CN103373716B - 一种单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收方法与装置，所述方法含有以下几个步骤：将单晶硅炉排放的粗氩气汇集后进行压缩除油处理，采用催化氧化法除去一氧化碳与烷烃，采用加氢除氧法除去氧，采用吸附法除去二氧化碳及水分，采用高低压双塔低温精馏法除去氮与氢，最终得到纯净压缩氩气可直接送回单晶硅炉重新利用；所述的装置包括：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，进行精密油过滤的压缩除油系统，除去一氧化碳、烷烃与氧组分的催化反应系统，除去二氧化碳和水分的粗氩气纯化系统，除去氮和氢组分的低温精馏系统，为低温精馏系统制取氮气提供原料空气来源的空气处理系统，以及对整套装置进行控制的自动控制系统。该方法和装置能实现单晶硅产业中大量保护氩气的回收和循环使用。

Description

一种单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收方法与装置

技术领域

本发明涉及一种净化回收单晶硅制备工艺中排放氩气的方法与装置，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。

发明内容

本发明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。

    本发明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；

纯化系统中的吸附器采用两台切换使用，一台工作时，另一台再生。

本发明在催化反应系统加氢除氧步骤中使用的氢气来源于水电解氢气发生装置或满足工艺需求的高纯氢气，保证了氢气的高纯度，同时避免了将其它杂质气体带入粗氩气中；所述纯化系统中的吸附器，可采用分子筛单层吸附床结构，也可采用分子筛加氧化铝的双层吸附床结构。

所述纯化系统中的吸附器，采用立式径向流吸附床形式，或采用卧式吸附床形式。

本发明所述低温精馏系统中，分离氩气中氮、氢杂质的氩精馏塔采用高效规整填料精馏塔，可以提高氩气提取率和精馏塔负荷调节能力并减少精馏能耗。

    所述的低温精馏系统中，分离空气中氮组分的氮精馏塔采用规整填料结构，也可采用散堆填料结构或筛板塔结构。

本发明具有以下特点：

1）采用高温催化除一氧化碳和烷烃工艺、常温催化除氧工艺、常温吸附除二氧化碳和水分工艺和低温精馏除氮气和氢气的工艺。具有可靠性高，安全性能好，操作维护方便，处理气量大和氩气回收率高等优点。

2）低温精馏工艺中创造性地使用氩精馏塔（氩气同氮气氢气分离）和氮精馏塔（空气中分离出氮气）热耦合技术。从而保证氮精馏塔为氩气常温吸附系统制取再生氮气时减少能量消耗。

3）低温精馏工艺中冷量补充采用少量的补充液氩汽化提供，省去了制取冷量的膨胀机系统，并使空气压缩机气体压缩量减少50％以上，节省大量设备投资和能量消耗，使低温精馏分离控制更加简单可靠。

4）氩精馏塔采用高效规整填料精馏塔，提高了氩气提取率和精馏塔调负荷能力并减少精馏能耗。

5）粗氩气和空气纯化系统采用长周期设计，工况稳定，吸附器出口二氧化碳含量＜1ppm。

6）采用先进的DCS计算机控制技术，实现了中控、机旁、就地一体化的控制体系，能够有效地监控整套设备的生产过程。

附图说明

图1是本发明的一个优选实例流程示意图。

具体实施方式

    下面将结合附图及实施例对本发明作详细的介绍：本发明所述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，其中的冷量来源是使用液氩或使用膨胀机系统制取冷源。

    本发明所述的单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收方法，更具体的步骤包括：

a) 从每个单晶硅生产车间回收的粗氩气汇总后进水冷却器冷却后进粗油过滤单元进行粗油过滤，粗油过滤后通过鼓风机增压，再经水冷却器冷却到常温后通入粗氩气缓冲罐；

来自缓冲罐的粗氩气进入原料氩气压缩机增压，再经过高效精密除油单元进行精密油过滤；

b）压缩并除油的粗氩气进入催化反应系统，在催化反应系统中粗氩气先通过高温回热器与返流的高温氩气换热回收热量，再进入电加热器进一步加温，然后进入烷烃催化炉，在烷烃催化炉中粗氩气中的一氧化碳和烷烃类杂质同氧气发生氧化反应生成水和二氧化碳；

c）除去了一氧化碳和烷烃类杂质的粗氩气经过回热器回收热量，冷却到一定温度之后进入粗氩气加氢除氧装置，在其中氧气同氢气反应生成水，从而除去氩气中的氧气。 粗氩气通过催化反应系统后剩余的杂质为氮气、氢气、水、二氧化碳及乙烯；

d）出催化反应系统的粗氩气经冷却后进入粗氩气纯化系统，粗氩气纯化系统的作用是除去粗氩气中的二氧化碳、乙烯和水，得到只含少量氮气和氢气的粗氩气。粗氩气纯化系统为两台吸附器切换使用，其中一台工作，另一台再生，单台吸附器的工作时间可根据吸附饱和度情况自动切换；该纯化系统再生使用的气体为低温精馏系统生产出的氮气，从而保证再生不会带入氧气等杂质；

e）经粗氩气纯化系统净化后的粗氩气进入低温精馏系统，首先通过低温换热器，被返流低温富氧空气、液氩和低温氮气冷却液化，得到的粗液氩经过节流阀降压后进入氩精馏塔。粗液氩在精馏塔内通过精馏分离，其中的氮气和氢气组分上升至塔顶，而在塔底得到纯液氩。纯液氩在塔底部被抽出，通过液氩泵加压后进入低温换热器复热，得到纯氩气最后送回用户车间。

常规的低温精馏装置都需要配置膨胀机制冷作为整个装置冷量的来源，专利CN102282100A曾使用低温液氮作为精馏系统的冷源。本发明针对单晶硅生产工厂原本使用的氩气来源于贮槽液氩汽化的特点，利用补充液氩作为本装置冷量的来源。作为冷源的这部分补充液氩直接进入氩精馏塔底部的氩蒸发器参与换热，并作为产品液氩的一部分从塔底抽出，最后作为产品氩气送回用户车间，这样既补充了整个工厂的氩气用量同时也节省了液氩汽化器的投资与运行成本。

本发明采用了一台氮精馏塔为氩精馏塔的冷凝器和蒸发器提供冷量和热量，并为粗氩气纯化系统再生提供再生氮气。通过氮精馏塔制取氮气的工艺流程如下：原料空气经过空气过滤器除杂后，进入空气压缩机增压，压缩后的空气通过空气预冷机组冷却，然后进入空气纯化系统除去其中的水份、二氧化碳等杂质。净化后的空气进入低温精馏系统中的低温换热器冷却后直接进氮塔底部，空气在氮塔中进行精馏分离，在氮塔的顶部得到所需的氮气产品，在氮塔底部得到氩塔冷凝器所需的富氧液空，富氧液空为氩塔冷凝器提供冷量。氮塔的冷凝器和氩塔蒸发器耦合在一起，相互提供冷量和热量。氮塔生产的氮气通过低温换热器复热后作为粗氩气纯化系统的再生气，来自氩塔冷凝器蒸发侧的富氧空气通过低温换热器复热后分为两股，一部分作为空气纯化系统的再生气用，多余的直接放空。

 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A，

一对粗氩气进行精密油过滤的压缩除油系统B，

一除去粗氩气中一氧化碳、烷烃与氧组分的催化反应系统C，

一除去粗氩气中二氧化碳和水分的纯化系统D，

一除去粗氩气中氮和氢组分的低温精馏系统E，

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F，

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A中设置一台氩气缓冲罐4，用于稳定粗氩气进入氩气压缩机5前的压力；

在催化反应系统C中采用了高温回热器8对在烷烃催化炉10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；

纯化系统D中的吸附器采用两台切换使用，一台工作时，另一台再生。

本发明在催化反应系统C加氢除氧步骤中使用的氢气来源于水电解氢气发生装置（30）或满足工艺需求的高纯氢气，保证了氢气的高纯度，同时避免了将其它杂质气体带入粗氩气中；所述纯化系统D中的吸附器，可采用分子筛单层吸附床结构，也可采用分子筛加氧化铝的双层吸附床结构。

所述纯化系统D中的吸附器，采用立式径向流吸附床形式，或采用卧式吸附床形式。

本发明所述低温精馏系统E中，分离氩气中氮、氢杂质的氩精馏塔采用高效规整填料精馏塔，可以提高氩气提取率和精馏塔负荷调节能力并减少精馏能耗。

    所述的低温精馏系统E中，分离空气中氮组分的氮精馏塔采用规整填料结构，也可采用散堆填料结构或筛板塔结构。

    本发明所述的单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收装置，该装置更为具体的系统组成有：

A）粗氩气收集预处理系统：包括2台水冷却器，用于将高温粗氩气降至常温；2套粗油过滤单元，主要用于粗氩气中大颗粒油雾的脱除，该单元采用多级过滤器，可将粗氩气中油含量降至10ppmV以下；2台罗茨风机，用于克服管道阻力将氩气输送到氩气缓冲罐；1台罗茨风机后水冷却器，用于冷却增压后的粗氩气；1台常压氩气缓冲罐，用于储存经过预处理后的粗氩气，并保持氩气压缩机入口氩气压力的稳定。其中前3项设备设置2台的原因是粗油过滤单元需要定期清洗，通过一用一备的配置，保证整套装置生产的连续性和可靠性。

B）压缩除油系统：包括1台氩气压缩机，用于提高粗氩气的压力便于后续除油、催化、吸附和精馏工艺的开展；1台冷冻式干燥机，用于压缩氩气的冷却和干燥；2套高效精密油过滤单元，一用一备，用于粗氩气中油份杂质的精密脱除，可将粗氩气中的油含量降至1ppmV以下。

C）催化反应系统：包括1台回热器，用于催化反应后高温氩气热量的回收；1台电加热器，用于粗氩气进烷烃催化炉前加热；1台烷烃催化炉，内装有稀有金属催化剂，尤其优选铂、钯或其混合物以氧化铝为载体的催化剂，用于脱除粗氩气中的一氧化碳和甲烷等烷烃类杂质；1台加氢除氧催化炉，内装有金属催化剂，尤其优选氧化铜或氧化镊或其混合物以氧化铝为载体的催化剂，用于除去粗氩气中剩余的氧气杂质；1台氢气发生装置，尤其优选水电解制氢装置，用于产生加氢除氧工艺所需的氢气；1台水冷却器，用于冷却加氢除氧后的高温氩气；1台氩气预冷机组，将经过水冷却器冷却后的氩气继续冷却，使其达到吸附剂的最优吸附温度。

D）粗氩气纯化系统：包括2台分子筛吸附器，内装13X分子筛，切换使用，用于脱除粗氩气中的二氧化碳和微量水分；1台电加热器（或1台蒸汽加热器），用于为分子筛再生时需要的高温气体加热。

    E）低温精馏系统：包括1台低温换热器，采用铝制板翅式结构，用于粗氩气、空气和返流富氧空气、液氩及氮气的热量交换；1台氩精馏塔，采用规整填料结构，实现粗氩气中氮气、氢气杂质与氩气的分离；1台氮精馏塔，采用筛板结构（或规整填料塔结构），用于生产粗氩气纯化系统再生用的氮气，并分别为氩精馏塔的冷凝器和蒸发器提供冷量和热量；2台液氩泵，一用一备，用于将氩精馏塔产生的液氩增压至满足氩气能够进入用户氩气管网的压力。

F）空气处理系统：包括1台空气过滤器，用于加工空气中灰尘的过滤；1台空气压缩机，用于空气的增压；1台空气预冷机组，用于冷却增压后的压缩空气；1套空气纯化系统，采用2只分子筛吸附器和1台电加热器（或1台蒸汽加热器），用于过滤加工空气中的二氧化碳与水分。

G）自动控制系统：包括1套DCS系统，具备安全指示、报警、调节、控制、联锁等功能；1套阀门，包括各种规格调节阀与手动阀；1套测量仪表，包括温度、压力、流量与液位测量仪表等；1套在线分析仪表，包括2台磁力机械式氧含量分析仪，1台氧化锆微量氧分析仪，1台微量氮分析仪，1台氢含量分析仪，2台红外式二氧化碳分析仪和1台总烃分析仪。

图1所示，本发明主要包括粗氩气收集预处理系统A、压缩除油系统B、催化反应系统C、粗氩气纯化系统D、低温精馏系统E和空气处理系统F。

来自每个单晶硅生产车间单晶炉排放的粗氩气经管道汇总后进入本装置的粗氩气收集预处理系统（A），粗氩气中含有的杂质主要包括一氧化碳、二氧化碳、氧、氮、氢、甲烷、乙烯以及油雾颗粒等。粗氩气进入本装置前温度约在60~80℃之间，首先进入水冷却器1降温至40℃，然后进入粗油过滤单元2将大部分油雾颗粒过滤掉，粗氩气含油量可降至10ppmV，初步除油后的粗氩气进入鼓风机3增压，由常压增压至约50KPaG左右以克服沿程管道阻力进入氩气缓冲罐4。设置缓冲罐的目的是保持粗氩气进入下一步工艺前的压力稳定。

经过除油预处理的粗氩气进入压缩除油系统B，首先经氩气压缩机5增压至约900KPaG左右，压缩后的高温氩气经冷冻式干燥机6冷却到约10℃，然后进入精密油过滤单元7，高压低温状态下气体中的油杂质更容易被去除，粗氩气出精密油过滤单元7后可将含油量降至1ppmV以下甚至可达0.1ppmV。

经过精密除油后的粗氩气接着进入催化反应系统C，首先通过高温回热器8升温至约300℃，再经电加热器9继续加热至约450℃，达到除一氧化碳与烷烃催化剂的最佳工作温度，然后进入烷烃催化炉10，在这里粗氩气中的一氧化碳和烷烃等杂质与氧杂质发生催化氧化反应生产二氧化碳和水蒸汽，一般情况下单晶炉排放的粗氩气中氧组分的摩尔含量远高于一氧化碳及烷烃的摩尔含量之和，若粗氩气中氧含量低于该催化工艺所需的氧气量时，可通过采用高压氧气瓶补充少量纯氧的方法解决，图中没有显示出该补氧装置。粗氩气出烷烃催化炉后由于温度仍高达400℃，为了回收这部分热量所以设置了高温回热器8来加温正流粗氩气，返流粗氩气经回热器8回收热量后温度降至约110℃。此时的粗氩气中还含有过量的氧、二氧化碳、水、氮、氢、乙烯等杂质，接下来首先要去除粗氩气中的氧杂质。粗氩气与来自氢气发生装置30的氢气混合后进入加氢除氧催化炉11，其中加入的氢气的量可由自控系统根据在线氧分析仪测出的粗氩气中剩余氧含量的变化而随时调整，在加入氢气时会保证一定的过量氢气以确保粗氩气中的氧杂质在催化炉中被完全除去，自控系统未在图中显示。 出加氢除氧催化炉11的粗氩气温度升至约200℃，经过水冷却器12冷却至40℃，再进入氩气预冷机组13继续冷却至15℃左右，并在此分离出在加氢除氧催化反应中产生的大部分水，该除水装置未在图中显示。

经过催化系统处理的粗氩气被送入粗氩气纯化系统D，此时粗氩气中只剩下二氧化碳、氮、氢、水及乙烯等杂质。粗氩气进入纯化系统的吸附器14，内装有吸附二氧化碳及乙烯的13X分子筛。吸附器14为两台切换使用，其中一台工作，另一台再生，单台吸附器的工作时间约为8小时，定时自动切换，这样采用长周期设计，有利于分子筛纯化系统工况稳定，吸附器出口二氧化碳含量＜1ppmV。粗氩气纯化系统再生气体使用来自低温精馏系统E产生的纯氮气，氮气经电加热器15加温至约180℃后进入需要再生的吸附器。使用氮气作为再生气体可以保证再生时不会给分子筛带入氧杂质，从而避免了对粗氩气造成二次污染。在粗氩气纯化系统D中粗氩气中的二氧化碳及微量水和乙烯被分子筛吸附，出吸附器14的粗氩气中只含有氮、氢杂质。

经过粗氩气纯化系统处理后的粗氩气进入低温精馏系统E，先经过低温换热器16被返流气体冷却至液化，粗液氩经节流阀减压后进入氩精馏塔17。氩精馏塔采用高效规整填料，可以提高氩气提取率和精馏塔调负荷能力并减少精馏能耗。粗液氩在氩精馏塔17内通过精馏，其中的氮气和氢气组分上升至塔顶，氩组分下降从而在塔底得到纯液氩。在塔顶氩冷凝器底部抽出含氮、氢组分的少量不凝性气体可直接排放进入大气。纯液氩在塔底部被抽出，通过液氩泵19加压至约600KPaG后进入低温换热器16复热，得到的纯氩气最后通过氩气管网送回单晶硅生产车间重新使用。本装置利用了约处理粗氩气气量十分之一的液氩作为整个低温精馏系统的冷源，不仅节省了低温膨胀机的设置，还节约了气化液氩的能耗。补充液氩从氩精馏塔底部进入，在氩蒸发器参与换热，作为产品液氩的一部分被送至液氩泵19去加压，然后经换热器16复热后得到氩气产品去氩气管网。由于本装置的氩回收率可达到90%以上，因此通过这部分补充液氩作为对本装置产品氩气量的补充，可以满足全厂单晶硅炉正常生产所需的全部氩气。

    为了给氩精馏塔的冷凝器和蒸发器提供匹配的冷源与热源，本装置设置了一台氮精馏塔18与氩精馏塔17进行热耦合。氮精馏塔18的原料气为经过空气处理系统F加工后的洁净、干燥的压缩空气。其工作过程如下：空气经过自洁式空气过滤器20过滤掉灰尘等固体杂质后，进入空气压缩机21增压至约500KPaG，压缩后的高温空气经空气预冷机组22冷却至15℃左右，然后进入空气纯化系统23除去空气中的二氧化碳及水分，防止这两种组分在低温下凝固结冰堵塞换热器通道。经过纯化处理的压缩空气进入低温换热器16进行冷却，冷却至饱和温度的压缩空气进入氮精馏塔18的底部开始进行精馏分离，空气中的氮气组分上升至塔顶产生氮气，一部分氮气作为热源进入氩蒸发器，被氩精馏塔17底部的液氩吸收热量之后冷凝成为液氮回流至氮精馏塔18顶部重新参与精馏，另抽取一部分氮气经低温换热器16复热后去粗氩气纯化系统D作为分子筛吸附器的再生气体。氮精馏塔18底部产生的富氧液空作为冷源经节流阀降压后进入氩精馏塔17顶部的氩冷凝器，富氧液空在氩冷凝器吸收热量产生液空蒸汽从氩精馏塔17顶部抽出，经过低温换热器16复热后去空气处理系统F，一部分富氧空气作为空气纯化系统的分子筛再生气体，经过电加热器24加温后去空气纯化系统23的再生吸附器给分子筛加热再生，剩余部分富氧空气则直接去放空消声器放空。 

Claims (10)

1.一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。

2.根据权利要求1所述的单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收方法，其特征在于所述的步骤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，该纯化系统再生所使用的气体为步骤e）中通过低温精馏法产生的纯氮气。

3.根据权利要求1所述的单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收方法，其特征在于步骤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。

4.根据权利要求1所述的单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收方法，其特征在于步骤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。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收方法，其特征在于步骤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提供冷量或采用膨胀机系统制冷。

6.一种用于如权利要求1或2或3或4或5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（A），

一对粗氩气进行精密油过滤的压缩除油系统（B），

一除去粗氩气中一氧化碳、烷烃与氧组分的催化反应系统（C），

一除去粗氩气中二氧化碳和水分的纯化系统（D），

一除去粗氩气中氮和氢组分的低温精馏系统（E），

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（F），

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（A）中设置一台氩气缓冲罐（4），用于稳定粗氩气进入氩气压缩机（5）前的压力；

在催化反应系统（C）中采用了高温回热器（8）对在烷烃催化炉（10）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；

纯化系统（D）中的吸附器采用两台切换使用，一台工作时，另一台再生。

7.根据权利要求6所述的单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收装置，其特征在于在催化反应系统（C）加氢除氧步骤中使用的氢气来源于水电解氢气发生装置（30）或满足工艺需求的高纯氢气，保证了氢气的高纯度，同时避免了将其它杂质气体带入粗氩气中；所述纯化系统（D）中的吸附器，可采用分子筛单层吸附床结构，也可采用分子筛加氧化铝的双层吸附床结构。

8.根据权利要求6或7所述的单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收装置，其特征在于所述纯化系统（D）中的吸附器，采用立式径向流吸附床形式，或采用卧式吸附床形式。

9.根据权利要求6所述的单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收装置，其特征在于所述低温精馏系统（E）中，分离氩气中氮、氢杂质的氩精馏塔采用高效规整填料精馏塔，可以提高氩气提取率和精馏塔负荷调节能力并减少精馏能耗。

10.   根据权利要求6或9所述的单晶硅制备工艺中排放氩气的净化回收装置，其特征在于所述的低温精馏系统（E）中，分离空气中氮组分的氮精馏塔采用规整填料结构，也可采用散堆填料结构或筛板塔结构。