EP0735321A2 - Verfahren und Einrichtung zur Reinigung von schadstoffhaltigen Abgasen durch chemische Umsetzung - Google Patents

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EP0735321A2
EP0735321A2 EP96102122A EP96102122A EP0735321A2 EP 0735321 A2 EP0735321 A2 EP 0735321A2 EP 96102122 A EP96102122 A EP 96102122A EP 96102122 A EP96102122 A EP 96102122A EP 0735321 A2 EP0735321 A2 EP 0735321A2
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EP
European Patent Office
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flame
fuel gas
burner
gas
oxygen
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EP96102122A
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French (fr)
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EP0735321A3 (de
EP0735321B1 (de
Inventor
Horst Dr. Reichardt
Lothar Dipl.-Ing. Ritter
Günter Dipl.-Ing. Firkert
Lutz Dipl.-Phys. Labs
Konrad Dipl.-Phys. Gehmlich
Gerold Hofmann
Michael Dipl-Ing. Hentrich
Wido Wiesenberg
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Das-Duennschicht Anlagen Systeme Dresden GmbH
Das Duennschicht Anlagen Systeme GmbH
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Das-Duennschicht Anlagen Systeme Dresden GmbH
Das Duennschicht Anlagen Systeme GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/06—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases
    • F23G7/061—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating
    • F23G7/065—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating using gaseous or liquid fuel

Definitions

  • the invention relates to a method and devices for cleaning pollutant-containing exhaust gases by chemical reaction in a combustion chamber.
  • waste gases containing pollutants are produced.
  • These exhaust gases include fluorine-containing hydrocarbons or other fluorine compounds.
  • inert gases such as argon or nitrogen are major components of the exhaust gases. Because of the high proportion of such gases, these exhaust gases themselves are usually not combustible.
  • the pollutants or their reaction products have a toxic effect or, due to their harmful effects in the atmosphere, promote ozone depletion and the greenhouse effect.
  • a whole series of methods are known for exhaust gas purification.
  • the cleaning is very often carried out by sorption of the pollutants from the exhaust gas, for example in oxidizing aqueous solution (DE 3342816).
  • Pollutants that are not sorbed in this way or are not efficiently treated can be converted by chemical conversion processes, for example thermal decomposition (EU 0384803) by heating or by burning in an oxygen-containing environment (US Pat. No. 5,183,646). If this is done by burning, exhaust gases with a high proportion of inert gas have to be introduced into a combustion gas flame, for example from a natural gas or hydrogen / oxygen mixture. Harmful secondary products of the conversion are then removed from the exhaust gas, for example by sorption or washing processes.
  • Exhaust gas cleaning is generally a multi-stage process in which partial processes such as thermal decomposition or oxidation, cooling, sorption, hydrolysis and washing out of solid reaction products take place (EP 89 110 875).
  • the exhaust gas is passed in succession, for example, through a device with a combustion chamber and at least one further device, for example one which operates on the washing principle.
  • Devices for purifying exhaust gas have also been proposed, in which the exhaust gas is passed successively through a combustion chamber for combusting the pollutants and a washing chamber, which are structurally combined to form a unit (EP 89 110 875).
  • a disadvantage of such methods and devices with thermal decomposition of the pollutants in a combustion chamber and with a washing chamber are the thermal and electrolytic corrosion of the wall surfaces and other parts, in particular the combustion chamber, under the action of gaseous reaction products from the combustion. This corrosion is critically increased by the high temperature of the burned fuel gas mixture and exhaust gases, especially if these e.g. Hydrogen halides, e.g. HF, and water vapor included.
  • Hydrogen halides e.g. HF
  • an improvement in the efficiency of the cleaning in the direction of a low pollutant content in the cleaned exhaust gas can be achieved by increasing the amount of fuel gas relative to the amount of the supplied exhaust gas, but this route is associated with a critical deterioration in the economy of the exhaust gas cleaning because of the increased fuel gas consumption .
  • the invention has for its object to improve the effectiveness of the purification of exhaust gases by chemical conversion in a fuel gas flame, ie to drastically reduce the percentage of residual pollutants in the cleaned exhaust gas.
  • no unburned constituents of the fuel gas should be contained in the cleaned exhaust gas. In particular, it can be achieved that no secondary pollutants arise during combustion and are released with the cleaned exhaust gas.
  • the object is achieved by a method according to claim 1, 2 and 3 and a device according to claim 4 or 5 .
  • the method assumes that a fuel gas mixture is used in a combustion chamber with a burner to generate a fuel gas flame and that the exhaust gas, which contains the pollutants, in particular fluorine-containing hydrocarbons or other fluorine compounds, is fed into this flame.
  • the chemical conversion of the pollutant components of the exhaust gas takes place in the flame.
  • the burned exhaust gas contains gaseous reaction products of the pollutants.
  • a strongly reducing fame area is created, into which the exhaust gases to be cleaned are fed with the pollutants, on the other hand a strongly oxidizing flame area is created.
  • a strongly reducing flame is created in which the fuel gas mixture of fuel gas and oxygen, for example town gas, natural gas or hydrogen and oxygen, is fed into the burner with an excess of the fuel gas compared to the portion required for stoichiometric combustion and brought to combustion.
  • the exhaust gas usually a mixture of an inert gas (argon or nitrogen) and the fluorine-containing pollutant, such as C 2 F 6 , CHF 3 , SF 6 , NF 3 , is introduced into this flame.
  • the combustion reactions of the fuel gas run in the flame (CH 4th + 2O 2nd ⁇ CO 2nd + 2H 2nd O respectively. 2H 2nd + O 2nd ⁇ 2H 2nd O) and the reactions to Implementation of the pollutant (a possible reaction 1: 2C 2nd F 6 + 14H 2nd ⁇ 4CH 4th + 12HF and as secondary reaction 2: 4CH 4th + 8O 2nd ⁇ 4CO 2nd + 8H 2nd O) in parallel.
  • the reducing flame now contains unused fuel gas (CH 4 and H 2 in the example) and secondary pollutants (CH 4 and HF in the example).
  • the spatially separate feeding of a fuel gas mixture of a different composition into the flame creates, in addition to the reducing flame area primarily created in the burner, a second oxidizing flame area.
  • fuel gases and oxygen with a clear excess of oxygen compared to said conditions, which can burn without residue, air can be supplied as an oxygen supplier or pure oxygen at all.
  • the second oxidizing flame area is characterized by an excess of oxygen.
  • gases from the combusted fuel gas mixture CO 2 , H 2 O
  • unused fuel gas components in the example CH 4 and H 2
  • secondary pollutants in the example HF, CH 4
  • the complete combustion is also given according to the law of mass action, since an excess of oxygen is set in this flame area.
  • the heated inert components of the exhaust gas e.g. N 2
  • the inert combustion products predominantly CO 2 and water vapor
  • the secondary pollutants in the example HF
  • the secondary pollutants are removed in a manner known per se by sorption or hydrolysis.
  • the combustion products are sucked out of the combustion chamber and passed through an aqueous solution, for example in a spray washing device.
  • the method is carried out with a device which essentially consists of a preferably rotationally symmetrical combustion chamber with an annular burner arranged in an end face of the combustion chamber.
  • the fuel and the ring burner separately supplied oxygen or the fuel gas mixture (natural gas / oxygen or hydrogen / oxygen).
  • the fuel gas flame forms on the burner.
  • a feed preferably in the center of the ring burner, supplies the exhaust gas to be cleaned with the pollutants contained therein. Thanks to the central feed, the flue gas is enclosed on all sides by the fuel gas flame, an important prerequisite for effective conversion of pollutants.
  • the additional supply of fuel gas mixture with an excess of oxygen, air or pure oxygen into a ring burner takes place via one or more bores or channels of a second concentric ring.
  • a flame is formed above the burner, with a strongly reducing flame area as the core of the flame above the inner ring of the burner and with a strong one oxidizing flame area as the jacket of the flame over the outer ring of the burner.
  • the additional supply of air or oxygen takes place via one or more inlet channels in the wall the combustion chamber in the area of the ring burner.
  • a flame forms on the ring burner, the core of which is strongly reducing, since a fuel gas mixture with a deficit of oxygen is supplied to the ring burner in the sense mentioned.
  • the flame burns in the combustion chamber in a "jacket" of air or pure oxygen, so that a flame area is also formed in this way around the reducing flame area, which has a strong oxidizing effect.
  • the extraction on the combustion chamber, through which the combustion products are extracted, is dimensioned such that it passes through the holes or channels in the wall. ensures the air supply required for combustion.
  • the additional supply of air or oxygen into the flame area under positive pressure can be metered more precisely through the inlet channels in the wall of the combustion chamber.
  • Fig. 1 shows the device in a schematic longitudinal section.
  • the device according to the invention essentially consists of a cylindrical combustion chamber (1) made of a corrosion-resistant material. It has a diameter of 18 cm and is 60 cm high.
  • annular burner (3) to which the fuel gas mixture of fuel gas and oxygen is fed via a feed (4).
  • the position of the combustion chamber is vertical (other positions, also inclined, are also possible).
  • the ring burner (3) has a diameter of 25 mm.
  • the fuel gas flame (6) forms above the ring channel (5).
  • the exhaust gas with the toxic pollutants is fed to the burner (3) via the feed (7). It enters the fuel gas flame (6) centrally through the bore (8).
  • the burner (3) has an additional feed (9) for a fuel gas mixture of a different composition than that which is let into the feed (4).
  • the tubular connection for the suction (14) through which the combustion gases are either transferred into the exhaust air duct or into devices for carrying out further sub-processes of a multi-stage exhaust gas cleaning.
  • the device is completed by an ignition electrode for the fuel gas mixture and by a monitor (15) which provides sensor signals for optimal control of the device for exhaust gas purification.
  • the exhaust gas consists of approx. 58.5 l / min nitrogen and approx. 1.5 l / min C 2 F 6 as a pollutant.
  • the exhaust gas is fed to the cleaning device through an exhaust pipe.
  • 9 l / min H 2 and 9 l / min O 2 are fed to the inner ring (5) of the ring burner (3).
  • 3 l / min CH 4 and 15 l / min O 2 are additionally fed to the outer ring (10) of the ring burner (3).
  • the flame area (11) of the flame (6) which forms over the annular gap (5) is strongly reducing.
  • the exhaust gas to be cleaned which contains fluorinated hydrocarbon C 2 F 6 as the main pollutant, passes through the bore (8)
  • the pollutant is converted almost completely into CH 4 and HF.
  • the flame temperature is in the range from 1200 to 1400 ° C.
  • the flame region (12) which forms at the annular gap (10) and which envelops the flame region (11) like a jacket is strongly oxidizing.
  • the reactions that preferably take place here are the combustion of CH 4 to CO 2 and water vapor and of H 2 to water vapor.
  • the approximately 1000 ° C hot burned gas mixtures over the flame flow in the direction of arrow (13) perpendicularly from the burner (3) in the direction of the suction (14), from there they are fed to a washing device known per se, in which the gas is below 50 ° C is cooled.
  • the HF part is hydrolyzed.
  • the gas is cleaned, ie practically free of pollutants, released into the environment.
  • the pollutant content is reduced to less than 1% by means of the exhaust gas purification method according to the invention, as a result of which a gas with less than 15 ppm of pollutant enters the exhaust air.

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Abstract

Abgase, die bei CVD- und Plasmaprozessen anfallen, enthalten toxische Schadstoffe und müssen deshalb gereinigt werden. Dazu werden häufig mehrstufig wirkende Verfahren eingesetzt, deren Hauptprozeß die thermisch aktivierte chemische Umsetzung der Schadstoffe in einer Brenngasflamme (6) ist, dem sich weitere Prozeßschritte wie Sorption, Hydrolyse, Kühlen und Waschen anschließen, um die sekundären Stoffe, die in der Flamme entstehen, aus dem Abgas zu beseitigen. Eine effiziente Verringerung des Schadstoffgehaltes von Abgasen, insbesondere von fluorhaltigen, kann dadurch erzielt werden, daß durch spezielle Ausführung der Brenner (3) oder der Brennkammer (1) der Abgasreinigungseinrichtung und durch getrennte Zufuhr von Brenngasen unterschiedlicher Zusammensetzung die Schadstoffe zunächst in einem reduzierenden Flammenbereich (11) chemisch umgesetzt werden und anschließend die überschüssigen Brenngase und die sekundären, in diesem Bereich entstehenden, Schadstoffe in einem oxidierenden Flammenbereich (12) verbrannt werden. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtungen zur Reinigung von schadstoffhaltigen Abgasen durch chemische Umsetzung in einer Brennkammer.
  • In technischen Anlagen, insbesondere in Anlagen zur chemischen Dampfphasenabscheidung und zum Abtragen oder Abscheiden von Material durch Plasmaprozesse fallen schadstoffhaltige Abgase an. Diese Abgase enthalten u.a. fluorhaltige Kohlenwasserstoffe oder andere Fluorverbindungen. Im allgemeinen sind inerte Gase, wie Argon oder Stickstoff, Hauptbestandteile der Abgase. Diese Abgase sind wegen des hohen Anteils an derartigen Gasen selbst meist nicht brennbar. Die Schadstoffe oder deren Reaktionsprodukte wirken toxisch bzw. fördern aufgrund ihrer schädlichen Wirkung in der Atmossphäre die Ozonzerstörung und den Treibhauseffekt.
  • Zur Abgasreinigung sind eine ganze Reihe von Verfahren bekannt. Sehr häufig erfolgt die Reinigung durch Sorption der Schadstoffe aus dem Abgas, z.B. in oxidierender wässriger Lösung (DE 3342816).
    Schadstoffe, die auf diese Weise nicht oder wenig effizient sorbiert werden, können durch Verfahren der chemischen Umsetzung, z.B. thermische Zersetzung (EU 0384803) durch Aufheizen oder durch Verbrennen in sauerstoffhaltiger Umgebung (US 5183 646), umgewandelt werden. Geschieht dies durch Verbrennen, müssen Abgase mit hohem Inertgasanteil in eine Brenngasflamme, z.B. aus einem Erdgas- oder Wasserstoff-/Sauerstoffgemisch, eingeführt werden. Schädliche Sekundärprodukte der Umwandlung werden anschließend, z.B durch Sorptions- oder Waschprozesse, aus dem Abgas beseitigt.
  • Bei der Abgasreinigung handelt es sich in der Regel um einen mehrstufigen Prozeß, bei dem Teilprozesse, wie thermische Zersetzung oder Oxidation, Kühlung, Sorption , Hydrolyse und Auswaschen fester Reaktionsprodukte ablaufen (EP 89 110 875). 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 sind auch Einrichtungen zur Reinigung von Abgas vorgeschlagen worden, bei denen das Abgas nacheinander durch eine Brennkammer zur Verbrennung der Schadstoffe und eine Waschkammer geleitet wird, die konstruktiv zu einer Einheit zusammengefaßt sind (EP 89 110 875).
  • Ein Nachteil solcher Verfahren und Einrichtungen mit thermischer Zersetzung der Schadstoffe in einer Brennkammer und mit einer Waschkammer sind die thermische und elektrolytische Korrosion der Wandflächen und anderer Teile, insbesondere der Brennkammer unter der Wirkung gasförmiger Reaktionsprodukte der Verbrennung. Kritisch erhöht wird diese Korrosion durch die hohe Temperatur der verbrannten Brenngasmischung und Abgase, insbesondere wenn diese z.B. Halogenwasserstoffe, wie z.B. HF, und Wasserdampf enthalten.
  • Diesen Nachteil kann man eliminieren, wenn in einer einzigen Reaktionskammer Teilprozesse der Reinigung kombiniert zur Wirkung gebracht werden,in dem das verbrannte Abgas durch eine feinverteilte Flüssigkeit (Sorptions- bzw. Kühlmittel) geführt wird oder mit einem solchen Flüssigkeitsfilm an den Wandflächen der Brennkammer in Kontakt gebracht wird (DE 43 200 44). Die beiden zuletzt genannten Lösungen haben jedoch eine geringe Effizienz in Ihrer Reinigungswirkung , wenn man sie für Abgase mit fluorierten Kohlenwasserstoffen und mit anderen Fluorverbindungen anwendet. Bei vertretbarem Verbrauch von Brenngas enthalten die gereinigten Abgase noch kritisch hohe Anteile an Schadstoffen. Die Kühlung der Reaktorwände verringert zwar deren Korrosion, führt aber eher zur Verschlechterung der Effizienz der Reinigung. Eine Verbesserung der Effizienz der Reinigung in Richtung eines niedrigen Schadstoffgehaltes im gereinigten Abgas, kann zwar in gewissem Umfang durch Erhöhung der Brenngasmenge relativ zu Menge des zugeführten Abgases erzielt werden, jedoch ist dieser Weg wegen des erhöhten Brenngasverbrauches mit einer kritischen Verschlechterung der Ökonomie der Abgasreinigung verbunden.
  • Da in der Brenngasflamme mit Abgaszufuhr im allgemeinen mehrere Reaktionen ablaufen, deren wichtigste Ergebnisse die Verbrennung des Brenngases (z.B. Erdgas oder Wasserstoff) unter der Einwirkung des mit zugeführten Sauerstoffes zum Zwecke der thermischen Aktivierung der Schadgase und die chemische Umsetzung der Schadgase in hydrolisierbare und absorbierbare bzw. unschädliche Verbindungen sind, ist aufgrund der Reaktionskinetik nicht zu erwarten, daß die gewünschte Umsetzung des Schadgases vollständig erfolgt. Dies gilt insbesondere auch, wenn alle Reaktanden (Brenngas, Sauerstoff und Schadgas) im stöchiometrischen Verhältnis zugeführt werden. Infolge des Inertgasanteiles im Schadgas wird die Reaktionskinetik ungünstig beeinflußt und damit die Umsetzung des Schadgases anteilmäßig weiter verringert.
  • Eine Erhöhung des Brenngasanteiles im Brenngasgemisch ( EP-A-0347 753 ) gegenüber dem stöchiometrischen Verhältnis für alle zugeführten Reaktanden, verbessert zwar die Schadstoffumsetzung, insbesondere bei fluorhaltigen Kohlenwasserstoffen, führt jedoch zum Ausstoß unverbrannter, auch schädlicher Brenngase aus der Reinigungsanlage. Eine Erhöhung des Sauerstoffanteils im Brenngasgemisch gegenüber dem stöchiometrischen Verhältnis führt andererseits zur kritischen Verschlechterung der Schadstoffumsetzung für fluorhaltige Abgase und damit zu unvertretbar hohen restlichen Schadstoffanteilen im gereinigten Abgas.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirksamkeit der Reinigung von Abgasen durch chemische Umsetzung in einer Brenngasflamme zu verbesern, d.h. den prozentualen Restanteil an Schadstoffen im gereinigten Abgas drastisch zu reduzieren. Außerdem besteht die Aufgabe zu sichern, daß bei der Reaktion in der Brenngasflamme entstehende Zwischenprodukte effektiv verbrannt werden. Weiterhin sollen auch keine unverbrannten Bestandteile des Brenngases im gereinigten Abgas enthalten sein. Insbesondere ist zu erreichen, daß bei der Verbrennung keine sekundären Schadstoffe entstehen und mit dem gereinigten Abgas abgegeben werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3 und eine Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5 gelöst.
  • Das Verfahren geht davon aus, daß in einer Brennkammer mit einem Brenner zur Erzeugung einer Brenngasflamme ein Brenngasgemisch genutzt wird und daß in diese Flamme das Abgas, welches die Schadstoffe, insbesondere fluorhaltige Kohlenwasserstoffe oder andere Fluorverbindungen enthält, zugeführt wird. In der Flamme erfolgt die chemische Umsetzung der Schadstoffanteile des Abgases. Das verbrannte Abgas enthält gasförmige Reaktionsprodukte der Schadstoffe.
  • Erfindungsgemäß wird durch räumliche Trennung der Einspeisung von Gasen unterschiedlicher Zusammensetzung und Menge in die Brenngasflamme einerseits ein stark reduzierender Fammenbereich geschaffen, in den die zu reinigenden Abgase mit den Schadstoffen eingespeist werden, andererseits wird ein stark oxidierender Flammenbereich geschaffen. Zunächst wird eine stark reduzierende Flamme geschaffen, in dem das Brenngasgemisch aus Brenngas und Sauerstoff, z.B. Stadtgas, Erdgas oder Wasserstoff und Sauerstoff, mit einem Überschuß des Brenngases gegenüber dem, zur stöchiometrischen Verbrennung notwendigem Anteil, in den Brenner eingespeist und zur Verbrennung gebracht wird. Gegenüber dem stöchiometrischen Verhältnis des Brenngasgemisches, beispielsweise CH4: O2 = 1 : 2 oder H2: O2 = 2 : 1, die ohne Rückstand an Brenngas (CH4 bzw. H2) verbrennen können ,wird ein reduzierender Flammenbereich durch einen Überschuß an Wasserstoff in der Brenngasflamme erreicht, in dem im Brenngasgemisch das Verhältnis der Anteile wasserstoffhaltiger Komponenten erhöht wird, im Beispiel Veränderung der Verhältnisse in Richtung CH4: O2= 1 : 1 bzw. H2: O2 = 4 : 1. Die mit einem Überschuß an Brenngas betriebene Flamme erzeugt die notwendige Energie zur Aktivierung der Reaktanden und zum Aufbrechen der chemischen Bindungen. In diese Flamme wird das Abgas, in der Regel ein Gemisch aus einem inerten Gas (Argon oder Stickstoff) und dem fluorhaltigen Schadstoff, wie z.B. C2F6, CHF3, SF6, NF3, eingebracht. In der Flamme laufen die Verbrennungsreaktionen des Brenngases (CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
    Figure imgb0001
    bzw. 2H 2 + O 2 → 2H 2 O)
    Figure imgb0002
    und die Reaktionen zur Umsetzung des Schadstoffes (eine mögliche Reaktion 1: 2C 2 F 6 + 14H 2 → 4CH 4 + 12HF
    Figure imgb0003
    und als sekundäre Reaktion 2: 4CH 4 + 8O 2 → 4CO 2 +8H 2 O)
    Figure imgb0004
    parallel ab.
  • Infolge der besagten Zusammensetzung des Brenngasgemisches ist zunächst nicht nur seine Verbrennung unvollständig, sondern von den Reaktionen zur Umsetzung des Schadgases wird das Reaktionsgleichgewicht in der Brenngasflamme in Richtung der Reduktion (im angenommenen Beispiel Reaktion 1) verschoben. Ursache dafür ist der Überschuß von Wasserstoff im Reaktionsraum, so daß das Massenwirkungsgesetz in Richtung der vollständigen Umsetzung des Schadstoffes (im Beispiel C2F6 in HF) wirkt. Die möglichst vollständige Umsetzung des Schadstoffes ist das Ziel der Reinigung, um den prozentualen Anteil von Schadstoff im Abgas so gering wie möglich zu erzielen.
  • In der reduzierend wirkenden Flamme sind aber jetzt unverbrauchtes Brenngas (im Beispiel CH4 und H2) und sekundäre Schadstoffe (im Beispiel CH4 und HF) enthalten.
  • Durch die räumlich getrennte Einspeisung eines Brenngasgemisches anderer Zusammensetzung in die Flamme wird neben dem reduzierenden, im Brenner primär geschaffenen Flammenbereich, ein zweiter oxidierender Flammenbereich geschaffen. Es können dazu Brenngase und Sauerstoff mit einem deutlichen Überschuß an Sauerstoff, gegenüber besagten Verhältnissen, die ohne Rückstand verbrennen können, Luft als Sauerstofflieferant oder überhaupt reiner Sauerstoff zugeführt werden.
  • Der zweite oxidierende Flammenbereich ist durch einen Überschuß an Sauerstoff charakterisiert. In ihn strömen aus dem reduzierend wirkenden Flammenbereich neben Gasen des verbrannten Brenngasgemisches (CO2, H2O) noch unverbrauchte Brenngasanteile (im Beispiel CH4 und H2 und sekundäre Schadstoffe (im Beispiel HF, CH4), die jetzt vollständig oxidiert bzw. verbrannt werden. Die vollständige Verbrennung ist auch nach dem Massenwirkungsgesetz gegeben, da in diesem Flammenbereich ein Überschuß an Sauerstoff eingestellt ist.
  • Aus dem oxidierenden Flammenbereich strömen die erhitzten inerten Bestandteile des Abgases (z.B. N2), die inerten Verbrennungsprodukte (vorwiegend CO2 und Wasserdampf) und die sekundären Schadstoffe (imBeispiel HF). Die sekundären Schadstoffe werden in an sich bekannter Weise durch eine Sorption oder Hydrolyse beseitigt. Im einfachsten Fall werden dazu die Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer abgesaugt und durch eine wässerige Lösung, z.B. in einer Sprühwascheinrichtung geführt.
  • Das Verfahren wird mit einer Einrichtung ausgeführt, die im wesentlichen aus einer vorzugsweise rotationssymmetrischen Brennkammer mit einem, in einer Stirnfläche der Brennkammer angeordneten Ringbrenner, besteht. Dem Ringbrenner wird das Brenngas und getrennt Sauerstoff oder das Brenngasgemisch zugeführt (Erdgas/Sauerstoff oder Wasserstoff/Sauerstoff). Am Brenner bildet sich die Brenngasflamme aus. Durch eine Zuführ, vorzugsweise im Zentrum des Ringbrenners,wird das zu reinigende Abgas, mit den darin enthaltenen Schadstoffen zugeführt. Durch die zentrale Zuführ ist das Abgas allseitig von der Brenngasflamme umschlossen, eine wichtige Voraussetzung für die effektive Schadstoffumsetzung.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die zusätzliche Zuführ von Brenngasgemisch mit einem Überschuß an Sauerstoff, von Luft oder reinem Sauerstoff in einen Ringbrenner über eine oder mehrere Bohrungen oder Kanäle eines zweiten konzentrischen Ringes. Bei dem Betrieb des Brenners mit den besagten zwei konzentrischen Ringen für die Zuführ von Brenngasgemischen mit Sauerstoffdefizit bzw, mit Sauerstoffüberschuß bildet sich über dem Brenner eine Flamme aus, mit einem stark reduzierenden Flammenbereich als Kern der Flamme über dem inneren Ring des Brenners und mit einem stark oxidierenden Flammenbereich als Mantel der Flamme über dem äußeren Ring des Brenners.
  • In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung der Einrichtung mit einem an sich bekannten Ringbrenner mit einem Ring für die Zuführ des Brenngasgemisches mit erhöhtem Brenngasanteil und mit einer zentralen Zufuhr für das schadstoffhaltige Abgas, erfolgt die zusätzliche Zufuhr von Luft oder Sauerstoff über ein oder mehrere Einlaßkanäle in der Wand der Brennkammer im Bereich des Ringbrenners. Am Ringbrenner bildet sich eine Flamme aus, deren Kern stark reduzierend ist, da dem Ringbrenner ein Brenngasgemisch mit einem Defizit an Sauerstoff im besagten Sinne zugeführt wird. Die Flamme brennt in der Brennkammer in einem "Mantel" von Luft bzw. reinem Sauerstoff, so daß sich auch auf diese Weise um den reduzierend wirkenden Fammenbereich ein Flammenbereich ausbildet, der stark oxidierend wirkt.
  • Die Absaugung an der Brennkammer, durch die die Verbrennungsprodukte abgesaugt werden, wird derart dimensioniert, daß sie über die Bohrungen oder Kanäle in der Wand. die für die Verbrennung erforderliche Luftzuführ gewährleistet.
  • Exakter kann die zusätzliche Zuführ von Luft oder Sauerstoff in den Flammenbereich unter Überdruck durch die Einlaßkanäle in der Wand der Brennkammer dosiert werden.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Verfahrensbeispiels und anhand der Zeichnung Fig. 1 einer bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt die Einrichtung in einem schematischen Längsschnitt.
  • Die erfindungsgemäße Einrichtung besteht im wesentlichen aus einer zylindrischen Brennkammer (1) aus einem korrosionsbeständigen Material. Sie hat 18 cm Durchmesser und ist 60 cm hoch. Im Bereich einer Stirnfläche (2) der Brennkammer (1) ist ein Ringbrenner (3) angeordnet, dem das Brenngasgemisch aus Brenngas und Sauerstoff über eine Zufuhr (4) zugeführt wird. Im Beispiel ist dieLage der Brennkammer vertikal (andere Lagen,auch schräge, sind ebenso möglich). Der Ringbrenner (3) hat einen Durchmesser von 25 mm. Über dem Ringkanal (5) bildet sich die Brenngasflamme (6) aus. Das Abgas mit den toxischen Schadstoffen wird dem Brenner (3) über die Zufuhr (7) zugeführt. Es tritt durch die Bohrung (8) zentral in die Brenngasflamme (6) ein.
  • Der Brenner (3) besitzt eine zusätzliche Zufuhr (9) für ein Brenngasgemisch anderer Zusammensetzung als die, die in die Zufuhr (4) eingelassen wird.
  • An der Brennkammer ist der rohrförmige Anschluß für die Absaugung (14 ), durch die die Verbrennungsgase entweder in den Abluftkanal oder in Einrichtungen zur Durchführung weiterer Teilprozesse einer mehrstufigen Abgasreinigung überführt werden.
  • Die Einrichtung wird komplettiert durch eine Zündelektrode für das Brenngasgemisch und durch einen Monitor (15), der Sensorsignale zur optimalen Steuerung der Einrichtung zur Abgasreinigung liefert.
    • Beispiel für die Ausführung des Verfahrens:
  • In einer Plasma-Ätzanlage zum Abtragen von Siliziumoxidschichten auf Siliziumscheiben fallen 60 l/min Abgas an. Das Abgas besteht aus ca 58,5 l/min Stickstoff und ca 1,5 l/min C2F6 als Schadstoff. Das Abgas wird der Reinigungseinrichtung durch eine Abgasleitung zugeführt. In der Brennkammer (1) werden dem inneren Ring (5) des Ringbrenners (3) 9 l/min H2 und 9 l/min O2 zugeführt. Dem äußeren Ring (10) des Ringbrenners (3) werden zusätzlich 3 l/min CH4 und 15 l/min O2 zugeführt. Der sich über dem Ringspalt (5) ausbildende Flammenbereich (11) der Flamme (6) ist stark reduzierend In diesen stark reduzierenden Flammenbereich (11), wird das zu reinigende Abgas, daß als hauptsächlichen Schadstoff Fluorkohlenwasserstoff C2F6 enthält, durch die Bohrung (8) eingelassen.In diesem reduzierenden Flammenbereich (11) wird der Schadstoff praktisch vollständig in CH4 und HF umgesetzt. Die Flammtemperatur liegt im Bereich von 1200 bis 1400°C.
  • Der sich am Ringspalt (10) ausbildende Flammenbereich (12), der den Flammenbereich (11) wie einen Mantel umhüllt, ist stark oxidierend. Die hier vorzugsweise ablaufende Reaktionen sind die Verbrennung von CH4 zu CO2 und Wasserdampf und von H2 zu Wasserdampf. Die etwa 1000°C heißen verbrannten Gasgemische über der Flamme strömen in Pfeilrichtung (13) senkrecht vom Brenner (3) in Richtung der Absaugung (14), von dort werden sie einer an sich bekannten Wascheinrichtung zugeführt,in der das Gas auf unter 50°C abgekühlt wird. Der HF-Anteil wird hydrolisiert. Das Gas wird wird gereinigt, d.h. praktisch schadstoffrei, an die Umgebung abgegeben. Es wird eine Reduzierung des Schadstoffgehalts mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasreinigung auf weniger als 1% erreicht, infolgedessen gelangt ein Gas mit weniger als 15 ppm Schadstoff in die Abluft.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Reinigung von schadstoffhaltigen Abgasen, insbesondere mit fluorhaltigen Kohlenwasserstoffen und anderen Fluorverbindungen durch chemische Umsetzung in einer Brennkammer mit einem Brenner zur Erzeugung einer Brenngasflamme, dadurch gekennzeichnet, daß durch räumliche Trennung der Einspeisung von Gasen unterschiedlicher Zusammensetzung und Menge in die Brenngasflamme einerseits ein chemisch stark reduzierender Flammenbereich geschaffen wird, in den die zu reinigenden Abgase eingespeist werden und andererseits ein stark oxidierender Flammenbereich geschaffen wird, in den die Abgase gelangen, nach dem sie durch den reduzierenden Flammenbereich geströmt sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der reduzierende Flammenbereich durch Zufuhr eines Brenngases und Sauerstoff oder eines Brenngasgemisches mit einem Überschuß an Wasserstoff erzeugt wird und daß der oxidierende Flammenbereich durch zusätzliche Zufuhr von einem Brenngasgemisch mit einem Überschuß von Sauerstoff, von reinem Sauerstoff oder von Luft in die Flamme erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß schädliche Reaktionsprodukte der Verbrennung in den besagten zwei Flammenbereichen durch nachfolgende Sorption und / oder Hydrolyse beseitigt werden.
  4. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3 mit einer Brennkammer, einem Ringbrenner für das Brenngas oder das Brenngasgemisch und einer zentralen Zuführ für das schadstoffhaltige Abgas in den Ringbrenner, dadurch gekennzeichnet, daß für eine zusätzliche Zufuhr von einem Brenngas oder Brenngasgemisch mit einem Überschuß an Sauerstoff am Ringbrenner, oder für eine zusätzliche Zufuhr von reinem Sauerstoff, ein zweiter konzentrischer Ring mit ein oder mehreren Bohrungen oder mit einem Kanal an dem Ringbrenner angeordnet wird.
  5. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, mit einer Brennkammer, einem Ringbrenner für das Brenngas oder das Brenngasgemisch und einer zentralen Zufuhr für das schadstoffhaltige Abgas in den Ringbrenner, dadurch gekennzeichnet, daß für die zusätzliche Zufuhr von Luft oder Sauerstoff in der Wand der Brennkammer im Bereich des Ringbrenners ein oder mehrere Einlaßkanäle angeordnet werden.
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