CN107249753A - 用于处理气体的设备 - Google Patents

Abstract

已知的湿式静电除尘器大而且效率低下。本发明使得能够通过在内电极中增加中心孔来产生更小、更有效率和持久的湿式静电除尘器，通过该中心孔使第一吹扫流垂直于通过室的待处理的气体的流动方向进入和引导到除尘器室中以将微粒推入水帘。还提供了第二、较大的清洁吹扫流来干扰水帘，使得其清洁内电极的任何沉积的微粒。

Description

用于处理气体的设备

本发明涉及用于处理气体的设备，且在包含固体微粒（例如SiO₂）和酸性气体（例如HCl）的气体的处理中发现特别的用途。更具体地，本发明涉及改进的静电除尘器。

例如，在外延堆积过程中，从气体流移除固体微粒是必需的，外延堆积过程对于高速半导体装置（对于硅和化合物半导体应用两者）越来越多地使用。外延层是精心培育的单晶硅膜。外延堆积在高温（通常约800°至1100℃）的氢气氛中且在真空条件下利用硅源气体（前体），通常为硅烷或氯硅烷化合物中的一种（例如三氯硅烷或二氯硅烷）。对于所制造的装置，外延堆积过程通常根据需要掺杂少量的硼、磷、砷、锗或碳。供应给过程室的浸蚀气体可包括卤代化合物，例如HCl、HBr、BCl₃、Cl₂和Br₂，以及它们的组合。可使用氯化氢（HCl）或其他卤代化合物（例如SF₆或NF₃）以在过程运行之间清洁室。

在这种过程中，供应给过程室的过程气体的仅小部分在室内消耗，因此供应给室的大部分气体与室内发生的过程的固体和气体副产物一起从室排出。

在废物流排放到大气中之前，将对其处理以从其中移除选择的气体和固体微粒。通常使用填充塔洗涤器从气体流移除酸性气体（例如HF和HCl），其中通过流过洗涤器的洗涤液体使酸性气体成为溶液。硅烷是自燃的，因此在将废物流传送通过洗涤器之前，一般惯例是将包括硅烷的废物流传送通过热焚烧炉，以使废物流内存在的硅烷或其它自燃气体与氧化剂（例如空气）反应。任何全氟化合物（例如NF₃）也可在焚烧炉内转化成HF。

当硅烷燃烧时，产生大量的二氧化硅（SiO₂）微粒。虽然这些微粒中的许多可通过填充塔洗涤器内的洗涤液体成为悬浮液，但已经观察到，通过洗涤液体对相对较小的微粒（例如，具有小于1微米的尺寸）的捕获相对较差。由于此，已知在洗涤器下游提供静电除尘器以从废物流移除这些较小的微粒。

图7示出了用于从气体流移除固体微粒的已知湿式静电除尘器100。静电除尘器包含具有居中定位的内电极104和外电极106的静电室102，外电极106与内电极同心并围绕内电极，并且可由室102的导电壁提供。静电室102还具有水入口108，水流110供应至水入口以产生围绕外电极106的内表面向下流动的水“帘”112。待处理的气体流114通过入口116传送到静电室中，且处理过的气体流118从室传送。

在使用期间，将高电压施于内电极104以在静电室102的内电极和外电极之间产生带静电场或电晕。当气体通过电晕时，气体中包含的任何微粒变得带电并且朝外电极106吸引，微粒在那里进入水帘112并从气体流移除。

本发明寻求提供一种改进的湿式静电除尘器。

本发明提供了一种用于处理气体流的湿式静电除尘器，包括：具有入口和出口的静电室，待处理的气体流通过该入口传送到室中，处理过的气体流通过该出口从室传送，内电极和外电极，其布置成当高电势施于所述内电极和外电极之间时在其间产生带静电场，液体入口，该液体入口用于将液体传送到室中以用于在外电极的内表面之上提供液体帘，使得气体流中的微粒在通过场时变得带电并朝外电极吸引，在那里微粒由液体帘夹带并从气体流移除，其中内电极包括导管，吹扫气体可通过该导管传送，并且所述内电极进一步包括至少一个朝室入口定位的开口，其布置为使吹扫气体大致横向于通过室的气体流的流动从导管传送到室中。

通过本发明，在湿式静电除尘器装置所需的较短的维护周期的情况下达到气体流处理的改进水平。

其余的发明如下面所陈述以及如权利要求中限定。

为了可完全地理解本发明，现在将参考附图描述仅作为示例给出的其一些实施例，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的湿式静电除尘器；

图2示出了根据本发明的除尘器的放大区段；

图3示出了根据本发明的包括除尘器和等离子体燃烧器的消除系统；

图4至图6示出了根据本发明的另一湿式静电除尘器；

图7图示了已知（现有技术）湿式静电除尘器。

参考图1，湿式静电除尘器10示出为用于处理气体流12。除尘器包括静电室14，其具有入口16（待处理的气体流通过其传送到室中）和出口18（处理过的气体流20通过其从室传送）。本示例中的处理涉及从气体流移除微粒。当高电势施于内电极时，内电极22和外电极24布置成在其之间产生静电场。高电势可为大约1kV，但其它电势取决于气体流以及微粒的特性（特别是微粒尺寸）可为适合的。外电极提供静电室14的大致圆柱形的内表面。内电极也大致是圆柱形和中空的，并会在下面更详细描述。突起26从中空圆柱体大致横向延伸。电荷集中在突起的末端周围，且因此突起增加了用于施于电极的给定电势的局部静电场。内电极和外电极由通常为金属或金属合金的导电材料制成。外电极也有可能包括与传导环接触的液膜，其中液膜沿非传导管向下延伸并且围绕内电极提供外电极。

液体入口28将液体（通常为水）30传送到室14中，以用于在外电极24的内表面之上提供液体帘或堰32。气体流中的微粒当通过静电场时变得带电并且朝向外电极吸引，在那里其由液体帘夹带并从气体流移除。

如上所述，内电极是中空的并且可由金属管形成。管形成管道或导管34，沿着其，吹扫气体36可通过入口38传送。吹扫气体可为例如氮气或干净的干燥空气。在所示的布置中，管的相对的端部是封闭的。室14包括从气体流12的主流路大致横向延伸的侧通道40。侧通道在其远离主流路的端部处具有开口42。内电极22沿着侧通道延伸通过开口，并且大致通过直角转向以沿室14的主要部分延伸。侧通道40大致保持干燥，且因此即使在使用中，其处于高电势，避免了潮湿环境中的电击穿和表面放电。侧通道40还包括第二开口44，其形成用于吹扫气体46的入口，以用于向侧通道传送相对小流率的吹扫气体。这种小流率使侧通道接触保持清洁和干燥，从而进一步降低了寄生表面放电的可能性。

图2更详细地示出了设备的放大区段，内电极22的管道34包括至少一个开口48，该开口48布置成使吹扫气体36大致横向于通过室的气体流的流动从管道传送到室14中，以用于将气体流朝外电极引导。在所示的实施例中，示出了两个开口48，并且可提供额外的开口以将吹扫气体从管道沿进入和离开图的平面的方向传送。通过开口48的吹扫气体的流动干扰待处理的气体流12，并且产生所述气体流的朝外电极的流动。流动的这种干扰允许待处理的气体流中的微粒与静电场之间的更大的相互作用，从而增加将在水堰32中夹带的微粒的量。另外，吹扫气体将待处理的气体流中的微粒朝水堰物理地引导以用于夹带。

在该实施例中，开口是管中的孔，并且如由从开口延伸的两个箭头所示，管中的吹扫气体的压力导致吹扫气体以与气体流的主流呈大约90°的角度通过开口逸出。开口可通过在管中或另一布置中钻孔形成，开口可通过管中的中断形成。

提供具有大致横向进入静电室的吹扫气体的额外流动的气体动力WESP增加了可从气体流移除的微粒的量，而因此提高了设备​​效率。效率的提高允许了设备尺寸的减小。例如，静电室可大约在直径方面100mm至长度方面900mm。WESP通常与其他消除设备（例如等离子体燃烧器）一起使用，但是由于已知的WESP的低效率，与数个其它消除设备相关联的单个大型低效WESP是常见的。如图3中所示，当前的气体动力WESP允许单个WESP在一个紧凑的设计中与单个等离子体燃烧器相关联，且因此，根据本发明，多个等离子体焰炬中的每个等离子体焰炬可各自与单独相应高效率的湿式静电除尘器相关联。

参考图3，示出了包括等离子体燃烧器52和之前描述的气体动力湿式静电除尘器10的消除设备50。

燃烧器52包括用于产生等离子体火焰56的等离子体发生器或焰炬54。入口58将气体流60传送到燃烧器中，以用于在位于焰炬下游的反应室62中与火焰的热和/或化学反应。反应室大致是圆柱形的并且可设有水堰（未示出），以防止沉积物积聚在反应室的内表面上。

可提供一个或多个喷嘴64以用于在等离子体火焰下游将水或其它液体喷射到反应室62中，以用于使气体流在暴露于高等离子体温度之后冷却。

等离子体燃烧器的出口66通过导管或管道68连接到WESP的入口16，导管或管道68大致正交地延伸到燃烧器和WESP中的气体流的流路。管道66还形成液体容器，以用于在再循环或处理之前至少临时储存喷射到反应室62中的液体和来自一个或两个水堰的液体。在这点上，等离子体燃烧器定向成使得气体流大致向下流动通过燃烧器，并且除尘器定向成使得气体流大致向上流动通过除尘器。这些定向允许在导管68中收集液体。

图4至图6中示出了另一湿式静电除尘器70，并且对参考图1和图2描述的除尘器10提供了额外的改进。

如图4中所示，气体流中的固体沉积物72可积聚在开口的区域中。虽然大部分沉积物将在正常使用中朝液体堰吸引，但已经发现一些沉积物积聚在内电极22上。这种积聚通常也发生在已知的WESP中，然而，如果需要，本气体动力WESP相比于已知的WESP可相对较小，而因此如果允许积聚累积到显著的程度，其将至少部分地（如果不是完全地）阻塞静电室14，导致效率的损失或气体处理的终止。在较大的WESP中，沉积物的积聚是容许的，因为静电室不会变得阻塞，且效率的损失不那么显著。在处理之后，当设备离线时，已知的WESP由操作工手动清除积聚物。然而，在本实施例中，期望在使用期间周期性地清洁WESP。

除尘器70包括控制器74，其构造成用于控制通过内电极22的管道34的吹扫气体36的流动。在这种布置中，吹扫气体源76包含处于压力下的气体，并且流动控制阀78可由控制器操作以控制通过管道的吹扫气体的流率。该布置可包括控制吹扫气体的流动的其它备选方式。在除尘器的正常条件下，吹扫气体通过带有6mm的外部直径的内电极的管道和开口以第一流率（例如每分钟0.1至1标准升之间）传送，以用于引导或推动待处理的气体流在每分钟50至150标准升之间朝外电极（带有38mm的内径）流动和/或干扰气体流。在第二清洁条件下，吹扫气体在第二较高流率（例如每分钟10至20标准升）下通过管道传送，以用于移去积聚在开口附近的沉积物。图5示出了在第二相对高流率下离开开口的吹扫气体产生吹扫气体的射流80。射流导致沉积物中的至少一些被移除并由气体流12朝下游冲走。优选地，第二流率足以导致射流扰乱液体帘，导致如图6中所示的湍流的液体82，使得液体相对于积聚的沉积物推动以用于从内电极移除更多的沉积物。维持或重复脉冲调制第二流率，直到基本上所有的沉积物被移除。

在第二清洁动作期间，通过用于吹扫气体的入口（其将吹扫气体传送至侧通道40）的流46可增加以防止液体进入侧通道40，降低了寄生表面放电的可能性和通过侧通道内的传导水路的静电场电势的损失。在第二清洁动作期间，跨过两个电极的电势也优选地切断。

如图4中所示，控制器可操作地连接到传感器84，以用于感测沉积物的积聚，并且当积聚物超过预定尺寸时，控制器构造成启动清洁条件。传感器可为微波传感器或光学传感器。备选地，可感测气体流的流率，以确定其是否因沉积物的部分阻塞而降低。触发清洁的积聚物的尺寸可通过测试来确定。

还观察到，随着沉积物在中心电极上累积，内电极和外电极之间的电压电势降低，导致除尘器的效率受损（例如，对于2.35mA的固定电流）。监测跨过电极的电势电压使得能够监测WESP效率，并允许响应于静电电势的下降来触发清洁。这使得第二清洁动作能够仅在必要时发生，并减小了清洁活动期间发生的WESP效率的暂时损失。通过将清洁动作降低到最小的必要干扰来维持除尘器的效率。

备选地，控制器可构造成以周期性间隔（例如30至360秒）启动第二清洁条件，该周期性间隔是根据用于给定气体流和气体流流率的预定积聚率选择的。吹扫气体爆发可维持例如5秒的时段。

Claims (16)

1.一种用于处理气体流的湿式静电除尘器，包括：具有入口和出口的静电室，待处理的气体流通过所述入口传送到所述室中，处理过的气体流通过所述出口从所述室传送，内电极和外电极，其布置成当高电势施于所述内电极和外电极之间时在其间产生带静电场，液体入口，所述液体入口用于将液体传送到所述室中以用于在所述外电极的内表面之上提供液体帘，使得所述气体流中的微粒在通过所述场时变得带电并朝所述外电极吸引，在那里所述微粒由所述液体帘夹带并从所述气体流移除，其中所述内电极包括导管，吹扫气体可通过所述导管传送，并且所述内电极进一步包括朝所述室入口定位的至少一个开口，所述至少一个开口布置为使吹扫气体大致横向于通过所述室的所述气体流的流动从所述导管传送到所述室中。

2.根据权利要求1所述的湿式静电除尘器，其特征在于，所述至少一个开口布置成用于将所述气体流朝所述外电极引导和/或干扰所述气体流。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的湿式静电除尘器，其特征在于，所述内电极包括至少两个开口以用于将吹扫气体以大致相对的横向方向传送到所述室中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的湿式静电除尘器，其特征在于，所述室包括用于定位所述内电极的远离所述至少一个开口的端部的侧通道。

5.根据权利要求4所述的湿式静电除尘器，其特征在于，所述侧通道包括用于将吹扫气体传送到所述侧通道中的入口以用于吹扫所述内电极的端部。

6.根据前述权利要求中任一项所述的湿式静电除尘器，其特征在于，控制器构造成用于控制通过所述内电极的管道的吹扫流，使得在所述除尘器的第一条件下，吹扫气体以第一流率通过所述管道传送以用于将所述气体流朝所述外电极引导和/或干扰所述气体流，以及在第二清洁条件下，吹扫气体以第二较高的流率通过所述管道传送，以用于移去在所述内电极中的所述至少一个开口附近积聚的沉积物。

7.根据权利要求6所述的湿式静电除尘器，其特征在于，所述第二流率足以扰乱所述液体帘，使得液体相对于所述积聚的沉积物推动以用于移除所述沉积物。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的湿式静电除尘器，其特征在于，所述控制器可操作地连接到传感器以用于感测沉积物的积聚，并且当所述积聚超过预定量时，所述控制器构造成启动所述第二清洁条件。

9.根据权利要求6或权利要求7所述的湿式静电除尘器，其特征在于，所述控制器构造成以根据预定积聚率选择的周期性间隔启动所述第二、清洁、清洁条件。

10.根据权利要求6或权利要求7所述的湿式静电除尘器，其特征在于，所述控制器构造成为响应于以下至少一者启动所述第二、清洁、清洁条件：所述电极之间的电压电势的变化；通过所述室的气体的流动的变化；以及对所述电极的目视检查。

11.一种包括如前述权利要求中任一项所述的湿式静电除尘器的消除系统，进一步包括定位于所述除尘器上游的至少一个等离子体焰炬，以用于接收所述气体流并利用由反应室中的等离子体燃烧器产生的等离子体火焰引起所述气体流的热或化学反应，所述反应室具有与所述静电室的入口处于气体连通的出口以用于将等离子体处理过的气体传送到所述除尘器用于进一步处理。

12.根据权利要求11所述的消除系统，其特征在于，所述消除系统包括将所述反应室的出口连接到所述静电室的入口的导管，所述导管定形为至少临时包含形成所述液体帘的液体。

13.根据权利要求11所述的消除系统，其特征在于，所述反应室的出口部分包括至少一个用于将液体喷射到所述反应室中的喷嘴以用于在所述等离子体火焰下游冷却所述气体流，所述导管至少临时包含喷射到所述反应室中的液体。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的消除系统，其特征在于，所述至少一个等离子体焰炬定向成使得所述气体流大致向下流过所述燃烧器，且所述除尘器定向成使得所述气体流大致向上流过所述除尘器。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的消除系统，其特征在于，所述系统包括多个等离子体焰炬，每个等离子体焰炬与根据前述权利要求中任一项所述的湿式静电除尘器相关联。

16.一种如本文参照附图所述的消除系统。