JP5871205B2

JP5871205B2 - ガス分解装置

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Publication number: JP5871205B2
Application number: JP2011260593A
Authority: JP
Inventors: 史典三橋; 登志雄上田; 真嶋　正利; 正利真嶋
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: JP2013111538A

Description

本発明は、ガス分解装置に関し、より具体的には、分解対象のガス分子を効率よく低濃度にまで分解することができるガス分解装置に関するものである。

アンモニアは農業や工業に不可欠の化合物であるが、ヒトには有害であるので、水中や大気中のアンモニアを分解する方法が、多く開示されてきた。とくに化合物半導体を製造するときの廃ガスには、アンモニア、水素等が含まれるのが普通であり、アンモニアの異臭を完全に除去するには、ｐｐｍオーダーにまで除害する必要がある。この目的のために、半導体製造装置の廃ガス放出の際にスクラバーを通して、薬品を含む水に有害ガスを吸収させる方法が多く用いられてきた。
しかし、エネルギや薬品等を投入することなく安価なランニングコストを得るために、アンモニアの接触分解触媒としてニッケル触媒、鉄触媒等を用いた装置が提案された（特許文献１）。この触媒を用いた装置では、分解速度を確保するために反応筒を、４５０℃〜１２００℃、好ましくは６００℃〜９００℃に加熱する。

特開平８−１５０３２０号公報

上記の反応温度を確保するために各種の方策が考えられる。加熱炉を反応筒まわりに取り付ける方式、触媒充填部にヒータを埋設する方式、導入するアンモニア含有ガスを予熱器で反応温度付近まで予熱する方式、導入するアンモニア含有ガスと分解後の出口ガス（高温）とを熱交換させる方式、などがある。どのような加熱方式においても、分解処理量を確保するにはアンモニア含有ガスの流速を、所定レベル以上維持しなければならない。
しかし、外部に加熱炉を設ける方式では、アンモニア含有ガスの流速を増加させるために反応筒の径を大きくした場合、内部（芯部）の加熱が困難となる。またヒータを触媒中に埋設する方式では、ヒータだけでなく発熱しない電極部などがアンモニア含有ガスが通る部分に配置されることになり、その電極部では昇温が不十分なために、アンモニア分解が不十分となる。さらに電極部では腐食が問題となる。要約すると、アンモニア含有ガスの処理すべき量が増加すると、所定の流速を維持して分解量を確保するには、反応容器の径を大きくしなければならない。しかし反応容器の径を大きくすると内部または芯部領域の昇温が不十分になり、芯部領域を通って未分解のままアンモニアが流出するおそれが生じる。
上記の現象または問題点は、アンモニアに限らず、多くのガス除害装置に共通に認められる。

本発明は、反応容器の芯部領域において高温を確保することが容易なガス分解装置を提供することを目的とする。

本発明のガス分解装置は、ガスを分解するために用いる装置である。この装置は、ガスを含む気体が導入される容器と、容器内に位置する、アルミナ担体に該ガスの分解の促進作用を有する触媒金属粒子を含む触媒体と、容器内を加熱するための加熱装置とを備える。そして、加熱装置が、高周波誘導加熱用のコイルを備え、容器には前記ガスを含む気体が導入される気体導入部が設けられ、該気体導入部には気体が該容器の芯部領域に直線的に進まないように邪魔板が配置されていおり、触媒体では、アルミナ担体の表面において触媒金属粒子と絶縁体であるセラミックス粉末とは混在していて、かつ該触媒体は導電性のカーボン粉末を含む、ことを特徴とする。

これによって触媒金属粒子が容器内で高周波誘導加熱されるので、容器の芯部領域に位置する触媒体もその外側に劣らず昇温される。このため芯部領域でもガス分解を十分促進することができ、芯部領域を未分解のまま通り抜けるガスを大幅に減らすことができる。なお、加熱装置は、高周波誘導加熱装置だけでもよいし、外部を囲む加熱炉（外部ヒータ）、内部の触媒中に埋設するヒータ等と併用してもよい。
触媒金属粒子としては、アンモニア分解等の触媒作用を有する金属粒子をあげることができる。上記のように金属の導電性を利用して触媒金属粒子に集中して高周波誘導加熱することができる。このため、触媒金属粒子に集中して高周波誘導加熱をすることでエネルギの効率利用をはかりながら、さらに高い触媒作用をその触媒金属粒子から得ることができる。
触媒体とは、触媒金属粒子を表面に有する複合体をさす。触媒を担持する担体と、その表面に配置された、触媒金属粒子、セラミック粉末（凝集防止材）、このあと説明する強磁性体粉末（粒子）、等を備える。なお、粉末と粒子とは、同じ意味で用いており、相互に言い換えてもよい。

触媒体が強磁性体の金属粒子を含むことができる。
強磁性体の金属粒子を含むことで、高周波誘導加熱において強磁性体の金属粒子は誘導エネルギを高い吸収率で吸収することができる。強磁性体は、磁化−外部磁場の高周波におけるヒステリシスの面積（エネルギ損）が大きい。これは強磁性体内では、交番磁界によって磁壁移動を伴う磁化の反転などが生じるためである。そのエネルギ損が熱エネルギになるので、大きな発熱を得ることができる。このため、容易に容器内の芯部領域を昇温して容器内壁に近い部分との温度差を小さくすることができる。なお、強磁性体の金属粒子は、キュリー点以下の温度で強磁性体に特有の高周波誘導加熱されやすい性質を示すが、キュリー点を超えても金属に起因する導電性は保持されるので、高周波誘導加熱されることは言うまでもない。
なお、上記の強磁性体の金属粒子について、高周波誘導加熱における加熱容易性を有することについて説明した。しかし、強磁性体の金属粒子は、ニッケル粒子にみられるように分解の触媒作用を有してもよい。すなわち触媒金属粒子は、強磁性体の金属粒子であってもよいし、逆に強磁性体の金属粒子が触媒金属粒子であってもよい。

強磁性体のキュリー温度Ｔｃを３００℃以上とすることができる。
これによって、意図した加熱温度に能率よく昇温し、また温度保持を遂行することができる。たとえば鉄（Ｆｅ）粒子は金属粒子であり、導電性に基づき高周波誘導加熱することができ、かつ強磁性体であり、キュリー温度Ｔｃが７７０℃なので能率よく反応温度に加熱することができ、かつ反応温度付近の保温も高周波誘導加熱によって能率よくできる。鉄の他に、コバルト（Ｃｏ）、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ合金等を用いることができる。

触媒体が、導電性の非金属粒子であるカーボン粉末を含むこととする。
カーボン粉末などの非金属粒子は導電性があり、高周波誘導加熱することができる。

触媒が、平均直径２ｍｍ以上８ｍｍ以下の塊状の担体と、該担体の表面に配置された触媒金属粒子とを備えることができる。
平均直径２ｍｍ以上の塊状の担体を用いることで、通気性を確保することで圧力損失を下げることができる。一方、平均直径８ｍｍを超えると未分解のまま素通りガスの割合が大きくなるおそれがあるので、平均直径８ｍｍ以下とする。上記の導電性の非金属粒子、および／または強磁性体の金属粒子は、担体の中に位置してもよいし、担体の表面に配置されていてもよい。また、導電性の非金属粒子および強磁性体の金属粒子、は無くてもよい。

容器内の軸線を含む芯部領域に、導電体または強磁性体の金属を備えることができる。
これによって圧力損失を増大させることなく、高周波誘導加熱される金属を芯部領域に配置して、芯部領域の温度を確保することが容易になる。

容器の一部または全部が絶縁体で形成されているようにできる。
これによって、石英管などの、優れた耐熱性を備えた材料を用いて容器を製作することができる。

容器の一部または全部が非磁性体で形成されているようにできる。
これによって、オーステナイト系ステンレス鋼などの、耐熱性および優れた強度と、経済性とを備えた材料を用いて容器を製作することができる。高周波誘導加熱については周波数を調整することで該容器によってシールドされる程度を小さくして、これらの材料でできた容器の内部を加熱することが可能となる。
コイルのターン数は何ターンでもよく、１ターンでも数百ターンでもよい。

気体がアンモニアを含んでおり、加熱装置により容器内を４５０℃以上９５０℃以下に加熱することができる。
これによって、容器の芯部を未分解のまま通り抜けるアンモニアを無くすことができる。

本発明のガス分解装置によれば、反応容器の芯部領域において高温を確保することが容易となる。

本発明の実施の形態１におけるガス分解装置を示す縦断面図である。図１のガス分解装置における触媒体を示し、（ａ）はセラミックス（アルミナ）担体およびそれに担持された金属触媒粒子およびセラミックス粉末（凝集抑制材）、（ｂ）は強磁性体粉末を付加したもの、（ｃ）は強磁性体粉末をセラミックス担体内に配置したもの、を示す図である。別の触媒体を示し、（ａ）は図２（ｂ）における強磁性体粉末に代えて導電性カーボン粉末を用いたもの、（ｂ）は図２（ｃ）における強磁性体粉末に代えて導電性カーボン粉末を用いたもの、を示す図である。本発明の実施の形態２におけるガス分解装置を示す縦断面図である。図１のガス分解装置に配置した鉄線の具体的配置を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるガス分解装置１０の縦断面図である。本実施の形態では分解対象のガスはアンモニアの例を説明するが、分解対象のガス（分子）は何でもよく、とくにアンモニアに限定されるものではない。本実施の形態では、化合物半導体の製造装置から排気される気体中にアンモニアが２０％程度含まれている例について説明する。このアンモニア分解装置１０では、アンモニアを含む気体が導入配管１７を通って気体導入部２１に導入される。この気体導入部２１には、気体が石英管１１または反応容器の芯部領域に直線的に進まないように邪魔板１３が配置されており、気体を容器内の内壁側へと誘導する。上述のように、芯部領域はその外側に比べて温度が低く、未分解のままガスが排出されるおそれがあるからである。
反応容器の主要部は石英管１１で構成され、その外側に断熱材１２が巻かれており、熱の放散を防いでいる。石英管１１の上端は気体導入管１７、また下端は気体排出管１８が接続されている。石英管１１内には、塊状ないしボール状の触媒体５が充填され、その触媒体５を上下から挟むように金属多孔体７ａ，７ｂが配置されている。金属多孔体７ａ，７ｂは留め具６で止められている。金属多孔体７ａ，７ｂは、クロマイジングなどによって合金化して電気抵抗を高めたものを用い、これに通電することで加熱してもよい。図１では、金属多孔体７ａ，７ｂに対して通電加熱は行っていない。金属多孔体７ａ，７ｂは、圧力損失を増大させないために、気孔率または比表面積が大きいめっき金属多孔体を用いるのがよく、たとえば金属多孔体７ａ，７ｂの比表面積を１０００（ｍ^２／ｍ^３）以上とするのがよい。このような高い比表面積は、発泡連続化された樹脂に金属めっきを施すことで形成される金属めっき多孔体により実現できる。とくに商品名セルメット（登録商標：住友電気工業株式会社）は、上記の高い気孔率を有しており、市販されている。
石英管１１／断熱材１２を巻き回すように、高周波誘導加熱用のコイル３が配置されている。コイル３には、石英管１１の芯部領域に位置する触媒体５等が十分加熱されるように、ターン数、周波数、電流等が設定される。芯部領域の温度は、アンモニア分解の場合、７００℃〜８５０℃の範囲にするのがよい。

このガス分解装置１０において、たとえばアンモニアを含む気体は、気体導入部２１に入ったあと、邪魔板１３に流れの向きを変えられて金属多孔体７ａから触媒体５の中に入ってゆく。触媒体５は、このあと説明するように塊状ないしボール状であるため、必ず間隙が生じていて、気体はその間隙を通りながら、触媒体５の表面に位置する触媒金属粒子たとえばニッケル粒子に接触して分解する。アンモニアは水素と窒素とに分解する。触媒体５の領域を通って気体は金属多孔体７ｂを経て気体排出部２２に到達する。この気体排出部２２で、気体中のガス成分は十分低くなければならない。アンモニアの場合、２５ｐｐｍ以下にする。
石英管１１内の平均温度は、たとえばアンモニア分解の場合上記のように７００℃〜８５０℃程度にするが、要求される分解能率に応じて、温度を変えることができる。また、分解対象のガスによって温度を変えることができる。なお、図１では、加熱装置として高周波誘導加熱用のコイル３のみを示しているが、ヒータと併用してもよいことは言うまでもない。

本実施の形態では、高周波誘導加熱用のコイル３によって加熱するので、石英管１１の芯部領域およびその外側を、必要とされる分解速度を確保するのに必要な温度以上に、あます所なく加熱することができる。従来のように、反応容器の外側からヒータ等で加熱する方式では、分解処理能力を高めるために反応容器の径を大きくすると、芯部領域はその外側に比べて温度が大きく低下する問題があった。芯部領域の温度がその外側より大きく温度低下すると、芯部領域を通るガスは未分解のまま排出される。反応容器の大径化をしてアンモニア濃度の上限値２５ｐｐｍ以下を満たすことができない場合、その大きな原因は、上記の芯部領域における温度低下にあった。
しかし、図１に示す高周波誘導加熱用のコイル３を用いることで、芯部領域に狙いをつけて高周波誘導加熱の条件を設定することで、芯部領域が大きく温度低下しないように加熱できる。このため芯部領域がその外側領域よりも大きく温度低下することは避けられ、反応容器を大径化しても、分解後の排出気体中のガス濃度を十分低く下げることができる。アンモニアの場合、規制値である２５ｐｐｍ以下に確実に下げることができる。

図２は塊状ないしボール状の触媒体５を示す図である。図２（ａ）は、触媒体５が、セラミック担体であるアルミナ担体５ｂと、その表面に配置された触媒金属粒子のニッケル粒子５ａおよび絶縁体のセラミック粉末５ｃとで形成されている場合を示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）の構成に加えてさらに強磁性体粉末５ｍが、アルミナ担体５ｂの表面に位置している。また、図２（ｃ）では、強磁性体粉末５ｍが、アルミナ担体５ｂの内部に位置している。
本実施の形態では、上記のように、高周波誘導加熱用のコイル３を用いるので、触媒体５が強磁性体粉末（粒子）５ｍを含むことで、高周波誘導加熱において強磁性体の金属粉末は誘導エネルギを高い吸収率で吸収することができる。上記のように強磁性体は、磁壁移動に伴う磁化の反転などにより、磁化−外部磁場の高周波におけるヒステリシスの面積（エネルギ損）が大きい。そのエネルギ損が熱エネルギになるので、高周波誘導加熱によって大きな発熱を得ることができる。このため、容器内の芯部領域を容易に昇温して容器内壁に近い部分との温度差を小さくすることができる。なお、強磁性体の金属粒子は、キュリー点以下の温度で強磁性体に特有の高周波誘導加熱されやすい性質を示すが、キュリー点を超えても金属に起因する導電性は保持されるので、高周波誘導加熱される。
上記の強磁性体の金属粒子について、高周波誘導加熱における加熱容易性を有することについて説明した。しかし、強磁性体の金属粒子は、ニッケル粒子にみられるように分解の触媒作用を有してもよい。すなわち触媒金属粒子は、強磁性体の金属粒子であってもよいし、逆に強磁性体の金属粒子が触媒金属粒子であってもよい。
強磁性体粉末５ｍとしては、たとえばキュリー温度Ｔｃが高いＦｅ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金、純鉄、低炭素鋼などを用いるのがよい。図２（ａ）〜（ｃ）に共通するニッケル粒子５ａはアンモニア分解の触媒作用が大きく、また、導電性も高いので高周波誘導加熱される。このため、触媒粒子５ａが直接、高周波誘導加熱されて高温を確保するので、アンモニア分解の促進、またはアンモニア分解速度の向上に寄与することができる。また絶縁体のセラミックス粉末はニッケル粒子同士間の焼結防止または凝集抑制のために配置する。金属粒子どうし凝集または焼結すると表面積が減少して触媒作用が低下する。

図３は、別の触媒体５を示す図である。図３（ａ）は、セラミックス担体であるアルミナ担体５ｂと、そのアルミナ担体５ｂ上にニッケル粒子５ａ、セラミック粉末５ｃおよびカーボン粉末５ｇとが位置している。図２（ｂ）に示す強磁性体粉末５ｍの代わりにカーボン粉末５ｇを用いている。カーボン粉末５ｇは、導電性が高いものを用いる。また、図３（ｂ）は、アルミナ担体５ｂの内部にカーボン粉末５ｇを配置している。導電性の高いカーボン粉末５ｇは、高周波誘導加熱によって加熱され、高温を確保するのに有効である。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるガス分解装置１０の縦断面図である。本実施の形態におけるガス分解装置１０は、反応容器１１内の芯部領域に、鉄線９を単体で備える点で、実施の形態１と相違する。その他の点では、実施の形態１と共通する。
図４に示す鉄線９は、図５に示すように配置されている。（ａ）は斜視図（鉄線の本数を少し誇張して図示している）、（ｂ）は平面図である。鉄線９は、石英管１１の芯部領域に集中している。芯部領域の径は、石英管または反応容器の径の２５％〜５０％程度の領域である。この芯部領域に鉄線９を集中して配置することで、高周波誘導加熱を芯部領域の温度をその外側よりも大きく低下させることなく行うことができる。鉄線９は、強磁性体であり、磁区構造を生じさせる大きさを持つので、高周波磁化におけるヒステリシス曲線の囲む面積を大きくできる。このため、芯部領域に位置する鉄線９を能率よく高周波誘導加熱することで、反応容器の芯部領域の温度を周囲より大きく低下させずに、芯部でも高温を容易に確保することができる。この結果、アンモニアが未分解のまま芯部領域を通り過ぎるのを防ぐことができる。

金属線９の径は、圧力損失を大きく増加させない範囲であれば、多少大きくてもよい。たとえば触媒体５の平均直径の２倍程度以下の直径の金属線でもよい。下限はいくら細くてもよい。金属線９の長さは、図４では反応容器（石英管）１１内の触媒体５が充填されている範囲に配置されているが、反応容器１１の長さ（軸線方向長さ）の２５％〜７５％程度であってもよい。

上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明のガス分解装置によれば、ガス分解の処理能力を向上させるために、反応容器の径を大きくした場合でも、反応容器の芯部領域の温度を高くすることができる。このため未分解のガスを含む気体が芯部領域を通り抜け、所定のガス濃度以下に抑えられなくなる事態を避けることができる。

３高周波誘導加熱用コイル、５触媒、５ａニッケル粒子など触媒金属粒子、５ｂセラミックス担体（塊状ないしボール状）、５ｃセラミックス粉末（凝集抑制材）、５ｇ導電性カーボン粉末、５ｍ強磁性体粉末、６留め具、７ａ、７ｂ金属多孔体、９金属線または強磁性体金属線、１０ガス分解装置、１１石英管（反応容器）、１２断熱材、１３邪魔板、１７気体導入管、１８気体排出管、２１気体導入部、２２気体排出部。

Claims

ガスを分解するために用いる装置であって、
前記ガスを含む気体が導入される容器と、
前記容器内に位置する、アルミナ担体に前記ガスの分解の促進作用を有する触媒金属粒子を含む触媒体と、
前記容器内を加熱するための加熱装置とを備え、
前記加熱装置が、高周波誘導加熱用のコイルを備え、
前記容器には前記ガスを含む気体が導入される気体導入部が設けられ、該気体導入部には前記気体が該容器の芯部領域に直線的に進まないように邪魔板が配置されており、
前記触媒体では、前記アルミナ担体の表面において前記触媒金属粒子と絶縁体であるセラミックス粉末とは混在していて、かつ該触媒体は導電性のカーボン粉末を含む、ことを特徴とする、ガス分解装置。
前記触媒体が強磁性体の金属粒子を含むことを特徴とする、請求項１に記載のガス分解装置。
前記強磁性体のキュリー温度Ｔｃが３００℃以上であることを特徴とする、請求項２に記載のガス分解装置。
前記触媒体が、平均直径２ｍｍ以上８ｍｍ以下の塊状の担体と、該担体の表面に配置された前記触媒金属粒子とを備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス分解装置。
前記容器内の軸線を含む芯部領域に、導電体または強磁性体の金属を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス分解装置。
前記容器の一部または全部が絶縁体で形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス分解装置。
前記容器の一部または全部が非磁性体で形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス分解装置。
前記気体がアンモニアを含んでおり、前記加熱装置により前記容器内を４５０℃以上９５０℃以下に加熱することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のガス分解装置。