全氟化物廢氣處理方法
2023-06-07 04:53:46
專利名稱：全氟化物廢氣處理方法
技術領域：
本發明是關於一種廢氣處理方法，尤其是指一種全氟化物廢氣處理方法。
背景技術：
1997年聯合國氣候變化綱要公約京都議定書中，各國通過管制六種主要溫室氣體的具體減量方案及時刻表。
其中SF6、HFCs及PFCs等主要為人造的溫室氣體成分，為強效溫室氣體，具有高全球溫暖化潛勢指數值(Global Warming Potential；GWP)，具極長的生命期，在大氣中的累積效應為不可逆的。但近年來半導體製作過程(如在乾蝕刻化學氣相沉積的清腔程序等)廣泛地使用CF4、C2F6、NF3等全氟化物(PerfluorocompougdSPFCS)做為製作過程氣體，而這些氣體僅少部分被使用掉，剩餘的大部分(如化學氣相沉積約剩餘90％)則當作廢氣排放，是造成溫室效應的重要來源。但目前半導體設備元件的製造技術日趨精密，促使全氟化物的使用量隨著半導體製作過程的進步與日俱增，因此需要管制與處理避免環境公害的產生，以及採用新的PFCs廢氣處理系統，以適應未來更加嚴苛的廢氣排放標準。
目前工業製作過程中其全氟化物廢氣處理裝置，以高能量密度等離子高溫裂解及洗滌除害的設計原理為主的裝置擁有最佳的效能，由於等離子產生的高溫有助於全氟化物裂解。此種全氟化物廢氣處理裝置，其應用範圍包含半導體及其他工業製作過程的全氟化物等有害廢氣的處理，例如C2F6、SiH4、CF4、NF3、CHF3等廢氣處理。其基本工作原理如下直流等離子火炬產生高溫、高能量密度的等離子，將廢氣中的全氟化物熱解、原子化、離子化，使全氟化物的化學鍵被瓦解而摧毀，並與水或氧氣結合形成一些簡單易於處理的分子或原子如氫、一氧化碳、二氧化碳和氟化氫等，而沒有機會組合成較大的或較複雜的分子。舉例說明其反應方程式如下
，
如圖1所示，為公知的全氟化物廢氣等離子處理裝置。
其運作如下將廢氣引入等離子反應器110中，其等離子反應器110包括廢氣進口111、等離子火炬112、反應室113、水蒸氣入口114、水蒸氣產生反應爐115等五個部分，其中該反應室113內部是以耐火隔熱材料構築而成，在等離子火炬加熱下，可形成高溫環境，有助反應形成。由上的化學反應式可知，其反應過程中需要水參與反應。其等離子火炬112經來自水蒸氣產生反應爐115產生的水蒸氣自水蒸氣入口114進入反應後，所生的極高溫(10000℃)等離子束流提供高能量讓由廢氣進口111進入的全氟化物廢氣與水蒸氣作用，在反應室113中瞬間被熱解、原子化或離子化，全氟化物組成之間的化學鍵因而被瓦解摧毀，形成一些簡單易於處理的分子或原子等，而沒有機會組合成較大的或較複雜的分子，這是熱燃燒爐所無法達到的。但由於經等離子反應器110處理後的廢氣溫度很高，並產生氟化氫及氫氣氣體，因此，在等離子反應器110的反應室113出口處，設置一噴水器組120，噴水器組120設有水量控制閥121調控噴水量使噴水頭122噴出水霧，由此水吸收熱量使廢氣迅速降溫，並溶解部分氟化氫(HF)溶於水槽130中，水槽130再以底部排水方式將廢水排出。
因高溫影響氣體的溶解度，所以在廢氣經噴霧冷卻後，再將廢氣引入一溼式洗滌塔150內部填有高表面積填充物，並設有噴水器組151，噴水器組151的水源由水泵140抽取水槽130的水供應，水泵140之前可設置一過濾器141過濾雜質及固體物。廢氣在經過此一溼式洗滌塔150時，其夾帶的固體物，例如，含矽粉末等，可以被洗淨濾除，同時氟化氫在此也被吸收，於處理氟化氫產物時，噴出的水霧可加鹼液中和氟化氫酸性。但依現況而言，在科學園區設有廢水處理場，通常含氟廢水可由廢水處理場處理，因此，水槽的儲水可做批次排放或連續排放至廢水處理場即可。當廢氣來源所提供的氣流靜壓不足時，溼式洗滌塔150後端可加置一風車160以補足靜壓，順利排出設計的風量值。
由於採用等離子反應器110較公知處理方式如燃燒法的能量密度高，因此，全氟化物的裂解效率較高，效率優越性大幅提升，處理C2F6的破壞去除率可達99％以上，甚具環保價值。同時已證實可以同時處理多種全氟化物廢氣，可將CF4、C2F6與NF3等有害廢氣的化學鍵加以破壞、分解且去除效率可達99％以上。
公知技術中，為使廢氣燃燒完全，需將水蒸氣引入等離子反應器參與反應，但另以設備產生水蒸氣，其成本增加，故有造成全氟化物廢氣等離子處理裝置的產業利用性降低的缺點。此外，因全氟化物經裂解後所形成的廢氣中，氫氣佔很大的比例，其自燃的特性，將會在後續的處理過程中發生危害，故有降低全氟化物廢氣等離子處理裝置的安全性的缺點。
發明內容
本發明的主要目的在於提供一種全氟化物廢氣處理方法，利用燃燒廢氣時所產生的熱能，將液態水轉換為水蒸氣，減少了單獨產生水蒸氣的設備。
本發明的另一目的在於提供一種全氟化物廢氣處理方法，在裝置中多設置一燃燒室，將空氣與廢氣中氫氣混合燃燒，可大量減少氫氣含量。
本發明是使用下列步驟來達到上述的各項目的首先，是引入廢氣，使之與高溫等離子火炬直接作用，再進入反應室內處理。該等離子火炬包括水蒸氣入口及水蒸氣管等部份。其中水蒸氣管管路中的液態水變成水蒸氣的熱能來自等離子反應器反應時的高溫，並進入等離子火炬參與毒性氣體的反應。
接續，為降低反應後大量氫氣，本發明增設一燃燒室，將外界空氣與氫氣反應，以處理掉大量氫氣。
接續，燃燒反應後剩餘的廢氣進入一水槽，其內的噴水器組噴出水霧，在此水可吸收熱量使廢氣迅速降溫，並溶解反應後的部分氟化氫，而其餘落下於水槽表面的產物，水槽再以底部排水方式將廢水排出。
最後，因高溫影響氣體的溶解度，所以在產物經噴霧冷卻後，廢氣引入一溼式洗滌塔將廢氣反應後的剩餘產物除淨。
具體的講，本發明有如下第一種方法一種全氟化物廢氣處理方法，包含(a)全氟化物廢氣與水蒸氣通過等離子火炬進入反應腔瞬間被熱解形成廢氣產物，其所述水蒸氣經由環繞所述反應腔的水蒸氣管組所提供；(b)一燃燒室引入外界空氣，使所述空氣可在所述燃燒室內與所述廢氣產物反應；(c)經由一水槽組溶解所述廢氣產物中部分氟化氫並除去在所述水槽組中的所述廢氣產物中的固體小分子；(d)經由一溼式洗滌塔處理剩餘的所述廢氣產物。
所述的全氟化物廢氣處理方法，其中所述水蒸氣管組的液態水是通過由所述全氟化物廢氣反應時的高熱使的成為水蒸氣。
所述的全氟化物廢氣處理方法，其中所述液態水是來自所述水槽組中的循環水。
所述的全氟化物廢氣處理方法，其中所述燃燒室是通過一控制閥引入所述外部空氣。
所述的全氟化物廢氣處理方法，其中所述的控制閥可為複數個。
所述的全氟化物廢氣處理方法，其中所述水蒸氣管組可降低在燃燒過程中所述反應腔的溫度。
第二種方法一種全氟化物廢氣處理方法，包含(a)全氟化物廢氣與水蒸氣通過等離子火炬進入反應腔瞬間被熱解形成廢氣產物；(b)一燃燒室通過由控制閥引入外界生氣，使所述空氣可在所述燃燒室內與所述廢氣產物反應；(c)經由一水槽組將所產生的廢氣產物急速降溫，並溶解部分產物；(d)經由一溼式洗滌塔處理剩餘的所述廢氣產物。
所述的全氟化物廢氣處理方法，其中所述水蒸氣是由環繞所述反應腔的水蒸氣管組所提供，其中所述的水蒸氣管組的液態水是通過由所述全氟化物廢氣反應時的高熱使之成為水蒸氣。
所述的全氟化物廢氣處理方法，其中所述液態水是來自所述水槽組中的循環水。
所述的全氟化物廢氣處理方法，其中所述燃燒室是連接於所述反應腔之後。
所述的全氟化物廢氣處理方法，其中所述控制閥可為複數個。
所述的全氟化物廢氣處理方法，其中所述水蒸氣管組可降低在燃燒過程中所述反應腔的溫度。
第三種方法一種全氟化物廢氣處理方法，包含(a)全氟化物廢氣與水蒸氣通過等離子火炬進入反應腔瞬間被熱解形成廢氣產物，其所述水蒸氣經由環繞所述反應腔的水蒸氣管組所提供；(b)經由一水槽組溶解所述廢氣產物中部分氟化氫並除去在所述水槽組中的所述廢氣產物中的固體小分子；(c)經由一溼式洗滌塔處理剩餘的所述廢氣產物。
所述的全氟化物廢氣處理方法，其中所述水蒸氣管組的液態水是通過由所述全氟化物廢氣反應時的高熱使的成為水蒸氣。
所述的全氟化物廢氣處理方法，其中所述液態水是來自所述水槽組中的循環水。
所述的全氮化物廢氣處理方法，其中所述水蒸氣管組可降低在燃燒過程中所述反應腔的溫度。
由上可知，本發明優點在於，利用燃燒廢氣時所產生的熱能，將液態水轉換為水蒸氣。既節約了能源，也節省了單獨的水蒸氣產生設備。同時將空氣與廢氣中氫氣混合燃燒，可大量減少氫氣含量，提高了安全性。
圖1是公知技術中全氟化物廢氣等離子處理裝置；圖2是本發明的實施例中實現本發明的全氟化物廢氣等離子處理裝置。
具體實施例方式
本發明的目的在於提供一種全氟化物廢氣處理方法，可運用在處理全氟化物(PFCs)的廢氣時，其反應中所添加的水蒸氣是利用本身燃燒的熱能加熱產生的，且為除去廢氣反應後的大量氫氣，本發明亦增加一燃燒室解決。
首先，如圖2所示為實現本發明的全氟化物廢氣等離子處理裝置，其是引入廢氣，使之與高溫等離子火炬直接作用，再進入反應室內處理，並於反應室出口處設置一噴水器組，廢氣經過噴水器組降溫後，再引入一溼式洗滌塔處理後予以排放，此一溼式洗滌塔的循環用水設有一水槽供應的，其運作方式如下一等離子火炬200包括一水蒸氣入口201及一水蒸氣管202。其水蒸氣管202管路的配置即為本發明的重點之一，其中水蒸氣管202管路是源自水槽組，以適當方式環繞一等離子反應器210後向上延伸至水蒸氣入口201；當液態水自水槽流動環繞等離子反應器時，等離子反應器所生的熱能將其加熱為水蒸氣，並自水蒸氣入口201進入等離子火炬200使參與毒性氣體的反應。
為使等離子火炬產生極高溫(10000℃)等離子束流的效率提升，需將水蒸氣引入等離子反應器參與反應。本發明利用等離子反應器於反應過程中產生的熱能，通過熱交換方式將液態水轉換為水蒸氣後，直接引入等離子反應器參與反應。如此不僅節省成本，不需另行增添加熱器，更可同時降低反應後所生廢氣溫度，增加廢氣對水的溶解度，以利後續的處理。
其等離子反應器210更包括一廢氣進口211、一反應室213二個部分，其中反應室213內部因此耐火隔熱材料構築而成，在等離子火炬加熱下，可形成高溫環境。全氟化物廢氣由廢氣進口211進入等離子反應器210，通過等離子火炬200的極高溫(10000℃)等離子束流，全氟化物廢氣在反應室213中，瞬間被熱解、原子化或離子化，全氟化物組成之間的化學鍵因而被瓦解摧毀，形成一些簡單易於處理的分子或原子如氫、一氧化碳、二氧化碳和氟化氫等，而沒有機會組合成較大的或較複雜的分子。但由於經等離子反應器210處理後的廢氣溫度很高，並產生氟化氫及氫氣氣體，其中氫氣在後續處理過程中易產生爆炸危險。因此，本發明在等離子反應器210的反應室213出口處，增設一燃燒室280，通過由全氟化物廢氣處理裝置內部為負壓的原理，通過一空氣閥281的控制，可將外界空氣引入後，使空氣中的氧氣可在燃燒室內與氫氣反應，以處理掉大量氫氣，此亦為本發明的重點。
接續，與傳統全氟化物廢氣等離子處理方式相同，其燃燒反應後剩餘的廢氣進入一水槽230，其內的一噴水器組220設有一水量控制閥221調控噴水量使一噴水頭222噴出水霧，由此水吸收熱量使廢氣迅速降溫，並溶解部分氟化氫(HF)，而其餘落下於水槽表面的產物，水槽再以底部排水方式將廢水排出。其噴水器組220的水源亦可由水泵240抽取水槽230的水供應(圖中未示)，水泵240之前可設置一過濾器241過濾雜質及固體物。因高溫影響氣體的溶解度，所以在產物經噴霧冷卻後，通過一過濾器241過濾雜質及固體物，再將廢氣引入一溼式洗滌塔250內部填有高表面積填充物。毒性氣體廢氣在經過此一溼式洗滌塔250時，其夾帶的固體物，例如，含矽粉末等，可以被洗淨濾除，同時氟化氫在此也被吸收，於處理氟化氫產物時，噴出的水霧可加鹼液以中和氟化氫的酸性。當廢氣來源所提供的氣流靜壓不足時，溼式洗滌塔250後端可加置一風車260以補足靜壓，順利排出設計的風量值。
以上所述是利用較佳實施例詳細說明本發明，而非限制本發明的範圍，因此熟知此技術的人士應能明了，適當而作些微的改變與調整，仍將不失本發明的要義所在，亦不脫離本發明的精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
權利要求
1.一種全氟化物廢氣處理方法，其特徵在於，包含(a)全氟化物廢氣與水蒸氣通過等離子火炬進入反應腔瞬間被熱解形成廢氣產物，其所述水蒸氣經由環繞所述反應腔的水蒸氣管組所提供；(b)一燃燒室引入外界空氣，使所述空氣可在所述燃燒室內與所述廢氣產物反應；(c)經由一水槽組溶解所述廢氣產物中部分氟化氫並除去在所述水槽組中的所述廢氣產物中的固體小分子；(d)經由一溼式洗滌塔處理剩餘的所述廢氣產物。
2.根據權利要求1所述的全氟化物廢氣處理方法，其特徵在於，其中所述水蒸氣管組的液態水是通過由所述全氟化物廢氣反應時的高熱使的成為水蒸氣。
3.根據權利要求2所述的全氟化物廢氣處理方法，其特徵在於，其中所述液態水是來自所述水槽組中的循環水。
4.根據權利要求1所述的全氟化物廢氣處理方法，其特徵在於，其中所述燃燒室是通過一控制閥引入所述外部空氣。
5.根據權利要求4所述的全氟化物廢氣處理方法，其特徵在於，其中所述的控制閥可為複數個。
6.根據權利要求1所述的全氟化物廢氣處理方法，其特徵在於，其中所述水蒸氣管組可降低在燃燒過程中所述反應腔的溫度。
7.一種全氟化物廢氣處理方法，其特徵在於，包含(a)全氟化物廢氣與水蒸氣通過等離子火炬進入反應腔瞬間被熱解形成廢氣產物；(b)一燃燒室通過由控制閥引入外界生氣，使所述空氣可在所述燃燒室內與所述廢氣產物反應；(c)經由一水槽組將所產生的廢氣產物急速降溫，並溶解部分產物；(d)經由一溼式洗滌塔處理剩餘的所述廢氣產物。
8.根據權利要求7所述的全氟化物廢氣處理方法，其特徵在於，其中所述水蒸氣是由環繞所述反應腔的水蒸氣管組所提供，其中所述的水蒸氣管組的液態水是通過由所述全氟化物廢氣反應時的高熱使之成為水蒸氣。
9.根據權利要求8所述的全氟化物廢氣處理方法，其特徵在於，其中所述液態水是來自所述水槽組中的循環水。
10.根據權利要求7所述的全氟化物廢氣處理方法，其特徵在於，其中所述燃燒室是連接於所述反應腔之後。
11.根據權利要求7所述的全氟化物廢氣處理方法，其特徵在於，其中所述控制閥可為複數個。
12.根據權利要求7所述的全氟化物廢氣處理方法，其特徵在於，其中所述水蒸氣管組可降低在燃燒過程中所述反應腔的溫度。
13.一種全氟化物廢氣處理方法，其特徵在於，包含(a)全氟化物廢氣與水蒸氣通過等離子火炬進入反應腔瞬間被熱解形成廢氣產物，其所述水蒸氣經由環繞所述反應腔的水蒸氣管組所提供；(b)經由一水槽組溶解所述廢氣產物中部分氟化氫並除去在所述水槽組中的所述廢氣產物中的固體小分子；(c)經由一溼式洗滌塔處理剩餘的所述廢氣產物。
14.根據權利要求13所述的全氟化物廢氣處理方法，其特徵在於，其中所述水蒸氣管組的液態水是通過由所述全氟化物廢氣反應時的高熱使的成為水蒸氣。
15.根據權利要求14所述的全氟化物廢氣處理方法，其特徵在於，其中所述液態水是來自所述水槽組中的循環水。
16.根據權利要求13所述的全氮化物廢氣處理方法，其特徵在於，其中所述水蒸氣管組可降低在燃燒過程中所述反應腔的溫度。
全文摘要
一種全氟化物廢氣處理方法，可以利用等離子反應器於反應過程中產生的熱能，將液態水轉換為水蒸氣後，其產生的水蒸氣直接引入等離子反應器參與等離子束流的反應，如此，亦可降低燃燒過程中反應腔的高熱問題。此外，本發明亦設置一燃燒室與反應室相連，將空氣引入燃燒室中與氫氣混合燃燒，可處理大量全氟化物廢氣燃燒過程中所產生的氫氣。
文檔編號B01D53/70GK1593723SQ0315841
公開日2005年3月16日 申請日期2003年9月9日 優先權日2003年9月9日
發明者鄭石治 申請人:華懋科技股份有限公司