DE102012102248A1

DE102012102248A1 - Vorrichtung zum Entsorgen von Schadgasen durch Verbrennen

Info

Publication number: DE102012102248A1
Application number: DE201210102248
Authority: DE
Inventors: Matthias Förster; Guy Davies; Corinna Kloß; Stephan Trepte; Horst Reichhardt; Dr. Frenzel Andreas; Wido Wiesenberg; Ralph Wiesenberg
Original assignee: DAS ENVIRONMENTAL EXPERT GmbH
Current assignee: DAS ENVIRONMENTAL EXPERT GmbH
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-17
Also published as: KR20130105551A; KR101452621B1; DE102012102248B4; CN103307611A; CN103307611B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Entsorgen von beispielsweise bei der Herstellung von Halbleitermaterialien entstehenden, insbesondere ammoniakhaltigen Schadgasen durch Verbrennen, mit einem beheizbaren Pyrolyserohr (2), durch das die Schadgase zum thermischen Spalten in ein Reaktionsgas hindurch strömen, mit einer dem Auslass (3) des Pyrolyserohrs (2) nachgeschalteten Zündeinrichtung (4) und einer Luftzufuhreinrichtung (5) zum Verbrennen des Reaktionsgases in einer Reaktionszone (6). Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass bezogen auf die Strömungsrichtung (a) des Schadgases im Pyrolyserohr (2) stromab des Auslasses (3) des Pyrolyserohrs (2) eine Umlenkeinrichtung (7) zum Umlenken und Verwirbeln des Reaktionsgases mit der zugeführten Luft angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entsorgen von Schadgasen durch Verbrennen, mit einem beheizbaren Pyrolyserohr, durch das die Schadgase zum thermischen Spalten in ein Reaktionsgas hindurch strömen, sowie einer dem Auslass des Pyrolyserohrs nachgeschalteten Zündeinrichtung und einer Luftzufuhreinrichtung, die zum Verbrennen des Reaktionsgases in einer Reaktionszone dienen.
Schadgase im hier genannten Sinne sind insbesondere giftige oder anderweitig reaktive Gase, die u.a. bei der Herstellung von Halbleitermaterialien, z.B. bei der Herstellung von LEDs, entstehen und insbesondere Ammoniak (NH₃), Wasserstoff (H₂) sowie mitunter Stickstoff (N₂) enthalten. Derartige Schadgase können auf verschieden Arten behandelt werden. Eine Möglichkeit zur Behandlung und Umsetzung von reaktiven Schadgasen ist die Oxidation oder Reduktion derselben mit Hilfe von geeigneten Oxidantien und Reduktantien. Darüber hinaus können jene Schadgase in einem Pyrolyseverfahren thermisch aufgespalten werden, um anschließend weiter verbrannt zu werden.
Vorrichtungen der eingangs genannten Art, bei denen die Entsorgung der Schadgase durch die zuvor beschriebenen Umsetzungsmethoden erfolgt, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
So ist auf DE 36 18 346 C2 eine Vorrichtung zur Entsorgung von aus Industrieöfen stammenden Nitrieratmosphärengasen mit einem Brennerrohr bekannt, in welchem eine beheizbare Rohrschlange als Gegenstrom-Wärmetauscher angeordnet ist. Die Rohrschlange wird von unten über ein zentrales Rohr mit dem Schadgas beschickt und dann im Gegenstrom von oben nach unten bis zu einer Auslassdüse durchströmt. Das aus der Düse ausströmende Gas wird durch eine Zündquelle entzündet, so dass es die Rohrschlange erhitzt. Zum initialen Anheizen der Rohrschlange wird Fremdgas, beispielsweise Propan oder Butan, über eine Ringleitung mit Düsen eingebracht und entzündet. Das Brennrohr ist sowohl unten als auch oben offen, so dass bei der Verbrennung von unten her Umgebungsluft in das Rohr eingesaugt wird. Wenn das Schadgas beispielsweise Ammoniak (NH₃) enthält und in der Rohrschlange genügend vorgeheizt wird, dissoziiert der Ammoniak (NH₃) gemäß der Beziehung 2NH₃ = N₂ + 3H₂.
Der dabei als Reaktionsgas freiwerdende Wasserstoff (H₂) verbrennt dann in der von unten in das Rohr eingesaugten Umgebungsluft. Bei diesem Verfahren wird somit die Wärmeenergie aus dem Abfackeln des Reaktionsgases in effektiver Weise zum thermischen Vorspalten des Schadgases verwendet. Durch das Vorspalten wird insgesamt verhindert, dass der Ammoniak andernfalls zu einer NOx-Verbindung verbrennen würde.
Weiterhin ist aus DE 43 00 865 C2 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Entsorgen von Ammoniak durch Verbrennen mit Hilfe eines Brennrohrs bekannt, bei der zum Entzünden des zu entsorgenden Gases ein Heizgas, wie Propan oder Methan, verwendet wird. Zur Vorbereitung der Ammoniak-Entzündung und der Bildung einer Flammzone wird zunächst das mit Frischluft gemischte Heizgas im Brennrohr entzündet. Im Anschluss daran wird Ammoniak unter Ansaugung von Frischluft in einer in der vom brennenden Heizgas unterhaltenen Flammzone in das Brennrohr geleitet und am brennenden Heizgas entzündet. Das Brennrohr ist hierbei räumlich unterhalb eines Fackelbrenners angeordnet, der durch das im Brennrohr brennende Heizgas/Ammoniak-Gemisch über einen Flammendurchgang auf die Flammtemperatur eines im Wesentlichen reinen Ammoniak-Luft-Gemisches aufgeheizt wird. Zum Einleiten des Dauerbetriebs der Entsorgungseinrichtung wird schließlich durch allmähliches Erhöhen der Ammoniakzufuhr die Flammzone aus dem Brennrohr nach oben in den Fackelbrenner gedrängt und zugleich die Heizgaszufuhr allmählich bis zur vollständigen Unterbrechung gedrosselt.
Bei den hier genannten Vorrichtungen zur Umsetzung von Schadgasen tritt mitunter das Problem auf, dass der selbstständige Dauerbetrieb durch ein wiederholtes Abreißen der Flammwurzel behindert wird, d.h. der von der Zündquelle ausgehende Verbrennungsprozess setzt immer wieder aus und muss neu gestartet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Umsetzung von Schadgasen dahingehend zu verbessern, dass ein ungestörter, nach der Inbetriebnahme selbständig ablaufender Dauerbetrieb der Vorrichtung ermöglicht wird, bei dem insbesondere ein Abreißen den Flammwurzel während des Verbrennungsprozesses der thermisch vorgespaltenen Schadgase ausbleibt.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass bezogen auf die Strömungsrichtung der Schadgase im Pyrolyserohr stromab des Auslasses des Pyrolyserohrs eine Umlenkeinrichtung zum Umlenken und Verwirbeln des Reaktionsgases mit der zugeführten Luft angeordnet ist.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass das Abreißen der Flammenwurzel bei den aus dem Stand der Technik bekannten Entsorgungsvorrichtungen u.a. dadurch begründet ist, dass das aus dem Pyrolyserohr austretenden, thermisch vorgespaltene Reaktionsgas bzw. das in die Reaktionszone eingebrachte Schadgas im Bereich der Zündquelle nicht in ausreichender Weise mit der zugeführten Luft vermischt ist. So kann es u.U. passieren, dass ein reaktionsfähiges Gas-Luft-Gemisch erst in einem gewissen Abstand zur Zündquelle vorliegt, wobei der Abstand jedoch so groß ist, dass die von der Zündquelle ausgehende und für die Verbrennung notwendige thermische Energie das Reaktionsgas-Luft-Gemisch nicht erreicht, und somit die Flammenwurzel abreißen kann.
Demgegenüber bewirkt die gemäß der Erfindung vorgesehene Umlenkeinrichtung, dass das aus dem Auslass des Pyrolyserohrs austretende Reaktionsgas nach dem Umlenkung derart verwirbelt wird, dass es sich in vorteilhafter Weise mit der zugeführten Luft zu einem reaktionsfähigen Gemisch verbindet.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Umlenkeinrichtung dazu ausgebildet, das Reaktionsgas im Wesentlichen entgegen der Strömungsrichtung des Schadgases im Pyrolyserohr umzulenken. In vorteilhafter Weise wird dadurch ein Betrieb der Entsorgungsvorrichtung nach dem Gegenstromprinzip ermöglicht. Folglich strömen die Schadgase im Pyrolyserohr entgegen der Flammrichtung bzw. Strömungsrichtung des Reaktionsgas-Luft-Gemisches in der Reaktionszone, so dass die bei der Verbrennung des Gemischs entstehende Wärme in vorteilhafter Weise zur pyrolytichen Umsetzung der Schadgase genutzt werden kann.
Enthält das Schadgas beispielweise Ammoniak (NH₃) und Wasserstoff (H₂), so wird der Ammoniak im Pyrolyserohr in Wasserstoff und Stickstoff konvertiert, wobei der durch die Umsetzung entstehende Wasserstoff neben dem bereits im Schadgas enthaltenen Wasserstoff anschließend in der Reaktionszone verbrannt wird. In Vorteilhafterweise kann der bereits im Schadgas enthaltene Wasserstoff dazu dienen, den Verbrennungsprozess in der Reaktionszone zu starten, d. h. der bereits im Schadgas enthaltene Wasserstoff vermischt sich nach Austritt aus dem Pyrolyserohr mit der zugeführten Luft zu einem reaktionsfähigen Gemisch, das durch die Zündeinrichtung entflammt wird. Die dabei erzeugte Verbrennungswärme kann effektiv dazu genutzt werden, den Pyrolyseprozess im Pyrolyserohr zu initiieren und aufrechtzuerhalten.
Da es mitunter jedoch Prozessschritte geben kann, in denen fast nur Ammoniak eingesetzt wird, muss unter Umständen dem Schadgas Wasserstoff ständig zugesetzt werden, da sich Ammoniak nicht so leicht entzündet wie Wasserstoff.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Umlenkeinrichtung für das Umlenken des Reaktionsgases freiliegende Reflexionsflächen auf. Durch die freiliegende, d.h. offene und frei zugängliche, Ausgestaltung der Reflexionsflächen wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass das aus dem Auslass des Pyrolyserohrs austretende Reaktionsgas direkt auf die Reflexionsflächen strömen und dort abprallen kann, so dass sich Verwirbelungen an den Umrandungen der Reflexionsflächen bilden, die sich anschließend auf Grund der offenen Ausgestaltung der Reflexionsflächen in die Reaktionszone frei fortsetzten können. Vorzugsweise befindet sich hierzu die Umlenkeinrichtung im unmittelbaren Bereich des Auslasses des Pyrolyserohrs.
Um eine besonders effektive Verwirbelung zu erzeugen, ist der Auslassquerschnitt des Pyrolyserohres an den Wirkungsquerschnitt der Reflexionsflächen der Umlenkeinrichtung angepasst.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Umlenkeinrichtung mit ihren Reflektionsflächen im Wesentlichen trogförmig oder kalottenförmig ausgebildet. Eine kalottenförmig ausgebildete Umlenkeinrichtung bietet den Vorteil, dass das Austreten der Reaktionsgase unter Ausnutzung der Zylindersymmetrie der Kalotte symmetrisch in die Reaktionszone umgelenkt wird so zu einer sehr gleichmäßigen Verwirbelung des Reaktionsgases mit der dazu geführter Luft kommt. Eine trogförmig ausgestaltete Umlenkeinrichtung hat den Vorteil, dass sie sich beispielsweise kostengünstig und mit geringem Zeitaufwand durch entsprechende Abkantungen eines Metallblechs realisieren lässt.
Um die aus dem Pyrolyserohr austretenden Reaktionsgase möglichst gebündelt auf die Umlenkeinrichtung zu richten, ist der Auslass nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung düsenförmig ausgebildet. Aufgrund der durch die Düse bedingten vergrößerten Austrittsgeschwindigkeit des Reaktionsgases wird zudem verhindert, dass es zu einem Flammen- bzw. Verbrennungsrückschlag in das Pyrolyserohr kommt.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Zündeinrichtung seitlich der Umlenkeinrichtung, vorzugsweise mit einem vorgegebenen Abstand, angeordnet. Dadurch wird zum einen erreicht, dass sich die Zündeinrichtung möglichst nahe am entstehenden Reaktionsgas-Luft-Gemisch befindet. Zum anderen kann aufgrund des Abstands die einströmende Luft zwischen Zündeinrichtung und Umlenkeinrichtung hindurchströmen und sich mit dem an den Abrisskanten der Umlenkeinrichtung verwirbelnden Reaktionsgas besonders effektiv vermischen.
Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass die Zündeinrichtung im Bereich der Umlenkeinrichtung derart angeordnet ist, dass die Umlenkeinrichtung die Zündeinrichtung vor direkter Flammeinwirkung aus dem Verbrennungsprozess abschirmt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Zündeinrichtung wenigstens einen im Wesentlichen plattenförmigen oder kreisförmigen Glühzünder auf, der mit Abstand zur Außenlängsseite der trogförmigen bzw. zur Außenseite der kalottenförmigen Umlenkeinrichtung angeordnet ist. Dabei wird der Glühzünder unter Zuführung von elektrischer Energie soweit aufgeheizt bzw. zum Glühen gebracht, dass die Zündeinrichtung die für die Verbrennung des Reaktionsgases notwendige thermische Energie bereitstellt.
Denkbar sind allerdings auch andere Arten von Zündeinrichtungen, beispielsweise Zündelektroden oder mit Fremdgas betriebene Gasbrenner.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass zur Bildung der Reaktionszone das Pyrolyserohr zumindest bereichsweise von einem Reaktionsrohr, vorzugsweise koaxial umgeben ist. Dadurch bleibt das in der Reaktionszone gebildete Reaktionsgasluftgemisch in einem begrenzten Raumbereich eingeschlossen, in dem es definiert und insbesondere vollständig verbrennen kann.
Zur Umsetzung des Gegenstromprinzips ist es von besonderem Vorteil, wenn die Luft zum Verbrennen des Reaktionsgases im Wesentlichen entgegen der Strömungsrichtung des Schadgases im Pyrolyserohr in die Reaktionszone einströmt. Dies bewirkt insgesamt einen gerichteten Verbrennungsprozess im Reaktionsrohr, wobei die Flammrichtung der Strömungsrichtung der Luft entspricht.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Luftzufuhreinrichtung ein Gebläse aufweisen, das in Luftströmungsrichtung entweder vor oder nach dem Reaktionsrohr angeordnet ist, so dass die zum Verbrennen des Reaktionsgases notwendige Luft entweder unter Erzeugung eines Über- oder Unterdrucks zugeführt wird.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Reaktionsrohr von außen mit einem Luftstrom gekühlt wird. Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass sich dieser Kühlungsluftstrom am Ende der Reaktionszone mit den heißen Verbrennungsabgasen vermischt, wodurch diese ebenso gekühlt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Zündeinrichtung und/oder die Umlenkeinrichtung im Bereich des lufteinlassseitigen Endes des Reaktionsrohres angeordnet. Auf diese Weise vermischt sich das verwirbelte Reaktionsgas möglichst schnell mit der einströmenden Luft. Befindet sich zudem die Zündeinrichtung in diesem Bereich, so wird bereits dort die Verbrennung gestartet. Im Weiteren bildet das Reaktionsrohr dann eine Art Führungskanal für die bei der Verbrennung entstehenden Flammen.
Um die Vermischung der einströmenden Luft mit dem Reaktionsgas zu fördern, sind im Bereich des lufteinlassseitigen Endes des Reaktionsrohres, im Bereich der Umlenkeinrichtung, vorzugsweise auf Höhe der Umlenkeinrichtung, Leitbleche zum Verwirbeln der einströmenden Luft angeordnet. Diese Leitbleche bieten den zusätzlichen Vorteil, dass sich innerhalb des Reaktionsrohres eine rotierende Luftströmung ausbildet mit dem Effekt, dass die bei der Verbrennung entstehende Wärme von der Wandung des Reaktionsrohres abgehalten wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können zudem an der Innen- und/oder Außenseite des Pyrolyserohrs Elemente zur Wärmeübertragung und/oder Verwirbelung des Schadgases bzw. des Reaktionsgas-Luft-Gemisches angeordnet sein. Durch die vorzugweise fortsatzartig ausgebildeten Elemente wird die Oberfläche des Pyrolyserohrs vergrößert, wodurch der Wärmeübertrag der bei der Verbrennung des Reaktionsgases entstehenden Wärme an den Pyrolyseprozess gesteigert wird. Zudem bewirken die an den fortsatzartigen Elementen entstehenden Verwirbelungen eine Durchmischung des Schadgases im Pyrolyserohr bzw. des Reaktionsgas-Luft-Gemisches in der Reaktionszone, wodurch sich die Effektivität des Pyrolyseprozesses bzw. Verbrennungsprozesses vergrößert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Reaktionsrohr in Luftströmungsrichtung bereichsweise in ein Leitrohr hineinragt, wobei zwischen Leitrohr und Reaktionsrohr ein Ringspalt für eine Luftzufuhr gebildet ist, so dass das Leitrohr stromab des Reaktionsrohres eine Ausbrandzone umschließt. In dieser Ausbrandzone wird über den Ringspalt weitere Luft in das heiße Verbrennungsabgas zugemischt, um gegebenenfalls noch unreagierte Bestandteile weiter zu oxidieren und das Verbrennungsabgas insgesamt abzukühlen.
Um die Umgebung der Verbrennungsvorrichtung vor der Entstehenden Verbrennungswärme abzuschirmen, ist ein äußeres Abgasrohr vorgesehen, dass das Pyrolyserohr, das Reaktionsrohr, das Leitrohr, die Umlenkeinrichtung und die Zündeinrichtung mit Abstand umschließt. Gleichzeitig dient das Leitrohr im Inneren des Abgasrohres zur Ausbildung einer kalten Wandströmung, um das noch sehr warme Verbrennungsgas im weiteren Strömungsverlauf von der Wand des Abgasrohres abzuhalten. Dabei wird insgesamt so viel Luft durch die Anlage gezogen, dass die Vermischung des Abgases auch ohne Umsetzung bzw. Verbrennung stets ein Gemisch unterhalb der Zündgrenze ergibt.
Zur weiteren Abkühlung der Verbrennungsabgase unter eine vorgegebene Temperatur kann bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein Wärmetauscher vorgesehen sein, der den Verbrennungsabgasen noch vorhandene Restwärme entzieht.
Denkbar ist auch, dass zur Abkühlung des Reaktionsgases zusätzlich eine Verdünnung mit Umgebungsluft vorgenommen wird. Hierzu ist aber in der Regel ein Vielfaches derjenigen Luftmenge nötig, die zur Mischung unterhalb der Zündgrenze erforderlich ist.
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Entsorgen von Schadgasen und
2 eine Detailansicht der Vorrichtung gemäß 1.
Die 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Entsorgen von Schadgasen, wie sie beispielsweise bei der Herstellung von Halbleitermaterialien entstehen. Derartige Schadgase enthalten vornehmlich Wasserstoff und Ammoniak als Prozessgase sowie weitere Gase, insbesondere metallorganische Verbindungen, die in kleineren Mengen dem Prozessgas zugesetzt sind. Weiterhin kann das Prozessabgas noch zusätzlich mit Stickstoff vermischt sein.
Erfindungsgemäß erfolgt die Umsetzung der Schadgase durch thermisches Spalten in ein Reaktionsgas, das anschließend unter Zufuhr von Luft verbrannt wird, wobei die bei der Verbrennung des Reaktionsgases entstehende Wärme in vorteilhafter Weise zum pyrolytischen Spalten der Schadgase verwendet wird.
Gemäß der Erfindung weist die Vorrichtung 1 ein beheizbares Pyrolyserohr 2 auf, durch das die Schadgase zum thermischen Spalten hindurch strömen. Enthalten die Schadgase beispielsweise Ammoniak (NH₃), so wird dieser unter Zufuhr von Wärme in Wasserstoff (H₂) und Stickstoff (N₂) als Reaktionsgas konvertiert.
Dem Auslass 3 des Pyrolyserohrs 2 sind eine Zündeinrichtung 4 sowie eine Luftzufuhreinrichtung 5 nachgeschaltet, die zum Verbrennen des Reaktionsgases in der Reaktionszone 6 dienen. Stromab des Auslasses 3, bezogen auf die Strömungsrichtung a der Schadgase im Pyrolyserohr 2, ist eine Umlenkeinrichtung 7 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, dass aus dem Auslass 3 austretende Reaktionsgas im Wesentlichen entgegen der Strömungsrichtung a der Schadgase im Pyrolyserohr 2 umzulenken. Unter Ausnutzung des Gegenstromprinzips wird somit die bei der Verbrennung des Reaktionsgases frei werdende Wärmeenergie in besonders vorteilhafter Weise zur thermischen Spaltung der Schadgase im Pyrolyserohr 2 genutzt.
Neben dem Umlenken dient die Umlenkeinrichtung 7 gemäß der Erfindung auch zum Verwirbeln des aus dem Auslass 3 austretenden Reaktionsgases mit der zugeführten Luft. Das dabei entstehende reaktionsfähige Gemisch wird sodann an der seitlich der Umlenkeinrichtung 7 angeordneten Zündeinrichtung 4 entflammt. Im Falle des zu Wasserstoff (H₂) und Stickstoff (N₂) dissoziierten Ammoniaks (NH₃), verbrennt der Wasserstoff (H₂) mit dem in der zugeführten Luft enthaltenen Sauerstoff (O₂) zu unschädlichem Wasser (H₂O).
In Vorteilhafterweise kann u.U. bereits im Schadgas enthaltener Wasserstoff (H₂) dazu dienen, den Verbrennungsprozess in der Reaktionszone zu starten, indem er sich nach Austritt aus dem Pyrolyserohr mit der zugeführten Luft zu einem reaktionsfähigen Gemisch verbindet, das durch die Zündeinrichtung 4 entflammt wird. Die dabei erzeugte Verbrennungswärme kann dann aufgrund der Gegenstromanordnung des Pyrolyserohrs 2 zum Initiieren und Aufrechterhalten des Pyrolyseprozess verwendet werden. Da es mitunter jedoch Prozessschritte geben kann, in denen beispielsweise fast nur Ammoniak (NH₃) eingesetzt wird, muss dem Schadgas u.U. Wasserstoff (H₂) zugesetzt werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Umlenkeinrichtung 7 mit ihren Reflexionsflächen zum Umlenken des Reaktionsgases im Wesentlichen kalottenförmig ausgebildet. Dadurch wird eine besonders symmetrische Verwirbelung und somit besonders gleichmäßige Vermischung des Reaktionsgases mit der zugeführten Luft erreicht.
Weiterhin ist der Querschnitt des Auslasses 3 an den Wirkungsquerschnitt der sphärischen Reflexionsflächen der Umlenkeinrichtung 7 angepasst. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt dies durch eine düsenförmige Ausgestaltung des Auslasses 3 des Pyrolyserohrs 2.
Die Düsenform bietet zudem den Vorteil, dass das Reaktionsgas aufgrund des Düseneffekts mit einer erhöhten Austrittsgeschwindigkeit aus dem Auslass 3 austritt, wodurch ein Flammrückschlag aus der Reaktionszone in das Innere des Pyrolyserohrs 2 verhindert wird.
Die für die Bereitstellung der notwendigen Verbrennungsenergie vorgesehene Zündeinrichtung 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als kreisförmiger Glühzünder ausgebildet, der im Abstand d zur Außenseite der kalottenförmigen Umlenkeinrichtung 7 angeordnet ist. Dadurch wird zum einen erreicht, dass sich die Zündeinrichtung 4 möglichst nahe an dem sich bildenden Reaktions-Luft-Gemisch befindet. Zum anderen kann aufgrund des Abstands d die einströmende Luft zwischen Zündeinrichtung 4 und Umlenkeinrichtung 7 hindurch strömen und sich mit dem an den Abrisskanten der Umlenkeinrichtung verwirbelnden Reaktionsgas besonders effektiv vermischen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Zündeinrichtung 4 im Bereich der Umlenkeinrichtung 7 zudem derart angeordnet, dass die Umlenkeinrichtung 7 die Zündeinrichtung 4 vor direkter Flammeinwirkung aus dem Verbrennungsprozess abschirmt.
Zur Bildung der Reaktionszone ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Pyrolyserohr 2 zumindest bereichsweise von einem Reaktionsrohr 8 koaxial umgeben. Dadurch bleibt das in der Reaktionszone gebildete Reaktionsgas-Luft-Gemisch in einem begrenzten Raumbereich eingeschlossen, in dem es definiert und insbesondere vollständig verbrennen kann.
Zur Umsetzung des Gegenstromprinzips wird die Luft zum Verbrennen des Reaktionsgases im Wesentlichen entgegen der Strömungsrichtung a des Schadgases im Pyrolyserohr 2 in die Reaktionszone 6 eingebracht. Hierdurch entsteht insgesamt ein gerichteter Verbrennungsprozess im Reaktionsrohr 8, wobei die Flammrichtung der Strömungsrichtung b der Luft entspricht.
Die Zündeinrichtung 4 und die Umlenkeinrichtung 7 sind im Bereich des lufteinlassseitigen Endes 9 des Reaktionsrohres 8 angeordnet. Auf diese Weise vermischt sich das verwirbelte Reaktionsgas besonders schnell und effektiv mit der einströmenden Luft, so dass die Verbrennung sofort einsetzt. Dabei bildet das Reaktionsrohr 8 eine Art Führungskanal für die bei der Verbrennung entstehenden Flammen.
Insgesamt kann somit durch die spezielle Ausgestaltung der Umlenkeinrichtung 7 sowie deren unmittelbare Anordnung im Bereich der Zündeinrichtung 4 ein Abreißen der Flammwurzel verhindert und ein selbständig ablaufender Dauerbetrieb der Vorrichtung gewährleistet werden.
Um die Vermischung der einströmenden Luft mit dem Reaktionsgas zu fördern, sind im Bereich des lufteinlassseitigen Endes 9 des Reaktionsrohrs auf Höhe der Umlenkeinrichtung 7, Leitbleche 10 zum Verwirbeln der einströmenden Luft angeordnet.
Weiterhin sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an der Innen- und Außenseite des Pyrolyserohrs 2 fortsatzartige Elemente zur Wärmeübertragung und Verwirbelung des Schadgases bzw. Reaktionsgas-Luft-Gemisch angeordnet. Durch diese fortsatzartigen Elemente wird die Oberfläche des Pyrolyserohrs 2 vergrößert, wodurch sich der Wärmeübertrag der bei der Verbrennung des Reaktionsgases entstehenden Wärme an den Pyrolyseprozess verbessert.
Zudem bewirkt die an den fortsatzartigen Elementen entstehende Verwirbelung eine Durchmischung und Umwälzung des Schadgases im Pyrolyserohr 2 bzw. des Reaktionsgas-Luft-Gemisches in der Reaktionszone 6, wodurch sich die Effektivität des Pyrolyseprozesses bzw. des Verbrennungsprozesses erhöht.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ragt das Reaktionsrohr 8 in Luftströmungsrichtung b bereichsweise in ein Leitrohr 11 hinein, wobei zwischen Leitrohr 11 und Reaktionsrohr 8 eine Ringspalt 12 für eine Luftzufuhr gebildet ist, so dass das Leitrohr stromab des Reaktionsrohres eine Ausbrandzone 13 schließt. In dieser Ausbrandzone 13 wird dem heißen Verbrennungsabgas über den Ringspalt 12 weitere Luft zugemischt, um gegebenenfalls noch unreagierte Bestandteile weiter zu oxidieren und das Verbrennungsabgas insgesamt abzukühlen.
Um die Umgebung der Verbrennungsvorrichtung 1 vor der entstehenden Verbrennungswärme abzuschirmen ist ein äußeres Abgasrohr 15 vorgesehen, dass das Pyrolyserohr 2, das Reaktionsrohr 8, das Leitrohr 11, die Umlenkeinrichtung 7 und die Zündeinrichtung 4 mit Abstand umschließt. Dabei dient das Leitrohr 11 im Inneren des Abgasrohres 15 zur Ausbildung einer kalten Wandströmung, um das noch sehr warme Verbrennungsgas im weiteren Strömungsverlauf von der Wand des Abgasrohres 15 abzuhalten.
Zur Abkühlung der Verbrennungsgase ist zudem im weiteren Verlauf des Abgasrohrs 15 ein Wärmetauscher 17 vorgesehen, der die Abgase unter eine vorgegebene Temperatur abkühlt.
Weiterhin weist die Luftzufuhreinrichtung 5 ein Gebläse 16 auf, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Luftströmungsrichtung b nach dem Reaktionsrohr und nach dem Wärmetauscher 17 angeordnet ist, so dass die zum Verbrennen des Reaktionsgases notwendige Luft unter Erzeugung eines Unterdrucks der Vorrichtung zugeführt wird. Dabei wird insgesamt so viel Luft durch die Anlage gezogen, dass die Vermischung des Abgases auch ohne Umsetzung bzw. Verbrennung stets ein Gemisch unterhalb der Zündgrenze ergibt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum Entsorgen von Schadgasen
2: Pyrolyserohr
3: Auslass des Pyrolyserohrs
4: Zündeinrichtung
5: Luftzufuhreinrichtung
6: Reaktionszone
7: Umlenkeinrichtung
8: Reaktionsrohr
9: Lufteinlassseitiges Ende des Reaktionsrohrs
10: Leitbleche
11: Leitrohr
12: Ringspalt
13: Ausbrandzone
14: Elemente zur Wärmeübertragung und/oder Verwirbelung
15: Abgasrohr
16: Gebläse
17: Wärmetauscher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3618346 C2 [0004]
DE 4300865 C2 [0006]

Claims

Vorrichtung (1) zum Entsorgen von beispielsweise bei der Herstellung von Halbleitermaterialien entstehenden, insbesondere ammoniakhaltigen Schadgasen durch Verbrennen, mit einem beheizbaren Pyrolyserohr (2), durch das die Schadgase zum thermischen Spalten in ein Reaktionsgas hindurch strömen, mit einer dem Auslass (3) des Pyrolyserohrs (2) nachgeschalteten Zündeinrichtung (4) und einer Luftzufuhreinrichtung (5) zum Verbrennen des Reaktionsgases in einer Reaktionszone (6), dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die Strömungsrichtung (a) des Schadgases im Pyrolyserohr (2) stromab des Auslasses (3) des Pyrolyserohrs (2) eine Umlenkeinrichtung (7) zum Umlenken und Verwirbeln des Reaktionsgases mit der zugeführten Luft angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (7) dazu ausgebildet ist, das Reaktionsgas im Wesentlichen entgegen der Strömungsrichtung (a) des Schadgases im Pyrolyserohr (2) umzulenken.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet ist, dass die Umlenkeinrichtung (7) freiliegende Reflexionsflächen für das Umlenken des Reaktionsgases aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassquerschnitt des Pyrolyserohrs (2) an den Wirkungsquerschnitt der Reflexionsflächen der Umlenkeinrichtung (7) angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet ist, dass die Umlenkeinrichtung (7) mit ihren Reflexionsflächen im Wesentlichen trogförmig oder kalottenförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (3) des Pyrolyserohrs (2) düsenförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (4), vorzugsweise mit einem vorgegebenen Abstand (d), seitlich der Umlenkeinrichtung (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (4) wenigstens einen im Wesentlichen plattenförmigen oder kreisförmigen Glühzünder aufweist, der mit Abstand zur Außenlängsseite der trogförmigen bzw. zur Außenseite der kalottenförmigen Umlenkeinrichtung (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Reaktionszone (6) das Pyrolyserohr (2) zumindest bereichsweise von einem Reaktionsrohr (8), vorzugsweise koaxial, umgeben ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhreinrichtung (5) derart ausgebildet ist, dass die Luft zum Verbrennen der Reaktionsgase im Wesentlichen entgegen der Strömungsrichtung (a) des Schadgases im Pyrolyserohr (2) in die Reaktionszone (6) einströmt.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (4) und/oder die Umlenkeinrichtung (7) im Bereich des lufteinlassseitigen Endes (9) des Reaktionsrohres (8) angeordnet ist/sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des lufteinlassseitigen Endes (9) des Reaktionsrohres (8), im Bereich, vorzugsweise auf Höhe der Umlenkeinrichtung (7), Leitbleche (10) zum Verwirbeln der einströmenden Luft angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsrohr (8) in Luftströmungsrichtung (b) bereichsweise in ein Leitrohr (11) hineinragt, wobei zwischen Leitrohr (11) und Reaktionsrohr (8) ein Ringspalt (12) für eine Luftzufuhr gebildet ist, so dass das Leitrohr (11) stromab des Reaktionsrohres (8) eine Ausbrandzone (13) umschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innen- und/oder Außenseite des Pyrolyserohrs (2) Elemente (14) zur Wärmeübertragung und/oder Verwirbelung des Schadgases bzw. Reaktionsgas-Luft-Gemisches angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußeres Abgasrohr (15) vorgesehen ist, das das Pyrolyserohr (2), das Reaktionsrohr (8), das Leitrohr (11), die Umlenkeinrichtung (7) und die Zündeinrichtung (4) mit Abstand umschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasrohr (15) ein Wärmetauscher (17) zur Abkühlung der Verbrennungsabgase vorgesehen ist.