KR101226603B1 - 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치 및 처리방법 - Google Patents

Abstract

플라즈마와 유해가스의 혼합을 극대화시켜 대용량의 유해가스가 주입되어도 일정한 분해효율을 달성할 수 있는 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치가 개시된다. 이를 위하여 음전극과 양전극 사이에 전압을 가하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생수단, 및 상기 플라즈마 발생수단의 후단에 연결 설치되고, 외부로부터 공급된 유해가스를 상기 플라즈마 흐름과 반대 방향으로 주입하며, 플라즈마 처리된 유해가스를 외부로 배출하는 대향류 챔버를 포함하는 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치를 제공한다. 본 발명에 의하면, 플라즈마의 흐름과 반대 방향으로 유해가스를 주입하므로 플라즈마의 흐름과 동일 방향으로 유해가스를 주입하는 경우보다 플라즈마와 유해가스의 혼합이 충분히 이루어지고, 플라즈마와 유해가스가 혼합되는 고온영역에서 유해가스의 체류 시간이 증가되므로 분해효율이 향상된다.

Description

플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치 및 처리방법{APPARATUS FOR TREATING HAZARDOUS GAS USING COUNTERFLOW OF PLASMA AND HAZARDOUS GAS, METHOD FOR TREATING HAZARDOUS GAS USING THE SAME}

본 발명은 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치 및 처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마와 유해가스의 유입방향이 대향되도록 함으로써, 유해가스의 분해효율을 향상시키고 유해가스 분해에 사용되는 에너지의 사용량을 절약할 수 있는 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다.

과불화화합물(Perfluoro-Compounds, 이하 'PFCs 가스'라고 약칭함)의 배출량은 이산화탄소의 수천분의 일 정도지만, 지구 온난화 지수는 이산화탄소보다 높고, 분해되지 않은 상태로 대기 중에 장시간 동안 존재하여 지구온난화의 주요 원인물질로 잘 알려져 있다.

그러므로 세계 각국은 1992년 6월에 브라질 리오 미팅에서 기후변화협약을 체결하고 PFCs 가스를 지구 온난화 가스로 규정하였으며, 2001년 11월 10일 교토 의정서를 채택하여, 이를 바탕으로 각국의 PFCs 가스 배출기준 및 규제시기를 결정하였다. 이에 미국, 일본 및 유럽 등과 같은 선진국들은 PFCs 가스 배출저감 목표 기준을 1995년 대비 2010년까지 10%로 감축하도록 규정하였으며, 우리나라의 경우 1997년 대비 2010년까지 10% 감축, 그리고 대만은 1998년 대비 2010년까지 10%를 감축하도록 규정되어 있다.

특히, 반도체 제조 공정 중 웨이퍼의 표면을 에칭하기 위하여 BCl₃, Cl₂, F₂, HBr, HCl, HF 등의 산성가스 및 CF₄, CHF₃, C₂F₆, C₃F₈, C₄F₆, C₄F₈, C₅F₈, SF₆ 등과 같은 PFCs 가스를 사용하고, 화학기상증착(CVD : Chemical Vapor Deposition)공정 중 증착단계에서는 웨이퍼의 표면증착을 위하여 AsH₃, NH₃, PH₃, SiH₄, Si₂H₂Cl₂ 등과 같은 가스를 사용하며, 세정 단계에서 NF₃, C₂F₆, C₃F₈ 등과 같은 PFCs 가스를 사용하므로 이를 처리하기 위한 공정이 필수적으로 요구된다.

상기 전술한 PFCs 가스를 제거하기 위한 방법으로는 직접연소법, 간접히팅법, 촉매법, 플라즈마법 등이 있으며, 이중 직접연소법은 액화천연가스(LNG) 또는 수소의 연소시 발생하는 1,400 내지 1,600℃의 불꽃을 이용하여 PFCs 가스를 산화시킴으로써 이산화탄소, 불소(F₂), HF 가스로 전환시켜 제거한다. 그리고 직접연소법은 액화천연가스 또는 수소 등을 연료로 사용하기 때문에 액화천연가스 또는 수소 공급설비가 없는 기존의 공정에서 사용할 수 없을 뿐만 아니라 화재 및 폭발 등의 문제에 대응하기 위한 안전 대책을 필요로 하며, 처리하고자 하는 PFCs 가스가 1,400 내지 1,600℃의 고온에서 처리되므로 소요되는 운전비용이 증가한다는 문제점 등이 있고, 추가적으로 고온에서 연소시킴으로써 산성비, 광화학스모그의 원인이 되는 질소산화물(NOx)이 다량 발생되어 2차 대기오염을 발생시키는 문제점 등이 있다.

또한, 간접히팅법은 히터를 이용하여 간접적으로 반응기의 온도를 상승시킴으로써 직접연소법과 같이 PFCs 가스를 산화시켜 제거하는 방식으로서, 일반적으로 1,100 내지 1,200℃의 온도범위에서 운전을 하기 때문에 CF₄ 등과 같은 난분해성 PFCs 가스의 제거가 어려울 뿐만 아니라, 고온 히팅으로 인해 히터의 수명이 단축되어 연속 웨이퍼 생산이 곤란한 문제점을 가지고 있다.

아울러, 촉매법은 촉매를 이용하여 저온 온도 범위(800℃)에서 PFCs 가스를 제거하는 방식이지만 에칭 또는 CVD 공정에서 유입되는 Al₂O₃, SiO₂등과 같은 고체 산화물로 전환되어 처리된다. 이러한 고체 산화물 등은 촉매층에서 침적되어 촉매층의 유로를 막는 현상이 발생되므로 촉매층의 압력손실을 증가시키는 원인으로 작용하게 되며, PFCs 가스 분해후 발생되는 산성가스가 촉매층에 유입될 경우 이들 산성 물질이 촉매에 흡착 및 반응하여 비가역적인 촉매 활성저하의 원인이 되는 문제점이 있다.

더불어, 플라즈마법에는 고온 플라즈마를 이용하여 PFCs 가스를 분해 제거하는 방식이 있다.

보다 구체적으로, 기존의 고온 플라즈마 스크러버가 도 1에 개시되어 있다.

이러한 고온 플라즈마 스크러버는 에칭 및 CVD 클리닝 후 유입되는 PFCs 가스를 고온 열분해 처리하기 위해 플라즈마 불꽃을 발생시키는 플라즈마 토치부(1)와, 상기 플라즈마 토치부(1)에 연결 설치되어 PFCs 가스를 고온의 플라즈마로 열분해시키기 위해 구비한 반응챔버부(2)와, 상기 반응챔버부 하단에서 물을 미세한 상태로 살포하기 위해 분사 노즐(6)을 좌/우측에 설치하여 처리된 유해가스를 급냉시키는 급냉부(3)와, 분해 후 생성되는 수용성 또는 산성 가스와 입자상 물질을 물 분사 노즐과 폴링으로 처리하는 후처리부(5)와 급냉부와 후처리부로부터 유입되는 물과 입자상 물질을 저장하고 드레인이 가능한 물탱크부(4)로 구성되어 있다.

이러한 고온 플라즈마를 이용한 스크러버는 유해가스를 처리함에 있어서 플라즈마에 순방향으로 유입되는 유해가스가 플라즈마와 혼합될 때에 플라즈마의 흐름에 영향을 미침으로써 상기 유해가스가 플라즈마와 충분히 혼합되기 어렵고, 대용량의 유해가스를 처리하는 경우에는 더욱이 일정한 효율을 달성하기 어려운 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 제 1 목적은 외부로부터 제공된 유해가스가 플라즈마의 흐름과 반대 방향으로 유입되도록 유도하여 플라즈마와 유해가스의 반응시간을 증가시킴으로써 유해가스의 분해효율을 향상시키는 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 제 2 목적은 플라즈마의 고온 영역을 효율적으로 이용할 수 있도록 플라즈마의 흐름과 반대 방향으로 유해가스를 유입시켜 플라즈마에 의한 유해가스의 분해효율을 향상시키는 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리방법을 제공하는데 있다.

상술한 본 발명의 제 1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는 음전극과 양전극 사이에 전압을 가하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생수단, 및 상기 플라즈마 발생수단의 후단에 연결설치되고, 외부로부터 공급된 유해가스를 상기 플라즈마 흐름과 반대 방향으로 주입하며, 플라즈마 처리된 유해가스를 외부로 배출하는 대향류 챔버를 포함하는 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 제 2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는 플라즈마 형성가스를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생수단을 사용한 유해가스 처리방법에 있어서, 상기 플라즈마의 흐름과 반대 방향으로 유해가스를 주입하여 상기 유해가스를 분해처리하는 단계를 포함하는 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리방법을 제공한다.

본 발명은 플라즈마의 흐름과 반대 방향으로 유해가스를 주입하므로 플라즈마의 흐름과 동일 방향으로 유해가스를 주입하는 경우보다 플라즈마와 유해가스의 혼합이 충분히 이루어지고, 플라즈마와 유해가스가 혼합되는 고온영역에서 유해가스의 체류 시간이 증가되므로 분해효율이 향상된다. 이와 같이, 본 발명은 플라즈마의 고온 영역을 효율적으로 이용할 수 있다.

또한, 본 발명은 고온에서 처리되어야 할 필요가 있는 유해가스 성분, 또는 일반적인 처리 방법으로는 처리가 용이하지 않은 유해가스의 처리가 용이하고, 플라즈마의 흐름과 반대 방향으로 유입되는 유해가스에 의해 플라즈마의 횡축범위 넓어져 한 번에 많은 양의 유해가스도 처리할 수 있다.

아울러, 향상된 유해가스 분해효율을 가지기 때문에 적은 량의 에너지를 사용하여 보다 많은 양의 유해가스를 효과적으로 분해할 수 있어, 에너지를 절약할 수 있고, 경제적인 유해가스 처리 시스템을 구현할 수 있다.

도 1은 종래의 플라즈마 스크러버를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대향류 챔버를 설명하기 위한 부분확대도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유해가스 가이드관을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 유해가스 처리장치를 사용하여 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 의한 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치(이하, '유해가스 처리장치'라고 약칭함)를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유해가스 처리장치를 설명하기 위한 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유해가스 처리장치는 음전극과 양전극 사이에 전압을 가하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생수단(100), 및 상기 플라즈마 발생수단(100)의 후단에 연결설치되어 외부로부터 유입된 유해가스를 상기 플라즈마 발생수단(100)을 향하여 플라즈마의 흐름과 반대 방향으로 주입하는 대향류 챔버(200)를 포함한다.

상기 플라즈마 발생수단(100)과 대향류 챔버(200)의 결합은 일체 결합 등 다양하게 이루어질 수 있으나, 예컨대 나사 결합으로 이루어져 있는 것이 부품 교체 등을 위해 필요한 경우 이들을 상호 용이하게 분리할 수 있어서 바람직하다.

본 발명에 따른 유해가스 처리장치는 병원에서 발생되는 감염성 폐기물을 처리하는 열분해 처리장치, 음식물 처리장치, 가스 스크러버(gas scrubber), 방사선 물질 처리장치, 특수 가스 처리장치 등에 적용 가능하나, 본 실시예에서는 가스 스크러버에 적용된 것을 예로 들어 설명한다.

상기 가스 스크러버로 정화처리되는 유해가스는 과불화물, 염화불화탄소(chlorofluoro carbons), 다이옥신 (dioxin), 퓨란(furan), 휘발성유기화합물(volatile organic compounds) 또는 이들 중 복수개의 혼합물 등이다.

이하, 도면을 참조하여 각 구성요소별로 보다 구체적으로 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 유해가스 처리장치는 플라즈마 발생수단(100)을 포함한다.

상기 플라즈마 발생수단(100)은 음전극과 양전극 사이에 전압을 가하여 플라즈마, 예를 들면 플라즈마 제트(plasma jet)를 발생시키는 것으로서, 외부로부터 공급되는 플라즈마 발생가스를 이용하여 적어도 1,000℃의 플라즈마를 형성하며, 상기 플라즈마를 하단에 형성된 플라즈마 배출통로를 통해 외부로 플라즈마를 배출한다. 이때, 플라즈마 발생가스로는 아르곤, 질소, 공기, 수소, 산소, 또는 이들 중 복수개의 가스가 혼합된 가스를 사용한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 플라즈마 발생수단(100)은 고전압이 인가되는 음전극이 하부에 구비된 음극조립체(110), 및 상기 음전극을 감싸 플라즈마 발생공간을 형성하되 상기 음전극에 고전압 인가 시 상기 음전극과의 사이에서 플라즈마 제트를 발생하는 양전극 및 상기 플라즈마 발생공간으로 플라즈마 발생가스를 주입하기 위한 플라즈마 발생가스 주입로가 구비된 양극조립체(120)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 양극조립체(120)의 하단 중앙에는 플라즈마를 외부로 배출하기 위한 플라즈마 배출통로가 형성된다. 여기서, 플라즈마 배출통로는 음극조립체(110)의 음전극과 동일한 횡축선 상에 형성되는 것이 바람직하다. 다시 말해, 플라즈마 배출통로와 음전극은 서로 이격된 상태로 마주보도록 설치된다.

보다 구체적으로, 상기 음극조립체(110)에 인가된 적어도 100볼트(V)이상의 고전압에 의하여 음전극과 양전극의 사이에 아크 방전이 형성되고, 이 아크 방전 영역에 플라즈마 발생가스 주입로를 통해 유입된 아르곤, 질소와 같은 플라즈마 발생가스가 플라즈마를 형성하게 된다. 이와 같이 형성된 플라즈마는 1,000℃ 이상의 플라즈마 제트로 되는데, 이러한 고온의 플라즈마 제트에 대향류 챔버(200)를 통해 유입된 과불화물 등의 지구환경을 오염시키는 유해가스가 분해된다. 이때, 상기 음전극의 재질은 하프늄이거나 또는 토륨이나 이트륨이 첨가된 텅스텐인 것이 바람직하다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 유해가스 처리장치는 대향류 챔버(200)를 포함한다.

상기 대향류 챔버(200)는 플라즈마 배출통로가 형성된 플라즈마 발생수단(100)의 후단에 연결설치되는 것으로서, 외부로부터 공급된 유해가스를 상기 플라즈마 발생수단(100)에 의해 형성된 플라즈마의 흐름과 반대 방향으로 상기 플라즈마 발생수단(100)을 향하여 주입하며, 상기 플라즈마에 의해 분해처리된 유해가스를 외부로 배출하는 역할을 한다. 이와 같이, 대향류 챔버(200)의 내부에는 외부로부터 제공된 유해가스를 이동시키기 위한 유해가스 이동통로가 형성되며, 플라즈마 발생수단(100)에 인접한 유해가스 이동통로에는 상기 플라즈마 발생수단(100)으로부터 방출된 플라즈마 제트에 의해 플라즈마와 유해가스가 반응하는 반응구간이 형성된다.

즉, 본 발명은 외부로부터 유입된 유해가스가 플라즈마 발생수단(100)이 아닌 대향류 챔버(200)로 공급되며, 상기 대향류 챔버(200) 내부에서 플라즈마에 의한 유해가스 분해처리가 수행된다.

이러한 대향류 챔버(200)는 다음과 같은 2가지 형태로 형성될 수 있지만, 이에 한정 되지는 않는다.

일 실시 양태로서, 상기 대향류 챔버는 상기 플라즈마 발생수단의 후단에 연결되며 내부에 유해가스 이동통로가 형성된 몸체부와, 상기 플라즈마 발생수단과 대향되는 몸체부의 후단에 설치되어 상기 플라즈마 발생수단(100)에 의해 형성된 플라즈마를 향하여 외부의 유해가스를 공급하는 유해가스 공급관, 및 상기 플라즈마 발생수단과 접촉되는 몸체부의 선단에 설치되어 플라즈마 처리된 유해가스를 외부로 배출하는 유해가스 배출관으로 이루어진다.

다른 실시 양태로서, 상기 대향류 챔버(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 플라즈마가 배출되는 플라즈마 발생수단(100)의 후단에 연결되고 종방향으로 관통하는 내부통로가 형성되는 유해가스 가이드관(210)과, 상기 유해가스 가이드관(210)을 둘러싸는 외부통로를 형성할 수 있도록 상기 플라즈마 발생수단(100)에 연결되고 상기 플라즈마 발생수단의 후단에 마주보는 유해가스 가이드관(210)의 입구와 대응되는 위치에 외부로부터 유해가스를 공급받는 유해가스 공급관(222)이 구비되며 상기 유해가스 가이드관(210)의 출구와 대응되는 위치에 플라즈마 처리된 유해가스를 배출하는 유해가스 배출관(224)이 구비된 하우징(220), 및 상기 유해가스 공급관(222)과 유해가스 배출관(224) 사이에 구비되어 상기 외부통로를 분획하는 차단판(230)으로 이루어진다.

여기서, 유해가스 가이드관(210)의 개방된 상단면이 유해가스의 출구를 형성하고, 개방된 하단면이 유해가스의 입구를 형성하며, 유해가스 공급관(222) 및 유해가스 배출관(224)은 하우징(220)의 원주상에 하나 이상 구비된다.

상기 유해가스 가이드관(210)은 도 4에 도시된 바와 같이 원통형 구조이거나 상협하광 원통형 구조, 또는 상광하협 원통형 구조로 형성될 수 있다. 여기서, 원통형 구조는 그 내경(a)이 일정한 것이고, 상협하광 원통형 구조는 그 내경이 축의 하방으로 갈수록 커지는 것이며, 하협상광 원통형 구조는 그 내경이 축의 하방으로 갈수록 작아지는 것이다. 즉, 상협하광 원통형 구조는 출구의 유효직경(b)이 입구의 유효직경(b')보다 작은 구조를 가지며, 하협상광 원통형 구조는 출구의 유효직경(c)이 입구의 유효직경(c')보다 큰 구조를 갖는다.

이와 같이, 상기 유해가스 가이드관(210)의 횡단면은 원형인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정된 것은 아니고, 사각형이나 육각형 등이 될 수도 있다. 또한, 유해가스 가이드관(210)의 유효직경은 10 내지 200㎜로 형성될 수 있지만, 대용량의 유해가스를 처리하기 위해서는 50 내지 200㎜인 것이 바람직하다. 여기서 유효직경은 유해가스 가이드관(210)의 횡단면이 이루는 내부형상의 평균 직경을 의미한다. 즉, 상기 유해가스 가이드관(210)의 단면적을 조절함으로써 최적의 반응온도 영역을 형성할 수 있다.

상기 유해가스 가이드관(210)은 교환가능한 구조로 되어 있어 장기간의 사용으로 인한 유해가스 가이드관(210)의 교환필요성이 있을 때에는 유해가스 가이드관(210)만을 교환할 수 있다.

그리고 하우징(220)은 플랜지 등을 사용한 차단판(230)에 의해 분리 가능하게 결합된다. 예컨대, 하우징(220)은 상부 하우징과 하부 하우징으로 구성되고, 차단판(230)에 의해 상기 상부 하우징과 하부 하우징의 외부통로가 서로 밀폐되며, 차단판(230)에 의해 상부 하우징과 하부 하우징이 나사 결합 등으로 서로 체결된다. 이러한 나사 결합 등을 사용하면 유해가스 가이드관(210)의 교체가 필요한 경우 상부 하우징과 하부 하우징을 상호 용이하게 분리할 수 있다.

이와 같이, 상기 대향류 챔버(200)는 유해가스 가이드관(210)의 내부통로와, 유해가스 가이드관(210)의 외부통로에 해당하는 하우징(220)의 내부통로에 의한 이중통로 구조로 형성될 수 있으며, 유해가스 공급관(222)을 통해 대향류 챔버(200)로 유입된 유해가스는 순차적으로 유해가스 가이드관(210)의 외부통로, 유해가스 가이드관(210)의 내부통로, 유해가스 가이드관(210)의 외부통로를 거친 다음 유해가스 배출관(224)를 통해 외부로 배출된다.

다시 말해, 대향류 챔버(200)는 유해가스 가이드관(210)이 유해가스 공급관(222) 및 유해가스 배출관(224)에 직접 연통되지 않도록 형성되어 있기 때문에 플라즈마에 의해 유해가스 가이드관(210)이 손상되는 경우 유해가스 가이드관(210)만을 교체하여 사용할 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 유해가스 처리장치는 급냉배관(300)을 더 포함할 수 있다.

상기 급냉배관(300)은 상기 대향류 챔버(200)로부터 처리되어 유입된 유해가스를 급냉시키고 유해가스 중의 수용성가스, 산성가스 및 입자성 물질을 처리할 수 있도록 물을 분사(spray)시키는 스프레이와 같은 물분사장치(310)를 하나 이상 구비하는 것이 바람직하다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 유해가스 처리장치는 폐수저장수단(400)을 더 포함할 수 있다.

상기 폐수저장수단(400)은 상기 급냉배관(300)의 일측에 설치되어 물분사장치(310)로부터 분사되어 유해가스를 흡착한 폐수를 저장하는 것이다.

이러한 폐수저장수단(400)에는 저장된 폐수가 소정의 수위에 도달되었을 경우에 이를 외부로 배출시키는 펌프(미도시)가 구비될 수 있다. 또한, 상기 폐수저장수단(400)의 내부에는 저장된 폐수의 수위를 감지하는 센서(미도시)가 구비될 수 있다. 즉, 상기 센서는 저장된 폐수의 수위를 감지하여 소정의 수위에 도달하면 상기 펌프에 구동신호를 전달하여 펌프를 작동시킨다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 유해가스 처리장치는 후처리부(500)를 더 포함할 수 있다.

상기 후처리부(500)은 급냉배관(300)에서 1차적으로 처리된 수용성 가스, 산성가스 및 입자성 물질을 2차적으로 처리하는 것으로서, 물을 분사(spray)시키는 스프레이와 같은 물분사노즐(510)을 다수개 구비하는 것이 바람직하다.

상기의 후처리부(500)는 분사된 물과 수용성가스, 산성가스 및 입자성 물질의 효과적인 처리를 위해 접촉표면적을 넓힐 수 있는 폴링(520)을 물분사노즐(510)의 하단에 적층하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 전술한 플라즈마 발생수단을 사용하고 플라즈마와 유해가스 대향류를 이용한 유해가스 처리방법(이하, '유해가스 처리방법'이라 약칭함)을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유해가스 처리방법은 유해가스 배출원으로부터 유해가스를 수집하는 제 1 단계와, 수집된 유해가스가 플라즈마 발생수단으로부터 생성된 플라즈마의 흐름과 반대 방향으로 주입되도록 상기 유해가스를 상기 플라즈마 발생수단을 향하여 주입하여 상기 유입가스를 분해처리하는 제 2 단계, 및 상기 분해처리된 유해가스를 외부로 배출하는 제 3 단계를 포함한다.

상기 제 2 단계는 유해가스 발생원으로부터 수집된 유해가스를 플라즈마 발생장치로 직접 주입하지 않고, 상기 플라즈마 발생장치로부터 이격된 대향류 챔버의 후단에 주입하여 상기 유해가스를 플라즈마 흐름과 반대 방향으로 공급하는 단계이다. 이러한 과정을 통해, 플라즈마 발생장치로부터 생성된 플라즈마와 동일한 방향으로 유해가스를 주입하지 않고, 상기 유해가스를 플라즈마 흐름과 반대 방향으로 주입하여 플라즈마와 유해가스의 충돌을 유도한다. 즉, 서로 반대 방향으로 유동하는 플라즈마와 유해가스의 반응을 이용하므로, 플라즈마의 고온영역이 확산되고, 플라즈마와 유해가스가 혼합되는 고온영역에서 유해가스의 체류 시간이 증가되어 유해가스의 분해처리 효율이 향상된다.

또한, 상기 제 2 단계에서는 대향류 챔버에 대한 유해가스의 주입속도에 따라 일정한 유해가스의 분해효율을 달성하기 위하여, 플라즈마 발생수단으로 공급되는 플라즈마 형성가스의 공급유량, 플라즈마 발생수단의 출력, 또는 이들 모두를 조절하는 과정을 수행할 수 있다.

아울러, 상기 제 2 단계에서는 대향류 챔버에 대한 상기 유해가스의 주입속도에 따라 일정한 유해가스의 분해효율을 달성하기 위하여, 플라즈마의 흐름과 반대 방향으로 유해가스를 가이드하는 유해가스 가이드관의 유효직경, 형태, 또는 이들 모두를 조절하여 유해가스 처리영역을 제어하는 과정을 수행할 수도 있다.

다음 실시예들에서 다양한 조건에 따른 상기 대향류 챔버 내의 온도분포의 모사(simulation) 데이터로서 이러한 온도분포를 관찰하면, 대향류 챔버에서의 유해가스 분해 정도를 판단할 수 있다.

플라즈마 발생수단(토치)에 따른 온도 분포

[실시예 1]

전극길이(음극부터 플라즈마 배출통로까지)가 40㎜이고 플라즈마 배출통로의 직경이 14㎜인 플라즈마 발생수단(토치 1)을 사용하였다. 여기에, 전력 7.84kW를 공급하여 플라즈마를 발생시키고, 유해가스 가이드관의 유효직경(내경)이 100㎜인 대향류 챔버에 유해가스로서 CF₄를 200 lpm으로 주입하여 유해가스와 반응하는 플라즈마에 의해 유해가스 가이드관 내부에 형성되는 고온영역의 범위를 관찰하였다. 그 결과는 도 5의 a 좌측에 나타내었다.

[실시예 2]

상기 [실시예 1]과 동일한 실험 조건하에서 고온영역의 범위를 관찰하되, 플라즈마 발생수단에 전력 7.84kW를 공급하는 대신 12.02kW를 공급하였다. 그 결과는 도 5의 a 우측에 나타내었다.

[실시예 3]

전극길이가 84㎜이고 플라즈마 배출통로의 직경이 20㎜인 플라즈마 발생수단(토치 2)를 사용하였다. 여기에 전력 12.49kW를 공급하여 플라즈마를 발생시키고, 유해가스 가이드관의 유효직경(내경)이 100㎜인 대향류 챔버에 유해가스로서 CF₄를 200 lpm으로 주입하여 유해가스와 반응하는 플라즈마에 의해 유해가스 가이드관 내부에 형성되는 고온영역의 범위를 관찰하였다. 그 결과는 도 5의 b 좌측에 나타내었다.

[실시예 4]

상기 [실시예 3]과 동일한 실험 조건하에서 고온영역의 범위를 관찰하되, 플라즈마 발생수단에 전력 12.49kW를 공급하는 대신 14.04kW를 공급하였다. 그 결과는 도 5의 b 우측에 나타내었다.

도 5에 도시된 바와 같이, 유해가스 처리장치로 200 lpm의 유해가스를 주입하였을 경우, 입력전력이 가장 높은 [실시예 4]에서 넓은 고온 영역이 관찰되었다. 그리고 비슷한 입력전력이 사용된 [실시예 2]와 [실시예 3]을 비교하면, [실시예 2]의 경우가 좁은 유해가스 배출통로로 인해 좀 더 유해가스 가이드관 내부로 플라즈마가 깊숙이 침투하였으며, 상기 플라즈마의 흐름 방향과 반대 방향으로 유입된 유해가스로 인하여 유해가스 가이드관 내부의 온도분포는 [실시예 2]와 [실시예 3]이 비슷한 경향을 보였다.

유해가스 주입속도에 따른 온도분포

[실시예 5]

상기 [실시예 2]와 동일한 실험 조건하에서 고온영역의 범위를 관찰하되, 유해가스를 200 lpm로 주입하는 대신 유해가스를 50 lpm으로 주입하였다. 그 결과는 도 6의 a 좌측에 나타내었다.

[실시예 6]

상기 [실시예 2]와 동일한 실험 조건하에서 고온영역의 범위를 관찰하되, 유해가스를 200 lpm로 주입하는 대신 유해가스를 100 lpm으로 주입하였다. 그 결과는 도 6의 a 우측에 나타내었다.

[실시예 7]

상기 [실시예 2]와 동일한 실험 조건하에서 고온영역의 범위를 관찰하되, 유해가스를 200 lpm로 주입하는 대신 유해가스를 300 lpm으로 주입하였다. 그 결과는 도 6의 b 우측에 나타내었다(도 6의 b 좌측 온도분포는 실시예 2에 따른 결과로서, 대비를 위하여 표시함).

도 6에 도시된 바와 같이, [실시예 5]와 [실시예 6]과 같이 유해가스가 100 lpm 이하일 때에는 플라즈마 발생수단과 가까운 쪽(횡축방향)의 온도가 [실시예 2]와 [실시예 7]에 비해 2000 K 이상 상승하는 영역이 넓은 경향을 나타냈다.

유해가스 가이드관의 직경에 따른 온도분포

[실시예 8]

상기 [실시예 2]와 동일한 실험 조건하에서 고온영역의 범위를 관찰하되, 유해가스 가이드관의 유효직경이 100㎜인 대향류 챔버를 사용하는 대신 유해가스 가이드관의 유효직경이 25㎜인 대향류 챔버를 사용하였다. 그 결과는 도 7의 a 좌측에 나타내었다.

[실시예 9]

상기 [실시예 2]와 동일한 실험 조건하에서 고온영역의 범위를 관찰하되, 유해가스 가이드관의 유효직경이 100㎜인 대향류 챔버를 사용하는 대신 유해가스 가이드관의 유효직경이 50㎜인 대향류 챔버를 사용하였다. 그 결과는 도 7의 a 우측에 나타내었다.

[실시예 10]

상기 [실시예 2]와 동일한 실험 조건하에서 고온영역의 범위를 관찰하되, 유해가스 가이드관의 유효직경이 100㎜인 대향류 챔버를 사용하는 대신 유해가스 가이드관의 유효직경이 200㎜인 대향류 챔버를 사용하였다. 그 결과는 도 7의 b 우측에 나타내었다(도 7의 b 좌측 온도분포는 실시예 2에 따른 결과로서, 대비를 위하여 표시함).

도 7에 도시된 바와 같이, 유해가스 가이드관의 유효직경이 50㎜ 이하로 작을 경우에는 빠르게 주입되는 유해가스 때문에 플라즈마 불꽃이 유해가스 가이드관의 내부로 침투하지 못하고 불안정한 형태를 띄는 것으로 관찰되었다. 그리고 유해가스 가이드관의 직경이 200㎜인 경우에는 플라즈마 발생수단과 가까운쪽(횡축방향)의 온도가 2,000K 가까이 올라가지만, 플라즈마가 유해가스 가이드관의 중심부까지 충분히 침투하여 높은 유해가스 처리효율을 기대할 수 있었다.

유해가스 가이드관의 형태 및 직경에 따른 온도분포 1

[실시예 11]

상기 [실시예 2]와 동일한 실험 조건하에서 고온영역의 범위를 관찰하되, 유해가스 가이드관의 유효직경이 100㎜인 대향류 챔버를 사용하는 대신 유해가스 가이드관의 유효직경이 20-50㎜인 대향류 챔버를 사용하였다. 그 결과는 도 8의 a 우측에 나타내었다(도 8의 a 좌측 온도분포는 실시예 2에 따른 결과로서, 대비를 위하여 표시함).

[실시예 12]

상기 [실시예 2]와 동일한 실험 조건하에서 고온영역의 범위를 관찰하되, 유해가스 가이드관의 유효직경이 100㎜인 대향류 챔버를 사용하는 대신 유해가스 가이드관의 유효직경이 50-100㎜인 대향류 챔버를 사용하였다. 그 결과는 도 8의 b 좌측에 나타내었다.

[실시예 13]

상기 [실시예 2]와 동일한 실험 조건하에서 고온영역의 범위를 관찰하되, 유해가스 가이드관의 유효직경이 100㎜인 대향류 챔버를 사용하는 대신 유해가스 가이드관의 유효직경이 100-200㎜인 대향류 챔버를 사용하였다. 그 결과는 도 8의 b 우측에 나타내었다.

도 8에 도시된 바와 같이, 유해가스 가이드관의 유효직경이 100 ㎜인 경우와 유해가스 가이드관의 유효직경이 100-200 ㎜인 경우를 비교하면, 플라즈마 발생수단과 가까운 쪽의 유효직경이 온도분포를 결정하고 있음을 파악할 수 있었다. 따라서, 플라즈마 발생수단과 가까운 쪽의 유효직경이 100 ㎜인 경우에 플라즈마 불꽃이 유해가스 가이드관 내부로 가장 잘 침투하는 것으로 판단되었다.

유해가스 가이드관의 형태 및 직경에 따른 온도분포 2

[실시예 14]

상기 [실시예 2]와 동일한 실험 조건하에서 고온영역의 범위를 관찰하되, 유해가스 가이드관의 유효직경이 100㎜인 대향류 챔버를 사용하는 대신 유해가스 가이드관의 유효직경이 50-20㎜인 대향류 챔버를 사용하였다. 그 결과는 도 9의 a 우측에 나타내었다(도 9의 a 좌측 온도분포는 실시예 2에 따른 결과로서, 대비를 위하여 표시함).

[실시예 15]

상기 [실시예 2]와 동일한 실험 조건하에서 고온영역의 범위를 관찰하되, 유해가스 가이드관의 유효직경이 100㎜인 대향류 챔버를 사용하는 대신 유해가스 가이드관의 유효직경이 100-50㎜인 대향류 챔버를 사용하였다. 그 결과는 도 9의 b 좌측에 나타내었다.

[실시예 16]

상기 [실시예 2]와 동일한 실험 조건하에서 고온영역의 범위를 관찰하되, 유해가스 가이드관의 유효직경이 100㎜인 대향류 챔버를 사용하는 대신 유해가스 가이드관의 유효직경이 200-100㎜인 대향류 챔버를 사용하였다. 그 결과는 도 9의 b 우측에 나타내었다.

도 9에 도시된 바와 같이, [실시예 14] 내지 [실시예 16]에서 사용된 유해가스 가이드관의 온도분포 역시 플라즈마 발생수단과 가까운 쪽의 유해가스 가이드관의 유효직경이 중요한 영향을 미치고 있는 것으로 확인되었다. 즉, 플라즈마 발생수단과 가까운 쪽의 유효직경이 200 ㎜인 경우에 플라즈마 불꽃이 유해가스 가이드관 내부로 가장 잘 침투하는 것으로 판단되었다.

이와 같이, 본 발명은 플라즈마 배출통로의 직경이 작은 경우가 상대적으로 반경방향으로 구배가 심하고, 고온, 고속인 플라즈마 제트를 발생시키는 데 유리한 것으로 분석되었다.

그리고 약 12 kW 정도로 비슷한 출력에서는 플라즈마 배출통로의 직경이 14㎜인 경우(토치 1)가 상대적으로 고속의 플라즈마를 발생시켜서 유해가스 가이드관의 내부에 깊이 플라즈마를 침투시켜서, 플라즈마 배출통로의 직경이 20㎜(토치 2)의 경우보다 경제적이면서도 효과적인 분해를 기대할 수 있다.

또한, 반응구간에서는 플라즈마 불꽃이 반경방향으로 확장되므로 유해가스 가이드관의 손상 우려가 있다. 한편, 유해가스의 양이 너무 많은 경우에는 유해가스와 플라즈마의 충분한 혼합을 기대할 수 없기 때문에 플라즈마 발생수단 및 대향류 챔버의 조건에 따라 최적의 유해가스 유량조건을 결정해야 한다.

아울러, 원통형 구조의 유해가스 가이드관의 경우에는 그 유효직경이 커질수록 플라즈마가 유해가스 가이드관의 내부로 깊숙이 침투하여 보다 향상된 유효가스 처리효율을 제공할 것으로 기대할 수 있다.

더불어, 상협하광 원통형 구조의 유해가스 가이드관을 적용하더라도 플라즈마 발생수단과 가까운 쪽의 유해가스 가이드관의 유효직경에 의해 플라즈마 특성이 결정되므로, 유해가스 가이드관 제작의 편의성과 경제성을 위하여 원통형 구조의 유해가스 가이드관을 사용하고, 플라즈마 발생수단의 운전조건 및 유해가스 주입조건에 따라 유해가스 가이드관의 유효직경을 최적화 하는 것이 바람직하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 플라즈마 발생수단 110 : 음극조립체
120 : 양극조립체 200 : 대향류 챔버
210 : 유해가스 가이드관 220 : 하우징
222 : 유해가스 공급관 224 : 유해가스 배출관
230 : 차단판 300 : 급냉배관
310 : 물분사장치 400 : 폐수저장수단
500 : 후처리부 510 : 물분사노즐
520 : 폴링

Claims (7)

1. 음전극과 양전극 사이에 전압을 가하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생수단; 및
   상기 플라즈마 발생수단에 연결설치되어, 외부로부터 공급된 유해가스를 상기 플라즈마 흐름과 반대 방향으로 주입하며, 플라즈마 처리된 유해가스를 외부로 배출하는 대향류 챔버를 포함하는 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 대향류 챔버는
   상기 플라즈마가 배출되는 플라즈마 발생수단의 후단에 연결되고 내부통로가 형성되는 유해가스 가이드관과,
   상기 유해가스 가이드관을 둘러싸는 외부통로를 형성할 수 있도록 상기 플라즈마 발생수단에 연결되고, 상기 플라즈마 발생수단의 후단에 마주보는 유해가스 가이드관의 입구와 대응되는 위치에 외부로부터 유해가스를 공급받는 유해가스 공급관이 구비되며, 상기 유해가스 가이드관의 출구와 대응되는 위치에 플라즈마 처리된 유해가스를 배출하는 유해가스 배출관이 구비된 하우징, 및
   상기 유해가스 공급관과 유해가스 배출관 사이에 구비되어 상기 외부통로를 분획하는 차단판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 유해가스 가이드관은
   원통형 구조, 상협하광 원통형 구조, 하협상광 원통형 구조 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 유해가스 가이드관은
   그 유효직경이 50 내지 200㎜인 것을 특징으로 하는 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치.
5. 플라즈마 형성가스를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생수단을 사용한 유해가스 처리방법에 있어서,
   상기 플라즈마의 흐름과 반대 방향으로 유해가스를 주입하여 상기 유해가스를 분해처리하는 단계를 포함하는 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 플라즈마의 흐름과 반대 방향으로 유해가스를 가이드하는 유해가스 가이드관의 유효직경, 형태, 또는 이들 모두를 조절하여 상기 유해가스 처리영역을 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리방법.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 유해가스의 주입속도를 조절하여 상기 유해가스 처리영역을 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리방법.

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