KR100647997B1 - 폐가스 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

건습식 폐가스 처리장치가 개시된다. 유입되는 폐가스를 버닝챔버로 유입하는 매니폴드; 매니폴드 내부에 설치되며, 연소가스와 공기를 유입시켜 점화하는 버너; 버너로부터 점화된 화염을 이용하여 매니폴드로부터 유입되는 폐가스를 연소처리 또는 열분해하며, 화염에 의한 고열의 전달을 차단하고 외부로부터 불활성가스가 유입되는 미세 다공들을 측벽에 형성하여 연소처리 또는 열분해된 폐가스의 파우더가 증착되지 않도록 하는 브리딩 벽(breathing wall)이 그 내부에 설치되는 버닝챔버; 다운스트림으로 버닝챔버로부터 유입되는 폐가스에 물을 분사하여 정제 및 냉각하는 정제/냉각유닛; 정제된 폐가스를 응축하는 응축유닛; 진행통로를 연장하는 패킹 스택과 패킹 스택 위에 물을 분사하는 스프레이 노즐로 이루어지는 수처리 모듈이 적어도 하나 이상 설치되어 업스트림으로 응축유닛으로부터 유입되는 폐가스를 처리하는 수처리탑; 및 응축유닛으로부터 응축된 폐수와 수처리탑으로부터 처리된 폐수를 유입받아 처리하는 폐수 처리조를 포함한다.
수처리, 다공성, 파우더, 증착, 부식, 효율, 번-웨트

Description

폐가스 처리 장치{Waste gas treatment system}
도 1은 본 발명에 따른 폐가스 처리장치를 보여주는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 버너를 상세하게 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 정제/냉각유닛의 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 폐가스 처리장치에 의한 NF3 가스의 처리효율을 설명하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 폐가스 처리장치에 의한 NH3의 수처리 효율을 보여주는 그래프이다.
본 발명은 건습식 폐가스 처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폐가스에 포함된 파우더에 의한 버닝챔버의 막힘을 개선하고 수용성 가스의 처리효율을 향상시킨 폐가스 처리장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스는 산화, 식각, 증착 및 포토 공정 등 다양한 제조 공정을 거쳐서 제조되며, 이들 공정에는 유독성 화공 약품 및 화학 가스가 공급되어서 이용된다. 예를 들어 실란, 암모니아, 산화질소, 아르신, 포시핀, 디보론, 보론 트리클로라이드와 같은 화학 가스가 이용된다.
이들 화학가스들은 독성이 강해서 공정에 이용된 후 그대로 대기로 방출될 경우 인체에 치명적인 영향을 미치거나 자연발화에 따른 화재가 발생되거나 또는 환경문제를 발생시킬 가능성이 있다.
이러한 문제들을 해결하기 위하여 다양한 형태의 폐가스 처리장치들이 제안되고 있다.
그러나, 종래의 건습식 폐가스 처리장치에서 건식유닛은 폐가스에 의한 부식과 파우더의 증착이 우선적으로 해결되어야 하고, 마찬가지로 습식유닛은 파우더의 증착 방지와 수처리 효율의 향상이 실현되어야 한다는 목표가 항상 존재하여 왔다.
따라서, 본 발명은 이러한 요구에 대응하여 제안되는 것으로, 본 발명의 목적은 효율적으로 폐가스를 처리하고, 폐가스에 의한 장치내 유닛들의 부식과 파우더의 증착을 최소화한 폐가스 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적들과 특징 및 이점은 이하에 서술되는 실시예를 통하여 보다 명확하게 이해될 것이다.
본 발명에 따르면, 유입되는 폐가스를 버닝챔버로 유입하는 매니폴드; 매니폴드 내부에 설치되며, 연소가스와 공기를 유입시켜 점화하는 버너; 버너로부터 점화된 화염을 이용하여 매니폴드로부터 유입되는 폐가스를 연소처리 또는 열분해하며, 화염에 의한 고열의 전달을 차단하고 외부로부터 불활성가스가 유입되는 미세 다공들을 측벽에 형성하여 연소처리 또는 열분해된 폐가스의 파우더가 증착되지 않도록 하는 브리딩 벽(breathing wall)이 그 내부에 설치되는 버닝챔버; 다운스트림으로 버닝챔버로부터 유입되는 폐가스에 물을 분사하여 정제 및 냉각하는 정제/냉각유닛; 정제된 폐가스를 응축하는 응축유닛; 진행통로를 연장하는 패킹 스택과 패킹 스택 위에 물을 분사하는 스프레이 노즐로 이루어지는 수처리 모듈이 적어도 하나 이상 설치되어 업스트림으로 응축유닛으로부터 유입되는 폐가스를 처리하는 수처리탑; 및 응축유닛으로부터 응축된 폐수와 수처리탑으로부터 처리된 폐수를 유입받아 처리하는 폐수 처리조를 포함하는 건습식 폐가스 처리장치가 개시된다.
이러한 구성에 의하면, 폐가스에 의한 장치내 유닛들의 부식과 파우더의 증착을 최소화할 수 있고, 1차 연소 또는 열분해와 2차 수처리를 통하여 효율적으로 폐가스를 처리할 수 있다.
바람직하게, 버너의 외측으로부터 일정한 간극을 형성하여 감싸는 실드를 더 포함하고, 이 간극에 다운스트림으로 불활성 가스가 공급될 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 버너 내부로부터 매니폴드의 내부공간으로 전달되는 열을 차단하게 되어 폐가스에 포함된 파우더의 증착을 최소화할 수 있고, 이에 따 라 폐가스에 의한 버너의 부식을 방지할 수 있다.
바람직하게, 브리딩 벽은 다공성 세라믹을 포함한다.
또한, 정제/냉각유닛은 버닝챔버와 연통되며, 측벽에 수막이 형성되고 측벽의 서로 다른 높이에 각각 노즐이 설치되어 미세한 물입자를 분무한다.
이러한 구성에 의하면, 정제/냉각유닛의 측벽에 파우더가 증착되지 않도록 함으로써 부식성 가스로부터 정제/냉각유닛의 측벽을 보호한다.
정제/냉각유닛과 수처리탑 사이의 응축유닛 부분은 동심상의 이중관으로 구성되어 내측관을 통하여 처리된 가스가 수처리탑으로 이동하고, 외측관을 통하여 냉각수가 통과한다.
바람직하게, 폐수 처리조의 내부에는 열교환기가 설치될 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 폐수 처리조 내의 물의 온도를 적정하게 유지함으로써 리싸이클링(recycling)이 가능해진다.
또한, 수처리 모듈을 통과한 후, 배기덕트로 배출되기 전에 건조한 외기를 공급하여 건조시키는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 의하면, 배기덕트의 부식을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 폐가스 처리장치를 보여주는 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 폐가스 처리장치는 크게 버너(110), 매니폴드 (120) 및 버닝챔버(burning chamber)로 이루어지는 건식유닛(100)과 정제/냉각유닛(210), 응축유닛(220) 및 수처리탑(230)으로 이루어지는 습식유닛(200)으로 구성된다.
건식유닛(100)은 유입되는 폐가스를 연소시켜 열분해 가능한 가스나 연소 가 가능한 가스를 처리하며, 습식유닛(200)은 수용성 가스를 처리한다.
열분해 가능한 가스로는 H2, SiH4, O3, TEOS[(C2H5O) 4Si], TEB[B(C2H5)3], TEPO[P(OC2H5)3], TiCl4, TDMAT(Ti[N(CH3)2 ]4), TCE(C2HCl3), DCS(SiH2Cl2), NH3 , NF3, NO, N2O, PH3, WF6, AsH3, As, VOCs 등이 있을 수 있다.
또한, 연소 가능한 가스로는 NF3, CF4, C2F6, C3F 8, CHF3, SF6, VOCs 등을 들 수 있다.
수용성 가스는 HCl, DCS(SiH2Cl2), NH3, ClF3, SiF4, F2, HF, SiCl4, WF6, iCl4, NH4Cl, TDMAT(Ti[N(CH3)2]4), AlCl3, Cl2, TCA(C10H4Cl6O4), BCl3, HBr, SO2, B, BF3, TEOS((C2H5O)4Si), TiF4 등이 있다.
먼저 건식유닛(100)에 대해 구체적으로 설명한다.
매니폴드(120)는 폐가스가 유입되는 유입구(122)를 구비하여 유입구(122)를 통하여 유입되는 폐가스를 버닝챔버(130)로 유출한다. 바람직하게, 유입구(122)를 매니폴드(120)의 측면에 형성하여 유입되는 폐가스가 싸이클론 운동으로 버너(120)에서 방출되는 화염에 집중되도록 할 수 있다.
매니폴드(120)는 버닝챔버(130)에 대해 톱-다운(top-down) 구조로 결합됨으로써 파우더를 포함하는 폐가스가 버닝챔버(130)로 원활하게 유도되도록 하여 파우더가 매니폴드에 적체되는 것을 최소화할 수 있다.
도 2는 본 발명에 적용되는 버너를 상세하게 보여주는 단면도이다.
상기한 바와 같이, 버너(110)는 매니폴드(120)의 내부에 설치되며, 상부에 연소가스와 공기가 각각 인입되는 인입구(111, 112)가 설치되고, 인입된 연소가스와 공기를 점화하는 점화기(113)와 점화 여부를 체크하는 점화 센서(114)가 설치된다.
도 2를 참조하면, 바람직하게, 버너(110)의 외측으로부터 일정한 간극을 형성하여 감싸는 실드(116)를 설치할 수 있으며, 버너(110)와 실드(116) 사이의 간극에는 다운스트림으로 불활성 가스, 예를 들어, 질소가 공급된다.
이와 같이 실드(116)를 설치함으로써, 버너(110) 내부로부터 매니폴드(120)의 내부공간으로 전달되는 열을 차단하게 되어 폐가스에 포함된 파우더의 증착을 최소화할 수 있다. 따라서, 폐가스에 의한 버너(110)의 부식을 방지할 수 있게 된다.
버닝챔버(130)는 버너(110)로부터 점화된 화염을 이용하여 매니폴드(120)로부터 유입되는 폐가스를 1차로 연소처리 또는 열분해한다.
바람직하게, 미세 다공들이 측벽에 형성된 원통형상의 브리딩 벽(breathing wall; 132)이 내부에 설치된다.
이와 같은 구성에 의하면, 화염에 의한 1300℃ 정도의 고열이 버닝챔버(130) 의 측벽에 전달되는 것을 차단할 수 있다.
또한, 버닝챔버(130)의 측벽에 설치된 공기유입구(134)를 통하여 공기나 질소를 공급하여 미세 다공들을 통하여 브리딩 벽(132) 내부로 진입하도록 함으로써 연소처리 또는 열분해된 폐가스의 파우더가 증착되는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 버닝챔버(130)의 측벽이 부식되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 미세 다공들을 통하여 진입되는 공기나 질소에 의해 유입되어 연소 또는 열분해 처리되는 폐가스가 중심부에 집중되도록 함으로써 흐름을 원활하게 할 수 있다.
바람직하게, 브리딩 벽(132)으로는 다공성 세라믹이 이용될 수 있다.
이와 같이 버닝챔버(130)를 통하여 열분해되거나 연소된 고온의 폐가스가 배출된다.
이하, 습식유닛(200)에 대해 상세하게 설명한다.
도 3은 도 1의 A로 표시된 정제/냉각유닛의 보여주는 단면도이다.
버닝챔버(130)의 후단에 결합되는 정제/냉각유닛(210)은 버닝챔버(130)로부터 배출되는 고온의 폐가스에 물을 분사하여 냉각함과 동시에 폐가스에 포함된 분진을 포집하여 정제하며, 수용성 가스를 용해시킨다.
이를 위해 정제/냉각유닛(210)의 측벽에 서로 다른 높이에 각각 미세 노즐(213, 213)이 설치되어 물을 안개입자와 같이 미세한 입자로 분사한다. 서로 다른 높이에 노즐을 설치한 것은 물 분사에 의해 영향을 받지 않는 영역을 최소화하기 우한 것이다.
미세 노즐들(213, 213)은 각각 노즐 블록(211, 211)에 고정되며, 유입구(212, 212)로 질소와 물을 동시에 공급받아 분사한다.
바람직하게, 정제/냉각유닛(210)의 측벽에는 수막(214)이 형성되어 파우더가 증착되지 않도록 함으로써 부식성 가스로부터 정제/냉각유닛(210)의 측벽을 보호한다.
수막(214)을 형성하기 위해서는, 예를 들어, 버닝챔버(130)와 정제/냉각유닛(210)의 결합부분 사이의 공간으로부터 물을 흘려주는 것이 가능하다.
정제/냉각유닛(210)에 연통되는 응축유닛(220)은 수처리탑(230)과 연결되는 긴 원통 형상으로 양단 측벽에는 각각 분사노즐(222, 224)이 설치되며, 분사노즐(222, 224)에서 분사되는 물입자에 의해 분진을 포집한 물입자를 응축(물입자의 사이즈를 증가)시켜 드레인관(320, 330)을 통하여 폐수 처리조(300)로 드레인한다.
정제/냉각유닛(210)으로부터 배출되는 폐가스는 대략 200℃의 온도를 가지므로 정제/냉각유닛(210)과 수처리탑(230) 사이의 응축유닛 부분은 동심상의 이중관의 구조로 되어 있으며 내측관을 통하여 처리된 가스가 수처리탑(230)으로 이동하고, 외측관을 통하여 냉각수가 통과하도록 하여 수처리탑(230)으로 유입되는 폐가스의 온도를 낮추는 것이 필요하다.
수처리탑(230)은 업스트림으로 정제된 폐가스를 유입받아 수처리 모듈을 이용하여 수용성 가스와 부식성 가스를 2차 처리한다.
도 1을 참조하면, 수처리 모듈은 진행통로를 연장하는 패킹 스택(232, 232a)과 패킹 스택 위에 물을 분사하는 스프레이 노즐(234, 234a)로 이루어진다. 패킹 스택(232, 232a)은 수 백개의 패킹들이 쌓여 패킹들 사이에 형성되는 유로를 최대한으로 길게 함으로써 폐가스가 진행하는 동안 그 위에 분사되는 물과 폐가스가 접촉하는 면적과 시간을 크게 하여 처리효율을 증대시킨다.
이 실시예에서는 수처리 모듈이 상하 2개 설치된 것을 예로 들었으나, 이에 한정되지는 않는다.
바람직하게, 수처리 모듈을 통과한 후, 배기덕트(238)로 배출되기 전에 외기공급구(236)를 통하여 건조한 외기를 공급하여 수처리가 완료된 배출공기를 건조시켜 배기덕트(238)의 부식을 방지하는 것이 바람직하다.
수처리탑(230)은 부식을 최소화하기 위하여 내측벽에 테프론이 코팅된 스테인레스 스틸로 제작될 수 있다.
한편, 폐수 처리조(300)는 응축유닛(220)으로부터 응축된 폐수나 분진과 결합된 폐수, 수처리탑(230)으로부터 처리된 폐수를 유입받아 저장하며, 바람직하게, 리사이클링을 위하여 적정한 온도를 유지하도록 내부에 열교환기(310)가 설치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 폐가스 처리장치에 의한 NF3 가스의 처리효율을 설명하는 그래프이다.
스크러버 인렛측의 NF3의 농도와 스크러버 아웃렛측의 NF3의 농도를 보면, NF3가 거의 검출되지 않음을 알 수 있다. 즉, NF3 가스는 열분해가 가능하고 수용성가스로 수처리에 의해 제거되어 미량의 HF 가스만이 검출되며, 처리효율은 거의 99.9%에 해당함을 알 수 있다.
이 실험예에서 유량비(flow rate)는 각각 NF3 2lpm, 질소 150lpm 그리고 연소가스(LNG) 15lpm이다.
도 5는 본 발명의 폐가스 처리장치에 의한 NH3의 수처리 효율을 보여주는 그래프이다.
각각의 유량비에 대해 제거효율은 거의 99.95 이상임을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기한 실시예에 국한되어서는 안되며, 이하에 서술되는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
본 발명에 따르면, 폐가스에 의한 장치내 유닛들의 부식과 파우더의 증착을 최소화할 수 있는 이점을 갖는다.
또한, 1차 연소 또는 열분해와 2차 수처리를 통하여 효율적으로 폐가스를 처리할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (7)

  1. 유입되는 폐가스를 버닝챔버로 유입하는 매니폴드;
    상기 매니폴드 내부에 설치되며, 연소가스와 공기를 유입시켜 점화하는 버너;
    상기 버너로부터 점화된 화염을 이용하여 상기 매니폴드로부터 유입되는 폐가스를 연소처리 또는 열분해하며, 상기 화염에 의한 고열의 전달을 차단하고 외부로부터 불활성가스가 유입되는 미세 다공들을 측벽에 형성하여 상기 연소처리 또는 열분해된 폐가스의 파우더가 증착되지 않도록 하는 브리딩 벽(breathing wall)이 내부에 설치되는 버닝챔버;
    다운스트림으로 상기 버닝챔버로부터 유입되는 폐가스에 물을 분사하여 정제 및 냉각하는 정제/냉각유닛;
    상기 정제된 폐가스를 응축하는 응축유닛;
    진행통로를 연장하는 패킹 스택과 상기 패킹 스택 위에 물을 분사하는 스프레이 노즐로 이루어지는 수처리 모듈이 적어도 하나 이상 설치되어 업스트림으로 상기 응축유닛으로부터 유입되는 폐가스를 처리하는 수처리탑; 및
    상기 응축유닛으로부터 응축된 폐수와 상기 수처리탑으로부터 처리된 폐수를 유입받아 저장하는 폐수 처리조를 포함하는 것을 특징으로 하는 건습식 폐가스 처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 버너의 외측으로부터 일정한 간극을 형성하여 감싸는 실드를 더 포함하고, 상기 간극에 다운스트림으로 불활성 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 건습식 폐가스 처리장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 브리딩 벽은 다공성 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 건습식 폐가스 처리장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 정제/냉각유닛은 상기 버닝 챔버와 연통되며, 측벽에 수막이 형성되고 상기 측벽의 서로 다른 높이에 각각 노즐이 설치되어 미세한 물입자를 분무하는 것을 특징으로 하는 건습식 폐가스 처리장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 정제/냉각유닛과 수처리탑 사이의 응축유닛 부분은 동심상의 이중관으로 구성되어 내측관을 통하여 상기 처리된 가스가 상기 수처리탑으로 이동하고, 외측관을 통하여 냉각수가 통과하는 것을 특징으로 하는 건습식 폐가스 처리장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 폐수 처리조의 내부에는 열교환기가 설치되는 것을 특징으로 하는 건습식 폐가스 처리장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 수처리 모듈을 통과한 후, 배기덕트로 배출되기 전 에 건조한 외기를 공급하여 건조시키는 것을 특징으로 하는 건습식 폐가스 처리장치.
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