KR102068318B1 - 스크러버 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 과불화합물(PFCs; per-fluoro compounds)의 제거와 동시에 발생하는 질소산화물(NOx)을 제거하는 스크러버를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스크러버는, 고전압전극과 접지전극으로 플라즈마 아크를 발생시키는 아크 발생부, 상기 접지전극을 경유하여 상기 아크 발생부의 플라즈마 아크를 향하여 과불화합물(PFCs)을 포함하는 대상가스를 공급하는 대상가스 공급부, 상기 아크 발생부를 경유하여 상기 과불화합물에 의한 화염을 토출하면서 상기 과불화합물을 분해 및 제거하는 토출부, 및 토출되는 상기 화염에 요소수를 공급하는 요소수 공급부를 포함한다.

Description

스크러버{SCRUBBER}
본 발명은 스크러버에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 과불화합물(PFCs; per-fluoro compounds)의 제거와 동시에 발생하는 질소산화물(NOx)을 제거하는 스크러버에 관한 것이다.
반도체 제조공정 및 디스플레이 제조공정에서 배출되는 과불화합물(PFCs; per-fluoro compounds)은 대표적인 온난화 기체로써 제거되어야 한다. 과불화합물(PFCs)을 제거하는 스크러버에는 연소식(Burn-wet), 플라즈마 방식(Plasma), 및 가열식(Heat-wet) 등이 있다.
플라즈마 방식의 스크러버에서, 배출 가스 중 N2O가 있거나, 배관 연결 상의 누출(leak)로 인하여 공기(또는 산소)가 스크러버의 내부로 유입되는 경우, 스크러버의 운전상 고온 반응 조건으로 인하여, 수천 ppm 수준의 NOx가 발생된다. 따라서 과불화합물(PFCs)을 제거하는 과정에서 발생되는 NOx가 제거되어야 한다.
그러나 종래 방식의 스크러버는 NOx를 제거하기 위한 수단을 제공하지 않으며, 발생되는 NOx 총량제를 적용하고 있다. 이로 인하여, 스크러버에서 발생하는 NOx를 제거할 필요가 있다. NOx는 1000℃ 이상 고온 조건에서 환원제와 반응하여 질소(N2)로 환원되는 특징을 가진다.
본 발명의 목적은 과불화합물(PFCs; per-fluoro compounds)의 제거와 동시에 발생하는 질소산화물(NOx)을 제거하는 스크러버를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스크러버는, 고전압전극과 접지전극으로 플라즈마 아크를 발생시키는 아크 발생부, 상기 접지전극을 경유하여 상기 아크 발생부의 플라즈마 아크를 향하여 과불화합물(PFCs)을 포함하는 대상가스를 공급하는 대상가스 공급부, 상기 아크 발생부를 경유하여 상기 과불화합물에 의한 화염을 토출하면서 상기 과불화합물을 분해 및 제거하는 토출부, 및 토출되는 상기 화염에 요소수를 공급하는 요소수 공급부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스크러버는, 상기 고전압전극의 단부의 전방에서 상기 접지전극을 연장하여 상기 대상가스 공급부와 상기 토출부 사이를 연결하여, 플라즈마 아크를 집중시키는 고온 반응부를 더 포함할 수 있다.
상기 고온 반응부는 끝에서 상기 접지전극의 단부를 설정된 각도로 좁아지는 축소부를 형성하며, 상기 토출부는 설정된 길이로 연장될 수 있다.
상기 요소수 공급부는 상기 축소부와 상기 토출부의 경계선에 연결될 수 있다.
상기 요소수 공급부는 상기 과불화합물에서 분해된 불소(F)를 불화수소(HF)로 고정하기 위하여, 물을 더 공급할 수 있다.
상기 요소수 공급부는 상기 토출부의 전방에서 토출되는 화염에 요소수를 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스크러버는, 상기 과불화합물에서 분해된 불소(F)를 불화수소(HF)로 고정하기 위하여 물을 공급하도록 상기 축소부와 상기 토출부의 경계선에 연결되는 물 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 요소수 공급부는 요소수를 공급하는 내부 통로, 및 상기 내부 통로를 감싸서 냉각수를 공급하는 외부 통로를 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 플라즈마 아크에 과불화합물을 공급하여 토출부에서 과불화합물(PFCs)을 제거 및 환원하고, 이와 동시에 과불화합물에 의한 화염으로 요소수를 공급하여 요소수를 열분해 및 가수분해하여 암모니아를 생성케 하므로 과불화합물의 제거 및 환원과 동시에 발생되는 질소산화물(NOx)을 암모니아와 반응시켜서 질소(N2)로 환원 및 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 스크러버의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 스크러버의 단면도이다.
도 3은 도 2에 적용되는 요소수 공급부의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 스크러버의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예의 스크러버(1)는 아크 발생부(10), 대상가스 공급부(20), 토출부(30), 및 요소수 공급부(40)를 포함한다.
스크러버(1)는 플라즈마 아크를 발생시켜 대상가스에 포함된 과불화합물(PFCs)을 제거하면서 원하지 않는 질소산화물(NOx)을 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 반응물인 과불화합물(PFCs) 중에 N2O가 포함되어 있거나, 배관 리크(leak)로 인하여 공기(또는 산소)가 유입되면, 과불화합물(PFCs) 제거시, 스크러버(1)에서 상당 양의 NOx가 발생된다.
제1실시예의 스크러버(1)는 요소수 공급부(40)로 요소수를 공급하여 발생된 질소산화물을 질소(N2)로 환원 및 제거한다. 이때, 900℃ 이상의 고온 조건에서 환원제가 존재할 경우, NOx는 환원되어 N2가 된다. 따라서 제1실시예의 스크러버(1)는 플라즈마 아크를 집중시키는 고온 반응부(50)를 더 포함한다.
제1실시예의 스크러버(1)는 과불화합물(PFCs)을 제거하는 과정에서 NOx의 발생을 억제하고 제거하기 위하여, 무촉매환원(SNCR, Selective NonCatalytic Reduction) 반응을 유도하며, 이를 위한 환원제를 공급하도록 구성된다.
아크 발생부(10)는 고전압전극(11)과 접지전극(12)으로 플라즈마 아크를 발생시키도록 구성된다. 일례로써, 고전압전극(11)은 원기둥, 확장되는 원추대 및 축소되는 원추 구조의 이어짐으로 형성되고, 접지전극(12)은 고전압전극(11)을 수용하는 원통 구조로 형성된다.
접지전극(12)을 형성하는 원통 구조의 일측에 방전가스 공급부(13)가 연결되어, 접지전극(12) 내부의 고전압전극(11) 주위로 방전가스를 공급한다. 방전가스 공급부(13)는 고전압전극(11)의 원기둥 구조 측으로 방전가스를 공급한다.
접지전극(12)이 전기적으로 접지된 상태에서 고전압전극(11)에 고전압(HV)이 인가되면, 두 전극(11, 12) 사이에 설정되는 방전갭(G)에서 플라즈마 방전을 일으켜 플라즈마 아크가 발생된다. 방전갭(G)은 확장되는 원추대와 축소되는 원추 구조가 연결되는 부분과 접지전극(12)의 대향측 사이에 형성된다.
고전압(HV)은 접지전극(12)과 고전압전극(11) 사이에서 필요한 플라즈마 방전으로 플라즈마 아크를 발생시킬 수 있도록 설정된다.
또한, 고전압전극(11)은 내부에 냉각수 통로(111)를 구비하여 저온의 냉각수를 공급하고(냉각수 IN), 냉각수 통로(111)를 순환하면서 열을 흡수한 고온의 냉각수를 배출하도록(냉각수 OUT) 구성된다.
고전압전극(11)은 방전갭(G)을 설정하면서 접지전극(12)에 삽입되고, 절연부재(14)를 개재하여 체결부재(15)로 접지전극(12)의 일측에 결합된다. 따라서 접지전극(12)의 일측은 폐쇄 구조를 형성한다.
대상가스 공급부(20)는 외부에서 접지전극(12)을 관통 경유하여 아크 발생부(10)의 플라즈마 아크를 향하여 과불화합물(PFCs)을 포함하는 대상가스를 공급하도록 구성된다.
예를 들면, 대상가스 공급부(20)는 반도체 제조공정 및 디스플레이 제조공정에서 배출되는 과불화합물(PFCs)을 포함하는 공정가스를 공급한다. 일례로써, 대상가스 공급부(20)는 접지전극(12)의 일측에 연결되어 대유량의 공정가스를 아크 발생부(10)로 공급한다.
즉 대상가스 공급부(20)는 방전가스 공급부(13)와 별도로 구비되어 방전기체에 의한 플라즈마 아크에 공급하므로 대유량 과불화합물의 처리를 가능하게 한다.
이때, 대상가스 공급부(20)는 고전압전극(11)의 축소되는 원추 구조 측으로 공급하여, 방전갭(G)을 경유하는 플라즈마 아크에 대상가스, 즉 과불화합물을 공급하여, 처리할 수 있게 한다. 접지전극(12)은 토출부(30) 측으로 개방된다.
토출부(30)는 아크 발생부(10)를 경유하여 과불화합물에 의한 화염을 토출하면서 과불화합물을 분해 및 제거하도록 구성된다. 요소수 공급부(40)는 토출부(30)로 토출되는 화염에 물과 요소수를 공급하도록 구성된다.
고온 반응부(50)는 고전압전극(11)의 단부의 전방에서 접지전극(12)을 연장하여 대상가스 공급부(20)와 토출부(30) 사이를 연결하여 형성된다. 예를 들면, 접지전극(12)은 복수의 단위전극들(121)을 연장 방향으로 배치하고, 이웃하는 단위전극들(121)을 체결부재(51)로 체결함에 따라 설정된 길이(L1)를 가진다. 즉 고온 반응부(50)의 크기가 설정될 수 있다.
고온 반응부(50)의 길이(L1)는 플라즈마 아크의 길이에 따른 효과로 설정될 수 있다. 도시하지 않았으나 고온 반응부는 복수의 단위전극들을 연결하는 구조가 아니라 하나의 원통 구조로 형성되어, 요구되는 효과에 상응하는 플라즈마 아크의 길이를 구현할 수 있게 한다.
일례로써, 고온 반응부(50)는 끝에서 접지전극(12)의 단부를 설정된 각도로 좁아지게 하는 축소부(52)를 형성한다. 따라서 고온 반응부(50)에서 집중된 플라즈마 아크는 축소부(52)를 통하여 압축되어 토출부(30)로 강한 흐름으로 토출될 수 있다.
토출부(30)는 축소부(52)에서 설정된 길이(L2)로 연장된다. 토출부(30)의 길이(L2)는 집중된 플라즈마 아크를 경유하는 과불화합물이 분해되는 시간 및 공간을 제공한다.
스크러버(1)는 스크러버(1) 및 고온 반응부(50)에서 과불화합물로부터 분해된 불소(F)를 고정하기 위해 물을 공급한다. 분해된 불소(F)는 공급되는 물과 반응하여 불화수소(HF) 형태로 만들어진다.
고온 반응부(50)의 축소부(52)에 이어지는 토출부(30)는 공급되는 물을 급격히 기화시키고, 과불화합물에서 분해된 불소와 물의 혼합 특성을 향상시킨다. 따라서 대부분의 과불화합물(PFCs)은 토출부(30) 내에서 분해 및 제거된다. 이와 같이, 토출부(30)에서 과불화합물(PFCs)이 분해 및 제거되면서, 토출부(30) 내에서 질소산화물(NOx)이 생성된다.
이와 같이, 요소수 공급부(40)는 축소부(52)와 토출부(30)의 경계선에 연결되어, 분해된 불소(F)를 고정하기 위한 물과 함께 요소수를 공급한다. 요소수는 무촉매환원(SNCR, Selective NonCatalytic Reduction) 반응을 유도하는 환원제를 공급한다. 즉 요소수는 토출부(30) 내에서 질소산화물(NOx)의 생성을 억제하고, 생성된 질소산화물(NOx)을 제거한다.
토출부(30) 이후 영역에서는 1000℃ 이상의 온도를 유지할 수 있는 부피나 시간이 충분치 않다. 따라서 요소수 공급부(40)는 종래의 물을 공급하기 위하여 사용되는 물 공급 포트를 활용하여 수 ~ 수십% 농도 범위의 요소수를 공급한다.
요소수 상태로 공급되는 물(H2O)은 요소((NH2)2CO)의 가수분해 및 과불화합물(PFCs) 제거 시, H의 공급원으로 사용된다. 요소((NH2)2CO)는 토출부(30) 내에서 열분해 및 가수분해되어 암모니아(NH3)를 생성한다(화학식 1 참조).
(NH2)2CO + H2O → 2NH3 + CO2 (화학식 1)
생성된 암모니아(NH3)는 NOx 와 반응하여 N2로 전환된다(화학식 2 참조).
NOx + NH3 → N2 + H2O (화학식 2)
요소수 공급부(40)로 공급되는 요소수는 암모니아와 달리, 안전하고 취급이 용이한 장점을 가진다.
이하 제2실시예에 대하여 설명한다. 제1, 제2실시예를 비교하여, 서로 동일한 구성을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 스크러버의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 제2실시예의 스크러버(2)는 요소수 공급부(240)와 물 공급부(241)를 별도로 구비한다.
요소수 공급부(240)는 토출부(30)의 전방에서 고온 영역인 토출되는 화염에 요소수를 공급하도록 구비된다. 물 공급부(241)는 과불화합물에서 분해된 불소(F)를 불화수소(HF)로 고정하기 위하여 물을 공급하도록 축소부(52)와 토출부(30)의 경계선에 연결된다.
도 3은 도 2에 적용되는 요소수 공급부의 단면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 요소수 공급부(240)는 요소수를 공급하는 내부 통로(41), 및 내부 통로(41)를 감싸서 냉각수를 공급하는 외부 통로(42)를 포함한다.
외부 통로(42)는 화염에 노출되는 외측으로 냉각수를 공급하여, 요소수에 접촉되는 내측으로 냉각수를 배출하므로, 내부 통로(41)로 공급되는 요소수가 급속히 증발되는 것을 방지한다.
제1실시예의 요소수 공급부(40)와 달리, 제2실시예의 요소수 공급부(240)는 과불화합물(PFCs)이 반응하는 물과 별개의 경로로 요소수를 공급하므로 최대한 고온 영역에 공급할 수 있게 한다.
이와 같이, 요소수 공급부(240)가 고온 영역에 노출되는 경우, 물의 급속한 증발과 함께 요소가 내부 통로(41) 내에서 고체상으로 침적되어, 내부 통로(41)가 막힐 수 있다. 외부 통로(42)는 냉각수를 순환시켜 내부 통로(41)를 냉각시키므로 내부 통로(41)로 공급되는 요소수의 원활한 공급을 가능하게 한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1, 2: 스크러버 10: 아크 발생부
11: 고전압전극 12: 접지전극
13: 방전가스 공급부 20: 대상가스 공급부
30: 토출부 40, 240: 요소수 공급부
41: 내부 통로 42: 외부 통로
50: 고온 반응부 51: 체결부재
52: 축소부 111: 냉각수 통로
121: 단위전극 241: 물 공급부
G: 방전갭 HV: 고전압
L1, L2: 길이

Claims (8)

  1. 고전압전극과 접지전극으로 플라즈마 아크를 발생시키는 아크 발생부;
    상기 접지전극을 경유하여 상기 아크 발생부의 플라즈마 아크를 향하여 과불화합물(PFCs)을 포함하는 대상가스를 공급하는 대상가스 공급부;
    상기 아크 발생부를 경유하여 상기 과불화합물에 의한 화염을 토출하면서 상기 과불화합물을 분해 및 제거하는 토출부;
    토출되는 상기 화염에 요소수를 공급하는 요소수 공급부; 및
    상기 고전압전극의 단부의 전방에서 상기 접지전극을 연장하여 상기 대상가스 공급부와 상기 토출부 사이를 연결하여, 플라즈마 아크를 집중시키는 고온 반응부
    를 포함하며,
    상기 고온 반응부는
    끝에서 상기 접지전극의 단부를 설정된 각도로 좁아지는 축소부를 형성하고,
    상기 요소수 공급부는
    상기 축소부와 상기 토출부의 경계선에 연결되는 스크러버
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 토출부는
    상기 축소부에서 설정된 길이로 연장되는 스크러버.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서
    상기 요소수 공급부는
    상기 과불화합물에서 분해된 불소(F)를 불화수소(HF)로 고정하기 위하여, 물을 더 공급하는 스크러버.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 요소수 공급부는
    요소수를 공급하는 내부 통로, 및
    상기 내부 통로를 감싸서 냉각수를 공급하는 외부 통로
    를 포함하는 스크러버.
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