JP4937886B2 - 燃焼式排ガス処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えばシランガス(SiH)、或いはハロゲン系のガス(NF,ClF,SF,CHF,C,CF等)を含む有害可燃性の排ガスを燃焼処理し、無害化するための燃焼式排ガス処理装置に関する。
例えば、半導体製造装置からはシランガス(SiH)、或いはハロゲン系のガス(NF,ClF,SF,CHF,C,CF)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、助燃ガスを用いて炉内に火炎を形成し、この火炎により排ガスを燃焼させるようにしたものが広く採用されている(例えば、特許文献1)。
半導体産業や液晶産業向け燃焼式排ガス処理装置は、排ガス処理において、燃焼処理副生成物として、多量の粉塵(主としてSiO)の発生や多量の酸性ガスの発生が見込まれる。そのため、定期的に処理部内に付着堆積した粉体の除去メンテナンスが必要となるか、付着堆積した粉体をスクレーパーなどの機構を追加することで、燃焼処理室の筒体内壁面を定期的に掻き取ることが必要であった。
付着堆積する粉体は、主としてSiO(二酸化珪素)であるが、これ以外にも有毒な粉体が入り混じる可能性が高く、さらにそれら粉体の粒子径はまちまちで、0.1ミクロン程度から数十ミクロン、または大きな塊状となっており、粉体除去メンテナンス時などには、吸引による健康被害など安全性の確立が他に必要な状態である。
また、粉体の掻き取り機構を設けた場合には、部品点数が増加することで、製品製造コストの上昇や定期的な掻き取り機構部品の交換が必要となり、ランニングコストの増加にも直結している。
また、燃焼処理室の燃焼ガスは約1700℃程度と高温であるので、燃焼処理室を囲む筒体にはアルミナ系ガラスセラミックス材料等の耐熱性の高い材料が用いられる。しかしながら、燃焼処理室は高温であり、例えばフッ素系や塩素系のガスが存在すると、燃焼処理室を囲む筒体内壁面が腐食され、消耗するので定期的に交換する必要がある。このため、高価な筒体の交換のためのコストがかかり、また、メンテナンスの手間が必要となる。
特開平11−218317号公報
本発明はこのような課題を解決するもので、燃焼処理室を囲む筒体を安価な材料で構成でき、且つ粉体が燃焼処理室内壁面に付着せず、腐食性ガスにより燃焼処理室内壁面が損傷せず、メンテナンスの手間とコストを低減できる燃焼式排ガス処理装置を提供することを目的とする。
本発明の燃焼式排ガス処理装置は、処理対象排ガスの燃焼処理部と、前記燃焼処理部で燃焼処理した排ガスを冷却する冷却部を搭載した燃焼式排ガス処理装置であって、前記燃焼処理部は、内部に火炎を形成する排ガス処理用燃焼器と、金属材料からなり、前記排ガス処理用燃焼器の下側に設けられた筒体と、前記排ガス処理用燃焼器と前記筒体の間に設けられた水溜め部と、前記筒体の内壁面に水膜を形成する水膜形成機構とを備え、前記筒体は、前記火炎の下流側に配置されており、前記水膜形成機構は、前記水溜め部に水の旋回流を形成する少なくとも一つの水の供給口を備え、前記水溜め部に前記水の旋回流を形成することで、前記筒体の内壁面にらせん状の水膜を形成することを特徴とする。
本発明の燃焼式排ガス処理装置によれば、筒体の内壁面に水膜を形成するので、水膜により断熱が施され、例えばステンレス鋼等の安価な材料を筒体に用いることができる。そして、筒体の内壁面に水膜を形成するので、粉体が水膜により洗い流され、筒体の内壁面に付着せず、また腐食性ガスが水膜により洗い流され、筒体の内壁面が損傷しない。これにより、ステンレス鋼等の安価な材料を筒体に用いることができ、筒体自体の製造コストを低減出来ると共に、メンテナンスの手間とコストを低減出来る。
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。
図1は、本発明の一実施形態の燃焼式排ガス処理装置における燃焼処理部を示す。この燃焼処理部11は、排ガス処理用燃焼器12を備え、ノズル13から供給される排ガスを、空気ノズル14から供給される空気の旋回流と、助燃ガスノズル15から供給される助燃ガスと混合して燃焼し、火炎17を形成する。火炎17の下流側には、円筒状の筒体18に囲まれた燃焼処理室(保炎室)19が配置され、燃焼処理室19で排ガスの燃焼処理が進行する。排ガス処理用燃焼器12と筒体18との間には、水流フランジ20を備え、水が筒体18の内壁面に沿って流下し、筒体18の内壁面に水膜Aを形成する。
この実施形態では、筒体18としてステンレス鋼が用いられ、この筒体18の内壁面に荒れ加工が施されている。この荒れ加工により内壁面の濡れ性が向上し、均一な水膜を内壁面の全面に形成できる。例えば疎水性であるステンレス鋼の内表面を鏡面に加工すると、水滴が生じやすくなり、均一な水膜を内壁面の全面に形成することは困難である。荒れ加工を筒体18の内壁面の全面に施すことで、水切れの存在しない安定した水膜を筒体18の内壁面の全面に確保することができる。
荒れ加工は、圧縮空気や遠心力などを用いて研削材(例えば砂、ガラスビーズなど)を加工面に高速で噴射し、その衝撃力で適切な粗さの粗面を生み出すブラスト加工により形成される。また、荒れ加工は、多数刃工具による切削加工(ブローチ加工)、工具を上下方向に直線運動させ、工作物の送り運動と組み合わせて削るスプライン加工などの機械加工を用いて形成することができる。また、薬品(硝酸、フッ酸、塩酸、硫酸など)を入れた槽に浸漬し、取り出して水洗・乾燥を行う酸洗い、ガラス繊維系・ケイ素ポリマー・テフロン(登録商標)などの親水性膜を内面に塗布する親水性コーティングなどの表面処理によっても形成できる。
排ガスの分解には1700℃以上の高温が好ましく、燃焼処理室19内の温度はこの程度の温度に維持される。水膜Aの厚さは少なくとも2mm以上となるように、水流フランジ20からの水の供給量が調整される。厚さ2mm以上の水膜Aを形成することで、水膜Aにより断熱が施され、筒体18の温度は略常温(50℃以下)に保たれる。これにより、高価なアルミナ系ガラスセラミックス材料に代えて、例えばステンレス鋼等の安価な材料を筒体18に用いることができる。なお、水流フランジ20における水温を30℃とすると、筒体18の出口における水温を数十℃以下に抑えることができる。
筒体18の内壁面に水膜Aを形成するので、燃焼処理室19で形成される粉体が筒体18の内壁面に付着しようとすると水膜Aの水流により洗い流され、筒体18の内壁面に付着しない。同様に、腐食性ガス分子が筒体18の内壁面に付着しようとすると水膜Aの水流により洗い流され、例えばフッ素系の処理反応副生成物であると薄いフッ酸となり、筒体18の内壁面を損傷しない。これにより、ステンレス鋼等の安価な金属材料を筒体18に用いても、内壁面に粉体が付着せず、酸化性ガスによる腐食が生じないので、メンテナンスの手間とコストを大幅に低減出来る。
筒体18の内壁面は、図1の例では上流側から下流側に向かって内径が同一な直胴型であるが、上流側から下流側に向かって内径が縮小するコニカル型を用いてもよい。直胴型のメリットは、処理反応部に溶接部を無くせるので水切れの可能性が少なくなる、筒体の製造加工が容易で製造コストを低減出来ることなどである。また、コニカル型のメリットは、下細りになっているので水膜が形成し易い点にあるが、溶接部で水切れを起こさないようにするために溶接の技術力を要し、製造コストが高くなる。
図2乃至図10は、筒体の内壁面に水膜を形成する各種機構の構成例を示す。
図2は水流フランジ(水膜形成機構)20の構成例を示す。この例の水膜形成機構20は、環状の水溜め部24と、堰18aとを備えている。堰18aは水溜め部24の一部を構成している。堰18aの頂部を均一な高さとすることにより円筒状の筒体18の内壁面に沿って均質な膜厚の水膜を形成することができる。図3は円筒状堰の頂部の内周面側を円弧状とした堰18bを示す。この例の水膜形成機構の基本的構成は図2と同様である。これにより、堰18bを越える水の流れを滑らかなものとすることができる。
図4は図2の変形例であり、堰の頂部をL字型とした堰18cを示す。この例の水膜形成機構は、環状の水溜め部24と、堰18cとを備えている。堰18cは水溜め部24の一部を構成している。図5は堰の頂部をL字型とし、さらに円筒状堰の頂部の内周面側を円弧状とした堰18dを示す。この例の水膜形成機構の基本的構成は図4と同様である。図6は、円筒状の堰18eの径方向内側に円筒部材33を配置し、堰18eと円筒部材33との間の微小な隙間から水を流下させる例を示す。この例の水膜形成機構は、環状の水溜め部24と、堰18eと、円筒部材33とを備えている。堰18eは水溜め部24の一部を構成している。
図7(a)および図7(b)は円筒状堰の頂部の下に矩形の開口20fを設け、この開口20fから水を円筒状の筒体18の内周面に流出させるようにした堰18fを示す。この例の水膜形成機構は、環状の水溜め部24と、堰18cと、堰18cに形成された複数の開口20fとを備えている。図8(a)および図8(b)は円筒状の筒体18の内周面にらせん状に水流を形成するようにした流出口20gを示す。この例の水膜形成機構は、筒体18の内周面に形成された複数の流出口20gを備えている。すなわち、流出口20gは円筒状の筒体18の内周面に沿って水平方向に水流を形成する。流出口20gが複数個配置されているので、これにより筒体18の内周面に均質な膜厚の水膜が形成される。図9(a)乃至図9(c)は、同様に円筒状の筒体18の内周面にらせん状に水流を形成するようにした流出口20hを示す。この例の水膜形成機構は、環状の水溜め部24と、筒体18に形成された、縦長に延びる複数の流出口20hとを備えている。ここで、流出口20hは一辺が開口した矩形状をなしていて、筒体18の内面に対して水平かつ接線方向に水を流出させることで、矩形状をなす流出口20hも水膜で覆われる構造となっている。
図10(a)および図10(b)は、水溜め部24に接線方向から水を供給することにより該水溜め部24に旋回流を形成させ、堰18iから溢れ出る水がらせん状に流れるようにした例を示す。この例の水膜形成機構は、環状の水溜め部24と、堰18iと、水溜め部24に接線方向から水を供給する少なくとも1つの供給口20iとを備えている。堰18iは水溜め部24の一部を構成している。供給口20iから水溜め部24に水を供給すると、この水溜め部24に水の旋回流が形成される。その結果、水溜め部24内の水位が全周方向において均一に上昇し、水は堰18iから筒体18の内面に均一に溢れ出る。供給口20iは、1つまたは複数であってもよい。供給口20iが1つの場合であっても、水溜め部24には水の旋回流が形成されるので、筒体18の内面に均一な水膜を形成することができる。この構成例によれば、排ガス処理装置10の設置条件によって筒体18が水平方向からある程度傾いても(例えば、長さ200cmに対して高さ1cm程度の傾斜)、均一な水膜を安定して形成することができる。
図11は、燃焼式排ガス処理装置10の全体構成例を示す。燃料と酸素とは配管35,36を介して予混合器37に供給され、ここで混合されて予混合燃料が形成される。この予混合燃料は燃焼処理部11に配管38を介して供給される。また、排ガスを燃焼(酸化)させるための酸素源となる空気が配管39を介して燃焼処理部11に供給される。
燃焼式排ガス処理装置10は、筒体18の下流側に燃焼処理した排ガスを冷却する冷却部21と、筒体18の内壁面に水膜Aを形成した水を貯留して循環させる循環タンク25とを備えている。排ガスを冷却する冷却部21は、筒体18の下端部と循環タンク25とを接続する配管22と、配管22から分岐して水洗部31と接続する配管27とを備えている。配管27は、配管22から分岐して上方に向けて傾斜し、垂直管を介して水洗部(水洗室)31の下端に接続される。配管27の垂直管との接続部分の近傍に配管27の内壁に水膜を形成する散水装置28を備えている。
配管22と配管27とは、配管22は筒体18から流下する水膜により、配管27は散水装置28から散水して形成される水膜により管内壁の全周面が水膜により被覆されている。この水膜により断熱されるので、燃焼処理された排ガスは高温であるが配管22,27自体は略常温(50℃以下)に維持され、腐食性ガスによる損傷もないため、安価なステンレス鋼を配管22,27の材料として用いることができる。なお、従来から、ステンレス鋼等の金属材料で構成された配管の接ガス部表面に耐食性のある材料(テフロン(登録商標)やPVC材料)を化学的に蒸着したり、物理的なコーティング、塗布、または貼り付けるなどの対策を施している場合があるが、このような対策も不要となる。
配管22または配管27の内壁に、フィンまたは邪魔板などの冷却を促進する機構を設けることが好ましい。フィンまたは邪魔板などの冷却を促進する機構の例を図12乃至図16に示す。図12(a)および図12(b)は配管22の内周面にリング状のフィン23を配置したものである。図13(a)および図13(b)は同様にリング状のフィン23を設けたものであるが、図12(a)および図12(b)の例ではフィン23の断面が矩形状であるのに対し、図13(a)および図13(b)の例ではフィン23の断面が三角形状である点で相違する。図14(a)および図14(b)は、配管22の流れ方向に沿って傾斜した短いフィン23を設けたものである。図15(a)および図15(b)は配管22の内周に半月型の邪魔板23を設けたものである。半月型の邪魔板23は、配管内の内周の一部分に沿うような形状に構成されており、配管内で高さと円周上の位置をずらして取り付けられている。排ガス流は配管22の内壁と邪魔板23に接触しながら流れる。このようにして、水膜に被覆されたフィンまたは邪魔板などにより、排ガスの冷却効果が促進される。なお、図16(a)および図16(b)は、らせん状にフィン23を配管22の内周面に設けたものである。
燃焼式排ガス処理装置10において、水洗部31はフィルタ31aと散水装置31bとを備えている。燃焼した排ガスは冷却部21で冷却された後、水洗部31に導入される。この水洗部31は、排ガスの燃焼処理によって発生する粉体および酸化性ガスなどの処理反応副生成物を水洗にて捕集除去する。フィルタ31aにより除去された粉体等は散水装置31bの散水により下方に落下し、配管27,22を通り、循環タンク25に流入し、貯留される。燃焼処理により無害化され、冷却部21で冷却され、水洗部31で水洗処理された処理済排ガスは配管32を介して大気中などに排気される。
循環タンク25には堰26が設けられ、配管22を流下した水は一旦堰26の図示左側の室に入り、左側の室から堰26を越えた水が堰26の図示右側の室に入り、ポンプ30により吸引され、供給配管34を通って熱交換器40に送られ、この熱交換器40で冷却水と熱交換され、好ましい温度に調温された後、循環水として再利用される。タンク25の堰26の左側の室には、粉体を多量に含む水が流入するが、粉体の内、粒径の大きいものは、重いので室底部に沈み、粒径のごく小さいものは軽いので堰26を越え、図示右側の室に入り、循環水として利用される水中に混入する。循環水として利用する上で支障のない混入粉体の粒径は50μm程度と考えられ、堰26の高さは粒径50μm以上の粉体が越えられない高さに設定することが好ましい。
熱交換器40で調温された水は、W1として水流フランジ20に供給され、筒体18の内壁面の水膜Aを形成し、さらに配管22の内周面に水膜を形成し、循環タンク25に戻るように循環する。また、熱交換器40で調温された水の一部は、水洗部31の散水装置31bに供給され、循環タンク25に戻るように循環する。さらに、熱交換器40で調温された水の一部は、散水装置28に供給され、配管22の内周面に水膜を形成した後、循環タンク25に戻るように循環する。従って、この燃焼式排ガス処理装置10においては、使用する水の大部分に循環水を用いて運転が可能であるので、市水、工業用水等の補給がごく僅かな量で済むという利点がある。また、水洗後の水は薄いフッ酸となる場合があるが、循環水として循環利用されるので、外部に放出されないという環境上の利点がある。
熱交換器40に供給される冷却水の一部は、排ガス処理用燃焼器12を冷却するための冷却水W2として、燃焼処理部11に設けられた図示しない冷却水路に供給される。また、ポンプ30によって移送される水の一部W3は、循環タンク25の側部から循環タンク25内に流入するようになっている。流入した水は、循環タンク25の底部に堆積した副生成物を堰26の方に押し流す。これにより、配管22の下端開口部が副生成物によって閉塞してしまうことが防止される。
さらに、この燃焼式排ガス処理装置10においては、筒体18に温度センサ41を備え、筒体18の温度上昇を監視している。万一、筒体18の内壁面に水切れなどが生じると、その部分で断熱効果がなくなり、筒体18は直接高温の燃焼排ガスと接触し、損傷を受けることになる。このような事態を検出するため、筒体18に温度センサ41を備え、安全確保を図っている。
また、筒体18の受け皿に相当する部分に漏水センサ42を備えている。例えば、筒体18に損傷があり、貫通孔がある場合には、漏水センサ42でこれを検出することができる。このように、漏水センサ42を備えることで、安全性を向上できる。
これまで本発明の一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、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは勿論である。
本発明の一実施形態の燃焼処理部を示す断面図である。 水膜形成機構の例を示す断面図である。 水膜形成機構の変形例を示す断面図である。 水膜形成機構の他の変形例を示す断面図である。 水膜形成機構の他の変形例を示す断面図である。 水膜形成機構の他の変形例を示す断面図である。 図7(a)は水膜形成機構の他の変形例を示す断面図であり、図7(b)は図7(a)に示す水膜形成機構の正面図である。 図8(a)は水膜形成機構の他の変形例を示す平面図であり、図8(b)は図8(a)に示す水膜形成機構の断面図である。 図9(a)は水膜形成機構の他の変形例を示す平面図であり、図9(b)は図9(a)に示す水膜形成機構の断面図であり、図9(b)は図9(a)に示す水膜形成機構の正面図である。 図10(a)は水膜形成機構の他の変形例を示す断面図であり、図10(b)は図10(a)に示す水膜形成機構の平面図である。 本発明の一実施形態の燃焼式排ガス処理装置を示すブロック図である。 図12(a)は冷却を促進する機構の構造例を示す平面図であり、図12(b)は図12(a)に示す機構の断面図である。 図13(a)は冷却を促進する機構の他の構造例を示す平面図であり、図13(b)は図13(a)に示す機構の断面図である。 図14(a)は冷却を促進する機構の他の構造例を示す平面図であり、図14(b)は図14(a)に示す機構の断面図である。 図15(a)は冷却を促進する機構の他の構造例を示す平面図であり、図15(b)は図15(a)に示す機構の断面図である。 図16(a)は冷却を促進する機構の他の構造例を示す平面図であり、図16(b)は図16(a)に示す機構の断面図である。
符号の説明
10 燃焼式排ガス処理装置
11 燃焼処理部
12 排ガス処理用燃焼器
13 ノズル
14 空気ノズル
15 助燃ガスノズル
17 火炎
18 筒体
19 燃焼処理室
20 水流フランジ
21 冷却部
22,27,32,34,35,36,38,39 配管
23 フィン(邪魔板)
25 循環タンク
26 堰
30 ポンプ
31 水洗部
31a フィルタ
31b,28 散水装置

Claims (15)

  1. 処理対象排ガスの燃焼処理部と、
    前記燃焼処理部で燃焼処理した排ガスを冷却する冷却部を搭載した燃焼式排ガス処理装置であって、
    前記燃焼処理部は、
    内部に火炎を形成する排ガス処理用燃焼器と、
    金属材料からなり、前記排ガス処理用燃焼器の下側に設けられた筒体と、
    前記排ガス処理用燃焼器と前記筒体の間に設けられた水溜め部と、
    前記筒体の内壁面に水膜を形成する水膜形成機構とを備え
    前記筒体は、前記火炎の下流側に配置されており、
    前記水膜形成機構は、前記水溜め部に水の旋回流を形成する少なくとも一つの水の供給口を備え、前記水溜め部に前記水の旋回流を形成することで、前記筒体の内壁面にらせん状の水膜を形成することを特徴とする燃焼式排ガス処理装置。
  2. 前記供給口は、前記水溜め部に接線方向から水を供給することにより該水溜め部に水の旋回流を形成することを特徴とする請求項1記載の燃焼式排ガス処理装置。
  3. 前記筒体の内壁面は、上流側から下流側に向かって内径が同一な直胴型であることを特徴とする請求項1に記載の燃焼式排ガス処理装置。
  4. 前記筒体の内壁面は、上流側から下流側に向かって内径が縮小するコニカル型であることを特徴とする請求項1に記載の燃焼式排ガス処理装置。
  5. 前記筒体の下流側に配置され、前記冷却部に接続された循環タンクを備えたことを特徴とする請求項1に記載の燃焼式排ガス処理装置。
  6. 前記循環タンクに堰を設け、所定サイズ以上の粒径の処理反応副生成物を含む水を循環させないようにしたことを特徴とする請求項記載の燃焼式排ガス処理装置。
  7. 燃焼処理によって発生する処理反応副生成物を水洗いによって捕集除去する水洗部をさらに備え、
    前記冷却部は、前記筒体の下端部と前記循環タンクとを接続する第1の配管と、該第1の配管から分岐し、前記水洗部に接続する第2の配管とを備え、該第1の配管と該第2の配管の内壁面に水膜を形成する機構を備えたことを特徴とする請求項記載の燃焼式排ガス処理装置。
  8. 前記第2の配管は、前記第1の配管から分岐した部分から上方に傾斜して配置され、前記第2の配管の内壁面に散水する散水装置を備えたことを特徴とする請求項記載の燃焼式排ガス処理装置。
  9. 燃焼処理によって発生する処理反応副生成物を水洗いによって捕集除去する水洗部と、 前記循環タンクに貯留された水を、前記筒体の内壁面に水膜を形成する前記水膜形成機構と、前記水洗部と、前記冷却部とに供給する供給配管およびポンプと、
    該供給配管に接続した熱交換器とをさらに備えたことを特徴とする請求項記載の燃焼式排ガス処理装置。
  10. 前記水膜形成機構および前記水洗部に供給された水は、前記冷却部を通じて前記循環タンクに戻されることを特徴とする請求項9記載の燃焼式排ガス処理装置。
  11. 前記筒体に温度センサを備え、前記筒体の温度上昇を検出するようにしたことを特徴とする請求項1記載の燃焼式排ガス処理装置。
  12. 前記筒体の漏水を検出する漏水センサを備えたことを特徴とする請求項1記載の燃焼式排ガス処理装置。
  13. 前記筒体は、ステンレス鋼から構成されていることを特徴とする請求項1記載の燃焼式排ガス処理装置。
  14. 前記筒体の内壁面には、荒れ加工が施されていることを特徴とする請求項1記載の燃焼式排ガス処理装置。
  15. 前記水膜形成機構は、少なくとも厚さが2mmの水膜を均一に形成することを特徴とする請求項1記載の燃焼式排ガス処理装置。
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