KR20170065595A - 배기 가스 처리 장치 - Google Patents

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히로아키 가네시로
히데키 오카모토
오사무 하마카와
순스케 야나이
히로시 이마무라
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칸켄 테크노 가부시키가이샤
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Abstract

처리 대상 배기 가스의 고온 분해 가스 성분을 예열함으로써, 대풍량의 처리 대상 배기 가스에 대하여 소용량의 플라즈마 발생 장치로 대응 가능하게 한 신규의 배기 가스 처리 장치를 제공하려고 하는 것이다. 배기 가스 처리 장치(10)는, 수분의 존재 하에서, 전기 히터(15) 또는 열 교환기(17)의 적어도 어느 한쪽으로부터의 열로 처리 대상 배기 가스(F)를 예열하고, 이에 이은, 대기압 플라즈마(P)에 의해 배기 가스(F)를 열 분해한다. 장치 본체(11)는 내부가 가열 분해실(T)로 되어 있다. 플라즈마 발생 장치(14)는 비이행형이고, 장치 본체(11)의 상면부(11a)에 설치되어 있다. 반응기(12)는 원통형이고, 장치 본체(11) 내에 설치되고, 그 상단 개구(12i)가 상기 플라즈마 발생 장치(14)의 플라즈마 분출구(14f)를 향해서 배치되어 있다. 수분 공급부(18)는 장치 본체(11)의 입구 측에 설치되어 있다. 전기 히터(15) 또는 열 교환기(17)의 적어도 어느 한쪽이 제 1 공간(T1)에 배치되어 있다.

Description

배기 가스 처리 장치{EXHAUST GAS PROCESSING DEVICE}
본 발명은 인체에 유해한 가스, 지구 온난화 가스, 오존층 파괴 가스 등을 포함하는 가스, 특히 반도체나 액정 등의 제조 프로세스로부터 배출되는 가스를 분해 처리하는 장치에 관한 것이다.
현재, 물건을 제조하거나 처리하거나 하는 공업 프로세스로서, 다종 다양한 것이 개발·실시되고 있고, 이러한 다종 다양한 공업 프로세스로부터 배출되는 가스(이하 「처리 대상 배기 가스」라고 함.)의 종류도 매우 다방면에 걸쳐 있다. 따라서, 공업 프로세스로부터 배출되는 처리 대상 배기 가스의 종류에 따라 다양한 종류의 가스 처리 방법 및 배기 가스 처리 장치가 구분해서 쓰여지고 있다.
예를 들어, 반도체 제조 프로세스 하나를 예로 들어도, 모노실란(SiH4　), 염소 가스, PFC[퍼플루오로 컴파운드: CF4, SF6, C4F8, NF3, C5F8, C4F6, C2F6, C3F8, C3F6, CH2F2, CHF3　등으로, 지구 온난화 계수(GWP)가 CO2에 비해 수천에서 수만배로 매우 높고, 대기 수명도 수천에서 수만배로 매우 길어서, 지구 환경에 미치는 영향이 크다.] 등 다양한 종류의 가스가 사용되고 있고, 처리 대상 배기 가스에 모노실란이 포함되어있는 경우에는, 열분해식, 연소식, 흡착식 또는 화학 반응식 등의 처리 장치가 사용되고, 처리 대상 배기 가스에 염소 가스가 포함되어 있는 경우에는, 약액을 사용한 습식이나 흡착식 등의 처리 장치가 사용된다. 또한, 처리 대상 배기 가스에 PFC가 포함되어 있는 경우에는, 촉매식, 열반응식, 열분해식, 연소식, 플라즈마식의 배기 가스 처리 장치가 사용된다.
이와 같이 공업 프로세스로부터 배출되는 다양한 종류의 처리 대상 배기 가스에 따라 배기 가스 처리 장치를 하나하나 준비하면, 유저에게 있어 장치의 관리가 복잡해지는 동시에, 유지보수에 소요되는 시간이나 비용이 증대한다. 이것이 결과적으로 제품의 비용에 영향을 주어 제품의 비용 경쟁력의 저하를 초래하였다.
따라서, 공업 프로세스로부터 배출되는 처리 대상 배기 가스에는 고온 하에서 열분해 가능한 것이 많은 것으로부터, 특허문헌 1에 나타낸 바와 같은 열분해 식의 배기 가스 처리 장치, 즉 반응기 내에 대기압 플라즈마를 분출시키고, 이 대기압 플라즈마를 향해 처리 대상 배기 가스를 공급하여 분해 처리하는 장치를 사용하면, 적어도 고온 하에서 열분해 가능한 처리 대상 배기 가스는 그 종류에 관계없이 하나의 장치로 분해 처리할 수 있게 된다. 또한, 본 명세서에서, 「대기압 플라즈마」란 대기압 조건 하에서 생성하는 플라즈마를 말하며, 열 플라즈마, 마이크로파 플라즈마 및 화염을 포함하는 광의의 플라즈마를 의미한다.
특허문헌 1: 일본국 공개특허공보 특개2000-334294호
상술한 바와 같이, 대기압 플라즈마를 사용한 열분해식의 배기 가스 처리 장치는 1500℃라는 고온을 간단히 얻을 수 있으므로, 통상의 800 내지 900℃에서 처리할 수 있는 저온에서 분해되는 배기 가스 성분은 물론, 가장 분해하기 어려운 PFC의 열분해도 가능하여 매우 범용성이 높은 것이다. 한편, 반도체 제조 장치는 효율성을 추구하여 대형화하고 있다. 다른 한편, 현존하는 설비를 집약화하여 대량의 배기 가스를 1대의 배기 가스 처리 장치에서 처리할 것을 요구하고 있다. 그렇다고 하면, 문제가 되는 PFC의 풍량도 비약적으로 증대한다.
이에 대응하는 것이 요구되고 있는 배기 가스 처리 장치 측에서는 당연히 대기압 플라즈마의 처리 능력의 증강이 요구되게 된다.
그런데, 현상에서는 대기압 플라즈마의 처리 능력은 작기 때문에, PFC의 유량이 100L/분(분당 리터) 이하로 작은 경우에는 대응 가능하지만, 그 이상, 특히 PFC의 유량이 250L/분 이상으로 커지면 플라즈마 토치에 흘리는 전류량도 그에 맞춰 커져서, 유지 관리 비용(running cost)이 급증할 뿐만 아니라 토치 수명이 급감한다는 문제가 있어, 요망에 대응할 수가 없었다.
따라서, 본 발명의 주된 과제는 이와 같이 증대하는 PFC를 대량으로 포함하는 처리 대상 배기 가스에 대하여 대기압 플라즈마를 주력으로 하면서, 보내져 오는 처리 대상 배기 가스를 대기압 플라즈마의 전(前) 단계에서 전기 히터 또는 열 교환기(히트 펌프도 포함함)의 어느 한쪽 또는 양쪽을 병용함으로써, 증대한 PFC를 예열하고, 예열된 PFC를 분해 온도까지 대기압 플라즈마로 급속 가열함으로써 예열분의 에너지를 절약하고, 플라즈마 토치로의 부하를 경감함으로써 PFC를 대량으로 포함하는 대풍량의 처리 대상 배기 가스에도 대응할 수 있는 신규의 배기 가스 처리 장치를 제공하고자 하는 것이다.
청구항 1의 배기 가스 처리 장치(10)는, 장치 본체(11)의 내부에 있어서, 수분의 존재 하에서, 전기 히터(15) 또는 열 교환기(17)의 적어도 어느 한쪽으로부터의 열로 외부에서 공급된 처리 대상 배기 가스(F)를 예열하고, 이어서, 대기압 플라즈마(P)에 의해 예열된 배기 가스를 열분해하는 배기 가스 처리 장치(10)로서,
내부가 가열 분해실(T)로 되어 있는 장치 본체(11)와,
장치 본체(11)의 상면부(11a)에 설치된 비이행형의 플라즈마 발생 장치(14)와,
장치 본체(11) 내에 설치되고, 그 상단 개구(12i)를 상기 플라즈마 발생 장치(14)의 플라즈마 분출구(14f)를 향해 배치하고, 내부가 상기 플라즈마 발생 장치(14)로부터의 대기압 플라즈마(P)에 의해 처리 대상 배기 가스(F)의 고온 분해 가스 성분을 열분해하는 제 2 공간(T2)으로 되어 있는 통(筒)형상의 반응기(12)와,
장치 본체(11)의 입구 측에 설치되어, 상기 가열 분해실(T)에 수분을 공급하는 수분 공급부(18)와,
장치 본체(11)의 내주면과 반응기(12)의 외주면 사이의 처리 대상 배기 가스(F)가 공급되는 제 1 공간(T1)에 배치된, 전기 히터(15) 또는 상기 제 2 공간(T2)의 열을 제 1 공간(T1)으로 운반하는 열 교환기(17)의 적어도 어느 한쪽으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
PFC와 같은 고온 분해 가스 성분을 주로 포함하는 처리 대상 배기 가스(F)의 경우, 우선, 제 1 공간(T1)에 설치된 전기 히터(15), 또는, 대기압 플라즈마(P)에 의해 고온으로 유지된 제 2 공간(T2)의 고열을 열 교환기(17)로 제 1 공간(T1)으로 운반하고, 먼저 제 1 공간(T1)에서 이것을 예열하고, 이어서 제 2 공간(T2)으로 흡인하고, 여기에서 대기압 플라즈마(P)로 열분해하게 된다. 이때, 대기압 플라즈마(P)가 처리해야 할 고온 분해 가스 성분의 분해 온도까지 필요한 열량은 상기 예열분만큼 적어진다. 바꿔 말하면, PFC와 같은 고온 분해 가스가 대풍량이었다고 해도, 플라즈마 발생 장치(14)에 필요한 용량은 예열분만큼 경감된다.
또한, 처리 대상 배기 가스(F)에는 PFC와 같은 고온 분해 가스 성분뿐만 아니라, 저온 분해 가스 성분도 포함되는 경우가 있는데, 이 경우에도, 우선, 저온 분해 가스 성분을 제 1 공간(T1)에 설치된 전기 히터(15), 또는, 열 교환기(17)로 제 1 공간(T1)에서 이를 분해하고, 동시에 PFC와 같은 고온 분해 가스도 제 1 공간(T1)의 분위기 온도까지 예열된다. 이 결과, 대기압 플라즈마(P)로 고온 분해 가스를 제 2 공간(T2)에서 상기와 같이 열분해하는 경우에도 플라즈마 발생 장치(14)에 필요한 용량은 예열분만큼 경감되게 된다.
이와 같이, 처리 대상 배기 가스(F)의 고온 분해 가스 성분이 대풍량이 되었다고 해도, 대기압 플라즈마(P)가 필요해지는 용량은 종래로부터의 소용량의 것으로 충분하게 된다. 또한, 열 교환기(17)에는 격벽을 통해 고온 기체와 저온 기체를 인접시켜서 통류시키고, 고온측에서 저온측으로 열을 이동시키는 형식의 것 외에, 열 매체를 이용하여 고온 부분에서 저온 부분으로 열을 이동시키는 히트 펌프와 같은 것도 포함된다. 본 발명에서는 플라즈마 발생 장치(14)는 필수이지만, 전기 히터(15)와 열 교환기(17)는 어느 한쪽만으로도 좋고, 병용해도 좋다.
청구항 2는, 청구항 1에 기재된 배기 가스 처리 장치(10)에 있어서,
수분 공급부(18)는 장치 본체(11)의 입구 측에 설치되고, 상기 처리 대상 배기 가스(F)를 수세하는 전단 습식 스크러버(18A)인 것을 특징으로 한다. 이 경우, 저온의 처리 대상 배기 가스(F) 내에 분진 등이 포함되어 있는 경우, 스크러버(18A)의 스프레이수(W)에 포집되어 다음 공정으로 향한다. 동시에, 열분해에 필요한 수분이 처리 대상 배기 가스(F)에 공급되게 된다.
청구항 3은, 청구항 1에 기재된 배기 가스 처리 장치(10)에 있어서,
수분 공급부(18)는 장치 본체(11)의 입구 측에 설치되고, 장치 본체(11)에 증기를 공급하는 증기 공급 장치(18B)인 것을 특징으로 한다. 이 경우, 저온의 처리 대상 배기 가스(F) 내에 분진 등이 포함되어 있는 경우, 증기가 분진에 응집하여 이것을 포집하게 된다. 동시에, 전술한 바와 같이 열분해에 필요한 수분이 처리 대상 배기 가스(F)에 공급되게 된다.
청구항 4는, 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 배기 가스 처리 장치(10)에 있어서,
반응기(12)의 열을 제 1 공간(T1) 내로 방출하는 핀(12f)이 반응기(12)의 외주면에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 5에 기재된 배기 가스 처리 장치(10)는, 청구항 1 내지 4에 있어서,
상기 반응기(12)로부터 배출된 처리 완료 배기 가스(G)를 수세하는 후단 습식 스크러버(22)가 추가로 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 6은, 청구항 1 내지 5에 기재된 배기 가스 처리 장치(10)에 의한 배기 가스 처리 방법에서,
처리 대상 배기 가스(F)에 수분(W)을 첨가한 후, 처리 대상 배기 가스(F) 내의 고온 열분해 가스 성분을 전기 히터(15) 또는 열 교환기(17)의 적어도 어느 한쪽으로 예열한 후, 이어서 예열된 상기 고온 분해 가스 성분을 대기압 플라즈마(P)로 분해하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 플라즈마 발생 장치(14)에 전기 히터(15) 또는 열 교환기(17) 중 어느 하나, 또는 그 양쪽을 병설함으로써, 제 1 공간(T1) 중에서, 처리 대상 배기 가스(F) 속의 PFC와 같은 고온 분해 가스 성분의 예열이 이루어지게 되므로, 플라즈마 발생 장치(14)에 대한 그만큼의 부하가 경감되게 되어, 소용량의 플라즈마 발생 장치(14)로 고온 분해 가스 성분의 증대에 대응할 수 있다.
또한, 처리 대상 배기 가스(F)가 저·고온 분해 가스 성분으로 구성되는 경우, 800 내지 1000℃ 정도에서 분해하는 것 같은 저온 열분해 가스 성분을 전기 히터(15) 또는 열 교환기(17)에서 미리 처리하고, 동시에 가장 분해하기 어려운 PFC와 같은 성분을 그 분위기 온도까지 예열한다. 이로써 상기와 마찬가지로 플라즈마 토치(14a)의 처리 능력을 높이는 일 없이, 예를 들어, 250L/분 이상의 대풍량의 배기 가스 처리도 가능해졌다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 배기 가스 처리 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1의 X-X 단면 화살표 표시 도면(;矢視圖)이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예의 배기 가스 처리 장치를 나타내는 구성도이다.
도 4는 도 3의 X-X 단면 화살표 표시 도면이다. 본 발명의 다른 실시예(스프레이식 물 공급)의 배기 가스 처리 장치를 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예의 배기 가스 처리 장치를 나타내는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예의 배기 가스 처리 장치를 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제 5 실시예의 배기 가스 처리 장치를 나타내는 구성도이다.
이하, 본 발명을 도시 실시예에 따라 설명한다. 도 1은 제 1 실시예의 배기 가스 처리 장치(10)의 개요를 나타낸 구성도이다. 이 도면이 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 배기 가스 처리 장치(10)는, 대략, 장치 본체(11), 반응기(12), 플라즈마 발생 장치(14), 수분 공급부(18), 전기 히터(15) 및 열 교환기(17)(도 1에서는 양자를 설치한 예가 나타나 있지만, 적어도 어느 한쪽이 설치된다.), 물 탱크(20), 후단 습식 스크러버(22) 등으로 구성되어 있다. 본 명세서에 있어서, 기능이 동일한 구성 부재는 동일한 번호로 나타내고, 간략하게 하기 위해 제 2 실시예 이후는 제 1 실시예에서 기재한 내용을 원칙적으로 원용하고, 그 기재를 생략한다. 도 1에 나타내는 제 1 실시예에서는 전기 히터(15)와 열 교환기(17)의 양자가 설치된 예로 설명하지만, 어느 한쪽만이라도 좋다.
장치 본체(11)는 상면부(11a)가 폐색된 원통형의 용기로, 외주면이 단열재(13)로 덮여 있다. 상면부(11a)에는 플라즈마 발생 장치(14)의 플라즈마 토치(14a)가 설치되어 있고, 그 플라즈마 분출구(14f)는 장치 본체(11)의 상면부(11a)의 중앙에서 아래쪽을 향해 개구하도록 설치되어 있다. 장치 본체(11)의 하부는 도넛 형상으로 외주로 부풀어 있고(물론, 상기 하부를 부풀리지 않고 장치 본체(11)를 스트레이트한 통 형상으로 하여도 좋다.), 이 부분(11c)(이후, 환상 팽출부(11c)라고 함.)에 수분을 동반한 처리 대상 배기 가스(F)의 도입구(11i)가 형성되어 있다. 이 장치 본체(11)는 후술하는 물 탱크(20)의 상면부(20a)의 중앙에 세워서 설치되어 있다. 장치 본체(11)의 내부 중앙에는 반응기(12)가 세워서 설치되어 있고, 반응기(12)의 하면 개구인 처리 완료 배기 가스(G)의 배출구(12o)가 물 탱크(20)의 상면부(20a)의 중앙에 마련된 통공(通孔)을 통해 물 탱크(20) 내에 삽입되어 있다.
반응기(12)는 장치 본체(11)의 중심을 따라 세워서 설치되어 있고, 이 반응기(12)의 외주면과 장치 본체(11)의 내주면 사이의 링 형상의 공간이 제 1 공간(T1)이고, 반응기(12)의 내측이 제 2 공간(T2)이다.
장치 본체(11)의 상면부(11a)로부터 복수(여기에서는 4개)의 전기 히터(15)가 늘어뜨리게 설치(;垂設)되어, 제 1 공간(T1)의 상부에 위치하고 있다. 이에 대해 제 2 공간(T2)은 반응기(12)의 내측이고, 제 1 공간(T1)의 상단과 제 2 공간(T2)의 상단 부분이 연결되어 있고, 이 제 2 공간(T2)의 상단 부분이 전기 히터(15)의 가열에 의해 고온(예를 들어, 800 내지 900℃ 또는 1000℃ 근처)으로 유지된다.
반응기(12)는 양 단면 개구한 원통형의 것으로 중앙 부분이 가늘게 좁혀지고 있다. 이 가늘게 좁혀져 있는 반응기(12)의 중앙 부분을 가는 직경의 동부(胴部; 몸통부)(12b)로 하고, 가는 직경의 동부(12b)보다 위의 부분을 고온 반응부(12a), 아래의 부분을 고온 배기부(12c)로 한다. 반응기(12)의 상단 개구(12i)는 플라즈마 분출구(14f)를 향해 개구하도록 설치되어 있다. 고온 반응부(12a) 및 고온 배기부(12c)의 내경은 가는 직경의 동부(12b)보다 내경이 크게 형성되어 있다. 그리고 고온 반응부(12a) 내의 공간을 제 2 공간(T2)의 고온 반응 공간(T21)으로 하고, 고온 배기부(12c) 내의 공간을 고온 배기 공간(T22)으로 한다. 고온 반응부(12a)의 내주면에는 내화재(12t)가 두껍게 도포되어 있다. 반응기(12) 자체는 내열 합금이나 두꺼운 주철로 형성되어 있다.
고온 반응부(12a)의 가는 직경의 동부(12b)에 연결되는 바닥부는 예를 들어 회전 타원면역 또는 회전 포물면과 같이 원호상으로 형성되어 있다. 한편, 고온 배기부(12c)의 외주면에는 다수의 핀(12f)이 일체적으로 돌출 설치되어 있다. 핀(12f)은 고온 배기부(12c)의 열을 제 1 공간에 T1에 효율적으로 방열하기 위한 것이지만, 필수가 아니라 필요에 따라 설치된다.
열 교환기(17)는 고온 배기부(12c)의 열을 제 1 공간(T1)으로 이동시키는 장치라면 어떤 것이라도 좋지만, 여기에서는 예를 들어 다수의 내열성 파이프로 구성되고, 고온 배기부(12c)에 소정의 간격을 두어 다열 다단으로 뚫어서 마련된 다수의 통공에 내열성 파이프가 삽입 통과된 것이다. 내열성 파이프의 입구 부분과 출구 부분은 환상 팽출부(11c)에 돌출되어 개구하고 있고, 도입구(11i)로부터 환상 팽출부(11c) 내로 도입된 저온의 처리 대상 배기 가스(F)의 일부(또는 전부)를 유통시키고, 고온 배기부(12c) 내를 아래쪽으로 흐르는 고온의 처리 완료 배기 가스(G)에 의해 이것을 가열하는 것이다. 한편, 고온 배기부(12c) 내에서는 고온의 처리 완료 배기 가스(G)가 내열성 파이프 사이를 흘러 내열성 파이프 내를 흐르고 있는 저온의 처리 대상 배기 가스(F)를 가열한다.
환상 팽출부(11c) 내에는 도 2에 나타낸 바와 같이 장치 본체(11)와 반응기(12) 사이에 격벽(11k)이 마련되어 있고, 저온의 처리 대상 배기 가스(F)의 일부 (또는 전부)가 도입구(11i) 측의 공간(11c1)으로부터 반대 측의 공간(11c2)으로 흐르기 쉬워지도록 하고 있다. 또한, 저온의 처리 대상 배기 가스(F)의 전부를 공간(11c1)으로부터 반대측의 공간(11c2)으로 흘리는 경우에는, 도시하고 있지 않지만 도입구(11i) 측의 공간(11c1)과 제 1 공간(T1)과의 경계를 폐색하고, 제 1 공간(T1)에는 반대 측의 공간(11c2)으로부터만 유입하도록 하면 좋다. 또한, 열 교환기(17)는 상기와 같은 구조에 한정되지 않고, 내열성 파이프 대신에 히트 펌프와 같은 것이라도 좋다. 그 경우에는, 고온 배기부(12c)를 아래쪽으로 흐르는 고온의 처리 완료 배기 가스(G)의 열을 빼앗아, 고온 배기부(12c)로부터 제 1 공간(T1)으로 돌출되어 있는 부분으로 그 열을 수송하고, 고온이 된 상기 돌출 부분에 저온의 처리 대상 배기 가스(F)가 접촉하여 가열되게 된다.
플라즈마 발생 장치(14)는 고온의 대기압 플라즈마(P)를 생성하는 전극을 내부에 구비하는 플라즈마 토치(14a)와, 플라즈마 토치(14a)의 전극에 전위를 인가하는 직류 전원(도시하지 않음)과, 플라즈마 토치(14a)에 작동 가스를 공급하는 작동 가스 공급 장치(도시하지 않음)로 구성되어 있다. 플라즈마 토치(14a)는 플라즈마 분출구(14f)로부터 반응기(12)의 내부를 향해 대기압 플라즈마(P)를 분사할 수 있도록 장치 본체(11)의 상면부(11a)의 중앙부에 부착되어 있다.
또한, 직류 전원은 플라즈마 토치(14a)의 내부에 마련된 한 쌍의 전극에 소정의 방전 전압을 인가하여 전극 간에 플라즈마 아크를 발생시키는 것이다. 본 실시예에서는 소위 스위칭 방식의 전원 공급 장치를 사용하고 있다.
작동 가스 공급 장치는 플라즈마 토치(14a)에 질소나 수소, 또는 아르곤 등의 작동 가스를 송급하는 것이고, 작동 가스를 저장하는 저장 탱크(도시하지 않음) 및 이 저장 탱크와 플라즈마 토치(14a)를 연통하는 작동 가스 공급 배관(도시하지 않음)을 갖는다.
본 실시예의 작동 가스 공급 장치에는 작동 가스 공급 배관에 질량 유량 제어 수단이 마련되어 있다. 이 질량 유량 제어 수단은 작동 가스 공급 배관을 통해 플라즈마 토치(14a)로 공급하는 작동 가스의 양을 일정하게 제어하는 것이다.
수분 공급부(18)는, 제 1 실시예에서는 전단 습식 스크러버(18A)가 사용된다. 이하, 수분 공급부(18)는 전단 습식 스크러버(18A)로서 설명한다. 전단 습식 스크러버(18A)는 처리 대상 배기 가스 발생원(도시하지 않음)에 접속된 배기 덕트(19)로부터 공급되는 처리 대상 배기 가스(F)에 물(즉, 수분)(W)을 분무하여 상기 처리 대상 배기 가스(F) 중에서 고형 성분이나 수용성 성분을 수세 제거하는 것이다.
직관형의 스크러버 본체(18a)의 상단이 상기 배기 덕트(19)에 접속되고, 하단이 물 탱크(20)의 상면부(20a)의 한쪽의 단부에 세워서 설치되어 있다. 스크러버 본체(18a)의 하면은 물 탱크(20) 내에 개구하고 있다. 그리고, 스크러버 본체(18a)의 하부 측면에는 환상 팽출부(11c)의 도입구(11i)에 접속되어 있는 배기 가스 도입관(28)이 접속되어 있다. 스크러버 본체(18a) 내부에는 스프레이 노즐(18b)이 설치되고, 양수 펌프(32)로 물 탱크(20)로부터 양수된 물(즉, 수분)(W) 또는 약액이 분무되도록 되어있다. 그리고, 스프레이 노즐(18b)과 배기 가스 도입 관(28) 사이에 상기 물(W)과 처리 대상 배기 가스(F)의 기-액 접촉을 높이기 위한 충전재(18c)가 충전되어 있다. 또한, 물(W) 또는 약액의 분무 대신에 수분을 부여하기 위해 증기를 공급해도 좋다.
또한, 반드시 필요로 하는 것은 아니지만, 본 실시예에서는 전단 습식 스크러버(18A)의 양수 배관을 분기하여 제 1 공간(T1)에 물(W) 또는 약액(또는 증기)의 분무를 행하는 스프레이 노즐(11b)이 배치되어 있다. 이렇게 함으로써 제 1 공간(T1)에 고형 성분이 부착·퇴적되는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 도 1에서는, 스프레이 노즐(11b)은 제 1 공간(T1)의 중간에 기재되어 있지만, 상면부(11a)에 설치되어, 제 1, 2 공간(T1, T2)를 세정할 수 있도록 하고 있다. 또한, 스프레이 노즐(11b)은 열분해용의 수분이 부족할 경우, 이것을 보충하는 역할도 있다.
물 탱크(20)는 반응기(12)의 내면에 흐르는 물(W) 등을 저류하는 직사각형 상자 모양의 수조이며, 이 물 탱크(20)에는 배수관(42)이 부착되어 있다. 내부에는 물 또는 약액이 모아져 있고, 수면보다 낮은 바닥부에서는 연통하지만, 물 탱크(20) 내를 통과하는 처리 대상 배기 가스(F)와 처리 완료 배기 가스(G)가 섞이지 않도록 격벽(20b, 20c)이 전단 습식 스크러버(18A), 장치 본체(11) 및 후단 습식 스크러버(22)의 사이에 마련되어 있다.
배수관(42)은 물 탱크(20)의 기준 수면 위치에 대응하는 물 탱크(20)의 벽면에 접속된 파이프이며, 기준 수면 위치에서의 물 탱크(20)의 물 저류 용량을 초과하는 잉여수는 배수관(42)을 통해서 계 밖으로 배출된다. 따라서, 물 탱크(20) 내의 수위는 기준 수면 위치보다 높아지지 않는다.
후단 습식 스크러버(22)는 처리 대상 배기 가스(F)를 열분해했을 때 발생하는 수용성 성분이나 고형 성분을 처리 완료 배기 가스(G) 중으로부터 수세·제거하는 장치이며, 직관형의 스크러버 본체(22a)와, 스크러버 본체(22a) 내에 배치된 노즐(22b)과, 스프레이 노즐(22b)의 아래쪽에 설치된 충전재(22d)(또는 스크러버 본체(22a) 내부 공간의 전면을 가로지르도록 부착된 판 형상의 펀칭 메탈이나 망)를 갖는다.
이 후단 습식 스크러버(22)는 물 탱크(20)의 상면부(20a)의 다른 쪽 단부에 세워서 설치되어 있고, 하면이 물 탱크(20) 내를 향해 개구하고 있고, 스프레이 노즐(22b)로부터 분무된 물(W)이 물 탱크(20)로 되돌아가도록 되어 있다. 그리고, 후단 습식 스크러버(22)의 하부 측면에는 접속 배관(21)이 접속되어 있고, 상기 접속 배관(21)은 물 탱크(20)의 반응기(12)에 연결되는 공간에 접속되어 있다. 후단 습식 스크러버(22)의 꼭대기부 출구는 처리 완료된 배기 가스(G)를 대기 중으로 방출하는 배기 팬(34)을 통해 배기 덕트(도시하지 않음)에 접속되어 있다.
다음으로, 도 1, 2에 나타낸 배기 가스 처리 장치(10)를 사용하여 처리 대상 배기 가스(F)를 분해할 경우에 대하여 설명한다. 우선, 작동 가스 공급 장치를 작동시키고, 질량 유량 제어 수단에 의해 유량을 제어하면서, 작동 가스를 저장 탱크로부터 플라즈마 토치(14a)로 송급한다.
그리고, 양수 펌프(32)를 작동시켜 물 탱크(20)에 저류된 물(W)을 전단 습식 스크러버(18A) 및 후단 습식 스크러버(22)(필요가 있다면 제 1 공간(T1))로 공급한다. 이로써, 전단 습식 스크러버(18A)로 수세된 처리 대상 배기 가스(F)는 배기 가스 도입관(28)을 통과하여 장치 본체(11)의 환상 팽출부(11c)의 도입구 측 공간(11c1)으로 들어가고, 일부가 열 교환기(17)를 통과하여(열 교환기(17)의 구조에 따라서는 전부가 통과하여), 도입구(11)의 반대 측 공간(11c2)으로 이동하고, 이 동안에, 제 1 공간(T1) 내의 하부에서 열 교환에 의해 가열된다.
열 교환기(17)의 부분의 온도는 전술한 바와 같이 700 내지 800℃(경우에 따라서는 900℃)에 달하기 때문에, 수분을 동반하여 이 부분으로 흘러들어 온 처리 대상 배기 가스(F)의 저온 분해 가스 성분은 어느 정도 이 부분에서 열분해된다. 한편, 고온 분해 가스 성분은 여기에서는 분해되지 않고, 분위기 온도까지 예열된다.
열 교환기(17)를 거친 배기 가스는 제 1 공간(T1)에서 반응기(12)의 주위를 회전하면서 상승하지만, 열 교환기(17)의 바로 위에 설치된 핀(12f)에 접촉하여, 이 부분에서도 미반응의 저온 분해 가스 성분이 분해된다. 그리고, 고온 분해 가스 성분은 여기에서도 분해되지 않고, 마찬가지로 분위기 온도까지 예열된다. 핀(12f)은 열 교환기(17)보다 고온 반응부(12a)에 가까우므로, 열 교환기(17)보다 온도가 높고, 핀(12f) 사이를 흐르는 동안에 보다 높은 열분해 온도를 갖는 배기 가스 성분이 분해된다.
이렇게 하여 열 교환기(17) 및 핀(12f)을 거친 배기 가스(F)는 제 1 공간(T1)에서 어느 정도의(또는 대부분의) 저온 분해 가스 성분이 분해되는데, 제 1 공간(T1)의 중단에 설치되어 있는 스프레이 노즐(11b)에 의해 스프레이되어, 물(W)(또는 증기)이 추가적으로 공급되어, 제 1 공간(T1)의 상부에 이른다.
그리고, 제 1 공간(T1)의 상부에서, 처리 대상 배기 가스(F)의 저온 열분해 가스 성분의 잔류 부분이 전기 히터(15)의 열로 열분해된다. 전기 히터(15)에 의한 가열은 제 1 공간(T1)의 상부에서 800 내지 900℃, 또는 1000℃에 달하고, 추가된 물(W)(또는 증기)의 존재 하에, 잔류하고 있던 저온 열분해 가스 성분의 대부분 또는 전부가 여기에서 열분해된다. PFC와 같은 고온 열분해 가스 성분은 여기에서는 분해되지 않고, 예열되어 다음의 반응기(12)까지 넘겨진다. 또한, 열 교환기(17)나 핀(12f)을 사용할 경우에는, 전기 히터(15)의 소비 전력을 대폭으로 억제할 수 있다.
제 1 공간(T1)에서는 예열된 고온 열분해 가스 성분과, 이것에 혼합된 제 1 공간(T1)에서 넘어온 적량의 수분이 함께 반응기(12)의 상단에서 반응기(12)의 내부로 흡입된다.
반응기(12)의 고온 분해부(12a)에서는, 그 분위기 온도가 대기압 플라즈마(P)의 분출과 동시에, 고온 열분해 가스 성분이 열분해 가능한 온도(1500℃ 정도)가 되어, 고온 분해부(12a)의 내부에서 완전히 분해된다. 열분해된 배기 가스는 처리 완료 배기 가스(G)로서 가는 직경의 동부(12b)를 유속을 빨리 한 상태로 통과하여, 하부의 고온 배기부(12c)로 유입된다. 　여기에서, 분해되는 고온 분해 가스 성분은 예열 상태(예를 들어, 800 내지 900℃ 또는 1000℃ 부근)이고, 이 온도로부터 고온 열분해 가스 성분이 열분해 가능한 온도(1500℃ 정도)까지 승온될 뿐이므로, 고온 분해 가스 성분이 분당 100리터에서 분당 250리터 이상으로 증대되어도, 플라즈마 발생 장치(14)의 용량은 작은 것으로 충분하다.
고온 배기부(12c)에서는 고온의 대기 플라즈마(P)에 의해 가열 분해된 기체가 흐르고 있기 때문에, 700 내지 800℃(경우에 따라서는 900℃) 정도의 분위기 온도를 갖는다. 상기 열 교환기(17)를 구성하는 다수의 내열 파이프를 통해 차가운 처리 대상 배기 가스(F)가 이 고온의 분위기 안을 흐르고, 차가운 처리 대상 배기 가스(F)는 분위기 온도 상당의 매우 높은 온도까지 가열되어, 전술한 바와 같이 저온 열분해 가스 성분이 열분해된다. 가령, 700 내지 800℃(경우에 따라서는 900℃) 정도에 달하고 있지 않더라도, 예열분만큼 전기 히터(15)나 플라즈마 발생 장치(14)의 소비 전력이 내려가게 된다.
한편, 열 교환기(17)에 의해 열을 빼앗긴 고온 배기부(12c)의 처리 완료 배기 가스(G)는 그 분량만큼 저온(예를 들어, 400 내지 500℃)이 되어 물 탱크(20) 내에 흘러들어간다. 물 탱크(20) 내에서는 모여져 있는 물(W)에 접촉하여 이것을 가열하고, 대량의 증기를 생성시키면서 접속 배관(21)을 통해서 후단 습식 스크러버(22)로 보내진다.
후단 습식 스크러버(22)로 도입된 처리 완료 배기 가스(G)는 여기에서 수세된다. 이로써, 처리 완료 배기 가스(G) 자체에 포함되어 있는 고형 성분이나 수용성 성분이 물(W)에 흡착 또는 용해함으로써, 상기 처리 완료 배기 가스(G) 중으로부터 제거된다.
처리 대상 배기 가스(F)의 종류가 예를 들어 모노실란 등의 규소 화합물을 포함하는 경우, 처리 대상 배기 가스(F)를 열분해하면 이산화규소(SiO　2) 등의 고형 성분이 생성된다. 이 고형 성분은 장치 본체(11)나 반응기(12)의 표면에 부착·퇴적하는 성질을 갖고 있으므로, 전술한 바와 같이 도시하고 있지 않지만 장치 본체(11)의 상면부(11a)에 세정용의 스프레이 노즐을 설치하여 이것들을 세정하도록 하여도 좋다.
후단 습식 스크러버(22)를 통과한 배기 가스(G)는 (경우에 따라서는) 배기 팬(34)의 바로 앞에서 대기 도입 배관(도시하지 않음)으로부터 브리더 밸브(breather valve)(도시하지 않음)를 통하여 도입된 공기가 혼입된 후, 배기 팬(34)을 통해 배기 덕트로 송급되어 계 밖으로 방출된다.
상기의 열분해로 인해, 제 1, 2 공간(T1, T2)의 고온에 의해 형성된 수증기(W)는 열을 더 받아서 산소와 수소로 해리된다. 이렇게 해서 생성된 산소 및 수소는 제 1, 2 공간(T1, T2) 내에서 처리 대상 배기 가스(F)와 반응함으로써, 처리 대상 배기 가스(F)의 분해에 기여한다.
상기의 플라즈마 발생 장치(14)에는 대기압 플라즈마(P)를 발생시킬 수 있다면 어떤 타입의 플라즈마 발생 장치(14)를 사용하여도 좋지만, 본 실시예와 같이, 플라즈마 발생 장치(14)의 플라즈마 토치(14a)에 「비이행형」의 플라즈마 토치(전극 사이에서 발생시킨 플라즈마를 원하는 방향으로 분사시키는 타입의 플라즈마 토치)를 이용하는 것이 적합하다.
제 1 실시예에 따른 배기 가스 처리 장치(10)를 사용하여 처리 대상 배기 가스(F)의 열분해를 행한 경우, 플라즈마 형성에 요하는 교류 전류를 45 내지 70A(통상은 55 내지 65A)에서 상시 방전으로 하였다. 상기 교류 전류는 직류 전류로 변환되어 플라즈마 형성에 사용된다. 이때, 작동 가스로서의 질소 가스의 유량은 25 내지 53L/min(분당 리터) 정도가 되었다.
이러한 조건 하에서, CF4　를 포함하는 200, 250, 300 및 400L/min(분당 리터)의 처리 대상 배기 가스(F)를 전단 습식 스크러버(18A)로 도입하여 분해 처리를 행하고, 배기 팬(34)의 출구에서 CF4　의 농도를 측정하였다 모두 90% 이상의 제해율을 달성하였다.
[표 1]
Figure pct00001
또한, PFC 가스는 산화성 가스로서 물을 도입함으로써, 처리 대상 배기 가스(F)를 이하와 같이 분해할 수 있다.
[화학식 1]
CF4　＋2H2O → CO2＋4HF
[화학식 2]
2C2F6＋6H2O＋O2　→ 4CO2＋12HF
[화학식 3]
2NF3＋3H2O → 6HF＋NO＋NO2
[화학식 4]
SF6＋4H2O → H2SO4＋6HF
상기 제 1 실시예에서는 전기 히터(15), 열 교환기(17)의 양자를 사용한 경우를 설명했지만, 전기 히터(15) 또는 열 교환기(17)만으로 해도 좋다. 열 교환기(17)를 사용하는 경우에는, 고온 배기부(12c)를 흘러내리는 고온 처리 완료 배기 가스(G)의 열을 일부 회수할 수 있으므로, 전기 히터(15) 병용의 경우에는 회수할 수 있었던 분만큼 전기 히터(15)의 용량 또는 소비 전력을 낮출 수 있고, 플라즈마 발생 장치(14)라도 전술한 바와 같이 예열분만큼 에너지 절약을 할 수 있다.
전기 히터(15)를 사용하지 않는 경우에는, 작업 개시시에는 잠시 동안만 배기 가스(F)를 공급하지 않고, 대기압 플라즈마(P)로 반응기(12)와 열 교환기(17)를 가열하고, 열 교환기(17)가 배기 가스(F)의 저온 분해 가스 성분의 열분해 가능 온도에 도달했을 때 배기 가스(F)를 공급하여 상기의 열분해를 개시하게 된다. 에너지 절약 효과는 동일하게 얻을 수 있다.
전기 히터(15)를 사용하지만, 열 교환기(17)를 사용하지 않는 경우에는, 그 분량만큼 열효율이 저하되어, 전기 히터(15)의 용량 또는 소비 전력을 증가시킬 필요가 있다. 어느 경우에서도, 고온 배기부(12c)에 설치된 핀(12f)은 고온 배기부(12c)를 통과하는 처리 완료 배기 가스(G)의 열을 회수하게 되므로 유효하다.
또한, 상기에서는, 배기 가스(F)는 저·고온 분해 가스 성분으로 구성되어 있는 경우를 중심으로 나타냈지만, 배기 가스(F)가 고온 분해 가스 성분만으로 구성되어 있는 경우도 마찬가지로, 고온 분해 가스 성분이 대폭으로 증대하여도 전기 히터(15) 또는 열 교환기(17)에서 적어도 예열된 분만큼 플라즈마 발생 장치(14)의 용량을 절약할 수 있고, 작은 용량의 플라즈마 발생 장치(14)로 대풍량의 PFC에 대응할 수 있다. 이 점은 이하의 실시예에서도 마찬가지이다.
다음으로, 본 발명에 따른 제 2 실시예에 대하여, 도 3 내지 5에 기초하여 설명한다. 도 5는 도 3의 도입구(11i)가 형성되어 있는 공간과, 이것에 인접하는 충전재(18c)가 충전되어 있는 공간의 위치 관계를 이해하기 쉽도록 동일 평면에 병렬로 기재한 것으로, 양자는 같은 것이다. 또한, 제 2 및 제 3 실시예(도 6)에서도 전기 히터(15)와 열 교환기(17)가 병용되어 있는 사례가 나타나 있는데, 제 1 실시예와 마찬가지로, 어느 한쪽만으로도 좋다. 또한, 핀(12f)도 마찬가지로 사용하지 않아도 좋지만, 사용하면 그만큼 열 효율이 향상된다.
제 2 실시예는, 상술한 제 1 실시예와 비교하여, 전단 습식 스크러버(18A)가 장치 본체(11)의 환상 팽출부(11c)에 수납되어 콤팩트화된 것이다. 반응기(12)의 하부를 둘러싸는 원통형의 격벽(11d)은 하단부 전 둘레가 물 탱크(20) 내에 침지되어 있기 때문에, 후단 습식 스크러버(22)에 처리 완료 배기 가스(G)를 흘리기 위한 연통 개구(11e)가 격벽(11d)에 천공 설치되어 있다.
또한, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 환상 팽출부(11c)는 3분할되어, 도입구(11i)가 형성되어 있는 각 공간으로 처리 대상 배기 가스(F)가 도입되고, 인접하는 각 공간 내의 충전재(18c)를 아래로부터 각각 통과하고 제 1 공간(T1)의 반응기(12)의 주위에 링 형상으로 개구한 입구 부분(Ti)에서 집합하여, 제 1 공간(T1)에 이른다. 열 교환은 제 1 실시예와 동일하다. 충전재(18c)가 충전되어 있는 공간의 상부에는 스프레이 노즐(18b)이 설치되어 있다. 그 이외의 부분은 제 1 실시 예와 동일하다. 또한, 환상 팽출부(11c)가 다수로 분할되어, 도입구(11i)도 분할 수만큼 존재하므로, 1대의 본 장치(10)에 복수대의 제조 설비를 접속할 수 있다.
제 3 실시예는 도 6에 나타낸 바와 같이 열 교환 기능을 반응기(12)에 갖게 한 것이다. 반응기(12)를 예를 들어 두꺼운(厚肉) 주철과 같은 것으로 만들고, 제 1 공간(T1)을 나선형으로 올라가는 배기 가스(F)를 반응기(12)에 접촉시켜서 가열하여, 동반한 수분을 수증기로 만든다. 그 이외에는 제 1 실시예와 동일하다. 이 경우에는, 두꺼운 반응기(12)가 열 교환기의 기능을 갖게 된다.
본 발명에 따른 제 4 실시예는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 배기 가스(F)를 장치 본체(11)의 상부의 환상 팽출부(11c)로 도입하고, 여기에서 선회시켜서 전기 히터(15)에 접촉시키게 된다. 그 때문에, 상기 실시예와는 위치가 다르지만, 전기 히터(15)로의 접촉 이전의 통로가 환상 팽출부(11c)가 되므로, 환상 팽출부(11c) 내부가 제 1 공간(T1)이 된다. 그 이외에는 상기 실시예와 동일하다. 또한, 이 경우에는, 수분 공급부(18)로서 물 대신에 수증기를 공급하는 수증기 공급부(18B)가 설치되어 있다. 또한, 제 4 실시예는 배기 가스(F)를 장치 본체(11)의 상부로부터 공급하고 있기 때문에, 열 교환기의 사용은 할 수 없다.
F: 처리 대상 배기 가스, G: 처리 완료 배기 가스, P: 대기압 플라즈마, W: 수분(물 또는 수증기), T: 가열 분해실, T1: 제 1 공간, T21: 고온 반응 공간, T22: 고온 배기 공간 , Ti: 제 1 공간의 입구 부분, T2: 제 2 공간, To: 제 2 공간의 출구 부분, 10: 배기 가스 처리 장치, 11: 장치 본체, 11a: 상면부, 11b: 스프레이 노즐, 11c: 환상 팽출부, 11c1: 도입구 측의 공간, 11c2: 도입구의 반대 측의 공간, 11d: 격벽, 11i: 도입구, 11c: 환상 팽출부, 11d: 격벽, 11e: 연통 개구, 11k: 격벽, 12: 반응기, 12a: 고온 반응부, 12b: 가는 직경의 동부, 12c: 고온 배기부, 12f: 핀, 12i: 상단 개구, 12o: 배출구, 12t: 내화재, 13: 단열재, 14: 플라즈마 발생 장치, 14a:　플라즈마 토치, 14f: 플라즈마 분출구, 15: 전기 히터, 17: 열 교환기, 18(18A): 수분 공급부(전단 습식 스크러버), 18(18B): 수분 공급부(증기 공급 장치), 18a: 스크러버 본체, 18b: 스프레이 노즐, 18c: 충전재, 19: 배기 가스 덕트, 20: 물 탱크, 20a: 상면부, 20b·20c: 격벽, 21: 접속 배관, 22: 후단 습식 스크러버, 22a: 스크러버 본체, 22b: 스프레이 노즐, 22d: 충전재, 28: 배기 가스 도입관, 32: 양수 펌프, 34: 배기팬, 42: 배수관.

Claims (6)

  1. 장치 본체 내부에 있어서, 수분의 존재 하에서, 전기 히터 또는 열 교환기의 적어도 어느 한쪽으로부터의 열로 외부에서 공급된 처리 대상 배기 가스를 예열하고, 이어서, 대기압 플라즈마에 의해 예열된 배기 가스를 열 분해하는 배기 가스 처리 장치로서,
    내부가 가열 분해실로 되어 있는 장치 본체와,
    장치 본체의 상면부에 설치된 비이행형의 플라즈마 발생 장치와,
    장치 본체 내에 설치되고, 그 상단 개구를 상기 플라즈마 발생 장치의 플라즈마 분출구를 향해서 배치하고, 내부가 상기 플라즈마 발생 장치로부터의 대기압 플라즈마에 의해 처리 대상 배기 가스의 고온 분해 가스 성분을 열 분해하는 제 2 공간으로 되어 있는 통 형상의 반응기와,
    장치 본체의 입구 측에 설치되고, 상기 가열 분해실에 수분을 공급하는 수분 공급부와,
    장치 본체의 내주면과 반응기의 외주면 사이의 처리 대상 배기 가스가 공급되는 제 1 공간에 배치된, 전기 히터 또는 상기 제 2 공간의 열을 제 1 공간으로 운반하는 열 교환기의 적어도 어느 한쪽으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 수분 공급부는 장치 본체의 입구 측에 설치되고, 상기 처리 대상 배기 가스를 수세하는 전단 습식 스크러버인 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 수분 공급부는 장치 본체의 입구 측에 설치되고, 장치 본체에 증기를 공급하는 증기 공급 장치인 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응기의 열을 제 1 공간 내로 방출하는 핀이 반응기의 외주면에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응기로부터 배출된 처리 완료 배기 가스를 수세하는 후단 습식 스크러버가 추가로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  6. 처리 대상 배기 가스에 수분을 첨가한 후, 처리 대상 배기 가스 내의 고온 열분해 가스 성분을 전기 히터 또는 열 교환기의 적어도 어느 한쪽으로 예열한 후, 이어서 예열된 상기 고온 분해 가스 성분을 대기압 플라즈마로 분해하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 방법.
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