CN102317686B - 处理废气流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种处理来自处理室(10)的废气流(12)的方法。所述方法包括以下步骤：利用抽真空装置(11,22)或大气压力管线输送来自处理室的废气；在治理设备(14)的治理区域(18)内治理废气；以及在治理区域的下游喷射冷却剂例如液体(26)以通过冷却剂的相变在冷却区域(24)内冷却已治理气体。

Description

处理废气流的方法

技术领域

本发明涉及一种处理废气流的方法。

背景技术

现有多种已知生产过程使用的处理气体都会导致从处理室中排出随后需要处理的有害物质。生产用于半导体片、平板显示器和太阳能电池的部件就是需要在处理室内使用处理气体进行处理的产品示例。这样的过程会生成含有多种气体例如硅烷(SiH₄)、砷化氢(AsH₃)和氢气(H₂)的废气，废气可能是可燃或有毒的，并且需要在释放到大气中或有其他处置之前进行处理。

废气可以用多种不同方式中的任意一种进行处理。通常，处置之前先将废气在燃烧器(或者是向气流施加能量的其他处理设备，包括：等离子体、电加热催化柱、电炉等)内反应以热分解或者用其他方式处理废气流中的有害物质。本文中具体采用了燃烧器/燃烧室的示例，但是治理设备可以采用多种向气流中引入能量的技术。废气变热并因此需要在排放到环境中之前被冷却。可用于冷却的方法包括或者是与冷却流体直接接触(与水、空气等混合)，或者是与冷却流体间接接触(热交换器、散热器等)。一种常用的方法(如EP0694735中所述)具有可以在燃烧室下游采用的水塔或水堰装置用于冷却气体。在该装置中，气体通过靠近流水附近或者与流水相接触而被冷却，并且燃烧气体中的颗粒物或粉末就在水中被带走。用这种方式冷却燃烧气体需要相当大量的水，这就显著地增加了处理成本。而且，该装置需要管理和处置湿的粉末，并且水系统中存在的颗粒物可能会降低可靠性；另外颗粒物可能有毒，例如在五氧化二砷的情况下就是如此。在有毒固体的情况下，废气流过滤与常规的湿式洗涤相比会输送更少量的被污染材料。

在另一种冷却装置中，燃烧气体由被引入用于冷却燃烧气体的空气流冷却。如果燃烧气体含有颗粒物，那么空气流和燃烧气体就要经过过滤系统以去除颗粒物并允许空气再循环或释放到大气中。在过滤精细分开的硅石时使用的过滤系统通常只有在气流相对较凉并且气流内的成分不会在系统中凝结时才能够操作用于从气流中去除颗粒物。因此必须增加用于冷却燃烧气体的空气量以允许进行过滤。如果来自处理室的废气在燃烧室内产生高热负荷(例如废气中含有氢或硅烷的情况)，那么就还是必须将更多的空气量用于充分冷却燃烧气体以使过滤得以进行。

在某些装置中，抽真空装置被设置在处理设备下游。抽真空装置必须有足够的容量，从而不仅能够抽出燃烧气体，而且还能够抽出被引入用于冷却气体的空气。通常，抽真空装置的成本随着抽取容量的增加而提高。如果需要更多的空气量来冷却含有例如氢或硅烷这类成分的废气，那么问题就会更加严重。

在处理室内会出现半导体片或其他的处理技术，这种操作通常在1毫托到1托范围内的低压下进行(但是例如SACVD等过程可以在接近于大气压的情况下进行)。这样的低压是用抽真空装置实现的。如果废气是可燃的，那么就需要在送至抽真空装置之前(或者在各个抽真空级之间)处理可燃成分。气体的可燃性取决于自持链式的单一反应；要将能量从一个分子集合(燃烧产物)成功地转移至另一个分子集合(反应物)，两种分子集合需要接近以供能量吸收。稀释会作用于两者以包围和分离反应分子；这会导致能量被惰性分子吸收(容纳反应的容器壁部可以被认为是惰性分子)。最终自持链式反应就将无法进行并且这种情况被定义为可燃下限。

降低系统压力增加了反应容器内的分子间隔。过程中的惰性和反应分子保持恒定比例，但是容器壁部保持了恒定的表面积。这种降低压力下的表面积恒定会导致在能量可以激活反应分子之前有更高比例的能量被容器壁部吸收。因此用于在低压下维持链式反应所必须的反应分子浓度就要高于大气压下所需的浓度。由此，如果压力被增加至大气压，那么在低压下不可燃的气流就会变得可燃。因此可燃气体能够在它们处于大气压下变得有潜在危险性/可燃之前就在低压下以受控的方式进行反应。

额外的风险是抽真空装置(与很多机械装置一样)包括能够彼此接触产生火花从而点燃气流的移动金属部件。该问题在抽真空装置中气体接近于大气压的比较靠后的各级会有所加重。通过在抽真空装置上游引入大量的吹扫气例如氮气即可缓解该问题。但是，如本文中所述，明显的稀释会导致对更大型抽气机构的需求、更高的惰性气体成本以及更高的功耗。一种可选的解决方案包括在燃烧器中燃烧废气并随后将燃烧气体通过抽真空装置输送。尽管后面这种解决方案从废气中去除了可燃物质，但是燃烧气体是高温的并且会加热抽真空装置。因此抽真空装置必须被冷却或者流入泵内的气体必须被冷却以避免损坏泵。但是，真空泵被设计为以指定的工艺流程提供真空，因此工艺流程的明显增多会降低真空性能并增加功耗。所以说，简单地涉及增加大量冷却气流的部分解决方案并不可取。

发明内容

本发明提供了一种处理来自处理室的废气流的方法，所述方法包括以下步骤：

利用抽真空装置或大气压力管线输送来自处理室的废气；

在治理设备的治理区域内治理废气；以及

在治理区域的下游喷射冷却剂以通过冷却剂的相变在冷却区域内冷却已治理气体。

从属权利要求中定义了本发明其他的优选和/或可选内容。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在参照附图介绍本发明仅作为示例给出的实施例，在附图中：

图1示意性地示出了一种用于处理来自处理室的废气的系统；以及

图2示意性地示出了另一种用于处理来自处理室的废气的系统。

具体实施方式

本发明的实施例提供了一种用于在处理或治理之后冷却气体的方法，该方法涉及将冷却剂喷射到治理区域下游的冷却区域内。冷却剂可以是液体例如水，可选地作为细分薄雾或喷雾喷入源于处理设备的加热热流中。液体通过蒸发冷却在液体从液体到气体变相时吸收热量。由于采用的是通过相变吸收热量的原理性方法，因此本发明也可以包括喷射处于其他状态下的物质以使它们可以变相从而吸收系统中的热量。例如，二氧化碳可以作为固体喷射并经历到气体的升华变相。可选地，可以喷射冰颗粒以变相为液态水，并且还可以随后变相为气体。但是，本文中的实施例说明具体地涉及将液体作为冷却剂喷入气流内。

通过相变吸收能量是有利的，原因在于这样不会明显地增加由下游装置例如过滤装置或抽真空装置处理的气流体积。因此，下游装置的容量通常不必为了处理增大的气流体积而增加。

该方法允许在低于大气压、大气压(干燥过滤)、例如低于可燃下限的大气(湿式洗涤)压力下冷却废气。

在低于大气压应用的情况下，可以是处于约50mbar到750mbar之间的压力下，送入抽真空装置内的气体温度可以在从25-250℃的范围内变化。在该方法中，确定源于处理设备的气体中存在的热能并且控制液体喷射以使得一旦蒸发就不会由于抽真空装置产生的压力而随后凝结，并且使得燃烧气体不会热到足以损坏抽气机构。

在大气压应用与干燥过滤相结合的情况下，控制液体喷射以使得被冷却的气体混合物不凝结并且具有适度低温(例如<70℃，取决于过滤单元)，从而不会损坏过滤器中的薄膜。

在具有湿式洗涤器的大气压应用的情况下，液体喷射通过减少进入湿式洗涤器内的气流并预处理气流内的废物以改善湿式洗涤来帮助湿式洗涤机构。湿式洗涤器可以构成处理系统的一部分或者可以远离处理系统。在后一种情况下，单个湿式洗涤器从一个或多个治理单元接收气体。

废气的预处理涉及将液体例如水蒸发为气体热流。湿式洗涤器快速冷却气体混合物导致气体热流变为饱和。被蒸发的液体具有围绕系统内用作成核点的固体颗粒物凝结的倾向，由此构成具有固体核心的液滴。凝结/成核过程改善了通过湿式洗涤器对颗粒物的去除，原因在于颗粒物被包含在液滴内，这就使其明显变大并且更易于与湿式洗涤介质相混合。进入洗涤器内的气体温度取决于湿式洗涤器单元的温度容差，例如容器壁部由水堰构成的系统能够与超过100℃的气流进行协作，而由聚丙烯制成的湿式洗涤器要求温度低于约100℃。

参照图1，示出了处理室10，处理气体在处理期间或之后由处理室排出。该系统通常包括用于排出气体并输送其通过系统的主抽真空装置11。抽真空装置11还将燃烧气体或其他的已治理气体与处理室10隔离。尽管并未示出，但是在某些系统中，处理室可以被直接连接至治理单元。

可以用大气压力管线和适当的阀装置代替抽真空装置以通过将处理室连接至大气来输送处理气体。

废气12被输送至治理单元例如燃烧器14。燃烧器14可以如图所示是辐射式燃烧器(或者是向气流施加能量的其他治理设备，包括：等离子体、电加热催化柱、电炉)。GB0724717.4中示出了一种用于处理废气的系统，通过引用将其内容并入本文。燃料气体16被引入燃烧器并点燃以用于在燃烧器中的治理或燃烧区域18内燃烧废气。

在废气燃烧时，生成了温度可以处于500-2000℃区域内的高温燃烧气体(治理气体)20。在引入抽真空装置22之前，处于低压或低于大气压的压力下的燃烧气体要经过冷却区域24。可以是液体例如水的冷却剂26通过喷射被引入冷却区域24内用于通过冷却剂的相变来冷却燃烧气体。水可以作为细密的喷雾被引入，由此提供相对较大的表面积与体积比，从而使得液体更容易蒸发。细密的喷雾可以利用喷嘴生成，并且可以从多家公司购得，例如AutoJet Technologies，Spraying Systems公司的子公司。

抽真空装置22可以与主抽真空装置11协作以蒸发来自处理室10的处理气体并排出冷却了的燃烧气体以用于后续处理或者释放到大气中。由抽真空装置11,22产生的真空从处理室中抽出气体并通过治理设备(图中示出为燃烧室)。抽真空装置通常包括彼此相对移动的金属部件。如果这些部件被磨损或者堆积了沉降物，那么可能就会造成这些部件形成接触而产生火花。但是，燃烧器14已经在抽真空装置上游的气流中燃尽了可燃物质，并且因此产生的任何火花都不能点燃气流，从而不会损坏抽真空装置或其他设备。而且，由于燃烧气体20是进入抽真空装置之前就在冷却区域内被冷却，因此抽真空就不会被过度加热并且不需要额外的冷却。

水或其他液体被引入冷却区域并通过接触冷却高温的后治理气体20。冷却可以通过液体的蒸发潜热并且也可以通过喷射液体的加热处理进行。

合适的冷却剂的热容和相变性质如下所示。

水：

－热容液体=4.2kJkg^-1K^-1

－热容气体=2.0kJkg^-1K^-1

－蒸发潜热=2270 kJkg^-1

二氧化碳：

－热容气体=0.9kJkg^-1K^-1

－蒸发潜热=574kJkg^-1

氮：

－热容气体=1.0kJkg^-1K^-1

－蒸发潜热=199kJkg^-1

在这些常用可获得的材料中，水目前由于便宜、易于获取并且在蒸发时具有强冷却效果而是优选的。二氧化碳具有有效的性质，包括降低可燃性并且能够作为固体(两次相变)或液体被使用。

由喷射的液体的相变产生的强冷却效果导致在废气流中只有很小的变化(也就是说1克水占据约1.25升，但是具有将约20升的空气用作在20℃进入系统并在120℃离开的流体的冷却效果)。因此，就不必再提供增加容量的抽真空装置，并且如下参照图2所述，也不必再提供增加容量的湿式洗涤器或过滤系统。减少通过真空泵的气体流量即可降低泵的功耗以及减小所需真空泵的尺寸。

希望控制进入冷却区域24的水量以达到多种不同的目的。首先，抽真空装置的可接受工作温度是已知的。如果燃烧气体的温度和质量或体积流速也已知，那么就可以确定必须被引入冷却区域24内以实现燃烧气体的充分降温的水量。准确地控制引入水量还避免了浪费水和增加所有者的成本。

另外，希望不允许液态水进入或者在抽真空装置的高压区域内凝结，由此避免液压锁，避免可能会腐蚀抽真空装置内的金属或其他部件。因此，控制引入冷却区域24内的水量以使基本上所有的水都在进入抽真空装置之前被蒸发。

所需的水26的量可以被预先确定用于燃烧气体20的预期流速或多个预期流速，并且由此控制引入冷却区域24的水。可选地，一个或多个传感器28可以如图所示被设置在例如冷却区域的排出口处用于测量燃烧气体20的温度或其他特征。传感器适合用于输出信号至控制单元29以控制流入冷却区域内的水26的流量。

针对固定的处理气体(例如氢)流量，可以喷射预定流量的水；否则可以使用反馈回路来调节喷射的水量以保持预定的废气温度(例如70℃)。

水可以通过不同的装置被引入冷却区域24。例如，水可以被雾化并作为薄雾引入(细密的薄雾有助于蒸发)。可以控制雾化以调节进入冷却区域24的水颗粒的尺寸和数量。可选地，水可以在压力下作为一股或多股细射流通过喷嘴被引入。更进一步地，水可以沿着毛细管被引入以使冷却区域内的压力以及毛细管的直径和长度得以控制进入冷却区域的水量。

参照图2，示出了用于处理废气的系统30。在图2中，处理室和抽真空装置被示出为一个单元32，处理气体34由其排出。废气由治理单元治理或者如图所示在燃烧器36内燃烧，燃烧器36可以是辐射式燃烧器。燃料气体38被引入燃烧器并点燃以在燃烧器的燃烧或治理区域40内燃烧废气。

在以实线示出的一种设置方式中，过滤装置42例如粉末过滤设备从燃烧气体中过滤颗粒物、粉末或其他固体物质以生成过滤的气体44和粉末46。

在以虚线示出的另一种设置方式中，湿式洗涤器56被设置用于洗涤治理气体。洗涤介质58例如水被引入用于带走治理气体中的颗粒物。空气60和湿粉末62被从湿式洗涤器56中排出。

从燃烧器36排出的燃烧气体48通过引入空气流52而在冷却区域50内被冷却。正如以下更加详细介绍的那样，单独用空气流冷却可能不足以充分冷却燃烧气体，或者可选地必须使用相当数量的空气来充分冷却燃烧气体48。因此，冷却剂例如水或其他液体54通过喷射到冷却区域50内而被引入用于通过冷却剂的相变冷却高温燃烧气体。冷却主要是通过液体的蒸发潜热进行，但是应该意识到部分冷却是通过无相变地加热冷却剂而进行的。

典型的过滤装置42具有约70℃的上限工作温度。在燃烧器36内例如在燃烧源于半导体或太阳能电池沉积过程的氢气时可能会产生高热负荷。此时，数百升/分钟的氢气可能会使燃烧气体温度升高到130℃以上。在现有技术中，附加的热负荷需要显著地增加引入冷却区域用于冷却的空气量，这样就相应地需要使用大得多(并且也更加昂贵)的粉末过滤装置。在图2的设置方式中，高温燃烧气体通过水54被充分冷却以使得不需要额外的空气量并且使得过滤装置在其上限工作温度以下运行。

如果燃烧气体48的温度以及质量或体积流速也是已知的，那么就可以确定必须被引入冷却区域50以实现燃烧气体的充分降温的水54的量。准确地控制引入的液体(例如水)量还避免了浪费水和增加所有者的成本。

另外，希望不允许液态水进入过滤装置，原因在于这会影响其正常功能。因此，控制引入冷却区域50内的水量以使基本上所有的水都在进入过滤器之前被蒸发。关键在于要在燃烧室和过滤器之间形成用于冷却的足够的余量，以使气体热流内的水不会开始出现凝结。这就要求被冷却的废气流内的湿度在冷却点处低于100%的相对湿度。

如果设有湿式洗涤器56，那么通过在湿式洗涤器上游的治理气体内提供成核与凝结过程即可使喷射到冷却区域内的液体52提高湿式洗涤器的效率。喷入冷却区域内的液体量如本文之前所述加以控制以在容差范围内限制湿式洗涤器的加热。

水54可以如上参照图1所述通过喷射、雾化或其他技术被引入冷却区域50内。

Claims (14)

1.一种处理来自处理室的废气流的方法，所述方法包括以下步骤：

利用抽真空装置或大气压力管线输送来自处理室的废气；

在治理设备的治理区域内治理废气；以及

在治理区域的下游喷射冷却剂以通过冷却剂的相变在冷却区域内冷却已治理气体，并且形成包括冷却的已治理气体和冷却剂的被冷却气体混合物；

使用冷却区域下游的干燥过滤装置从被冷却气体混合物中过滤颗粒物，其中根据已治理气体的流速和/或温度控制冷却剂喷射量以使基本上所有的冷却剂都在冷却区域内被蒸发，使得在喷射冷却剂和通过干燥过滤装置后，被冷却气体混合物不会凝结。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述冷却剂由液体构成并且通过促成喷射的液体到气体的相变而在冷却区域内冷却已治理气体。

3.如以上任意一项权利要求所述的方法，其中所述冷却区域处在低于大气压的压力下并且位于抽真空装置上游，以使抽真空装置上的气体负荷通常不会由于冷却剂喷入气流内而增加。

4.如权利要求2所述的方法，通过传感器测量已治理废气的特征并且根据测量的特征来控制引入冷却区域的液体量。

5.如权利要求2所述的方法，其中所述液体被喷射成为喷雾或薄雾。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述抽真空装置被定位于冷却区域下游并且控制引入冷却区域的液体量以使得已治理气体被冷却至低于抽真空装置上限工作温度的温度。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述已治理气体包含颗粒物并且过滤装置过滤已治理气体以去除颗粒物。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述过滤装置具有上限工作温度并且控制引入冷却区域的液体量以使得已治理气体被冷却至低于所述上限工作温度的温度。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述已治理气体包含颗粒物并且湿式洗涤器洗涤已治理气体以去除颗粒物。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述湿式洗涤器具有上限工作温度并且控制引入冷却区域的液体量以使得已治理气体被冷却至低于所述上限工作温度的温度。

11.如权利要求9或10所述的方法，其中所述喷射的液体蒸发以在冷却区域内冷却已治理气体并且在冷却区域下游围绕已治理气体内的颗粒物凝结以形成具有固体核心的液滴，从而使得能够通过湿式洗涤器有效地洗涤所述液滴。

12.如权利要求1所述的方法，其中向冷却区域内引入空气用于冷却已治理气体。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述冷却区域处于约50mbar到750mbar之间的压力下。

14.如权利要求2所述的方法，其中所述液体是水、氮或二氧化碳中的一种。