JP2017026244A - 排ガスの燃焼式浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体製造工程から排出される排ガスに含まれる有害成分を燃焼する燃焼室、及び該燃焼室の下流側にスプレーノズルを有する冷却室を備えた燃焼式浄化装置であって、高価な特殊材料を使用することなく、燃焼室と冷却室の結合部のフランジ及び燃焼室との境界付近の冷却室側面壁が高温になることを効率よく防止できる燃焼式浄化装置を提供する。
【解決手段】 前述のような燃焼式浄化装置において、冷却室の外周に冷却水の流路を設けた構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造工程から排出される排ガスに含まれる有害成分を燃焼させて除去するための燃焼式浄化装置に関する。さらに詳細には、半導体製造工程から排出される有害成分を、火炎及び酸素の存在下、高温で接触させ、燃焼することにより無害な物質あるいは容易に無害化できる物質に変えるための燃焼式浄化装置に関するものである。

近年の半導体工業の発展とともに、半導体製造工程においては非常に多種のガスが使用されるようになってきている。しかし、これらのガスは人体及び環境にとって有害な物質が多く、工場外へ排出するに先立って浄化することが必須のこととなっている。これらのガス（有害成分）を燃焼させることにより分解処理する燃焼式浄化方法は、排ガスの組成や物性によらず適用することができる便利な方法であり、特に高濃度、大流量の場合は、乾式浄化方法や湿式浄化方法と比較して効率的である。

燃焼式浄化方法においては、有害成分を含む排ガスと、プロパン、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の燃料ガス、空気または酸素、必要に応じて不活性ガスを、燃焼室において混合し、燃焼させ、有害成分を無害な酸化物あるいは容易に無害化できる物質に変換する処理が行なわれる。従来から使用されている一般的な燃焼式浄化装置は、有害成分を燃焼するための燃焼室と、処理対象の有害成分を含む排ガス、燃料ガス、空気等の酸素含有ガスを燃焼室へ導入するための各配管やノズルと、燃焼後のガスを燃焼室から排出するための配管等から構成されている。

さらに、燃焼室の下流側に、冷却水を噴出して高温度のガスを冷却する目的、燃焼処理後のガスに粉化物が含まれる場合は、これと併せて側面壁に付着する粉化物を冷却水で洗い流す目的で、スプレーノズルを有する冷却室を備えた燃焼式浄化装置がある。このような燃焼式浄化装置としては、例えば特許文献１〜３に記載されたような構成の装置が知られている。
特開平１０−５４５３４号公報 特開２００６−１９４５４４号公報 特開２００７−２３２３０８号公報

前記のような燃焼式浄化装置において、燃焼室の側面壁は、火炎による排ガスの燃焼により燃焼室内が高温度になることから、特許文献１、２に記載されているように、金属、セラミック等の耐熱性材料が使用されている。また、スプレーノズルを有する冷却室の側面壁には、特許文献３に記載されているように、ガス中の成分と冷却水の水が反応して生成するフッ化水素等の酸性物質、あるいはアルカリ性物質に対する耐腐食性が優れた材料を用いることが好ましい。しかし、燃焼室の下流側の直後にスプレーノズルを有する冷却室を備えた構成とした場合、特に燃焼室と隣接する冷却室の側面壁部分は高温になるので、該部分は耐腐食性とともに耐熱性も要求される。

また、円筒状の側面壁からなる燃焼室と冷却室を、特許文献１（図２、図３）に掲載さているように、これらの端部に設けたフランジにより結合させる場合、通常は該フランジ間にガス漏洩防止の目的でガスケットが挿入されるが、結合部のフランジも燃焼部からの伝熱により高温度になるため、該ガスケットについても優れたシール性のほか耐熱性が要求される。そのため、このような構成の燃焼式浄化装置においては、燃焼室の側面壁をある程度長く設定して、燃焼室と冷却室の結合部のフランジ及び燃焼室との境界付近の冷却室側面壁が高温になることを防止するか、あるいはガスケットや冷却室側面壁に耐熱性、耐腐食性が優れた高価な特殊材料を使用する必要があった。

従って、本発明が解決しようとする課題は、前記のような燃焼式浄化装置であって、燃焼室と冷却室の結合部のフランジ及び燃焼室との境界付近の冷却室側面壁が高温になることを効率よく防止でき、耐熱性、耐腐食性が優れた高価な特殊材料を使用する必要がない燃焼式浄化装置を提供することである。

本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討した結果、冷却室の外周に冷却水の流路を設け、該流路に冷却水を流すことにより、燃焼室と冷却室の結合部のフランジ及び燃焼室との境界付近の冷却室側面壁を低温に維持できることを見出し、本発明の燃焼式浄化装置に到達した。
すなわち本発明は、半導体製造工程から排出される排ガスに含まれる有害成分を燃焼する燃焼室、及び該燃焼室の下流側にスプレーノズルを有する冷却室を備えた燃焼式浄化装置であって、燃焼室の側面壁と冷却室の側面壁が各々の端部にフランジを備え、冷却室の外周に冷却水の流路を設けたことを特徴とする排ガスの燃焼式浄化装置である。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置は、冷却室の外周に冷却水の流路を設け、該流路に冷却水を流す構成を有するので、燃焼室と冷却室の結合部のフランジに挿入されるガスケットを、効率よく冷却することができる。また、燃焼室の側壁面から冷却室の側壁面への伝熱の抑制も可能である。その結果、本発明により、燃焼室の側面壁を長く設定することが不要となり、またガスケットの材料及び冷却室の側面壁の材料として、高価な特殊材料を使用する必要がなくなった。

本発明は、半導体製造工程から排出される排ガスに含まれる有害成分を燃焼する燃焼室、及び該燃焼室の下流側にスプレーノズルを有する冷却室を備えた燃焼式浄化装置に適用される。
本発明の排ガスの燃焼式浄化装置で処理できる有害成分としては、アルシン、ホスフィン、シラン、ジシラン、ジクロロシラン、ジボラン、セレン化水素、ゲルマン等の水素化物ガス、三フッ化ホウ素、三塩化ホウ素、四フッ化珪素、四塩化珪素、四塩化チタン、塩化アルミニウム、四フッ化ゲルマニウム、六フッ化タングステン等の酸性ガス、アンモニア、モノメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、ヒドラジン等の塩基性ガス、パーフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン等のハロゲン化炭素等を例示することができる。また、燃料ガスとしては、プロパンガス、天然ガス等を使用することができる。これらのガスは、必要に応じ窒素等の不活性ガスと共に用いられる。

以下、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置を、図１〜図４に基づいて詳細に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。
尚、図１は、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置の一例を示す縦断面の構成図である。図２は、図１におけるａ−ａ’の断面図である。図３は、図１におけるｂ−ｂ’の断面図である。図４は、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置に水槽及びスクラバーの設備を結合した浄化装置の例を示す縦断面の構成図である。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置は、図１に示すように、半導体製造工程から排出される排ガスに含まれる有害成分を燃焼する燃焼室１、及び該燃焼室の下流側にスプレーノズル３を有する冷却室２を備えた燃焼式浄化装置であって、燃焼室の側面壁４と冷却室の側面壁５が各々の端部にフランジ６を備え、冷却室の外周に冷却水の流路１１を設けた燃焼式浄化装置である。尚、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置の燃焼室１の周辺には、火炎を燃焼室へ導入するノズル７、排ガスを燃焼室へ導入するノズル８の他、酸素含有ガスを燃焼室へ導入する手段、例えば燃焼室の側面壁４の構成材料として通気性の材料を用い、燃焼室の側面壁４の外周に酸素含有ガス流路９、及び該流路に酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口１０を適宜設けることができる。しかし、本発明はこのような構成に限定されることはない。

図１に示す装置は、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置の一例である。図１の燃焼式浄化装置において、燃焼室１は通気性の側面壁４の上端から下端まで、冷却室２は側面壁５の上端から下端までと定義することができるが、本発明はこのような構成に限定されることはない。例えば、燃焼室１と冷却室２の間に、両端部に各々燃焼室１の側面壁４のフランジ、冷却室２の側面壁５のフランジと結合するフランジを備えた側面壁を有する中間室を設けてもよい。このような場合、中間室は燃焼室１または冷却室２に含まれるものとすることができる。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置において、冷却室２は通常は図２に示すように二重構造の側面（フランジ６、内周（側面壁５）、外周１６を含む）を有し、冷却水の流路１１は冷却室の側面壁５と外周１６の間に設けられる。冷却水の流路１１は、該流路に冷却水を流通することにより冷却室の側面壁５を冷却できる構成を有するものであれば特に制限されることはないが、例えば、図１に示すように、冷却水の供給口１３及び冷却水の排出口１４を有し、冷却水の供給口１３から供給された冷却水が、冷却水の排出口１４を経由して、スプレーノズル３から噴出し、冷却室２を流通する高温のガスの冷却、側面壁に付着する粉化物の洗浄にも使用される構成とすることが好ましい。冷却水の流路１１は、通常は円筒形である。

本発明において、冷却水の流量（スプレーノズルからの噴出量）は、通常は１０〜１００Ｌ／ｍｉｎであり、図４に示すようにフローメーター１８とポンプ１９により制御することができる。燃焼式浄化装置の稼働時は、冷却水の流路１１の上部まで冷却水が満たされるような流量で冷却水が供給され、適度な水圧によりスプレーノズルから冷却水が噴出することが好ましい。冷却水が流路１１の上部まで達することにより、燃焼室と冷却室の結合部のフランジ及び燃焼室との境界付近の冷却室側面壁が高温になることを効率よく防止することができる。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置は、前述のような構成なので、耐熱性は低いが、低締付面圧でも相手面に密着し、高いシール性が得られる、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、シリコンゴム、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム等のゴムシートからなるガスケットを、フランジに挿入するガスケット１２として使用することが可能である。本発明においては、これらのゴムシートの中でも、耐腐食性が優れている点でエチレンプロピレンゴムを用いることが好ましく、さらにＥＰＤＭ（エチレンとプロピレンに第三成分としてジエン系モノマーを添加してできる三元共重合体）を用いることがより好ましい。

また、本発明においては、耐熱性は低いが、ガス中の成分と水が反応して生成する酸性物質またはアルカリ性物質に対する耐腐食性が優れ、安価で軽量な樹脂を含む材料を、冷却室の側面壁５の構成材料、さらにフランジ６及び外周１６を含む冷却室の二重構造側面の構成材料として使用することができる。このような樹脂を含む材料としては、通常は熱硬化性樹脂等が使用され、好ましくは繊維強化樹脂（ＦＲＰ）が使用される。繊維強化樹脂としては、例えば熱硬化性樹脂等のマトリックスと、ガラス繊維、炭素繊維等の補強繊維を用いることができる。

本発明の一例である図１の燃焼式浄化装置は、燃焼室１の側面に、円筒の通気性及び断熱性を有する側面壁４が設けられ、燃焼室１において排ガスが高温度の火炎に接触するとともに、側面壁４から供給される空気等の酸素含有ガスと接触して、排ガスに含まれる有害成分が燃焼（熱分解）される。その際、有害成分の種類によっては粉化物が生成するが、図１において矢印で示すような酸素含有ガス（空気等）の流れにより、粉化物の側面壁４の表面への堆積を防止することができる。

尚、前記の燃焼室の側面壁４は、アルミナ、シリカ、チタニア等のセラミック、または炭素鋼、クロム鋼、モリブデン鋼、マンガン鋼、ニッケル鋼、ステンレス鋼等の金属で構成され、この側面壁４に針孔等の間隙が設けられたり、繊維状のセラミックまたは金属が積層された積層体、多数の粒子状のセラミックまたは金属が積層された積層体、細孔を有する多孔質セラミックまたは多孔質金属等が形成されることにより通気性が付与される。前記の燃焼式浄化装置においては、側面壁４の外周全体にわたり、酸素含有ガス流路９が設けられる。有害成分を処理する際には燃焼室１の温度は５００〜１２００℃の高温になるが、このような構成とすることにより、燃焼室１の熱が外部に拡散することを防止できる。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置においては、燃焼室１の直前で燃料と酸素含有ガスが混合され、燃焼するように設定される。燃焼処理後のガスは、図１に示すように、スプレーノズル３から噴出する冷却水により冷却された後、大気に放出されるか、あるいは次の処理工程に送られる。本発明においては、燃焼処理後の排ガスが、次の処理工程に送られるような場合は、このような処理工程を実施するための設備を併せて装備することも可能である。

図４の水槽２１及びスクラバーの設備は、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置により処理した排ガスについて、処理後のガスに含まれる粉化物の除去、及び新たに生成した有害成分（容易に無害化できる成分）の除去を行なうためのものであり、本発明においては必須の設備ではないが、これらの設備を備えることが好ましい。すなわち、本発明においては、冷却室の下流側（排出側）に、粉化物の除去部及び／または酸性ガスの除去部を設けた排ガスの燃焼式浄化装置とすることが好ましい。

例えば、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置により、アルシン、ホスフィン、シラン、ジボラン等の水素化物を処理した場合は、燃焼により各々ヒ素、リン、ケイ素、ホウ素等の固体粒子状酸化物が生成する。図４の浄化装置においては、このような粉化物は、主にスプレーノズル３からの散水、及び多孔板２３における捕捉により除去することが可能である。また、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置とスクラバー設備間の配管２０は、粉化物が容易に水槽２１へ洗い流されるようにスクラバー設備側に傾斜させることが好ましい。

また、本発明において、三フッ化ホウ素、三塩化ホウ素、四フッ化珪素、四塩化珪素、Ｃ_２Ｆ_６等のハロゲン化物を処理した場合は、新たに塩化水素、フッ化水素等の酸性ガス（容易に無害化できる成分）が生成する。塩化水素、フッ化水素等の酸性ガスは、主に充填材２５において除去することが可能である。また、デミスター２６により水分も併せて除去することができる。尚、図４において、１７は冷却水配管、２２は排水管、２７は処理後のガスを外部へ排出する排出口を表わす。

次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。

［実施例１］
（燃焼式浄化装置の製作）
燃焼室１の側面壁と冷却室２の側面壁が各々の端部にフランジを備え、冷却室の外周に冷却水の流路１１を設けた図１に示すような燃焼式浄化装置を製作した。
円筒形の燃焼室１（高さ４５０ｍｍ、直径２００ｍｍ）には、火炎を該燃焼室１へ導入するノズル７、排ガスを燃焼室１へ導入するノズル８、燃焼室の側面壁４（微多孔を有する通気性のセラミック壁）、酸素含有ガス流路９（幅２０ｍｍ）、酸素含有ガス導入口１０等を設けた。また、円筒形の冷却室２（高さ４５０ｍｍ、直径２００ｍｍ）には、スプレーノズル３、冷却室の側面壁５（熱硬化性樹脂とガラス繊維からなる繊維強化樹脂）、冷却水の流路１１（幅２０ｍｍ）等を設け、冷却水の流路１１を満たした冷却水が、スプレーノズル３から噴出するように設定した。

尚、燃焼室１と冷却室２のフランジ間にはガス漏洩防止の目的で、ＥＰＤＭからなるガスケットを挿入し、これらのフランジの間に温度測定用の熱電対を挿入した。さらに、冷却室の側面壁５の上部（最上部から１０ｍｍの位置）に温度測定用の熱電対を取付けた。

前述のように製作した燃焼式浄化装置の右下部に、縦３００ｍｍ、横３００ｍｍ、高さ３００ｍｍの水槽２１を設置し、さらに水槽２１の上部には、多孔板２３、ポリプロピレン樹脂を主材とする充填材２５、及びデミスター２６を有するスクラバーを設置した。また、燃焼式浄化装置の下部と水槽を傾斜した配管２０で接続し、充填材２５の上部にはスプレーノズル２４を設置し、水槽２１の冷却水が循環するように、フローメーター１８、ポンプ１９等を接続して、図４に示すような浄化装置を完成した。

（燃焼処理試験）
水槽に深さが１５０ｍｍになるまで水を注入した後、ポンプ１９等を稼動して冷却水の流路１１に冷却水を流し、スプレーノズル３から水を噴出させた。また、スプレーノズル２４からも水を噴出させた。次に、プロパン（流量１５Ｌ／ｍｉｎ）と空気（流量４４０Ｌ／ｍｉｎ）を混合し燃焼させて、ノズルから燃焼室１に導入するとともに、空気を４個の酸素含有ガス導入口１０から３７．５Ｌ／ｍｉｎずつ、合計１５０Ｌ／ｍｉｎの流量で側面壁を介して燃焼室１に導入した。続いて、排ガスとしてのシラン（流量１０Ｌ／ｍｉｎ）を含む窒素ガス（流量４９０Ｌ／ｍｉｎ）を、４個の排ガスを燃焼室へ導入するノズル８から各１２５Ｌ／ｍｉｎずつ、合計５００Ｌ／ｍｉｎで燃焼室１に導入して燃焼処理を行なった。

シランの燃焼処理は２０時間行なったが、フランジの間に挿入した熱電対から測定された温度は、６０〜８０℃であった。また、冷却室の側面壁２に取付けた熱電対から測定された温度は、３０〜４０℃であった。燃焼処理試験終了後、フランジ間に挿入されていたガスケットを取出して調査したが、変質、劣化等の異常は確認できなかった。また、冷却室の側面壁５の表面についても調査したが、同様に変質、劣化等の異常は確認できなかった。

［比較例１］
実施例１の燃焼式浄化装置の製作において、冷却水配管を冷却水の流路１１に接続せず、直接スプレーノズル１１に接続したほかは実施例１と同様にして燃焼式浄化装置を製作した。この燃焼式浄化装置を用いて、実施例１と同様にして燃焼処理試験を行なった。その結果、試験開始後すぐにフランジ間に挿入した熱電対から測定された温度が１００℃を超え、冷却室の側面壁２に取付けた熱電対から測定された温度も１００℃を超えることが予測されたため、実験を中止した。

以上のように、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置は、実施例に示すように、冷却室の外周に冷却水の流路を設け、該流路に冷却水を流す構成を有するので、燃焼室と冷却室の側面壁を結合するフランジに挿入されるガスケットの冷却、及び燃焼室の側壁面から冷却室の側壁面への伝熱の抑制が可能である。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置の一例を示す縦断面の構成図 図１におけるａ−ａ’の断面図 図１におけるｂ−ｂ’の断面図 本発明の排ガスの燃焼式浄化装置に水槽及びスクラバーの設備を結合した浄化装置の例を示す縦断面の構成図

１ 燃焼室
２ 冷却室
３ スプレーノズル
４ 燃焼室の側面壁
５ 冷却室の側面壁
６ フランジ
７ 火炎を燃焼室へ導入するノズル
８ 排ガスを燃焼室へ導入するノズル
９ 酸素含有ガス流路
１０ 酸素含有ガス導入口
１１ 冷却水の流路
１２ ガスケット
１３ 冷却水の供給口
１４ 冷却水の排出口
１５ 燃焼室の外周
１６ 冷却室の外周
１７ 冷却水配管
１８ フローメーター
１９ ポンプ
２０ 排ガスの燃焼式浄化装置とスクラバー設備間の配管
２１ 水槽
２２ 排水管
２３ 多孔板
２４ スプレーノズル
２５ 充填材
２６ デミスター
２７ 処理後のガスを外部へ排出する排出口

Claims (7)

1. 半導体製造工程から排出される排ガスに含まれる有害成分を燃焼する燃焼室、及び該燃焼室の下流側にスプレーノズルを有する冷却室を備えた燃焼式浄化装置であって、燃焼室の側面壁と冷却室の側面壁が各々の端部にフランジを備え、冷却室の外周に冷却水の流路を設けたことを特徴とする排ガスの燃焼式浄化装置。
2. 燃焼室と冷却室を結合するフランジ間に挿入するガスケットとして、ゴム製のガスケットを用いた請求項１に記載の排ガスの燃焼式浄化装置。
3. 冷却室が二重構造側面で構成され、その内周と外周の間に冷却水の流路を設けた請求項１に記載の排ガスの燃焼式浄化装置。
4. 冷却室の二重構造側面が、樹脂を含む材料で構成された請求項３に記載の排ガスの燃焼式浄化装置。
5. 冷却室の二重構造側面が、繊維強化樹脂で構成された請求項３に記載の排ガスの燃焼式浄化装置。
6. 燃焼室の側面壁の外周に、酸素含有ガスを燃焼室に供給するための酸素含有ガス流路を備えた請求項１に記載の排ガスの燃焼式浄化装置。
7. 冷却室の下流側に、粉化物の除去部及び／または酸性ガスの除去部を設けた請求項１に記載の排ガスの燃焼式浄化装置。

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