(57)【要約】【課題】不活性ガスで希釈された排ガス中の有害成分を効率よく除害処理できるとともに、有害成分と反応させるための酸素の供給も効果的に行うことができる燃焼除害装置を提供する。【解決手段】内径がＤ１の第１処理筒１１と、第１処理筒の下流側に設けられた内径がＤ２の第２処理筒１２とを備え、第１処理筒は、燃焼火炎を第１処理筒の周壁から接線方向に噴出する火炎噴出孔１２を備え、第２処理筒は、酸素含有ガスを第２処理筒の周壁から接線方向に噴出する酸素含有ガス噴出孔２２を備え、内径Ｄ２が内径Ｄ１より大きく設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス中に含まれる有害成分を燃焼火炎中で除害処理する燃焼除害装置において、内径がＤ１の第１処理筒と、該Ｄ１の第１処理筒の下流側に設けられた内径がＤ２の第２処理筒と、該第２処理筒の下流側に設けられた内径がＤ３の第３処理筒とを備え、前記第１処理筒は、燃焼火炎を該第１処理筒の周壁から接線方向に噴出する火炎噴出孔を備え、前記第２処理筒は、酸素含有ガスを該第２処理筒の周壁から接線方向に噴出する酸素含有ガス噴出孔を備え、前記内径Ｄ２が前記内径Ｄ１より大きく設定されている燃焼除害装置。
【請求項２】
前記第２処理筒の下流側に第３処理筒を備え、該第３処理筒は、内径がＤ３の内筒と、該内筒の外周を覆う外筒との二重構造で形成され、前記外筒は、該外筒と前記内筒との間に形成された空気導入室に空気を導入する空気導入部を備えるとともに、前記内筒は、前記空気導入室に導入された空気を内筒内に噴出する多数の空気噴出孔を備え、前記内径Ｄ３が前記内径Ｄ２以上に設定されている請求項１記載の燃焼除害装置。
【請求項３】
前記第１処理筒に前記排ガスを導入する排ガス導入部は、第１処理筒の軸線と一致する軸線を有し、第１処理筒の内径より小さな外径を有する円筒状の排ガス導入筒を備え、該排ガス導入筒の下流側開口端は、第１処理筒における前記火炎噴出孔の上流側端と同一位置乃至火炎噴出孔の上流側端より下流側に突出している請求項１又は２記載の燃焼除害装置。
【請求項４】
前記第１処理筒と前記第２処理筒との間には、第１処理筒及び第２処理筒の軸線と一致する軸線を有し、第２処理筒の内径より小さな外径を有する円筒状の燃焼ガス導入筒が設けられ、該燃焼ガス導入筒の下流側開口端は、第２処理筒における前記酸素含有ガス噴出孔の上流側端と同一位置乃至酸素含有ガス噴出孔の上流側端より下流側に突出している請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃焼除害装置。
【請求項５】
燃焼除害装置に導入される前記排ガスは、有害成分濃度を低くするために不活性ガスで希釈されている請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃焼除害装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼除害装置に関し、詳しくは、半導体や液晶などの電子部品を製造する半導体製造工程から排気される排ガス中に含まれる燃焼爆発危険性や毒性危険性を有する成分、環境影響の大きい成分などの有害成分を燃焼火炎中で除害処理する燃焼除害装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品製造に使用されるガスをはじめとして、各種工業分野、医療分野で用いられるガスには、燃焼爆発危険性や毒性危険性を有するガス、環境影響の大きいガスなどが使用されており、また、各種ガスを使用中に反応したり、分解したりして発生する物質においても、燃焼爆発危険性や毒性危険性などを有することがあるため、これらのガスを使用する工程から排気される排ガスを大気に放出する前に、各種有害成分の除害処理を行う必要がある。排ガス中の有害成分を除害処理する手段とし、従来から、燃焼火炎中に排ガスを導入し、高温で反応させたり、分解させたりすることによって有害成分を除去することが行われている。近年は、燃焼火炎中に排ガスを導入して有害成分を除害処理する際に、燃焼火炎を燃焼筒内周面の接線方向に噴出させ、管状火炎を形成する方式が注目されている（例えば、特許文献１，２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３３５８５２７号公報
【特許文献２】特許第４２９２９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、半導体製造工程から排気される排ガスは、装置から真空ポンプで吸引して抜き出されることが多いため、真空ポンプの軸シールに用いている窒素ガスなどの不活性ガスが排ガス中に混入したり、さらに、有害成分によっては、取り扱いや配管経路の安全性を確保するため、排ガスを不活性ガスで希釈することが多く行われている。このため、燃焼火炎中に導入される排ガス中の有害成分濃度が、不活性ガスで希釈されて低濃度になっているだけでなく、有害成分に対する全体のガス量が多いことから、火炎の安定性が失われることがあった。また、有害成分の種類によっては、火炎を形成するための酸素に加えて、有害成分と反応させるための酸素を必要とすることがあった。
【０００５】
そこで本発明は、不活性ガスで希釈された排ガス中の有害成分を効率よく除害処理できるとともに、有害成分と反応させるための酸素の供給も効果的に行うことができる燃焼除害装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の燃焼除害装置は、排ガス中に含まれる有害成分を燃焼火炎中で除害処理する燃焼除害装置において、内径がＤ１の第１処理筒と、該第１処理筒の下流側に設けられた内径がＤ２の第２処理筒とを備え、前記第１処理筒は、燃焼火炎を該第１処理筒の周壁から接線方向に噴出する火炎噴出孔を備え、前記第２処理筒は、酸素含有ガスを該第２処理筒の周壁から接線方向に噴出する酸素含有ガス噴出孔を備え、前記内径Ｄ２が前記内径Ｄ１より大きく設定されていることを特徴としている。
【０００７】
さらに、本発明の燃焼除害装置は、前記第２処理筒の下流側に第３処理筒を備え、該第３処理筒は、内径がＤ３の内筒と、該内筒の外周を覆う外筒との二重構造で形成され、前記外筒は、該外筒と前記内筒との間に形成された空気導入室に空気を導入する空気導入部を備えるとともに、前記内筒は、前記空気導入室に導入された空気を内筒内に噴出する多数の空気噴出孔を備え、前記内径Ｄ３が前記内径Ｄ２以上に設定されていることを特徴としている。
【０００８】
また、前記第１処理筒に前記排ガスを導入する排ガス導入部は、第１処理筒の軸線と一致する軸線を有し、第１処理筒の内径より小さな外径を有する円筒状の排ガス導入筒を備え、該排ガス導入筒の下流側開口端は、第１処理筒における前記火炎噴出孔の上流側端と同一位置乃至火炎噴出孔の上流側端より下流側に突出していることを特徴としている。
【０００９】
さらに、前記第１処理筒と前記第２処理筒との間には、第１処理筒及び第２処理筒の軸線と一致する軸線を有し、第２処理筒の内径より小さな外径を有する円筒状の燃焼ガス導入筒が設けられ、該燃焼ガス導入筒の下流側開口端は、第２処理筒における前記酸素含有ガス噴出孔の上流側端と同一位置乃至酸素含有ガス噴出孔の上流側端より下流側に突出していることを特徴としている。
【００１０】
加えて、燃焼除害装置に導入される前記排ガスは、有害成分濃度を低くするために不活性ガスで希釈されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃焼除害装置によれば、第１処理筒のガス流れ方向下流側に、第１処理筒の内径より大きな内径を有する第２処理筒を設け、該第２処理筒から酸素含有ガスを接線方向に噴出するようにしているので、第１処理筒で形成した管状火炎を乱すことなく酸素含有ガスを導入することができる。これにより、管状火炎による有害成分の加熱を確実に行えるとともに、反応に必要な酸素を、管状火炎を乱すことなく供給することができる。したがって、燃焼に寄与しない不活性ガスで希釈された排ガス中の有害成分を効率よく除害処理することができる。
【００１２】
また、第２処理筒の下流側に、空気噴出孔を備えた内筒と空気導入部を備えた外筒とで形成した第３処理筒を設けることにより、有害成分の除害処理で固形物（粉末）が発生するような場合でも、温度が低下した固形物が装置内に付着、堆積することを防止でき、安定した除害処理を継続することができるとともに、導入した空気によって燃焼除害装置から排気される処理ガスの温度を下げることができる。さらに、排ガス導入筒や燃焼ガス導入筒を設けることにより、管状火炎の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の燃焼除害装置の一形態例を示す断面正面図である。
【図２】第１処理筒の火炎噴出孔及び第２処理筒の酸素含有ガス噴出孔の状態を示す説明図である。
【図３】実験例１における燃焼特性を示す図である。
【図４】実験例２で使用した実験装置の説明図である。
【図５】実験例２における燃焼特性を示す図である。
【図６】実験例２における窒素と空気との相違を示す図である。
【図７】実験例３における燃焼特性を示す図である。
【図８】実験例３におけるＮＦ３の分解性能を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本形態例に示す燃焼除害装置は、排ガス導入管１０のガス流れ方向上流側から順に、第１処理筒１１と、第２処理筒２１と、第３処理筒３１とを連設したものであって、排ガス導入管１０からは、例えば、半導体製造工程から排気される有害成分を不活性ガスで希釈した排ガスが導入される。
【００１５】
第１処理筒１１は、偏平円筒状に形成されており、周壁には、図２に示すように、処理筒内周面Ａに対する噴出方向Ｂが処理筒内周面Ａの接線方向に設定され、周方向幅がＷ１で長さがＨ１の複数の火炎噴出孔１２が設けられている。第１処理筒１１の内径Ｄ１は、排ガス導入管１０の内径Ｄ０より大きく（Ｄ０＜Ｄ１）設定されており、通常は、Ｄ０，Ｄ１，Ｗ１の関係が、Ｄ１＞Ｄ０＋２Ｗ１になるように設定される。また、第１処理筒１１の長さＬ１は、火炎噴出孔１２の長さＨ１に対して１．５〜２倍になるように設定される。さらに、火炎噴出孔１２の周方向の幅Ｗ１は、長さＨ１に対して、火炎噴出孔１２から噴出する火炎の流速が所望の流速になるように設定され、通常は、ガス流れ方向に長いスリット状に形成される。
【００１６】
第１処理筒１１に排ガスを導入する排ガス導入部には、第１処理筒１１の軸線と一致する軸線を有し、第１処理筒１１の内径Ｄ１より小さな外径ｄ１を有する円筒状の排ガス導入筒１３が設けられており、該排ガス導入筒１３の下流側開口端１３ａは、第１処理筒１１における前記火炎噴出孔１２の上流側端１２ａと同一位置まで突出している。
【００１７】
第２処理筒２１は、第１処理筒１１と同様な偏平円筒状に形成されており、周壁には、図２に示すように、処理筒内周面Ａに対する噴出方向Ｂが、前記火炎噴出孔１２の噴出方向と同じ方向で、処理筒内周面Ａの接線方向に設定され、周方向幅がＷ２で長さがＨ２の複数の酸素含有ガス噴出孔２２が設けられている。第２処理筒２１の内径Ｄ２は、第１処理筒１１の内径Ｄ１より大きく（Ｄ１＜Ｄ２）設定されており、通常は、Ｄ０，Ｄ１，Ｗ２の関係が、Ｄ２＞Ｄ１＋２Ｗ２になるように設定される。また、第２処理筒２１の長さＬ２は、火炎噴出孔１２の長さＨ１に対して１．５〜２倍になるように設定される。さらに、酸素含有ガス噴出孔２２の周方向の幅Ｗ２は、長さＨ２に対して、酸素含有ガス噴出孔２２から噴出する酸素含有ガスの流速が所望の流速になるように設定され、通常は、ガス流れ方向に長いスリット状に形成される。
【００１８】
第１処理筒１１と第２処理筒２１との間には、第１処理筒１１及び第２処理筒２１の軸線と一致する軸線を有し、第２処理筒２１の内径Ｄ２より小さな外径ｄ２を有する円筒状の燃焼ガス導入筒２３が設けられており、この燃焼ガス導入筒２３の下流側開口端２３ａは、第２処理筒２１における酸素含有ガス噴出孔２２の上流側端２２ａと同一位置まで突出している。
【００１９】
このように第１処理筒１１の火炎噴出孔１２から噴出した火炎が、排ガス導入管１０から第１処理筒１１内に導入された排ガスの周囲を螺旋状に包み込んだ層流状態の管状火炎を形成することにより、排ガス中に含まれている有害成分を効果的に加熱することができる。そして、第１処理筒１１の内径より大きな内径を有する第２処理筒２１の酸素含有ガス噴出孔２２から噴出した酸素含有ガスは、第１処理筒１１から第２処理筒２１に流れ込んだ管状火炎の外周を螺旋状に周回する状態になるので、管状火炎の燃焼状態を乱すことなく、酸素含有ガス中の酸素を、管状火炎内を流れる排ガス中に導入することができ、高温に加熱されている有害成分と酸素とを反応させることができる。
【００２０】
したがって、燃焼には全く寄与しない不活性ガスで希釈された排ガス中に含まれる有害成分を、第１処理筒１１で形成した管状火炎によって効率よく熱分解して除害処理できるとともに、燃焼性を有する有害成分量が多い場合でも、第２処理筒２１から導入される酸素含有ガス中の酸素によって有害成分を酸化、燃焼させて効率よく除害処理することができる。また、除害処理で固形物が発生しても、酸素含有ガス噴出孔２２からの酸素含有ガスが第２処理筒２１の内周面に沿って流れているため、第２処理筒２１の内周面への固形物の付着を抑制することができる。
【００２１】
さらに、排ガス導入筒１３の下流側開口端１３ａを、第１処理筒１１内に突出させておくことにより、導入される排ガスの流れを安定させて第１処理筒１１内に拡がることを抑えることができ、第１処理筒１１内でより確実に管状火炎を形成することができる。同様に、第１処理筒１１と第２処理筒２１との間に、下流側開口端２３ａを第２処理筒２１内に突出させた燃焼ガス導入筒２３を設けておくことにより、管状火炎の外周に導入される酸素含有ガスを管状火炎の外周に沿って流れる状態にすることができ、第２処理筒２１に流入する管状火炎の乱れを抑えることができる。
【００２２】
すなわち、排ガス中に含まれる燃焼性有害成分の量が少なく、不活性ガスが主体の排ガスになると、第１処理筒１１及び第２処理筒２１において燃焼に寄与しないガス量が過剰な状態になり、一方、排ガス中の燃焼性有害成分の量が多くなると、第１処理筒１１及び第２処理筒２１における酸素量が不足する状態になるが、第１処理筒１１の内径Ｄ１及び第２処理筒２１の内径Ｄ２や、排ガス導入筒１３及び燃焼ガス導入筒２３の状態を、排ガスの流量や有害成分の濃度範囲、特に、燃焼性成分の濃度範囲などの条件に応じて適切に設定することにより、管状火炎の乱れを抑えて有害成分の除去処理を効果的に行うことができる。
【００２３】
前記第３処理筒３１は、第１処理筒１１や第２処理筒２１に比べて軸線方向に長い円筒状の内筒３２と、該内筒３２の外周を覆う外筒３３との二重構造で形成されており、内筒３２と外筒３３との間には、空気導入室３４が形成されている。外筒３３の周壁には、前記空気導入室３４に空気を導入するための空気導入部３５が設けられるとともに、前記内筒３２には、空気導入室３４に導入された空気を内筒３２の周壁全体から内筒３２の内部に噴出する多数の空気噴出孔３６が形成されている。
【００２４】
内筒３２の内径Ｄ３は、第２処理筒２１の内径Ｄ２と同一か、大きく（Ｄ２≦Ｄ３）設定されており、通常は、Ｄ２に対してＤ３が１．１〜１．５倍になるように設定される。また、第３処理筒３１の全体的な長さＬ３は、前記内径Ｄ３に対して十分に長く設定され、ガス流れ方向上流側では、燃焼や熱分解に必要な酸素を燃焼火炎中に導入して燃焼、熱分解を促進するととともに、下流側では、空気導入部３５から噴出した空気との混合によって内筒３２内を流れるガスの温度を適度に冷却できる長さに設定される。
【００２５】
このように、内筒３２の全体にわたって設けた空気噴出孔３６から内筒３２の内部に向けて適当な流速、流量で空気を噴出することにより、有害成分の除害処理で固形物が発生するような場合でも、内筒３２の内周面に固形物が付着することを抑制でき、固形物を含んだ状態の処理ガスを装置外に円滑に導出することができ、装置内への固形物の付着に起因する運転状態の変化を生じることがなくなる。
【００２６】
なお、排ガス導入筒や燃焼ガス導入筒は省略することも可能であり、排ガス導入筒は、排ガス導入管の先端を第１処理筒に差し込んで排ガス導入筒を形成してもよく、別の部材を取り付けてもよく、各燃焼室と一体に形成してもよい。また、第３処理筒の内筒は、金属多孔板や網状板などの適宜な材料を円筒形に形成したものや、多段構造の内筒を用いることができ、空気噴出孔の大きさや数、配置は任意であり、空気噴出孔の形状も、丸孔、角孔、スリットなどを適宜選択することができる。また、内筒の上流部と下流部とで空気噴出孔の大きさなどが異なっていてもよい。
【００２７】
実験例１
排ガス導入管の内径Ｄ０を８０ｍｍ、第１処理筒の内径Ｄ１を１３３．８ｍｍ、第２処理筒の内径Ｄ２を１３３．８ｍｍ（Ｄ２−Ｄ１＝０ｍｍ、Ｄ１：Ｄ２＝１：１）及び１５９．２ｍｍ（Ｄ２−Ｄ１＝１２．７ｍｍ、Ｄ１：Ｄ２＝１：約１．１）に設定した２種類の装置を使用して燃焼実験を行った。第１処理筒の長さＬ１は６０ｍｍであり、火炎噴出孔は、Ｈ１が３０ｍｍで、Ｗ１が４ｍｍのスリットを９０度間隔で４箇所に設けた。排ガス導入筒は設けずに、スリットの上流側端縁と第１処理筒の上流側端面との距離は０ｍｍにした。この火炎噴出孔からは、プロパンガスと空気とをあらかじめ混合して燃焼状態にしたものを均等に分配させて噴出させた。また、第２処理筒の長さＬ２は６０ｍｍであり、酸素含有ガス噴出孔は、Ｈ２が３０ｍｍで、Ｗ２が４ｍｍのスリットを９０度間隔で４箇所に設けた。スリットの上流側端縁と第２処理筒の上流側端面との距離は０ｍｍにした。この酸素含有ガス噴出孔２２からは、毎分５００リットルの空気を均等に分配して噴出させた。
【００２８】
排ガス導入管から毎分４００リットルの窒素を一定流量で導入するとともに、火炎噴出孔から、プロパンガスの流量を毎分８〜２５リットルの間で一定に保ちながら、空気量を変化させて管状火炎の燃焼状態を観察した。その結果を図３に示す。この結果から、第２処理筒の内径Ｄ２を第１処理筒の内径Ｄ１より大きくすることにより、処理に必要な管状火炎を形成できる空気比の幅が広くなることがわかる。
【００２９】
また、排ガス導入管から導入するガスとして、前記窒素に代えて毎分４リットルのシラン（ＳｉＨ４）と毎分４００リットルの窒素とを混合したガスを使用し、除害処理の反応で発生する酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が第２処理筒の内周面に付着する状態を比較した。その結果、第２処理筒の内径Ｄ２が１３３．８ｍｍの場合には、１時間当たり５ｇが付着したのに対し、第２処理筒の内径Ｄ２を１５９．２ｍｍに拡大したものでの付着量は、１時間当たり０．１ｇ未満であった。
【００３０】
実験例２
第１処理筒の火炎噴出孔の上流側端と排ガス導入筒の下流側開口端との関係を変化させた燃焼実験を行った。図４に示すように、排ガス導入管１０の内径Ｄ０は４３ｍｍ、第１処理筒１１の内径Ｄ１は５６ｍｍ、長さＬ１は５０ｍｍで、火炎噴出孔１２は、Ｈ１が２５ｍｍで、Ｗ１が２ｍｍのスリットを９０度間隔で４箇所に設けた。この火炎噴出孔１２からは、プロパンガスと空気とをあらかじめ混合して燃焼状態としたものを均等に分配させて噴出させた。スリットの上流側端縁１２ａと排ガス導入筒１３の下流側開口端１３ａとの距離Ｘは、火炎噴出孔の上流側端を基準（Ｘ＝０ｍｍ）とし、下流方向をプラス、上流方向をマイナスで表し、排ガス導入筒の下流側開口端を、スリットの上流側端縁１２ａに対して−５ｍｍ（図４に示す状態）、０ｍｍ、＋５ｍｍにそれぞれ設定した。なお、第１処理筒における燃焼状態を観察できればよいことから、第２処理筒は省略し、第１処理筒の下流側には、前記第３処理筒と同様に形成した保護筒４１を配置した。
【００３１】
排ガス導入管から毎分２００リットルの窒素を一定流量で導入するとともに、火炎噴出孔から、プロパンガスの流量を毎分２〜１０リットルの間で一定に保ちながら、空気量を変化させて管状火炎の燃焼状態を観察した。その結果を図５に示す。この結果から、排ガス導入筒の下流側開口端を−５ｍｍに設定したものに比べて、０ｍｍ、＋５ｍｍに設定することにより、処理に必要な管状火炎を形成できる空気比の幅を拡げられることがわかる。
【００３２】
また、排ガス導入筒の下流側開口端を−５ｍｍに設定した場合において、排ガス導入管から窒素に代えて空気を毎分２００リットル導入したときの燃焼状態を図６に示す。この結果から、酸素を含む空気に比べて、燃焼に寄与しない窒素の場合は、燃焼範囲が狭くなることがわかる。したがって、不活性ガスで希釈した排ガスを処理する場合、前記図５に示したように、排ガス導入筒の下流側開口端を下流側に配置することにより、不活性ガスが多い排ガスの場合でも、適正な管状火炎を幅広い範囲で形成することができるので、不活性ガスで希釈された有害成分の処理を確実に行えることがわかる。
【００３３】
実験例３
図１に示した装置構成の燃焼除害装置でスケールアップを行い、燃焼範囲及び分解性能の確認を行った。燃料であるプロパンガスの供給量に対する燃焼特性を図７に、ＮＦ３の分解性能を図８にそれぞれ示す。この結果から、スケールアップが十分可能であることがわかる。
【符号の説明】
【００３４】
１０…排ガス導入管、１１…第１処理筒、１２…火炎噴出孔、１２ａ…上流側端、１３…排ガス導入筒、１３ａ…下流側開口端、２１…第２処理筒、２２…酸素含有ガス噴出孔、２２ａ…上流側端、２３…燃焼ガス導入筒、２３ａ…下流側開口端、３１…第３処理筒、３２…内筒、３３…外筒、３４…空気導入室、３５…空気導入部、３６…空気噴出孔、４１…保護筒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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