JP2012531571A - 廃ガスに含まれたアンモニアを除去するためのガススクラバー - Google Patents

Abstract

【課題】 廃ガスに含まれたアンモニアまたはアンモニアと水素の混合物を廃水の発生なしに熱分解及び燃焼処理する。
【解決手段】 本発明によるガススクラバーは、アンモニアを含む廃ガスを加熱し、廃ガスに含まれたアンモニアの一部または全部を窒素と水素に分解させる熱分解部と、前記熱分解部を通過した廃ガスに空気を注入して燃焼させる燃焼部とを含む。本発明によれば、廃ガスに含まれたアンモニアまたはアンモニアと水素の混合物を、廃水を発生することなく、熱分解及び燃焼処理することができ、アンモニアの燃焼処理時に発生する燃焼部の熱エネルギーを容易に熱分解部に熱交換することができる効果がある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガススクラバーに関し、より詳細には、半導体、ＬＥＤ、ＬＣＤ及び／または太陽電池の製造工程時に発生するアンモニアを含む廃ガスを熱分解及び燃焼方式で完全に処理し、廃水の発生なしに無害ガスを大気に排出させることができるようにするガススクラバーに関する。

一般的に、半導体、ＬＥＤ、ＬＣＤ及び／または太陽電池などは、水素（Ｈ₂）グループなどのガスと、モノシラン、ジシランなどのシラン（ＳｉＨ₄）系ガス及びアンモニア（ＮＨ₃）などを利用して高温で製造されるものである。このような製造工程時に、水素グループ、シラン系ガス及びアンモニアなどが燃焼しながら発生する発火性ガスとこれに含有された有毒ガスなどの廃ガスが大気に濾過なしに排出されることによって、人体及び大気汚染に相当な悪影響を及ぼす問題点が提起されている。これにより、このような発火性ガス及び有毒ガスなどの廃ガスを処理するために、従来、多様な形態の処理方法が提供された。

前述した処理方法として代表的なものとして、乾式または湿式スクラバーなどを利用する方法がある。また、必要に応じて、前記スクラバーの前または後に別途のフィルタまたは吸着層などを具備することによって、処理効率を増加させることができる。

特に、スクラバーの一例として、ガススクラバーは、通常、プレーウェット（pre-wet）、ヒーター（heater）またはバーナー（Burner）、及びメインウェット（main wet）で構成され、前記プレーウェットにおいて水によくとけるアンモニアを溶解させて除去し、アンモニアが除去された廃ガスをヒーターまたはバーナーに供給し、廃ガスに含まれた水素及びシランなどを熱分解処理する。

しかし、前述したガススクラバーの場合、プレーウェットにおいてアンモニアが水に溶解されて処理されるので、２次的な汚染物である廃水を処理するための別途の装置または工程を必要とするという問題点がある。

一方、廃ガスを処理するための他の一例として、バーニング方式と吸着方式を混合したガススクラバーを具備した後、引き込み管を通じてバーニング装置のバーニングチャンバの内部に排気ガスを吐出させる段階と、高温の熱（５００乃至８００℃）を提供するヒーターの間に排気ガスを通過させて発火性ガスを燃焼させる段階と、燃焼されない有毒ガスを吸着装置に吐出させる段階と、有毒ガスを吸着装置の吸着剤に通過させて物理または化学吸着で浄化させる方法があるが、これも、吸着装置に吸着された有毒ガスなどを別途に処理しなければならないという問題点がある。

このような一例として、 大韓民国特許公開第２００３−００６４１５７号には、活性炭と分子篩を吸着剤として同時に使用して中・低濃度、低流量で発生する硫化水素及びアンモニアを同時に除去する小規模のガススクラバーが開示されており、 大韓民国特許公開第２００４−００７０７５３号には、半導体生産装備から排出される廃ガスを浄化させた後、大気に放出する工程で、有害ガスが排出されることを防止した半導体工程用ガス洗浄装置としてガススクラバーが開示されている。

しかし、前述の従来技術は、廃ガスに含まれたアンモニアを除去するために、水または吸着剤を利用するものであって、追加的な２次汚染源が発生することを防止することができないという問題点がある。

これより、アンモニアなどを含む廃ガスを処理するための方法として、追加的な別途の処理工程を必要としない燃焼方法を考慮することができ、この場合、廃ガスに含まれたアンモニアの燃焼温度が重要な変数になることができる。

特に、前記アンモニアの燃焼温度は、通常、約１，１００℃以上であるところ、このような燃焼温度を満たすために、燃焼のための反応器の温度を１，１００℃以上に維持するためのエネルギーを持続的に消費しなければならない。

一方、前記アンモニアは、７００乃至１０００℃の温度、好ましくは、７５０乃至９５０℃の温度範囲で窒素及び水素に転換されることができるので、前記アンモニアが窒素及び水素に転換される転換率は、温度に比例するようになる。

したがって、アンモニアを燃焼させて除去する場合、燃焼熱によって一部のアンモニアが窒素及び水素に転換される熱分解がともに発生することができ、このような熱分解に起因して発生した水素が燃焼時に爆発し、反応器の温度を持続的に上昇させる問題点がある。

また、高熱に維持される反応器で行われる熱分解時において、水素に起因して急激に温度が上昇する場合、これを適切に制御しなければ、装置が爆発したり、誤作動するため、未処理の廃ガスが外部に排出されるような問題を発生させることができる。

さらに、廃ガスに含まれたアンモニアを燃焼する反応器の温度を、アンモニアが燃焼され得る約１，１００℃以上に維持するためにバーナーを使用する場合、燃焼火炎から発生する窒素酸化物（Ｔｈｅｒｍａｌ ＮＯｘ）などが発生し、追加的な大気汚染が発生することができるという問題点がある。

本発明の目的は、廃ガスに含まれたアンモニアまたはアンモニアと水素の混合物を廃水の発生なしに熱分解及び燃焼処理することにある。

本発明は、前述の問題点を解決するためになされたもので、本発明によるガススクラバーは、アンモニアを含む廃ガスを加熱し、廃ガスに含まれたアンモニアの一部または全部を窒素と水素に分解させる熱分解部と、前記熱分解部を通過した廃ガスに空気を注入して燃焼させる燃焼部とを含む。

特に、本発明は、アンモニアを窒素と水素に分解する熱分解部、及び分解された水素に空気を供給して燃焼させる燃焼部を二重管の内側管及び外側管に各々具備することによって、燃焼部で燃焼される燃焼熱を熱分解部で必要とする熱エネルギーとして活用することができるようにする。

ここで、前記アンモニアを窒素及び水素に分解させるための熱分解部の加熱温度は、７００乃至１，０００℃であり、前記燃焼部の燃焼温度は、９００乃至１，２００℃である。

本発明は、廃ガスに含まれたアンモニアまたはアンモニアと水素の混合物を廃水発生なしに熱分解及び燃焼処理することができるという効果がある。

また、本発明は、アンモニアの燃焼処理時に発生する燃焼部の熱エネルギーを容易に熱分解部に熱交換することができるという効果がある。

特に、本発明は、アンモニアを熱分解した後に燃焼させることによって、燃焼のためのアンモニアの量を初期に減少させて、燃焼時に発生する窒素酸化物の発生量を減少させることができるという効果がある。

本発明によるガススクラバーの構成図である。

以下、添付の図面を参照して本発明について詳しく説明する。しかし、下記の説明は、ただ本発明を詳細に説明するためのものであって、下記説明によって本発明の範囲を限定するものではない。

図１は、本発明によるガススクラバーの構成を示す図である。
図１に示されたように、本発明によるガススクラバーは、アンモニアまたはアンモニアと水素の混合物を含む廃ガスを加熱し、廃ガスに含まれたアンモニアの一部または全部を窒素と水素に分解させる熱分解部６と、前記熱分解部６を通過した廃ガスに空気を注入して燃焼させる燃焼部８とを備える。

ここで、前記ガススクラバーは、燃焼部８の一側に連設され、燃焼部８を通過しながら処理された廃ガスに水を供給して、廃ガスの温度を減少させる湿式スクラバー（図示せず）をさらに備えることができる。

本発明によるガススクラバーは、半導体、ＬＥＤ、ＬＣＤ及び／または太陽電池の製造工程時に発生するアンモニア、水素、モノシランなどを含む廃ガスを処理するための装置なら、いずれの装置でも本発明のガススクラバーに該当するが、好ましくは、廃ガスに含まれたアンモニアまたはアンモニアと水素の混合物を熱分解した後に燃焼させて処理することができる装置、より好ましくは、廃ガスに含まれたアンモニアまたはアンモニアと水素の混合物を熱分解した後に燃焼させて処理し、その後、湿式方式や空冷式または水冷式冷却手段、特定的には、熱交換機などを通じて温度を減少させて処理したガス、すなわち無害な処理ガスを大気に排出させることができるように構成された装置を意味する。

ここで、前記廃ガスは、ＬＥＤ、ＬＣＤ及び／または太陽電池の製造工程によって発生したアンモニアが単独で含まれて排出されるか、または、アンモニア及び水素の両方ともを含む状態で排出されることができ、前記アンモニアは、熱分解部６の熱分解時に窒素及び水素に転換され、燃焼部８の燃焼時に、水、窒素及び窒素酸化物の一部に転換されて処理される。

本発明による熱分解部６は、アンモニアまたはアンモニアと水素の混合物を含む廃ガスを加熱し、例えば、７００乃至１，０００℃に加熱し、廃ガスに含まれたアンモニアの一部または全部を窒素及び水素に転換するためのものであって、このような目的のための通常的な熱分解部６なら特に限定されない。

この際、前記熱分解部６は、無酸素条件で運転され、熱分解時に、アンモニアが還元されながら発生した水素が燃焼されないようにし、前記熱分解部６の高熱、例えば７００℃以上の高熱で耐えることができる材質なら、その材質は特に限定されないが、好ましくは、ＳＴＳ３１０Ｓまたはインコネル材質を使用することがよろしい。

また、前記熱分解部６の温度に比例してアンモニアが窒素及び水素に転換される転換率が増加する。

特定的に、前記熱分解部６の外周面には、熱分解部６を加熱することができる加熱手段１６が連設されることができる。

本発明による燃焼部８は、前記熱分解部６に連設され、熱分解部６を通過した廃ガスに空気を注入して燃焼させるためのものであって、このような目的のための燃焼部８なら特に限定されない。

特に、前記燃焼部８は、９００乃至１，２００℃の温度範囲で廃ガス、好ましくは、廃ガスに含まれたアンモニアを燃焼させる。したがって、前記燃焼部８は、前述の高熱に耐えることができる材質、好ましくは、ＳＴＳ３１０Ｓまたはインコネル材質よりなることがよろしい。

特定の様態として、前述の構成を有する本発明によるガススクラバーは、 アンモニアまたはアンモニアと水素の混合物を含む廃ガスが流入される流入口２と；前記流入口２に連設されると同時に、一方の管が他方の管の内部に挿入される二重管の形態で構成され、前記二重管の外側管にアンモニアを含む廃ガスが移動し、アンモニアが窒素及び水素に転換される熱分解部６と、当該内側管に前記アンモニアが窒素及び水素に転換された廃ガスが流入され、燃焼しながら移動する燃焼部８とを備える反応器１８と； 前記燃焼部８の一側に連設され、外部の空気が燃焼部８の内部に流入されるようにする空気注入部１０と；前記空気注入部１０と隣り合うように連設され、熱分解部６の外側管から流入されるアンモニアが窒素及び水素に転換された廃ガスと空気が互いに接触することを防止する遮断部１２と；前記反応器１８の外周面に連設され、反応器１８の外側管を加熱する加熱手段１６と；前記燃焼部８の一側に設けられ、燃焼された廃ガスが排出される排出口４と；を含めて構成されることができる。

本発明による流入口２は、アンモニアまたはアンモニアと水素の混合物を含む廃ガスが流入される。

本発明による反応器１８は、廃ガスに含まれたアンモニアを処理するための場所を提供するものであって、一方の管が他方の管の内部に挿入された二重管の形態で構成され、前記二重管の外側管にアンモニアを含む廃ガスが移動し、アンモニアが窒素及び水素に転換される熱分解部６と、当該内側管にアンモニア、窒素及び水素を含む廃ガスが流入され、燃焼しながら移動する燃焼部８とで構成されている。

ここで、前記熱分解部６は、アンモニアまたはアンモニアと水素の混合物を含む廃ガスを７００乃至１，０００℃に加熱し、廃ガスに含まれたアンモニアの一部または全部を還元させて窒素及び水素に転換される。

また、前記燃焼部８は、前記熱分解部６を通過した廃ガスに空気を注入し、９００乃至１，２００℃の温度範囲で廃ガスに含まれたアンモニアを燃焼させて処理する。

この際、前記熱分解部６及び燃焼部８は、各々二重管形状の反応器１８の外側管及び内側管に各々設けられ、燃焼部８の燃焼熱が内側管を通じて熱分解部６に熱伝逹されることができる。

一方、前記熱分解部６及び燃焼部８を構成する二重管は、高熱、例えば７００乃至１，２００℃の高熱に耐えることができる材質なら、いずれの材質でも構わないが、好ましくは、ＳＴＳ３１０Ｓまたはインコネル材質よりなることが良い。

本発明による空気注入部１０は、燃焼部８で行われるアンモニア及び水素ガスなどの燃焼のために提供されるものであって、このような目的のための当業界の通常的な空気注入部１０なら特に限定されない。

本発明による遮断部１２は、前記熱分解部６から排出される水素、特定的には、アンモニアが転換された水素及び／または初期廃ガスに含まれた水素が燃焼部８に流入される初期に空気と接触し、燃焼、特定的には、爆発することを防止するためのものであって、このような目的のための遮断部１２なら特に限定されないが、好ましくは、燃焼部８の空気注入部１０と隣り合うように連設されることが良い。

特に、前記遮断部１２は、二重管の形態よりなる反応器１８の外側管（熱分解部）から流入される廃ガスと空気の接触を遮断するために、前記二重管の長さ方向に沿って燃焼部８の上部の一側から一定の長さだけ垂直に形成されることがよろしい。

必要によって、本発明によるガススクラバーの燃焼部８の一側には、窒素を注入するための窒素注入口１４をさらに備えることができる。

ここで、前記窒素注入口１４は、廃ガスに含まれた水素が燃焼、特定的には、爆発しながら発生する反応熱に起因して熱分解部６内部の温度が急激に上昇することを防止するために、前記窒素注入口１４に不活性ガスとしての窒素を注入し、水素を含む廃ガスの水素濃度を減少させるためのものである。

本発明による加熱手段１６は、前記反応器１８の外周面に連設され、反応器１８の外側管、すなわち熱分解部６を加熱、好ましくはアンモニアを熱分解し得る温度、例えば７００乃至１，０００℃の温度に加熱するためのものであって、このような目的のための当業界の通常的な加熱手段１６なら特に限定されない。

特定的に、本発明によるガススクラバーは、前記燃焼部８に設けられる空気注入部１０と隣り合うようにバッフル２０をさらに備えることができる。

この際、前記バッフル(baffle)２０は、空気注入口１０と隣り合うように設置され、空気注入口１０を通じて反応器１８の燃焼部８に流入される空気が局地的に噴射されず、燃焼部８に均一に噴射されるようにするものであって、このような目的のための当業界の通常的なバッフル２０ならいずれのものを使用しても関系ない。

特定的に、本発明によるガススクラバーの排出口１４の一側には、排出口１４を通じて排出される廃ガスを冷却させるための冷却手段（図示せず）、例えば、湿式スクラバーや空冷式または水冷式熱交換機などの冷却手段が設けられ、排出口１４から排出される廃ガスを冷却させて大気に排出することができる。

この際、前記湿式スクラバー及び空冷式または水冷式熱交換機は、当業界において通常的に使用される湿式スクラバー及び熱交換機なら特に限定されない。

以下では、このような構成を有する本発明によるガススクラバーの作用を説明する。
まず、半導体、ＬＥＤ、ＬＣＤ及び／または太陽電池の製造工程時に発生するアンモニアまたはアンモニアと水素の混合物を含む廃ガスが流入口２に流入され、二重管の形態よりなる反応器１８の外側管、すなわち熱分解部６に流入される。

この際、前記熱分解部６は、加熱手段１６によって７００乃至１，０００℃に加熱され、廃ガスに含まれたアンモニアの一部または全部を窒素及び水素に転換させる。

次に、前記窒素及び水素に転換されたガスを含む廃ガスは、二重管の形態よりなる反応器１８の内側管、すなわち燃焼部８に流入される。

この際、燃焼部８に流入された廃ガスに空気注入部１０を通じて空気を注入し、水素を爆発させることによって、９００乃至１，２００℃の温度でアンモニアを燃焼処理する。

次に、燃焼処理された廃ガスは、前記燃焼部８に一側に設けられた排出口４に排出される。

ここで、前記排出口４の一側に湿式スクラバーや水冷式または空冷式熱交換機などの冷却手段を設置し、高温の廃ガスを冷却排出することができる。

（実施例）
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。しかし、下記の実施例は、ただ本発明を詳細に説明するためのものであって、これらの実施例によって本発明の範囲を限定するものではない。

（実施例１乃至実施例５）
図１に示されたように、１２５Ａの直径を有するＳＵＳ３１０Ｓ材質の管内に１００Ａの直径を有するインコネル(Inconel)材質の管を位置させて、二重管の形態で反応器を製造した後、前記反応器の外周面に加熱手段としてヒーター［セラミックモールドヒーター］を設置し、前記反応器の外側に位置する管、すなわち外側管の内部温度を７００乃至１，０００℃に調節することができるようにした。

次に、二重管の外側管の内部に、処理ガスとしてアンモニアガスを注入し、その内部の温度を７５０乃至１，０００℃に変化させながら、アンモニアを窒素と水素に熱分解した。

次に、前記熱分解されたガスを二重管の内側に位置する管、すなわち内側管に流入させた。

この際、前記内側管に流入される熱分解ガスに空気をともに噴射し、熱分解ガスに含まれた水素ガスを爆発させてアンモニアを燃焼させた。

次に、燃焼されたガスは、後段に連設される湿式スクラバー［ＫＯＣＡＴ、韓国］を利用して冷却排出した。

次に、流入されるアンモニアガス及び排出される燃焼ガスのアンモニア濃度をＦＴ−ＩＲ（ＭＩＤＡＣ）で測定し、前記内側管及び外側管の内部温度をサーモカップルを利用して測定した。

その処理条件及び結果を表１に示した。

表１から明らかなように、実施例１乃至実施例５の熱分解部の温度が増加するほどアンモニアの除去率がともに増加し、ＮＯの発生量が減少することが分かった。

この際、実施例１の除去率は、９９．４％であり、これを除いたすべての実施例において、除去率は９９．９％であった。

（実施例６乃至実施例１０）
表２に記載されたように、流入ガスとしてアンモニア及び水素をともに供給することを除いて、実施例１乃至実施例５と同一の方法で行った。

その処理条件及び結果を表２に示した。

表２から明らかなように、実施例６乃至実施例１０の熱分解部の温度が増加するほどアンモニアの除去率がともに増加し、ＮＯの発生量が減少することが分かった。

この際、すべての実施例において、除去率は９９．９％であった。

（比較例１乃至比較例５）
二重管形状の反応器の代わりに、１２５Ａの直径を有するインコネル材質の管を反応器として単独で使用し、反応器の入口に処理ガスとともに空気を注入することを除いて、実施例１乃至実施例５と同一の方法で行った。

その処理条件及び結果を表３に示した。

表３から明らかなように、比較例１乃至比較例５の熱分解部の温度が増加するほどアンモニアの除去率がともに増加したが、アンモニア除去率は６５乃至７８％であった。

（比較例６乃至比較例１０）
表４に記載されたように、流入ガスとしてアンモニア及び水素をともに供給することを除いて、比較例１乃至比較例５と同一の方法で行った。

その処理条件及び結果を表４に示した。

表４から明らかなように、比較例６乃至比較例１０の熱分解部の温度が増加するほどアンモニアの除去率がともに増加したが、アンモニア除去率は９９％以上であった。

比較例１乃至比較例１０から明らかなように、廃ガスにアンモニアのみ含まれる場合、アンモニアの除去率が低かったが、アンモニアと水素の混合物を処理する場合には、アンモニア除去率が９９％以上であった。

以上説明したように、本発明が属する技術分野における当業者は、本発明がその技術的思想や必須的特徴を変更することなく、他の具体的な形態に実施されることができることを理解することができるだろう。したがって、以上で記述した実施例は、いずれも例示的なものであって、限定的なものではないことを理解すべきである。本発明の範囲は、前記詳細な説明よりは後述する特許請求範囲の意味及び範囲そしてその等価概念から導き出されるすべての変更または変形された形態が本発明の範囲に含まれることに解釈されなければならない。

２ 流入口
４ 排出口
６ 熱分解部
８ 燃焼部
１０ 空気注入部
１２ 遮断部
１４ 窒素注入部
１６ 加熱手段
１８ 反応器
２０ バッフル

Claims (15)

1. アンモニアを含む廃ガスを加熱し、廃ガスに含まれたアンモニアの一部または全部を窒素と水素に分解させる熱分解部と、
   前記熱分解部を通過した廃ガスに空気を注入して燃焼させる燃焼部と、を含むガススクラバー。
2. 前記廃ガスが水素をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のガススクラバー。
3. 前記熱分解部において廃ガスの加熱温度は、７００乃至１，０００℃であることを特徴とする請求項１に記載のガススクラバー。
4. 前記燃焼部の温度は、９００乃至１，２００℃であることを特徴とする請求項１に記載のガススクラバー。
5. 前記熱分解部と燃焼部が互いに接触するように連設され、前記燃焼部の燃焼熱が前記熱分解部に伝達されることを特徴とする請求項１に記載のガススクラバー。
6. 前記ガススクラバーが、
   アンモニアを含む廃ガスが流入される流入口と、
   前記流入口に連設されると共に、一方の管が他方の管の内部に挿入される二重管の形態で構成され、前記二重管の外側管にアンモニアを含む廃ガスが移動し、アンモニアが窒素と水素に転換される熱分解部と、当該内側管に前記アンモニアが窒素及び水素に転換された廃ガスが流入され、燃焼しながら移動する燃焼部とを備える反応器と、
   前記燃焼部の一側に連設され、外部の空気が燃焼部の内部に流入されるようにする空気注入部と、
   前記空気注入部と隣り合うように連設され、熱分解部の外側管から流入されるアンモニアが窒素及び水素に転換された廃ガスと空気が互いに接触することを防止する遮断部と、
   前記反応器の外周面に連設され、反応器の外側管を加熱する加熱手段と、
   前記燃焼部の一側に設けられ、燃焼された廃ガスが排出される排出口と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のガススクラバー。
7. 前記反応器の燃焼部の一側に窒素注入口をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のガススクラバー。
8. 前記空気注入部と隣り合うようにバッフルが設けられることを特徴とする請求項６に記載のガススクラバー。
9. 前記排出口の一側に排出口を通じて排出される廃ガスを冷却させることができる冷却手段をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のガススクラバー。
10. アンモニアを含む廃ガスを加熱し、廃ガスに含まれたアンモニアの一部または全部を窒素と水素に分解させる分解段階と、
    前記熱分解部を通過した廃ガスに空気を注入して水素を燃焼させることによって、廃ガスを燃焼させる燃焼段階と、を含む廃ガス処理方法。
11. 前記廃ガスが水素をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の廃ガス処理方法。
12. 前記分解段階の加熱温度が７００乃至１，０００℃であることを特徴とする請求項１０に記載の廃ガス処理方法。
13. 前記燃焼段階の燃焼温度が９００乃至１，２００℃であることを特徴とする請求項１０に記載の廃ガス処理方法。
14. 前記燃焼部の燃焼熱を分解段階の分解熱として提供することを特徴とする請求項１０に記載の廃ガス処理方法。
15. 前記燃焼段階の後段に燃焼された廃ガスを冷却させる冷却段階をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の廃ガス処理方法。

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