휘발성 유기 화합물 및 암모니아 직접 연소를 통한 배기가스 특성

Characteristics of Flue Gas Using Direct Combustion of VOC and Ammonia

현재 반도체 공정에서 다양한 by-product 및 미사용 가스가 배출되고 있다. 오염물질을 함유한 배기는 일반적으로 유기, 산, 알칼리, 열, 캐비넷 배기 등으로 분류하며, 각각의 배기 특성에 맞는 대기 방지설비에서 처리 후 배출된다. 유기 배기 물질로서 휘발성 유기 화합물(volatile organic compound, VOC)은 산소 함유 탄화수소, 유황 함유 계 탄화수소 및 휘발성 탄화수소를 총칭하는 물질이고, 알칼리 배기의 주요성분은 암모니아(NH₃), 수산화테트라메틸암모늄(Tetramethylammonium hydroxide, TMAH)등이 있다. 본 연구의 목적은 유기와 알칼리 배기가스를 동시에 처리하기 위해 직접 연소 및 로 내 온도를 일정하게 유지하여 연소 특성 파악하고 NO_X 저감률을 분석하고자 진행하였다. VOC는 Acetone, IPA(isopropyl alcohol), PGMEA(propylene glycol methyl ether acetate)을 사용하였으며, 알칼리 배기 대표 물질로는 암모니아를 사용하였다. 실험 변수로는 온도와 당량 비(equivalence ratio, ER)로 배기가스 특성을 살펴보았다. 물질별 단독 및 혼합 연소테스트를 진행하였다. VOC 단독 테스트 결과 당량 비 1.4 조건에서 완전 연소가 일어남을 확인하였다. 암모니아는 당량 비 감소에 따라 산소 및 질소산화물의 농도가 감소하였다. 혼합 연소 운전 결과 배기가스 조성 내 질소산화물의 대부분은 일산화질소였으며 이산화질소는 10 ppm 부근으로 검출되었다. 전체적으로 질소산화물의 농도는 반응온도가 증가하면서 산화반응이 활성화되어 감소하는 경향을 나타나지만 이산화탄소의 농도는 증가하는 경향을 확인하였다. 전기열원을 적용한 무 화염 연소 기술을 적용하였을 때 VOC 및 암모니아 연소가 원활하게 일어남으로써 현재 별도로 운전되는 유기 및 알칼리 배기 시스템보다 경제성 및 공간적인 측면에서 장점이 있다고 판단된다.

The semiconductor process currently emits various by-products and unused gases. Emissions containing pollutants are generally classified into categories such as organic, acid, alkali, thermal, and cabinet exhaust. They are discharged after treatment in an atmospheric prevention facility suitable for each exhaust type. The main components of organic exhaust are volatile organic compounds (VOC), which is a generic term for oxygen-containing hydrocarbons, sulfur-containing hydrocarbons, and volatile hydrocarbons, while the main components of alkali exhaust include ammonia and tetramethylammonium hydroxide. The purpose of this study was to determine the combustion characteristics and analyze the NO_X reduction rate by maintaining a direct combustion and temperature to process organic and alkaline exhaust gases simultaneously. Acetone, isopropyl alcohol (IPA), and propylene glycol methyl ether acetate (PGMEA) were used as VOCs and ammonia was used as an alkali exhaust material. Independent and VOC-ammonia mixture combustion tests were conducted for each material. The combustion tests for the VOCs confirmed that complete combustion occurred at an equivalence ratio of 1.4. In the ammonia combustion test, the NO_X concentration decreased at a lower equivalence ratio. In the co-combustion of VOC and ammonia, NO was dominant in the NO_X emission while NO₂ was detected at approximately 10 ppm. Overall, the concentration of nitrogen oxide decreased due to the activation of the oxidation reaction as the reaction temperature increased. On the other hand, the concentration of carbon dioxide increased. Flameless combustion with an electric heat source achieved successful combustion of VOC and ammonia. This technology is expected to have advantages in cost and compactness compared to existing organic and alkaline treatment systems applied separately.