(57)【要約】【課題】より高いＣＦ４分解効率を得ることのできる難分解性ガス燃焼処理装置を提供すること。【解決手段】難分解性成分を含有する被処理ガスおよび酸化剤を予熱するための蓄熱部１を有する前記ガスの導入管路３と、該ガス管路３から導入されたガスを縮流させるための絞り部５と、該絞り部５に燃料を供給し着火する手段と、該絞り部５に連通して設けられた拡径部９と、該拡径部９に設けられた、前記絞り部５よりも小さい開口面積を有するオリフィス１１とを有するバーナ装置を備え、前記拡径部９とオリフィス１１との間には、前記絞り部５で着火した燃料の燃焼により前記被処理ガス中の難分解性成分が酸化分解するのに充分な空間１３が形成されていることを特徴とする排ガス燃焼処理装置。【選択図】  図１
2004278879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
難分解性成分を含有する被処理ガスおよび酸化剤を予熱するための蓄熱部を有する前記ガスの導入管路と、該ガス管路から導入されたガスを縮流させるための絞り部と、該絞り部に燃料を供給し着火する手段と、該絞り部に連通して設けられた拡径部と、該拡径部に設けられた、前記絞り部よりも小さい開口面積を有するオリフィスとを有するバーナ装置を備え、前記拡径部とオリフィスの間には、前記絞り部で着火した燃料の燃焼により前記被処理ガス中の難分解性成分が酸化分解するのに充分な空間が形成されていることを特徴とする排ガス燃焼処理装置。
【請求項２】
前記排ガスが難分解性成分としてフロンを含有する排ガスである請求項１記載の排ガス燃焼処理装置。
【請求項３】
前記ガス管路がＵ字型管路からなり、該Ｕ字型管路内に一対の前記バーナ装置が並行して配置され、該Ｕ字型管路の開口端に被処理ガスを正逆方向に交互に流通させて燃焼させるための流路切替弁が設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載の排ガス燃焼処理装置。
【請求項４】
前記ガス導入管路の拡径部に対するオリフィスの開口面積の比が０．５以下である、請求項１ないし３のいずれかに記載の排ガス燃焼処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排ガス燃焼処理装置に関し、さらに詳しくは、半導体製造プロセスから排出されるフロンガスのような難分解性成分を含有する排ガスを効率よく分解処理することができる排ガス燃焼処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化の問題がクローズアップされており、化石燃料を大量に消費して生成される一酸化炭素、二酸化炭素等の排ガスの排出量を抑制することが求められている。半導体製造プロセスから排出されるフロンガス（ＰＦＣ：パーフルオロカーボン）は総排出量は少ないが、地球温暖化係数は二酸化炭素ＣＯ２ の１０００倍から１００００倍といわれており、半導体生産が今後も増加することを考慮すると無視できない。このような状況に鑑み、フロンを無害化する排ガス処理装置の開発が必要とされている。
【０００３】
排ガス処理装置の方式には、湿式、触媒式等があるが、これらはランニングコストが高い等の問題があり、装置自体が比較的コンパクトでランニングコストの低い燃焼式による処理装置の開発が期待されている。従来の燃焼式排ガス処理装置では、９００℃から１２００℃の高温の燃焼炉内で分解するのが一般的であり、中には２０００℃の超高温式もある。半導体製造プロセスの排ガスにはフロンの他にもモノシランなどの有害な成分があり、燃焼炉内ではフロンを分解するとともにこれら有害ガスも分解しなければならず、燃焼分解後のガス中にはフロンガス分解で生成するフッ化水素ＨＦとモノシランガス分解で生成するシリカ粉が共存することもある。
【０００４】
図７は、半導体製造装置等からの排ガスを処理するための、従来の代表的な燃焼式排ガス処理システムのフロー図である。
排ガス４１は排ガス入口から燃焼炉４２に導入され、燃焼分解する。その後流側で、燃焼ガスは冷却部４３で冷却され、モノシランの分解で生成したシリカ粉およびフロンガス分解で生成したＨＦの部分的な捕集除去が行われる。さらにシリカ粉の捕集をサイクロンスクレーパ方式の集塵装置４４で行い、最終的には吸収塔４５でＨＦを完全除去し、有害成分を含まないガスは処理ガス４７として吸収塔４５の塔頂から排気され、ＨＦを吸収した酸排水４６は吸収塔底部に設けられたタンク４８を経て外部に排出される。
【０００５】
さて、高温場におけるフロンガスの分解反応としては、水蒸気存在下での加水分解反応が考えられる。ＰＦＣには、テトラフルオロメタンＣＦ４ 、ヘキサフルオロエタンＣ２ Ｆ６ 等があるが、ＣＦ４ とＣ２ Ｆ６ の分解反応式は次に示すとおりである。
【０００６】
〔化１〕
ＣＦ４ ＋２Ｈ２ Ｏ→ＣＯ２ ＋４ＨＦ
Ｃ２ Ｆ６ ＋３Ｈ２ Ｏ＋（１／２）Ｏ２ →２ＣＯ２ ＋６ＨＦ
【０００７】
ここで、Ｃ２ Ｆ６ の分解は基本的には酸化反応であり、Ｃ２  Ｆ６  の燃焼で発生した水蒸気がＣＦ４ の分解に寄与する。
一方、ＣＦ４ の分解は加水分解であり、その難分解性のため従来の燃焼式排ガス処理装置では高いＣＦ４ 分解効率を得ることはできなかった。
本発明者らは、高温電気炉を用い、９００℃から１１００℃と温度を変化させてＣ２ Ｆ６ の酸化分解の実験を行った。図５にガス温度に対するＣ２ Ｆ６ の分解率を示す。この図から約９００℃の温度以上でＣ２ Ｆ６ の分解が始まり、１１００℃でほぼ１００％の分解率を得ることがわかった。
【０００８】
次にＣＦ４ について同様の加熱実験を行ったが、ＣＦ４ に関しては前述の式に示したように水が反応に関与するので、電気炉内にはＣＦ４ ガスと加熱した水蒸気を化学量論比で５、１０倍とかなり多めに供給して実験を行った。この結果を図６に示す。この結果から、雰囲気温度の増加につれて分解率が増加する傾向が得られたが、水蒸気の添加量を増加することにより分解率も増加するが、１４００℃以下の温度環境では、９０％レベルの分解率を望むことが不可能であることがわかった。
【０００９】
上述のように、通常の炭化水素燃料による燃焼式排ガス処理装置において、ガス温度や水蒸気の添加量を増加してもＣＦ４ 分解率を９０％以上に向上させることは困難である。このため、従来の炭化水素燃料による空気燃焼の方式に替えて酸素―水素燃焼方式を用い燃焼温度を高くする等の手段がとられている。
しかし、上述したフロン無害化の要請に応えるには、できる限りＣＦ４ 分解効率を高くする必要があり、特に９０％レベルの分解効率を実現し得る排ガス処理装置の開発が求められていた。また、燃焼温度を高くする方式では超高温環境が必要であり、設備として高ユーティリティになること、燃料消費が多くなりランニングコストが高くなること、さらに燃料消費に伴い温室効果ガスであるＣＯ２ 排出が増加すること、等の問題点があった。
【００１０】
特開昭４８−２７３２９号公報
特開平９−３１０８１９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記従来技術の欠点を除き、より高いＣＦ４ 分解効率を得ることのできる難分解性ガス燃焼処理装置を提供することである。さらに他の課題は、従来の燃焼式排ガス処理装置でのＣＦ４ 分解に必要であった超高温環境を不要とすることにより、低ユーティリティの設備設計、燃料消費およびランニングコストの低減、さらには温室効果ガスであるＣＯ２ 排出量の削減が可能な難分解性ガス燃焼処理装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願で特許請求される発明は以下のとおりである。
（１）難分解性成分を含有する被処理ガスおよび酸化剤を予熱するための蓄熱部を有する前記ガスの導入管路と、該ガス管路から導入されたガスを縮流させるための絞り部と、該絞り部に燃料を供給し着火する手段と、該絞り部に連通して設けられた拡径部と、該拡径部に設けられた、前記絞り部よりも小さい開口面積を有するオリフィスとを有するバーナ装置を備え、前記拡径部とオリフィスとの間には、前記絞り部で着火した燃料の燃焼により前記被処理ガス中の難分解性成分が酸化分解するのに充分な空間が形成されていることを特徴とする排ガス燃焼処理装置。
【００１３】
（２）前記排ガスが難分解性成分としてフロンを含有する排ガスである（１）記載の排ガス燃焼処理装置。
【００１４】
（３）前記ガス管路がＵ字型管路からなり、該Ｕ字型管路内に一対の前記バーナ装置が並行して配置され、該Ｕ字型管路の開口端に被処理ガスを正逆方向に交互に流通させて燃焼させるための流路切替弁が設けられていることを特徴とする、（１）または（２）記載の排ガス燃焼処理装置。
【００１５】
（４）前記ガス導入管路の拡径部に対するオリフィスの開口面積の比が０．５以下である、（１）ないし（３）のいずれかに記載の排ガス燃焼処理装置。
【００１６】
本発明において、ガス導入管路に設ける蓄熱部は、燃焼装置部における燃焼廃熱を蓄熱回収し、その熱を処理対象排ガスや空気と熱交換して高温予熱空気を得、燃焼の熱効率を高める蓄熱燃焼に用いられるものである。この目的を達する限り、その仕様により本発明が限定されるものではない。
【００１７】
Ｕ字型管路を用いるバーナ装置を形成する場合には、蓄熱部はバーナ装置とともに２個備えられ、バーナ装置部と蓄熱部が一体となって本発明の燃焼装置を構成する。Ｕ字型管路の開口端には流路切替手段が設けられ、交番式の運転、すなわち排ガスの燃焼、排気および蓄熱を交互に切り替え運転することができるようになっている。蓄熱部を備えた本発明のバーナ装置を用いることにより、従来の超高温環境が不要となり、燃焼用空気中の酸素濃度が低い条件であっても高温の火炎が形成され、排ガス中の難分解性成分、例えば後述するＰＦＣの分解効率が向上する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施例によりさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の燃焼装置に用いるバーナ装置の概略構造を示す説明図である。図において、この装置は、被処理ガスおよび酸化剤を予熱するための蓄熱部１が設けられた該ガスの導入管路３と、このガス管路３から導入されたガスを縮流させるための絞り部５と、絞り部５に燃料７を供給し、着火する手段と、該絞り部５に連通して設けられた前記管路の拡径部９と、該拡径部９の端部に設けられたオリフィス１１とから主として構成される。
【００１９】
前記オリフィス１１には、前記絞り部５よりも小さな開口面積を有する開口部が設けられている。また、前記絞り部５とオリフィス１１の間には、前記絞り部５で着火した燃料の燃焼により前記被処理ガス中の難分解性成分が酸化分解するのに充分な空間１３が形成されている。
【００２０】
前記オリフィス１１の開口面積Ａ１ と該オリフィス１１出口側の管路（前記拡径部９の最大開口部）の開口面積Ａ０ の比（開口比）は、０．５以下、好ましくは０．３以下である。
【００２１】
図１において、被処理ガスと酸素のような酸化剤との混合ガス２は、管路３の蓄熱部１に導入され、ここで高温度に予熱されたのち管路３の後流の絞り部５に導入され、ここでＬＰＧのような燃料７が注入され、着火する。燃焼ガスは絞り部５を通る間に縮流され、次いで火炎となって該拡径部９の空間１３内を膨張し、ここで排ガスと火炎が充分混合したのち、オリフィス１１の開口部から炉内に排出され、オリフィス出口付近でさらに排ガスと火炎との混合が促進され、該排ガス中の難燃性成分が完全燃焼される。このオリフィス出口では、火炎と外部環境との圧力差による渦流を生じ、保炎効果とともに燃焼が促進される。
【００２２】
このバーナ装置では入口部に蓄熱部を有し、被処理ガスを含む混合ガス２は高温予熱されているので、絞り部５に供給される混合ガス２は燃料７供給と同時に着火、火炎が形成され、火炎は分解対象ガスと高温度で充分接触することになる。
またバーナ出口部分に設けたオリフィスプレート１１により、出口付近で渦流を生じ、火炎と分解対象ガスとの混合がさらに促進され、火炎中のＯＨラジカルの酸化によってＰＦＣのような難分解性成分がさらに効率よく分解される。
【００２３】
次に図２は、図１のバーナ装置を用いてフロンガスのような排ガスを交番燃焼させる交番式フロン燃焼処理装置の説明図である。この装置は、Ｕ字管２１内に一対のバーナ装置（図１）１５Ａおよび１５Ｂを設け、その開口端に３方切替弁１７Ａおよび１７Ｂを設け、３方切替弁を切り替えることにより、被処理ガスの供給、燃焼および排出を交番式に行うようにしたものである。なお、図中１Ａ、１Ｂは蓄熱部、１９は起動時の燃料供給管、２３は燃焼排ガスの排出管路である。
上記のような交番式の運転により、燃焼熱は蓄熱部１Ａおよび１Ｂに回収され、再度高温燃焼用気体として前記バーナ装置に供給される。
【００２４】
次に図３は、図２の交番式フロン燃焼処理装置を用いた半導体排ガス処理装置の全体を示す説明図である。半導体製造装置から排出された被処理ガスは、ＰＦＣやＳｉＨ４ を含むが、酸素との混合ガス２Ａとしてまずシラン燃焼炉２０に導入される。ここでＳｉＨ４ を酸化させてＳｉＯ２ としたのち、バグフィルタ装置２２に導入され、ここでＳｉＯ２ 等の固形分が除去される。処理ガスは、次いで本発明のバーナ装置１５Ａまたは１５Ｂに導入され、排ガス中の難燃性成分が酸化分解される。難燃性成分としては、シラン燃焼炉２０で分解されなかったＣＦ４、Ｃ２ Ｆ６ などのＰＦＣが含まれる。ＰＦＣガスは、本発明のバーナ装置１５で酸化分解され、その排ガスは管路２３を通って吸収塔４５に供給され、充填層４５Ａに散布されるスプレ水によりフッ素成分（ＨＦ）が除去され、排ガスが浄化される。吸収液は吸収塔４５の下部からバッファタンク４８を経て回収される。
【００２５】
図４は、上述のようなバーナ装置において、オリフィスプレート１１がある場合（図中Ａで示す）とない場合（図中Ｂで示す）の両方についてバーナ空気比とＣＦ４ 分解率との関係を示した図である。このバーナ装置内の炉内温度は導入熱量とバーナ空気比で変化するが、ここでは１１００〜１２００℃で変化し、制御は行っていない。従来の電気炉を用いた場合には、前述の図６で説明したように１１００〜１２００℃の範囲ではＣＦ４ の分解率はきわめて低かったが、本発明のバーナ装置では、オリフィスプレート１１の設置によりＣＦ４ の分解率がかなり向上していることがわかった。これは、ＯＨラジカルが存在する火炎の存在により、ＣＦ４分解率が向上したものと考えられる。また空気比が０．８〜１．０近傍でＣＦ４ 分解率が最大になるのは、火炎温度が最大になることにより、ＯＨラジカルの発生が最大となることに起因するものと推定される。しかしながら、ＯＨラジカルは存続時間が短く、火炎中にしか存在しないため、本発明のように、絞り部とオリフィスプレートの両方を用いてバーナ装置内の火炎とＣＦ４ ガスの混合を充分に行うことが重要であると考えられる。
【００２６】
上記バーナ装置によれば、従来困難であったＣＦ４ のような難分解性成分を含む排ガスの燃焼分解も分解効率を９０％以上として達成することが可能となる。さらに炉内の平均温度は１２００℃以下に保持することができることから、従来の燃焼式分解装置で必要とされていた超高温環境が不要となり、これにより燃料の省エネルギーでの運用が可能となる。
【００２７】
ちなみに、本発明を用いた半導体排ガス処理装置においては、燃料流量がＬＰＧ換算で約０．５ｍ３ ／ｈときわめて少なく、従来型の高温電気炉を用いた装置と比較して１／３以下の運用が可能である。また二酸化炭素の排出量も炭化水素燃料を使用する場合と比較して同じく１／３程度になることから、地球温暖化防止への貢献も期待される。さらに排ガス中の窒素酸化物に関しては、排ガス中の酸素濃度０％換算で窒素酸化物濃度を５０ｐｐｍに保持することができることから、他の燃焼式排ガス処理装置と比較して排ガス処理上優れている。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の燃焼式排ガス処理装置で例えばＣＦ４ のような難分解性成分の分解に必要であった超高温環境を不要にし、９０％以上の高効率で難分解性成分を含む排ガスの燃焼処理を達成することができ、また特定のバーナ装置を用いることにより低ユーティリティの設備設計、燃料消費およびランニングコストの低減、さらには二酸化炭素排出量の削減の可能な難分解性ガス燃焼処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排ガス燃焼処理装置に用いるバーナ装置およびその燃焼状況を説明する図。
【図２】図１のバーナ装置を用いた本発明の排ガス燃焼処理装置の概略図。
【図３】本発明の排ガス燃焼処理装置を半導体排ガス処理装置に適用した場合の装置構成を説明する図。
【図４】図１のバーナ装置を用いた場合の、バーナ空気比と排ガス中のＣＦ４ 分解率との関係を示す図。
【図５】炉内ガス温度とＣ２ Ｆ６ 分解率との関係を示す図。
【図６】炉内ガス温度とＣＦ４ 分解率との関係を示す図。
【図７】従来の代表的な燃焼式排ガス処理システムのフローを示す図。
【符号の説明】
１…蓄熱部、３…排ガス管路、５…絞り部、７…燃料（ＬＰＧ）、９…拡径部、１１…オリフィス、１３…空間、１５…バーナ装置、Ａ１ 、Ａ０ …開口部
【図１】
2004278879.tif 000003
【図２】
2004278879.tif 000004
【図３】
2004278879.tif 000005
【図４】
2004278879.tif 000006
【図５】
2004278879.tif 000007
【図６】
2004278879.tif 000008
【図７】
2004278879.tif 000009