JP5066021B2 - Ｐｆｃ処理装置及びｐｆｃ含有ガスの処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＰＦＣ（パーフルオロ化合物）を含むガスの処理装置及び処理方法に関し、更に詳細には、ＰＦＣを含むガスにおける該ＰＦＣを、効率的に除去できるＰＦＣ処理装置及び処理方法に関する。

半導体や液晶の製造工程中では多種類の有害ガスが使用されており、環境中への排気による環境汚染が懸念される。特に、半導体工業における半導体製造装置内面のクリーニング工程や、エッチング工程或いはＣＶＤ工程などにおいては、CHF₃などのフッ化炭化水素や、CF₄、C₂F₆、C₃F₈、C₄F₆、C₄F₈、C₅F₈、SF₆、NF₃などのパーフルオロ化合物（ＰＦＣ）などのフッ素含有化合物が用いられており、これらのプロセスからの排ガス中に含まれるフッ素含有化合物は、地球温暖化ガスとしてその除去システムの確立が急務とされている。

フッ素含有化合物を含む排ガスの処理方法としては、例えば、酸化アルミニウム及びアルカリ土類金属の酸化物を含む処理剤を用いて排ガス中のフルオロカーボンを分解処理する方法（特許文献１）；酸化アルミニウム及びアルカリ土類金属の酸化物を含む処理剤を用いて排ガス中のフッ化硫黄を分解処理する方法（特許文献２）；アルミナ及びアルカリ土類金属化合物、及び場合によっては銅、錫、バナジウム等の金属の酸化物を含む処理剤を用いて排ガス中のフッ素化合物を分解処理する方法（特許文献３）；水酸化アルミニウムと水酸化カルシウムとを含む処理剤を用いて排ガス中のＰＦＣを分解処理する方法（特許文献４）；などが提案されている。

しかしながら、上記のような従来の処理方法は、処理温度を８００〜１０００℃と高温にする必要があり、処理装置の熱による劣化が速く、装置のエネルギー消費量も大きいという問題があった。しかも、従来用いられていた処理装置では、熱効率が悪く、ＰＦＣの分解効率が低いという問題もあった。

また、従来の処理剤は、使用寿命が短くて交換頻度が高いという問題を包含していた。例えば、特許文献１〜３に開示されている方法では、ＰＦＣを酸化アルミニウム（アルミナ）と反応させてフッ化アルミニウムを生成させることによってＰＦＣを分解している。しかし、酸化アルミニウムの反応活性が低いので、この反応を効率よく進行させるためには、高温の反応条件が必要である。さらに、生成したフッ化アルミニウムは酸化アルミニウムの表面に層を形成し、これによって酸化アルミニウムが被毒され、短時間で触媒活性を失うために、処理剤の交換頻度が高くなってしまうという問題があった。

また、ＰＦＣを水酸化アルミニウムと反応させて、水酸化アルミニウムの水酸基の水素によってフッ素をフッ化水素とし、次に生成したフッ化水素を水酸化カルシウムと反応させてフッ化カルシウムを生成させることによって、ＰＦＣなどのフッ素含有化合物を従来法よりも低い温度で効率よく分解処理することができる方法が提案されている（特許文献４）。しかし、かかる方法では、小型の装置では効果があるものの、実際にスケールアップした実機では、処理時に発生する水分によってアルミニウムの活性が阻害され、十分な除去効果を示さない場合があるという問題がある。
特開２００２−２２４５６５号公報 特開２００２−３７００１３号公報 特開２００１−１９０９５９号公報 特開２００５−２６２１２８号公報

そこで、本発明の目的は、かかる従来技術の課題を解決し、ＰＦＣ含有ガスを低温でも効率よく分解することができ、熱効率に優れたＰＦＣガス処理装置、及び当該ＰＦＣガス処理装置を用いたＰＦＣ分解処理剤の寿命を長くして効率的な処理を可能とする処理方法を提供することにある。

本発明者らは、上記の課題を解決する新規な排ガス処理方法を開発すべく鋭意研究を重ねた結果、処理装置をその外周側のみでなく内部からも加熱することにより、上記目的を達成しうることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、ＰＦＣ含有ガスを処理するＰＦＣ処理装置であって、棒状の内部ヒーターと、該内部ヒーターから所定間隔をおいて、筒状に配された外部ヒーターとを具備する装置本体からなり、該内部ヒーター及び該外部ヒーターとの間にＰＦＣ分解処理剤を充填する処理剤配置部が形成されていることを特徴とするＰＦＣ処理装置を提供するものである。

また、本発明は、上記ＰＦＣ処理装置を用いて行うＰＦＣ含有ガスの処理方法であって、上記処理剤配置部に、別に製造したＰＦＣ分解処理剤を充填し、ＰＦＣを含有するガスを装置本体に導入し、処理温度５５０〜８５０℃で処理することを特徴とするＰＦＣ含有ガスの処理方法を提供するものである。

本発明の処理装置により処理することのできるフッ素含有化合物としては、CHF₃等のフッ化炭化水素、CF₄、C₂F₆、C₃F₈、SF₆、NF₃などのパーフルオロ化合物（ＰＦＣ）等を挙げることができる。このようなフッ素含有化合物を含むガスとしては、半導体工業で半導体製造装置の内面等をドライクリーニングする工程や、各種製膜をエッチングする工程で排出される排ガスなどを挙げることができる。

また、本発明の処理装置は、ＰＦＣなどに加えて、酸化性ガス、酸性ガスなども分解処理することができる。したがって、本発明の他の態様は、フッ素含有化合物及び／又は酸化性ガス及び／又は酸性ガスを含む被処理ガスを除害処理することができる。

半導体製造工程から排出される排ガス中には、ＰＦＣばかりでなく、他にF₂、Cl₂、Br₂等の酸化性ガス、HF、SiF₄、COF₂、HCl、HBr、SiCl₄、SiBr₄等の酸性ガスなどが含まれる場合がある。F₂、Cl₂、Br₂等の酸化性ガスは、湿式処理しようとした場合には水だけでは完全に処理することができず、アルカリ剤や還元剤を使用する必要があり、管理や装置が複雑になる上にコストがかかる等の問題点があった。本発明の処理装置によれば、これらの酸化性ガスや酸性ガスも、ＰＦＣ等のフッ素含有化合物と共に分解処理することができる。

また、半導体製造工程から排出される排ガス中には、COが含まれる場合もあり、更にCOはＰＦＣの分解時に副生成物として発生する場合があるため、これを分解除去する必要がある。本発明の処理装置によれば、フッ素含有化合物、酸化性ガス、酸性ガスに加えて、COをも分解除去することができる。

また、被処理ガス中若しくは処理反応中に生成するCOを分解する場合には、被処理ガスをＰＦＣ分解処理剤と接触させる前、或いは被処理ガスとＰＦＣ分解処理剤とを接触させる際に、被処理ガスに酸素を加える。COは、接触反応器内において酸素によって酸化分解されてCO₂となる（下式参照）。

本発明において、後述するAl₂O₃とCaOとの複合酸化物であるＰＦＣ分解処理剤を用いる場合には、以下のように酸素を介して緩やかに結合していると考えられる。

ＰＦＣ分解処理剤をフッ素化合物と接触させると、（Al＿O）部分の触媒作用により

の分解反応が進み、（O_Ca）部分からの酸素（O）とカルシウム（Ca）とにより

の酸化還元反応が進むと考えられる。

また、上記の式から理解できるように、ＰＦＣ分解処理剤を用いて、フッ素含有化合物を含む排ガスを処理すると、ＰＦＣや酸性ガスなどが分解して、フッ化カルシウム（CaF₂）が生成する。フッ化カルシウムは、フッ素製造の原料として知られる蛍石の主成分であり、酸で処理することによってフッ素ガスを発生させることができる。したがって、本発明方法によれば、極めて効率的にフッ素含有化合物を含むガスからフッ素を再利用可能な形態で回収することができるという利点もある。

このように、本発明のＰＦＣ処理装置にはガス中の種々成分を処理できる処理剤を用いることが好ましい。具体的には、平均粒子径（メディアン径）５５μｍ以上、好ましくは６０μｍ以上１６０μｍ以下、より好ましくは９０μｍ以上１２０μｍ以下のAl（OH）₃と、好ましくは平均粒子径（メディアン径）１μｍ以上１０μｍ以下、より好ましくは３μｍ以上８μｍ以下、最も好ましくは４μｍ以上６μｍ以下のCa（OH）₂とのモル比が３：７〜５：５、好ましくは３：７〜４：６である混合物を４３０℃よりも高く８９０℃以下の温度範囲、好ましくは５８０℃〜８５０℃の温度範囲、より好ましくは６５０℃〜７８０℃の温度範囲で、窒素流又は空気流の対向流中で焼成することにより得られるＰＦＣ分解処理剤を用いることが特に好ましい。なお、平均粒子径とは、メディアン径を意味し、粒子径ごとに頻度（含有量）を積算し、含有量の累積が最小粒子径からはじめて５０％になる点での粒子径である。このＰＦＣ分解処理剤は、非晶質Al₂O₃とCaOとの複合酸化物である。非晶質Al₂O₃とCaOとの含有比は、モル比でAl₂O₃：CaO＝１：１０．５〜１：１２．５、より好ましくは１：１０．５〜１：１２である。また、このＰＦＣ分解処理剤は、その調製工程中に発生する水分がすべて除去されるので、過剰の水分を含まない。水分含量は５wt%よりも低いことが好ましく、０．８ｗｔ％以上５ｗｔ％以下であることがより好ましく、１．５ｗｔ％以上３．５ｗｔ％以下であることが特に好ましい。また、Al(OH)₃とCa(OH)₂の混合物の焼成品のＮａ含有量が０．０３wt%以下であることが好ましい。Ｎａが多量に存在すると、ＰＦＣ（パーフルオロ化合物）の分解作用を起こす活性点にＮａ^＋が選択的に吸着してしまい、ＰＦＣの分解反応を阻害するので好ましくない。

さらに、ＰＦＣ分解処理剤には、ZrO₂、Laなどの耐熱性向上剤や、Pd、Pt、Rh、Ruなどの酸化力向上助剤を混合して用いてもよい。耐熱性向上剤の配合比率は、好ましくはAl（OH）₃１モルに対して０．０１〜０．５モルであり、より好ましくはAl（OH）₃１モルに対して０．０５〜０．４モルであり、最も好ましくはAl（OH）₃１モルに対して０．０８〜０．３５モルである。酸化力向上助剤の配合割合は、好ましくはAl（OH）₃１モルに対して０．００５〜０．１モルであり、より好ましくはAl（OH）₃１モルに対して０．０１〜０．０７モルであり、最も好ましくはAl（OH）₃１モルに対して０．０２〜０．０５モルである。

また、本発明のＰＦＣ処理装置において、被処理ガス導入部に近い部分（後述する実施形態においては反応槽の上部）にCa(OH)₂、Mg(OH)₂又はこれらの焼成品からなるアルカリ剤を充填し、被処理ガスの出口側（後述する実施形態においては反応槽の下部）に上記ＰＦＣ分解処理剤を充填してもよい。被処理ガスの導入部近傍にアルカリ剤を充填することによって７００℃以下の被処理ガスのうち酸性成分のガスを反応除去することができる。アルカリ剤としては、Ca(OH)₂、Mg(OH)₂を主成分とする処理剤が適用可能であるが、特にCa(OH)₂を予め焼成したもの、及びMg(OH)₂を予め焼成したものが適している。Ca(OH)₂を焼成して精製したCaOによる中和反応は、以下の反応式のとおりである。

アルカリ剤とＰＦＣ分解処理剤との充填比率は、反応槽内部の温度分布により変動するが、好ましくは容積比でアルカリ剤：ＰＦＣ分解処理剤＝０．２５：９．７５〜１．７５：８．２５、より好ましくは０．５：９．５〜１．５：８．５、最も好ましくは０．７５：９．２５〜１．２５：８．７５である。

また、本発明によれば、被処理ガス流れの上流から順に、ＰＦＣ分解処理剤を充填してなる２つのＰＦＣ処理装置を直列接続してなるＰＦＣ処理システムであって、２つの該ＰＦＣ処理装置には、各ＰＦＣ処理装置に被処理ガスを導入する導入配管、及び、各ＰＦＣ処理装置から処理後の処理済みガスを導出する導出配管が連結されており、第１のＰＦＣ処理装置の導入配管と第２のＰＦＣ処理装置の導出配管とを連結する連絡配管と、第２のＰＦＣ処理装置の導入配管と第１のＰＦＣ処理装置の導出配管とを連結する連絡配管とが設けられており、各配管にはそれぞれ配管開閉用のバルブが設けられているＰＦＣ処理システムも提供される。

さらに、上述のＰＦＣ処理装置を用いて行うＰＦＣ含有ガスの処理方法も本発明により提供される。本発明のＰＦＣ含有ガスの処理方法は、本発明のＰＦＣ処理装置の処理剤配置部に、別に製造したＰＦＣ分解処理剤を充填し、ＰＦＣを含有するガスを装置本体に導入し、処理温度５５０〜８５０℃で処理することを特徴とする。

また、本発明によれば、複数個の直列配置された装置本体を含むＰＦＣ処理装置を用いて行うＰＦＣ含有ガスの処理方法も提供される。本処理方法は、各装置本体から使用済みのＰＦＣ分解処理剤を回収し、被処理ガスが最初に導入される装置本体ではない装置本体から回収したＰＦＣ分解処理剤を、被処理ガスが最初に導入される装置本体に再度充填し、被処理ガスが最初に導入される装置本体の処理温度を７５０〜８５０℃、好ましくは６５０〜７５０℃とし、以降の装置本体の処理温度を順次直前の処理温度と同じか又は低くなるようにし、最後に導入される装置本体の処理温度を５５０〜７５０℃として、被処理ガスを処理することを特徴とする。

さらにまた本発明によれば、被処理ガス流れの上流から順に、ＰＦＣ分解処理剤を充填してなる２つのＰＦＣ処理装置を直列接続してなるＰＦＣ処理システムであって、２つの該ＰＦＣ処理装置には、各ＰＦＣ処理装置に被処理ガスを導入する導入配管、及び、各ＰＦＣ処理装置から処理後の処理済みガスを導出する導出配管が連結されており、第１のＰＦＣ処理装置の導入配管と第２のＰＦＣ処理装置の導出配管とを連結する連絡配管と、第２のＰＦＣ処理装置の導入配管と第１のＰＦＣ処理装置の導出配管とを連結する連絡配管とが設けられており、各配管にはそれぞれ配管開閉用のバルブが設けられているＰＦＣ処理システムを用いるＰＦＣ含有ガスの処理方法であって、排ガスの除去率が所定値を下回った時点を検出して第１のＰＦＣ処理装置の稼働を停止し、新しいＰＦＣ分解処理剤に交換し、この交換の間、第２のＰＦＣ処理装置のみを稼働させ、交換完了後は、第２のＰＦＣ処理装置が上流側となり、新しいＰＦＣ分解処理剤を充填したＰＦＣ処理装置が下流側となるように各配管のバルブを切り替えて、続けて二段直列運転を行うことを特徴とするＰＦＣ含有ガスの処理方法も提供される。

本発明の処理装置は、ＰＦＣを低温でも効率よく分解することができる、熱効率に優れたものである。
また、本発明の処理方法によれば、本発明の処理装置を用いてＰＦＣ含有ガスを効率よく処理することができる。

実施形態

以下、図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。
ここで、図１は、本発明の処理装置の１実施形態を示す模式断面図である。
本実施形態の処理装置１は、ＰＦＣ含有ガスを処理するＰＦＣ処理装置であって、棒状の内部ヒーター１１と、内部ヒーター１１から所定間隔をおいて、筒状に配された外部ヒーター１２とを具備する装置本体１０からなり、内部ヒーター１１及び外部ヒーター１２との間にＰＦＣ分解処理剤を充填する処理剤配置部１３が形成されている。

更に詳述すると、本実施形態の処理装置１は、装置本体１０と、装置本体１０に被処理ガスを導入するガス導入管２０、及び装置本体１０から反応後の処理済みガスを排出する排気管３０を具備する。装置本体１０は、円柱状の形状であり、その両端にはそれぞれガス導入管１１と連結するための開口が中央部に形成されてガス導入部１８及びガス排出部１９がそれぞれ形成された蓋体１０ａ，１０ｂが設けられている。また、装置本体１０内の処理剤配置部１３には、上述の好ましく用いられるＰＦＣ分解処理剤が充填されている。

蓋体の形成材料は特に制限されず、ステンレスなどこの種のガス処理装置に通常用いられる材料を適宜用いることができる。
外部ヒーター１２の外周に空気層１５が形成されるように外部ヒーター１２を覆って保温材１４が配されている。保温材１４は、蓋体１０ａ，１０ｂの周囲にも配されている。このように、装置本体１０の外周全体に亘って配することで外部ヒーター１２と所定の間隔を開けることができるようになされている。

保温材１４の形成材料としては、無機質ファイバ−（SiO₂ 55%、Al₂O₃ 15%、CaO 17%、B₂O₃8%、その他酸化物５％）で補強したセラミック粉末（SiO₂60〜65%、TiO₂ 30〜35%、Al₂O₃ 2〜３%,その他酸化物＜1%）等を挙げることができる。

空気層の厚さは、0.6〜1ｃｍとするのが好ましい。
本実施形態において、内部ヒーター１１はその長手方向に２分割されて第１の内部ヒーター１１ａ及び第２の内部ヒーター１１ｂが形成されている。すなわち、本実施形態において、内部ヒーターは、被処理ガスが流れる方向に沿って、その長手方向に分割配置されている。また、外部ヒーター１２は、その幅方向に２分割されて第１の外部ヒーター１２ａ及び第２の外部ヒーター１２ｂが形成されている。そして、第１及び第２の内部ヒーター１１ａ，１１ｂ並びに第１及び第２の外部ヒーター１２ａ，１２ｂは、それぞれ独立して制御可能になされている。

具体的には、第１内部ヒーター１１ａ、第２の内部ヒーター１１ｂ、第１外部ヒーター１２ａ及び第２の外部ヒーター１２ｂは、それぞれ電源に接続されており（図示せず）、各電源から供給する電流量を制御することにより各ヒーターの温度をそれぞれ独立して制御することができる。このように処理剤配置部の内部と外周にヒーターを分割して配置し、装置本体１０内部の温度を場所により微調節して、内部の温度をより容易に均一にすることができる。

ＰＦＣ処理装置内に被処理ガスを導入するガス導入部１８にアルカリ剤が配されてアルカリ剤配置部１６が形成されている。
この際用いることができるアルカリ剤としては、Ca(OH)₂、Mg(OH)₂、CaO、MgO等を挙げることができる。

ＰＦＣ処理装置内に被処理ガスを導入するガス導入部１８側に整流板１７が配されている。整流板１７は、好ましくは耐化学薬品性及び耐熱性を有する板状部材、好ましくは円盤状の板状体であり、ニッケル合金であるインコネル６００（インコ社商標）またはハステロイＸ（ヘインズ社商標）等の耐熱耐食性材料により形成されている。

本実施形態においては、同一の装置本体における被処理ガスを導入する被処理ガス導入部１８側（図１の上側）にアルカリ剤を、被処理ガスの排出口側（図１の下側）にＰＦＣ分解処理剤を充填している。本実施形態において、ＰＦＣ分解処理剤に対するアルカリ剤の充填比率は、アルカリ剤：ＰＦＣ分解処理剤＝１：９（容積比）である。本実施形態においては、被処理ガスは、反応槽の上部から供給されるため、被処理ガスの導入部４３の近くでは、被処理ガスの温度が十分上昇していないため、当該箇所に充填する処理剤の温度も十分上昇しない。そこで、被処理ガスの導入部近傍（装置本体の上部）にアルカリ剤を配置する。アルカリ剤は、５００℃近傍でも十分な酸性ガスの処理能力を有するため、充填剤及び被処理ガスが十分に加熱されていない装置本体の上層部においても、酸性ガスを分解することができ、これにより７００℃以下の被処理ガスのうち酸性成分のガスを反応除去できる。このように、本発明の装置では、装置本体の上部における第１段階の処理で酸性成分を除去することができ、装置本体の下方におけるＰＦＣ分解処理剤充填部では、ＰＦＣのみを処理すればよく、ＰＦＣ分解処理剤の負荷が減り、結果として処理剤の寿命が延びる。また、ここで使用したアルカリ剤は、ＰＦＣ分解処理剤よりも安価に製造でき、処理剤にかかるコストも低減できる。

次に、本実施形態の処理装置を用いた処理方法について説明する。
本実施形態の処理装置によるＰＦＣ含有ガスの処理方法は、処理剤配置部１３に、別に製造したＰＦＣ分解処理剤を充填し、ＰＦＣ含有ガスを装置本体１０に導入し、処理温度５５０〜８５０℃で処理する。

更に詳細に説明する。
まず、アルカリ剤をアルカリ剤配置部１６に充填し、ＰＦＣ分解処理剤を装置本体内の処理剤配置部１３に充填して、ＰＦＣ含有ガス処理装置を組み立てる。一実施形態として、Al(OH)₃とCa(OH)₂との混合微粒子を本ＰＦＣ含有ガス処理装置とは別の手段であらかじめ焼成することによって調製したＰＦＣ分解処理剤を装置本体内に充填して、装置内部ヒーター及び外部ヒーターによりＰＦＣ分解処理剤全体に均一な熱エネルギーを与えることによって、ＰＦＣ含有ガスの分解処理が効率よく進行する。

被処理ガスであるＰＦＣ含有ガスは、ガス導入管２０を通ってガス導入部１８から装置本体１０内に導入される。
導入されたＰＦＣ含有ガスは、まずアルカリ剤配置部１６に導入され充填されたアルカリ剤と接触する。アルカリ剤の作用により、被処理ガス中に含まれている酸性ガス成分が中和されて除去される。

次いで、ＰＦＣ含有ガスは整流板１７と接触することにより、装置内部に均一に拡散される。次に、ＰＦＣ含有ガスは、処理剤配置部１３に配置されたＰＦＣ分解処理剤に接触して、最終的に分解処理される。この際、別に設けたセンサー（図示せず）により内部の温度を複数個所モニタリングしながら、各内部ヒーター１１ａ，１１ｂ、外部ヒーター１２ａ，１２ｂへの電流量を調節して各ヒーターの温度を制御し、その結果として装置本体１０の内部の温度を微調節して均一な温度に保持する。

この際の処理温度は、約５５０〜約８５０℃であり、好ましくは約６００〜約８５０℃であり、約６５０℃〜約７５０℃が最も好ましい。約５５０℃未満であると、ＰＦＣのうちCF₄の分解率が低下し、約８５０℃を超えると、ＰＦＣ分解処理剤の結晶化が徐々に進み、熱劣化してしまう。

また、装置本体の大きさにもよるが、装置本体の内部容量が９９リットルであれば、ガスの導入量は、５０〜２５０リットル／分とするのが、処理反応を効率よく行うために好ましい。

処理により被処理ガス中のＰＦＣなどのフッ素含有化合物、酸性ガス、酸化性ガスが分解される。被処理ガス中にCOが含まれる場合や、処理反応によってCOが発生することが考えられる場合には、酸素供給管（図示せず）より酸素を被処理ガスに加えて、反応カラム２内でCOのCO₂への酸化を同時に行うことができる。反応によって発生したCO₂、H₂Oなどは、排気管３０を通って排出される。

また、処理後、ＰＦＣ分解処理剤は、装置本体１０内に残留する。使用後のＰＦＣ分解処理剤を取出して、フッ化カルシウムを分離回収し、これを酸などで処理することによって、フッ化カルシウムからフッ素を生成させることができる。

次に、図２を参照して本発明の処理装置の他の実施形態を説明する。
以下の説明においては、上述した実施形態と同じ部分については、符号を統一し重複した説明を省略する。

ここで、図２は、本発明のＰＦＣ処理装置の他の実施形態を示す模式断面図である。
図２に示す本実施形態の処理装置１は、第１筒１０及び第２筒１０’が直列に連結されてなる。第１筒１０及び第２筒１０’は、図１において説明した装置本体である。このように装置本体を複数個連結してなる装置では、第１筒から被処理ガスが未処理のままリークした場合にも第２筒で処理することができ、最終的に排出される処理ガス中にＰＦＣガスを含まない。また、第１筒又は第２筒のいずれかが故障した場合でも相互補完によりＰＦＣ含有ガス処理に支障がない。

また別の使用態様として、第１筒１０と第２筒１０’とで、充填するＰＦＣ分解処理剤を異ならせてもよい。すなわち、被処理ガスが最初に導入される第１筒１０には、使用済みのＰＦＣ分解処理剤を充填し、第２筒１０’には未使用のＰＦＣ分解処理剤を充填して運転することもできる。このような構成とすることにより、処理温度を、装置本体を単体で用いたときよりも高くすることなく、より大量のガスを処理することができる。また、処理剤を有効に活用することができる。具体的には、第１筒１０は処理温度を低く設定して、低い温度でも十分に分解が可能なCF₄、C₂F₆などのＰＦＣや、CO及び酸性ガスなどを分解し、第２筒１０’では処理温度を高く設定して、第１筒１０で分解できなかったC₄F₈などを分解処理するようにすれば、ＰＦＣ分解処理剤を無駄なく使用し、処理に必要な熱エネルギーを抑制し、分解対象物を効率よく分解処理することができる。更に、このように装置本体を２段構成とすることにより、第１筒１０中のＰＦＣ分解処理剤が疲弊して分解対象物が未分解のまま少量リークしてきた場合でも、第２筒１０’で十分に分解処理することができる。したがって、ＰＦＣ分解処理剤を、その能力を完全に使い切るまで使用することができ、交換頻度を大幅に減少させることができ、ランニングコストの大幅な低減を図ることができる。

次に、本実施形態の処理装置を用いた処理方法について説明する。
装置本体を１段構成とした上述の実施形態で説明したように、ＰＦＣ含有ガスを分解処理する。所定時間の処理後に、第１筒１０及び第２筒１０’から使用済みのＰＦＣ分解処理剤を回収し、第２筒１０’から回収した使用済みのＰＦＣ分解処理剤を第１筒１０に再度充填し、第１筒１０の処理温度を６００〜８５０℃、好ましくは７５０〜８５０℃とし、第２筒１０’の処理温度を６００〜７５０℃、好ましくは６５０〜７５０℃として、ＰＦＣ含有ガス処理を行う。なお、２個以上の装置本体を連結して用いる場合には、第２筒以降の装置本体の処理温度を直前の処理温度と同じか又は低くなるようにし、最後に導入される装置本体１０’の処理温度を５５０〜７５０℃として、被処理ガスを処理すればよい。

第１筒１０の処理温度が６００℃未満であると、処理剤の消耗によりＰＦＣの分解活性が低く、ＰＦＣの高い除去率が得られず、８５０℃を超えると、ＰＦＣ分解処理剤の結晶化が徐々に進み、熱劣化する。

最後に導入される装置本体１０’の処理温度が５５０℃未満であると、ＰＦＣの分解活性が低く、ＰＦＣの高い除去率が得られず、７５０℃を超えると、ヒ−タ−の電力消費量が増え、経済的ではない。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、以下の説明においては、上述した実施形態と異なる点を中心に説明する。上述した実施形態と同じ部材には同じ番号を付す。特に説明しない点については上述の実施形態においてした説明が適宜適用される。ここで、図３は、他の実施形態の装置本体を示す内部透視側面図である。図４は、図３に示す上部ヒーターを示す上面図である。図５は、図３に示す上部ヒーター及び整流板を示す斜視図である。図６は、本実施形態の装置の全体構造を示す概略図である。

図３に示す本実施形態において、装置本体１０１は、内部ヒーター３１を内蔵する反応槽３２と、反応槽３２の外周に設けられた外部ヒーター３４と、反応槽３２に被処理ガスを予熱しながら導入する被処理ガス予熱配管４２と、処理後のガス（以後「処理済みガス」という）を導出する処理済みガス導出配管５４と、を具備する。

反応槽３２内部には、内部ヒーター３１の上方に整流板１７が設けられ、さらに整流板１７の上方に上部ヒーター３３が設けられている。本実施形態において、被処理ガス予熱配管４２は処理済みガス導出配管５４の周囲を取り巻くように位置づけられており、被処理ガスと処理済みガスとの間で熱交換を行う。反応槽３２下部に位置づけられている被処理ガス導入部４０を介して導入された被処理ガスを上向流として被処理ガス予熱配管４２内を流し反応槽３２上部の導入部４３から内部に導入する。処理後の熱い処理済みガスは反応槽３２下部に位置づけられている処理済みガス導出部５２から処理済みガス導出配管５４を通って上向き流として流れる。こうして、被処理ガス予熱配管４２内の被処理ガスは処理済みガス導出配管５２を流れる処理済みガスと熱交換して加温される。

反応槽３２内の上部には４枚の板状部材（図示した実施形態では円盤状部材）からなる整流板１７が配置され、整流板１７の上方には上部ヒーター３３が設けられており、円筒状の反応槽３２の外方にはその外周面を囲って外部ヒーター３４が設けられている。

上部ヒーター３３は、図４に示すように、円板３３ａの上面に加熱用パイプヒーター３３ｂを装着することにより形成されている。そして反応槽３２の使用時には、このパイプヒーター３３ｂに通電することにより上部ヒーター３３を加熱し、整流板１７を加熱する。使用時においては、上部ヒーター３３は５００〜７００℃に制御される。上部ヒーター３３により被処理ガス導入部側で被処理ガスが加熱されるため、反応槽３２内の温度を所望の温度に保ちやすくなる。

整流板１７は、図５に示すように、小径の円盤状金属板１７ａと、中心部に通気用孔が開いた大径の板状部材（図示した実施形態では円環状金属板）１７ｂとが、上下に一定の間隔を空けて交互に積層されて形成されている。本実施形態の整流板は、被処理ガスが、円盤状金属板１７ａの径方向外方と、円環状金属板１７ｂの内部開口を通ることにより、均一で速やかな加熱が実現されるように構成されている。ここで、円盤状金属板１７ａの直径は、反応槽３２の内径を１００とした場合に、９０．０〜９９．２とするのが好ましく、円環状金属板１７ｂの中心の通気用孔の直径は、反応槽３２の内径を１００とした場合に、８．０〜１０．０とするのが好ましい。整流板における各円盤状金属板１７ａと円環状金属板１７ｂとの間隔は、反応槽３２の深さを１００とした場合に、２．０〜２．７とするのが好ましい。本発明において、整流板は４〜８枚設けられるのが好ましく、本実施例では、４枚設けられている。また、反応槽３２における整流板１７より下方に存在する空間にＰＦＣ分解処理剤が充填されており、最も下流に配置された整流板１７より上部にアルカリ剤が充填されている。

図３に示す充填部５１の底部には、通気板５２が配置されている。通気板５２にはその全面に渡り多数の貫通孔が設けられており、被処理ガスの通気性を保っている。
次に図３〜６に示す形態の処理装置を用いた処理方法について説明する。

この形態の処理装置を用いた場合には、被処理ガスは、まず、被処理ガス導入部４０に導入され、反応槽３２の底部外面側を通過した後、被処理ガス予熱配管４２に導入される。この際、被処理ガスは、加熱処理された処理済みガスが通過する処理済みガス導出配管５４からの熱伝導により、２５０〜３００℃まで予熱される。その後、被処理ガスは反応槽３２の上部の導入部４３から反応槽３２内に供給される。なお、本実施形態では、被処理ガス予熱配管４２と処理済みガス導出配管５４とは被処理ガスと処理済ガスとを同方向に並流として流しているが、向流にして熱交換効率を高めてもよい。

反応槽３２内に導入された被処理ガスは、反応層３２内を下降流として流れ、まず反応槽３２上部に充填されているアルカリ剤で酸性成分が除去された後、反応槽３２内を下降するにつれてＰＦＣ分解処理剤でＰＦＣが分解処理される。処理済みガスは、処理済みガス導出配管５４を通って被処理ガス予熱配管４２との熱交換によって３００℃近くまで冷却され、その後、冷却部４４（図６参照）で水により冷却される。

次に、２槽直列運転をする場合について説明する。まず、２つのＰＦＣ処理装置を直列接続して処理システムを構成する。直列接続した例を図６に示す。図６に示すＰＦＣ処理システムは、図３に示す装置本体を２つ設置しており、２つの装置本体１０１、１０１’は、それぞれ被処理ガスを導入排出する配管に連結されている。

配管は、被処理ガスを導入する導入管ｄ１０、導入管ｄ１０を２つに分岐した導入管ｄ１１及び導入管ｄ１３、導入管ｄ１１から延長されて一方の装置本体１０１の被処理ガス導入部に連結された導入管ｄ１２、導入管ｄ１３から延長されて他方の装置本体１０１の被処理ガス導入部に連結された導入管ｄ１４、装置本体の処理済みガス排出部に連結された導出管ｄ２１及び導出管ｄ２２、導出管ｄ２１と導出管ｄ２２とが連結された処理済みのガスを放出するための導出管ｄ２０、導入管ｄ１０と導出管ｄ２０とを連結するバイパス管ｄ３１、２つの装置本体１０１と１０１’とを連結する連絡管ｄ３２及び連絡管ｄ３３、導入管ｄ１４と導出管ｄ２１とを連結するバイパス管ｄ３４、並びに、導入管ｄ１２と導出管ｄ２３とを連結するバイパス管ｄ３５からなる。

また、導入管ｄ１１にはバルブＶ００３が、導入管ｄ１３にはバルブＶ００４が、導入管ｄ１２にはバルブＶ０１６が、導入管ｄ１４にはバルブＶ０１８が、導出管ｄ２１にはバルブＶ００８及び熱交換器ＨＥＸ２が、導出管ｄ２３にはバルブＶ００９及び熱交換器ＨＥＸ３が、導出管ｄ２０には熱交換器ＨＥＸ１、CF₄センサとしてのガス検知器４６及び吸引ファンＦが、バイパス管ｄ３１にはバルブＶ００１が、連絡管ｄ３２にはバルブＶ００５が、連絡管ｄ３３にはバルブＶ００６が、バイパス管ｄ３４にはバルブＶ０１７が、バイパス管ｄ３５にはバルブＶ０１５が、それぞれ設けられている。なお、図６においては、装置本体１０１→１０１’での順で運転する際の開放状態のバルブを白抜きで示し、閉鎖状態のバルブを黒塗りで示す。また、導入管ｄ１１と導入管ｄ１２との連結部分には、希釈用空気を導入する空気導入管が連結されている（図示せず）。

かかるシステムを用いて２槽直列運転をする場合で、２槽共に新しい処理剤を充填した初期状態では、各１槽での処理能力が十分高いため単段処理でも十分な処理性能を満たす。このような場合は、最初の数日〜数週間は２槽目のヒーターは切っておき、片方の反応槽は機能させずに実質的に１槽での運転としても良い。ガス検知器４６での未処理ガス成分（たとえばＣＦ_４）の流出の計測値が所定の数値まで上がってきたら、２槽目のヒーターも昇温を開始し、２槽直列処理を開始するのが好ましい。２槽目に不必要な加熱を行わないようにすることにより、２槽目内の処理剤が熱劣化するのを防ぎ、またヒーター加熱による余分なエネルギー消費も抑えることができる。ここで、「所定の値」は、計測対象ガスをＰＦＣガスとして非分散型赤外線ガス分析法（ＮＤＩＲ）によるＰＦＣガスセンサーを使用して計測した場合にＰＦＣガスの除害効率９５％相当の検知濃度により設定することができ、ＣＦ_４として５０ｐｐｍを例示することができる。

図６に示す形態では、バルブＶ００３及びＶ０１６が開放されていると共にバルブＶ００４及びＶ００６が閉鎖されており、図６における左側の処理装置１０１には導入管ｄ１０に導入された未処理の被処理ガスが導入されるが、右側の装置本体１０１’には導入されないように構成されている。また、バルブＶ００５及びＶ０１８は開放されており、バルブＶ００９は閉鎖されて処理装置１０１から排出された被処理ガスが処理装置１０１’に導入されるように構成されている。また、バルブＶ００８は開放されており、処理装置１０１’で処理された処理済みのガスは導出管ｄ２０を介して排出されるようになされている。これにより、被処理ガスを導入管ｄ１０に導入すると、まず、第１の処理装置１０１で処理した後、第２の処理装置１０１’で処理することが可能となり、より完全に被処理ガスの処理を行うことが出来る。

なお、一方の処理装置におけるＰＦＣ分解処理剤を交換する際に、ヒーターの運転を停止し、被処理ガスが反応槽へ流れないようにする。その場合に、希釈用空気を反応槽内に導入するが、その際被処理ガス予熱配管４２（図３参照）を通過することで希釈用空気が加熱され、反応槽内部の冷却に時間がかかってしまう。そこで、クールダウン用のバイパス管ｄ３４、ｄ３５に設けられたバルブＶ０１５又はＶ０１７を開放し、Ｖ０１６又はＶ０１８を閉じることで、冷却したい方の反応槽を迅速に冷却することができる。２槽直列処理を行う場合、本実施形態では、いずれの反応槽もヒーター設定温度が７００±５０℃になるように制御し、二槽目の処理温度は一槽目の処理温度と同じか又は低く設定するのが好ましい。

次に、２槽直列運転の場合の反応槽の交換について説明する。図７に本実施形態の運転方法を概略図示する。
反応槽におけるＰＦＣ分解処理剤の破過検知は、通常は、ガス検知器４６でＰＦＣ（たとえばCF₄）濃度を測定することにより行う。具体的には、ガス検知器４６が所定の濃度を超えた場合に、ＰＦＣ分解処理剤の破過（寿命）とする。ここで「所定の濃度」とは、たとえば、予め設定した本発明のＰＦＣ処理装置の性能保障値であるCF₄濃度よりも低いCF₄濃度である。この場合、ＰＦＣ分解処理剤が破過すると、処理済ガス中のCO及びHFの濃度が上昇するため、CF₄等のＰＦＣ濃度センサに変えてCO及び／又はHFセンサ等のより安価なセンサで代替することもできる。ＰＦＣ分解処理剤の破過を検知したら、１槽目の反応槽である左側の処理装置１０１における反応槽を交換する。交換に際しては、処理装置１０１の各ヒーターの運転を中止し、バルブＶ００３を閉め、Ｖ００４を開けて、被処理ガスを右の処理装置１０１’に導入し、右側の装置本体１０１’のみでの単段処理に切り替える。この時点で、それまで二槽目として使用していた処理装置１０１’の反応槽はまだ処理可能であるため、単段処理としても問題ない。処理装置１０１’による単段処理の間に、処理装置１０１のアルカリ剤及びＰＦＣ分解処理剤を交換して、交換後の処理装置１０１を二槽目として使う。すなわち、Ｖ００５、Ｖ００８を閉め、Ｖ００６、Ｖ００９を開け、被処理ガスが、処理装置１０１’から処理装置１０１に流れるようにする。このように運転することで、反応槽の交換中でも装置全体の運転を停止することなく、連続処理が可能となる。

特に、２つの反応槽を直列に接続した場合は、ある程度使用された処理装置を一段目に、処理剤を交換した処置装置を二段目に接続して処理を行うこともできる。この場合、二段目の処理装置の下流（センサ４６）でのみＰＦＣ分解処理剤の破過を検知することにより、一段目のＰＦＣ分解処理剤の除去能力を使い切ることができる。また、バルブの開閉を行うのみで反応槽自体の配置は変えなくてもこのような連続運転が可能となる。

なお、各処理装置それぞれの下流にそれぞれガス検知器を設置しても良い。その場合は、各処理装置でのＰＦＣ除去率を測定することができるため、より早めに破過を検知することができる。しかし、二槽目の下流のみで破過検知する構成は、センサの数を減らすことができると共に制御工程を一つにして処理工程を簡略化できるので、好ましい。

本実施形態のように２つの装置本体を設けた場合には、ガス流量は５０〜２５０リットル／分とするのが好ましく、１００〜２００リットル／分とするのが更に好ましい。
本発明の２槽直列運転の別の実施形態を図８に示す。図８においては、装置本体内中央部にヒーター及び整流板が設けられていない点を除いて（装置本体内部の上部にはヒーターが設けられている）、図６に示す実施形態と同じである。２槽直列運転の運転方法に変更はない。２槽直列運転の各処理装置の加熱に関しては、内部ヒーター、外部ヒーター、上部ヒーター、整流板の取り付けの組合せは種々考えられる。

また、本発明においては装置本体内部にアルカリ剤とＰＦＣ処理剤とを充填しても、ＰＦＣ処理剤を単独で充填してもよい。
なお、本発明は、上述の実施形態に何ら制限されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

例えば、装置本体を複数個設ける場合、上述の実施形態では２つ設けた場合をもって説明したが、３個以上設けることもできる。
別の実施態様として下記の実施態様も含む。
［１］ＰＦＣ含有ガスを処理するＰＦＣ処理装置であって、
被処理ガスを分解処理する反応槽と、
当該反応槽内に被処理ガスを導入するガス導入部側に設けられている上部ヒーターと、
当該反応槽の外周に設けられた筒状の外部ヒーターと、
を具備する装置本体からなり、
当該反応槽内にＰＦＣ分解処理剤を充填する処理剤配置部が形成されている
ことを特徴とするＰＦＣ処理装置。
［２］ＰＦＣ処理装置内に被処理ガスを導入するガス導入部にアルカリ剤が配されてアル
カリ剤配置部が形成されていることを特徴とする［１］のＰＦＣ処理装置。
［３］上記装置本体に充填される上記ＰＦＣ分解処理剤が、平均粒子径６０μｍ以上１６０μｍ以下のAl（OH） ₃ と、Ca（OH） ₂ とのモル比が３：７〜５：５である混合物を４３０℃よりも高く８９０℃以下の温度範囲、窒素流又は空気流の対向流中で焼成して得られるＰＦＣ分解処理剤である［１］又は［２］に記載のＰＦＣ処理装置。
［４］被処理ガス流れの上流から順に［１］〜［３］の何れかに記載のＰＦＣ処理装置を２個直列接続してなるＰＦＣ処理システムであって、
２つの該ＰＦＣ処理装置には、各ＰＦＣ処理装置に被処理ガスを導入する導入配管、及び、各ＰＦＣ処理装置から処理後の処理済みガスを導出する導出配管が連結されており、第１のＰＦＣ処理装置の導入配管と第２のＰＦＣ処理装置の導出配管とを連結する連絡配管と、第２のＰＦＣ処理装置の導入配管と第１のＰＦＣ処理装置の導出配管とを連結する連絡配管とが設けられており、各配管にはそれぞれ開閉用バルブが設けられているＰＦＣ処理システム。
［５］［４］に記載のＰＦＣ処理システムを用いて行うＰＦＣ含有ガスの処理方法であって、
上記処理剤配置部に、別に製造したＰＦＣ分解処理剤を充填し、ＰＦＣを含有するガスを装置本体に導入し、処理温度５５０〜８５０℃で処理することを特徴とするＰＦＣ含有ガスの処理方法。
［６］［４］に記載のＰＦＣ処理システムを用いるＰＦＣ含有ガスの処理方法であって、
第１のＰＦＣ処理装置からの処理済みガスを第２のＰＦＣ処理装置に導入し、
排ガスの除去率が所定値を下回った時点を検出して第１のＰＦＣ処理装置の稼働を停止し、新しいＰＦＣ分解処理剤に交換し、この交換の間、第２のＰＦＣ処理装置のみを稼働させ、
交換完了後は、第２のＰＦＣ処理装置が上流側となり、新しいＰＦＣ分解処理剤を充填したＰＦＣ処理装置が下流側となるように各配管のバルブを切り替えて、続けて二段直列運転を行うことを特徴とするＰＦＣ含有ガスの処理方法。

図１は、本発明のＰＦＣ処理装置の一実施形態を示す模式断面図である。 図２は、本発明のＰＦＣ処理装置の他の実施形態を示す模式断面図である。 図３は、他の実施形態の装置本体を示す内部透視側面図である。 図４は、図３に示す上部ヒーターを示す上面図である。 図５は、図３に示す上部ヒーター及び整流板を示す斜視図である。 図６は、２槽直列接続した実施形態の装置の全体構造を示す概略図である。 図７は、２槽直列運転の概略を模式的に示した説明図である。 図８は、２槽直接接続した別の実施形態の装置の全体構造を示す概略図である。

Claims (10)

1. パーフルオロ化合物（以下「ＰＦＣ」と表す）含有ガスを処理するＰＦＣ処理装置であって、
   棒状の内部ヒーターと、該内部ヒーターから所定間隔をおいて、筒状に配された外部ヒーターとを具備する装置本体からなり、
   該内部ヒーター及び該外部ヒーターとの間に、平均粒子径６０μｍ以上１６０μｍ以下のAl（OH）₃と、Ca（OH）₂とのモル比が３：７〜５：５である混合物を４３０℃よりも高く８９０℃以下の温度範囲、窒素流又は空気流中で焼成して得られるＰＦＣ分解処理剤を充填する処理剤配置部が形成されている
   ことを特徴とするＰＦＣ処理装置。
2. ＰＦＣ処理装置内に被処理ガスを導入するガス導入部にアルカリ剤が配されてアルカリ剤配置部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のＰＦＣ処理装置。
3. 上記装置本体に充填される上記ＰＦＣ分解処理剤が、平均粒子径６０μｍ以上１６０μｍ以下のAl（OH）₃と、Ca（OH）₂とのモル比が３：７〜５：５である混合物を４３０℃よりも高く８９０℃以下の温度範囲、窒素流又は空気流の対向流中で焼成して得られるＰＦＣ分解処理剤である請求項１又は２に記載のＰＦＣ処理装置。
4. 上記内部ヒーターがその長手方向に２分割されて第１及び第２の内部ヒーターが形成されており、また、上記外部ヒーターが２分割されて第１及び第２の外部ヒーターが形成されており、第１及び第２の内部ヒーター並びに第１及び第２の外部ヒーターそれぞれの温度が独立して制御可能になされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＰＦＣ処理装置。
5. ＰＦＣ処理装置内に被処理ガスを導入するガス導入部側に整流板が配されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＰＦＣ処理装置。
6. 上記整流板の上方には、上部ヒーターがさらに設けられていることを特徴とする請求項５に記載のＰＦＣ処理装置。
7. 上記整流板は、上記内部ヒーターの上方に、小径の板状部材と、中心部に通気用孔を有する大径の板状部材とが、上下に一定の間隔を空けて交互に積層されてなることを特徴とする請求項５又は６に記載のＰＦＣ処理装置。
8. 被処理ガス流れの上流から順に請求項１〜７の何れかに記載のＰＦＣ処理装置を２個直列接続してなるＰＦＣ処理システムであって、
   ２つの該ＰＦＣ処理装置には、各ＰＦＣ処理装置に被処理ガスを導入する導入配管、及び、各ＰＦＣ処理装置から処理後の処理済みガスを導出する導出配管が連結されており、第１のＰＦＣ処理装置の導入配管と第２のＰＦＣ処理装置の導出配管とを連結する連絡配管と、第２のＰＦＣ処理装置の導入配管と第１のＰＦＣ処理装置の導出配管とを連結する連絡配管とが設けられており、各配管にはそれぞれ開閉用バルブが設けられているＰＦＣ処理システム。
9. 請求項１〜７のいずれかに記載のＰＦＣ処理装置又は請求項８に記載のＰＦＣ処理システムを用いて行うＰＦＣ含有ガスの処理方法であって、
   上記処理剤配置部に、別に製造したＰＦＣ分解処理剤を充填し、ＰＦＣを含有するガスを装置本体に導入し、処理温度５５０〜８５０℃で処理することを特徴とするＰＦＣ含有ガスの処理方法。
10. 請求項８に記載のＰＦＣ処理システムを用いるＰＦＣ含有ガスの処理方法であって、
    第１のＰＦＣ処理装置からの処理済みガスを第２のＰＦＣ処理装置に導入し、
    排ガスの除去率が所定値を下回った時点を検出して第１のＰＦＣ処理装置の稼働を停止し、新しいＰＦＣ分解処理剤に交換し、この交換の間、第２のＰＦＣ処理装置のみを稼働させ、
    交換完了後は、第２のＰＦＣ処理装置が上流側となり、新しいＰＦＣ分解処理剤を充填したＰＦＣ処理装置が下流側となるように各配管のバルブを切り替えて、続けて二段直列運転を行うことを特徴とするＰＦＣ含有ガスの処理方法。

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