KR100341955B1 - 가스 스크러버 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화학 공정 등에 사용된 후 배출되는 폐가스를 청정 공기로 정화시키기 위한 가스 스크러버 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 가스 스크러버 시스템은 화학 공정에서 발생하는 고온 연소성 폐가스를 도입하여 열에 의해 산화시키며, 폐가스 도입구, 중앙 연소실, 폐가스 배출구 및 중앙 연소실을 둘러싸는 히터 엘리먼트를 갖는 고온 연소 장치와; 물을 전기분해한 분해가스를 발생시키는 전기분해 장치와; 폐가스 도입구의 중앙에서 하방을 향하여 설치되고, 전기분해 장치로부터의 분해가스를 중앙 연소실 내로 분사하는 분해가스 분사노즐을 포함한다.

Description

가스 스크러버 시스템{GAS SCRUBBER SYSTEM}
본 발명은 화학 공정 등에 사용된 후 배출되는 폐가스를 청정 공기로 정화시키기 위한 가스 스크러버 시스템에 관한 것이다.
화학 공정이나 반도체 제조 등에서 배출되는 폐가스는 유독성, 폭발성 및 부식성이 강하기 때문에 인체에 위해를 가할 뿐만 아니라, 폐가스가 대기 중으로 배출될 경우에는 환경 오염을 유발시키게 되므로, 이러한 폐가스는 허용 농도 이하로 정화시켜 배출시켜야 한다.
이와 같은 폐가스의 정화에는 가스 스크러버가 사용되고 있으며, 가스 스크러버에는 연소 방식과, 웨트 방식(wet type), 그리고 흡착 방식, 촉매 방식 등이 있다. 가스 스크러버는 효율성을 고려하여 히터 엘리먼트의 가열에 의해 폐가스를 산화시킨 후 웨트 챔버를 지나게 하는 연소 방식과 웨트 방식을 병용한 것이 보편화되어 있다.
그러나, 상기한 바와 같은 가스 스크러버는 히터 엘리먼트에 의해서 고온을 유지시키기가 매우 어렵기 때문에 폐가스의 정화에 한계를 가지며, 효율이 크게 떨어지는 문제가 있었다. 즉, 히터 엘리먼트의 구동에 의해 고온이 유지되지 못할 경우에는 폐가스의 산화가 완전하게 수행되지 못하며, 이로 인하여 가스 스크러버에 의해 정화된 공기 중에 오염 물질이 포함되는 문제가 있었다.
또한, 히터 엘리먼트의 구동에 의해 고온을 유지시킬 경우에는 히터 엘리먼트의 열선이 열화에 의해 쉽게 단선될 뿐만 아니라, 히터 엘리먼트의 컨트롤러 등이 히트 페이드(heat fade)에 의해 성능이 저하되거나 고장나게 된다. 이러한 히터 엘리먼트의 사용은 가스 스크러버의 운전 및 유지에 치명적인 단점이 되고 있었다.
한편, 강한 산성의 특성을 갖는 HF, Cl2, HCl 등과 같은 산화가스에 의해 가스 스크러버의 부식이 발생하는 것에 따른 대책이 요구되고 있으며, 한번 사용된 물을 그대로 배수시키고 있기 때문에 물의 사용량이 많아져 폐수의 발생량이 증가하게 된다. 이러한 폐수는 별도의 폐수 처리 설비에 의해 정화시켜야 하는 문제가 남게 되므로, 가스 스크러버의 운전 및 유지 비용이 상승되어 비효율적이고 비경제적인 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 폐가스를 청정 공기로 완전히 정화시킬 수 있도록 한 가스 스크러버 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 운전 및 유지가 경제적이고 효율적인 가스 스크러버 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 물의 순환 사용으로 폐수의 발생량이 감소되도록 한 가스 스크러버 시스템을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 스크러버 시스템에서 고온 연소 장치를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 가스 스크러버 시스템에서 전기분해 장치의 배관도,
도 3은 본 발명에 따른 가스 스크러버 시스템에서 전기분해 장치의 가스 발생 유닛을 나타낸 사시도이다.
♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣
10: 고온 연소 장치 12: 중앙 연소실
34: 히터 엘리먼트 40: 분해가스 분사노즐
50: 전기분해 장치 60: 가스 발생 유닛
62: 플레이트 전극 64: 절연 가스킷
70: 습식 청정 장치 72: 세척조
76: 저수조 90: 공기 공급 장치
92: 에어노즐 100: 분무 장치
110: 중화제 공급 장치 120: 배기관
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 화학 공정에서 발생하는 고온 연소성 폐가스를 도입하여 열에 의해 산화시키며, 폐가스 도입구, 중앙 연소실, 폐가스 배출구 및 중앙 연소실의 온도를 고온으로 유지시킬 수 있도록 그 주위를 둘러싸는 히터 엘리먼트를 갖는 고온 연소 장치와; 물을 전기분해한 분해가스를 발생시키는 전기분해 장치와; 폐가스 도입구의 중앙에서 하방을 향하여 설치되고, 전기분해 장치로부터의 분해가스를 중앙 연소실 내로 분사하여 자연 발화하도록 하는 분해가스 분사노즐을 포함하는 가스 스크러버 시스템에 있다.
또한, 고온 연소 장치의 폐가스 배출구를 통하여 배출되는 산화가스에 물을 분무하여 산화가스를 냉각시킴과 동시에 산화가스 속의 파우더 및 수용성 성분을 물에 용해시키는 습식 청정 장치를 더 포함하는 것에 있다. 그리고, 고온 연소 장치는 히터 엘리먼트의 외주에 부착되는 단열재와, 이 단열재의 외주에 소정의 간격을 두고 냉각수 흐름 통로를 제공하는 아웃터 케이스 및 인너 케이스와, 히터 엘리먼트의 내주에 부착되는 세라믹 관으로 구성되는 것에 있다.
이하, 본 발명에 따른 가스 스크러버 시스템에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 가스 스크러버 시스템을 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.
먼저, 도 1를 참조하여 설명하면, 본 발명의 가스 스크러버 시스템의 고온 연소 장치(10)는 수직한 중앙 연소실(12)을 가지며, 중앙 연소실(12)은 아웃터 케이스(14)의 내부에 소정의 간격을 두고 떨어져 설치되는 인너 케이스(16)와, 이 인너 케이스(16)의 내주에 설치되는 단열재(18)로 구성된다. 그리고, 중앙 연소실(12)의 아웃터 케이스(14)와 인너 케이스(16) 사이에 형성되는 공간에는 냉각수(20)를 공급하여 단열 효과를 얻을 수 있다.
또한, 중앙 연소실(12)의 상부에 폐가스가 유입되는 폐가스 도입구(30)가 연결되고 하부에는 산화가스가 배출되는 폐가스 배출구(32)가 연결된다. 이 폐가스배출구(32)의 단면적은 산화가스의 배출이 원활해지도록 출구를 향하여 점진적으로 좁아지게 형성된다. 단열재(18)의 내주에 히터 엘리먼트(34)가 설치되며, 히터 엘리먼트(34)의 안쪽에 내열성 및 내식성이 우수한 세라믹 관(36)이 설치된다. 세라믹 관(36)은 폐가스의 연소시 발생되는 열로부터 히터 엘리먼트(34)를 보호해 주는 것은 물론, 산화가스에 의한 중앙 연소실(12)의 부식을 방지해 주게 된다. 중앙 연소실(12)의 상부에 중앙 연소실(12)의 온도를 감지하는 온도 센서(38)가 장착되고, 중앙 연소실(12)의 상부 중앙에는 분해가스 분사노즐(40)이 하방을 향하여 설치된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 고온 연소 장치(10)의 분해가스 분사노즐(40)에는 전기분해 장치(50)로부터 분해 가스가 공급된다. 전기분해 장치(50)는 피드백 탱크(52)와 펌프(54), 탱크(56)를 거쳐 공급되는 물을 전기분해에 의해 분해 가스로 생성시키는 가스 발생 유닛(60)을 갖추고 있다. 피드백 탱크(52)는 물을 적정한 유량으로 공급해 주며, 펌프(54)의 구동에 의해 공급되는 물은 탱크(56)에 저장되었다가 가스 발생 유닛(60)에 적정하게 공급된다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 가스 발생 유닛(60)은 다수의 플레이트 전극(62)들이 절연 가스킷(64)들의 개재에 의해 소정의 간격으로 떨어져 적층되며, 플레이트 전극(62)들과 절연 가스킷(64)들은 볼트(66)에 의해 체결되고, 플레이트 전극(62)들 각각에는 물 유입 구멍(62a)과 가스 배출 구멍(62b)이 동축선상에 위치되도록 형성된다. 플레이트 전극(62)들의 물 유입 구멍(62a)은 탱크(56)와 연결되어 물을 공급받으며, 가스 배출 구멍(62b)에는 분해가스 분사노즐(40)이 연결된다.절연 가스킷(64)들의 내측에는 누설이 방지되도록 환상의 실드(68)가 장착된다.
따라서, 플레이트 전극(62)들의 물 유입 구멍(62a)을 통하여 탱크(56)의 물을 공급한 후, 플레이트 전극(62)들중 양쪽에 위치한 플레이트 전극(62)들에 전원을 인가시키게 되면, 물 유입 구멍(62a)들을 통하여 공급되는 물이 전기분해되면서 분해 가스, 즉 수소와 산소가 생성된다. 이 수소와 산소는 플레이트 전극(62)들의 가스 배출 구멍(62b)을 통하여 배출된 후, 분해가스 분사노즐(40)을 통하여 고온 연소 장치(10)의 중앙 연소실(12)로 공급된다.
도 2를 다시 참조하여 설명하면, 분해가스 분사노즐(40)과 가스 발생 유닛(60) 사이에는 고온 연소 장치(10)의 이상으로 화염이 역행하는 것을 방지해 주는 역화 방지 탱크(58)가 설치된다. 역화 방지 탱크(58)에는 적정한 양의 물을 저장할 수 있도록 펌프(54)와 가스 발생 유닛(60)이 각각 연결되며, 역화 방지 탱크(58)를 지난 분해 가스는 밸브 장치의 조절에 의해 적정한 양으로 분해가스 분사노즐(40)으로 공급된다. 도면에서, 전기분해 장치(50)의 탱크(56)와 가스 발생 유닛(60)은 2개가 채용된 것을 나타냈으나, 탱크(56)와 가스 발생 유닛(60)의 숫자는 적절하게 변경할 수 있다. 상기한 전기분해 장치(50)의 배관을 구성하는 각종 밸브 장치와 배관 부속품, 계측기 등은 일반적인 것이므로 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 고온 연소 장치(10)의 폐가스 배출구(32)는 습식 청정 장치(70)의 상부 한쪽에 연결되며, 습식 청정 장치(70)는 세척조(72)를 갖추고 있다. 세척조(72)의 상부 한쪽에 물을 공급하기 위한 급수관(74)이 연결되고,세척조(72)의 하부에는 저수조(76)가 설치된다. 세척조(72)와 저수조(76) 각각은 내식성 및 내산성이 우수한 스테인레스를 소재로 제작한 후 그 내면에 내산성이 우수한 내산 도료, 예를 들어 테플론을 도장한다.
또한, 세척조(72)의 한쪽 중앙과 저수조(76)의 상부는 일수관(78)에 의해 연결되고, 이 일수관(78)에 의해 세척조(72)의 물이 저수조(76)로 회수된다. 세척조(72)의 하부와 저수조(76)의 상부는 수동 밸브(80)를 통하여 연결되며, 저수조(76)의 하부에는 배수관(82)이 연결된다. 세척조(72)와 저수조(76) 각각의 바닥에는 공기 공급 장치(90)로부터 공급되는 공기를 분사시켜 공기 방울을 발생시키는 에어노즐(92)이 설치되고, 저수조(76)의 한쪽에 수소 이온의 농도를 측정하는 수소 이온 농도 센서(94)가 설치된다. 저수조(76)의 물은 분무 장치(100)에 의해 세척조(72)와 연결되는 고온 연소 장치(10)의 폐가스 배출구(32)를 통하여 배출되는 산화가스에 분무된다. 이때, 분문 장치(100)는 벤튜리 원리에 의해 물을 분무시켜 주게 된다. 세척조(72)의 한쪽에는 중화제 공급 장치(110)가 연결된다. 중화제 공급 장치(110)에 의해 세척조(72)로 공급하는 중화제는 수산화 칼륨을 사용하는 것이 바람직하며, 수산화 칼륨은 물을 중화시켜 수소 이온 농도를 적정하게 유지시켜 주게 된다. 중화제 공급 장치(110)의 구동은 수소 이온 농도 센서(94)의 측정에 따라 제어할 수 있다.
한편, 세척조(72)의 상부에는 폐가스 배출구(32)와 반대쪽에 위치되어 정화 가스를 배기시키는 배기관(120)이 수직하게 연결되고, 배기관(120)의 내부에 배기되는 정화 가스 속의 수분을 제거하는 데미스터(122)와 멤브레인(124)이 각각 장착된다. 그리고, 배기관(120)의 상부에 청정 공기의 온도를 감지하는 온도 센서(126)와 압력을 감지하는 압력 센서(128)가 각각 장착되며, 온도 센서(126)의 상부에는 샘플링 포트(130)가 형성된다. 이 샘플링 포트(130)을 통하여 청정 공기의 샘플을 채취하여 필요한 검사를 수행할 수 있다.
지금부터는 본 발명에 따른 가스 스크러버 시스템에 대한 작동을 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 고온 연소 장치(10)에 의한 일련의 정화 과정을 설명하면, 고온 연소 장치(10)의 중앙 연소실(12)에 폐가스 도입구(30)를 통하여 고온 연소 처리에 적합한 고온 연소성 폐가스, 예를 들어 NF3, CF6, C2F6, SF6, CHF3등이 유입되면, 히터 엘리먼트(34)가 구동되어 폐가스를 가열하게 된다. 또한, 전기분해 장치(50)의 가스 발생 유닛(60)에 의해 생성된 분해 가스는 물이 저장되어 있는 역화 방지 탱크(58)를 지나 분해가스 분사노즐(40)을 통하여 중앙 연소실(12)로 공급된다.
이와 같은 분해 가스의 생성을 도 2 및 도 3에 의거하여 구체적으로 살펴본다. 물이 피드백 탱크(52)와 펌프(54), 탱크(56)를 지나 플레이트 전극(62)의 물 유입 구멍(62a)에 공급된 후, 플레이트 전극(62)들중 양쪽에 위치한 플레이트 전극(62)들에 전원을 인가시키게 되면, 플레이트 전극(62)들의 물 유입 구멍(62a)에 공급된 물이 수소와 산소로 분해되면서 분해 가스가 생성된다. 그리고, 분해 가스는 플레이트 전극(62)들의 가스 배출 구멍(62b)을 통하여 배출된 후, 역화 방지 탱크(58)를 지나 분해가스 분사노즐(40)을 통하여 고온 연소 장치(10)의 중앙 연소실(12)에 공급된다. 여기에서, 가스 발생 유닛(60)은 다수의 플레이트 전극(62)들이 절연 가스킷(64)들의 개재에 의해 소정의 간격으로 적층되어 구성되므로, 플레이트 전극(62)들 각각에 의해 전기분해되는 분해 가스는 충분한 양으로 공급할 수 있다.
도 1을 다시 참조하여 설명하면, 히터 엘리먼트(34)의 구동에 의해 중앙 연소실(12)의 내부 온도는 대략 750℃ 정도로 올라가게 된다. 이러한 과정에서 분해 가스 속의 수소는 중앙 연소실(12)의 내부 온도가 대략 580℃ 정도에 이를 때 자연 발화되어 연소된다. 따라서, 중앙 연소실(12)의 내부 온도는 대략 1200℃ 정도의 고온으로 올라가게 되므로, CF4, C2F6, SF6, CHF3, NF3등과 같은 폐가스가 효율적으로 연소된다.
이와 같이 히터 엘리먼트(34)의 구동에 의해 폐가스를 가열시키면서 전기분해 장치(50)로부터 공급되는 분해 가스를 원료로 폐가스를 고온에서 완전 연소시키기 때문에 폐가스의 처리 효율이 높아지게 된다. 뿐만 아니라, 히터 엘리먼트(34)의 열선이 단선되거나 히트 페이드 현상에 의한 성능 저하 및 고장이 방지되어 가스 스크러버 시스템의 신뢰성이 향상된다. 또한, 물의 전기분해에 의해 비교적 경제적으로 생성시킬 수 있는 분해 가스의 사용으로 인하여 가스 스크러버 시스템의 운전 및 유지가 경제적이고 효율적으로 이루어지게 된다.
계속해서, 고온 연소 장치(10)의 중앙 연소실(12)에서 연소된 산화가스가 폐가스 배출구(32)를 통하여 습식 청정 장치(70)의 세척조(72)로 배출된다. 이때, 폐가스 배출구(32)는 상단에서 하단을 향하여 점진적으로 좁아지게 형성되어 있기 때문에 산화가스의 배출은 원활하게 유지된다.
또한, 세척조(72)로 배출되는 산화가스에는 분무 장치(100)의 구동에 의해 물이 분무되어 산화가스를 냉각 및 중화시켜 주게 된다. 그리고, 분무되는 물에 의해 산화가스 속의 수용성 가스가 용해됨과 아울러 분진, 예를 들어 산화가스 속의 파우더가 제거된다. 이와 병행하여 중화제 공급 장치(110)로부터 공급되는 수산화 칼륨은 세척조(72)의 물을 중화시켜 수소 이온 농도를 적정하게 유시시켜 주게 된다.
본 발명의 습식 청정 장치(70)는 세척조(72)의 물이 일수관(78)을 통하여 저수조(76)로 배수되어 저수되고, 저수조(76)의 물은 분무 장치(100)의 구동에 의해 다시 세척조(72)로 분무되는 순환 유로를 형성하기 때문에 물의 사용량을 최소화시킬 수 있다. 이 결과, 폐수의 방출량도 감소되어 가스 스크러버 시스템의 운전 및 유지가 경제적이고 효율적으로 이루어지게 된다.
한편, 세척조(72)와 저수조(76) 각각의 바닥에 설치되어 있는 공기 공급 장치(90)의 에어노즐(92)를 통하여 분사되는 공기에 의해 생성되는 공기 방울은 세척조(72)와 저수조(76) 각각의 바닥에 물 속의 파우더가 침전되는 것을 방지해 주게 된다. 저수조(76)의 물은 배수관(82)을 통하여 배수시킨 후, 세척조(72)의 급수관(74)을 통하여 깨끗한 물을 급수하는 것에 의해 물의 오염도를 적정한 수준으로 유지시킬 수 있다.
이와 같이 습식 청정 장치(70)를 거치면서 정화된 정화 가스는 배기관(120)을 통하여 대기 중으로 배기된다. 이때, 배기관(120)의 데미스터(122)와 멤브레인(124)에 의해 정화 가스 속의 습기가 제거되어 청정 공기로 배기된다.
상기한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 적용 범위는 이와 같은 것에 한정되는 것은 아니며 동일 사상의 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다. 예를 들어 본 발명의 실시예에 나타난 각 구성 요소의 형상 및 구조는 변형하여 실시할 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 가스 스크러버 시스템에 의하면, 폐가스를 종류에 따라 고온 연소 장치와 습식 청정 장치에 의해 청정 공기로 완전히 정화시킬 수 있는 것이다. 또한, 전기분해 장치의 전기분해에 의해 얻어지는 분해 가스를 고온 연소 장치의 연료로 사용하는 것은 물론, 물의 순환 사용으로 물의 사용량을 줄일 수 있으며, 폐수의 발생량이 감소되는 등 운전 및 유지가 경제적이고 효율적으로 이루어지는 것이다. 뿐만 아니라, 부식 및 고장 등이 효과적으로 방지되어 신뢰성 및 안전성의 경쟁 우위를 확보할 수 있는 것이다.

Claims (3)

  1. 화학 공정에서 발생하는 고온 연소성 폐가스를 도입하여 열에 의해 산화시키며, 폐가스 도입구, 중앙 연소실, 폐가스 배출구 및 상기 중앙 연소실의 온도를 고온으로 유지시킬 수 있도록 그 주위를 둘러싸는 히터 엘리먼트를 갖는 고온 연소 장치와;
    물을 전기분해한 분해가스를 발생시키는 전기분해 장치와;
    상기 폐가스 도입구의 중앙에서 하방을 향하여 설치되고, 상기 전기분해 장치로부터의 분해가스를 상기 중앙 연소실 내로 분사하여 자연 발화하도록 하는 분해가스 분사노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러버 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고온 연소 장치의 폐가스 배출구를 통하여 배출되는 산화가스에 물을 분무하여 산화가스를 냉각시킴과 동시에 산화가스 속의 파우더 및 수용성 성분을 물에 용해시키는 습식 청정 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 가스 스크러버 시스템.
  3. 제 1 항 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고온 연소 장치는, 상기 히터 엘리먼트의 외주에 부착되는 단열재와, 이 단열재의 외주에 소정의 간격을 두고 냉각수 흐름 통로를 제공하는 아웃터 케이스 및 인너 케이스와, 상기 히터 엘리먼트의 내주에 부착되는 세라믹 관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합 가스 스크러버 시스템.
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