JP2013040749A - Combustion detoxifying device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼除害装置に関し、詳しくは、化合物半導体や太陽電池などの製造プロセスから排出される排ガス中に含まれる有害ガス成分の除害処理を行う燃焼除害装置に関する。 The present invention relates to a combustion abatement apparatus, and more particularly, to a combustion abatement apparatus that performs a detoxification process for harmful gas components contained in exhaust gas discharged from a manufacturing process such as a compound semiconductor or a solar cell.
化合物半導体や太陽電池などの製造プロセスから排出される排ガス中には、製造プロセスで使用する各種の有害ガス成分、例えば可燃性ガス成分や毒性ガス成分が含まれているため、排ガスを大気中に排出する前に、これらの有害ガス成分の除害処理を行う必要がある。有害ガス成分の除害処理を行うための装置として、燃焼除害装置が広く用いられている。この燃焼除害装置では、炭化水素系の燃料を空気などの酸素を含むガス(酸化剤)により燃焼させた高温燃焼ガス中に前記排ガスを導入し、排ガス中の有害ガス成分を燃焼させたり、熱分解させたりすることにより、排ガス中から有害ガス成分を除去して排ガスの除害処理を行っている。 Exhaust gas emitted from manufacturing processes such as compound semiconductors and solar cells contains various harmful gas components used in the manufacturing process, such as combustible gas components and toxic gas components. It is necessary to remove these harmful gas components before discharging. 2. Description of the Related Art Combustion abatement devices are widely used as devices for removing harmful gas components. In this combustion abatement apparatus, the exhaust gas is introduced into a high-temperature combustion gas obtained by burning hydrocarbon-based fuel with an oxygen-containing gas (oxidant) such as air, and harmful gas components in the exhaust gas are burned. By performing thermal decomposition, harmful gas components are removed from the exhaust gas, and the exhaust gas is removed.
一方、近年の化合物半導体や太陽電池などの製造プロセスでは、水素を大量に使用するようになってきているため、製造プロセスからの排ガス中に大量の水素が含まれていることがある。このように大量の水素が含まれている排ガスを処理する場合、一般的な燃焼除害装置では、燃料の燃焼速度と水素の燃焼速度との関係などから、有害ガス成分の除去効率が低下することがあった。一方、可燃性ガス成分としてアンモニアを含む排ガスの除害処理を行う燃焼除害装置として、燃焼チャンバ内に排ガスを導入する排ガス導入ノズルの外周にリング状に水素導入ノズルを配置するとともに、該水素導入ノズルの外周にリング状に炭化水素系燃料と酸化剤とを混合した燃焼用ガスを導入する燃焼用ガス導入ノズルを配置し、燃焼火炎中に水素を加えて水素の燃焼による熱でアンモニアを分解して燃焼させるものが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 On the other hand, in recent manufacturing processes for compound semiconductors, solar cells, and the like, a large amount of hydrogen has been used, and thus a large amount of hydrogen may be contained in the exhaust gas from the manufacturing process. When processing exhaust gas containing a large amount of hydrogen in this way, in a general combustion abatement apparatus, the removal efficiency of harmful gas components decreases due to the relationship between the combustion speed of fuel and the combustion speed of hydrogen, etc. There was a thing. On the other hand, as a combustion abatement apparatus for detoxifying exhaust gas containing ammonia as a combustible gas component, a hydrogen introduction nozzle is arranged in a ring shape around the exhaust gas introduction nozzle for introducing exhaust gas into the combustion chamber, and the hydrogen A combustion gas introduction nozzle that introduces a combustion gas that is a mixture of hydrocarbon fuel and oxidant in a ring shape is placed on the outer periphery of the introduction nozzle, and hydrogen is added to the combustion flame, and ammonia is heated by the heat of hydrogen combustion. A device that decomposes and burns has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
しかし、特許文献1に記載された装置では、排ガス導入ノズルからチャンバ内に導入された排ガスと水素との混合が不十分であり、さらに、燃焼用ガス中の酸素と燃焼速度が早い水素とが急激に反応してしまうため、一般的な大きさのチャンバ内では、水素の燃焼熱で排ガス中のアンモニアを十分に加熱することができず、燃焼速度が水素に比べて極めて遅いアンモニアを燃焼させるという機能を十分に発揮することができなかった。
However, in the apparatus described in
そこで本発明は、有害ガス成分として可燃性ガス成分を含む排ガスなどの被処理ガス中の有害ガス成分を効率よく除害処理することができる燃焼除害装置を提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a combustion abatement apparatus that can efficiently detoxify a harmful gas component in a gas to be treated such as exhaust gas containing a combustible gas component as a harmful gas component.
上記目的を達成するため、本発明の燃焼除害装置は、被処理ガス中に含まれる有害ガス成分を燃焼火炎によって除害処理する燃焼除害装置において、有害ガス成分を含む被処理ガスを燃焼チャンバ内に導入する被処理ガス導入ノズルと、該被処理ガス導入ノズルの燃焼チャンバ外周側から前記燃焼チャンバ内に酸化剤を導入する酸化剤導入ノズルと、前記被処理ガス導入ノズルから燃焼チャンバ内に導入された前記被処理ガスと前記酸化剤導入ノズルから燃焼チャンバ内に導入された前記酸化剤とが混合した混合ガスに点火する点火バーナと、前記被処理ガス導入ノズルに前記被処理ガスを供給する被処理ガス供給経路内に、燃焼用燃料となる水素を導入して該水素と前記被処理ガスとを混合させる水素導入部とを備えるとともに、前記酸化剤導入ノズルのノズル軸線を、前記被処理ガス導入ノズルのノズル軸線の延長線上に向かう方向に配置したことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a combustion abatement apparatus of the present invention is a combustion abatement apparatus that detoxifies a harmful gas component contained in a gas to be treated by a combustion flame. A gas to be treated introduction nozzle to be introduced into the chamber, an oxidant introduction nozzle for introducing an oxidant into the combustion chamber from the outer peripheral side of the combustion gas introduction nozzle to the gas to be treated, and an inside of the combustion chamber from the gas to be treated introduction nozzle. An ignition burner that ignites a mixed gas in which the gas to be treated introduced and the oxidant introduced from the oxidant introduction nozzle into the combustion chamber are mixed; and the gas to be treated is introduced to the gas to be treated nozzle. A hydrogen introduction section for introducing hydrogen as a fuel for combustion and mixing the hydrogen and the gas to be processed in the gas supply path to be supplied; The nozzle axis of the introduction nozzle, is characterized in that arranged above the direction toward an extension of the nozzle axis of the processing gas introducing nozzle.
本発明の燃焼除害装置は、有害ガス成分としてアンモニアを含んでいる被処理ガスの燃焼除害処理に特に有効であり、また、前記燃焼チャンバは、外筒と、該外筒の内周に配置されたガス透過性材料からなる内筒とで形成され、前記被処理ガス導入ノズル及び前記酸化剤導入ノズルは前記内筒内に形成された燃焼室内に被処理ガス及び酸化剤を導入する状態で設けられ、前記内筒と前記外筒との間に、前記内筒を透過して燃焼室内に導入される空気が外筒外部から供給される空気室が設けられているものが好ましく、前記点火バーナは、水素を触媒により活性化させて燃焼させるバーナを使用することが好ましい。 The combustion abatement apparatus of the present invention is particularly effective for the combustion abatement treatment of a gas to be treated containing ammonia as a harmful gas component, and the combustion chamber has an outer cylinder and an inner periphery of the outer cylinder. The inner gas cylinder is formed of an inner cylinder made of a gas permeable material, and the process gas introduction nozzle and the oxidant introduction nozzle introduce a process gas and an oxidant into a combustion chamber formed in the inner cylinder. Preferably, an air chamber is provided between the inner cylinder and the outer cylinder, and an air chamber through which the air introduced through the inner cylinder and introduced into the combustion chamber is supplied from the outside of the outer cylinder, The ignition burner is preferably a burner in which hydrogen is activated by a catalyst and burned.
さらに、本発明の燃焼除害装置は、前記被処理ガスが工程中の一部で水素を使用するプロセスから排出される排ガスである場合、前記プロセスでの水素の使用量が少ないときには、プロセスで使用する水素の少なくとも一部を燃焼用燃料の水素として前記水素導入部から導入することができる。 Furthermore, the combustion abatement apparatus of the present invention can be used in the process when the gas to be treated is exhaust gas discharged from a process that uses hydrogen in a part of the process, and when the amount of hydrogen used in the process is small. At least a part of the hydrogen to be used can be introduced from the hydrogen introduction part as hydrogen for combustion fuel.
本発明の燃焼除害装置によれば、有害ガス成分を含む被処理ガス中に水素を導入混合してからチャンバ内に導入し、酸化剤と混合させて燃焼させるので、有害ガス成分と水素とを十分に接触させることができ、水素の燃焼熱による有害ガス成分の分解を効率よく行うことができる。さらに、炭化水素系の燃料を使用せずに水素を燃焼させて燃焼火炎を生成することにより、二酸化炭素の発生量を大幅に減少させることができる。特に、有害ガス成分が、燃焼速度が遅い可燃性ガス成分であるアンモニアの場合は、アンモニアの分解、燃焼を効果的に促進することができる。 According to the combustion abatement apparatus of the present invention, hydrogen is introduced into the gas to be treated containing a harmful gas component and then introduced into the chamber, mixed with an oxidant and burned. Can be sufficiently brought into contact with each other, and the decomposition of harmful gas components by the combustion heat of hydrogen can be efficiently performed. Furthermore, by generating hydrogen by burning hydrogen without using hydrocarbon fuel, the amount of carbon dioxide generated can be greatly reduced. In particular, when the harmful gas component is ammonia which is a combustible gas component having a slow combustion rate, decomposition and combustion of ammonia can be effectively promoted.
さらに、チャンバを二重構造として外側の空気室からガス透過性材料からなる内筒を透過させてチャンバの燃焼室内に空気を導入することにより、燃焼室内に十分な量の酸素を導入して確実な燃焼状態を得られるとともに、空気室内へ外部から空気を常に供給することによって内筒や外筒の温度上昇を抑えることができる。また、点火バーナの燃料にも水素を使用することにより、水素以外の燃料を必要とせず、用役の利用効率を向上させることができる。 Furthermore, by introducing the air into the combustion chamber of the chamber by allowing the chamber to have a double structure and permeating the inner cylinder made of a gas permeable material from the outer air chamber, a sufficient amount of oxygen can be introduced into the combustion chamber. A stable combustion state, and by constantly supplying air from the outside into the air chamber, the temperature rise of the inner cylinder and the outer cylinder can be suppressed. Also, by using hydrogen as the fuel for the ignition burner, no fuel other than hydrogen is required, and the utility efficiency can be improved.
特に、水素を使用するプロセスから排出される排ガスの除害処理を行う場合、プロセスでの水素の使用量が少ないときに、プロセス用として用意されている水素を燃焼除害装置の水素導入部から導入することにより、プロセス用の水素供給設備からの水素で排ガス中に含まれている有害ガス成分の除害処理を行うことができる。これにより、燃焼除害装置用の水素供給設備を設ける必要がなくなり、除害処理用の設備コストを低減できる。また、プロセスで水素を使用しているときには、プロセスからの排ガス中に水素が含まれているので、水素導入部からの水素導入量を少なくしたり、止めたりしても十分な燃焼状態を得ることができるので、有害ガス成分の除害処理を継続することができ、水素導入部から導入する燃焼用燃料としての水素使用量を削減することができる。 In particular, when detoxifying exhaust gas discharged from a process that uses hydrogen, when the amount of hydrogen used in the process is small, hydrogen prepared for the process is removed from the hydrogen introduction part of the combustion abatement apparatus. By introducing, the harmful gas component contained in the exhaust gas can be removed with hydrogen from the process hydrogen supply facility. Thereby, it is not necessary to provide a hydrogen supply facility for the combustion abatement apparatus, and the facility cost for the abatement treatment can be reduced. In addition, when hydrogen is used in the process, since the exhaust gas from the process contains hydrogen, a sufficient combustion state can be obtained even if the amount of hydrogen introduced from the hydrogen introduction part is reduced or stopped. Therefore, it is possible to continue the detoxification process of the harmful gas component, and to reduce the amount of hydrogen used as the combustion fuel introduced from the hydrogen introduction part.
本形態例に示す燃焼除害装置10は、軸線を鉛直方向に向けた円筒状の燃焼チャンバ11の天板部に、該燃焼チャンバ11内に被処理ガスを導入するための被処理ガス導入ノズル12と、該被処理ガス導入ノズル12の外周に同心円状に配置された酸化剤導入ノズル13とを設けるとともに、燃焼チャンバ11の周壁を貫通させて点火バーナ14を設けている。さらに、被処理ガス導入ノズル12に被処理ガスを供給する被処理ガス供給経路15には、該被処理ガス供給経路15内に、燃焼用燃料となる水素を導入して該水素と前記被処理ガスとを混合させる水素導入部16が設けられている。
A
燃焼チャンバ11は、密閉された金属製の外筒17と、該外筒17の内周に配置されたガス透過性材料からなる内筒18とによって二重筒構造となっており、内筒18の内周側に燃焼室19が形成され、外筒17と内筒18との間に空気室20が形成されている。外筒17の周壁には、装置外から空気室20内に供給する空気量を調整するためのダンパ21を備えた空気供給口22が設けられており、空気供給口22から空気室20内に外部から空気を供給することにより、多孔板や金網などのガス透過性材料によって形成された内筒18を透過して燃焼室19内に空気を導入するように形成されている。
The
また、燃焼チャンバ11の下端に開口した燃焼ガス排気口には、軸線を水平方向に向けた冷却筒23が連設されている。この冷却筒23の一端には、燃焼排ガスを冷却するための冷却用空気の導入口24がダンパ25を介して設けられ、冷却筒23の他端開口には、必要に応じて冷却手段や固形分分離手段を介して排気管(図示せず)が接続されている。
Further, a
前記被処理ガス導入ノズル12は、ノズル軸線12aをチャンバ軸線方向に向けて配置されており、チャンバ軸線に沿って下降流で被処理ガスを導入するように形成されている。一方、前記酸化剤導入ノズル13は、被処理ガス導入ノズル12の外周の一つの同心円上に多数のノズル口を配列したものであって、該酸化剤導入ノズル13における各ノズル口のノズル軸線13aは、前記被処理ガス導入ノズル12のノズル軸線の延長線上の一点を焦点として、この焦点に向かう方向に酸化剤を導入するように配置されている。
The process
したがって、燃焼除害処理を行う被処理ガスは、被処理ガス導入ノズル12の基部に位置する被処理ガス供給経路15内で水素導入部16から導入される水素と十分に混合した状態で被処理ガス導入ノズル12から燃焼チャンバ11内に導入され、酸化剤導入ノズル13から燃焼チャンバ11内に導入される酸化剤で包み込まれた状態で燃焼チャンバ11内を下方に向かって流れる状態になる。
Therefore, the gas to be processed for performing the combustion detoxification process is processed in a state in which it is sufficiently mixed with the hydrogen introduced from the
前記点火バーナ14は、水素混合状態の被処理ガスが酸化剤と混合する部分に種火を形成するものであって、この種火によって被処理ガス中の水素と酸化剤中の酸素とを反応させて燃焼火炎を形成する。この点火バーナ14には、化石燃料を用いた通常の点火バーナを用いることもできるが、水素に活性の高い触媒を用いた水素点火バーナを使用することにより、燃焼用燃料の水素の一部を種火形成用として使用できるので、種火形成用の燃料を供給する設備を省略することができる。
The
点火バーナ14の種火で燃焼用燃料の水素が酸化剤と反応して燃焼する際、水素導入部16から導入した水素が被処理ガス中に混合された状態となっているため、被処理ガス中に含まれている有害ガス成分を水素の燃焼熱で効果的に加熱することができ、燃焼速度が遅い有害ガス成分であっても十分に加熱することができ、各種有害ガス成分を熱分解させたり、酸化剤と反応させて燃焼させたりして確実に除害処理することができる。
When hydrogen of the fuel for combustion reacts with the oxidant and burns by the ignition of the
さらに、装置外から空気室20内に供給した空気を、内筒18を透過させて燃焼室19内に導入することにより、燃焼室19内での燃焼に必要な酸素量より多くの酸素を燃焼室19の全体に満遍なく供給することができるので、燃焼室19内でのより確実な燃焼状態が得られる。また、空気室20内に外部から空気を常時供給することにより、外筒17や内筒18の温度上昇を抑えることができる。
Further, by introducing air supplied from outside the apparatus into the
図2は、プロセスガスとして水素とアンモニアとを使用する半導体製造装置(MOCVD)30に前記燃焼除害装置10を組み込んだ半導体製造設備の一例を示している。なお、以下の説明において、前記形態例に示した燃焼除害装置の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、点火バーナ14には、水素に活性の高い触媒を用いた水素点火バーナを使用している。
FIG. 2 shows an example of a semiconductor manufacturing facility in which the
半導体製造装置30は、有機金属化合物及びアンモニアを原料ガス、水素及び窒素をキャリアガスとして基板表面に化合物半導体薄膜を気相成長させてLEDなどの化合物半導体や太陽電池を製造するものであって、半導体製造装置30のガス入口側には、アンモニア供給源からのアンモニア供給経路31,水素供給源からの水素供給経路32の他、図示しない有機金属化合物供給経路や窒素供給経路などが設けられている。また、半導体製造装置30のガス出口側には、シールガスとして窒素を使用したドライシールド型真空ポンプ33を備えた排ガス経路34が設けられている。
The
アンモニア供給経路31及び水素供給経路32には、ガス供給弁31V,32V及び流量計31F,32Fがそれぞれ設けられており、制御装置35からの指令によってガス供給弁31V,32Vをそれぞれ開閉することにより、半導体製造装置30へのアンモニアや水素の供給状態を制御している。
The
また、水素供給経路32の水素供給源側からは、燃焼除害装置10の水素導入部16に接続する除害装置用水素供給経路36と、点火バーナ14に種火形成用の水素を供給する点火バーナ用水素供給経路37とが分岐している。除害装置用水素供給経路36には、前記制御装置35からの指令によって開閉制御されるガス供給弁36Vと流量計36Fとが設けられており、半導体製造装置30の運転状態に応じて燃焼除害装置10に導入される水素量が調節されている。
Further, from the hydrogen supply source side of the
図3(A)に示すように、半導体製造装置30では、化合物半導体薄膜を気相成長させる一工程中に供給ガス量が変化し、工程開始(t0)から予熱などの予備段階を経て気相成長開始(t1)までは、アンモニア(NH3)に対して水素(H2)の供給量が多く、工程中間で基板への気相成長が始まると、水素(H2)の供給量が少なくなるとともにアンモニア(NH3)の供給量が増大する。さらに、工程終了近くで気相成長終了(t2)となって基板へ気相成長が終了すると、水素(H2)が大量に供給される状態になるとともに、アンモニア(NH3)の供給量は略半減した状態になる。また、窒素(N2)は、工程開始(t0)から工程終了(t3)まで一定量が連続して供給されている。
As shown in FIG. 3A, in the
このようにして水素の供給量が変化する半導体製造装置30からの排ガスを除害処理する場合、燃焼除害装置10における点火バーナ用水素供給経路37には、種火を形成するために必要な量の水素が連続して供給され、除害装置用水素供給経路36に供給される水素量は、排ガス中の水素量に応じて変化させる。
When the exhaust gas from the
すなわち、図3(B)に示すように、工程開始(t0)から気相成長開始(t1)までの間の排ガスは、排ガス中に水素が含まれている状態なので、点火バーナ用水素供給経路37に少量(L1)の水素を供給するだけでよく、気相成長開始(t1)から気相成長終了(t2)までの間は、排ガス中の水素量が少なくなるので、点火バーナ用水素の流量(L1)に加えて、除害装置用水素供給経路36から水素導入部16に十分な燃焼状態を得ることができる比較的大量(L2)の水素を供給し、気相成長終了(t2)から工程終了(t3)までの間は、排ガス中の水素量が増加するので、水素導入部16から水素を導入しなくても十分な燃焼状態を得ることができ、点火バーナ用の少量(L1)の水素を供給するだけでよい。
That is, as shown in FIG. 3B, since the exhaust gas from the start of the process (t0) to the start of vapor phase growth (t1) contains hydrogen in the exhaust gas, the hydrogen supply path for the ignition burner It is only necessary to supply a small amount (L1) of hydrogen to 37, and the amount of hydrogen in the exhaust gas decreases from the beginning of vapor phase growth (t1) to the end of vapor phase growth (t2). In addition to the flow rate (L1), a relatively large amount (L2) of hydrogen capable of obtaining a sufficient combustion state is supplied from the
このように、燃焼除害装置10を半導体製造装置30に組み込み、半導体製造装置30の運転状態に応じて燃焼除害装置10に燃焼用の水素を供給するように形成することにより、燃焼除害装置用としての水素供給設備を設置することなく、燃焼速度が遅いアンモニアの除害処理も確実に行うことができる。また、プロセスで水素を使用しているときには、排ガス中に水素が含まれているので、水素導入部16から燃焼用の水素を供給しなくても燃焼火炎を連続して形成することが可能であり、水素の利用効率を高めることができる。
In this way, the
10…燃焼除害装置、11…燃焼チャンバ、12…被処理ガス導入ノズル、12a…ノズル軸線、13…酸化剤導入ノズル、13a…ノズル軸線、14…点火バーナ、15…被処理ガス供給経路、16…水素導入部、17…外筒、18…内筒、19…燃焼室、20…空気室、21…ダンパ、22…空気供給口、23…冷却筒、24…導入口、25…ダンパ、30…半導体製造装置、31…アンモニア供給経路、31V…ガス供給弁、32…水素供給経路、32V…ガス供給弁、33…ドライシールド型真空ポンプ、34…排ガス経路、35…制御装置、36…除害装置用水素供給経路、36V…ガス供給弁、37…点火バーナ用水素供給経路
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