JP7090434B2

JP7090434B2 - ガス除害システム及び方法

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Publication number: JP7090434B2
Application number: JP2018040431A
Authority: JP
Inventors: 理中森; 伸一大橋; 昭吾梅本; 徹横山
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2038-03-07
Also published as: JP2019155213A

Description

本発明は、被処理ガス中に含まれる有害成分を除去するガス除害システム及び方法に関する。

半導体装置の製造工程などの各種のプロセスからは、有害成分を含むガス、例えばフッ素化合物を含むガスやケイ素化合物を含むガスが発生する。これらのガスは、通常、除害装置によって無害化したのちに処理ガスとして外部に排出されることが多い。除害装置は、例えば、燃焼や触媒を用いた熱分解、あるいはマイクロ波プラズマによる処理を被処理ガスに対して行なう反応部と、反応部で処理されたガスが供給される湿式スクラバー（水スクラバー）とから構成されている。有害成分を含む被処理ガスは反応部において酸化分解され、酸化分解後の無機成分は湿式スクラバーなどで水中にトラップされ、その結果、無害化されたガスが処理ガスとして系外に排出される。被処理ガスに含まれる有害成分が水に溶けやすい物質である場合には、反応部を設けることなく、湿式スクラバーのみで除害装置が構成される場合もある。

除害装置に設けられる湿式スクラバーは、有害成分や酸化分解によって生じた無機成分を確実にトラップするために多量の水を使用するので、取水量や排水量の増加を招く。トラップ用の水すなわち洗浄水を湿式スクラバー内で循環使用することもあるが、循環使用した場合には洗浄水には、有害成分、あるいは他の無機成分が含まれることとなり、洗浄水における有害成分の濃度によっては有害成分の再揮散が発生するおそれがある。水の使用量を減らすために洗浄水の循環割合を大きくした場合には、それに応じて再揮散の可能性も高くなる。したがって、再揮散の恐れなく、除害装置に供される洗浄水の量を削減することが望まれている。

また、除害装置の湿式スクラバーからの排水には有害成分が含まれることがあるが、除害装置からの有害成分を含む排水の処理方法として、特許文献１は、電気式脱塩装置を構成するイオン交換樹脂層に排水を通過させることを開示している。特許文献２は、フッ素化合物を含むガスを除害処理したときに生ずる排水を電気透析工程により処理することを開示している。特許文献３は、除害装置からの無機酸を含む排水を活性炭と弱塩基性アニオン交換樹脂とによって処理することを開示している。

特表２００６－５１５５３６号公報特開２００４－１７４４３９号公報特開２００２－３０１３３２号公報特表２０１５－５２７９３０号公報特表２０１６－５３００９６号公報米国特許第９１２００３３号明細書米国特許出願公開第２０１５／０１２９４１０号明細書

湿式スクラバーを備える除害装置では、上述したように取水量や排水量の増加を招く。

本発明の目的は、排水の排出量を削減しつつ、被処理ガス中の有害成分の除去を確実に行なうことができるガス除害システム及び方法を提供することにある。

排水を減容する方法としては、排水を加熱して水だけを気化させる蒸発法が知られているが、沸点近くまで排水を加熱する必要があって、エネルギー消費量が大きい。また減圧蒸留などの方法を用いる場合には、排水を沸点近くまで加熱する必要はないが、装置の一部を耐圧仕様にする必要があり装置が高価となる。そこで本発明者らは、比較的温和な条件で水の蒸発を達成するキャリアガス式蒸発装置に着目し、本発明を完成させた。キャリアガス式蒸発装置とは、加湿塔において比較的温度の高い条件で被処理水とキャリアガスとを気液接触させて被処理水中の水分を水蒸気としてキャリアガスに移行させてキャリアガスを加湿し、次に、水蒸気を含むキャリアガスを除湿塔において冷却し、キャリアガス中の水蒸気を凝縮させるものである。明らかに、被処理水中の水分が除湿塔における凝縮水に移行したので、被処理水としては減容が達成されたことになる。このようなキャリア式ガス蒸発装置の詳細な構成は、例えば、特許文献４あるいは特許文献５に記載されている。気液接触により気体を加湿する際に気液接触の効率を高めるものとして、特許文献６は、バブリングカラムを多段に設けることを開示している。また気液接触により気体を冷却し気体中の水分を凝縮させる際に気液接触の効率を高めるものとして、特許文献７は、バブリングカラムを多段に設けることを開示している。

したがって本発明のガス除害システムは、被処理ガスを処理する除害システムであって、被処理ガスを洗浄水により洗浄する洗浄室を少なくとも備える除害装置と、キャリアガスが供給されてキャリアガスと被処理水とを気液接触させ、キャリアガスを加湿して排出する加湿塔と、加湿されたキャリアガスを冷却して水分の少なくとも一部を凝縮させることにより、除湿されたキャリアガスを生成して排出する除湿塔と、被処理水を加温しつつ加湿塔に対して被処理水を循環させる第１の循環経路と、を有し、除害装置からの洗浄排水が被処理水として加湿塔に供給される。

本発明のガス除害システムでは、排出される濃縮水は、除害装置の洗浄室から送られてくる洗浄排水に比べて、洗浄排水に含まれる成分の濃度は高いが排水量としては小さくなっている。除湿塔において凝縮した凝縮水を除害装置における洗浄水として使用することが可能であり、それにより、外部から供給される洗浄水の量すなわち取水量も低減することができる。

本発明のガス除害方法は、被処理ガスを処理するガス除害方法であって、被処理ガスを洗浄水により洗浄して洗浄排水を排出する工程と、キャリアガスが供給されてキャリアガスと被処理水とを気液接触させ、キャリアガスを加湿して排出する加湿塔と、加湿されたキャリアガスを冷却して水分の少なくとも一部を凝縮させることにより、除湿されたキャリアガスを生成して排出する除湿塔と、被処理水を加温しつつ加湿塔に対して被処理水を循環させる第１の循環経路と、を有する蒸発装置の加湿塔に洗浄排水を被処理水として供給する工程と、を有し、洗浄排水に含まれる成分を除去する処理が行われた処理水として、除湿塔から水を排出する。

本発明によれば、除害装置からの排水の排出量を削減しつつ、被処理ガス中の有害成分の除去を確実に行なうことができるようになる。

本発明の実施の一形態のガス除害システムの構成を示す図である。別の実施形態のガス除害システムの構成を示す図である。さらに別の実施形態のガス除害システムの構成を示す図である。さらに別の実施形態のガス除害システムの構成を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の一形態のガス除害システムを示している。このガス除害システムは、半導体製造工程などで発生して有害成分を含むガスを被処理ガスとして、被処理ガスから有害成分を除去して処理ガスとして排出するものである。図において、実線で描かれた配管は液体のための配管を示し、破線で描かれた配管は気体のための配管を示している。

図１に示すガス除害システムは、大別すると、除害装置１０と加湿塔２０と除湿塔３０とによって構成されている。加湿塔２０と除湿塔３０とはキャリアガス式蒸発装置を構成するものである。除害装置１０は、被処理ガスが供給されて被処理ガスの酸化分解を行なう反応室１１と、湿式スクラバーとして機能する洗浄室１２と、を備え、両者が隔壁１３によって隔てられた構造を有する。隔壁１３には、反応室１１内で酸化分解された被処理ガスを洗浄室１２に送るために、貫通孔１４が形成されている。反応室１１には、被処理ガスを反応室１１に供給するための配管５１が接続している。ここでは、燃焼によって被処理ガス中の有害成分を酸化分解させるので、配管５１には空気も供給されて被処理ガスと混合されるようになっている。もっとも被処理ガスの酸化分解は、燃焼以外の手段によって行なわれてもよい。例えば、触媒などを用いる熱分解によって酸化分解を行なってもよいし、反応室１１内にマイクロ波プラズマを生起させてプラズマにより被処理ガスの酸化分解を行なってもよい。被処理ガスにおける酸素分圧によっては、配管５１において空気を被処理ガスに混入させなくてもよい。

洗浄室１２には、酸化分解後の被処理ガスに対して洗浄水を噴霧する噴霧器１５が設けられている。被処理ガスは、噴霧器１５から噴霧される洗浄水によって洗浄（スクラビング）され、処理ガスとして洗浄室１２の上部から配管５２を介して外部に排出される。洗浄水は外部から供給されるものであり、洗浄水の供給のために洗浄水配管１７が設けられて噴霧器１５に接続している。被処理ガス中の有害成分の酸化分解により生成する成分（分解成分）は、洗浄水によってトラップされる。洗浄室１２の下部には、分解成分がトラップされた水を一時的に貯える貯水部１６が形成されている。洗浄室１２には、気液接触を促進するための充填物を設置してもよい。貯水部１６は、隔壁１３の下端と除害装置１０の底面との間の隙間を介して反応室１１にも広がっており、燃焼で生じた粉塵類が貯水部１６に落下するようにもなっている。貯水部１６には、トラップされた分解成分を含む洗浄排水をオーバーフローで排出する配管１８が接続されている。

加湿塔２０は、キャリアガスが供給されてキャリアガスを被処理水とを気液接触させ、キャリアガスを加湿するものである。キャリアガスとしては、例えば空気や窒素などが用いられる。加湿されたキャリアガスは、加湿塔２０の上部に接続した配管５３を介して加湿塔２０から排出される。加湿塔２０には、気液接触のために、キャリアガスに対して被処理水を噴霧する噴霧器２６が設けられている。加湿塔２０の内部には、気液接触を促進するための充填物を設置してもよい。また加湿塔２０の内部は、特許文献６に開示されているような、バブリングカラムを必要に応じて多段に設けたような構造であっても構わない。加湿塔２０の下部には被処理水を一時的に貯える貯水部２１が形成され、さらに、被処理水を排出する配管２２が接続している。配管２２は、被処理水を加湿塔２０に循環させるための循環配管２３と、後述する濃縮水として被処理水を排出する配管２４とに分岐している。配管２４は、加湿塔２０の貯水部２１から被処理水を直接排出するように接続されていてもよい。循環配管２３には被処理水を加熱するための熱交換器２５が設けられており、循環配管２３の先端は上述した噴霧器２６に接続している。配管２２、循環配管２３及び熱交換器２５によって、被処理水を加温しつつ加湿塔２０に対して被処理水を循環させる第１の循環経路が構成されている。除害装置１８から排出される洗浄排水の配管１８は循環配管２３に接続しており、洗浄排水が被処理水に合流して被処理水として加湿塔２０を循環するようになっている。

除湿塔３０は、配管５３を介して加湿塔２０から加湿されたキャリアガスが供給され、このキャリアガスを冷却水と気液接触させることによってキャリアガス中の水分の一部を凝縮させるものである。水分の一部が凝縮されて除去されたキャリアガスは、除湿されたキャリアガスとして、除湿塔３０の上部に接続した配管５４を介して除湿塔３０から外部に排出される。除湿塔３０には、気液接触のために、キャリアガスに対して冷却水を噴霧する噴霧器３６が設けられている。除湿塔３０の内部には、気液接触を促進するための充填物を設置してもよい。また除湿塔３０の内部は、特許文献７に開示されているような、バブリングカラムを必要に応じて多段に設けたような構造であっても構わない。除湿塔３０の下部には冷却水を一時的に貯える貯水部３１が形成され、さらに、冷却水を排出する配管３２が接続している。配管３２は、冷却水を除湿塔３０に循環させるための循環配管３３と、処理水として冷却水を排出する配管３４とに分岐している。循環配管３３には冷却水を冷却するための熱交換器３５が設けられており、循環配管３３の先端は上述した噴霧器３６に接続している。配管３２、循環配管３３及び熱交換器３５によって、冷却水を冷却しつつ除湿塔３０に対して冷却水を循環させる第２の循環経路が構成されている。

次に、本実施形態のガス除害システムにおける除害処理について説明する。このガス除害システムでは、被処理ガスは、まず除害装置１０の反応室１１において酸化分解され、その後、隔壁１３の貫通孔１４を経て洗浄室１２に供給される。湿式スクラバーとして機能する洗浄室１２において、分解成分が洗浄水にトラップされ、洗浄後の被処理ガスは、処理ガスとして、配管５２を外部に排出される。一方、洗浄水にトラップされた分解成分は、洗浄排水として配管１８を介して排出され、加湿塔２０の被処理水に合流する。

加湿塔２０では、キャリアガスが供給されるとともに、第１の循環経路を介して加温された被処理水が循環し、キャリアガスと被処理水との接触により、被処理水の水分の一部が水蒸気としてキャリアガスに移行する。このようにして加湿されたキャリアガスは、配管５３を介して除湿塔２０に送られる。被処理水には配管１８から送られてきた洗浄排水が合流しているが、被処理水の加温及び循環と、被処理水とキャリアガスとの気液接触を継続すると、水分がキャリアガスに継続的に移行するので、循環する被処理水中の分解成分濃度が上昇する。ガス除害システムの起動時には分解成分を含まない被処理水を使用していたとしても、ガス除害システムの運転を継続するにつれて洗浄室１２からの洗浄排水における分解成分濃度よりも循環する被処理水中の分解成分濃度が高くなる。被処理水中の分解成分濃度が所定の値よりも高くなったら、被処理水の一部を、洗浄排水に含まれる成分すなわち分解成分の濃度が高められた濃縮水として配管２４から外部に排出する。あるいは、例えば操業の終了後に加湿塔２０から被処理水の全部を濃縮水として排出してもよい。排出した濃縮水に対しては、適切な排水処理を行なえばよい。ここでは洗浄排水は配管１８から循環配管２３に合流しているが、洗浄排水とキャリアガスとの気液接触が実現できるのであれば、洗浄排水を被処理水として加湿塔２０に直接供給してもよい。

除湿塔３０では、加湿塔２０から配管５３を介して加湿されたキャリアガスが供給されるとともに、第２の循環経路を介して冷却された冷却水が循環し、キャリアガスと冷却水との接触により、キャリアガス中の水分が凝縮して冷却水に移行する。水分の凝縮によりキャリアガスは除湿されたことになり、除湿されたキャリアガスは配管５４を介して外部に排出される。冷却水の冷却及び循環と、冷却水とキャリアガスとの気液接触を継続すると、キャリアガス中の水分が冷却水に継続的に移行するので、冷却水の量が増加する。ここで、もともと被処理ガス中に含まれる有害成分の種類によっては、被処理水中にトラップされた分解成分においても有害である可能性があり、その場合、分解成分がキャリアガス中に移行しないよう注意を要する。加湿塔２０において、被処理水中の分解成分の種類や量によってはキャリアガス中への多少の再揮散の可能性はあるが、除湿塔３０における冷却水のスクラビングにより冷却水中にトラップされるため、排ガス中に分解成分が排出されることはない。また冷却水中にトラップされる分解成分の量は微量であるので、冷却水がある程度まで増加したら、冷却水の一部を、分解成分を除去する処理、言い換えれば洗浄排水に含まれる成分を除去する処理が行われた処理水として配管３４を介して外部に排出することができる。

本実施形態でのガス除害システムでは、配管５４を介して排出される排ガスによって持ち出される水分を無視すると、洗浄室１２からの洗浄排水が、有害成分の分解によって生成した成分が濃縮された濃縮水と、そのような成分をほとんど含まない処理水とに分けられて排出されたことになる。これにより、被処理ガス中の有害成分の除去を確実に行ないつつ、除害装置からの排水の排出量を削減できたことになる。

図２は、本発明の別の実施形態のガス除害システムを示している。図１に示すガス除害システムにおいて配管３４から排出される処理水中に含まれる有害成分もしくは分解成分の量は微量であるので、除害装置１０の洗浄室１２における洗浄水として利用できるものである。そこで図２に示す別の実施形態のガス除害システムでは、図１に示すシステムにおいて、配管３４を洗浄水配管１７に接続し、処理水を洗浄水の一部として利用するようにしている。その結果、外部から供給されるべき洗浄水の量を削減することができ、取水量を減らすことができる。また図２に示すガス除害システムでは、被処理水中の分解成分濃度が高くなって固形物が発生したときに備えてこの固形物を除去するために、加湿塔２０から被処理水を排出する配管２２にフィルタ２７を設けている。

さら図２に示すガス除害システムでは、洗浄室１２から排出される処理ガスをキャリアガスとして使用することにより、加湿塔２０及び除湿塔３０からなるキャリアガス式蒸発装置に対するキャリアガスの補給量を削減している。処理ガスをキャリアガスとして使用するために、処理ガスの配管５２が加湿塔２０に接続している。このとき、処理ガスの発生量とキャリアガスの必要量とが一致するとは限らない。そこで処理ガスの発生量がキャリアガスの必要量よりも多い場合には、処理ガスの一部を配管５２から排出ガスとして外部に排出する。逆に処理ガスの発生量がキャリアガスの必要量よりも少ない場合には、外部から補給ガスとしてキャリアガスを配管５２に注入する。

図３は、本発明のさらに別の実施形態のガス除害システムを示している。図２に示すシステムでは、洗浄室１２からの処理ガスをキャリアガスとして使用しているが、図３に示すシステムでは、除湿塔３０から排出される排ガスを再びキャリアガスとして使用することにより、キャリアガスの補給量を削減している。そのため図３に示すガス除害システムは、図２に示すシステムにおいて、除湿塔３０からの排ガスの配管が加湿塔２０に接続し、その代わり、洗浄室１２からの処理ガスは配管５４を介して外部に排出されるようにしたものである。

以上の説明では、除害装置１０には被処理ガスが供給されて被処理ガスの酸化分解を行なう反応室１１が設けられるものとした。しかしながら本発明は、除害装置１０に反応室１１を設けない構成とすることも可能である。図４は、図３に示すものと同様のガス除害システムであるが、除害装置１０には反応室１１が設けられていない点で図１に示すものとは異なるガス除害システムを示している。図４に示したガス除害システムでは、反応室が設けられていないので、被処理ガスは、洗浄室１２に直接導入され、洗浄室１２において噴霧器１５から噴霧される洗浄水によって洗浄処理される。この洗浄排水には、被処理ガスに由来する有害成分が含まれていることになる。図４に示すガス除害システムにおいては、洗浄室１３でトラップされた有害成分を含む濃縮水が、加湿塔２０を循環する被処理水から配管２４を介して排出される。除湿塔３０からは有害成分を含まない処理水を得ることができる。図１あるいは図２に示すガス除害システムにおいても、除害装置１０において反応室を設けない構成とすることができる。

上述した各実施形態のガス除害システムでは、除湿塔３０において冷却水とキャリアガスとを気液接触させているが、除湿塔３０では気液接触は必須の要件ではなく、キャリアガスを冷却してキャリアガス中の水分を凝縮できるものであれば、任意の構造の除湿塔を使用することができる。その場合、キャリアガスからの凝縮水が処理水として除湿塔３０から排出され、あるいは除害装置１０の洗浄室１２に供給される洗浄水の一部として使用される。

１０除害装置
１１反応室
１２洗浄室
１５，２６，３６噴霧器
２０加湿塔
２５，３５熱交換器
２７フィルタ
３０除湿塔

Claims

被処理ガスを処理する除害システムであって、
前記被処理ガスを洗浄水により洗浄する洗浄室を少なくとも備える除害装置と、
キャリアガスが供給されて前記キャリアガスと被処理水とを気液接触させ、前記キャリアガスを加湿して排出する加湿塔と、
前記加湿されたキャリアガスを冷却して水分の少なくとも一部を凝縮させることにより、除湿されたキャリアガスを生成して排出する除湿塔と、
前記被処理水を加温しつつ前記加湿塔に対して前記被処理水を循環させる第１の循環経路と、
を有し、
前記除害装置からの洗浄排水が前記被処理水として前記加湿塔に供給される、除害システム。
前記洗浄排水は前記第１の循環経路を介して前記加湿塔に供給され、前記加湿塔から流出する水の少なくとも一部を、前記洗浄排水に含まれる成分が濃縮された濃縮水として排出する、請求項１に記載の除害システム。
冷却水を冷却しつつ前記除湿塔に対して循環させる第２の循環経路を備え、
前記除湿塔において前記加湿されたキャリアガスと前記冷却水とを気液接触させて前記加湿されたキャリアガスを冷却する、請求項１または２に記載の除害システム。
前記除害装置において、前記被処理ガスの酸化分解を行なう反応室が前記洗浄室の前段に設けられ、酸化分解された被処理ガスが前記洗浄室に供給される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の除害システム。
前記洗浄排水に含まれる成分を除去する処理が行われた処理水として、前記除湿塔から水が排出される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の除害システム。
前記処理水が、前記洗浄水の少なくとも一部として前記洗浄室に供給される、請求項５に記載の除害システム。
前記洗浄室から排出される処理ガスの少なくとも一部が、前記加湿塔に供給される前記キャリアガスの少なくとも一部として供給される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の除害システム。
前記処理ガスを前記加湿塔に供給する配管を備え、
前記処理ガスの発生量と前記キャリアガスの供給量との差に基づき、前記処理ガスの一部が前記配管から外部に排出され、あるいは前記配管に対して外部から前記キャリアガスが補充される、請求項７に記載の除害システム。
前記除湿塔から排出された前記キャリアガスを前記加湿塔に送る配管を備え、前記加湿塔と前記除湿塔との間で前記キャリアガスが循環する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の除害システム。
前記第１の循環経路内に、前記被処理水をろ過するフィルタを備える、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の除害システム。
被処理ガスを処理する除害方法であって、
前記被処理ガスを洗浄水により洗浄して洗浄排水を排出する工程と、
キャリアガスが供給されて前記キャリアガスと被処理水とを気液接触させ、前記キャリアガスを加湿して排出する加湿塔と、前記加湿されたキャリアガスを冷却して水分の少なくとも一部を凝縮させることにより、除湿されたキャリアガスを生成して排出する除湿塔と、前記被処理水を加温しつつ前記加湿塔に対して前記被処理水を循環させる第１の循環経路と、を有する蒸発装置の前記加湿塔に前記洗浄排水を前記被処理水として供給する工程と、
を有し、
前記洗浄排水に含まれる成分を除去する処理が行われた処理水として、前記除湿塔から水を排出する、除害方法。
前記除湿塔から排出された水を前記洗浄水の一部として使用する、請求項１１に記載の除害方法。