KR20180001552A - 플라즈마-촉매 방식의 스크러버 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 촉매의 길이 방향에서 온도 편차를 극복하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버는, 전기 에너지로 방전기체를 플라즈마 아크의 열 에너지로 변환하고 일측으로 유입되는 처리기체를 열 에너지로 가열하는 플라즈마 반응부, 및 상기 플라즈마 반응부에서 가열된 처리기체를 유입하여 촉매 반응으로 처리기체에 포함된 오염물질을 분해하는 촉매 반응부를 포함한다.

Description

플라즈마-촉매 방식의 스크러버 {PLASMA-CATALYST TYPE SCRUBBER}
본 발명은 처리기체에 포함된 오염물질을 제거하는 후처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 제조 공정이나 다양한 화학 산업에서 발생되는 과불화화합물(perfluorinated compounds, PFCs)을 포함하는 난분해성 공정가스(처리기체)를 분해하는 플라즈마-촉매 방식의 스크러버에 관한 것이다.
반도체 공정에서 발생하는 과불화화합물(PFCs)은 대표적으로 CF4, CHF3, C3F6, CH2F2, C2F4, C2F6, C3F8, C4F10, C5F8, SF6 및 NF3 등을 포함한다. 과불화화합물(PFCs)은 독성이 없으나 지구온난화 지수가 이산화탄소 대비 수천~수만 배 높기 때문에 배출 규제 대상이다. 매우 안정한 물질로 PFCs을 제거하기 위한 다양한 기술이 연구되고 있다.
일례를 들면, 가연상 가스를 이용하여 과불화화합물(PFCs)을 포함하는 난분해성 가스를 직접 연소하는 방법이 있다. 직접 연소 방법은 반응 온도가 1400℃ 이상으로 높고 연소를 위한 연료를 필요로 한다.
다른 예로써, 플라즈마의 고온 반응 영역으로 과불화화합물(PFCs)을 포함하는 난분해성 가스를 통과시켜 처리하는 방법이 있다. 플라즈마 연소 방법은 필요 에너지를 높이고, 고온 영역에서 플라즈마 반응기의 부식을 크게 일으킨다.
또 다른 예로써, 전기 히터와 촉매를 이용하여 과불화화합물(PFCs)을 포함하는 난분해성 가스를 처리하는 방법이 있다. 촉매 반응기는 700~800℃의 온도를 유지하여 난분해성 가스를 처리한다.
전기 히터와 촉매 처리 방법은 전기 히터의 부피와 촉매 반응기의 부피를 상대적으로 크게 하며, 촉매 반응기가 정상 작동되는 상태에서 전기 히터의 일 부분이 부식되어도 시스템 전체를 사용할 수 없게 한다.
본 발명의 목적은 과불화화합물(PFCs)을 포함하는 난분해성 공정가스(즉 처리기체)를 플라즈마와 촉매를 이용하여 분해 및 제거하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 촉매의 길이 방향에서 온도 편차를 극복하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 처리기체에 과불화화합물(PFCs)이 포함되었을 때, 플라즈마의 온도를 제어하여 운전 비용을 줄이는 플라즈마촉매 방식의 스크러버를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버는, 전기 에너지로 방전기체를 플라즈마 아크의 열 에너지로 변환하고 일측으로 유입되는 처리기체를 열 에너지로 가열하는 플라즈마 반응부, 및 상기 플라즈마 반응부에서 가열된 처리기체를 유입하여 촉매 반응으로 처리기체에 포함된 오염물질을 분해하는 촉매 반응부를 포함한다.
상기 촉매 반응부는 가열된 처리기체가 흐르는 길이 방향으로 온도 편차를 해소하는 온도 편차 제거부를 더 포함한다.
상기 촉매 반응부는 하우징에 내장되는 촉매를 포함하고, 상기 온도 편차 제거부는 상기 촉매 내에서 상기 길이 방향으로 배치되고 복수의 기체 통로들을 구비하는 튜브를 포함할 수 있다.
상기 튜브는 상기 길이 방향의 끝을 폐쇄하여 형성될 수 있다.
상기 촉매 반응부는 하우징에 내장되는 촉매를 포함하고, 상기 온도 편차 제거부는 상기 하우징의 외주에 배치되는 RF 유도 코일을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버는, 상기 플라즈마 반응부와 상기 촉매 반응부 사이에 배치되어, 상기 플라즈마 반응부에서 가열된 처리기체를 상기 촉매 반응부에 균일한 분포로 제어하는 유동 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 유동 제어부는 상기 플라즈마 반응부와 상기 촉매 반응부를 연결하는 하우징, 및 상기 하우징 내에 배치되어 유동을 제어하는 유동판을 포함하며, 상기 유동판은 상기 플라즈마 반응부 측에 평면으로 형성되어 중앙에 최소 직경부를 구비하고, 상기 최소 직경부에서 단계적으로 확산되어 처리기체의 흐름을 균일하게 하도록 상기 촉매 반응부 측에 최대 직경부를 형성할 수 있다.
상기 유동 제어부는 상기 플라즈마 반응부와 상기 촉매 반응부를 연결하는 하우징, 상기 하우징 내에 배치되어 통로를 형성하는 유동판, 및 상기 유동판의 일측에서 상기 통로보다 좁은 미세 통로로 형성되어 처리기체의 흐름을 균일하게 하는 스트레이트너를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버는, 상기 촉매 반응부의 외곽에 구비되어 상기 촉매 반응부를 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버는, 상기 촉매 반응부의 후단에 구비되어 상기 플라즈마 반응부로 유입되는 상기 처리기체를 경유시켜 열을 회수하는 열교환부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버는, 상기 촉매 반응부의 후단에 구비되어 상기 촉매 반응부에서 처리기체로부터 분해된 오염물질에 물을 분사하여 분해된 오염물질을 물로 고정 처리하는 수처리부를 더 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 반응부는 일측에 제1유입구와 제2유입구를 구비하여 방전기체와 처리기체를 유입하고 좁아지는 목부를 형성하는 하우징, 및 상기 하우징 내에 절연 장착되고 구동 전압이 인가되는 전극을 포함하며, 상기 하우징은 상기 목부에 연결되어 확장된 공간을 형성하고 전기적으로 접지되어 상기 전극에 연결되는 회전 아크를 길게 유도하는 확장부를 더 포함할 수 있다.
상기 하우징은 상기 목부를 중심으로 상기 전극 측에서 좁아지는 직경보다 상기 확장부에서 확장되는 직경을 더 크게 형성할 수 있다.
상기 플라즈마 반응부는 일측이 폐쇄된 원통으로 형성되고 구동 전압이 인가되는 전극, 및 상기 전극에 연결되고 전기적으로 접지되어 방전갭을 형성하며 상기 방전갭 측에 제1유입구를 구비하여 방전기체를 유입하는 하우징을 포함하며, 상기 하우징은 상기 전극의 반대측에서 확장된 공간을 형성하는 확장부를 더 포함할 수 있다.
상기 하우징은 상기 방전갭 측에 제2유입구를 더 구비하여 처리기체를 유입할 수 있다.
상기 하우징은 상기 확장부 측에 제2유입구를 더 구비하여 처리기체를 유입할 수 있다.
상기 플라즈마 반응부는 일측이 폐쇄된 원통으로 형성되고 제1유입구와 제2유입구를 구비하여 방전기체와 처리기체를 각각 유입하는 하우징, 및 상기 하우징의 외주에 배치되는 RF 유도 코일을 포함하며, 상기 하우징은 상기 RF 유도 코일의 반대측에서 확장된 공간을 형성하는 확장부를 더 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 반응부는 일측이 폐쇄된 원통으로 형성되고 제1유입구를 구비하여 방전기체를 유입하는 하우징, 및 상기 하우징의 외주에 배치되는 RF 유도 코일을 포함하며, 상기 하우징은 상기 RF 유도 코일의 반대측에서 확장된 공간을 형성하고, 제2유입구를 구비하여 처리기체를 유입하는 확장부를 더 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 반응부는 중심에 길이 방향으로 배치되는 제1전극, 상기 제1전극의 외주에 방전갭을 형성하여 길이 방향으로 배치되고 상기 제1전극과의 사이에 제1유입구를 구비하여 방전기체를 유입하는 제2전극, 및 원통으로 형성되어 상기 제2전극을 수용하고, 상기 제2전극의 후방에 제2유입구를 구비하여 처리기체를 유입하는 하우징을 포함할 수 있다.
상기 제1전극과 상기 제2전극은 내부에 냉각수를 순환시키는 냉각수 통로를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버는 플라즈마 아크의 열 에너지로 처리기체를 가열하는 플라즈마 반응부, 및 상기 플라즈마 반응부에서 가열된 처리기체에 포함된 오염물질을 촉매 반응으로 분해하는 촉매 반응부를 포함한다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는 플라즈마 반응부와 촉매 반응부를 구비하여 플라즈마 아크의 열 에너지로 처리기체를 가열하여 촉매 반응부에 공급하므로 과불화화합물(PFCs)을 포함하는 난분해성 가스를 분해 및 제거할 수 있다.
촉매 반응부에 구비되는 온도 편차 제거부는 가열된 처리기체가 흐르는 길이 방향으로 촉매 반응부의 온도 편차를 해소할 수 있다.
처리기체에 포함된 과불화화합물의 유입량에 따라 플라즈마 반응부에 공급되는 구동 전력을 제어하여, 즉 플라즈마의 온도를 제어하므로 플라즈마 반응부의 운전 비용을 줄이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버의 구성도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 촉매 반응부의 단면도이다.
도 3은 도 1에 적용되는 플라즈마 반응부의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버에 적용되는 촉매 반응부의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버의 구성도이다.
도 6은 도 5에 적용되는 유동 제어부의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버에 적용되는 유동 제어부의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버의 구성도이다.
도 9는 도 8에서 처리기체에 포함된 과불화화합물의 유입량에 따라 플라즈마 반응부에 공급되는 구동 전력을 제어하고 그에 따른 플라즈마의 온도 변화를 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제6실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버에 적용되는 플라즈마 반응부의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제7실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버에 적용되는 플라즈마 반응부의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제8실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버에 적용되는 플라즈마 반응부의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제9실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버에 적용되는 플라즈마 반응부의 단면도이다.
도 14는 본 발명의 제10실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버에 적용되는 플라즈마 반응부의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예의 플라즈마촉매 방식의 스크러버(1)는 플라즈마 발생부(10), 촉매 반응부(20) 및 수처리부(30)를 포함한다.
플라즈마 발생부(10)는 공급되는 구동 전력의 전기 에너지에 의하여 방전기체에 플라즈마 아크를 발생시키도록 구성되어, 즉 전기 에너지를 열 에너지로 변환시킨다.
또한 오염물질(예를 들면, 과불화화합물(PFCs))이 포함된 공정가스(즉 처리기체)는 플라즈마 발생부(10)의 일측으로 유입되어 플라즈마 아크의 열 에너지에 의하여 가열될 수 있다.
촉매 반응부(20)는 플라즈마 반응부(10)에서 발생된 열 에너지에 의하여 가열된 고온의 플라즈마 및 처리기체를 유입하여 촉매 반응으로 처리기체에 포함된 오염물질을 분해하도록 구성된다.
촉매 반응부(20)는 처리 대상인 오염물질에 따라 다양한 종류의 촉매를 내장할 수 있다. 예를 들면, 촉매 반응부(20)는 산화망간계, 귀금속계, 루테늄(Ru) 또는 로디움(Rh) 촉매를 포함할 수 있다. 산화망간계, 귀금속계, 루테늄(Ru) 또는 로디움(Rh) 촉매는 처리기체에 포함된 산화질소(N20)를 분해할 수 있다.
촉매 반응으로 오염물질을 안정적으로 분해 및 제거하기 위하여, 촉매 반응부(20)는 온도 편차 제거부(25)를 구비한다. 온도 편차 제거부(25)는 촉매 반응부(20)에 내장되어 플라즈마 반응부(10)에서 발생된 플라즈마의 열 에너지에 의하여 가열된 처리기체가 흐르는 길이 방향으로의 온도 편차를 제거 및 최소화한다.
구체적으로 보면, 촉매 반응부(20)는 고온의 플라즈마 및 가열된 처리기체를 유통시키는 하우징(21), 및 하우징(21)에 내장되어 플라즈마와 처리기체를 유통시켜 처리기체에 대하여 촉매 반응하는 촉매(22)를 포함한다.
온도 편차 제거부(25)는 촉매(22) 내에서 촉매 반응부(20)의 길이 방향 및 처리기체의 유동 방향으로 배치되는 튜브(23)와, 튜브(23)에 구비되는 복수의 기체 통로들(24)을 포함한다.
튜브(23)는 길이 방향의 끝을 폐쇄하여 형성되므로 일측으로 유입되는 고온의 플라즈마 및 처리기체가 튜브(23) 내부를 경유하면서 기체 통로들(24)을 통하여 분배되어 빠져나가게 한다.
즉 하우징(21)으로 유입되는 고온의 플라즈마와 처리기체의 일부는 바로 촉매들(22) 사이로 공급되어 촉매 반응되고, 다른 일부는 튜브(23)로 유입되어 길이 방향으로 진행되면서 기체 통로들(24)을 통하여 촉매들(22) 사이로 진행되면서 촉매(22)에 직접 접촉되어 촉매 반응된다.
이때, 튜브(23)가 촉매 반응부(20)의 길이 방향으로 배치되고 기체 통로들(24)을 구비하므로 고온의 플라즈마와 처리기체를 촉매 반응부(20)의 길이 방향 전체 범위에서 균일하게 공급할 수 있다.
따라서 튜브(23)를 내장하는 촉매 반응부(20)는 길이 방향에서 대체로 균일한 온도 범위를 유지할 수 있다. 또한, 튜브(23)는 자체의 전도 열전달을 통하여 고온으로 가열되어 주변의 촉매(22)를 가열하므로 열전달을 더 효율적으로 유도할 수 있다.
예를 들면, 촉매(22)는 고온의 플라즈마와 처리기체가 유입되는 유입측과 토출측에서 과불화화합물(CF4)의 분해 반응을 일으키는 700~800℃ 이상의 고온 조건을 유지하게 된다.
즉 촉매(22)의 후단으로 갈수록 촉매(22)의 가열을 통한 열소실 및 하우징(21)을 통한 열손실의 원인에도 불구하고 튜브(23)는 촉매 반응부(20) 내부에서 전체적으로 온도 편차를 최소화할 수 있다.
이와 같이, 촉매 반응부(20) 및 촉매(22)가 길이 방향에서 균일한 온도 수준을 유지하므로 처리기체에 포함된 오염물질인 과불화화합물(CF4)은 촉매(22)에서 효과적으로 분해 반응될 수 있다.
수처리부(30)는 촉매 반응부(20)의 후단에 구비되어, 촉매 반응부(20)에서 처리기체의 오염물질로부터 분해된 물질에 물을 분사하여 분해된 물질을 물로 고정 처리한다.
따라서 촉매 반응부(20)에서 오염물질이 분해되고 수처리부(30)에서 수처리된 처리기체가 수처리부(30)로부터 배출된다. 배출되는 처리기체는 오염물질이 제거된 상태이다.
일례를 들면, 수처리부(30)는 과불화화합물(PFC)로부터 분해된 물질에 물(H20)을 분사하여 분해된 물질을 불화수소(HF)로 고정 처리하고, 불화수소(HF)를 물로 고정 처리한다. 수처리부(30)는 물을 분사하는 노즐(미도시)을 구비할 수 있다.
또한 수처리부(30)는 불화수소(HF)를 포함하는 수처리 생성물을 중화하기 위하여 중화제를 공급하고, 오염물질인 과불화화합물(PFC)이 제거된 처리기체를 배출할 수 있다. 즉 수처리부(30)에는 중화제 공급라인(미도시)이 연결되고, 오염물질이 제거된 처리기체를 배출하는 배출라인(미도시)이 연결될 수 있다.
도 3은 도 1에 적용되는 플라즈마 반응부의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 플라즈마 반응부(10)는 방전기체와 처리기체를 유입하고 좁아지는 목부(113)를 형성하는 하우징(11), 및 하우징(11) 내에 절연 장착되고 구동 전압(HV)이 인가되는 전극(12)을 포함한다.
하우징(11)은 일측에 제1유입구(111)와 제2유입구(112)를 구비하여, 플라즈마 방전을 위한 방전기체와 오염물질을 포함하는 공정가스인 처리기체를 각각 내부로 유입한다.
제1유입구(111)가 일측에 구비되고 하우징(11) 내면의 원주 방향에 대한 접선 방향으로 형성될 수 있다. 따라서 방전기체는 제1유입구(111)의 접선 방향으로 유입되어 하우징(11) 내에서 회전을 유도시킬 수 있다.
하우징(11)은 목부(113)에 연결되어 확장된 공간(S)을 형성하고 전기적으로 접지되며, 목부(113)에서 확장되는 확장부(114)를 더 포함한다. 확장부(114)의 넓은 부분이 전기적으로 접지되므로 전극(12)과 확장부(114)의 넓은 부분을 연결하는 회전 아크(rotating arc)(RA)가 길게 유도될 수 있다.
회전 아크(RA)는 플라즈마 아크의 회전으로 발생된다. 회전 아크(RA)는 중심의 전극(12)과 하우징(11)의 접지 부분에서 플라즈마 아크의 집중을 완화시키므로 플라즈마 아크에 의한 하우징(11)의 부식을 완화시킨다. 즉 회전 아크(RA)는 부식에 대한 하우징(11)의 저항성을 증대시킬 수 있다.
하우징(11)은 처리기체의 흐름 방향에서 목부(113)를 중심으로 전극(12) 측에서 좁아지는 직경보다 확장부(114) 측에서 확장되는 직경을 더 크게 형성할 수 있다.
이와 같이, 플라즈마 아크 및 처리기체가 목부(113)에서 집중된 후 목부(113)의 후방에서 확장부(114)의 넓은 공간(S)으로 신속하게 확장 및 팽창됨에 따라 하우징(11) 및 확장부(114) 내에서 플라즈마 아크 및 처리기체에 대한 직경 방향의 온도 균일성이 향상될 수 있다.
이러한 플라즈마 반응부(10)는 플라즈마 발생을 위하여 N2 또는 Ar 등과 같은 방전가스만으로 운전될 수도 있고, 또한 처리기체의 일부 또는 전부를 사용해서 방전가스로 사용할 수 있다. 도 3의 플라즈마 반응부(10)는 처리기체의 전부와 방전기체를 방전가스로 사용하고 있다.
이와 같이, 처리기체의 일부 또는 전부가 플라즈마 반응부(10)로 공급되는 경우, 플라즈마 반응부(10) 내에서 부식 문제가 발생하지 않도록 전극(12) 및 하우징(11)의 설계가 요구된다. 이를 위하여 전극(12) 및 하우징(11)의 내부가 유선형으로 형성되어 있다. 또한 목부(113)가 유선형으로 형성되어 플라즈마 아크의 집중을 피할 수 있다.
플라즈마 반응부(10)에서 촉매 반응부(20)로 공급되는 고온의 플라즈마 아크 및 처리기체가 확장부(114)에서 직경 방향에 대하여 균일한 온도 분포를 가지므로 촉매 반응부(20)의 하우징(21) 내에서 플라즈마 아크 및 처리기체가 균일한 온도 분포를 형성한다.
플라즈마 반응부(10)에서 직경 방향으로 균일한 온도 분포를 가지는 플라즈마 아크 및 처리기체는 촉매 반응부(20)에서 길이 방향으로 온도 편차가 제거된 온도 분포를 가지게 된다.
따라서 처리기체에 포함된 오염물질인 과불화화합물(PFC)은 플라즈마 반응부(10) 및 촉매 반응부(20)를 경유하면서 직경 방향 및 길이 방향에서 균일한 온도 분포를 형성함에 따라 촉매(22)에서 촉매 반응에 의하여 효과적으로 분해 및 제거될 수 있다
이하 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 제1실시예 및 기설명된 실시예와 비교하여, 동일한 구성에 대한 설명을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버에 적용되는 촉매 반응부의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 제2실시예에서 촉매 반응부(220)은 하우징(21)에 내장되는 촉매(22)를 포함하고, 온도 편차 제거부(225)를 포함한다.
온도 편차 제거부(225)는 하우징(21)의 외주에 배치되는 RF 유도 코일로 형성될 수 있다. 온도 편차 제거부(225)에는 수 ~ 수백 MHz 대역의 RF 전력이 인가되어, RF 방전으로 하우징(21)의 내부에 플라즈마를 발생시킨다. RF 방전은 높은 온도 및 높은 밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
즉 RF(radio frequency) 유도 코일로 형성되는 온도 편차 제거부(225)는 촉매 반응부(220)의 내부 자체에서 RF 방전으로 플라즈마를 발생시켜 촉매 반응부(220)의 길이 방향의 온도 편차를 제거한다.
따라서 처리기체에 포함된 오염물질인 과불화화합물(PFC)은 플라즈마 반응부(10) 및 촉매 반응부(220)를 경유하면서 직경 방향 및 길이 방향에서 균일한 온도 분포를 형성함에 따라 촉매(22)에서 촉매 반응에 의하여 효과적으로 분해 및 제거될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버의 구성도이다. 도 5를 참조하면, 제3실시예의 플라즈마촉매 방식의 스크러버(3)는 플라즈마 반응부(10)와 촉매 반응부(20) 사이에 배치되는 유동 제어부(40)를 포함한다.
유동 제어부(40)는 플라즈마 반응부(10)에서 발생된 고온의 플라즈마 아크 및 가열된 처리기체를 직경 방향에서 균일한 온도 분포를 가지도록 제어하여 촉매 반응부(20)에 공급하도록 구성된다.
도 6은 도 5에 적용되는 유동 제어부의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 유동 제어부(40)는 플라즈마 반응부(10)와 촉매 반응부(20)를 연결하는 하우징(41), 및 하우징(41) 내에 배치되어 플라즈마 아크 및 처리기체의 유동을 제어하는 유동판(42)을 포함한다.
유동판(42)은 플라즈마 반응부(10) 측에 평면(421)으로 형성되어 중앙에 통로(424)를 형성하는 최소 직경부(422)를 구비하고, 최소 직경부(422)에서 단계적으로 확산되어 플라즈마 아크 및 처리기체의 흐름을 직경 방향에서 균일하게 하는 최대 직경부(423)를 구비한다. 최대 직경부(423)는 촉매 반응부(20) 측에 형성된다.
유동 제어부(40)는 하우징(41) 내에서 플라즈마 아크 및 처리기체에 대한 직경 방향의 온도 균일성을 향상시킬 수 있다. 즉 플라즈마 아크 및 처리기체는 평면(421) 및 최소 직경부(422)에서 높은 밀도를 형성한 후, 통로(424)를 경유하면서 최대 직경부(423)에서 직경 방향으로 확산되면서 균일한 온도 분포를 가지게 된다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버에 적용되는 유동 제어부의 단면도이다. 도 7을 참조하면, 제4실시예에서 유동 제어부(240)는 하우징(41) 및 하우징(41) 내에 배치되어 통로(242)를 형성하는 유동판(243), 및 스트레이트너(straightener)(244)을 포함한다.
스트레이트너(244)는 유동판(243)의 일측에서 확산 공간에 배치되어 통로(242)보다 좁은 미세 통로(245)로 형성되어 플라즈마 아크 및 처리기체의 흐름을 균일하게 한다. 미세 통로(245)를 가지는 스트레이트너(244)는 메시 또는 허니컴 구조로 형성될 수 있다.
즉 플라즈마 아크 및 처리기체는 유동판(243)의 통로(242)에서 높은 밀도를 형성한 후, 확산 공간에서 확산된 후, 스트레이트너(244)의 미세 통로(245)를 경유하여 촉매 반응부(20)로 공급되면서 직경 방향에서 균일한 온도 분포를 가지게 된다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버의 구성도이다. 도 8을 참조하면, 제5실시예의 플라즈마촉매 방식의 스크러버(5)는 촉매 반응부(20)의 외곽에 구비되는 히터(50)를 더 포함한다.
히터(50)는 플라즈마 반응부(10)와 별도로 촉매 반응부(20)를 간헐적으로 가열할 수 있다. 즉 오염물질인 과불화화합물(PFC) 중 가장 분해가 어려운 CF4를 분해하는 경우, 750~800℃의 온도가 필요하다. 그리고 처리기체에 CF4가 연속적으로 배출되지 않을 수 있다. 이러한 경우, 플라즈마 반응부(10)는 운전 정지되고, 히터(50)가 보조로 구동된다. 따라서 플라즈마 반응부(10)의 운전 비용이 줄어들 수 있다.
이를 위하여, 플라즈마 반응부(10)로 처리기체를 공급하는 통로(51)에 센서(52)가 구비된다. 센서(52)는 공급되는 처리기체에 특정 성분, 예를 들면, CF4를 감지하여, 플라즈마 반응부(10)와 히터(50)를 선택적으로 제어할 수 있게 한다.
예를 들면, 센서(52)의 감지에 따라 처리기체에 CF4가 배출되지 않는 구간에서는 플라즈마 반응부(10)를 정지하고 히터(50)를 이용하여 촉매 반응부(20)의 온도를 일정 수준으로 유지하고, CF4가 배출되는 구간에서는 플라즈마 반응부(10)를 구동할 수 있다.
즉 특정 구간에서, 히터(50)와 플라즈마 반응부(10)가 구동되어 CF4의 분해 온도까지 처리기체의 온도를 상승시키므로 촉매 반응에 적합한 온도가 효과적으로 조성될 수 있다.
도 9는 도 8에서 처리기체에 포함된 과불화화합물의 유입량에 따라 플라즈마 반응부에 공급되는 구동 전력을 제어하고 그에 따른 플라즈마의 온도 변화를 도시한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 센서(52)에 의하여 CF4의 배출이 감지되면(a), 플라즈마 반응부(10)에 구동 전력(HV)을 공급하여(b), 플라즈마 반응부(10)를 운전하여 처리기체의 온도를 높인다(c).
이때 플라즈마 반응부(10)의 운전 초기에는 구동 전력을 크게 공급하여 처리기체의 온도를 급속히 승온시킨(예, CF4의 분해 온도인 750℃ 초과) 후에, 구동 전력 공급을 점차 감소시키면 처리기체에 포함된 CF4의 유입량 변화에 빠르게 응답할 수 있다.
그리고 센서(52)에 의하여 CF4의 배출이 감지되지 않으면(a), 플라즈마 반응부(10)에 구동 전력(HV)을 차단하여(b), 히터(50)만의 구동으로 플라즈마 온도는 낮게 유지할 수 있다(c).
또한, 제5실시예의 플라즈마촉매 방식의 스크러버(5)는 촉매 반응부(20)의 후단에 구비되는 열교환부(60)를 더 포함한다. 열교환부(60)는 플라즈마 반응부(10)로 유입되는 처리기체를 경유시켜 촉매 반응부(20)의 후단으로 배출되는 폐열을 회수하여, 처리기체를 가열하여 플라즈마 반응부(10)로 공급할 수 있다. 따라서 플라즈마 반응부(10) 및 히터(50)를 구동하는 운전 비용이 더욱 낮아질 수 있다.
도 10은 본 발명의 제6실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버에 적용되는 플라즈마 반응부의 단면도이다. 도 10을 참조하면, 제6실시예에서 플라즈마 반응부(610)는 일측이 폐쇄된 원통으로 형성되고 구동 전압(HV)이 인가되는 전극(612), 및 전극(612)에 연결되고 전기적으로 접지되어 방전갭(G)을 형성하는 하우징(611)을 포함한다.
하우징(611)과 전극(612) 사이에 절연부재(613)가 구비되어 양자를 전기적으로 절연시킨다. 절연부재(613)는 제1유입구(631)를 구비하여 전극(612) 및 하우징(611)의 내부로 방전기체를 유입한다. 그리고 절연부재(613)는 제2유입구(632)를 더 구비하여 처리기체를 전극(612) 및 하우징(611)의 내부로 유입한다. 즉 절연부재(613)는 방전갭(G) 측에 설치된다.
또한, 하우징(611)은 전극(612)의 반대측에서 확장된 공간을 형성하는 확장부(614)를 더 포함한다. 확장부(614)는 촉매 반응부(20)에 연결된다. 하우징(611)은 확장부(614)의 직전에 제3유입구(633)를 구비한다. 제3유입구(633)는 과불화화합물(PFC)로부터 분해된 물질에 물(H20)을 분사하여 분해된 물질을 불화수소(HF)로 고정 처리한다.
플라즈마 반응부(610)는 플라즈마 아크(PA)의 접점이 고전압의 전극(612) 및 하우징(611)의 접지에 고정되지 않으므로 플라즈마 아크의 접점에서 주로 발생되는 전극(612)의 침식을 최소화 할 수 있다.
또한, 플라즈마 반응부(610)는 전극(612) 및 하우징(611)의 내부에서 설정되는 유로가 단순하고 처리기체를 플라즈마 아크(PA)에 직접 공급하여 오염물질을 분해 및 처리하는 방식이므로 처리기체의 유량을 크게 증가시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 제7실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버에 적용되는 플라즈마 반응부의 단면도이다. 도 11을 참조하면, 제7실시예에서 플라즈마 반응부(710)은 전기적으로 접지되는 하우징(711)과 구동 전압(HV)이 인가되는 전극(712)를 구비한다.
하우징(711)과 전극(712) 사이에 절연부재(713)가 구비되고, 절연부재(713)는 제1유입구(731)를 구비하여 방전기체를 전극(712) 및 하우징(711)의 내부로 유입한다.
하우징(711)은 확장부(714) 측에 인접하여 제2유입구(732)를 더 구비한다. 제2유입구(732)는 처리기체를 하우징(711)의 후단, 즉 방전갭(G)에 형성되는 플라즈마 아크(PA2)의 후방에 처리기체를 공급한다. 즉 제2유입구(732)는 플라즈마 아크(PA2)가 안정된 상태에서 처리기체를 공급하며, 처리기체의 유량을 증가시킬 수 있다.
하우징(711)은 확장부(714)의 직전에 제2유입구(732)에 마주하여 제3유입구(733)를 구비한다. 제3유입구(733)는 과불화화합물(PFC)로부터 분해된 물질에 물(H20)을 분사하여 분해된 물질을 불화수소(HF)로 고정 처리한다.
도 12는 본 발명의 제8실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버에 적용되는 플라즈마 반응부의 단면도이다. 도 12를 참조하면, 제8실시예에서 플라즈마 반응부(810)는 일측이 폐쇄된 원통으로 형성되는 하우징(811)과 하우징(811)의 외주에 배치되는 RF 유도 코일(812)을 포함한다.
하우징(811)은 일측에 제1유입구(831)와 제2유입구(832)를 구비하여 방전기체와 처리기체를 각각 유입한다. 방전기체와 처리기체가 유입되는 상태에서, RF 유도 코일(812)에 수 ~ 수백 MHz 대역의 RF 전력을 인가하면, 하우징(811) 내에서 플라즈마 아크(PA)가 발생된다. RF 방전은 높은 온도와 밀도의 플라즈마 아크(PA3)를 발생시킬 수 있다.
또한, 하우징(811)은 RF 유도 코일(812)의 반대측에서 확장된 공간을 형성하는 확장부(814)를 더 포함한다. 확장부(814)는 촉매 반응부(20)에 연결된다. 하우징(811)은 확장부(814)에 제3유입구(833)를 구비한다. 제3유입구(833)는 과불화화합물(PFC)로부터 분해된 물질에 물(H20)을 분사하여 분해된 물질을 불화수소(HF)로 고정 처리한다.
도 13은 본 발명의 제9실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버에 적용되는 플라즈마 반응부의 단면도이다. 도 13을 참조하면, 제9실시예에서 플라즈마 반응부(910)는 일측이 폐쇄된 원통으로 형성되는 하우징(911)과 하우징(911)의 외주에 배치되는 RF 유도 코일(912)을 포함한다.
하우징(911)은 일측에 제1유입구(931)를 구비하여 방전기체를 유입한다. 하우징(911)은 RF 유도 코일(912)의 반대측에서 확장된 공간을 형성하는 확장부(914)를 구비한다.
하우징(911)은 확장부(914)에 제2유입구(932)를 구비하여 처리기체를 유입하고, 제3유입구(933)를 구비한다. 제3유입구(933)는 과불화화합물(PFC)로부터 분해된 물질에 물(H20)을 분사하여 분해된 물질을 불화수소(HF)로 고정 처리한다.
도 14는 본 발명의 제10실시예에 따른 플라즈마촉매 방식의 스크러버에 적용되는 플라즈마 반응부의 단면도이다. 도 14를 참조하면, 제10실시예에서 플라즈마 반응부(510)는 제1전극(511), 제2전극(512) 및 하우징(513)을 포함한다.
예를 들면, 제1전극(511)은 중심에 길이 방향으로 배치되어 음극(cathode)로 작용한다. 제2전극(512)은 제1전극(511)의 외주에 방전갭(G5)을 형성하여 길이 방향으로 배치되어 양극(anode)로 작용하고, 제1전극(511)과의 사이에 제1유입구(531)를 구비하여 방전기체를 유입한다.
하우징(513)은 원통으로 형성되어 제2전극(512)을 수용한다. 그리고 제2전극(512)은 제1전극(511)의 단부에서 좁아진 토출구(515)를 구비한다. 따라서 직류 전원에 연결되는 제1, 제2전극(511, 512) 사이에서 발생되는 플라즈마 아크(PA)는 좁은 토출구(515)로 토출되면서 하우징(513) 내에서 급속하게 팽창한다. 즉 하우징(513)의 직경 방향에서 플라즈마 아크(PA5)는 균일한 온도 분포를 형성할 수 있다.
하우징(513)은 제2전극(512)의 후방에 제2유입구(532)를 구비하고, 제2유입구(532)로 처리기체와 물을 유입한다. 따라서 고온의 플라즈마 아크 및 처리기체는 온도 분포를 균일하게 형성하여 촉매 반응부(20)로 공급된다.
즉 제10실시예의 플라즈마 반응부(510)는 직류 토치 타입으로 높은 에너지를 전달하는 데 유리하다.
또한, 제1전극(511)과 제2전극(512)은 내부에 냉각수를 순환시키는 냉각수 통로(541, 542)를 구비한다. 냉각수 통로(541, 542)는 냉각수를 순환시켜 플라즈마 방전으로 인하여 과열되는 제1, 제2전극(511, 512)을 적절한 온도로 냉각시킬 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1, 3, 5: 플라즈마촉매 방식의 스크러버
10, 510, 610, 710, 810, 910: 플라즈마 발생부
11, 513, 611, 711, 811, 911: 하우징
12, 612, 712: 전극 20, 220: 촉매 반응부
21: 하우징 22: 촉매
23: 튜브 24: 기체 통로
25: 온도 편차 제거부 30: 수처리부
40, 240: 유동 제어부 41: 하우징
42, 243: 유동판 50: 히터
51: 통로 52: 센서
60: 열교환부 111, 531, 631, 731, 831, 931: 제1유입구
113: 목부 112, 532, 632, 732, 832, 932: 제2유입구
114, 614, 714, 814, 914: 확장부 225: 온도 편차 제거부(RF 유도 코일)
242, 424: 통로 244: 스트레이트너
245: 미세 통로 421: 평면
423: 최대 직경부 511, 512: 제1, 제2전극
515: 토출구 522: 최소 직경부
541, 542: 냉각수 통로 613, 713: 절연부재
633, 733, 833, 933: 제3유입구 812, 912: RF 유도 코일
G, G5: 방전갭 HV: 구동 전압
RA: 회전 아크 S: 공간

Claims (22)

  1. 전기 에너지로 방전기체를 플라즈마 아크의 열 에너지로 변환하고 일측으로 유입되는 처리기체를 열 에너지로 가열하는 플라즈마 반응부; 및
    상기 플라즈마 반응부에서 가열된 처리기체를 유입하여 촉매 반응으로 처리기체에 포함된 오염물질을 분해하는 촉매 반응부
    를 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 반응부는,
    가열된 처리기체가 흐르는 길이 방향으로 온도 편차를 해소하는 온도 편차 제거부를 더 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 촉매 반응부는 하우징에 내장되는 촉매를 포함하고,
    상기 온도 편차 제거부는,
    상기 촉매 내에서 상기 길이 방향으로 배치되고 복수의 기체 통로들을 구비하는 튜브를 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 튜브는
    상기 길이 방향의 끝을 폐쇄하여 형성되는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 촉매 반응부는 하우징에 내장되는 촉매를 포함하고,
    상기 온도 편차 제거부는,
    상기 하우징의 외주에 배치되는 RF 유도 코일을 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응부와 상기 촉매 반응부 사이에 배치되어, 상기 플라즈마 반응부에서 가열된 처리기체를 상기 촉매 반응부에 균일한 분포로 제어하는 유동 제어부를 더 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유동 제어부는
    상기 플라즈마 반응부와 상기 촉매 반응부를 연결하는 하우징, 및
    상기 하우징 내에 배치되어 유동을 제어하는 유동판을 포함하며,
    상기 유동판은
    상기 플라즈마 반응부 측에 평면으로 형성되어 중앙에 최소 직경부를 구비하고, 상기 최소 직경부에서 단계적으로 확산되어 처리기체의 흐름을 균일하게 하도록 상기 촉매 반응부 측에 최대 직경부를 형성하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 유동 제어부는
    상기 플라즈마 반응부와 상기 촉매 반응부를 연결하는 하우징,
    상기 하우징 내에 배치되어 통로를 형성하는 유동판, 및
    상기 유동판의 일측에서 상기 통로보다 좁은 미세 통로로 형성되어 처리기체의 흐름을 균일하게 하는 스트레이트너를 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 반응부의 외곽에 구비되어 상기 촉매 반응부를 가열하는 히터를 더 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 반응부의 후단에 구비되어 상기 플라즈마 반응부로 유입되는 상기 처리기체를 경유시켜 열을 회수하는 열교환부를 더 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 반응부의 후단에 구비되어 상기 촉매 반응부에서 처리기체로부터 분해된 오염물질에 물을 분사하여 분해된 오염물질을 물로 고정 처리하는 수처리부를 더 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응부는
    일측에 제1유입구와 제2유입구를 구비하여 방전기체와 처리기체를 유입하고 좁아지는 목부를 형성하는 하우징, 및
    상기 하우징 내에 절연 장착되고 구동 전압이 인가되는 전극을 포함하며,
    상기 하우징은
    상기 목부에 연결되어 확장된 공간을 형성하고 전기적으로 접지되어 상기 전극에 연결되는 회전 아크를 길게 유도하는 확장부를 더 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하우징은
    상기 목부를 중심으로 상기 전극 측에서 좁아지는 직경보다 상기 확장부에서 확장되는 직경을 더 크게 형성하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응부는
    일측이 폐쇄된 원통으로 형성되고 구동 전압이 인가되는 전극, 및
    상기 전극에 연결되고 전기적으로 접지되어 방전갭을 형성하며 상기 방전갭 측에 제1유입구를 구비하여 방전기체를 유입하는 하우징을 포함하며,
    상기 하우징은
    상기 전극의 반대측에서 확장된 공간을 형성하는 확장부를 더 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 하우징은
    상기 방전갭 측에 제2유입구를 더 구비하여 처리기체를 유입하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 하우징은
    상기 확장부 측에 제2유입구를 더 구비하여 처리기체를 유입하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응부는
    일측이 폐쇄된 원통으로 형성되고 제1유입구와 제2유입구를 구비하여 방전기체와 처리기체를 각각 유입하는 하우징, 및
    상기 하우징의 외주에 배치되는 RF 유도 코일을 포함하며,
    상기 하우징은
    상기 RF 유도 코일의 반대측에서 확장된 공간을 형성하는 확장부를 더 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응부는
    일측이 폐쇄된 원통으로 형성되고 제1유입구를 구비하여 방전기체를 유입하는 하우징, 및
    상기 하우징의 외주에 배치되는 RF 유도 코일을 포함하며,
    상기 하우징은
    상기 RF 유도 코일의 반대측에서 확장된 공간을 형성하고, 제2유입구를 구비하여 처리기체를 유입하는 확장부를 더 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응부는
    중심에 길이 방향으로 배치되는 제1전극,
    상기 제1전극의 외주에 방전갭을 형성하여 길이 방향으로 배치되고 상기 제1전극과의 사이에 제1유입구를 구비하여 방전기체를 유입하는 제2전극, 및
    원통으로 형성되어 상기 제2전극을 수용하고, 상기 제2전극의 후방에 제2유입구를 구비하여 처리기체를 유입하는 하우징을 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1전극과 상기 제2전극은
    내부에 냉각수를 순환시키는 냉각수 통로를 구비하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  21. 플라즈마 아크의 열 에너지로 처리기체를 가열하는 플라즈마 반응부; 및
    상기 플라즈마 반응부에서 가열된 처리기체에 포함된 오염물질을 촉매 반응으로 분해하는 촉매 반응부
    를 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응부는
    일측에 제1유입구와 제2유입구를 구비하여 방전기체와 처리기체를 유입하고 좁아지는 목부를 형성하는 하우징, 및
    상기 하우징 내에 절연 장착되고 구동 전압이 인가되는 전극을 포함하며,
    상기 하우징은
    상기 목부에 연결되어 확장된 공간을 형성하고 전기적으로 접지되어 상기 전극에 연결되는 회전 아크를 길게 유도하는 확장부
    를 더 포함하는 플라즈마촉매 방식의 스크러버.
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