CN116272287A - 一种氟碳类尾气的无害化处理装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氟碳类尾气的无害化处理装置与方法,所述处理装置包括反应器系统、气体配制系统、气体检测系统、尾气吸收系统及背景气体循环利用系统。所述反应器包括两端的密封法兰、中心轴线上的高压电极、外侧的低压电极、两端的环形带状紫外光源、进气口以及出气口;所述气体配制系统包括氟碳类尾气瓶和五种背景气体气瓶以及质量流量控制器、气体混合器、阀门、超声波加湿器和水分测试仪;气体检测系统包括气相色谱仪、傅里叶红外光谱仪和气相色谱质谱联用仪;所述尾气吸收系统包括两级吸收罐;所述背景气体循环利用系统包括干燥器、气体循环管路、阀门以及层流式质量流量控制器。本发明的装置和方法使得氟碳类化降解更充分,效率更高。

Description

一种氟碳类尾气的无害化处理装置与方法
技术领域
本发明属于有害尾气的无害化处理技术领域,具体涉及一种氟碳类尾气的无害化处理装置与方法。
背景技术
随着全球气候变化的加剧,国际社会对温室气体的排放越来越重视和关注。氟碳类气体化合物主要包括氢氟碳化合物(HCFs)和全氟碳化合物(PFCs),它们的温室效应是CO2的数倍乃至数千倍。全氟碳化合物主要包括四氟甲烷、全氟异丁腈、全氟丙烯、六氟乙烷、八氟丙烷、三氟乙腈及全氟正丁腈等。其中,全氟异丁腈作为一种可替代SF6的新型环保绝缘气体,其温室效应仍达到了CO2的2100倍左右。氟碳类化合物尾气大多来自于半导体、液晶面板、化工等行业,有少部分来自于电力行业。这类人工合成的气体如果被直接排放,会对环境产生较强的负面累积效应。
不同类型的废气,其处理方式不尽相同。常见的废气处理方法有UV光解法、活性炭吸附法、催化燃烧法、催化氧化法、酸碱中和法、等离子法等。
酸碱类废气主要是含有一些酸性及碱性类废气,可以使用中和液进行处理,酸碱类的废气净化,它们的特性是呈现酸性及碱性,遇到对应的中和液就可以反应从而达标排放。有机废气根据特性不同,浓度不同,可以采用活性炭吸附、焚烧、化学氧化、物理吸收等方式。综合类废气成分比较复杂,通常使用组合式的工艺进行处理,以达到达标排放。具有较强温室效应的废气如果不作回收处理,则需要燃烧或者降解后采用组合式的处理工艺,以降低对环境的影响。
发明内容
本发明提供了一种氟碳类尾气的无害化处理装置与方法,可应用于氟碳类尾气的无害化处理。
为达到上述目的,本发明所述一种氟碳类尾气的无害化处理装置,包括气体配制系统、等离子体电源、反应器和尾气吸收系统;气体配制系统包括氟碳类尾气瓶和若干背景气体瓶,氟碳类尾气瓶和背景气体瓶通过管道与气体混合器的气体入口连接,气体混合器的气体出口与反应器的进气口连接,反应器的出气口与尾气吸收系统的入口连接;等离子体电源的正、负极分别与反应器的高压电极和低压电极电连接;反应器中设置有紫外光源;尾气吸收系统包括通过管道连接的两级吸收罐。
进一步的,两级吸收罐包括通过管道连接的第一吸收罐和第二吸收罐,第一吸收罐为NaF吸收罐,第二吸收罐为碱性吸收罐。
进一步的,尾气吸收系统和气体配制系统之间连接有背景气体循环利用系统,背景气体循环利用系统包括气体循环管路,气体循环管路的进气端和尾气吸收系统的出口连接,出气端和气体混合器的气体入口连接,气体循环管路设置有干燥器、阀门和质量流量控制器。
进一步的,干燥器具有可拆卸性且含有可更换的微滤膜结构。
进一步的,反应器的出口与尾气吸收系统的入口之间的管道上设置有三条支路,三条支路上分别设置有气相色谱仪、气相色谱质谱联用仪和傅里叶红外光谱仪。
进一步的,气体混合器与反应器之间的管道上设置有加湿器。
进一步的,反应器腔体两端镶嵌有波长可调的环形带状紫外光源。
进一步的,反应器设置温度和压力传感器一体式传感器。
基于上述的氟碳类尾气的无害化处理装置的氟碳类尾气的无害化处理方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、将氟碳类尾气和背景气体按需求通入气体混合器中,开启气体混合器内部的混匀器,使气体充分混匀,得到混合气体,若无需增加湿度则将混合气体直接通入反应器,如需增加湿度则将增加混合气体湿度后再流入反应器;
步骤2、在混合气体流入反应器之前,打开紫外光源和等离子体电源;混合气体进入反应器后,在光照和电离作用下分解,分解后的混合气体自出气口流出,并通过管道流动至气相色谱进行定量分析,通过气相色谱质谱联用仪和/或极片傅里叶红外光谱仪进行定性和定量分析;
步骤3、混合气体流入第一吸收罐洗去氟化氢气体,然后流入第二吸收罐洗去其他有害气体。
进一步的,步骤3完成后将剩余的背景气体返回气体混合器重复使用。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益的技术效果:
本发明所述的装置包括气体配制系统、等离子体电源、反应器、紫外光源和尾气吸收系统,气体配制系统用于配制混合气体,反应器用于通过选择等离子体放电分解、光解以及催化分解三种方法中的一种或多种方法协同的方式处理气体,尾气吸收系统用于吸收分解后的有害气体,使得氟碳类尾气的处理更充分、更高效更符合环保要求。
进一步的,尾气吸收系统包括第一吸收罐和第二吸收罐,根据分解产物类型,可在第一吸收罐和第二吸收罐中注入不同的吸收液对尾气进行处理,使得有害气体的吸收更具有针对性,吸收效果更好。
进一步的,尾气吸收系统和气体配制系统之间连接有背景气体循环利用系统,可将剩余的背景气体返回气体混合器重复使用。
进一步的,干燥器具有可拆卸性且含有可更换的微滤膜结构,干燥剂更换为吸附剂时可作为吸附器使用。
进一步的,反应器的出口与尾气吸收系统的入口之间的管道上设置有三条支路,所述三条支路上分别设置有气相色谱仪、气相色谱质谱联用仪和傅里叶红外光谱仪,通过气相色谱仪和傅里叶红外光谱仪得到较高含量分解产物的浓度和种类,通过气相色谱质谱联用仪得到低含量分解产物的分子量和浓度,根据分解产物的浓度及种类选择合适的吸收液及吸收液的浓度。
本发明所述的方法,先将氟碳类尾气与背景气体照处理需求进行混合,然后将混合气体反应器作为待处理气体的反应空间,通过选择等离子体放电分解、光解以及催化分解三种方法中的一种或多种方法协同的方式处理气体,采用催化分解时在反应器内填充MOF催化剂。分解产生的气体经过两级吸收罐进行吸收处理,最大限度减少其对环境的污染。
附图说明
图1为氟碳类尾气的无害化处理装置。
附图中:1、反应器;2、第一密封法兰;3、第二密封法兰;4、高压电极;5、低压电极;6、第一紫外光源;7、第一紫外光源;8、进气口;9、出气口;10、等离子体电源;11、氟碳类尾气储气瓶;12、He气瓶;13、N2气瓶;14、O2气瓶;15、空气气瓶;16、Ar气瓶;17、第一质量流量控制器;18、第二质量流量控制器;19、第三质量流量控制器;20、第四质量流量控制器;21、第五质量流量控制器;22、第六质量流量控制器;23、气体混合器;24、第一阀门;25、第二阀门;26、加湿器;27、第三阀门;28、第四阀门;29、第五阀门;30、第六阀门;31、气相色谱仪;32、气相色谱质谱联用仪;33、傅里叶红外光谱仪;34、分解气体管路;35、第一吸收罐;36、第二吸收罐;37、干燥器;38、气体循环管路;39、第七阀门;
40、第七质量流量控制器;41、温度和压力一体式传感器;42、水分测试仪。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例,对本发明进行进一步的详细说明,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,并非用于限定本发明。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1,一种氟碳类尾气的无害化处理装置,包括一个等离子体电源10、反应器1、气体配制系统、气体检测系统、尾气吸收系统及背景气体循环利用系统。
等离子体电源10的正、负极分别与反应器1内的高压电极4和外侧的低压电极5相连接;所述反应器1包括腔体、腔体两端的第一密封法兰2、第二密封法兰3、中心轴线上的高压电极4、外侧的低压电极5、腔体两端镶嵌的第一紫外光源6和第二紫外光源7、进气口8以及出气口9。第一紫外光源6和第二紫外光源7均为波长可调的环形带状紫外光源。
反应器1腔体为石英玻璃材质,结构为双层同轴圆柱结构,两端采用法兰密封,密封垫为聚四氟乙烯,具有可拆卸性,最高压力为0.7Mpa。高压电极4设置在中心轴线上。反应器1内设置有温度和压力一体化传感器。反应器1的腔体内可填充催化剂,催化剂可更换,催化剂为MOF催化剂。反应器中高压电极4和低压电极5可拆卸更换。
所述气体配制系统包括氟碳类尾气瓶11和N2气瓶12、O2气瓶13、Ar气瓶14、He气瓶15、空气气瓶16以及质量流量控制器、气体混合器23、第一阀门24和第二阀门25、加湿器26和水分测试仪42。气体混合器23内置气体混匀器且后端连接加湿器26和水分测试仪,可对混合气体进行湿度调整和检测。
气体检测系统包括气相色谱仪31、傅里叶红外光谱仪33和气相色谱质谱联用仪32;通过气相色谱仪31和傅里叶红外光谱仪33得到较高含量分解产物的浓度和种类,通过气相色谱质谱联用仪32得到低含量分解产物的分子量和浓度,根据分解产物的浓度及种类选择合适的吸收液及吸收液的浓度。
尾气吸收系统包括NaF吸收罐34、碱性吸收罐35。
背景气体循环利用系统包括干燥器37、气体循环管路38、第七阀门39、第七质量流量控制器40,第七质量流量控制器为层流式质量流量控制器。干燥器37具有可拆卸性且含有可更换的微滤膜结构,干燥剂更换为吸附剂时可作为吸附器使用。
气体配制系统中氟碳类尾气瓶11、N2气瓶12、O2气瓶13、Ar气瓶14、He气瓶15、空气气瓶16的阀门均配置减压阀,减压阀气体出口分别与第一质量流量控制器17、第二质量流量控制器18、第三质量流量控制器19、第四质量流量控制器20、第五质量流量控制器21、和第六质量流量控制器22的入口连接,实现对气体流量的计量;第一至第六质量流量控制器的出口均与气体混合器23的气体入口连接,使得多种气体进入气体混合器23后混合均匀;气体混合器23的气体出口通过第一阀门24和第二阀门25分别与进气口8和加湿器26的入口连接,加湿器26出口与进气口8连接。加湿器26为超声波加湿器蒸汽量可控。
气体检测系统中气相色谱仪31、傅里叶红外光谱仪32、气相色谱质谱联用仪33分别与出气口9通过管道连接,管道上设置有第四阀门28、第五阀门29和第六阀门30,通过第四阀门28、第五阀门29和第六阀门30控制气体流向,实现对尾气的定性和定量检测。
尾气吸收系统采用两级吸收的方式,设置两级吸收罐,根据分解产物的不同可更换第一吸收罐35和第二吸收罐36的吸收液,第一吸收罐35为NaF吸收罐,其吸收剂为饱和NaF溶液;第二吸收罐36为碱性吸收罐,其吸收液为饱和碱溶液,如NaOH、KOH溶液等。
第一吸收罐35的入口与出气口9通过分解气体管路34连接,第一吸收罐35的出口与第二吸收罐36的入口连接。第二吸收罐36的出口通过气体循环管路38与第七质量流量控制器40的入口连接,第七质量流量控制器40的出口与气体混合器23的入口连接,气体循环管路38上设置有干燥器37和第七阀门39。打开第三阀门27和第四阀门28时,气体进入气相色谱31进行定量分析;打开第三阀门27和第五阀门29时,气体进入气相色谱质谱联用仪32进行定性和定量分析;打开第三阀门27和第六阀门30时,气体进入傅里叶红外光谱仪33进行定性和定量分析。
尾气自出气口9流出,经过第三阀门27,自分解气体管路34先流入第一吸收罐35,然后进入第二吸收罐36进行二次处理。无法被吸收的背景气体自第二吸收罐36流入气体循环系统中的干燥器37进行干燥,随后通过第七阀门39,沿气体管路38流入第七质量流量控制器40,并最终回流至气体混合器23进行重复利用。干燥器37出口设置气体循环管路,可实现背景气体的循环利用。
上述结构的设计原理为:氟碳类尾气与背景气体在气体混合器23中按照处理需求进行混合,如果气体需要在一定湿度条件下处理,则打开第二阀门25和加湿器26对气体混合器23中的气体进行加湿处理;如果气体需要在干燥条件下处理,则直接打开第一阀门24,使得气体流入反应器1后进行处理。反应器1为待处理气体的反应空间,通过选择等离子体放电分解、光解以及催化分解三种方法中的一种或多种方法协同的方式处理气体。采用等离子体放电分解方式时打开等离子体电源10,采用光解时需要打开左侧环形的第一紫外光源6和右侧环形的第二紫外光源7,采用催化分解时在反应器1内填充MOF催化剂。分解产生的气体可通过气相色谱仪31、傅里叶红外光谱仪32和气相色谱质谱联用仪33进行定性定量检测,根据分解产物类型,在第一吸收罐35和第二吸收罐36中注入不同的吸收液对尾气进行处理,无法吸收的背景气体则被回收利用。
实施例
一种基于上述氟碳类尾气的无害化处理装置的氟碳类尾气的无害化处理方法,包括配气、分解、吸收、循环四个步骤:
步骤1、配气,具体包括以下步骤:
打开氟碳类尾气气瓶11和空气气瓶15,通过气瓶减压阀调节出口压力,使气体压力不超过第一质量流量控制器17和层流式的第六质量流量控制器22的最大工作压力,打开第一质量流量控制器17和第六质量流量控制器22,使氟碳类尾气和空气以1:20~1:5流入气体混合器23,开启气体混合器26内部的混匀器,使气体充分混匀。气体混合均匀后,若无需增加湿度则直接打开第一阀门24通入反应器1,如需增加湿度则需要打开第二阀门25通入超声波加湿器26后再流入反应器1。
步骤2、分解,具体包括以下步骤:
打开等离子体电源10、第一紫外光源6和第二紫外光源7,待氟碳类尾气和空气在气体混合器23中混合均匀(停留约3min)后,打开第一阀门24,使得混合气体自进气口8流入反应器1,反应器1内的温度和压力通过温度和压力一体式传感器41进行检测,混合气体在光照和电离作用下分解,得到碳酰氟、全氟异丁酰氟、三氟乙酰氟、氟化氢、CO2及NO2等分解气体,分解气体自出气口9流出,打开第三阀门27、第四阀门28、第五阀门29及第六阀门30,使得分解气体分别进入气相色谱质谱联用仪32和傅里叶红外光谱仪33或进入气相色谱仪31和气相色谱质谱联用仪32内进行定性和定量检测。
步骤3、吸收,具体包括以下步骤:
分解气体自反应器1中流出后进入在第一吸收罐35进行一级处理,之后进入第二吸收罐36进行二级处理,最后自第二吸收罐36流出的气体大部分为含有一定水分背景气体。
若反应器1中流出的分解气体中含有氟化氢、碳酰氟、三氟乙酰氟、一氧化氮、二氧化氮时,在第一吸收罐35中加入NaF饱和溶液洗去氟化氢,在第二吸收罐36中加入NaOH、KOH或Ca(OH)2的饱和溶液洗去碳酰氟、三氟乙酰氟、一氧化氮和二氧化氮等其他有害气体。如果流出气体中含有腈类化合物等难降解组分时,可将第二吸收罐36中的吸收液调整为芬顿试剂。
步骤4、循环,具体包括以下步骤:
从第二吸收罐36流出的背景气体经过装有CaCl2的干燥器37干燥后,打开第七阀门39,经过管路38和第七质量流量控制器40后循环至气体混合器23中重复利用。
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氟碳类尾气的无害化处理装置,其特征在于,包括气体配制系统、等离子体电源(10)、反应器(1)和尾气吸收系统;
所述气体配制系统包括氟碳类尾气瓶(11)和若干背景气体瓶,所述氟碳类尾气瓶(11)和背景气体瓶通过管道与气体混合器(23)的气体入口连接,所述气体混合器(23)的气体出口与反应器(1)的进气口(8)连接,所述反应器(1)的出气口(9)与尾气吸收系统的入口连接;
所述等离子体电源(10)的正、负极分别与反应器(1)的高压电极(4)和低压电极(5)电连接;所述反应器(1)中设置有紫外光源;
所述尾气吸收系统包括通过管道连接的两级吸收罐。
2.根据权利要求1所述的一种氟碳类尾气的无害化处理装置,其特征在于,所述两级吸收罐包括通过管道连接的第一吸收罐(35)和第二吸收罐(36),所述第一吸收罐(35)为NaF吸收罐,第二吸收罐(36)为碱性吸收罐。
3.根据权利要求1所述的一种氟碳类尾气的无害化处理装置,其特征在于,所述尾气吸收系统和气体配制系统之间连接有背景气体循环利用系统,所述背景气体循环利用系统包括气体循环管路(38),所述气体循环管路(38)的进气端和尾气吸收系统的出口连接,出气端和气体混合器(23)的气体入口连接,所述气体循环管路(38)设置有干燥器(37)、阀门和质量流量控制器。
4.根据权利要求3所述的一种氟碳类尾气的无害化处理装置,其特征在于,所述干燥器(37)具有可拆卸性且含有可更换的微滤膜结构。
5.根据权利要求1所述的一种氟碳类尾气的无害化处理装置,其特征在于,所述反应器(1)的出口与尾气吸收系统的入口之间的管道上设置有三条支路,所述三条支路上分别设置有气相色谱仪(31)、气相色谱质谱联用仪(32)和傅里叶红外光谱仪(33)。
6.根据权利要求1所述的一种氟碳类尾气的无害化处理装置,其特征在于,所述气体混合器(23)与反应器(1)之间的管道上设置有加湿器(26)。
7.根据权利要求1所述的一种氟碳类尾气的无害化处理装置,其特征在于,所述反应器(1)腔体两端镶嵌有波长可调的环形带状紫外光源。
8.根据权利要求1所述的一种氟碳类尾气的无害化处理装置,其特征在于,所述反应器(1)设置温度和压力传感器一体式传感器(41)。
9.基于权利要求1所述的氟碳类尾气的无害化处理装置的氟碳类尾气的无害化处理方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、将氟碳类尾气和背景气体按需求通入气体混合器(23)中,开启气体混合器(23)内部的混匀器,使气体充分混匀,得到混合气体,若无需增加湿度则将混合气体直接通入反应器(1),如需增加湿度则将增加混合气体湿度后再流入反应器(1);
步骤2、在混合气体流入反应器(1)之前,打开紫外光源和等离子体电源(10);混合气体进入反应器(1)后,在光照和电离作用下分解,分解后的混合气体自出气口(9)流出,并通过管道流动至气相色谱(31)进行定量分析,通过气相色谱质谱联用仪(32)和/或极片傅里叶红外光谱仪(33)进行定性和定量分析;
步骤3、混合气体流入第一吸收罐(35)洗去氟化氢气体,然后流入第二吸收罐(36)洗去其他有害气体。
10.基于权利要求9所述的氟碳类尾气的无害化处理方法,其特征在于,步骤3完成后将剩余的背景气体返回气体混合器(23)重复使用。
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