一种六氟化硫的硫氟资源化利用方法和装置

本发明属于六氟化硫资源化利用，具体涉及一种六氟化硫的硫氟资源化利用方法和装置。

背景技术：

1、六氟化硫气体(sf6)是一种无毒、无色无味的惰性气体，因其优良的灭弧能力和绝缘性能，在电气行业被广泛应用，主要应用于半导体加工、高压设备制造等领域，因其gwp值较高，对大气危害较大，且其在大气中寿命约3200年，大气无法对其进行降解，则需要人为对其降解。同时，在未来sf6减排、禁用等政策引导下，运行和退役sf6设备内数十万吨存量气体的处置问题凸显，因此有必要探索sf6的高效资源利用方案。

2、wf6是一种无色、有毒、具有腐蚀性的气体，是半导体器件加工的关键原料之一，被称为晶圆制造的“血液”。半导体器件制造行业通常用wf6的化学气相沉积来形成钨膜，这一层膜用于低电阻率的金属互联。

3、然而，目前wf6的生产多利用金属钨(w)和氟气(f2)加热制备，存在操作危险性大、能耗高等缺点。目前，wf6的制备通常由f2和钨粉在350至400℃下直接反应而成的，反应中的氟气可以被替换成clf、clf3或brf3，如中国实用新型专利《一种提高原料利用率的六氟化钨制备装置》(公开号cn215626837u)以及中国发明专利申请《一种制备六氟化钨的装置和方法》(cn114225883a)。另一种制备六氟化钨的方法是三氧化钨(wo3)和hf、brf3或sf4的反应；六氟化钨也可以从六氯化钨开始合成。但此类反应都是在高温条件下反应的，存在操作危险性大、能耗高、能量利用率低和资源浪费等缺点。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种六氟化硫的硫氟资源化利用方法和装置，本发明利用等离子体对sf6进行活化，并在金属钨的催化作用下，使sf6解离为氟原子和低氟硫化物(sfx)，氟原子和低氟硫化物与金属钨发生原位氟化反应，生成wf6气体，wf6气体经冷凝液化后对其进行收集，同时控制反应温度为120-160℃，使生成的硫单质成液态，方便对硫单质进行收集，实现sf6的硫氟资源利用，为sf6降解及资源化转化提供了新的方法和思路。

2、实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

3、一种六氟化硫的硫氟资源化利用方法，其特征在于包括如下步骤：

4、s1、将金属钨填充在等离子体反应器放电区域内，或者向等离子体反应器放电区域内通入钨粉；

5、s2、向等离子体反应器放电区域内通入背景气体和六氟化硫气体，背景气体被电离成等离子体，六氟化硫气体经等离子体活化后被电离成氟原子和低氟硫化物；

6、s3、在120～160℃下，氟原子和低氟硫化物与金属钨发生反应，生成六氟化钨气体和液态硫单质，分别收集六氟化钨气体和液态硫单质。

7、进一步，所述的背景气体为氩气。

8、进一步，所述步骤s1中，若向等离子体反应器放电区域内通入钨粉，则同时向等离子体反应器放电区域内通入背景气体和六氟化硫气体。

9、进一步，所述步骤s3中，将生成的六氟化钨气体冷凝成液态，随后进行收集。

10、进一步，将所述的等离子体反应器倾斜或者竖直放置，生成的液态硫单质从等离子体反应器底部流出进行收集。

11、进一步，步骤s3中，未反应的氟、低氟硫化物以及产生杂质气体被碱液吸收净化。

12、一种六氟化硫的硫氟资源化利用装置，包括六氟化硫供气单元、背景气体供气单元、混气单元、等离子体反应器和六氟化钨收集单元，六氟化硫供气单元和背景气体供气单元分别与混气单元连接，六氟化硫供气单元向混气单元提供六氟化硫气体，背景气体供气单元向混气单元提供背景气体，混气单元将六氟化硫气体和背景气体进行混合，混气单元与等离子体反应器入口连接，等离子体反应器竖直或倾斜放置，等离子体反应器底部设有硫单质收集器，硫单质收集器位于等离子体反应器的下方，等离子体反应器底部设有第一液体出口，硫单质收集器与第一液体出口连通，等离子体反应器上或硫单质收集器上设有第一气体出口，六氟化钨收集单元与第一气体出口连接。

13、所述的六氟化硫供气单元包括六氟化硫气瓶、第一供气支管、第一减压阀、第一流量计和第一电磁阀，第一供气支管的一端与六氟化硫气瓶连接，第一减压阀、第一流量计和第一电磁阀安装于第一供气支管上，第一减压阀离六氟化硫气瓶的距离最近，背景气体供气单元包括背景气体气瓶、第二供气支管、第二减压阀、第二流量计和第二电磁阀，第二供气支管的一端与惰性气体气瓶连接，第二减压阀、第二流量计和第二电磁阀安装于第二供气支管上，第二减压阀离背景气体气瓶的距离最近，第一供气支管和第二供气支管的另一端分别与混气单元入口连接，混气单元出口与等离子体反应器入口连接。

14、所述的混气单元为混气箱。

15、所述的等离子体反应器底部开口，硫单质收集器顶部开口，等离子体反应器底部开口处设有支撑网，硫单质收集器顶部通过可拆卸的方式连接于等离子体反应器底部上，第一气体出口设置于硫单质收集器顶部上。

16、所述的六氟化钨收集单元包括冷凝器和导气管，冷凝器底部上设有六氟化钨收集器，冷凝器上设有第二液体出口和第二气体出口，六氟化钨收集器与第二液体出口连通，导气管的一端与第一气体出口连接，导气管的另一端与冷凝器入口连接。

17、还包括尾气处理单元，尾气处理单元包括碱液处理池、尾气入管和尾气出管，尾气入管的一端与第二气体出口连接，尾气入管的另一端伸入碱液处理池碱液中，尾气出管与碱液处理池碱液上方连通。

18、与现有技术相比，本发明的优点与有益效果在于：

19、1、本发明的背景气体在放电反应区域内容易激发电离生成高能电子，对sf6碰撞激发其活化，使其断键分解生成氟粒子和低氟硫化物(sfx)，如果不加背景气体，sf6气体很难被电离分解。

20、2、本发明的背景气体还起到了对sf6进行稀释的作用，能够实现精确的稀释比例，从而提高sf6的降解效果。

21、3、本发明在等离子体反应器内填充纯金属钨颗粒，金属钨同时作为催化剂和反应原料，背景气体在放电反应区域内产生大量的高能电子，进一步促使sf6电离分解生成氟原子和sf5、sf4等低氟硫化物，产生的氟离子和sf5、sf4等低氟硫化物进一步与钨颗粒发生反应，生成wf6电子特气，不仅实现sf6的氟资源利用，而且以无毒的sf6废气代替剧毒氟气在等离体子反应器中进行反应，操作安全，能耗低。

22、4、本发明将等离子体反应器倾斜或竖直放置，氟原子和sf5、sf4等低氟硫化物与钨颗粒发生反应的同时会生成硫单质，同时控制反应区域内温度为120℃～160℃，生成的s单质为液态，液态硫单质可沿着等离子体反应器管壁向下流，在等离子体反应器底部设置硫单质收集区，对生成的s单质进行收集，控制硫单质收集区温度为40℃～100℃，硫单质以固体的形式存储。

23、5、本发明的冷凝器温度根据产物进行调控温度，控制温度在5℃～15℃之间，可对生成的wf6气体进行降温，使wf6气体变为液态，并对wf6液体进行收集，便于后期长期储存、运输以及提纯。

24、6、本发明在装置末端设置碱液处理池对未反应的sf6分解产物以及so2、sof2、sof4等杂质气体进行处理，防止其排入大气中对大气和环境造成损伤。

25、7、本发明首次提出以无毒的sf6废气代替剧毒氟气在等离子体条件下与w进行反应生成wf6，与传统以金属w和氟气(f2)在高温下制备wf6的方法相比，大幅度降低了反应的温度，从而大幅度降低了能耗，本发明如果不需要收集硫单质，还可以进一步降低反应的温度，而且操作安全，实现了sf6的硫氟资源利用，解决了sf6转化率低的问题。