KR100650277B1 - 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조 - Google Patents

폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소수의 직접화염 노즐만으로도 다수의 직접화염 노즐이 구비된 것과 같은 성능을 발휘함은 물론 상기 노즐의 일측에 와이퍼를 연결하고 메인 플랜지의 내부에 냉각수 순환부를 설치함으로써 연료량이 적게 소모되어 에너지 효율과 연소 성능이 향상되는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조는 상부에 폐가스 공급 매니폴드가 분리가능하게 체결된 메인 플랜지, 메인 플랜지 내에 설치되는 세라믹 튜브 및 메인 플랜지와 상기 세라믹 튜브 사이에 설치되어 상기 버너조립체의 온도를 조절하는 냉각수 순환부를 포함한다. 폐가스 공급 매니폴드를 통하여 배출되는 폐가스가 상기 가스 버너 노즐에 의해서 발생되는 직접화염을 이용하여 간접화염을 발생시켜 처리되는 것을 특징으로 한다.
버너조립체, 폐가스, 노즐, 확산, 직접화염, 간접화염, 와이퍼

Description

폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조{CHAMBER STRUCTURE OF A BURNER ASSEMBLY FOR AN EXHAUSED GAS PURIFYING DEVICE}
도 1은 종래의 폐가스 정화처리장치의 가스버너 노즐의 구성을 나타내는 평면도.
도 2는 종래의 폐가스 정화처리장치의 가스버너 노즐의 구성을 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 폐가스 정화처리장치의 공정을 나타내는 개략도.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조를 설명하기 사시도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조를 설명하기 위한 평면도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너조립체에 와이퍼를 체결한 구성을 설명하기 위한 저면도.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너조립체를 설명하기 위한 단면도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너조립체에 체 결된 가스버너 노즐을 설명하기 위한 사시도.
도 9a는 본 발명의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너조립체에 체결된 가스버너 노즐의 단면도.
도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너조립체에 체결된 가스버너 노즐의 또 다른 단면도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 폐가스 정화처리장치의 동작을 시뮬레이션(simulation)한 결과를 설명하기 위한 개략도.
**도면의 주요구성에 대한 부호의 설명**
100: 버너조립체 101: N2 가스 주입구
102: 점화부 103: PU 센서부
105: 내부링 106: 세라믹 튜브
107: 외부링 109: 메인 플랜지
110: 폐가스 공급 매니폴드 112: 냉각수 순환부
113: 냉각수 주입부 114: 로터리 액츄에이터 어셈블리
115: 화염 센서 118: 로터리 샤프트
119: 와이퍼
120, 120a, 120b, 120c: 제 1 내지 제3 가스버너 노즐
121: 플랜지 121a: 폐가스 공급 직접화염 노즐
122: 제 1 메탈 밀봉부 123: 연료가스 공급부
123a: 연료공급 노즐 124: 산화제 공급부
124a: 산화제 공급 노즐 125: 냉각수 공급부
126: 헤드 유닛 베이스 127: 제 2 메탈 밀봉부
128: 폐가스 공급부 130: 세라믹 튜브
본 발명은 반도체 제조공정이나 화학공정 등에서 사용된 후 배출되는 폐가스를 청정공기로 정화하기 위하여 정화처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소수의 직접화염 노즐만으로도 다수의 직접화염 노즐이 구비된 것과 같은 성능을 발휘함으로써 연료량이 적게 소모되어 에너지 효율과 연소 성능이 향상되는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조에 관한 것이다.
화학 공정이나 반도체 제조 공정 등에서 배출되는 폐가스는 유독성, 폭발성 및 부식성이 강하기 때문에 인체에 유해할 뿐만 아니라 그대로 대기중으로 방출될 경우에는 환경오염을 유발하는 원인이 되기도 한다. 따라서, 이러한 폐가스는 유해성분의 함량을 허용 농도 이하로 낮추는 정화처리 과정이 반드시 필요하며, 이와 같은 독성물질을 제거하는 정화처리 과정을 거친 무해가스만이 대기중으로 배출되도록 법적으로 의무화 되어 있다.
반도체 제조 공정 등에서 배출되는 유해성 가스를 처리하는 방법에는 크게 세 가지 있다. 첫 번째는 주로 수소기 등을 함유한 발화성 가스를 고온의 연소실에 서 분해, 반응 또는 연소시키는 버닝(burning) 방법이고, 두 번째는 주로 수용성 가스를 수조에 저장된 물을 통과시키는 동안 물에 용해하여 처리하는 웨팅(wetting) 방법이며, 마지막으로는 발화되지 않거나 물에 녹지 않는 유해성 가스가 흡착제를 통과하는 동안, 흡착제에 물리적 또는 화학적인 흡착에 의하여 정화하는 흡착 방법 등이 그것이다.
더 구체적으로 이와 같은 폐가스 정화처리에는, 웨트방식(Wet Scrubber), 전기 히터를 이용한 간접 산화방식(Thermal Wet Scrubber), 연료 가스버너를 이용한 직접 산화방식(Direct Burn Wet Scrubber), 흡착제를 이용한 물리 화학 흡착방식(Dry Scrubber) 및 전기적 방전을 이용한 방식(Plasma Scrubber) 등으로 세분화될 수 있다.
도 1 및 도 2에는 종래 기술에 의한 폐가스 정화처리장치의 가스버너 노즐의 구성이 평면도 및 단면도로 각각 도시되어 있다.
종래 기술에 의한 동축류 확산 화염용 버너(2)는 상호 동축을 이루며 배열된 다수개의 노즐이 내측에서부터 폐가스 공급 노즐(10)과, 연료 공급 노즐(20) 및 산화제 공급 노즐(30) 순으로 형성되어 있다.
상기 폐가스 공급 노즐(10)은 반도체 제조공정이나 화학공정 등에서 배출되는 폐가스(waste gas)(12)를 공급하며, 상기 폐가스(12)는 화학 기상증착(CVD; Chemical Vapor Deposition) 혹은 에칭(etching) 공정 등에서 배출되고 유해 물질이 다량 농축된 배기가스로서 환경오염의 원인이 되는 물질이다.
상기 연료 공급 노즐(20)은 화염의 연료가 되는 연료 가스(fuel gas)(22)를 분사하며, 상기 연료 가스(22)로는 액화천연가스, 액화석유가스, 수소가스 등이 주로 사용되고 있다.
상기 산화제 공급 노즐(30)은 상기 연료 가스(22)와의 연소 반응에 의해 화염을 형성하는 산화 가스(oxidation gas)(32)를 분사하며, 상기 산화 가스(32)로는 산소(O2) 혹은 공기(Air)가 주로 사용된다.
폐가스 공급 노즐(10)에 의하여 공급되는 폐가스(12)가 동축류 확산 화염용 버너에 의하여 연소되는 과정을 간단하게 살펴보면 다음과 같다.
상기 연료 공급 노즐(20)에 의하여 분사되는 연료 가스(22)와 산화제 공급 노즐(30)에 의하여 분사되는 산화 가스(32)가 혼합되어 연소실로 이송된다. 이때, 불꽃점화기(도시되지 않음)에 의하여 불꽃이 점화되면 상기 연료 가스(22)와 산화 가스(32)가 불꽃에 의하여 방전되며, 상기 폐가스(12)는 연료 가스(22)와 혼합되어 연소되면서 강제로 산화된다.
상기 연료 공급 노즐(20)과 산화제 공급 노즐(30)은 상호 동축을 이루며 평행하게 배열되어 있기 때문에 상기 연료 공급 노즐(20)에서 분사되는 연료 가스(22)와 상기 산화제 공급 노즐(30)에서 분사되는 산화 가스(32)는 동일한 방향으로 평행하게 분사된다.
한편, 상기 연료 공급 노즐(20)에서 분사되는 연료 가스(22)와 상기 산화제 공급 노즐(30)에서 분사되는 산화 가스(32)가 확산 현상으로 인하여 소정의 지점에서 서로 섞이게 되고, 불꽃에 의하여 발화함으로써 화염을 생성하게 되는 연소의 과정을 거치게 되어 있다.
그러나, 이와 같이 연료 가스(22)와 산화 가스(32)가 상호 평행하게 분사됨으로써 연료 가스(22)와 산화 가스(32)의 확산이 제대로 이루어지지 않으며, 이로 인하여 일부 연료 가스(22)가 산화 가스(32)와 반응하지 않은 미반응 상태로 연소실을 빠져 나오게 되는 문제점이 있게 된다.
따라서, 연소과정에서 생성되는 일산화탄소(CO)의 생성량이 증가하며, 결과적으로 폐가스(12)를 처리하는데 필요한 연소열이 낮아져서 폐가스(12)를 완전하게 처리하는 데에 일정한 한계가 있게 된다.
또한, 연료 공급 노즐(20)과 산화제 공급 노즐(30)에서 분사되는 연료 가스(22)와 산화 가스(32)의 압력에 비례하여 연료 가스(22)와 산화 가스(32)의 분사속도가 증가하며, 상기 연료 가스(22)와 산화 가스(32)의 확산 정도는 상기 분사속도에 반비례하여 감소하기 때문에, 연료 가스(22)와 산화 가스(32)의 분사속도가 증가되면 연료 가스(22)와 산화 가스(32)의 확산 정도는 감소할 것이다.
따라서, 연료 가스(22)와 산화 가스(32)의 분사속도가 증가할수록 연료 가스(22)와 산화 가스(32)의 혼합은 연료 공급 노즐(20)과 산화제 공급 노즐(30)에서 멀리 위치한 곳에서 주로 이루어지며, 혼합가스(22, 32)의 연소가 이루어지는 중심이 상기 노즐(10, 20, 30)에서 멀어질수록 연소효율은 이에 비례하여 저하될 수밖에 없다.
특히, 연료 가스(22)와 산화 가스(32)가 평행하게 분사되면 연료 가스(22)와 산화 가스(32)가 상호 접촉하여 연소할 수 있는 시간이 짧아져서 일산화탄소(CO)의 생성이 증가하여 연소효율이 크게 저하된다.
또한, 폐가스(12) 역시도 연료 가스(22)와 마찬가지로 연료가 될 수 있기 때문에 상기 산화 가스(32)와 함께 연소반응을 하게 되며, 이러한 연소반응 과정에서 흡열반응과 발열반응이 동시에 진행된다. 이러한 이유로, 폐가스(12)가 상기 산화 가스(32)와 소정의 지점에서 확산 작용을 하게 되는데, 상기 폐가스 공급 노즐(10)이 상기 산화제 공급 노즐(30)과 동축을 이루며 평행하기 때문에, 폐가스(12)가 산화 가스(32)와 적절한 지점에서 확산되기 어렵고, 연소효율이 저하되는 문제점이 있다.
더욱이, 폐가스 정화처리장치를 장시간 동작시키면 폐가스 공급 노즐(10), 연료 공급 노즐(20) 및 산화제 공급 노즐(30)에 완전 연소되지 못한 폐가스와 기타 가스가 흡착되어 원활하게 가스가 공급되지 못하여 연소 효율을 떨어지게 되는 문제점이 있게 된다.
또한, 폐가스 정화처리장치를 장시간 동작시키면 버너조립체가 가열되어 적정온도 이상에서 동작을 하게 되며, 이렇게 되면 화염 센서와 같은 여러 가지 부품들이 정상적으로 동작을 하지 못하게 되는 문제점이 발생하게 된다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 소수의 직접화염 노즐만으로도 다수의 직접화염 노즐이 구비된 것과 같은 성능을 발휘하므로 연료량이 적게 소모되어 에너지 효율과 연소 성능이 뛰어난 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 와이퍼를 설치하여 다수의 노즐에 흡착되는 이물질을 제거함으로써 에너지 효율과 연소 성능을 향상시킬 수 있는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 냉각수 순환장치를 설치하여 적정한 온도에서 동작하도록 함으로써 다수의 부품이 정상적으로 동작을 하며 전체적인 에너지 효율과 연소 성능을 향상시킬 수 있는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조를 제공하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적은, 반도체 제조공정이나 화학공정 등에서 사용된 후 배출되는 폐가스를 청정공기로 정화하는 정화처리장치에 사용하기 위하여 다양한 종류의 폐가스를 공급하기 위한 폐가스 공급 매니폴드 및 상기 폐가스 공급 매니폴드를 중심으로 삼각형 형태로 형성되어 폐가스를 공급하면서 직접화염을 발생시키기 위한 다수의 가스 버너 노즐을 구비하는 버너조립체에 있어서, 상부에 상기 폐가스 공급 매니폴드가 분리가능하게 체결된 메인 플랜지와, 상기 메인 플랜지 내에 설치되는 세라믹 튜브와, 상기 메인 플랜지와 상기 세라믹 튜브 사이에 설치되어 상기 버너조립체의 온도를 조절하는 냉각수 순환부를 포함하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조를 제공함에 의해 달성된다.
또한, 메인 플랜지의 상부에 설치되어 상기 세라믹 튜브 내의 화염을 검출하 기 위한 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조를 제공한다.
또한, 폐가스 공급 매니폴드와 상기 다수의 버너 노즐의 상기 메인 플랜지의 내부에 위치하는 일측 단부에 설치되어서 상기 버너조립체 내에서 발생되어 이들에 흡착되는 이물질과 부산물을 제거하기 위한 와이퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조를 제공한다.
또한, 와이퍼를 구동하기 위하여 상기 메인 플랜지의 상부의 중앙에 설치된 상기 폐가스 공급 매니폴드의 중심에 설치되는 로터리 액츄에이터 어셈블리; 및 와이퍼와 상기 로터리 액츄에이터 어셈블리 사이에 설치되어 상기 로터리 액츄에이터 어셈블리의 동력을 상기 와이퍼에 전달하기 위한 로터리 샤프트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조를 제공한다.
또한, 세라믹 튜브는 열전달 계수가 낮은 물질로 형성하여 발생된 열을 차단하는 보염 작용을 유도함으로써 직접 화염을 가지는 상기 가스버너 노즐이 발생하는 화염이 전체적으로 화염을 형성하도록 하여 직접화염이 없는 상기 폐가스 공급매니폴드에도 동일한 열량이 주어 간접화염을 발생시키는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조를 제공한다.
또한, 가스버너 노즐은: 폐가스 공급부 및 폐가스 공급 노즐을 형성하며 폐가스를 주입하기 위한 구조를 가지는 플랜지; 플랜지의 상측에 형성된 제 1 메탈 밀봉부; 제 1 메탈 밀봉부의 하측의 상기 플랜지에 결합되는 연료공급 노즐을 구비 하는 연료가스 공급부; 연료가스 공급부의 하측의 상기 플랜지에 결합되는 산화제 공급 노즐을 구비하는 산화제 공급부; 플랜지의 하측에 체결되는 헤드 유닛 베이스; 산화제 공급부 아래의 상기 헤드 유닛 베이스 상에 형성된 냉각수(PCW; Process Cooling Water) 공급부; 및 플랜지와 상기 헤드 유닛 베이스 사이를 밀봉하기 위한 제 2 메탈 밀봉부를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조를 제공한다.
또한, 가스 버너노즐의 가장 내측 중심의 동심원상에 폐가스 공급 노즐이 배열되고, 상기 폐가스 공급 노즐의 외측 동심원상에 상기 폐가스 공급 노즐과 동축을 이루지 않고 소정 경사각을 갖고 내측으로 기울여져서 연료 공급 노즐이 배열되고, 상기 연료 공급 노즐의 외측 동심원상에 등간격으로 배열되며 상기 폐가스 공급 노즐과 동축을 이루는 산화제 공급 노즐이 배열되는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조를 제공한다.
또한, 제 1 메탈 밀봉부는 상기 연료 공급 노즐로부터 공급된 연료가 외부로 새나가지 않도록 밀봉을 하는 역할을 담당하고 있으며, 상기 제 2 메탈 밀봉부는 상기 산화제 공급부로부터 주입된 산화제가 상기 산화제 공급 노즐로부터 역류하여 외부로 새나가지 않도록 밀봉하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조를 제공한다.
또한, 직접화염을 발생시키기 위한 다수의 가스버너 노즐의 중심축은 상기 메인 플랜지의 중심축에 대하여 소정의 기울기를 유지하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조를 제공한다.
또한, 폐가스 공급 메니폴드의 중심축은 상기 메인 플랜지의 중심축에 대하여 서로 평행하게 설치되는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조를 제공한다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐가스의 정화처리장치의 버너조립체를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 폐가스 정화처리장치의 공정을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 반도체 제조 공정이나 화학 공정 등에서 사용된 후 배출되는 폐가스를 청정공기로 정화하는 폐가스 정화처리 과정은 통상 연소식과 습식의 2단계로 이루어지고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 폐가스 정화처리과정에 의하면, 반도체 제조장치(102)에서 배출되는 배기 가스가 1차적으로 버너부(burner zone)(104)에서 연소/산화되거나 열분해되는 방법으로 버닝(burning)되고, 1차적으로 정화되어 버너부(104)에서 벗어난 폐가스 중 처리되지 못한 일부 가스나 분집 입자 등은 웨트 세정부(106)로 이송되며, 2차적으로 웨트 세정부(106)에서 분사된 물에 의하여 산화 가스 속의 파우더(powder)가 분리되는 세정(wetting) 공정을 거치게 된다. 그 후 세정된 가스는 필터(filter)와 덕트(duct)를 통해 대기중으로 배출된다.
상기 버닝 방법에는 히터(heater)의 구동에 의한 간접 산화 방식과, 점화에 의한 직접 산화 방식이 있을 수 있으나, 본 실시예의 폐가스 정화처리장치의 가스 버너 노즐은 직접 산화 방식(direct burn wet scrubber)에 관한 것이다.
화염이 아래를 향하여 방사되는 하향류(down flow) 방식과 화염이 위를 향하여 방사되는 상향류(up flow) 방식이 있을 수 있으나, 본 실시예에서는 하향류 방식을 예로 들어 설명한다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너조립체를 설명하기 사시도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너조립체를 설명하기 위한 평면도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너조립체에 와이퍼를 체결한 구성을 설명하기 위한 저면도이며, 도 7a 내지 7c는 본 발명의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너조립체를 설명하기 위한 단면도이다.
도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너조립체(100)는 메인 플랜지(109), 메인 플랜지(109)의 내부에 체결되는 내부링(105), 메인 플랜지(109)의 내부의 내부링(105) 하부에 체결되는 세라믹 튜브(106), 메인 플랜지(109)와 내부링(105) 사이에 결합되는 외부링(107) 및 메인 플랜지(109)와 세라믹 튜브(106) 사이에 설치되는 냉각수 순환부(112)를 포함한다.
또한, 메인 플랜지(109)의 상부에는 폐가스 공급 매니폴드(110)가 중앙에 설치되고, 폐가스 공급 매니폴드(110)를 중심으로 삼각형을 이루며 제 1 내지 제 3 가스 버너 노즐(120a-120c)이 설치된다. 그리고, 제 1 내지 제 3 가스 버너 노즐(120a-120c)의 주변에는 다수개의 N2 가스 주입구(101), 다수개의 버너 냉각부(108)이 설치된다.
한편, 메인 플랜지(109)의 측면에는 제 1 내지 제 3 가스 버너 노즐(120a- 120c)에 대응되는 제 1 내지 제 3 점화부(102), 화염센서(115) 및 PU 센서부(103)가 설치된다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면 와이퍼(119)가 제 1 내지 제 3 가스 버너 노즐(120a-120c) 및 폐가스 공급 매니폴드(110)의 메인 플랜지(109)의 내부에 위치하는 일측 단부를 스치도록 로터리 액츄에이터 어셈블리(114)와 로터리 샤프트(118)를 이용하여 체결된다. 따라서, 장시간 동안 폐가스 정화처리장치의 버너조립체(100)를 동작시킨 경우 1 내지 제 3 가스 버너 노즐(120a-120c) 및 폐가스 공급 매니폴드(110)의 메인 플랜지(109)의 내부에 위치하는 일측 단부에 흡착된 이물질과 부산물을 로터리 액츄에이터 어셈블리(114)를 작동시켜 와이퍼(119)를 회전시킴으로써 제거할 수 있게 된다.
도 7a 내지 도 7c에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 냉각수 순환부(112)를 메인 플랜지(109)와 세라믹 튜브(106) 사이에 설치하고 냉각수 주입부(113)를 통하여 냉각수를 주입함으로써 버너조립체(100)의 온도를 일정한 수준으로 유지시킬 수 있게 된다. 따라서, 폐가스 정화처리장치를 장시간 동작시키더라도 버너조립체(100)가 적정온도를 넘는 것을 방지하게 되어 화염 센서와 같은 여러 가지 부품들이 정상적으로 동작하도록 한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 폐가스 정화처리장치의 버너조립체(100)는 정삼각형의 구조로 직접 플레임을 발생시킬 수 있는 제 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120a, 120b, 120c)을 외곽에 정삼각형의 형태로 배열한다. 그리고, 직접 화염을 발생시키지는 않고 폐가스를 공급할 수 있는 폐가스 공급 매니폴드(110)를 중앙부에 정삼각형의 형태로 제 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120a, 120b, 120c)이 이루는 삼각형 안에 폐가스 공급 매니폴드(110)의 상부면이 이루는 삼각형과 크로스(cross) 형태로 배치한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 폐가스 정화처리장치의 버너조립체(100)는 세라믹 튜브(106)를 열전달 계수가 낮은 물질로 형성하여 버너조립체(100)에서 발생된 열을 차단하는 보염 작용을 유도함으로써 직접 화염을 가지는 제 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120a, 120b, 120c)이 발생하는 화염이 세라믹 튜브(106) 내에서 전체적으로 화염을 형성하도록 한다. 따라서, 직접화염이 없는 폐가스 공급 매니폴드(110)에도 동일한 열량이 주어지게 한다.
또한, 본 발명의 바람빅한 실시예에 따르면, 직접 화염을 가지는 제 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120a, 120b, 120c)은 세라믹 튜브(106)의 상단에서 세라믹 튜브(106)의 중심축에 대하여 소정의 각도를 유지함으로써 각각의 노즐로부터 발생되는 직접화염이 세라믹 튜브(106) 내의 소정 위치에서 초점을 이룰 수 있도록 조립되는 것에 특징이 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 3개의 제 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120a, 120b, 120c)을 이용하여 연료를 공급하며 폐가스를 처리하지만, 6개의 직접 화염을 발생하여 폐가스를 처리하는 폐가스 정화처리장치와 동일한 효과를 낼 수 있어서 전체적인 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너조립체에 체결된 가스버너 노즐을 설명하기 위한 사시도이며, 도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너조립체에 체결된 가스버너 노즐의 단면도들이다.
도 8 및 도 9a에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 가스버너 노즐(120)은 폐가스 공급부(128) 및 폐가스 공급 직접화염 노즐(121a)을 형성하며 폐가스를 주입하기 위한 구조를 가지는 플랜지(flange)(121), 플랜지(121)의 상측에 형성된 제 1 메탈 밀봉부(122), 제 1 메탈 밀봉부(122)의 하측의 상기 플랜지(121)에 결합되는 연료공급 노즐(123a)을 구비하는 연료가스 공급부(123), 연료가스 공급부(123)의 하측의 플랜지(121)에 결합되는 산화제 공급 노즐(124a)을 구비하는 산화제 공급부(124), 산화제 공급부(124) 아래의 헤드 유닛 베이스(126) 상에 형성된 냉각수(PCW; Process Cooling Water) 공급부(125), 플랜지(121)의 하측에 체결되는 헤드 유닛 베이스(126) 및 플랜지(121)와 헤드 유닛 베이스(126) 사이를 밀봉하기 위한 제 2 메탈 밀봉부(127)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도 9b에 도시한 바와 같이, 가스 버너노즐(120)의 가장 내측 중심의 동심원상에 폐가스 공급 직접화염 노즐(121a)이 배열되고, 폐가스 공급 직접화염 노즐(121a)의 외측 동심원상에 폐가스 공급 직접화염 노즐(121a)과 동축을 이루며 연료 공급 노즐(123a)이 배열되고, 연료 공급 노즐(123a)의 외측 동심원상에 등간격으로 배열되어 있으나 연료 공급 노즐(123a)과 동축을 이루지 않고 소정 경사각을 갖고 내측으로 기울여져서 산화제 공급 노즐(124a)이 배열된다.
또한, 연료 공급 노즐(123a)과 산화제 공급 노즐(124a)은 동일한 평면상의 중심선에 위치하며, 이들의 노즐 개수는 동일하다.
또한, 산화제 공급 노즐(124a)은 분사각을 10° 정도의 기울기로 연료 공급 노즐(123a)의 방향으로 했을 때 산화제 공급 노즐(124a)로부터 분사된 O2 가스와 연료 공급 노즐(123a)로부터 분사된 CH4 가스는 노즐로부터 약 20mm 정도 떨어진 지점에서 교차하게 된다. 이때, 난류가 형성되며 난류는 산화제 공급 노즐(124a)과 연료 공급 노즐(123a)이 폐가스 공급 직접화염 노즐(121a)에 이르기까지 서로의 확산을 가속시키며 화염의 중심을 노즐의 각도에 따라 제어 할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따르면 노즐의 분사각도는 물론 노즐의 분사 유속을 이용하여 난류를 보다 효율적으로 형성할 수 있었다. 즉, 연료 공급 노즐(123a)로부터 분사되는 CH4 가스의 유속을 산화제 공급 노즐(124a)로부터 분사되는 O2 가스의 유속보다 빠르게 하는 것이 바람직하다. 다시 말하면, 산화제 공급 노즐(124a)은 10° 정도의 기울기로 연료 공급 노즐(123a)과 특정 거리에서 중첩되지만, 연료 공급 노즐(123a)로부터 분사되는 CH4 가스의 유속을 산화제 공급 노즐(124a)로부터 분사되는 O2 가스의 유속보다 빠르게 하여 화염 형성의 주 에너지원의 분사 형태를 유지할 수 있도록 하여야 한다. 만약, 산화제 공급 노즐(124a)로부터 분사되는 O2 가스의 유속이 연료 공급 노즐(123a)로부터 분사되는 CH4 가스의 유속보다 빠르게 되는 경우, 연료인 연료 공급 노즐(123a)로부터 분사되는 CH4 가스의 분사 형태가 파괴되어 불꽃의 제어가 되지 않으며 연료와 산화제의 반응 시간이 짧 고 빨라 오히려 연소 효율이 떨어져 실제 불꽃의 온도가 떨어지고 화염의 길이도 반비례하여 감소한다.
이론적으로 보면, 사용 연료 및 조연 가스의 성분은 다음과 같은 반응 화학식 1을 따른다.
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
따라서, 연료가스를 1kg 주입할 경우 산소를 2kg 주입하여야 하며, 이론 산소량에 효율 증대를 위하여 과잉 산소 0.2%를 더하여 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 메탈 밀봉부(122)는 연료 공급 노즐(123a)로부터 공급된 연료(예를 들면, CH4)가 가스 버너노즐(120)의 외부로 새나가지 않도록 밀봉을 하는 역할을 담당하고 있으며, 제 2 메탈 밀봉부(127)는 산화제 공급부(124)로부터 주입된 산화제(예를 들면, O2 또는 공기)가 산화제 공급 노즐(124a)로부터 역류하여 가스버너 노즐(120)의 외부로 새나가지 않도록 밀봉하는 역할을 담당하고 있다.
한편, 폐가스 공급 노즐(121a)은 반도체 제조공정이나 화학공정 등에서 배출되는 폐가스를 공급하며, 상기 폐가스는 C2, F4, CF4, C3F8, NF3, SF6 등의 PFC(perfluorocompound) 가스로서 인체에 유독하고 부식성이 있으며, 이와 같이 유해성분의 함량이 허용농도 이상이어서 유해성분의 함량을 그 이하로 낮추는 무해화 처리과정이 필요한 가스이다.
한편, 폐가스 공급부(128)로부터 주입된 폐가스를 분사하는 폐가스 공급노즐 (121a)은 버너의 중심 노즐로서 그 외곽에 액화천연가스, 액화석유가스, 수소가스 등 연료 가스를 분사하는 연료 공급 노즐(123a)에 의하여 포위되어 있는데 이는 폐가스와 연료 가스를 양호하게 혼합하기 위한 것이다.
또한, 산화제 공급 노즐(124a)은 연료 가스와의 연소반응에 의해 화염을 형성하는 산화 가스를 분사하며, 산화 가스로는 산소(O2)가 주로 사용된다.
도 9b에 도시된 바와 같이, 노즐의 단면을 기준으로 볼 때, 폐가스 공급 노즐(121a)은 폐가스가 주입되는 폐가스 공급부(128)의 중심축에 대하여 평행하게 연장되어 있으나, 연료 공급 노즐(123a)과 산화제 공급 노즐(124a)은 폐가스 공급 노즐(121a)에 대하여 대략 10° 내지 20°정도 경사진(tapered) 상태로 형성된다. 특히, 10° 정도 경사각을 갖는 경우 산화제 공급 노즐(124a)에서 분사되는 산화 가스와 연료 공급 노즐(123a)에서 분사되는 연료 가스는 가스버너 노즐(120)의 출구의 출구측 소정 지점에서 교차하여 확산 현상이 이루어져 상호 혼합되어 연소됨을 알 수 있다.
따라서, 연료 가스와 산화 가스가 소정 지점에서 상호 교차하여 와류를 일으키며, 이와 같은 와류에 의한 혼합가스의 난류 현상은 확산 현상을 더욱 가속화시킨다. 상기한 교차 지점은 산화제 공급 노즐(124a)의 경사각(θ)을 조절함으로써 다양하게 조절할 수 있으며, 한정된 지점에서 혼합가스의 확산이 이루어짐으로써 혼합 가스의 자기착화(self-ignition), 화염전파(flame propagation) 등의 연소특성이 강화되고, 불완전 연소가 방지되며, 화염대가 안정되게 형성된다.
즉, 다시 설명하면 폐가스, 연료 가스 및 산화제 가스의 유속을 다르게 할 겅우 분사되는 방향으로 난류가 형성된다. 난류의 형성은 서로 다른 폐가스, 연료 가스 및 산화제 가스의 혼합을 효과적으로 일으키는 주요 요소이며, 이때 연료와 산화제 간의 혼합에 의한 확산 화염이 발생한다. 그리고, 난류의 형성에 따라 동축 분류 확산 연소식 버너 화염의 길이와 형태, 연소 효율을 결정하는 중요한 인자이기도 하다. 이렇게 얻어진 화염을 난류 화염이라고 칭한다.
한편, 연료 공급 노즐(123a)에 대하여 산화제 공급 노즐(124a)의 경사각(θ)을 형성함으로써 한정된 지점에서 연료 가스와 산화 가스의 확산을 가속화시키는 방법도 화염대를 안정적으로 형성하는데 중요하지만, 그 보다도 연료 공급 노즐(123a)의 연료 가스의 분사 속도와 산화제 공급 노즐(124a)의 산화 가스의 분사 속도를 조절하여 산화 가스와 연료 가스의 반응시간을 연장하고 연소효율을 향상시키는 방법이 더욱 중요하다.
즉, 산화 가스의 분사 속도가 연료 가스의 분사 속도보다 빠르게 되면 산화 가스의 분사 형태가 파괴되어 불꽃이 안정적으로 제어되지 않게 되고, 연료 가스와 산화 가스의 반응시간이 짧아지며, 화염의 길이도 짧아져서 안정적인 화염대를 형성할 수 없게 된다.
따라서, 연료 가스의 분사 속도를 산화 가스의 분사 속도에 비하여 빠르게 조절하며, 더 구체적으로는 산화 가스의 분사 속도를 1로 볼 때 연료 가스의 분사 속도를 1.37 정도로 하며, 상기 연료 가스와 산화 가스의 분사 속도는 상기 연료 가스를 분사하는 연료 공급 노즐과 산화 가스를 분사하는 산화제 공급 노즐의 단면적을 조절함으로써 제어가 가능하다. 이러한 이유로 인하여, 산화제 공급 노즐 (124a)의 단면적이 연료 공급 노즐(123a)의 단면적보다 큰 것이 바람직하다.
그리고, 폐가스의 분사 속도는 산화 가스의 분사 속도 보다 작아야 하며, 따라서 폐가스 공급 노즐(121a)의 단면적이 상기 노즐 중 가장 크게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 연료 가스와 산화 가스의 사용량 또한 연소효율을 최대로 하는데 중요하다. 본 발명의 실시예에서 연료 가스는 액화천연가스의 하나인 메탄(CH4)을 예로 들고, 산화 가스는 산소(O2)를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.
메탄(CH4)은 1몰(Mole) 기준으로 분자량이 16에 해당되고, 산소(O2)는 1몰(mole) 기준으로 분자량이 32이 해당되며, 분자량을 기준으로 메탄(CH4)과 산소(O2)의 비율을 계산하면 1 : 2가 된다. 그러므로, 메탄(CH4)을 1㎏ 공급하면 산소(O2)를 2㎏ 공급하여야 하며, 산소(O2)를 대략 0.2% 정도 초과하여 공급하는 것이 연소 효율을 증대를 위해 필요하다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 폐가스 정화처리장치의 동작을 시뮬레이션(simulation)한 결과를 설명하기 위한 개략도이다.
본 발명의 일실시예에 따르면 제 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120A, 120b, 120c)을 외곽에 정삼각형의 형태로 배열하여 직접 플레임을 발생시킨다. 그리고, 직접 화염을 발생시키지는 않고 폐가스를 공급하는 폐가스 공급 매니폴드(110)를 중심으로 정삼각형의 형태로 제 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120A, 120b, 120c)이 이루는 삼각형에 대하여 크로스(cross) 형태로 배치하여 간접 화염을 이용하여 주입된 폐가스를 처리한다.
또한, 도면에 도시한 바와 같이, 폐가스 공급 매니폴드(110)의 중심축과 세라믹 튜브(106)의 중심축은 서로 평행하도록 설치되는 반면, 직접화염을 발생하는 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120A, 120b, 120c)의 중심축은 일정한 지점에서 초점을 갖도록 세라믹 튜브(106)의 중심축에 대하여 소정의 기울기를 가지고 설치된다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 3개의 가스버너 노즐(120A, 120b, 120c)을 이용하여 연료를 공급하며 폐가스를 직접화염으로 처리하고 3개의 간접화염을 이용하여 폐가스를 처리하지만, 6개의 직접 화염을 발생하여 폐가스를 처리하는 폐가스 정화처리장치와 동일한 효과를 낸다는 것을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 반도체용 폐가스를 청정공기로 정화하며, 상기 폐가스를 연소시키는 버너부와 상기 버너부에서 미처리된 일부 가스나 분진 입자 등을 물로 분사하여 세정하는 웨트 세정부로 구성되는 정화처리장치에 있어서, 소수의 직접화염 노즐만으로도 다수의 직접화염 노즐이 구비된 것과 같은 성능을 발휘하므로 연료량이 적게 소모되어 에너지 효율과 연소성능이 뛰어난 버너조립체에 관한 구성을 기술적인 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 와이퍼를 설치하여 다수의 노즐에 흡착되는 이물질을 제거함으로써 에너지 효율과 연소 성능을 향상시킬 수 있는 효과 가 있다.
또한, 냉각수 순환장치를 설치하여 적정한 온도에서 동작하도록 함으로써 다수의 부품이 정상적으로 동작을 하며 전체적인 에너지 효율과 연소 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 동축분류 확산연소 방식을 채택하여 소수의 직접화염 노즐만으로도 다수의 직접화염 노즐이 구비된 것과 같은 성능을 발휘하므로 연료량이 적게 소모되어 에너지 효율과 연소 성능이 향상되는 효과가 있다.
또한, 복잡한 구조를 가지는 가스버너 노즐을 최소화하고 간단한 구조의 폐가스 노즐을 가스버너 노즐과 동일한 효과를 갖는 배열을 함으로써 버너조립체의 전체적인 구성을 간단하게 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전술한 바와 같이 산화제의 분사 및 노즐에 분사각을 주어 연소 효율을 증대하게 됨으로써, 화염에 따른 연소열의 상승을 가져와 가스 스크러버의 궁긍적인 목적인 폐 가스 처리효율을 증대시키며 PFC 가스 처리도 가능한 효과가 있다.
또한, 산화제를 분사하는 노즐이 소정의 각도를 이루고 설치됨으로써 폐가스와 연료인 CH4 사이의 난류를 형성하여 연료인 CH4와 폐가스 모두 산화제와의 접촉 및 반응 시간이 길어지는 효과가 있다.
또한, CO의 생성은 C를 주성분으로 하는 연료를 사용하는 모든 연소 기관에서 발생되며, CO는 대표적으로 연소 시간이 짧거나 연소 에너지가 충분하지 않을 경우 발생되는데, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 산화제의 분사각 조절에 따 른 연소 효율 증대는 연료인 CH4와 산화제인 O2 간의 접촉 할 수 있도록 분사구로부터 약 20mm 정도의 지점부터 혼합이 되어 연소하므로 CO 발생을 저감시키는 효과가 있다.
또한, 최외곽에는 단열 효과가 높고 복사열을 차단하여 외부로 열을 차단할 수 있는 세라믹 튜브를 설치하여 버너에서 발생된 열을 내부로 재발산하여 연소 효율을 높이고 최고로 온도를 높이는 효과가 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 중심으로 설명 및 도시되었으나, 본 기술 분야의 숙련자라면 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양하게 변형 실시 할 수 있음을 알 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 반도체 제조공정이나 화학공정 등에서 사용된 후 배출되는 폐가스를 청정공기로 정화하는 정화처리장치에 사용하기 위하여 다양한 종류의 폐가스를 공급하기 위한 폐가스 공급 매니폴드 및 상기 폐가스 공급 매니폴드를 중심으로 삼각형 형태로 형성되어 폐가스를 공급하면서 직접화염을 발생시키기 위한 다수의 가스 버너 노즐을 구비하는 버너조립체에 있어서,
    상부에 상기 폐가스 공급 매니폴드가 분리가능하게 체결된 메인 플랜지;
    상기 메인 플랜지 내에 설치되는 세라믹 튜브; 및
    상기 메인 플랜지와 상기 세라믹 튜브 사이에 설치되어 상기 버너조립체의 온도를 조절하는 냉각수 순환부;를 포함하되,
    상기 폐가스 공급 매니폴드를 통하여 배출되는 폐가스가 상기 가스 버너 노즐에 의해서 발생되는 직접화염을 이용하여 간접화염을 발생시켜 처리되는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 플랜지의 상부에 설치되어 상기 세라믹 튜브 내의 화염을 검출하기 위한 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐가스 공급 매니폴드와 상기 다수의 버너 노즐의 상기 메인 플랜지의 내부에 위치하는 일측 단부에 설치되어서 상기 버너조립체 내에서 발생되어 이들에 흡착되는 이물질과 부산물을 제거하기 위한 와이퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 와이퍼를 구동하기 위하여 상기 메인 플랜지의 상부의 중앙에 설치된 상기 폐가스 공급 매니폴드의 중심에 설치되는 로터리 액츄에이터 어셈블리; 및
    상기 와이퍼와 상기 로터리 액츄에이터 어셈블리 사이에 설치되어 상기 로터리 액츄에이터 어셈블리의 동력을 상기 와이퍼에 전달하기 위한 로터리 샤프트;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 튜브는 열전달 계수가 낮은 물질로 형성하여 발생된 열을 차단하는 보염 작용을 유도함으로써 직접 화염을 가지는 상기 가스버너 노즐이 발생하는 화염이 전체적으로 화염을 형성하도록 하여 직접화염이 없는 상기 폐가스 공급매니폴드에도 동일한 열량이 주어 간접화염을 발생시키는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스버너 노즐은:
    폐가스 공급부 및 폐가스 공급 노즐을 형성하며 폐가스를 주입하기 위한 구조를 가지는 플랜지;
    상기 플랜지의 상측에 형성된 제 1 메탈 밀봉부;
    상기 제 1 메탈 밀봉부의 하측의 상기 플랜지에 결합되는 연료공급 노즐을 구비하는 연료가스 공급부;
    상기 연료가스 공급부의 하측의 상기 플랜지에 결합되는 산화제 공급 노즐을 구비하는 산화제 공급부;
    상기 플랜지의 하측에 체결되는 헤드 유닛 베이스;
    상기 산화제 공급부 아래의 상기 헤드 유닛 베이스 상에 형성된 냉각수(PCW; Process Cooling Water) 공급부; 및
    상기 플랜지와 상기 헤드 유닛 베이스 사이를 밀봉하기 위한 제 2 메탈 밀봉부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가스 버너노즐의 가장 내측 중심의 동심원상에 폐가스 공급 노즐이 배열되고, 상기 폐가스 공급 노즐의 외측 동심원상에 상기 폐가스 공급 노즐과 동축 을 이루지 않고 소정 경사각을 갖고 내측으로 기울여져서 연료 공급 노즐이 배열되고, 상기 연료 공급 노즐의 외측 동심원상에 등간격으로 배열되며 상기 폐가스 공급 노즐과 동축을 이루는 산화제 공급 노즐이 배열되는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 메탈 밀봉부는 상기 연료 공급 노즐로부터 공급된 연료가 외부로 새나가지 않도록 밀봉을 하는 역할을 담당하고 있으며, 상기 제 2 메탈 밀봉부는 상기 산화제 공급부로부터 주입된 산화제가 상기 산화제 공급 노즐로부터 역류하여 외부로 새나가지 않도록 밀봉하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조.
  9. 제 1 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직접화염을 발생시키기 위한 다수의 가스버너 노즐의 중심축은 상기 메인 플랜지의 중심축에 대하여 소정의 기울기를 유지하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조.
  10. 제 10 항에 있어서,
    상기 폐가스 공급 메니폴드의 중심축은 상기 메인 플랜지의 중심축에 대하여 서로 평행하게 설치되는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너 조립체의 챔버구조.
  11. 제 6 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화제 공급 노즐을 통하여 분사되는 산화제의 유속이 상기 연료공급 노즐을 통하여 분사되는 연료의 유속보다 빠른 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치에 사용하는 버너조립체의 챔버구조.
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