KR102282782B1 - 배출 가스 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 디바이스, 액정, LED 등을 제조하는 제조 장치 등으로부터 배출되는 배출 가스를 연소 처리하여 무해화하는 배출 가스 처리 장치에 관한 것이다.
배출 가스 처리 장치는, 처리 가스를 연소 처리하여 무해화하는 배출 가스 처리 장치에 있어서, 처리 가스를 연소하는 원통형의 연소실(1)은, 연료와 지연성 가스와 처리 가스를 각각 연소실(1)의 내주면의 접선 방향을 향하여 불어넣는 연료용 노즐(3A)과 지연성 가스용 노즐(3B)과 처리 가스용 노즐(3C)을 구비하고, 연료용 노즐(3A)과 지연성 가스용 노즐(3B)과 처리 가스용 노즐(3C)은, 연소실(1)의 축선에 직교하는 동일 평면 상에 위치하고 있다.

Description

배출 가스 처리 장치
본 발명은 반도체 디바이스, 액정, LED 등을 제조하는 제조 장치 등으로부터 배출되는 배출 가스를 연소 처리하여 무해화하는 배출 가스 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 장치로부터는 실란 가스(SiH4), 혹은 할로겐계의 가스(NF3, ClF3, SF6, CHF3, C2F6, CF4) 등의 유해 가연 가스를 포함하는 가스가 배출되는데, 이러한 배출 가스(처리 가스)는, 그대로는 대기에 방출할 수는 없다. 그래서, 이들 배출 가스를 제해 장치에 유도하여, 연소에 의한 산화 무해화 처리를 행하는 것이 일반적으로 행해지고 있다. 이 처리 방법으로서는, 연료 가스를 이용하여 노 내에 화염을 형성하여, 배출 가스 처리를 행하는 연소식 배출 가스 처리 장치가 널리 채용되고 있다.
반도체 산업이나 액정 산업용 연소식 배출 가스 처리 장치는, 연료와 지연성 가스(산소 함유 가스)를 혼합하여 연료를 연소시켜 화염을 형성하고, 화염에 처리 가스를 혼합하여 가스 처리를 행하기 때문에, 연소 처리 부생성물로서 다량의 분진(주로 SiO2)의 발생이나 다량의 산성 가스의 발생이 예상된다. 종래의 연소 산화 방식으로서, LNG와 순산소를 이용하여 고온의 순산소 화염을 형성하고, 고온의 순산소 화염으로 처리 가스를 가열하여 분해하는 방법이 알려져 있다. 순산소 연소의 특성상 높은 화염 온도에 의해 배기 가스에 포함되는 질소가 분해되어, 대량의 질소 산화물(NOx)을 부가적으로 생성하는 문제점을 가지고 있다.
또한, 순산소를 이용하지 않고, 공기에 의해 화염을 형성하며, 화염에 처리 가스를 혼합하여 비교적 저온에서 처리 가스를 가열하는 방법도 알려져 있다. 이 경우, 질소 산화물(NOx)의 발생은 억제되지만, 고온의 화염이 필요한 PFCs 등의 난분해성 가스의 분해 성능은 저하한다. 또한 화염이 저온이기 때문에, CO가 발생하는 문제를 가지고 있다.
또한, 연소식 배출 가스 처리 장치에 있어서는, 정기적으로 연소실의 내벽면에 부착 퇴적된 분체의 제거 메인터넌스가 필요해지는데, 부착 퇴적된 분체를 스크레이퍼 등의 기구를 추가함으로써, 연소실의 내벽면을 정기적으로 긁어내는 것이 필요하였다.
특허문헌 1에는, 스크레이퍼 등의 분체를 긁어내는 기구를 필요로 하지 않는 연소식 배출 가스 처리 장치가 기재되어 있다. 특허문헌 1의 연소식 배출 가스 처리 장치에 있어서는, 처리 대상 배출 가스의 연소 처리부는, 내부에 화염을 형성하는 배출 가스 처리용 연소기(버너)와, 배출 가스 처리용 연소기의 하측에 마련된 통체와, 배출 가스 처리용 연소기와 통체 사이에 마련된 물 저장부와, 통체의 내벽면에 수막을 형성하는 수막 형성 기구를 구비하고, 연소기에 있어서 화염을 형성하여, 화염의 하류측에 배치된 통체의 내부의 연소 처리실에서 배출 가스의 연소 처리(가열 처리)를 행하여, 물 저장부에 물의 선회류를 형성함으로써, 통체의 내벽면에 나선형의 수막을 형성하고 있다. 이 특허문헌 1에 따르면, 통체의 내벽면에 수막을 형성하기 때문에, 수막에 의해 단열이 실시되어, 스테인리스강 등의 저렴한 재료를 통체에 이용할 수 있어, 분체가 수막에 의해 씻겨 버려 통체의 내벽면에 부착되지 않고, 또한 부식성 가스가 수막에 의해 씻겨 버려, 통체의 내벽면이 손상되지 않는다고 되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 제4937886호 공보
전술한 특허문헌 1을 포함하는 종래의 연소식 배출 가스 처리 장치에 있어서는, 버너에 있어서 연료(연료 가스)와 지연성 가스(산소 함유 가스)를 혼합하여 연료를 연소시켜 화염을 형성하고, 버너에 있어서 형성한 화염에 처리 가스(배출 가스)를 혼합하여 처리 가스를 가열 처리하도록 하고 있다. 즉, 연소실에 있어서 화염을 먼저 형성하고, 이 형성된 화염에 의해 처리 가스를 가열 처리하도록 하고 있다.
그러나, 이러한 종래의 연소 방식에서는, 이하에 열거하는 것 같은 문제점이 있다.
(1) 순산소를 사용한 고온의 화염을 형성한 경우
A. 화염을 형성하기 위한 버너 본체가 고온이 되어, 열 손상을 받는다.
B. 고온의 화염과 처리 가스(주성분의 하나에서 N2 가스를 포함함)가 접촉함으로써, 서멀 NOx가 대량으로 발생한다.
(2) 공기를 사용한 비교적 저온의 화염을 형성한 경우
A. PFCs 등의 난분해성 가스는 고온의 반응 처리 온도를 필요로 하기 때문에, 난분해성 가스의 가스 처리 성능이 저하하여, 부생성 가스로서 CO가 발생한다.
B. 연소실에 퇴적하는 생성물 대책으로서, 연소실에 습윤벽수를 흐르게 할 수 없기 때문에, 스크레이퍼 등의 기구를 추가할 필요가 있다.
본 발명자들은, 버너에 있어서 연료와 지연성 가스(산소 함유 가스)를 혼합하여 화염을 형성하고, 버너에 있어서 형성한 화염으로 처리 가스를 가열 처리하는 종래 방식에서는, 전술한 바와 같은 여러 가지의 문제점이 있기 때문에, 새로운 연소 방식에 대해서 연구를 거듭한 결과, 연료(연료 가스)와 지연성 가스(산소 함유 가스)와 처리 가스의 3종을 혼소하는 것을 착상하고, 이 3종 혼소를 행하기 위해, 3종의 가스를 연소실의 내주면의 접선 방향으로 불어넣는 것을 착상한 것이다.
그래서, 본 발명은 연료와 지연성 가스와 처리 가스를 연소실의 내주면의 접선 방향으로 불어넣음으로써, 연료와 지연성 가스와 처리 가스의 3종을 혼소하여 연소 효율이 높은 가스 처리를 행할 수 있어, 서멀 NOx의 발생이나 CO의 발생을 억제할 수 있는 배출 가스 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 배출 가스 처리 장치의 일양태는, 처리 가스를 연소 처리하여 무해화하는 배출 가스 처리 장치에 있어서, 처리 가스를 연소하는 원통형의 연소실은, 연료와 지연성 가스와 처리 가스를 각각 연소실의 내주면의 접선 방향을 향하여 불어넣는 연료용 노즐과 지연성 가스용 노즐과 처리 가스용 노즐을 구비하고, 상기 연료용 노즐과 지연성 가스용 노즐과 처리 가스용 노즐은, 상기 연소실의 축선에 직교하는 동일 평면 상에 위치하고 있는 것을 특징으로 한다. 여기서, 동일 평면 상에 위치하고 있다는 것은, 3개의 노즐의 연소실 내주면측의 개구의 일부가 동일 평면 상에 위치하고 있는 것을 말한다.
본 발명에 따르면, 원통형의 연소실의 내주면의 접선 방향으로, 연료(연료 가스)와 지연성 가스(산소 함유 가스)와 처리 가스(배출 가스)를 불어넣으로써, 연료와 처리 가스를 지연성 가스에 의해 연소시켜 원통형 혼합 화염을 형성한다. 즉, 연소실에 있어서, 동일한 연소장에서 3종 혼합의 원통형 혼합 화염을 형성하여, 처리 가스를 연소시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 연소실에는, 상기 연료, 지연성 가스 및 처리 가스의 취입(吹入) 위치로부터 상기 연소실의 축선 방향으로 이격한 위치에, 연소실의 내주면에 수막을 형성하기 위한 물 공급 노즐이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 3종 혼합의 원통형 혼합 화염의 외측에 있어서 연소실의 내벽면(내주면)에 수막(습윤벽)을 형성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 연료와 지연성 가스와 처리 가스를 상기 연소실의 내주면의 접선 방향을 향하여 불어넣음으로써, 상기 연소실 내에 원통형 혼합 화염을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 선회 원심력에 의해 원통형 혼합 화염의 외측은 온도가 낮고 무거운 미연의 3종 혼합 가스, 내측은 온도가 높고 가벼운 3종 혼합의 연소 후 가스의 분포가 형성된다. 따라서, 원통형 혼합 화염은, 온도가 낮은 미연의 3종 혼합 가스에 덮힌 자기 단열된 상태가 되기 때문에, 방열에 의한 온도 저하가 없어, 연소 효율이 높은 가스 처리가 행해진다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 원통형 혼합 화염의 선회력에 의해, 상기 연소실의 내주면 상의 수막을 선회시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시형태에 따르면, 처리 가스를 연소 처리하여 무해화하는 배출 가스 처리 장치에 있어서, 처리 가스를 연소하는 원통형의 연소실은, 연료와 지연성 가스와 처리 가스를 각각 연소실의 내주면의 접선 방향을 향하여 불어넣는 연료용 노즐과 지연성 가스용 노즐과 처리 가스용 노즐을 구비하고, 상기 연료용 노즐과 지연성 가스용 노즐과 처리 가스용 노즐은, 상기 연료와 지연성 가스와 처리 가스를 각각 연소실의 내주면의 접선 방향으로 불어넣어, 상기 연료와 지연성 가스와 처리 가스의 3종 혼합의 선회류를 형성한다.
상기 일 실시형태에 따르면, 원통형의 연소실의 내주면의 접선 방향으로, 연료(연료 가스)와 지연성 가스(산소 함유 가스)와 처리 가스(배출 가스)를 불어넣음으로써, 연료와 지연성 가스와 처리 가스의 3종 혼합의 선회류를 형성한다. 이에 의해, 연료와 처리 가스를 지연성 가스에 의해 연소시켜 원통형 혼합 화염을 형성한다. 즉, 연소실에 있어서, 3종 혼합의 원통형 혼합 화염을 형성하여, 처리 가스를 연소시킬 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 연소실에는, 상기 연료, 지연성 가스 및 처리 가스의 취입 위치로부터 상기 연소실의 축선 방향으로 이격한 위치에, 연소실의 내주면에 수막을 형성하기 위한 물 공급 노즐이 설치되어 있다.
상기 일 실시형태에 따르면, 3종 혼합의 원통형 혼합 화염의 외측에서 연소실의 내벽면(내주면)에 수막(습윤벽)을 형성할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 연료와 지연성 가스와 처리 가스의 3종 혼합의 선회류에 의해, 상기 연소실 내에 원통형 혼합 화염을 형성한다.
상기 일 실시형태에 따르면, 선회 원심력에 의해 원통형 혼합 화염의 외측은 온도가 낮고 무거운 미연의 3종 혼합 가스, 내측은 온도가 높고 가벼운 3종 혼합의 연소 후 가스의 분포가 형성된다. 따라서, 원통형 혼합 화염은, 온도가 낮은 미연의 3종 혼합 가스에 덮힌 자기 단열된 상태가 되기 때문에, 방열에 의한 온도 저하가 없어, 연소 효율이 높은 가스 처리가 행해진다.
일 실시형태에 따르면, 상기 원통형 혼합 화염의 선회력에 의해, 상기 연소실의 내주면 상의 수막을 선회시킨다.
본 발명에 따르면, 원통형의 연소실의 내주면의 접선 방향에, 연료(연료 가스)와 지연성 가스(산소 함유 가스)와 처리 가스(배출 가스)를 불어넣음으로써, 연료와 처리 가스를 지연성 가스에 의해 연소시켜 원통형 혼합 화염을 형성한다. 즉, 연소실에 있어서, 동일한 연소장에서 3종 혼합의 원통형 혼합 화염을 형성하여, 처리 가스를 연소시키도록 하고 있기 때문에, 이하에 열거하는 것 같은 효과를 얻을 수 있다.
(1) 3종의 가스 모두 연소실의 내주면의 접선 방향으로 도입함으로써, 선회 원심력에 의해 원통형 화염의 내측은 고온의 가벼운 연소 후 가스, 외측은 저온의 무거운 미연소 가스라고 하는 분포가 된다. 화염 구조상, 자기 단열되어 있는 상태이기 때문에, 방열이 적어, 고효율의 연소가 가능해진다. 그 때문에, 저온 화염의 경우에 발생하는 CO의 발생이 억제되고, 또한 연소실의 열 손상을 방지할 수 있다.
(2) 3종의 가스를 혼소함으로써, 국소적 고온부가 없는 화염이 형성되기 때문에, 서멀 NOx의 발생이 억제되고, 또한 부생성물의 용융이나 고착을 방지할 수 있다.
(3) 3종의 가스의 혼합에 의해, 연료와 산소가 유입 가스가 주가 되는 N2 가스에 의해 더욱 희석되기 때문에, 원통형 화염의 외측의 미연 가스의 비율이 늘어남으로써, 화염의 직경이 작아진다. 즉, 화염의 자기 단열성이 촉진된다.
(4) 3종의 가스를 혼소함으로써, 자기 단열성이 향상된 화염이 형성되기 때문에, 화염의 외측에 습윤벽수를 흐르게 하여도, 물과 고온의 화염은 직접 접촉하지 않는다. 물의 온도 상승이 억제되기 때문에, 연소 효율을 저하시키는 일없이, 습윤벽의 내측에서 혼소 단열 화염을 형성할 수 있다. 그 때문에, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
A. 원통형 혼합 화염의 착화 위치는, 유입 가스 포트의 바로 아래가 되고, 유입 가스의 산화 반응은 습윤벽수의 위치로부터 개시된다. 산화 반응에 의해 생성된 SiO2 등의 분체는, 선회 원심력에 의해, 습윤벽수에 포집되기 때문에, 연소실 내에 퇴적되지 않는다. 생성된 SiO2 등의 분체는, 생성된 직후에 선회 원심력에 의해, 습윤벽수에 포집되기 때문에, 제해 장치로서의 분체 제거 효율이 향상된다. 즉 스크러버 성능의 향상을 도모할 수 있다.
B. 연소실의 내벽은 습윤벽수로 덮어지기 때문에, HF나 Cl2 등의 부식성 가스와의 접촉이 없다.
C. 종래는, 고온의 부식성 가스와 연소 기본체가 직접 접촉하기 때문에, 고가의 내식·내열재를 이용할 필요가 있었지만, 본 발명에 따르면, 연소실의 내벽에 습윤벽수를 흐르게 함으로써 부식을 방지할 수 있기 때문에, 저렴한 스테인레스재를 사용할 수 있다. 즉 연소실을 포함하는 연소기 전체를 스테인레스재로 할 수 있다.
D. 습윤벽수막을 균일하게 연소기의 내벽에 형성하기 위해, 종래는 습윤벽수를 선회류로 공급하여, 내벽면에 특수한 습윤성 향상의 가공이 필요하였지만, 본 발명의 혼소 단열 화염에서는, 가스의 선회류에 의해 습윤벽수도 선회하기 때문에, 연소실의 내벽면의 습윤성 향상을 위한 가공이 불필요해진다.
도 1은 본 발명의 배출 가스 처리 장치의 연소실의 구성예를 나타내는 모식적 단면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 3의 (a), (b)는 연료용 노즐, 지연성 가스용 노즐, 처리 가스용 노즐의 세트가 단단(單段)(또는 2단의 경우의 상단)으로서 처리 가스의 취입 노즐이 적은(1개인) 경우를 나타내는 모식도로서, 도 3의 (a)는 연소실의 부분 종단면도이고, 도 3의 (b)는 연소실의 수평 단면도이다.
도 4의 (a), (b)는 처리 가스의 취입 노즐이 단단에는 다 들어가지 않는 경우에 연료용 노즐, 지연성 가스용 노즐, 처리 가스용 노즐의 세트를 상하로 2단 설치한 경우의 하단의 세트의 일례를 나타내는 모식도로서, 도 4의 (a)는 연소실의 부분 종단면도이고, 도 4의 (b)는 수평 단면도이다.
도 5의 (a), (b)는 처리 가스의 취입 노즐이 단단에 다 들어가지 않는 경우에 상하로 2단 설치한 경우의 하단의 세트의 다른 예를 나타내는 모식도로서, 도 5의 (a)는 연소실의 부분 종단면도이고, 도 5의 (b)는 수평 단면도이다.
도 6은 도 1 내지 도 3에 나타내는 연소실을 구비한 배출 가스 처리 장치의 전체 구성을 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명에 따른 배출 가스 처리 장치의 실시형태에 대해서 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한다. 도 1 내지 도 6에 있어서, 동일 또는 상당하는 구성 요소에는, 동일한 부호를 붙이고 중복하는 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 배출 가스 처리 장치의 연소실의 구성예를 나타내는 모식적 단면도이다. 연소실(1)은, 일단(도시예에서는 상단)이 폐색되고 타단(도시예에서는 하단)이 개구된 원통 용기형의 연소실로서 구성되어 있다. 원통 용기형의 연소실(1)에는, 폐색 단부 근방에서 연료(연료 가스)와 지연성 가스(산소 함유 가스)와 처리 가스(배출 가스)가 불어넣어지도록 되어 있다. 연소실(1)의 폐색 단부에는, 점화용의 파일럿 버너(2)가 설치되어 있고, 파일럿 버너(2)에는 연료와 공기가 공급되도록 되어 있다. 또한, 도 1에 있어서는, 연소실(1)의 하방에 있는 세정부 등은 도시를 생략하고 있다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 연료를 불어넣는 연료용 노즐(3A)과, 지연성 가스를 불어넣는 지연성 가스용 노즐(3B)과, 처리 가스를 불어넣는 처리 가스용 노즐(3C)이 연소실(1)의 내주면의 접선 방향을 향하여 설치되어 있다. 도 2에 나타내는 예에 있어서는, 연료용 노즐(3A)과 지연성 가스용 노즐(3B)은 각 1개씩 설치되고, 처리 가스용 노즐(3C)은 2개 설치되어 있는데, 각 노즐(3A, 3B, 3C)의 개수는, 연소실의 사이즈나 설치 스페이스 등에 따라 적절하게 변경 가능하고, 동일 평면 상에 설치하는 연료용 노즐(3A)과 지연성 가스용 노즐(3B)과 처리 가스용 노즐(3C)의 세트를 복수단 설치하는 것도 가능하다. 이 경우, 연료 유량과 지연성 가스 유량과 처리 가스 유량의 밸런스를 바꿈으로써, 화염의 안정성을 향상시킬 수 있다. 연료를 불어넣는 연료용 노즐(3A)과, 지연성 가스를 불어넣는 지연성 가스용 노즐(3B)과, 처리 가스를 불어넣는 처리 가스용 노즐(3C)은, 원통형의 연소실(1)의 축선에 직교하는 동일 평면 상에 위치하고 있다. 여기서, 동일 평면 상에 위치하고 있다는 것은, 3개의 노즐의 연소실 내주면측의 개구의 일부가 동일 평면 상에 위치하고 있는 것을 말한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 연소실(1)에는, 연료, 지연성 가스, 처리 가스의 취입 위치의 약간 하방의 위치에, 연소실(1)의 내벽면에 습윤벽(수막)을 형성하기 위한 물을 공급하는 물 공급 노즐(5)이 설치되어 있다.
도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이 구성된 연소실(1)에 있어서, 연료용 노즐(3A)과 지연성 가스용 노즐(3B)과 처리 가스용 노즐(3C)로부터, 연료와 지연성 가스와 처리 가스를 연소실(1)의 내주면의 접선 방향을 향하여, 화염의 연소 속도 이상의 유속으로 불어넣는다. 이에 의해, 연소실(1)의 내벽으로부터 뜬 3종 혼합의 원통형 혼합 화염이 형성된다. 원통형 혼합 화염은 연소실(1)의 축선 방향을 따라 형성된다. 3종의 가스를 함께 접선 방향으로 불어넣음으로써, 선회 원심력에 의해 원통형 혼합 화염의 외측은 온도가 낮고 무거운 미연의 3종 혼합 가스, 내측은 온도가 높고 가벼운 3종 혼합의 연소 후 가스의 분포가 형성된다. 따라서, 원통형 혼합 화염은, 온도가 낮은 미연의 3종 혼합 가스에 덮힌 자기 단열된 상태가 되기 때문에, 방열에 의한 온도 저하가 없어, 연소 효율이 높은 가스 처리가 행해진다. 또한, 처리 가스는 통상 N2 가스 등에 의해 희석되어 배출 가스 처리 장치에 유입되기 때문에, 이 N2 가스를 포함하는 처리 가스를 연료와 지연성 가스와 혼소함으로써, 완만한 연소가 되어, 국소적인 고온부가 형성되지 않기 때문에, NOx의 발생이 억제된다.
또한, N2 가스를 포함하는 처리 가스를 연료와 지연성 가스와 혼소함으로써, 원통형이 되는 화염의 직경이 작아져, 연소실(1)의 내벽면 온도가 저하한다. 즉, 본 연소 방식의 특징인 화염의 단열성이 촉진되기 때문에, 도 1에 나타내는 바와 같이, 연소실(1)의 내벽면에 습윤벽(수막)을 형성하여도 화염 및 화염 내측의 연소 가스 온도가 저하하는 일은 없다. 그리고, 연소 후에 생성되는 SiO2 등의 분체는, 가스 선회류의 원심력에 의해 외측의 습윤벽수에 포집되어 하부로 씻겨 버리기 때문에, 연소실(1)의 내벽면에 퇴적되지 않고, 또한 연소실로 대부분의 분체가 습윤벽수에 포집되게 되기 때문에, 배출 가스 처리 장치의 스크러버 성능(분체 제거 성능)이 향상된다. 부식성 가스도 습윤벽수에 의해 씻겨 버려, 연소실(1)의 내벽면의 부식을 방지할 수 있다. 또한, 습윤벽수에 의해 연소실(1)의 내벽면은 저온에 유지되기 때문에, 열 손상되는 일은 없고, 스테인리스강 등의 저렴한 재료로 연소실(1)을 구성할 수 있어, 제조 비용을 저감할 수 있다.
다음에, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이 구성된 연소실(1)에 의한 처리 가스(배출 가스)의 처리예를 설명한다.
처리 가스의 연소실(1)에의 유입량에 의해, 처리 가스(주성분의 하나로 N2 가스를 포함함), 연료 가스, 지연성 가스의 3종의 혼합기의 조성을 연소 범위로 하면서, 가스 처리에 필요한 가스 온도를 확보할 수 있는 적절한 연료 및 지연성 가스의 유량을 설정한다. 3종의 조성과 연소 범위의 관계를 연료 가스를 프로판으로 한 경우로 설명한다. 지연성 가스가 순산소이며, 처리 가스의 N2가 없는 경우, 혼합기에 대한 프로판 성분(％)이, 연소의 하한계는 2％이며, 상한계는 40％이다. 지연성 가스를 공기(N2와 O2의 조성비는 79:21)로 한 경우, 혼합기에 대한 프로판 성분(％)이, 연소의 하한계는 2％이며 상한계는 10％인 것이 알려져 있다. 이것에 처리 가스가 주가 되는 N2가 더해져, 예컨대 N2와 O2의 조성비가, 85:15가 된 경우, 혼합기에 대한 프로판 성분(％)이, 연소의 하한계는 2％이며 상한계는 6％인 것이 알려져 있다. 또한, 연료 가스(연료)가 도시 가스, 천연 가스 등의 다른 가스인 경우에는, 프로판이 연료 가스인 경우와 동일한 방법에 따라 혼합기의 연소 범위를 구하면 좋다. 즉, 연료 가스와 지연성 가스(산소와 공기)와 처리 가스의 N2의 혼합기의 조성과 연소 범위의 관계를 바탕으로 조정할 수 있다. 동일 평면 상에 설치하는 연료용 노즐(3A)과 지연성 가스용 노즐(3B)과 처리 가스용 노즐(3C)의 세트를 예컨대, 2단 설치한 경우, 연료 유량과 지연성 가스 유량과 처리 가스 유량의 밸런스(조성비)를 바꾸고, 예컨대 상단측의 처리 가스 유입량을 줄이며, 하단측을 늘림으로써, 화염의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2에 나타내는 실시형태에서는, 연료용 노즐(3A)과 지연성 가스용 노즐(3B)과 처리 가스용 노즐(3C)이 원통형의 연소실(1)의 축선에 직교하는 동일 평면 상에 위치하고 있는 경우를 설명하였지만, 3개의 노즐(3A, 3B, 3C)이 연소실(1)의 축선 방향으로 어긋나 배치되어 있는 경우라도, 하기의 (1) 및 (2)의 조건을 만족시키면, 연소실(1)의 내벽으로부터 뜬 3종 혼합의 원통형 혼합 화염을 형성할 수 있다. 또한, 각 노즐(3A, 3B, 3C)은 복수로 분할하여, 연소실(1)의 원주 방향으로 이격시켜 배치하여도 좋다.
(1) 연료용 노즐(3A)과 지연성 가스용 노즐(3B)과 처리 가스용 노즐(3C)이 연료(연료 가스)와 지연성 가스와 처리 가스를 각각 연소실의 내주면의 접선 방향으로 불어넣어, 연료와 지연성 가스와 처리 가스의 3종 혼합의 선회류를 형성한다.
(2) 연소실에 불어넣어지는 연료(연료 가스)와 지연성 가스와 처리 가스 중, 적어도 하나의 가스가 연소실에 마지막으로 불어넣어져 3종 혼합의 선회류가 형성되었을 때에, 3종의 혼합기의 조성이 연소 범위에 도달한다.
상기 (1) 및 (2)의 조건을 만족시킴으로써, 연소실(1)의 내벽으로부터 뜬 3종 혼합의 원통형 혼합 화염을 형성할 수 있지만, 3종 혼합의 원통형 혼합 화염이 형성된 후에 있어서는, 연료용 노즐(3A), 지연성 가스용 노즐(3B), 처리 가스용 노즐(3C)의 하류측(후단)에, 연료용 노즐(3A) 및 처리 가스용 노즐(3C)을 더 마련하여, 이들 노즐로부터 연료와 처리 가스를 불어넣음으로써, 연소 온도를 향상시켜, 가스 처리 성능을 향상시킬 수도 있다.
다음에, 상기 (1) 및 (2)의 조건을 만족시키는 각종 양태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 연소실(1)에 처음으로 불어넣어져 선회류를 처음으로 형성하는 노즐, 즉 선회류를 개시하는 노즐로서, 연료용 노즐(3A), 지연성 가스용 노즐(3B), 처리 가스용 노즐(3C) 중 어떤 노즐을 선정할지를 설명하고, 선정된 노즐을 기준으로 하여 선회류의 하류측을 향하여 다른 노즐을 어떻게 배치할지에 대해서 설명한다.
도 3의 (a), (b)는 연료용 노즐(3A), 지연성 가스용 노즐(3B), 처리 가스용 노즐(3C)의 세트가 단단(또는 2단의 경우의 상단)으로서 처리 가스의 취입 노즐이 적은(1개인) 경우를 나타내는 모식도로서, 도 3의 (a)는 연소실의 부분 종단면도이고, 도 3의 (b)는 연소실의 수평 단면도이다.
지연성 가스를 공기로 하여, 공기비를 1.3으로 한 경우, 연료 유량의 약 15배의 공기가 필요해진다. 이 경우, 연소실 내의 선회력을 지배하는 것은, 공기의 유량, 유속이 된다. 따라서, 도 3의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 지연성 가스로서의 공기를 불어넣는 지연성 가스용 노즐(3B)을 선회류를 개시하는 노즐로 선정한다. 선회류를 개시하는 노즐로서 지연성 가스용 노즐(3B)을 선정함으로써, 연소실의 천장판은 화염이 형성되기 직전의 지연성 가스에 의해 냉각되기 때문에, 천장판의 방열에 의한 열량 손실을 저감할 수 있어, 에너지 절약에 기여한다.
그리고, 선정된 지연성 가스용 노즐(3B)을 기준으로 하여 선회류의 하류측을 향하여 처리 가스용 노즐(3C), 연료용 노즐(3A)의 순서로 배치한다. 즉, 지연성 가스용 노즐(3B)과 연료용 노즐(3A) 사이에, 희석 N2를 주체로 한 처리 가스를 불어넣는 처리 가스용 노즐(3C)을 설치함으로써, 지연성 가스는 처리 가스(N2 주체)와 혼합한 후에, 연료 가스를 혼합하여 착화하기 때문에, 국소적 고온부가 형성되는 일없이, 균일한 온도장을 갖는 화염이 형성된다. 이에 의해, 가스 처리 성능은 향상되면서, 서멀 NOx의 발생을 억제할 수 있다.
도 3의 (a), (b)에 있어서는, 연료용 노즐(3A), 지연성 가스용 노즐(3B), 처리 가스용 노즐(3C)이 원통형의 연소실(1)의 축선에 직교하는 동일 평면 상에 위치하고 있는 구성을 예시하였지만, 3개의 노즐(3A, 3B, 3C)을 연소실(1)의 축선 방향으로 어긋나게 하여 배치하는 경우에는, 도 3의 (a)에 있어서 지연성 가스용 노즐(3B)을 최상단에 배치하고, 하방을 향하여 처리 가스용 노즐(3C), 연료용 노즐(3A)의 순서로 어긋나게 하여 배치하면 좋다. 또한, 도 3의 (a)에 나타내는 단면도에서는, 단면의 전방(전방측)에 위치하는 노즐(3C)을 가상선으로 나타내고 있다. 이하의 도면에서도 마찬가지이다.
도 4의 (a), (b)는 처리 가스의 취입 노즐이 단단에는 다 들어가지 않는 경우에 연료용 노즐(3A), 지연성 가스용 노즐(3B), 처리 가스용 노즐(3C)의 세트를 상하로 2단 설치한 경우의 하단의 세트의 일례를 나타내는 모식도로서, 도 4의 (a)는 연소실의 부분 종단면도이고, 도 4의 (b)는 수평 단면도이다.
도 4의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 하단의 세트는, 선회류의 최상류측에 지연성 가스용 노즐(3B)을 배치하고, 지연성 가스용 노즐(3B)을 기준으로 하여 선회류의 하류측을 향하여 처리 가스용 노즐(3C-1), 처리 가스용 노즐(3C-2), 연료용 노즐(3A), 처리 가스용 노즐(3C-3)의 순서로 배치하여 구성되어 있다.
이와 같이, 하단의 세트에도, 3종의 노즐(3A, 3B, 3C-1, 3C-2, 3C-3)을 마련함으로써, 가스 혼합도가 균일화되기 때문에, 국소 고온부를 형성하는 일없이, 균일한 온도장의 화염을 형성할 수 있다. 이에 의해, 가스 처리 성능은 향상되면서, 서멀 NOx의 발생을 억제할 수 있다.
도 5의 (a), (b)는 처리 가스의 취입 노즐이 단단에 다 들어가지 않는 경우에 상하로 2단 설치한 경우의 하단의 세트의 다른 예를 나타내는 모식도로서, 도 5의 (a)는 연소실의 부분 종단면도이고, 도 5의 (b)는 수평 단면도이다.
도 5의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 하단의 세트는, 선회류의 최상류측에 처리 가스용 노즐(3C-1)을 배치하고, 처리 가스용 노즐(3C-1)을 기준으로 하여 선회류의 하류측을 향하여 처리 가스용 노즐(3C-2), 연료용 노즐(3A), 처리 가스용 노즐(3C-3)의 순서로 배치하여 구성되어 있다.
난분해성 가스 등이 처리 가스로서 연소실에 유입되는 경우, 지연성 가스의 공기에 산소를 추가하여, 고온의 온도장을 형성할 필요가 있다. 고온의 온도장을 형성할 필요가 있는 경우, 상단의 세트는, 도 3의 (a), (b)의 세트와 동일한 구성로 하고, 하단의 세트는 도 4의 (a), (b)에 나타내는 세트로부터 지연성 가스용 노즐을 제외한 도 5의 (a), (b)에 나타내는 세트로서, 상단의 세트에만 지연성 가스용 노즐을 마련한다. 화염의 형성 위치는, 도 4의 (a), (b)에 나타내는 하단의 세트로 한 경우보다 선회 상류측으로 이동하여, 화염 체적을 작게 할 수 있기 때문에, 보다 고온의 온도장을 형성할 수 있다.
도 1 내지 도 3에 나타내는 바와 같이 구성된 연소실(1)에 있어서, 연료 가스와 지연성 가스와 처리 가스는, 화염의 연소 속도 이상의 유속으로 불어넣어진다. 이 경우, 연료 가스와 지연성 가스와 처리 가스의 유속은, 스월수(선회 정도를 나타내는 무차원수)가 5~40이 되도록 조정한다. 이와 같이 스월수를 기준으로 연료 가스와 지연성 가스와 처리 가스의 유속을 조정함으로써, 원하는 원통형 혼합 화염을 형성할 수 있다. 또한, 화염의 안정성을 향상시키기 위해, 파일럿 버너(2)는, 항상 화염을 형성해 두는 것은 유효하다.
도 6은 도 1 내지 도 3에 나타내는 연소실(1)을 구비한 배출 가스 처리 장치의 전체 구성을 나타내는 모식도이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 배출 가스 처리 장치는, 처리 가스(배출 가스)를 연소하여 산화 분해하는 연소실(1)(도 1 참조)과, 이 연소실(1)의 후단에 배치된 배출 가스 세정부(30)를 구비하고 있다. 연소실(1)은 접속관(13)에 의해 하방으로 연장되어 있다. 처리 가스(배출 가스)는, 바이패스 밸브(3방 밸브)(15)를 통하여 원통형의 연소실(1)의 내주면의 접선 방향으로 공급된다. 배출 가스 처리 장치에 문제점이 있는 경우에는, 바이패스 밸브(15)가 조작되어, 처리 가스가 배출 가스 처리 장치에 도입되지 않고, 도시하지 않는 바이패스관에 보내지게 되어 있다. 연료와 지연성 가스도, 마찬가지로, 원통형의 연소실(1)의 내주면의 접선 방향으로 공급되도록 되어 있다. 이와 같이, 연료와 지연성 가스와 처리 가스를 연소실(1)의 내주면의 접선 방향을 향하여, 화염의 연소 속도 이상의 유속으로 불어넣음으로써, 연소실(1)의 내벽으로부터 뜬 3종 혼합의 원통형 혼합 화염이 형성된다. 연소실(1)의 상부에는 물 공급 노즐(5)로부터 물(W)이 공급되고 있고, 이 물(W)은 연소실(1)의 내면을 따라 유하하여, 연소실의 내면에 습윤벽(수막)을 형성한다. 이 습윤벽수에 의해, 처리 가스의 연소에 의해 생성한 SiO2 등의 분체는 포집된다.
연소실(1)의 하방에는 순환수 탱크(20)가 배치되어 있다. 순환수 탱크(20)의 내부에는 둑(21)이 마련되어 있고, 이 둑(21)에 의해 상류측의 제1 조(20A)와 하류측의 제2 조(20B)로 구획되어 있다. 습윤벽수에 포집된 분체 생성물은, 접속관(13)을 통해 순환수 탱크(20)의 제1 조(20A) 내에 낙하하여, 제1 조(20A)의 바닥부에 퇴적된다. 또한, 연소실(1)의 내면을 유하한 습윤벽수는 제1 조(20A)에 유입된다. 제1 조(20A)의 물은, 둑(21)을 오버 플로우하여 제2 조(20B)에 유입되게 되어 있다.
연소실(1)은 냉각부(25)를 통해 배출 가스 세정부(30)와 연통하고 있다. 이 냉각부(25)는, 접속관(13)을 향하여 연장되는 배관(26)과, 이 배관(26) 내에 배치된 스프레이 노즐(27)을 가지고 있다. 스프레이 노즐(27)은, 배관(26)을 흐르는 배출 가스에 대향하도록 물을 분사한다. 따라서, 연소실(1)에 의해 처리된 배출 가스는, 스프레이 노즐(27)로부터 분사되는 물에 의해 냉각된다. 분사된 물은, 배관(26)을 통하여 순환수 탱크(20)에 회수되도록 되어 있다.
냉각된 배출 가스는, 다음에 배출 가스 세정부(30)에 도입된다. 이 배출 가스 세정부(30)는, 물에 의해 배출 가스를 세정하여, 배출 가스에 포함되는 미소한 분진을 제거하는 장치이다. 이 분진은, 주로, 연소실(1)에서의 산화 분해(연소 처리)에 의해 생성된 분체 생성물이다.
배출 가스 세정부(30)는, 가스 유로(32)를 형성하는 벽부재(31)와, 가스 유로(32) 내에 배치되는 제1 미스트 노즐(33A), 제1 수막 노즐(33B), 제2 미스트 노즐(34A) 및 제2 수막 노즐(34B)을 구비하고 있다. 이들 미스트 노즐(33A, 34A) 및 수막 노즐(33B, 34B)은, 가스 유로(32)의 중심부에 위치하고, 대략 직선형으로 배열되어 있다. 제1 미스트 노즐(33A) 및 제1 수막 노즐(33B)은 제1 노즐 유닛(33)을 구성하고, 제2 미스트 노즐(34A) 및 제2 수막 노즐(34B)은 제2 노즐 유닛(34)을 구성한다. 따라서, 본 실시형태에서는, 2조의 노즐 유닛(33, 34)이 마련되어 있다. 또한, 노즐 유닛은 1조여도 좋고, 3조 이상의 노즐 유닛을 마련하여도 좋다.
제1 미스트 노즐(33A)은, 제1 수막 노즐(33B)보다, 배출 가스의 유동 방향에 있어서 상류측에 배치되어 있다. 마찬가지로, 제2 미스트 노즐(34A)은, 제2 수막 노즐(34B)보다 상류측에 배치되어 있다. 즉, 미스트 노즐과 수막 노즐이 교대로 배치되어 있다. 미스트 노즐(33A, 34A), 수막 노즐(33B, 34B), 벽부재(31)는, 내부식성이 있는 수지(예컨대 PVC: 폴리염화비닐)로 구성되어 있다.
제1 미스트 노즐(33A)의 상류측에는, 배출 가스의 흐름을 정류하는 정류 부재(40)가 배치되어 있다. 이 정류 부재(40)는, 배출 가스의 압력 손실을 발생시켜, 가스 유로(32) 중의 배출 가스의 흐름을 균일하게 한다. 정류 부재(40)는, 산에 의한 부식을 막기 위해, 금속 이외의 재료로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 정류 부재(40)의 예로서, 수지로 구성된 부직재(不織材)나, 복수의 개공이 형성된 수지 플레이트를 들 수 있다. 정류 부재(40)의 상류측에는, 미스트 노즐(41)이 배치되어 있다. 미스트 노즐(33A, 34A, 41) 및 수막 노즐(33B, 34B)은, 벽부재(31)에 부착되어 있다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 배출 가스는, 배출 가스 세정부(30)의 하부에 마련된 배관(26)으로부터 배출 가스 세정부(30)의 내부에 도입된다. 배출 가스는, 배출 가스 세정부(30) 내를 아래에서 위로 흐른다. 보다 자세하게는, 배관(26)으로부터 도입된 배출 가스는, 먼저 배출 가스 세정부(30)의 미스트 노즐(41)을 향한다. 그리고, 배출 가스는, 미스트 노즐(41)에 의해 형성된 미스트를 통과하여, 정류 부재(40)에 의해 정류된다. 정류 부재(40)를 통과한 배출 가스는 균일한 흐름을 형성하여, 가스 유로(32)를 저속으로 상승한다. 가스 유로(32)에는, 미스트, 수막, 미스트 및 수막이 이 순서로 형성되어 있다.
배출 가스에 포함되어 있는 직경 1 ㎛ 미만의 미소한 분진은, 확산 작용(브라운 운동)에 의해, 미스트를 구성하는 물 입자에 용이하게 부착되고, 이에 의해 미스트에 포착된다. 직경 1 ㎛ 이상의 분진도, 그 대부분은 마찬가지로 물 입자에 포착된다. 물 입자의 직경은 약 100 ㎛이기 때문에, 이 물 입자에 부착된 분진의 사이즈(직경)는 외관상 커진다. 따라서, 분진을 포함하는 물 입자는, 하류측의 수막에 관성 충돌에 의해 용이하게 부딪치고, 물 입자와 함께 분진은 배출 가스로부터 제거된다. 미스트 포착되지 않은 비교적 직경이 큰 분진도, 동일하게 하여 수막에 포착되어 제거된다. 이와 같이 하여 물에 의해 세정된 배출 가스는, 벽부재(31)의 상단부로부터 배출된다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 배출 가스 세정부(30)의 하방에는, 전술한 순환수 탱크(20)가 위치하고 있다. 미스트 노즐(33A, 34A, 41) 및 수막 노즐(33B, 34B)로부터 공급된 물은, 순환수 탱크(20)의 제2 조(20B)에 회수된다. 제2 조(20B)에 저류된 물은, 순환수 펌프(P)에 의해 미스트 노즐(33A, 34A, 41) 및 수막 노즐(33B, 34B)에 공급된다. 동시에, 순환수는, 물(W)로서 연소실(1)의 상부에 보내져, 전술한 바와 같이, 연소실(1)의 내면에 습윤벽을 형성한다.
미스트 노즐(33A, 34A) 및 수막 노즐(33B, 34B)에 공급되는 물은, 순환수 탱크(20)에 회수된 물이며, 분진(분체 생성물 등)을 포함하고 있다. 따라서, 가스 유로(32)를 세정하기 위해, 샤워 노즐(50)로부터 수돗물이 가스 유로(32)에 공급되도록 되어 있다. 샤워 노즐(50)의 상방에는, 미스트 트랩(51)이 마련되어 있다. 이 미스트 트랩(51)은, 그 내부에 복수의 방해판을 가지고 있어, 미스트를 포착할 수 있다. 이와 같이 하여, 처리되어 무해화된 배출 가스는, 배기 덕트를 통해 최종적으로 대기에 방출된다.
순환수 탱크(20)에는 수위 센서(55)가 마련되어 있다. 이 수위 센서(55)는 제2 조(20B)의 수위를 감시하여, 제2 조(20B)의 수위를 소정의 범위로 제어할 수 있도록 되어 있다. 또한, 순환수 펌프(P)에 의해 이송되는 물의 일부는, 급수관(52)을 통해 순환수 탱크(20) 내에 설치된 복수의 이덕터(53)에 공급되도록 되어 있다. 급수관(52)에는 개폐 밸브(V1)가 설치되어 있고, 개폐 밸브(V1)를 개방함으로써, 이덕터(53)에 급수할 수 있도록 되어 있다. 순환수 탱크(20)에는, 순환수 탱크(20) 내를 배수하기 위한 배수 밸브(V2)가 마련되어 있다.
각 이덕터(53)에 순환수 탱크(20) 내의 물을 순환수 펌프(P)에 의해 가압하여 공급하고, 각 이덕터(53)의 노즐에 의해 물의 흐름을 줄일 때에 발생하는 압력 저하를 이용하여 이덕터(53)의 흡입구로부터 이덕터(53) 내에 순환수 탱크(20) 내의 물을 흡입하고, 이 흡입한 물을 이덕터(53)의 노즐로부터 방출되는 물과 함께 이덕터(53)의 토출구로부터 순환수 탱크(20)의 바닥부에 분사한다. 이덕터(53)의 토출구로부터 분사되는 분사수의 분사 타력에 의해, 순환수 탱크(20)의 바닥부에 있는 분체를 해쇄하여 부유시켜, 순환수 탱크(20)의 배수구(20D)로부터, 배수와 함께 분체를 자동으로 배출한다.
지금까지 본 발명의 실시형태에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 전술한 실시형태에 한정되지 않고, 그 기술 사상의 범위 내에서, 여러 가지의 상이한 형태로 실시되어도 좋은 것은 물론이다.
산업상 이용가능성
본 발명은 반도체 디바이스, 액정, LED 등을 제조하는 제조 장치 등으로부터 배출되는 배출 가스를 연소 처리하여 무해화하는 배출 가스 처리 장치에 이용 가능하다.
1 : 연소실 2 : 파일럿 버너
3A : 연료용 노즐 3B : 지연성 가스용 노즐
3C, 3C-1, 3C-2, 3C-3 : 처리 가스용 노즐
5 : 물 공급 노즐 13 : 접속관
15 : 바이패스 밸브(삼방 밸브) 20 : 순환수 탱크
20A, 20B : 조 20D : 배수구
21 : 둑 25 : 냉각부
26 : 배관 27 : 스프레이 노즐
30 : 배출 가스 세정부 31 : 벽부재
32 : 가스 유로 33A : 제1 미스트 노즐
33B : 제1 수막 노즐 34A : 제2 미스트 노즐
34B : 제2 수막 노즐 40 : 정류 부재
41 : 미스트 노즐 50 : 샤워 노즐
51 : 미스트 트랩 52 : 급수관
53 : 이덕터 55 : 수위 센서
P : 순환수 펌프 V1 : 개폐 밸브
V2 : 배수 밸브

Claims (8)

  1. 처리 가스를 연소 처리하여 무해화하는 배출 가스 처리 장치에 있어서,
    처리 가스를 연소하는 원통형의 연소실은, 연료와 지연성 가스와 처리 가스를 각각 연소실의 내주면의 접선 방향을 향하여 불어넣는 연료용 노즐과 지연성 가스용 노즐과 처리 가스용 노즐을 구비하고,
    상기 연료용 노즐과 지연성 가스용 노즐과 처리 가스용 노즐은, 상기 연소실의 축선에 직교하는 동일 평면 상에 위치하며,
    상기 연료용 노즐과 지연성 가스용 노즐과 처리 가스용 노즐은, 상기 연소실의 원주 방향으로 상호 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 배출 가스 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연소실에는, 상기 연료, 지연성 가스 및 처리 가스의 취입(吹入) 위치로부터 상기 연소실의 축선 방향으로 이격한 위치에, 연소실의 내주면에 수막을 형성하기 위한 물 공급 노즐이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 배출 가스 처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료와 지연성 가스와 처리 가스를 상기 연소실의 내주면의 접선 방향을 향하여 불어넣음으로써, 상기 연소실 내에 원통형 혼합 화염을 형성하는 것을 특징으로 하는 배출 가스 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 원통형 혼합 화염의 선회력에 의해, 상기 연소실의 내주면 상의 수막을 선회시키는 것을 특징으로 하는 배출 가스 처리 장치.
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  7. 삭제
  8. 삭제
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