JP4070698B2 - 排ガス供給方法とその逆火防止装置 - Google Patents

Description

本発明は、製造装置から排出される爆発範囲（通常は爆発下限界以上であり、以下、爆発下限界以上として説明するが、爆発上限以下の場合も含まれる。）の高濃度可燃性成分および場合によっては粉塵を含有する爆発性排ガスの除害装置において使用される排ガス供給方法とその逆火防止装置に関する。

産業界にあっては、様々なガスを使用して数々の製品の製造を行っており、その副産物として排ガスが発生し、これを無害化（例えば高温加熱ガス）する処置を排ガス処理装置にて行い、大気に放出している。その中のいくつかの製造設備において、製造装置から排出される排ガスには、Ｈ₂を始め、ＳｉＨ₄のような広い濃度範囲における爆発性を有する可燃性成分含有排ガスが排出されることがあり、不適切な処理のために時には爆発事故を起こすことがある。

その対策として、多くは、これら爆発性を有する可燃性成分を高濃度に含む排ガスに多量の窒素を製造装置の排気口において直ちに混入し、前記可燃性成分を爆発下限界以下に薄めた後に排ガス処理で処理するという方法を採っていた。

この方法では、可燃性成分が爆発下限界以下に薄められるので、非常に安全であるが、排ガス処理風量が製造装置から排出される排ガス量の何倍にも膨れ上がるので、排ガス処理装置の規模がそれだけ大きくなり、処理コストが高騰するという問題があった。

一方、上記の方策とは別に、従来、排ガスを水中に放散して水を通過させる水封式の安全器を設けることにより、燃焼機などからの逆火を防止する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、水封安全器を設けるこの技術では、水封レベルの差位に制限があり、広範囲な爆発現象に対応するのが困難であるという問題があった。

このことから、比較的低コストにして、広範囲の爆発現象に対応できる対策が要望されている。

これに対応する技術として、既に、図５に示すように、製造装置(1)と排ガス処理装置(3)との間にメッシュのような逆火防止材(5a)が充填された逆火防止装置(5)を設置する技術が提案されている。これにより、排ガス処理装置(3)で排ガス(G)の熱分解に使用されている火炎が何らかの原因により、製造装置(1)と排ガス処理装置(3)との間に配置された排ガス供給配管(7)を通って逆流しようとしても、逆火防止材(5a)により逆火を防止し、製造装置(1)の内部に引火性ガスが溜まっていても該製造装置(1)が爆発するのを有効に防止できる。

しかしながら、このような逆火防止装置(5)を設けたものでは、排ガス(G)が気体成分のみで構成されている場合には有効であるが、半導体製造装置のような排ガス(G)中に多量の粉塵を含むような場合には、逆火防止材(5a)が目詰まりを生じて、頻繁なメンテナンスを行わなければならないという問題があった。なお、このような爆発性を有する可燃性成分を含む排ガス供給配管(7)のメンテナンスは、非常に危険が伴うものであり、出来る限りメンテナンスフリーとなるようにすることが好ましい。
特開２００３−１９４４７９号公報（第１図）

それゆえに、本発明の主たる課題は、前述のような粉塵および高濃度の可燃性成分を含有する排ガスの除害処理を行う場合において、メンテナンスフリーで、しかも高濃度の可燃性成分を含む排ガスをそのまま安全に排ガス処理装置に供給するとともに、逆火現象の発生を防止でき、更には省エネルギー化を図ることもできる排ガスの供給方法とこの方法に用いる逆火防止装置とを提供することにある。

請求項１に記載の排ガス供給方法は、「製造装置(12)から排出された爆発範囲(一般的には爆発下限界以上)の濃度の可燃性成分を含む排ガス(G)を排ガス処理装置(14)で除害する方法において、排ガス(G)を、製造装置(12)と排ガス処理装置(14)との間に位置し、かつ該排ガス処理装置(14)の排ガス分解処理塔(16)内で熱分解した後に当該排ガス分解処理塔(16)から排出された高温の排ガス(G)の処理余熱を利用して生成した水蒸気(V)が充満している水蒸気充満領域(28a)を通過させた後、その水蒸気(V)と共に前記排ガス処理装置(14)に供給する」ことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排ガス(G)の除害処理を実施するための逆火防止装置(10)に関するものであり、「爆発範囲の濃度の可燃性成分を含む排ガス(G)を排出する製造装置(12)と排ガス(G)を除害する排ガス処理装置(14)との間に設けられ、内部に水蒸気(V)を充満した水蒸気充満領域(28a)が形成されるとともに排ガス(G)が通過する筒状の本体(28)と、排ガス処理装置(14)における排ガス分解処理塔(16)の排ガス出口に連接され、排ガス分解処理塔(16)内で熱分解した後に当該排ガス分解処理塔(16)から排出された高温の排ガス(G)の処理余熱を利用して水蒸気(V)を生成するとともにこれを水蒸気充満領域(28a)へと供給する水蒸気生成手段(30)とを具備する」ことを特徴とする逆火防止装置(10)である。

これらの発明では、製造装置(12)からの排ガス(G)が水蒸気充満領域(28a)内に至ると、排ガス(G)を構成する成分分子と水蒸気充満領域(28a)内の水蒸気[すなわち、水蒸気充満領域(28a)内を浮遊している水分子](V)とが均一に混ざり合い、何らかの原因により排ガス供給配管(26)内の排ガス(G)中に空気（正確には酸素）が混入したとしても、排ガス(G)中の可燃性成分と混入した酸素との結合が水蒸気(V)によって阻害され、かつ水蒸気(V)による温度上昇抑制効果も加わって製造装置(12)から排ガス処理装置(14)に至る排ガス供給配管(26)内での逆火発生を効果的に防止することができる。なお、逆火防止に水蒸気(V)を使用しているので、実際上、排ガス(G)中に粉塵が含まれているとしても、目詰まりが起こらず、メンテナンスフリーとなる。換言すれば、この発明の方法では、粉塵含有排ガスの逆火防止に特に有効である。

また、排ガス処理装置(14)での処理余熱を利用して水蒸気(V)を生成するようにしているので、水蒸気充満領域(28a)に供給する十分な量の水蒸気(V)を生成できるとともに、別途ヒータ装置などを設置して水蒸気(V)を生成する場合に比較して省エネルギー化を推進することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の逆火防止装置(10)において、「水蒸気充満領域(28a)内に螺旋板(32)，邪魔板(50)或いは多孔質板(52)など抵抗増加用中間部材が設置されている」ことを特徴とするものである。

このように水蒸気充満領域(28a)[即ち、逆火防止装置(10)の本体(28)内部空間]内に螺旋板(32)，邪魔板(50)或いは多孔質板(52)など抵抗増加用中間部材を設置すると、水蒸気充満領域(28a)内で排ガス(G)と水蒸気(V)とが攪拌されて十分に混ざり合うとともに、水蒸気充満領域(28a)内の通過時間が長くなって水蒸気による排ガス(G)の温度上昇抑制効果が向上し逆火防止効果をさらに高めることができる。

本発明によれば、製造装置と排ガス処理装置との間に排ガスが通過する水蒸気充満領域を設けているので、排ガスが水蒸気充満領域内に至ると、排ガスを構成する成分分子と水蒸気とが均一に混ざり合い、可燃性成分分子と何らかの原因によって排ガス中に混入した酸素との結合が水蒸気によって阻害され、かつ水蒸気による温度上昇抑制効果も加わって、排ガス中の可燃性成分の濃度が爆発下限界以上であっても、製造装置から排ガス処理装置に至る排ガス供給配管内での逆火発生を効果的に防止することができる。

また、特に、排ガス処理装置での処理余熱を利用して水蒸気を生成するようにしたので、水蒸気充満領域に供給する十分な量の水蒸気を生成できるとともに、別途ヒータ装置などを設置して水蒸気を生成する場合に比較して省エネルギー化を推進することができる。

そして、水蒸気充満領域内に抵抗増加用中間部材を設置することで、排ガスと水蒸気とが攪拌されて十分に混ざり合うとともに、水蒸気充満領域内の通過時間が長くなり、逆火防止効果を高めることができるという利点がある。

以下、この発明に実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、この発明に係る逆火防止装置(10)の第１実施例の構成図である。図１において、製造装置(12)は、例えばＣＶＤのような半導体製造装置であり、半導体製造プロセスの排ガス(G)として、Ｈ₂ やＳｉＨ₄など広範囲な濃度において爆発性を有する可燃性成分および場合によっては細かい多量の粉塵を伴う排ガス(G)を排出する。勿論、製造装置(12)は、半導体製造装置に限らず、爆発性の可燃性成分を含む排ガスを排ガスとして排出するような装置は全て含まれるものである。

排ガス処理装置(14)は、図１に示す実施例１の場合、大略、排ガス分解処理塔(16)、排ガス分解処理塔(16)の内部に導入された排ガス(G)を熱分解させるための燃焼用ヒータ(18)、後部スクラバ(20)、配線系、計器類、排気ファン(22)および水槽(24)で構成され、それぞれ配管や配線で接続されており、１つのコンパクトなキャビネット内に収納されている。

この製造装置(12)と排ガス処理装置(14)とは、排ガス供給配管(26)にて接続されており、その途中に逆火防止装置(10)が配設されている。

逆火防止装置(10)は、図１に示すように、製造装置(12)と排ガス処理装置(14)との間の排ガス供給配管(26)上に設けられた円筒状の本体(28)と、排ガス分解処理塔(16)の排ガス出口(16b)側に設けられた水蒸気生成手段(30)とで構成されている。

ここで、本体(28)の内部空間には水蒸気を充満させる水蒸気充満領域(28a)が形成されており、この水蒸気充満領域(28a)には螺旋板(32)が備えられている。なお、この実施例では逆火防止装置(10)の本体(28)を円筒状のものとする場合を示しているが、本体(28)の形状は、筒状つまり内部が中空状のものであり且つその内部に水蒸気充満領域(28a)を形成できるものであれば、例えば角筒状など如何なるものであってもよい。

水蒸気生成手段(30)は、排ガス分解処理塔(16)内で熱分解した後に排出される高温の排ガス(G)の熱[即ち処理余熱]を利用して水蒸気を生成するものであり、図２に示すように、排ガス分解処理塔(16)の排ガス出口(16b)に連接され、上下面が密閉された円筒形のタンク(34)と、外部からの水(W)をタンク(34)内に供給する水供給配管(36)と、タンク(34)の上下面を貫通するように取着された１乃至複数の熱交換筒(38)と、タンク(34)の上面と水面との間に取着され、タンク(34)内にて発生した水蒸気(V)を逆火防止装置(10)の本体(28)内[即ち水蒸気充満領域(28a)]に供給する水蒸気供給配管(40)と、タンク(34)で発生した水蒸気(V)を水蒸気供給配管(40)に押し出すために、例えば窒素ガスなどの不活性ガス(N)をタンク(34)内に供給する配管(42)と、タンク(34)内が排ガス熱で加熱されるまでの初期時に水(W)を加熱するヒータ(44)とを具備している。

熱交換筒(38)は、排ガス分解処理塔(16)で熱分解された高温の排ガス(G)を上端開口(38a)から取り込み、タンク(34)内の水(W)と熱交させることによって、タンク(34)内に水蒸気(V)を生成させるものである。

なお、ヒータ(44)は、燃焼用ヒータ(18)により排ガス分解処理塔(16)内の温度が７００℃〜１３００℃程度まで十分上昇するまでの期間(つまり初期時に)作動してタンク(34)内の水(W)を加熱するようになっている。

上記構成において、製造装置(12)から排出された爆発下限界以上の濃度の可燃性成分を含む排ガス(G)は、逆火防止装置(10)の底部から本体(28)内部に導入される。逆火防止装置(10)は、排ガス処理装置(14)に接続されているので、排ガス処理装置(14)に向かう方向、すなわち、図１の場合には、本体(28)の底部から天井部に向かって螺旋板(32)に沿って気流が螺旋状に流れている。

一方、排ガス処理装置(14)では、燃焼用ヒータ(18)により排ガス分解処理塔(16)内が十分高温になるまでの初期時には、水蒸気生成手段(30)におけるヒータ(44)によりタンク(34)内の水(W)が加熱され、水蒸気(V)を生成し、この水蒸気(V)が逆火防止装置(10)の本体(28)内に供給される。そして、燃焼用ヒータ(18)により排ガス分解処理塔(16)内の温度が上昇して排ガス(G)の熱分解が可能な稼働状態になれば、ヒータ(44)が断電され、排ガス処理装置(14)に供給された排ガス(G)の熱分解処理の余熱によりタンク(34)内の水(W)が加熱され、それに伴って発生した水蒸気(V)が本体(28)内の供給される。これにより、逆火防止装置(10)の内部空間は、水蒸気充満領域(28a)として水蒸気(V)で満たされる。

逆火防止装置(10)の底部に導入された排ガス(G)は、大量の水蒸気(V)と共に螺旋板(32)に沿って螺旋状に上昇し、且つこの間に十分に混合される。この状態で排ガス(G)は、天井部を経て、水蒸気(V)と共に排ガス処理装置(14)の排ガス分解処理塔(16)に供給され、この排ガス処理装置(14)で熱分解される。

排ガス分解処理塔(16)内部の燃焼部分(16a)は、燃焼用ヒータ(18)により７００〜１３００℃程度の高温に保たれている（例えば、シラン；ＳｉＨ₄の場合、７００〜９００℃、ＮＦ₃の場合、９００〜１１００℃、ＷＦ₆の場合、７００〜９００℃）。そして、必要に応じて外部から排ガス分解処理塔(16)内に供給された酸素を含む外気により、燃焼部分(16a)に導入された排ガス(G)は、確実に熱分解され、後部スクラバ(20)に送り出され、後部スクラバ(20)でスプレー(20a)による温度低下（前記熱分解により粉塵が発生した場合には、同時に除去）が行われた後、排気ファン(22)により、大気放出される。前記スプレー(20a)への揚水は、水槽(24)の水をスプレー(20a)に供給する揚水ポンプ(48)により行われる。

さて、前述のように、排ガス分解処理塔(16)において、排ガス(G)は、完全に熱分解されるのであるが、時には何らかの原因により空気が排ガス供給配管(26)に混入して逆火現象が発生するような状態になることがある。この時、逆火防止装置(10)を装備していないような場合、製造装置(12)と排ガス処理装置(14)とを結ぶ排ガス供給配管(26)を通じて排ガス処理装置(14)の燃焼部分(16a)の火炎が製造装置(12)内に流れ、内部に溜まっている可燃性ガスに引火して製造装置(12)内で爆発を起こす（特に、水素のように広い範囲で爆発範囲を有するものの場合には顕著である。）ことがあったが、本発明の逆火防止装置(10)では、例えこのような状態になったとしても、前述のように水蒸気(V)が可燃性成分分子と助燃性成分分子との間に入り込むので、例え可燃性成分の濃度が爆発範囲内に踏み込んでいたとしても逆火現象を防止することができる。

つまり、爆発下限界以上の高濃度の爆発性可燃性成分を含む排ガス(G)が逆火防止装置(10)に導入されると、前述のように、本体(28)内部において、排ガス(G)は完全に分子レベルで水蒸気(V)と混ざり合い、例え排ガス(G)中に何らかの原因により酸素が混入したとしても酸素と可燃性成分との急激な酸化結合が妨げられ、爆発的燃焼現象を引き起こすことがない。換言すれば、このような状態になり、排ガス処理装置(14)と逆火防止装置(10)の出口との間で逆火現象が発生したとしても、この火炎は逆火防止装置(10)内で消し止められ、逆火防止装置(10)の入口に達することはない。

特に、本発明では、逆火防止装置(10)内に供給する水蒸気(V)を、排ガス分解処理塔(16)にて排ガス(G)を熱分解した際に生じる処理余熱を利用して生成しているので、逆火防止装置(10)の本体(28)内の水蒸気充満領域(28a)に供給する十分な量の水蒸気を生成できるとともに、余熱の有効利用、つまり省エネルギー化を達成することができる。

なお、上述の実施例では、排ガス(G)を逆火防止装置(10)の底部から導入する場合を示したが、勿論、これに限らず、排ガス(G)を逆火防止装置(10)の天井部から導入するようにしてもよい。

また、上述したように、排ガス分解処理塔(16)内部で熱分解した排ガス(G)は、熱交換筒(38)を通過する際、タンク(34)内の水(W)と熱交して、タンク(34)内に水蒸気(V)を生成するが、この排ガス(G)の温度は７００℃〜１３００℃程度と高温のため、特に１３００℃前後の温度で熱分解した排ガス(G)が熱交換筒(38)を通過する際には、タンク(34)内の水が次々に水蒸気となり、タンク(34)内の水量が一気に減少する場合がある。このような場合、タンク(34)内の水が無くなると水蒸気生成手段(30)が空焚き状態となり、当該手段(30)が熱によってダメージを受けるようになる。このため、水蒸気生成手段(30)のタンク(34)に図示しない冷却装置を取付けて、タンク(34)の水が全て蒸発して無くならないように、生成する水蒸気量をコントロールするようにしてもよい。

さらに、排ガス(G)に粉塵が含まれれば、排ガス処理装置(14)の前段に逆火防止装置(10)と機能的に類似した前部スクラバを設けるが、その場合、この前部スクラバに水蒸気充満領域(28a)を設けることによって、逆火防止装置(10)としての働きをさせることができる。

図３は、邪魔板(50)を複数段使用した例であり、図４は、内部に金網やパンチングメタルのような多孔質板(52)を複数段設けた例である。

図１の螺旋板(32)や図３の邪魔板(50)の場合は、内部の排ガス通過路を長くして水蒸気(V)と排ガス(G)との十分な混合を図ることを目的としているのに対して、図４の多孔質板(52)の場合は、多孔質板(52)全体に十分に水分が付着し、水分とガスとの接触を良好にさせることができる。それ故、粉塵の補集効果が大きい。加えて、多孔質板(52)そのものが逆火防止機能を有しているので、前記水蒸気(V)の逆火防止効果と協働して優れた逆火防止効果を奏する。なお、粉塵による多孔質板(52)の目詰まりが懸念されるが、多孔質板(52)には上面から絶えず水蒸気(V)が供給されており、この水蒸気(V)が多孔質板(52)に接触すると冷却され水滴となり、この水滴が上側の多孔質板(52)から下側に向けて絶えず流下しているので、多孔質板(52)は常に洗浄された状態となり、目詰まりは発生しない。

本発明に係る逆火防止装置の第１実施例の構成図である。 逆火防止装置における水蒸気生成手段を示す一部破断斜視図である。 本発明に係る逆火防止装置の第２実施例の構成図である。 本発明に係る逆火防止装置の第３実施例の構成図である。 従来の逆火防止装置を示す構成図である。

符号の説明

(10)・・・逆火防止装置
(12)・・・製造装置
(14)・・・排ガス処理装置
(16)・・・排ガス分解処理塔
(18)・・・燃焼用ヒータ
(20)・・・後部スクラバ
(22)・・・排気ファン
(24)・・・水槽
(26)・・・排ガス供給配管
(28)・・・(逆火防止装置の)本体
(28a)・・・水蒸気充満領域
(30)・・・水蒸気生成手段
(32)・・・螺旋板
(34)・・・タンク
(36)・・・水供給配管
(38)・・・熱交換筒
(40)・・・水蒸気供給配管
(42)・・・配管
(44)・・・ヒータ
(48)・・・揚水ポンプ
(50)・・・邪魔板
(52)・・・多孔質板

Claims (3)

1. 製造装置から排出された爆発範囲の濃度の可燃性成分を含む排ガスを排ガス処理装置で除害する方法において、
   前記排ガスを、前記製造装置と排ガス処理装置との間に位置し、かつ該排ガス処理装置の排ガス分解処理塔内で熱分解した後に当該排ガス分解処理塔から排出された高温の排ガスの処理余熱を利用して生成した水蒸気が充満している水蒸気充満領域を通過させた後、その水蒸気と共に前記排ガス処理装置に供給することを特徴とする排ガス供給方法。
2. 爆発範囲の濃度の可燃性成分を含む排ガスを排出する製造装置と前記排ガスを除害する排ガス処理装置との間に設けられ、内部に水蒸気を充満した水蒸気充満領域が形成されるとともに前記排ガスが通過する筒状の本体と、
   前記排ガス処理装置における排ガス分解処理塔の排ガス出口に連接され、前記排ガス分解処理塔内で熱分解した後に当該排ガス分解処理塔から排出された高温の排ガスの処理余熱を利用して水蒸気を生成するとともにこれを前記水蒸気充満領域へと供給する水蒸気生成手段とを具備することを特徴とする逆火防止装置。
3. 前記水蒸気充満領域内に螺旋板，邪魔板或いは多孔質板など抵抗増加用中間部材が設置されていることを特徴とする請求項２に記載の逆火防止装置。

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