EP4437273B1

EP4437273B1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung und neutralisierung von umweltschädlichen und/oder toxischen abgasen

Info

Publication number: EP4437273B1
Application number: EP23720545.5A
Authority: EP
Inventors: Bernd Fuchs; Angela BAYLER
Original assignee: Pfeiffer Fab Solutions GmbH
Current assignee: Pfeiffer Fab Solutions GmbH
Priority date: 2023-02-17
Filing date: 2023-04-13
Publication date: 2025-10-22
Anticipated expiration: 2043-04-13
Also published as: CN120677333A; KR20250149991A; TW202434835A; JP2026509149A; WO2024170103A1; EP4437273C0; EP4437273A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung und Neutralisierung von umweltschädlichen und/oder toxischen Abgasen aus Prozessanlagen der Industrie.
Für die Reinigung von Abgasen, die beispielsweise aus Prozessen der Halbleiterfertigung wie CVD-, LP-CVD-, Plasma-CVD-, Plasma-Ätz- oder ähnlichen Prozessen stammen, sind unterschiedliche Verfahren bekannt geworden. In den überwiegenden Fällen kommen Verfahren zum Einsatz, bei denen die Abgase verbrannt und/oder thermisch zersetzt werden. Dabei entstehen gasförmige oder feste bzw. lösliche aber unschädliche Reaktionsprodukte. Letztere werden durch einen Wäscher geleitet, in dem die festen und/oder löslichen Reaktionsprodukte mit Hilfe eines Sorptionsmittels aus den Abgasen herausgewaschen werden. Als Sorptionsmittel kommt gewöhnlich Wasser in Betracht.
Ein Beispiel für eine derartige Abgasreinigungsvorrichtung ist aus der WO 96/23173 bekannt geworden. Diese Vorrichtung enthält einen Brennraum mit einem Brenner, dem Brenngas, wie Wasserstoff und Sauerstoff oder Luft, sowie das zu zersetzende Prozessabgas zugeführt werden. Oberhalb des Brennraumes befindet sich ein Waschraum mit einer Sprühvorrichtung zum Versprühen des Sorptionsmittels. Der Brennraum befindet sich dabei innerhalb eines äußeren Rohres und wird durch ein inneres Rohr begrenzt, wobei das äußere Rohr auch den oberhalb des Brennraumes befindlichen Waschraum umschließt.
Die im Brennraum entstehenden Reaktionsprodukte werden zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr in den Waschraum und von dort über eine Absaugung in die Umgebungsluft geleitet.
Mit einer derartigen Abgasreinigungsvorrichtung können die verschiedensten Gase, wie z.B. SiH4, PH3, B2H6, TEOS (Tetraethoxysilan) aus CVD-Prozessen, C2F6, CF4, CH3F, Cl2, BCl3 aus Trockenätz- und anderen Prozessen mit sehr hoher Effektivität entsorgt werden. Voraussetzung ist, dass die Parameter des Abgasreinigungssystems jeweils auf die Art und Menge der zu reinigenden Gase oder Dämpfe abgestimmt werden, so dass sichergestellt ist, dass die Verbrennung bzw. die thermische Zersetzung durch die Verbrennung von Brenngas und Sauerstoff unter Sauerstoffüberschuss erfolgt.
Ein weiteres Beispiel für eine Abgasreinigungsvorrichtung geht aus der EP 1 796 820 B1 hervor, bei der eine Reaktorkammer vorgesehen ist, die aus einer Außen- und einer Innenwand besteht, wobei sich die Innenwand nach unten trichterförmig verjüngt. Auf der Reaktorkammer befindet sich eine diese nach oben verschließende Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Abgasen, die mit Zuführungen für die Brenngase Sauerstoff und Wasserstoff, sowie den Abgasen in die Reaktorkammer versehen ist. Die sich verjüngende Reaktorkammer ist weiterhin am oberen Rand mit einem Überlauf für ein Sorptionsmittel versehen, so dass sich auf der Innenseite der Reaktorkammer ein gleichmäßig nach unten fließender Wasserfilm ausbilden kann. Die Außen- und die sich nach unten verjüngende Innenwand sind durch eine Ringplatte miteinander verbunden und der Zwischenraum mit dem Sorptionsmittel gefüllt.
Das untere Ende der Reaktorkammer ist mit einem Abgasauslass versehen und endet in einem Wassertank zur Aufnahme des in der Reaktorkammer herabfließenden Wassers, mit dem zugleich feste Reaktionsprodukte ausgespült werden.
Der Abgasauslass ist mit einer neben der Reaktorkammer angeordneten und mit einem Füllmaterial gefüllten Waschkolonne verbunden, so dass eine Nachbehandlung der bereits thermisch behandelten Reaktionsabgase erfolgen kann, indem die in Wasser löslichen Bestandteile aus dem Reaktionsabgas mittels Sprühdüsen entfernt werden, deren Sprührichtung entgegen dem aufsteigenden Gasstrom gerichtet sind.
Eine ähnliche Abgasreinigungsvorrichtung wird in der US 20200018630 A1 beschrieben.
Weiterhin wird in der EP 1 129 763 B1 ein Verfahren zur Vernichtung von pyrophoren Gasen in einem Gasstrom beschrieben, welches das Einleiten von vorerwärmter Dämpfungsluft mit einer relativen Feuchte von bis 90% und einer maximalen Temperatur von 300 °C - 500°C in den Gasstrom in einen Behälter umfasst, in dem die pyrophoren Gase vernichtet werden.
In dem Behälter befinden sich Heizmittel in Form von Rippen zur Erwärmung der Dämpfungsluft, wobei Wasser in den Behälter eingesprüht wird, um die Ablagerung von Feststoffen zu reduzieren.
Die DE 33 18 796 A1 beschreibt eine Nachverbrennvorrichtung, die insbesondere zum Anschluss an Laboröfen geeignet ist, aus denen Gase oder Dämpfe abgesaugt und weitestgehend nachverbrannt werden sollen. Die Vorrichtung weist ein Heizelement auf, dass in einem zentralen Hohlraum eines Isolierstoffrohres befestigt ist. Die vordere Stirnfläche des Hohlraums weist eine konische Einlassöffnung auf, in die ein Strömungsrohr mit seiner Auslassöffnung hineinragt. Die Vorrichtung ermöglicht ein Abziehen von Gasen oder Dämpfen aus einem Laborofen, indem ein leichter Unterdruck erzeugbar ist. Die Gase oder Dämpfe werden mit Frischluft gemischt und anschließend quasi vollständig verbrannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effektives Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung und Neutralisierung von umweltschädlichen und/oder toxischen Abgasen zu schaffen, mit dem zugleich eine Reduzierung des Verbrauches an Brenngasen und eine Verringerung der Emission von CO/CO2/NOx erreicht wird.
Erreicht wird das durch ein Verfahren zur Behandlung und Neutralisierung von umweltschädlichen und/oder toxischen Abgasen aus Prozessanlagen durch thermische Umsetzung oder Aufspaltung der Abgase in einer Brennkammer dadurch, dass die Abgase in der Brennkammer mit remote erzeugter erhitzter Luft aus einem separaten Lufterhitzer auf eine Temperatur gemischt werden, die über der Zündtemperatur der Abgase liegt und dass nach der Zündung der Abgase die aus dem Lufterhitzer zugeführte Luft mit einer unter der Zündtemperatur der Abgase liegenden Temperatur unter Fortführung der thermischen Aufspaltung weiter zugeführt wird.
In Fortführung der Erfindung wird die remote außerhalb der Brennkammer erhitzte Luft im Lufterhitzer zumindest kurzzeitig auf eine Temperatur über der Zündtemperatur der Abgase, d.h. auf ca. 700 °C bis 900 °C, erhitzt.
Weiterhin kann die remote erhitzte Luft nach der Zündung der Abgase in der Brennkammer mit einer reduzierten Temperatur von ca. 200 °C weiter zugeführt werden, zumindest so lange die in der Brennkammer brennende Flamme nicht erlischt. Damit kann die thermische Behandlung der Abgase mit geringstmöglichem Energieverbrauch erfolgen.
Um eine vollständigen Umsetzung der Abgase in unschädliche Bestandteile zu erreichen, sollte dem Lufterhitzer Umgebungsluft in einer Menge zugeführt werden, dass sich in der Brennkammer bei der Vermischung mit dem Abgas stöchiometrisch ein Sauerstoffüberschuss einstellt.
Um zu gewährleisten, dass sich Abgase und Luft ausreichend vermischen, sollten das Abgas und die remote erhitzte Luft in im wesentlichen paralleler Strömung, aber unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit, der Brennkammer zugeführt werden.
Eine bessere Vermischung der Abgase mit der erhitzten Luft wird erreicht, wenn die remote erhitzte Luft beim Eintritt in die Brennkammer mit dem zugeführten Abgas verwirbelt wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Umsetzung von schwer oder nicht entflammbaren Abgasen in der Brennkammer eine zusätzliche Eindüsung von Brenngas über eine oder mehrere Brenngasdüsen während der Zufuhr solcher Abgase erfolgt, wobei die Vermischung des zusätzlich eingedüsten Brenngases mit der gleichzeitig eingedüsten Luft aus dem Lufterhitzer im Sinne einer außenmischenden Verbrennung erfolgt.
Vorzugsweise wird als zusätzliches Brenngas Wasserstoff eingedüst, wobei auch andere Brenngase, wie Acetylen, Ammoniak, Propan, Propylen oder Methan usw. geeignet sind.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Behandlung und Neutralisierung von umweltschädlichen und/oder toxischen Abgasen aus Prozessanlagen der Halbleiter-Industrie durch thermische Umsetzung oder Aufspaltung der Abgase in einer Brennkammer, die mit einer Zuführvorrichtung für Luft und Abgase versehen ist und in der Brennkammer endet, auch dadurch gelöst, dass eine zentrale Luftdüse zur Zuführung von erhitzter Luft in die Brennkammer vorgesehen ist, die einerseits über die Zuführvorrichtung mit einem Lufterhitzer außerhalb der Brennkammer verbunden ist und andererseits eingangsseitig zur Brennkammer mit einer Verwirbelungseinrichtung ausgestattet ist, die aus einem mit Prallblechen und Luftdurchlässen versehenen runden Einsatz besteht, der zentrisch im Ausgang der zentralen Luftdüse angeordnet ist, um die aus dem Lufterhitzer zugeführte Luft und in die Brennkammer eintretende Luft in einem Vermischungsbereich zur Ausbildung eines Flammenkegels zu verwirbeln.
Vorzugsweise ist der runde Einsatz ein Blechprägeteil, welches mit parallelen abstandweise zueinander angeordneten Prallblechen und Luftdurchlässen dazwischen oder einem Array von Durchtrittsöffnungen in mindestens einer Ebene versehen ist.
Weiterhin weisen die Prallbleche einen v- oder u-förmigen bzw. halbrunden Querschnitt auf, wobei die Öffnungsrichtung jeweils entgegen der Strömungsrichtung der vorbeiströmenden erhitzten Luft gerichtet ist.
In einer weiteren Fortführung der Erfindung sind mehrere Abgasdüsen eingangsseitig zur Brennkammer vorgesehen, welche die zentrale Luftdüse für die remote erhitzte Luft auf einem Kreisring umgeben und wobei das Abgas schräg zur Mitte der Brennkammer oder schräg zur Symmetrieachse eingeleitet wird.
Alternativ kann anstelle der einzelner Abgasdüsen ein die zentrale Luftdüse konzentrisch umgebender und ggf. ein- oder mehrfach unterbrochener Ringspalt vorgesehen sein.
Vorzugsweise sind die auf einem Kreisring um die zentrale Luftdüse angeordneten Abgasdüsen oder der oder die Ringspalte schräg zur Mitte der Brennkammer in einem Winkel von 40° bis 60°, bevorzugt jedoch um 45° ausgerichtet.
Zur sicheren Umsetzung von unbrennbaren Abgasen oder unbrennbaren Abgasbestandteilen sind zusätzliche Brenngasdüsen vorgesehen, die um die Abgasdüsen herum im Deckel der Brennkammer um die Abgasdüsen oder die Ringspalte oder zwischen diesen angeordnet sind und die das zusätzliche Brenngas, Wasserstoff, in einem flachen Winkel in die Brennkammer eindüsen.
Der flache Winkel beträgt 70° bis 88°, bevorzugt jedoch um 84,5° zur Horizontalen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung können sämtliche Abgase aus der Industrie und insbesondere aus der Halbleiter-Industrie mit verringerten Energiekosten und weniger Brenngas und umweltfreundlich bei niedrigeren CO/CO2/NOx Emissionen umgesetzt werden.
Insbesondere wird durch die Erfindung eine erhebliche Einsparung von Wasserstoff erreicht, da beispielsweise in der Halbleiterindustrie bei vielen Prozessen während 90 - 95 % der Gesamtprozesszeit brennbare Gase eingesetzt werden, so dass es in dieser Zeit genügt, den Abgasen erhitzte Luft zur Verbrennung zuzuführen, wohingegen Wasserstoff nur in der übrigen sehr kurzen Prozesszeit während Reinigungs- und Ätzprozessen, also 5 - 10 % der Gesamtprozesszeit, benötigt wird.
Außerdem entstehen wesentlich weniger Stickoxide, weil die Flammtemperatur während der meisten Zeit deutlich unter 1.000 °C liegt.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungsfiguren zeigen:

Fig. 1:: eine Übersichtsdarstellung einer Vorrichtung zur Behandlung und Neutralisierung von umweltschädlichen und/oder toxischen Abgasen, bestehend aus einer sich nach unten verjüngenden und unten offenen Brennkammer die oben mit einem Deckel mit einer Zuführvorrichtung zur Zuführung von erhitzter Luft und den Abgasen ausgestattet ist, die zumindest teilweise durch einen zylindrischen Behälter für eine Sorptionsflüssigkeit mit einem Überlauf zur Ausbildung eines Flüssigkeitsfilmes auf der Innenfläche der Brennkammer versehen ist, wobei das untere Ende der Brennkammer über eine Transferleitung mit einer Wäschersäule zur Nassreinigung der thermisch vorbehandelten Abgase verbunden ist;
Fig. 2:: die Vorrichtung nach Fig. 1 mit einer Teilschnittdarstellung der Zuführvorrichtung für remote erhitzte Luft und Abgase, sowie der Brennkammer;
Fig. 3:: die Vorrichtung nach Fig. 2 mit zusätzlicher Brenngaseindüsung;
Fig. 4:: Einzelheiten des mit Heizstäben oder Heizwendeln versehenen Lufterhitzers in der Zuführvorrichtung für erhitzte Luft und die Abgase;
Fig. 5:: der Lufterhitzer mit Prallblechen und Luftdurchlässen dazwischen im Luftaustritt zur Brennkammer, sowie der Abgas- und Brenngaszuführung;
Fig. 6:: eine Detaildarstellung des Luftaustritts zur Brennkammer mit einem runden mit Prallblechen versehenen Einsatz, und
Fig. 7:: den Luftaustritt zur Brennkammer von unten gesehen.

Fig. 1 zeigt eine Übersichtsdarstellung einer Vorrichtung zur Behandlung und Neutralisierung von umweltschädlichen und/oder toxischen Abgasen aus Prozessanlagen der Halbleiter-Industrie oder vergleichbaren Industrien, sowie Prozessanlagen, in denen derartige toxischen Abgase entstehen.
Solche Abgase, die z.B. aus Prozessmodulen der Fertigung von Halbleitern z.B. für die Mikroelektronik, oder die Fotovoltaik, wie CVD-, LP-CVD-, Plasma-CVD-, Plasma-Ätz- oder ähnlichen Prozessen stammen, sind in der Regel extrem giftig oder zumindest umweltschädlich und werden in der Regel durch thermische Prozesse, wie durch Oxidation oder anderweitiger Umsetzung in einer Flamme bei hohen Temperaturen soweit neutralisiert, dass keine Gefahr mehr für die Gesundheit oder die Umwelt besteht. Die hohen Temperaturen bei der Umsetzung der Abgase haben allerdings den Nachteil, dass ab einer Brenntemperatur von etwa 1.000 °C umweltschädliches NOx, CO und CO2 in erheblichem Umfang anfällt. Die Bildung von NOx steigt mit steigender Temperatur in einem exponentiellen Verhältnis.
Eine solche bekannte Vorrichtung besteht aus einer unten offenen und senkrecht ausgerichteten Brennkammer 1, die sich nach unten konisch verjüngt und die oben mit einem Deckel 2 verschlossen ist (Fig. 1, 2). Der Deckel 2 ist mit einer Zuführvorrichtung 3 zur Zuführung von Luft und den Abgasen in die Brennkammer 1 ausgestattet. Weiterhin wird die Brennkammer 1 zumindest teilweise durch einen Behälter 4 zur Aufnahme einer Sorptionsflüssigkeit 5, wie Wasser, umgeben, der oben mit einem in die Brennkammer 1 gerichteten Überlauf 6 (Fig. 4, 5) zur Ausbildung eines auf der sich konisch verjüngenden Innenfläche 7 der Brennkammer 1 herablaufenden Flüssigkeitsfilmes 8 versehen ist. Dieser Flüssigkeitsfilm 8 hat bekanntermaßen die Aufgabe, Ablagerungen fester Reaktionsprodukte auf der Innenfläche 7 der Brennkammer 1 zu verhindern. Der die Brennkammer 1 umgebende Behälter 4 dient gleichzeitig zu deren Kühlung.
Das untere Ende der Brennkammer 1 endet in einem Flüssigkeitstank 9 zur Aufnahme der aus der Brennkammer 1 herablaufenden Flüssigkeit und ist über eine Transferleitung 10 mit einer neben der Brennkammer 1 befindlichen Wäschersäule 11 zur Nassreinigung/ Nachbehandlung der in der Brennkammer 1 thermisch vorbehandelten Abgase verbunden (Fig. 1). Mit der in der Regel mehrstufigen Wäschersäule 11 werden die im Abgas noch vorhandenen oder die sich bei der thermischen Umsetzung gebildeten festen und/oder auswaschbaren oder löslichen Bestandteile im Gegenstrom aus dem Abgas entfernt, indem das Abgas in der Wäschersäule 11 an mehreren übereinander befindlichen nicht dargestellten Sprühdüsen vorbei nach oben geleitet wird (Fig. 1). Das gereinigte Abgas wird schließlich oben aus der Wäschersäule 11 über Rohrleitungen und eine Filtervorrichtung bzw. ein Abgassystem 12 in die Umwelt entlassen.
In dem Flüssigkeitstank 9 wird sowohl das aus der Brennkammer 1 herablaufende Wasser, als auch das Wasser aus der Wäschersäule 11 über die Transferleitung 10 bis zu einem vorgegebenen Pegelstand 13 gesammelt. Weiterhin ist der Flüssigkeitstank 9 über eine Rückführleitung 14 und einen nicht dargestellten Filter mit Pumpe 15 mit dem Behälter 4 verbunden, so dass sich zusammen mit dem Überlauf 6 in die Brennkammer 1 ein Kreislauf der Sorptionsflüssigkeit 5 ausbildet (Fig. 4, 5).
Erfindungswesentlich ist, dass die Zuführeinrichtung 3 im Deckel 2 mit einer zentralen Luftdüse 16 zur Zuführung von remote erhitzter Luft 17 in die Brennkammer 1 (Fig. 2, 3) endet, indem der Zuführeinrichtung 3 gleichzeitig über einen nicht dargestellten Seitenkanalverdichter 17' frische und komprimierte Umgebungsluft 18 zugeführt wird. Weiterhin sind mehrere die zentrale Luftdüse 16 umgebende Abgasdüsen 19 vorgesehen, die in die Brennkammer 1 gerichtet sind und die zur Zuführung von thermisch zu behandelnden Abgasen auch aus unterschiedlichen Prozessmodulen in die Brennkammer 1 dienen (Fig. 2).
Die Abgasdüsen 19 umgeben die zentrale Luftdüse 16 in einem oder mehreren konzentrischen Ringen, wobei in Fig. 1 z.B. vier oder mehr Abgasdüsen 19 vorgesehen sind. Anstelle der einzelnen Abgasdüsen 19 kann auch ein die zentrale Luftdüse 16 konzentrisch umgebender und ggf. ein- oder mehrfach unterbrochener Ringspalt 20 vorgesehen sein (Fig. 6).
Um eine ausreichende und schnelle Durchmischung der über die zentrale Luftdüse 16 aus einem Lufterhitzer 21 in der Zuführvorrichtung 3 in die Brennkammer 1 zugeführten erhitzten Luft mit den über die Abgasdüsen 19 zugeführten Abgasen zu erreichen, ist es zweckmäßig, die außerhalb der Brennkammer 1 erhitzte Luft und die Abgase entweder mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten der Brennkammer 1 oder zumindest die erhitzte Luft über eine Verwirbelungseinrichtung 22 zuzuführen (Fig. 6, 7), wobei letztere aus einem mit Prallblechen 23 versehenen runden Einsatz 24 besteht, der zentrisch im Ausgang der zentralen Luftdüse 16 angeordnet ist (Fig. 6, 7). Der Einsatz 23 ist beispielsweise ein Blechprägeteil, das mit parallelen abstandweise angeordneten Prallblechen 23 und Luftdurchlässen 23' dazwischen in mindestens einer Ebene versehen ist. Grundsätzlich ist es auch möglich, anstelle der Prallbleche 23 in dem Einsatz ein Array von geprägten Durchtrittsöffnungen (nicht dargestellt) vorzusehen.
Die Prallbleche 23 können einen v-, u-förmigen oder auch halbrunden Querschnitt aufweisen, die entgegen der Strömungsrichtung der erhitzten Luft abgewinkelt/gerichtet sind (Fig. 4 bis 6), d.h. die Öffnung des Querschnitts ist gegen die Strömungsrichtung der zugeführten remote erhitzten Luft 17 gerichtet. Auf diese Weise wird die auf die Prallbleche 23 gerichtete erhitzte Luft 17 besonders stark verwirbelt und tritt als Luftwirbel in den Vermischungsbereich 25 in die Brennkammer 1 ein.
Die Verwirbelungseinrichtung 22 erfüllt zwei Aufgaben, nämlich, erstens als Strömungswiderstand in der zentralen Luftdüse 16 zu wirken, so dass in Strömungsrichtung der Luft gesehen, vor dem Einsatz 24 und damit im Lufterhitzer 21 ein Überdruck entsteht, so dass die erhitzte Luft 17 beschleunigt aus der zentralen Luftdüse 16 in die Brennkammer 1 austritt und zweitens die den zentralen Einsatz 24 passierende Luft bereits vor dem Austritt aus der Luftdüse 16 bzw. während dem Austritt aus der Luftdüse 16 stark zu verwirbeln(Fig. 6).
Die auf diese Weise in die Brennkammer 1 zugeführte erhitzte und verwirbelte Luft wird in der Brennkammer 1 mit dem zu behandelnden Abgas, das über die Abgasdüsen 19, der eingedüsten erhitzten Luft tangential zugeführt wird, mit dieser im Vermischungsbereich 25 intensiv vermischt, so dass sich das Abgas durch die erhitzte Luft entzündet und chemisch umgesetzt werden kann, wobei sich ein Flammenkegel 26 ausbildet (Fig. 3).
Die Durchmischung der erhitzten Luft mit den zugeführten Abgasen kann auch dadurch verbessert werden, wenn die auf einem Kreisring um die zentrale Luftdüse 16 angeordneten Abgasdüsen 19, 20 schräg zur Mitte der Brennkammer 1 in einem Winkel von etwa 40° bis 60°, bevorzugt von etwa 45°, ausgerichtet sind. Alternativ können die Abgasdüsen 19, 20 auch gleichsinnig schräg zur Symmetrieachse der Brennkammer 1 ausgerichtet sein, so dass das Abgas durch die Mehrzahl der Abgasdüsen 19, 20 zusätzlich einen Drall erhält. Dadurch wird eine noch schnellere Durchmischung mit der zentral zugeführten erhitzten Luft mit dem Abgas erreicht. Auch kann eine Zuführung der erhitzten Luft und der Abgase mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten erfolgen, so dass nach dem Gesetz von Bernoulli an den Grenzflächen zwischen den Gasen Querkräfte entstehen, welche ebenfalls deren Durchmischung befördern.
Die Erzeugung der erhitzten Luft erfolgt in einem separaten Lufterhitzer 21 in der Zuführeinrichtung 3 remote außerhalb bzw. oberhalb der Brennkammer 1. Der Lufterhitzer 21 ist ausgangsseitig mit der zentralen Luftdüse 16 und eingangsseitig mit einem nicht dargestellten Luftverdichter, z.B. einem Seitenkanalverdichter, verbunden, der kalte Umgebungsluft 18 ansaugt (Fig. 4).
Zur Aufheizung der in den Lufterhitzer 21 gesaugten Luft ist eine Heizvorrichtung 27 vorgesehen, z.B. Heizstäbe, die im Lufterhitzer 21 in einer, oder in mehreren Ebenen jeweils nebeneinander und quer zur Strömungsrichtung der zugeführten Umgebungsluft 18 angeordnet sind (Fig. 3), wobei hierfür handelsübliche Elektro- oder Halogenheizstäbe eingesetzt werden können (Fig. 3). Die Heizstäbe 27 können aber auch längs zur zugeführten Umgebungsluft 18 im Lufterhitzer 21 angeordnet sein, oder es können Heizwendeln verwendet werden.
Wichtig ist, dass es möglich ist, die in den Lufterhitzer 21 gesaugte Luft mit der Heizvorrichtung 27 zumindest kurzzeitig auf 700 bis 900 °C zu erhitzen und mit dieser Temperatur in die Brennkammer 1 verwirbelt einzudüsen.
Um die über die Abgasdüsen 19, 20 in die Brennkammer 1 eingeleiteten Abgase, auch als Rohgas bezeichnet, thermisch abzubauen und in auswaschbare Produkte umzuwandeln, wird der Brennkammer 1 gleichzeitig über die zentrale Luftdüse 16 die auf ca. 900 °C erhitzte Luft zugeführt und mit den Abgasen vermischt. Die genaue erforderliche Temperatur der zugeführten Luft als Brenngas richtet sich nach der jeweils aktuellen Zündtemperatur der in die Brennkammer 1 eingeleiteten Abgase bzw. der Abgasmischung, d.h. die erhitzt zugeführte Luft muss mindestens die aktuelle Zündtemperatur haben. Eine Verbesserung der thermischen Umsetzung kann auch dadurch erreicht werden, wenn die Abgase vor der Einleitung in die Brennkammer 1 ebenfalls vorgewärmt werden.
Wenn es sich um brennbare Abgase handelt, die häufig aus Beschichtungsprozessen stammen, entzünden sich diese und es bildet sich eine Flamme aus, woraufhin die Temperatur der im Lufterhitzer 21 erhitzten Luft auf bis zu 200 °C reduziert werden kann, wodurch erheblich Energie eingespart werden kann.
Falls die Flamme erlischt, muss die Zufuhr von Abgas sofort gestoppt werden und die zugeführte Luft erneut auf 900 °C bzw. die Zündtemperatur erhitzt werden, so das nach der Unterbrechung der Abgaszufuhr die thermische Behandlung fortgesetzt werden kann.
Für eine vollständige und sichere thermische Umsetzung der Abgase in der Brennkammer 1 muss der mit der Umgebungsluft zugeführte Sauerstoff im stöchiometrischen Überschuss zugeführt werden.
Der besondere Vorteil der Anordnung des Lufterhitzers 21 außerhalb der Brennkammer 1 ist darin zu sehen, dass die elektrische Heizvorrichtung 27 im Lufterhitzer 21 lediglich durch Umgebungsluft umspült werden, so dass sichergestellt ist, dass sich keine störenden Ablagerungen auf den Heizstäben oder Heizwendeln der elektrischen Heizvorrichtung 27 ausbilden können.
Viele Prozesse in der Halbleiterindustrie bestehen aus einem Beschichtungs- und einem Reinigungsschritt. Während des Reinigungsschrittes werden häufig brennbare Gase eingesetzt, die wie vorstehend beschrieben, behandelt werden können,
Bei Reinigungsschritten werden jedoch Gase eingesetzt, die häufig nicht brennbar sind und/oder die eine besonders hohe Temperatur zur Umsetzung benötigen. Um diese hohe Temperatur in der Brennkammer 1 zu erreichen, ist eine zusätzliche Brenngaseindüsung 28, bevorzugt Wasserstoff, oder ein anderes geeignetes Brenngas, mit einer oder mehreren Brenngasdüsen während der Zufuhr solcher Abgase vorgesehen, die um die Abgasdüsen 19, 20 herum im Deckel 2 der Brennkammer 1 angeordnet sind (Fig. 2, 4, 5) und die das Brenngas in einem Winkel von 70° bis 88°, bevorzugt in einem Winkel von 84,5° zur Horizontalen, also sehr steil in die Brennkammer 1 eindüsen. Die Vermischung des Brenngases mit der gleichzeitig zentral eingedüsten und verwirbelten Luft aus dem Lufterhitzer 21 erfolgt hier im Sinne einer außenmischenden Verbrennung, so dass Rückwirkungen auf die Zuführvorrichtung 3 ausgeschlossen werden können.
Die für die Umsetzung nötige Temperatur in der Brennkammer 1 kann beispielsweise durch die Verwendung von Wasserstoff als Brenngas und der parallel in die Brennkammer 1 aus dem Lufterhitzer 21 eingedüsten Luft erreicht werden. Es versteht sich, dass anstelle von Wasserstoff auch andere Brenngase wie zum Beispiel Acetylen, Ammoniak, Propan, Propylen, oder Methan eingesetzt werden können.
Um die Existenz der für die thermische Umsetzung der Abgase in jedem Fall notwendige Flamme in der Brennkammer 1 überwachen zu können, ist eine Flammenüberwachung vorgesehen.

Bezugszeichenliste

1: Brennkammer
2: Deckel
3: Zuführvorrichtung
4: Behälter
5: Sorptionsflüssigkeit
6: Überlauf
7: Innenfläche
8: Flüssigkeitsfilm
9: Flüssigkeitstank
10: Transferleitung
11: Wäschersäule
12: Filtervorrichtung/Abgassystem
13: Pegelstand
14: Rückführleitung
15: Pumpe
16: zentrale Luftdüse
17: erhitzte Luft
17': Seitenkanalverdichter/Verdichter
18: Umgebungsluft
19: Abgasdüsen
20: Ringspalt
21: Lufterhitzer
22: Verwirbelungseinrichtung
23: Prallblech
23': Luftdurchlass
24: runder Einsatz
25: Vermischungsbereich
26: Flammenkegel
27: Heizvorrichtung
28: Brenngasdüsen

Claims

Verfahren zur Behandlung und Neutralisierung von umweltschädlichen und/oder toxischen Abgasen aus Prozessanlagen der Industrie durch thermische Umsetzung oder Aufspaltung der Abgase in einer Brennkammer, wobei die Abgase in der Brennkammer (1) mit remote erzeugter erhitzter Luft (17) aus einem separaten Lufterhitzer (21) auf eine Temperatur gemischt werden, die über der Zündtemperatur der Abgase liegt und wobei nach der Zündung der Abgase die aus dem Lufterhitzer (21) zugeführte Luft mit einer unter der Zündtemperatur der Abgase liegenden Temperatur unter Fortführung der thermischen Aufspaltung weiter zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die remote außerhalb der Brennkammer (1) erhitzte Luft (17) im Lufterhitzer (21) zumindest kurzzeitig auf eine Temperatur über der Zündtemperatur der Abgase, d.h. auf ca. 700 °C bis 900 °C, aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die remote erhitzte Luft (17) nach der Zündung der Abgase in der Brennkammer (1) mit einer Temperatur von ca. 200 °C weiter zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei dem Lufterhitzer (21) Umgebungsluft (18) in einer Menge zugeführt wird, dass sich in der Brennkammer (1) bei der Vermischung mit dem Abgas stöchiometrisch ein Sauerstoffüberschuss einstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Abgas und die remote erhitzte Luft (17) in im wesentlichen paralleler Strömung oder unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit der Brennkammer (1) zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die remote erhitzte Luft beim Eintritt in die Brennkammer (1) verwirbelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zur Umsetzung von schwer oder nicht entflammbaren Abgasen in der Brennkammer (1) eine zusätzliche Eindüsung von Brenngas über eine oder mehrere Brenngasdüsen (28) während der Zufuhr solcher Abgase erfolgt, wobei die Vermischung des zusätzlich eingedüsten Brenngases mit der gleichzeitig eingedüsten Luft aus dem Lufterhitzer (21) im Sinne einer außenmischenden Verbrennung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei als zusätzliches Brenngas Wasserstoff, Acetylen, Ammoniak, Propan, Propylen, oder Methan eingedüst wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Behandlung und Neutralisierung von umweltschädlichen und/oder toxischen Abgasen aus Prozessanlagen der Industrie durch thermische Umsetzung oder Aufspaltung der Abgase in einer Brennkammer, die mit einer Zuführvorrichtung für Luft und Abgase versehen ist, wobei die Zuführeinrichtung in der Brennkammer endet, und wobei eine zentrale Luftdüse (16) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Luftdüse (16) einerseits über die Zuführvorrichtung (3) mit einem Lufterhitzer (21) außerhalb der Brennkammer (1) verbunden ist und andererseits eingangsseitig zur Brennkammer (1) mit einer Verwirbelungseinrichtung (22) ausgestattet ist, die aus einem mit Prallblechen (23) und Luftdurchlässen (23') dazwischen versehenen runden Einsatz (24) besteht, der zentrisch im Ausgang der zentralen Luftdüse (16) angeordnet ist, um die aus dem Lufterhitzer (21) zugeführte Luft und in die Brennkammer (1) eintretende Luft in einem Vermischungsbereich (25) zur Ausbildung eines Flammenkegels (26) zu verwirbeln.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (24) ein Blechprägeteil ist, welches mit den parallelen abstandweise zueinander angeordneten Prallblechen (23) und den Luftdurchlässen (23') dazwischen oder einem Array von Durchtrittsöffnungen in mindestens einer Ebene versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallbleche (23) einen v- oder u-förmigen bzw. halbrunden Querschnitt aufweisen, wobei die Öffnungsrichtung entgegen der Strömungsrichtung der erhitzten Luft gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Abgasdüsen (19) eingangsseitig zur Brennkammer (1) vorgesehen sind, welche die zentrale Luftdüse (16) für die remote erhitzte Luft auf einem Kreisring umgeben und wobei das Abgas schräg zur Mitte der Brennkammer (1) oder schräg zur Symmetrieachse eingeleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle einzelner Abgasdüsen (19) ein die zentrale Luftdüse (16) konzentrisch umgebender und ggf. ein- oder mehrfach unterbrochener Ringspalt (20) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einem Kreisring um die zentrale Luftdüse (16) angeordneten Abgasdüsen (19) oder der oder die Ringspalte (20) schräg zur Mitte der Brennkammer (1) in einem Winkel von 40° bis 60°, bevorzugt um 45°, ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Brenngasdüsen (28) für zusätzliches Brenngas vorgesehen sind, die im Deckel (2) der Brennkammer (1) um die Abgasdüsen (19) oder die Ringspalte (20) herum angeordnet sind und die das zusätzliche Brenngas, nämlich Wasserstoff oder ein anderes geeignetes Brenngas, in einem spitzen Winkel in die Brennkammer (1) eindüsen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der spitze Winkel von 70° - 88°, bevorzugt um 84,5° beträgt.