KR20060132872A - 가스성 오염물의 연소를 제어하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

가스성 오염물의 연소를 제어하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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KR20060132872A
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porous wall
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샤운 페론
존 켈리
로버트 버메우렌
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 가공 시스템 내에서의 원치않는 반응 생성물의 증착을 감소시키고 제거하면서 가스성 오염물들의 연소를 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 시스템은 상부 열 반응기 내의 열적 연소를 위해 가스성 폐기 흐름을 산화제 및 가연성 연료와 혼합시키기 위한 적어도 하나의 유입구를 포함한 상부 열 반응기를 갖는 2-단계 열 반응기를 사용한다. 상부 열 반응기는 상부 반응기 챔버의 내부에 반응 생성물이 증착되는 것을 감소시키기 위해 펄스 모드로 내부 다공성 벽을 통해 상부 열 반응기로 유체를 유지시키고 분출시키기 위한 내부 공간을 형성하는 외부 외벽과 내부 다공성 벽을 갖는 이중 벽 구조를 더 포함한다. 2-단계 열 반응기는 하부 반응기 챔버의 내부를 따라 넘쳐 흐르는 물을 제공하여 이로써 하부 반응기의 내부면 상의 원치않는 생성물의 증착을 감소시키는 물 와동을 통해 상부 열 반응기 내에 형성된 반응 생성물을 유동시키기 위한 하부 반응기 챔버를 더 포함한다.

Description

가스성 오염물의 연소를 제어하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLED COMBUSTION OF GASEOUS POLLUTANTS}
본 발명은 반도체 제조시 발생한 유출 가스와 같은 산업 유출 유체의 열처리 및 가공 시스템의 반응 산물의 증착을 감소시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
반도체 재료, 소자, 생산품 및 메모리 제품의 제조시 발생한 가스성 유출물은 처리 시설에 사용되고 제조된 매우 다양한 화학적 화합물을 포함한다. 이들 화합물은 유기 및 무기 화합물, 포토-레지스트 및 기타 반응물의 파손된 생산물, 및 처리 시설로부터 대기로 배출되기 전의 가스성 폐기 흐름으로부터 제거되어야 하는 매우 다양한 기타 가스들을 포함한다.
반도체 제조 프로세스는 다양한 화학물질을 이용하며, 이들 중 대부분은 극히 낮은 인간 허용오차 레벨(human tolerance level)을 갖는다. 이러한 물질들은 안티몬, 비소, 보론, 게르마늄, 질소, 인, 실리콘, 셀레늄의 수소화물; 실란; 인, 아르곤, 수소의 실란 혼합물; 유기실란, 할로실란, 할로겐 및 기타 유기 화합물을 포함한다.
예컨대, 플루오린(F2)과 플루오린 화합물과 같은 할로겐은 배제되어야 할 여러 성분들 중에서도 특히 문제가 된다. 전자 산업은 증착 단계의 잔류물을 제거하고 박막을 에칭하기 위해 웨이퍼 제조 장치에 퍼플루오리네이티드 화합물(PFC:perfluorinated compound)를 사용한다. PFC는 지구 온난화에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있고 전자 산업은 이러한 가스의 방출을 감소시키기 위해 노력하고 있다. 가장 일반적으로 사용되는 PFC는 CF4,C3F6, SF6, C3F8, 및 NF3이다. 이들 PFC는 플라즈마에서 해리되어 실제로 세정 및 에칭에 사용되는 높은 반응성 F2와 플루오린 라디칼을 발생시킨다. 이러한 프로세싱 작업에서 발생한 생산물들은 대부분 플루오린, 실리콘 테트라플로오라이드(SiF4)를 포함하고, 보다 적은 정도로 수소 플루오라이드(HF), 카르보닐 플루오라이드(COF2), CF4 및 C2F6를 포함한다.
반도체 제조 프로세스의 유출 가스 흐름에서 이들 물질들을 제거하는 것은 심각한 문제가 되었다. 실제로 모든 미국 반도체-제조 시설들은 이들 유출 가스들을 처리하기 위해 집진기(scrubber) 또는 유사한 수단을 사용하지만, 이러한 시설에 사용된 기술은 모든 독성 또는 기타 허용될 수 없는 불순물을 제거할 수 없다.
이런 문제를 위한 한가지 해결책은 독성 물질들이 산화되도록 처리 가스를 소각시켜, 독성이 거의 없는 형태로 바꾸는 것이다. 대부분 이러한 시스템은 처리 용량의 관점에서 항상 과도하게 설계되고, 복합체의 반응성 화학물질이 위험하지 않도록 대량의 혼합된 화학물질 흐름을 안전하게 다룰 수 있는 능력을 갖지 않는 다. 또한, 종래 소각로는 거의 완전한 연소를 할 수 없고 이로 인해 대기 중으로 카본 모녹사이드(CO)와 하이드로카본(HC)을 포함한 오염물을 방출한다. 게다가, 가스 유출물의 큰 문제 중 하나는 산성 안개, 산성 증기, 산성 가스 및 NOx(NO, NO2)를 형성한다는 것이다. 종래 소각로는 연소 연료를 비가연성 프로세스 흐름과 충분히 혼합할 수 없어 혼합물이 가연성이 되고 완전히 연소시킬 수 없다는 한계를 갖는다.
옥시전 또는 옥시전 부화 공기는 연소 챔버에 직접 첨가되어 연소 온도를 높이도록 가스성 폐기 흐름과 혼합되지만, 옥사이드, 특히 실리콘 옥사이드가 형성될 수 있고 이러한 옥사이드는 연소 챔버의 벽에 증착되는 경향이 있다. 형성된 실리콘 옥사이드 덩어리는 비교적 크고 연소 챔버 내의 증착은 점차 증가하여 장비 보수를 증가시킨다.
따라서, 완전한 연소를 보장하면서 반응기 유닛 내의 원치 않는 반응 생성물의 증착을 감소시킬 수 있게 가스성 폐기 흐름을 혼합하도록 높은 가연성 가스의 도입을 통해 높은 연소 온도를 제공하는, 가스성 폐기 흐름의 높은 저항성 오염물의 연소를 위한 향상된 열 반응기 유닛을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 열 반응기 내의 가스성 반도체 폐기물의 연소를 제어하고 시스템 내의 증착 생성물의 축적을 감소시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일 태양에서, 본 발명은 가스성 흐름들로부터 오염물질들을 제거하기 위한 2-단계 반응기에 관한 것으로서, 상기 2-단계 반응기는 a) 상부 열 반응 챔버 및 b) 하부 반응 챔버를 포함하고,
a) 상기 상부 열 반응 챔버는,
ⅰ) 외부 외벽;
ⅱ) 중앙 연소 챔버를 형성하고, 상기 외부 외벽으로부터 충분한 거리에 위치하여 내부 공간을 형성하는, 내부 다공성 벽;
ⅲ) 가스성 폐기 흐름을 내부에 도입하기 위해 상기 중앙 연소 챔버와 유체 소통하는 적어도 하나의 폐기 가스 유입구;
ⅳ) 상기 가스성 폐기 흐름을 연소시켜 반응 생성물들을 형성하기 위한 열적 수단; 및
ⅴ) 펄스 조건 하에서 유체를 상기 내부 공간으로 도입시키기 위한 수단
을 포함하고, 상기 내부 다공성 벽은 상기 유체를 상기 내부 공간으로부터 상기 중앙 연소 챔버로 충분한 힘으로 전달하여 상기 내부 다공성 벽의 반응 생성물의 증착을 감소시키며,
b) 상기 하부 반응 챔버는,
ⅰ) 상기 가스성 폐기 흐름과 반응 생성물을 통과시키기 위한 유입구 및 배출구를 포함한, 상기 중앙 연소 챔버와 유체 소통하는 가스 유동 챔버;
ⅱ) 산화제를 상기 가스 흐름 유동 챔버로 도입하도록 위치한 적어도 하나의 산화제 유입구; 및
ⅲ) 상기 가스 유동 챔버의 유입구 부근에 위치하는 액체 와동부
를 포함하고, 상기 액체 와동부는 상기 가스 흐름 유동 챔버의 내부면들 상에 하향으로 유동하는 액체를 발생시켜 미립물질 고체들의 증착과 축적을 감소시키기 위한 수단을 갖는다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 가스성 폐기 흐름의 가스성 오염물들의 연소를 제어하는 시스템에 관한 것으로서, 상기 시스템은 a) 상부 열 반응 챔버 및 b) 하부 반응 챔버를 포함하며,
a) 상기 상부 열 반응 챔버는,
ⅰ) 외부 외벽;
ⅱ) 중앙 연소 챔버를 형성하고, 상기 외부 외벽으로부터 충분한 거리에 위치하여 내부 환형 공간을 형성하는, 내부 다공성 벽;
ⅲ) 펄스 조건 하에서 유체를 상기 내부 환형 공간으로 도입시키는 수단;
ⅳ) 상기 가스성 폐기 흐름을 연소시켜 반응 생성물들을 형성하기 위한 열적 수단; 및
ⅴ) 상기 가스성 폐기 흐름을 상기 상부 열적 반응기 안으로 이동시키기 위한 적어도 하나의 폐기 가스 유입구
를 포함하고, 상기 내부 다공성 벽은 상기 유체를 상기 내부 환형 공간으로부터 상기 중앙 연소 챔버까지 충분한 압력 또는 속도로 전달시켜 상기 내부 다공성 벽 상의 반응 생성물들의 증착을 감소시키며, 상기 폐기 가스 유입구는 상기 중앙 연소 챔버 냉의 도관의 일부에서 종결되는 도관을 가지며, 상기 도관의 일부는 상기 도관의 단부를 넘어 돌출하는 튜브 내에 위치하여 불꽃 형성을 위한 상기 도관 내의 챔버를 형성하고, 상기 튜브는 상기 중앙 연소 챔버와 소통하는 개방 단부를 가지며,
b) 상기 하부 반응 챔버는,
ⅰ) 상기 중앙 연소 챔버와 유체 소통하는 가스 유동 챔버;
ⅱ) 산화제를 상기 가스 흐름 유동 챔버로 도입하도록 위치한 적어도 하나의 산화제 유입구; 및
ⅲ) 상기 중앙 연소 챔버와 상기 가스 흐름 유동 챔버 사이에 위치한 액체 와동부
를 포함하고, 상기 액체 와동부는 상기 가스 흐름 유동 챔버의 내벽들 상에서 하향으로 유동하는 액체를 발생시켜 이로써 미립물질 고체들의 증착과 축적을 감소시키기 위한 수단을 갖는다.
바람직하게, 상기 액체 와동부는:
(ⅰ) 상부 플레이트 및 상기 중앙 연소 챔버와 유체 소통하는 중앙 개구부를 갖는 외부 쉘;
(ⅱ) 내부면 및 상기 가스 흐름 유동 챔버의 내부면들과 대체로 정렬된 중앙 개구부를 가지며, 상기 외부 쉘의 내부면과 대체로 동심형으로 정렬되어 동심형 챔버를 형성하는, 상기 외부 쉘 내부의 원뿔형 배플(baffle); 및
(ⅲ) 상기 동심형 챔버 안으로 접하면서 도입되도록 배치되고, 이로써 상기 동심형 챔버에 액체가 채워져 소용돌이 운동을 형성하게 하며, 상기 액체가 상승하고 상기 원뿔형 배플을 넘어 상기 가스 흐름 유동 챔버 안으로 흘러 상기 가스 흐름 유동 챔버의 내부면 상에서 하향으로 흐르는 상기 원뿔형 배플의 내부면 상의 유체의 층류 시트(laminar sheet)를 형성하게 하는, 액체 유입구
를 포함한다.
이러한 장치에 의해, 가스 흐름 유동 챔버로 진입하는 가스 흐름은 상기 구조물의 하부에 있는 벽과 직접 접촉하는 것이 방지된다. "와동부"로부터 물의 하강 막은 미립물질 고체가 가스 흐름 유동 챔버의 내부 벽 표면에 축적하는 것을 방지한다. 이러한 벽 표면 상의 이동 액체 흐름은 물 막과 접촉하는 가스 흐름의 미립물질을 하향으로 이동시켜 가스 흐름 유동 챔버로부터 분리시킨다.
상부 반응 챔버에서, 내부 다공성 벽은 소결된 세라믹 몸체를 포함할 수 있으며, 소결된 금속 또는 재료는 구멍(pore) 크기 또는 메시(mesh) 크기와 무관하게 유체 전달을 위해 재료 전체에 미세한 구멍들을 갖는다. 바람직하게, 구멍들은 재료 전체에 균일하게 분산된다. 재료는 유체가 연소 챔버의 내부면을 향한 반응 생성물들의 이동을 감소시키기에 충분한 속도로 내부 벽을 통해 연소 챔버로 용이하게 분출될 수 있는 크기의 구멍 또는 관통구(perforation)를 포함할 수 있다. 예컨대, 관통구의 숫자에 의해 결정되는 소정의 직경을 갖는 입방 인치 당 40 내지 1400 정도의 관통구들이 존재할 수 있다.
대안으로서, 내부 다공성 벽은 연소 챔버 방향으로 좁은 대체로 깔때기형 구조체를 갖는 다수의 테이퍼링된 돌출물을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 이들 원뿔형 구멍들은 내부 환형 공간으로의 유체 또는 반응 생성물의 역류 또는 중앙 연소 챔버의 내부면 상의 증착을 감소시키면서 중앙 연소 챔버로의 유체 통로를 제공한다.
외부 외벽과 내부 다공성 벽의 분리는 전체 노출된 내부 다공성 벽에 대해 바람직하게 압력 아래로 가스를 분산시키기에 충분한 내부 공간을 제공한다. 대안으로서 내부 다공성 벽은 가스를 중앙 연소 챔버로 도입시키기 위한 다수의 개구부 또는 노즐을 포함한다.
유체는 분출시 중앙 연소 챔버의 내부면 상의 증착을 감소시키기에 충분한 적절한 압력으로 바람직하게 가압되는 공기 및/또는 불활성 가스와 같은 가스로 이루어질 수 있다. 동작시, 가압가능한 가스는 상부 반응 챔버의 벽에 접근하는 가스 흐름 내의 입자 또는 부식성 가스의 속도보다 높은 속도로 내부 다공성 벽을 통해 충분한 압력으로 분출되고, 이로써 연소 챔버의 내부면을 향한 입자들의 이동을 방지하는 내부 다공성 벽에 인접한 연소 챔버 내의 구역을 생성한다. 대체로, 가스는 약 50 내지 600 프사이(psig) 사이의 범위, 바람직하게는 약 60 내지 100 프라이의 범위로 가압되지만, 이는 당업자가 연소 챔버로의 가스성 흐름의 유속 측정을 결정함으로써 용이하게 조절할 수 있다. 따라서, 내부 다공성 벽을 통해 탈출하는 가스의 속도는 연소 챔버의 가스성 흐름 내의 반응 생성물의 속도 보다 크거나 같도록 조절될 수 있다.
바람직하게, 내부 다공성 벽의 통로를 통해 연소 챔버로 분출된 유체는 펄스 모드이다. 대체로, 분출된 유체의 펄스 기간은 약 3 밀리초(ms) 내지 약 1 초(s)이며, 보다 바람직하게는 약 20 밀리초 내지 약 100 밀리초이다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 2-단계 열 반응기 내의 처리에 의해 가스성 폐기 흐름의 가스성 오염물들의 연소를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은:
ⅰ) 적어도 하나의 유입구 단부를 통해 상기 가스성 폐기 흐름을 상부 열 반응기로 도입시키는 단계;
ⅱ) 연료 부화 연소가능한 가스 흐름 혼합물들을 형성하기 위해 상기 가스성 폐기 흐름을 혼합하기 위한 적어도 하나의 연소가능한 연료를 제공하는 단계;
ⅲ) 산화된 반응 생성물들을 유효하게 형성하기 위해 연소 챔버 내에 상기 연료 부화 연소가능한 가스 흐름 혼합물을 점화하는 단계;
ⅳ) 상기 연료 부화 연소가능한 가스 흐름 혼합물의 연소와 동시에 상기 연소 챔버 안으로 첨가 유체 - 상기 첨가 유체는 펄스 모드 및 상기 연소 챔버 내의 우회 패턴으로 주입되고 이로써 상기 연소 챔버의 내부에 반응 생성물들의 증착을 방지함 - 를 주입하는 단계;
ⅴ) 하부 반응 챔버 안으로 반응 생성물들의 흐름을 유동시키면서 상기 흐름에 공기-함유 가스를 도입시키고 이로써 연료 빈화(lean) 혼합물을 제공하는 단계; 및
ⅵ) 상기 하부 반응 챔버의 진입부 부근에 위치한 물 와동부를 통해 반응 생성물들의 흐름을 유동시키는 단계
를 포함하며, 상기 물 와동부로부터 강하하는 물은 상기 하부 반응 챔버의 내부면들 상에서 반응 생성물들의 증착을 방지한다.
본 발명의 다른 태양 및 장점은 명세서 및 청구항들로부터 보다 분명하게 나타난다.
도 1은 본 발명에 따른 2-단계 열 반응기의 부분적인 단면도이다.
도 2는 처리 시설로부터 열 반응기 안으로 가스성 폐기 흐름을 도입하기 위한 본 발명에 따른 통합 버너를 구비한 흡입 노즐의 부분 단면도이다.
도 3은 내부 환형 공간으로부터 중앙 연소 챔버 안으로의 유체 전달을 도시하는 상부 열 반응 챔버의 부분 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 명세서에 개시된 시스템을 나타내는 2-단계 반응기(10)가 도시되어 있다. 상부 반응 챔버(12) 및 하부 반응 챔버(14)가 도시되어 있다. 상부 반응 챔버는 가스성 폐기 흐름을 도입시키기 위한 적어도 하나의 폐기 가스 유입구(15)를 포함한다. 본 실시예에서, 연료 부화 가스 혼합물을 제공하고 이로써 저항성 오염물들의 파괴를 위해 시스템 내의 연소 온도를 높이도록 추가의 가연성 가스들 또는 산화제들을 도입시키기 위한 추가의 독립 가스 유입구(16 및 17)가 존재한다.
상부 반응 챔버는 일반적인 금속 재료로 만들어진 외부 외벽(20)과 중앙 연소 챔버(24)를 둘러싸는 다공성 재료로 만들어진 내부 벽(22)을 포함한다. 내부 다공성 벽은 내부 환형 공간(26)을 형성하기 위해 외부 외벽으로부터 충분한 거리 에 위치한다. 환형 공간(26)은 바람직하게 가압된 유체를 도입시키기 위해 제공되며, 유체는 포트(port)(27)를 통해 환형 공간에 진입하고 내부 다공성 벽(22)을 통해 환형 공간에서 배출되어 내부 다공성 벽을 통해 외부로(30) 및/또는 내부 다공성 벽(22)의 내부면을 따라 아래로 펄싱한다. 내부 다공성 벽을 통해 중앙 연소 챔버로의 유체의 펄싱 분출은 중앙 연소 챔버의 내부면 상의 미립물질이 조성되는 것을 감소시키고 및/또는 경감시킨다. 바람직하게, 펄싱 가스는 연소 챔버 내의 가스 흐름이며 내부 벽에 접근하는 입자들의 속도를 초과하는 속도로 내부 다공성 벽을 통해 배출되며, 이로써 비-증착 구역이 연소 챔버의 내부 벽에 인접하게 하고 연소 챔버의 내부면 상에 입자 증착을 감소시킨다.
혼입된(entrained) 입자들을 갖는 혼합 가스들은 상부 열 챔버에서 배출되고, 가스 흐름 챔버(32), 중앙 연소 챔버로부터의 가스 흐름이 연료 부화에서 연료 빈화 혼합물로 바뀌기에 충분한 양의 산화제의 도입을 위한 적어도 하나의 유입구(34)를 포함한 하부 반응 챔버(14) 안으로 흐른다. 하부 반응 챔버는 액체 와동부(33)를 더 포함하며, 액체 와동부에서 액체는 유입구(38)를 통해 외부 동심형 챔버(36)로 접하면서 진입하여 소용돌이 운동을 형성하며, 액체는 상승하고 배플(40)을 넘어 가스 유동 챔버(32)로 흘러 가스 유동 챔버의 내부면 상에 연속적인 액체 막을 유지하고, 이로써 배플(40)과 가스 유동 챔버(32)의 내부면 상에서의 증착을 감소시킨다.
도 2는 2-단계 열 반응 시스템에서의 처리를 위해 가스성 폐기 흐름을 도입하기 위한 폐기 가스 유입구(15)를 도시한다. 본 실시예에서, 연소 온도를 높이는 연료 부화 혼합물을 제공하도록 가스성 폐기 흐름과 혼합하기 위한 연료 가스 및/또는 산화제의 도입을 위한 다수의 독립적인 가스 유입구(16 및 17)가 존재한다. 폐기 가스 유입구 튜브(15)는 연장부(45)에서 종결하는 중앙 연소 챔버의 반응 벽(44)을 계속 통과한다. 혼합된 가스는 연장부(45)에서 배출되지만, 직접 중앙 반응 챔버(24)로 흐르지 않고 대신에 열적 연소 및/또는 산화를 위해 동심 튜브(46)로 흐른다. 바람직하게, 튜브(46)에서의 연소는 튜브(46) 내에 또는 튜브의 하류단부 부근에 위치한 종래 타입의 파일럿 버너(pilot burner)에 의해 점화를 위한 스파킹 플러그 또는 고온 표면(hot surface)을 이용하여 촉진된다. 연료와 연소 보조 가스, 예컨대 프로판, 메탄 또는 수소 가스 및 공기의 혼합 흐름은 통로(16 및/또는 17)를 통해 공급되고 유입구(15)에 주입된 가스성 폐기 흐름과 결합한다.
대안으로서, 전기 저항성 가열, 적외선 복사, 마이크로파 복사, 대류성 열전달 또는 고체 전도와 같이 적절한 방식으로 가열된 전기 가열 유닛이 본 발명에 사용될 수 있다. 가스 및 가스 유동의 혼합물의 온도는 불꽃이 동심 튜브(46,24) 내에서 발생하도록 선택된다.
유입구(16)는 가스성 폐기 흐름과 혼합하기 위해 폐기 유입구 튜브 및 반응 챔버 사이에 공기를 도입시키는데 사용될 수 있다. 유입구(17)는 가스성 폐기 흐름의 개선을 위해 연소 온도를 충분한 반응 온도까지 높이도록 가연성 연료로서 산소 또는 천연 가스를 도입하기 위해 제공된다. 각각의 유입구들은 산화를 제어하고, 부적절한 가스 흐름 혼합의 가능성을 감소시키며 인접한 유입구들에 사용되는 파라미터와 독립하여 능동적인 유입구 압력 제어가 가능하다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 상부 열 반응 챔버가 도시되어 있다. 외부 외벽(20)은 미리 설정된 열 저항과 강도를 갖는 한 어떤 재료로도 만들어질 수 있으며 용접, 플렌지(flange) 결합 등에 의해 접합부에서 단단하게 결합될 수 있다. 내부 다공성 벽(22)은 열 저항 및 강도 조건을 만족하는 한 어떠한 다공성 재료도 포함할 수 있으며 환형 공간으로부터 중앙 연소 챔버까지 유체를 전달하기에 충분한 다공성을 갖는 소결된 세라믹 또는 소결된 금속 등을 포함할 수 있다. 소결된 세라믹은 다공성 재료가 약 30% 내지 약 80%의 공극율을 가지며 구멍 크기 반경이 약 15 nm 내지 약 2 ㎛의 범위인, MgAl2O4, Al2O3 또는 SiC를 포함하지만, 반드시 이들에 제한되지는 않는다.
가스성 폐기 흐름은 반응기 상부에서 유입구(15)(도시안됨)를 통해 진입하며 튜브(46)(도시안됨)에서 연소한 후에 중앙 연소 챔버(24) 안으로 진입한다. 추가의 가스성 또는 유체가 펄스 조건 하에서 외부 다공성 벽(22)을 통해 화살표(30)로 지시된 것처럼 중앙 연소 챔버(24) 안으로 도입된다. 가스 또는 유체는 유입구(27)를 통해 외부 외벽(20)과 내부 다공성 벽(22) 사이에 형성된 환형 공간(26) 안으로 도입된다. 환형 공간 내에 있는 유체는 비-증착 구역이 중앙 연소 챔버의 내부면에 인접하게 있도록 충분한 속도 및/또는 압력에서 내부 다공성 벽(22)을 통해 중앙 연소 챔버 안으로 이동하거나 확산되고 이로써 중앙 연소 챔버의 내부면 상에 원치않는 반응 생성물의 증착을 감소시킨다.
바람직하게, 펄싱 가스 또는 유체는 가압되고 주기적인 방식으로 내부 벽(22)을 통해 또는 벽을 따라 펄싱되어, 미립물질이 과도하게 조성되거나 증착물을 제거하기에 크고 곤란할 정도로 덩어리로 형성되지 않게 한다. 펄스 크기와 주기는 물질을 재료를 형성하는 미립물질의 타입과 양, 반응기의 온도에 의존하며 당업자가 용이하게 결정할 수 있다.
외부 외벽(20)에 위치한 유체 유입구(27)는 압축된 공기와 같이 환형 공간(26) 안으로 공급될 가압된 유체를 제공한다. 대안으로서, 다수의 유입구들은 외부 외벽의 길이를 따라 환형 공간 안으로 가압된 유체를 확산시키고 도입하기 위해 사용될 수 있다.
가압된 유체는 적절한 압력으로 압축된 공기 및 불활성 가스와 같은 가스를 포함하여, 가스가 원치않는 반응 생성물을 가소 및/또는 제거하면서 중앙 연소 챔버의 연소 처리에 영향을 미치지 않도록 내부 다공성 벽(22)의 구멍들을 통과할 수 있다.
가압된 유체는 공급될 수 있게 유입구(27)에 결합될 수 있는 세정 건조 공기(CDA:clean dry air)와 같은 산화제를 포함하며 이로 인해 유입된 공기는 외부 벽(20)과 내부 다공성 벽(22) 사이의 환형 공간으로 흐른다. 대안으로서, 공기는 적절한 온도로 가열되고 개구부 또는 구멍들을 통해 내부 다공성 벽(22)으로 흐른다. 이러한 방식으로, 산화제가 첨가되어 유출 가스와 혼합되고 반응기 내의 열적 산화를 위해 산화가능한 유출 가스 혼합물을 형성한다.
유체는 바람직하게 펄스 모드로 연소 챔버 안으로 분출된다. 약 3 밀리 초(ms) 내지 약 1 초의 펄스 기간의 펄싱 모드로 유체를 도입시킬 수 있는 장치가 본 발명에 사용될 수 있다.
펄스 조건은 연속하는 펄스 트레인(train)의 형태로 공급되며 각각의 펄스 트레인의 가스 양은 각각의 펄스 기간의 시간 간격에 따라 제어된다. 펄스 트레인 간의 시간 간격은 가스의 특정한 평균 유동을 이루는 방식으로 조절될 수 있다. 내부 공간을 향한 가스의 전체 유동은 여러 펄스 트레인 간의 시간 간격을 조절함으로써 조정된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 바람직하게 마이크로프로세서인 조절 유닛(23)은 이러한 방식으로 가스 유동을 조절하기 위해 예컨대 밸브와 같은 제어 수단(25)과 소통한다. 또한 유동 계량기(meter)는 신호를 발생시키고 조정 유닛(23)으로 신호를 전달하기 위해 포함될 수 있으며 이러한 유동 신호는 각각의 가스 펄스의 체적을 조절하기 위한 피드백 신호로서 기능할 수 있다. 각각의 펄스는 제어 수단(밸브)(25)이 마이크로프로세서 조정 유닛(23) 내의 입력 프로그램에 따라 개방된다는 사실에 의해 개시되며, 각각의 가스 펄스는 유동 계량기로부터의 신호가 원하는 체적이 유동 계량기를 통과하였다는 것을 나타낼 때 중단되거나 종료될 수 있다. 조작자는 점성, 온도 또는 압력과 같이 유입되는 가스의 상이한 특성에 따라 조정 유닛의 펄스 기간을 조절할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 입자 증착은 내부 다공성 벽(22)을 통해 또는 벽을 따라 펄싱하도록 환형 공간(26) 안으로 물을 도입함으로써 완화될 수 있다. 내부 다공성 벽을 통한 흐름 유동의 경우에, 탈염수는 환형 공간(26) 내의 내부 다공성 벽의 후방으로 접촉하고 모세관 작용에 의해 다공성 재료 안으로 및 이를 통 과하게 당겨진다. 물은 고온의 내부면을 향해 이동하고, 벽 재료의 열 전도를 통해 고온의 반응기 가스로부터 열을 수용한다. 열이 증가하고 물이 연소 챔버의 내부면에 보다 가깝게 이동함에 따라, 물은 다공성 재료 내에서 및 연소 챔버의 내부면 부근에서 증기로 변환되며, 그 결과 높은 체적의 증기가 내부 벽으로부터 충분함 힘으로 분출되어 부착된 미립물질 증착물들을 제거한다. 물과 흐름 증기 유동은 환형 공간 안으로 주기적으로 또는 연속적일 수 있다. 환형 공간 안으로의 물의 연속적인 도입은 내부 다공성 벽(22)이 물에 잠기게 하고 이로써 다공성 벽의 전체 표면이 모세관 현상의 효과에 노출되며 다공성 벽(22)의 표면으로부터 증발된 물의 재공급을 제공한다.
주기적인 유동의 경우에, 열 조건의 변화는 상이한 열팽창력을 촉진하며, 이로써 강하게 부착된 미립물질들의 파괴와 제거를 돕는다. 벽 재료의 모세관 힘으로 인해, 물 소스 압력이 낮더라도, 상당한 입자 제거력, 또는 압력이 얻어질 수 있다.
벽을 따른 증기 유동의 경우에, 탈염수는 열을 통해 증기로 변환되고 흐름은 이동가능한 노즐의 고정을 통해 분산되어 벽 표면에 부착된 미립물질을 제거한다. 노즐을 펄스작동시킴으로써, 상이한 열팽창 효과가 벽 증착물의 파괴와 제거를 도울 수 있다.
내부 다공성 벽(22)은 적절한 다공성 구성으로 이루어질 수 있으며, 예컨대 다공성 소결 금속, 관통구를 갖는 금속 시트, 다공성 플라스틱 또는 다공성 세라믹 벽을 포함한다. 바람직하게, 다공성 재료는 유체를 통과시켜 전달하기에 충분한 크기의 구멍들을 제공하며, 구멍의 크기는 예컨대 약 0.5 마이크론 내지 약 30 마이크론의 범위이다.
도 1을 참조하면, 반응된 가스들은 냉각수의 와동을 통해 챔버의 하부에서 상부 반응 챔버로부터 배출된다. 대체로 물 와동 유닛은 상부 플레이트(50), 외부 쉘(36) 및 대체로 원뿔형인 배플(40)을 포함한다. 외부 쉘(36)은 액체 유입구(38)를 포함한다. 액체 유입구(38)는 액체가 외부 쉘(36)에 접하면서 도입될 때 동심형 챔버(37)가 액체로 채워져 소용돌이 운동을 형성하도록 외부 쉘(36)에 대해 배치되고, 이로써 액체는 상승하고 원뿔형 배플을 넘쳐흘러 가스 흐름 유동 챔버(39)의 내부면 위에서 하향으로 유동하는 배플의 내부면 상의 유체의 층류 시트를 형성하며, 이로 인해 내부면을 냉각시키고 미립물질의 증착을 감소시킨다.
비록 본 발명은 예시적인 실시예들과 특징들을 참조하여 설명하였지만, 이러한 실시예들과 특징들은 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니며 당업자는 본 명세서를 기초하여 다른 변형된 실시예들을 용이하게 제시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명은 이하 청구항들과 부합되게 구성된다.

Claims (28)

  1. 가스성 흐름들로부터 오염물질들을 제거하기 위한 2-단계 반응기로서, a) 상부 열 반응 챔버 및 b) 하부 반응 챔버를 포함하고,
    a) 상기 상부 열 반응 챔버는,
    ⅰ) 외부 외벽;
    ⅱ) 중앙 연소 챔버를 형성하고, 상기 외부 외벽으로부터 충분한 거리에 위치하여 내부 공간을 형성하는, 내부 다공성 벽;
    ⅲ) 가스성 폐기 흐름을 내부에 도입하기 위해 상기 중앙 연소 챔버와 유체 소통하는 적어도 하나의 폐기 가스 유입구;
    ⅳ) 상기 가스성 폐기 흐름을 연소시켜 반응 생성물들을 형성하기 위한 열적 수단; 및
    ⅴ) 펄스 조건 하에서 유체를 상기 내부 공간으로 도입시키기 위한 수단
    을 포함하고, 상기 내부 다공성 벽은 상기 유체를 상기 내부 공간으로부터 상기 중앙 연소 챔버로 충분한 힘으로 전달하여 상기 내부 다공성 벽의 반응 생성물의 증착을 감소시키며,
    b) 상기 하부 반응 챔버는,
    ⅰ) 상기 가스성 폐기 흐름과 반응 생성물을 통과시키기 위한 유입구 및 배출구를 포함한, 상기 중앙 연소 챔버와 유체 소통하는 가스 유동 챔버;
    ⅱ) 산화제를 상기 가스 흐름 유동 챔버로 도입하도록 위치한 적어도 하나의 산화제 유입구; 및
    ⅲ) 상기 가스 유동 챔버의 유입구 부근에 위치하는 액체 와동부(vortex)
    를 포함하고, 상기 액체 와동부는 상기 가스 흐름 유동 챔버의 내부면들 상에 하향으로 유동하는 액체를 발생시켜 미립물질 고체들의 증착과 축적을 감소시키기 위한 수단을 갖는, 2-단계 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 외벽과 상기 내부 다공성 벽 사이에 위치한 내부 공간은 내부 환형 공간인 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 내부 환형 공간 안으로 도입된 유체는 가압되는 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서, 펄스 조건 하에서의 상기 유체는 물, 공기, 세정 건조 공기(clean dry air), 및 세정 부화 공기(clean enriched air) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 유체는 물인 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 유체는 주기적인 펄스 하에서 상기 중앙 연소 챔버 안으로 주입되는 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 펄스 조건은 약 20 밀리초(ms) 내지 약 100 밀리초의 펄스 기간을 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 가스성 폐기 흐름과 혼합하기 위해 가연성 연료 또는 산화제를 도입시키기 위한 적어도 하나의 첨가 가스 유입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 가연성 연료는 산소, 프로판, 메탄 또는 수소인 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 액체 와동부는,
    (ⅰ) 상부 플레이트, 상기 중앙 연소 챔버와 유체 소통하는 중앙 개구부를 갖는 외부 쉘;
    내부면 및 상기 가스 흐름 유동 챔버의 내부면과 대체로 정렬된 중앙 개구부를 가지며, 상기 외부 쉘의 내부면과 대체로 동심형으로 정렬되어 동심형 챔버를 형성하는, 상기 외부 쉘 내의 원뿔형 배플; 및
    (ⅱ) 액체가 상기 동심형 챔버 안으로 접하면서 도입되고 이로써 상기 액체 가 소용돌이 운동을 형성하도록 상기 동심형 챔버를 채워, 상기 액체가 상승하고 상기 원뿔형 배플을 넘쳐 흘러 상기 가스 흐름 유동 챔버의 내부면 위에서 하향으로 흐르는 상기 원뿔형 배플의 내부면 상의 유체 시트를 형성하도록 배치된 액체 유입구
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 원뿔형 배플의 내부면 상의 유체 시트는 상기 가스 흐름 유동 챔버의 내부면이 진입하는 가스 흐름과 접촉하는 것을 방지하고 이로써 반응 생성물의 증착을 방지하는 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 다공성 벽은 소결된 세라믹, 소결된 금속, 다공성 금속 재료 또는 다공성 폴리메릭 재료를 포함하는 재료로 제조된 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 내부 다공성 벽은 상기 다공성 재료에 균일하게 분산된 구멍들을 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 외벽과 상기 내부 다공성 벽은 환형 공간을 제공하고 상기 내부 다공성 벽을 통과하도록 가압된 가스를 분산시키기에 충분한 거리로 분리된 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 내부 다공성 벽은 상기 내부 다공성 벽을 통한 상기 중앙 연소 챔버로의 가압된 가스의 통로를 위한 다수의 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  16. 제 2 항에 있어서, 상기 유체는 적절한 압력으로 압축되어 상기 중앙 연소 챔버의 내부면 상의 입자 증착을 감소시키기에 충분한 힘으로 상기 유체의 펄스 분출을 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 압력은 약 60 프사이(psig) 내지 약 100 프사이인 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 다수의 개구부들은 원뿔형 돌출물들을 포함하는 것을 특징으로 하는 2-단계 반응기.
  19. 가스성 폐기 흐름의 가스성 오염물들의 연소를 제어하는 감소 시스템으로서, 상기 감소 시스템은 a) 상부 열 반응 챔버 및 b) 하부 반응 챔버를 포함하며,
    a) 상기 상부 열 반응 챔버는,
    ⅰ) 외부 외벽;
    ⅱ) 중앙 연소 챔버를 형성하고, 상기 외부 외벽으로부터 충분한 거리 에 위치하여 내부 환형 공간을 형성하는, 내부 다공성 벽;
    ⅲ) 펄스 모드에서 유체를 상기 내부 환형 공간으로 도입시키는 수단;
    ⅳ) 상기 가스성 폐기 흐름을 연소시켜 반응 생성물들을 형성하기 위한 열적 수단; 및
    ⅴ) 상기 가스성 폐기 흐름을 상기 상부 열적 반응기 안으로 이동시키기 위한 적어도 하나의 폐기 가스 유입구
    를 포함하고, 상기 폐기 가스 유입구는 상기 중앙 연소 챔버 내의 도관의 일부에서 종결되는 도관을 가지며, 상기 도관의 일부는 상기 도관의 단부를 넘어 돌출하는 튜브 내에 위치하여 불꽃 형성을 위한 상기 도관 내의 챔버를 형성하고, 상기 튜브는 상기 중앙 연소 챔버와 소통하는 개방 단부를 가지며,
    b) 상기 하부 반응 챔버는,
    ⅰ) 상기 중앙 연소 챔버와 유체 소통하는 가스 유동 챔버;
    ⅱ) 산화제를 상기 가스 흐름 유동 챔버로 도입하도록 위치한 적어도 하나의 산화제 유입구; 및
    ⅲ) 상기 중앙 연소 챔버와 상기 가스 흐름 유동 챔버 사이에 위치한 액체 와동부
    를 포함하고, 상기 액체 와동부는,
    (1) 상부 플레이트 및 상기 중앙 연소 챔버와 유체 소통하는 중앙 개구부를 갖는 외부 쉘;
    (2) 내부면 및 상기 가스 흐름 유동 챔버의 내부면들과 대체로 정렬된 중앙 개구부를 가지며, 상기 외부 쉘의 내부면과 대체로 동심형으로 정렬되어 동심형 챔버를 형성하는, 상기 외부 쉘 내부의 원뿔형 배플(baffle); 및
    (3) 상기 동심형 챔버 안으로 접하면서 도입되도록 배치되고, 이로써 상기 동심형 챔버에 액체가 채워져 소용돌이 운동을 형성하게 하며, 상기 액체가 상승하고 상기 원뿔형 배플을 넘어 상기 가스 흐름 유동 챔버 안으로 흘러 상기 가스 흐름 유동 챔버의 내부면 상에서 하향으로 흐르는 상기 원뿔형 배플의 내부면 상의 유체의 시트(sheet)를 형성하게 하는, 액체 유입구
    를 포함하는, 가스성 오염물들의 연소를 제어하는 감소 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 내부 다공성 벽은 상기 내부 다공성 벽 상의 반응 생성물들의 증착을 감소시키기에 충분한 힘으로 상기 내부 환형 공간으로부터 상기 중앙 연소 챔버까지의 유체 전달을 제공하는 것을 특징으로 하는 가스성 오염물들의 연소를 제어하는 감소 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 내부 다공성 벽은 공극율이 약 30% 내지 약 80%인 것을 특징으로 하는 가스성 오염물들의 연소를 제어하는 감소 시스템.
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 환형 공간으로 도입된 유체는 가압되는 것을 특징으로 하는 가스성 오염물들의 연소를 제어하는 감소 시스템.
  23. 제 19 항에 있어서, 상기 유체는 물, 공기, 세정 건조 공기, 및 세정 부화 공기 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 가스성 오염물들의 연소를 제어하는 감소 시스템.
  24. 제 19 항에 있어서, 상기 유체는 물인 것을 특징으로 하는 가스성 오염물들의 연소를 제어하는 감소 시스템.
  25. 제 20 항에 있어서, 상기 내부 다공성 벽을 통해 상기 중앙 연소 챔버 안으로 분출된 유체는 증기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스성 오염물들의 연소를 제어하는 감소 시스템.
  26. 제 19 항에 있어서, 가연성 연료 또는 산화제를 도입시키기 위한 적어도 하나의 첨가 가스 유입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스성 오염물들의 연소를 제어하는 감소 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 가연성 연료는 산소, 프로판, 메탄 또는 수소인 것을 특징으로 하는 가스성 오염물들의 연소를 제어하는 감소 시스템.
  28. 2-단계 열 반응기 내의 처리에 의해 가스성 폐기 흐름의 가스성 오염물들의 연소를 제어하는 방법으로서,
    ⅰ) 적어도 하나의 유입를 통해 상기 가스성 폐기 흐름을 상부 열 반응기로 도입시키는 단계;
    ⅱ) 연료 부화 연소가능한 가스 흐름 혼합물들을 형성하기 위해 상기 가스성 폐기 흐름을 혼합하기 위한 적어도 하나의 연소가능한 연료를 제공하는 단계;
    ⅲ) 반응 생성물들을 형성하기 위해 연소 챔버 내에 상기 연료 부화(rich) 연소가능한 가스 흐름 혼합물을 점화하는 단계;
    ⅳ) 상기 연료 부화 연소가능한 가스 흐름 혼합물의 연소와 동시에 상기 연소 챔버 안으로 첨가 유체 - 상기 첨가 유체는 펄스 모드와 상기 연소 챔버 내의 우회 패턴으로 및 상기 연소 챔버의 내부면에 접근하는 상기 반응 생성물들의 힘을 초과하는 힘으로 주입되고 이로써 반응 생성물들의 증착을 방지함 - 를 주입하는 단계;
    ⅴ) 하부 반응 챔버 안으로 반응 생성물들의 흐름을 유동시키면서 상기 반응 생성물들의 흐름에 공기-함유 가스를 도입시키고 이로써 연료 빈화(lean) 혼합물을 제공하는 단계; 및
    ⅵ) 상기 하부 반응 챔버의 진입부 부근에 위치한 물 와동부를 통해 반응 생성물들의 흐름을 유동시키는 단계
    를 포함하며, 상기 물 와동부로부터 강하하는 물은 상기 하부 반응 챔버의 내부면들 상에서 반응 생성물들의 증착을 방지하는, 가스성 오염물들의 연소를 제어하는 방법.
KR1020067014504A 2003-12-19 2004-12-16 가스성 오염물의 연소를 제어하기 위한 장치 및 방법 KR20060132872A (ko)

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