KR101468923B1 - 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 톨루엔 연소분해장치 및 톨루엔을 이용한 화염 증폭 기능을 구비한 연소분해장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 발생 챔버에서 플라즈마를 발생하기 위한 챔버에 설치된 방전관에 마이크로웨이브를 공급하는 마그네트론과, 마그네트론에서 발생한 마이크로웨이브를 손실을 최소화하여 전송하기 위한 3-스토브와 도파관과, 전송된 마이크로웨이브를 이용하여 플라즈마를 발생하기 위하여 방전관이 설치된 챔버와 방전관 내부에 챔버 내부에 주입되는 아르곤(Ar) 가스를 여기시켜 플라즈마를 발생하고, 발생하는 저온 플라즈마를 이용하여 톨루엔이 포함된 VOCs를 연소시켜 제거하는 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 톨루엔 연소분해장치 및 톨루엔을 이용한 화염 증폭 기능을 구비한 톨루엔 연소분해장치에 관한 것이다.

Description

마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 톨루엔 연소분해장치 및 톨루엔을 이용한 화염 증폭 기능을 구비한 연소분해장치{Toluene burn decomposition apparatus using microwave plasma and Toluene burn decomposition apparatus with function of flame amplication using Toluene}

본 발명은 플라즈마를 발생하기 위한 챔버 하부에 설치된 방전관에 마이크로웨이브를 공급하기 위한 마그네트론과, 마그네트론에서 발생한 마이크로웨이브의 손실을 최소화하여 전송하기 위한 3-스토브(3-stub) 및 도파관과, 전송된 마이크로웨이브를 이용하여 플라즈마를 발생하기 위하여 방전관(석영관)과, 방전관 내부에 주입되는 아르곤(Ar) 가스를 여기시켜 플라즈마를 발생하고, 발생하는 플라즈마를 이용하여 톨루엔이 포함된 VOCs를 연소시켜 제거하는 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 톨루엔 연소분해장치 및 톨루엔을 이용한 화염 증폭 기능을 구비한 톨루엔 연소분해장치에 관한 것이다.

산업시설 내의 공기오염물질은 근로자들의 생산력 저하 및 발암 가능성을 유발하고 환경적으로 악취문제와 대기오염문제를 불러일으키고 있다.

산업시설 내의 공기오염물질은 입자상과 기체상으로 존재하고 있으며, 입자상의 오염물질은 제거기술의 발달로 매년 줄어드는 추세에 있지만 가스 성분상의 오염물질은 증가하는 추세에 있다.

이러한 공기오염물질 중에서 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compound: VOC)은 발암 가능성, 대류권 오존형성, 광화학 스모그 형성, 그리고 폭발성 등을 가지고 있어서 여러 측면에서 인체와 우리의 환경에 위해성을 지닌 화합물질이다.

환경부 자료에 의하면 우리나라의 인위적인 VOC 발생의 약 43%는 도장산업과 관련이 있고 약 13%정도는 인쇄와 관련이 있다.

도장산업과 관련된 VOC 발생 중 건축용이나 자동차용 및 전자제품의 도장 공정에서 발생하는 VOC는 전체 인위적 VOC 배출의 약 20% 및 10%나 될 정도로 아주 많은 양이 배출되고 있다.

그럼에도 불구하고 이러한 도장 산업에서 발생되는 VOC는 불특정 배출물(Fugitive Emission) 형태로 발생되기 때문에 적절한 방지대책을 세우기가 용이하지 않다. 이러한 도장이나 인쇄시설 및 관련제품들을 생산하는 업종에 종사하는 작업자와 대기환경에서의 악영향을 최소화하기 위해서 적절한 제거기술을 개발해야 한다.

페인트 및 도장 공정에서 발생하는 주요 VOC 물질 중 약 70%는 톨루엔(Toluene)으로 조사되고 있다.

마이크로웨이브(microwave)를 이용한 악취 및 유해가스(VOCs 포함) 처리기술은 아직 연구단계에 있으며, 실증화되어 사업화 단계에 이르지 못하고 있는 실정이다.

미국의 Ian M. Kennedy의 연구팀은 마이크로웨이브를 이용한 Steam Plasma를 발생하여 VOCs 성분 중에 TCE의 처리 효율을 측정하여 AWMA의 저널에 그 결과를 발표하였다.

Baillin 등은 마이크로웨이브를 이용한 산소 플라즈마(plasma)를 발생시켜 유기화학물질의 분해 효율을 측정 실험하여 발표하였으며, Hertzler 등도 진공상태 하에서 마이크로웨이브를 이용한 산소 플라즈마를 발생하여 염소계 화합물의 처리효율 등을 측정하였다.

최근의 일본의 연구자들도 마이크로웨이브를 이용한 VOCs처리 연구를 활발하게 수행 중에 있으며, 특히 Suzuki 등은 마이크로웨이브를 이용한 산소 플라즈마를 이용하여 금속 클로라이드의 산화 연구를 수행하였으며, 금속의 산화효율 등이 이론적인 평형 값과 매우 일치하여 그 처리 효율이 매우 높음을 측정 발표하였다.

즉, 마이크로웨이브를 이용한 산소 플라즈마의 경우에 가스 중에 포함된 악취 및 VOCs의 처리뿐만 아니라 중금속 성분 등도 처리할 수 있다는 매우 중요한 결과를 보여주었다.

Shimizu 등도 마이크로웨이브를 이용한 아르곤 플라즈마를 이용하여 Trichlorofluoroethane의 처리 효율을 측정하였으며, 그 결과 순수 아르곤 플라즈마에 미량의 산소 주입 시에 매우 높은 처리 효율을 측정하였다.

특히, 그의 연구 결과에서 마이크로웨이브의 발생장치를 DC의 경우보다도 매우 저렴한 AC 마이크로웨이브 발생장치를 이용하였을 경우에 그 처리 효율이 더 높은 것으로 측정되었으나 그 이유는 판명되지 못했다.

그러나 중요한 결과는 DC의 마이크로웨이브의 경우 그 장치 값이 매우 고가인 반면 에 가정에서 흔히 사용되는 AC를 이용한 발생장치는 그 가격이 매우 저렴하고 쉽게 구할 수 있기 때문에 AC type을 이용하여 더 높은 처리 효율을 얻은 결과는 매우 고무적이라고 하겠다.

따라서 환경 분야에는 유해한 성분을 분해하여 처리하거나 다른 물질과 반응하도록 하여 무해화 하는 방법으로 가스상 오염물질을 처리하는데 응용하고 있다. 이러한 플라즈마 기술은 매우 많은 장점을 지니고 있음에도 불구하고 기술개발단계에서 전력의 과다 소모, 대규모 장치 개발의 필요, 다른 기술과 경쟁할 수 있는 경제성의 확보 등 여러 가지 문제점이 돌출되어 앞으로도 많은 연구가 필요하다.

상기와 같이 국외적으로 다수의 마이크로웨이브를 이용한 유해가스 처리 연구가 활발하게 진행 중에 있으나, 현장에 적용할 수 있는 상용화된 연구는 아직도 매우 미비하다고 할 수 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 페인트, 도장 공정 및 각종 코팅공정에서 발생되는 VOCs 물질 중 약 70%를 차지하는 톨루엔 가스를 처리하기 위하여 1,000℃ 정도의 온도에서 물질이 이온화된 상태로 존재하도록 구성된 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하여 톨루엔의 제거효율을 크게 향상시킬 수 있는 장치를 구현하는데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 도장 공정 및 각종 코팅 공정에서 발생되는 VOCs 물질 중 약 70%가 톨루엔이고, 톨루엔을 흡착제(제올라이트, 활성탄 등)에 흡착시켜 농축한 후, 상기 흡착제에 농축된 톨루엔을 150~200℃의 온도범위에서 탈착하여 고농도(10,000ppm 이상)의 톨루엔을 마이크로웨이브 플라즈마 챔버로 이송 공급하여 톨루엔 연소 분해 및 화염증폭의 연료물질로 사용하는 장치를 제공하는데 있다.

본 발명 과제의 해결 수단은 플라즈마를 발생하기 위한 챔버에 하부에 설치된 방전관에 마이크로웨이브를 발생 공급하는 마그네트론과, 마그네트론에서 발생한 마이크로웨이브의 손실을 최소화하여 전송하기 위한 3-스토브(3-stub) 및 도파관과, 전송된 마이크로웨이브를 이용하여 플라즈마를 발생하기 위한 방전관과, 방전관 내부로 아르곤(Ar) 가스가 주입되고, 방전관으로 전송된 마이크로웨이브 에너지를 점화봉으로 초기 점화시켜 아르곤 가스를 여기시켜 플라즈마를 발생하고, 발생된 플라즈마가 방전관 하부로 유입되는 톨루엔을 연소 분해하며, 발생한 플라즈마와 챔버에 형성된 다수의 톨루엔 가스주입구로 공급되는 톨루엔 가스가 연소되면서 상부로 향하도록 구성된 슬롯을 구비하고 톨루엔 가스를 연소 분해하는 톨루엔 연소분해장치를 구현하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 페인트, 도장 공정 및 각종 코팅 공정에서 발생되는 VOCs 물질 중 약 70%가 톨루엔이고, 톨루엔을 흡착제(제올라이트, 활성탄 등)가 충진된 흡착반응기로 흡입하여 흡착시켜 농축한 후, 상기 흡착제에 흡착된 톨루엔을 150~200℃의 온도범위에서 탈착하여 고농도(약 10,000ppm 이상)의 톨루엔을 만든 후, 이를 파이프 또는 호스로 마이크로웨이브 플라즈마 챔버로 이송 공급하여 플라즈마에 의하여 생성된 불꽃을 연소 증폭할 수 있도록 구성된 톨루엔 연소분해장치를 구현하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 페인트, 도장 공정 및 각종 코팅 공정에서 발생되는 VOCs와, VOCs 물질 중 약 70% 인 톨루엔을 1,000℃ 정도의 온도(저온 플라즈마)에서 연소시켜 분해 제거하고, 톨루엔을 흡착제가 충진된 흡착반응기를 이용하여 흡착 제거한 후, 흡착반응기를 설정된 온도로 가열하여 흡착제에 부착된 톨루엔을 탈착하여 탈착된 고농도의 톨루엔을 플라즈마 챔버로 주입하되, 챔버와 슬롯 등에 다수의 톨루엔 가스주입구를 설치하여 완전 연소를 이루면서 보다 많은 용량의 톨루엔을 연소 분해하는 톨루엔 연소분해장치를 구현하는데 있다.

본 발명은 페인트, 도장 공정 및 각종 코팅공정에서 발생되는 VOCs 물질 중 약 70%를 차지하는 톨루엔 가스를 처리하기 위하여 1,000℃ 정도의 온도에서 물질이 이온화된 상태로 존재하도록 구성된 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하여 톨루엔 제거효율을 크게 향상시키는 유리한 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 도장 공정 및 각종 코팅 공정에서 발생되는 VOCs 물질 중 톨루엔을 흡착제(제올라이트, 활성탄 등)에 흡착시켜 농축한 후, 상기 흡착제에 농축된 톨루엔을 150~200℃의 온도범위에서 탈착하여 고농도의 톨루엔을 마이크로웨이브 플라즈마 챔버로 이송 공급하여 화염증폭을 위한 연료물질로 사용하여 화염을 증폭 사용할 수 있는 유리한 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 페인트, 도장 공정 및 각종 코팅공정에서 발생되는 톨루엔 물질을 플라즈마 발생장치를 이용하여 분해 제거하는 장치를 구성하되, 장치를 소형화하고, 제작비용을 크게 절감할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 챔버와 슬롯 등에 다수의 톨루엔 가스주입구를 설치하여 완전 연소를 이루면서 보다 많은 용량의 톨루엔을 짧은 시간 내에 연소 분해할 수 있는 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 톨루엔 연소분해장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 톨루엔을 효율적으로 연소시키기 위한 챔버의 구조이다.
도 3은 3-스토브에서 마이크로웨이브 조정하는 원리를 도시한 것이다.
도 4는 도 1의 설계 도면에 따라 실험용으로 제작된 플라즈마를 이용한 톨루엔 연소분해장치이다.
도 5는 도 3의 장치를 이용하여 흡착반응기에서 공급되는 톨루엔이 함께 연소하여 화염이 증폭된 플라즈마를 촬영한 것이다.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다.

본 발명은 도장 공정 및 각종 코팅 공정에서 발생되는 VOCs 물질 중 약 70%를 차지하는 톨루엔 가스를 처리하기 위하여 1,000 ℃ 정도의 온도(저온 플라즈마)에서 물질이 이온화된 상태로 존재하도록 구성된 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하여 톨루엔을 연소 분해하여 제거효율을 크게 향상시키는데 있다.

일반적으로, 도장 공정 및 각종 코팅 공정에서 발생되는 VOCs 물질 중 약 70%는 톨루엔으로 이와 같은 톨루엔 가스를 처리하기 위해 마이크로웨이브 플라즈마를 이용해 연소 분해함과 동시에 가연성 기체인 톨루엔 가스를 이용하여 플라즈마 불꽃을 증폭시켜 화염을 열에너지로 이용하면서 톨루엔을 분해 제거하는 효과를 가져올 수 있다.

휘발성 유기화합물(VOCs)은 매우 안전한 상태로 이를 연소시켜 분해하기 위해서는 950 ℃ 이상의 고온이 필요하다.

플라즈마의 경우 통상 10,000℃ 이상으로 높은 에너지를 필요로 하나 본 발명 과제에서는 1,000℃ 정도의 저온 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하였으며, 1,000 ℃ 정도의 온도에서 물질이 이온화된 상태로 존재하기 때문에 톨루엔을 포함한 VOCs를 연소시켜 분해하여 높은 제거효율을 확보할 수 있다. 본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 살펴본다.

<실시 예>

본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다. 도 1은 본 발명에 따른 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 톨루엔 연소분해장치 및 톨루엔을 이용한 화염 증폭 기능을 구비한 톨루엔 연소분해장치를 도시한 것이다.

본 발명은 도장 공정 및 각종 코팅 공정에서 발생되는 VOCs 물질 중 약 70%를 차지하는 톨루엔 가스를 처리하기 위하여 1,000 ℃ 정도의 온도에서 물질이 이온화된 상태로 존재하도록 구성된 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하여 톨루엔을 연소 분해시키는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 톨루엔을 보다 효율적으로 처리하기 위하여 도장 공정 및 각종 코팅 공정 중에 발생하는 톨루엔 가스를 흡입하여 흡착하기 위한 톨루엔 흡착제가 충진된 흡착반응기로 톨루엔을 흡착할 수 있다.

흡착반응기에 충진된 톨루엔 흡착제는 제올라이트 또는 활성탄 등으로 구성된다.

흡착반응기에 충진된 제올라이트 또는 활성탄 등에 부착된 톨루엔을 탈착하기 위하여 150~200℃이하의 온도범위에서 흡착반응기를 가열하여 상기 흡착제에 농축된 톨루엔을 탈착하여 고농도의 톨루엔을 배관을 통해서 챔버로 이송 공급하도록 구성되어 있다.

흡착반응기로 흡입되는 톨루엔의 농도는 약 50~100ppm 이며, 흡착반응기에 충진된 흡착제에 흡착된 톨루엔을 탈착하여 챔버로 배출할 경우에는 약10,000 ppm 이상으로 플라즈마 화염을 증폭시키고 효율적인 연소 분해가 가능하다.

또한, 마이크로웨이브 플라즈마 증폭 챔버(도1의 19)를 이용하여 플라즈마를 발생시켜 톨루엔을 연소 분해시킬 경우에 고농도, 고유량의 톨루엔을 단시간에 연소 분해할 수 있다.

본 발명은 톨루엔 분해와 동시에 톨루엔 가스를 연료로 이용함으로써 플라즈마의 화염을 증폭시키면서 완전 연소를 이룰 수 있고, 다수의 톨루엔 가스주입구를 챔버 및 슬롯 하부 등에 설치하여 톨루엔의 대용량 처리가 가능하도록 구성되어 있다.

본 발명은 도장 공정 및 각종 코팅 공정에서 발생되는 인체에 유해한 가스인 톨루엔을 포함하는 VOCs를 흡입 팬을 이용하여 흡입하여 톨루엔 흡착제가 충진된 흡착반응기로 이송 통과시켜 톨루엔을 흡착제에 농축하여 도장 공정 및 각종 코팅 공정에서 발생되는 인체에 유해한 톨루엔을 제거하도록 구성되어 있다.

흡착반응기에 충진된 흡착제에 흡착된 톨루엔을 탈착시키기 위하여 흡착반응기를 탈착온도(150~200℃) 범위까지 가열하여 톨루엔을 흡착제로부터 탈착시켜 농축된 톨루엔을 고농도(약 10,000ppm 이상)로 마이크로웨이브 플라즈마 불꽃이 발생하는 화염 증폭 챔버로 배관 및 톨루엔 가스주입구(도1의 17)를 통해서 이송한다.

아르곤 가스 주입구(도1의 22)로 주입되는 아르곤 입력가스(Swirl gas=Ar gas)를 이용하여 마그네트론(도1의 13)에서 발생한 마이크로웨이브를 이용하여 플라즈마를 생성한 후, 연소 분해되는 대상인 톨루엔 가스를 상기 톨루엔 흡착반응기로부터 공급받아서 챔버(도1의 19) 속으로 밀어 넣어줌으로서 플라즈마의 불꽃 증폭 및 톨루엔 가스의 완전 연소 분해를 동시에 할 수 있도록 구성되어 있다.

아르곤 가스 주입구(도1의 22)로 주입되는 아르곤 입력가스가 마이크로웨이브가 제공하는 에너지를 공급받아서 여기되어 생성된 플라즈마와 하단부에 설치된 톨루엔 가스주입구(도1의 23)로 톨루엔을 유입시킴으로써 플라즈마 불꽃이 챔버의 중앙에 설치되는 슬롯(도 1의 18)의 하부 입구까지 유지된다.

방전관(도1의 24)은 도 1에 도시된 바와 같이 아르곤 가스주입구(도1의 22) 상부와 슬롯(도1의 18) 하부사이에 원통형으로 형성되어 있으며, 도파관(도1의 16)을 통해서 전송되는 마이크로웨이브, 아르곤 가스 및 점화봉(도1의 21)에 의하여 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 구성되어 있다.

방전관으로 주입되는 아르곤 가스는 톨루엔 가스의 연소효율을 증가시키기 위하여 주입시 와류를 형성하면서 상승하도록 아르곤 가스주입구가 접선 방향으로 경사지게 형성되어 있다.

챔버(도1의 19) 아랫부분까지 키워진 화염이 8방향으로 주입되는 연료물질인 톨루엔과 혼합되어 연소함으로써 챔버 길이의 두 배 이상 화염이 증폭되며, 이는 도 4에서와 같은 실험을 통해서 확인할 수 있었다.

톨루엔 가스 주입구(도2 참조)는 4방향 이상, 챔버 길이에 따라 톨루엔 가스 주입구 개수의 조정이 가능하다.

도 2는 본 발명에 따른 톨루엔을 효율적으로 연소시키기 위한 챔버의 구조이며, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 다양한 형상과 크기로 변형 구성할 수 있다.

도 2에서와 같이 톨루엔을 효율적으로 연소시키기 위하여 챔버의 각각의 측면과 슬롯의 하부에 톨루엔을 주입하기 위한 톨루엔 가스주입구가 형성되어 흡착반응기에서 탈착된 톨루엔 가스를 주입할 수 있도록 구성되어 있다.

또한, 슬롯은 긴 원통형으로 제작되어 측면에는 완전연소를 유도하기 위하여 상하로 길게 형성된 다수의 구멍을 가지며, 상기 챔버 측면에 형성된 톨루엔 가스주입구로 주입된 톨루엔이 하부에서 올라오는 플라즈마와 함께 연소하여 화염 증폭을 이룰 수 있도록 구성되어 있다.

본 발명에 따른 톨루엔을 포함하는 VOCs를 연소 분해하기 위한 플라즈마 발생 원리에 대하여 살펴본다.

상용전원으로부터 고압트랜스포터(도1의 12)를 이용하여 220V를 23,000V 전압으로 변환시킨다. 본 발명의 실시 예로 사용한 1Kw 마그네트론(도1의 13)을 이용하여 변압된 23,000V의 전기에너지를 2.45GHz의 마이크로웨이브(파장에너지)로 변환한다.

마그네트론(도1의 13)에서 생성된 마이크로웨이브(파장에너지)의 손실을 최소화하면서 플라즈마를 발생하기 위하여 방전관(석영관)으로 전송하기 위하여 웨이브가이드 런처(도1의 14, Waveguide Launcher), 3-스토브 튜너(도1의 15, 3-stub tuner), 슬라이딩 샷(shot)이 설치되어 있다.

웨이브가이드 런처(Waveguide Launcher)는 마그네트론 파장을 한 방향으로 일정하게 보내주는 역할을 한다.

전송손실을 최소화하여 전송된 마이크로웨이브는 방전관(석영관)으로 전송되며, 아르곤 가스주입구(도1의 22)로 아르곤 입력가스가 주입되는 상태에서 점화봉(Ignitor)을 이용하여 초기점화를 시켜줌으로써 전송된 마이크로웨이브가 점화되어 열에너지로 변환되어 아르곤 가스를 여기시켜 플라즈마를 발생시킨다.

3-스토브(도 1의 15, 3-Stub)는 일정한 간격으로 떨어진 위치에서 길이를 가변할 수 있는 스토브를 웨이브가이드 속에 삽입하여 각각의 길이를 가변함으로써 부하임피던스와 매칭(Matching)시켜 마이크로웨이브의 전송 손실을 최소화하여 효율적으로 최대의 에너지를 방전관에 전송하도록 구성되어 있다.

스토브 각각의 간격은 효율적인 전송을 위하여 관내파장의 λ/4 로 조절 설정하며, 도 3에 구체적으로 도시되어 있다. λ는 관내파장의 한 주기에 해당한다.

챔버로 공급하는 연료물질인 톨루엔 가스가 접선방향으로 와류(소용돌이)를 형성하면서 상승하고, 챔버 및 공급 노즐의 개수를 조정함으로써 최대 350lpm(liter per minute)의 톨루엔을 수용할 수 있다(앞서 제작된 실험용 톨루엔 연소분해장치에서 임).

노즐을 다수 개로 형성하는 이유는 하나의 노즐로 많은 량의 톨루엔을 공급할 수 없을 뿐만 아니라, 하나의 노즐로 너무 많은 량을 공급할 경우에 완전 연소시킬 수 없는 문제점이 있다. 즉, 노즐을 다수 개로 형성하는 이유는 톨루엔을 완전 연소시키면서 처리용량을 극대화하기 위한 구성이다.

앞서 기술한 톨루엔 가스의 연소효율을 증가시키기 위하여 이르곤 가스 주입시 와류를 형성하도록 아르곤 가스주입구가 접선 방향으로 형성되고, 방전관에서 형성된 플라즈마가 와류가 형성되어 회전하면서 슬롯으로 상승하며, 슬롯으로 와류를 형성하여 상승하는 플라즈마의 와류 형성 방향에 맞추어서 톨루엔 가스주입구가 접선방향으로 경사지게 형성되어 톨루엔의 연소 효율 및 연소량을 높일 수 있다.

아르곤 가스는 플라즈마 발생이 가능한 다른 가스로 대체 사용할 수 있다.

톨루엔 가스주입구는 도 1에서와 같이 방전관 하부 또는 상부에 설치할 수 있으며, 보다 구체적으로 아르곤 가스 주입구하부(도1의 23), 슬롯 하부 및 챔버 측면(도1의 17) 등에 다수 설치할 수 있다.

톨루엔 가스만으로 연료가스를 사용할 경우에는 붉은 불꽃을 발생하나, 플라즈마를 이용하여 톨루엔을 연소 분해의 경우에는 푸른빛이 나는 흰색의 플라즈마로 나타남을 볼 수 있다. 이는 완전연소를 의미한다.

본 발명에 따른 실험에서는 가정용 전자레인지에 사용하는 출력 1Kw급의 마그네트론을 적용하였으며, 본 발명에 따른 마이크로웨이브 플라즈마 및 화염 증폭 챔버의 크기와 용량에 따라 변형 적용할 수 있다.

3-스토브(3-stub)는 부하로부터 일정한 거리만큼 떨어진 위치에 길이를 가변 할 수 있도록 일정간격으로 도파관에 삽입하여 각각의 길이를 가변함으로서 부하임피던스와 매칭(matching)시켜 최대 마이크로웨이브 에너지를 방전관에 전송하는 방법을 사용하였다.

도파관(Waveguide)은 속이 빈 도체로 구성되며, 마이크로웨이브를 챔버까지 저 손실로 전송해주는 역할을 한다.

내부 중앙에 슬롯(도1의 18)이 설치된 챔버(도1의 19)는 플라즈마 화염 증폭을 위한 장치로 챔버(도1의 19) 내부의 슬롯(도1의 18)을 통과하면서 와류형성을 위해 4 방향의 슬롯에 상하로 길게 형성된 구멍과 접하는 부분으로 톨루엔 가스의 유입을 위한 8개의 접선방향을 가진 톨루엔 가스주입구(탭 각도=20°내지 30°)를 형성하여 톨루엔 가스 처리용량을 최대한 크게 설계 제작되었다.

와류를 형성시켜 회전하면서 연소시킬 경우에 플라즈마와 톨루엔 가스 접촉하는 시간 또는 이동거리를 증가시켜 완전 연소를 유도할 수 있다.

또한, 와류를 형성하는 이유는 화염을 상부로 소용돌이(일예로 토네이도)를 일으키며 상부로 빨려 올라가도록 구성하므로 톨루엔 연소효율을 크게 증가시킬 수 있다.

상기 탭 각도(20°내지 30°)는 상승하는 플라즈마의 와류 형성 방향에 맞추어서 톨루엔 가스주입구가 형성된 각도이며, 이 각도 역시 변형할 수 있다.

본 발명을 위하여 실험한 사이즈는 아래와 같으며, 이는 하나의 실시 예에 지나지 않으며, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 크기, 형상 및 처리용량을 본 발명을 이용하여 변형이 가능하다.

챔버 사이즈 : 135H × 130W mm

톨루엔 가스 주입구 사이즈 : 70H × 3W mm, 접선방향

가스 공급 노즐 : 1/4~3/4 inch tab, 25°

또한, 점화봉(도1의 21)은 플라즈마를 발생시킬 때 초기 전자를 공급하는 역할을 하며, 플라즈마를 발생하기 위한 방전관은 열팽창 계수가 적고 고온에서 내구성이 우수한 특성을 가지는 석영관을 사용하였다. 그리고 마그네트론이 장시간 동작함에 의하여 발생하는 열을 냉각시켜 주기 위한 냉각팬(도1의 11)이 장착되어 있다.

톨루엔 흡착을 위한 흡착반응기는 다수 개를 설치하여 도장 공정 및 각종 코팅 공정에서 발생되는 인체에 유해한 가스인 톨루엔을 흡입하여 흡착 제거하고, 흡착된 량이 설정치 이상되면 흡착반응기를 설정된 온도로 가열하여 톨루엔을 흡착제로부터 탈착하여 챔버로 이송 공급하도록 구성할 수도 있다.

톨루엔 흡착을 위한 흡착반응기는 흡착과 탈착을 반복 수행할 수 있도록 구성되고, 탈착 시에만 챔버로 탈리된 톨루엔 가스를 이송 공급하도록 배관 일측에 가스 공급을 제어하는 밸브가 부착 설치되어 있다.

챔버에서 발생한 불꽃으로 보일러를 가열하고, 가열된 에너지를 필요한 공정이나 장소로 이송하여 사용할 수 있다.

본 발명은 플라즈마를 발생하기 위한 챔버 하부에 설치된 방전관에 마이크로웨이브를 공급하기 위한 마그네트론과, 마그네트론에서 발생한 마이크로웨이브의 손실을 최소화하여 전송하기 위한 3-스토브 및 도파관과, 전송된 마이크로웨이브를 이용하여 플라즈마를 발생하기 위하여 방전관과, 방전관 내부에 주입되는 아르곤(Ar) 가스를 여기시켜 플라즈마를 발생하고, 발생하는 플라즈마를 이용하여 톨루엔이 포함된 VOCs를 연소시켜 제거하는 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 톨루엔 연소분해장치 및 톨루엔을 이용한 화염 증폭 기능을 구비한 톨루엔 연소분해장치를 제공하여 톨루엔 가스를 연소 분해하고 연소 분해 시 발생하는 에너지를 이용할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.

11 ; 냉각 팬 12 ; 트랜스포머
13 ; 마그네트론 14 ; 마이크로웨이브 런처
15 ; 3-스토브 16 ; 도파관
17 ; 톨루엔 가스주입구 18 ; 슬롯
19 ; 챔버 20 ; 슬라이딩 샷
21 ; 점화봉 22 ; 아르곤 가스 주입구
23 ; 톨루엔 가스주입구 24 ; 방전관(석영관)

Claims (10)

1. 톨루엔 연소분해장치에 있어서,
   톨루엔을 연소시켜 제거하기 위하여 톨루엔 주입구가 형성된 챔버에 플라즈마를 발생시키기 위하여 마이크로웨이브를 공급하는 마그네트론;
   상기 마그네트론에서 생성된 마이크로웨이브 에너지를 전송받아서 플라즈마를 발생하고, 톨루엔을 연소시켜 제거하기 위한 챔버와 연결된 방전관;
   마그네트론에서 생성된 마이크로웨이브를 방전관으로 전송 손실을 최소화하면서 전송하여 플라즈마를 발생하기 위한 웨이브가이드 런처와 3-스토브 튜너;
   플라즈마 발생을 위하여 방전관으로 가스를 주입하기 위한 가스 주입구;
   톨루엔 가스 처리 용량을 증대시키기 위하여 방전관 하부 설치되어 방전관에서 발생한 플라즈마를 이용하여 톨루엔을 연소시키기 위한 톨루엔 가스주입구;
   방전관 상부에 설치되어 톨루엔 가스를 연소시켜 제거하기 위하여 외부 측면에 복수의 톨루엔 가스 주입구가 형성되고, 내부에는 톨루엔 가스 주입구로 주입된 톨루엔 가스를 플라즈마와 함께 연소시키기 위하여 다수의 구멍이 형성된 원통형 슬롯으로 구성된 챔버; 및
   장시간 동작 시 마그네트론에서 발생하는 열을 냉각시켜 주기 위한 냉각팬을 설치하여 구성하되,
   상기 원통형 슬롯은 챔버 측면에 형성된 다수의 톨루엔 가스주입구로 주입된 톨루엔 가스의 완전연소를 유도하기 위하여 측면에 상하로 길게 다수의 구멍이 형성되고,
   플라즈마와 톨루엔 가스가 혼합되어 연소될 때 연소효율을 높이기 위하여 아르곤 가스 주입 시 와류를 형성하도록 아르곤 가스주입구를 접선 방향으로 경사지게 형성하며,
   상기 마이크로웨이브 에너지의 전송 손실을 감소시키기 위하여 3개의 스토브 각각의 간격을 관내파장의 λ/4 로 설정함을 특징으로 하는 톨루엔 연소분해장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 톨루엔 연소분해장치는 초기 점화를 위하여 방전관 내부 일측에 점화봉이 설치됨을 특징으로 하는 톨루엔 연소분해장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 톨루엔 연소분해장치는 챔버와 슬롯 하부에 형성되는 톨루엔 가스주입구를 아르곤 가스 주입시 형성되는 와류의 방향에 맞추어서 와류를 형성할 수 있도록 톨루엔 가스주입구를 접선 방향으로 경사지게 형성함을 특징으로 하는 톨루엔 연소분해장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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