氫氣淨化方法和系統的製作方法
2023-06-08 15:03:51
專利名稱：氫氣淨化方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體生產製造技術領域，尤其涉及一種多晶矽生產過程中的氫氣淨化方法和系統。
背景技術：
矽材料是半導體工業中最重要且應用最廣泛的元素半導體材料，是微電子工業和太陽能光伏工業的基礎材料。矽材料有多種晶體形式，包括單晶矽、多晶矽、非晶矽。高純多晶矽是製備單晶矽(包括區熔單晶矽和直拉單晶矽)和鑄造多晶矽的主要原料。多晶矽是以石英砂(SiO2)為原料，通過與焦炭發生反應，形成純度在99%左右的金屬矽，然後通過改良西門子法或矽烷熱分解法等技術，提純為高純多晶矽。目前，業界主要採用改良西門子方法生產高純多晶矽，該方法是將金屬矽粉與HCl氣體通入合成爐在高溫條件下合成為SiHCl3,經過精餾提純的高純SiHCl3在還原爐中與高純H2在高溫條件下發生氣相沉積反應，高純多晶矽在通電加熱的矽芯表面沉積生長，從而長成多晶矽棒。從還原爐排出的高溫尾氣中主要含未參與反應的SiHCl3和H2,以及反應的副產物HC1、SiCl4和 SiH2Cl2等雜質。為了提高氫氣的利用效率，降低生產成本，工業生產中通常採用幹法回收系統回收尾氣中的氫氣，幹法回收分離出的氫氣中還含有微量的N2、02、CH4, CO、CO2, HC1、SiHCl3、 SiCl4, SiH2C12、甲基矽烷、乙基矽烷等雜質，在進一步的經過活性碳吸附提純後返回還原單元，用以反應生產多晶矽，其工作原理主要是依靠活性炭對與被吸附氣體雜質(包括範德華力和電磁力)進行的物理吸附作用。然而，由於活性碳對幹法回收分離出的原料氣(含有微量雜質的氫氣)中的雜質組分的解吸難以程度不相同，會導致某一特定雜質組分在活性碳床中累計達到飽和，從而對這一特定雜質組喪失吸附能力，並降低對其它雜質組分的吸附容量，即通常所稱的「活性炭中毒」，這種情況特別容易發生在由於工藝波動使某一雜質組分突然升高時。這時，如果運用傳統的吸附提純方案，不僅活性炭對雜質的吸附容量較小，吸附能力較弱，且難以對活性炭進行解吸或重新活化。
發明內容
為解決上述技術問題，本發明的目的在於提供一種多晶矽生產過程中的氫氣淨化方法和系統，提高吸附劑對幹法回收分離出的氫氣中的雜質的吸附容量和吸附能力，並降低對活性炭的解吸和重新活化的難度。為此，本發明實施例提供了如下技術方案一種氫氣淨化方法，用於淨化多晶矽生產過程中幹法回收分離出的原料氣，包括吸收步驟，將所述原料氣從吸附塔底部通入吸附塔內進行吸附提純，所述吸附塔底部設置有吸附劑床層，所述吸附劑床層包括活性炭；
解吸步驟，包括將完成吸收步驟的吸附塔進行熱卸壓、向吸附塔進行通入高純氫氣進行熱吹掃；冷加壓步驟，對吸附塔進行高純氫氣充壓，同時對吸附劑床層進行冷卻；冷卻步驟，將完成冷加壓步驟的吸附塔中的吸附劑床層繼續進行冷卻，直至冷卻溫度達到工藝控制指標。本實施例還提供了一種氫氣淨化系統，包括至少兩個吸附塔，吸附塔底部設置有吸附劑床層，吸附塔用於以循環方式順序完成吸收、解吸、冷加壓和冷加壓步驟；所述吸附劑床層中包括活性炭和專用吸附填料；所述活性炭設置在靠近吸附塔原料氣進口端位置，所述專用吸附填料設置在所述活性炭之上，所述原料氣依次通過活性炭和專用吸附填料進行吸附提純。所述專用吸附填料包括活性炭類、矽膠類和分子篩類吸附劑。與現有技術相比，上述技術方案具有以下優點本發明實施例所提供的技術方案，通過變壓吸附和變溫吸附相結合的方式，與傳統的吸附方式相比，增加了活性碳吸附劑對雜質的吸附容量；同時可以使活性吸附劑解吸或重新活化更容易，降低了活性碳中毒的可能性，增加了工藝可靠性。此外，本實施例所提供的技術方案對傳統的僅包含活性炭的吸附劑床層進行了改進，通過設置的多種吸附劑的複合吸附劑床層，能夠強化吸附塔對特定雜質的去除能力，提高回收氫氣的純度，從而提高多晶矽產品的質量。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為活性炭的吸附容量和溫度壓力對應的關係示意圖；圖2為實施例一提供的氫氣淨化方法流程示意圖；圖3為實施例二提供的氫氣淨化系統組成示意圖。
具體實施例方式正如背景技術部分所述，當某一特定雜質組分在活性碳床中累計達到飽和，從而對這一特定雜質組喪失吸附能力，並降低對其它雜質組分的吸附容量時，現有技術中的吸附雜質提純方案，不僅活性炭對雜質的吸附容量較小，吸附能力較弱，且難以對活性炭進行解吸或重新活化。通過發明人的研究發現，如圖1所示，為活性碳在不同溫度和組分分壓條件下的吸附量示意圖由圖1可知，在溫度為tl、某雜質組分分壓為p2的A點，壓力不變時，活性碳隨著溫度升高而吸附量減小。AB線為該雜質的變溫吸附曲線，變溫吸附容量為Q3。當溫度不變時，活性碳隨著壓力降低而吸附量減小。AD線為該雜質的變壓吸附曲線，變壓吸附容量為Q1。變壓吸附和變溫吸附相結合的過程為ABC曲線或ADC曲線，活性碳吸附容量Q = Q1+Q2。基於上述研究的基礎上，本發明實施例提供了一種氫氣淨化方法，用於淨化多晶矽生產過程中幹法回收分離出的原料氣，包括吸收步驟，將所述原料氣從吸附塔底部通入吸附塔內進行吸附提純，所述吸附塔底部設置有吸附劑床層，所述吸附劑床層包括活性炭；解吸步驟，包括將完成吸收步驟的吸附塔進行熱卸壓、向吸附塔進行通入高純氫氣進行熱吹掃；冷加壓步驟，對吸附塔進行高純氫氣充壓，同時對吸附劑床層進行冷卻；冷卻步驟，將完成冷加壓步驟的吸附塔中的吸附劑床層繼續進行冷卻，直至冷卻溫度達到工藝控制指標。本發明實施例還提供了一種氫氣淨化系統，包括至少兩個吸附塔，吸附塔底部設置有吸附劑床層，吸附塔用於以循環方式順序完成吸收、解吸、冷加壓和冷加壓步驟；所述吸附劑床層中包括活性炭和專用吸附填料；所述活性炭設置在靠近吸附塔原料氣進口端位置，所述專用吸附填料設置在所述活性炭之上，所述原料氣依次通過活性炭和專用吸附填料進行吸附提純。所述專用吸附填料包括活性炭類、矽膠類和分子篩類吸附劑。本發明實施例所提供的技術方案，通過變壓吸附和變溫吸附相結合的方式，與傳統的吸附方式相比，增加了活性碳吸附劑對雜質的吸附容量；同時可以使活性吸附劑解吸或重新活化更容易，降低了活性碳中毒的可能性，增加了工藝可靠性。此外，本實施例中對傳統的僅包含活性炭的吸附劑床層進行了改進，通過設置的多種吸附劑的複合吸附劑床層，能夠強化吸附塔對特定雜質的去除能力，提高回收氫氣的純度，從而提高多晶矽產品的質量。以上是本申請的核心思想，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例， 而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。實施例一本實施例提供了一種氫氣淨化方法，用於淨化多晶矽生產過程中幹法回收分離出的原料氣，如圖2所示為該方法的一種流程示意圖，包括以下步驟S201，吸收步驟，將所述原料氣從吸附塔底部通入吸附塔內進行吸附提純，所述吸附塔底部設置有吸附劑床層，所述吸附劑床層包括活性炭。上述原料氣為含有微量雜質的氫氣，其中雜質包括N2、02、CH4、C0、C02、HCl、SiHCl3、 SiCl4, SiH2Cl2、甲基矽烷、乙基矽烷等，上述雜質經吸附劑床層中的活性炭吸附後，提純後的淨化氣體通過吸附塔頂部排出，通過管道輸送到還原單元，還原單元中利用該氫氣和三氯氫矽發生還原反應，得到高純的多晶矽，從而提高氫氣的利用效率，降低生產成本。當吸附劑飽和時，即吸附塔頂部排出的淨化氣體中雜質組分達到工藝控制標準時，停止吸附。通過原料氣中雜質的含量，可以得到吸附劑的需要量，在實際生產中，可以同時向一個或多個吸附塔內通入所述原料氣，並設置多個吸附塔同時處於吸收步驟。該吸收步驟中，通常控制吸附塔的壓力不大於2. 5MPa。S202，解吸步驟，包括將完成吸收步驟的吸附塔進行熱卸壓、向吸附塔進行通入高純氫氣進行熱吹掃。本步驟主要用於對重新活化吸附劑，通過熱卸壓將完成吸收步驟的吸附塔卸壓， 卸壓可以分次進行，可以向需要卸壓的吸附塔放壓，也可以排放至解吸氣，取決於吸附塔的數量和解吸出的氣體是否繼續回收分級使用。通過熱卸壓中得到氣體可以從吸附塔底部排出，並被其它單元繼續利用。在執行卸壓同時，可以對吸附劑床層進行加熱，加熱溫度一般不低於100°C，熱媒可以包括蒸汽、熱水或導熱油等，通過吸附塔夾套、內部換熱管與吸附劑床層換熱。同時，解吸步驟中，在吸附塔進行熱卸壓之後，還包括向吸附塔進行通入高純氫氣，進行熱吹掃。在吸附劑床層繼續被加熱條件下，從吸附塔頂反吹入高純氫氣對吸附劑進行再生。解吸氣體從吸附塔底部排出。此外，解吸步驟中，在吸附塔進行熱卸壓之後，還可以包括對吸附塔進行抽真空， 以降低被吸附組分的分壓。其目的是使被吸附組分在負壓下從吸附劑中解吸出來。為了提高解吸的效果，可以循環進行多次充壓、卸壓、抽真空，使解吸更加徹底。抽真空與熱吹掃步驟可以只選其一，效果最好的方式為抽真空與熱吹掃都進行。 抽真空的優勢是用時短，氫氣回收率高，但再生不徹底；熱吹掃的優勢是再生徹底，但用時長，消耗高純氫氣多。本實施例中可以通過合理的計算抽真空步驟的次數和熱吹掃步驟的時間，以最有效的發揮吸附劑的使用效率和提高氫氣回收率。S203，冷加壓步驟，對吸附塔進行高純氫氣充壓，同時對吸附劑床層進行冷卻。吸附劑床層進行冷卻的冷媒可以是冷卻水、導熱油等，通過吸附塔夾套、內部換熱管與床層吸附劑換熱。S204，冷卻步驟，將完成冷加壓步驟的吸附塔中的吸附劑床層繼續進行冷卻，直至冷卻溫度達到工藝控制指標。所述工藝控制指標通常可以為冷卻溫度不大於50攝氏度。為了保證多晶矽生產過程的連續性，保證原料氣的連續不間斷淨化和還原單元連續不間斷的氣體供應，本實施例中可以至少包括兩個吸附塔，以循環順序的方式完成吸收、 解吸、冷加壓和冷卻步驟。本實施例中，通過變壓吸附和變溫吸附相結合的方式，與傳統的吸附方式相比，增加了活性碳吸附劑對雜質的吸附容量；同時可以使活性吸附劑碳解吸或重新活化更容易， 降低了活性碳中毒的可能性，增加了工藝可靠性。實施例二 由於原料氣中含有多種雜質，而活性碳對不同雜質的吸附能力不同，因此本實施例提供的氫氣淨化方法中，吸附塔中設置的吸附劑床層可以為複合吸附劑床層。具體的，所述吸附劑床層中還包括專用吸附填料，所述專用吸附填料包括活性炭類、矽膠類和分子篩類吸附劑；所述活性炭設置在靠近吸附塔原料氣進口端位置，所述專用吸附填料設置在所述活性炭之上，所述原料氣依次通過活性炭和專用吸附填料進行吸附提純。此外，所述吸附劑床層中還可以包括針對某種組分選擇性吸附而研製的特殊吸附材料。通過對上述吸附劑的研究比較發現，活性炭仍然是主要的吸附劑，其吸附量大，能夠吸附原料氣中絕大部分HCl、SiHCl3、SiCl4, SiH2Cl2、甲基矽烷、乙基矽烷等雜質氣體，以及部分N2、02、CH4、CO、CO2,故將活性碳裝填在吸附塔的原料氣進口端部位，其它強化性或針對性特殊吸附劑裝填在活性碳之後，吸附經過活性碳床層的氫氣中仍然殘留的部分隊、02、 CH4, CO、CO2，殘留的雜質氣體被專用吸附填料吸附。因此，實施例一中，所述吸收步驟之前，還可以包括獲取原料氣中雜質的成分和含量，並計算出雜質對應的各種專用吸附填料的需求量；按照不同專用吸附填料的吸附性能分層裝填組成吸附劑床層。具體的，可以根據N2, 02、CH4、CO、CO2, HCl、SiHCl3、SiCl4, SiH2Cl2,甲基矽烷、乙基矽烷等雜質氣體性質，選擇專用吸附填料，並根據雜質氣體的含量，計算各專用吸附填料的需要量，按吸附性能依次分層裝填組成複合吸附劑床層。本實施例提供的方法對吸附塔的吸附劑床層進行了改進，其與實施例一的類同之處相互參見即可，不再贅述。本實施例中，通過設置的多種吸附劑的複合吸附劑床層，能夠強化吸附塔對特定雜質的去除能力，提高回收氫氣的純度，從而提高多晶矽產品的質量。實施例三相應於上述實施例提供的方法，本實施例提供了一種氫氣淨化系統，如圖3所示， 為該系統的組成示意圖，其包括至少兩個吸附塔301和302，吸附塔底部設置有吸附劑床層。所述吸附劑床層中包括活性炭和專用吸附填料；所述活性炭設置在靠近吸附塔原料氣進口端位置，所述專用吸附填料設置在所述活性炭之上，所述原料氣依次通過活性炭和專用吸附填料進行吸附提純。所述專用吸附填料包括活性炭類、矽膠類和分子篩類吸附劑。為了保證多晶矽生產過程的連續性，保證原料氣的連續不間斷淨化和還原單元連續不間斷的氣體供應，本實施例中的吸附塔301和302以循環方式順序完成吸收、解吸、冷加壓和冷卻步驟。其循環順控過程可以通過計算機設定程序來控制遠程自動閥門實現。每個步驟的時間、工藝控制條件、聯鎖、報警等也可以通過計算機上設定控制。本實施例為實施二對應的裝置實施例，其類同之處相互參見即可，不再贅述。本實施例提供的氫氣淨化系統中，通過設置的多種吸附劑的複合吸附劑床層，能夠強化吸附塔對特定雜質的去除能力，提高回收氫氣的純度，從而提高多晶矽產品的質量。本說明書中各個部分採用遞進的方式描述，每個部分重點說明的都是與其他部分的不同之處，各個部分之間相同相似部分互相參見即可。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。
權利要求
1.一種氫氣淨化方法，用於淨化多晶矽生產過程中幹法回收分離出的原料氣，其特徵在於，包括吸收步驟，將所述原料氣從吸附塔底部通入吸附塔內進行吸附提純，所述吸附塔底部設置有吸附劑床層，所述吸附劑床層包括活性炭；解吸步驟，包括將完成吸收步驟的吸附塔進行熱卸壓、向吸附塔進行通入高純氫氣進行熱吹掃；冷加壓步驟，對吸附塔進行高純氫氣充壓，同時對吸附劑床層進行冷卻； 冷卻步驟，將完成冷加壓步驟的吸附塔中的吸附劑床層繼續進行冷卻，直至冷卻溫度達到工藝控制指標。
2.根據權利要求1所述的氫氣淨化方法，其特徵在於，所述解吸步驟中，在熱卸壓完成後，還包括對吸附塔進行抽真空，以降低被吸附組分的分壓。
3.根據權利要求1至2所述的氫氣淨化方法，其特徵在於，所述解吸步驟包括 對吸附劑床層進行加熱，並控制其溫度不低於100攝氏度。
4.根據權利要求1至2所述的氫氣淨化方法，其特徵在於所述吸附劑床層中還包括專用吸附填料，所述專用吸附填料包括活性炭類、矽膠類和分子篩類吸附劑；所述活性炭設置在靠近吸附塔原料氣進口端位置，所述專用吸附填料設置在所述活性炭之上，所述原料氣依次通過活性炭和專用吸附填料進行吸附提純。
5.根據權利要求4所述的氫氣淨化方法，其特徵在於，在所述吸收步驟之前，還包括 獲取原料氣中雜質的成分和含量，並計算出雜質對應的各種專用吸附填料的需求量； 按照不同專用吸附填料的吸附性能分層裝填組成吸附劑床層。
6.根據權利要求1所述的氫氣淨化方法，其特徵在於 執行吸收步驟時，所述吸附塔內的壓力不大於2. 5MPa。
7.根據權利要求1所述的氫氣淨化方法，其特徵在於所述冷卻溫度達的工藝控制指標具體為冷卻溫度不大於50攝氏度。
8.一種氫氣淨化系統，其特徵在於，包括至少兩個吸附塔，吸附塔底部設置有吸附劑床層，吸附塔用於以循環方式順序完成吸收、解吸、冷加壓和冷加壓步驟；所述吸附劑床層中包括活性炭和專用吸附填料；所述活性炭設置在靠近吸附塔原料氣進口端位置，所述專用吸附填料設置在所述活性炭之上，所述原料氣依次通過活性炭和專用吸附填料進行吸附提純。 所述專用吸附填料包括活性炭類、矽膠類和分子篩類吸附劑。
全文摘要
本發明實施例公開了一種氫氣淨化方法和系統，用於淨化多晶矽生產過程中幹法回收分離出的原料氣，所述方法包括吸收步驟，將所述原料氣從吸附塔底部通入吸附塔內進行吸附提純，所述吸附塔底部設置有吸附劑床層，所述吸附劑床層包括活性炭；解吸步驟，包括將完成吸收步驟的吸附塔進行熱卸壓、熱吹掃；冷加壓步驟，對吸附塔進行高純氫氣充壓，同時對吸附劑床層進行冷卻；冷卻步驟，將完成冷加壓步驟的吸附塔中的吸附劑床層繼續進行冷卻，直至冷卻溫度達到工藝控制指標。該方案通過變壓吸附和變溫吸附相結合的方式，增加了活性碳吸附劑對雜質的吸附容量；同時可以使活性吸附劑碳解吸或重新活化更容易，降低了活性碳中毒的可能性，增加了工藝可靠性。
文檔編號C01B3/56GK102173384SQ20101061749
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者朱國平 申請人:重慶大全新能源有限公司