[实用新型]一种单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种净化回收单晶硅制备工艺中排放氩气的装置，属于氩气的净化与回收技术领域。

背景技术

 氩气是一种无毒、无色、无嗅、不能燃烧也不助燃的惰性气体。由于氩气的化学惰性、特有的物理性能以及相对于其它惰性气体成本较低，从而使氩气作为保护气、载气、稀释气等广泛的应用于国民经济的许多行业，如电子、冶金、化学工业、理化分析、光源、焊接、单晶硅制备等等。在应用中主要是利用其惰性，所以要求氩气的纯度尽可能高，所含杂质尽可能少，以免因为杂质与被保护物质起反应而失去保护作用。

单晶硅是电子工业的基础材料，全球集成电路工业制造的芯片，超过98% 都是使用单晶硅为原材料。单晶硅的制备和应用都是以高纯、高净为基准，因此制备单晶所用的保护气体也必须是高纯的惰性气体。氩气作为制备单晶的理想保护气，对其纯度要求也成为影响单晶硅品质及工艺稳定的关键因素之一。

高纯氩气（纯度为99.999%）目前只能由大型空分装置通过低温精馏工艺从空气中分离产生，生产成本较高，因而市场上的氩产气品价格也较为昂贵。目前的单晶硅生产工艺中，氩气作为保护性气体在单晶炉中使用后经真空泵抽出，产生的粗氩气（氩含量约98%）直接排放进入大气，造成了氩气资源的大量浪费。

目前针对氩气、氢气、氧气、氮气等工业气体的净化提纯，一般采取以下几种方法：1.选择吸附法；2.深冷分离法；3.膜分离法；4.催化反应法；5.金属吸气法。其中，前四种方法分别只能针对特定气体专项杂质进行脱除，若要全面去除杂质气体，需要采用多级联合提纯工艺。而金属吸气法虽具有全面吸附杂质气体的能力，但是由于吸气剂合金是由稀贵金属制造、造价昂贵且容易失活，目前仅实现在实验室规模应用，无法实现大规模工业化应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，针对单晶硅制造工厂大规模氩气净化回收的需求，提供了一种采用多级联合提纯技术、经济高效并具有工业化规模处理能力的净化回收单晶硅制备工艺中排放氩气的方法与装置，以实现单晶硅制造产业工业化规模的氩气回收与循环使用。

    本实用新型的目的是这样实现的：一种单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收方法，该方法含有以下几个步骤：

a） 将单晶硅炉排放的粗氩气汇集后进行压缩除油处理，

b） 采用催化氧化的方法除去粗氩气中的一氧化碳与烷烃，

c） 采用加氢除氧的方法除去粗氩气中的氧，

d） 采用吸附法分别除去粗氩气和空气中的二氧化碳及水分，

e） 采用高、低压双塔低温精馏法分别制取纯氮气与高纯氩气。

所述的步骤a）中，将单晶硅炉排放的粗氩气汇集后先进行粗过滤后，再通过压缩机增压，以利于对粗氩气中油杂质进行精密过滤；所述的步骤d）中，在采用吸附法除去粗氩气中的二氧化碳与水分时，是通过粗氩气纯化系统常温下的变温吸附法进行，该纯化系统再生使用的气体为步骤e）中通过低温精馏法产生的纯氮气。

    所述的步骤d）中，在使用吸附法除去空气中的二氧化碳与水分时，是通过空气纯化系统常温下的变温吸附法进行，该纯化系统再生使用的气体为步骤e）中低温精馏法使用的氩冷凝器返流的富氧空气。

所述的步骤e）中，在采用低温精馏法除去粗氩气中的氮与氢时，使用了氩精馏塔与氮精馏塔热耦合技术，利用氮精馏塔顶部的氮气作为氩蒸发器的热源，利用氮精馏塔底部的富氧液空经节流后作为氩冷凝器的冷源。

所述的步骤e）中，采用低温精馏法分别制取纯氮气与高纯氩气，其中的冷量来源是利用补充液氩或膨胀机系统制冷。

 一种用于如上所述单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收装置，该装置包含有：

一对单晶硅炉排放的粗氩气进行粗油过滤的粗氩气收集预处理系统，

一对粗氩气进行精密油过滤的压缩除油系统，

一除去粗氩气中一氧化碳、烷烃与氧组分的催化反应系统，

一除去粗氩气中二氧化碳和水分的纯化系统，

一除去粗氩气中氮和氢组分的低温精馏系统，

一为低温精馏系统制取氮气提供原料气来源的空气处理系统，

一对整套装置进行控制的自动控制系统；

    在粗氩气收集预处理系统中设置一台氩气缓冲罐，用于稳定粗氩气进入氩气压缩机前的压力；

在催化反应系统中采用了高温回热器对在烷烃催化炉中完成催化反应后的高温氩气的热量进行回收，并对即将进行催化反应的粗氩气进行预热；