專利名稱：：去除全氟碳化物氣體的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種廢氣的物理和化學(xué)協(xié)同凈化系統(tǒng)，尤其涉及一種全氟碳化物氣體的協(xié)同去除系統(tǒng)。同時(shí)，本發(fā)明還涉及廢氣的物理和化學(xué)協(xié)同凈化方法，尤其涉及一種全氟碳化物氣體的協(xié)同去除方法。
背景技術(shù)：
：隨著現(xiàn)代工業(yè)的蓬勃發(fā)展，溫室氣體排放量與日俱增。在眾多溫室氣體中，全氟碳化物(簡(jiǎn)稱PFCs)因其具有低毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，自二十世紀(jì)三十年代被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，尤其是半導(dǎo)體制造業(yè)。然而，PFCs在大氣中具有較長(zhǎng)的存在年限和強(qiáng)烈的紅外吸收能力，生產(chǎn)過程中未能完全利用的高濃度PFCs直接排放到大氣中將引起強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)，使全球平均溫度上升，海平面升高，氣候異常，影響人類生產(chǎn)和活動(dòng)。因此，1987年的《蒙特利爾公約》制定了破壞臭氧層的化學(xué)物質(zhì)控制措施。1997年12月，在日本京都召開的《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》締約方第三次會(huì)議通過了旨在限制發(fā)達(dá)國(guó)家溫室氣體排放量以抑制全球變暖的《京都議定書》，PFCs被列為需要嚴(yán)格控制的溫室氣體，截至2005年8月13日，全球已有142個(gè)國(guó)家和地區(qū)簽署該議定書，其中包括30個(gè)工業(yè)化國(guó)家，批準(zhǔn)國(guó)家的人口數(shù)量占全世界總?cè)丝诘?0。％。中國(guó)已于1998年5月簽署并于2002年8月核準(zhǔn)了該議定書，成為第37個(gè)簽約國(guó)?？刂芇FCs的排放在過去的三十年間在全球范圍內(nèi)引起強(qiáng)烈的關(guān)注，近幾年來，隨著我國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)的快速發(fā)展，PFCs排放量逐年增加。國(guó)內(nèi)相關(guān)資料顯示，我國(guó)在PFCs削減技術(shù)研究方面尚未起步，這將制約我國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)以及與PFCs排放相關(guān)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，開展削減PFCs排放的相關(guān)工作符合我國(guó)的環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略。目前對(duì)于削減PFCs排放主要有四個(gè)途徑1)選擇可以替代PFCs的新的化學(xué)物質(zhì)；2)生產(chǎn)工藝優(yōu)化；3)對(duì)PFCs循環(huán)再利用；4)對(duì)3排放的PFCS氣體進(jìn)行末端治理。雖然前三個(gè)措施更加符合清潔生產(chǎn)的原則，但是因?yàn)楫a(chǎn)生PFCs工業(yè)的工藝現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)成本等條件制約，末端治理脫除PFCs氣體成為目前比較行之有效的方法。對(duì)于PFCs氣體的末端治理去除，國(guó)外目前有很多工藝，包括燃燒方法，熱催化氧化方法，等離子體分解方法等。燃燒工藝是向燃燒爐內(nèi)加入天然氣或氫氣作為燃料，可以去除90%以上的(3^6，NF3和SF6，但是對(duì)于CF4的去除卻很少，其主要是因?yàn)镃F4性質(zhì)更穩(wěn)定，不易被去除。燃料的加入使處理成本增加，另外對(duì)于副產(chǎn)物，例如HF的收集處理也存在困難，而且燃燒會(huì)產(chǎn)生NOx和燃料不完全燃燒產(chǎn)物，這些物質(zhì)會(huì)形成二次污染。熱催化氧化工藝將熱分解和催化分解有效的結(jié)合，可以有效的分解PFCs，產(chǎn)生的NOx比較少，但是對(duì)反應(yīng)設(shè)備要求很高，且存在催化劑失效，定期需要更換催化劑，運(yùn)行成本高等諸多問題。等離子體方法處理PFCs需要的設(shè)備體積小，運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低，產(chǎn)生的NOx少。其中，微波等離子體與介質(zhì)阻擋放電、直流電弧、射頻等離子體相比，具有能量利用率高，無電極污染，電子密度高，等離子體分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)行化學(xué)合成與分解，材料表面改性，有害氣體降解脫除的理想工藝，但該方法仍然存在耗能較大的缺點(diǎn)。近年來催化劑與等離子體聯(lián)合應(yīng)用去除有害氣體成為研究的熱點(diǎn)。國(guó)外許多學(xué)者通過在等離子體反應(yīng)室中添加固體催化劑，通過等離子體激發(fā)催化劑的催化活性，產(chǎn)生等離子體與催化對(duì)污染物質(zhì)的聯(lián)合去除作用。目前研究的較多的是介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的等離子體或表面波等離子體與催化劑的聯(lián)合作用，而微波等離子體與催化劑協(xié)同處理有害氣體，尤其是對(duì)全氟碳化物的處理未見報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種微波等離子體和催化劑協(xié)同處理全氟化碳?xì)怏w的方法以及一種去除全氟碳化物氣體的系統(tǒng)，其目的在于在較低能耗的情況下，有效去除全氟化碳?xì)怏w，尤其是穩(wěn)定性很強(qiáng)的CF4。本發(fā)明所述的去除全氟碳化物氣體的系統(tǒng)主要包括以下裝置在待處理氣體輸入口處設(shè)置有一流量控制器(或閥門)，流量控制器(或閥門)通過管路連接到反應(yīng)管，在反應(yīng)管的內(nèi)部通過微波產(chǎn)生等離子體，按照氣體流入的方向在等離子體后部設(shè)置有催化劑床層，所述的等離子體由微波發(fā)生器通過波導(dǎo)管提供能量，波導(dǎo)管和反應(yīng)管采用中心點(diǎn)直接耦合方式。由于是流動(dòng)中的氣體被電離產(chǎn)生等離子體，等離子體為等離子體炬形。氣流經(jīng)等離子體處理后，再經(jīng)過催化劑床層反應(yīng)，處理后的氣體通過濕式吸收裝置吸收氟化氫氣體，最后排入大氣。本發(fā)明的特點(diǎn)是催化劑位于等離子火炬下方，可以有效的利用高強(qiáng)度的紫外輻射、活性自由基和高溫氣流，達(dá)到協(xié)同處理效果。本發(fā)明提供的去除全氟碳化物氣體的方法包括以下步驟a)將待處理氣體經(jīng)流量控制器2通入反應(yīng)管3中，微波功率為200-2000W，氣體流速為0.5-40L/min，四氟化碳濃度在l-10000mL/m3的范圍內(nèi)，在反應(yīng)管中采用微波點(diǎn)火，產(chǎn)生微波等離子體，對(duì)混合氣體進(jìn)行連續(xù)處理；b)經(jīng)步驟a)處理后的氣體經(jīng)過填充在反應(yīng)管末端的催化劑床層5進(jìn)一步處理；床溫度在600-900K。上述的催化劑床層中的催化劑采用Y-Al203、Ti02、Zr02、Si02、Co203、W03、V205、Fe203、CuO、NiO中的一種或幾種時(shí)為上選；催化劑形態(tài)包括球型、柱狀和三葉草型等。c)處理后的氣體采用濕式吸收法吸收處理后排放，濕式吸收液采用飽和Ca(OH)2溶液，溫度為常溫35度以下。以上反應(yīng)步驟所述的催化劑，其體積以l-1000mL為上選。以上所述流量控制器可用閥門替代。本發(fā)明先使用微波等離子體處理含全氟碳化物的氣體，再使用催化劑協(xié)同處理含全氟碳化物氣體。由于大氣壓下微波等離子體在去除PFCs過程中，產(chǎn)生大量高強(qiáng)度紫外射線、自由基活性粒子、高溫，對(duì)催化劑有活化作用。對(duì)反應(yīng)器出口附近的尾氣溫度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)溫度在600-900K左右，這些紫外線和高溫?zé)崃刻N(yùn)含著大量能量，可利用等離子體的余熱加熱催化劑。如此高強(qiáng)度的紫外輻射、活性粒子和高溫氣流，在利用余熱的同時(shí)，進(jìn)一步激發(fā)催化劑，提高催化劑的活性，使總體效果大于兩者單獨(dú)作用之和，微波等離子體與催化劑的協(xié)同作用使PFCS在大氣壓下被有效去除;在相同功率下可以提高脫除效率，有效的降低了能耗。本發(fā)明的主要特點(diǎn)在于微波等離子體和催化劑的協(xié)同效應(yīng)，即本發(fā)明所采用的協(xié)同方法所產(chǎn)生的效果〉單獨(dú)的微波等離子體作用+催化劑熱分解作用。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明圖1為本發(fā)明所述的系統(tǒng)的示意圖。在圖中1、待處理氣體輸入口；2、流量控制器(或閥門)，3、反應(yīng)管，4、等離子體，5、催化劑床層，6、濕式吸收裝置，7、波導(dǎo)管，8、微波發(fā)生器。具體實(shí)施例方式比較例1考察等離子體對(duì)待處理的含PFCs廢氣的脫除效果。將待處理含PFCs氣體l經(jīng)流量控制器(或閥門)2通入反應(yīng)管3中，反應(yīng)管3內(nèi)徑約15mm，長(zhǎng)度約500mm;微波功率為200W-800W，氣體流速為2L/min，四氟化碳濃度為2000mL/m3，在反應(yīng)管中采用微波點(diǎn)火，產(chǎn)生微波等離子體，對(duì)混合氣體進(jìn)行連續(xù)處理；經(jīng)檢測(cè)，微波功率分別為200、400和800W時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行了1小時(shí)時(shí)CF4的脫除效率分別為68%、83%和93%。比較例2考察微波等離子和催化劑單純疊加對(duì)待處理的含PFCs廢氣的脫除效果。將待處理含PFCs氣體l經(jīng)流量控制器(或閥門)2通入反應(yīng)管3中，反應(yīng)管3內(nèi)徑約15mm，長(zhǎng)度約500mm;將比較例l中處理后的含四氟化碳廢氣收集后通過填充催化劑的反應(yīng)管，反應(yīng)管采用普通加熱，反應(yīng)管中填充的Y-Al2O3約30mL，氣體流速為2L/min。將反應(yīng)管加熱到600-900K反應(yīng)后，經(jīng)檢測(cè)，反應(yīng)進(jìn)行了1小時(shí)時(shí)CF4的總脫除效率分別為72%、90%和96%。實(shí)施例l將待處理含PFCs氣體l經(jīng)流量控制器(或閥門)2通入反應(yīng)管3中，反應(yīng)管3內(nèi)徑約15mm，長(zhǎng)度約500mm;微波功率為200W-2000W，氣體流速為2L/min，四氟化碳濃度為2000mL/m3，在反應(yīng)管中采用微波點(diǎn)火，產(chǎn)生微波等離子體，對(duì)混合氣體進(jìn)行連續(xù)處理；經(jīng)處理后的氣體經(jīng)過填充在反應(yīng)管末端的催化劑床層5進(jìn)一步處理。催化劑床層的體積約為30mL，床層溫度為600-900K。處理后的氣體來用濕式吸收法吸收處理后排放,濕式吸收液采用飽和Ca(OH)2溶液，溫度為常溫35度以下，經(jīng)檢測(cè)，反應(yīng)進(jìn)行了1小時(shí)和10小時(shí)時(shí)的總脫除效率如表一所示。表200W400W800W2000W取樣時(shí)間lhY-A120376%94%>99%>99.9%Ti0273%88%>99%>99.9%Zr0273%86%>99%〉99.9%Si0271%85%>98%〉99.9%Co20374%90%>99%>99.9%W0372%90%>99%>99.9%v2o575%92%>99%>99.9%Fe20376%92%>99%>99.9%CuO77%95%>99%>99.9%NiO75%93%>99%〉99.9%収樣時(shí)間10hY-A120375%94%>99%>99.9%Ti0273%89%>99%>99.9%&0273%86%>99%>99.9%Si0271%87%>98%>99.9%Co20374%91%>99%>99.9%W0372%91%>99%>99.9%v2o575%92%>99%>99.9%Fe20376%92%>99%>99.9%CuO78%95%>99%〉99.9%NiO75%95%>99%>99.9%7當(dāng)添加催化劑后，去除率在各個(gè)功率下都有提高，且在小功率小即可達(dá)到很高的脫除效率，如Y-Al203催化劑與微波等離子協(xié)同作用，在400W的微波功率下，四氟化碳的脫除效率要高于單獨(dú)的等離子體方法和等離子體中微波功率為800W時(shí)的脫除率；且催化劑與等離子體協(xié)同作用時(shí)，在微波功率為800W時(shí)，四氟化碳的脫除效率均高于98%。因此微波等離子體與催化劑協(xié)同作用的方法可以達(dá)到高效節(jié)能的目的。實(shí)施例2將待處理含PFCs氣體l經(jīng)流量控制器(或閥門)2通入反應(yīng)管3中，反應(yīng)管3內(nèi)徑約15mm，長(zhǎng)度約500mm;微波功率為800W，氣體流速為0.5L/min-40L/min，四氟化碳濃度為2000mL/m3，在反應(yīng)管中采用微波點(diǎn)火，產(chǎn)生微波等離子體，對(duì)混合氣體進(jìn)行連續(xù)處理；經(jīng)處理后的氣體經(jīng)過填充在反應(yīng)管末端的催化劑床層5進(jìn)一歩處理。反應(yīng)管中填充的Y-Al2O3體積約為30mL，床層溫度為600-900K。處理后的氣體采用濕式吸收法吸收處理后排放，濕式吸收液采用飽和Ca(OH)2溶液，溫度為常溫35度以下，經(jīng)檢測(cè)，反應(yīng)進(jìn)行了1小時(shí)和10小時(shí)時(shí)的總脫除效率如表二所示。表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實(shí)施例3將待處理含PFCs氣體l經(jīng)流量控制器(或閥門)2通入反應(yīng)管3中，反應(yīng)管3內(nèi)徑約15mm，長(zhǎng)度約500mm;微波功率為800W，氣體流速為2L/min，四氟化碳濃度為l-10000mL/m3，在反應(yīng)管中采用微波點(diǎn)火，產(chǎn)生微波等離子體，對(duì)混合氣體進(jìn)行連續(xù)處理；經(jīng)處理后的氣體經(jīng)過填充在反應(yīng)管末端的催化劑床層5進(jìn)一步處理。反應(yīng)管中填充的Y-Al2O3體積約為30mL，床層溫度為600-900K。處理后的氣體采用濕式吸收法吸收處理后排放,濕式吸收液采用飽和Ca(OH)2溶液，溫度為常溫35度以下，經(jīng)檢測(cè)，反應(yīng)進(jìn)行了1小時(shí)和10小時(shí)時(shí)的總脫除效率如表三所示。表四氟化碳濃度(mlVm3)100100020005000100000脫除效率(lh)>99%>99%>99%97%83%脫除效率(10h)>99%>99%>99%97%「83%實(shí)施例4將待處理含PFCs氣體l經(jīng)流量控制器(或閥門)2通入反應(yīng)管3中，反應(yīng)管3內(nèi)徑約15mm或50mm，長(zhǎng)度約500mm或750mm;微波功率為400W，氣體流速為2L/min，四氟化碳濃度為l-10000mL/m3，在反應(yīng)管中采用微波點(diǎn)火，產(chǎn)生微波等離子體，對(duì)混合氣體進(jìn)行連續(xù)處理；經(jīng)處理后的氣體經(jīng)過填充在反應(yīng)管末端的催化劑床層5進(jìn)一步處理。根據(jù)反應(yīng)管大小的不同，反應(yīng)管中中填充的Y-Al203體積約在l-1000mL之間，床層溫度為600-900K。處理后的氣體采用濕式吸收法吸收處理后排放，濕式吸收液采用飽和Ca(OH)2溶液，溫度為常溫35度以下，經(jīng)檢測(cè)，反應(yīng)進(jìn)行了1小時(shí)和10小時(shí)時(shí)的總脫除效率如表四所示。表四催化劑床層體積(mL)301004008001000脫除效率(lh)94%95%98%>99%〉99%脫除效率(10h)94%95%98%>99%>99%9權(quán)利要求1、去除全氟碳化物氣體的系統(tǒng)，主要包括以下裝置在待處理氣體輸入口(1)處設(shè)置有一流量控制器(2)，流量控制器(2)通過管路連接到反應(yīng)管(3)，在反應(yīng)管(3)的內(nèi)部通過微波產(chǎn)生等離子體(4)，按照氣體流入的方向在等離子體后部設(shè)置有催化劑床層(5)，所述的等離子體(4)由微波發(fā)生器(8)通過波導(dǎo)管(7)提供能量，波導(dǎo)管(7)和反應(yīng)管(3)采用中心點(diǎn)直接耦合方式，由于是流動(dòng)中的氣體被電離產(chǎn)生等離子體，等離子體為等離子體炬形，氣流經(jīng)等離子體(4)處理后，再經(jīng)過催化劑床層(5)反應(yīng)，處理后的氣體通過濕式吸收裝置(6)吸收氟化氫氣體，最后排入大氣。2、去除全氟碳化物氣體的方法，包括以下步驟a)將待處理氣體經(jīng)流量控制器(2)通入反應(yīng)管(3)中，微波功率為200-2000W，氣體流速為0.5-40L/min，四氟化碳濃度在1-10000mL/m4勺范圍內(nèi)，在反應(yīng)管中采用微波點(diǎn)火，產(chǎn)生微波等離子體，對(duì)混合氣體進(jìn)行連續(xù)處理；b)經(jīng)步驟a)處理后的氣體經(jīng)過填充在反應(yīng)管末端的催化劑床層(5)進(jìn)一步處理；床溫度在600-900K;c)處理后的氣體采用濕式吸收法吸收處理后排放，濕式吸收液采用飽和Ca(OH)2溶液，溫度為常溫35度以下。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的去除全氟碳化物氣體的方法，其特征在于所述的催化劑床層中的催化劑包含丫-八1203、Ti02、Zr02、Si02、Co203、W03、V205、Fe203、CuO、NiO中的一種或幾種。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的去除全氟碳化物氣體的方法，其特征在于所述的催化劑的形態(tài)包括球型、柱狀和三葉草型。5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的去除全氟碳化物氣體的方法，其特征在于所述的催化劑其體積為l-1000mL。6、如權(quán)利要求l所述的去除全氟碳化物氣體的系統(tǒng)，其特征在于所述流量控制器(2)用閥門替代。7、如權(quán)利要求25任意一項(xiàng)所述的去除全氟碳化物氣體的方法，其特征在于所述流量控制器(2)用閥門替代。全文摘要去除全氟碳化物氣體的系統(tǒng)，在待處理氣體輸入口處設(shè)置流量控制器(或閥門)，通過管路連接到內(nèi)部通過微波產(chǎn)生等離子體的反應(yīng)管，在等離子體后部設(shè)置催化劑床層，處理后的氣體通過濕式吸收裝置吸收氟化氫氣體。去除全氟碳化物氣體的方法，是待處理氣體經(jīng)流量控制器(或閥門)入反應(yīng)管，微波功率200-2000W，氣體流速0.5-40L/min，四氟化碳濃度1-10000mL/m³，反應(yīng)管中采用微波點(diǎn)火，對(duì)混合氣體進(jìn)行連續(xù)處理；處理后經(jīng)過填充在反應(yīng)管末端的催化劑床層，床溫度600-900K。用濕式吸收法吸收處理后排放，濕式吸收液采用飽和Ca(OH)₂溶液，溫度為常溫35度以下。本發(fā)明具有脫除效率高，能耗低的特點(diǎn)。文檔編號(hào)B01D53/74GK101496992SQ20091001013公開日2009年8月5日申請(qǐng)日期2009年1月15日優(yōu)先權(quán)日2009年1月15日發(fā)明者冰孫,朱小梅,解宏端申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)