KR100522166B1 - Plasma reaction apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명은 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, 격벽구조를 형성하거나 배출구의 직경을 작게 형성시킴으로써 반응물질의 배출을 간섭하여 반응시간을 증대시킴에 따라 반응효율이 향상되는 플라즈마 반응장치에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma reactor, and more particularly, by inducing a plasma reaction by using a high voltage difference between a reactor and an electrode installed inside the reactor, and forming a swirl structure so that a raw material as a reaction source rotates. It is possible to start the reaction in a high temperature state within a few seconds, and to form a barrier rib structure or to form a smaller diameter of the outlet to interfere with the discharge of the reactant to increase the reaction time as the reaction efficiency improves the plasma reaction apparatus .
이를 위해 본 발명은 중공의 반응로와; 상기 반응로의 내부에 플라즈마 반응을 위한 방전전압을 생성시키기 위해 상기 반응로의 내벽과 일정거리 이격되는 형태로 상기 반응로의 저면으로 내입되는 전극;을 포함하여 구성되고, 상기 반응로에는 원료의 유입을 위한 원료유입로가 상기 반응로의 벽면에 형성된 유입홀을 매개로 연통되고, 상기 유입홀은 유입되는 원료가 회전류를 형성하며 진행될 수 있도록 경사진 형태로 형성되며, 상기 반응로의 상측에는 상기 반응로의 내부로부터 반응물을 배출시키기 위한 배출구가 형성되되, 상기 배출구는 배출되는 반응물의 흐름이 제한될 수 있도록 그 직경이 상기 반응로의 내경 보다 상대적으로 작게 형성된다.To this end, the present invention is a hollow reactor; And an electrode introduced into the bottom of the reactor in a form spaced apart from the inner wall of the reactor to generate a discharge voltage for the plasma reaction in the reactor. A raw material inlet path for the inlet is communicated through the inlet hole formed in the wall of the reactor, the inlet hole is formed in an inclined form so that the incoming material proceeds to form a rotary flow, the upper side of the reactor There is formed a discharge port for discharging the reactants from the inside of the reactor, the outlet is formed so that the diameter of the reaction is relatively smaller than the inner diameter of the reactor so that the flow of the reactant is discharged.
Description
본 발명은 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, 격벽구조를 형성하거나 배출구의 직경을 작게 형성시킴으로써 반응물질의 배출을 간섭하여 반응시간을 증대시킴에 따라 반응효율이 향상되는 플라즈마 반응장치에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma reactor, and more particularly, by inducing a plasma reaction by using a high voltage difference between a reactor and an electrode installed inside the reactor, and forming a swirl structure so that a raw material as a reaction source rotates. It is possible to start the reaction in a high temperature state within a few seconds, and to form a barrier rib structure or to form a smaller diameter of the outlet to interfere with the discharge of the reactant to increase the reaction time as the reaction efficiency improves the plasma reaction apparatus .
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.Generally, the state of matter is divided into three states: solid, liquid, and gas. When energy is applied to the solid, the liquid becomes a liquid, and when energy is applied to the liquid again, the gas becomes a gas. And plasma, which is a fourth material state composed of ions, is observed in a natural state, such as lightning, aurora, and an ionic layer in the atmosphere. Examples of artificial plasma states in everyday life include fluorescent lamps, mercury lamps, and neon signs. .
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.Such plasma is a gas state in which a gas having a large kinetic energy is separated from an atom or a molecule by an electron collision at an extremely high temperature, and is a gas state that is separated into a negatively charged electron and a positively charged ion. High and overall, the negative and positive charges are distributed at about the same density, and are electrically neutral.
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.Plasma is a high temperature plasma such as arc and high energy of electrons but low energy of ions is classified into low temperature plasma which is close to room temperature. It is generated by applying electric methods such as direct current, ultra-high frequency and electron beam, and then Use it to maintain this state.
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.The generation technology and the application of the plasma vary greatly depending on what pressure conditions are generated. Since the plasma can be stably generated under vacuum conditions with low pressure, the semiconductor process and the new material synthesis process generate plasma to generate a chemical reaction, deposition, In addition to corrosion, atmospheric plasma is used to treat gases that are harmful to the environment or to create new materials.
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.In recent years, odors, volatile organic compounds, chlorine and dioxin emitted from industrial processes are very harmful to the human body and the emission regulations are being tightened around the world. Accordingly, many technologies have been developed to deal with harmful gases. However, there are existing air pollution purification techniques such as incineration, catalysts, adsorption or biological treatment, but they are not sufficient to meet the tightening regulations.
또한, 상기 소각 및 촉매 이용 방식은 고온의 열원이 요구되며, 상기 고온의 열원이 지속적으로 유지되어야 하므로 상당히 높은 비용이 소비된다.In addition, the method of incineration and catalyst use requires a high temperature heat source, and the high temperature heat source needs to be continuously maintained, which consumes a considerably high cost.
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.Typically, the combustion process is initiated and maintained by heating a large amount of gas to the temperature at which free radicals such as O, OH and H are formed, which can initiate dissociation and oxidation reactions, and, in the case of pure hydrocarbons, complete molecular conversion Thereby forming water and carbon dioxide that can be directly released into the atmosphere, and the chemical efficiency of the molecular conversion depends on the generation and propagation of free radicals that effectively break carbon bonds, thus providing an alternative and efficient way to generate radicals and promote combustion. The way is required.
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.In the case of syngas production to create new materials, the conventional method has been to reform hydrocarbon-based fuels through catalysts at high temperature, but this method uses a burner to keep the reactor at a high temperature for longer than one hour. Limitations include time and volume of large reaction systems.
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.In addition, other recent results of using plasma to induce a reforming reaction have fixed plasma generation at the electrode end, which limits the efficiency and durability of the reaction, and is necessary for implementing an additional complex reaction system. Are present as a separate device from the reactor, which causes difficulties in system configuration.
따라서, 빠른 시간내에 반응을 시작할 수 있는 작동성과 높은 내구성 및 반응 효율성을 지니도록 시스템의 개선이 요구된다.Therefore, improvement of the system is required to have high operability, high durability and reaction efficiency that can start the reaction in a short time.
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, 격벽구조를 형성하거나 배출구의 직경을 작게 형성시킴으로써 반응물질의 배출을 간섭하여 반응시간을 증대시킴에 따라 반응효율이 향상되는 플라즈마 반응장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, using a high voltage difference between the reactor and the electrode installed inside the reactor to induce a plasma reaction and form a swirl structure so that the raw material as a reaction source to rotate flow By providing a reaction in a high temperature state within a few seconds, by forming a barrier rib structure or by forming a smaller diameter of the discharge port to provide a plasma reaction apparatus that improves the reaction efficiency by increasing the reaction time by interfering the discharge of the reaction material Has its purpose.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.The present invention has the following features to achieve the above object.
본 발명은 중공의 반응로와; 상기 반응로의 내부에 플라즈마 반응을 위한 방전전압을 생성시키기 위해 상기 반응로의 내벽과 일정거리 이격되는 형태로 상기 반응로의 저면으로 내입되는 전극;을 포함하여 구성되고, The present invention is a hollow reactor; And an electrode embedded in the bottom of the reactor in a shape spaced apart from the inner wall of the reactor by a predetermined distance to generate a discharge voltage for the plasma reaction inside the reactor.
상기 반응로에는 원료의 유입을 위한 원료유입로가 상기 반응로의 벽면에 형성된 유입홀을 매개로 연통되고, 상기 유입홀은 유입되는 원료가 회전류를 형성하며 진행될 수 있도록 경사진 형태로 형성되며, 상기 반응로의 상측에는 상기 반응로의 내부로부터 반응물을 배출시키기 위한 배출구가 형성되되, 상기 배출구는 배출되는 반응물의 흐름이 제한될 수 있도록 그 직경이 상기 반응로의 내경 보다 상대적으로 작게 형성된다.In the reactor, a raw material inflow path for the inflow of raw materials is communicated through an inflow hole formed in the wall of the reactor, and the inflow hole is formed in an inclined shape so that the incoming raw material can proceed while forming a rotary flow. A discharge port for discharging the reactants from the inside of the reactor is formed at an upper side of the reactor, and the diameter of the discharge hole is formed to be smaller than the inner diameter of the reactor so that the flow of the reactant discharged can be restricted. .
이하, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 자세히 설명한다.Hereinafter, one preferred embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타내는 단면도이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 변경가능한 실시예를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a plasma reactor according to an embodiment of the present invention, Figures 2 to 5 are cross-sectional views showing a changeable embodiment according to an embodiment of the present invention.
도면은 참조하면, 본 발명은 크게 반응로(10)와, 상기 반응로(10)와의 전압차를 형성하여 플라즈마 반응을 발생시키는 전극(20)과, 회전유동하며 플라즈마 반응을 일으키도록 원료가 유입되는 원료유입로(30)와, 플라즈마 반응 후 형성되는 반응 물질이 배출되도록 구비되는 배출구(40)로 이루어진다.Referring to the drawings, the present invention is largely the raw material is introduced into the reactor 10, the electrode 20 to form a voltage difference between the reactor 10 to generate a plasma reaction, and to rotate and cause the plasma reaction It consists of a raw material inlet passage 30 and a discharge port 40 provided to discharge the reaction material formed after the plasma reaction.
상기 반응로(10)는 일정 수용공간을 가지도록 중공형태의 원기둥 형상을 가지며, 상기 전극(20)과의 전압차를 형성하여 플라즈마 반응을 일으키도록 전기적으로 접지된다.The reactor 10 has a hollow cylindrical shape to have a predetermined receiving space, and is electrically grounded to form a voltage difference with the electrode 20 to cause a plasma reaction.
여기서 상기 반응로(10) 내에는 플라즈마 반응 후 반응물질의 배출을 간섭하여 반응시간을 늘리도록 격벽(50)이 형성되고, 상기 격벽(50)은 중앙에 관통홀(51)이 형성되어 반응물질이 배출된다.Here, in the reactor 10, a partition wall 50 is formed to increase the reaction time by interfering with the discharge of the reactant after the plasma reaction, and the partition wall 50 has a through hole 51 formed in the center of the reaction material. Is discharged.
한편 상기 전극(20)은 반응로(10)의 수용공간에 반응로(10)의 벽체(11)와 일정간격 이격되어 설치되며 고전압상태가 형성되도록 전기적으로 연결된다.Meanwhile, the electrode 20 is installed spaced apart from the wall 11 of the reactor 10 in a receiving space of the reactor 10 and is electrically connected to form a high voltage state.
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.In addition, the electrode 20 in the form of a cone of the upper and lower light is formed with a cylinder extending on the bottom, the vertex of the cone, the connecting portion of the cone and the cylinder is formed round, the connection point of the cone and the cylinder gradually increases in the longitudinal direction It is widely formed.
여기서 상기 연장형성되는 원기둥의 직경을 원추의 하부직경보다 상대적으로 작게 설치하여 반응로(10) 내로 유입되는 원료 간에 혼합을 위한 충분한 공간 확보가 가능해진다.In this case, the diameter of the extended cylinder may be relatively smaller than the lower diameter of the cone, thereby ensuring sufficient space for mixing between the raw materials introduced into the reactor 10.
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.In addition, as the upper side of the electrode 20 is rounded, the plasma rises through the rotational flow is induced to fall away from the electrode, which forms a high temperature reaction region at the electrode end, thereby significantly increasing the conversion rate of the fuel.
한편 상기 원료유입로(30)는 상기 반응로(10) 하부측에 일체로 결합되며, 외부에서 원료를 유입할 수 있도록 외부와 연결된다.On the other hand, the raw material inlet passage 30 is integrally coupled to the lower side of the reactor 10, it is connected to the outside so that the raw material can be introduced from the outside.
또한 상기 원료유입로(30)는 유입홀(31)을 매개로 하여 반응로(10)와 연통되는데, 상기 유입홀(31)은 유입되는 원료가 플라즈마 형성공간에 회전유동하도록 벽면과 경사지게 스월(swirl)구조로 관통 형성된다.In addition, the raw material inlet passage 30 communicates with the reactor 10 through the inlet hole 31, the inlet hole 31 is swirled to the wall surface so that the incoming raw material rotates in the plasma forming space ( It is formed through a swirl structure.
한편 상기 배출구(40)는 반응로(10) 상부측에 외부로 배출될 수 있게 개방된 형태로 구비되며, 상기 배출구(40)는 반응로(10)의 내경보다 상대적으로 작은 직경을 가지도록 형성하는데, 이는 보다 긴 플라즈마 반응시간을 목적함에 있다.On the other hand, the outlet 40 is provided in an open form to be discharged to the outside on the upper side of the reactor 10, the outlet 40 is formed to have a relatively smaller diameter than the inner diameter of the reactor (10) This is for the purpose of longer plasma reaction time.
또한 상기 배출구(40)는 도 3과 같이 배출되는 반응물질이 안내되어 수집 배출되도록 가이드면(41)이 형성될 수 있으며, 또한 배출구(40)는 다수개의 다공이 형성된 다공판 형상으로 구비될 수 있다.In addition, the discharge port 40 may be formed with a guide surface 41 to guide the discharged discharged material collected as shown in Figure 3, the discharge port 40 may be provided in a porous plate shape formed with a plurality of pores have.
아울러 도 4와 같이 격벽(50)의 관통홀(51)과 배출구(40)가 반응물질의 진행방향에 대해 상호 엇갈리도록 형성시켜 반응물질의 배출을 간섭하여 보다 긴 시간을 통해 플라즈마 반응이 일어나도록 할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 4, the through-hole 51 and the outlet 40 of the partition 50 are formed to cross each other with respect to the advancing direction of the reactant to interfere with the discharge of the reactant so that the plasma reaction may occur through a longer time. can do.
또한 도 3과 같이 격벽(50)의 관통홀(51)과 배출구(40)를 반응물질의 진행방향에 대해 같은 위치로 형성시키고, 격벽(50)과 배출구(40) 사이의 반응로 공간을 충분히 형성시켜 상기 공간에서 간섭되며 배출되도록 할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 3, the through-hole 51 and the outlet 40 of the barrier 50 are formed at the same position with respect to the direction in which the reactants proceed. It can be formed to interfere with the space and to be discharged.
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. As described above, the present invention induces a plasma reaction using a high voltage difference between the reactor and the electrode installed inside the reactor, forms a swirl structure, and allows the raw material, which is the reaction source, to rotate and flow within a few seconds. The reaction can be initiated.
또한 반응로 내에 격벽구조를 형성하거나 배출구의 직경을 작게 형성시킴으로써 반응물질의 배출을 간섭하여 반응시간을 증대시킴에 따라 반응효율이 향상된다.In addition, by forming a barrier rib structure or forming a smaller diameter of the outlet in the reactor, the reaction efficiency is improved as the reaction time is increased by increasing the reaction time.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타내는 단면도.1 is a cross-sectional view showing a plasma reactor according to an embodiment of the present invention.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 변경가능한 실시예를 나타내는 단면도.2 to 5 are cross-sectional views showing embodiments that can be modified in accordance with one embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 반응로 11 : 벽체10: reactor 11: wall
20 : 전극 30 : 원료유입로20 electrode 30 raw material inlet
31 : 유입홀 40 : 배출구31: inlet hole 40: outlet
41 : 가이드면 50 : 격벽41: guide surface 50: partition wall
51 : 관통홀51: through hole
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