TWI615543B - 節能型介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置 - Google Patents

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Description

節能型介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置
本發明是有關於一種廢氣處理領域，更詳細而言是有關於一種能夠有效處理含有氮氧化物(NOx)及其他污染物的廢氣的節能型介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置。
隨著工業化的快速發展，滿足人類需求的工業活動以能源基本手段作為基礎。但，隨著能源利用的增加，不僅導致環境污染的發生，並且，污染程度越來越嚴重。佔據能源資源大部分的石油、煤炭、天然氣等化石燃料在燃燒過程中，必然排放大氣污染物質，因此，為了今後的持續發展，人類必須要實現經濟增長與環境保護的協調。
因使用能源帶來的大氣污染，根據波及範圍和對應範圍大致分為局部污染和國際性污染。硫氧化物和氮氧化物等對於酸性雨、動植物的危害範圍比較局部性的，但，二氧化碳、NOx等溫室氣體成為有關地球暖化現象的國際爭議對象。
無節制的以發展為目的的經濟運營，導致國內大都市和 工業區周圍的大氣污染已經達到危及狀態，並且，隨著經濟發展帶來的收益提高，關於防止國內大氣污染、全球關注執行各種規章的地球暖化的方法論的提出和因利用能源的大氣污染物質前景均稱為重要課題。
目前，隨著對於半導體顯示器的需求的增加，越來越廣泛使用氟化物，在此，對於因在處理半導體製程氣體後發生的2次污染物質(NOx)的大量排放的總量規定對應問題和目前處理NOx的技術，主要使用催化方法，但在操作中使用過度能源，從而，需要確保代替技術，因此，需要能夠解決現有問題的代替技術。
【先行技術文獻】 【專利文獻】
(專利文獻1)韓國專利公開10-2011-0065985
本發明要解決的技術問題為，提供一種氮氧化物減排型電漿氧化裝置，在電漿氮氧化物減排裝置的外殼內順次配置燃燒部、濕式處理部及電漿氧化部，以將最終排出口的氮氧化物的形態以NO2限定地排出，從而，能夠有效地處理氮氧化物。
為了解決上述問題，本發明提供一種處理廢氣的節能型 介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置，包括：燃燒部，對於所述廢氣進行燃燒處理；濕式處理部，從所述燃燒部接收燃燒處理的氣體，進行濕式處理；電漿氧化部，投入用於處理通過所述濕式處理部的氣體中包含的氮氧化物的電漿氣體。
所述節能型介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置還可包括外殼，並且，所述燃燒部、所述濕式處理部及所述電漿氧化部可配置於所述外殼內。
所述節能型介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置還可包括主排出管，其用於將已由所述電漿氣體進行處理的所述氮氧化物向所述外殼外部排出，並且，所述電漿氧化部可在所述外殼內與連接於所述主排出管的連接通道連接安裝。
所述電漿氣體可為利用所述電漿氧化部的電漿放電而生成的O3氣體。
所述氮氧化物可以與從所述電漿氧化部生成的O3產生氧化反應，變換為NO2。
所述排出的NO2可以在後續處理製程的濕式處理製程中藉由還原反應被處理。
所述電漿氧化部，可包括：內部電極，其為棒形狀；電介電質，其圍繞所述內部電極；及外部電極，其在所述電介電質外部以線圈形態插入安裝，並且，向所述內部電極與所述外部電極可以施加為產生電漿的交流電源。
所述外部電極表面可以藉由熱噴塗被塗覆。
所述介電質外表面與所述外部的電極外表面可以形成相同的高度。
所述電漿氧化部可以利用介電質阻障放電(Dielectric Barrier Discharge，DBD)而產生電漿。
根據本發明，電漿氮氧化物減排裝置將為處理通過燃燒部及濕式處理部的氣體中包含的氮氧化物而投入電漿氣體的電漿氧化部一同配置於外殼內，從而，能夠在電漿氧化物減排裝置的最終排出口使得氮氧化物形態以NO2限定排出。並且，無需添加另外設備，而釋放由線圈型電極形成的電漿氧化部的介電質阻障放電電漿，對氮氧化物進行處理，從而，能夠節約向設備供應的能源。
此類電漿氧化部，包括內部電極、圍繞內部電極的介電質及在介電質外部以線圈形態插入安裝的外部電極，外部電極表面藉由熱噴塗被塗覆，介電質外面與外部電極外面的高度相同地形成，從而，能夠防止粉塵黏附於電極之間，並能夠解決在介電質與電極之間的間隙出現發熱或發生電弧的問題。
本發明的技術效果並不限定於上述的內容，本發明領域的技術人員藉由下述內容應當理解未提及的其他的技術效果。
300‧‧‧電漿氮氧化物減排裝置
301‧‧‧外殼
310‧‧‧燃燒部
320‧‧‧濕式處理部
330‧‧‧電漿氧化部
331‧‧‧內部電極
332‧‧‧介電質
333‧‧‧外部電極
334‧‧‧介電質外表面
335‧‧‧外部電極外表面
336‧‧‧反應氣體引入口
337‧‧‧電漿氣體排出口
340‧‧‧交流電源供應部
圖1為概略圖示適用本發明的電漿氧化部的氣體淨化系統的附圖。
圖2為表示適用本發明的電漿氧化部的電漿氮氧化物減排裝置的附圖。
圖3為用於說明本發明的電漿氧化部的剖視圖。
圖4為用於說明本發明的電漿氧化部的截面圖。
圖5為用於說明本發明的電漿氧化部的擴大圖。
本發明可進行各種變更，並進行各種實施例，在附圖中示例特定實施例，並在詳細說明中進行詳細的說明。但，應當理解，這並非為了將本發明限定於特定實施形態，而是包括屬於本發明的思想及技術範圍中的所有變換、均等物以及代替物。如在說明本發明時，對於有關公知技術的詳細說明會混淆本發明的要旨時，則省略其詳細說明。
以下，參照附圖詳細說明根據本發明的實施例，並且，在參照附圖說明時，相同或對應的構成要素賦予相同的附圖符號，並省略對其重複說明。
一般而言，氮氧化物因火力發電廠等固定發生源和汽車等移動發生源而發生，在半導體製程中發生的氮氧化物是在向大氣釋放各種有害氣體前安全地進行處理的過程中經過的洗滌器內燃燒過程，因燃燒時的高溫氮和氧產生反應而生成的。
NO向大氣排放，藉由大氣中的O3、O2、水分等而氧化成NO2、NO3、N2O4等，其中大部分為NO2，溶解在空氣中而成懸浮微粒狀態，而成為酸性雨或由太陽光線形成光化學煙霧。其危害很廣泛，對人體主要引發呼吸道疾病，刺激眼睛、引發視覺障礙，或腐蝕金屬材料，對植物生長也產生較大影響。
作為處理在半導體製程中使用的SiH4、NF3等有害氣體的製程，使用熱處理裝置，此類熱處理裝置的種類有燃料式、電暖氣式、電漿式。此類方式在處理過程中，藉由O2、H2O等和N2的反應，發生大量的氮氧化物(NO、NO2)等。尤其，在燃料式和電漿式的情況下，因操作溫度高的特性，在氮氧化物中NO的發生比率較高。
作為又一個發生源，半導體製程中使用的氣體中NH3和NF3，在分解或化學反應過程中，從NH3和NF3分解的氮離子(N+)與大氣中的O2或H2O反應，而大量產生氮氧化物(大部分NO)。
圖1為概略圖示適用本發明的電漿氧化部的氣體淨化系統的附圖；圖2為表示適用本發明的電漿氧化部的電漿氮氧化物減排裝置的附圖。
參照圖1及圖2，用於處理含有氮氧化物的廢氣的氣體淨化系統，包括如下處理過程：將在主處理設備100中使用的廢氣藉由真空泵200向適用電漿氧化部330的電漿氮氧化物減排裝置300引入，引入的廢氣藉由電漿氮氧化物減排裝置300進行處理後，經過後續製程即濕式洗滌器400，藉由風扇500向大氣排放。
在此，適用根據本發明的電漿氧化部330的電漿氮氧化物減排裝置300，可以是為了處理廢氣而通常使用的熱處理裝置即使用點(POU，Point Of Use)洗滌器。以往的POU洗滌器內可包含燃燒部310和濕式處理部320，但根據本發明的電漿氮氧化物減排裝置300，在外殼301內除了燃燒部310和濕式處理部320外，可配置電漿氧化部330，其用於投放用於處理通過濕式處理部320的氣體中包含的氮氧化物的電漿氣體。
如圖2所示，根據本發明的電漿氮氧化物減排裝置300的燃燒部310在上部連接有流入管311，半導體製造等中使用的廢氣藉由該流入管311向外殼301內流入。對向外殼301內流入的廢氣藉由燃燒部310進行燃燒處理，經過燃燒處理的廢氣藉由在燃燒部310下部截面積逐漸變窄地形成的排出管312向濕式處理部320排出。
燃燒部310採用使有害成分的廢氣通過火焰之間而處理廢氣的方式，並且，為了提高燃燒效率，O2及CH4藉由配置於燃燒部310上部的燃燒氣體注入口313被注入。
但，在處理過程中，因O2、H2O等與N2的反應而產生大量的氮氧化物(NO、NO2)等，尤其，在燃燒過程中，因燃燒時操作溫度高的特性，氮氧化物中NO的比率增加。
在燃燒部310處理的廢氣，為了處理2次副產物的沉積、水溶性氣體的溶解及高溫的燃燒氣體的冷卻，通過濕式處理部320。
濕式處理部320為了從燃燒部310接收燃燒處理的氣體並進行濕式處理，可包括第1噴嘴321、第2噴嘴322、濕式水槽323、流量調整裝置324、泵325、供水排管326。
在濕式處理部320，藉由噴嘴321、322的噴霧來吸附及溶解在燃燒部310內產生的水溶性廢氣和二氧化矽(SiO2)粉末等，利用濕式水槽323儲存從燃燒部310及噴嘴321、322排出的處理物質並排出。較佳的是，第1噴嘴321和第2噴嘴322配置於濕式水槽323上部。
第1噴嘴321和第2噴嘴322可以與供水排管326連接，以便從濕式水槽323接收供應的水，並且，在濕式水槽323與供水排管326之間可以安裝有泵325，以便將配置於外殼301內的下部的濕式水槽323的水供應至上部的噴嘴321、322。並且，在濕式水槽323與泵325之間，可配置用於調整噴嘴321、322噴射的水量的流量調整裝置324。
如上述，在濕式處理部320中，濕式水槽323、流量調整裝置324、泵325及供水排管326協力合作，以起到水循環手段的功能，使得固定溫度的水在濕式處理部320內持續循環。
濕式處理部320的後端還可包括主排出管327，用於將處理的廢氣向外殼301外部排出，且向為了後處理製程而設的裝置排出。
主排出管327從外殼301內部向外部延伸而形成，主排出管327中形成於外殼301內部的主排出管327，藉由與主排出管327連接的連接通道328可以與電漿氧化部330連接。即，根據本發明的電漿氧化部330，在電漿氮氧化物減排裝置300的外殼301內，與燃燒部310及濕式處理部320一同配置，而形成一個整體的洗滌器設備。
並且，在電漿氧化部330的下部還可包括向電漿氧化部330施加交流電源的交流電源供應部340。
如上述地，將電漿氧化部330配置於電漿氮氧化物減排裝置300內的最後端即主排出管327，而能夠使最終藉由主排出管327向外殼301外部排出的氮氧化物(NOx)形態以NO2限定排出。
即，在電漿氧化部330藉由電漿放電而生成的O3與在燃燒過程中燃燒時發生的氮氧化物(NOx)發生氧化反應而變換為NO2，變化的NO2藉由主排出管向外殼301外部排出，向外殼301外部排出的NO2藉由後續處理製程即濕式處理製程的還原反應，能夠有效地處理氮氧化物。
圖3為用於說明本發明的電漿氧化部的剖視圖；圖4為用於說明本發明的電漿氧化部的截面圖；圖5為用於說明本發明的電漿氧化部的擴大圖。
參照圖3至圖5，本發明的電漿氧化部330可包括內部電極331、介電質332、外部電極333。
內部電極331可具有內部空的棒形狀，並且，由導電體物質形成，以便電流通過。為電漿放電的放電氣體可藉由內部電極331下部的反應氣體引入口336引入，利用電漿放電而生成的電漿氣體可藉由內部電極331上部的電漿氣體排出口(337)排放。較佳的是，為電漿放電的放電氣體可為O2，利用電漿放電生成的電漿氣體可為O3。
介電質332圍繞內部電極331一端的既定距離至另一端的既定距離，並具有與內部電極331相同的棒形狀。介電質332配置於內部電極331與外部電極333之間，用於防止因施加於電極的高電壓而在電極之間產生的電弧等。
外部電極333可形成以線圈形態形成的線圈型電極結 構，並插入安裝於介電質332外表面。可以將線圈之間的間隔設置為相同間隔而插入，線圈的截面形成使得將線圈插入於介電質332時能夠防止形成在介電質332的凹槽與線圈之間發生間隔，並且，為了使得介電質外表面334和外部電極外表面335的高度相同地配置，而可具有四角形狀。但，對線圈截面的形態可根據使用者進行各種變更。
藉由安裝於電漿氧化部330的下部的交流電源供應部340向內部電極331和外部電極333施加交流電源。例如，可以向內部電極331施加電壓，外部電極333被接地，或更換內部電極331和外部電極333的極性，並且，根據交流電源供應部340可向兩個電極都施加高電壓。即，內部電極331和外部電極333中，可以向某一側施加高電壓(±)，將另一側接地，或內部電極331和外部電極333中某一側施加+電極時，向另一側可施加-電極。
並且，內部電極331和外部電極333為包含金屬的導電性物質，可由耐蝕性較強的鋁(Al)、不銹鋼(STS)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鎢(W)、白金(Pt)中的某一種材質或其合金而形成。較佳的是，可以適用以加工性和耐蝕性較好的鎳為主要成分的哈氏(Hastelloy)合金。
介電質332可適用介電常數較高的氧化物系列的陶瓷即MgO、Al2O3、TiO2、SiO2中的某一種材質。
以線圈形態形成的外部電極333的電極表面可藉由熱噴塗被塗覆，向介電質332外部插入安裝。並且，插入於介電質332的外部電極外表面335與介電質外表面334形成相同高度地配置。
如上述，外部電極333表面藉由熱噴塗被塗覆，並使得外部電極外表面335與介電質外表面334形成相同高度地配置，從而能夠防止粉塵黏附電極之間，並且，能夠解決在介電質332與電極之間的間隙發生的發熱或電弧的問題。
電漿氧化部330可根據使用者以各種大小體現，根據本發明較佳的內部電極331的大小，從一端至另一端的高度為1.5m，介電質332的一端至另一端的高度為1.2m。並且，線圈形態的外部電極333的從線圈開始的一端至線圈末端的另一端的高度為0.95m。線圈和介電質332的厚度，如圖4所示，分別為2mm和7mm。
利用此類線圈型電極結構的介電質阻障放電(Dielectric Barrier Discharge，DBD)電漿裝置，在施加高頻率、高電壓而在兩電極之間發生的電場(Electric field)，附加形成利用法拉第感應定律(Faraday's Law of Induction)的感應電場，而使得電場的強度極大化，由此，顯著降低電力消耗，並產生優良特性的電漿。
如上述，根據本發明的電漿氧化部330，利用介電質阻障放電電漿發生電漿，藉由此類電漿的發生，將O2變換為O3，並藉由連接通道328向主排出管327排放O3。如上述地向主排出管327排出的O3對在主排出管327內部存在的污染物質進行氧化及離子化處理。例如，將NO和CO氧化處理成NO2和CO2，THC被氧化及離子化，HF或粉塵被粗大化。
從而，利用從根據本發明的電漿氧化部330發生的電漿，對在電漿氮氧化物減排裝置300內燃燒過程中發生的氮氧化物與由電漿放電發生的O3進行氧化反應處理，由此，使得能 夠電漿氮氧化物減排裝置300的最終排出口的氮氧化物形態以NO2限定排出。
氮氧化物利用上述的電漿氧化部330被氧化處理的反應機理如下。
NO+O3=>NO2-+O2
藉由電漿氧化部330被氧化處理，並藉由主排出管327以NO2排出的氮氧化物，如圖1所示，在後續處理製程即濕式洗滌器400的濕式處理製程中藉由還原反應被最終處理。並且，濕式洗滌器400除了氮氧化物之外，還處理在前處理過程中離子化的THC的吸收，前處理過程的殘餘O3的還原，HF等。
利用上述的濕式洗滌器400進行還原處理的主要反應機理如下。
NO2+(Na2S+α)=N2+Na2SO4
如上述地，借助於電漿氧化部330的氧化過程和濕式洗滌器400的還原過程，能夠對電漿氮氧化物減排裝置300內的燃燒過程中發生的氮氧化物有效地進行處理。
<實驗例1>
為了評價安裝有本發明的電漿氧化部的設備的氮氧化物處理性能，進行了氮氧化物利用本電漿氧化部的電漿放電轉化為NO2的轉換效率試驗。
表1和表2對安裝有本發明的電漿氧化部的設備進行的試驗資料。
根據本實驗例1的條件，將氧化Stage的電漿O3濃度 設定為40ppm，將基準風量設定為2CMM。空塔速度1m/s，滯留時間2sec條件時，電漿OFF時和電漿ON時的氮氧化物的NO2轉換效率如表1所示，根據時間變化的氧化率實驗結果如表2所示。
Figure TWI615543BD00001
Figure TWI615543BD00002
Figure TWI615543BD00003
由表1和表2可知藉由施加電漿的能源氮氧化物有效地轉換為NO2。
<實驗例2>
在實驗例2，為了評價安裝有本發明的電漿氧化部的設備的氮氧化物處理性能，進行了在連續啟動80分鐘後，氮氧化物利用本電漿氧化部的電漿放電被轉換為NO2的轉換效率試驗。
表3至表6為對安裝有本發明的電漿氧化部的設備進行的實驗例2的試驗資料。
根據本實驗例2的條件，與實驗例1的條件相同地將氧化Stage的電漿O3濃度設定為40ppm，基準風量設定為2CMM，並且，空塔速度設定為1m/s，變更滯留時間，以與實驗例1相 同的方法進行了檢測。
Figure TWI615543BD00004
Figure TWI615543BD00005
Figure TWI615543BD00006
Figure TWI615543BD00007
Figure TWI615543BD00008
如表3至表6所示，從滯留時間0.5~2sec的測定結果可確認均有95%以上的處理效率。
如上述地，電漿氮氧化物減排裝置300，將用於燃燒處理廢氣的燃燒部310、從燃燒部310接收燃燒處理的氣體並進行濕式處理的濕式處理部320及為了處理通過濕式處理部320的氣體中包含的氮氧化物而投入電漿氣體的電漿氧化部330一同配置於外殼301內，從而，能夠在電漿氮氧化物減排裝置300的最終排出口使氮氧化物形態以NO2限定排出。並且，無需添加另外設備，釋放由線圈型電極形成的電漿氧化部330的介電質阻障放電電漿，對氮氧化物進行處理，從而，能夠節約向設備供應的能源。
並且，在本說明書和附圖中公開的本發明的實施例只是為了有助於理解而提示了特定例，而並非限定本發明的範圍。本發明的技術領域的技術人員應當理解除了在此提供的實施例之外，還可實施基於本發明的技術思想的其他變形例。
301‧‧‧外殼
310‧‧‧燃燒部
311‧‧‧流入管
312‧‧‧排出管
313‧‧‧燃燒氣體注入口
320‧‧‧濕式處理部
321‧‧‧第1噴嘴
322‧‧‧第2噴嘴
323‧‧‧濕式水槽
324‧‧‧流量調整裝置
325‧‧‧泵
326‧‧‧供水排管
327‧‧‧主排出管
328‧‧‧連接通道
330‧‧‧電漿氧化部
340‧‧‧交流電源供應部

Claims (10)

  1. 一種節能型介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置，作為處理廢氣的節能型介電質阻障放電(Dielectric Barrier Discharge)電漿氮氧化物減排裝置，其特徵在於，包括：燃燒部，對於所述廢氣進行燃燒處理；濕式處理部，從所述燃燒部接收燃燒處理的氣體，進行濕式處理；電漿氧化部，投入用於處理通過所述濕式處理部的氣體中包含的氮氧化物的電漿氣體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的節能型介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置，還包括外殼，並且，所述燃燒部、所述濕式處理部及所述電漿氧化部配置於所述外殼內。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的節能型介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置，還包括主排出管，用於將已由所述電漿氣體進行處理的所述氮氧化物向所述外殼的外部排出，並且，所述電漿氧化部在所述外殼內與連接於所述主排出管的連接通道連接安裝。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的節能型介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置，其中 所述電漿氣體為藉由所述電漿氧化部的電漿放電而生成的O3氣體。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的節能型介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置，其中所述氮氧化物與從所述電漿氧化部生成的O3產生氧化反應，變換為NO2。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的節能型介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置，其中所述變換的NO2在後續處理製程即濕式處理製程中藉由還原反應被處理。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的節能型介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置，其中所述電漿氧化部，包括：內部電極，為棒形狀；介電質，圍繞所述內部電極；及外部電極，在所述介電質外部以線圈形態插入安裝，並且，向所述內部電極與所述外部電極施加用以產生電漿的交流電源。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的節能型介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置，其中，所述外部電極表面藉由熱噴塗被塗覆。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的節能型介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置，其中所述介電質外表面與所述外部電極外表面形成相同的高度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的節能型介電質阻障放電電漿氮氧化物減排裝置，其中所述電漿氧化部利用介電質阻障放電(Dielectric Barrier Discharge，DBD)而產生電漿。
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