JP5540035B2 - ガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、人体に有害なガス、地球温暖化ガス、オゾン層破壊ガス等を含むガス、特に半導体や液晶等の製造プロセスから排出されるガスを分解処理する装置に関する。

現在、物を製造したり、処理したりする工業プロセスとして、多種多様のものが開発・実施されており、このような多種多様な工業プロセスから排出されるガス(以下、「処理対象ガス」と云う。)の種類も非常に多岐に亘っている。このため、工業プロセスから排出される処理対象ガスの種類に応じて、様々な種類のガス処理方法およびガス処理装置が使い分けられている。

例えば、半導体製造プロセス一つを例にとっても、モノシラン（ＳｉＨ_４）、塩素ガス、ＰＦＣ(パーフルオロコンパウンド)など様々な種類のガスが使用されており、処理対象ガスにモノシランが含まれている場合には、熱分解式、燃焼式、吸着式あるいは化学反応式などの処理装置が用いられ、処理対象ガスに塩素ガスが含まれている場合は、薬液を使った湿式や吸着式などの処理装置が用いられる。また、処理対象ガスにＰＦＣが含まれている場合は、触媒式、熱反応式、熱分解式、燃焼式、プラズマ式のガス処理装置が用いられる。

このように工業プロセスから排出される様々な種類の処理対象ガスに応じてガス処理装置を逐一準備すると、ユーザーにとって装置の管理が複雑になるとともに、メンテナンスに要する時間やコストが増大する。このことが結果的に製品のコストにはね返り、製品のコスト競争力の低下を招いていた。

そこで、工業プロセスから排出される処理対象ガスには高温下で熱分解可能なものが多いことから、特許文献１に示すような熱分解式のガス処理装置、すなわち反応器内に大気圧プラズマを噴出させ、この大気圧プラズマに向けて処理対象ガスを供給して分解処理する装置を用いれば、少なくとも高温下で熱分解可能な処理対象ガスは、その種類にかかわらず１つの装置で分解処理できるようになる。なお、本明細書において、「大気圧プラズマ」とは、大気圧条件下で生成するプラズマのことであり、熱プラズマ、マイクロ波プラズマおよび火炎を含む広義のプラズマを意味する。

特開２０００−３３４２９４号公報

上述のように、大気圧プラズマを用いた熱分解式のガス処理装置は、非常に汎用性が高いものであるが、例えば、エピや拡散、ＬＰＣＶＤ(減圧ＣＶＤ)、太陽電池のプラズマＣＶＤと云った各プロセスから排出される処理対象ガスのように、水素などの可燃性ガスが（窒素の流量に対して数％から数倍と云ったように）非常に高濃度で存在しているものに対しては、適用に課題が残っていた。

すなわち、このように高濃度の水素などの可燃性ガスが混合された処理対象ガスは、酸素などの支燃性ガスがわずかに混入することによって燃焼や爆発の環境が整うため、非常に危険である。上述した従来の大気圧プラズマを用いた熱分解式のガス処理装置では、処理対象ガスと、酸素などの支燃性ガスとが反応器内の比較的近い位置で混合される構造になっていることから、燃焼空間が、反応器内から処理対象ガスを供給する配管の上流に向かって遡る所謂「逆火」の生じる危険性があった。

それゆえに、この発明の主たる課題は、水素などの可燃ガスが高濃度で流れてきても、これを含む様々な種類の処理対象ガスを安全且つ確実に一括して除害することができるガス処理装置を提供することである。

本発明における第１の発明は、「水槽１８上に立設された筒状の反応器１２の上部にある入口ポート２８から処理対象ガスＦを供給し、前記反応器１２の内部にて前記処理対象ガスＦの熱分解を行った後、前記反応器１２の下部に設けられた排出口１２ａから熱分解処理後の排ガスＧが排出されるガス処理装置１０において、前記反応器１２は、その下端面が開口すると共に、この下端開口１２ｂを介して前記水槽１８内の水Ｗ中を経由して来た酸化性ガスＡが導入される」ことを特徴とするガス処理装置１０である。

この発明では、反応器１２内における熱分解空間から排出口１２ａ方向に最も離間した、排出口１２ａと水槽１８の水Ｗに最も近い位置Ｂにおいて、熱分解処理後の排ガスＧと(支燃性ガスである)酸化性ガスＡとが接触するようになるので、処理対象排ガスＦ中の水素などの可燃性ガスを逆火させることなく安全に燃焼させて、これらを、例えば可燃性ガスが水素の場合には水(水蒸気)と云ったように、無害な不燃性のガスへと転換させると同時に、可燃性ガスの濃度を爆発限界濃度以下にすることができる。

また、酸化性ガスＡが水槽１８内の水Ｗ中を経由した後に反応器１２へと導入される、つまり、酸化性ガスＡを供給する配管の先端が水槽１８内の水Ｗ中に配設された構造となっているため、例えば、反応器１２内で、処理対象ガスＦ中のモノシラン、ＴＥＯＳ，ＷＦ６などが酸化して固形物が生じるような場合であっても、当該固形物で酸化性ガスＡの供給経路が閉塞されるような心配はない。

なお、本発明のガス処理装置１０において、「前記反応器１２には、その内面を水Ｗで覆うための水供給手段１６を設ける」のが好ましい。このような水供給手段１６を設けることによって、反応器１２の内面略全体にいわゆる「濡れ壁」が形成される。このため、処理対象ガスＦに伴って反応器１２内に固形成分が進入する場合や処理対象ガスＦを反応器１２内で熱分解する際に固形成分が副生する場合、これらの固形成分は、反応器１２の内面に付着する前に反応器１２の内面を覆う水Ｗと接触して当該水Ｗに溶解するか、又は当該水Ｗと共に反応器１２外へと洗い流される。それゆえ、反応器１２内に進入した、或いは反応器１２内で副生した固形成分が反応器１２の内面に接触して付着・堆積するのを防止することができる。また、このような「濡れ壁」が形成されることによって、反応器１２の内面が直接高温に曝されるのを防止することができ、該内面の劣化を遅延させることができる。

また、本発明では、「前記反応器１２から排出された熱分解処理後の排ガスＧを水洗する後段湿式スクラバー２２を設ける」のが好ましい。本発明のガス処理装置１０は、反応器１２の排出口１２ａ近傍Ｂで可燃性ガスと酸化性ガスＡとの燃焼が行われるので、反応器１２を出た直後の排ガス温度が上昇するようになる。このため、反応器１２の後段に後段湿式スクラバー２２を設けることにより、高温となって反応器１２から出て来た熱分解処理後の排ガスＧを即座に常温程度にまで降温させることができるのに加え、処理対象ガスＦを熱分解した際に発生する水溶性成分や固形成分を排ガスＧ中から水洗・除去でき、熱分解後の排ガスＧをより清浄な状態で大気中へと排出することができる。

さらに、本発明のガス処理装置１０では、「前記反応器１２の入口ポート２８に接続された入口ダクト３０および前記ガス処理装置１０の出口側に設けられた排気ファン４６のサクション側を繋ぐ常閉のバイパス配管５０と、前記排気ファン４６のサクション側に接続され、ブリーザー弁５２を介して前記反応器１２から排出された熱分解処理後の排ガスＧの流路に大気を導入する大気導入配管５４とを設ける」のが好ましい。こうすることで、反応器１２内で何らかのトラブルが発生した場合には、処理対象ガスＦをバイパス配管５０に通流させると共に、ブリーザー弁５２を全開にして排ガスＧの流路に多量の大気を導入することで、処理対象ガスＦを安全な濃度にまで希釈して緊急避難的に排出することができる。

本発明によれば、水素などの可燃ガスが高濃度で流れてきても、これを含む様々な種類の処理対象ガスを安全且つ確実に一括して除害することができるガス処理装置を提供することができる。

本発明における一実施例のガス処理装置の概略を示す構成図である。

以下、本発明を図示実施例に従って説明する。図１は本実施例のガス処理装置１０の概要を示した構成図である。この図が示すように、本実施例のガス処理装置１０は、大略、反応器１２、プラズマ発生装置１４、水供給手段１６、水槽１８、酸化性ガス供給手段２０および後段湿式スクラバー２２などで構成されている。なお、本実施例は、熱源としてプラズマ発生装置１４を用いる場合を示しているが、ガス処理装置１０に使用する熱源は、この装置に限定されるものではなく、図示しないが火炎バーナーや電熱ヒーターなどであってもよい。

反応器１２は、プラズマ発生装置１４で発生させた大気圧プラズマＰと処理対象ガスＦとを囲繞し、その内部にて処理対象ガスＦを熱分解するための装置であり、具体的には、両端面が閉塞され、水槽１８上に立設された円筒状の外筒１２ｘと、外筒１２ｘの内側に収容され、外筒１２ｘよりも小径で且つ両端面が開放されると共に、上端部が外筒１２ｘの上端面との間に隙間を形成するように配置され、下端部が外筒１２ｘの下端面を貫通して水槽１８内に延出する円筒状の内筒１２ｙとで構成された二重管である。

この反応器１２の外筒１２ｘ内周面と内筒１２ｙ外周面との間に形成された空間には、反応器１２(より具体的には内筒１２ｙ)の内面に沿って流す水Ｗを一時的に貯留する水貯留部２４が形成されている。

また、外筒１２ｘの上端面には、その中心にプラズマ噴射孔２６が設けられると共に、該プラズマ噴射孔２６の周辺に１又は複数(図1に示す実施例では２つ)の入口ポート２８が設けられており、この入口ポート２８には、様々な工業プロセスから排出される処理対象ガスＦを反応器１２内へと導く入口ダクト３０が連結されている。

なお、この入口ダクト３０には、処理対象ガスＦに向けて水を噴霧する前段湿式スクラバー(図示せず)を設けるようにしてもよい。このようなスクラバーを設けることによって、処理対象ガスＦ自体に多くの固形成分や水溶性成分が含まれているような場合に、処理対象ガスＦを反応器１２に供給する前に当該処理対象ガスＦ中から固形成分や水溶性成分を水洗除去することができ、反応器１２で処理すべき固形成分や水溶性成分の量を低減することができるからである。

そして、水槽１８内に延出した内筒１２ｙの下部、すなわち反応器１２の下部には、(本実施例の場合、その側面に)熱分解処理後の処理対象ガスＦ(すなわち排ガスＧ)を内筒１２ｙの内側から外側に向けて排出する排出口１２ａが設けられている。また、上述したように、内筒１２ｙの下端面は開放されて下端開口１２ｂが設けられており、この下端開口１２ｂを介して排出口１２ａの近傍まで水槽１８の水Ｗが満たされている。

プラズマ発生装置１４は、高温の大気圧プラズマＰを生成するためのもので、電極を内部に備えるプラズマトーチ１４ａと、プラズマトーチ１４ａの電極に電位を印加する直流電源(図示せず)と、プラズマトーチ１４ａに作動ガスを供給する作動ガス供給装置(図示せず)などで構成されている。このうち、プラズマトーチ１４ａは、プラズマ噴射孔２６から反応器１２の内筒１２ｙの内部に向けて大気圧プラズマＰを噴射できるように外筒１２ｘの上端外面中央部に取り付けられている。

水供給手段１６は、内筒１２ｙの内面に沿って水Ｗを流すための手段であって、本実施例では、上述した水貯留部２４、水槽１８と水貯留部２４とを連通する水供給配管３２及び水槽１８に貯められた水Ｗを水貯留部２４に供給するポンプ３４で構成されている。つまり、水槽１８の水Ｗを水貯留部２４に供給し、内筒１２ｙの上端から水Ｗをオーバーフローさせることによって、これらが内筒１２ｙの内面に沿って水Ｗを流す水供給手段１６として機能する。

また、水供給配管３２には、ポンプ３４デリベリ側の部分が枝分かれして枝管３２ａが形成されており、この枝管３２ａを介して水槽１８の内部空間壁面に設けたスプレーノズル３２ｂに水Ｗが供給され、当該水槽１８の内部空間や内壁面に向けてシャワー水が噴射されるようになっている。

水槽１８は、上記の水供給手段１６で循環させる水Ｗや、後述する後段湿式スクラバー２２で使用した新水ＮＷを貯留すると共に、その内部空間を反応器１２で熱分解処理した後の排ガスＧが通流する密閉容器体で、その内面が耐熱及び耐腐食性の材料で構成されている。この水槽１８には、内部を冷却水Ｃが循環して水槽１８内の水Ｗを所定の温度(本実施例の場合は３０℃)に保持するチラー１８ａが設けられている。また、水槽１８内の水位は基準水面位置よりも高くならないように制御されている。

酸性化ガス供給手段２０は、反応器１２の内部に、水素などの可燃性ガスの燃焼を助ける(つまり、支燃性ガスとなる)酸化性ガスＡを供給するためのもので、酸化性ガス供給配管３６と、この酸化性ガス供給配管３６の先端に向けて酸化性ガスＡを送給するブロア３８と、酸化性ガス供給配管３６内を通流する酸化性ガスＡの流量を計測する流量計４０と、流量計４０の計測値に基づいて酸化性ガス供給配管３６内を通流する酸化性ガスＡの流量を調整するバルブ４２とで大略構成されている。ここで、本発明における「酸化性ガスＡ」とは、他の物質を発火させる又は燃焼を助けるガスで、酸素ガス単体のみならず、酸素が含まれている気体であればその酸素濃度は特に限定されるものではなく、通常の大気をも含む概念である。

また、上記の酸化性ガス供給配管３６の先端は、水槽１８内の水Ｗ中における反応器１２の下端開口１２ｂ直下の位置に配設されており、その先端にはバブラー４４が装着されている。このため、酸化性ガス供給配管３６を伝わって来た酸化性ガスＡは、当該配管３６の先端に取り付けられたバブラー４４によって細かな気泡に形成された後、下端開口１２ｂから反応器１２の下部に供給される。このように酸化性ガスＡをバブラー４４で細かな気泡にして反応器１２内へと供給しているので、当該酸化性ガスＡと熱分解処理後の排ガスＧとを効率よく接触させることができるようになる。

後段湿式スクラバー２２は、処理対象ガスＦを熱分解した際に発生する水溶性成分や固形成分を排ガスＧ中から水洗・除去する装置であり、直管形のスクラバー本体２２ａと、スクラバー本体２２ａ内に配設された２つのスプレーノズル２２ｂ，２２ｃと、ワイヤーメッシュなどからなるミストキャッチャー２２ｄとを有する。

この後段湿式スクラバー２２は、反応器１２と同様に、水槽１８の上面に立設されており、２つのスプレーノズル２２ｂ，２２ｃから噴霧された新水ＮＷが、水槽１８に戻されるようになっている。

そして、後段湿式スクラバー２２の頂部出口は、処理済みの排ガスＧを大気中へ放出する排気ファン４６のサクション側に接続されており、この排気ファン４６のデリベリ側には排気ダクト４８が接続されている。

なお、本実施例のガス処理装置１０では、反応器１２の入口ポート２８に接続された入口ダクト３０と排気ファン４６のサクション側とが常閉のバイパス配管５０によって繋がれており、さらに、排気ファン４６のサクション側には、ブリーザー弁５２を介して反応器１２から排出された熱分解処理後の排ガスＧの流路に大気を導入する大気導入配管５４が接続されている。

これにより、反応器１２内で何らかのトラブルが発生した場合には、バイパス配管５０を常閉しているバイパスバルブ５６を全開にして処理対象ガスＦをバイパス配管５０に通流させると共に、ブリーザー弁５２を全開にして排ガスＧの流路に多量の大気を導入することで、処理対象ガスＦを安全な濃度にまで希釈して緊急避難的に排出することができる。

次に、図１に示したガス処理装置１０を用いて処理対象ガスＦを分解する際には、まず始めに、図示しないが、作動ガス供給装置を作動させ、質量流量制御手段によって流量を制御しつつ、作動ガスをプラズマトーチ１４ａに送給する。

そして、ポンプ３４を作動させて、水槽１８に貯留された水Ｗを、反応器１２の水貯留部２４及び水槽１８の内部空間に設けたスプレーノズル３２ｂに供給する。これにより、水貯留部２４に満たされた水Ｗが内筒１２ｙの上端から内筒１２ｙの内面に溢流し、この溢流した水Ｗが内筒１２ｙの内面に沿って図中下方向に流れて内筒１２ｙの内面略全体にいわゆる「濡れ壁」を形成する。「濡れ壁」を形成した水Ｗの内、大気圧プラズマＰの熱によって気化した分を除いて水槽１８に戻り、再びポンプ３４によって反応器１２などに供給される。また、後部湿式スクラバー２２のスプレーノズル２２ｂ，２２ｃへの新水ＮＷの供給も開始する。

内筒１２ｙの内面に「濡れ壁」が形成された後、図示しない直流電源を作動させることによってプラズマトーチ１４ａの電極間に電圧を印加し、プラズマ噴射孔２６から大気圧プラズマＰを噴出させる。

そして、反応器１２内の温度が処理対象ガスＦを熱分解することのできる所定の設定温度に達すると、排気ファン４６を作動させる。すると、ガス処理装置１０の内部全体が負圧となり、処理対象ガスＦの発生源から排ガスダクト(図示せず)を経由して供給される処理対象ガスＦが、入口ダクト３０及び入口ポート２８を順次経由して反応器１２の内部に導かれた後に、大気圧プラズマＰに向けて供給され、当該大気圧プラズマＰの熱によって熱分解される。

ここで、処理対象ガスＦの種類が例えばモノシランなどのケイ素化合物を含む場合、処理対象ガスＦを熱分解すると二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）等の固形成分が生成される。この固形成分は、反応器１２における内筒の表面に付着・堆積する性質を持っているが、本実施例のガス処理装置１０では、内筒１２ｙの内面に沿って水Ｗを流すことにより内筒１２ｙの内面略全体に「濡れ壁」を形成しているので、当該固形成分は、内筒１２ｙの内面に付着する前に内筒１２ｙの内面に沿って流れる水Ｗと接触して当該水Ｗに溶解するか、或いは当該水Ｗと共に下端開口１２ｂから反応器１２外へと流される。

続いて、大気圧プラズマＰの熱によって熱分解処理された排ガスＧは、反応器１２下部の排出口１２ａ及び水槽１８の水Ｗに最も近い位置Ｂで、水槽１８の水Ｗ中を経由して反応器１２内に供給された酸性化ガスＡと高温のまま接触する。これにより、水素などの可燃性ガスが燃焼して、水(水蒸気)などの無害な不燃性のガスへと転換させる。

排出口１２ａから水槽１８内部に排出された排ガスＧは、水槽１８の上面と水面との間に形成された空間を通り、水槽１８の上面に立設された後段湿式スクラバー２２に導入される。この後段湿式スクラバー２２では、可燃性ガスと酸化性ガスＡとの燃焼によって更に高温となった熱分解処理後の排ガスＧを即座に常温程度にまで降温させることができるのに加え、処理対象ガスＦを熱分解した際に発生する水溶性成分や固形成分を排ガスＧ中から水洗・除去でき、熱分解後の排ガスＧをより清浄な状態で大気中へと排出することができる。

そして、後段湿式スクラバー２２を通過した排ガスＧは、(場合によっては)排気ファン４６の手前において、大気導入配管５４よりブリーザー弁５２を介して導入された空気が混入された後、排気ファン４６を介して排気ダクト４８に送給されて系外へと放出される。

ここで、本実施例のガス処理装置１０を用いて実際に処理対象ガスＦの除害処理を行った結果は以下の通りである。すなわち、プラズマの直流電圧は１００Ｖ程度で直流電流を６０Ａで常時放電とした。このとき、作動ガスとしての窒素ガスの流量は、２５Ｌ（リットル）／ｍｉｎ．程度となった。

このような条件の下、２つの入口ポート２８それぞれに、窒素１００Ｌ／ｍｉｎ．に対して２Ｌ／ｍｉｎ．のＳｉＨ_４及び１００Ｌ／ｍｉｎ．のＨ_２を混合させた処理対象ガスＦを導入すると共に、酸化性ガス供給手段２０を介して、酸化性ガスＡとなる空気を５００Ｌ/ｍｉｎ．の流量で反応器１２内へと供給し、熱分解処理を行った。その結果、排気ファン４６の出口で測定したＳｉＨ_４濃度は検知限界の１ｐｐｍ未満であり、Ｈ₂濃度も検知限界の１００ｐｐｍ未満であった。また、逆火などの異常燃焼も起こず、安全に処理対象ガスＦの除害処理を行なうことができた。

本実施例のガス処理装置１０によれば、反応器１２内における熱分解空間から排出口１２ａ方向に最も離間した、排出口１２ａと水槽１８の水Ｗに最も近い位置Ｂにおいて、熱分解処理後の排ガスＧと(支燃性ガスである)酸化性ガスＡとが接触するようになるので、処理対象排ガスＦ中の水素などの可燃性ガスを逆火させることなく安全に燃焼させて、これらを無害な不燃性のガスへと転換させると同時に、可燃性ガスの濃度を爆発限界濃度以下にすることができる。

また、酸化性ガスＡが水槽１８内の水Ｗ中を経由した後に反応器１２に導入される、つまり、酸化性ガスＡを供給する配管の先端が水槽１８内の水Ｗ中に配設された構造となっているため、例えば、反応器１２内で、処理対象ガスＦ中のモノシラン、ＴＥＯＳ，ＷＦ６などが酸化して固形物が生じるような場合であっても、当該固形物で酸化性ガスＡの供給経路が閉塞されるような心配はない。それゆえ、メンテナンスの負担が軽減され、ガス処理装置１０の長時間連続運転が可能になる。

なお、上述の実施例では、大気圧プラズマＰとして、熱プラズマを用いる場合を示したが、この大気圧プラズマＰとしてマイクロ波プラズマや火炎を用いるようにしてもよい。

また、上述の実施例では、反応器１２の下端部を水槽１８の水Ｗ中に水没させると共に、下端開口１２ｂとは別に、反応器１２の下部側面に排出口１２ａ設ける場合を示したが、反応器１２の下端部を水面上に配置し、下端開口１２ｂを排出口１２ａとするようにしてもよい。但し、このようにした場合、反応器１２の構造を簡単にすることはできるが、可燃性ガスと酸化性ガスＡとの接触確率が若干低下する虞がある。

そして、本発明に係るガス処理装置は、半導体プロセスからの処理対象ガスＦに限らず、ＬＣＤプロセス、ＭＥＭＳ製造プロセスからの処理対象ガスＦおよび冷媒用フロンの分解処理などにも用いることができる。

１０…ガス処理装置
１２…反応器
１２ａ…排出口
１２ｂ…下端開口
１４…プラズマ発生装置
１６…水供給手段
１８…水槽
２０…酸化性ガス供給手段
２２…後段湿式スクラバー
２８…入口ポート
３０…入口ダクト
４６…排気ファン
５０…バイパス配管
５２…ブリーザー弁
５４…大気導入配管
Ｐ…大気圧プラズマ
Ｆ…処理対象ガス
Ｇ…排ガス
Ａ…酸化性ガス

Claims (4)

1. 水槽上に立設された筒状の反応器の上部にある入口ポートから処理対象ガスを供給し、前記反応器の内部にて前記処理対象ガスの熱分解を行った後、前記反応器の下部に設けられた排出口から熱分解処理後の排ガスが排出されるガス処理装置において、
   前記反応器は、その下端面が開口すると共に、この下端開口を介して前記水槽内の水中を経由して来た酸化性ガスが導入されることを特徴とするガス処理装置。
2. 前記反応器には、その内面を水で覆うための水供給手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガス処理装置。
3. 前記反応器から排出された熱分解処理後の排ガスを水洗する後段湿式スクラバーが設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス処理装置。
4. 前記反応器の入口ポートに接続されたダクトおよび前記ガス処理装置の出口側に設けられた排気ファンのサクション側を繋ぐ常閉のバイパス配管と、
   前記排気ファンのサクション側に接続され、ブリーザー弁を介して前記反応器から排出された熱分解処理後の排ガスの流路に大気を導入する大気導入配管とが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のガス処理装置。