本装置涉及利用燃烧破坏有毒废气尤其是硅烷的工艺和装置。然而目前为此使用的烧嘴的缺点是燃烧喷咀端口会产生氧化物的沉积,特别是在烟气中有高浓度的氧化物时。然而,在燃烧喷嘴端口存在的这些氧化物会导致压力下降。因而有时对位于系统上流的硅烷燃烧工业装置的正常运行不利。在某些情况下还会导致喷嘴的完全堵塞。此外,随燃烧系统的布局情况不同,在某种情况下可发现氧化物沉积,这些氧化物会堵塞空气入口并妨碍燃烧引火焰的正常进展,从而对系统正常运行产生不利影响。 本发明的一个目的就是通过促进烟气中粉状氧化物的形成以避免喷嘴端口的氧化物沉积。
本发明可用于对在工业中,特别是电子工业中应用的含有硅烷和/或其它成份的废气的处理,包括硅烷的合成物,尤其是各种化学混合物中的氯气、氟、硼、磷、砷、硒、锑等的原子。在下述说明中“硅烷”一词将用来指代这些物质。
本发明亦与用于工业特别是电子工业的多种氢化物或其它物质的裂化和氧化热解有关。此发明的另一个地就是破坏纯硅烷或废气中浓度不等的硅烷,尤其是当温度在自燃点以下时,在空气中或在氧气含量高于或低于空气的任何气氛中。
此发明的另一个目的是避免在喷嘴上和烧嘴燃烧室中氧化物的沉积。
依据本发明,在任何情况下,含有硅烷的废气喷射发生在火焰中,火焰温度促进了硅烷氧化反应,即使废气中硅烷浓度很低时也如此。
依据本发明,有毒废气形成一个中心流,在此有毒气体中心流周围是主燃料气体环流,主燃料气体环流之外则是一圈圈的助燃气体环流。
由于主燃料气体产生的隔离保护作用,避免了废气与烧嘴流出空气的直接接触。因而燃烧明显地移向烧嘴管头之外。本发明与传统燃烧方式的主要区别在于,在传统方式中,人们力求产生湍流以便将火焰固定于烧嘴管头处,而此发明却相反,人们力求尽可能长时间地在烧嘴管头外保持层流气流以便点火区外移并减少氧化硅(或其它固体氧化物)在燃烧室的某一部分形成。在此部位生成的氧化物不会沉积并被烟气带走。
按照本发明的一种特例,主燃料气用一种惰性气体稀释,以减少燃料气的消耗,并在保留可使氧与待破坏废气隔离保护作用条件下,来保持或增加总流量。
主燃料气可由一种气体燃料如:氢气、甲烷、天然气、人造气、丙烷、丁烷等。或这些气体的混合物构成。
主燃料器气体可由单一惰性气体诸如氮、氩、二氧化碳、六氟化硫、囟化碳或由它们的混合物来稀释。
助燃气体是空气,也可添加氧气或其它助燃气体,而最好的助燃气是工业氧。
使与主燃料气相邻的助燃气体的流量低于可保证使主燃料气完全燃烧所需的氧气供应而要求的流量是有利的。
本发明的优点是使燃烧烟气通过高温分解室,并在燃烧后立即突燃冷却。
依据一种实施例,烟气经过洗涤,离心分离,干法或湿法过滤,或静电除尘等后续过程加以回收。
此发明亦涉及一种破坏有毒废气的装置,以装置为包括一系列同心喷管的烧嘴。烧嘴内供待破坏气体注入的喷管设置在中心,其外由供应主燃料气的喷管环绕,一组同心套管环绕主燃料气的供气喷嘴提供助燃气。
在装置内有几个废气收集器与单个烧嘴的喷嘴相连时,烧嘴的中心喷嘴的尺寸应能保证在各个收集器中废气流量的变化不会引起压力降和压力的显著变化,以避免从一个供应收集器到另一个的废气回流。
一种有利的布置是,各个助燃气分配管的出口在轴向不重合。与主燃料气体供气喷嘴出口相比,最外围的套管出口在烧嘴的最前端。在最佳实施例中注入待破坏废气的喷管位于主燃料气的喷嘴中央且其出口后缩在主燃料气喷嘴之内。
按照本发明,为了使不同气体以最佳方式流动,待破坏的废气,主燃料气和助燃气应保持基本稳定的流量且呈层流态,而不出现过大的湍流。
燃烧室内最好清除流动障碍物,如棱角、台阶、平面、毛刺等等。它们会增加湍流和促使火焰固定。但在最外围套筒中可能是例外。
依据本发明,喷嘴和形成助燃气环流的偏转套管为薄壁时,其尾端削边较短,而壁厚时尾端就应有足够的削边长度;以避免气体流突燃扰动和在其末端附近形成湍流。
按照本发明的另一实施方法,利用位于偏转套管后部形成几个环流的流量控制装置可使烧嘴内不同助燃气环流的喷射速度互不相同。邻近主燃料气喷嘴的助燃气应保持最小硫量。当烧嘴最外两层环流的喷射速度相等时,可在二者之一保持最大流量,否则,就应在烧嘴最外层助燃气环流中保持最大流量。同时,几层气体的流量比在以下范围内是有利的。
邻近主燃料气的助燃气的流量与主燃料气的流量比为1∶3;
随废气中可燃物的浓度不同,废气的流量与燃料气的流量之比至少是0.1至5之间。流量的增加与可燃物浓度成正比。但以在主燃料气喷射口处不产生湍流为限。
一种烧嘴实施例的轴向剖面图由图1给出,图2是其横剖面图。
破坏含有硅烷或其它氢化物或其它用于电子工业或其它工业产物的废气的装置包括将废气注入燃烧室的喷嘴1。燃烧室的截面应大得足以避免因废气流量变化而引起大幅度的压力降。特别是避免不利的反压力以及许多独立的废气收集器与同一个排气管相连时气流从一个到另一个的回流。
由烧嘴的安全系统控制的自动隔离阀(图中未示橱)可在烧嘴出故障时防止待破坏气体送入其中。
位于喷嘴1,前端1/3长度处的三个定心支柱3可使喷嘴1与主燃料气供应气喷嘴4同心。一个用作填料箱的定心密封环位于喷嘴4后部可用作喷嘴1与喷嘴4的附加定心装置。
喷嘴1与喷嘴4端口的相对位置可由喷嘴1的轴向位移来调整。
由一种可燃气体,如丙烷、丁烷、甲烷或天然气、或者任何其它可燃气的混合物构成的主燃料气由一外部气源(图中未示出)提供,并可通过某些装置进行流量的调节和测量。这种燃料气体可以是单一纯净气体,也可以是加有惰性气体的混合物。惰性气体由外部气源通过调节装置和流量测量系统提供。
这种燃料气或可燃气体混合物通过管子5进入喷嘴4。定心支柱8同支柱3一样可使套管13a、13b、13c与喷嘴4同轴。这些套管形成3个助燃气的环状导管12a、12b、12c。助燃气由与空气室10相连的集流管11提供。
空气室10,外套管13c和喷嘴4通过圆盘7彼此联成一个整体。该圆盘形成烧嘴的后部。
外套管13c构成烧嘴的外罩,空气室10固定在具后部。
在空气室内,利用分配装置,如进气孔9或其它装置如格栅、隔板、多孔材料等可将空气室10与套管13c内后部的空气分散。因而可以保证从集流管11进入的空气在各环流气体导管各截面处均匀分布。
外套管13c的开口端部大大伸出硅烷喷嘴1之外。试验曾证明这种伸出是必要的。但只要达到某一最小伸出量,则具体位置就无严格要求。
在内套管13a和燃料气喷嘴4之间的环形导管12a中装有阻尼板14。它延伸至喷嘴4,它可使通过导管12a的空气流量减少,并调整此流量以使在第一导管12a中的空气量少于可保证通过喷嘴4的燃料气流完全燃烧所要求的理论值。这些阻尼板也构成了套管13a的后部定心装置。图2中只示出了3个阻尼板,但数量多些可能更好。
套管13b的前端位于筒13a和筒13b的端口之间这个前置位置是必要的,以保证火焰充分连续但并非决定性的,其前置量也可增加。另一方面,布置定心支柱8时,从出口大大退回燃烧室通常是非常重要的。以消除它们引起的湍流的影响。
已利用如前述的烧嘴完成了处理含硅烷废气的一些试验。
喷嘴1是内径42mm,厚度3mm的管道。
主燃料气混合物喷嘴4内径66mm,厚度5mm。
空气分配套管13a、13b、13c内径分别为120、170、210mm,厚度分别为6、6和3mm。
硅烷喷嘴和主燃料气喷嘴4的端口与偏转套管13a在15处削边以避免在这些部位气流扰动。
在此烧嘴中供待处理废气注入的中心喷嘴1是可移动的,以便调整废气管出口与主燃料气喷嘴4出口的相对位置。
我们试验中用的待处理废气是纯硅烷或硅烷与氮的混合物。
主燃料气是纯丙烷或丙烷与氮的混合物。
送入烧嘴的空气流量为800m3/h。分配于下述的3个导管12a、12b、12c中。
导管12a:30m3/h;
导管12b:370m3/h;
导管12c:400m3/h;
在全部试验中,通过环12a送入的空气量仅相当于使主燃料气完全燃烧所需的理论化学计算值的20~80%。
在每次试验前,利用0~10m3/h的纯氮气构成的待破坏的废气对火焰稳定性进行检查。
第一批试验
在硅烷和空气的流量固定,主燃料气混合物总流量固定为6m/h的条件下,改变混合物中丙烷的浓度。
空气流量是800m3/h。
待处理废气纯硅烷的流量为1m3/h。
为获得同等数量的氧化硅产物,每次试验的燃烧时间都为6分钟。
硅烷进气喷嘴1相对于套管13a后移40mm,偏转套管13b和13c则分别前移50和60mm。
丙烷流量 丙烷浓度 沉积情况
2m3/h 30% 喷嘴1上有少量沉积。
13a、13b上无沉积
3m3/h 50% 无沉积
6m3/h 100% 无沉积
第二批试验
第一批试验的烧嘴结构以及硅烷和空气的流量均保持不变。
燃料混合气体中丙烷浓度为50%。
使用的燃料混合气的流量不同。
丙烷流量 氮气流量 总流量 沉积情况
1.5m3/h 1.5m3/h 3m3/h 在1、4、13a有沉积
3m3/h 3m3/h 6m3/h 无沉积
6m3/h 6m3/h 12m3/h 无沉积
在最后一个试验中,中心喷嘴1相对于燃气喷嘴4出口后移12mm。
第三批试验
除喷嘴1外,烧嘴结构,硅烷和空气流量均保持不变。
燃料气流量为6m3/h。其成分是丙烷和氮各占50%。
喷嘴1的轴向位置则相对于喷嘴4的出口后移不同的距离。
喷嘴1的后移距离 沉积情况
0mm 在喷嘴1和4上有沉积。13a、13b、
13c上无沉积
12mm 在喷嘴1和4上有沉积。13a、13b、
13c上无沉积
25mm 在喷嘴1上有沉积。在4、13a、
13b、13c上无沉积
40mm 无沉积
51mm 无沉积
第四批试验
空气流量仍保持在800m3/h。
燃料混合气(丙烷和氮气各50%)的流量为6m3/h。
硅烷喷嘴1位于喷嘴4后40mm,烧嘴的其它结构参数不变。
硅烷流量及其在待处理废气中的浓度在几立方米/每小时内变化。
硅烷流量 稀释氮气流量 混合气总流量 试验时间 沉积情况
1m3/h 0m3/h 1m3/h 6分钟 在喷嘴1
上有少量
沉积
1m3/h 5m3/h 6m3/h 6分钟 无沉积
6m3/h 0m3/h 6m3/h 6分钟 无沉积