KR100518979B1 - 플라즈마 반응장치 - Google Patents

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송영훈
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이재옥
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신완호
김석준
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 회전유동 플라즈마를 이용하여 연료의 개질 및 유해가스를 처리하는 플라즈마 반응장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 반응로와 상기 반응로 내측에 설치되는 전극과의 높은 전압차를 이용하여 플라즈마 반응을 유도하고 스월구조를 형성하여 반응원인 원료가 회전유동하도록 함으로써 수 초 내에 고온 상태의 반응을 개시할 수 있으며, 중심전극에 중심전극유로를 다양하게 형성시킴으로써 플라즈마 복합반응을 구현할 수 있는 플라즈마 반응장치에 관한 것이다.

Description

플라즈마 반응장치{Plasma Reaction Apparatus}
본 발명은 회전유동 플라즈마를 이용하여 연료의 개질 및 유해가스를 처리하는 플라즈마 반응장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 반응로와 상기 반응로 내측에 설치되는 전극과의 높은 전압차를 이용하여 플라즈마 반응을 유도하고 스월구조를 형성하여 반응원인 원료가 회전유동하도록 함으로써 수 초 내에 고온 상태의 반응을 개시할 수 있으며, 중심전극에 중심전극유로를 다양하게 형성시킴으로써 플라즈마 복합반응을 구현할 수 있는 플라즈마 반응장치에 관한 것이다.
일반적으로 물질의 상태는 고체, 액체, 기체 등 세가지로 나뉘는데, 상기 고체에 에너지를 가하면 액체가 되고, 이러한 액체에 다시 에너지를 가하면 기체가 되며, 이러한 기체에 보다 높은 에너지를 가하면 전기적 극성을 갖는 전자 및 이온으로 구성된 제 4의 물질 상태인 플라즈마가 발생되는데 자연상태에서는 번개, 오로라, 대기 속의 이온층 등으로 관찰되며, 일상 생활에서 볼 수 있는 인공적인 플라즈마 상태로는 형광등, 수은등, 네온사인 등이 있다.
이러한 플라즈마는 초고온에서 운동에너지가 큰 기체가 상호 충돌에 의해 원자나 분자로부터 음전하를 띈 전자로 분리된 것으로, 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 말하며, 전하의 분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로 음과 양의 전하수가 거의 같은 밀도로 분포되어 전기적으로도 거의 중성인 상태이다.
플라즈마는 아크와 같이 온도가 높은 고온 플라즈마와 전자의 에너지는 높지만 이온의 에너지가 낮아 실제로 느끼는 온도는 상온에 가까운 저온 플라즈마로 분류되는데, 직류, 초고주파, 전자빔 등 전기적 방법을 가해 생성한 다음 자기장 등을 이용해 이러한 상태를 유지 하도록 하여 사용한다.
상기 플라즈마는 어떠한 압력조건에서 발생시키느냐에 따라 발생기술 및 활용처가 크게 달라지는데, 압력이 낮은 진공조건에서는 플라즈마를 안정적으로 발생시킬 수 있기 때문에 반도체 공정, 신소재 합성 공정에서는 플라즈마를 발생시켜 화학반응, 증착, 부식에 이용하고, 대기압 상태의 플라즈마는 환경에 유해한 가스를 처리하거나 새로운 물질을 만드는데 이용된다.
최근에는 산업 공정에서 배출되는 악취, 휘발성 유기화합물, 염소 및 다이옥신 등은 인체에 매우 유해하고 전 세계적으로 그 배출규제를 강화하고 있는 추세이므로, 이에 따라 유해가스를 처리하기 위해 많은 기술들이 개발되고 있으며, 기존의 대기오염정화기술인 소각, 촉매, 흡착 또는 생물학적 처리 방법들이 있으나 강화되는 규제를 만족하기에는 충분하지 못한 점이 있다.
또한, 상기 소각 및 촉매 이용 방식은 고온의 열원이 요구되며, 상기 고온의 열원이 지속적으로 유지되어야 하므로 상당히 높은 비용이 소비된다.
통상적으로, 연소 공정은 해리 반응과 산화 반응을 개시할 수 있는 O, OH, H와 같은 자유 라디칼이 형성되는 온도까지 대량의 가스를 가열함으로써 개시되어 유지되며, 순수한 탄화수소의 경우, 완전한 분자 전환에 의해 대기로 직접 방출될 수 있는 물과 이산화탄소가 형성되는데, 상기 분자 전환의 화학적 효율은 탄소 결합을 효율적으로 끊는 자유 라디칼의 생성과 전파에 의존하므로, 라디칼을 생성하고 연소를 촉진하기 위한 대안적이고 효율적인 방식이 요구된다.
새로운 물질을 만드는 합성가스 생성의 경우 기존의 방식은 고온 상태에서 촉매를 통해 탄화수소계 연료를 개질하는 방법을 사용하여 왔으나 이 방법은 반응기를 고온 상태로 유지하기 위해 버너를 사용하여 1시간 이상의 긴 시동시간과 큰 반응 시스템의 부피 등의 한계를 가지고 있다.
또한, 플라즈마를 이용하여 개질 반응을 유도하는 최근의 다른 결과들에서는 플라즈마의 발생이 전극단에 고정되어 있어 반응의 효율이나 내구성에 있어 한계를 가지게 되며, 추가적인 복합 반응 시스템을 구현하기 위해 필요한 구성 요소들이 반응기와 별도의 장치로 존재하게 되어 시스템 구성상의 난점이 발생한다.
따라서, 빠른 시간내에 반응을 시작할 수 있는 작동성과 높은 내구성 및 반응 효율성을 지니도록 시스템의 개선이 요구된다.
또한 상기 개선사항을 만족함과 동시에 다양한 플라즈마 복합반응을 구현할 수 있는 플라즈마 반응장치가 요구된다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 반응로와 상기 반응로 내측에 설치되는 전극과의 높은 전압차를 이용하여 플라즈마 반응을 유도하고 스월구조를 형성하여 반응원인 원료가 회전유동하도록 함으로써 수 초 내에 고온 상태의 반응을 개시할 수 있으며, 중심전극에 중심전극유로를 다양하게 형성시킴으로써 플라즈마 복합반응을 구현할 수 있으며 원료유입로와 배출구를 상측에 형성시킴으로써 플라즈마 반응장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.
본 발명은 플라즈마 반응장치에 있어서, 중공의 반응로와; 상기 반응로 내부에 플라즈마 반응을 위한 방전압을 형성시키기 위해 상기 반응로의 내벽과 일정거리 이격된 형태로 상기 반응로의 저면으로 내입되는 원추형의 중심전극을 포함하여 구성되고, 상기 반응로의 내부에는 상기 중심전극과 상기 반응로의 내벽간의 간격이 협소된 지점을 중심으로 그 하부측에 플라즈마 반응구간이 형성되며, 상기 반응로에는 원료를 유입하기 위한 원료유입로와 반응물질을 배출시키기 위한 배출구가 각각 형성되되, 상기 원료유입로는 상기 플라즈마 반응구간에 연통된다.
또한 본 발명은 플라즈마 반응장치에 있어서, 중공의 반응로와; 상기 반응로 내부에 플라즈마 반응을 위한 방전압을 형성시키기 위해 상기 반응로의 내벽과 일정거리 이격된 형태로 상기 반응로의 천정면으로 내입되는 원추형의 중심전극을 포함하여 구성되고, 상기 반응로의 내부에는 상기 중심전극과 상기 반응로의 내벽간의 간격이 협소된 지점을 중심으로 그 상부측에 원료유입구간이 형성되며, 상기 반응로에는 원료를 유입하기 위한 원료유입로와 반응물질을 배출시키기 위한 배출구가 각각 형성되되, 상기 원료유입로와 배출구는 상기 원료유입구간에 연통가능하게 상기 반응로의 상부측에 형성된다.
또한 본 발명은 플라즈마 반응장치에 있어서, 중공의 반응로와; 상기 반응로 내부에 플라즈마 반응을 위한 방전압을 형성시키기 위해 상기 반응로의 내벽과 일정거리 이격된 형태로 상기 반응로의 천정면으로 내입되는 원추형의 중심전극을 포함하여 구성되고, 상기 반응로의 내부에는 상기 중심전극과 상기 반응로의 내벽간의 간격이 협소된 지점을 중심으로 그 상부측에 원료유입구간이 형성되며, 상기 반응로에는 원료를 유입하기 위한 원료유입로와 반응물질을 배출시키기 위한 배출구가 각각 형성되되, 상기 원료유입로는 상기 원료유입구간에 연통가능하게 상기 반응로의 상부측에 형성되며, 상기 배출구는 상기 중심전극의 저면에서 상측으로 수직되는 형태로 상기 중심전극을 그 길이방향을 따라 관통하여 형성된다.
이하, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타내는 단면도이며, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따라 변형가능한 실시예를 나타내는 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명은 크게 반응로(10)와, 상기 반응로(10)와의 전압차를 형성하여 플라즈마 반응을 발생시키는 중심전극(20)과, 회전유동하며 플라즈마 반응을 일으키도록 원료가 유입되는 원료유입로(30)와, 플라즈마 반응 후 형성되는 반응 물질이 배출되도록 구비되는 배출구(40)로 이루어진다.
상기 반응로(10)는 일정 수용공간을 가지도록 중공형태의 원기둥 형상을 가지며, 상기 전극(20)과의 전압차를 형성하여 플라즈마 반응을 일으키도록 전기적으로 접지된다.
상기 전극(20)은 반응로(10)의 수용공간에 저면에서 관통 체결되며 반응로(10)의 내벽(11)면과 일정간격 이격되어 설치되며, 고전압상태가 형성되도록 전기적으로 연결된다.
또한 상기 전극(20)은 상협하광의 원추 형태로 저면에는 원기둥이 연장 형성되고, 원추의 꼭지점과, 원추와 원기둥의 연결부분은 라운드 형성되되, 상기 원추와 원기둥의 연결지점은 길이 상향방향으로 점차 넓게 형성된다.
여기서 상기 연장형성되는 원기둥의 직경을 원추의 하부직경보다 상대적으로 작게 설치하여 반응로(10) 내로 유입되는 원료 간에 혼합을 위한 충분한 공간 확보가 가능해진다.
또한 전극(20)의 상측이 라운드 형성됨에 따라 회전유동을 타고 상승한 플라즈마가 전극에서 떨어져 나가도록 유도되고 이는 전극 끝단에 고온의 반응영역이 형성하여 연료의 전환률을 현격히 상승시킨다.
아울러 상기 전극(20)은 플라즈마 반응하도록 목적하는 유체를 반응로(10)의 플라즈마 형성공간 내로 유입시키기 위해 중심전극유로(60)를 가지는데, 상기 중심전극유로(60)는 상기 전극(20)의 저면에 형성된 입구(61)와, 측면에 형성된 출구(62)를 가진다.
여기서 상기 중심전극유로(60)의 입구(61)는 외부에서 유입할 수 있도록 형성되며, 상기 중심전극유로(60)의 출구(62)는 입구(61)를 통하여 유입되는 유체를 보다 신속하면서 원활히 확산되도록 다수개를 형성할 수 있다.
또한 각기 다른 원료를 유입시키기 위해 도 4와 같이 분리되는 두개 이상의 중심전극유로(60)를 형성할 수 있으며, 플라즈마 반응시 시간차를 주어서 복합반응을 구현할 수 있도록 출구(62)를 상, 하로 위치차를 주어 형성할 수 있다.
또한 도 2 및 도 3과 같이 플라즈마가 최초 형성되어 플라즈마 반응이 시작되는 중심전극(20)과 내벽(11)간의 최근접점을 기준으로 하여 하부측에 중심전극유로(60)의 출구(62)를 형성하거나 상부측에 출구(62)를 형성할 수 있으며, 하나의 출구(62)는 하부측이 다른 하나는 상부측에 형성할 수도 있다.
이에 따라 하부측에 형성되는 경우에는 플라즈마 반응이 시작되기 전 원료유입로(30)로부터 유입되는 원료와 중심전극유로(60)로 유입되는 각기 다른 원료가 혼합되어 반응을 시작하게 되며, 상부측에 형성되는 경우 원료유입로(30)로부터 유입되는 원료가 일부 플라즈마 반응을 일으킨 뒤 재차 중심전극유로(60)로부터 유입되는 다른 원료와 재차 반응을 일으키게 된다.
따라서 목적하는 복합반응의 반응조건에 따라 여러가지 형태로 중심전극유로(60)의 출구(62)측을 배치 형성하면 된다.
아울러 상기 출구(62)는 유입되는 원료가 회전유동하도록 전극(20)외면과 경사지도록 스월(swirl)구조로 형성된다.
한편 상기 유입로(30)는 상기 반응로(10) 하부측에 일체로 결합되며, 외부에서 원료를 유입할 수 있도록 외부와 연결된다.
여기서 상기 유입로(30) 또한 유입되는 원료가 플라즈마 형성공간에 회전유동하도록 벽면과 경사지게 스월구조로 관통 형성된다.
한편 상기 배출구(40)는 반응로(10) 상부측에 외부로 배출될 수 있게 개방된 형태로 구비되며, 상기 배출구(40)는 반응로(10)와 같은 직경을 가지도록 하여 신속히 플라즈마 반응을 유도할 수 있으며, 보다 긴 플라즈마 반응시간을 목적하여 배출구의 직경을 작게 형성시키거나 다수개의 다공을 형성할 수 있음은 물론이다.
(실시예 2)
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타내는 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제 2실시예는 크게 반응로(10)와, 상기 반응로(10)와의 전압차를 형성하여 플라즈마 반응을 발생시키는 중심전극(20)과, 회전유동하며 플라즈마 반응을 일으키도록 원료가 유입되는 원료유입로(30)와, 플라즈마 반응 후 형성되는 반응 물질이 배출되도록 구비되는 배출구(40)로 이루어진다.
상기 중심전극(20)은 반응로(10)의 천정면에서 관통되어 내입된 형태로 설치되며, 상기 원료유입로(30)는 중심전극(20)과 반응로(10)와의 최근접점 상측에 위치하며 상기 배출구(40) 또한 상측에 위치하여 유입되는 원료가 회전유동하며 플라즈마 반응을 일으키는 반응 시간이 더욱 증대된다.
이는 상측에서 유입되는 원료가 플라즈마 반응을 일으키며 하부측으로 유동하다가 다시 상부측으로 재차 반응을 일으키며 배출되는 구조이기 때문이다.
(실시예 3)
도 6은 본 발명의 제 3실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타내는 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제 3실시예는 크게 반응로(10)와, 상기 반응로(10)와의 전압차를 형성하여 플라즈마 반응을 발생시키는 중심전극(20)과, 회전유동하며 플라즈마 반응을 일으키도록 원료가 유입되는 원료유입로(30)와, 플라즈마 반응 후 형성되는 반응 물질이 배출되도록 구비되며 상기 중심전극(20)의 길이방향으로 관통 형성되는 배출구(40)로 이루어진다.
상기 중심전극(20)은 반응로(10)의 천정면에서 관통되어 내입된 형태로 설치되며, 상기 원료유입로(30)는 중심전극(20)과 반응로(10)와의 최근접점 상측에 위치한다.
또한 상기 배출구(40)는 중심전극(20)의 길이방향으로 중앙을 관통하여 형성되는데, 이에 따라 원료유입로(30)를 통하여 유입되는 원료는 플라즈마 반응을 일으키며 하부측으로 진행하다가 중심전극(20)을 중앙에 관통하여 형성되는 배출구(40)를 통하여 반응물질이 배출되게 된다.
상술된 바와 같이 본 발명은 반응로와 상기 반응로 내측에 설치되는 전극과의 높은 전압차를 이용하여 플라즈마 반응을 유도하고 스월구조를 형성하여 반응원인 원료가 회전유동하도록 함으로써 수 초 내에 고온 상태의 반응을 개시할 수 있다.
또한 중심전극에 중심전극유로를 다양하게 형성시킴으로써 플라즈마 복합반응을 구현할 수 있으며, 중심전극을 반응로 천정부에 설치되어 하측으로 내입되게 형성시키고, 원료유입로 및 배출구를 상측에 관통시킴으로써 플라즈마 반응시간을 늘려 반응효율을 증대시킨다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타내는 단면도.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따라 변형가능한 실시예를 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 제 3실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타내는 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 반응로 11 : 내벽
20 : 중심전극 30 : 원료유입로
40 : 배출구 50 : 원료유입구간
60 : 중심전극유로 61 : 입구
62 : 출구

Claims (12)

  1. 플라즈마 반응장치에 있어서,
    중공의 반응로(10)와; 상기 반응로(10) 내부에 플라즈마 반응을 위한 방전압을 형성시키기 위해 상기 반응로(10)의 내벽(11)과 일정거리 이격된 형태로 상기 반응로(10)의 저면으로 내입되는 원추형의 중심전극(20)을 포함하여 구성되고, 상기 반응로(10)의 내부에는 상기 중심전극(20)과 상기 반응로(10)의 내벽(11)간의 간격이 협소된 지점을 중심으로 그 하부측에 원료유입구간(50)이 형성되며, 상기 반응로(10)에는 원료를 유입하기 위한 원료유입로(30)와 반응물질을 배출시키기 위한 배출구(40)가 각각 형성되되, 상기 원료유입로(30)는 상기 원료유입구간(50)에 연통되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중심전극(20)에는 상기 반응로(10) 내부로의 원료공급이 가능하게 중심전극유로(60)가 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 중심전극유로(60)는 상기 중심전극(20)의 저면과 상측에 입구(61)와 출구(62)가 각각 형성되며 상기 입구(61)로부터 상기 출구(62)까지 수직으로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 중심전극유로(60)는 상기 중심전극(20)의 저면과 측부에 입구와 출구가 각각 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 중심전극유로(60)에는 다수개의 출구가 형성되어 상기 중심전극유로는 상기 중심전극 내부에서 다수 갈래로 분지되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 출구들은 상호 높이차를 두고 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 출구들 중 상측의 출구들은 상기 반응로 내부의 원료유입구간 보다 상측에 위치하도록 형성되며, 상기 출구들 중 하측의 출구들은 상기 반응로 내부의 원료유입구간 상에 위치하도록 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 출구들은 모두 상기 반응로 내부의 원료유입구간 보다 상측에 위치하도록 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 출구들은 모두 상기 반응로 내부의 원료유입구간 상에 위치하도록 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극(20)은 상협하광의 원추 형태로 저면에는 원기둥이 연장 형성되고, 원추의 꼭지점과, 원추와 원기둥의 연결부분은 라운드 형성되되, 상기 원추와 원기둥의 연결지점은 길이 상향방향으로 점차 넓게 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
  11. 플라즈마 반응장치에 있어서,
    중공의 반응로(10)와; 상기 반응로(10) 내부에 플라즈마 반응을 위한 방전압을 형성시키기 위해 상기 반응로(10)의 내벽(11)과 일정거리 이격된 형태로 상기 반응로(10)의 천정면으로 내입되는 원추형의 중심전극(20)을 포함하여 구성되고, 상기 반응로(10)의 내부에는 상기 중심전극(20)과 상기 반응로(10)의 내벽(11)간의 간격이 협소된 지점을 중심으로 그 상부측에 원료유입구간(50)이 형성되며, 상기 반응로(10)에는 원료를 유입하기 위한 원료유입로(30)와 반응물질을 배출시키기 위한 배출구(40)가 각각 형성되되, 상기 원료유입로(30)와 배출구(40)는 상기 원료유입구간(50)에 연통가능하게 상기 반응로(10)의 상부측에 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
  12. 플라즈마 반응장치에 있어서,
    중공의 반응로(10)와; 상기 반응로(10) 내부에 플라즈마 반응을 위한 방전압을 형성시키기 위해 상기 반응로(10)의 내벽(11)과 일정거리 이격된 형태로 상기 반응로(10)의 천정면으로 내입되는 원추형의 중심전극(20)을 포함하여 구성되고, 상기 반응로(10)의 내부에는 상기 중심전극(20)과 상기 반응로(10)의 내벽(11)간의 간격이 협소된 지점을 중심으로 그 상부측에 원료유입구간(50)이 형성되며, 상기 반응로(10)에는 원료를 유입하기 위한 원료유입로(30)와 반응물질을 배출시키기 위한 배출구(40)가 각각 형성되되, 상기 원료유입로(30)는 상기 원료유입구간(50)에 연통가능하게 상기 반응로(10)의 상부측에 형성되며, 상기 배출구(40)는 상기 중심전극(20)의 저면에서 상측으로 수직되는 형태로 상기 중심전극(20)을 그 길이방향을 따라 관통하여 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
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