WO2016153096A1 - 난분해성 유해가스 소각처리를 위한 에너지 절약형 연소장치 및 이의 운전방법 - Google Patents

난분해성 유해가스 소각처리를 위한 에너지 절약형 연소장치 및 이의 운전방법 Download PDF

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WO2016153096A1
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porous body
gas
incineration
waste gas
combustion
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이대근
김승곤
노동순
고창복
곽영태
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한국에너지기술연구원
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    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to a combustion apparatus 110 for incineration of hardly decomposable harmful gas and an incineration method using the combustion apparatus 110. More specifically, it is used and discharged in semiconductor and display manufacturing processes
  • PFCs gas commonly used in semiconductor and display fabrication process is the warming potential as a greenhouse gas causing global warming be released into the atmosphere through a suitable treatment plant reaches to several thousands to tens of thousands-fold compared to CO 2.
  • a scrubber which is a gas purifier for discharging and safely removing the hardly decomposable harmful gas, is installed in the exhaust line of the semiconductor facility.
  • These hardly decomposable harmful gases are diluted with concentrations of several hundred to several thousand ppm or less together with nitrogen (N 2 ), which is a working fluid of a vacuum pump used to maintain negative pressure in a process, and then flows into a scrubber.
  • N 2 nitrogen
  • PFCs, SF 6 and NF 3 are combined with fluorine and then decomposed and discharged in the form of fluorine (F 2 ) and hydrofluoric acid (HF). These are also highly toxic explosive gases, which require post-treatment and generally require water. It is discharged after washing reaction by using.
  • F 2 decomposed through the oxidation reaction mainly reacts with the surrounding water or H 2 O, a product after combustion, and is discharged in the form of HF (g) or HF (l).
  • scrubbers for removing semiconductor waste gases in the semiconductor manufacturing process can be classified into three categories.
  • Third, as a direct combustion wet type the waste gas is incinerated through combustion of natural gas or propane, and is also called a burn-wet scrubber by collecting water-soluble gas and particles using water.
  • the semiconductor waste gas is mainly a silicon-containing gas (SiF 4 , SiH 4, etc.) is introduced in large quantities at the same time with the PFCs, when using the wet wet scrubber or burn wet method has a characteristic that a large amount of powder is generated inside the scrubber. .
  • a silicon-containing gas SiF 4 , SiH 4, etc.
  • the powder generated after the combustion of the semiconductor waste gas as described above has a more rigid structure as it gradually deposits thicker with time over the inner wall of the combustion chamber by the attractive force and the frictional force.
  • Combustion incineration uses fossil fuels (eg LNG) and has problems of securing low PFCs' processing efficiency and flame stability (incineration stability) and reducing post-combustion products (eg NOx, CO).
  • Catalytic decomposition has problems of poisoning catalysts due to high concentrations of acid gases (HF, HCL, etc.), increasing operating costs due to short catalyst replacement cycles, and raising system pressures for particle inflow.
  • HF acid gases
  • thermal plasma incineration and electrothermal pyrolysis use electricity as an energy source, consume excessive power energy compared to the processing capacity, and thermal plasma incineration causes frequent replacement due to the absence of durable torch materials. Occurs, and there is a problem that the auxiliary equipment (transformer, etc.) due to the power increase when the high capacity is processed, and the electrolysis method has a short replacement cycle due to the heating element durability problem (electric heater etching), difficult to heat high temperature above 1600 °C there is a problem.
  • the scrubber 1 for processing semiconductor waste gas 1 includes a plurality of waste gas inlets 112 connected to a semiconductor manufacturing process line, a burner 5 connected to the waste gas inlet 112, and the burner 5.
  • Combustion apparatus 110 coupled to the water tank tank 4 is coupled to the lower end of the combustion apparatus 110 to collect and precipitate the powder produced in the combustion apparatus 110 in water, and the combustion apparatus 110 And a wet tower (3) for treating the fine powder and the water-soluble gas that have passed through the combustion apparatus (110) with water by being combined together with the tank (4).
  • the combustion device 110 and the wet tower 3 may be connected to each other by a separate connection pipe, the discharge pipe is formed on the upper portion of the wet tower (3).
  • the scrubber system 1 for processing semiconductor waste gas is supplied with various kinds of waste gases from the semiconductor manufacturing process line through the waste gas inlet 112.
  • the waste gas supplied through the waste gas inlet 112 is supplied to the combustion device 110 through the burner 5.
  • the waste gas inside the combustion device 110 is burned by the burner 5, and a large amount of hydrofluoric acid, fluorine, and powder are generated by the combustion.
  • the relatively heavy powder falls down by gravity, and the dropped powder is precipitated in water in the lower tank 4.
  • the relatively light fine powder that does not fall into the tank tank (4) is moved to the wet tower (3) through a connection pipe connected between the combustion device 110 and the wet tower (3).
  • the fine powder moved to the wet tower 3 is collected by the water again in the wet tower 3, and the collected fine powder falls back to the water tank 4 and is precipitated in water.
  • the purified waste gas passing through the wet tower 3 is discharged to the atmosphere through the discharge pipe.
  • the waste gas in order to incinerate the waste gas, it must be oxidized at a high temperature of at least 1,600 ° C. (CF 4 case) or higher, and as mentioned above, the waste gas is diluted with more than 99% of an inert gas (mostly N 2 ) to a scrubber. Since it is injected into and incinerated, there is a problem that the inert gas that is not necessary to be treated has to be heated, and thus, there is a problem that the energy utilization efficiency is very low as well as the treatment efficiency.
  • an inert gas mostly N 2
  • fuel and oxidant are burned through a nozzle attached to a combustion device 110 existing inside a scrubber through a fuel inlet 111 and an oxidant inlet 113. After being supplied to the device 110, it is ignited to form a nozzle-attached flame, and the waste gas is introduced into the combustion device 110 through a separate additional waste gas inlet 112.
  • Figure 2 shows a schematic diagram of the waste gas and the flame generated a conventional rotary flow.
  • Figure 3 shows a schematic diagram of the flame sprayed to deviate from the flow of the conventional waste gas
  • Figure 4 shows the flame picture of FIG.
  • the waste gas introduced into the combustion device 110 is heated and oxidized while flowing side by side or at an angle with the flame.
  • FIG. 3 the mixing of the hot flame and the waste gas is slowed down so that a swirl, i.e., a rotating flow is generated (mixing enhancement mode) for the purpose of promoting the mixing, or as shown in Figs.
  • a method cross-flow method in which the injection direction of the fuel and oxidant nozzles is displaced from the flow direction of the waste gas so that the waste gas strikes the high-temperature flame may be used.
  • Patent Document 0001 Republic of Korea Registered Patent No. 0750406
  • Patent Document 0002 Republic of Korea Registered Patent No. 0623368
  • Patent Document 0003 Republic of Korea Patent Publication No. 2013-0086925
  • Patent Document 0004 Republic of Korea Patent Publication No. 2005-0044309
  • Patent Document 0005 Republic of Korea Patent Publication No. 2005-0113159
  • the present invention has been made to solve the conventional problems as described above, in the combustion device 110 for incineration of hardly decomposable harmful gas can achieve high efficiency and high energy utilization efficiency, It is an object of the present invention to provide a combustion apparatus 110 and an incineration method using the combustion apparatus 110 for incineration of a hardly decomposable harmful gas which minimizes and allows all waste gases to sufficiently reach a high temperature at which it can be decomposed. do.
  • an object of the present invention is to provide a combustion apparatus 110 for incineration of hardly decomposable noxious gases which can easily achieve high temperature combustion of excess enthalpy and an incineration method using the combustion apparatus 110.
  • An object of the present invention is to provide an incineration method using the apparatus 110 and the combustion apparatus 110 thereof.
  • the flame surface 143 is not formed to form the flame surface 143 inside the porous body in order to effectively form the space, and a portion of the porous body moves to secure a space for forming the flame surface 143.
  • An object of the present invention is a combustion device (110) provided in a scrubber system (1) for incineration of waste gas, wherein the combustion device (110) is provided with a first porous body (141), a second porous body (142), and the inside.
  • An igniter for forming the flame surface 143 wherein the flame surface 143 formed by the igniter is disposed between the first porous body 141 and the second porous body 142, the flame surface ( At least one of the first porous body 141 and the second porous body 142 to move to form a 143 to produce an excess enthalpy flame, combustion apparatus 110 for incineration of difficult-decomposable noxious gas Can be achieved as
  • the combustion device 110 has a combustion device 111, a waste gas inlet 112, and an oxidant inlet 113 is formed at one end, the discharge port 150 in which the waste gas incinerated waste gas is discharged at the other end It may be characterized in that formed.
  • one end of the combustion device 111, the waste gas inlet 112, and the oxidant inlet 113 is the upper portion in the combustion device 110, the other end formed with the outlet 150 for exhaust gas discharge is lower It may be characterized by.
  • a pre-mixer for mixing the fuel introduced through the combustion device 111, the waste gas introduced through the waste gas inlet 112, and the oxidant introduced through the oxidant inlet 113 to produce a mixed gas. It may be characterized in that it further comprises.
  • the separator may be further provided between the premixer and the porous combustor 110 to uniformly introduce the gas mixed in the premixer into the porous combustor 110.
  • first porous body 141 and the second porous body 142 may be introduced to the stop of the combustion device 110.
  • the first porous body 141 and the second porous body 142 may be configured to be in contact with all inner walls of the combustion apparatus 110, so that the mixed gas passes through the porous body.
  • the mixed gas may be in contact with the first porous body 141, the flame surface 143 and the second porous body 142 in order, the first porous body that the mixed gas is first contacted (
  • the pore size of the second porous body 142 may be larger than the pore size of 141.
  • an interval between the first porous body 141 and the second porous body 142 may increase in an ignition step for forming the flame surface 143. It may further comprise means for measuring the temperature of the flame surface 143 of the ignition step. If the measured temperature of the flame surface 143 is greater than or equal to a predetermined temperature, the distance between the first porous body 141 and the second porous body 142 may decrease.
  • first porous body 141 and the second porous body 142 may be composed of at least one of a ceramic honeycomb, a ceramic foam, and a ceramic ball bed.
  • the oxidant introduced through the oxidant inlet may be characterized in that the oxygen or air.
  • the incoming waste gas may be characterized by including a hardly decomposable noxious gas discharged from a semiconductor or display manufacturing process and an inert gas for diluting the noxious gas.
  • another object of the present invention is a scrubber system (1), characterized in that it comprises the combustion device (110).
  • the fuel, waste gas, oxidant is introduced into the combustion device 110, respectively It can be characterized as including five additional steps.
  • the introduced fuel, waste gas, oxidant may further include a mixing step of preparing a mixed gas by introducing a pre-mixer, after the mixing step, between the pre-mixer and the first porous body 141
  • the mixing gas may further include a step in which the mixed gas is uniformly introduced into the first porous body 141 through the distributor.
  • the introduced fuel, waste gas, oxidant may be characterized in that it comprises the step of contacting the first porous body 141, the flame surface 143, and the second porous body 142 in the order.
  • the temperature of the flame surface 143 when the temperature of the flame surface 143 is lowered while the introduced fuel, waste gas, and oxidant pass through the flame surface 143, further comprising the step of blocking the inflow of fuel, waste gas, oxidant, Increasing the distance between the first porous body and the second porous body in a blocked state; Forming a flame surface (143) further with an igniter existing between the first porous body (141) and the second porous body (142); Measuring the temperature of the flame surface (143); If the temperature of the flame surface 143 is greater than or equal to a predetermined temperature, the step of reducing the interval between the first porous body 141 and the second porous body 142; may be further characterized.
  • a combustor for incineration of hardly decomposable harmful gas in the design of a combustor for incineration of hardly decomposable harmful gas, it is possible to achieve high processing efficiency and high energy utilization efficiency, and all waste gases can be decomposed while minimizing fuel consumption. It has the effect of being able to reach a high enough temperature.
  • thermal recirculation is generated by conduction and radiant heat transfer of the porous body itself, and ultimately has an effect of easily achieving excess enthalpy combustion. .
  • waste gas excessively diluted with an inert gas is mixed with fuel and an oxidant, and then supplied into the porous body to be incinerated, so that internal combustion can be reached by conventional combustion technology. Since it is incinerated by a very high temperature flame, it is possible to improve the treatment efficiency of the waste gas, and because it can be treated with only a small amount of fuel, it has the effect of improving the energy utilization efficiency.
  • the porous body is moved in order to effectively form the flame at the beginning.
  • the flame surface 143 is formed in the porous body, it takes a long time until the temperature is stabilized and the efficiency is reduced. Therefore, in the present study, the flame surface 143 is not formed to form the flame surface 143 inside the porous body in order to effectively form the space, and a portion of the porous body moves to secure a space for forming the flame surface 143. In this case, sufficient space for forming the flame surface 143 is secured to have the effect of efficiently forming the flame surface 143 within a short time.
  • FIG. 1 is a front view of a scrubber system 1 for treating waste gas in the related art.
  • Figure 2 is a schematic diagram of the waste gas and the flame generated a conventional rotational flow
  • Figure 3 is a schematic diagram of the flame sprayed to deviate from the flow of the conventional waste gas
  • FIG. 4 is a flame picture of FIG. 3
  • FIG 5 is a flow chart of a waste gas treatment method using a combustion apparatus 110 for incineration of indigestible harmful gas according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing a theoretical temperature (enthalpy) of waste gas flowing through a conventional combustion apparatus 110 and a temperature (enthalpy) of waste gas flowing through a combustion apparatus 110 according to an embodiment of the present invention. will be.
  • first porous body 142 second porous body 150: discharge port
  • Figure 3 shows a flow chart of the waste gas treatment method using the combustion device 110 for the incineration of difficult-decomposable harmful gas according to an embodiment of the present invention.
  • 6 illustrates an operation step of the combustion device 110 for incineration of the hardly decomposable noxious gas according to the first embodiment of the present invention.
  • the combustion apparatus 110 for incineration of the hardly decomposable noxious gas includes a combustion apparatus 111, a waste gas inlet unit, and an oxidant inlet unit at one end.
  • the other end includes a discharge port 150 through which the waste gas incinerated waste gas is discharged, and includes a first porous body 141, a second porous body 142, and a flame surface 143 at the stop portion.
  • the second porous body 142 is moved to increase the distance between the first porous body 141 and the second porous body 142. As the distance between the first porous body 141 and the second porous body 142 increases, a space for forming the flame surface 143 is secured, and sufficient air is supplied to form the flame surface 143 so that the flame surface ( 143) can be efficiently formed within a short time.
  • the second porous body 142 is moved to the first porous body 141 again for incineration treatment, so that the first porous body 141 and The spacing of the second porous body 142 is reduced.
  • the premixer includes a premixer in which the fuel introduced through the combustion device 111, the waste gas introduced through the waste gas inlet unit, and the oxidant introduced through the oxidant inlet unit 113 are mixed.
  • the mixed gas is introduced into the porous combustor.
  • Combustion apparatus 110 for incineration of the hardly decomposable noxious gas according to the first embodiment of the present invention is provided with a distributor between the premixer and the ceramic porous body combustion apparatus 110, the gas mixed in the premixer It is possible to uniformly flow into the ceramic porous body combustor.
  • the porous body combustion apparatus 110 is composed of a ceramic porous body having pores of a specific size, such a ceramic porous body is configured to be in contact with all the inner wall of the stop side of the combustion device 110, which is introduced from the distributor All premixed gases are configured to pass through the porous body.
  • a flame is formed on the center surface in the thickness direction of the porous body.
  • the ceramic porous body constituting the combustion device 110 is preferably composed of at least one of a ceramic honeycomb, a ceramic foam, and a ceramic ball bed.
  • the combustion apparatus 110 for incineration of the hardly decomposable harmful gas of the present invention may include a heat insulating layer for insulating the outer wall of the combustor body.
  • the waste gas introduced through the waste gas inlet includes a hardly decomposable harmful gas discharged from a semiconductor or display manufacturing process and an inert gas for diluting the harmful gas.
  • the combustion device 111 formed on one end of the combustor body, waste gas inlet, oxidant Fuel, waste gas, and oxidant are introduced into the premixer provided in the combustor body through the inlet 113.
  • the oxidant flowing through the oxidant inlet is preferably oxygen for high temperature reactions, but because it can achieve thermal recirculation and excess enthalpy combustion, in some cases the amount of inert gas to which the hardly degradable noxious gas is diluted is relatively high.
  • LNG, LPG was used as the fuel flowing through the combustion device 111.
  • the premixer premixes the introduced waste gas, fuel, and oxidant.
  • a premixer may be integrated with the porous combustion apparatus 110, or may be combined into an independent device.
  • the gas mixed in the premixer is uniformly introduced into the porous body combustor 110. All of the premixed gas passes through the ceramic porous body combustor composed of the porous body provided in the combustor body 110, and the waste gas is incinerated by the flame formed in the ceramic porous body combustion device 110.
  • Porous combustion apparatus 110 composed of a porous body is the core configuration of the present invention, as mentioned above, the first porous body 141 and the second porous body (141) in the ignition step for forming the flame surface 143 ( 142 increases the spacing, if the flame surface 143 is formed and the temperature of the flame surface 143 is more than a predetermined temperature, the interval between the first porous body 141 and the second porous body 142 is reduced to incineration Will be implemented.
  • FIG. 7 is a graph showing a theoretical temperature (enthalpy) of waste gas flowing through a conventional combustion apparatus 110 and a temperature (enthalpy) of waste gas flowing through a combustion apparatus 110 according to an embodiment of the present invention.
  • the maximum temperature a fuel and oxidant can achieve by burning when there is no heat loss to the outside is called adiabatic flame temperature, which is heated from hot combustion gas to cold unburned gas.
  • adiabatic flame temperature which is heated from hot combustion gas to cold unburned gas.
  • high temperatures above the single flame temperature can be achieved, which is referred to as excess enthalpy combustion.
  • thermal recycling is generated by conduction and radiative heat transfer of the porous body itself and ultimately Excess enthalpy combustion can be easily achieved.
  • the incineration of hardly decomposable harmful gas if the waste gas excessively diluted with an inert gas is mixed with fuel and an oxidant, and then fed into the porous body for incineration, the ultra-high temperature which cannot be reached by conventional combustion technology by internal heat recycling is incinerated. Incineration by the flame can improve the treatment efficiency of the waste gas and can also be processed with a small amount of fuel, thereby improving the energy use efficiency. That is, for example, about 50LPM LNG is usually required to process about 200LPM hardly decomposable harmful gas, but the same amount of harmful gas is used when the apparatus equipped with the ceramic porous body combustor according to an embodiment of the present invention is used. It will take about 20LPM LNG to process.

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Abstract

본 발명은 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110) 및 이를 이용한 소각방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 폐가스를 소각시키기 위한 스크러버 시스템(1)에 구비되는 연소장치(110)에 있어서, 상기 연소장치(110)는 제1 다공체(141), 제2 다공체(142) 및 내부에 화염면(143)을 형성시키기 위한 점화기를 포함하고, 상기 점화기는 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142) 사이에 배치되어 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142) 사이에 화염면(143)이 형성되고, 상기 화염면(143)을 형성시키기 위하여 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142) 중 적어도 하나가 이동하여 두 다공체가 맞닿아 2단 다공체 연소를 통해 초과 엔탈피 화염을 생성하는 특징을 갖는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)에 관한 것이다.

Description

난분해성 유해가스 소각처리를 위한 에너지 절약형 연소장치 및 이의 운전방법
본 발명은 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110) 및 그 연소장치(110)를 이용한 소각방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 반도체 및 디스플레이 제조공정에 사용되고 배출
되는 난분해성 처리가스(PFCs 계열 (CF4, C2F6, C2F4, SF6) 및 NF3) 및 화학공정에서 배출되는 여타 다양한 난분해성 유해가스를 소각시키기 위한 시스템에 구비되는 연소장치(110)에 관한 것이다.
반도체 및 디스플레이 제조공정에서 많이 사용되는 PFCs 가스는 지구온난화를 유발하는 온실가스로서 온난화지수가 CO2 대비 수천 내지 수만 배에 달하여 적절한 처리설비를 거쳐 대기 중으로 방출해야한다.
일반적으로, 반도체 제조 공정에서 웨이퍼 상에 박막을 형성하거나 또는 식각을 위해 사용되는 다양한 종류의 반응가스는 폭발성, 맹독성, 질식성으로 그대로 대기 중에 방출할 경우 인체에 유해할 뿐만 아니라 지구 온난화 및 환경 오염을 유발시키게 된다. 이에 따라, 반도체 설비의 배기 라인에는 난분해성 유해가스를 안전하게 분해 제거한 후 대기 중으로 배출시키기 위한 가스정화장치인 스크러버가 설치된다. 이들 난분해성 유해가스는 공정 내 음압을 유지하기 위해 사용되는 진공펌프의 작동유체인 질소(N2)와 함께 수백 내지 수천 ppm이하의 농도로 희석된 후 스크러버로 유입되게 된다. 이하에서는 난분해성 유해가스를 불활성 가스로 희석된 상태를 폐가스라고 정의하도록 한다.
난분해성인 PFCs, SF6, NF3, CF4의 경우 1600도, SF6는 1200도, NF3는 800도 이상의 온도에서 열분해 된다고 알려져 있다.
PFCs, SF6, NF3는 불소와 결합된 형태로 분해 처리 후 불소(F2) 및 불산(HF)의 형태로 배출되게 되는데 이들 역시 맹독성 폭발성의 가스로서 후 처리가 반드시 필요하며 일반적으로 물을 이용하여 세정 반응시킨 후 배출한다.
CF4(g) + O2(g) --> CO2(g) + 2F2(g)
SF6(g) + O2(g) --> SO2 + 3F2(g)
2NF3(g) + O2(g) --> 2NO + 3F2(g)
2F2 + 2H2O --> 4HF + O2
산화반응을 통해 분해된 F2는 주로 주변의 수분이나 연소 후 생성물인 H2O와 반응하여 HF(g) 또는 HF(l)형태로 배출된다.
이와 같이 반도체 제조 공정중 반도체 폐가스를 제거하는 스크러버는 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 첫째, 간접 산화 습식형으로서, 유도가열 또는 전기히터 가열 방식을 이용하여 폐가스를 산화시킨 다음 물을 이용한 후처리로 산화 후 생성된 입자나 수용성 가스들을 처리하는 방식으로 힛웨트 스크러버(heat-wet scrubber)라고도 한다. 둘째, 습식형으로서, 물을 이용하여 폐가스 내에 포함된 수용성 가스를 처리한 후 배출하는 방식으로 웨트 스크러버(wet scrubber)라고도 한다. 셋째, 직접 연소 습식형으로서, 폐가스를 천연가스나 프로판 연소를 통하여 소각시킨 후 물을 이용해서 수용성 가스 및 입자를 포집하는 방법으로 번웨트 스크러버(burn-wet scrubber)라고도 한다.
또한, 상기 반도체 폐가스는 주로 실리콘을 포함한 가스(SiF4, SiH4 등)가 PFCs와 동시에 다량 유입되는데 상기 힛웨트 스크러버 또는 번웨트 방법을 이용하였을 경우 스크러버 내부에서 다량의 파우더가 생성되는 특성이 있다. 이러한 파우더 생성 화학식의 일례를 나타내면 아래와 같다.
SiH4(가스)+2O2 --> SiO2(파우더)+2H2O
그런데, 이와 같이 반도체 폐가스의 연소 후 생성되는 파우더는 인력과 마찰력에 의해 통상 연소 챔버의 내벽에 시간이 지남에 따라 점차 두껍게 침적되면서 더욱 단단한 구조를 갖는다.
이러한 스크러버에 의한 폐가스의 처리방법으로는 현재 연소소각법, 촉매분해법, 열 프라즈마 소각법, 전기분해법 등이 존재한다.
연소 소각법은 화석연료(예를 들어 LNG)를 사용하며 낮은 PFCs의 처리효율과 화염안정성(소각 처리 안정성) 확보 문제 및 연소 후 생성물(예를 들어, NOx, CO) 저감의 문제점이 있다.
촉매분해법은 고농도 산성가스(HF, HCL 등)에 의한 촉매 피독문제, 짧은 촉매 교체 주기로 인한 운영 비용 가중의 문제, 입자유입에 대한 시스템 압력 상승의 문제점이 존재한다.
또한, 열플라즈마 소각법과 전기 열분해법은 전기를 에너지원으로 사용하며, 처리용량 대비 과다한 전력에너지가 소비되며, 열 플라즈마 소각법은 내구성 토치소재 부재로 인한 잦은 교체가 발생되며, 다량의 열적 NOx가 발생하고, 고용량 처리 시 전력증대에 따른 부대설비(변압기 등)가 대형화되게 되는 문제점이 있으며, 전기 분해법은 발열체 내구성문제(전기 히터 식각)로 인한 짧은 교체주기를 갖고, 1600℃ 이상 고온 가열이 어려운 문제가 있다.
도 1은 종래의 폐가스 처리용 스크러버 시스템(1)을 간략하게 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 폐가스 처리용 스크러버(1)는 반도체 제조 공정 라인에 연결된 다수의 폐가스 유입구(112)와, 상기 폐가스 유입구(112)에 연결된 버너(5)와, 상기 버너(5)에 결합된 연소장치(110)와, 상기 연소장치(110)의 하단에 결합되어 연소장치(110)에서 생성되는 파우더가 물에 포집 및 침전되도록 하는 수조탱크(4)와, 상기 연소장치(110) 및 수조탱크(4)에 함께 결합됨으로써, 연소장치(110)를 통과한 미세 파우더와 수용성 가스를 물로 처리하는 습식타워(3)를 포함한다. 여기서, 상기 연소장치(110)와 습식타워(3)는 별도의 연결관으로 상호 연결될 수 있으며, 상기 습식타워(3)의 상부에는 배출관이 형성되어 있다.
이러한 반도체 폐가스 처리용 스크러버 시스템(1)은 상기 폐가스 유입구(112)을 통하여 반도체 제조 공정 라인으로부터 다양한 종류의 폐가스가 공급된다. 이와 같이 폐가스 유입구(112)을 통하여 공급된 폐가스는 버너(5)를 통하여 연소장치(110)에 공급된다. 상기 연소장치(110) 내측의 폐가스는 상기 버너(5)에 의해 연소되며, 이러한 연소에 의해 다량의 불산, 불소 및 파우더가 생성된다. 상기와 같은 파우더중 비교적 무거운 파우더는 중력에 의해 하부로 낙하되며, 낙하된 파우더는 하부의 수조탱크(4)에서 물에 침전된다. 한편, 상기 수조탱크(4)로 낙하하지 않은 비교적 가벼운 미세 파우더는 연소장치(110)와 습식타워(3) 사이에 연결된 연결관을 통해 습식타워(3)로 이동한다. 이와 같이 습식타워(3)로 이동된 미세 파우더는 상기 습식타워(3)에서 다시 한번 물에 의해 포집되며, 포집된 미세파우더는 상기 수조탱크(4)로 다시 낙하되어 물에 침전된다. 물론, 상기 습식타워(3)를 통과한 정화된 폐가스는 배출관을 통하여 대기 중으로 배출된다.
이와 같이, 폐가스를 소각하기 위해서는 최고 1,600℃ (CF4 경우) 이상의 고온에서 산화시켜야 하며, 앞서 언급한 바와 같이, 폐가스는 난분해성 유해가스를 99%이상의 불활성 가스(대부분 N2)로 희석되어 스크러버에 투입되어 소각되므로, 처리가 불필요한 불활성 가스도 가열해야하는 문제점을 가지고 있으며, 이로 인해 처리 효율뿐만 아니라 에너지 이용 효율도 매우 낮은 문제점이 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 대부분의 종래 기술에서는 연료와 산화제 (산소)가 연료유입구(111), 산화제 유입구(113)를 통해 스크러버 내부에 존재하는 연소장치(110)에 부착된 노즐을 통해 연소장치(110)에 공급되도록 한 후, 점화시켜서 노즐 부착 화염(nozzle-attached flame)을 형성하고, 폐가스는 별도의 추가적인 폐가스 유입구(112)를 통해 연소장치(110) 내부로 투입 된다.
도 2는 종래 회전유동을 발생시킨 폐가스와 화염의 모식도를 도시한 것이다. 그리고, 도 3은 종래 폐가스의 유동과 어긋나게 분사되는 화염의 모식도를 도시한 것이고, 도 4는 도 3의 화염 사진을 도시한 것이다.
연소장치(110)에 투입된 폐가스는 화염과 나란히 또는 비스듬하게 흐르면 서 가열 및 산화되게 되는데, 연료와 산화제 노즐의 분사 각도에 따라 결정되는 화염의 길이 방향과 폐가스의 유동방향이 나란할 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 고온의 화염과 폐가스의 혼합이 느려지므로 혼합을 증진시키기 위한 목적으로 스월(swirl), 즉 회전하는 유동을 발생시키거나(혼합 증진 방식), 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 폐가스가 고온의 화염을 치고 나갈 수 있도록 연료 및 산화제 노즐의 분사 방향을 폐가스의 유동방향과 어긋나게 하는 방법(Cross-flow 방식)을 사용하게 된다.
그러나, 도 2의 경우 충분한 스월을 주더라도 유한한 크기의 연소실 내에서 연소가스와 폐가스가 충분히 혼합되기 어려우며, 일반적으로 폐가스의 유량이 연소가스의 유량보다 크므로 폐가스의 큰 운동량(momentum)이 화염을 불안정하게 하거나 심지어 소화에 이르게 하여 처리효율이 저하되는 문제점이 발생하게된다. 이때 안정된 화염을 형성시키고, 그에 따른 처리효율을 높이기 위해서는 연료 및 산화제의 추가 사용이 필요하며 이는 비효율적으로 에너지가 이용되는 문제점을 초래한다.
또한 도 3 및 4의 경우에도 뒤집힌 원뿔의 사면 형태로 형성된 화염들이 닫힌 원뿐의 사면을 형성하지 못하고 폐가스의 운동량에 의해 열린 모양을 갖게 되므로 폐가스가 고온의 화염대를 거치지 못하고 빠져나가서 분해 효율이 저하되는 문제점을 초래한다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 0001) 대한민국 등록특허 제0750406호
(특허문헌 0002) 대한민국 등록특허 제0623368호
(특허문헌 0003) 대한민국 공개특허 제2013-0086925호
(특허문헌 0004) 대한민국 공개특허 제2005-0044309호
(특허문헌 0005) 대한민국 공개특허 제2005-0113159호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 난분해성 유해가스의 소각 처리를 위한 연소장치(110)에 있어서 높은 효율과 동시에 높은 에너지 이용 효율을 달성할 수 있고, 연료 사용량은 최소로 하면서도 모든 폐가스가 그것이 분해될 수 있는 고온까지 충분히 도달할 수 있도록 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110) 및 그 연소장치(110)를 이용한 소각방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 에너지 이용 효율을 증가시키고 고온의 화염을 형성시키기 위한 목적으로 열 교환기와 같은 추가 장치를 사용하지 않고 다공체 내부에서 연소가 이루어지도록 함으로써 다공체 자체의 전도 및 복사 열전달에 의해 열 재순환이 발생하게 되고 궁극적으로 초과 엔탈피의 고온 연소를 용이하게 달성할 수 있는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110) 및 그 연소장치(110)를 이용한 소각방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 난분해성 유해가스를 소각 처리하는데 있어서, 불활성 가스(주로 N2)로 과다 희석된 폐가스를 연료 및 산화제와 혼합한 후 다공체 내부로 공급하여 소각시키게 됨으로써, 내부 열 재순환에 의해 통상적인 연소기술로는 도달할 수 없는 초고온의 화염에 의해 소각되므로 폐가스의 처리 효율을 향상시킬 수 있으며 더불어 적은 양의 연료만으로도 처리가 가능하므로 에너지 이용 효율 또한 향상시킬 수 있는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110) 및 그 연소장치(110)를 이용한 소각방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 초기에 화염을 효과적으로 형성시키기 위하여 다공체 중의 일부가 이동하는 것을 특징으로 한다. 다공체 내에서 화염면(143)을 형성시킬 경우 온도가 안정화되기 전까지 시간이 오래 걸리고 효율이 감소되는 문제점이 발생하였다. 따라서 본 연구에서는 화염면(143)은 효과적으로 형성시키기 위하여 다공체 내부에서 화염면(143)을 형성시키는 것이 아니라, 다공체가 일부가 이동하여 화염면(143)을 형성시키는 공간을 확보하게 된다. 이럴 경우, 화염면(143)을 형성하기 위한 충분한 공기가 확보되어 화염면(143)을 단시간내에 효율적으로 형성시킬 수 있는 것을 목적으로 한다.
아울러 연소장치(110)가 구동되면서 화염면(143)의 온도가 감소되어 연소장치(110)의 효율이 감소하는 경우, 화염면(143)의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 다공체의 일부가 이동하면, 화염면(143)의 공간이 증대되어 화염면(143)을 형성하기 위한 충분한 공기가 확보되고 화염면(143)의 온도가 일정하게 유지되어 연소장치(110)의 효율이 증가되는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 목적은, 폐가스를 소각시키기 위한 스크러버 시스템(1)에 구비되는 연소장치(110)에 있어서, 상기 연소장치(110)는 제1 다공체(141), 제2 다공체(142) 및 내부에 화염면(143)을 형성시키기 위한 점화기를 포함하고, 상기 점화기에 의해서 형성된 상기 화염면(143)은 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142) 사이에 배치되고, 상기 화염면(143)을 형성시키기 위하여 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142) 중 적어도 하나가 이동하여 초과엔탈피 화염을 생성시키는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)로서 달성되어 질 수 있다.
또한, 상기 연소장치(110)는 일단에 연소장치(111), 폐가스유입부(112), 및 산화제유입부(113)가 형성되고, 타단에 폐가스가 소각된 배출가스가 배출되는 배출구(150)가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
아울러, 연소장치(111), 폐가스유입부(112), 및 산화제유입부(113)가 형성된 일단은 연소장치(110)에 상부이고, 배출가스가 배출되는 배출구(150)가 형성된 타단은 하부인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 연소장치(111)를 통해 유입되는 연료, 상기 폐가스유입부(112)를 통해 유입되는 폐가스, 및 상기 산화제유입부(113)를 통해 유입되는 산화제를 혼합하여 혼합기체를 제조하는 예혼합기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 예혼합기와 상기 다공체 연소장치(110) 사이에 구비되어, 상기 예혼합기에서 혼합된 기체를 균일하게 상기 다공체 연소장치(110)로 유입시키는 분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)는 상기 연소장치(110)의 중단부에 도입되는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)는 연소장치(110) 내부의 모든 내벽에 접하여 구성되어, 상기 혼합기체가 상기 다공체를 통과하도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 혼합기체가 상기 제1 다공체(141), 상기 화염면(143) 및 상기 제2 다공체(142)를 순서로 접하는 것을 특징으로 할 수 있고, 혼합기체가 먼저 접하게 되는 상기 제1 다공체(141)의 기공크기 보다 상기 제2 다공체(142)의 기공크기가 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 화염면(143)을 형성시키기 위한 점화단계에서 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)의 간격이 증가하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 점화단계의 상기 화염면(143)의 온도를 측정하기 위한 수단을 추가로 포함할 수 있다. 측정된 화염면(143)의 온도가 소정의 온도 이상이면 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)의 간격이 감소할 수 있다.
아울러, 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)는 세라믹 허니컴, 세라믹 폼 및 세라믹 볼 베드 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 산화제 유입구를 통해 유입되는 산화제는 산소 또는 공기인 것을 특징으로 할 수 있다. 유입되는 폐가스는 반도체 또는 디스플레이 제조공정에서 배출되는 난분해성 유해가스 및 상기 유해가스를 희석시키기 위한 불활성 가스를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
아울러, 본 발명은 다른 목적은 상기 연소장치(110)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크러버 시스템(1)이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 폐가스를 소각시키기 위한 스크러버 시스템(1)에 구비되는 연소장치(110)를 이용한 폐가스 처리 방법에 있어서, 연소장치(110)를 구동하기 위하여 연소장치(110)의 중단부에 포함된 제1 다공체(141) 및 제2 다공체(142)의 간격을 증가하는 제1단계; 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)의 사이에 존재하는 점화기에 의해 화염면(143)을 형성하는 제2단계; 상기 화염면(143)의 온도를 측정하는 제3단계; 상기 화염면(143)의 온도가 소정의 온도 이상이면 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)의 간격을 감소시키는 제4단계;를 포함하여 초과 엔탈피 연소를 수행하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)를 이용한 폐가스 처리 방법으로서 달성될 수 있다.
또한, 연소장치(110) 일단에 형성된 연소장치(111), 폐가스유입부(112), 및 산화제유입부(113)를 통해 각각 연료, 폐가스, 산화제가 상기 연소장치(110) 내부로 유입되는 제5단계를 추가로 포함한느 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 유입된 연료, 폐가스, 산화제를 예혼합기로 도입되어 혼합기체가 제조되는 혼합단계를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 혼합단계 이후에, 상기 예혼합기와 상기 제1 다공체(141) 사이에 구비된 분배기를 상기 혼합기체가 통과하여 상기 제1 다공체(141)로 혼합기체가 균일하게 유입되는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 유입된 연료, 폐가스, 산화제가 제1 다공체(141), 화염면(143), 및 제2 다공체(142) 순서로 접하는 단계를 포함하는 것을 특징할 수 있다.
아울러, 상기 유입된 연료, 폐가스, 산화제가 상기 화염면(143)을 통과하면서 상기 화염면(143)의 온도가 저하되는 경우, 연료, 폐가스, 산화제의 유입을 차단하는 단계를 추가로 포함하며, 차단된 상태에서 상기 제1 다공체(141) 및 제2 다공체(142)의 간격이 증가시키는 단계; 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)의 사이에 존재하는 점화기로 추가로 화염면(143)을 형성하는 단계; 상기 화염면(143)의 온도를 측정하는 단계; 상기 화염면(143)의 온도가 소정의 온도 이상이면 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)의 간격을 감소시키는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 난분해성 유해가스의 소각 처리를 위한 연소기 설계에 있어서 높은 처리 효율과 동시에 높은 에너지 이용 효율을 달성할 수 있고, 연료 사용량은 최소로 하면서도 모든 폐가스가 그것이 분해될 수 있는 고온까지 충분히 도달할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
또한, 열 교환기와 같은 추가 장치를 사용하지 않고 다공체 내부에서 연소가 이루어지도록 하면 다공체 자체의 전도 및 복사 열전달에 의해 열재순환이 발생하게 되고 궁극적으로 초과 엔탈피 연소를 용이하게 달성할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고, 난분해성 유해가스를 소각 처리하는데 있어서, 불활성 가스로 과다 희석된 폐가스를 연료 및 산화제와 혼합한 후 다공체 내부로 공급하여 소각시키게 됨으로써, 내부 열 재순환에 의해 통상적인 연소기술로는 도달할 수 없는 초고온의 화염에 의해 소각되므로 폐가스의 처리 효율을 향상시킬 수 있으며 더불어 적은 양의 연료만으로도 처리가 가능하므로 에너지 이용 효율 또한 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 초기에 화염을 효과적으로 형성시키기 위하여 다공체 중의 일부가 이동하는 것을 특징으로 한다. 다공체 내에서 화염면(143)을 형성시킬 경우 온도가 안정화되기 전까지 시간이 오래 걸리고 효율이 감소되는 문제점이 발생하였다. 따라서 본 연구에서는 화염면(143)은 효과적으로 형성시키기 위하여 다공체 내부에서 화염면(143)을 형성시키는 것이 아니라, 다공체가 일부가 이동하여 화염면(143)을 형성시키는 공간을 확보하게 된다. 이럴 경우, 화염면(143)을 형성하기 위한 충분한 공간이 확보되어 화염면(143)을 단시간내에 효율적으로 형성시킬 수 있는 효과를 갖는다.
아울러 연소장치(110)가 구동되면서 화염면(143)의 온도가 감소되어 연소장치(110)의 효율이 감소하는 경우, 화염면(143)의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 다공체의 일부가 이동하면, 화염면(143)의 공간이 증대되어 화염면(143)을 형성하기 위한 충분한 공간이 확보되고 화염면(143)의 온도가 일정하게 유지되어 연소장치(110)의 효율이 증가되는 효과를 갖는다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
도 1은 종래 폐가스 처리용 스크러버 시스템(1)의 정면도
도 2는 종래 회전유동을 발생시킨 폐가스와 화염의 모식도
도 3은 종래 폐가스의 유동과 어긋나게 분사되는 화염의 모식도
도 4는 도 3의 화염 사진
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110) 이용한 폐가스 처리 방법의 흐름도
도 6은 본 발명의 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)의 작동 방법
도 7은 종래 연소장치(110)를 유동하는 폐가스의 이론상 온도(엔탈피)와, 본 발명의 일실시예에 따른 연소장치(110)를 유동하는 폐가스의 온도(엔탈피)를 도시한 그래프를 도시한 것이다.
<부호의 설명>
1: 스크러버 시스켐 2: 화염 3: 습식타워
4: 수조탱크 5: 버너 110: 연소장치
111: 연료유입부 112: 폐가스유입부 113: 산화제유입부
141: 제1 다공체 142: 제2 다공체 150: 배출구
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 스크러버 시스템(1)에 구비되는, 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)의 구성 및 그 연소장치(110)를 이용한 폐가스 처리 방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)를 이용한 폐가스 처리 방법의 흐름도를 도시한 것이다. 또한, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)의 작동 단계를 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)는, 일단에 연소장치(111), 폐가스유입부, 및 산화제유입부를 포함하고, 타단에 폐가스가 소각된 배출가스가 배출되는 배출구(150)를 포함하고, 중단부에 제1 다공체(141), 제2 다공체(142) 및 화염면(143)을 포함한다.
상기 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)는, 연료, 폐가스, 및 산화제가 투입되기 전에 먼저 제1 다공체(141), 및 제2 다공체(142) 사이에 화염면(143)을 형성시키는 것을 특징으로 한다. 화염을 효과적으로 형성시키기 위하여 제2 다공체(142)가 이동하여, 제1 다공체(141) 및 제2 다공체(142)의 간격이 증가하게 된다. 제1 다공체(141) 및 제2 다공체(142)의 간격이 증가됨에 따라, 화염면(143)을 형성시키는 공간을 확보되어, 화염면(143)을 형성하기 위한 충분한 공기가 공급되어 화염면(143)을 단시간내에 효율적으로 형성시킬 수 있게 된다. 이 때 형성된 화염면(143)의 온도를 측정하여, 소정의 온도 이상으로 측정되면 소각처리를 하기 위하여 제2 다공체(142)가 다시 제1 다공체(141) 쪽으로 이동하여 제1 다공체(141) 및 제2 다공체(142)의 간격이 감소하게 된다.
또한, 화염면(143)이 제1 다공체(141) 및 제2 다공체(142) 사이에 형성되면, 본 발명의 제1실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)는, 상기 연소장치(111)를 통해 유입되는 연료와, 상기 폐가스유입부를 통해 유입되는 폐가스와, 상기 산화제유입부(113)를 통해 유입되는 산화제가 혼합되는 예혼합기를 포함하여, 상기 예혼합기에 의해 혼합된 기체가 상기 다공체 연소기로 유입되게 된다.
본 발명의 제1실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)는, 예혼합기와 상기 세라믹 다공체 연소장치(110) 사이에 분배기를 구비되어, 상기 예혼합기에서 혼합된 기체를 균일하게 상기 세라믹 다공체 연소기로 유입시킬 수 있게 된다.
또한, 다공체 연소장치(110)는, 특정크기의 기공을 갖는 세라믹 다공체로 구성되며, 이러한 세라믹 다공체는 상기 연소장치(110)의 중단부 측의 모든 내벽에 접할 수 있도록 구성되어, 분배기에서 유입되는 모든 예혼합 기체가 상기 다공체를 통과할 수 있도록 구성된다. 또한, 이러한 다공체의 두께방향 중심면 상에 화염이 형성되게 된다.
그리고, 이러한 연소장치(110)를 구성하는 세라믹 다공체는 세라믹 허니컴, 세라믹 폼 및 세라믹 볼 베드 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)는, 연소기 몸체의 외벽을 단열시키기 위한 단열층을 포함할 수 있다.
그리고, 앞서 설명한 바와 같이, 폐가스 유입구를 통해 유입되는 폐가스는 반도체 또는 디스플레이 제조공정에서 배출되는 난분해성 유해가스와 상기 유해가스를 희석시키기 위한 불활성 기체를 포함하게 된다.
먼저 전체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)를 이용한 폐가스 처리방법은, 연소기 몸체 일단에 형성된 연소장치(111)와, 폐가스유입부와, 산화제유입부(113)를 통해 연료, 폐가스, 산화제가 상기 연소기 몸체 내부에 구비된 예혼합기로 유입되게 된다. 산화제 유입구를 통해 유입되는 산화제는 고온반응을 위해 산소를 사용하는 것이 바람직하나, 열재순환 및 초과엔탈피 연소를 달성할 수 있기 때문에, 경우에 따라 난분해성 유해가스가 희석되는 불활성 가스의 양이 상대적으로 적은 경우, 즉 난분해성유해가스의 농도가 높은 경우에는 산소 대신 공기를 산화제로 사용함으로써 산소 소요 비용을 절감하는 것도 가능하다. 또한, 본 발명의 일실시예에서, 연소장치(111)를 통해 유입되는 연료로 LNG, LPG를 사용하였다.
그리고, 예혼합기는, 유입된 폐가스, 연료, 산화제를 예혼합하게 된다. 또한, 이러한 예혼합기는 다공체 연소장치(110)와 일체형으로 구성될 수도 있고, 독립적인 장치로 결합될 수도 있다.
그리고, 예혼합기와 세라믹 다공체 연소기 사이에 구비된 분배기에 의해, 상기 예혼합기에서 혼합된 기체가 균일하게 상기 다공체 연소장치(110)로 유입되게 된다. 예혼합된 기체 모두가, 연소기 몸체(110) 내부에 구비된 다공체로 구성된 세라믹 다공체 연소기를 통과하면서, 세라믹 다공체 연소장치(110) 내부에 형성된 화염에 의해 폐가스가 소각되게 된다.
다공체로 구성된 다공체 연소장치(110)는 본 발명의 핵심적인 구성으로, 앞서 언급한 바와 같이, 상기 화염면(143)을 형성시키기 위한 점화단계에서 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)의 간격이 증가되고, 화염면(143)이 형성되고 상기 화염면(143)의 온도가 소정 온도 이상이면 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)의 간격이 감소하여 소각을 실시하게 된다.
상기 제1 다공체(141), 화염면(143) 및 상기 제2 다공체(142)를 예혼합된 모든 기체가 통과하게 되어, 다공체 내 초과 엔탈피 연소를 이용한 에너지 집중화가 가능하게 된다.
도 7은 종래 연소장치(110)를 유동하는 폐가스의 이론상 온도(엔탈피)와, 본 발명의 일실시예에 따른 연소장치(110)를 유동하는 폐가스의 온도(엔탈피)를 도시한 그래프를 도시한 것이다. 외부로의 열 손실이 없을 때 주어진 조건의 연료와 산화제가 연소하여 도달할 수 있는 최대 온도를 단일 화염 온도(adiabatic flame temperature)라 하는데, 이때 고온의 연소가스로부터 차가운 미연가스 (unburned gas)로 열 재순환이 주어지면 단일화염 온도 이상의 고온을 달성할 수 있으며 이때를 초과 엔탈피 연소라 한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 열 재순환을 위해 열 교환기와 같은 추가 장치를 사용하지 않고, 세라믹 다공체 내부에서 연소가 이루어지도록 하면, 다공체 자체의 전도 및 복사 열전달에 의해 열 재순환이 발생하게 되고 궁극적으로 초과엔탈피 연소를 용이하게 달성할 수 있게 된다.
따라서 난분해성 유해가스를 소각 처리하는데 있어서, 불활성 가스로 과다 희석된 폐가스를 연료 및 산화제와 혼합한 후 다공체 내부로 공급하여 소각시킨다면 내부 열 재순환에 의해 통상적인 연소기술로는 도달할 수 없는 초고온의 화염에 의해 소각되므로 폐가스의 처리 효율을 향상시킬 수 있으며 더불어 적은 양의 연료 만으로도 처리가 가능하므로 에너지 이용 효율 또한 향상시킬 수 있게 된다. 즉, 예를 들어, 약 200LPM정도의 난분해성 유해가스를 처리하는데 통상 약 50LPM 정도의 LNG가 소요되나, 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 다공체 연소기를 구비장치를 이용하게 되면 동일한 양의 유해가스를 처리하기 위해 약 20LPM 정도의 LNG가 소요되게 된다.
이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에 서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연한것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (23)

  1. 폐가스를 소각시키기 위한 스크러버 시스템(1)에 구비되는 연소장치(110)에 있어서, 상기 연소장치(110)는 제1 다공체(141), 제2 다공체(142) 및 내부에 화염면(143)을 형성시키기 위한 점화기를 포함하고, 상기 점화기에 의해서 형성된 상기 화염면(143)은 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142) 사이에 배치되고, 상기 화염면(143)을 형성시키기 위하여 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142) 중 적어도 하나가 이동하여 초과엔탈피 연소를 수행하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연소장치(110)는 일단에 연소장치(111), 폐가스유입부(112), 및 산화제유입부(113)가 형성되고, 타단에 폐가스가 소각된 배출가스가 배출되는 배출구(150)가 형성된 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110).
  3. 제2항에 있어서,
    연소장치(111), 폐가스유입부(112), 및 산화제유입부(113)가 형성된 일단은 연소장치(110)에 상부이고, 배출가스가 배출되는 배출구(150)가 형성된 타단은 하부인 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연소장치(111)를 통해 유입되는 연료, 상기 폐가스유입부(112)를 통해 유입되는 폐가스, 및 상기 산화제유입부(113)를 통해 유입되는 산화제를 혼합하여 혼합기체를 제조하는 예혼합기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 예혼합기와 상기 다공체 사이에 구비되어, 상기 예혼합기에서 혼합된 기체를 균일하게 상기 다공체 연소장치(110)로 유입시키는 분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110).
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)는 상기 연소장치(110)의 중단부에 도입되는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)는 연소장치(110) 내부의 모든 내벽에 접하여 구성되어, 상기 혼합기체가 상기 다공체를 통과하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 혼합기체가 상기 제1 다공체(141), 상기 화염면(143) 및 상기 제2 다공체(142)를 순서로 접하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110).
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다공체(141)의 기공크기 보다 상기 제2 다공체(142)의 기공크기가 큰 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110).
  10. 제1항에 있어서,
    상기 화염면(143)을 형성시키기 위한 점화단계에서 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)의 간격이 증가하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 점화단계의 상기 화염면(143)의 온도를 측정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110).
  12. 제11항에 있어서,
    상기 화염면(143)의 온도가 소정의 온도 이상이면 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)의 간격이 감소하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110).
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)는 세라믹 허니컴, 세라믹 폼 및 세라믹 볼 베드 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110).
  14. 제4항에 있어서,
    상기 산화제 유입구를 통해 유입되는 산화제는 산소 또는 공기인 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110).
  15. 제4항에 있어서,
    상기 폐가스는 반도체 또는 디스플레이 제조공정에서 배출되는 난분해성 유해가스 및 상기 유해가스를 희석시키기 위한 불활성 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110).
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 연소장치(110)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크러버 시스템(1)
  17. 폐가스를 소각시키기 위한 스크러버 시스템(1)에 구비되는 연소장치(110)를 이용한 폐가스 처리 방법에 있어서,
    연소장치(110)를 구동하기 위하여 연소장치(110)의 중단부에 포함된 제1 다공체(141) 및 제2 다공체(142)의 간격을 증가하는 제1단계;
    상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)의 사이에 존재하는 점화기에 의해 화염면(143)을 형성하는 제2단계;
    상기 화염면(143)의 온도를 측정하는 제3단계; 및
    상기 화염면(143)의 온도가 소정의 온도 이상이면 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)의 간격을 감소시키는 제4단계;를 포함하여 초과 엔탈피 화염을 생성시키는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)를 이용한 폐가스 처리 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    연소장치(110) 일단에 형성된 연소장치(111), 폐가스유입부(112), 및 산화제유입부(113)를 통해 각각 연료, 폐가스, 산화제가 상기 연소장치(110) 내부로 유입되는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)를 이용한 폐가스 처리 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 유입된 연료, 폐가스, 산화제를 예혼합기로 도입되어 혼합기체가 제조되는 혼합단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)를 이용한 폐가스 처리 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 혼합단계 이후에, 상기 예혼합기와 상기 제1 다공체(141) 사이에 구비된 분배기를 상기 혼합기체가 통과하여 상기 제1 다공체(141)로 혼합기체가 균일하게 유입되는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)를 이용한 폐가스 처리 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 유입된 연료, 폐가스, 산화제가 제1 다공체(141), 화염면(143), 및 제2 다공체(142) 순서로 접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)를 이용한 폐가스 처리 방법
  22. 제21항에 있어서,
    상기 유입된 연료, 폐가스, 산화제가 상기 화염면(143)을 통과하면서 상기 화염면(143)의 온도가 저하되는 경우, 연료, 폐가스, 산화제의 유입을 차단하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)를 이용한 폐가스 처리 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 연료, 폐가스, 산화제의 유입을 차단한 상태에서 상기 제1 다공체(141) 및 제2 다공체(142)의 간격이 증가되는 단계; 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)의 사이에 존재하는 점화기로 추가로 화염면(143)을 형성하는 단계; 상기 화염면(143)의 온도를 측정하는 단계; 상기 화염면(143)의 온도가 소정의 온도 이상이면 상기 제1 다공체(141) 및 상기 제2 다공체(142)의 간격을 감소시키는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유해가스의 소각처리를 위한 연소장치(110)를 이용한 폐가스 처리 방법.
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