JP2007218584A - 排ガス処理用燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスの分解率が高く、しかもクリーニングのためのメンテナンス期間を長くできるようにするとともに、ハロゲン系のガスを高効率のもとに分解処理できるようにした燃焼式排ガス処理装置用の排ガス処理用燃焼器を提供する。
【解決手段】燃焼室１１に臨んで、周壁１３で囲まれて底板１４で閉塞させた保炎部１５を設け、周壁１３に助燃ガスＢを保炎部１５に向けて旋回流を作り出すように噴出する助燃ガス用炎孔２３を、底板１４に排ガスを保炎部１５に向けて噴出する排ガス用炎孔２２をそれぞれ設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばシランガス（ＳｉＨ_４）、或いはハロゲン系のガス（ＮＦ_３，ＣｌＦ_３，ＳＦ_６，ＣＨＦ_３，Ｃ_２Ｆ_６，ＣＦ_４等）を含む有害可燃性の排ガスを燃焼処理するための燃焼式排ガス処理設備に用いられる排ガス処理用燃焼器（バーナ）に関する。

例えば、半導体製造装置からはシラン（ＳｉＨ_４）やジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）等の有害可燃ガスを含むガスが排出されるが、このような排ガスは、そのままでは大気に放出することはできない。そこで、これらの排ガスを除害装置に導いて、燃焼による酸化無害化処理を行うことが一般に行われている。この処理方法としては、助燃ガスを用いて炉内に火炎を形成し、この火炎により排ガスを燃焼させるようにしたものが広く採用されている。

このような燃焼式排ガス処理装置において、助燃ガスとしては、水素、都市ガス、ＬＰＧ等を燃料ガスとし、酸素もしくは空気を酸化剤としたものが通常使用されており、この装置の運転費用は、これらの燃料ガスや酸化剤の消費に伴うコストが大半を占めている。そこで、少ない助燃ガスによって如何に多くの有害な排ガスを高効率のもとで分解するかが、この種の装置の性能を評価する尺度の一つになっている。

また、例えばシランを酸化するとシリカ（ＳｉＯ_２）が生成されるが、このシリカ（ＳｉＯ_２）は粉末状で燃焼室の壁面や炎孔に付着して不良燃焼を誘発したり、燃焼室を閉塞したりする。このため、シリカ（ＳｉＯ_２）を除去するクリーニング作業を定期的に行う必要があるが、これを人手により行っているのが現状で、この作業間隔が長い程メンテナンスが容易とされ、クリーニング作業の間隔の長さもまた重要な評価の一つとされている。

従来の前記燃焼式排ガス処理装置に使用される燃焼器の一般的な構成を図２３及び図２４に示す。これは、円筒型燃焼室１の天井中心部に処理すべき排ガスＡを燃焼室１内に導入する排ガス用ノズル２を、この排ガス用ノズル２の外周部に助燃ガスＢを燃焼室１内に導入する複数の助燃ガス用ノズル３をそれぞれ設けるとともに、燃焼室１の下端に燃焼ガス出口４を一体に連接し、これによって、前記助燃ガス用ノズル３から噴出される助燃ガスＢで円状に並んで形成される火炎の中心部に排ガスＡを通過させ、この通過の際に排ガスＡを火炎と混合させて燃焼させて、この燃焼後の燃焼ガスを燃焼ガス出口４から外部に排出するようにしたものである。

また、現在、地球温暖化の要因とされているハロゲン系のガスを分解処理する方法としては、加熱分解式が主流とされている。即ち、この分解には、膨大な熱量による高温状況もしくはプラズマ等による膨大な励起エネルギが必要であり、このような手法を用いて、ヒータ等の加熱装置もしくはプラズマ発生装置および安全装置等の複雑な制御機構を備えた分解処理設備にハロゲン系のガスを流入させて分解処理を行っている。

しかしながら、上記従来例にあっては、助燃ガスの火炎は助燃ガス用ノズルの先方に形成されて、その内側に設けた排ガス用ノズルから前方に吹き出す排ガスは助燃ガスの火炎と必ずしも充分に混合せず、排ガスの分解率が充分ではなかった。この分解率を向上させるためには、助燃ガス量を増加させて大きな火炎を形成することで排ガスを燃焼し易くする必要があるが、このようにすると、排ガスの分解に寄与しない助燃ガス量も増大して、装置の運転コストが増大してしまう。しかも、排ガスの燃焼によって生成されたシリカ（ＳｉＯ_２）が燃焼室の壁面に付着してしまい、状況によっては一週間に１〜２回のクリーニング作業を行う必要があるといった問題があった。また、ハロゲン系のガスを分解処理するには複雑な設備が必要であるといった問題があった。

なお、円状に並ぶ火炎をその先端が中心側に傾斜するように形成することにより、排ガスが個々の火炎の高温部分に効率良く曝されるようにしたものや、火炎を長時間維持する炎導管を設けることにより、火炎と排ガスとの接触を効率良く行わせるようにしたもの等が種々提案されている。しかしながら、これらは上記問題を完全に解消したものではないと考えられる。また、燃焼器によりハロゲン系のガスを分解処理する方式も提案されているが、燃焼量により分解率が大幅に変化する場合があって、上記問題を完全に解決したものではなかった。

本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、排ガスの分解率が高く、しかもクリーニングのためのメンテナンス期間を長くできるようにするとともに、ハロゲン系のガスを高効率のもとに分解処理できるようにした燃焼式排ガス処理装置用の排ガス処理用燃焼器を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の排ガス処理用燃焼器は、燃焼室に臨んで、周壁で囲まれて底板で閉塞させた保炎部を設け、前記周壁に助燃ガスを前記保炎部に向けて旋回流を作り出すように噴出する助燃ガス用炎孔を、前記底板に排ガスを前記保炎部に向けて噴出する排ガス用炎孔をそれぞれ設けたことを特徴とする。

これにより、助燃ガスが旋回流を作り出すように保炎部に向けて噴出することで、助燃ガスの火炎と処理対象の排ガスとの混合を高めて、排ガスを高い効率のもとに燃焼分解するとともに、この時の旋回炎及び旋回流でシランガス等の燃焼後のシリカ（ＳｉＯ_２）が各炎孔の近傍や燃焼室の壁面に付着するのを防止して、排ガスを長時間に亘って安定的に燃焼処理することができる。

ここに、円筒状の燃焼室にあっては、前記周壁を円筒体の内周面で構成することが好ましい。

また、前記燃焼室を構成する壁面に該燃焼室の内部に空気を噴射する空気噴射ノズルを設けることが好ましく、これにより、この空気噴射ノズルから噴射される空気で燃焼処理したガスを冷却するとともに、冷却後の燃焼ガスを燃焼室外に速やかに排出することができる。

前記空気噴射ノズルを該噴射ノズルから噴射される空気が燃焼室内部で旋回流を形成するように設けることが好ましく、これにより、燃焼処理したガスの冷却及び燃焼室外への排出、更には燃焼室の壁面に付着するシリカ（ＳｉＯ_２）の除去をより効果的に行うことができる。

更に、前記底板に前記保炎部に向けて一次空気を噴射する一次空気噴射ノズルを設けることが好ましく、これにより、燃焼性を改善するとともに、保炎部を区画構成する内外壁の表面に付着するシリカ（ＳｉＯ_２）を更に効果的に除去することができる。

また、前記燃焼室の内径と保炎部周壁の内径を略同一とすることが好ましく、これにより、流れの停滞域をなくして粉末状のシリカ（ＳｉＯ_２）を保炎部もしくは燃焼室内壁により一層付着しにくくすることができる。

また、前記助燃ガスの炎孔より下流の保炎部周壁に２次燃焼用の空気孔を設け、保炎部に１次燃焼の還元炎と前記空気による２次燃焼の酸化炎を形成して、排ガスとりわけハロゲン系のガスの分解率を向上させることができる。

請求項２に記載の排ガス処理用燃焼器は、燃焼室に臨んで、周壁で囲まれて底板で閉塞させた保炎部を設け、前記底板に排ガスを前記保炎部に向けて噴出する排ガス用炎孔を設け、前記底板に近い保炎部周壁に旋回流を作り出すように噴出する空気噴射ノズルを設け、前記底板から離れた保炎部周壁に燃料ガスもしくは予混合気等の助燃ガスを前記保炎部に向けて旋回流を作り出すように噴出する助燃ガス用炎孔を設けたことを特徴とする。

これにより、底板に近い保炎部周壁に設けた空気噴射ノズルから旋回流を形成するように空気流を噴出するので、保炎部周壁を冷却することができる。従って、底板から離れた助燃ガス用炎孔から噴出する助燃ガスが冷却され、安定燃焼を継続することができる。更に火炎の旋回流を加速して、シラン（ＳｉＨ_４）燃焼後のシリカ（ＳｉＯ_２）等の保炎部や燃焼室周壁への付着をより効果的に防止することができる。

また、前記助燃ガスが化学量論値より多い燃料ガスを含む過濃予混合気とすることが好ましく、これにより、酸化・還元の異なる火炎を形成して、ハロゲン系のガスの分解率を向上できる。
また、前記保炎部周壁から延びて燃焼室を構成する壁面又は保炎部下端付近の周壁面に２次燃焼用空気噴射ノズルを設けることが好ましく、これにより、高温領域を下方に拡大して、ハロゲン系のガスの分解率を向上できる。

また、前記燃焼室の内径と保炎部周壁の内径を略同一とすることが好ましく、これにより、流れの停帯域を粉末状のシリカ（ＳｉＯ_２）を保炎部もしくは燃焼室内壁に一層付着しにくくすることができる。
また、前記助燃ガス用炎孔を斜め下方に向けることが好ましく、これにより、円筒体の加熱及び温度上昇を抑制して耐熱寿命を延ばすと共に、高温状態を維持してハロゲン系のガスの分解率を向上できる。

請求項１に記載の本発明によれば、助燃ガスを一方向に旋回流を作り出すように保炎部に向けて噴出することにより、助燃ガスの火炎と処理対象物たる排ガスとの混合を高めて、排ガスを高効率のもとに燃焼分解することができる。しかも、旋回炎を形成して燃焼することにより、シラン燃焼後のシリカ（ＳｉＯ_２）が炎孔近傍に付着するのを防止して、排ガスを安定的に燃焼処理するとともに、燃焼室の壁面に付着するシリカ（ＳｉＯ_２）も旋回流により除去することができる。

また、助燃ガスとして予混合気を使用して予混合燃焼を行うことにより、低当量比のもとに低ＮＯx燃焼を行うことができる。
更に、空気噴射ノズルを設けて、この噴射ノズルから噴射される空気が燃焼室内部で旋回流を形成するようにすることにより、燃焼室壁に付着するシリカ（ＳｉＯ_２）を更に効果的に除去して、クリーニングのためのメンテナンス期間を延長することができる。

また、底板に前記保炎部に向けて一次空気を噴射する一次空気噴射ノズルを設けることにより、燃焼性を改善するとともに、保炎部を区画構成する内外壁の表面に付着するシリカ（ＳｉＯ_２）を更に効果的に除去することができる。
また、燃焼室の内径と保炎部周壁の内径を略同一とすることにより、流れの停滞域をなくして粉末状のシリカ（ＳｉＯ_２）を保炎部もしくは燃焼室内壁に一層付着しにくくすることができる。

また、還元炎・酸化炎を形成してその内側から排ガスを通過させることにより、排ガスを還元分解し、引続いて酸化分解することができる。これにより比較的小型の装置でかつ多大なエネルギの消費を必要とすることなく、有害な排ガスを無害化することができる。

請求項２乃至５に記載の本発明によれば、上記効果に加え、底板に近い保炎部周壁に設けた空気噴射ノズルから噴射される空気が保炎部で旋回流を形成するようにしたことにより、円筒体及び助燃ガス室内の助燃ガスを冷却して安定燃焼を継続することができる。また、火炎の旋回流を加速して、シラン燃焼後のシリカ（ＳｉＯ_２）が炎孔近傍に付着するのを防止して安定燃焼を継続し、円筒体周壁や燃焼室壁に付着するシリカ（ＳｉＯ_２）をさらに効果的に除去して、クリーニングのためのメンテナンス期間を延長することができる。そして、２次燃焼用空気噴射ノズルを保炎部の下端部付近又は下流に設けることで、２次火炎を保炎部下流に形成して、高温滞留域を拡大してハロゲン系の分解効率を向上できる。更に、助燃ガス用炎孔を保炎部の斜め下流に向けて助燃ガスを螺旋状に吹き出すように構成することで、円筒体の加熱及び温度上昇を抑制して耐熱寿命を延ばすと共に、上記空気噴射ノズルからの冷却空気量を少なくでき、ハロゲン系の排ガスの分解効率を向上できる。

以下、本発明の実施の形態を図１乃至２２を参照して説明する。
図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態を示すもので、炉壁１０に囲まれた燃焼室１１に臨んで、円筒体１２の内周面で構成された周壁１３で囲まれて底板１４で閉塞させた保炎部１５が設けられている。ここに、前記円筒体１２は、前記底板１４に一体に形成されている。

そして、前記底板１４の内部には、例えば半導体製造装置から排出されたシラン（ＳｉＨ_４）等を含んだ窒素を主成分とする排ガス等の処理すべき排ガスＡを保持し導く複数（図示では４個）の排ガス室２０が、同じく底板１４及び該底板１４から延出する円筒体１２の内部には、例えば水素と酸素の予混合気等の助燃ガスＢを保持し導く助燃ガス室２１がそれぞれ設けられている。

前記底板１４の下面には、前記排ガス室２０から延びて前記保炎部１５に向けて開口する複数の排ガス用炎孔２２が、前記円筒体１２の内周面には、前記助燃ガス室２１と保炎部１５とを連通する複数の助燃ガス用炎孔２３がそれぞれ設けられている。そして、前記助燃ガス用炎孔２３は、保炎部１５の略接線方向に延びて助燃ガスＢを保炎部１５に向けて旋回流を形成するように、吹き出すように構成されている。

更に、前記円筒体１２と燃焼室１１の側面を接続して燃焼室１１の一部を構成する該円筒体１２の端面１２ａには、燃焼室１１の内部に向けて空気Ｃを噴射する複数の空気噴射ノズル２４が設けられているとともに、燃焼室１１の下端には、燃焼ガス出口２５が一体に連接されている。

次に、この実施の形態の作用について説明する。
先ず、助燃ガスＢは、助燃ガス室２１内に導かれて保持され、円筒体１２の内周面に設けられた助燃ガス用炎孔２３から保炎部１５に向けて旋回流を作り出すように噴出する。そして、図示しない着火元により点火されると、円筒体１２の内周面に旋回炎を形成する。

ここで、助燃ガスＢは旋回炎を形成するが、旋回炎は小さな当量比のもとでも安定して燃焼できる特徴を備えている。即ち、強く旋回しているために火炎相互に熱とラジカルを供給し合い、また火炎が円筒体１２の内周面に沿って形成されることから該壁面が加熱されると共に加熱された壁面により未燃予混合気等の助燃ガスＢが加熱されて保炎性が高くなる。そして、通常であれば、未燃ガスを発生したり消炎するような小さな当量比においても、未燃ガスを発生することなく、また振動燃焼を誘発することなく安定して燃焼することができる。

一方、排ガス室２０内に導かれ保持された処理すべき排ガスＡは、底板１４の下面に開口する排ガス用炎孔２２から保炎部１５に向けて噴出する。すると、この排ガスＡは助燃ガスＢの旋回炎と混合して燃焼するが、この際、助燃ガスＢが一方向に強く旋回するように吹き出されるために、助燃ガスＢの火炎と排ガスＡの混合状態は良く、吹き出された排ガスＡの全てが火炎と混合して燃焼して、排ガスの燃焼分解率は非常に高くなる。

また、前記空気噴射ノズル２４から燃焼室１１内に噴射された空気は、次のように作用する。即ち、燃焼処理後の燃焼ガスは高温で冷却する必要があり、また、この燃焼ガスを燃焼室１１の外部に速やかに排出する必要があるが、この空気噴射ノズル２４から燃焼室１１内に噴射された空気を燃焼処理した高温の旋回流ガスと混合させて該ガスを冷却し、混合によって流量を増した排ガスを燃焼ガス出口部２５を通じて燃焼室１１から滞ることなく速やかに排出することができる。

ここに、助燃ガスＢとして予混合気を使用し、助燃ガスの当量比を小さくすれば低ＮＯx燃焼が可能となる。そして、旋回炎を形成すると旋回の中心部の気流の圧力が低下して、中心部に火炎の先方から排ガス用炎孔２２及び助燃ガス用炎孔２３に向けて逆流する自己循環流が発生し、この循環流が炎孔からの火炎及び燃焼ガスと混合して低ＮＯx性を向上させる作用をする。

しかも、助燃ガス用炎孔２３からの火炎は旋回しているが、この旋回流がシランガス等が燃焼して生成されるシリカ（ＳｉＯ_２）が排ガス用炎孔２２及び助燃ガス用炎孔２３に付着するのを防ぐ作用をなす。即ち、シラン（ＳｉＨ_４）等が燃焼すると粉末状のシリカ（ＳｉＯ_２）が生成されるが、このシリカ（ＳｉＯ_２）が排ガス用炎孔２２や助燃ガス用炎孔２３の付近に付着すると、助燃ガスＢや排ガスＡの吹き出し量を減らしたり、吹き出し方向を変えたりして、吹き出しを不安定にすることがあり、このような状況になると、ガスの吹き出しが静定せず、安定な燃焼が不可能になる。

ところが、この実施の形態にあっては、助燃ガス用炎孔２３による旋回炎があるため、この旋回炎により排ガス用炎孔２２及び助燃ガス用炎孔２３の先端部にも早い流れが発生して、この流れが各炎孔２２，２３の先端部をクリーニングする作用をなし、生成した粉末状のシリカ（ＳｉＯ_２）が炎孔２２，２３の先端部に付着するのを防ぐ働きをする。

さらに、この効果は、各炎孔２２，２３の先端部だけにとどまらない。つまり、火炎が燃焼室１１の内部で旋回していることから、燃焼室１１の壁表面にも早い流れが発生して燃焼室１１の壁面をクリーニングして、この表面に付着したシリカ（ＳｉＯ_２）等を除去する働きをする。

このように、旋回流により、炎孔２２，２３の表面及び燃焼室１１の壁面に付着したシリカ（ＳｉＯ_２）等をセルフクリーニングすることにより、人手によるクリーニング作業の間隔を大幅に延長して、メンテナンスを容易にすることができる。

なお、この実施の形態においては、円筒状のものに適用した例を示しているが、これに限らず、例えば四角形等の多角形状のものに適用しても良いことは勿論である。このことは、以下の各実施の形態においても同様である。

図３及び図４は、本発明の第２の実施の形態を示すもので、これは、周壁１３を構成する円筒体１２として、燃焼室１１の一部を構成する端面１２ａが円錐面形状を有するものを使用するとともに、この端面１２ａに空気噴射ノズル２４ａを該空気噴射ノズル２４ａから燃焼室１１の内部に向けて噴射される空気Ｃが旋回流を作り出すように設けたものである。

この実施の形態にあっては、空気噴射ノズル２４ａから噴射される空気Ｃで燃焼室１１内に旋回流を作り出すことにより、助燃ガス用炎孔２３からの旋回流を弱めることなく、燃焼室１１内に旋回流を旺盛に発生させて、燃焼室１１の側壁に付着するシリカをより効果的に除去することができる。

図５及び図６は、本発明の第３の実施の形態を示すもので、これは、底板１４の中央部に、この内部を貫通し保炎部１５に向けて開口して一次空気Ｄを噴射する一次空気噴射ノズル３０を設けたものである。

この実施の形態にあっては、必要に応じて一次空気噴射ノズル３０から保炎部１５に一次空気を供給して酸素濃度を増大させることにより、燃焼性を改善することができる。しかも、一次空気Ｄを下方に吹き出すことにより、環状保炎部１５における旋回流に下方への速度を付加し、円筒体１２の表面を流れる流速を増大させて、円筒体１２の表面に付着するシリカを更に効果的に除去することができる。

図７及び図８は、本発明の第４の実施の形態を示すもので、これは、円筒体１２の内径と燃焼室１１の内径を略同一として構成したものである。このように構成することにより、旋回流の旋回径が出口まで略同一になって、保炎部から出口まで良好な旋回流を維持でき、流れの停滞域をなくして、粉末状のシリカ（ＳｉＯ_２）の壁面への付着を大幅に低減することができる。

なお、前記各実施の形態において、燃焼用バーナを形成する材料としては、セラミックスや耐熱金属材が好適である。また、上方から下方に吹き出す火炎に適用した例を示しているが、水平方向に吹き出すようにした火炎に適用してもよい。また、助燃ガスとしては、水素と酸素の予混合気に限定されることなく、都市ガスもしくはＬＰＧと、酸素、空気もしくは酸素富化空気との予混合気でも良いことは勿論である。

図９及び図１０は、本発明の第５の実施の形態を示すもので、これは、第４の実施の形態と同様に円筒体１２の内径と燃焼室１１の内径を略同一とし、前記助燃ガスの炎孔より下流の保炎部周壁に２次空気Ｅを噴射する２次燃焼用の２次空気噴射ノズル３１を設けたものである。予混合気Ｂは燃料が過濃な過濃予混合気とし、これを炎孔２３から旋回噴射して、保炎部内部に旋回流還元炎を形成する。この還元炎とノズル２２からの排ガスＡを接触させて、排ガス、とりわけハロゲン系のガスを還元分解し、更に、分解された排ガスはその下流に設けられた２次燃焼用ノズル３１から噴射される空気から充分な酸素を与えられて、酸素過剰な状態となり酸化炎を形成する。この酸化炎により、排ガスは完全に酸化分解される。

即ち、供給する助燃ガスである予混合気の燃料ガスに対する酸化剤の混合比を、化学量論値で求める酸化剤混合比より少なくして得られる還元炎と、形成された還元炎に対して、空気もしくは酸素を燃料ガスに対する酸化剤の化学量論値以上に供給して、酸素過剰条件とすることで得られる酸化炎を順次燃焼器内に形成させる。そして、排ガスは還元炎と酸化炎という２つの火炎に曝されて還元反応と酸化反応を順次行うと共に、火炎との接触時間を長くして高温滞留時間を延ばすことができる。この２つの作用により、排ガス、とりわけハロゲン系のガスを完全に分解することができる。
ここで２次空気噴射ノズルは保炎部に向けて旋回流を形成するように噴射するのが好ましいが、中心方向に向けて噴射して１次燃焼後の排ガスとの間に乱れを起こして混合するようにしてもよい。

一実施例としては、次の通りである。
処理対象ガス；ＣＦ_４
予混合気組成；Ｈ_２＋Ｏ_２
予混合気混合比；Ｈ_２：Ｏ_２＝７：３
予混合気流量；５０sl／min
酸化炎用供給酸素量；１０sl／min
還元炎中の還元分解反応としては、
ＣＦ_４＋Ｈ_２→ＣＨmＦn＋ＨＦ＋Ｆ_２ （ｍ，ｎは０〜４）
さらに酸化分解反応としては、
ＣＨmＦn＋ＨＦ＋Ｆ_２＋Ｏ_２→ＣＯ_２＋ＨＦ＋Ｆ_２＋Ｈ_２Ｏ
本方式による処理後には、ＣＯ_２（二酸化炭素）、ＨＦ（フッ化水素）、Ｆ_２（フッ素）、Ｈ_２Ｏ（水）となる。

以上のように、ハロゲン系の排ガスを分解する場合に、予混合方式の燃焼器内に形成される還元炎と酸化炎を利用することにより、複雑な制御機構を備えた設備を必要とせず、小型の燃焼器内で簡易に分解処理することができ、小型・省エネルギ化することができる。また、火炎の熱を直接に利用するため、電気エネルギから高温を作り出す場合よりも少ないエネルギで分解処理することができる。

なお、このような還元炎・酸化炎による排ガスの分解処理方法は、図９及び図１０に示す燃焼器のみならず、上述した図１乃至図８に示す燃焼器においても同様に適用可能なことは勿論である。

図１１及び図１２は、本発明の第６の実施の形態を示すものである。炉壁１０に囲まれた燃焼室１１に臨んで、円筒体１２の内周面で構成された周壁１３で囲まれて底板１４で閉塞させた保炎部１５が設けられている。ここに、前記円筒体１２は、前記底板１４と一体に形成されている。そして、前記底板１４の内部には、例えば半導体製造装置から排出されたシラン（ＳｉＨ_４）ガス等を含んだ窒素を主成分とする排ガス等の処理すべき排ガスＡを保持し導く複数（図示では４個）の排ガス室２０が、同じく底板１４及び該底板１４から延出する円筒体１２の内部には、空気Ｃを保持し導く空気室３３及び例えば水素と酸素の予混合気等の助燃ガスＢを保持し導く助燃ガス室２１がそれぞれ底板１４側から順に設けられている。

前記底板１４の下面には、前記排ガス室２０から延びて前記保炎部１５に向けて開口する複数の排ガス用炎孔２２が設けられ、前記円筒体１２の底板に近い内周面には、前記空気室３３と保炎部１５とを連通する複数の空気噴射ノズル３４を、又、底板から離れた保炎部出口近傍には前記助燃用ガス室２１と保炎部１５とを連通する複数の助燃ガス用炎孔２３がそれぞれ設けられている。そして、前記助燃ガス用炎孔２３及び空気噴射ノズル３４は、保炎部１５の円周の略接線方向に延びて保炎部１５に向けて助燃ガスＢもしくは空気Ｃを同一向きの旋回流を形成して吹き出すように構成されている。更に前記円筒体１２の周壁１３から円錐状に延びて燃焼室１１の側面と連接して燃焼室１１の一部を構成する円錐面１２ａを備えている。又、燃焼室１１の下端には、燃焼ガス出口２５が一体に連接されている。

次に、この実施の形態の排ガス処理用燃焼器の動作について説明する。まず、助燃ガスＢは、助燃ガス室２１内に導かれて保持され、円筒体１２の内周面に設けられた助燃ガス用炎孔２３から保炎部１５に向けて旋回流を作り出すように噴出する。そして、図示しない着火元により点火されると、円筒体１２の内周面に旋回炎を形成する。ここで、助燃ガスＢは旋回炎を形成するが、旋回炎は広い当量比の範囲にわたって安定して燃焼できる特徴を備えている。即ち、強く旋回しているために火炎相互に熱とラジカルを供給し合い、保炎性が高くなる。そして、通常であれば未燃ガスを発生したり消炎するような小さな当量比においても未燃ガスを発生することなく、又、当量比１付近においても振動燃焼を誘発することなく安定して燃焼することができる。一方、排ガス室２０内に導かれ保持された処理すべき排ガスＡは、底板１４の下面に開口する排ガス用炎孔２２から保炎部１５に向けて噴出する。すると、この排ガスＡは助燃ガスＢの旋回炎と混合して燃焼するが、この際、助燃ガスＢが一方向に強く旋回するように吹き出されるために、助燃ガスＢの全てが火炎と充分に混合して、排ガスの燃焼分解効率は非常に高くなる。

又、前記空気噴射ノズル３４から保炎部１５内に噴射された空気は次のように作用する。即ち、本発明者等の研究により、旋回炎は円筒体１２及び助燃用ガス室２１内の助燃ガスＢを過熱することがわかった。即ち、安定した燃焼を継続するためには、円筒体１２の構成材料の耐熱温度を超えないように冷却する必要があり、又、助燃ガスＢをその発火温度を超える温度以上に過熱すると、助燃ガスに酸化剤が含まれている場合には助燃用ガス室２１内で燃焼を開始する場合があるため、その発火温度を超えないように冷却する必要がある。このため、助燃ガス用炎孔２３の上流に設けた空気噴射ノズル３４から燃焼室１１内に噴射された空気は保炎部１５を旋回して周壁１３を冷却する。そして、周壁１３の冷却を介して助燃ガスＢも又冷却する。こうして、安定な燃焼を継続する作用をなす。又、助燃ガス用炎孔２３からの火炎は旋回して噴射されるが、空気噴射ノズル３４から噴射された空気も旋回しているため、この空気流が火炎と混合して火炎の旋回流を一層加速して強い旋回流を形成する。旋回炎を形成すると旋回の中心部の気流の圧力が低下して、中心部に、火炎の先方から排ガス用炎孔２２及び助燃ガス用炎孔２３に向けて逆流する自己循環流が発生し、この循環流が炎孔からの火炎及び燃焼ガスと混合してＮＯxの生成を抑制する。

又、助燃ガス用炎孔２３からの火炎は強く旋回しているが、この旋回流がシランガス等が燃焼して生成されるシリカ（ＳｉＯ_２）が排ガス用炎孔２２及び助燃ガス用炎孔２３に付着するのを防ぐ作用をする。即ち、シラン（ＳｉＨ_４）等が燃焼すると、粉末状のシリカ（ＳｉＯ_２）が生成されるが、このシリカ（ＳｉＯ_２）が排ガス用炎孔２２や助燃ガス用炎孔２３の付近に付着すると、助燃ガスＢや排ガスＡの噴き出し量を減らしたり、吹き出し方向を変えたりして、吹きだしを不安定にすることがある。このような状況になると、ガスの吹き出しが静定せず、安定な燃焼が不可能になる。本実施の形態にあっては、助燃ガス用炎孔２３の旋回炎があるため、この旋回炎により排ガス用炎孔２２及び助燃ガス用炎孔２３の先端部にも速い流れが発生して、この流れが各炎孔２２、２３の先端部をクリーニングする作用をなし、生成した粉末状のシリカ（ＳｉＯ_２）が炎孔２２，２３の先端部に付着するのを防ぐ働きをする。この効果は空気噴射ノズル３４からの旋回空気流があることにより、一層、顕著となる。

更に、この効果は各炎孔２２，２３の先端部だけにとどまらない。つまり、火炎が燃焼室１１内部で旋回していることから、燃焼室１１の壁表面にも速い流れが発生して燃焼室１１の壁をクリーニングして、この表面に付着したシリカ（ＳｉＯ_２）を除去する働きをする。このように、旋回流により炎孔２２，２３の表面及び燃焼室１１の壁面に付着したシリカ（ＳｉＯ_２）をセルフクリーニングすることにより、この表面に付着したシリカ（ＳｉＯ_２）を除去する働きをする。

又、供給する助燃ガスを酸化剤を含んだ予混合気とし、この予混合気の燃料ガスに対する酸化剤の混合比を化学量論値で求める酸化剤混合比より少なくした燃料過濃予混合気とし、これを炎孔２３から旋回噴射して、保炎部内部に一次旋回流還元炎を形成する。この還元炎とノズル２２からの排ガスＡを接触させて、排ガスとりわけハロゲン系の排ガスを還元分解する。次に、上流の空気噴射ノズル３４から噴射する空気から化学量論値以上の充分な酸素を与えられて、酸素過剰な状態として２次酸化炎を形成する。この酸化炎により排ガスを酸化分解する。そして、排ガスは還元炎と酸化炎の２段の火炎に曝されて、火炎との接触時間を長くして高温滞留時間を延ばすことができる。ここで、ハロゲン系の排ガスは雰囲気温度を高くして、その状態を長く維持すれば分解できる特性がある。このように、排ガスは酸化・還元の異なる２段の火炎に曝され、しかも、火炎による高温状態を延ばすことによって排ガス、とりわけハロゲン系のガスを完全に分解することができる。

図１３及び図１４は、本発明の第７の実施の形態を示すものである。これは、第６の実施の形態において、円筒体１２の内径と燃焼室１１の内径を略同一として構成したものである。円筒体の周壁１３と燃焼室１０の側面を接続する円錐面を単なる円筒面１２ｂとしたものである。このように構成することにより、旋回流の旋回径が出口まで略同一となって、保炎部から燃焼室出口まで良好な旋回流を維持でき、流れの停滞域をなくして粉末状のシリカ（ＳｉＯ_２）の壁面への付着を大幅に低減することができる。

図１５及び図１６は、本発明の第８の実施の形態を示すものである。前記円筒体１２の周壁１３から延びて燃焼室１１の側面と連接して燃焼室１１の一部を構成する円錐面１２ａの内側には２次燃焼用空気Ｄを保持し導く空気室３５が設けられている。そして、円錐面１２ａには前記空気室３５から延びて燃焼室１１に向けて開口する複数の２次燃焼用空気噴射ノズル３６が設けられている。２次燃焼用空気噴射ノズルは保炎部下端付近に開口してもよい。また、燃焼室１１の下端には、燃焼ガス出口２５が一体に連接されている。

次に、この実施形態の動作について説明する。
供給する助燃ガスＢを予混合気であって燃料ガスに対する酸化剤の混合比を化学量論値で求める酸化剤混合比より少なくした燃料過濃な過濃予混合気として、保炎部内部に１次旋回流還元炎を形成する。次に、上流の空気噴射ノズル３４及び下流に設けた２次燃焼用空気噴射ノズル３６から噴射する空気から化学量論値以上の充分な酸素を与えて、酸化過剰な状態として２次酸化炎を形成する。ここで、２次燃焼用空気が保炎部下流の空気噴射ノズル３６からも与えられることにより２次酸化炎は保炎部下流に長く形成され、高温領域を下方に拡大して、排ガスの高温停滞時間を更に延長することができる。このように、排ガスは酸化・還元の異なる２段の火炎に曝され、しかも、火炎による高温状態をさらに延ばすことによって排ガス、とりわけハロゲン系のガスを完全に分解することができる。この場合は、２次燃焼用空気噴射ノズル３６からも空気を噴射して２次火炎を形成したものである。ここで、２次空気噴射ノズルは保炎部に向けて旋回流を形成するように噴射するのが好ましいが、本実施の形態のように下方に向けてもよい。また、中心方向に向けて噴射して還元炎による１次燃焼後の排ガスとの間に乱れを起こして混合するようにしてもよい。

図１７及び図１８は、本発明の第９の実施の形態を示すものである。これは、第８の実施の形態に対して円筒体１２の内径と燃焼室１１の内径を略同一として、正確には、燃焼室１１の内径を円筒体１２の内径よりもやや大きくしたものである。

図１９及び図２０は、本発明の第１０の実施の形態を示すものである。これは、第９の実施の形態において、第７の実施の形態のように円筒体１２の内径と燃焼室１１の内径をまったく同一として、円筒体の周壁と燃焼室の側面を接続する円錐面を円筒面１２ｂとしたものである。この場合、２次燃焼用空気噴射ノズル３６は空気室３５から延びて燃焼室１１に向けて円筒面１２ｂに開口して設けられている。

図２１及び図２２は、本発明の第１１の実施の形態を示すものである。これは、第８の実施の形態において、助燃ガス用炎孔２３を保炎部１５の斜め下流に向けて助燃ガスＢを旋回流を形成して吹き出すように構成したものである。これにより、助燃ガス用炎孔２３から噴き出した火炎は保炎部の下流に向けて螺旋状の旋回流を形成する。したがって、旋回流が円筒体１２の周壁内側を流れる際の旋回長が、助燃ガスを第８の実施の形態のように水平に吹き出した場合よりも短くなって、火炎が円筒周壁を加熱する領域が狭くなり、旋回流による前記周壁の加熱と温度上昇が抑制される。これにより、円筒体構成材料の耐熱寿命を延ばすことができる。また、空気噴射ノズル３４からの冷却空気量を少なくでき、冷却による火炎温度の低下を抑制し、高温状態を維持して、ハロゲン系の排ガスの分解効率を向上できる。尚、この実施の形態のように、助燃ガス用炎孔を斜め下流に向けて旋回流を形成して吹き出すように構成することは、第１乃至第１０の実施の形態に適用してもよいことは勿論である。

尚、前記各実施の形態において、燃焼器を形成する材料としてはセラミックスや耐熱金属材が好適である。また、火炎は上方から下方に吹き出す例を示しているが、水平方向に噴き出すようにした火炎に適用してもよい。また、助燃ガスとしては水素と酸素の予混合気に限定されることなく、水素、都市ガス及びＬＰＧ等の燃料ガス、もしくは都市ガス、ＬＰＧと酸素、空気もしくは酸素富化空気との予混合気でもよいことは勿論である。
また、前記各実施の形態においては、円筒状のものに適用した例を示しているが、これに限らず、例えば四角形等の多角形状のものに適用してもよいことも勿論である。

本発明の第１の実施の形態を示す縦断面図。 図１のＩ−Ｉ線断面図。 本発明の第２の実施の形態を示す縦断面図。 図３のII−II線断面図。 本発明の第３の実施の形態を示す縦断面図。 図５のIII−III線断面図。 本発明の第４の実施の形態を示す縦断面図。 図７のIV−IV線断面図。 本発明の第５の実施の形態を示す縦断面図。 図９のＶ−Ｖ線断面図。 本発明の第６の実施の形態を示す縦断面図。 図１１のVI−VI線断面図。 本発明の第７の実施の形態を示す縦断面図。 図１３のVII−VII線断面図。 本発明の第８の実施の形態を示す縦断面図。 図１５のVIII−VIII線断面図。 本発明の第９の実施の形態を示す縦断面図。 図１７のIX−IX線断面図。 本発明の第１０の実施の形態を示す縦断面図。 図１９のＸ−Ｘ線断面図。 本発明の第１１の実施の形態を示す縦断面図。 図２１のXI−XI線断面図。 従来例を示す縦断面図。 図２３のXII−XII線断面図。

符号の説明

１１ 燃焼室
１２ 円筒体
１３ 周壁
１４ 底板
２０ 排ガス室
２１ 助燃ガス室
２２ 排ガス用炎孔
２３ 助燃ガス用炎孔
２４，２４ａ 空気噴射ノズル
３０，３４ 一次空気噴射ノズル
３１，３６ 二次空気噴射ノズル

Claims (5)

1. 燃焼室に臨んで、周壁で囲まれて底板で閉塞させた保炎部を設け、前記周壁に助燃ガスを前記保炎部に向けて旋回流を作り出すように噴出する助燃ガス用炎孔を、前記底板に排ガスを前記保炎部に向けて噴出する排ガス用炎孔をそれぞれ設けたことを特徴とする排ガス処理用燃焼器。
2. 燃焼室に臨んで、周壁で囲まれて底板で閉塞させた保炎部を設け、前記底板に排ガスを前記保炎部に向けて噴出する排ガス用炎孔を設け、前記底板に近い保炎部周壁に旋回流を作り出すように噴出する空気噴射ノズルを設け、前記底板から離れた保炎部周壁に燃料ガスもしくは予混合気等の助燃ガスを前記保炎部に向けて旋回流を作り出すように噴出する助燃ガス用炎孔を設けたことを特徴とする排ガス処理用燃焼器。
3. 前記助燃ガスが化学量論値より多い燃料ガスを含む過濃予混合気であることを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス処理用燃焼器。
4. 前記保炎部周壁から延びて燃焼室を構成する壁面又は保炎部下端付近の周壁面に２次燃焼用空気噴射ノズルを設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の排ガス処理用燃焼器。
5. 前記助燃ガス用炎孔を斜め下流に向けて設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の排ガス処理用燃焼器。

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