JPWO2008072392A1 - 排ガス処理方法およびその装置 - Google Patents
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Abstract
アルカリ薬液を使用することなく、排ガス中から塩素及び六フッ化硫黄を効率よく確実に除去することが可能な単一の排ガス処理方法とその装置を提供する。塩素又は六フッ化硫黄の少なくとも一方を含む排ガス(F)を清浄化する排ガス処理方法であって、排ガス(F)を高温下で水蒸気又は酸素の少なくとも一方と反応させた後、水洗し、水洗した排ガス(F)をさらにアルカリイオン水(A)に気液接触させることを特徴とする。かかる構成により、苛性ソーダなどのアルカリ薬剤を用いることなく、従来はそれぞれ別個の方法で除害していた排ガス(F)中の塩素や六フッ化硫黄を単一の方法でＴＬＶ値以下にまで除害することができる。
Description
本発明は、塩素又は六フッ化硫黄の少なくとも一方を含む排ガスを安全なガスにして排出する排ガス処理方法とその装置に関する。
半導体製造工程で使用された塩素及び六フッ化硫黄は、他のガス(例えばＰＦＣｓなど)と混合した状態で排ガスとして排出されている。このような排ガスに含まれる塩素は人体に対する毒性が極めて高く、また、六フッ化硫黄は人体に対する毒性は低いものの、地球温暖化係数(ＧＷＰ)がＣＯ2に比べて数万倍と非常に大きく、加えて大気寿命も長いことから、大気中へ少量排出した場合であってもその影響は甚大なものとなる。そこで、従来より、使用済みとなった塩素や六フッ化硫黄等を排ガス中から除害し、大気中へ排出する塩素や六フッ化硫黄等の量をＴＬＶ値[米国産業衛生専門家会議(ＡＣＧＩＨ)が定めた労働衛生上の許容濃度]以下に削減する様々な技術の開発が行われている。
ここで、このような排ガスを除害する方法として、除害したい成分を固形の吸着剤に吸着させる吸着固定式、燃料炎や電熱ヒータ或いは常圧プラズマ等を使った加熱分解式、化学反応を利用した反応分解式、水や薬液等を使用した湿式など、多くの方法が用いられている。
このうち、除害対象物が塩素の場合、薬液として苛性ソーダやアンモニアなどのアルカリ薬液を用いた湿式スクラバで吸収処理するのが一般的である。一方、除害対象物が六フッ化硫黄の場合、燃焼炎、電熱ヒータ或いは常圧プラズマなどによってフッ素と硫黄との結合を切断し、これに水蒸気や酸素などを反応させてフッ化水素と二酸化硫黄に代表される硫黄酸化物(ＳＯｘ)とを生成させる。そして、生成したフッ化水素及び硫黄酸化物を、アルカリ薬液を用いた湿式スクラバで吸収処理するのが一般的である。
このように、塩素及び六フッ化硫黄を除害するためにそれぞれ異なった除害プロセスが採用されているものの、各除害プロセスは、共に苛性ソーダやアンモニアなどのアルカリ薬剤を使用していることから、高濃度で且つ大量のアルカリ薬剤を排ガス処理装置の近くに用意しなければない。しかしながら、半導体の製造が行われるクリーンルーム環境下では、アルカリ薬剤による室内環境の汚染を回避しなければならず、アルカリ薬剤の貯蔵が非常に困難であるという問題があった。
そこで、このようなアルカリ薬剤を使用せず、効率的に排ガス中の塩素や六フッ化硫黄の分解生成物である硫黄酸化物を排ガス中から除去する技術として、薬液としてアルカリイオン水(還元性電解水)を使用する湿式スクラバを用い、排ガスをアルカリイオン水と気液接触させる技術が提案されている。
かかる技術によれば、薬液として苛性ソーダやアンモニアといったアルカリ薬液を使用することなく、排ガス中の塩素や硫黄酸化物等を吸収して無害化することができ、これら有害ガスの大気中への排出量を著しく低減することができる。
特開２０００−１５７８３０号公報
しかしながら、排ガス中の塩素や六フッ化硫黄の濃度が高い場合や排出される排ガスの量が多い場合、多量のアルカリイオン水が必要となり、そのためにはアルカリイオン水を製造する電解水製造装置を大型化しなければならず、設備費やランニングコストが著しく上昇するという問題があった。
また、上述のように、従来、排ガス中の塩素及び六フッ化硫黄はそれぞれ別個のプロセスで除害処理されていたが、これらを共に除害できる単一の排ガス処理方法の開発が望まれていた。
それゆえ、本発明の主たる課題は、薬液としてアルカリ薬液を使用することなく、排ガス中から塩素及び六フッ化硫黄を効率よく確実に除去することが可能な単一の排ガス処理方法とその装置を提供することである。
請求の範囲第１項に記載した発明は、「塩素又は六フッ化硫黄の少なくとも一方を含む排ガス(F)を清浄化する排ガス処理方法であって、排ガス(F)を高温下で水蒸気又は酸素の少なくとも一方と反応させた後、水洗し、水洗した排ガス(F)をさらにアルカリイオン水(A)に気液接触させる」排ガス処理方法である。
この発明では、先ず始めに塩素又は六フッ化硫黄の少なくとも一方を含む排ガス(F)を高温下で水蒸気又は酸素の少なくとも一方と反応させているので、排ガス(F)中の塩素は、水に溶け易い塩化水素或いは塩素酸化物に、また、排ガス(F)中の六フッ化硫黄は、水に溶け易いフッ化水素と中性の水では溶けにくい二酸化硫黄とに変換される。このため、これら生成物を含む排ガス(F)を水洗することによって排ガス(F)中の塩化水素或いは塩素酸化物の９０％以上、フッ化水素の殆ど及び二酸化硫黄の一部を排ガス(F)中から除去することができる。
そして、水洗した排ガス(F)をさらにアルカリイオン水(A)に気液接触させているので、排ガス(F)中に残留する塩素およびこの塩素に由来する成分或いは中性の水では溶けにくい二酸化硫黄をアルカリイオン水(A)でほとんど吸収し、排ガス(F)から除去することができる。
請求の範囲第２項に記載した発明は、請求の範囲第１項に記載の排ガス処理方法を実施可能な排ガス処理装置(10)に関するものであり、「排ガス(F)と水蒸気又は酸素の少なくとも一方とを高温下で反応させる反応炉(12)と、反応炉(12)で処理した排ガス(F)を水洗する水スクラバ(14)と、アルカリイオン水(A)を製造する電解水製造装置(16)と、水スクラバ(14)にて水洗された排ガス(F)に電解水製造装置(16)で製造したアルカリイオン水(A)を気液接触させる気液接触手段(18)とを備える」排ガス処理装置(10)である。
請求の範囲第３項に記載した発明は、請求の範囲第２項に記載の排ガス処理装置(10)において、「反応炉(12)が、常圧プラズマ(P)又は電熱ヒータのいずれか、あるいは燃焼炎を熱源としている」ことを特徴とするもので、常圧プラズマ(P)又は電熱ヒータのいずれかを熱源とする場合、電気と水だけで排ガス(F)中の塩素や六フッ化硫黄を安全なレベルまで確実に除去することができる。一方、燃焼炎を熱源とする場合、天然ガスなどの燃料を燃焼して燃焼炎を生成したときに排ガス(F)の分解によって生じる物質とは別に硫黄酸化物などの副生ガスを生じるが、このような副生ガスもアルカリイオン水(A)で吸収して排ガス(F)中から除去することができる。
本発明によれば、苛性ソーダなどのアルカリ薬液を用いることなく、従来はそれぞれ別個の方法で除害していた排ガス中の塩素及び六フッ化硫黄を単一の方法でＴＬＶ値以下にまで低減することができる。
また、排ガスの処理に際し、まず始めに、排ガスを高温下で水蒸気又は酸素の少なくとも一方と反応させた後水洗する。すなわち、排ガス中の塩素や六フッ化硫黄の大部分を水に溶け易い物質に変換した後、これらを水洗するようにしているので、この段階で排ガス中の塩素或いは六フッ化硫黄の大半を除去することができる。したがって、この後、水洗した排ガスに少量のアルカリイオン水を気液接触させるだけで排ガス中に残留する有害成分をほぼ完璧に排ガスから除去することができる。それ故、アルカリイオン水の量を著しく低減することができ、排ガス処理装置(より具体的にはアルカリイオン水の製造に用いる電解水製造装置)をコンパクトなものにすることができる。また、高濃度の塩素又は六フッ化硫黄を含む排ガスや大容量の排ガスであっても確実に除害処理することができる。
(10)…排ガス処理装置
(12)…反応炉
(12a)…反応筒
(12b)…プラズマジェットトーチ
(14)…水スクラバ
(14b)…スクラバ本体
(14c)…スプレーノズル
(16)…電解水製造装置
(18)…気液接触手段
(24)…排ガス送給配管
(26)…排気ファン
(28)…配水管
(28a)…枝配水管
(P)…常圧プラズマ
(R)…内部空間
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以下、本発明を図示実施例に従って詳述する。図１は、本発明の排ガス処理方法を実施する排ガス処理装置(10)の１の実施例を示す概略図である。この図が示すように、本実施例の排ガス処理装置(10)は、大略、反応炉(12)、水スクラバ(14)、電解水製造装置(16)および気液接触手段(18)で構成されている。
反応炉(12)は、半導体製造工程などから排出された塩素又は六フッ化硫黄の少なくとも一方を含む排ガス(F)を高温下で水蒸気或いは酸素と反応させるためのものであり、反応筒(12a)とプラズマジェットトーチ(12b)とを有する。ここで、排ガス(F)を水蒸気或いは酸素と反応させる際の温度条件としては、１０００℃以上の高温であることが好ましい。かかる温度条件であれば、六フッ化硫黄のフッ素と硫黄との結合を確実に切断することができると共に、排ガス(F)中にＣ2Ｆ6など他のＰＦＣｓが含まれていても、その大半を熱分解することができるからである。なお、排ガス(F)中にＰＦＣｓのうち分解が困難なＣＦ4が含まれている場合には少なくとも１,４００〜１,５００℃程度の高温が必要となる。また、温度条件の上限は反応炉(12)を構成する材料の耐熱性に依存する。
反応筒(12a)は、キャスタブルなどの耐火材料で形成され、内部空間(R)を有しており、両端が開口した直管型の部材である。本実施例では、この反応筒(12a)が水を貯留する水槽(20)の上に立設されており、反応筒(12a)の上端には、熱源となる常圧プラズマ(P)を生成するためのプラズマジェットトーチ(12b)が開口を閉塞するように取り付けられている。また、反応筒(12a)の上部には、反応筒(12a)の内部空間(R)に向けて排ガス(F)と水蒸気或いは酸素とを供給する排ガス送給配管(24)の一端が接続されている。
ここで、プラズマジェットトーチ(12b)とは、ノズルからなるアノードと前記アノード内に配設されたカソードとを有し、このアノードとカソードとの間に放電電圧を印加すると共に、アノード内に窒素などの作動ガスを送給することによって、アノード先端のプラズマジェット噴出孔から高温の常圧プラズマ(P)を噴出させるものである。
水スクラバ(14)は、反応炉(12)で処理した排ガス(F)を水洗するためのものであり、下端部に排ガス導入口(14a)が設けられ、図１中の下方から上方に向けて排ガス(F)が通流する直管型のスクラバ本体(14b)と、排ガス(F)の通流方向に対向するように上方から下方に向けて水を噴射する下向きのスプレーノズル(14c)とで構成されている。
この水スクラバ(14)も、反応筒(12a)と同様に水槽(20)上に立設されており、スプレーノズル(14c)から噴射された水が水槽(20)に送り込まれるようになっている。また、スクラバ本体(14b)の上部には、後述する気液接触手段(18)が取り付けられると共に、この気液接触手段(18)の頂部出口には、処理済みの排ガス(F)を大気中へと放出する排気ファン(26)が接続されている。
電解水製造装置(16)は、ｐＨが１１以上のアルカリ性で且つ酸化還元電位が−８００ｍＶ以下のアルカリイオン水(A)を製造する装置であり、選択透過膜(例えば陽イオン透過)を介して、Ｐｔ(白金)等からなる陽電極と同じくＰｔ等からなる陰電極とが対向配設された反応槽(図示せず)を有する。この反応槽に原水を供給して各電極に電力を供給することによってアルカリイオン水(A)が製造される。
本実施例では、アルカリイオン水(A)を製造するための原水として、ｐＨ４〜１０程度の市水をそのまま用いている。ここで、「市水」とは、上水道水や井戸水や工業用水など、市井の水道から簡単に入手できる水のことであり、通常、ナトリウムやカリウムなどの不純物イオンを含む。原水としてこのような市水を用いることによって、原水の確保および電解水製造装置(16)への供給を容易且つ簡便に行うことができる。なお、本実施例の排ガス処理装置(10)は、一端が上水道や井戸水など市井の水道に接続され他端がスプレーノズル(14c)に接続された配水管(28)を備えており、この配水管(28)から分枝した枝配水管(28a)を介して市水が電解水製造装置(16)に供給されるようになっている。
気液接触手段(18)は、スクラバ本体(14b)内の上部(排ガス(F)通流方向の下流側)に設けられ、排ガス(F)と電解水製造装置(16)で製造したアルカリイオン水(A)とを気液接触させるためのものであり、多孔質体充填層(18a)とアルカリイオン水滴下ノズル(18b)とを有する。
多孔質体充填層(18a)は、網目状の微細孔を有する活性炭や多孔質アルミナ或いは連続気泡を有する親水性のスポンジなどで構成された多孔質体(30)を充填して構成された層である。この多孔質体充填層(18a)は、排ガス(F)がスクラバ本体(14b)の内部空間を通流可能に仕切るように取り付けられており、また、アルカリイオン水滴下ノズル(18b)から滴下したアルカリイオン水(A)が一定期間、多孔質体充填層(18a)に滞留するようになっている。このため、排ガス(F)が多孔質体充填層(18a)を通過する際、多孔質体(30)の微多孔に含まれたアルカリイオン水(A)と排ガス(F)とを広い接触面積にて効率よく気液接触させることができる。
アルカリイオン水滴下ノズル(18b)は、多孔質体充填層(18a)の上方に設けられ、排ガス(F)通流方向に対向するようにアルカリイオン水(A)を滴下するものであり、ノズル本体(32)には、該ノズル本体(32)に電解水製造装置(16)で製造したアルカリイオン水(A)を供給する供給配管(34)が接続されている。
なお、本実施例では、気液接触手段(18)が多孔質体充填層(18a)とアルカリイオン水滴下ノズル(18b)とで構成されている場合を示したが、図２に示すように、多孔質体充填層(18a)に替えて、スクラバ本体(14b)の内部空間を区画する多孔板(36a)を取り付け、多孔板(36a)の孔の大きさと通過風量とをバランスさせて多孔板(36a)の上面にアルカリイオン水滴下ノズル(18b)から滴下したアルカリイオン水(A)を溜めるバブリング槽(36)を設けるようにしてもよい。また、図示しないが、水スクラバ(14)と同様に、排ガス(F)通流方向に対向するよう上方からアルカリイオン水(A)を噴射する下向きのスプレーノズルのみを設け、これを気液接触手段(18)とするようにしてもよい。但し、上述のように気液接触手段(18)を多孔質体充填層(18a)或いはバブリング槽(36)とアルカリイオン水滴下ノズル(18b)とで構成することによって、少ないアルカリイオン水(A)使用量であっても確実に排ガス(F)とアルカリイオン水(A)とを気液接触させることができる。
次に、以上のように構成された排ガス処理装置(10)を用いて排ガス(F)中の塩素や六フッ化硫黄を除去する方法について説明する。
まず、始めに排ガス処理装置(10)の電源(図示せず)をオンにしてプラズマジェットトーチ(12b)を作動させ、反応筒(12a)内に熱源となる常圧プラズマ(P)を噴出させる。
続いて、常圧プラズマ(P)の熱により、反応筒(12a)の内部空間(R)の温度が１０００℃以上の高温雰囲気になると、排気ファン(26)を作動させ、排ガス送給配管(24)を通して反応筒(12a)の内部空間(R)に排ガス(F)と水蒸気或いは酸素とを供給する。すると、反応筒(12a)内において、排ガス(F)中の塩素は、水に溶け易い塩化水素或いは塩素酸化物に、また、排ガス(F)中の六フッ化硫黄は、水に溶け易いフッ化水素と中性の水では溶けにくい二酸化硫黄とに変換される。
ここで、排ガス(F)と共に反応筒(12a)の内部空間(R)に水蒸気或いは酸素を添加する方法は、（ａ）排ガス(F)とは別ラインで調整した水蒸気或いは酸素を排ガス(F)と混合して排ガス送給配管(24)に供給する方法、（ｂ）排ガス(F)を水スクラバ(図示せず)で水洗して水溶性成分や粉塵等を除去すると共に排ガス(F)に水分を与え、この水分を含む排ガス(F)を(排ガス送給配管(24)を介して)反応筒(12a)の内部空間(R)に供給する方法など、如何なる方法であってもよい。但し、前記（ｂ）のように排ガス(F)を予め水スクラバで水洗して反応筒(12a)に与える方法であれば、反応筒(12a)に導入される排ガス(F)から水溶性成分や粉塵が除去されているので、以降の除害処理の際、粉塵等によるトラブルを防止することができる。
続いて、反応筒(12a)の内部空間(R)で処理された排ガス(F)は、排気ファン(26)の作動による負圧で水スクラバ(14)へと与えられ、この排ガス(F)に下向きのスプレーノズル(14c)から水が噴射される。すると、反応炉(12)で変換された塩素由来の成分(具体的には塩化水素或いは塩素酸化物)の９０％以上、六フッ化硫黄由来の成分のうちフッ化水素の殆ど及び二酸化硫黄の一部が水に吸収されて排ガス(F)中から除去される。具体的には、プラズマジェットトーチ(12b)として出力１５ｋＷ未満の小型電源を使用するものを用い、総流量１００リットル／分、うち塩素５００ｃｃ／分、六フッ化硫黄５００ｃｃ／分の排ガス(F)を処理した場合、水スクラバ(14)での水洗が完了した段階で排ガス(F)中の塩素および六フッ化硫黄由来成分の濃度はそれぞれ１００ｐｐｍ程度まで低減されている。
続いて、水スクラバ(14)で水洗された排ガス(F)は、多孔質体充填層(18a)を通過するが、その際、アルカリイオン水(A)と気液接触する。すると、排ガス(F)中に残留する塩素或いはこれに由来する成分(例えば塩素酸化物等)や中性の水では溶けにくい二酸化硫黄がアルカリイオン水(A)に吸収され、これらのほとんどが排ガス(F)中から除去される。具体的には、水スクラバ(14)通過後に１００ｐｐｍ程度残留していた塩素を０．１ｐｐｍ程度に、また、水スクラバ(14)通過後に１００ｐｐｍ程度残留していた六フッ化硫黄由来成分を０．２ｐｐｍ程度にまで低減することができる。
このように本実施例の排ガス処理装置(10)及び排ガス処理方法によれば、苛性ソーダなどのアルカリ薬剤を用いることなく、従来はそれぞれ別個の方法で除害していた排ガス(F)中の塩素や六フッ化硫黄を単一の方法でＴＬＶ値以下に低減することができる。
また、排ガス(F)の処理に際し、まず始めに、排ガス(F)を高温下で水蒸気又は酸素の少なくとも一方と反応させた後水洗する、すなわち、排ガス(F)中の塩素や六フッ化硫黄の大部分を水に溶け易い物質に変換した後、これらを水洗するようにしているので、この段階で排ガス(F)中の塩素或いは六フッ化硫黄の大半を除去することができる。したがって、この後、水洗した排ガス(F)に少量のアルカリイオン水(A)を気液接触させるだけで排ガス(F)中に残留する有害成分をほぼ完璧に排ガス(F)から除去することができる。それ故、アルカリイオン水(A)の量を著しく低減することができ、排ガス処理装置(10)(より具体的にはアルカリイオン水(A)の製造に用いる電解水製造装置(16))をコンパクトなものにすることができる。また、高濃度の塩素又は六フッ化硫黄を含む排ガス(F)や大容量の排ガス(F)であっても確実に除害処理することができる。
なお、本実施例では、気液接触手段(18)を水スクラバ(14)内に内蔵する場合を示したが、この気液接触手段(18)を水スクラバ(14)とは独立した別個のものとして設けるようにしてもよい。
また、本実施例では熱源として常圧プラズマ(P)を用いる場合を示しているが、反応筒(12a)の内部空間(R)を高温雰囲気にできるようなものであれば、この熱源は如何なるものであってもよく、例えば、電熱ヒータや天然ガス等の燃料を燃焼させて生成する燃焼炎などであってもよい。なお、熱源として常圧プラズマ(P)又は電熱ヒータのいずれかを用いた場合には、電気と水だけで排ガス(F)中の塩素や六フッ化硫黄を安全なレベルまで確実に除去することができる。一方、熱源として燃焼炎を用いた場合には、天然ガスなどの燃料を燃焼して燃焼炎を生成した際に、排ガス(F)の分解によって生じる物質とは別に硫黄酸化物などの副生ガスが生じるが、このような副生ガスもアルカリイオン水(A)で吸収して排ガス(F)中から除去することができる。
Claims (3)
- 塩素又は六フッ化硫黄の少なくとも一方を含む排ガスを清浄化する排ガス処理方法であって、
前記排ガスを高温下で水蒸気又は酸素の少なくとも一方と反応させた後、水洗し、
水洗した前記排ガスをさらにアルカリイオン水に気液接触させる排ガス処理方法。 - 排ガスと水蒸気又は酸素の少なくとも一方とを高温下で反応させる反応炉と、
前記反応炉で処理した排ガスを水洗する水スクラバと、
アルカリイオン水を製造する電解水製造装置と、
前記水スクラバにて水洗された排ガスに前記電解水製造装置で製造したアルカリイオン水を気液接触させる気液接触手段とを備える排ガス処理装置。 - 前記反応炉は、常圧プラズマ又は電熱ヒータのいずれか、あるいは燃焼炎を熱源としていることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の排ガス処理装置。
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