KR20080112655A - Plasma burner - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 버너의 종단면도,1 is a longitudinal sectional view of a plasma burner according to a first embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 버너의 횡단면도,2 is a cross-sectional view of the plasma burner according to the first embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 제 1 실시예의 변형 가능한 예를 나타낸 플라즈마 버너의 횡단면도,3 is a cross-sectional view of a plasma burner showing a deformable example of the first embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 버너의 종단면도,4 is a longitudinal sectional view of the plasma burner according to the second embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 버너의 횡단면도,5 is a cross sectional view of a plasma burner according to a second embodiment of the present invention;
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 버너 화염을 촬영한 사진,6 is a photograph of a plasma burner flame according to a second embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 버너의 FTIR 스펙트럼,7 is an FTIR spectrum of a plasma burner according to a second embodiment of the present invention,
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 버너를 다발로 연결하여 구성한 대용량 번들형 플라즈마 버너의 단면도이다.8 is a cross-sectional view of a large-capacity bundled plasma burner configured by connecting the plasma burners according to the first embodiment of the present invention with a bundle.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10: 내부전극 16: 기체연료 분사공10: internal electrode 16: gas fuel injection hole
20: 원통형 전극 30: 스월 발생기 20: cylindrical electrode 30: swirl generator
32: 스월 공기 40: 차단판32: swirl air 40: blocking plate
42: 3차 공기 분사공 52: 화염 분할공 42: tertiary air injection hole 52: flame split hole
100: 플라즈마 버너 200: 대용량 플라즈마 버너100: plasma burner 200: large-capacity plasma burner
S1: 방전공간 S1: discharge space
본 발명은 플라즈마 버너에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음극으로 작용하는 내부 전극과 양극 또는 접지 전극으로 작용하는 원통형 전극과의 전압차로 방전이 유도되고, 스월 발생기(Swirl Generator)로부터 두 전극사이로 스월공기를 주입하여 빠르게 회전유동하는 플라즈마를 형성시키고, 상기 스월공기와 기체연료를 혼합 또는 상기 음극 내부로 기체연료를 주입하여 방전 공간에서 스월공기와 혼합되어 플라즈마 화염을 발생시킬 수 있으며, 추가 공기주입 수단 및 화염 분할 수단을 단독 또는 병행 설치하여 기체연료의 사용효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 질소산화물의 발생을 최대한 억제함과 동시에 불완전 연소에 의한 탄소 및 타르 등의 이물질이 생성되지 않도록 한 플라즈마 버너에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma burner, and more particularly, a discharge is induced by a voltage difference between an internal electrode serving as a cathode and a cylindrical electrode serving as a positive electrode or a ground electrode, and a swirl air is generated between a swirl generator and two electrodes. Injection to form a plasma that rotates rapidly, and the swirl air and gas fuel is mixed or the gas fuel is injected into the cathode to be mixed with swirl air in the discharge space to generate a plasma flame, additional air injection means And flame splitting means alone or in parallel to increase the efficiency of use of gaseous fuel, and to minimize the generation of nitrogen oxides and to prevent foreign substances such as carbon and tar due to incomplete combustion. It is about.
전통적으로 전기 방전 시스템들은 그것들의 이온화 메카니즘과 온도범위에 따라 크게 열(Thermal)과 비열(Nonthermal) 방전으로 분류된다. 또한 플라즈마의 발생 압력에 따라 응용처가 달라지며 저압에서는 플라즈마를 안정적으로 발생시킬 수 있기 때문에 반도체 부품의 세정과 식각, 증착에 이용되며 대기압 상태의 플라즈마는 표면 세정, 환경 오염물질 처리와 신소재 합성 등 다양한 분야에 사용된다.Traditionally, electrical discharge systems are largely classified into thermal and nonthermal discharges according to their ionization mechanism and temperature range. In addition, the application varies depending on the generated pressure of the plasma. The plasma can be stably generated at low pressures, which is used for cleaning, etching, and depositing semiconductor components. At atmospheric pressure, plasma is used for surface cleaning, environmental pollutant treatment, and new material synthesis. Used in the field
일반적으로 순수한 탄화수소 연료의 완전 연소 공정은 물과 이산화탄소로의 분자전환에 의해 달성되며 탄소 결합을 효율적으로 분리하는 자유 라디칼의 생성과 연속적 반응에 의해 연소효율이 결정되므로 탄화수소 연료의 연소를 촉진할 수 있는 방법이 요구된다. 예를 들어, Y. C. Hong 등에 의해 Physics of Plasmas(Vol. 13, No. 11, pp. 113501-113508)의 학술지에 소개된 내용에 따르면 다량의 산소원자를 생성하는 플라즈마 연소에 의한 메탄 플라즈마 버너가 플라즈마가 없는 메탄 버너보다 10배 이상 많은 OH 자유 라디칼들을 생성하며 이로 인해 메탄 플라즈마 버너가 섭씨 500도 더 높은 버너 화염을 달성할 수 있다고 하였다. 따라서 플라즈마로부터 생성되는 다양한 자유 라디칼들은 탄화수소 연료의 연소를 촉진할 수 있는 효율적인 대안이 될 수 있다. In general, the complete combustion process of pure hydrocarbon fuel is achieved by molecular conversion to water and carbon dioxide, and the combustion efficiency is determined by the continuous reaction and the production of free radicals that effectively separate carbon bonds, which can promote the combustion of hydrocarbon fuel. How is it required? For example, according to the introduction of the journal of Physics of Plasmas (Vol. 13, No. 11, pp. 113501-113508) by YC Hong et al., A methane plasma burner by plasma combustion that generates a large amount of oxygen atoms is It produces more than 10 times more OH free radicals than a methane burner without, which allows a methane plasma burner to achieve a burner flame of 500 degrees Celsius higher. Thus, the various free radicals generated from the plasma can be an efficient alternative to promote the combustion of hydrocarbon fuels.
보통 NOx로 참조되는 질소산화물의 방출은 인체건강과 환경에 유해하기 때문에 그 배출규제를 국내외적으로 강화하고 있다. 현재 지구상의 모든 연소시스템은 공기 중의 산소를 이용하기 때문에 질소 분자의 해리에 의한 산화물, 즉 NOx의 생성은 필연적이라 할 수 있으며 NOx는 산성비, 광화학적 스모그, 오존 생성, 오존층의 파괴에 관여한다. 일반적으로 화염으로부터 생성되는 NOx이 90% 이상이 NO로 존재하며 나머지 10%가 NO2이다. 그러나 결국 NO는 화염 밖 대기 중에서 NO2로 변환되기 때문에 모든 규제는 NOx를 NO2로 간주하고 있다. 종래의 산업용 가스버너는 1차 공기가 가스노즐에서 분사되는 연료와의 급격한 혼합에 의한 연소로 화염온도가 급격하게 상승하여 NOx 생성이 증가하는 문제가 있다. 이에 따라 NOx의 생성을 억제하기 위하여 버너의 공기와 연료의 주입 방법 및 주입구의 배열이 중요하다.Since the release of nitrogen oxides, commonly referred to as NOx, is harmful to human health and the environment, the emission regulations are strengthened at home and abroad. Since all combustion systems on earth now use oxygen in the air, the formation of oxides, or NOx, by the dissociation of nitrogen molecules is inevitable, and NOx is involved in acid rain, photochemical smog, ozone generation and destruction of the ozone layer. The NOx generated from the flame is generally present in a more than 90% is NO, and the remaining 10% of the NO 2. However, because NO is eventually converted to NO 2 in the atmosphere outside the flame, all regulations consider NOx to be NO 2 . Conventional industrial gas burners have a problem that the flame temperature rises rapidly due to the rapid mixing of primary air with fuel injected from the gas nozzle, thereby increasing NOx generation. Accordingly, in order to suppress the generation of NOx, a method of injecting air and fuel in the burner and an arrangement of injection ports are important.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 음극으로 작용하는 내부 전극과 양극 또는 접지 전극으로 작용하는 원통형 전극과의 전압차로 방전이 유도되고, 스월 발생기로부터 두 전극사이로 스월공기를 주입하여 빠르게 회전 유동하는 플라즈마를 형성시키고, 상기 스월공기와 기체연료를 혼합 또는 상기 음극 내부로 기체연료를 주입하여 방전 공간에서 스월공기와 혼합되어 플라즈마 화염을 발생시킬 수 있으며, 추가 공기주입 수단 및 화염 분할 수단을 단독 또는 병행 설치하여 기체연료의 사용효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 질소산화물의 발생을 최대한 억제할 수 있는 플라즈마 버너를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, the discharge is induced by the voltage difference between the inner electrode acting as the cathode and the cylindrical electrode acting as the anode or ground electrode, by injecting swirl air from the swirl generator between the two electrodes Forming a rapidly rotating plasma, and mixing the swirl air and gas fuel or injecting the gas fuel into the cathode may be mixed with swirl air in the discharge space to generate a plasma flame, additional air injection means and flame splitting It is an object of the present invention to provide a plasma burner that can be installed alone or in parallel to increase the use efficiency of gaseous fuel, as well as to suppress the generation of nitrogen oxides.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 버너는 원통형 전극; 상기 원통형 전극과 일정간격을 두고 방전공간을 형성하도록 상기 원통형 전극 중심에 설치된 내부전극; 상기 원통형 전극 내부로 가스를 주입시키되 주입된 가스가 와류를 형성하여 플라즈마가 빠르게 회전 유동하도록 유도하는 스월 발생기; 상기 내부전극 또는 상기 스월 발생기 주입구에 설치되어 방전공간으로 연료가스를 공급하는 연료가스 공급부; 및 상기 원통형 전극의 단부로부터 플라즈마 배기가스가 배출되도록 배출구; 를 포함하여 구성된다.Plasma burner of the present invention for achieving the above object is a cylindrical electrode; An internal electrode installed at the center of the cylindrical electrode to form a discharge space at a predetermined distance from the cylindrical electrode; A swirl generator which injects gas into the cylindrical electrode and injects the gas into a vortex to induce a rapid rotational flow of the plasma; A fuel gas supply unit installed at the internal electrode or the swirl generator inlet to supply fuel gas to a discharge space; And a discharge port to discharge plasma exhaust gas from an end of the cylindrical electrode. It is configured to include.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
실시예Example 1 One
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 버너의 종단면도이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 버너의 횡단면도이며, 도 3은 본 발명의 제 1 실시예의 변형 가능한 예를 나타낸 플라즈마 버너의 횡단면도이다.1 is a longitudinal cross-sectional view of a plasma burner according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of a plasma burner according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a modified example of the first embodiment of the present invention. Is a cross-sectional view of the plasma burner.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 연료가스 공급부(미도시)로부터 연료가스(14)가 유입되는 유입로(12)와 상기 연료가스(14)가 분출될 수 있도록 다수개의 연료가스공(16)이 설치된 내부전극(10)은 동공의 원통 전극(20)의 중심에 설치되며 상기 연료가스(14)는 상기 내부전극(10)과 상기 동공의 원통형 전극(20)이 만들어내는 방전공간(S1)으로 분출된다. 상기 연료가스공(16)은 화염출구(70) 방향으로 경사지게 설치될 수 있다. 상기 내부 전극(10)은 상기 원료가스(14)가 주입되는 부분은 원통형의 모양을 가지고 있으며 원통형의 끝부분과 연장되는 부분은 상향방향으로 점점 넓어지는 원추모양을 하다가 다시 좁아지는 모양으로 구성된다. 1 to 3, the
또한 상기 내부전극(10)의 모든 모서리 부분은 부드러운 곡면으로 형성되어지며 상기 내부전극(10)을 통해 주입되는 연료가스(14)는 내부전극(10)과 원통형 전극(20) 사이에 설치된 가스분배기(80)에 의해 1차공기와 혼합되어 주입된다. 플라즈마는 내부전극(10)과 원통형 전극(20) 사이의 상기 방전공간(S1)에서 높은 전압차에 의하여 발생되며 상기 가스분배기(80)는 2차 공기를 스월발생기(30)로 전달하여 상기 내부전극(10)과 원통형 전극(20) 사이에 스월공기(32)를 발생시킨다. In addition, all corners of the
상기 스월공기(32)는 플라즈마를 상기 방전공간(S1)에서 빠르게 회전유동을 일으켜 상기 연료가스공(16)으로부터 분출되는 연료가스(14)와 혼합되어 플라즈마 버너 화염을 발생시키며 개방된 형태의 화염출구(70)를 통해 배출된다. 연료가 스(14)는 내부전극(10)을 통하여 주입되지 않고 2차 공기(32)와 혼합하여 주입될 수 있음은 물론이다. The
또한 상기 내부전극(10)의 구조와 회전유동하는 플라즈마는 방전공간으로 유입되는 공기와 원료가스 간의 혼합이 잘 이루어지는 기회를 제공하여 연료의 전환율을 높인다. 한편 상기 화염출구(70)는 상기 원통형 전극(20)과 같은 내경을 가지도록 하며 보다 긴 플라즈마 반응시간을 제공하도록 배출구의 내경을 작게 형성시킬 수 있다. 또한 연료 전환율의 증가, 화염 형상의 제어 및 화염 온도를 제어하기 위하여 상기 가스분배기(80)로부터 3차 공기(22)는 상기 원통형 전극(20)의 유입로(24)를 통해 배출된다. 상기 원통형 전극(20)의 단부는 경사진 개방된 형태일 수 있으며 다수개의 다공(26)을 가지도록 형성될 수 있으며 상기 다공(26)은 내부전극(10)을 향하도록 경사지게 구비될 수 있다. 또한, 상기 원통형 전극(20)의 단부는 일정간격으로 설치된 다수개의 차단판(40)과 다수개의 공기 분사공(42)을 가지도록 설치될 수 있음은 물론이다. 또한 3차 공기(22)는 유입로(24) 내에서 와류를 형성하도록 주입될 수 있다. 상기와 같은 구성과 특징을 구비하는 본 발명의 플라즈마 버너(100)를 제공하게 된다.In addition, the structure of the
실시예Example 2 2
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 버너의 종단면도이고, 도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 버너의 횡단면도이며, 도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 버너 화염을 촬영한 사진이며, 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 버너의 FTIR 스펙트럼이다.4 is a longitudinal cross-sectional view of a plasma burner according to a second embodiment of the present invention, FIG. 5 is a cross-sectional view of a plasma burner according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a plasma according to a second embodiment of the present invention. A photograph of a burner flame is taken. FIG. 7 is an FTIR spectrum of the plasma burner according to the second embodiment of the present invention.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예는 제 1 실시예의 원통형 전극(50)과 다른 형태를 가지는데 즉, 제 2 실시예의 원통형 전극(50)의 단부에는 반원 모양의 다수개 화염 분할공(52)을 가진 화염 분할기(54)가 설치되어 플라즈마 버너 화염을 분할할 수 있도록 구성된다. 더욱 상세히 설명하면, 플라즈마는 내부전극(10)과 원통형 전극(20) 사이의 방전공간(S1)에서 높은 전압차에 의하여 발생되며 가스분배기(80)는 공기를 스월발생기(30)로 전달하여 상기 내부전극(10)과 원통형 전극(20) 사이에 스월공기(32)를 발생시킨다. 4 and 5, the second embodiment of the present invention has a different shape from the
상기 스월공기(32)는 플라즈마를 상기 방전공간(S1)에서 빠르게 회전유동을 일으켜 연료가스공(16)으로부터 분출되는 연료가스(14)와 혼합되어 플라즈마 버너 화염을 발생시킨다. 또한 상기 연료가스(14)는 내부전극(10)을 통하여 주입되지 않고 스월 공기(32)와 혼합하여 주입될 수 있음은 물론이다. The
상기 플라즈마 버너 화염은 다수개 화염 분할공(52)을 가진 화염 분할기(54)로 들어가 회전유동하는 화염이 직진성을 가지도록하여 상기 분할공(52)에 의해 화염이 분할된다. The plasma burner flame enters the
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 화염 분할공(52)이 형성된 플라즈마 버너(200)로부터 발생된 메탄 플라즈마 버너의 화염을 보여주고 있다. 6 shows the flame of the methane plasma burner generated from the
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 버너의 메탄 연소전후의 연소효율과 연소시 배출되는 가스종들을 확인하기 위한 FTIR(Fourier Transform Infra-red) 스펙트럼이다. 즉, 플라즈마 버너 연소 후 메탄은 완전 연소되었으며 1600 cm-1 영역대에서 검출되는 NOx는 거의 검출되지 않았음을 확인할 수 있다. FIG. 7 is a Fourier Transform Infra-red (FTIR) spectrum for confirming combustion efficiency before and after methane combustion and gas species emitted during combustion of a plasma burner according to a second embodiment of the present invention. That is, it can be confirmed that methane was completely burned after plasma burner combustion, and NOx detected in the 1600 cm −1 region was hardly detected.
실시예Example 3 3
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 버너를 다발로 연결하여 구성한 대용량 번들형 플라즈마 버너의 단면도이다. 8 is a cross-sectional view of a large-capacity bundled plasma burner configured by connecting the plasma burners according to the first embodiment of the present invention with a bundle.
도 8에 나타난 바와 같이, 플라즈마 버너(100)를 다수개로 구성하여 대용량의 번들형 플라즈마 버너(300)를 제공할 수 있다. 즉, 개개의 플라즈마 버너(100)는 제 1프레임(60)과 연결된 제 2프레임(62) 내에 설치되며 각각의 플라즈마 버너(100)에는 3차 공기(22)가 주입되어 화염온도, 화염형상, 추가공기 공급뿐만 아니라, 여러 개의 플라즈마 버너 화염을 분리할 수 있는 역할과 함께 플라즈마 버너(100)의 과열을 방지한다. 또한 본 발명의 또 다른 플라즈마 버너(200)를 상기 번들형 플라즈마 버너(300)와 같이 다수개로 구성하여 대용량의 번들형 플라즈마 버너를 제공할 수 있음은 당연하다.As shown in FIG. 8, a plurality of
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 플라즈마 버너는 내부 전극과 원통형 전극 사이에서 빠르게 회전유동하는 플라즈마에 의해 연료의 전환율을 극대화할 수 있으며 추가 공기주입 수단 및 화염 분할 수단을 단독 또는 병행 설치하여 기체연료의 사용효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 질소산화물의 발생을 최대한 억제할 수 있는 플라즈마 버너를 제공하는 효과가 있다. As described above, the plasma burner according to the present invention can maximize the conversion rate of the fuel by the plasma rapidly rotating between the inner electrode and the cylindrical electrode, the gas fuel by installing additional air injection means and flame dividing means alone or in parallel In addition to improving the use efficiency of the, there is an effect of providing a plasma burner that can suppress the generation of nitrogen oxide to the maximum.
또한 본 발명은 플라즈마 버너를 다발로 연결하여 대용량의 플라즈마 버너를 제공하는 효과도 있다. In addition, the present invention has the effect of providing a large-capacity plasma burner by connecting the plasma burner in a bundle.
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