KR101887248B1 - 연소 제해 장치 - Google Patents

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Abstract

유해 가스 성분으로서 가연성 가스 성분을 포함하는 배기가스 등의 피처리가스 중의 유해가스 성분을 효율 좋게 제해 처리할 수 있는 연소 제해 장치로서, 연소 제해 장치(10)는, 유해 가스 성분을 포함하는 피처리가스를 도입하는 피처리가스 도입 노즐(12)과, 피처리가스 도입 노즐의 외주측으로부터 산화제를 도입하는 산화제 도입 노즐(13)과, 연소 챔버(11) 내에서 점화용 불꽃을 형성하는 점화버너(14)와, 피처리가스 도입 노즐에 공급하는 피처리가스 중에 연소용 연료로 되는 수소를 도입하는 수소 도입부(16)를 구비함과 함께, 산화제 도입 노즐의 노즐축선(13a)을, 피처리가스 도입 노즐의 노즐 축선(12a)의 연장선상으로 향하는 방향으로 배치되어 있다.

Description

연소 제해 장치{COMBUSTION DETOXIFYING DEVICE}
본 발명은, 연소 제해 장치(Combustion detoxifying device)에 관한 것이며, 자세하게는 화합물 반도체나 태양전지 등의 제조 프로세스로부터 배출되는 배기가스 중에 포함되는 유해 가스 성분의 제해 처리(Detoxifying processing)를 행하는 연소 제해 장치에 관한 것이다.
화합물 반도체나 태양전지 등의 제조 프로세스로부터 배출되는 배기가스 중에는, 제조 프로세스에서 사용하는 각종 유해 가스 성분, 예를 들면 가연성 가스 성분이나 독성 가스 성분이 포함되어 있기 때문에, 배기가스를 대기중에 배출하기 전에, 이들 유해 가스 성분의 제해 처리를 행할 필요가 있다. 유해 가스 성분의 제해 처리를 행하기 위한 장치로서, 연소 제해 장치가 널리 이용되고 있다. 이 연소제해 장치에서는, 탄화수소계의 연료를 공기 등의 산소를 포함하는 가스(산화제)에 의해 연소시킨 고온 연소 가스 중에 상기 배기가스를 도입하고, 배기가스 중 유해 가스 성분을 연소시키거나 열분해 시키거나 함으로써, 배기가스 중에서 유해 가스 성분을 제거하여 배기가스의 제해 처리를 행하고 있다.
한편, 근래의 화합물 반도체나 태양전지 등의 제조 프로세스에서는, 수소를 대량으로 사용하게 되어 있기 때문에, 제조 프로세스에서의 배기가스 중에 대량의 수소가 포함되어 있다. 이와 같이 대량의 수소가 포함되어 있는 배기가스를 처리하는 경우, 일반적인 연소 제해 장치에서는, 연료의 연소 속도와 수소의 연소 속도와의 관계 등으로부터, 유해 가스 성분의 제거 효율이 저하하는 일이 있었다. 한편, 가연성 가스 성분으로서 암모니아를 포함하는 배기가스의 제해 처리를 행하는 연소제해 장치로서, 연소 챔버 내로 배기가스를 도입하는 배기가스 도입 노즐의 외주에 링 형상으로 수소 도입 노즐을 배치함과 함께, 이 수소 도입 노즐의 외주에 링 형상으로 탄화수소계 연료와 산화제를 혼합한 연소용 가스를 도입하는 연소용 가스 도입 노즐을 배치하고, 연소 화염 중에 수소를 더하여 수소의 연소에 의한 열로 암모니아를 분해하여 연소시키는 것이 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조.)
: 일본 공개특허공보2008-540990호
그러나, 특허문헌 1에 기재된 장치에서는, 배기가스 도입 노즐로부터 챔버 내로 도입된 배기가스와 수소와의 혼합이 불충분하고, 또한, 연소용 가스 중의 산소와 연소 속도가 빠른 수소가 급격하게 반응해 버리기 때문에, 일반적인 크기의 챔버 내에서는, 수소의 연소열로 배기가스 중의 암모니아를 충분히 가열할 수 없으며, 연소 속도가 수소에 비해 지극히 늦은 암모니아를 연소시킨다고 하는 기능을 충분히 발휘할 수 없었다.
그래서 본 발명은, 유해 가스 성분으로서 가연성 가스 성분을 포함하는 배기가스 등의 피처리가스 중의 유해 가스 성분을 효율 좋게 제해 처리할 수 있는 연소 제해 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 연소 제해 장치는, 피처리가스 중에 포함되는 유해 가스 성분을 연소 화염에 의하여 제해 처리하는 연소 제해 장치에 있어서, 유해 가스 성분을 포함하는 피처리가스를 연소 챔버 내로 도입하는 피처리가스 도입 노즐과, 이 피처리가스 도입 노즐의 연소 챔버 외주측으로부터 상기 연소 챔버 내로 산화제를 도입하는 산화제 도입 노즐과, 상기 피처리가스 도입 노즐로부터 연소 챔버 내로 도입된 상기 피처리가스와 상기 산화제 도입 노즐로부터 연소 챔버 내로 도입된 상기 산화제가 혼합된 혼합 가스에 점화하는 점화버너와, 상기 피처리가스 도입 노즐에 상기 피처리가스를 공급하는 피처리가스 공급 경로 내에, 연소용 연료로 되는 수소를 도입하여 이 수소와 상기 피처리가스를 혼합시키는 수소 도입부를 구비함과 함께, 상기 산화제 도입 노즐의 노즐 축선을, 상기 피처리가스 도입 노즐의 노즐 축선의 연장선상으로 향하는 방향으로 배치된 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 연소 제해 장치는, 유해 가스 성분으로서 암모니아를 포함하고 있는 피처리가스의 연소 제해 처리에 특히 유효하고, 또, 상기 연소 챔버는, 외통과, 이 외통의 내주에 배치된 가스 투과성 재료로 이루어지는 내통으로 형성되며, 상기 피처리가스 도입 노즐 및 상기 산화제 도입 노즐은 상기 내통 내에 형성된 연소실 내로 피처리가스 및 산화제를 도입하는 상태로 설치되고, 상기 내통과 상기 외통과의 사이에, 상기 내통을 투과하여 연소실 내로 도입되는 공기가 외통 외부로부터 공급되는 공기실이 설치되어 있는 것이 바람직하고, 상기 점화버너는, 수소를 촉매에 의해 활성화시켜 연소시키는 버너를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 연소 제해 장치는, 상기 피처리가스가 공정 중 일부에서 수소를 사용하는 프로세스로부터 배출되는 배기가스인 경우, 상기 프로세스에서의 수소의 사용량이 적을 때에는, 프로세스에서 사용하는 수소의 적어도 일부를 연소용 연료의 수소로서 상기 수소 도입부로부터 도입할 수 있다.
본 발명의 연소 제해 장치에 의하면, 유해 가스 성분을 포함하는 피처리가스 중에 수소를 도입 혼합하고 나서 챔버 내로 도입하고, 산화제와 혼합시켜 연소시키므로, 유해 가스 성분과 수소를 충분히 접촉시킬 수 있으며, 수소의 연소열에 의한 유해 가스 성분의 분해를 효율 좋게 행할 수 있다. 또한, 탄화수소계의 연료를 사용하지 않고 수소를 연소시켜 연소 화염을 생성함으로써, 이산화탄소의 발생량을 대폭 감소시킬 수 있다. 특히, 유해 가스 성분이, 연소 속도가 늦은 가연성 가스 성분인 암모니아의 경우는, 암모니아의 분해, 연소를 효과적으로 촉진할 수 있다.
또한, 챔버를 이중구조로 하여 외측의 공기실로부터 가스 투과성 재료로 이루어지는 내통을 투과시켜 챔버의 연소실 내로 공기를 도입함으로써, 연소실 내로 충분한 양의 산소를 도입하여 확실한 연소 상태를 얻을 수 있음과 함께, 공기실 내로 외부로부터 공기를 항상 공급함으로써 내통이나 외통의 온도 상승을 억제할 수 있다. 또, 점화버너의 연료에도 수소를 사용함으로써, 수소 이외의 연료를 필요로 하지 않고, 수소의 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 수소를 사용하는 프로세스로부터 배출되는 배기가스의 제해 처리를 행하는 경우, 프로세스에서의 수소 사용량이 적을 때에, 프로세스용으로서 준비되어 있는 수소를 연소 제해 장치의 수소 도입부로부터 도입함으로써, 프로세스용의 수소 공급 설비로부터의 수소로 배기가스 중에 포함되어 있는 유해 가스 성분의 제해 처리를 행할 수 있다. 이것에 의해, 연소 제해 장치용 수소 공급 설비를 설치할 필요가 없어지며, 제해 처리용 설비 비용을 저감할 수 있다. 또, 프로세스에서 수소를 사용하고 있을 때는, 프로세스로부터의 배기가스 중에 수소가 포함되어 있으므로, 수소 도입부로부터의 수소 도입량을 줄이거나, 멈추거나 해도 충분한 연소 상태를 얻을 수 있으므로, 유해 가스 성분의 제해 처리를 계속할 수 있고, 수소 도입부로부터 도입되는 연소용 연료로서의 수소 사용량을 삭감할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 연소 제해 장치 중 하나의 형태예를 나타내는 설명도이다.
도 2는, 본 발명의 연소 제해 장치를 반도체 제조장치에 구비한 반도체 제조 설비의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 3(A)는 반도체 제조장치에 있어서의 가스 도입량의 변화 상태를 나타내는 도면이다. 도 3(B)는 연소 제해 장치에 있어서 가스 도입량의 변화 상태를 나타내는 도면이다.
본 형태예에 나타내는 연소 제해 장치(10)는, 축선을 연직 방향으로 향한 원통 형상의 연소 챔버(11)의 천판부에, 이 연소 챔버(11) 내에 피처리가스를 도입하기 위한 피처리가스 도입 노즐(12)과, 이 피처리가스 도입 노즐(12)의 외주에 동심원 형상으로 배치된 산화제 도입 노즐(13)을 설치함과 함께, 연소 챔버(11)의 둘레벽을 관통시켜 점화버너(14)를 설치하고 있다. 또한, 피처리가스 도입 노즐(12)에 피처리가스를 공급하는 피처리가스 공급 경로(15)에는, 이 피처리가스 공급 경로(15) 내에, 연소용 연료로 되는 수소를 도입하고 이 수소와 상기 피처리가스를 혼합시키는 수소 도입부(16)가 설치되어 있다.
연소 챔버(11)는, 밀폐된 금속제의 외통(17)과, 이 외통(17)의 내주에 배치된 가스 투과성 재료로 이루어지는 내통(18)에 의하여 이중 통구조로 되어 있고, 내통(18)의 내주 측에 연소실(19)이 형성되며, 외통(17)과 내통(18)과의 사이에 공기실(20)이 형성되어 있다. 외통(17)의 둘레벽에는, 장치 밖으로부터 공기실(20) 내로 공급하는 공기량을 조정하기 위한 댐퍼(21)를 구비한 공기 공급구(22)가 형성되어 있고, 공기 공급구(22)로부터 공기실(20) 내로 외부에서 공기를 공급함으로써, 다공판이나 철망 등의 가스 투과성 재료에 의하여 형성된 내통(18)을 투과하여 연소실(19) 내로 공기를 도입하도록 형성되어 있다.
또, 연소 챔버(11)의 하단에 개구된 연소 가스 배기구에는, 축선을 수평 방향으로 향한 냉각통(23)이 연결되어 설치되어 있다. 이 냉각통(23)의 일단에는, 연소 배기가스를 냉각하기 위한 냉각용 공기의 도입구(24)가 댐퍼(25)를 통하여 형성되며, 냉각통(23)의 타단 개구에는, 필요에 따라서 냉각 수단이나 고형분 분리 수단을 통하여 배기관(도시하지 않음)이 접속되어 있다.
상기 피처리가스 도입 노즐(12)은, 노즐축선(12a)을 챔버 축선방향을 향하여 배치되어 있고, 챔버 축선을 따라서 하강류로 피처리가스를 도입하도록 형성되어 있다. 한편, 상기 산화제 도입 노즐(13)은, 피처리가스 도입 노즐(12)의 외주의 하나의 동심원상에 다수의 노즐구를 배열한 것으로서, 이 산화제 도입 노즐(13)에 있어서의 각 노즐구의 노즐축선(13a)은, 상기 피처리가스 도입 노즐(12)의 노즐 축선의 연장선상의 일점을 초점으로 하여, 이 초점을 향하는 방향으로 산화제를 도입하도록 배치되어 있다.
따라서, 연소 제해 처리를 행하는 피처리가스는, 피처리가스 도입 노즐(12)의 기부(基部)에 위치하는 피처리가스 공급 경로(15) 내에서 수소 도입부(16)로부터 도입되는 수소와 충분히 혼합된 상태에서 피처리가스 도입 노즐(12)로부터 연소 챔버(11) 내로 도입되고, 산화제 도입 노즐(13)로부터 연소 챔버(11) 내로 도입되는 산화제로 감싸진 상태에서 연소 챔버(11) 내를 아래쪽을 향하여 흐르는 상태가 된다.
상기 점화버너(14)는, 수소 혼합 상태의 피처리가스가 산화제와 혼합하는 부분에 점화용 불꽃(Pilot flame)을 형성함으로써, 이 점화용 불꽃에 의하여 피처리가스 중의 수소와 산화제 중의 산소를 반응시켜 연소 화염을 형성한다. 이 점화버너(14)에는, 화석연료를 이용한 통상의 점화버너를 이용할 수도 있지만, 수소에 활성이 높은 촉매를 이용한 수소 점화버너를 사용함으로써, 연소용 연료의 수소의 일부를 점화 불꽃 형성용으로서 사용할 수 있으므로, 점화 불꽃 형성용 연료를 공급하는 설비를 생략할 수 있다.
점화버너(14)의 점화용 불꽃으로 연소용 연료의 수소가 산화제와 반응하여 연소할 때, 수소 도입부(16)로부터 도입된 수소가 피처리가스 중에 혼합된 상태로 되어 있기 때문에, 피처리가스 중에 포함되어 있는 유해 가스 성분을 수소의 연소열로 효과적으로 가열할 수 있고, 연소 속도가 늦은 유해 가스 성분이라도 충분히 가열할 수 있어, 각종 유해 가스 성분을 열분해 시키거나 산화제와 반응시켜 연소시키거나 하여 확실히 제해 처리할 수 있다.
또한, 장치 밖으로부터 공기실(20) 내로 공급된 공기를, 내통(18)을 투과시켜 연소실(19) 내로 도입됨으로써, 연소실(19) 내에서의 연소에 필요한 산소량보다 많은 산소를 연소실(19) 전체에 고르게 공급할 수 있으므로, 연소실(19) 내에서의 보다 확실한 연소 상태를 얻을 수 있다. 또, 공기실(20) 내에 외부로부터 공기를 상시 공급함으로써, 외통(17)이나 내통(18)의 온도 상승을 억제할 수 있다.
도 2는, 프로세스 가스로서 수소와 암모니아를 사용하는 반도체 제조장치(MOCVD)(30)에 상기 연소 제해 장치(10)를 구비한 반도체 제조 설비의 일례를 나타내고 있다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 상기 형태예에 나타낸 연소제해 장치의 구성요소와 동일 구성요소에는 동일 부호를 붙여 상세한 설명은 생략한다. 또, 점화버너(14)에는, 수소에 활성이 높은 촉매를 이용한 수소 점화버너를 사용하고 있다.
반도체 제조장치(30)는, 유기 금속화합물 및 암모니아를 원료 가스, 수소 및 질소를 캐리어 가스로 하여 기판 표면에 화합물 반도체 박막을 기상성장시켜서 LED 등의 화합물 반도체나 태양전지를 제조하는 것이며, 반도체 제조장치(30)의 가스 입구 측에는, 암모니아 공급원으로부터의 암모니아 공급 경로(31), 수소 공급원으로부터의 수소 공급 경로(32) 외, 도시하지 않은 유기 금속화합물 공급 경로나 질소 공급 경로 등이 형성되어 있다. 또, 반도체 제조장치(30)의 가스 출구 측에는, 시일(seal) 가스로서 질소를 사용한 드라이 실드형 진공 펌프(33)를 구비한 배기가스 경로(34)가 형성되어 있다.
암모니아 공급 경로(31) 및 수소 공급 경로(32)에는, 가스 공급 밸브(31V, 32V) 및 유량계(31F, 32F)가 각각 설치되어 있고, 제어장치(35)로부터의 지령에 의하여 가스 공급 밸브(31V, 32V)를 각각 개폐함으로써, 반도체 제조장치(30)로의 암모니아나 수소의 공급 상태를 제어하고 있다.
또, 수소 공급 경로(32)의 수소 공급원측으로부터는, 연소 제해 장치(10)의 수소 도입부(16)에 접속하는 제해 장치용 수소공급 경로(36)와, 점화버너(14)에 점화 불꽃 형성용 수소를 공급하는 점화버너용 수소공급 경로(37)가 분기되어 있다. 제해 장치용 수소공급 경로(36)에는, 상기 제어장치(35)로부터의 지령에 의하여 개폐 제어되는 가스 공급 밸브(36V)와 유량계(36F)가 설치되어 있고, 반도체 제조장치(30)의 운전 상태에 따라 연소 제해 장치(10)에 도입되는 수소량이 조절되고 있다.
도 3(A)에 나타내는 바와 같이, 반도체 제조장치(30)에서는, 화합물 반도체 박막을 기상성장시키는 하나의 공정 중에 공급 가스량이 변화하여, 공정 개시(t0)로부터 예열 등의 예비 단계를 거쳐 기상성장 개시(t1)까지는, 암모니아(NH3)에 대하여 수소(H2)의 공급량이 많고, 공정 중간에서 기판으로의 기상성장이 시작되면, 수소(H2)의 공급량이 적게 됨과 함께 암모니아(NH3)의 공급량이 증대한다. 또한, 공정 종료 근처에서 기상성장 종료(t2)로 되어 기판으로 기상성장이 종료하면, 수소(H2)가 대량으로 공급되는 상태로 됨과 함께, 암모니아(NH3)의 공급량은 대략 반감한 상태로 된다. 또, 질소(N2)는, 공정 개시(t0)에서 공정 종료(t3)까지 일정량이 연속하여 공급되고 있다.
이와 같이 하여 수소의 공급량이 변화하는 반도체 제조장치(30)로부터의 배기가스를 제해 처리하는 경우, 연소 제해 장치(10)에 있어서의 점화버너용 수소공급 경로(37)에는, 점화용 불꽃을 형성하기 위해서 필요한 양의 수소가 연속하여 공급되며, 제해 장치용 수소공급 경로(36)에 공급되는 수소량은, 배기가스 중의 수소량에 따라 변화시킨다.
즉, 도 3(B)에 나타내는 바와 같이, 공정 개시(t0)로부터 기상성장 개시(t1)까지의 사이의 배기가스는, 배기가스 중에 수소가 포함되어 있는 상태이므로, 점화버너용 수소공급 경로(37)에 소량(L1)의 수소를 공급하는 것만으로도 좋고, 기상성장 개시(t1)로부터 기상성장 종료(t2)까지의 사이는, 배기가스 중의 수소량이 적어지므로, 점화버너용 수소의 유량(L1)에 부가하여, 제해 장치용 수소공급 경로(36)로부터 수소 도입부(16)로 충분한 연소 상태를 얻을 수 있는 비교적 대량(L2)의 수소를 공급하고, 기상성장 종료(t2)로부터 공정 종료(t3)까지의 사이는, 배기가스 중의 수소량이 증가하므로, 수소 도입부(16)로부터 수소를 도입하지 않아도 충분한 연소 상태를 얻을 수 있어 점화버너용의 소량(L1)의 수소를 공급하는 것만으로 좋다.
이와 같이, 연소 제해 장치(10)를 반도체 제조장치(30)에 구비하여, 반도체 제조장치(30)의 운전 상태에 따라 연소 제해 장치(10)에 연소용 수소를 공급하도록 형성함으로써, 연소 제해 장치용으로서의 수소 공급 설비를 설치하지 않고, 연소 속도가 늦은 암모니아의 제해 처리도 확실히 행할 수 있다. 또, 프로세스에서, 수소를 사용하고 있을 때는, 배기가스 중에 수소가 포함되어 있으므로, 수소 도입부(16)로부터 연소용 수소를 공급하지 않아도 연소 화염을 연속하여 형성하는 것이 가능하고, 수소의 이용 효율을 높일 수 있다.
10 … 연소 제해 장치 11 … 연소 챔버
12 … 피처리가스 도입 노즐 12a … 노즐 축선
13 … 산화제 도입 노즐 13a … 노즐 축선
14 … 점화버너 15 … 피처리가스 공급 경로
16 … 수소 도입부 17 … 외통
18 … 내통 19 … 연소실
20 … 공기실 21 … 댐퍼
22 … 공기 공급구 23 … 냉각통
24 … 도입구 25 … 댐퍼
30 … 반도체 제조장치
31 … 암모니아 공급 경로 31V … 가스 공급 밸브
32 … 수소 공급 경로 32V … 가스 공급 밸브
33 … 드라이 실드형 진공 펌프
34 … 배기가스 경로 35 … 제어장치
36 … 제해 장치용 수소 공급 경로 36V … 가스 공급 밸브
37 … 점화 버너용 수소 공급 경로

Claims (9)

  1. 피처리가스 중에 포함되는 유해 가스 성분을 연소 화염에 의하여 제해 처리하는 연소 제해 장치에 있어서,
    유해 가스 성분을 포함하는 피처리가스를 연소 챔버 내로 도입하는 피처리가스 도입 노즐과, 이 피처리가스 도입 노즐의 연소 챔버 외주측으로부터 상기 연소 챔버 내로 산화제를 도입하는 산화제 도입 노즐과, 상기 피처리가스 도입 노즐로부터 연소 챔버 내로 도입된 상기 피처리가스와 상기 산화제 도입 노즐로부터 연소 챔버 내로 도입된 상기 산화제가 혼합된 혼합 가스에 점화하는 점화버너와, 상기 피처리가스 도입 노즐에 상기 피처리가스를 공급하는 피처리가스 공급 경로 내에, 연소용 연료가 되는 수소를 도입하여 이 수소와 상기 피처리가스를 혼합시키는 수소 도입부를 구비함과 함께, 상기 산화제 도입 노즐의 노즐 축선을, 상기 피처리가스 도입 노즐의 노즐 축선의 연장선상으로 향하는 방향으로 배치되고,
    상기 연소 챔버는, 외통과, 이 외통의 내주에 배치된 가스 투과성 재료로 이루어지는 내통으로 형성되며,
    상기 피처리가스 도입 노즐 및 상기 산화제 도입 노즐은 상기 내통 내에 형성된 연소실 내로 피처리가스 및 산화제를 도입하는 상태로 설치되고,
    상기 내통과 상기 외통과의 사이에, 상기 내통을 투과하여 연소실 내로 도입되는 공기가 외통 외부로부터 공급되는 공기실이 설치되어 있는 연소 제해 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피처리가스가, 유해 가스 성분으로서 암모니아를 포함하고 있는 연소 제해 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 점화버너는, 수소를 촉매에 의해 활성화시켜 연소시키는 버너인 연소 제해 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 점화버너는, 수소를 촉매에 의해 활성화시켜 연소시키는 버너인 연소 제해 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피처리가스는, 공정 중 일부에서 수소를 사용하는 프로세스로부터 배출되는 배기가스이며, 상기 프로세스에서의 수소의 사용량이 적을 때에는, 프로세스에서 사용하는 수소의 적어도 일부를 연소용 연료의 수소로서 상기 수소 도입부로부터 도입되는 연소 제해 장치.
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