CN103058154A - 用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器 - Google Patents
用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器 Download PDFInfo
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Abstract
用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器，气流床反应器压力≤16MPa、温度≤1600℃，型腔高径比＝3～10∶1；气流床反应器由承压壳体、承热耐火材料砌筑内腔以及相应的进出料口、检测孔组成；壳体采用锅炉钢制造，两端采用椭圆封头或球形封头，按锅炉壳体制作要求制造；型腔是气流床氮化合成反应空间，采用耐火材料砌筑，最内层与反应介质接触部分采用氮化硅结合碳化硅耐火砖砌筑；其余采用普通耐火材料砌筑；以晶体硅加工废砂浆回收的硅粉和氮气为原料，以氮气作为硅粉和热量输送载体，在气流状态下氮化反应生成氮化硅微粉；由于回收硅粉粒径≤8um、反应合成时间≤15s，合成晶粒没有时间长大，能够生成纳米级氮化硅微粉。
Description
技术领域
本发明涉及一种用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器，属于太阳能光伏电池晶体硅加工废弃物综合利用领域。
背景技术
氮化硅是一种先进的工程陶瓷材料，具有高的室温和高温强度、高硬度、耐磨蚀性、抗氧化性和良好的抗热冲击及机械冲击性能，被材料科学界认为是结构陶瓷领域中综合性能优良、最有希望替代镍基合金在高科技、高温领域中获得广泛应用的一种新材料。
氮化硅粉体合成工艺一般为：
硅粉直接氮化 3Si+2N2＝Si3N4
硅亚胺气相反应 3SiCl4+4NH3＝Si3N4+12HCl
碳热还原氮化 3SiO2+6C+2N2＝Si3N4+6CO
其中硅粉直接氮化是制备氮化硅粉体最早发展的工艺，也是目前应用最为广泛的一种方法，该法相对比较简单，价格便宜，使用原料为晶体硅，属于间歇化生产，产品为块状物，必须经过球磨才能得到微粉；硅亚胺气相反应，需要特殊的初始原料，价格昂贵，反应过程产生大量氯化氢，对设备有特殊要求，制造成本高，但产品纯度高，粒度细且均匀；碳热还原氮化反应工艺，属于间歇式反应，原料易得、能耗高、污染重，设备工艺复杂。
晶体硅加工废砂浆是太阳能光伏电池生产加工过程中形成的混有40～50％PEG(聚乙二醇切割液)、45～30％SiC(切割磨料)、1～3％的铁粉(切割线磨损)、 14～17％Si粉(晶体硅磨屑)的四元混合物系。
申请人从2006年开始关注太阳能光伏电池晶体硅加工废砂浆的处理问题，探索研究最优化的回收利用技术。2011年4月22日提出了申请号201110101064.7的《光伏电池晶体硅加工废砂浆综合处理新方法》的发明专利申请，2011年08月12日提出了申请号201110238197.9《光伏晶体硅加工废砂浆综合处理技术》的发明专利申请，对前一个专利申请进行了补充完善。2012年6月26日又申请号201110238197.9《光伏晶体硅加工废砂浆综合处理技术》为优先权提出了申请号为201210207989.4《无污水和固体废物排放的晶体硅加工废砂浆综合处理技术》提出了以含SiC、Si二元砂为原料，利用气流床氮化合成纳米氮化硅的技术方案；之后对此方案的工业化生产技术进行了深入研究，发明设计了《利用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅产品的机组》，而用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器则是这套机组的核心设备。
发明内容
本发明在综合研究氮化硅硅粉直接氮化、硅亚胺气相反应等氮化硅生产工艺系统的基础上，对申请号201210207989.4《无污水和固体废物排放的晶体硅加工废砂浆综合处理技术》的发明专利申请的气流床氮化合成氮化硅工艺的补充与完善。
本发明的目的是提供一种综合了硅粉直接氮化和硅亚胺气相反应两项工艺技术的优点，同时消除它们各自缺陷，以晶体硅加工废砂浆回收硅粉作原料制备氮化硅粉体的新设备。
本发明的目的是这样实现的：用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器，压力≤16MPa、温度≤1600℃，型腔高径比＝3～10∶1；气流床反应器由承压壳体、承热耐火材料砌筑内腔以及相应的进出料口、检测孔 组成；以晶体硅加工废砂浆回收的硅粉和氮气为原料，以氮气作为硅粉和热量输送载体，在气流状态下氮化反应生成氮化硅微粉；由于回收硅粉粒径≤8um、反应合成时间≤15s，合成晶粒没有时间长大，能够生成纳米级氮化硅微粉。
反应器壳体压力≤16MPa、采用锅炉钢制造，两端采用椭圆封头或球形封头，按锅炉壳体制作要求制造。
反应器型腔温度≤1600℃，高径比＝3～10∶1，是气流床氮化合成反应空间，采用耐火材料砌筑，最内层与反应介质接触部分采用氮化硅结合碳化硅耐火砖砌筑；其余采用普通耐火材料砌筑。
反应器进料口A在顶端，进料喷头在此插入，从硅粉气力输送管道来的硅氮混合比1∶1的反应原料经喷头以扇面匀速喷入反应器型腔。
反应器出料口B在底端，反应合成的氮化硅在型腔旋转气流作用下聚集在反应器底部冷却器内，冷却到600～800℃排出。
反应器补充氮气进口D设若干个，一般布置在反应器型腔上半部，沿型腔切线方向进入，使降温氮气在型腔内形成旋流，使反应产物聚集沉降在反应器底部的冷却器内。
反应器氮气出口C在型腔下半部，以排出型腔内的高温氮气，向配套隧道窑系统提供反应氮气和烧结热量。
气流床反应器点火孔E在型腔中部，在反应器开车时把氮气等离子发生器插入反应器型腔，点燃反应器上部喷人的硅粉和氮气，触发硅粉氮化合成反应，完成后抽出氮气等离子点火器，关闭此孔。
沿反应器型腔高度方向设置2--20个检测孔，用于检测反应器内压力温度变化情况，并以此为基础对整个配套机组进行自动控制。
用于气流床氮化合成的原料是晶体硅加工废砂浆回收的硅微粉和氮气，其中硅粉粒径≤8um，成分Si≥80-95％、SiC≤20-5％、Fe2O3≤0.1％；氮气含N298～99.99％，压力0.1～1.0MPa。配套制氮装置的生产能力是实际氮化消耗的2～8倍，以满足机组原料和热量输送需要。
兹结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
附图说明
图1是地面安装的气流床反应器结构图。
图2是高架安装的气流床反应器结构图。
图3是气流床反应器管口方位图。
图4是地面安装的气流床反应器安装裙座图。
图中数字表示气流床反应器结构：1为壳体，2为气流床反应器型腔高档耐火材料砌体，3、4、5分别是环绕砌筑在壳体1与砌体3之间的耐火材料环形砌体，6为合成Si3N4冷却器，采用冷却夹套降温冷却，7为安装支撑筒体，8为安装裙座；图中字母表示气流床反应器工艺管口，同种用途的多个管口配以数字顺序编号：A是反应物料气流喷人孔，B是反应合成Si3N4出口，C是氮气出口，D1--Dn是补充喷人的降温氮气入口，E是氮气等离子发生器点火孔，F1--Fn是温度、压力控制检测孔，G1、G2分别是Si3N4冷却器冷却介质进出口，H1、H2既是冷却器检修人孔，又是气流输送配套管道接入口。
具体实施方式
以下为本发明的具体实施例，但本发明的方法并不完全受其限制，所属领域的技术人员可以根据需要对其中的结构进行变化或调整。
实施例1：
如图1气流床反应器结构图、图3气流床反应器管口方位图、图4气流床反应器安装裙座图所示：地面安装的气流床反应器设计压力≤16MPa、设计温度1600℃，反应器型腔高径比＝6∶1，型腔两端带圆锥体，圆锥体的锥角与硅粉喷人形状及产品收集要求相匹配；气流床反应器由承压壳体1、承热耐火材料砌筑内腔2以及相应的进出料口、检测口等工艺孔组成。
其中壳体1是反应器承压壳体，压力≤16MPa，两端采用椭圆封头，底部冷却器6采用夹套结构，夹套内通水或其它冷却介质，按低压锅炉壳体制作要求制造；安装支撑筒体7采用普通结构钢制作，必须保证设备的支撑强度和刚度，安装底座8采用塔式裙座。
气流床反应器型腔设计温度1600℃，高径比＝3～10∶1，是气流床氮化合成反应空间，采用耐火材料砌筑，砌体2与反应介质直接接触，采用氮化硅结合碳化硅耐火砖砌筑，能够满足反应工艺要求；砌体3采用莫来石砖砌筑，砌体4、5采用高铝砖砌筑。
进料口A设置在反应器顶端，进料喷头在此插入，自硅粉气力输送管道来的硅氮混合比1∶1的反应原料经喷头以扇面匀速喷人反应器型腔；出料口B设置在反应器底端，反应合成的Si3N4在型腔旋转气流作用下聚集在反应器底部冷却器内，冷却降温到600～800℃，经出料口排出；补充氮气进口D1--D4计4个，布置在反应器型腔上半部，沿型腔切线方向进入，使补充的降温氮气在型腔内形成旋流，以保护反应器型腔，使反应产物聚集沉降在反应器底部的冷却器内；
氮气出口C在反应器型腔下半部，以排出型腔内的高温氮气，向隧道窑系统提供反应氮气和烧结热量；点火孔E在反应器型腔中部，在气流床开车时把氮气等离子发生器插入反应器型腔，点燃反应器上部喷人的硅粉和氮气混合气流，触发硅粉氮化合成反应，点火完成后抽出氮气等离子点火器，关闭此孔； G1、G2分别是Si3N4冷却器冷却介质进出口，H1、H2既是冷却器检修人孔，又是气流输送配套管道接入口；另外，沿反应器型腔高度方向设置若干检测孔F1--Fn，用于检测反应器内压力温度变化情况，并以此为基础对整个生产机组进行自动控制。
用于生产氮化硅微粉的原料是利用晶体硅加工废砂浆回收的硅微粉，其成分为Si≥80-95％、SiC≤20-5％、Fe2O3≤0.1％.
用于生产氮化硅微粉的原料是含N298～99.99％的氮气，输出压力0.1～1.0MPa，配套制氮装置的生产能力是实际氮化消耗的2～8倍，以满足机组原料和热量输送需要。
实施例2：
如图2气流床反应器结构图、图3气流床反应器管口方位图、图4气流床反应器安装裙座图所示：高架安装的气流床反应器设计压力≤16MPa、设计温度1600℃，反应器型腔高径比＝6∶1，型腔两端带圆锥体，圆锥体的锥角与硅粉喷人形状及产品收集要求相匹配；气流床反应器由承压壳体1、承热耐火材料砌筑内腔2以及相应的进出料口、检测口等工艺孔组成。
其中壳体1是反应器承压壳体，设计压力≤16MPa，两端采用球形封头，底部冷却器6采用夹套结构，夹套内通鼓风空气，按低压锅炉壳体制作要求制造；必须保证设备的支撑强度和刚度，安装底座8连接在气流床反应器中部偏下位置，安装在高架框架上。
气流床反应器型腔设计温度1600℃，高径比＝3～10∶1，是气流床氮化合成反应空间，采用耐火材料砌筑，砌体2与反应介质直接接触，采用氮化硅结合碳化硅耐火砖砌筑，能够满足反应工艺要求；砌体3采用莫来石砖砌筑，砌体4采 用高铝砖砌筑，。砌体5采用粘土砖砌筑。
进料口A设置在反应器顶端，进料喷头在此插入，自硅粉气力输送管道来的硅氮混合比1∶1的反应原料经喷头以扇面匀速喷人反应器型腔；出料口B设置在反应器底端，反应合成的Si3N4在型腔旋转气流作用下聚集在反应器底部冷却器内，冷却降温到600～800℃，经出料口排出；补充氮气进口D1--D4计4个，布置在反应器型腔上半部，沿型腔切线方向进入，使补充的降温氮气在型腔内形成旋流，以保护反应器型腔，使反应产物聚集沉降在反应器底部的冷却器内；
氮气出口C在反应器型腔下半部，以排出型腔内的高温氮气，向隧道窑系统提供反应氮气和烧结热量；点火孔E在反应器型腔中部，在气流床开车时把氮气等离子发生器插入反应器型腔，点燃反应器上部喷人的硅粉和氮气混合气流，触发硅粉氮化合成反应，点火完成后抽出氮气等离子点火器，关闭此孔；G1、G2分别是Si3N4冷却器冷却介质进出口；另外，沿反应器型腔高度方向设置若干检测孔，用于检测反应器内压力温度变化情况，并以此为基础对整个生产机组进行自动控制。
用于生产氮化硅微粉的原料是利用晶体硅加工废砂浆回收的硅微粉，其成分为Si≥80-95％、SiC≤20-5％、Fe2O3≤0.1％.
用于生产氮化硅微粉的原料是含N298～99.99％的氮气，输出压力0.1～1.0MPa，配套制氮装置的生产能力是实际氮化消耗的2～8倍，以满足机组原料和热量输送需要。
Claims (10)
1.用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器，其特征在于：气流床反应器是压力≤16MPa、温度≤1600℃，型腔高径比＝3～10∶1；气流床反应器由承压壳体、承热耐火材料砌筑内腔以及相应的进出料口、检测孔组成；以晶体硅加工废砂浆回收的硅粉和氮气为原料，以氮气作为硅粉和热量输送载体，在气流状态下氮化反应生成氮化硅微粉；由于回收硅粉粒径≤8um、反应合成时间≤15s，合成晶粒没有时间长大，能够生成纳米级氮化硅微粉。
2.根据权利要求1所述的用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器，其特征在于：反应器壳体压力≤16MPa、采用锅炉钢制造，两端采用椭圆封头或球形封头，按锅炉壳体制作要求制造。
3.根据权利要求1所述的用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器，其特征在于：反应器型腔温度≤1600℃，高径比＝3～10∶1，是气流床氮化合成反应空间，采用耐火材料砌筑，最内层与反应介质接触部分采用氮化硅结合碳化硅耐火砖砌筑；其余采用普通耐火材料砌筑。
4.根据权利要求1所述的用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器，其特征在于：反应器进料口A在顶端，进料喷头在此插入，从硅粉气力输送管道来的硅氮混合比1∶1的反应原料经喷头以扇面匀速喷入反应器型腔。
5.根据权利要求1所述的用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器，其特征在于：反应器出料口B在底端，反应合成的氮化硅在型腔旋转气流作用下聚集在反应器底部冷却器内，冷却到600～800℃排出。
6.根据权利要求1所述的用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器，其特征在于：反应器补充氮气进口D设若干个，一般布置在反应器型腔上半部，沿型腔切线方向进入，使降温氮气在型腔内形成旋流，使反应产物聚集沉降在反应器底部的冷却器内。
7.根据权利要求1所述的用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器，其特征在于：反应器氮气出口C在型腔下半部，以排出型腔内的高温氮气，向配套隧道窑系统提供反应氮气和烧结热量。
8.根据权利要求1所述的用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器，其特征在于：气流床反应器点火孔E在型腔中部，在反应器开车时把氮气等离子发生器插入反应器型腔，点燃反应器上部喷人的硅粉和氮气，触发硅粉氮化合成反应，完成后抽出氮气等离子点火器，关闭此孔。
9.根据权利要求1所述的用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器，其特征在于：沿反应器型腔高度方向设置2--20个检测孔，用于检测反应器内压力温度变化情况，并以此为基础对整个配套机组进行自动控制。
10.根据权利要求1所述的用晶体硅加工废砂浆回收硅粉制备氮化硅粉体的气流床反应器，其特征在于：用于气流床氮化合成的原料是晶体硅加工废砂浆回收的硅微粉和氮气，其中硅粉粒径≤8um，成分Si≥80-95％、SiC≤20-5％、Fe2O3≤0.1％；氮气含N298～99.99％，压力0.1～1.0MPa。
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