KR200407845Y1 - 폐가스 정화처리장치 - Google Patents

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KR200407845Y1
KR200407845Y1 KR2020050031812U KR20050031812U KR200407845Y1 KR 200407845 Y1 KR200407845 Y1 KR 200407845Y1 KR 2020050031812 U KR2020050031812 U KR 2020050031812U KR 20050031812 U KR20050031812 U KR 20050031812U KR 200407845 Y1 KR200407845 Y1 KR 200407845Y1
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Abstract

본 고안은 대용량의 폐가스를 동시에 처리할 수 있는 폐가스 정화처리장치를 제공하는데 있다.
본 고안에 따른 폐가스 정화처리장치는 배기가스를 연소시켜 발화성 가스와 폭발성 가스를 제거하기 위한 버너부와, 버너부에 병렬로 연결되어 버너부에서 처리된 배기가스 중 수용성의 유독성 가스를 물에 용해시키는 한 쌍의 습식 세정부 및 버너부와 한 쌍의 습식 세정부를 연결하기 위한 한 쌍의 배관부를 포함한다.
폐가스 정화처리장치, 버닝부, 냉각부

Description

폐가스 정화처리장치{DEVICE FOR PURIFYING EXHAUSTED GAS}
도 1은 종래 기술에 의한 반도체용 폐가스 처리장치의 공정을 나타내는 구성도.
도 2는 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 구성도.
도 3a 및 도 3b는 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체를 설명하기 사시도.
도 4는 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체를 설명하기 위한 평면도.
도 5는 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체에 와이퍼를 체결한 구성을 설명하기 위한 저면도.
도 6a 내지 도 6c는 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체를 설명하기 위한 단면도.
도 7은 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체에 체결된 가스버너 노즐을 설명하기 위한 사시도.
도 8a는 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체에 체결된 가스버너 노즐의 단면도.
도 8b는 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체에 체결된 가스버너 노즐의 또 다른 단면도.
도 9는 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 습식 세정부를 설명하기 위한 부분 단면도.
**도면의 주요구성에 대한 부호의 설명**
1000: 폐가스 정화처리장치 100: 버너 조립체
200: 제 1 습식 세정부 300: 제 2 습식 세정부
240: 제 1 배관부 242: 제 2 배관부
본 고안은 반도체 제조 장비에 연결되어 설치되며 배출되는 배기가스 중에 포함된 유해 성분을 제거하기 위한 폐가스 정화처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 하나의 연소부에 한 쌍의 습식 세정부를 병렬로 연결하여 대용량의 폐가스를 동시에 처리할 수 있는 폐가스 정화처리장치에 관한 것이다.
화학 공정이나 반도체 제조 공정 등에서 배출되는 배기가스는 유독성, 폭발성 및 부식성이 강하기 때문에 인체에 유해할 뿐만 아니라 그대로 대기중으로 방출될 경우에는 환경오염을 유발하는 원인이 되기도 한다. 따라서, 이러한 배기가스는 유해성분의 함량을 허용 농도 이하로 낮추는 정화처리 과정이 반드시 필요하며, 이 와 같은 독성물질을 제거하는 정화처리 과정을 거친 무해 가스만이 대기중으로 배출되도록 법적으로 의무화 되어 있다.
반도체 제조 공정 등에서 배출되는 유해성 가스를 처리하는 방법에는 버닝(burning) 방식과 습식(wetting) 방식이 있다. 상기 버닝 방식은 주로 수소기 등을 함유한 발화성 가스를 고온의 연소실에서 분해, 반응 또는 연소시켜 배기가스를 처리하는 방식이고, 습식 방식은 주로 수용성 가스를 수조에 저장된 물을 통과시키는 동안 물에 용해하여 배기가스를 처리하는 방식이다.
현재 사용되고 있는 반도체용 가스 스크러버 장치에는 상기 버닝 방식과 습식 방식을 결합한 혼합방식이 많이 사용되고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 혼합형 가스 스크러버(2)는 먼저 반도체 제조 장치(10) 등에서 배출되는 유해가스(12)를 버너부(burner zone: 20)에서 1차적으로 연소시켜 발화성 가스와 폭발성 가스를 제거한 다음, 습식 세정부(30)에서 2차적으로 수용성의 유독성 가스를 물에 용해시키는 구조로 되어 있다.
즉, 반도체용 제조 장치(10)에서 배출되는 유해 가스(12)는 1차적으로 버너부(20)에서 연소/산화되거나 열분해되는 방법으로 버닝(burning)되고, 상기 버너부(20)에서 벗어난 폐가스 중 처리되지 못한 일부 가스나 분집 입자 등 미처리 가스(22) 등은 습식 세정부(30)로 이송되며, 2차적으로 습식 세정부(30)에서 물을 분사(spray)함으로써 산화 가스 속의 파우더(powder)가 분리되는 세정(wetting) 공정을 거치게 된다. 그 후 세정된 처리 가스(32)는 필터(filter)와 덕트(duct)를 통해 대기중으로 배출된다.
하지만, 반도체의 고직접화와 액정표시장치(TFT LCD) 패널의 대용량화로 인하여 배기가스의 배출량이 현격히 증가함은 물론 새로운 산업의 등장으로 특수 가스가 사용되면서 배출가스의 종류가 날로 다양해지고 있다.
따라서, 종래의 혼합형 가스 스크러버(2) 장치에 의하면, 다양한 종류의 배출가스를 동시에 처리하기 위하여 헤드 유닛에 다수개의 흡기 유닛을 채택하여, 하나의 폐가스 정화처리장치를 이용하여 다양한 종류의 배출가스를 처리하고 있는 실정이다.
하지만, TFT LCD 반도체 장비와 같이 대용량의 폐가스를 배출하는 장비에 전술한 종래의 폐가스 정화처리장치를 적용하기 위해서는 버너부(20)과 습식 세정부(30)의 용량을 늘려야 하는데 종래의 인코넬 챔버를 둘러싸고 있는 세라믹 히터봉이 일체형으로 이루어져 있는 버너부(20)를 사용하여 대용량의 폐가스를 처리하게 되면 연소 효율이 낮아지며 폐가스 유입구의 크기의 기술적 한계로 인하여 PFC(perfluorocompound) 가스의 처리 효율이 낮아지게 됨은 물론 부식에도 매우 취약해지는 문제점이 있다.
또한, 비록 대용량의 폐가스를 처리하기 위하여 종래의 버너부(20)의 용량을 늘린다 하여도, 습식 세정부(30)도 동일하게 대용량을 처리할 수 있도록 제작을 하여야 한다. 그러나, 종래의 습식 세정부(30)의 용량을 키우기 위해서는 습식 세정부(30)를 구성하고 있는 타워의 길이를 두 배로 늘여야 하게 되고, 이는 습식 세정부를 가동하는데 많은 동력을 필요로 하며 설치가 매우 번거롭다는 문제점이 있다.
따라서, 본 고안은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 고안의 목적은 대용량의 폐가스를 동시에 처리할 수 있는 폐가스 정화처리장치를 제공하는데 있다.
존술한 본 고안의 목적은, 반도체 제조 공정이나 화학 공정 등에서 사용된 후 배출되는 배기가스를 정화하여 방출하는 폐가스 정화처리장치에 있어서, 배기가스를 연소시켜 발화성 가스와 폭발성 가스를 제거하기 위한 버너부와, 버너부에 병렬로 연결되어 버너부에서 처리된 배기가스 중 수용성의 유독성 가스를 물에 용해시키는 한 쌍의 습식 세정부 및 버너부와 한 쌍의 습식 세정부를 연결하기 위한 한 쌍의 배관부를 포함하는 상기 폐가스 정화처리장치를 제공함에 의해 달성된다.
또한, 버너부는 메인 플랜지와, 메인 플랜지 내에 설치되는 세라믹 튜브와, 메인 플랜지와 세라믹 튜브 사이에 설치되어 버너 조립체의 온도를 조절하는 냉각수 순환부와, 메인 플랜지의 상부의 중앙에 설치되어 다양한 종류의 폐가스를 공급하기 위한 폐가스 공급 매니폴드와, 메인 플랜지의 상부에 폐가스 공급 매니폴드를 중심으로 삼각형 형태로 형성되어 폐가스를 공급하면서 직접화염을 발생시키기 위한 다수의 가스 버너 노즐을 포함하되, 폐가스 공급 매니폴드를 통하여 배출되는 폐가스가 상기 가스 버너 노즐에 의해서 발생되는 직접화염을 이용하여 간접화염을 발생시켜 처리되는 것을 특징으로 한다.
또한, 메인 플랜지의 상부에 설치되어 상기 세라믹 튜브 내의 화염을 검출하기 위한 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 폐가스 공급 매니폴드와 다수의 버너 노즐의 메인 플랜지의 내부에 위치하는 일측 단부에 설치되어서 버너 조립체 내에서 발생되어 이들에 흡착되는 이물질과 부산물을 제거하기 위한 와이퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 와이퍼를 구동하기 위하여 메인 플랜지의 상부의 중앙에 설치된 폐가스 공급 매니폴드의 중심에 설치되는 로터리 액츄에이터 어셈블리 및 와이퍼와 로터리 액츄에이터 어셈블리 사이에 설치되어 로터리 액츄에이터 어셈블리의 동력을 상기 와이퍼에 전달하기 위한 로터리 샤프트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 세라믹 튜브는 열전달 계수가 낮은 물질로 형성하여 발생된 열을 차단하는 보염 작용을 유도함으로써 직접 화염을 가지는 가스버너 노즐이 발생하는 화염이 전체적으로 화염을 형성하도록 하여 직접화염이 없는 폐가스 공급매니폴드에도 동일한 열량이 주어 간접화염을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 가스버너 노즐은 폐가스 공급부 및 폐가스 공급 노즐을 형성하며 폐가스를 주입하기 위한 구조를 가지는 플랜지와, 플랜지의 상측에 형성된 제 1 메탈 밀봉부와, 제 1 메탈 밀봉부의 하측의 플랜지에 결합되는 연료공급 노즐을 구비하는 연료가스 공급부와, 연료가스 공급부의 하측의 플랜지에 결합되는 산화제 공급 노즐을 구비하는 산화제 공급부와, 플랜지의 하측에 체결되는 헤드 유닛 베이스와, 산화제 공급부 아래의 헤드 유닛 베이스 상에 형성된 냉각수(PCW; Process Cooling Water) 공급부 및 플랜지와 헤드 유닛 베이스 사이를 밀봉하기 위한 제 2 메탈 밀 봉부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 가스 버너노즐의 가장 내측 중심의 동심원상에 폐가스 공급 노즐이 배열되고, 상기 폐가스 공급 노즐의 외측 동심원상에 상기 폐가스 공급 노즐과 동축을 이루지 않고 소정 경사각을 갖고 내측으로 기울여져서 연료 공급 노즐이 배열되고, 상기 연료 공급 노즐의 외측 동심원상에 등간격으로 배열되며 상기 폐가스 공급 노즐과 동축을 이루는 산화제 공급 노즐이 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제 1 메탈 밀봉부는 연료 공급 노즐로부터 공급된 연료가 외부로 새나가지 않도록 밀봉을 하는 역할을 담당하고 있으며, 제 2 메탈 밀봉부는 산화제 공급부로부터 주입된 산화제가 산화제 공급 노즐로부터 역류하여 외부로 새나가지 않도록 밀봉하는 것을 특징으로 한다.
또한, 직접화염을 발생시키기 위한 다수의 가스버너 노즐의 중심축은 상기 메인 플랜지의 중심축에 대하여 소정의 기울기를 유지하도록 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 폐가스 공급 메니폴드의 중심축은 메인 플랜지의 중심축에 대하여 서로 평행하게 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 산화제 공급 노즐을 통하여 분사되는 산화제의 유속이 상기 연료공급 노즐을 통하여 분사되는 연료의 유속보다 빠른 것을 특징으로 한다.
또한, 습식 세정부는 망사와 단면적이 넓은 충진재(packing)으로 채워진 형태로 이루어진 1차 분진 포집부와, 버닝부로부터 주입된 배기가스에 물을 분사하기 위하여 상기 1차 분진 포집부의 하단에 설치된 순환 워터 스프레이와, 1차 분진 포 집부를 통과한 배기가스를 2차적으로 정화하기 위하여 망사 형태로 형성된 2차 분진 포집부 및 2차 분진 포집부의 하단에 설치된 프레쉬 워터 스프레이를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 고안의 실시예에 따른 폐가스 정화처리장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 구성도.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치(1000)는 반도체 장비에 연결되어서 처리해야 할 폐가스가 주입되어 1차적으로 정화처리하기 위한 버너 조립체(100), 버너 조립체(100)으로부터 1차적으로 처리된 폐가스를 전달받아서 습식으로 정화처리하기 위항 버너 조립체(100)에 병렬로 연결된 제 1 습식 세정부(200) 및 제 2 습식 세정부(300)를 포함한다.
종래의 버너는 연소 효율과 폐가스 유입구의 크기의 기술적인 한계로 PFC(perfluorocompound) 가스 처리 효율이 낮았으며 부식에도 매우 약하였으나 본 고안의 일실시예에 따르면 폐가스 유입구가 종래의 버너에 대비하여 약 3배 이상 확장되어 폐가스 유입에 따른 관료 폐색이 없으며 상대 유입 속도가 낮아 직접 화염에서의 체류 시간을 길게 주어 분해하기 어려운 PFC 가스를 99%이상 처리할 수 있게 되는 것을 특징으로 한다.
본 고안의 일실시예에 따라서 버너 조립체(100) 내에서 PFC 가스가 분해되는 화학식은 다음과 같다.
C4F8 + 4CH4 + 8O2 → 8HF + 8CO2 + 4H2O
C3F8 + 3CH4 + 6O2 → 8HF + 6CO2 + 2H2O
2C2F6 + 4CH4 + 9O2 → 12HF + 8CO2 + 2H2O
CF4 + 2CH4 + 4O2 → 4HF + 3CO2 + 2H2O
본 고안의 일실시예에 따르면, 반도체 제조공정이나 화학공정 등에서 배출되는 폐가스는 C2, F4, CF4, C3F8, NF3, SF6 등의 PFC(perfluorocompound) 가스로서 인체에 유독하고 부식성이 있다. 이러한, PFC 가스를 버너 조립체(100)에서 상기 화학식에 따라 처리함으로써 1차 및 2차 습식 세정부(200, 300)에서 이온 처리가 가능한 HF로 분리한다.
도 3a 및 3b는 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체를 설명하기 사시도이며, 도 4는 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체를 설명하기 위한 평면도이고, 도 5는 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체에 와이퍼를 체결한 구성을 설명하기 위한 저면도이며, 도 6a 내지 6c는 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체를 설명하기 위한 단면도이다.
도면에 도시한 바와 같이, 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체(100)는 메인 플랜지(109), 메인 플랜지(109)의 내부에 체결되는 내부링(105), 메인 플랜지(109)의 내부의 내부링(105) 하부에 체결되는 세라믹 튜브(106), 메인 플랜지(109)와 내부링(105) 사이에 결합되는 외부링(107) 및 메인 플랜지(109)와 세라믹 튜브(106) 사이에 설치되는 냉각수 순환부(112)를 포함한다.
또한, 메인 플랜지(109)의 상부에는 폐가스 공급 매니폴드(110)가 중앙에 설치되고, 폐가스 공급 매니폴드(110)를 중심으로 삼각형을 이루며 제 1 내지 제 3 가스 버너 노즐(120a-120c)이 설치된다. 그리고, 제 1 내지 제 3 가스 버너 노즐(120a-120c)의 주변에는 다수개의 N2 가스 주입구(101), 다수개의 버너 냉각부(108)가 설치된다.
한편, 메인 플랜지(109)의 측면에는 제 1 내지 제 3 가스 버너 노즐(120a-120c)에 대응되는 제 1 내지 제 3 점화부(102), 화염센서(115) 및 PU 센서부(103)가 설치된다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 고안의 일실시예에 따르면 와이퍼(119)가 제 1 내지 제 3 가스 버너 노즐(120a-120c) 및 폐가스 공급 매니폴드(110)의 메인 플랜지(109)의 내부에 위치하는 일측 단부를 스치도록 로터리 액츄에이터 어셈블리(114)와 로터리 샤프트(118)를 이용하여 체결된다. 따라서, 장시간 동안 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체(100)를 동작시킨 경우 1 내지 제 3 가스 버너 노즐(120a-120c) 및 폐가스 공급 매니폴드(110)의 메인 플랜지(109)의 내부에 위치하는 일측 단부에 흡착된 이물질과 부산물을 로터리 액츄에이터 어셈블리(114)를 작동시켜 와이퍼(119)를 회전시킴으로써 제거할 수 있게 된다.
도 6a 내지 도 6c에 도시한 바와 같이, 본 고안의 바람직한 실시예에 따르면 냉각수 순환부(112)를 메인 플랜지(109)와 세라믹 튜브(106) 사이에 설치하고 냉각수 주입부(113)를 통하여 냉각수를 주입함으로써 버너 조립체(100)의 온도를 일정한 수준으로 유지시킬 수 있게 된다. 따라서, 폐가스 정화처리장치를 장시간 동작시키더라도 버너 조립체(100)가 적정온도를 넘는 것을 방지하게 되어 화염 센서와 같은 여러 가지 부품들이 정상적으로 동작하도록 한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 고안의 바람직한 실시예에 의한 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체(100)는 정삼각형의 구조로 직접 플레임을 발생시킬 수 있는 제 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120a, 120b, 120c)을 외곽에 정삼각형의 형태로 배열한다. 그리고, 직접 화염을 발생시키지는 않고 폐가스를 공급할 수 있는 폐가스 공급 매니폴드(110)를 중앙부에 정삼각형의 형태로 제 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120a, 120b, 120c)이 이루는 삼각형 안에 폐가스 공급 매니폴드(110)의 상부면이 이루는 삼각형과 크로스(cross) 형태로 배치한다.
또한, 본 고안의 바람직한 실시예에 따르면, 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체(100)는 세라믹 튜브(106)를 열전달 계수가 낮은 물질로 형성하여 버너 조립체(100)에서 발생된 열을 차단하는 보염 작용을 유도함으로써 직접 화염을 가지는 제 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120a, 120b, 120c)이 발생하는 화염이 세라믹 튜브(106) 내에서 전체적으로 화염을 형성하도록 한다. 따라서, 직접화염이 없는 폐가 스 공급 매니폴드(110)에도 동일한 열량이 주어지게 한다.
또한, 본 고안의 바람빅한 실시예에 따르면, 직접 화염을 가지는 제 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120a, 120b, 120c)은 세라믹 튜브(106)의 상단에서 세라믹 튜브(106)의 중심축에 대하여 소정의 각도를 유지함으로써 각각의 노즐로부터 발생되는 직접화염이 세라믹 튜브(106) 내의 소정 위치에서 초점을 이룰 수 있도록 조립되는 것에 특징이 있다.
따라서, 본 고안의 바람직한 실시예에 따르면, 3개의 제 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120a, 120b, 120c)을 이용하여 연료를 공급하며 폐가스를 처리하지만, 6개의 직접 화염을 발생하여 폐가스를 처리하는 폐가스 정화처리장치와 동일한 효과를 낼 수 있어서 전체적인 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 7은 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체에 체결된 가스버너 노즐을 설명하기 위한 사시도이며, 도 8a 및 도 8b는 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 버너 조립체에 체결된 가스버너 노즐의 단면도들이다.
도 7 및 도 8a에 도시한 바와 같이, 본 고안의 실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 가스버너 노즐(120)은 폐가스 공급부(128) 및 폐가스 공급 직접화염 노즐(121a)을 형성하며 폐가스를 주입하기 위한 구조를 가지는 플랜지(flange)(121), 플랜지(121)의 상측에 형성된 제 1 메탈 밀봉부(122), 제 1 메탈 밀봉부(122)의 하측의 상기 플랜지(121)에 결합되는 연료공급 노즐(123a)을 구비하는 연료가스 공급부(123), 연료가스 공급부(123)의 하측의 플랜지(121)에 결합되는 산화제 공급 노 즐(124a)을 구비하는 산화제 공급부(124), 산화제 공급부(124) 아래의 헤드 유닛 베이스(126) 상에 형성된 냉각수(PCW; Process Cooling Water) 공급부(125), 플랜지(121)의 하측에 체결되는 헤드 유닛 베이스(126) 및 플랜지(121)와 헤드 유닛 베이스(126) 사이를 밀봉하기 위한 제 2 메탈 밀봉부(127)를 포함한다.
본 고안의 실시예에 따르면, 도 8b에 도시한 바와 같이, 가스 버너노즐(120)의 가장 내측 중심의 동심원상에 폐가스 공급 직접화염 노즐(121a)이 배열되고, 폐가스 공급 직접화염 노즐(121a)의 외측 동심원상에 폐가스 공급 직접화염 노즐(121a)과 동축을 이루며 연료 공급 노즐(123a)이 배열되고, 연료 공급 노즐(123a)의 외측 동심원상에 등간격으로 배열되어 있으나 연료 공급 노즐(123a)과 동축을 이루지 않고 소정 경사각을 갖고 내측으로 기울여져서 산화제 공급 노즐(124a)이 배열된다.
또한, 연료 공급 노즐(123a)과 산화제 공급 노즐(124a)은 동일한 평면상의 중심선에 위치하며, 이들의 노즐 개수는 동일하다.
또한, 산화제 공급 노즐(124a)은 분사각을 10° 정도의 기울기로 연료 공급 노즐(123a)의 방향으로 했을 때 산화제 공급 노즐(124a)로부터 분사된 O2 가스와 연료 공급 노즐(123a)로부터 분사된 CH4 가스는 노즐로부터 약 20mm 정도 떨어진 지점에서 교차하게 된다. 이때, 난류가 형성되며 난류는 산화제 공급 노즐(124a)과 연료 공급 노즐(123a)이 폐가스 공급 직접화염 노즐(121a)에 이르기까지 서로의 확산을 가속시키며 화염의 중심을 노즐의 각도에 따라 제어 할 수 있다.
한편, 본 고안의 일실시예에 따르면 노즐의 분사각도는 물론 노즐의 분사 유속을 이용하여 난류를 보다 효율적으로 형성할 수 있었다. 즉, 연료 공급 노즐(123a)로부터 분사되는 CH4 가스의 유속을 산화제 공급 노즐(124a)로부터 분사되는 O2 가스의 유속보다 빠르게 하는 것이 바람직하다. 다시 말하면, 산화제 공급 노즐(124a)은 10° 정도의 기울기로 연료 공급 노즐(123a)과 특정 거리에서 중첩되지만, 연료 공급 노즐(123a)로부터 분사되는 CH4 가스의 유속을 산화제 공급 노즐(124a)로부터 분사되는 O2 가스의 유속보다 빠르게 하여 화염 형성의 주 에너지원의 분사 형태를 유지할 수 있도록 하여야 한다. 만약, 산화제 공급 노즐(124a)로부터 분사되는 O2 가스의 유속이 연료 공급 노즐(123a)로부터 분사되는 CH4 가스의 유속보다 빠르게 되는 경우, 연료인 연료 공급 노즐(123a)로부터 분사되는 CH4 가스의 분사 형태가 파괴되어 불꽃의 제어가 되지 않으며 연료와 산화제의 반응 시간이 짧고 빨라 오히려 연소 효율이 떨어져 실제 불꽃의 온도가 떨어지고 화염의 길이도 반비례하여 감소한다.
이론적으로 보면, 사용 연료 및 조연 가스의 성분은 다음과 같은 반응 화학식 5를 따른다.
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
따라서, 연료가스를 1kg 주입할 경우 산소를 2kg 주입하여야 하며, 이론 산 소량에 효율 증대를 위하여 과잉 산소 0.2%를 더하여 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 메탈 밀봉부(122)는 연료 공급 노즐(123a)로부터 공급된 연료(예를 들면, CH4)가 가스 버너노즐(120)의 외부로 새나가지 않도록 밀봉을 하는 역할을 담당하고 있으며, 제 2 메탈 밀봉부(127)는 산화제 공급부(124)로부터 주입된 산화제(예를 들면, O2 또는 공기)가 산화제 공급 노즐(124a)로부터 역류하여 가스버너 노즐(120)의 외부로 새나가지 않도록 밀봉하는 역할을 담당하고 있다.
한편, 폐가스 공급 노즐(121a)은 반도체 제조공정이나 화학공정 등에서 배출되는 폐가스를 공급하며, 상기 폐가스는 C2, F4, CF4, C3F8, NF3, SF6 등의 PFC(perfluorocompound) 가스로서 인체에 유독하고 부식성이 있으며, 이와 같이 유해성분의 함량이 허용농도 이상이어서 유해성분의 함량을 그 이하로 낮추는 무해화 처리과정이 필요한 가스이다.
한편, 폐가스 공급부(128)로부터 주입된 폐가스를 분사하는 폐가스 공급노즐(121a)은 버너의 중심 노즐로서 그 외곽에 액화천연가스, 액화석유가스, 수소가스 등 연료 가스를 분사하는 연료 공급 노즐(123a)에 의하여 포위되어 있는데 이는 폐가스와 연료 가스를 양호하게 혼합하기 위한 것이다.
또한, 산화제 공급 노즐(124a)은 연료 가스와의 연소반응에 의해 화염을 형성하는 산화 가스를 분사하며, 산화 가스로는 산소(O2)가 주로 사용된다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 노즐의 단면을 기준으로 볼 때, 폐가스 공급 노즐(121a)은 폐가스가 주입되는 폐가스 공급부(128)의 중심축에 대하여 평행하게 연 장되어 있으나, 연료 공급 노즐(123a)과 산화제 공급 노즐(124a)은 폐가스 공급 노즐(121a)에 대하여 대략 10° 내지 20°정도 경사진(tapered) 상태로 형성된다. 특히, 10° 정도 경사각을 갖는 경우 산화제 공급 노즐(124a)에서 분사되는 산화 가스와 연료 공급 노즐(123a)에서 분사되는 연료 가스는 가스버너 노즐(120)의 출구의 출구측 소정 지점에서 교차하여 확산 현상이 이루어져 상호 혼합되어 연소됨을 알 수 있다.
따라서, 연료 가스와 산화 가스가 소정 지점에서 상호 교차하여 와류를 일으키며, 이와 같은 와류에 의한 혼합가스의 난류 현상은 확산 현상을 더욱 가속화시킨다. 상기한 교차 지점은 산화제 공급 노즐(124a)의 경사각(θ)을 조절함으로써 다양하게 조절할 수 있으며, 한정된 지점에서 혼합가스의 확산이 이루어짐으로써 혼합 가스의 자기착화(self-ignition), 화염전파(flame propagation) 등의 연소특성이 강화되고, 불완전 연소가 방지되며, 화염대가 안정되게 형성된다.
즉, 다시 설명하면 폐가스, 연료 가스 및 산화제 가스의 유속을 다르게 할 겅우 분사되는 방향으로 난류가 형성된다. 난류의 형성은 서로 다른 폐가스, 연료 가스 및 산화제 가스의 혼합을 효과적으로 일으키는 주요 요소이며, 이때 연료와 산화제 간의 혼합에 의한 확산 화염이 발생한다. 그리고, 난류의 형성에 따라 동축 분류 확산 연소식 버너 화염의 길이와 형태, 연소 효율을 결정하는 중요한 인자이기도 하다. 이렇게 얻어진 화염을 난류 화염이라고 칭한다.
한편, 연료 공급 노즐(123a)에 대하여 산화제 공급 노즐(124a)의 경사각(θ)을 형성함으로써 한정된 지점에서 연료 가스와 산화 가스의 확산을 가속화시키는 방법도 화염대를 안정적으로 형성하는데 중요하지만, 그 보다도 연료 공급 노즐(123a)의 연료 가스의 분사 속도와 산화제 공급 노즐(124a)의 산화 가스의 분사 속도를 조절하여 산화 가스와 연료 가스의 반응시간을 연장하고 연소효율을 향상시키는 방법이 더욱 중요하다.
즉, 산화 가스의 분사 속도가 연료 가스의 분사 속도보다 빠르게 되면 산화 가스의 분사 형태가 파괴되어 불꽃이 안정적으로 제어되지 않게 되고, 연료 가스와 산화 가스의 반응시간이 짧아지며, 화염의 길이도 짧아져서 안정적인 화염대를 형성할 수 없게 된다.
따라서, 연료 가스의 분사 속도를 산화 가스의 분사 속도에 비하여 빠르게 조절하며, 더 구체적으로는 산화 가스의 분사 속도를 1로 볼 때 연료 가스의 분사 속도를 1.37 정도로 하며, 상기 연료 가스와 산화 가스의 분사 속도는 상기 연료 가스를 분사하는 연료 공급 노즐과 산화 가스를 분사하는 산화제 공급 노즐의 단면적을 조절함으로써 제어가 가능하다. 이러한 이유로 인하여, 산화제 공급 노즐(124a)의 단면적이 연료 공급 노즐(123a)의 단면적보다 큰 것이 바람직하다.
그리고, 폐가스의 분사 속도는 산화 가스의 분사 속도 보다 작아야 하며, 따라서 폐가스 공급 노즐(121a)의 단면적이 상기 노즐 중 가장 크게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 연료 가스와 산화 가스의 사용량 또한 연소효율을 최대로 하는데 중요하다. 본 고안의 실시예에서 연료 가스는 액화천연가스의 하나인 메탄(CH4)을 예로 들고, 산화 가스는 산소(O2)를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.
메탄(CH4)은 1몰(Mole) 기준으로 분자량이 16에 해당되고, 산소(O2)는 1몰(mole) 기준으로 분자량이 32이 해당되며, 분자량을 기준으로 메탄(CH4)과 산소(O2)의 비율을 계산하면 1 : 2가 된다. 그러므로, 메탄(CH4)을 1㎏ 공급하면 산소(O2)를 2㎏ 공급하여야 하며, 산소(O2)를 대략 0.2% 정도 초과하여 공급하는 것이 연소 효율을 증대를 위해 필요하다.
본 고안의 일실시예에 따르면 제 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120a, 120b, 120c)을 외곽에 정삼각형의 형태로 배열하여 직접 플레임을 발생시킨다. 그리고, 직접 화염을 발생시키지는 않고 폐가스를 공급하는 폐가스 공급 매니폴드(110)를 중심으로 정삼각형의 형태로 제 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120a, 120b, 120c)이 이루는 삼각형에 대하여 크로스(cross) 형태로 배치하여 간접 화염을 이용하여 주입된 폐가스를 처리한다.
또한, 도면에 도시한 바와 같이, 폐가스 공급 매니폴드(110)의 중심축과 세라믹 튜브(106)의 중심축은 서로 평행하도록 설치되는 반면, 직접화염을 발생하는 1 내지 제 3 가스버너 노즐(120a, 120b, 120c)의 중심축은 일정한 지점에서 초점을 갖도록 세라믹 튜브(106)의 중심축에 대하여 소정의 기울기를 가지고 설치된다.
따라서, 본 고안의 바람직한 실시예에 따르면, 3개의 가스버너 노즐(120a, 120b, 120c)을 이용하여 연료를 공급하며 폐가스를 직접화염으로 처리하고 3개의 간접화염을 이용하여 폐가스를 처리하지만, 6개의 직접 화염을 발생하여 폐가스를 처리하는 폐가스 정화처리장치와 동일한 효과를 낸다는 것을 알 수 있다.
다시, 도 2를 참조하면, 본 고안의 일실시예에 따르면 버너 조립체(100)에서 1차적으로 처리하여 이온 처리가 가능한 HF로 분리된 폐가스를 버너 조립체(100)에 제 1 배관부(240)에 의하여 연결된 제 1 습식 세정부(200)와 제 2 배관부(242)에 의하여 병렬로 연결된 제 2 습식 세정부(300)에 각각 전달하게 된다.
도 9는 본 고안의 일실시예에 따른 폐가스 정화처리장치의 습식 세정부를 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 본 고안의 일실시예에 따른 습식 세정부(200)는 1차 분진 포집부(231), 순환 워터 스프레이(circulation water spray)(234), 2차 분진 포집부(232) 및 프레쉬 워터 스프레이(fresh water spray)(235)를 포함한다.
구체적으로, 반도체 제조장치에서 배출되는 배기가스가 버너 조립체(100)에서 연소/산화되거나 열분해되는 방법으로 버닝됨으로써 1차적으로 정화된 후, 배관부를 통하여 제 1 및 제 2 습식 세정부(200, 300)로 유입된다.
이때, 1차적으로 정화된 배기가스에는 아직 처리되지 못한 일부 가스나 분진입자 등이 포함되어 있게 된다. 따라서, 제 1 및 제 2 습식 세정부(200, 300)의 순환 워터 스프레이(234)는 배관부(240, 242)를 통하여 주입된 1차적으로 정화된 배기가스에 워터를 분사시키게 되고, 이렇게 워터가 분사된 1차적으로 정화된 배기가스는 1차 분진 포집부(231)를 통과함으로써, 1차적으로 정화된 배기가스 중에 포함된 파우더(powder) 등과 같은 분진을 세정시키게 된다.
그리고, 세정된 배기가스를 다시 한번 2차 분진 포집부(232) 및 프레쉬 워터 스프레이(235)를 통과시킴으로써, 더욱 정밀하게 세정을 할 수 있게 된다.
본 고안의 바람직한 실시예에 따르면, 1차 분진 포집부(231)와 2차 분진 포집부(232) 사이에 단면적이 높은 충진재(Packing)(239)를 채워 넣음으로써 보다 정밀하게 세정을 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 고안의 일실시예에 따르면, 버너 조립체로부터의 1차 정화가스를 습식 세정부(200)의 타워(236)내로 주입하고 순환 워터 스프레이(234)에서 분사되는 워터를 이용하여 1차 분진 포집부(231)에 의하여 수용성 가스를 처리하게 된다. 이때, 처리되는 목표 부산물(byproduct)의 크기는 대략 5 μm 이하이다. 또한, 습식 세정부(200)의 타워(236)의 비표면적을 최대화하기 위하여 최적의 패킹 물질(packing material)을 사용하였다.
1차 분진 포집부(231)를 통과한 배기가스는 프레쉬 워터 스프레이(235)에 의한 워터 및 단면적이 높은 충진재(Packing)(239)를 지나서 2차 분진 포집부(232)를 통과하게 된다. 이때, 습식 세정부(200)의 타워(236) 내에서 할로겐족 화합물 가스가 1차로 정화된 배기가스 내에 함유된 경우에는 워터 스프레이(234, 235)에 의하여 분사된 물과 만나서 수용된 상태의 이온으로 존재하게 된다. 수용액은 산성이며, NH3 가스를 습식 처리하여 물에 용해될 경우 염기성 수용액이 된다. 일반적으로 산성 가스는 염기성(NaOH, KOH) 물질과 반응이 잘 일어나며, HF, Cl2 등의 산성 가스뿐만 아니라 CO 등의 모든 산성 가스와 반응성이 좋아서 효율증대를 위하여 NaOH 또는 KOH를 첨가하여 처리할 수도 있다.
그리고, 1차 분진 포집부(231)와 2차 분진 포집부(232)는 망사 형태로 이루어지며, 버너 조립체로부터 주입된 배기가스에 물을 분사하기 위하여 1차 분진 포집부(231)의 하단에 순환 워터 스프레이(234)가 설치된다. 또한, 1차 분진 포집부(231)를 통과한 배기가스를 2차적으로 정화하기 위하여 2차 분진 포집부(232)의 하단에 프레쉬 워터 스프레이(232)가 설치된다.
따라서, 정밀하게 세정된 배기가스가 정화되어 정화 가스가 배출 덕트를 통하여 외부로 방출하게 된다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 고안의 바람직한 실시예에 따르면 한 쌍의 습식 세정부를 버너 조립체에 병렬로 연결함으로써 대용량의 폐가스를 동시에 처리할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 반도체 제조 공정이나 화학 공정 등에서 사용된 후 배출되는 배기가스를 정화하여 방출하는 폐가스 정화처리장치에 있어서, 상기 폐가스 정화처리장치는:
    상기 배기가스를 연소시켜 발화성 가스와 폭발성 가스를 제거하기 위한 버너부;
    상기 버너부에 병렬로 연결되어 상기 버너부에서 처리된 배기가스 중 수용성의 유독성 가스를 물에 용해시키는 한 쌍의 습식 세정부; 및
    상기 버너부와 상기 한 쌍의 습식 세정부를 연결하기 위한 한 쌍의 배관부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 버너부는:
    메인 플랜지;
    상기 메인 플랜지 내에 설치되는 세라믹 튜브;
    상기 메인 플랜지와 상기 세라믹 튜브 사이에 설치되어 상기 버너 조립체의 온도를 조절하는 냉각수 순환부;
    상기 메인 플랜지의 상부의 중앙에 설치되어 다양한 종류의 폐가스를 공급하기 위한 폐가스 공급 매니폴드;
    상기 메인 플랜지의 상부에 상기 폐가스 공급 매니폴드를 중심으로 삼각형 형태로 형성되어 폐가스를 공급하면서 직접화염을 발생시키기 위한 다수의 가스 버너 노즐;을 포함하되,
    상기 폐가스 공급 매니폴드를 통하여 배출되는 폐가스가 상기 가스 버너 노즐에 의해서 발생되는 직접화염을 이용하여 간접화염을 발생시켜 처리되는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 메인 플랜지의 상부에 설치되어 상기 세라믹 튜브 내의 화염을 검출하기 위한 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 폐가스 공급 매니폴드와 상기 다수의 버너 노즐의 상기 메인 플랜지의 내부에 위치하는 일측 단부에 설치되어서 상기 버너 조립체 내에서 발생되어 이들에 흡착되는 이물질과 부산물을 제거하기 위한 와이퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 와이퍼를 구동하기 위하여 상기 메인 플랜지의 상부의 중앙에 설치된 상기 폐가스 공급 매니폴드의 중심에 설치되는 로터리 액츄에이터 어셈블리; 및
    상기 와이퍼와 상기 로터리 액츄에이터 어셈블리 사이에 설치되어 상기 로터 리 액츄에이터 어셈블리의 동력을 상기 와이퍼에 전달하기 위한 로터리 샤프트;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 세라믹 튜브는 열전달 계수가 낮은 물질로 형성하여 발생된 열을 차단하는 보염 작용을 유도함으로써 직접 화염을 가지는 상기 가스버너 노즐이 발생하는 화염이 전체적으로 화염을 형성하도록 하여 직접화염이 없는 상기 폐가스 공급매니폴드에도 동일한 열량이 주어 간접화염을 발생시키는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 가스버너 노즐은:
    폐가스 공급부 및 폐가스 공급 노즐을 형성하며 폐가스를 주입하기 위한 구조를 가지는 플랜지;
    상기 플랜지의 상측에 형성된 제 1 메탈 밀봉부;
    상기 제 1 메탈 밀봉부의 하측의 상기 플랜지에 결합되는 연료공급 노즐을 구비하는 연료가스 공급부;
    상기 연료가스 공급부의 하측의 상기 플랜지에 결합되는 산화제 공급 노즐을 구비하는 산화제 공급부;
    상기 플랜지의 하측에 체결되는 헤드 유닛 베이스;
    상기 산화제 공급부 아래의 상기 헤드 유닛 베이스 상에 형성된 냉각수(PCW; Process Cooling Water) 공급부; 및
    상기 플랜지와 상기 헤드 유닛 베이스 사이를 밀봉하기 위한 제 2 메탈 밀봉부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스 버너노즐의 가장 내측 중심의 동심원상에 폐가스 공급 노즐이 배열되고, 상기 폐가스 공급 노즐의 외측 동심원상에 상기 폐가스 공급 노즐과 동축을 이루지 않고 소정 경사각을 갖고 내측으로 기울여져서 연료 공급 노즐이 배열되고, 상기 연료 공급 노즐의 외측 동심원상에 등간격으로 배열되며 상기 폐가스 공급 노즐과 동축을 이루는 산화제 공급 노즐이 배열되는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 메탈 밀봉부는 상기 연료 공급 노즐로부터 공급된 연료가 외부로 새나가지 않도록 밀봉을 하는 역할을 담당하고 있으며, 상기 제 2 메탈 밀봉부는 상기 산화제 공급부로부터 주입된 산화제가 상기 산화제 공급 노즐로부터 역류하여 외부로 새나가지 않도록 밀봉하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치.
  10. 제 2 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직접화염을 발생시키기 위한 다수의 가스버너 노즐의 중심축은 상기 메인 플랜지의 중심축에 대하여 소정의 기울기를 유지하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 폐가스 공급 메니폴드의 중심축은 상기 메인 플랜지의 중심축에 대하여 서로 평행하게 설치되는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치.
  12. 제 7 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화제 공급 노즐을 통하여 분사되는 산화제의 유속이 상기 연료공급 노즐을 통하여 분사되는 연료의 유속보다 빠른 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 습식 세정부는:
    망사와 단면적이 넓은 충진재(packing)으로 채워진 형태로 이루어진 1차 분진 포집부;
    상기 버닝부로부터 주입된 배기가스에 물을 분사하기 위하여 상기 1차 분진 포집부의 하단에 설치된 순환 워터 스프레이;
    상기 1차 분진 포집부를 통과한 배기가스를 2차적으로 정화하기 위하여 망사 형태로 형성된 2차 분진 포집부; 및
    상기 2차 분진 포집부의 하단에 설치된 프레쉬 워터 스프레이;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 정화처리장치.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190016343A (ko) 2017-08-08 2019-02-18 한경대학교 산학협력단 바이오매스 합성가스 정제용 습식전기집진기의 폭발방지장치

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