(57)【要約】【課題】ガスの流れが切り替わったとしても原ガスが排気に混入することを防止でき、装置を構造的に簡略化した小型のものとすることができる蓄熱式アンモニア分解装置を提供する。【解決手段】ガス予熱混合室３からアンモニア分解触媒５側に流入する入口温度（予熱混合室温度Ｔｍ）がアンモニア分解触媒５が反応する反応下限温度ＴｍＬより低い時は、予熱ヒータ２を発熱させて原ガス予熱混合室３内の温度を反応下限温度ＴｍＬまで予熱し、アンモニア分解触媒５の下端部近傍における触媒出口温度Ｔｃがアンモニア分解触媒５の耐熱温度ＴｃＨ以上に上昇した場合は、送風機Ｍの空気供給量を増加させさせ、触媒・蓄熱室４に送り込まれる流入空気流量Ｑａｉｒを適宜調整することにより、アンモニア分解触媒５の入口と出口での温度差ΔＴがΔＴＨ＝（ＴｃＨ−ＴｍＬ）以下となるように制御した。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源を内蔵した炉と、該炉内に被処理用アンモニア含有ガスを導入して前記炉内に流入させた空気と合流混合させながら均一拡散させる混合手段と、前記炉の上流側と下流側とにそれぞれ連結された少なくとも２つの収納室と、該収納室の少なくとも前記炉側に収納されたアンモニア分解触媒と、前記収納室内に収納された蓄熱体と、前記収納室の前記炉と反対側に連結され、流入する空気と処理済みガスを交互に出入りさせるためのガス分配手段と、前記アンモニア分解触媒の上流側と下流側とのガス温度に基づいて流入空気流量を制御する制御手段とを具えた蓄熱式アンモニア分解装置。
【請求項２】
前記制御手段はアンモニア分解触媒の上流側の温度がアンモニアの分解反応下限温度より低いときは熱源を投入させ、アンモニア分解触媒の下流側の温度がアンモニア分解触媒の耐熱温度を越えたときは処理用空気の流量を増加させるように制御することを特徴とする請求項１記載の蓄熱式アンモニア分解装置。
【請求項３】
前記収納室はガス流に沿って互いに独立した複数の小収納室から成り、ガス分配手段は回転により流入空気流路および排出ガス流路と前記小収納室の炉と反対側端とを切替え接続する回転分配弁であることを特徴とする請求項１記載の蓄熱式アンモニア分解装置。
【請求項４】
前記アンモニア分解触媒と蓄熱体は同一部材で形成されていることを特徴とする請求項１記載の蓄熱式アンモニア分解装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は蓄熱式アンモニア分解装置に関し、特に半導体製造設備等から発生する排ガス中の高濃度のアンモニアガスを触媒により分解処理すると共に、高効率で熱回収することができる省エネルギーの蓄熱式アンモニア分解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造設備から発生する排ガス中のアンモニアの除去処理方法としては、６００〜８００℃の高温でＮｉ，Ｆｅ，ＰｄまたはＰｔ等の触媒に排ガスを接触させて窒素ガスと水素ガスに分解する方法や、３００〜５００℃で酸素を加えてモルデナイト、Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，ＶまたはＦｅ等の脱硝触媒と、ＰｔまたはＰｄ等の酸化触媒を混在させた触媒に接触させて窒素ガスと水蒸気に分解する方法が普及しつつある。中でも、酸素を加えて低温で触媒熱分解処理する方法は、安全性に優れた除去処理方法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、酸素を加えて低温で触媒に接触させて窒素と水蒸気に分解させる除去処理方法では、触媒層に接触する排ガスの温度を３００℃に維持するために予熱が必要となる。そこで、定格運転時の補助熱量を低減するために触媒分解炉の出口側で排ガスから熱回収しているが、この熱回収における伝熱管の表面積が大きくなり、クリーンルーム内にこの熱回収装置を設置する場合には、クリーンルームに必要な容積が過大になってしまうといった点が問題となる。
【０００４】
一方、小型の再生式熱交換器とガスの切換え装置を組み合わせた蓄熱触媒燃焼装置を用いた場合には、蓄熱体の低温部にアンモニアが吸着し、排ガスが通過する際に吸着ガスが脱離して混入するという不都合な現象が生じる。このため、導入する排ガスを高温に加熱することにより上記不都合を解消する処理方法を採用した場合は、熱回収工程を省くという当該処理方法の主旨に反した運転条件を採用することになるという矛盾が生じる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、熱源を内蔵した炉と、該炉内に被処理用アンモニア含有ガスを導入して前記炉内に流入させた空気と合流混合させながら均一拡散させる混合手段と、前記炉の上流側と下流側とにそれぞれ連結された少なくとも２つの収納室と、該収納室の少なくとも前記炉側に収納されたアンモニア分解触媒と、前記収納室内に収納された蓄熱体と、前記収納室の前記炉と反対側に連結され、流入する空気と処理済みガスを交互に出入りさせるためのガス分配手段と、前記アンモニア分解触媒の上流側と下流側とのガス温度に基づいて流入空気流量を制御する制御手段とを具えたものである。
【０００６】
また、制御手段はアンモニア分解触媒の上流側の温度がアンモニアの分解反応下限温度より低いときは熱源を投入させ、アンモニア分解触媒の下流側の温度がアンモニア分解触媒の耐熱温度を越えたときは処理用空気の流量を増加させるように制御すると十分機能が発揮される。収納室はガス流に沿って互いに独立した複数の小収納室から成り、ガス分配手段は回転により流入空気流路および排出ガス流路と前記小収納室の炉と反対側端とを切替え接続する回転分配弁であっても良い。さらに、アンモニア分解触媒と蓄熱体は同一部材で形成されていても良い。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明を図面により具体的に説明する。本発明は基本的には蓄熱触媒燃焼装置の触媒接触部にアンモニア分解触媒を充填し、炉頂からアンモニアを含む排ガスを流入させるようにしたものである。
【０００８】
図１及び図２は、本発明に係る２種類のアンモニア分解装置の概略構成を示す模式図である。これらの装置は基本的には同一機能を有したものであるが、図１に示す装置は排ガスの切換え部に回転分配弁を用いた多室式のもの、図２に示す装置は切換え弁を用いた２室式のものである。これらの装置の概略構成は、排ガスをアンモニア分解に必要な温度に加熱するための予熱ヒータ２を内蔵した原ガス予熱混合室３と、この下部に連結され、互いに独立隔離された複数の触媒・蓄熱室４と、この触媒・蓄熱室４にアンモニア処理用の空気と排ガスを切り替えて導入するための回転分配弁１０または切替弁体２０とから成るものである。
【０００９】
まず、図１に示した多室式のアンモニア分解装置のガスの流れを説明する。アンモニアを分解させる処理用空気は、回転分配弁１０を介して装置本体内に取り込まれ、触媒・蓄熱室４前段を通過する過程で後述する蓄熱体により熱せられ、予熱されながら原ガス予熱混合室３へと導かれる。この原ガス予熱混合室３で炉頂から原ガス供給管１を通って高濃度のアンモニア含有排ガスが導入され、下方から送り込まれた空気と混合するが、混合ガスの温度が低い場合は、予熱ヒータ２によってさらに加熱される。なお、アンモニア含有排ガスを空気に均一に拡散させる手段として、本装置ではアンモニア含有ガスを複数の注入口が穿設された原ガス注入ノズル１７から吹き出させる機構を採用している。
【００１０】
次に、混合ガスは上から下に向かって１８０度旋回した後、再び触媒・蓄熱室４後段へと導かれ、アンモニア分解触媒５に接触して反応し、窒素と水蒸気に分解される。この分解反応は発熱反応であるため、排ガスは分解反応により温度上昇する。この後、アンモニア分解触媒５の下流側に位置する蓄熱体６に熱を放出することにより温度の下がった排ガスは、再び回転分配弁１０を通って系外に排気される。
【００１１】
上述のアンモニア分解装置では、原ガス（導入されたアンモニア含有排ガス）を原ガス予熱混合室３内に注入すると共に、原ガス予熱混合室３の上流と下流にアンモニア分解触媒５を配置した構成としたから、回転分配弁１０によりガス（空気、排ガス）の流れが切り替わったとしても原ガスが排気に混入することはない。従って、ガスの切替弁としては、上述のような回転分配弁１０だけを配設すれば良いから、装置を構造的に簡略化した小型のものとすることができる。また、図２に示した２室式のアンモニア分解装置においても、触媒・蓄熱室４のガス出入口に３方弁を組み合わせた切替弁体２０だけを配設すれば良いから、同様に装置を構造が簡単で小型化したものとすることができる。
【００１２】
図３はアンモニア分解装置のガス流量と温度制御の概念を示す説明図である。上述のアンモニア分解装置のガス流量と温度制御の要点は、原ガス予熱混合室３からアンモニア分解触媒５側に流入する入口温度（予熱混合室温度Ｔｍ）をアンモニア分解触媒５が反応する反応下限温度ＴｍＬまで予熱することと、アンモニア分解触媒５の下端部近傍における触媒出口温度Ｔｃをアンモニア分解触媒５の耐熱温度ＴｃＨ以上に上昇させないことである。基本的には、アンモニア含有ガスの濃度を上記入口と出口での温度差ΔＴがΔＴＨ＝（ＴｃＨ−ＴｍＬ）以下となる濃度とするか、あるいは、触媒・蓄熱室４に送り込まれる流入空気流量Ｑａｉｒを適宜調整すれば良い。
【００１３】
そして、このアンモニア含有ガスの濃度や流入空気流量Ｑａｉｒでアンモニア分解反応させて発生した反応熱を熱回収した場合に、流入空気Ａｉが蓄熱体６により暖められ、予熱混合室温度Ｔｍがほぼ反応下限温度ＴｍＬになるように蓄熱体６の充填量を決めることになる。例えば、取り込んだ流入空気Ａｉの温度が３０℃，ＴｍＬ＝３００℃，ＴｃＨ＝４５０℃とすれば、予熱混合室温度Ｔｍが反応下限温度ＴｍＬに近い値にするのに必要な蓄熱体６の温度効率は６５％となる。この温度効率により、ベースとなる流入空気量Ｑａｉｒが決まれば、蓄熱体６の材料特性である表面積、熱伝達率及び熱容量により、必要な蓄熱体６の充填量が求まる。
【００１４】
この触媒と蓄熱体は、分離独立させるのが通常の方法であるが、蓄熱体上の必要な領域に触媒を担持しものでも機能的には十分である。また極端な場合、全て蓄熱体上に触媒を担持したものでも良い。これは、触媒層の温度が一定という前提条件で、一次反応となるためにアンモニア分解触媒の下流側では反応熱が生じなく、蓄熱体として働くことによるものである。
【００１５】
【実施例】
図１に示した多室式のアンモニア分解装置の具体的な構成をさらに説明する。触媒・蓄熱室４は片側が互いに隔離された８室からなる小蓄熱室（１室：２００ｍｍ角×１０００ｍｍＬ，配列：２行×４列）４１に分割されていて、その上部に共通の炉となるガス予熱混合室３が配設され、予熱（電気）ヒータ２が内蔵されている。個々の小蓄熱室４１内に、蓄熱体６となるセル密度１５．５ｃｅｌｌ／ｃｍ２，１５０ｍｍ角×１５０ｍｍＬコーディェライト質ハニカムを下端から順に充填し、その上部にアンモニア分解触媒をセル密度３１ｃｅｌｌ／ｃｍ２で３５０ｍｍＬの高さまで充填した。この触媒・蓄熱室４の下部に流入空気Ａｉと排ガスＡｏの流れを切り替えるための回転分配弁１０が設置されている。
【００１６】
回転分配弁１０は支持台を成すと共に流入空気Ａｉと排ガスＡｏの流路が形成された基台１３と、回転軸１２の上部に取り付けられて一体的に回転する円盤状の回転板７と、この回転板７の上面に摺接する固定された円盤状の固定板１１から成っている。回転板７の外周側と内周側の対向する位置に円弧状の排ガス出口孔８と空気供給孔９とがそれぞれ穿設されており、これらの排ガス出口孔８と空気供給孔９とに対向する固定板１１の位置に複数のガス導入孔がそれぞれ穿設されている。
【００１７】
図４は多室式のアンモニア分解装置の温度制御の流れを示す流れ図である。上述のように、アンモニア分解装置の温度制御はアンモニア含有ガスの濃度や流入空気流量Ｑａｉｒを調整することにより行えるが、流入空気流量Ｑａｉｒを調整することはアンモニア含有ガスの濃度を調整することと等価なので、本実施例では流入空気流量Ｑａｉｒの調整により温度制御を行う方式を採用する。
【００１８】
まず、上記装置を起動させた後、予熱混合室温度Ｔｍは反応下限温度ＴｍＬより低いか否かを判断する（Ｓ１）。その判断結果が然りならば、予熱ヒータ２を発熱させて手順Ｓ１に戻る（Ｓ２）。手順Ｓ１の判断結果が否ならば、原ガス（アンモニア含有ガス）を原ガス注入ノズル１７から原ガス予熱混合室３内に注入する（Ｓ３）。次に、予熱混合室温度Ｔｍは反応下限温度ＴｍＬより低いか、または予熱上限温度ＴｍＨより高いか否かを判断する（Ｓ４）。その判断結果がＴｍ＜ＴｍＬならば、送風機Ｍの空気供給量を減少させる（Ｓ５）。また、手順Ｓ４の判断結果がＴｍＨ＜Ｔｍならば、送風機Ｍの空気供給量を増大させて手順Ｓ３に戻る（Ｓ６）。
【００１９】
そして、ＴｍＬ≦Ｔｍ≦ＴｍＨならば、アンモニア分解触媒５の下端部近傍における触媒出口温度Ｔｃが耐熱温度ＴｃＨより大きいか否かを判断する（Ｓ７）。その判断結果が然りならば、送風機Ｍの空気供給量を増大させ（Ｓ８）、その判断結果が否ならば、装置の運転を継続するか否かを判断し（Ｓ９）、その判断結果が然りならば、送風機Ｍの空気供給量を増大させて手順Ｓ３に戻り、その判断結果が否ならば、装置の運転を終了させる。
【００２０】
上述のアンモニア分解装置の温度制御は原ガス予熱混合室３内およびアンモニア分解触媒５の下端部近傍にそれぞれ設けた温度検知器からの検知信号を受信して予熱ヒータ２および送風機Ｍを駆動制御する図示しない制御装置が行っている。
【００２１】
多室式のアンモニア分解装置を起動させてから定格運転に至るまでの過程を具体例で説明する。送風機Ｍを回転させて空気を５ｍ３／ｍｉｎの供給量で供給し、回転分配弁１０を１ｒｐｍで回転させながら、原ガス予熱混合室３内の温度を３００℃（反応下限温度ＴｍＬ：３００℃，予熱上限温度ＴｍＨ：３２０℃）に昇温予熱した。原ガス予熱混合室３内の温度が定常状態になった時点で、原ガスのアンモニア含有ガス（成分割合がアンモニア３０％、残り窒素ガス、流量Ｑａｎ＝０．２ｍ３／ｍｉｎ）を炉頂から注入した。
【００２２】
原ガス予熱混合室３内では、アンモニアの濃度は約１％前後に希釈された状態であり、予熱ヒータ２により加熱せずに触媒・蓄熱室４内の温度をアンモニアの分解時の発熱のみでバランスさせ、供給空気温度３０℃、原ガス予熱混合室３内の温度３００℃、アンモニア分解触媒５の出口温度は４２０℃、出口のガス温度は１５０℃となった。この装置の運転時の基台１３出口でのアンモニア濃度は２５ｐｐｍ以下、ＮＯｘの含有量は３０ｐｐｍ以下であった。
【００２３】
その後、多室式のアンモニア分解装置の運転時にアンモニア分解触媒５の出口温度が上昇する現象が生じたので、これに対応して制御装置が動作し、アンモニア分解触媒５の出口温度が触媒耐熱温度４５０℃を越えた時点で、送風機Ｍのインバータ制御が働き、送風機Ｍの空気供給量を増加させた。これにより、アンモニア分解触媒５の出口の温度が４２０℃付近まで低下し、再び定常状態に戻った。
【００２４】
このアンモニア分解装置は、原ガスにアンモニア以外のガスが混入している場合であっても、前処理設備等の設置により様々な応用が可能となる。例えば、ＣＶＤ半導体製造設備の排ガス処理で、排ガス中にアンモニア以外に水素が含まれる場合は、水素の酸化による発熱量が増加するから、触媒下流側の温度を制御するだけでその儘適用することができる。なお、燃焼性ガスであるトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、ジメチルジンク、ジメチルシラン等の金属酸化物原料が含まれる場合は、触媒上流側にフィルタを設置して捕捉させ、そのフィルタを定期的に取り換えることで対応することができる。
【００２５】
図２に示した２室式の蓄熱式アンモニア処理装置では、触媒・蓄熱室４は片側が互いに隔離された２室からなる小蓄熱室４２（１室：３５０ｍｍ角×１０００ｍｍＬ）に分割され、その個々の小蓄熱室４２に、蓄熱体６となるセル密度１５．５ｃｅｌｌ／ｃｍ２，３００ｍｍ角×１５０ｍｍＬコーディェライト質ハニカムを下端から順に充填し、その上部にアンモニア分解触媒６（セル密度３１ｃｅｌｌ／ｃｍ２）を３５０ｍｍＬの高さまで充填した。そして、小蓄熱室４２に交互に流入出ガスを切り替えるための切替弁体２０を空気供給側と排ガス側にそれぞれ１つずつ設置し、ガス流を交互に切り替えるようにした。この装置は機能的には前記実施例と同様であった。
【００２６】
さらに、上述した実施例では、独立したアンモニア分解触媒５と蓄熱体６を組み合せたものを用いたが、これらの組合せに換えて、コーディェライトハニカム上にアンモニア分解触媒を担持したものを全て触媒・蓄熱体として触媒・蓄熱室４内に充填し、その評価を実施した。その結果、アンモニア分解性能としては基台１３出口のアンモニア濃度とＮＯｘ濃度をさらに低減させることができた。また、触媒・蓄熱室４内の熱的なバランスでは殆ど差がなかった。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、熱源を内蔵した炉の上流側と下流側とにそれぞれ連結された少なくとも２つの収納室の少なくとも炉側にアンモニア分解触媒を収納し、さらに収納室内に蓄熱体を収納し、ガス分配手段により収納室に流入する空気と処理済みガスを交互に出入りさせ、アンモニア分解触媒の上流側と下流側とのガス温度に基づいて流入空気流量を制御するようにしたので、ガスの流れが切り替わったとしても原ガスが排気に混入することを防止でき、装置を構造的に簡略化した小型のものとすることができる。
【００２８】
請求項２記載の発明によれば、アンモニア分解触媒の上流側の温度がアンモニアの分解反応下限温度より低いときは熱源を投入させ、アンモニア分解触媒の下流側の温度がアンモニア分解触媒の耐熱温度を越えたときは処理用空気の流量を増加させるように制御したので、原ガス中のアンモニアを確実に分解させることができ、アンモニア分解触媒の熱劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多室式のアンモニア分解装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】本発明に係る２室式のアンモニア分解装置の概略構成を示す模式図である。
【図３】本発明のアンモニア分解装置のガス流量と温度制御の概念を示す説明図である。
【図４】多室式のアンモニア分解装置の温度制御の流れを示す流れ図である。
【符号の説明】
２　予熱ヒータ
３　原ガス予熱混合室
４　触媒・蓄熱室
５　アンモニア分解触媒
６　蓄熱体
１０　回転分配弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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