KR200296844Y1 - 폐기가스 처리를 위한 연소식 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 반도체 및 TFT LCD 제조공정 중에 발생하는 독성가스를 포함하는 폐기가스를, 열처리를 통한 산화반응으로 처리하기 위한 연소식 폐기가스 처리장치에 관한 것으로서, 폐기가스의 주입을 위한 인입관과, 폐기가스의 산화연소를 위한 히터와, 상기 히터를 감싸며 또한 폐기가스의 산화연소가 일어나는 다공성 세라믹 반응기와, 온도센서와, 폐기가스의 산화연소를 위해 공기를 적절히 공급하기 위한 공기 분배기와, 반응기 외부관과, 연소식 스크루버 내부열이 외부로 방출되는 것을 차단하기 위한 단열재와, 공기를 인입시키는 공기 인입용 블로워와, 인입용 공기중에서 입자를 제거하기 위한 입자제거 필터와, 공기의 인입을 단속하기 위한 솔레노이드 밸브와, 인입용 공기의 압력을 제어하기 위한 압력스위치와, 유입되는 공기의 량을 측정하기 위한 공기 유량계로 구성된다.

Description

폐기가스 처리를 위한 연소식 처리장치{BURNING-TYPE SCRUBBER FOR TREATING WASTE GAS}

본 고안은 전자장비 및 반도체제조 산업에서 발생하는 독성가스를 함유하는 폐기가스를 처리하기 위한 연소장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 공기와 함게 산화반응하여 히터의 외부면에 부착하게 되는 미세입자를 형성하는 독성가스를 포함하는 폐기가스의 연소처리장치에 관한 것이다. 상기 폐기가스는 연소로에서 공기와 함께 산화되어 미세입자로 형성되지만, 다공성으로 만든 반응기의 외부면을 통해 공기가 자유롭게 통기되기 때문에 상기 미세입자가 부착되지 못하게 되어, 반응기의 수명을 연장시키고 또한 히터의 유지보수를 간단하게 한다.

전자장치 및 반도체산업에서, 아르신(AsH₃; 수소화비소)과, 포스핀(PH₃)과, 디보란(B₂H₆)과, 모노실란(SiH₄)으로 대표되는 가스상의 독성물질을 포함하는 폐기가스가 반도체제조 공정중 여러 단계에서 발생되게 된다. 이러한 폐기가스는 인체에 매우 유해하기 때문에, 대기중으로 폐기가스를 방출하기에 앞서 폐기가스에 포함된 상기 독성물질의 완벽한 제거가 반드시 이루어져야 한다.

이러한 독성물질을 효과적으로 제거 또는 중화시키기 위한, 연소, 습식 (wetting) 및 흡착방법과 같은 다양한 방법들이 공지되어 있다. 이들 방법 중에서, 수용성 가스를 처리하는 습식 및 산화되지 않고 물에 녹지 않는 가스를 처리하는 흡착방법은 사용이 쉬워, 폐기가스를 해독처리하는데 통상적으로 사용되고, 이렇게 처리되어 흡착제에 흡착된 그리고 물에 녹은 폐기가스는 제조시스템에서부터 안전하게 방출될 수 있다. 그러나, 습식 및 흡착방법에 있어서, 물과 흡착제는 독성물질을 포함하고 있기 때문에 이 독성물질을 제독하기 위해서 정교한 2차 처리장치로 반송되어야만 한다. 또한, 작업 중에 물 및 흡착제의 다수 교체 또는 활성화가 필요하다. 따라서, 이 습식 및 흡착방법은 더 많은 물의 교체 및 정화와 흡착제의 처리와 교체를 필요로 하여 경제성이 있다는 말할 수 없다.

한편, 연소방법은 800℃ 정도의 고온에서 폐기가스 내의 독성물질의 산화성 분해를 사용하는데, 가스 상태의 독성물질은 산화되어 산화물 형태의 고형 미세입자들로 변환되어 가스물질로부터 제거될 수 있다.

가스상태의 독성물질들 중에서, 아르신(Arsine)은 산화방법에 따라서 산화비소(Arsenic oxide)(As₂O₃, As₂O₅)로, 포스핀(Phosphine)은 오산화인(Phorphorus pentoxide)(P₂O₅)로, 실란은 산화규소(SiO, SiO₂)로 산화변환된다. 산화된 이들 고형물질들은 대부분 연소로로부터 방출되지만 일부는 연소로의 히터외부면와 벽면에 부착되게 된다. 따라서, 상기 고형물질들이 연소로의 히터 외부면에 부착되게 되면, 히터의 열효율이 떨어지게 되어 연소로에서 폐기가스의 적절한 산화연소가 이루어지지 않게 되고, 자주 히터외부면을 세정해주어야 하는 불편함이 있다.

도 1 (a)와 (b)는 종래 연소식 스크루버를 보여주는 도면이다. 도 1 (a)의 연소식 스크루버(B)는 열원(히터)이 수직방향으로 설치되어 있는 것으로서, 폐기가스가 주입되는 인입관(B-1)과, 저온에서 부적절한 가스의 혼합으로 인한 폭발을 방지하기 위하여 질소가스를 주입하는 질소가스 인입관(B-2)과, 스크루버 내에서 폐기가스를 산화처리 하기 위해 공기를 주입하는 압축 건조공기 인입관(B-3)과, 스크루버의 내부를 밀봉하기 위한 밀봉 프랜지(B-4)와, 폐기가스 산화처리를 위한 열을 방사하는 열원(B-5)과, 열원을 감싸며 폐기가스와 공기의 산화가 이루어지는 반응기(B-6)와, 반응기의 온도를 측정하기 위한 온도센서(B-7)와, 반응기 외부관 (B-8)과 그리고 가스밀봉용 프래지(B-9)로 구성된다. 상기 스크루버에서 열원은 니켈을주체로 하여 크롬, 철, 티탄, 알루미늄, 망간 및 규소 등을 첨가한 내열합금인 인코넬(Inconel)을 사용한다. 인코넬은 내열성이 좋고, 900℃ 이상의 산화기류(酸化氣流) 속에서도 산화하지 않고, 황을 함유한 대기에도 침지되지 않는다. 신장(伸長) ·인장강도 ·항복점(降伏點) 등 여러 성질도 600℃ 정도까지 대부분 변화하지 않는 등 기계적 성질에 우수하며, 유기물 ·염류용액에 대해서도 부식하지 않는다. 따라서, 스크루버의 열원으로서 인코넬이 많이 사용된다.

상기 연소식 스크루버의 동작시에, 습식 스크루버와 흡착식 스크루버를 통과 전, 물에 수용되지 않고 또한 흡착식 스크루버에서 흡착되지 않은 폐기가스들은 폐기가스 인입구(B-1)를 통해 연소식 스크루버 내로 도입된 다음에 질소가스와 공기와 혼합된다. 그런 다음, 혼합된 폐기가스는 반응기(B-6)에서 높은 온도에 의해 공기와 산화반응을 하여 독성이 없는 안정된 물질로 변환되어 외부로 방출되게 된다.

그러나, 폐기가스의 산화반응 도중에 미세한 입자들이 발생하게 되어, 대부분이 필터(도면에 도시되지 않음)에 의해 수거되지만, 일부가 반응기의 외부면에 부착되게 된다. 이렇게 부착된 미세한 입자들이 많아지게 되면, 연소식 스크루버의 열원 효율이 떨어지게 되어 폐기가스의 적절한 연소가 이루어지지 않게 된다. 따라서, 주기적으로 반응기(B-6)의 내부면을 청소해주어야 하는 불편함이 있었다.

도 1 (b)는 다른 종래의 연소식 스크루버(C)를 보여주는 도면이다. 그 구성은 도 1 (a)와 유사하게, 폐기가스 인입관(C-1)과, 압축 건조공기 인입관(C-2)과, 단열부(C-3)와, 반응기(C-4)와, 열원(C-5)과, 열원을 감싸는 석영관(C-6)과, 온도센서(C-7)와, 내부식 내열 합금강(C-8)과, 반응기 외부판(C-9)과, 그리고 가스 밀봉용 프랜지(C-10)로 구성된다. 이렇게 구성된 연소식 스크루버에서도, 도 1 (a)와 마찬가지로 폐기가스의 부산물인 미세한 입자들이 반응기의 내부면과 그리고 내열 합금강(C-8) 외부면에 부착되게 되어 연소식 스크루버의 효율을 저하시킨다. 또한, 열원이 수평으로 설치되어 있는 관계로, 비록 내열 합금강이 내열성이 좋은 인코넬로 구성된다 하더라도, 오랫동안 사용하게 되면 가스의 흐름에 의해 내열 합금강이 아래로 조금 휘어지게 된다. 따라서, 내열 합금강이 휘어지게 되면 유지,보수에 어려움이 발생할 수 있게 된다.

따라서, 본 고안의 목적은 반응기의 외부면에 미세 입자의 부착이 어렵도록 하여 반응기의 내부면을 항상 깨끗하게 유지할 수 있는 연소식 스크루버를 제공하는 것이다.

이러한 본 고안의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 연소식 스크루버는, 폐기가스의 주입을 위한 인입관과, 폐기가스의 산화연소를 위한 히터와, 상기 히터를 감싸며 또한 폐기가스의 산화연소가 일어나는 다공성 세라믹 반응기와, 온도센서와, 폐기가스의 산화연소를 위해 공기를 적절히 공급하기 위한 공기 분배기와, 반응기 외부관과, 연소식 스크루버 내부열이 외부로 방출되는 것을 차단하기위한 단열재와, 공기를 인입시키는 공기 인입용 블로워와, 인입용 공기중에서 입자를 제거하기 위한 입자제거 필터와, 공기의 인입을 단속하기 위한 솔레노이드 밸브와, 인입용 공기의 압력을 제어하기 위한 압력스위치와, 유입되는 공기의 량을 측정하기 위한 공기 유량계로 구성된다. 이러한 구성에서, 상기 세라믹 반응기가 공기가 통과할 수 있는 정도의 다공성으로 구성되고 또한 연소식 스크루버의 측면에서도 저압의 공기를 제공하기 때문에, 저압으로 제공되는 공기가 다공성 세라믹 반응기를 통과하여 반응기의 내부면에 미세한 입자들이 부착할 수 없게 한다. 따라서 반응기의 내부면이 항상 깨끗하게 유지되어, 연소식 스크루버의 효율을 최적으로 유지할 수 있게 된다.

또한, 본 고안의 반응기가, 세라믹튜브로 이루어지고 또한 중력의 방향으로 설치되기 때문에 반응기가 휘어질 가능성의 거의 없다. 특히, 일반적으로 사용되는 인코넬보다도 세라믹의 내열성(열 항복점)이 우수하기 때문에(1200℃ 내지 1400℃), 반응기가 수평으로 설치된다 하더라도 거의 휘어질 일은 없게 된다.

도 1 (a)는 열원과 반응기가 중력의 방향으로 설치된 종래의 연소식 폐기가스 처리장치를 개략적으로 보여주는 도면.

도 1 (b)는 열원과 반응기가 중력의 수직방향으로 설치된 종래의 연소식 폐기가스 처리장치를 개략적으로 보여주는 도면.

도 2는 본 발명의 다공성 세라믹 반응기 외피를 가지는 연소식 폐기가스 처리장치를 보여주는 도면.

도 3의 (a)는 본 발명의 연소식 폐기가스 처리장치의 측면에 설치되어 측면에서부터 폐기가스 처리장치 내로 산화반응을 위한 공기를 주입하는 공기 분배기를 보여주는 도면.

도 3의 (b)는 공기 분배기에 형성된 공기 인입관의 크기와 배치를 개략적으로 보여주는 도면.

도 4는 다공성 세라믹 반응기 외피 내외측으로 공기의 흐름을 개략적으로 보여주는, 도 2의 A부분의 확대도.

** 도면 참조부호의 간단한 설명 **

10.......폐기가스 인입관 20.......열원(히터)

30.......다공성 세라믹 반응기 외피

40.......온도센서 50.......공기분배기

60.......반응기 외부 관 70.......단열재

80.......공기 인입용 블로워 90.......입자 제거필터

100......솔레노이드 밸브 110......압력스위치

120, 130.......공기 유량계

도 2는 본 고안의 연소식 폐기가스 처리기(스크루버)(200)의 구성을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하여 그 구성을 살펴보면, 수용성 폐기가스 처리를 위한 습식(웨팅) 폐기가스 처리기(스크루버)와 흡착제를 사용하는 흡착식 폐기가스 처리기를 통과 하기전 폐기가스를 연소식 폐기가스 처리기 내로 인입시키기 위한 폐기가스 인입관(10)과, 인코넬 등의 소재로 구성되어 폐기가스의 산화연소처리에 필요한 열을 공급하는 열원(히터)(20)과, 상기 열원의 외부를 감싸며 폐기가스의 산화연소 반응이 일어나는 다공성 세라믹 반응기(30)와, 폐기가스의 적절한 산화연소처리를 위한 온도를 조절하기 위해 반응기의 온도를 측정하는 온도센서(40)와, 연소식 폐기가스 처리기의 측면에 설치되어 측면에서 폐기가스의 산화연소처리를 위한 공기를 공급하는 공기분배기(50)와, 인입관을 통해 주입된 폐기가스와 공기 분배기를 통해 공급된 공기와의 산화연소반응이 일어나는 반응기의 외부관(60)과, 반응기 내부열의 외부방출을 차단하기 위한 단열재(70), 반응기 내부로 공기를 주입하기 위한 공기 인입용 블로워(80)와, 인입용 공기중에서 산화연소에 방해되고 또한 반응기에 손상을 줄 수 있는 미세 입자를 제거하기 위한 입자 제거필터(90)와, 반응기 내부로 공급하는 공기를 단속하기 위한 솔레노이드 밸브(100)와, 반응기 내부에 공급되는 공기의 압력을 제어하기 위한 압력스위치(110)와, 그리고 반응기 내부로 공급되는 공기의 량을 확인하기 위한 공기 유량계(120 및 130)로 구성된다.

도 2에 도시되어 있듯이, 종래의 연소식 폐기가스 처리장치 대부분은 한쪽 방향으로, 폐기가스 처리장치의 위쪽에서 공기를 주입하게 되어 있지만, 본 발명의 연소식 폐기가스 처리장치에서는 종래의 기술처럼 폐기가스 처리장치의 위쪽에서 공기를 공급할 뿐만 아니라(도면중에서 참조번호 없이 표시), 폐기가스 처리장치의 측면부에 공기분배기(50)를 설치하여 공기를 공급함으로써 반응기 내부에서 폐기가스의 완전한 산화연소처리가 이루어질 수 있게 한다.

이러한 공기분배기의 구성은 도 3 (a)와 (b)와 같이 구성되어 있다. 본 발명의 공기 분배기(50)는 45°각도로 반응기 내부에 적절히 공기를 분사할 수 있게 형성되어 있다. 도면에 도시되어 있듯이 공기 인입관 끝의 공기 분배기 형상은 45°각도를 둔 삼각형 형상으로 되어 있고, 그 내부로 다수의 공기 인입로가 형성된다. 반응기 내부 멀리로 공기를 적절히 공급하기 위하여 공기 분배기의 중앙의 인입로는 그 직경이 크고, 중앙에서 부터 외부로 갈수록 그 직경은 작아지게 형성되어 있다. 따라서 공기 분배기의 중앙에서부터 반응기 내부로 공급되는 공기의 압력은 높고 공기의 유속이 늦지만, 공기 분배기의 중앙에서부터 멀리 떨어질수록 공기 분배기의 공기인입로의 직경이 작아지기 때문에 공기의 유속은 빨라지게 되지만 압력을 낮아지게 된다. 따라서, 공기 분배기의 외주쪽의 공기 인입로부터 나오는 공기의 속도가 빠르기 때문에 반응기의 상,하부로 공기가 전달될 수 있다. 또한, 고른 공기의 공급을 위해, 공기 분배기의 외주쪽으로 갈수록 작은 직경의 공기인입로를 많이 설치한다. 따라서, 반응기의 내부에 원할하게 공기를 공급할 수 있게 된다.

다음, 도 2와 도 4를 참조하여 본 발명의 핵심이라 할 수 있는 다공성 세라믹 반응기에 대하여 설명한다.

상기에서 설명하였듯이, 연소식 폐기가스 처리장치에서 폐기가스와 공기의산화연소 반응이 일어나는 반응기의 구성은, 통상적으로 인코넬로 이루어진 열원(히터)과 그리고 열원을 감싸는 인코넬 또는 석영 등의 반응기 외피로 구성된다. 따라서, 폐기가스와 공기의 산화반응이 일어나게 되면, 폐기가스의 종류에 따라서 그 부산물로써 미세한 입자들이 발생하여 이들이 반응기 내피에 부착하게 되어, 반응기의 효율을 떨어뜨리게 된다. 그러므로, 자주 반응기 내피를 청소해주어야 하는 단점이 있었다. 이에 따라, 본 발명에서는 공기가 자유롭게 통과할 수 있지만, 서브마이크론 정도의 미세 입자들이 통과할 수 있는 다수의 공간을 가지는 다공성의 세라믹재를 상기 반응기의 외피(40)로 사용하므로, 연소식 폐기가스 처리장치의 작동시에, 폐기가스 처리장치의 내부로 도입되는 낮은 압력의 공기들이 상기 반응기 외피의 다공(多孔)을 통해 반응기 내부로 도입된 다음에 다시 상기 다공을 통해 내부로 인입되기 때문에 반응기 내피에 폐기가스와 공기의 산화연소 반응의 생성물인 미세한 입자들이 부착되지 않게 된다. 따라서, 종래 폐기가스 연소장치의 반응기 내피에 비해, 미세한 입자들이 부착될 확률이 적어져 종래의 기술처럼 반응기 내피를 자주 청소할 필요가 없게 된다. 이러한 개념을 도 4에 간략하게 도시하여 놓았다.

도 2의 A부분의 부분확대도인 도 4에 도시되어 있듯이, 다공성 세라믹 반응기 외피(30)는 열원(20)을 감싸고 있으며 그 표면과 내부에는 서브 마이크론의 미세 입자들이 통과할 수 있는 수많은 미세한 다공들이 형성되어 있다. 이러한 다공들은 서로 연결되어 있는 관계로, 도면에 도시되어 있듯이, 연소식 폐기가스 처리장치 내로 주입된 공기들은 다공성 세라믹 반응기 외피(30)에 형성된 다공을 통해 외피 내측으로 도입되고, 이렇게 도입된 공기들은 다시 다공을 통해 외피 바깥으로, 즉 반응기 외피 외부로 방출되게 된다. 이와 같이, 공기들이 다공성 세라믹 반응기 외피의 다공을 통해 반응기 외피 내외측을 자유롭게 드나들 수 있게 되므로, 폐기가스와 공기의 산화연소 결과물인 미세한 입자들이 상기 세라믹 반응기 외피에 부착되기가 어렵게 된다.

상기에서 설명한 다공성 세라믹 반응기 외피(30)는 입수하기가 용이하고 또한 열항복점이 높은 알루미나(Al₂O₃) 성분의 튜브를 사용 한다.

또한, 상기에서 설명한 바와 같이, 다공성 세라믹 반응기 외피를 사용하기 때문에, 본 발명의 연소식 폐기가스 처리장치를 도 1 (b)에서 설명한 것과 같은 수평설치 반응기에 적용하여도, 높은 열항복점 때문에 종래 기술에서 발생할 수 있는 중력에 의한 반응기 외피의 휘어짐을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다공성 세라믹 반응기 외피를 도 1(b)와 같은 수평설치 반응기에 적용하여 우수한 효과를 얻을 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안의 연소식 폐기가스 처리장치에서 열원 주위를 감싸며 폐기가스와 공기의 산화연소 반응이 일어나는 반응기 외피를, 공기와 폐기가스의 산화연소반응의 부산물인 미세입자들이 통과할 수는 없지만 공기가 자유롭게 통과할 수 있는 다공성 세라믹으로 형성함으로써, 종래 기술에서 발생하는 반응기 내피 상에 미세입자들의 부착을 방지할 수 있게 된다. 그러므로, 종래 기술에서는 주기적으로 연소식 폐기가스 처리장치의 밀봉용 프랜지를 개봉한 후에 반응기 내피를 청소하여 주어야 하는 불편함을 제거할 수 있다. 이에 따라, 반도체 등과 같이 독성 가스를 사용하는 공정의 중단이 없이 지속적으로 공정이 이루어지기 때문에 작업의 효율성이 향상되어 생산성의 증대도 기대할 수 있는 효과가 있다.

또한, 반응기 내피에 미세입자들의 부착을 방지하므로, 반응기 내피에서 열효율성이 향상되어 폐기가스와 공기의 산화연소반응을 확실히 할 수 있기 때문에, 일부 독성폐기가스가 처리되지 않은 상태로 대기로 방출되는 것을 방지한다. 따라서, 대기 환경 개선에 도움을 줄 수 있는 효과 또한 있다.

또한, 반응기 외피를 세라믹으로 구성하기 때문에, 수평식 반응기의 경우에서 발생하는, 중력에 의한 반응기 외피의 휘어짐을 방지할 수 있는 효과도 있다.

Claims (5)

1. 반도체 및 LCD 제조공정 중에 발생하는 독성가스를 포함하는 폐기가스를 산화처리하는 연소식 폐기가스 처리장치에 있어서,

   산화연소처리를 위한 폐기가스의 주입을 위한 인입관(10)과,

   폐기가스의 산화연소에 필요한 열을 발생하는 히터(20)와,

   상기 히터를 감싸며 또한 폐기가스의 산화연소가 일어나는 다공성 반응기(30)와,

   반응기의 온도를 측정하기 위한 온도센서(40)와,

   폐기가스의 산화연소를 위해 공기를 적절히 공급하기 위한 공기 분배기 (50)와,

   반응기 외부관(60)과,

   연소식 폐기가스 처리장치의 내부열이 외부로 방출되는 것을 차단하기 위한 단열재(70)와,

   폐기가스의 산화처리에 필요한 공기를 인입시키는 공기 인입용 블로워(80)와,

   인입용 공기중의 입자를 제거하기 위한 입자제거 필터(90)와,

   공기의 인입을 단속하기 위한 솔레노이드 밸브(100)와,

   인입용 공기의 압력을 제어하기 위한 압력스위치(110)와,

   유입되는 공기의 량을 측정하기 위한 공기 유량계(120, 130)로 구성된 것을특징으로 하는 연소식 폐기가스 처리장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 다공성 반응기(30)는 미세한 구멍들이 다수 형성되어 있는 알루미나(Al₂O₃) 등의 세라믹 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연소식 폐기가스 처리장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 공기분배기(50)는 연소식 폐기가스 처리장치의 측면에 설치되어 45°의 각도로 공기를 균일하게 분배하는 것을 특징으로 연소식 폐기가스 처리장치.
4. 제1항에 있어서, 연소식 폐기가스 처리장치 내로 공기의 공급을 위해 처리장치의 상부에 공기 인입로(I)가 더 설치되어, 공기의 공급이 상기 공기분배기(50)와 연소식 폐기가스 처리장치의 상부에 형성된 상기 공기 인입로를 둘 다를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 연소식 폐기가스 처리장치.
5. 제2항에 있어서, 공기 분배기(50)와 공기 인입로(I)를 통해 공급된 공기가 다공성 세라믹 반응기에 있는 다수의 구멍들을 통과하여, 폐기가스와 공기의 산화연소 반응에 의해 생성된 미세 입자들이 다공성 세라믹 반응기의 표면에 부착되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 폐기가스 처리장치.