JP2009210210A - 排ガス分解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガス分解装置において、その反応部の外径および装置全体を大きくすることなく、分解対象ガスを効率良く分解、除去できるようにすることにある。
【解決手段】分解対象ガスを導入して熱分解する反応炉Ａを備え、反応炉Ａ内に蓄熱性充填材６を充填する。蓄熱性充填材には塊状のアルミナなどが用いられる。反応炉の内容積に占める蓄熱性充填材の容積の割合を６０％以下とすることが好ましく、反応炉内の蓄熱性充填材の充填高さｌと反応炉内径ｄとの比（ｌ／ｄ）を０．８〜２．０とすることも好ましい。
【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工程において排出される排ガス中に含有されるパーフルオロコンパウンド（以下、ＰＦＣと略記する）や塗装施設などから排出されるＶＯＣガスなどを熱分解して除害するための排ガス分解装置に関する。

半導体、液晶表示装置などの製造工程から排出される排ガスには、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３、Ｃ_２Ｆ_６、ＮＦ_３、ＳＦ_６、ＳｉＦ_４などのＰＦＣと称される化合物が含まれる。これらの化合物は地球温暖化係数が非常に大きく、環境負荷低減のために分解して無害化する必要がある。
また同様に、塗装施設から排出されるトルエン、キシレンなどに代表されるＶＯＣガスなどに対しても同様に分解し無害化する必要がある。

これらの分解処理には、燃焼分解式、プラズマ分解式、ヒーター加熱分解式など色々な手法が提案されている。これらの方式による分解装置では、いずれも分解反応炉を備え、その内部は非常に高温となるため、その炉壁材料として特許第３８６６６４０４号に開示されているような主に円筒形状をした耐火物が用いられている。
しかしながら、これらは反応炉の外壁（主に、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などのステンレス鋼からなる）の保護のために用いられており、円筒状の分解反応炉の内部を高温の排ガスが通過するだけの構造である。
したがって、入力熱量に対する分解反応効率はガス流量と分解反応炉の内径寸法によって一定のガス流速に固定されてしまい、入力熱量が完全に分解に寄与しているとは言えず、熱量損失が大きい問題がある。

現状、主に使用されている円筒形状耐火物を使用した分解反応炉において、外壁保護だけでなく内部耐火物の保熱による分解効果を考慮しその効率を高めようとする場合、耐火物の肉厚を厚くするしかない。
円筒状耐火物の外径を変えない場合、その内径を細くするか、あるいは内径を変えない場合、外径を太くするかの何れかの手法を用いなければならない。
内径を細めた場合、内部を流れるガスの流速が上がるため、反応時間が短くなり、その分解効率が落ちてしまう。

また、外径を太くした場合、装置全体を大きくしなければならず、製作費用も高くなる上、大きな保熱効果向上は望めない。
また、ほとんどのこれらの装置では、二重構造の冷却ジャケットを有しており、この冷却ジャケットからの熱放散も分解反応への熱損失としては無視できない。
特許第３８６６６４０４号公報

よって、本発明における課題は、排ガス分解装置において、その反応部の外径および装置全体を大きくすることなく、分解対象ガスを効率良く分解、除去できるようにすることにある。

かかる発明を解決するため、
請求項１にかかる発明は、分解対象ガスを導入して熱分解する反応炉を備えた排ガス分解装置であって、
反応炉内に蓄熱性充填材を充填したことを特徴とする排ガス分解装置である。

請求項２にかかる発明は、蓄熱性充填材が塊状であることを特徴とする請求項１記載の排ガス分解装置である。

請求項３にかかる発明は、反応炉の内容積に占める蓄熱性充填材の容積の割合が６０％以下である請求項１または２に記載排ガス分解装置である。

請求項４にかかる発明は、反応炉内の蓄熱性充填材の充填高さｌと反応炉内径ｄとの比（ｌ／ｄ）が０．８〜２．０であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の排ガス分解装置である。

本発明によれば、反応炉内の熱分解領域に蓄熱性充填材が存在するため、分解対象排ガスが高温の蓄熱性充填材にも接触し、かつ排ガスの炉内滞留時間も長くなるので、高温雰囲気に排ガスが曝される時間が長くなり、分解効率が高くなる。
このため、反応炉を大型化せずとも分解可能負荷量を、例えば２０〜３０％増加させることができ、あるいは分解可能負荷量を同じとすれば分解に必要な熱量を、例えば１０〜１５％削減することができる。

図１は、この発明の排ガス分解装置の一例を示すもので、この例の排ガス分解装置は反応炉Ａと冷却部Ｂとから概略構成されている。
反応炉Ａは、炉本体１と、この炉本体１を囲む断熱壁２と、この断熱壁２の外側に設けられた冷却ジャケット３と、炉本体１の上部に取り付けられたトーチ４と、炉本体１の底部に設けられた底板５と、炉本体１の内部に充填された蓄熱性充填材６とから構成されている。

炉本体１は、アルミナ、ジルコニアなどの耐火物からなる中空円筒状のもので、その内部空間が熱分解領域となるものである。炉本体１の内径は５０〜１５０ｍｍ、外径は１００〜３００ｍｍ、長さは２００〜５００ｍｍ程度となっているがこの範囲に限定されるものでもない。
この炉本体１は、断熱壁２によって包囲されている。この断熱壁２は、ガラスウールなどの耐熱性断熱材からなるもので、さらにその外側はステンレス鋼などの鋼板により包囲されている。

この断熱壁２の外側には冷却ジャケット３が設けられており、冷却水などの冷媒を流して断熱壁２を冷却するようになっている。
炉本体１の上部にはトーチ４が設けられている。このトーチ４は反応炉Ａの熱源となるもので、燃焼バーナトーチ、大気圧プラズマトーチなどが用いられる。
また、大気圧プラズマなど、トーチ形式によっては、トーチ４出口近傍の炉本体１の内径を細くした方が熱源の安定性が向上して好ましい。
炉本体１の底部には、底板５が設けられている。この底板７は、耐熱性、耐食性に富む炭素系材料、例えば等方性カーボン、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）などからなる板材であって、多数の貫通孔が穿孔されているものである。

炉本体１の内部空間には蓄熱性充填材６が充填されている。この蓄熱性充填材６は、トーチ４からの熱を蓄熱し、かつ分解対象ガスの炉内滞留時間を長くし、これによって分解反応を促進するものである。
この蓄熱性充填材６には、耐熱性材料からなる形状が不定形の塊状で、１個の塊の最大寸法が１０〜３０ｍｍ程度のものが用いられ、具体的にはアルミナなどの各種セラミックス、陶磁器、ガラス、コンクリートなどの破片、砂利、砕石などが用いられ、これらの塊が炉本体１内に多数詰め込まれている。

蓄熱性充填材６の充填量としては、蓄熱性充填材６が炉本体１の内容積に占める容積比が６０％以下、好ましくは６０〜４０％とされ、６０％越えると蓄熱性充填材６を使用する効果が十分に得られない。
また、炉本体１内の蓄熱性充填材６の充填高さｌと炉本体内径ｄとの比（ｌ／ｄ）が０．８〜２．０であることが好ましい。この比が０．８未満であると蓄熱性充填材６を使用する効果が十分に得られなくなり、２．０を越えると熱源の安定性を妨げることになる。

また、炉本体１の上部には、処理対象の排ガスを導入する排ガス導入管７が設けられており、この例ではこの排ガス導入管７の内部にトーチ４が配置された形態となっており、トーチ４からの火炎に同伴されて排ガスが炉本体１内部に高速で導入されるように構成されている。
さらに、トーチ４に大気圧プラズマトーチなどのプラズマトーチを用いた場合には、トーチ４内に処理対象の排ガスを導入して、この排ガスにプラズマを発生させた状態で炉本体１内に導入するように構成することもできる。

反応炉Ａの下部にはこれに連続して冷却部Ｂが一体に設けられている。この冷却部Ｂは、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、分解後の排ガス中に含まれる水溶性成分を溶解して除去するもので、有底円筒状の冷却筒８と、この冷却筒８の内周面に設けられて冷却水を噴射する複数のノズル９・・・とから構成されている。
また、冷却筒８の底部には、排水管１０が設けられており、これより冷却使用後の排水が系外に排出されるようになっている。
さらに、冷却筒８の下部には、排気管１１が設けられており、ここから分解処理後の排ガスが系外に排出されるようになっている。

このような排ガス分解装置では、トーチ４を点火し、排ガス導入管７から分解対象排ガスを炉本体１内に導入する。あるいは、トーチ４に排ガスを導入してプラズマ点火して炉本体１内に導入する。
分解対象排ガスとしては、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３、Ｃ_２Ｆ_６、ＮＦ_３、ＳＦ_６、ＳｉＦ_４などのＰＦＣが含まれるガス、トルエン、キシレンなどに代表されるＶＯＣガスなどである。

炉本体１内の空間はトーチ４からの熱により高温になっており、さらにトーチ４からの熱が蓄熱性充填材６に蓄熱されて蓄熱性充填材６自体も高温となっている。また、炉本体１内の排ガスが流れる流路も蓄熱性充填材６が存在するため複雑となる。このため、排ガスが底板５から排出されるまでの炉内滞留時間が長くなる。
したがって、排ガスが高温雰囲気に長時間曝されることになって、その分解効率が高いものとなる。

また、断熱壁２により外部に逃げる熱が減少し、炉本体１および蓄熱性充填材６に蓄熱される熱が増加し、熱の利用効率も高いものとなる。
以上により、従来の装置に比較して、２０％〜３０％の分解可能負荷容量が向上し、同じ負荷容量であれば、１０〜１５％の入力熱量削減が可能となる。

以下、具体例を示す。
（比較例１）
反応炉として、アルミナからなる外径１３０ｍｍ、内径８５ｍｍ、長さ３００ｍｍの炉本体を使用し、熱源として大気圧プラズマトーチを使用した。
処理ガス流量Ｎ_２：６０〜１２０［Ｌ／ｍｉｎ］、含有処理対象ガス量ＣＦ_４：１［％］、入力熱量：６０００［Ｗ］において、炉本体の内部に蓄熱性充填材を充填しない場合の結果を図２に示す。処理ガスＮ_２流量８０［Ｌ／ｍｉｎ］より多い領域で分解率が低下していることがわかる。

（実施例１）
比較例１と同様の反応炉を使用し、最大寸法１０〜３０ｍｍ程度のアルミナからなる蓄熱性充填材を充填量５０％として充填し、同条件で分解処理した。
図３にその結果を示す。処理ガスＮ_２流量１００［Ｌ／ｍｉｎ］まで高い分解率を持つようになっていることがわかり、蓄熱性充填材の効果が現れていることがわかる。

（比較例２）
比較例１と同様の装置を用い、処理ガス流量８０［Ｌ／ｍｉｎ］、含有処理対象ガス量ＣＦ_４：１［％］に固定し、蓄熱性充填材を充填せず、入力熱量を４０００〜６０００［Ｗ］とした時の結果を図４に示す。

（実施例２）
比較例１と同様の装置を用い、処理ガス流量８０［Ｌ／ｍｉｎ］、含有処理対象ガス量ＣＦ_４：１［％］に固定し、実施例１と同様に蓄熱性充填材を充填し、入力熱量を４０００〜６０００［Ｗ］とした時の結果を図５に示す。
図４と図５から、一定負荷であれば、不規則耐火物充填物を使用すれば入力熱量を少なくしても高分解率を維持できることがわかる。

（実施例３）
図６には、処理ガスＮ_２流量１００［Ｌ／ｍｉｎ］、９０［ｌ／ｍｉｎ］、含有処理対象ガス量ＣＦ_４：１［％］、入力熱量：６０００［Ｗ］とし、蓄熱性充填材の充填高さをｌ［ｍｍ］、炉本体内径をｄ［ｍｍ］として、その比率ｌ／ｄを変えた場合の分解率の結果を示す。
比率が０．８〜２．０になるような充填状態が望ましいことがわかる。

本発明の排ガス分解装置の一例を示す概略構成図である。 比較例１の結果を示すグラフである。 実施例１の結果を示すグラフである。 比較例２の結果を示すグラフである。 実施例２の結果を示すグラフである。 実施例３の結果を示すグラフである。

符号の説明

Ａ・・・反応炉、Ｂ・・・冷却部、１・・・炉本体、６・・・蓄熱性充填材

Claims (4)

1. 分解対象ガスを導入して熱分解する反応炉を備えた排ガス分解装置であって、
   反応炉内に蓄熱性充填材を充填したことを特徴とする排ガス分解装置。
2. 蓄熱性充填材が塊状であることを特徴とする請求項１記載の排ガス分解装置。
3. 反応炉の内容積に占める蓄熱性充填材の容積の割合が６０％以下である請求項１または２記載の排ガス分解装置。
4. 反応炉内の蓄熱性充填材の充填高さｌと反応炉内径ｄとの比（ｌ／ｄ）が０．８〜２．０であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の排ガス分解装置

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