化学气相沉积/化学气相渗透工艺尾气处理方法与设备

摘要

本发明公开了一种工业化CVI/CVD工艺尾气处理方法与设备，主要用于以含氯硅烷为原料的工业化生产过程的尾气处理，也可用于其它真空设备的尾气处理。本发明采用机械泵油循环沉降过滤技术、蒸汽与尾气反应处理技术和尾气处理产物分离技术对经过油过滤、固体过滤的尾气进行处理，使尾气处理后的气体、液体和固体产物的排放均满足环保要求。本发明提高了机械泵工作的稳定性，具有尾气处理设备无噪音、寿命长、成本低廉且清理和维护简单方便等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种化学气相沉积/化学气相渗透(以下称CVD/CVI)工艺尾气处理方法与设备。适用于工业化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。

背景技术

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，文献“CVD/CVI工艺尾气处理方法与设备”专利号：ZL98113023.2的发明专利是这样描述的：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。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。

但该发明尾气处理设备的流量在600ml/分，适用于试验室CVD/CVI工艺的尾气处理。限制尾气处理流量的原因有两方面：一是大流量尾气使机械泵抽气速率下降快，而高抽气速率机械泵交替工作更换泵油和维修很困难，这无疑降低了CVD/CVI设备的使用效率；二是水环泵使用的烧碱溶液与HCl皂化反应强烈，大流量尾气处理需要采用大容积水箱或增加废水排放频率才能保证水环泵正常工作，这无疑增加了CVD/CVI工艺的成本。此外，大流量尾气处理所需的高抽气速率水环泵的噪声污染严重。

发明内容

为了克服现有技术只适用于试验室CVD/CVI工艺的尾气处理的不足，本发明提供一种工业化CVD/CVI尾气处理方法与设备。利用蒸汽过滤取代循环水过滤，利用油循环机械泵取代交替使用的普通机械泵。可以提高CVD/CVI设备的使用效率，降低成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明相比现有技术的优点在于：由于采用油循环机械泵取代交替使用的普通机械泵，用机械泵油循环沉降过滤技术，免除了机械泵的维修和泵油更换，可以提高CVD/CVI设备的使用效率，省时省力；采用蒸汽过滤取代循环水过滤，这种无泵蒸汽处理技术，尾气处理设备无噪音且寿命长；采用尾气与蒸汽反应和中和分离的方法，尾气处理设备成本低廉且清理和维护简单方便。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

附图1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、7-2^#机械泵、8-调节阀、9-油箱、10-管道泵、11-水箱、12-蒸汽发生器、13-反应罐、14-排气管、15-连通器、16-管道、17-溢水口、18-排水口、19-进水口、20-蒸汽管道。

具体实施方式

蒸汽过滤装置主要包括蒸汽发生器、反应罐和水箱三部分，蒸汽发生器有超声雾化和加热蒸发两种。超声雾化可以使用工业加湿器，而加热蒸发可以使用小型工业锅炉。从炉腔排出的尾气经过油过滤和两级固体过滤后进入机械泵，从机械泵排出的尾气和蒸汽发生器产生的蒸汽同时进入反应罐，但蒸汽的引入位置应该略高于尾气的引入位置。尾气中的HCl与水蒸汽反应，同时发生冷凝，在反应罐的底部聚集，形成稀盐酸溶液。反应罐通过连通器与水箱相连，稀盐酸通过连通器进入水箱，与预先加入的烧碱反应中和，水箱中的烧碱量是根据水箱的容积和盐酸的浓度计算确定的。蒸汽的流量应该略大于尾气的流量，以保证HCl处理的完全和充分，而水箱的体积是根据蒸汽的流量和要求排放的时间确定的。当水箱中的液面达到溢水口时，烧碱与盐酸完全中和，中和后的盐溶液通过排水口排出。排水口的位置应该略高于连通器的引入位置，以使连通器始终充满溶液，防止尾气通过连通器外逸。当水箱充满而不能及时排放时，溶液可以通过溢水口排出，防止酸溶液在反应罐底部聚集。同样的道理，溢水口与反应罐的底部应该在同一水平面上。尾气中有一部分未分解的硅烷，遇到蒸汽后迅速水解，生产HCl和氧化硅。氧化硅聚集在反应罐底部，而HCl则进一步与蒸汽反应生成稀盐酸。由于氧化硅是松散多孔的，不会影响反应罐与水箱的连通。当然，氧化硅需要定期清理，防止稀盐酸在反应罐底部聚集就是为了方便清理。

尾气处理还可以用水喷磷雾化的方法，但这种方法用水量很大，后续中和反应需要不断排水，最重要的是很难实现完全的尾气处理。

用锅炉产生热蒸汽的优点是蒸汽进入反应罐不需要鼓风，蒸汽流量大而流速慢，有利于蒸汽与尾气的混合反应。换句话说，用热蒸汽进行尾气处理蒸汽流量和反应罐的容积都很小，大幅度减小水的用量和排水次数。但由于温度高，对不锈钢反应罐热蒸汽存在明显腐蚀作用，反应罐的使用寿命较短。用工业加湿器产生冷蒸汽的优点是温度低，对反应罐没有明显的腐蚀作用。但冷蒸汽进入反应罐需要鼓风，蒸汽的流量大但流速也大，不利于蒸汽与尾气的混合反应。换句话说，用冷蒸气进行尾气处理要达到同样的处理效果需要较大的蒸汽流量和反应罐容积，大幅度提高水的用量和排水次数。实际上，热蒸汽和冷蒸气可以交替使用，达到优势互补的目的。

机械泵油的性能在尾气的作用下会不断下降，而高抽速机械泵更换泵油和维修都很困难。因此，保证高抽速机械泵的连续稳定工作是工业化尾气处理的关键环节之一。本发明采用耐腐蚀工程塑料齿轮管道泵，使机械泵成为油环泵而免除机械泵的维修和泵油的更换。在交替工作的两台机械泵之间有一个油箱，油箱的位置高于机械泵箱体的高度。机械泵工作时管道泵将机械泵油不断泵入油箱，而油箱中的油同时不断依靠压差进入机械泵。油箱像通常的工业和循环水池一样分为沉降池和工作池。机械泵油通过管道泵进入沉降池，经过沉降后的泵油通过沉降池的溢流口进入工作池，再经工作池进入机械泵。由于泵油与尾气反应后比重增加，因而在沉降池底部的是变质油，而进入工作池的是可用油。经过一定时间后，可以将沉降池底部的变质油放掉，同时加入等量的清洁油。

炉腔1产生的尾气流量为3000ml/分，经过油过滤器2、一级固体过滤器3和二级固体过滤器4和蝶阀5后进入抽速为70000ml/分的1^#机械泵6和2^#机械泵7，两台机械泵交替工作。机械泵工作的同时启动管道泵10，将机械泵体中的泵油泵入油箱9中的沉降池，经过沉降的泵油通过溢流口进入工作池，然后依靠压差进入泵体。油箱的容积为100升，耐腐蚀管道泵的流量为0.5升/分，根据情况间歇式工作。每工作8天从油箱9沉降池底部的排油口排废油一次，每次排1/3，同时加入等量的清洁油。从机械泵排出的尾气经过调节阀8和管道16进入反应罐13，尾气中的HCl气体与从蒸汽发生器12进入反应罐的蒸汽混合反应生成稀盐酸，尾气中残留硅烷与蒸汽发生水解反应，生成多孔疏松氧化硅和HCl气体，其中氧化硅沉积在反应罐的底部，而HCl气体进一步与蒸汽反应生成稀盐酸。稀盐酸通过反应罐底部的氧化硅沉积物经过连通器15进入水箱11，与水箱中的烧碱反应中和。使用锅炉产生蒸汽，蒸汽的压力为0.3MPa，流量为3公斤/小时。反应罐的容积为1立方米，水箱的容积为0.5立方米，水箱中的烧碱加入量为3公斤。经过约30小时，水箱中的液位达到溢水口17，此时盐酸与烧碱完全中和，经过试纸检验确认后通过排水口18排放。反应罐底部的氧化硅沉积物每2天清理一次，经过处理可以转化为超细纳米粉填料。由于排气管14很长，即使HCl气体与蒸汽在反应罐中混合反应不完全，也会继续在排气管内与蒸汽进一步反应，冷凝后经过反应罐进入水箱被处理。因此最后从排气管排出的只有清洁的水蒸气和H2气。