DE69520313T2

DE69520313T2 - Zerstörung giftiger Substanzen durch Verbrennung

Info

Publication number: DE69520313T2
Application number: DE69520313T
Authority: DE
Inventors: David Bartz; Robert M. Kendall; Frederick E. Moreno
Original assignee: Alzeta Corp
Current assignee: Alzeta Corp
Priority date: 1994-07-25
Filing date: 1995-07-21
Publication date: 2001-10-31
Anticipated expiration: 2015-07-22
Also published as: EP0694735B1; US5603905A; ATE199776T1; DE69520313D1; EP0694735B9; JPH08105618A; US5510093A; EP0694735A1; JP3512528B2

Description

Die Erfindung betrifft die Entsorgung von Schadstoffen, insbesondere von zur globalen Erwärmung und zur Luftverschmutzung beitragenden halogenisierten Verbindungen, wie beispielsweise Fluorkohlenstoffe und durch Oxidation Partikel bildende Stoffe, z. B. Silan, durch Vernichtung mittels Verbrennung.
Fluorkohlenstoffgase, z. B. Hexafluorethan (C&sub2;F&sub6;) und Tetrafluormethan (CF&sub4;) sind Verbindungen, die zur globalen Erwärmung beitragen, wenn sie in die Atmosphäre freigesetzt werden, wo sie extrem lange Verweilzeiten haben. Diese Gase sowie andere fluorierte Gase, z. B. Stickstofftrifluorid (NF&sub3;) und Schwefelhexafluorid (SF&sub6;) werden bei der Halbleiterfertigung während des Ätzens, der Modifizierung und der Konstruktion von Siliciumwafern und während des Reinigens der in den Prozessen verwendeten Maschinen verwendet. Hydride, z. B. Silan (SiH&sub4;), das sich entzündet, wenn es Luft ausgesetzt ist, werden ebenfalls bei der Herstellung von Siliciumwafern verwendet. Die fluorierten Gase und Hydride und auch partikelförmige Substanzen werden, manchmal zusammen und manchmal nacheinander, mit Stickstoff aus den Maschinen entfernt.
Es ist gängige Praxis, den die Schadstoffgase enthaltene Stickstoffstrom durch elektrisches Erwärmen oder Gasfeuerung thermisch zu vernichten. Die vollständige Vernichtung der unerwünschten Gase wird jedoch nur durch einen großen Wärmeenergieverbrauch erreicht. Ein anderes gängiges Verfahren zum Mischen des Stroms mit Wasserstoff und zum Ausführen eines Verbrennungsprozesses ist aufgrund der Verwendung großer Mengen teuren Wasserstoffs nicht zufriedenstellend.
Es ist auffallend, daß diese teuren und nicht zufriedenstellenden Entsorgungsverfahren verwendet werden, obwohl durch mehrere Patente andere Verfahren vorgeschlagen werden. Beispielsweise wird im US-Patent Nr. 4627388 die Verbrennung von halogenisiertem Kohlenwasserstoff-Abfallmaterial in einem horizontalen Flammrohrboiler beschrieben, in dem eine mit feuerfestem Material ausgekleidete Verbrennungskammer mit einer wesentlichen Länge erforderlich ist, um die Flammenfront in der Nähe adiabatischer Bedingungen zu halten. Im US-Patent Nr. 4206711 wird die Verwendung einer vertikalen Verbrennungskammer beschrieben, in der flüssiges Abfallmaterial von oben herabgesprüht wird, während durch mehrere flache Flammenstrahlungsbrenner in den Wänden der Kammer Flammen bereitgestellt werden, die das eingesprühte Abfallmaterial vollständig umgeben.
Im US-Patent Nr. 4828481 wird dargestellt, daß die in den vorstehenden Patenten vorgesehene großformatige und teure Apparatur eliminiert werden kann, indem eine Verbrennungskammer mit zwei gegenüberliegenden porösen Platten verwendet wird, zwischen denen die Verbrennung stattfindet. Ein Gemisch aus gasförmigem Brennstoff, Luft und Abfallmaterialdampf wird durch eine poröse Platte zugeführt und in der Kammer verbrannt, und die Verbrennungsprodukte treten durch die andere poröse Platte aus. Das Abfallmaterial muß jedoch partikelfrei sein, weil die einlaßseitige poröse Platte ansonsten verstopft. Auch bei Abwesenheit von Partikeln im Abfallmaterial besteht die reelle Gefahr, daß sich während der Verbrennung Partikel bilden, z. B. Ruß oder Silika (wenn Silan im Abfallmaterial vorhanden ist), die die auslaßseitige poröse Platte verstopfen. Daher besteht weiterhin Bedarf für ein praktisches Entsorgungssystem.
In der DE-A-42 01 650 wird eine Vorrichtung für die thermische Veraschung von mit oxidierbaren Verunreinigungen kontaminiertem Abfallgas beschrieben, insbesondere von Abfallgas von Wärmebehandlungsöfen. Die Vorrichtung weist einen Verbrennungsbereich auf, der seitlich von der Austrittsfläche eines porösen Gasbrenners umgeben ist. Dem Brenner zugeführtes Brenngas und Luft werden verbrannt, nachdem sie in den Verbrennungsbereich eingeleitet wurden, während Abfallgas und beigemischte Luft durch den Verbrennungsbereich strömen.
In der industriellen Praxis kann der Gasstrom, der eine oder mehrere halogenisierte Verbindungen mitführt, gleichzeitig oder aufeinanderfolgend auch durch Oxidation Partikel bildende Substanzen aufweisen. Silan, das in Luft zu Silika oxidiert, und andere häufig verwendete Hydride, z. B. Arsenwasserstoff oder Arsin (AsH&sub3;), das zu einem unangenehmen klebrigen oder klumpigen Oxid (As&sub2;O&sub3;) oxidiert, sind Beispiele Partikel bildender Substanzen, die häufig in Verbindung mit halogenisierten Verbindungen auftreten, insbesondere mit in der Halbleiterindustrie verwendeten Fluorkohlenstoffen.
Außer den in der Halbleiterindustrie verwendeten fluorierten Gasen weisen in anderen Industrien verwendete, zur Luftverschmutzung beitragende Substanzen chlorierte Kohlenwasserstoffe auf, z. B. Kohlenstofftetrachlorid, Trichlorethylen, Chlorbenzol und Vinylchlorid. In der Kälteindustrie wurden für lange Zeit Fluorchlorkohlenwasserstoffe als Kältemittelgase favorisiert, diese Gase werden jedoch nun schrittweise ersetzt. Es besteht weiterhin Bedarf für ein geeignetes System zum Entsorgen oder Beseitigen all dieser halogenisierten Verbindungen.
Die Erfindung betrifft die Bereitstellung eines einfachen und ökonomischen Systems zum Vernichten halogenisierter Verbindungen und/oder durch Oxidation Partikel bildender Substanzen durch Verbrennung und die Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, durch die eine im wesentlichen vollständige Vernichtung von Schadstoffen erreicht wird, während die Bildung von während der Verbrennung normalerweise entstehenden, zur Luftverschmutzung beitragenden Substanzen, d. h. von Stickoxiden (NOX), Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC), unterdrückt wird.
Es ist eine wesentliche Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung bereitzustellen, die einfach und ökonomisch konstruierbar und betreibbar ist.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Vernichten von Schadstoffen durch Verbrennung bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Einleiten bzw. Einspritzen eines Gasstroms, der mindestens einen Schadstoff und beigemischtes Brenngas aufweist, in einen Verbrennungsbereich, der seitlich von Austrittsflächen eines perforierten oder mit Löchern versehenen Gasbrenners umschlossen ist, gleichzeitiges Zuführen eines Brenngases und von Luft zum perforierten Gasbrenner, um an der Austrittsfläche eine Verbrennung zu bewirken, wobei die Menge des dem perforierten Gasbrenner zugeführten Brenngases auf einer kg-cal- (BTU-) Basis größer ist als diejenige des beigemischten Brenngases, und wobei die Luftmenge größer ist als für alle in den Verbrennungsbereich eintretenden Brennmaterialien stöchiometrisch erforderlich, und Ableiten des erhaltene Verbrennungsproduktstroms vom Verbrennungsbereich. Im allgemeinen wird die Gasstromeinspritzung im oberen Abschnitt und die Ableitung im unteren Abschnitt des Verbrennungsbereichs stattfinden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden Schadstoffe (unerwünschte Substanzen), insbesondere halogenisierte Verbindungen und durch Oxidation Partikel bildende Substanzen, durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten im wesentlichen vollständig (zu mindestens 95%) durch Verbrennung vernichtet: Mischen eines Brenngases mit einem schadstoffhaltigen Strom und Einspritzen des Gemischs in einen Verbrennungsbereich, der bei einer Temperatur von mindestens 1038ºC (1900ºF) gehalten wird, indem eine flammenfreie Verbrennung eines Gemischs aus einem Brennstoff und einer übermäßigen Luftmenge an der Austrittsfläche eines den Verbrennungsbereich umgebenden perforierten Gasbrenners bewirkt wird. Die durch den perforierten Brenner strömende übermäßige Luftmenge reicht aus, um nicht nur den dem Brenner zugeführten Brennstoff sondern auch alle Brennmaterialien im direkt in den Verbrennungsbereich eingespritzten Gemisch zu verbrauchen. Selbst dann sollte noch eine ausreichende Luftmenge vorhanden sein, so daß im aus dem Verbrennungsbereich austretenden Produktgasstrom freier Sauerstoff verbleibt. Im allgemeinen sollte, um eine im wesentlichen vollständige Verbrennung (von mindestens 95%) der Schadstoffe oder unerwünschten Substanzen zu erreichen, die übermäßige Luftmenge mindestens 10% größer sein als zum Verbrennen aller in den Verbrennungsbereich eintretenden Brennmaterialien stöchiometrisch erforderlich ist.
In den meisten Fällen sind Erd- oder Naturgase der effektivste Brennstoff, der dem porösen Gasbrenner zugeführt und dem in den Verbrennungsbereich eingespritzten schadstoffhaltigen Gasstrom beigemischt werden kann. Alternative Brennstoffe sind andere Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff, sie werden jedoch im allgemeinen nur dann verwendet, wenn kein Erd- oder Naturgas verfügbar ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Vernichten von Schadstoffen durch Verbrennung bereitgestellt, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Verbrennungskammer, die seitlich von Austrittsflächen eines perforierten Gasbrenners umgeben ist und einen offenen Boden aufweist, Einrichtungen zum direkten Einspritzen eines Gasstroms, der mindestens einen Schadstoff aufweist, in die Verbrennungskammer, eine Kühlsäule, die unter der Verbrennungskammer angeordnet ist und mit ihr in Strömungsverbindung steht, eine Einrichtung zum Aufrechterhalten einer Wasserströmung entlang der Innenfläche der Wände der Säule nach unten, und einen mit der Unterseite der Säule verbundenen Gas-Flüssigkeit-Separator.
Der erfindungsgemäß verwendete poröse Gasbrenner weist zwei Basisausführungsformen auf: eine Ausführungsform mit einer porösen Faserschicht und eine Ausführungsform mit einer perforierten Platte. Die Ausführungsform mit einer porösen Faserschicht weist eine poröse zusammenhängende Schicht aus nichtbrennbaren Mineral- oder Metallfasern auf. Im US- Patent Nr. 3179156 wird das Auftragen von Aluminiumoxid- Silikafasern auf ein Gitter oder Maschenmaterial von einer wäßrigen Anschlemmung oder Suspension der Fasern beschrieben, die ein Bindemittel enthält, das die Fasern miteinander und mit dem Gitter oder Maschenmaterial verbindet.
Der aus Keramikfasern hergestellte Basisbrenner aus porösen Fasern weist vorzugsweise eine kleine Menge Aluminiumpulver auf, wie im US-Patent Nr. 3383159 beschrieben, oder Aluminiumlegierungspulver, wie im US-Patent Nr. 4746287 beschrieben. Im US-Patent Nr. 3173470 wird ein Brenner aus porösen Fasern beschrieben, in dem eine Metallfaserlage durch Sintern zuammenhängend gemacht wird. Ein kürzlich entwickelter, aus einem Gemisch aus Metallfasern und Keramikfasern hergestellter Hybridfaserbrenner ist im US-Patent Nr. 5326631 beschrieben.
Die Ausführungsform eines porösen Brenners mit perforierten Platten ist in zahlreichen Patenten dargestellt. Im US-Patent Nr. 2775294 ist ein frühes Beispiel eines Brenners mit perforierten Platten beschrieben. Andere Ausführungsformen solcher Brenner sind in den US-Patenten Nr. 3683058 und 3954387 beschrieben.
All diese perforierten oder mit Löcher versehenen Gasbrenner sowie Modifikationen davon, die in Patenten und technischen Veröffentlichungen umfassend beschrieben sind, können für die vorliegende Erfindung verwendet werden.
Die Austrittsfläche des perforierten Brenners, an der die flammenlose Verbrennung stattfindet, umgibt den Verbrennungsbereich, in den der schadstoffhaltige Gasstrom und der beigemischte Brennstoff eingespritzt werden. Die erhaltene weißglühende Austrittsfläche des Brenners emittiert Infrarotstrahlung, die dazu beiträgt, den Verbrennungsbereich bei einer Temperatur von mindestens 1038ºC (1900ºF) zu halten. Die Brenner können aus mehreren Komponenten modulartig hergestellt oder als integrale Konstruktion ausgebildet sein.
Das dem porösen Brenner zusammen mit übermäßiger Luft zugeführte Brenngas wird durch flammenlose Verbrennung an der Austrittsfläche des Brenners verbraucht, und das von dieser Fläche nach außen strömende Verbrennungsproduktgas verhindert, daß partikelförmige Substanzen, die in den Verbrennungsbereich eintreten oder sich darin bilden, weil beispielsweise ein Hydrid, z. B. Arsin, in den Verbrennungsbereich eingespritzt wird, sich im Verbrennungsbereich ablagern. Die Ablagerung von partikelförmigen Substanzen am Austritt eines Brenners ist störend und extrem, wenn die partikelförmige Substanz eine klebrige oder klumpige Substanz ist, z. B. As&sub2;O&sub3;, das gebildet wird, wenn im in den Verbrennungsbereich eingespritzten Strom Arsin vorhanden ist.
Die Auswahl poröser Brenner zum Verhindern der Ablagerung partikelförmiger Substanzen im Verbrennungsbereich ist für die erfolgreiche Funktion der Erfindung wesentlich.
Im Gegensatz zur Verbrennung des dem porösen Brenner zugeführten Brenngases an einer flammenlosen Oberfläche verbrennen die separat in den Verbrennungsbereich eingespritzten Brennmaterialien des Stroms mit einer Diffusionsflamme. Weil die zum Verbrennen der brennbaren Materialien im eingespritzten Strom erforderliche Luft dem Verbrennungsbereich durch den Brenner mit porösen Fasern separat zugeführt wird, ist es geeignet, diesen Strom in Form von mehreren kleinen Teilströmen einzuspritzen, so daß die aus der Austrittsfläche des porösen Brenners austretende übermäßige Luft schneller mit den brennbaren Abfallmaterialien reagieren kann. In einem Strom mit großem Durchmesser benötigt die Luft mehr Zeit, um alle Brennmaterialien zu erreichen als wenn dieser Strom in mehrere Teilströme geteilt ist. D. h., mehrere kleine Teilströme werden eine kürzere Flamme aufweisen als ein einzelner Strom mit einem dem Gesamtvolumen der mehreren kleinen Teilströme entsprechenden Volumen.
Der aus dem Verbrennungsbereich austretende Verbrennungsproduktstrom ist aus zwei Gründen bemerkenswert: normalerweise sind mindestens 95% der dem Bereich zugeführten halogenisierten Verbindungen vernichtet worden, und die Erzeugung von NOX, CO und UHC ist auf sehr kleine Werte unterdrückt worden. Der Verbrennungsproduktstrom wird HF und HCl in einem Maß enthalten, in dem Fluor und Chlor in den dem Verbrennungsbereich zugeführten halogenisierten Verbindungen vorhanden waren. Oxidpartikel werden in dem Verbrennungsproduktstrom in einem Maß enthalten sein, in dem Hydride, z. B. Silan und Arsin, in dem in den Verbrennungsbereich eintretenden Strom vorhanden waren. Der Produktstrom wird außerdem nicht brennbare Partikel enthalten, die in dem dem Verbrennungsbereich zugeführten Abfallmaterialstrom vorhanden sind.
Der Verbrennungsproduktstrom muß gekühlt und gereinigt werden, um die darin vorhandenen HF- und HCl-Komponenten und partikelförmige Substanzen sowie Schwefeldioxid, falls SF6 im Strom der halogenisierten Verbindungen vorhanden war, aufzufangen. Eine einfache und effektive Weise zum Kühlen und gleichmäßigen Starten des Auffangens von HF und HCl besteht darin, den Produktstrom vom Verbrennungsbereich direkt in eine Säule abzuleiten, deren Innenfläche von einer Wasserströmung bedeckt ist. Das Sprühen von Wasser in den vom Verbrennungsbereich austretenden Produktstrom ist ebenfalls effektiv. Der derart gekühlte Produktstrom wird dann durch eine Reinigungseinrichtung geleitet, der eine beliebige bekannte Ausführungsform einer Reinigungsvorrichtung sein kann. Das gereinigte Gas wird dann als umweltverträgliches Gas in die Atmosphäre abgegeben.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird die Erfindung nachstehend unter Bezug auf die beigefügten beispielhaften Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittansicht eines rechteckigen schalenförmigen Brenners mit einer porösen Faserschicht;
Fig. 2 eine schematische horizontale Querschnittansicht von vier Brennern von Fig. 1, die so angeordnet sind, daß ein vertikaler Ofen zum Realisieren der Erfindung gebildet wird; und
Fig. 3 eine schematische Querschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Ofens, dargestellt in Verbindung mit einer geeigneten Einrichtung zum Beschicken des Ofens und zum Behandeln des vom Ofen austretenden Abgases.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittansicht eines typischen schalenförmigen Brenners 10 mit einer porösen Faserschicht quer zu seiner Länge. Eine Metallschale 11 weist Seitenwände 12 mit einem an Enden 14 der Seitenwände 12 angeschweißten Gitter oder Maschenmaterial 13 auf. Eine poröse Schicht 15 ist auf dem Gitter oder Maschenmaterial 13 aufgebracht und daran befestigt. Die poröse Schicht 15 bildet die Austrittsfläche, an der ein Gemisch aus einem Brenngas und Luft ohne sichtbare Flamme strahlend verbrennen wird. Das Brenngas- Luftgemisch wird dem Brenner 10 über ein mit der Metallschale 11 verbundenes Rohr 16 zugeführt.
Fig. 2 zeigt einen zum Realisieren der vorliegenden Erfindung geeigneten Ofen 20, wobei vier Brenner 10 des in Fig. 1 dargestellten Typs mit poröser Oberfläche so angeordnet sind, daß ein quadratischer adiabatischer Verbrennungsbereich 21 gebildet wird. Dort, wo jedes Paar von Brennern 10 unter einem rechten Winkel aufeinandertreffen, ist eine Stütze 22 aus feuerfestem Material an den Seitenwänden 12 der zusammenhängenden Brenner 10 so befestigt, daß die Verbrennungsprodukte entlang der vertikalen (senkrecht zu Fig. 2 verlaufenden) Verbindungslinie 23 der zusammenhängenden Brenner 10 nicht entweichen können. Durch diese Anordnung wirken die vier Brenner 10 als Ofen mit Innenfeuerung, wobei der Verbrennungsbereich 21 von den Austrittsflächen 15 der Brenner 10 umgeben ist. Fig. 2 zeigt, daß ein für die vorliegende Erfindung geeigneter Ofen aus modularen Brennern 10 gebildet werden kann.
Ein Abfallstrom, der halogenisierte Verbindungen und/oder Partikel bildende Substanzen und beigemischte Luft enthält, tritt an der Oberseite des Ofens 20 durch mehrere Öffnungen 25 in Form von kleinen Strömen ein, die in den Verbrennungsbereich 21 nach unten strömen, wo die unerwünschten Verbindungen durch von den porösen Faserschichten 15 austretende übermäßige Luft durch Verbrennung vernichtet werden. Das untere Ende des Ofens 20 ist offen und mit einer wassergekühlten Säule verbunden, um, wie vorstehend erläutert, HF, HCl, SO&sub2; und Partikel im vom Verbrennungsbereich 21 ausströmenden Verbrennungsproduktstrom aufzufangen.
Ein in Fig. 3 dargestellter bevorzugter Ofen 30 weist eine geeignete Zusatzeinrichtung zum Einleiten eines Abfallstroms aus halogenisierten Verbindungen und/oder Partikel bildenden Substanzen und beigemischtem Kohlenwasserstoffgas in den Verbrennungsbereich 31 und zum Behandeln des daraus austretenden Verbrennungsproduktstroms auf. Der Ofen 30 wird durch einen zylindrischen Stahlmantel 32 mit Flanschen 33, 34 an seinen gegenüberliegenden Enden gebildet. Der untere Flansch 34 erstreckt sich vom Mantel 32 nach innen und außen. Ein zylindrisches Metallgitter 35, dessen Oberseite mit dem Gitter 36 verbunden ist, und der einen mit dem Flansch 34 verbundenen inneren Gitterflansch 37 aufweist, wird im Mantel 30 konzentrisch und vom Mantel beabstandet gehalten.
Durch eine Schweißnaht 35A ist das Gitter 35 am inneren Rand des Flanschs 34 befestigt. Mehrere Rohre 38 erstrecken sich durch das obere Gitter 36 und sind daran angeschweißt. Die gesamte Innenfläche der Gitter 35, 36, 37 weist eine haftende poröse Schicht 39 aus Keramik- und/oder Metallfasern auf. Der Mantel 32 weist ein oder mehrere Rohre 40 zum Einleiten eines Gemischs aus Brenngas und übermäßiger Luft in den Raum um die Gitter 35, 36 auf, so daß das Gemisch durch die poröse Faserschicht 39 strömen wird und, nachdem es sich entzündet hat, eine flammenlose Verbrennung an der Austrittsfläche der Faserschicht 39 aufrechterhalten wird.
Eine durch den oberen Flansch 33 gehaltene und durch Bolzen (nicht dargestellt) daran befestigte Stahlplatte hält eine der Anzahl der Rohre 38 entsprechende Anzahl von Rohren 42. Die Rohre 42 haben einen kleineren Durchmesser als die Rohre 38 und sind ausreichend lang, so daß die unteren Enden der Rohre 42 die unteren Enden der Rohre 38 erreichen. Der Abstand der sich vertikal durch die Platte 41 erstreckenden und daran angeschweißten Rohre 42 muß sorgfältig ausgewählt werden, so daß, wenn die Platte 41 nach unten bewegt wird und auf dem Flansch 33 des Mantels 32 aufliegt, jedes Rohr 42 durch ein Rohr 38 gleiten wird. Ein Entweichen des Gas- Luftgemischs von dem Raum über dem Gitter 36 durch den Zwischenraum zwischen den konzentrischen Rohren 38 und den Rohren 42 ist im allgemeinen tolerierbar. Falls gewünscht, kann ein solches Entweichen jedoch durch einen Elastomerring 43 auf jedem Rohr 42 gestoppt werden, der so angeordnet ist, daß er am oberen Ende des Rohrs 38 anliegt, wenn das Rohr 42 vollständig in das Rohr 38 eingeführt worden ist.
Der Ofen 30 ist mit einer Kühlsäule 50 so verbunden, daß das untere offene Ende des Verbrennungsbereichs 31 mit der Säule 50 ausgerichtet ist, die eine ringförmige Rinne 51 um ihr oberes Ende aufweist. Der Rinne 51 wird über ein Rohr 52 Wasser zugeführt, das über das obere Ende der Säule 50 überläuft, um eine kontinuierliche Wasserströmung entlang der Innenfläche der Säule 50 nach unten bereitzustellen und dadurch den aus dem Bereich 31 austretenden Verbrennungsproduktstrom zu kühlen und zu verhindern, daß Partikel in diesem Strom an der Innenfläche der Säule 50 anhaften. Der Gasstrom und das Wasser werden vom unteren Ende der Säule 50 in einen Separator 54 mit einem Ableitrohr 55 zum Entfernen des partikelförmige Substanzen und lösbare Verbindungen, z. B. HF, HCl und SO&sub2;, enthaltenden Wassers abgeleitet. Der gekühlte Gasstrom tritt vom Separator 54 über ein Rohr 56 aus und durchläuft eine von einer Vielzahl bekannter Ausführungsformen von Reinigungseinrichtungen (nicht dargestellt), um restliche lösbare Verbindungen im aus dem Separator 54 austretenden Gasstrom aufzufangen. Das gereinigte Gas kann als umweltverträgliches Abgas in die Atmosphäre angegeben werden.
Im Betrieb wird ein Abfallstrom, der halogenisierte Verbindungen und/oder Partikel bildende Substanzen enthält, Rohren 42 zugeführt, während dem Strom über Rohre 44 Brenngas beigemischt wird. Das erhaltene Gemisch strömt entlang den Rohren 42 nach unten in den Verbrennungsbereich 31, wo die darin enthaltenen Brennmaterialien als separate Flammen verbraucht werden, die von den unteren Enden der Rohre 42 hervorragen, wenn sie auf durch die poröse Faserschicht 39 zugeführte übermäßige Luft treffen.
Es wurden Tests mit einem Ofen mit einem zylindrischen Verbrennungsbereich (Durchmesser 7,6 cm (3 Zoll), Länge 30,5 cm (12 Zoll)) durchgeführt, der von einem Brenner mit poröser Keramikfaserschicht umgeben war, wie durch das Gitter 35 und die poröse Faserschicht 39 im Ofen 30 von Fig. 3 dargestellt. Ein Stickstoffstrom, der 8 Vol.-% C&sub2;F&sub6; enthielt, wurde mit einer Rate von 20 Liter (1) pro Minute in den Verbrennungsbereich eingespritzt, während Naturgas und übermäßige Luft durch den Brenner mit poröser Faserschicht geleitet wurden, um eine Oberflächenverbrennung mit einer Rate von 11,39 kg-cal (42000 BTU (British Thermal Unit)) pro Stunde pro Quadratzentimeter Brenneroberfläche zu erhalten. Die dem Brenner zugeführte übermäßige Luftmenge betrug 61% mehr als für das dem Brenner gleichzeitig zugeführte Naturgas stöchiometrisch erforderlich ist. Das Verbrennungsproduktgas enthielt 11,3 Vol.-% Restsauerstoff. Eine Analyse dieses Produktgases zeigte, daß lediglich 56% des in den Ofen eingespritzten Hexafluorethans (C&sub2;F&sub6;) vernichtet wurden.
Es wurde ein weiterer Test durchgeführt, ohne daß bezüglich des vorstehend beschriebenen Tests irgendwelche Änderungen vorgenommen wurden, mit der Ausnahme, daß 12 Vol.-% (2,4 l/min) Naturgas mit dem C&sub2;F&sub6;-haltigen Stickstoffstrom vermischt wurden. In diesem Fall wurde durch die dem Brenner zugeführte übermäßige Luft auch das dem Stickstoffstrom beigemischte Naturgas verbrannt, so daß der Restsauerstoffanteil im Verbrennungsproduktgas auf 7,4 Vol.-% absank. Eine Analyse des Produktgases ergab, daß 99% des Hexafluorethans (C&sub2;F&sub6;) vernichtet wurden.
In einem anderen Testpaar wurde der Brenner mit einer Rate von 11,93 kg-cal (44000 BTU) pro Stunde pro Quadratzentimeter mit 61% übermäßiger Luft gefeuert, und die Einspritzrate der Stickstoffströmung, die 4 Vol.-% C&sub2;F&sub6; enthielt, wurde auf 40 l/min verdoppelt. In einem Test wurde dem Stickstoffabfallstrom Naturgas mit einer Rate von 2,4 1/min (6 Vol.-%) beigemischt. Das Verbrennungsproduktgas enthielt 7,1 Vol.-% Restsauerstoff. Nur 60% des Hexafluorethans (C&sub2;F&sub6;) wurden vernichtet. Lediglich durch Erhöhen der Naturgasbeimischung auf 4,7 l/min (11,8 Vol.-%) nahm die C&sub2;F&sub6;-Vernichtung auf 96% zu, was im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, die schwieriger und teurer sind, als zufriedenstellend betrachtet wird. Der Restsauerstoffanteil im Verbrennungsproduktgas fiel auf 4,4 Vol.-% ab.
In einem weiteren Test wurde die Zufuhr von Stickstoff, der 2 Vol.-% C&sub2;F&sub6; enthielt, auf 80 l/min vervierfacht, und der Brenner wurde mit einer Rate von 15,73 kg-cal (58000 BTU) pro Stunde pro Quadratzentimeter mit 61% übermäßiger Luft gefeuert. Dem Stickstoffstrom wurden 8,9 Vol.-% Naturgas beigemischt (12% im vorstehend erwähnten Test). Das Verbrennungsproduktgas enthielt nur 3,5 Vol.-% Restsauerstoff. Es wurden 99% des Hexafluorethans (C&sub2;F&sub6;) vernichtet.
Die ersten beiden Tests zeigen das wichtige Erfordernis der Zufuhr von mit dem in den Verbrennungsbereich eingespritzten Abfallstrom vermischtem Brenngas. Das zweite Testpaar zeigt, daß durch Erhöhen der mit dem Abfallstrom vermischten Brenngasmenge die Vernichtung der halogenisierten Verbindungen durch Verbrennung zunahm. Der zuletzt dargestellte Test verdeutlicht, daß, obwohl ein Abfallstrom mit einer geringen Konzentration (2 Vol.-%) C&sub2;F&sub6; mit einer hohen Einspritzrate (80 l/min) durch den Verbrennungsbereich strömte, noch immer 99% der Fluorkohlenstoffe vernichtet wurden. Die mehreren Tests zeigen den breiten Bereich von Einspritzraten des Abfallstroms mit verschiedenen C&sub2;F&sub6;- Konzentrationen, die in einem durch die Strahlungsfläche eines porösen Gasbrenners umgebenen Verbrennungsbereich verarbeitet werden können.
Die vorstehenden Tests wurden mit C&sub2;F&sub6; ausgeführt, das keine Partikel bildenden Substanzen, wie beispielsweise Silan und Arsin, enthält, um die Analyse des Verbrennungsproduktes zum Bestimmen des in jedem Test erreichten Grades der Vernichtung von C&sub2;F&sub6; zu erleichtern. Um festzustellen, was passiert, wenn Silan in den Verbrennungsbereich eintritt, wurde ein Test ausgeführt, in dem dem in den Verbrennungsbereich mit einer Rate von 40 l/min eingespritzten Stickstoffstrom Silan beigemischt wurde. Die Silanbeimischung betrug für 1,5 Stunden 0,22 l/min und wurde dann für weitere 1,5 Stunden auf 0,31 l/min erhöht. Das Naturgas wurde dem silanhaltigen Abfallstrom mit einer Rate von 4,7 l/min beigemischt. Wie in anderen Tests wurde der poröse Brenner mit einer Rate von 11, 93 kg-cal (44000 BTU) pro Stunde pro Quadratzentimeter mit 61% übermäßiger Luft gefeuert. Das Silan wurde vollständig vernichtet, und die erhaltenen Silikapartikel sammelten sich nicht im Verbrennungsbereich.
Es wurden weitere Tests bezüglich Abfallströmen ausgeführt, die ausschließlich CF&sub4; enthielten und solchen, denen C&sub2;F&sub6; und Silan beigemischt waren. Es wurde wiederum der gewünschte Vernichtungsgrad der Fluorkohlenstoffe und des Silans erreicht. Es konnte die Wirksamkeit der Vernichtung halogenisierter Verbindungen und/oder Partikel bildender Substanzen durch Verbrennung nachgewiesen und gezeigt werden, daß sie durch einfache Einstellungen der Mengen des dem porösen Brenner zugeführten und dem schadstoffhaltigen Abfallstrom beigemischten Brenngases erreichbar ist, auch wenn die Einspritzrate über einen breiten Bereich verändert wird.
Durch einfache Tests wurden auch Richtlinien bereitgestellt, durch die für einen beliebigen Abfallstrom die Bedingungen gewählt werden können, gemäß denen mehr als 95% halogenisierter zersetzungs- bzw. aufspaltungs- oder lösungsresistente Verbindungen vernichtet werden können. Das dem porösen Brenner zugeführte Brenngas sollte im allgemeinen mit einer Rate von mindestens etwa 6,78 kg-cal (25000 BTU) pro Stunde pro Quadratzentimeter der Brennerfläche zugeführt werden. Verbrennungsluft wird dem Brenner lediglich in einer Menge zugeführt, die größer ist als für das dem Brenner zugeführte Brenngas und alle in den Verbrennungsbereich eingespritzten Brennmaterialien stöchiometrisch erforderlich ist, wobei eine große übermäßige Luftmenge von mindestens etwa 50% bezüglich des dem porösen Brenner zugeführten Brenngases ein geeigneter Ausgangswert ist, um die optimalen Bedingungen für einen beliebigen Abfallstrom zu suchen.
Die dem porösen Brenner zugeführte Brenngasmenge auf einer kg-cal- (BTU-) Basis ist immer größer als die dem Abfallstrom beigemischte Brenngasmenge. Das Verhältnis der Brenngasmenge zur Abfallstrombrenngasmenge liegt typischerweise in einem Bereich von etwa 2 : 1 bis 5 : 1, wobei hohe Verhältnisse normalerweise für niedrige Abfallstrombehandlungsraten und niedrige Verhältnisse normalerweise für hohe Abfallstrombehandlungsraten verwendet werden. Diese Richtlinien erleichtern die Auswahl der Anfangsbedingungen für die Behandlung eines bestimmten Abfallstroms, und dann werden ausgehend von diesen Anfangsbedingungen Einstellungen vorgenommen, um einen gewünschten hohen Vernichtungsgrad von beispielsweise 99% zu erreichen.
Die Erfindung ist bemerkenswert aufgrund ihrer Einfachheit und Kompaktheit des Ofens sowie aufgrund der Einfachheit des Betriebs und des niedrigen Brennstoffverbrauchs, um problemlos eine Vernichtung von 99% halogenisierter Verbindungen und/oder Partikel bildender Substanzen, z. B. Silan und Arsin, zu erreichen, während die unerwünschte Ablagerung und Anhäufung von Partikeln, z. B. SiO&sub2; und As&sub2;O&sub3;, im Verbrennungsbereich vermieden wird.

Claims

1. Verfahren zum Vernichten von Schadstoffen durch Verbrennung, wobei ein Gasstrom, der mindestens einen Schadstoff enthält, in einen Verbrennungsbereich (21, 31) eingeleitet wird, der seitlich von Austrittsflächen (15, 39) eines perforierten oder mit Löchern versehenen Gasbrenners umschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

dem perforierten Gasbrenner (10, 35) ein Brenngas und Luft gleichzeitig zugeführt werden, um an der Austrittsfläche eine Verbrennung zu bewirken, wobei dem Gasstrom Brenngas beigemischt wird, bevor er in den Verbrennungsbereich (21, 31) eingeleitet wird, wobei die Menge des dem perforierten Gasbrenner zugeführten Brenngases auf einer kg-cal- (BTU-) Basis größer ist als diejenige des beigemischten Brenngases, und wobei die Menge der dem perforierten Gasbrenner zugeführten Luft größer ist als für alle in den Verbrennungsbereich eintretende Brennstoffe stöchiometrisch erforderlich, und wobei der erhaltene Verbrennungsproduktstrom vom Verbrennungsbereich abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Brenngas ein Erd- oder Naturgas ist und die dem perforierten Gasbrenner (10, 35) zugeführte Luftmenge mindestens 50% größer ist als für das dem perforierten Gasbrenner zugeführte Naturgas stöchiometrisch erforderlich.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis der dem perforierten Gasbrenner (10, 35) zugeführten Brenngasmenge zur in den Verbrennungsbereich (21, 31) eingeleiteten Brenngasmenge im Bereich von 2 : 1 bis 5 : 1 liegt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gasstrom ein Stickstoffgasstrom ist, der mindestens einen Fluorkohlenstoff und/oder ein Hydrid enthält, der/das als Abgasstrom bei der Halbleiterfertigung abgeleitet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der perforierte Gasbrenner (10, 35) eine poröse Schicht (15, 39) aus Keramik- und/oder Metallfasern aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsproduktstrom vom Verbrennungsbereich (31) nach unten direkt in eine Säule (50) abgeleitet wird, während entlang der Innenfläche der Säule Kühlwasser nach unten fließt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mindestens ein Schadstoff eine halogenhaltige Verbindung und/oder eine aus Partikeln bestehende Substanz ist, durch das dem perforierten Gasbrenner (10, 35) zugeführte Brenngas eine Energie von mindestens 6,78 kg-cal (25000 BTU) pro Stunde pro Quadratzentimeter (Quadratfuß) der Austrittsfläche (15, 39) des perforierten Gasbrenners (10, 35) freigesetzt wird und das Verhältnis der dem perforierten Gasbrenner (10, 35) zugeführten Brenngasmenge zur Menge des dem eingeleiteten Gasstrom beigemischten Brenngases im Bereich von etwa 2 : 1 bis 5 : 1 geregelt wird, um zu erreichen, daß mindestens 95% des Anteils der halogenhaltigen Verbindung und/oder der aus Partikeln bestehenden Substanz durch Verbrennung vernichtet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Verbrennungsproduktstrom vom Verbrennungsbereich (31) nach unten direkt in eine Säule (50) abgeleitet wird, während entlang der Innenfläche der Wände der Säule (50) Kühlwasser nach unten fließt.

9. Vorrichtung zum Vernichten von Schadstoffen durch Verbrennung mit:

einer Verbrennungskammer (31), die seitlich von der Austrittsfläche (39) eines perforierten Gasbrenners (35) umgeben ist,

Einrichtungen (42) zum Einleiten eines Gasstroms, der mindestens einen Schadstoff enthält, und

einer Einrichtung (40) zum direkten Zuführen eines Brenngases und von Luft in die Verbrennungskammer,

dadurch gekennzeichnet, daß

Einrichtungen (44) vorgesehen sind, die ein Brenngas in den mit dem Gasstrom gemischten Abgasstrom einleiten, bevor er in die Verbrennungskammer eingeleitet wird,

eine Kühlsäule (50) unter der Verbrennungskammer angeordnet ist und mit ihr in Strömungsverbindung steht, wobei die Säule eine Einrichtung (51, 52) aufweist, die dazu dient, eine Wasserströmung entlang der Innenfläche der Wände der Säule nach unten aufrechtzuerhalten, und wobei ein Gas-Flüssigkeit-Separator (54) mit der Unterseite der Säule verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der perforierte Gasbrenner (35) eine poröse Schicht (39) aus Keramik- und/oder Metallfasern aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Oberseite der Verbrennungskammer (31) eine durch eine Austrittsfläche eines perforierten Gasbrenners (36) gebildete Decke aufweist.