KR101494623B1 - 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치 및 그 연소장치를 이용한 처리방법 - Google Patents

난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치 및 그 연소장치를 이용한 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치 및 그 연소장치를 이용한 소각방법 및 그 연소장치를 갖는 소각시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 폐가스를 소각시키기 위한 스크러버 시스템에 구비되는 연소장치에 있어서, 일단에 연료 유입부와, 폐가스 유입부와, 산화제 유입부가 형성되고, 타단에 폐가스가 소각된 배출가스가 배출되는 배출구가 형성된 연소기 몸체; 및 상기 연소기 몸체 내부에 구비되고, 세라믹 다공체로 구성되며 내부에 화염이 형성되어 상기 폐가스가 소각되는 세라믹 다공체 연소기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치에 관한 것이다.

Description

난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치 및 그 연소장치를 이용한 처리방법{Device and method for treating nondegradable hazardous gas}
본 발명은 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치 및 그 연소장치를 이용한 소각방법 및 그 연소장치에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 반도체 및 디스플레이 제조공정에 사용되고 배출되는 난분해성 처리가스(PFCs 계열(CF4, C2F6, C2F4 , SF6) 및 NF3) 및 화학공정에서 배출되는 난분해성 유해가스를 소각시키기 위한 시스템에 구비되는 연소 장치에 관한 것이다.
반도체 및 디스플레이 제조공정에서 많이 사용되는 PFCs 가스는 지구온난화를 유발하는 온실가스로서 온난화지수가 CO2 대비 수천 내지 수만 배에 달하여 적절한 처리설비를 거쳐 대기 중으로 방출해야한다.
일반적으로, 반도체 제조 공정에서 웨이퍼 상에 박막을 형성하거나 또는 식각을 위해 사용되는 다양한 종류의 반응가스는 폭발성, 맹독성, 질식성으로 그대로 대기 중에 방출할 경우 인체에 유해할 뿐만 아니라 지구 온난화 및 환경 오염을 유발시키게 된다. 이에 따라, 반도체 설비의 배기 라인에는 난분해성 유해가스를 안전하게 분해 제거한 후 대기 중으로 배출시키기 위한 가스정화장치인 스크러버가 설치된다.
이들 난분해성 유해가스는 공정 내 음압을 유지하기 위해 사용되는 진공펌프의 작동유체인 질소(N2)와 함께 수백 내지 수천 ppm이하의 농도로 희석된 후 스크러버로 유입되게 된다. 이하에서는 난분해성 유해가스를 불활성 가스로 희석된 상태를 폐가스라고 정의하도록 한다.
난 분해성인 PFCs, SF6 및 NF3는 각각 CF4의 경우 1600도, SF6는 1200도, NF3는 800도이상의 온도에서 열분해 된다고 알려져 있다.
PFCs, SF6 및 NF3는 불소와 결합된 형태로 분해 처리 후 불소(F2) 및 불산(HF)의 형태로 배출되게 되는데 이들 역시 맹독성 폭발성의 가스로서 후 처리가 반드시 필요하며 일반적으로 물을 이용하여 세정 반응시킨 후 배출한다.
CF4(g) + O2(g) --> CO2(g) + 2F2(g)
SF6(g) + O2(g) --> SO2 + 3F2(g)
2NF3(g) + O2(g) --> 2NO + 3F2(g)
2F2 + 2H2O --> 4HF + O2
산화반응을 통해 분해된 F2는 주로 주변의 수분이나 연소 후 생성물인 H2O와 반응하여 HF(g) 또는 HF(l)형태로 배출된다.
이와 같이 반도체 제조 공정중 반도체 폐가스를 제거하는 스크러버는 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 첫째, 간접 산화 습식형으로서, 유도가열 또는 전기히터 가열 방식을 이용하여 폐가스를 산화시킨 다음 물을 이용한 후처리로 산화 후 생성된 입자나 수용성 가스들을 처리하는 방식으로 힛웨트 스크러버(heat-wet scrubber)라고도 한다. 둘째, 습식형으로서, 물을 이용하여 폐가스 내에 포함된 수용성 가스를 처리한 후 배출하는 방식으로 웨트 스크러버(wet scrubber)라고도 한다. 셋째, 직접 연소 습식형으로서, 폐가스를 천연가스나 프로판 연소를 통하여 소각시킨 후 물을 이용해서 수용성 가스 및 입자를 포집하는 방법으로 번웨트 스크러버(burn-wet scrubber)라고도 한다.
또한, 상기 반도체 폐가스는 주로 실리콘을 포함한 가스(SiF4, SiH4 등)가 PFCs와 동시에 다량 유입되는데 상기 힛웨트 스크러버 또는 번웨트 방법을 이용하였을 경우 스크러버 내부에서 다량의 파우더가 생성되는 특성이 있다. 이러한 파우더 생성 화학식의 일례를 나타내면 아래와 같다.
SiH4(가스)+2O2 --> SiO2(파우더)+2H2O
그런데, 이와 같이 반도체 폐가스의 연소 후 생성되는 파우더는 인력과 마찰력에 의해 통상 연소 챔버의 내벽에 시간이 지남에 따라 점차 두껍게 침적되면서 더욱 단단한 구조를 갖는다.
이러한 스크러버에 의한 폐가스의 처리방법으로는 현재 연소소각법, 촉매분해법, 열 프라즈마 소각법, 전기분해법 등이 존재한다.
연소 소각법은 화석연료(예를 들어 LNG)를 사용하며 낮은 PFCs의 처리효율과 화염안정성(소각 처리 안정성) 확보 문제 및 연소 후 생성물(예를 들어, NOx, CO) 저감의 문제점이 있다.
촉매분해법은 고농도 산성가스(HF, HCL 등)에 의한 촉매 피독문제, 짧은 촉매 교체 주기로 인한 운영 비용 가중의 문제, 입자유입에 대한 시스템 압력상승의 문제점이 존재한다.
또한, 열플라즈마 소각법과 전기 열분해법은 전기를 에너지원으로 사용하며, 처리용량 대비 과다한 전력에너지가 소비되며, 열 플라즈마 소각법은 내구성 토치소재 부재로 인한 잦은 교체가 발생되며, 다량의 열적 NOx가 발생하고, 고용량 처리 시 전력증대에 따른 부대설비(변압기 등)가 대형화되게 되는 문제점이 있으며, 전기 분해법은 발열체 내구성문제(전기 히터 식각)로 인한 짧은 교체주기를 갖고, 1600℃ 이상 고온 가열이 어려운 문제가 있다.
도 1은 종래의 폐가스 처리용 스크러버 시스템을 간략하게 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 폐가스 처리용 스크러버(1)는 반도체 제조 공정 라인에 연결된 다수의 폐가스 유입구(112)와, 상기 폐가스 유입구(112)에 연결된 버너(5)와, 상기 버너(5)에 결합된 반응챔버(100)와, 상기 반응챔버(100)의 하단에 결합되어 반응챔버(100)에서 생성되는 파우더가 물에 포집 및 침전되도록 하는 수조 탱크(4)와, 상기 반응챔버(100) 및 수조 탱크(4)에 함께 결합됨으로써, 반응챔버(100)를 통과한 미세 파우더와 수용성 가스를 물로 처리하는 습식 타워(3)를 포함한다. 여기서, 상기 반응챔버(100)와 습식 타워(3)는 별도의 연결관으로 상호 연결될 수 있으며, 상기 습식 타워(3)의 상부에는 배출관이 형성되어 있다.
이러한 반도체 폐가스 처리용 스크러버 시스템(1)은 상기 폐가스 유입구(112)을 통하여 반도체 제조 공정 라인으로부터 다양한 종류의 폐가스가 공급된다. 이와 같이 폐가스 유입구(112)을 통하여 공급된 폐가스는 버너(5)를 통하여 반응챔버(100)에 공급된다. 상기 반응챔버(100) 내측의 폐가스는 상기 버너(5)에 의해 연소되며, 이러한 연소에 의해 다량의 불산, 불소 및 파우더가 생성된다. 상기와 같은 파우더중 비교적 무거운 파우더는 중력에 의해 하부로 낙하되며, 낙하된 파우더는 하부의 수조 탱크(4)에서 물에 침전된다. 한편, 상기 수조 탱크(4)로 낙하하지 않은 비교적 가벼운 미세 파우더는 반응챔버(100)와 습식 타워(3) 사이에 연결된 연결관을 통해 습식 타워(3)로 이동한다. 이와 같이 습식 타워(3)로 이동된 미세 파우더는 상기 습식 타워(3)에서 다시 한번 물에 의해 포집되며, 포집된 미세 파우더는 상기 수조 탱크(4)로 다시 낙하되어 물에 침전된다. 물론, 상기 습식 타워(3)를 통과한 정화된 폐가스는 배출관을 통하여 대기 중으로 배출된다.
이와 같이, 폐가스를 소각하기 위해서는 최고 1,600℃ (CF4 경우) 이상의 고온에서 산화시켜야 하며, 앞서 언급한 바와 같이, 폐가스는 난분해성 유해가스를 99%이상의 불활성 가스(대부분 N2)로 희석되어 스크러버에 투입되어 소각되므로, 처리가 불필요한 불활성 가스도 가열해야하는 문제점을 가지고 있으며, 이로 인해 처리 효율뿐만 아니라 에너지 이용 효율도 매우 낮은 문제점이 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 대부분의 종래 기술에서는 연료와 산화제(산소)가 연료유입구(111), 산화제 유입구(113)를 통해 스크러버 내부에 존재하는 연소장치에 부착된 노즐을 통해 연소장치에 공급되도록 한 후, 점화시켜서 노즐 부착 화염(nozzle-attached flame)을 형성하고, 폐가스는 별도의 추가적인 폐가스 유입구(112)를 통해 연소장치 내부로 투입 된다.
도 2a는 종래 회전유동을 발생시킨 폐가스와 화염의 모식도를 도시한 것이다. 그리고, 도 2b는 종래 폐가스의 유동과 어긋나게 분사되는 화염의 모식도를 도시한 것이고, 도 2c는 도 2b의 화염 사진을 도시한 것이다.
연소장치에 투입된 폐가스는 화염과 나란히 또는 비스듬하게 흐르면서 가열 및 산화되게 되는데, 연료와 산화제 노즐의 분사 각도에 따라 결정되는 화염의 길이 방향과 폐가스의 유동방향이 나란할 경우, 도 3a에 도시된 바와 같이, 고온의 화염과 폐가스의 혼합이 느려지므로 혼합을 증진시키기 위한 목적으로 스월(swirl), 즉 회전하는 유동을 발생시키거나(혼합 증진 방식), 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 폐가스가 고온의 화염을 치고 나갈 수 있도록 연료 및 산화제 노즐의 분사 방향을 폐가스의 유동방향과 어긋나게 하는 방법(Cross-flow 방식)을 사용하게 된다.
그러나, 도 2a의 경우 충분한 스월을 주더라도 유한한 크기의 연소실 내에서 연소가스와 폐가스가 충분히 혼합되기 어려우며, 일반적으로 폐가스의 유량이 연소가스의 유량보다 크므로 폐가스의 큰 운동량(momentum)이 화염을 불안정하게 하거나 심지어 소화에 이르게 하여 처리효율이 저하되는 문제점이 발생하게 된다. 이때 안정된 화염을 형성시키고, 그에 따른 처리효율을 높이기 위해서는 연료 및 산화제의 추가 사용이 필요하며 이는 비효율적으로 에너지가 이용되는 문제점을 초래한다.
또한 도 2b 및 2c의 경우에도 뒤집힌 원뿔의 사면 형태로 형성된 화염들이 닫힌 원뿐의 사면을 형성하지 못하고 폐가스의 운동량에 의해 열린 모양을 갖게 되므로 폐가스가 고온의 화염대를 거치지 못하고 빠져나가서 분해 효율이 저하되는 문제점을 초래한다.
대한민국 등록특허 제0750406호 대한민국 등록특허 제0623368호 대한민국 공개특허 제2013-0086925호 대한민국 공개특허 제2005-0044309호 대한민국 공개특허 제2005-0113159호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 난분해성 유해가스의 소각 처리를 위한 연소기 설계에 있어서 높은 처리 효율과 동시에 높은 에너지 이용 효율을 달성할 수 있고, 연료 사용량은 최소로 하면서도 모든 폐가스가 그것이 분해될 수 있는 고온까지 충분히 도달할 수 있도록 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치 및 그 연소장치를 이용한 소각방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 에너지 이용 효율을 증가시키고 고온의 화염을 형성시키기 위한 목적으로 열 교환기와 같은 추가 장치를 사용하지 않고 세라믹 다공체 내부에서 연소가 이루어지도록 함으로써 다공체 자체의 전도 및 복사 열전달에 의해 열 재순환이 발생하게 되고 궁극적으로 초과 엔탈피의 고온 연소를 용이하게 달성할 수 있는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치 및 그 연소장치를 이용한 소각방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 난분해성 유해가스를 소각 처리하는데 있어서, 불활성 가스(주로 N2)로 과다 희석된 폐가스를 연료 및 산화제와 혼합한 후 다공체 내부로 공급하여 소각시키게 됨으로써, 내부 열 재순환에 의해 통상적인 연소기술로는 도달할 수 없는 초고온의 화염에 의해 소각되므로 폐가스의 처리 효율을 향상시킬 수 있으며 더불어 적은 양의 연료만으로도 처리가 가능하므로 에너지 이용 효율 또한 향상시킬 수 있는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치 및 그 연소장치를 이용한 소각방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 제1목적은, 폐가스를 소각시키기 위한 스크러버 시스템에 구비되는 연소장치에 있어서, 일단에 연료 유입부와, 폐가스 유입부와, 산화제 유입부가 형성되고, 타단에 폐가스가 소각된 배출가스가 배출되는 배출구가 형성된 연소기 몸체; 및 상기 연소기 몸체 내부에 구비되고, 세라믹 다공체로 구성되며 내부에 화염이 형성되어 상기 폐가스가 소각되는 세라믹 다공체 연소기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치로서 달성되어 질 수 있다.
또한, 상기 연료유입부를 통해 유입되는 연료와, 상기 폐가스 유입부를 통해 유입되는 폐가스와, 상기 산화제 유입부를 통해 유입되는 산화제가 혼합되는 예혼합기를 더 포함하고, 상기 예혼합기에 의해 혼합된 기체가 상기 세라믹 다공체 연소기로 유입되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 예혼합기와 상기 세라믹 다공체 연소기 사이에 구비되어, 상기 예혼합기에서 혼합된 기체를 균일하게 상기 세라믹 다공체 연소기로 유입시키는 분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 세라믹 다공체 연소기는, 세라믹 다공체가 상기 연소기 몸체의 중단부의 모든 내벽에 접하여 구성되어, 상기 분배기에서 유입되는 모든 혼합 기체가 상기 세라믹 다공체를 통과하도록 구성되며, 두께방향 중심면 측에 화염이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 세라믹 다공체 연소기는, 기체의 유동방향으로 다수의 층이 적층된 다단으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 기체의 유동방향 측으로 단계적으로 기공이 큰 세라믹 다공체가 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 폐가스를 소각시키기 위한 스크러버 시스템에 구비되는 연소장치를 이용한 폐가스 처리 방법에 있어서, 연소기 몸체 일단에 형성된 연료 유입부와, 폐가스 유입부와, 산화제 유입부를 통해 연료, 폐가스, 산화제가 상기 연소기 몸체 내부에 구비된 예혼합기로 유입되어 예혼합되는 단계; 예혼합된 기체가, 상기 연소기 몸체 내부에 구비되고 세라믹 다공체로 구성된 세라믹 다공체 연소기를 통과하면서, 상기 세라믹 다공체 연소기 내부에 형성된 화염의 의해 상기 폐가스가 소각되는 단계; 및 연소기 몸체 타단에 형성된 배출구를 통해 소각된 배출가스가 배출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치를 이용한 폐가스 처리 방법으로서 달성될 수 있다.
또한, 상기 예혼합되는 단계 후에, 상기 예혼합기와 상기 세라믹 다공체 연소기 사이에 구비된 분배기에 의해, 상기 예혼합기에서 혼합된 기체가 균일하게 상기 세라믹 다공체 연소기로 유입되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 소각되는 단계에서, 상기 세라믹 다공체 연소기는, 기체의 유동방향으로 적층된 제1세라믹 다공체와, 상기 제1세라믹 다공체의 기공보다 큰 기공을 갖는 제2세라믹 다공체로 구성되고, 유입된 예혼합 기체가 상기 제1세라믹 다공체와 상기 제2세라믹 다공체를 순차적으로 통과하며 소각되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은, 앞서 언급한 제1목적에 따른 연소장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크러버 시스템으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제4목적은, 폐가스를 소각시키기 위한 스크러버 시스템에 구비되는 연소장치에 있어서, 일단에 연료 유입부와, 폐가스 유입부와, 산화제 유입부가 형성되고, 타단에 폐가스가 소각된 배출가스가 배출되는 배출구가 형성된 연소기 몸체; 및 상기 연소기 몸체 내부에 구비되고, 세라믹 다공체로 구성되며 상부는 개방면이고 하부는 폐쇄면인 원통형으로 형성되고, 내부에 화염이 형성되어 상기 폐가스가 상기 개방면 측으로 유입되어 내면에서 외면측으로 토출되면서 소각되는 세라믹 다공체 연소기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치로서 달성될 수 있다.
그리고, 상기 연료유입부를 통해 유입되는 연료와, 상기 폐가스 유입부를 통해 유입되는 폐가스와, 상기 산화제 유입부를 통해 유입되는 산화제가 혼합되는 예혼합기; 및 상기 예혼합기와 상기 세라믹 다공체 연소기를 구획하는 격벽을 포함하고, 상기 예혼합기에 의해 혼합된 기체가 상기 세라믹 다공체 연소기의 개방면으로 유입되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 원통형 상기 세라믹 다공체 연소기 내면에 구비되어, 상기 예혼합기에서 혼합된 기체를 균일하게 상기 세라믹 다공체 연소기로 유입시키는 분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 세라믹 다공체 연소기는, 기체의 유동방향으로 다수의 층이 적층된 다단으로 구성되며, 기체의 유동방향 측으로 단계적으로 기공이 큰 세라믹 다공체가 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 연소기 몸체의 외벽을 단열시키기 위한 단열층을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 세라믹 다공체는 세라믹 허니컴, 세라믹 폼 및 세라믹 볼 베드 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 산화제 유입구를 통해 유입되는 산화제는 산소 또는 공기인 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 폐가스는 반도체 또는 디스플레이 제조공정에서 배출되는 난분해성 유해가스와 상기 유해가스를 희석시키기 위한 불활성 가스를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제5목적은 앞서 언급한 제4목적에 따른 연소장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크러버 시스템으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 난분해성 유해가스의 소각 처리를 위한 연소기 설계에 있어서 높은 처리 효율과 동시에 높은 에너지 이용 효율을 달성할 수 있고, 연료 사용량은 최소로 하면서도 모든 폐가스가 그것이 분해될 수 있는 고온까지 충분히 도달할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
또한, 열 교환기와 같은 추가 장치를 사용하지 않고 세라믹 다공체 내부에서 연소가 이루어지도록 하면 다공체 자체의 전도 및 복사 열전달에 의해 열 재순환이 발생하게 되고 궁극적으로 초과 엔탈피 연소를 용이하게 달성할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고, 난분해성 유해가스를 소각 처리하는데 있어서, 불활성 가스로 과다 희석된 폐가스를 연료 및 산화제와 혼합한 후 다공체 내부로 공급하여 소각시키게 됨으로써, 내부 열 재순환에 의해 통상적인 연소기술로는 도달할 수 없는 초고온의 화염에 의해 소각되므로 폐가스의 처리 효율을 향상시킬 수 있으며 더불어 적은 양의 연료만으로도 처리가 가능하므로 에너지 이용 효율 또한 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
도 1은 종래 폐가스 처리용 스크러버 시스템의 정면도,
도 2a는 종래 회전유동을 발생시킨 폐가스와 화염의 모식도,
도 2b는 종래 폐가스의 유동과 어긋나게 분사되는 화염의 모식도,
도 2c는 도 2b의 화염 사진,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치 이용한 폐가스 처리 방법의 흐름도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치의 단면도,
도 5는 종래 연소장치를 유동하는 폐가스의 이론상 온도(엔탈피)와, 본 발명의 일실시예에 따른 연소장치를 유동하는 폐가스의 온도(엔탈피)를 도시한 그래프,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치의 단면도,
도 7a은 본 발명의 제3실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치의 단면도,
도 7b는 도 7a의 A-A 단면도,
도 8a은 본 발명의 제4실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치의 단면도,
도 8b는 도 8a의 B-B 단면도를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 스크러버 시스템(1)에 구비되는, 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(100)의 구성 및 그 연소장치(100)를 이용한 폐가스 처리 방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(100) 이용한 폐가스 처리 방법의 흐름도를 도시한 것이다. 또한, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(100)의 단면도를 도시한 것이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(100)는 도 4에 도시된 바와 같이, 전체적으로, 일단에 연료유입부(111)와, 폐가스유입부(112)와, 산화제유입부(113)가 형성되고, 타단에 폐가스가 소각된 배출가스가 배출되는 배출구(150)가 형성된 연소기 몸체(110); 및 상기 연소기 몸체(110) 내부에 구비되고, 세라믹 다공체로 구성되며 내부에 화염(2)이 형성되어 상기 폐가스가 소각되는 세라믹 다공체 연소기(140); 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 제1실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(100)는, 상기 연료유입부(111)를 통해 유입되는 연료와, 상기 폐가스유입부(112)를 통해 유입되는 폐가스와, 상기 산화제유입부(113)를 통해 유입되는 산화제가 혼합되는 예혼합기(120)를 포함하여, 상기 예혼합기(120)에 의해 혼합된 기체가 상기 세라믹 다공체 연소기(140)로 유입되게 된다.
그리고, 본 발명의 제1실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(100)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 예혼합기(120)와 상기 세라믹 다공체 연소기(140) 사이에 분배기(130)를 구비되어, 상기 예혼합기(120)에서 혼합된 기체를 균일하게 상기 세라믹 다공체 연소기(140)로 유입시킬 수 있게 된다.
또한, 세라믹 다공체 연소기(140)는, 특정크기의 기공을 갖는 세라믹 다공체로 구성되며, 이러한 세라믹 다공체는 상기 연소기 몸체(110)의 중단부 측의 모든 내벽에 접할 수 있도록 구성되어, 분배기(130)에서 유입되는 모든 예혼합 기체가 상기 세라믹 다공체를 통과할 수 있도록 구성된다. 또한, 이러한 세라믹 다공체의 두께방향 중심면 상에 화염(2)이 형성되게 된다.
그리고, 이러한 세라믹 다공체 연소기(140)를 구성하는 세라믹 다공체는 세라믹 허니컴, 세라믹 폼 및 세라믹 볼 베드 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 제1실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(100)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 연소기 몸체(110)의 외벽을 단열시키기 위한 단열층(114)을 포함하고 있음을 알 수 있다.
그리고, 앞서 설명한 바와 같이, 폐가스 유입구를 통해 유입되는 폐가스는 반도체 또는 디스플레이 제조공정에서 배출되는 난분해성 유해가스와 상기 유해가스를 희석시키기 위한 불활성 기체를 포함하게 된다.
먼저 전체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(100)를 이용한 폐가스 처리방법은, 연소기 몸체(110) 일단에 형성된 연료유입부(111)와, 폐가스유입부(112)와, 산화제유입부(113)를 통해 연료, 폐가스, 산화제가 상기 연소기 몸체(110) 내부에 구비된 예혼합기(120)로 유입되게 된다(S1). 산화제 유입구를 통해 유입되는 산화제는 고온반응을 위해 산소를 사용하는 것이 바람직하나, 후에 설명되는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 열재순환 및 초과엔탈피 연소를 달성할 수 있기 때문에, 경우에 따라 난분해성 유해가스가 희석되는 불활성 가스의 양이 상대적으로 적은 경우, 즉 난분해성 유해가스의 농도가 높은 경우에는 산소 대신 공기를 산화제로 사용함으로써 산소 소요 비용을 절감하는 것도 가능하다. 또한, 본 발명의 일실시예에서, 연료유입부(111)를 통해 유입되는 연료로 LNG, LPG를 사용하였다.
그리고, 예혼합기(120)는, 유입된 폐가스, 연료, 산화제를 예혼합하게 된다. 또한, 이러한 예혼합기(120)는 도 4에 도시된 바와 같이, 세라믹 다공체 연소기(140)와 일체형으로 구성될 수도 있고, 독립적인 장치로 결합될 수도 있다.
그리고, 예혼합기(120)와 세라믹 다공체 연소기(140) 사이에 구비된 분배기(130)에 의해, 상기 예혼합기(120)에서 혼합된 기체가 균일하게 상기 세라믹 다공체 연소기(140)로 유입되게 된다(S3)
예혼합된 기체 모두가, 연소기 몸체(110) 내부에 구비된 세라믹 다공체로 구성된 세라믹 다공체 연소기(140)를 통과하면서, 세라믹 다공체 연소기(140) 내부에 형성된 화염(2)에 의해 폐가스가 소각되게 된다(S4).
세라믹 다공체로 구성된 세라믹 다공체 연소기(140)는 본 발명의 핵심적인 구성으로, 앞서 언급한 바와 같이, 점화과정을 통해 세라믹 다공체의 두께 방향 중심면 측에서 화염(2), 즉 최고온도에 도달하게 되며, 예혼합된 모든 기체가 이러한 화염(2)면을 통과하게 되어, 다공체 내 초과 엔탈피 연소를 이용한 에너지 집중화가 가능하게 된다.
도 5는 종래 연소장치(100)를 유동하는 폐가스의 이론상 온도(엔탈피)와, 본 발명의 일실시예에 따른 연소장치(100)를 유동하는 폐가스의 온도(엔탈피)를 도시한 그래프를 도시한 것이다. 외부로의 열 손실이 없을 때 주어진 조건의 연료와 산화제가 연소하여 도달할 수 있는 최대 온도를 단일 화염 온도(adiabatic flame temperature)라 하는데, 이때 고온의 연소가스로부터 차가운 미연가스(unburned gas)로 열 재순환이 주어지면 단일화염 온도 이상의 고온을 달성할 수 있으며 이때를 초과 엔탈피 연소라 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 열 재순환을 위해 열 교환기와 같은 추가 장치를 사용하지 않고, 세라믹 다공체 내부에서 연소가 이루어지도록 하면, 세라믹 다공체 자체의 전도 및 복사 열전달에 의해 열 재순환이 발생하게 되고 궁극적으로 초과엔탈피 연소를 용이하게 달성할 수 있게 된다.
따라서 난분해성 유해가스를 소각 처리하는데 있어서, 불활성 가스로 과다 희석된 폐가스를 연료 및 산화제와 혼합한 후 다공체 내부로 공급하여 소각시킨다면 내부 열 재순환에 의해 통상적인 연소기술로는 도달할 수 없는 초고온의 화염(2)에 의해 소각되므로 폐가스의 처리 효율을 향상시킬 수 있으며 더불어 적은 양의 연료 만으로도 처리가 가능하므로 에너지 이용 효율 또한 향상시킬 수 있게 된다. 즉, 예를 들어, 약 200LPM정도의 난분해성 유해가스를 처리하는데 통상 약 50LPM 정도의 LNG가 소요되나, 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 다공체 연소기(140)를 구비장치를 이용하게 되면 동일한 양의 유해가스를 처리하기 위해 약 20LPM 정도의 LNG가 소요되게 된다.
또한, 본 발명에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(100)에 구비되는 세라믹 다공체 연소기(140)는 다단의 세라믹 다공체로 구성되어 질 수 있다. 이때 상류측에는 기공크기가 작은 세라믹 다공체를 설치하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(100)의 단면도를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 연소장치(100)의 구성은 기본적으로 제1실시예와 동일하나, 세라믹 다공체 연소기(140)가, 두께방향 즉 기체의 유동방향으로 제1세라믹 다공체(141)와 제2세라믹 다공체(142)가 적층된 형태로 구성됨을 알 수 있다. 이때, 상부측에 제1세라믹 다공체(141)의 기공이 제2세라믹 다공체(142)의 기공보다 작게 구성됨이 바람직하며, 제1세라믹 다공체(141)와 제2세라믹 다공체(142)의 경계면에 화염(2)을 형성하는 것이 바람직하다.
따라서, 예혼합기(120)에 의해 폐가스, 연료, 산화제가 예혼합되어 분배기(130)에 의해 균일하게 제1세라믹 다공체(141)를 통과하게 되고, 연속적으로 제2세라믹 다공체(142)를 통과하게 되면서, 보다 안정적인 열 재순환 및 초과 엔탈피 연소가 가능하게 된다. 세라믹 다공체 연소기(140)를 통과하면서 소각된 배출가스는 배출구(150)를 통해 배기 되게 된다.
또한, 본 발명에 따른 연소장치(100)에 구비되는 세라믹 다공체 연소기(140)는 하부는 폐쇄면이고 상부는 개방면으로 구성된 원통 형태로 구성되어 질 수 있다. 도 7a은 본 발명의 제3실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(100)의 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 7b는 도 7a의 A-A 단면도를 도시한 것이다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 연소장치(100)에 구비되는 연소장치(100)는 예혼합기(120)와 원통형 세라믹 다공체 연소기(140) 사이에는 중앙부에 천공이 형성된 격벽(121)이 구비됨을 알 수 있다. 이러한 격벽(121)의 천공과 원통형 세라믹 다공체 연소기(140)의 상부 개방면은 서로 대향되며, 이러한 개방면을 통해 예혼합된 기체가 원통형 세라믹 다공체 연소기(140) 내부로 유입되게 된다.
또한, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 원통형 세라믹 다공체 연소기(140)의 내면에는 분배기(130)가 구비되어, 예혼합된 기체가 분배기(130)를 통해 균일하게 원통형 세라믹 다공체 연소기(140)의 내면 전체로 유입되어 외면 측으로 토출되게 된다. 원통형 세라믹 다공체 연소기(140) 역시, 세라믹 다공체 두께방향 중심면 측 상에 화염(2)이 형성되며, 모든 예혼합된 기체가 이러한 화염(2)을 통과하게 되면서, 열 재순환 및 초과 엔탈피 연소가 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 원통형 세라믹 다공체 연소기(140) 역시, 두께방향, 기체의 유동방향으로 세라믹 다공체가 다단으로 적층된 형태로 구성되어 질 수 있다. 도 8a은 본 발명의 제4실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(100)의 단면도를 도시한 것이고, 도 8b는 도 8a의 B-B 단면도를 도시한 것이다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따른 원통형 세라믹 다공체 연소기(140)는 두께방향으로 원통형 제1세라믹 다공체(141)와, 내면이 상기 제1세라믹 다공체(141)의 외면과 접하게 되는 원통형 제2세라믹 다공체(142)로 구성될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 도 8a 및 도 8b에서는 별도의 분배기(130)가 원통형 제1세라믹 다공체(141)의 내면에 설치되어 있으나, 원통형 제1세라믹 다공체(141)의 기공이 원통형 제2세라믹 다공체(142)의 기공보다 작게 구성됨으로써 별도의 분해기 없이 원통형 제1세라믹 다공체(141)가 분배기(130) 역할을 수행하는 것도 가능하다.
이때, 내측에 제1세라믹 다공체(141)의 기공이 제2세라믹 다공체(142)의 기공보다 작게 구성됨이 바람직하며, 제1세라믹 다공체(141)와 제2세라믹 다공체(142)의 경계면에 화염(2)을 형성시키는 것이 바람직하다.
따라서, 예혼합기(120)에 의해 폐가스, 연료, 산화게 예혼합되어 분배기(130)에 의해 균일하게 제1세라믹 다공체(141)를 통과하게 되고, 연속적으로 제2세라믹 다공체(142)를 통과하게 되면서, 보다 안정적인 열 재순환 및 초과 엔탈피 연소가 가능하게 된다. 세라믹 다공체 연소기(140)를 통과하면서 소각된 배출가스는 배출구(150)를 통해 배기 되게 된다.
이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연한것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
1:스크러버 시스템
2:화염
3:습식타워
4:수조탱크
5:버너
100:연소장치
110:연소기 몸체
111:연료유입부
112:폐가스유입부
113:산화제유입부
114:단열층
120:예혼합기
121:격벽
130:분배기
140:세라믹 다공체 연소기
141:제1세라믹 다공체
142:제2세라믹 다공체
150:배출구

Claims (19)

  1. 폐가스를 소각시키기 위한 스크러버 시스템에 구비되는 연소장치에 있어서,
    일단에 연료 유입부와, 폐가스 유입부와, 산화제 유입부가 형성되고, 타단에 폐가스가 소각된 배출가스가 배출되는 배출구가 형성된 연소기 몸체; 및
    상기 연소기 몸체 내부에 구비되고, 세라믹 다공체로 구성되며 내부에 화염이 형성되어 상기 폐가스가 소각되는 세라믹 다공체 연소기;
    상기 연료유입부를 통해 유입되는 연료와, 상기 폐가스 유입부를 통해 유입되는 폐가스와, 상기 산화제 유입부를 통해 유입되는 산화제가 혼합되는 예혼합기; 및
    상기 예혼합기와 상기 세라믹 다공체 연소기 사이에 구비되어, 상기 예혼합기에서 혼합된 기체를 균일하게 상기 세라믹 다공체 연소기로 유입시키는 분배기;를 포함하고,
    상기 예혼합기에 의해 혼합된 기체가 상기 세라믹 다공체 연소기로 유입되는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 세라믹 다공체 연소기는,
    세라믹 다공체가 상기 연소기 몸체의 중단부의 모든 내벽에 접하여 구성되어, 상기 분배기에서 유입되는 모든 혼합 기체가 상기 세라믹 다공체를 통과하도록 구성되며, 두께방향 중심면 측에 화염이 형성되는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 세라믹 다공체 연소기는,
    기체의 유동방향으로 다수의 층이 적층된 다단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    기체의 유동방향 측으로 단계적으로 기공이 큰 세라믹 다공체가 구비되는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치.
  7. 폐가스를 소각시키기 위한 스크러버 시스템에 구비되는 연소장치를 이용한 폐가스 처리 방법에 있어서,
    연소기 몸체 일단에 형성된 연료 유입부와, 폐가스 유입부와, 산화제 유입부를 통해 연료, 폐가스, 산화제가 상기 연소기 몸체 내부에 구비된 예혼합기로 유입되어 예혼합되는 단계;
    예혼합된 기체가, 상기 연소기 몸체 내부에 구비되고 세라믹 다공체로 구성된 세라믹 다공체 연소기를 통과하면서, 상기 세라믹 다공체 연소기 내부에 형성된 화염의 의해 상기 폐가스가 소각되는 단계; 및
    연소기 몸체 타단에 형성된 배출구를 통해 소각된 배출가스가 배출되는 단계를 포함하고,
    상기 예혼합되는 단계 후에,
    상기 예혼합기와 상기 세라믹 다공체 연소기 사이에 구비된 분배기에 의해, 상기 예혼합기에서 혼합된 기체가 균일하게 상기 세라믹 다공체 연소기로 유입되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치를 이용한 폐가스 처리 방법.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 소각되는 단계에서,
    상기 세라믹 다공체 연소기는, 기체의 유동방향으로 적층된 제1세라믹 다공체와, 상기 제1세라믹 다공체의 기공보다 큰 기공을 갖는 제2세라믹 다공체로 구성되고,
    유입된 예혼합 기체가 상기 제1세라믹 다공체와 상기 제2세라믹 다공체를 순차적으로 통과하며 소각되는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치 이용한 폐가스 처리 방법.
  10. 제 1항, 제4항, 제5항 또는 제 6항에 따른 연소장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크러버 시스템.
  11. 폐가스를 소각시키기 위한 스크러버 시스템에 구비되는 연소장치에 있어서,
    일단에 연료 유입부와, 폐가스 유입부와, 산화제 유입부가 형성되고, 타단에 폐가스가 소각된 배출가스가 배출되는 배출구가 형성된 연소기 몸체; 및
    상기 연소기 몸체 내부에 구비되고, 세라믹 다공체로 구성되며 상부는 개방면이고 하부는 폐쇄면인 원통형으로 형성되고, 내부에 화염이 형성되어 상기 폐가스가 상기 개방면 측으로 유입되어 내면에서 외면측으로 토출되면서 소각되는 세라믹 다공체 연소기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 연료유입부를 통해 유입되는 연료와, 상기 폐가스 유입부를 통해 유입되는 폐가스와, 상기 산화제 유입부를 통해 유입되는 산화제가 혼합되는 예혼합기; 및 상기 예혼합기와 상기 세라믹 다공체 연소기를 구획하는 격벽을 포함하고,
    상기 예혼합기에 의해 혼합된 기체가 상기 세라믹 다공체 연소기의 개방면으로 유입되는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    원통형 상기 세라믹 다공체 연소기 내면에 구비되어, 상기 예혼합기에서 혼합된 기체를 균일하게 상기 세라믹 다공체 연소기로 유입시키는 분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 세라믹 다공체 연소기는, 기체의 유동방향으로 다수의 층이 적층된 다단으로 구성되며, 기체의 유동방향 측으로 단계적으로 기공이 큰 세라믹 다공체가 구비되는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치.
  15. 제 1항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 연소기 몸체의 외벽을 단열시키기 위한 단열층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치.
  16. 제 1항 또는 제11항에 있어서,
    상기 세라믹 다공체는 세라믹 허니컴, 세라믹 폼 및 세라믹 볼 베드 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치.
  17. 제 1항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 산화제 유입구를 통해 유입되는 산화제는 산소 또는 공기인 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치.
  18. 제 1항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 폐가스는 반도체 또는 디스플레이 제조공정에서 배출되는 난분해성 유해가스와 상기 유해가스를 희석시키기 위한 불활성 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소 장치.
  19. 제 11항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 연소장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크러버 시스템.
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