專利名稱：微波等離子體分解氟利昂無(wú)害化處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有毒有害廢氣處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種微波等離子體分解氟利昂 無(wú)害化處理方法。
背景技術(shù)：
氟利昂(CFCs)是一種工業(yè)化生產(chǎn)的含有氟、氯、碳、氫的化合物，曾被廣泛用作致 冷劑、泡沫塑料發(fā)泡劑、電子元件清洗劑、氣溶膠噴射劑及滅火劑。然而，氟利昂會(huì)破壞大氣 臭氧層，同時(shí)也是導(dǎo)致全球氣候變暖的溫室氣體之一。解決氟利昂導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題有三條 途徑(1)實(shí)現(xiàn)氟利昂的零排放；(2)開展氟利昂替代品合成的研究；(3)將氟利昂分解轉(zhuǎn) 化為無(wú)害物質(zhì)?，F(xiàn)在世界上還有225萬(wàn)噸氟利昂存在于廢舊設(shè)備中，一旦這些氟利昂未經(jīng) 任何處理而直接排入大氣，必將使臭氧層危機(jī)更趨嚴(yán)重，因此，開發(fā)分解現(xiàn)存氟利昂的技術(shù) 成了當(dāng)務(wù)之急。對(duì)于氟利昂的分解技術(shù)目前主要有焚燒法和高頻等離子體分解法。焚燒法是利用 燃燒熱產(chǎn)生的高溫使氟利昂分解，其在焚燒過(guò)程中可能導(dǎo)致出現(xiàn)特別危險(xiǎn)的二次化合物。 如二喔星、二氟光氣、氯光氣、八氟異丁烯、苯芘等等 。高頻等離子體分解法是利用8000 ioooo°c超高溫下的熱等離子體使氟利昂得到快速分解，其條件較為苛刻，設(shè)備成本高。由 于上述原因，氟利昂的分解技術(shù)還未形成足夠規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。等離子體是由分別帶有正、負(fù)電荷的兩種粒子所組成的電中性的粒子體系。利用 微波激發(fā)可電離氣體放電可產(chǎn)生微波等離子體，保持微波持續(xù)作用于等離子體，則微波能 量可維持等離子體穩(wěn)定運(yùn)行。隨著微波等離子體技術(shù)的發(fā)展，目前已出現(xiàn)微波等離子體反應(yīng)器，主要包括微波 發(fā)生器，內(nèi)設(shè)短路活塞的矩形波導(dǎo)管，微波調(diào)控裝置及等離子體反應(yīng)器，等離子體反應(yīng)器主 要由石英反應(yīng)管，點(diǎn)火電極，空氣冷卻裝置構(gòu)成。等離子體反應(yīng)器的石英反應(yīng)管被矩形波導(dǎo) 管包攏部分形成諧振腔，通過(guò)調(diào)節(jié)短路活塞使諧振腔頻率與微波發(fā)生器的發(fā)生頻率一致， 使微波能量耦合于諧振腔，點(diǎn)火電極激發(fā)等離子體反應(yīng)器內(nèi)的載氣形成持續(xù)的高密度等離 子體。微波等離子體的電離度高，氣體具有更高的活化程度，因而能在1000-1200°C相對(duì)低 的溫度下獲得和維持具有更高能量的等離子體。在同等能量下，微波等離子體比高頻等離 子體更能有效激發(fā)氣體分子的電離和離解過(guò)程，激發(fā)的亞穩(wěn)態(tài)活性粒子多，反應(yīng)性強(qiáng)，不會(huì) 生成新的難降解的污染物質(zhì)。微波等離子體中自由電子的溫度高于離子的溫度，其中的化 學(xué)反應(yīng)具有更高的反應(yīng)平衡常數(shù)，反應(yīng)效率更高，因此如能將微波等離子體反應(yīng)器應(yīng)用于 氟利昂的分解，將為氟利昂的無(wú)害化處理提供一種反應(yīng)條件溫和，高速高效，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè) 化應(yīng)用的新途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種分解條件溫和、反應(yīng)完全充分、無(wú) 次生污染、節(jié)能、成本低且易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的微波等離子體分解氟利昂無(wú)害化處理方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種微波等離子體分解氟利昂無(wú)害化處理方法，其特征在于將氟利昂、水蒸汽及載氣的混合氣在微波等離子體反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)分解，并對(duì)分解產(chǎn)物進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)化，使氟 利昂分解為二氧化碳和鹵化氫并轉(zhuǎn)化為碳酸鹽和鹵鹽；具體工藝步驟如下(1)將氟利昂、水蒸汽和載氣分別通入混氣室進(jìn)行混合，氟利昂與水蒸汽的摩爾比 為1 1-4，氟利昂的體積流量占混合氣總體積流量的0. -10% ；(2)將混合氣由混氣室出氣口經(jīng)由微波等離子體反應(yīng)器的石英反應(yīng)管的進(jìn)氣口通 入管內(nèi)，開啟微波發(fā)生器，微波由矩型波導(dǎo)管傳輸至諧振腔，調(diào)節(jié)短路活塞使諧振腔的諧振 頻率與微波發(fā)生器的頻率一致，點(diǎn)火激發(fā)載氣形成等離子體，等離子體、水蒸汽和氟利昂進(jìn) 行反應(yīng)分解，產(chǎn)生反應(yīng)生成氣；(3)反應(yīng)生成氣由石英反應(yīng)管出氣口通入冷卻洗滌吸收裝置，由氫氧化鈉溶液進(jìn) 行洗滌吸收形成吸收液；吸收液中再加入氯化鈣得到分離回收的氟化鈣、碳酸鈣。所述微波發(fā)生器的輸出功率為0. 5 5kW連續(xù)可調(diào)，微波的頻率為2. 45GHz。所述載氣為氬氣或氮?dú)狻１景l(fā)明的設(shè)計(jì)思想是利用微波等離子體分解氟利昂代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焚燒法和高頻等 離子體分解法。如圖1-圖2所示，本發(fā)明采用的微波等離子體反應(yīng)器A主要包括微波發(fā)生 器4、微波調(diào)控裝置3，矩形波導(dǎo)管2及等離子體反應(yīng)器1，等離子體反應(yīng)器1由針狀點(diǎn)火電 極11，豎直設(shè)置的石英反應(yīng)管14，環(huán)繞石英反應(yīng)管的空氣冷卻夾套13構(gòu)成，石英反應(yīng)管14 的上封蓋121上設(shè)有進(jìn)氣口 16，用于通入氟利昂、水蒸氣及載氣的混合氣，下封蓋122上設(shè) 有出氣口 15，用于引出反應(yīng)生成氣；點(diǎn)火電極11通過(guò)與上封蓋121螺紋連接插入石英反應(yīng) 管中，可以上下自由移動(dòng)以調(diào)節(jié)在管內(nèi)的高度。等離子體反應(yīng)器1在位于矩形波導(dǎo)管2的 中心位置垂直貫穿矩形波導(dǎo)管2的上下寬面，石英反應(yīng)管14被矩形波導(dǎo)管2包攏的部分形 成諧振腔5 ；矩型波導(dǎo)管一端通過(guò)微波調(diào)控裝置3連接微波發(fā)生器4，另一端設(shè)置短路活塞 6?？諝饫鋮s夾套13用于在工作時(shí)從冷卻空氣進(jìn)口 131吹入冷卻空氣并從冷卻空氣出口 132吹出，確保等離子體反應(yīng)器在大功率高溫狀態(tài)下及時(shí)散熱，正常工作。微波等離子體反 應(yīng)器工作原理為微波發(fā)生器4產(chǎn)生的微波經(jīng)微波調(diào)控裝置3由矩型波導(dǎo)管2導(dǎo)入諧振腔 5，通過(guò)調(diào)節(jié)短路活塞6，使諧振腔5的諧振頻率與微波發(fā)生器4的發(fā)射頻率一致，使微波能 量耦合于諧振腔，在微波諧振作用下，點(diǎn)火電極11伸至諧振腔5激發(fā)等離子體反應(yīng)器內(nèi)的 載氣形成持續(xù)的高密度等離子體，密度約為1012-1015/cm3 ；等離子體、水蒸汽和氟利昂進(jìn) 行反應(yīng)分解。本發(fā)明的有益效果是微波等離子體的電離度高，氣體具有更高的活化程度，因而 能在相對(duì)低的溫度下獲得和維持具有更高能量的等離子體。微波等離子體對(duì)氣體的電離和 離解程度高，氟利昂分解率達(dá)到99%以上；與焚燒法相比，具有反應(yīng)完全、無(wú)次生污染的優(yōu) 勢(shì)，與高頻等離子體分解法相比，其反應(yīng)溫度在1000-120(TC，遠(yuǎn)低于高頻等離子體分解法 的超高溫，分解條件溫和并具有設(shè)備成本低和節(jié)能優(yōu)勢(shì)；易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。


圖1是微波等離子體反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖2是等離子體反應(yīng)器與矩形波導(dǎo)相對(duì)位置示意圖；圖3是微波等離子體分解氟利昂無(wú)害化處理方法流程圖。以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例中，微波發(fā)生器型號(hào)為2M210F，輸出功率為0. 5 5kW連續(xù)可調(diào)，微波 的頻率為2. 45GHz。石英反應(yīng)管的內(nèi)徑為50mm ；混合氣的總體積流量為0. 5-5L/min。實(shí)施例1應(yīng)用本發(fā)明提供的微波等離子體分解氟利昂無(wú)害化處理方法對(duì)市售氟利 昂-12 (R-12，即二氟二氯甲烷CCl2F2)進(jìn)行無(wú)害化處理，其特征在于將氟利昂-12、水蒸汽及 作為載氣的氬氣混合氣在微波等離子體反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)分解，并對(duì)分解產(chǎn)物進(jìn)行吸收、 轉(zhuǎn)化，使氟利昂分解為二氧化碳和鹵化氫并轉(zhuǎn)化為碳酸鹽和鹵鹽；圖3示出了微波等離子 體分解氟利昂無(wú)害化處理方法流程，該處理系統(tǒng)主要包括原料氣混合用混氣室、微波等離 子體反應(yīng)器A，冷卻洗滌吸收裝置及過(guò)濾池，混氣室的出氣口與微波等離子體反應(yīng)器A的進(jìn) 氣口連接，微波等離子體反應(yīng)器A的反應(yīng)生成氣出氣口與冷卻洗滌吸收裝置的反應(yīng)生成氣 進(jìn)氣口連接、冷卻洗滌吸收裝置的吸收液出液口與過(guò)濾池連接。具體工藝步驟如下(1)將氟利昂-12、水蒸汽和氬氣分別通入混氣室進(jìn)行混合，氟利昂-12和氬氣、水 蒸汽混合后總體積流量為5L/min，氟利昂-12與水蒸汽的摩爾比為1 4，氟利昂-12的體 積流量占混合氣總體積流量的0. 1%，即其體積流量為0. 005L/min ；水蒸汽的質(zhì)量流量為 0. 016g/min，氬氣體積流量為4. 975L/min，本例中，氟利昂-12和氬氣分別由體積流量計(jì)控 制進(jìn)入混氣室；水由質(zhì)量流量計(jì)控制進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的水蒸汽進(jìn)入混氣 室與氟利昂和載氣進(jìn)行充分混合；上述蒸汽發(fā)生器是一個(gè)輸出功率為0. 3-3kw的連續(xù)可調(diào) 的加熱鍋，開始時(shí)鍋內(nèi)不加水，直接加熱，由質(zhì)量流量計(jì)控制進(jìn)水量，根據(jù)進(jìn)水量選擇合適 的加熱功率，使加入的水完全汽化。(2)將混合氣由混氣室出氣口經(jīng)由微波等離子體反應(yīng)器1的石英反應(yīng)管14的進(jìn)氣 口 16通入管內(nèi)；開啟微波發(fā)生器4，產(chǎn)生頻率為2. 45GHz的微波并由矩型波導(dǎo)管2傳輸至 等離子體反應(yīng)器內(nèi)的諧振腔5，調(diào)節(jié)短路活塞6使諧振腔5的諧振頻率與微波發(fā)生器的頻率 一致，使微波能量耦合于諧振腔；在微波諧振作用下，調(diào)節(jié)點(diǎn)火電極11下端至諧振腔5中放 電，激發(fā)氬氣使之形成持續(xù)的高密度等離子體；反應(yīng)管內(nèi)溫度在1000-110(TC，氟利昂-12 和水蒸汽與等離子體進(jìn)行反應(yīng)并分解，產(chǎn)生包含HC1、HF和CO2的反應(yīng)生成氣；點(diǎn)火完成后， 調(diào)節(jié)點(diǎn)火電極11的高度使其離開諧振腔，以免高溫?zé)茡p壞。(3)反應(yīng)生成氣由石英反應(yīng)管輸出口 15通入冷卻洗滌吸收裝置，由質(zhì)量濃度為 10%的氫氧化鈉溶液進(jìn)行洗滌吸收形成吸收液；上述冷卻洗滌吸收裝置為填料吸收塔，塔 頂設(shè)置噴頭，塔中設(shè)填料段進(jìn)行氣液傳質(zhì)與傳熱，填料可以是散堆填料或規(guī)整填料，等離子 體反應(yīng)器出來(lái)的反應(yīng)生成氣由填料塔下部通入，氫氧化鈉溶液由塔頂噴頭噴淋，反應(yīng)生成 氣經(jīng)過(guò)冷卻洗滌吸收后的廢氣由塔頂排空，塔底輸出的吸收液通入內(nèi)裝氯化鈣溶液的過(guò)濾 池，生成氟化鈣、碳酸鈣及NaCl等對(duì)環(huán)境無(wú)害的物質(zhì)。并可進(jìn)行回收再利用。經(jīng)氣相色譜法分析填料吸收塔頂排放廢氣中氟利昂-12的濃度，氟利昂-12分解率達(dá)到99. 1% ο實(shí)施例2應(yīng)用本發(fā)明提供的微波等離子體分解氟利昂無(wú)害化處理方法，對(duì)市售氟利 昂-13 (R-13，即三氟一氯甲烷CClF3)進(jìn)行無(wú)害化處理。本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)是載氣改為氮?dú)?，氟利?13和氮?dú)?、水蒸汽混?后總體積流量為0.5L/min，氟利昂與水蒸汽的摩爾比為1 1，氟利昂-13的體積流量占混 合氣總體積流量的10%，即其體積流量為0. 05L/min ；水蒸汽的質(zhì)量流量為0. 16g/min，氮 氣體積流量為0. 4L/min，反應(yīng)管內(nèi)溫度在1000-1120°C ；本例工藝過(guò)程、其他操作條件及測(cè) 試方法均同實(shí)施例1。本例中，氟利昂-13分解率達(dá)到99. 9%。實(shí)施例3應(yīng)用本發(fā)明提供的微波等離子體分解氟利昂無(wú)害化處理方法，對(duì)市售氟利 昂-22(R-22，即二氟一氯甲烷CHClF2)進(jìn)行無(wú)害化處理。
本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)是載氣改為氬氣，氟利昂-22和氬氣、水蒸汽混合 后總體積流量為3L/min，氟利昂-22與水蒸汽的摩爾比為1 3，氟利昂-22的體積流量占 混合氣總體積流量的5%，即其體積流量為0. 15L/min，水蒸汽的質(zhì)量流量為0. 48g/min，反 應(yīng)管內(nèi)溫度在1000-1160°C ；氬氣體積流量為2. 4L/min ；本例工藝過(guò)程、其他操作條件及測(cè) 試方法均同實(shí)施例1。本例中，氟利昂-22的分解率達(dá)到99. 6%。以上所述，僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并非對(duì)發(fā)明作任何形式上的限制。凡是 依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本 發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種微波等離子體分解氟利昂無(wú)害化處理方法，其特征在于將氟利昂、水蒸汽及載氣的混合氣在微波等離子體反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)分解，并對(duì)分解產(chǎn)物進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)化，使氟利昂分解為二氧化碳和鹵化氫并轉(zhuǎn)化為碳酸鹽和鹵鹽；具體工藝步驟如下(1)將氟利昂、水蒸汽和載氣分別通入混氣室進(jìn)行混合，氟利昂與水蒸汽的摩爾比為1∶1-4，氟利昂的體積流量占混合氣總體積流量的0.1％-10％；(2)將混合氣由混氣室出氣口經(jīng)由微波等離子體反應(yīng)器的石英反應(yīng)管的進(jìn)氣口通入管內(nèi)，開啟微波發(fā)生器，微波由矩型波導(dǎo)管傳輸至諧振腔，調(diào)節(jié)短路活塞使諧振腔的諧振頻率與微波發(fā)生器的頻率一致，點(diǎn)火激發(fā)載氣形成等離子體，等離子體、水蒸汽和氟利昂進(jìn)行反應(yīng)分解，產(chǎn)生反應(yīng)生成氣；(3)反應(yīng)生成氣由石英反應(yīng)管出氣口通入冷卻洗滌吸收裝置，由氫氧化鈉溶液進(jìn)行洗滌吸收形成吸收液；吸收液中再加入氯化鈣得到分離回收的氟化鈣、碳酸鈣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波等離子體分解氟利昂無(wú)害化處理方法，其特征在于所述 微波發(fā)生器的輸出功率為0. 5 5kW連續(xù)可調(diào)，微波的頻率為2. 45GHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微波等離子體分解氟利昂無(wú)害化處理方法，其特征在于 所述載氣為氬氣或氮?dú)狻?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及微波等離子體分解氟利昂無(wú)害化處理方法，其特征是將氟利昂、水蒸氣及載氣的混合氣在微波等離子體反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)分解，并對(duì)分解產(chǎn)物進(jìn)行吸收轉(zhuǎn)化；步驟為(1)將氟利昂、水蒸氣和載氣進(jìn)行混合，氟利昂與水蒸氣的摩爾比為1∶1-4，氟利昂的體積流量占混合氣總體積流量的0.1％-10％；(2)將混合氣通入微波等離子體反應(yīng)器內(nèi)，微波由矩型波導(dǎo)管傳輸至諧振腔，調(diào)節(jié)短路活塞使諧振腔諧振頻率與微波頻率一致，點(diǎn)火激發(fā)載氣成等離子體，等離子體、水蒸氣和氟利昂進(jìn)行反應(yīng)分解；(3)反應(yīng)生成氣進(jìn)行洗滌吸收并分離。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是分解條件溫和、反應(yīng)完全充分、分解率高、無(wú)次生污染、節(jié)能、成本低且易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號(hào)B01D53/76GK101829487SQ201010198158
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者劉紅磊, 盧學(xué)強(qiáng), 孫貽超, 張艷華, 王哲, 袁敏, 鄧小文, 邵曉龍, 馬建立 申請(qǐng)人:天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院