[发明专利]利用电子工业的含氨尾气再生制备高纯氨的装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含氨尾气再生制备高纯氨的装置及其方法，尤其是涉及一种利用电子工业的含氨尾气再生制备高纯氨的装置及其方法。

背景技术

用于制造发光二极管（LED）外延芯片的氮化镓有机金属气相沉积（MOCVD）设备需要使用大量的高纯氨气，它与含镓的有机金属物（如三甲基镓或三乙基镓等，以下以三甲基镓为例进行描述）反应生成氮化镓，而氮化镓是制造LED的主要半导体材料，其反应方程式如下:

在进入MOCVD设备的大量氨气中，只有非常少量的氨气参与了以上的反应（数量级上的估计只有进入MOCVD设备的反应腔内的万分之一），以及少量氨气在高温下自动分解为氢气和氮气，其余的绝大部分氨气都需作为尾气而排出。尾气中除了氨气之外包含的其他成分还有氢气、氮气以及微量的甲烷等。虽然这些成分本身都可以直接向大气排放（排放时需要考虑氢气甲烷等的防爆问题，通风要良好），但是由于它们跟氨气混合在一起，使得尾气必须经过处理，把其中的氨气分离（比如吸收）后才能向大气排放。

另外在合成氮化硅（Si3N4）的反应中也会大量使用高纯氨，通常高纯氨与硅烷反应生成氮化硅在化学气相沉积（CVD）设备中进行反应：

在进入CVD设备的氨气中，也只有少量参与了以上的反应，绝大部分氨气最终也进入尾气，此反应被广泛用于太阳能电池（光伏）、集成电路（IC）、液晶显示器（LCD）等制造领域。

随着高纯氨使用量的增加，尾气中所含氨的总量也随之增加，对尾气进行脱氨处理的工作也变得越来越重要，目前国内已有年使用高纯氨几百吨至上千吨的企业，而且规模还在进一步扩大，尾气的处理成本也在同步增长。

目前，尾气脱氨处理主要采用吸收法，即让尾气经过酸的水溶液，吸收掉氨气后再排放。在三大酸中，由于硫酸的挥发性最低，加上硫酸的价格也较为低廉，吸收氨大多使用硫酸而不是盐酸或硝酸。硫酸吸收氨气后生产硫酸铵，这样阻止了氨向大气污染。但是生成的硫酸铵用途不大，它虽然可以作为氮肥使用，但是长期使用硫酸铵会让土地酸化。根据硫酸铵的化学反应，吸收1吨氨会产生约3.9吨硫酸铵。这样，对硫酸铵的处理成了下一个难题，如果不对硫酸铵处理直接排放，那样将会污染水源或大地，很多时候，硫酸铵对环境的污染比氨更大也更难处理，原因在于氨是一种氮肥，可以被植物彻底吸收而不会遗留。

对含氨尾气处理的另一个方法是：把氨分解为氢气和氮气，然后再直接排放。其反应方程式如下:

这是一个吸热反应，由于这个方法（分解法）可以比较彻底地解决尾气的问题，目前分解法越来越多地替代了吸收法。

但是由于氨分解是一个吸热反应，为了使氨能够较为彻底地分解为氢气和氮气，氨分解反应需在高温（比如800℃）、低压（尾气的压强通常小于一个大气压，正合适）和催化剂的条件下进行，这就意味着分解法需要消耗较多的能源。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种利用电子工业的含氨尾气再生制备高纯氨的装置。该装置绿色环保，节能效果显著，生产过程安全，降低了生产成本且产品质量稳定。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种利用电子工业的含氨尾气再生制备高纯氨的方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种利用电子工业的含氨尾气再生制备高纯氨的装置，包括过滤器、氨分解装置、第一纯化器、增压泵、第二纯化器和高纯氨合成装置；

所述过滤器通过第二管道与氨分解装置连接，所述氨分解装置通过第三管道与第一纯化器连接，所述第一纯化器通过第四管道与增压泵连接，所述增压泵通过第五管道与第二纯化器连接，所述第二纯化器通过第六管道与高纯氨合成装置连接。

优选地，所述利用电子工业的含氨尾气再生制备高纯氨的装置还包括氮化物反应器(如前述的氮化镓和氮化硅反应器)，所述氮化物反应器通过第一管道与过滤器连接，所述高纯氨合成装置通过第七管道与氮化物反应器连接。

优选地，在连接增压泵和第二纯化器之间的第五管道上，依次设有氢氮气缓冲罐、氢氮比实时监测装置。

优选地，在氢氮比实时监测装置与第二纯化器之间设有第一氢氮气比例调节装置。

优选地，在连接第二纯化器与高纯氨合成装置的第六管道上连接有第二氢氮气比例调节装置，且该第二氢氮气比例调节装置与第六管道之间设有第三纯化器。

优选地，在连接氮化物反应器与过滤器的第一管道上设有尾气储罐；在连接高纯氨合成装置与氮化物反应器的第七管道上设有高纯氨储罐。