反応ノズル、気相加水分解処理装置および気相加水分解処理方法
【課題】２種類の流体を反応させつつ、反応により生ずる固体成分により閉塞されにくいノズル、該ノズルを備えたクロルシラン含有液体を処理するための気相加水分解処理装置、および、２種類の流体を反応させつつ、反応により生ずる固体成分により閉塞されにくい方法で流体を噴出する気相加水分解処理方法を提供すること。
【解決手段】液状の第１の流体を噴出する第１のノズル１０と、第１のノズルの外側に第１のノズルと同心円状に配置され、第１の流体を微細化する第１の気体を噴出する第２のノズル２０と、第１のノズルおよび第２のノズルより下流側で、かつ、第１の流体および第１の気体の流れの外側に開口部を有し、第１の流体と反応する第２の流体を噴出する第３のノズル３０とを備える反応ノズル１。
【解決手段】液状の第１の流体を噴出する第１のノズル１０と、第１のノズルの外側に第１のノズルと同心円状に配置され、第１の流体を微細化する第１の気体を噴出する第２のノズル２０と、第１のノズルおよび第２のノズルより下流側で、かつ、第１の流体および第１の気体の流れの外側に開口部を有し、第１の流体と反応する第２の流体を噴出する第３のノズル３０とを備える反応ノズル１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２種類の流体を噴出して反応させる反応ノズル、該ノズルを備える気相加水分解処理装置および気相加水分解処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコーン製造設備からは、テトラメトキシシランＳｉ（ＯＣＨ３）４、ヘキサメチルジシロキサン（ＣＨ３）３ＳｉＯＳｉ（ＣＨ３）３などを含むシリコーンの液体が排出され、これを焼却処理するのが一般的である。焼却処理する際、焼却炉内で液体をノズルから噴霧するが、液体から生成するシリカがノズルに付着し、ノズルを閉塞する等の問題が生ずる。そこで、シリコーンを含有する液体を噴出する中心管と、中心管の外側から支燃性／不燃性気体を噴出する第２の外管と、第２の外管の外側から支燃性／不燃性気体を供給する流路とを備える同心円多重管構造を用い、中心管から噴出された液体を第２の外管からの支燃性／不燃性気体により噴霧燃焼させると共に、発生した火炎をその外側に配された流路から供給される支燃性／不燃性気体で覆うようにして閉塞を防止するバーナーが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３３４６２６６号公報（第４頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一方、半導体用シリコン製造設備からは、テトラクロルシランＳｉＣｌ４を始めとする各種クロルシランを含有する液体が排出され、これらの液体には若干の有機物が含まれる。しかし、有機珪素化合物であるシリコーンを含有する液体とは異なり、燃焼熱が低く自燃しないため、上記のバーナーを使用することはできず、水蒸気を供給して加水分解をさせることが多い。この場合にもテトラクロルシランを始めとするシラン系化合物含有液体を加水分解することによりシリカが生成するので、シリカのノズルへの付着を防止することが要求される。そこで、本発明は、２種類の流体を反応させつつ、反応により生ずる固体成分により閉塞されにくいノズル、該ノズルを備えたクロルシラン含有液体を処理するための気相加水分解処理装置、および、２種類の流体を反応させつつ、反応により生ずる固体成分により閉塞されにくい方法で流体を噴出する気相加水分解処理方法を提供することを目的とする。なお、ここで言う「気相加水分解」とは、気相中で加水分解反応が進行することを指しており、反応がシラン系化合物含有液体の蒸発気化後に起こると限定したものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様としての反応ノズルは、例えば図１に示すように、液状の第１の流体を噴出する第１のノズル１０と；第１のノズル１０の外側に第１のノズル１０と同心円状に配置され、第１の流体を微細化する第１の気体を噴出する第２のノズル２０と；第１のノズル１０および第２のノズル２０より下流側で、かつ、第１の流体および第１の気体の流れの外側に開口部を有し、第１の流体と反応する第２の流体を噴出する第３のノズル３０とを備える。
【０００５】
このように構成すると、第１のノズルから噴出された第１の流体は、第２のノズルから噴出された第１の気体により微細化され、第３のノズルから噴出された第２の流体と反応し易くなる。また、第３のノズルが、第１のノズルおよび第２のノズルより下流側で、かつ、第１の流体および第１の気体の流れの外側に開口部を有するので、第１の流体と第２の流体とは第１のノズルおよび第３のノズルの開口部から離れた位置で反応することになり、反応の結果生ずる固体成分はノズルに付着しにくくなる。なお、単に「流体」というときは、気体、液体、あるいは、ノズルから噴出される程度あるいは液体若しくは気体に同伴される程度に微粉化された固体、あるいはこれらの混合体を指し、「液状の流体」というときは、液体、あるいは液体と固体の混合流体を指す。
【０００６】
また、本発明の第２の態様としての反応ノズルは、例えば図１に示すように、第１の態様としての反応ノズル１において、第２のノズル２０の外側に第２のノズル２０と同心円状に配置され、第１の流体と第２の流体とが反応した流体を覆う第２の気体を噴出する第４のノズル４０を備える。ここで、「第１の流体と第２の流体とが反応した流体」とは、第１の流体と第２の流体との混合流体であって、少なくとも第１の流体の一部と第２の流体の一部とが反応している流体をいう。
【０００７】
このように構成すると、第４のノズルから第１の流体と第２の流体とが反応した流体を覆う第２の気体が噴出されるので、第１の流体と第２の流体とが反応した流体が循環して、第１のノズルや第２のノズルの開口部付近に流れることを防止することができる。
【０００８】
また、本発明の第３の態様としての反応ノズルは、例えば図１に示すように、第１または第２の態様としての反応ノズル１において、第３のノズル３０を放射状に複数備え；第３のノズル３０から、第２の流体が、第１の気体により微細化された第１の流体に向けて噴出される。
【０００９】
このように構成すると、第３のノズルを放射状に複数備えるので、第２の流体を第１の流体に均一に混合し易い。
【００１０】
また、本発明の第４の態様としての反応ノズルは、第１ないし第３のいずれかの態様の反応ノズルにおいて、第１の流体がクロルシランを含み；第２の流体が水蒸気であり；第１の流体と前記第２の流体との反応により、シリカ微粒子が生成される。
【００１１】
このように構成すると、水蒸気を用いたクロルシランの加水分解時に生成されるシリカ微粒子により、ノズルが閉塞されにくい反応ノズルとなる。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第５の態様としての気相加水分解処理装置は、例えば図４に示すように、クロルシランと有機化合物を含む液体を処理する気相加水分解処理装置６であって：前記液体を第１の流体として噴出する第４の態様の反応ノズルを備え、第１の流体と第２の流体とが反応した流体を排出する加水分解炉６０と；加水分解炉６０から排出された流体を燃焼する燃焼炉７０と；シリカ微粒子を捕集する捕集装置８５とを備える。
【００１３】
このように構成すると、加水分解炉では上記の反応ノズルを備えるので、クロルシランと水蒸気とが反応して生成したシリカ微粒子が反応ノズルに付着しにくく、ノズルは閉塞されにくい。また、燃焼炉を備えて第１の流体と第２の流体とが反応した流体を燃焼するので、反応した流体中の可燃性物を完全燃焼することができる。さらに、固体成分を捕集する捕集装置を備えるので、気相加水分解処理装置から排出されるガスを清浄化できる。
【００１４】
また本発明の第６の態様としての気相加水分解処理装置は、第５の態様の気相加水分解処理装置において、加水分解炉６０内の温度が２００℃以上６００℃以下に温度制御され；燃焼炉７０内の温度が８５０℃以上１１００℃以下に温度制御される。
【００１５】
このように構成すると、加水分解炉内の温度が２００℃以上６００℃以下に温度制御されるので、反応して生成した固体成分の粒子が大きくなる。さらに、加水分解炉から排出された流体を燃焼炉内において８５０℃以上１１００℃以下で燃焼するので、加水分解炉から排出される固形酸化物を含む可燃性物を完全に燃焼することができる。
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の第７の態様としての気相加水分解処理方法では、例えば図６に示すように、クロルシランと有機化合物を含む液体を処理する気相加水分解処理方法であって：前記液体を噴出し（ステップＳ１０）、噴出された液体に略平行して、前記噴出された液体の周囲に第１の気体を噴出することにより、前記液体を微細化し（ステップ１２）、微細化された液体に水蒸気を混合して、２００℃以上６００℃以下の温度でクロルシランを加水分解し、シリカ微粒子を生成する（ステップＳ１４）工程と；液体と水蒸気の混合した流体であって、クロルシランが加水分解された流体を８５０℃以上１１００℃以下の温度で燃焼する工程（ステップＳ２０）と；シリカ微粒子を捕集する工程（ステップＳ５０）とを備える。
【００１７】
このように構成すると、クロルシランと有機化合物を含む液体を噴出し、噴出された液体に略平行して噴出された液体の周囲に第１の気体を噴出することにより前記液体を微細化し、微細化された液体に水蒸気を混合してクロルシランを加水分解するので、加水分解により生成されたシリカ微粒子により閉塞されにくい方法でクロルシランと有機化合物を含む液体を噴出することができる。また、クロルシランを２００℃以上６００℃以下で加水分解するので、反応して生成した固体成分の粒子が大きくなる。また、加水分解された液体を８５０℃以上１１００℃以下で燃焼するので、加水分解炉から排出される固形酸化物を含む可燃性物を完全に燃焼することができる。さらに、加水分解により生じた粒子の大きなシリカを捕集するので、捕集しやすく、排出ガスを清浄化できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、反応ノズルが、液状の第１の流体を噴出する第１のノズルと、第１のノズルの外側に第１のノズルと同心円状に配置され第１の流体を微細化する第１の気体を噴出する第２のノズルと、第１のノズルおよび第２のノズルより下流側で、かつ、第１の流体および第１の気体の流れの外側に開口部を有し、第１の流体と反応する第２の流体を噴出する第３のノズルとを備えるので、第１のノズルから噴出された第１の流体は、第２のノズルから噴出された第１の気体により微細化され、第３のノズルから噴出された第２の流体と反応し易く、また、第１の流体と第２の流体とは第１のノズルおよび第３のノズルの開口部から離れた位置で反応することになり、反応の結果生ずる固体成分はノズルに付着しにくい。したがって、２種類の流体を反応させつつ、反応により生ずる固体成分がノズルに付着しにくく、閉塞されにくい反応ノズルが提供される。
【００１９】
本発明によれば、クロルシランと有機化合物を含む液体を処理する気相加水分解処理装置が、クロルシランと有機化合物を含む液体を第１の流体として噴出する上記の反応ノズルを備え第１の流体と第２の流体とが反応した流体を排出する加水分解炉と、加水分解炉から排出された流体を燃焼する燃焼炉と、シリカ微粒子を捕集する捕集装置とを備えるので、クロルシランと水蒸気とが反応して生成したシリカ微粒子が反応ノズルに付着しにくく、ノズルは閉塞されにくい。したがって、２種類の流体を反応させつつ、反応により生ずる固体成分により閉塞されにくいノズルを備えたクロルシラン含有液体を処理するための気相加水分解処理装置が提供される。
【００２０】
本発明によれば、クロルシランと有機化合物を含む液体を処理する気相加水分解処理方法が、クロルシランと有機化合物を含む液体を噴出し、噴出された液体に略平行して、噴出された液体の周囲に第１の気体を噴出することにより液体を微細化し、微細化された液体に水蒸気を混合して２００℃以上６００℃以下の温度でクロルシランを加水分解し、シリカ微粒子を生成する工程と、液体と水蒸気の混合した流体であってクロルシランが加水分解された流体を８５０℃以上１１００℃以下の温度で燃焼する工程と、シリカ微粒子を捕集する工程とを備えるので、加水分解により生成されたシリカ微粒子により閉塞されにくい方法でクロルシランと有機化合物を含む液体を噴出することができる。したがって、２種類の流体を反応させつつ、反応により生ずる固体成分により閉塞されにくい方法で流体を噴出する気相加水分解処理方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２２】
先ず、図１を参照して、反応ノズル１の構成を説明する。図１は、反応ノズル１の構成を説明する図で、（ａ）は反応ノズル１を先端側から見た正面図、（ｂ）は反応ノズル１の軸に沿った断面図である。反応ノズル１は、第１のノズル１０と、第２のノズル２０と、第３のノズル３０と、第４のノズル４０とを備える。第１のノズル１０と第２のノズル２０と第４のノズル４０とは、同心円状に構成されており、第１のノズル１０が内側に、その外側に第２のノズル２０が、その外側に第４のノズル４０が配置されている。第１のノズル１０の先端１２より、第２のノズル２０の先端２２は後退している。第４のノズル４０の先端４２は、第２のノズル２０の先端２２より後退している。各ノズル１０、２０、４０の開口部が先端１２、先端２２、先端４２の順で流体の流れの下流側から配置されることにより、各ノズル１０、２０、４０への流体の逆流を防ぐことができる。
【００２３】
第１のノズル１０は、先端１２の近傍が細い直管１４となっており、ノズルの根元（図１（ｂ）において右側）方向は、先端１２近傍より太い直管１６で、その間に外表面が傾斜している傾斜部分１８を有する。細い直管１４と、太い直管１６とでは、内径も異なり、先端１２近傍で細くなっている。
【００２４】
第２のノズル２０は、先端２２近傍がすぼまった形状に形成されている。第２のノズル２０の内径は、第１のノズル１０が太い直管１６から細い直管１４に傾斜する傾斜部分１８にほぼ対応する位置に細くなり始める縮径開始部分２４を有し、先端２２に至るまで一様に細くなる傾斜２６を有する。第２のノズル２０の先端２２は、第１のノズル１０の細い直管１４に対応する位置、すなわち細い直管１４の外側に配置される。よって、第２のノズル２０により形成される流路（第２のノズル２０の内面と第１のノズル１０の外面との間）は、先端２２近傍で、狭くなっている。
【００２５】
第４のノズル４０は、その先端４２が第２のノズル２０が縮径開始部分２４に対応する位置に配置され、先端４２近傍ですぼまった形状をしている。第４のノズル４０の内径は第２のノズル２０の外径がすぼまり始める縮径開始部分２８に略対応する位置で、あるいは、すぼまり始めるより太い管の側で細くなり始め、一様に先端４２に至る傾斜４４を有する。第４のノズル４０により形成される流路（第４のノズル４０の内面と第２のノズル２０の外面との間）は、先端４２近傍で狭くなってもよいが、必ずしも狭くなってなくてもよい。
【００２６】
第３のノズル３０は、第４のノズル４０の外側に配置された小径のパイプで構成されているが、第３のノズル３０を構成するパイプの本数は４本に限られず、１本でも、２本、３本、５本、６本などでもよい。複数のパイプを備える方が、より均一に第２の流体（後述）が第１の流体（後述）に混合し易い。また図１では、第３のノズル３０の各パイプは、第１、第２および第４のノズル１０・２０・４０の中心軸に対し対称な位置に配置されているが、対称ではない位置に配置されてもよい。ただし、パイプを対称な位置に配置する方が、より均一に第２の流体が第１の流体に混合し易い。第３のノズル３０を構成するパイプの断面は、楕円形、矩形、六角形等、任意の形状でよいが、典型的には、強度に優れ、汎用されている円形断面とする。第３のノズル３０は、第４のノズル４０側から延伸し、第４のノズル４０がすぼまる部分４６に対応する位置に中心軸方向に折れ曲がる曲がり部３４を有する。第３のノズル３０では、第１のノズル１０の先端１２を超えた位置に先端３２が配置され、そこに開口部を有している。第３のノズル３０の先端３２は、第１のノズル１０から噴出された第１の流体の流れおよび第２のノズル２０から噴出されたガスの流れの外側に開口部を有する。第１の流体の流れの外側とは、第１の流体が第１のノズル１０の先端１２の開口部から噴出されるので、先端１２の開口部から中心軸に平行に配置した面の外側となる。また、先端１２よりも流れの下流側となる。同様に、第２のノズル２０から噴出されたガスの流れの外側とは、第２のノズル２０の先端２２の開口部から中心軸に平行に配置した面の外側となる。また、先端１２および先端２２よりも流れの下流側となる。
【００２７】
第３のノズル３０の先端３２は、第１、第２および第４のノズル１０・２０・４０の中心軸を延長した方向、すなわち流れの中心方向を向かず、偏心した方向を向いて巴形に配置されている。このように先端３２を巴形に配置することにより、第３のノズル３０から噴出された第２の流体は、第１のノズル１０から噴出された第１の流体等に対し、偏心して混入することになり、その結果スパイラル状に流れる。第２の流体がスパイラル状に流れることにより、第１の流体と、より混合し易くなる。なお、第３のノズル３０の先端３２を、第１、第２および第４のノズル１０・２０・４０の中心軸を延長した方向に向けてもよく、特に第２の流体の流速あるいは運動エネルギが大きいときには、第１の流体に偏心して混入させると第１の流体を突き抜けてしまうことがあるので、第１の流体の中心に向けて噴出する方が好ましい。
【００２８】
図２に示すように、第３のノズル３０は、第４のノズル４０により形成される流路に配置してもよい。図２は、第３のノズル３０を第４のノズル４０により形成される流路に設置した反応ノズル２の構成を説明する図で、（ａ）は反応ノズル２を先端側から見た正面図、（ｂ）は反応ノズル２の軸に沿った断面図である。図２（ｂ）に示すように、第３のノズル３０を第４のノズル４０の内側で第２のノズル２０の外側に配置する。その際には、第３のノズル３０は第４のノズル４０により形成される流路に設置可能な小径のパイプで構成する。第３のノズル３０を第４のノズル４０中に配置することにより、第４のノズル４０の外周を第３のノズル３０による凸部がない、一様な曲面とすることができる。しかし、第３のノズル３０を第４のノズル４０の外側に配置することにより、第３のノズル３０を第４のノズル４０により形成される流路の幅より太いパイプで構成することが可能となる。また、第１、第２および第４のノズル１０・２０・４０を形成した後に、第３のノズル３０を配置することができるので、反応ノズル１の製造が容易になる。
【００２９】
続いて、図３を参照して、反応ノズル１の作用について説明する。図３は、反応ノズル１から噴出された流体の動きを模式的に説明する模式図である。第１のノズル１０からは第１の流体Ａ（図中の黒丸）が、第２のノズル２０からは第１の気体Ｂ（図中の×）が、第３のノズル３０からは第２の流体Ｃ（図中の白丸）が、第４のノズル４０からは第２の気体Ｄ（図中の太い矢印）が噴出される。第１の流体Ａと第２の流体Ｃとは反応し、反応生成物である固体成分（図中の三角）を生成する。
【００３０】
第１のノズル１０から噴出された第１の流体Ａは、噴出されてすぐの領域（図中の領域Ｘ）では第１のノズル１０の開口部と同一の断面を維持する。一方、第２のノズル２０から噴出された第１の気体Ｂも、第２のノズル２０の開口部と同一断面を維持する。ここで、第２のノズル２０から噴出された第１の気体Ｂの流速を早くすると乱流となり、流れの周囲の雰囲気ガス等を巻き込みながら流れ、すぐ近くを流れる第１の流体Ａを巻き込むようになる。すなわち、第１の気体Ｂと第１の流体Ａとが混合し始める。例えば、第１の流体Ａが液体であって、第１の気体Ｂが空気であれば、液体と空気とが混合し、第１の流体Ａは微細な粒子となる。すなわち、第１の流体Ａは、第１の気体Ｂにアトマイジングされる（図中の領域Ｙ）。その結果、第１の流体Ａは、第１の気体Ｂと混合して流れる。なお、第１の気体Ｂの流速が速くなくても、第１の流体Ａと第１の気体Ｂとが接して流れることにより第１の流体と第１の気体Ｂとが混合すればよい。
【００３１】
第１の流体Ａと第１の気体Ｂとが混合して流れる流れに、第３のノズル３０から噴出された第２の流体Ｃが流れ込む（図中の領域Ｚ）。前述のように、第１の流体Ａは、第１の気体Ｂと混合し、例えば微細な粒子となっているので、広い表面積で第２の流体Ｃと接することになる。よって、第１の流体Ａと第２の流体Ｃとの反応が促進される。さらに、前述のように第３のノズル３０が巴形に配置され、第２の流体Ｃが、スパイラル状になって第１の流体Ａおよび第１の気体Ｂとの混合した流れと混合するので、より混合がし易く、反応が促進される。
【００３２】
第１の流体Ａと第２の流体Ｃとの反応により固体成分が生成した場合に、反応がノズル出口で生ずると、固体成分がノズルに付着しノズルの閉塞等の弊害を生ずる。しかし、上述のように、第１のノズル１０から噴出した第１の流体Ａおよび第２のノズル２０から噴出した第１の気体Ｂとは、ノズル近傍の領域Ｘでは、単独で流れ、領域Ｙに至り混合する。そして、第１のノズル１０および第２のノズル２０の開口部１２・２２より下流側に開口部３２を有する第３のノズル３０から噴出した第２の流体Ｃは、第１の流体Ａと第１の気体Ｂとが混合したその下流側の領域Ｚに流れ込むので、反応は、第１のノズル１０、第２のノズル２０、第３のノズル３０から離れた領域Ｚで生ずる。すなわち、第１の流体Ａと第２の流体Ｃとの反応により固体成分が生成されても、第１のノズル１０、第２のノズル２０、第３のノズル３０に付着することはない。特に、第３のノズル３０が第１の流体Ａの流れの外側に開口部を有するので、第３のノズル３０の開口部に第１の流体Ａが到達せず、第３のノズル３０の開口部で第１の流体Ａと第２の流体Ｃとが反応することがない。さらに、第３のノズル３０が第１の気体Ｂの流れの外側に開口部を有するので、第１の流体Ａの流れと第３のノズル３０の開口部との間に第１の気体Ｂの流れが形成され、第１の流体Ａが何らかの原因で飛散しても第３のノズル３０の開口部に到達することが防止され、第３のノズル３０の開口部で第１の流体Ａと第２の流体Ｃとが反応する可能性がさらに低くなる。よって、ノズルの閉塞の弊害も生じない。例えば、第１の流体Ａをクロルシランを含有するシラン系化合物含有液体とし、第２の流体Ｃを水蒸気として、加水分解反応させる場合には、加水分解反応の結果生ずるシリカによるノズルの閉塞を防止できる。
【００３３】
また、第４のノズルから第２の気体Ｄが噴出され、第２のノズル２０の先端２２近くの外面に沿って流れ、また、第１の気体Ｂ、および第１の流体Ａ・第１の気体Ｂと第２の流体Ｃが混合し始めあるいは混合する部分を覆うように流れる。そのため、第１の流体Ａと第２の流体Ｃとの反応生成物である固体成分が反応ノズル１、特に第１のノズル１０、第２のノズル２０に付着することを防止できる。反応ノズル１では、第１の流体Ａと第２の流体Ｃとが反応した後の流体（第１の気体Ｂも混合している）の一部は、循環流（図中の細い矢印）となり、反応ノズル１の近くに流れ込むことがある。しかし、第２のノズル２０の表面に沿って流れる第２の気体Ｄのために、流れの弱い循環流は第２の気体Ｄの流れに同伴され、第２のノズル２０の外表面に到達することはなく、第１のノズル１０および第２のノズル２０が反応後の流体からシールされる。したがって、第２のノズル２０の表面に固体成分が付着することが防止される。なお、第４のノズル４０は最外面であり、例え固体成分が第４のノズル４０の外表面に付着しても除去し易く、また、第４のノズル４０の開口部は他のノズル１０・２０・３０の開口部に比べ大きく形成されるのが一般的であり、多少の固体成分の付着による影響は小さく、問題とならない場合が多い。
【００３４】
次に、図４を参照して、反応ノズル１を備え、クロルシランと有機化合物を含むシラン系化合物含有液体（以下、単に「液体」ともいう。）中のシラン系化合物の処理装置としての気相加水分解処理装置６について説明する。図４は、シラン系化合物および有機化合物などの可燃性物を含む液体を加水分解および燃焼処理する気相加水分解処理装置６の構成を説明するブロック図である。気相加水分解処理装置６は、反応ノズル１を備え、第１の流体としての液体を第２の流体としての水蒸気で加水分解し、反応後の流体を排出する加水分解炉６０と、加水分解炉６０から排出される流体を完全に燃焼させる、すなわち流体中の可燃性物を完全に燃焼させる燃焼炉７０と、燃焼炉７０から排出された高温のガス（固体成分を同伴している）を冷却する急冷装置としての急冷塔７５と、急冷塔７５から排出されるガスに含まれる酸性ガスを中和除去する中和装置としてのスクラバー８０と、スクラバー８０から排出されたガスに同伴されている固体成分を液中に捕集し除去する除去装置すなわち捕集装置としてのミストコットレル８５と、ガスを吸引し上記の順に流れるようにしつつ不図示のスタックから大気中に放出する吸引装置としてのファン９０とを備える。なお、燃焼炉７０としては、ジェットファーネスとも称される旋回流式燃焼炉を用いるのが典型である。
【００３５】
ここで、図５を参照して加水分解炉６０の構成を説明する。図５は加水分解炉６０の構成を説明する模式的断面図である。加水分解炉６０は、円筒形の縦型容器６２と、縦型容器６２に配置される反応ノズル１と、燃料ガスが導入され燃焼するバーナー６５とを備える。縦型容器６２の上流側の端面５２の中心には高温ガスノズル６４が接続する。なお、図５では、加水分解炉６０を実際に設置する向きに図示しており、図中の上方が、実際に設置される鉛直上方となり、また、上流側となる。反応ノズル１は、端面５２の肩部に配置される。縦型容器６２の下流側、すなわち下端に、ガス出口６６が形成される。高温ガスノズル６４から縦型容器６２に、バーナー６５により生成された高温の燃焼ガスが流入する。反応ノズル１から噴出された第１の流体Ａ、第１の気体Ｂ、第２の気体Ｄ、第２の流体Ｃ（図３参照）は、高温ガスノズル６４から流入した高温の燃焼ガスで加熱されつつ、縦型容器６２内で反応し、ガス出口６６を通って下流側に送られる。反応ノズル１の前方に第１の流体Ａと第１の気体Ｂとが混合するための領域Ｙ（図３参照）が、また、第１の流体Ａと第２の流体Ｃとが反応する領域Ｚ（図３参照）が適切に形成されるように、縦型容器６２は反応ノズル１の下方に十分な空間を有する。さらに、第１の流体Ａと第２の流体Ｃとの反応が縦型容器６２内で完了するのに十分な滞留時間が確保されるように、第１の流体Ａ、第１の気体Ｂ、第２の流体Ｃ、第２の気体Ｄの混合したガス（反応生成物である固体を同伴している。以降、これらを総称して「混合ガス」とする。）の流速が決められる。混合ガスは、ファン９０（図４参照）で吸引されることにより加水分解炉６０から下流側に送出される。図５に示すように、一つの加水分解炉６０には、複数の反応ノズル１が備えられてもよいし、一つの反応ノズル１だけが備えられてもよい。いずれの場合にも、反応ノズル１は、縦型容器６２の上流側端部近くであって、高温ガスノズル６４の近くに配置される。
【００３６】
ここで、加水分解炉６０では、第１の流体はクロルシランを含むシラン系化合物と有機化合物などの可燃性物とを含有する液体で、第２の流体は水蒸気で、第１の気体および第２の気体は空気であるのが典型的である。すなわち反応ノズル１から、第１の流体であるシラン系化合物および有機化合物などの可燃性物を含む液体を噴出し、シラン系化合物を第２の流体である水蒸気と反応させる。液体が空気によってアトマイジングされ、アトマイジングされた液体中のシラン系化合物と水蒸気とが反応し、気相における加水分解により固体成分としてのシリカＳｉＯ２を微粒子として生ずる。ここで、「微粒子」とは、例えば、捕集した粒子の走査型電子顕微鏡を用いた画像解析法による粒径が１０μｍ以下である粒径の小さな粒子であって、ガスに同伴されるような粒子をいう。
【００３７】
なおここで、加水分解炉６０での加水分解の反応温度を２００℃以上６００℃以下に制御するのが好適である。加水分解の反応温度が２００℃より低温であると、生成されたシリカ微粒子が加水分解炉６０の炉壁に付着し、安定運転が困難となる。また、６００℃より高温であると、加水分解により生ずるシリカ微粒子の粒径が小さくなり、後段のミストコットレル８５でシリカ微粒子を捕集しにくくなる。なお、加水分解の反応温度を４００℃以上５００℃以下とすると、更にシリカ微粒子の大きさを大きく保ちつつ、炉壁への付着を少なくできるので、より好適である。加水分解の反応温度を２００℃以上６００℃以下の温度に保つには、バーナー６５で燃料を燃焼して熱源とする。なお、熱源としては、バーナー６５を備えて燃焼させる方法に限られず、高温の過熱蒸気あるいは高温空気を導入したり、電気ヒータで加水分解炉６０を加熱してもよく、他の周知の方法でもよい。特に、高温の過熱蒸気を導入すると、第３のノズル３０（図１参照）から供給される水蒸気に加え、加水分解のための水蒸気を供給することにもなるので、好適である。反応ノズル１にて、液体、水蒸気、および空気を噴出し、加水分解および燃焼を生じるので、シリカは反応ノズル１から離隔した位置で生成され、反応ノズル１に付着することが防止される。
【００３８】
図４に戻って、気相加水分解処理装置６についての説明を続ける。加水分解炉６０において残留した可燃性物を燃焼させるために、加水分解炉６０の下流に燃焼炉７０が備えられる。燃焼炉７０は、燃料Ｆを導入して、典型的には８５０℃以上１１００℃以下で燃焼をさせる装置である。燃料としては、廃油、重油、その他が使用され、不図示の燃焼用空気を容器内で旋回するように導入して、燃焼させる。８５０℃より低温の燃焼では、可燃性物を燃焼しきれない。また、１１００℃より高温で燃焼させると、燃料Ｆを余分に消費し不経済となるばかりではなく、高温になることで塩化水素ＨＣｌから平衡的に生成する塩素ガスＣｌ２の量が増大し、後段のスクラバー８０で処理できなくなる。すなわち、加水分解で生じた塩化水素ＨＣｌが酸素Ｏ２と反応し、塩素ガスＣｌ２と水Ｈ２Ｏとを生ずる反応が速くなることにより増大した塩素ガスＣｌ２を処理しきれなくなる。なお、燃焼温度を９００℃以上９５０℃以下とすると、完全燃焼させつつ、燃料を節約できると共に塩素ガスＣｌ２の量を少なくできるので、より好適である。液体中の可燃性物を完全燃焼させ、あるいは、有害成分を分解するために、混合ガスの燃焼炉７０での滞留時間が例えば２秒以上となるように、燃焼炉７０の容量およびファン９０での吸引速度あるいは燃焼用空気の流速と流入方向（旋回の仕方）が設計される。
【００３９】
燃焼炉７０から排出された混合ガスは、急冷塔７５に導かれる。急冷塔７５は、冷却水Ｗを導入し、冷却水Ｗをノズル（不図示）からシャワーのように噴出しつつ混合ガスに接触させることにより、高温の混合ガスを冷却する装置である。燃焼炉７０で燃焼された混合ガスは、後段のスクラバー８０およびミストコットレル８５での処理に不都合を生じない温度、例えば８５℃に冷却される。なおこの際、ダイオキシン類の再合成を生ずることがないよう、４００〜２００℃の温度域の通過時間をできるだけ短くすることが好ましい。典型的には、急冷塔７５に導入された冷却水Ｗを、急冷塔７５の底部に集め、再度急冷塔７５に導入する冷却水循環流路が備えられる。
【００４０】
急冷塔７５で冷却された混合ガスは、スクラバー８０に導入される。スクラバー８０は、例えば水酸化マグネシウム、苛性ソーダなどのアルカリ性物質と混合ガスとを接触させ、混合ガス中の酸性成分、例えば塩化水素ＨＣｌ、塩素Ｃｌ２、二酸化硫黄ＳＯ２を中和・除去する装置である。スクラバー８０では、アルカリ性物質のスラリーまたは水溶液をノズル（不図示）からシャワーのように噴出しつつ混合ガスに接触させることにより、混合ガス中の酸性成分を中和する。
【００４１】
ミストコットレル（湿式電気集塵機）８５は、対をなす並行平板に高電圧を印加し、クーロン力を利用して一の平板に微細な煤塵を集める。一般的に、バグフィルタ等の乾式集塵機より湿式集塵機の方が効率的に集塵することができる。ミストコットレル８５にて煤塵が除去された混合ガスは、ファン９０に吸引され、スタック（不図示）から大気に放出される。
【００４２】
ここで、図６を参照して、クロルシランと有機化合物を含むシラン系化合物含有液体の処理方法をまとめて説明する。図６は、クロルシランと有機化合物を含むシラン系化合物含有液体の処理方法を説明するフローチャートである。まず、クロルシランと有機化合物を含むシラン系化合物含有液体をノズルから噴出する（ステップＳ１０）。同時に液体と平行方向に空気を噴出して、液体をアトマイジングする（ステップＳ１２）。ここで、液体と平行方向とは、厳密な意味での平行ではなく、液体と同じ方向、例えば角度で３０度あるいは１５度以内に噴出されることをいう。次に空気でアトマイジングされた液体に水蒸気を混合する（ステップＳ１４）。すると、液体中のシラン系化合物は水蒸気により加水分解され、シリカ微粒子を生ずる。ここで、加水分解をする温度を、２００℃以上６００℃以下に保つのが好ましい。２００℃以上６００℃以下で加水分解することにより、生成するシリカ微粒子が大きくなり、かつ、シリカ微粒子が周囲の機器等に付着せず安定運転ができる。そして、液体中のシラン系化合物が加水分解された混合ガスの流れの周囲を覆うように空気を流して、混合ガスがノズル方向に逆流するのを防止する（ステップＳ１６）。ここまでが、液体の加水分解に係る工程である。
【００４３】
次に混合ガスを典型的には８５０℃以上１１００℃以下で燃焼し、混合ガスに残存している可燃性物を完全燃焼させる（ステップＳ２０）。８５０℃以上１１００℃以下で燃焼すると、残存している可燃性物が完全燃焼しつつ、過度に温度上昇させないので燃料の無駄が省け、かつ、塩化水素ＨＣｌからの塩素ガスＣｌ２の生成も抑えられる。続いて、混合ガスを急冷し（ステップＳ３０）、混合ガスを中和処理し（ステップＳ４０）、混合ガス中のシリカ微粒子を含む固体成分を捕集・除去する（ステップＳ５０）。そして、中和処理され固体成分が除去された混合ガスを排出する（Ｓ６０）。２００℃以上６００℃以下の温度で加水分解を行なっているので、生成するシリカ微粒子が大きく、捕集・除去し易い。また、８５０℃以上１１００℃以下で燃焼し塩素ガスＣｌ２の発生が抑えられているので、中和処理がし易い。
【００４４】
これまでの説明では、第１の流体をシラン系化合物含有液体と、第２の流体を水蒸気として説明したが、本発明に係る反応ノズル１および加水分解炉６０は、他の用途に用いることができる。特に、第１の流体と第２の流体とが反応し固体成分を生ずる場合に、固体成分によるノズルの閉塞が防止されるので、好適に用いられる。
【実施例１】
【００４５】
図７に示す実験装置を用いて、反応ノズル１からシラン系化合物含有液体と水蒸気を噴出し、シラン系化合物含有液体を気相加水分解させ、反応生成物であるシリカ微粒子の反応ノズル１への付着を調べる実験を行った。図７は、産業廃棄物焼却装置１００のブロック図であり、産業廃棄物焼却装置１００は、ロータリーキルン１１０、加水分解炉に相当しロータリーキルン１１０に続いて燃え殻を分離する後室１２０、燃焼炉に相当し未燃物を完全燃焼させる旋回流式二次燃焼炉１３０、高温の排ガスを湿式冷却する急冷塔１４０、塩化水素などの酸性ガスを吸収除去するスクラバー１５０、煤塵を完全に除去するミストコットレル（湿式電気集塵機）１６０、誘引ファン１７０および煙突１８０を備えている。後室１２０には、図１に示す反応ノズル１を備え、反応ノズル１からシラン系化合物含有液体を噴出する。なお、産業廃棄物焼却装置１００は、最大焼却量２６７トン／日の能力を有する装置である。
【００４６】
上記の産業廃棄物焼却装置１００のロータリーキルン１１０に８トン／時間の産業廃棄物ＩＷを助燃油ＡＯ１と共に供給して焼却し、後室１２０において、図１に示す反応ノズル１の第１のノズル１０から２２０ｋｇ／時間のシラン系化合物含有液体ＳＷ、第２のノズル２０から２５Ｎｍ３／時間のアトマイジング用空気ＡＲ１、第３のノズル３０から７０ｋｇ／時間の水蒸気ＳＴ、第４のノズル４０から３０Ｎｍ３／時間のシール用空気ＡＲ２を噴出した。水蒸気ＳＴの噴出量は、シラン系化合物含有液体ＳＷの噴出量に対する理論当量のおおよそ２倍の当量となっている。シラン系化合物含有液体ＳＷの組成は、テトラクロルシラン６９ｗｔ％、その他のクロルシラン類３０ｗｔ％、芳香族系有機物１ｗｔ％。であった。
【００４７】
図１に示す反応ノズル１を使用して上記のシラン系化合物含有液体ＳＷ、アトマイジング用空気ＡＲ１、水蒸気ＳＴ、シール用空気ＡＲ２を、合計２０時間の間噴出したが、反応ノズル１は閉塞等の問題を生ずることなく使用することができた。また、実験終了後に反応ノズル１を点検したところ、シリカ微粒子の付着は見られなかった。すなわち、反応ノズル１が、２種類の流体を反応させつつ、反応により生ずる固体成分により閉塞されにくいことが確認された。
【００４８】
また、シラン系化合物含有液体ＳＷが水蒸気ＳＴと加水分解反応を生じ、その結果、シリカ微粒子が生成されたことを確認するため、産業廃棄物ＩＷと助燃油ＡＯ１との供給量を調整して、後室１２０の温度を６６０〜８００℃と９７０〜１１５０℃に制御しつつ運転した。また、旋回流式二次燃焼炉１３０には助燃油ＡＯ２を供給し、温度を９００〜９３０℃に維持し、可燃物を完全燃焼させた。ミストコットレル１６０で捕集された固体成分を観測した結果、シリカ微粒子ＳＰであることが確認された。すなわち、シラン系化合物含有液体ＳＷと水蒸気ＳＴとが加水分解反応し、シリカ微粒子を生成していることが確認された。
【００４９】
なお、シリカ微粒子ＳＰの平均粒径を測定したところ、後室１２０の温度が６６０〜８００℃に制御された場合には１４３ｎｍ、後室１２０の温度が９７０〜１１５０℃に制御された場合には９６ｎｍであった。ここで、平均粒径は走査型電子顕微鏡を用いた画像解析法により測定した。よって、加水分解反応の結果生成されるシリカ微粒子ＳＰの粒径が、反応温度の影響を受けることが確認された。なお、産業廃棄物焼却装置１００では、後室１２０の温度を６００℃以下に下げることは難しいので、加水分解温度とシリカ微粒子径との関係は、実施例２で詳しく調べた。
【実施例２】
【００５０】
図８に示す試験装置２００を用いて、加水分解温度に対するシリカ微粒子径と塩素ガスＣｌ２の副生量とを調べた。図８は、試験装置２００を説明するブロック図である。試験装置２００は、テトラクロルシランを内管に、加熱されたスチーム・空気混合体ＳＡを外管に流す二重管式ノズル２５０と、二重管式ノズル２５０から流出するテトラクロルシランおよびスチーム・空気混合体ＳＡとが流れる石英管２５２と、石英管２５２を加熱する電熱式縦型管状炉２５４とを備える。さらに、石英管２５２の出口から流出する混合ガスＭｘの一部を吸引するノズル２６０と、ノズル２６０で吸引した混合ガスＭｘから塩化水素ＨＣｌを除去しつつ混合ガスＭｘを冷却する水トラップ２６２と、水トラップ２６２から流出する混合ガスＭｙから煤塵を捕集する円筒ろ紙煤塵捕集器２７０と、円筒ろ紙煤塵捕集器２７０で煤塵を捕集した後の混合ガスＭｚの塩素ガスＣｌ２の濃度を測定する検知管２８０と、ノズル２６０から混合ガスＭｚを吸引する真空ポンプ２９０とを備える。さらに、試験装置２００は、石英管２５２の内部の温度を測定する温度計Ｔを備える。なお、試験装置２００は、図４に示す加水分解炉６０に相当する。
【００５１】
二重管式ノズル２５０の内管には流量４．７ｇ／分のテトラクロルシランを、外管には流量２ｇ／分のスチームとノルマル流量４．２ｄｍ３／分の空気とのスチーム・空気混合体ＳＡを流した。なお水の量は、理論当量の２倍とした。二重管式ノズル２５０から、テトラクロルシランとスチーム・空気混合体ＳＡを石英管２５２に流し、加温し、加水分解反応をさせた。なお、石英管２５２の内径は３５ｍｍ、長さは１０００ｍｍで、電熱式縦型管状炉２５４の長さは４２０ｍｍである。ここで、電熱式縦型管状炉２５４により石英管２５２の内部温度を変化させ、二重管式ノズル２５０から流出したテトラクロルシランとスチーム・空気混合体ＳＡとが流れる石英管２５２の内部温度を加水分解反応温度として測定した。二重管式ノズル２５０のテトラクロルシランとスチーム・空気混合体ＳＡを流出する先端は、電熱式縦型管状炉２５４の上流（二重管式ノズル２５０）側端部から１５０ｍｍに位置する。内部温度は、石英管２５２中の最高温度となる電熱式縦型管状炉２５４の上流側端部から２１０ｍｍの位置で測定した。そして、円筒ろ紙煤塵捕集器２７０で捕集したシリカ微粒子の粒径を測定し、検知管２８０で塩素ガスＣｌ２の濃度を測定した。
【００５２】
加水分解反応温度を２００℃、５００℃、８００℃、１０００℃、１３００℃と変化させた場合のシリカ微粒子の粒径と塩素ガスＣｌ２の濃度の測定結果を図９にまとめて示す。なお、シリカ微粒子の粒径は、捕集したシリカ微粒子を走査型電子顕微鏡を用いた画像解析法により測定し、測定されたシリカ微粒子の粒径の範囲を測定結果として示している。
図９に示す測定結果から、加水分解反応温度が低いほど、シリカ微粒子の粒径が大きくなることがわかる。すなわち、加水分解反応温度を低くした方が、後段のミストコットレルでのシリカ微粒子の捕集が容易になる。特に５００℃以下とすると、シリカ微粒子の粒径が３００ｎｍ以上となるので、捕集し易い。
また加水分解反応温度が低いほど、塩素ガスの副生量も少なくなることがわかる。すなわち、加水分解反応温度を低くした方が、後段のスクラバーの負担が軽くなる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】反応ノズルの構成を説明する図で、（ａ）は反応ノズルを先端側から見た正面図、（ｂ）は反応ノズルの軸に沿った断面図である。
【図２】第３のノズルを第４のノズルにより形成される流路に設置した反応ノズルの構成を説明する図で、（ａ）は反応ノズルを先端側から見た正面図、（ｂ）は反応ノズルの軸に沿った断面図である。
【図３】反応ノズルから噴出された流体あるいはガスの動きを模式的に説明する模式図である。
【図４】シラン系化合物および有機化合物などの可燃性物を含む液体を加水分解および燃焼処理する気相加水分解処理装置の構成を説明するブロック図である。
【図５】加水分解炉の構成を説明する模式的断面図である。
【図６】クロルシランと有機化合物を含むシラン系化合物含有液体の処理方法を説明するフローチャートである。
【図７】出願人が所有する産業廃棄物焼却装置のブロック図であり、本発明に係る反応ノズルを用いて反応生成物のノズルへの付着を調べた実験装置である。
【図８】加水分解温度に対するシリカ微粒子の粒径と塩素ガスの副生量とを調べた試験装置を説明するブロック図である。
【図９】加水分解反応温度を２００℃、５００℃、８００℃、１０００℃、１３００℃と変化させた場合のシリカ微粒子の粒径と塩素ガスの濃度の測定結果をまとめて示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１、２ 反応ノズル
６ 気相加水分解処理装置
１０ 第１のノズル
１２ 第１のノズルの先端
１４ 細い直管
１６ 太い直管
１８ 傾斜部分
２０ 第２のノズル
２２ 第２のノズルの先端
２４ 縮径開始部分
２６ 傾斜
２８ 縮径開始部分
３０ 第３のノズル
３２ 第３のノズルの先端
３４ 曲がり部
４０ 第４のノズル
４２ 第４のノズルの先端
４４ 傾斜
４６ すぼまる部分
５２、５４、５８ 端面
５６ 側面
６０ 加水分解炉
６２ 縦型容器
６４ 高温ガスノズル
６５ バーナー
６６ ガス出口
７０ 燃焼炉
７５ 急冷塔
８０ スクラバー
８５ ミストコットレル（捕集装置）
９０ ファン
１００ 産業廃棄物焼却装置
１１０ ロータリーキルン
１２０ 後室
１３０ 旋回流式二次燃焼炉
１４０ 急冷塔
１５０ スクラバー
１６０ ミストコットレル（湿式電気集塵機）
１７０ 誘引ファン
１８０ 煙突
２００ 試験装置
２５０ 二重管式ノズル
２５２ 石英管
２５４ 電熱式縦型管状炉
２６０ ノズル
２６２ 水トラップ
２７０ 円筒ろ紙煤塵捕集器
２８０ 検知管
２９０ 真空ポンプ
Ａ 第１の流体
Ｂ 第１の気体
Ｃ 第２の流体
Ｄ 第２の気体
Ｆ 燃料
Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ 混合ガス
ＳＡ スチーム・空気混合体
Ｔ 温度計
Ｗ 冷却水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２種類の流体を噴出して反応させる反応ノズル、該ノズルを備える気相加水分解処理装置および気相加水分解処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコーン製造設備からは、テトラメトキシシランＳｉ（ＯＣＨ３）４、ヘキサメチルジシロキサン（ＣＨ３）３ＳｉＯＳｉ（ＣＨ３）３などを含むシリコーンの液体が排出され、これを焼却処理するのが一般的である。焼却処理する際、焼却炉内で液体をノズルから噴霧するが、液体から生成するシリカがノズルに付着し、ノズルを閉塞する等の問題が生ずる。そこで、シリコーンを含有する液体を噴出する中心管と、中心管の外側から支燃性／不燃性気体を噴出する第２の外管と、第２の外管の外側から支燃性／不燃性気体を供給する流路とを備える同心円多重管構造を用い、中心管から噴出された液体を第２の外管からの支燃性／不燃性気体により噴霧燃焼させると共に、発生した火炎をその外側に配された流路から供給される支燃性／不燃性気体で覆うようにして閉塞を防止するバーナーが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３３４６２６６号公報（第４頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一方、半導体用シリコン製造設備からは、テトラクロルシランＳｉＣｌ４を始めとする各種クロルシランを含有する液体が排出され、これらの液体には若干の有機物が含まれる。しかし、有機珪素化合物であるシリコーンを含有する液体とは異なり、燃焼熱が低く自燃しないため、上記のバーナーを使用することはできず、水蒸気を供給して加水分解をさせることが多い。この場合にもテトラクロルシランを始めとするシラン系化合物含有液体を加水分解することによりシリカが生成するので、シリカのノズルへの付着を防止することが要求される。そこで、本発明は、２種類の流体を反応させつつ、反応により生ずる固体成分により閉塞されにくいノズル、該ノズルを備えたクロルシラン含有液体を処理するための気相加水分解処理装置、および、２種類の流体を反応させつつ、反応により生ずる固体成分により閉塞されにくい方法で流体を噴出する気相加水分解処理方法を提供することを目的とする。なお、ここで言う「気相加水分解」とは、気相中で加水分解反応が進行することを指しており、反応がシラン系化合物含有液体の蒸発気化後に起こると限定したものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様としての反応ノズルは、例えば図１に示すように、液状の第１の流体を噴出する第１のノズル１０と；第１のノズル１０の外側に第１のノズル１０と同心円状に配置され、第１の流体を微細化する第１の気体を噴出する第２のノズル２０と；第１のノズル１０および第２のノズル２０より下流側で、かつ、第１の流体および第１の気体の流れの外側に開口部を有し、第１の流体と反応する第２の流体を噴出する第３のノズル３０とを備える。
【０００５】
このように構成すると、第１のノズルから噴出された第１の流体は、第２のノズルから噴出された第１の気体により微細化され、第３のノズルから噴出された第２の流体と反応し易くなる。また、第３のノズルが、第１のノズルおよび第２のノズルより下流側で、かつ、第１の流体および第１の気体の流れの外側に開口部を有するので、第１の流体と第２の流体とは第１のノズルおよび第３のノズルの開口部から離れた位置で反応することになり、反応の結果生ずる固体成分はノズルに付着しにくくなる。なお、単に「流体」というときは、気体、液体、あるいは、ノズルから噴出される程度あるいは液体若しくは気体に同伴される程度に微粉化された固体、あるいはこれらの混合体を指し、「液状の流体」というときは、液体、あるいは液体と固体の混合流体を指す。
【０００６】
また、本発明の第２の態様としての反応ノズルは、例えば図１に示すように、第１の態様としての反応ノズル１において、第２のノズル２０の外側に第２のノズル２０と同心円状に配置され、第１の流体と第２の流体とが反応した流体を覆う第２の気体を噴出する第４のノズル４０を備える。ここで、「第１の流体と第２の流体とが反応した流体」とは、第１の流体と第２の流体との混合流体であって、少なくとも第１の流体の一部と第２の流体の一部とが反応している流体をいう。
【０００７】
このように構成すると、第４のノズルから第１の流体と第２の流体とが反応した流体を覆う第２の気体が噴出されるので、第１の流体と第２の流体とが反応した流体が循環して、第１のノズルや第２のノズルの開口部付近に流れることを防止することができる。
【０００８】
また、本発明の第３の態様としての反応ノズルは、例えば図１に示すように、第１または第２の態様としての反応ノズル１において、第３のノズル３０を放射状に複数備え；第３のノズル３０から、第２の流体が、第１の気体により微細化された第１の流体に向けて噴出される。
【０００９】
このように構成すると、第３のノズルを放射状に複数備えるので、第２の流体を第１の流体に均一に混合し易い。
【００１０】
また、本発明の第４の態様としての反応ノズルは、第１ないし第３のいずれかの態様の反応ノズルにおいて、第１の流体がクロルシランを含み；第２の流体が水蒸気であり；第１の流体と前記第２の流体との反応により、シリカ微粒子が生成される。
【００１１】
このように構成すると、水蒸気を用いたクロルシランの加水分解時に生成されるシリカ微粒子により、ノズルが閉塞されにくい反応ノズルとなる。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第５の態様としての気相加水分解処理装置は、例えば図４に示すように、クロルシランと有機化合物を含む液体を処理する気相加水分解処理装置６であって：前記液体を第１の流体として噴出する第４の態様の反応ノズルを備え、第１の流体と第２の流体とが反応した流体を排出する加水分解炉６０と；加水分解炉６０から排出された流体を燃焼する燃焼炉７０と；シリカ微粒子を捕集する捕集装置８５とを備える。
【００１３】
このように構成すると、加水分解炉では上記の反応ノズルを備えるので、クロルシランと水蒸気とが反応して生成したシリカ微粒子が反応ノズルに付着しにくく、ノズルは閉塞されにくい。また、燃焼炉を備えて第１の流体と第２の流体とが反応した流体を燃焼するので、反応した流体中の可燃性物を完全燃焼することができる。さらに、固体成分を捕集する捕集装置を備えるので、気相加水分解処理装置から排出されるガスを清浄化できる。
【００１４】
また本発明の第６の態様としての気相加水分解処理装置は、第５の態様の気相加水分解処理装置において、加水分解炉６０内の温度が２００℃以上６００℃以下に温度制御され；燃焼炉７０内の温度が８５０℃以上１１００℃以下に温度制御される。
【００１５】
このように構成すると、加水分解炉内の温度が２００℃以上６００℃以下に温度制御されるので、反応して生成した固体成分の粒子が大きくなる。さらに、加水分解炉から排出された流体を燃焼炉内において８５０℃以上１１００℃以下で燃焼するので、加水分解炉から排出される固形酸化物を含む可燃性物を完全に燃焼することができる。
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の第７の態様としての気相加水分解処理方法では、例えば図６に示すように、クロルシランと有機化合物を含む液体を処理する気相加水分解処理方法であって：前記液体を噴出し（ステップＳ１０）、噴出された液体に略平行して、前記噴出された液体の周囲に第１の気体を噴出することにより、前記液体を微細化し（ステップ１２）、微細化された液体に水蒸気を混合して、２００℃以上６００℃以下の温度でクロルシランを加水分解し、シリカ微粒子を生成する（ステップＳ１４）工程と；液体と水蒸気の混合した流体であって、クロルシランが加水分解された流体を８５０℃以上１１００℃以下の温度で燃焼する工程（ステップＳ２０）と；シリカ微粒子を捕集する工程（ステップＳ５０）とを備える。
【００１７】
このように構成すると、クロルシランと有機化合物を含む液体を噴出し、噴出された液体に略平行して噴出された液体の周囲に第１の気体を噴出することにより前記液体を微細化し、微細化された液体に水蒸気を混合してクロルシランを加水分解するので、加水分解により生成されたシリカ微粒子により閉塞されにくい方法でクロルシランと有機化合物を含む液体を噴出することができる。また、クロルシランを２００℃以上６００℃以下で加水分解するので、反応して生成した固体成分の粒子が大きくなる。また、加水分解された液体を８５０℃以上１１００℃以下で燃焼するので、加水分解炉から排出される固形酸化物を含む可燃性物を完全に燃焼することができる。さらに、加水分解により生じた粒子の大きなシリカを捕集するので、捕集しやすく、排出ガスを清浄化できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、反応ノズルが、液状の第１の流体を噴出する第１のノズルと、第１のノズルの外側に第１のノズルと同心円状に配置され第１の流体を微細化する第１の気体を噴出する第２のノズルと、第１のノズルおよび第２のノズルより下流側で、かつ、第１の流体および第１の気体の流れの外側に開口部を有し、第１の流体と反応する第２の流体を噴出する第３のノズルとを備えるので、第１のノズルから噴出された第１の流体は、第２のノズルから噴出された第１の気体により微細化され、第３のノズルから噴出された第２の流体と反応し易く、また、第１の流体と第２の流体とは第１のノズルおよび第３のノズルの開口部から離れた位置で反応することになり、反応の結果生ずる固体成分はノズルに付着しにくい。したがって、２種類の流体を反応させつつ、反応により生ずる固体成分がノズルに付着しにくく、閉塞されにくい反応ノズルが提供される。
【００１９】
本発明によれば、クロルシランと有機化合物を含む液体を処理する気相加水分解処理装置が、クロルシランと有機化合物を含む液体を第１の流体として噴出する上記の反応ノズルを備え第１の流体と第２の流体とが反応した流体を排出する加水分解炉と、加水分解炉から排出された流体を燃焼する燃焼炉と、シリカ微粒子を捕集する捕集装置とを備えるので、クロルシランと水蒸気とが反応して生成したシリカ微粒子が反応ノズルに付着しにくく、ノズルは閉塞されにくい。したがって、２種類の流体を反応させつつ、反応により生ずる固体成分により閉塞されにくいノズルを備えたクロルシラン含有液体を処理するための気相加水分解処理装置が提供される。
【００２０】
本発明によれば、クロルシランと有機化合物を含む液体を処理する気相加水分解処理方法が、クロルシランと有機化合物を含む液体を噴出し、噴出された液体に略平行して、噴出された液体の周囲に第１の気体を噴出することにより液体を微細化し、微細化された液体に水蒸気を混合して２００℃以上６００℃以下の温度でクロルシランを加水分解し、シリカ微粒子を生成する工程と、液体と水蒸気の混合した流体であってクロルシランが加水分解された流体を８５０℃以上１１００℃以下の温度で燃焼する工程と、シリカ微粒子を捕集する工程とを備えるので、加水分解により生成されたシリカ微粒子により閉塞されにくい方法でクロルシランと有機化合物を含む液体を噴出することができる。したがって、２種類の流体を反応させつつ、反応により生ずる固体成分により閉塞されにくい方法で流体を噴出する気相加水分解処理方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２２】
先ず、図１を参照して、反応ノズル１の構成を説明する。図１は、反応ノズル１の構成を説明する図で、（ａ）は反応ノズル１を先端側から見た正面図、（ｂ）は反応ノズル１の軸に沿った断面図である。反応ノズル１は、第１のノズル１０と、第２のノズル２０と、第３のノズル３０と、第４のノズル４０とを備える。第１のノズル１０と第２のノズル２０と第４のノズル４０とは、同心円状に構成されており、第１のノズル１０が内側に、その外側に第２のノズル２０が、その外側に第４のノズル４０が配置されている。第１のノズル１０の先端１２より、第２のノズル２０の先端２２は後退している。第４のノズル４０の先端４２は、第２のノズル２０の先端２２より後退している。各ノズル１０、２０、４０の開口部が先端１２、先端２２、先端４２の順で流体の流れの下流側から配置されることにより、各ノズル１０、２０、４０への流体の逆流を防ぐことができる。
【００２３】
第１のノズル１０は、先端１２の近傍が細い直管１４となっており、ノズルの根元（図１（ｂ）において右側）方向は、先端１２近傍より太い直管１６で、その間に外表面が傾斜している傾斜部分１８を有する。細い直管１４と、太い直管１６とでは、内径も異なり、先端１２近傍で細くなっている。
【００２４】
第２のノズル２０は、先端２２近傍がすぼまった形状に形成されている。第２のノズル２０の内径は、第１のノズル１０が太い直管１６から細い直管１４に傾斜する傾斜部分１８にほぼ対応する位置に細くなり始める縮径開始部分２４を有し、先端２２に至るまで一様に細くなる傾斜２６を有する。第２のノズル２０の先端２２は、第１のノズル１０の細い直管１４に対応する位置、すなわち細い直管１４の外側に配置される。よって、第２のノズル２０により形成される流路（第２のノズル２０の内面と第１のノズル１０の外面との間）は、先端２２近傍で、狭くなっている。
【００２５】
第４のノズル４０は、その先端４２が第２のノズル２０が縮径開始部分２４に対応する位置に配置され、先端４２近傍ですぼまった形状をしている。第４のノズル４０の内径は第２のノズル２０の外径がすぼまり始める縮径開始部分２８に略対応する位置で、あるいは、すぼまり始めるより太い管の側で細くなり始め、一様に先端４２に至る傾斜４４を有する。第４のノズル４０により形成される流路（第４のノズル４０の内面と第２のノズル２０の外面との間）は、先端４２近傍で狭くなってもよいが、必ずしも狭くなってなくてもよい。
【００２６】
第３のノズル３０は、第４のノズル４０の外側に配置された小径のパイプで構成されているが、第３のノズル３０を構成するパイプの本数は４本に限られず、１本でも、２本、３本、５本、６本などでもよい。複数のパイプを備える方が、より均一に第２の流体（後述）が第１の流体（後述）に混合し易い。また図１では、第３のノズル３０の各パイプは、第１、第２および第４のノズル１０・２０・４０の中心軸に対し対称な位置に配置されているが、対称ではない位置に配置されてもよい。ただし、パイプを対称な位置に配置する方が、より均一に第２の流体が第１の流体に混合し易い。第３のノズル３０を構成するパイプの断面は、楕円形、矩形、六角形等、任意の形状でよいが、典型的には、強度に優れ、汎用されている円形断面とする。第３のノズル３０は、第４のノズル４０側から延伸し、第４のノズル４０がすぼまる部分４６に対応する位置に中心軸方向に折れ曲がる曲がり部３４を有する。第３のノズル３０では、第１のノズル１０の先端１２を超えた位置に先端３２が配置され、そこに開口部を有している。第３のノズル３０の先端３２は、第１のノズル１０から噴出された第１の流体の流れおよび第２のノズル２０から噴出されたガスの流れの外側に開口部を有する。第１の流体の流れの外側とは、第１の流体が第１のノズル１０の先端１２の開口部から噴出されるので、先端１２の開口部から中心軸に平行に配置した面の外側となる。また、先端１２よりも流れの下流側となる。同様に、第２のノズル２０から噴出されたガスの流れの外側とは、第２のノズル２０の先端２２の開口部から中心軸に平行に配置した面の外側となる。また、先端１２および先端２２よりも流れの下流側となる。
【００２７】
第３のノズル３０の先端３２は、第１、第２および第４のノズル１０・２０・４０の中心軸を延長した方向、すなわち流れの中心方向を向かず、偏心した方向を向いて巴形に配置されている。このように先端３２を巴形に配置することにより、第３のノズル３０から噴出された第２の流体は、第１のノズル１０から噴出された第１の流体等に対し、偏心して混入することになり、その結果スパイラル状に流れる。第２の流体がスパイラル状に流れることにより、第１の流体と、より混合し易くなる。なお、第３のノズル３０の先端３２を、第１、第２および第４のノズル１０・２０・４０の中心軸を延長した方向に向けてもよく、特に第２の流体の流速あるいは運動エネルギが大きいときには、第１の流体に偏心して混入させると第１の流体を突き抜けてしまうことがあるので、第１の流体の中心に向けて噴出する方が好ましい。
【００２８】
図２に示すように、第３のノズル３０は、第４のノズル４０により形成される流路に配置してもよい。図２は、第３のノズル３０を第４のノズル４０により形成される流路に設置した反応ノズル２の構成を説明する図で、（ａ）は反応ノズル２を先端側から見た正面図、（ｂ）は反応ノズル２の軸に沿った断面図である。図２（ｂ）に示すように、第３のノズル３０を第４のノズル４０の内側で第２のノズル２０の外側に配置する。その際には、第３のノズル３０は第４のノズル４０により形成される流路に設置可能な小径のパイプで構成する。第３のノズル３０を第４のノズル４０中に配置することにより、第４のノズル４０の外周を第３のノズル３０による凸部がない、一様な曲面とすることができる。しかし、第３のノズル３０を第４のノズル４０の外側に配置することにより、第３のノズル３０を第４のノズル４０により形成される流路の幅より太いパイプで構成することが可能となる。また、第１、第２および第４のノズル１０・２０・４０を形成した後に、第３のノズル３０を配置することができるので、反応ノズル１の製造が容易になる。
【００２９】
続いて、図３を参照して、反応ノズル１の作用について説明する。図３は、反応ノズル１から噴出された流体の動きを模式的に説明する模式図である。第１のノズル１０からは第１の流体Ａ（図中の黒丸）が、第２のノズル２０からは第１の気体Ｂ（図中の×）が、第３のノズル３０からは第２の流体Ｃ（図中の白丸）が、第４のノズル４０からは第２の気体Ｄ（図中の太い矢印）が噴出される。第１の流体Ａと第２の流体Ｃとは反応し、反応生成物である固体成分（図中の三角）を生成する。
【００３０】
第１のノズル１０から噴出された第１の流体Ａは、噴出されてすぐの領域（図中の領域Ｘ）では第１のノズル１０の開口部と同一の断面を維持する。一方、第２のノズル２０から噴出された第１の気体Ｂも、第２のノズル２０の開口部と同一断面を維持する。ここで、第２のノズル２０から噴出された第１の気体Ｂの流速を早くすると乱流となり、流れの周囲の雰囲気ガス等を巻き込みながら流れ、すぐ近くを流れる第１の流体Ａを巻き込むようになる。すなわち、第１の気体Ｂと第１の流体Ａとが混合し始める。例えば、第１の流体Ａが液体であって、第１の気体Ｂが空気であれば、液体と空気とが混合し、第１の流体Ａは微細な粒子となる。すなわち、第１の流体Ａは、第１の気体Ｂにアトマイジングされる（図中の領域Ｙ）。その結果、第１の流体Ａは、第１の気体Ｂと混合して流れる。なお、第１の気体Ｂの流速が速くなくても、第１の流体Ａと第１の気体Ｂとが接して流れることにより第１の流体と第１の気体Ｂとが混合すればよい。
【００３１】
第１の流体Ａと第１の気体Ｂとが混合して流れる流れに、第３のノズル３０から噴出された第２の流体Ｃが流れ込む（図中の領域Ｚ）。前述のように、第１の流体Ａは、第１の気体Ｂと混合し、例えば微細な粒子となっているので、広い表面積で第２の流体Ｃと接することになる。よって、第１の流体Ａと第２の流体Ｃとの反応が促進される。さらに、前述のように第３のノズル３０が巴形に配置され、第２の流体Ｃが、スパイラル状になって第１の流体Ａおよび第１の気体Ｂとの混合した流れと混合するので、より混合がし易く、反応が促進される。
【００３２】
第１の流体Ａと第２の流体Ｃとの反応により固体成分が生成した場合に、反応がノズル出口で生ずると、固体成分がノズルに付着しノズルの閉塞等の弊害を生ずる。しかし、上述のように、第１のノズル１０から噴出した第１の流体Ａおよび第２のノズル２０から噴出した第１の気体Ｂとは、ノズル近傍の領域Ｘでは、単独で流れ、領域Ｙに至り混合する。そして、第１のノズル１０および第２のノズル２０の開口部１２・２２より下流側に開口部３２を有する第３のノズル３０から噴出した第２の流体Ｃは、第１の流体Ａと第１の気体Ｂとが混合したその下流側の領域Ｚに流れ込むので、反応は、第１のノズル１０、第２のノズル２０、第３のノズル３０から離れた領域Ｚで生ずる。すなわち、第１の流体Ａと第２の流体Ｃとの反応により固体成分が生成されても、第１のノズル１０、第２のノズル２０、第３のノズル３０に付着することはない。特に、第３のノズル３０が第１の流体Ａの流れの外側に開口部を有するので、第３のノズル３０の開口部に第１の流体Ａが到達せず、第３のノズル３０の開口部で第１の流体Ａと第２の流体Ｃとが反応することがない。さらに、第３のノズル３０が第１の気体Ｂの流れの外側に開口部を有するので、第１の流体Ａの流れと第３のノズル３０の開口部との間に第１の気体Ｂの流れが形成され、第１の流体Ａが何らかの原因で飛散しても第３のノズル３０の開口部に到達することが防止され、第３のノズル３０の開口部で第１の流体Ａと第２の流体Ｃとが反応する可能性がさらに低くなる。よって、ノズルの閉塞の弊害も生じない。例えば、第１の流体Ａをクロルシランを含有するシラン系化合物含有液体とし、第２の流体Ｃを水蒸気として、加水分解反応させる場合には、加水分解反応の結果生ずるシリカによるノズルの閉塞を防止できる。
【００３３】
また、第４のノズルから第２の気体Ｄが噴出され、第２のノズル２０の先端２２近くの外面に沿って流れ、また、第１の気体Ｂ、および第１の流体Ａ・第１の気体Ｂと第２の流体Ｃが混合し始めあるいは混合する部分を覆うように流れる。そのため、第１の流体Ａと第２の流体Ｃとの反応生成物である固体成分が反応ノズル１、特に第１のノズル１０、第２のノズル２０に付着することを防止できる。反応ノズル１では、第１の流体Ａと第２の流体Ｃとが反応した後の流体（第１の気体Ｂも混合している）の一部は、循環流（図中の細い矢印）となり、反応ノズル１の近くに流れ込むことがある。しかし、第２のノズル２０の表面に沿って流れる第２の気体Ｄのために、流れの弱い循環流は第２の気体Ｄの流れに同伴され、第２のノズル２０の外表面に到達することはなく、第１のノズル１０および第２のノズル２０が反応後の流体からシールされる。したがって、第２のノズル２０の表面に固体成分が付着することが防止される。なお、第４のノズル４０は最外面であり、例え固体成分が第４のノズル４０の外表面に付着しても除去し易く、また、第４のノズル４０の開口部は他のノズル１０・２０・３０の開口部に比べ大きく形成されるのが一般的であり、多少の固体成分の付着による影響は小さく、問題とならない場合が多い。
【００３４】
次に、図４を参照して、反応ノズル１を備え、クロルシランと有機化合物を含むシラン系化合物含有液体（以下、単に「液体」ともいう。）中のシラン系化合物の処理装置としての気相加水分解処理装置６について説明する。図４は、シラン系化合物および有機化合物などの可燃性物を含む液体を加水分解および燃焼処理する気相加水分解処理装置６の構成を説明するブロック図である。気相加水分解処理装置６は、反応ノズル１を備え、第１の流体としての液体を第２の流体としての水蒸気で加水分解し、反応後の流体を排出する加水分解炉６０と、加水分解炉６０から排出される流体を完全に燃焼させる、すなわち流体中の可燃性物を完全に燃焼させる燃焼炉７０と、燃焼炉７０から排出された高温のガス（固体成分を同伴している）を冷却する急冷装置としての急冷塔７５と、急冷塔７５から排出されるガスに含まれる酸性ガスを中和除去する中和装置としてのスクラバー８０と、スクラバー８０から排出されたガスに同伴されている固体成分を液中に捕集し除去する除去装置すなわち捕集装置としてのミストコットレル８５と、ガスを吸引し上記の順に流れるようにしつつ不図示のスタックから大気中に放出する吸引装置としてのファン９０とを備える。なお、燃焼炉７０としては、ジェットファーネスとも称される旋回流式燃焼炉を用いるのが典型である。
【００３５】
ここで、図５を参照して加水分解炉６０の構成を説明する。図５は加水分解炉６０の構成を説明する模式的断面図である。加水分解炉６０は、円筒形の縦型容器６２と、縦型容器６２に配置される反応ノズル１と、燃料ガスが導入され燃焼するバーナー６５とを備える。縦型容器６２の上流側の端面５２の中心には高温ガスノズル６４が接続する。なお、図５では、加水分解炉６０を実際に設置する向きに図示しており、図中の上方が、実際に設置される鉛直上方となり、また、上流側となる。反応ノズル１は、端面５２の肩部に配置される。縦型容器６２の下流側、すなわち下端に、ガス出口６６が形成される。高温ガスノズル６４から縦型容器６２に、バーナー６５により生成された高温の燃焼ガスが流入する。反応ノズル１から噴出された第１の流体Ａ、第１の気体Ｂ、第２の気体Ｄ、第２の流体Ｃ（図３参照）は、高温ガスノズル６４から流入した高温の燃焼ガスで加熱されつつ、縦型容器６２内で反応し、ガス出口６６を通って下流側に送られる。反応ノズル１の前方に第１の流体Ａと第１の気体Ｂとが混合するための領域Ｙ（図３参照）が、また、第１の流体Ａと第２の流体Ｃとが反応する領域Ｚ（図３参照）が適切に形成されるように、縦型容器６２は反応ノズル１の下方に十分な空間を有する。さらに、第１の流体Ａと第２の流体Ｃとの反応が縦型容器６２内で完了するのに十分な滞留時間が確保されるように、第１の流体Ａ、第１の気体Ｂ、第２の流体Ｃ、第２の気体Ｄの混合したガス（反応生成物である固体を同伴している。以降、これらを総称して「混合ガス」とする。）の流速が決められる。混合ガスは、ファン９０（図４参照）で吸引されることにより加水分解炉６０から下流側に送出される。図５に示すように、一つの加水分解炉６０には、複数の反応ノズル１が備えられてもよいし、一つの反応ノズル１だけが備えられてもよい。いずれの場合にも、反応ノズル１は、縦型容器６２の上流側端部近くであって、高温ガスノズル６４の近くに配置される。
【００３６】
ここで、加水分解炉６０では、第１の流体はクロルシランを含むシラン系化合物と有機化合物などの可燃性物とを含有する液体で、第２の流体は水蒸気で、第１の気体および第２の気体は空気であるのが典型的である。すなわち反応ノズル１から、第１の流体であるシラン系化合物および有機化合物などの可燃性物を含む液体を噴出し、シラン系化合物を第２の流体である水蒸気と反応させる。液体が空気によってアトマイジングされ、アトマイジングされた液体中のシラン系化合物と水蒸気とが反応し、気相における加水分解により固体成分としてのシリカＳｉＯ２を微粒子として生ずる。ここで、「微粒子」とは、例えば、捕集した粒子の走査型電子顕微鏡を用いた画像解析法による粒径が１０μｍ以下である粒径の小さな粒子であって、ガスに同伴されるような粒子をいう。
【００３７】
なおここで、加水分解炉６０での加水分解の反応温度を２００℃以上６００℃以下に制御するのが好適である。加水分解の反応温度が２００℃より低温であると、生成されたシリカ微粒子が加水分解炉６０の炉壁に付着し、安定運転が困難となる。また、６００℃より高温であると、加水分解により生ずるシリカ微粒子の粒径が小さくなり、後段のミストコットレル８５でシリカ微粒子を捕集しにくくなる。なお、加水分解の反応温度を４００℃以上５００℃以下とすると、更にシリカ微粒子の大きさを大きく保ちつつ、炉壁への付着を少なくできるので、より好適である。加水分解の反応温度を２００℃以上６００℃以下の温度に保つには、バーナー６５で燃料を燃焼して熱源とする。なお、熱源としては、バーナー６５を備えて燃焼させる方法に限られず、高温の過熱蒸気あるいは高温空気を導入したり、電気ヒータで加水分解炉６０を加熱してもよく、他の周知の方法でもよい。特に、高温の過熱蒸気を導入すると、第３のノズル３０（図１参照）から供給される水蒸気に加え、加水分解のための水蒸気を供給することにもなるので、好適である。反応ノズル１にて、液体、水蒸気、および空気を噴出し、加水分解および燃焼を生じるので、シリカは反応ノズル１から離隔した位置で生成され、反応ノズル１に付着することが防止される。
【００３８】
図４に戻って、気相加水分解処理装置６についての説明を続ける。加水分解炉６０において残留した可燃性物を燃焼させるために、加水分解炉６０の下流に燃焼炉７０が備えられる。燃焼炉７０は、燃料Ｆを導入して、典型的には８５０℃以上１１００℃以下で燃焼をさせる装置である。燃料としては、廃油、重油、その他が使用され、不図示の燃焼用空気を容器内で旋回するように導入して、燃焼させる。８５０℃より低温の燃焼では、可燃性物を燃焼しきれない。また、１１００℃より高温で燃焼させると、燃料Ｆを余分に消費し不経済となるばかりではなく、高温になることで塩化水素ＨＣｌから平衡的に生成する塩素ガスＣｌ２の量が増大し、後段のスクラバー８０で処理できなくなる。すなわち、加水分解で生じた塩化水素ＨＣｌが酸素Ｏ２と反応し、塩素ガスＣｌ２と水Ｈ２Ｏとを生ずる反応が速くなることにより増大した塩素ガスＣｌ２を処理しきれなくなる。なお、燃焼温度を９００℃以上９５０℃以下とすると、完全燃焼させつつ、燃料を節約できると共に塩素ガスＣｌ２の量を少なくできるので、より好適である。液体中の可燃性物を完全燃焼させ、あるいは、有害成分を分解するために、混合ガスの燃焼炉７０での滞留時間が例えば２秒以上となるように、燃焼炉７０の容量およびファン９０での吸引速度あるいは燃焼用空気の流速と流入方向（旋回の仕方）が設計される。
【００３９】
燃焼炉７０から排出された混合ガスは、急冷塔７５に導かれる。急冷塔７５は、冷却水Ｗを導入し、冷却水Ｗをノズル（不図示）からシャワーのように噴出しつつ混合ガスに接触させることにより、高温の混合ガスを冷却する装置である。燃焼炉７０で燃焼された混合ガスは、後段のスクラバー８０およびミストコットレル８５での処理に不都合を生じない温度、例えば８５℃に冷却される。なおこの際、ダイオキシン類の再合成を生ずることがないよう、４００〜２００℃の温度域の通過時間をできるだけ短くすることが好ましい。典型的には、急冷塔７５に導入された冷却水Ｗを、急冷塔７５の底部に集め、再度急冷塔７５に導入する冷却水循環流路が備えられる。
【００４０】
急冷塔７５で冷却された混合ガスは、スクラバー８０に導入される。スクラバー８０は、例えば水酸化マグネシウム、苛性ソーダなどのアルカリ性物質と混合ガスとを接触させ、混合ガス中の酸性成分、例えば塩化水素ＨＣｌ、塩素Ｃｌ２、二酸化硫黄ＳＯ２を中和・除去する装置である。スクラバー８０では、アルカリ性物質のスラリーまたは水溶液をノズル（不図示）からシャワーのように噴出しつつ混合ガスに接触させることにより、混合ガス中の酸性成分を中和する。
【００４１】
ミストコットレル（湿式電気集塵機）８５は、対をなす並行平板に高電圧を印加し、クーロン力を利用して一の平板に微細な煤塵を集める。一般的に、バグフィルタ等の乾式集塵機より湿式集塵機の方が効率的に集塵することができる。ミストコットレル８５にて煤塵が除去された混合ガスは、ファン９０に吸引され、スタック（不図示）から大気に放出される。
【００４２】
ここで、図６を参照して、クロルシランと有機化合物を含むシラン系化合物含有液体の処理方法をまとめて説明する。図６は、クロルシランと有機化合物を含むシラン系化合物含有液体の処理方法を説明するフローチャートである。まず、クロルシランと有機化合物を含むシラン系化合物含有液体をノズルから噴出する（ステップＳ１０）。同時に液体と平行方向に空気を噴出して、液体をアトマイジングする（ステップＳ１２）。ここで、液体と平行方向とは、厳密な意味での平行ではなく、液体と同じ方向、例えば角度で３０度あるいは１５度以内に噴出されることをいう。次に空気でアトマイジングされた液体に水蒸気を混合する（ステップＳ１４）。すると、液体中のシラン系化合物は水蒸気により加水分解され、シリカ微粒子を生ずる。ここで、加水分解をする温度を、２００℃以上６００℃以下に保つのが好ましい。２００℃以上６００℃以下で加水分解することにより、生成するシリカ微粒子が大きくなり、かつ、シリカ微粒子が周囲の機器等に付着せず安定運転ができる。そして、液体中のシラン系化合物が加水分解された混合ガスの流れの周囲を覆うように空気を流して、混合ガスがノズル方向に逆流するのを防止する（ステップＳ１６）。ここまでが、液体の加水分解に係る工程である。
【００４３】
次に混合ガスを典型的には８５０℃以上１１００℃以下で燃焼し、混合ガスに残存している可燃性物を完全燃焼させる（ステップＳ２０）。８５０℃以上１１００℃以下で燃焼すると、残存している可燃性物が完全燃焼しつつ、過度に温度上昇させないので燃料の無駄が省け、かつ、塩化水素ＨＣｌからの塩素ガスＣｌ２の生成も抑えられる。続いて、混合ガスを急冷し（ステップＳ３０）、混合ガスを中和処理し（ステップＳ４０）、混合ガス中のシリカ微粒子を含む固体成分を捕集・除去する（ステップＳ５０）。そして、中和処理され固体成分が除去された混合ガスを排出する（Ｓ６０）。２００℃以上６００℃以下の温度で加水分解を行なっているので、生成するシリカ微粒子が大きく、捕集・除去し易い。また、８５０℃以上１１００℃以下で燃焼し塩素ガスＣｌ２の発生が抑えられているので、中和処理がし易い。
【００４４】
これまでの説明では、第１の流体をシラン系化合物含有液体と、第２の流体を水蒸気として説明したが、本発明に係る反応ノズル１および加水分解炉６０は、他の用途に用いることができる。特に、第１の流体と第２の流体とが反応し固体成分を生ずる場合に、固体成分によるノズルの閉塞が防止されるので、好適に用いられる。
【実施例１】
【００４５】
図７に示す実験装置を用いて、反応ノズル１からシラン系化合物含有液体と水蒸気を噴出し、シラン系化合物含有液体を気相加水分解させ、反応生成物であるシリカ微粒子の反応ノズル１への付着を調べる実験を行った。図７は、産業廃棄物焼却装置１００のブロック図であり、産業廃棄物焼却装置１００は、ロータリーキルン１１０、加水分解炉に相当しロータリーキルン１１０に続いて燃え殻を分離する後室１２０、燃焼炉に相当し未燃物を完全燃焼させる旋回流式二次燃焼炉１３０、高温の排ガスを湿式冷却する急冷塔１４０、塩化水素などの酸性ガスを吸収除去するスクラバー１５０、煤塵を完全に除去するミストコットレル（湿式電気集塵機）１６０、誘引ファン１７０および煙突１８０を備えている。後室１２０には、図１に示す反応ノズル１を備え、反応ノズル１からシラン系化合物含有液体を噴出する。なお、産業廃棄物焼却装置１００は、最大焼却量２６７トン／日の能力を有する装置である。
【００４６】
上記の産業廃棄物焼却装置１００のロータリーキルン１１０に８トン／時間の産業廃棄物ＩＷを助燃油ＡＯ１と共に供給して焼却し、後室１２０において、図１に示す反応ノズル１の第１のノズル１０から２２０ｋｇ／時間のシラン系化合物含有液体ＳＷ、第２のノズル２０から２５Ｎｍ３／時間のアトマイジング用空気ＡＲ１、第３のノズル３０から７０ｋｇ／時間の水蒸気ＳＴ、第４のノズル４０から３０Ｎｍ３／時間のシール用空気ＡＲ２を噴出した。水蒸気ＳＴの噴出量は、シラン系化合物含有液体ＳＷの噴出量に対する理論当量のおおよそ２倍の当量となっている。シラン系化合物含有液体ＳＷの組成は、テトラクロルシラン６９ｗｔ％、その他のクロルシラン類３０ｗｔ％、芳香族系有機物１ｗｔ％。であった。
【００４７】
図１に示す反応ノズル１を使用して上記のシラン系化合物含有液体ＳＷ、アトマイジング用空気ＡＲ１、水蒸気ＳＴ、シール用空気ＡＲ２を、合計２０時間の間噴出したが、反応ノズル１は閉塞等の問題を生ずることなく使用することができた。また、実験終了後に反応ノズル１を点検したところ、シリカ微粒子の付着は見られなかった。すなわち、反応ノズル１が、２種類の流体を反応させつつ、反応により生ずる固体成分により閉塞されにくいことが確認された。
【００４８】
また、シラン系化合物含有液体ＳＷが水蒸気ＳＴと加水分解反応を生じ、その結果、シリカ微粒子が生成されたことを確認するため、産業廃棄物ＩＷと助燃油ＡＯ１との供給量を調整して、後室１２０の温度を６６０〜８００℃と９７０〜１１５０℃に制御しつつ運転した。また、旋回流式二次燃焼炉１３０には助燃油ＡＯ２を供給し、温度を９００〜９３０℃に維持し、可燃物を完全燃焼させた。ミストコットレル１６０で捕集された固体成分を観測した結果、シリカ微粒子ＳＰであることが確認された。すなわち、シラン系化合物含有液体ＳＷと水蒸気ＳＴとが加水分解反応し、シリカ微粒子を生成していることが確認された。
【００４９】
なお、シリカ微粒子ＳＰの平均粒径を測定したところ、後室１２０の温度が６６０〜８００℃に制御された場合には１４３ｎｍ、後室１２０の温度が９７０〜１１５０℃に制御された場合には９６ｎｍであった。ここで、平均粒径は走査型電子顕微鏡を用いた画像解析法により測定した。よって、加水分解反応の結果生成されるシリカ微粒子ＳＰの粒径が、反応温度の影響を受けることが確認された。なお、産業廃棄物焼却装置１００では、後室１２０の温度を６００℃以下に下げることは難しいので、加水分解温度とシリカ微粒子径との関係は、実施例２で詳しく調べた。
【実施例２】
【００５０】
図８に示す試験装置２００を用いて、加水分解温度に対するシリカ微粒子径と塩素ガスＣｌ２の副生量とを調べた。図８は、試験装置２００を説明するブロック図である。試験装置２００は、テトラクロルシランを内管に、加熱されたスチーム・空気混合体ＳＡを外管に流す二重管式ノズル２５０と、二重管式ノズル２５０から流出するテトラクロルシランおよびスチーム・空気混合体ＳＡとが流れる石英管２５２と、石英管２５２を加熱する電熱式縦型管状炉２５４とを備える。さらに、石英管２５２の出口から流出する混合ガスＭｘの一部を吸引するノズル２６０と、ノズル２６０で吸引した混合ガスＭｘから塩化水素ＨＣｌを除去しつつ混合ガスＭｘを冷却する水トラップ２６２と、水トラップ２６２から流出する混合ガスＭｙから煤塵を捕集する円筒ろ紙煤塵捕集器２７０と、円筒ろ紙煤塵捕集器２７０で煤塵を捕集した後の混合ガスＭｚの塩素ガスＣｌ２の濃度を測定する検知管２８０と、ノズル２６０から混合ガスＭｚを吸引する真空ポンプ２９０とを備える。さらに、試験装置２００は、石英管２５２の内部の温度を測定する温度計Ｔを備える。なお、試験装置２００は、図４に示す加水分解炉６０に相当する。
【００５１】
二重管式ノズル２５０の内管には流量４．７ｇ／分のテトラクロルシランを、外管には流量２ｇ／分のスチームとノルマル流量４．２ｄｍ３／分の空気とのスチーム・空気混合体ＳＡを流した。なお水の量は、理論当量の２倍とした。二重管式ノズル２５０から、テトラクロルシランとスチーム・空気混合体ＳＡを石英管２５２に流し、加温し、加水分解反応をさせた。なお、石英管２５２の内径は３５ｍｍ、長さは１０００ｍｍで、電熱式縦型管状炉２５４の長さは４２０ｍｍである。ここで、電熱式縦型管状炉２５４により石英管２５２の内部温度を変化させ、二重管式ノズル２５０から流出したテトラクロルシランとスチーム・空気混合体ＳＡとが流れる石英管２５２の内部温度を加水分解反応温度として測定した。二重管式ノズル２５０のテトラクロルシランとスチーム・空気混合体ＳＡを流出する先端は、電熱式縦型管状炉２５４の上流（二重管式ノズル２５０）側端部から１５０ｍｍに位置する。内部温度は、石英管２５２中の最高温度となる電熱式縦型管状炉２５４の上流側端部から２１０ｍｍの位置で測定した。そして、円筒ろ紙煤塵捕集器２７０で捕集したシリカ微粒子の粒径を測定し、検知管２８０で塩素ガスＣｌ２の濃度を測定した。
【００５２】
加水分解反応温度を２００℃、５００℃、８００℃、１０００℃、１３００℃と変化させた場合のシリカ微粒子の粒径と塩素ガスＣｌ２の濃度の測定結果を図９にまとめて示す。なお、シリカ微粒子の粒径は、捕集したシリカ微粒子を走査型電子顕微鏡を用いた画像解析法により測定し、測定されたシリカ微粒子の粒径の範囲を測定結果として示している。
図９に示す測定結果から、加水分解反応温度が低いほど、シリカ微粒子の粒径が大きくなることがわかる。すなわち、加水分解反応温度を低くした方が、後段のミストコットレルでのシリカ微粒子の捕集が容易になる。特に５００℃以下とすると、シリカ微粒子の粒径が３００ｎｍ以上となるので、捕集し易い。
また加水分解反応温度が低いほど、塩素ガスの副生量も少なくなることがわかる。すなわち、加水分解反応温度を低くした方が、後段のスクラバーの負担が軽くなる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】反応ノズルの構成を説明する図で、（ａ）は反応ノズルを先端側から見た正面図、（ｂ）は反応ノズルの軸に沿った断面図である。
【図２】第３のノズルを第４のノズルにより形成される流路に設置した反応ノズルの構成を説明する図で、（ａ）は反応ノズルを先端側から見た正面図、（ｂ）は反応ノズルの軸に沿った断面図である。
【図３】反応ノズルから噴出された流体あるいはガスの動きを模式的に説明する模式図である。
【図４】シラン系化合物および有機化合物などの可燃性物を含む液体を加水分解および燃焼処理する気相加水分解処理装置の構成を説明するブロック図である。
【図５】加水分解炉の構成を説明する模式的断面図である。
【図６】クロルシランと有機化合物を含むシラン系化合物含有液体の処理方法を説明するフローチャートである。
【図７】出願人が所有する産業廃棄物焼却装置のブロック図であり、本発明に係る反応ノズルを用いて反応生成物のノズルへの付着を調べた実験装置である。
【図８】加水分解温度に対するシリカ微粒子の粒径と塩素ガスの副生量とを調べた試験装置を説明するブロック図である。
【図９】加水分解反応温度を２００℃、５００℃、８００℃、１０００℃、１３００℃と変化させた場合のシリカ微粒子の粒径と塩素ガスの濃度の測定結果をまとめて示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１、２ 反応ノズル
６ 気相加水分解処理装置
１０ 第１のノズル
１２ 第１のノズルの先端
１４ 細い直管
１６ 太い直管
１８ 傾斜部分
２０ 第２のノズル
２２ 第２のノズルの先端
２４ 縮径開始部分
２６ 傾斜
２８ 縮径開始部分
３０ 第３のノズル
３２ 第３のノズルの先端
３４ 曲がり部
４０ 第４のノズル
４２ 第４のノズルの先端
４４ 傾斜
４６ すぼまる部分
５２、５４、５８ 端面
５６ 側面
６０ 加水分解炉
６２ 縦型容器
６４ 高温ガスノズル
６５ バーナー
６６ ガス出口
７０ 燃焼炉
７５ 急冷塔
８０ スクラバー
８５ ミストコットレル（捕集装置）
９０ ファン
１００ 産業廃棄物焼却装置
１１０ ロータリーキルン
１２０ 後室
１３０ 旋回流式二次燃焼炉
１４０ 急冷塔
１５０ スクラバー
１６０ ミストコットレル（湿式電気集塵機）
１７０ 誘引ファン
１８０ 煙突
２００ 試験装置
２５０ 二重管式ノズル
２５２ 石英管
２５４ 電熱式縦型管状炉
２６０ ノズル
２６２ 水トラップ
２７０ 円筒ろ紙煤塵捕集器
２８０ 検知管
２９０ 真空ポンプ
Ａ 第１の流体
Ｂ 第１の気体
Ｃ 第２の流体
Ｄ 第２の気体
Ｆ 燃料
Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ 混合ガス
ＳＡ スチーム・空気混合体
Ｔ 温度計
Ｗ 冷却水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状の第１の流体を噴出する第１のノズルと；
前記第１のノズルの外側に前記第１のノズルと同心円状に配置され、前記第１の流体を微細化する第１の気体を噴出する第２のノズルと；
前記第１のノズルおよび前記第２のノズルより下流側で、かつ、前記第１の流体および前記第１の気体の流れの外側に開口部を有し、前記第１の流体と反応する第２の流体を噴出する第３のノズルとを備える；
反応ノズル。
【請求項２】
前記第２のノズルの外側に前記第２のノズルと同心円状に配置され、前記第１の流体と前記第２の流体とが反応した流体を覆う第２の気体を噴出する第４のノズルを備える；
請求項１に記載の反応ノズル。
【請求項３】
前記第３のノズルを放射状に複数備え；
前記第３のノズルから、前記第２の流体が、前記第１の気体により微細化された前記第１の流体に向けて噴出される；
請求項１または請求項２に記載の反応ノズル。
【請求項４】
前記第１の流体がクロルシランを含み；
前記第２の流体が水蒸気であり；
前記第１の流体と前記第２の流体との反応により、シリカ微粒子が生成される；
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の反応ノズル。
【請求項５】
クロルシランと有機化合物を含む液体を処理する気相加水分解処理装置であって：
前記液体を前記第１の流体として噴出する請求項４に記載の反応ノズルを備え、前記第１の流体と前記第２の流体とが反応した流体を排出する加水分解炉と；
前記加水分解炉から排出された流体を燃焼する燃焼炉と；
前記シリカ微粒子を捕集する捕集装置とを備える；
気相加水分解処理装置。
【請求項６】
前記加水分解炉内の温度が２００℃以上６００℃以下に温度制御され；
前記燃焼炉内の温度が８５０℃以上１１００℃以下に温度制御される；
請求項５に記載の気相加水分解処理装置。
【請求項７】
クロルシランと有機化合物を含む液体を処理する気相加水分解処理方法であって：
前記液体を噴出し、
前記噴出された液体に略平行して、前記噴出された液体の周囲に第１の気体を噴出することにより、前記液体を微細化し、
前記微細化された液体に水蒸気を混合して２００℃以上６００℃以下の温度で前記クロルシランを加水分解し、シリカ微粒子を生成する工程と；
前記液体と前記水蒸気の混合した流体であって、前記クロルシランが加水分解された流体を８５０℃以上１１００℃以下の温度で燃焼する工程と；
前記シリカ微粒子を捕集する工程とを備える；
気相加水分解処理方法。
【請求項１】
液状の第１の流体を噴出する第１のノズルと；
前記第１のノズルの外側に前記第１のノズルと同心円状に配置され、前記第１の流体を微細化する第１の気体を噴出する第２のノズルと；
前記第１のノズルおよび前記第２のノズルより下流側で、かつ、前記第１の流体および前記第１の気体の流れの外側に開口部を有し、前記第１の流体と反応する第２の流体を噴出する第３のノズルとを備える；
反応ノズル。
【請求項２】
前記第２のノズルの外側に前記第２のノズルと同心円状に配置され、前記第１の流体と前記第２の流体とが反応した流体を覆う第２の気体を噴出する第４のノズルを備える；
請求項１に記載の反応ノズル。
【請求項３】
前記第３のノズルを放射状に複数備え；
前記第３のノズルから、前記第２の流体が、前記第１の気体により微細化された前記第１の流体に向けて噴出される；
請求項１または請求項２に記載の反応ノズル。
【請求項４】
前記第１の流体がクロルシランを含み；
前記第２の流体が水蒸気であり；
前記第１の流体と前記第２の流体との反応により、シリカ微粒子が生成される；
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の反応ノズル。
【請求項５】
クロルシランと有機化合物を含む液体を処理する気相加水分解処理装置であって：
前記液体を前記第１の流体として噴出する請求項４に記載の反応ノズルを備え、前記第１の流体と前記第２の流体とが反応した流体を排出する加水分解炉と；
前記加水分解炉から排出された流体を燃焼する燃焼炉と；
前記シリカ微粒子を捕集する捕集装置とを備える；
気相加水分解処理装置。
【請求項６】
前記加水分解炉内の温度が２００℃以上６００℃以下に温度制御され；
前記燃焼炉内の温度が８５０℃以上１１００℃以下に温度制御される；
請求項５に記載の気相加水分解処理装置。
【請求項７】
クロルシランと有機化合物を含む液体を処理する気相加水分解処理方法であって：
前記液体を噴出し、
前記噴出された液体に略平行して、前記噴出された液体の周囲に第１の気体を噴出することにより、前記液体を微細化し、
前記微細化された液体に水蒸気を混合して２００℃以上６００℃以下の温度で前記クロルシランを加水分解し、シリカ微粒子を生成する工程と；
前記液体と前記水蒸気の混合した流体であって、前記クロルシランが加水分解された流体を８５０℃以上１１００℃以下の温度で燃焼する工程と；
前記シリカ微粒子を捕集する工程とを備える；
気相加水分解処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−７２６８８（Ｐ２００９−７２６８８Ａ）
【公開日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２４３６５２（Ｐ２００７−２４３６５２）
【出願日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【出願人】（５９３０５２０８４）株式会社クレハ環境 (12)
【出願人】（０００１６６７０８）株式会社クレハエンジニアリング (17)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【出願人】（５９３０５２０８４）株式会社クレハ環境 (12)
【出願人】（０００１６６７０８）株式会社クレハエンジニアリング (17)
【Ｆターム（参考）】
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