JP5430267B2 - 粉体を同伴する排出ガスの処理装置および処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉体を同伴する排出ガスの処理装置および処理方法に関し、例えば、半導体や太陽電池等の生産装置や研究設備等において使用された材料ガスや粉体を含む排出ガスの処理装置および処理方法に関するものである。

半導体や太陽電池等を生産する製造装置や新たな素材を開発する研究設備等に多く使用されている材料ガスなどは、有害成分や危険物を含むことが多く、こうした製造装置や設備からの排出ガスは、所定の除害処理を行い、安全性が確保された後に排出されている。また、こうした排出ガスには、反応生成物等種々の粉体が含まれ、同時に除害処理を行うことが求められている。排出ガスの除害処理の多くは、燃焼炉によって燃焼処理した後に冷却処理される方法が採られている。

具体的には、図６のように、半導体製造プロセスから排出される排ガスを燃焼処理する燃焼炉１１０と、該燃焼炉１１０の燃焼排ガスに水を噴霧して冷却する冷却塔１１２と、該冷却塔１１２から排出される燃焼排ガスに吸収液を噴霧してガス中の有害物を吸収する吸収塔１１４とを備え、前記燃焼炉１１０に導入される前記排ガスに水素を添加し、また前記冷却塔１１２の底部と前記吸収塔１１４の底部をタンク１１６を介して連通させ、該タンク１１６内の液面位置を設定レベルに制御する液面制御手段１２６を設けて構成する排ガス処理装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。ここで、１１８はバーナ、１２０ａ〜１２０ｄは排ガスノズル、１２１は水素ノズル、１２２は噴霧ノズル、１２４はレベル計、１２５は排水管、１２８は排水ポンプ、１３０は充填層、１３２は噴霧ノズル、１３４は排気管、１３６は集塵装置、１３８は誘引ファンを示す。

また、図７（Ａ）のように、洗浄水を入れた水タンク２０１と，その上面に立設した加熱反応装置２０２と，及び水洗浄装置２０３とによって構成される排気ガスの処理装置を挙げることができる（例えば特許文献２参照）。具体的には、半導体製造プロセスからの排気ガスは，加熱炉内にその上部におけるガス供給口２１１から導入されて高い温度に加熱される一方，これに水蒸気供給手段２１３から噴出供給される水蒸気が混合され，高い温度に加熱されることにより熱分解処理される。加熱炉の下部におけるガス出口２１２からの排出ガスは，水洗浄装置２０３において，水との直接接触にて溶解除去処理され，且つ冷却されるとともに，粉末状の固形成分が水洗浄によって除かれたのち大気中に放出される。水洗浄装置２０３は，図７（Ｂ）に示すように，下端が水タンク２０１内に開口する縦型の筒体２２０内に設けられた充填層２２１，２２２、その各々に対する水散布ノズル２２３，２２４，筒体２２０の頂部に設けられた送風機２２５，粉末状の固形物及びミストを分離するためのサイクロン２２６を経て，ガスが煙突ダクト２２７から大気中に放出する一方，サイクロン２２６において分離した粉末状の固形物及びミストを，ダウンパイプ２２８を介して水タンク２０１内における洗浄水中に導くように構成している。ここで、２０４は循環ポンプ、２０５は噴出口、２０６は排出口、２０７は空気供給管、２１８はガス供給口、２３０はシャワーノズルを示す。

特開２００３−３２９２３３号公報 特開２００６−１７５３１７号公報

しかし、上記のような排出ガス処理装置では、冷却水噴霧方式や冷却水散水方式といった従来の排出ガスの冷却方法が用いられているため、除害処理後の高温条件の排出ガスに対して十分な冷却機能を確保することが困難であり、以下の課題が生じることがあった。
（ｉ）冷却水噴霧方式
噴霧ノズルから噴霧された冷却水と排出ガスとの接触効率が悪く、冷却効果が小さい。従って、高温の排出ガスに対する高い冷却効果を求めるには、長時間の接触が可能な流路あるいはノズル数を増やす必要があり、大掛かりな装置となる。また、噴霧ノズルからの噴霧された冷却水では、排出ガスとの接触以降の冷却ユニットの壁面に水膜を形成する効果は少なく、排出ガスに同伴する反応生成物（粉体）が流路・配管が蓄積しやすく、長期の使用によって閉塞するおそれが生じるとともに、水膜による該壁面の保護ができないことから、排出ガス中の腐食ガスによって流路・配管が腐蝕が進行し、寿命が短くなるおそれがあった。

（ii）冷却水散水方式
水散布ノズルから散水される冷却水と排出ガスとの接触においては、比較的高い冷却効果を得ることができる反面、高温の排出ガスを冷却するためには、接触効率を上げるために多量の冷却水を必要とする。また、図７（Ｂ）のように，冷却水との接触効率を上げるためにラシヒリングなどの充填材を散水流路に設け、粉末状の固形物及びミストを分離するためのサイクロンを配設する構成においては、装置が複雑化し、定期的な保守を必要とする処理装置の煩雑化を招来することとなる。

（iii）冷却水バブリング方式
上記のような噴霧方式や散水方式以外に、排出ガスを冷却媒体と直接的に接触する一般な方法として、冷却水バブリング方式が多用される。しかしながら、バブリング方式においても、冷却効率を上げるためには気液接触時間または接触面積を大きくする必要があることから、処理装置の設置面積が大きくなり、装置のコンパクト化が難しい。また、バブリングに必要な加圧状態を形成するためには、バブリングユニットの前段に圧送手段を設ける、あるいは後段に吸引手段を設ける必要があり、装置の煩雑化を招来する。

本発明の目的は、比較的簡便な構成で、高温の排出ガスを効率よく冷却処理すると同時に、これに同伴する粉体を流路あるいはその壁面に付着させずに分離処理することが可能で、安全かつ操作性のよい粉体を同伴する排出ガスの処理装置および処理方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、以下に示す粉体を同伴する排出ガスの処理装置および処理方法によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は、粉体を同伴する排出ガスの処理装置であって、上端部が大きく開口し、下端ほど空間が絞り込まれる内面の構成を有し、粉体を同伴する排出ガスと冷却水を接触させ、該排出ガスを冷却させる冷却処理部を備え、前記冷却処理部の上方側の空間に設けられ高温の排出ガスが導入される口径が前記上端部よりも小さなガス導入部と、前記冷却処理部の下端部に設けられた第２処理部において冷却処理された排出ガスが供出される排出ガス供出部と、冷却水が導入される少なくとも３つの冷却水導入部ａ〜ｃを有し、
前記冷却処理部の上端部側の側面に配設された少なくとも１つの冷却水導入部ｃからの冷却水を、前記冷却処理部の内側面に対して接線方向に噴射させて下流ほど流速が上がり冷却水の密度を大きくする旋回流を形成し、かつ該内側面に下流ほど厚みが増大する水膜を形成させるとともに、
前記冷却処理部の上方側の空間に冷却水導入部ａが設けられ、前記排出ガス導入部から噴射された排出ガスが、前記冷却水導入部ａから噴射された冷却水と接触することを特徴とする。

また、本発明は、粉体を同伴する排出ガスの処理方法であって、
粉体を同伴する排出ガスの処理プロセスにおいて、
（１）上端部が大きく開口し、下端ほど空間が絞り込まれる内面の構成を有する冷却処理部に高温の排出ガスを導入し、前記冷却処理部の上方側の空間に設けられ口径が前記上端部よりも小さな排出ガス導入部から噴出させるとともに、該排出ガスに前記冷却処理部の上方側の空間に設けられた冷却水導入部ａから噴射された冷却水と接触させ、さらに前記冷却処理部に設けられた複数の冷却水導入部からの冷却水を噴射し、両者を接触・混合して冷却処理する１次処理プロセスと、
（２）前記複数の冷却水導入部の内の少なくとも１つの前記上端部側の側面に配設された冷却水導入部ｃからの冷却水を、前記冷却処理部の内側面に対して接線方向に噴射させて下流ほど流速が上がり冷却水の密度を大きくする旋回流を形成し、かつ該内側面に下流ほど厚みが増大する水膜を形成させる２次処理プロセスと、
（３）冷却された排出ガスから、該排出ガスに同伴してきた粉体を分離処理する３次処理プロセスと、
を有することを特徴とする。

こうした構成を有する処理装置または処理方法により、高温状態で反応生成物等粉体を同伴する排出ガスを効率よく冷却処理することによって、既述の従来方式に比べて、低エネルギー、低コストでの処理が可能となる。つまり、排出ガスの冷却処理プロセスにおいて、排出ガスと冷却水を効率よく接触させるとともに、冷却処理部の内側面に対して接線方向に噴射させて旋回流を形成し、該内側面に水膜を形成させることによって、比較的簡便な構成で、高温の排出ガスを効率よく冷却処理すると同時に、これに同伴する粉体を流路あるいはその壁面に付着させずに分離処理することが可能で、安全かつ操作性のよい粉体を同伴する排出ガスの処理装置および処理方法を提供することが可能となった。

特に、冷却水によって形成された旋回流は、冷却処理部内での排出ガスの流れと冷却水の噴流を攪拌し、その冷却効果を高めるとともに、内側面に形成される水膜によって粉体の付着を防止し、かつ粉体が付着した場合であっても、その粉体を除去することができる。これにより、粉体の付着・成長による流路の閉塞や断熱層あるいは水分吸収層の形成を防止することができる。さらに、水膜の形成によって、内側面からの熱伝導において抵抗となる伝熱境界層の形成を防止することができるとともに、常に内側面の冷却状態を維持することが可能となる。これによって、排出ガスから吸収した熱量によって加温した冷却水の熱量を、水膜を介して冷却処理部の内側面に伝導し、さらに外側面を介して外気に効率よく放熱することが可能となった。さらに、下流（下端側）ほど気液接触空間が絞り込まれることによって、噴出された冷却水の旋回流の流速が上がり、かつ冷却水の密度を大きくし、実質的な気液接触効果を大きくすることができる。また、下流ほど水膜の厚みが増大し、粉体の付着防止効果を大きくすることができるとともに、冷却水による吸熱効果を大きくすることができる。

本発明は、上記粉体を同伴する排出ガスの処理装置であって、前記排出ガス導入部が冷却処理部の上端部、前記排出ガス供出部が冷却処理部の下端部に設けられ、前記冷却処理部の内側面が、該上端部に対して大きく開口し、前記下端部に対して小さく開口するとともに、接線方向に冷却水を噴射させる前記冷却水導入部が前記上端部側の側面に配設されることを特徴とする。

冷却処理部の内面をこうした構成にすることによって、下端部（下流部）における水膜の厚みが増大し、粉体の付着防止効果を大きくすることができるとともに、冷却水による吸熱効果を大きくすることができる。気液接触空間を絞り込むことによって、噴出された冷却水の密度を大きくし、実質的な気液接触効果を大きくすることができる。これによって、下流側での冷却水の水温上昇に伴う排ガスからの吸熱機能の低下を補完することが可能となる。また上端部を大きく開口することによって、排出ガス導入部からの排出ガスの断熱膨張に近い冷却機能を生み出すことができるとともに、噴出する冷却水との気液接触効果を大きくすることができる。
また、前記冷却処理部の下端部に、前記排出ガス供出部および冷却水導入部ｄを有する第２処理部が設けられ、排出ガスに対して該冷却水導入部ｄから新たな冷却水を噴射させ、気液分離および気固分離を行うことによって、冷却・清浄化された排出ガスが排出ガス供出部から排出される。冷却水導入部ｄから新たな冷却水を噴射させることによって、効率のよい気液分離および気固分離を行うことができる。つまり、粉体が溶解あるいは混合した水滴または飛沫に冷却水が接触すると、こうした粉体をさらに捕集し重量の大きな水滴を生じることから、第２処理部内の下方に移動し、一方処理された排出ガスは、同伴していた粉体が除去され軽質化することから、第２処理部内の上方に移動し、両者は分離可能な状態となる。

本発明は、上記粉体を同伴する排出ガスの処理装置であって、前記冷却処理部の上端部近傍の内側面が複数に等分割された位置に、複数の冷却水導入部ｃが設けられ、各冷却水導入部ｃからの冷却水を前記冷却処理部の内側面に対して接線方向に噴射させて旋回流を形成し、該内側面全体に水膜を形成させることを特徴とする。

このように、冷却処理部内に旋回流を形成するための冷却水導入部が、その内側面に対して複数かつ等分割に配設される構成によって、旋回流によるムラのない気液接触効果を大きくし、内側面全体に均一な水膜を形成することができるとともに、吸熱効果の均一性および粉体の付着防止を大きくすることが可能となる。また逆に、複数の冷却水導入部のうちの特定の冷却水導入部を選択し、局部的に旋回流の強化あるいは水膜の強化のために、水量を増加することも可能となる。

本発明に係る排出ガスの処理装置の基本構成例を示す概略図 本発明に係る排出ガスの処理装置の構成例を示す概略図 本発明に係る排出ガスの処理装置の検証用の実験装置を例示する説明図 本発明に係る排出ガスの処理装置の検証結果を例示する説明図 除害処理装置を含む本発明に係る排出ガスの処理装置を例示する説明図 従来技術に係る排出ガス処理装置を例示する概略図 従来技術に係る排気ガスの処理装置を例示する概略図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明は、粉体を同伴する排出ガスの処理装置（以下「本処理装置」という）であって、上端部が大きく開口し、下端ほど空間が絞り込まれる内面の構成を有し、粉体を同伴する排出ガスと冷却水を接触させ、該排出ガスを冷却させる冷却処理部を備え、前記冷却処理部の上方側の空間に設けられ高温の排出ガスが導入される口径が前記上端部よりも小さなガス導入部と、前記冷却処理部の下端部に設けられた第２処理部において冷却処理された排出ガスが供出される排出ガス供出部と、冷却水が導入される少なくとも３つの冷却水導入部ａ〜ｃを有し、冷却処理部の上端部側の側面に配設された少なくとも１つの冷却水導入部ｃからの冷却水を、前記冷却処理部の内側面に対して接線方向に噴射させて下流ほど流速が上がり冷却水の密度を大きくする旋回流を形成し、かつ該内側面に下流ほど厚みが増大する水膜を形成させるとともに、前記冷却処理部の上方側の空間に冷却水導入部ａが設けられ、前記排出ガス導入部から噴射された排出ガスが、前記冷却水導入部ａから噴射された冷却水と接触することを特徴とする。

ここでいう排出ガスは、各種プロセスガスを含め特に限定されないが、具体的には、半導体製造装置用の材料ガスとして使用された後の排出ガスや太陽電池製造の材料ガスとして使用された後の排出ガス、あるいはこれらの研究用設備において使用された排出ガスやペトロケミカル系プロセスの排出ガスなどを挙げることができる。また、こうした排出ガス中には、各プロセスにおいて発生する反応生成物等の粉体が含まれることがあり、これらが含有された排出ガスが対象となる。反応生成物の具体例としては、有機金属化合物を含む材料ガスが酸化処理されて形成される金属酸化物や金属成分の結合体、触媒や吸着剤あるいは被処理ガス中の無機成分の結合体等を挙げることができる。こうした粉体は、冷却処理部の内側面に付着し易く、特に冷却水と接触すると固化し易くなり、流路の狭小化や閉塞を招来する可能性がある。

＜本処理装置の基本構成例＞
図１は、本処理装置の基本構成例（第１構成例）を示す概略図であり、冷却処理部１０と、分離された処理水や粉体を貯蔵する貯蔵部２０が設けられている。冷却処理部１０には、排出ガスが導入される排出ガス導入部１と、冷却水が導入される冷却水導入部２ａ〜２ｄと、これらが気液接触する第１処理部３と、さらに冷却水が導入され気液（気固）分離される第２処理部４と、処理された排出ガスが供出される排出ガス供出部５と、分離された処理水や粉体がトラップされる粉体分離部６が設けられ、貯蔵部２０には、粉体分離部６からの粉体を含む処理水を貯蔵する貯蔵タンク７が設けられる。冷却水導入部２ａ〜２ｄからの冷却水の導入および流量は、開閉弁Ｖ１〜Ｖ４によって制御・調整される。

排出ガス導入部１から導入された排出ガスは、第１処理部３において冷却水導入部２ａ〜２ｃから導入された冷却水と接触して冷却され、さらに第２処理部４において冷却水導入部２ｄから導入された冷却水と接触して冷却・清浄化されて排出ガス供出部５から排出される。このとき、冷却水導入部２ｃからは、第１処理部３の内側面３ａに対して接線方向に噴射させるように冷却水が導入され、旋回流Ｃを形成すると同時に、内側面３ａに沿って水膜Ｆを形成させる。詳細は後述する。なお、図１においては、１つの接線方向に噴射させる冷却水の導入路の場合を例示したが、後述するように、これを複数設けることも可能である。第１処理部３の上流および下流には、温度計Ｔ１およびＴ２が設けられて排出ガスの温度がモニタされ、下流においてなお所望の温度を超えるときは、第２処理部４での冷却水供給量を増加することによって、供出される排出ガスの温度を制御することができる。また、冷却水導入部２ａ〜２ｄから導入された冷却水は、排出ガスと接触することによって加温されるとともに、排出ガスに同伴した反応生成物等の粉体を溶解あるいは混合した状態で、粉体分離部６を介して貯蔵タンク７に貯留される。貯蔵タンク７には、温度計Ｔ４およびレベル計Ｌが設けられ、所定の貯留量を超えたとき開閉弁Ｖ５を開として排出され、粉体を分離（回収される場合を含む）後、再利用あるいは廃棄される。

〔第１処理部の構成〕
本処理装置においては、被処理ガスである排出ガスが導入される第１処理部３の内部構造は、図２（Ａ）のように、上端部３ｂに対して大きく開口することが好ましい。排出ガスを口径の小さな排出ガス導入部１から急激に開口した第１処理部３の空間に噴き出すことによって、断熱膨張に近い冷却機能を生み出すことができるとともに、上端部３ｂに設けられた冷却水導入部２ａから噴射された冷却水との接触効果を上げることができる。こうした機能は、排出ガス導入部１の先端をノズル状にし、加圧された排出ガスを噴き出すことによって、さらに効果上げることができる。

このとき、冷却水導入部２ｃから導入された冷却水は、図２（Ａ）に例示するように、第１処理部３の内側面３ａに対して接線方向に噴射させることによって、旋回流Ｃを形成することができると同時に、内側面３ａに沿って水膜Ｆを形成することができる。旋回流Ｃの形成によって、排出ガスの流れと冷却水の噴流を攪拌し、その冷却効果を高めることができる。また、水膜Ｆの形成によって、内側面３ａでの粉体の付着を防止し、かつ粉体が付着した場合であっても、その粉体を除去することができ、粉体の付着・成長による流路の閉塞や断熱層あるいは水分吸収層の形成を防止することができる。さらに、水膜Ｆの形成によって、内側面３ａからの熱伝導において抵抗となる伝熱境界層の形成を防止することができるとともに、常に内側面３ａの冷却状態を維持することが可能となる。これによって、排出ガスから吸収した熱量によって加温した冷却水の熱量を、水膜Ｆを介して内側面３ａに伝導し、さらに外側面を介して外気に効率よく放熱することが可能となる。特に、第１処理部３を熱伝導度の高い材料（耐蝕性を有するステンレス鋼等）で構成することによって、放熱量を大きくし冷却機能を上げることができる。

ここで、冷却水導入部２ｃから冷却水を噴射するノズルは、図２（Ａ）拡大図に示すように、内側面３ａに沿って所定の幅を有することは好ましい。上流側の内側面３ａ上に所定の幅の水膜Ｆが形成されることによって、内側面３ａ全体にムラなく水膜Ｆを形成することができる。また、他の冷却水導入部２ａ、２ｂおよび２ｄから冷却水を噴射するノズルは、噴射角度約３０〜６０°が好ましい。３０°以下であれば排出ガスとの接触が不十分となり、６０°を超えると噴射される冷却水の分布にムラが生じることとなる。

第１処理部３の内側面３ａは、上端部３ｂに対して大きく開口し、下端部３ｃに対して小さく開口するとともに、上端部３ｂ側の内側面３ａに対し接線方向に冷却水を噴射させる冷却水導入部２ｃが配設されることが好ましい。下流（下端側）ほど気液接触空間が絞り込まれることによって、噴出された冷却水の旋回流の流速が上がり、かつ冷却水の密度を大きくし、実質的な気液接触効果を大きくすることができる。また、下流ほど水膜の厚みが増大し、粉体の付着防止効果を大きくすることができるとともに、冷却水による吸熱効果を大きくすることができる。このとき、上端部３ｂに対する開口角度（内側面が直円錐の場合には下端部３ｃに対する開口角度と同じ）は、約５〜１５°が好ましい。５°以下の場合には、ストレート状と差異がなく絞り込み効果が得られない。１５°を超えると、第１処理部３の内容積が小さくなり、十分な冷却機能が得られない。

ここで、第１処理部３の容量を約５Ｌとした場合、導入される排出ガス流量は約２００ＳＬＭ、導入される冷却水は、排出ガス温度が２００℃のとき約２〜３Ｌ／ｍｉｎ、３００℃のとき約４〜４．５Ｌ／ｍｉｎが好適である。後述する検証結果からも判るように、従来法と比較して少量の冷却水によって効率よく冷却でき、同伴する粉体の影響を殆ど受けずに処理することが可能となった。

〔第１処理部の他の構成例〕
第１処理部３において、図２（Ｂ）のように、上端部３ｂ近傍の内側面３ａが複数（図では４つ）に等分割された位置に、冷却水導入部が設けられ、各冷却水導入部からの冷却水を第１処理部３の内側面３ａに対して接線方向に噴射させることが好ましい。４分割された位置に冷却水導入部２１ｃ〜２４ｃが設けられ、略等量の冷却水を内側面３ａに対して接線方向に噴射させることによって、ムラのない水量の大きな旋回流Ｃを形成することができるとともに、内側面３ａ全体に均一で水量の大きな水膜Ｆを形成することができる。これによって、吸熱効果の均一性および粉体の付着防止を大きくすることが可能となる。ただし、複数の冷却水導入部２１ｃ〜２４ｃを全て等量の冷却水を噴射する必要はなく、特定の冷却水導入部を選択し、局部的に旋回流Ｃの強化あるいは水膜Ｆの強化のために、水量を増加することも可能である。

〔第２処理部の構成〕
第１処理部３において十分に冷却された排出ガスは、粉体中の溶解成分が溶解あるいは非溶解成分が混合した飛沫あるいは水滴状の冷却水を同伴するが、そのままではガスと粉体および水分を分離することは難しい。本処理装置では、第１処理部３からの排出ガスに対して、さらに冷却水導入部２ｄから新たな冷却水を噴射させることによって、効率のよい気液分離および気固分離を行うことができる。つまり、粉体が溶解あるいは混合した水滴または飛沫に冷却水が接触すると、こうした粉体をさらに捕集し重量の大きな水滴を生じることから、第２処理部４内の下方に移動し、一方処理された排出ガスは、同伴していた粉体が除去され軽質化することから、第２処理部４内の上方に移動し、両者は分離可能な状態となる。そこで、排出ガスは、第２処理部４内の上部に設けられた排出ガス供出部５から供出され、ガス体と分離された冷却水や粉体（粉体等という）は、第２処理部４内の下部に設けられた粉体分離部６にトラップされて貯蔵タンク７に貯留される。

〔貯蔵部の構成〕
貯蔵タンク７には、粉体等のレベルを検出するレベルセンサＬと、粉体等を排出する排出弁７ａを備え、所定の貯留量を超えた場合に排出弁７ａを開として粉体等を排出することができる。このとき、貯留された粉体等のレベルを、レベルセンサＬを用いて監視することによって、所定量の系外への排出を自動的に行い、安定した粉体等の分離を図ることができる。貯蔵タンク７には、その内部に温度センサ７ｅが設けられ、所望の温度に管理維持される。

〔本処理装置における排出ガスの処理方法〕
上記のような構成を有する本処理装置においては、以下の処理プロセスに沿って、排出ガスの冷却処理、分離処理が行われる。
（１）上端部が大きく開口し、下端ほど空間が絞り込まれる内面の構成を有する冷却処理部１０に高温の排出ガスを導入し、前記冷却処理部の上方側の空間に設けられ口径が前記上端部よりも小さな排出ガス導入部１から噴出させるとともに、該排出ガスに前記冷却処理部の上方側の空間に設けられた冷却水導入部２ａから噴射された冷却水と接触させ、さらに前記冷却処理部１０に設けられた複数の冷却水導入部（例えば２ｂ，２ｃ）からの冷却水を噴射し、両者を接触・混合して冷却処理する１次処理プロセス
（２）複数の冷却水導入部（例えば２ｂ，２ｃ）の内の少なくとも１つの上端部側の側面に配設された冷却水導入部２ｃからの冷却水を、排出ガスの流路に垂直かつ冷却処理部１０（第１処理部３）の内側面３ａに対して接線方向に噴射させて下流ほど流速が上がり冷却水の密度を大きくする旋回流Ｃを形成し、かつ内側面３ａに下流ほど厚みが増大する水膜Ｆを形成させる２次処理プロセス
（３）冷却された排出ガスから、該排出ガスに同伴してきた粉体を分離処理する３次処理プロセス
を有することを特徴とする排出ガスの処理方法。

ここで、上記（１）１次処理プロセスおよび（２）２次処理プロセスは、冷却処理部１０の第１処理部３において処理操作が行われ、（３）３次処理プロセスは、冷却処理部１０の第２処理部４および貯留部２０において処理操作が行われる。

〔本処理装置における処理効率の検証〕
本処理装置、特に第１処理部３における冷却機能および粉体の処理機能を以下の通り検証した。
（ａ）高温排出ガスの冷却効率の検証
（ａ−１）処理条件
図３（Ａ）に示す実験装置を用い、外気温２０℃の条件下で、粉体（ＳｉＯ_２，Ｐ_２Ｏ_５等）を含む大気ベースのガスを加熱炉Ｅ１に導入し、約３００℃に加熱された排出ガスとして、流量約２００ＳＬＭで、内容積約５Ｌの第１処理部３に供給すると同時に、水圧約０．３ＭＰａ、水温１４℃の冷却水を、以下の３つの条件で第１処理部３に供給した場合について、
（ｉ）導入しない場合
（ii）ノズル（冷却水導入部に相当）Ｅ２ａおよびＥ２ｂから各々流量約２．２５Ｌ／ｍｉｎ（総流量約４．５Ｌ／ｍｉｎ）で旋回流Ｃを形成して供給した場合
（iii）ノズルＥ２ｃから流量約４．５Ｌ／ｍｉｎで排出ガスと同方向（順流）に供給した場合
第１処理部３の外壁面温度ｔ１および出口温度ｔ２、第２処理部４の出口温度ｔ３をモニタし、冷却水の供給効果を検証した。ここで、第２処理部４は、内容積約５Ｌを有し、冷却水の供給はない。

（ａ−２）実験結果
その結果を表１に示す。冷却水の供給効果は、（ii）旋回流および（iii）順流のいずれも顕著に見られるが、冷却効果には大きな差異があり、旋回流の高い冷却効果が立証された。特に、第１処理部３の外壁面温度ｔ１における差異は、出口ガス温度ｔ２の差異と略同等であり、水膜Ｆの形成によって内側面および側壁を介して効率よく熱量が移動し、放熱されていることを表わしている。つまり、冷却水の旋回流Ｃおよび水膜Ｆの形成によって、非常に高い冷却機能を確保することができることを検証することができた。

（ｂ）粉体除去効率の検証
（ｂ−１）処理条件
図３（Ｂ）に示す実験装置を用い、流量約２００〜３００ＳＬＭの空気をブロアＥ３によって圧送し、内容積約３０Ｌの粉体容器Ｅ４内に配設された粉体（粉体の性状として、親水性かつ粘性が高く付着しやすい材料である片栗粉を用いた）約５００ｇに吹き付けて、排出ガスとして粉体を同伴した状態で、下流に設けられた内容積約３Ｌの第１処理部３に供給すると同時に、水圧約０．３ＭＰａ、水温１４℃の冷却水を、以下の３つの条件で第１処理部３に供給した場合について、
（ｉ）ノズルＥ２ａおよびＥ２ｂから各々流量約２．２５Ｌ／ｍｉｎ（総流量約４．５Ｌ／ｍｉｎ）で旋回流Ｃを形成して供給した場合
（ii）ノズルＥ２ｃから流量約４．５Ｌ／ｍｉｎで排出ガスと同方向（順流）に供給した場合
（iii）ノズルＥ２ｄから流量約４．５Ｌ／ｍｉｎで排出ガスの流れの中心に垂直な方向（直角流）に供給した場合
第１処理部３の内側面における粉体の付着状況（除去状況）をモニタし、その冷却水の供給効果を検証した。ここで、第１処理部３は、内部の粉体の付着状態を観察することが可能なように透明ＰＶＣにより製作し、確認は目視で行った。

（ｂ−２）実験結果
その結果を表２に示す。冷却水の供給効果は、（ｉ）旋回流および（ii）順流のいずれも顕著に見られるが、（iii）直角流については、内側面の粉体除去効果は殆ど見られなかった。また、（ｉ）旋回流と（ii）順流の間での粉体除去効果には大きな差異があり、旋回流の高い粉体除去効果が立証された。つまり、冷却水の旋回流Ｃおよび水膜Ｆの形成によって、非常に高い粉体除去機能を確保することができることを検証することができた。

（ｃ）粉体除去効率に対する冷却水の流量影響の検証
（ｃ−１）処理条件
図３（Ｂ）に示す実験装置を用い、冷却水の供給流量以外を、上記（ｂ−１）と同様の条件として、以下の２つの条件で第１処理部３に供給した場合について、
（ｉ）ノズルＥ２ａおよびＥ２ｂから旋回流Ｃを形成して供給した場合
（ii）ノズルＥ２ｄから排出ガスの流れの中心に垂直な方向（直角流）に供給した場合
第１処理部３の内側面における粉体の付着状況（除去状況）をモニタし、その冷却水の供給効果を検証した。

（ｃ−２）実験結果
その結果を図４に示す。冷却水の供給流量を変化させた場合の粉体除去効果は、直角流では、冷却水の供給流量の低下に伴い殆ど比例的に粉体の付着量が増加し、十分な粉体除去効率を得ることができない傾向が見られる一方、旋回流では、約２Ｌ／ｍｉｎ以上において高い粉体除去効率を示し、直角流に比較して大きな異差が見られた。また、旋回流についても、約２Ｌ／ｍｉｎ以下の流量条件においては、著しい粉体除去効率の低下が見られ、約２Ｌ／ｍｉｎ以上の流量条件を確保することが好ましいとの検証結果を得た。

＜除害処理装置を含む本処理装置の構成例＞
次に、除害処理装置を含む本処理装置の構成例を図５に示す。冷却処理部１０および貯蔵部２０の前段に、除害処理装置３０が設けられ、半導体製造設備等の消費設備（図示せず）からの被処理ガスが、導入部８から開閉弁Ｖ６を介して除害処理装置３０に導入される。本構成例は、こうした除害処理装置によって新たな粉体（反応生成物）が生じる場合に、本処理装置を適用したものである。除害処理装置３０としては、例えば有機成分が多く含まれる被処理ガスにおいては燃焼炉（酸化炉）が多く用いられ、その他触媒を用いて無害化物質に変換する方法や吸着剤によって有害物質を除去する方法が用いられる。

このときの排出ガス中には、反応生成物としての金属酸化物や触媒や吸着剤あるいは被処理ガス中の無機成分の結合体等の粉体が含まれる。具体的には、下式１，２に示すような、分解された金属成分からの原子状金属成分Ｍ^０が発生し、これが酸素と反応して金属酸化物の粉体を生成したり、原子状金属成分Ｍ^０同士が結合して粉体を生成することとなる。
ＭＣｘＨｙＯｚ＋ｍＯ_２→ｘＣＯ_２（ｇ）＋ｙ／２Ｈ_２Ｏ（ｇ）＋Ｍ^０ ・・式１
Ｍ^０＋Ｃａｔ→Ｃａｔ−Ｍ ・・式２
こうした金属化合物の一部は水溶性であるが、多くの金属化合物あるいは金属結合体は難溶性であり成長性を有することから、これらを同伴する排出ガスの清浄化処理において、一旦その処理部の側壁に付着した場合には、それを除去することは非常に難しく、やがて流路の閉塞に繋がることがある。

一方、本処理装置は、冷却水の導入によって流路内に旋回流Ｃを形成し、その側壁に水膜Ｆを形成することによって、こうした粉体の付着そのものを防止することができる。つまり、本処理装置は、単に被処理ガス中に粉体を同伴する場合だけではなく、こうした成長性のある粉体が生成された直後に配設することによって、成長する前の粉体を未然に除去することができる。従って、除害処理装置等を含む排出ガスの処理系に本処理装置を適用することは、処理系全体の安全性や操作性を確保することに対して、非常に有効な手段となるものである。

１ 排出ガス導入部
２ａ〜２ｄ 冷却水導入部
３ 第１処理部
４ 第２処理部
５ 排出ガス供出部
６ 粉体分離部
７ 貯蔵タンク
１０ 冷却処理部
２０ 貯蔵部
Ｃ 旋回流
Ｆ 水膜
Ｌ レベル計
Ｔ１〜Ｔ４ 温度計
Ｖ１〜Ｖ４ 開閉弁

Claims (4)

1. 上端部が大きく開口し、下端ほど空間が絞り込まれる内面の構成を有し、粉体を同伴する排出ガスと冷却水を接触させ、該排出ガスを冷却させる冷却処理部を備え、前記冷却処理部の上方側の空間に設けられ高温の排出ガスが導入される口径が前記上端部よりも小さなガス導入部と、前記冷却処理部の下端部に設けられた第２処理部において冷却処理された排出ガスが供出される排出ガス供出部と、冷却水が導入される少なくとも３つの冷却水導入部ａ〜ｃを有し、
   前記冷却処理部の上端部側の側面に配設された少なくとも１つの冷却水導入部ｃからの冷却水を、前記冷却処理部の内側面に対して接線方向に噴射させて下流ほど流速が上がり冷却水の密度を大きくする旋回流を形成し、かつ該内側面に下流ほど厚みが増大する水膜を形成させるとともに、
   前記冷却処理部の上方側の空間に冷却水導入部ａが設けられ、前記排出ガス導入部から噴射された排出ガスが、前記冷却水導入部ａから噴射された冷却水と接触することを特徴とする粉体を同伴する排出ガスの処理装置。
2. 前記冷却処理部の下端部に、前記排出ガス供出部および冷却水導入部ｄを有する第２処理部が設けられ、排出ガスに対して該冷却水導入部ｄから新たな冷却水を噴射させ、気液分離および気固分離を行うことを特徴とする請求項１記載の粉体を同伴する排出ガスの処理装置。
3. 前記冷却処理部の上端部近傍の内側面が複数に等分割された位置に、複数の冷却水導入部ｃが設けられ、各冷却水導入部ｃからの冷却水を前記冷却処理部の内側面に対して接線方向に噴射させて旋回流を形成し、該内側面全体に水膜を形成させることを特徴とする請求項１または２記載の粉体を同伴する排出ガスの処理装置。
4. 粉体を同伴する排出ガスの処理プロセスにおいて、
   （１）上端部が大きく開口し、下端ほど空間が絞り込まれる内面の構成を有する冷却処理部に高温の排出ガスを導入し、前記冷却処理部の上方側の空間に設けられ口径が前記上端部よりも小さな排出ガス導入部から噴出させるとともに、該排出ガスに前記冷却処理部の上方側の空間に設けられた冷却水導入部ａから噴射された冷却水と接触させ、さらに前記冷却処理部に設けられた複数の冷却水導入部からの冷却水を噴射し、両者を接触・混合して冷却処理する１次処理プロセスと、
   （２）前記複数の冷却水導入部の内の少なくとも１つの前記上端部側の側面に配設された冷却水導入部ｃからの冷却水を、前記冷却処理部の内側面に対して接線方向に噴射させて下流ほど流速が上がり冷却水の密度を大きくする旋回流を形成し、かつ該内側面に下流ほど厚みが増大する水膜を形成させる２次処理プロセスと、
   （３）冷却された排出ガスから、該排出ガスに同伴してきた粉体を分離処理する３次処理プロセスと、
   を有することを特徴とする排出ガスの処理方法。
   

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