专利名称：一种用于化学气相沉积工业炉尾气净化的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种化学气相沉积(Chemical Vapour Deposition-CVD)或化学气相渗透(Chemical Vapour Infiltration-CVI)工业炉尾气净化、特别是涉及一种炭/炭复合材料和炭/陶复合材料制备(增密)用CVI工业炉尾气净化的装置。
背景技术：
高温、超高温C/C复合材料的制取包括2个关键技术1.纤维坯体(纤维增强预制体)设计与制造；2.坯体增密(密实化)。通过增密，作成密实的以热解炭为基体、炭纤维增强的C/C复合材料。增密又包括三类方法固相裂解炭化，液相浸渍/裂解炭化和化学气相渗透(CVI)裂解炭化，其中惟有CVI裂解炭化能够最有效地、准确地调控作为基体的热解炭的组织与结构和材料的力学、热学、电学和其他物理性能、化学性能，调控复合材料中纤维-基体界面结构与状态，使材料的综合性能到达最佳。
炭素工件的化学气相渗透增密必须在专门的CVI增密真空电炉内进行，现有的CVI工业炉一次能对数百公斤—数吨工件进行增密。增密时，源源不断地向炉内反应区通入碳源气(反应气)，通过CVI高温裂解过程，反应气中相当部分的碳原子进入工件生成基体热(裂)解炭，工件密度不断增长，同时不断地产生大量尾气，由电炉出气管排出。
用作CVI工业炉反应气主要有二类CH4(甲烷)+稀释气和C3H6(丙烯)+稀释气，用作稀释气的主要为N2(氮)，有时也加入部分H2(氢)，总之，其成份比较简单、纯净。经过CVI反应后，反应气里烃类化合物中的碳原子约有10～25％进入增密样品之中转变为热解炭，其余大部分连同稀释气变成尾气。反应气流径电炉不同区域，经历十分复杂的裂解、聚合、焦化种种反应，产生大量衍生物，包含各种链烃、环烃和焦化产物。因而，尾气成份极为复杂，衍生物以炭黑、沥青、重质焦油、轻质焦油，具有昇华-凝聚特点的萘晶体等气-液-固多相混合物形式存在，因而尾气十分“肮脏”且“脏物”总量巨大，这种尾气将会严重污染电炉的真空系统，并对该系统带来很大损害a)堵塞真空管路；
b)污染真空控制阀门、真空传感器件，使之失效；c)污染真空泵(包括旋片泵、罗茨泵)使之失效；d)硬质炭粒严重磨损真空泵组件，大大缩短其寿命；基于以上原因，电炉运行40～80小时之后，(还不到一次CVI运行周期)，其真空系统就会失效，不得不停炉进行艰难的清理工作。这表明，不对CVI工业炉尾气进行有效净化，该炉子就无法正常运行。
目前，冶金、化学、能源工业已经开发和发展了一系列成熟的气体净化技术，但这些技术都不能满足或不能完全满足CVI炉特殊工况尾气净化的需要，例如(1)重力沉降除尘 效率低，仅能部分去除(收集)粗大固体颗粒物。
(2)旋风除尘 消耗气流动力(动能)大，不宜在上述低气压下工作，且不允许气体中有粘着性油状物存在。
(3)静电除尘 一般不能在真空态工作，且污染物具有导电性，再加上强粘附性使集尘板无法再生，不能用。
(4)布袋收尘 只能用于“干燥”气体、且只能在较大气压下工作，不能用于低真空，也不能再生。
(5)丝网过滤 因污染物量大，大面积丝网也会很快被堵死而中断工作，且难于再生，不能用。
(6)活性炭或焦炭吸附 容量有限，很快饱和并失效，无法再生。
(7)液体喷淋洗涤与吸收 净化本身会破坏真空系统工作，不能用。
(8)冷凝管捕集 仅能部分去除污染物。
发明内容
为了解决化学气相沉积工业炉尾气净化的难题，保持工业炉的连续正常运行，本发明根据化学气相沉积工业炉尾气污染物量大，污染物状态复杂和密闭空间气氛压力低的特点，提供一种用于化学气相沉积工业炉尾气净化的装置，实现CVI工业炉尾气的连续净化。
一种用于化学气相沉积工业炉尾气净化的装置，由前置冷凝塔和冷冻塔两大单元组成，冷凝塔呈园柱状，其上方装有无折边球形顶盖1，顶盖附设有水冷装置，顶盖中心设有尾气进气口A，与CVI工业炉尾气管出气口相联，冷凝塔下方有倒锥台形底盖，底盖中心设有焦油出口管7，顶盖、底盖通过法兰盘与塔身联接，并实现真空密封。
冷凝塔上部为重力沉降室2，沉降室外壁为水冷夹套式结构，下部设有尾气出气口B；沉降室内安有一组承料盘3，包括外沿分别带捲边的圆盘形承料盘和环形承料盘，圆盘形承料盘中心无孔，其外沿与冷凝塔内壁间存有足够的间隙，而环形承料盘中心有一大孔，其外沿紧贴冷凝塔内壁，最下部的环形承料盘底部装有整流圆筒，它将沉降室下部分割成中心和外环两个互相隔离的空间；圆盘形承料盘和环形承料盘交错均匀安装，承料盘之间留有足够宽的均匀间隙。所有承料盘通过一组止推螺杆联成一个整体组件，使该组件很容易从冷凝塔的上部取出。
环形承料盘内孔直径为Φ100～200毫米，圆盘形承料盘边沿到塔内壁间距为10～20毫米。
冷凝塔中下部内腔中，按园截面最紧密排列的方式设置圆形冷凝管束5，冷凝管上、下端联接有筛孔状隔板。冷凝管用无缝钢管制成，管内为尾气通道，管外壁之间采用冷凝水冷却。气流与液流被彻底隔离。
冷凝塔所用冷凝水温度应低于15℃。如能控制在10℃以下，则其冷凝净化的效果还会好得多，在10℃以下时，应在塔身外表面敷设较薄的隔热层。
冷凝塔中冷凝管束内稀薄尾气气流速度为4～16米/秒。气流速度愈高意味着净化负荷愈高，气流压降愈大。冷凝管的长度应按CVI炉生产能力不同在0.8～2米范围内选适当值。冷凝管太短导致冷凝管内表面面积过小，尾气在管中停留时间过短，净化效率降低。
冷凝管中凝聚的焦油油膜增至一定厚度时，焦油将自动流至冷凝塔的下方倒锥形底盖上，聚集于下部中心部位的(重质)焦油出口管7而排出至塔底下部焦油储存罐中。
冷凝塔进气管A与CVI工业炉尾气管出气口相联，该尾气管也具有水冷外夹套。经水冷尾气管冷却后，其出气口尾气温度已降至100～150℃，经进气管A进入重力沉降室后经水冷壁冷却，其温度继续降低，此时，尾气中，沥青和重质焦油以尾气中炭黑烟尘、悬浮颗粒为核心，已凝聚成大量尺寸较大的炭黑—沥青颗粒和炭黑—焦油液滴，此时已难于维持悬浮状态，它们以3～10米/秒的速度被尾气吹载冲向承料盘，并且该载气如附图1沉降室箭头所指方向快速流动，其路径反复弯折，在重力和离心力的共同作用下，这些颗粒和液滴状污染物聚集并粘附在各个承料盘上，同时这些承料盘还被冷凝的重质油浸润形成不断增厚的油膜，该油膜又不断捕集尾气中较细的固体炭粒、炭黑烟尘…，总之，高温尾气流经冷凝净化塔的沉降室后，在重力、离心力和粘附力作用下，其中绝大部分沥青，大部分重质油和相当部分的固体颗粒和烟尘都将沉积粘附于承料盘上(也有少部分沉积于沉降室内壁上)而被清除，尾气得到了初步的净化。尾气来到沉降室下部中心部位，其温度降至30～50℃，来到下行管束5的入口处。
经初步不断净化的尾气经下行冷凝管束5流向冷凝塔底部，经靠近冷凝塔内腔外侧的上行冷凝管6返折向上，流向其中上部腔体外环空间，并流向和汇集于尾气出口管B。尾气在冷凝管中流动时温度进一步降低，尾气中焦油和部分环烃(如苯、萘等)蒸汽不断凝聚在管束内壁上形成油膜，尾气中炭黑微粒不断被油膜所捕集，如此，尾气中绝大部分重质焦油、部分轻质焦油和环烃化合物(高、中温分)和相当部分炭黑悬浮物被分离，尾气得到了第二次净化。
冷冻塔呈园柱状，冷冻塔塔身在其中下部部位被断开，成为上、下两个部分，上段部分为塔身主体，通过各自塔身的翼状肋安装在装有CVI电炉炉体的统一操作架台面上，其下段部分则通过法兰盘与上段互联，悬挂在上段的下方，下段部分可以通过配有升降机构的专用台车从塔身下部移走。冷冻塔塔底中心部有出气管F，冷冻塔底部设有放油管14。
冷冻塔上部分包括无折边球形塔盖8，预冷冻室9和气管式冷冻捕集器，下部分为无源冷阱捕集器12。
塔盖8通过法兰与塔身顶部相联。
在预冷冻室9外壁有进气管E，进气管E与冷凝塔出气管B直接对接，经冷凝塔冷却后的尾气通过进气管E进入预冷冻室9。
冷冻捕集器由冷冻管10组成，在冷冻捕集器外壁11设置有冷冻液进口管G和冷冻液出口管H，冷冻管入口扩孔作成喇叭状，冷冻管中稀薄尾气的气流速度应缓于冷凝管，宜控制在2～10米/秒范围内，冷冻管长度为0.8～2.0米，来自冷凝塔、已经过二次净化的尾气首先进入预冷冻室9，然后由冷冻管10顶部进入冷冻管内，而冷冻管束之间由冷冻液进口管G不断注入冷冻液，通过冷冻液将冷冻管保持在-14～-24℃的温度，冷冻液由出口管H实现回流。
无源冷阱捕集净化器12由薄板金属圆盘和圆环组成，圆盘不带中心孔，其周边与塔内壁间保持适当距离，圆环带中心孔，其周边贴紧塔内壁，盘-环相间，它们之间保持均匀等距。由此形成大量(迷宫式)缝隙状的气路。圆盘和圆环由冷轧防锈铝片或冷轧不锈钢薄片作成(后者仅用于带较强腐性的尾气，这种尾气常源自炭/陶复合材料的CVI增密过程)。所有圆盘圆环由套有大量止推环圈的数组螺栓杆件装配成一个捕集净化器整体。
圆盘和圆环必须平整，圆盘和圆环间严格等距，片间距应控制在8～15毫米，圆环内孔直径及圆盘边沿到塔内壁间距与CVI炉尾气流量有关，分别控制在Φ100～200毫米和10～20毫米的范围。
冷阱薄板的总表面积根据CVI炉入炉烃类反应气气流量不同而不同，为每公斤/小时烃类气1～5米2。
冷冻塔塔身，包括顶盖、锥形底座、上、下法兰和冷冻液输送管，都采取了严格的隔热措施，所用隔热层为隔热性优异的橡胶海绵毡或泡沫毡，隔热层总厚度≮50毫米，在隔热层内、外表面安装不透气的铝-塑膜，并在隔热层外表面加蒙玻纤布和加装白铁皮保护壳。
经二次净化的尾气进入冷冻塔上部的预冷冻室9初步降温至零下，进入冷冻管(10)后进一步降至-20℃左右，此时尾气中的轻质焦油蒸汽不断冷凝在管内壁上形成油膜，同时，尾气中的挥发性萘以微小的白色片状结晶形式析出并粘附在油膜上，尾气中的残留烟尘，也不断地被油膜捕获聚集，从而尾气流经冷冻管束后就经历了第三次净化，尾气中的大部分轻质焦油、大部分萘蒸汽和相当大部分的残留烟尘悬浮物都被清除。冷冻管束内壁凝聚的轻质焦油量增加时，将自动流向冷冻塔底部。
冷冻管入口扩孔作成喇叭状，可以防止在冷冻管进口处“焦油-萘结晶-炭黑”凝聚物过多而形成阻碍尾气流动的“瓶颈”。
经历了第三次净化的尾气来到冷冻塔下方，并进入冷阱捕集器，以进行第四次(最后一次)精细地净化。来自冷冻管的尾气气温已被冷冻成-20℃左右，它自身就具有足够的“余冷”，即剩余的致冷能力，冷阱盘件经过这种尾气吹拂后，也随之降至-20℃左右(因此无需再靠外源冷冻液降温)，并在盘片表面上形成凝集油膜。尾气在冷阱窄缝中反复弯折，快速流动，借助其盘片与气体间大面积接触，使得尾气中残留烟尘被油膜吸附而被较为彻底地清除掉。经过第四次净化的尾气流至冷冻塔底部折向上进入整流罩13后再转向下进入尾气出口管(F)，并通过相关管件流向真空机组。
采用本发明对尾气进行净化后，仍有少量挥发性萘(≯10％)，由于炉内气氛压力低(~1/100大气压)萘蒸汽即或是在冷冻至-20℃时也有极少量残留于尾气中，残留萘蒸汽一直要到达机械泵油、气出口处，因该处气压上升至常压，即一个大气压，会以片状晶形态析出，它将混在油、气出口处油箱中的泵油中，当泵油向泵内回流时，在常压下析出的萘晶体可能会堵塞回油管。为了防止萘晶体堵塞回油管，在回油口前方设置一足够大的50~80目的铜丝网兜挡住，使之不随回流泵油带入回油管(网兜只需定期从油箱中取出进行简单清理后再放回)。
采用本发明，能避免CVI尾气污染物损坏电炉真空系统，并顺利解决污染物严重干扰电炉连续正常运行的问题，保证CVI工业炉连续生产。对尾气中的沥青、焦油的脱除率分别达到和接近100％，对其中的固体悬浮物(炭黑微粒和烟尘)脱除率可达90～95％，对其中具有挥发性的萘的脱除率也可达90％以上；在线净化一直伴随电炉运行过程连续进行，能满足电炉长周期(150～300小时/每炉次)运行的需要；消除了污染物对真空泵的损害；消除了污染物对真空仪表传感器的污损；消除了污染物对真空管路、阀门的伤害。
图1冷凝塔结构示意图；图2冷冻塔结构示意图。
具体实施例方式
根据本发明作成的尾气净化装置用于CVI工业炉。具体参数为(1)被实施气体净化的CVI工业炉其主要技术参数如下电炉型号RT-2 电炉功率60～90KW装料量120～240kg/炉炉温300～1250℃，连续可控真空度20Pa 气氛压升率≯100Pa/hr反应气流量0-4.0M3/hr连续可控气氛压力500～2000Pa可控真空泵X-100A，抽气能力100L/S单炉次运行周期150～300hr
(2)净化装置规格 主要技术参数见表1表1尾气净化装置相关技术参数
*注冷冻(循环)液必须无毒、无腐蚀性、低粘度和无可燃性(3)实施效果该装置经5年运行，显示出对CVI尾气净化的良好效果，具体情况如表2所示表2尾气净化效果表
该类净化装置还可用于不同型号的CVI工业炉的尾气净化，包括等温式CVI工业炉，热梯度式CVI工业炉，既包括单料柱式炉，也包括多料柱式炉，满足了形形色色航空、航天用C/C复合材料产品制造的需要。
权利要求
1.一种用于化学气相沉积工业炉尾气净化的装置，其特征在于该装置由前置冷凝塔和冷冻塔两大单元组成；冷凝塔呈园柱状，其上方装有无折边球形顶盖(1)，顶盖附设有水冷夹套.置，顶盖中心设有尾气进气口(A)，与CVI工业炉尾气管出气口相联，冷凝塔下方有倒锥台形底盖，底盖中心设有焦油出口管(7)，顶盖、底盖通过法兰盘与塔身联接，并实现真空密封；冷凝塔上部为重力沉降室(2)，沉降室外壁为水冷夹套式结构，其下部设有尾气出气口(B)；沉降室内安有一组承料盘(3)，包括外沿分别带捲边的圆盘形承料盘和环形承料盘，圆盘形承料盘外沿与冷却塔内壁间距为10～20毫米，环形承料盘外沿紧贴冷却塔内壁，环形承料盘内孔直径为Φ100～200毫米，最下部的环形承料盘底部装有整流园筒，圆盘形承料盘和环形承料盘交错均匀安装，承料盘之间留有足够宽的均匀间隙；冷凝塔中下部内腔中，按园截面最紧密排列的方式设置圆形冷凝管(5)，冷凝管上、下端联接有筛孔状隔板；冷冻塔呈园柱状，冷冻塔塔身在其中下部部位被断开，成为上、下两个部分，上、下两个部分通过法兰盘互联，塔底中心部有出气管(F)，底部设有放油管(14)；冷冻塔上部分包括无折边球形塔盖(8)，预冷冻室(9)和气管式冷冻捕集器，下部分为无源冷阱捕集器(12)；塔盖(8)通过法兰与塔身顶部相联；在预冷冻室(9)外壁有进气管(E)，进气管(E)与冷凝塔出气管(B)直接对接；冷冻捕集器由冷冻管(10)组成，在冷冻捕集器外壁设置有冷冻液进口管(G)和冷冻液出口管(H)，冷冻管入口扩孔作成喇叭状，冷冻管长度为0.8～2.0米；无源冷阱捕集净化器(12)由薄板金属圆盘和圆环组成，圆盘不带中心孔，其周边与塔内壁间距为10～20毫米，圆环带中心孔，孔径为Φ100～200毫米，其周边贴紧塔内壁，盘-环相间，它们之间保持均匀等距，片间距为8～15毫米。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述冷凝塔圆盘形承料盘和环形承料盘通过一组止推螺杆联成一个容易拆开的整体组件。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述冷凝管和冷冻管用无缝钢管制成，管内为尾气通道，管外壁之间分别采用采用冷凝水和冷冻液冷却。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述冷冻塔下部无源冷阱的所有圆盘、圆环由套有止推环圈的数组螺栓杆件装配成一个整体。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于冷阱薄板的总表面积为每公斤/小时烃类气1～5米2。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于冷冻塔塔身、顶盖、底座、大法兰盘和冷冻液输送管设置有隔热层，隔热层厚度不小于50毫米。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于隔热层为橡胶海绵毡或泡沫毡，在隔热层的内侧和外表面敷设有不透气的铝-塑薄膜材料。
全文摘要
一种用于化学气相沉积工业炉尾气净化的装置，由冷凝塔和冷冻塔组成。冷凝塔包括重力沉降室，沉降室内安有一组承料盘，冷凝塔中下部有按圆截面最紧密排列的方式设置圆形冷凝管，冷凝管上、下端联接有筛孔状隔板；冷冻塔上部分包括无折边球形塔盖，预冷冻室和气管式冷冻捕集器，下部分为无源冷阱捕集器。采用本发明，能避免CVI尾气污染物损坏电炉真空系统，并顺利解决污染物严重干扰电炉连续正常运行的问题，保证CVI工业炉连续生产。对尾气中的沥青、焦油的脱除率分别达到和接近100％，对其中的固体悬浮物(炭黑微粒和烟尘)脱除率可达90～95％，对其中具有挥发性的萘的脱除率也可达90％以上。
文档编号B01D53/44GK101053701SQ20071003494
公开日2007年10月17日 申请日期2007年5月18日 优先权日2007年5月18日
发明者邹志强, 熊杰, 张红波, 熊翔, 黄伯云 申请人:中南大学, 湖南博云新材料股份有限公司