한다.
이러한 본 발명의 일실시예에 따른 구성에 의해 플라즈마 반응기로 공급되는 펄스 고전압은 첨두 전압이 대략 110kV, 첨두 전류가 대략 2.3kV인 펄스파형이 된다.
한편, 플라즈마 반응기(150)로 인가되는 고전압 펄스의 펄스당 공급 에너지(E)는 다음의 수학식 1에 보인 바와 같이, 전압(V) 및 전류(I)를 곱한 후 시간(t)에 대해 적분하여 구할 수 있으며, 여기에서 소비 전력(P)은 펄스당 공급된에너지(E)를 펄스 반복율 즉, 주파수(f)를 곱하여 얻어지며 이는 수학식 2와 같다.
상기 수학식 1에 의해 플라즈마 반응기에 펄스당 공급되는 에너지를 계산하면 60J이고, 펄스 반복율(1초당 방전극에 인가된 펄스 횟수 즉, 주파수)이 200Hz일때 방전 전력은 12kW이다. 펄스당 공급되는 에너지 60J은 플라즈마 반응기에 병렬로 연결된 저항에서 소모된 에너지를 포함하고 있다. 따라서, 전류 측정 위치를 옮겨 플라즈마 반응기로 흐르는 전류만을 가지고 다시 같은 계산을 반복하면 저항에서 소모되는 에너지는 불과 펄스당 약 3J 미만으로 매우 작음을 알수 있는 데, 그 이유는 플라즈마 반응기에 병렬로 인덕터를 설치하여 전류가 저항으로 흐르지 못하게 되었기 때문이다.
본 발명의 직류 고전압 발생기로부터 출력되는 직류 고전압을 30-40kV의 범위내에서 소정 단위로 변화시키면서 플라즈마 반응기에 공급되는 에너지 변화를 측정하여 나타내면 다음의 표 1과 같다.
직류 고전압 30kV 35kV 40kV
공급에너지 60J/펄스 84J/펄스 110J/펄스
방전극 1m당 공급 에너지 0.28J/m/펄스 0.39J/m/펄스 0.51J/m/펄스
플라즈마 반응기의 유효 방전극 길이는 총 216m이며, 직류 고전압 발생기(110)로부터 출력되는 직류 고전압을 30kV로 공급하였을 때 펄스당 반응기에 공급되는 에너지는 60J이고, 이때 펄스당 방전극 1m에 공급되는 에너지는 60J/216m/펄스, 즉, 0.28J/m/펄스이다.
또한, 직류 고전압을 35kV로 공급하는 경우는 플라즈마 반응기에 펄스당 약 84J의 에너지가 공급되어 펄스당 방전극 1m에 공급되는 에너지는 0.39J/m/펄스가 된다. 직류 고전압을 최대 조건인 40kV로 공급하면 플라즈마 반응기에는 펄스당 약 110J의 에너지가 공급되어 펄스당 방전극 1m에 공급되는 에너지는 0.51J/m/펄스가 된다. 따라서, 플라즈마 반응기(150)에 스파크나 아크가 발생하지 않는 한도내에서 낮은 펄스반복율로 반응기에 많은 전력을 공급하기 위한 반응기 설계 조건은 펄스당 방전극 1m 에 공급되는 전기 에너지를 약 0.5J/m/펄스로 공급하도록 설계하는 것이다.
본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리방법을 설명하면 다음과 같다. 본 발명에서 사용된 소결 공정에서 발생되는 배가스의 조성은 다음의 표 2에 나타낸 바와 같이, 질소 70%, 산소 15%, 이산화탄소5%, 수분 8%,일산화탄소 1%, 이산화황150ppm,질소 산화물 150ppm으로 구성되어 있다. 이밖에 소결 공정 배가스에는 염소계 휘발성 유기화합물의 일종으로 독성 물질인 다이옥신이 미량 포함되어 있으며, 그 농도는 약 20ng TEQ/Nm3포함되어 있다. 여기서 TEQ란 다이옥신의 등가독성을 나타낸다.
성분 N2 O2 CO2 H2O CO SO2 NOX
조성 70% 15% 5% 8% 1% 150ppm 150ppm
도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 대기 오염 물질 처리 장치의 구성을 보인 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치는 제철소 소결 공장의 배가스 일부를 유입시켜 처리하고 있으며, 배가스의 대기오염물질을 제거시키는 플라즈마 반응기(150)와 생성물인 암모늄염을 포집하는 전기집진기(170)로 구분되어 있다. 플라즈마 반응기(150)의 방전극(101)에는 상기한 바와 같이 양성 직류 고전압을 펄스 고전압 발생기(120)를 이용하여 펄스 고전압으로 변환하여 인가하며, 전기 집진기(170)에는 음성 펄스 고전압을 인가한다.
중화제로서 사용되는 암모니아와 반응 첨가제인 프로필렌은 장치의 입구에서 주입되며, SO2,NOX,다이옥신 등의 농도분석을 위한 시료 체취구가 장치의 입출구측에 각각 설치되어 있다.
또한, 플라즈마 반응기(150)의 전단 및 전기 집진기(170)의 후단에는 배가스 온도를 측정하기 위한 온도감지부가 설치되며, 보통의 경우 입구 및 출구의 온도는 각각 150℃와 110℃이다. 배가스는 내경이 340mm인 배관 및 다공 분산판을 통과하여 플라즈마 반응기로 유입된다. 플라즈마 반응기에 유입되는 배가스의 대기오염물질은 플라즈마 반응기(150)를 통과하면서 고체 상태인 암모늄염으로 전환된 후 전기집진기에서 포집되게 된다. 이때, 황산 암모늄과 질산 암모늄의 전기비저항은 대략 105ohmcm로써 전기집진기(170)에서 쉽게 포집된다.
배가스에 중화제 및 반응 첨가제를 주입하는 단계는 먼저 중화제인 암모니아를 주입한 후, 이 중화제와 함께 프로필렌을 반응첨가제로 주입하여 대기 오염 물질 제거에 필요한 산화성 라디칼을 다량으로 발생시킬 수 있도록 유도한다.
중화제 및 반응 첨가제가 주입된 이후에는 고전압 펄스를 플라즈마 반응기로 인가하여 배가스를 플라즈마 상태에서 처리하게 된다. 즉, 배가스에 프로필렌과 암모니아를 주입한 상태에서 펄스 발생기로부터 공급되는 고전압 펄스에 의해 플라즈마 반응기(150)에서 코로나 방전이 발생하여 플라즈마 반응기 내부의 배가스가 플라즈마 상태가 되고, 이에 따라 생성된 다량의 산화성 라디칼 및 오존이 배가스에 포함된 유해한 대기 오염 물질인 이산화황(SO2),질소산화물(NOX),다이옥신 등과 반응함에 따라 제거된다.
이때, 배가스에 주입되는 암모니아와 프로필렌의 농도는 다음의 수학식 3에 의하여 결정된다.
중화제인 암모니아의 주입 농도를 결정하는 경우, 미반응 암모니아 및 프로필렌의 배출을 억제함과 동시에 미반응 암모니아의 배출이 억제되는 한도내에서 이산화황과 질소산화물의 제거효율을 높일 수 있는 적정 농도를 설정해야 하며 바람직하게는 본 발명의 일실시예로 암모니아 주입 농도를 R(NH3)로 0.8로 유지시킨다.
반응첨가제인 프로필렌은 질소산화물(NOX) 및 다이옥신의 제거효율을 높이기 위한 것으로서 프로필렌 주입 농도는 R(C3H6)의 0.5~0.8로 유지시키게 되는 데, 프로필렌의 주입 농도를 결정하는 방법은 도 8을 참고로 하여 설명한다.
한편, 도 8은 본 발명에 따른 대기오염물질 처리 방법을 설명하기 위한 암모니아 및 프로필렌의 주입량의 관계를 보인 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 먼저 그래프의 가로축은 투입된 전력(P)을 배가스 유량(Q)으로 나눈 에너지 밀도를 나타낸 것으로, 여기서 배가스 유량(Q)은 표준 상태인 0℃,1 기압으로 환산된 것이다. 중화제로서 사용되는 암모니아는 R(NH3)의 0.8배에 해당하는 360ppm을 주입하였고, 반응 첨가제인 프로필렌은 R(C3H6)의 0.5와 0.8을 주입하여 측정하였다.
도 8에 도시된 바와 같이, 이산화황(SO2)은 프로필렌 주입량에 관계없이 대부분 제거되나, 질소 산화물(NOX)은 프로필렌의 주입량 및 에너지 밀도에 비례하여 제거효율이 크게 향상됨을 알 수 있다. 예를 들어 에너지 밀도 2.6 Wh/Nm3에서 프로필렌을 사용하지 않았을 때, 약 30%의 질소산화물이 제거되나 프로필렌을 R(C3H6)의0.5와 0.8에 해당하는 75ppm, 120ppm을 주입하게 되면 질소산화물의 제거 효율이 각각 50% 및 60%로 증가됨을 알 수 있다.
이와 같은 결과는 플라즈마 상태에서 발생되는 산화성(OH) 라디칼, 오존등이 프로필렌과 반응하여 알킬 라디칼 및 알콕시 라디칼을 생성하기 때문인데, 알킬 라디칼 및 알콕시 라디칼은 산소와 반응시 HO2라디칼을 생성시켜 반응식 6이 일어날 수 있도록 하거나 산화성이 강한 페록시 라디칼 형태로 되어 질소산화물(NOX)의 산화반응을 촉진시킬 수 있기 때문이다.
즉, 도 8의 그래프에서와 같이 프로필렌의 주입량이 증가되면 산화성 라디칼 및 오존과 반응하여 생성되는 알킬 라디칼 및 알콕시 라디칼의 증가로 질소 산화물의 제거 효율이 향상된다.
따라서, 프로필렌의 적정 주입량은 투입되는 전력 밀도 및 원하는 질소 산화물 제거 효율에 따라 다를 것이나, 프로필렌 주입 농도가 에너지 밀도 1Wh/Nm3당 30ppm 이상이 되면 미반응 프로필렌이 배출되므로, 프로필렌이 배출되지 않는 범위내에서의 최대 프로필렌 주입량은 에너지 밀도 1Wh/Nm3당 30ppm이하로 결정된다.
이와 같은 운전 조건에서 탄화수소 계열의 미량 독성물질인 다이옥신은 20ng TEQ/Nm3이하로 75% 이상 제거가 된다. 즉, 본 발명에 따른 플라즈마 공정에 의해 이산화황, 질소산화물 뿐만 아니라 다이옥신까지도 동시에 제거시킬 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 대기 오염 물질 처리 방법에서 중화제로 수산화칼슘을 사용한 경우의 탈황율을 나타낸 그래프이다. 중화제로 암모니아 대신에 수산화칼슘을 사용하는 경우에는 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 10 wt.%인 슬러리를 저장조에서 계속적으로 교반하여 고압 펌프를 이용하여 노즐로 이송한다. 이때 분무를 위해 사용된 노즐은 이류체 식으로써 고압의 공기와 고압의 액체를 주입하여 평균입경 30㎛ 정도의 액적을 만들 수 있다. 또한, 플라즈마 반응기 내의 배가스 온도는 150℃였고, 슬러리 유량은 Ca/S 당량비를 1-10 범위로 하였다.
이러한 조건하에 Ca/S 당량비를 1.0->1.5->2.0으로 변화시킴에 따라 탈황율이 68%->75%->85%로 증가되었다. 암모니아를 사용한 경우에 당량비 0.8에서 95%의 탈황율이 얻어진 도 8의 결과와 비교하면 도 9에서 수산화칼슘을 사용하여 측정한 결과는 상대적으로 열등하다고 할 수 있으나 높은 탈황율을 요구하지 않는 공정에서는 수산화칼슘의 사용도 가능하다고 할 수 있다.
한편, 플라즈마 반응 시스템 설계에 있어서 한가지 중요한 문제는 펄스 발생 장치로부터 플라즈마 반응기까지의 전기 에너지 전달 효율, 즉 펄스 변환 효율을 증가시키는 것이다. 전기 에너지 전달 효율을 증가시키기 위해서는 펄스발생장치와 플라즈마 반응기의 전기적 정합을 고려한 설계가 필요하다. 펄스 발생의 원리는 직류 고전압에 의한 펄스 형성 축전기의 충전 및 스위칭에 의한 반응기로의 방전이다.
따라서, 펄스 형성 축전기의 정전 용량은 펄스 발생 회로의 성능 즉 에너지 전달효율에 있어 핵심적인 역할을 한다. 원리적으로 보면 펄스형성콘덴서의 정전용량이 플라즈마 반응기의 정전 용량과 같아야 콘덴서에 저장된 전기 에너지를 모두반응기에 전달할 수 있다. 그러나 실제로는 코로나 방전이 시작되면 플라즈마 반응기의 정전용량이 변하게 되므로 최적의 펄스 형성 축전기 값은 플라즈마 반응기의 정전 용량 변화를 고려해서 결정해야 한다.
본 발명에서는 최대 전기에너지 전달 조건을 찾기 위하여 펄스형성콘덴서 정전 용량을 변화시키며 플라즈마 반응기로의 전기에너지 전달 효율을 비교 검토하여, 최대 전기 에너지 전달 조건이 되는 펄스 형성 콘덴서의 정전 용량과 플라즈마 반응기의 정전 용량 비율을 결정하였다.
즉, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 반응기의 구성을 보인 사시도이고, 도 11은 본 발명에 따른 펄스발생장치의 회로구성을 보인 것이다. 본 발명에 따른 플라즈마 반응기는 선-평판 형태의 것이 사용되는 데, 이때 방전극의 두께를 d, 접지판간의 거리를 D라고 하면 반응기의 방전극 단위 길이당 정전 용량은 다음의 수학식 5로 계산할 수 있다.
상기의 수학식 5에 의하면 코로나 방전이 일어나기 전에 도 10의 플라즈마 반응기의 기하학적 정전 용량은 110㎊이다. 도 11의 펄스형성 콘덴서(CP)는 직류 고전압 발생장치에 의해 충전된다. 축전기의 전압이 스파크 갭 전극의 절연 파괴전압에 도달하면 스파크갭(SG)이 단락되어 순간적으로 축전기에 충전되어 있던 전기 에너지가 플라즈마 반응기로 전달된다. 최적의 전기에너지 전달 효율 조건을 찾기 위하여 펄스형성 콘덴서(CP)를 226㎊에서 5.2㎋의 범위로 변화시키며 전기에너지 전달효율을 비교하였다. 전기에너지 전달 효율을 펄스형성 콘덴서(CP)에 충전된 에너지 대비 플라즈마 반응기로 전달된 에너지의 비율로서 정의하였다. 펄스형성 콘덴서에 충전된 에너지는 다음의 수학식 6과 같다.
여기서, VC는 펄스 형성 콘덴서(CP)의 충전 전압을 나타낸다. 본 발명에서는 펄스형성콘덴서(CP)를 18.6kV의 전압으로 충전시켰다.
도 12는 본 발명을 위한 펄스 형성 콘덴서와 플라즈마 반응기의 정전 용량비에 따른 전기 에너지 전달 효율의 관계를 보인 그래프이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 전기 에너지 전달 효율은 플라즈마 반응기와 펄스 형성 콘덴서의 정전 용량비(CP/CR)가 2~5정도가 될때 크게 나타나며, 특히 플라즈마 반응기와 펄스 형성 콘덴서의 정전 용량비가 대략 3정도가 될때 최대가 됨을 알 수 있다.
그 이유는 펄스형성콘덴서의 정전용량이 반응기에 비해 너무 크면 콘덴서에 충전된 에너지의 일부만이 반응기로 전달되고 나머지는 콘덴서에 남아있기 때문이다. 만일 반응기의 정전 용량이 일정하다면 최대의 에너지 전달 효율은 반응기 정전 용량과 펄스발생콘덴서 정전 용량이 같을 때 얻을 수 있을 것이다. 그러나, 최대 에너지 전달이 펄스 형성 콘덴서와 플라즈마 반응기의 정전 용량비가 2 내지 5인 범위에서 일어나는 것은 플라즈마 반응기 정전 용량이 코로나 방전에 의해 증가되었기 때문이다. 따라서, 펄스형성 콘덴서의 정전 용량은 플라즈마 반응기의 코로나 방전시 정전 용량과 동일한 범위로 설정하는 것이 바람직하며, 이는 본 발명에 따르면 대략 펄스 형성 콘덴서의 정전 용량이 플라즈마 반응기 정전 용량의 3배로 설정되는 경우이다.
마지막으로 본 발명에 따른 대기오염물질 처리장치를 설계하는 데 있어서 고려되어야 할 사항은 플라즈마 반응기의 방전극과 접지판 사이의 거리관계로써, 방전극과 접지판 사이의 거리는 플라즈마 반응기에 인가되는 피크전압과의 관계로부터 결정할 수 있다.
도 13(a) 및 도 13(b)는 각각 플라즈마 반응기에 인가되는 피크 전압에 따른 이산화황 및 질소 산화물의 제거량의 관계를 보인 그래프이다. 도 13에 도시된 바에 따르면 플라즈마 반응기에 인가되는 피크 전압이 15kV이상이어야 이산화황 및 질소 산화물이 제거되기 시작한다. 그리고, 플라즈마 반응기에 인가되는 피크 전압이 23kV이상이 되면 반응기에 스파크가 발생한다. 이때 상기 플라즈마 반응기의 방전극과 접지판 사이의 거리가 1.5cm이므로 이산화황과 질소 산화물이 제거되는 최소 평균 전기장 세기(인가되는 피크 전압을 방전극과 접지판 사이의 거리로 나눈 값으로 정의)는 10kV/cm이며, 스파크가 발생되지 않는 최대 전기장 세기는 15kV/cm이다. 이 조건을 플라즈마 반응기의 방전극과 접지판 사이를 설계하는 데 있어서 평균 전기장 세기의 최소/최대 조건이라 할 수 있다. 다시 말해, 플라즈마 반응기를 설계하는 데 있어서, 방전극과 접지판 사이의 거리 1cm당 10-15kV의 전압이 인가되도록 플라즈마 반응기를 설계하면 반응기의 크기에 관계없이 방전극과 접지판 사이의 저항이 아크방전으로 전이되지 않는 조건에서 효과적으로 코로나 방전을 유도할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치 및 그 방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치 및 그 방법에서는 플라즈마 반응기에 펄스고전압을 인가함에 있어서 펄스폭을 1㎲이내로 유지시켜 아크 방전을 방지함으로써 플라즈마 반응기에 짧은 시간동안 많은 전기에너지를 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 펄스발생장치로부터 플라즈마 반응기로의 전기 에너지 전달 효율을 증가시켜 전력 손실을 감소시키고, 플라즈마 반응기의 크기를 최소화시킨 상태에서 코로나 방전을 효과적을 발생시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
나아가 본 발명의 대기오염물질 처리방법에 있어서 탄화수소 반응첨가제인 프로필렌과 중화제인 암모니아를 배가스에 동시에 주입함으로써 이산화황과 질소산화물 그리고 다이옥신을 적은 운전전력으로 동시에 제거함으로써 대기오염물질의 제거효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 유입된 배가스를 코로나 방전에 의해 플라즈마 상태로 변환시킨 상태에서 배가스에 포함된 대기오염물질을 제거하는 대기오염물질 처리 장치에 있어서,
    방전극에 고전압을 인가받아 코로나 방전을 발생시키는 플라즈마 반응기와,
    입력전원을 직류 고전압으로 변환하여 출력하는 직류 고전압 공급기,
    상기 직류 고전압 공급기로부터 공급되는 직류 고전압을 소정 주기의 펄스 고전압으로 변환하여 출력하는 펄스발생기,
    상기 펄스발생기의 펄스 고전압을 코로나 방전을 위한 소정 레벨의 코로나 방전 전압으로 승압시키는 승압 트랜스,
    상기 승압 트랜스에 의해 승압된 고전압 펄스의 폭을 짧게 변환시킨 후 상기 플라즈마 반응기의 방전극에 공급하는 자기 스위치,
    상기 플라즈마 반응기에 의한 코로나 방전 직후에 상기 플라즈마 반응기에 충전된 고전압을 방전시키는 방전 회로부를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 펄스발생기는
    상기 직류 고전압 공급기로부터의 직류 고전압을 저항(R1,R2)과의 시정수에 따라 충전하는 콘덴서(C1),
    제어 신호에 의해 온/오프 스위칭 동작하고 온 시간에 상기 콘덴서(C1)의 충전전압을 상기 승압트랜스측으로 방전시키는 스위치(SW1)를 구비함을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 스위치는 적어도 2개 이상의 LC회로로 구성되며, 회로 최후단의 콘덴서(C3)의 정전용량은 상기 플라즈마 반응기의 정전 용량보다 2배 내지 5배 크게 설정함을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 자기 스위치의 콘덴서(C3)의 정전용량은 상기 플라즈마 반응기의 정전 용량의 3배 큰 값으로 설정됨을 특징으로 하는 플라즈마를이용한 대기오염물질 처리장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 스위치는 콘덴서와 인덕터를 병렬로 구성한 적어도 2개의 LC회로를 병렬로 접속하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 방전회로부는 상기 플라즈마 반응기에 병렬로 접속한 방전저항(RP)을 구비함을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 방전회로부는 상기 플라즈마 반응기의 콘덴서 성분(CL)과 방전저항(RP)에 의한 시정수를 플라즈마 반응기에서 요하는 펄스폭의 1.0 내지 2.0배로 설정함을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 방전회로부는 상기 플라즈마 반응기의 콘덴서 성분(CL)과 방전저항(RP)에 의한 시정수를 플라즈마 반응기에서 요하는 펄스폭의 1.5배로 설정함을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 방전회로부는 방전 저항(RP)과 직렬로 접속된 인덕터(LP)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 방전회로부의 방전저항(RP)과 인덕터(LP)의 전체 임피던스는 상기 플라즈마 반응기의 등가 임피던스보다 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 방전회로부의 방전저항(RP)과 인덕터(LP)의 전체 임피던스는 상기 플라즈마 반응기의 등가 임피던스의 10배 큰 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 스위치가 상기 플라즈마 반응기에 펄스당 공급하는 에너지를 유효 방전극 길이 1m당 0.5J/m/펄스로 설계하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 반응기에 인가되는 첨두전압을 방전극과 접지판간의 전기장 세기가 최소 10kV/cm이고, 최대 15kV/cm가 되도록 인가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리장치.
  14. 플라즈마 반응기에 펄스 고전압을 인가하여 코로나 방전을 발생시키고, 코로나 방전에 의해 배가스를 플라즈마 상태로 변환시킨 상태에서 배가스에 포함된 대기오염물질을 제거하는 대기오염물질 처리 방법에 있어서,
    상기 배가스에 반응첨가제로서 프로필렌을 주입하는 제1 단계; 및
    상기 제1 단계 후 펄스 고전압을 플라즈마 반응기에 인가하여 배가스를 플라즈마 상태에서 처리하는 제2 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리방법.
  15. 삭제
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 단계에서 반응첨가제와 함께 중화제인 암모니아를 주입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 단계에서 프로필렌의 주입량은 상기 제 2 단계에서 플라즈마 반응기에 공급되는 단위 에너지 밀도(1Wh/Nm3)당 30ppm이하로 유지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 대기오염물질 처리방법.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100381499B1 (ko) * 2000-06-27 2003-04-23 한국코트렐 주식회사 고전압 임펄스 전원을 이용한 반응기 내의 스트리머 코로나 방전에 의한 유해 가스 정화장치 및 그 방법
KR20030022950A (ko) * 2001-09-11 2003-03-19 주식회사 포스코 플라즈마를 이용한 배가스 중의 다이옥신 제거방법
KR101145769B1 (ko) * 2010-07-15 2012-05-16 한국전자통신연구원 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치
KR101238314B1 (ko) * 2010-12-16 2013-02-28 주식회사 포휴먼 선박 밸러스트수 처리를 위한 고전압 펄스 방전 장치
CN107983104A (zh) * 2017-12-28 2018-05-04 哈尔滨理工大学 一种油漆厂静电除尘联合等离子体除VOCs装置与方法
CN109663431B (zh) * 2019-01-18 2024-04-12 华南理工大学 一种具有脱硫除尘功能的VOCs综合治理***

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05228330A (ja) * 1991-08-26 1993-09-07 Sumitomo Heavy Ind Ltd 乾式排ガス処理方法
KR950002545A (ko) * 1993-06-19 1995-01-04 요꼬야마 료지 인쇄 배선판 및 그 제조방법
JPH07198124A (ja) * 1993-12-28 1995-08-01 Hitachi Plant Eng & Constr Co Ltd 燃焼排ガスの脱硝方法
JPH0855669A (ja) * 1994-08-17 1996-02-27 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd パルス・コロナ放電回路
WO1996032175A2 (en) * 1995-04-06 1996-10-17 Florida State University Accelerated methods of oxidizing organic contaminants in aqueous mediums using corona induced reactions and particles therewith
JPH09323049A (ja) * 1996-06-05 1997-12-16 Mitsubishi Heavy Ind Ltd パルス荷電用直流ベース電源装置の制御方法
KR100227128B1 (ko) * 1997-03-07 1999-10-15 이달우 스트리머 코로나 방전에 의한 플라즈마 전리기체 발생장치
KR100242039B1 (ko) * 1996-08-19 2000-02-01 완다 케이. 덴슨-로우 코로나 방전 오염 물질 파괴 장치용 전력 처리 회로 및 방법

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05228330A (ja) * 1991-08-26 1993-09-07 Sumitomo Heavy Ind Ltd 乾式排ガス処理方法
KR950002545A (ko) * 1993-06-19 1995-01-04 요꼬야마 료지 인쇄 배선판 및 그 제조방법
JPH07198124A (ja) * 1993-12-28 1995-08-01 Hitachi Plant Eng & Constr Co Ltd 燃焼排ガスの脱硝方法
JPH0855669A (ja) * 1994-08-17 1996-02-27 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd パルス・コロナ放電回路
WO1996032175A2 (en) * 1995-04-06 1996-10-17 Florida State University Accelerated methods of oxidizing organic contaminants in aqueous mediums using corona induced reactions and particles therewith
JPH09323049A (ja) * 1996-06-05 1997-12-16 Mitsubishi Heavy Ind Ltd パルス荷電用直流ベース電源装置の制御方法
KR100242039B1 (ko) * 1996-08-19 2000-02-01 완다 케이. 덴슨-로우 코로나 방전 오염 물질 파괴 장치용 전력 처리 회로 및 방법
KR100227128B1 (ko) * 1997-03-07 1999-10-15 이달우 스트리머 코로나 방전에 의한 플라즈마 전리기체 발생장치

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