JP2007021290A - 排ガスの処理方法および処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ分解反応に不可欠な酸素と水素との供給が簡便に行え、しかもプラズマ分解反応が安定して十分に進行し、ＰＦＣを効率よく分解、除去できるようにする。
【解決手段】ＰＦＣを含んだ排ガスを前処理スクラバー１に導入し散水ノズル４から散水して排ガスに水分を添加し、この排ガスをプラズマ処理部７の反応室９においてプラズマ分解反応する。水分の添加量をプラズマ分解反応に必要な量とするため、散水の温度を調節して、十分な量の水分が添加できるようにする。散水用の水として、水冷ジャケット９２からの冷却水を利用することが好ましい。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体、液晶表示装置などを製造する際に排出される排ガス中のパーフルオロコンパウンド（以下、ＰＦＣと略記する）を分解する排ガス処理方法および処理装置に関する。

この種の排ガスには、ＰＦＣと総称される物質が含まれ、このＰＦＣはＣＦ_４、ＣＨＦ_３、Ｃ_２Ｆ_６、ＮＦ_３、ＳＦ_６、ＳｉＦ_４などのフッ素化合物を言い、これら化合物を分解して無害化する必要がある。
この分解処理には、色々の処理方法が提案されているが、そのなかにプラズマ分解方式がある。

特開２００３−１０６３８号公報には、プラズマ分解方式による排ガス処理装置が開示されている。
この処理装置は、排ガスに散水して排ガス中のＨＦ、ＳｉＦ_４などの水溶性成分、粉塵などを除去する前処理スクラバーと、この前処理スクラバーからの排ガス中のＰＦＣを分解するプラズマ処理塔を備えたものであって、プラズマ処理塔の入口部分に、ＰＦＣのプラズマ分解反応に必要な酸素、水素を供給する目的で、空気および水蒸気を導入するようになっている。

この処理装置では、前処理スクラバーにおいて水洗された排ガスに空気および水分が添加されたうえ、プラズマ処理塔内にて排ガス中のＰＦＣがプラズマ雰囲気中で酸素、水素と反応し、熱分解反応、還元反応等によって分解されるようになっている。

しかしながら、この先行発明にあっては、空気および水分を分解反応に必要な量、安定して供給するための供給設備が必要であること、プラズマ処理塔の入口付近で空気、水分を供給するため、排ガスとの混合が不十分な状態でプラズマ分解反応に供され、さらには放電の安定性が損なわれ、分解反応が十分に進行しない恐れがあった。
特開２００３−１０６３８号公報

よって、本発明における課題は、プラズマ分解反応に不可欠な酸素と水素との供給が簡便に行え、しかもプラズマ分解反応が安定して十分に進行し、ＰＦＣを効率よく分解、除去できるようにすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、排ガスに散水して水分を添加し、この排ガスをプラズマ処理して排ガス中のパーフルオロコンパウンドを分解する方法であって、
排ガスに添加する水分量の調整を、散水する水の温度の調節によって行うことを特徴とする排ガスの処理方法である。

請求項２にかかる発明は、散水する水として、プラズマ処理装置の冷却水を利用することを特徴とする請求項１記載の排ガスの処理方法である。

請求項３にかかる発明は、排ガスに散水して水分を添加する前処理スクラバーと、この前処理スクラバーからの水分を含む排ガスをプラズマ処理して排ガス中のパーフルオロコンパウンドを分解するプラズマ処理部と、前記前処理スクラバーでの水分添加量を調整する水分添加量調整部を備え、
水分添加量調整部が、散水の温度を調節するものであることを特徴とする排ガス処理装置である。

請求項４にかかる発明は、散水する水として、プラズマ処理部の冷却水を利用することを特徴とする請求項３記載の排ガスの処理装置である。

本発明によれば、前処理スクラバーにおいて、次段のプラズマ処理部で分解に必要な酸素、水素を水分（水蒸気）の状態で供給できる。また、その供給量の調整も散水する水の温度を変化させるだけで可能になる。
このため、装置が簡便化されるとともに、排ガスと水分とがよく混合した状態でプラズマ分解反応を受けることになり、プラズマ分解反応が十分に進行し、排ガス中のＰＦＣを効率よく分解できる。

図１は、本発明の排ガス処理装置の一例を示すもので、図中符号１は、前処理スクラバーを示す。
この前処理スクラバー１は、筒状の塔であって、その内部には気液接触のための充填材２が充填されている。また、これの底部には、排ガスを内部に導入するための導入管３が設けられ、充填材２の上方には、散水用の散水ノズル４が配置され、この散水ノズル４から充填材２に向けて、管５から導かれた水が散水されるようになっている。

さらに、前処理スクラバー１の上部には、ここから排ガスを導出するための導出管６の一端が接続されている。
導出管６の他端は、プラズマ処理部７の上部に接続され、前処理スクラバー１を出た排ガスがこのプラズマ処理部７に送り込まれるようになっている。

プラズマ処理部７は、プラズマ発生室８と反応室９と冷却室１０とから概略構成されている。
プラズマ発生室８は、その内部にプラズマを発生させるもので、平行平板型プラズマ発生装置などの周知のプラズマ発生装置（図示略）を備えており、導出パイプ６からの排ガスがこのプラズマ発生室８に導入されるようになっている。

プラズマ発生室８の下部には、これに連続して反応室９が設けられている。この反応室９には、耐熱性、耐食性に富むセラミックスなどからなる円筒状の反応管９１が備えられ、この反応管９１内部には、上部のプラズマ発生室８から流下したプラズマによって、プラズマ雰囲気が形成され、この雰囲気中において、排ガス中のＰＦＣが酸化反応、還元反応などのプラズマ分解反応を受け、分解されるようになっている。

また、反応管９１の外周には、この反応管９１を冷却する水冷ジャケット９２が反応管９１を覆うようにして設けられている。この水冷ジャケット９２には、管９３からの冷却水が送り込まれ、冷却後の加温された冷却水が管９４から導出されるようになっている。

反応室９の下部には、これに連続して冷却室１０が設けられている。この冷却室１０は、プラズマ分解反応後の排ガスに水を噴射してこれを冷却するとともに分解後の排ガス中の水溶性成分を溶解して除去するものであって、円筒状の筒体１０１の内周面に冷却用の水を噴射する複数のノズル１０２、１０２・・が設けられている。

冷却室１０の底部には、排水管１１が設けられ、ここから冷却後の排水が系外に排出されるようになっている。また、冷却室１０の下部には、排気管１２が設けられ、ここから処理後の排ガスが系外に排出されるようになっている。

また、図中符号２１は、水分添加量調整部を示す。この水分添加量調整部２１は、前処理スクラバー１において、散水ノズル４からの散水の水温を調節し、前処理スクラバー１において排ガスに添加する水蒸気量（加湿量）を調節し、次段でのプラズマ分解反応の際に必要とされる酸素、水素を排ガス中のＰＦＣの種類、量に応じて、十分に添加できるようにするものである。

この例での水分添加量調整部２１には、管５に流す水の温度を調整する温度調節器が用いられている。この温度調節器は、管２２から流入する水道水などの水を加熱または冷却して、所定の温度の水として管５から散水ノズル４に供給する。この温度調節器での設定する水温については、別途説明する。

次に、この例の排ガス処理装置を用いた排ガス処理方法について説明する。
ＰＦＣを含む排ガスは、導入管３から、前処理スクラバー１に送り込まれ、充填材２内の空隙を上昇する。この時、排ガスは、散水ノズル４から散水される所定温度の水と気液接触して、水分が添加された状態となって、導出管６を経てプラズマ反応部７に送り込まれる。

プラズマ反応部７では、プラズマ発生室８においてプラズマが発生し、これが反応室９に流れ、ここに流入した排ガスが、例えば以下の反応式で示されるプラズマ分解反応を受け、これに含まれているＰＦＣが分解される。
ＣＦ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４ＨＦ ・・・（１）
Ｃ_２Ｆ_６＋３Ｈ_２Ｏ＋１／２Ｏ_２→２ＣＯ_２＋６ＨＦ ・・・（２）
分解処理を受けた排ガスは、ついで冷却室１０において冷却され、排気管１２から排出される。

この一連の処理において、水分添加量調整部２１で設定される水温は、以下のようにして定められる。
まず、排ガス中に含まれるＰＦＣの種類、その濃度、随伴ガスの種類、その流量から上記反応式を用いるなどして、プラズマ分解反応に必要な酸素と水素との量を算出する。ついで、この酸素と水素との量から、必要な水分量を算出し、この水分量を排ガスに与えることができる散水の水温を定める。

すなわち、散水温度を定めると、その温度における処理対象ガス中の飽和水分量が定まり、これから添加すべき水分量が求まるからである。
例えば、排ガスがＣＦ_４２％、窒素流量８０ｌ／分であるとすると、必要な水分量は約４％となり、空気中の飽和水蒸気圧曲線から散水温度を３５℃と算出する。

このように算出した水温の水が得られるように、水分添加量調整部２１をなす温度調節器が作動し、例えば３５℃の水が散水ノズル４から散水される。
そして、前処理スクラバー１の散水ノズル４から、水温３５℃の水を散水すると、排ガスにはこの温度での飽和水蒸気圧となる４％の水分（水蒸気）が添加されることになる。

このように、本発明では、散水ノズル４からの散水量を調整するのではなく、散水温度を調整することで、その温度での飽和水蒸気量に相当する水分を添加するのである。これにより、排ガスには、これに含まれるＰＦＣを分解するのに十分な水分（水蒸気）が添加されることになる。

図２は、この発明の排ガス処理装置の他の例を示すもので、図１に示したものと同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。
この例の装置では、水冷ジャケット９２から排出される加温された冷却水を散水ノズル４から散水する水に利用するものである。

散水ノズル４から散水される水の温度は、通常２０℃以上であるので、先の例では加熱のためのエネルギーが必要である。一方、水冷ジャケット９２から排出される冷却水は、２０℃以上加温され、４０℃以上で排出されるため、この冷却水を用いれば、エネルギーコストを削減できる。

この例では、上記管９４は、管５に接続されており、水冷ジャケット９２からの冷却後の冷却水が管９４から管５に流れるようになっている。また、管９４には、弁１３を介してベント管１４が接続され、管９４を流れる冷却水の一部がベント管１４から系外に排出されるようにもなっている。

さらに、管５には、弁１５を介して管１６が接続されており、この管１６は、図示しない上水道など水源に接続され、管１６、弁１５を経て、水道水などの水が管５に送り込まれるようになっている。これにより、水冷ジャケット９２からの冷却後の冷却水と水道水などの外部からの水とが混合されて管５に送られ、散水ノズル４から散水されるようになっている。なお、弁１３および弁１５は、その開度が調整できる流量調整弁である。

また、図２中、破線で囲った部分が、この例での水分添加量調整部２１となる。先の例と同様に、散水ノズル４から散水される水の温度が定められると、弁１３、弁１５の開度を適宜調節し、冷却水と外部からの水との混合水の温度が設定温度となるようにする。冷却水の温度によっては、外部からの水を混合する必要がない時もある。これにより、先の例と同様に、排ガスには、これに含まれるＰＦＣを分解するのに十分な水分（水蒸気）が添加されることになる。

ところで、この例では、反応室９の反応管９１の寸法、材質、水冷ジャケット９２の寸法、材質が定まっており、水冷ジャケット９２に流入する冷却水の流量と処理ガス量を一定とすると、冷却水の水冷ジャケット９２での昇温度合は、プラズマ発生のための入力電力量に比例することになる。また、冷却水量と入力電力量を一定とすれば、冷却水の昇温度合いは処理ガス量に反比例することになる。さらに、管９３に弁を取り付け、冷却ジャケット９２に入る冷却水量を調整できるようにし、処理ガス量と入力電力量を一定とすれば、冷却水の昇温度合いは冷却水の流入水量に反比例することになる。

また、水冷ジャケット９２からの加温された冷却水を所定の設定温度として直接散水ノズル４から散水することを前提とすれば、プラズマ発生に要する電力を調節することで、散水ノズル４から散水される水の温度を調節し、所定の設定温度とすることもできる。
このプラズマ発生に要する電力を調節して散水水温を調整する方法も、本発明の処理方法に包含される。

以下、具体例を示す。
［比較例］
−供給水温度調整なしでのＣＦ_４分解性能比較−
図３に、排ガス処理装置において、前処理スクラバー１の散水ノズル４への供給水温度を調整せずに、ＣＦ_４濃度１〜２％／Ｎ_２流量８０Ｌ／ｍｉｎを処理した結果を示す。

このとき、反応に必要な水分量はＣＦ_４濃度の２倍以上となる。このときの供給水の温度は、通常の２０℃前後としており、空気の飽和曲線から処理ガスに含まれる水分量は約１．５％となる。ＣＦ_４濃度の増加に伴い、必要水分量が不足し分解率が低下しているのがわかる。

［実施例１］
−供給水温度を調整した場合のＣＦ_４分解性能比較−
図４に、本発明による前処理スクラバー１の散水ノズル４から散水される供給水温度を調整して、ＣＦ_４濃度１〜２％／Ｎ_２流量８０Ｌ／ｍｉｎを処理した結果を示す。

反応に使用する最大必要水分量は約４％であるので空気の飽和曲線から水温を３５℃とし、処理ガスに含まれる水分量を約４．８％となるようにした。ＣＦ_４濃度が増加しても分解率が低下せず、必要水分量が十分に添加されていることがわかる。

［実施例２］
−水冷ジャケットからの冷却水を利用し温度調整を行った場合のＣ_２Ｆ_６分解性能比較およびＣＦ_４分解性能比較−
図５に、本発明による冷却水を利用して前処理スクラバー１の散水ノズル４から散水される供給水温度を調整して、Ｃ_２Ｆ_６濃度１．５％／Ｎ_２流量８０Ｌ／ｍｉｎを処理した結果を示す。

反応に使用する最大必要水分量は約５％であるので、空気の飽和曲線から供給水温度を４２℃以上にする必要がある。
図２に示した装置では、プラズマ発生に要する電力Ｐを６．０ｋＷ、冷却水量を１．０Ｌ／ｍｉｎとすると、水冷ジャケット９２において２５℃加温されるため、水冷ジャケット９２に供給する水の温度が１７℃以上であれば、条件を満たすことがわかる。
また、水冷ジャケット９２から排出される冷却水に水道水を混合し、供給水の温度を下げた場合は必要水分が添加されず、分解性能が低下しているのがわかる。

図６に、上記と同様にして、ＣＦ_４濃度２．０％／Ｎ_２流量８０および６０Ｌ／ｍｉｎを処理した結果を示す。反応に使用する必要水分量は約４％であるので、空気の飽和曲線から供給水温度を３５℃以上にする必要がある。水冷ジャケット９１に入る冷却水の温度を１７℃と想定すると、水冷ジャケット９２での温度上昇は２０℃以上必要となる。

図２に示した装置において、冷却水量を１．０Ｌ／ｍｉｎとすると、必要なプラズマ発生に要する電力は、Ｎ_２流量８０Ｌ／ｍｉｎの時で６．０ｋＷ、Ｎ_２流量６０Ｌ／ｍｉｎの時で４．５ｋＷとなる。
このことから処理流量によってプラズマ発生に要する電力を下げることができることがわかる。

本発明の排ガス処理装置の一例を示す概略構成図である。 本発明の排ガス処理装置の他の例を示す概略構成図である。 実施例の結果を示す図表である。 実施例の結果を示す図表である。 実施例の結果を示す図表である。 実施例の結果を示す図表である。

符号の説明

１・・前処理スクラバー、４・・散水ノズル、７・・プラズマ処理部、２１・・水分添加量調整装置。９２・・水冷ジャケット

Claims (4)

1. 排ガスに散水して水分を添加し、この排ガスをプラズマ処理して排ガス中のパーフルオロコンパウンドを分解する方法であって、
   排ガスに添加する水分量の調整を、散水する水の温度の調節によって行うことを特徴とする排ガスの処理方法。
2. 散水する水として、プラズマ処理装置の冷却水を利用することを特徴とする請求項１記載の排ガスの処理方法。
3. 排ガスに散水して水分を添加する前処理スクラバーと、この前処理スクラバーからの水分を含む排ガスをプラズマ処理して排ガス中のパーフルオロコンパウンドを分解するプラズマ処理部と、前記前処理スクラバーでの水分添加量を調整する水分添加量調整部を備え、
   水分添加量調整部が、散水の温度を調節するものであることを特徴とする排ガスの処理装置。
4. 散水する水として、プラズマ処理部の冷却水を利用することを特徴とする請求項３記載の排ガスの処理装置。
   

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