基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置及方法

技术领域

本发明属于气体降解技术领域，特别是一种基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置及方法。

背景技术

SF

近年来，等离子体废气处理技术受到了广泛的关注和研究，与传统的热解法、化学催化法等方法相比，等离子体技术具有降解率高、能量效率高、操作简单的特点。

目前已有将冷等离子体技术用于降解SF

但是，目前这些冷等离子体以及热等离子体装置都存在很多的问题。比如冷等离子体方法都只能在处理低浓度的SF

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置及方法，通过使用热等离子体提高处理能力，并利用振动系统振动腔壁避免固体产物附着，同时选用耐氟化氢腐蚀的腔体材料，具有很好的实用价值。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置包括：

进气控制系统，其包括，

载气及冷却气输入线路，其包括依次连接的Ar气源、气阀和两个并行的质量流量计，其中，一个质量流量计、气阀和Ar气源构成提供工作状态载气Ar流量Q1的工作状态载气输入线路，另一个质量流量计、气阀和Ar气源构成提供冷却气Ar流量Q2的冷却气Ar输入线路，

反应气输入线路，其包括依次连接的反应气气源、气阀和质量流量计以提供活性气体流量Q3，

含氟气体输入线路，其包括依次连接的含氟气体气源、气阀和质量流量计以提供含氟气体流量Q4；

电感耦合热等离子体发生器，其包括，

封闭壳体，其包括反应腔，

同心陶瓷管，其设于所述封闭壳体内，旋流环嵌设于同心陶瓷管内，旋流环包括使气体产生轴向与切向分速度的旋转气路，输入的气体气流场经由所述旋转气路向环形中心汇聚，同心陶瓷管的最内层连通所述工作状态载气输入线路以可控地提供工作状态载气Ar流量Q1，中间层的旋流环连通所述反应气输入线路和含氟气体输入线路以可控地提供活性气体流量Q3和含氟气体流量Q4，外层连通冷却气Ar输入线路以可控地提供冷却气Ar流量Q2，

线圈，其设于所述封闭壳体内，其接出且连接封闭壳体外部的高频电源以产生耦合热等离子体，

腔体振动发生器，其设于封闭壳体外壁；

无害化处理系统，其包括，

锥形粉末收集器，其位于反应腔下端，在腔体振动发生器作用下，固体产物难收集于锥形粉末收集器底部，

碱液喷淋塔，其连通所述反应腔的气体产物出口，其包括，

塔体，其容纳碱液，

砂浆泵，其将塔体下部的碱液循环抽取到上部，

至少一层填料层，其间隔地层叠设于塔体内，

喷头，其连通所述砂浆泵且设于所述填料层上方，酸性气体产物被填料层吸附并与喷口处的碱雾反应，

废气检测装置，其连接碱液喷淋塔前后设置的采样口，采样并检测从碱液喷淋塔排出的废气。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置中，冷却气Ar的流量为50L/min，载气Ar的流量为30L/min。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置中，当活性气体和含氟气体为H

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置中，所述同心陶瓷管为三层同心陶瓷管，最外层陶瓷管直径为5cm。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置中，所述高频电源的电压为5kV，电流为6A，工作频率为3MHz。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置中，所述线圈的导线为空心水冷导线。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置中，所述线圈设有电磁屏蔽的电磁防护罩。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置中，所述碱液喷淋塔使用5％的Ca(OH)

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置中，所述废气检测装置包括X射线衍射分析仪、色谱分析仪和光谱分析仪。

基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置的降解方法包括以下步骤，

Ar作为载气和冷却气通入电感耦合热等离子体发生器中，高频电源作用在线圈上产生交变磁场以产生热等离子体；

通入预定比例的含氟气体和反应气，在热等离子体作用下产生的自由基以降解为固体产物和气体产物，其中，热等离子体反应温度为6000K-15000K；

将反应后的气体产物通入碱液喷淋塔，吸收有害气体后排出，固体产物通过固体产物出口排出。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明采用热等离子体降解技术，反应温度更高，降解更彻底，处理能力更大；以电感耦合热等离子体装置为等离子体发生源，有效地解决了实体电极的烧蚀问题，大大增强了产生装置的使用寿命；增加腔体振动装置，有效的防止了反应过程中产生的固体粉末对反应墙体内壁的附着，有利于后期对固体产物进行收集处理；增加了哈氏合金内衬，使反应腔体更耐氟化氢的腐蚀，延长了腔体的使用寿命。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置的电感耦合热等离子体发生器的结构示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1至图2所示，基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置包括，

进气控制系统，其包括，

载气及冷却气输入线路，其包括依次连接的Ar气源、气阀1和两个并行的质量流量计，其中，一个质量流量计、气阀1和Ar气源构成提供工作状态载气Ar流量Q1的工作状态载气输入线路，另一个质量流量计、气阀1和Ar气源构成提供冷却气Ar流量Q2的冷却气Ar输入线路，

反应气输入线路，其包括依次连接的反应气气源、气阀1和质量流量计以提供活性气体流量Q3，

含氟气体输入线路，其包括依次连接的含氟气体气源、气阀1和质量流量计以提供含氟气体流量Q4；

电感耦合热等离子体发生器3，其包括，

封闭壳体，其包括反应腔，

同心陶瓷管3.4，其设于所述封闭壳体内，旋流环3.1嵌设于同心陶瓷管3.4内，旋流环3.1包括使气体产生轴向与切向分速度的旋转气路，输入的气体气流场经由所述旋转气路向环形中心汇聚，同心陶瓷管3.4的最内层连通所述工作状态载气输入线路以可控地提供工作状态载气Ar流量Q1，中间层的旋流环3.1连通所述反应气输入线路和含氟气体输入线路以可控地提供活性气体流量Q3和含氟气体流量Q4，外层连通冷却气Ar输入线路以可控地提供冷却气Ar流量Q2，

线圈3.2，其设于所述封闭壳体内，其接出且连接封闭壳体外部的高频电源4以产生耦合热等离子体，

腔体振动发生器5，其设于封闭壳体外壁；

无害化处理系统，其包括，

锥形粉末收集器，其位于反应腔下端，在腔体振动发生器5作用下，固体产物难收集于锥形粉末收集器底部，

碱液喷淋塔8，其连通所述反应腔的气体产物出口7，其包括，

塔体，其容纳碱液，

砂浆泵8.1，其将塔体下部的碱液循环抽取到上部，

至少一层填料层8.3，其间隔地层叠设于塔体内，

喷头8.2，其连通所述砂浆泵8.1且设于所述填料层8.3上方，酸性气体产物被填料层8.3吸附并与喷口处的碱雾反应，

废气检测装置，其连接碱液喷淋塔8前后设置的采样口，采样并检测从碱液喷淋塔8排出的废气。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置的优选实施例中，冷却气Ar的流量为50L/min，载气Ar的流量为30L/min。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置的优选实施例中，当活性气体和含氟气体为H

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置的优选实施例中，所述同心陶瓷管3.4为三层同心陶瓷管3.4，最外层陶瓷管直径为5em。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置的优选实施例中，所述高频电源4的电压为5kV，电流为6A，工作频率为3MHz。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置的优选实施例中，所述线圈3.2的导线为空心水冷导线。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置的优选实施例中，所述线圈3.2设有电磁屏蔽的电磁防护罩3.5。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置的优选实施例中，所述碱液喷淋塔8使用5％的Ca(OH)

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置的优选实施例中，所述废气检测装置包括X射线衍射分析仪、色谱分析仪和光谱分析仪。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置的降解方法包括以下步骤，

Ar作为载气和冷却气通入电感耦合热等离子体发生器3中，高频电源4作用在线圈3.2上产生交变磁场以产生热等离子体；

通入预定比例的含氟气体和反应气，在热等离子体作用下产生的自由基以降解为固体产物和气体产物，其中，热等离子体反应温度为6000K-15000K；

将反应后的气体产物通入碱液喷淋塔8，吸收有害气体后排出，固体产物通过固体产物出口6排出。

锥形粉末收集器底部设有排出固体产物的固体产物出口6。

在一个实施例中，基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置包括：

进气控制系统，其包括，

载气及冷却气输入线路，其包括依次连接的Ar气源、气阀1、两个并行的Ar质量流量计；

反应气输入线路，其中反应气可以为H

含氟气体输入线路，其包括依次连接的含氟气体气源、气阀1和含氟气体的质量流量计；

电感耦合热等离子体发生器3，其包括，

封闭壳体，其包括反应腔与腔体振动发生器5，所述反应腔连通所述进气控制系统并按预定比例通过三层同心陶瓷管3.4接收载气Ar，冷却气Ar，反应气及含氟气体；所述腔体振动发生器5固定在腔体外表面，产生稳定的振动；

高频交流电源，提供高频电磁信号使陶瓷管内产生耦合热等离子体；

空心水冷感应线圈及线圈水冷装置，线圈3.2由高频电源4接出，环绕在同心陶瓷管外壁，用于在高频电信号下产生高频磁场，冷却水于线圈3.2内部中空流通对线圈3.2进行降温；

陶瓷进气口，为三层的同心陶瓷管3.4，一端与所述封闭壳体相接，同时一端接有所述载气通道、反应气及含氟气体通道、冷却气通道，负责提供高频电感耦合等离子体的生成场所，同时约束等离子体炬3.3的大小；

无害化处理系统，其包括，

锥形粉末收集器，在腔体振动发生器5作用下，固体产物难以附着在反应腔壁并被收集于锥形腔体底部；

碱液喷淋塔8，碱液喷淋塔8包括将碱液循环抽取的砂浆泵8.1，其连通所述反应腔体，酸性气体产物被填料层8.3吸附并与喷口处的碱雾反应，其中最上层填料用于吸收多余的碱雾；

废气检测装置，在碱液喷淋塔8前后均设有采样口，采样并检测从碱液喷淋塔8排出的废气。

基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置的工作流程如下：首先通入作为载气与冷却气的Ar，然后利用高频电源4及感应线圈在反应腔内产生电感耦合热等离子体，再通入待反应的含氟气体与活性气体，利用热等离子体的局部高温使含氟气体彻底分解。进一步地，含氟气体与活性气体分解后产生的自由基互相结合为降解产物，以抑制含氟气体的自恢复反应。最后，将得到的固体与气体降解产物进行收集与处理，检测达标后排放。

所述含氟气体与活性气体分别为SF

SF

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置中，冷却气Ar的流量为50L/min，载气Ar的流量为30L/min。当活性气体和含氟气体为H

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置中，高频交流电源的正负极接有感应线圈3.2，其输出频率和输出功率可调。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置中，所述的陶瓷管为三层的同心陶瓷管3.4，最外层陶瓷管直径为5cm；所述的感应线圈绕同心陶瓷管4匝将功率传输到等离子体。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置中，所述的反应腔体内壁采用6mm的C-276内衬，熔点为1325-1370℃，具有较高的镍基含量，是高温强腐蚀介质的首选材料。

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置中，所述的碱液喷淋塔8使用5％的Ca(OH)

所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置中，所述的腔体振动发生器5为气动振动器，固定在反应腔体外壁，通过快速振动将内壁附着的固体产物分离，其振动幅度和频率可调。

在一个实施例中，基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置包括进气控制系统、电感耦合热等离子体发生器和无害化处理系统。所述的进气控制系统包括含氟气体，反应气，载气和冷却气四种气体的输入线路，各气体的输入线路包括各自的气源、气阀1、气体质量流量计2三个部分，其中质量流量计2控制的气体流量可以进行调节，典型工作状态载气Ar流量Q1为30L/min，冷却气Ar流量Q2为50L/min，活性气体流量Q3和含氟气体流量Q4以H

在一个实施例中，所述的电感耦合热等离子体发生器3包括高频交流电源4。其中高频交流源4的正负极分别接在线圈3.2两端，为线圈提供高频交流信号，典型工作状态为电压5kV，电流6A，工作频率3MHz。所述的电感耦合热等离子体发生器3中，旋流环3.1内部包含旋转气路，能够使气体产生轴向与切向分速度，使输入的气体的气流场向环形中心汇聚，感应线圈3.2的作用为提供高频磁场，为等离子体提供能量，电磁防护罩3.5对线圈进行电磁屏蔽，防止高频磁场对外界的影响，所述的三层同心陶瓷管3.4的主要作用是分散进气以及收束等离子体炬3.3。所述的反应腔体内壁采用6mm的C-276内衬，其为高温强腐蚀介质的首选材料。

在一个实施例中，所述的无害化处理系统包括腔体振动发生器5、固体产物出口6、气体产物出口7、碱液喷淋塔8以及废气废渣检测装置。其中固体产物的收集使用锥形粉末收集器，腔体振动发生器5使腔体产生快速振动，避免固体产物附着在腔体内壁，在振动和重力的作用下使其聚集在固体产物出口6处方便收集，收集到的固体产物可进一步回收处理；气体产物出口7可以直接对反应后气体进行采样，同时气体产物出口7连接有碱液喷淋塔8，反应产生的废气经过碱液喷淋塔处理后由尾气出口8.5进行收集或排出，所述的碱液喷淋塔8使用5％的Ca(OH)

在一个实施例中，所述的线圈的导线为空心水冷导线，高频交流电源作用下的导线会发出大量的热，因趋肤效应的存在而使导线电流主要通过导线外壁。内部中空不影响导线的使用，同时中空水冷更方便导线的散热，增加了其使用寿命。

在一个实施例中，所述的三层同心陶瓷管的直径应选合适的范围，不能过大也不能过小，过大的直径会导致磁场收束不集中，能量溃散，影响电感耦合热等离子体的能量效率以及电弧功率和温度，过小的直径会导致气体流量大大减小，产物处理速率减慢。

在一个实施例中，所述的气动振动器固定在反应腔体外壁上，在收集固体产物之前启动气动振动器，将反应腔内壁上附着的固体产物通过振动以及重力作用汇集到固体产物出口6，再使用布袋对固体产物进行收集。

在一个实施例中，Ar作为载气和冷却气使用，Ar作为载气燃弧更加稳定并且维持电弧放电的所需功率更低，且Ar作为惰性气体不与含氟气体反应生成其他副产物。H

可选的，冷却气和载气可以使用N

可选的，反应气可以是含氧气体，其降解含氟气体的原理与氢气略有不同，在降温过程中O自由基与S或者C结合生成SO

在一个实施例中，所述的基于电感耦合热等离子体的含氟气体降解装置的降解方法包括：

Ar作为载气和冷却气通入电感耦合热等离子体发生器中，高频电源作用在耦合电感上产生交变磁场使等离子体产生和提供能量；

通入预定比例的含氟气体和反应气，在热等离子体作用下产生的自由基相互结合以抑制六氟化硫的自恢复特性，根据通入反应气的不同最终产物的形态可为固体或气体，其中电弧等离子体区域的反应温度约为6000K-15000K；

将反应后的气体产物通入碱液喷淋塔，吸收有害气体后排出，经检验合格后可直接排入大气，固体产物通过固体产物出口排出检验，方便进行回收利用。

载气与冷却气可以为Ar或N

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。