CN102200285A - 工业废气的动态氧化 - Google Patents

Abstract

工业废气的动态氧化，本发明的技术方案将有害工业废气通过加热腔内的加热棒和圆柱体加热到自燃温度。加热的套子和氧气在燃烧腔内混合，气体自燃并燃烧。引入空气冷却燃烧出去。从冷却的气体中分离颗粒。排出纯的无害气体和空气。

Description

工业废气的动态氧化

技术领域

本发明涉及降低或消除有害气体排放的方法和设备。污染的气体被分解、清洁和中和。本发明特别涉及适用于全球变暖气体和其它难于分解的其他。这些气体包括全氟化碳(PFC)、四氟甲烷(CF₄)、六氟乙烷(C₂F₆)和许多其它消耗臭氧层的全球变暖和温室气体。本发明也可以通过除去三氢化砷(AsH₃)或三氢化磷(PH₃)等气体，从而用于分解半导体工艺中排放气流的分解。清洁、中和和分解这些类型的气体需要高温。

背景技术

现有系统不能提供足够的热有效清除排出气流中的全球变暖气体。以前的气体清洁系统包括被控的分解/氧化(CDO)及其它。这些以前的系统性能效率低，设备维修期间停工时间长。在工业中，如半导体工业，对气体清洁系统存在巨大的需求，从而符合环境排放的法律和法规。

现有气体清洁系统中使用了加热器。不过，加热器不能完全加热所有的气体，而且加热器变脏，不能有效传递热量。它们也对颗粒状的污染物或反应产物不堪重负，从而影响了气体自由穿过清洁系统。加热器和空腔的定期清洗是必要的，从而不得不停止系统的动作，或者将处理设备从生产线拿下，这就需要连个系统和更多的花费。如果这些系统不进行清洗，则污染气体会排放出来。

因此，需要改进的设备和系统，用于污染气体的处理方法和设备，以清洁加热器隔间。还需要改进的设备和系统，用于中和、清除和清洁化学工艺中的气体和废气。还需要改进的系统，其能有效的中和化学工艺中排放的气体、有害组分和污染物。该系统应该确保完成或基本完成气流中任何污染气体的中和与清除。还需要该系统是简单和便宜的，易于建设和操作，操作时不需要燃料源。所需要的系统要能够每分钟处理含有污染气体的气流，其中污染气体的体积含量从痕量到几十至几百升。

发明内容

发明概述

本发明提供一种通过将可燃气体在升高到自燃温度、对其进行动态氧化的设备和方法。该新发明将可燃气体升至自燃温度，并从几乎和可燃气体垂直的方向输入含有氧化剂如氧气的空气和气体。该方法允许可燃气体自动点燃，并使其在超过环境氧化性气体的情况下进行动态氧化，从而在没有加速氧化或爆炸的风险下实现完全氧化。

该新发明包括将易燃的或可燃的工业废气进行合并，并加热到高于自燃温度(AIT)，并对加热的气体进行动态氧化，从而使气体进行受控的燃烧。在这个过程中，加热的气体似乎是自燃的(实际不是)。

一热单元在一空腔内加热有害的废气流至升高的温度，即600℃至1800℃之间，优选为900℃至1200℃，直至约2000℃或2000-3000F，或更高，此时气体变成自燃的。热气体在暴露于空气或其它氧化性气体时自燃。空气横向供给高热并能自燃的气流。加热的气体在接触到空气时能自燃。快速扩散的燃烧产物和进来的空气产生扰动，完成混合过程，并完成可燃气体的燃烧。在扰动混合时的过量空气确保自燃，并在温度降低到不可燃之前完成热的自燃气体的燃烧。扰动确保了加热的废气流完全燃烧。

通过重力和机械分离的方法从加热的进气、加热管、最终的气体产品和过量的空气中除去颗粒。最终的氧化气体、燃烧产物和已冷却的气体，通过重力、旋风分离器、过滤器或冷却的洗涤器进行颗粒的分离，并将冷却的燃烧产物通过冷却的排气管或喷雾器进行排出。

在排气中是纯的无害气体。

废气加热腔内的高温电极在无氧环境中迅速加热废气。气体的加热导致颗粒和炭吸附到加热管上。加热管定期进行剐蹭。剐蹭的颗粒落入罐中。燃烧最终的产品在过量的空气和冷却盘管中冷却。

气体快速氧化形成的颗粒落入罐中。该颗粒从最终的气体产品中过滤，或在旋风分离器中除去。

有害气体的动态氧化包括将有害气体引入到一个空腔内，在该空腔内加热气体至自燃温度，向加热的气体输入氧气，有害气体和氧气一起自燃，燃烧有害气体，得到无害的燃烧气体产物。冷却燃烧产物，在排出冷却和清洁的燃烧产物之前，从燃烧产物中除去颗粒物。

有害气体用深入到空腔内的棒或圆柱体进行加热。棒或圆柱体部分延伸到空腔内。在靠近或在空腔的开口端将氧气引入到加热的气体。在一个实例中，在空腔的开口端之前，在空腔中向加热的气体引入氧气。

向空腔中引入有害气体进一步包括，在靠近空腔封闭端，通过多个进口引入有害气体。可以在空腔内将可燃气体加入到有害气体中。燃烧产物的冷却包括向燃烧产物中输入冷却空气。以一个角度输入冷却气体实现燃烧产物中颗粒物的清洁，在旋风分离器中产生旋风，并收集从旋风中分离出来的颗粒。

燃烧产物和冷却空气流过热交换器。清洁包括过滤燃烧产物和在排出之前通过过滤器冷却空气。

新的动态氧化设备包括：连接有害气体源的进口；连接进口的加热腔；设在空腔内将有害气体加热到自燃温度的加热棒或圆柱体；连接加热腔的燃烧腔，以便将加热的有害气体输入到燃烧腔内；连接燃烧腔的氧气源，从而将氧气引入到已经加热到自燃温度的有害气体中，并在燃烧腔内燃烧该加热的气体。

冷却腔连接到燃烧腔，以便冷却燃烧的气体。颗粒分离腔连接到冷却腔，以便分离燃烧气体中的颗粒，排气管道连接到分离腔。套装在排气管道上的热交换器冷却排气管道中的气体。

在一实例中，冷却腔和颗粒分离腔在连接燃烧腔的旋风分离器中合并，旋风分离器和排气管道连接，以便混合空气和燃烧气体，旋转加速燃烧气体，并离心分离颗粒至收集器。

在一实例中，燃烧腔和加热腔相连，加热棒或圆柱体在燃烧腔内。氧气源和燃烧腔横向连接，以便引入的氧气垂直穿过自燃有害气体的气流，从而完成氧气和有害气体的混合。

冷却的空气流入垂直于燃烧腔的冷却腔，以便完成和燃烧的气体的混合，从而稀释和冷却燃烧的气体。

分离腔包括外腔和朝向外腔内的星形过滤器。排气管道和过滤器的中心连接，混合的空气和燃烧的气体流入到外腔，向内穿过星形的过滤器，进入排气管道。

冷却的热交换器设于冷却腔和颗粒分离腔之间。

氧气源是加压的燃烧空气源。有害气体进口设有多个有害气体进口。冷却腔设有冷却气体进口。

储藏柜的顶部为有害气体的进口、加压的燃烧空气和冷却的空气设有开口。

圆柱体支架环绕加热腔。加热腔和燃烧腔是连续缸，在上端和下端设有开口。上端的环形法兰和圆柱体的上端和支架相连，并在环绕该腔的上端的上端环形法兰上有个凹处。有害气体进口设有多个进管，该进管通过环形法兰延伸到靠近该腔上端一侧的开口。螺栓固定在凹处，并向上延伸。加热棒或圆柱体设有连接到一金属板的上端，该金属板设在凹处内，并靠近连续圆柱体的上端。该金属板设有孔，以便容置螺栓，并固定凹处的金属板。加热棒或圆柱体向下在圆柱体末端的下面的开口上终止。燃烧腔设置在较低开口端和加热棒或圆柱体的较低末端之间。较低的环形法兰从圆柱体的开口的较低末端向外延伸至支架内支撑连续圆柱体的圆柱形支架。较低的环形法兰形成冷却腔的上表面。冷却空气进口连接到较低环形法兰下面的圆柱形支架上。加压的燃烧空气源包括设有阀的管道，该管道在储藏柜内向下外延到圆柱形支架，并向内径向延伸，穿过圆柱形支架至燃烧腔内放射状的燃烧空气开口。

动态氧化设备和圆柱形支架具有通过快速断开夹连接的上部和下部。连续缸和冷却腔在上部，颗粒分离腔在下部。分离腔包括接收来自冷却腔的混合冷却空气和燃烧产物的外侧环形稳压腔。复杂形状的过滤器从环形稳压腔向内安置。上部和下部的旁路阻止板设置在过滤器的上面和下面。排气管道和过滤器的中心连接。

2004年3月10日提交的美国专利申请10/796,120公开的内容并入本申请，作为本申请的一部分。

结合附图，本发明其它的内容和特征进一步说明如下。

附图说明

图1所示的是加热处理和自燃废气流设备的外观透视图。

图2所示的是设备的代表图，显示了气流通过加热腔。

图3所示的设备的代表图，显示了气流通过加热腔，接着进行扰动动态氧化和排气。

图4所示的是头部处理的透视图，显示的是工业废气进口、加热腔中的圆柱形加热器和双向作用圆柱体，以及氮气进口和出口中氮气驱动的情况，以及加热圆柱体的剐蹭。

图5所示的是处理设备的透视图。

图6所示的是处理设备的俯视图。

图7所示的是处理设备的侧视图。

图8所示的是处理设备沿着图7B-B方向的垂直截面图。

图9所示的是容置图5-8所示设备的处理储藏柜的透视图。

图10所示的是遥控的示意图。

图11所示的是容置设备的储藏柜的俯视图。

图12所示的是隐藏线内显示的处理设备和储藏柜的正面视图。

图13显示的是图12中沿着线A-A的正面截面图。

图14显示的是图12中沿着线B-B的正面截面图。

图15所示的是排气冷却套的分解透视图。

图16所示的是动态氧化系统的透视图。

图17所示的图16显示的动态氧化系统的侧视图。

图18所示的是图16和17显示的动态氧化系统的俯视图。

图19所示的是图16-18显示的动态氧化系统的侧视截面图。

图20所示的是图16-19显示的动态氧化系统的侧视俯视图。

图21所示的是图16-20显示的动态氧化系统上部的侧视透视图。

图22所示的是图16-20显示的动态氧化系统下部的侧视透视图。

图23所示的是加热腔的透视图。

图24所示的是加热腔内设置的加热棒组件的透视图。

图25所示的是图16-24显示的动态氧化系统中储藏柜的透视图。

图26所示的是设置在图25中的、图16-24显示的动态氧化系统的侧视图，其中侧板被移去。

图27为储藏柜的前视图。

图28为除去前板的储藏柜的前视图，以便显示动态氧化系统和在相应位置设的控制板。

图29显示的是旋风分离器替代冷却器和过滤器的动态氧化系统的透视图。

图30显示的是图29所示的动态氧化系统的侧视图。

具体实施方式

图1显示了动态氧化系统10。顶部11设有工业废气进口连接通道13、氧化的气体排出装置19、用于刮刀并连接到驱动圆柱体29的氮气连接通道15和17。

储藏柜20的前部21设有控制面板23和检修门25。水平箱角27稳定储藏柜。

刮刀操作圆柱体29从顶部11延伸。圆柱体29可以是双向活动，可以朝着相反的方向驱动；或者是单向的，向下驱动，并通过气体或机械弹簧送回。

图2显示的是动态氧化系统10。工业废气1进入一个或两个进口31，并流经空腔33，该空腔中有四个、8个或更多的热陶瓷圆柱体37加热可燃的工业废气至自燃温度。电加热棒35在内部加热热的圆柱体37。加热的气体4从空腔33开放的底部出口39排出，从空气进口43流至空腔33开放的底部出口39的空气41中自燃。空气和气体的横流与自燃和快速燃烧和膨胀的气体在空腔45中产生扰动。工业废气在过量的扰动空气中自燃，并完全燃烧，和空腔45中过量的空气混合并氧化。悬浮的颗粒和自由液体滴落到较低的筒47内。过量的空气冷却氧化的排出气体，并和其，并通过排气管道49排出。

加热的工业废气在加热器空腔33内形成颗粒。一些颗粒粘附到热的加热器圆柱体37的圆柱形外壁上。其它的颗粒和气体流动，并在空腔45中减慢和冷却的扰动氧化气体中释放，落入到筒47中。

刮刀3设有刮刀板51，其上的开口的尺寸用于剐蹭加热的圆柱体37外壁。刮刀板51通过圆柱体29驱动的活塞杆53沿着那些圆柱体壁移动。图3显示的是和圆柱体29连接的氮气管55、57。加压的氮气驱动活塞、活塞杆53和刮刀51，从加热到圆柱体37的壁上剐蹭颗粒2。

气流用箭头61、63和65表示。箭头61表示的是流经加热腔33的有害气体。箭头63表示的是加热的工业废气的自燃，在排出气流之前，扰动混合过量空气和氧化的气体，用箭头65表示。

图4显示的是动态氧化系统10的顶部。圆柱体29驱动清洁刮刀51，以清除热的圆柱体壁。在工业废气加热腔33的顶部显示了氮气操作连接管55和57、电加热棒35的顶部和加热的圆柱体37的顶部。一个或两个工业废气进管31可以用于将工业废气从一个或多个源导入到加热器空腔33中。

图5-14显示的是工业废气进口31、加热棒35和密封的加热圆柱体37、加热腔33、空气进口43、扰动混合和自燃腔45、颗粒接收筒47、排气腔48和排气管道49。

图6和8显示的是有害气体进口31至加热腔33和空气进口42，其经过加热腔33的开放的底部出口39提供横向流动的空气流。

图9显示的是储藏柜20，其容置处理系统10。

图10显示的是遥控面板51，其可以控制图1显示的机载控制面板23。

图15显示的冷却套可以从动态氧化自燃系统10连接到每个工业废气排气管道49。如其所示，冷却器套50和动态氧化器的废气排气管道49连接。

冷却套50设有氮气进口51和出口52，以冷却废气流经的内部53。

气体排气管道49的冷却套50通过法兰57和59、密封环56和夹子58与客户区域的排气管道55连接。

图16-18显示的是动态氧化系统60的横截面透视图，其设有通过夹子65连接的上部61和下部63。

上部61设有四个有害气体进口67和四个加热棒69。插塞71通过孔和环形板连接，上下移动剐蹭加热棒69的外表面和加热棒延伸的圆柱形空腔的内表面。加热棒65加热通过进口67引入到空腔顶部的有害气体至自燃温度，直至气体至空腔的较低末端。镶嵌平台73、77从上部61的外壁75延伸。较大的平台77设有中心开口79，其中燃烧气体进管80镶嵌其中。阀81控制流经管80的燃烧空气流。燃烧空气流入到加热棒下面的空腔底部。空腔内棒加热至自燃温度的气体和空气接触燃烧。随着扰动完全将空气和加热的气体混合，从而完全燃烧气体。

较大直径的冷却空气进管90通过阀91控制。冷却的空气和燃烧产物在自燃腔底部开口端下面较大体积的混合，并立即冷却气体的燃烧产物。水进口93和出口95在大冷却体积的底部连接到蛇形热交换器。燃烧产物、过量空气和冷却空气的混合物进一步通过流经热交换器冷却。冷却的气体流入并通过下部63的壁97内的外腔。

从外腔冷却的气体产品和空气混合物通过星形过滤器流入到过滤器的中心。过滤器的底部和顶部设有板。排气管道101将干净的气体导出系统。固体颗粒在过滤器的外壁收集，并通过断开夹65从外壁除去，通过排气管道出口101的空气反冲过滤器，或将过滤器移去并置换。

颗粒通过筛子从过滤器脱落，进入到下部63的底部103处的收集器。

螺栓105和锁紧螺母连接顶板107，并连接到上部61的顶部。顶板107形成加热腔的顶部。

图19为动态氧化系统的侧视截面图，显示了加热腔110。螺栓105从绕着腔110开放顶端的法兰113中的凹处111向上延伸。有害气体进口67通过法兰113中的开口115延伸到末端开放的加热腔中侧孔117中。

加热管组件的顶板107螺栓固定在绕着腔110开放顶端的法兰113中的凹处111内(图21)。顶板107支撑安置在腔110内的加热棒69。

进口67出来的有害气体进入加热腔110的上部121。加热棒69在腔110的上部121和中部123将有害气体加热到自燃温度。从燃烧空气进口过滤器80进来的燃烧空气进入到腔110的燃烧腔部分125的下部。在燃烧腔部分125进行燃烧空气和加热到自燃的有害气体的快速混合。底环127围绕腔110的开放下端129连接，从而保持腔居于系统60的上部61的中心。底环127也形成冷却腔130的顶部。燃烧产物和燃烧腔中过量的燃烧空气流入到冷却腔130中，它们在其中和来自冷却空气进口90的空气混合。空气和冷却的气体沿着和环绕着冷却水蛇形热交换器133移动，其中冷却水蛇形热交换器133和冷却水进口93和出口95连接。

然后冷却的气体从外面向下进入到环绕着星形颗粒过滤器140的环形腔135。顶板141和底板143阻止了围绕着过滤器140的旁路。空气和燃烧产物气体流入并通过过滤器，然后向外通过90°的排气管145和排气开口101。

绕着底板143的环形筛子147允许大颗粒在收集器149中收集。

如图19所示，燃烧空气进口80是设有90°螺纹弯头150和封条152。一过滤器插入到燃烧空气进口中，以确保燃烧空气中没有颗粒或灰尘，在快速自燃热的有害气体时，这些颗粒或灰尘干扰燃烧或对燃烧腔125的壁有影响。

图23显示了末端开口的加热和燃烧腔110、有害气体进口67、燃烧空气进口80。绕着下部开口端129连接的底环127用于镶嵌系统60的上部61的加热和燃烧腔110。开口117用于工业废气进入到腔110的上部121的侧边。

图24显示的是设有顶板107的加热器棒组件151，该顶板107和上部61顶端113的凹处匹配。螺栓105通过开口155延伸到顶板107中，从而将加热器棒组件151支撑在合适的位置。

图25至28显示的是支持系统60的储藏柜160。储藏柜160设有支撑脚161和底座163，底座163支持壁面板的框架165。

图27显示的前面板171和173是透明的，以显示图28中的系统60。在图26中，除去侧面板175，以显示系统60。

图29和30显示了连接到系统60上部61的旋风分离器180。旋风分离器180旋转和冷却热的燃烧产物。环形空气进口181旋转燃烧产物气体和空气，用向心力向外除去颗粒。颗粒落入到筛子185外的收集器183中。冷的、纯的排出气体流出出口101。

本发明的主要目的是有害工业废气的处理，如从电子元件生成或从其它生产过程中产生的废气，从而产生完全氧化的清洁气体，安全排放到大气中。

该工艺开始时预加热可燃的无害气体至升高的温度约2,000-3,000°F或2,000℃或更高，从而可以和氧气(如空气中的氧气)接触自燃。该工艺通过过量的氧气和空气完成，从而确保自燃和完全燃烧，并且氧化其它有害气体，不会引起爆炸的危险。

本发明已经通过具体的实施例进行了说明。对本发明的任何改变或变化，都在本发明的范围内。

Claims (22)

1.有害气体的动态氧化，包括：

将有害气体引入一空腔，

在该空腔内将该气体加热到自燃温度，

将氧气引入到加热的气体中，有害气体和氧气一起自燃，

燃烧有害气体，产生无害的燃烧气体产物，

冷却燃烧产物，

从燃烧产物中清洁颗粒物质，并

排出冷却的、清洁的燃烧产物。

2.权利要求1所述的动态氧化，其中所述的加热包括用延伸到空腔内的棒或圆柱体加热有害气体。

3.权利要求2所述的动态氧化，其中所述的棒或圆柱体部分延伸到空腔内。

4.权利要求1所述的动态氧化，其中所述的将氧气引入到加热的气体是在空腔的开口端或附近进行的。

5.权利要求1所述的动态氧化，其中所述的将氧气引入到加热的气体是在空腔的开口端之前发生的。

6.权利要求1所述的动态氧化，其中所述的将有害气体引入空腔进一步包括通过空腔封闭端的多个进口引入有害气体。

7.权利要求1所述的动态氧化，其中进一步包括向空腔内加入可燃的气体。

8.权利要求1所述的动态氧化，其中所述的冷却燃烧产物包括在有害气体燃烧后引入冷却空气。

9.权利要求9所述的动态氧化，其中所述的从燃烧产物中清洁颗粒物质包括以一个角度引入冷却空气，在旋风分离器中产生涡流，收集从涡流飞出的颗粒。

10.权利要求8所述的动态氧化，其中进一步包括将燃烧产物和冷却空气流过一热交换器。

11.权利要求8所述的动态氧化，其中所述的清洁进一步包括在排出之前通过过滤器过滤燃烧产物和冷却空气。

12.动态氧化设备，包括：

连接到有害气体源的进口，

连接到进口的加热腔，

设置在空腔内将有害气体加热到自燃温度的加热棒或圆柱体，

连接到加热腔的燃烧腔，从而可以让加热的有害气体流入到燃烧腔中，

连接到燃烧腔的氧气源，以将氧气引入到已经加热到自燃温度的有害气体中，在燃烧腔中燃烧加热的气体，

连接到燃烧腔的冷却腔，以冷却燃烧过的气体，

连接到冷却腔的颗粒分离腔，从而分离燃烧过的气体中的颗粒，以及

连接到分离腔的排气管道。

13.权利要求12所述的动态氧化设备，进一步包括排气管道上设置的热交换器套，从而冷却排气管道中的气体。

14.权利要求12所述的动态氧化设备，其中所述的冷却腔和颗粒分离腔在旋风分离器中合并，该旋风分离器和燃烧腔与排气管道连接，以混合燃烧气体和旋转燃烧气体，从而加速将颗粒向外离心到收集器中。

15.权利要求12所述的动态氧化设备，其中所述的燃烧腔是和加热腔相连的，所述的加热棒或圆柱体终止于燃烧腔中，所述的氧气源横向连接到燃烧腔，从而将氧气横向引入到自燃的有害气体中，以完成有害气体和氧气的混合。

16.权利要求12所述的动态氧化设备，其中所述的空气流入到和燃烧腔垂直的冷却腔，从而完成和燃烧过的气体的混合，以稀释和冷却燃烧过的气体。

17.权利要求16所述的动态氧化设备，其中所述的分离腔包括外腔和从外腔向内的星形过滤器，所述的排气管道和过滤器中心连接，混合的空气和燃烧过的气体流入到外腔，向内通过星形过滤器进入到排气管道中。

18.权利要求12所述的动态氧化设备，进一步包括冷却腔和颗粒分离腔之间的冷却的热交换器。

19.权利要求12所述的动态氧化设备，其中所述的氧气源为加压的燃烧空气源，所述的有害气体进口包括多个有害气体进口，所述的冷却腔设有冷却空气进口。

20.权利要求19所述的动态氧化设备，进一步包括顶端设有开口的储藏柜，该开口用于有害气体的进口、加压的燃烧空气和冷却空气。

21.权利要求20所述的动态氧化设备，进一步包括圆柱形支架，所述的加热腔和燃烧腔包括一连续缸，开放的上端和下端设有和缸体上端连接的上部环形法兰，以及环绕空腔开放上端的上部环形法兰内设有凹处，所述的有害气体进口包括多个穿过环形法兰延伸到靠近上端空腔一侧开口的进管，螺栓固定在凹处，由此向上延伸，所述的加热棒或圆柱体设有连接到一板上的多个和凹处匹配的上端，并封闭连续缸上端，所述的板设有多个接收螺栓的孔，从而将所述的板固定在凹处，所述的加热棒或圆柱体向下终止于缸体开口下端，在下部开口端和加热棒或圆柱体的下端之间设置燃烧腔，下面环形法兰从圆柱体开口下端向外延伸到支持支架内连续缸的圆柱形支架，形成冷却腔的上表面，所示的冷却腔进口连接到下部环形法兰下面的圆柱形支架，加压的燃烧空气源包括在储藏柜内向下延伸的阀控管，向外至圆柱形支架和向内放射状的穿过圆柱形支架，至燃烧腔内放射状的燃烧空气开口。

22.权利要求21所述的动态氧化设备，其中所述的圆柱形支架设有连接到上部和下部的快速断开夹，所述的连续缸和冷却腔在上部，颗粒分离腔在下部，分离腔进一步包括接收来自冷却腔的冷却空气和燃烧产物的外层环形稳压腔，从环形稳压腔向内的复杂形状的过滤器，设置过滤器上部和下部的上部和下部支路阻止板，以及所述的排气管道连接到过滤器的中心。

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