JP3856598B2

JP3856598B2 - 有害成分含有ガスの熱分解装置

Info

Publication number: JP3856598B2
Application number: JP18617399A
Authority: JP
Inventors: 彰馬場; 登寶山; 聡彦嶺; 紀文大谷津; 三紀下郡
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2019-06-30
Also published as: JP2001012718A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフロン等の有害成分含有ガスの熱分解装置に関し、特に熱効率向上とガス状非加熱物質の均一加熱によるＰＦＣやＣＦＣなどのフロンを含んだ排ガスを高効率で分解するのに好適な燃焼システムを提供するものであり、特に排ガス中の代表的な有害物質であるところのＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ（炭化水素）類の低減にも好適な有害成分含有ガス熱の分解装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化問題がクローズアップされており、化石燃料の大量消費によって生成されるＣＯ₂などのガスの排出が規制されるようになってきた。エアコンや冷蔵庫等の冷媒として開発された一般フロン（ＣＦＣ）についても、規制がなされて代換フロンに置き換わり、現在では製造されていない。一方、半導体製造プロセスから排出されるフロン（ＰＦＣ：ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎｓ）は、その使用量は少ないものの、その地球温暖化係数はＣＯ₂の１０００倍から１０，０００倍といわれており、今後半導体の生産が増加することを見込むと無視できず、これらの規制の基準が立案され、そして、すでにＰＦＣ分解装置が開発されている。
【０００３】
既開発のＰＦＣ分解装置には種々の方式があるが、本発明に関する燃焼によるＰＦＣ分解装置について説明する。この方式によるＰＦＣの分解には、炭化水素系のガス燃料、具体的にはプロパンやメタンが使われる。しかし、その燃焼方式は、通常の常温空気を用いた拡散燃焼方式や予混合燃焼方式であり、特別な新技術が採用されているわけではない。つまり、高温環境を炭化水素燃焼でつくり、この雰囲気下ででフロン等を燃焼分解する。しかし、排ガスの分解で使用された熱はそのまま大気に放出されるか、装置後流部分に設置された水冷却装置で冷却、すなわち、燃焼ガス中に水を噴霧して水の顕熱と蒸発潜熱を利用して冷却し、ガス温度を１００℃以下にして排出されており、特に熱回収はされていなかった。その理由としては、排ガス装置がクリーンルームの中で使用されることから、コンパクトでなければならず、伝熱管を使用した熱交換器が使用できない環境にあることが挙げられる。
【０００４】
さて、産業用の加熱装置においては、近年高温空気燃焼システム（蓄熱燃焼、別名リジェネシステム）が多く見られる。多くは複数のバーナに蓄熱器を設けるとともに、交互にバーナを切り換えて（交番燃焼）、蓄熱器を通過する空気を１０００℃を超える高温にする特徴を有する。
【０００５】
この方式のメリットは、燃焼排ガスで系外へ持ち出される熱を、燃焼炉の加熱に有効に利用できるため、エネルギー効率が優れることと、複数バーナを特定の時間間隔で切り換えるため、炉内が燃焼ガスで乱され、充分な混合拡散効果が得られるので、炉内温度が均一化し、炉内に設置された被加熱物質（固体またはガス）が一様に加熱されることである。さらに、従来の燃焼方式と比較して最高温度が抑制されることから、ＮＯｘも低く抑えることができることである。つまりガス燃焼の場合、燃料中に窒素分が存在せず、燃焼用空気のみ存在することから、生成ＮＯｘは主にＴｈｅｒｍａｌＮＯｘであり、このＮＯｘは雰囲気温度が１４００℃を超えると急速に増加することから、炉内温度が１４００℃以上にならないように、均一化する方法が低ＮＯｘに有効である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
高温空気燃焼は、燃焼用空気が１０００℃以上の高温であることから、燃料と空気が遭遇すると同時に自己着火するため、従来の拡散燃焼や予混合燃焼のように火炎の安定化のために低流速領域の確保、具体的には燃焼用空気流速の低下や、保炎器や旋回噴流の形成が不要であるという特徴を有しているが、反面、自己着火の特性から予混合は逆火抑制から不可能であるし、拡散燃焼では燃焼投入位置の後流部で局所的に高温になってしまうことから、ＴｈｅｒｍａｌＮＯｘの発生を抑制するのはむずかしく、高温空気燃焼といえども低ＮＯｘ燃焼の限界が見えていた。
本発明の課題は、フロン等の有害成分含有ガスをガス燃料とともに高温空気燃焼させる際の上記問題点を解決することにある。
【０００７】
【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願で特許請求される発明は、以下のとおりである。
（１）２００℃以上に予熱した、酸素分圧が２１％以下の燃焼用空気でガス燃料とともにフロン等の有害成分含有ガスを燃焼させ、前記ガス燃料の燃焼とともに前記有害成分を分解する装置であって、ガス流路の拡大部分と縮小部分とからなるベンチュリ部と、前記ベンチュリ部の縮小部分の周壁に間隔をおいて４個以上設けられたガス燃料噴射ノズルと、該ベンチュリ部の前流に設けられた蓄熱器と、該ベンチュリ部のガス流路に向けて設けられたガス燃料噴射ノズルと、前記ベンチュリ部の拡大部分周壁に流路長さ方向と平行に設けられた窪みと、前記蓄熱器前流、ベンチュリ部またはベンチュリ部後流に有害成分含有ガスを前記燃焼用空気とともに供給する手段とを設けたことを特徴とする有害成分含有ガスの熱分解装置。
（２）前記ガス燃料噴射ノズルが燃焼用空気の主流に対して旋回がかかる方向に配置された（１）記載の熱分解装置。
（３）前記ベンチュリ部を、燃焼用空気流に旋回がかかるように周方向にねじりを加えた構造とした（１）または（２）に記載の熱分解装置。
（４）前記ベンチュリ部の外周部分を水冷構造としたことを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の熱分解装置。
（５）前記ガス燃料噴射ノズルに逆止弁を設けたことを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の熱分解装置。
（６）２００℃以上に予熱した、酸素分圧が２１％以下の燃焼用空気でガス燃料とともにフロン等の有害成分含有ガスを燃焼させ、前記ガス燃料の燃焼とともに前記有害成分を分解する装置であって、ガス流路の拡大部分と縮小部分とからなるベンチュリ部と、該ベンチュリ部の前流に設けられた蓄熱器と、該ベンチュリ部のガス流路に向けて設けられたガス燃料噴射ノズルと、前記ベンチュリ部の拡大部分周壁に流路長さ方向と平行に設けられた窪みと、前記蓄熱器前流、ベンチュリ部またはベンチュリ部後流に有害成分含有ガスを前記燃焼用空気とともに供給する手段とを有し、かつ前記ベンチュリ部が、燃焼用空気流に旋回がかかるように周方向にねじりを加えた構造を有することを特徴とする熱分解装置。
【０００８】
【作用】
本発明によれば火炉内部はもちろんバーナ近傍においてもガス温度を均一にすることができるので、炉内のＮＯｘ発生量を極力抑制することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
図１は、シランやフロンを含んだ半導体製造設備から排出される排ガスの燃焼分解装置の全体構造の説明図である。この装置は、Ｕ字型構造の燃焼炉１と、燃焼炉１のＵ字構造の両端部にそれぞれ連設された一対のバーナ３、蓄熱器５およびスクラバ６と、シラン等の有害成分含有排ガスを燃焼用ガスとともに前処理装置２で前処理した後、流路切替機７を通してスクラバ６へ供給する系統と、該スクラバ６を通ったガスを交互に流路切替機７を介して吸収塔１０へ導く系統と、吸収塔１０で清浄化された排ガスを系外へ排出するブロア９とから構成される。
【００１０】
被処理ガス中のシラン濃度が高い場合には、装置全体の閉塞の問題を生じるおそれがあるので、予め排ガス中に含まれるシラン等を除去する。すなわち、排ガス中に含まれるフロンの分解とシランの除去は別装置で行なった方が効率的であり、シランは前処理装置で燃焼用空気でＳｉＯ₂に酸化（燃焼）し、ＳｉＯ₂粉末にして除去する。この際、フロンも一部分解されるが、大半はそのまま排ガス中に残留するので、蓄熱器を有した本発明の装置で燃焼分解するのが望ましい。
【００１１】
有害成分含有排ガスは、燃焼用空気とともに、必要により前処理装置２で処理された後、流路切替機７を通過し、スクラバ６、蓄熱器５、バーナ３、燃焼炉１、バーナ３、蓄熱器５、流路切替機７、および吸収塔１０を通って処理され、ブロア９を通って室外に排出される。そして、一定のインターバルで流路が切り換わり、ガス流れと使用バーナが反転する。排ガス中のフロン等は燃焼炉の内部で分解除去され、ＨＦとしてスクラバ６や吸収塔１０で除去される。
【００１２】
図２は、本発明の実施例に係るバーナ装置の断面図、図３は、図２のIII-III 線に沿った矢視図面、図４は、燃料噴射ノズル１３を燃焼用空気の主流に対して旋回がかかる方向に配置したバーナ装置の概略断面図である。このバーナ装置は、ガス流路の拡大部分１４と縮小部分１５からなるベンチュリ部１２と、該ベンチュリ部１２の前流に設けられた蓄熱器５と、該ベンチュリ部１２のガス流路に向けて設けられたガス燃料噴射ノズル１３と、前記ベンチュリ部の拡大部分周壁に流路長さ方向と平行に設けられた窪み１９と、前記ベンチュリ部１２に有害成分含有ガスを前記燃焼用空気１７とともに供給する流路とを設けたものである。燃焼用空気１７は有害成分含有ガスとともに蓄熱器５を通過して、常温から１０００℃まで加熱され、その後、縮小部１５を経て流速が加速され、燃料噴射ノズル１３から噴射されたガス燃料と接触混合して着火する。その後、燃焼によって昇温して膨脹した燃焼ガスは、拡大部１４に沿って燃焼炉１の内部へ噴出する。この装置の特徴は、充分な空気流速が確保可能なベンチュリ構造としたことにより、高温空気と燃料を急速に混合し、上流部分への燃料の拡散を避けて逆火を防止したことである。
【００１３】
ベンチュリ後方拡大部分には、図３に示すように窪み１９を有する。窪みの大きさは特定できないが、その広がり角度はバーナ軸方向に対して３０度以内にすることが好ましい。この角度が３０度を超えると、拡大部分１４における空気流れの剥離が不充分になり、保炎機能が低下する。ベンチュリ拡大部分１４の広がり角度は６〜７度であるので、窪み部分の広がり角度は１０〜３０度が好ましい。図３と図４において、バーナ中心部分に見える格子は、蓄熱器５であるセラミックスハニカムである。燃料ノズル１３は本数が多いほうがよいが（本図の場合は４本）、製作上制限があるのと、燃焼用空気中に固体粒子が存在した場合には、燃料ノズルが閉塞するなどの問題を生じることがあるので、それぞれ速度差をつけ、燃焼用空気と燃料ガスとの混合性能を増加させることが好ましい。
【００１４】
本発明においては、図４に示すようにガス燃料噴射ノズル２０は、噴射方向が円形断面流路に対して接線方向、すなわち、燃焼用空気の主流に対して旋回がかかるように配置することが好ましい。このような構成によって、燃料と高温燃焼用空気の充分な混合を達成し、バーナ出口部分における半径方向の流速分布を均一にでき、炉内のガス滞留時間の増加を抑えることができる。
なお、通常の拡散型バーナでは、燃焼用空気の速度より燃料の噴出速度のほうが速いが、燃料の質量流量は燃焼用空気より少ないので、燃焼の噴出速度はすぐに減衰してしまい、充分な混合効果が得られない場合が多い。
【００１５】
次に、高温空気燃焼の基本的な考え方と各構成部分の相互作用について説明する。図５は、燃焼用空気温度と当該空気中の酸素濃度で整理した場合の従来燃焼方式と当該の高温空気燃焼の領域について示した図である。高温空気にすると、通常の気相で燃焼が不可能な酸素濃度領域でも燃焼が可能になることから、このような図で比較した。縦軸は希釈空気温度で横軸は燃焼用空気中の酸素濃度である。図中、白抜きの領域は燃焼が不可能な領域である。比較的低温領域（５００℃まで）が従来の温度領域であるが、この方式の場合、燃焼用酸素濃度が１５％程度にまで低下するともはや自燃できない。しかし、燃焼用空気温度を１０００℃まで増加すると、燃焼用空気中の酸素濃度が３％の状態でも気相で燃焼できるようになる。燃焼用空気中の酸素濃度が低くても安定燃焼できるということは、有害物質を含む廃ガスを処理するのに適していることを示す。
【００１６】
図６は、このような原理に基づく高温空気燃焼システムを利用した本発明の廃ガス処理システムの系統図である。本図は系統図であることから、各装置細部の構成は示されていないが、基本的な構成は図１と同様である。以下、システムの機能を説明するために装置の起動から通常運転までの一連の動作について記述する。
【００１７】
高温空気燃焼特有の火炎が見えなくなり、炉内の輝度が一様になる現象は、燃焼用空気温度が８００℃を超える必要がある。したがって、コールドスタートでは、バーナ３−１および３−２のいずれか別個に設置した起動バーナ２４に点火して炉内温度の昇温を行う。そして、炉内温度が約８００℃に達した時点で、図中２つのバーナ３−１、３−２の交番燃焼をスタートする。この時点で初めて燃焼用空気に被処理ガスを混合して装置に供給する。この混合ガスは、最初、流路切替装置２２を通過して蓄熱器５−１に流入する。その後、バーナ３−１を通過して燃料と混合して燃焼し、燃焼炉１に入る。そして、バーナ３−２と蓄熱器５−２を通過した後、流路切替装置２２を経てウェットスクラバ２３で冷却され、系外へ排出される。通常、蓄熱器５−１、５−２の熱容量にもよるが、例えば約１分後に流路切替装置２２を作動させて、ガス流れを反転させ、今度は蓄熱器５−２とバーナ３−２に混合ガスが最初流入するようにする。この際、蓄熱器５−２は加熱しているので、混合ガスがこの装置を通過すると常温から１０００℃まで加熱されることになる。
【００１８】
次に、バーナ部分の火炎状況および保炎について記述する。図５で示した希釈空気温度と、希釈空気中の酸素濃度の関係で燃焼可能領域を区分けしたが、当該装置のように交番燃焼を実施する場合には、燃焼用空気温度は時系列的に変化する。つまり、蓄熱器の熱容量と燃焼温度、空気流量、処理ガス流量などに影響されて、矩形波のごとく変動を繰返す。変動インターバルは通常１分程度が好ましが、装置の劣化に伴い、また処理排ガス量の過渡的な変化に伴って空気温度が低下することが予想される。この対策としてはバーナとしては安定燃焼範囲の拡大で対応する必要があり、具体的には、図１におけるベンチュリ拡大部１４に窪み１９を設けて保炎を行なっている。８００℃以上の高温空気が供給されていれば、燃料は空気と遭遇しただけで安定着火するが、温度が下がると次第に火炎位置は後部に流されてしまい、最後には失火する。窪み１９はこれを阻止する。図１０は窪み１９による保炎状況を示す。燃料後方の窪み構造で流れは剥離してこの領域３３でよどむ。ここでの滞留時間が増加することから、火炎が保持されることになる。なお、図中３４は着火位置を示す。窪み部分での発熱が着火源になって、主流に火炎伝播するのが保炎のメカニズムである。さて、このバーナが燃焼している場合には、若干のＳｉＯ₂の粒子も燃焼用空気に同伴されることになるから、この窪みに多少のＳｉＯ₂の付着が発生する。しかし、図１１に示すように、当該バーナが停止して他バーナが燃焼する場合にはガス流れが逆行することになり、窪み１９に沿って逆行したガスが付着物を剥離洗浄する効果が得られる。
【００１９】
図１２と図１３は本発明の他の実施例を示すバーナ装置の断面図である。図１２の実施例は、混合ガスが蓄熱器５を通過した後の流れの縮小部１５とその後流の拡大部１４に冷却管４０を内蔵させたものである。燃焼用空気温度は、蓄熱器５出口部分で約１０００℃、そして、拡大部においては最高１４００℃になるが、このような超高温領域でのバーナ構造物を酸化や溶融現象から保護するためには、図１２に示すような冷却管を設置することが望ましい。
【００２０】
図１３は、前記の冷却管に加えて、燃焼噴射ノズルを逆止弁構造としたものである。すなわち、当該バーナを停止した場合に燃料噴射ノズル１３に粒子が付着したり、入り込む現象を極力阻止するために、逆止バルブ構造を設けたものである。逆止バルブ４１は、燃料マニホールドの燃料噴射ノズル入口側に設けられ、バネ４１と、バネ４１により付勢され、前記燃料噴射ノズル入口に嵌入するニードルとからなる。ガス燃料４３はニードルの位置する燃料マニホールドの側面から供給されるようになっている。燃焼時には逆止バルブ４１のニードルは燃料圧によりリフトした状態になり、燃焼は燃料噴射ノズル１３を通過してバーナに供給され、火炎を形成する。しかし、当該バーナが休止状態であるときには、燃料圧が低下してバネ４２により付勢され、バルブ４１が燃料ノズル１３を閉塞する。すなわち、バーナ休止時、燃焼ガスが当該バーナに逆流しても、燃料ノズル１３に燃焼ガスが流入することはなく、燃焼ガス中に粒子が含まれていたとしても、ノズルに流入する可能性は低くなる。
【００２１】
次に図７は、シランやフロンを含んだ排ガスを直接燃焼炉へ導入する方法について示したものである。シランの濃度が低い場合においては（＜１％）、配管や装置内部へのＳｉＯ₂の堆積の影響がそれほど重要ではないので、排ガスを直接燃焼炉へ送り込む方法が安全面からも望ましい。図８は、含シラン、フロン排ガスを図１に示すように前処理装置２８を経て供給する場合の系統図である。
【００２２】
図９は、図７のように排ガスを直接燃焼炉内部へ導入する場合の一例を示す説明図である。すなわち、この場合は、粒子が炉内のよどみ位置に堆積しないように、噴射ノズル３２を燃焼炉１のコーナ部分から燃焼炉１中心部分に向かって配置し、含シラン、フロン含有排ガスを炉中心に向かって噴射するように配置するこが好ましい。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の燃焼方式では不可能であった、超高温領域における有害成分含有ガスの分解が可能になり、高効率な排ガス処理を行なうことができる。特に、排ガス処理においては低酸素濃度のガスを安全に燃焼できることから、従来燃焼方式では不可能であった有害成分の分解処理が可能となる。そして、当該装置はリジェネシステムを採用していることから、燃焼排ガス温度を有効に利用でき、高い熱効率を得るとともに、ランニングコストを抑えることができる利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有害成分含有ガスの熱分解装置の全体構成を示す説明図。
【図２】図１の装置に用いたバーナ装置の断面図。
【図３】図１の装置のIII-III に沿った矢視面図。
【図４】図１の装置のガス燃料噴射ノズルを、ガス燃料が高温空気の周囲から旋回方向に吹き込まれるように配置したバーナ装置の正面説明図。
【図５】高温空気燃焼の着火領域の広さを従来燃焼と比較した概念図。
【図６】有害ガスを含んだ廃ガスの処理装置として高温空気燃焼方式を用いた本発明の装置系統図。
【図７】排ガスを直接高温空気燃焼炉へ導入して処理する場合の本発明の熱分解装置の系統図。
【図８】排ガスを前処理装置で事前に処理し、シラン等を分解した後、処理する本発明の熱分解装置の系統図。
【図９】図７で示した排ガスを直接燃焼炉へ導入する場合のバーナ装置の断面図。
【図１０】本発明に用いるバーナ装置において、窪み部におけるガスよどみの効果で着火または保炎効果が得られる状況について示した説明図。
【図１１】燃焼炉からのＳｉＯ₂粒子等を含む燃焼ガスが当該ベンチュリ部と窪み部を通過する際のガス流れを示す、本発明に用いるバーナ装置の説明図。
【図１２】本発明に用いるバーナ装置の着火領域のうち、燃焼ガス拡散部分の構造を冷却する構造を示したバーナ装置の断面図。
【図１３】燃料ノズルのマニホールド部に逆止バルブを適用した本発明のバーナ装置の断面図。
【符号の説明】
１…燃焼炉、２…前処理装置、３…バーナ、４…排ガス、５…蓄熱器、６…スクラバ、７…流路切替機、８…循環水ポンプ、９…ブロア、１０…吸収塔、１１…燃料マニホールド、１２…ベンチェリ部、１３…ガス燃料噴射ノズル、１４…拡大部分、１５…縮小部分、１７…高温空気、１８…ガス燃料供給管、１９…窪み、２０…旋回ガス燃料噴出ノズル。

Claims

２００℃以上に予熱した、酸素分圧が２１％以下の燃焼用空気でガス燃料とともにフロン等の有害成分含有ガスを燃焼させ、前記ガス燃料の燃焼とともに前記有害成分を分解する装置であって、ガス流路の拡大部分と縮小部分とからなるベンチュリ部と、前記ベンチュリ部の縮小部分の周壁に間隔をおいて４個以上設けられたガス燃料噴射ノズルと、該ベンチュリ部の前流に設けられた蓄熱器と、該ベンチュリ部のガス流路に向けて設けられたガス燃料噴射ノズルと、前記ベンチュリ部の拡大部分周壁に流路長さ方向と平行に設けられた窪みと、前記蓄熱器前流、ベンチュリ部またはベンチュリ部後流に有害成分含有ガスを前記燃焼用空気とともに供給する手段とを設けたことを特徴とする有害成分含有ガスの熱分解装置。
前記ガス燃料噴射ノズルが燃焼用空気の主流に対して旋回がかかる方向に配置された請求項１記載の熱分解装置。
前記ベンチュリ部を、燃焼用空気流に旋回がかかるように周方向にねじりを加えた構造とした請求項１または２に記載の熱分解装置。
前記ベンチュリ部の外周部分を水冷構造としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の熱分解装置。
前記ガス燃料噴射ノズルに逆止弁を設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の熱分解装置。
２００℃以上に予熱した、酸素分圧が２１％以下の燃焼用空気でガス燃料とともにフロン等の有害成分含有ガスを燃焼させ、前記ガス燃料の燃焼とともに前記有害成分を分解する装置であって、ガス流路の拡大部分と縮小部分とからなるベンチュリ部と、該ベンチュリ部の前流に設けられた蓄熱器と、該ベンチュリ部のガス流路に向けて設けられたガス燃料噴射ノズルと、前記ベンチュリ部の拡大部分周壁に流路長さ方向と平行に設けられた窪みと、前記蓄熱器前流、ベンチュリ部またはベンチュリ部後流に有害成分含有ガスを前記燃焼用空気とともに供給する手段とを有し、かつ前記ベンチュリ部が、燃焼用空気流に旋回がかかるように周方向にねじりを加えた構造を有することを特徴とする熱分解装置。