KR101476606B1 - 질소산화물 저감형 스크러버 - Google Patents

질소산화물 저감형 스크러버 Download PDF

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Abstract

질소산화물 저감형 스크러버가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 연소가스유입구로 공급되는 연소가스를 통해 불꽃을 생성하는 버너; 상기 버너 하부에 배치되며, 상기 버너에서 생성된 불꽃에 의해 처리가스유입구를 통해 유입된 처리가스가 연소되는 버닝챔버; 및 상기 버닝챔버 내로 메탄을 제공하여, 상기 처리가스의 연소시 발생되는 질소산화물을 상기 메탄의 환원반응에 의해 제거하도록 하는 메탄공급포트;를 포함하는 질소산화물 저감형 스크러버가 제공될 수 있다.

Description

질소산화물 저감형 스크러버 {LOW NOX SCRUBBER}
본 발명은 처리가스로부터 유해물질을 제거하는 스크러버에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질소산화물의 배출을 저감시킬 수 있는 질소산화물 저감형 스크러버이다.
반도체 디바이스는 산화, 식각, 증착 및 포토공정 등 다양한 제조공정을 거쳐 제조되는데, 상기와 같은 제조공정에는 암모니아, 산화질소, 아르신, 포시핀, 디보론 및 보론 트리클로라이드 등과 같은 유독성 화공약품이나 화학가스가 사용될 수 있다. 따라서 반도체 제조공정에서 발생된 폐가스가 대기 중으로 그대로 방출될 경우, 상기와 같은 유독성 가스로 인해 인체에 치명적인 영향을 미치거나, 폐가스의 자연발화로 인해 화재사고 등이 발생될 수 있다. 이와 같은 이유로, 일반적인 반도체 제조공정에서는 스크러버(scrubber) 등을 통해 발생된 폐가스를 정제하여 대기로 방출시키고 있다.
상기와 같이 반도체 제조공정의 폐가스를 처리하는 스크러버는, 간접 연소 습식형으로서 유도가열 방식을 이용하여 폐가스를 태운 후 물을 이용해서 한번 더 걸러주는 힛웨트 스크러버(heatwet scrubber), 습식형으로서 물을 이용하여 폐가스를 포집한 후 물을 정화하는 방식의 웨트 스크러버(wet scrubber), 직접 연소 습식형으로서 고온의 불꽃으로 폐가스를 태운 후 물을 이용해서 포집하는 방식의 번웨트 스크러버(burnwet scrubber) 등 다양한 방식이 활용되고 있으며, 일 예로, 본 출원인이 기 출원한 대한민국공개특허공보 제10-2010-0048338호(발명의 명칭: 착탈 가능한 버닝월을 구비한 스크러버) 등이 알려진 바 있다.
한편, 일반적으로 스크러버는 폐가스를 태워 유해성분을 제거하게 되는데, 이와 같은 과정에서 질소산화물(NOx)이 생성되게 된다. 그러나 현재까지 알려진 스크러버는 상기와 같은 질소산화물의 제어를 위한 수단을 구비하고 있지 않고 있아, 발생된 질소산화물이 대기 중으로 그대로 방출되는 문제점이 상존하고 있다.
대한민국공개특허공보 제10-2010-0048338호 (2010년 05월 11일 공개)
본 발명의 실시예들은 질소산화물을 효과적으로 저감시킬 수 있는 질소산화물 저감형 스크러버를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연소가스유입구로 공급되는 연소가스를 통해 불꽃을 생성하는 버너; 상기 버너 하부에 배치되며, 상기 버너에서 생성된 불꽃에 의해 처리가스유입구를 통해 유입된 처리가스가 연소되는 버닝챔버; 및 상기 버닝챔버 내로 메탄을 제공하여, 상기 처리가스의 연소시 발생되는 질소산화물을 상기 메탄의 환원반응에 의해 제거하도록 하는 메탄공급포트;를 포함하는 질소산화물 저감형 스크러버가 제공될 수 있다.
이때, 상기 연소가스 및 상기 메탄은, 엘엔지(LNG) 가스일 수 있다.
또한, 상기 메탄공급포트는, 상기 버닝챔버 내 상기 불꽃의 하부측 공간부로 상기 메탄을 공급할 수 있다.
한편, 상기 질소산화물 저감형 스크러버는, 상기 버닝챔버 내 상부측 공간부로 공기를 공급하는 제 1 에어공급포트; 및 상기 버닝챔버 내 하부측 공간부로 공기를 공급하는 제 2 에어공급포트;를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 메탄공급포트는, 상기 제 1, 2 에어공급포트 사이에 배치되어, 상기 버닝챔버 내 중단측 공간부로 상기 메탄을 공급할 수 있다.
또한, 상기 버닝챔버의 내측 공간부는, 상기 불꽃에 의해 상기 처리가스가 연소되는 공간인 연소공간부; 및 상기 연소공간부 하부측 공간부로 상기 메탄의 환원반응을 통해 상기 질소산화물이 제거되는 공간인 환원반응부;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 메탄공급포트는, 상기 환원반응부에 대응되도록 배치되어, 상기 환원반응부로 상기 메탄을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 질소산화물 저감형 스크러버는 버닝챔버 내에 메탄을 공급하여, 처리가스의 연소과정에서 발생된 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있다. 특히, 공급되는 메탄으로 연소가스인 엘엔지 가스가 활용될 수 있으며, 이로 인해, 별도의 복잡한 부가설비없이 저비용으로 질소산화물의 저감효과를 얻을 수 있다. 나아가, 메탄공급포트의 상하부에는 각각 제 1, 2 에어공급포트를 배치시킴으로써, 처리가스의 연소반응 촉진 및 미반응된 메탄 등을 효과적으로 제거할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 저감형 스크러버를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 질소산화물 저감형 스크러버의 메탄 공급량 대비 질소산화물(NOx) 저감효율 및 일산화탄소(CO) 농도를 나타낸 실험예이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 다만, 본 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위가 이하에서 설명할 실시예들에 한정되지는 않는다. 또한, 본 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로, 불필요하게 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 공지의 구성에 대해서는 상세한 기술을 생략하기로 하며, 도면에서의 형상 등은 보다 명확한 설명을 위하여 다소 강조되거나 과장되어 표현될 수 있음을 알려둔다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 저감형 스크러버를 보여주는 개략도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 질소산화물 저감형 스크러버(100)는, 버너(110) 및 버닝챔버(120)를 구비할 수 있다.
버너(110)는 처리가스를 연소시키기 위한 열원을 제공한다. 상기 처리가스는 반도체 공정 등에서 발생되는 폐가스 등과 같이 유해물질을 함유하고 있는 가스를 포함할 수 있다. 처리가스는 처리가스유입구(112)를 통해 버너(110)로 제공될 수 있다. 필요에 따라, 처리가스유입구(112)를 통해 유입된 처리가스는 매니폴드(manifold) 등을 거쳐 버너(110)로 제공되거나, 연소 효율을 높이기 위해 사이클론(cyclone) 형태의 기류를 형성할 수 있다.
버너(110)는 연소가스가 공급되는 연소가스유입구(111)를 구비할 수 있으며, 공급된 연소가스를 연료로 버닝챔버(120) 내 불꽃을 형성하게 된다. 연소가스유입구(111)는 버너(110) 상단에 마련될 수 있으며, 소정 압력 및 유량으로 연소가스를 버너(110)에 공급하게 된다. 공급된 연소가스는 버닝챔버(120)를 향해 하방으로 유동될 수 있으며, 버너(110) 내 마련된 점화플러그(미표시)에 의해 점화되어, 버닝챔버(120) 내에 처리가스의 연소를 위한 불꽃을 발생시키게 된다.
버닝챔버(120)는 버너(110) 하부에 마련되며, 내측에 처리가스의 연소를 위한 공간부가 마련된다. 처리가스는 버너(110)에서 생성된 불꽃에 의해 버닝챔버(120) 내에서 연소되며, 이 과정에서 열분해를 통해 파우더(powder)가 생성되게 된다. 다시 말하면, 처리가스 내 함유된 유해물질은 버닝챔버(120) 내에서 분진 형태의 파우더로 열분해되게 된다. 생성된 파우더는 자중에 의해 버닝챔버(120) 하단으로 유동하여 포집될 수 있으며, 필요에 따라, 파우더의 포집을 위해 습식처리장치, 수처리탑 등이 버닝챔버(120) 후단에 연결될 수 있다.
한편, 버닝챔버(120)의 내측 공간부는 기능에 따라 세 개의 공간으로 분류될 수 있다. 먼저, 버닝챔버(120)의 상부측 공간부는 버너(110)에서 생성된 불꽃을 통해 처리가스를 연소시키게 된다. 설명의 편의상, 이를 연소공간부(121)로 지칭하기로 한다. 또한, 연소공간부(121)의 하부측, 즉, 버너(110)에서 생성된 불꽃의 끝부분부터를 지칭하는 버닝챔버(120)의 중단측 공간부는 후술할 메탄공급포트(130)에서 제공되는 메탄(CH4)을 통해 질소산화물(NOx)을 환원시키게 된다. 설명의 편의상, 이를 환원공간부(122)로 지칭하기로 한다. 끝으로, 환원공간부(122)의 하부측 공간부, 즉, 버닝챔버(120)의 하부측 공간부는 미반응된 메탄 등이 공기(산소)에 의해 산화되게 된다. 설명의 편의를 위해, 이를 산화공간부(123)로 지칭하기로 한다.
본 실시예에 따른 질소산화물 저감형 스크러버(100)는 상기와 같이 버닝챔버(120)의 내측 공간부가 기능상 연소공간부(121), 환원공간부(122) 및 산화공간부(123)로 구획되게 되며, 상기와 같은 연소공간부(121), 환원공간부(122) 및 산화공간부(123)가 상하 방향으로 순차적 배치되게 된다. 이는 버닝챔버(120) 내에서 생성된 질소산화물를 효율적으로 제거하기 위함으로, 각 공간부의 기능 및 작동에 대하여는 하기에서 제 1, 2 에어공급포트(140, 150) 및 메탄공급포트(130)와 관련하여 부연 설명하기로 한다.
한편, 버닝챔버(120) 내에는 다공성세라믹(124)이 마련될 수 있다. 다공성세라믹(124)은 버닝챔버(120)의 내측 공간부를 에워싸는 형태로 형성될 수 있으며, 고온의 버닝챔버(120) 내부를 단열시키는 한편, 파우더가 버닝챔버(120)의 내벽 등에 점착되는 것을 방지한다. 즉, 다공성세라믹(124)은 외면에 다수의 홀이 관통 형성되며, 상기와 같은 다수의 홀을 통해 버닝챔버(120) 내측 공간부로 공기를 분사하여, 열분해 과정에서 생성된 파우더가 버닝챔버(120)의 내벽 등에 점착되는 것을 방지한다. 여기서, 상기 점착 방지를 위해 분사되는 공기는 후술할 제 1, 2 에어공급포트(140, 150) 등에 의해 제공될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 질소산화물 저감형 스크러버(100)는 제 1, 2 에어공급포트(140, 150) 및 메탄공급포트(130)를 더 포함할 수 있다.
제 1, 2 에어공급포트(140, 150)는 각각 버닝챔버(120)와 연통되어 버닝챔버(120) 내로 공기를 공급한다. 또한, 메탄공급포트(130)는 버닝챔버(120)와 연통되어 버닝챔버(120) 내로 메탄을 공급한다. 여기서, 공급되는 공기나 메탄은 전술한 다공성세라믹(124)을 통해 버닝챔버(120) 내측 공간부로 공급될 수 있다.
또한, 제 1, 2 에어공급포트(140, 150) 및 메탄공급포트(130)는 상하방향으로 소정간격 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 제 1 에어공급포트(140)는 버닝챔버(120)의 상부측에 연통될 수 있으며, 제 2 에어공급포트(150)는 버닝챔버(120)의 하부측에 연통될 수 있다. 또한, 메탄공급포트(130)는 제 1, 2 에어공급포트(140, 150)의 사이, 즉, 버닝챔버(120)의 중단부에 연통될 수 있다. 다시 말하면, 제 1 에어공급포트(140)는 버닝챔버(120)의 상부측에 공기를 공급할 수 있으며, 제 2 에어공급포트(150)는 버닝챔버(120)의 하부측으로 공기를 공급할 수 있다. 또한, 메탄공급포트(130)는 버닝챔버(120)의 중단측에 메탄을 공급할 수 있다. 보다 바람직하게, 본 실시예에 따른 버닝챔버(120)는 내측 공간부가 상하 방향으로 연소공간부(121), 환원공간부(122) 및 산화공간부(123)로 구획될 수 있는 바, 제 1 에어공급포트(140)는 연소공간부(121)로 공기를 공급하도록 배치되고, 메탄공급포트(130)는 환원공간부(122)로 메탄을 공급하도록 배치되며, 제 2 에어공급포트(150)는 산화공간부(123)로 공기를 공급하도록 배치될 수 있다.
제 1 에어공급포트(140)는 버닝챔버(120)의 상부측 연소공간부(121)로 공기를 공급할 수 있다. 제 1 에어공급포트(140)를 통해 공급된 공기는 다공성세라믹(124)을 통해 연소공간부(121)로 분사되어, 처리가스의 연소 반응을 촉진시키는 한편, 생성된 파우더가 버닝챔버(120)의 내벽에 점착되는 것을 방지한다.
메탄공급포트(130)는 버닝챔버(120)의 중단측 환원공간부(122)로 메탄을 공급할 수 있다. 공급된 메탄은 환원제로서 기능하여 처리가스의 연소 반응시 발생된 질소산화물을 환원반응을 통해 제거하게 된다. 보다 구체적으로, 환원공간부(122)는 버너(110)의 불꽃이 끝나는 부분으로 대략 섭씨 800 내지 900도의 온도를 유지하게 되며, 상기와 같은 고온의 환원공간부(122)로 메탄이 분사되면 하기 화학식과 같이 메탄이 분해되게 된다.
[화학식 1]
CH4 -> CO + H2 + HC
또한, 분해된 CO, H2, HC는 각각 하기 화학식과 같이 질소산화물(NOx)과 환원반응하여 질소산화물을 제거하게 된다.
[화학식 2]
CO + NOx -> N2 + CO2
H2 + NOx -> N2 + H2O
HC + NOx -> N2 + CO2 + H2O
따라서, 환원공간부(122)에서는 메탄공급포트(130)에서 공급된 메탄에 의해 질소산화물이 제거되게 된다.
도 2는 본 실시예에 따른 질소산화물 저감형 스크러버의 메탄 공급량 대비 질소산화물(NOx) 저감효율 및 일산화탄소(CO) 농도를 나타낸 실험예이다.
도 2의 (a)를 참고하면, 메탄의 공급량이 증가함에 따라 질소산화물의 저감효율이 확연히 증가하고 있음을 알 수 있으며, 메탄의 공급량에 따라 다소 차이는 있으나, 대략 5 내지 10 lpm(liter per minute) 구간에서 70 내지 80 퍼센트(%)의 질소산화물 저감효율이 있음을 알 수 있다. 이는 질소산화물 저감효율이 65 내지 70 퍼센트로 효율이 좋다고 알려진 암모니아-무촉매환원법(NH3-SNCR)과 비교하여도 높은 저감효율이다.
한편, 도 2의 (b)를 참고하면, 메탄의 공급량이 증가함에 따라 부산물인 일산화탄소의 농도 또한 높아짐을 알 수 있다. 특히, 처리가스의 유입량(Inlet flow)에 따라 다소 차이는 있으나, 메탄의 공급량이 5 lpm을 넘어가면 일산화탄소의 농도가 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 앞서 보았던 도 2의 (a)에서도 메탄의 공급량이 5 lpm을 넘어서게 되면, 질소산화물 저감효율의 증가율이 다소 저하되는 점을 고려하면, 환원공간부(122)의 온도가 섭씨 800 내지 900도로 유지되고, 처리가스의 유입량이 100 내지 200 lpm일 조건에서는, 반응효율 등을 고려하여 메탄의 공급량을 대략 5 lpm 정도로 유지함이 바람직할 것이다. 다만, 이는 환원공간부(122)의 설정온도나 처리가스의 유입량 등에 따라 변경될 수 있음은 물론이다.
한편, 메탄공급포트(130)로 공급되는 메탄은 엘엔지(LNG) 가스를 통해 충당될 수 있다. 특히, 상기와 같은 엘엔지 가스는 버너(110)의 연료인 연소가스로도 사용될 수 있기 때문에, 별도의 추가적인 설비 등을 부가할 필요없이 연소가스유입구(111)로 공급되는 엘엔지 가스를 일부 분지하여 메탄공급포트(130)를 통해 버닝챔버(120) 내로 분사함으로써, 상기와 같은 질소산화물 제거 효과를 얻을 수 있게 된다. 따라서 본 실시예에 따른 질소산화물 저감형 스크러버(100)는 비용적인 측면이나 장치의 간소화 측면에서 기술적 이점을 가질 수 있다.
다시 도 1을 참고하면, 제 2 에어공급포트(150)는 버닝챔버(120) 하부측 산화공간부(123)로 공기를 공급하게 된다. 제 2 에어공급포트(150)에서 공급된 공기는 상부측의 환원공간부(122)에서 미반응된 메탄이나 부산물을 완전히 산화시키게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 질소산화물 저감형 스크러버(100)는 버닝챔버(120) 내에 메탄을 공급하여, 처리가스의 연소과정에서 발생된 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있다. 특히, 공급되는 메탄으로 연소가스인 엘엔지 가스가 활용될 수 있으며, 이로 인해, 별도의 복잡한 부가설비없이 저비용으로 질소산화물의 저감효과를 얻을 수 있다. 나아가, 메탄공급포트(130)의 상하부에는 각각 제 1, 2 에어공급포트(140, 150)를 배치시킴으로써, 처리가스의 연소반응 촉진 및 미반응된 메탄 등을 효과적으로 제거할 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 질소산화물 저감형 스크러버 110: 버너
120: 버닝챔버 130: 메탄공급포트
140: 제 1 에어공급포트 150: 제 2 에어공급포트

Claims (7)

  1. 연소가스유입구(111)로 공급되는 연소가스를 통해 불꽃을 생성하는 버너(110);
    상기 버너(110) 하부에 배치되며, 상기 버너(110)에서 생성된 불꽃에 의해 처리가스유입구(112)를 통해 유입된 처리가스가 연소되는 버닝챔버(120);
    상기 버닝챔버(120) 내로 메탄(CH4)을 제공하여, 상기 처리가스의 연소시 발생되는 질소산화물을 상기 메탄의 환원반응에 의해 제거하도록 하는 메탄공급포트(130);
    상기 버닝챔버(120) 내 상부측 공간부로 공기를 공급하는 제 1 에어공급포트(140); 및
    상기 버닝챔버(120) 내 하부측 공간부로 공기를 공급하는 제 2 에어공급포트(150);를 포함하는 질소산화물 저감형 스크러버.
  2. 연소가스유입구(111)로 공급되는 연소가스를 통해 불꽃을 생성하는 버너(110);
    상기 버너(110) 하부에 배치되며, 상기 버너(110)에서 생성된 불꽃에 의해 처리가스유입구(112)를 통해 유입된 처리가스가 연소되는 버닝챔버(120); 및
    상기 버닝챔버(120) 내로 메탄(CH4)을 제공하여, 상기 처리가스의 연소시 발생되는 질소산화물을 상기 메탄의 환원반응에 의해 제거하도록 하는 메탄공급포트(130);를 포함하되,
    상기 버닝챔버(120)의 내측 공간부는,
    상기 불꽃에 의해 상기 처리가스가 연소되는 공간인 연소공간부(121); 및
    상기 연소공간부(121) 하부측 공간부로, 상기 메탄의 환원반응을 통해 상기 질소산화물이 제거되는 공간인 환원공간부(122);를 포함하는 질소산화물 저감형 스크러버.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 연소가스 및 상기 메탄은, 엘엔지(LNG) 가스인 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감형 스크러버.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 메탄공급포트(130)는, 상기 버닝챔버(120) 내 상기 불꽃의 하부측 공간부로 상기 메탄을 공급하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감형 스크러버.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 메탄공급포트(130)는, 상기 제 1, 2 에어공급포트(140, 150) 사이에 배치되어, 상기 버닝챔버(120) 내 중단측 공간부로 상기 메탄을 공급하는 질소산화물 저감형 스크러버.
  6. 삭제
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 메탄공급포트(130)는, 상기 환원공간부(122)에 대응되도록 배치되어, 상기 환원공간부(122)로 상기 메탄을 공급하는 질소산화물 저감형 스크러버.
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