JP5922611B2 - 排ガス処理装置用反応器及びこれを用いた排ガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、主に半導体製品の製造工程等において排出される有毒性，可燃性，腐食性を有する排ガスを除害する処理装置に関するものである。

電子デバイスや液晶パネル或いは太陽電池パネルといった半導体製品の製造工程では、様々な反応ガスが使用されている。具体的には、デポジット用ガスとしてＮ₂ＯやＳｉＨ_４などが使用されており、エッチング用ガスとしてＰＦＣｓ(パーフルオロコンパウンド)などが使用されている。これら反応ガスの多くは、人体や地球環境に対して悪影響を及ぼすことから、半導体製造装置からの排ガスに含まれる未反応の反応ガス(すなわち除害対象ガス)は、いずれかの手段によって分解或いは除去する必要があり、種々の排ガス処理(除害)方法が実用化されている。その代表例として、吸着式，湿式，電熱酸化分解式，火炎燃焼式などが挙げられる。

このうち、電熱ヒーターを用いる電熱酸化分解式の排ガス処理方法は、半導体製造プロセスにおける排ガス処理方法として現在最も普及している分解処理方法であり、除害対象ガスの分解処理に際して処理工程を制御しやすく、除害対象ガスを安全に分解処理することができる。とりわけ、電熱ヒーターを用いた加熱分解装置の前後に湿式のスクラバを設けた排ガス処理装置では、半導体製造における多岐多様な条件に追従して、何れの除害対象ガスについても、それら成分のＴＬＶ[Threshold Limit Value；暴露限界]以下の濃度まで除害処理することができる（例えば、特許文献１参照。）。

特開平７−３２３２１１号公報

ところで、先の東日本大震災における福島第１原子力発電所事故の発生以降、計画停電の実施など電力の安定供給が損なわれる事態が生じており、また、かかる事態に伴い、わが国の電力政策或いは今後のエネルギー構成やエネルギーの効率的な利用等について様々な議論が活発化してきている。なお、このような状況(すなわち、今後のエネルギー構成やエネルギーの効率的な利用等に関する様々な議論など)は、大規模な原子力発電所事故を経験した我が国特有のものでなく、例えば、シェールガス革命が進行中の米国などでも同様であり、グローバルな潮流と言える。
以上のような状況の下、加熱の際のエネルギーとして比較的多量の電力を消費する上記従来の電熱酸化分解式の排ガス処理装置では、電力の安定供給が損なわれた際、その影響を諸に受けるばかりでなく、将来的なエネルギー構成に変化が生じた際に、かかる変化への対応が困難になることも予想される。

それゆえに、本発明の主たる課題は、従来の電熱酸化分解式の排ガス処理装置の利点をそのままの形で有すると共に、電力消費量を低減させてエネルギーの効率利用を図ることが可能な排ガス処理装置用反応器と、これを用いた排ガス処理装置とを提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明は、例えば、図１に示すように、排ガス処理装置用反応器１０を次のように構成した。
すなわち、本発明の排ガス処理装置用反応器１０は、排ガスＥ中の除害対象ガスを熱分解するガス処理空間Ｒが内部に形成されたケーシング１２と、炭化水素系の燃料ガスに空気または助燃性ガスを混合して燃焼させた火炎を前記ガス処理空間Ｒに供給するバーナー１４と、前記バーナー１４を着火させると共に、前記ガス処理空間Ｒを加熱する電熱ヒーター１６とを具備する。
前記ケーシング１２には、ガス処理空間Ｒ内へ排ガスＥを導入するための排ガス供給口１２ａが開口されると共に、その排ガス供給口１２ａから最も離間した位置に、ガス処理空間Ｒ内で熱分解処理した処理済の排ガスＥを排出するための排ガス排出口１２ｂが開口される。
また、前記バーナー１４が前記排ガス供給口１２ａ近傍に接続されると共に、前記ガス処理空間Ｒ内の温度を検出する温度計測手段１８が前記排ガス排出口１２ｂ近傍に取り付けられる。
そして、前記温度計測手段１８が検出した温度信号に基いて、前記ガス処理空間Ｒ内全体の温度が１４００℃前後に維持されるように、前記電熱ヒーター１６への供給電力を調整する制御手段２０が設けられる。

本発明において、「１４００℃前後」とは、排ガスＥ中の除害対象ガスを完全に熱分解でき、しかも排ガス処理装置用反応器１０に過度な耐熱対策を施す必要のない温度域を意味する。

さらに、本発明は、図１に示すように、上記の排ガス処理装置用反応器１０と、先端が前記排ガス処理用反応器１０の排ガス供給口１２ａに接続され、前記ガス処理空間Ｒ内に排ガスＥを送給する流入配管系２２と、後端が前記排ガス処理用反応器１０の処理済ガス排出口１２ｂに接続され、前記ガス処理空間Ｒ内で熱分解した処理済の排ガスＥを大気中へと排出する排出配管系２４と、前記流入配管系２２の途中に設けられ前記排ガスＥを水洗する湿式の入口スクラバ３２と、前記排出配管系２４の途中に設けられ前記処理済の排ガスＥを水洗する湿式の出口スクラバ３４とで構成された排ガス処理装置Ｘを含む。

本発明は、次の作用効果を奏する。
すなわち、排ガス処理装置用反応器のガス処理空間に火炎を供給するバーナーを、該ガス処理空間の加熱を行なう電熱ヒーターで着火させるようにしているので、パイロットバーナーや電気スパークなどバーナー固有の着火源が不要となる。このため、バーナーの構造がシンプルになり、故障が生じ難く、長時間の連続運転が可能になる。
また、バーナーの火炎で加熱され、局所的に高温領域が形成されたガス処理空間を、更に電熱ヒーターで「追い焚き」することによって、ガス処理空間内全体の温度を、排ガスＥ中の除害対象ガスを完全に熱分解可能な温度域に保温することができるので、従来の電熱酸化分解方式の排ガス処理装置の利点、すなわち、除害対象ガスの分解処理に際して処理工程を制御しやすく、除害対象ガスを安全に分解処理することができると言った利点をそのままの形で有すると共に、反応器の熱源として電熱ヒーターのみを用いる場合に比べ電力消費量を著しく低減させることもできる。

本発明の排ガス処理装置用反応器を用いた排ガス処理装置の一例を示す概略図である。

以下、本発明を図示実施例に従って詳述する。図１は、本発明の排ガス処理装置用反応器(以下、単に「反応器」ともいう。)１０を用いた排ガス処理装置Ｘの一例を示す概略図である。この図が示すように、本実施例の排ガス処理装置Ｘは、大略、反応器１０，入口スクラバ３２及び出口スクラバ３４で構成されている。

反応器１０は、半導体製造プロセスなどから排出される排ガスＥ中の有害な除害対象ガスを火炎燃焼式と電熱酸化分解式とを併用して熱分解する装置であり、ケーシング１２，バーナー１４及び電熱ヒーター１６を有する。

ケーシング１２は、少なくともその内面がキャスタブルなどの耐火性材料で構成され、内部にガス処理空間Ｒが形成された密閉容器である。図示実施形態では、このケーシング１２の底面に、ガス処理空間Ｒ内へ排ガスＥを導入するための排ガス供給口１２ａが開口されており、さらにケーシング１２底面の排ガス供給口１２ａから最も離間した位置に、ケーシング１２内（すなわち、ガス処理空間Ｒ内）で熱分解した処理済の排ガスＥを大気中へと排出するための処理済ガス排出口１２ｂが開口されている。なお、上述したように、図１では排ガス供給口１２ａ及び処理済排ガス排出口１２ｂをケーシング１２の底面に設ける場合を示しているが、排ガス供給口１２ａ及び処理済排ガス排出口１２ｂを設ける位置は設備の設置状況等に応じて適宜変更することができる。

また、上述した排ガス供給口１２ａには、下流端が半導体製造装置などの排ガス発生源に接続され、ガス処理空間Ｒ内に排ガスＥを送給する流入配管系２２の先端(上流端)が接続されており、処理済排ガス排出口１２ｂには、ガス処理空間Ｒ内で熱分解した処理済の排ガスＥを大気中へと排出する排出配管系２４の後端(下流端)が接続されている。
そして、この流入配管系２２の先端部と排出配管系２４の後端部との間にはこれらを跨ぐように熱交換器２６が取り付けられており、反応器１０に導入する排ガスＥと反応器１０で熱分解した処理後の排ガスＥとの間で熱交換するようになっている。

バーナー１４は、メタンやプロパンなどの炭化水素系の燃料ガスに、空気または酸素などの助燃性ガスを混合して燃焼させた火炎をガス処理空間Ｒに供給するためのものである。図示実施形態では、このバーナー１４が排ガス供給口１２ａ近傍に接続されている。
ここで、一般的なバーナーにおいては、火炎を形成するためにパイロットバーナーや電気スパークなどの火種(すなわち、着火源)が必要であるが、本発明の反応器１０に用いるバーナー１４では、後述する電熱ヒーターを着火源としているので、バーナー自体の構造が極めてシンプルとなる。その結果、故障も少なく、長期間安定して稼動させることができるようになる。
なお、図示しないが、バーナー１４に炭化水素系の燃料ガスや空気または酸素などの助燃性ガスを供給するライン(管路)には、マスフローコントローラー等からなる流量調整手段が設けられている。

電熱ヒーター１６は、ハステロイ(ヘインズ社登録商標)やステンレスなどの金属製或いはセラミック製の二重管の管壁間にニクロム線やカンタル(サンドビックAB社登録商標)線などの金属線を螺旋状に巻回した発熱抵抗体を配設すると共に、当該二重管の管壁間にセラミック粉末を充填した電熱式のヒーターで、反応器１０内部のガス処理空間Ｒを加熱する熱源であると同時に、バーナー１４より供給される燃料ガスを着火させるための着火源でもある。なお、この電熱ヒーター１６を構成する発熱体としては、上述したものの他に、例えばＳｉＣなどの発熱体を棒状に成形したものなどであってもよい。
また、図示実施形態では、この電熱ヒーター１６がケーシング１２の天井面から垂下されると共に、リード線２８を介して電源装置３０に接続されている。

ここで、本実施形態の反応器１０では、ガス処理空間Ｒの温度を検出する熱電対などで構成された温度計測手段１８が処理済排ガス排出口１２ｂ近傍に取り付けられると共に、この温度計測手段１８で検出した温度データ(温度信号)が信号線Ｌ１を介して後述する制御手段２０へと与えられるようになっている。また、電熱ヒーター１６に電力を供給する電源装置３０は、配線Ｌ２を介して制御手段２０に接続されている。
なお、図示しないが、この制御手段２０はバーナー１４にも接続されている。

制御手段２０は、電源装置３０やバーナー１４が所定の動作を行なうよう、シーケンス制御するためのものであり、図示しないが、大略、ＣＰＵ[Central Processing Unit；中央処理装置]，メモリ，入力装置および表示装置などで構成されている。
このうち、ＣＰＵは、メモリに記憶されたプログラムを実行する装置であり、その入力側には、信号線Ｌ１を介して温度計測手段１８で検出した温度データが入力され、出力側には、配線Ｌ２を介して電源装置３０が接続されている。
そして、メモリには、ガス処理空間Ｒ内全体の温度が１４００℃前後に維持されるように、電熱ヒーター１６への供給電力を調整するプログラムなど複数のプログラムが格納されている。なお、「１４００℃前後」という温度は、排ガスＥ中の除害対象ガスを完全に熱分解でき、しかも排ガス処理装置用反応器１０に過度な耐熱対策を施す必要のない温度を表している。

入口スクラバ３２は、反応器１０に導入する排ガスＥに含まれる粉塵や水溶性成分などを除去するためのものであり、直管型のスクラバ本体３２ａと、このスクラバ本体３２ａ内部の頂部近傍に設置され、水などの薬液を噴霧状にして撒布するスプレーノズル３２ｂと、スプレーノズル３２ｂから撒布された薬液と排ガスＥとの気液接触を促進させるための充填材３２ｃとで構成されている。
この入口スクラバ３２は、流入配管系２２の途中に設けられると共に、水などの薬液を貯留するタンク３６上に立設されている。
そして、スプレーノズル３２ｂとタンク３６との間には循環水ポンプ３８が設置されており、タンク３６内の貯留薬液をスプレーノズル３２ｂに揚上するようになっている。

出口スクラバ３４は、反応器１０を通過した熱分解後の排ガスＥを冷却すると共に、熱分解によって副成した水溶性成分等を最終的に排ガスＥ中から除去するためのものであり、直管型のスクラバ本体３４ａと、このスクラバ本体３４ａ内部の頂部近傍に設置され、排ガスＥ通流方向に対向するように上方から水などの薬液を噴霧する下向きのスプレーノズル３４ｂと、スプレーノズル３４ｂから撒布された薬液と排ガスＥとの気液接触を促進させるための充填材３４ｃとで構成されている。
この出口スクラバ３４は、排出配管系２４の途中に設けられると共に、水などの薬液を貯留するタンク３６上に立設されている。
また、上述した入口スクラバ３２と同様に、図示実施形態では、スプレーノズル３４ｂとタンク３６との間には循環水ポンプ３８が設置されており、タンク３６内の貯留薬液をスプレーノズル３４ｂに揚上するようになっているが、このスプレーノズル３４ｂには、タンク３６内の貯留薬液ではなく、新水などの新しい薬液を供給するようにしてもよい。

そして、出口スクラバ３４の頂部出口近傍の排出配管系２４上には、処理済みの排ガスＥを大気中へと放出する排気ファン４０が接続されている。

なお、本実施形態の排ガス処理装置Ｘにおける反応器１０を除く他の部分には、排ガスＥに含まれる、或いは、当該排ガスＥの分解によって生じるフッ酸などの腐食性成分による腐蝕から各部を守るため、塩化ビニル，ポリエチレン，不飽和ポリエステル樹脂およびフッ素樹脂などによる耐蝕性のライニングやコーティングが施されている。

次に、以上のように構成された排ガス処理装置Ｘを用いて排ガスＥの除害処理を行う際には、まず始めに、排ガス処理装置Ｘの運転スイッチ(図示せず)をオンにして電熱ヒーター１６を作動させ、反応器１０内の加熱を開始する。
続いて、ガス処理空間Ｒ内の温度が炭化水素系の燃料ガスの燃焼温度(例えば、燃料ガスがメタンの場合には、約７００℃前後)に達すると、制御手段２０がバーナー１４を作動させて、ガス処理空間Ｒ内に炭化水素系の燃料ガスと空気または助燃性ガスとの混合ガスが送給される。すると、バーナー１４先端より火炎が放射され、ガス処理空間Ｒ内がこの火炎と電熱ヒーターの熱とで加熱される。
そして、ガス処理空間Ｒ内の温度が１４００℃前後に達すると、排気ファン４０が作動し、排ガス処理装置Ｘへの排ガスＥの導入を開始させる。すると、排ガスＥは、入口スクラバ３２、反応器１０及び出口スクラバ３４をこの順に通過して排ガスＥ中の除害対象成分が除害される。また、ガス処理空間Ｒ内の温度が１４００℃前後を保持するように電熱ヒーター１６に供給される電力量が制御される。

本実施形態の排ガス処理装置Ｘによれば、反応器１０のガス処理空間Ｒに火炎を供給するバーナー１４を、該ガス処理空間Ｒの加熱を行なう電熱ヒーター１６で着火させるようにしているので、パイロットバーナーや電気スパークなどバーナー固有の着火源が不要となる。このため、バーナー１４の構造がシンプルになり、故障が生じ難く、長時間の連続運転が可能になる。
また、バーナー１４の火炎で加熱され、局所的に高温領域が形成されたガス処理空間Ｒを、更に電熱ヒーター１６で「追い焚き」しているので、ガス処理空間Ｒ内全体の温度を、排ガスＥ中の除害対象ガスを完全に熱分解可能な温度域に保温することができる。その結果、従来の電熱酸化分解方式の排ガス処理装置の利点、すなわち、除害対象ガスの分解処理に際して処理工程を制御しやすく、除害対象ガスを安全に分解処理することができると言った利点をそのままの形で有すると共に、反応器１０の熱源として電熱ヒーター１６のみを用いる場合に比べ電力消費量を著しく低減させてエネルギーの効率利用を図ることができる。

さらに、本実施形態の排ガス処理装置Ｘによれば、入口スクラバ３２及び出口スクラバ３４を備えているので、反応器１０に導入する排ガスＥを予め液洗して流入配管系２２の目詰まり等を防止し、より安定して反応器１０を連続運転できると共に、熱分解後の処理済排ガスＥの清浄度を向上させることができる。

なお、上記の実施形態は、次のように変更可能である。
すなわち、上述の排ガス処理装置Ｘでは、入口スクラバ３２と出口スクラバ３４の両方を備える場合を示したが、処理する排ガスＥの種類によってはこれらの何れか一方を備えるようにしてもよい。

また、図示実施形態において、入口スクラバ３２及び出口スクラバ３４をタンク３６上に立設する場合を示したが、入口スクラバ３２及び出口スクラバ３４をタンク３６とは別個に配設すると共に、両者を配管で接続し、各スクラバ３２,３４からの排水がタンク３６に送り込まれるようにしてもよい。

本発明の排ガス処理装置用反応器および排ガス処理装置は、様々な種類の排ガスを確実に熱分解できるのはもとより、処理効率が極めて高く、しかも安全性にも非常に優れたものであることから、半導体製造プロセスから排出される排ガスの熱分解処理のみならず、化学プラントにおける排ガス処理など、あらゆる工業プロセスより排出される除害対象ガスの分解処理に利用することができる。

１０…反応器
１２…ケーシング
１２ａ…排ガス供給口
１２ｂ…処理済ガス排出口
１４…バーナー
１６…電熱ヒーター
１８…温度計測手段
２０…制御手段
２２…流入配管系
２４…排出配管系
２６…熱交換器
３２…入口スクラバ
３４…出口スクラバ
Ｘ…排ガス処理装置
Ｒ…ガス処理空間
Ｅ…排ガス

Claims (2)

1. 排ガス(Ｅ)中の除害対象ガスを熱分解するガス処理空間(Ｒ)が内部に形成されたケーシング(１２)と、
   炭化水素系の燃料ガスに空気または助燃性ガスを混合して燃焼させた火炎を前記ガス処理空間(Ｒ)に供給するバーナー(１４)と、
   前記バーナー(１４)を着火させると共に、前記ガス処理空間(Ｒ)を加熱する電熱ヒーター(１６)とを具備する排ガス処理装置用反応器であって、
   前記ケーシング(１２)には、ガス処理空間(Ｒ)内へ排ガス(Ｅ)を導入するための排ガス供給口(１２ａ)が開口されると共に、その排ガス供給口(１２ａ)から最も離間した位置に、ガス処理空間(Ｒ)内で熱分解処理した処理済の排ガス(Ｅ)を排出するための排ガス排出口(１２ｂ)が開口され、
   前記バーナー(１４)が前記排ガス供給口(１２ａ)近傍に接続されると共に、前記ガス処理空間(Ｒ)内の温度を検出する温度計測手段(１８)が前記排ガス排出口(１２ｂ)近傍に取り付けられており、
   前記温度計測手段(１８)が検出した温度信号に基いて、前記ガス処理空間(Ｒ)内全体の温度が１４００℃前後に維持されるように、前記電熱ヒーター(１６)への供給電力を調整する制御手段(２０)が設けられている、ことを特徴とする排ガス処理装置用反応器。
2. 請求項１に記載した排ガス処理用反応器(１０)と、
   先端が前記排ガス処理用反応器(１０)の排ガス供給口(１２ａ)に接続され、前記ガス処理空間(Ｒ)内に排ガス(Ｅ)を送給する流入配管系(２２)と、
   後端が前記排ガス処理用反応器(１０)の処理済ガス排出口(１２ｂ)に接続され、前記ガス処理空間(Ｒ)内で熱分解した処理済の排ガス(Ｅ)を大気中へと排出する排出配管系(２４)と、
   前記流入配管系(２２)の途中に設けられ前記排ガス(Ｅ)を水洗する湿式の入口スクラバ(３２)と、
   前記排出配管系(２４)の途中に設けられ前記処理済の排ガス(Ｅ)を水洗する湿式の出口スクラバ(３４)とで構成された、ことを特徴とする排ガス処理装置。