JP2007519878A - ガス状汚染物質を制御可能に燃焼させるための装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガス状汚染物質を制御可能に燃焼させ、それと同時に、望ましくない反応生成物が処理システム内に堆積するのを抑制し、さらに処理システム内に堆積した望ましくない反応生成物を除去するためのシステムおよび方法に関する。システムは、上部熱反応器内における熱燃焼のために廃ガス流を酸化剤および可燃性燃料と混合するための少なくとも１つの入口を含む上部熱反応器を有する二段式熱反応器を採用する。上部熱反応器は、外側外壁および多孔質内壁を有する２重壁構造を更に含み、その多孔質内壁は、流体を保持し、かつ、その流体を多孔質内壁を介して上部熱反応器の中へ脈動モードで放出するための内部空間を画成し、上部反応チャンバの内面上に反応生成物が堆積するのを抑制する。二段式熱反応器は、上部熱反応器内において形成された反応生成物を、水渦巻を介して流れさせるための下部反応チャンバを更に含み、その水渦巻は、下部反応チャンバの内部に沿って水が溢れることを提供し、それによって、望ましくない生成物が下部反応器の内面上に堆積するのを抑制する。
【選択図】 図１

Description

発明の背景

発明の分野
[0001]本発明は、半導体の製造において発生する排ガスのような工場排出流体を熱処理し、反応生成物が処理システム内に堆積するのを抑制するためのシステムおよび方法に関する。

関連技術の説明
[0002]半導体材料、半導体デバイス、半導体製品、および半導体メモリー商品の製造から発生するガス状排出物は、プロセス設備において使用され、かつ発生した多種多様な化学化合物を伴う。これらの化合物には、無機化合物および有機化合物、フォトレジストおよびその他の試薬の分解生成物、および多種多様なその他のガスが含まれ、それらは、プロセス設備から大気中へ排気される前に、廃ガス流から除去されなければならない。

[0003]半導体製造プロセスは、様々な化学薬品を利用し、それらの多くは、極めて低い人体許容レベルを有する。そのような物質には、アンチモン、ヒ素、ホウ素、ゲルマニウム、窒素、リン、ケイ素、セレンのガス状水素化物、シラン、ホスフィン、アルゴン、水素とシランとの混合物、オルガノシラン、ハロシラン、ハロゲン、およびその他の有機化合物が含まれる。

[0004]軽減されなければならない様々な化合物の中でも、ハロゲン、例えば、フッ素（Ｆ_２）およびフッ素化物は、とりわけ、問題のあるものである。エレクトロニクス産業は、ウェーハ処理ツールにおいて、堆積ステップからの残留物を除去するために、また、薄膜をエッチングするために、ペルフルオロ化合物（ＰＦＣ）を使用する。ＰＦＣは、地球温暖化の大きな原因であることが認識されており、エレクトロニクス産業は、これらのガスの放出を減少させるように努力している。最も広く使用されるＰＦＣには、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、ＳＦ_６、Ｃ_３Ｆ_８、ＮＦ_３が含まれる。これらのＰＦＣは、プラズマ中において解離され、高い反応性のＦ_２およびフッ素基を生成し、それらが、実際の清浄およびエッチングを行う。これらの加工作業からの生成物には、主として、フッ素、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ_４）が含まれ、また、それほどではないにせよ、フッ化水素（ＨＦ）、フッ化カルボニル（ＣＯＦ_２）、ＣＦ_４、およびＣ_２Ｆ_６が含まれる。

[0005]大きな問題は、半導体製造プロセスの排出ガス流からこれらの物質を除去することであった。ほとんどすべての米国半導体製造工場は、これらの排ガスを処理するために、スクラバーかまたはそれに類似する手段を利用しているが、これらの工場において採用されている技術は、有毒な、さもなければ容認できないすべての不純物を除去することができない。

[0006]この問題の１つの解決方法は、プロセスガスを焼却し、有毒物質を酸化させ、あまり毒性のない形態にそれらを変換することである。そのようなシステムは、ほとんどの場合、それの処理能力の点において、過剰設計され、また、典型的には、複雑な反応による化学的危険性を発生させることなく、大量の混合化学物質流を安全に処理することができない。更に、従来の焼却炉は、典型的には、完全燃焼を達成することができないので、一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）を含む汚染物質を大気中に放出させる。更にまた、ガス排出物に大きく関係する問題の１つは、酸ミスト、酸蒸気、酸ガス、およびＮＯＸ（ＮＯ、ＮＯ_２）を形成することである。従来の焼却炉の更なる欠点は、それらが、結果として得られる混合物を燃えやすいものにするためにおよび完全に可燃性にするために、可燃性の燃料を燃えにくいプロセス流に十分に混合することができないことである。

[0007]酸素または酸素富化空気が、燃焼チャンバ内に直接に付加され、廃ガス流と混合され、燃焼温度を上昇させてもよいが、酸化物、とりわけ、酸化ケイ素が形成されることがあり、これらの酸化物は、燃焼チャンバの壁に堆積しやすい。形成された酸化ケイ素の塊は、比較的に大きな場合があり、燃焼チャンバ内に徐々に堆積するために、多くの回数、装置を保守することが必要になることがある。

[0008]したがって、廃ガス流内の高い耐久性のある汚染物質を燃焼させるために、改善された熱反応器ユニットを提供することは、有益なことであり、その改善された熱反応器ユニットは、極めて燃えやすいガスを流し込み、廃ガス流と混合することによって、高い燃焼温度を提供し、完全燃焼を保証し、望ましくない反応生成物が熱反応器ユニット内に堆積することを抑制する。

発明の概要

[0009]本発明は、熱反応器内における半導体廃ガスの制御された燃焼を提供し、それと同時に、システム内に堆積物が蓄積するのを抑制するための方法およびシステムに関する。

[0010]一態様において、本発明は、汚染物質を廃ガス流から除去するための二段式反応器に関し、
上記二段式反応器は、
ａ）上部熱反応チャンバであって、
i）外側外壁、
ii）多孔質内壁であって、中央燃焼チャンバを画成し、内部空間を画成するのに十分な距離だけ外側外壁から離れて配置された、多孔質内壁と、
iii）廃ガス流を中央燃焼チャンバの中へ流し込むための中央燃焼チャンバと流体連絡する少なくとも１つの廃ガス入口、
iv）廃ガス流を燃焼させるための熱手段であって、それによって、反応生成物を形成する、熱手段、
v）脈動状態で流体を内部空間の中へ流し込むための手段であって、上記多孔質内壁は、反応生成物が多孔質内壁上に堆積するのを抑制するのに十分な圧力で流体を内部空間から中央燃焼チャンバの中へ移動させる、流し込むための手段、
を備える、上部熱反応チャンバと、
ｂ）下部反応チャンバであって、
i）中央燃焼チャンバと流体連絡するガス流チャンバであって、廃ガス流および反応生成物に上記ガス流チャンバを通過させるための入口および出口を備える、ガス流チャンバ、
ii）酸化剤をガス流チャンバへ流し込むように配置された少なくとも１つの酸化剤入口、
iii）ガス流チャンバの入口の近くに配置された液体渦巻であって、下方向へ流れる液体膜をガス流チャンバの内面上に生成し、それによって、粒子の塊がその内面上に堆積および蓄積するのを抑制するための手段を備える、液体渦巻、
を備える、下部反応チャンバと、
を備える。

[0011]更に別の態様においては、本発明は、廃ガス流内のガス状汚染物質を制御可能に燃焼させるためのシステムに関し、上記システムは、
ａ）上部熱反応チャンバであって、
i）外側外壁、
ii）多孔質内壁であって、中央燃焼チャンバを画成し、内部環状空間を画成するのに十分な距離だけ外側外壁から離れて配置された、多孔質内壁、
iii）脈動状態で流体を内部環状空間へ流し込むための手段であって、上記多孔質内壁が、反応生成物が多孔質内壁上に堆積するのを抑制するのに十分な圧力または速度で流体を内部環状空間から中央燃焼チャンバの中へ移動させる、流し込むための手段、
iv）廃ガス流を燃焼させるための熱手段であって、それによって、反応生成物を生成する、熱手段、
v）廃ガス流を上部熱反応器の中へ案内するための少なくとも１つの廃ガス入口であって、中央燃焼チャンバ内に存在する管路の部分で終端する管路を備え、管路の上記部分は、管内に配置され、その管は、管路の端部を越えて突き出ており、火炎を形成するための管内に存在するチャンバを画成し、管は中央燃焼チャンバと連絡する開口端を有する、少なくとも１つの廃ガス入口、
を備える、上部熱反応チャンバと、
[0012] ｂ）下部反応チャンバであって、
i）中央燃焼チャンバと流体連絡するガス流チャンバ、
ii）酸化剤をガス流チャンバへ流し込むように配置された少なくとも１つの酸化剤入口、
iii）中央燃焼チャンバとガス流チャンバとの間に配置された液体渦巻であって、下方向へ流れる液体膜をガス流チャンバの内面上に生成し、それによって、粒子の塊がその内面上に堆積および蓄積するのを抑制するための手段を備える、液体渦巻、
を備える、下部反応チャンバと、
を備える。

[0013]好ましくは、上記液体渦巻は、
（i）上部プレートおよび中央燃焼チャンバと流体連絡する中央開口を有する外殻と、
（ii）内面および一般的にガス流チャンバの内面と整列させられる中央開口を有する外殻内に存在する円錐形バッフルであって、一般的には、外殻の内面と同心的に整列させられて同心チャンバを形成する、円錐形バッフルと、
（iii）液体を同心チャンバの中へ接線方向に流し込むように配置された液体入口であって、それによって、同心チャンバを液体で満たして渦運動を発生させ、液体を上昇させ、円錐形バッフルからガス流チャンバの中へ溢れさせ、円錐形バッフルの内面上に流体の層シートを形成し、その流体の層シートは、ガス流チャンバの内面上を下方向へ流れる、液体入口と、
を備える。

[0014]そのような構成によって、ガス流チャンバに入るガス流は、構造物の下部における壁に直接に接触するのを妨げられる。「渦巻」から流れ落ちる水の膜は、粒子の塊がガス流チャンバの内壁面上に蓄積するのを阻止する。そのような壁面上を移動する液体流は、水の膜に接触するガス流内の粒子を下方向へ運搬し、ガス流チャンバから排出する。

[0015]上部反応チャンバにおいて、多孔質内壁は、焼結セラミック体、焼結金属、または気孔の寸法またはメッシュサイズに関係なく流体を細孔を通って移動させるための細孔を材料全体に有する任意の材料から構成されてもよい。好ましくは、気孔は、材料全体に均一に分布する。材料は、反応生成物が燃焼チャンバの内面に近づくのを抑制するのに十分な速度で流体を内壁から燃焼チャンバへ容易に放出することのできる寸法を有する気孔または穿孔を含んでもよい。例えば、１平方インチ当たり約４０個〜約１４００個の穿孔が存在し、穿孔の数によって決定される直径を有してもよい。

[0016]代替として、多孔質内壁は、一般的には漏斗のような構造を有する複数の先細り突起を備える材料から構成されてもよく、その突起は、燃焼チャンバに向かって次第に細くなる。これらの円錐形の気孔は、流体を中央燃焼チャンバの中へ通過させ、それと同時に、任意の流体または反応生成物が、内部環状空間の中へ逆流するのを抑制し、あるいは、中央燃焼チャンバの内面上に堆積するのを抑制する。

[0017]外側外壁と多孔質内壁との間の間隔は、好ましくは加圧された状態のガスを露出した多孔質内壁の本質的に全体にわたって分配するのに十分な内部空間を提供する。代替としては、多孔質内壁は、ガスを中央燃焼チャンバの中へ送り込むための多数のアパーチャーまたはノズルから構成されてもよい。

[0018]流体は、空気および／または不活性ガスのようないかなるガスであってもよく、そのガスは、好ましくは、放出されるときに中央燃焼チャンバの内面上に堆積するのを抑制するのに十分な適切な圧力にまで加圧される。動作中、加圧可能なガスは、上部反応チャンバ内の壁に近づくガス流内の粒子または有害ガスの速度よりも早い速度で多孔質内壁から放出されるのに十分な圧力を有しており、それによって、燃焼チャンバ内において多孔質内壁に隣接する領域を作成し、その領域は、粒子が燃焼チャンバの内面に近づくのを妨げる。一般的には、ガスは、約５０ｐｓｉｇ〜約６００ｐｓｉｇの範囲にある圧力、より好ましくは、約６０ｐｓｉｇ〜約１００ｐｓｉｇの範囲にある圧力まで加圧されてもよいが、これは、当業者によって、燃焼チャンバへ流れ込むガス流の流量を測定することによって容易に調節される。したがって、多孔質内壁から流出するガスの速度は、燃焼チャンバ内のガス流の中に含まれる任意の反応生成物の速度と等しくなるように、あるいはそれよりも速くなるように調整することができる。

[0019]好ましくは、多孔質内壁の通路から燃焼チャンバの中へ放出される流体は、脈動モードの状態である。一般的には、放出される流体の脈動期間は、約３ｍｓ〜約１ｓであり、より好ましくは、約２０ｍｓ〜約１００ｍｓである。

[0020]更に別の態様において、本発明は、二段式熱反応器における処理によって廃ガス流内のガス状汚染物質を制御可能に燃焼させるための方法に関し、この方法は、
i）廃ガス流を少なくとも１つの入口端部から上部熱反応器へ流し込むステップと、
ii）廃ガス流と混合するために少なくとも１つの可燃性燃料を提供し、燃料濃厚可燃性ガス混合物流を形成するステップと、
iii）燃焼チャンバ内において燃料濃厚可燃性ガス混合物流に着火し、酸化反応生成物を形成するステップと、
iv）燃料濃厚可燃性ガス混合物流を燃焼させるのと同時に付加的な流体を燃焼チャンバの中へ注入するステップであって、付加的な流体は、脈動モードで、かつ、燃焼チャンバ内部を取り囲むような形で注入され、それによって、反応生成物が、燃焼チャンバの内面上に堆積するのを妨げる、注入するステップと、
v）反応生成物の流れを下部反応チャンバの中へ流れさせ、それと同時に、空気含有ガスを流れの中へ流し込み、それによって、燃料希薄混合物を提供するステップと、
vi）反応生成物の流れを下部反応チャンバの入口の近くに配置された水渦巻を介して流れさせるステップであって、水渦巻から流れ落ちる水が、下部反応チャンバの内面上に反応生成物が堆積するのを妨げる、流れさせるステップと、
を備える。

[0021]本発明のその他の態様および利点が、以下の説明および添付の特許請求の範囲からより詳細に明らかとなる。

発明の好ましい実施形態の説明

[0025]図１を参照すると、本明細書で説明されるシステムを表現する二段式反応器１０が示される。上部反応チャンバ１２および下部反応チャンバ１４が示される。上部反応チャンバは、廃ガス流を流し込むための少なくとも１つの廃ガス入口１５を含む。この実施形態においては、付加的な独立したガス入口１６および１７が存在し、付加的な可燃性ガスまたは酸化剤を流し込み、燃料濃厚ガス混合物を提供し、それによって、システム内の燃焼温度を上昇させ、耐久性のある汚染物質を破壊する。

[0026]上部反応チャンバは、更に、通常の金属材料で作られた外側外壁２０および多孔質材料で作られた内壁２２を備え、それらの外壁２０および内壁２２は、中央燃焼チャンバ２４を取り囲む。多孔質の内壁は、内部環状空間２６を画成するのに十分な距離だけ外側外壁から離れて配置される。環状空間２６は、好ましくは加圧された流体を流し込むために提供され、その流体は、多孔質内壁を介して外側３０へおよび／または多孔質内壁２２の内面に沿って下方向へ脈動的に放出するために、ポート２７を介して環状空間に入り、多孔質内壁２２を介して環状空間から出る。多孔質内壁を介して中央燃焼チャンバの中へ流体を脈動的に放出することは、粒子状物質が中央燃焼チャンバの内面上に蓄積するのを抑制および／または軽減する。好ましくは、脈動ガスは、燃焼チャンバ内のガス流に含まれ得る任意の粒子の速度を超える速度で多孔質内壁から出て、内壁に近づき、それによって、燃焼チャンバの内壁に隣接する非堆積領域を発生させ、かつ、粒子が燃焼チャンバの内面上に少しでも堆積するのを抑制する。

[0027]任意の混入粒子を含む混合ガスは、上部熱チャンバから出て、下部反応チャンバ１４へ流れ込み、その下部反応チャンバ１４は、ガス流チャンバ３２と、好ましくは中央燃焼チャンバからのガス流を燃料濃厚混合物から燃料希薄混合物に変換するのに十分な量の酸化剤を流し込むための少なくとも１つの入口３４とを備える。下部反応チャンバは、更に、液体渦巻３３を含み、液体は、入口３８から外側同心チャンバ３６の中へ接線方向に入り、渦運動を発生させ、液体を上昇させ、バッフル４０からガス流チャンバ３２の中へ溢れさせ、連続的な液体膜をガス流チャンバの内面上に維持し、それによって、バッフル４０およびガス流チャンバ３２の内面上への堆積を抑制する。

[0028]図２は、二段式熱反応システムにおいて処理するための廃ガス流を流し込むための廃ガス入口１５を示す。この実施形態においては、廃ガス流と混合するための燃料ガスおよび／または酸化剤を流し込むための複数の独立したガス入口１６および１７が、存在、燃料濃厚混合物を提供し、燃焼温度を上昇させる。廃ガス吸入管１５は、中央燃焼チャンバの反応器壁４４を通り過ぎて延び、拡張部４５で終端する。混合ガスは、拡張部４５から出るが、中央燃焼チャンバ２４の中へ直接に入るのではなく、同心管４６の中へ入り、そこで、熱燃焼させられおよび／または酸化される。好ましくは、管４６内における燃焼は、管４６内に配置されあるいは管４６の下流端部の近くに配置されかつ着火のための点火プラグまたは熱面を使用する従来型のパイロットバーナーによって容易になる。燃料と燃焼支援ガスとの混合流、例えば、プロパンガス、メタンガス、または水素ガスと空気とが、通路１６および／または１７を介して供給され、入口１５の中へ注入される廃ガス流と混合されてもよい。

[0029]別の実施形態においては、例えば、電気抵抗加熱、赤外線放射、マイクロ波照射、対流熱伝導、または固体熱伝導、などによる任意の適切な形で加熱される電気加熱ユニットが、本発明において使用されてもよい。混合ガスおよびガス流の温度は、同心管４６、２４、またはそれらの両方の中で火炎を発生させることができるように選択される。

[0030]入口１６は、廃ガス吸入管と反応チャンバとの間に空気を流し込み、廃ガス流と混合するのに利用されてもよい。入口１７は、酸素または天然ガスを可燃性の燃料として流し込むために提供され、廃ガス流を浄化するのに十分な反応温度にまで燃焼温度を上昇させる。個々の入口は、隣接する入口において利用されるこれらのパラメータから影響を受けることなく、酸化を制御するのを可能にし、相性の悪いガス流が混ざり合う可能性を減少させ、入口圧力の能動的制御を可能にする。

[0031]図３を参照すると、本発明による上部熱反応チャンバが示される。外側外壁２０は、それが所定の耐熱性および強度を有しさえすれば、いかなる材料であってもよく、またそれは、溶接、フランジ結合などによって、接合部においてしっかりと接合されてもよい。多孔質内壁２２は、耐熱性および強度に関する要件を満たしてさえいれば、いかなる多孔質材料を含んでもよく、また、流体が環状空間から中央燃焼チャンバへ移動するのに十分な気孔率を有する焼結セラミックまたは焼結金属またはそれらに類似するものを含んでもよい。焼結セラミックには、限定はしないが、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、またはＳｉＣが、含まれてもよく、ここで、多孔質材料は、約３０％〜約８０％の気孔率および約１５ｎｍ〜約２μｍの範囲にある気孔寸法半径を有する。

[0032]廃ガス流は、反応器の上面にある入口１５（図示しない）から入り、管４６（図示しない）内において燃焼した後、中央燃焼チャンバ２４の中に入る。付加的なガスまたは流体が、矢印３０によって示されるように、脈動状態で、多孔質内壁２２を介して中央燃焼チャンバ２４の中へ流し込まれる。ガスまたは流体が、入口２７から、外側外壁２０と多孔質内壁２２との間に形成された環状空間２６の中へ流し込まれる。環状空間内に保有される流体は、中央燃焼チャンバの内面に隣接する非堆積領域を発生させるのに十分な速度および／または圧力で、多孔質内壁２２を介して中央燃焼チャンバの中へ移動または拡散し、それによって、望ましくない反応生成物が、中央燃焼チャンバの内面上に堆積するのを抑制する。

[0033]好ましくは、脈動ガスまたは脈動流体は、周期的に、加圧され、かつ、内壁２２を介して、あるいは、内壁２２に沿って、脈動的に放出され、その結果として、粒子は過度に堆積することはなく、あるいは、堆積物を除去するには大きくて難しいほどの塊になることはない。脈動の強度および周期は、粒子形成物質の種類および量、および反応器の温度に依存し、当業者は簡単に決定することができる。

[0034]外側外壁２０上に配置された流体入口２７は、環状空間２６内に供給されるべき圧縮空気のような加圧流体を提供する。代替として、加圧流体を環状空間の中へ均一に分配しおよび流し込むために、複数の入口が、外側外壁の長手方向に沿って使用されてもよい。

[0035]加圧流体は、空気および不活性ガスのようないかなるガスを含んでもよく、そのガスは、適切な圧力にまで圧縮されることによって、ガスは、多孔質内壁２２の気孔を通過することができ、望ましくない反応生成物を減少させおよび／または除去し、それと同時に、中央燃焼チャンバにおける燃焼処理には影響を与えない。

[0036]加圧流体は、入口２７に供給されるような関係で合流してもよい清浄乾燥空気（ＣＤＡ）のような酸化剤を含んでもよく、このようにして流し込まれた空気は、外壁２０と多孔質内壁２２との間にある環状空間の中へ流れる。あるいは、空気は、適切な温度にまで加熱されてもよく、そして、多孔質内壁２２のオリフィスまたは気孔を介して流される。そのようにして、酸化剤が付加され、排ガスと混合され、反応器内において熱酸化させるための酸化可能な排ガス混合物を形成してもよい。

[0037]流体は、好ましくは、脈動モードで、燃焼チャンバの中へ放出される。約３ｍｓ〜約１ｓの脈動期間を有する脈動モードで流体を流し込むことのできるものであれば、いかなる装置が、本発明において使用されてもよい。

[0038]脈動状態は、連続的なパルス列の形で供給され、それぞれのパルス列におけるガス量は、それぞれの脈動期間の時間間隔に基づいて制御される。パルス列間の時間間隔が、指定可能なガス平均流量が得られるように、調節されてもよい。内部空間へのガス総流量は、いくつかのパルス列間の時間間隔を調整することによって、調節される。図３に示されるように、好ましくはマイクロプロセッサーである調節ユニット２３は、そのようにしてガス流量を調整するために、例えばバルブである制御手段２５と通信できる状態にある。また、信号を生成して調節ユニット２３に送信するために、流量計が含まれてもよく、この流量信号は、それぞれのガスパルスにおける量を調節するためのフィードバック信号の役割をなしてもよい。それぞれのガスパルスは、マイクロプロセッサー調節ユニット２３内の入力プログラムに基づいて制御手段（バルブ）２５が開かれることによって起動されてもよく、そして、それぞれのガスパルスは、流量計からの信号が所望の量が流量計を通過したことを指示すれば、遮断されあるいは終了させられてもよい。オペレータが、粘度、温度、または圧力のような流れ込むガスの様々な特性に基づいて、調節ユニットにおいて、パルス期間を調整してもよい。

[0039]別の好ましい実施形態においては、粒子堆積は、多孔質内壁２２を介してあるいは内壁２２に沿って脈動的に放出するために水を環状空間２６の中へ流し込むことによって、減らすことができる。多孔質内壁を介して蒸気を流し込む場合、脱イオン水が、環状空間２６内の多孔質内壁の裏面に付着させられ、毛管作用によって多孔質材料を介して中へ吸い込まれてもよい。水は、熱い内面に向かって進み、壁材料の熱伝導によって、熱い反応器ガスから熱を受け取る。熱が増加し、かつ、水が燃焼チャンバの熱い内面により近づくにつれて、水は、多孔質材料内においておよび燃焼チャンバの内面の近くにおいて蒸気に変換され、大量の水蒸気の発生の結果として、その蒸気が、付着した粒子堆積物を除去するのに十分な圧力で内壁から放出される。環状空間の中へ流し込まれる水および蒸気流は、周期的なものであってもよく、あるいは、連続的なものであってもよい。水を環状空間の中へ連続的に流し込むことは、多孔質内壁２２を水の中に浸すことを提供し、それによって、多孔質壁の全表面が、毛管現象の効果に曝され、また、多孔質壁２２の表面から蒸発した水を補充することを提供する。

[0040]周期的な流れの場合においては、温熱条件の変化が、熱膨張力の差を増大させることができ、それによって、強力に付着した粒子を破砕および除去するのを助ける。壁材料の毛管力のために、たとえ水供給源圧力が小さくても、粒子を除去する大きな力または圧力を実現することができる。

[0041]壁に沿った蒸気流の場合には、脱イオン水が、熱によって蒸気に変換され、その流れは、静止ノズルかまたは可動ノズルのいずれかを介して分配され、壁面に付着した粒子を除去する。ノズルを脈動させることによって、熱膨張効果の差が、壁堆積物を破壊および除去するのを助ける。

[0042]多孔質内壁２２は、適切な多孔質構造を有してもよく、また、例えば、多孔質焼結金属壁、穴あき金属シート壁、多孔質プラスチック壁、または多孔質セラミック壁から構成されてもよい。好ましくは、多孔質材料は、流体がそこを通り抜けるのに十分な寸法の気孔を提供し、その寸法は、例えば、約０．５ミクロン〜約３０ミクロンの範囲に存在してもよい。

[0043]図１を参照すると、反応したガスは、上部反応チャンバの底部において上部反応チャンバから冷却水の渦巻の中を通って出る。水渦巻ユニットは、一般的には、上部プレート５０、外殻３６、一般的には円錐形のバッフル４０を備える。外殻３６は、液体入口３８を備える。液体入口３８は、液体が外殻３６内に接線方向に流し込まれるときに渦運動を発生させるように同心チャンバ３７が液体で満たされるような外殻３６との位置関係で配置され、液体を上昇させ、円錐形のバッフルから溢れさせ、バッフルの内面に液体の層シートを形成し、その液体の層シートは、ガス流チャンバ３９の内面上を下方向へ流れ、それによって、内面を冷却し、その内面上に粒子が堆積するのを抑制する。

[0044]本発明が、例としての実施形態および特徴を参照して、本明細書で様々に記載されたが、本明細書で記載されたそれらの実施形態および特徴は、本発明を限定しようとするものではないこと、また、当業者には、本明細書に基づいて、その他の変形、変更、および他の実施形態を容易に考え出すことができることがわかる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲と一致するように、広く解釈されるべきである。

本発明による二段式熱反応器の部分切取正面図である。 プロセス設備から熱反応器の中へ廃ガス流を流し込むための本発明による内蔵バーナーを備える吸入ノズルの部分切取図である。 上部熱反応チャンバの部分切取図であり、内部環状空間から中央燃焼チャンバの中へ流体が移動していることを図示している。

符号の説明

１０…二段式反応器、１２…上部反応チャンバ、１４…下部反応チャンバ、１５…廃ガス入口、１６、１７…可燃性ガス入口、２０…外側外壁、２２…内壁、２４…中央燃焼チャンバ、２６…内部環状空間、２７…加圧流体ポート、３０…外側、３２…ガス流チャンバ、３３…液体渦巻、３４…酸化剤入口、３６…外殻、３７…同心チャンバ、３８…液体入口、４０…バッフル、５０…上部プレート。

Claims (28)

1. 汚染物質をガス流から除去するための二段式反応器において、
   ａ）上部熱反応チャンバであって、
   i）外側外壁、
   ii）多孔質内壁であって、中央燃焼チャンバを画成し、内部空間を画成するのに十分な距離だけ外側外壁から離れて配置された、多孔質内壁と、
   iii）廃ガス流を中央燃焼チャンバの中へ流し込むための中央燃焼チャンバと流体連絡する少なくとも１つの廃ガス入口、
   iv）廃ガス流を燃焼させるための熱手段であって、それによって、反応生成物を形成する、熱手段、
   v）脈動状態で流体を内部空間の中へ流し込むための手段であって、前記多孔質内壁が、反応生成物が多孔質内壁上に堆積するのを抑制するのに十分な圧力で流体を内部空間から中央燃焼チャンバの中へ移動させる、流し込むための手段、
   を備える、前記上部熱反応チャンバと、
   ｂ）下部反応チャンバであって、
   i）中央燃焼チャンバと流体連絡するガス流チャンバであって、廃ガス流および反応生成物に前記ガス流チャンバを通過させるための入口および出口を備える、ガス流チャンバ、
   ii）酸化剤をガス流チャンバへ流し込むように配置された少なくとも１つの酸化剤入口、
   iii）ガス流チャンバの入口の近くに配置された液体渦巻であって、下方向へ流れる液体膜をガス流チャンバの内面上に生成し、それによって、粒子の塊がその内面上に堆積および蓄積するのを抑制するための手段を備える、液体渦巻、
   を備える、前記下部反応チャンバと、
   を備える二段式反応器。
2. 前記外側外壁と前記多孔質内壁との間に配置された内部空間が、内部環状空間である、請求項１に記載の二段式反応器。
3. 前記内部環状空間の中へ流し込まれる流体が、加圧されている、請求項２に記載の二段式反応器。
4. 前記脈動状態にある流体が、水、空気、清浄乾燥空気、および清浄富化空気の中から選択される、請求項１に記載の二段式反応器。
5. 前記流体が水である、請求項４に記載の二段式反応器。
6. 前記流体が、周期的な脈動状態で中央燃焼チャンバの中へ注入される、請求項２に記載の二段式反応器。
7. 前記脈動状態が、約２０ｍｓ〜約１００ｍｓの脈動期間を備える、請求項１に記載の二段式反応器。
8. 廃ガス流と混合するための可燃性燃料または酸化剤を流し込むための少なくとも１つの付加的なガス入口を更に備える、請求項１に記載の二段式反応器。
9. 前記可燃性燃料が、酸素、プロパン、メタン、または水素である、請求項８に記載の二段式反応器。
10. 前記液体渦巻が、
    （i）上部プレートおよび中央燃焼チャンバと流体連絡する中央開口を有する外殻と、
    （ii）内面および一般的にガス流チャンバの内面と整列させられる中央開口を有する外殻内に存在する円錐形バッフルであって、一般的には、外殻の内面と同心的に整列させられて同心チャンバを形成する、円錐形バッフルと、
    （iii）液体を同心チャンバの中へ接線方向に流し込むように置かれた液体入口であって、それによって、同心チャンバを液体で満たして渦運動を発生させ、液体を上昇させ、円錐形バッフルから溢れさせ、円錐形バッフルの内面上に流体シートを形成し、その流体シートが、ガス流チャンバの内面上を下方向へ流れる、前記液体入口と、
    から構成される、請求項１に記載の二段式反応器。
11. 前記円錐形バッフルの内面上に存在する流体シートは、入力ガス流がガス流チャンバの内面と接触することを妨げ、それによって、反応生成物がその内面上に堆積するのを阻止する、請求項１０に記載の二段式反応器。
12. 前記多孔質内壁は、焼結セラミック、焼結金属、多孔質金属材料、または多孔質高分子材料からなる材料から製造された、請求項１に記載の二段式反応器。
13. 前記多孔質内壁は、多孔質材料内に均一に分布する気孔を備える、請求項１２に記載の二段式反応器。
14. 前記外側外壁および前記多孔質内壁は、環状空間を提供するのに十分な距離だけ分離され、前記多孔質内壁を通過する加圧ガスを分配する、請求項１に記載の二段式反応器。
15. 前記多孔質内壁が、前記多孔質内壁から中央燃焼チャンバの中へ加圧ガスが通過するための複数のアパーチャーを備える、請求項１４に記載の二段式反応器。
16. 前記流体は、粒子が中央燃焼チャンバの内面上に堆積するのを抑制するのに十分な圧力で流体を脈動放出するのを助けるために、適切な圧力にまで圧縮される、請求項２に記載の二段式反応器。
17. 前記圧力は、約６０ｐｓｉｇから約１００ｐｓｉｇまでの範囲に存在する、請求項１６に記載の二段式反応器。
18. 前記複数のアパーチャーは、円錐形の突起を備える、請求項１５に記載の二段式反応器。
19. 廃ガス流内のガス状汚染物質を制御可能に燃焼させるための軽減システムであって、
    ａ）上部熱反応チャンバであって、
    i）外側外壁、
    ii）多孔質内壁であって、中央燃焼チャンバを画成し、内部環状空間を画成するのに十分な距離だけ外側外壁から離れて配置された、多孔質内壁、
    iii）脈動モードで流体を内部環状空間へ流し込むための手段、
    iv）廃ガス流を燃焼させるための熱手段であって、それによって、反応生成物を形成する、前記熱手段、
    v）廃ガス流を上部熱反応器の中へ案内するための少なくとも１つの廃ガス入口であって、中央燃焼チャンバ内に存在する管路の部分で終端する管路を備え、管路の前記部分が管内に設置され、その管が、管路の端部を越えて突き出ており、火炎を形成するための管内に存在するチャンバを画成し、管が中央燃焼チャンバと連絡する開口端を有する、少なくとも１つの前記廃ガス入口、
    を備える、前記上部熱反応チャンバと、
    ｂ）下部反応チャンバであって、
    i）中央燃焼チャンバと流体連絡するガス流チャンバ、
    ii）酸化剤をガス流チャンバへ流し込むように配置された少なくとも１つの酸化剤入口、
    iii）中央燃焼チャンバとガス流チャンバとの間に配置された液体渦巻、
    を備える、前記下部反応チャンバと、
    を備え、
    前記液体渦巻が、
    （１）上部プレートおよび中央燃焼チャンバと流体連絡する中央開口を有する外殻と、
    （２）内面および一般的にガス流チャンバの内面と整列させられる中央開口を有する外殻内に存在する円錐形バッフルであって、一般的には、外殻の内面と同心的に整列させられて同心チャンバを形成する、前記円錐形バッフルと、
    （３）液体を同心チャンバの中へ接線方向に流し込むように置かれた液体入口であって、それによって、同心チャンバを液体で満たして渦運動を発生させ、液体を上昇させ、円錐形バッフルからガス流チャンバの中へ溢れさせ、円錐形バッフルの内面上に流体シートを形成し、その流体シートが、ガス流チャンバの内面上を下方向へ流れる、前記液体入口と、
    から構成される軽減システム。
20. 前記多孔質内壁は、反応生成物が多孔質内壁上に堆積するのを抑制するのに十分な圧力で流体を内部環状空間から中央燃焼チャンバの中へ移動させる、請求項１９に記載の軽減システム。
21. 前記多孔質内壁は、約３０％〜約８０％の気孔率を備える、請求項１９に記載の軽減システム。
22. 環状空間の中へ流し込まれる流体は、加圧された、請求項１９に記載の軽減システム。
23. 前記流体は、水、空気、清浄乾燥空気、および清浄富化空気の中から選択される、請求項１９に記載の軽減システム。
24. 前記流体は水である、請求項１９に記載の軽減システム。
25. 前記多孔質内壁を介して中央燃焼チャンバの中へ注入される流体は、蒸気からなる、請求項２０に記載の軽減システム。
26. 可燃性燃料または酸化剤を流し込むための少なくとも１つの付加的なガス入口を更に備える、請求項１９に記載の軽減システム。
27. 前記可燃性燃料は、酸素、プロパン、メタン、または水素である、請求項２６に記載の軽減システム。
28. 二段式熱反応器において廃ガス流内のガス状汚染物質を制御可能に燃焼させるための方法であって、
    i）廃ガス流を少なくとも１つの廃ガス入口から上部熱反応器へ流し込むステップと、
    ii）廃ガス流と混合するために少なくとも１つの可燃性燃料を提供し、燃料濃厚可燃性ガス混合物流を形成するステップと、
    iii）燃焼チャンバ内において燃料濃厚可燃性ガス混合物流に着火し、反応生成物を形成するステップと、
    iv）燃料濃厚可燃性ガス混合物流を燃焼させるのと同時に付加的な流体を燃焼チャンバの中へ注入するステップであって、付加的な流体が、脈動モードで、燃焼チャンバ内部を取り囲むような形で、かつ、燃焼チャンバの内面に近づく反応生成物の圧力よりも大きな圧力で注入され、それによって、反応生成物が、燃焼チャンバの内面上に堆積するのを妨げる、前記注入するステップと、
    v）反応生成物の流れを下部反応チャンバの中へ流れさせ、それと同時に、空気含有ガスを反応生成物の流れの中へ流し込み、それによって、燃料希薄混合物を提供するステップと、
    vi）反応生成物の流れを下部反応チャンバの入口の近くに配置された水渦巻を介して流すステップであって、水渦巻から流れ落ちる水が、下部反応チャンバの内面上に反応生成物が堆積するのを妨げる、前記流すステップと、
    を備える方法。
    

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