JP4840986B2

JP4840986B2 - 燃焼除害装置

Info

Publication number: JP4840986B2
Application number: JP2006206071A
Authority: JP
Inventors: 茂林; 宣明渡邉
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-07-28
Also published as: TW200819682A; JP2008032310A

Description

この発明は、半導体や液晶デスプレーの製造過程で発生するフロンガス系ガス等の廃棄ガスを、高温燃焼ガスにより燃焼することにより分解し、ＣＯ₂やＣｌ₂、ＳｉＯ₂などに変換する燃焼除害装置に関するものであり、特に、高温でないと分解が難しいＣＦ₄等の燃焼除害に適する装置であるが、他の有害ガスやＰＣＢなどの有害物質の無害化処理にも利用できる。

半導体製造装置や液晶パネル製造装置からは、シラン（ＳｉＨ₄）やジシラン(Ｓｉ₂Ｈ₆)等の廃棄ガスが発生するが、この廃棄ガスは、有害であるので、そのまま大気に放出することができない。そこで、従来、前記廃棄ガスは燃焼除害装置を用いて無害化処理を行っている。

従来の燃焼除害装置は、上端面を閉鎖した円筒状のバーナ部と、該バーナ部の下流側に設けた燃焼室とを備え、該バーナ部より燃焼室に向けて燃焼炎を形成し、該燃焼炎に廃棄ガスを導入して該廃棄ガスを酸化分解させている（例えば、特許文献１、参照）。

前記燃焼除害装置のバーナ部頂壁には、空気ノズルと助燃ノズルと廃棄ガス導入管が設けられ、前記空気ノズルは、前記バーナ部内に旋回流を形成するように空気を噴出させ、又、前記助燃ノズルは、前記バーナ部内に旋回流を形成するように助燃ガスを噴出させる。

前記空気ノズルは、助燃ノズルから噴出された助燃ガスの着火を促進し、開口下方に向かって形成された燃焼炎に旋回空気を下方に向かって吹き付ける。又、廃棄ガス導入管は、バーナ部内に廃棄ガスを噴出させるが、この廃棄ガスは助燃ガスの旋回流と混合しながら燃焼する。

WO00/32990国際公開公報

従来の燃焼除害装置では、空気と燃料との混合が十分に行われず、廃棄ガスと高温燃焼ガスとの混合も不十分である。そのため、好適な除害効率を得られず、また、燃料の無駄も発生するので、運転コストも嵩んでしまう。

この発明は、上記事情に鑑み、除害効率を向上させると共に、運転コストの軽減を図ることを目的とする。

この発明は、一端が燃焼室端壁により、かつ周囲が周壁によって定められた円筒状の燃焼室を備えた燃焼除害装置において；前記端壁には、廃棄ガスの導入口と複数個のバーナとが配設され、前記各バーナには、燃料噴射手段と空気旋回手段とが配設され、前記各空気旋回手段は、前記燃焼室内で互いに同方向の空気の旋回流を形成し、その旋回流の相互の干渉により全体として前記燃焼室内に前記燃焼室の中心軸回りの合成旋回流が形成できるように配設されていることを特徴とする。

前記燃焼室の周壁の外部周部には、前記空気旋回手段と連通する空気通路が設けられ、この空気通路に空気を流通させることにより、前記燃焼室の周壁を冷却するとともに該空気を予熱するようにしたことを特徴とする。

前記バーナには、酸素噴射手段が配設されていることを特徴とする。前記廃棄ガスの導入口には、廃棄ガス管体が接続され、該廃棄ガス管体には、燃料添加管が接続され、前記廃棄ガスが前記燃焼室に流入する前に燃料を添加できるようにしたことを特徴とする。

前記廃棄ガスの導入口が、複数設けられていることを特徴とする。前記廃棄ガスの導入口に、廃棄ガス旋回手段が設けられていることを特徴とする。前記廃棄ガス旋回手段は、前記空気旋回手段により形成される旋回流と反対方向の旋回流を形成することを特徴とする。

前記燃焼室の周壁の内側には、耐熱保護カバーが交換可能に配設されていることを特徴とする。

この発明は、燃焼室の端壁には、廃棄ガスの導入口と複数個のバーナとが配設され、前記各バーナには、燃料噴射手段と空気旋回手段とが配設され、前記各空気旋回手段は、前記燃焼室内で互いに同方向の空気の旋回流を形成し、その旋回流の相互の干渉により全体として前記燃焼室内に前記燃焼室の中心軸回りの合成旋回流が形成できるように配設されているので、空気と燃料との混合が十分に行われ、廃棄ガスと高温燃焼ガスとの混合が促進される。その結果、除害効率を飛躍的に向上できるとともに、燃料や追加酸素の無駄がなく、結局運転コストも軽減することができる。

この発明の前記合成旋回流は、燃焼室内壁に接触しながら旋回するので、廃棄ガスの燃焼によって発生するＳｉＯ₂粉等が前記内壁に堆積するのを防止することができる。

この発明の前記燃焼室の周壁の外周部には、前記空気旋回手段と連通する空気通路が設けられ、この空気通路に空気を流通させるので、前記燃焼室の周壁を冷却するとともに該空気を予熱することができる。

この発明の前記空気旋回手段は、その中心軸が前記燃焼室の中心軸と所定角度をなして傾斜しているので、前記空気旋回手段の中心軸回りの旋回流が、相互に干渉して全体として前記燃焼室内に前記燃焼室の中心軸回りの合成旋回流を形成することができる。

この発明の前記バーナには、酸素噴射手段が配設されているので、該バーナから放出される空気を酸素富化（酸素リッチ）の状態にすることができる。そのため、燃焼ガス温度の高温化を図り、難分解ガスでも高い分解率を達成することができる。

この発明の前記廃棄ガスの導入口には、廃棄ガス管体が接続され、該廃棄ガス管体には、燃料添加管が接続され、前記廃棄ガスが前記燃焼室に流入する前に燃料を添加できるようにしたので、還元性の反応雰囲気を形成することができる。

この発明の前記廃棄ガスの導入口は、複数設けられているので、各導入口に異なった種類の廃棄ガスを供給することができ、複数台つなげることができる。

この発明の前記廃棄ガスの導入口に、廃棄ガス旋回手段が設けられているので、該廃棄ガスを分散させることができる。そのため、該廃棄ガスを混合、燃焼しやすい状態にすることができる。

この発明の前記廃棄ガス旋回手段は、前記空気旋回手段により形成される旋回流と反対方向の旋回流を形成するので、該廃棄ガスは、燃焼室内において、空気旋回手段の中心軸回りの旋回流、及び燃焼室の中心軸回りの合成旋回流、と十分に混合される。そのため、除害効率を向上させることができる。

この発明の前記燃焼室の周壁の内側には、耐熱保護カバーが交換可能に配設されているので、該周壁を保護することができると共に、該耐熱保護カバーのメンテナンスを容易に行うことができる。

この発明の第１実施の形態を図１、図２により説明する。
燃焼除害装置１の燃焼室３は、円筒状に形成され、その一端は端壁５により閉鎖され、他端は開放されている。前記端壁５には、廃棄ガスの導入口７と複数個のバーナ９が設けられている。該バーナ９の先端は、端壁５の内面から突出しているが、その突出量は、必要に応じて適宜選択される。例えば、その突出量を零とし、該バーナ９の先端が、前記端壁５の内面と面一になるようにしても良い。

前記導入口７は、端壁５の中央部に設けられ、その中心軸５ｃは、燃焼室３の中心軸３ｃ上に位置している。なお、前記中心軸５ｃの位置は、必要に応じて適宜選択され、必ずしも前記中心軸３ｃと一致させる必要はない。

バーナ９は、前記導入口７を囲むように配設され、周方向に等間隔をおいて４個設けられている。バーナ９は、燃料噴射手段と空気旋回手段とを備えている。

前記燃料噴射手段として、例えば、ノズル１０を有する燃料噴射器１１が用いられる。又、前記空気旋回手段として、例えば、空気旋回器１３が用いられているが、この空気旋回器１３には、空気供給手段に連通する筒状の空気管１３ａが設けられている。該空気管１３ａには、前記ノズル１０が同心状に内蔵されており、該空気管１３ａの先端には旋回翼１３ｂが設けられている。この旋回翼１３ｂは、空気管１３ａの先端又は該先端より少し退いた位置に設けられているが、この位置は必要に応じて適宜選択することができる。

前記バーナ９の中心軸１１ｃは、前記燃焼室３の中心軸３ｃに対し、所定角度θ傾斜している。この傾斜角度θは、必要に応じて選択されるが、例えば、３０度〜６０度の範囲で適宜選択される。

燃焼室３の周壁３ａの内面には、耐熱保護カバー１６が設けられている。この保護カバー１６は、耐熱材、例えば、セラミック材料で形成され、前記燃焼室３の周壁３ａに着脱自在に取り付けられている。

次に、本実施の形態の作動について説明する。
空気旋回器１３の空気室１３ａに空気Ａを圧送すると、該空気Ａは旋回翼１３ｂを通って旋回流ｄとなりながら、燃焼室３内に放出される。前記各空気旋回器１３により形成された旋回流ｄは、該バーナ９の中心軸９ｃ回りの旋回流ｄであり、互いに同一方向、例えば時計方向に旋回している。

前記空気Ａは、燃料Ｇを燃焼するための酸化剤として用いられ、又、燃料Ｇとして、例えば、天然ガス、プロパン、水素などが用いられる。
なお、空気Ａと燃料Ｇは、燃焼室３に噴出された後に混合されるので、予め両者を混合した状態で燃焼室に放出する方式（予混合方式）と異なり、逆火現象は発生しない。そのため、燃料の引火爆発事故の発生を防止することができるので、安全である。

前記空気Ａの旋回流ｄが燃料Ｇと混合されると、該燃料Ｇが燃焼し、旋回炎となりながら燃焼室３の中心軸３ｃに向かって斜め下方に進行する。
この時、廃棄ガスの導入口７からは、廃棄ガスＨが燃焼室３内に圧送されるが、この廃棄ガスＨとして、例えば、半導体製造装置から排出される、シラン（ＳｉＨ₄）やジシラン（ＳｉＨ₆）等の有害可燃ガスＨが用いられる。前記廃棄ガスＨは、前記旋回流ｄに巻き込まれ、分散しながら燃焼する。

前記各旋回流（旋回炎）ｄは、互いに同一方向に回転しながら前記中心軸３ｃに向かって斜め下方に進行するとともに、互いに干渉し合い、全体として前記中心軸３ｃ回りの旋回流（旋回炎）Ｄとなる。この旋回流Ｄを、合成旋回流（合成旋回炎）と呼ぶことにする。前記合成旋回流Ｄは、廃棄ガスＨを燃焼させるとともに、前記周壁３ａの内面（耐熱保護カバー１６）を擦りながら旋回するので、燃焼により生成されるシリカ（ＳｉＯ₂）等が前記内面に付着し堆積するのを防止することができる。

なお、耐熱保護カバー１６は、燃焼室３に着脱自在に設けられているので、メンテナンス時には、容易に着脱し、新品と交換することができる。

この発明の第２実施の形態を図３、図４により説明するが、前記図１，図２の図面符号と同一図面符号は、その名称も機能も同一である。
この実施の形態と前記第１実施の形態との相違点は、空気旋回器の空気管として、燃料噴射器と同軸状に配設する代わりに、燃焼室を包囲する空気通路２８を用いることである。即ち、この実施の形態では、燃焼室３の周壁３ａの外周に、空気通路２８が設けられている。

この空気通路２８は、垂直通路部２８ａと、該垂直通路２８aの上端部に連続する傾斜通路部２８ｂとを備えている。この垂直通路部２８ａの下部には、一対の空気供給口３０が、点対称に配設され、又、前記傾斜通路部２８ｂには、旋回翼１３ｂが設けられている。

この実施の形態では、バーナ９Ａの空気供給口３０から圧送される空気Ａは、垂直通路部２８ａ内を上昇して傾斜通路部２８ｂに到達した後、旋回翼１３ｂを通って旋回流となりながら燃焼室３内に放出される。そのため、燃焼室３の周壁３ａは冷却されるので、前記周壁３ａが熱により損傷するのを防止することができる。又、前記空気Ａは、空気通路２８を通りながら予熱されるので、室温の空気を燃焼室に吹き込む場合に比べ、燃焼室内における熱損失を少なくすることができる。

なお、この実施の形態では、バーナ９が６本設けられ、該バーナ９の先端は、端壁５の内面と面一に形成され、又、耐熱保護カバーは省略されている。

この発明の第３実施の形態を図５〜図７により説明するが、前記図３，図４の図面符号と同一図面符号は、その名称も機能も同一である。
この実施の形態と前記第２実施の形態（図３、図４）との相違点は、次の通りである。
（１）バーナ９Ｂに酸素噴射手段が設けられていること。
この酸素噴射手段として、例えば、酸素噴射器２２が用いられるが、この酸素噴射器２２は、燃料噴射器１１を包囲する管体部２２ａと、該管体部２２ａに設けられた導入口２２ｂと、を備えている。

（２）廃棄ガスの導入口が、複数設けられていること。
前記導入口のうち、中央導入口７Ａに連結された廃棄ガス管体８には、廃棄ガスの旋回手段が設けられているが、この旋回手段として、旋回流形成ノズル２４が用いられる。このノズル２４は、前記管体８の内周円とほぼ接線方向に向いて設けられている。なお、前記管体８の上端は、蓋２５により閉鎖されている。

他の導入口７Ｂは、周方向に等間隔をおいて３個設けられ、該導入口７Ｂに連接した廃棄ガス管体８ａには、燃料添加管２６が連設されている。

（３）空気供給口３０が、１個しか設けられていないこと及びバーナ９Ｂが３個であること。

この実施の形態では、酸素噴出器２２から酸素Ｓが噴射されるので、空気Ａに酸素Ｓが添加される。そのため、空気の旋回流ｄは、酸素富化の状態となるので、ここに燃料Ｇを噴射すると、燃焼ガスの温度が上昇し、難分解性ガスでも高い分解率を達成することができる。

又、旋回流形成ノズル２４に廃棄ガスＨを圧送すると、該廃棄ガスＨは導入口７Ａの中心軸回りに旋回しながら燃焼室３内に入り、空気の旋回流ｄと混合される。この時、廃棄ガスの旋回流Ｈｄを、前記空気の旋回流ｄと反対方向（反時計回り）に旋回させると、効率良く混合することができる。

前記導入口７Ｂの廃棄ガス管体８ａに、廃棄ガスＨ１を供給するとともに、燃料添加管２６に燃料Ｇを供給すると、前記廃棄ガスＨ１は、燃料Ｇと混合された状態で燃焼室３内に放出される。そうすると、還元性の反応雰囲気を形成することができる。なお、前記導入口７Ａと導入口７Ｂに供給される廃棄ガスＨ、Ｈ₁は、異なった種類のものを用いたが、同一種類の廃棄ガスを用いても良いことは勿論である。

発明の第４実施の形態を図８、図９により説明するが、前記図５〜図７の図面符号と同一図面符号は、その名称も機能も同一である。
この実施の形態と前記第３実施の形態（図５〜図７）との相違点は、次の通りである。
（１）廃棄ガスの導入口は、複数設けられているが、中央導入口７Ｃの廃棄ガス管体８に燃料添加管３２が設けられ、該管体８の下端には、旋回翼１３ｃが設けられている。又、他の導入口７Ｄの廃棄ガス管体８ａの下端にも旋回翼１３ｄが設けられている。
（２）燃焼室３の下端部に冷却空気供給管３４を接続して、冷却部３６を形成するとともに、この燃焼除害装置を該冷却部３６を介して図示しない水スクラバー（除害装置）に連結したこと。

この実施の形態では、前記導入口７Ｃの廃棄ガス管体８に圧送された廃棄ガスＨは、燃料添加管３２から供給される燃料Ｇと混合された後、旋回翼１３ｃを通り旋回流Ｈｄとなって燃焼室３内に放出される。

又、前記導入口７Ｄの廃棄ガス管体８ａ内を流れる廃棄ガスＨ１は、燃料添加管２６から供給される燃料Ｇと混合されながら旋回翼１３ｄを通り、旋回流Ｈ１ｄとなる。

前記廃棄ガスの旋回流Ｈｄ、Ｈ１ｄは、前記バーナ９Ｂにより形成された旋回流ｄと混合されるが、前者の旋回方向を後者の旋回方向と反対（反時計方向）にすると、効率良く混合することができる。

冷却空気Ａ1を冷却空気供給管３４に圧送すると、該冷却空気Ａ1は燃焼室３内の下端側に入り、高温燃焼ガスを冷却する。この時、温度が高いために乖離されていたＣＯは、再結合されてＣＯ₂に戻される。そして、該冷却空気Ａ1により冷却されたガスは、ＣＯ₂等とともに水スクラバー（湿式除害装置）に送られる。

本件発明の第１実施の形態を示す縦断面図である。図１の底面図である。本件発明の第２実施の形態を示す縦断面図である。図３のIV−IV線断面図である。本件発明の第３実施の形態を示す図で、図６のＶ−Ｖ線断面である。本件発明の第３実施の形態を示す縦断面図である。図６のVII−VII線断面図である。本件発明の第４実施の形態を示す縦断面図である。図８のＸ−Ｘ線断面図である。

符号の説明

１燃焼除害装置
３燃焼室
３ａ周壁
３ｃ中心軸
５端壁
７廃棄ガスの導入口
８廃棄ガス管体
９バーナ
９ｃ中心軸
11 燃料噴射器
13 空気旋回器
16 耐熱保護カバー
22 酸素噴出器
24 旋回流形成ノズル
26 燃料添加管
28 空気通路
36 冷却部
Ａ空気
ｄ旋回流
Ｄ合成旋回流
Ｇ燃料
Ｈ廃棄ガス

Claims

一端が燃焼室端壁により、かつ周囲が周壁によって定められた円筒状の燃焼室を備えた燃焼除害装置において；
前記端壁には、廃棄ガスの導入口と複数個のバーナとが配設され、
前記各バーナには、燃料噴射手段と空気旋回手段とが配設され、
前記各空気旋回手段は、前記燃焼室内で互いに同方向の空気の旋回流を形成し、その旋回流の相互の干渉により全体として前記燃焼室内に前記燃焼室の中心軸回りの合成旋回流が形成できるように配設されていることを特徴とする燃焼除害装置。
前記燃焼室の周壁の外周部には、前記空気旋回手段と連通する空気通路が設けられ、この空気通路に空気を流通させることにより、前記燃焼室の周壁を冷却するとともに該空気を予熱するようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃焼除害装置。
前記空気旋回手段は、その中心軸が前記燃焼室の中心軸と所定角度をなして傾斜していることを特徴とする請求項１、又は、２記載の燃焼除害装置。
前記所定角度は、３０°〜６０°であることを特徴とする請求項３記載の燃焼除害装置。
前記バーナには、酸素噴射手段が配設されていることを特徴とする請求項１、２、３、又は、４記載の燃焼除害装置。
前記廃棄ガスの導入口には、廃棄ガス供給管が接続され、該廃棄ガス供給管には、燃料配管が接続され、前記廃棄ガスが前記燃焼室に流入する前に燃料を添加できるようにしたことを特徴とする請求項１、２，３，４，又は、５記載の燃焼除害装置。
前記廃棄ガスの導入口が、複数設けられていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、又は、６記載の燃焼除害装置。
前記廃棄ガスの導入口に、廃棄ガス旋回手段が設けられていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、又は、７記載の燃焼除害装置。
前記廃棄ガス旋回手段は、前記空気旋回手段と反対方向の旋回流を形成することを特徴とする請求項８記載の燃焼除害装置。
前記燃焼室の周壁の内側には、耐熱保護カバーが交換可能に配設されていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、又は、９記載の燃焼除害装置。