CN101829487A

CN101829487A - 微波等离子体分解氟利昂无害化处理方法

Info

Publication number: CN101829487A
Application number: CN 201010198158
Authority: CN
Inventors: 孙贻超; 卢学强; 邓小文; 马建立; 邵晓龙; 刘红磊; 袁敏; 张艳华; 王哲
Original assignee: Tianjin Academy of Environmental Sciences
Current assignee: Tianjin Academy of Environmental Sciences
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2010-09-15

Abstract

本发明涉及微波等离子体分解氟利昂无害化处理方法，其特征是将氟利昂、水蒸气及载气的混合气在微波等离子体反应器中进行反应分解，并对分解产物进行吸收转化；步骤为：(1)将氟利昂、水蒸气和载气进行混合，氟利昂与水蒸气的摩尔比为1∶1-4，氟利昂的体积流量占混合气总体积流量的0.1％-10％；(2)将混合气通入微波等离子体反应器内，微波由矩型波导管传输至谐振腔，调节短路活塞使谐振腔谐振频率与微波频率一致，点火激发载气成等离子体，等离子体、水蒸气和氟利昂进行反应分解；(3)反应生成气进行洗涤吸收并分离。本发明的优点是：分解条件温和、反应完全充分、分解率高、无次生污染、节能、成本低且易于实现工业化应用。

Description

微波等离子体分解氟利昂无害化处理方法

技术领域

本发明涉及有毒有害废气处理技术领域，尤其涉及一种微波等离子体分解氟利昂无害化处理方法。

背景技术

氟利昂(CFCs)是一种工业化生产的含有氟、氯、碳、氢的化合物，曾被广泛用作致冷剂、泡沫塑料发泡剂、电子元件清洗剂、气溶胶喷射剂及灭火剂。然而，氟利昂会破坏大气臭氧层，同时也是导致全球气候变暖的温室气体之一。解决氟利昂导致的环境问题有三条途径：(1)实现氟利昂的零排放；(2)开展氟利昂替代品合成的研究；(3)将氟利昂分解转化为无害物质。现在世界上还有225万吨氟利昂存在于废旧设备中，一旦这些氟利昂未经任何处理而直接排入大气，必将使臭氧层危机更趋严重，因此，开发分解现存氟利昂的技术成了当务之急。

对于氟利昂的分解技术目前主要有焚烧法和高频等离子体分解法。焚烧法是利用燃烧热产生的高温使氟利昂分解，其在焚烧过程中可能导致出现特别危险的二次化合物。如二喔星、二氟光气、氯光气、八氟异丁烯、苯芘等等。高频等离子体分解法是利用8000～10000℃超高温下的热等离子体使氟利昂得到快速分解，其条件较为苛刻，设备成本高。由于上述原因，氟利昂的分解技术还未形成足够规模的工业化应用。

等离子体是由分别带有正、负电荷的两种粒子所组成的电中性的粒子体系。利用微波激发可电离气体放电可产生微波等离子体，保持微波持续作用于等离子体，则微波能量可维持等离子体稳定运行。

随着微波等离子体技术的发展，目前已出现微波等离子体反应器，主要包括微波发生器，内设短路活塞的矩形波导管，微波调控装置及等离子体反应器，等离子体反应器主要由石英反应管，点火电极，空气冷却装置构成。等离子体反应器的石英反应管被矩形波导管包拢部分形成谐振腔，通过调节短路活塞使谐振腔频率与微波发生器的发生频率一致，使微波能量耦合于谐振腔，点火电极激发等离子体反应器内的载气形成持续的高密度等离子体。微波等离子体的电离度高，气体具有更高的活化程度，因而能在1000-1200℃相对低的温度下获得和维持具有更高能量的等离子体。在同等能量下，微波等离子体比高频等离子体更能有效激发气体分子的电离和离解过程，激发的亚稳态活性粒子多，反应性强，不会生成新的难降解的污染物质。微波等离子体中自由电子的温度高于离子的温度，其中的化学反应具有更高的反应平衡常数，反应效率更高，因此如能将微波等离子体反应器应用于氟利昂的分解，将为氟利昂的无害化处理提供一种反应条件温和，高速高效，易于实现工业化应用的新途径。

发明内容

本发明的主要目的在于针对上述问题，提供一种分解条件温和、反应完全充分、无次生污染、节能、成本低且易于实现工业化应用的微波等离子体分解氟利昂无害化处理方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种微波等离子体分解氟利昂无害化处理方法，其特征在于将氟利昂、水蒸汽及载气的混合气在微波等离子体反应器中进行反应分解，并对分解产物进行吸收、转化，使氟利昂分解为二氧化碳和卤化氢并转化为碳酸盐和卤盐；具体工艺步骤如下：

(1)将氟利昂、水蒸汽和载气分别通入混气室进行混合，氟利昂与水蒸汽的摩尔比为1∶1-4，氟利昂的体积流量占混合气总体积流量的0.1％-10％；

(2)将混合气由混气室出气口经由微波等离子体反应器的石英反应管的进气口通入管内，开启微波发生器，微波由矩型波导管传输至谐振腔，调节短路活塞使谐振腔的谐振频率与微波发生器的频率一致，点火激发载气形成等离子体，等离子体、水蒸汽和氟利昂进行反应分解，产生反应生成气；

(3)反应生成气由石英反应管出气口通入冷却洗涤吸收装置，由氢氧化钠溶液进行洗涤吸收形成吸收液；吸收液中再加入氯化钙得到分离回收的氟化钙、碳酸钙。

所述微波发生器的输出功率为0.5～5kW连续可调，微波的频率为2.45GHz。

所述载气为氩气或氮气。

本发明的设计思想是利用微波等离子体分解氟利昂代替传统的焚烧法和高频等离子体分解法。如图1-图2所示，本发明采用的微波等离子体反应器A主要包括微波发生器4、微波调控装置3，矩形波导管2及等离子体反应器1，等离子体反应器1由针状点火电极11，竖直设置的石英反应管14，环绕石英反应管的空气冷却夹套13构成，石英反应管14的上封盖121上设有进气口16，用于通入氟利昂、水蒸气及载气的混合气，下封盖122上设有出气口15，用于引出反应生成气；点火电极11通过与上封盖121螺纹连接插入石英反应管中，可以上下自由移动以调节在管内的高度。等离子体反应器1在位于矩形波导管2的中心位置垂直贯穿矩形波导管2的上下宽面，石英反应管14被矩形波导管2包拢的部分形成谐振腔5；矩型波导管一端通过微波调控装置3连接微波发生器4，另一端设置短路活塞6。空气冷却夹套13用于在工作时从冷却空气进口131吹入冷却空气并从冷却空气出口132吹出，确保等离子体反应器在大功率高温状态下及时散热，正常工作。微波等离子体反应器工作原理为：微波发生器4产生的微波经微波调控装置3由矩型波导管2导入谐振腔5，通过调节短路活塞6，使谐振腔5的谐振频率与微波发生器4的发射频率一致，使微波能量耦合于谐振腔，在微波谐振作用下，点火电极11伸至谐振腔5激发等离子体反应器内的载气形成持续的高密度等离子体，密度约为1012-1015/cm3；等离子体、水蒸汽和氟利昂进行反应分解。

本发明的有益效果是：微波等离子体的电离度高，气体具有更高的活化程度，因而能在相对低的温度下获得和维持具有更高能量的等离子体。微波等离子体对气体的电离和离解程度高，氟利昂分解率达到99％以上；与焚烧法相比，具有反应完全、无次生污染的优势，与高频等离子体分解法相比，其反应温度在1000-1200℃，远低于高频等离子体分解法的超高温，分解条件温和并具有设备成本低和节能优势；易于实现工业化应用。

附图说明

图1是微波等离子体反应器的结构示意图；

图2是等离子体反应器与矩形波导相对位置示意图；

图3是微波等离子体分解氟利昂无害化处理方法流程图。

以下结合附图和实施例对本发明详细说明。

具体实施方式

以下实施例中，微波发生器型号为2M210F，输出功率为0.5～5kW连续可调，微波的频率为2.45GHz。石英反应管的内径为50mm；混合气的总体积流量为0.5-5L/min。

实施例1

应用本发明提供的微波等离子体分解氟利昂无害化处理方法对市售氟利昂-12(R-12，即二氟二氯甲烷CCl₂F₂)进行无害化处理，其特征在于将氟利昂-12、水蒸汽及作为载气的氩气混合气在微波等离子体反应器中进行反应分解，并对分解产物进行吸收、转化，使氟利昂分解为二氧化碳和卤化氢并转化为碳酸盐和卤盐；图3示出了微波等离子体分解氟利昂无害化处理方法流程，该处理系统主要包括原料气混合用混气室、微波等离子体反应器A，冷却洗涤吸收装置及过滤池，混气室的出气口与微波等离子体反应器A的进气口连接，微波等离子体反应器A的反应生成气出气口与冷却洗涤吸收装置的反应生成气进气口连接、冷却洗涤吸收装置的吸收液出液口与过滤池连接。

具体工艺步骤如下：

(1)将氟利昂-12、水蒸汽和氩气分别通入混气室进行混合，氟利昂-12和氩气、水蒸汽混合后总体积流量为5L/min，氟利昂-12与水蒸汽的摩尔比为1∶4，氟利昂-12的体积流量占混合气总体积流量的0.1％，即其体积流量为0.005L/min；水蒸汽的质量流量为0.016g/min，氩气体积流量为4.975L/min，本例中，氟利昂-12和氩气分别由体积流量计控制进入混气室；水由质量流量计控制进入蒸汽发生器，蒸汽发生器产生的水蒸汽进入混气室与氟利昂和载气进行充分混合；上述蒸汽发生器是一个输出功率为0.3-3kw的连续可调的加热锅，开始时锅内不加水，直接加热，由质量流量计控制进水量，根据进水量选择合适的加热功率，使加入的水完全汽化。

(2)将混合气由混气室出气口经由微波等离子体反应器1的石英反应管14的进气口16通入管内；开启微波发生器4，产生频率为2.45GHz的微波并由矩型波导管2传输至等离子体反应器内的谐振腔5，调节短路活塞6使谐振腔5的谐振频率与微波发生器的频率一致，使微波能量耦合于谐振腔；在微波谐振作用下，调节点火电极11下端至谐振腔5中放电，激发氩气使之形成持续的高密度等离子体；反应管内温度在1000-1100℃，氟利昂-12和水蒸汽与等离子体进行反应并分解，产生包含HCl、HF和CO₂的反应生成气；点火完成后，调节点火电极11的高度使其离开谐振腔，以免高温烧灼损坏。

(3)反应生成气由石英反应管输出口15通入冷却洗涤吸收装置，由质量浓度为10％的氢氧化钠溶液进行洗涤吸收形成吸收液；上述冷却洗涤吸收装置为填料吸收塔，塔顶设置喷头，塔中设填料段进行气液传质与传热，填料可以是散堆填料或规整填料，等离子体反应器出来的反应生成气由填料塔下部通入，氢氧化钠溶液由塔顶喷头喷淋，反应生成气经过冷却洗涤吸收后的废气由塔顶排空，塔底输出的吸收液通入内装氯化钙溶液的过滤池，生成氟化钙、碳酸钙及NaCl等对环境无害的物质。并可进行回收再利用。

经气相色谱法分析填料吸收塔顶排放废气中氟利昂-12的浓度，氟利昂-12分解率达到99.1％。

实施例2

应用本发明提供的微波等离子体分解氟利昂无害化处理方法，对市售氟利昂-13(R-13，即三氟一氯甲烷CClF₃)进行无害化处理。

本实施例与实施例1的不同点是：载气改为氮气，氟利昂-13和氮气、水蒸汽混合后总体积流量为0.5L/min，氟利昂与水蒸汽的摩尔比为1∶1，氟利昂-13的体积流量占混合气总体积流量的10％，即其体积流量为0.05L/min；水蒸汽的质量流量为0.16g/min，氮气体积流量为0.4L/min，反应管内温度在1000-1120℃；本例工艺过程、其他操作条件及测试方法均同实施例1。本例中，氟利昂-13分解率达到99.9％。

实施例3

应用本发明提供的微波等离子体分解氟利昂无害化处理方法，对市售氟利昂-22(R-22，即二氟一氯甲烷CHClF₂)进行无害化处理。

本实施例与实施例1的不同点是：载气改为氩气，氟利昂-22和氩气、水蒸汽混合后总体积流量为3L/min，氟利昂-22与水蒸汽的摩尔比为1∶3，氟利昂-22的体积流量占混合气总体积流量的5％，即其体积流量为0.15L/min，水蒸汽的质量流量为0.48g/min，反应管内温度在1000-1160℃；氩气体积流量为2.4L/min；本例工艺过程、其他操作条件及测试方法均同实施例1。本例中，氟利昂-22的分解率达到99.6％。

以上所述，仅是本发明的优选实施例而已，并非对发明作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种微波等离子体分解氟利昂无害化处理方法，其特征在于将氟利昂、水蒸汽及载气的混合气在微波等离子体反应器中进行反应分解，并对分解产物进行吸收、转化，使氟利昂分解为二氧化碳和卤化氢并转化为碳酸盐和卤盐；具体工艺步骤如下：

2.根据权利要求1所述的微波等离子体分解氟利昂无害化处理方法，其特征在于所述微波发生器的输出功率为0.5～5kW连续可调，微波的频率为2.45GHz。

3.根据权利要求1或2所述的微波等离子体分解氟利昂无害化处理方法，其特征在于所述载气为氩气或氮气。