一种高浓度三氟化氯尾气处理装置及处理方法与流程

本发明属于尾气处理技术领域，具体涉及一种高浓度三氟化氯尾气处理装置及处理方法。

背景技术

三氟化氯是一种剧毒强氧化性介质，其几乎可以和所有无机材料发生反应，例如，三氟化氯遇水后产生大量的氟化氢、氯化氢、氯氧化合物，这能够进一步加剧其对无机材料的腐蚀、燃烧进程，特别是中间产物氯氧化合物是爆炸引发的关键因素。三氟化氯最初作为火箭推进剂的氧化剂，因在美国发生的900kg泄露事故导致混凝土建筑发生剧烈燃烧爆炸，导致重大伤亡。该事故一度成为燃烧学的经典案例，也促使该领域技术人员针对三氟化氯储存容器及介质进行深入研究。同时三氟化氯还大量应用于核废料中铀的回收。

近年来，在集成电路产业，因三氟化氯的高反应活性，其在室温下就能和半导体材料发生反应，多用于无机等离子半导体生产装置的就地清洗。在生产和工艺变更使用过程中，涉及到大量三氟化氯废气的处理，特别是集成电路行业刻蚀工艺剩余的残余钢瓶气的处理。三氟化氯输送管道只要含有ppm级别的水份、氧气，三氟化氯就极易发生反应产生氯氧化合物，进而引发腐蚀泄露，因而当其浓度高于1％时，就不能直接接入传统的干式和尾气喷淋处理装置。另外，三氟化氯属于极低压液化气，沸点为11.5℃，在工况偏低温条件下直接进行处理易发生倒灌风险。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于：高浓度三氟化氯气体不能直接接入传统干式和尾气喷淋装置进行处理，且直接进行稀释易发生倒灌风险。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种高浓度三氟化氯尾气处理装置，与三氟化氯尾气气源连接，包括依次连接的稀释系统、干式处理系统和喷淋系统，所述稀释系统包括文丘里真空发生器和氮气源，所述文丘里真空发生器上设有吸附腔入口和压缩气入口，所述吸附腔入口与尾气气源连接，且两者间设有单向止回阀；所述压缩气入口与氮气源连接；所述干式处理系统包括预处理装置和主处理装置，所述预处理装置的进气端与所述文丘里真空发生器的出气端连接，所述主处理装置的进气端与预处理装置的出气端连接，预处理装置和主处理装置的结构相同，均包括壳体，所述壳体内填充有碱性反应剂。

优选地，本发明所述的一种高浓度三氟化氯尾气处理装置，所述预处理装置为两个，两个预处理装置的进气端分别与文丘里真空发生器的出气端连接，两个预处理装置的出气端分别与主处理装置的进气端连接。

优选地，本发明所述的一种高浓度三氟化氯尾气处理装置，所述壳体内还设有堇青石，所述碱性反应剂与堇青石交替堆叠地设置在壳体内。

优选地，本发明所述的一种高浓度三氟化氯尾气处理装置，所述尾气气源为存储有三氟化氯的钢瓶，所述单向止回阀设置在钢瓶出口处。

优选地，本发明所述的一种高浓度三氟化氯尾气处理装置，所述尾气气源出口处设有第一压力计；所述氮气源与文丘里真空发生器间设有流量计和第二压力计。

优选地，本发明所述的一种高浓度三氟化氯尾气处理装置，所述文丘里真空发生器的吸附腔入口还连接有氦气检测装置。

优选地，本发明所述的一种高浓度三氟化氯尾气处理装置，所述碱性反应剂为钙石灰、钠石灰、氢氧化钙或氢氧化钠。

优选地，本发明所述的一种高浓度三氟化氯尾气处理装置，所述喷淋处理系统使用的喷淋液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。

本发明还提供了一种高浓度三氟化氯尾气处理方法，其基于上述的一种高浓度三氟化氯尾气处理装置，先调节尾气气源阀门的开度及氮气的进气量，使尾气支路形成微负压真空系统，尾气进入文丘里真空发生器内稀释，再经干式处理系统混合吸附、反应后，进入喷淋系统处理。

优选地，本发明所述的一种高浓度三氟化氯尾气处理方法，三氟化氯在文丘里真空发生器内的混合比例为3.5％-6.6％。

本发明技术有益效果：

本发明技术方案通过稀释系统、两级处理的干式处理系统的引入，使得高浓度三氟化氯经梯度稀释、反应后再进入到喷淋系统中做最后的处理，避免了高浓度三氟化氯气体直接处理引发的安全问题及倒灌问题，也避免了大量含氟废水的处理。该装置及方法引入的梯度处理理念具有极高的安全性，在三氟化氯尾气处理中具有极强的适用性。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种高浓度三氟化氯尾气处理装置的结构示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。

参阅图1，本实施例公开的一种高浓度三氟化氯尾气处理装置，包括尾气气源1、稀释系统2、干式处理系统3和喷淋系统4。

本实施例中的尾气气源1为三氟化氯钢瓶气，例如集成电路行业刻蚀工艺剩余的残余钢瓶气。

所述稀释系统2包括文丘里真空发生器21和氮气源22，所述文丘里真空发生器21上设有吸附腔入口(图中未示出)和压缩气入口(图中未示出)，所述吸附腔入口与钢瓶连接，并且在两者间设有单向止回阀5和第一压力计6，第一压力计6显示压力记为p1；所述压缩气入口与氮气源22连接，并在两者间设有流量计7和第二压力计8，第二压力计8显示压力记为p2。

所述干式处理系统3包括预处理装置31和主处理装置32，本实施例中，所述预处理装置31设置为两个，两个预处理装置31的进气端分别与所述文丘里真空发生器21的出气端连接，两个预处理装置31的出气端分别与所述主处理装置32的进气端连接。预处理装置31和主处理装置32的结构相同但尺寸不同，在结构上，两者均包括壳体(图中未标注)，所述壳体内填充有碱性反应剂(图中未标注)和堇青石方块(图中未标注)，且所述碱性反应剂与堇青石方块交替堆叠设置。

干式处理系统3中所使用的碱性反应剂可选自钙石灰、钠石灰、氢氧化钙、氢氧化钠或其他碱性固体药剂。其中，所述钙石灰由70％的氢氧化钙、10％的氢氧化钠、5％的氢氧化钾及15％的成型剂构成；所述钠石灰由50％的氢氧化钙、35％的氢氧化钠及15％的成型剂构成。

具体地，本实施例中选用的两个预处理装置31的壳体为直径10cm、高度100cm的不锈钢桶；所述主处理装置32的壳体为直径30cm、高度85cm、容积60l的圆柱状不锈钢桶。所用堇青石方块的体积为1cm³。作为优选，本实施例中预处理装置31中填充的碱性反应剂为反应活性及吸收容量较好的钙石灰；主处理装置32中填充的碱性反应剂为钠石灰。

所述喷淋系统4为常规尾气处理用喷淋装置，本实施例选用的喷淋液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或其他碱性溶液。

此外，所述文丘里真空发生器21的吸附腔入口还连接有氦气检测装置9以便进行泄露检测，氦气检漏作为一种常规操作手段，其与本发明的改进点没有必然联系，此处不做详细描述。

下面详细介绍通过上述的高浓度三氟化氯尾气处理装置对三氟化氯钢瓶气进行处理的过程。

首先调节钢瓶阀门的开度及氮气的进气量，通过大流量氮气的引入，在三氟化氯支路形成微负压真空系统，使其压力低于气体的蒸气压，从而形成三氟化氯的正向气流，在单向止回阀5的协助下，有效避免了气体倒灌回钢瓶的现象。与此同时三氟化氯气体在文丘里真空发生21内稀释。

在工况10℃到25℃的条件下，三氟化氯饱和蒸气压分别从14psig到26psig，其具有粘度大、流动性差的特点。通过调节氮气压力和氮气流量，在三氟化氯支路引起不同的真空度，从而调控三氟化氯在氮气中的混合比例为0-6.6％，表1所示即为不同氮气压力下三氟化氯的混合比例。

表1不同氮气压力下三氟化氯的混合比例

本实施例中，向文丘里真空发生器21中通入的氮气压力为4atm，三氟化氯控制流速为200-800g/h，混合比例为1.6-6.4％。

随后，经过稀释的三氟化氯气体流入干式处理系统3，所述干式处理系统3中的碱性反应剂基于氟化钙萤石结构对三氟化氯废气进行处理，使三氟化氯气体生成含氟气体和氯气等。气体首先在预处理装置31中进行初次的吸附、反应，降低气体浓度。然后气体再进入到主处理装置32中进行二次吸附、反应。在预处理装置31、主处理装置32中，层叠设置的碱性反应剂存在一定的气阻，在气阻作用下，延长了气体在干式处理系统3中的留滞时间，提高处理有效性。堇青石的设置又使得气阻不至于过大而影响到气流的通过，同时还可降低反应温度。

通过预处理装置31和主处理装置32的联合作用，三氟化氯气体完成转化，并将得到的含氟气体固化，使得流出干式处理系统3的气体为氯气等不含氟酸性气体。以下方程式即为三氟化氯气体在干式处理系统3中发生的反应：

2clf3+3ca(oh)2→3caf2+clo+clo2+3h2o(1)

clo+1/2ca(oh)2→1/4ca(clo)2+1/4cacl2+1/2o2↑+1/2h2o(2)

clo+1/4ca(oh)2→1/4cacl2+1/4cl2↑+5/8o2↑+1/4h2o(3)

clo2+1/2ca(oh)2→1/4ca(clo)2+1/4cacl2+o2↑+1/2h2o(4)

clo2+1/4ca(oh)2→1/4cacl2+1/4cl2↑+9/8o2↑+1/4h2o(5)

在上述反应(2)至(5)中可清楚地看到中间产物氯氧化合物进一步反应生成氯气等副产物，这样在后续的喷淋处理中避免了氯氧化合物和大量水溶液接触，从而降低燃爆风险。另外，上述反应会放出大量的热，大流量的氮气不仅起到稀释剂的作用，还能够带动反应体系降温。

最后，剩余尾气在喷淋系统4喷出的碱性喷淋液的作用下做最后的处理，完成高浓度三氟化氯气体的完全处理。

本实施例中，三氟化氯的平均处理效率为300g/h，累计完成约200kg三氟化氯尾气的处理。所述钙石灰的吸收效率可达25kg/h，钠石灰的吸附效率约为15kg/h。

通过稀释系统2、干式处理系统3中的预处理系统31和主处理系统32的依次作用，对三氟化氯气体进行梯度稀释、反应处理，使得最后被喷淋吸收的气体中不含有含氟气体，达到安全处理的目的。

上述实施例中以三氟化氯钢瓶气为例对本发明进行了介绍，在实际生产中，三氟化氯尾气气源也可以是其他工艺尾气。

本发明技术方案在上面结合附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。