JP6637293B2

JP6637293B2 - 排ガス処理装置

Info

Publication number: JP6637293B2
Application number: JP2015221576A
Authority: JP
Inventors: 一知宮崎; 落合　俊治; 俊治落合; 哲夫駒井
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2035-11-11
Also published as: JP2017089986A

Description

本発明は、半導体デバイス、液晶、ＬＥＤ等を製造する製造装置等から排出される排ガスを燃焼処理して無害化する排ガス処理装置に関するものである。

半導体製造装置からはシランガス（ＳｉＨ_４）、或いはハロゲン系のガス（ＮＦ_３，ＣｌＦ_３，ＳＦ_６，ＣＨＦ_３，Ｃ_２Ｆ_６，ＣＦ_４）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（処理ガス）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、燃料ガスを用いて炉内に火炎を形成し、排ガス処理を行う燃焼式排ガス処理装置（燃焼式除害装置）が広く採用されている。火炎に処理ガスを混合しガス処理を行うため、燃焼処理副生成物として多量の粉塵（主としてＳｉＯ_２）の発生や多量の酸性ガスの発生が見込まれる。

燃焼式除害装置や、ボイラーなどの燃焼器では、火炎の有無を光電子増倍管を使用したＵＶセンサや、熱電対またはフレームロッドでモニターしている。
光電子増倍管方式は、ガラス容器中に光電陰極、ダイノードと呼ばれる二次電子増倍電極、陽極、およびその他の電極を封入した構造を有する。２つの電極に初期印加電圧を印加し、火炎から放射された紫外線が電極面に当たると光電効果により光電子が放出され、封入したアルゴンガスをイオン化し、放電電流が流れる。この放電電流をフレームモニタリレーを経由して火炎信号として出力し、ＵＶの有無を火炎の有無として捉え、火炎検知器として使用するものである。

特許第４４９７７２６号公報

光電子増倍管は構造上、陰極と陽極の間のギャップの変化や、ガラス容器中に封入されたアルゴンガスの置換等により、火炎がなくＵＶ光を受光していなくても自己放電現象を起こすことが知られている。この安全対策として、シャッター付で常時自己放電現象を確認するものや、ＵＶ管を複数設置することで、信頼性を確保するなどの処置が必要となるという問題がある。
また、光電子増倍管は、品質上の問題から初期不良率が高いことも知られている。さらに、光電子増倍管は、１年程度での定期的な交換が必要となるため、２４時間稼働される半導体製造装置用の燃焼式除害装置で使用する場合にはメンテナンス頻度が高いという問題がある。またＵＶ光を受光する部位には、ＳｉＯ_２などの副生成物の閉塞を防止するため、この部位を常時パージする必要があり、このパージしたガスも燃焼室内に投入されることとなるため、燃焼効率の低下を招く。

一方、熱電対やフレームロッドなどの挿入式の検知器を燃焼式除害装置で使用する場合、検知する環境が燃焼室内の高温腐食環境下にあるため、部材の消耗により短期間での交換が使用の前提となる。またＳｉＯ_２などの副生成物が直接接触するため、熱電対自体に生成物が堆積することで、安定した火炎検知を阻害し、さらに生成物の成長により火炎形成を阻害することもある。これを避けるために冷却部近辺に熱電対を設置した場合には、冷却水が熱電対測定部に接触することで、正確な高温ガス温度の測定が困難となり、安定した火炎検知を阻害するという問題がある。また失火発生時には、保有熱量が多い燃焼室の場合、温度降下に時間がかかることになるため、安定した火炎の検知法として問題がある。

上述したように、光電子増倍管を使用したＵＶセンサや、熱電対などの挿入式検知器で火炎を検知する場合には、種々の問題点がある。
本発明者らは、これらの問題点は、火炎を検知するための受光部や熱電対などの検知部が燃焼室内の高温腐食環境下やＳｉＯ_２などの副生成物の生成環境下にあることに起因することに着目し、火炎を検知する検知部を燃焼室外に配置することを課題として検討を重ねた結果、本発明の創案に至ったものである。以下、本発明の創案の過程を説明する。

本発明者らは、先に特願２０１５−０５００４１（２０１５年３月１２日出願）の特許出願（未公開）において、燃料と支燃性ガスと処理ガスとを燃焼室の内周面の接線方向に向けて火炎の燃焼速度以上の流速で吹き込み、燃焼室内壁から浮いた三種混合の円筒状混合火炎を形成する断熱混焼方式の発明を提案した。この発明によれば、旋回遠心力により円筒状混合火炎の外側は温度が低く重い未燃の三種混合ガス、内側は温度が高く軽い三種混合の燃焼後ガスの分布が形成される。したがって、円筒状混合火炎は、温度の低い未燃の三種混合ガスに覆われた自己断熱された状態となるため、放熱による温度低下がなく、燃焼効率の高いガス処理が行われる。

断熱混焼方式は、燃料と支燃性ガスと処理ガスの３種を混焼することで、自己断熱性が向上した火炎が形成されるため、円筒状火炎の外側、すなわち燃焼室の内壁に濡れ壁水を流しても、水と高温の火炎は直接接触しない。水の温度上昇が抑制されるため、燃焼効率を低下させることなく、濡れ壁の内側で混焼断熱火炎が形成できる。

本発明者らは、前記断熱混焼方式の特許出願（特願２０１５−０５００４１）で提案されている燃焼室の内壁の濡れ壁水に着目し、燃焼室の外側から濡れ壁水越しに火炎を検知することを着想し、本発明の創案に至ったものである。

すなわち、本発明は、断熱混焼方式等の濡れ壁水を利用して燃焼室の外側から濡れ壁水越しに火炎を検知する方式を採用することにより、光電子増倍管を使用したＵＶセンサや熱電対を使用せず、安価な方式で安定して火炎を検知することができる排ガス処理装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の排ガス処理装置は、処理ガスを燃焼処理して無害化する排ガス処理装置において、一端が閉塞され他端が開口した円筒容器状をなし、処理ガスを燃焼する燃焼室と、前記燃焼室の上部壁面に設置され、燃焼室の内周面に水膜（濡れ壁水）を形成するための水供給ノズルと、前記燃焼室の壁面に設置され、前記燃焼室の内周面に形成された水膜越し（濡れ壁水越し）に燃焼室内の火炎を検知する火炎検知器とを備え、前記燃焼室は、燃料と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ前記燃焼室の内周面の接線方向に向けて吹き込んで、前記燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種混合の旋回流を形成する燃料用ノズル、支燃性ガス用ノズル、および処理ガス用ノズルを備え、前記燃料用ノズルと前記支燃性ガス用ノズルと前記処理ガス用ノズルは、前記燃焼室の軸線に直交する同一平面上に位置しており、かつ前記旋回流の下流側に向かって前記支燃性ガス用ノズル、前記処理ガス用ノズル、前記燃料用ノズルの順に配置されており、前記火炎検知器は、前記水供給ノズルの下方の位置において前記燃焼室の壁面に設置されており、前記火炎検知器は、５００ｎｍ〜１７００ｎｍの可視領域から近赤外線領域の発光を検知することにより火炎を検知するように構成されているフォトダイオードからなることを特徴とする。
本発明によれば、火炎を検知する検知部を燃焼室の外側に配置し、燃焼室の内壁を流れる濡れ壁水越しに火炎を検知するように構成しているため、火炎を検知するための検知部が燃焼室内の高温腐食環境下やＳｉＯ_２などの副生成物の生成環境下にはないので、検知部の部材の消耗の問題がなく、またＳｉＯ_２などの副生成物が検知部に付着・堆積するなどの問題がない。したがって、安価な方式で安定して火炎を検知することができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記フォトダイオードは、前記燃焼室の壁面に設置されたのぞき窓に隣接して設置されていることを特徴とする。

本発明によれば、火炎検知に半導体素子を使用するため、Ｓｉ半導体素子の寿命といわれる１０年程度以上が交換周期となるため、短期間での部材の消耗による定期的な交換が不要となる。また故障のモードは断線側となり、火炎がないと判断される安全サイドとなるため、光電子増倍管を使用する場合に必要な処置、すなわちＵＶ管の複数設置やシャッター付の複雑な構造のものにする必要はない。

本発明によれば、可視領域から近赤外線領域の発光を検知することで、濡れ壁水通過による減衰はなく、安定した火炎検知が可能となる。すなわち可視領域から近赤外線領域の発光の検知は火炎そのものの発光の検知であるため誤検知がない。したがって、失火時には時間遅れなく失火と判断ができるため、装置の安全性向上に寄与する。

本発明によれば、円筒状の燃焼室の内周面の接線方向に、燃料（燃料ガス）と支燃性ガス（酸素含有ガス）と処理ガス（排ガス）とを同時に吹き込むことにより、燃料と処理ガスとを支燃性ガスにより燃焼させて円筒状混合火炎を形成する。すなわち、燃焼室において、同一の燃焼場で三種混合の円筒状混合火炎を形成して、処理ガスを燃焼させることができる。

本発明によれば、円筒状の燃焼室の内周面の接線方向に、燃料（燃料ガス）と支燃性ガス（酸素含有ガス）と処理ガス（排ガス）とを吹き込むことにより、燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種混合の旋回流を形成する。これにより、燃料と処理ガスとを支燃性ガスにより燃焼させて円筒状混合火炎を形成する。すなわち、燃焼室において、三種混合の円筒状混合火炎を形成して、処理ガスを燃焼させることができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種混合の旋回流により、前記燃焼室内に円筒状混合火炎を形成することを特徴とする。
本発明によれば、旋回遠心力により円筒状混合火炎の外側は温度が低く重い未燃の三種混合ガス、内側は温度が高く軽い三種混合の燃焼後ガスの分布が形成される。したがって、円筒状混合火炎は、温度の低い未燃の三種混合ガスに覆われた自己断熱された状態となるため、放熱による温度低下がなく、燃焼効率の高いガス処理が行われる。
本発明の好ましい態様によれば、前記円筒状混合火炎の旋回力により、前記燃焼室の内周面上の水膜を旋回させることを特徴とする。

本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）火炎を検知する検知部を燃焼室の外側に配置し、燃焼室の内壁を流れる濡れ壁水越しに火炎を検知するように構成しているため、火炎を検知するための検知部が燃焼室内の高温腐食環境下やＳｉＯ_２などの副生成物の生成環境下にはないので、検知部の部材の消耗の問題がなく、またＳｉＯ_２などの副生成物が検知部に付着・堆積するなどの問題がない。したがって、安価な方式で安定して火炎を検知することができる。
（２）濡れ壁水に覆われた火炎の発光を検知するため、火炎を検知する部分の周辺には赤熱した部位がない。近赤外線を検知することで、濡れ壁水通過による減衰はなく、安定した火炎検知が可能となる。すなわち近赤外線の検知は火炎そのものの発光の検知であるため誤検知がない。したがって、失火時には時間遅れなく失火と判断ができるため、装置の安全性向上に寄与する。
（３）放射温度計と同様にフォトダイオードの出力は温度との相関があり、非接触で濡れ壁水に覆われた火炎の温度を計測できるため、単なる火炎検知だけではなく、燃焼式除害装置の運転状態、安定した燃焼状態のモニターも可能となる。
（４）濡れ壁水越しに火炎を検知するため、常に水で洗われた光路が確保される。すなわち生成物による阻害を考慮する必要がなく、余分なパージガス等を燃焼室内に投入する必要がないため、省エネルギーに寄与する。
（５）火炎検知にフォトダイオードを使用し、フォトダイオードは半導体素子のため、寿命は１０年程度以上となるので、短期間での部材の消耗による定期的な交換が不要となる。また故障のモードは断線側となり、火炎がないと判断される安全サイドとなるため、光電子増倍管を使用する場合に必要な処置、すなわちＵＶ管の複数設置やシャッター付の複雑な構造のものにする必要はない。

図１は、本発明の排ガス処理装置の燃焼室の構成例を示す模式的断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図３（ａ），（ｂ）は、燃料用ノズル、支燃性ガス用ノズル、処理ガス用ノズルのセットが単段（または２段の場合の上段）であって処理ガスの吹き込みノズルが少ない（一個の）場合を示す模式図であり、図３（ａ）は燃焼室の部分縦断面図、図３（ｂ）は燃焼室の水平断面図である。図４（ａ），（ｂ）は、処理ガスの吹き込みノズルが単段には入りきらない場合に燃料用ノズル、支燃性ガス用ノズル、処理ガス用ノズルのセットを上下に２段設置した場合の下段のセットの一例を示す模式図であり、図４（ａ）は燃焼室の部分縦断面図、図４（ｂ）は水平断面図である。図５（ａ），（ｂ）は、処理ガスの吹き込みノズルが単段に入りきらない場合に上下に２段設置した場合の下段のセットの他の例を示す模式図であり、図５（ａ）は燃焼室の部分縦断面図、図５（ｂ）は水平断面図である。図６は、図１乃至図３に示す燃焼室を備えた排ガス処理装置の全体構成を示す模式図である。

以下、本発明に係る排ガス処理装置の実施形態について図１乃至図６を参照して説明する。図１乃至図６において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明の排ガス処理装置の燃焼室の構成例を示す模式的断面図である。燃焼室１は、一端（図示例では上端）が閉塞され他端（図示例では下端）が開口した円筒容器状の燃焼室として構成されている。円筒容器状の燃焼室１には、閉塞側端部近傍で燃料（燃料ガス）と支燃性ガス（酸素含有ガス）と処理ガス（排ガス）とが吹き込まれるようになっている。燃焼室１の閉塞側端部には、着火用のパイロットバーナ２が設置されており、パイロットバーナ２には燃料と空気が供給されるようになっている。なお、図１においては、燃焼室１の下方にある洗浄部などは図示を省略している。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図２に示すように、燃料を吹き込む燃料用ノズル３Ａと、支燃性ガスを吹き込む支燃性ガス用ノズル３Ｂと、処理ガスを吹き込む処理ガス用ノズル３Ｃとが燃焼室１の内周面の接線方向に向けて設置されている。図３に示す例においては、燃料用ノズル３Ａと支燃性ガス用ノズル３Ｂは各１個ずつ設置され、処理ガス用ノズル３Ｃは２個設置されているが、各ノズル３Ａ，３Ｂ，３Ｃの個数は、燃焼室のサイズや設置スペース等に応じて適宜変更可能であり、同一平面上に設置する燃料用ノズル３Ａと支燃性ガス用ノズル３Ｂと処理ガス用ノズル３Ｃのセットを複数段設置することも可能である。この場合、燃料流量と支燃性ガス流量と処理ガス流量のバランスを変えることで、火炎の安定性を向上させることができる。燃料を吹き込む燃料用ノズル３Ａと、支燃性ガスを吹き込む支燃性ガス用ノズル３Ｂと、処理ガスを吹き込む処理ガス用ノズル３Ｃは、円筒状の燃焼室１の軸線に直交する同一平面上に位置している。ここで、同一平面上に位置しているとは、３つのノズルの燃焼室内周面側の開口の一部が同一平面上に位置していることをいう。

図１に示すように、燃焼室１には、燃料，支燃性ガス，処理ガスの吹き込み位置のやや下方の位置に、燃焼室１の内壁面に濡れ壁（水膜）を形成するための水を供給する水供給ノズル５が設置されている。

図１および図２に示すように構成された燃焼室１において、燃料用ノズル３Ａと支燃性ガス用ノズル３Ｂと処理ガス用ノズル３Ｃとから、燃料と支燃性ガスと処理ガスとを燃焼室１の内周面の接線方向に向けて、火炎の燃焼速度以上の流速で吹き込む。これにより、燃焼室１の内壁から浮いた三種混合の円筒状混合火炎が形成される。円筒状混合火炎は燃焼室１の軸線方向に沿って形成される。三種のガスを共に接線方向に吹き込むことで、旋回遠心力により円筒状混合火炎の外側は温度が低く重い未燃の三種混合ガス、内側は温度が高く軽い三種混合の燃焼後ガスの分布が形成される。したがって、円筒状混合火炎は、温度の低い未燃の三種混合ガスに覆われた自己断熱された状態となるため、放熱による温度低下がなく、燃焼効率の高いガス処理が行われる。また、処理ガスは通常Ｎ_２ガス等により希釈されて排ガス処理装置へ流入するので、このＮ_２ガスを含む処理ガスを燃料と支燃性ガスと混焼することで、緩慢な燃焼となり、局所的な高温部が形成されないため、ＮＯｘの発生が抑制される。

また、Ｎ_２ガスを含む処理ガスを燃料と支燃性ガスと混焼することで、円筒状となる火炎の径が小さくなり、燃焼室１の内壁面温度が低下する。すなわち、本燃焼方式の特徴である火炎の断熱性が促進されるため、図１に示すように、燃焼室１の内壁面に濡れ壁（水膜）を形成しても水と高温の火炎は直接接触しないため、火炎および火炎内側の燃焼ガス温度が低下することはない。そして、燃焼後に生成されるＳｉＯ_２等の粉体は、ガス旋回流の遠心力により外側の濡れ壁水に捕集され下部へ洗い流されるため、燃焼室１の内壁面に堆積せず、また燃焼室で大部分の粉体が濡れ壁水に捕集されることとなるため、排ガス処理装置のスクラバー性能（粉体除去性能）が向上する。腐食性ガスも濡れ壁水により洗い流され、燃焼室１の内壁面の腐食を防止できる。さらに、濡れ壁水により燃焼室１の内壁面は低温に保たれるため、熱損傷することはなく、ステンレス鋼等の安価な材料で燃焼室１を構成することができ、製造コストを低減出来る。

図１に示すように、燃焼室１の壁面には、水供給ノズル５の下方の位置において、濡れ壁水越し（水膜越し）に燃焼室１内の火炎を検知する火炎検知器６が設置されている。火炎検知器６は、燃焼室１の壁面に固定されたハウジング７と、ハウジング７内に収容された石英ガラス等の耐熱ガラス８と、ハウジング７内に収容されるとともに耐熱ガラス８に隣接して配置されたセンサ９とから構成されている。ハウジング７は、燃焼室１の壁面に固定されて濡れ壁水を耐熱ガラス８の前面まで導くパイプ状部分７ａと、耐熱ガラス８とセンサ９とを収容する収容部７ｂとを有している。すなわち、濡れ壁水の外側にある燃焼室１の壁面に、ハウジング７と耐熱ガラス８とから構成されるのぞき窓ＶＷを設置し、のぞき窓ＶＷに近接（隣接）してセンサ９を設置している。センサ９は、Ｓｉフォトダイオードからなり、５００ｎｍ〜１７００ｎｍの可視領域から近赤外線領域の発光を検知することにより、燃焼室１内の火炎を濡れ壁水越しに検知できるように構成されている。フォトダイオードは、Ｓｉフォトダイオードに限らず、ゲルマニウムやインジウム・ガリウム・ヒ素などのフォトダイオードなどを使用してもよい。

図１に示すように構成された火炎検知器６によれば、以下に列挙する作用効果を奏する。
（１）濡れ壁水に覆われた火炎の発光を検知するため、火炎を検知する部分の周辺には赤熱した部位がない。５００ｎｍ〜１７００ｎｍの可視領域から近赤外線領域の発光を検知することで、濡れ壁水通過による減衰はなく、安定した火炎検知が可能となる。すなわち近赤外線の検知は火炎そのものの発光の検知であるため誤検知がない。したがって、失火時には時間遅れなく失火と判断ができるため、装置の安全性向上に寄与する。
（２）放射温度計と同様にフォトダイオードの出力は温度との相関があり、非接触で濡れ壁水に覆われた火炎の温度を計測できるため、単なる火炎検知だけではなく、燃焼式除害装置の運転状態、安定した燃焼状態のモニターも可能となる。
（３）濡れ壁水越しに火炎を検知するため、常に水で洗われた光路が確保される。すなわち生成物による阻害を考慮する必要がなく、余分なパージガス等を燃焼室内に投入する必要がないため、省エネルギーに寄与する。
（４）火炎検知にフォトダイオードを使用し、フォトダイオードは半導体素子のため、寿命は１０年程度以上となるので、短期間での部材の消耗による定期的な交換が不要となる。また故障のモードは断線側となり、火炎がないと判断される安全サイドとなるため、光電子増倍管を使用する場合に必要な処置、すなわちＵＶ管の複数設置やシャッター付の複雑な構造のものにする必要はない。

次に、図１および図２に示すように構成された燃焼室１による処理ガス（排ガス）の処理例を説明する。
処理ガスの燃焼室１への流入量により、処理ガス（主成分の一つにＮ_２ガスを含む），燃料ガス，支燃性ガスの三種の混合気の組成を燃焼範囲としつつ、ガス処理に必要なガス温度を確保することができる適切な燃料および支燃性ガスの流量を設定する。三種の組成と燃焼範囲との関係を燃料ガスをプロパンとした場合で説明する。支燃性ガスが純酸素で、処理ガスのＮ_２がない場合、混合気に対するプロパン成分％が、燃焼の下限界は２％で、上限界は４０％である。支燃性ガスを空気（Ｎ_２とＯ_２の組成比は７９：２１）とした場合、混合気に対するプロパン成分％が、燃焼の下限界は２％で上限界は１０％であることが知られている。これに処理ガスの主となるＮ_２が加わり、例えばＮ_２とＯ_２の組成比が、８５：１５となった場合、混合気に対するプロパン成分％が、燃焼の下限界は２％で上限界は６％であることが知られている。なお、燃料ガス（燃料）が都市ガス、天然ガス等の他のガスの場合には、プロパンが燃料ガスである場合と同様の手法により混合気の燃焼範囲を求めればよい。すなわち、燃料ガスと支燃性ガス（酸素と空気）と処理ガスのＮ_２の混合気の組成と燃焼範囲の関係をもとに調整することができる。同一平面上に設置する燃料用ノズル３Ａと支燃性ガス用ノズル３Ｂと処理ガス用ノズル３Ｃのセットを例えば、２段設置した場合、燃料流量と支燃性ガス流量と処理ガス流量のバランス（組成比）を変え、例えば上段側の処理ガス流入量を減らし、下段側を増やすことで、火炎の安定性を向上させることができる。

図１および図２に示す実施形態では、燃料用ノズル３Ａと支燃性ガス用ノズル３Ｂと処理ガス用ノズル３Ｃとが円筒状の燃焼室１の軸線に直交する同一平面上に位置している場合を説明したが、３つのノズル３Ａ，３Ｂ，３Ｃが燃焼室１の軸線方向にずれて配置されている場合であっても、下記の（１）および（２）の条件を満たせば、燃焼室１の内壁から浮いた三種混合の円筒状混合火炎を形成することができる。なお、各ノズル３Ａ，３Ｂ，３Ｃは複数に分割して、燃焼室１の円周方向に離間させて配置しても良い。
（１）燃料用ノズル３Ａと支燃性ガス用ノズル３Ｂと処理ガス用ノズル３Ｃとが燃料（燃料ガス）と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ燃焼室の内周面の接線方向へ吹き込んで、燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種混合の旋回流を形成する。
（２）燃焼室に吹き込まれる燃料（燃料ガス）と支燃性ガスと処理ガスのうち、少なくとも１つのガスが燃焼室に最後に吹き込まれて三種混合の旋回流が形成されたときに、三種の混合気の組成が燃焼範囲に到達する。
上記（１）および（２）の条件を満たすことにより、燃焼室１の内壁から浮いた三種混合の円筒状混合火炎を形成することができるが、三種混合の円筒状混合火炎が形成された後においては、燃料用ノズル３Ａ、支燃性ガス用ノズル３Ｂ、処理ガス用ノズル３Ｃの下流側（後段）に、さらに燃料用ノズル３Ａおよび処理ガス用ノズル３Ｃを設け、これらのノズルから燃料と処理ガスを吹き込むことにより、燃焼温度を向上させ、ガス処理性能を向上させることもできる。

次に、上記（１）および（２）の条件を満たす各種態様について図面を参照して説明する。
まず、燃焼室１に最初に吹き込まれて旋回流を最初に形成するノズル、すなわち旋回流を開始するノズルとして、燃料用ノズル３Ａ、支燃性ガス用ノズル３Ｂ、処理ガス用ノズル３Ｃのうちどのノズルを選定するかを説明し、選定されたノズルを基準として旋回流の下流側に向かって他のノズルをいかに配置するかについて説明する。

図３（ａ），（ｂ）は、燃料用ノズル３Ａ、支燃性ガス用ノズル３Ｂ、処理ガス用ノズル３Ｃのセットが単段（または２段の場合の上段）であって処理ガスの吹き込みノズルが少ない（１個の）場合を示す模式図であり、図３（ａ）は燃焼室の部分縦断面図、図３（ｂ）は燃焼室の水平断面図である。
支燃性ガスを空気として、空気比を１．３とした場合、燃料流量の約１５倍の空気が必要となる。この場合、燃焼室内の旋回力を支配するのは、空気の流量，流速となる。したがって、図３（ａ），（ｂ）に示すように、支燃性ガスとしての空気を吹き込む支燃性ガス用ノズル３Ｂを旋回流を開始するノズルに選定する。旋回流を開始するノズルとして支燃性ガス用ノズル３Ｂを選定することにより、燃焼室の天板は火炎が形成される直前の支燃性ガスにより冷却されるため、天板の放熱による熱量ロスを低減でき、省エネルギーに寄与する。

そして、選定された支燃性ガス用ノズル３Ｂを基準として旋回流の下流側に向かって処理ガス用ノズル３Ｃ、燃料用ノズル３Ａの順に配置する。すなわち、支燃性ガス用ノズル３Ｂと燃料用ノズル３Ａの間に、希釈Ｎ_２を主体とした処理ガスを吹き込む処理ガス用ノズル３Ｃを設置することで、支燃性ガスは処理ガス（Ｎ_２主体）と混合した後に、燃料ガスを混合し着火するため、局所的高温部が形成されることなく、均一な温度場をもつ火炎が形成される。これにより、ガス処理性能は向上しつつ、サーマルＮＯｘの発生を抑制することができる。
図３（ａ），（ｂ）においては、燃料用ノズル３Ａ、支燃性ガス用ノズル３Ｂ、処理ガス用ノズル３Ｃが円筒状の燃焼室１の軸線に直交する同一平面上に位置している構成を例示したが、３つのノズル３Ａ，３Ｂ，３Ｃを燃焼室１の軸線方向にずらして配置する場合には、図３（ａ）において支燃性ガス用ノズル３Ｂを最上段に配置し、下方に向かって処理ガス用ノズル３Ｃ、燃料用ノズル３Ａの順にずらして配置すればよい。なお、図３（ａ）に示す断面図では、断面の手前側（前方側）に位置するノズル３Ｃを仮想線で示している。以下の図面でも同様である。

図４（ａ），（ｂ）は、処理ガスの吹き込みノズルが単段には入りきらない場合に燃料用ノズル３Ａ、支燃性ガス用ノズル３Ｂ、処理ガス用ノズル３Ｃのセットを上下に２段設置した場合の下段のセットの一例を示す模式図であり、図４（ａ）は燃焼室の部分縦断面図、図４（ｂ）は水平断面図である。
図４（ａ），（ｂ）に示すように、下段のセットは、旋回流の最上流側に支燃性ガス用ノズル３Ｂを配置し、支燃性ガス用ノズル３Ｂを基準として旋回流の下流側に向かって処理ガス用ノズル３Ｃ−１、処理ガス用ノズル３Ｃ−２、燃料用ノズル３Ａ、処理ガス用ノズル３Ｃ−３の順に配置して構成されている。
このように、下段のセットにも、３種のノズル３Ａ、３Ｂ、３Ｃ−１，３Ｃ−２，３Ｃ−３を設けることで、ガス混合度が均一化されるため、局所高温部を形成することなく、均一な温度場の火炎を形成することができる。これにより、ガス処理性能は向上しつつ、サーマルＮＯｘの発生を抑制することができる。

図５（ａ），（ｂ）は、処理ガスの吹き込みノズルが単段に入りきらない場合に上下に２段設置した場合の下段のセットの他の例を示す模式図であり、図５（ａ）は燃焼室の部分縦断面図、図５（ｂ）は水平断面図である。
図５（ａ），（ｂ）に示すように、下段のセットは、旋回流の最上流側に処理ガス用ノズル３Ｃ−１を配置し、処理ガス用ノズル３Ｃ−１を基準として旋回流の下流側に向かって処理ガス用ノズル３Ｃ−２、燃料用ノズル３Ａ、処理ガス用ノズル３Ｃ−３の順に配置して構成されている。
難分解性ガスなどが処理ガスとして燃焼室に流入する場合、支燃性ガスの空気に酸素を追加し、高温の温度場を形成する必要がある。高温の温度場を形成する必要がある場合、上段のセットは、図３（ａ），（ｂ）のセットと同様の構成にして、下段のセットは図４（ａ），（ｂ）に示すセットから支燃性ガス用ノズルを除いた図５（ａ），（ｂ）に示すセットとして、上段のセットにのみ支燃性ガス用ノズルを設ける。火炎の形成位置は、図４（ａ），（ｂ）に示す下段のセットとした場合よりも旋回上流側に移動し、火炎体積を小さくすることができるため、より高温な温度場を形成できる。

図１乃至図３に示すように構成された燃焼室１において、燃料ガスと支燃性ガスと処理ガスは、火炎の燃焼速度以上の流速で吹き込む。この場合、燃料ガスと支燃性ガスと処理ガスの流速は、スワール数（旋回度合を表す無次元数）が５〜４０になるように調整する。このようにスワール数を基準に燃料ガスと支燃性ガスと処理ガスの流速を調整することにより、所望の円筒状混合火炎を形成できる。

図６は、図１乃至図３に示す燃焼室１を備えた排ガス処理装置の全体構成を示す模式図である。図６に示すように、排ガス処理装置は、処理ガス（排ガス）を燃焼して酸化分解する燃焼室１（図１参照）と、この燃焼室１の後段に配置された排ガス洗浄部３０とを備えている。燃焼室１は接続管１９によって下方に延びている。処理ガス（排ガス）は、バイパス弁（三方弁）２３を通じて円筒状の燃焼室１の内周面の接線方向に供給される。排ガス処理装置に不具合がある場合には、バイパス弁２３が操作され、処理ガスが排ガス処理装置に導入されずに、図示しないバイパス管に送られるようになっている。燃料と支燃性ガスも、同様に、円筒状の燃焼室１の内周面の接線方向に供給されるようになっている。このように、燃料と支燃性ガスと処理ガスとを燃焼室１の内周面の接線方向に向けて、火炎の燃焼速度以上の流速で吹き込むことにより、燃焼室１の内壁から浮いた三種混合の円筒状混合火炎が形成される。燃焼室１の上部には水供給ノズル５から水Ｗが供給されており、この水Ｗは燃焼室１の内面に沿って流下し、燃焼室の内面に濡れ壁（水膜）を形成する。この濡れ壁水により、処理ガスの燃焼により生成したＳｉＯ_２等の粉体は捕集される。燃焼室１の壁面には、水供給ノズル５の下方の位置において、濡れ壁水越し（水膜越し）に燃焼室１内の火炎を検知する火炎検知器６が設置されている。

燃焼室１の下方には循環水タンク２０が配置されている。循環水タンク２０の内部には堰２１が設けられており、この堰２１によって上流側の第１の槽２０Ａと下流側の第２の槽２０Ｂとに区画されている。濡れ壁水に捕集された粉体生成物は、接続管１３を介して循環水タンク２０の第１の槽２０Ａ内に落下し、第１の槽２０Ａの底部に堆積する。また、燃焼室１の内面を流下した濡れ壁水は第１の槽２０Ａに流入する。第１の槽２０Ａの水は、堰２１をオーバーフローして第２の槽２０Ｂに流れ込むようになっている。

燃焼室１は冷却部２５を介して排ガス洗浄部３０と連通している。この冷却部２５は、接続管１３に向かって延びる配管２６と、この配管２６内に配置されたスプレーノズル２７とを有している。スプレーノズル２７は、配管２６を流れる排ガスに対向するように水を噴射する。したがって、燃焼室１により処理された排ガスは、スプレーノズル２７から噴射される水によって冷却される。噴射された水は、配管２６を通って循環水タンク２０に回収されるようになっている。

冷却された排ガスは、次に排ガス洗浄部３０に導入される。この排ガス洗浄部３０は、水により排ガスを洗浄し、排ガスに含まれる微小な粉塵を除去する装置である。この粉塵は、主として、燃焼室１での酸化分解（燃焼処理）により生成された粉体生成物である。

排ガス洗浄部３０は、ガス流路３２を形成する壁部材３１と、ガス流路３２内に配置される第１のミストノズル３３Ａ、第１の水膜ノズル３３Ｂ、第２のミストノズル３４Ａ、および第２の水膜ノズル３４Ｂとを備えている。これらミストノズル３３Ａ，３４Ａ及び水膜ノズル３３Ｂ，３４Ｂは、ガス流路３２の中心部に位置し、略直線状に配列されている。第１のミストノズル３３Ａおよび第１の水膜ノズル３３Ｂは第１のノズルユニット３３を構成し、第２のミストノズル３４Ａおよび第２の水膜ノズル３４Ｂは第２のノズルユニット３４を構成する。したがって、本実施形態では、２組のノズルユニット３３，３４が設けられている。なお、ノズルユニットは１組でもよく、３組以上のノズルユニットを設けてもよい。

第１のミストノズル３３Ａは、第１の水膜ノズル３３Ｂよりも、排ガスの流れ方向において上流側に配置されている。同様に、第２のミストノズル３４Ａは、第２の水膜ノズル３４Ｂよりも上流側に配置されている。すなわち、ミストノズルと水膜ノズルとが交互に配置されている。ミストノズル３３Ａ，３４Ａ、水膜ノズル３３Ｂ，３４Ｂ、壁部材３１は、耐腐食性のある樹脂（例えばＰＶＣ：ポリ塩化ビニル）から構成されている。

第１のミストノズル３３Ａの上流側には、排ガスの流れを整流する整流部材４０が配置されている。この整流部材４０は、排ガスの圧力損失を生じさせて、ガス流路３２中の排ガスの流れを均一にする。整流部材４０は、酸による腐食を防ぐために、金属以外の材料で構成されていることが望ましい。整流部材４０の例として、樹脂で構成された不織材や、複数の開孔が形成された樹脂プレートが挙げられる。整流部材４０の上流側には、ミストノズル４１が配置されている。ミストノズル３３Ａ，３４Ａ，４１および水膜ノズル３３Ｂ，３４Ｂは、壁部材３１に取り付けられている。

図６に示すように、排ガスは、排ガス洗浄部３０の下部に設けられた配管２６から排ガス洗浄部３０の内部に導入される。排ガスは、排ガス洗浄部３０内を下から上に流れる。より詳しくは、配管２６から導入された排ガスは、まず、排ガス洗浄部３０のミストノズル４１に向かう。そして、排ガスは、ミストノズル４１により形成されたミストを通過し、整流部材４０により整流される。整流部材４０を通過した排ガスは均一な流れを形成し、ガス流路３２を低速で上昇する。ガス流路３２には、ミスト、水膜、ミスト、及び水膜がこの順に形成されている。

排ガスに含まれている直径１μｍ未満の微小な粉塵は、拡散作用（ブラウン運動）により、ミストを構成する水粒に容易に付着し、これによりミストに捕捉される。直径１μｍ以上の粉塵も、その多くは同様に水粒に捕捉される。水粒の径は約１００μｍであるので、この水粒に付着した粉塵のサイズ（径）は見かけ上大きくなる。したがって、粉塵を含む水粒は、下流側の水膜に慣性衝突により容易にぶつかり、水粒とともに粉塵は排ガスから除去される。ミスト捕捉されなかった比較的径の大きい粉塵も、同様にして水膜に捕捉され、除去される。このようにして水により洗浄された排ガスは、壁部材３１の上端部から排出される。

図６に示すように、排ガス洗浄部３０の下方には、上述した循環水タンク２０が位置している。ミストノズル３３Ａ，３４Ａ，４１および水膜ノズル３３Ｂ，３４Ｂから供給された水は、循環水タンク２０の第２の槽２０Ｂに回収される。第２の槽２０Ｂに貯留された水は、循環水ポンプＰによりミストノズル３３Ａ，３４Ａ，４１および水膜ノズル３３Ｂ，３４Ｂに供給される。同時に、循環水は、水Ｗとして燃焼室１の上部に送られ、上述したように、燃焼室１の内面に濡れ壁を形成する。

ミストノズル３３Ａ，３４Ａおよび水膜ノズル３３Ｂ，３４Ｂに供給される水は、循環水タンク２０に回収された水であり、粉塵（粉体生成物など）を含んでいる。したがって、ガス流路３２を洗浄するために、シャワーノズル５０から市水がガス流路３２に供給されるようになっている。シャワーノズル５０の上方には、ミストトラップ５１が設けられている。このミストトラップ５１は、その内部に複数の邪魔板を有しており、ミストを捕捉することができる。このようにして、処理されて無害化された排ガスは、排気ダクトを介して最終的に大気に放出される。

循環水タンク２０には水位センサ５５が設けられている。この水位センサ５５は第２の槽２０Ｂの水位を監視し、第２の槽２０Ｂの水位が所定の範囲に制御できるようになっている。また、循環水ポンプＰによって移送される水の一部は、給水管５２を介して循環水タンク２０内に設置された複数のエダクター５３に供給されるようになっている。給水管５２には開閉弁Ｖ１が設置されており、開閉弁Ｖ１を開くことにより、エダクター５３に給水できるようになっている。循環水タンク２０には、循環水タンク２０内を排水するための排水弁Ｖ２が設けられている。

各エダクター５３に循環水タンク２０内の水を循環水ポンプＰにより加圧して供給し、各エダクター５３のノズルにより水の流れを絞る際に発生する圧力低下を利用してエダクター５３の吸込口よりエダクター５３内に循環水タンク２０内の水を吸い込み、この吸い込んだ水をエダクター５３のノズルから放出される水とともにエダクター５３の吐出口から循環水タンク２０の底部に噴射する。エダクター５３の吐出口から噴射される噴射水の噴射打力により、循環水タンク２０の底部にある粉体を解砕して浮遊させ、循環水タンク２０の排水口２０Ｄから、排水とともに粉体を自動で排出する。

これまで本発明の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、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１燃焼室
１ａ開口
２パイロットバーナ
３Ａ燃料用ノズル
３Ｂ支燃性ガス用ノズル
３Ｃ，３Ｃ−１，３Ｃ−２，３Ｃ−３処理ガス用ノズル
５水供給ノズル
６火炎検知器
７ハウジング
７ａパイプ状部分
７ｂ収容部
８耐熱ガラス
９センサ
１９接続管
２０循環水タンク
２０Ａ，２０Ｂ槽
２０Ｄ排水口
２１堰
２３バイパス弁（三方弁）
２５冷却部
２６配管
２７スプレーノズル
３０排ガス洗浄部
３１壁部材
３２ガス流路
３３Ａ第１のミストノズル
３３Ｂ第１の水膜ノズル
３４Ａ第２のミストノズル
３４Ｂ第２の水膜ノズル
４０整流部材
４１ミストノズル
５０シャワーノズル
５１ミストトラップ
５２給水管
５３エダクター
５５水位センサ
ＡＲ空気室
ＭＲ混合気室
Ｐ循環水ポンプ
ＰＦパイロット火炎
Ｖ１開閉弁
Ｖ２排水弁
ＶＷのぞき窓

Claims

処理ガスを燃焼処理して無害化する排ガス処理装置において、
一端が閉塞され他端が開口した円筒容器状をなし、処理ガスを燃焼する燃焼室と、
前記燃焼室の上部壁面に設置され、燃焼室の内周面に水膜を形成するための水供給ノズルと、
前記燃焼室の壁面に設置され、前記燃焼室の内周面に形成された水膜越しに燃焼室内の火炎を検知する火炎検知器とを備え、
前記燃焼室は、燃料と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ前記燃焼室の内周面の接線方向に向けて吹き込んで、前記燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種混合の旋回流を形成する燃料用ノズル、支燃性ガス用ノズル、および処理ガス用ノズルを備え、
前記燃料用ノズルと前記支燃性ガス用ノズルと前記処理ガス用ノズルは、前記燃焼室の軸線に直交する同一平面上に位置しており、かつ前記旋回流の下流側に向かって前記支燃性ガス用ノズル、前記処理ガス用ノズル、前記燃料用ノズルの順に配置されており、
前記火炎検知器は、前記水供給ノズルの下方の位置において前記燃焼室の壁面に設置されており、
前記火炎検知器は、５００ｎｍ〜１７００ｎｍの可視領域から近赤外線領域の発光を検知することにより火炎を検知するように構成されているフォトダイオードからなることを特徴とする排ガス処理装置。
前記フォトダイオードは、前記燃焼室の壁面に設置されたのぞき窓に隣接して設置されていることを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理装置。
前記燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種混合の旋回流により、前記燃焼室内に円筒状混合火炎を形成することを特徴とする請求項１記載の排ガス処理装置。
前記円筒状混合火炎の旋回力により、前記燃焼室の内周面上の水膜を旋回させることを特徴とする請求項３に記載の排ガス処理装置。