CN1253236C

CN1253236C - 全氟化物废气处理方法

Info

Publication number: CN1253236C
Application number: CN 03158414
Authority: CN
Inventors: 郑石治
Original assignee: Huamao Science & Technology Co ltd
Current assignee: Huamao Science & Technology Co ltd
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: CN1593723A

Abstract

一种全氟化物废气处理方法，可以利用等离子反应器于反应过程中产生的热能，将液态水转换为水蒸气后，其产生的水蒸气直接引入等离子反应器参与等离子束流的反应，如此，亦可降低燃烧过程中反应腔的高热问题。此外，本发明亦设置一燃烧室与反应室相连，将空气引入燃烧室中与氢气混合燃烧，可处理大量全氟化物废气燃烧过程中所产生的氢气。

Description

全氟化物废气处理方法

技术领域

本发明是关于一种废气处理方法，尤其是指一种全氟化物废气处理方法。

背景技术

1997年联合国气候变化纲要公约京都议定书中，各国通过管制六种主要温室气体的具体减量方案及时刻表。

其中SF₆、HFCs及PFCs等主要为人造的温室气体成分，为强效温室气体，具有高全球温暖化潜势指数值(Global Warming Potential；GWP)，具极长的生命期，在大气中的累积效应为不可逆的。但近年来半导体制作过程(如在乾蚀刻化学气相沉积的清腔程序等)广泛地使用CF₄、C₂F₆、NF₃等全氟化物(PerfluorocompougdS：PFCS)做为制作过程气体，而这些气体仅少部分被使用掉，剩余的大部分(如化学气相沉积约剩余90％)则当作废气排放，是造成温室效应的重要来源。但目前半导体设备元件的制造技术日趋精密，促使全氟化物的使用量随着半导体制作过程的进步与日俱增，因此需要管制与处理避免环境公害的产生，以及采用新的PFCs废气处理系统，以适应未来更加严苛的废气排放标准。

目前工业制作过程中其全氟化物废气处理装置，以高能量密度等离子高温裂解及洗涤除害的设计原理为主的装置拥有最佳的效能，由于等离子产生的高温有助于全氟化物裂解。此种全氟化物废气处理装置，其应用范围包含半导体及其他工业制作过程的全氟化物等有害废气的处理，例如：C₂F₆、SiH₄、CF₄、NF₃、CHF₃等废气处理。其基本工作原理如下：直流等离子火炬产生高温、高能量密度的等离子，将废气中的全氟化物热解、原子化、离子化，使全氟化物的化学键被瓦解而摧毁，并与水或氧气结合形成一些简单易于处理的分子或原子如氢、一氧化碳、二氧化碳和氟化氢等，而没有机会组合成较大的或较复杂的分子。举例说明其反应方程式如下：

，

如图1所示，为公知的全氟化物废气等离子处理装置。

其运作如下：将废气引入等离子反应器110中，其等离子反应器110包括废气进口111、等离子火炬112、反应室113、水蒸气入口114、水蒸气产生反应炉115等五个部分，其中该反应室113内部是以耐火隔热材料构筑而成，在等离子火炬加热下，可形成高温环境，有助反应形成。由上的化学反应式：可知，其反应过程中需要水参与反应。其等离子火炬112经来自水蒸气产生反应炉115产生的水蒸气自水蒸气入口114进入反应后，所生的极高温(10000℃)等离子束流提供高能量让由废气进口111进入的全氟化物废气与水蒸气作用，在反应室113中瞬间被热解、原子化或离子化，全氟化物组成之间的化学键因而被瓦解摧毁，形成一些简单易于处理的分子或原子等，而没有机会组合成较大的或较复杂的分子，这是热燃烧炉所无法达到的。但由于经等离子反应器110处理后的废气温度很高，并产生氟化氢及氢气气体，因此，在等离子反应器110的反应室113出口处，设置一喷水器组120，喷水器组120设有水量控制阀121调控喷水量使喷水头122喷出水雾，由此水吸收热量使废气迅速降温，并溶解部分氟化氢(HF)溶于水槽130中，水槽130再以底部排水方式将废水排出。

因高温影响气体的溶解度，所以在废气经喷雾冷却后，再将废气引入一湿式洗涤塔150内部填有高表面积填充物，并设有喷水器组151，喷水器组151的水源由水泵140抽取水槽130的水供应，水泵140之前可设置一过滤器141过滤杂质及固体物。废气在经过此一湿式洗涤塔150时，其夹带的固体物，例如，含硅粉末等，可以被洗净滤除，同时氟化氢在此也被吸收，于处理氟化氢产物时，喷出的水雾可加碱液中和氟化氢酸性。但依现况而言，在科学园区设有废水处理场，通常含氟废水可由废水处理场处理，因此，水槽的储水可做批次排放或连续排放至废水处理场即可。当废气来源所提供的气流静压不足时，湿式洗涤塔150后端可加置一风车160以补足静压，顺利排出设计的风量值。

由于采用等离子反应器110较公知处理方式如燃烧法的能量密度高，因此，全氟化物的裂解效率较高，效率优越性大幅提升，处理C₂F₆的破坏去除率可达99％以上，甚具环保价值。同时已证实可以同时处理多种全氟化物废气，可将CF₄、C₂F₆与NF₃等有害废气的化学键加以破坏、分解且去除效率可达99％以上。

公知技术中，为使废气燃烧完全，需将水蒸气引入等离子反应器参与反应，但另以设备产生水蒸气，其成本增加，故有造成全氟化物废气等离子处理装置的产业利用性降低的缺点。此外，因全氟化物经裂解后所形成的废气中，氢气占很大的比例，其自燃的特性，将会在后续的处理过程中发生危害，故有降低全氟化物废气等离子处理装置的安全性的缺点。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种全氟化物废气处理方法，利用燃烧废气时所产生的热能，将液态水转换为水蒸气，减少了单独产生水蒸气的设备。

本发明的另一目的在于提供一种全氟化物废气处理方法，在装置中多设置一燃烧室，将空气与废气中氢气混合燃烧，可大量减少氢气含量。

本发明是使用下列步骤来达到上述的各项目的：

首先，是引入废气，使之与高温等离子火炬直接作用，再进入反应室内处理。该等离子火炬包括水蒸气入口及水蒸气管等部份。其中水蒸气管管路中的液态水变成水蒸气的热能来自等离子反应器反应时的高温，并进入等离子火炬参与毒性气体的反应。

接续，为降低反应后大量氢气，本发明增设一燃烧室，将外界空气与氢气反应，以处理掉大量氢气。

接续，燃烧反应后剩余的废气进入一水槽，其内的喷水器组喷出水雾，在此水可吸收热量使废气迅速降温，并溶解反应后的部分氟化氢，而其余落下于水槽表面的产物，水槽再以底部排水方式将废水排出。

最后，因高温影响气体的溶解度，所以在产物经喷雾冷却后，废气引入一湿式洗涤塔将废气反应后的剩余产物除净。

具体的讲，本发明有如下：

第一种方法

一种全氟化物废气处理方法，包含：

(a)全氟化物废气与水蒸气通过等离子火炬进入反应腔瞬间被热解形成废气产物，其所述水蒸气经由环绕所述反应腔的水蒸气管组所提供；

(b)一燃烧室引入外界空气，使所述空气可在所述燃烧室内与所述废气产物反应；

(c)经由一水槽组溶解所述废气产物中部分氟化氢并除去在所述水槽组中的所述废气产物中的固体小分子；

(d)经由一湿式洗涤塔处理剩余的所述废气产物。

所述的全氟化物废气处理方法，其中所述水蒸气管组的液态水是通过由所述全氟化物废气反应时的高热使之成为水蒸气。

所述的全氟化物废气处理方法，其中所述液态水是来自所述水槽组中的循环水。

所述的全氟化物废气处理方法，其中所述燃烧室是通过一控制阀引入所述外部空气。

所述的全氟化物废气处理方法，其中所述水蒸气管组可降低在燃烧过程中所述反应腔的温度。

第二种方法

一种全氟化物废气处理方法，包含：

(a)全氟化物废气与水蒸气通过等离子火炬进入反应腔瞬间被热解形成废气产物；

(b)一燃烧室通过由控制阀引入外界空气，使所述空气可在所述燃烧室内与所述废气产物反应；

(c)经由一水槽组将所产生的废气产物急速降温，并溶解部分产物；

(d)经由一湿式洗涤塔处理剩余的所述废气产物。

所述的全氟化物废气处理方法，其中所述水蒸气是由环绕所述反应腔的水蒸气管组所提供，其中所述的水蒸气管组的液态水是通过由所述全氟化物废气反应时的高热使之成为水蒸气。

所述的全氟化物废气处理方法，其中所述燃烧室是连接于所述反应腔之后。

第三种方法

一种全氟化物废气处理方法，包含：

(b)经由一水槽组溶解所述废气产物中部分氟化氢并除去在所述水槽组中的所述废气产物中的固体小分子；

(c)经由一湿式洗涤塔处理剩余的所述废气产物。

由上可知，本发明优点在于，利用燃烧废气时所产生的热能，将液态水转换为水蒸气。既节约了能源，也节省了单独的水蒸气产生设备。同时将空气与废气中氢气混合燃烧，可大量减少氢气含量，提高了安全性。

附图说明

图1是公知技术中全氟化物废气等离子处理装置；

图2是本发明的实施例中实现本发明的全氟化物废气等离子处理装置。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种全氟化物废气处理方法，可运用在处理全氟化物(PFCs)的废气时，其反应中所添加的水蒸气是利用本身燃烧的热能加热产生的，且为除去废气反应后的大量氢气，本发明亦增加一燃烧室解决。

首先，如图2所示为实现本发明的全氟化物废气等离子处理装置，其是引入废气，使之与高温等离子火炬直接作用，再进入反应室内处理，并于反应室出口处设置一喷水器组，废气经过喷水器组降温后，再引入一湿式洗涤塔处理后予以排放，此一湿式洗涤塔的循环用水设有一水槽供应的，其运作方式如下：

一等离子火炬200包括一水蒸气入口201及一水蒸气管202。其水蒸气管202管路的配置即为本发明的重点之一，其中水蒸气管202管路是源自水槽组，以适当方式环绕一等离子反应器210后向上延伸至水蒸气入口201；当液态水自水槽流动环绕等离子反应器时，等离子反应器所生的热能将其加热为水蒸气，并自水蒸气入口201进入等离子火炬200使参与毒性气体的反应。

为使等离子火炬产生极高温(10000℃)等离子束流的效率提升，需将水蒸气引入等离子反应器参与反应。本发明利用等离子反应器于反应过程中产生的热能，通过热交换方式将液态水转换为水蒸气后，直接引入等离子反应器参与反应。如此不仅节省成本，不需另行增添加热器，更可同时降低反应后所生废气温度，增加废气对水的溶解度，以利后续的处理。

其等离子反应器210更包括一废气进口211、一反应室213二个部分，其中反应室213内部因此耐火隔热材料构筑而成，在等离子火炬加热下，可形成高温环境。全氟化物废气由废气进口211进入等离子反应器210，通过等离子火炬200的极高温(10000℃)等离子束流，全氟化物废气在反应室213中，瞬间被热解、原子化或离子化，全氟化物组成之间的化学键因而被瓦解摧毁，形成一些简单易于处理的分子或原子如氢、一氧化碳、二氧化碳和氟化氢等，而没有机会组合成较大的或较复杂的分子。但由于经等离子反应器210处理后的废气温度很高，并产生氟化氢及氢气气体，其中氢气在后续处理过程中易产生爆炸危险。因此，本发明在等离子反应器210的反应室213出口处，增设一燃烧室280，通过由全氟化物废气处理装置内部为负压的原理，通过一空气阀281的控制，可将外界空气引入后，使空气中的氧气可在燃烧室内与氢气反应，以处理掉大量氢气，此亦为本发明的重点。

接续，与传统全氟化物废气等离子处理方式相同，其燃烧反应后剩余的废气进入一水槽230，其内的一喷水器组220设有一水量控制阀221调控喷水量使一喷水头222喷出水雾，由此水吸收热量使废气迅速降温，并溶解部分氟化氢(HF)，而其余落下于水槽表面的产物，水槽再以底部排水方式将废水排出。其喷水器组220的水源亦可由水泵240抽取水槽230的水供应(图中未示)，水泵240之前可设置一过滤器241过滤杂质及固体物。因高温影响气体的溶解度，所以在产物经喷雾冷却后，通过一过滤器241过滤杂质及固体物，再将废气引入一湿式洗涤塔250内部填有高表面积填充物。毒性气体废气在经过此一湿式洗涤塔250时，其夹带的固体物，例如，含硅粉末等，可以被洗净滤除，同时氟化氢在此也被吸收，于处理氟化氢产物时，喷出的水雾可加碱液以中和氟化氢的酸性。当废气来源所提供的气流静压不足时，湿式洗涤塔250后端可加置一风车260以补足静压，顺利排出设计的风量值。

以上所述是利用较佳实施例详细说明本发明，而非限制本发明的范围，因此熟知此技术的人士应能明了，适当而作些微的改变与调整，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。

Claims

1、一种全氟化物废气处理方法，其特征在于，包含：

(d)经由一湿式洗涤塔处理剩余的所述废气产物。

2、根据权利要求1所述的全氟化物废气处理方法，其特征在于，其中所述水蒸气管组的液态水是通过由所述全氟化物废气反应时的高热使之成为水蒸气。

3、根据权利要求2所述的全氟化物废气处理方法，其特征在于，其中所述液态水是来自所述水槽组中的循环水。

4、根据权利要求1所述的全氟化物废气处理方法，其特征在于，其中所述燃烧室是通过一控制阀引入所述外部空气。

5、根据权利要求1所述的全氟化物废气处理方法，其特征在于，其中所述水蒸气管组可降低在燃烧过程中所述反应腔的温度。

6、一种全氟化物废气处理方法，其特征在于，包含：

(d)经由一湿式洗涤塔处理剩余的所述废气产物。

7、根据权利要求6所述的全氟化物废气处理方法，其特征在于，其中所述水蒸气是由环绕所述反应腔的水蒸气管组所提供，其中所述的水蒸气管组的液态水是通过由所述全氟化物废气反应时的高热使之成为水蒸气。

8、根据权利要求7所述的全氟化物废气处理方法，其特征在于，其中所述液态水是来自所述水槽组中的循环水。

9、根据权利要求7所述的全氟化物废气处理方法，其特征在于，其中所述水蒸气管组可降低在燃烧过程中所述反应腔的温度。

10、根据权利要求6所述的全氟化物废气处理方法，其特征在于，其中所述燃烧室是连接于所述反应腔之后。

11、一种全氟化物废气处理方法，其特征在于，包含：

(c)经由一湿式洗涤塔处理剩余的所述废气产物。

12、根据权利要求11所述的全氟化物废气处理方法，其特征在于，其中所述水蒸气管组的液态水是通过由所述全氟化物废气反应时的高热使之成为水蒸气。

13、根据权利要求12所述的全氟化物废气处理方法，其特征在于，其中所述液态水是来自所述水槽组中的循环水。

14、根据权利要求11所述的全氟化物废气处理方法，其特征在于，其中所述水蒸气管组可降低在燃烧过程中所述反应腔的温度。