專利名稱：：去除全氟碳化物氣體的系統和方法
技術領域：
：本發明涉及一種廢氣的物理和化學協同凈化系統，尤其涉及一種全氟碳化物氣體的協同去除系統。同時，本發明還涉及廢氣的物理和化學協同凈化方法，尤其涉及一種全氟碳化物氣體的協同去除方法。
背景技術：
：隨著現代工業的蓬勃發展，溫室氣體排放量與日俱增。在眾多溫室氣體中，全氟碳化物(簡稱PFCs)因其具有低毒、化學性質穩定等特點，自二十世紀三十年代被廣泛應用于工業生產，尤其是半導體制造業。然而，PFCs在大氣中具有較長的存在年限和強烈的紅外吸收能力，生產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烈的溫室效應，使全球平均溫度上升，海平面升高，氣候異常，影響人類生產和活動。因此，1987年的《蒙特利爾公約》制定了破壞臭氧層的化學物質控制措施。1997年12月，在日本京都召開的《聯合國氣候變化框架公約》締約方第三次會議通過了旨在限制發達國家溫室氣體排放量以抑制全球變暖的《京都議定書》，PFCs被列為需要嚴格控制的溫室氣體，截至2005年8月13日，全球已有142個國家和地區簽署該議定書，其中包括30個工業化國家，批準國家的人口數量占全世界總人口的80。％。中國已于1998年5月簽署并于2002年8月核準了該議定書，成為第37個簽約國。控制PFCs的排放在過去的三十年間在全球范圍內引起強烈的關注，近幾年來，隨著我國半導體工業的快速發展，PFCs排放量逐年增加。國內相關資料顯示，我國在PFCs削減技術研究方面尚未起步，這將制約我國半導體工業以及與PFCs排放相關工業的可持續發展，開展削減PFCs排放的相關工作符合我國的環境保護和經濟發展戰略。目前對于削減PFCs排放主要有四個途徑1)選擇可以替代PFCs的新的化學物質；2)生產工藝優化；3)對PFCs循環再利用；4)對3排放的PFCS氣體進行末端治理。雖然前三個措施更加符合清潔生產的原則，但是因為產生PFCs工業的工藝現狀和經濟成本等條件制約，末端治理脫除PFCs氣體成為目前比較行之有效的方法。對于PFCs氣體的末端治理去除，國外目前有很多工藝，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，但是對于CF4的去除卻很少，其主要是因為CF4性質更穩定，不易被去除。燃料的加入使處理成本增加，另外對于副產物，例如HF的收集處理也存在困難，而且燃燒會產生NOx和燃料不完全燃燒產物，這些物質會形成二次污染。熱催化氧化工藝將熱分解和催化分解有效的結合，可以有效的分解PFCs，產生的NOx比較少，但是對反應設備要求很高，且存在催化劑失效，定期需要更換催化劑，運行成本高等諸多問題。等離子體方法處理PFCs需要的設備體積小，運行費用相對較低，產生的NOx少。其中，微波等離子體與介質阻擋放電、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點，是進行化學合成與分解，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。近年來催化劑與等離子體聯合應用去除有害氣體成為研究的熱點。國外許多學者通過在等離子體反應室中添加固體催化劑，通過等離子體激發催化劑的催化活性，產生等離子體與催化對污染物質的聯合去除作用。目前研究的較多的是介質阻擋放電產生的等離子體或表面波等離子體與催化劑的聯合作用，而微波等離子體與催化劑協同處理有害氣體，尤其是對全氟碳化物的處理未見報道。
發明內容本發明的目的在于提供一種微波等離子體和催化劑協同處理全氟化碳氣體的方法以及一種去除全氟碳化物氣體的系統，其目的在于在較低能耗的情況下，有效去除全氟化碳氣體，尤其是穩定性很強的CF4。本發明所述的去除全氟碳化物氣體的系統主要包括以下裝置在待處理氣體輸入口處設置有一流量控制器(或閥門)，流量控制器(或閥門)通過管路連接到反應管，在反應管的內部通過微波產生等離子體，按照氣體流入的方向在等離子體后部設置有催化劑床層，所述的等離子體由微波發生器通過波導管提供能量，波導管和反應管采用中心點直接耦合方式。由于是流動中的氣體被電離產生等離子體，等離子體為等離子體炬形。氣流經等離子體處理后，再經過催化劑床層反應，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。本發明的特點是催化劑位于等離子火炬下方，可以有效的利用高強度的紫外輻射、活性自由基和高溫氣流，達到協同處理效果。本發明提供的去除全氟碳化物氣體的方法包括以下步驟a)將待處理氣體經流量控制器2通入反應管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，在反應管中采用微波點火，產生微波等離子體，對混合氣體進行連續處理；b)經步驟a)處理后的氣體經過填充在反應管末端的催化劑床層5進一步處理；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中的一種或幾種時為上選；催化劑形態包括球型、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，產生大量高強度紫外射線、自由基活性粒子、高溫，對催化劑有活化作用。對反應器出口附近的尾氣溫度檢測發現溫度在600-900K左右，這些紫外線和高溫熱量蘊含著大量能量，可利用等離子體的余熱加熱催化劑。如此高強度的紫外輻射、活性粒子和高溫氣流，在利用余熱的同時，進一步激發催化劑，提高催化劑的活性，使總體效果大于兩者單獨作用之和，微波等離子體與催化劑的協同作用使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。本發明的主要特點在于微波等離子體和催化劑的協同效應，即本發明所采用的協同方法所產生的效果〉單獨的微波等離子體作用+催化劑熱分解作用。下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明圖1為本發明所述的系統的示意圖。在圖中1、待處理氣體輸入口；2、流量控制器(或閥門)，3、反應管，4、等離子體，5、催化劑床層，6、濕式吸收裝置，7、波導管，8、微波發生器。具體實施例方式比較例1考察等離子體對待處理的含PFCs廢氣的脫除效果。將待處理含PFCs氣體l經流量控制器(或閥門)2通入反應管3中，反應管3內徑約15mm，長度約500mm;微波功率為200W-800W，氣體流速為2L/min，四氟化碳濃度為2000mL/m3，在反應管中采用微波點火，產生微波等離子體，對混合氣體進行連續處理；經檢測，微波功率分別為200、400和800W時，反應進行了1小時時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待處理的含PFCs廢氣的脫除效果。將待處理含PFCs氣體l經流量控制器(或閥門)2通入反應管3中，反應管3內徑約15mm，長度約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管，反應管采用普通加熱，反應管中填充的Y-Al2O3約30mL，氣體流速為2L/min。將反應管加熱到600-900K反應后，經檢測，反應進行了1小時時CF4的總脫除效率分別為72%、90%和96%。實施例l將待處理含PFCs氣體l經流量控制器(或閥門)2通入反應管3中，反應管3內徑約15mm，長度約500mm;微波功率為200W-2000W，氣體流速為2L/min，四氟化碳濃度為2000mL/m3，在反應管中采用微波點火，產生微波等離子體，對混合氣體進行連續處理；經處理后的氣體經過填充在反應管末端的催化劑床層5進一步處理。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，經檢測，反應進行了1小時和10小時時的總脫除效率如表一所示。表200W400W800W2000W取樣時間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當添加催化劑后，去除率在各個功率下都有提高，且在小功率小即可達到很高的脫除效率，如Y-Al203催化劑與微波等離子協同作用，在400W的微波功率下，四氟化碳的脫除效率要高于單獨的等離子體方法和等離子體中微波功率為800W時的脫除率；且催化劑與等離子體協同作用時，在微波功率為800W時，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同作用的方法可以達到高效節能的目的。實施例2將待處理含PFCs氣體l經流量控制器(或閥門)2通入反應管3中，反應管3內徑約15mm，長度約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，在反應管中采用微波點火，產生微波等離子體，對混合氣體進行連續處理；經處理后的氣體經過填充在反應管末端的催化劑床層5進一歩處理。反應管中填充的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，經檢測，反應進行了1小時和10小時時的總脫除效率如表二所示。表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實施例3將待處理含PFCs氣體l經流量控制器(或閥門)2通入反應管3中，反應管3內徑約15mm，長度約500mm;微波功率為800W，氣體流速為2L/min，四氟化碳濃度為l-10000mL/m3，在反應管中采用微波點火，產生微波等離子體，對混合氣體進行連續處理；經處理后的氣體經過填充在反應管末端的催化劑床層5進一步處理。反應管中填充的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，經檢測，反應進行了1小時和10小時時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%實施例4將待處理含PFCs氣體l經流量控制器(或閥門)2通入反應管3中，反應管3內徑約15mm或50mm，長度約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，在反應管中采用微波點火，產生微波等離子體，對混合氣體進行連續處理；經處理后的氣體經過填充在反應管末端的催化劑床層5進一步處理。根據反應管大小的不同，反應管中中填充的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，經檢測，反應進行了1小時和10小時時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權利要求1、去除全氟碳化物氣體的系統，主要包括以下裝置在待處理氣體輸入口(1)處設置有一流量控制器(2)，流量控制器(2)通過管路連接到反應管(3)，在反應管(3)的內部通過微波產生等離子體(4)，按照氣體流入的方向在等離子體后部設置有催化劑床層(5)，所述的等離子體(4)由微波發生器(8)通過波導管(7)提供能量，波導管(7)和反應管(3)采用中心點直接耦合方式，由于是流動中的氣體被電離產生等離子體，等離子體為等離子體炬形，氣流經等離子體(4)處理后，再經過催化劑床層(5)反應，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)將待處理氣體經流量控制器(2)通入反應管(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，在反應管中采用微波點火，產生微波等離子體，對混合氣體進行連續處理；b)經步驟a)處理后的氣體經過填充在反應管末端的催化劑床層(5)進一步處理；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、根據權利要求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、根據權利要求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包括球型、柱狀和三葉草型。5、根據權利要求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、如權利要求l所述的去除全氟碳化物氣體的系統，其特征在于所述流量控制器(2)用閥門替代。7、如權利要求25任意一項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，在待處理氣體輸入口處設置流量控制器(或閥門)，通過管路連接到內部通過微波產生等離子體的反應管，在等離子體后部設置催化劑床層，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，是待處理氣體經流量控制器(或閥門)入反應管，微波功率200-2000W，氣體流速0.5-40L/min，四氟化碳濃度1-10000mL/m<sup>3</sup>，反應管中采用微波點火，對混合氣體進行連續處理；處理后經過填充在反應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)<sub>2</sub>溶液，溫度為常溫35度以下。本發明具有脫除效率高，能耗低的特點。文檔編號B01D53/74GK101496992SQ20091001013公開日2009年8月5日申請日期2009年1月15日優先權日2009年1月15日發明者冰孫,朱小梅,解宏端申請人:大連海事大學