KR101310287B1 - 제조 프로세스에서 발생한 유독 가스의 정화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반응 챔버 내에서의 열변환을 통해 그리고 그에 후속하여 실시되는, 수용성 반응 산물들을 결합하고 고체 반응 산물들을 녹이기 위한, 세척 장치에서의 수착제와의 반응 산물들 처리를 통해 제조 프로세스로부터 발생한 유독 가스를 정화하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 높은 가스 처리량에서 가장 효과적인 정화를 달성하는 동시에 반응 챔버의 매우 효율적인 냉각을 달성하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 반응 챔버(1)가 외벽과 내벽(2, 3)으로 구성되고, 상기 내벽(3)은 아래로 갈수록 미리 정해진 각도로 깔때기 형태로 좁아지며, 위쪽이 밀폐된 상기 반응 챔버(1) 위에 유독 가스의 열처리를 위한 유닛이 배치되고, 아래로 갈수록 좁아지는 상기 반응 챔버(1)의 내벽(3)의 내부면은 아래쪽으로 균일하게 흐르는 수막(4)을 가지며, 상기 반응 챔버(1)의 내벽의 외부는 워터 재킷(water jacket)으로 둘러싸이고, 점점 좁아지는 상기 내벽(3)의 하부 단부에 폐가스 배출구(11) 및 물 순환회로(water circuit)용 연결부(12)가 배치된다.

Description

제조 프로세스에서 발생한 유독 가스의 정화 장치{ASSEMBLY FOR PURIFYING TOXIC GASES FROM PRODUCTION PROCESSES}
본 발명은 반응 챔버 내에서의 열변환을 통해, 그리고 그에 후속하여 수용성 반응 산물들을 결합하고 고체 반응 산물들을 녹이기 위해 세척 장치에서 수착제를 이용하여 실시되는 반응 산물들 처리를 통해 제조 프로세스로부터 발생한 유독 가스를 정화하기 위한 장치에 관한 것이다.
그러한 유독 가스는 예컨대 반도체 회로의 제조시 다량 발생하며, 상기 유독 가스의 독성으로 인해 미처리 상태로 외부 환경으로 방출되어서는 안 된다. 그러한 유독 가스로는 예컨대 HF, SiH2Cl2, SiCl4, NH3, C2F6, PH3, BCl3, NF3 등이 있다.
반도체 프로세스 또는 다른 화학적 처리시 발생하는 이러한 폐가스의 대부분은 일반적으로 산화 또는 열변환에 의해 무해화될 수 있다고 알려져 있다. 열변환은 통상 천연 가스나 수소 그리고 공기나 산소에 의해 공급되는 불꽃 속에서 수행된다. 상기 열변환에 있어서 경우에 따라 추가의 산소 또는 공기를 제외한 추가 반응물의 공급은 불필요하다. 열처리된 반응 산물들은 완전히 무해화되며, 기체상 또는 고체상으로 존재하거나 수용성을 띈다. 수증기나 CO2와 같은 기체상 반응 산물들은 추가의 후처리를 거치지 않고 외부로 방출될 수 있다.
물론, 열변환을 위한 일련의 연소 프로세스들 및 반응 챔버들은 이미 개발되어 실제로 사용되고 있다. EP 0 346 803 B1호로부터 공지된 폐가스 정화 장치는 내부 하단부에 버너가 배치된 반응 챔버로 형성되어 있는데, 상기 버너는 한편으로는 수소 및 산소 내지는 공기, 또는 천연 가스 및 공기와 같은 연소 가스들에 의해 구동되고, 다른 한편으로는 정화될 폐가스를 공급받는다. 연소시 발생하는 반응 산물들은 고형 구성 성분들뿐만 아니라 수용성 반응 산물들도 함유한다.
이러한 반응 산물들이 폐가스로부터 완전히 제거될 수 있도록 하기 위해, 연소시 발생하는 반응 산물들을 연소 직후에 물과 같은 수착제와 접촉시킨다. 이는, 버너 불꽃의 위쪽에 물 분사 장치가 배치되어 반응 산물들의 상승하는 가스 흐름에 반하여 물이 분사됨으로써 달성된다. 상기 분사 장치는 분사된 수착제가 불꽃 속으로 튀지 않도록 설계되거나(EP 0 702 771 B1) 또는 버너 불꽃의 위쪽에 튐 방지 장치(splash guard)(원뿔체, 구형의 캡(spherical cap) 등)가 배치되고, 상기 튐 방지 장치 위쪽에 분사 장치가 배치되도록 설계될 수 있다(EP 0 346 803 B1).
여기서 목적은 버너 폐가스에서 수용성 반응 산물들을 용해시키고, 반응 챔버의 고형 구성 성분들(예: 실란의 반응 산물들인 SiO2)을 녹이는 것이다. 이를 위해 DE 196 00 873 A1호 또는 WO 03/085321 A1호로부터, 반응 챔버의 상부는 튐 방지 장치로 제한되고, 방사상 방향으로는 원통형 벽으로 제한되며, 전체 장치가 외벽으로 둘러싸이는 형상이 공지되어 있다. 이때, 고형 반응 산물들은 외벽의 내부면을 따라, 즉 연소 챔버 외부에서 수착제에 의해 아래쪽으로 씻겨나가 하부에 배치된 버너를 지나 처리 장치로 공급된다.
이 경우, 특히 상대적으로 높은 온도에서 연소가 실시되어야 하기 때문에 연소 챔버의 부품들도 고온에 노출되거나 또는 변온 하중(alternating thermal stress load)에 노출됨으로써 비교적 빠르게 밀폐되는(sealing) 단점이 있다. 또한, 위쪽을 향해 연소하는 불꽃에 의해 반응 산물들이 버너 내부에 또는 버너 자체에 침전될 수 있는 단점이 있다. 그 결과, 효율이 지속적으로 악화되고 잦은 세척 프로세스가 요구된다.
후자의 단점은, EP 0 803 042 B1호에 공지된 것처럼 버너 노즐을 연소 챔버 내에서 윗부분에 배치하여 불꽃이 아래를 향해 연소하도록 함으로써 전반적으로 제거되었다. 그럼으로써 버너에 고형 반응 산물들이 침전되는 현상이 훨씬 줄어들었고, 그 결과 수명이 현저히 개선되었다. 그러나 반응 챔버의 높은 열하중 문제는 여전히 존재한다. 따라서 상당한 서비스 비용이 초래된다.
다른 폐가스 정화 방법의 경우, 위쪽으로 연소하는 불꽃 및 후속하는 촉매에 의한 폐가스 처리가 이용된다(EP 0 736 322 B1호). 그럼에도 수착제를 이용한 최종 처리가 중요하며 필수적인 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 목적은, 높은 가스 처리율에서 가장 효과적인 정화를 구현하는 동시에 매우 효율적인 반응 챔버의 냉각을 가능하게 하는, 제조 프로세스로부터 발생한 유독 가스의 정화 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 반응 챔버가 외벽과 내벽으로 이루어지고, 상기 내벽은 아래로 갈수록 미리 정해진 각도로 깔때기 형태로 좁아지며, 위쪽이 밀폐된 상기 반응 챔버 위에 유독 가스의 열처리를 위한 유닛이 배치되고, 아래로 갈수록 좁아지는 상기 반응 챔버 내벽의 내부면은 아래쪽으로 균일하게 흐르는 수막을 가지며, 상기 반응 챔버 내벽의 외부는 워터 재킷(water jacket)으로 둘러싸이고, 점점 좁아지는 상기 내벽의 하부 단부에 폐가스 배출구 및 물 순환회로(water circuit)용 연결부가 배치됨으로써 달성된다.
본 발명의 제 1 실시예에서는, 유독성 폐가스의 열처리 장치로서 아래쪽으로 연소하는 불꽃을 가진 버너가 제공되며, 상기 불꽃은 반응 챔버 내부를 향해 아래쪽으로 연소한다.
이때, 상기 버너는 바람직하게 처리될 유독성 폐가스를 위한 1개 이상의 중앙 공급관을 가진 외부 혼합 버너로서 설계된다.
최대한 높은 유독성 폐가스 처리량을 달성하기 위해 다수의 공급관이 제공되는데, 이때 연소 가스용 노즐들 및 공기 또는 산소용 노즐들이 유독성 폐가스용 중앙 공급관들을 둘러싼다.
본 발명의 제 2 실시예에서는, 유독성 폐가스의 열처리 장치로서 전기 가열 챔버가 제공되며, 이때 열처리될 유독성 폐가스를 위해 다수의 공급관이 제공된다.
챔버의 효율적인 가열을 위해 서로 나란히 배치되어 챔버 내부로 돌출하는 다수의 히팅 로드(heating rod)가 제공되며, 상기 히팅 로드들은 적어도 처리될 유독성 폐가스의 관류 영역 내에 속하는 챔버 체적이 균일하게 가열될 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따르면 외벽과 내벽이 하부에서 고리형 바닥판에 의해 서로 연결됨으로써 상기 내벽과 외벽 사이의 공간(interstice)이 거의 완전히 물로 채워질 수 있으며, 이때 내벽의 상부 에지가 상기 공간에 존재하는 물의 낙수부(overfall)로서 형성되고, 상기 공간이 물 공급관과 연결된다.
물 공급관에는 상기 공간에 공급될 물의 조절 장치 또는 스로틀 장치가 배치된다.
본 발명의 또 다른 한 실시예에서는, 반응 챔버 옆에 배치되어 충전재로 채워진 세척탑(wash column)과 내벽의 폐가스 배출구가 연결됨으로써 처리된 유독성 폐가스의 효과적인 후처리가 가능해지고, 특히 수용성 구성 성분들이 반응 폐가스로부터 제거된다.
또한, 폐가스 배출구와 세척탑 사이에 내부 챔버를 떠나 열처리된 폐가스의 냉각 유닛이 배치되며, 상기 냉각 유닛은 적어도 물 분사 노즐로 형성된다.
이때, 적어도 1개의 분사 노즐의 스프레이 젯(spray jet)의 방향은 바람직하게 가스 유동 방향의 반대쪽을 향한다.
본 발명의 또 다른 한 실시예에서는, 물 공급관이 상기 공간 내부의 스탠드 파이프(standpipe)로 형성되고, 상기 스탠드 파이프는 상기 공간의 바닥판 위쪽에 물 배출구(water outlet)를 갖는다.
또한, 2개의 반응 챔버가 여분으로 제공되며, 상기 반응 챔버들의 배출구들이 각각 세척탑 또는 물 순환회로와 선택적으로 연결될 수 있다.
마지막으로 각각의 반응 챔버의 물 순환회로를 위한 연결부가 물탱크와 연결되고, 상기 물탱크는 고형 반응 산물들의 필터 유닛 및 공간 충전용 펌프와 연결된다.
하기에서는 실시예를 참고로 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1은 버너가 장착된 반응 챔버의 개략적 단면도이다.
도 2는 도 1의 일부 섹션의 확대도이다.
도 3은 도 1에 따른, 물 공급관을 가진 개방된 반응 챔버의 개략적인 부분 단면도이다.
도 4는 전기 가열식 반응 챔버를 포함한 반응 챔버의 개략적 단면도이다.
도 5는 서로 연결된 2개의 반응 챔버 및 열처리된 유독성 폐가스의 후처리를 위한 부속 세척탑을 구비한, 제조 프로세스로부터 발생한 유독성 가스를 정화하기 위한 장치의 개략도이다.
도 1에는 외벽 및 내벽(2, 3)으로 구성된 반응 챔버(1)를 구비한, 제조 프로세스로부터 발생한 유독성 가스를 정화하기 위한 장치의 개략적 단면도가 도시되어 있다. 내벽(3)은 아래로 갈수록 미리 정해진 각도로 깔때기 형태로 좁아진다.
아래로 갈수록 좁아지는 반응 챔버(1)의 내벽(3)을 따라 상기 내벽의 내부면 위로 균일한 수막(4)이 아래로 흐른다. 상기 수막은 도 1에 점선으로 도시되어 있다. 이와 같이 균일한 수막 흐름이 구현되도록 하기 위해, 반응 챔버(1)의 내벽(3)과 외벽(2) 사이의 공간(5)에 일정량의 물이 지속적으로 공급되는 워터 재킷(water jacket)이 배치됨에 따라, 공급되는 물은 내벽(3)의 상부 에지(6)를 넘어 흐를 수 있게 되어 상기 내벽(3)의 내부면 상에 수막을 형성한다.
전술한 수막 형성을 위해, 외벽과 내벽(2, 3)이 하부에서 고리형 바닥판(7)에 의해 서로 연결됨으로써 상기 내벽(3)과 외벽(2) 사이의 공간(5)이 거의 완전히 물로 채워질 수 있으며, 이때 내벽(3)의 상부 에지(6)가 상기 공간(5) 내에 존재하는 물의 낙수부(overfall)로서 형성된다(도 2). 공간(5) 내로의 물 공급은 스탠드 파이프(8)를 통해 이루어지며, 상기 스탠드 파이프의 배출 개구(9)는 바닥판(7) 상부에 놓인다(도 3). 스탠드 파이프(8)는 도 4에 개략적으로 도시된 물 순환회로(10)와 연결된다. 스탠드 파이프(8)로 통하는 물 공급관 내에는 공급될 물의 조절 장치가 배치될 수 있으며, 상기 조절 장치는 공급될 물의 스로틀 장치로 구성되는 것이 가장 간단하다.
점점 좁아지는 형상의 내벽(3)의 하부 단부에는 바닥판(7)을 관통하는 폐가스 배출구(11) 및 물탱크(13) 내에서 끝나는 연결부(12)가 배치된다.
반응 챔버(1) 위에는 반응 챔버(1)의 밀폐를 위한 덮개(14)가 배치되며, 상기 덮개(14)는 외벽(2)의 상부 에지와 밀폐 상태로 연결되며, 상기 연결은 일반적으로 사용되는 퀵 패스너(quick fastener)에 의해 구현될 수 있다. 상기 덮개(14)는 동시에 반응 챔버(1) 내부를 향하는 노즐들(16)을 가진 버너(15)를 수용하는 목적으로도 사용되며, 그 결과 아래쪽을 향해 반응 챔버(1) 내부로 연소하는 불꽃이 생성될 수 있다.
버너(15)는 바람직하게 처리될 유독성 폐가스의 중앙 공급관을 가진 외부 혼합식 버너이다. 처리될 폐가스의 공급은 도 1에 개략적으로 도시된 다수의 공급관들(17)을 통해 이루어진다. 버너(15)는 연소가스(예: 수소 또는 천연 가스)용 노즐들 및 공기 또는 산소용 노즐들을 구비한다. 그러한 연소 가스 공급관(18)이 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 반응 챔버(1) 내부의 버너 개구의 세척을 위해 외부에서 조작 가능한, 스크레이퍼(scraper)(20)를 구비한 세척 장치(19)가 존재한다.
공간(5) 내부의 워터 재킷에 의해 반응 챔버(1)의 강력한 냉각이 달성됨에 따라 내벽(3) 및 외벽(2)과 같은 모든 부품들에는 열하중이 전혀 가해지지 않는다. 또한, 내벽(3)의 내부면 상에 제공된 수막(4)으로 인해 불꽃 방사열이 크게 약화된다. 그와 동시에 상기 수막(4)은 내벽(3)의 내부면 위, 물탱크(13)용 연결관(12) 내부 및 부분적으로는 폐가스 배출구(11) 내부에서의 침전을 방지한다. 또한, 덮개(14) 내에는 버너 불꽃의 점화를 위해 파일럿 버너(pilot burner)(21)가 배치된다.
버너(15) 대신, 열처리될 유독성 폐가스를 위한 다수의 공급관(22)을 구비한 전기 가열식 챔버(21)가 반응 챔버(1)에 장착될 수도 있다(도 4). 상기 챔버(21) 내에는 상기 챔버 내부로 돌출하며 서로 평행하게 배치된 다수의 히팅 로드(23)가 존재하며, 상기 히팅 로드들은 절연 부싱들(24)을 이용하여 챔버(21)의 덮개판(25)에 고정된다.
수용성 반응 산물들들을 결합하고 고형 반응 산물들들을 녹이기 위한 수착제를 이용한 반응 산물들의 후속 처리를 위해, 반응 챔버(1) 옆에 세척탑(wash column)(26)이 배치된다. 이와 관련하여, 내벽(3)의 폐가스 배출구(11)가 세척탑(26)과 연결된다(도 5).
세척탑(26) 내부에는 충전재(27) 및 다수의 분사 노즐(28)이 존재하며, 상기 분사 노즐들로부터 수착제가 분사된다.
반응 챔버(1)를 떠난 폐가스의 냉각을 위해, 폐가스 배출구(11)와 세척탑(26) 사이에 가스 유동 방향의 반대쪽을 향하는 스프레이 젯을 가진 적어도 1개의 분사 노즐(34) 형태의 냉각 유닛이 배치된다.
본 발명에 따른 장치의 소정의 여분으로, 2개의 반응 챔버(1. 1')가 제공될 수도 있으며, 상기 반응 챔버들의 배출구들(11)은 세척탑(26) 및 물탱크(13)와 선택적으로 연결될 수 있다(도 5). 그러한 선택적 연결을 위해 공급관들 내부에 스로틀 밸브들(29, 30)이 설치된다.
각 반응 챔버(1, 1')의 물 순환회로용 연결부(12)는 물탱크(13)와 연결되고, 상기 물탱크는 공간(5) 충전용 펌프(32) 및 고형 반응 산물들용 필터 유닛(31)과 연결된다. 또한, 상기 물탱크(13)는 급수부(water connection)(33)를 통해 채워질 수 있다.
*도면부호 목록*
1 반응 챔버
2 외벽
3 내벽
4 수막
5 공간
6 에지
7 바닥판
8 스탠드 파이프
9 배출 개구
10 물 순환회로
11 폐가스 배출구
12 물탱크용 연결부
13 물탱크
14 덮개
15 버너
16 노즐
17, 22 유독성 폐가스용 공급관
18 연소 가스 공급관
19 세척 장치
20 스크레이퍼
21 챔버
23 히팅 로드
24 부싱
25 덮개판
26 세척탑
27 충전재
28, 34 분사 노즐
29, 30 스로틀 밸브
31 필터 유닛
32 펌프
33 급수부

Claims (16)

  1. 반응 챔버 내에서의 열변환을 통해 그리고 그에 후속하여 수용성 반응 산물들을 결합하고 고체 반응 산물들을 녹이기 위해 세척 장치에서 수착제를 이용하여 실시되는 반응 산물들 처리를 통해 제조 프로세스로부터 발생한 유독 가스를 정화하기 위한 장치로서,
    상기 반응 챔버(1)가 외벽과 내벽(2, 3)으로 구성되고, 상기 내벽(3)은 아래로 갈수록 미리 정해진 각도로 깔때기 형태로 좁아지며, 위쪽이 밀폐된 상기 반응 챔버(1) 위에 유독 가스의 열처리를 위한 유닛이 배치되고, 아래로 갈수록 좁아지는 상기 반응 챔버(1)의 내벽(3)의 내부면 상에 아래쪽으로 균일하게 흐르는 수막(4)이 형성되며, 상기 반응 챔버(1)의 내벽의 외부는 워터 재킷(water jacket)으로 둘러싸이고, 점점 좁아지는 상기 내벽(3)의 하부 단부에 폐가스 배출구(11) 및 물 순환회로(water circuit)용 연결부(12)가 배치되는 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유독성 폐가스의 열처리용 유닛은 아래쪽으로 연소하는 불꽃을 가진 버너(15)이며, 상기 불꽃은 상기 반응 챔버(1) 내부를 향해 아래쪽으로 연소하는 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 버너(15)는 상기 처리될 유독성 폐가스를 위한 1개 이상의 중앙 공급관(17)을 가진 외부 혼합 버너인 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 처리될 유독성 폐가스를 위해 다수의 공급관(17)이 제공되고, 상기 연소 가스용 노즐들 및 공기 또는 산소용 노즐들이 상기 중앙 공급관들(17)을 둘러싸는 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 유독성 폐가스의 열처리 유닛은 전기 가열식 챔버(21)이고, 상기 열처리될 유독성 폐가스를 위해 다수의 공급관(17)이 제공되는 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 챔버(21)는 서로 나란히 배치되어 상기 챔버(21) 내부로 돌출되는 다수의 히팅 로드(heating rod)(23)에 의해 가열될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외벽과 내벽(2, 3)이 하부에서 고리형 바닥판(7)에 의해 서로 연결됨으로써 상기 내벽(3)과 외벽(2) 사이의 공간(5)이 완전히 물로 채워질 수 있고, 상기 내벽(3)의 상부 에지(6)가 상기 공간(5)에 존재하는 물의 낙수부(overfall)로서 형성되며, 상기 공간(5)은 물 공급관과 연결되는 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 물 공급관에는 상기 공간(5)에 공급될 물의 조절 장치가 배치되는 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 물 공급관에는 상기 공간(5)에 공급될 물의 스로틀(throttle) 장치가 배치되는 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
  10. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폐가스 배출구(11)는 상기 반응 챔버(1) 옆에 배치된 세척탑(wash column)(26)과 연결되는 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 폐가스 배출구(11)와 세척탑(26) 사이에 상기 내부 챔버(3)를 떠나 열처리된 폐가스의 냉각 유닛이 배치되는 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은 1개 이상의 물 분사 노즐(34)로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 1개 이상의 분사 노즐(34)의 스프레이 젯(spray jet)은 상기 가스 유동 방향의 반대쪽을 향하는 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
  14. 제 7항에 있어서,
    상기 공간(5)을 위한 물 공급관은 스탠드 파이프(standpipe)(8)로 구성되고, 상기 스탠드 파이프는 상기 바닥판(7) 위쪽에 배출 개구(9)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
  15. 제 10항에 있어서,
    2개의 반응 챔버(1, 1')가 제공되고, 상기 반응 챔버들의 배출구들(11)이 상기 세척탑(26) 및 물 순환회로(10)와 선택적으로 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 각각의 반응 챔버(1, 1')의 물 순환회로를 위한 연결부(12)가 물탱크(13)와 연결되고, 상기 물탱크는 고형 반응 산물들의 필터 유닛(31) 및 내벽(3)과 외벽(2) 사이의 공간(5) 충전용 펌프(32)와 연결되는 것을 특징으로 하는,
    유독 가스 정화 장치.
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