CVI/CVD工艺尾气处理方法与设备

摘要

本发明涉及一种适用于工业化生产的CVD/CVI尾气处理方法与设备,也可用于其他工业化真空设备的尾气处理;本发明采用多级复合处理工艺,将油过滤器、固体过滤器、机械泵和水环泵组装为尾气处理设备,对CVD/CVI工艺过程之前、之中和之后进行全面的尾气处理,使尾气的排放达到环保标准。采用油过滤器去除沉积产物固体粒子和分解产物焦油:采用两级固体过滤器部分去除HCl气体和去除残余焦油;采用两台机械泵交替使用和更换泵油;采用由水环泵、循环NaOH溶液和气水分离器组成的水过滤。尾气处理具有设备性能稳定,安全可靠、操作简单、维修方便,成本低廉和价格低廉等优点。

说明书

本发明涉及一种化学气相沉积/化学气相渗透(Chemical Vapor Deposition/ChemicalVapor Infiltration，简称CVD/CVI)工艺尾气处理方法，包括尾气处理的设备与工艺。适用于CVD/CVI制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料、防氧化涂层及各种薄膜材料过程中尾气的处理，也适用于其它真空设备的尾气处理。

CVD/CVI工艺过程中的进气包括H₂、Ar和金属有机硅烷，因而尾气的组份包括未分解的金属有机硅烷、反应产物HCl、分解产物焦油、沉积产物粒子、载气H₂和稀释气Ar。未分解的金属有机硅烷和反应产物HCl遇空气中的水将产生腐蚀性极强的盐酸气，因而不能直接排入大气。焦油在机械泵中沉淀严重影响抽气速率的稳定性，应该在前级排除。H₂是易燃易暴气体，应该及时排向户外。由于添加硅烷时硅烷极易挥发产生盐酸气，CVD/CVI过程结束后装取试样时，炉内残留的硅烷和HCl会直接排入大气造成环境污染。因此CVD/CVI过程之前和之后也存在尾气处理的问题。

由于CVD/CVI工艺的尾气成分复杂，腐蚀性极强，因而处理难度很大。目前国内还没有有效的处理方法，国外的CVD/CVI设备也都不包括尾气处理装置。

针对CVD/CVI尾气成分复杂的特点，本发明采用三级过滤的复合过滤方法。第一级为油过滤，主要是为了去除沉积产物粒子和分解产物焦油；第二级为固体过滤，主要是为了去除未分解的金属有机硅烷和HCl气体；第三级为水过滤，主要是为了进一步去除未分解的金属有机硅烷和HCl气体。

油过滤去除粒子和焦油是非常有效的，即使少量进入固体过滤器，也会被完全吸附。固体过滤器中装填的是活性炭和烧碱(NaOH)，活性炭主要通过吸附去除焦油，也能部分去除HCl气体，而烧碱则可以与HCl气体反应中和生成盐和水。HCl气体对机械泵油具有强烈的腐蚀作用，使机械泵的抽气速率发生严重衰减。固体过滤器大幅度减少了进入机械泵的HCl气体流量，因而显著延缓了机械泵抽气速率的衰减速度。两台机械泵交替使用可以在一台机械泵抽气速率下降需要更换泵油时起动另一台机械泵，从而保证连续和稳定的抽气速率。采用两级固体过滤即可以提高过滤效果，又可以方便更换和有效利用固体填料。因为第一级需要更换的次数显然高于第二级，更换次数之比约为3∶1。在机械泵的排气中仍含有部分HCl气体，采用第三级水过滤可以完全去除。水过滤包括水环泵、水箱和气水分离器，水箱中装满NaOH水溶液并能在水环泵的作用下不断在水环泵中循环。HCl气体进入水环泵后与水充分混合，然后进入气水分离器，分离的H₂和Ar通过排气管道排入大气，而HCl气体在混合和分离的过程中与NaOH反应生成盐水溶液，并进入水箱，同时NaOH碱溶液不断进入水环泵与真空泵的排气混合、分离和反应。当NaOH水溶液的酸碱度为中性时，证明NaOH已消耗完毕，应及时更换NaOH水溶液。经过水过滤后HCl气体被完全去除，排入大气的只有H₂和Ar。

利用水环泵将金属有机硅烷抽入鼓泡罐中，可以完全防止CVD/CVI工艺过程之前更换硅烷时硅烷的外逸。水环泵还可以在CVD/CVI过程结束后装取试样时做为抽烟机，完全避免炉内残留的HCl气体逸出排入大气。因此，本发明对CVD/CVI全过程中产生的污染严重的尾气都能进行有效处理。

综上所述，本发明包括如下核心环节：(1)采用油过滤器去除沉积产物固体粒子和分解产物焦油，可以保证固体过滤器发挥作用；(2)采用两级固体过滤器部分去除HCl气体和去除残余焦油，可以提高效率和方便更换固体填料；(3)采用两台机械泵交替使用和更换泵油的方法，可以克服HCl气体对机械泵抽气速率的影响；(4)采用由水环泵、循环NaOH溶液和气水分离器组成的水过滤，可以使尾气的排放达到环保标准；(5)利用水环泵产生的负压添加硅烷，可以防止硅烷外逸产生的大气污染；(6)利用水环泵的抽气功能，可以消除炉内残留HCl气体逸出对大气的污染。

本发明的优点是：(1)采用多级复合处理工艺，使CVD/CVI工艺的尾气排放达到环保标准；(2)处理设备同时还可以对更换硅烷和炉内残留的HCl气体进行处理，充分发挥处理设备的效能；(3)处理设备性能稳定，无需经常进行维修和更换，可以满足CVD/CVI工艺周期长的要求；(4)处理设备安全可靠，操作简单，维修和更换方便；(5)处理设备的成本低廉，辅助材料价格便宜，而处理效率却很高。

附图给出了本发明设备的结构原理图，图中1-炉腔、2-油过滤器、3-一级固体过滤器、4-二级固体过滤器、5-蝶阀、6-1^#机械泵、7-1^#调节阀、8-2^#机械泵、9-水环泵、10-气水分离器、11-循环水箱、12-放水阀、13-下水管、14-上水管、15-上水阀、16-尾气排放口、17-2^#调节阀、18-3^#调节阀、19-硅烷桶、20-H₂和Ar气源、21-硅烷鼓泡罐、22-4^#调节阀、23-进气口、24-集气罩。

下面，结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

CVD/CVI过程中的尾气处理：启动水环泵(9)，1^#调节阀(7)放在最大位置，打开1^#机械泵(6)后缓慢打开蝶阀(5)，开始抽真空。由于机械泵的排气口只能处于微负压状态，打开2^#调节阀(17)做为掺气阀，可以将机械泵的排气口压力调至微负压状态。因此，集气罩(24)将始终处于抽气状态，这将使任何泄漏的尾气被及时排出。当达到额定真空度时，1^#调节阀(7)放在适当位置，增加掺气阀(17)流量并开始加热。加热至指定温度后打开H₂和Ar气源(20)。H₂气通过鼓泡罐(21)时将硅烷从进气口(23)带入炉膛(1)，CVD/CVI过程开始。尾气经过油过滤器(2)后进入第一级和第二级固体过滤器(3，4)，然后经过蝶阀(5)进入机械泵。当1^#机械泵(6)工作一段时间后，打开2^#机械泵(8)，更换1^#机械泵油。机械泵排出的尾气经过1^#调节阀(7)进入水环泵(9)与碱溶液混合，然后经过气水分离器(10)，最后通过尾气排放口排出室外。当水箱中(11)的碱溶液成为中性盐溶液时，打开放水阀(12)将盐溶液排净，清洗水箱后关闭放水阀。打开进水阀(15)将水箱基本装满，然后加入一定量的NaOH，静置10小时后才能启动水环泵。正常使用的情况下，机械泵每工作24小时更换泵油一次，一级固体过滤器每工作300小时更换固体填料一次，二级固体过滤器每工作900小时更换填料一次，油过滤器每工作600小时更换油一次，水箱中的碱溶液每工作400小时更换一次。

添加硅烷时的尾气处理：启动水环泵(9)，打开3^#和4^#调节阀(18，22)，这时硅烷桶(19)中的硅烷将被缓慢地抽入鼓泡罐(21)。当鼓泡罐中的硅烷体积约占容积的2/3时关闭3^#和4^#调节阀，添加硅烷结束。

装取试样时的尾气处理：启动水环泵(9)，打开2^#调节阀(17)后打开炉盖，这时炉内残留的HCl气体将被抽入水环泵。当然，装取试样时，操作人员必须穿戴防护服。装取试样结束后，关闭2^#调节阀。