DE19631873C1 - Einrichtung zur Reinigung von schadstoffhaltigen Abgasen in einer Brennkammer mit anschließender Wascheinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrstufig wirkende Einrichtung zur Reinigung von Abgasen, insbesondere aus Anlagen zum Beschichten durch chemische Dampfphasenabscheidung und aus Anlagen zum Ätzen durch Plasmaprozesse, mindestens mit einer Brennkammer und einer Wascheinrichtung, vorzugsweise einer Sprühwascheinrichtung. Die zu reinigenden Abgase enthalten Schadstoffe unterschiedlicher, chemischer Zusammensetzung. Wichtige Gruppen derartiger Schadstoffe sind silizium-, phosphor- und borhaltige Verbindungen, u. a. Hydride, Fluorkohlenwasserstoffe und andere Fluorverbindungen sowie metallorganische Verbindungen. Die Schadstoffe oder deren Reaktionsprodukte wirken toxisch und stellen somit eine Gefahr für Mensch und Umwelt dar bzw. fördern aufgrund ihrer schädlichen Wirkung in der Atmosphäre die Ozonzerstörung und den Treibhauseffekt. Ein Teil der Schadstoffe bzw. die Reaktionsprodukte der Verbrennung und der Neutralisation wirken stark korrosiv auf die Bauteile der Reinigungseinrichtung, insbesondere auf das Brennkammerrohr ein.

Zur Abgasreinigung durch Verbrennung und chemische Umsetzung der Schadstoffe in einer Brennkammer sind eine ganze Reihe von Einrichtungen bekannt.

Die Schadstoffe sind teilweise brennbar, häufig aber selbst nicht brennbar. Stets sind sie Bestandteile von Abgasen mit hohem Inertgasanteil. Deshalb werden sie zur Verbrennung oder chemischen Umsetzung in eine Brenngasflamme, z. B. aus einem Erdgas/Sauerstoff- oder Wasserstoff-Sauerstoffgemisch, eingeführt (US 5 183 646). Schädliche Sekundärstoffe der Verbrennung oder chemischen Umwandlung müssen anschließend, z. B. durch Sorptions-, Neutralisations- und Waschprozesse, aus dem Abgas beseitigt werden (US 2 889 002).

In den meisten der bekanntgewordenen Abgasreinigungseinrichtungen werden mehrere Teilprozesse wie thermische Zersetzung oder Oxidation, thermisch aktivierte chemische Umsetzung, Kühlung des Gases, Sorption, Hydrolyse und Neutralisation ausgeführt (EP 0 346 893 B1). Dazu wird das Abgas nacheinander, z. B. durch eine Einrichtung mit einer Brennkammer und mindestens eine weitere Einrichtung, z. B. eine solche, die nach dem Waschprinzip wirkt, geleitet.

Es ist auch vorgeschlagen worden, daß Abgas zusätzlich zur Reinigung in einer Brennkammer in Kombination mit einer Sprühwascheinrichtung bereits vor der Komprimierung in einer Plasmaeinrichtung zum Zwecke der plasmachemischen Umsetzung zu behandeln. Dies ist besonders dann zweckmäßig, wenn in ihrer chemischen Zusammensetzung stark unterschiedliche Abgase zu reinigen sind. So ist zum Beispiel die Effizienz der Reinigung in einer Brennkammer sehr groß für Silan und Fluormethan, in einer Plasmareinigungsbaugruppe dagegen für Ammoniak und Dichlorsilan. Durch Behandlung des nicht komprimierten Abgases in einer Plasmaeinrichtung werden zusätzlich zur reinigenden Wirkung verschleißverursachende Ablagerungen in den Pumpen für das Abgas vermieden.

Für Einrichtungen zur Reinigung von Abgas in einer Brennkammer in Kombination mit einer Sprühwascheinrichtung ist auch vorgeschlagen worden, daß Abgas nacheinander durch eine Brennkammer zur Verbrennung der Schadstoffe und eine Waschkammer zu leiten, die konstruktiv zu einer Einheit zusammengefaßt sind (EP 0 346 893 B1). Ein mehrstufiger Reini­ gungsprozeß wurde auch in einer einzigen Reaktionskammer realisiert, in der das verbrannte Abgas unmittelbar durch eine feinverteilte Flüssigkeit (Sorptions- bzw. Kühlmittel) geführt wird oder mit einem solchen Flüssigkeitsfilm an den Wandflächen der Brennkammer in Kontakt gebracht wird (DE 43 20 044).

Wird Wasser in die Brennkammer oder Teile derselben geführt, um von deren inneren Wandung oder von Teilen des Brenners feste Reaktionsprodukte der Verbrennung, z. B. Siliziumdioxid als Produkt der Silanverbrennung, abzuwaschen, so kann sich dies verheerend in einem Anstieg der Korrosion an Teilen der Brennkammer auswirken, insbesondere wenn z. B. außer Silan fluorhaltige Abgase chemisch in der Flamme umgesetzt werden. Die sich dabei bildende Flußsäure ist einer der korrosivsten Stoffe.

Eine Verbesserung der Effizienz der Schadstoffreinigung kann auch mit Hilfe von Verfahren und Einrichtungen erreicht werden, bei denen in der Brennkammer gegenüber bestimmten Schadstoffen reaktive Materialien zusätzlich zur Verbrennung zur Wirkung gebracht werden (Pat. Anm. BRD 195 11 644.5 v. 30.03.95).

Die Effizienz der Umsetzung der Schadstoffe in der Brennkammer wird vor allem durch die Art und Konstruktion des Brenners, insbesondere die Art der Zufuhr der zu reinigenden Abgase, des Brenngases und des Sauerstoffes bestimmt (Pat.Anm. BRD 195 11 644.5 v. 30.03.95). Entscheidend ist daneben die Gestaltung der Brennkammer. In der Regel besitzt die Brennkammer eine innere Wandung, das eigentliche Brennkammerrohr, und einen schützenden, häufig direkt oder indirekt gekühlten Mantel. Durchmesser, Temperatur und Materialauswahl des Brennkammerrohres bestimmen weitgehend den Grad der Verbrennung bzw. chemischen Umsetzung mit. Die Materialauswahl für das Brennkammerrohr ist entscheidend für dessen Standzeit.

Erwünschte Wirkung bei der Behandlung der Abgase ist deren Verbrennung bzw. chemische Umsetzung. Unvermeidlich wirken dabei aber auch die heißen Sekundärprodukte der Verbrennung auf das Brennkammerrohr ein. Solche Verbrennungsprodukte sind als feste Bestandteile vorwiegend Oxide wie z. B. Siliziumdioxid, Phosphoroxid und Boroxid und als gasförmige Bestandteile, z. B. HF, HCl, SO₂ und NO_x. Außerdem ist im Ergebnis der Verbrennung stets Wasserdampf und überschüssiger Sauerstoff vorhanden. Eine unerwünschte, mit der Zeit die Verbrennung beeinträchtigende Nebenwirkung der bei der Verbrennung entstehenden festen Sekundärprodukte, ist ihre teilweise Ablagerung am Brenner und an den inneren Wandflächen des Brennkammerrohres. Dies führt zu einer Verengung des wirksamen Durchmessers des Brennkammerrohres. Notwendigerweise müssen derartige Ablagerungen beseitigt werden. In periodischen Abständen sind Brenner und Brennkammerrohr zu reinigen. Es sind Einrichtungen bekannt, bei denen eine Reinigung mittels mechanisch betätigter Schaber oder Bürsten, ohne die Brennkammer zu öffnen, erfolgen kann.

Kritischer als die Ablagerung von Sekundärprodukten ist die Korrosion. Die korrosive Wirkung wird für bestimmte Sekundärstoffe der Verbrennung, insbesondere für fluor- und chlorhaltige Schadstoffe, durch den unvermeidlich vorhandenen Wasserdampf und den überschüssigen Sauerstoff bewirkt oder beschleunigt. Darüber hinaus ist zu beachten, daß die Korrosion nicht nur unter der Einwirkung stark reaktiver Stoffe erfolgt, sondern zusätzlich bei den hohen Temperaturen der Wandflächen der Brennkammer.

Die Korrosion begrenzt die Lebensdauer des Brennkammerrohres. Um respektable Standzeiten der Brennkammerrohre zu erreichen, werden als Material warmfeste, korrosionsbeständige Legierungen eingesetzt. Trotzdem sind die Standzeiten metallischer Brennkammerrohre bei der Reinigung von Abgasen bestimmter Prozesse auf den Bereich einiger hundert Stunden begrenzt. Mit der Korrosion von Brennkammerrohren aus Metallen ist außerdem eine nicht unbeträchtliche, zusätzliche Kontamination der Waschflüssigkeit durch Metalle verbunden, bei korrosionsträgen Legierungen wie z. B. durch toxisch wirkendes Nickel und Kupfer.

Durch den Einsatz von keramischen Werkstoffen für das Brennkammerrohr läßt sich dessen Lebensdauer verlängern. Dies setzt jedoch voraus, daß die eingesetzten keramischen Werkstoffe nur reaktionsträge Komponenten enthalten, also z. B. kein SiO₂. Trotzdem ist bei dem Einsatz keramischer Werkstoffe die Lebensdauer auch durch die Korrosion begrenzt.

Eine weitere Schwierigkeit neben der Korrosion ergibt sich daraus, daß aus Gründen der Einsparung von Brenngas und damit von Betriebsmittelkosten, die Brennkammer nur während der Prozeßzeiten der Beschichtungs- bzw. Plasmaätzanlagen in Betrieb sein darf. Die Flamme in der Brennkammer muß sich also häufig ein- und ausschalten lassen. Nach einer Transientzeit von einigen Sekunden müssen beim Schalten die optimalen Betriebsbedingungen jeweils wieder erreicht sein. Dichtgebrannte Keramikrohre halten jedoch Temperaturwechsel mit großen Temperaturgradienten auf Grund der dabei auftretenden mechanischen Spannungen nicht stand, sie zerbersten unter der Wirkung dieser Beanspruchungen.

Eine weitere Beeinträchtigung ergibt sich für Brennkammern, an die eine Wascheinrichtung unmittelbar angeschlossen ist daraus, daß auch die Außenflächen des Brennkammerrohres auf der gesamten Länge oder einem Teil derselben der Waschflüssigkeit ausgesetzt sind. Die dem Wasser zugesetzten Sorptions- bzw. Neutralisationsmittel wie z. B. Kaliumlauge oder Kaliumkarbonat führen zur Abscheidung von Salzen, z. B. von Kaliumfluoriden, auf den Außenflächen des Brennkammerrohres. Diese Salze und andere in der Waschflüssigkeit enthaltene Chemikalien bewirken an der Außenfläche eine zerstörende Korrosion, was sich zusätzlich auf die Verkürzung seiner Lebensdauer auswirkt.

Bei derartigen Einrichtungen ist zumindest ein Teil des Brennkammerrohres der abkühlenden Wirkung der Waschflüssigkeit ausgesetzt. Das setzt die Wandtemperatur der Brennkammer herab und infolgedessen die Effizienz der Umsetzung der Schadstoffe oder führt beim Versuch der Kompensation der kühlenden Wirkung zu einem unvertretbaren Anstieg des Verbrauches an Brenngas.

Einrichtungen zur Abgasreinigung mit einer Brennkammer in Kombination mit einer Sprühwascheinrichtung haben also nach dem derzeitigen Stand der Technik eine Reihe von technischen Mängeln, die ihren Einsatz beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Auswirkungen der Korrosion auf die Wandungen einer Brennkammer, insbesondere der Wandungen des Brennkammerrohres gemäß der Einrichtung nach Anspruch 1, zu verhindern.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 11.

Es ist so die Standzeit von Brennkammerrohren zu erhöhen. Ferner sind dadurch die Betriebskosten der Reinigungseinrichtung zum einen durch Einsparung von Kosten für Ersatzbrennkammerrohre und zum anderen durch drastische Reduzierung von Kosten für Wartungsarbeiten (Rohrwechsel und Rohrreinigung) zu verbessern. Außerdem ist durch Verlängerung der ununterbrochenen Betriebszeiten (MTBF-Zeiten) der Abgaseinrichtung, die Sicherheit für den ununterbrochenen Betrieb der Prozeßanlagen bei Gewährleistung der Reinigung zu erhöhen und Verbesserungen für die optimale Einstellung der Betriebsparameter der Abgaseinrichtung im Interesse der Erhöhung der Effizienz der Reinigung zu erzielen.

Die Kontamination der Waschflüssigkeit durch den Anfall toxischer Stoffe infolge der Korrosion der Brennkammerrohre, ist zu vermeiden.

Die Einrichtung zur Reinigung von Abgasen, insbesondere aus CVD- und Plasmaprozessen, besteht aus einer Brennkammer mit Brenner, Brennkammerrohr und Mantel um das Brennkammerrohr und mit Zufuhr des Abgases, des Brenngases und des Sauerstoffes. In die Einrichtung sind weitere Funktionsgruppen zur Behandlung des Abgases, mindestens jedoch eine Wascheinrichtung, vorzugsweise eine Sprühwascheinrichtung, in der eine Waschflüssigkeit mit basischen Zusätzen wirkt, und eine Regenerationseinrichtung für die Waschflüssigkeit integriert.

Erfindungsgemäß wird das Brennkammerrohr dieser Einrichtung auf seiner ganzen Länge, zumindest aber im Bereich des Überganges zur Wascheinrichtung, aus einem Werkstoffverbund oder einer Rohranordnung ausgeführt, die sichern, daß die Innenfläche des Brennkammerrohres aus poriger und die Außenfläche des Brennkammerrohres bzw. der Rohranordnung zumindest in einem Bereich, in dem sie mit Waschflüssigkeit in Kontakt kommt, aus gesinterter, dichter Keramik besteht. Die porigen Teile des Werkstoffverbundes oder der Rohranordnung haben eine Porigkeit größer oder gleich 10%, die dichten Teile des Werkstoffverbundes oder der Rohranordnung haben eine Porigkeit kleiner oder gleich 1%. Der Aluminiumoxidanteil der Keramik ist größer als 98%.

Das Brennkammerrohr kann dabei ein gesintertes, dichtes Aluminumoxidrohr sein, in dessen Innerem eine porige Schicht aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von mehreren Zehntel Millimeter bis wenige Millimeter, vorzugsweise 2 Millimeter, aufgetragen ist. Die Schicht kann dabei aus körnigem Aluminiumoxid aufgesintert oder durch Plasmaspritzen aufgetragen sein.

Eine andere erfindungsgemäße Ausführung der Rohranordnung besteht aus einem rohrförmigen Gewebe aus hochwarmfestem, korrosionsträgem Metall, auf das eine mehrere Zehntel bis wenige Millimeter, vorzugsweise 0,8 Millimeter, dicke, porige Schicht aus Aluminiumoxid aufgetragen ist und aus einem Außenrohr aus gesintertem, dichten Aluminiumoxid von einigen Millimeter, vorzugsweise 4 Millimeter, Wandstärke. Die Breite des ringförmigen Spaltes zwischen Innenrohr und Außenrohr beträgt einige Zehntel bis einige Millimeter, vorzugsweise 5 Millimeter.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung einer Rohranordnung für die Brennkammer besteht aus einem Innenrohr aus porigem, gesintertem Aluminiumoxid mit einigen Millimeter Wandstärke, vorzugsweise 4 Millimeter Wandstärke, und aus einem Außenrohr aus dichtem, gesinterten Aluminiumoxid von einigen Millimeter Wandstärke, vorzugsweise 4 Millimeter Wandstärke. Die Durchmesser von Innenrohr und Außenrohr werden so gewählt, daß im zusammengesetzten Zustand der Rohranordnung zwischen den Rohren ein ringförmiger Spalt mit einer Breite von einigen Zehntel bis einige Millimeter, vorzugsweise 5 Millimeter, resultiert.

Insgesamt wird durch den Einsatz des Werkstoffverbundes bzw. der Rohranordnung in der Brennkammer erreicht, daß sowohl an der Innenfläche der Brennkammer als Grenzfläche zur Flamme und zu den strömenden, heißen Reaktionsprodukten der Abgasverbrennung als auch an der Außenfläche des Brennkammerrohres als Grenzfläche zu kalten Waschflüssigkeits­ tropfen mit gelöstem Sorptionsmittel und Reaktionsprodukten der: Neutralisation für den Betrieb der Brennkammer optimale und für minimale Korrosion günstige Bedingungen geschaffen werden.

Für die Mehrzahl der Abgas- und Waschflüssigkeitsbestandteile aus CVD- und Plasmaprozessen hat sich in Versuchen Aluminiumoxid korrosionsbeständiger als warmfeste, korrosionsträge Metallegierungen, aber auch als Keramik mit einem Anteil von Aluminiumoxid und anderen Oxide, wie z. B. Siliziumdioxid, sowohl als Werkstoff für die Innenfläche als auch als Werkstoff für die Außenfläche des Brennkammerrohres bzw. der Rohranordnung erwiesen. Als Werkstoffe sind auch andere hitzebeständige Oxide oder Nitride, z. B. Siliziumnitrid, geeignet. Hinsichtlich der Kosten ist reines Aluminiumoxid jedoch in den Materialkosten und den technologischen Kosten für die Herstellung des Werkstoffverbundes oder der Rohranordnung günstiger als die genannten hitzebeständigen Werkstoffe, die noch in Betracht zu ziehen wären.

Durch den besagten Werkstoffverbund, insbesondere aber auch durch die besagten Rohranordnungen, wird gesichert, daß durch Temperaturdifferenzen bewirkte mechanische Spannungen nicht zu einer Zerstörung des Rohres bzw. der Rohranordnung führen können. Bereits in einer Verbundschicht aus porigem Material auf dichtem Material werden mechanische Spannungen im Rohrquerschnitt abgebaut. Stabiler noch gegenüber den Folgen großer Temperaturdifferenzen ist eine Rohranordnung mit einem Innenrohr und einem Außenrohr. In ihr fällt der größte Teil der Temperaturdifferenz über dem Spalt zwischen Innenrohr und Außenrohr ab, trägt also nur wenig zu mechanischen Spannungen innerhalb der Wandstärken der Rohre bei. Wegen des für die mechanischen Spannungen innerhalb der Rohre unwirksamen Temperatursprunges über dem Spalt zwischen Innenrohr und Außenrohr, ist eine solche Anordnung auch gegenüber den großen Temperaturgradienten beim Ein- und Ausschalten der Brennkammer mechanisch stabil.

Vergleichende Versuche mit einer dichten und einer porigen Innenfläche der Brennkammer zeigten, daß sich die Porigkeit nicht ungünstig auf die Korrosion dieser Fläche auswirkt aber entscheidend die Beständigkeit gegen Temperaturwechsel verbessert. Offensichtlich wirkt die bei der Verbrennung entstehende Feuchte bei der hohen Temperatur der inneren Wandfläche nur wenig an dieser Fläche. Die Mehrzahl der bei der Verbrennung gebildeten Sekundärprodukte wirken aber erst bei gleichzeitiger Anwesenheit von Feuchte stark korrosiv. Dies gilt insbesondere für die Wirkung von Fluorwasserstoff auf Aluminiumoxid.

Andererseits ist eine dichte Außenfläche, die folglich auch mit geringer Rauhigkeit ausgebildet werden kann, günstig, da sich an ihr nur in geringem Maße feste Stoffe, die bei der Neutralisation entstehen, absetzen. An der Außenwand der Rohranordnung sich in geringerem Umfang noch absetzende Stoffe werden jedoch nicht "eingebrannt", da durch die Doppelrohranordnung die Außenfläche eine geringere Temperatur annimmt als bei einer Ausführung mit nur einem Rohr. Da der Feuchtigkeitsfilm an der kälteren Außenfläche weniger feste Ablagerungen vorfindet, die zusammen mit der Feuchte besonders aktive Zentren für die Korrosion wären, ist in Konsequenz die Korrosion durch die erfindungsgemäße Lösung auch für die Außenfläche des Brennkammerrohres stark reduziert.

Das Brennkammerrohr oder die besagten Rohre der Rohranordnung sind locker in Halteelementen der Brennkammer oder/und der Sprühwascheinrichtung gehaltert. Auch durch diese Maßnahme werden mechanische Spannungen in den Rohren vermieden. Dies ist eine weitere Voraussetzung dafür, daß die Rohre unter der Einwirkung großer Temperaturgradienten nicht zerstört werden.

Der Spalt zwischen besagten Rohren der Rohranordnung ist an deren Enden in Richtung zur Sprühwascheinrichtung mit einer Kappe oder einem Distanzring aus einer korrosions­ beständigen Legierung verschlossen. Diese Elemente verhindern das Eindringen von Feuchte oder reaktiven Sekundärprodukten in den Spalt zwischen den Rohren, so daß auch dort eine Korrosion vermieden wird. Der Distanzring zur Zentrierung von Innenrohr zu Außenrohr kann zur Vermeidung von Korrosion an ihm selbst zweckmäßigerweise auch aus Aluminiumoxid ausgeführt sein.

Der Spalt zwischen den Rohren kann ungefüllt bleiben. Es kann aber auch zweckmäßig sein, ihn mit einem wärmeisolierenden Material zu füllen, z. B. mit Aluminiumoxidgranulat oder Aluminiumoxidwolle. Im ersten Fall befindet sich im wesentlichen Stickstoff oder Argon und Kohlendioxid, also ein Gasgemisch geringer Wärmeleitung im Spalt. Mit beiden Lösungen wird erreicht, daß der Wärmefluß zwischen den beiden Rohren niedrig gehalten wird. Es kann auf diese Weise leicht eine Temperaturdifferenz bis zu, bzw. im Bereich, von 1000°C zwischen den Rohren aufrechterhalten werden. Eine solche hohe Temperaturdifferenz zwischen Innenfläche und Außenfläche der Rohranordnung wirkt sich günstig auf den Wärmeverlust aus dem Brennkammerraum aus, woraus eine Einsparung an Brenngas bei Anwendung der Rohranordnung resultiert. Der geringere Wärmefluß durch die Mantelfläche der Rohranordnung bewirkt aber auch eine gleichmäßigere Temperaturverteilung im Brennkammerraum. Beides trägt zur Verbesserung der Effizienz der Schadstoffumsetzung bei.

Durch die heißen Gase, insbesondere die heißen, reaktiven Sekundärprodukte der Verbrennung und den heißen Wasserdampf, wird nicht nur das Brennkammerrohr beaufschlagt, sondern auch andere funktionsbedingte Bauteile in der Brennkammer, insbesondere die Flächen von Bauteilen am Übergang des Brennkammerrohres zur Sprühwascheinrichtung und von Bauteilen im Bereich des Brenners, z. B. von der Zündeinrichtung, von Sensoren, von Gaszuführungen und von Halteelementen. Auch sie sind der Korrosion ausgesetzt bzw. müssen vor Wärmestrahlung geschützt werden.

Vor der Fläche des Bauteiles, daß zur Trennung des heißen Abgasstromes aus der Brennkammer und der Waschflüssigkeit aus der Sprühwascheinrichtung im Bereich des Überganges dieser beiden Funktionsbaugruppen angeordnet ist, wird eine Platte oder eine, der Krümmung dieses Bauteils angepaßte Kalotte aus porigem Aluminiumoxid, mit einer Porigkeit größer oder gleich 10% und mit einer Stärke von einigen Millimeter, vorzugsweise von 4 Millimeter, in einem Abstand von einigen Millimeter, vorzugsweise von 5 Millimeter, angeordnet. Die Platte bzw. die Kalotte schützt das besagte Bauteil auf Grund seiner Eigenschaften vor Korrosion, ohne unter der Wirkung mechanischer Spannungen als Folge der Hitze an ihrem exponierten Ort in der Brennkammer zu bersten. Da sie zwischen Brennkammerraum und besagtem Bauteil zusätzlich als Wärmestrahlungsschutz wirkt, verbessert sie die Wärmebilanz in der Brennkammer und verhindert das vorzeitige Abkühlen des heißen Gasstromes an eben diesem Bauteil. Das Abschrecken des heißen Gasstromes erfolgt erst unmittelbar am Übergang in die Sprühwascheinrichtung durch direkten Kontakt mit den Flüssigkeitstropfen der Waschflüssigkeit.

Zum Schutz der funktionsbedingten Bauteile im Bereich des Brenners vor Wärmestrahlung und vor den heißen, korrosivwirkenden Sekundärprodukten in der Brennkammer, wird dort zwischen Außendurchmesser des Brenners und Innendurchmesser des Brennkammerrohres häufig ein Hitzeschild angeordnet. Seine mechanische Stabilität und eine hohe Lebensdauer läßt sich dadurch erreichen, daß der Hitzeschild aus porigem Aluminiumoxid, mit einer Porigkeit größer oder gleich 10% und mit einer Stärke von einigen Millimeter, vorzugsweise von 4 Millimeter, ausgeführt wird. In einer Gasreinigungsanlage, in deren Brennkammer der Brenner im Bereich des Bodens angeordnet ist und feste Reaktionsprodukte sich dort ansammeln können, ist es zweckmäßig, den Schild konisch auszuführen und zwischen seinem Außendurchmesser und dem Innendurchmesser des Brennkammerrohres einen Spalt mit einer Breite von 1 bis 4 Zentimeter vorzusehen. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die festen Sekundärprodukte durch den Bereich des Hitzeschildes fallen und sich am Boden der Brennkammer sammeln können.

Die Erfindung wird in folgendem an Hand des in Fig. 1 schematisch dargestellten Schnittes eines Ausführungsbeispieles der Einrichtung erläutert. In Fig. 1 sind im linken Teilschnitt A und im rechten Teilschnitt B Varianten für zwei verschiedene Ausführungsformen dargestellt.

In der erfindungsgemäßen Einrichtung umschließen die inneren Wandflächen einer Brennkammerrohranordnung (1) einen zylindrischen Brennkammerraum (2). Die Rohranordnung hat einen Innendurchmesser von 12 cm und ist 35 cm lang. In einem Bauteil (3) ist der Ringbrenner (4) angeordnet. Ihm wird das Brenngasgemisch aus Methan und Sauerstoff über eine Zufuhr (5) zugeführt. Der Ringbrenner (4) hat einen Durchmesser von 2,5 cm. Über dem Ringbrenner (4) bildet sich die Brenngasflamme (6) aus.

Der Körper (7) mit konvexen Außenflächen in Richtung und entgegen der Richtung der Achse der Brennkammer hat einen Außendurchmesser von 19 cm, ist also größer als der Außendurchmesser der Brennkammerrohranordnung. Durch Haltestege (8) und (9) zum Gehäuse (10) oder (11) aus Metall ist der Abstand des Körpers (7) zum oberen Rand der Rohranordnung mit 2 cm fixiert. Der Innendurchmesser der Gehäuse (10) bzw. (11) beträgt 23 cm. Durch die Haltestege (8) und (9) wird ein Ringspalt von 2 cm Breite zwischen dem Körper (7) und dem Gehäuse (10) oder (11) fixiert.

In den Gehäusen (10) bzw. (11) befindet sich eine zweistufig wirkende Sprühwascheinrichtung mit den in Achsenrichtung nacheinander angeordneten Kegeldüsen (12) und (13) und den Zuflüssen (14) und (15). Die Düsen versprühen Waschmittel, Wasser oder eine 1,5%ige wäßrige Lösung von KOH, in zwei Sprühkegel (16) und (17). Zwischen Haltesieben (18) und (19) sind in einer der Sprühwascheinrichtungen zwischen den Kegeldüsen (12) und (13) Füllkörper (20) angeordnet. Im oberen Bereich der Sprühwascheinrichtung befindet sich der Stutzen (21) zum Anschluß an die Abluftanlage.

In der Ausführungsform entsprechend dem linken Teilschnitt A der Fig. 1 besteht die Brennkammer aus zwei gleich langen, konzentrisch angeordneten Aluminiumoxidrohren. Das innere Rohr (22) besteht zu 99% aus Aluminiumoxid mit einer Porigkeit von 10%. Es hat eine Wanddicke von 4 Millimeter. Das äußere Rohr (23) besteht ebenfalls zu 99% aus Aluminiumoxid, weist jedoch eine Porigkeit von kleiner 1% auf. Es hat auch eine Wanddicke von 4 Millimeter. Der radiale Abstand der beiden Rohre (22) und (23) beträgt 5 Millimeter. Halte- und Zentrierelemente (24) sind am Bauteil (3) angeordnet und sichern die Lage der Rohre zueinander und relativ zum Brennkammerraum (2). Ein Distanzring (25) zentriert auch am oberen Ende die Rohre gegeneinander und verschließt den Ringspalt (26) zwischen den Rohren.

Zwischen den Flanschen (27) am Bauteil (3) und (28) am Gehäuse (10) ist der zylindrische Mantel (29) mit dem gleichen Innendurchmesser wie das Gehäuse (10) angeordnet.

Die innere Wandfläche des Rohres ist der Hitze der Brenngasflamme (6) und dem heißen Strom der Abgase ausgesetzt. Die äußere Wandfläche des Rohres (23) ist Spritzern der Waschflüssigkeit und darin enthaltenen Verbrennungsprodukten und Produkten der Neutralisation ausgesetzt. Am unteren Ende des zylindrischen Mantels (29) ist eine Ringwanne (30) für das Sammeln der versprühten Waschflüssigkeit ausgebildet. Dort ist ein Ausfluß (31) für die Waschflüssigkeit vorgesehen.

In der Ausführungsform entsprechend dem Teilschnitt B der Fig. 1 besteht die Brennkammerrohranordnung aus zwei konzentrischen Aluminiumoxidrohren unterschiedlicher Länge. Material, Porigkeit, Wanddicke und radialer Abstand der Rohre (32) und (33) entsprechen denen der Rohre (22) und (23). Das innere Rohr (32) stimmt in seiner Länge ebenfalls grob mit der Länge des Brennkammerraumes (2) überein. Es ist in Halte- und Zentrierelementen (34) am Bauteil (3) in seiner Lage relativ zum Brennkammerraum (2) fixiert. Das äußere Rohr (33) ist auf den Bereich des Überganges zur Sprühwascheinrichtung begrenzt und hat eine Länge von etwa 6 cm. Es ist im Gehäuse (11) für den Körper (7) an den Halte- und Zentrierelementen (35) fixiert. Der Körper (7) trennt den Brennkammerraum (2) von der Sprühwascheinrichtung, läßt aber an einem Ringspalt einerseits das Abgas aus der Brennkammer ausströmen, andererseits die Waschflüssigkeit hindurchsprühen. Im unteren Bereich des Gehäuses (11) ist eine Ringwanne (36) zum sammeln der Waschflüssigkeit ausgebildet. Dort ist ein Ausfluß (37) für die Waschflüssigkeit vorgesehen.

Die Einwirkung von heißem Abgasstrom und Spritzern der Waschflüssigkeit auf die Rohre (32) und (33) entspricht der auf die Rohre (22) und (23).

Zwischen den Flanschen (38) am Gehäuse (11) und (39) am Bauteil (3) ist der zylindrische Mantel (40) der Brennkammer fixiert. In den ringförmigen Raum (41) zwischen Brennkammerrohr (32) und Mantel (40) kann in der Ausführungsform nach Teilschnitt B keine Waschflüssigkeit eindringen. Der Raum (41) ist entweder offen oder mit Aluminiumoxidwolle zur Wärmeisolation gefüllt.

Im Betrieb der Gasreinigungseinrichtung wird das Abgas aus den Prozeßanlagen der Halbleiterschaltkreisfertigung über eine Zuleitung einer Vakuumpumpe zugeführt und auf Atmosphärendruck verdichtet. Das verdichtete Abgas mit den unterschiedlichen Schadstoffen wird dann über den Einlaß (42) in den Ringbrenner geleitet. Die thermische oder chemische Umsetzung der Schadstoffe des Abgasstromes erfolgt nach Eintritt in die Brenngasflamme (6) im Brennraum (2). Der heiße Abgasstrom strömt in Pfeilrichtung (43) zunächst durch die Brennkammer, dann durch die Sprühwascheinrichtung, wo er durch die Waschflüssigkeit auf deren Temperatur abgeschreckt und der Sorptions- oder Neutralisationsprozeß erfolgt. Der abgeschreckte Abgasstrom strömt in Richtung der Pfeile (44) durch die Füllkörper (20) der zweiten Waschstrecke der Sprühwascheinrichtung. Nach erfolgter Wäsche wird das gereinigte Abgas in Pfeilrichtung (45) + (46) durch den Stutzen (21) in die Abluftanlage überführt.

Feste Reaktionsprodukte der Schadstoffumsetzung in der Brennkammer sammeln sich am Boden des Bauteiles (3), sie können mittels der Klappe (47) abgelassen werden.

Zwischen den Zuflüssen (14) bzw. (15) und den Ausflüssen (31) und (37) ist ein Regenerations-Kreislaufsystem für die Waschflüssigkeit angeschlossen.

Die Abgasreinigungseinrichtung wird durch eine Steuereinrichtung ergänzt. Eine Anzahl von Sensoren liefern die Signale zur Kontrolle und Steuerung des Reinigungsprozesses.

In der Fig. 1 sind in den Teilschnitten A und B Ausführungsformen für eine Gasreinigungseinrichtung dargestellt, in der in der Brennkammer der Brenner im unteren Bereich der Brennkammer angeordnet ist und das Abgas von unten nach oben durch die Brennkammer strömt. Die erfindungsgemäßen Lösungen für die Brennkammerrohre lassen sich aber auch leicht für eine Gasreinigungseinrichtung zu Ausführungsformen modifizieren, in denen der Brenner im oberen Bereich der Brennkammer angeordnet ist und das Abgas von oben nach unten strömt.

In Fig. 1 Teilschnitt A sind zwei optional einzusetzende Bauteile dargestellt.

Dem Körper (7) in der Form angepaßt ist die Kalotte (48) in einem Abstand von 5 mm zu der Oberfläche des Körpers (7) angeordnet, die in Richtung des Brennkammerraumes (2) weist. Diese Kalotte ist ein Sinterkörper aus porösem Aluminiumoxid.

Der Hitzeschild (49), der mit Elementen (50) an dem Brenner befestigt ist, ist ebenfalls ein Sinterkörper aus 4 mm dickem Aluminiumoxid. Er hat einen Innendurchmesser von 3 cm und einen Außendurchmesser von 9 cm; der Kegelwinkel dieses konischen Bauteils ist 40°.

Claims (11)

1. Einrichtung zur Reinigung von Abgasen, insbesondere aus CVD- und Plasmaprozessen, bestehend aus einer Brennkammer mit Brenner, Brennkammerrohr und Mantel um das Brennkammerrohr und mit Zufuhr des Abgases, des Brenngases und des Sauerstoffes sowie weiterer Funktionsbaugruppen zur Abgasbehandlung, mindestens jedoch einer Wascheinrichtung mit einer basisch wirkenden Waschflüssigkeit und einer Regenerations­ einrichtung für die Waschflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennkammerrohr auf seiner ganzen Länge, zumindest aber im Bereich des Überganges zur Wascheinrichtung, aus einem Werkstoffverbund oder einer Rohranordnung besteht, die sichern, daß die Innenfläche des Brennkammerrohres der Anordnung aus porigem, mit einer Porigkeit größer oder gleich 10%, und die Außenfläche des Brennkammerrohres bzw. der Anordnung zumindest in einem Bereich, in dem sie mit der Waschflüssigkeit in Kontakt kommt, aus gesintertem, dichten, vorzugsweise mit einer Porigkeit kleiner oder gleich 1%, Aluminiumoxid besteht und daß der Aluminiumoxidanteil des gesamten Werkstoffverbundes bzw. der Rohranordnung größer als 98% beträgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren eines gesinterten, dichten Aluminiumoxidrohres eine porige Schicht aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von einigen Zehntel bis einige Millimeter, vorzugsweise 2 Millimeter, aufgebracht ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohranordnung aus einem Innenrohr, bestehend aus einem Gewebe aus einem hochwarmfesten, korrosionsträgem Metall, auf das eine mehrere Zehntel Millimeter, vorzugsweise 0,8 Millimeter, dicke Schicht aus reinem Aluminiumoxid aufgetragen ist, und aus einem Außenrohr aus gesintertem, dichten Aluminiumoxid von einigen Millimeter, vorzugsweise 4 Millimeter, Wandstärke aufgebaut ist und daß die Breite des Spaltes zwischen Innenrohr und Außenrohr einige Zehntel bis einige Millimeter, vorzugsweise 5 Millimeter, beträgt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohranordnung aus einem Innenrohr aus porigem, gesintertem Aluminiumoxid von einigen Millimeter Wandstärke, vorzugsweise 4 Millimeter, und aus einem Außenrohr aus gesintertem, dichten Aluminiumoxid von einigen Millimeter Wandstärke, vorzugsweise 4 Millimeter, aufgebaut ist und daß die Breite des Spaltes zwischen Innenrohr und Außenrohr einige Zehntel bis einige Millimeter, vorzugsweise 5 Millimeter, beträgt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennkammerrohr bzw. die Rohranordnung locker in entsprechenden Halteelementen der Brennkammer bzw. der Sprühwascheinrichtung gehalten sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das der Spalt zwischen Innenrohr und Außenrohr besagter Rohranordnungen stirnseitig mit einer Kappe oder einem Distanzring verschlossen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen Innenrohr und Außenrohr besagter Rohanordnungen ungefüllt bleibt.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen Innenrohr und Außenrohr der besagten Rohranordnungen mit einem wärmeisolierenden Werkstoff vorzugsweise mit Aluminiumoxidgranulat oder Aluminumoxidwolle, gefüllt ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8 mit einem Bauteil zur Trennung von Abgasstrom aus der Brennkammer und Waschflüssigkeit aus der Sprühwascheinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß vor den Flächen dieses Bauteils in Richtung Brennkammerrohr eine Platte oder eine der Krümmung dieses Bauteils angepaßte Kalotte aus porigem Aluminiumoxid, mit einer Porigkeit größer oder gleich 10%, und mit einer Stärke von einigen Millimeter, vorzugsweise von 4 Millimeter, in einem Abstand von einigen Millimeter, vorzugsweise von 5 Millimeter, angeordnet wird.

10. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8 mit einem Hitzeschild im Bereich des Brenners zwischen Außendurchmesser des Brenners und Innendurchmesser des Brennkammerrohres, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschild aus porigem Aluminiumoxid, mit einer Porigkeit größer oder gleich 10% und mit einer Stärke von einigen Millimeter, vorzugsweise von 4 Millimeter, ausgeführt ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schild konisch ausgeführt ist und zwischen seinem Außendurchmesser und dem Innendurchmesser des Brennkammerrohres ein Spalt mit einer Breite von 1 bis 4 Zentimeter vorgesehen ist.