JP2017089985A - 排ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定したパイロット火炎を形成しつづけることで、排ガスを加熱処理するためのメイン火炎の安定性を確保することができる排ガス処理装置を提供する。【解決手段】一端が閉塞され他端が開口した円筒容器状をなし、処理ガスを燃焼する燃焼室１と、円筒容器状の燃焼室１の閉塞側端部に設けられたパイロットバーナ２とを備え、パイロットバーナ２は、燃料と支燃性ガスを個別に供給して燃料と支燃性ガスとの混合気を形成する混合気室ＭＲと、該混合気室内に設置されて通電により発熱するセラミック発熱素子１５を有し、混合気を着火させてパイロット火炎を形成するグロープラグ１６とを備え、パイロットバーナ２は、燃焼室１において処理ガスを燃焼処理している間、セラミック発熱素子１５への通電を継続してパイロット火炎ＰＦを形成し続けるように構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体デバイス、液晶、ＬＥＤ等を製造する製造装置等から排出される排ガスを燃焼処理して無害化する排ガス処理装置に関するものである。

半導体製造装置からはシランガス（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（処理ガス）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、燃料ガスを用いて炉内に火炎を形成し、排ガス処理を行う燃焼式排ガス処理装置（燃焼式除害装置）が広く採用されている。

半導体産業や液晶産業向け燃焼式排ガス処理装置は、燃料と支燃性ガス（酸素含有ガス）とを混合して燃料を燃焼させて火炎を形成し、火炎に処理ガスを混合しガス処理を行うため、燃焼処理副生成物として多量の粉塵（主としてＳｉＯ_２）の発生や多量の酸性ガスの発生が見込まれる。従来の燃焼酸化方式として、ＬＮＧと純酸素を用い高温の純酸素火炎を形成し、高温の純酸素火炎で処理ガスを加熱して分解する方法が知られている。純酸素燃焼の特性上高い火炎温度により排気ガスに含まれる窒素が分解され、大量の窒素酸化物（ＮＯｘ）を付加的に生成する問題点を有している。
また、純酸素を用いず、空気により火炎を形成し、火炎に処理ガスを混合し比較的低温で処理ガスを加熱する方法も知られている。この場合、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生は抑制されるが、高温の火炎が必要なＰＦＣｓなどの難分解性ガスの分解性能は低下する。また火炎が低温であるために、ＣＯが発生する問題を有している。

これらの問題を解決するため、本発明者らは、先に特願２０１５−０５００４１（２０１５年３月１２日出願）の特許出願（未公開）において、燃料と支燃性ガスと処理ガスとを燃焼室の内周面の接線方向に向けて火炎の燃焼速度以上の流速で吹き込み、燃焼室内壁から浮いた三種混合の円筒状混合火炎を形成する断熱混焼方式の発明を提案した。この発明によれば、旋回遠心力により円筒状混合火炎の外側は温度が低く重い未燃の三種混合ガス、内側は温度が高く軽い三種混合の燃焼後ガスの分布が形成される。したがって、円筒状混合火炎は、温度の低い未燃の三種混合ガスに覆われた自己断熱された状態となるため、放熱による温度低下がなく、燃焼効率の高いガス処理が行われる。

断熱混焼方式は、燃料と支燃性ガスと処理ガスの３種を混焼するため、火炎を形成することができる組成範囲内に調整する必要がある。具体的には、処理ガスの燃焼室への流入量により、処理ガス（主成分の一つにＮ_２ガスを含む），燃料ガス，支燃性ガスの三種の混合気の組成を燃焼範囲としつつ、ガス処理に必要なガス温度を確保することができる適切な燃料および支燃性ガスの流量を設定する。このため、流入流量が急激に変動した場合などに、燃焼範囲内を外れて失火することがあるので、これを予防するため、前記断熱混焼方式の特許出願（特願２０１５−０５００４１）には、メイン火炎着火用のパイロットバーナにより、パイロット火炎を常時形成しておくことが有効であると提案されている。

特開２０１２−３７２３２号公報 特開２０１２−６３１３２号公報

従来、メイン火炎着火用のパイロットバーナは、スパークプラグを用いてメイン火炎の着火を行っており、スパークプラグを作動させるために高電圧発生用に点火トランスが必要で、装置内には高電圧のノイズ対策が必要となるという問題がある。
また、前記断熱混焼方式の特許出願で提案されているように、パイロット火炎を常時形成しておくことで、メイン火炎の安定性は向上するが、除害装置運転中の流入ガス流量の変動等により、メイン火炎の失火とともにパイロット火炎も失火に至ることがある。この場合、失火対策のため、常時スパークプラグを稼働させるためには、自動車に搭載される複雑な制御回路が必要となる。

一方、パイロット火炎自体の火炎安定性を向上させるためには、燃料ガスと支燃性ガスとが別々に供給される先混合燃焼ではなく、予め燃料ガスと支燃性ガスとを混合する予混合燃焼とすることが有効であることが知られている。
しかしながら、予混合燃焼は、燃焼器内で発生する生成物の影響で逆火する可能性があるため、パイロット火炎は、火炎安定性が劣るものの、逆火の虞のない先混合燃焼（非予混合火炎）であることが望ましい。

パイロットバーナのように失火する虞のないバーナとして、燃料を着火温度以上に加熱するための電気ヒーターを備え、燃料と支燃性ガスとが別々に供給される非予混合型のバーナが知られている（特許文献１および２参照）。
上記バーナによれば、着火源として、パイロットバーナのように失火する虞のない電
気ヒーターを用いているので、高い安全性と信頼性とを備えたバーナを提供することができる。しかしながら、上記従来のバーナには、次のような問題がある。
すなわち、斯かるバーナを半導体製造工程より排出される排ガスを除害処理する除害装置の熱源とした場合、この電気ヒーターには、高温腐食環境下で耐性のある高価な材質を選定する必要がある。また着火失敗後や、燃焼継続が不可能な状況時など、着火を制限したい場合に、ヒーター容量が大きく熱容量が大きいため、爆発などの異常反応を制限し難いという安全上の問題がある。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、安定したパイロット火炎を形成しつづけることで、排ガスを加熱処理するためのメイン火炎の安定性を確保することができる排ガス処理装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の排ガス処理装置は、処理ガスを燃焼処理して無害化する排ガス処理装置において、一端が閉塞され他端が開口した円筒容器状をなし、処理ガスを燃焼する燃焼室と、前記円筒容器状の燃焼室の閉塞側端部に設けられたパイロットバーナとを備え、前記パイロットバーナは、燃料と支燃性ガスを個別に供給して燃料と支燃性ガスとの混合気を形成する混合気室と、該混合気室内に設置されて通電により発熱するセラミック発熱素子を有し前記混合気を着火させてパイロット火炎を形成するグロープラグとを備え、前記パイロットバーナは、前記燃焼室において処理ガスを燃焼処理している間、前記セラミック発熱素子への通電を継続して前記パイロット火炎を形成し続けるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、メイン火炎着火中に常時グロープラグに通電してセラミック発熱素子を１２００〜１３００℃程度に保ち、安定したパイロット火炎を形成しつづけることで、除害装置運転中の流入ガス流量の変動等によるメイン火炎の失火を防止することができる。グロープラグは、１２００℃程度の高温領域を５秒程度の時間で形成できる特徴をもつため、一般のスパークプラグ同様にパイロットバーナ着火用としても使用可能である。

本発明の好ましい態様は、前記パイロットバーナは、一端が閉塞され他端が開口した円筒容器状のバーナ本体を備え、前記混合気室は前記バーナ本体内に位置していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記パイロットバーナは、前記バーナ本体内の混合気室に連通し該混合気室に燃料を供給する燃料供給管と、前記燃料供給管の周囲に配置され前記混合気室に支燃性ガスを吹き込むための開口とを備えたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記バーナ本体と前記燃料供給管との間に環状空間を形成し、支燃性ガスを前記環状空間を介して前記開口に供給するようにしたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記セラミック発熱素子は、窒化ケイ素からなることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記燃焼室は、燃料と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ燃焼室の内周面の接線方向に向けて吹き込む燃料用ノズルと支燃性ガス用ノズルと処理ガス用ノズルとを備え、前記燃料用ノズルと支燃性ガス用ノズルと処理ガス用ノズルは、前記燃焼室の軸線に直交する同一平面上に位置していることを特徴とする。ここで、同一平面上に位置しているとは、３つのノズルの燃焼室内周面側の開口の一部が同一平面上に位置していることをいう。
本発明によれば、円筒状の燃焼室の内周面の接線方向に、燃料（燃料ガス）と支燃性ガス（酸素含有ガス）と処理ガス（排ガス）とを同時に吹き込むことにより、燃料と処理ガスとを支燃性ガスにより燃焼させて円筒状混合火炎を形成する。すなわち、燃焼室において、同一の燃焼場で三種混合の円筒状混合火炎を形成して、処理ガスを燃焼させることができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記燃焼室は、燃料と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ燃焼室の内周面の接線方向に向けて吹き込む燃料用ノズルと支燃性ガス用ノズルと処理ガス用ノズルとを備え、前記燃料用ノズルと支燃性ガス用ノズルと処理ガス用ノズルは、燃料と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ燃焼室の内周面の接線方向に向けて吹き込んで、前記燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種混合の旋回流を形成することを特徴とする。
本発明によれば、円筒状の燃焼室の内周面の接線方向に、燃料（燃料ガス）と支燃性ガス（酸素含有ガス）と処理ガス（排ガス）とを吹き込むことにより、燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種混合の旋回流を形成する。これにより、燃料と処理ガスとを支燃性ガスにより燃焼させて円筒状混合火炎を形成する。すなわち、燃焼室において、三種混合の円筒状混合火炎を形成して、処理ガスを燃焼させることができる。

本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）メイン火炎着火中に常時グロープラグに通電してセラミック発熱素子を１２００℃〜１３００℃程度に保ち、安定したパイロット火炎を形成しつづけることで、除害装置運転中の流入ガス流量の変動等によるメイン火炎の失火を防止することができる。
（２）パイロットバーナを常時稼働させておくことにより、パイロット火炎が失火した場合にも瞬時にパイロット火炎の再着火が可能となる。
（３）グロープラグを除害装置内の腐食環境から外れた位置に設置しているため、グロープラグの腐食を防止することができる。
（４）グロープラグは、１２００℃程度の高温領域を５秒程度の時間で形成できる特徴をもつため、一般のスパークプラグ同様にパイロットバーナ着火用としても使用可能である。スパークプラグの着火には、高電圧発生用に点火トランスが必要で、装置内には高電圧のノイズ対策が必要となるが、グロープラグは低電圧の直流電源のみでよい。
（５）失火対策のため、常時スパークプラグを稼働させるためには、自動車に搭載される複雑な制御回路が必要となるが、グロープラグを使用した場合、低電圧（例えば１１Ｖ）の直流で常時グロープラグを稼働させることができるため、装置の簡略化、装置コストの低減を図ることができる。
（６）着火源として、腐食環境下に耐性のある高価な材質を用いた電気ヒーターを設ける必要がないため、装置コストの低減を図ることができる。
（７）着火源として電気ヒーターを用いることなくグロープラグを用いているため、着火失敗後や、燃焼継続が不可能な状況時など、着火を制限したい場合に、セラミック発熱素子への通電を停止するだけでよく、セラミック発熱素子は熱容量が極めて小さいため、爆発などの異常反応を容易に制限でき、安全性の高い装置構成を構築できる。

図１は、本発明の排ガス処理装置の燃焼室の構成例を示す模式的断面図である。 図２は、パイロットバーナの詳細構造を示す模式的断面図である。 図３は、図１のIII−III線断面図である。 図４（ａ），（ｂ）は、燃料用ノズル、支燃性ガス用ノズル、処理ガス用ノズルのセットが単段（または２段の場合の上段）であって処理ガスの吹き込みノズルが少ない（一個の）場合を示す模式図であり、図４（ａ）は燃焼室の部分縦断面図、図４（ｂ）は燃焼室の水平断面図である。 図５（ａ），（ｂ）は、処理ガスの吹き込みノズルが単段には入りきらない場合に燃料用ノズル、支燃性ガス用ノズル、処理ガス用ノズルのセットを上下に２段設置した場合の下段のセットの一例を示す模式図であり、図５（ａ）は燃焼室の部分縦断面図、図５（ｂ）は水平断面図である。 図６（ａ），（ｂ）は、処理ガスの吹き込みノズルが単段に入りきらない場合に上下に２段設置した場合の下段のセットの他の例を示す模式図であり、図６（ａ）は燃焼室の部分縦断面図、図６（ｂ）は水平断面図である。 図７は、図１乃至図４に示す燃焼室を備えた排ガス処理装置の全体構成を示す模式図である。

以下、本発明に係る排ガス処理装置の実施形態について図１乃至図７を参照して説明する。図１乃至図７において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明の排ガス処理装置の燃焼室の構成例を示す模式的断面図である。燃焼室１は、一端（図示例では上端）が閉塞され他端（図示例では下端）が開口した円筒容器状の燃焼室として構成されている。円筒容器状の燃焼室１には、閉塞側端部近傍で燃料（燃料ガス）と支燃性ガス（酸素含有ガス）と処理ガス（排ガス）とが吹き込まれるようになっている。燃焼室１の閉塞側端部には、着火用および失火防止用のパイロットバーナ２が設置されている。なお、図１においては、燃焼室１の下方にある洗浄部などは図示を省略している。

図２は、パイロットバーナ２の詳細構造を示す模式的断面図である。図２に示すように、パイロットバーナ２は、一端（図示例では上端）が閉塞され他端（図示例では下端）が開口した円筒容器状のバーナ本体１１を備えている。円筒容器状のバーナ本体１１の開口側端部は、燃焼室１の閉塞側端部にある開口１ａに接続されている。バーナ本体１１には、バーナ本体１１の上端を貫通してバーナ本体１１内の略中央部まで延びる燃料供給管１２が設けられており、燃料は燃料供給管１２を介してバーナ本体１１内に供給されるようになっている。燃料供給管１２の下端には、中央に開口１３ａを有した円板１３が固定されている。バーナ本体１１の内周面と円板１３の外周面との間には、リング状の開口（隙間）１８が形成されている。円板１３には、垂直方向の貫通孔からなる複数のノズル状の開口１３ｎが形成されている。また、バーナ本体１１の円筒部には、空気供給管１４が設けられており、支燃性ガスとしての空気は、空気供給管１４を介してバーナ本体１１と燃料供給管１２の間の環状空間からなる空気室ＡＲに供給される。そして、空気室ＡＲ内の空気は、リング状の開口１８および複数のノズル状の開口１３ｎから下方に噴出されるようになっている。空気がバーナ本体１１の内周面と円板１３の外周面との間に形成されたリング状の開口１８を通過してバーナ本体１１の内周面に沿って流れるため（矢印で図示）、バーナ本体１１の内周面にパイロット火炎が接触することがない。

図２に示すように、円板１３の下方には、ＳｉＮ（窒化ケイ素）等のセラミック発熱素子１５を備えたグロープラグ１６が設置されている。グロープラグ１６は、バーナ本体１１に固定された円筒状の保持部１７に保持されている。グロープラグ１６は図示されない電源に接続されており、グロープラグ１６に通電することにより、セラミック発熱素子１５に所定電圧の電流が供給されると、セラミック発熱素子１５は短時間（例えば５秒）で１２００℃〜１３００℃の温度に到達するように構成されている。

図２に示すように構成されたパイロットバーナ２において、電源（図示せず）からセラミック発熱素子１５に所定電圧（例えば１１Ｖ）の直流が供給されると、セラミック発熱素子１５は発熱して短時間（例えば、５秒）で１２００℃〜１３００℃の温度に達する。この状態で燃料を燃料供給管１２を介して円板１３の下方の混合気室ＭＲに供給するとともに、空気を空気供給管１４および空気室ＡＲを介してリング状の開口１８および複数のノズル状の開口１３ｎから混合気室ＭＲに噴出する。混合気室ＭＲにおいて、開口１８，１３ｎから噴出された空気と燃料供給管１２から供給された燃料とが混合されて混合気となり、混合気はセラミック発熱素子１５と接触し、パイロット火炎ＰＦを形成する。

すなわち、円筒状のバーナ本体１１と円板１３とで囲まれた空間であってセラミック発熱素子１５を配置した混合気室ＭＲにおいて、燃料と空気（支燃性ガス）の混合気が形成され、この混合気がセラミック発熱素子１５と接触してパイロット火炎ＰＦを形成する。混合気室ＭＲで形成されたパイロット火炎ＰＦは、図２に示すように、燃焼室１内に延び、燃料と支燃性ガスと処理ガス（排ガス）の混合気に着火する着火用パイロット火炎として機能する。そして、燃焼室１における処理ガスの処理中に、パイロットバーナ２を常時稼働させてパイロット火炎ＰＦを形成しておくことにより、燃料と支燃性ガスと処理ガスにより形成されるメイン火炎の失火を防止することができる。また、パイロットバーナ２を常時稼働させておくことで、パイロット火炎が失火した場合にも、燃料と空気の混合気がセラミック発熱素子１５と接触して瞬時にパイロット火炎の再着火が可能となる。

ＳｉＮ（窒化ケイ素）等からなるセラミック発熱素子１５は、直径２ｍｍ〜５ｍｍ、長さ６ｍｍ〜２０ｍｍの細径の短い棒状体からなるため、セラミック発熱素子１５は熱容量が極めて小さい。したがって、着火失敗後や、燃焼継続が不可能な状況時など、着火を制限したい場合に、セラミック発熱素子１５への通電を停止するだけでよく、セラミック発熱素子１５は熱容量が極めて小さいため、爆発などの異常反応を容易に制限でき、安全性の高い装置構成を構築できる。

図３は、図１のIII−III線断面図である。図３に示すように、燃料を吹き込む燃料用ノズル３Ａと、支燃性ガスを吹き込む支燃性ガス用ノズル３Ｂと、処理ガスを吹き込む処理ガス用ノズル３Ｃとが燃焼室１の内周面の接線方向に向けて設置されている。図３に示す例においては、燃料用ノズル３Ａと支燃性ガス用ノズル３Ｂは各１個ずつ設置され、処理ガス用ノズル３Ｃは２個設置されているが、各ノズル３Ａ，３Ｂ，３Ｃの個数は、燃焼室のサイズや設置スペース等に応じて適宜変更可能であり、同一平面上に設置する燃料用ノズル３Ａと支燃性ガス用ノズル３Ｂと処理ガス用ノズル３Ｃのセットを複数段設置することも可能である。この場合、燃料流量と支燃性ガス流量と処理ガス流量のバランスを変えることで、火炎の安定性を向上させることができる。燃料を吹き込む燃料用ノズル３Ａと、支燃性ガスを吹き込む支燃性ガス用ノズル３Ｂと、処理ガスを吹き込む処理ガス用ノズル３Ｃは、円筒状の燃焼室１の軸線に直交する同一平面上に位置している。ここで、同一平面上に位置しているとは、３つのノズルの燃焼室内周面側の開口の一部が同一平面上に位置していることをいう。

図１に示すように、燃焼室１には、燃料，支燃性ガス，処理ガスの吹き込み位置のやや下方の位置に、燃焼室１の内壁面に濡れ壁（水膜）を形成するための水を供給する水供給ノズル５が設置されている。

図１乃至図３に示すように構成された燃焼室１において、燃料用ノズル３Ａと支燃性ガス用ノズル３Ｂと処理ガス用ノズル３Ｃとから、燃料と支燃性ガスと処理ガスとを燃焼室１の内周面の接線方向に向けて、火炎の燃焼速度以上の流速で吹き込む。これにより、燃焼室１の内壁から浮いた三種混合の円筒状混合火炎が形成される。円筒状混合火炎は燃焼室１の軸線方向に沿って形成される。三種のガスを共に接線方向に吹き込むことで、旋回遠心力により円筒状混合火炎の外側は温度が低く重い未燃の三種混合ガス、内側は温度が高く軽い三種混合の燃焼後ガスの分布が形成される。したがって、円筒状混合火炎は、温度の低い未燃の三種混合ガスに覆われた自己断熱された状態となるため、放熱による温度低下がなく、燃焼効率の高いガス処理が行われる。また、処理ガスは通常Ｎ_２ガス等により希釈されて排ガス処理装置へ流入するので、このＮ_２ガスを含む処理ガスを燃料と支燃性ガスと混焼することで、緩慢な燃焼となり、局所的な高温部が形成されないため、ＮＯｘの発生が抑制される。

また、Ｎ_２ガスを含む処理ガスを燃料と支燃性ガスと混焼することで、円筒状となる火炎の径が小さくなり、燃焼室１の内壁面温度が低下する。すなわち、本燃焼方式の特徴である火炎の断熱性が促進されるため、図１に示すように、燃焼室１の内壁面に濡れ壁（水膜）を形成しても火炎および火炎内側の燃焼ガス温度が低下することはない。そして、燃焼後に生成されるＳｉＯ_２等の粉体は、ガス旋回流の遠心力により外側の濡れ壁水に捕集され下部へ洗い流されるため、燃焼室１の内壁面に堆積せず、また燃焼室で大部分の粉体が濡れ壁水に捕集されることとなるため、排ガス処理装置のスクラバー性能(粉体除去性能)が向上する。腐食性ガスも濡れ壁水により洗い流され、燃焼室１の内壁面の腐食を防止できる。さらに、濡れ壁水により燃焼室１の内壁面は低温に保たれるため、熱損傷することはなく、ステンレス鋼等の安価な材料で燃焼室１を構成することができ、製造コストを低減出来る。

次に、図１乃至図３に示すように構成された燃焼室１による処理ガス（排ガス）の処理例を説明する。
処理ガスの燃焼室１への流入量により、処理ガス（主成分の一つにＮ_２ガスを含む），燃料ガス，支燃性ガスの三種の混合気の組成を燃焼範囲としつつ、ガス処理に必要なガス温度を確保することができる適切な燃料および支燃性ガスの流量を設定する。三種の組成と燃焼範囲との関係を燃料ガスをプロパンとした場合で説明する。支燃性ガスが純酸素で、処理ガスのＮ_２がない場合、混合気に対するプロパン成分％が、燃焼の下限界は２％で、上限界は４０％である。支燃性ガスを空気（Ｎ_２とＯ_２の組成比は７９：２１）とした場合、混合気に対するプロパン成分％が、燃焼の下限界は２％で上限界は１０％であることが知られている。これに処理ガスの主となるＮ_２が加わり、例えばＮ_２とＯ_２の組成比が、８５：１５となった場合、混合気に対するプロパン成分％が、燃焼の下限界は２％で上限界は６％であることが知られている。なお、燃料ガス（燃料）が都市ガス、天然ガス等の他のガスの場合には、プロパンが燃料ガスである場合と同様の手法により混合気の燃焼範囲を求めればよい。すなわち、燃料ガスと支燃性ガス（酸素と空気）と処理ガスのＮ_２の混合気の組成と燃焼範囲の関係をもとに調整することができる。同一平面上に設置する燃料用ノズル３Ａと支燃性ガス用ノズル３Ｂと処理ガス用ノズル３Ｃのセットを例えば、２段設置した場合、燃料流量と支燃性ガス流量と処理ガス流量のバランス（組成比）を変え、例えば上段側の処理ガス流入量を減らし、下段側を増やすことで、火炎の安定性を向上させることができる。

図１乃至図３に示す実施形態では、燃料用ノズル３Ａと支燃性ガス用ノズル３Ｂと処理ガス用ノズル３Ｃとが円筒状の燃焼室１の軸線に直交する同一平面上に位置している場合を説明したが、３つのノズル３Ａ，３Ｂ，３Ｃが燃焼室１の軸線方向にずれて配置されている場合であっても、下記の（１）および（２）の条件を満たせば、燃焼室１の内壁から浮いた三種混合の円筒状混合火炎を形成することができる。なお、各ノズル３Ａ，３Ｂ，３Ｃは複数に分割して、燃焼室１の円周方向に離間させて配置しても良い。
（１）燃料用ノズル３Ａと支燃性ガス用ノズル３Ｂと処理ガス用ノズル３Ｃとが燃料（燃料ガス）と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ燃焼室の内周面の接線方向へ吹き込んで、燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種混合の旋回流を形成する。
（２）燃焼室に吹き込まれる燃料（燃料ガス）と支燃性ガスと処理ガスのうち、少なくとも１つのガスが燃焼室に最後に吹き込まれて三種混合の旋回流が形成されたときに、三種の混合気の組成が燃焼範囲に到達する。
上記（１）および（２）の条件を満たすことにより、燃焼室１の内壁から浮いた三種混合の円筒状混合火炎を形成することができるが、三種混合の円筒状混合火炎が形成された後においては、燃料用ノズル３Ａ、支燃性ガス用ノズル３Ｂ、処理ガス用ノズル３Ｃの下流側（後段）に、さらに燃料用ノズル３Ａおよび処理ガス用ノズル３Ｃを設け、これらのノズルから燃料と処理ガスを吹き込むことにより、燃焼温度を向上させ、ガス処理性能を向上させることもできる。

次に、上記（１）および（２）の条件を満たす各種態様について図面を参照して説明する。
まず、燃焼室１に最初に吹き込まれて旋回流を最初に形成するノズル、すなわち旋回流を開始するノズルとして、燃料用ノズル３Ａ、支燃性ガス用ノズル３Ｂ、処理ガス用ノズル３Ｃのうちどのノズルを選定するかを説明し、選定されたノズルを基準として旋回流の下流側に向かって他のノズルをいかに配置するかについて説明する。

図４（ａ），（ｂ）は、燃料用ノズル３Ａ、支燃性ガス用ノズル３Ｂ、処理ガス用ノズル３Ｃのセットが単段（または２段の場合の上段）であって処理ガスの吹き込みノズルが少ない（１個の）場合を示す模式図であり、図４（ａ）は燃焼室の部分縦断面図、図４（ｂ）は燃焼室の水平断面図である。
支燃性ガスを空気として、空気比を１．３とした場合、燃料流量の約１５倍の空気が必要となる。この場合、燃焼室内の旋回力を支配するのは、空気の流量，流速となる。したがって、図４（ａ），（ｂ）に示すように、支燃性ガスとしての空気を吹き込む支燃性ガス用ノズル３Ｂを旋回流を開始するノズルに選定する。旋回流を開始するノズルとして支燃性ガス用ノズル３Ｂを選定することにより、燃焼室の天板は火炎が形成される直前の支燃性ガスにより冷却されるため、天板の放熱による熱量ロスを低減でき、省エネルギーに寄与する。

そして、選定された支燃性ガス用ノズル３Ｂを基準として旋回流の下流側に向かって処理ガス用ノズル３Ｃ、燃料用ノズル３Ａの順に配置する。すなわち、支燃性ガス用ノズル３Ｂと燃料用ノズル３Ａの間に、希釈Ｎ_２を主体とした処理ガスを吹き込む処理ガス用ノズル３Ｃを設置することで、支燃性ガスは処理ガス（Ｎ_２主体）と混合した後に、燃料ガスを混合し着火するため、局所的高温部が形成されることなく、均一な温度場をもつ火炎が形成される。これにより、ガス処理性能は向上しつつ、サーマルＮＯｘの発生を抑制することができる。
図４（ａ），（ｂ）においては、燃料用ノズル３Ａ、支燃性ガス用ノズル３Ｂ、処理ガス用ノズル３Ｃが円筒状の燃焼室１の軸線に直交する同一平面上に位置している構成を例示したが、３つのノズル３Ａ，３Ｂ，３Ｃを燃焼室１の軸線方向にずらして配置する場合には、図４（ａ）において支燃性ガス用ノズル３Ｂを最上段に配置し、下方に向かって処理ガス用ノズル３Ｃ、燃料用ノズル３Ａの順にずらして配置すればよい。なお、図４（ａ）に示す断面図では、断面の手前側（前方側）に位置するノズル３Ｃを仮想線で示している。以下の図面でも同様である。

図５（ａ），（ｂ）は、処理ガスの吹き込みノズルが単段には入りきらない場合に燃料用ノズル３Ａ、支燃性ガス用ノズル３Ｂ、処理ガス用ノズル３Ｃのセットを上下に２段設置した場合の下段のセットの一例を示す模式図であり、図５（ａ）は燃焼室の部分縦断面図、図５（ｂ）は水平断面図である。
図５（ａ），（ｂ）に示すように、下段のセットは、旋回流の最上流側に支燃性ガス用ノズル３Ｂを配置し、支燃性ガス用ノズル３Ｂを基準として旋回流の下流側に向かって処理ガス用ノズル３Ｃ−１、処理ガス用ノズル３Ｃ−２、燃料用ノズル３Ａ、処理ガス用ノズル３Ｃ−３の順に配置して構成されている。
このように、下段のセットにも、３種のノズル３Ａ、３Ｂ、３Ｃ−１，３Ｃ−２，３Ｃ−３を設けることで、ガス混合度が均一化されるため、局所高温部を形成することなく、均一な温度場の火炎を形成することができる。これにより、ガス処理性能は向上しつつ、サーマルＮＯｘの発生を抑制することができる。

図６（ａ），（ｂ）は、処理ガスの吹き込みノズルが単段に入りきらない場合に上下に２段設置した場合の下段のセットの他の例を示す模式図であり、図６（ａ）は燃焼室の部分縦断面図、図６（ｂ）は水平断面図である。
図６（ａ），（ｂ）に示すように、下段のセットは、旋回流の最上流側に処理ガス用ノズル３Ｃ−１を配置し、処理ガス用ノズル３Ｃ−１を基準として旋回流の下流側に向かって処理ガス用ノズル３Ｃ−２、燃料用ノズル３Ａ、処理ガス用ノズル３Ｃ−３の順に配置して構成されている。
難分解性ガスなどが処理ガスとして燃焼室に流入する場合、支燃性ガスの空気に酸素を追加し、高温の温度場を形成する必要がある。高温の温度場を形成する必要がある場合、上段のセットは、図４（ａ），（ｂ）のセットと同様の構成にして、下段のセットは図５（ａ），（ｂ）に示すセットから支燃性ガス用ノズルを除いた図６（ａ），（ｂ）に示すセットとして、上段のセットにのみ支燃性ガス用ノズルを設ける。火炎の形成位置は、図５（ａ），（ｂ）に示す下段のセットとした場合よりも旋回上流側に移動し、火炎体積を小さくすることができるため、より高温な温度場を形成できる。

図1乃至図４に示すように構成された燃焼室１において、燃料ガスと支燃性ガスと処理ガスは、火炎の燃焼速度以上の流速で吹き込む。この場合、燃料ガスと支燃性ガスと処理ガスの流速は、スワール数（旋回度合を表す無次元数）が５〜４０になるように調整する。このようにスワール数を基準に燃料ガスと支燃性ガスと処理ガスの流速を調整することにより、所望の円筒状混合火炎を形成できる。また、火炎の安定性を向上させるため、パイロットバーナ２は、常時火炎を形成しておくことは有効である。

図７は、図１乃至図４に示す燃焼室１を備えた排ガス処理装置の全体構成を示す模式図である。図７に示すように、排ガス処理装置は、処理ガス（排ガス）を燃焼して酸化分解する燃焼室１（図１参照）と、この燃焼室１の後段に配置された排ガス洗浄部３０とを備えている。燃焼室１は接続管１９によって下方に延びている。処理ガス（排ガス）は、バイパス弁（三方弁）２３を通じて円筒状の燃焼室１の内周面の接線方向に供給される。排ガス処理装置に不具合がある場合には、バイパス弁２３が操作され、処理ガスが排ガス処理装置に導入されずに、図示しないバイパス管に送られるようになっている。燃料と支燃性ガスも、同様に、円筒状の燃焼室１の内周面の接線方向に供給されるようになっている。このように、燃料と支燃性ガスと処理ガスとを燃焼室１の内周面の接線方向に向けて、火炎の燃焼速度以上の流速で吹き込むことにより、燃焼室１の内壁から浮いた三種混合の円筒状混合火炎が形成される。燃焼室１の上部には水供給ノズル５から水Ｗが供給されており、この水Ｗは燃焼室１の内面に沿って流下し、燃焼室の内面に濡れ壁（水膜）を形成する。この濡れ壁水により、処理ガスの燃焼により生成したＳｉＯ_２等の粉体は捕集される。

燃焼室１の下方には循環水タンク２０が配置されている。循環水タンク２０の内部には堰２１が設けられており、この堰２１によって上流側の第１の槽２０Ａと下流側の第２の槽２０Ｂとに区画されている。濡れ壁水に捕集された粉体生成物は、接続管１３を介して循環水タンク２０の第１の槽２０Ａ内に落下し、第１の槽２０Ａの底部に堆積する。また、燃焼室１の内面を流下した濡れ壁水は第１の槽２０Ａに流入する。第１の槽２０Ａの水は、堰２１をオーバーフローして第２の槽２０Ｂに流れ込むようになっている。

燃焼室１は冷却部２５を介して排ガス洗浄部３０と連通している。この冷却部２５は、接続管１３に向かって延びる配管２６と、この配管２６内に配置されたスプレーノズル２７とを有している。スプレーノズル２７は、配管２６を流れる排ガスに対向するように水を噴射する。したがって、燃焼室１により処理された排ガスは、スプレーノズル２７から噴射される水によって冷却される。噴射された水は、配管２６を通って循環水タンク２０に回収されるようになっている。

冷却された排ガスは、次に排ガス洗浄部３０に導入される。この排ガス洗浄部３０は、水により排ガスを洗浄し、排ガスに含まれる微小な粉塵を除去する装置である。この粉塵は、主として、燃焼室１での酸化分解（燃焼処理）により生成された粉体生成物である。

排ガス洗浄部３０は、ガス流路３２を形成する壁部材３１と、ガス流路３２内に配置される第１のミストノズル３３Ａ、第１の水膜ノズル３３Ｂ、第２のミストノズル３４Ａ、および第２の水膜ノズル３４Ｂとを備えている。これらミストノズル３３Ａ，３４Ａ及び水膜ノズル３３Ｂ，３４Ｂは、ガス流路３２の中心部に位置し、略直線状に配列されている。第１のミストノズル３３Ａおよび第１の水膜ノズル３３Ｂは第１のノズルユニット３３を構成し、第２のミストノズル３４Ａおよび第２の水膜ノズル３４Ｂは第２のノズルユニット３４を構成する。したがって、本実施形態では、２組のノズルユニット３３，３４が設けられている。なお、ノズルユニットは１組でもよく、３組以上のノズルユニットを設けてもよい。

第１のミストノズル３３Ａは、第１の水膜ノズル３３Ｂよりも、排ガスの流れ方向において上流側に配置されている。同様に、第２のミストノズル３４Ａは、第２の水膜ノズル３４Ｂよりも上流側に配置されている。すなわち、ミストノズルと水膜ノズルとが交互に配置されている。ミストノズル３３Ａ，３４Ａ、水膜ノズル３３Ｂ，３４Ｂ、壁部材３１は、耐腐食性のある樹脂（例えばＰＶＣ：ポリ塩化ビニル）から構成されている。

第１のミストノズル３３Ａの上流側には、排ガスの流れを整流する整流部材４０が配置されている。この整流部材４０は、排ガスの圧力損失を生じさせて、ガス流路３２中の排ガスの流れを均一にする。整流部材４０は、酸による腐食を防ぐために、金属以外の材料で構成されていることが望ましい。整流部材４０の例として、樹脂で構成された不織材や、複数の開孔が形成された樹脂プレートが挙げられる。整流部材４０の上流側には、ミストノズル４１が配置されている。ミストノズル３３Ａ，３４Ａ，４１および水膜ノズル３３Ｂ，３４Ｂは、壁部材３１に取り付けられている。

図７に示すように、排ガスは、排ガス洗浄部３０の下部に設けられた配管２６から排ガス洗浄部３０の内部に導入される。排ガスは、排ガス洗浄部３０内を下から上に流れる。より詳しくは、配管２６から導入された排ガスは、まず、排ガス洗浄部３０のミストノズル４１に向かう。そして、排ガスは、ミストノズル４１により形成されたミストを通過し、整流部材４０により整流される。整流部材４０を通過した排ガスは均一な流れを形成し、ガス流路３２を低速で上昇する。ガス流路３２には、ミスト、水膜、ミスト、及び水膜がこの順に形成されている。

排ガスに含まれている直径１μｍ未満の微小な粉塵は、拡散作用（ブラウン運動）により、ミストを構成する水粒に容易に付着し、これによりミストに捕捉される。直径１μｍ以上の粉塵も、その多くは同様に水粒に捕捉される。水粒の径は約１００μｍであるので、この水粒に付着した粉塵のサイズ（径）は見かけ上大きくなる。したがって、粉塵を含む水粒は、下流側の水膜に慣性衝突により容易にぶつかり、水粒とともに粉塵は排ガスから除去される。ミスト捕捉されなかった比較的径の大きい粉塵も、同様にして水膜に捕捉され、除去される。このようにして水により洗浄された排ガスは、壁部材３１の上端部から排出される。

図７に示すように、排ガス洗浄部３０の下方には、上述した循環水タンク２０が位置している。ミストノズル３３Ａ，３４Ａ，４１および水膜ノズル３３Ｂ，３４Ｂから供給された水は、循環水タンク２０の第２の槽２０Ｂに回収される。第２の槽２０Ｂに貯留された水は、循環水ポンプＰによりミストノズル３３Ａ，３４Ａ，４１および水膜ノズル３３Ｂ，３４Ｂに供給される。同時に、循環水は、水Ｗとして燃焼室１の上部に送られ、上述したように、燃焼室１の内面に濡れ壁を形成する。

ミストノズル３３Ａ，３４Ａおよび水膜ノズル３３Ｂ，３４Ｂに供給される水は、循環水タンク２０に回収された水であり、粉塵（粉体生成物など）を含んでいる。したがって、ガス流路３２を洗浄するために、シャワーノズル５０から市水がガス流路３２に供給されるようになっている。シャワーノズル５０の上方には、ミストトラップ５１が設けられている。このミストトラップ５１は、その内部に複数の邪魔板を有しており、ミストを捕捉することができる。このようにして、処理されて無害化された排ガスは、排気ダクトを介して最終的に大気に放出される。

循環水タンク２０には水位センサ５５が設けられている。この水位センサ５５は第２の槽２０Ｂの水位を監視し、第２の槽２０Ｂの水位が所定の範囲に制御できるようになっている。また、循環水ポンプＰによって移送される水の一部は、給水管５２を介して循環水タンク２０内に設置された複数のエダクター５３に供給されるようになっている。給水管５２には開閉弁Ｖ１が設置されており、開閉弁Ｖ１を開くことにより、エダクター５３に給水できるようになっている。循環水タンク２０には、循環水タンク２０内を排水するための排水弁Ｖ２が設けられている。

各エダクター５３に循環水タンク２０内の水を循環水ポンプＰにより加圧して供給し、各エダクター５３のノズルにより水の流れを絞る際に発生する圧力低下を利用してエダクター５３の吸込口よりエダクター５３内に循環水タンク２０内の水を吸い込み、この吸い込んだ水をエダクター５３のノズルから放出される水とともにエダクター５３の吐出口から循環水タンク２０の底部に噴射する。エダクター５３の吐出口から噴射される噴射水の噴射打力により、循環水タンク２０の底部にある粉体を解砕して浮遊させ、循環水タンク２０の排水口２０Ｄから、排水とともに粉体を自動で排出する。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１ 燃焼室
１ａ 開口
２ パイロットバーナ
３Ａ 燃料用ノズル
３Ｂ 支燃性ガス用ノズル
３Ｃ，３Ｃ−１，３Ｃ−２，３Ｃ−３ 処理ガス用ノズル
５ 水供給ノズル
１１ バーナ本体
１２ 燃料供給管
１３ 円板
１３ａ 開口
１３ｎ 開口
１４ 空気供給管
１５ セラミック発熱素子
１６ グロープラグ
１７ 保持部
１８ 開口
１９ 接続管
２０ 循環水タンク
２０Ａ，２０Ｂ 槽
２０Ｄ 排水口
２１ 堰
２３ バイパス弁（三方弁）
２５ 冷却部
２６ 配管
２７ スプレーノズル
３０ 排ガス洗浄部
３１ 壁部材
３２ ガス流路
３３Ａ 第１のミストノズル
３３Ｂ 第１の水膜ノズル
３４Ａ 第２のミストノズル
３４Ｂ 第２の水膜ノズル
４０ 整流部材
４１ ミストノズル
５０ シャワーノズル
５１ ミストトラップ
５２ 給水管
５３ エダクター
５５ 水位センサ
ＡＲ 空気室
ＭＲ 混合気室
Ｐ 循環水ポンプ
ＰＦ パイロット火炎
Ｖ１ 開閉弁
Ｖ２ 排水弁

Claims (7)

1. 処理ガスを燃焼処理して無害化する排ガス処理装置において、
   一端が閉塞され他端が開口した円筒容器状をなし、処理ガスを燃焼する燃焼室と、
   前記円筒容器状の燃焼室の閉塞側端部に設けられたパイロットバーナとを備え、
   前記パイロットバーナは、燃料と支燃性ガスを個別に供給して燃料と支燃性ガスとの混合気を形成する混合気室と、該混合気室内に設置されて通電により発熱するセラミック発熱素子を有し前記混合気を着火させてパイロット火炎を形成するグロープラグとを備え、
   前記パイロットバーナは、前記燃焼室において処理ガスを燃焼処理している間、前記セラミック発熱素子への通電を継続して前記パイロット火炎を形成し続けるように構成されていることを特徴とする排ガス処理装置。
2. 前記パイロットバーナは、一端が閉塞され他端が開口した円筒容器状のバーナ本体を備え、前記混合気室は前記バーナ本体内に位置していることを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理装置。
3. 前記パイロットバーナは、前記バーナ本体内の混合気室に連通し該混合気室に燃料を供給する燃料供給管と、前記燃料供給管の周囲に配置され前記混合気室に支燃性ガスを吹き込むための開口とを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス処理装置。
4. 前記バーナ本体と前記燃料供給管との間に環状空間を形成し、支燃性ガスを前記環状空間を介して前記開口に供給するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の排ガス処理装置。
5. 前記セラミック発熱素子は、窒化ケイ素からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の排ガス処理装置。
6. 前記燃焼室は、燃料と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ燃焼室の内周面の接線方向に向けて吹き込む燃料用ノズルと支燃性ガス用ノズルと処理ガス用ノズルとを備え、
   前記燃料用ノズルと支燃性ガス用ノズルと処理ガス用ノズルは、前記燃焼室の軸線に直交する同一平面上に位置していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の排ガス処理装置。
7. 前記燃焼室は、燃料と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ燃焼室の内周面の接線方向に向けて吹き込む燃料用ノズルと支燃性ガス用ノズルと処理ガス用ノズルとを備え、
   前記燃料用ノズルと支燃性ガス用ノズルと処理ガス用ノズルは、燃料と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ燃焼室の内周面の接線方向に向けて吹き込んで、前記燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種混合の旋回流を形成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の排ガス処理装置。

Images