CN109821373A - 一种等离子体废气处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子体废气处理装置及方法，属于废气处理技术领域。等离子体废气处理装置包括热反应系统、进气系统、降温系统、多级净化洗涤系统、排气系统和液体循环系统，结构紧凑、安全可靠。等离子体废气处理方法为待处理废气由进气系统进入热反应系统中进行高温裂解反应，然后进入降温系统进行急冷和初步净化；再进入多级洗涤系统进行多次洗涤净化；最后在引风机的作用下经过脱水层由烟囱排出。废气经高温裂解、降温和初步净化、多级净化的步骤显著提高了净化速度，该方法可处理的废气包括全氟化物、易燃物、腐蚀与毒物等，净化彻底，安全可靠。

Description

一种等离子体废气处理装置及方法

技术领域

本发明涉及废气处理技术领域，特别涉及一种等离子体废气处理装置及方法。

背景技术

集成电路产业发展已上升为国家战略，关乎国防科技、国家安全等国计民生等方方面面。集成电路产业的高速增长，背后所隐藏的工业污染问题也日益受到重视。在集成电路制造过程中必须使用大量的易燃性、腐蚀性或高毒性的化学原料，在集成电路制造过程中化学原料的利用率均被设定在一个非常低的比例。如此，在集成电路制造过程中未完全反应的残余化学原料、反应副产物、原料槽中蒸发的有害蒸汽均由尾气收集系统排入风管中，大部分的尾气均直接输送至中央尾气处理系统(Central Scrubber Systems)加以处理；少数高危特殊气体经过局部尾气处理系统(Local Scrubber Systems)处理成较为稳定的成份，再输送至中央尾气处理系统做进一步的处理。

集成电路制造产线主要分区为扩散、黄光、刻蚀和薄膜四大区，每个区的制造工艺特性与使用的原料、副产物与机台各不相同，尾气的性质也有明显的不同。黄光区主要是有机原料和副产物，尾气可直接输送至中央尾气处理系统加以处理。扩散、刻蚀和薄膜区使用或生产大量的易燃性、腐蚀性或高毒性的化学原料和副产物。腐蚀性，如HBr、HF、HCl等；毒性，如Cl₂等；全氟化物，如CF₄、C₂F₆、CHF₃、NF₃、SF₆、C₄F₈、CxClyFz等。有些化合物分子结构十分稳定、对人体不会造成危害，但有些会对人体造成非常大的危害，必须进行严格处理。此部分的气体必须在工艺机台边上的局部尾气处理系统进行先期处理，再输送至中央尾气处理系统做进一步的处理。

另外，包括特种气体存放柜、特种气体汇流处等紧急排气系统排放的尾气，也必须通过局部尾气处理系统进行先期处理，再输送至中央尾气处理系统做进一步的处理。

集成电路制造工艺的局部尾气处理系统，常用方法有干式吸附法、湿洗法、电热湿洗法、燃烧湿洗法。干式吸附法采用吸附剂吸附，效率低；湿洗法只适用于易溶于水的气体；电热湿洗法温度只有800～1100℃，只能处理NF₃此类不稳定的氟化物；燃烧湿洗法温度可达1600℃，可处理部分全氟化物，对于分子结构十分稳定的全氟化物处理能力有限，且燃烧湿洗法需要通入CH₄、C₃H₈和O₂等燃烧气体，燃烧后会生产温室效应气体CO₂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种结构紧凑，安全可靠的等离子体废气处理装置。本发明的另一个目的是提供一种废气处理方法，实现全氟化物、易燃物、腐蚀与毒物等的高效率去除。

为实现本发明目的之一的技术方案是：

一种等离子体废气处理装置，包括：

热反应系统，所述热反应系统包括等离子体发生器和等离子体反应器，所述等离子体发生器产生的热等离子体射流进入等离子体反应器后对等离子体反应器内的废气进行净化处理；

进气系统，所述进气系统安装在所述等离子体反应器的顶部，废气由进气系统进入所述等离子体反应器内；

降温系统，所述降温系统包括立桶和降温塔，所述立桶的上端与等离子体反应器的出气口相连，所述立桶的下端与降温塔的进气口相连；所述降温塔对气体进行降温和洗涤处理；

多级净化洗涤系统，所述多级净化洗涤系统包括连通管和涤气塔，所述连通管的进气口与所述降温塔出气口相连，所述连通管的出气口与所述涤气塔的进气口相连；所述涤气塔对气体进行净化、洗涤和脱水处理；

排气系统，所述排气系统与所述涤气塔的顶部出气口相连，经多级净化洗涤后的气体由所述排气系统排出；

液体循环系统，包括设置在所述降温系统和多级净化洗涤系统外围的管道系统和设置在所述降温系统和多级净化洗涤系统底端的贮液槽；所述管道系统为降温和洗涤提供喷淋液，所述贮液槽用来收集和储藏可循环使用的喷淋液。

优选地，所述等离子体反应器包括由内到外依次设置的热解反应腔、密封腔和循环水冷却腔；

热等离子体射流在所述热解反应腔内与废气进行高温裂解反应；

所述密封腔的内壁为微孔板结构，所述密封腔的顶端设有进气装置，空气或氧气经进气装置进入所述密封腔后，在微孔板内表面形成气膜；

所述循环水冷却腔内的循环水对等离子体反应器进行降温。

更优选地，所述进气系统包括设置在所述密封腔顶端的进气法兰，进气管连通所述进气法兰与鼓风机，所述进气管上安装有阀门和流量计。

优选地，所述热解反应腔底端与立桶顶端相连，所述热解反应腔顶端直径大于所述立桶底端直径。

优选地，所述进气系统包括进气装置和多路进气管；所述进气装置设置在等离子体发生器与等离子体反应器之间；所述进气装置呈上下不完全对称的两圆锥台状，沿上圆锥台的周向设有多个旋风喷嘴，所述多个旋风喷嘴的上端与对应的进气管连通，所述多个旋风喷嘴的下端与所述热解反应腔连通；所述进气装置的中心处设有等离子体喷射孔，所述等离子体喷射孔上端与所述等离子体发生器连通，下端与所述热解反应腔连通。

优选地，所述降温塔包括设置在内部的多个喷淋头和冷却板，所述喷淋头内喷洒出喷淋液对高温气体进行喷淋降温和净化，所述喷淋液喷洒方向与高温气体流动方向相反，所述冷却板使高温气体在所述降温塔内进行充分的气液传质；所述降温塔底部设有降温出水口，所述降温出水口与贮液槽相连。

优选地，所述连通管内设有第一级喷淋组件；所述涤气塔内从下至上依次设有第一填料层、第二级喷淋组件、第二填料层、第三级喷淋组件和脱水层；所述喷淋组件包括多个喷淋头，所述喷淋头喷洒出喷淋液对气体进行喷淋降温和净化，所述喷淋液喷洒方向与高温气体流动方向相反，所述填料层使气体在所述降温塔内进行充分的气液传质。

优选地，所述管道系统包括液体管道、液体循环泵和热交换器；降温系统外围的液体管道一的一端连接喷淋头，另一端经液体循环泵一和热交换器连接贮液槽；多级净化洗涤系统外围的液体管道二的一端连接第一喷淋组件和第二喷淋组件，另一端经循环泵二连接贮液槽。

优选地，所述排气系统包括设置在涤气塔顶部的烟囱和设置在所述烟囱上方的引风机，经多级净化洗涤系统处理过的气体通过引风机由烟囱排出。

为实现本发明另一目的的技术方案是：

一种等离子体废气处理方法，包括如下步骤：

(1)用热等离子体射流在热解反应腔内对废气进行高温裂解净化处理；

(2)在降温塔内对经高温裂解净化后的气体进行急冷和初步洗涤；

(3)在涤气塔内对经初步洗涤后的气体进行多次洗涤，去除废气中的微粒与可溶性气体；

(4)将经多次洗涤后的气体进行脱水，再由排气系统排出。

本发明提供的等离子体废气处理装置，多路进气管均匀布置在等离子体反应腔的上端，等离子体发生器通过进气装置布置在等离子体反应腔的顶端，等离子体反应腔的底部连接在立桶上，立桶的底部有降温塔，降温塔与连通管相通，将气体引入涤气塔。先后经降温塔急冷降温、第一级喷淋、第二级喷淋和第三级喷淋，可有效降温气体及净化气体。降温喷淋和第一级、第二级喷淋的水由独立的贮液槽通过循环泵提供，第三级喷淋的水从外部接入城市用水。等离子体反应腔的外部分布有循环水冷却腔以降低设备本身的温度，使之恒温工作。等离子体反应腔的倒锥形斗壁内还设有一层微孔板，两者之间形成密封腔，通过鼓风机泵入新鲜空气/氧气，形成“气膜”结构，可对设备表面起到防尘、防腐和自洁的功效。进气装置为两不完全对称的圆锥台状，上圆锥台沿周向均布有一组旋风喷嘴，中心处有一等离子体喷射通孔，可以使得工业废气与等离子体火炬直接接触，瞬间裂解，提高反应效率。等离子体反应腔的外部在多路进气管处可以接入旁通阀，如果设备出现紧急故障，可自动关闭。降温塔内设有冷却板，涤气塔内设有填料层，可使气液传质充分，提高气液混合的效果，使得气体和液体充分接触，提高降温及净化效果。涤气塔内还设有脱水层，脱水层起分离气液的作用，用于降低废气的湿度，从而避免影响后续配套设备。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

(1)本发明采用热等离子体炬处理技术，产生的热等离子射流最高温度可达16000摄氏度，在此高温下加热所述热解反应腔至高温，待处理的废气被分解为原子或离解为带电粒子，且存在大量的离子、自由基和活性分子，能将所述待处理废气迅速热分解或氧化掉，变成无害产物或容易处理的物质。进气装置内旋风喷嘴的设计使废气与等离子体炬充分接触，使反应更加充分，呈流动态气流的形式亦有自洁功效。

(2)本发明采用了降温系统，对高温尾气进行急骤降温冷却，起到防爆、除尘、洗涤的作用，还可以起到保护后续设备的作用。降温装置中设置有冷却板及数个喷淋头，可有效急冷尾气、去除粉尘及水溶性气体。

(3)本发明采用了多级净化洗涤系统，采用多级水洗，并使气液两相互成逆流，同时还采用了填料层布液装置，使所述尾气和洗涤液充分接触，可以起到有效净化的效果。

(4)本发明的等离子体反应器采用了“气膜”结构，可以等离子体反应器设备使用寿命，还可使等离子体反应器内表面达到防尘、防腐和自洁功效。

(5)本发明的降温塔内设有冷却板，涤气塔内设有填料层，可使气液传质充分，提高气液混合的效果，使得气体和液体充分接触，提高降温及净化效果。涤气塔内还设有脱水层，脱水层起分离气液的作用，用于降低废气的湿度，从而避免影响后续配套设备。

总体来说，废气经热反应系统高温裂解后，进入降温系统进行急冷降温，有效保护后续设备和初步去除粉尘及水溶性气体，降温后的气体进入多级洗涤系统进行进一步的清洗，确保气体净化完全，在引风机的作用下经过脱水层由烟囱排出。通过高温裂解和多级净化降解工业废气等污染性气体，显著提高了气体净化速度，净化更彻底，提高了工作效率，适用范围广泛，安全可靠，可处理的废气包括全氟化物(如NF₃、SF₆、CF₄、C₂F₆、C₃F₈等)、易燃物(如SiH₄、SiCl₂H₂、Si(OC₂H₅)₄、H₂、PH₃等)、腐蚀与毒物(BCl₃、Cl₂、HF、HCl、NH₃等)等，具有处理彻底的优点。

附图说明

图1为本发明实施例中等离子体废气处理装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中进气装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中等离子体废气处理方法流程图。

附图标记说明：1、等离子体发生器；2、进气装置；201、进气管；202、旁通阀；203、旋风喷嘴；3、等离子体反应器；301、热解反应腔；302、斗壁；303、微孔板；304、密封腔；305、进出水口；306、循环水冷却腔；307、进气法兰；308、进气管；309、流量计；310、阀门；311鼓风机；4、降温塔；401、立桶；402、进气口；403、壳体；404、降温腔；405、喷淋头；406、冷水板；407、出水口；408、降温出气口；409、管道系统一；410、液体循环泵一；411、热交换器；412、贮液槽；4120、左腔室；4121、右腔室；413、出水管；414、排污口；415、进水法兰；416、管道；417、阀；418、排水泵；5、涤气塔；501、连通管；502、管道系统二；503、液体循环泵二；504、第一级喷淋组件；505、第一填料层；506、第二级喷淋组件；507、第二填料层；508、第三级喷淋组件；509、脱水层；510、出气口；6、排气系统；601、烟囱；602、引风机。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和具体实施例进行详细描述。

本发明提供的等离子体废气处理装置，包括有热反应系统、进气系统、降温系统、多级净化洗涤系统、排气系统和液体循环系统。

热反应系统包括作为热源的等离子体发生器和等离子体反应器。等离子体发生器安装在进气装置的上端凹面中央处，进气装置布置在等离子体反应器的顶部中心位置。等离子体反应器包括壳体、中空结构的呈漏斗状的热解反应腔和设置在所述热解反应腔外层的循环水冷却腔，两个腔体由斗壁隔开，斗壁内侧还安装有由微孔板形成的内斗壁，斗壁与所述微孔板之间有密封腔，用以形成“气膜”。等离子体发生器产生热等离子体射流(等离子体炬)加热所述热解反应腔，热解反应腔自热源元件等离子体发生器吸收热能而变成一热体型式的反应能量来源，促使腔内废气发生高温裂解。

等离子体发生器为非转移弧直流等离子炬，采用氮气或氧气等作为等离子体工作气体，利用电弧放电产生最高可达16000℃的热等离子体射流，在此高温下加热所述热解反应腔至高温，待处理的工业废气被分解为原子或离解为带电粒子，且存在大量的离子、自由基和活性分子，能将所述待处理废气迅速热分解或氧化掉，变成无害产物或容易处理的物质。

等离子体发生器安装时形成对心喷射结构，使所述等离子体炬轴线沿所述热解反应腔的中心垂直线布置。作为类似技术，等离子体发生器的使用个数还可以为多个。

呈漏斗状的热解反应腔，使得气体在进出口处形成一定的压差，从而增大气体流速，提高反应效率。作为类似技术，所述热解反应腔也可以设计成倒锥状结构；作为类似技术，所述热解反应腔还可以设计成圆柱状结构，但是将与之相通的所述立桶设计成漏斗状结构。

斗壁与所述微孔板之间有密封腔，所述等离子体反应器的顶盖上具有与进气管相连通的进气法兰，所述进气法兰与密封腔连通。进气管连接鼓风机进口，新鲜空气/氧气通过鼓风机，通过控制气体流量的阀，通过流量计，通过进气法兰鼓入密封腔。流量计和阀用于调节控制空气/氧气流量。采用上述技术方案后，通过向密封腔鼓入新鲜空气/氧气，气体穿过微孔板上的微孔后在微孔板的内表面形成气膜，即可防止微孔板上粘附固体粉末。在固体成分伴随工业废气F进入热解反应腔内的情况下或在热解反应腔内热分解工业废气时固体成分为副产物的情况下，由于气膜的存在，即可防止微孔板上粘附固体粉末，具有防尘、防腐、自洁的作用，在有腐蚀性气体、粉尘等恶劣环境中，可有效提高设备使用寿命。

此外，适当补充空气/氧气还可以起到助燃和提高裂解转化效率的效果。相较于传统的依靠液体沿着腔壁下流，即“湿壁”形式的防尘可避免液体对腔壁的长期直接冲刷磨损，提高设备使用寿命。

在等离子体反应器的外壳上相对两侧设置有进出水口，通过管道外接循环冷却水供应装置，向所述循环水冷却腔循环持续供水，用来对所述热解反应器的外壳以及斗壁进行降温，避免其因长期直接暴露于高温而劣化，以延长其使用寿命。

进气系统包括一进气装置、多路进气管。进气装置设置在等离子体反应器的上方，进气装置呈上下不完全对称的两圆锥台状，上圆锥台沿周向设有一组与热解反应腔相通的一组旋风喷嘴，所述进气装置中心处设有一等离子体喷射通孔，其下圆锥台为一中空结构。等离子发生器以能够从等离子体喷射通孔朝向等离子体反应器的热解反应腔喷射热等离子射流的方式安装在进气装置的上端凹面中央处。旋风喷嘴可设置4个、6个或更多，形成均布状态一组。

由于极高温区(16000℃)集中于等离子体炬中心，工业废气与等离子体火炬直接接触为设计重点。为此，所述旋风喷嘴，不正对所述热解反应腔的中心垂直线，与热解反应腔的中心垂直线呈一定的夹角，同时向下有所倾斜。

多路进气管与气源连通并带有旁通阀，检修装置或者装置出现故障的时候，可以将气体旁通到其他相关备用装置。

降温系统的主要作用为喷淋降温、防爆、除尘、洗涤。降温系统包括立桶和降温塔，立桶的上端口与热解反应器的出气口相连，所述立桶的下端口与降温塔的进气口相连通。所述降温塔包括壳体和液体循环机构，壳体具有降温腔，壳体上设有与降温腔连通的降温进气口、降温出气口和降温出水口，降温腔内从降温进气口至降温出水口设有多个冷却板。冷却板使高温尾气在降温区内气液传质充分，从而进行更有效的喷淋降温，提高降温效率。

降温腔内的中间和上部及底部侧边分别设有喷淋头，一方面可使废气更充分地与喷淋液接触，提高降温及净化效果，另一方面可洗涤粘附在冷却板上的尘粒，达到自动清洗冷却板的效果，无需频繁取出清洗，省时省力。作为优选，喷淋头为SuS304材质不堵塞螺旋喷头，冷却板的材质为多孔的氧化铝陶瓷，可以理解，不限于此，可根据需要选择。

多级净化洗涤系统包括所述连通管、涤气塔。所述连通管的进口端与所述降温出气口连通，所述连通管的出口端连通所述涤气塔的进气口。所述连通管内设置有第一级喷淋组件。所述涤气塔具有一容纳腔，在所述容纳腔内由下至上顺次设置了第一填料层、第二级喷淋组件、第二填料层、第三级喷淋组件、脱水层。

液体循环系统，包括设置在降温系统和多级净化洗涤系统外围的管道系统和设置在降温系统和多级净化洗涤系统底端的贮液槽；管道系统为降温和洗涤提供喷淋液，贮液槽用来收集和储藏可循环使用的喷淋液。管道系统包括液体管道、液体循环泵和热交换器；降温系统外围的液体管道一的一端连接喷淋头，另一端由液体循环泵一和热交换器连接贮液槽；多级净化洗涤系统外围的液体管道二的一端连接第一喷淋组件和第二喷淋组件，另一端由循环泵二连接贮液槽。

如此，可通过液体循环泵一，从贮液槽抽取喷淋液，送入管道系统，然后通过数个喷淋头进行喷淋降温，废气中含有的粉尘和易溶于水气体经过此水洗降温装置后，与水结合掉落到装置底部并顺着水流经出水口冲洗到贮液槽中，如此循环，回收利用喷淋液，从而减少喷淋液的消耗量，降低成本。管道系统上设置有热交换器，以便将贮液槽内的喷淋液保持在规定温度。

贮液槽中间设置一滤网，将贮液槽分为左右腔室，用于防止贮液槽腔室中的废渣进入腔室中，从而进入多级净化洗涤系统。

喷淋组件主要为尾气进一步冷却、除尘、净化提供喷淋液，它包括数个雾化喷淋头，管道系统和循环泵，管道系统一端与贮液槽连通，另一端与第一级喷淋组件和第二级喷淋组件连通，循环泵设于管道系统上。所述循环泵二从所述贮液槽中抽取液体并通过管道系统分别输送给第一级喷淋组件、第二级喷淋组件的相应喷淋头，形成喷雾，以水雾冷却尾气并去除生成的固体微粒及与水发生反应之反应性气体。第三级喷淋组件的水来自于外接的干净的水，以使净化完全。所述尾气中的微粒和水溶性气体随水流通过所述涤气塔的进气口流出，顺着连通管经降温出水口排至贮液槽。如此，可回收利用喷淋液，从而减少喷淋液的消耗量，降低成本。

填料层内的填料作为布液装置，使废气和洗涤液充分接触，以保证气液混合洗涤效果。可选地，净化填料层填充有多面空心填料、鲍尔环填料和/或阶梯环填料，具有气流阻力小、液体分布均匀等特点，可以理解，不限于此，可根据需要选择。

涤气塔内还设有脱水层，脱水层位于涤气塔出气口和第三喷淋组件之间。脱水层起分离气液的作用，用于降低废气的湿度，从而避免影响后续配套设备和节约喷淋液。可选地，脱水层为波纹板材料，可以理解，不限于此，也可以是其他可以除雾的材料。

贮液槽的喷淋液需定期进行处理，才能继续回用。贮液槽底部一侧设有一个排污口，方便定期对贮液槽进行清洗，还设有一加速排水通道，所述排水通道包括管道，设置在管道上的阀和排水泵，可通过排水管道及阀和排水泵根据情况进行排液。贮液槽内还设有浮球开关，通过浮球开关可控制贮液槽的水位。此外，贮液槽根据需要设置有检测和观察窗口。

贮液槽的喷淋液可用自来水，也可配备搅拌桶溶解酸或碱药剂并通过蠕动泵按一定流速通过设置在贮液槽顶盖上的进水法兰添加到贮液槽中，随循环用水喷淋，根据具体的污染气体成分有针对性地选择药剂类型。

排气系统包括一引风机和烟囱。所述涤气塔的顶部出气口连通所述烟囱的进气口，烟囱的进气口上方处安装有引风机。经多级水洗净化后的尾气，经脱水层，从涤气塔的顶部出气口进入所述烟囱的进气口，通过引风机由烟囱排出，进入中央尾气处理系统或后续处理设备。其整体的运作是由引风机提供所必须的能量，使所述高温尾气产生流动，并传输至后续处理装置，以消除气体中所含的有害物质，再排放至进入中央尾气处理系统。

进气系统、热反应系统、降温系统、多级净化洗涤系统、排气系统依次相连。

等离子体处理废气装置内壁都涂有防腐材料，所述防腐材料为铁氟龙。

一种等离子体处理废气的方法，包括以下步骤：

(1)等离子发生器在外接电场作用下产生热等离子体射流(等离子火炬)，并射入等离子体反应器的热解反应腔，将待处理的工业废气通过一组进气管经相对应的一组旋风喷嘴导入等离子体反应器的热解反应腔，进行高温裂解净化处理，将所述工业废气迅速分解或氧化掉，变成无害产物或容易处理的物质，该步骤为整套净化技术的核心。

(2)将经过所述高温裂解净化处理后的高温尾气经一立桶通入降温塔，对高温尾气进行急冷并进行初步洗涤，其主要作用为喷淋降温、防爆、除尘、洗涤。废气中含有的粉尘和易溶于水气体经过此水洗降温装置后，与水结合掉落到装置底部并顺着水流冲洗到贮液槽中。

(3)将经过降温系统降温洗涤后的尾气通入多级净化洗涤系统。经过降温装置降温洗涤后的气体由降温出气口排出，后经连通管通入一涤气塔，并以串联的方式顺次通过第一填料层、第二级喷淋组件、第二填料层、第三级喷淋组件，藉由洗涤处理再次进行去除微粒和水溶性气体，以达到彻底净化的目的。

(4)随后经净化后的所述尾气经脱水层，通过引风机经烟囱排送。脱水层起分离气液的作用，用于降低废气的湿度，从而避免影响后续配套设备。

步骤(3)中，所述连通管中设有第一喷淋组件，第一喷淋组件的喷射方向与所述尾气进入方向相逆，气液两相互成逆流，可以起到净化充分的效果。

步骤(3)中，所述尾气由涤气塔的底部进气口进入，自下而上地通过所述填料层的填料间隙，喷淋液经所述喷淋装置自上而下喷射并自上而下的沿填料表面向下流动，整个填料表面被液体润湿，气液两相互成逆流在填料表面进行充分接触和净化。

第一级喷淋和第二级喷淋的喷淋液由贮液槽通过液体循环泵提供，第三级喷淋的水从外部接入城市用水，以确保净化完全。贮液槽中的喷淋液可用自来水，也可配备搅拌桶溶解酸或碱药剂并通过蠕动泵按一定流速通过进液法兰添加到贮液槽中，随循环用水喷淋，可根据具体的污染气体成分有针对性地选择药剂类型。

上述方法可处理的废气包括全氟化物(如NF₃、SF₆、CF₄、C₂F₆、C₃F₈等)、易燃物(如SiH₄、SiCl₂H₂、Si(OC₂H₅)₄、H₂、PH₃等)、腐蚀与毒物(BCl₃、Cl₂、HF、HCl、NH₃等)等，，具有处理彻底等优点。

实施例1

参见图1所示，一种实现所述方法的等离子体处理废气装置，包括有热反应系统、进气系统、降温系统、多级净化洗涤系统、排气系统。其中：

所述热反应系统包括一作为热源的等离子体发生器1和一等离子体反应器3。所述等离子体发生器1安装在一进气装置2的上端凹面中央处，进气装置2布置在所述等离子体反应器3的顶部中心位置。等离子体反应器3包括壳体302、中空结构的呈漏斗状的热解反应腔301和设置在所述热解反应腔301外层的循环水冷却腔306，所述两个腔体由一层斗壁302隔开，所述斗壁302内侧还安装有由微孔板303形成的内斗壁，所述斗壁302与所述微孔板303之间有密封腔304，用以形成“气膜”。所述等离子体发生器1产生热等离子体射流101(等离子体炬)加热所述热解反应腔301，所述热解反应腔301自热源元件等离子体发生器1吸收热能而变成一热体型式的反应能量来源，促使腔内废气发生高温裂解。所述等离子体反应器3的底壁中心位置设有一通孔，所述通孔与一立桶401的上端口相通，工业废气F在所述热解反应腔301被高温裂解后的得到的高温尾气G通过所述立桶401进入所述降温系统4。

等离子体发生器1为非转移弧直流等离子炬，采用氮气或氧气等作为等离子体工作气体，利用电弧放电产生最高可达16000℃的热等离子体射流，在此高温下加热所述热解反应腔301至高温，待处理的工业废气F被分解为原子或离解为带电粒子，且存在大量的离子、自由基和活性分子，能将所述工业废气F迅速热分解或氧化掉，变成无害产物或容易处理的物质。

等离子体发生器1安装时形成对心喷射结构，使所述等离子体炬轴线沿所述热解反应腔4的中心垂直线布置。作为类似技术，等离子体发生器1的使用个数还可以为多个。

呈漏斗状的热解反应腔301，使得气体在进出口处形成一定的压差，从而增大气体流速，提高反应效率。作为类似技术，所述热解反应腔301也可以设计成倒锥状结构；作为类似技术，所述热解反应腔301还可以设计成圆柱状结构，但是将与之相通的所述立桶401设计成漏斗状结构。

斗壁302与所述微孔板303之间有密封腔304，所述等离子体反应器3的顶盖上具有与进气管308相连通的进气法兰307，所述进气法兰307与密封腔304连通。进气管308连接鼓风机311进口，新鲜空气/氧气K通过鼓风机311，通过控制气体流量的阀310，通过流量计309，通过进气法兰307鼓入密封腔304。流量计309和阀310用于调节控制空气/氧气K流量。采用上述技术方案后，通过向密封腔304鼓入新鲜空气/氧气，气体穿过微孔板303上的微孔后在微孔板的内表面形成气膜，即可防止微孔板上粘附固体粉末。在固体成分伴随工业废气F进入热解反应腔301内的情况下或在热解反应腔内热分解工业废气F时固体成分为副产物的情况下，由于气膜的存在，即可防止微孔板303上粘附固体粉末，具有防尘、防腐、自洁的作用，在有腐蚀性气体、粉尘等恶劣环境中，可有效提高设备使用寿命。总之，采用气膜这一方案，热解反应腔301中存在的有腐蚀性的气体、粉尘就不会侵入设备内部且不会与被气膜覆盖的物体表面接触，从而达到防腐和防尘的目的，另一方面，呈流动态的气流对保护设备表面亦有自洁功效。

此外，适当补充空气/氧气还可以起到助燃和提高裂解转化效率的效果。相较于传统的依靠液体沿着腔壁下流，即“湿壁”形式的防尘可避免液体对腔壁的长期直接冲刷磨损，提高设备使用寿命。

在等离子体反应器3的外壳上相对两侧设置有进出水口305，通过管道外接循环冷却水供应装置，向所述循环水冷却腔306循环持续供水，用来对所述热解反应器3的外壳以及斗壁进行降温，避免其因长期直接暴露于高温而劣化，以延长其使用寿命。

进气系统包括一进气装置2、多路进气管201。所述进气装置2设置在所述等离子体反应器3的上方，如图2所示，所述进气装置2呈上下不完全对称的两圆锥台状，上圆锥台沿周向设有一组与所述热解反应腔301相通的一组旋风喷嘴203，所述进气装置2中心处设有一等离子体喷射孔204，其下圆锥台为一中空结构。所述等离子发生器1以能够从所述等离子体喷射孔204朝向等离子体反应器3的热解反应腔301喷射热等离子射流101的方式安装在进气装置2的上端凹面中央处。所述旋风喷嘴203可设置4个、6个或更多，形成均布状态一组。

因极高温区(16000℃)集中于等离子体炬101中心，工业废气F与火炬直接接触为设计重点。为此，所述旋风喷嘴8，不正对所述热解反应腔301的中心垂直线，与所述热解反应腔301的中心垂直线呈一定的夹角，同时向下有所倾斜。工业废气F沿所述多路进气管201经过相对应的旋风喷嘴203进入所述热解反应腔301，所述工业废气F喷射在所述等离子体炬101火焰中心加热区，可使得大部分的所述工业废气F瞬间裂解，同时形成一股向下倾斜并绕中心旋转的旋流风，结合漏斗形的热解反应腔301结构，有效促进腔内气体流动，使气体及温度分布均匀，反应充分，呈流动态的气流，对保护设备表面亦有自洁功效。

多路进气管201与气源连通并带有旁通阀202，检修装置或者装置出现故障的时候，可以将气体旁通到其他相关备用装置。

降温系统的主要作用为喷淋降温、防爆、除尘、洗涤。所述降温系统包括所述立桶401和降温塔4，所述立桶401的上端口与热解反应器3的出气口相连，所述立桶401的下端口与降温塔4的进气口402相连通。所述降温塔4包括壳体403和液体循环机构，壳体403具有降温腔404，壳体403上设有与降温腔404连通的降温进气口402、降温出气口408和降温出水口407，降温腔404内从降温进气口402至降温出水口407设有多个冷却板406。冷却板406使高温尾气G在降温区内气液传质充分，从而进行更有效的喷淋降温，提高降温效率。

继续参阅图1，液体循环系统包括设置在所述降温系统和多级净化洗涤系统外围的管道系统和设置在所述降温系统和多级净化洗涤系统底端的贮液槽。管道系统具体包括降温系统外围的管道系统一409、液体循环泵一410和热交换器411，还包括多级净化洗涤系统外围的管道系统二502和液体循环泵二503。如此，可通过液体循环泵一410，从贮液槽412抽取喷淋液，送入管道系统409，然后通过数个喷淋头405进行喷淋降温，废气中含有的粉尘和易溶于水气体经过此水洗降温装置后，与水结合掉落到装置底部并顺着水流经降温出水口407冲洗到贮液槽412中，如此循环，回收利用喷淋液，从而减少喷淋液的消耗量，降低成本。管道系统409上设置有热交换器411，以便将贮液槽412内的喷淋液保持在规定温度。

贮液槽412中间设置一滤网4123，将贮液槽分为左右腔室，用于防止贮液槽右腔室腔室中的废渣进入4210腔室中，从而进入多级净化洗涤系统。

所述降温腔404内的中间和上部及底部侧边分别设有喷淋头405，一方面可使废气更充分地与喷淋液接触，提高降温及净化效果，另一方面可洗涤粘附在冷却板406上的尘粒，达到自动清洗冷却板406的效果，无需频繁取出清洗，省时省力。在本实施例中，喷淋头405为SuS304材质不堵塞螺旋喷头，冷却板406的材质为多孔的氧化铝陶瓷，可以理解，不限于此，可根据需要选择。

所述多级净化洗涤系统包括所述连通管501、涤气塔5。所述连通管501的进口端与所述所述降温出气口408连通，所述连通管501的出口端连通所述涤气塔5的进气口。所述连通管501内设置有第一级喷淋组件504。所述涤气塔5具有一容纳腔，在所述容纳腔内由下至上顺次设置了第一填料层505、第二级喷淋组件506、第二填料层507、第三级喷淋组件508、脱水层509。

所述喷淋组件主要为尾气进一步冷却、除尘、净化提供喷淋液，它包括数个喷淋头，管道系统502和液体循环泵二503，管道系统502一端与贮液槽的的左腔室4120连通，另一端与第一级喷淋组件506和第二级喷淋组件508连通，液体循环泵二503设于管道系统502上。在本具体实施例中，所述液体循环泵二503从所述贮液槽的左腔室4120中抽取液体并通过管道系统502分别输送给第一级喷淋组件505、第二级喷淋组件507的相应喷淋头，形成喷雾，以水雾冷却尾气并去除生成的固体微粒及与水发生反应之反应性气体。第三级喷淋组件508的水来自于外接的干净的水，以使净化完全。所述尾气中的微粒和水溶性气体随水流通过所述涤气塔5的进气口流出，顺着连通管501经降温出水口407排至贮液槽的右腔室4121。如此，可回收利用喷淋液，从而减少喷淋液的消耗量，降低成本。

填料层505、507内的填料作为布液装置，使废气和喷淋液充分接触，使气液传质充分，以保证气液混合洗涤效果。可选地，净化填料层505、507填充有多面空心填料、鲍尔环填料和/或阶梯环填料，具有气流阻力小、液体分布均匀等特点，可以理解，不限于此，可根据需要选择。

在本实施例中，塔涤气塔5内还设有脱水层509，脱水层509位于涤气塔5出气口510和第三喷淋组件508之间。脱水层509起分离气液的作用，用于降低废气的湿度，从而避免影响后续配套设备和节约喷淋液。可选地，脱水层509为波纹板材料，可以理解，不限于此，也可以是其他可以除雾的材料。

贮液槽412的液体需定期对进行处理，才能继续回用。贮液槽底部一侧设有一个排污口414，方便定期对贮液槽进行清洗，还设有一加速排水通道，所述加速排水通道包括管道416，设置在管道上的阀417和排水泵418，可通过排水管道416及阀417和排水泵418根据情况进行排液。贮液槽412内还设有浮球开关(图未示出)，通过浮球开关可控制贮液槽412的水位。此外，贮液槽根据需要设置有检测和观察窗口(图未示出)。

贮液槽412的喷淋液可用自来水，也可配备搅拌桶溶解酸或碱药剂并通过蠕动泵按一定流速通过设置在贮液槽顶盖上的进水法兰415添加到贮液槽412中，随循环用水喷淋，根据具体的污染气体成分有针对性地选择药剂类型。

所述排气系统包括一引风机602和烟囱601。所述涤气塔5的顶部出气口510连通所述烟囱的进气口，所述烟囱601的进气口上方处安装有引风机602。经多级水洗净化后的尾气，经脱水层509，从所述涤气塔5的顶部出气口510进入所述烟囱601的进气口，通过引风机602由烟囱601排出，进入中央尾气处理系统或后续处理设备。其整体的运作是由引风机602提供所必须的能量，使所述高温尾气G产生流动，并传输至后续处理装置，以消除气体中所含的有害物质，再排放至进入中央尾气处理系统。进一步地，所述烟囱上安装有气体成分检测装置(图未示出)。

进气系统、热反应系统、降温系统、多级净化洗涤系统、排气系统依次相连。

等离子体处理废气装置内壁都涂有防腐材料，所述防腐材料为铁氟龙。

参考图1～3，本具体实施方式中，选用了如图3所示的工艺流程对工业废气进行处理。等离子体处理废气装置，包括有进气系统、热反应系统、降温系统、多级净化洗涤系统、排气系统。工作时，将待处理的工业废气F通过所述进气系统的多路进气管202经由相应的一组旋风喷嘴203喷入所述等离子体反应器3的所述热解反应腔301进行高温裂解，被高温裂解后的高温尾气G通入所述立桶401进入降温塔4，由管道系统409输送来的水经数个喷淋头405喷出形成微细雾粒，经过多个喷嘴的合理布置，形成层叠的雾化覆盖区，急骤冷却气体，并去除生成的固体微粒及与水发生反应之反应性气体。降温塔内还设置有多个冷却板406，冷却板406使废气G在降温区内气液传质充分，从而进行更有效的喷淋降温和净化，提高降温效率。经过降温系统出来的尾气进入多级净化洗涤系统，即经降温出气口408进入所述连通管501，所述连通管内的第一级喷淋组件504对其进行初级喷淋洗涤，经所述连通管501从所述涤气塔5底部的进气口进入涤气塔5，并以串联的方式顺次通过第一填料层505、第二级喷淋组件506、第二填料层507、第三级喷淋装置508、脱水层509，进行第二级冷却洗涤和第三级冷却洗涤，藉由洗涤处理再次进行去除微粒和水溶性气体，以达到彻底净化的目的，所述尾气中的微粒和水溶性气体顺着水流经所述涤气塔5的进气口流出，先后经过连通管501和出水管413返回到贮液槽的右腔室4121中。其中，第一级喷淋和第二级喷淋的喷淋液，通过液体循环泵二503从贮液箱412抽取，第三级喷淋的水从外部接入城市用水，以确保净化完全。经多级水洗后的尾气，经所述脱水层509从所述涤气塔5的顶部出气口510进入所述烟囱601的进气口，通过引风机602由烟囱601排出，进入中央尾气处理系统。在喷淋段中喷淋液从均布的喷淋头高速喷出，形成无数细小雾滴与气体充分混合、接触、继而发生化学反应。所述填料层505、507内的填料作为布液装置，使废气和洗涤液充分接触，以保证气液混合洗涤效果。脱水层509起分离气液的作用，用于降低废气的湿度，从而避免影响后续配套设备和节约喷淋液。工作过程中，其整体的运作是由引风机602提供所必须的能量，使所述高温尾气G产生流动，并传输至后续处理装置，以消除气体中所含的有害物质，再排放至进入中央尾气处理系统。

实施例2

结合图1和图2所示，一种等离子体处理废气的方法，包括以下步骤：

(1)等离子发生器1在外接电场作用下产生热等离子体射流(等离子火炬)，并射入等离子体反应器3的热解反应腔301，将待处理的工业废气F通过一组进气管201经相对应的一组旋风喷嘴203导入等离子体反应器3的热解反应腔301，进行高温裂解净化处理，将所述工业废气F迅速分解或氧化掉，变成无害产物或容易处理的物质，该步骤为整套净化技术的核心。反应的基本原理是等离子发生器在电场作用下产生高能态活性粒子，这些高能态度活性粒子轰击污染物分子，使其电离、解离和激发，然后引发一系列复杂的物理、化学反应，使复杂大分子污染物转变为简单小分子安全物质，或使有毒有害物质转变成无毒无害或低毒低害的物质，从而使污染物得以进一步降解去除。

(2)将经过所述高温裂解净化处理后的高温尾气G通过一立桶401通入降温塔4，对高温尾气G进行急冷并进行初步洗涤，其主要作用为喷淋降温、防爆、除尘、洗涤。废气中含有的粉尘和易溶于水气体经过此水洗降温装置后，与水结合掉落到装置底部并顺着水流冲洗到贮液槽412中。

(3)将经过降温系统降温洗涤后的尾气通入多级净化洗涤系统。经过降温塔4降温洗涤后的气体由降温出气口408排出，后经连通管501通入一涤气塔5，并以串联的方式顺次通过第一填料层505、第二级喷淋组件506、第二填料层507、第三级喷淋组件508，藉由洗涤处理再次进行去除微粒和水溶性气体，以达到彻底净化的目的。

(4)随后经净化后的所述尾气经脱水层213，通过引风机602经烟囱601排送。脱水层213起分离气液的作用，用于降低废气的湿度，从而避免影响后续配套设备。

所述步骤(3)中，所述连通管501中设有第一喷淋组件504，第一喷淋组件504的喷射方向与所述尾气进入方向相逆，气液两相互成逆流，可以起到净化充分的效果。

步骤(3)中，所述尾气由所述净化涤气塔5的底部进气口进入，自下而上地通过所述填料层的填料间隙，喷淋液经所述喷淋组件自上而下喷射并自上而下的沿填料表面向下流动，整个填料表面被液体润湿，气液两相互成逆流在填料表面进行充分接触和净化。

第一级喷淋和第二级喷淋的喷淋液由贮液槽412的左腔室4120通过液体循环泵二503提供，第三级喷淋的水从外部接入城市用水，以确保净化完全。贮液槽412中的喷淋液可用自来水，也可配备搅拌桶溶解酸或碱药剂并通过蠕动泵按一定流速通过进液法兰415添加到贮液槽412中，随循环用水喷淋，可根据具体的污染气体成分有针对性地选择药剂类型。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种等离子体废气处理装置，其特征在于，包括：

热反应系统，所述热反应系统包括等离子体发生器和等离子体反应器，所述等离子体发生器产生的热等离子体射流进入等离子体反应器后对等离子体反应器内的废气进行净化处理；

进气系统，所述进气系统安装在所述等离子体反应器的顶部，废气由进气系统进入所述等离子体反应器内；

降温系统，所述降温系统包括立桶和降温塔，所述立桶的上端与等离子体反应器的出气口相连，所述立桶的下端与降温塔的进气口相连；所述降温塔对气体进行降温和洗涤处理；

多级净化洗涤系统，所述多级净化洗涤系统包括连通管和涤气塔，所述连通管的进气口与所述降温塔出气口相连，所述连通管的出气口与所述涤气塔的进气口相连；所述涤气塔对气体进行净化、洗涤和脱水处理；

排气系统，所述排气系统与所述涤气塔的顶部出气口相连，经多级净化洗涤后的气体由所述排气系统排出；

液体循环系统，包括设置在所述降温系统和多级净化洗涤系统外围的管道系统和设置在所述降温系统和多级净化洗涤系统底端的贮液槽；所述管道系统为降温和洗涤提供喷淋液，所述贮液槽用来收集和储藏可循环使用的喷淋液。

2.根据权利要求1所述等离子体废气处理装置，其特征在于，所述等离子体反应器包括由内到外依次设置的热解反应腔、密封腔和循环水冷却腔；

热等离子体射流在所述热解反应腔内与废气进行高温裂解反应；

所述密封腔的内壁为微孔板结构，所述密封腔的顶端设有进气装置，空气或氧气经进气装置进入所述密封腔后，在微孔板内表面形成气膜；

所述循环水冷却腔内的循环水对等离子体反应器进行降温。

3.根据权利要求2所述等离子体废气处理装置，其特征在于，所述进气系统包括设置在所述密封腔顶端的进气法兰，进气管连通所述进气法兰与鼓风机，所述进气管上安装有阀门和流量计。

4.根据权利要求1所述等离子体废气处理装置，其特征在于，所述热解反应腔底端与立桶顶端相连，所述热解反应腔顶端直径大于所述立桶底端直径。

5.根据权利要求1所述等离子体废气处理装置，其特征在于，所述进气系统包括进气装置和多路进气管；所述进气装置设置在等离子体发生器与等离子体反应器之间；所述进气装置呈上下不完全对称的两圆锥台状，沿上圆锥台的周向设有多个旋风喷嘴，所述多个旋风喷嘴的上端与对应的进气管连通，所述多个旋风喷嘴的下端与所述热解反应腔连通；所述进气装置的中心处设有等离子体喷射孔，所述等离子体喷射孔上端与所述等离子体发生器连通，下端与所述热解反应腔连通。

6.根据权利要求1所述等离子体废气处理装置，其特征在于，所述降温塔包括设置在内部的多个喷淋头和冷却板，所述喷淋头内喷洒出喷淋液对高温气体进行喷淋降温和净化，所述喷淋液喷洒方向与高温气体流动方向相反，所述冷却板使高温气体在所述降温塔内进行充分的气液传质；所述降温塔底部设有降温出水口，所述降温出水口与贮液槽相连。

7.根据权利要求1所述等离子体废气处理装置，其特征在于，所述连通管内设有第一级喷淋组件；所述涤气塔内从下至上依次设有第一填料层、第二级喷淋组件、第二填料层、第三级喷淋组件和脱水层；所述喷淋组件包括多个喷淋头，所述喷淋头喷洒出喷淋液对气体进行喷淋降温和净化，所述喷淋液喷洒方向与高温气体流动方向相反，所述填料层使气体在所述降温塔内进行充分的气液传质。

8.根据权利要求1所述等离子体废气处理装置，其特征在于，所述管道系统包括液体管道、液体循环泵和热交换器；降温系统外围的液体管道一的一端连接喷淋头，另一端经液体循环泵一和热交换器连接贮液槽；多级净化洗涤系统外围的液体管道二的一端连接第一喷淋组件和第二喷淋组件，另一端经循环泵二连接贮液槽。

9.根据权利要求1所述等离子体废气处理装置，其特征在于，所述排气系统包括设置在涤气塔顶部的烟囱和设置在所述烟囱上方的引风机，经多级净化洗涤系统处理过的气体通过引风机由烟囱排出。

10.一种等离子体废气处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)用热等离子体射流在热解反应腔内对废气进行高温裂解净化处理；

(2)在降温塔内对经高温裂解净化后的气体进行急冷和初步洗涤；

(3)在涤气塔内对经初步洗涤后的气体进行多次洗涤，去除废气中的微粒与可溶性气体；

(4)将经多次洗涤后的气体进行脱水，再由排气系统排出。