JPWO2008093442A1

JPWO2008093442A1 - ガス処理装置

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Publication number: JPWO2008093442A1
Application number: JP2008556002A
Authority: JP
Inventors: 加藤　利明; 利明加藤; 今村　啓志; 啓志今村
Original assignee: Kanken Techno Co Ltd
Current assignee: Kanken Techno Co Ltd
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2027-08-03
Also published as: TWI451900B; CN101541400A; CN104645779A; KR101411964B1; TW200900135A; KR20090104804A; JP5307556B2; WO2008093442A1

Abstract

管理が容易でメンテナンスの頻度が低く、かつ半導体製造プロセスなどの工業プロセスから排出される様々な種類の処理対象ガスを処理することのできる汎用性の高いガス処理装置を提供する。大気圧プラズマＰおよび大気圧プラズマＰに向けて供給される処理対象ガスＦを囲繞し、その内部にて処理対象ガスＦの熱分解を行う反応器１２を有するガス処理装置１０において、反応器１２には、その内面を水Ｗで覆うための水供給手段１６が設けられていることを特徴とする。かかる構成により、反応器１２の内面略全体にいわゆる「濡れ壁」が形成される。このため、処理対象ガスＦ中の固形成分が反応器１２の内面に接触して付着・堆積するのを防止することができると共に、該内面の劣化を遅延させることができる。

Description

本発明は、人体に有害なガス、地球温暖化ガス、オゾン層破壊ガスを含むガス、特に半導体や液晶等の製造プロセスから排出されるガスを分解処理する装置に関する。

現在、物を製造したり、処理したりする工業プロセスとして、多種多様のものが開発・実施されており、このような多種多様な工業プロセスから排出されるガス（以下、「処理対象ガス」という。）の種類も非常に多岐にわたっている。

このため、工業プロセスから排出される処理対象ガスの種類に応じて、様々な種類のガス処理方法およびガス処理装置が使い分けられている。

例えば、半導体製造プロセス一つを例にとっても、モノシラン（ＳｉＨ_４）、塩素ガス、ＰＦＣ（パーフルオロコンパウンド）など様々な種類のガスが使用されており、処理対象ガスにモノシランが含まれている場合には、熱分解式、燃焼式、吸着式あるいは化学反応式などの処理装置が使用され、処理対象ガスに塩素ガスが含まれている場合は、薬液を使った湿式や吸着式などの処理装置が使用され、処理対象ガスにＰＦＣが含まれている場合は、触媒式、熱反応式、熱分解式、燃焼式、プラズマ式のガス処理装置が使用されている。

このように工業プロセスから排出される様々な種類の処理対象ガスに応じてガス処理装置を逐一準備すると、ユーザーにとって装置の管理が複雑になるとともに、メンテナンスに要する時間やコストが増大する。このことが結果的に製品のコストにはね返り、製品のコスト競争力の低下を招いていた。

そこで、工業プロセスから排出される処理対象ガスには高温下で熱分解可能なものが多いことから、特許文献１に示すような熱分解式のガス処理装置、すなわち反応器内に大気圧プラズマを噴出させ、この大気圧プラズマに向けて処理対象ガスを供給して分解処理する装置を用いれば、少なくとも高温下で熱分解可能な処理対象ガスは、その種類にかかわらず１つの装置で分解処理できるようになる。
特開２０００−３３４２９４号公報

しかしながら、上述のようなガス処理装置を用いた場合、熱分解性の処理対象ガスのほとんどを分解処理できる（すなわち汎用性がある）ものの、処理対象ガスに伴って反応器内に進入する固形物や熱分解の際に反応器内で副生する固形成分が反応器内壁に付着・堆積したり、常時高温に曝される反応器の内面が短期間で劣化したりするようになるという問題があった。このため、従来の技術では、依然としてガス処理装置を頻繁に止めて反応器の掃除や交換等といったメンテナンスを行なわなければならず、製品コストの低減にも寄与していなかった。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みて開発されたものである。それゆえに本発明の主たる課題は、管理が容易でメンテナンスの頻度が低く、かつ半導体製造プロセスなどの工業プロセスから排出される様々な種類の処理対象ガスを処理することのできる汎用性の高いガス処理装置を提供することにある。

請求の範囲第１項に記載した発明は、「大気圧プラズマＰおよび大気圧プラズマＰに向けて供給される処理対象ガスＦを囲繞し、その内部にて処理対象ガスＦの熱分解を行う反応器１２を備えるガス処理装置１０において、反応器１２には、その内面を水Ｗで覆うための水供給手段１６が設けられている」ことを特徴とするガス処理装置１０である。

この発明では、反応器１２の内面を水Ｗで覆うための水供給手段１６が設けられているので、反応器１２の内面略全体にいわゆる「濡れ壁」が形成される。このため、処理対象ガスＦに伴って反応器１２内に固形成分が進入する場合や処理対象ガスＦを大気圧プラズマＰで熱分解する際に固形成分が副生する場合、これらの固形成分は、反応器１２の内面に付着する前に反応器１２の内面を覆う水Ｗと接触してこの水Ｗに溶解するか、または水Ｗとともに反応器１２外へと流される。それゆえ、反応器１２内に進入した、或いは反応器１２内で副生した固形成分が反応器１２の内面に接触して付着・堆積するのを防止することができる。

また、このような「濡れ壁」が形成されることによって、反応器１２の内面が直接高温に曝されるのを防止することができ、該内面の劣化を遅延させることができる。

また、ガス処理装置１０は、処理対象ガスＦの熱分解に大気圧プラズマＰを用いているので、電熱ヒータを用いる場合のように、該熱分解に際して反応器１２を予熱しておく必要がない。また、反応器１２の内面は常に水Ｗで覆われており反応器１２自身が高温にならないので、処理対象ガスＦの熱分解を終了する際に反応器１２を冷ます必要がない。したがって、この発明によれば、立ち上げ・立ち下げを瞬時に行うことのできるガス処理装置１０を提供することができる。

さらに、反応器１２の内面を覆う水Ｗは、大気圧プラズマＰからの熱を受けて気化し、気化した水（水蒸気）Ｗはさらに熱を受けて酸素と水素とに解離する。このようにして生成された酸素および水素は、反応器１２内において処理対象ガスＦと反応することにより、処理対象ガスＦの分解に寄与する。

なお、本明細書において、「大気圧プラズマＰ」とは、大気圧条件下で生成するプラズマのことであり、熱プラズマ、マイクロ波プラズマおよび火炎を含む広義のプラズマを意味する。

請求の範囲第２項に記載した発明は、請求の範囲第１項に記載のガス処理装置１０において、「内部で発生させた大気圧プラズマＰを反応器１２に供給するプラズマ発生装置１４を備えており、反応器１２には、プラズマ発生装置１４から供給された大気圧プラズマＰを反応器１２内に導入するためのプラズマ導入孔２６と、処理対象ガスＦを導入するための処理対象ガス導入孔２８とが互いに異なる位置に設けられている」ことを特徴とする。

この発明では、プラズマ発生装置１４の内部で大気圧プラズマＰを発生させた後、この大気圧プラズマＰを反応器１２のプラズマ導入孔２６を介して反応器１２内に導入するようになっている。また、大気圧プラズマＰと処理対象ガスＦとは、反応器１２において互いに異なる位置に設けられたプラズマ導入孔２６と処理対象ガス導入孔２８とからそれぞれ別個に反応器１２内へ導入されるので、処理対象ガスＦがプラズマ発生装置１４内を通過しない。

このように、大気圧プラズマＰをプラズマ発生装置１４の内部で発生させることにより、大気圧プラズマＰを発生させるための電極などを反応器１２の内部に設置する必要がなくなり、反応器１２の内部に設置された電極などが核となって上記固形成分が反応器１２の内部に付着・堆積することがない。

さらに、処理対象ガスＦがプラズマ発生装置１４内を通過しないので、大気圧プラズマＰを発生させる電極などが処理対象ガスＦと接触して腐食するおそれがない。

請求の範囲第３項に記載した発明は、請求の範囲第１項または第２項に記載のガス処理装置１０において、「反応器１２の前段には、処理対象ガスＦを水洗する前段湿式スクラバー１８が更に設けられている」ことを特徴とするもので、これにより、処理対象ガスＦ自体に多くの固形成分や水溶性成分が含まれているような場合、処理対象ガスＦを反応器１２に供給する前に当該処理対象ガスＦ中から固形成分や水溶性成分を除去することができ、反応器１２で処理すべき固形成分や水溶性成分の量を低減することができる。

請求の範囲第４項に記載した発明は、請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載のガス処理装置１０において、「反応器１２内または反応器１２に処理対象ガスＦを供給するガス供給路内の少なくとも一方に酸化性ガスまたは還元性ガスのいずれか一方を導入する分解助剤導入部６２をさらに備える」ことを特徴とする。

この発明では、反応器１２内またはガス供給路内の少なくとも一方に、分解助剤導入部６２を介して酸化性ガスまたは還元性ガスのいずれか一方を導入することができる。このため、酸化性ガスを導入した場合には、処理対象ガスＦを大気圧プラズマＰで熱分解するだけでなく、熱分解した処理対象ガスＦを酸化させることができ、これにより熱分解後の処理対象ガスＦを無害な成分へと変換することができる。つまり、処理対象ガスＦの除害効率を高めることができる。

一方、還元性ガスを導入した場合には、処理対象ガスＦの除害効率を高めることができるとともに、大気圧プラズマＰの作動ガスや空気などに由来する窒素が高温の反応器１２内で酸素と結合することにより生じる窒素酸化物（ＮＯｘ）を分解して無害な窒素と水とに変換することができる。

請求の範囲第５項に記載した発明は、請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載のガス処理装置１０において、「水供給手段１６または前段湿式スクラバー１８で使用する水Ｗの少なくとも一方にアンモニアを供給するアンモニア供給装置６４をさらに備える」ことを特徴とするものである。

この発明では、水供給手段１６または前段湿式スクラバー１８で使用する水Ｗの少なくとも一方に添加したアンモニアが高温の反応器１２内に導入されたときに気化し、この気化したアンモニアが還元性ガスとして、上述したように、処理対象ガスＦの除害に寄与するとともに窒素酸化物を分解する。

請求の範囲第６項に記載した発明は、請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載のガス処理装置１０において、「反応器１２から排出された熱分解処理後の排ガスＧを水洗する後段湿式スクラバー２２が設けられている」ことを特徴とするもので、これにより、処理対象ガスＦを熱分解した際に発生する水溶性成分や固形成分を排ガスＧ中から水洗・除去できるので、熱分解後の排ガスＧをより清浄な状態で大気中へと排出することができる。

請求の範囲第７項に記載した発明は、請求の範囲第３項ないし第６項のいずれかに記載のガス処理装置１０において、「前段湿式スクラバー１８の入口側とガス処理装置１０出口側に設けられた排気ファン５４の入口側とを繋ぐ常閉のバイパス配管５６と、排気ファン５４の入口側に接続され、ブリーザー弁５８を介して反応器１２から排出された熱分解処理後の排ガスＧの流路に大気を導入する大気導入配管６０とが設けられている」ことを特徴とするもので、これにより、反応器１２内で何らかのトラブルが発生した場合には、処理対象ガスＦをバイパス配管５６に通流させるとともに、ブリーザー弁５８を全開にして排ガスＧの流路に多量の大気を導入することで、処理対象ガスＦを安全な濃度にまで希釈して緊急避難的に排出することができる。

請求の範囲第８項に記載した発明は、請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載のガス処理装置１０において、「水供給手段１６に供給する水Ｗを貯留すると共に、反応器１２の内面を流れた水Ｗが回収される水タンク２０と、水タンク２０に貯留された水Ｗの温度を測定する水温計４６と、水温計４６からの水温信号を受けて、水タンク２０に貯留された水Ｗの水温が一定となるように制御する水温調整手段とを有する」ことを特徴とする。

反応器１２の内面に「濡れ壁」を形成した後、水タンク２０に回収される水Ｗは反応器１２の内面を流れる際に温められて温水（或いは加熱されて熱水）となる。このため、水タンク２０の水温は徐々に上昇することになる。

ところで、水供給手段１６から反応器１２の内面に供給される水Ｗの温度が高い場合、反応器１２内面に供給された水Ｗが（大気圧プラズマＰの熱を吸収して）すぐに蒸発してしまい反応器１２内面の略全体に「濡れ壁」を形成することができなくなる。

そこで、この発明では、水タンク２０に貯留された水Ｗの温度が一定となるように制御する「水温調整手段」を設けているので、水供給手段１６から反応器１２の内面に供給する水Ｗの温度を一定に保つことができ（つまり、水供給手段１６から反応器１２の内面に供給する水Ｗの温度が上昇するのを抑えることができ）、この結果、常に反応器１２内面の略全体に「濡れ壁」を形成することができる。

請求の範囲第１項から第８項に係る発明によれば、反応器の内面略全体にいわゆる「濡れ壁」を形成できるので、反応器内に進入した、或いは反応器内で副生した固形成分が反応器の内面に接触して付着・堆積するのを防止することができる。したがって、固形成分が反応器の内面に付着せず、かつ内面を劣化させることのない、管理が容易でメンテナンスの頻度が低いガス処理装置を提供することができる。

また、請求の範囲第２項に係る発明によれば、固形成分が反応器の内部に付着・堆積することをさらに効果的に防止することができる。加えて、大気圧プラズマＰを発生させる電極などが処理対象ガスと接触して腐食することを防止できる。

また、請求の範囲第３項〜第６項に係る発明によれば、処理対象ガスの種類にかかわらず、その全てにおいて除害効率を高めることができる。

さらに、請求の範囲第７項に係る発明によれば、ガス処理装置に何らかのトラブルが発生した場合でも、処理対象ガスを安全な濃度にまで希釈して緊急避難的に排出することができる。

また、請求の範囲第８項に係る発明によれば、水供給手段から反応器の内面に供給する水の温度を一定に保つことができるので、常に反応器内面の略全体に「濡れ壁」を形成することができ、反応器内面に固形成分が付着・堆積するのをより一層効果的に防止できると共にその劣化を防止することができる。

以上のように、本発明によれば、管理が容易でメンテナンスの頻度が低く、かつ半導体製造プロセスなどの工業プロセスから排出される様々な種類の処理対象ガスを処理することのできる汎用性の高いガス処理装置を提供することができる。

本発明の一実施例（溢流式水供給）のガス処理装置を示す構成図である。本発明の他の実施例（分解助剤ガス導入）のガス処理装置を示す構成図である。本発明の他の実施例（アンモニア添加）のガス処理装置を示す構成図である。本発明の他の実施例（スプレー式水供給）のガス処理装置を示す構成図である。本発明の他の実施例（ガスバーナー）のガス処理装置を示す構成図である。

符号の説明

１０…ガス処理装置
１２…反応器
１２ａ…外筒
１２ｂ…内筒
１４…プラズマ発生装置
１６…水供給手段
１８…前段湿式スクラバー
２０…水タンク
２２…後段湿式スクラバー
２４…水貯留部
３６…水供給配管
３８…ポンプ
４０…枝配管
４２…排水管
４４…熱交換器
４６…水温計
４８…水供給配管
５０…新水供給配管
５２…流量調整装置
５４…排気ファン
５６…バイパス配管
５８…ブリーザー弁
６０…大気導入配管
６２…分解助剤導入部
６４…アンモニア供給装置
６６…スプレーノズル
Ｐ…プラズマジェット
Ｆ…排ガス
Ｇ…作動ガス
Ｓ…（反応筒管壁内の）空間

以下、本発明を図示実施例にしたがって説明する。図１は本実施例のガス処理装置１０の概要を示した構成図である。この図が示すように、本実施例のガス処理装置１０は、大略、反応器１２、プラズマ発生装置１４、水供給手段１６、前段湿式スクラバー１８、水タンク２０および後段湿式スクラバー２２などで構成されている。

反応器１２は、後述するプラズマ発生装置１４で発生させた大気圧プラズマＰと処理対象ガスＦとを囲繞し、その内部にて処理対象ガスＦを熱分解するための装置であり、具体的には、両端面が閉塞され、水タンク２０上に立設された円筒状の外筒１２ａと、外筒１２ａの内側に収容され、外筒１２ａよりも小径で且つ両端面が開放されると共に、軸方向一方端部（上端部）が外筒１２ａの上端面との間に隙間を形成するように配置され、軸方向他方端部（下端部）が外筒１２ａの下端面を貫通して水タンク２０内に延出する円筒状の内筒１２ｂとで構成された二重管である。

この反応器１２の外筒１２ａ内周面と内筒１２ｂ外周面との間に形成された空間には、反応器１２（より具体的には内筒１２ｂ）の内面に沿って流す水Ｗを一時的に貯留する水貯留部２４が形成されている。

また、外筒１２ａの上端面には、その中心にプラズマ導入孔２６が設けられていると共に、該プラズマ導入孔２６の周辺に１又は複数（図1に示す実施例では２つ）の処理対象ガス導入孔２８が設けられている。

また、水タンク２０内に延出した内筒１２ｂの下部には熱分解処理後の処理対象ガスＦ（すなわち排ガスＧ）を内筒１２ｂの内側から外側に向けて排出する排ガス排出孔３０が設けられている。

プラズマ発生装置１４は、高温の大気圧プラズマＰを生成する電極を内部に備えるプラズマトーチ１４ａと、プラズマトーチ１４ａの電極に電位を印加する直流電源１４ｂと、プラズマトーチ１４ａに作動ガスを供給する作動ガス供給装置１４ｃとで構成されている。

プラズマトーチ１４ａは、プラズマ導入孔２６から内筒１２ｂの内部に向けて大気圧プラズマＰを噴射できるように外筒１２ａの上端外面中央部に取り付けられている。

直流電源１４ｂは、プラズマトーチ１４ａの内部に設けられた一対の電極に所定の放電電圧を印加して電極間にプラズマアークを発生させるものである。本実施例では、いわゆるスイッチング方式の電源装置を使用している。

作動ガス供給装置１４ｃは、プラズマトーチ１４ａに窒素や水素、あるいはアルゴンなどの作動ガスを送給するものであり、作動ガスを貯蔵する貯蔵タンク（図示せず）、およびこの貯蔵タンクとプラズマトーチ１４ａとを連通する作動ガス供給配管３２を有する。

本実施例の作動ガス供給装置１４ｃには、作動ガス供給配管３２に質量流量制御手段３４が設けられている。この質量流量制御手段３４は、作動ガス供給配管３２を通じてプラズマトーチ１４ａに供給する作動ガスの量を一定に制御するものである。

水供給手段１６は、内筒１２ｂの内面に沿って水Ｗを流すための手段であって、本実施例では、上述した水貯留部２４、水タンク２０と水貯留部２４とを連通する水供給配管３６および水タンク２０に貯められた水Ｗを水貯留部２４に供給するポンプ３８で構成されている。つまり、水タンク２０の水Ｗを水貯留部２４に供給し、内筒１２ｂの上端から水Ｗをオーバーフローさせることによって、これらが内筒１２ｂの内面に沿って水Ｗを流す水供給手段１６として機能する。

前段湿式スクラバー１８は、処理対象ガス発生源に接続された排ガスダクト（図示せず）より供給される処理対象ガスＦに水を噴霧して当該処理対象ガスＦ中から固形成分や水溶性成分を水洗除去するものであり、一端が前記排ガスダクトに接続され、他端が処理対象ガス導入孔２８に直結された直管形のスクラバー本体１８ａと、スクラバー本体１８ａ内部に設置され、水Ｗなどの薬液を噴霧するスプレーノズル１８ｂとで構成されている。また、スプレーノズル１８ｂには、水供給配管３６から分枝した枝配管４０が接続されており、これによりスプレーノズル１８ｂに水タンク２０の水Ｗが供給されるようになっている。

本実施例では、前段湿式スクラバー１８を反応器１２の上端面に形成された処理対象ガス導入孔２８に直結し、スプレーノズル１８ｂから噴霧した水Ｗが反応器１２内部に供給されるようになっている。こうすることにより前段湿式スクラバー１８から反応器１２に至るまでの流路や処理対象ガス導入孔２８に処理対象ガスＦ中の固形成分が付着・堆積するのを確実に防止することができる。

また、前段湿式スクラバー１８が２系統設けられているが、こうすることにより、例えば、１つのプロセスでモノシランなどの可燃性ガスとＮＦ₃などの支燃性ガスとが排出される場合において、混合することによって爆発等を引き起こす危険性があるこれらのガスをそれぞれ別系統の前段湿式スクラバー１８で安全に処理することができる。

なお、本実施例では、排ガスダクトと前段湿式スクラバー１８とで処理対象ガスＦのガス供給路が形成されているが、処理対象ガス発生源から供給される処理対象ガスＦが粉塵を含有しないあるいは粉塵の含有量が少ない場合には、当該前段湿式スクラバー１８を省略するようにしてもよい。また、枝配管４０にバルブ（図示せず）を取り付けることにより、スプレーノズル１８ｂから噴霧するスプレー水Ｗの量を調整するとともに、スプレー水Ｗが不要の場合は、枝配管４０を閉止することができる。

水タンク２０は、内筒１２ｂの内面に流す水Ｗなどを貯留する矩形箱状の水槽であり、この水タンク２０には、排水管４２、熱交換器４４および水温計４６が取り付けられている。

排水管４２は、水タンク２０の基準水面位置に対応する水タンク２０の壁面に接続されたパイプであり、基準水面位置における水タンク２０の水貯留容量を超える余剰水は、排水管４２を通って系外に排出される。したがって、水タンク２０内の水位は基準水面位置よりも高くならない。なお、水タンク２０に反応器１２を取り付けた状態で、水タンク２０内の基準水面位置は、内筒１２ｂの下端面と内筒１２ｂの下部に設けられた排ガス排出孔３０との間に位置するように設定されている。これにより、反応器１２と後述する後段湿式スクラバー２２とが水タンク２０を介して連通するようになっている。

熱交換器４４は、水タンク２０に貯留された水Ｗを冷却する装置であり、本実施例では、耐腐食性を有する管を曲げるなどして形成された蛇管式の熱交換器４４が水タンク２０の底面と基準水面位置との間に配設されている。

水温計４６は、水タンク２０内に貯留された水Ｗの温度を測定するものであり、本実施例に係る水温計４６には、測定した水温信号を後述する流量調整装置５２に送信する機能が付与されている。

後段湿式スクラバー２２は、処理対象ガスＦを熱分解した際に発生する水溶性成分や固形成分を排ガスＧ中から水洗・除去する装置であり、直管形のスクラバー本体２２ａと、スクラバー本体２２ａ内に配設された２つのスプレーノズル２２ｂ，２２ｃと、穿孔プレート２２ｄとを有する。

この後段湿式スクラバー２２は、水タンク２０の上面に立設されており、２つのスプレーノズル２２ｂ，２２ｃから噴霧された水Ｗが、水タンクに戻されるようになっている。

本実施例では、スクラバー本体２２ａ内に２つのスプレーノズル２２ｂ，２２ｃが垂直方向に間隔を隔てて設置されており、下段に設置されたスプレーノズル２２ｂには、前段湿式スクラバー１８のスプレーノズル１８ｂに水Ｗを供給する枝配管４０から分枝した水供給配管４８が接続されている。したがって、下段に設置されたスプレーノズル２２ｂからは、水タンク２０からポンプ３８で汲み上げられた水Ｗが噴霧される。また、上段に設置されたスプレーノズル２２ｃには、新水供給配管５０を介して新水が供給されている。なお、本明細書において新水とは、水タンク２０で貯留された後にポンプ３８で反応器１２などに供給される水Ｗ、つまり本発明に係るガス処理装置１０内で循環使用される水Ｗとは異なり、外部からガス処理装置１０に供給される水をいい、市水や工業用水などの使用目的を問わない。

また、新水を供給する新水供給配管５０には、新水の供給量を調整する流量調整装置５２が取り付けられており、この流量調整装置５２は、上述した水温計４６からの水温信号を受信し、水タンク２０内の水温が予め設定された水温（本実施例の場合には３０℃）に等しくなるようにスプレーノズル２２ｃに供給する新水の量を調整している。したがって、本実施例では、上述した熱交換器４４、新水供給配管５０、流量調整装置５２およびスプレーノズル２２ｃが協働することにより「水温調整手段」として機能している。

穿孔プレート２２ｄは、スクラバー本体２２ａ内部空間の全面を横切るように取り付けられた板状の部材であり、その表面には排ガスＧを通流させるための小さなガス通流孔が多数穿設されている。なお、この穿孔プレート２２ｄとしては、パンチングメタルや網などが好適である。

後段湿式スクラバー２２の頂部出口は、処理済みの排ガスＧを大気中へ放出する排気ファン５４を介して排気ダクト（図示せず）に接続されている。

また、前段湿式スクラバー１８の入口側と排気ファン５４の入口側とが常閉のバイパス配管５６によって繋がれており、さらに、排気ファン５４の入口側には、ブリーザー弁５８を介して反応器１２から排出された熱分解処理後の排ガスＧの流路に大気を導入する大気導入配管６０が接続されている。

これにより、反応器１２内で何らかのトラブルが発生した場合には、バイパス配管５６を常閉しているバイパスバルブ５６ａを全開にして処理対象ガスＦをバイパス配管５６に通流させると共に、ブリーザー弁５８を全開にして排ガスＧの流路に多量の大気を導入することで、処理対象ガスＦを安全な濃度にまで希釈して緊急避難的に排出することができる。

次に、図１に示したガス処理装置１０を用いて処理対象ガスＦを分解する際には、まず作動ガス供給装置１４ｃを作動させ、質量流量制御手段３４によって流量を制御しつつ、作動ガスを貯蔵タンクからプラズマトーチ１４ａに送給する。

そして、ポンプ３８を作動させて水タンク２０に貯留された水Ｗを反応器１２の水貯留部２４、前段湿式スクラバー１８および後段湿式スクラバー２２に供給する。これにより、水貯留部２４に満たされた水Ｗが内筒１２ｂの上端から内筒１２ｂの内面に溢流し、この溢流した水Ｗが内筒１２ｂの内面に沿って図中下方向に流れて内筒１２ｂの内面略全体にいわゆる「濡れ壁」を形成する。「濡れ壁」を形成した水Ｗの内、大気圧プラズマＰの熱によって気化した分を除いて水タンク２０に戻り、再びポンプ３８によって反応器１２などに供給される。

内筒１２ｂの内面に「濡れ壁」が形成された後、直流電源１４ｂを作動させることによってプラズマトーチ１４ａの電極間に電圧を印加し、プラズマ導入孔２６から大気圧プラズマＰを噴出させる。

大気圧プラズマＰが噴出されると同時に、反応器１２内は処理対象ガスＦを熱分解可能な温度となるので、処理対象ガスＦの発生源から排ガスダクトを経由して供給される処理対象ガスＦを前段湿式スクラバー１８に導入し、水洗する。これにより、処理対象ガスＦ自体に含まれている固形成分や水溶性成分が水Ｗに吸着しあるいは溶解することにより、当該処理対象ガスＦ中から除去される。なお、処理対象ガスＦ自体に含まれている固形成分や水溶性成分が少ない場合は、前段湿式スクラバー１８における水洗を省略してもよい。

続いて、前段湿式スクラバー１８で水洗した処理対象ガスＦは、処理対象ガス導入孔２８を通って反応器１２の内部に導かれた後に大気圧プラズマＰに向けて供給され、大気圧プラズマＰの熱により熱分解される。

ここで、処理対象ガスＦの種類が例えばモノシランなどのケイ素化合物を含む場合、処理対象ガスＦを熱分解すると二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）等の固形成分が生成される。この固形成分は、反応器における内筒の表面に付着・堆積する性質を持っているが、本実施例に係るガス処理装置１０では、内筒１２ｂの内面に沿って水Ｗを流すことにより内筒１２ｂの内面略全体に「濡れ壁」を形成しているので、当該固形成分は、内筒１２ｂの内面に付着する前に内筒１２ｂの内面に沿って流れる水Ｗと接触して当該水Ｗに溶解するか、または当該水Ｗとともに反応器１２外へと流される。

続いて、大気圧プラズマＰの熱によって熱分解され、反応器１２の内筒１２ｂに設けられた排ガス排出孔３０から水タンク２０の内部に排出された排ガスＧは、水タンク２０の上面と水面との間に形成された空間を通り、水タンク２０の上面に立設された後段湿式スクラバー２２に導入される。

本実施例に係るガス処理装置１０が備える後段湿式スクラバー２２には、上述したように、上下２段にスプレーノズル２２ｂ，２２ｃが設置されており、後段湿式スクラバー２２に導入された排ガスＧ中に残存する固形成分や水溶性成分は、これらスプレーノズル２２ｂ，２２ｃから噴霧された水に吸着あるいは溶解して当該排ガスＧから除去される。

そして、後段湿式スクラバー２２を通過した排ガスＧは、（場合によっては）排気ファン５４の手前において、大気導入配管６０よりブリーザー弁５８を介して導入された空気が混入された後、排気ファン５４を介して排気ダクトに送給されて系外に放出される。

本実施例によれば、処理対象ガスＦに伴って反応器１２内に固形成分が進入する場合や処理対象ガスＦを大気圧プラズマＰで熱分解する際に固形成分が副生する場合、これらの固形成分は、内筒１２ｂの内面に付着する前に内筒１２ｂの内面に沿って流れる水Ｗと接触して当該水Ｗに溶解するか、または当該水Ｗとともに水タンク２０へと流される。それゆえ、反応器１２内に進入した、或いは反応器１２内で副生した固形成分が内筒１２ｂの内面に接触して付着・堆積するのを防止することができる。

また、上述したように内筒１２ｂの内面に沿って水Ｗを流し、内筒１２ｂの内面略全体に「濡れ壁」を形成することによって、内筒１２ｂの内面が直接高温に曝されるのを防止することができ、該内面の劣化を遅延させることができる。

さらに、内筒１２ｂの内面に沿って流れる水Ｗは、大気圧プラズマＰからの熱を受けて気化し、気化した水（水蒸気）Ｗはさらに熱を受けて酸素と水素とに解離する。このようにして生成された酸素および水素は、反応器１２内において処理対象ガスＦと反応することにより、処理対象ガスＦの分解に寄与する。

したがって、反応器１２内に進入した、或いは反応器１２内で副生した固形成分が内筒１２ｂの内面に接触して付着・堆積するのを防止することができる。これにより、固形成分が内筒１２ｂの内面に付着せず、かつ内面を劣化させることのない、管理が容易でメンテナンスの頻度が低いガス処理装置１０を提供することができる。

また、本実施例では、プラズマ発生装置１４の内部で大気圧プラズマＰを発生させた後、反応器１２のプラズマ導入孔２６を介してこの大気圧プラズマＰを反応器１２内に導入するようになっている。また、大気圧プラズマＰと処理対象ガスＦとは、反応器１２において互いに異なる位置に設けられたプラズマ導入孔２６と処理対象ガス導入孔２８とからそれぞれ反応器１２内に導入されるので、処理対象ガスＦがプラズマ発生装置１４内を通過しない。

また、本実施例では、水温調整手段により水タンク２０に貯留された水Ｗの温度が一定となるように制御されている。このため、内筒１２ｂの内面に沿って流す水Ｗ（水供給手段１６から反応器１２内に供給される水Ｗ）の温度が上昇するのを抑えることができ、大気圧プラズマＰの熱によって当該水Ｗの全てが蒸発して内筒１２ｂの内面が露出することがなく、より確実に内筒１２ｂの内面の略全体に「濡れ壁」を形成することができる。

なお、上述の実施例では、大気圧プラズマＰとして、熱プラズマを用いる場合を示したが、この大気圧プラズマＰとしてマイクロ波プラズマや火炎を用いるようにしてもよい。

また、プラズマ発生装置１４には大気圧プラズマを発生させることができればどのようなタイプのプラズマ発生装置１４を使用してもよいが、本実施例のように、プラズマ発生装置１４のプラズマトーチ１４ａに「非移行型」のプラズマトーチを用いることが好適である。

すなわち、プラズマトーチのタイプには大略「非移行型」と「移行型」とがあり、「非移行型」とは、本実施例のプラズマ発生装置１４のように、電極間で発生させたプラズマを所望の方向に噴射させるタイプのプラズマトーチをいう。一方、「移行型」とは、電極間でのみプラズマを形成するタイプのプラズマトーチをいう。このため、「非移行型」のプラズマトーチであれば、上述したように電極を反応器１２内に設置することなく反応器１２内に大気圧プラズマを供給することができる。しかし、「移行型」のプラズマトーチでは、必ず一方の電極を反応器１２内に設置しなければならないので、「反応器１２の内部に設置された電極などが核となって固形成分が反応器１２の内部に付着・堆積することがなく、また、電極などが処理対象ガスＦと接触して腐食するおそれがない」という上記効果を奏することができない。

また、後段湿式スクラバー２２の上段に設置されたスプレーノズル２２ｃのみに新水を供給する場合を示したが、水タンク２０の水温上昇が速く、スプレーノズル２２ｃからの新水のみでは水タンク２０内の水温制御が困難な場合には、後段湿式スクラバー２２の下段に設置されたスプレーノズル２２ｂにも新水を供給するようにしてもよい。

本実施例に係るガス処理装置１０を用いて処理対象ガスＦの熱分解を行った。プラズマの直流電圧は１００Ｖ程度で直流電流を６０Ａで常時放電とした。このとき、作動ガスとしての窒素ガスの流量は、２５Ｌ（リットル）／ｍｉｎ程度となった。

このような条件の下で１００Ｌ／ｍｉｎの窒素にＳｉＨ_４を１Ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３を５Ｌ／ｍｉｎおよびＮＦ_３を１Ｌ／ｍｉｎ含む処理対象ガスを２つの前段湿式スクラバー１８のそれぞれに導入し、分解処理を行った。その結果、排気ファン５４の出口で測定したＳｉＨ_４濃度、ＮＨ_３濃度、ＮＦ_３濃度はいずれも検知限界の１ｐｐｍ以下であった。

次に、本発明に係る第２実施例について、図２に基づいて説明する。第２実施例は、上述した第１実施例と比較して、反応器の内部に処理対象ガスの分解助剤として酸化性ガスあるいは還元性ガスを導入するための分解助剤導入部６２をさらに備えている点が異なっている。そこで、以下ではこの分解助剤導入部６２についてのみ説明し、第２実施例に係る他の部分についての構成および作用効果については、第１実施例における記載を援用することとする。

分解助剤導入部６２は、分解助剤を貯蔵する分解助剤貯蔵タンク６２ａ、分解助剤を反応器１２の内部に導入する分解助剤導入ノズル６２ｂおよび分解助剤貯蔵タンク６２ａと分解助剤導入ノズル６２ｂとを連通する分解助剤導入配管６２ｃを備えている。なお、本実施例では、反応器１２の外筒１２ａから水貯留部２４および内筒１２ｂを貫通するようにして分解助剤導入ノズル６２ｂが取り付けられている。

このような分解助剤導入部６２を用いて酸化性ガスを導入した場合には、処理対象ガスＦを大気圧プラズマＰで熱分解するだけでなく、熱分解した処理対象ガスＦを酸化させることができ、これにより熱分解後の排ガスＧを無害な成分へと変換することができる。つまり、処理対象ガスＦの除害効率を高めることができる。

例えば、処理対象ガスＦが以下のようなガスである場合、酸化性ガスとして酸素を反応器１２に導入することによって処理対象ガスＦを反応器１２の内部で酸化させて無害な水や二酸化炭素に変換することができる。
［化１］
ＳｉＨ₄＋Ｏ₂→ＳｉＯ₂＋Ｈ₂Ｏ
［化２］
Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄＋６Ｏ₂→ＳｉＯ₂＋２ＣＯ₂＋１０Ｈ₂Ｏ
［化３］
２ＰＨ₃＋５Ｏ₂→２Ｈ₃ＰＯ₅
［化４］
Ｂ₂Ｈ₆＋３Ｏ₂→２Ｈ₃ＢＯ₃
［化５］
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂

また、ＰＦＣガスの場合は、酸化性ガスとして水を導入することにより、処理対象ガスＦを以下のように分解することができる。
［化６］
ＣＦ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４ＨＦ
［化７］
２Ｃ₂Ｆ₆＋６Ｈ₂Ｏ＋Ｏ₂→４ＣＯ₂＋１２ＨＦ
［化８］
２ＮＦ₃＋３Ｈ₂Ｏ→６ＨＦ＋ＮＯ＋ＮＯ₂
［化９］
ＳＦ₆＋４Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂ＳＯ₄＋６ＨＦ

一方、還元性ガスを導入した場合には、処理対象ガスＦの除害効率を高めることができる。例えば、還元性ガスとして水素やアンモニアを導入することにより、以下のとおりＮＦ₃を分解することができる。
［化１０］
ＮＦ₃＋３Ｈ₂→３ＨＦ＋ＮＨ₃
［化１１］
ＮＦ₃＋ＮＨ₃→Ｎ₂＋３ＨＦ

また、半導体製造プロセスの１つであるＣＶＤ（化学気相成長）プロセスにおいて、シリコン酸化膜の形成に使用されるＮ₂Ｏ（亜酸化窒素）も同様に分解することができる。
［化１２］
Ｎ₂Ｏ＋Ｈ₂→Ｎ₂＋Ｈ₂Ｏ
［化１３］
３Ｎ₂Ｏ＋２ＮＨ₃→４Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ

さらに、化８に示したようにＮＦ₃を処理する場合、あるいは大気圧プラズマＰの熱による高温下で、水や空気に含まれている酸素と、空気や作動ガスなどに含まれている窒素とが反応して窒素酸化物が発生する。分解助剤として還元性ガスを導入することにより、この窒素酸化物を分解して無害な窒素と水とに変換することができる。
［化１４］
ＮＯ＋ＮＯ₂＋３Ｈ₂→Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ
［化１５］
ＮＯ＋ＮＯ₂＋２ＮＨ₃→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ

なお、上述の例では、反応器１２の外筒１２ａから水貯留部２４および内筒１２ｂを貫通するようにして分解助剤導入ノズル６２ｂを取り付け、反応器１２内に直接、酸性ガス又は還元性ガスのいずれか一方を導入する場合を示したが、分解助剤導入ノズル６２ｂを処理対象ガス導入孔２８近傍や前段湿式スクラバー１８などに取り付け、処理対象ガスＦのガス供給路にこれらのガス（すなわち分解助剤）を導入するようにしてもよい。また、反応器１２内とガス供給路の両方に分解助剤のガスを導入するようにしてもよい。

第２実施例に係るガス処理装置１０を用いて、水素を１０Ｌ／ｍｉｎまたはアンモニアガスを７Ｌ／ｍｉｎ反応器１２に導入すると、第１実施例において排気ファン５４の出口で１００ｐｐｍ程度発生していた窒素酸化物濃度がＮＯで１０ｐｐｍ、ＮＯ_２で１ｐｐｍに低下した。

また、５０Ｌ／ｍｉｎの窒素にＣＦ_４を２００ｃｃ／ｍｉｎ含むガスと、ＣＯ５００ｃｃ／ｍｉｎとを混合して２つの前段湿式スクラバー１８のそれぞれに導入し、分解処理を行った。さらに、空気を分解助剤として５Ｌ／ｍｉｎ導入した。その結果、排気ファン５４の出口で測定したＣＦ_４の分解率は９８％、ＣＯの濃度は、０．５ｐｐｍであった。

次に、本発明に係る第３実施例について、図３に基づいて説明する。第３実施例は、上述した第１実施例と比較して、前段湿式スクラバー１８で使用する水Ｗにアンモニアを供給するアンモニア供給装置６４をさらに備えている点が異なっている。そこで、以下ではこのアンモニア供給装置６４についてのみ説明し、第３実施例に係る他の部分についての構成および作用効果については、第１実施例における記載を援用することとする。

アンモニア供給装置６４は、アンモニアを貯蔵するアンモニア貯蔵タンク６４ａ、アンモニア貯蔵タンク６４ａと枝配管４０とを連通するアンモニア供給配管６４ｂおよびアンモニア供給配管６４ｂに取り付けられ、アンモニア貯蔵タンク６４ａ内のアンモニアを枝配管４０内に供給するアンモニア供給ポンプ６４ｃを備えている。

このようなアンモニア供給装置６４を用いて前段湿式スクラバー１８で噴霧される水Ｗにアンモニアを添加することにより、アンモニアは、当該水Ｗが高温の反応器１２内に導入されたときに気化し、この気化したアンモニアが第２実施例で述べたように還元性ガスとして処理対象ガスＦの除害に寄与するとともに窒素酸化物を分解することができる。

なお、上述の例では、前段湿式スクラバー１８で噴霧される水Ｗにアンモニアを添加する場合を示したが、これに替えて、或いはこれと共に水供給手段１６にアンモニアを添加するようにしてもよい。

第３実施例に係るガス処理装置１０を用いて、前段湿式スクラバー１８に送る水Ｗに、２５％のアンモニア水を１０ｃｃ／ｍｉｎ添加した。これにより、気化したアンモニアが還元ガスとして作用し、窒素酸化物の発生を抑えた。排気ファン５４の出口濃度はＮＯで２５ｐｐｍ、ＮＯ_２で１ｐｐｍであった。

本発明に係る第４実施例は、図４に示すように、水供給手段１６の他の例として複数のスプレーノズル６６を用いることを特徴としている。本実施例では、内筒１２ｂの内周部に４つのスプレーノズル６６が取り付けられており、それぞれのスプレーノズル６６には、水供給配管３６が接続されている。これにより、水タンク２０に貯留された水Ｗはポンプ３８を介してそれぞれのスプレーノズル６６に供給されてスプレーノズル６６から噴射される。噴射された水Ｗは、対向する内筒１２ｂの内面に到達して「濡れ壁」を形成する。

本発明に係る第５実施例は、図５に示すように、大気圧プラズマＰとして火炎を用いる場合であり、第１実施例におけるプラズマ発生装置１４に代えて火炎発生装置６８を用いることを特徴としている。

火炎発生装置６８は、プロパンガスを燃焼させて大気圧プラズマＰの１つである火炎を発生させる装置であり、ガスバーナー６８ａと、プロパンガス供給装置６８ｂと、ガスバーナー６８ａに燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給装置６８ｃとで構成されている。

プロパンガス供給装置６８ｂは、ガスバーナー６８ａに燃料であるプロパンガスを供給するものであり、プロパンガスを貯蔵するプロパンガス貯蔵タンク（図示せず）、およびこのプロパンガス貯蔵タンクとガスバーナー６８ａとを連通するプロパンガス供給配管７０を有する。

また、燃焼用空気供給装置６８ｃは、ガスバーナー６８ａに燃焼用空気を供給するものであり、燃焼用空気供給ファン（図示せず）、およびこの燃焼用空気供給ファンとガスバーナー６８ａとを連通する燃焼用空気供給ダクト７２を有する。

また、本実施例のプロパンガス供給装置６８ｂには、プロパンガス供給配管７０に質量流量制御手段７４が設けられている。この質量流量制御手段７４は、プロパンガス供給配管７０を通じてガスバーナー６８ａに供給するプロパンガスの量を制御するもので、例えば、反応器１２の内部温度を検出する温度計（図示せず）からの温度信号に基づいて、ガスバーナー６８ａに供給するプロパンガスの量を制御するマスフローコントローラである。

さらに、燃焼用空気供給装置６８ｃには、燃焼用空気供給ダクト７２に質量流量制御手段７６が設けられている。この質量流量制御手段７６は、燃焼用空気供給ダクト７２を通じてガスバーナー６８ａに供給する燃焼用空気の量を制御するものであり、例えば、反応器１２の内部温度を検出する温度計（図示せず）からの温度信号に基づいて、ガスバーナー６８ａに供給する燃焼用空気の量を制御するマスフローコントローラである。

なお、本発明に係るガス処理装置は、半導体プロセスからの処理対象ガスＦに限らず、ＬＣＤプロセス、ＭＥＭＳ製造プロセスからの処理対象ガスＦおよび冷媒用フロンの分解処理などにも用いることができる。

Claims

大気圧プラズマおよび前記大気圧プラズマに向けて供給される処理対象ガスを囲繞し、その内部にて前記処理対象ガスの熱分解を行う反応器を備えるガス処理装置において、
前記反応器には、その内面を水で覆うための水供給手段が設けられていることを特徴とするガス処理装置。
内部で発生させた前記大気圧プラズマを前記反応器に供給するプラズマ発生装置を備えており、
前記反応器には、前記プラズマ発生装置から供給された前記大気圧プラズマを前記反応器内に導入するためのプラズマ導入孔と、前記処理対象ガスを導入するための処理対象ガス導入孔とが互いに異なる位置に設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のガス処理装置。
前記反応器の前段には、前記処理対象ガスを水洗する前段湿式スクラバーが更に設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のガス処理装置。
前記反応器内または前記反応器に前記処理対象ガスを供給するガス供給路内の少なくとも一方に酸化性ガスまたは還元性ガスのいずれか一方を導入する分解助剤導入部をさらに備える、請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載のガス処理装置。
前記水供給手段または前記前段湿式スクラバーで使用する水の少なくとも一方にアンモニアを供給するアンモニア供給装置をさらに備える、請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載のガス処理装置。
前記反応器から排出された熱分解処理後の排ガスを水洗する後段湿式スクラバーが設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載のガス処理装置。
前記前段湿式スクラバーの入口側と前記ガス処理装置出口側に設けられた排気ファンの入口側とを繋ぐ常閉のバイパス配管と、
前記排気ファンの入口側に接続され、ブリーザー弁を介して前記反応器から排出された熱分解処理後の排ガスの流路に大気を導入する大気導入配管とが設けられていることを特徴とする請求の範囲第３項ないし第６項のいずれかに記載のガス処理装置。
前記水供給手段に供給する水を貯留すると共に、前記反応器の内面を流れた水が回収される水タンクと、
前記水タンクに貯留された水の温度を測定する水温計と、
前記水温計からの水温信号を受けて、前記水タンクに貯留された水の水温が一定となるように制御する水温調整手段とを有することを特徴とする請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載のガス処理装置。